CN111385499A - 双转换增益图像传感器的实现方法 - Google Patents

双转换增益图像传感器的实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种双转换增益图像传感器的实现方法，包括：图像传感器产生的像素信号经第一隔直电容后作为比较器的像素输入信号，斜坡发生器产生的斜坡信号经第二隔直电容后作为比较器的斜坡输入信号，比较器对像素输入信号和斜坡输入信号进行比较后输出数字信号；图像传感器的浮置扩散区由低转换增益切换到高转换增益时，由于对浮置扩散区产生额外的电荷注入，导致像素输入信号偏移；通过对斜坡输入信号进行补偿，匹配像素输入信号的偏移，提高像素信号转换为数字信号的准确性。本发明在不改变时钟频率和信号处理时间，避免版图面积增加的前提下，消除增益切换过程中对浮置扩散区额外的电荷注入导致的影响，提高像素信号转换为数字信号的准确性。

Description

双转换增益图像传感器的实现方法
技术领域
本发明涉及图像传感器领域，特别涉及双转换增益(Dual Conversion Gain)高动态范围图像传感器的实现方法。
背景技术
标准图像传感器具有大致60dB至70dB的有限动态范围。然而，现实世界的亮度的动态范围要大得多。自然景象通常跨越90dB及以上的范围。为同时捕获强光及阴影，已在图像传感器中使用了高动态范围技术来增大所捕获的动态范围。增大动态范围的最常见技术为将用标准（低动态范围）图像传感器捕获的多个曝光合并成单个线性高动态图像，所述单个线性高动态范围图像具有比单个曝光图像大得多的动态范围。
最常见的高动态范围图像传感器解决方案中的方法中，为使得多个曝光进入单个图像传感器，在具有不同曝光积分时间或不同灵敏度的情况下，一个图像传感器可在单个图像传感器中具有多个不同的曝光。使用这种高动态范围图像传感器，可在单词拍摄中得到多个曝光图像。然而，与正常权分辨率图像传感器相比，在使用这种高动态图像传感器的情况下，总图像分辨率降低了，举例来说，对应在一个图像传感器中组合4个不同曝光的高动态范围图像传感器，每一个高动态范围图像传感的分辨率仅为全分辨率图像的四分之一。
因此，引入高帧率、低功耗的高动态范围图像传感器为业内亟待解决的课题。
申请号为201711390610.7的中国专利申请，公开了一种双转换增益图像传感器的图像传感器像素，如图1所示，该图像传感器像素包括：TX转移晶体管100，光电二极管110，RST复位晶体管120，FD浮置扩散区130，SF源跟随晶体管140，SEL选择晶体管150，DCG控制晶体管160，控制晶体管160其耦接于浮置扩散区130；控制晶体管的栅极耦合于列控制线，通过控制晶体管调整浮置扩散区的电容大小，实现浮置扩散区的增益切换，采用上下两段的列控制线分别控制一列图像传感器的上半部分控制晶体管和下半部分的控制晶体管，以减少列控制线的负载。图像传感器像素还包括：第一电容170，第二电容180，PXD信号190。请继续参考图2，图2为该专利申请的另一实施例中图像传感器像素的示意图，在该实施例中，与图1不同的地方在于控制晶体管160、第一电容170的位置，但原理和实现方法相同。
于是，通过自适应的切换图像传感器的浮置扩散区130的转换增益，将高增益的图像信号和低增益的图像信号一次读出，相比两次读出可以将图像传感器的帧率提升一倍，同时也可以节省功耗。
然而，该双转换增益图像传感器所输出的像素信号转换为数字信号的过程如图3所示，其中，图1或图2中的图像传感器产生的像素信号PXD 190经第一隔直电容C1后作为比较器210的像素输入信号PXDin，斜坡发生器（未示出）产生的斜坡信号RAMP经第二隔直电容C2后作为比较器210的斜坡输入信号RAMPin，比较器210对像素输入信号PXDin和斜坡输入信号RAMPin进行比较后输出结果compo1，从而将像素信号PXD转换为数字信号compo1。比较器210的一个实施例为差分输入单端输出的放大器，其结构如图4所示，输入端Vip、Vin分别接输入信号RAMPin、PXDin，输出端Vout输出比较结果compo1。另外，EQ（输入失调消除电路）220用于消除图像传感器的列读出电路的输入失调。
图5显示的是该双转换增益图像传感器的实现方法中部分信号的时序图，其中RST，EQ，FD的工作原理与申请号为201711390610.7的中国专利申请相同，不再赘述，图5中增加了斜坡信号RAMP和斜坡输入信号RAMPin的相应波形的变化。因为在浮置扩散区130从低增益切换成高增益的时候，也就是图中low到high的过程，由于控制晶体管160的关断，会对浮置扩散区130带来额外的电荷注入，导致浮置扩散区130的电压降低，从而导致像素信号PXD、像素输入信号PXDin降低。也就是说，这会导致PXD输出的ref2比ref1多一个固定的偏差，这个偏差可能会超出斜坡信号RAMP上ref2段的量程，同样的这个偏差也会影响到sig的量化，从而影响像素信号转换为数字信号的准确性。最简单的改善方法就是增大RAMP波形上ref2和sig的宽度，然而，该方法存在下面的几个缺点：1. 在时钟频率不变的情况下，会增加信号处理时间；2. 如果要保持信号处理时间不变，那就要加快时钟频率；3. Ref2和sig的宽度增加，可能会导致column（列读出电路）里面用于存储比较器输出结果的计数器位数增加，从而增加版图的面积。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双转换增益图像传感器的实现方法，在不改变时钟频率和信号处理时间，避免版图面积的增加的前提下，消除增益切换过程中对浮置扩散区额外的电荷注入导致的影响，提高像素信号转换为数字信号的准确性。
为解决上述问题，本发明提供一种双转换增益图像传感器的实现方法，包括：图像传感器产生的像素信号经第一隔直电容后作为比较器的像素输入信号，斜坡发生器产生的斜坡信号经第二隔直电容后作为比较器的斜坡输入信号，比较器对像素输入信号和斜坡输入信号进行比较后输出数字信号；图像传感器的浮置扩散区由低转换增益切换到高转换增益时，由于对浮置扩散区产生额外的电荷注入，导致像素输入信号偏移；通过对斜坡输入信号进行补偿，匹配像素输入信号的偏移，提高像素信号转换为数字信号的准确性。
优选的，所述对斜坡输入信号进行补偿的步骤包括：通过斜坡发生器产生斜坡信号的偏移，使得斜坡输入信号相应偏移。
优选的，所述对斜坡输入信号进行补偿的步骤包括：通过在第二隔直电容与比较器的输入端之间的补偿电容上施加补偿电压，使得斜坡输入信号偏移。
优选的，所述浮置扩散区由低转换增益切换到高转换增益的步骤包括：
将所述浮置扩散区设定为低转换增益；
执行所述浮置扩散区的复位；
执行图像传感器的列读出电路的输入失调消除；
从所述浮置扩散区取样低转换增益复位信号；
将所述浮置扩散区设定为高转换增益；
从所述浮置扩散区取样高转换增益复位信号。
优选的，浮置扩散区由低转换增益切换到高转换增益的步骤包括：
将所述浮置扩散区设定为低转换增益；
执行所述浮置扩散区的复位；
执行图像传感器的列读出电路的输入失调消除；
将所述浮置扩散区设定为高转换增益；
从所述浮置扩散区取样高转换增益复位信号。
优选的，浮置扩散区由低转换增益切换到高转换增益的步骤包括：
将所述浮置扩散区设定为低转换增益；
执行所述像素的浮置扩散区的复位；
将所述浮置扩散区设定为高转换增益；
执行图像传感器的列读出电路的输入失调消除；
从所述浮置扩散区取样高转换增益复位信号。
优选的，提供控制晶体管，其耦接于浮置扩散区；所述控制晶体管的栅极耦合于列控制线，通过控制晶体管调整浮置扩散区的电容大小，实现浮置扩散区的增益切换。
优选的，采用上下两段的列控制线分别控制一列图像传感器的上半部分控制晶体管和下半部分的控制晶体管，以减少列控制线的负载。
本发明的双转换增益图像传感器的实现方法，通过对斜坡输入信号进行补偿，匹配像素输入信号的偏移，在不改变时钟频率和信号处理时间，避免版图面积的增加的前提下，消除增益切换过程中对浮置扩散区额外的电荷注入导致的影响，提高像素信号转换为数字信号的准确性。
附图说明
通过说明书附图以及随后与说明书附图一起用于说明本发明某些原理的具体实施方式，本发明所具有的其它特征和优点将变得清楚或得以更为具体地阐明。
图1为现有技术一个实施例的双转换增益图像传感器的结构示意图；
图2为现有技术另一实施例的双转换增益图像传感器的结构示意图；
图3为现有技术的双转换增益图像传感器的像素信号转换为数字信号的过程示意图；
图4为图3中的比较器的一个实施例的结构示意图；
图5为现有技术的双转换增益图像传感器的实现方法中部分信号的时序图；
图6为本发明一个实施例中双转换增益图像传感器的实现方法中部分信号的时序图；
图7为本发明另一实施例中双转换增益图像传感器的像素信号转换为数字信号的过程示意图；
图8为本发明另一实施例中双转换增益图像传感器的实现方法中部分信号的时序图。
具体实施方式
本发明提供一种双转换增益图像传感器的实现方法，包括：图像传感器产生的像素信号经第一隔直电容后作为比较器的像素输入信号，斜坡发生器产生的斜坡信号经第二隔直电容后作为比较器的斜坡输入信号，比较器对像素输入信号和斜坡输入信号进行比较后输出数字信号；图像传感器的浮置扩散区由低转换增益切换到高转换增益时，由于对浮置扩散区产生额外的电荷注入，导致像素输入信号偏移；通过对斜坡输入信号进行补偿，匹配像素输入信号的偏移，提高像素信号转换为数字信号的准确性。
以下结合具体实施方式对本发明进行说明，
第一实施例：请参考图3、图6。
图3为现有技术的双转换增益图像传感器的像素信号转换为数字信号的过程示意图；
图6为本发明一个实施例中双转换增益图像传感器的实现方法中部分信号的时序图。
本实施例中，在不改变图3所示的现有技术双转换增益图像传感器的比较电路结构基础上，通过斜坡发生器产生斜坡信号RAMP的偏移，使得斜坡输入信号RAMPin相应偏移。
由于图像传感器的浮置扩散区130由低转换增益切换到高转换增益时，额外的电荷注入导致浮置扩散区130的电压会产生一个固定的下降，从而导致像素信号PXD、像素输入信号PXDin上也有一个固定的下降，通过在斜坡信号RAMP端也增加一个相应的下降，从而使得斜坡输入信号RAMPin相应下降，用来匹配像素输入信号PXDin的固定下降。具体的，斜坡信号RAMP采用如图6中的虚线部分的波形，相应的，斜坡输入信号RAMPin也采用如图6中的虚线部分的波形，在ref2上下降X，在sig上下降Y，X和Y可以单独调节，可以相等也可以不等，也可以为0，最终在数字处理中加入X和Y进行计算获得高增益和低增益的输出值。
本实施例的双转换增益图像传感器的实现方法，通过斜坡发生器产生斜坡信号RAMP的偏移，使得斜坡输入信号RAMPin相应偏移，从而匹配像素输入信号PXDin的偏移，在不改变时钟频率和信号处理时间，避免版图面积的增加的前提下，消除增益切换过程中对浮置扩散区额外的电荷注入导致的影响，提高像素信号转换为数字信号的准确性。
不过该方法中，通过斜坡发生器产生斜坡信号RAMP的偏移，这会限制斜坡信号RAMP上模拟增益的使用。
第二实施例：请参考图7、图8。
图7为本发明另一实施例中双转换增益图像传感器的像素信号转换为数字信号的过程示意图；
图8为本发明另一实施例中双转换增益图像传感器的实现方法中部分信号的时序图。
本实施例中，在不改变斜坡发生器产生的斜坡信号RAMP的基础上，通过在第二隔直电容C2与比较器210的输入端之间的补偿电容C4上施加补偿电压Vosramp，使得斜坡输入信号RAMPin偏移。
如图7所示，与现有技术的比较电路相比，第二隔直电容C2与比较器210的输入端（RAMPin的输入端）之间增加一个补偿电容C4，低增益的时候开关310导通，补偿电容C4接到补偿电压Vosramp，Vosramp是一个固定电平，高增益的时候开关320导通，补偿电容C4接到模拟地信号agnd。另外，第一隔直电容C1与比较器210的输入端（PXDin的输入端）之间增加一个C3电容，固定接模拟地信号agnd，用来实现比较器210输入两端电容匹配。C5，C6为寄生电容，分别接模拟地信号agnd。于是，斜坡发生器产生的斜坡信号RAMP的波形不变，如图8中的实线部分所示，但是斜坡输入信号RAMPin上产生了一个固定的下降，其波形如图8中的虚线部分所示，在ref2和sig上面下降同样的值Z，最终在数字处理中不需要加入Z进行计算，相比前一种方案数字处理更加简单。
下面是对于补偿值Vosramp的推导过程：
从低增益转换到高增益的时候，PXDin点的电荷 QUOTE
Figure 192303DEST_PATH_IMAGE002
Figure 109443DEST_PATH_IMAGE002
和 QUOTE
Figure 482656DEST_PATH_IMAGE004
Figure 877865DEST_PATH_IMAGE004
分别为下面的式子：
Figure 692237DEST_PATH_IMAGE006
Figure 514700DEST_PATH_IMAGE008
根据电荷守恒定律
Figure 781733DEST_PATH_IMAGE010
可以得到：
QUOTE
Figure 449475DEST_PATH_IMAGE012
Figure 118354DEST_PATH_IMAGE012
QUOTE
Figure 111717DEST_PATH_IMAGE014
Figure 866047DEST_PATH_IMAGE014
同理可以得出下面的结论：
Figure 603059DEST_PATH_IMAGE016
Figure 719919DEST_PATH_IMAGE018
Figure 149763DEST_PATH_IMAGE020
QUOTE
Figure 391389DEST_PATH_IMAGE022
Figure 666512DEST_PATH_IMAGE022
QUOTE
Figure 309983DEST_PATH_IMAGE024
Figure 113991DEST_PATH_IMAGE024
为了抵消DCG控制晶体管160关断的时候对浮置扩散区130的电荷注入，必须满足下面的等式：
QUOTE
Figure 842913DEST_PATH_IMAGE026
Figure 921727DEST_PATH_IMAGE026
QUOTE
Figure 419705DEST_PATH_IMAGE028
Figure 784827DEST_PATH_IMAGE028
所以可以得到Vosramp的值：
Figure DEST_PATH_IMAGE029
本实施例的双转换增益图像传感器的实现方法，通过在第二隔直电容C2与比较器210的输入端之间的补偿电容C4上施加补偿电压Vosramp，使得斜坡输入信号RAMPin偏移，匹配像素输入信号PXDin的偏移，在不改变时钟频率和信号处理时间，避免版图面积的增加的前提下，消除增益切换过程中对浮置扩散区额外的电荷注入导致的影响，提高像素信号转换为数字信号的准确性。
该实施例中，斜坡输入信号RAMPin的偏移不是在斜坡信号RAMP波形产生过程中加的，而是在斜坡信号RAMP产生之后再外部叠加的，因此，斜坡发生器产生的斜坡信号RAMP波形不变，不会限制斜坡信号RAMP上模拟增益的使用。
此外，上面两种实施例只提到了处理ref的时候从低增益变换到高增益的时候的电荷注入，其实在判断完成，也就是图6、图8所示的CMP后面，如果判定为高增益，DCG控制晶体管160状态不变，但是如果是判定为低增益，DCG控制晶体管160需要重新打开，这个时候会从浮置扩散区130上抽电子，可以认为抽走的电子和从低增益变成高增益的状态的时候的电子注入相差不大，不会影响正常工作，即使有偏差也可以在后续数字处理的时候加一个固定的偏差来抵消。
本领域技术人员可以理解，上面两种实施例均适用申请号为201711390610.7的中国专利申请中的几种情况，也就是说，本申请的双转换增益图像传感器的实现方法中，所述浮置扩散区由低转换增益切换到高转换增益的步骤，包括但不仅限于如下几种情况：
（1）所述浮置扩散区由低转换增益切换到高转换增益的步骤包括：
将所述浮置扩散区设定为低转换增益；
执行所述浮置扩散区的复位；
执行图像传感器的列读出电路的输入失调消除；
从所述浮置扩散区取样低转换增益复位信号；
将所述浮置扩散区设定为高转换增益；
从所述浮置扩散区取样高转换增益复位信号。
（2）浮置扩散区由低转换增益切换到高转换增益的步骤包括：
将所述浮置扩散区设定为低转换增益；
执行所述浮置扩散区的复位；
执行图像传感器的列读出电路的输入失调消除；
将所述浮置扩散区设定为高转换增益；
从所述浮置扩散区取样高转换增益复位信号。
（3）浮置扩散区由低转换增益切换到高转换增益的步骤包括：
将所述浮置扩散区设定为低转换增益；
执行所述像素的浮置扩散区的复位；
将所述浮置扩散区设定为高转换增益；
执行图像传感器的列读出电路的输入失调消除；
从所述浮置扩散区取样高转换增益复位信号。
优选的，本发明的双转换增益图像传感器的实现方法中，提供控制晶体管，其耦接于浮置扩散区；所述控制晶体管的栅极耦合于列控制线，通过控制晶体管调整浮置扩散区的电容大小，实现浮置扩散区的增益切换。
优选的，本发明的双转换增益图像传感器的实现方法中，采用上下两段的列控制线分别控制一列图像传感器的上半部分控制晶体管和下半部分的控制晶体管，以减少列控制线的负载。
本发明的双转换增益图像传感器的实现方法，通过对斜坡输入信号进行补偿，匹配像素输入信号的偏移，在不改变时钟频率和信号处理时间，避免版图面积的增加的前提下，消除增益切换过程中对浮置扩散区额外的电荷注入导致的影响，提高像素信号转换为数字信号的准确性。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论如何来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。此外，明显的，“包括”一词不排除其他元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。装置权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (8)

1.一种双转换增益图像传感器的实现方法，其特征在于，包括：
图像传感器产生的像素信号经第一隔直电容后作为比较器的像素输入信号，斜坡发生器产生的斜坡信号经第二隔直电容后作为比较器的斜坡输入信号，比较器对像素输入信号和斜坡输入信号进行比较后输出数字信号；
图像传感器的浮置扩散区由低转换增益切换到高转换增益时，由于对浮置扩散区产生额外的电荷注入，导致像素输入信号偏移；
通过对斜坡输入信号进行补偿，匹配像素输入信号的偏移，提高像素信号转换为数字信号的准确性。
2.如权利要求1所述的双转换增益图像传感器的实现方法，其特征在于，所述对斜坡输入信号进行补偿的步骤包括：通过斜坡发生器产生斜坡信号的偏移，使得斜坡输入信号相应偏移。
3.如权利要求1所述的双转换增益图像传感器的实现方法，其特征在于，所述对斜坡输入信号进行补偿的步骤包括：通过在第二隔直电容与比较器的输入端之间的补偿电容上施加补偿电压，使得斜坡输入信号偏移。
4.如权利要求1所述的双转换增益图像传感器的实现方法，其特征在于，所述浮置扩散区由低转换增益切换到高转换增益的步骤包括：
将所述浮置扩散区设定为低转换增益；
执行所述浮置扩散区的复位；
执行图像传感器的列读出电路的输入失调消除；
从所述浮置扩散区取样低转换增益复位信号；
将所述浮置扩散区设定为高转换增益；
从所述浮置扩散区取样高转换增益复位信号。
5.如权利要求1所述的双转换增益图像传感器的实现方法，其特征在于，浮置扩散区由低转换增益切换到高转换增益的步骤包括：
将所述浮置扩散区设定为低转换增益；
执行所述浮置扩散区的复位；
执行图像传感器的列读出电路的输入失调消除；
将所述浮置扩散区设定为高转换增益；
从所述浮置扩散区取样高转换增益复位信号。
6.如权利要求1所述的双转换增益图像传感器的实现方法，其特征在于，浮置扩散区由低转换增益切换到高转换增益的步骤包括：
将所述浮置扩散区设定为低转换增益；
执行所述像素的浮置扩散区的复位；
将所述浮置扩散区设定为高转换增益；
执行图像传感器的列读出电路的输入失调消除；
从所述浮置扩散区取样高转换增益复位信号。
7.如权利要求1所述的双转换增益图像传感器的实现方法，其特征在于，提供控制晶体管，其耦接于浮置扩散区；所述控制晶体管的栅极耦合于列控制线，通过控制晶体管调整浮置扩散区的电容大小，实现浮置扩散区的增益切换。
8.如权利要求7所述的双转换增益图像传感器的实现方法，其特征在于，采用上下两段的列控制线分别控制一列图像传感器的上半部分控制晶体管和下半部分的控制晶体管，以减少列控制线的负载。
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