CN111565032B - 信号转换电路及信号读出电路架构 - Google Patents

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Abstract

一种信号转换电路以及信号读出电路架构，所述信号转换电路包括：输入开关电容，一端接收所述感测阵列输出的电信号，另一端与所述运算放大器的输入端耦接；反馈开关电容，一端与所述运算放大器的输入端耦接，另一端与运算放大器的输入输出端耦接；输入开关，适于控制所述输入开关电容的接入与否；反馈开关，适于控制所述反馈开关电容的接入与否；其中，所述感测阵列输出的电信号包括电荷、电流或电压，所述输入开关电容和反馈开关电容的等效阻抗与所述感测阵列的输出特性相关。根据所述感测阵列输出的不同信号，所述信号转换电路可以采用不同的转换模式，以使所述信号读出电路架构可应用于不同的感测阵列。

Description

信号转换电路及信号读出电路架构
技术领域
本发明涉及电子电路领域，具体地，涉及一种信号转换电路以及信号读出电路架构。
背景技术
图像传感器是组成数字摄像头的重要组成部分，主要用于数码相机和工业、媒体、医疗、消费电子中应用的大量成像设备。随着照相机、摄像机、多媒体手机需求的日益增长，图像传感器市场正在快速增长。其中，信号读出电路是图像传感器的重要组成部分。CMOS集成电路由于其低功耗、低工作电压和集成度高等特点，逐渐成为信号读出电路的主流工艺。
图像传感器中的感测阵列用于将光信号转化成电信号，目前，感测阵列以被动式像素结构为主，所感测到的电荷或电流信号，未经放大即由外部信号读出电路加以读取。近年来，主动式像素结构的感测阵列也逐渐增多，所感测到的电荷或电流信号，经过图像传感器中的像素电路加以处理，不同的感测阵列的输出信号，有着不同的形式或范围。
因此，需要一种新的信号读出电路架构，能够读取不同的感测阵列的输出信号。
发明内容
为读取不同的感测阵列的输出信号，本发明实施例提供了一种信号转换电路，包括：运算放大器，适于将感测阵列输出的电信号进行放大；还包括：输入开关电容，一端接收所述感测阵列输出的电信号，另一端与所述运算放大器的输入端耦接；反馈开关电容，一端与所述运算放大器的输入端耦接，另一端与所述运算放大器的输出端耦接；输入开关，适于控制所述输入开关电容的接入与否；反馈开关，适于控制所述反馈开关电容的接入与否。
可选地，所述感测阵列输出的电信号包括电荷、电流或电压，所述输入开关电容和反馈开关电容的等效阻抗与所述感测阵列的输出特性相关。
可选地，所述输入开关电容包括串联的第一开关和第一电容器。
可选地，所述反馈开关电容包括并联的第二电容器和第二开关以及与所述并联的第二电容器和第二开关串联的第三开关。
可选地，所述感测阵列为被动像素结构，且输出电荷信号，所述输入开关控制所述输入开关电容被短路，所述反馈开关断开，所述第二开关断开，以及所述第三开关闭合。
可选地，所述感测阵列为被动像素结构，且输出电流信号，所述输入开关控制所述输入开关电容被短路；所述反馈开关断开，所述反馈开关电容的第二开关和第三开关受到频率为第一频率的时钟脉冲信号控制，且所述第二开关和第三开关的时钟脉冲信号的相位相反。
可选地，所述感测阵列为主动像素结构，且输出电流信号，所述输入开关控制所述输入开关电容被短路；所述反馈开关断开，所述反馈开关电容的第二开关和第三开关受到频率为第二频率的时钟脉冲信号控制，且所述第二开关和第三开关的时钟脉冲信号的相位相反，所述第二频率大于第一频率。
可选地，所述感测阵列为主动像素结构，输出的电信号为电压，所述输入开关断开，所述输入开关电容的第一开关受到时钟脉冲信号控制；所述反馈开关断开，所述反馈开关电容的第二开关和第三开关受到时钟脉冲信号控制，且所述第二开关和第三开关的时钟脉冲信号的相位相反。
可选地，所述时钟脉冲信号经由脉冲信号模块产生。
本发明实施例提供了一种信号读出电路架构，包括多条读出支路，所述多条读出支路用于读出所述感测阵列各行或各列的信号，每条读出支路包括本发明实施例的信号转换电路。
可选地，每条读出支路还包括：多路复用器模块，适于将感测阵列的多个输出信号进行复用输出；采样模块，适于对所述信号转换电路的输出信号进行相关双采样，并将采样信号输出；以及模数转换模块，适于将所述采样模块的输出的模拟信号转换为数字信号；所述信号读出电路架构还包括：脉冲信号模块，适于向所述信号转换电路输出不同频率的时钟脉冲信号，以调节所述信号转换电路的等效阻抗。
可选地，所述感测阵列内置于TFT图像传感器。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下优点：
本发明实施例提供了一种信号转换电路，包括：输入开关电容，一端接收所述感测阵列输出的电信号，另一端与所述运算放大器的输入端耦接；反馈开关电容，一端与所述运算放大器的输入端耦接，另一端与运算放大器的输入输出端耦接；输入开关，适于控制所述输入开关电容的接入与否；反馈开关，适于控制所述反馈开关电容的接入与否；其中，所述感测阵列输出的电信号包括电荷、电流或电压，所述输入开关电容和反馈开关电容的等效阻抗与所述感测阵列的输出特性相关。所述信号转换电路引入开关电容以实现电阻元件，并根据所述感测阵列输出的不同信号，所述信号转换电路可以采用不同的转换模式，以使所述信号读出电路架构可应用于不同的感测阵列。因此，在系统应用中更换或开发不同的感测阵列时，所述信号读出电路可使用同一种运算放大器，仅需根据不同的感测阵列调整其他的电路元件组成，无需重新设计制造信号读出电路，大幅减少系统产品的开发时间以及成本。
进一步，所述信号读出电路架构包括脉冲信号模块，向所述信号转换电路输出不同频率的脉冲信号，以调节所述信号转换电路的等效阻抗。由此，所述信号读出电路架构可以在相同的面积成本下，大范围地改变元件值，从而可以处理较大范围的感测阵列输出信号。
附图说明
图1是现有技术中的一种信号读出电路架构的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种信号读出电路架构的结构示意图；
图3是本发明实施例中处于第一转换模式的信号转换电路的示意图；
图4是本发明实施例中处于第二转换模式的信号转换电路的示意图；
图5是本发明实施例中处于第三转换模式的信号转换电路的示意图；
图6是本发明实施例中处于第四转换模式的信号转换电路的示意图。
具体实施方式
参考图1，图1是现有技术中的一种信号读出电路架构的结构示意图。
图1所示的信号读出电路架构包括多个读出支路，适于读出感测阵列输出的信号。每个读出支路均包括信号转换模块(图1虚线框中结构)，所述信号转换模块包括运算放大器以及可变电容，所述信号转换模块通过可变电容读取感测阵列中所输出的电荷信号，以及一定时间内的电流信号，并将上述信号转变为电压，以供后续进行相关双采样以及模数转换。
但是，对于不同感测阵列输出的信号，需要设计对应的外部信号读出电路来处理，各信号读出电路用途单一，无法通用。若感测阵列的输出信号为电压，则图1所示的信号读出电路无法读取。此外，在此设计中，虽然可以调节信号转换模块中电容器的电容值，但当电流范围相差大至数十倍以上时，便无法使用同一个信号读出电路来处理，需要针对不同的感测阵列开发不同的信号读出电路，增加设计、制作以及管理上的成本。
参考图2，图2是本发明实施例提供的一种信号读出电路架构的结构示意图。
如图2所示，所述信号读出电路架构200用于读出感测阵列100输出的电信号，所述信号读出电路架构200包括多条读出支路，分别读出感测阵列100各行或各列的信号。每条读出支路均包括：多路复用器模块(11-1n)，信号转换电路(21-2n)，采样模块(31-3n)以及模数转换模块(41-4n)。在一些实施例中，所述信号读出电路架构200还包括脉冲信号模块20。
在具体实施中，所述多路复用器模块(11-1n)用于将感测阵列的多个输出信号进行复用输出，从而减少芯片的引脚数量，降低芯片的设计复杂度。所述信号转换电路(21-2n)用于将所述感测阵列输出的电荷、电流或电压信号转换成电压信号输出。所述采样模块(31-3n)，对所述信号转换电路的输出信号进行相关双采样，并将采样信号输出。通过对感测阵列的信号进行相关双采样，可以消除复位噪声的干扰，对低频噪声也有抑制作用，因此可以显著改善信噪比，提高信号检测精度，从而提升图像传感器所采集的图像的质量。所述模数转换模块(41-4n)适于将模拟信号转换成数字信号，以便于后续图像处理。
在一些实施例中，所述脉冲信号模块20适于向所述信号转换电路(21-2n)输出不同频率的时钟脉冲信号，以调节所述信号转换电路的等效阻抗。在具体实施中，所述脉冲信号模块20根据所述感测阵列输出的不同信号，向所述信号转换电路(21-2n)输出不同频率的时钟脉冲信号。
在具体实施中，所述多路复用器模块(11-1n)、采样模块(31-3n)、模数转换模块(41-4n)以及所述脉冲信号模块20可以采用不同的具体结构，本发明实施例不做任何限定。
需要注意的是，图2所示的信号读出电路架构的示意图，并不意味着本发明实施例所提供的信号读出电路架构200仅包含上述各个模块，例如，在一些实施例中，所述信号读出电路架构200还可以包括移位寄存器等模块单元，以进行相应的数据和信号处理。
在一些实施例中，所述感测阵列内置于薄膜晶体管(Thin Film Transistor，TFT)传感器，所述TFT传感器可以制作在玻璃或者软板上，从而可以获得较大的制作面积。
以下以图3为例，具体说明所述信号转换电路的结构。
所述信号转换电路包括运算放大器AMP，适于将感测阵列输出的电信号进行放大；输入开关电容211，一端接收所述感测阵列输出的电信号，另一端与所述运算放大器AMP的输入端耦接；反馈开关电容212，一端与所述运算放大器AMP的输入端耦接，另一端与所述运算放大器AMP的输入输出端耦接；输入开关S1，适于控制所述输入开关电容211的接入与否；以及反馈开关S3，适于控制所述反馈开关电容212的接入与否。所述感测阵列输出的电信号包括电荷、电流或电压，所述输入开关电容211和反馈开关电容212的等效阻抗与所述感测阵列的输出特性相关。
在一些实施例中，所述输入开关S1与所述输入开关电容211并联；所述反馈开关S3与所述反馈开关电容212并联。
在一些实施例中，所述输入开关电容211包括串联的第一开关S2和第一电容器C1。在具体实施中，所述第一开关S2接收时钟脉冲信号。所述脉冲信号单元通过输出不同频率的脉冲信号，以调节所述输入开关电容211的等效阻抗。
在一些实施例中，所述反馈开关电容212包括并联的第二电容器C2和第二开关S5以及与所述并联的第二电容器C2和第二开关S5串联的第三开关S4。在具体实施中，与所述第一开关S2类似，所述第二开关S5与所述第三开关S4接收时钟脉冲信号。所述脉冲信号单元通过输出不同频率的脉冲信号，以调节所述反馈开关电容212的等效阻抗。
以下结合参考图3至图6，说明所述信号转换电路在不同模式下的结构与状态。
参考图3，图3是本发明实施例中处于第一转换模式的信号转换电路的示意图。
在一些实施例中，所述感测阵列为被动像素结构，且输出电荷信号，此时，所述信号转换电路为第一转换模式：所述输入开关S1闭合，控制所述输入开关电容211被短路；所述反馈开关S3断开，所述第二开关S5断开，以及所述第三开关S4闭合。
当处于第一转换模式时，所述信号转换电路等效为积分电路，所述第二电容器C2为飞法(fF)至皮法(pF)级别的电容。在具体实施中，所述第二电容器C2接收电荷信号，并输出电压信号。
参考图4，图4是本发明实施例中处于第二转换模式的信号转换电路的示意图。
在一些实施例中，所述感测阵列为被动像素结构，且输出电流信号，此时，所述信号转换电路为第二转换模式：所述输入开关S1闭合，控制所述输入开关电容211被短路；所述反馈开关S3断开，所述反馈开关电容212的第二开关S5和第三开关S4受到频率为第一频率f1的时钟脉冲信号CLK控制，且所述第二开关S5和所述第三开关S4的时钟脉冲信号CLK的相位相反。
当处于第二转换模式时，所述反馈开关电容212等效为电阻，其等效阻值与所述第一频率f1与所述第二电容器C2的电容值的乘积成反比，在具体实施中，其等效阻值的范围为1kΩ至100MΩ。所述第二电容器C2接收电流信号，并输出电压信号。
参考图5，图5是本发明实施例中处于第三转换模式的信号转换电路的示意图。
在一些实施例中，所述感测阵列为主动像素结构，且输出电流信号，此时，所述信号转换电路为第三转换模式：所述输入开关S1闭合，控制所述输入开关电容211被短路；所述反馈开关S3断开，所述反馈开关电容212的第二开关S5和第三开关S4受到频率为第二频率f2的时钟脉冲信号CLK控制，且所述第二开关S5和所述第三开关S4的时钟脉冲信号CLK的相位相反。
当处于第三转换模式时，所述反馈开关电容212等效为电阻，其等效阻值与所述第二频率f2与所述第二电容器C2的电容值的乘积成反比，在具体实施中，其等效阻值的范围为1kΩ至100MΩ。所述第二电容器C2接收电流信号，并输出电压信号。
与所述第二转换模式的不同之处在于，在所述第三转换模式中，感测阵列为主动像素结构，通常来说，主动像素结构的感测阵列会将输出的电流信号放大，因此，相比第二转换模式下的信号转换电路，第三转换模式下的信号转换电路接收的电流信号的幅值更大，因此，所述第二频率f2大于所述第一频率f1，第三转换模式下的反馈开关电容212可以获得较高的等效电阻值，从而可以处理幅度更大的电流信号。
参考图6，图6是本发明实施例中处于第四转换模式的信号转换电路的示意图。
在一些实施例中，所述感测阵列包含源极跟随器，因此，输出的电信号为电压信号，此时，所述输入开关S1端开，所述输入开关电容211的第一开关S2受到时钟脉冲信号CLK控制；所述反馈开关断开S3，所述反馈开关电容的第二开关S5和第三开关S4受到时钟脉冲信号CLK控制，且所述第二开关和第三开关的时钟脉冲信号CLK的相位相反。在具体实施中，施加在所述第一开关S2的时钟脉冲信号频率为第三频率f3，施加在所述第二开关S5和第三开关S4的时钟脉冲信号频率为第四频率f4。
当处于第四转换模式时，所述输入开关电容211以及所述反馈开关电容212均等效为电阻，所述输入开关电容211的等效阻值R1与所述第三频率f3与所述第一电容器C1的电容值的乘积成反比；所述反馈开关电容212的等效阻值R2与所述第四频率f4与所述第二电容器C2的电容值的乘积成反比，在具体实施中，其等效阻值的范围均为1kΩ至100MΩ。在第四模式下，所述信号转换电路等效为反相放大器，接收电压信号，并输出电压信号。
在具体实施中，可以以一个高频时钟脉冲信号作为基频，并通过除频或其他方式产生其他频率的脉冲信号。通过控制所述第三频率f3与第四频率f4，以调节所述第一等效阻值R1与所述第二等效阻值R2，从而可以调节所述信号转换电路的增益。
因此，通过控制所述输入开关S1和所述反馈开关S3的通断，以及所述脉冲信号模块输出的时钟脉冲信号的频率，从而可以调整所述信号转换电路的转换模式，以使所述信号读出电路架构可应用于不同的感测阵列。此外，不同的时钟脉冲信号的频率可以调节所述输入开关电容211和所述反馈开关电容212的等效阻抗，由此，所述信号读出电路架构可以在相同的面积成本下，大范围地改变元件值，从而可以处理较大范围的感测阵列输出信号。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (14)

1.一种信号转换电路，其特征在于，包括：
运算放大器，适于将感测阵列输出的电信号进行放大；
输入开关电容，一端接收所述感测阵列输出的电信号，另一端与所述运算放大器的输入端耦接；
反馈开关电容，一端与所述运算放大器的输入端耦接，另一端与所述运算放大器的输出端耦接；
输入开关，适于控制所述输入开关电容的接入与否；以及
反馈开关，适于控制所述反馈开关电容的接入与否；
其中，所述感测阵列输出的电信号包括电荷、电流或电压，所述输入开关电容和反馈开关电容的等效阻抗与所述感测阵列的输出特性相关。
2.根据权利要求1所述的信号转换电路，其特征在于，所述输入开关电容包括串联的第一开关和第一电容器。
3.根据权利要求2所述的信号转换电路，其特征在于，所述反馈开关电容包括并联的第二电容器和第二开关以及与所述并联的第二电容器和第二开关串联的第三开关。
4.根据权利要求3所述的信号转换电路，其特征在于，所述感测阵列为被动像素结构，且输出电荷信号，所述输入开关控制所述输入开关电容被短路，所述反馈开关断开，所述第二开关断开，以及所述第三开关闭合。
5.根据权利要求3所述的信号转换电路，其特征在于，所述感测阵列为被动像素结构，且输出电流信号，所述输入开关控制所述输入开关电容被短路；所述反馈开关断开，所述反馈开关电容的第二开关和第三开关受到频率为第一频率的时钟脉冲信号控制，且所述第二开关和第三开关的时钟脉冲信号的相位相反。
6.根据权利要求5所述的信号转换电路，其特征在于，所述感测阵列为主动像素结构，且输出电流信号，所述输入开关控制所述输入开关电容被短路；所述反馈开关断开，所述反馈开关电容的第二开关和第三开关受到频率为第二频率的时钟脉冲信号控制，且所述第二开关和第三开关的时钟脉冲信号的相位相反。
7.根据权利要求6所述的信号转换电路，其特征在于，所述第二频率大于所述第一频率。
8.根据权利要求3所述的信号转换电路，其特征在于，所述感测阵列为主动像素结构，输出的电信号为电压，所述输入开关断开，所述输入开关电容的第一开关受到时钟脉冲信号控制；所述反馈开关断开，所述反馈开关电容的第二开关和第三开关受到时钟脉冲信号控制，且所述第二开关和第三开关的时钟脉冲信号的相位相反。
9.根据权利要求5至8中任一所述的信号转换电路，其特征在于，还包括脉冲信号模块，用于产生所述时钟脉冲信号。
10.一种信号读出电路架构，其特征在于，包括：多条读出支路，所述多条读出支路用于读出所述感测阵列各行或各列的信号，每条读出支路包括：
根据权利要求1至9中任一所述的信号转换电路。
11.根据权利要求10所述的信号读出电路架构，其特征在于，所述每条读出支路还包括：多路复用器模块，适于将感测阵列的多个输出信号进行复用输出。
12.根据权利要求10所述的信号读出电路架构，其特征在于，所述每条读出支路还包括：采样模块，适于对所述信号转换电路的输出信号进行相关双采样，并将采样信号输出。
13.根据权利要求12所述的信号读出电路架构，其特征在于，所述每条读出支路还包括：模数转换模块，适于将所述采样模块输出的模拟信号转换为数字信号。
14.根据权利要求10所述的信号读出电路架构，其特征在于，所述感测阵列内置于TFT传感器。
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