CN112752044B

CN112752044B - 斜坡发生器、像素列读出电路及图像传感器

Info

Publication number: CN112752044B
Application number: CN202011613883.5A
Authority: CN
Inventors: 高菊; 蔡化
Original assignee: Chengdu Image Design Technology Co Ltd
Current assignee: Chengdu Image Design Technology Co Ltd
Priority date: 2020-12-30
Filing date: 2020-12-30
Publication date: 2022-11-04
Anticipated expiration: 2040-12-30
Also published as: CN112752044A

Abstract

本发明提供了一种斜坡发生器，包括：第一开关；运算放大器，运算放大器的第一输入端通过第一开关连接模拟电压，运算放大器的第二输入端连接参考电压，运算放大器的输出端输出斜坡信号，并且，输出端通过一复位电容连接到第一输入端，并在第一输入端产生失调电压；第二开关，与所述复位电容并联；第三开关，串联在复位电容和所述第二开关之间；以及，第四开关，串联在所述复位电容和参考电压之间；其中：第二开关和所述第四开关均闭合，且第一开关和所述第三开关均断开时，所述复位电容存储并消除失调电压。本发明可以消除斜坡发生器内的失调电压，从而消除像素列读出电路的失调电压，进而改善CMOS图像传感器的图像质量。

Description

斜坡发生器、像素列读出电路及图像传感器

技术领域

本发明涉及电子电路技术，尤其是涉及一种斜坡发生器及像素列读出电路。

背景技术

随着CMOS工艺的不断发展，CMOS图像传感器的应用范围因其低功耗、简单供电电源、高集成度、低成本等特点而日益变得广泛。CMOS图像传感器用于产生表示物体的图像。CMOS图像传感器包括像素的行和列以及像素行读出电路和像素列读出电路。像素产生与从将被成像的物体反射的光成比例的小的光电信号。通过信号处理电路读出并处理光电信号以便产生表示物体的图像。属于同一列的像素通常连接到从其读出信号的公共输出节点。单独地控制同一位线中的每个像素以便在公共输出节点处进行读出。在输出节点，提供像素列读出电路以便读出并放大光电信号。

由于制造工艺中每一道工序的不确定性，标称相同的器件都存在失配，传统的减小失配的方法通过合理的版图布局，增加电路的管子尺寸等来减小失配。虽然通过传统的方法来改善斜坡发生器的失调电压，但传统方法改善的效果并不大。失调电压严重影响着CMOS图像传感器的图像质量，导致图像传感器转换精度的降低，不同工序之间的芯片的差异性大。

具体的，现有技术的像素列读出电路使用的斜坡发生器电路如图1所示，运算放大器210的第一输入端inm1与复位电容Cf的一端、第二开关S2的一端共同连接，并通过第一开关S1至模拟电源AVDD；运算放大器210的第二输入端inp1连接参考电压Vref；运算放大器210的输出端同时连接复位电容Cf的另一端和第二开关S2的另一端，并输出斜坡信号Vramp。图中标出了当斜坡发生器中的运算放大器存在失调电压VOS的情况，第二开关S2闭合，第一开关S1 断开时，复位电容Cf进行复位，此时斜坡电压为：Vramp＝Vref+Vos，其中：Vramp 为斜坡电压；Vref为参考电压；Vos为失调电压。当第二开关S2断开，第一开关S1闭合，复位电容Cf进行充电，输出斜坡信号，像素列读出电路中的差分放大器的第二输入端的电压值跟随斜坡信号，斜坡信号中将含有失调电压，比较器将输出含有斜坡发生器失调电压值Vos。

发明内容

本发明的目的在于提供一种斜坡发生器及像素列读出电路，可以消除斜坡发生器内的失调电压，从而改善CMOS图像传感器的图像质量。

为了达到上述目的，本发明提供了一种斜坡发生器，包括：

第一开关；

运算放大器，所述运算放大器的第一输入端通过所述第一开关连接模拟电压，所述运算放大器的第二输入端连接参考电压，所述运算放大器的输出端输出斜坡信号，并且，所述输出端通过一复位电容连接到所述第一输入端，并在所述第一输入端产生失调电压；

第二开关，与所述复位电容并联；

第三开关，串联在所述复位电容和所述第二开关之间；

以及，第四开关，串联在所述复位电容和参考电压之间；

其中：所述第二开关和所述第四开关均闭合，且所述第一开关和所述第三开关均断开时，所述复位电容存储并消除失调电压。

可选的，在所述的斜坡发生器中，所述第二开关还串联在所述运算放大器的第一输入端和所述运算放大器的输出端之间；所述第二开关和所述第四开关同时闭合或者同时断开。

可选的，在所述的斜坡发生器中，所述第三开关和所述第四开关择一闭合。

本发明还提供了一种像素列读出电路，包括：

斜坡发生器，用于提供不含失调电压的斜坡电压；

差分放大器，所述差分放大器的第一输入端连接像素电路以获得像素电压，所述差分放大器的第二输入端连接所述斜坡发生器以获得斜坡电压，所述差分放大器用于将所述像素电压和所述斜坡电压的差分信号进行放大；

比较器，连接差分放大器，用于将放大后的所述像素电压和所述斜坡电压进行比较；

计数器，连接所述比较器，对所述比较器的比较结果进行计数。

可选的，在所述的像素列读出电路中，所述像素列读出电路还包括反相器，所述反相器连接在所述比较器和所述计数器之间，作为所述比较结果的缓冲器。

可选的，在所述的像素列读出电路中，所述像素电路和差分放大器的第一输入端之间还连接有第一采样电容，所述第一采样电容和所述差分放大器的第一输入端之间还连接第五开关的一端，所述第五开关另一端连接电源。

可选的，在所述的像素列读出电路中，所述像素电路和所述差分放大器的第二输入端之间还连接有第二采样电容，所述差分放大器的第二输入端和所述第二采样电容之间还连接第六开关的一端，所述第六开关另一端连接电源。

可选的，在所述的像素列读出电路中，所述比较器的第一输入端和所述第一放大电压端之间还连接有第三采样电容，所述第三采样电容用于消除所述比较器的第一输入端的失调电压。

可选的，在所述的像素列读出电路中，所述比较器的第二输入端和所述第二放大电压端之间还连接有第四采样电容，所述第四采样电容用于消除所述比较器的第二输入端的失调电压。

本发明还提供了一种CMOS图像传感器，包括：

像素电路，用于采集图像，将所述图像转换成光电信号；

像素列读出电路，用于读取所述光电信号，并将所述光电信号转换成图像。

在本发明提供的斜坡发生器及像素列读出电路中，可以消除斜坡发生器内的失调电压，从而消除像素列读出电路的失调电压，进而改善CMOS图像传感器的图像质量。

附图说明

图1是现有技术的斜坡发生器的电路图；

图2是本发明实施例的失调校正斜坡发生器的电路图；

图3是本发明实施例的像素列读出电路的电路图；

图4是本发明实施例的像素列读出电路的关键节点的电压及时序图；

图中：D-光电二极管、M1-转移晶体管、M2-复位晶体管、M3-像素输出晶体管、 M4-行选择晶体管、Cf-复位电容、S1-第一开关、S2-第二开关、S3-第三开关、S4-第四开关、S5-第五开关、S6-第六开关、S7-第七开关、S8-第八开关、100- 像素电路、200-斜坡发生器、210-运算放大器、300-差分放大器、400-比较器、 500-反相器、600-计数器。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

在下文中，术语“第一”“第二”等用于在类似要素之间进行区分，且未必是用于描述特定次序或时间顺序。要理解，在适当情况下，如此使用的这些术语可替换。类似的，如果本文所述的方法包括一系列步骤，且本文所呈现的这些步骤的顺序并非必须是可执行这些步骤的唯一顺序，且一些所述的步骤可被省略和/或一些本文未描述的其他步骤可被添加到该方法。

本发明提供了一种CMOS图像传感器，包括：像素电路，用于采集图像，将所述图像转换成光电信号；像素列读出电路，用于读取所述光电信号，并将所述光电信号转换成图像。

其中，请参照图2，本发明实施例的像素电路100包括：光电二极管D、转移晶体管M1、复位晶体管M2、像素输出晶体管M3和行选择晶体管M4。像素电路的结构是现有技术中的常规结构，在此不做赘述。操作中，光电二极管D 提供表示撞击在光电二极管D上的光量的光信号输出，转移晶体管M1选择性地转移光信号。接通行选择晶体管M4，像素输出晶体管M3输出光电信号。像素列读出电路在光电信号和复位信号状态下工作，像素列读出电路读出光电信号。本发明实施例的像素电路的结构只是作为一个像素电路的例子，本发明的列读出电路适合任何结构的像素电路。

具体的，当行选择晶体管M4的信号为高时，像素输出晶体管M3选择输出某行的pixel信号值。当SEL信号端(复位晶体管M2的栅极端)为高时，Rx 信号端控制复位晶体管M2导通，将Vfd节点(复位晶体管M2的源极端与像素输出晶体管M3的栅极端的连接点)的信号复位到PVDD电压值(复位晶体管 M2的漏极端)，RX(复位晶体管M2的栅极端)断开，由于沟道电荷注入效应及时钟馈通，且Vfd节点无任何到地通路，Vfd节点将保持约低于PVDD电压值，输出复位信号。

请参照图3，本发明提供了一种斜坡发生器200，运算放大器210的第一输入端inm1通过第一开关S1连接模拟电压，并且，第一输入端inm1与复位电容 Cf的一端、第二开关S2的一端共同连接，并通过第一开关S1至模拟电源AVDD；运算放大器的第二输入端inp1连接参考电压VREF；运算放大器210的输出端 out1同时连接第二开关S2的另一端和第三开关S3的一端，并输出斜坡信号 Vramp；第三开关S3的另一端连接复位电容Cf的另一端和第四开关S4的一端，第四开关S4的另一端连接参考电压VREF，并且，第二开关S2与所述复位电容Cf并联，第三开关S3串联在复位电容Cf和第二开关S2之间。

请继续参照图2，本发明还提供了一种像素列读出电路，包括：斜坡发生器 200，用于提供不含失调电压的斜坡电压；差分放大器300，所述差分放大器300 的第一输入端inm2连接像素电路以获得像素电压，所述差分放大器300的第二输入端inp2连接所述斜坡发生器200以获得斜坡电压，所述差分放大器300用于将所述像素电压和所述斜坡电压Vramp的差分信号进行放大，使得比较器400 输入的信号差值较大实现快速翻转，有利于提高比较器400翻转速度；比较器 400连接差分放大器300，用于将放大后的所述像素电压和所述斜坡电压进行比较；反相器500，作为所述比较结果的缓冲器；计数器600，对比较结果进行计数。具体的，像素电路100的输出信号端与第一采样电容CS1的一端共同连接并接地；第一采样电容CS1的另一端与第五开关S5的一端共同连接至差分放大器300的第一输入端inm2，第一采样电容CS1可以消除差分放大器300的第一输入端inm2的失调电压；第五开关S5的另一端连接电源Vcm信号端；第二采样电容CS2的一端与斜坡发生器200连接，第二采样电容CS2的另一端与第六开关S6的一端共同连接至差分放大器的第二输入端inp2，第二采样电容CS2 可以消除差分放大器300的第二输入端inp2的失调电压；第六开关S6的另一端连接电源Vcm信号端。差分放大器300的第一输出端outp1连接第三采样电容 CS3的一端，差分放大器300的第二输出端outm1连接第四采样电容CS4的一端；第三采样电容CS3的另一端与一比较器400的第一输入端inm3、第七开关 S7的一端共同连接，第三采样电容CS3用于消除所述比较器的第一输入端inm3 的失调电压；第四采样电容CS4的另一端与该比较器400的第二输入端inp3、第八开关S8的一端共同连接，第四采样电容CS4用于消除所述比较器的第二输入端inp3的失调电压；比较器400的输出端与第七开关S7的另一端连接；比较器400的第二输出端与第八开关S8的另一端共同连接至一反相器500的输入端 Vcom out；反相器500的输出端连接计数器600的输入端；计数器600连接有 EN_COUNT信号端，RST_COUNT信号端，并具有输出信号端Dout。

像素电路100输出复位信号时，计数器600的RST_COUNT端信号为高，计数器600复位。当第五开关S5和第六开关S6闭合，比较器400复位，差分放大器的第一输入端inm2的电压、差分放大器的第二输入端inp2的电压和电源电压相同，即Vinm2＝Vinp2＝Vcm，其中：Vinm2为差分放大器的第一输入端inm2 的电压，Vinp2为差分放大器的第二输入端inp2的电压，Vcm为电源电压，像素电路100输出复位信号Vrst，复位信号被采样到采样电容第一采样电容CS1 上，Tx信号打开，输出像素的感光信号Vsig，差分放大器的第一输入端的电压值Vinm2跳变为：Vcm-(Vrst-Vsig)，其中：Vcm为电源电压，Vrst为复位信号， Vsig为感光信号。当计数器400的EN_COUNT端和斜坡发生器200的EN_RAMP 端信号为高时，计数器600开始计数，并且斜坡信号开始变化，差分放大器300 的第二输入端的电压Vinp2跟随斜坡信号变化，如图4，当比较器600发生翻转时，计数器600停止计数，并输出数字信号D0，输出的数字信号D0为像素的感光信号值。

图3中仍然示出当斜坡发生器200存在失调电压Vos(实际上并没有失调电压的器件，只是在存在失调电压的地方示出虚拟的失调电压)时的情况，第二开关S2和第四开关S4闭合，第三开关S3和第一开关S1断开时，复位电容Cf 将存储失调电压Vos，复位电容Cf上的第一电荷为Q1＝(Vinp_ramp+Vos-Vref) *Cf＝Vos*Cf，其中：Q1为复位电容Cf的电荷，Vinp_ramp为运算放大器的第二输入端inp1的电压；Vos为失调电压；Vref为参考电压；Cf为复位电容的容值。此时，运算放大器的输出端的斜坡电压为：Vramp＝Vinp_ramp+Vos＝Vref+Vos，其中：Vramp为斜坡电压；Vinp_ramp为运算放大器的第二输入端inp1的电压； Vos为失调电压；Vref为参考电压。可以看出斜坡电压Vramp此时输出仍然含有失调电压Vos。接着，当第四开关S4闭合时，运算放大器的第一输入端inm1 的电压为：Vref+Vos，其中：Vos为失调电压；Vref为参考电压。当第四开关S4 断开，第一开关S1断开，第三开关S3闭合时，斜坡发生器200中,运算放大器的第一输入端inm1的电压Vinm_ramp无任何通路到地，此时复位电容Cf上的第二电荷为：Q2＝(Vinp_ramp+Vos-Vramp)*Cf＝(Vref+Vos-Vramp)*Cf，其中：Vramp为斜坡电压；Vinp_ramp为运算放大器的第二输入端inp1的电压。根据电荷守恒原理Q1＝Q2，即Vos*Cf＝(Vref+Vos-Vramp)*Cf，即Vramp＝Vref，运算放大器210输出不再包含失调电压Vos的斜坡电压，即斜坡发生器200输出不再包含失调电压Vos的斜坡电压。当第二开关S2和第四开关S4断开,第三开关S3和第一开关S1为闭合时，将对复位电容Cf进行充电，输出斜坡信号，差分放大器的第一输入端的电压Vinm2跟随斜坡信号，其时序图如4的实线所示，可见斜坡信号中将不再含有失调电压Vos，比较器400将在D0值发生翻转停止计数。

综上，在本发明实施例提供的斜坡发生器及像素列读出电路中，可以消除斜坡发生器内的失调电压，从而消除像素列读出电路的失调电压，进而改善 CMOS图像传感器的图像质量。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种斜坡发生器，其特征在于，包括：

第一开关；

第二开关，与所述复位电容并联，所述运算放大器的第一输入端与所述复位电容的一端及所述第二开关的一端共同连接；

第三开关，串联在所述复位电容和所述第二开关之间，所述运算放大器的输出端同时连接所述第二开关的另一端和所述第三开关的一端；

以及，第四开关，串联在所述复位电容和参考电压之间，所述第三开关的另一端连接所述复位电容的另一端和所述第四开关的一端，所述第四开关的另一端连接所述参考电压；

其中：所述第二开关和所述第四开关均闭合，且所述第一开关和所述第三开关均断开时，所述复位电容存储失调电压，当所述第四开关断开，所述第一开关断开，所述第三开关闭合时，消除所述斜坡信号的失调电压。

2.如权利要求1所述的斜坡发生器，其特征在于，所述第二开关还串联在所述运算放大器的第一输入端和所述运算放大器的输出端之间。

3.如权利要求1所述的斜坡发生器，其特征在于，所述第二开关和所述第四开关同时闭合或者同时断开；所述第三开关和所述第四开关择一闭合。

4.一种像素列读出电路，其特征在于，包括：

如权利要求1～3中任一项所述的斜坡发生器，用于提供不含失调电压的斜坡电压；

5.如权利要求4所述的像素列读出电路，其特征在于，所述像素列读出电路还包括反相器，所述反相器连接在所述比较器和所述计数器之间，所述反相器作为所述比较结果的缓冲器。

6.如权利要求4所述的像素列读出电路，其特征在于，所述像素电路和差分放大器的第一输入端之间还连接有第一采样电容，所述第一采样电容和所述差分放大器的第一输入端之间还连接第五开关的一端，所述第五开关另一端连接电源。

7.如权利要求4所述的像素列读出电路，其特征在于，所述像素电路和所述差分放大器的第二输入端之间还连接有第二采样电容，所述差分放大器的第二输入端和所述第二采样电容之间还连接第六开关的一端，所述第六开关另一端连接电源。

8.如权利要求4所述的像素列读出电路，其特征在于，所述比较器的第一输入端和所述差分放大器之间还连接有第三采样电容，所述第三采样电容用于消除所述比较器的第一输入端的失调电压。

9.如权利要求4所述的像素列读出电路，其特征在于，所述比较器的第二输入端和所述差分放大器之间还连接有第四采样电容，所述第四采样电容用于消除所述比较器的第二输入端的失调电压。

10.一种CMOS图像传感器，其特征在于，包括：

像素电路，用于采集图像，将所述图像转换成光电信号；

如权利要求4～9任一项所述的像素列读出电路，用于读取所述光电信号，并将所述光电信号转换成图像。