CN113395470A - 降低图像传感器功耗的方法及图像传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种降低图像传感器功耗的方法及其图像传感器，所述降低图像传感器功耗的方法包括：通过电容耦合的方式，实现非量化像素单元输出参考信号和图像信号时的比较器电流(I2)小于量化像素单元输出参考信号和图像信号时的比较器电流(I1)，本发明所提供降低图像传感器功耗的方法及其图像传感器可以降低图像传感器功耗。
Description
技术领域
本发明涉及CMOS图像传感器领域，尤其涉及一种降低图像传感器功耗的方法及图像传感器。
背景技术
CMOS图像传感器被广泛应用于各种便携式设备上，而对于便携式设备来说，低功耗是一个非常重要的指标。所以降低CMOS图像传感器的功耗是一个重要的研究方向。在CMOS图像传感器中常用到单斜率模数转换器（single-slope ADC）,而比较器是其核心组成部分。
图1和图2分别显示的是两级比较器的常用结构和时序控制图。图1所示的两级比较器中，参考信号Vramp和像素单元（pixel）的输出pxd分别通过隔直电容C1和C2耦合到第一级比较器的差分输入对管M1和M2上,sw1和sw2为自动清零开关，M3和M4为负载管，Mb为第一级比较器的尾电流源管，它的栅极上包含采样开关sw4和电压保持电容Cb，采样开关sw4用于采样尾电流管栅极电压Vbin的初始值，电压保持电容Cb的一端接在尾电流源管Mb的栅极上，另一端接地，用于保持尾电流源的栅极电压Vbin。比较器的第二级为放大级，包含输入管M6和尾电流源管M5，其中开关sw3为第二级的自动清零开关。
图2中控制信号EQ1为比较器第一级自动清零开关sw1和sw2的控制信号，控制信号EQ2为比较器第二级自动清零开关sw3的控制信号，用于在比较器量化像素单元输出信号前对两级比较器进行自动清零的操作。控制信号TX为像素单元中传输管栅极的控制信号，在这辅助说明像素单元图像信号输出时刻。控制信号sw为两级比较器第一级尾电流源管栅极电压Vbin采样开关sw4的控制波形，当它为高时，Vbin连接到外部偏置电压产生单元产生的Vbias电压上，把Vbias引入到尾电流源的栅极，当它为低时，断开Vbin和Vbias的连接，Vbin保持在电压保持电容Cb上。波形信号Vramp为比较器参考信号，通过隔直电容C1耦合到两级比较器第一级的差分输入对管的一端，用于量化像素单元输出的参考信号和图像信号。图1的两级比较器在一个工作周期内，也就是在一个行操作时间内可以分成t1~t5五个时间段：t1为自动清零和像素单元输出的参考信号ref的稳定时间，t2为像素单元输出的参考信号ref信号的量化时间，t3为tx开启和像素单元输出的图像信号sig的稳定时间，t4为像素单元输出的图像信号sig信号的量化时间，t5为行空白时间。其中行空白时间t5非必需存在。因为比较器的尾电流源栅极电压Vbin在整个行操作时间内是恒定不变的，所以比较器的电流Icmp1也是恒定不变的。如果要降低比较器的功耗，就要减小比较器的电流Icmp1，这会导致比较器对像素单元输出的参考信号（ref）和图像信号（sig）的转换速度变慢，增加转换时间，从而会导致帧率的下降，这是不能被接受的。
为此，需要提供一种不降低帧率的低功耗图像传感器的解决方案。
发明内容
本发明提供一种不降低帧率的低功耗图像传感器的解决方案，所述一种降低图像传感器功耗的方法，通过电容耦合的方式，实现非量化像素单元输出参考信号和图像信号时的比较器电流(I2)小于量化像素单元输出参考信号和图像信号时的比较器电流(I1)，以降低图像传感器功耗。
优选地，通过控制电压保持电容下极板电压的变化调整电流大小，实现非量化像素单元输出参考信号和图像信号时的比较器电流(I2)小于量化像素单元输出参考信号和图像信号时的比较器电流(I1)，以降低图像传感器功耗。
优选地，所述非量化像素单元输出参考信号和图像信号时的比较器的电流（I2）与所述量化像素单元输出参考信号和图像信号时的比较器电流（I1）的关系为：I2≤0.8I1。
优选地，通过设置非量化像素单元输出时的初始电流，增加量化像素单元输出时的电流。
优选地，通过设置量化像素单元输出时的初始电流，下拉降低非量化像素单元输出时的电流。
优选地，比较器电流源中设置堆叠管时，所述堆叠管的栅极电压随尾电流源的栅极电压同方向变化，从而避免堆叠管的栅极电压限制尾电流的变化。
本发明还提供一种图像传感器，包括单斜率模数转换器，所述单斜率模数转换器包括一比较器单元，所述比较器单元包括具有尾电流源的差动输入对结构，其中尾电流源的栅极上包含采样开关和电压保持电容，所述采样开关用于采样栅极电压的初始值，所述电压保持电容适于通过开关调节所述电压保持电容的下极板电压，从而调节所述尾电流管的栅极电压。
优选地，所述电压保持电容的下极板连接两个并联的第一开关和第二开关的一端，所述第一开关和第二开关的另一端分别连接两个不同的电压源或电压产生电路。
优选地，所述尾电流源为堆叠结构，包括第一尾电流源管和第二尾电流源管，所述第一尾电流源管的栅极连接第一电压保持电容，所述第二尾电流源管的栅极连接第二电压保持电容，所述第一电压保持电容和第二电压保持电容的下极板连接两个并联的第三开关和第四开关的一端，所述第三开关和第四开关的另一端分别连接两个不同的电压源或电压产生电路。
优选地，所述尾电流源为堆叠结构，包括第一尾电流源管和第二尾电流源管，所述第一尾电流源管的栅极连接第一电压保持电容，所述第二尾电流源管的栅极连接第二电压保持电容，所述第一电压保持电容的下极板连接两个并联的第五开关和第六开关的一端，所述第五开关和第六开关的另一端分别连接两个不同的电压源或电压产生电路，所述第二电压保持电容的下极板连接两个并联的第七开关和第八开关的一端，所述第七开关和第八开关的另一端分别连接两个不同的电压源或电压产生电路。
本发明提出的通过动态的控制比较器尾电流来降低CMOS图像传感器功耗的方法，只需在常用的结构中增加很少的电路和简单的控制，很好的控制了芯片面积和电路复杂度的增加。
另外因为在量化ref和sig时保持了大电流，不会影响到转换速率，从而不会影响到帧率。也就是说实现了在利用很小的代价，以及保持高的帧率的情况下，降低了CMOS图像传感器的整体功耗。
附图说明
通过参照附图阅读以下所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1为现有技术中CMOS图像传感器中的单斜率模数转换器中两级比较器的结构示意图；
图2为现有技术中CMOS图像传感器中的单斜率模数转换器中两级比较器的时序控制图；
图3为本发明所提供的实施例一中CMOS图像传感器中的单斜率模数转换器中两级比较器的结构示意图；
图4为本发明所提供的实施例一中CMOS图像传感器中的单斜率模数转换器中两级比较器的时序控制图；
图5为本发明所提供的实施例二中CMOS图像传感器中的单斜率模数转换器中两级比较器的结构示意图；
图6为本发明所提供的实施例三中CMOS图像传感器中的单斜率模数转换器中两级比较器的结构示意图。
在图中，贯穿不同的示图，相同或类似的附图标记表示相同或相似的装置（模块）或步骤。
具体实施方式
在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本发明一部分的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本发明的特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。可以理解，在不偏离本发明的范围的前提下，可以利用其他实施例，也可以进行结构性或者逻辑性的修改。因此，以下的具体描述并非限制性的，且本发明的范围由所附的权利要求所限定。
本发明的技术方案提供了一种降低图像传感器功耗的方法，通过电容耦合的方式，实现非量化像素单元输出参考信号和图像信号时的比较器电流(I2)小于量化像素单元输出参考信号和图像信号时的比较器电流(I1)，以降低图像传感器功耗。
具体的，通过控制电压保持电容电压保持电容的下极板电压的变化调整电流大小，实现非量化像素单元输出参考信号和图像信号时的比较器电流(I2)小于量化像素单元输出参考信号和图像信号时的比较器电流(I1)，以降低图像传感器功耗。
具体的，所述非量化像素单元输出的参考信号和图像信号时的比较器的电流（I2）与所述量化像素单元输出的参考信号和图像信号时的比较器电流（I1）的关系为：I2≤0.8I1。
具体的，所述比较器包含具有尾电流源的差动输入对结构，其中尾电流源的栅极上包含采样开关和电压保持电容，采样开关用于采样栅极电压的初始值，电压保持电容的上极板接在尾电流源的栅极上，下极板 可以通过两个开关选择不同的电压源或电压产生电路。
具体的，通过设置非量化像素单元输出时的初始电流，增加量化像素单元输出时的电流。
具体的，通过设置量化像素单元输出时的初始电流，下拉降低非量化像素单元输出时的电流。
具体的，比较器电流源中设置堆叠管时，所述堆叠管的栅极电压随尾电流源的栅极电压同方向变化，从而避免堆叠管的栅极电压限制尾电流的变化。
下面结合具体的实施例对本发明内容做具体说明：
实施例一
本实施例中，提供了一种图像传感器，包括单斜率模数转换器，所述单斜率模数转换器包括一比较器单元，所述比较器单元包括尾电流源，所述尾电流源的尾电流管的栅极连接电压保持电容，所述电压保持电容适于通过开关调节所述电压保持电容的下极板电压，从而调节所述尾电流管的栅极电压。
在本实施例中，所述电压保持电容的下极板连接两个并联的第一开关和第二开关的一端，所述第一开关和第二开关的另一端分别连接两个不同的电压源或电压产生电路。
具体参考图3和图4，图3显示的是可以实现上述功能的比较器电路结构，图4是图3所示电路的时序控制图。
图3和图1相比，只改动了虚线标识的部分，其它部分和图1的一致，在此不再赘述。和图1相比，栅极电压保持电容Cb的下极板不再是连接到固定的地电位上，而是可以通过两个开关swv1和swv2接到不同的电压V1和V2上。
电压信号V1和电压信号V2可以是满足V1<V2的任意电压组合，且所述电压信号V1和所述电压信号V2可以是由电压源所提供的电压，也可以是电压产生电路产生的电压。例如，电压信号V1可以为地，电压信号V2可以为电源。
如图4所示，第一开关swv1和第二开关swv2的控制波形分别为Vc和Vcb，在ADC量化ref和sig的时候，第一开关swv1的控制信号Vc为低，第二开关swv2的控制信号Vcb为高，断开电压信号V1和电压保持电容Cb下极板的连接，把电压信号V2连接到电压保持电容Cb下极板上。而在其他时间内第一开关swv1的控制信号Vc为高，第二开关swv2的控制信号Vcb为低，断开电压信号V2和电压保持电容Cb下极板的连接，把电压信号V1连接到电压保持电容Cb下极板上。
这样的话，由于电压V1<V2,如图4所示，导致尾电流源的栅极电压Vbin和第二开关swv2的控制信号Vcb有相同的变化波形，从而流过比较器的电流Icmp1也随着控制信号Vcb的波形同方向变化，在量化ref和sig的时候，Icmp1为I2，而在其他时间内，Icmp1为I1，其中I1<I2。总的平均电流小于I2。而为了达到相同的转换时间，图1所显示的结构中的尾电流Icmp1必须为I2。因为它的电流恒定不变，所以总的平均电流就是I2。所以相比之下，新的结构可以减小比较器总的平均电流，从而降低了功耗。其中，I1和I2的电流比例可以通过电压采样电容Cb的电容值和通过第一开关swv1和第二开关swv2连接到电压采样电容Cb下极板的高低电平V1和V2的选择灵活变化。
本实施例中，通过动态的控制比较器尾电流Icmp1来降低CMOS图像传感器功耗，具体的：在ADC量化像素单元输出的参考信号（ref）和图像信号（sig）的时候，比较器保持大的电流，用来加快翻转速度，保持高帧率，而在其他时间内，因为比较器的响应速度不是瓶颈，所以可以用小的电流来降低功耗。
通过控制电压保持电容下极板电压的变化调整电流大小，实现非量化像素单元输出参考信号和图像信号时的比较器电流(I2)小于量化像素单元输出参考信号和图像信号时的比较器电流(I1)，以降低图像传感器功耗。
实施例二
在本实施例中，比较器电流源中设置堆叠管，所述堆叠管的栅极电压随尾电流源的栅极电压同方向变化，从而避免堆叠管的栅极电压限制尾电流的变化。设置堆叠管是为了减小尾电流源的沟道调制效应，增加尾电流源的稳定性。
图5为本实施例提供的CMOS图像传感器中的单斜率模数转换器中两级比较器的结构示意图。图5和图1相比，只改动了虚线标识的部分，其它部分和图1的一致，在此不再赘述。
如图5所示，所述尾电流源为堆叠结构，包括第一尾电流源管Mcs和第二尾电流源管Mb，所述第一尾电流源管Mcs的栅极连接第一电压保持电容Ccs，所述第二尾电流源管Mb的栅极连接第二电压保持电容Cb，所述第一电压保持电容Ccs和第二电压保持电容Cb的下极板连接两个并联的第三开关swv1和第四开关swv2的一端，所述第三开关swv1和第四开关swv2的另一端分别连接两个不同的电压源或电压产生电路V1和V2。
图5显示的是如何在含有cascode（堆叠）管结构中实现功耗降低的方法。图5和图3相比，不同之处在于增加了尾电流源的cascode（堆叠）管Mcs，cascode管Mcs栅极的控制电压Vcs，栅极电压采样开关sw5，栅极电压Vcsin的保持电容Ccs，保持电容Ccs的下极板和保持电容Cb下极板连接在一起，可以通过两个开关分别连接到两个不同的电压V1和V2上，如图5虚线框内所示。采样开关sw5和采样开关sw4的控制信号可以采用图4中的同一个控制信号sw来控制，或是分成两个控制信号，但是控制信号和sw波形相似。电路的其他控制信号和图3的一致，唯一的区别就是当控制信号Vc和Vcb发生变化的时候，Vbin和Vcsin会随着Vcb同步同方向变化。这样的话不会因为Vcsin的电压限制尾电流的变化。
I1和I2的电流比例可以通过Cb的电容值和通过开关连接到电容Cb上的高低电平V1和V2的选择灵活变化。
实施例三
如图6所示，为本实施例提供的CMOS图像传感器中的单斜率模数转换器中两级比较器的结构示意图。图6和图1相比，只改动了虚线标识的部分，其它部分和图1的一致，在此不再赘述。
图6中，所述尾电流源为堆叠结构，包括第一尾电流源管Mcs和第二尾电流源管Mb，所述第一尾电流源管Mcs的栅极连接第一电压保持电容Ccs，所述第二尾电流源管Mb的栅极连接第二电压保持电容Cb，所述第一电压保持电容Ccs的下极板连接两个并联的第五开关swv3和第六开关swv4的一端，所述第五开关swv3和第六开关swv4的另一端分别连接两个不同的电压源或电压产生电路V3和V4，所述第二电压保持电容Cb的下极板连接两个并联的第七开关swv1和第八开关swv2的一端 ，所述第七开关swv1和第八开关swv2的另一端分别连接两个不同的电压源或电压产生电路V1和V2。其中控制开关swv1和swv3可以采用图4中的控制信号Vc来控制，控制开关swv2和swv4可以采用图4中的控制信号Vcb来控制。
本发明提出的通过动态的控制比较器尾电流来降低CMOS图像传感器功耗的方法，只需在常用的结构中增加很少的电路和简单的控制，很好的控制了芯片面积和电路复杂度的增加。
另外因为在量化像素单元输出的参考信号ref信号和像素单元输出的图像信号sig信号时（即图2或者图4中的t2和t4时间内）保持了大电流，不会影响到转换速率，从而不会影响到帧率。也就是说实现了在利用很小的代价，以及保持高的帧率的情况下，降低了CMOS图像传感器的整体功耗。
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 (10)
1.一种降低图像传感器功耗的方法，其特征在于，通过电容耦合的方式，实现非量化像素单元输出参考信号和图像信号时的比较器电流(I2)小于量化像素单元输出参考信号和图像信号时的比较器电流(I1)，以降低图像传感器功耗。
2.如权利要求1所述的降低图像传感器功耗的方法，其特征在于，通过控制电压保持电容下极板电压的变化调整电流大小，实现非量化像素单元输出参考信号和图像信号时的比较器电流(I2)小于量化像素单元输出参考信号和图像信号时的比较器电流(I1)，以降低图像传感器功耗。
3.如权利要求1所述的降低图像传感器功耗的方法，其特征在于，所述非量化像素单元输出参考信号和图像信号时的比较器的电流（I2）与所述量化像素单元输出参考信号和图像信号时的比较器电流（I1）的关系为：I2≤0.8I1。
4.如权利要求1所述的降低图像传感器功耗的方法，其特征在于，通过设置非量化像素单元输出时的初始电流，增加量化像素单元输出时的电流。
5.如权利要求1所述的降低图像传感器功耗的方法，其特征在于，通过设置量化像素单元输出时的初始电流，下拉降低非量化像素单元输出时的电流。
6.如权利要求1所述的降低图像传感器功耗的方法，其特征在于，比较器电流源中设置堆叠管时，所述堆叠管的栅极电压随尾电流源的栅极电压同方向变化，从而避免堆叠管的栅极电压限制尾电流的变化。
7.一种图像传感器，包括单斜率模数转换器，其特征在于，所述单斜率模数转换器包括一比较器单元，所述比较器单元包括具有尾电流源的差动输入对结构，其中尾电流源的栅极上包含采样开关和电压保持电容，所述采样开关用于采样栅极电压的初始值，所述电压保持电容适于通过开关调节所述电压保持电容的下极板电压，从而调节所述尾电流管的栅极电压。
8.如权利要求7所述的图像传感器，其特征在于，所述电压保持电容的下极板连接两个并联的第一开关和第二开关的一端，所述第一开关和第二开关的另一端分别连接两个不同的电压源或电压产生电路。
9.如权利要求7所述的图像传感器，其特征在于，所述尾电流源为堆叠结构，包括第一尾电流源管和第二尾电流源管，所述第一尾电流源管的栅极连接第一电压保持电容，所述第二尾电流源管的栅极连接第二电压保持电容，所述第一电压保持电容和第二电压保持电容的下极板连接两个并联的第三开关和第四开关的一端，所述第三开关和第四开关的另一端分别连接两个不同的电压源或电压产生电路。
10.如权利要求7所述的图像传感器，其特征在于，所述尾电流源为堆叠结构，包括第一尾电流源管和第二尾电流源管，所述第一尾电流源管的栅极连接第一电压保持电容，所述第二尾电流源管的栅极连接第二电压保持电容，所述第一电压保持电容的下极板连接两个并联的第五开关和第六开关的一端，所述第五开关和第六开关的另一端分别连接两个不同的电压源或电压产生电路，所述第二电压保持电容的下极板连接两个并联的第七开关和第八开关的一端，所述第七开关和第八开关的另一端分别连接两个不同的电压源或电压产生电路。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |