CN113489927B - 一种cmos图像传感器的高速列线读出电路及读出方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种CMOS图像传感器的高速列线读出电路，包括像素单元，像素单元输出端连接像素面阵的列线，像素面阵的列线还连接电流源Ibias、采样电容CS的正极板、输出跨导放大器OTA的输出端，采样电容CS负极板分别连接采样电阻RS一端和输出跨导放大器OTA的输入正相端，电流源Ibias、采样电阻RS另一端和输出跨导放大器OTA的输入负相端均接地；克服了现有的大面阵CMOS图像传感器的高速读出电路需要引入较大寄生的问题。

Description

一种CMOS图像传感器的高速列线读出电路及读出方法
技术领域
本发明属于图像传输模拟技术领域，具体涉及一种一种CMOS图像传感器的高速列线读出电路，还涉及大面阵CMOS图像传感器的高速列线读出方法。
背景技术
图像传感器是相机的重要组成部分，目前常用的图像传感器主要分为CMOS图像传感器和CCD图像传感器。
由于CMOS图像传感器具有低功耗和高帧率等特点，获得了大量的关注。随着高像素图像传感器的发展，在部分高像素摄像中，对传感器的帧率提出了较大的要求。传统的高像素的CMOS图像传感器已经无法满足要求。
在此基础上他人提出了传统的大面阵CMOS图像传感器的高速读出电路，电路结构如附图1所示。包括电流传感器、电流放大器、基准电流Ibias。电流传感器在像素单元的上端采样列线上的电流IX并感应出电流Isens，Isens接电流放大器的正相端，Ibias接电流放大器的负相端。电流放大器的输出接列线。
上述的大面阵CMOS图像传感器的高速读出电路，当像素单元工作时，由于复位信号和积分信号的传输会产生变化的IX，IX流经电流传感电路并感应出电流Isens，Isens流入放大器的正相端，基准电流Ibias流入放大器的负相端，电流放大器对感应电流Isens和基准电流Ibias进行做差放大并输出电流IO＝Ai(Isens-Ibias)到列线上。输出电流IO既可以输出电流又可以灌电流以实现对寄生电容的快速充放电进而实现高速的读出。当像素单元输出稳定时Isens＝Ibias，输出电流IO＝0，不影响像素单元的输出。
对于上述的传统的大面阵CMOS图像传感器的高速读出电路，电路的电流采样电路在像素单元的上端，这种结构引入了两个行总线和额外的基准电流，行总线在大面阵中又会引入较大的寄生电阻和电容，而且不适用于现在广泛应用的列并行读出机制。这种结构有着较大的优化的空间。
发明内容
本发明的目的是提供一种一种CMOS图像传感器的高速列线读出电路，克服了现有的大面阵CMOS图像传感器的高速读出电路需要引入较大寄生的问题。
本发明的另一目的是提供一种大面阵CMOS图像传感器的高速列线读出方法，解决了在大面阵CMOS图像传感器的信号读出过程中，由于复位信号和积分信号建立过慢而导致复位信号与积分信号读出时间过长的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种CMOS图像传感器的高速列线读出电路，包括像素单元，像素单元输出端连接像素面阵的列线，像素面阵的列线还连接电流源Ibias、采样电容CS的正极板、输出跨导放大器OTA的输出端，采样电容CS负极板分别连接采样电阻RS一端和输出跨导放大器OTA的输入正相端，电流源Ibias、采样电阻RS另一端和输出跨导放大器OTA的输入负相端均接地。
本发明的特点还在于：
还包括连接在像素面阵的列线上的寄生电容CP。
寄生电容CP的电容值不小于采样电容CS的电容值的10倍。
像素单元包括转移开关M1、复位开关M2、源跟随器M3、行选开关M4，转移开关M1、复位开关M2、源跟随器M3、行选开关M4均为绝缘栅双极晶体管，转移开关M1源极连接光电二极管PD负极，转移开关M1漏极分别连接复位开关M2源极、源跟随器M3栅极、寄生电容Cfd一个极板，光电二极管PD正极和寄生电容Cfd另一个极板均接地，源跟随器M3源极连接行选开关M4漏极，行选开关M4源极连接像素面阵的列线，源跟随器M3漏极、复位开关M2漏极均连接电源电压。
本发明所采用的另一技术方案是，一种大面阵CMOS图像传感器的高速列线读出方法，使用一种CMOS图像传感器的高速列线读出电路，具体按照以下步骤实施：
当像素单元输出高于积分信号的复位电压时，列线上电压信号由低到高变化，采样电容CS与采样电阻RS形成采样电路，采集列线上的电流信号，并将该电流信号输入至输出跨导放大器OTA的输入正相端，由于输出跨导放大器OTA的输入负相端接地，所以输出跨导放大器OTA输出由高到0的电流信号，该电流信号反馈到列线，加快对寄生电容CP的充电速度；充电越快，输出跨导放大器OTA的输入正相端的电流信号下降的也越快，当输出跨导放大器OTA的输入正相端的信号下将到0时，输出跨导放大器OTA输出的电流也为0，列线上的复位电压信号建立完成并输出至后级读出；
当像素单元输出低于复位电压的积分信号时，从列线上由采样电路采得的电流信号由负逐渐升高到0，并将该电流信号输入至输出跨导放大器OTA的输入正相端，输出跨导放大器OTA输出端输出由负到0电流信号，该电流信号反馈到列线，加快寄生电容CP放电，放电完成时，采样电路输出电压为0，输出跨导放大器OTA的输出电流也为0，列线上的积分电压信号建立完成并输出至后级读出。
本发明的有益效果是：
本发明的一种一种CMOS图像传感器的高速列线读出电路，电路结构简单，引入的额外寄生小，易版图布局，适用于现在广泛应用的列并行读出机制，与传统列线读出方法相比，本发明的方法可将读出速度提高数倍以上，解决了在大面阵CMOS图像传感器的信号读出过程中，由于复位信号和积分信号建立过慢而导致复位信号与积分信号读出时间过长的问题，能够提高图像传感器的帧率，同时大幅度提高了后级的相关双采样电路的除噪性能。
附图说明
图1为从像素单元上端进行电流采样的传统的高速读出电路示意图；
图2为本发明一种一种CMOS图像传感器的高速列线读出电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，是传统的大面阵CMOS图像传感器的高速读出电路，这种结构引入了两个行总线和额外的基准电流，行总线在大面阵中又会引入较大的寄生电阻和电容，不适用于现在广泛应用的列并行读出机制，针对上述的大面阵CMOS图像传感器的高速读出电路引入了较大的寄生问题，本发明提出一种CMOS图像传感器的高速列线读出电路，该结构从列线末端进行电流采样并处理，在保证速度的情况下结构较为简单，减少了寄生，达到了更好的性能。
本发明一种一种CMOS图像传感器的高速列线读出电路，如图2所示，包括像素单元，像素单元输出端连接像素面阵的列线，像素面阵的列线还连接电流源Ibias、采样电容CS的正极板、输出跨导放大器OTA的输出端，采样电容CS负极板分别连接采样电阻RS一端和输出跨导放大器OTA的输入正相端，采样电容CS与采样电阻RS串联形成采样电路，对列线上的电流进行采样，采样电容CS采得的电流信号经过采样电阻RS转化为电压信号，采样所得的电压信号与零电位通过输出跨导放大器OTA进行运算，电流源Ibias、采样电阻RS另一端和输出跨导放大器OTA的输入负相端均接地。
还包括连接在像素面阵的列线上的寄生电容CP，采样信号从采样电容CS负极板输出并接入到输出跨导放大器OTA的正相端，OTA将采样的信号与零电位进行运算后反馈到列线，对寄生电容CP进行快速充放电，以达到高速读出的效果。
寄生电容CP的电容值不小于采样电容CS的电容值的10倍。
像素单元包括转移开关M1、复位开关M2、源跟随器M3、行选开关M4，转移开关M1、复位开关M2、源跟随器M3、行选开关M4均为绝缘栅双极晶体管，转移开关M1源极连接光电二极管PD负极，转移开关M1漏极分别连接复位开关M2源极、源跟随器M3栅极、寄生电容Cfd一个极板，光电二极管PD正极和寄生电容Cfd另一个极板均接地，源跟随器M3源极连接行选开关M4漏极，行选开关M4源极连接像素面阵的列线，源跟随器M3漏极、复位开关M2漏极均连接电源电压。
本发明中电流采样电路工作原理：
对转移开关M1栅极接入转移开关的控制信号，对复位开关M2接入复位开关的控制信号，对行选开关M4接入行选开关的控制信号。
当像素单元的复位信号RST和行选择开关RS为高时，像素单元输出复位电压，对列线寄生电容CP和采样电容CS同时进行充电。在大面阵CMOS图像传感器中，列线寄生电容Cp较大，采样电容CS较小，Cs会按照一定的比例将CP上的电流采样下来，并且CP和CS会同时充满。充电时，流经CS的采样电流通过采样电阻RS就转化成了一个正电压信号，这个电压信号随着充电电流的减小而逐渐降低，当电容被充满时，采样电流为0，采样输出的电压也为0。
当像素单元的光电二极管PD曝光完成，转移开关控制信号TX和行选择开关控制信号RS为高时，如果像素单元输出低于复位电压的积分信号，则列线寄生电容CP和采样电容CS同时放电。放电时，CS正极板上的正电荷流向列线，负极板的负电荷经过采样电阻RS流向地。因此，放电时电流采样电路输出的采样电压为负电压，并且随着放电电流的逐渐减小采样输出的电压逐渐升高为0。
本发明的高速读出核心机制包括两部分，电容CS与电阻RS串联形成的电流采样电路和输出跨导放大器OTA。采样电容CS的正极板接列线，负极板输出采样信号。OTA负责将采样所得的信号进行放大反馈到列线。
一种大面阵CMOS图像传感器的高速列线读出方法，使用一种CMOS图像传感器的高速列线读出电路，具体按照以下步骤实施：
当像素单元输出高于积分信号的复位电压时，列线上电压信号由低到高变化，采样电容CS与采样电阻RS形成采样电路，采集列线上的电流信号，并将该电流信号输入至输出跨导放大器OTA的输入正相端，由于输出跨导放大器OTA的输入负相端接地，所以输出跨导放大器OTA输出由高到0的电流信号，该电流信号反馈到列线，加快对寄生电容CP的充电速度；充电越快，输出跨导放大器OTA的输入正相端的电流信号下降的也越快，当输出跨导放大器OTA的输入正相端的信号下将到0时，输出跨导放大器OTA输出的电流也为0；此时，对寄生电容CP加速充电完成，因此复位信号的电压信号加速建立，由列线输出至后级。
当像素单元输出低于复位电压的积分信号时，从列线上由采样电路采得的电流信号由负逐渐升高到0，并将该电流信号输入至输出跨导放大器OTA的输入正相端，输出跨导放大器OTA输出端输出由低到0电流信号，该电流信号反馈到列线，加快寄生电容CP放电，放电完成时，采样电路输出电压为0，输出跨导放大器OTA的输出电流也为0，加速放电完成。此时，对寄生电容CP加速放电完成，因此积分信号的电压信号得以加速建立，由列线输出至后级。
通过上述方式，本发明的一种CMOS图像传感器的高速列线读出电路可使像素单元输出的复位信号和积分信号加速建立，进而大幅度缩短复位信号与积分信号读出的时间间隔，提高了图像传感器的帧率，大幅度提高了后级的相关双采样电路的除噪性能。

Claims (4)

1.一种CMOS图像传感器的高速列线读出电路，其特征在于，包括像素单元，所述像素单元输出端连接像素面阵的列线，所述像素面阵的列线还连接电流源Ibias、采样电容CS的正极板、输出跨导放大器OTA的输出端，所述采样电容CS负极板分别连接采样电阻RS一端和输出跨导放大器OTA的输入正相端，所述电流源Ibias、采样电阻RS另一端和输出跨导放大器OTA的输入负相端均接地，还包括连接在像素面阵的列线上的寄生电容CP。
2.根据权利要求1所述一种CMOS图像传感器的高速列线读出电路，其特征在于，所述寄生电容CP的电容值不小于采样电容CS的电容值的10倍。
3.根据权利要求1所述一种CMOS图像传感器的高速列线读出电路，其特征在于，所述像素单元包括转移开关M1、复位开关M2、源跟随器M3、行选开关M4，所述转移开关M1、复位开关M2、源跟随器M3、行选开关M4均为绝缘栅双极晶体管，所述转移开关M1源极连接光电二极管PD负极，所述转移开关M1漏极分别连接复位开关M2源极、源跟随器M3栅极、寄生电容Cfd一个极板，所述光电二极管PD正极和寄生电容Cfd另一个极板均接地，所述源跟随器M3源极连接行选开关M4漏极，所述行选开关M4源极连接像素面阵的列线，所述源跟随器M3漏极、复位开关M2漏极均连接电源电压。
4.一种大面阵CMOS图像传感器的高速列线读出方法，其特征在于，使用权利要求1或2所述的一种CMOS图像传感器的高速列线读出电路，具体按照以下步骤实施：
当像素单元输出高于积分信号的复位电压时，列线上电压信号由低到高变化，采样电容CS与采样电阻RS形成采样电路，采集列线上的电流信号，并将该电流信号输入至输出跨导放大器OTA的输入正相端，由于输出跨导放大器OTA的输入负相端接地，所以输出跨导放大器OTA输出由高到0的电流信号，该电流信号反馈到列线，加快对寄生电容CP的充电速度；充电越快，输出跨导放大器OTA的输入正相端的电流信号下降的也越快，当输出跨导放大器OTA的输入正相端的信号下将到0时，输出跨导放大器OTA输出的电流也为0，列线上的复位电压信号建立完成并输出至后级读出；
当像素单元输出低于复位电压的积分信号时，从列线上由采样电路采得的电压信号由负逐渐升高到0，并将该电压信号输入至输出跨导放大器OTA的输入正相端，输出跨导放大器OTA输出由负到0的电流信号，该电流信号反馈到列线，加快寄生电容CP放电，放电完成时，采样电路输出电压为0，输出跨导放大器OTA的输出电流也为0，列线上的积分电压信号建立完成并输出至后级读出。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5887827B2 (ja) * 2011-10-20 2016-03-16 ソニー株式会社 固体撮像素子およびカメラシステム
JP2013090305A (ja) * 2011-10-21 2013-05-13 Sony Corp 比較器、ａｄ変換器、固体撮像装置、およびカメラシステム
CN104243867B (zh) * 2014-09-23 2017-11-21 哈尔滨工程大学 高像素高帧率的cmos图像传感器及图像采集方法
CN207424076U (zh) * 2017-10-17 2018-05-29 深圳南云微电子有限公司 电流检测电路
US10791294B2 (en) * 2018-12-20 2020-09-29 Semiconductor Components Industries, Llc Image sensors having capacitively coupled pixels
EP3764637B1 (en) * 2019-07-11 2023-08-02 Teledyne Dalsa B.V. Image sensor and imaging system comprising the same

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