CN114189636A - 一种多模式数字像素结构与逻辑控制方法 - Google Patents

一种多模式数字像素结构与逻辑控制方法 Download PDF

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Abstract

一种多模式数字像素结构与逻辑控制方法，多模式数字像素结构集成了包括高增益运放、逻辑开关管、积分电容和多用电容的多模式CTIA像素单元和包括比较器、逻辑模块和静态存储器的兼容多模式的像素级模数转换结构。模拟像素通过多用电容的连接方式，实现多模式CTIA像素功能，模拟输出与比较器同相端连接，与斜波信号VRAMP进行比较，输出COMP_OUT经过逻辑结构控制静态存储器的写使能端。利用脉冲宽度调制方式，将全局计数器的数据控制写入静态存储器。通过选择器与逻辑信号H_CTRL和L_CTRL，实现可兼容多模式的像素级模数转换结构。本发明实现数字像素的多模式工作与转换，并保证转换数据的完整性。

Description

一种多模式数字像素结构与逻辑控制方法
技术领域
本发明属于红外图像传感器领域，具体为一种多模式数字像素结构与逻辑控制方法。
背景技术
红外成像技术对于国防战略以及经济发展方面都具有非常重要的研究意义，红外焦平面作为红外成像系统中至关重要的部分，将接收到的光信号，处理成为后级模块可识别的电信号。因此，对于响应线性度好、电路噪声低、读出速率快的红外焦平面读出电路的研究设计十分重要。
传统的红外读出电路设计中，不能适应多场景的应用需求，对于亮场环境与暗场环境的应用与转换无法实现，由于红外读出电路面积的限制，设计性能较优的多模式红外读出电路具有挑战性。
近年来，由于数字像素的低噪声、高帧频的特点，引起设计者的广泛关注。数字像素的实现主要有脉冲宽度调制与脉冲频率调制的方式，其中，脉冲频率调制方式由于使用像素内计数器，面积和功耗方面受到很大限制，所以，脉冲宽度调制方式是目前数字像素实现的主流方式，传统脉冲宽度调制方式结构如图1所示。
在传统设计中，两种调制方式的数字像素由于面积的限制，不能同时兼容相关采样模式与高精度单采样模式的实现，所以，多模式数字像素的设计具有重要的工程意义。
发明内容
本发明主要解决现有技术的数字像素不能适应多场景应用，以及模数切换时数据丢失的问题，提出一种多模式数字像素结构，以适应不同场景需求，并设计匹配的逻辑控制，实现切换数据保护。
本发明技术方案如下：一种多模式数字像素结构，包括多模式CTIA像素单元201与兼容多模式的像素级模数转换模块202。
所述多模式CTIA像素单元201中，光信号通过高增益运放204在第一电容C1、第二多用电容C2和第三电容C3上实现积分输出模拟电压PIX_OUT至像素级模数转换模块202；多模式CTIA像素单元201中设置亮场控制开关与暗场控制开关，实现对多个电容的接入或断开，从而实现对亮暗场环境的切换。
所述像素级模数转换模块202包括比较器205、静态存储器207以及逻辑门206；通过脉冲宽度调制方式将斜波信号VRAMP与多模式CTIA像素单元201输出模拟电压共同输入至比较器205，输出结果COMP_OUT通过逻辑门206与H(L)_CTRL选择并控制静态存储器207的写使能信号H(L)W，写使能信号传至全局计数器203进行计数再存储至静态存储器207，实现模数转换。
模数转换模式包括相关双采样模式、卷帘曝光双采样模式、全局曝光双采样模式、卷帘曝光单采样模式和全局曝光单采样模式；暗场环境下采用相关双采样模式，断开第三电容C3以避免电荷共享；亮场环境下选用模式为卷帘曝光双采样模式、全局曝光双采样模式、卷帘曝光单采样模式或全局曝光单采样模式，接入第三电容C3，卷帘式曝光模式下增大满阱容量，全局曝光模式下用于存储信号电荷；亮场控制开关CTRL_LF控制第二多用电容C2并联至第一电容C1两端，增加满阱容量；暗场控制开关CTRL_DF控制第二多用电容C2跨接于运放输出401与浮动节点402之间，实现相关双采样模式，降低噪声。
所述全局计数器203包含两种计数方式，通过选择器208的使能信号，控制计数器的计数方式。
所述逻辑门206包括两个输入通道，通过控制输入通道信号与选择器208的使能信号，实现单双采样的控制；通过输入通道信号的逻辑，实现写入静态存储器207信号的顺序。
所述全局计数器203的设计降低了提出的数字像素的功耗，单采样方式与双采样方式的转换可以适应高精度与低噪声需求的转换。
一种多模式数字像素结构的逻辑控制方法，包括步骤如下：
步骤一：模式转换判定；
在每一帧帧末逻辑信号，判断多模式CTIA像素单元201是否进行模式切换，保持原有状态或进入判定状态；逻辑信号包括复位信号、行选信号、亮场控制信号、暗场控制信号、传输管控制信号、浮动节点402复位信号、采样方式选择信号、以及曝光方式选择信号；
步骤二：初始时序确定；
有模式切换时，判断转换模式，根据卷帘曝光模式或全局曝光模式决定初始时序，分别为曝光开始阶段、行选信号以及浮动节点402复位信号时序；
步骤三：传输时序确定；
曝光开始阶段，判断曝光方式，对应卷帘曝光模式与全局曝光模式，设定传输管控制信号时序；
步骤四：亮暗场判定；
判定应用场景明暗情况，通过判定亮场控制开关与暗场控制开关的通断，设定积分电容大小，同时判定传输管控制信号与浮动节点402复位信号是否改变，给定对应时序；
步骤五：采样方式确定；
判断采样方式，当第一行采样信号到达时，设置采样方式选择信号双通道与单通道通断，确定全局计数器203与静态存储器207工作模式。
所述步骤一至五中，各步骤产生的各逻辑信号，通过译码器801产生64位独热码输出，与周期性逻辑信号取与操作，得到逐渐推移的输出波形，为卷帘式曝光模式提供时序，通过模式选择器803，实现卷帘式与全局式的选择。
光电流越大，输出模拟电压PIX_OUT信号值越低，COMP_OUT翻转越晚，静态存储器207停止写的信号到达的越慢，计数器203积累的数字码越大，写入静态存储器207的数字码就越大。通过这种脉冲宽度调制的方式，实现将数字像素的输出数据存储于静态存储器207中。
进一步的，像素输出模拟电压PIX_OUT连接至比较器205的同相输入端，与反相输入端的VRAMP电压进行比较。
进一步的，比较结果COMP_OUT与H_CTRL和L_CTRL信号进行逻辑操作，实现静态存储器的写控制信号，在本发明涉及的多模式脉冲宽度调制方式中，H_CTRL和L_CTRL信号的逻辑，可以实现采样信号的模式与顺序。
进一步的，通过静态存储器207进行计数器数据的存储，当一行像素曝光采样结束，控制该行像素的读信号READ，将数字码输出。
在本发明涉及的多模式数字像素控制逻辑中，通过逻辑判定，将模式转换信号到达的条件，推移匹配至帧数据采样结束，实现数据保护，控制流程如图7所示。
进一步的，时序复位信号RST、行选信号SEL、浮动节点402复位信号RST_FD、传输管控制信号TX、亮场控制信号CTRL_LF、暗场控制信号CTRL_DF、采样方式选择信号DOUBLE、存储方式选择信号H_CTRL和L_CTRL的转换不会影响模式转换时的帧数据处理。
进一步的，通过逻辑信号与译码器801输出进行逻辑操作802，并通过选择器803，实现卷帘式与全局式的控制逻辑设计。
本发明的有益效果为：融合五种模式的模拟像素与可兼容脉冲宽度调制方式，实现多模式数字像素，适应多场景的应用；融合相关双采样与像素级模数转换，实现红外图像传感器更低噪声的性能需求；设置数据保护机制，防止在切换过程中，帧数据丢失，实现多模式数字像素的转换保护。
附图说明
图1是现有的图像传感器调制方式结构图。
图2是本发明的多功能数字像素结构图。
图3是本发明的全局计数器设计结构图。
图4是本发明的暗场应用像素等效结构图。
图5是本发明的亮场应用像素等效结构图。
图6(a)是本发明的单采样调制方式时序图。
图6(b)是本发明的双采样调制方式时序图。
图7是本发明的逻辑控制流程图。
图8是本发明的行逻辑模块结构图。
图中：201.多模式CTIA像素单元；202.像素级模数转换模块；203.全局计数器；204高增益运放；205比较器；206逻辑门；207.静态存储器；208选择器；401运放输出；402浮动节点；801译码器；802与操作；803模式选择器。
具体实施方式
本发明涉及一种多模式数字像素结构与逻辑控制方法。本发明的目的在于适应红外图像传感器多场景的应用需求，设计更低噪声的红外读出电路，并设计与之匹配的控制逻辑，实现多模式数字像素的控制与转换。
在本发明涉及的多模式数字像素中，当多模式数字像素应用于暗场环境时，暗场控制开关CTRL_DF闭合，亮场控制开关CTRL_LF断开，主要采用模式为相关双采样模式，实现适应暗场需求的高转换增益、低噪声的结构，像素等效结构如附图4所示。
在本发明涉及的多模式数字像素中，工作于相关双采样模式时，通过浮动节点复位信号RST_FD开关闭合对电容C2右极板赋初始值，左极板由于像素的曝光过程，电压逐渐下降，电容C2存储电荷为信号值与初始值的差值，电容C2右极板的采样值为初始值；将浮动节点复位信号RST_FD开关断开后，电容C2上存储的电荷不变，对电容C2左极板进行复位，进而右极板的采样值为：在初始值的基础上，加信号值与复位值的差值，实现相关双采样工作模式。在工作过程中，由于亮场控制开关CTRL_LF的断开，电容C3的连接被断开，避免了在电容C2极板电势切换过程中的电荷共享问题。
在本发明涉及的多模式数字像素中，当多模式数字像素应用于亮场环境时，暗场控制开关CTRL_DF断开，亮场控制开关CTRL_LF闭合，可选模式为卷帘曝光双采样模式，全局曝光双采样模式，卷帘曝光单采样模式，以及全局曝光单采样模式，此时积分电容提高为C1//C2，实现适应亮场需求的高满阱容量的结构，其等效像素结构如附图5所示。
在本发明涉及的多模式数字像素中，亮场环境等效结构与传统CTIA像素单元类似，当拍摄运动速度较快的物体时，可采用全局曝光工作模式，避免由于拍摄物体高速运动产生的残影现象，通过传输管控制信号TX，实现将信号电压存储于电容C3，通过浮动节点复位信号RST_FD开关，实现电容C3的清空复位。当多模式数字像素应用于静态图片的拍摄时，采用卷帘曝光工作模式，此时传输控制信号TX闭合，电容C3的接入进一步扩展像素的满阱容量。
在本发明涉及的多模式数字像素中，提出的可兼容脉冲宽度调制方式，匹配多模式模拟CTIA像素设计，实现数字像素的五种工作模式的设计，时序图中逻辑对应含义说明如下：
1.PIX_OUT为多模式CTIA像素单元201的输出模拟电压，当单采样时，其输出表现为行选信号SEL开关导通时为信号值，其余时间内为悬空的高电平，当双采样时，其输出表现为行选信号SEL开关导通时包含两次采样的数据值，其余时间内为悬空的高电平。
2.VRAMP信号采用向下斜波设计，主要与输出模拟电压PIX_OUT信号，输入到比较器205的两端进行比较，输出脉冲COMP_OUT用来控制静态存储器的写信号HW与LW。
3.COMP_OUT为比较器的输出，当输出模拟电压PIX_OUT大于斜波信号VRAMP时，输出为高，当输出模拟电压PIX_OUT小于斜波信号VRAMP时，输出为低。
4.R_COUNTER为计数器的复位控制，主要控制在存储完一个信号后将信号复位，复位的起点与斜波信号VRAMP的起点对齐。
5.COUNTER为计数器的工作状态，与信号R_COUNTER高电平重合部分为复位状态，其他部分为正常计数状态。
6.H_CTRL为6位静态存储器的或非输入控制信号。
7.L_CTRL为6位静态存储器的或非输入控制信号。
8.HW为6位静态存储器的写控制输入信号，等于COMP_OUT与H_CTRL的或非输出。
9.LW为6位静态存储器的写控制输入信号，等于COMP_OUT与L_CTRL的或非输出。
10.READ信号为静态存储器的读信号，在写完一行信号与复位之后，进行该行数字像素中静态存储器的读取操作。
11.HW_EV为6位静态存储器的写信号有效值，主要是静态存储器写过程与COUNTER计数的交集。
12.LW_EV为6位静态存储器的写信号有效值，主要是静态存储器写过程与COUNTER计数的交集。
在本发明涉及的多模式数字像素中，如附图6的采样逻辑，可以通过选择器208与存储方式选择信号H_CTRL与L_CTRL，实现采样逻辑的匹配，分别可以对应两种采样需求情况，采样匹配设计说明如下：
在本发明涉及的多模式数字像素中，当数字像素应用于低噪声需求的场景时，根据亮暗场以及拍摄物体运动规律的条件对多模式CTIA像素单元201进行以下模式中一项的选择应用：相关双采样模式，卷帘曝光双采样模式，或者全局曝光双采样模式。对此需要像素级模数转换的过程匹配双采样的工作方式，此时，通过控制选择器208使能信号，实现将计数器分为两组6位计数器，分别用来计算存储两次采样值，并通过存储方式选择信号H_CTRL与L_CTRL逻辑控制12位静态存储器分别进行两次采样值的存储，实现匹配需求。
在本发明涉及的多模式数字像素中，当数字像素应用于均匀光环境中，需要对像素的输出模拟电压PIX_OUT进行高精度的模数转换，像素信号的采样选择精度更高的单采样方式，主要采用模式为卷帘曝光单采样模式，或者全局曝光单采样模式，此时，需要像素级模数转换时匹配单采样逻辑方式，通过控制选择器208使能信号，实现12位计数器，同时设置存储方式选择信号H_CTRL与L_CTRL均为恒低，实现12位的静态存储器，整体构成12位静态存储器与12位计数器的结构，进行信号值的存储，进而实现信号值的高精度采样。
在多场景应用中，需要对本发明中涉及的多模式数字像素进行模式切换，在应用中，逻辑切换会导致采样数据的丢失，通过控制逻辑，实现数字像素的模式转换过程中，采样数据的完整性。判定流程图如图7所示，判定步骤说明如下：
步骤一：模式转换判定
在每一帧的帧末判断是否有模式切换，当没有模式切换过程时，保持原有状态，后面的选通及切换判定不工作，以降低功耗，当有模式切换时，进入判定状态。
步骤二：初始时序确定
当有模式切换时，在帧末判断是卷帘曝光模式还是全局曝光模式，决定初始时序，分别为曝光开始阶段、行选信号以及浮动节点402复位信号时序。
步骤三：传输时序确定
在曝光开始阶段，即复位信号RST上升沿阶段，判断曝光方式，对应卷帘曝光模式与全局曝光模式，对传输管控制信号TX控制时序进行设定。
步骤四：亮暗场判定
在判定完曝光方式后，在每一行曝光前，即每一行复位信号RST上升沿阶段，判定应用场景明暗情况，通过判定设置积分电容大小，同时判定传输控制与浮动节点复位信号RST_FD是否改变，给定对应时序。
步骤五：采样方式确定
继续判断采样方式，当第一行采样信号到达时，判定采样方式，确定计数器与静态存储器工作模式。
在本发明涉及的多模式数字像素逻辑控制中，通过以上流程确定输入逻辑，能够自动匹配模式设置，并根据转换信号自动调整转换过程。
在本发明涉及的多模式数字像素逻辑控制中，产生逻辑信号后，通过将逻辑信号与译码器801输出的独热码进行与操作802，并通过选择器803实现卷帘式信号与全局式信号的实现，如附图8所示。
本发明融合五种模式的模拟像素与可兼容脉冲宽度调制方式，实现多模式数字像素，适应多场景的应用；设计匹配的控制逻辑，设置数据保护机制，防止在切换过程中，帧数据丢失，实现多模式数字像素的转换保护。

Claims (5)

1.一种多模式数字像素结构，其特征在于，所述的多模式数字像素结构包括多模式CTIA像素单元(201)与兼容多模式的像素级模数转换模块(202)；
所述多模式CTIA像素单元(201)中，光信号通过高增益运放(204)在第一电容(C1)、第二多用电容(C2)和第三电容(C3)上实现积分输出模拟电压至像素级模数转换模块(202)；多模式CTIA像素单元(201)中设置亮场控制开关与暗场控制开关，实现对多个电容的接入或断开，从而实现对亮暗场环境的切换；
所述像素级模数转换模块(202)包括比较器(205)、静态存储器(207)以及逻辑门(206)；通过脉冲宽度调制方式将斜波信号与多模式CTIA像素单元(201)输出模拟电压共同输入至比较器(205)，输出结果通过逻辑门(206)选择并控制静态存储器(207)的写使能信号，写使能信号传至全局计数器(203)进行计数再存储至静态存储器(207)，实现模数转换；
模数转换模式包括相关双采样模式、卷帘曝光双采样模式、全局曝光双采样模式、卷帘曝光单采样模式和全局曝光单采样模式；暗场环境下采用相关双采样模式，断开第三电容(C3)以避免电荷共享；亮场环境下选用模式为卷帘曝光双采样模式、全局曝光双采样模式、卷帘曝光单采样模式或全局曝光单采样模式，接入第三电容(C3)，卷帘式曝光模式下增大满阱容量，全局曝光模式下用于存储信号电荷；亮场控制开关控制第二多用电容(C2)并联至第一电容(C1)两端，增加满阱容量；暗场控制开关控制第二多用电容(C2)跨接于运放输出(401)与浮动节点(402)之间，实现相关双采样模式，降低噪声。
2.根据权利要求1所述的多模式数字像素结构，其特征在于，所述全局计数器(203)包含两种计数方式，通过选择器(208)的使能信号，控制计数器的计数方式。
3.根据权利要求1所述的多模式数字像素结构，其特征在于，所述逻辑门(206)包括两个输入通道，通过控制输入通道信号与选择器(208)的使能信号，实现单双采样的控制；通过输入通道信号的逻辑，实现写入静态存储器(207)信号的顺序。
4.一种多模式数字像素结构的逻辑控制方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤一：模式转换判定；
在每一帧帧末逻辑信号，判断多模式CTIA像素单元(201)是否进行模式切换，保持原有状态或进入判定状态；逻辑信号包括复位信号、行选信号、亮场控制信号、暗场控制信号、传输管控制信号、浮动节点(402)复位信号、采样方式选择信号、以及曝光方式选择信号；
步骤二：初始时序确定；
有模式切换时，判断转换模式，根据卷帘曝光模式或全局曝光模式决定初始时序，分别为曝光开始阶段、行选信号以及浮动节点(402)复位信号时序；
步骤三：传输时序确定
曝光开始阶段，判断曝光方式，对应卷帘曝光模式与全局曝光模式，设定传输管控制信号时序；
步骤四：亮暗场判定
判定应用场景明暗情况，通过判定亮场控制开关与暗场控制开关的通断，设定积分电容大小，同时判定传输管控制信号与浮动节点(402)复位信号是否改变，给定对应时序；
步骤五：采样方式确定
判断采样方式，当第一行采样信号到达时，设置采样方式选择信号双通道与单通道通断，确定全局计数器(203)与静态存储器(207)工作模式。
5.根据权利要求4所述的一种多模式数字像素结构的逻辑控制方法，其特征在于，所述步骤一至五中，各步骤产生的各逻辑信号，通过译码器(801)产生64位独热码输出，与周期性逻辑信号取与操作，得到逐渐推移的输出波形，为卷帘式曝光模式提供时序，通过模式选择器(803)，实现卷帘式与全局式的选择。
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