CN115529416A - 斜坡信号发生电路、图像传感器以及读出电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种斜坡信号发生电路、图像传感器以及读出电路，所述斜坡信号发生电路包括：镜像电流源模块的第一端输出基准电流；镜像电流源模块的第四端还用于输出斜坡信号；终端电阻模块的第二端连接第二可调电阻单元的第一端，用于提供固定的电阻；第一可调电阻单元用于根据不同的ADC增益档位、降低系数调节基准电流的大小，降低系数由ADC增益档位决定；第二可调电阻单元用于保证镜像电流源模块的第四端输出相应ADC增益档位所对应的斜坡信号。本发明能够实现在降低基准电流的大小的同时，得到所需要的斜坡信号，以实现在保证转换精度和速度的前提下，以降低图像传感器的功耗。

Description

斜坡信号发生电路、图像传感器以及读出电路

技术领域

本发明涉及集成电路设计技术领域，尤其涉及一种斜坡信号发生电路、图像传感器以及读出电路。

背景技术

CMOS图像传感器(CIS)已广泛应用于视频、监控、工业制造、汽车、家电等成像领域。随着近年来，CIS的应用已开始涉及物联网(IoT)，其功耗成为最为关键的指标之一，如何有效降低CIS的功耗以满足低功耗应用环境的要求已成为一个热门研究课题。CIS主流读出电路结构是以列级模数转换器(ADC)为主的读出电路，以保证CIS在合理的功耗下具有足够的转换精度和速度。其主要的功耗来自于列ADC和斜坡发生器，针对列ADC降低功耗的方法很多，而斜坡发生器关系到CIS最终线性度、噪声的实现情况，所以很难在有效降低功耗的情况下保证较高的性能指标。

因此，本发明提出了一种斜坡信号发生电路、图像传感器以及读出电路，在保证转换精度和速度的前提下，以降低图像传感器的功耗。

发明内容

本发明提供了一种斜坡信号发生电路、图像传感器以及读出电路，以解决现有技术中ADC功耗较高的问题，进而降低图像传感器的功耗。

第一方面，本发明提供一种斜坡信号发生电路，应用于图像传感器，包括：放大器、可调电阻模块、终端电阻模块、镜像电流源模块；所述可调电阻模块包括第一可调电阻单元和第二可调电阻单元；所述放大器的第一输入端接收参考电压，所述放大器的第二输入端连接所述镜像电流源模块的第一端以及所述第一可调电阻单元的第一端，所述镜像电流源模块的第一端输出基准电流，所述放大器的输出端连接所述镜像电流源模块的第二端；所述镜像电流源模块的第三端连接电源，所述镜像电流源模块的第四端连接所述终端电阻模块的第一端，且所述镜像电流源模块的第四端还用于输出斜坡信号；所述终端电阻模块的第二端连接所述第二可调电阻单元的第一端，用于提供固定的电阻；所述第一可调电阻单元的第二端接地，所述第一可调电阻单元用于根据不同的ADC增益档位、降低系数调节所述基准电流的大小，所述降低系数由所述ADC增益档位决定；所述第二可调电阻单元的第二端接地，所述第二可调电阻单元用于保证所述镜像电流源模块的第四端输出相应ADC增益档位所对应的斜坡信号。

其有益效果在于：本发明通过所述第一可调电阻单元用于根据不同的ADC增益档位、降低系数调节所述基准电流的大小，所述第二可调电阻单元用于保证所述镜像电流源模块的第四端输出相应ADC增益档位所对应的斜坡信号，能够实现在降低基准电流的大小的同时，得到所需要的斜坡信号，以实现在保证转换精度和速度的前提下，以降低图像传感器的功耗。

可选地，所述第二可调电阻单元包括并联的第一控制单元和增强单元；所述增强单元用于增大所述终端电阻模块所在支路的阻值，以降低所述终端电阻模块所在支路的功耗；所述第一控制单元用于控制所述增强单元的导通状态。

可选地，所述第一可调电阻单元包括A个子电阻和第二控制单元，所述第二控制单元包括B个子控制单元；所述A和所述B均为正整数；所述A个子电阻中阻值最小的电阻为第一电阻，所述A个子电阻中的其余电阻均为所述第一电阻正整数倍；所述第二控制单元中的B个子控制单元用于控制所述第一可调电阻单元中的所述A个子电阻的有效电阻值等于所述ADC增益档位、所述降低系数与所述第一电阻的乘积，以降低所述基准电流。其有益效果在于：本发明通过调节所述第一可调电阻单元增加所述基准电流所在支路的阻值，以降低所述基准电流。

可选地，所述第一控制单元包括C个子控制单元，所述增强单元包括D个子电阻，所述D个子电阻的阻值为所述终端电阻模块阻值的正整数倍；所述C和所述D均为正整数；所述第一控制单元中的C个子控制单元用于控制所述增强单元中的所述D个子电阻的有效电阻值和所述终端电阻模块的电阻的阻值之和等于所述降低系数与所述终端电阻模块的电阻的阻值的乘积，以保证所述输出端输出相应ADC增益档位所对应的所述斜坡信号。其有益效果在于：本申请通过所述第一控制单元中的C个子控制单元用于控制所述增强单元中的所述D个子电阻的有效电阻值和所述终端电阻模块的电阻的阻值之和等于所述降低系数与所述终端电阻模块的电阻的阻值的乘积，以保证所述输出端输出相应ADC增益档位所对应的所述斜坡信号。

可选地，所述镜像电流源模块包括第一电流源单元与E个电流源子单元；所述E为正整数；所述第一电流源单元的第一端连接所述放大器的输出端、所述E个电流源子单元的第一端；所述第一电流源单元的第二端连接所述放大器的第二输入端、所述第一可调电阻单元的第一端；所述第一电流源单元的第三端连接所述电源；所述E个电流源子单元的第二端连接所述终端电阻模块的第一端，以及所述E个电流源子单元的第二端还用于输出所述斜坡信号；所述E个电流源子单元的第三端连接所述电源。

可选地，当所述ADC增益档位为N的幂次方时，所述降低系数为N，N为大于或等于2的正整数。

可选地，所述第二可调电阻单元实际接入的电阻和所述终端电阻的电阻值之和大于或等于50欧姆、小于或等于500欧姆。

第二方面，本发明提供一种图像传感器，包括如第一方面中任一项所述的斜坡信号发生电路以生成斜坡信号。

第三方面，本发明提供一种图像传感器读出电路，包括像素阵列、ADC、斜坡发生器；所述像素阵列用于获取图像数据，所述斜坡发生器用于输出斜坡信号，所述ADC用于将所述图像数据转换为数字信号以读出所述图像数据；其中，斜坡发生器利用如第一方面中任一项所述的斜坡信号发生电路以生成斜坡信号。

关于上述第二方面至第三方面的有益效果可以参见上述第一方面中的描述。

附图说明

图1为一种四管像素单元电路结构示意图；

图2为一种四管像素单元的工作时序示意图；

图3为一种图像传感器读出电路的结构示意图；

图4为一种图像传感器读出电路的工作时序示意图；

图5为一种斜坡信号发生电路的结构示意图；

图6为一种斜坡信号产生的原理示意图；

图7为本发明提供的一种斜坡信号发生电路的实施例示意图；

图8为本发明提供的又一种斜坡信号发生电路的实施例示意图；

图9为本发明提供的再一种斜坡信号发生电路的实施例示意图；

图10为本发明提供的还一种斜坡信号发生电路的实施例示意图。

具体实施方式

下面结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。其中，在本申请实施例的描述中，以下实施例中所使用的术语只是为了描述特定实施例的目的，而并非旨在作为对本申请的限制。如在本申请的说明书和所附权利要求书中所使用的那样，单数表达形式“一种”、“该”、“上述”、“该”和“这一”旨在也包括例如“一个或多个”这种表达形式，除非其上下文中明确地有相反指示。还应当理解，在本申请以下各实施例中，“至少一个”、“一个或多个”是指一个或两个以上(包含两个)。术语“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系；例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况，其中A、B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

在本说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“连接”包括直接连接和间接连接，除非另外说明。“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。

在本申请实施例中，“示例性地”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性地”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性地”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

图1示出了一种CIS标准四管像素单元电路结构，该结构普遍应用于CIS，它由光电二极管PD、传输晶体管Mtg、复位晶体管Mrst、放大晶体管Msf、选通晶体管Msel组成。光电二极管PD会感光，并生成与光照强度成正比的光电子。传输晶体管Mtg作用是转移光电二极管PD内的光电子。当传输信号TX为高电位时，所述传输晶体管Mtg导通，会将光电二极管PD内的光电子转移到浮置扩散区FD上。复位晶体管Mrst作用是在复位信号RX为高电位时，对浮置扩散区FD的电位进行复位。当SEL为高电位时，所述选通晶体管Msel导通，所述放大晶体管Msf、所述选通晶体管Msel与到地的电流源形成通路，此时放大晶体管Msf跟随浮置扩散区FD电位的变化作为像素单元输出的像素信号PIX_OUT。

图2为图1所示的四管像素单元的工作时序，分为复位(Rst)、曝光(Exp)、信号读取(Read)。在Rst阶段，传输信号TX、复位信号RX为高电位，所述传输晶体管Mtg和所述复位晶体管Mrst均导通，浮置扩散区FD复位且其电位被拉高到电源电压VDD。之后，复位信号RX、传输信号TX变为低电位，进入Exp阶段，浮置扩散区PD感光并积累电子。然后，进入Read阶段，SEL为高电位，复位信号RX先为高电位，复位浮置扩散区FD的电位之后，复位信号RX再拉为低电位，传输信号TX保持为低电位，此时所述放大晶体管Msf受控于浮置扩散区FD电位并输出复位信号VRST。之后，传输信号TX拉为高电位，并将光电二极管PD上的电子转移到浮置扩散区FD，此时所述放大晶体管Msf受控于浮置扩散区FD的电位并输出积分信号VSIG。VRST-VSIG的差值即是光电二极管PD上光电子对应的模拟电压量。VRST、VSIG电位由模数转换器(ADC)电路转换为数字量并进行减法操作，得到光电二极管PD上光电子实际对应的数字量。若ADC为12位，ADC参考电压范围为VREF，则最终输出为

图3为CIS读出电路的结构示意图，包括像素阵列、ADC、斜坡发生器、时序控制模块、译码驱动模块、输出信号处理模块。该像素阵列由若干个如图1所示的像素单元P组成。像素阵列按逐行的方式读出，具体顺序为ROW(0)、ROW(1)、……ROW(k-1)、ROW(k)。所述k为正整数。该ADC模块由比较器、计数器组成，比较器将输出的像素信号与斜坡信号RAMP进行比较，比较结果决定了计数器计数值的大小。ADC模块还会对上述复位信号VRST、积分信号VSIG的电位分别进行判断，并将二者的差值转换为数字量输出。

图4为图3所示CIS读出电路对应的工作时序，也即是图2所述时序的Read阶段。在图4所示的时序中，进入Read阶段，SEL拉为高电位，复位信号RX为高电位，并对像素单元进行复位。RST_CM为比较器复位控制信号，RST_CM也拉为高电位，以使所有的ADC模块中的比较器进入复位状态。接着复位信号RX、RST_CM由高电位变为低电位，ADC模块进入正常的工作状态。ADC模块的工作过程由比较和计数两个过程组成，首先在斜坡信号RAMP的电位开始下降时，计数器CNT开始计数，直到比较器信号发生由低电位到高电位的翻转时，计数器CNT停止计数并存储当前计数值。要完成像素信号的模数转换，ADC模块需要进行两次上述操作，即作为ADC模块的基准，会产生两次斜坡。第一次斜坡阶段(也即图4中的“VR”阶段)，ADC模块将判断并存储复位信号VRST，计数器CNT将在t1时间内计数并存储该t1时间段对应的计数值CN1；第二次斜坡阶段(也即图4的“VS”阶段)，ADC模块将判断并存储复位信号VSIG，计数器CNT将在t2时间内计数并存储该t2时间段对应的计数值CN2。最终计数器CNT将输出计数差值ΔCN＝CN2-CN1，对应VSIG-VRST的差值量。

图5示出了一种现有的斜坡信号发生电路，该电路由放大器AMP，可调电阻R1，终端电阻R2，PMOS管P0、PMOS管P1、…、PMOS管PN、PMOS管PL组成。PMOS管PL、PMOS管P0、PMOS管P1、…、PMOS管PN的PMOS管M因子数分别为2^L、2⁰、2¹、…2^N，即PMOS管PL的宽长比与PMOS管P0、PMOS管P1、…、PMOS管PN的宽长比的比值为2^L：2⁰：2¹：…：2^N，所以流过PMOS管PL、PMOS管P0、PMOS管P1、…、PMOS管PN的电流比例也为2^L：2⁰：2¹：…：2^N。参考电压VREF通过放大器AMP、可调电阻R1和PMOS管PL产生基准电流I_R，基准电流I_R通过PMOS管PL镜像到PMOS管P0、PMOS管P1、…、PMOS管PN并产生流过R2的总电流I_Z，所述I_Z＝I0+I1+…+IN，对应的输出电压VRAMP为VRAMP＝R2×I_Z。因为PMOS管P0、PMOS管P1、…、PMOS管PN与PMOS管PL成镜像关系，所以PMOS管P0、PMOS管P1、…、PMOS管PN所在的每个支路电流大小均与I_R成比例。若每个支路全部开启，则总电流I_Z＝(AL/L)×I_R，其中，AL＝2⁰+2¹+…+2^N，所述L大于或等于1。若PMOS管P0流过的电流为I₀，PMOS管P1、PMOS管P2、…、PMOS管PN所在的支路流过的电流分别为2¹×I0、2²×I0、…、2^N×I0。开关K0、开关K1、…、开关KN分别控制电流I₀、电流I₁、…、电流I_N所在支路的通断。电阻R1由4个电阻串联组成，这4个电阻值分别为R、R、2R、4R。通过控制开关G0、开关G1、开关G2的导通状态控制斜坡信号RAMP的斜率，具体实现方式如下：

第一种情况：当开关G0导通，开关G1、开关G2断开时，R1＝R，I_R＝VREF/R，对应1倍ADC增益的斜率；

第二种情况：当开关G1导通，开关G0、开关G2断开时，R1＝R+R＝2R，I_R＝VREF/2R，对应2倍ADC增益的斜率；

第三种情况：当开关G2导通，开关G0、开关G1断开时，R1＝R+R+2R＝4R，I_R＝VREF/4R，对应4倍ADC增益的斜率；

第四种情况：当开关G0、开关G1、开关G2均断开时，R1＝8R，I_R＝VREF/8R，对应8倍ADC增益的斜率。

由于在不同的ADC增益档位下，基准电流I_R是不同的，所以不同的ADC增益档位对应的斜坡信号的初始电位是不一样的，ADC增益档位越低，基准电流I_R越大，总电流I_Z就越大，斜坡信号的初始电位越高；ADC增益档位越高，基准电流I_R越小，总电流I_Z越小，斜坡信号的初始电位越低。

图6为斜坡信号产生原理示意图，在初始状态，与终端电阻R2相接的所有电流支路均导通，总电流I_Z＝(2⁰+2¹+…+2^N)×I0，斜坡信号RAMP的初始电位保持在“RAMP0”。之后，在时钟控制信号CLK_R的控制下，每个时钟周期Ts内，开关K0、开关K1、…、开关KN依次关断，斜坡发生器输出类似台阶形状的电压。在第一个时钟周期Ts内，仅开关K0关断，流过终端电阻R2的总电流I_Z将减少I0；在第二个时钟周期Ts内，仅开关K1关断，其他开关保持导通，流过终端电阻R2的总电流I_Z将减少2×I0；…第N个时钟周期Ts内，仅开关KN关断，其他开关保持导通，流过终端电阻R2的总电流I_Z将减少N×I₀。在上述第一种情况时，斜坡信号RAMP的初始电位为“RAMP1”；在上述第二种情况时，斜坡信号RAMP的初始电位为“RAMP2”。实际应用时，时钟控制信号CLK_R的频率较高，时钟周期Ts很短，所以类似台阶式的斜坡信号可以近似看作一条直线。

斜坡发生器的功耗主要消耗在输出支路，出于控制噪声的目的，终端电阻R2一般不会太大，因为电阻越大，斜坡信号中电阻引入的热噪声占比将上升。比如在一个典型的CIS设计中，终端电阻R2＝100Ω，要使ADC的量化范围达到1V，那么终端电阻R2上流过的总电流I_Z在1倍ADC增益时的大小为1V/100Ω＝10mA，该电流占了整个CIS电流消耗的1/3～1/5。在2倍ADC增益时，由于ADC量化范围缩小一倍，所以终端电阻R2的总电流I_Z为5mA。同理，4倍、8倍增益下，总电流I_Z分别为2.5mA、1.25mA。所以若能有效降低1倍、2倍ADC增益时的总电流I_Z，则能有效降低斜坡发生器的功耗。若将1倍、2倍ADC增益对应的终端电阻R2增大一倍，那么消耗的电流即可减半，但此时电阻增大会增加热噪声，这就需要确认增大后的噪声的是否会对CIS整体噪声特性和ADC量化产生影响。

从前述分析可知，当ADC增益较小时，斜坡信号RAMP的斜率较大，若ADC为12位，量化参考电压范围为1V，则一个最低有效位(Least SignificantBit，LSB)电压为244μV。当ADC增益为2倍时，一个LSB电压为122μV；ADC增益为4倍、8倍时，一个LSB电压分别为61μV、30.5μV。斜坡发生器输出噪声主要由电流镜噪声和电阻R2的噪声组成，其噪声密度为

其中，T是热力学温度，K是玻尔兹曼常数，df为微分符号。

是电压噪声的均方值。g_m是斜坡发生器电流镜总跨导。一般设计中，gm/I_Z为8～16，这里取gm＝12I_Z来估计一个近似结果：

化简可以得到：

其中，A_gain为ADC增益。

从化简的公式可以看到，在gm＝12I_Z，且当ADC增益为8倍以下时，斜坡信号噪声以电流镜噪声为主，当增益8倍及以上时，以电阻R2热噪声为主。同理，当16I_Z>gm>12I_Z时，得出来的结论为当ADC增益为8倍时，斜坡信号噪声仍以电流镜噪声为主。

所以基于上述分析，本发明提出了一种斜坡信号发生电路，应用于图像传感器，其结构如图7所示，包括：放大器701、可调电阻模块702、终端电阻模块703、镜像电流源模块704；所述可调电阻模块702包括第一可调电阻单元7021和第二可调电阻单元7022；所述放大器701的第一输入端接收参考电压(图7未示出)，所述放大器701的第二输入端连接所述镜像电流源模块704的第一端以及所述第一可调电阻单元7021的第一端，所述镜像电流源模块704的第一端输出基准电流，所述放大器701的输出端连接所述镜像电流源模块704的第二端；所述镜像电流源模块704的第三端连接电源(图7未示出)，所述镜像电流源模块704的第四端连接所述终端电阻模块703的第一端，且所述镜像电流源模块704的第四端还用于输出斜坡信号(图7未示出)；所述终端电阻模块703的第二端连接所述第二可调电阻单元7022的第一端，用于提供固定的电阻；所述第一可调电阻单元7021的第二端接地(图7未示出)，所述第一可调电阻单元7021用于根据不同的ADC增益档位、降低系数调节所述基准电流的大小，所述降低系数由所述ADC增益档位决定；所述第二可调电阻单元7022的第二端接地(图7未示出)，所述第二可调电阻单元7022用于保证所述镜像电流源模块的第四端输出相应ADC增益档位所对应的斜坡信号。

本发明通过所述第一可调电阻单元用于根据不同的ADC增益档位、降低系数调节所述基准电流的大小，所述第二可调电阻单元用于保证所述镜像电流源模块的第四端输出相应ADC增益档位所对应的斜坡信号，能够实现在降低基准电流的大小的同时，得到所需要的斜坡信号，以实现在保证转换精度和速度的前提下，以降低图像传感器的功耗。

在一些实施例中，所述第二可调电阻单元包括并联的第一控制单元和增强单元；所述增强单元用于增大所述终端电阻模块所在支路的阻值，以降低所述终端电阻模块所在支路的功耗；所述第一控制单元用于控制所述增强单元的导通状态。

在一些实施例中，所述第一可调电阻单元包括A个子电阻和第二控制单元，所述第二控制单元包括B个子控制单元；所述A和所述B均为正整数；所述A个子电阻中阻值最小的电阻为第一电阻，所述A个子电阻中的其余电阻均为所述第一电阻正整数倍；所述第二控制单元中的B个子控制单元用于控制所述第一可调电阻单元中的所述A个子电阻的有效电阻值等于所述ADC增益档位、所述降低系数与所述第一电阻的乘积，以降低所述基准电流。本发明通过调节所述第一可调电阻单元增加所述基准电流所在支路的阻值，以降低所述基准电流。

在一些实施例中，所述第一控制单元包括C个子控制单元，所述增强单元包括D个子电阻，所述D个子电阻的阻值为所述终端电阻模块阻值的正整数倍；所述C和所述D均为正整数；所述第一控制单元中的C个子控制单元用于控制所述增强单元中的所述D个子电阻的有效电阻值和所述终端电阻模块的电阻的阻值之和等于所述降低系数与所述终端电阻模块的电阻的阻值的乘积，以保证所述输出端输出相应ADC增益档位所对应的所述斜坡信号。本申请通过所述第一控制单元中的C个子控制单元用于控制所述增强单元中的所述D个子电阻的有效电阻值和所述终端电阻模块的电阻的阻值之和等于所述降低系数与所述终端电阻模块的电阻的阻值的乘积，以保证所述输出端输出相应ADC增益档位所对应的所述斜坡信号。

在一些实施例中，所述镜像电流源模块包括第一电流源单元与E个电流源子单元；所述E为正整数；所述第一电流源单元的第一端连接所述放大器的输出端、所述E个电流源子单元的第一端；所述第一电流源单元的第二端连接所述放大器的第二输入端、所述第一可调电阻单元的第一端；所述第一电流源单元的第三端连接所述电源；所述E个电流源子单元的第二端连接所述终端电阻模块的第一端，以及所述E个电流源子单元的第二端还用于输出所述斜坡信号；所述E个电流源子单元的第三端连接所述电源。

在一些实施例中，当所述ADC增益档位为N的幂次方时，所述降低系数为N，N为大于或等于2的正整数。

在一些实施例中，所述第二可调电阻单元实际接入的电阻和所述终端电阻的电阻值之和大于或等于50欧姆、小于或等于500欧姆。

为了进一步对本申请所提供的斜坡信号发生电路进行解释，在此进行举例说明：

示例一：在公式

中，当gm＝12II_Z时、ADC增益为8倍以下时，斜坡信号噪声以电流镜噪声为主，当增益8倍及以上时，以电阻R2热噪声为主。图8示出了一种斜坡信号发生电路，包括：放大器AMP、由PMOS管P0、PMOS管P1、…、PMOS管PN、PMOS管PL构成的电流源镜像电路、由可调电阻R1、第一开关G1和第二开关G2构成的第一可调电阻单元、终端电阻R2、由电阻R3和第三开关构成的第二可调电阻单元。终端电阻R2所在的支路为输出支路。电阻R3的阻值等于终端电阻R2的阻值，通过控制第一开关G1、第二开关G2的导通状态实现第一可调电阻单元实际接入电阻的整体阻值的大小的调节，通过控制第三开关G3的导通状态实现第二可调电阻单元是否实际接入电阻R3。所述可调电阻R1包括4个电阻，阻值分别是R、R、2R和4R。在1倍、2倍、4倍ADC增益档位，将输出电阻扩大1倍，使电流减半，达到降低功耗的目的。具体地，在1倍ADC增益档位，第一开关G1导通，第二开关G2、第三开关G3断开，可调电阻R1的阻值等于2R，基准电流I_R等于基准电压VREF与2R的比值。这时第三开关G3断开，第二可调电阻单元接入电阻R3，使得输出支路的电阻的阻值增大1倍为R2+R3＝2R2，同默认情况相比，斜坡信号斜率和ADC量化范围均保持不变，但输出支路的电流减半。在2倍ADC增益档位，第一开关G1、第三开关G3断开，第二开关G2导通，可调电阻R1的阻值等于4R，基准电流I_R等于基准电压VREF与4R的比值，这时第三开关G3断开，输出支路的电阻的阻值仍为2R2；在4倍ADC增益档位，第一开关G1、第二开关G2、第三开关G3均断开，可调电阻R1的阻值等于8R，基准电流I_R等于基准电压VREF与8R的比值，这时第三开关G3断开，输出支路的电阻的阻值仍为2R2；同理，2倍和4倍ADC增益档位下，输出支路的电流减半但斜坡信号斜率和ADC量化范围均保持不变；当8倍ADC增益档位时，第一开关G1、第二开关G2断开，第三开关G3导通，可调电阻R1的阻值等于8R，基准电流I_R等于基准电压VREF与8R的比值，这时第三开关G3导通，输出支路的电阻的阻值为R2，电流和之前默认情况一致。所以，在1、2、4倍ADC增益档位下，通过上述控制可以使流过终端电阻R2的电流减半，减小了斜坡发生发生电路的功耗。

假如默认情况下，终端电阻R2为100Ω，ADC噪声带宽为10MHz，根据之前的公式可知，1、2、4、8倍ADC增益档位对应的斜坡噪声分别为20μV、16μV、12μV、10μV；若终端电阻R2为200Ω，1、2、4、8倍ADC增益档位对应的斜坡噪声分别为32μV、24μV、18μV、15μV。可见，在终端电阻R2为200Ω时，1、2、4、8倍ADC增益档位的斜坡噪声占1个LSB的比例分别为13％、19.6％、29.5％、49.2％。可以看出，8倍ADC增益档位，由于噪声占比达到1个LSB一半，也即可以与量化噪声相比拟，会影响最终ADC量化效果，而1～4倍ADC增益档位下，占比均在30％以下，对最终ADC量化效果影响微弱，故不会对CIS最终性能产生影响。可见，本发明提出的1～4倍ADC增益档位下使输出支路的电阻的阻值扩大一倍且使电流减半的方法不会对CIS的性能产生影响。

示例二：在公式

中，当gm＝16I_Z时、ADC增益为8倍及以下时，斜坡信号噪声以电流镜噪声为主。图9示出了一种斜坡信号发生电路，包括：放大器AMP、由PMOS管P0、PMOS管P1、…、PMOS管PN、PMOS管PL构成的电流源镜像电路、由可调电阻R1、第四开关G4、第五开关G5、第六开关G6构成的第一可调电阻单元、终端电阻R2、由电阻R3和第七开关G7构成的第二可调电阻单元。终端电阻R2所在的支路为输出支路。电阻R3的阻值等于终端电阻R2的阻值，通过控制第四开关G4、第五开关G5、第六开关G6的导通状态实现第一可调电阻单元实际接入电阻的整体阻值的大小的调节，通过控制第七开关G7的导通状态实现第二可调电阻单元是否实际接入电阻R3。所述可调电阻R1包括4个电阻，阻值分别是2R、2R、4R和8R。在1倍、2倍、4倍和8倍ADC增益档位，将输出电阻扩大1倍，使电流减半，达到降低功耗的目的。具体地，在1倍ADC增益档位，第四开关G4导通，第五开关G5、第六开关G6断开，可调电阻R1的阻值等于2R，基准电流I_R等于基准电压VREF与2R的比值。这时第七开关G7断开，第二可调电阻单元接入电阻R3，使得输出支路的电阻的阻值增大1倍为R2+R3＝2R2，同默认情况相比，斜坡信号斜率和ADC量化范围均保持不变，但输出支路的电流减半。在2倍ADC增益档位，第四开关G4、第五开关G5断开，第六开关G6导通，可调电阻R1的阻值等于4R，基准电流I_R等于基准电压VREF与4R的比值，这时第七开关G7断开，输出支路的电阻的阻值仍为2R2；在4倍ADC增益档位，第四开关G4、第五开关G5、第六开关G6均断开，可调电阻R1的阻值等于8R，基准电流I_R等于基准电压VREF与8R的比值，这时第七开关G7断开，输出支路的电阻的阻值仍为2R2；同理，2倍和4倍ADC增益档位下，输出支路的电流减半但斜坡信号斜率和ADC量化范围均保持不变；当8倍ADC增益档位时，第四开关G4、第五开关G5和第六开关G6断开，第七开关G7导通，可调电阻R1的阻值等于16R，基准电流I_R等于基准电压VREF与16R的比值，这时第七开关G7断开，输出支路的电阻的阻值为2R2，输出支路的电流减半但斜坡信号斜率和ADC量化范围均保持不变。

示例三：在公式

中，当gm＝16I_Z时、ADC增益为8倍及以下时，斜坡信号噪声以电流镜噪声为主。图10示出了一种斜坡信号发生电路，包括：放大器AMP、由PMOS管P0、PMOS管P1、…、PMOS管PN、PMOS管PL构成的电流源镜像电路、由可调电阻R1、第八开关G8、第九开关G9和第十开关G10构成的第一可调电阻单元、终端电阻R2、由电阻R3、第十一开关G11、电阻R4和第十二开关G12构成的第二可调电阻单元。终端电阻R2所在的支路为输出支路。电阻R3、电阻R4、终端电阻R2的阻值相等，通过控制第八开关G8、第九开关G9和第十开关G10的导通状态实现第一可调电阻单元实际接入电阻的整体阻值的大小的调节，通过控制第十一开关G11、第十二开关G12的导通状态实现第二可调电阻单元是否实际接入电阻R3。所述可调电阻R1包括4个电阻，阻值分别是3R、3R、6R和12R。在1倍、2倍、4倍及8倍ADC增益档位，将输出电阻扩大1倍，使电流减半，达到降低功耗的目的。具体地，在1倍ADC增益档位，第八开关G8导通，第九开关G9、第十开关G10断开，可调电阻R1的阻值等于3R，基准电流I_R等于基准电压VREF与3R的比值。这时第十一开关G11及第十二开关均断开，第二可调电阻单元接入电阻R3和电阻R4，使得输出支路的电阻的阻值增大2倍为R2+R3+R4＝3R2，同默认情况相比，斜坡信号斜率和ADC量化范围均保持不变，但输出支路的电流减少三分之二。2倍ADC增益档位、4倍ADC增益档位、8倍ADC增益档位同理，在此不在赘述，输出支路的电流减少三分之二但斜坡信号斜率和ADC量化范围均保持不变。

基于上述实施例所提供的斜坡信号发生电路，本发明提供一种图像传感器，包括如上述任一项实施例所述的斜坡信号发生电路以生成斜坡信号。

基于上述实施例所提供的斜坡信号发生电路，本发明提供一种图像传感器读出电路，包括像素阵列、ADC、斜坡发生器；所述像素阵列用于获取图像数据，所述斜坡发生器用于输出斜坡信号，所述ADC用于将所述图像数据转换为数字信号以读出所述图像数据；其中，斜坡发生器利用如上述任一项所述的斜坡信号发生电路以生成斜坡信号。

上述实施例仅以4个ADC增益档位为例，并不代表本申请只能应用于包含上述4个ADC增益档位的图像传感器，实际上，在一些优选的实施例中，本申请还可以应用于包含2个ADC增益档位、3个ADC增益档位、5个ADC增益档位、6个ADC增益档位、7个ADC增益档位的图像传感器。所述2个ADC增益档位包括：1倍、2倍、4倍、8倍、16倍、32倍、64倍中的任意两个，所述3个ADC增益档位包括：1倍、2倍、4倍、8倍、16倍、32倍、64倍中的任意三个，所述5个ADC增益档位包括：1倍、2倍、4倍、8倍、16倍、32倍、64倍中的任意五个，6个ADC增益档位包括：1倍、2倍、4倍、8倍、16倍、32倍、64倍中的任意六个，7个ADC增益档位包括：包括：1倍、2倍、4倍、8倍、16倍、32倍、64倍。进一步地，本申请也可以应用于包括1倍、2倍、4倍、8倍、16倍、32倍、64倍中的任意四个ADC增益档位的图像传感器。相应地，本申请所提出的斜坡信号发生电路中关于可调电阻模块的具体设计以能够实现本发明的目的为准。

以上所述，仅为本申请实施例的具体实施方式，但本申请实施例的保护范围并不局限于此，任何在本申请实施例揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请实施例的保护范围之内。因此，本申请实施例的保护范围应以所述的权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种斜坡信号发生电路，其特征在于，应用于图像传感器，包括：放大器、可调电阻模块、终端电阻模块、镜像电流源模块；

所述可调电阻模块包括第一可调电阻单元和第二可调电阻单元；

所述放大器的第一输入端接收参考电压，所述放大器的第二输入端连接所述镜像电流源模块的第一端以及所述第一可调电阻单元的第一端，所述镜像电流源模块的第一端输出基准电流，所述放大器的输出端连接所述镜像电流源模块的第二端；

所述镜像电流源模块的第三端连接电源，所述镜像电流源模块的第四端连接所述终端电阻模块的第一端，且所述镜像电流源模块的第四端还用于输出斜坡信号；所述终端电阻模块的第二端连接所述第二可调电阻单元的第一端，用于提供固定的电阻；

所述第一可调电阻单元的第二端接地，所述第一可调电阻单元用于根据不同的ADC增益档位、降低系数调节所述基准电流的大小，所述降低系数由所述ADC增益档位决定；

所述第二可调电阻单元的第二端接地，所述第二可调电阻单元用于保证所述镜像电流源模块的第四端输出相应ADC增益档位所对应的斜坡信号。

2.根据权利要求1所述的斜坡信号发生电路，其特征在于，所述第二可调电阻单元包括并联的第一控制单元和增强单元；

所述增强单元用于增大所述终端电阻模块所在支路的阻值，以降低所述终端电阻模块所在支路的功耗；

所述第一控制单元用于控制所述增强单元的导通状态。

3.根据权利要求2所述的斜坡信号发生电路，其特征在于，所述第一可调电阻单元包括A个子电阻和第二控制单元，所述第二控制单元包括B个子控制单元；所述A和所述B均为正整数；

所述A个子电阻中阻值最小的电阻为第一电阻，所述A个子电阻中的其余电阻均为所述第一电阻正整数倍；

所述第二控制单元中的B个子控制单元用于控制所述第一可调电阻单元中的所述A个子电阻的有效电阻值等于所述ADC增益档位、所述降低系数与所述第一电阻的乘积，以降低所述基准电流。

4.根据权利要求3所述的斜坡信号发生电路，其特征在于，所述第一控制单元包括C个子控制单元，所述增强单元包括D个子电阻，所述D个子电阻的阻值为所述终端电阻模块阻值的正整数倍；所述C和所述D均为正整数；

所述第一控制单元中的C个子控制单元用于控制所述增强单元中的所述D个子电阻的有效电阻值和所述终端电阻模块的电阻的阻值之和等于所述降低系数与所述终端电阻模块的电阻的阻值的乘积，以保证所述输出端输出相应ADC增益档位所对应的所述斜坡信号。

5.根据权利要求4所述的斜坡信号发生电路，其特征在于，所述镜像电流源模块包括第一电流源单元与E个电流源子单元；所述E为正整数；

所述第一电流源单元的第一端连接所述放大器的输出端、所述E个电流源子单元的第一端；所述第一电流源单元的第二端连接所述放大器的第二输入端、所述第一可调电阻单元的第一端；所述第一电流源单元的第三端连接所述电源；

所述E个电流源子单元的第二端连接所述终端电阻模块的第一端，以及所述E个电流源子单元的第二端还用于输出所述斜坡信号；所述E个电流源子单元的第三端连接所述电源。

6.根据权利要求5所述的斜坡信号发生电路，其特征在于，当所述ADC增益档位为N的幂次方时，所述降低系数为N，N为大于或等于2的正整数。

7.根据权利要求6所述的斜坡信号发生电路，其特征在于，所述第二可调电阻单元实际接入的电阻和所述终端电阻的电阻值之和大于或等于50欧姆、小于或等于500欧姆。

8.一种图像传感器，其特征在于，包括如权利要求1-7中任一项所述的斜坡信号发生电路以生成斜坡信号。

9.一种图像传感器读出电路，其特征在于，包括像素阵列、ADC、斜坡发生器；

所述像素阵列用于获取图像数据，所述斜坡发生器用于输出斜坡信号，所述ADC用于将所述图像数据转换为数字信号以读出所述图像数据；

其中，斜坡发生器利用如权利要求1-7中任一项所述的斜坡信号发生电路以生成斜坡信号。

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