CN115550581A

CN115550581A - 一种像素列读出电路及图像传感器

Info

Publication number: CN115550581A
Application number: CN202211223817.6A
Authority: CN
Inventors: 杨鑫波; 管克豪; 邬效飞
Original assignee: Hefei Haitu Microelectronics Co ltd
Current assignee: Hefei Haitu Microelectronics Co ltd
Priority date: 2022-09-30
Filing date: 2022-09-30
Publication date: 2022-12-30

Abstract

本发明提供一种像素列读出电路及图像传感器，所述像素列读出电路包括：减法电路，包括复位电压采样电容和信号电压采样电容，且所述信号电压采样电容和所述复位电压采样电容的一端分别通过两个开关电性连接于像素信号产生电路的输出端，且所述复位电压采样电容和所述信号电压采样电容的一端通过第三开关连接，另一端通过第四开关电性连接；斜坡发生器，输出端接入所述减法电路；比较器电路，包括第一比较器，所述第一比较器负向输入端电性连接于所述复位电压采样电容和所述第四开关的连接点，正向输入端输入固定电压；以及计数器，电性连接于所述比较器电路的输出端。通过本发明提供的一种斜坡发生器，可保证模数转换的线性输出。

Description

一种像素列读出电路及图像传感器

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，特别涉及一种像素列读出电路及图像传感器。

背景技术

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。图像传感器用于产生表示物体的图像，且图像传感器中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。

在像素列读出电路中，由于比较器翻转点随像素输出电压在整个斜坡范围内变化，不同的翻转点会导致比较器工作状态的变化，从而带来输出随输入的非线性劣化。在计数的瞬间，斜坡输出还会出现下冲，导致斜坡非线性，严重影响模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)的线性度指标。在使用斜坡发生器的输出直接驱动模数转换器阵列时，由于阵列中每列像素输出大小不同，比较器翻转时间不同，比较器翻转时会有较大的回踢噪声，该噪声直接耦合到积分电容，会导致输出电压的突变，最终导致斜坡非线性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种像素列读出电路及图像传感器，在不增加采样电容数量的前提下，通过改变电容连接方式实现减法功能，保证模数转换的线性，同时降低了比较器设计难度，可采用更简单结构，减少面积和功耗。

为实现上述目的，本发明提供了一种像素列读出电路，至少包括：

减法电路，包括复位电压采样电容和信号电压采样电容，且所述复位电压采样电容的一端通过第一开关电性连接于像素信号产生电路的输出端，所述信号电压采样电容的一端通过第二开关电性连接于所述像素信号产生电路的输出端，所述复位电压采样电容和所述信号电压采样电容的一端通过第三开关连接，另一端通过第四开关电性连接；

斜坡发生器，其输出端通过第五开关电性连接于信号电压采样电容的另一端；

比较器电路，包括第一比较器，所述第一比较器的负向输入端电性连接于所述复位电压采样电容和所述第四开关的连接点，正向输入端输入固定电压；以及

计数器，电性连接于所述比较器电路的输出端。

在本发明一实施例中，所述第一比较器的负向输入端和输出端通过开关连接。

在本发明一实施例中，所述斜坡发生器包括：

斜坡电流源；

校正电流源；

第一缓冲器，所述第一缓冲器的负向输入端通过开关电性连接于所述斜坡电流源，通过开关电性连接于所述校正电流源，所述第一缓冲器的正向输入端输入参考电压；以及

积分电容，一端电性连接于所述第一缓冲器的负向输入端，另一端电性连接于所述第一缓冲器的输出端。

在本发明一实施例中，所述第一缓冲器的负向输入端和输出端通过开关连接。

在本发明一实施例中，所述斜坡发生器还包括第二缓冲器，所述第二缓冲器的正向输入端电性连接于所述第一缓冲器的输出端，所述第二缓冲器的负向输入端电性连接于所述第二缓冲器的输出端。

在本发明一实施例中，所述斜坡电流源的输出电流等于所述校正电流源的输出电流。

在本发明一实施例中，所述比较器电路还包括第二比较器，所述第二比较器的负向输入端电性连接于所述第一比较器的输出端，正向输入端输入所述固定电压，且所述第二比较器的负向输入端和输出端通过开关连接。

在本发明一实施例中，所述比较器电路还包括耦合电容，所述耦合电容电性连接于所述第一比较器的输出端和所述第二比较器的负向输出端。

在本发明一实施例中，所述计数器连接于所述第二比较器的输出端。

在本发明一实施例中，所述像素列读出电路还包括锁存器，所述锁存器电性连接于所述计数器的输出端。

本发明还提供一种图像传感器，包括：

光电二极管，以及

如上所述的任意一项所述像素列读取电路。

综上所述，本发明提供的一种像素列读出电路，复位电压、像素信号电压和斜坡发生器输出电压，经减法电路处理后接入比较器反向输入端，比较器反向输入端的初始值随像素复位电压和像素信号电压的差值大小变化，但比较器翻转点恒定为恒定电压。恒定的翻转点不会导致比较器工作状态的变化，从而避免输出随输入的非线性劣化。此外，比较器翻转点的固定也降低了比较器的设计难度，可以采用更简单的结构，减小面积和功耗。新设置的斜坡发生器也可保证输出的斜坡电压线性度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明中一种图像传感器的电路图。

图2是本发明中一种图像传感器的工作时序图。

图3是本发明中一种图像传感器的工作时序图。

图4是本发明中一种斜坡发生器结构示意图。

图5是本发明中一种斜坡发生器的工作时序图。

图6是本发明中一种图像传感器的工作时序图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施方式。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本申请的公开内容理解的更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语中“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“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。

请参阅图1所示，图像传感器中包括像素信号产生电路100和像素列读出电路。像素信号产生电路100中光电二极管D可将光信号转换为电信号存储起来。所述像素列读出电路包括多个逻辑控制器件，可读取光电信号，并将所述光电信号转换成图像。

请参阅图1所示，在本发明一实施例中，图像传感器包括像素列读出电路包括斜坡发生器200、减法电路300、比较器电路400、计数器500以及锁存器600。其中，像素信号产生电路100输出有像素信号电压VS或复位电压VR，斜坡发生器200输出斜坡电压Vramp_buf。减法电路300电性连接于像素信号产生电路100和斜坡发生器200，可获取像素信号电压VS与复位电压VR的差值与斜坡电压Vramp_buf的和。比较器电路400将减法电路300的输出值与固定电压VCM做差值，使得比较器具有恒定翻转点。计数器500对比较器的比较结果进行计数，锁存器600可对计数器500的输出值进行锁存。

请参阅图1所示，在本发明一实施例中，像素信号产生电路100包括传输管M1、复位管M2、源极跟随器M3以及行选管M4。其中，传输管M1、复位管M2、源极跟随器M3以及行选管M4的连接关系如图1所示。传输管M1可有效降低像素的热噪声与暗电流，源极跟随器M3可以起到缓冲放大的作用，使得具有较大寄生电容的列总线以及后级读出电路与像素每部敏感节点隔离来。在图像传感器工作时，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，传输管M1选择性地转移光信号。接通行选管M4，源极跟随器M3输出光电信号，即像素信号电压VS。本发明实施例的像素信号产生电路100的结构只是作为一个像素信号产生电路的例子，本发明的列读出电路适合任何结构的像素信号产生电路。

具体的，当行选管M4的信号为高时，源极跟随器M3选择输出某行的像素的像素信号电压VS。当SEL信号端(复位管M2的栅极端)为高时，RX信号端控制复位管M2导通，将复位管M2的源极端与源极跟随器M3的栅极端的连接点的信号复位到复位管M2的漏极端的电压值，RX信号端(传输管M1的栅极端)断开，由于沟道电荷注入效应及时钟馈通，且复位管M2的源极端与源极跟随器M3的栅极端的连接点无任何到地通路，复位管M2的源极端与源极跟随器M3的栅极端的连接点将保持约低于复位管M2的漏极端的电压值，输出复位电压VR。

请结合图1和图4所示，在本发明一实施例中，斜坡发生器200包括斜坡电流源In、校正电流源Ip、第一缓冲器201以及第二缓冲器202。其中，斜坡电流源In通过第九开关S9电性连接于第一缓冲器201的负向输入端，校正电流源Ip通过第十开关S10电性连接于第一缓冲器201的负向输入端。通过第九开关S9和第十开关S10的断开与闭合，可调整第一缓冲器201负向输入端的电流值。在第一缓冲器201的负向输入端和第一缓冲器201的输出端之间还电性连接有积分电容Cf，以及与积分电容Cf并联的第八开关S8。第一缓冲器201的正向输入端输入参考电压，第一缓冲器201的输出端输出初始斜坡电压Vramp。第一缓冲器201、积分电容Cf以及第八开关S8可组成一个积分器。在第一缓冲器201的输出端，还设置有一个第二缓冲器202，第一缓冲器201的输出端电性连接于第二缓冲器202的正向输入端，第二缓冲器202的负向输入端电性连接于第二缓冲器202的输出端，且第二缓冲器202的输出端输出最终的斜坡电压Vramp_buf。

请结合图1、图4和图5所示，在本发明一实施例中，斜坡电流源In和校正电流源Ip的输出电流相等。在计数之前，先将第八开关S8闭合，使得积分电容Cf复位。之后，将第九开关S9断开，第十开关S10闭合，且此状态要维持的上升时间为第一时长L1。在该时间段内，斜坡电压Vramp_buf呈线性下降。最后，将第九开关S9闭合，第十开关S10断开，斜坡电压Vramp_buf呈线性上升，且在经过第二时长L2后，斜坡电压Vramp_buf回到积分电容Cf复位时的电压值，即参考电压VREF。且当斜坡电压Vramp_buf回到积分电容Cf复位时的电压值时，计数开始。因斜坡电流源In和校正电流源Ip的输出电流相等，斜坡电压Vramp_buf下降和上升时的斜率大小相等，故第一时长L1等于第二时长L2。在经过第二时长L2后，仍保持第九开关S9闭合，第十开关S10断开的状态，直至第二缓冲器202输出的电压上升到原始电压。在此过程中，斜坡电压Vramp_buf上升的斜率保持不变。设置的校正电流源Ip与斜坡电流源In协同作用，可避免单独使用斜坡电流源In时，在第八开关S8断开，第九开关S9闭合的瞬间，输出的斜坡电压Vramp_buf会出现下冲，导致输出的斜坡电压Vramp_buf非线性，严重影响ADC线性度指标。

请结合图1、图4和图5所示，在本发明一实施例中，由于增加了第二缓冲器202，可阻断ADC阵列中比较器翻转的回踢噪声耦合到积分器中。使得第二缓冲器202输出的斜坡电压Vramp_buf具有较小的耦合噪声，且斜坡电压Vramp_buf可快速回到原定轨迹，保证输出的斜坡电压Vramp_buf的线性度。同时，由于第二缓冲器202驱动能力强，使得回踢噪声对第二缓冲器202输出的斜坡电压Vramp_buf影响较小。由于阵列中每列像素输出大小不同，导致比较器翻转时间不同，比较器翻转时会有较大的回踢噪声，该噪声直接耦合到积分电容Cf，会导致输出电压的突变，最终带来斜坡非线性，从而影响ADC的线性度。

请参阅图1所示，在本发明一实施例中，减法电路300包括两个采样电容。具体的，减法电路300包括复位电压采样电容CR和信号电压采样电容CS。复位电压采样电容CR的一端通过第一开关S1电性连接于像素信号产生电路100的输出端，信号电压采样电容CS的一端通过第二开关S2电性连接于像素信号产生电路100的输出端。在第一开关S1与复位电压采样电容CR的连接点，以及第二开关S2与信号电压采样电容CS的连接点之间，设置有第三开关S3。复位电压采样电容CR的另一端电性连接于第一比较器401的负向输入端。信号电压采样电容CS的另一端通过第四开关S4电性连接于第一比较器401的负向输入端。斜坡发生器200的输出端通过第五开关S5电性连接于信号电压采样电容CS和第四开关S4的连接点。

请参阅图1所示，在本发明一实施例中，比较器电路400包括串接的第一比较器401和第二比较器402。其中，第一比较器401的负向输入端电性连接于减法电路300的输出端，第一比较器401的正向输入端输入固定电压VCM。在第一比较器401的负向输入端和输出端之间还设置有第六开关S6。第二比较器402的负向输入端通过耦合电容电性连接于第一比较器401的输出端，第二比较器402的正向输入端输入固定电压VCM。在第二比较器402的负向输入端和输出端之间还设置有第七开关S7。计数器500连接于第二比较器402的输出端，锁存器600电性连接于计数器500的输出端。

请参阅图1和图2所示，在本发明一实施例中，像素列读出电路的工作过程中，减法电路300先进行工作并获取像素信号产生电路100产生的像素信号电压VS和复位电压VR以及斜坡电压Vramp_buf，并对像素信号电压VS和复位电压VR做差值，再进行ADC转换。

请参阅图1和图2所示，在本发明一实施例中，像素列读出电路的工作过程中，首选获取像素信号产生电路100产生的复位电压VR。具体的，在t1期间，像素控制信号RX信号端、SEL信号端为高、TX信号端为低，像素信号产生电路输出电压Vpix为复位电压VR。当RX信号端关断后，像素信号产生电路100最终输出电压Vpix为复位电压VR。在t2期间，第一开关S1、第四开关S4、第六开关S6、第七开关S7导通，第一比较器401、第一比较器401复位，第一比较器401的负向输入电压Vin等于固定电压VCM，复位电压采样电容CR的上极板电压为固定电压VCM，下极板采样复位电压VR。采样完成后，第一开关S1断开，第四开关S4、第六开关S6、第七开关S7维持导通。

请参阅图1和图2所示，在本发明一实施例中，在获取复位电压VR后，再获取像素信号电压VS。具体的，在t3期间，像素控制信号TX信号端、SEL信号端为高、RX信号端为低，像素信号产生电路输出电压Vpix为像素信号电压VS。当TX信号端关断后，像素信号产生电路输出电压Vpix最终为像素信号电压VS。在t4期间，第二开关S2、第四开关S4、第六开关S6、第七开关S7导通，第一比较器401、第一比较器401仍为复位状态，信号电压采样电容CS上极板电压为固定电压VCM，下极板采样信号像素信号电压VS，采样完成后，第二开关S2断开。

请参阅图1至图5所示，在本发明一实施例中，在t5～t6期间，斜坡发生器200工作，具体过程如图4以及图5所示。在t5期间，在计数之前，先将第八开关S8闭合，使得积分电容Cf复位。之后，将第九开关S9断开，第九开关S9断开，第十开关S10闭合，且此状要维持的上升时间为第一时长L1。在该时间段内，斜坡电压Vramp_buf呈线性下降。最后，将第九开关S9闭合，第十开关S10断开，斜坡电压Vramp_buf呈线性上升，且在经过第二时长L2后，斜坡电压Vramp_buf回到积分电容Cf复位时的电压值，即参考电压VREF。在t6期间，第九开关S9闭合继续闭合，第十开关S10继续断开。

请参阅图1至图6所示，在本发明一实施例中，在t6期间，第四开关S4、第六开关S6和第七开关S7断开，第三开关S3和第五开关S5闭合。此时第一比较器401的负向输入电压Vin为Vramp_buf+VS-VR。在本发明中，设定Vramp_buf初始电压为参考电压VREF，且设置VREF＝VCM时，此时第一比较器401的负向输入电压Vin电压值为VCM+VS-VR，比较器压差为VR-VS，输出Vout为低。

请参阅图1至图6所示，在本发明一实施例中，在获取复位电压VR与像素信号电压VS的差值后，进行AD转换。具体的，在t6期间，第三开关S3、第五开关S5和第九开关S9闭合，第一开关S1、第二开关S2、第四开关S4、第六开关S6、第七开关S7、第八开关S8和第十开关S10断开时，A/D转换开始，计数器500使能信号EN_CNT为高，计数器500开始计数。第一比较器401的负向输入电压Vin输入电压为Vramp_buf+VS-VR，此时Vramp_buf从参考电压VREF(设置等于VCM)开始上升，当上升到大于VCM+VR-VS时，比较器电路输出值翻转，第二比较器402的输出值Vout由低到高，计数器500停止计数，当前计数值Dcnt即为转换结果，在转存信号EN_LAT为高时，数据转存进锁存器600中。在本实施例中，由于比较器的正向输入端为固定电压VCM，故对于不同像素输出结果VR-VS，比较器翻转点都是固定电压VCM。且当比较器翻转时，计数停止。当前像素输出VR-VS经ADC转换输出数字码为Dn。

请参阅图1至图6所示，在本发明一实施例中，通过设置参考电压VREF和固定电压VCM电压可以方便的在输出信号Dout中增加补偿值，该补偿值是加到信号电压上并参与ADC转换的，与在ADC转换结果上加数字补偿值不同。设VREF-VCM＝△V，当△V>0时，为负的补偿值，即Dout小于像素输出理论值，当△V<0时，为正的补偿值，即Dout大于像素输出理论值。

综上所述，本发明提供的所述像素列读出电路，包括减法电路、斜坡发生器、比较器、计数器和锁存，其中，减法电路包括复位电压采样电容和信号电压采样电容，且复位电压采样电容的开关电性连接于像素信号产生电路的输出端，信号电压采样电容也通过开关电性连接于像素信号产生电路的输出端，所述复位电压采样电容和所述信号电压采样电容的一端通过开关连接，另一端也通过开关电性连接。斜坡发生器也通过开关电性连接于信号电压采样电容的另一端。通过不同开关的闭合与断开，可实现像素信号电压和复位电压的采集，以及获取复位电压与像素信号电压的差值与斜坡电压的和。比较器电路将减法电路的输出值与固定电压做差值，使得比较器具有恒定翻转点。计数器对比较器的比较结果进行计数，锁存器对计数器的输出值进行锁存。

以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims

1.一种像素列读出电路，其特征在于，至少包括：

计数器，电性连接于所述比较器电路的输出端。

2.根据权利要求1所述的一种像素列读出电路，其特征在于，所述第一比较器的负向输入端和输出端通过开关连接。

3.根据权利要求1所述的一种像素列读出电路，其特征在于，所述斜坡发生器包括：

斜坡电流源；

校正电流源；

4.根据权利要求3所述的一种像素列读出电路，其特征在于，所述第一缓冲器的负向输入端和输出端通过开关连接。

5.根据权利要求3所述的一种像素列读出电路，其特征在于，所述斜坡发生器还包括第二缓冲器，所述第二缓冲器的正向输入端电性连接于所述第一缓冲器的输出端，所述第二缓冲器的负向输入端电性连接于所述第二缓冲器的输出端。

6.根据权利要求3所述的一种像素列读出电路，其特征在于，所述斜坡电流源的输出电流等于所述校正电流源的输出电流。

7.根据权利要求1所述的一种像素列读出电路，其特征在于，所述比较器电路还包括第二比较器，所述第二比较器的负向输入端电性连接于所述第一比较器的输出端，正向输入端输入所述固定电压，且所述第二比较器的负向输入端和输出端通过开关连接。

8.根据权利要求7所述的一种像素列读出电路，其特征在于，所述比较器电路还包括耦合电容，所述耦合电容电性连接于所述第一比较器的输出端和所述第二比较器的负向输出端。

9.根据权利要求7所述的一种像素列读出电路，其特征在于，所述计数器连接于所述第二比较器的输出端。

10.根据权利要求1所述的一种像素列读出电路，其特征在于，所述像素列读出电路还包括锁存器，所述锁存器电性连接于所述计数器的输出端。

11.一种图像传感器，其特征在于，包括：

光电二极管，以及

如权利要求1至权利要求10所述的任意一项所述像素列读取电路。