CN115604596B - 一种图像传感器读出系统、读出方法及其图像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种图像传感器的读出系统、读出方法和图像传感器，用以缩短计数器的计数时间，实现帧率提升。该读出系统包括斜坡发生器用于产生斜坡信号；时序控制器用于获取像素阵列的亮度，并根据亮度获得斜坡信号的电压或斜坡信号产生次数，并控制斜坡发生器产生相应电压或相应次数的斜坡信号；分压电容的第一端输入像素单元输出信号用于将像素单元输出信号进行放大并输出放大电压信号；阈值比较器用于比较放大电压信号和预设电压信号之间的大小，根据比较结果调整前置放大器的反馈电容的容值大小；比较器用于比较放大电压信号和斜坡信号之间的相对大小；计数器用于根据比较器的比较结果进行计数，输出像素量化值。

Description

一种图像传感器读出系统、读出方法及其图像传感器

技术领域

本发明涉及集成电路设计技术领域，尤其涉及一种图像传感器读出系统、读出方法及其图像传感器。

背景技术

目前，CMOS图像传感器(CMOS image sensor，CIS)已广泛应用于视频、监控、工业制造、汽车、家电等成像领域。主流的CIS读出电路结构是以列级单斜模数转换器(SS-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。随着应用对CIS分辨率、帧率的不断提高，对CIS输出数据帧率要求越来越高。帧率越高，SS-ADC的计数器时钟频率就越高，时钟频率的升高不仅带来抖动、功耗的增加，并且在分辨率、帧率要求都很高的应用下，无法实现SS-ADC所需的时钟频率，比如800万像素输出120fps，SS-ADC的计数器时钟频率至少需达到5GHz以上，这是很难实现的。为了规避高速应用下的上述问题，目前主要是针对SS-ADC进行改进，比如将斜坡信号的斜率分成多段实现，这能缩短斜坡计数时间，但是又带来了增益、失调误差等新问题；或者将SS-ADC直接替换为其他结构，比如逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)，但这会增大芯片面积，并且列与列之间会因为电容失配产生较大的误差，导致列固定模式噪声(fixed pattern noise，FPN)增加。所以亟需提供一种能够在合理的功耗、面积开销前提下，实现帧率提升的读出电路方案。

为此，亟需提供一种新的图像传感器读出方案以改善上述问题。

发明内容

本发明实施例提供一种图像传感器及其电路，用以在合理的功耗、面积开销前提下，缩短计数器的计数时间，实现帧率提升。

第一方面，本发明提供一种图像传感器的读出系统，应用于图像传感器，该读出系统包括：斜坡发生器，用于产生斜坡信号，所述斜坡信号的斜率为传统斜坡斜率的k倍，k为大于1的正整数；时序控制器，用于获取所述像素阵列的亮度，并根据所述亮度获得斜坡信号的电压或斜坡信号产生次数，并控制所述斜坡发生器产生相应电压或相应次数的斜坡信号；前置放大器，所述前置放大器的正相输入端输入参考电压信号REF_AMP，所述前置放大器的负相输入端连接分压电容的第二端，所述分压电容的第一端输入像素单元输出信号PIX_OUT，用于将所述像素单元输出信号PIX_OUT进行放大，并输出放大电压信号AMP_OUT；阈值比较器，用于比较所述放大电压信号AMP_OUT和预设电压信号REF_TCM之间的大小，根据比较结果调整所述前置放大器的反馈电容的容值大小；比较器，所述比较器的正相输入端输入所述放大电压信号AMP_OUT，比较器的负相输入端输入所述斜坡信号，比较器的输出端与计数器的输入端相连，用于比较所述放大电压信号AMP_OUT和所述斜坡信号RAMP之间的相对大小；计数器，用于根据所述比较器的比较结果进行计数，输出像素量化值。

本发明提供的图像传感器的读出系统的有益效果在于：首先通过将斜坡信号的斜坡斜率提高k倍，使ADC计数器计数周期缩短。假如斜坡斜率提高4倍，ADC计数器计数周期缩短为原来默认斜坡斜率情况下计数周期的1/4，即使在PIX_OUT输出信号接近满幅值范围时，信号模拟增益为1/4，系统将提供4倍的数字增益，使其最终增益也为1倍。从总体效果来看，信号幅值范围没变化，在保证ADC正常转换的情况下，读出电路计数器的计数周期可以缩短为传统计数周期的1/4，节省了读出电路时序所占用的时间，从而能提高CIS的帧率。

一种可能的实施方式中，所述阈值比较器，具体用于：

当所述放大电压信号AMP_OUT低于或等于所述预设电压信号REF_TCM，调整所述反馈电容的容值，使得所述分压电容的容值与反馈电容的容值之比为k，使得所述前置放大器的放大倍数为k倍；当所述放大电压信号AMP_OUT高于所述预设电压REF_TCM，调整所述反馈电容的容值与所述分压电容的容值相同，使得所述前置放大器的放大倍数为一倍。

另一种可能的实施方式中，所述阈值比较器调整所述反馈电容的容值，具体用于：通过控制开关的通断来控制阈值比较器的反馈电容的大小。

其它可能的实施方式中，当所述放大电压信号AMP_OUT高于所述预设电压REF_TCM，所述计数器输出像素量化值之后，输出信号处理系统继续对所述像素量化值放大k倍数字增益。

第二方面，本发明提供一种图像传感器的读出方法，该方法包括：获取所述像素阵列的亮度；以及根据所述亮度获得斜坡信号的电压或斜坡信号产生次数；获取像素单元输出信号PIX_OUT；基于所述斜坡信号的电压或斜坡信号产生次数，产生相应的斜坡信号，所述斜坡信号的斜率为传统斜坡斜率的k倍，k为大于1的正整数；将所述像素单元输出信号PIX_OUT放大后输出放大电压信号AMP_OUT；比较所述放大电压信号AMP_OUT和预设电压REF_TCM，根据比较结果调整所述前置放大器的反馈电容的容值大小；获取所述前置放大器输出的校正放大电压信号AMP_OUT；比较所述校正放大电压信号AMP_OUT和所述斜坡信号之间的相对大小；根据所述比较器的比较结果进行计数，输出像素量化值。

一种可能的实施方式中，所述比较所述放大电压信号AMP_OUT和预设电压REF_TCM，根据比较结果调整所述前置放大器的反馈电容的容值大小，包括：

当所述放大电压信号AMP_OUT低于或等于所述预设电压信号REF_TCM，调整所述反馈电容的容值，使得所述分压电容的容值与反馈电容的容值之比为k，使得所述前置放大器的放大倍数为k倍；当所述放大电压信号AMP_OUT高于所述预设电压REF_TCM，调整所述反馈电容的容值与所述分压电容的容值相同，使得所述前置放大器的放大倍数为一倍。

本发明所提供的图像传感器读出方法的有益效果在于：基于传统4T像素结构，通过调整像素的曝光、读出时序控制，同时进行短曝光、长曝光，之后再先后读出短、长曝光数据，使得一帧可以同时读出长和短曝光的数据，不用进行片内存储，在提高图像动态范围的同时，能有效节省芯片面积。

第三方面，本发明还提供一种图像传感器，包括像素阵列、模数转换单元、基准信号发生器、时序控制器、译码驱动器和输出信号处理系统，所述时序控制器用于控制所述图像传感器执行上述第二方面任一实施例所提供的方法。图像传感器的有益效果可以参见上述第一方面，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，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，对于本领域的普通技术人员来讲，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为现有技术提供的一种CIS标准四管像素单元的电路结构示意图；

图2为现有技术提供的一种四管像素单元的时序控制方法流程示意图；

图3为现有技术提供的一种CIS读出电路架构示意图；

图4为现有技术提供的一种CIS读出电路操作时序示意图；

图5为本发明实施例提供的改进后的图像传感器的读出系统示意图；

图6为本发明实施例提供的改进后的读出电路时序示意图；

图7为本发明实施例提供的图像传感器的读出方法流程示意图。

具体实施方式

图1是目前CIS标准四管像素单元电路结构，该结构普遍应用于行曝光方式CIS，它由感光二极管PD、电荷传输管Mtg、复位管Mrst、放大管Msf、选通管Msel组成。感光二极管PD会感光，并生成与光照强度成正比的光电子。Mtg作用是转移感光二极管PD内的光电子，当传输信号TX为高电压时，电荷传输管Mtg导通，会将感光二极管PD内的光电子转移到浮空扩散区FD上。复位管Mrst作用是在复位信号RX为高电位时，对像素单元进行复位。放大管Msf是放大管，当选通信号SEL为高电位，选通管Msel导通时，放大管Msf、选通管Msel与到地的电流源形成通路，此时放大管Msf本质上为一个源极跟随器，跟随浮空扩散区FD电位的变化并最终由PIX_OUT输出。

图2为四管像素单元的操作时序，分为复位(Rst)、曝光(Exp)、信号读取(Read)。在复位阶段，传输信号TX和复位信号RX均为高电平，电荷传输管Mtg和复位管Mrst均导通，像素单元复位且其电位被拉高到电源电压VDD。之后，传输信号TX和复位信号RX均为低电平，进入曝光(Exp)阶段，光电二极管PD感光并积累电子。进入信号读取(Read)阶段，选通信号SEL为高电平，复位信号RX先为高电平复位像素单元，复位信号RX再拉为低电平，传输信号TX保持为低电平，此时放大管Msf受控于像素单元电位并通过PIX_OUT输出复位信号VRST。之后，传输信号TX切换为高电平，将光电二极管PD上的电子转移到浮空扩散区FD，此时放大管Msf受控于浮空扩散区FD电位并通过PIX_OUT输出积分信号VSIG。复位信号VRST、积分信号VSIG由后续读取模数转换单元(Analog-to-Digital Converter，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。若模数转换单元的位宽为12位，模数转换单元参考电压范围为VREF，则最终输出为DOUT＝(VRST-VSIG)×2¹²/VREF。

图3为典型的CIS读出电路的结构图，包括像素阵列、模数转换单元(Analog-to-Digital Converter，ADC)、基准信号发生器、时序控制器、译码驱动器和输出信号处理器。像素阵列由若干个图3所述的像素单元“P”组成。假设第一方向定义为行方向，第二方向定位为列方向，像素阵列按逐行的方式读出，具体顺序为ROW(0)、ROW(1)、……ROW(n-1)、ROW(n)，像素阵列的每一列有一个输出总线，分别为PIX_OUT(0)、PIX_OUT(1)、…PIX_OUT(N-1)、PIX_OUT(N)。PIX_OUT输出接到ADC。每一列像素输出对应一个ADC。ADC由比较器、计数器组成，比较器将像素输出与斜坡信号RAMP进行比较，比较结果决定了计数器计数值的大小。ADC将上述上述VRST-VSIG差值转换为数字量再传送到输出信号处理器作进一步处理。

图4为图3所示CIS读出电路目前对应的工作时序，也即是图2所示时序的Read阶段。进入Read阶段，选通信号SEL拉“高”，复位信号RX为“高”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“高”使所有的ADC比较器进入复位状态。RX、RST_CM由“高”变“低”，ADC进入正常工作状态。ADC的工作由比较和计数两个过程组成，首先斜坡信号RAMP开始下降时计数器CNT开始计数，直到比较器信号发生“低”到“高”翻转时，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需要进行两次上述操作，斜坡作为ADC基准会产生两次，第一次斜坡阶段(也即图4的“VR”阶段)ADC将判断并存储复位电位VRST，ADC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将判断并存储复位电位VSIG，ADC计数器CNT将在t2时间内计数并存储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。

但是目前计数器的计数阶段耗时较长，将斜坡信号斜率分成多段实现，虽然能缩短斜坡计数时间，但是又带来了增益、失调误差等新问题。为了有效缩短计数器的时间，本发明基于传统的图像传感器的读出系统，新增了前置放大器(Programmable GainAmplifier，PGA)和阈值比较器(threshold compare maneger,TCM)。

如图5所示为改进后的图像传感器的读出系统，斜坡发生器产生的斜坡信号RAMP输入至比较器CM，所述斜坡信号的斜率为传统斜坡斜率的k倍，k大于1的正整数。示例性地，斜坡信号的斜率可以为传统斜坡斜率的4倍，斜坡斜率越大，读出系统读出信号所花费的时间越短，帧率提高得越多。

如图5所示，所述前置放大器PGA的正相输入端输入参考电压信号REF_AMP，所述前置放大器PGA的负相输入端连接分压电容C1的第二端，所述分压电容C1的第一端输入像素单元输出信号PIX_OUT。前置放大器PGA用于将所述像素单元输出信号PIX_OUT进行放大，并输出放大电压信号AMP_OUT。阈值比较器TCM的第一输入端输入放大电压信号AMP_OUT，阈值比较器TCM的第二输入端输入预设电压信号REF_TCM，阈值比较器TCM用于比较所述放大电压信号AMP_OUT和预设电压信号REF_TCM之间的大小，根据比较结果调整所述前置放大器的反馈电容C2的容值大小。比较器CM的正相输入端输入所述放大电压信号AMP_OUT，比较器的负相输入端输入所述斜坡信号，比较器的输出端与计数器的输入端相连，比较器CM用于比较所述放大电压信号AMP_OUT和所述斜坡信号RAMP之间的相对大小。计数器CNT用于根据所述比较器的比较结果进行计数，输出像素量化值CNT_OUT。

一种可能的实施例中，当所述放大电压信号AMP_OUT低于或等于所述预设电压信号REF_TCM，调整所述反馈电容C2的容值，使得所述分压电容的容值与反馈电容C2的容值之比为k，使得所述前置放大器的放大倍数为k倍；当所述放大电压信号AMP_OUT高于所述预设电压REF_TCM，调整所述反馈电容C2的容值与所述分压电容的容值相同，使得所述前置放大器的放大倍数为一倍。另外，该电路还包括开关Kr控制，每次前置放大器工作前，可以控制开关Kr的通断来复位前置放大器PGA。

示例性地，以下将结合图6的读出电路时序进行说明。如图6所示，时序控制器获取所述像素阵列的亮度后，并根据所述亮度获得斜坡信号的电压或斜坡信号产生次数，并控制斜坡发生器产生相应电压或相应次数的斜坡信号。示例性地，如图6所示，时序控制器获得高光亮度获得斜坡信号的电压或斜坡信号产生次数，以及获得低光亮度获得斜坡信号的电压或斜坡信号产生次数。时序控制器控制所述斜坡发生器产生相应电压或相应次数的斜坡信号。

本发明中，首先使斜坡信号斜率增大4倍，相当于将SS-ADC增益缩小为之前的1/4(因为斜坡斜率变大，使得每个量化步长增大。图6中可见，VR、VS阶段分别缩短为VRx、VSx阶段)。默认情况下，使前置放大器PGA中C1/C2＝4，这样前置放大器PGA的增益默认为4倍。当像素单元输出信号PIX_OUT信号输出到SS-ADC时，会先被前置放大器PGA放大4倍(即图4中的ΔV2/ΔV1＝4)，TCM检测前置放大器PGA的输出AMP_OUT，如果AMP_OUT电位没超过预设值REF_TCM(该值为VSx阶段斜坡信号最高点对应的电位)，TCM_OUT＝“低”，则PGA将保持4倍增益，这样经过SS-ADC转换后的信号的最终增益为1倍。当AMP_OUT电位超过预设值REF_TCM，则TCM输出TCM_OUT＝“高”，TCM_OUT将通过控制开关的通、断来控制PGA反馈电容C2的大小，使C1/C2＝1，这样使PGA增益为1倍，经SS-ADC转换后的信号的最终增益为1/4倍，后续系统收到TCM_OUT＝“高”的信息，将对这部分信号乘以4倍数字增益，使最终增益效果为1倍。所以，PIX_OUT输出信号为1/4满幅值以内范围时，信号的模拟增益为1倍；PIX_OUT输出信号为1/4～1满幅值范围时，信号模拟增益为1/4，系统将提供4倍的数字增益，使其最终增益也为1倍。从总体效果来看，信号幅值范围没变化，在保证ADC正常转换的情况下，读出电路计数器的计数周期可以缩短为传统计数周期的1/4，节省了读出电路时序所占用的时间，从而能提高CIS的帧率。

如附图7所示，本发明还提供一种图像传感器读出电路的方法，该方法可以用应用于上述图像传感器，具体可以包括如下步骤：

S701，读出系统获取获取所述像素阵列的亮度；以及根据所述亮度获得斜坡信号的电压或斜坡信号产生次数，以及获取像素单元输出信号PIX_OUT。

S702，斜坡发生器基于所述斜坡信号的电压或斜坡信号产生次数，产生相应的斜坡信号，所述斜坡信号的斜率为传统斜坡斜率的k倍，k大于1的正整数。

S703，前置放大器将所述像素单元输出信号PIX_OUT放大后输出放大电压信号AMP_OUT。

S704，阈值比较器比较所述放大电压信号AMP_OUT和预设电压REF_TCM，根据比较结果调整所述前置放大器的反馈电容的容值大小。

S705，当反馈电容的容值改变后，比较器获取所述前置放大器输出的校正放大电压信号AMP_OUT。

S706，比较器比较所述校正放大电压信号AMP_OUT和所述斜坡信号之间的相对大小。

S707，计数器根据所述比较器的比较结果进行计数，输出像素量化值。

本发明所提供的图像传感器读出方法的有益效果在于：基于传统4T像素结构，通过调整像素的曝光、读出时序控制，同时进行短曝光、长曝光，之后再先后读出短、长曝光数据，使得一帧可以同时读出长和短曝光的数据，不用进片内存储，在提高图像动态范围的同时，能有效节省芯片面积。

除此之外，本发明还提供包括上述改进后的读出系统的图像传感器，该图像传感器可以执行上述读出方法得到图像信号。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。

对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种图像传感器的读出系统，应用于图像传感器，其特征在于，所述读出系统包括：

斜坡发生器，用于产生斜坡信号，所述斜坡信号的斜率为传统斜坡斜率的k倍，k为大于1的正整数，所述传统斜坡斜率是传统读出系统的斜坡信号的斜率，所述传统读出系统由斜坡发生器、时序控制器、比较器和计数器组成；

时序控制器，用于获取像素阵列的亮度，并根据所述亮度获得斜坡信号的电压或斜坡信号产生次数，并控制所述斜坡发生器产生相应电压或相应次数的斜坡信号；

前置放大器，所述前置放大器的正相输入端输入参考电压信号REF_AMP，所述前置放大器的负相输入端连接分压电容的第二端，所述分压电容的第一端输入像素单元输出信号PIX_OUT，用于将所述像素单元输出信号PIX_OUT进行放大，并输出放大电压信号AMP_OUT；所述前置放大器的负相输入端和输出端之间连接反馈电容；

阈值比较器，用于当所述放大电压信号AMP_OUT低于或等于预设电压信号REF_TCM，调整反馈电容的容值，使得分压电容的容值与所述反馈电容的容值之比也为k，使得所述前置放大器的放大倍数也为k倍；当所述放大电压信号AMP_OUT高于所述预设电压信号REF_TCM，调整所述反馈电容的容值与所述分压电容的容值相同，使得所述前置放大器的放大倍数为一倍；

比较器，所述比较器的正相输入端输入所述放大电压信号AMP_OUT，比较器的负相输入端输入所述斜坡信号，比较器的输出端与计数器的输入端相连，用于比较所述放大电压信号AMP_OUT和所述斜坡信号之间的相对大小；

计数器，用于根据所述比较器的比较结果进行计数，输出像素量化值。

2.根据权利要求1所述的读出系统，其特征在于，所述读出系统还包括与反馈电容并联的开关，所述调整所述反馈电容的容值，包括：

通过控制开关的通断来控制阈值比较器的反馈电容的大小。

3.根据权利要求1所述的读出系统，其特征在于，当所述放大电压信号AMP_OUT高于所述预设电压REF_TCM，所述计数器输出像素量化值之后，输出信号处理系统继续对所述像素量化值放大k倍数字增益。

4.一种图像传感器的读出方法，应用于如权利要求1至3任一项所述的读出系统，其特征在于，包括：

获取像素阵列的亮度；以及根据所述亮度获得斜坡信号的电压或斜坡信号产生次数；

获取像素单元输出信号PIX_OUT；

基于所述斜坡信号的电压或斜坡信号产生次数，产生相应的斜坡信号，所述斜坡信号的斜率为传统斜坡斜率的k倍，k为大于1的正整数；所述传统斜坡斜率是传统读出系统的斜坡信号的斜率，所述传统读出系统由斜坡发生器、时序控制器、比较器和计数器组成；

将所述像素单元输出信号PIX_OUT放大后输出放大电压信号AMP_OUT；

当所述放大电压信号AMP_OUT低于或等于所述预设电压信号REF_TCM，调整所述反馈电容的容值，使得所述分压电容的容值与反馈电容的容值之比也为k，使得所述前置放大器的放大倍数也为k倍；当所述放大电压信号AMP_OUT高于所述预设电压信号REF_TCM，调整所述反馈电容的容值与所述分压电容的容值相同，使得所述前置放大器的放大倍数为一倍；

获取所述前置放大器输出的校正放大电压信号AMP_OUT；

比较所述校正放大电压信号AMP_OUT和所述斜坡信号之间的相对大小；

根据所述比较器的比较结果进行计数，输出像素量化值。

5.一种图像传感器，其特征在于，包括像素阵列、如权利要求1至3任一项所述的读出系统、译码驱动器和输出信号处理系统。