CN116249024A - 一种像素读出电路及图像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种像素读出电路及图像传感器。像素读出电路包括像素感应模块、多个电压转电流模块和镜像模块。像素感应模块，包括多个像素子感应模块，每个像素子感应模块对应生成一感应电压；多个并联连接的电压转电流模块，且各电压转电流模块均与像素感应模块相连，以将多个感应电压对应转化为多个感应电流；镜像模块，与电压转电流模块均相连并将各感应电流之和输出。本发明的像素读出电路及图像传感器，在多个像素子感应模块读出时，先生成对应的多个感应电压，再将多个感应电压转化成相应的多个感应电流，多个感应电流合并得到总感应电流，并基于总感应电流进行量化，从而，改善了像素的感应信号的量化出错，降低了成本。

Description

一种像素读出电路及图像传感器

技术领域

本发明涉及图像传感器技术领域，特别是涉及一种像素读出电路及图像传感器。

背景技术

随着技术的发展，计算设备被逐渐地应用于现代社会的各个层面，并对现代社会的发展做出了巨大的贡献，其包括但不限于数码相机，摄像机，智能手机，导航系统等。特别地，近年来，数码相机等具有采集图像功能的设备变得越来越流行，且对其成像品质要求越来越高。

现有的图像传感器中，一个或多个像素对应一个像素读出电路，像素读出电路用于读出各像素的感应信号，并根据感应信号(如电压)进行量化、放大等过程得到图像数据。根据应用场景不同，可采用不同的量化方法。但是，在电压的量化过程中存在诸多问题，特别是电压合并量化的过程。

发明内容

本发明的目的是提供一种像素读出电路及图像传感器，可以改善像素的感应信号的量化出错，成本较高等问题。

本发明提供一种像素读出电路，包括一个像素感应模块、多个电压转电流模块和一个镜像模块；所述像素感应模块包括多个像素子感应模块，每个所述像素子感应模块对应生成一感应电压；多个并联连接的电压转电流模块，且各所述电压转电流模块均与所述像素感应模块相连，以将多个所述感应电压对应转化为多个感应电流；所述镜像模块与所述电压转电流模块均相连并将各所述感应电流之和输出。

其中一实施例中，所述电压转电流模块包括第一电压输入单元和第一电阻；所述第一电压输入单元包括第一通路端、第二通路端和第一输出连接端，所述第一输出连接端与所述镜像模块相连，所述第一通路端接收对应的所述感应电压，所述第二通路端与所述第一电阻的第一端相连，所述第一电阻的第二端接地。

其中一实施例中，所述第一电压输入单元为NMOS晶体管，所述NMOS晶体管的栅极作为所述第一通路端；或者，所述第一电压输入单元包括相连接的运算放大器和NMOS晶体管，所述运算放大器的正极作为所述第一通路端。

其中一实施例中，所述第一电阻为可控电阻。

其中一实施例中，所述像素读出电路还包括调节器，所述调节器与多个所述第一电阻均相连，并根据权重信号发送相应的调节信号至多个所述第一电阻，以控制多个所述第一电阻的阻值大小，从而控制多个所述电压转电流模块生成的感应电流的电流大小。

其中一实施例中，所述调节器包括多个与所述第一电阻对应的子调节电路，所述子调节电路的输入端用于接收阻值控制信号，所述子调节电路的输出端连接至对应的所述第一电阻以控制对应的所述第一电阻的阻值大小，其中，所述子调节电路包括DAC转换电路。

其中一实施例中，所述镜像模块至少包括求和子模块和输出子模块。

其中一实施例中，所述求和子模块至少包括第二电压输入单元和第三电压输入单元；所述第二电压输入单元包括第三通路端、第四通路端和第二控制端，所述第二电压输入单元的第三通路端与第一电源相连；所述第三电压输入单元包括第五通路端、第六通路端和第三控制端，所述第三电压输入单元的第五通路端与所述第二电压输入单元的第四通路端相连，所述第三电压输入单元的第六通路端和多个所述电压转电流模块的输出连接端以及所述第二电压输入单元的第二控制端相连，所述第三电压输入单元的第三控制端接收偏置电压信号。

其中一实施例中，所述输出子模块至少包括第四电压输入单元和第五电压输入单元；所述第四电压输入单元包括第七通路端、第八通路端和第四控制端，所述第四电压输入单元的第七个通路端与所述第一电源相连，所述第四电压输入单元的第四控制端与所述第二电压输入单元的第二控制端相连；所述第五电压输入单元包括第九通路端、第十通路端和第五控制端，所述第五电压输入单元的第九通路端与所述第四电压输入单元的第八通路端相连，所述第五电压输入单元的第十通路端输出像素信号，所述第五电压输入单元的第五控制端接收所述偏置电压信号。

其中一实施例中，还包括电流判定单元，所述电流判定单元连接各所述电压转电流模块，所述电流判定单元判定各所述感应电流合并得到的总感应电流大于电流设定值时生成曝光触发信号。

其中一实施例中，所述像素子感应模块包括至少一组光电转换单元和第六电压输入单元；所述光电转换单元的第一端接第一参考电压；所述第六电压输入单元包括第十一通路端、第十二通路端和第六控制端，所述第十一通路端与所述电压转电流模块的信号输入端对应相连，所述第十二通路端与所述光电转换单元的第二端对应相连，所述第六控制端接收时序控制信号。

本发明还公开一种图像传感器，包括如上所述的像素读出电路。

本发明实施例公开了一种像素读出电路及图像传感器，在多个像素子感应模块读出时，先生成对应的多个感应电压，再将多个感应电压转化成相应的多个感应电流，多个感应电流合并得到总感应电流，并基于总感应电流进行量化，从而，改善了像素的感应信号的量化出错，降低了成本。

附图说明

图1为现有技术的像素读出电路的部分结构的示意图。

图2为本发明一实施例的像素读出电路的电路连接的示意图。

图3为本发明另一实施例的像素读出电路的电路连接的示意图。

图4为本发明又一实施例的像素读出电路的电路连接的示意图。

图5为本发明又一实施例的像素读出电路的电路连接的示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术方式及功效，以下结合附图及实施例，对本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在阐述本发明所提供的技术方案之前，本发明首先对现有技术中存在的问题进行说明。

在一些对图像要求不高的应用，如仅需捕捉相关行为动作的应用中，量化方法是先将感应信号合并后再进行模数转换，相应有两种用于像素读出的电路结构。第一种电路结构是直接短接，例如将感应信号直接传输至同一晶体管单元的控制端，但其中一个或两个的RGB分量信号过小时，可能无法读出，会导致量化出来的图像变暗甚至变黑，即量化出错。第二种电路结构是电容线性相加，例如将感应信号分别传输至四个电容的第一端，该四个电容的第二端相连至同一晶体管单元的控制端，图1为现有技术的像素读出电路的部分结构的示意图，如图1所示，R子像素、B子像素、GR子像素、GB子像素对应的感应信号分别传输至四个电容的第一端，该四个电容的第二端相连至像素读出电路中的同一晶体管单元的控制端，但该方法会增加设置电容的相应开销，且存在漏电的风险。

图2为本发明一实施例的像素读出电路的电路连接的示意图。请参考图2，在本实施例中，像素读出电路包括像素感应模块100、多个电压转电流模块200和镜像模块300。像素感应模块100包括多个像素子感应模块110，并生成与多个像素子感应模块110一一对应的多个感应电压。多个电压转电流模块200并联连接，并且均与像素感应模块100相连，以将多个感应电压转化为对应的多个感应电流。镜像模块300与多个电压转电流模块200相连，并将多个感应电流之和输出。

具体地，本实施例中将一个或多个像素的感应信号通过一个像素读出电路进行读出，从而可以将图像通过多个像素读出电路进行全部读取。首先，像素感应模块100可以包括多个像素子感应模块110，并生成与多个像素子感应模块110一一对应的多个感应电压。在一种实施方式中，每个像素子感应模块110与多个像素一一对应，该多个像素对应输出一个感应电压。在另外一种实施方式中，每个像素子感应模块110与一个像素对应。

然后，像素感应模块100将多个感应电压输入至对应的多个电压转电流模块200，多个电压转电流模块200用于接收多个感应电压，并将接收的多个感应电压转换为相应的多个感应电流。镜像模块300与多个电压转电流模块200相连，而多个电压转电流模块200相互并联连接，根据并联电路中总电流等于各支路电流之和的原理输出总感应电流，则镜像模块300可得到对应多个感应电流之和的总感应电流并根据该总感应电流进行相应输出。因为总感应电流的大小为各个感应电流之和，而各个感应电流是根据各个感应电压转换得到，所以，总感应电流的大小是通过各感应电压转化合并得到，则对该总感应电流的大小或者该总感应电流经转换后的信号的大小，进行模数转换就可完成量化，进而可得到相应的图像数据。因为总感应电流的大小与相应的子像素的感应电压的大小相关，从而，即使一个或多个像素亮度过小，该像素的亮度也可以通过量化后的图像数据进行数据处理得到，具有较高的图像亮度还原度。

图3为本发明另一实施例的像素读出电路的电路连接的示意图。如图3所示，每个电压转电流模块200包括第一电压输入单元T1和第一电阻R1，第一电压输入单元T1与像素感应模块100相连，用于接收像素感应模块100输出的相应的感应电压，该感应电压经由具有第一电阻R1的电压转电流模块200转换为对应的感应电流。其中，第一电压输入单元T1包括第一通路端、第二通路端和第一输出连接端，第一电压输入单元T1的第一输出连接端与镜像模块300相连，第一电压输入单元T1的第一通路端接收多个感应电压中对应的感应电压，第一电压输入单元T1的第二通路端与第一电阻R1的第一端相连，而第一电阻R1的第二端相连。该示例中，多个第一电压输入单元T1的第一输出连接端相连接构成多个电压转电流模块200的输出连接端；第一电压输入单元T1的第一通路端作为电压转电流模块200的信号输入端。

但本实施例并不限制其具体连接方式，可以如图3中第一电压输入单元T1的第一输出连接端连接镜像模块300，第一电压输入单元T1的第二通路端连接第一电阻R1的第一端且第一电阻R1的第二端接地，也可以是第一电阻R1的第一端连接镜像模块300，第一电阻R1的第二端连接第一电压输入单元T1的第一输出连接端，且第一电压输入单元T1的第二通路端接地。在如图3所示的实施方式中，第一电压输入单元T1可以是NMOS晶体管，即第一电压输入单元T1的第一通路端为NMOS晶体管的栅极，第一电压输入单元T1的第一输出连接端为NMOS晶体管的漏极，第一电压输入单元T1的第二通路端为NMOS晶体管的源极；或者，第一电压输入单元T1也可以包括运算放大器和NMOS晶体管，其中，第一电压输入单元的第一通路端为运算放大器的第一输入端(即正极)，运算放大器的输出端连接NMOS晶体管的栅极端，NMOS晶体管的漏极端即第一电压输入单元T1的第一输出连接端连接镜像模块300，而NMOS晶体管的源极端与运算放大器的第二输入端(即负极)一同构成第一电压输入单元T1的第二通路端连接第一电阻R1。可以理解的，运算放大器可以为单位增益运算放大器。

在一实施例中，如图3所示，像素子感应模块110可以包括至少一个光电转换单元PD和至少一个第六电压输入单元T6；光电转换单元PD的第一端接第一参考电压例如接地；第六电压输入单元T6包括第十一通路端、第十二通路端和第六控制端，第六电压输入单元T6的第十二通路端与光电转换单元PD的第二端相连，第六电压输入单元T6的第十一通路端与对应的电压转电流模块200的信号输入端(一实施例为第一电压输入单元T1的第一通路端)相连，第六电压输入单元T6的第六控制端接收时序控制信号。其中，光电转换单元PD对应相应的子像素，光电转换单元PD接收光线后产生电荷。当第六电压输入单元T6接收相应的时序控制信号而处于导通状态时，光电转换单元PD中积累的电荷被转移到连接电压转电流模块200的浮动扩散区域，并产生与子像素对应的感应电压。在一实施例中，第六电压输入单元T6可以是NMOS晶体管，但本发明并不以此为限。当然，像素子感应模块110还可以包括复位晶体管、源跟随晶体管等。

在一实施例中，至少一个像素子感应模块110对应至少两个光电转换单元PD中的感应电压。即一个像素子感应模块110可以先对至少两个光电转换单元PD中的感应电压求和，以用于量化及后续的图像数据的数据处理。

从而，本实施例的像素读出电路，在对一个或多个像素同时读出时，先生成与多个像素子感应模块一一对应的多个感应电压，再将多个感应电压转化成相应的多个感应电流，并经量化等处理可得到对应的像素图像数据，可使得像素具有较高的图像亮度还原度，不会出现因一个或两个像素的亮度值过小导致的图像变黑，即改善了像素的感应信号的量化出错，且因未使用到电容而降低了成本。

在一实施例中，像素感应模块100包括四个像素子感应模块110，四个像素子感应模块110分别生成与红色子像素(R)、蓝色子像素(B)、绿红色子像素(Gr)、绿蓝色子像素(Gb)相对应的四个感应电压，即一个像素按颜色可以分为一个红色子像素、一个蓝色子像素、一个绿红色子像素、一个绿蓝色子像素，以适应人眼对绿光的较敏感的特性，使用户获得更好的颜色体验。可以理解的，在一些实施例中，可以是四个像素子感应模块110生成与四个相同颜色的子像素(如红色子像素R)相对应的四个感应电压。当然，在其他实施例中，也可以是一个像素子感应模块110生成与多个相同颜色的子像素(如红色子像素R)相对应的一个感应电压。通过本发明的方案将四个感应电压转换成对应的四个感应电流，并得到四个感应电流之和，即总感应电流，从而基于总感应电流进行量化。

在一实施例中，如图3所示，该镜像模块300可以包括求和子模块310和输出子模块320。求和子模块310可以基于基尔霍夫效应获取总感应电流，如，求和子模块310可以用于在接收到控制信号例如偏置电压信号时，产生总感应电流，该总感应电流的大小为相连的各个电压转电流模块200产生的感应电流的大小之和。输出子模块320可以与求和子模块310构成一镜像电路，用于输出总感应电流，以代表需要获取的像素信号，该像素信号可发送至模数转换模块，进行模数转换以完成量化。

在一实施例中，如图3所示，求和子模块310可以至少包括第二电压输入单元T2和第三电压输入单元T3。第二电压输入单元T2包括第三通路端、第四通路端和第二控制端，第二电压输入单元T2的第三通路端与第一电源VDD1相连；第三电压输入单元T3包括第五通路端、第六通路端和第三控制端，第三电压输入单元T3的第五端与第二电压输入单元T2的第四端相连，第三电压输入单元T3的第六通路端和和多个电压转电流模块200的输出连接端(一实施例为多个第一电压输入单元T1的第一输出连接端)以及第二电压输入单元T2的第二控制端相连，第三电压输入单元T3的第三控制端接收偏置电压信号。在一实施例中，第二电压输入单元T2和第三单元可以是PMOS晶体管，但本发明并不以此为限。

在一实施例中，如图3所示，输出子模块320可以至少包括第四电压输入单元T4和第五电压输入单元T5。第四电压输入单元T4包括第七通路端、第八通路端和第四控制端，第四电压输入单元T4的第七个通路端与第一电源VDD1相连，第四电压输入单元T4的第四控制端与第二电压输入单元的第二控制端相连。第五电压输入单元T5包括第九通路端、第十通路端和第五控制端，第五电压输入单元T5的第九通路端与第四电压输入单元T4的第八通路端相连，第五电压输入单元T5的第十通路端输出像素信号，第五电压输入单元T5的第五控制端接收偏置电压信号。

图4为本发明又一实施例的像素读出电路的电路连接的示意图。本实施例与前述实施例基本相同，不同之处在于，像素读出电路还可以包括调节器400，多个第一电阻R1均为可控电阻，调节器400与多个第一电阻R1均相连，并根据权重信号发送相应的调节信号至多个第一电阻R1，以控制多个第一电阻R1的阻值大小，从而控制多个电压转电流模块200生成的多个感应电流的电流大小。其中，可以根据图像采集的应用设计需求发出相应的权重信号至调节器400，并通过调节器400改变多个第一电阻R1的阻值，实现RGB信号权重可控，例如，在用户需要使图像显示绿色更明亮时，需要提高绿色G的亮度，即可以发送相应的权重信号至调节器400，使调节器400调节绿色子像素对应的第一电阻R1的阻值大小，例如减小第一电阻R1的阻值，使得电压转电流模块200生成的感应电流增大，则量化后的图像数据对应的绿色数据增大，使图像显示时绿色更明亮。

在一实施例中，调节器400可以包括与第一电阻R1对应的子调节电路，子调节电路的输入端用于接收阻值控制信号，子调节电路的输出端连接至对应的第一电阻R1以控制对应的第一电阻R1的阻值大小。其中，子调节电路包括DAC转换电路，用于阻值控制信号进行数模转换并输出，控制对应的第一电阻R1的阻值大小。其中，阻值控制信号可以为权重信号的分信号。

图5为本发明又一实施例的像素读出电路的电路连接的示意图。如图5所示，本实施例与图2的实施例基本相同，不同之处在于，像素读出电路还可以包括电流判定单元500，电流判定单元500连接多个电压转电流模块200，电流判定单元500用于判定多个感应电流合并得到的总感应电流大于电流设定值时，生成曝光触发信号，从而，可以自动在图像曝光亮度达到一阈值时，进行采样和量化，使生成的图像不会过亮或过暗。在一实施例，曝光触发信号可以用于启动多个采样保持器，多个采样保持器用于对各个感应电压或者对应的感应电流进行采样，采样进行量化的图像数据即为相应的像素的亮度数据。在一实施例，曝光触发信号可以用于启动模数转换器，以对总感应电流进行量化，量化后的图像数据可用于处理后得到各像素亮度数据。

具体地，本实施例的像素读出电路还可以带有自动曝光采样功能，多个电压转电流模块200并联连接使多个感应电流线性相加得到的总感应电流，则电流判定单元500可以根据总感应电流大于电流设定值，判定相应的子像素所采集的光线已满足图像子像素亮度的需求，此时应生成曝光触发信号以对各感应电流进行采样，以根据此时的多个感应电流量化等处理得到确定相应的多个子像素的亮度的图像数据。在一实施例中，电流判定单元500可以包括一个或多个比较器。在一实施方式中，本实施例可应用于图像全局自动曝光，多个像素读出电路同时运行，例如可以每列像素对应一个像素读出电路，只要其中任一个像素读出电路中的电流判定单元500在判定总感应电流大于电流设定值时产生了曝光触发信号，所有的像素读出电路同时进行采样和量化，从而实现了图像全局自动曝光。

本发明实施例还提供一种图像传感器，其包括上述任一实施例的像素读出电路。本实施例的图像传感器的实施方式请参考前述的实施例，重复之处不再赘述。

本发明实施例提供的图像传感器，在对一个或多个像素同时读出时，先生成与多个子像素一一对应的多个感应电压，再将多个感应电压转化成相应的多个感应电流，则可根据多个感应电流进行量化，可改善像素的感应信号的量化出错，并可降低成本。

以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (12)

1.一种像素读出电路，其特征在于，包括：

像素感应模块，包括多个像素子感应模块，每个所述像素子感应模块对应生成一感应电压；

多个并联连接的电压转电流模块，且各所述电压转电流模块均与所述像素感应模块相连，以将多个所述感应电压对应转化为多个感应电流；

镜像模块，与所述电压转电流模块均相连并将各所述感应电流之和输出。

2.如权利要求1所述的像素读出电路，其特征在于，所述电压转电流模块包括第一电压输入单元和第一电阻；

所述第一电压输入单元具有第一通路端、第二通路端和第一输出连接端，所述第一输出连接端与所述镜像模块相连，所述第一通路端接收对应的所述感应电压，所述第二通路端与所述第一电阻的第一端相连，所述第一电阻的第二端接地。

3.如权利要求2所述的像素读出电路，其特征在于，所述第一电压输入单元为NMOS晶体管，所述NMOS晶体管的栅极作为所述第一通路端；或者，所述第一电压输入单元包括相连接的运算放大器和NMOS晶体管，所述运算放大器的正极作为所述第一通路端。

4.如权利要求2所述的像素读出电路，其特征在于，所述第一电阻为可控电阻。

5.如权利要求4所述的像素读出电路，其特征在于，所述像素读出电路还包括调节器，所述调节器与多个所述第一电阻均相连，并根据权重信号发送相应的调节信号至多个所述第一电阻，以控制多个所述第一电阻的阻值大小，从而控制多个所述电压转电流模块生成的感应电流的电流大小。

6.如权利要求5所述的像素读出电路，其特征在于，所述调节器包括多个与所述第一电阻对应的子调节电路，所述子调节电路的输入端用于接收阻值控制信号，所述子调节电路的输出端连接至对应的所述第一电阻以控制对应的所述第一电阻的阻值大小，其中，所述子调节电路包括DAC转换电路。

7.如权利要求1所述的像素读出电路，其特征在于，所述镜像模块至少包括求和子模块和输出子模块。

8.如权利要求7所述的像素读出电路，其特征在于，所述求和子模块包括第二电压输入单元和第三电压输入单元；

所述第二电压输入单元包括第三通路端、第四通路端和第二控制端，所述第二电压输入单元的第三通路端与第一电源相连；

所述第三电压输入单元包括第五通路端、第六通路端和第三控制端，所述第三电压输入单元的第五通路端与所述第二电压输入单元的第四通路端相连，所述第三电压输入单元的第六通路端和多个所述电压转电流模块的输出连接端以及所述第二电压输入单元的第二控制端相连，所述第三电压输入单元的第三控制端接收偏置电压信号。

9.如权利要求8所述的像素读出电路，其特征在于，所述输出子模块包括第四电压输入单元和第五电压输入单元；

所述第四电压输入单元包括第七通路端、第八通路端和第四控制端，所述第四电压输入单元的第七通路端与所述第一电源相连，所述第四电压输入单元的第四控制端与所述第二电压输入单元的第二控制端相连；

所述第五电压输入单元包括第九通路端、第十通路端和第五控制端，所述第五电压输入单元的第九通路端与所述第四电压输入单元的第八通路端相连，所述第五电压输入单元的第十通路端输出像素信号，所述第五电压输入单元的第五控制端接收所述偏置电压信号。

10.如权利要求1所述的像素读出电路，其特征在于，还包括电流判定单元，所述电流判定单元连接各所述电压转电流模块，所述电流判定单元判定各所述感应电流合并得到的总感应电流大于电流设定值时生成曝光触发信号。

11.如权利要求1-10中任意一项所述的像素读出电路，其特征在于，所述像素子感应模块包括至少一组光电转换单元和第六电压输入单元；

所述光电转换单元的第一端接第一参考电压；

所述第六电压输入单元包括第十一通路端、第十二通路端和第六控制端，所述第十一通路端与所述电压转电流模块的信号输入端对应相连，所述第十二通路端与所述光电转换单元的第二端对应相连，所述第六控制端接收时序控制信号。

12.一种图像传感器，其特征在于，包括如权利要求1-11任意一项所述的像素读出电路。

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