CN117559971B - 斜坡产生器、读出电路及图像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种斜坡产生器、读出电路及图像传感器，其中斜坡产生器包括电流源、电阻、第一运算放大器、第二运算放大器、第一电容、第二电容、第一开关、第二开关、第三开关及第四开关；第一运算放大器的第一输入端接收参考电压，第二输入端连接第一电容的第一端并经由电流源连接电源电压，输出端连接第二电容的第一端并经由电阻接地；第一电容的第一端经由第一开关连接参考电压，第二端经由第二开关连接参考电压；第二电容的第二端连接第二运算放大器的输入端并经由第三开关接地；第二运算放大器的输出端连接第四开关的第一端，第四开关的第二端连接第一电容的第二端并输出斜坡电压。通过本发明解决了现有斜坡产生器存在较大热噪声的问题。

Description

斜坡产生器、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，特别是涉及一种斜坡产生器、读出电路及图像传感器。

背景技术

传统斜坡产生器如图1所示，包括运算放大器OP、电流源Iref、开关S1及电容C1；其中，运算放大器OP的同向输入端接收参考电压Vref，反向输入端经由电流源Iref连接电源电压VDD，输出端产生斜坡电压Vramp，开关S1和电容C1并联于运算放大器OP的反向输入端和输出端之间。

当开关S1闭合时，运算放大器OP的输出端处于重置状态，由于运算放大器OP的反馈，斜坡电压Vramp接近于参考电压Vref；当开关S1打开时，斜坡产生器开始工作并产生一个斜率为Iref/C1的电压信号，如图2所示；其中，Iref为电流源提供的电流值，C1为电容的容值。

将图1所示斜坡产生器应用于图像传感器的读出电路中时，斜坡产生器会对整个读出电路贡献噪声，其中一部分噪声来自于开关S1打开时开关本身的电阻对于电容C1造成的热噪声，即kt/c噪声。因此，如何减小斜坡产生器的热噪声，是本领域技术人员迫切想要解决的技术问题。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本发明的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本发明的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种斜坡产生器、读出电路及图像传感器，用于解决现有斜坡产生器存在较大热噪声的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种斜坡产生器，所述斜坡产生器包括：

电流源、电阻、第一运算放大器、第二运算放大器、第一电容、第二电容、第一开关、第二开关、第三开关及第四开关；

所述第一运算放大器的第一输入端接收参考电压，第二输入端连接所述第一电容的第一端并经由所述电流源连接电源电压，输出端连接所述第二电容的第一端并经由所述电阻接地；所述第一电容的第一端经由所述第一开关连接所述参考电压，第二端经由所述第二开关连接所述参考电压；所述第二电容的第二端连接所述第二运算放大器的输入端并经由所述第三开关接地；所述第二运算放大器的输出端连接所述第四开关的第一端，所述第四开关的第二端连接所述第一电容的第二端并输出斜坡电压。

可选地，采用双端输入运算放大器替换单端输入运算放大器作为所述第二运算放大器，其中，所述第二运算放大器的第一输入端接地，第二输入端连接所述第二电容的第二端，输出端连接所述第四开关的第一端。

可选地，所述第一运算放大器的开环增益小于所述第二运算放大器的开环增益。

可选地，所述第一电容的容值大于所述第二电容的容值。

可选地，所述第一开关、所述第二开关及所述第三开关的初始状态包括闭合状态，所述第四开关的初始状态包括打开状态；所述第一开关在第一时刻打开，所述第二开关及所述第三开关在第二时刻打开，所述第四开关在所述第二时刻闭合，其中，所述第二时刻晚于所述第一时刻。

可选地，所述第一开关、所述第二开关及所述第三开关的初始状态包括闭合状态，所述第四开关的初始状态包括打开状态；所述第一开关在第一时刻打开，所述第二开关及所述第三开关在第二时刻打开，所述第四开关在第三时刻闭合，其中，所述第三时刻晚于所述第二时刻，所述第二时刻晚于所述第一时刻。

本发明还提供一种读出电路，所述读出电路包括：

如上所述的斜坡产生器、比较器及计数器；

所述斜坡产生器用于提供斜坡电压；

所述比较器的第一输入端连接所述斜坡产生器的输出端以接收所述斜坡电压，第二输入端接收像素电压，用于对所述斜坡电压和所述像素电压进行比较并输出比较结果；

所述计数器连接所述比较器的输出端，用于根据所述比较结果对输入时钟进行计数。

可选地，所述读出电路还包括：

第一采样电容及第二采样电容；所述第一采样电容连接于所述斜坡电压和所述比较器的第一输入端之间，所述第二采样电容连接于所述像素电压和所述比较器的第二输入端之间。

可选地，所述读出电路还包括缓冲器，连接于所述比较器和所述计数器之间，用于对所述比较结果进行缓冲。

本发明还提供一种图像传感器，所述图像传感器包括：

像素电路及如上所述的读出电路；

所述像素电路用于将含有图像信息的光信号转换成像素电压输出；

所述读出电路连接所述像素电路的输出端，用于对所述像素电压进行模数转换以生成图像。

如上所述，本发明的斜坡产生器、读出电路及图像传感器，通过全新的结构设计，在不大幅增加斜坡产生器面积和功耗的前提下，实现热噪声的减小，避免将较大热噪声引入至读出电路中，有利于提高图像质量。

附图说明

图1显示为传统斜坡产生器的结构示意图。

图2显示为图1所示斜坡产生器工作时相关信号的波形图。

图3显示为本发明实施例一中斜坡产生器的一种结构示意图。

图4显示为本发明实施例一中斜坡产生器的另一种结构示意图。

图5显示为图3或图4所示斜坡产生器工作时相关信号的一种波形图。

图6显示为图3或图4所示斜坡产生器工作时相关信号的另一种波形图。

图7显示为图3所示斜坡产生器中各噪声的分布示意图。

图8显示为本发明实施例二中读出电路的结构示意图。

图9显示为图8所示读出电路工作时相关信号的波形图。

图10显示为本发明实施例三中图像传感器的结构示意图。

元件标号说明：100读出电路，110斜坡产生器，120比较器，130计数器，140缓冲器，200像素电路。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图10。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

实施例一

如图3和图4所示，本实施例提供一种斜坡产生器110，包括电流源Iref、电阻R1、第一运算放大器OP1、第二运算放大器OP2、第一电容C1、第二电容C2、第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3及第四开关S4。

在一种实施方式中，第一运算放大器OP1采用双端输入运算放大器实现，第二运算放大器OP2采用单端输入运算放大器实现。需要注意的是，双端输入运算放大器和单端输入运算放大器均是单端输出结构。

如图3所示，第一运算放大器OP1的第一输入端接收参考电压Vref，第二输入端连接第一电容C1的第一端并经由电流源Iref连接电源电压VDD，输出端连接第二电容C2的第一端并经由电阻R1接地；第一电容C1的第一端经由第一开关S1连接参考电压Vref，第二端经由第二开关S2连接参考电压Vref；第二电容C2的第二端连接第二运算放大器OP2的输入端并经由第三开关S3接地；第二运算放大器OP2的输出端连接第四开关S4的第一端，第四开关S4的第二端连接第一电容C1的第二端并输出斜坡电压Vramp。

在另一种实施方式中，第一运算放大器OP1和第二运算放大器OP2均采用双端输入运算放大器实现；相较于上述实施方式，本实施方式采用双端输入运算放大器替换单端输入运算放大器作为第二运算放大器OP2。

如图4所示，第一运算放大器OP1的第一输入端接收参考电压Vref，第二输入端连接第一电容C1的第一端并经由电流源Iref连接电源电压VDD，输出端连接第二电容C2的第一端并经由电阻R1接地；第一电容C1的第一端经由第一开关S1连接参考电压Vref，第二端经由第二开关S2连接参考电压Vref；第二电容C2的第二端连接第二运算放大器OP2的第二输入端并经由第三开关S3接地；第二运算放大器OP2的第一输入端接地，输出端连接第四开关S4的第一端；第四开关S4的第二端连接第一电容C1的第二端并输出斜坡电压Vramp。

上述两个实施方式中，第一运算放大器OP1的开环增益小于第二运算放大器OP2的开环增益。作为一种可选方案，第一运算放大器OP1的开环增益大于等于10dB且小于等于20dB，第二运算放大器OP2的开环增益大于等于50dB且小于等于60dB，二者级联后的总体增益大于等于60dB且小于等于80dB。

第一电容C1的容值大于第二电容C2的容值。作为一种可选方案，第一电容C1的容值大于等于20pF且小于等于30pF，第二电容C2的容值大于等于5pF且小于等于15pF。另外，电阻R1的阻值在MΩ级别。

需要注意的是，本实施例所说的第一输入端是指相应运算放大器的正向输入端，第二输入端是指相应运算放大器的反向输入端。

上述两个实施方式记载的斜坡产生器110在工作时，各开关的初始状态设置如下：第一开关S1、第二开关S2及第三开关S3的初始状态包括闭合状态，第四开关S4的初始状态包括打开状态。

通过各开关的切换控制产生斜坡电压Vramp时，一种方案是：第一开关S1在第一时刻t1打开，第二开关S2及第三开关S3在第二时刻t2打开，第四开关S4在第二时刻t2闭合，如图5所示。另一种方案是：第一开关S1在第一时刻t1打开，第二开关S2及第三开关S3在第二时刻t2打开，第四开关S4在第三时刻t3闭合，如图6所示。其中，第三时刻t3晚于第二时刻t2，第二时刻t2晚于第一时刻t1。需要注意的是，各时刻之间的间隔不宜过大，理论上是越短越好，避免第一运算放大器OP1输出电压摆幅过大。

下面，请结合图7，参阅图6，对本实施例斜坡产生器110降低热噪声的具体方法进行说明。

当第一开关S1在第一时刻t1被打开时，第一开关S1产生的噪声被第一电容C1采样，将该噪声记作Vns1，其中，Vns1会被固定在第一运算放大器OP1的输入端，相当于第一运算放大器OP1的补偿电压；

当第二开关S2和第三开关S3在第二时刻t2被打开时，Vns1会被第一运算放大器OP1放大A1倍并存储在第二电容C2两端，由于第二电容C2处于输出串联配置，在第二电容C2的右端，A1*Vns1会被消除；

与此同时，第二开关S2以及参考电压Vref上的噪声通过第一运算放大器OP1的放大被第二电容C2采样，将该噪声记作Vns2，该噪声在第一运算放大器OP1输入端对应的积分噪声满足Vns2/sqrt(4*R1*C2)；第三开关S3产生的噪声被第二电容C2采样，将该噪声记作Vns3，该噪声在第一运算放大器OP1输入端对应的积分噪声满足sqrt(KT/(C2*A1²))，该噪声可近似看作被第一运算放大器OP1的开环增益A1除掉；

与此同时，第一运算放大器OP1的输入噪声Vns,op1也被第二电容C2采样，该噪声在第一运算放大器OP1输入端对应的积分噪声满足Vns,op1/sqrt(4*R1*C2)；

当第四开关在第三时刻t3被闭合时，整个环路形成；此时，Vns1被消除，虽引入了Vns,op1、Vns2和Vns3，但引入的Vns,op1、Vns2和Vns3所造成的热噪声远小于Vns1所造成的热噪声，且Vns3可近似看作被第一运算放大器OP1的开环增益A1消除，热噪声总体上被大大减小；

其中，R1为电阻的阻值，C2为第二电容的容值，K为玻尔兹曼常数，T为环境温度值，A1为第一运算放大器的开环增益。

实施例二

如图8所示，本实施例提供一种读出电路100，包括斜坡产生器110、比较器120及计数器130。

斜坡产生器110用于提供斜坡电压Vramp；其中，斜坡产生器110采用如实施例一记载的结构实现。通过实施例一记载的斜坡产生器110结构，可以减小甚至消除斜坡电压Vramp所带的热噪声，避免将热噪声引入至读出电路100中。

比较器120的第一输入端连接斜坡产生器110的输出端以接收斜坡电压Vramp，第二输入端接收像素电压Vpix，用于对斜坡电压Vramp和像素电压Vpix进行比较并输出比较结果CMP_OUT。

其中，比较器120的第一输入端为正向输入端，第二输入端为反向输入端；当然，第一输入端为反向输入端，第二输入端为正向输入端也是可行的，这对本实施例没有实质影响。

对斜坡电压Vramp和像素电压Vpix进行比较时，比较初期，斜坡电压Vramp大于像素电压Vpix，比较结果CMP_OUT为“1”，当斜坡电压Vramp减小至与像素电压Vpix相等时，比较器120的输出发生翻转，比较结果CMP_OUT跳变为“0”。

计数器130连接比较器120的输出端，用于根据比较结果CMP_OUT对输入时钟CLK进行计数，实现对像素电压Vpix的模数转换。如，计数器130在比较结果CMP_OUT为“1”时开启对输入时钟CLK的计数，并在比较结果CMP_OUT为“0”时停止计数产生输出值，相关波形如图9所示。

进一步的，读出电路100还包括第一采样电容Cs1及第二采样电容Cs2；其中，第一采样电容Cs1连接于斜坡电压Vramp和比较器120的第一输入端之间，第二采样电容Cs2连接于像素电压Vpix和比较器120的第二输入端之间，用于将相应电压采样至比较器120的相应输入端。

进一步的，读出电路100还包括缓冲器140，连接于比较器120和计数器130之间，用于对比较结果CMP_OUT进行缓冲。

实施例三

如图10所示，本实施例提供一种图像传感器，包括像素电路200及读出电路100。

像素电路200用于将含有图像信息的光信号转换成像素电压Vpix输出。

在一种实施方式中，像素电路200采用四管单元结构实现，当然，在其他实施方式中，像素电路200还可以采用五管单元结构或六管单元结构实现，本实施例对此不做限制。

读出电路100连接像素电路200的输出端，用于对像素电压Vpix进行模数转换以生成图像。其中，读出电路100采用如实施例二记载的结构实现。

综上所述，本发明的一种斜坡产生器、读出电路及图像传感器，通过全新的结构设计，在不大幅增加斜坡产生器面积和功耗的前提下，实现热噪声的减小，避免将较大热噪声引入至读出电路中，有利于提高图像质量。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种斜坡产生器，其特征在于，所述斜坡产生器包括：

电流源、电阻、第一运算放大器、第二运算放大器、第一电容、第二电容、第一开关、第二开关、第三开关及第四开关；

所述第一运算放大器的第一输入端接收参考电压，第二输入端连接所述第一电容的第一端并经由所述电流源连接电源电压，输出端连接所述第二电容的第一端并经由所述电阻接地；所述第一电容的第一端经由所述第一开关连接所述参考电压，第二端经由所述第二开关连接所述参考电压；所述第二电容的第二端连接所述第二运算放大器的输入端并经由所述第三开关接地；所述第二运算放大器的输出端连接所述第四开关的第一端，所述第四开关的第二端连接所述第一电容的第二端并输出斜坡电压。

2.根据权利要求1所述的斜坡产生器，其特征在于，采用双端输入运算放大器替换单端输入运算放大器作为所述第二运算放大器，其中，所述第二运算放大器的第一输入端接地，第二输入端连接所述第二电容的第二端，输出端连接所述第四开关的第一端。

3.根据权利要求1或2所述的斜坡产生器，其特征在于，所述第一运算放大器的开环增益小于所述第二运算放大器的开环增益。

4.根据权利要求1所述的斜坡产生器，其特征在于，所述第一电容的容值大于所述第二电容的容值。

5.根据权利要求1所述的斜坡产生器，其特征在于，所述第一开关、所述第二开关及所述第三开关的初始状态包括闭合状态，所述第四开关的初始状态包括打开状态；所述第一开关在第一时刻打开，所述第二开关及所述第三开关在第二时刻打开，所述第四开关在所述第二时刻闭合，其中，所述第二时刻晚于所述第一时刻。

6.根据权利要求1所述的斜坡产生器，其特征在于，所述第一开关、所述第二开关及所述第三开关的初始状态包括闭合状态，所述第四开关的初始状态包括打开状态；所述第一开关在第一时刻打开，所述第二开关及所述第三开关在第二时刻打开，所述第四开关在第三时刻闭合，其中，所述第三时刻晚于所述第二时刻，所述第二时刻晚于所述第一时刻。

7.一种读出电路，其特征在于，所述读出电路包括：

如权利要求1~6任意一项所述的斜坡产生器、比较器及计数器；

所述斜坡产生器用于提供斜坡电压；

所述比较器的第一输入端连接所述斜坡产生器的输出端以接收所述斜坡电压，第二输入端接收像素电压，用于对所述斜坡电压和所述像素电压进行比较并输出比较结果；

所述计数器连接所述比较器的输出端，用于根据所述比较结果对输入时钟进行计数。

8.根据权利要求7所述的读出电路，其特征在于，所述读出电路还包括：

第一采样电容及第二采样电容，所述第一采样电容连接于所述斜坡电压和所述比较器的第一输入端之间，所述第二采样电容连接于所述像素电压和所述比较器的第二输入端之间。

9.根据权利要求7所述的读出电路，其特征在于，所述读出电路还包括缓冲器，连接于所述比较器和所述计数器之间，用于对所述比较结果进行缓冲。

10.一种图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包括：

像素电路及如权利要求7~9任意一项所述的读出电路；

所述像素电路用于将含有图像信息的光信号转换成像素电压输出；

所述读出电路连接所述像素电路的输出端，用于对所述像素电压进行模数转换以生成图像。