CN1194531C - 一种用于图像传感器产生扫描信号的方法及其电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于图像传感器产生扫描信号的方法及其电路，属于互补金属氧化物半导体图像传感器技术领域。该方法首先对系统时钟信号进行N分频，产生一个参考时钟信号；对参考时钟信号进行相位移动，产生N个多相位信号，根据参考时钟信号和上述产生的多相位信号合成列扫描信号；最后根据参考时钟信号产生行扫描信号。本发明的电路，包括行扫描电路和列扫描电路，其中的列扫描电路由N分频器、延时锁相环和波形合成器组成。本发明提出的产生图像传感器扫描信号的方法及其电路，使用DLL来完成扫描电路的时序控制，整个电路的扫描过程就像推倒的多米诺骨牌，彻底取消了时钟信号，实现了低功耗设计。
Description
技术领域 本发明一种用于图像传感器产生扫描信号的方法及其电路，属于互补金属氧化物半导体(以下简称CMOS)图像传感器技术领域。
背景技术 CMOS图像传感器是通过对每个像素的亮度信息进行扫描读出来获得完整图像的。现有CMOS图像传感器的扫描电路都是由触发器组成的，该电路必须在时钟信号的作用下才能完成扫描。图1是由触发器组成的扫描电路的原理图，图中的Ui，Ui+1，Ui+2，Ui+3，Ui+4，...是触发器，输出i，输出i+1，输出i+2，输出i+3，输出i+4，...是扫描电路的输出信号。图2是图1对应的波形图，从图2的波形可以看出，扫描脉冲波形随着每个系统时钟信号的上升沿依次从前一个触发器传给后一个触发器，实现了扫描。
在已有的扫描电路中，系统时钟信号用于精确控制各个触发器的翻转时间。当CMOS图像传感器的分辨率很高，而且图像以很高的速度读出时，由触发器组成的扫描电路的时钟信号由于本身负载电容很大，所以它的功耗也很大，而且它的功耗还将随工作频率和图像分辨率增加而迅速线性增长，这个缺点不适应现代CMOS大规模和超大规模集成电路向高速低功耗方向发展的要求。
发明内容 本发明的目的是针对已有CMOS图像传感器中的扫描电路由于时钟所引起的功耗大的问题，提出一种用于图像传感器产生扫描信号的方法及其电路，在扫描电路中不采用时钟而是利用延时锁相环(以下简称DLL)控制时序，使整个电路的工作过程好像正在倒下的多米诺骨牌。由于没有了时钟信号，且DLL在锁定的状态下功耗很小，以实现低功耗的扫描电路，从而降低整个CMOS图像传感器的功耗。
本发明提出的用于图像传感器产生扫描信号的方法，包括以下各个步骤：
(1)对系统时钟信号进行N分频，产生一个参考时钟信号；
(2)对参考时钟信号进行相位移动，产生N个多相位时钟信号，其中任意两个相邻信号的相位延时相同，该相位延时为参考时钟周期的1/N；
(3)根据参考时钟信号和上述产生的多相位时钟信号合成列扫描信号；
(4)根据参考时钟信号产生行扫描信号。
上述方法中的列扫描信号的合成方法包括如下各步骤：
(1)对N个多相位时钟信号以及参考时钟信号进行反相，得到反相时钟信号；
(2)对上述反相时钟信号和其下一级的未反相时钟信号进行或非逻辑，得到列扫描信号。
本发明提出的用于图像传感器产生扫描信号的电路，包括行扫描电路和列扫描电路，其中的列扫描电路由N分频器、延时锁相环和波形合成器组成；其中的N分频器将输入的系统时钟信号进行N分频后产生一个参考时钟信号，该参考时钟信号分别输入延时锁相环和波形合成器，延时锁相环锁定参考时钟信号，得到N个多相位时钟信号，其中任意两个相邻信号的相位延时等于系统时钟信号的周期，波形合成器根据多相位时钟信号和参考时钟信号合成列扫描信号。
上述电路中的波形合成器包括反相器和或非门，反相器的输入端与延时锁相环的输出端相连，反相器的输出端与或非门的一个输入端相连，或非门的另一个输入端与延时锁相环的输出端相连。
本发明提出的用于图像传感器产生扫描信号的方法及其电路，使用DLL来完成扫描电路的时序控制，整个电路的扫描过程就像推倒的多米诺骨牌，彻底取消了时钟信号，实现了低功耗设计。由于没有了时钟信号，当扫描频率升高和分辨率提高后，整个列扫描电路的功耗并不明显增加。图6是根据仿真结果总结的功耗随N变化的曲线(50MHz，100MHz)，其中N1和N2分别为工作频率为100MHz和50MHz时的功耗临界点，在功耗临界点上，已有的由触发器组成的扫描电路和基于DLL的扫描电路功耗相同。从图6可以看出N1＜N2。N1和N2根据不同的CMOS工艺，大约在20到50之间。从图6中还可以看出，随着工作频率的升高，两种扫描电路的功耗随N变化的斜率之差还将增大。所以本申请提交的扫描电路非常适合N较大且工作频率很高的应用场合，即快速高分辨率的图像获取。
附图说明
图1已有技术中由触发器组成的扫描电路原理图；
图2是图1所示电路的波形图；
图3是本发明的扫描信号产生电路原理图；
图4是对应图3中有关列扫描信号的波形图；
图5是波形合成器的电路图；
图6是本发明的效果示意图，功耗随N变化的曲线(50MHz，100MHz)。
具体实施方式
本发明提出的用于图像传感器产生扫描信号的方法，首先对系统时钟信号进行N分频，产生一个参考时钟信号；对参考时钟信号进行相位移动，产生N个多相位时钟信号，其中任意两个相邻信号的相位延时相同，该相位延时为参考时钟周期的1/N；根据参考时钟信号和上述产生的多相位时钟信号合成列扫描信号；根据参考时钟信号产生行扫描信号。
上述方法中的列扫描信号的合成方法为：对N个多相位时钟信号以及参考时钟信号进行反相，得到反相时钟信号；对上述反相时钟信号和其下一级的未反相时钟信号进行或非逻辑，得到列扫描信号。
本发明提出的用于图像传感器产生扫描信号的电路，其电路图如图3所示，包括行扫描电路和列扫描电路，其中的列扫描电路由N分频器、延时锁相环和波形合成器组成；其中的N分频器将输入的系统时钟信号进行N分频后产生一个参考时钟信号，该参考时钟信号分别输入延时锁相环和波形合成器，延时锁相环锁定参考时钟信号，得到N个多相位时钟信号，其中任意两个相邻信号的相位延时等于系统时钟信号的周期，波形合成器根据多相位时钟信号和参考时钟信号合成列扫描信号。
上述电路中的波形合成器包括反相器和或非门，反相器的输入端与延时锁相环的输出端相连，反相器的输出端与或非门的一个输入端相连，或非门的另一个输入端与延时锁相环的输出端相连。
本发明方法中，使用DLL提供精确的时序信息，用简单的逻辑来合成而不是用触发器产生扫描波形。图3是本发明基于DLL的扫描电路原理图，它产生的扫描信号可以对图中P行N列有源像素传感器阵列(以下简称APS)进行扫描。基于DLL的扫描电路由N分频器，DLL，波形合成器和由P个触发器组成的扫描电路组成。其中的N分频器将输入的系统时钟信号进行N分频，产生参考时钟信号。参考时钟信号再输入给DLL，波形合成器以及由触发器组成的扫描电路。DLL锁定输入的参考时钟信号并产生N相位的时钟信号，即信号0，信号1，信号2，信号3，...信号N-2和信号N-1，其中每两个相邻的N相位时钟信号的相位延时为一个系统时钟信号的周期。信号0，信号1，信号2，信号3，...信号N-2，信号N-1以及参考时钟信号输入给波形合成器后，由波形合成器产生列扫0，列扫1，列扫2，列扫3，...列扫N-2和列扫N-1信号，它们作为列扫描信号输入给将要被扫描的APS。参考时钟信号输入给由触发器组成的扫描电路作为它的时钟信号产生行扫0，行扫1，行扫2，行扫3，...行扫P-2和行扫P-1信号，这些信号作为列扫描信号输入给将要被扫描的APS。
由于列扫描信号的扫描速度是N倍的行扫描信号的扫描速度，所以本方法中的列扫描电路采用基于DLL的扫描电路的电路结构，而行扫描电路仍然采用已有技术的由触发器组成的扫描电路形式。下面具体介绍一下产生列扫描信号的基于DLL的扫描电路的工作原理以及波形合成器的电路。
图4为图3中有关列扫描信号产生的信号波形图。从图4可以看出，系统时钟信号经过N分频器分频，得到时钟周期为N倍系统时钟信号周期的参考时钟信号。参考时钟信号输入给DLL，当DLL处于锁定状态时DLL中的压控延时线(以下简称VCDL)的延时为一个参考时钟的周期，也就是N倍的系统时钟周期。由于DLL中的VCDL被均匀的分成N个等份，所以在DLL的锁定状态，VCDL中每个等份的延时就是一个系统时钟周期。每个等份的输出端对应图4中的信号0，信号1，信号2，信号3，...信号N-2和信号N-1，其中信号N-1的相位与参考时钟信号的相位相差一个完整的参考时钟周期。把参考时钟信号以及信号0，信号1，信号2，信号3，...信号N-2和信号N-1输入给波形合成器，由波形合成器合成扫描波形，对应图4中的列扫0，列扫1，列扫2，列扫3，...列扫N-2和列扫N-1。
图5为波形合成器的电路图。图中的U0，U1，U2，...UN-2，UN-1为二输入或非门，A0，A1，A2，...AN-2，AN-1为反相器。U0的输出端接列扫0，其中的一个输入端接信号0，该信号0为参考时钟信号的下一级的未反相时钟信号，另一个输入端接A0的输出端，A0为第一级反相器，其输出信号为经过反相的参考时钟信号；U1的输出端接列扫1，其中的一个输入端接信号0的下一级的未反相时钟信号1，另一个输入端接A1的输出端(即接经过反相的信号0)；U2，...UN-1，UN-2的接法依此类推。A0的输入端接参考时钟信号，输出端接U0的一个输入端；A1的输入端接信号0，输出端接U1的一个输入端；A2的输入端接信号1，输出端接U2的一个输入端；A3的输入端接信号2，输出端接U2的一个输入端；A4，A5，...AN-2，AN-1的接法依次类推。
Claims (4)
1、一种用于图像传感器产生扫描信号的方法，其特征在于该方法包括以下各个步骤：
(1)对系统时钟信号进行N分频，产生一个参考时钟信号；
(2)对参考时钟信号进行相位移动，产生N个多相位时钟信号，其中任意两个相邻信号的相位延时相同，该相位延时为参考时钟周期的1/N；
(3)根据参考时钟信号和上述产生的多相位时钟信号合成列扫描信号；
(4)根据参考时钟信号产生行扫描信号。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤(3)包括以下各步骤：
(1)对N个多相位时钟信号以及参考时钟信号进行反相，得到反相时钟信号；
(2)对上述反相时钟信号和其下一级的未反相时钟信号进行或非逻辑，得到列扫描信号。
3、一种用于图像传感器产生扫描信号的电路，包括行扫描电路和列扫描电路，其特征在于其中的列扫描电路由N分频器、延时锁相环和波形合成器组成；其中的N分频器将输入的系统时钟信号进行N分频后产生一个参考时钟信号，该参考时钟信号分别输入延时锁相环和波形合成器，延时锁相环锁定参考时钟信号，得到N个多相位时钟信号，其中任意两个相邻信号的相位延时等于系统时钟信号的周期，波形合成器根据多相位时钟信号和参考时钟信号合成列扫描信号。
4、如权利要求3所述的电路，其特征在于其中的所述的波形合成器包括反相器和或非门，除第一级反相器的输入端与参考时钟信号相连之外，其余各级反相器的输入端均与延时锁相环的输出端相连，反相器的输出端与或非门的一个输入端相连，或非门的另一个输入端与延时锁相环的输出端相连。
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