TW201734947A - 用於在具有管道架構之影像感測器中實施動態接地共享之方法及系統 - Google Patents

用於在具有管道架構之影像感測器中實施動態接地共享之方法及系統 Download PDF

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Abstract

一種在具有管道架構之一影像感測器中實施動態接地共享之方法開始於一像素陣列擷取影像資料。像素陣列包含分別用於產生像素資料信號之像素。一讀出電路自該像素陣列中之一列獲取該影像資料。包含於該讀出電路中之一類比轉數位轉換(ADC)電路採樣來自該列之該影像資料以獲得經採樣輸入資料。當該ADC電路正在採樣時，一接地共享開關閉合以將該像素陣列及該ADC電路耦合至一共同接地。當該ADC電路未採樣時，該接地共享開關斷開以將該像素陣列及該ADC電路與該共同接地分離。該ADC電路將該經採樣影像資料自類比轉換至數位以獲得一ADC輸出。本發明描述其他實施例。

Description

用於在具有管道架構之影像感測器中實施動態接地共享之方法及系統
本發明之一實例大體上係關於具有管道架構之影像感測器。更具體而言，本發明之實例係關於用於在具有管道架構之一影像感測器中實施動態接地共享之方法及系統。
高速影像感測器已廣泛使用於包含汽車領域、機器視覺領域及專業視訊拍攝領域之不同領域中之眾多應用中。消費者市場對具有一減小捲動快門效果之高速慢動作視訊及標準高清晰度(HD)視訊之持續需求進一步驅動高速影像感測器之發展。 除圖框速率及功率消耗要求外，影像感測器亦有效能要求。不能犧牲像素讀出之品質及精確度來容許圖框速率或功率消耗之增加。 為了增加圖框速率，已經在高速影像感測器中實施管道架構，其允許一高速影像感測器中發生多個工作流程。然而，來自高速影像感測器中之不同元件之電干擾可使由影像感測器產生之影像品質降級。
在以下描述中，陳述數種特定細節以提供對本發明之一透徹理解。然而，應理解，可無需使用此等特定細節來實踐本發明之實施例。在其他情況中，未展示熟知電路、結構或技術以避免使此描述之理解模糊。 貫穿本說明書對「一個實施例」或「一實施例」之參考意謂著結合該實施例描述之一特定特徵、結構或特性係包含於本發明之至少一實施例中。因此，在貫穿本說明書之各種地方出現片語「在一個實施例中」或「在一實施例中」不一定皆指代同一實施例。此外，特定特徵、結構或特性可在一或多個實施例中以任何適合方式被組合。特定特徵、結構或特性可被包含於一積體電路、一電子電路、一組合邏輯電路或提供所描述之功能性的其他適合組件中。 根據本發明之教示之實例描述一種實施動態接地共享之具有管道架構之一影像感測器。在管道架構中，於一個影像感測器中可同時發生兩個或兩個以上工作流程。據此，當將像素之一第一列(例如，當前列)重設、傳遞、採樣等時，由類比轉數位轉換(ADC)電路來轉換像素之一第二列(例如，先前列)。在此實例中，第一列係在一像素陣列中之第二列後面。在一些實施例中，一接地共享開關在ADC正採樣時閉合以將像素陣列及ADC電路耦合至一共同接地，且當ADC電路未採樣時斷開以將像素陣列及ADC電路與共同接地分離。像素作用對ADC電路產生了電干擾。此可係由於像素陣列及ADC電路共享同一類比接地(例如，共同接地)所引起。然而，當ADC電路採樣時，像素陣列及ADC電路共享同一接地係較佳的，否則將產生額外雜訊。據此，降低了由於像素陣列及ADC電路共享同一共同接地所引起之像素作用對ADC電路的電干擾。圖 1 係繪示根據本發明之一個實施例之實施動態接地共享之具有管道架構之一實例成像系統100之一方塊圖。成像系統100可為一互補金屬氧化物半導體(「CMOS」)影像感測器。如所描繪之實例中展示，成像系統100包含經耦合至控制電路120及讀出電路110之像素陣列105，讀出電路110係耦合至功能邏輯115及邏輯控制108。 所繪示之像素陣列105之實施例係分別產生像素資料信號之成像感測器或像素單元(例如，像素單元P1、P2、…、Pn)之一二維(「2D」)陣列。在一個實例中，各像素單元係一CMOS成像像素。如所繪示，各像素單元被配置成一列(例如，列R1至Ry)及一行(例如，行C1至Cx)以獲取一人、位置或物件等之影像資料，接著可使用該影像資料來呈現人、位置或物件等之一影像。像素陣列105可包含可見像素及光學黑色像素(OPB)。可見像素將入射至像素之光轉換為一電信號(例如，一可見信號)並輸出可見信號，而OPB輸出一暗信號。在一實施例中，像素陣列105擷取影像資料，其可包含將像素陣列105中之像素重設、對像素陣列105中之像素預充電，及將像素資料信號傳遞至讀出電路110。 在一實例中，在各像素已獲取其影像資料或影像電荷之後，由讀出電路110經由讀出行位元線109讀出該影像資料且接著將其傳遞至功能邏輯115。在一實施例中，一邏輯電路108可控制讀出電路110且將影像資料輸出至功能邏輯115。在各種實例中，讀出電路110可包含放大電路(未繪示)、類比轉數位轉換(ADC)電路220或其他。功能邏輯115可簡單地储存影像資料或甚至藉由應用影像後效果(例如，剪裁、旋轉、消除紅眼、調整亮度、調整對比度或其他)操縱影像資料。在一實例中，讀出電路110可沿讀出行線一次讀出一列影像資料(已繪示)或可使用各種其他技術讀出影像資料(未繪示)，例如，串列讀出或同時完全平行讀出全部像素。 在一實例中，控制電路120經耦合至像素陣列105以控制像素陣列105之操作特性。例如，控制電路120可產生用於控制影像獲取之一快門信號。在一實例中，快門信號係一全域快門信號，用於同時啟用像素陣列105內之所有像素，以在一單獲取窗期間同時擷取其各自影像資料。在另一實例中，該快門信號係一捲動快門信號，使得在連續獲取窗期間循序地啟用像素之各列、各行或各群組。圖 2 係繪示根據本發明之一實施例之圖 1 中之成像系統100之像素陣列105及讀出電路120之細節之一方塊圖，該成像系統實施動態接地共享。在一些實施例中，讀出電路110實施相關雙採樣(CDS)。如圖 2 中展示，讀出電路110可包含掃描電路210及ADC電路220。掃描電路210可包含放大電路、選擇電路(例如，多工器)等，以沿著讀出行位元線109一次讀出一列影像資料，或可使用(例如)串列讀出或同時完全平行讀出所有像素等的多種其他技術來讀出該影像資料。 在一實施例中，掃描電路210選擇並放大來自列之影像資料，且將來自該列之影像資料傳輸至ADC電路220。ADC電路220可自掃描電路210或像素陣列105接收來自像素陣列中之一列的影像資料。雖然在一些實施例中未繪示，但ADC電路220可包含複數個ADC電路。ADC電路可為行ADC之一類型(例如，SAR、循環等)。ADC電路對於像素陣列105之各行而言可係類似的。ADC電路220可採樣來自像素陣列105之一列之影像資料以獲得一經採樣輸入資料。ADC電路220可將經採樣輸入資料自類比轉換至數位以獲得一ADC輸出。 如圖 2 中展示，一接地共享開關201將像素陣列105及ADC電路220耦合至一共同接地，或將像素陣列105及ADC電路220與該共同接地分離。在一個實施例中，接地共享開關201在ADC電路220正採樣時閉合以將像素陣列105及ADC電路220耦合至共同接地，且當ADC電路220未採樣時斷開以將像素陣列105及ADC電路220與共同接地分離。舉例而言，當ADC電路220未採樣時，在像素陣列105擷取影像資料或當ADC電路220轉換經採樣影像資料時，接地共享開關201可斷開。 像素陣列105之像素作用對ADC電路220的電干擾可係由於像素陣列105及ADC電路220共享同一共同接地所引起。然而，當ADC電路220採樣時，像素陣列105及ADC電路220共享同一接地係較佳的，因為否則將產生額外雜訊。據此，降低了由於像素陣列105及ADC電路220共享同一共同接地而引起之像素作用對ADC電路220的電干擾。 在一實施例中，邏輯電路108或控制電路120可控制接地共享開關201。舉例而言，邏輯電路108或控制電路120可產生控制接地共享開關201之斷開及閉合之一開關時序信號。圖 3 係繪示根據本發明之一實施例之一例示性開關時序信號之一時序圖。如圖 3 中展示，當ADC電路220正在採樣時，可將開關時序信號設定為「1」以表明接地共享開關201之閉合，且當ADC電路220未採樣時，可將開關時序信號設定為「0」以表明接地共享開關201之斷開。在管道架構中，於一個影像感測器100中可同時發生兩個或兩個以上工作流程。據此，當將像素之一第一列(例如，當前列)重設、傳遞、採樣等時，由ADC電路220來轉換像素之一第二列(例如，先前列)。在此實例中，第一列係在一像素陣列中之第二列後面。因此，當ADC電路220正在採樣像素陣列105中之像素之當前列，同時ADC電路220正在轉換像素陣列105中之像素之一先前列時，接地共享開關201閉合以將像素陣列105及ADC電路220耦合至一共同接地。 據此，使用接地共享開關201降低了由於像素陣列105及ADC電路220共享同一類比接地(例如，共同接地)所引起之像素作用對ADC電路220的電干擾。在一實施例中，共同接地係包含於一印刷電路板(PCB)上。 在一實施例中，ADC電路220包含一數位轉類比轉換(DAC)電路及一逐次逼近暫存器(SAR)。DAC電路可為電容器實施的DAC，或可使用電阻器或電阻器與電容器之一混合物來實施。在此實施例中，於DAC電路上對照經儲存於SAR中之一ADC消隱脈衝位準來採樣來自該列之影像資料以獲得經採樣輸入資料。ADC電路220接著藉由使用DAC電路及SAR (未展示)執行一二元搜尋來將經採樣輸入資料自類比轉換至數位以獲得ADC輸出值。在經採樣輸入資料的每次轉換之前，可將SAR重設。藉由ADC電路220，自正被處理之一給定列採樣影像資料獲得經採樣輸入資料。 在另一實施例中，ADC電路220包含一比較器及一ADC計數器(未展示)。在此實施例中，將經採樣輸入資料自類比轉換至數位的ADC電路220包含比較器(諸如比較經採樣輸入資料與一斜坡信號以產生一比較器輸出信號之一全差動運算比較器)，及基於比較器輸出信號來計數以產生ADC輸出的ADC計數器。在一實施例中，在包含於讀出電路110或邏輯電路108中之一斜坡產生器中產生斜坡信號。在一實施例中，邏輯電路108包含一鎖相迴路(PLL)以產生傳輸至斜坡產生器之一ADC時脈信號。在此實施例中，斜坡產生器產生經同步至ADC時脈信號之一斜坡信號。 SAR結合DAC電路執行一二元搜尋，且逐次將DAC電路之資料輸出線中之各位自最高有效位元(MSB)設定至最低有效位元(LSB)。在一實施例中，比較器判定DAC電路之資料輸出線中之一位元是否應保持設定或重設。當轉換結束時，SAR保持經採樣輸入資料(例如，ADC輸出)之一轉換。在一些實施例中，功能邏輯115接收並處理來自ADC電路220之ADC輸出以產生一最終ADC輸出。 此外，本發明之以下實施例可被描述為一程序，該程序通常被描繪為一流程圖、一流向圖、一結構圖或一方塊圖。雖然一流程圖可將操作描述為一循序程序，但可平行或同時執行眾多操作。此外，可重新配置操作次序。當一程序操作完成時該程序終止。一程序可對應於一方法、程序等等。圖 4 係繪示根據本發明之一實施例之用於在具有管道架構之一影像感測器100中實施動態接地共享之一方法400之一流程圖。方法400開始於一像素陣列105擷取影像資料。像素陣列105包含分別用於產生像素資料信號之像素(方塊401)。在一些實施例中，像素陣列105擷取影像資料包含將像素陣列105之列中之複數個像素重設、對像素陣列105之列中之複數個像素預充電及將來自像素陣列105之像素資料信號傳遞至讀出電路110。 在方塊402處，一讀出電路110自像素陣列105中之一列獲取影像資料。在一實施例中，讀出電路110藉由選擇並放大來自該列之影像資料且將來自該列之影像資料傳輸至ADC電路220來自該列獲取影像資料。 在方塊403處，包含於讀出電路110中之一ADC電路220採樣來自該列之影像資料以獲得經採樣輸入資料。在一實施例中，當ADC電路220正在採樣時一接地共享開關201閉合而將像素陣列105及ADC電路220耦合至一共同接地，且當ADC電路220未採樣時接地共享開關201斷開而將像素陣列105及ADC電路220與共同接地分離。在一個實施例中，共同接地包含於一印刷電路板(PCB)上。在此實施例中，PCB可包含於影像感測器100中。在一個實施例中，邏輯電路108或控制電路230之至少一者藉由產生並傳輸一開關時序信號而控制接地共享開關201。在方塊404處，ADC電路220將經採樣影像資料自類比轉換至數位以獲得一ADC輸出。在一些實施例中，功能邏輯115接收並處理來自ADC電路220之ADC輸出以產生一最終ADC輸出。 在一實施例中，藉由ADC電路220採樣來自該列之影像資料以獲得經採樣輸入資料包含於包含於ADC電路220中之DAC電路上對照儲存於一SAR中之一ADC消隱脈衝位準採樣來自該列之影像資料以獲得經採樣輸入資料。在此實施例中，藉由ADC電路220將經採樣輸入資料自類比轉換至數位以獲得ADC輸出值包含使用DAC電路及SAR執行一二元搜尋。 在另一實施例中，藉由ADC電路220將經採樣輸入資料自類比轉換至數位以獲得ADC輸出值包含由包含於ADC電路220中之一比較器比較經採樣輸入資料與一斜坡信號以產生一比較器輸出信號，且由一ADC計數器基於比較器輸出信號進行計數以產生一ADC輸出。 依據電腦軟體及硬體描述上文闡釋之程序。所描述之技術可構成在一機器(例如，電腦)可讀储存媒體內體現之機器可執行指令，該機器可執行指令在由一機器執行時將致使機器執行所描述之操作。另外，程序可在硬體(諸如一特定應用積體電路(「ASIC」)或類似者)內體現。 本發明所繪示之實例之以上描述(包含說明書摘要中所描述之內容)不希望具窮舉性或被限於所揭示之精確形式。雖然出於繪示之目的，本文中描述本發明之特定實施例及實例，但在不背離本發明之更廣泛精神及範疇之情況下，多種等效修改為可行的。 鑑於以上詳細描述，可對本發明之實例做出此等修改。隨附申請專利範圍中所使用之術語不應解釋為將本發明限於說明書及申請專利範圍中揭示之特定實施例。實情係，該範疇將完全由隨附申請專利範圍判定，該申請專利範圍應根據申請專利範圍解釋之既定原則來解釋。因此，本說明書及諸圖應認為係繪示性的而非限制性的。
100‧‧‧成像系統/影像感測器
105‧‧‧像素陣列
108‧‧‧邏輯電路/邏輯控制
109‧‧‧位元線
110‧‧‧讀出電路
115‧‧‧功能邏輯
120‧‧‧控制電路/讀出電路
201‧‧‧接地共享開關
210‧‧‧掃描電路
220‧‧‧類比轉數位轉換(ADC)電路
400‧‧‧方法
401‧‧‧方塊
402‧‧‧方塊
403‧‧‧方塊
404‧‧‧方塊
C1-Cx‧‧‧行
P1-Pn‧‧‧像素
R1-Ry‧‧‧列
在隨附圖式之各圖中，藉由實例之方式而不藉由限制方式來繪示本發明之實施例，除非另外說明，圖中相似參考貫穿各圖指示類似元件。應注意，在本發明中，對本發明之「一」或「一個」實施例之參考並不一定為相同實施例，且其意謂著至少一者。在圖中：圖 1 係繪示根據本發明之一個實施例之實施動態接地共享之具有管道架構之一實例成像系統之一方塊圖。圖 2 係繪示根據本發明之一個實施例之實施動態接地共享之圖 1 中之成像系統之像素陣列及讀出電路之細節之一方塊圖。圖 3 係繪示根據本發明之一個實施例之一例示性開關時序信號之一時序圖。圖 4 係繪示根據本發明之一個實施例之用於在具有管道架構之一影像感測器中實施動態接地共享之一方法之一流程圖。 對應參考字元貫穿圖式之若干視圖指示對應組件。熟習技工應瞭解，圖中之元件係出於簡單且清楚之目的而繪示，且不一定係按比例繪製。舉例而言，圖中一些元件之尺寸可能相對於其他元件被誇大，以幫助改良對本發明之各種實施例的理解。並且，為了更清楚地瞭解本發明之此等各種實施例，通常不描繪在一商業可行之實施例中有用或必要之常見但好理解的元件。
400‧‧‧方法
401‧‧‧方塊
402‧‧‧方塊
403‧‧‧方塊
404‧‧‧方塊

Claims (20)

  1. 一種在具有管道架構之一影像感測器中實施動態接地共享之方法，其包括： 由一像素陣列擷取影像資料，其中該像素陣列包含分別用於產生像素資料信號之複數個像素； 由一讀出電路自該像素陣列中之一列獲取該影像資料； 由包含於該讀出電路中之類比轉數位轉換(ADC)電路採樣來自該列之該影像資料以獲得經採樣輸入資料，其中 當該ADC電路正在採樣時，一接地共享開關閉合以將該像素陣列及該ADC電路耦合至一共同接地，及 當該ADC電路未採樣時，該接地共享開關斷開以將該像素陣列及該ADC電路與該共同接地分離；及 由該ADC電路將該經採樣影像資料自類比轉換至數位以獲得一ADC輸出。
  2. 如請求項1之方法，其中該共同接地係包含於一印刷電路板(PCB)上。
  3. 如請求項1之方法，其中當該像素陣列擷取該影像資料時或當該ADC電路轉換該經採樣影像資料時，該接地共享開關係斷開。
  4. 如請求項1之方法，其中由該像素陣列擷取該影像資料包含將該複數個像素重設、對該複數個像素預充電，及將該等像素資料信號傳遞至該讀出電路。
  5. 如請求項1之方法，進一步包括： 由一邏輯電路或一控制電路之至少一者控制該接地共享開關。
  6. 如請求項1之方法，其中由該讀出電路自該列獲取該影像資料進一步包括： 由包含於該讀出電路中之一掃描電路選擇及放大來自該列之該影像資料；及 將來自該列之該影像資料傳輸至該ADC電路。
  7. 如請求項1之方法，其中由該ADC電路採樣來自該列之該影像資料以獲得該經採樣輸入資料進一步包括： 在包含於該ADC電路中之一數位轉類比轉換(DAC)電路上，對照經儲存於一逐次逼近暫存器(SAR)中之一ADC消隱脈衝位準，採樣來自該列之該影像資料以獲得經採樣輸入資料。
  8. 如請求項7之方法，其中由該ADC電路將該經採樣輸入資料自類比轉換至數位以獲得該ADC輸出值包含： 使用該DAC電路及該SAR來執行一二元搜尋。
  9. 如請求項1之方法，其中由該ADC電路將該經採樣輸入資料自類比轉換至數位以獲得該ADC輸出值包含： 由包含於該ADC電路中之一比較器比較該經採樣輸入資料與一斜坡信號以產生一比較器輸出信號，及 由一ADC計數器基於該比較器輸出信號來進行計數以產生一ADC輸出。
  10. 一種實施動態接地共享之具有管道架構之影像感測器，其包括： 一像素陣列，用於擷取一圖框之影像資料，其中該像素陣列包含分別用於產生像素資料信號之複數個像素；及 一讀出電路，其經耦合至該像素陣列以自該像素陣列中之一列獲取該影像資料，其中該讀出電路包含： 一類比轉數位轉換ADC電路，用於採樣來自該列之該影像資料以獲得經採樣輸入資料，並將該經採樣輸入資料自類比轉換至數位以獲得一ADC輸出； 一接地共享開關，其將該像素陣列及該ADC電路耦合至一共同接地或將該像素陣列及該ADC電路與該共同接地分離，其中該接地共享開關經動態地控制以(i)當該ADC電路正在採樣時閉合以將該像素陣列及該ADC電路耦合至一共同接地，(ii)當該ADC電路未採樣時斷開以將該像素陣列及該ADC電路與該共同接地分離。
  11. 如請求項10之影像感測器，進一步包括： 一控制電路，用於控制該像素陣列之操作特性；及 一邏輯電路，用於控制該讀出電路， 其中該邏輯電路或一控制電路之至少一者動態地控制該接地共享開關。
  12. 如請求項10之影像感測器，其中該共同接地係包含於一印刷電路板(PCB)上。
  13. 如請求項10之影像感測器，其中當該像素陣列擷取該影像資料時或當該ADC電路轉換該經採樣影像資料時，該接地共享開關係斷開。
  14. 如請求項10之影像感測器，其中該像素陣列擷取該影像資料包含將該多個像素重設、對該多個像素預充電，及傳遞該像素資料信號。
  15. 如請求項10之影像感測器，其中該讀出電路進一步包括： 一掃描電路，用於選擇及放大來自該列之該影像資料，並將來自該列之該影像資料傳輸至該ADC電路。
  16. 如請求項10之影像感測器，其中該ADC電路進一步包括： 一數位轉類比轉換(DAC)電路及逐次逼近暫存器(SAR)，其中在一數位轉類比轉換(DAC)電路上，對照經儲存於該SAR中之一ADC消隱脈衝位準，採樣來自該列之該影像資料以獲得該經採樣輸入資料。
  17. 如請求項16之影像感測器，其中該ADC電路將該經採樣輸入資料自類比轉換至數位包含： 使用該DAC電路及該SAR來執行一二元搜尋。
  18. 如請求項10之影像感測器，其中該ADC電路進一步包括： 一比較器，用於比較該經採樣輸入資料與一斜坡信號以產生一比較器輸出信號，及 一ADC計數器，用於基於該比較器輸出信號來計數以產生一ADC輸出。
  19. 一種實施動態接地共享之具有管道架構之影像感測器，其包括： 一像素陣列，用於擷取一圖框之影像資料，其中該像素陣列包含分別用於產生像素資料信號之複數個像素；及 一讀出電路，其經耦合至該像素陣列以自該像素陣列中之一列獲取該影像資料，其中該讀出電路包含： 一類比轉數位轉換(ADC)電路，用於採樣來自該列之該影像資料以獲得經採樣輸入資料，並將該經採樣輸入資料自類比轉換至數位以獲得一ADC輸出； 一接地共享開關，其將該像素陣列及該ADC電路耦合至一共同接地或將該像素陣列及該ADC電路與該共同接地分離，其中該接地共享開關經動態地控制，以(i)當該ADC電路正在採樣時閉合以將該像素陣列及該ADC電路耦合至一共同接地，(ii)當該ADC電路未採樣時斷開以將該像素陣列及該ADC電路與該共同接地分離；及 一控制電路，用於控制該像素陣列之操作特性；及 一邏輯電路，用於控制該讀出電路，其中該邏輯電路或一控制電路之至少一者動態地控制該接地共享開關。
  20. 如請求項19之影像感測器，其中具有管道架構之該影像感測器包含一第一同時工作流程及一第二同時工作流程，其中該第一工作流程包含該像素陣列擷取該像素陣列中之一當前列之一影像資料，其包含將該複數個像素重設、對該多個像素預充電，及傳遞該當前列之該像素資料信號，且該第二工作流程包含該ADC電路轉換該像素陣列中之一先前列之經採樣輸入資料。
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