Cmos图像传感器的非线性信号转换电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种CMOS图像传感器的非线性信号转换电路；它包括CMOS图像传感器中的像素阵列、计数器、非线性信号产生器和信号转换器单元；像素阵列向信号转换器单元输出像素模拟信号；计数器为信号转换器单元和非线性信号产生器提供数字码信号；非线性信号产生器对数字码信号进行数模转换处理后，向信号转换器单元输出非线性模拟信号；信号转换器单元包括比较器和锁存器，比较器对像素模拟信号和非线性模拟信号的大小进行实时比较，当像素模拟信号和非线性模拟信号相等时，锁存器对当前数字码信号进行锁存处理。主要用途及优点：有效提高CMOS图像传感器暗光灵敏度，动态范围大，减少图像转换的失真。
【专利说明】CMOS图像传感器的非线性信号转换电路
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及一种模数转换集成电路技术，具体涉及一种CMOS图像传感器的非线性信号转换电路。
【背景技术】
[0003]随着便携设备广泛使用和城镇安防系统的发展，CMOS图像传感器成为当前手持产品和安防系统的必备组成件。目前，应用在CMOS图像传感器中的信号转换器主要有三种不同的类型-pipeline型、flash型、sar型，均为线性信号转换器，图2为线性信号转换器转换特性图。图1为线性信号转换电路框图，它包括线性(斜坡)信号产生器、信号转换器单元、计数器，CMOS图像传感器中像素(像敏单元)阵列中每列对应一个信号转换器单元，信号转换器单元包括比较器、锁存器。计数器为线性信号产生器提供数字码信号(码值递增)，控制线性信号产生器输出线性模拟信号，为各个信号转换器单元提供参考输入信号。计数器同时为各个信号转换器单元提供数字码信号，比较器采集像素输出信号(模拟信号)和参考输入信号(线性模拟信号)，比较器的比较结果控制锁存器锁存数字码信号，锁存器的输出端接后续电路。通过对像素输出信号与线性模拟信号逐次比较的办法，锁存的数字码信号就是像素输出信号对应的数字码值，实现对像素输出模拟信号的线性模、数转换。采用线性信号转换器的CMOS图像传感器对光线均匀充足的环境有较好的图像采集性能，但是在暗光环境下对光强的敏感度较低，导致图像偏暗，物体细节无法采集，图像失真严重。
[0004]采用线性信号 转换器转换器的CMOS图像传感器，可以在后面通过增加图像处理逻辑电路(isp)，比如引入自动曝光逻辑，采用延长CMOS图像传感器曝光时间的方法，来提升暗光环境图像采集能力，图3为采用自动曝光算法的线性信号转换器转换特性图。采用自动曝光算法的线性信号转换器暗光灵敏度性能增强，暗光环境图像清晰，但是对亮光物体导致转换溢出，动态范围小，图像也有失真。同时，引入isp自动曝光逻辑也增加了芯片面积，增大了功耗。
【发明内容】
[0005]本发明针对【背景技术】中存在的不足，要解决的技术问题是:提供一种暗光灵敏度高、动态范围宽的CMOS图像传感器的非线性信号转换电路。
[0006]本发明为解决上述技术问题，采用的技术方案为:一种CMOS图像传感器的非线性信号转换电路，包括CMOS图像传感器中的像素阵列、计数器、非线性信号产生器和信号转换器单元；
像素阵列向信号转换器单元输出像素模拟信号；计数器为信号转换器单元和非线性信号产生器提供数字码信号；非线性信号产生器对数字码信号进行数模转换处理后，向信号转换器单元输出非线性模拟信号； 信号转换器单元包括比较器和锁存器，比较器对像素模拟信号和非线性模拟信号的大小进行实时比较，当像素模拟信号和非线性模拟信号相等时，锁存器对当前数字码信号进行锁存处理。
[0007]进一步，所述非线性信号产生器包括非线性阵列和模拟开关阵列，所述非线性阵列为非线性电阻阵列，非线性电阻阵列产生数值单调变化的非线性模拟信号；
所述模拟开关阵列采用互补型模拟开关，计数器数字码信号控制模拟开关的导通、关断，模拟开关一端与非线性电阻阵列相连接，另外一端与信号转换器单元相连接，模拟开关导通时将非线性电阻阵列产生的模拟信号输入到信号转换器单元。
[0008]进一步，所述比较器为开关电容比较器。
[0009]进一步，所述锁存器为多位锁存器，锁存器位数与需要锁存的数字码信号位数相同。
[0010]本发明与现有技术相比，有益效果在于:采用非线性信号转换电路进行图像信号转换，非线性信号模拟信号能够在暗光小信号范围产生更高的数字码密度，同时在亮光大信号范围保证数字码覆盖。有效提高CMOS图像传感器暗光灵敏度，动态范围大，减少图像转换的失真。使用非线性信号转换电路无需增加额外芯片面积，保持了 CMOS图像传感器低功耗特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是现有CMOS图像传感器的线性信号转换器的结构框图；
图2是现有CMOS图像传感器的线性信号转换器的转换特性图；
图3是现有CMOS图像传感器的线性信号转换器采用自动曝光算法的转换特性图；
图4是本发明CMOS图像传感器的非线性信号转换电路的结构框图；
图5是本发明CMOS图像传感器的非线性信号转换电路的转换特性图；
图6是本发明实施方式之一的非线性信号产生器的电路结构示意图；
图7是非线性信号产生器输入的数字码和输出非线性模拟信号对应图；
图8是本发明实施方式之一的模拟开关结构示意图；
图9是本发明实施方式之一的计数器电路结构示意图；
图10是本发明实施方式之一的计数器工作时序图；
图11是本发明实施方式之一的信号转换单元结构示意图。
[0012]【具体实施方式】
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步详细说明。
[0013]见图1至图11所示，一种CMOS图像传感器的非线性信号转换电路包括CMOS图像传感器中的像素阵列、计数器、非线性信号产生器和信号转换器单元；像素阵列向信号转换器单元输出像素模拟信号；计数器为信号转换器单元和非线性信号产生器提供数字码信号；非线性信号产生器对数字码信号进行数模转换处理后，向信号转换器单元输出非线性模拟信号；信号转换器单元包括比较器和锁存器，比较器对像素模拟信号和非线性模拟信号的大小进行实时比较，当像素模拟信号和非线性模拟信号相等时，锁存器对当前数字码信号进行锁存处理。
[0014]本发明的基本思想是利用非线性信号产生器替换现有的线性信号产生器，以非线性信号产生器输出非线性模拟信号，作为各个信号转换器单元参考输入信号，来实现提高CMOS图像传感器暗光灵敏度。其中，非线性信号产生器能够产生递增的非线性模拟信号，在暗光小信号范围，非线性模拟信号上升幅度小。当非线性模拟信号值逐渐递增到和像素的暗光小信号值相同时，比较器输出信号从O翻转到I,当比较器输出信号为I时，锁存器就锁存当前的计数器数字码值。由于非线性模拟信号在低幅值区段(开始阶段)上升幅度小，比较器翻转时间比传统线性信号转换电路晚，锁存器锁存的计数器数字码值比传统信号转换电路的数字码值要大。数字码密度为计数器数字码值和像素信号值的比值，因此，在暗光小信号范围，数字码密度增加，CMOS图像传感器暗光灵敏度得到提高。同理，非线性模拟信号在高幅值区段(末尾阶段)上升幅度大，比较器翻转时间比传统线性信号转换电路早，锁存器锁存的计数器数字码值比传统信号转换电路的数字码值要小。因此，在亮光大信号范围，数字码密度减小，CMOS图像传感器亮光物体不会出现转换溢出。
[0015]实施中，非线性信号产生器包括非线性阵列和模拟开关阵列，所述非线性阵列为非线性电阻阵列，非线性电阻阵列产生数值单调变化的非线性模拟信号；所述模拟开关阵列采用互补型模拟开关，计数器数字码信号控制模拟开关的导通、关断，模拟开关一端与非线性电阻阵列相连接，另外一端与信号转换器单元相连接，模拟开关导通时将非线性电阻阵列产生的模拟信号输入到信号转换器单元。
[0016]其工作原理如下:
步骤1.计数器清零并开始计数，计数器为N位计数器。计数器的输出码同步到时钟信号并依次计数，计数器输出码BitfBitN提供给非线性信号产生器和信号转换单元。
[0017]步骤2.非线性信号产生器产生非线性模拟信号。当计数器产生对应的BitfBitN数字信号输入非线性信号产生器时，非线性产生器输出对应的非线性模拟信号，并被传输到信号转换器单元。
[0018]步骤3.信号转换器单元采集像素输出信号和非线性模拟信号，完成信号转换。比较器采集像素输出信号(像素模拟信号)和非线性模拟信号并进行比较。比较结果输入到锁存器，作为锁存器的控制信号，锁存当前的BitfBitN的数字值，为后续电路(isp)提供数字码输出。
[0019]下面，具体以一个基于10位计数器的非线性信号转换器为例，阐述具体细节以便于充分理解本发明。
[0020]计数器的电路结构示意图如图9所示，实例中计数器采用10个D触发器级联，计数器工作时序图如图10所示。计数器的输入信号为CLR清零信号和CLK时钟信号，计数器的输出信号为BitrBitlO数字码信号。计数器清零并开始计数，CLR为计数器清零信号，CLR高电平时计数器清零，此时BitfBitlO输出均为O。CLK为时钟脉冲信号，控制计数器D触发器阵列依次计数输出，此时BitfBitlO按照二进制码计数输出。输出端连接到非线性信号产生器和信号转换器单元。
[0021]非线性信号产生器的电路结构示意图如图6所示，实例中，非线性信号产生器通过1024单元的非线性的电阻串联阵列，产生非线性模拟信号。非线性信号产生器输入的数字码和输出非线性信号对应图如图7所示。计数器产生BitfBitlO的数字信号，控制模拟开关S1?S1023依次导通，SrS1023开关一端接电阻阵列，一端接信号转换器单元，当BitfBitlO计数到对应信号时，相应的模拟开关导通。模拟开关结构示意图如图8所示，BitrBitlO信号被施加到开关管上控制对应的开关导通或者截止。当某个模拟开关导通时，其对应的非线性模拟信号被传输到信号转换器单元。
[0022]信号转换器单元结构示意图如图11所示。信号转换器单元由比较器和锁存器构成，比较器为开关电容比较器，即为折叠共源共栅比较器，比较器输入端连接像素输出信号和非线性模拟信号，并进行比较。比较器输出端连接锁存器，作为锁存器的锁存控制信号。
[0023]锁存器为多位锁存器，锁存器位数与需要锁存的数字码信号位数相同。锁存器由两个反相器invl和inv2，以及开关Sa、Sb构成。当比较器输出信号为O时，Sa导通，Sb截止，锁存器不锁存BitfBitlO信号；当比较器输出信号为I时，Sa截止，Sb导通，锁存器锁存当前输入的BitfBitlO的数字值，锁存器的输出端接后续电路(isp)，进行后续处理和使用。
[0024]虽然本发明已以优选实施例披露如上，但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受上述公开的具体实施例的唯一限制。
[0025]采用本发明后，用非线性信号转换电路进行图像信号转换，非线性信号模拟信号能够在暗光小信号范围产生更高的数字码密度，同时在亮光大信号范围保证数字码覆盖。有效提高CMOS图像传感器暗光灵敏度，动态范围大，减少图像转换的失真。使用非线性信号转换电路无需增加额外芯片面积，保持了 CMOS图像传感器低功耗特点。
【权利要求】
1.一种CMOS图像传感器的非线性信号转换电路，其特征在于:包括CMOS图像传感器中的像素阵列、计数器、非线性信号产生器和信号转换器单元； 像素阵列向信号转换器单元输出像素模拟信号；计数器为信号转换器单元和非线性信号产生器提供数字码信号；非线性信号产生器对数字码信号进行数模转换处理后，向信号转换器单元输出非线性模拟信号； 信号转换器单元包括比较器和锁存器，比较器对像素模拟信号和非线性模拟信号的大小进行实时比较，当像素模拟信号和非线性模拟信号相等时，锁存器对当前数字码信号进行锁存处理。
2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器的非线性信号转换电路，其特征在于:所述非线性信号产生器包括非线性阵列和模拟开关阵列，所述非线性阵列为非线性电阻阵列，非线性电阻阵列产生数值单调变化的非线性模拟信号； 所述模拟开关阵列采用互补型模拟开关，计数器数字码信号控制模拟开关的导通、关断，模拟开关一端与非线性电阻阵列相连接，另外一端与信号转换器单元相连接，模拟开关导通时将非线性电阻阵列产生的模拟信号输入到信号转换器单元。
3.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器的非线性信号转换电路，其特征在于:所述比较器为开关电容比较器。
4.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器的非线性信号转换电路，其特征在于:所述锁存器为多位锁存器，锁存器位数与需要锁存的数字码信号位数相同。
【文档编号】H03M1/12GK104038231SQ201410303161
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月30日 优先权日:2014年6月30日
【发明者】张靖, 刘昌举, 吴治军, 祝晓笑, 李明, 李毅强, 邓光平, 刘业琦, 任思伟, 阳怡伟 申请人:中国电子科技集团公司第四十四研究所