补偿电路及其控制方法和图像传感器电路的制作方法
【专利摘要】一种补偿电路及其控制方法和图像传感器电路，补偿电路包括放大器、第一电容、第二电容、第三电容、第一开关、比较器和计数器；所述放大器的负相输入端连接所述第一电容的第一端、第二电容的第一端、第三电容的第一端和第一开关的第一端，所述放大器的输出端连接所述第一电容的第二端、第一开关的第二端和比较器的负相输入端；所述比较器的输出端连接所述计数器的输入端。本发明技术方案既能补偿图像偏亮的问题也能补偿图像偏暗的问题，提供了一种双向黑电平补偿技术，结构简单，节省了芯片面积和功耗。
【专利说明】补偿电路及其控制方法和图像传感器电路
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种补偿电路及其控制方法和图像传感器电路。
【背景技术】
[0002]图像传感器的目的是为了将拍摄的图像(光信号)转换成电信号用于远距离播放，主要有金属氧化物半导体(CMOS)和电荷耦合装置(CCD)两种类型，应用十分广泛。
[0003]图像传感器的像素将光信号转换成的电荷转移到存储节点，而后通过源极跟随器输出。为了削弱源极跟随器的噪声，每个像素要通过位线先后输出两次信号，一次是复位电平，一次是在复位电平基础上的信号电平。将信号电平与复位电平做减法运算时，可以得到滤除低频噪声的信号。图1为一种现有图像信号读取电路，包括:放大器Amp、第一电容Cf、第二电容Cs、第一开关K1、比较器COMP和计数器I。
[0004]放大器Amp的负相输入端连接第一电容Cf的第一端、第二电容Cs的第一端和第一开关Kl的第一端。所述放大器Amp的输出端连接第一电容Cf的第二端、第一开关Kl的第二端和比较器COMP的负相输入端。比较器COMP的输出端连接计数器I的输入端。第二电容Cs的第二端适于输入第一信号Sbl。所述第一信号Sbl可以为像素的输出电压。
[0005]第一开关Kl决定放大器Amp的工作状态。米样阶段,第一开关Kl处于闭合状态，像素的输出信号为复位电平Vrst ;保持阶段，第一开关Kl处于断开状态，像素的输出信号为信号电平Vsig。第一开关Kl由闭合状态变为断开状态后,像素的输出信号由复位电平Vrst变为信号电平Vsig。
[0006]比较器COMP的正相输入端适于输入斜坡信号Vramp。斜坡信号Vramp输入比较器COMP的正相输入端时计数器I由O开始正向计数,开始时斜坡信号Vramp的电压小于放大器输出Vout_amp。当斜坡信号Vramp的电压由小于放大器输出Vout_amp变为大于放大器输出Vout_amp时，比较器COMP的输出信号发生变化，从而停止了计数器I的计数，停止后的计数器I的计数结果Dsig保持不变，所述最终的计数结果Dsig即为像素量化值。
[0007]所谓黑电平，即图像数据为O时对应的信号电平，黑电平的上下调节会影响图像的亮暗。过大的黑电平会使图像偏亮，从而牺牲后续电路能处理的信号范围；黑电平过小，则图像偏暗甚至会丢失暗区域的信息。
[0008]由于工艺上的非理想性，图像传感器在没有任何光线的情况下仍有暗电流产生，像素量化值有一个非O的偏移量，导致黑电平上移或下移，一定程度上影响了图像的质量，因此大多数的图像传感器需要进行黑电平补偿。
[0009]现有的黑电平补偿技术多大多需要复杂的算法，或者从工艺角度尽量减小暗电流，但是暗电流仍不能避免。
【发明内容】
[0010]本发明解决的问题是现有黑电平补偿技术较复杂和繁琐。
[0011]为解决上述问题，本发明提供一种补偿电路，包括:放大器、第一电容、第二电容、第三电容、第一开关、比较器和计数器；
[0012]所述放大器的负相输入端连接所述第一电容的第一端、第二电容的第一端、第三电容的第一端和第一开关的第一端，所述放大器的输出端连接所述第一电容的第二端、第一开关的第二端和比较器的负相输入端；
[0013]所述比较器的输出端连接所述计数器的输入端。
[0014]可选的，所述第二电容的第二端适于输入第一信号，所述第一信号在第一时刻由第一电平变为第二电平，所述补偿电路还包括:补偿控制单元，所述补偿控制单元适于输出第二信号至所述第三电容的第二端，所述第二信号在所述第一时刻之前为第三电平，所述第二信号在所述第一时刻之后为第四电平，所述第三电平和第四电平的差值与所述计数器的计数结果和预设值的差异大小相关。
[0015]可选的，所述补偿控制单元包括:编码控制单元、电压产生单元、第二开关和第三开关;
[0016]所述编码控制单元适于获得所述计数结果和预设值的差异大小；
[0017]所述电压产生单元适于输出与所述差异大小对应的第四电平至第三开关的第一端;
[0018]所述第二开关的第一端适于输入所述第三电平，所述第二开关的第二端连接所述第三开关的第二端和第三电容的第二端；
[0019]所述第二开关适于在所述第一时刻由闭合状态变为断开状态；
[0020]所述第三开关适于在所述第一时刻由断开状态变为闭合状态。
[0021]可选的，所述电压产生单元包括:
[0022]产生单元，适于产生可调电平，所述可调电平的最大电压值和最小电压值的中间值与所述第三电平的电压值相等；
[0023]选取单元，适于根据所述差异大小确定所述可调电平的电压值。
[0024]可选的，所述补偿电路还包括:第四开关；
[0025]所述第三电容的第一端通过所述第四开关连接所述放大器的负相输入端。
[0026]可选的,所述比较器的正相输入端适于输入斜坡信号。
[0027]本发明实施例还提供一种图像传感器电路，包括像素阵列、位线和上述补偿电路，所述位线连接所述像素阵列和补偿电路。
[0028]可选的，Avblc*c3/cl由所述像素阵列的黑电平决定，Λ vblc为所述第三电平和第四电平的电压差值，Cl为所述第一电容的电容值，c3为所述第三电容的电容值。
[0029]本发明实施例还提供一种上述补偿电路的控制方法，包括:
[0030]输出第一信号至所述第二电容的第二端，所述第一信号在第一时刻由第一电平变为第二电平；
[0031]计算计数器的计数结果和预设值的差异大小；
[0032]输出第二信号至所述第三电容的第二端，所述第二信号在所述第一时刻之前为第三电平，所述第二信号在所述第一时刻之后为第四电平，所述第三电平和第四电平的差值与所述差异大小相关。
[0033]可选的，所述控制方法还包括:
[0034]在所述第一时刻之前，控制所述第一开关由闭合状态变为断开状态。
[0035]与现有技术相比，使用本发明技术方案，既能补偿图像偏亮的问题也能补偿图像偏暗的问题，提供了一种双向黑电平补偿技术，结构简单，节省了芯片面积和功耗。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1是现有图像信号读取电路的结构示意图；
[0037]图2是本实施例补偿电路的一结构示意图；
[0038]图3是本实施例补偿电路的另一结构示意图；
[0039]图4是本实施例补偿电路的又一结构示意图；
[0040]图5是本实施例补偿电路的又一结构示意图。
【具体实施方式】
[0041]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
[0042]如图2所示，本发明实施例提供一种补偿电路，包括:放大器Amp、第一电容Cl、第二电容C2、第三电容C3、第一开关K1、比较器COMP和计数器I。
[0043]所述放大器Amp的负相输入端连接所述第一电容Cl的第一端、第二电容C2的第一端、第三电容C3的第一端和第一开关Kl的第一端,所述放大器Amp的输出端连接所述第一电容Cl的第二端、第一开关Kl的第二端和比较器COMP的负相输入端。比较器COMP的输出端连接所述计数器I的输入端。
[0044]如图3所示，所述补偿电路还可以包括补偿控制单元2。
[0045]所述第二电容C2的第二端适于输入第一信号Sbl,所述第一信号Sbl在第一时刻由第一电平Vrst变为第二电平Vsig。计数器I适于将计数结果Dsig输出至补偿控制单元2。
[0046]补偿控制单兀2适于输出第二信号Sblc至第三电容C3的第二端。第二信号Sblc在第一时刻之前为第三电平Vblcl，在第一时刻之后为第四电平Vblc2。所述第三电平Vblcl和第四电平Vblc2的差值与所述计数结果Dsig和预设值Dref的差异大小相关。
[0047]所述第一信号Sbl可以通过位线由图像传感器的像素提供。所述比较器COMP的正相输入端适于输入斜坡信号Vramp。
[0048]像素通过位线输出的第一信号Sbl为第一电平Vrst时，补偿控制单元2输出的第二信号Sblc为第三电平Vblcl,第一开关Kl处于闭合状态；
[0049]第一时刻之前第一开关Kl由闭合状态变为断开状态,第一信号Sbl在第一时刻由第一电平Vrst变为第二电平Vsig ；
[0050]第一时刻之后斜坡信号Vramp输入至比较器C0MP，比较器COMP的输出信号使得计数器I开始计数，在斜坡信号Vramp的电压等于放大器Amp的输出电压Vout_amp之后，比较器COMP的输出信号发生变化，使得计数器I停止计数，停止计数时的计数结果Dsig即为像素量化值，在此期间，补偿控制单元2根据计数器I的计数结果Dsig和预设值Dref的差异大小而输出的第二信号Sblc变为第四电平Vblc2。
[0051 ] 例如，放大器Amp的输出电压Vout_amp越大则图像越亮，像素量化值也越大，所以斜坡电压Vramp是向上的。斜坡信号Vramp刚输入比较器COMP时，斜坡信号Vramp小于放大器Amp的输出电压Vout_amp,比较器COMP的输出信号Vcomp为低电平,计数器I从O开始正向计数。直到斜坡电压Vramp大于放大器Amp的输出电压Vout_amp时，比较器COMP的输出信号Vcomp翻转为高电平，此时计数器I停止计数。
[0052]本实施例的预设值Dref可以根据实际需要进行设定，例如通过目测图像传感器的图像亮度较佳来设置，此处不加限制。
[0053]根据电荷守恒原理,得到放大器Amp输出电压Vout_amp的电压值
[0054]vout_amp = vcm_amp+ (vrst-vsig) *c2/cl- Δ vblc*c3/cl 公式 I
[0055]在公式I中，Λ vblc = vblc2-vblcl, vcm_amp为放大器Amp正相输入端的输入电压Vcm_amp的电压值,vrst为第一电平Vrst的电压值,vsig为第二电平Vsig的电压值,cl为第一电容Cl的电容值，c2为第二电容C2的电容值，c3为第三电容C3的电容值，vblcl为第三电平Vblcl的电压值，vblc2为第四电平Vblc2的电压值。
[0056]由公式I可以看出，本实施例的暗电流参考量可通过第三项Λ vblc*c3/cl抵销，Λ vblc可正可负可零，可实现双向黑电平补偿。
[0057]具体的,假设放大器Amp的输出电压Vout_amp越大则图像越亮。图像偏亮时,第三项Λ vblc*cblc/cf为正值，放大器Amp的输出电压减去一个正偏移量而减小，使得比较器COMP的输出信号更早翻转，计数结果Dsig变小，使得图像变暗。类似的，图像偏暗时，第三项Λ vblc*cblc/cf为负值，放大器Amp的输出电压加上一个正偏移量而变大，使得图像变亮。
[0058]如图4所示，补偿控制单元2可以包括:编码控制单元21、电压产生单元22、第二开关K2和第三开关K3。
[0059]所述编码控制单元21适于获得所述计数结果Dsig和预设值Dref的差异大小；
[0060]所述电压产生单元22适于输出与所述差异大小对应的第四电平Vblc2至第三开关K3的第一端；
[0061 ] 所述第二开关K2的第一端适于输入所述第三电平VblcI，所述第二开关K2的第二端连接所述第三开关K3的第二端和第三电容C3的第二端；
[0062]所述第二开关K2适于在所述第一时刻由闭合状态变为断开状态；
[0063]所述第三开关K3适于在所述第一时刻由断开状态变为闭合状态。
[0064]所述电压产生单元22可以包括:产生单元和选取单元。所述产生单元适于产生可调电平，所述可调电平的最大电压值和最小电压值的中间值与所述第三电平的电压值相等。所述选取单元适于根据所述差异大小确定所述可调电平的电压值。
[0065]如图5所示，所述的补偿电路还可以包括:第四开关K4。
[0066]第三电容C3的第一端通过所述第四开关K4连接所述放大器Amp的负相输入端。第四开关K4可以起到补偿电路启动或关闭的作用。
[0067]本发明实施例还提供一种图像传感器电路，包括像素阵列、位线和上述实施例所述的补偿电路，所述位线连接所述像素阵列和补偿电路。
[0068]本发明实施例还提供一种图2所示补偿电路的控制方法，包括:
[0069]输出第一信号Sbl至所述第二电容C2的第二端,所述第一信号Sbl在第一时刻由第一电平Vrst变为第二电平Vsig ；
[0070]计算计数器I的计数结果Dsig和预设值Dref的差异大小；
[0071]输出第二信号Sblc至所述第三电容C3的第二端，所述第二信号Sblc在所述第一时刻之前为第三电平Vblcl，所述第二信号在所述第一时刻之后为第四电平Vblc2，所述第三电平Vblcl和第四电平Vblc2的差值与所述差异大小相关。
[0072]所述控制方法，还可以包括:在所述第一时刻之前，控制所述第一开关由闭合状态变为断开状态。
[0073]虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
【权利要求】
1.一种补偿电路，其特征在于，包括:放大器、第一电容、第二电容、第三电容、第一开关、比较器和计数器； 所述放大器的负相输入端连接所述第一电容的第一端、第二电容的第一端、第三电容的第一端和第一开关的第一端，所述放大器的输出端连接所述第一电容的第二端、第一开关的第二端和比较器的负相输入端； 所述比较器的输出端连接所述计数器的输入端。
2.如权利要求1所述的补偿电路，其特征在于，所述第二电容的第二端适于输入第一信号，所述第一信号在第一时刻由第一电平变为第二电平，所述补偿电路还包括:补偿控制单元； 所述补偿控制单元适于输出第二信号至所述第三电容的第二端，所述第二信号在所述第一时刻之前为第三电平，所述第二信号在所述第一时刻之后为第四电平，所述第三电平和第四电平的差值与所述计数器的计数结果和预设值的差异大小相关。
3.如权利要求2所述的补偿电路，其特征在于，所述补偿控制单元包括:编码控制单元、电压产生单元、第二开关和第三开关； 所述编码控制单元适于获得所述计数结果和预设值的差异大小； 所述电压产生单元适于输出与所述差异大小对应的第四电平至第三开关的第一端； 所述第二开关的第一端适于输入所述第三电平，所述第二开关的第二端连接所述第三开关的第二端和第三电容的第二端； 所述第二开关适于在所述第一时刻由闭合状态变为断开状态； 所述第三开关适于在所述第一时刻由断开状态变为闭合状态。
4.如权利要求3所述的补偿电路，其特征在于，所述电压产生单元包括: 产生单元，适于产生可调电平，所述可调电平的最大电压值和最小电压值的中间值与所述第三电平的电压值相等； 选取单元，适于根据所述差异大小确定所述可调电平的电压值。
5.如权利要求1所述的补偿电路，其特征在于，还包括:第四开关； 所述第三电容的第一端通过所述第四开关连接所述放大器的负相输入端。
6.如权利要求1所述的补偿电路，其特征在于，所述比较器的正相输入端适于输入斜坡信号。
7.一种图像传感器电路，其特征在于，包括像素阵列、位线和权利要求1至6任一权利要求所述的补偿电路，所述位线连接所述像素阵列和补偿电路。
8.如权利要求7所述的图像传感器电路，其特征在于，Avblc*c3/cl由所述像素阵列的黑电平决定，Λ vblc为所述第三电平和第四电平的电压差值，Cl为所述第一电容的电容值，c3为所述第三电容的电容值。
9.一种权利要求1所述的补偿电路的控制方法，其特征在于，包括: 输出第一信号至所述第二电容的第二端，所述第一信号在第一时刻由第一电平变为第二电平； 计算计数器的计数结果和预设值的差异大小； 输出第二信号至所述第三电容的第二端，所述第二信号在所述第一时刻之前为第三电平，所述第二信号在所述第一时刻之后为第四电平，所述第三电平和第四电平的差值与所述差异大小相关。
10.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，还包括: 在所述第一时刻之前，控制所述第一开关由闭合状态变为断开状态。
【文档编号】H04N5/361GK104394337SQ201410766264
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年12月11日 优先权日:2014年12月11日
【发明者】付园园, 任张强, 徐新楠 申请人:昆山锐芯微电子有限公司