图像传感器的读出电路及其控制方法、图像传感器与流程

本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种图像传感器的读出电路及其控制方法、图像传感器。

背景技术：

图像传感器是一种光电转换器件。图像传感器在拍摄过程中，将所获得的光信号转化为电信号，并通过数字化处理储存在内存中。当前对于动态、连续的物体，图像传感器需要逐帧获得所拍摄图像的信息，并且后期对于图像进行逐帧的处理。为了能够获得高速运动的物体，同时避免物体运动中产生的模糊，需要图像传感器拥有着较高的帧率。

现有的图像传感器读出电路中，对于图像传感器拍摄的每一帧图像，都会将该帧图像的信号全部输出，并在显示屏幕上进行逐帧的全屏刷新处理。

但是，高帧率同样带来了高数据量，传输和处理的压力随之增大。现有的图像传感器读出电路在逐帧刷新处理时需要大量的数据运算，限制了帧数，无法满足拍摄速率和处理速度的需求，从而无法实现快速的目标捕获。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是如何提升图像传感器的读取效率，满足图像传感器高帧率的需求。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种图像传感器的读出电路，图像传感器的读出电路包括：像素单元和模数转换器，总开关元件，其第一端耦接所述像素单元；电压存储单元组，包括并联的第一电压存储单元、第二电压存储单元和第三电压存储单元，所述第一电压存储单元、第二电压存储单元和第三电压存储单元的输入端耦接所述总开关元件的第二端；差分放大器，其第一输入端耦接目标电压存储单元的输出端，其第二输入端耦接其他电压存储单元的输出端，所述目标电压存储单元为所述第一电压存储单元、第二电压存储单元和第三电压存储单元其中之一，所述其他电压存储单元为目标电压存储单元以外的其他两个电压存储单元；比较器，其第一输入端耦接所述差分放大器的输出端，其第二输入端接地，其输出端耦接所述模数转换器的输入端；反相单元，其输入端耦接所述差分放大器的输出端，其输出端耦接所述模数转换器的输入端，所述反相单元用以在所述差分放大器的输出信号为负电压时，对所述差分放大器的输出信号进行反相；其中，所述比较器的输出信号与所述模数转换器的输出信号作为所述读出电路的输出信号。

可选的，所述反相单元包括：反相放大器，其输入端耦接所述差分放大器的输出端，其输出端耦接所述模数转换器的输入端；反相控制开关元件，其第一端耦接所述差分放大器的输出端，其第二端耦接所述模数转换器的输入端。

可选的，所述差分放大器的输出信号为负时，所述反相控制开关元件关断；所述差分放大器的输出信号为正时，所述反相控制开关元件导通。

可选的，所述读出电路的输出信号包括符号位和数据位，所述符号位为所述比较器的输出信号，所述数据位为所述模数转换器的输出信号。

可选的，所述第一电压存储单元包括第一开关元件、第一电容和第二开关元件，所述第一开关元件的第一端耦接所述总开关元件的第二端，所述第一电容的第一端耦接所述第一开关元件的第二端，所述第一电容的第二端接地，所述第二开关元件的第一端耦接所述第一电容的第一端，所述第二开关元件的第二端耦接所述差分放大器的第一输入端；所述第二电压存储单元包括第三开关元件、第二电容和第四开关元件，所述第三开关元件的第一端耦接所述总开关元件的第二端，所述第二电容的第一端耦接所述第三开关元件的第二端，所述第二电容的第二端接地，所述第四开关元件的第一端耦接所述第二电容的第一端，所述第四开关元件的第二端耦接所述差分放大器的第二输入端；所述第三电压存储单元包括第五开关元件、第三电容和第六开关元件，所述第五开关元件的第一端耦接所述总开关元件的第二端，所述第三电容的第一端耦接所述第五开关元件的第二端，所述第三电容的第二端接地，所述第六开关元件的第一端耦接所述第三电容的第一端，所述第六开关元件的第二端耦接所述差分放大器的第二输入端。

为解决上述技术问题，本发明实施例还公开了一种控制方法，所述控制方法包括：在第n帧图像曝光完成后，利用时序控制信号控制所述总开关元件导通，n为正整数；在所述总开关元件导通期间，利用所述时序控制信号控制所述第一电压存储单元和所述第二电压存储单元存储所述第n帧图像的曝光电压，所述第三电压存储单元存储n-1帧图像的曝光电压；利用所述时序控制信号控制所述总开关元件关断；利用所述时序控制信号控制所述第一电压存储单元和所述第三电压存储单元输出曝光电压至所述差分放大器。

可选的，所述控制方法还包括：在第n+1帧图像曝光完成后，利用所述时序控制信号控制所述总开关元件导通；在所述总开关元件导通期间，利用所述时序控制信号控制所述第一电压存储单元和所述第三电压存储单元存储所述第n+1帧图像的曝光电压，所述第二电压存储单元存储n帧图像的曝光电压；利用所述时序控制信号控制所述总开关元件关断；利用所述时序控制信号控制所述第一电压存储单元和所述第二电压存储单元输出曝光电压至所述差分放大器。

可选的，所述第一电压存储单元包括第一开关元件、第一电容和第二开关元件，所述第一开关元件的第一端耦接所述总开关元件的第二端，所述第一电容的第一端耦接所述第一开关元件的第二端，所述第一电容的第二端接地，所述第二开关元件的第一端耦接所述第一电容的第一端，所述第二开关元件的第二端耦接所述差分放大器的第一输入端；所述第二电压存储单元包括第三开关元件、第二电容和第四开关元件，所述第三开关元件的第一端耦接所述总开关元件的第二端，所述第二电容的第一端耦接所述第三开关元件的第二端，所述第二电容的第二端接地，所述第四开关元件的第一端耦接所述第二电容的第一端，所述第四开关元件的第二端耦接所述差分放大器的第二输入端；所述第三电压存储单元包括第五开关元件、第三电容和第六开关元件，所述第五开关元件的第一端耦接所述总开关元件的第二端，所述第三电容的第一端耦接所述第五开关元件的第二端，所述第三电容的第二端接地，所述第六开关元件的第一端耦接所述第三电容的第一端，所述第六开关元件的第二端耦接所述差分放大器的第二输入端。

可选的，所述利用所述时序控制信号控制所述第一电压存储单元和所述第二电压存储单元存储所述第n帧图像的曝光电压包括：利用所述时序控制信号控制所述第一开关元件和所述第三开关元件导通；所述利用所述时序控制信号控制所述第一电压存储单元和所述第三电压存储单元输出曝光电压至所述差分放大器包括：利用所述时序控制信号控制所述第一开关元件和所述第三开关元件关断，同时控制所述第二开关元件和所述第六开关元件导通。

可选的，所述控制所述第一电压存储单元和所述第三电压存储单元存储所述第n+1帧图像的曝光电压包括：利用所述时序控制信号控制所述第一开关元件和第五开关元件导通；所述利用所述时序控制信号控制所述第一电压存储单元和所述第二电压存储单元输出曝光电压至所述差分放大器包括：利用所述时序控制信号控制所述第一开关元件和第五开关元件关断，同时控制所述第二开关元件和所述第四开关元件导通。

本发明实施例还公开了一种图像传感器，所述图像传感器包括所述的图像传感器的读出电路。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

本发明技术方案中，图像传感器的读出电路可以包括电压存储单元组，用于存储像素单元输出的相邻两帧图像的电压信号，差分放大器通过与电压存储单元组中各个电压存储单元的耦接关系计算相邻两帧图像的电压信号的电压差，由于电压差小于每一帧图像的电压信号，因此使得模数转换器(如逐步逼近式模数转换)在进行模数转换时的电压比较次数减少，模数转换器的总体处理时间较少，进而提升读出电路的读取速度；此外，还可以使得模数转换器输出信号数据量更小(如更短的字符串)，从而提升传输效率，满足图像传感器对高帧率的需求。

进一步地，所述反相单元包括：反相放大器，其输入端耦接所述差分放大器的输出端，其输出端耦接所述模数转换器的输入端；反相控制开关元件，其第一端耦接所述差分放大器的输出端，其第二端耦接所述模数转换器的输入端。本发明技术方案中，对于模数转换器不支持负电压信号输入的情况，由于差分放大器的输出信号可能有负数，因此在不改变原模数转换器的前提下，可以利用反相放大器和反相控制开关元件实现对差分放大器的输出信号的反相，也即在所述差分放大器的输出信号为负电压时，对所述差分放大器的输出信号进行反相。

附图说明

图1是本发明实施例一种图像传感器的读出电路的结构示意图；

图2是本发明实施例另一种图像传感器的读出电路的结构示意图；

图3是本发明实施例一种基于图像传感器的读出电路的控制方法的流程图；

图4是本发明实施例一种控制信号的时序图；

图5是本发明实施例一种基于图像传感器的读出电路的控制方法的部分流程图。

具体实施方式

如背景技术中所述，高帧率同样带来了高数据量，传输和处理的压力随之增大。现有的图像传感器读出电路在逐帧刷新处理时需要大量的数据运算，限制了帧数，无法满足拍摄速率和处理速度的需求，从而无法实现快速的目标捕获。

本发明技术方案中，图像传感器的读出电路可以包括电压存储单元组，用于存储像素单元输出的相邻两帧图像的电压信号，差分放大器通过与电压存储单元组中各个电压存储单元的耦接关系计算相邻两帧图像的电压信号的电压差，由于电压差小于每一帧图像的电压信号，因此相对于现有技术中对每一帧图像的电压信号进行处理，可以减小数据处理量，使得模数转换器的处理速度得到提升，进而提升读出电路的读取速度；此外，还可以使得模数转换器输出信号数据量更小(如更短的字符串)，从而提升传输效率，满足图像传感器对高帧率的需求。

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。

图1是本发明实施例一种图像传感器的读出电路的结构示意图。

如图1所示，图像传感器可以包括像素单元10和模数转换器20。其中，像素单元10能够输出每帧图像的电压信号，模数转换器20可以将输入的模拟信号转换为数字信号进行输出。

图像传感器的读出电路还可以包括总开关元件tsel、电压存储单元组30、差分放大器m0。其中，总开关元件tsel的第一端耦接所述像素单元10。电压存储单元组30包括并联的第一电压存储单元301、第二电压存储单元302和第三电压存储单元303，所述第一电压存储单元301、第二电压存储单元302和第三电压存储单元303的输入端均耦接所述总开关元件tsel的第二端。差分放大器m0的第一输入端耦接目标电压存储单元的输出端，差分放大器m0的第二输入端耦接其他电压存储单元的输出端，所述目标电压存储单元为所述第一电压存储单元301、第二电压存储单元302和第三电压存储单元303其中之一，所述其他电压存储单元为目标电压存储单元以外的其他两个电压存储单元。

本实施例中，总开关元件tsel可以控制像素单元10的电压信号是否输入至电压存储单元组30。电压存储单元组30可以存储相邻两帧图像的电压信号，也即目标电压存储单元和其他电压存储单元可以存储相邻两帧图像的电压信号，例如目标电压存储单元存储第n帧图像的电压信号，其他电压存储单元存储第n+1帧图像的电压信号，n为正整数。

由于差分放大器m0的第一输入端和第二输入端分别耦接目标电压存储单元和其他电压存储单元，因此差分放大器m0可以对相邻两帧图像的电压信号进行相减运算，也即计算相邻两帧图像的电压信号的电压差。

本实施例中，模数转换器20对差分放大器m0计算出的电压差转换为数字信号后进行输出，后续的显示模块可以利用该数字信号进行帧图像刷新。该数字信号可以表示当前帧图像中像素与前一帧图像中像素的差值。具体地，显示模块在执行刷新操作时，可以在前一帧图像中像素的像素值基础上，增加或减少该数字信号，以得到当前帧图像中像素的像素值。

由于电压差小于每一帧图像的电压信号，因此使得模数转换器(如逐步逼近式模数转换)在进行模数转换时的电压比较次数减少，模数转换器的总体处理时间较少，进而提升读出电路的读取速度。此外，还可以使得模数转换器输出信号数据量更小(如更短的字符串)，从而提升传输效率，满足图像传感器对高帧率的需求。

继续参照图1所示，图像传感器的读出电路还可以包括比较器m2和反相单元40。比较器m2的第一输入端耦接所述差分放大器m0的输出端，比较器m2的第二输入端接地，比较器m2的输出端耦接所述模数转换器20的输入端。反相单元40的输入端耦接所述差分放大器m0的输出端，反相单元40的输出端耦接所述模数转换器20的输入端，所述反相单元40用以在所述差分放大器m0的输出信号为负电压时，对所述差分放大器m0的输出信号进行反相。

本实施例中，比较器m2可以对差分放大器m0的输出信号与0进行比较，从而可以判断出差分放大器m0的输出信号的正负。例如，比较器m2的输出信号为1时，表示差分放大器m0的输出信号大于0；反之，比较器m2的输出信号为0时，表示差分放大器m0的输出信号小于0；或者也可以是，比较器m2的输出信号为0时，表示差分放大器m0的输出信号大于0；反之，比较器m2的输出信号为1时，表示差分放大器m0的输出信号小于0。

由于模数转换器20不支持负电压信号的输入，而差分放大器m0的输出信号可能有负数，因此在所述差分放大器的输出信号m0为负电压时，可以通过反相单元40对差分放大器m0的输出信号进行反相。相应地，在所述差分放大器的输出信号m0为正电压时，不对差分放大器m0的输出信号进行反相，直接将差分放大器m0的输出信号输出至模数转换器20。

在这种情况下，由于比较器m2的输出信号影响了是否对差分放大器m0的输出信号进行反相，因此需要将比较器m2的输出信号进行输出，换言之，所述比较器m2的输出信号与所述模数转换器20的输出信号共同作为所述读出电路的输出信号。例如，比较器m2的输出信号为1，模数转换器20的输出信号为0011，那么读出电路的输出信号为10011。

本发明一个非限制性的实施例中，请参照图2，所述反相单元40可以包括反相放大器m1和反相控制开关元件k1。其中，反相放大器m1的输入端耦接所述差分放大器m0的输出端，反相放大器m1的输出端耦接所述模数转换器20的输入端；反相控制开关元件k1的第一端耦接所述差分放大器m0的输出端，反相控制开关元件k1的第二端耦接所述模数转换器20的输入端。

具体实施中，差分放大器m0的输出信号为负电压时，可以控制反相控制开关元件k1断开，这样差分放大器m0的输出信号会流经反相放大器m1，反相放大器m1可以对差分放大器m0的输出信号进行反相后输出至模数转换器20的输入端。

相应地，差分放大器m0的输出信号为正电压时，可以控制反相控制开关元件k1导通，这样差分放大器m0的输出信号会直接输入至模数转换器20的输入端，以保证输入至模数转换器20的电压信号始终为正电压。

本发明实施例可以通过控制反相控制开关元件k1的状态为导通或关断，来控制是否对差分放大器的输出信号进行反相，保证输入至模数转换器20的电压信号始终为正电压，提升图像传感器的读出电路的工作性能。

本发明一个非限制性的实施例中，所述读出电路的输出信号包括符号位和数据位，所述符号位为所述比较器m2的输出信号，所述数据位为所述模数转换器20的输出信号。

如前所述，由于比较器m2的输出信号影响了是否对差分放大器m0的输出信号进行反相，因此需要将比较器m2的输出信号进行输出。其中，符号位表示数据的正负，数据位表示相邻两帧图像的电压差。例如，读出电路的输出信号为10011时，符号位为1，表示读出电路的输出信号为负；数据位为0011，表示电压差为3，该输出信号则可以表示在原像素值的基础上减3。

本发明一个非限制性的实施例中，继续参照图2，所述第一电压存储单元101可以包括第一开关元件tx1、第一电容c1和第二开关元件tx2，所述第一开关元件tx1的第一端耦接所述总开关元件tsel的第二端，所述第一电容c1的第一端耦接所述第一开关元件tx1的第二端，所述第一电容c1的第二端接地，所述第二开关元件tx2的第一端耦接所述第一电容c1的第一端，所述第二开关元件tx2的第二端耦接所述差分放大器m0的第一输入端；

所述第二电压存储单元102可以包括第三开关元件tx3、第二电容c2和第四开关元件tx4，所述第三开关元件tx3的第一端耦接所述总开关元件tsel的第二端，所述第二电容c2的第一端耦接所述第三开关元件tx3的第二端，所述第二电容c2的第二端接地，所述第四开关元件tx4的第一端耦接所述第二电容c2的第一端，所述第四开关元件tx4的第二端耦接所述差分放大器m0的第二输入端；

所述第三电压存储单元103可以包括第五开关元件tx5、第三电容c3和第六开关元件tx6，所述第五开关元件tx5的第一端耦接所述总开关元件tsel的第二端，所述第三电容c3的第一端耦接所述第五开关元件tx5的第二端，所述第三电容c3的第二端接地，所述第六开关元件tx6的第一端耦接所述第三电容c3的第一端，所述第六开关元件tx5的第二端耦接所述差分放大器m0的第二输入端。

具体实施中，第一电容c1可以用于存储当前像素所输出的电压值，第二电容c2、第三电容c3可以用于存储像素曝光之前的电压值或上一帧的电压值用于差分运算。

需要说明的是，所述第一开关元件tx1、所述第二开关元件tx2、第三开关元件tx3、第四开关元件tx4、第五开关元件tx5和第六开关元件tx6可以为mos管。mos管的具体类型可以根据实际的应用环境进行配置，本发明实施例对此不作限制。

在本发明一个实施例中，还公开了基于图像传感器的读出电路的控制方法，以实现对图像传感器的电压信号的读取。

所述控制方法可以包括以下步骤：

步骤s301：在第n帧图像曝光完成后，利用时序控制信号控制所述总开关元件导通，n为正整数；

步骤s302：在所述总开关元件导通期间，利用所述时序控制信号控制所述第一电压存储单元和所述第二电压存储单元存储所述第n帧图像的曝光电压，所述第三电压存储单元存储n-1帧图像的曝光电压；

步骤s303：利用所述时序控制信号控制所述总开关元件关断；

步骤s304：利用所述时序控制信号控制所述第一电压存储单元和所述第三电压存储单元输出曝光电压至所述差分放大器。

需要指出的是，本实施例中各个步骤的序号并不代表对各个步骤的执行顺序的限定。

一并参照图4所示的控制信号时序图，在第n帧图像曝光完成后，也即图4所示曝光阶段1完成后，像素单元10获得第n帧图像的电压信号。在t1阶段，总开关元件tsel的时序控制信号控制所述总开关元件tsel导通。在所述总开关元件tsel导通期间，利用时序控制信号tx1和时序控制信号tx3控制所述第一电压存储单元101和所述第二电压存储单元102存储所述第n帧图像的曝光电压，所述第三电压存储单元103预先存储n-1帧图像的曝光电压。然后，总开关元件tsel的时序控制信号控制所述总开关元件tsel关断，利用时序控制信号tx1和时序控制信号tx6控制所述第一电压存储单元101和所述第三电压存储单元103输出曝光电压至所述差分放大器m0。

此时，差分放大器m0可以对第n帧图像的曝光电压以及n-1帧图像的曝光电压计算差值。该差值经过比较器m2判断为正，则直接输出至模数转换器20；否则，该差值经过比较器m2判断为负，经过反相单元40反相后再输出至模数转换器20。

本发明一个非限制性的实施例中，请参照图5，所述控制方法可以包括以下步骤：

步骤s501：在第n+1帧图像曝光完成后，利用所述时序控制信号控制所述总开关元件导通；

步骤s502：在所述总开关元件导通期间，利用所述时序控制信号控制所述第一电压存储单元和所述第三电压存储单元存储所述第n+1帧图像的曝光电压，所述第二电压存储单元存储n帧图像的曝光电压；

步骤s503：利用所述时序控制信号控制所述总开关元件关断；

步骤s504：利用所述时序控制信号控制所述第一电压存储单元和所述第二电压存储单元输出曝光电压至所述差分放大器。

与前述实施例是对第n帧图像的电压信号进行读取不同，本发明实施例是对第n+1帧图像的电压信号进行读取。

与前述实施例中将第n帧图像的曝光电压存储在第一电压存储单元101和第二电压存储单元102不同的是，第n+1帧图像的曝光电压将存储在第一电压存储单元101和所述第三电压存储单元103。

图5所示的各个步骤与图4所示的各个步骤为一个完整的读取周期，通过周期性地执行上述图4以及图5中所示的各个步骤，可以实现对连续帧的图像的电压信号的读取。

在本发明一个具体的实施例中，请一并参照图2，步骤s302可以包括以下步骤：利用所述时序控制信号控制所述第一开关元件和所述第三开关元件导通；步骤s304可以包括以下步骤：利用所述时序控制信号控制所述第一开关元件和所述第三开关元件关断，同时控制所述第二开关元件和所述第六开关元件导通。

本实施例中，继续参照图2，将第n帧图像的曝光电压存储在第一电压存储单元101和第二电压存储单元102是通过控制第一开关元件tx1和第三开关元件tx3导通来实现的，相应地，将第n帧图像的曝光电压与n-1帧图像的曝光电压输出至差分放大器m0是通过控制第一开关元件tx1和所述第三开关元件tx3关断，同时控制所述第二开关元件tx2和所述第六开关元件tx6导通来实现的。

在本发明另一个具体的实施例中，步骤s502可以包括以下步骤：利用所述时序控制信号控制所述第一开关元件和第五开关元件导通；步骤s504可以包括以下步骤：利用所述时序控制信号控制所述第一开关元件和第五开关元件关断，同时控制所述第二开关元件和所述第四开关元件导通。

本实施例中，继续参照图2，将第n+1帧图像的曝光电压存储在第一电压存储单元101和第三电压存储单元103是通过控制第一开关元件tx1和第五开关元件tx5导通来实现的，相应地，将第n+1帧图像的曝光电压与n帧图像的曝光电压输出至差分放大器m0是通过控制第一开关元件tx1和所述第五开关元件tx5关断，同时控制所述第二开关元件tx2和所述第四开关元件tx4导通来实现的。

关于所述控制方法的工作原理、工作方式的更多内容，可以参照图1至图2中的相关描述，这里不再赘述。

本发明实施例还公开了一种图像传感器，所述图像传感器可以包括图1或图2所示的读出电路。

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。