一种图像传感器及其测试方法与流程

本发明涉及集成电路设计技术领域，特别涉及一种图像传感器及其测试方法。

背景技术：

cmos图像传感器，又名cis，已广泛应用于视频、监控、工业制造、汽车、家电等成像领域。现有常用的cis通常由像素阵列、行选译码驱动器、时序控制器、模数转换器(adc)和输出信号处理器等几部分组成。

cis的像素阵列由若干个像素单元组成，像素阵列按照逐行的方式在同一个行读周期内将同一行的像素单元进行读取，且同一列的像素单元有一个共用的输出总线，每一输出总线接到adc上，用于对像素输出进行量化。现有主流的cis读出电路结构是以列级模数转换器(adc)为主的读出电路。对于像素阵列较大的cis，不同位置(不同列、不同行)的像素单元和列级读出电路(即列级adc)可能存在性能上的差异，这些差异会造成例如噪声、信号线性度差等问题。目前对于噪声或信号线性度的测试一般是通过采集多帧的图像数据进行平均、作差等统计来获得测试结果，但是这种方式难以分别界定像素单元和列级读出电路的性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种图像传感器及其测试方法，以解决现有测试方法无法分别界定像素单元和列级读出电路的性能的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种图像传感器，所述图像传感器包括：像素阵列、模数转换器和测试信号发生器；所述像素阵列包括n列像素模块，所述模数转换器包括n个模数转换模块，所述像素模块和所述模数转换模块一一通信连接；

每列所述像素模块均包含x个像素单元和y个测试像素单元，每列所述像素模块中的所述测试像素单元的位序均相同，以使不同列中的所述测试像素单元位于同一行；

所述测试信号发生器用于产生测试信号，并将所述测试信号传输至所述测试像素单元；

所述模数转换模块用于对对应的所述测试像素单元的所述测试信号进行模数转换，以得到与所述测试信号相对应的测试数据，以及，用于对对应的所述像素单元的所述图像信号进行模数转换，以得到与所述图像信号相对应的图像数据；所有所述模数转换模块得到的所述测试数据之间的差异用以比较相应所述模数转换模块之间的性能差异，各所述模数转换模块得到的所述测试数据和所述图像数据的差异用以比较相应所述像素单元之间的性能差异；

其中，n、x、y均为正整数。

可选的，在所述的图像传感器中，当所述像素阵列中包含多行所述测试像素单元时，多行所述测试像素单元相邻排布。

可选的，在所述的图像传感器中，位于同一行的所述测试像素单元具有一个连接总线，同一行的所述测试像素单元通过所述连接总线与所述测试信号发生器相连。

可选的，在所述的图像传感器中，所有所述测试像素单元均连接至同一个所述测试信号发生器，以使所有所述测试像素单元接收同一所述测试信号进行测试。

可选的，在所述的图像传感器中，所述图像传感器还包括：行选译码驱动器和时序控制器，所述行选译码驱动器用于将所述像素阵列逐行进行读取；所述时序控制器用于产生时序控制脉冲电压，以控制所述行选译码驱动器对所述像素阵列进行逐行读取，以及控制所述测试信号发生器输出所述测试信号至所述测试像素单元。

可选的，在所述的图像传感器中，每个所述测试像素单元的电路结构包括：感光二极管、电荷传输管、复位管、放大管和行选通管；

所述感光二极管的正极接地，所述感光二极管的负极与所述电荷传输管的源极相连，所述电荷传输管的栅极与所述复位管的栅极共同连接至电源vdd、漏极与所述复位管的源极相连，所述复位管的漏极与电源vdd相连，所述放大管的漏极与电源vdd相连，所述放大管的栅极与所述测试信号发生器的输出端相连，以接收所述测试信号发生器产生的测试信号，所述放大管的源极与所述行选通管的漏极相连，所述行选通管的栅极与所述行选译码驱动器的输出端相连，以接收所述行选译码驱动器提供的行选通信号，所述行选通管的源极为输出端；

所述感光二极管、所述电荷传输管和所述复位管用于保留所述像素单元的整体结构；所述放大管用于在所述行选通信号为高电位时，将所述行选通管导通，以使所述放大管、所述行选通管与到地的电流源形成通路，进而使所述行选通管的源极输出所述测试信号。

可选的，在所述的图像传感器中，每个所述像素单元的电路结构包括：感光二极管、电荷传输管、复位管、放大管和行选通管；

所述感光二极管的正极接地，所述感光二极管的负极与所述电荷传输管的源极相连，所述电荷传输管的栅极与所述行选译码驱动器的输出端相连，以接收所述行选译码驱动器提供的传输管控制信号，所述电荷传输管的漏极与所述复位管的源极相连并引出悬浮扩散区，所述复位管的栅极与所述行选译码驱动器的输出端相连，以接收所述行选译码驱动器提供的复位管控制信号，所述复位管的漏极与电源vdd相连，所述放大管的漏极与电源vdd相连，所述放大管的栅极与所述悬浮扩散区相连，所述放大管的源极与所述行选通管的漏极相连，所述行选通管的栅极与所述行选译码驱动器的输出端相连，以接收所述行选译码驱动器提供的行选通信号，所述行选通管的源极为输出端；

所述感光二极管用于生成光电子；所述电荷传输管用于在所述传输管控制信号为高电压时，将所述光电子转移到所述悬浮扩散区上；所述复位管用于在所述复位管控制信号为高电压时，对所述悬浮扩散区进行复位；所述放大管用于在所述行选通信号为高电位时，将所述行选通管导通，以使所述放大管、所述行选通管与到地的电流源形成通路，进而使所述行选通管的源极输出所述像素单元的图像信号。

可选的，在所述的图像传感器中，所述图像传感器具有工作模式和测试模式；当所述图像传感器为工作模式时，所述像素单元输出图像信号，且所述测试像素单元不输出信号；当所述图像传感器为测试模式时，所述像素单元不输出信号，且所述测试像素单元输出测试信号。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种如上任一种所述的图像传感器的像素阵列的测试方法，所述测试方法包括：

使所述图像传感器处于测试模式，此时所述像素单元不输出信号，且所述测试像素单元接收所述测试信号发生器产生的测试信号，并输出所述测试信号至与之通信连接的模数转换模块中；

所有所述模数转换模块将所述测试信号转换为测试数据；

对比所有所述模数转换模块得到的所述测试数据之间的差异，以比较相应所述模数转换模块之间的性能差异；

使所述图像传感器处于工作模式，此时所述像素单元输出图像信号，且所述测试像素单元不输出信号；

所有所述模数转换模块将所述图像信号转换为图像数据；

对比各所述模数转换模块得到的所述测试数据和所述图像数据的差异，以比较相应所述像素单元之间的性能差异。

可选的，在所述的测试方法中，所述测试信号的电位遍历最低电位至最高电位，以使所述模数转换模块逐一统计出对应的测试数据，进而得到所述测试数据关于所述测试信号的函数，通过所述函数判断所述模数转换模块的性能。

本发明提供的图像传感器及其测试方法，通过在图像传感器的像素阵列中加入测试用的测试像素单元，并通过测试信号发生器对所述测试像素单元发送测试信号，使得模数转换器将测试信号进行转换，如此便可以得到模数转换器的信号线性度和信号电压范围等信息，进而能够将模数转换器的性能界定出来；同时，所述模数转换器还对所述像素单元输出的图像信号进行转换，通过对比测试信号的转换结果和图像信号的转换结果，可以得到所述像素单元的噪声和信号幅值范围等信息，进而能够将像素单元的性能界定出来，如此一来，解决了现有测试方法无法分别界定像素单元和列级读出电路的性能的问题。

附图说明

图1为现有技术中图像传感器的电路结构示意图；

图2为本实施例提供的像素阵列的结构示意图；

图3为本实施例提供的像素单元的电路结构示意图；

图4为本实施例提供的像素单元的时序图；

图5为本实施例提供的测试像素单元的电路结构示意图；

图6为本实施例提供的图像传感器的测试方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的图像传感器及其测试方法作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。

现有技术中常用的图像传感器的电路结构，如图1所示，包括像素阵列、模数转换器(adc)、时序控制器、行选译码驱动器和输出信号处理器等。

所述像素阵列由若干个图1所示的像素单元“p”组成。所述像素阵列在行选译码驱动器的控制下，按照从下至上逐行读取，具体顺序为row[0]、row[1]、……row[n-1]、row[n]。所述像素阵列的每一列有一个输出总线，分别为pix_out[0]、pix_out[1]、…pix_out[n-1]、pix_out[n]，这些输出总线将所述像素阵列划分为n列像素模块，即具有同一输出总线的像素单元为一列像素模块，这些输出总线分别接到模数转换器上对应的模数转换模块(adc)，以将图像信号转换为图像数据。

在图像传感器中，每个像素单元与其他像素单元之间可能存在性能上的差异，以及不同列的adc之间也存在性能上的差异，而每一个像素单元都承载着相应的图像信号，并将图像信号输入给对应的adc进行模数转换，以实现对图像的处理。因此，在对图像传感器进行性能测试时，仅能通过采集多帧的图像数据进行平均、作差等统计来获得不同列之间性能差异的测试结果，而无法将像素单元之间的差异和adc之间的差异区分开来。

有鉴于此，本实施例提供一种图像传感器，包括：像素阵列、模数转换器、测试信号发生器和输出信号处理器；所述像素阵列产生的图像信号进入所述模数转换器内进行模数转换，得到与所述图像信号对应的图像数据，并将所述图像数据传输至所述输出信号处理器中进行处理。

具体的，所述像素阵列包括n列像素模块，所述模数转换器包括n个模数转换模块，所述像素模块和所述模数转换模块一一通信连接；每列所述像素模块均包含x个像素单元和y个测试像素单元，每列所述像素模块中的所述测试像素单元的位序均相同，以使不同列中的所述测试像素单元位于同一行；所述测试信号发生器用于产生测试信号，并将所述测试信号传输至所述测试像素单元；所述模数转换模块用于对对应的所述测试像素单元的所述测试信号进行模数转换，以得到与所述测试信号相对应的测试数据，以及，用于对对应的所述像素单元的所述图像信号进行模数转换，以得到与所述图像信号相对应的图像数据；所有所述模数转换模块得到的所述测试数据之间的差异所有所述模数转换模块得到的所述测试数据之间的差异用以比较相应所述模数转换模块之间的性能差异，各所述模数转换模块得到的所述测试数据和所述图像数据的差异用以比较相应所述像素单元之间的性能差异；其中，n、x、y均为正整数，位序指的是像素单元或测试像素单元在每一列像素模块中所处的位置次序，例如，当第一列像素模块中的测试像素单元位于第三行时，则第二列、第三列、……第n列的像素模块中的测试像素单元也都位于第三行。

在本实施例中，所述像素单元的性能参数主要包括噪声和信号幅值范围，所述模数转换模块的性能参数主要包括信号线性度和信号电压范围。

本实施例提供的图像传感器，通过在现有的图像传感器的像素阵列中加入用于测试用的测试像素单元，并通过测试信号发生器对所述测试像素单元发送测试信号，使得模数转换器将测试信号进行转换，如此便可以得到模数转换器的性能参数信息，进而能够将模数转换器的性能界定出来；同时，所述模数转换器还对所述像素单元输出的图像信号进行转换，通过对比测试信号的转换结果和图像信号的转换结果，可以得到所述像素单元的性能参数信息，进而能够将像素单元的性能界定出来，如此一来，解决了现有测试方法无法分别界定像素单元和列级读出电路的性能的问题。

在本实施例提供的图像传感器中，所述像素阵列中的测试像素单元可以为一行或多行。将所述测试像素单元设计为多行可以通过对多行所述测试像素单元的测试结果进行求平均，以使测试结果更加准确。

本实施例提供了一种较佳的像素阵列的布局方式，参考图2，其中ref[n]为测试像素单元，act[n]为像素单元，当所述像素阵列中包含多行所述测试像素单元时，多行所述测试像素单元相邻排布，这样有利于图像传感器的实际版图布局的布线设计。而在实际应用中，可以根据设计的需要，调整所述测试像素单元的行数，和/或在像素阵列中的位置。当然，如不考虑版图布局的复杂性，多行所述测试像素单元也可以间隔排布。

进一步的，位于同一行的所述测试像素单元具有一个连接总线，同一行的所述测试像素单元通过所述连接总线与所述测试信号发生器相连。同时，在本实施例中，所有所述测试像素单元均连接至同一个所述测试信号发生器，以使所有所述测试像素单元接收同一所述测试信号进行测试，如此便可以避免由于不同行或不同列之间的所述测试像素单元接收到的测试信号的差异而引起的测试结果不准确的问题。

在本实施例提供的图像传感器中，所述图像传感器还包括：行选译码驱动器和时序控制器，所述行选译码驱动器用于将所述像素阵列逐行进行读取；所述时序控制器用于产生时序控制脉冲电压，以控制所述行选译码驱动器对所述像素阵列进行逐行读取，以及控制所述测试信号发生器输出所述测试信号至所述测试像素单元。

通过时序控制器产生的时序控制脉冲电压，可以通过控制所述行选译码驱动器选择将哪一行的像素单元与模数转换器相连，或选择哪一行的测试像素单元与模数转换器相连，也就是说，通过时序控制可以调整像素阵列的输出。同时，还可以通过时序控制器控制所述测试信号发生器发出测试信号，以使所述测试像素单元接收测试信号，并向adc输出该测试信号。

在本实施例提供的图像传感器中，每个所述像素单元的电路结构与现有技术中的一样，为四管标准像素，包括：感光二极管pd、电荷传输管mtg、复位管mrst、放大管msf和行选通管msel，如图3所示，所述感光二极管pd的正极接地，所述感光二极管pd的负极与所述电荷传输管mtg的源极相连，所述电荷传输管mtg的栅极与所述行选译码驱动器的输出端相连，以接收所述行选译码驱动器提供的传输管控制信号tx，所述电荷传输管mtg的漏极与所述复位管mrst的源极相连并引出悬浮扩散区fd，所述复位管mrst的栅极与所述行选译码驱动器的输出端相连，以接收所述行选译码驱动器提供的复位管控制信号rx，所述复位管mrst的漏极与电源vdd相连，所述放大管msf的漏极与电源vdd相连，所述放大管msf的栅极与所述悬浮扩散区fd相连，所述放大管msf的源极与所述行选通管msel的漏极相连，所述行选通管msel的栅极与所述行选译码驱动器的输出端相连，以接收所述行选译码驱动器提供的行选通信号sel，所述行选通管msel的源极为输出端pix_out。

所述感光二极管pd会感光，并生成与光照强度成正比的光电子；所述电荷传输管mtg的作用是转移所述感光二极管pd内的光电子，当所述传输管控制信号tx为高电压时，所述电荷传输管mtg导通，将所述感光二极管pd内的光电子转移到所述悬浮扩散区fd上；所述复位管mrst用于在所述复位管控制信号rx为高电压时，对所述悬浮扩散区fd进行复位；所述放大管msf用于在所述行选通信号sel为高电位时，将所述行选通管msel导通，以使所述放大管msf、所述行选通管msel与到地的电流源形成通路，此时所述放大管msf的本质上是一个源极跟随器，跟随悬浮扩散区fd电位的变化，进而使所述行选通管msel的源极输出pix_out为所述像素单元的图像信号。

所述传输管控制信号tx、所述复位管控制信号rx和所述行选通信号sel均由行选译码驱动器提供。

本实施例提供的像素单元的操作时序参见图4，像素单元的操作过程分为复位(reset)、曝光(exp)和读取(read)三个阶段。在复位阶段，行选通信号sel为低电压，传输管控制信号tx和复位管控制信号rx为高电压，电荷传输管mtg和复位管mrst均导通，悬浮扩散区fd复位，且其电位被拉高到vdd。之后，保持行选通信号sel为低电压，改变rx和tx为低电压，进入曝光阶段，感光二极管pd感光并积累电子。然后，使行选通信号sel为高电压，进入读取阶段，rx变为高电压以对悬浮扩散区fd进行复位，然后再将rx变为低电压，tx保持为低电压，此时放大管msf受控于悬浮扩散区fd的电位，并通过pix_out输出复位电压v1；之后，tx变为高电压，将感光二极管pd上的电子转移到悬浮扩散区fd上，然后再将tx变为低电压，此时放大管msf受控于悬浮扩散区fd的电位，并通过pix_out输出积分电压v2。v1和v2通过adc转换为数字量并进行减法操作得到感光二极管pd上光电子实际对应的数字量。

在本实施例提供的图像传感器中，每个所述测试像素单元的电路结构与所述像素单元的电路结构类似，包括：感光二极管pd、电荷传输管mtg、复位管mrst、放大管msf和行选通管msel，如图5所示，所述感光二极管pd的正极接地，所述感光二极管pd的负极与所述电荷传输管mtg的源极相连，所述电荷传输管mtg的栅极与所述复位管mrst的栅极共同连接至电源vdd，所述电荷传输管mtg的漏极与所述复位管mrst的源极相连，所述复位管mrst的漏极与电源vdd相连，所述放大管msf的漏极与电源vdd相连，所述放大管msf的栅极与所述测试信号发生器的输出端相连，以接收所述测试信号发生器产生的测试信号vtest，所述放大管msf的源极与所述行选通管msel的漏极相连，所述行选通管msel的栅极与所述行选译码驱动器的输出端相连，以接收所述行选译码驱动器提供的行选通信号sel，所述行选通管msel的源极为输出端pix_out。

所述感光二极管pd、所述电荷传输管mtg和所述复位管mrst用于保留所述像素单元的整体结构；所述放大管msf用于在所述行选通信号sel为高电位时，将所述行选通管msel导通，以使所述放大管msf、所述行选通管msel与到地的电流源形成通路，此时所述放大管msf的本质上是一个源极跟随器，跟随vtest电位的变化，进而使所述行选通管msel的源极输出pix_out为所述测试信号。

所述测试像素单元的工作时序与所述像素单元的时序相似，此处不再赘述。所述测试像素单元的电路结构保留了所述像素单元的主体结构，这样是为了保证版图布局的一致性，只是在悬浮扩散区fd处将所述感光二极管pd、所述电荷传输管mtg和所述复位管mrst与所述放大管msf和所述行选通管msel断开，以使所述测试像素单元不会感光，其输出pix_out也不会受光电子信号的影响，如此，便可以通过放大管msf接收的测试信号vtest进行测试。

本实施例提供的图像传感器，具有工作模式和测试模式：当所述图像传感器为工作模式时，所述像素单元输出图像信号，且所述测试像素单元不输出信号；当所述图像传感器为测试模式时，所述像素单元不输出信号，且所述测试像素单元输出测试信号。具体的，可以通过时序控制器的控制，使行选译码驱动器选择是将某行像素单元与adc相连以进入工作模式，对图像信号进行模数转换；或是将某行测试像素单元与adc相连以进入测试模式，对测试信号进行模数转换。

本实施例还提供一种如上所述的图像传感器的测试方法，如图6所示，所述测试方法包括：

s1，使所述图像传感器处于测试模式，此时所述像素单元不输出信号，且所述测试像素单元接收所述测试信号发生器产生的测试信号，并输出所述测试信号至与之通信连接的模数转换模块中；

s2，所有所述模数转换模块将所述测试信号转换为测试数据；

s3，对比所有所述模数转换模块得到的所述测试数据之间的差异，以比较相应所述模数转换模块之间的性能差异；

s4，使所述图像传感器处于工作模式，此时所述像素单元输出图像信号，且所述测试像素单元不输出信号；

s5，所有所述模数转换模块将所述图像信号转换为图像数据；

s6，对比各所述模数转换模块得到的所述测试数据和所述图像数据的差异，以比较相应所述像素单元之间的性能差异。

其中，所述模数转换模块的性能参数包括但不限于信号线性度和信号电压范围，所述像素单元的性能参数包括但不限于噪声和信号幅值范围。

需要说明的是，上述各步骤之间的次序可以调整，本发明仅以上述流程做一示例进行说明，在不违背本实施例提供的测试方法的主旨的情况下，其他实施例也应当属于本发明保护的范围。

本实施例提供的测试方法，通过像素阵列中的测试像素单元接收测试信号，并通过adc将所述测试信号进行转换，可以得到adc的性能参数信息，进而可以界定出adc的性能；同时，像素阵列中的像素单元传输图像信号，并通过adc将所述图像信号进行转换，通过对比测试信号的转换结果和图像信号的转换结果，就可以得到所述像素单元的性能参数信息，进而可以界定出像素单元的性能。如此一来，便解决了现有测试方法无法分别界定像素单元和列级读出电路的性能的问题。

进一步的，在本实施例提供的测试方法中，所述测试信号的电位遍历最低电位至最高电位，以使所述模数转换模块逐一统计出对应的测试数据，进而得到所述测试数据关于所述测试信号的函数，通过所述函数判断所述模数转换模块的性能。

例如，若列adc的分辨率为12位，通过vtest灌信号，测试到所述测试像素单元的输出范围为0～4095lsb，而同一列所述像素单元的输出范围是0～4000lsb，则说明感光二极管pd、复位管mrst和电荷传输管mtg使得像素单元的输出范围变小。又例如，假如测试发现某一像素单元的输出出现异常，此时进入测试模式并读取所述像素单元同一列上所述测试像素单元的输出，如果所述测试像素单元的输出正常，那么可以判断出与所述像素单元相连的列adc是正常的，出错点很可能为所述像素单元中复位管mrst或电荷传输管mtg的操作电压或操作时序。

综上所述，本发明提供的图像传感器及其测试方法，通过在图像传感器的像素阵列中加入测试用的测试像素单元，并通过测试信号发生器对所述测试像素单元发送测试信号，使得模数转换器将测试信号进行转换，如此便可以得到模数转换器的性能参数信息，进而能够将模数转换器的性能界定出来；同时，所述模数转换器还对所述像素单元输出的图像信号进行转换，通过对比测试信号的转换结果和图像信号的转换结果，可以得到所述像素单元的性能参数信息，进而能够将像素单元的性能界定出来，如此一来，解决了现有测试方法无法分别界定像素单元和列级读出电路的性能的问题。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。