具有根据像素接收的光水平的多次转换或单次转换的斜坡型模-数转换的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种读取图像传感器中的像素的方法，并且更具体地涉及具有大动态范围的图像传感器，其旨在聚集处于低亮度级和高亮度级的图像。
【背景技术】
[0002]图像传感器包括被组织成行和列的像素矩阵。同一列的像素连接至本身连接至读取电路的列导体，从而将通过用于读取而选择的像素而施加至列导体的电压电平转换成数字。该电压电平表示由像素接收的光水平。该转换通过包括比较器和计数器的斜坡型模-数转换器来执行，所述比较器用于将要转换的电压电平与线性电压斜坡进行比较，所述计数器从斜坡开始的时刻起以高频进行计数直到比较器触发为止。计数器在触发时刻的内容表示要转换的电压电平的数值。
[0003]该像素主要包括光电二极管和MOS晶体管(例如，四个晶体管)，使得能够驱动光电二极管中的光所产生的电荷的读取。具有四个晶体管的像素通过将电荷从光电二极管传送至之前被初始化至重新初始化电位的电容性存储节点来操作;像素的读取通常包括:在重新初始化电位的列导体上执行，然后在表示由像素接收的光水平的存储节点的电位的列导体上执行。
[0004]采用已知的方式，为了避免与像素的电容性存储节点相关的噪声，可以执行两个电平(重新初始化电平和有用电平)中的每一个的模-数转换，并且在两个数值之间执行减法，因而消除了这个相关的噪声成分，其中所述噪声为相关噪声，其对于存储节点的重新初始化电平以及对于在接收的电荷传送之后的有用电平是同样的。还可以在将差值转换之前对模拟电压执行减法。在这种情况下，在执行差值转换之前，使用两个采样电容器来对由列提供的电信号进行采样，一次是在重新初始化之后，另一次是在电荷传送之后。
[0005]读取电路根据传感器的动态范围(也就是说，期望测量的照度范围)来限定尺寸。尤其地，考虑到计数频率、计数器的位数量以及期望的转换速率来确定斜坡的持续时间，以允许测量期望的最高照度水平的转换。
[0006]这些图像传感器的动态范围实际上受限于转换链的各种噪声源的低照度水平，所述转换链包括:像素中安装为跟随器的晶体管，以将存储节点的电位复制至列导体上;为全部的列所共用的电流源;形成比较器的大增益放大器等。该链噪声完全是随机的，并且不依赖于要测量的信号的电平。其对增加传感器对于低照度水平的动态范围的能力构成障碍。
[0007]更具体地，本发明涉及读取电路，其直接地对由列提供的两个电压电平中的每一个执行模-数转换，以及所获得的两个数值之间的减法。实际上，在上下文中，理论上已知如何通过对该信号执行η次转换并且对该η次转换进行平均来降低η的根比率(rapportracine de η)、存在于信号中的高斯噪声的量。
[0008]但执行η次转换增加了用于读取所确定的像素，以针对这些传感器获得宽的动态范围和良好的分辨率所需的时间，该时间主要由斜坡的标称持续时间来确定。
【发明内容】
[0009]为了解决这个问题，本发明提出了在由列提供的电压电平的模-数转换阶段中，确定这个电平表示低照度水平还是高照度水平，从而在低照度水平的情况下通过利用对于η次转换中的每一次降低的持续时间的斜坡，在用于单次转换所正常分配的时间中执行η次转换并进行平均。
[0010]因此，本发明提出了一种读取矩阵图像传感器中的像素的方法，所述像素对列导体提供了表示由像素接收的光水平的电压电平，并且读取方法包括借助于斜坡型转换器的模-数转换，所述斜坡型转换器包括借助于比较器将从列导体接收的电压电平与模拟电压斜坡进行比较，并且对在斜坡开始的时刻与比较器输出触发的时刻之间的时钟脉冲进行计数。
[0011]根据本发明，读取方法包括决策阶段，其中，检测在斜坡开始的时刻之后的预定时间之后比较器的输出触发，以在高光水平之间进行区分，如果输出未被触发，则为低光水平，如果输出被触发，则分别根据第一种转换模式或者第二种转换模式来转换电压电平，其中:
[0012]-第一种转换模式包括:借助于标称持续时间的斜坡，在标称转换时间窗口的过程中由计数器进行单次计数，允许高光水平转换，
[0013]-第二种转换模式包括:在标称转换时间窗口的持续时间内建立降低持续时间的η个连续斜坡，针对每个斜坡在斜坡的开始与比较器的输出触发之间通过计数器来计数，以及将η个计数结果求和，其中η为大于I的整数。
[0014]可以在标称转换时间窗口的开始之前执行决策阶段。
[0015]但也可以在该标称转换时间窗口开始时执行决策阶段。因此开始于标称持续时间的电压斜坡，并且应当在决策阶段结束之前触发比较器的输出，标称持续时间的电压斜坡在降低的持续时间之后中断，并且组成η个连续斜坡中的第一个。在本上下文中，如果存在特定于像素矩阵的每个列的计数器，则可以利用降低持续时间的η个连续斜坡中的第一个，在将计数器复位至零之后，通过设置开始计数以直接地执行第二种转换模式的η次计数的求和，并且利用降低持续时间的η-1个接下来的斜坡中的每一个重新开始，而不复位至零。在标称转换时间窗口结束时，计数器通过累积η次计数而提供求和的结果作为输出。
[0016]当读取方法包括重新初始化电平的第一种转换时，表示由像素接收的光水平的有用电平的第二种转换以及两个转换结果的减法使得能够去除了与存储节点的电容器相关的相关噪声，重新初始化电平根据第二种转换模式来进行转换。
[0017]根据本发明，在有用电平对应于高光水平的情况下，则根据第二种模式执行的重新初始化电平的转换结果在对有用电平的转换结果进行减法之前除以η。
[0018]在标称转换时间窗口开始之前执行决策阶段的情况下，可以使用特定于像素矩阵的每个列的向上计数器/向下计数器，以在该向上计数器/向下计数器中直接执行两个转换结果的减法(有用电平-重新初始化电平):根据决策阶段的结果，可以在第二种转换之前从I至η改变计数器的计数步速，并且开始相关的向下计数。
[0019]更准确地，对于重新初始化电平的第一种转换:计数器被配置成采用一个接一个计数的计数模式;而对于有用电平的第二种转换，计数器被配置成根据对该第二种转换的决策阶段的结果，利用一个接一个或者η个接η个的计数步速的向下计数模式，而不复位至零。
[0020]实际上，在重新初始化像素的阶段期间，提供给电压斜坡以使其全部具有等于列导体的电压电平的同一个开始电平。
[0021 ]本发明还涉及相应的矩阵图像传感器。
【附图说明】
[0022]在以非限定性指示的方式并且参照所附附图给出的以下具体描述中给出了本发明的其他特征和优点，其中:
[0023]-图1图示了矩阵图像传感器的像素以及允许根据现有技术的读取方法的以下相关读取电路的常规结构，
[0024]-图2为读取电路的各种信号的相应时序图；
[0025]-图3表示根据利用依据由像素接收的光水平的第一种转换模式或者第二种转换模式的本发明的读取方法，读取用于像素的信号的时序图；
[0026]-图4图示了能够实施根据本发明的读取方法的示例性读取电路；
[0027]-图5为图示了根据本发明的读取方法的时序图，所述读取方法包括读取重新初始化电平，以及在该有用电平对应于高光水平的情况下读取像素的有用电平；
[0028]-图6为图示了根据本发明的读取方法的时序图，所述读取方法包括读取重新初始化电平，以及在该有用电平对应于低光水平的情况下读取像素的有用电平；以及
[0029]-图7图示了根据本发明的读取方法的变体，根据该变体，在模-数转换之前执行要应用的转换模式的决策。
【具体实施方式】
[0030]图1图示了连接至像素矩阵的列导体的像素，以及根据现有技术用于读取该像素、对由列导体提供的电压电平执行模-数转换的电路的常规结构，图2表示相应信号的时序图。
[0031]像素PIX包括:光电二极管Dph、电容性存储节点ND(其通过与电容器连接的一个点来描绘)、用于在光电二极管的阴极与存储节点之间进行电荷传输的晶体管Tl、用于将存储节点的电位重新初始化的晶体管T2、跟随器晶体管T3以及行选择晶体管T4。
[0032]晶体管Tl由传输信号TRA来控制。晶体管T2的漏极连接至表示为VREF的参考电位(其可以为逻辑电源电压)。晶体管T2由控制存储节点ND重新初始化的信号RSnd来控制。跟随器晶体管T3的漏极