自适应参考电压大动态范围pwm数字像素传感器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及CMOS集成电路领域，为提出一种具有自适应参考电压的脉冲宽度调制数字像素，使得参考电压高低和像素的光照强度相关，从而实现动态范围的扩展。为此，本发明采用的技术方案是，自适应参考电压大动态范围PWM数字像素传感器，结构是，像素阵列被分成包含相同数目像素的像素块，每个像素块中包含N个像素和一个参考电压产生器，另外整个像素阵列中还包含了全局计数器、列级ADC、列级存储器；每个像素的光电二极管PD正端接地，负端接复位晶体管Mrst和比较器的正输入端，比较器的输出连接至存储器的写入控制端，存储器中写入的数据由全局计数器控制。本发明主要应用于PWM数字像素传感器的设计制造。
【专利说明】
自适应参考电压大动态范围PWM数字像素传感器
技术领域
[0001] 本发明涉及CMOS集成电路领域，尤其涉及采用像素级模-数转换和脉冲宽度调制 量化的数字像素图像传感器领域。
【背景技术】
[0002] CMOS图像传感器主要分为数字像素图像传感器(Digital Pixel Sensor，DPS)和 有源像素图像传感器(Active Pixel Sens〇r，APS)两大类。数字像素图像传感器在像素内 集成了模-数转换电路，在像素内完成了光强到时间域的转换，能够获得更高的信噪比，同 时克服了在深亚微米CMOS工艺中低电源电压带来的输出摆幅的限制，在实时成像领域具有 重要应用。数字像素图像传感器按工作原理可分为脉冲宽度调制型(PWM)与脉冲频率调制 型(PFM)两种。PFM DPS在曝光过程中反复产生多个脉冲信号，增加了系统的功耗和电路噪 声，而且像素内集成了计数器，填充因数低。而PWM DPS相比之下在功耗和填充因数方面更 有优势，但其光响应是非线性的。
[0003] 图1为传统PWM数字像素图像传感器的结构。像素中包含一个光电二极管PD、一个 复位晶体管Mrst，一个像素级比较器和一个存储器，计数器为整个像素阵列所共用，其N位 输出值连接到每个像素内存储器的输入端。
[0004] PWM数字像素的工作过程分为三步：（1)复位过程，复位晶体管导通，PD复位至 Vrst;(2)积分过程，Vref置为高电平，外部Vcount信号控制计数器开始计数，VPD随着曝光 过程开始下降，当VPD下降至Vref时，比较器输出信号发生翻转，输出信号连接至存储器写 入控制端，控制存储器存储当前计数器的计数值，曝光结束；（3)读出过程，外部Read信号控 制像素级存储器读出数字码。
[0005] VPD下降速率与光强成正比，暗光产生的脉冲宽度长，亮光产生的脉冲宽度短，不 同脉冲宽度值即对应于存储器中的数字码，实现入射光强到脉冲宽度数字码的时域转换。 对于不同光强，有：
[0007] 根据上式可以得到PWM DPS的光响应曲线，如图2所示，横坐标为光强，纵坐标为输 出数字码值。
[0008] 得益于CMOS工艺的进步，在单位面积的像素中可以集成更多的晶体管，数字像素 的成像质量也在不断提高。基于像素级处理的数字像素图像传感器技术是小尺寸工艺下 CMOS图像传感器的重要发展方向。但对于传统的数字像素而言，像素级比较器采用固定的 参考电压进行比较，受到量化精度和积分时间的限制，其对于强光和弱光的探测能力存在 不足，动态范围仍然比较有限，这在一定程度上限制了数字像素图像传感器的应用。
【发明内容】
[0009] 为克服现有技术的不足，提高传统数字像素图像传感器的动态范围，本发明旨在 提出一种具有自适应参考电压的脉冲宽度调制数字像素，使得参考电压高低和像素的光照 强度相关，从而实现动态范围的扩展。为此，本发明采用的技术方案是，自适应参考电压大 动态范围ΠΜ数字像素传感器，结构是，像素阵列被分成包含相同数目像素的像素块，每个 像素块中包含N个像素和一个参考电压产生器，另外整个像素阵列中还包含了全局计数器、 列级ADC、列级存储器;每个像素的光电二极管PD正端接地，负端接复位晶体管Mrst和比较 器的正输入端，比较器的输出连接至存储器的写入控制端，存储器中写入的数据由全局计 数器控制；参考电压产生器是一个由米样电容Ch、开关S1-S3和运放构成的米样-保持电路， 米样电容Ch-端连接开关Si、S3,米样电容Ch另一端连接运放负输入端，开关S3另一端连接运 放输出，开关跨接在运放负输入端和输出端之间；采样结点通过N个开关分别连接至同一个 像素块内每个像素中光电二极管的负端，参考电压产生器的输出连接到每个像素比较器的 负输入和列级ADC电路。
[0010] 像素完整的工作周期包括2次曝光，且第二次曝光时间是第一次曝光时间的2倍， 定义总曝光时间Tint，则第一次曝光时间为Tint/3，第二次曝光时间为2Tint/3。
[0011] 第一次曝光开始时，像素阵列复位，3、&、&开关闭合，此时像素块内^^个光电二极 管的寄生电容cro和采样电容CH并联在一起，相当于总光电流对并联后的总电容进行放电； 对于一个含有N个像素的像素块，(PD结点上的电压Vsample表示为：
[0013] 其中，Vrst为像素复位电压，In为像素块内第N个像素上的光电流，Γ为像素块内平 均光电流，△ V为列级ADC的量化单位，m为第一次量化的数字值；
[0014] 第一次曝光结束后，像素阵列和计数器复位，开关S、&、S2断开，开关&闭合，CPD结 点上的电压保持不变，将这个平均电流存储下来并转换为第二次曝光的参考电压，同时通 过列级ADC输出，用于后续电路处理，因为第二次曝光时间是第一次的二倍，所以如果一个 像素的光电流等于像素块内的平均电流，则其光电二极管电压VPD会在第二次曝光时间的 中点下降到参考电压，第二次曝光阶段，第N个像素量化的时间值为：
[0016]其中，At为计数器的计数间隔，n2为时间信息量化的数字值，1#为流过光电二极 管ro的反向电流。
[0017] ηι、Π2均和光强呈反比，设Vrange为电压量化的范围，分另lj用Vrange/ Δ V_m、Tint/ A t-n2来表示，并减去平均电流第二步曝光的量化时间值Tint/(2 Δ t)，光强的总输出表示 为：
[0019] 本发明的特点及有益效果是：
[0020] 在传统数字像素的基础上提出改进的电路结构，提高了电路性能，扩大了数字像 素图像传感器的动态范围。在像素阵列中只增加了较少的附属电路，同时还能够获得较高 的填充因数。
【附图说明】：
[0021] 图 1 pmi DPS结构。
[0022] 图2 PWM像素光强-数字码响应曲线。
[0023]图3自适应参考电压PWM数字像素结构。
[0024]图4自适应参考电压P丽数字像素工作时序。
[0025] 图5最小可探测光强。
[0026] 图6最大可探测光强。
【具体实施方式】
[0027] 本发明针对上述问题，在传统数字像素的基础上提出了改进的可变参考电压的 PWM数字像素方案，能够有效扩大数字像素的动态范围。像素结构如图3所示。
[0028] 像素阵列被分成包含相同数目像素的像素块，每个像素块中包含N个像素和一个 参考电压产生器，另外整个像素阵列中还包含了全局计数器、列级ADC、列级存储器等结构。 每个像素的结构与传统pwm数字像素相同，像素的光电二极管ro正端接地，负端接复位晶体 管Mrst和比较器的正输入端，比较器的输出连接至存储器的写入控制端，存储器中写入的 数据由全局计数器控制。参考电压产生器是一个由采样电容CH、开关S1-S3和运放构成的采 样-保持电路，采样结点通过N个开关分别连接至同一个像素块内每个像素中光电二极管的 负端，参考电压产生器的输出连接到每个像素比较器的负输入和列级ADC电路。
[0029] 像素完整的工作周期包括2次曝光，且第二次曝光时间是第一次曝光时间的2倍。 定义总曝光时间Tint，则第一次曝光时间为Tint/3,第二次曝光时间为2Tint/3,像素工作 时序图如图4所示。
[0030] 第一次曝光开始时，像素阵列复位，S、S1、S2开关闭合。此时像素块内N个光电二极 管的寄生电容cro和采样电容CH并联在一起，相当于总光电流对并联后的总电容进行放电。 对于一个含有N个像素的像素块，(PD结点上的电压Vsample可表示为：
[0032] 其中，Vrst为像素复位电压，IN为像素块内第N个像素上的光电流，Γ为像素块内平 均光电流，△ V为列级ADC的量化单位，m为第一次量化的数字值。
[0033] 这个采样电压包含了像素块中平均光电流的信息。第一次曝光结束后，像素阵列 和计数器复位，S、S1、S2开关断开，S3开关闭合，CPD结点上的电压保持不变，将这个平均电 流存储下来并转换为第二次曝光的参考电压，同时通过列级ADC输出，用于后续电路处理。 因为第二次曝光时间是第一次的二倍，所以如果一个像素的光电流等于像素块内的平均电 流，则其光电二极管电压VPD会在第二次曝光时间的中点下降到参考电压。第二次曝光阶 段，第N个像素量化的时间值为：
[0035]其中，At为计数器的计数间隔，n2为时间信息量化的数字值，1#为流过光电二极 管ro的反向电流。。
[0036] nl、n2均和光强呈反比。设Vrange为电压量化的范围，为了得到正相关的输出，分 别用Vrange/Δ V-nl、Tint/A t-n2来表示，并减去平均电流第二步曝光的量化时间值Tint/ (2 Δ t)，光强的总输出可表不为：
[0038]如图5和图6所示，这种结构能探测的最小光强是以Vref_max做参考电压时，在第 二阶段结束时到达参考电压的光电流。可探测的最大光强是以Vmin作为参考电压时，在一 个时间量化单位结束时到达参考电压的光电流。因此，动态范围可表示为：
[0040]其中Δν、ΔΤ分别为最小可量化的电压和时间，kl、k2分别为ADC与像素级存储器 的分辨率。其动态范围比典型数字像素数字图像传感器增大了。
[0041 ] 本文采用SMIC65nm CMOS工艺实现了4X4的像素块电路，电源电压为1.2V，比较器 工作范围为0.5~1. IV。参考电压产生模块所使用的运算放大器为两级折叠式共源共栅结 构，输入范围0.5~1.1V，直流增益为88dB，相位裕度为71°，速度为20M。列级ADC、计数器和 像素内存储单元均为8位，CH取值为60fF。在复位电压为1. IV时，理想情况下的动态范围可 达到96dB。
【主权项】
1. 一种自适应参考电压大动态范围数字像素传感器，其特征是，结构是，像素阵列 被分成包含相同数目像素的像素块，每个像素块中包含N个像素和一个参考电压产生器，另 外整个像素阵列中还包含了全局计数器、列级ADC、列级存储器;每个像素的光电二极管PD 正端接地，负端接复位晶体管Mrst和比较器的正输入端，比较器的输出连接至存储器的写 入控制端，存储器中写入的数据由全局计数器控制;参考电压产生器是一个由采样电容Ch、 开关S1-S3和运放构成的米样-保持电路，米样电容Ch-端连接开关Si、S3,米样电容Ch另一端 连接运放负输入端，开关S 3另一端连接运放输出，开关跨接在运放负输入端和输出端之间； 采样结点通过N个开关分别连接至同一个像素块内每个像素中光电二极管的负端，参考电 压产生器的输出连接到每个像素比较器的负输入和列级ADC电路。2. 如权利要求1所述的自适应参考电压大动态范围PWM数字像素传感器，其特征是，像 素完整的工作周期包括2次曝光，且第二次曝光时间是第一次曝光时间的2倍，定义总曝光 时间Tint，则第一次曝光时间为Tint/3,第二次曝光时间为2Tint/3。3. 如权利要求1所述的自适应参考电压大动态范围PWM数字像素传感器，其特征是，第 一次曝光开始时，像素阵列复位，S、Si、S 2开关闭合，此时像素块内N个光电二极管的寄生电 容CTO和采样电容CH并联在一起，相当于总光电流对并联后的总电容进行放电；对于一个含 有N个像素的像素块，(PD结点上的电压Vsamp I e表示为：其中，Vrst为像素复位电压，In为像素块内第N个像素上的光电流，7为像素块内平均光 电流，△ V为列级ADC的量化单位，m为第一次量化的数字值； 第一次曝光结束后，像素阵列和计数器复位，开关SJ1J2断开，开关S3闭合，cro结点上 的电压保持不变，将这个平均电流存储下来并转换为第二次曝光的参考电压，同时通过列 级ADC输出，用于后续电路处理，因为第二次曝光时间是第一次的二倍，所以如果一个像素 的光电流等于像素块内的平均电流，则其光电二极管电压VPD会在第二次曝光时间的中点 下降到参考电压，第二次曝光阶段，第N个像素量化的时间值为：其中，At为计数器的计数间隔，n2为时间信息量化的数字值，Iph为流过光电二极管PD 的反向电流。4. 如权利要求3所述的自适应参考电压大动态范围PffM数字像素传感器，其特征是，m、 n2均和光强呈反比，设Vrange为电压量化的范围，分别用Vrange/ Δ V_ni、Tint/ Δ t-n2来表 示，并减去平均电流第二步曝光的量化时间值Tint/(2 At)，光强的总输出表示为：
【文档编号】H04N5/3745GK106027921SQ201610343887
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月20日
【发明人】徐江涛, 周益明, 高志远, 聂凯明, 高静, 史再峰
【申请人】天津大学