专利名称：自适应互补金属氧化物半导体图像传感器读出电路系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体图像传感器读出电路的系统结构。特别是涉及一种可以实现 和人眼感光类似的更高精度的CMOS图像传感器的自适应互补金属氧化物半导体图像传感 器读出电路系统。
背景技术：
互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器是将光学图像转换成电信号的半导体装置。
其基本过程是首先CMOS传感器中的光电二极管进行曝光。在一定的曝光时间内， 光电二极管上的电压随不同光线强度产生线性电压，随后的读出电路将此电压转换成数 字信号输出。通常情况下CMOS图像传感器采用10位模数转换器，因此其数字输出为IO 位精度。另一方面，人眼可以看到的动态范围约为10的6次方到10的8次方流明。虽 然人不能同时看到这整个范围的光线，但人眼能同时感应到的最大敏感度约为10， 000:1, 而人眼对光线强度的敏感度成对数变化，而并非像真实自然界那样(即图像传感器接受 到的信号)成线性变化的。随着光线强度的增加，人眼对亮度的变化越不敏感。在O.Ol 流明到100流明之间，人眼对亮度变化的感应值是个递增恒量也就是说，人眼能感觉到 1流明强度光线0. 02流明的亮度变化，10流明强度光线0. 2流明的亮度变化，50流明光 线1流明亮度变化，100流明光线2流明亮度变化。在此之外的亮度范围则不是这样递增 的，遵循更为复杂的规律。
现有的CM0S图像传感器是采用如图1所示的电路结构，传感器进行曝光之后，其像 素信号电压1先通过一个缓冲器2保存起来，然后通过一个流水线模数转换器3输出。 这样的结构在不同的光线强度的变化下始终线性输出曝光后像素上的电压值，因此强光 和暗光的输出值差别大，强光输出值可以到1000，而暗光可能只有几十，所以暗光下图 像细节损失很大。这样的结构显然不太满足人眼对图像质量的要求。人眼在亮光和暗光 条件下都能自动适应光线强度的变化，看到高质量的图像。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种可以实现和人眼感光类似的更高精度的 CMOS图像传感器的自适应互补金属氧化物半导体图像传感器读出电路系统。
本发明所釆用的技术方案是 一种自适应互补金属氧化物半导体图像传感器读出电 路系统，包括有像素信号电压输入和模数转换器，还设置有可变增益放大器和比较器， 其中，可变增益放大器和比较器分别接收像素信号电压输入的电压，可变增益放大器的
输出信号经模数转换器至输出端，比较器的输出信号分别至可变增益放大器及输出端。
所述的比较器可设置l个或l个以上，当所述的比较器设置l个以上时，各比较器 是并联连接。
本发明的自适应互补金属氧化物半导体图像传感器读出电路系统，在图像传感器像 素曝光后的数据读出过程中，先使用比较器对像素曝光电压进行判断，根据不同的曝光 电压区间改变可变增益放大器的放大倍数。曝光电压通过可变增益放大器调整，使进入 模数转换器的模拟信号始终位于相同的参考电压之内，这样可以得到比通常结构精度更 高的结果。此结构和人眼在不同光亮环境下的反应类似，可以实现和人眼感光类似的更 高精度的CMOS图像传感器。
图1是现有技术的图像传感器读出电路结构图2是本发明的自适应互补金属氧化物半导体图像传感器读出电路。
图3是本发明的自适应互补金属氧化物半导体图像传感器读出电路具体实施例；
图4是图3的展开电路示意图。
g巾-
1:像素信号电压输入 2:缓冲器
3:模数转换器 4:可变增益放大器
5:比较器
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的自适应互补金属氧化物半导体图像传感器读出电 路系统做出详细说明。
如图1所示，本发明的自适应互补金属氧化物半导体图像传感器读出电路系统，包
括有像素信号电压输入1和模数转换器3，还设置有可变增益放大器4和比较器5，其 中，可变增益放大器4和比较器5分别接收像素信号电压输入1的电压，可变增益放大 器4的输出信号经模数转换器3至输出端0ut，比较器5的输出信号分别至可变增益放大 器4及输出端0ut。
所述的比较器5可设置1个或1个以上，当所述的比较器5设置1个以上时，各比 较器5是并联连接，比较器有两端，他们的其中一端都接在像素的输出电压上，另一端 分别接不同的参考电压，例如Vref/2 Vref/4 Vref/8。
图3给出了本发明自适应互补金属氧化物半导体图像传感器读出电路系统的一个具 体实施例。
如图3、图4所示，在本实施例中使用3个比较器5，判断4个电压区间，可变增益 放大器4的增益分别为1倍、2倍、4倍和8倍，以及一个10位的流水线模数转换器3。
当像素的曝光电压大于二分之一参考电压时，可变增益放大器4的放大倍数为1，此时通 过流水线模数转换器3输出的数据在其末尾补3个0 (补0数量为比较器数加1)。当像 素的曝光电压小于二分之一，大于四分之一的参考电压时，可变增益放大器4放大倍数 为2，此时通过流水线模数转换器3输出的数据在前面加1个0，其末尾补2个0。当像 素的曝光电压小于四分之一，大于八分之一的参考电压时，可变增益放大器4放大倍数 为4，此时通过流水线模数转换器3输出的数据在前面加2个0，其末尾补1个0。当像 素的曝光电压小于八分之一的参考电压时，可变增益放大器4放大倍数为8，此时通过流 水线模数转换器3输出的数据在前面加3个0。可以看到这种结构下输出到数字精度提高 了8倍。输出函数如下面所示-
增益=1输出a9 a8 增益=2输出0 a9 a8 ' 增益=4输出0 0 a9 a8 增益=8输出0 0 0 a9 a8
1、 Vpix 〉 l/2Vref
2、 1/2 Vref >VP1X 〉l/4Vre
3、 1/4 Vref 〉Vpix 〉l氛
4、 VP1X 〈 l/8Vref
al a0 0 0 0 'al aO 0 0al aO 0
上述的结构使得图像传感器在不同的光强下都能让模数转换器3工作在最佳的输入 电压范围降低噪声，并且提高了系统的输出精度，就如同人眼一样在不同的阶段的光强 下都能看到清晰的图像。
权利要求
1.一种自适应互补金属氧化物半导体图像传感器读出电路系统，包括有像素信号电压输入(1)和模数转换器(3)，其特征在于，还设置有可变增益放大器(4)和比较器(5)，其中，可变增益放大器(4)和比较器(5)分别接收像素信号电压输入(1)的电压，可变增益放大器(4)的输出信号经模数转换器(3)至输出端(Out)，比较器(5)的输出信号分别至可变增益放大器(4)及输出端(Out)。
2. 根据权利要求1所述的自适应互补金属氧化物半导体图像传感器读出电路系统， 其特征在于，所述的比较器(5)可设置1个或1个以上，当所述的比较器(5)设置1 个以上时，各比较器(5)是并联连接。
全文摘要
本发明公开一种自适应互补金属氧化物半导体图像传感器读出电路系统，结构为可变增益放大器和比较器分别接收像素信号电压输入的电压，可变增益放大器的输出信号经模数转换器至输出端，比较器的输出信号分别至可变增益放大器及输出端。比较器可设置1个或1个以上，各比较器是并联连接。本发明在图像传感器像素曝光后的数据读出过程中，先使用比较器对像素曝光电压进行判断，根据不同的曝光电压区间改变可变增益放大器的放大倍数。曝光电压通过可变增益放大器调整，使进入模数转换器的模拟信号始终位于相同的参考电压之内，这样可以得到比通常结构精度更高的结果。此结构和人眼在不同光亮环境下的反应类似，可以实现和人眼感光类似的更高精度的CMOS图像传感器。
文档编号H04N5/235GK101355637SQ20081015127
公开日2009年1月28日 申请日期2008年9月9日 优先权日2008年9月9日
发明者万涛涛, 任晓慧, 曹庆红, 李斌桥, 罗文哲, 巨 陈, 雷 陈, 明 韩, 黄碧珍 申请人:罗文哲;曹庆红