低噪音宽动态范围图像传感器相关多次采样电路的制作方法

本发明属于半导体图像感测技术领域，涉及一种采用相关多次采样技术实现低噪音宽动态范围图像传感器的电路。

背景技术：

通过相关多次采样的技术能降低传感器的噪音。一种典型的相关多次采样电路如图1a所示，包括积分器和读出控制开关s5，其中积分器由放大器amp1、采样电容c1、反馈电容c2和四个开关s0、s1、s2、s3、s4构成；该电路首先通过闭合开关s0对c2和电路进行复位。然后断开开关s0，闭合开关s1和s3，如图1b所示；在c1上的信号稳定后，断开开关s1与s3，将像素信号采样到电容c1上。再然后闭合开关s2与s4，如图1c所示，将信号电荷转移到电容c2上。通过反复循环图1b与图1c描述的相位，就能将像素输出缓存器上的噪音进行积分，由于非相关噪音在积分后会被平均，于是vpix(像素信号)上的等效输入噪音会被降低。其缺点是vpix的有效摆幅随着积分次数的增加而减少，导致传感器总动态范围的降低。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种低噪音宽动态范围图像传感器相关多次采样电路，该电路能保持像素的输出不变，降低像素的等效输入噪音，从而能同时实现图像传感器低噪音和宽动态范围。

为了解决上述技术问题，本发明的低噪音宽动态范围图像传感器相关多次采样电路包括积分器，积分控制单元，读出控制开关，模数转换单元，数据处理单元；所述积分器接收像素输出缓存器输出的像素信号并对其进行积分；积分控制单元采集每一循环积分器输出的积分结果，当积分结果小于设定的电压阈值时输出信号控制积分器进行下一循环的积分，当积分结果大于等于设定的电压阈值时输出信号控制读出控制开关闭合使最终积分结果输出到模数转换单元，同时将积分次数输出给数据处理单元；模数转换单元将最终积分结果转换为量化结果数据后传输给数据处理单元；数据处理单元将量化结果数据除以积分次数得到最后的采样结果数据。

所述积分控制单元包括逻辑电路和模拟比较器；模拟比较器将每一循环积分器输出的积分结果与设定的电压阈值进行比较，并将比较结果输出给逻辑电路，当积分结果小于设定的电压阈值时，逻辑电路输出信号控制积分器进行下一循环的积分，当积分结果大于设定的电压阈值时，逻辑电路输出信号控制读出控制开关闭合使最终积分结果输出到模数转换单元，同时将积分次数输出给模数转换单元。

所述积分控制单元包括逻辑电路、模数转换电路、数字比较器；所述模数转换电路将积分器输出的积分结果转换为数字信号后输出给数字比较器；数字比较器将该数字信号与设定的电压阈值进行比较，并将比较结果输出给逻辑电路，当数字信号小于设定的电压阈值时，逻辑电路输出信号控制积分器进行下一循环的积分，当数字信号大于设定的电压阈值时，逻辑电路输出信号控制读出控制开关闭合使最终积分结果输出到模数转换单元，同时将积分次数输出给模数转换单元。

本发明是针对图像传感器噪音的特殊机理所发明。图像传感器的总噪音有如下特点：当输入到像素的光子数较少时，传感器的总等效输入噪音由像素的读出电路噪音决定，因此需要通过多次相关采样的降噪技术对电路噪音进行降低；而当输入到像素的光子数较多时，传感器的总等效输入噪音由光子本身的数量决定(光子的散粒噪音)，这时电路的噪音可以忽略不计，因此不需要相关多次采样电路来降低读出电路的噪音。本发明通过对积分器的结果进行监控，来确定是否继续执行积分循环。这样就能针对不同的像素输出进行不同次数的积分，达到对小信号多次积分，对大信号适度积分的目的。本发明能保持像素的输出不变，降低像素的等效输入噪音，从而能同时实现图像传感器低噪音和宽动态范围。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1a是现有技术相关多次采样电路的结构示意图；图1b、图1c是现有技术相关多次采样电路两个工作相位示意图。

图2是本发明的低噪音宽动态范围图像传感器相关多次采样电路结构示意图。

图3是本发明的实施例1的结构示意图。

图4是本发明的实施例2的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图2、3所示，本发明的低噪音宽动态范围图像传感器相关多次采样电路包括积分器，积分控制单元，读出控制开关，模数转换单元，数据处理单元；所述积分控制单元包括逻辑电路和模拟比较器。

所述积分器接收像素输出缓存器输出的像素信号vpix并对其进行积分；模拟比较器将每一循环积分器输出的积分结果vi与设定的电压阈值v0进行比较，当vi小于v0时，逻辑电路输出信号控制积分器进行下一循环的积分，当vi大于等于v0时，逻辑电路输出信号控制读出控制开关s5闭合使最终积分结果传输至模数转换单元，令此时的i等于积分次数k，则同时将积分次数k传输给数据处理单元；模数转换单元将最终积分结果转换为量化结果数据a后传输给数据处理单元；数据处理单元将量化结果数据a除以积分次数得到最后的采样结果数据y。

实施例2

如图2、4所示，本发明的低噪音宽动态范围图像传感器相关多次采样电路包括积分器，积分控制单元，读出控制开关，模数转换单元，数据处理单元；所述积分控制单元包括逻辑电路、模数转换电路和数字比较器。

所述积分器接收像素输出缓存器输出的像素信号vpix并对其进行积分；模数转换电路将积分器输出的积分结果转换为数字信号vi’后输出给数字比较器；数字比较器将vi’与设定的电压阈值v0进行比较，当vi’小于等于v0时，逻辑电路输出信号控制积分器进行下一循环的积分，当vi大于等于v0时，逻辑电路输出信号控制读出控制开关s5闭合使最终积分结果传输至模数转换单元，令此时的i等于积分次数k，则同时将积分次数k传输给数据处理单元；模数转换单元将最终积分结果转换为量化结果数据a后传输给数据处理单元；数据处理单元将量化结果数据a除以积分次数得到最后的采样结果数据y。

设k的位宽为n-bit，模数转换单元的量化结果数据a的位宽为m-bitadc。经过数据处理后，最终结果的量化精度是1lsb(m-bitadc的最小量化步长)除以k(k最大等于2ⁿ)，故最小量化步长为1lsb/(2ⁿ)，故总量化位宽为(m+n)bit。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种低噪音宽动态范围图像传感器相关多次采样电路，该电路中积分器对像素输出缓存器输出的像素信号进行积分；当积分结果小于设定的电压阈值时积分控制单元控制积分器进行下一循环的积分，否则积分控制单元控制读出控制开关闭合使最终积分结果输出到模数转换单元，并将积分次数输出给数据处理单元；模数转换单元将最终积分结果转换为量化结果数据后传输给数据处理单元；数据处理单元将量化结果数据除以积分次数得到最后的采样结果数据。本发明能针对不同的像素输出进行不同次数的积分，达到对小信号多次积分，对大信号适度积分的目的，能同时实现图像传感器低噪音和宽动态范围。

技术研发人员：刘洋;郭杨钰;王欣洋;马成;李杨
受保护的技术使用者：长春长光辰芯光电技术有限公司
技术研发日：2017.03.24
技术公布日：2017.07.18