一种图像传感器的读出系统、读出方法和图像传感器与流程

1.本发明涉及集成电路设计技术领域，尤其涉及一种图像传感器的读出系统、读出方法和图像传感器。


背景技术：

2.目前，cmos图像传感器(cmos image sensor，cis)已广泛应用于视频、监控、工业制造、汽车、家电等成像领域。随着应用要求的提高，对cis动态范围的要求也越来越高，这就需要通过改进工艺来提高像素感光性能，最直接的办法就是将像素输出范围扩大，但主流的列级读出系统的比较器信号接收范围是有限的。cis主流读出系统是以列级单斜模数转换器(single-slope analog-to-digital converter，ss-adc)为主的读出系统。为了将大范围像素输出信号进行有效转换，就需要对ss-adc的读出系统进行改进以满足要求。
3.为此，本发明提供一种新的图像传感器读出方案以改善上述问题。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种图像传感器的读出系统、读出方法和图像传感器，用以实现有效分辨更大像素输出范围的信号，以达到扩展图像传感器动态范围的目的。
5.第一方面，本发明提供一种图像传感器的读出系统，应用于图像传感器，该读出系统包括：斜坡电路，用于产生斜坡信号；时序控制器，用于控制所述斜坡电路产生相应电压或相应次数的斜坡信号；比较器，所述比较器的负相输入端连接信号调整模块的输出端，所述比较器的正相输入端连接第一电容的输出端，所述第一电容的输入端输入斜坡信号，所述第一电容的输出端输出正相输入信号ip；所述信号调整模块包括第二电容和第三电容，当所述图像传感器的像素单元的输出信号pix_out大于设定阈值时，控制所述第二电容和所述第三电容串联，所述信号调整模块用于将所述像素单元的输出信号pix_out缩放后输出负相输入信号in；所述比较器的输出端与计数器的输入端相连，用于比较所述正相输入信号ip和所述负相输入信号in之间的大小，得到比较结果；计数器，用于根据所述比较器的比较结果进行计数，输出像素量化值。
6.在一种可能的实现方案中，当所述像素单元的输出信号pix_out小于或等于所述设定阈值时，控制第二电容和第三电容并联，且第二电容和第三电容并联后的容值与第一电容的容值相等，所述信号调整模块用于输出分压后的负相输入信号in。
7.在另一种可能的实现方案中，第二电容和所述第三电容之间的容值的比值为小于1的正数。
8.在其它可能的实现方案中，所述信号调整模块包括第一支路和第二支路，所述第一支路包括第一开关和与第一开关连接的所述第二电容，所述第二支路包括第二开关、第三开关、以及与所述第二开关和第三开关均连接的所述第三电容，其中，所述第三开关接地。
9.在一种可能的实现方案中，当所述像素单元的输出信号pix_out大于设定阈值时，
控制所述第二电容和所述第三电容串联，包括：
10.当所述像素单元的输出信号pix_out大于设定阈值时，控制所述第一开关和第三开关导通，所述第二开关断开，使得所述第二电容和所述第三电容串联。
11.在一种可能的实现方案中，当所述像素单元的输出信号pix_out小于或等于所述设定阈值时，控制第二电容和第三电容并联，包括：
12.当所述像素单元的输出信号pix_out小于或等于所述设定阈值时，控制所述第一开关和第二开关导通，所述第三开关断开，使得第二电容和第三电容并联。
13.第二方面，本发明还提供一种图像传感器的读出方法，应用于图像传感器，获取所述图像传感器的像素单元输出信号pix_out；
14.产生相应的斜坡信号；
15.当所述像素单元的输出信号pix_out大于设定阈值时，将所述像素单元输出信号pix_out缩放后得到负相输入信号in；当所述像素单元的输出信号pix_out小于或等于所述设定阈值时，将所述像素单元输出信号pix_out分压后得到负相输入信号in；
16.比较斜坡信号经分压后的正相输入信号ip和负相输入信号in之间的相对大小；
17.根据所述比较器的比较结果进行计数，输出像素量化值。
18.第三方面，本发明还提供一种图像传感器，包括像素阵列、模数转换单元、基准信号发生器、时序控制器、译码驱动器和输出信号处理器，所述时序控制器用于控制所述图像传感器执行上述第一方面任一实施例所提供的方法。
19.本发明所提供的图像传感器读出系统和图像传感器读出方法的有益效果在于：通过对传统ss-adc进行改进，在常用cis比较器中增加三个开关，当所述图像传感器的像素单元的输出信号pix_out大于设定阈值，控制比较器所级联的耦合电容进行分压，实现小于1倍的增益，这样即可将像素输出pix_out缩放到比较器可以接收的范围，之后再进行转换。由于该过程中，adc能对满范围像素输出信号进行处理，且读出噪声没有被等比放大，使其能有效分辨更大像素输出范围的信号，以实现扩展图像传感器动态范围的目的。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为现有技术提供的一种cis标准四管像素单元的电路结构示意图；
22.图2为现有技术提供的一种四管像素单元的时序控制方法流程示意图；
23.图3为现有技术提供的一种图像传感器的架构示意图；
24.图4为现有技术提供的一种cis读出系统操作时序示意图；
25.图5为现有技术提供的一种cis读出系统示意图；
26.图6为现有技术提供的比较器的电路结构示意图；
27.图7为本发明实施例提供的一种图像传感器读出系统示意图；
28.图8为本发明实施例提供的图像传感器的读出方法流程示意图。
具体实施方式
29.图1是目前cis标准四管像素单元电路结构，该结构普遍应用于行曝光方式cis，它由感光二极管pd、电荷传输管mtg、复位管mrst、放大管msf、选通管msel组成。感光二极管pd会感光，并生成与光照强度成正比的光电子。mtg作用是转移感光二极管pd内的光电子，当传输信号tx为高电压时，电荷传输管mtg导通，会将感光二极管pd内的光电子转移到浮空扩散区fd上。复位管mrst作用是在复位信号rx为高电位时，对像素单元进行复位。放大管msf是放大管，当选通信号sel为高电位，选通管msel导通时，放大管msf、选通管msel与到地的电流源形成通路，此时放大管msf本质上为一个源极跟随器，跟随浮空扩散区fd电位的变化并最终由pix_out输出。
30.图2为四管像素单元的操作时序，分为复位(rst)、曝光(exp)、信号读取(read)。在复位阶段，传输信号tx和复位信号rx均为高电平，电荷传输管mtg和复位管mrst均导通，像素单元复位且其电位被拉高到电源电压vdd。之后，传输信号tx和复位信号rx均为低电平，进入曝光(exp)阶段，光电二极管pd感光并积累电子。进入信号读取(read)阶段，选通信号sel为高电平，复位信号rx先为高电平复位像素单元，复位信号rx再拉为低电平，传输信号tx保持为低电平，此时放大管msf受控于像素单元电位并通过pix_out输出复位信号vrst。之后，传输信号tx切换为高电平，将光电二极管pd上的电子转移到浮空扩散区fd，此时放大管msf受控于浮空扩散区fd电位并通过pix_out输出积分信号vsig。复位信号vrst、积分信号vsig由后续读取模数转换单元(analog-to-digital converter，adc)电路转换为数字量并进行减法操作，得到光电二极管pd上光电子实际对应的数字量。若模数转换单元的位宽为12位，模数转换单元参考电压范围为vref，则最终输出为dout＝(vrst-vsig)
×212
/vref。
31.图3为典型的cis读出系统的结构图，包括像素阵列、模数转换单元(analog-to-digital converter，adc)、斜坡发生器、时序控制器、译码驱动器和输出信号处理器。像素阵列由若干个图3所述的像素单元“p”组成。假设像素阵列的像素分布划分为两个方向，第一方向定义为行方向，第二方向定义为列方向，像素阵列可以按逐行的方式读出，具体顺序为row(0)、row(1)、
……
row(n-1)、row(n)，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)。pix_out输出接到adc。每一列像素输出对应一个adc。adc由比较器、计数器组成，比较器将像素输出与斜坡信号ramp进行比较，比较结果决定了计数器计数值的大小。adc将上述上述vrst-vsig差值转换为数字量再传送到输出信号处理器作进一步处理。
32.图4为图3所示cis读出系统目前对应的工作时序，也即是图2所示时序的读(read)阶段。进入读阶段，选通信号sel被拉至高电平，复位信号rx也为高电平，对像素单元进行复位。rst_cm为比较器复位控制信号，rst_cm也拉至高电平，使cis中的所有的adc比较器进入复位状态。之后，复位信号rx、比较器复位控制信号rst_cm由高电平切换为低电平，adc进入正常工作状态。adc的工作过程包括比较和计数两个部分，首先在斜坡信号ramp开始下降时计数器cnt开始计数，直到比较器信号发生低电平到高电平翻转时，计数器cnt停止计数并存储当前计数值。但是要完成像素信号的模数转换，adc需要进行两次上述操作，斜坡信号作为adc基准会产生两次，第一次斜坡阶段(也即图4的“vr”阶段)adc将判断并存储复位电位vrst，adc的计数器cnt将在t1时间内计数并存储该t1时间段对应的计数值cn1；第二次斜坡阶段(也即图4的“vs”阶段)adc将判断并存储复位电位vsig，adc计数器cnt将在t2时间内
计数并存储t2时间段对应的计数值cn2。最终计数器cnt将输出计数差值δcn＝cn2-cn1，对应vsig-vrst的差值量。
33.图5为目前cis的读出系统，像素输出经尾电流is确定像素单元输出信号pix_out，像素单元输出信号pix_out和斜坡基准信号ramp分别接到比较器输入端前面的2个耦合电容上。根据图4所示的时序，当比较器完成复位后，输入端ip、输入端in会分别随斜坡信号ramp和像素单元输出信号pix_out进行变化并完成比较的过程，输出cm_out用以控制计数器的计数。如图4所示，正常幅值的像素单元输出信号pix_out与斜坡信号ramp在“vr”、“vs”阶段均相交并能最终正常转换为对应数字量。而信号幅值较大时，仅“vr”阶段相交，而“vs”阶段无交点，则此时属于超量程的信号，adc计数器输出为满值。也即只要超出adc能量化范围的大幅值信号均无法正确转换和分辨。
34.cis图像动态范围
35.其中，fwc为满阱电子数，为像素读出噪声，为adc读出噪声。fwc
·
μ＝vswing，其中μ为转换增益，vswing为像素输出电压幅值。
36.当fwc较大时，也即感光二极管内存储的光电子数较多时，vswing会较大，此时像素、adc的读出噪声不会随fwc增大而增大，如果能将较大的fwc对应的电子全部进行转换，也即将对应的较大幅值的vswing进行有效的模数转换，就能提高有效动态范围，对应图4时序中就需要对超量程信号进行转换。
37.如图6所示为ss-adc中普遍采用的比较器电路，该电路优点是结构简单，并且能提供较大的增益实现快速的比较。但由于它是nmos输入，输入电位最低需满足vin》vthn+vds3，其中vthn是输入对管nmos的阈值电压，vds3是n3管饱和漏源电压。一般vthn＝0.5～0.7v，vds3＝0.3v，那么vin》0.8～1v才能使输入管导通，但此时对管n1、n2处于弱导通比较器响应速度变慢，会使整个adc线性度变差，所以一般会使输入信号保证在vin》1.2v的范围内。比较器工作前会先复位一次，以确定其静态工作点，此时输入管栅电位和n4栅电位相同，大约为2.2v，也即比较器进入工作状态后，将从2.2v开始下掉，按照上述分析，最低可以到1.2v，所以能保证比较器有效工作的输入电压幅值范围是1v左右。像素单元输出信号pix_out的幅值范围超出1v的部分将无法进行有效分辨。
38.为了有效分辨超量程的这部分信号，本发明基于现有读出系统，对其进行了改进。本发明中，比较器的正相输入端级联的耦合电容包括第一电容c1，第一电容c1的输入端输入斜坡信号，所述第一电容c1的输出端输出正相输入信号ip。比较器的负相输入端级联的耦合电容和三个开关组成了两条支路，这两条支路可简称为信号调整模块。比较器的负相输入端级联的耦合电容至少包括第二电容c2和第三电容c3且第二电容c2和第三电容c3并联后的容值等于第一电容c1的容值。具体来说，如图7所示，第一条支路包括第一开关k1、第二电容c2，第二条支路包括第二开关k2、第二开关k3和第三电容c3，从图中可见，第一开关k1的第一端接入像素单元输出信号pix_out，第一开关k1的第二端连接第二电容；第二开关k2的第一端接入像素单元输出信号pix_out，第二开关k2的第二端连接第二电容c2的第一端，第三开关k3的第一端连接第二电容c2的第一端，第三开关k3的第二端接地。
39.基于上述改进后的读出系统，当所述图像传感器的像素单元的输出信号pix_out
大于设定阈值时，控制所述第一开关和第三开关导通，所述第二开关断开，使得所述第二电容和所述第三电容串联，所述信号调整模块用于将所述像素单元的输出信号pix_out缩放后输出负相输入信号in。当所述像素单元的输出信号pix_out小于或等于所述设定阈值时，控制所述第一开关和第二开关导通，所述第三开关断开，使得第二电容和第三电容并联，且第二电容和第三电容并联后的容值与第一电容的容值相等，相当于所述信号调整模块用于输出经过第一电容分压后的负相输入信号in。
40.也就是说，当像素单元输出信号为超量程大信号时，读出系统判断某一方向adc输出达到满幅，则将图像传感器的工作模式切换到大信号模式，该模式下第一开关k1、第三开关k3导通，第二开关k2断开，像素单元输出信号pix_out连接到第二电容c2和第三电容c3串联的信号调整模块上，负相输入信号in的电位等于像素单元输出信号pix_out乘以c2/c3，设置c2/c3＝q，且q设为小于1的某个正数值，可以在即使vswing超过量程情况下，使得q乘以vswing在比较器输入电压范围内，相当于像素输出信号乘以了一个小于1倍的增益。假设vswing＝2v，比较器输入电压范围是1v，只要使c2＝c3＝c1/2时，负相输入信号in端的信号幅值为vswing/2＝1v。模数转换单元adc的读出噪声等效到负相输入信号输入端被放大2倍，但是像素读出噪声不变，根据前述动态范围的公式可知，vswing扩大2倍，fwc也扩大2倍，adc读出噪声
41.因为像素读出噪声占比约70％，adc一般为30％，所以有
42.在像素单元的输出信号pix_out小于或等于所述设定阈值的普通模式下，vswing＝1v时，
43.在大信号模式下，vswing＝2v时，
44.若dr＝70db，则dr’＝75db。
45.可见本发明提出的读出系统可以使动态范围有效获得提升，综上通过对传统ss-adc进行改进，在常用cis比较器中增加三个开关，当所述图像传感器的像素单元的输出信号pix_out大于设定阈值，控制比较器所级联的耦合电容进行分压，实现小于1倍的增益，这样即可将像素输出pix_out缩放到比较器可以接收的范围，之后再进行转换。由于该过程中，adc能对满范围像素输出信号进行处理，且读出噪声没有被等比放大，使其能有效分辨更大像素输出范围的信号，能够实现扩展图像传感器动态范围的目的。
46.如附图8所示，本发明还提供一种图像传感器读出方法，该方法可以用应用于上述图像传感器，具体可以包括如下步骤：
47.s801，读出系统获取所述图像传感器的像素单元输出信号pix_out。
48.s802，斜坡发生器产生相应的斜坡信号，将斜坡信号输入第一电容，所述第一电容输出分压后的正相输入信号ip至比较器的正相输入端；
49.s803，当所述像素单元的输出信号pix_out大于设定阈值时，信号调整模块将所述像素单元输出信号pix_out缩放后得到负相输入信号in；当所述像素单元的输出信号pix_
out小于或等于所述设定阈值时，信号调整模块将所述像素单元输出信号pix_out分压后得到负相输入信号in，信号调整模块输出负相输入信号in至比较器的负相输入端。
50.s804，比较器比较斜坡信号经分压后的正相输入信号ip和负相输入信号in之间的相对大小，得到比较结果。
51.s805，计数器根据所述比较器的比较结果进行计数，输出像素量化值。
52.除此之外，本发明还提供包括上述改进后的读出系统的图像传感器，该图像传感器可以执行上述读出方法得到图像信号。
53.以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
54.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。
55.对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。