电流型图像传感器差分读出系统的温度系数校正方法

1.本发明涉及电流型图像传感器差分读出系统的温度系数校正方法，属于集成电路技术领域。


背景技术：

2.图像边缘是图像的重要特征，是图像中特性(如像素灰度、纹理等)分布的不连续外，图像周围特性有阶跃变化或屋脊状变化的那些像素集合。图像的边缘部分集中了图像的大部分信息，一幅图像的边缘结构与特点往往是决定图像特质的重要部分。因此，针对图像边缘进行检测，能够很好的观察图像中的轮廓边缘、细节以及灰度跳变部分。
3.在物理世界中，所有的信号都是模拟的，传感器负责从物理世界获取模拟信号，再将这些信号进行处理加工，得到我们人类所熟悉的数字信息。由于模拟计算的高能效和面积尺寸小等优点，其在视觉/听觉相关处理和神经形态网络算法之类的应用系统中受到广泛关注。随着深度学习的模拟电路的发展，其已经实现了特征提取、分类等各类机器学习和神经网络算法。像素内计算也是模拟计算中收到广泛关注的一个研究热点，像素内计算可以基于roberts边缘检测算子的思路实现边缘检测、运动检测等算法。因此，通过对相邻两列像素列进行模拟差分计算得到相应的图像序列，能够有效获取图像的边缘信息。
4.由于温度的变化，会导致图像传感器中像素单元内部器件的电子迁移率μ发生变化，随着温度的升高，电子迁移率降低，影响图像传感器的输出。美国加州大学圣芭芭拉分校的研究者提出了一种温度补偿方法，利用器件自身的亚阈值电流特性，避免了迁移率和阈值电压受温度变化而给乘法器带来的影响，并且利用两列电流的减法消除阈值电压的温度特性(可参考x.guo et al,"temperature-insensitive analog vector-by-matrix multiplier based on 55nm nor flash memory cells,"2017ieee custom integrated circuits conference(cicc),austin,tx,usa,2017,pp.1-4.)；但是，该论文中利用器件自身的亚阈值特性进行温度补偿的方法会造成阵列输出电流极低，甚至只有皮安(10-12
a)量级，极易受到噪声的影响，进而降低图像传感器的输出精度。
5.因此，为了避免环境温度对图像边缘检测中的图像传感器的输出产生影响，本发明旨在对电流型图像传感器模拟差分计算的输出值进行处理，并利用像素输出同样的处理手段进行温度噪声并行消除，达到自校正的效果，其中电流型图像传感器是指像素单元输出信号为电流，并经过读出电路的放大等操作对像素电流进行处理的一种图像传感器。


技术实现要素：

6.为了避免温度对电流型图像传感器模拟差分计算处理产生误差影响，本发明提供了一种电流型图像传感器差分读出系统的温度系数校正方法，所述技术方案如下：
7.本发明提供一种电流型图像传感器差分读出系统的温度系数校正方法，所述电流型图像传感器差分读出系统包括：依次连接的钳位读出电路模块、i-v转换电路模块和比较器模块；
8.所述钳位读出电路模块包括多个钳位读出电路，与所述电流型图像传感器的多个像素读出列一一连接，用于控制所述像素读出列上的电压为固定值，保证像素单元处在线性区工作，以及对像素电流进行处理，处理过程包括：读出、稳压和放大；
9.所述i-v转换电路模块包括多个i-v转换电路，与多个钳位读出电路连接，所述i-v转换电路包括：积分电容c，所述电流型图像传感器工作前首先对所述积分电容c充电，充电电压为v
bias
，电流型图像传感器工作时，所述两个读出电路输出的像素电流相减后得到的电流差再对所述积分电容c充电，然后将所述积分电容c上的电压值传输给比较器端；
10.所述比较器模块包括多个比较器，每个i-v转换电路输出端连接比较器，用于将所述i-v转换电路输出的电压进行比较，输出比较结果供给后续的数据传输；
11.所述温度自校正的方法包括：
12.步骤一：采用所述电流型图像传感器内部的一对像素读出列作为一对参考读出列，所述参考读出列输出的一对像素电流，经过所述读出电路后，做减法后再转化为参考电压v
ref
；
13.步骤二：参考电压v
ref
经过片外分压电路，产生v
bias-t
，v
bias-t
与v
bias
为相同电压值，且随温度变化而变化；
14.步骤三：在所述电流型图像传感器工作前，首先对所述积分电容c充电，充电电压为v
bias
；
15.步骤四：所述电流型图像传感器开始工作，两个读出电路输出的像素电流相减后得到的电流差再对所述积分电容c充电；
16.步骤五：充电后所述积分电容c极板电压输入所述比较器的输入端，比较电压v
bias-t
输入比较器的另一个输入端，比较器输出比较结果。
17.可选的，所述参考电压v
ref
为：
[0018][0019]
其中，i
ref
为所述一对参考读出列对应的读出电路输出的电流差，μ为像素单元的电子迁移率，为像素单元的宽长比，c
ox
为像素单元栅氧化电容，v
tha
和v
thb
分别为两个参考读出列的像素单元阈值电压，v
ds
为像素单元的漏源电压，r为负载电阻。
[0020]
可选的，所述参考电压v
ref
随温度变化后为：
[0021][0022]
其中，v
ref0
为参考电压的初始值，δμ为温度变化带来的电子迁移率的变化。
[0023]
可选的，所述步骤5中积分电容c极板电压为：
[0024][0025]
其中，i
out
为所述步骤四中的两个读出电路输出的像素电流相减后得到的电流差，δt为充电时间，c为电容值，δu为利用电流差充电后的电容上增加的极板电压值。
[0026]
可选的，所述比较器的输出结果包括：
[0027]
当时，比较器输出：1；
[0028]
当时，比较器输出：0；
[0029]
可选的，所述读出电路的读出电流为：
[0030][0031]
其中，v
gs
为像素单元输入电压，v
th
为像素单元阈值电压。
[0032]
可选的，所述像素单元的电子迁移率为：
[0033][0034]
其中，t0为初始温度，μ
t0
为初始温度下的电子迁移率，t为温度，α为常数。
[0035]
本发明还提供一种电流型图像传感器，采用上述的电流型图像传感器差分读出系统的温度系数校正方法对输出像素值进行温度校正；
[0036]
所述电流型图像传感器包括依次连接的：像素单元阵列、电流读出系统、数据传输模块、图像值获取模块；
[0037]
像素读出列将所述像素单元阵列产生的像素电流读出并传输至所述电流读出系统，所述电流读出系统采用上述的电流型图像传感器差分读出系统，将所述像素电流经过比较器后输出的比较结果，通过所述数据传输模块传输至所述图像值获取模块，所述图像值获取模块将数字信号转化成对应的图像值。
[0038]
本发明有益效果是：
[0039]
本发明提出的电流型图像传感器差分读出系统的温度系数校正方法，对已经发生温度变化的像素读出电流值，利用芯片内部的一对参考像素读出列做模拟差分处理生成的电压作为比较器的参考电压，生成该参考电压的像素阵列的器件参数与图像传感器内部的像素阵列相同，因此该参考电压与读出电流变化趋势相同，相比于传统的利用芯片内部基准电压产生的固定的参考电压，本发明可以准确弥补由于温度变化带来成像单元参数值的影响，通过比较器输出的结果，判断图像传感器灰度读出的阈值特性，提高图像序列的边缘检测准确性；
[0040]
另一方面，本发明只需要在正常读出的情况下去校正受温漂影响的比较器输出结果，可以在不影响成像单元正常工作情况下，准确弥补由于温度变化带来成像单元参数值的影响。从而可以准确捕捉模拟差分处理的信号值，达到图像边缘检测处理的效果。
[0041]
本发明大大减小了设计难度，在不改变像素器件本身工艺参数以及像素器件本身尺寸的情况下，也不会影响图像传感器正常的读出功能，提高了读出效率且更快实现了温度校正。
附图说明
[0042]
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单地介绍，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。
[0043]
图1是本发明实施例的对应的电流型图像传感器读出电路系统整体框图。
[0044]
图2是比较器工作原理架构图。
[0045]
图3是本发明实施例一的电流型图像传感器内部像素读出列产生参考电压工作原理图。
[0046]
图4是本发明实施例一的电流型图像传感器内部像素读出列工作原理图。
具体实施方式
[0047]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0048]
实施例一：
[0049]
本实施例提供一种电流型图像传感器差分读出系统的温度系数校正方法，所述电流读出系统包括：依次连接的钳位读出电路模块、i-v转换电路模块和比较器模块；
[0050]
所述钳位读出电路模块包括多个钳位读出电路，与所述电流型图像传感器的多个像素读出列意义连接，用于控制所述像素读出列上的电压为固定值，保证像素单元处在线性区工作，以及对像素电流进行处理，处理过程包括：读出、稳压和放大；
[0051]
所述i-v转换电路模块包括多个i-v转换电路，与多个钳位读出电路连接，所述i-v转换电路包括：积分电容c，所述电流型图像传感器工作前首先对所述积分电容c充电，充电电压为v
bias
，所述电流型图像传感器工作时，所述两个读出电路输出的像素电流做模拟差分后得到的电流差再对所述积分电容c充电，然后将所述积分电容c上的电压值传输给比较器端；
[0052]
所述比较器模块包括多个比较器，每个i-v转换电路输出端连接比较器，用于将所述i-v转换电路输出的电压进行比较，输出比较结果供给后续的数据传输；
[0053]
所述电流型图像传感器差分读出系统的温度系数校正方法包括：
[0054]
步骤一：采用所述电流型图像传感器内部的一对像素读出列作为一对参考读出列，所述参考读出列输出的一对像素电流，经过所述读出电路后，做减法后再转化为参考电压v
ref
；
[0055]
步骤二：参考电压v
ref
经过片外分压电路，产生v
bias-t
，v
bias-t
与v
bias
为相同电压值，且随温度变化而变化；
[0056]
步骤三：在所述电流型图像传感器工作前，首先对所述积分电容c充电，充电电压为v
bias
；
[0057]
步骤四：所述电流型图像传感器开始工作，两个读出电路输出的像素电流做模拟差分减法后得到的电流差再对所述积分电容c充电；
[0058]
步骤五：充电后所述积分电容c极板电压输入所述比较器的输入端，所述比较电压v
bias-t
输入比较器的另一个输入端，比较器输出比较结果。
[0059]
本实施例是利用图像传感器芯片内部两列像素参考列的电流进行模拟差分处理并将其转化为电压作为随温度变化的比较器的参考电压，当图像传感器正常工作时，输出随温度变化的电流经过电容积分转化为电压通过比较器比较，就会与随温度变化的参考电
压抵消温度带来的电压差，这样就可以补偿温度带来的影响。
[0060]
图1为该发明对应的电流型图像传感器读出电路系统整体框图，像素单元由外界光照下并通过芯片内部驱动电压即v
gs
，控制像素器件的导通，钳位电路控制像素器件的漏极电压为一固定值，即v
ds
，产生电流从bl输出，传输给读出电路，并通过读出电路放大，控制等操作，转化为电压传输给后面的i-v转换电路。转换后的电压通过比较器比较，变为数字信号，传输给后续的数据传输。
[0061]
本实施例的工作原理为：如图3所示，两列芯片内部像素参考列bla、blb读出的像素电流ia、ib经过读出电路后，做差分计算变为i
ref
，再在电阻r的转化下变为v
ref
，通过控制调节电阻r在初始温度t0下，让v
ref
变为初始值v
ref0
。其中ia、ib分别为像素读出列产生的电流，其公式为：
[0062][0063][0064]
两电流相减后为：
[0065][0066]
因此，v
ref
可得到为：
[0067][0068]
经过芯片外部分压，我们可以得到v
bias-t
，v
bias-t
与v
bias
为相同电压值，且随温度变化而变化；
[0069]
设定初始值为v
ref0
，当温度变化时，由于电子迁移率μ的变化，v
ref
可变为如下公式：
[0070][0071]
其中δμ为温度变化带来的电子迁移率的变化；
[0072]
在图像传感器正常工作之前，如图1i-v转换电路所示，v
bias
先给电容充电，当充满后，图像传感器正常工作，像素电流由读出电路读出再次在v
bias
的基础上给电容充放电，电容充放电公式为：
[0073][0074]
其中i为读出电路读出后的电流i
out
，它是由两个像素电流i1、i2做差分计算得到，δt为充电时间，c为电容值，δu为充电后的电容上极板电压值。i
out
的值同上述参考读出列的电流值同等方式产生，因此，芯片内部读出电路后电容上的电压值为，即读出电压值为：
[0075][0076]
这样就可以实现电流型图像传感器读出电压与比较器参考电压在温度变化情况下电压变化一致的情况，达到消除温度变化引起的比较器误差影响。避免温度对图像差分
运算处理带来的影响，达到了校正的效果。
[0077]
电流型图像传感器读出电压与比较器参考电压的比较结果包括：
[0078]
1、
[0079]
2、
[0080]
以上就是比较器输入端电压间的两种情况，因此比较器的输出结果也在1、0之间选择。同样可以知道在图像差分运算的处理下，图像具体位置的清晰以及模糊程度，判断图像传感器输出灰度值的阈值特性，以便于后续数据传输对其进行改善，达到图像边缘检测的准确性。
[0081]
本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。
[0082]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。