双转换增益图像传感器的实现方法技术

本发明专利技术提供一种双转换增益图像传感器的实现方法，包括：图像传感器产生的像素信号经第一隔直电容后作为比较器的像素输入信号，斜坡发生器产生的斜坡信号经第二隔直电容后作为比较器的斜坡输入信号，比较器对像素输入信号和斜坡输入信号进行比较后输出数字信号；图像传感器的浮置扩散区由低转换增益切换到高转换增益时，由于对浮置扩散区产生额外的电荷注入，导致像素输入信号偏移；通过对斜坡输入信号进行补偿，匹配像素输入信号的偏移，提高像素信号转换为数字信号的准确性。本发明专利技术在不改变时钟频率和信号处理时间，避免版图面积增加的前提下，消除增益切换过程中对浮置扩散区额外的电荷注入导致的影响，提高像素信号转换为数字信号的准确性。

【技术实现步骤摘要】
双转换增益图像传感器的实现方法
本专利技术涉及图像传感器领域，特别涉及双转换增益(DualConversionGain)高动态范围图像传感器的实现方法。
技术介绍
标准图像传感器具有大致60dB至70dB的有限动态范围。然而，现实世界的亮度的动态范围要大得多。自然景象通常跨越90dB及以上的范围。为同时捕获强光及阴影，已在图像传感器中使用了高动态范围技术来增大所捕获的动态范围。增大动态范围的最常见技术为将用标准（低动态范围）图像传感器捕获的多个曝光合并成单个线性高动态图像，所述单个线性高动态范围图像具有比单个曝光图像大得多的动态范围。最常见的高动态范围图像传感器解决方案中的方法中，为使得多个曝光进入单个图像传感器，在具有不同曝光积分时间或不同灵敏度的情况下，一个图像传感器可在单个图像传感器中具有多个不同的曝光。使用这种高动态范围图像传感器，可在单词拍摄中得到多个曝光图像。然而，与正常权分辨率图像传感器相比，在使用这种高动态图像传感器的情况下，总图像分辨率降低了，举例来说，对应在一个图像传感器中组合4个不同曝光的高动态范围图像传感器，每一个高动态范围图像传感的分辨率仅为全分辨率图像的四分之一。因此，引入高帧率、低功耗的高动态范围图像传感器为业内亟待解决的课题。申请号为201711390610.7的中国专利申请，公开了一种双转换增益图像传感器的图像传感器像素，如图1所示，该图像传感器像素包括：TX转移晶体管100，光电二极管110，RST复位晶体管120，FD浮置扩散区130，SF源跟随晶体管140，SEL选择晶体管150，DCG控制晶体管160，控制晶体管160其耦接于浮置扩散区130；控制晶体管的栅极耦合于列控制线，通过控制晶体管调整浮置扩散区的电容大小，实现浮置扩散区的增益切换，采用上下两段的列控制线分别控制一列图像传感器的上半部分控制晶体管和下半部分的控制晶体管，以减少列控制线的负载。图像传感器像素还包括：第一电容170，第二电容180，PXD信号190。请继续参考图2，图2为该专利申请的另一实施例中图像传感器像素的示意图，在该实施例中，与图1不同的地方在于控制晶体管160、第一电容170的位置，但原理和实现方法相同。于是，通过自适应的切换图像传感器的浮置扩散区130的转换增益，将高增益的图像信号和低增益的图像信号一次读出，相比两次读出可以将图像传感器的帧率提升一倍，同时也可以节省功耗。然而，该双转换增益图像传感器所输出的像素信号转换为数字信号的过程如图3所示，其中，图1或图2中的图像传感器产生的像素信号PXD190经第一隔直电容C1后作为比较器210的像素输入信号PXDin，斜坡发生器（未示出）产生的斜坡信号RAMP经第二隔直电容C2后作为比较器210的斜坡输入信号RAMPin，比较器210对像素输入信号PXDin和斜坡输入信号RAMPin进行比较后输出结果compo1，从而将像素信号PXD转换为数字信号compo1。比较器210的一个实施例为差分输入单端输出的放大器，其结构如图4所示，输入端Vip、Vin分别接输入信号RAMPin、PXDin，输出端Vout输出比较结果compo1。另外，EQ（输入失调消除电路）220用于消除图像传感器的列读出电路的输入失调。图5显示的是该双转换增益图像传感器的实现方法中部分信号的时序图，其中RST，EQ，FD的工作原理与申请号为201711390610.7的中国专利申请相同，不再赘述，图5中增加了斜坡信号RAMP和斜坡输入信号RAMPin的相应波形的变化。因为在浮置扩散区130从低增益切换成高增益的时候，也就是图中low到high的过程，由于控制晶体管160的关断，会对浮置扩散区130带来额外的电荷注入，导致浮置扩散区130的电压降低，从而导致像素信号PXD、像素输入信号PXDin降低。也就是说，这会导致PXD输出的ref2比ref1多一个固定的偏差，这个偏差可能会超出斜坡信号RAMP上ref2段的量程，同样的这个偏差也会影响到sig的量化，从而影响像素信号转换为数字信号的准确性。最简单的改善方法就是增大RAMP波形上ref2和sig的宽度，然而，该方法存在下面的几个缺点：1.在时钟频率不变的情况下，会增加信号处理时间；2.如果要保持信号处理时间不变，那就要加快时钟频率；3.Ref2和sig的宽度增加，可能会导致column（列读出电路）里面用于存储比较器输出结果的计数器位数增加，从而增加版图的面积。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种双转换增益图像传感器的实现方法，在不改变时钟频率和信号处理时间，避免版图面积的增加的前提下，消除增益切换过程中对浮置扩散区额外的电荷注入导致的影响，提高像素信号转换为数字信号的准确性。为解决上述问题，本专利技术提供一种双转换增益图像传感器的实现方法，包括：图像传感器产生的像素信号经第一隔直电容后作为比较器的像素输入信号，斜坡发生器产生的斜坡信号经第二隔直电容后作为比较器的斜坡输入信号，比较器对像素输入信号和斜坡输入信号进行比较后输出数字信号；图像传感器的浮置扩散区由低转换增益切换到高转换增益时，由于对浮置扩散区产生额外的电荷注入，导致像素输入信号偏移；通过对斜坡输入信号进行补偿，匹配像素输入信号的偏移，提高像素信号转换为数字信号的准确性。优选的，所述对斜坡输入信号进行补偿的步骤包括：通过斜坡发生器产生斜坡信号的偏移，使得斜坡输入信号相应偏移。优选的，所述对斜坡输入信号进行补偿的步骤包括：通过在第二隔直电容与比较器的输入端之间的补偿电容上施加补偿电压，使得斜坡输入信号偏移。优选的，所述浮置扩散区由低转换增益切换到高转换增益的步骤包括：将所述浮置扩散区设定为低转换增益；执行所述浮置扩散区的复位；执行图像传感器的列读出电路的输入失调消除；从所述浮置扩散区取样低转换增益复位信号；将所述浮置扩散区设定为高转换增益；从所述浮置扩散区取样高转换增益复位信号。优选的，浮置扩散区由低转换增益切换到高转换增益的步骤包括：将所述浮置扩散区设定为低转换增益；执行所述浮置扩散区的复位；执行图像传感器的列读出电路的输入失调消除；将所述浮置扩散区设定为高转换增益；从所述浮置扩散区取样高转换增益复位信号。优选的，浮置扩散区由低转换增益切换到高转换增益的步骤包括：将所述浮置扩散区设定为低转换增益；执行所述像素的浮置扩散区的复位；将所述浮置扩散区设定为高转换增益；执行图像传感器的列读出电路的输入失调消除；从所述浮置扩散区取样高转换增益复位信号。优选的，提供控制晶体管，其耦接于浮置扩散区；所述控制晶体管的栅极耦合于列控制线，通过控制晶体管调整浮置扩散区的电容大小，实现浮置扩散区的增益切换。优选的，采用上下两段的列控制线分别控制一列图像传感器的上半部分控制晶体管和下半部分的控制晶体管，以减少列控制线的负载。本专利技术的双转换增益图像传感器的实现方法，通过对斜本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双转换增益图像传感器的实现方法，其特征在于，包括：/n图像传感器产生的像素信号经第一隔直电容后作为比较器的像素输入信号，斜坡发生器产生的斜坡信号经第二隔直电容后作为比较器的斜坡输入信号，比较器对像素输入信号和斜坡输入信号进行比较后输出数字信号；/n图像传感器的浮置扩散区由低转换增益切换到高转换增益时，由于对浮置扩散区产生额外的电荷注入，导致像素输入信号偏移；/n通过对斜坡输入信号进行补偿，匹配像素输入信号的偏移，提高像素信号转换为数字信号的准确性。/n

【技术特征摘要】
1.一种双转换增益图像传感器的实现方法，其特征在于，包括：
图像传感器产生的像素信号经第一隔直电容后作为比较器的像素输入信号，斜坡发生器产生的斜坡信号经第二隔直电容后作为比较器的斜坡输入信号，比较器对像素输入信号和斜坡输入信号进行比较后输出数字信号；
图像传感器的浮置扩散区由低转换增益切换到高转换增益时，由于对浮置扩散区产生额外的电荷注入，导致像素输入信号偏移；
通过对斜坡输入信号进行补偿，匹配像素输入信号的偏移，提高像素信号转换为数字信号的准确性。


2.如权利要求1所述的双转换增益图像传感器的实现方法，其特征在于，所述对斜坡输入信号进行补偿的步骤包括：通过斜坡发生器产生斜坡信号的偏移，使得斜坡输入信号相应偏移。


3.如权利要求1所述的双转换增益图像传感器的实现方法，其特征在于，所述对斜坡输入信号进行补偿的步骤包括：通过在第二隔直电容与比较器的输入端之间的补偿电容上施加补偿电压，使得斜坡输入信号偏移。


4.如权利要求1所述的双转换增益图像传感器的实现方法，其特征在于，所述浮置扩散区由低转换增益切换到高转换增益的步骤包括：
将所述浮置扩散区设定为低转换增益；
执行所述浮置扩散区的复位；
执行图像传感器的列读出电路的输入失调消除；
从所述浮置扩散区取样低转换增益复位信号；
将所述浮置扩散...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵立新，乔劲轩，李敏兰，
申请(专利权)人：格科微电子上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31