双斜坡像素读出制造技术

一种图像传感器包括多个像素列和多个读出电路。每个读出电路耦合到多个像素列中的一个并且包括：ADC，用于在复位转换阶段接收像素的第一模拟信号和在信号测量阶段接收像素的第二模拟信号；双斜坡发生器，用于生成具有第一斜坡速率的第一斜坡和具有大于第一斜坡速率的第二斜坡速率的第二斜坡，并且在复位转换阶段向读出电路提供第一斜坡且在信号测量阶段向多个读出电路提供第二斜坡；以及控制器，被配置为向读出电路和双斜坡发生器提供控制信号。信号。信号。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】双斜坡像素读出
[0001]本专利技术要求于2020年4月18日提交的且题为“DUAL RAMP PIXEL READOUT”的美国非临时专利申请号16/852,415的优先权，其全部内容通过引用并入本文。


[0002]本专利技术涉及CMOS图像传感器，并且更具体地涉及一种图像传感器及用于使用双斜坡发生器操作图像传感器的方法。

技术介绍

[0003]具有高像素计数的现代图像传感器试图以最小的功耗实现高帧速率、低读取噪声和高动态范围。现代CMOS图像传感器(CIS)的基本功能是捕获在光电二极管中转换为电子的光子。这些捕获的电子由作为图像传感器一部分包含的一系列模数转换器(ADC)读出。特别是，在单个图像帧中读取接收到大量电子的像素同时为接收到少量电子的像素实现低噪声读取是非常具有挑战性的。这被定义为图像传感器的动态范围，其是可以读出的最大电子数除以读取噪声等于信号时捕获的电子数，即该像素中的电子数。这是图像传感器最重要的规格之一，因为实现更高的动态范围会带来更好的图像质量。
[0004]图像传感器的像素被布置成行和列。同一列中的像素连接到公共读出电路。像素包括接收多个光子的光电二极管，并且光子被转换成指示由光电二极管检测到的光强度的电信号。已经开发了许多方法和电路来降低由读出电路引起的噪声。

技术实现思路

[0005]在一方面中，本专利技术构思涉及使用多斜率斜坡方案来从图像传感器读出信号的图像传感器。还公开了从图像传感器读出信号的相应方法。
[0006]根据一方面，本专利技术构思涉及执行顺序斜坡以用于在复位转换阶段和信号测量阶段从图像传感器读出信号的图像传感器。
[0007]根据另一方面，本专利技术构思涉及执行两个连续斜坡以用于在复位转换阶段和信号测量阶段从图像传感器读出信号的图像传感器。
[0008]根据又一方面，本专利技术构思涉及在复位阶段和信号测量阶段并行执行两个斜坡的图像传感器。在一些实施例中，有必要在开始任一斜坡之前对像素输出电压进行粗略估计。由于像素输出需要一些时间来稳定，并且信号必须稳定到比这个粗略决定所需的水平更精确的水平，这可以在不增加总转换时间的情况下完成，但增加了比较器的复杂性以执行此操作并选择两个斜坡输入之一。理论上，然后这可以节省总转换时间。在任一实施方式中，仍然需要执行两个复位转换，并且它们必须串联执行，因为无法提前知道构建最终ADC输出将需要哪些转换。
[0009]根据又一方面，本专利技术构思涉及也通过为每个ADC添加第二比较器来并行执行复位转换，从而可以在复位转换阶段和信号转换阶段两者期间同时以两个斜坡速率来捕获转换的图像传感器。该实施例为了略微改进的总像素转换时间的益处，权衡了ADC的额外面积
和功耗。在一个实施例中，为了节省功率和硅面积，与其他比较器相比，捕获快斜坡的第二比较器(其也与测量来自像素的较大信号相关联)可以被缩放到更小的面积和功率。这会增加噪声，但在大多数情况下，来自像素的信号的散粒噪声仍然会较大。
[0010]本专利技术实施例提供一种集成电路图像传感器。该图像传感器包括布置成像素阵列的多个像素，所述像素阵列包括多个像素列；多个读出电路，所述读出电路中的每个读出电路耦合到多个像素列中的一个像素列，所述读出电路中的每个读出电路包括：模数转换器(ADC)，被配置为在复位转换阶段接收像素的第一模拟信号并且在信号测量阶段接收像素的第二模拟信号；双斜坡发生器，被配置为生成具有第一斜坡速率的第一斜坡和具有大于第一斜坡速率的第二斜坡速率的第二斜坡，并且在复位转换阶段向多个读出电路提供第一斜坡和在信号测量阶段斜坡向多个读出电路提供第二斜坡；和控制器，被配置为向读出电路和双斜坡发生器提供控制信号。ADC顺序地在复位转换阶段基于第一斜坡提供表示第一模拟信号的第一数字像素值，基于第二斜坡提供表示第一模拟信号的第二数字像素值，在信号测量阶段基于第一斜坡提供表示第二模拟信号的第三数字像素值，以及基于第二斜坡提供表示第二模拟信号的第四数字像素值。在一些实施例中，读出电路数低于列数，使得读出电路被采用多于一次以读出所有列。
[0011]在一些实施例中，本专利技术构思涉及一种使用双斜坡发生器来操作集成电路图像传感器的方法。集成电路图像传感器包括像素阵列，所述像素阵列包括多列像素和多行像素。所述方法包括：在复位转换阶段读出像素的第一模拟信号；以具有第一斜坡速率的第一斜坡对第一模拟信号进行第一模数转换以获取表示第一模拟信号的第一数字像素值；以及以具有大于第一斜坡速率的第二斜坡速率的第二斜坡对第一模拟信号进行第二模数转换以获取表示第一模拟信号的第二数字像素值。所述方法还包括在信号测量阶段读出像素的第二模拟信号；以第一斜坡对第二模拟信号进行第三模数转换，以获取表示第二模拟信号的第三数字像素值；以第二斜坡对第二模拟信号进行第四模数转换，以获取表示第二模拟信号的第四数字像素值；确定第三数字像素值是否处于第一斜坡的预定范围内以获取确定结果；和响应于所述确定结果来输出数字字。
[0012]在一些实施例中，该方法还可以包括在获取所述确定结果之后：确定第三数字像素值和第一数字像素值之间的第一差值，所述第一差值表示像素的低光照水平，并且当第三数字像素值被确定为处于第一斜坡的预定范围内时数字字是像素的低光照水平；可替选地，所述方法还包括确定第四数字像素值和第二数字像素值之间的第二差值，所述第二差值表示像素的亮光照水平，并且当第三数字像素值被确定不处于第一斜坡的预定范围内时数字字是像素的亮光照水平。
[0013]在一些实施例中，该方法还可以包括：当数字字表示像素的亮光照水平时，通过调整因子来调整所述数字字。所述调整因子是所述第二斜坡速率与所述第一斜坡之间的比率。
[0014]实施例还提供了一种集成电路图像传感器。图像传感器包括布置成像素阵列的多个像素，所述像素阵列以多个像素列进行布置；多个读出电路。所述读出电路中的每个读出电路耦合到多个像素列中的一个像素列，并且包括：模数转换器(ADC)，被配置为在复位转换阶段接收像素的第一模拟信号并且在信号测量阶段接收像素的第二模拟信号。图像传感器还包括双斜坡发生器，被配置为生成具有第一斜坡速率的第一斜坡和具有大于第一斜坡
速率的第二斜坡速率的第二斜坡，并且在复位转换阶段向多个读出电路提供第一斜坡和在信号测量阶段斜坡向多个读出电路提供第二斜坡；和控制器，被配置为向读出电路和双斜坡发生器提供控制信号。ADC顺序地在复位转换阶段基于第一斜坡来提供表示第一模拟信号的第一数字像素值，基于第二斜坡提供表示第一模拟信号的第二数字像素值，在信号测量阶段基于第一斜坡提供表示第二模拟信号的第三数字像素值，以及基于第二斜坡提供表示第二模拟信号的第四数字像素值。
[0015]在一些实施例中，控制器还被配置为确定第三数字像素值处于第一斜坡的预定范围内；当第三数字像素值被确定为处于第一斜坡的预定范围内时，计算第一数字像素值和第三数字像素值之间的第一差值；和输出第一差值作为第一数字字，第一数字字表示像素的低光照水平。
[0016]在一些实施例中，控制器还本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种操作集成电路图像传感器的方法，所述集成电路图像传感器包括像素阵列，所述像素阵列包括多列像素和多行像素，所述方法包括：在复位转换阶段读出像素的第一模拟信号；利用具有第一斜坡速率的第一斜坡对所述第一模拟信号进行第一模数转换以获取表示第一模拟信号的第一数字像素值；利用具有第二斜坡速率的第二斜坡对所述第一模拟信号进行第二模数转换以获取表示第一模拟信号的第二数字像素值，所述第二斜坡速率大于所述第一斜坡速率；在信号测量阶段读出所述像素的第二模拟信号；利用所述第一斜坡对所述第二模拟信号进行第三模数转换，以获取表示所述第二模拟信号的第三数字像素值；利用所述第二斜坡对所述第二模拟信号进行第四模数转换，以获取表示所述第二模拟信号的第四数字像素值；确定所述第三数字像素值是否处于所述第一斜坡的预定范围内以获取确定结果；和响应于所述确定结果来输出数字字。2.根据权利要求1所述的方法，还包括在获取所述确定结果之后：确定所述第三数字像素值和所述第一数字像素值之间的第一差值，所述第一差值表示所述像素的低光照水平，并且当所述第三数字像素值被确定为处于所述第一斜坡的预定范围内时所述数字字是所述像素的低光照水平；或者确定所述第四数字像素值和所述第二数字像素值之间的第二差值，所述第二差值表示所述像素的亮光照水平，并且当所述第三数字像素值被确定为不处于所述第一斜坡的预定范围内时所述数字字是所述像素的亮光照水平。3.根据权利要求2所述的方法，还包括：当所述数字字表示所述像素的亮光照水平时，通过调整因子来调整所述数字字。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述调整因子是所述第二斜坡速率与所述第一斜坡之间的比率。5.根据权利要求1所述的方法，还包括：在执行模数转换之前放大所述第一模拟信号和所述第二模拟信号。6.根据权利要求1所述的方法，其中，执行所述模数转换包括采用相同的模数转换器。7.根据权利要求1所述的方法，其中：利用所述第一斜坡对所述第一模拟信号进行第一模数转换包括：在所述第一斜坡的电平大于所述第一模拟信号的电平的第一时间段期间使用计数器来对第一时钟数进行计数；和当所述第一斜坡的电平等于或低于所述第一模拟信号的电平时停止计数，所述第一时钟计数与第一数字像素值相关联；利用所述第二斜坡对所述第一模拟信号进行第二模数转换包括：在所述第二斜坡的电平大于所述第一模拟信号的电平的第二时间段期间使用所述计数器来对第二时钟数进行计数；和当所述第二斜坡的电平等于或低于所述第一模拟信号的电平时停止计数，第二时钟计数与第二数字像素值相关联；
利用所述第一斜坡对所述第二模拟信号进行第三模数转换包括：在所述第一斜坡的电平大于所述第二模拟信号的电平的第三时间段期间使用所述计数器来对第三时钟数进行计数；和当所述第一斜坡的电平等于或低于所述第二模拟信号的电平时停止计数，所述第三时钟计数与第三数字像素值相关联；和利用所述第二斜坡对所述第二模拟信号进行第四模数转换包括：在所述第二斜坡的电平大于所述第二模拟信号的电平的第四时间段期间使用所述计数器来对第四时钟数进行计数；和当所述第二斜坡的电平等于或低于所述第二模拟信号的电平时停止计数，所述第四时钟计数与所述第四数字像素值相关联。8.根据权利要求7所述的方法，还包括：将所述第一时钟计数、所述第二时钟计数、所述第三时钟计数和所述第四时钟计数存储在数据存储装置中；和复位所述计数器。9.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一斜坡的预定范围对应于表示所述像素中的下述电子计数的电压：在所述电子计数以上光信号的散粒噪声远大于电路读取噪声。10.一种集成电路图像传感器，包括：布置成像素阵列的多个像素，所述像素阵列以多个像素列进行布置；多个读出电路，所述读出电路中的每个读出电路耦合到所述多个像素列中的一个像素列，所述读出电路中的每个读出电路包括模数转换器(ADC)，所述模数转换器被配置为在复位转换阶段接收像素的第一模拟信号并且在信号测量阶段接收所述像素的第...

【专利技术属性】
技术研发人员：马修，
申请(专利权)人：深圳市汇顶科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：