一种图像传感器的读出系统、读出方法和图像传感器技术方案

本发明专利技术公开了一种图像传感器的读出系统、读出方法和图像传感器，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斜坡电路产生相应电压或相应次数的斜坡信号；比较器比较器的负相输入端连接信号调整模块的输出端，比较器的正相输入端连接第一电容的输出端，第一电容的输入端输入斜坡信号，第一电容的输出端输出正相输入信号；信号调整模块用于将像素单元的输出信号缩放后输出负相输入信号；比较器的输出端与计数器的输入端相连用于比较正相输入信号和负相输入信号之间的大小，得到比较结果；计数器用于根据比较器的比较结果进行计数，输出像素量化值。该方法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。感器动态范围的目的。感器动态范围的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种图像传感器的读出系统、读出方法和图像传感器


[0001]本专利技术涉及集成电路设计
，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。

技术介绍

[0002]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
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slope analog
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to
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digital converter，SS
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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
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ADC的读出系统进行改进以满足要求。
[0003]为此，本专利技术提供一种新的图像传感器读出方案以改善上述问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术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。
[0005]第一方面，本专利技术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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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：
[0010]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。
[0011]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：
[0012]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。
[0013]第二方面，本专利技术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；
[0014]产生相应的斜坡信号；
[0015]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；
[0016]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；
[0017]根据所述比较器的比较结果进行计数，输出像素量化值。
[0018]第三方面，本专利技术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。
[0019]本专利技术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
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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
[0020]为了更清楚地说明本专利技术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专利技术的一些实施例，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。
[0021]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；
[0022]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；
[0023]图3为现有技术提供的一种图像传感器的架构示意图；
[0024]图4为现有技术提供的一种CIS读出系统操作时序示意图；
[0025]图5为现有技术提供的一种CIS读出系统示意图；
[0026]图6为现有技术提供的比较器的电路结构示意图；
[0027]图7为本专利技术实施例提供的一种图像传感器读出系统示意图；
[0028]图8为本专利技术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
[0029]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，跟随浮空本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种图像传感器的读出系统，应用于所述图像传感器，其特征在于，所述读出系统包括：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。2.根据权利要求1所述的读出系统，其特征在于，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。3.根据权利要求2所述的读出系统，其特征在于，还包括：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。4.根据权利要求2所述的读出系统，其特征在于，所述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。5.根据权利要求1至4任一项所述的读出系统，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡化，陈正，夏天，
申请(专利权)人：成都微光集电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：