一种图像传感器读出系统、读出方法及其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，用以缩短计数器的计数时间，实现帧率提升。该读出系统包括斜坡发生器用于产生斜坡信号；时序控制器用于获取像素阵列的亮度，并根据亮度获得斜坡信号的电压或斜坡信号产生次数，并控制斜坡发生器产生相应电压或相应次数的斜坡信号；分压电容的第一端输入像素单元输出信号用于将像素单元输出信号进行放大并输出放大电压信号；阈值比较器用于比较放大电压信号和预设电压信号之间的大小，根据比较结果调整前置放大器的反馈电容的容值大小；比较器用于比较放大电压信号和斜坡信号之间的相对大小；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。输出像素量化值。输出像素量化值。

【技术实现步骤摘要】
一种图像传感器读出系统、读出方法及其图像传感器


[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读出系统、读出方法及其图像传感器。

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。主流的CIS读出电路结构是以列级单斜模数转换器(SS
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ADC)为主的读出电路，以保证CIS在合理的功耗下具有足够的转换精度和速度。随着应用对CIS分辨率、帧率的不断提高，对CIS输出数据帧率要求越来越高。帧率越高，SS
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ADC的计数器时钟频率就越高，时钟频率的升高不仅带来抖动、功耗的增加，并且在分辨率、帧率要求都很高的应用下，无法实现SS
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ADC所需的时钟频率，比如800万像素输出120fps，SS
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ADC的计数器时钟频率至少需达到5GHz以上，这是很难实现的。为了规避高速应用下的上述问题，目前主要是针对SS
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ADC进行改进，比如将斜坡信号的斜率分成多段实现，这能缩短斜坡计数时间，但是又带来了增益、失调误差等新问题；或者将SS
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ADC直接替换为其他结构，比如逐次逼近型模数转换器(SARADC)，但这会增大芯片面积，并且列与列之间会因为电容失配产生较大的误差，导致列固定模式噪声(fixedpattern noise，FPN)增加。所以亟需提供一种能够在合理的功耗、面积开销前提下，实现帧率提升的读出电路方案。
[0003]为此，亟需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及其电路，用以在合理的功耗、面积开销前提下，缩短计数器的计数时间，实现帧率提升。
[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：斜坡发生器，用于产生斜坡信号，所述斜坡信号的斜率为传统斜坡斜率的k倍，k大于1的正整数；时序控制器，用于获取所述像素阵列的亮度，并根据所述亮度获得斜坡信号的电压或斜坡信号产生次数，并控制所述斜坡发生器产生相应电压或相应次数的斜坡信号；前置放大器，所述前置放大器的正相输入端输入参考电压信号REF_AMP，所述前置放大器的负相输入端连接分压电容的第二端，所述分压电容的第一端输入像素单元输出信号PIX_OUT，用于将所述像素单元输出信号PIX_OUT进行放大，并输出放大电压信号AMP_OUT；阈值比较器，用于比较所述放大电压信号AMP_OUT和预设电压信号REF_TCM之间的大小，根据比较结果调整所述前置放大器的反馈电容的容值大小；比较器，所述比较器的正相输入端输入所述放大电压信号AMP_OUT，比较器的负相输入端输入所述斜坡信号，比较器的输出端与计数器的输入端相连，用于比较所述放大电压信号AMP_OUT和所述斜坡信号RAMP之间的相对大小；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]本专利技术提供的图像传感器的读出系统的有益效果在于：首先通过将斜坡信号的斜坡斜率提高k倍，使ADC计数器计数周期缩短。假如斜坡斜率提高4倍，ADC计数器计数周期缩
短为原来默认斜坡斜率情况下计数周期的1/4，即使在PIX_OUT输出信号接近满幅值范围时，信号模拟增益为1/4，系统将提供4倍的数字增益，使其最终增益也为1倍。从总体效果来看，信号幅值范围没变化，在保证ADC正常转换的情况下，读出电路计数器的计数周期可以缩短为传统计数周期的1/4，节省了读出电路时序所占用的时间，从而能提高CIS的帧率。
[0007]一种可能的实施方式中，所述阈值比较器，具体用于：
[0008]当所述放大电压信号AMP_OUT低于或等于所述预设电压信号REF_TCM，调整所述反馈电容的容值，使得所述分压电容的容值与反馈电容的容值之比为k，使得所述前置放大器的放大倍数为k倍；当所述放大电压信号AMP_OUT高于所述预设电压REF_TCM，调整所述反馈电容的容值与所述分压电容的容值相同，使得所述前置放大器的放大倍数为一倍。
[0009]另一种可能的实施方式中，所述阈值比较器调整所述反馈电容的容值，具体用于：通过控制开关的通断来控制阈值比较器的反馈电容的大小。
[0010]其它可能的实施方式中，当所述放大电压信号AMP_OUT高于所述预设电压REF_TCM，所述计数器输出像素量化值之后，输出信号处理系统继续对所述像素量化值放大k倍数字增益。
[0011]第二方面，本专利技术提供一种图像传感器的读出方法，该方法包括：获取所述像素阵列的亮度；以及根据所述亮度获得斜坡信号的电压或斜坡信号产生次数；获取像素单元输出信号PIX_OUT；基于所述斜坡信号的电压或斜坡信号产生次数，产生相应的斜坡信号，，所述斜坡信号的斜率为传统斜坡斜率的k倍，k大于1的正整数；将所述像素单元输出信号PIX_OUT放大后输出放大电压信号AMP_OUT；比较所述放大电压信号AMP_OUT和预设电压REF_TCM，根据比较结果调整所述前置放大器的反馈电容的容值大小；获取所述前置放大器输出的校正放大电压信号AMP_OUT；比较所述校正放大电压信号AMP_OUT和所述斜坡信号之间的相对大小；根据所述比较器的比较结果进行计数，输出像素量化值。
[0012]一种可能的实施方式中，所述比较所述放大电压信号AMP_OUT和预设电压REF_TCM，根据比较结果调整所述前置放大器的反馈电容的容值大小，包括：
[0013]当所述放大电压信号AMP_OUT低于或等于所述预设电压信号REF_TCM，调整所述反馈电容的容值，使得所述分压电容的容值与反馈电容的容值之比为k，使得所述前置放大器的放大倍数为k倍；当所述放大电压信号AMP_OUT高于所述预设电压REF_TCM，调整所述反馈电容的容值与所述分压电容的容值相同，使得所述前置放大器的放大倍数为一倍。
[0014]本专利技术所提供的图像传感器读出方法的有益效果在于：基于传统4T像素结构，通过调整像素的曝光、读出时序控制，同时进行短曝光、长曝光，之后再先后读出短、长曝光数据，使得一帧可以同时读出长和短曝光的数据，不用进行片内存储，在提高图像动态范围的同时，能有效节省芯片面积。
[0015]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系统，所述时序控制器用于控制所述图像传感器执行上述第二方面任一实施例所提供的方法。图像传感器的有益效果可以参见上述第一方面，在此不再赘述。
附图说明
[0016]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。
[0017]图1为现有技术提供的一种CIS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，应用于图像传感器，其特征在于，所述读出系统包括：斜坡发生器，用于产生斜坡信号，所述斜坡信号的斜率为传统斜坡斜率的k倍，k大于1的正整数；时序控制器，用于获取所述像素阵列的亮度，并根据所述亮度获得斜坡信号的电压或斜坡信号产生次数，并控制所述斜坡发生器产生相应电压或相应次数的斜坡信号；前置放大器，所述前置放大器的正相输入端输入参考电压信号REF_AMP，所述前置放大器的负相输入端连接分压电容的第二端，所述分压电容的第一端输入像素单元输出信号PIX_OUT，用于将所述像素单元输出信号PIX_OUT进行放大，并输出放大电压信号AMP_OUT；阈值比较器，用于比较所述放大电压信号AMP_OUT和预设电压信号REF_TCM之间的大小，根据比较结果调整所述前置放大器的反馈电容的容值大小；比较器，所述比较器的正相输入端输入所述放大电压信号AMP_OUT，比较器的负相输入端输入所述斜坡信号，比较器的输出端与计数器的输入端相连，用于比较所述放大电压信号AMP_OUT和所述斜坡信号RAMP之间的相对大小；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，所述阈值比较器，具体用于：当所述放大电压信号AMP_OUT低于或等于所述预设电压信号REF_TCM，调整所述反馈电容的容值，使得所述分压电容的容值与反馈电容的容值之比为k，使得所述前置放大器的放大倍数为k倍；当所述放大电压信号AMP_OUT高于所述预设电压REF_TCM，调整所述反馈电容的容值与所述分压电容的容值相同，使得所述前置放大器的放大倍数为一倍。3.根据权利要求1或2所述的读出系统，其特征在于，所述调整所述反馈电容的容值，包括：通过控制开关的通断来控制阈值比较器的反馈电容的大小。4.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡化，陈飞，陈正，夏天，王勇，
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：