脉冲宽度调制像素单元、图像传感器及曝光方法技术

本发明专利技术提供一种脉冲宽度调制像素单元、图像传感器及曝光方法，包括：光电二极管的阳极接地，阴极连接复位管的第一端；复位管，接收复位电流及复位信号；第一比较器，将光电二极管的节点电压与逐渐增大的第一参考电压进行比较，产生第一比较结果；第二比较器，将节点电压与逐渐增大的第二参考电压进行比较，产生第二比较结果；读出电路，读出第一、第二比较结果；第一参考电压大于第二参考电压。本发明专利技术以块为单位逐一进行曝光，减少像素块内的曝光时间，提高图像传感装置的帧率；采用自相关的电流驱动型PWM像素，降低功耗；通过偏置电流的共用和漏电控制，进一步降低功耗；将二次曝光技术与斜坡电流两种方法结合起来，优化动态范围。优化动态范围。优化动态范围。

【技术实现步骤摘要】
脉冲宽度调制像素单元、图像传感器及曝光方法


[0001]本专利技术涉及图像传感器
，特别是涉及一种脉冲宽度调制像素单元、图像传感器及曝光方法。

技术介绍

[0002]随着“智慧城市”、“智慧家居”和“智慧医疗”等科技概念的提出，可以获取大量视觉信息的CMOS图像传感器成为了物联网领域的研究热点。同时CMOS图像传感器在移动智能可穿戴设备和医疗植入设备领域也得到了广泛应用。在可便携户外或是可穿戴应用时，对CMOS图像传感器的低功耗设计提出了更高的要求；目前CMOS图像传感器的动态范围一般只有70～80dB，而人眼的动态范围要超过100dB，因此，提高CMOS图像传感器(CIS，CMOS Image Sensor)的动态范围也是该领域研究的热点和难点问题。
[0003]采用低电源电压的工作模式，是降低CMOS图像传感器功耗的常用的方法。在CMOS图像传感器中，相对于传统的有源像素传感器(APS，Active Pixel Sensor)像素，采用脉冲宽度调制(PWM，Pulse Width Modulation)像素能更好的适应于这种低电源电压的工作模式。PWM像素通过在像素内部通过比较器，将光强信号转化为数字脉冲宽度信号，从而实现像素内部的模数转化功能。相比于APS图像传感器，由于PWM像素的输出为数字信号，因此在整个图像传感器架构中，可以省去一个大功耗的ADC模块，并且数字信号本身对电源电压也是不敏感的，所以PWM像素可以工作在较低的电源电压下，从而实现像素的低功耗设计。
[0004]然而在实现低功耗的同时，由于CMOS图像传感器信号读出机制并未发生改变，PWM像素的输出摆幅随着电源电压的降低会不断减小，而噪声也会不断增大，导致动态范围和信噪比的损失。虽然PWM像素可以工作在低电压以下而达到低功耗的状态，但是其动态范围却一直低于60dB，很难达到与APS像素相同等级的动态范围水平，从而影响了所拍摄的图像质量。
[0005]因此，如何进一步降低PWM像素的功耗、提高PWM像素的动态范围，已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。
[0006]应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的
技术介绍
部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

技术实现思路

[0007]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种脉冲宽度调制像素单元、图像传感器及曝光方法，用于解决现有技术中PWM像素功耗大、动态范围小等问题。
[0008]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种脉冲宽度调制像素单元，所述脉冲宽度调制像素单元至少包括：
[0009]光电二极管、复位管、第一比较器、第二比较器及读出电路；
[0010]所述光电二极管的阳极接地，阴极连接所述复位管的第一端；所述复位管的第二
端接收复位电流，控制端接收复位信号；
[0011]所述第一比较器的一端连接逐渐增大的斜坡电流，另一端连接第一漏电控制信号，输入端连接所述光电二极管的阴极；基于所述斜坡电流产生第一参考电压，并将所述光电二极管的节点电压与所述第一参考电压进行比较，产生第一比较结果；
[0012]所述第二比较器的一端连接所述斜坡电流，另一端连接第二漏电控制信号，输入端连接所述光电二极管的阴极；基于所述斜坡电流产生第二参考电压，并将所述光电二极管的节点电压与所述第二参考电压进行比较，产生第二比较结果；
[0013]所述读出电路连接于所述第一比较器及所述第二比较器的输出端，用于读出所述第一比较结果以得到第一输出信号，读出所述第二比较结果以得到第二输出信号；
[0014]其中，所述第一参考电压大于所述第二参考电压，所述第一漏电控制信号与所述第一输出信号反相，所述第二漏电控制信号与所述第二输出信号反相。
[0015]可选地，所述第一比较器包括第一晶体管及第二晶体管；
[0016]所述第一晶体管的第一端连接所述第一漏电控制信号，第二端连接所述第二晶体管的第一端并作为所述第一比较器的输出端，控制端连接所述光电二极管的阴极；
[0017]所述第二晶体管的第二端连接偏置电流源以获取所述斜坡电流，控制端连接选通信号。
[0018]更可选地，所述复位管的第二端连接所述第二晶体管的第一端，以获取所述复位电流。
[0019]可选地，所述第二比较器包括第三晶体管及第四晶体管；
[0020]所述第三晶体管的第一端连接所述第二漏电控制信号，第二端连接所述第四晶体管的第一端并作为所述第二比较器的输出端，控制端连接所述光电二极管的阴极；
[0021]所述第四晶体管的第二端连接所述偏置电流，控制端连接所述第一漏电控制信号。
[0022]可选地，所述读出电路包括第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管及第八晶体管；
[0023]所述第五晶体管的第一端接地，第二端连接所述第六晶体管的第一端，控制端连接所述第一比较结果；所述第六晶体管的第二端作为所述读出电路的第一输出端，控制端连接读信号；
[0024]所述第七晶体管的第一端接地，第二端连接所述第八晶体管的第一端，控制端连接所述第二比较结果；所述第八晶体管的第二端作为所述读出电路的第二输出端，控制端连接所述读信号。
[0025]更可选地，各晶体管为NMOS管。
[0026]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种图像传感器，所述图像传感器至少包括：
[0027]像素阵列、漏电控制模块、块选模块、偏置电流产生模块、预充电模块、曝光结束判定模块、计数器及数据输出模块；
[0028]所述像素阵列包括N个像素块，各像素块均包括M个像素单元，同一像素块中的像素单元同时进行曝光，所述像素阵列中同一列像素单元共用输出列线、复位电流及斜坡电流；所述像素单元为如权利要求1
‑
6任意一项所述的脉冲宽度调制像素单元；其中，N、M为大于1的整数；
[0029]所述漏电控制模块连接于各列像素单元的输出端，对各列像素单元的输出信号进行反相以得到对应的第一漏电控制信号及第二漏电控制信号；
[0030]所述块选模块连接所述像素阵列、所述偏置电流产生模块、所述预充电模块、所述数据输出模块及所述计数器，用于提供控制信号；
[0031]所述偏置电流产生模块连接所述块选模块及所述像素阵列，基于所述块选模块输出的电流调整信号为各列像素单元提供偏置电流，在复位阶段所述偏置电流为复位电流，在曝光阶段所述偏置电流为呈上升趋势的斜坡电流；
[0032]所述预充电模块连接所述块选模块及所述像素阵列，基于所述块选模块输出的预充电控制信号为各列像素单元的输出端预充电；
[0033]所述曝光结束判定模块连接于各列像素单元的输出端，基于同一像素块中各列像素单元的第二输出信号产生对应像素块的曝光结束信号并提供给所述块选模块；
[0034]所述数据输出模块连接所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种脉冲宽度调制像素单元，其特征在于，所述脉冲宽度调制像素单元至少包括：光电二极管、复位管、第一比较器、第二比较器及读出电路；所述光电二极管的阳极接地，阴极连接所述复位管的第一端；所述复位管的第二端接收复位电流，控制端接收复位信号；所述第一比较器的一端连接逐渐增大的斜坡电流，另一端连接第一漏电控制信号，输入端连接所述光电二极管的阴极；基于所述斜坡电流产生第一参考电压，并将所述光电二极管的节点电压与所述第一参考电压进行比较，产生第一比较结果；所述第二比较器的一端连接所述斜坡电流，另一端连接第二漏电控制信号，输入端连接所述光电二极管的阴极；基于所述斜坡电流产生第二参考电压，并将所述光电二极管的节点电压与所述第二参考电压进行比较，产生第二比较结果；所述读出电路连接于所述第一比较器及所述第二比较器的输出端，用于读出所述第一比较结果以得到第一输出信号，读出所述第二比较结果以得到第二输出信号；其中，所述第一参考电压大于所述第二参考电压，所述第一漏电控制信号与所述第一输出信号反相，所述第二漏电控制信号与所述第二输出信号反相。2.根据权利要求1所述的脉冲宽度调制像素单元，其特征在于：所述第一比较器包括第一晶体管及第二晶体管；所述第一晶体管的第一端连接所述第一漏电控制信号，第二端连接所述第二晶体管的第一端并作为所述第一比较器的输出端，控制端连接所述光电二极管的阴极；所述第二晶体管的第二端连接偏置电流源以获取所述斜坡电流，控制端连接选通信号。3.根据权利要求2所述的脉冲宽度调制像素单元，其特征在于：所述复位管的第二端连接所述第二晶体管的第一端，以获取所述复位电流。4.根据权利要求1所述的脉冲宽度调制像素单元，其特征在于：所述第二比较器包括第三晶体管及第四晶体管；所述第三晶体管的第一端连接所述第二漏电控制信号，第二端连接所述第四晶体管的第一端并作为所述第二比较器的输出端，控制端连接所述光电二极管的阴极；所述第四晶体管的第二端连接所述偏置电流，控制端连接所述第一漏电控制信号。5.根据权利要求1所述的脉冲宽度调制像素单元，其特征在于：所述读出电路包括第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管及第八晶体管；所述第五晶体管的第一端接地，第二端连接所述第六晶体管的第一端，控制端连接所述第一比较结果；所述第六晶体管的第二端作为所述读出电路的第一输出端，控制端连接读信号；所述第七晶体管的第一端接地，第二端连接所述第八晶体管的第一端，控制端连接所述第二比较结果；所述第八晶体管的第二端作为所述读出电路的第二输出端，控制端连接所述读信号。6.根据权利要求2
‑
5任意一项所述的脉冲宽度调制像素单元，其特征在于：各晶体管为NMOS管。7.一种图像传感器，其特征在于，所述图像传感器至少包括：像素阵列、漏电控制模块、块选模块、偏置电流产生模块、预充电模块、曝光结束判定模
块、计数器及数据输出模块；所述像素阵列包括N个像素块，各像素块均包括M个像素单元，同一像素块中的像素单元同时进行曝光，所述像素阵列中同一列像素单元共用输出列线、复位电流及斜坡电流；所述像素单元为如权利要求1
‑
6任意一项所述的脉冲宽度调制像素单元；其中，N、M为大于1的整数；所述漏电控制模块连接于各列像素单元的输出端，对各列像素单元的输出信号进行反相以得到对应的第一漏电控制信号及第二漏电控制信号；所述块选模...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪宁，霍书瑶，黄尊恺，田犁，祝永新，汪辉，
申请(专利权)人：中国科学院上海高等研究院，
类型：发明
国别省市：