CN101197921B - 一种图像信号采样电路及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种图像信号采样电路及其方法，电路包括：信号采集单元、列读出单元、工作模式控制电路。该控制电路包括：控制单元、源端列开关组、地端列开关组和列间开关组；在每个采样列电路上分别设置一个源端列开关和一个地端列开关，源端列开关连接在信号源和信号采集单元的输入端之间，地端列开关连接在地和信号采集单元的底端之间；列读出单元的输入端与信号采集单元的输入端相连，输出端用于输出采样信号；前一列信号采集单元的输入端与后一列的信号采集单元底端之间设有列间开关；控制单元用于根据采样工作模式控制各开关组中的开关断开或闭合操作。采用本发明可以实现图像传感器信号增益，电路结构更加优化，芯片面积增加较小，并节约了成本。

Description

一种图像信号采样电路及其方法

技术领域

本发明涉及一种图像传感器中采样控制电路，尤其涉及一种可提高图像信号增益的子采样电路及其方法。

背景技术

在CMOS图像传感器迅猛发展的今天，图像信号的处理速度严重制约着高像素图像传感器的发展，而图像信号的处理速度和图像信号的增益又是相互制约的，要想提高速度，增益就不能太高，但增益不足又会造成图像传感器对低光图像采集困难。因此，在不影响速度的前提下，尽可能提高增益，成为CMOS图像传感器设计厂商竞争的焦点。

现有技术中的CMOS图像传感器在实现图像信号采样工作时，一般不做处理，即图像信号直接采样到电容上，然后直接读出信号，信号幅度只会减小不会增加。为了解决图像传感器对低光图像采样困难的问题，采用对缓冲器输出的图像信号进行后段处理，即将采样信号放大，但是这在技术方面要求较高。所以现有采样控制电路结构单一，没有增益增加功能，导致输出信号增益不足，从而使得图像传感器低光效果不理想。

发明内容

本发明解决的技术问题是提出一种在子采样时可以提高图像信号增益的图像信号采样电路及其方法，克服了图像传感器对低光图像采集困难的技术难题。

本发明提出的图像信号采样电路，包括：信号采集单元和列读出单元，还包括工作模式控制电路，该控制电路包括：控制单元、源端列开关组、地端列开关组和列间开关组；在每个采样列电路上分别设置一个源端列开关和一个地端列开关，源端列开关连接在信号源和信号采集单元的输入端之间，地端列开关连接在地和信号采集单元的底端之间；列读出单元的输入端与信号采集单元的输入端相连，列读出单元的输出端用于输出采样信号；前一列信号采集单元的输入端与后一列的信号采集单元底端之间设有列间开关；控制单元用于根据采样工作模式控制各开关组中的开关断开或闭合操作，所述信号采集单元包括多个采样电容，每个采样列电路上设置一个采样电容，用于对该采样列的像素进行采样。

优选的，信号采集单元包括多个采样电容，每个采样列电路上设置一个采样电容，用于对该采样列的像素进行采样。

优选的，列读出单元包括多个缓冲器，每个采样列电路上设置一个缓冲器，用于缓存和读出该采样列的采样信号。

优选的，所述源端列开关组、地端列开关组和列间开关组采用MOS管开关器件。

本发明提出的图像信号采样方法，包括以下情况：

1)正常工作模式：采样时，控制单元控制源端列开关组和地端列开关组中的各开关均处在闭合状态，列间开关组中的各开关均处在断开状态；采样完成后，从各采样列的读出单元读出采样信号；

2)1/X子采样模式时，1/X为子采样的量级，X为2，其中，从第0列采样列电路开始，相邻两列采样列电路形成一组合列，所述采样列电路唯一属于组合列之一：采样时，控制单元控制源端列开关组和地端列开关组中的各开关均处在闭合状态，列间开关组中的各开关均处在断开状态；采样完成时，控制源端列开关组的各个开关均处于断开状态；各组合列中第2列采样列电路中的地端列开关处于断开状态，地端列开关组中的其他各开关处于闭合状态；各组合列内的列间开关处于闭合状态，相邻组合列之间的列间开关处于断开状态；从各组合列中第2列采样列电路的列读出单元读出1/X子采样信号。

优选的，列读出单元包括多个缓冲器，每个采样列电路上设置一个缓冲器，用于缓存和读出该采样列的采样信号。

优选的，所述源端列开关组、地端列开关组和列间开关组采用MOS管开关器件。

采用本发明技术方案产生的技术效果是：

1.本发明的采样电路和方法通过工作模式控制电路可以灵活的控制采样电路工作在正常模式和1/X子采样模式下，完成多种不同的采样方式。

2.本发明在1/X子采样模式下，由于通过改变控制电路的连接方式，使得图像信号采集单元形成串联连接，采样信号增加为原采样信号的X倍，解决了图像传感器对低光图像采集困难的技术难题。

3.本发明的控制电路通过对各开关器件的控制就完成了图像传感器信号增益，并使电路结构更加优化，在增加芯片面积很小的情况下就实现功能，节约了成本。

附图说明

图1是本发明1/X子采样电路原理图；

图2是本发明优选实施例1/2子采样开关组控制时序图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示的1/X子采样电路，控制单元(图中未画出)控制三个开关组：源端列开关组、地端列开关组和列间开关组，使电路工作在正常工作模式和采样工作模式。其中S0、S1、S2、……为源端列开关；K0、K1、K2、……为地端列开关；K01、K12、K23、K34、K45、……为列间开关。每个采样列电路上分别设置一个源端列开关和一个地端列开关，各相邻采样列间设置列间开关。上述开关与控制单元组成了本发明的工作模式控制电路。信号采集单元由电容C0、C1、C2、……组成，列读出单元由缓冲器1、缓冲器2、……组成，每个采样列电路分别设置一个电容和一个缓冲器。

像素队列输出列方向图像信号，通过源端列开关S0、S1、S2、……分别将列方向图像信号传递给缓冲器和电容C0、C1、C2……，其中缓冲器输出为列读出信号，电容C0、C1、C2、……用来对图像信号进行采样，C0、C1、C2、C3、……分别通过地端开关K0、K1、K2、K3……控制是否连接到地。列间开关K01、K12、K23、……分别连接在相邻列中前一列取样电容上极板和相邻列中后一列取样电容下极板之间。

在正常工作模式下，控制电路的连接为：源端列开关S0、S1、S2、……，地端列开关K0、K1、K2……闭合，列间开关K01、K23、K34、K45……断开。第一列像素通过采样电容C0进行取样，第二列像素通过采样电容C1进行取样，……采样电容C0上的电压为U0，则采样电容上的电荷量Q0＝C0U0，采样电容C1上的电压为U1，则Q1＝C1U1，……。取样后通过缓冲器读出信号。

对于控制单元的具体实现，最典型的实现方式是通过输出高低电平的方式来控制列开关组的通断。如图2所示为1/2子采样时控制单元的控制时序图：

SHS为控制开关S0、S1、S2、……的全局时序信号，此信号高电平时开关闭合。

SKE为控制偶列接地开关K0、K2、K4……的全局时序信号，此信号高电平时开关闭合，在1/2子采样时一直为高电平。

SKO为控制奇列接地开关K1、K3、K5……的全局时序信号，此信号高电平时开关闭合。

SKD为控制列间开关K01、K23、K45、……的全局时序信号，此信号高电平时开关闭合。

在1/2子采样(subsampling)模式下，控制电路的连接为：控制信号SHS控制源端列开关S0、S1、S2、……闭合进行采样，控制信号SKE和SKO控制地端列开关K0、K1、K2……闭合，控制信号SKD控制列间开关K01、K23、K45、……断开，电容C0、C1、C2、……先进行采样，此时采样电容C0上极板电压为U0。列间开关K12、K34、……始终处于断开状态。

采样完成后控制信号SHS控制源端列开关S0、S1、S2、……断开，控制信号SKO控制地端列开关K1、K3、K5、……断开，控制信号SKE控制地端列开关K0、K2、K4、……保持闭合，列间开关K12、K34、……保持断开，控制信号SKD控制列间开关K01、K23、K45、……闭合，这样采样电容C1上极板的电压变为U0+U1，即2U1(组合列是临近的，因此认为两列采样电容上采到的电压是相等的)，则Q1＝2C1U1，所以在1/2子采样时，图像信号增加为原来的两倍。采样后通过缓冲器读出信号。上述的源端列开关组、地端列开关组和列间开关组中的各开关采用MOS管开关器件。

对于1/X子采样模式(1/X为子采样的量级，X为大于1的正整数)，在采样完成后其列间开关的通断有所不同。列间开关通断的目的是形成多个具有采样电容电压X倍叠加的采样信号电压，使得采样得到的图像信号增加为原来的X倍。此处就不再通过其他实施例进行阐述。

另外，对于1/2子采样模式，由于在图1的电路中列间开关K12、K34、……始终处于断开状态，因此在子采样模式固定的情况下可以省略上述开关。对于1/X采样，即省略第N×X-1列采样列电路与第N×X列采样列电路之间的列间开关，N取1、2、3......(N为1/X采样时的采样组数)。

Claims (6)

1.一种图像信号采样电路，包括：信号采集单元和列读出单元，其特征在于，还包括工作模式控制电路，该控制电路包括：控制单元、源端列开关组、地端列开关组和列间开关组；在每个采样列电路上分别设置一个源端列开关和一个地端列开关，源端列开关连接在信号源和信号采集单元的输入端之间，地端列开关连接在地和信号采集单元的底端之间；列读出单元的输入端与信号采集单元的输入端相连，列读出单元的输出端用于输出采样信号；前一列信号采集单元的输入端与后一列的信号采集单元底端之间设有列间开关；控制单元用于根据采样工作模式控制各开关组中的开关断开或闭合操作；所述信号采集单元包括多个采样电容，每个采样列电路上设置一个采样电容，用于对该采样列的像素进行采样。

2.根据权利要求1所述的图像信号采样电路，其特征在于，所述列读出单元包括多个缓冲器，每个采样列电路上设置一个缓冲器，用于缓存和读出该采样列的采样信号。

3.根据权利要求1或2所述的图像信号采样电路，其特征在于，所述源端列开关组、地端列开关组和列间开关组采用MOS管开关器件。

4.一种图像信号采样方法，其特征在于，所述方法包括以下情况：

1)正常工作模式：采样时，控制单元控制源端列开关组和地端列开关组中的各开关均处在闭合状态，列间开关组中的各开关均处在断开状态；采样完成后，从各采样列的读出单元读出采样信号；

2)1/X子采样模式时，1/X为子采样的量级，X为2，其中，从第0列采样列电路开始，相邻两列采样列电路形成一组合列，所述采样列电路唯一属于组合列之一：采样时，控制单元控制源端列开关组和地端列开关组中的各开关均处在闭合状态，列间开关组中的各开关均处在断开状态；采样完成时，控制源端列开关组的各个开关均处于断开状态；各组合列中第2列采样列电路中的地端列开关处于断开状态，地端列开关组中的其他各开关处于闭合状态；各组合列内的列间开关处于闭合状态，相邻组合列之间的列间开关处于断开状态；从各组合列中第2列采样列电路的列读出单元读出1/X子采样信号。

5.根据权利要求4所述的图像信号采样方法，其特征在于，所述列读出单元包括多个缓冲器，每个采样列电路上设置一个缓冲器，用于缓存和读出该采样列的采样信号。

6.根据权利要求4或5所述的图像信号采样方法，其特征在于，所述源端列开关组、地端列开关组和列间开关组采用MOS管开关器件。

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