CN106209091B - 斜率持续变化的斜坡信号的实现方法 - Google Patents

斜率持续变化的斜坡信号的实现方法 Download PDF

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Abstract

一种斜率持续变化的斜坡信号的实现方法，通过动态调整模数转换输出的位宽以及斜坡信号发生器的时钟频率，使得用于图像采样的斜坡信号的电压增长率平滑变化，从而实现模数转换过程中码位动态可调。本发明能够在弱光区LSB缩小以扩展动态范围，或者提高FSR以扩展动态范围。

Description

斜率持续变化的斜坡信号的实现方法
技术领域
本发明涉及一种固态集成电路领域的技术，具体是一种互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器领域的斜率持续变化的斜坡信号的实现方法。
背景技术
在传统的CMOS图像传感器中，线性斜坡电压波形(vramp)信号常被用作模‐数转换电路的全局参考信号。这种模‐数转换也叫做跃升式模数转换(Ramp‐ADC)，可将来自于光电二极管像素的模拟信号转化为数字编码。vramp信号穿过光电二极管信号的斜坡持续时间与光信号有关：对于正向斜坡，斜坡电压信号的通过时间在弱光区较短，在强光区较长。而由于vramp信号的线性度不变，Ramp‐ADC的最低有效位(LSB)电压在弱光区和强光区都保持不变。图像传感器的动态范围(DR)受限于Ramp‐ADC的分辨率，即：DR＝FSR/LSB＝6.02XN(dB)。通过改变vramp信号的斜率可在弱光区生成较小的LSB以得到更大的动态范围，而较大的LSB使ADC的位宽保持不变。另一种扩展动态范围的方法是提高满量程(FSR)。
鉴于斜坡时钟的频率控制vramp信号的斜率，因此有必要设置一个频率可变的时钟发生单元。时钟发生单元的设计有多种选择，例如，本发明设计了一个微调的PLL(锁相环)以生成频率可变的时钟，PLL的稳定时间对于vramp信号的产生十分重要。尽管PLL可以作为生成持续变化的时钟的代表方法，但也可能有其他途径能够达到相同目的。
目前扩展动态范围或高动态范围(HDR)图像传感器通常应用两种方法，多重曝光技术和/或ADC位宽扩展技术。前者是指由传感器捕获几张不同曝光时间的图片，再由后台软件或图像信号处理器将所有这些图片混合在一起生成一张HDR图片。这种技术至少有三个严重缺陷。第一是清晰度。由于这些不同曝光时间的图片是在不同时间点采集的，目标和摄像机都可能移动，合成的图片当然不清晰。第二是速度。混合几张高分辨率的图片需要较长的计算时间。第三是成本。为混合几张高分辨率的图片，需要复杂的软件或图像信号处理器支持；需要通过快速暂存器保存原始图片数据；因而获得高帧速率和高分辨率的HDR图片的***成本较高。ADC位宽扩展技术也有缺陷。例如，如果ADC的位宽从10位扩大到12位，传感器的斜坡时间是原本的4倍，此时速度显然是个瓶颈。
发明内容
本发明针对上述现有技术的缺陷和不足，提出一种斜率持续变化的斜坡信号的实现方法，通过改变时钟发生单元的频率来产生斜率持续变化的斜坡电压信号的方法，或者是采用离散频率的微步长时钟达到时钟连续变化的效果，可得到扩展动态范围的图像。
本发明具体通过以下技术方案实现：
本发明涉及一种斜率持续变化的斜坡信号的实现方法，通过动态调整模数转换输出的位宽以及斜坡信号发生器的时钟频率，使得用于图像采样的斜坡信号的电压增长率平滑变化，从而实现模数转换过程中码位动态可调。
所述的动态调整是指：在多个不同的信号中选择一个作为时钟触发，从而生成对应的输出序列的位宽，其中多个不同的信号包括：预设且具有频率固定的时钟、通过锁相环生成的输入时钟的倍频信号。
所述的斜坡信号发生器的时钟频率为锁相环生成的输入时钟的倍频信号。
本发明涉及一种斜率持续变化的斜坡信号发生装置，包括：斜坡信号发生单元、多路选择器以及以及若干组并联的光电信号采集支路，其中：斜坡信号发生单元根据斜坡时钟向光电信号采集支路中的每个比较单元输出频率变化率可调的斜坡信号，光电信号采集支路中的计数单元通过多路选择器以计数时钟或斜坡时钟中的任一作为时钟从而实现输出序列位宽的可调。
所述的斜坡时钟由整数锁相环或分数锁相环生成。
所述的计数时钟的频率固定。
所述的若干组并联的光电信号采集支路的输出端优选设有缓冲单元作为输出缓冲器，以便对若干组并联的光电信号采集支路中的计数单元的输出信号进行编码。
本发明涉及一种基于上述装置的CMOS图像传感机构，包括上述斜率持续变化的斜坡信号发生装置和锁相环，其中：锁相环向斜坡信号发生装置提供频率动态变化的时钟，斜坡信号发生装置与光电转换阵列相连，根据所述时钟确定输出序列位宽并生成对应的斜坡信号，实现对图像的动态范围采样。
技术效果
与现有技术相比，本发明的优点包括但不限于：
1)清晰的扩展动态范围图片：本发明不需混合不同图片，即不存在图片清晰度的问题。本发明生成的图片均为扩展动态范围图片。
2)高速：本发明可实现高帧速率，其中：第一种方法不需要采集不同曝光时间的图片，第二种方法不需要额外的斜坡持续时间。
3)高分辨率：有赖于本发明可得到每个像素的扩展动态范围数据，分辨率不再是扩展动态范围图片的瓶颈。
4)低成本：与传统的CMOS图像传感器相比，本发明新增的模块是时钟发生单元。因而本发明不需要复杂的软件，也不需要大型的寄存器支持。
5)适用范围广：本发明可应用于不同的图像传感器，如卷帘快门传感器和全局快门传感器。
附图说明
图1为本发明CMOS图像传感器结构示意图；
图2为锁相环单元结构示意图；
图3为模‐数转换器结构示意图；
图中：CMOS图像传感机构10、锁相环单元11、跃升式模数转换单元12、光电转换阵列13、斜坡时钟14、光电二极管信号15、数字域的输出信号16、参考时钟17、分频数18、外部计数时钟19、反馈时钟21、相位频率检测单元22、相位差23、电荷泵24、振荡器控制信号25、压控振荡单元26、分频单元28、输入时钟31、模拟比较器32、计数器34、输出缓冲器36、斜坡信号发生单元37、斜坡信号38、多路选择器39；
图4为斜坡时钟斜率递增示例图；
图中：T1是斜坡信号的开始时间，T2是斜坡信号的终止时间；
图5为斜坡信号斜率递增示例图；
图6为斜坡信号与位宽示例图；
图中：频率逐步提高的斜坡信号61、位宽扩展的线性斜坡信号62。
具体实施方式
如图1所示，本实施例涉及一种CMOS图像传感机构10，包括：跃升式模数转换单元(Ramp‐ADC)12、锁相环11以及光电转换阵列13，其中：锁相环单元11根据分频数信息18和参考时钟17向跃升式模数转换单元12输出斜坡时钟14，光电转换阵列13将图像的光信号转化为电压信号，跃升式模数转换单元12从光电转换阵列13中读出光电二极管信号15并最终输出数字域的输出信号16。
所述的光电二极管信号15为光电转换阵列13产生的n位并行的光电二极管电压信号，该信号的电平与光强有关，以n位并行方式传输以便于快速读出。
所述的锁相环单元11中预设不同的频率模式以产生频率可变的斜坡时钟14，该斜坡时钟14的频率可根据斜坡曲线的要求进行增加或降低、线性或非线性的调整。
如图2所示，所述的锁相环单元11包括：依次连接的相频检测单元22、电荷泵单元24和压控振荡单元26，以及分别与压控振荡单元26的输出端以及相位‐频率检测单元22相连的分频单元28，其中：相频检测单元22根据参考时钟17和来自压控振荡单元26的反馈时钟21之间的频率差生成相位差信号23至电荷泵单元24，电荷泵单元24将相位差信号23转化为正电荷或负电荷，并输出振荡器控制信号25至压控振荡单元26，压控振荡单元26输出对应的斜坡时钟14至分频单元28。
所述的相位差信号23，当反馈时钟21的频率低于参考时钟17的频率，则相位差信号23为正向，反之则为负向。
所述的电荷泵单元24中优选设有低通滤波器，该低通滤波器积分所述的正电荷和负电荷以过滤相位差信号23中的高频成分，使得振荡器控制信号25更加平滑。
所述的分频单元28的输出，即反馈时钟21的频率F为斜坡时钟14频率f的1/M倍。
所述的正向的相位差信号23可提高压控振荡单元26的振荡速度以使分频单元28的输出时钟频率和输入时钟的频率差越来越小。
如果参考时钟17的频率与反馈时钟21的频率相同，则锁相环单元11锁定。在锁定情况下，斜坡时钟14的频率是参考时钟17频率F17的M倍，即f＝M*F17。
如果改变分频单元28的分频数18，则斜坡时钟14的频率也会相应改变。在线性递增的情况下，当分频数线性升高，则斜坡时钟14的频率也将线性增加或减少。斜坡时钟14从开始变化并且再次锁定之间有一个延迟时间，即锁相环的锁定时间。
为使斜坡时钟14的频率变化更加平缓，锁相环必须设置合适的锁定时间，该锁定时间取决于锁相环的环路带宽，而环路带宽与电荷泵单元24有关。通过对电荷泵单元24进行参数优化设置，即可得到对应频率可变的斜坡时钟14。
在不同的实施场合下，可以采用带Σ-Δ调制器的分数锁相环作为时钟发生单元，以产生更加平滑的频率曲线。
如图3所示，所述的跃升式模数转换单元12包括：斜坡信号发生单元37、多路选择器39以及若干组并联的光电信号采集支路，其中：斜坡信号发生单元37根据斜坡时钟14向光电信号采集支路中的每个比较单元输出斜坡信号38，多路选择器39根据外部计数时钟19和斜坡时钟14选择对应的光电信号采集支路并输出。
所述的斜坡信号发生单元37通过斜坡时钟14，将频率转变为电压并产生斜坡信号38，该斜坡信号发生单元可采用但不限于：基于开关电容的斜坡信号发生器、基于电流定向数模转换器的斜坡信号发生器以及基于电流缩放数模转换器的斜坡信号发生器。
所述的斜坡信号38的斜率取决于斜坡时钟14的频率：如果斜坡时钟14单调增加，斜坡信号38的斜率也单调增加；如果斜坡时钟14的频率降低，斜坡信号38的斜率也相应地降低。
所述的光电信号采集支路采集来自光电转换阵列13的光电二极管信号15，该光电转换阵列13将光信号转化为电压信号。在大部分情况下，强光的光电二极管信号15为高电压。
所述的若干组并联的光电信号采集支路中的比较单元32接收一路光电二极管信号15并与所述斜坡信号38进行比较：当斜坡信号38从低电压升到高电压，比较器32对斜坡信号38和光电二极管信号15进行比较，如果斜坡信号38大于任何一个光电二极管信号15，相应的比较单元32的输出会以如从高到低的方式变化。
从斜坡信号38开始到比较单元32变化的斜坡持续时间由计数单元34记录。计数单元34的记录范围即为跃升式模数转换单元的位宽，且计数单元34的时钟采用来自多路选择器39的计数时钟31。举例说明：如10位的跃升式模数转换单元对应的计数单元34的步长为1023。
所述的多路选择器39为双输入单输出型，即根据外部计数时钟19和斜坡时钟14输出计数时钟31。
基于计数时钟31的频率是否固定，有两种方法扩展动态范围：第一种方法，如果计数时钟31来自于外部计数时钟19并具有固定频率，则可使得LSB降低从而得到扩展的动态范围；第二种方法，如果计数时钟31来自于斜坡时钟14并具有变化的频率，则可以扩展跃升式模数转换单元12的位宽或增加FSR。
对于第一种方法，即计数时钟31的频率固定。在正向斜坡信号的情况下，更短的斜坡持续时间意味着采集到的光电二极管信号15具有更低的电压，同时表示更弱的光信号。在斜坡信号38的起始阶段，与传统的线性斜坡电压相比，斜坡信号38的斜率更小，使较弱信号得到更多的斜坡持续时间。由于计数时钟31的频率是固定的而斜坡持续时间变长，计数单元34可得到更多位的输出码，即位宽增加。在计数时钟31的一个周期内的斜坡信号38的电压变化值即为跃升式模数转换单元的LSB。因此在计数时钟31的相同周期下，更小的斜坡信号38斜率可以产生更小的斜坡信号38的LSB。
另一方面，更强的光信号则需要更大的LSB，从而节约总斜坡持续时间。在斜坡信号38的末端，LSB达到最大，并且斜坡信号38的斜率也达到最大。
对于一个跃升式模数转换单元12，其动态范围DR＝FSR/LSB，其中：FSR为满量程，LSB是最低有效位，FSR是常数，并且有：
i)LSB在斜坡信号38的起始阶段较小，从而得到更大的DR，即在弱光区使得跃升式模数转换单元12具有更多位的输出码；
ii)在斜坡信号38的中间阶段，LSB不变；
iii)在斜坡信号38的结束阶段，LSB增加，即在强光区压缩跃升式模数转换单元12的码位，即位宽减少，从而使得FSR保持不变的情况下得到扩展动态范围的图像。
所述的跃升式模数转换单元12中优选设有缓冲单元36作为输出缓冲器，以便对若干组并联的光电信号采集支路中的计数单元34的输出信号进行编码。
如图4所示，为斜坡时钟14的频率的斜率递增示例，整个斜坡持续时间从T1到T2。F1是斜坡时钟14在T1的频率，F2是斜坡时钟14在T2的频率。
如图5所示，为对应图4中斜坡时钟14输出的斜坡信号38的电压曲线，其中：斜坡信号38的电压从V1升至V2，斜率同步增加。
对于第二种方法，模数转换机构的位宽增加，而输入时钟31可以与斜坡时钟14频率相同。由于斜坡时钟14的频率呈线性增加或减少，计数单元的总计数步长可在相同的斜坡持续时间内提高或降低。在弱光区，输入时钟31的采样速度较低，从而使得图像传感器具有更好的滤噪效果；在强光区，输入时钟31的采样速度较高，图像传感器的噪声可能由于更高的计数速度而变大，但是强光电二极管信号足以克服更大的噪声的影响。由于输入时钟31和斜坡时钟14频率相同，LSB在整个斜坡持续时间内是不变的。
如图6所示，为斜坡信号电压与模数转换机构的位宽的曲线图，为扩大模数转换机构位宽，总斜坡持续时间提高至T3。例如，将位宽从10位到11位，(T3‐T1)是(T2‐T1)的两倍；从10位到12位，(T3‐T1)是(T2‐T1)的四倍。额外的斜坡持续时间限制了图像传感器的帧速率。总斜坡持续时间可保持不变，并且位宽可由于计数时钟加速而扩大。
尽管前述书面说明使得普通技术人员能够由此制造、使用目前被认为的最佳方式的产品，但普通技术人员仍应理解并了解与特定实施例、方法和示例等同的变化、组合和等效体。本发明可理解为不脱离本发明的精神和范围的所有实施例和方法，而不应被前述的实施例、方法和示例限制。

Claims (4)

1.一种斜率持续变化的斜坡信号发生装置，其特征在于，包括：斜坡信号发生单元、多路选择器以及以及若干组并联的光电信号采集支路，其中：斜坡信号发生单元根据斜坡时钟向光电信号采集支路中的每个比较单元输出频率变化率可调的斜坡信号，光电信号采集支路中的计数单元通过多路选择器以计数时钟或斜坡时钟中的任一作为时钟从而实现输出序列位宽的可调；
所述的斜坡信号发生装置与光电转换阵列相连，该光电转换阵列产生n位并行的光电二极管电压信号，该光电二极管电压信号的电平与光强有关，以n位并行方式传输以便于快速读出；
所述的斜坡时钟由整数锁相环或分数锁相环生成，锁相环中预设不同的频率模式以产生频率可变的斜坡时钟。
2.根据权利要求1所述的斜坡信号发生装置，其特征是，所述的计数时钟的频率固定。
3.根据权利要求1所述的斜坡信号发生装置，其特征是，所述的若干组并联的光电信号采集支路的输出端设有缓冲单元作为输出缓冲器，以便对若干组并联的光电信号采集支路中的计数单元的输出信号进行编码。
4.一种基于权利要求1～3中任一所述装置的CMOS图像传感机构，其特征在于，包括：所述的斜坡信号发生装置和锁相环，其中：锁相环向斜坡信号发生装置提供频率动态变化的时钟，斜坡信号发生装置与光电转换阵列相连，根据所述斜坡时钟确定输出序列位宽并生成对应的斜坡信号，实现对图像的动态范围采样；
所述的锁相环包括：依次连接的相频检测单元、电荷泵单元和压控振荡单元，以及分别与压控振荡单元的输出端以及相位-频率检测单元相连的分频单元，其中：相频检测单元根据参考时钟和来自压控振荡单元的反馈时钟之间的频率差生成相位差信号至电荷泵单元，电荷泵单元将相位差信号转化为正电荷或负电荷，并输出振荡器控制信号至压控振荡单元，压控振荡单元输出对应的斜坡时钟至分频单元；
所述的相位差信号，当反馈时钟的频率低于参考时钟的频率，则相位差信号为正向，反之则为负向；
所述的电荷泵单元中设有低通滤波器，该低通滤波器积分所述的正电荷和负电荷以过滤相位差信号中的高频成分，使得振荡器控制信号更加平滑。
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