CN111225166B - 一种高动态范围的图像传感器读出电路及读出方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种高动态范围的图像传感器读出电路，运算放大器的反相输入端连接开关S2、开关S3、电容C1的一端，电容C1的另一端连接开关S4的一端，开关S2的另一端连接开关S6的一端，开关S3的另一端同时连接开关S4的另一端、开关S5的一端、计数器的控制端和运算放大器的输出端，开关S5的另一端连接电容C2的一端和开关S6的另一端，电容C2的另一端连接电源负极；运算放大器的反相输入端通过行选开关S1连接像素单元的输出端。本发明提供的一种高动态范围的图像传感器读出电路及读出方法，可以有效提高图像传感器的动态范围，还可以有效减小芯片面积。

Description

一种高动态范围的图像传感器读出电路及读出方法
技术领域
本发明涉及图像传感器领域，具体涉及一种高动态范围的图像传感器读出电路及读出方法。
背景技术
随着半导体技术的不断发展，CMOS图像传感器变得无处不在。CMOS图像传感器已经在工业控制、交通安防、消费电子、航空航天等各个产业获得了广泛的应用，同时科技发展也为图像传感器提出了更多，更高的要求，例如高速、高动态范围、高信噪比等。其中高动态成像在交通安防，科学研究领域具有广泛的应用需求。
一般而言，CMOS图像传感器实现高动态图像的方法包括如下两种：(1)传统像素电路进行长短曝光控制，后期进行信号拼接，但该方式控制复杂，需要复杂的数字计算，增加了芯片的功耗；(2)采用对数型像素单元，采用该架构输出的信号电压与光照强度呈对数关系，从而获得高动态图像，但其像素一致性不高，实现难度大。因此需要寻找新的方法，用以提高图像传感器的动态范围。
除此以外，现有技术中图像传感器的读出电路均需要先对像素信号进行采样，再将采样之后的像素信号进行模数转换，读出像素信号的数字值。在采样和模数转换过程中均需要用到运算放大器，为了使得读出电路顺利有序进行，这两个运算放大器先后设置在读出电路中，且模数转换所使用的运算放大器连接至计数器进行计数。现有技术中读出电路的结构较为繁琐，不利于图像传感器读出电路集成度的提高以及芯片面积的减小。
发明内容
本发明的目的是提供一种高动态范围的图像传感器读出电路及读出方法，可以有效提高图像传感器的动态范围，还可以有效减小芯片面积。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种高动态范围的图像传感器读出电路，包括像素单元、运算放大器、行选开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5、开关S6、电容C1、电容C2和计数器；所述运算放大器的反相输入端连接开关S2、开关S3、电容C1的一端，所述电容C1的另一端连接开关S4的一端，所述开关S2的另一端连接开关S6的一端，所述开关S3的另一端同时连接开关S4的另一端、开关S5的一端、计数器的控制端和运算放大器的输出端，所述开关S5的另一端连接电容C2的一端和开关S6的另一端，所述电容C2的另一端连接电源负极；所述运算放大器的反相输入端通过行选开关S1连接所述像素单元的输出端。
进一步地，所述运算放大器的正相输入端输入参考信号。
进一步地，所述参考信号包括固定参考电压和斜坡电压。
进一步地，所述像素单元包括光电二极管，所述光电二极管的阳极连接电源负极，阴极连接行选开关S1。
进一步地，所述像素单元位于像素阵列中，所述像素阵列中同一列像素单元的输出端分别连接不同行选开关的一端，且不同行选开关的另一端连接所述运算放大器的反相输入端。
一种高动态范围的图像传感器读出电路进行像素信号读出的方法，包括如下步骤：
S01：开关S3和开关S5导通，行选开关S1、开关S2、开关S4和开关S6断开，运算放大器进行复位，此时，所述运算放大器的正相输入端输入固定参考电压VREF，且所述运算放大器反相输入端电压、正相输入端电压和输出端电压均等于VREF；
S02：行选开关S1、开关S4和开关S5导通，开关S2、开关S3和开关S6断开，所述读出电路对像素单元输出的像素信号进行积分，此时，所述运算放大器的正相输入端输入固定参考电压VREF；
S03：开关S2和开关S6导通，行选开关S1、开关S3、开关S4和开关S5断开，所述运算放大器的正相输入端连接斜坡电压VRAMP；所述读出电路对像素信号进行模数转换，得出所述像素信号的数字值。
进一步地，所述步骤S03中，当开关S2和开关S6导通，行选开关S1、开关S3、开关S4和开关S5断开时，计数器开始计数，所述斜坡电压以固定斜率变化，当斜坡电压与像素信号相等时，运算放大器发生翻转，比较器输出端信号跳变使得所述计数器停止计数，所述计数器产生的计数值即为像素信号的数字值。
进一步地，所述读出电路对像素阵列进行相关双采样，则步骤S03包括复位像素信号读出和曝光像素信号读出。
本发明的有益效果为：本发明读出电路可以通过灵活调整像素信号积分时间，有效提高图像传感器的动态范围，另外在进行像素信号积分及模数转换过程时，均由同一个运算放大器实现，可以有效减小读出电路所在芯片的面积。
附图说明
附图1为本发明一种高动态范围的图像传感器读出电路；
附图2为本发明图像传感器读出电路的工作时序图；
附图3为本发明图像传感器读出电路步骤S01中具体示意图；
附图4为本发明图像传感器读出电路步骤S02中具体示意图；
附图5为本发明图像传感器读出电路步骤S03中具体示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
本发明提供的一种高动态范围的图像传感器读出电路，用于对像素信号进行读出，且读出的像素信号为数字值。如附图1所示，本发明读出电路包括像素单元、运算放大器、行选开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5、开关S6、电容C1、电容C2和计数器；运算放大器的反相输入端连接开关S2、开关S3、电容C1的一端，此处作为节点N1；电容C1的另一端连接开关S4的一端，开关S2的另一端连接开关S6的一端，开关S3的另一端同时连接开关S4的另一端、开关S5的一端、计数器的控制端和运算放大器的输出端，开关S5的另一端连接电容C2的一端和开关S6的另一端，电容C2的另一端连接电源负极；运算放大器的反相输入端通过行选开关S1连接像素单元的输出端。运算放大器的正相输入端输入参考信号VRAMP，其中，参考信号VRAMP包括固定参考电压和斜坡电压。
请继续参阅附图1，多个像素单元形成像素阵列中，像素阵列中各个像素单元与读出电路之间的连接关系可以根据像素阵列具体读出方式来确定，当像素阵列采用列读出方式进行像素信号读出时，像素阵列中同一列的像素单元连接至同一个读出电路中，以下仅以列读出电路中其中一个像素单元为例，详细说明读出电路的连接关系。像素单元的输出端通过行选开关S1连接至运算放大器的反相输入端；具体的，像素单元中包括光电二极管，其中，像素单元的输出端连接行选开关S1的一端，行选开关S1的另外一端连接运算放大器的反相输入端，光电二极管的阳极连接电源负极，阴极连接行选开关S1的一端。附图1中像素单元位于像素阵列中，像素阵列中同一列像素单元的输出端分别连接不同行选开关的一端，且不同行选开关的另一端连接运算放大器的反相输入端；也就是说，附图1中光电二极管和行选开关S1可作为重复单元连接在节点N1处，组合成列级信号处理的图像传感器。
如附图2-5所示，本发明提供的一种高动态范围的图像传感器读出电路进行像素信号读出的方法，包括如下步骤：
S01：如附图3所示，开关S3和开关S5导通，行选开关S1、开关S2、开关S4和开关S6断开，运算放大器进行复位，此时，运算放大器的正相输入端输入固定参考电压VREF，且运算放大器反相输入端电压、正相输入端电压和输出端电压均等于VREF；
S02：如附图4所示，行选开关S1、开关S4和开关S5导通，开关S2、开关S3和开关S6断开，读出电路对像素单元输出的像素信号进行积分，此时，运算放大器的正相输入端输入固定参考电压VREF。在积分过程中，只要增加积分过程的时间，就可以提高图像传感器的动态范围。具体增加积分过程的时间可以通过控制行选开关S1、开关S4和开关S5导通的具体时间来实现。图像传感器的具体动态范围可以根据其工艺条件以及应用环境进行灵活设定。具体的，对像素信号进行积分指的是对像素单元中光电二极管产生的光电流进行积分。
S03：如附图5所示，开关S2和开关S6导通，行选开关S1、开关S3、开关S4和开关S5断开，运算放大器的正相输入端连接斜坡电压VRAMP；斜坡电压可以采用现有技术中斜坡产生器进行产生，读出电路对像素信号进行模数转换，得出像素信号的数字值。具体的，当开关S2和开关S6导通，行选开关S1、开关S3、开关S4和开关S5断开时，计数器开始计数，斜坡电压以固定斜率变化，当斜坡单元与像素信号相等时，二者在附图5中形成一个交点，交点处运算放大器发生翻转，比较器输出端信号跳变使得计数器停止计数，计数器产生的计数值即为像素信号的数字值。本发明中经过模数转换之后的像素信号均为数字像素信号，即为像素单元输出的像素信号对应的数字值。
本步骤中进行模数转换时采用的运算放大器与步骤S02中进行像素信号积分所采用的运算放大器为同一个运算放大器，相比现有技术中采样和模数转换分别使用对应运算放大器的结构，本发明中结构可以有效减小芯片面积。本发明中图像传感器读出电路可以采用相关双采样的方式或者现有技术中其他采样方式对像素信号进行采样和读出，当读出电路对像素阵列进行相关双采样，步骤S03包括复位像素信号读出和曝光像素信号读出，且复位像素信号读出和曝光像素信号读出的方法均为步骤S03中方法。相关双采样能消除复位噪声的干扰，对低频噪声也有抑制作用，可以显著改善信噪比，提高信号检测精度。由于每个像素单元输出的像素信号中既包含有光敏信号，也包含有复位脉冲电压信号，若在光电信号的积分开始时刻和积分结束时刻，分别对输出像素信号采样(在一个像素信号输出周期内，产生两个采样脉冲，分别采样输出信号的两个电平，即一次是对复位信号电平进行采样，另一次是对曝光信号电平进行采样)，并且把握好两次采样时间间隔，这样两次采样的噪声电压相差无几，将两次采样值相减，就基本消除了复位噪声的干扰，得到曝光信号电平的实际有效幅值。
本发明读出电路可以通过灵活调整像素信号积分时间，有效提高图像传感器的动态范围，另外在进行像素信号积分及模数转换时，均由同一个运算放大器实现，可以有效减小读出电路所在芯片的面积。
以上所述仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用于限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种高动态范围的图像传感器读出电路，其特征在于，包括像素单元、运算放大器、行选开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5、开关S6、电容C1、电容C2和计数器；所述运算放大器的反相输入端连接开关S2、开关S3、电容C1的一端，所述电容C1的另一端连接开关S4的一端，所述开关S2的另一端连接开关S6的一端，所述开关S3的另一端同时连接开关S4的另一端、开关S5的一端、计数器的控制端和运算放大器的输出端，所述开关S5的另一端连接电容C2的一端和开关S6的另一端，所述电容C2的另一端连接电源负极；所述运算放大器的反相输入端通过行选开关S1连接所述像素单元的输出端。
2.根据权利要求1所述的一种高动态范围的图像传感器读出电路，其特征在于，所述运算放大器的正相输入端输入参考信号。
3.根据权利要求2所述的一种高动态范围的图像传感器读出电路，其特征在于，所述参考信号包括固定参考电压或斜坡电压。
4.根据权利要求1所述的一种高动态范围的图像传感器读出电路，其特征在于，所述像素单元包括光电二极管，所述光电二极管的阳极连接电源负极，阴极连接行选开关S1。
5.根据权利要求1所述的一种高动态范围的图像传感器读出电路，其特征在于，所述像素单元位于像素阵列中，所述像素阵列中同一列像素单元的输出端分别连接不同行选开关的一端，且不同行选开关的另一端连接所述运算放大器的反相输入端。
6.一种根据权利要求1所述的高动态范围的图像传感器读出电路进行像素信号读出的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01：开关S3和开关S5导通，行选开关S1、开关S2、开关S4和开关S6断开，运算放大器进行复位，此时，所述运算放大器的正相输入端输入固定参考电压VREF，且所述运算放大器反相输入端电压、正相输入端电压和输出端电压均等于VREF；
S02：行选开关S1、开关S4和开关S5导通，开关S2、开关S3和开关S6断开，所述读出电路对像素单元输出的像素信号进行积分，此时，所述运算放大器的正相输入端输入固定参考电压VREF；
S03：开关S2和开关S6导通，行选开关S1、开关S3、开关S4和开关S5断开，所述运算放大器的正相输入端连接斜坡电压VRAMP；所述读出电路对像素信号进行模数转换，得出所述像素信号的数字值。
7.根据权利要求6所述的进行像素信号读出的方法，其特征在于，所述步骤S03中，当开关S2和开关S6导通，行选开关S1、开关S3、开关S4和开关S5断开时，计数器开始计数，所述斜坡电压以固定斜率变化，当斜坡电压与像素信号相等时，运算放大器发生翻转，比较器输出端信号跳变使得所述计数器停止计数，所述计数器产生的计数值即为像素信号的数字值。
8.根据权利要求6所述的进行像素信号读出的方法，其特征在于，所述读出电路对像素阵列进行相关双采样，则步骤S03包括复位像素信号读出和曝光像素信号读出。
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