一种使用提高增益ADC的图像传感器读出电路及读出方法

摘要

本发明公开的一种提高增益的ADC，包括增益放大单元、比较器和计数器，其中，所述增益放大单元包括采样电路和开关电容放大电路，所述开关电容放大电路包括电容C1、电容C2、开关Kr和放大器，其中，放大器的第一输入端连接参考信号，所述放大器的第二输入端同时连接采样电容C1、采样电容C2和开关Kr的一端，所述采样电容C1的另一端连接采样电路，所述采样电容C2和开关Kr的另一端连接所述放大器的输出端，所述放大器的输出端连接比较器，所述比较器的输出端连接计数器。本发明提供的一种使用提高增益ADC的图像传感器读出电路及读出方法，使得最终图像噪声水平较低，动态范围和信噪比得以提高，从而提高图像传感器在低照度下的图像质量。

权利要求

1.一种提高增益的ADC，其特征在于，包括增益放大单元、比较器和计数器，其中，所述增益放大单元包括采样电路和开关电容放大电路，所述开关电容放大电路包括电容C1、电容C2、开关Kr和放大器，其中，放大器的第一输入端连接参考信号，所述放大器的第二输入端同时连接采样电容C1、采样电容C2和开关Kr的一端，所述采样电容C1的另一端连接采样电路，所述采样电容C2和开关Kr的另一端连接所述放大器的输出端，所述放大器的输出端连接比较器，所述比较器的输出端连接计数器；所述采样电路包括采样电容CS和采样开关KS，所述采样开关KS的一端连接输入信号，另一端连接采样电容CS的一端和电容C1的一端，所述采样电路用于降低像素输出噪声，所述开关电容放大电路仅放大像素信号；当开关Kr闭合时，对放大器进行复位；当采样开关KS闭合，所述采样电路对输入信号进行采样。

2.根据权利要求1所述的一种提高增益的ADC，其特征在于，所述放大器的第一输入端为正相输入端，第二输入端为反相输入端，所述放大器对输入信号进行反相放大。

3.根据权利要求1所述的一种提高增益的ADC，其特征在于，所述放大器的第一输入端为反相输入端，第二输入端为正相输入端，所述放大器对输入信号进行正相放大。

4.根据权利要求1所述的一种提高增益的ADC，其特征在于，所述开关电容放大电路对输入信号的放大倍数Ax＝c1/c2，其中，c1为电容C1的电容值，c2为电容C2的电容值。

5.一种提高增益的图像传感器读出电路，其特征在于，包括权利要求1所述的ADC、像素阵列和信号处理单元，所述像素阵列输出的图像信号经过所述ADC进入至所述信号处理单元，所述像素阵列输出的图像信号连接至采样开关KS，所述比较器的两端分别连接斜波发生器和放大器输出端。

6.根据权利要求5所述的一种提高增益的图像传感器读出电路，其特征在于，所述读出电路的增益＝Ax×Av；其中，Ax为所述开关电容放大电路对图像信号的放大倍数；Ax＝c1/c2，c1为电容C1的电容值，c2为电容C2的电容值；Av为斜波信号对图像信号的放大倍数。

7.一种采用权利要求5所述的读出电路进行像素单元感光信号读出的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S01：像素单元输出复位信号VRST；

S02：比较器进行复位，同时开关Kr导通，对放大器进行复位；此时，放大器输出端信号VOP_OUT等于斜波信号VRAMP；

S03：采样开关Ks先导通再断开，对复位信号VRST进行采样；

S04：所述斜波信号VRAMP开始产生第一个斜波VR，同时计数器进行计数，所述斜波信号VRAMP与所述放大器输出端信号VOP_OUT形成一个交点，交点处所述比较器发生翻转，比较器输出端信号VCMP_OUT由低跳高使得所述计数器停止计数，所述计数器将上述产生的第一个计数值D1进行存储；其中，所述读出电路的增益＝Ax×Av；Ax为开关电容放大电路对图像信号的放大倍数；Ax＝c1/c2，c1为电容C1的电容值，c2为电容C2的电容值；Av为斜波信号对图像信号的放大倍数；

S05：所述像素单元输出曝光信号VSIG，所述采样开关KS先导通再断开，对曝光信号VSIG进行采样；

S06：所述斜波信号开始产生第二个斜波VS，同时所述计数器进行计数，所述斜波信号VRAMP与所述放大器输出端信号VOP_OUT形成一个交点，交点处所述比较器发生翻转，所述比较器输出端信号VCMP_OUT由低跳高使得所述计数器停止计数，所述计数器将上述产生的第二个计数值D2进行存储；其中，所述读出电路的增益＝Ax×Av；

S07：所述第二计数值D2与第一计数值D1的差值即为像素单元的感光信号值。

说明书

一种使用提高增益ADC的图像传感器读出电路及读出方法

技术领域

[0001] 本发明涉及图像传感器领域，具体涉及一种使用提高增益ADC的图像传感器读出电路及读出方法。

背景技术

[0002] CMOS图像传感器(CIS)已广泛应用于视频、监控、工业制造、汽车、家电等成像领域。CIS主流读出电路结构是以列级单斜模数转换器(SS‑ADC)为主的读出电路，SS‑ADC的功
能是将待量化信号与一个斜波基准信号进行比较，比较的结果通过计数器进行最终量化，
得到一个N位的二进制数字量。一般传统的读出电路中，像素单元的输出与一个基准斜波
(RAMP)信号输入至比较器进行比较，比较器输出判断的结果作为ADC计数器停止计数的指
示，以确保正确的进行量化。该结构下，模拟增益是通过RAMP斜率的改变来实现的，斜率越
小，模拟增益越大。但是斜率低到一定程度会低于内部电路噪声水平，所以一般传统结构下
模拟增益最大约在16倍。而CIS在低照度应用下，16倍增益是不够的，需要通过数字增益放
大，数字增益会将像素的噪声、ADC的噪声等比放大，图像噪声水平将大大提高。

[0003] 传统的CIS读出电路结构，如附图1所示，包括像素阵列、ADC(比较器、计数器)、斜波发生器、时序控制、行选译码驱动、信号处理单元。像素阵列由若干个图1所述的像素单元
“P”组成。像素阵列按逐行的方式读出，具体顺序为ROW[0]、ROW[1]、……ROW[n‑1]、ROW[n]，
像素阵列的每一列有一个输出总线，分别为PIX_OUT[0]、PIX_OUT[1]、…PIX_OUT[N‑1]、
PIX_OUT[N]。PIX_OUT输出接到ADC。ADC由比较器、计数器组成，比较器将像素输出与斜波信
号RAMP进行比较，比较结果决定了计数器计数值的大小。ADC将上述V1、V2电位分别进行判
断，并将V2‑V1差值转换为数字量输出到系统。

[0004] 传统的CIS读出电路对应的工作时序，如附图2所示，其采用的像素单元以及读出时序如附图5和6所示；进入Read阶段，SEL信号为高电平，RX为高电平对像素单元进行复位。
RST_CMP为比较器复位控制，RST_CMP为高电平使所有的ADC比较器进入复位状态。RX、RST_
CMP由高电平变低电平，ADC进入正常工作状态。ADC工作过程由比较和计数两个过程组成，
首先斜波RAMP开始下降时计数器CNT开始计数，直到比较器信号发生低电平到高电平翻转
时，CNT停止计数并存储当前计数值。要完成像素信号的模数转换，ADC需要进行两次上述操
作，斜波作为ADC基准会产生两次，第一次斜波阶段(也即图2的“VR”阶段)ADC将判断并存储
复位电位V1，ADC计数器CNT将在t1时间内计数并存储该t1时间段对应的计数值CN1；第二次
斜波阶段(也即图2的“VS”阶段)ADC将判断并存储复位电位V2，ADC计数器CNT将在t2时间内
计数并存储该t2时间段对应的计数值CN2。最终计数器CNT将输出计数差值ΔCN＝CN2‑CN1，
对应V2‑V1的差值量。传统读出电路的模拟增益是通过降低RAMP斜率实现的，比例2倍模拟
增益时RAMP斜率是1倍时的一半，此时ADC量化的精度会提高一倍。若ADC分辨率为12位，所
以ADC的1个LSB＝Vfull/212×Av，其中，LSB(Least Significant Bit)，意为最低有效位；
Vfull为ADC参考基准电压范围，Av为模拟增益。如果Vfull＝1V，1倍时的1个LSB为245μV。如
果在32倍时，1个LSB仅为7.5μV。要使得ADC量化后误差在1个LSB以内，这就要求RAMP支路输
出的噪声水平低于7.5μV，这是很难实现的。所以一般的设计最高模拟增益在16倍左右。在
一些低照度应用下，16倍增益肯定是不够的，系统会再加上一定的数字增益Dv，比如Dv＝16
倍，使整体增益达到Av×Dv＝256倍才足够满足某些场景下图像的要求。但在低照度下，原
始信号幅值较小，噪声水平相对较高，数字增益Dv将所有的噪声(图像噪声和ADC噪声)进行
倍增，使得CIS图像质量下降。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种使用提高增益ADC的图像传感器读出电路及读出方法，通过在像素信号和ADC之间增加开关电容放大电路和采样电路，使得最终图像噪声水平较
低，动态范围和信噪比得以提高，从而提高图像传感器在低照度下的图像质量。

[0006] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种提高增益的ADC，包括增益放大单元、比较器和计数器，其中，所述增益放大单元包括采样电路和开关电容放大电路，所
述开关电容放大电路包括电容C1、电容C2、开关Kr和放大器，其中，放大器的第一输入端连
接参考信号，所述放大器的第二输入端同时连接采样电容C1、采样电容C2和开关Kr的一端，
所述采样电容C1的另一端连接采样电路，所述采样电容C2和开关Kr的另一端连接所述放大
器的输出端，所述放大器的输出端连接比较器，所述比较器的输出端连接计数器。

[0007] 进一步地，所述采样电路包括采样电容Cs和采样开关KS，所述采样开关KS的一端连接输入信号，另一端连接采样电容Cs的一端和电容C1的一端。

[0008] 进一步地，当开关Kr闭合时，对放大器进行复位；当采样开关KS闭合，所述采样电路对输入信号进行采样。

[0009] 进一步地，所述放大器的第一输入端为正相输入端，第二输入端为反相输入端，所述放大器对输入信号进行反相放大。

[0010] 进一步地，所述放大器的第一输入端为反相输入端，第二输入端为正相输入端，所述放大器对输入信号进行正相放大。

[0011] 进一步地，所述开关电容放大电路对输入信号的放大倍数Ax＝c1/c2，其中，c1为电容C1的电容值，c2为电容C2的电容值。

[0012] 一种提高增益的图像传感器读出电路，包括权利要求1所述的ADC、像素阵列和信号处理单元，所述像素阵列输出的图像信号经过所述ADC进入至所述信号处理单元，所述像
素阵列输出的图像信号连接至采样开关KS，所述比较器的两端分别连接斜波发生器和放大
器输出端。

[0013] 进一步地，所述读出电路的增益＝Ax×Av；其中，Ax为所述开关电容放大电路对图像信号的放大倍数；Ax＝c1/c2，c1为电容C1的电容值，c2为电容C2的电容值；Av为斜波信号
对图像信号的放大倍数。

[0014] 进一步地，所述采样电路包括采样电容Cs和采样开关KS，所述采样开关KS的一端连接输入信号，另一端连接采样电容Cs的一端和电容C1的一端。

[0015] 一种采用读出电路进行像素单元感光信号读出的方法，包括如下步骤：

[0016] S01：像素单元输出复位信号VRST；

[0017] S02：比较器进行复位，同时开关Kr导通，对放大器进行复位；此时，放大器输出端信号VOP_OUT等于斜波信号VRAMP；

[0018] S03：采样开关KS先导通再断开，对复位信号VRST进行采样；

[0019] S04：所述斜波信号VRAMP开始产生第一个斜波VR，同时计数器进行计数，所述斜波信号VRAMP与所述放大器输出端信号VOP_OUT形成一个交点，交点处所述比较器发生翻转，
比较器输出端信号VCMP_OUT由低跳高使得所述计数器停止计数，所述计数器将上述产生的
第一个计数值D1进行存储；其中，所述读出电路的增益＝Ax×Av；Ax为开关电容放大电路对
图像信号的放大倍数；Ax＝c1/c2，c1为电容C1的电容值，c2为电容C2的电容值；Av为斜波信
号对图像信号的放大倍数；

[0020] S05：所述像素单元输出曝光信号VSIG，所述采样开关KS先导通再断开，对曝光信号VSIG进行采样；

[0021] S06：所述斜波信号开始产生第二个斜波VS，同时所述计数器进行计数，所述斜波信号VRAMP与所述放大器输出端信号VOP_OUT形成一个交点，交点处所述比较器发生翻转，
所述比较器输出端信号VCMP_OUT由低跳高使得所述计数器停止计数，所述计数器将上述产
生的第二个计数值D2进行存储；其中，所述读出电路的增益＝Ax×Av；

[0022] S07：所述第二计数值D2与第一计数值D1的差值即为像素单元的感光信号值。

[0023] 本发明的有益效果为：像素信号输出到ADC中比较器之前先被开关电容放大电路放大Ax倍，使得模拟增益最高可以达到Ax×Av倍(其中Av通过RAMP实现)，在多数低照度应
用下，无需加入数字增益即可满足要求，本发明中开关电容放大电路仅放大像素输出的噪
声；避免了现有技术中数字增益将像素输出和ADC的噪声均放大的缺陷；本发明中增加的采
样电路，可以降低像素输出噪声，采样电路仅在采样操作中对像素输出进行采样，其他时刻
读出电路与像素单元是断开的，这样减小了像素单元与读出电路之间的耦合干扰。

附图说明

[0024] 附图1为现有技术中CIS读出电路架构图；

[0025] 附图2为现有技术中CIS读出电路时序图；

[0026] 附图3为本发明中一种提高增益的ADC结构示意图；

[0027] 附图4为本发明一种提高增益的图像传感器读出电路架构图；

[0028] 附图5为其中一种四管像素单元电路结构；

[0029] 附图6为图5中四管像素单元的时序图；

[0030] 附图7为本发明一种提高增益的图像传感器读出电路的时序图。

具体实施方式

[0031] 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。

[0032] 如附图3所示，本发明提供的一种提高增益的ADC，包括增益放大单元、比较器和计数器，其中，增益放大单元包括采样电路和开关电容放大电路，开关电容放大电路包括电容
C1、电容C2、开关Kr和放大器AMP，其中，放大器AMP的第一输入端连接参考信号，放大器AMP
的第二输入端同时连接采样电容C1、采样电容C2和开关Kr的一端，采样电容C1的另一端连
接采样电路，采样电容C2和开关Kr的另一端连接放大器的输出端，放大器的输出端VOP连接
比较器，比较器的输出端连接计数器。

[0033] 具体的采样电路包括采样电容CS和采样开关KS，采样开关KS的一端连接输入信号，另一端连接采样电容CS的一端和电容C1的一端。在上述ADC进行工作过程中，开关Kr先闭合，
对放大器进行复位，之后开关Kr断开，采样开关KS闭合，采样电路对输入信号进行采样。开关
电容放大电路对输入信号的放大倍数Ax＝c1/c2，其中，c1为电容C1的电容值，c2为电容C2
的电容值。

[0034] 值得说明的是：本发明中放大器的第一输入端可以为正相输入端，第二输入端可以为反相输入端，此时，放大器对输入信号进行反相放大。同时，本发明中放大器的第一输
入端也可以为反相输入端，第二输入端也可以为正相输入端，此时，放大器对输入信号进行
正相放大。

[0035] 如附图4所示，本发明提供的一种提高增益的图像传感器读出电路，包括像素阵列、ADC(增益放大单元、比较器、计数器)、斜波发生器、时序控制、行选译码驱动、信号处理
单元。像素阵列由若干个图4所述的像素单元“P”组成。像素阵列按逐行的方式读出，具体顺
序为ROW[0]、ROW[1]、……ROW[n‑1]、ROW[n]，像素阵列的每一列有一个输出总线，分别为
PIX_OUT[0]、PIX_OUT[1]、…PIX_OUT[N‑1]、PIX_OUT[N]。PIX_OUT输出接到ADC。ADC由增益
放大单元、比较器、计数器组成，比较器将像素输出与斜波信号RAMP进行比较，比较结果决
定了计数器计数值的大小。ADC将上述V1、V2电位分别进行判断，并将V2‑V1差值转换为数字
量输出到系统。具体的，如附图4所示，像素阵列输出的图像信号连接至采样开关KS，比较器
的两端分别连接斜波发生器和放大器输出端。读出电路的增益＝Ax×Av；其中，Ax为开关电
容放大电路对图像信号的放大倍数；Ax＝c1/c2，c1为电容C1的电容值，c2为电容C2的电容
值；Av为斜波信号对图像信号的放大倍数。其中，附图4中放大器的第一输入端和第二输入
端可以互换。

[0036] 具体的，像素阵列中像素单元的结构如附图5所示，该结构普遍应用于行曝光方式CIS，它由感光二极管PD、电荷传输管Mtg、复位管Mrst、放大管Msf、行选通管Msel组成。PD会
感光，并生成与光照强度成正比的光电子。Mtg作用是转移PD内的光电子，当TX为高电压时，
Mtg导通，会将PD内的光电子转移到浮空节点FD上。Mrst作用是在RX为高电位时，对FD进行
复位。Msf是放大管，当SEL为高电位Msel导通时，Msf、Msel与到地的电流源形成通路，此时
Msf本质上为一个源极跟随器，跟随FD电位的变化并最终由PIX_OUT输出。

[0037] 附图6为图5中四管像素单元的操作时序，分为复位(Rst)、曝光(Exp)、信号读取(Read)。在Rst阶段，TX、RX为高电平，Mtg和Mrst均导通，FD复位且其电位被拉高到VDD。之
后，RX、TX为低电平，进入Exp阶段，PD感光并积累电子。进入Read阶段，SEL为高电平，RX先为
高电平复位FD，RX再拉低电平，TX保持为低电平，此时Msf受控于FD电位并通过PIX_OUT输出
复位电位V1。之后，TX拉高电平将PD上的电子转移到FD，此时Msf受控于FD电位并通过PIX_
OUT输出复位电位V2。V1、V2电位由后续读取模数转换器(ADC)电路转换为数字量并进行减
法操作，得到PD上光电子实际对应的数字量。若ADC为12位，ADC参考电压范围为VREF，则最
终输出为DOUT＝(V2‑V1)×212/VREF。

[0038] 如附图7所示，采用上述四管像素单元的读出电路进行像素单元感光信号读出的方法，包括如下步骤：

[0039] S01：像素单元输出复位信号VRST；

[0040] S02：比较器进行复位，同时开关Kr导通，对放大器进行复位；此时，放大器输出端信号VOP_OUT等于斜波信号VRAMP；其中开关Kr的控制信号对应附图7中RST_AMP，控制信号
RST_AMP为高时，AMP复位；且ADC中开关电容放大电路对像素信号的放大倍数＝c1/c2＝Δ
V2/ΔV1，c1为电容C1的电容值，c2为电容C2的电容值；ΔV1为像素单元输出的复位信号和
曝光信号的差值，ΔV2为ADC输出的复位信号和曝光信号的差值。值得说明的是：附图7中放
大器为反相放大器，所以RAMP是上斜波，以便与VOP进行比较。当在其他实施例中，放大器为
正相放大器时，RAMP应为下斜波，以便与VOP进行比较。

[0041] S03：采样开关KS先导通再断开，对复位信号VRST进行采样；其中，KS的控制信号对应附图7中控制信号SH，控制信号SH为高时采样开关KS导通，对图像信号进行采样；

[0042] S04：斜波信号VRAMP开始产生第一个斜波VR，同时计数器进行计数，斜波信号VRAMP与放大器输出端信号VOP_OUT形成一个交点，交点处比较器发生翻转，比较器输出端
信号VCMP_OUT由低跳高使得计数器停止计数，计数器将上述产生的第一个计数值D1进行存
储；其中，读出电路的增益＝Ax×Av；Ax为开关电容放大电路对图像信号的放大倍数；Ax＝
c1/c2，c1为电容C1的电容值，c2为电容C2的电容值；Av为斜波信号对图像信号的放大倍数；

[0043] S05：像素单元输出曝光信号VSIG，采样开关KS先导通再断开，对曝光信号VSIG进行采样；

[0044] S06：斜波信号开始产生第二个斜波VS，同时计数器进行计数，斜波信号VRAMP与放大器输出端信号VOP_OUT形成一个交点，交点处比较器发生翻转，比较器输出端信号VCMP_
OUT由低跳高使得计数器停止计数，计数器将上述产生的第二个计数值D2进行存储；其中，
读出电路的增益＝Ax×Av；

[0045] S07：第二计数值D2与第一计数值D1的差值即为像素单元的感光信号值。

[0046] 本发明读出电路的优点主要体现在以下两点：(1)在像素输出到ADC比较器之前被放大Ax倍(Ax可以为1、2、…)，使得模拟增益最高可以达到Ax×Av倍(其中Av通过RAMP实
现)。如果Ax＝16倍，Av＝16倍，增益总共为256倍，在多数低照度应用下，无需加入数字增益
即可满足要求。提出的和传统的读出电路不同的是Ax仅放大由像素输出的噪声，而Dv将像
素输出和ADC的噪声均放大了16倍。所以低照度下，提出的读出电路噪声水平会低于传统结
构。(2)本发明增加了由KS、CS组成的采样电路，可以降低像素输出噪声，并且如图7所示采样
操作中SH为高的两个脉冲分别采样了像素输出的V1、V2电位，其他时刻SH为低时读出电路
与像素是断开的，这样减小了像素单元与读出电路之间的耦合干扰。基于上述两个优点，提
出的CIS读出电路可以使最终图像噪声相对更低，图像质量在低照度应用下更高。

[0047] 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。