Cmos圖像傳感器的非線性信號轉換電路的製作方法
2023-05-19 23:46:31 1
Cmos圖像傳感器的非線性信號轉換電路的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種CMOS圖像傳感器的非線性信號轉換電路；它包括CMOS圖像傳感器中的像素陣列、計數器、非線性信號產生器和信號轉換器單元；像素陣列向信號轉換器單元輸出像素模擬信號；計數器為信號轉換器單元和非線性信號產生器提供數字碼信號；非線性信號產生器對數字碼信號進行數模轉換處理後，向信號轉換器單元輸出非線性模擬信號；信號轉換器單元包括比較器和鎖存器，比較器對像素模擬信號和非線性模擬信號的大小進行實時比較，當像素模擬信號和非線性模擬信號相等時，鎖存器對當前數字碼信號進行鎖存處理。主要用途及優點：有效提高CMOS圖像傳感器暗光靈敏度，動態範圍大，減少圖像轉換的失真。
【專利說明】CMOS圖像傳感器的非線性信號轉換電路
[0001]
【技術領域】
[0002]本發明涉及一種模數轉換集成電路技術，具體涉及一種CMOS圖像傳感器的非線性信號轉換電路。
【背景技術】
[0003]隨著便攜設備廣泛使用和城鎮安防系統的發展，CMOS圖像傳感器成為當前手持產品和安防系統的必備組成件。目前，應用在CMOS圖像傳感器中的信號轉換器主要有三種不同的類型-pipeline型、flash型、sar型，均為線性信號轉換器，圖2為線性信號轉換器轉換特性圖。圖1為線性信號轉換電路框圖，它包括線性(斜坡)信號產生器、信號轉換器單元、計數器，CMOS圖像傳感器中像素(像敏單元)陣列中每列對應一個信號轉換器單元，信號轉換器單元包括比較器、鎖存器。計數器為線性信號產生器提供數字碼信號(碼值遞增)，控制線性信號產生器輸出線性模擬信號，為各個信號轉換器單元提供參考輸入信號。計數器同時為各個信號轉換器單元提供數字碼信號，比較器採集像素輸出信號(模擬信號)和參考輸入信號(線性模擬信號)，比較器的比較結果控制鎖存器鎖存數字碼信號，鎖存器的輸出端接後續電路。通過對像素輸出信號與線性模擬信號逐次比較的辦法，鎖存的數字碼信號就是像素輸出信號對應的數字碼值，實現對像素輸出模擬信號的線性模、數轉換。採用線性信號轉換器的CMOS圖像傳感器對光線均勻充足的環境有較好的圖像採集性能，但是在暗光環境下對光強的敏感度較低，導致圖像偏暗，物體細節無法採集，圖像失真嚴重。
[0004]採用線性信號 轉換器轉換器的CMOS圖像傳感器，可以在後面通過增加圖像處理邏輯電路(isp)，比如引入自動曝光邏輯，採用延長CMOS圖像傳感器曝光時間的方法，來提升暗光環境圖像採集能力，圖3為採用自動曝光算法的線性信號轉換器轉換特性圖。採用自動曝光算法的線性信號轉換器暗光靈敏度性能增強，暗光環境圖像清晰，但是對亮光物體導致轉換溢出，動態範圍小，圖像也有失真。同時，引入isp自動曝光邏輯也增加了晶片面積，增大了功耗。
【發明內容】
[0005]本發明針對【背景技術】中存在的不足，要解決的技術問題是:提供一種暗光靈敏度高、動態範圍寬的CMOS圖像傳感器的非線性信號轉換電路。
[0006]本發明為解決上述技術問題，採用的技術方案為:一種CMOS圖像傳感器的非線性信號轉換電路，包括CMOS圖像傳感器中的像素陣列、計數器、非線性信號產生器和信號轉換器單元；
像素陣列向信號轉換器單元輸出像素模擬信號；計數器為信號轉換器單元和非線性信號產生器提供數字碼信號；非線性信號產生器對數字碼信號進行數模轉換處理後，向信號轉換器單元輸出非線性模擬信號； 信號轉換器單元包括比較器和鎖存器，比較器對像素模擬信號和非線性模擬信號的大小進行實時比較，當像素模擬信號和非線性模擬信號相等時，鎖存器對當前數字碼信號進行鎖存處理。
[0007]進一步，所述非線性信號產生器包括非線性陣列和模擬開關陣列，所述非線性陣列為非線性電阻陣列，非線性電阻陣列產生數值單調變化的非線性模擬信號；
所述模擬開關陣列採用互補型模擬開關，計數器數字碼信號控制模擬開關的導通、關斷，模擬開關一端與非線性電阻陣列相連接，另外一端與信號轉換器單元相連接，模擬開關導通時將非線性電阻陣列產生的模擬信號輸入到信號轉換器單元。
[0008]進一步，所述比較器為開關電容比較器。
[0009]進一步，所述鎖存器為多位鎖存器，鎖存器位數與需要鎖存的數字碼信號位數相同。
[0010]本發明與現有技術相比，有益效果在於:採用非線性信號轉換電路進行圖像信號轉換，非線性信號模擬信號能夠在暗光小信號範圍產生更高的數字碼密度，同時在亮光大信號範圍保證數字碼覆蓋。有效提高CMOS圖像傳感器暗光靈敏度，動態範圍大，減少圖像轉換的失真。使用非線性信號轉換電路無需增加額外晶片面積，保持了 CMOS圖像傳感器低功耗特點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1是現有CMOS圖像傳感器的線性信號轉換器的結構框圖；
圖2是現有CMOS圖像傳感器的線性信號轉換器的轉換特性圖；
圖3是現有CMOS圖像傳感器的線性信號轉換器採用自動曝光算法的轉換特性圖；
圖4是本發明CMOS圖像傳感器的非線性信號轉換電路的結構框圖；
圖5是本發明CMOS圖像傳感器的非線性信號轉換電路的轉換特性圖；
圖6是本發明實施方式之一的非線性信號產生器的電路結構示意圖；
圖7是非線性信號產生器輸入的數字碼和輸出非線性模擬信號對應圖；
圖8是本發明實施方式之一的模擬開關結構示意圖；
圖9是本發明實施方式之一的計數器電路結構示意圖；
圖10是本發明實施方式之一的計數器工作時序圖；
圖11是本發明實施方式之一的信號轉換單元結構示意圖。
[0012]【具體實施方式】
下面結合附圖對本發明的實施方式作進一步詳細說明。
[0013]見圖1至圖11所示，一種CMOS圖像傳感器的非線性信號轉換電路包括CMOS圖像傳感器中的像素陣列、計數器、非線性信號產生器和信號轉換器單元；像素陣列向信號轉換器單元輸出像素模擬信號；計數器為信號轉換器單元和非線性信號產生器提供數字碼信號；非線性信號產生器對數字碼信號進行數模轉換處理後，向信號轉換器單元輸出非線性模擬信號；信號轉換器單元包括比較器和鎖存器，比較器對像素模擬信號和非線性模擬信號的大小進行實時比較，當像素模擬信號和非線性模擬信號相等時，鎖存器對當前數字碼信號進行鎖存處理。
[0014]本發明的基本思想是利用非線性信號產生器替換現有的線性信號產生器，以非線性信號產生器輸出非線性模擬信號，作為各個信號轉換器單元參考輸入信號，來實現提高CMOS圖像傳感器暗光靈敏度。其中，非線性信號產生器能夠產生遞增的非線性模擬信號，在暗光小信號範圍，非線性模擬信號上升幅度小。當非線性模擬信號值逐漸遞增到和像素的暗光小信號值相同時，比較器輸出信號從O翻轉到I,當比較器輸出信號為I時，鎖存器就鎖存當前的計數器數字碼值。由於非線性模擬信號在低幅值區段(開始階段)上升幅度小，比較器翻轉時間比傳統線性信號轉換電路晚，鎖存器鎖存的計數器數字碼值比傳統信號轉換電路的數字碼值要大。數字碼密度為計數器數字碼值和像素信號值的比值，因此，在暗光小信號範圍，數字碼密度增加，CMOS圖像傳感器暗光靈敏度得到提高。同理，非線性模擬信號在高幅值區段(末尾階段)上升幅度大，比較器翻轉時間比傳統線性信號轉換電路早，鎖存器鎖存的計數器數字碼值比傳統信號轉換電路的數字碼值要小。因此，在亮光大信號範圍，數字碼密度減小，CMOS圖像傳感器亮光物體不會出現轉換溢出。
[0015]實施中，非線性信號產生器包括非線性陣列和模擬開關陣列，所述非線性陣列為非線性電阻陣列，非線性電阻陣列產生數值單調變化的非線性模擬信號；所述模擬開關陣列採用互補型模擬開關，計數器數字碼信號控制模擬開關的導通、關斷，模擬開關一端與非線性電阻陣列相連接，另外一端與信號轉換器單元相連接，模擬開關導通時將非線性電阻陣列產生的模擬信號輸入到信號轉換器單元。
[0016]其工作原理如下:
步驟1.計數器清零並開始計數，計數器為N位計數器。計數器的輸出碼同步到時鐘信號並依次計數，計數器輸出碼BitfBitN提供給非線性信號產生器和信號轉換單元。
[0017]步驟2.非線性信號產生器產生非線性模擬信號。當計數器產生對應的BitfBitN數位訊號輸入非線性信號產生器時，非線性產生器輸出對應的非線性模擬信號，並被傳輸到信號轉換器單元。
[0018]步驟3.信號轉換器單元採集像素輸出信號和非線性模擬信號，完成信號轉換。比較器採集像素輸出信號(像素模擬信號)和非線性模擬信號並進行比較。比較結果輸入到鎖存器，作為鎖存器的控制信號，鎖存當前的BitfBitN的數字值，為後續電路(isp)提供數字碼輸出。
[0019]下面，具體以一個基於10位計數器的非線性信號轉換器為例，闡述具體細節以便於充分理解本發明。
[0020]計數器的電路結構示意圖如圖9所示，實例中計數器採用10個D觸發器級聯，計數器工作時序圖如圖10所示。計數器的輸入信號為CLR清零信號和CLK時鐘信號，計數器的輸出信號為BitrBitlO數字碼信號。計數器清零並開始計數，CLR為計數器清零信號，CLR高電平時計數器清零，此時BitfBitlO輸出均為O。CLK為時鐘脈衝信號，控制計數器D觸發器陣列依次計數輸出，此時BitfBitlO按照二進位碼計數輸出。輸出端連接到非線性信號產生器和信號轉換器單元。
[0021]非線性信號產生器的電路結構示意圖如圖6所示，實例中，非線性信號產生器通過1024單元的非線性的電阻串聯陣列，產生非線性模擬信號。非線性信號產生器輸入的數字碼和輸出非線性信號對應圖如圖7所示。計數器產生BitfBitlO的數位訊號，控制模擬開關S1?S1023依次導通，SrS1023開關一端接電阻陣列，一端接信號轉換器單元，當BitfBitlO計數到對應信號時，相應的模擬開關導通。模擬開關結構示意圖如圖8所示，BitrBitlO信號被施加到開關管上控制對應的開關導通或者截止。當某個模擬開關導通時，其對應的非線性模擬信號被傳輸到信號轉換器單元。
[0022]信號轉換器單元結構示意圖如圖11所示。信號轉換器單元由比較器和鎖存器構成，比較器為開關電容比較器，即為摺疊共源共柵比較器，比較器輸入端連接像素輸出信號和非線性模擬信號，並進行比較。比較器輸出端連接鎖存器，作為鎖存器的鎖存控制信號。
[0023]鎖存器為多位鎖存器，鎖存器位數與需要鎖存的數字碼信號位數相同。鎖存器由兩個反相器invl和inv2，以及開關Sa、Sb構成。當比較器輸出信號為O時，Sa導通，Sb截止，鎖存器不鎖存BitfBitlO信號；當比較器輸出信號為I時，Sa截止，Sb導通，鎖存器鎖存當前輸入的BitfBitlO的數字值，鎖存器的輸出端接後續電路(isp)，進行後續處理和使用。
[0024]雖然本發明已以優選實施例披露如上，但是本發明能夠以多種不同於在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似推廣，因此本發明不受上述公開的具體實施例的唯一限制。
[0025]採用本發明後，用非線性信號轉換電路進行圖像信號轉換，非線性信號模擬信號能夠在暗光小信號範圍產生更高的數字碼密度，同時在亮光大信號範圍保證數字碼覆蓋。有效提高CMOS圖像傳感器暗光靈敏度，動態範圍大，減少圖像轉換的失真。使用非線性信號轉換電路無需增加額外晶片面積，保持了 CMOS圖像傳感器低功耗特點。
【權利要求】
1.一種CMOS圖像傳感器的非線性信號轉換電路，其特徵在於:包括CMOS圖像傳感器中的像素陣列、計數器、非線性信號產生器和信號轉換器單元； 像素陣列向信號轉換器單元輸出像素模擬信號；計數器為信號轉換器單元和非線性信號產生器提供數字碼信號；非線性信號產生器對數字碼信號進行數模轉換處理後，向信號轉換器單元輸出非線性模擬信號； 信號轉換器單元包括比較器和鎖存器，比較器對像素模擬信號和非線性模擬信號的大小進行實時比較，當像素模擬信號和非線性模擬信號相等時，鎖存器對當前數字碼信號進行鎖存處理。
2.根據權利要求1所述的CMOS圖像傳感器的非線性信號轉換電路，其特徵在於:所述非線性信號產生器包括非線性陣列和模擬開關陣列，所述非線性陣列為非線性電阻陣列，非線性電阻陣列產生數值單調變化的非線性模擬信號； 所述模擬開關陣列採用互補型模擬開關，計數器數字碼信號控制模擬開關的導通、關斷，模擬開關一端與非線性電阻陣列相連接，另外一端與信號轉換器單元相連接，模擬開關導通時將非線性電阻陣列產生的模擬信號輸入到信號轉換器單元。
3.根據權利要求1所述的CMOS圖像傳感器的非線性信號轉換電路，其特徵在於:所述比較器為開關電容比較器。
4.根據權利要求1所述的CMOS圖像傳感器的非線性信號轉換電路，其特徵在於:所述鎖存器為多位鎖存器，鎖存器位數與需要鎖存的數字碼信號位數相同。
【文檔編號】H03M1/12GK104038231SQ201410303161
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月30日 優先權日:2014年6月30日
【發明者】張靖, 劉昌舉, 吳治軍, 祝曉笑, 李明, 李毅強, 鄧光平, 劉業琦, 任思偉, 陽怡偉 申請人:中國電子科技集團公司第四十四研究所