一種圖像信號採樣電路及其方法
2023-04-30 01:01:26
專利名稱：一種圖像信號採樣電路及其方法
技術領域：
本發明涉及一種圖像傳感器中採樣控制電路，尤其涉及一種可提高圖 像信號增益的子採樣電路及其方法。
背景技術：
在CMOS圖像傳感器迅猛發展的今天，圖像信號的處理速度嚴重製約著 高像素圖像傳感器的發展，而圖像信號的處理速度和圖像信號的增益又是 相互制約的，要想提高速度，增益就不能太高，但增益不足又會造成圖像 傳感器對低光圖像採集困難。因此，在不影響速度的前提下，儘可能提高 增益，成為CMOS圖像傳感器設計廠商競爭的焦點。
現有技術中的CMOS圖像傳感器在實現圖像信號採樣工作時，一般不做 處理，即圖像信號直接採樣到電容上，然後直接讀出信號，信號幅度只會 減小不會增加。為了解決圖像傳感器對低光圖像採樣困難的問題，採用對 緩衝器輸出的圖像信號進行後段處理，即將採樣信號放大，但是這在技術 方面要求較高。所以現有採樣控制電路結構單一，沒有增益增加功能，導 致輸出信號增益不足，從而使得圖像傳感器低光效果不理想。
發明內容
本發明解決的技術問題是提出一種在子採樣時可以提高圖像信號增 益的圖像信號採樣電路及其方法，克服了圖像傳感器對低光圖像採集困難 的技術難題。
本發明提出的圖像信號採樣電路，包括信號釆集單元和列讀出單元， 還包括工作模式控制電路，該控制電路包括控制單元、源端列開關組、
地端列開關組和列間開關組；在每個採樣列電路上分別設置一個源端列開 關和一個地端列開關，源端列開關連接在信號源和信號釆集單元的輸入端 之間，地端列開關連接在地和信號採集單元的底端之間；列讀出單元的輸 入端與信號採集單元的輸入端相連，輸出端用於輸出採樣信號；前一列信
號採集單元的輸入端與後一列的信號採集單元底端之間設有列間開關；控 制單元用於根據採樣工作模式控制各開關組中的開關斷開或閉合操作。
優選的，信號採集單元包括多個採樣電容，每個採樣列電路上設置一 個釆樣電容，用於對該釆樣列的像素進行釆樣。
優選的，列讀出單元包括多個緩衝器，每個採樣列電路上設置一個緩 衝器，用於緩存和讀出該採樣列的採樣信號。
優選的，所述源端列開關組、地端列開關組和列間開關組採用MOS
管開關器件。
本發明提出的圖像信號採樣方法，包括以下情況
1) 正常工作模式釆樣時，控制單元控制源端列開關組和地端列開 關組中的各開關均處在閉合狀態，列間開關組中的各開關均處在斷開狀態； 採樣完成後，從各採樣列的讀出單元讀出採樣信號；
2) 1/X子採樣模式，X為大於l的正整數採樣時，控制單元控制源 端列開關組和地端列開關組中的各開關均處在閉合狀態，列間開關組中的 各開關均處在斷開狀態；採樣完成後，控制第NXX-1列採樣列電路與第N XX列採樣列電路之間的列間開關處於斷開狀態，列間開關組中的其餘各 開關處在閉合狀態；第(N—l) XX列採樣列電路的源端列開關處在斷開 狀態，地端列開關處在閉合狀態，其餘各列的源端列開關和地端列開關處 在斷開狀態；N取l、 2、 3......;從第NXX-1列採樣列電路的列讀出單元
讀出1/X子採樣的採樣信號。
優選的，列讀出單元包括多個緩衝器，每個採樣列電路上設置一個緩 衝器，用於緩存和讀出該採樣列的採樣信號。
優選的，所述源端列開關組、地端列開關組和列間開關組採用MOS 管開關器件。
優選的，所述1/X子採樣模式為1/2子採樣模式。
採用本發明技術方案產生的技術效果是
1.本發明的採樣電路和方法通過工作模式控制電路可以靈活的控制 採樣電路工作在正常模式和1/X子採樣模式下，完成多種不同的採樣方式。
2. 本發明在1/X子採樣模式下，由於通過改變控制電路的連接方式，
使得圖像信號採集單元形成串聯連接，採樣信號增加為原採樣信號的x倍，
解決了圖像傳感器對低光圖像採集困難的技術難題。
3. 本發明的控制電路通過對各開關器件的控制就完成了圖像傳感器
信號增益，並使電路結構更加優化，在增加晶片面積很小的情況下就實現 功能，節約了成本。
圖1是本發明1/X子採樣電路原理圖2是本發明優選實施例1/2子採樣開關組控制時序圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明。
如圖1所示的1/X子採樣電路，控制單元(圖中未畫出)控制三個開關組源端列開關組、地端列開關組和列間開關組，使電路工作在正常工作模式和採樣工作模式。其中S0、 Sl、 S2、……為源端列開關；K0、 Kl、K2、 為地端列開關；KOl、 K12、 K23、 K34、 K45、......為列間開關。每個採樣列電路上分別設置一個源端列開關和一個地端列開關，各相鄰採樣 列間設置列間開關。上述開關與控制單元組成了本發明的工作模式控制電 路。信號採集單元由電容CO、 Cl、 C2、……組成，列讀出單元由緩衝器l、 緩衝器2、……組成，每個採樣列電路分別設置一個電容和一個緩衝器。
像素隊列輸出列方向圖像信號，通過源端列開關SO、 Sl、 S2、……分 別將列方向圖像信號傳遞給緩衝器和電容CO、 Cl、 C2……，其中緩衝器輸 出為列讀出信號，電容C0、 Cl、 C2、……用來對圖像信號進行採樣，C0、 Cl、 C2、 C3、……分別通過地端開關KO、 Kl、 K2、 K3……控制是否連接到 地。列間開關KOl、 K12、 K23、……分別連接在相鄰列中前一列取樣電容 上極板和相鄰列中後一列取樣電容下極板之間。
在正常工作模式下，控制電路的連接為源端列開關S0、 Sl、 S2、……， 地端列開關K0、 Kl、 K2 閉合，列間開關KOl、 K23、 K34、 K45 斷開。第一列像素通過採樣電容C0進行取樣，第二列像素通過採樣電容Cl進行 取樣，……採樣電容C0上的電壓為U0，則採樣電容上的電荷量Q0《0U0， 採樣電容C1上的電壓為U1，則Q1二C1U1，……。取樣後通過緩衝器讀出信號。
對於控制單元的具體實現，最典型的實現方式是通過輸出高低電平的 方式來控制列開關組的通斷。如圖2所示為1/2子採樣時控制單元的控制 時序圖
S
HS為控制開關SO、 Sl、 S2、……的全局時序信號，此信號高電平時 開關閉合。
SKE為控制偶列接地開關KO、 K2、 K4……的全局時序信號，此信號高 電平時開關閉合，在1/2子採樣時一直為高電平。
SK0為控制奇列接地開關K1、 K3、 K5……的全局時序信號，此信號高 電平時開關閉合。
SKD為控制列間開關KOl、 K23、 K45、……的全局時序信號，此信號 高電平時開關閉合。
在1/2子採樣(subsampling)模式下，控制電路的連接為控制信號 SHS控制源端列開關S0、 Sl、 S2、……閉合進行採樣，控制信號SKE和 SKO控制地端列開關K0、 Kl、 K2……閉合，控制信號SKD控制列間開關 KOl、 K23、 K45、……斷開，電容C0、 Cl、 C2、……先進行採樣，此時採 樣電容CO上極板電壓為UO。列間開關K12、 K34、……始終處於斷開狀態。
採樣完成後控制信號SHS控制源端列開關S0、 Sl、 S2、……斷開，控 制信號SK0控制地端列開關K1、 K3、 K5、……斷開，控制信號SKE控制 地端列開關KO、 K2、 K4、……保持閉合，列間開關K12、 K34、……保持斷 開，控制信號SKD控制列間開關KOl、 K23、 K45、 閉合，這樣採樣電
容C1上極板的電壓變為U0+U1，即2U1 (組合列是臨近的，因此認為兩列 採樣電容上採到的電壓是相等的)，則Q1二2C1U1，所以在l/2子採樣時， 圖像信號增加為原來的兩倍。採樣後通過緩衝器讀出信號。上述的源端列 開關組、地端列開關組和列間開關組中的各開關採用MOS管開關器件。
對於1/X子採樣模式(1/X為子採樣的量級，X為大於l的正整數)，
在採樣完成後其列間開關的通斷有所不同。列間開關通斷的目的是形成多 個具有採樣電容電壓x倍疊加的採樣信號電壓，使得採樣得到的圖像信號 增加為原來的X倍。此處就不再通過其他實施例進行闡述。
另外，對於1/2子採樣模式，由於在圖1的電路中列間開關K12、 K34、……始終處於斷開狀態，因此在子採樣模式固定的情況下可以省略上 述開關。對於1/X釆樣，即省略第NXX-1列釆樣列電路與第NXX列釆樣 列電路之間的列間開關，N取1、 2、 3...... (N為1/X採樣時的採樣組數)。
權利要求
1.一種圖像信號採樣電路，包括信號採集單元和列讀出單元，其特徵在於，還包括工作模式控制電路，該控制電路包括控制單元、源端列開關組、地端列開關組和列間開關組；在每個採樣列電路上分別設置一個源端列開關和一個地端列開關，源端列開關連接在信號源和信號採集單元的輸入端之間，地端列開關連接在地和信號採集單元的底端之間；列讀出單元的輸入端與信號採集單元的輸入端相連，輸出端用於輸出採樣信號；前一列信號採集單元的輸入端與後一列的信號採集單元底端之間設有列間開關；控制單元用於根據採樣工作模式控制各開關組中的開關斷開或閉合操作。
2. 根據權利要求1所述的圖像信號採樣電路，其特徵在於，所述信 號採集單元包括多個採樣電容，每個採樣列電路上設置一個採樣電容，用 於對該採樣列的像素進行採樣。
3. 根據權利要求1或2所述的圖像信號採樣電路，其特徵在於，所 述列讀出單元包括多個緩衝器，每個採樣列電路上設置一個緩衝器，用於 緩存和讀出該採樣列的採樣信號。
4. 根據權利要求1或2所述的圖像信號採樣電路，其特徵在於，所 述源端列開關組、地端列開關組和列間開關組採用MOS管開關器件。
5. 根據權利要求3所述的圖像信號採樣電路，其特徵在於，所述源 端列開關組、地端列開關組和列間開關組採用MOS管開關器件。
6. —種圖像信號採樣方法，其特徵在於，所述方法包括以下情況1) 正常工作模式採樣時，控制單元控制源端列開關組和地端列開關組中的各開關均處在閉合狀態，列間開關組中的各開關均處在斷開狀態； 採樣完成後，從各採樣列的讀出單元讀出採樣信號；2) 1/X子採樣模式時，1/X為子採樣的量級，X為大於l的正整數 採樣時，控制單元控制源端列開關組和地端列開關組中的各開關均處在閉 合狀態，列間開關組中的各開關均處在斷開狀態；採樣完成後，控制第N XX-1列採樣列電路與第NXX列採樣列電路之間的列間開關處於斷開狀 態，列間開關組中的其餘各開關處在閉合狀態；第(N—l) XX列採樣列 電路的源端列開關處在斷開狀態，地端列開關處在閉合狀態，其餘各列的 源端列開關和地端列開關處在斷開狀態；N取l、 2、 3......， N為l/X採樣時的採樣組數;從第NXX-1列採樣列電路的列讀出單元讀出1/X子採樣 的採樣信號。
7. 根據權利要求6所述的圖像信號釆樣方法，其特徵在於，所述列 讀出單元包括多個緩衝器，每個採樣列電路上設置一個緩衝器，用於緩存 和讀出該採樣列的採樣信號。
8. 根據權利要求6或7所述的圖像信號採樣方法，其特徵在於，所 述源端列開關組、地端列開關組和列間開關組採用MOS管開關器件。
9. 根據權利要求6或7所述的圖像信號採樣方法，其特徵在於，所 述1/X子釆樣模式為1/2子採樣模式。
10. 根據權利要求8所述的圖像信號採樣方法，其特徵在於，所述1/X 子採樣模式為1/2子採樣模式。
全文摘要
本發明公開了一種圖像信號採樣電路及其方法，電路包括信號採集單元、列讀出單元、工作模式控制電路。該控制電路包括控制單元、源端列開關組、地端列開關組和列間開關組；在每個採樣列電路上分別設置一個源端列開關和一個地端列開關，源端列開關連接在信號源和信號採集單元的輸入端之間，地端列開關連接在地和信號採集單元的底端之間；列讀出單元的輸入端與信號採集單元的輸入端相連，輸出端用於輸出採樣信號；前一列信號採集單元的輸入端與後一列的信號採集單元底端之間設有列間開關；控制單元用於根據採樣工作模式控制各開關組中的開關斷開或閉合操作。採用本發明可以實現圖像傳感器信號增益，電路結構更加優化，晶片面積增加較小，並節約了成本。
文檔編號H04N5/335GK101197921SQ200610157429
公開日2008年6月11日 申請日期2006年12月7日 優先權日2006年12月7日
發明者付璟軍, 衛 馮, 芳 劉, 胡文閣, 輝 趙 申請人:比亞迪股份有限公司