一种cmos图像传感器的模拟图像信号处理方法及其电路的制作方法

专利名称：一种cmos图像传感器的模拟图像信号处理方法及其电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及通用图像数据处理，尤其是涉及一种在低端图像和视频信息 产品中占据主导地位的CMOS图像传感器的模拟图像信号处理方法及其电 路。
背景技术：
现有互补型金属氧化物半导体图像传感器(Complementary Metal-Oxide- Semiconductor Transistor Image Sensor,简称CMOS图像传感器)的信 号处理电路包括前端的模拟图像信号处理电路和后端的数字图像信号处理 电路。前端的模拟图像信号处理电路包括可以消除电路固定模式噪声(Fixed Pattern Noise,简称FPN)的相关双采样(Correlate Doubled Sampling,简称 CDS)电路、色彩增益控制电路、曝光控制电路和暗光背景控制电路；后 端的数字图像信号处理电路包括模数转换器和数字图像信号处理器。现有 CMOS图像传感器的前端图像信号处理电路是采用多个电路模块或多级电 路分别对像素矩阵提供的红色、绿1色、绿2色、蓝色(简称R、 Gl、 G2、 B)信号进行曝光增益控制、色彩增益控制和暗光背景控制，处理电路功能 单一，电路复杂，增大了芯片面积，提高了制造成本，制约了产品小型化， 尤其是不能完全消除由采样电路及其后级电路器件差异所带来的FPN噪 声。发明内容本发明所要解决的一个技术问题是弥补上述现有技术的缺陷，提出一种 能更好的去除图像噪声、简化电路，縮小芯片面积、降低成本的CMOS图 像传感器的模拟图像信号处理方法。本发明所要解决的另一个技术问题是弥补上述现有技术的缺陷，提出一 种能更好的去除图像噪声、简化电路，縮小芯片面积、降低成本的CMOS 图像传感器的模拟图像信号处理电路。
对于本发明的CMOS图像传感器的模拟图像信号处理方法来说，其技 术问题通过以下技术方案予以解决。这种CMOS图像传感器的模拟图像信号处理方法的特点是将像素矩阵分为奇数列像素和偶数列像素的对称两路，并通过相应的时 序控制，将每一像素信号的相关双采样值在列时钟的正半周和负半周先后 直接分别送至相应的两路对称、且仅由一级开关电容差分运算放大电路组 成的奇、偶数列像素模拟图像信号处理电路中分别进行减法运算，运算结 果在列时钟的负半周结束前取得，以完全消除由不同列中的采样电路及其 列驱动电路器件差异所产生的动态噪声和电路固定模式噪声。对于本发明的CMOS图像传感器的模拟图像信号处理方法来说，其技 术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。通过所述开关电容差分运算放大电路的两组参数完全对称配置且容量 由数字图像信号处理器输出的二进制的奇偶行增益值即色彩增益值控制同 步调节的可调/固定色彩增益控制正、反相输入开关电容阵列，以及两组参 数完全对称配置且容量由数字图像信号处理器输出的二进制的曝光增益值 控制同步调节的曝光增益控制正、反相反馈开关电容阵列，分别对像素矩 阵提供的R、 Gl、 G2、 B信号实现色彩增益控制和曝光增益控制。还可以通过所述开关电容差分运算放大电路的两组参数完全对称配置 且容量由数字图像信号处理器输出的二进制的曝光增益值控制同步调节的 暗光背景控制正、反相输入开关电容阵列，以及设置在暗光背景控制正、 反相输入开关电容阵列输入端将暗光背景控制电路输出的二进制的暗光背 景值转换为偏移电压的正、负向暗光背景数模转换电路，分别对像素矩阵 提供的R、 Gl、 G2、 B信号实现不受曝光增益控制影响的暗光背景控制。对于本发明的CMOS图像传感器的模拟图像信号处理方法来说，其技 术问题通过以下再进一步的技术方案予以解决。所述同步调节的色彩增益控制输入开关电容阵列、曝光增益控制反馈开 关电容阵列以及暗光背景控制输入开关电容阵列，是在二进制的控制值控 制下由数量为3 8、容量成公比为2的等比数列电容依次接入并联所组成的 开关电容阵列，其同步调节通过内部或者外部数字图像信号处理器自动反
馈控制。所述奇偶行增益值即色彩增益值、曝光增益值控制的调节级数为23~28 即8~256，通过内部或者外部数字图像信号处理器自动反馈控制色彩增益控 制输入开关电容阵列、曝光增益控制反馈开关电容阵列的容量实现同步调 节。所述暗光背景值控制的调节级数为23~28即8~256，通过内部暗光背景 控制电路自动反馈同步调节其输出的3~8位的二进制的正、负向暗光背景 值，即相应的暗光背景正、反相输入开关电容阵列的输入端的正、负向偏 移电压值实现。对于本发明的CMOS图像传感器的模拟图像信号处理电路来说，其技 术问题通过以下技术方案予以解决。这种CMOS图像传感器的模拟图像信号处理电路的特点是设有与CMOS图像传感器的像素矩阵的奇、偶数列分别相连接的奇、 偶数列像素采样及列选择电路，以及与所述奇、偶数列像素采样及列选择 电路分别相连接的两路对称的奇、偶数列像素模拟图像信号处理电路，按 照图像阵列的奇、偶数列将图像信号分为两路分别处理，每一路模拟图像 信号处理电路的输入信号是按时间串行逐列输入的某一行中的奇数列或偶 数列的像素信号，在每一行的时间内输入到模拟图像信号处理电路的所有 列像素信号是相同颜色的像素信号，而每一路模拟信号处理电路按照奇偶 行划分每一行处理不同颜色的像素信号。还设有时序控制电路和行选择电路，所述时序控制电路产生频率相等、 相位相反的奇、偶列时钟信号，其输入端与外部时钟输入信号源相连接， 行时钟输出端与行选择电路的行时钟信号端相连接，奇列时钟输出端分别 与奇数列像素采样及列选择电路、奇数列像素模拟图像信号处理电路相连 接，偶列时钟输出端分别与偶数列像素采样及列选择电路、偶数列像素模 拟图像信号处理电路相连接。由时序控制电路产生的频率相等、相位相反的奇、偶列时钟信号分别使 奇、偶数列像素采样及列选择电路同步，在任何一行的行时钟信号周期内， 奇、偶数列像素采样及列选择电路将该行所有奇、偶数列像素信号分别逐
列送至奇、偶数列像素模拟图像信号处理电路，而任何一行的每一列的像 素信号是经过相关双采样取得的。所述行选择电路的行时钟信号输入端与时序控制电路的行时钟信号输 出端连接，行选择电路的每个输出端与像素矩阵的每一行分别相连接，其 奇、偶选择输出端与奇、偶数列像素模拟图像信号处理电路的两个奇偶行 选择电路输入端都相连接。当行选择电路解码出第1行时，第1行的像素被选通送至奇、偶数列像素采样及列选择电路进行采样；当行选择电路解码出第2行时，第2行的 像素被被选通送至奇、偶数列像素采样及列选择电路进行采样，逐行依次 类推。当行选择电路输送出奇数行地址l、 3、 5……时，在一行的行时钟信号 的一周期内，由奇数列像素采样及列选择电路逐列送出的所有像素信号是 R、 Gl、 G2、 B中的R单色光的像素信号，而由偶数列像素采样及列选择 电路逐列送出的所有像素信号是R、 Gl、 G2、 B中的Gl单色光的像素信 号。当行选择电路输送出偶数行地址O、 2、 4……时，在一行的行时钟信号 的一周期内，由奇数列像素采样及列选择电路逐列送出的所有像素信号是 R、 Gl、 G2、 B中的G2单色光的像素信号，而由偶数列像素采样及列选择 电路逐列送出的所有像素信号是R、 Gl、 G2、 B中的B单色光的像素信号。对于本发明的CMOS图像传感器的模拟图像信号处理电路来说，其技 术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。所述开关电容差分运算放大电路，其控制端分别与数字图像信号处理器 输出二进制的奇偶行增益值即色彩增益值、曝光增益值的输出端，以及暗 光背景控制电路输出二进制的正向和负向暗光背景值的输出端相连接，其 差分输出端都连接至同一模数转换器的差分输入端；在奇、偶数列像素采 样及列选择电路是双端输出差分的串行电压图像信号时，其正相输入端和 反相输入端与奇、偶数列像素采样及列选择电路的正、反向模拟图像信号 输出端分别相连接；在奇、偶数列像素采样及列选择电路是单端输出串行 电压图像信号时，其正相输入端与奇、偶数列像素采样及列选择电路的单 端模拟图像信号输出端相连接，反相输入端与固定直流电平相连接。所述奇、偶数列像素模拟图像信号处理电路采用以开关电容作为输入和 反馈回路的差分运算放大电路，可以实现信号的取样和保持，通过设置色 彩增益控制输入开关电容阵列、曝光增益控制反馈开关电容阵列和暗光背 景控制输入开关电容阵列，以及暗光背景数模转换电路，就可以实现色彩 增益控制、曝光增益控制和暗光背景控制，而且可以实现暗光背景控制不 受曝光增益控制的影响。此外，釆用以开关电容作为输入和反馈回路的差 分运算放大电路，还具有占用芯片面积小，功耗低的优点，可以在保证成像效果的前提下，縮小CMOS图像传感器芯片的面积，降低制造成本，有 利于最终产品小型化。所述开关电容差分运算放大电路包括色彩增益控制输入开关电容阵列。 所述色彩增益控制输入开关电容阵列是两组参数完全对称配置且容量由数 字图像信号处理器输出的二进制的奇偶行增益值即色彩增益值控制同步调 节的可调/固定色彩增益控制正、反相输入开关电容阵列，可调色彩增益控 制正、反相输入开关电容阵列的同步调节控制端与奇偶行色彩增益选择电 路的输出端相连接，奇偶行色彩增益选择电路的两个输入端分别连接至数 字图像信号处理器的奇、偶行增益值即色彩增益值的输出端，以具备色彩 增益控制功能；固定色彩增益控制正、反相输入开关电容阵列无同步调节 控制端，不具备色彩增益控制功能；在奇、偶数列像素采样及列选择电路 是双端输出差分的串行电压图像信号时，所述可调/固定色彩增益控制正相 输入开关电容阵列设置在开关电容差分运算放大电路的同相输入端和奇、 偶数列像素采样及列选择电路输出端之间，用于输入正向的模拟图像信号; 可调/固定色彩增益控制反相输入开关电容阵列设置在开关电容差分运算放 大电路的反相输入端和采样电路模拟图像信号处理电路输出端之间，用于 输入负向的模拟图像信号；在奇、偶数列像素采样及列选择电路是单端输 出串行电压图像信号时，所述可调/固定色彩增益控制正相输入开关电容阵 列设置在开关电容差分运算放大电路的同相输入端和奇、偶数列像素采样 及列选择电路输出端之间，所述可调/固定色彩增益控制反相输入开关电容 阵列设置在开关电容差分运算放大电路的反相输入端和固定直流电平输出
端之间。所述奇偶行色彩增益选择电路是一个两路复用电路，其两个输入端分别 连接至数字图像信号处理器的奇、偶行增益值即色彩增益值的输出端，选 择控制端连接至行选择电路的输出端，而输出端与色彩增益控制输入开关 电容阵列的同步调节控制端相连接。当行选择电路解码输出奇数行地址l、 3、 5……时，奇偶行色彩增益选 择电路选通奇行增益值，设置奇、偶数列像素模拟图像信号处理电路在奇 数行处理不同色彩的像素信号的奇行增益值即色彩增益值。当行选择电路解码输出偶数行地址O、 2、 4,……时，奇偶行色彩增益选 择电路选通偶行增益值，设置奇、偶数列像素模拟图像信号处理电路在偶 数行处理不同色彩的像素信号的偶行增益值即色彩增益值。所述奇偶行增益值即色彩增益值通过内部或者外部数字图像信号处理 器自动反馈控制色彩增益控制输入开关电容阵列的容量实现同步调节。所述开关电容差分运算放大电路还包括曝光增益控制反馈开关电容阵 列。所述曝光增益控制反馈开关电容阵列是两组参数完全对称配置且容量 由数字图像信号处理器输出的二进制的曝光增益值控制同步调节的曝光增 益控制正、反相反馈开关电容阵列，所述曝光增益控制正相反馈开关电容 阵列设置在开关电容差分运算放大电路的正相输出端和反相输入端之间， 所述曝光增益控制反相输入开关电容阵列设置在开关电容差分运算放大电 路的反相输出端和同相输入端之间，曝光增益控制正、反相反馈开关电容 阵列的同步调节控制端与数字图像信号处理器的输出二进制的曝光增益值 的输出端相连接，以实现曝光增益控制。所述曝光增益值控制通过内部或者外部数字图像信号处理器自动反馈 控制曝光增益控制反馈开关电容阵列的容量实现同步调节。所述开关电容差分运算放大电路还可以包括暗光背景控制输入开关电 容阵列，以具备暗光背景控制功能。所述暗光背景控制输入开关电容阵列 是两组参数完全对称配置且容量由数字图像信号处理器输出的二进制的曝 光增益值控制同步调节的暗光背景控制正、反相输入开关电容阵列。所述 暗光背景控制正相输入开关电容阵列设置在开关电容差分运算放大电路的 同相输入端和正向暗光背景数模转换电路输出端之间，用于输入正向暗光
背景偏移电压，所述暗光背景控制反相输入开关电容阵列设置在开关电容 差分运算放大电路的反相输入端和负向暗光背景数模转换电路输出端之 间，用于输入负向暗光背景偏移电压，正、负向暗光背景数模转换电路的 输入端与暗光背景控制电路输出二进制的正向和负向暗光背景值的输出端 相连接，暗光背景控制输入开关电容阵列的同步调节控制端与暗光背景控 制电路输出二进制的曝光增益值的输出端相连接，以保证图像的暗光背景 在调节曝光增益时不受影响，实现不受曝光增益控制影响的暗光背景控制。所述暗光背景值控制通过内部暗光背景控制电路自动反馈同步调节其 输出的二进制的正、负向暗光背景值即相应的暗光背景正、反相输入开关 电容阵列的输入端的正、负向偏移电压值实现。所述开关电容差分运算放大电路也可以不包括暗光背景控制输入开关 电容阵列，以及正、负向暗光背景数模转换电路，只是不具备暗光背景控 制功能。所述同步调节的色彩增益控制输入开关电容阵列、曝光增益控制反馈开 关电容阵列以及暗光背景控制输入开关电容阵列，是在二进制的控制值控制下由数量为3 8、容量成公比为2的等比数列电容依次接入并联所组成的 开关电容阵列，其同步调节通过内部或者外部数字图像信号处理器自动反 馈控制。并联的电容数量越多，色彩增益控制、曝光增益控制的调节级数 越多，相应的控制分辨率越高，但是，相应的电路成本也就越高。本发明与现有技术对比的有益效果是(1) 本发明的模拟图像信号处理电路仅采用一级开关电容差分运算放 大电路，就可以实现色彩增益控制、曝光增益控制和暗光背景控制，而且可以实现暗光背景控制不受曝光增益控制的影响；(2) 本发明将像素矩阵分为奇数列像素和偶数列像素的对称两路，并 通过相应的时序控制，将每一像素信号的相关双釆样值在列时钟的正半周 和负半周先后直接分别送至相应的两路对称的一级开关电容差分运算放大 电路中分别进行减法运算，可以完全消除由不同列中的采样电路及其列驱 动电路器件差异所产生的动态噪声和电路固定模式噪声；(3 )本发明的方法和电路在保证成像效果的前提下，简化了电路结构，縮小了 CMOS图像传感器芯片的面积，降低了制造成本，有利于最终产品 小型化；(4 )本发明采用开关电容差分运算放大电路作为高速模数转换器的驱 动电路，可以为高速模数转换器提供差分输入，进一步提高图像信号动态 范围和信噪比。;面对照附图并结合具体实施方式
对本发明作出进一步的说明。

图1是本发明电路与其它相关电路的连接示意图；图2是本发明的具体实施方式
的组成方框图；图3是本发明的具体实施方式
的时序信号波形示意图。
具体实施方式
一种CMOS图像传感器的模拟图像信号处理电路设有与CMOS图像传感器的像素矩阵的奇、偶数列分别相连接的奇、 偶数列像素采样及列选择电路1、 2，以及与所述奇、偶数列像素采样及列 选择电路l、 2分别相连接的两路对称的奇、偶数列像素模拟图像信号处理 电路3、 4，按照图像阵列的奇、偶数列将图像信号分为两路分别处理。奇、偶数列像素采样及列选择电路l、 2单端输出串行电压图像信号。 奇、偶数列像素模拟图像信号处理电路3、 4分别是一级开关电容差分运算 放大电路13。每一路模拟图像信号处理电路3、 4的输入信号是按时间串行 逐列输入的某一行中的奇数列或偶数列的像素信号，在每一行的时间内输 入到模拟图像信号处理电路3、4的所有列像素信号是相同颜色的像素信号， 而每一路模拟信号处理电路3、 4按照奇偶行划分每一行处理不同颜色的像 素信号。还设有时序控制电路5和行选择电路6，所述时序控制电路5产生频率 相等、相位相反的奇、偶列时钟信号，其输入端与外部时钟输入信号源相 连接，行时钟输出端与行选择电路6的行时钟信号端相连接，奇列时钟输 出端分别与奇数列像素采样及列选择电路1、奇数列像素模拟图像信号处理 电路3相连接，偶列时钟输出端分别与偶数列像素采样及列选择电路2、偶 数列像素模拟图像信号处理电路4相连接。由时序控制电路5产生的频率相等、相位相反的奇、偶列时钟信号分别 列选择电路l、 2同步，在任何一行的行时钟信号周期内，奇、偶数列像素采样及列选择电路l、 2将该行所有奇、偶数列像 素信号分别逐列送至奇、偶数列像素模拟图像信号处理电路3、 4，而任何 一行的每一列的像素信号是经过相关双采样取得的。所述行选择电路6的一个输出端与像素矩阵的每一行相连接。另两个输 出端分别与奇、偶数列像素模拟图像信号处理电路3、 4的奇偶行选择电路 7的输入端相连接。当行选择电路6解码出第1行时，第1行的像素被选通送至奇、偶数列 像素采样及列选择电路1、 2进行采样；当行选择电路6解码出第2行时， 第2行的像素被被选通送至奇、偶数列像素采样及列选择电路l、 2进行采 样，逐行依次类推。当行选择电路6输送出奇数行地址1、 3、 5……时，在一行的行时钟信 号的一周期内，由奇数列像素采样及列选择电路1逐列送出的所有像素信 号是R、 Gl、 G2、 B中的R单色光的像素信号，而由偶数列像素采样及列 选择电路2逐列送出的所有像素信号是R、 Gl、 G2、 B中的Gl单色光的 像素信号。当行选择电路6输送出偶数行地址0、 2、 4……时，在一行的行时钟信 号的一周期内，由奇数列像素采样及列选择电路1逐列送出的所有像素信 号是R、 Gl、 G2、 B中的G2单色光的像素信号，而由偶数列像素采样及 列选择电路2逐列送出的所有像素信号是R、 Gl、 G2、 B中的B单色光的 像素信号。所述开关电容差分运算放大电路13包括色彩增益控制输入开关电容阵 列。所述色彩增益控制输入幵关电容阵列是两组参数完全对称配置且容量 由数字图像信号处理器8输出的二进制的奇偶行增益值即色彩增益值控制 同步调节的可调/固定色彩增益控制正、反相输入开关电容阵列C1、 C2;所 述可调/固定色彩增益控制正相输入开关电容阵列Cl设置在开关电容差分 运算放大电路13的同相输入端INp和奇、偶数列像素采样及列选择电路输 出端IN+之间，所述可调/固定色彩增益控制反相输入开关电容阵列C2设置 在开关电容差分运算放大电路13的反相输入端INn和固定直流电平输出端
Vref之间；可调色彩增益控制正、反相输入开关电容阵列C1、 C2的同步调 节控制端与奇偶行色彩增益选择电路7的输出端相连接，奇偶行色彩增益选择电路7的两个输入端分别连接至数字图像信号处理器8的奇、偶行增 益值即色彩增益值的输出端，以具备色彩增益控制功能；固定色彩增益控 制正、反相输入开关电容阵列C1、 C2无同步调节控制端，不具备色彩增益 控制功能。所述奇偶行色彩增益选择电路7是一个两路复用电路，其两个输入端分 别连接至数字图像信号处理器8的奇、偶行增益值即色彩增益值的输出端， 选择控制端连接至行选择电路6的输出端，而输出端与色彩增益控制输入 开关电容阵列C1、 C2的同步调节控制端相连接。当行选择电路6解码输出奇数行地址1、 3、 5……时，奇偶行色彩增益 选择电路7选通奇行增益值，设置奇、偶数列像素模拟图像信号处理电路3、 4在奇数行处理不同色彩的像素信号的奇行增益值即色彩增益值。当行选择电路6解码输出偶数行地址0、 2、 4，……时，奇偶行色彩增益 选择电路7选通偶行增益值，设置奇、偶数列像素模拟图像信号处理电路3、 4在偶数行处理不同色彩的像素信号的偶行增益值即色彩增益值。所述开关电容差分运算放大电路13还包括曝光增益控制反馈开关电容 阵列C3、 C4。所述曝光增益控制反馈开关电容阵列C3、 C4是两组参数完 全对称配置且容量由数字图像信号处理器8输出的二进制的曝光增益值控 制同步调节的曝光增益控制反馈开关电容阵列，分别设置在开关电容差分 运算放大电路13的正相输出端和反相输入端之间，以及反相输出端和同相 输入端之间，曝光增益控制反馈开关电容阵列C3、 C4的同步调节控制端与 数字图像信号处理器8的输出二进制的曝光增益值的输出端相连接，以实 现曝光增益控制。所述开关电容差分运算放大电路13还可以包括暗光背景控制输入开关 电容阵列，以具备暗光背景控制功能。所述暗光背景控制输入开关电容阵 列是两组参数完全对称配置且容量由数字图像信号处理器8输出的二进制 的曝光增益值控制同步调节的暗光背景控制正、反相输入开关电容阵列C5、 C6。所述暗光背景控制正相输入开关电容阵列C5设置在开关电容差分运算 放大电路13的同相输入端INp和正向暗光背景数模转换电路输出端11
间，用于输入正向暗光背景偏移电压，所述暗光背景控制反相输入开关电容阵列C6设置在开关电容差分运算放大电路13的反相输入端INn和负向 暗光背景数模转换电路输出端12之间，用于输入负向暗光背景偏移电压， 正、负向暗光背景数模转换电路ll、 12的输入端与暗光背景控制电路9输 出二进制的正向和负向的暗光背景值的输出端相连接，暗光背景控制正、 反相输入开关电容阵列C5、 C6的同步调节控制端与数字图像信号处理器8 输出二进制的曝光增益值的输出端相连接，以保证图像的暗光背景在调节 曝光增益时不受影响，实现不受曝光增益控制影响的暗光背景控制。所述开关电容差分运算放大电路13也可以不包括暗光背景控制输入开 关电容阵列，以及正、负向暗光背景数模转换电路，只是不具备暗光背景 控制功能。所述曝光增益、奇偶行色彩增益、暗光背景的调节级数为26即64。 同步调节的输入、反馈开关电容阵列C1 C6是在二进制的控制值控制 下由数量为6、容量成公比为2的等比数列电容依次接入并联所组成的开关 电容阵列，其同步调节的控制是通过内部或外部的数字图像信号处理器8自动反馈调节。所述采用的开关电容差分运算放大电路13的传递函数包括v out outn二[Vtn+—Vw-]X (Cin/Cout) +Voffset............ (1)Voffset= (V。饰一VoQh) ............ (2)其中，V。ut是输出电压；V。utp是正相输出电压； V。utn是反相输出电压；VrN+是正相输入电压；V!n.是反相输入电压； Qn是输入电容； C。ut是反馈电容； V。^t是偏移电压,；V。饰是由暗光正向背景值经数模转换后的正向偏移电压； V。a是由暗光反向背景值经数模转换后的反向偏移电压。
本具体实施方式
对不同颜色的像素信号实现色彩增益控制的具体控制 过程如下根据公式(1)，在反馈电容C。ut不变的前提下，在理想匹配时，C。ut =C1 = C2=C5=C6，通过控制色彩增益控制信号在输入R、 (Gl、 G2)、 B三基色光的像素信号的不同时刻相应调节色彩增益控制正、反相输入开 关电容阵列的容量C1、 C2，可以调节开关电容差分运算放大电路13的增 益，分别调节R、 (Gl、 G2)、 B三基色光的像素信号增益，实现色彩增益 控制。当行地址解码送出偶数行地址O、 2、 4……时，假设奇数列像素采样及 列选择电路1送至用于奇数列像素模拟信号处理的开关电容差分运算放大 电路13的信号是R单色光的像素信号，偶数列像素采样及列选择电路2送 至用于偶数列像素模拟信号处理的开关电容差分运算放大电路13的信号是 Gl单色光的像素信号。经过奇偶行色彩增益选择电路7选择奇行增益值,控制用于奇数列像素 模拟信号处理的开关电容差分运算放大电路13的控制端，就可以控制R单 色光的色彩增益。经过奇偶行色彩增益选择电路7选择偶行增益值，控制用于偶数列像素 模拟信号处理的开关电容差分运算放大电路13的控制端，就可以控制Gl 单色光的色彩增益。当行地址解码送出奇数行地址l、 3、 5……时，假设奇数列像素采样及 列选择电路1送至用于奇数列像素模拟信号处理的开关电容差分运算放大 电路13的信号是G2单色光的像素信号，偶数列像素采样及列选择电路2 送至用于偶数列像素模拟信号处理的开关电容差分运算放大电路13的信号 是B单色光的像素信号。经过奇偶行色彩增益选择电路7选择奇行增益值，控制用于奇数列像素 模拟信号处理的开关电容差分运算放大电路13的控制端，就可以控制G2 单色光的色彩增益。经过奇偶行色彩增益选择电路7选择偶行增益值，控制用于偶数列像素 模拟信号处理的开关电容差分运算放大电路13的控制端，就可以控制B单
色光的色彩增益。在实际电路中，可以将色彩增益控制正、反相输入开关电容阵列Cl、 C2设定为固定电容，并省略奇偶行选择电路及色彩增益控制端，这种简化 电路无色彩增益控制功能。本具体实施方式
对不同颜色的像素信号实现曝光增益控制的具体控制 过程如下根据公式(1)，在一定色彩增益下，输入电容Qn已固定，在理想匹配 时，Cin=C3=C4,通过数字图像信号处理器8的输出端同步调节正、反 相反馈开关电容阵列C3、 C4的容量，即改变反馈电容C。ut的容量，理想匹 配时，C。ut=C3=C4=C5=C6，模拟图像信号处理电路3、 4的增益就 会得到调节，此时，所有奇偶行输入信号都一样受到控制，所有色彩的增 益都同时随曝光增益控制值变化，实现曝光增益控制。本具体实施方式
对不同颜色的像素信号实现暗光背景控制的具体控制 过程如下在暗光条件下，当同步调节的输入、反馈开关电容阵列C1 C6容量不 变时，改变暗光背景控制值，模拟图像信号处理电路3、 4的输出随之改变， 即可得到所需的暗光背景值。从公式(1 )和图2中可知，如果暗光背景 控制正、反相输入开关电容阵列C 5和C 6不随曝光增益控制反馈开关电容 阵列C3和C4改变，暗光背景的输出就会随曝光增益控制改变。理想匹配 时，C。ut=C3=C4=C5=C6，即选择暗光背景控制正、反相输入开关电 容阵列C5、 C6和曝光增益控制反馈开关电容阵列C3、 C4为相同电容时， 可以实现独立的暗光背景控制，不会随色彩增益控制和曝光增益控制变化 而改变。在实际电路中，也可以省略暗光背景控制正、反相输入开关电容阵列 C5、 C6及暗光背景数模转换电路，这种简化电路无暗光背景控制功能。 本具体实施方式
同时消除动态噪声和FPN噪声的具体处理过程如下 根据模拟信号处理电路的开关电容差分运算放大电路特性，对每一个像 素的曝光前、后的信号分别相关双采样，然后进行减法运算，输出完全消 除了动态噪声和电路固定模式噪声信号。
假设在正相输入开关电容阵列C3的输入端，奇列(或偶列)时钟信号 的正半周期输入像素曝光后信号vsig，奇列(或偶列)时钟信号的负半周期 输入此像素曝光前信号vres,根据电荷平衡原理，在时钟信号正半周期对整个电路复位，就可在时钟信号的负半周期得到两个信号的差值A Vin=Vres-Vsig,以消除由不同列中的采样电路及其列驱动电路器件差异所产 生的动态噪声和电路固定模式噪声。试用表明:本具体实施方式
将像素矩阵分为奇数列像素和偶数列像素的 对称两路，通过时序控制，分别由两路对称的模拟图像信号处理电路处理。 每一路模拟图像信号处理电路仅由一级开关电容差分运算放大电路就能实 现色彩增益控制、曝光增益控制和暗光背景控制，并能完全消除由采样电 路及其后级电路器件差异所带来的FPN噪声。在保证成像效果的前提下， 使电路结构更加简化，縮小了 CMOS图像传感器芯片的面积，有利于最终 产品小型化，降低了制造成本。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说 明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术 领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若 干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的 专利保护范围。
权利要求
1.一种CMOS图像传感器的模拟图像信号处理方法，其特征在于将像素矩阵分为奇数列像素和偶数列像素的对称两路，并通过相应的时序控制，将每一像素信号的相关双采样值在列时钟的正半周和负半周先后直接分别送至相应的两路对称、且仅由一级开关电容差分运算放大电路组成的奇、偶数列像素模拟图像信号处理电路中分别进行减法运算，运算结果在列时钟的负半周结束前取得。
2. 按照权利要求1所述的CMOS图像传感器的模拟图像信号处理方 法，其特征在于-通过所述开关电容差分运算放大电路的两组参数完全对称配置且容量 由数字图像信号处理器输出的二进制的奇偶行增益值即色彩增益值控制同 步调节的可调/固定色彩增益控制正、反相输入开关电容阵列，以及两组参 数完全对称配置且容量由数字图像信号处理器输出的二进制的曝光增益值 控制同步调节的曝光增益控制正、反相反馈开关电容阵列，分别对像素矩 阵提供的R、 Gl、 G2、 B信号实现色彩增益控制和曝光增益控制。
3. 按照权利要求1或2所述的CMOS图像传感器的模拟图像信号处理 方法，其特征在于-还可以通过所述开关电容差分运算放大电路的两组参数完全对称配置 且容量由数字图像信号处理器输出的二进制的曝光增益值控制同步调节的 暗光背景控制正、反相输入开关电容阵列，以及设置在暗光背景控制正、 反相输入开关电容阵列输入端将暗光背景控制电路输出的二进制的暗光背 景值转换为偏移电压的正、负向暗光背景数模转换电路，分别对像素矩阵 提供的R、 Gl、 G2、 B信号实现不受曝光增益控制影响的暗光背景控制。
4. 按照权利要求3所述的CMOS图像传感器的模拟图像信号处理方 法，其特征在于所述同步调节的色彩增益控制输入开关电容阵列、曝光增益控制反馈 开关电容阵列以及暗光背景控制输入开关电容阵列，是在二进制的控制值 控制下由数量为3 8、容量成公比为2的等比数列电容依次接入并联所组 成的开关电容阵列，其同步调节通过内部或者外部数字图像信号处理器自动反馈控制；所述奇偶行增益值即色彩增益值、曝光增益值控制的调节级数为23 28 即8~256，通过内部或者外部数字图像信号处理器自动反馈控制色彩增益 控制输入开关电容阵列、曝光增益控制反馈开关电容阵列的容量实现同步 调节；所述暗光背景值控制的调节级数为23 28即8 256，通过内部暗光背景 控制电路自动反馈同步调节其输出的3 8位的二进制的正、负向暗光背景 值，即相应的暗光背景正、反相输入开关电容阵列的输入端的正、负向偏 移电压值实现。
5. —种CMOS图像传感器的模拟图像信号处理电路，其特征在于 设有与CMOS图像传感器的像素矩阵的奇、偶数列分别相连接的奇、偶数列像素采样及列选择电路，以及与所述奇、偶数列像素采样及列选择 电路分别相连接的两路对称的奇、偶数列像素模拟图像信号处理电路，按 照图像阵列的奇、偶数列将图像信号分为两路分别处理，每一路模拟图像 信号处理电路的输入信号是按时间串行逐列输入的某一行中的奇数列或偶 数列的像素信号，在每一行的时间内输入到模拟图像信号处理电路的所有 列像素信号是相同颜色的像素信号，而每一路模拟信号处理电路按照奇偶 行划分每一行处理不同颜色的像素信号；还设有时序控制电路和行选择电路，所述时序控制电路产生频率相等、 相位相反的奇、偶列时钟信号，其输入端与外部时钟输入信号源相连接， 行时钟输出端与行选择电路的行时钟信号端相连接，奇列时钟输出端分别 与奇数列像素采样及列选择电路、奇数列像素模拟图像信号处理电路相连 接，偶列时钟输出端分别与偶数列像素采样及列选择电路、偶数列像素模 拟图像信号处理电路相连接；所述行选择电路的行时钟信号输入端与时序 控制电路的行时钟信号输出端连接，行选择电路的每个输出端与像素矩阵 的每一行分别相连接，其奇、偶选择输出端与奇、偶数列像素模拟图像信 号处理电路的两个奇偶行选择电路输入端都相连接。
6. 按照权利要求5所述的CMOS图像传感器的模拟图像信号处理电 路，其特征在于所述开关电容差分运算放大电路，其控制端分别与数字图像信号处理器输出二进制的奇偶行增益值即色彩增益值、曝光增益值的输出端，以及 暗光背景控制电路输出二进制的正向和负向暗光背景值的输出端相连接，其差分输出端都连接至同一模数转换器的差分输入端；在奇、偶数列像素采样及列选择电路是双端输出差分的串行电压图像 信号时，其正相输入端和反相输入端与奇、偶数列像素采样及列选择电路 的正、反向模拟图像信号输出端分别相连接；在奇、偶数列像素采样及列选择电路是单端输出串行电压图像信号时， 其正相输入端与奇、偶数列像素采样及列选择电路的单端模拟图像信号输 出端相连接，反相输入端与固定直流电平相连接。
7.按照权利要求5或6所述的CMOS图像传感器的模拟图像信号处理 电路，其特征在于-所述开关电容差分运算放大电路包括色彩增益控制输入开关电容阵 列，所述色彩增益控制输入开关电容阵列是两组参数完全对称配置且容量 由数字图像信号处理器输出的二进制的奇偶行增益值即色彩增益值控制同 步调节的可调/固定色彩增益控制正、反相输入开关电容阵列，可调色彩增 益控制正、反相输入开关电容阵列的同步调节控制端与奇偶行色彩增益选 择电路的输出端相连接，奇偶行色彩增益选择电路的两个输入端分别连接 至数字图像信号处理器的奇、偶行增益值即色彩增益值的输出端；在奇、偶数列像素采样及列选择电路是双端输出差分的串行电压图像 信号时，所述可调/固定色彩增益控制正相输入开关电容阵列设置在开关电 容差分运算放大电路的同相输入端和奇、偶数列像素采样及列选择电路输 出端之间，可调/固定色彩增益控制反相输入开关电容阵列设置在开关电容 差分运算放大电路的反相输入端和采样电路模拟图像信号处理电路输出端 之间；在奇、偶数列像素采样及列选择电路是单端输出串行电压图像信号时， 所述可调/固定色彩增益控制正相输入开关电容阵列设置在开关电容差分 运算放大电路的同相输入端和奇、偶数列像素采样及列选择电路输出端之 间，所述可调/固定色彩增益控制反相输入开关电容阵列设置在开关电容差 分运算放大电路的反相输入端和固定直流电平输出端之间；所述奇偶行色彩增益选择电路是一个两路复用电路，其两个输入端分别连接至数字图像信号处理器的奇、偶行增益值即色彩增益值的输出端， 选择控制端连接至行选择电路的输出端，而输出端与色彩增益控制输入开关电容阵列的同步调节控制端相连接；所述奇偶行增益值即色彩增益值通过内部或者外部数字图像信号处理 器自动反馈控制色彩增益控制输入开关电容阵列的容量实现同步调节。
8. 按照权利要求7所述的CMOS图像传感器的模拟图像信号处理电 路，其特征在于所述开关电容差分运算放大电路还包括曝光增益控制反馈开关电容阵 列，所述曝光增益控制反馈开关电容阵列是两组参数完全对称配置且容量 由数字图像信号处理器输出的二进制的曝光增益值控制同步调节的曝光增 益控制正、反相反馈开关电容阵列，所述曝光增益控制正相反馈开关电容 阵列设置在开关电容差分运算放大电路的正相输出端和反相输入端之间， 所述曝光增益控制反相输入开关电容阵列设置在开关电容差分运算放大电 路的反相输出端和同相输入端之间，曝光增益控制正、反相反馈开关电容 阵列的同步调节控制端与数字图像信号处理器的输出二进制的曝光增益值 的输出端相连接，所述曝光增益值控制通过内部或者外部数字图像信号处 理器自动反馈控制曝光增益控制反馈开关电容阵列的容量实现同步调节。
9. 按照权利要求8所述的CMOS图像传感器的模拟图像信号处理电 路，其特征在于所述开关电容差分运算放大电路还可以包括暗光背景控制输入开关电 容阵列，所述暗光背景控制输入开关电容阵列是两组参数完全对称配置且 容量由数字图像信号处理器输出的二进制的曝光增益值控制同步调节的暗 光背景控制正、反相输入开关电容阵列，所述暗光背景控制正相输入开关 电容阵列设置在开关电容差分运算放大电路的同相输入端和正向暗光背景 数模转换电路输出端之间，用于输入正向暗光背景偏移电压，所述暗光背 景控制反相输入开关电容阵列设置在开关电容差分运算放大电路的反相输 入端和负向暗光背景数模转换电路输出端之间，用于输入负向暗光背景偏 移电压，正、负向暗光背景数模转换电路的输入端与暗光背景控制电路输 出二进制的正向和负向暗光背景值的输出端相连接，暗光背景控制输入开 关电容阵列的同步调节控制端与暗光背景控制电路输出二进制的曝光增益值的输出端相连接，所述暗光背景值控制通过内部暗光背景控制电路自动 反馈同步调节其输出的二进制的正、负向暗光背景值即相应的暗光背景正、 反相输入开关电容阵列的输入端的正、负向偏移电压值实现。
10.按照权利要求9所述的CMOS图像传感器的模拟图像信号处理电 路，其特征在于所述同步调节的色彩增益控制输入开关电容阵列、曝光增益控制反馈 开关电容阵列以及暗光背景控制输入幵关电容阵列，是在二进制的控制值 控制下由数量为3~8、容量成公比为2的等比数列电容依次接入并联所组 成的开关电容阵列，其同步调节通过内部或者外部数字图像信号处理器自 动反馈控制。
全文摘要
本发明公开了一种CMOS图像传感器的模拟图像信号处理方法及其电路，将像素矩阵分为奇、偶数列像素的对称两路，并通过相应的时序控制，将每一像素信号的相关双采样值在列时钟的正、负半周先后直接分别送至相应的两路对称、且仅由一级开关电容差分运算放大电路组成的奇、偶数列像素模拟图像信号处理电路中分别进行减法运算，可以完全消除由不同列中的采样电路及其列驱动电路器件差异所产生的动态噪声和电路固定模式噪声，可以实现色彩增益控制、曝光增益控制和暗光背景控制，而且暗光背景控制不受曝光增益控制的影响。本发明方法和电路在保证成像效果的前提下，简化了电路结构，缩小了CMOS图像传感器芯片的面积，降低了制造成本，有利于最终产品小型化。
文档编号H04N3/15GK101132486SQ20061006231
公开日2008年2月27日 申请日期2006年8月25日 优先权日2006年8月25日
发明者胡文阁 申请人:比亚迪股份有限公司