专利名称：图像数据模数转换装置及包含该装置的图像传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于图像采集技术领域，涉及一种图像数据模数转换装置及包含该装置的图像传感器。
背景技术：
图像数据模数转换装置主要用于将图像传感器像素阵列中的模拟信号量化为数字信号。图像传感器中的像素将光信号转换为模拟电信号，这些信号能够通过一些模拟和数字信号处理来实现各式各样的功能。当前，作为传统CXD图像传感器的另一种选择CMOS工艺已被广泛用于图像传感器的设计和制造中。它包括被我们称为像素的感光单元阵列以及一些用于读出阵列电压信号的辅助电路。通常像素由感光的光电二极管和一些用于对像素进行控制的晶体管来构成。一个典型的像素包括一个光电二极管，一个用于复位的晶体管，一个射级跟随器和一个用于行选的晶体管。在进行像素操作时首先对光电二极管进行复位到一个复位电压，然后光电流会开始对光电二极管进行放电，一段曝光时间之后，光电二极管被放电到一个信号电压，复位电压和信号电压之间的差值就代表了光信号的强度。在对图像传感器噪声要求不高时，仅需读取像素的信号电压。目前，特别是在高速应用中斜坡信号模数转换器被广泛用于CMOS图像传感器中。它由斜坡信号发生器，时钟信号发生器，比较器，计数脉冲发生器，计数器构成。图像传感器感光单元输出的模拟电压信号经模拟信号处理器进行相关采样处理后输出像素信号。斜坡信号由一个初始值开始随着时间慢慢增加或者减少。比较器被置于每一列的读出电路中，斜坡信号输入到每一列的比较器的输入端，比较器的另一端为像素信号。当斜坡信号达到像素信号时，比较器开始翻转。通过一些数字逻辑和用于计数的时钟，一定数量的脉冲就会被产生并被计数器计数之后就可以对像素的模拟信号进行数字量化。在美国专利7880662B2和美国专利7642947B2中，介绍了一些直接将复位电压和信号电压的差值量化为数字信号的方法。这些方法都使用了一路高速时钟信号，它的问题在于产生的时钟脉冲信号会一直被计数。比如一个10位的模数转换器中，至少计数器需要计数1024次才能量化最大的电压值。特别是在高分辨率的图像传感器中，这就会导致传感器的数字模块功耗变大，进而导致在芯片的基底产生大量的噪声。此外这种模数转换方式中数字模块的功耗会随着像素光信号的强度变化，进而导致芯片基底噪声随着光强变化，对图像质量产生比较坏的影响。低功耗的斜坡信号模数转换器在高分辨率高速图像传感器有着较大的需求。
发明内容本实用新型要解决的一个技术问题是提供一种能有效的减少计数器计数次数，进而非常明显的减少模数转换器的功耗及基底噪声，同时计数器的功耗与像素信号的大小无关的图像数据模数转换装置。[0007]为了解决上述技术问题，本实用新型的图像数据模数转换装置包括斜坡信号发生器，时钟信号发生器，比较器，计数脉冲发生器，高位计数器，低位计数器和运算器；像素信号送入比较器的一个输入端；斜坡信号发生器产生的斜坡信号输入比较器的另一端；计数脉冲发生器根据比较器输出信号及时钟信号发生器产生的高速、低速两路时钟产生高速脉冲使能和低速脉冲使能两路时序信号，进而通过这两路时序信号与高速和低速两路时钟产生高位计数脉冲和低位计数脉冲；高速脉冲使能时序信号和高速时钟产生低位计数脉冲，低速脉冲使能时序信号和低速时钟产生高位计数脉冲，高位计数脉冲被送入高位计数器进行计数，低位计数脉冲被送入低位计数器进行计数；低位计数器和高位计数器的计数值经运算器运算处理后得到量化后的像素图像数据。所述高速时钟频率为低速时钟频率的η倍，η优选为2Ν~Β，其中N_LSB为低位计数器的有效位数。所述斜坡信号发生器产生的斜坡信号为电压值随时间逐渐降低的电压信号；高位计数器在高位计数脉冲控制下从tl开始进行加计数，在t3结束计数，得到计数值MSB ;低位计数器在低位计数脉冲控制下从t2开始由进行减计数，在t3结束计数，得到计数值LSB ；高位计数器和低位计数器分别将计数值MSB和计数值LSB送入运算器，由运算器运算得到最终量化数据MSB*2n-m+LSB ;其中tl为斜坡信号开始后低速时钟的第一个下降沿出现的时刻，t2为斜坡信号电压值降低到与像素信号电压值相等，比较器开始翻转的时刻；t3为低速时钟在比较器翻转之后的第一个下降沿发生的时刻。所述斜坡信号发生器产生的斜坡信号为电压值随时间逐渐降低的电压信号；高位计数器在高位计数脉冲控制下从t2开始由进行加计数，在t4结束计数，得到计数值MSB ；低位计数器在低位计数脉冲控制下从tl开始进行加计数，在t2结束计数，得到计数值LSB ；高位计数器和低位计数器分别将计数值MSB和计数值LSB送入运算器，由运算器运算得到最终量化数据S-(MSB*2N-m+LSB)，其中S为固定值，tl为斜坡信号电压值降低到与像素信号电压值相等，比较器开始翻转的时刻，t2为低速时钟在比较器翻转之后的第一个下降沿发生的时刻，t4为斜坡信号结束后低速时钟的第一个下降沿发生的时刻。本实用新型要解决的另一个技术问题是提供一种包含上述图像数据模数转换装置的图像传感器。为了解决上述技术问题，本发明的图像传感器包括行选控制器，感光单元阵列，与感光单元阵列的列数相应的模拟信号处理器和图像数据模数转换装置，多路选择器；行选控制器通过行选信号导通一行的感光单元，这些感光单元的模拟电压信号被放置列总线中然后被送入对应的模拟信号处理器，经模拟信号处理器进行相关采样处理后输出像素信号；模拟信号处理器输出的像素信号经图像数据模数转换装置量化为数字信号；水平方向的多路选择器将各图像数据模数转换装置转换之后的数字信号一列一列地读出到图像传感器外。本实用新型高位计数器在高位计数脉冲控制下进行高位数据计数，低位计数器在低位计数脉冲控制下进行低位数据计数，最终的量化数据由两个计数器的数值通过简单的运算获得，大大降低了计数器需要的计数次数，从而减小了传感器数字模块的功耗和基底噪声，同时传感器的功耗不会随着光强变化，进而保证了传感器的图像质量。对于N位的模数转换器，当高速时钟频率为低速时钟频率的2N/2倍时，功耗会减小为传统结构功耗的2_(N/2-l)
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步详细说明。
图1是现有技术的带斜坡模数转换器的CMOS图像传感器结构示意图。图2是本实用新型的图像数据模数转换装置结构框图。图3是本实用新型的图像传感器结构示意图。图4是用本实用新型量化像素信号电压的第一个实施例的计数方式示意图。图5是用本实用新型量化像素信号电压的第二个实施例的计数方式示意图。
具体实施方式
如图1所示，传统的带有斜坡模数转换器的CMOS图像传感器由行选控制器，感光单元阵列，与感光单元阵列的列数相应的模拟信号处理器和模数转换器，多路选择器构成。所述模数转换器包括比较器、斜坡信号发生器、时钟信号发生器，计数脉冲发生器和计数器；行选控制器通过导通一行的行选信号，一行的感光单元会被选中，这些感光单元的模拟电压信号被放置列总线中然后被送入一些模拟信号处理器中进行相关采样处理；经过相关采样处理后得到的像素信号和斜坡信号发生器产生的斜坡信号同时被送入比较器中。当斜坡信号电压达到像素信号电压时，比较器开始翻转。计数器从斜坡信号开始时开始计数，比较器翻转时停止计数。最终的计数数值就代表了感光单元的光信号大小。最后由水平方向的多路选择器将转换之后的数字信号一列一列的读出到芯片外。如图2所示，本实用新型的图像数据模数转换装置包括:斜坡信号发生器，时钟信号发生器，比较器，计数脉冲发生器，高位计数器，低位计数器和运算器；比较器的一个输入端连接到模拟信号处理器的输出；比较器的另一输入端连接到斜坡信号发生器的输出斗匕较器的输出及时钟信号发生器的高速、低速两路时钟输出连接到计数脉冲发生器的输入；计数脉冲发生器的低位计数脉冲输出连接到低位计数器，计数脉冲发生器的高位计数脉冲连接到高位计数器；低位计数器和高位计数器的输出连接到运算器。图像传感器感光单元输出的模拟电压信号输入到模拟信号处理器，经模拟信号处理器进行相关采样处理后得到像素信号，像素信号送入比较器的一个输入端；斜坡信号发生器产生的斜坡信号输入比较器的另一端；计数脉冲发生器根据比较器输出信号及时钟信号发生器产生的高、低速两路时钟内部产生高速脉冲使能和低速脉冲使能两路时序信号，进而通过这两路使能时序信号和高低速两路时钟产生高位计数脉冲和低位计数脉冲。低位计数脉冲送入低位计数器进行计数，高位计数脉冲送入高位计数器进行计数；低位计数器和高位计数器的计数值经运算器运算处理后得到量化后的像素图像数据。所述高速时钟频率为低速时钟频率的η倍，η优选为2Ν~Β，其中N_LSB为低位计数器的有效位数(不包括非溢出保护位)。但η不限于上述数值，η还可以选择其他整数，也可以选择非整数。如图3所示，本发明的CMOS图像传感器包括行选控制器，感光单元阵列，与感光单元阵列的列数相应的模拟信号处理器和图像数据模数转换装置，多路选择器；行选控制器通过行选信号导通一行的感光单元，这些感光单元的模拟电压信号被放置列总线中然后被送入对应的模拟信号处理器，经模拟信号处理器进行相关采样处理后输出像素信号；模拟信号处理器输出的像素信号经图像数据模数转换装置量化为数字信号；水平方向的多路选择器将各图像数据模数转换装置转换之后的数字信号一列一列地读出到图像传感器外。实施例一如图4所示，为采用本实用新型对没有相关双采样(CDS)的像素信号电压进行量化(不转换复位信号)。斜坡信号发生器产生的斜坡信号由一个初始值开始随着时间慢慢减小。在转换过程中，像素信号被置于比较器的输入端，斜坡信号被置于比较器的另一端，斜坡信号由t0开始到t4结束。斜坡信号开始后低速时钟的第一下降沿出现在tl。在时刻t2斜坡信号电压值降低到与像素信号电压值相等，比较器开始翻转；低速时钟在比较器翻转之后的第一个下降沿发生在t3。高位计数器从tl开始加计数，在t3结束计数。低位计数器在t2开始减计数，在t3结束计数。最终高位计数器和低位计数器的数值组合成像素量化数据。假设N_LSB为低位计数器的有效位数，MSB为高位计数器的计数值，LSB为低位计数器的计数值，则经运算器运算后得到的最终量化数据为:MSB*2n-m+LSB。以8位量化位数为例，高速时钟为低速时钟的16倍。高位计数器从‘0000’开始计数，计数结束时数据为’ 0011’。低位计数器从’ 1111’开始计数，计数结束时数据为’ 0101’。最终量化数据为‘00110101’。实施例二图5为采用本实用新型中的模数转换方法对没有相关双采样(CDS)的像素信号进行模数转换(不转换复位信号)的另一种方法。斜坡信号发生器产生的斜坡信号由一个初始值开始随着时间慢慢减小。在转换过程中，像素信号被置于比较器的输入端，斜坡信号被置于比较器的另一端，斜坡信号由to开始到t3结束。在时刻tl斜坡信号电压值降低到与像素信号电压值相等，比较器开始翻转；低速时钟在比较器翻转之后的第一个下降沿发生在t2.斜坡信号结束后低速信号的第一个下降沿发生在t4.高位计数器在t2开始加计数，在t4结束计数。低位计数器在tl开始加计数在t2结束计数。假设N_LSB为低位计数器的计数位数，MSB为高位计数器的计数值，LSB为低位计数器的计数值，N为量化的数据总位数，则经运算器运算后得到的最终量化数据为S-(MSB*2n-m+LSB)。在该量化数据中_(MSB*2n-m+LSB)带有像素信号的光强信息，S为一个固定的值，这个值可以是2n-1，也可以是其他的数值。以量化位数8位为例，高速时钟为低速时钟的16倍。高位计数器从’ 0000’开始计数，计数结束后数值为‘0011’。低位计数器从‘0000’开始计数，计数结束后计数值为‘0111’。则最终的量化数据计位‘11001000’。
权利要求1.一种图像数据模数转换装置，包括斜坡信号发生器，时钟信号发生器，比较器，计数脉冲发生器；像素信号送入比较器的一个输入端；斜坡信号发生器产生的斜坡信号输入比较器的另一端；其特征在于还包括高位计数器，低位计数器和运算器；计数脉冲发生器根据比较器输出信号及时钟信号发生器产生的高速、低速两路时钟产生高速脉冲使能和低速脉冲使能两路时序信号，进而通过这两路时序信号与高速和低速两路时钟产生高位计数脉冲和低位计数脉冲；高速脉冲使能时序信号和高速时钟产生低位计数脉冲，低速脉冲使能时序信号和低速时钟产生高位计数脉冲，高位计数脉冲被送入高位计数器进行计数，低位计数脉冲被送入低位计数器进行计数；低位计数器和高位计数器的计数值经运算器运算处理后得到量化后的像素图像数据。
2.根据权利要求1所述的图像数据模数转换装置，其特征在于所述高速时钟频率为低速时钟频率的η倍，η为2Ν~Β，其中N_LSB为低位计数器的有效位数。
3.根据权利要求2所述的图像数据模数转换装置，其特征在于所述斜坡信号发生器产生的斜坡信号为电压值随时间逐渐降低的电压信号；高位计数器在高位计数脉冲控制下从tl开始进行加计数，在t3结束计数，得到计数值MSB ;低位计数器在低位计数脉冲控制下从t2开始由进行减计数，在t3结束计数，得到计数值LSB ;高位计数器和低位计数器分别将计数值MSB和计数值LSB送入运算器，由运算器运算得到最终量化数据MSB*2n-m+LSB ;其中tl为斜坡信号开始后低速时钟的第一个下降沿出现的时刻，t2为斜坡信号电压值降低到与像素信号电压值相等，比较器开始翻转的时刻；t3为低速时钟在比较器翻转之后的第一个下降沿发生的时刻。
4.根据权利要求2所述的图像数据模数转换装置，其特征在于所述斜坡信号发生器产生的斜坡信号为电压值随时间逐渐降低的电压信号；高位计数器在高位计数脉冲控制下从t2开始由进行加计数，在t4结束计数，得到计数值MSB ;低位计数器在低位计数脉冲控制下从tl开始进行加计数，在t2结束计数，得到计数值LSB ;高位计数器和低位计数器分别将计数值MSB和计数值LSB送入运算器，由运算器运算得到最终量化数据S-(MSB*2n-m+LSB)，其中S为固定值，tl为斜坡信号电压值降低到与像素信号电压值相等，比较器开始翻转的时刻，t2为低速时钟在比较器翻转之后的第一个下降沿发生的时刻，t4为斜坡信号结束后低速时钟的第一个下降沿发生的时刻。
5.一种包含如权利要求1所述图像数据模数转换装置的图像传感器，其特征在于还包括行选控制器，感光单元阵列，与感光单元阵列的列数相应的模拟信号处理器，多路选择器；行选控制器通过行选信号导通一行的感光单元，这些感光单元的模拟电压信号被放置列总线中然后被送入对应的模拟信号处理器，经模拟信号处理器进行相关采样处理后输出像素信号；模拟信号处理器输出的像素信号经对应的图像数据模数转换装置量化为数字信号；水平方向的多路选择器将各图像数据模数转换装置转换之后的数字信号一列一列地读出到图像传感器外。
专利摘要本实用新型涉及一种图像数据模数转换装置及包含该装置的图像传感器。所述图像传感器的行选控制器通过行选信号导通一行的感光单元，这些感光单元的模拟电压信号被放置列总线中然后被送入对应的模拟信号处理器，经模拟信号处理器进行相关采样处理后输出像素信号；像素信号送入图像数据模数转换装置，图像数据模数转换装置通过低速时钟脉冲和高速时钟脉冲分别进行高、低位计数，最终经运算处理得到量化后的像素图像数据；各图像数据模数转换装置转换之后的像素图像数据由水平方向的多路选择器一列一列地读出到图像传感器外。本实用新型大大降低了传感器数字模块的功耗和基底噪声，进而保证了传感器的图像质量。
文档编号H04N5/374GK203057317SQ20132003087
公开日2013年7月10日 申请日期2013年1月21日 优先权日2013年1月21日
发明者马成, 王欣洋 申请人:长春长光辰芯光电技术有限公司