像素电路、图像传感器及信号采样方法与流程

本发明涉及一种图像传感器技术，特别是涉及一种像素电路、图像传感器及信号采样方法。

背景技术：

1、图像传感器广泛应用在数码照相机、智能电话等电子产品中，将光信号转换成电信号，以捕获数字图像，传统的图像传感器包括光电二极管，用于将光子转换成电荷来感测入射光。图像传感器还包括浮动扩散点，该浮动扩散点被配置为电容器，以收集曝光周期期间光电二极管产生的电荷。收集的电荷可以在电容器处产生电压，电压可以被缓冲并馈送到模数转换器，模数转换器再将电压量化为表示入射光强度的数字值。

2、传统的图像传感器在对像素进行曝光及采样的过程中，在读出pixel信号后需要依次进行高转换增益(hcg)量化和低转换增益(lcg)量化如图1所示。但实际对于同一时刻单个像素只会采用一种转换增益，故传统的图像传感器在像素处理过程中依次进行hcg量化和lcg量化存在量化时间长，pixel信号转化速度慢的问题。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种像素电路、图像传感器及信号采样方法，用于解决现有技术中pixel信号转化速度慢的问题。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种像素电路，包括光电检测模块、模式切换模块和模拟输出模块；

3、所述光电检测模块接收入射光，输出端耦合连接至浮动扩散点；用于形成与所述入射光对应的电荷信号，并将所述电荷信号传输至所述浮动扩散点形成图像信号；

4、所述模式切换模块耦合连接至所述浮动扩散点，用于控制所述图像信号的量化模式，所述量化模式包括低转换增益模式和高转换增益模式；其中，所述模式切换模块接收增益控制指令，以实现所述量化模式的选择，所述增益控制指令基于所述图像信号产生；

5、所述模拟输出模块输入端耦合连接所述浮动扩散点；用于在所述像素电路被选择进行读出时产生所述图像信号在所述量化模式下的模拟输出电压。

6、优选地，所述像素电路还包括复位模块，所述复位模块通过所述模式切换模块耦合连接至所述浮动扩散点；和/或，所述光电检测模块包括光电转换元件和传输电路，所述光电转换元件用于将所述入射光转换成所述电荷信号，所述传输电路耦合连接在所述光电转换元件与所述浮动扩散点之间，用来传输所述电荷信号至所述浮动扩散点；和/或，所述模拟输出模块包括源极跟随晶体管和选择电路，所述源极跟随晶体管用于将图像信号从所述源极跟随晶体管的栅极传送至所述选择电路，所述选择电路的输入端耦合连接所述源极跟随晶体管，所述选择电路的输出端在所述像素电路被选择读出时产生所述模拟输出电压。

7、优选地，所述复位模块包括复位晶体管；和/或，所述光电转换元件包括光电二极管，所述传输电路包括传输晶体管；和/或，所述选择电路包括至少一个选择晶体管，所述源极跟随晶体管将图像信号从所述源极跟随晶体管的栅极传送至所述源极跟随晶体管的源极，所述选择晶体管的输入端耦合连接所述源极跟随晶体管的源极，所述选择晶体管的输出端在所述像素电路被选择读出时产生所述图像信号在所述量化模式下的所述模拟输出电压。

8、优选地，所述模式切换模块包括增益控制晶体管，所述增益控制晶体管的一端耦合连接至控制电源，所述增益控制晶体管的另一端耦合连接至所述浮动扩散点，所述增益控制晶体管的栅极接收所述增益控制指令。

9、为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种自适应转换增益的图像传感器，包括多个像素、控制模块和数字输出模块；

10、每个所述像素包括如上述的像素电路；

11、所述控制模块接收所述图像信号对应的初始输出电压，并根据所述初始输出电压产生与控制所述图像信号的量化模式对应的所述增益控制指令；

12、所述数字输出模块的输入端连接所述像素电路的输出端并接收所述像素电路产生的所述模拟输出电压，所述数字输出模块的参考输入端接收斜坡信号；用于根据所述模拟输出电压和所述斜坡信号产生所述模拟输出电压的数字量化结果。

13、优选地，所述控制模块包括模式切换比较器和逻辑电路；

14、所述模式切换比较器接入所述初始输出电压和参考电压；用于对所述初始输出电压和所述参考电压进行比较得到模式比较结果；

15、所述逻辑电路的第一信号输入端连接所述模式切换比较器的输出端，所述逻辑电路的第二信号输入端接收图像增益控制信号；用于根据所述模式比较结果和所述图像增益控制信号产生所述增益控制指令。

16、优选地，根据所述模式比较结果和所述图像增益控制信号产生所述增益控制指令包括：

17、在所述图像信号的高转换增益模式下进行比较，当所述模式比较结果为第一结果时，所述增益控制指令为所述图像增益控制信号；当所述模式比较结果为第二结果时，所述增益控制指令为所述图像增益控制信号取反；

18、其中，所述第一结果代表所述初始输出电压大于所述参考电压，所述第二结果代表所述初始输出电压小于所述参考电压。

19、优选地，所述逻辑电路包括或非门及反相器，所述或非门的第一输入端接收所述模式比较结果，所述或非门的第二输入端接收所述图像增益控制信号，所述或非门的输出端连接所述反相器的输入端，所述反相器的输出端输出所述增益控制指令至所述模式切换模块，所述模式切换模块根据所述增益控制指令控制产生量化模式，以使所述模拟输出模块产生所述图像信号在所述量化模式下的所述模拟输出电压。

20、优选地，所述图像传感器还包括：

21、第一开关元件，设置在所述像素电路输出端与所述控制模块输入端之间；

22、和/或，第二开关元件，设置在所述模式切换模块的输入端与所述增益控制信号的控制线之间。

23、优选地，所述数字输出模块包括低增益数字输出模块和高增益数字输出模块；

24、所述低增益数字输出模块的模拟输入端接收所述像素电路产生的所述模拟输出电压，所述低增益数字输出模块的参考输入端接收第一斜坡信号；用于对所述模拟输出电压和所述第一斜坡信号进行比较得到第一比较结果，基于所述第一比较结果产生所述模拟输出电压的低增益数字量化结果；

25、所述高增益数字输出模块的模拟输入端接收所述像素电路产生的所述模拟输出电压，所述高增益数字输出模块的参考输入端接收第二斜坡信号；用于对所述模拟输出电压和所述第二斜坡信号进行比较得到第二比较结果，基于所述第二比较结果产生所述模拟输出电压的高增益数字量化结果。

26、优选地，所述数字输出模块的低增益数字输出模块和高增益数字输出模块均还包括计数器和存储器；

27、所述计数器被配置成生成关于时间的计数值；

28、所述存储器被配置成基于比较结果存储所述计数器中的计数值作为所述数字量化结果。

29、为实现上述目的及其他相关目的，本发明还一种图像传感器的信号采样方法，所述图像传感器为上述的自适应转换增益的图像传感器；至少包括以下步骤：

30、生成与入射光对应的所述电荷信号；

31、所述像素电路根据所述电荷信号产生所述图像信号并输出所述初始输出电压；

32、根据所述初始输出电压产生与所述图像信号的被控量化模式对应的增益控制指令；所述量化模式包括低转换增益模式和高转换增益模式；

33、所述像素电路在所述量化模式下进行读出产生所述模拟输出电压；

34、根据所述模拟输出电压和所述斜坡信号产生所述模拟输出电压的数字量化结果。

35、优选地，所述信号采样方法还包括步骤：

36、所述像素电路生成所述图像信号前产生第一复位电压及第二复位电压；

37、所述像素电路输出端与所述控制模块输入端之间具有第一开关元件，其中，断开所述第一开关元件，所述模式切换模块接收所述图像增益控制信号，以在所述图像增益控制信号的控制下量化所述第一复位电压及所述第二复位电压；和/或，

38、所述模式切换模块的输入端与所述增益控制信号的控制线之间具有第二开关元件，其中，至少闭合所述第二开关元件，所述模式切换模块接收所述图像增益控制信号，以在所述图像增益控制信号的控制下量化所述第一复位电压及所述第二复位电压。

39、优选地，产生所述数字量化结果包括产生低增益数字量化结果或者高增益数字量化结果；

40、通过所述低增益数字输出模块对所述模拟输出电压和第一斜坡信号进行低转换增益量化得到所述低增益数字量化结果；

41、通过所述高增益数字输出模块对所述模拟输出电压和第二斜坡信号进行高转换增益量化得到所述高增益数字量化结果。

42、如上所述，本发明的像素电路、图像传感器及其信号采样方法，具有以下有益效果：

43、本发明的像素电路对于接收的外部的入射光，进行光电转换后生成与入射光对应的电荷信号，并将电荷信号传送至浮动扩散点，在像素电路被选择进行读出时，由模式切换模块控制电荷信号的量化模式，然后产生量化模式下的输出电压；故在模式切换模块的作用下，能够直接控制读出时需要的一种量化模式，与现有技术相比，避免后续对输出电压依次进行低转换增益(lcg)量化和高转换增益(hcg)量化，减少了量化时间，图像传感器在控制模块的作用下，使像素电路产生一种量化模式下的输出电压，再通过数字输出模块完成后续量化过程，从而大大的提高了pixel信号采用过程的转化效率。