减少多通道成像系统中的失配的抖动技术

摘要

本发明的实施例可以涉及多通道成像系统。多通道成像系统可以包括用于光信号的输入和多个通道电路。通道电路中的每一个可以具有将光信号的一部分转换为数字表示的模拟信号处理链，多个通道电路可以并行操作。多通道成像系统可以进一步包含与至少一个模拟信号处理链中的点耦合以添加抖动的至少一个抖动电路。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求享有2008年12月12日提交的、申请号为61/122,089、 名称为“Dithering Techniques to Reduce Mismatch in Multi-Channel  Imaging Systems”的美国临时专利申请的优先权，该申请在此通过引 用而将其全部内容并入。

背景信息

很多数字成像系统正朝着多通道图像处理的方向发展以作为增加 吞吐量的手段。例如，很多CMOS图像传感器将会并行地读出4个通 道的像素数据，实现120兆像素(Mpixel)/秒的吞吐量，而每个通道 读出速度仅为30兆像素/秒。

尽管将像素处理拆分为并行路径得到提高的吞吐量，但其也可能 损害系统性能。这样的一种损害涉及通道之间的失配。在多通道系统 中，对每个通道的等同输入应当从每个通道产生等同的输出。如果响 应于相同输入的输出数据不一致，则数字化的图像可能不是所捕捉光 线的精确再现。输出之间的失配可能引起可感知的伪影。

在数字成像系统中，输入(光线)到输出(数字数据)的转换功 能常常是相当非线性的。因为人眼的敏感度也是非线性的，所以非线 性性能是可以被接纳的。实际上，这让系统设计者非常自由，如允许 非线性模拟前端(AFE)，其与高线性AFE相比可以节省电力和成本。 在多通道系统中，因为通常不能很好地控制非线性行为，所以常常很 难设计出匹配得非常好的非线性AFE。一个AFE可能是一种方式的非 线性的，而下一个AFE可能是不同方式的非线性的。因而，通道之间 的匹配受到破坏并且可能导致伪影。因此，需要匹配多通道成像系统 的通道的输出。

附图说明

图1是多通道成像系统的系统框图。

图2显示了例示根据本发明一个实施例的用于减少通道失配的抖 动的两幅图形。

图3显示了根据本发明实施例的具有抖动的差分放大器。

图4显示了根据本发明实施例的图像传感器中的抖动。

图5显示了根据本发明实施例的具有抖动的差分放大器。

具体实施方式

本公开的实施例使用抖动来提高数字成像系统中非线性通道之间 的匹配。抖动通常被定义为有意添加的噪声。抖动可以是确定性的(如 通过已准备模式的循环)或者随机的(如基于伪随机数发生器)。本 公开的实施例可以在将模拟像素信息转换为数字数据之前在模拟域中 施加抖动。所添加的抖动可以提高非线性通道之间的匹配。

本发明的实施例可以涉及多通道成像系统。多通道成像系统可以 包括用于光信号的输入和多个通道电路。通道电路中的每一个可以具 有将光信号的一部分转换为数字表示的模拟信号处理链，多个通道电 路可以并行操作。多通道成像系统可以进一步包含与至少一个模拟信 号处理链中的点耦合以添加抖动的至少一个抖动电路。

图1显示了多通道成像系统100的框图。多通道成像系统100可 以包括图像传感器106和AFE 104。在图1所示的示例中，图像传感 器106被显示为4通道图像传感器而AFE 104被显示为具有通道102.1 -102.4的4通道AFE。图像传感器106可以包括响应于光的入射而 产生模拟信号的多个光传感器。每个通道102可以包括采样和保持放 大器(“SHA”)110、可变增益放大器(“VGA”)112和模数转换 器(“ADC”)114。通道可以响应于在它们的输入处提供的模拟信号 (电压或者电流)而产生到数据格式单元108的数字输出。

在本发明的实施例中，AFE 104可以包括耦合至通道102.1-102.4 的抖动源D1-D4。在操作期间，抖动源对通道102.1-102.4中传播的 模拟信号产生时间可变信号分量。抖动作为模拟信号中的噪声出现并 且掩蔽了通道102.1-102.4之间否则可能引入的失配影响。图1例示 了通道中可以引入抖动的多个位置。可以在SHA 110的输入处提供抖 动源D1。替代地，可以在SHA 110和VGA 112之间的接口处提供抖 动源D2。作为另一种替代，可以在通道中的VGA 112和ADC 114之 间的接口处提供抖动源D3。替代地，可以针对ADC 114的内部使用 而提供抖动源D4。例如，ADC 114可以使ADC的比较阈值(例如， ADC输出从一个代码改变为另一个代码的输入电平)抖动，从而特定 输入信号可以导致多个输出代码。通过在图1所示的处理位置中的任 何一处引入抖动，图像信号可以在被数字化之前与抖动信号结合。

图2(a)、2(b)和2(c)例示了抖动的效果。图2(a)是例 示在没有抖动的多通道系统中可能出现的转换效果的图，其中沿着第 一轴表示入射光而在第二轴上表示输出代码。第一通道(标记为“通 道A”)的曲线根据交叉点A1-A7的步进函数来延伸。第二通道B 的曲线根据交叉点B1-B7的步进函数来延伸。这些曲线在沿着光轴 的各个点上分岔。例如，值IN1处的入射光可能根据通道A产生第一 代码值C2而根据通道B产生第二代码值C1。

图2(b)和2(c)例示了抖动可能引入的效果。在图2(b)和2 (c)中，抖动导致了不是由单条线而是一个区域所表示的转换效果。 在图2(b)中，可以通过由点A1.1、A1.2、A2.1、...、A4.1、A4.2 所构成的区域来表示通道A的输出。类似地，可以通过由点B1.1、B1.2、 B2.1、...、B4.1、B4.2所构成的区域来表示通道B的输出。通道A可 以将入射光的特定值(例如，IN2)转换为多个输出代码中的一个。类 似地，通道B可以将入射光的相同值转换为多个输出代码中的一个， 多个输出代码中的一些与通道A将产生的输出代码相重叠。

在图2(c)中，可以通过覆盖两个相邻代码(例如，代码C2和 代码C3)的区域来表示通道A和B在每个垂直步长(例如，代码C2 到代码C3处的点A2到A3或者B2到B3)的输出。在垂直步长的周 围，通道A覆盖的区域可能与通道B覆盖的区域相重叠，因而输入IN3 可以导致来自两个通道的C2或者C3。在一个实施例中，可以通过引 入抖动D4以朝着ADC阈值移动来产生图2(c)的通道输出。

在操作期间，抖动可以是具有随机或者伪随机属性的时间可变信 号，因此，单个通道的输出和多个通道之间的输出中的变化可能表现 为随机噪声。因而，可以减少可感知的伪影。

在一个实施例中，可以测量多通道成像系统的通道之间的非线性。 例如，可以通过特定代码所需的光信号强度的差异(例如，A1和B1 或者A2和B2的差异)来表示图2(a)中通道A和B之间的非线性。 因为可以添加抖动来改善通道之间的非线性影响，所以可以基于所测 量的非线性来选择抖动(例如，所添加的模拟噪声)的幅值。然而， 抖动添加噪声并且可能导致引起一些其它不期望的影响，所以较好的 可能是按需添加。因而，在一个实施例中，可以与所测量的非线性的 幅值对应地来选择抖动的幅值(例如，1比1)。但是抖动可能需要与 用来掩蔽/修复的误差一样大或者比其更大。因而，在另一个实施例中， 可以将抖动的幅值选择为大于所测量的非线性的幅值(例如，2比1)。

在一个或更多个实施例中，通过设计可以知道非线性(或者需要 掩蔽/修复的误差)的幅值，因而可以精确地将抖动设置成该大小(或 者稍微大于)。另一方面，在另一个实施例中，可以在操作期间(例 如，但不限于校正例程)检测或者确定非线性(或者误差)的大小， 可以适应性地调整抖动幅值以匹配非线性(或者误差)。

为了保证抖动不向多通道成像系统添加过量的噪声，可以从所转 换的数字信号中移除所添加的抖动。因为可以是有意地向系统添加抖 动，所以可以随后移除它。在一个实施例中，所添加的抖动可以具有 ADC中一个最低有效位(LSB)的幅值(例如，+1或者-1)。一旦 输入的模拟信号和所添加的抖动被数字化，则可以移除已知的抖动量 (数字地减去)。然而，这可能在所添加的抖动幅值被精确控制时起 作用。

在图1所示的实施例中，AFE 104通道被显示为处理差分模拟信 号，其在一对差分信号线上携带信息内容。可以将信息内容作为以共 模电压为中心的相同和相反电压或者以共模电流为中心的相同和相反 电流来携带。在此情况下，可以将抖动电路D1、D2、D3作为差分抖 动源来提供。

图3显示了根据本发明实施例的具有抖动源的差分放大器300。 图3用于示例的目的。在不同的实施例中，放大器可以包括其它结构， 例如，在输入信号和输出信号之间延伸的仅一条信号路径(未示出)。 参考图3，放大器300可以包括一对信号路径(从V_in+到V_out-的第一信 号路径，从_Vin-到V_out+的第二条路径)，所述一对信号路径包括晶体 管302、304、分别耦合至晶体管302、304的负载装置306.1、306.2。 放大器300可以进一步包括偏置电流源308和抖动电流源310。抖动 电流源可以经由三向开关S1选择性地耦合至节点N1、N2、N3。偏置 电流源308可以在共同节点N3耦合至晶体管的源极。

如在传统的差分放大器中一样，偏置电流源308可以向放大器300 提供近似恒定的偏置电流I_bias。抖动电流源310可以提供抖动电流给 所连接的节点N1、N2或者N3。当抖动电流源连接至节点N1时，可 以将抖动电流直接提供给V_out的负载，这在输出处引入差模信号。另 一方面，当抖动电流源连接至N2时，可以将抖动电流直接提供给V_out+的负载，这以相反的方向在输出处引入差模信号。当抖动电流连接至 N3时，抖动电流连同偏置电流I_bias连接至公共节点N3，这引入可以 由随后的信号处理来去除的共模信号。可以将源310所提供的抖动电 流调整至ADC的范围；例如表示单个最低有效位(LSB)、ADC转 换范围中LSB或者多个LSB(例如，10个LSB)的一部分。

在操作期间，开关S1可以在给定时间连接至三个节点(N1、N2 和N3)中的一个：V_out+端子(节点N1)、V_out-端子(节点N2)或者 将晶体管302、304的漏极相互耦合的公共节点N3。例如，当S1切换 至节点N3并且抖动电流I_dither连接至公共节点时，输出的任何一侧均 不存在差分偏移。当S1切换至节点N1时，抖动电流I_dither被直接提 供给负载装置306.1而不是负载装置306.2。附加电流可以在V_out-处引 入除由晶体管302、304处的差分输入信号(_Vin+-V_in-)所引起的差分 输出信号(V_out+-V_out-)之外的负电压偏移。另一方面，当S1切换至 节点N2时，抖动电流I_dither被直接提供给负载装置306.2而不是负载 装置306.1。附加电流在V_out+处导致除由晶体管302、304处的差分输 入信号(V_in+-V_in-)所引起的差分输出信号(V_out+-V_out-)之外的电 压偏移。由开关S1连接至节点N1和N2所导致的正和负电压偏移相 互相反。因此，抖动电路310、312可以导致输出端子V_out+和V_out-之 间的第一或者第二方向上的偏移，或者被设置成完全不引入任何偏移。

在实施例中，放大器300可以包括抖动控制装置314以针对ADC 的每个采样周期控制S1在三个节点(N1、N2、N3)之间的随机切换。 例如，在ADC每个采样周期的开始，抖动控制314可以产生随机数和 基于随机数的控制信号。控制信号可以致使S1随机地连接至三个节点 (N1、N2、N3)中的一个。

如图3所示的I_dither的幅值还可以由抖动控制314可变地来控制。 依此，可以通过改变I_dither的幅值来控制所添加的抖动的幅值。按照这 种方式，在抖动控制装置的控制下，不仅可以向差分放大器的两侧添 加偏移，还可以改变偏移的幅值。

在本发明的实施例中，可以根据设置有放大器的集成电路的运行 条件来适应性地控制与I_dither的幅值有关的抖动幅值。例如，可以与装 置的时钟频率成比例地控制I_dither的幅值。以更高的时钟频率提供更大 的抖动可以消解电子装置中在高时钟频率下可能增加的非线性分量行 为的影响。在另一个实施例中，抖动的幅值可以与时钟频率的变化成 比例。例如，针对时钟频率的更大变化，抖动幅值可以更高。在另一 个实施例中，还可以响应于运行温度来产生抖动幅值。例如，可以与 温度或者温度改变(诸如随着时间的流逝的温度改变)的比率成比例 地控制I_dither的幅值。在又一其它实施例中，可以响应于工艺变化(诸 如集成电路中或者制造很多普通集成电路的过程中电容和电阻的变化 的变化)来产生抖动幅值。

在实施例中，I_dither可以是I_bias的一部分而不是分离的电流源。在 此情形下，开关可以被用来导引一部分I_bias(I_dither)至差分放大器的 任何一侧以产生到输出的抖动噪声。为了禁止抖动，可以仅将用来抖 动放大器的部分I_bias保持连接至共源节点。

在实施例中，可以将抖动电路集成在图像传感器400中，如图4 所示。多通道图像系统400可以包括具有多个像素传感器P的像素阵 列402和多个输出406。在读出期间，可以经由开关(未示出)将来 自像素传感器的累积电荷切换至像素阵列402中的总线404并且进一 步经由开关408切换至输出406。输出406可以是差分输出。

在实施例中，图像传感器可以进一步包括在从图像传感器400读 取像素时向像素引入抖动的集成抖动源。抖动源D可以耦合至输出406 (例如，驱动输出信号的放大器)或者替代地耦合至开关阵列总线404， 如图4所示。在实施例中，可以提供如图3所示的抖动源。

根据另一个实施例，差分放大器可以包括多个抖动源以产生多位 抖动。图5显示了根据本发明实施例的具有2位抖动的放大器。图5 的差分放大器可以包括：一对NMOS晶体管502、504；分别耦合至晶 体管502、504的二极管负载506、508；与连接至晶体管502、504的 漏极的公共节点耦合的偏置电流源I_bias510；和多个抖动电流源512、 514。第一抖动电流I_dither源512可以经由第一三向开关516(S1)连 接至负载506、508或者公共节点N3中的一个。第二抖动电流源可以 经由第二三向开关518(S2)在节点M1、M2、M3选择性地连接至负 载506、508或者公共节点中的一个。在实施例中，可以根据二进制加 权缩放抖动源510、512(例如，I_dither、2＊I_dither等)。

在操作期间，第一开关S1可以在给定时间连接至S1的三个节点 (N1、N2和N3)中的一个：V_out+端子(节点N1)、V_out-端子(节点 N2)或者耦合晶体管(502、504)的漏极的公共节点N3。图5的开关 S1可以与I_dither成比例地分别向负载装置506或508提供负或正偏移。 类似地，第二开关S2可以在给定时间连接至S2的三个节点(M1、 M2和M3)中的一个：V_out+端子(节点M1)、V_out-端子(节点M2) 或者耦合晶体管502、504的漏极的公共节点M3。当S2切换至节点 M1时，抖动电流2＊I_dither被直接提供给负载装置506而不是负载装置 508。附加抖动电流(2＊I_dither)可以在V_out-处引入除由晶体管502、504 处的差分输入信号(V_in+-V_in-)所引起的差分输出信号(V_out+-V_out-) 之外的负电压偏移。附加偏移可以与抖动电流的幅值成比例。另一方 面，当S2切换至节点M2时，抖动电流I_dither被直接提供给负载装置 508而不是负载装置506。附加电流(2＊I_dither)在V_out+处导致除由晶 体管502、504处的差分输入信号(V_in+-V_in-)所引起的差分输出信号 (V_out+-V_out-)之外的电压偏移。由开关S1和S2连接至节点N1和 M1所导致的负电压偏移与由开关S1和S2连接至节点N2和M2所引 入的正电压偏移相反。因此，抖动电路510、512、514、516、518可 以导致输出端子V_out+和V_out-之间的第一或者第二方向上的偏移或者被 设置成完全不引入任何偏移。

表1是相对于S1和S2的节点位置施加给负负载、正负载或者公 共节点的第一和第二抖动电流源的真值表。负和正偏移可以覆盖0到 3＊I_dither的范围，其在特定实施例中可以对应ADC的0到3个LSB。 因而，表1例示了2位抖动控制。

表1

  S1位置   S2位置   正偏移   负偏移   无偏移   N1   M1   0   3＊I_dither  0   N1   M2   2＊I_dither  I_dither  0   N1   M3   0   I_dither  2＊I_dither  N2   M1   I_dither  2＊I_dither  0   N2   M2   3＊I_dither  0   0   N2   M3   I_dither  0   2＊I_dither  N3   M1   0   2＊I_dither  I_dither  N3   M2   2＊I_dither  0   I_dither  N3   M3   0   0   3＊I_dither

在实施例中，放大器500可以包括抖动控制装置520以控制S1和 S2处的切换，从而在给定时间，S1可以随机地连接至N1、N2、N3 节点中的一个，而S2可以随机地连接至M1、M2、M3节点中的一个。 在一个实施例中，可以针对ADC的每次采样周期发生S1和S2处的 随机切换。抖动控制装置可以包括两个独立的随机数发生器以向S1和 S2产生两个独立的控制信号。在一个实施例中，可以使用线性反馈移 位寄存器(LFSR)来实现随机数。

通过随机切换S1和S2，可以基于表1中的抖动电流针对具有偏 移的差分放大器中的任何一侧产生2位的抖动电流。应当注意到，尽 管图5的电路使用了电阻负载，但抖动对放大器的影响可以与作为负 载的二极管接法PMOS器件的或者其它类型的负载器件基本相似。类 似于图2所示的差分放大器，基于诸如时钟频率、温度和/或工艺变量 的环境因素，I_dither的幅值也可以是可变的。

本发明的原理可以扩展到两位之外。例如，通过添加扩展二进制 加权(分别为4＊I_dither和8＊I_dither)的附加抖动电流源可以提供3和4 位的抖动。因而，本发明的原理适应于N位抖动，其中可以调整N以 适应个别需要。两个抖动电流源可以足以用于各种使用。

本公开的实施例向多通道数字成像系统中的模拟信号提供抖动以 提高通道的匹配。图1所示的示例使用差分模拟信号，而本发明的一 些实施例也可以应用于非差分模拟信号。在非差分模拟信号的实施例 中，可以同样在多通道图像传感器的通道(例如，类似于图4)或者 多通道AFE的通道(例如，在SHA之前，或者SHA和VGA之间， 或者VGA和ADC之间，类似于图1所示的那些)中添加抖动源。

本领域技术人员能够从以上描述中认识到，可以以各种形式来实 施本发明，并且可以独立或者组合地实施各种实施例。因此，尽管已 经结合本发明的特定示例描述了本发明的实施例，但本发明实施例和/ 或方法的真正范围不限于此，因为通过对附图、说明书以及后附权利 要求的研究，其它修改对于本领域技术人员而言将变得明显。