脉冲频率调制型图像传感器电路及其处理方法

摘要

本发明涉及集成电路技术。本发明解决了现有PFM型图像传感器高精度时结构复杂的问题，提供了一种脉冲频率调制型图像传感器电路及其处理方法，其技术方案可概括为：脉冲频率调制型图像传感器电路，包括电源输入端、光电探测器、积分节点电容、比较器、第一积分节点复位开关、计数器、电路输出端、地线、外部控制信号输入端、第二积分节点复位开关、一组选通控制开关、逻辑模块及一组固定参考电压输入端。本发明的有益效果是，降低了电路设计的难度与复杂度，适用于脉冲频率调制型图像传感器。

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路技术，特别涉及脉冲频率调制型的图像传感器的处理电路。

背景技术

CMOS图像传感器以其高集成度、低功耗和低成本等优点，已广泛应用于空间遥感、工业机器视觉及商业数码摄像等传统领域。典型CMOS图像传感器以电压或者电流的形式进行信号的输出，而其中有源像素传感器以较为优越的综合性能而占据着主流，其工作过程如下：首先，光电探测器对环境的光强度产生相应的光电流；然后，光电流对积分电容进行充电(或放电)积分得到相应的积分电压；接着，积分电压通过控制有源级去控制输出电压或电流；最终，由后续处理电路对上一阶段的输出电压或电流进行量化输出。动态范围(DR，Dynamic Range)作为CMOS图像传感器性能的重要指标之一，其定义如下：动态范围为图像传感器最大可处理的信号与最小可处理的信号幅值之比。由于积分电容的电容值有限，当光电探测器产生的积分电流大于某一固定值时，积分电容达到饱和状态，即无法继续对更大的光信号产生正确的输出结果，另外，随着集成电路制造技术的发展，集成电路制造的工艺尺寸越来越小，整个集成电路上的电源电压越来越低，积分电容上电压可变化的范围也将随着工艺的更新而减小，造成动态范围将减小，不利于整个CMOS图像传感器的性能增强。

随着CMOS图像传感器技术的发展和完善，许多设计者逐渐将CMOS图像传感器应用到众多科技领域内，然而不同的应用环境对CMOS图像传感器的设计有着不同的指标要求。例如，在新兴的人工视觉领域，为了探测自然环境下的光信号，需要CMOS图像传感器具有较大的动态范围。自然环境状态下光线的动态范围能够达到140dB，而大部分传统的电压型或者电流型CMOS图像传感器仅有60～70dB的线性响应范围，因此大动态范围称为CMOS图像传感器研究领域内一个亟需解决的难题。为了实现大动态范围的CMOS图像传感器，当前相关研究人员主要提出了两种方式来增加CMOS图像传感器的动态范围。一种是改变传统电压型或者电流型CMOS图像传感器的线性响应为对数响应，进而增加动态范围，然而这种模式的CMOS图像传感器因其处于对数的工作模式下，很难大幅度地消除固定模式噪声(FPN，FixedPattern Noise)，造成最终输出图像质量的严重恶化，此种技术需要进一步的完善；另外一种是采用脉冲调制(PM，Pulse Modulation)原理进行输出，因其不再利用电压值或者电流值来表征有效信号的数值，故其不存在传统电压型或者电流型CMOS图像传感器所面临的动态范围受限的问题。

PM型CMOS图像传感器可以概括的分为脉冲宽度调制型(PWM，Pulse WidthModulation)和脉冲频率调制型(PFM，Pulse Frequency Modulation)两类，其典型的基本像素单元电路结构如图1、2所示，其中图1中Reset为复位控制信号，Vint为积分节点电压和Cint为积分节点电容，Vref为比较器的参考电压，Vo为输出信号；图2中Vint为积分节点电压和Cint为积分节点电容，Vref为比较器的参考电压，Vo为输出信号。PWM型CMOS图像传感器像素单元一般包括一个光电探测器Det1、一个积分电容Cint和一个比较器，PWM型CMOS图像传感器是以检测复位信号与比较器翻转信号之间的时间差(即积分时间)来表征光电探测器Det1产生电流的大小，光的强度越大，光电探测器Det1产生的电流越大，PWM型像素的输出的时间差越小，反之亦然；PFM型CMOS图像传感器像素单元一般包括一个光电探测器Det1、一个积分电容Cint、一个比较器和一个延时单元，PFM型CMOS图像传感器是以检测输出端数字脉冲信号的频率来表征光电探测器Det1产生电流的大小，每当积分电容Cint上的积分电压达到参考电平的值时，比较器的输出状态进行翻转产生一个脉冲，光的强度越大，光电探测器Det1产生的电流越大，PFM型像素的输出脉冲频率越高，反之亦然。由于PFM型图像传感器以比较器输出的脉冲个数作为量化结果来表征实际环境的光强，而PFM型图像传感器在固定的积分时间内不可能总是恰好输出整数个脉冲，在固定积分时间的末期，积分节点上经常会出现残余电压(未触发比较器的输出进行翻转)。尤其在弱光强环境里，PFM型图像传感器输出的脉冲个数较少，甚至可能出现几个脉冲的情况，此时出现的残余电压会造成较大的偏差，不利于低光照环境下的最终成像。

H.Kayahan等(文献1，H.Kayahan et al."A new digital readout integratedcircuit(DROIC)with pixel parallel A/D conversion and reduced quantizationnoise,"Infrared Physics&Technology,vol.63,pp.125–132,Mar.2014.)提出了一种对残余电压进行延伸计数的方法，该方法是通过额外增加量化时间段来进行对残余电压的量化，进而增加输出结果的信噪比。其工作时序如图3所示，其中CLKint和CLKres分别为积分时间段和延伸时间段的控制信号，高电平有效；Vint和Vcom分别为积分节点电容和比较器输出端的电压，具体工作方式为：在积分时间段T_INT期间，该方案中的电路同传统PFM结构一样，通过对比较器输出端电压翻转的次数进行计数得到X位加权量化数据；在紧接着的延伸时间段T_RESIDUE期间，继续保持积分节点电容的充电(或放电)，直到积分时间段T_INT结束时积分电容上的残余电压值被充电(或放电)到比较器固定参考电压值，同时采用固定时钟CLK来驱动同一计数器对所需时间进行计数量化得到Y位加权量化数据；最后，利用外围辅助电路并按照计算公式完成最终输出数据的合成计算，其计算公式如下：

其中N_count是通过积分时间段T_INT内得到的X位加权量化数据计算得出，T_RESIDUE是由Y位加权量化数据结合固定时钟CLK的周期计算得出。该方法额外增加了一个延伸时间段T_RESIDUE进行延伸计数，需要提供额外的控制信号，同时也浪费掉一部分的时间，拖慢了成像速度；另一方面，两个时间段(即积分时间段T_INT和延伸时间段T_RESIDUE)的量化数据需要按照上述公式合成最终输出结果，故额外增加了一个用于合成最终数据的外围辅助电路，其不仅占用额外的面积，而且增加片上系统设计的复杂度与难度。

Shahbaz Abbasi等(文献2，Shahbaz Abbasi et al."A PFM Based DigitalPixel with Off-Pixel Residue Measurement for Small Pitch FPAs".IEEETransactions on Circuits and Systems II:Express Briefs.Volume:PP,Issue:99,2016.)提出了一种适用于小尺寸像素的信噪比(SNR,Signal to Noise Rate)增强方法，该方法是通过在像素外部加入列模数转换器(ADC,Analog to Digital Converter)来实现对残余电压的量化。其具体工作方式为：传统PFM结构部分量化输入信号电流的最高有效位(MSB,Most Significant Bit)，列模数转换器结构部分对PFM输出的残余电压进行量化得到最低有效位(LSB,Least Significant Bit),最后通过后续处理电路将MSB数据和LSB数据合成得到最终量化输出结果。该方法虽然不在像素内部增加额外的电路，但是其在每列像素中均加入了模数转换器和寄存器(用于存储模数转换器对残余电压的量化结果)，自然会占用额外的版图面积；该方法跟上面文献1中的方法一样，都额外需要一个外围辅助电路来进行最终的数据合成，不但占面积，同时对其速度的设计要求也会是比较高的，增加了整个系统的设计难度。

Y.Chen等(文献3，Y.Chen et al."A New Wide Dynamic Range CMOS Pulse-Frequency-Modulation Digital Image Sensor with In-Pixel Variable ReferenceVoltage"51st Midwest Symposium on Circuits and Systems,pp.129–132,Aug.2008)提出了一种变参考电压的方法，该方法是在像素内部比较器的参考电压输入端引入一参考电容Cref来调整比较器的参考电压，通过比较器输出端的电位控制一调整电路(即充/放电电路和一反相器，附图4中主要由PMOS开关M1及NMOS开关M2组成充/放电电路)，产生一个随时间增长而幅值增加的参考电压，其具体结构如图4所示。对小的光生电流，由于调整电路对参考电容Cref的充电时间较长，比较器的参考电压较高(与积分节点电容的复位电压更加接近)，积分节点电压只需变化较小的范围即可触发比较器输出端进行翻转，因此能够增加比较器的翻转次数，减小残余电压对最终输出结果的影响，同时拓宽了像素的动态范围，增加了输出的信噪比。但该方法跟传统PFM型图像传感器有着类似的复位过程，即比较器输出端电压进行一次翻转就会对积分节点进行一次复位。而对积分节点电容进行复位需要一定的时间。积分节点在复位这一时间内仍有光生电流流入，这期间流入积分电容的电荷均会被清除，进而造成一定的误差，因此更多次地对积分节点电容进行复位会造成最终输出结果出现较大的失真；另一方面，该方法中的可变参考电压由充/放电电路通过其内部晶体管的漏端电流进行充/放电来调整，故可变参考电压不是一精准的线性斜坡电压，由其作为参考电压来进行信号的量化时，其输出结果的线性度差。

发明内容

本发明的目的是解决目前PFM型图像传感器高精度时结构复杂的问题，提供一种脉冲频率调制型图像传感器电路及其处理方法。

本发明解决其技术问题，采用的技术方案是，脉冲频率调制型图像传感器电路，包括电源输入端、光电探测器、积分节点电容、比较器、第一积分节点复位开关、计数器、电路输出端及地线，其特征在于，还包括外部控制信号输入端、一组选通控制开关、逻辑模块及一组固定参考电压输入端，所述光电探测器的正极与地线连接，其负极通过第一积分节点复位开关与电源输入端连接，积分节点电容的一端与地线连接，另一端与光电探测器的负极连接；所述一组选通控制开关及一组固定参考电压端中，各选通控制开关与各固定参考电压输入端一一对应，比较器的负相输入端与光电探测器的负极连接，其正相输入端分别通过每一个选通控制开关与对应的固定参考电压输入端连接，比较器的输出端与计数器的计数输入端连接；所述计数器的复位端与外部控制信号输入端连接，其积分节点复位控制端与第一积分节点复位开关的控制端连接，其输出端作为电路输出端，并与逻辑模块的输入端连接，逻辑模块的各输出端与各选通控制开关一一对应，各输出端分别与对应的选通控制开关的控制端连接；

所述一组固定参考电压端中，每一个固定参考电压端输入的固定参考电压都与其他固定参考电压输入的固定参考电压不同；

所述计数器中，其计数输入端每输入N个脉冲，其积分节点复位控制端即触发一个脉冲，使第一积分节点复位开关导通，其中，N为大于等于2的正整数；

所述各选通控制开关受逻辑模块的控制，同一时刻仅有一个选通控制开关导通，其余关断；

当外部控制信号输入端输入复位控制信号使计数器复位时，计数器的积分节点复位控制端触发一个脉冲，使第一积分节点复位开关导通，同时计数器的输出端输出初始复位信号；

所述逻辑模块为各选通控制开关进行排序，当检测计数器的输出端输出的计数值加L时，顺序选择下一个选通控制开关导通，若无下一个选通控制开关，则回到第一个选通控制开关进行循环导通，当计数器的输出端输出的计数值为mN或初始复位信号时，则逻辑模块直接回到第一个选通控制开关进行循环导通，其中，L为大于等于1的正整数，m为大于等于1的正整数。

具体的，所述比较器为两级比较器或基于OTA的对称型比较器或动态锁存型比较器或可控施密特触发器。

进一步的，所述第一积分节点复位开关为PMOS开关或NMOS开关或CMOS开关或自举开关。

具体的，所述各固定参考电压端输入的固定参考电压取值均处于积分节点复位电压至比较器的正相输入端的最低可输入电压之间，各固定参考电压端输入的固定参考电压顺序排列，且按照固定的变化量依次增加或减小。

再进一步的，所述一组固定参考电压端中，固定参考电压端的数量大于或等于N。

脉冲频率调制型图像传感器电路，包括电源输入端、光电探测器、积分节点电容、比较器、第一积分节点复位开关、计数器、电路输出端及地线，其特征在于，还包括外部控制信号输入端、一组选通控制开关、逻辑模块及一组固定参考电压输入端，所述光电探测器的正极与地线连接，其负极通过第一积分节点复位开关与电源输入端连接，积分节点电容的一端与地线连接，另一端与光电探测器的负极连接；所述一组选通控制开关及一组固定参考电压端中，各选通控制开关与各固定参考电压输入端一一对应，比较器的负相输入端与光电探测器的负极连接，其正相输入端分别通过每一个选通控制开关与对应的固定参考电压输入端连接，比较器的输出端与计数器的计数输入端连接；所述计数器的复位端与外部控制信号输入端连接，其积分节点复位控制端与第一积分节点复位开关的控制端连接，其输出端作为电路输出端，并与逻辑模块的输入端连接，逻辑模块的各输出端与各选通控制开关一一对应，各输出端分别与对应的选通控制开关的控制端连接，外部控制信号输入端与逻辑模块的复位输入端连接；

所述一组固定参考电压端中，每一个固定参考电压端输入的固定参考电压都与其他固定参考电压输入的固定参考电压不同；

所述计数器中，其计数输入端每输入N个脉冲，其积分节点复位控制端即触发一个脉冲，使第一积分节点复位开关导通，其中，N为大于等于2的正整数；

所述各选通控制开关受逻辑模块的控制，同一时刻仅有一个选通控制开关导通，其余关断；

当外部控制信号输入端输入复位控制信号使计数器复位时，计数器的积分节点复位控制端触发一个脉冲，使第一积分节点复位开关导通；

所述逻辑模块为各选通控制开关进行排序，当检测计数器的输出端输出的计数值加L时，顺序选择下一个选通控制开关导通，若无下一个选通控制开关，则回到第一个选通控制开关进行循环导通，当计数器的输出端输出的计数值为mN或复位输入端接收到使计数器复位的复位控制信号时，则逻辑模块直接回到第一个选通控制开关进行循环导通，其中，L为大于等于1的正整数，m为大于等于1的正整数。

具体的，所述比较器为两级比较器或基于OTA的对称型比较器或动态锁存型比较器或可控施密特触发器。

进一步的，所述第一积分节点复位开关为PMOS开关或NMOS开关或CMOS开关或自举开关。

具体的，所述各固定参考电压端输入的固定参考电压取值均处于积分节点复位电压至比较器的正相输入端的最低可输入电压之间，各固定参考电压端输入的固定参考电压顺序排列，且按照固定的变化量依次增加或减小。

再进一步的，所述一组固定参考电压端中，固定参考电压端的数量大于或等于N。

脉冲频率调制型图像传感器电路，包括电源输入端、光电探测器、积分节点电容、比较器、第一积分节点复位开关、计数器、电路输出端及地线，其特征在于，还包括外部控制信号输入端、第二积分节点复位开关、一组选通控制开关、逻辑模块及一组固定参考电压输入端，所述光电探测器的正极与地线连接，其负极分别通过第一积分节点复位开关及第二积分节点复位开关与电源输入端连接，积分节点电容的一端与地线连接，另一端与光电探测器的负极连接；所述一组选通控制开关及一组固定参考电压端中，各选通控制开关与各固定参考电压输入端一一对应，比较器的负相输入端与光电探测器的负极连接，其正相输入端分别通过每一个选通控制开关与对应的固定参考电压输入端连接，比较器的输出端与计数器的计数输入端连接；所述计数器的复位端与外部控制信号输入端连接，其积分节点复位控制端与第一积分节点复位开关的控制端连接，其输出端作为电路输出端，并与逻辑模块的输入端连接，所述第二积分节点复位开关的控制端与外部控制信号输入端连接，逻辑模块的各输出端与各选通控制开关一一对应，各输出端分别与对应的选通控制开关的控制端连接；

所述一组固定参考电压端中，每一个固定参考电压端输入的固定参考电压都与其他固定参考电压输入的固定参考电压不同；

所述计数器中，其计数输入端每输入N个脉冲，其积分节点复位控制端即触发一个脉冲，使第一积分节点复位开关导通；

所述各选通控制开关受逻辑模块的控制，同一时刻仅有一个选通控制开关导通，其余关断；

当外部控制信号输入端输入复位控制信号使计数器复位时，能够使第二积分节点复位开关导通，同时计数器的输出端输出初始复位信号；

所述逻辑模块为各选通控制开关进行排序，当检测计数器的输出端输出的计数值加L时，顺序选择下一个选通控制开关导通，若无下一个选通控制开关，则回到第一个选通控制开关进行循环导通，当计数器的输出端输出的计数值为mN或初始复位信号时，则逻辑模块直接回到第一个选通控制开关进行循环导通，其中，L为大于等于1的正整数，m为大于等于1的正整数。

具体的，所述比较器为两级比较器或基于OTA的对称型比较器或动态锁存型比较器或可控施密特触发器。

进一步的，所述第一积分节点复位开关和/或第二积分节点复位开关为PMOS开关或NMOS开关或CMOS开关或自举开关。

具体的，所述各固定参考电压端输入的固定参考电压取值均处于积分节点复位电压至比较器的正相输入端的最低可输入电压之间，各固定参考电压端输入的固定参考电压顺序排列，且按照固定的变化量依次增加或减小。

再进一步的，所述一组固定参考电压端中，固定参考电压端的数量大于或等于N。脉冲频率调制型图像传感器电路，包括电源输入端、光电探测器、积分节点电容、比较器、第一积分节点复位开关、计数器、电路输出端及地线，其特征在于，还包括外部控制信号输入端、第二积分节点复位开关、一组选通控制开关、逻辑模块及一组固定参考电压输入端，所述光电探测器的正极与地线连接，其负极分别通过第一积分节点复位开关及第二积分节点复位开关与电源输入端连接，积分节点电容的一端与地线连接，另一端与光电探测器的负极连接；所述一组选通控制开关及一组固定参考电压端中，各选通控制开关与各固定参考电压输入端一一对应，比较器的负相输入端与光电探测器的负极连接，其正相输入端分别通过每一个选通控制开关与对应的固定参考电压输入端连接，比较器的输出端与计数器的计数输入端连接；所述计数器的复位端与外部控制信号输入端连接，其积分节点复位控制端与第一积分节点复位开关的控制端连接，其输出端作为电路输出端，并与逻辑模块的输入端连接，所述第二积分节点复位开关的控制端与外部控制信号输入端连接，逻辑模块的各输出端与各选通控制开关一一对应，各输出端分别与对应的选通控制开关的控制端连接，外部控制信号输入端与逻辑模块的复位输入端连接；

所述一组固定参考电压端中，每一个固定参考电压端输入的固定参考电压都与其他固定参考电压输入的固定参考电压不同；

所述计数器中，其计数输入端每输入N个脉冲，其积分节点复位控制端即触发一个脉冲，使第一积分节点复位开关导通；

所述各选通控制开关受逻辑模块的控制，同一时刻仅有一个选通控制开关导通，其余关断；

当外部控制信号输入端输入复位控制信号使计数器复位时，能够使第二积分节点复位开关导通；

所述逻辑模块为各选通控制开关进行排序，当检测计数器的输出端输出的计数值加L时，顺序选择下一个选通控制开关导通，若无下一个选通控制开关，则回到第一个选通控制开关进行循环导通，当计数器的输出端输出的计数值为mN或复位输入端接收到使计数器复位的复位控制信号时，则逻辑模块直接回到第一个选通控制开关进行循环导通，其中，L为大于等于1的正整数，m为大于等于1的正整数。

具体的，所述比较器为两级比较器或基于OTA的对称型比较器或动态锁存型比较器或可控施密特触发器。

进一步的，所述第一积分节点复位开关和/或第二积分节点复位开关为PMOS开关或NMOS开关或CMOS开关或自举开关。

具体的，所述各固定参考电压端输入的固定参考电压取值均处于积分节点复位电压至比较器的正相输入端的最低可输入电压之间，各固定参考电压端输入的固定参考电压顺序排列，且按照固定的变化量依次增加或减小。

再进一步的，所述一组固定参考电压端中，固定参考电压端的数量大于或等于N。脉冲频率调制型图像传感器电路的处理方法，应用于上述的脉冲频率调制型图像传感器电路，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、外部控制信号输入端输入复位控制信号，积分节点电容复位到复位电平，计数器根据所输入的复位控制信号进行复位，逻辑模块复位，控制第一个选通控制开关导通，其余关闭；

步骤2、输入的复位控制信号使积分节点电容与电源输入端断开，开始计数；

步骤3、在光电探测器的作用下，积分节点电容上的电压发生改变，当该电压与当前导通的固定参考电压相等时，比较器的输出电压发生翻转，进入步骤4；

步骤4、计数器的输出计数值加L，逻辑模块控制当前选通控制开关关断，同时导通下一个选通控制开关，回到步骤3；

步骤5、当计数器的计数值为mN时，计数器的积分节点复位控制端输出一个脉冲，使第一积分节点复位开关S0导通，对积分节点电容进行复位，且逻辑模块复位，控制第一个选通控制开关导通，其余关闭，回到步骤3。

本发明的有益效果是，通过上述脉冲频率调制型图像传感器电路，可以看出，采用改变比较器的正相输入端输入的参考电压，可以在保证不增加积分节点电容复位次数的同时，使比较器的输出进行更多次的翻转，不仅减小了积分节点电容上的残余电压，减缓了残余电压所致的成像质量退化，同时避免了复杂的外围辅助电路来合成最终的输出数据，降低了电路设计的难度与复杂度。

附图说明

图1为PWM型图像传感器的基本像素单元单元结构示意图；

图2为PFM型图像传感器的基本像素单元单元结构示意图；

图3为文献1中所述的延伸计数量化电路的工作时序示意图；

图4为文献3中所述变参考电压电路的结构示意图；

图5为本发明实施例中第一种脉冲频率调制型图像传感器电路的结构示意图；

图6为本发明实施例中第二种脉冲频率调制型图像传感器电路的结构示意图；

图7为本发明实施例中第三种脉冲频率调制型图像传感器电路的结构示意图；

图8为本发明实施例中第四种脉冲频率调制型图像传感器电路的结构示意图；

图9为本发明实施例中第三种脉冲频率调制型图像传感器电路具体举例时的结构示意图；

图10为图9中脉冲频率调制型图像传感器电路的工作时序及输出结果示意图；

其中，Vint为积分节点电压，Cint为积分节点电容，Vref为比较器的参考电压，Vo为输出信号，S0为第一积分节点复位开关，Det1为光电探测器，M1为PMOS开关，M2为NMOS开关，M1与M2组成充/放电电路，Cref为参考电容，CLKint为积分时间段的控制信号，CLKres为延伸时间段的控制信号，Vcom为比较器输出端的电压，CLK为固定时钟，Sr为第二积分节点复位开关，Reset为外部控制信号输入端输入的复位控制信号，Vc1为第一固定参考电压，Vc2为第二固定参考电压，Vc3为第三固定参考电压，VcN为第N固定参考电压，Sc1为第一选通控制开关，Sc2为第二选通控制开关，Sc3为第三选通控制开关，ScN为第N选通控制开关，VCC为电源输入端，Vvref为比较器的参考电压端电压，即正相输入端的电压，Vcint为积分电容Cint上的电压，Vs0为第一积分节点复位开关S0的控制端上的电压，OUT0、OUT1及OUT2分别为3位计数器的输出端中三根输出线输出的信号。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。

本发明所述的第一种脉冲频率调制型图像传感器电路，包括电源输入端、光电探测器、积分节点电容、比较器、第一积分节点复位开关、计数器、电路输出端、地线、外部控制信号输入端、一组选通控制开关、逻辑模块及一组固定参考电压输入端，光电探测器的正极与地线连接，其负极通过第一积分节点复位开关与电源输入端连接，积分节点电容的一端与地线连接，另一端与光电探测器的负极连接；一组选通控制开关及一组固定参考电压端中，各选通控制开关与各固定参考电压输入端一一对应，比较器的负相输入端与光电探测器的负极连接，其正相输入端分别通过每一个选通控制开关与对应的固定参考电压输入端连接，比较器的输出端与计数器的计数输入端连接；计数器的复位端与外部控制信号输入端连接，其积分节点复位控制端与第一积分节点复位开关的控制端连接，其输出端作为电路输出端，并与逻辑模块的输入端连接，逻辑模块的各输出端与各选通控制开关一一对应，各输出端分别与对应的选通控制开关的控制端连接；这里，一组固定参考电压端中，每一个固定参考电压端输入的固定参考电压都与其他固定参考电压输入的固定参考电压不同；计数器中，其计数输入端每输入计数输入端每输入N个脉冲，其积分节点复位控制端即触发一个脉冲，使第一积分节点复位开关导通，其中，N为大于等于2的正整数；各选通控制开关受逻辑模块的控制，同一时刻仅有一个选通控制开关导通，其余关断；当外部控制信号输入端输入复位控制信号使计数器复位时，计数器的积分节点复位控制端触发一个脉冲，使第一积分节点复位开关导通，同时计数器的输出端输出初始复位信号；逻辑模块为各选通控制开关进行排序，当检测计数器的输出端输出的计数值加L时，顺序选择下一个选通控制开关导通，若无下一个选通控制开关，则回到第一个选通控制开关进行循环导通，当计数器的输出端输出的计数值为mN或初始复位信号时，则逻辑模块直接回到第一个选通控制开关进行循环导通，其中，L为大于等于1的正整数，m为大于等于1的正整数。

本发明所述的第二种脉冲频率调制型图像传感器电路，包括电源输入端、光电探测器、积分节点电容、比较器、第一积分节点复位开关、计数器、电路输出端、地线、外部控制信号输入端、一组选通控制开关、逻辑模块及一组固定参考电压输入端，光电探测器的正极与地线连接，其负极通过第一积分节点复位开关与电源输入端连接，积分节点电容的一端与地线连接，另一端与光电探测器的负极连接；一组选通控制开关及一组固定参考电压端中，各选通控制开关与各固定参考电压输入端一一对应，比较器的负相输入端与光电探测器的负极连接，其正相输入端分别通过每一个选通控制开关与对应的固定参考电压输入端连接，比较器的输出端与计数器的计数输入端连接；计数器的复位端与外部控制信号输入端连接，其积分节点复位控制端与第一积分节点复位开关的控制端连接，其输出端作为电路输出端，并与逻辑模块的输入端连接，逻辑模块的各输出端与各选通控制开关一一对应，各输出端分别与对应的选通控制开关的控制端连接，外部控制信号输入端与逻辑模块的复位输入端连接；这里，一组固定参考电压端中，每一个固定参考电压端输入的固定参考电压都与其他固定参考电压输入的固定参考电压不同；计数器中，其计数输入端每输入N个脉冲，其积分节点复位控制端即触发一个脉冲，使第一积分节点复位开关导通，其中，N为大于等于2的正整数；各选通控制开关受逻辑模块的控制，同一时刻仅有一个选通控制开关导通，其余关断；当外部控制信号输入端输入复位控制信号使计数器复位时，计数器的积分节点复位控制端触发一个脉冲，使第一积分节点复位开关导通；逻辑模块为各选通控制开关进行排序，当检测计数器的输出端输出的计数值加L时，顺序选择下一个选通控制开关导通，若无下一个选通控制开关，则回到第一个选通控制开关进行循环导通，当计数器的输出端输出的计数值为mN或复位输入端接收到使计数器复位的复位控制信号时，则逻辑模块直接回到第一个选通控制开关进行循环导通，其中，L为大于等于1的正整数，m为大于等于1的正整数。

本发明所述的第三种脉冲频率调制型图像传感器电路，包括电源输入端、光电探测器、积分节点电容、比较器、第一积分节点复位开关、计数器、电路输出端、地线、外部控制信号输入端、第二积分节点复位开关、一组选通控制开关、逻辑模块及一组固定参考电压输入端，光电探测器的正极与地线连接，其负极分别通过第一积分节点复位开关及第二积分节点复位开关与电源输入端连接，积分节点电容的一端与地线连接，另一端与光电探测器的负极连接；所述一组选通控制开关及一组固定参考电压端中，各选通控制开关与各固定参考电压输入端一一对应，比较器的负相输入端与光电探测器的负极连接，其正相输入端分别通过每一个选通控制开关与对应的固定参考电压输入端连接，比较器的输出端与计数器的计数输入端连接；计数器的复位端与外部控制信号输入端连接，其积分节点复位控制端与第一积分节点复位开关的控制端连接，其输出端作为电路输出端，并与逻辑模块的输入端连接，所述第二积分节点复位开关的控制端与外部控制信号输入端连接，逻辑模块的各输出端与各选通控制开关一一对应，各输出端分别与对应的选通控制开关的控制端连接；这里，一组固定参考电压端中，每一个固定参考电压端输入的固定参考电压都与其他固定参考电压输入的固定参考电压不同；计数器中，其计数输入端每输入N个脉冲，其积分节点复位控制端即触发一个脉冲，使第一积分节点复位开关导通；各选通控制开关受逻辑模块的控制，同一时刻仅有一个选通控制开关导通，其余关断；当外部控制信号输入端输入复位控制信号使计数器复位时，能够使第二积分节点复位开关导通，同时计数器的输出端输出初始复位信号；逻辑模块为各选通控制开关进行排序，当检测计数器的输出端输出的计数值加L时，顺序选择下一个选通控制开关导通，若无下一个选通控制开关，则回到第一个选通控制开关进行循环导通，当计数器的输出端输出的计数值为mN或初始复位信号时，则逻辑模块直接回到第一个选通控制开关进行循环导通，其中，L为大于等于1的正整数，m为大于等于1的正整数。

本发明所述的第四种脉冲频率调制型图像传感器电路，包括电源输入端、光电探测器、积分节点电容、比较器、第一积分节点复位开关、计数器、电路输出端、地线、外部控制信号输入端、第二积分节点复位开关、一组选通控制开关、逻辑模块及一组固定参考电压输入端，光电探测器的正极与地线连接，其负极分别通过第一积分节点复位开关及第二积分节点复位开关与电源输入端连接，积分节点电容的一端与地线连接，另一端与光电探测器的负极连接；一组选通控制开关及一组固定参考电压端中，各选通控制开关与各固定参考电压输入端一一对应，比较器的负相输入端与光电探测器的负极连接，其正相输入端分别通过每一个选通控制开关与对应的固定参考电压输入端连接，比较器的输出端与计数器的计数输入端连接；计数器的复位端与外部控制信号输入端连接，其积分节点复位控制端与第一积分节点复位开关的控制端连接，其输出端作为电路输出端，并与逻辑模块的输入端连接，所述第二积分节点复位开关的控制端与外部控制信号输入端连接，逻辑模块的各输出端与各选通控制开关一一对应，各输出端分别与对应的选通控制开关的控制端连接，外部控制信号输入端与逻辑模块的复位输入端连接；这里，一组固定参考电压端中，每一个固定参考电压端输入的固定参考电压都与其他固定参考电压输入的固定参考电压不同；计数器中，其计数输入端每输入N个脉冲，其积分节点复位控制端即触发一个脉冲，使第一积分节点复位开关导通；各选通控制开关受逻辑模块的控制，同一时刻仅有一个选通控制开关导通，其余关断；当外部控制信号输入端输入复位控制信号使计数器复位时，能够使第二积分节点复位开关导通；逻辑模块为各选通控制开关进行排序，当检测计数器的输出端输出的计数值加L时，顺序选择下一个选通控制开关导通，若无下一个选通控制开关，则回到第一个选通控制开关进行循环导通，当计数器的输出端输出的计数值为mN或复位输入端接收到使计数器复位的复位控制信号时，则逻辑模块直接回到第一个选通控制开关进行循环导通，其中，L为大于等于1的正整数，m为大于等于1的正整数。

实施例

本发明实施例中的第一种脉冲频率调制型图像传感器电路，其结构示意图参见图5，包括电源输入端VCC、光电探测器Det1、积分节点电容Cint、比较器、第一积分节点复位开关S0、计数器、电路输出端、地线、外部控制信号输入端、一组选通控制开关(包括第一选通控制开关Sc1、第二选通控制开关Sc2、……、第N选通控制开关ScN)、逻辑模块及一组固定参考电压输入端，光电探测器Det1的正极与地线连接，其负极通过第一积分节点复位开关S0与电源输入端VCC连接，积分节点电容Cint的一端与地线连接，另一端与光电探测器Det1的负极连接；一组选通控制开关及一组固定参考电压端中，各选通控制开关与各固定参考电压输入端一一对应，比较器的负相输入端与光电探测器Det1的负极连接，其正相输入端分别通过每一个选通控制开关与对应的固定参考电压输入端连接，比较器的输出端与计数器的计数输入端连接；计数器的复位端与外部控制信号输入端连接，其积分节点复位控制端与第一积分节点复位开关S0的控制端连接，其输出端作为电路输出端，并与逻辑模块的输入端连接，逻辑模块的各输出端与各选通控制开关一一对应，各输出端分别与对应的选通控制开关的控制端连接；这里，一组固定参考电压端中，每一个固定参考电压端输入的固定参考电压都与其他固定参考电压输入的固定参考电压不同，即第一固定参考电压Vc1、第二固定参考电压Vc2、……及第N固定参考电压VcN分别不同；计数器中，其计数输入端每输入N个脉冲，其积分节点复位控制端即触发一个脉冲，使第一积分节点复位开关S0导通，其中，N为大于等于2的正整数；各选通控制开关受逻辑模块的控制，同一时刻仅有一个选通控制开关导通，其余关断；当外部控制信号输入端输入复位控制信号Reset使计数器复位时，计数器的积分节点复位控制端触发一个脉冲，使第一积分节点复位开关S0导通，同时计数器的输出端输出初始复位信号；逻辑模块为各选通控制开关进行排序，当检测计数器的输出端输出的计数值加L时，顺序选择下一个选通控制开关导通，若无下一个选通控制开关，则回到第一个选通控制开关进行循环导通，当计数器的输出端输出的计数值为mN或初始复位信号时，则逻辑模块直接回到第一个选通控制开关进行循环导通，其中，L为大于等于1的正整数，m为大于等于1的正整数。

本发明实施例中的第二种脉冲频率调制型图像传感器电路，其结构示意图参见图6，包括电源输入端VCC、光电探测器Det1、积分节点电容Cint、比较器、第一积分节点复位开关S0、计数器、电路输出端、地线、外部控制信号输入端、一组选通控制开关(包括第一选通控制开关Sc1、第二选通控制开关Sc2、……、第N选通控制开关ScN)、逻辑模块及一组固定参考电压输入端(包括第一固定参考电压Vc1、第二固定参考电压Vc2、……、第N固定参考电压VcN)，光电探测器Det1的正极与地线连接，其负极通过第一积分节点复位开关S0与电源输入端VCC连接，积分节点电容Cint的一端与地线连接，另一端与光电探测器Det1的负极连接；一组选通控制开关及一组固定参考电压端中，各选通控制开关与各固定参考电压输入端一一对应，比较器的负相输入端与光电探测器Det1的负极连接，其正相输入端分别通过每一个选通控制开关与对应的固定参考电压输入端连接，比较器的输出端与计数器的计数输入端连接；计数器的复位端与外部控制信号输入端连接，其积分节点复位控制端与第一积分节点复位开关S0的控制端连接，其输出端作为电路输出端，并与逻辑模块的输入端连接，逻辑模块的各输出端与各选通控制开关一一对应，各输出端分别与对应的选通控制开关的控制端连接，外部控制信号输入端与逻辑模块的复位输入端连接；这里，一组固定参考电压端中，每一个固定参考电压端输入的固定参考电压都与其他固定参考电压输入的固定参考电压不同；计数器中，其计数输入端每输入N个脉冲，其积分节点复位控制端即触发一个脉冲，使第一积分节点复位开关S0导通，其中，N为大于等于2的正整数；各选通控制开关受逻辑模块的控制，同一时刻仅有一个选通控制开关导通，其余关断；当外部控制信号输入端输入复位控制信号Reset使计数器复位时，计数器的积分节点复位控制端触发一个脉冲，使第一积分节点复位开关S0导通；逻辑模块为各选通控制开关进行排序，当检测计数器的输出端输出的计数值加L时，顺序选择下一个选通控制开关导通，若无下一个选通控制开关，则回到第一个选通控制开关进行循环导通，当计数器的输出端输出的计数值为mN或复位输入端接收到使计数器复位的复位控制信号Reset时，则逻辑模块直接回到第一个选通控制开关进行循环导通，其中，L为大于等于1的正整数，m为大于等于1的正整数。

本发明实施例中的第三种脉冲频率调制型图像传感器电路，其结构示意图参见图7，包括电源输入端VCC、光电探测器Det1、积分节点电容Cint、比较器、第一积分节点复位开关S0、计数器、电路输出端、地线、外部控制信号输入端、第二积分节点复位开关Sr、一组选通控制开关(包括第一选通控制开关Sc1、第二选通控制开关Sc2、……、第N选通控制开关ScN)、逻辑模块及一组固定参考电压输入端(包括第一固定参考电压Vc1、第二固定参考电压Vc2、……、第N固定参考电压VcN)，光电探测器Det1的正极与地线连接，其负极分别通过第一积分节点复位开关S0及第二积分节点复位开关Sr与电源输入端VCC连接，积分节点电容Cint的一端与地线连接，另一端与光电探测器Det1的负极连接；所述一组选通控制开关及一组固定参考电压端中，各选通控制开关与各固定参考电压输入端一一对应，比较器的负相输入端与光电探测器Det1的负极连接，其正相输入端分别通过每一个选通控制开关与对应的固定参考电压输入端连接，比较器的输出端与计数器的计数输入端连接；计数器的复位端与外部控制信号输入端连接，其积分节点复位控制端与第一积分节点复位开关S0的控制端连接，其输出端作为电路输出端，并与逻辑模块的输入端连接，所述第二积分节点复位开关Sr的控制端与外部控制信号输入端连接，逻辑模块的各输出端与各选通控制开关一一对应，各输出端分别与对应的选通控制开关的控制端连接；这里，一组固定参考电压端中，每一个固定参考电压端输入的固定参考电压都与其他固定参考电压输入的固定参考电压不同；计数器中，其计数输入端每输入N个脉冲，其积分节点复位控制端即触发一个脉冲，使第一积分节点复位开关S0导通；各选通控制开关受逻辑模块的控制，同一时刻仅有一个选通控制开关导通，其余关断；当外部控制信号输入端输入复位控制信号Reset使计数器复位时，能够使第二积分节点复位开关Sr导通，同时计数器的输出端输出初始复位信号；逻辑模块为各选通控制开关进行排序，当检测计数器的输出端输出的计数值加L时，顺序选择下一个选通控制开关导通，若无下一个选通控制开关，则回到第一个选通控制开关进行循环导通，当计数器的输出端输出的计数值为mN或初始复位信号时，则逻辑模块直接回到第一个选通控制开关进行循环导通，其中，L为大于等于1的正整数，m为大于等于1的正整数。

本发明实施例中的第四种脉冲频率调制型图像传感器电路，其结构示意图参见图8，包括电源输入端VCC、光电探测器Det1、积分节点电容Cint、比较器、第一积分节点复位开关S0、计数器、电路输出端、地线、外部控制信号输入端、第二积分节点复位开关Sr、一组选通控制开关(包括第一选通控制开关Sc1、第二选通控制开关Sc2、……、第N选通控制开关ScN)、逻辑模块及一组固定参考电压输入端(包括第一固定参考电压Vc1、第二固定参考电压Vc2、……、第N固定参考电压VcN)，光电探测器Det1的正极与地线连接，其负极分别通过第一积分节点复位开关S0及第二积分节点复位开关Sr与电源输入端VCC连接，积分节点电容Cint的一端与地线连接，另一端与光电探测器Det1的负极连接；一组选通控制开关及一组固定参考电压端中，各选通控制开关与各固定参考电压输入端一一对应，比较器的负相输入端与光电探测器Det1的负极连接，其正相输入端分别通过每一个选通控制开关与对应的固定参考电压输入端连接，比较器的输出端与计数器的计数输入端连接；计数器的复位端与外部控制信号输入端连接，其积分节点复位控制端与第一积分节点复位开关S0的控制端连接，其输出端作为电路输出端，并与逻辑模块的输入端连接，所述第二积分节点复位开关Sr的控制端与外部控制信号输入端连接，逻辑模块的各输出端与各选通控制开关一一对应，各输出端分别与对应的选通控制开关的控制端连接，外部控制信号输入端与逻辑模块的复位输入端连接；这里，一组固定参考电压端中，每一个固定参考电压端输入的固定参考电压都与其他固定参考电压输入的固定参考电压不同；计数器中，其计数输入端每输入N个脉冲，其积分节点复位控制端即触发一个脉冲，使第一积分节点复位开关S0导通；各选通控制开关受逻辑模块的控制，同一时刻仅有一个选通控制开关导通，其余关断；当外部控制信号输入端输入复位控制信号Reset使计数器复位时，能够使第二积分节点复位开关Sr导通；逻辑模块为各选通控制开关进行排序，当检测计数器的输出端输出的计数值加L时，顺序选择下一个选通控制开关导通，若无下一个选通控制开关，则回到第一个选通控制开关进行循环导通，当计数器的输出端输出的计数值为mN或复位输入端接收到使计数器复位的复位控制信号Reset时，则直接回到第一个选通控制开关进行循环导通，其中，L为大于等于1的正整数，m为大于等于1的正整数

上述四种脉冲频率调制型图像传感器电路中，比较器均可以为两级比较器或基于OTA的对称型比较器或动态锁存型比较器或可控施密特触发器等；而第一积分节点复位开关S0和/或第二积分节点复位开关Sr可以为PMOS开关或NMOS开关或CMOS开关或自举开关等。

而各固定参考电压端输入的固定参考电压取值均处于积分节点复位电压至比较器的正相输入端的最低可输入电压之间，各固定参考电压端输入的固定参考电压顺序排列，且按照固定的变化量依次增加或减小。

在一组固定参考电压端中，固定参考电压端的数量优选为大于或等于N，以等于N最优。

根据上述四种脉冲频率调制型图像传感器电路可见，其区别在于，是否有第二积分节点复位开关Sr及逻辑模块的复位输入端是否与外部控制信号输入端连接，当具有第二积分节点复位开关Sr时，可以使复位控制信号Reset直接反应至积分节点电容Cint，使系统反应更快，而不需要等到计数器积分节点复位控制端触发脉冲，而当逻辑模块的复位输入端与外部控制信号输入端连接时，其可以使复位控制信号Reset直接反应至逻辑模块，也可以使系统反应更快，且不需要计数器再在复位时输出初始复位信号。

另外，逻辑模块与计数器中，其还可以具有多种连接方式用于实现计数器输出的计数值为mN时的判断，例如将逻辑模块的复位输入端与外部控制信号输入端断开后与计数器的积分节点复位控制端连接，或直接再在逻辑模块上设置一个第二复位输入端，将其与计数器的积分节点复位控制端连接，这样，可以利用计数器在其输出计数值为mN时通过积分节点复位控制端输出的脉冲来使逻辑模块复位，不需要逻辑模块再对计数器的输出计数值进行判断，当然，也可以直接由逻辑模块对计数器的输出计数值进行检测判断。

由此可见，上述四种脉冲频率调制型图像传感器电路在本质上是相同的，其区别仅在于对外部控制信号输入端输入的复位控制信号Reset的反应速度。

使用时，将计数器的输出端与输出总线连接，其具体处理步骤如下：

步骤1、外部控制信号输入端输入复位控制信号Reset，积分节点电容Cint复位到复位电平，计数器根据所输入的复位控制信号Reset进行复位，逻辑模块复位，控制第一个选通控制开关导通，其余关闭；

步骤2、输入的复位控制信号Reset使积分节点电容Cint与电源输入端VCC断开，开始计数；

步骤3、在光电探测器Det1的作用下，积分节点电容Cint上的电压发生改变，当该电压与当前导通的固定参考电压相等时，比较器的输出电压发生翻转，进入步骤4；

步骤4、计数器的输出计数值加L，逻辑模块控制当前选通控制开关关断，同时导通下一个选通控制开关，回到步骤3；

步骤5、当计数器的计数值为mN时，计数器的积分节点复位控制端输出一个脉冲，使第一积分节点复位开关S0导通，对积分节点电容Cint进行复位，且逻辑模块复位，控制第一个选通控制开关导通，其余关闭，回到步骤3。

本例中以第三种脉冲频率调制型图像传感器电路为例，且限定其N取值为3，L为1,所有控制开关(选通控制开关、第一积分节点复位开关S0及第二积分节点复位开关Sr)均为PMOS开关，计数器为3位计数器，其一组选通控制开关包括第一选通控制开关Sc1、第二选通控制开关Sc2及第三选通控制开关Sc3，与之对应的固定参考电压分别为第一固定参考电压Vc1、第二固定参考电压Vc2及第三固定参考电压Vc3，其结构示意图如图9所示。

参见图10，是上述图9中脉冲频率调制型图像传感器电路的工作时序及输出结果图，其中，Vs0是指第一积分节点复位开关S0的控制端上的电压，1表示步骤A，2表示步骤B，3表示步骤C，这里，说明一下，3位计数器的输出端一般包括三根输出线，则在图10中，分别以OUT0、OUT1及OUT2标注三根输出线输出的信号，其具体处理步骤如下：

步骤A(对应步骤1)：外部复位。此阶段复位控制信号Reset为低电平，积分节点电容Cint通过第二积分节点复位开关Sr复位到高电平，计数器在复位控制信号Reset的作用下，完成了计数器的初始复位过程。根据计数器的初始复位信号，逻辑模块输出相应的控制信号使第一选通控制开关Sc1导通，其余选通控制开关Sc2～ScN断开。

步骤B(对应步骤2～4)：计数量化。此阶段复位控制信号Reset为高电平。在光电探测器Det1的作用下，积分节点电容Cint上的存储的电荷被光电探测器Det1按照一定的速度进行泄放。当积分节点电容Cint上的电压值Vcint略低于此时的参考电压值Vvref时，比较器的输出电压发生翻转，计数器的计数值加一，进而逻辑控制模块调整下一个选通开关导通，进入下一次计数。

步骤C(对应步骤5)：内部复位。当计数器的计数值每增加N时，计数器的积分节点复位控制端输出一低电平脉冲信号，使第一积分节点复位开关S0导通，对积分节点电容Cint进行复位。此时逻辑模块获知当前计数器的计数值为mN，则使第一选通控制开关Sc1导通，进而进入下一次计数量化和内部复位循环。