一种相关多采样量化电路及其工作方式

摘要

本发明公开了一种相关多采样量化电路及其工作方式，电路包括：第一斜坡产生器、第二斜坡产生器、斜坡选择电路、比较器、计数器以及数据处理电路，第一斜坡产生器和第二斜坡产生器的输出端均连接斜坡选择电路的输入端，斜坡选择电路的输出端连接比较器的第一输入端，比较器的第二输入端连接图像传感器中像素的输入信号，比较器的输出端连接计数器的输入端，计数器的输出端连接数据处理电路；图像传感器中像素包括复位阶段和光信号读出阶段，光信号读出阶段包括判断信号强度过程和相关多采样量化过程。本发明提高了采用相关多采样技术读出的CMOS图像传感器的成像质量。

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路设计领域，具体涉及一种相关多采样量化电路及其工作方式。

背景技术

在CMOS图像传感器设计中，噪声是评价其性能的重要指标，它直接决定了图像传感器的成像质量。CMOS图像传感器中的噪声通常来源于像素的暗电流、读出电路产生的随机噪声以及光子的散粒噪声。对于微光图像传感器来说，读出电路所贡献的随机噪声是整个CMOS图像传感器噪声的主要来源。为了抑制读出电路产生的噪声，目前已经发表的技术主要有列级信号放大、相关双采样和相关多采样。其中相关多采样是利用高斯噪声在时域上的期望为0的原理，对像素产生的信号进行多次采样进而求平均的原理，对随机噪声进行抑制。然而相关多采样技术会浪费大量的时间以及功耗，因此在2018年Shang-Fu Yeh等人提出了一种有条件的相关多采样工作方式，其核心思想是对于小幅度信号进行多次量化，而对于大幅度信号只进行一次量化，既节省了量化时间和功耗，也对随机噪声进行了有效抑制。然而这种方式对于处在中间幅度的信号来说，有可能进行多次采样，也有可能只进行一次采样，这就造成了大小相似的信号，最后读出结果中包含的随机噪声大小不同。最后在成像结果中引入异常的条纹，影响成像质量。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种相关多采样量化电路及其工作方式，可以提高采用相关多采样技术读出的CMOS图像传感器的成像质量。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种相关多采样量化电路，包括：第一斜坡产生器、第二斜坡产生器、斜坡选择电路、比较器、计数器以及数据处理电路，所述第一斜坡产生器和所述第二斜坡产生器的输出端均连接所述斜坡选择电路的输入端，所述斜坡选择电路的输出端连接所述比较器的第一输入端，所述比较器的第二输入端连接图像传感器中像素的输入信号，所述比较器的输出端连接所述计数器的输入端，所述计数器的输出端连接所述数据处理电路；所述图像传感器中像素包括复位阶段和光信号读出阶段，所述光信号读出阶段包括判断信号强度过程和相关多采样量化过程；

所述第一斜坡产生器产生第一斜坡信号并输入所述斜坡选择电路，所述第二斜坡产生器产生第二斜坡信号并输入所述斜坡选择电路，所述斜坡选择电路选择相应的斜坡信号并输入所述比较器，所述计数器在所述比较器的控制下开始或停止计数，并将计数结果输入所述数据处理电路，所述数据处理电路保存所述计数结果并进行运算，输出量化结果；

其中，相关多采样次数为M次，M为大于1的正整数，所述量化结果为n位二进制码R，n为所述计数器的位数。

进一步，如上所述的一种相关多采样量化电路，当所述图像传感器中像素进入复位阶段时，所述斜坡选择电路的输出电压V

所述斜坡选择电路的输出电压V

重复上述过程M次后，将所述计数器的当前计数结果C

进一步，如上所述的一种相关多采样量化电路，当所述图像传感器中像素进入光信号读出阶段时，所述输入信号V

进一步，如上所述的一种相关多采样量化电路，所述判断信号强度过程包括：

若入射的光强较弱，则C

所述相关多采样量化过程包括：

所述第一斜坡信号V

R＜n-1:0＞＝(C

进一步，如上所述的一种相关多采样量化电路，所述判断信号强度过程还包括：

若入射的光强较强，则C

所述相关多采样量化过程还包括：

所述第二斜坡信号V

一种相关多采样量化电路的工作方式，所述相关多采样量化电路包括：第一斜坡产生器、第二斜坡产生器、斜坡选择电路、比较器、计数器以及数据处理电路，所述第一斜坡产生器和所述第二斜坡产生器的输出端均连接所述斜坡选择电路的输入端，所述斜坡选择电路的输出端连接所述比较器的第一输入端，所述比较器的第二输入端连接图像传感器中像素的输入信号，所述比较器的输出端连接所述计数器的输入端，所述计数器的输出端连接所述数据处理电路；所述图像传感器中像素包括复位阶段和光信号读出阶段，所述光信号读出阶段包括判断信号强度过程和相关多采样量化过程；

所述工作方式包括：

所述第一斜坡产生器产生第一斜坡信号并输入所述斜坡选择电路，所述第二斜坡产生器产生第二斜坡信号并输入所述斜坡选择电路，所述斜坡选择电路选择相应的斜坡信号并输入所述比较器，所述计数器在所述比较器的控制下开始或停止计数，并将计数结果输入所述数据处理电路，所述数据处理电路保存所述计数结果并进行运算，输出量化结果；

其中，相关多采样次数为M次，M为大于1的正整数，所述量化结果为n位二进制码R，n为所述计数器的位数。

进一步，如上所述的一种相关多采样量化电路的工作方式，当所述图像传感器中像素进入复位阶段时，所述斜坡选择电路的输出电压V

所述斜坡选择电路的输出电压V

重复上述过程M次后，将所述计数器的当前计数结果C

进一步，如上所述的一种相关多采样量化电路的工作方式，当所述图像传感器中像素进入光信号读出阶段时，所述输入信号V

进一步，如上所述的一种相关多采样量化电路的工作方式，所述判断信号强度过程包括：

若入射的光强较弱，则C

所述相关多采样量化过程包括：

所述第一斜坡信号V

R＜n-1:0＞＝(C

进一步，如上所述的一种相关多采样量化电路的工作方式，所述判断信号强度过程还包括：

若入射的光强较强，则C

所述相关多采样量化过程还包括：

所述第二斜坡信号V

本发明的有益效果在于：本发明通过在量化信号时采用不同方向的斜坡，在保持低量化时间的同时，对各种幅度的信号均进行相关多采样操作，确保整个信号摆幅下对读出电路中随机噪声的抑制效果保持一致，提高采用相关多采样技术读出的CMOS图像传感器的成像质量。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的一种相关多采样量化电路的结构示意图；

图2为本发明实施例中提供的相关多采样工作过程的示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

本发明针对目前有条件相关多采样技术中，采样次数不同对不同信号摆幅下随机噪声抑制效果的差异所引入的非理想效应，提出一种新的相关多采样的工作方式。通过在量化信号时采用不同方向的斜坡，在保持低量化时间的同时，对各种幅度的信号均进行相关多采样操作，确保整个信号摆幅下对读出电路中随机噪声的抑制效果保持一致，提高采用相关多采样技术进行读出的CMOS图像传感器的成像质量。

如图1所示，一种相关多采样量化电路，包括：第一斜坡产生器(斜坡产生器1)、第二斜坡产生器(斜坡产生器2)、斜坡选择电路、比较器、计数器以及数据处理电路，第一斜坡产生器和第二斜坡产生器的输出端均连接斜坡选择电路的输入端，斜坡选择电路的输出端连接比较器的第一输入端，比较器的第二输入端连接图像传感器中像素的输入信号，比较器的输出端连接计数器的输入端，计数器的输出端连接数据处理电路；图像传感器中像素包括复位阶段和光信号读出阶段，光信号读出阶段包括判断信号强度过程和相关多采样量化过程；其中，相关多采样次数为M次，M为大于1的正整数；

第一斜坡产生器产生第一斜坡信号并输入斜坡选择电路，第二斜坡产生器产生第二斜坡信号并输入斜坡选择电路，斜坡选择电路选择相应的斜坡信号并输入比较器，计数器在比较器的控制下停止计数，并将计数结果输入数据处理电路，数据处理电路保存计数结果并进行运算，输出量化结果。

量化结果为n位二进制码R，n为计数器的位数。

当图像传感器中像素进入复位阶段时，斜坡选择电路的输出电压V

斜坡选择电路的输出电压V

重复上述过程M次后，将计数器的当前计数结果C

当图像传感器中像素进入光信号读出阶段时，输入信号V

判断信号强度过程包括：

若入射的光强较弱，则C

相关多采样量化过程包括：

第一斜坡信号V

R＜n-1:0＞＝(C

判断信号强度过程还包括：

若入射的光强较强，则C

相关多采样量化过程还包括：

第二斜坡信号V

本发明实施例还提供一种相关多采样量化电路的工作方式，相关多采样量化电路包括：第一斜坡产生器、第二斜坡产生器、斜坡选择电路、比较器、计数器以及数据处理电路，第一斜坡产生器和第二斜坡产生器的输出端均连接斜坡选择电路的输入端，斜坡选择电路的输出端连接比较器的第一输入端，比较器的第二输入端连接图像传感器中像素的输入信号，比较器的输出端连接计数器的输入端，计数器的输出端连接数据处理电路；图像传感器中像素包括复位阶段和光信号读出阶段，光信号读出阶段包括判断信号强度过程和相关多采样量化过程；

工作方式包括：

第一斜坡产生器产生第一斜坡信号并输入斜坡选择电路，第二斜坡产生器产生第二斜坡信号并输入斜坡选择电路，斜坡选择电路选择相应的斜坡信号并输入比较器，计数器在比较器的控制下开始或停止计数，并将计数结果输入数据处理电路，数据处理电路保存计数结果并进行运算，输出量化结果；

其中，相关多采样次数为M次，M为大于1的正整数，量化结果为n位二进制码R，n为计数器的位数。

当图像传感器中像素进入复位阶段时，斜坡选择电路的输出电压V

斜坡选择电路的输出电压V

重复上述过程M次后，将计数器的当前计数结果C

当图像传感器中像素进入光信号读出阶段时，输入信号V

判断信号强度过程包括：

若入射的光强较弱，则C

相关多采样量化过程包括：

第一斜坡信号V

R＜n-1:0＞＝(C

判断信号强度过程还包括：

若入射的光强较强，则C

相关多采样量化过程还包括：

第二斜坡信号V

实施例一

如图1所示，一种相关多采样量化电路，包括两个斜坡产生器(斜坡产生器1和斜坡产生器2)、斜坡选择电路、比较器、计数器以及数据处理电路。其中两个斜坡产生器的输出V

工作过程如图2所示。本发明中相关多采样次数可以为M次，M为大于1的正整数，为了方便，以相关多采样次数为3次进行配图说明。本发明的相关多采样量化分为两个阶段，阶段一量化复位电压，阶段二量化光信号电压，其中阶段二又分为两个量化过程，第一个量化过程判断信号强度，第二个量化过程进行相关多采样量化。详细工作过程如下：

在阶段一，即像素的复位阶段，此时斜坡选择电路输出V

R＜n-1:0＞＝(C

若此时入射的光强较强，则在阶段二第一个量化过程中得到的量化结果C

本发明的最佳实施方式：本发明中计数器的位数n取11bit，斜坡产生器V

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。