[發明專利]列并行模數轉換器、像素感光值輸出方法及CMOS圖像傳感器

有效

• 申請號: 201310676151.4
• 申請日: 2013-12-11
• 公開（公告）號: CN103686004A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發明（設計）人: 趙立新;董小英;俞大立;喬勁軒
• 申請（專利權）人: 格科微電子（上海）有限公司
• 主分類號: H04N5/374
• 分類號: H04N5/374;H04N5/3745;H04N5/378;H03M1/06;H03M1/08
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 吳靖靚;駱蘇華

技術領域

本發明涉及圖像傳感器領域，尤其涉及一種列并行模數轉換器、一種像素感光信號輸出方法及一種CMOS圖像傳感器。

背景技術

目前，圖像傳感器主要有CCD圖像傳感器（Charged?Coupled?Device）和CMOS圖像傳感器（CMOS?Imaging?Sensor，CIS）兩類。相比CDD圖像傳感器，CMOS圖像傳感器具有低功耗、低噪聲、寬動態范圍、體積小、成本低等優勢，因此CMOS圖像傳感器已逐漸成為本技術領域的研發熱點。

模數轉換器（Analog-to-Digital?Convert，ADC）是CMOS圖像傳感器的重要組成部分，用于將每個像素單元產生的模擬信號轉換成數字信號，是模擬電路與數字電路的接口。

所述像素單元產生的模擬信號是去除噪聲信號影響后的感光實際模擬值，通常采用相關雙采樣（Correlated?Double?Sampling），采集像素單元的感光電壓與復位電壓，并將其相減得到所述的模擬信號。具體地，先使像素單元的復位控制信號保持有效，此時像素單元輸出的是復位電壓。然后，開啟所述像素單元的傳輸管，輸出像素單元的感光電壓，但是這個感光電壓不是凈值，而是疊加在復位電壓上。所以，像素單元真正的感光值是感光電壓與復位電壓之差。

現有的CMOS圖像傳感器主用使用3種ADC，分別是：芯片級ADC、列并行ADC和像素級ADC。芯片級ADC即整個芯片只有一個ADC，每個像素產生的模擬輸出都要依次順序經過這個ADC進行模數轉換，所以，這種ADC占用面積較小，但同時轉換速度較慢，僅適用于像素陣列較小、對CIS速度要求不高的應用場合。像素級ADC是指每個像素或者每幾個像素共用一個ADC。這種ADC信噪比較高、功耗低、對ADC的速度要求也低，但像素的填充因子低、版圖設計復雜，目前還無法實現產業化。而列并行ADC是對芯片級ADC和像素級ADC的折中，它采用每列像素共用一個ADC，每列的ADC只負責處理本列數據，各列的ADC同時工作，這種半并行處理兼采芯片級ADC和像素級ADC之所長，可大大提高轉換效率，在未來CIS的發展中具有很廣泛的應用前景。

在申請公開號為CN1917374A的中國專利申請中，披露了一種列并行ADC（如圖1所示）。這種列并行ADC的每一列對應一個可逆計數器U/D?CNT。在復位階段，將每列像素單元的復位信號和斜坡發生器DAC產生的斜坡信號RAMP輸入比較器，此時對應于計數器的down?counting時段，計數器從某個起始值開始向下計數，直至斜坡信號RAMP超過復位信號使得比較器發生翻轉。此時計數器的數值Vref對應于復位電壓。在感光階段，將像素單元的感光信號和斜坡信號RAMP輸入比較器，此時對應于計數器的up?counting時段，計數器從復位電壓Vref開始向上計數，直至斜坡信號RAMP超過感光像素信號使得比較器再次發生翻轉。此時計數器的數值等于感光信號Vsig與復位信號Vref之差，即：真正的感光凈值（Vsig-Vref)。由于在這種方法中每一列像素單元的復位電壓Vref均實際由像素單元產生，所以產生的復位電壓Vref會在某一數值范圍內隨機分布，從而使得復位階段中各比較器翻轉的時間節點前后不統一，導致復位階段的時間較長，從而降低了模數轉換效率。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種列并行模數轉換器，能縮短模數轉換時間，提高轉換效率。

為了解決上述問題，本發明提供了一種列并行模數轉換器，包括：

斜坡發生器，用于在行操作時間內，產生第一斜坡信號和第二斜坡信號；

計數單元，用于在行操作時間內，在第一斜坡信號產生時開始計數以及在第二斜坡信號產生時重新開始計數；所述計數單元與所述斜坡發生器由同一同步信號控制；

以及多個列模數轉換器，每個列模數轉換器對應于像素陣列的一列像素單元；

所述列模數轉換器包括：

比較處理單元，用于比較復位電壓與所述第一斜坡信號電壓以及比較所述像素單元輸出的感光電壓與所述第二斜坡信號電壓，包括：電容、開關模塊及比較器，所述電容的第一端與所述像素單元的輸出端相連，所述電容的第二端與所述比較器的第一輸入端相連，所述比較器的第二輸入端與所述斜坡發生器的輸出端相連；所述開關模塊連接于所述電容的第二端與所述比較器的輸出端之間，所述開關模塊在所述第一斜坡信號產生前先復位后打開，用于在所述比較器的第一輸入端產生固定壓差的復位電壓；