具有根據(jù)像素接收的光水平的多次轉(zhuǎn)換或單次轉(zhuǎn)換的斜坡型模-數(shù)轉(zhuǎn)換的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種讀取圖像傳感器中的像素的方法，并且更具體地涉及具有大動(dòng)態(tài)范圍的圖像傳感器，其旨在聚集處于低亮度級(jí)和高亮度級(jí)的圖像。
【背景技術(shù)】
[0002]圖像傳感器包括被組織成行和列的像素矩陣。同一列的像素連接至本身連接至讀取電路的列導(dǎo)體，從而將通過(guò)用于讀取而選擇的像素而施加至列導(dǎo)體的電壓電平轉(zhuǎn)換成數(shù)字。該電壓電平表示由像素接收的光水平。該轉(zhuǎn)換通過(guò)包括比較器和計(jì)數(shù)器的斜坡型模-數(shù)轉(zhuǎn)換器來(lái)執(zhí)行，所述比較器用于將要轉(zhuǎn)換的電壓電平與線(xiàn)性電壓斜坡進(jìn)行比較，所述計(jì)數(shù)器從斜坡開(kāi)始的時(shí)刻起以高頻進(jìn)行計(jì)數(shù)直到比較器觸發(fā)為止。計(jì)數(shù)器在觸發(fā)時(shí)刻的內(nèi)容表示要轉(zhuǎn)換的電壓電平的數(shù)值。
[0003]該像素主要包括光電二極管和MOS晶體管(例如，四個(gè)晶體管)，使得能夠驅(qū)動(dòng)光電二極管中的光所產(chǎn)生的電荷的讀取。具有四個(gè)晶體管的像素通過(guò)將電荷從光電二極管傳送至之前被初始化至重新初始化電位的電容性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)來(lái)操作;像素的讀取通常包括:在重新初始化電位的列導(dǎo)體上執(zhí)行，然后在表示由像素接收的光水平的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電位的列導(dǎo)體上執(zhí)行。
[0004]采用已知的方式，為了避免與像素的電容性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)相關(guān)的噪聲，可以執(zhí)行兩個(gè)電平(重新初始化電平和有用電平)中的每一個(gè)的模-數(shù)轉(zhuǎn)換，并且在兩個(gè)數(shù)值之間執(zhí)行減法，因而消除了這個(gè)相關(guān)的噪聲成分，其中所述噪聲為相關(guān)噪聲，其對(duì)于存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的重新初始化電平以及對(duì)于在接收的電荷傳送之后的有用電平是同樣的。還可以在將差值轉(zhuǎn)換之前對(duì)模擬電壓執(zhí)行減法。在這種情況下，在執(zhí)行差值轉(zhuǎn)換之前，使用兩個(gè)采樣電容器來(lái)對(duì)由列提供的電信號(hào)進(jìn)行采樣，一次是在重新初始化之后，另一次是在電荷傳送之后。
[0005]讀取電路根據(jù)傳感器的動(dòng)態(tài)范圍(也就是說(shuō)，期望測(cè)量的照度范圍)來(lái)限定尺寸。尤其地，考慮到計(jì)數(shù)頻率、計(jì)數(shù)器的位數(shù)量以及期望的轉(zhuǎn)換速率來(lái)確定斜坡的持續(xù)時(shí)間，以允許測(cè)量期望的最高照度水平的轉(zhuǎn)換。
[0006]這些圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍實(shí)際上受限于轉(zhuǎn)換鏈的各種噪聲源的低照度水平，所述轉(zhuǎn)換鏈包括:像素中安裝為跟隨器的晶體管，以將存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電位復(fù)制至列導(dǎo)體上;為全部的列所共用的電流源;形成比較器的大增益放大器等。該鏈噪聲完全是隨機(jī)的，并且不依賴(lài)于要測(cè)量的信號(hào)的電平。其對(duì)增加傳感器對(duì)于低照度水平的動(dòng)態(tài)范圍的能力構(gòu)成障礙。
[0007]更具體地，本發(fā)明涉及讀取電路，其直接地對(duì)由列提供的兩個(gè)電壓電平中的每一個(gè)執(zhí)行模-數(shù)轉(zhuǎn)換，以及所獲得的兩個(gè)數(shù)值之間的減法。實(shí)際上，在上下文中，理論上已知如何通過(guò)對(duì)該信號(hào)執(zhí)行η次轉(zhuǎn)換并且對(duì)該η次轉(zhuǎn)換進(jìn)行平均來(lái)降低η的根比率(rapportracine de η)、存在于信號(hào)中的高斯噪聲的量。
[0008]但執(zhí)行η次轉(zhuǎn)換增加了用于讀取所確定的像素，以針對(duì)這些傳感器獲得寬的動(dòng)態(tài)范圍和良好的分辨率所需的時(shí)間，該時(shí)間主要由斜坡的標(biāo)稱(chēng)持續(xù)時(shí)間來(lái)確定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為了解決這個(gè)問(wèn)題，本發(fā)明提出了在由列提供的電壓電平的模-數(shù)轉(zhuǎn)換階段中，確定這個(gè)電平表示低照度水平還是高照度水平，從而在低照度水平的情況下通過(guò)利用對(duì)于η次轉(zhuǎn)換中的每一次降低的持續(xù)時(shí)間的斜坡，在用于單次轉(zhuǎn)換所正常分配的時(shí)間中執(zhí)行η次轉(zhuǎn)換并進(jìn)行平均。
[0010]因此，本發(fā)明提出了一種讀取矩陣圖像傳感器中的像素的方法，所述像素對(duì)列導(dǎo)體提供了表示由像素接收的光水平的電壓電平，并且讀取方法包括借助于斜坡型轉(zhuǎn)換器的模-數(shù)轉(zhuǎn)換，所述斜坡型轉(zhuǎn)換器包括借助于比較器將從列導(dǎo)體接收的電壓電平與模擬電壓斜坡進(jìn)行比較，并且對(duì)在斜坡開(kāi)始的時(shí)刻與比較器輸出觸發(fā)的時(shí)刻之間的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。
[0011]根據(jù)本發(fā)明，讀取方法包括決策階段，其中，檢測(cè)在斜坡開(kāi)始的時(shí)刻之后的預(yù)定時(shí)間之后比較器的輸出觸發(fā)，以在高光水平之間進(jìn)行區(qū)分，如果輸出未被觸發(fā)，則為低光水平，如果輸出被觸發(fā)，則分別根據(jù)第一種轉(zhuǎn)換模式或者第二種轉(zhuǎn)換模式來(lái)轉(zhuǎn)換電壓電平，其中:
[0012]-第一種轉(zhuǎn)換模式包括:借助于標(biāo)稱(chēng)持續(xù)時(shí)間的斜坡，在標(biāo)稱(chēng)轉(zhuǎn)換時(shí)間窗口的過(guò)程中由計(jì)數(shù)器進(jìn)行單次計(jì)數(shù)，允許高光水平轉(zhuǎn)換，
[0013]-第二種轉(zhuǎn)換模式包括:在標(biāo)稱(chēng)轉(zhuǎn)換時(shí)間窗口的持續(xù)時(shí)間內(nèi)建立降低持續(xù)時(shí)間的η個(gè)連續(xù)斜坡，針對(duì)每個(gè)斜坡在斜坡的開(kāi)始與比較器的輸出觸發(fā)之間通過(guò)計(jì)數(shù)器來(lái)計(jì)數(shù)，以及將η個(gè)計(jì)數(shù)結(jié)果求和，其中η為大于I的整數(shù)。
[0014]可以在標(biāo)稱(chēng)轉(zhuǎn)換時(shí)間窗口的開(kāi)始之前執(zhí)行決策階段。
[0015]但也可以在該標(biāo)稱(chēng)轉(zhuǎn)換時(shí)間窗口開(kāi)始時(shí)執(zhí)行決策階段。因此開(kāi)始于標(biāo)稱(chēng)持續(xù)時(shí)間的電壓斜坡，并且應(yīng)當(dāng)在決策階段結(jié)束之前觸發(fā)比較器的輸出，標(biāo)稱(chēng)持續(xù)時(shí)間的電壓斜坡在降低的持續(xù)時(shí)間之后中斷，并且組成η個(gè)連續(xù)斜坡中的第一個(gè)。在本上下文中，如果存在特定于像素矩陣的每個(gè)列的計(jì)數(shù)器，則可以利用降低持續(xù)時(shí)間的η個(gè)連續(xù)斜坡中的第一個(gè)，在將計(jì)數(shù)器復(fù)位至零之后，通過(guò)設(shè)置開(kāi)始計(jì)數(shù)以直接地執(zhí)行第二種轉(zhuǎn)換模式的η次計(jì)數(shù)的求和，并且利用降低持續(xù)時(shí)間的η-1個(gè)接下來(lái)的斜坡中的每一個(gè)重新開(kāi)始，而不復(fù)位至零。在標(biāo)稱(chēng)轉(zhuǎn)換時(shí)間窗口結(jié)束時(shí)，計(jì)數(shù)器通過(guò)累積η次計(jì)數(shù)而提供求和的結(jié)果作為輸出。
[0016]當(dāng)讀取方法包括重新初始化電平的第一種轉(zhuǎn)換時(shí)，表示由像素接收的光水平的有用電平的第二種轉(zhuǎn)換以及兩個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)果的減法使得能夠去除了與存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電容器相關(guān)的相關(guān)噪聲，重新初始化電平根據(jù)第二種轉(zhuǎn)換模式來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
[0017]根據(jù)本發(fā)明，在有用電平對(duì)應(yīng)于高光水平的情況下，則根據(jù)第二種模式執(zhí)行的重新初始化電平的轉(zhuǎn)換結(jié)果在對(duì)有用電平的轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行減法之前除以η。
[0018]在標(biāo)稱(chēng)轉(zhuǎn)換時(shí)間窗口開(kāi)始之前執(zhí)行決策階段的情況下，可以使用特定于像素矩陣的每個(gè)列的向上計(jì)數(shù)器/向下計(jì)數(shù)器，以在該向上計(jì)數(shù)器/向下計(jì)數(shù)器中直接執(zhí)行兩個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)果的減法(有用電平-重新初始化電平):根據(jù)決策階段的結(jié)果，可以在第二種轉(zhuǎn)換之前從I至η改變計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)步速，并且開(kāi)始相關(guān)的向下計(jì)數(shù)。
[0019]更準(zhǔn)確地，對(duì)于重新初始化電平的第一種轉(zhuǎn)換:計(jì)數(shù)器被配置成采用一個(gè)接一個(gè)計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)模式;而對(duì)于有用電平的第二種轉(zhuǎn)換，計(jì)數(shù)器被配置成根據(jù)對(duì)該第二種轉(zhuǎn)換的決策階段的結(jié)果，利用一個(gè)接一個(gè)或者η個(gè)接η個(gè)的計(jì)數(shù)步速的向下計(jì)數(shù)模式，而不復(fù)位至零。
[0020]實(shí)際上，在重新初始化像素的階段期間，提供給電壓斜坡以使其全部具有等于列導(dǎo)體的電壓電平的同一個(gè)開(kāi)始電平。
[0021 ]本發(fā)明還涉及相應(yīng)的矩陣圖像傳感器。
【附圖說(shuō)明】
[0022]在以非限定性指示的方式并且參照所附附圖給出的以下具體描述中給出了本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)，其中:
[0023]-圖1圖示了矩陣圖像傳感器的像素以及允許根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的讀取方法的以下相關(guān)讀取電路的常規(guī)結(jié)構(gòu)，
[0024]-圖2為讀取電路的各種信號(hào)的相應(yīng)時(shí)序圖；
[0025]-圖3表示根據(jù)利用依據(jù)由像素接收的光水平的第一種轉(zhuǎn)換模式或者第二種轉(zhuǎn)換模式的本發(fā)明的讀取方法，讀取用于像素的信號(hào)的時(shí)序圖；
[0026]-圖4圖示了能夠?qū)嵤└鶕?jù)本發(fā)明的讀取方法的示例性讀取電路；
[0027]-圖5為圖示了根據(jù)本發(fā)明的讀取方法的時(shí)序圖，所述讀取方法包括讀取重新初始化電平，以及在該有用電平對(duì)應(yīng)于高光水平的情況下讀取像素的有用電平；
[0028]-圖6為圖示了根據(jù)本發(fā)明的讀取方法的時(shí)序圖，所述讀取方法包括讀取重新初始化電平，以及在該有用電平對(duì)應(yīng)于低光水平的情況下讀取像素的有用電平；以及
[0029]-圖7圖示了根據(jù)本發(fā)明的讀取方法的變體，根據(jù)該變體，在模-數(shù)轉(zhuǎn)換之前執(zhí)行要應(yīng)用的轉(zhuǎn)換模式的決策。
【具體實(shí)施方式】
[0030]圖1圖示了連接至像素矩陣的列導(dǎo)體的像素，以及根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)用于讀取該像素、對(duì)由列導(dǎo)體提供的電壓電平執(zhí)行模-數(shù)轉(zhuǎn)換的電路的常規(guī)結(jié)構(gòu)，圖2表示相應(yīng)信號(hào)的時(shí)序圖。
[0031]像素PIX包括:光電二極管Dph、電容性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)ND(其通過(guò)與電容器連接的一個(gè)點(diǎn)來(lái)描繪)、用于在光電二極管的陰極與存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行電荷傳輸?shù)木w管Tl、用于將存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電位重新初始化的晶體管T2、跟隨器晶體管T3以及行選擇晶體管T4。
[0032]晶體管Tl由傳輸信號(hào)TRA來(lái)控制。晶體管T2的漏極連接至表示為VREF的參考電位(其可以為邏輯電源電壓)。晶體管T2由控制存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)ND重新初始化的信號(hào)RSnd來(lái)控制。跟隨器晶體管T3的漏極