[实用新型]图像数据模数转换装置及包含该装置的图像传感器

说明书

技术领域

本实用新型属于图像采集技术领域，涉及一种图像数据模数转换装置及包含该装置的图像传感器。

背景技术

图像数据模数转换装置主要用于将图像传感器像素阵列中的模拟信号量化为数字信号。图像传感器中的像素将光信号转换为模拟电信号，这些信号能够通过一些模拟和数字信号处理来实现各式各样的功能。

当前，作为传统CCD图像传感器的另一种选择CMOS工艺已被广泛用于图像传感器的设计和制造中。它包括被我们称为像素的感光单元阵列以及一些用于读出阵列电压信号的辅助电路。通常像素由感光的光电二极管和一些用于对像素进行控制的晶体管来构成。一个典型的像素包括一个光电二极管，一个用于复位的晶体管，一个射级跟随器和一个用于行选的晶体管。在进行像素操作时首先对光电二极管进行复位到一个复位电压，然后光电流会开始对光电二极管进行放电，一段曝光时间之后，光电二极管被放电到一个信号电压，复位电压和信号电压之间的差值就代表了光信号的强度。在对图像传感器噪声要求不高时，仅需读取像素的信号电压。

目前，特别是在高速应用中斜坡信号模数转换器被广泛用于CMOS图像传感器中。它由斜坡信号发生器，时钟信号发生器，比较器，计数脉冲发生器，计数器构成。图像传感器感光单元输出的模拟电压信号经模拟信号处理器进行相关采样处理后输出像素信号。斜坡信号由一个初始值开始随着时间慢慢增加或者减少。比较器被置于每一列的读出电路中，斜坡信号输入到每一列的比较器的输入端，比较器的另一端为像素信号。当斜坡信号达到像素信号时，比较器开始翻转。通过一些数字逻辑和用于计数的时钟，一定数量的脉冲就会被产生并被计数器计数之后就可以对像素的模拟信号进行数字量化。

在美国专利7880662B2和美国专利7642947B2中，介绍了一些直接将复位电压和信号电压的差值量化为数字信号的方法。这些方法都使用了一路高速时钟信号，它的问题在于产生的时钟脉冲信号会一直被计数。比如一个10位的模数转换器中，至少计数器需要计数1024次才能量化最大的电压值。特别是在高分辨率的图像传感器中，这就会导致传感器的数字模块功耗变大，进而导致在芯片的基底产生大量的噪声。此外这种模数转换方式中数字模块的功耗会随着像素光信号的强度变化，进而导致芯片基底噪声随着光强变化，对图像质量产生比较坏的影响。低功耗的斜坡信号模数转换器在高分辨率高速图像传感器有着较大的需求。

发明内容

本实用新型要解决的一个技术问题是提供一种能有效的减少计数器计数次数，进而非常明显的减少模数转换器的功耗及基底噪声，同时计数器的功耗与像素信号的大小无关的图像数据模数转换装置。

为了解决上述技术问题，本实用新型的图像数据模数转换装置包括斜坡信号发生器，时钟信号发生器，比较器，计数脉冲发生器，高位计数器，低位计数器和运算器；像素信号送入比较器的一个输入端；斜坡信号发生器产生的斜坡信号输入比较器的另一端；计数脉冲发生器根据比较器输出信号及时钟信号发生器产生的高速、低速两路时钟产生高速脉冲使能和低速脉冲使能两路时序信号，进而通过这两路时序信号与高速和低速两路时钟产生高位计数脉冲和低位计数脉冲；高速脉冲使能时序信号和高速时钟产生低位计数脉冲，低速脉冲使能时序信号和低速时钟产生高位计数脉冲，高位计数脉冲被送入高位计数器进行计数，低位计数脉冲被送入低位计数器进行计数；低位计数器和高位计数器的计数值经运算器运算处理后得到量化后的像素图像数据。

所述高速时钟频率为低速时钟频率的n倍，n优选为2^N-LSB，其中N_LSB为低位计数器的有效位数。

所述斜坡信号发生器产生的斜坡信号为电压值随时间逐渐降低的电压信号；高位计数器在高位计数脉冲控制下从t1开始进行加计数，在t3结束计数，得到计数值MSB；低位计数器在低位计数脉冲控制下从t2开始由进行减计数，在t3结束计数，得到计数值LSB；高位计数器和低位计数器分别将计数值MSB和计数值LSB送入运算器，由运算器运算得到最终量化数据MSB*2^N_LSB+LSB；其中t1为斜坡信号开始后低速时钟的第一个下降沿出现的时刻，t2为斜坡信号电压值降低到与像素信号电压值相等，比较器开始翻转的时刻；t3为低速时钟在比较器翻转之后的第一个下降沿发生的时刻。