具有光自適應(yīng)閾值電壓調(diào)節(jié)機(jī)制的異步cmos像素電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及數(shù)?;旌霞呻娐吩O(shè)計(jì)領(lǐng)域,為實(shí)現(xiàn)保持電路高動態(tài)范圍、低固定模式噪聲的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)將測量光強(qiáng)的時(shí)間壓縮在某一個(gè)相對較小的區(qū)間內(nèi),提高電路的響應(yīng)速度,為達(dá)到上述目的,本發(fā)明采用的技術(shù)方案是,具有光自適應(yīng)閾值電壓調(diào)節(jié)機(jī)制的異步CMOS像素電路,由光強(qiáng)變化探測單元(CD)、采用PWM模式的曝光測量單元(EM)和一個(gè)VrefL參考電壓切換單元構(gòu)成,變化探測單元的輸出端R的輸出信號Rst連接到曝光測量單元的輸入端Reset和VrefL參考電壓切換單元的輸入端T1,分別用作控制曝光測量單元開始測量的信號和控制評價(jià)光照強(qiáng)度。本發(fā)明主要應(yīng)用于數(shù)?;旌霞呻娐吩O(shè)計(jì)。
【專利說明】具有光自適應(yīng)閾值電壓調(diào)節(jié)機(jī)制的異步CMOS像素電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及數(shù)?;旌霞呻娐吩O(shè)計(jì)領(lǐng)域,特別涉及具有光自適應(yīng)閾值電壓調(diào)節(jié)機(jī)制的異步CMOS像素電路。
技術(shù)背景
[0002]異步的CMOS圖像傳感器是ー種全新的圖像傳感器,它放棄了傳統(tǒng)圖像傳感器中基于幀的概念,取而代之的是利用AER (地址事件表示)的通信方式,實(shí)現(xiàn)有變化則產(chǎn)生事件,用事件來表示光信息,從而實(shí)現(xiàn)異步自主像素,這樣能夠克服幀模式下的許多缺點(diǎn)和不足。
[0003]異步的CMOS圖像傳感器中,大都采用了不同于傳統(tǒng)圖像傳感器中的基于電壓表示光強(qiáng)的方式,而是采用了基于時(shí)間表示光強(qiáng)的方式,即從像素復(fù)位開始,不是固定其放電時(shí)間測結(jié)束電壓,而是設(shè)定參考電壓測量達(dá)到設(shè)定閾值電壓的時(shí)間,其主要優(yōu)點(diǎn)在于可以較大的提高像素可探測的動態(tài)范圍。為了消除固定模式噪聲,人們提出了一種在ー個(gè)放電周期內(nèi)進(jìn)行兩次與參考電壓的比較,以這兩個(gè)的時(shí)間差來表示光強(qiáng),其像素的基本結(jié)構(gòu)如圖一所示。
[0004]然而,以這種方式應(yīng)用于異步CMOS像素中存在另ー個(gè)問題就是對于設(shè)定的固定的兩個(gè)比較器的參考電壓,在不同的光強(qiáng)條件下,測量需要的時(shí)間會有很大的差別。由于異步像素是采用發(fā)生變化為開始測量的標(biāo)志,如果設(shè)置的兩個(gè)參考電壓差值較大,那么,在弱光照的條件下,會出現(xiàn)測量時(shí)間長于發(fā)生變化的時(shí)間,就會出現(xiàn)無法測量到這次光強(qiáng)信息;如果設(shè)置的兩個(gè)參考電壓差值較小,那么,強(qiáng)光照的條件下,則會出現(xiàn)測量時(shí)間很短,從而影響了數(shù)字量化光強(qiáng)信息的精度。解決這個(gè)問題的ー種方法是設(shè)置較大的參考電壓差值,而對于弱光照條件下,則僅取達(dá)到第一個(gè)閾值的時(shí)間來表示光強(qiáng),這樣做的代價(jià)是引入了較大的固定模式噪聲。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足,本發(fā)明g在實(shí)現(xiàn)保持電路高動態(tài)范圍、低固定模式噪聲的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)將測量光強(qiáng)的時(shí)間壓縮在某ー個(gè)相對較小的區(qū)間內(nèi),提高電路的響應(yīng)速度,為達(dá)到上述目的,本發(fā)明采用的技術(shù)方案是,具有光自適應(yīng)閾值電壓調(diào)節(jié)機(jī)制的異步CMOS像素電路,由光強(qiáng)變化探測單元(CD)、采用PWM模式的曝光測量單元(EM)和ー個(gè)VrefL參考電壓切換單元構(gòu)成,變化探測單元的輸出端R的輸出信號Rst連接到曝光測量單元的輸入端Reset和VrefL參考電壓切換単元的輸入端Tl,分別用作控制曝光測量單元開始測量的信號和控制評價(jià)光照強(qiáng)度;設(shè)定的兩個(gè)輸入的VrefL參考電壓VLl和VL2分別連接到VrefL參考電壓切換單元的輸入端VrefLl和VrefL2 ;VrefL參考電壓切換單元根據(jù)Tl和T2信號的關(guān)系選擇合適的VrefL通過端ロ Vsel輸出VL信號,輸出端ロ Vsel與曝光測量單元的輸入端VrefL相連;VrefL切換單元的輸出端Sign的輸出信號S輸出到像素外部,作為當(dāng)前選擇低參考電壓的符號位對外輸出;設(shè)定的高參考電壓VH連接到曝光測量單元的輸入端VrefH ;曝光測量單元的對外輸出端有RR、RL和RH,其中RR端的輸出信號RowReq—方面輸出外部行仲裁器,另ー方面與像素內(nèi)的VrefL電壓切換單元的輸入端T2相連,用于切換單元對光照強(qiáng)度進(jìn)行評價(jià);輸出端RH、RL的輸出信號ColReqH和ColReqL都輸出到外部的列仲裁器;從行仲裁器返回的確認(rèn)信號RowAck連接到曝光測量單元的輸入端RA,從列仲裁器返回的確認(rèn)信號ColAckH和ColAckL分別連接到曝光測量單元的輸入端AH和AL。
[0006]VrefL電壓切換單元的結(jié)構(gòu),由延遲反相器、三個(gè)通用反相器、兩個(gè)開關(guān)和ー個(gè)上升沿觸發(fā)的D觸發(fā)器構(gòu)成,匪OS型晶體管Ml、PMOS型晶體管、電容Cl組成延遲反相器,延遲反相器把Tl信號的脈沖寬度進(jìn)行展寬,展寬的寬度取決于電容Cl的大小和晶體管PMOS型晶體管寬長比;NM0S型晶體管的柵極接Tl信號,NMOS型晶體管的源極接地,PMOS型晶體管的柵極接偏置電壓VI,PMOS型晶體管的源極接電源VDD,PM0S型晶體管的漏極和NMOS型晶體管的源極接在一起,電容Cl的上極板接電源VDD,電容Cl的下極板接在PMOS型晶體管的漏扱,PMOS型晶體管的輸出接反相器I的輸入,反相器INVl的輸出接D觸發(fā)器的輸入端D,D觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入端接T2信號,D觸發(fā)器的RSTB端ロ接Tl信號,當(dāng)信號Tl為高電平時(shí),輸出端Q為低電平;D觸發(fā)器的輸出端Q接反相器INV2的輸入,INV2的輸出端接反相器INV3的輸入端,INV3的輸出端是標(biāo)志位Sign信號;CM0S開關(guān)的一端接VrefLl,CMOS開關(guān)的另一端和另ー開關(guān)的一端連接在一起,作為信號Vsel的輸出端ロ ;另ー開關(guān)的另一端接VrefL2,CM0S開關(guān)中的NMOS晶體管的柵極和另ー開關(guān)中PMOS晶體管的柵極接Sign信號,CMOS開關(guān)中的PMOS晶體管的柵極和另ー開關(guān)中NMOS晶體管的柵極接反相器INV2的輸出端ロ,電容Cl和C2是起到延遲的作用;T1為復(fù)位信號,高電平有效;T2是控制信號,上升沿有效。
[0007]對于180nm的通用エ藝,VrefLl取值范圍是0.4-0.8V,最佳電壓是0.6V ;VrefL2取值范圍是1.1-1.5V,最佳電壓是1.3V。
[0008]本發(fā)明具備下列技術(shù)效果:
[0009]本發(fā)明通過在像素中増加比較電壓自適應(yīng)選擇結(jié)構(gòu),使得每個(gè)像素可以根據(jù)局部光強(qiáng)自動選擇最合適的比較電壓A V,從而使得對于不同的光強(qiáng)條件下,每個(gè)像素完成曝光的時(shí)間自動調(diào)整,以提高測量精度、縮短響應(yīng)時(shí)間。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1現(xiàn)有異步像素結(jié)構(gòu)。
[0011]圖2增加VrefL電壓切換單元的像素結(jié)構(gòu)。
[0012]圖3VrefL電壓切換單元的電路結(jié)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0013]本發(fā)明的目的在像素中引入一種自動調(diào)節(jié)較低參考電壓機(jī)制的電路,井能夠產(chǎn)生相應(yīng)的編碼信息提供給后端處理電路標(biāo)記閾值信息,以實(shí)現(xiàn)保持原電路高動態(tài)范圍、低固定模式噪聲的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)將測量光強(qiáng)的時(shí)間壓縮在某ー個(gè)相對較小的區(qū)間內(nèi),提高電路的響應(yīng)速度。
[0014]ー種具有光自適應(yīng)閾值電壓調(diào)節(jié)機(jī)制的異步CMOS像素包括以下三個(gè)部分:ー個(gè)光強(qiáng)變化探測單元(CD)、一個(gè)采用PWM模式的曝光測量單元(EM)和ー個(gè)VrefL參考電壓切換單元。如圖ニ所示,在一個(gè)像素中,變化探測單元的輸出端R的輸出信號Rst連接到曝光測量單元的輸入端Reset和VrefL參考電壓切換単元的輸入端Tl,分別用作控制曝光測量単元開始測量的信號和控制評價(jià)光照強(qiáng)度。設(shè)定的兩個(gè)輸入的VrefL參考電壓VLl和VL2分別連接到VrefL電壓切換單元的輸入端VrefLl和VrefL2 ;VrefL電壓切換控制單元可以根據(jù)Tl和T2信號的關(guān)系選擇合適的VrefL通過端ロ Vsel輸出VL信號,輸出端ロ Vsel與曝光測量單元的輸入端VrefL相連;VrefL切換單元的輸出端Sign的輸出信號S輸出到像素外部,作為當(dāng)前選擇低參考電壓的符號位對外輸出。設(shè)定的高參考電壓VH連接到曝光測量單元的輸入端VrefH ;曝光測量單元的對外輸出端有RR、RL和RH,其中RR端的輸出信號RowReq—方面輸出外部行仲裁器,另ー方面與像素內(nèi)的VrefL電壓切換單兀的輸入端T2相連,用于切換單元對光照強(qiáng)度進(jìn)行評價(jià);輸出端RH、RL的輸出信號ColReqH和ColReqL都輸出到外部的列仲裁器;從行仲裁器返回的確認(rèn)信號RowAck連接到曝光測量單元的輸入端RA,從列仲裁器返回的確認(rèn)信號ColAckH和ColAckL分別連接到曝光測量單元的輸入端AH和AL。
[0015]圖三所示為VrefL電壓切換單元的結(jié)構(gòu),它由ー個(gè)具有延遲功能的反相器、三個(gè)通用反相器、兩個(gè)開關(guān)和ー個(gè)上升沿觸發(fā)的D觸發(fā)器。NMOS型晶體管Ml、PMOS型晶體管、電容Cl組成ー個(gè)具有延遲功能的反相器,稱為延遲反相器。延遲反相器主要功能把Tl信號的脈沖寬度進(jìn)行展寬,展寬的寬度主要取決于Cl電容的大小和M2晶體管寬長比。Ml的柵極接Tl信號,Ml的源極接地,M2的柵極接偏置電壓VI,M2的源極接電源VDD,M2的漏極和Ml的源極接在一起,電容Cl的上極板接電源VDD,電容Cl的下極板接在M2的漏極。M2的輸出接反相器I的輸入,反相器INVl的輸出接D觸發(fā)器的輸入端D。D觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入端接T2信號。D觸發(fā)器的RSTB端ロ接Tl信號,當(dāng)信號Tl為高電平時(shí),輸出端Q為低電平。D觸發(fā)器的輸出端Q接反相器INV2的輸入,INV2的輸出端接反相器INV3的輸入端,INV3的輸出端是標(biāo)志位Sign信號。CMOS開關(guān)Kl的一端接VrefLl,CMOS開關(guān)Kl的另一端和K2的一端連接在一起,作為信號Vsel的輸出端ロ ;K2開關(guān)的另一端接VrefL2。Kl開關(guān)中的NMOS晶體管的柵極和K2開關(guān)中PMOS晶體管的柵極接Sign信號,Kl開關(guān)中的PMOS晶體管的柵極和K2開關(guān)中NMOS晶體管的柵極接反相器INV2的輸出端ロ。電容Cl和C2是起到延遲的作用。Tl為復(fù)位信號,高電平有效;T2是控制信號,上升沿有效。
[0016]Tl為高電平期間,D觸發(fā)器的輸出被復(fù)位為低電平,輸出信號Sign為低電平,Vsel等于VrefL2 ;當(dāng)Tl和T2信號脈沖之間的寬度大于反相器INVl輸出的脈沖寬度吋,T2上升沿時(shí),INVl的輸出為低電平,輸出Q為低電平,Sign為低電平,Vsel等于VrefL2。當(dāng)Tl和T2信號脈沖之間的寬度小于反相器INVl輸出的脈沖寬度吋,T2上升沿吋,Tl為高電平,輸出Q為高電平,Sign為高電平,Vsel等于VrefLl。
[0017]對于不同像素陣列尺寸和控制電路,Tl和T2之間的兩個(gè)脈沖上升沿之間的時(shí)間差可能不同。為了増大像素的動態(tài)范圍,VrefLl要盡可能的小,對于ISOnm的通用エ藝,VrefLl 一般為0.5V。VrefL2要比VrefLl要大,為了使電路在弱光和強(qiáng)光環(huán)境下都正常的工作,VrefL2 一般取1.0V比較合適。
【權(quán)利要求】
1.ー種具有光自適應(yīng)閾值電壓調(diào)節(jié)機(jī)制的異步CMOS像素電路,其特征是,由光強(qiáng)變化探測單元(CD)、采用PWM模式的曝光測量單元(EM)和ー個(gè)VrefL參考電壓切換單元構(gòu)成,變化探測單元的輸出端R的輸出信號Rst連接到曝光測量單元的輸入端Reset和VrefL參考電壓切換單元的輸入端Tl,分別用作控制曝光測量單元開始測量的信號和控制評價(jià)光照強(qiáng)度;設(shè)定的兩個(gè)輸入的VrefL參考電壓VLl和VL2分別連接到VrefL參考電壓切換単元的輸入端VrefLl和VrefL2 ;VrefL參考電壓切換單元根據(jù)Tl和T2信號的關(guān)系選擇合適的VrefL通過端ロ Vsel輸出VL信號,輸出端ロ Vsel與曝光測量單元的輸入端VrefL相連;VrefL切換單元的輸出端Sign的輸出信號S輸出到像素外部,作為當(dāng)前選擇低參考電壓的符號位對外輸出;設(shè)定的高參考電壓VH連接到曝光測量單元的輸入端VrefH;曝光測量單元的對外輸出端有RR、RL和RH,其中RR端的輸出信號RowReq—方面輸出外部行仲裁器,另ー方面與像素內(nèi)的VrefL電壓切換單元的輸入端T2相連,用于切換單元對光照強(qiáng)度進(jìn)行評價(jià);輸出端RH、RL的輸出信號ColReqH和ColReqL都輸出到外部的列仲裁器;從行仲裁器返回的確認(rèn)信號RowAck連接到曝光測量單元的輸入端RA,從列仲裁器返回的確認(rèn)信號ColAckH和ColAckL分別連接到曝光測量單元的輸入端AH和AL。
2.如權(quán)利要求1所述的具有光自適應(yīng)閾值電壓調(diào)節(jié)機(jī)制的異步CMOS像素電路,其特征是,VrefL電壓切換單元的結(jié)構(gòu),由延遲反相器、三個(gè)通用反相器、兩個(gè)開關(guān)和ー個(gè)上升沿觸發(fā)的D觸發(fā)器構(gòu)成,NMOS型晶體管Ml、PMOS型晶體管、電容Cl組成延遲反相器,延遲反相器把Tl信號的脈沖寬度進(jìn)行展寬,展寬的寬度取決于電容Cl的大小和晶體管PMOS型晶體管寬長比;NM0S型晶體管的柵極接Tl信號,NMOS型晶體管的源極接地,PMOS型晶體管的柵極接偏置電壓VI,PMOS型晶體管的源極接電源VDD,PM0S型晶體管的漏極和NMOS型晶體管的源極接在一起,電容Cl的上極板接電源VDD,電容Cl的下極板接在PMOS型晶體管的漏扱,PMOS型晶體管的輸出接反相器I的輸入,反相器INVl的輸出接D觸發(fā)器的輸入端D,D觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入端接T2信號,D觸發(fā)器的RSTB端ロ接Tl信號,當(dāng)信號Tl為高電平時(shí),輸出端Q為低電平;D觸發(fā)器的輸出端Q接反相器INV2的輸入,INV2的輸出端接反相器INV3的輸入端,INV3的輸出端是標(biāo)志位Sign信號;CM0S開關(guān)的一端接VrefLl,CMOS開關(guān)的另一端和另ー開關(guān)的一端連接在一起,作為信號Vsel的輸出端ロ ;另一開關(guān)開關(guān)的另一端接VrefL2,CM0S開關(guān)中的NMOS晶體管的柵極和另ー開關(guān)中PMOS晶體管的柵極接Sign信號,CMOS開關(guān)中的PMOS晶體管的柵極和另ー開關(guān)中NMOS晶體管的柵極接反相器INV2的輸出端ロ,電容Cl和C2是起到延遲的作用;T1為復(fù)位信號,高電平有效;T2是控制信號,上升沿有效。
3.如權(quán)利要求1所述的具有光自適應(yīng)閾值電壓調(diào)節(jié)機(jī)制的異步CMOS像素電路,其特征是,對于180nm的通用エ藝,VrefLl為0.5V ;VrefL2取1.0V。
【文檔編號】H04N5/359GK103607546SQ201310478729
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月14日
【發(fā)明者】楊玉紅, 李東盛, 胡燕翔, 徐江濤 申請人:天津市晶奇微電子有限公司