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態(tài)范圍的圖像傳感器，其旨在聚集處于低亮度級和高亮度級的圖像。
【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)換通過包括比較器和計數(shù)器的斜坡型模-數(shù)轉(zhuǎn)換器來執(zhí)行，所述比較器用于將要轉(zhuǎn)換的電壓電平與線性電壓斜坡進行比較，所述計數(shù)器從斜坡開始的時刻起以高頻進行計數(shù)直到比較器觸發(fā)為止。計數(shù)器在觸發(fā)時刻的內(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，四個晶體管)，使得能夠驅(qū)動光電二極管中的光所產(chǎn)生的電荷的讀取。具有四個晶體管的像素通過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節(jié)點來操作;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節(jié)點的電位的列導(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節(jié)點相關(guān)的噪聲，可以執(zhí)行兩個電平(重新初始化電平和有用電平)中的每一個的模-數(shù)轉(zhuǎn)換，并且在兩個數(shù)值之間執(zhí)行減法，因而消除了這個相關(guān)的噪聲成分，其中所述噪聲為相關(guān)噪聲，其對于存儲節(jié)點的重新初始化電平以及對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，使用兩個采樣電容器來對由列提供的電信號進行采樣，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)傳感器的動態(tài)范圍(也就是說，期望測量的照度范圍)來限定尺寸。尤其地，考慮到計數(shù)頻率、計數(shù)器的位數(shù)量以及期望的轉(zhuǎn)換速率來確定斜坡的持續(xù)時間，以允許測量期望的最高照度水平的轉(zhuǎn)換。
[0006]這些圖像傳感器的動態(tài)范圍實際上受限于轉(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，以將存儲節(jié)點的電位復(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的，并且不依賴于要測量的信號的電平。其對增加傳感器對于低照度水平的動態(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，其直接地對由列提供的兩個電壓電平中的每一個執(zhí)行模-數(shù)轉(zhuǎn)換，以及所獲得的兩個數(shù)值之間的減法。實際上，在上下文中，理論上已知如何通過對該信號執(zhí)行η次轉(zhuǎn)換并且對該η次轉(zhuǎn)換進行平均來降低η的根比率(rapportracine de η)、存在于信號中的高斯噪聲的量。
[0008]但執(zhí)行η次轉(zhuǎn)換增加了用于讀取所確定的像素，以針對這些傳感器獲得寬的動態(tài)范圍和良好的分辨率所需的時間，該時間主要由斜坡的標稱持續(xù)時間來確定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為了解決這個問題，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利用對于η次轉(zhuǎn)換中的每一次降低的持續(xù)時間的斜坡，在用于單次轉(zhuǎn)換所正常分配的時間中執(zhí)行η次轉(zhuǎn)換并進行平均。
[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行比較，并且對在斜坡開始的時刻與比較器輸出觸發(fā)的時刻之間的時鐘脈沖進行計數(shù)。
[0011]根據(jù)本發(fā)明，讀取方法包括決策階段，其中，檢測在斜坡開始的時刻之后的預(yù)定時間之后比較器的輸出觸發(fā)，以在高光水平之間進行區(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)換模式來轉(zhuǎn)換電壓電平，其中:
[0012]-第一種轉(zhuǎn)換模式包括:借助于標稱持續(xù)時間的斜坡，在標稱轉(zhuǎn)換時間窗口的過程中由計數(shù)器進行單次計數(shù)，允許高光水平轉(zhuǎn)換，
[0013]-第二種轉(zhuǎn)換模式包括:在標稱轉(zhuǎn)換時間窗口的持續(xù)時間內(nèi)建立降低持續(xù)時間的η個連續(xù)斜坡，針對每個斜坡在斜坡的開始與比較器的輸出觸發(fā)之間通過計數(shù)器來計數(shù)，以及將η個計數(shù)結(jié)果求和，其中η為大于I的整數(shù)。
[0014]可以在標稱轉(zhuǎn)換時間窗口的開始之前執(zhí)行決策階段。
[0015]但也可以在該標稱轉(zhuǎn)換時間窗口開始時執(zhí)行決策階段。因此開始于標稱持續(xù)時間的電壓斜坡，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，標稱持續(xù)時間的電壓斜坡在降低的持續(xù)時間之后中斷，并且組成η個連續(xù)斜坡中的第一個。在本上下文中，如果存在特定于像素矩陣的每個列的計數(shù)器，則可以利用降低持續(xù)時間的η個連續(xù)斜坡中的第一個，在將計數(shù)器復(fù)位至零之后，通過設(shè)置開始計數(shù)以直接地執(zhí)行第二種轉(zhuǎn)換模式的η次計數(shù)的求和，并且利用降低持續(xù)時間的η-1個接下來的斜坡中的每一個重新開始，而不復(fù)位至零。在標稱轉(zhuǎn)換時間窗口結(jié)束時，計數(shù)器通過累積η次計數(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，表示由像素接收的光水平的有用電平的第二種轉(zhuǎn)換以及兩個轉(zhuǎn)換結(jié)果的減法使得能夠去除了與存儲節(jié)點的電容器相關(guān)的相關(guān)噪聲，重新初始化電平根據(jù)第二種轉(zhuǎn)換模式來進行轉(zhuǎn)換。
[0017]根據(jù)本發(fā)明，在有用電平對應(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)果在對有用電平的轉(zhuǎn)換結(jié)果進行減法之前除以η。
[0018]在標稱轉(zhuǎn)換時間窗口開始之前執(zhí)行決策階段的情況下，可以使用特定于像素矩陣的每個列的向上計數(shù)器/向下計數(shù)器，以在該向上計數(shù)器/向下計數(shù)器中直接執(zhí)行兩個轉(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改變計數(shù)器的計數(shù)步速，并且開始相關(guān)的向下計數(shù)。
[0019]更準確地，對于重新初始化電平的第一種轉(zhuǎn)換:計數(shù)器被配置成采用一個接一個計數(shù)的計數(shù)模式;而對于有用電平的第二種轉(zhuǎn)換，計數(shù)器被配置成根據(jù)對該第二種轉(zhuǎn)換的決策階段的結(jié)果，利用一個接一個或者η個接η個的計數(shù)步速的向下計數(shù)模式，而不復(fù)位至零。
[0020]實際上，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開始電平。
[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，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的相應(yīng)時序圖；
[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的時序圖；
[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)信號的時序圖。
[0031]像素PIX包括:光電二極管Dph、電容性存儲節(jié)點ND(其通過與電容器連接的一個點來描繪)、用于在光電二極管的陰極與存儲節(jié)點之間進行電荷傳輸?shù)木w管Tl、用于將存儲節(jié)點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TRA來控制。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由控制存儲節(jié)點ND重新初始化的信號RSnd來控制。跟隨器晶體管T3的漏極