用于控制计数器起始时间的电路及方法

暂无

用于控制计数器起始时间的电路及方法\n技术领域\n[0001] 本发明大体上涉及电子装置，且特定来说(但非排他地)，涉及模/数转换器。\n背景技术\n[0002] 图像传感器已经变得无处不在。它们广泛使用于数字静态相机、蜂窝电话、监控相\n机中，还广泛使用于医学、汽车及其它应用中。那些应用中的许多应用需要高动态范围\n(HDR)图像传感器。人眼通常拥有高达约100dB的动态范围。对于汽车应用，高于100dB动态\n范围的图像传感器可为处理不同行驶状况所必需的，所述行驶状况例如行驶穿过暗隧道到\n明亮的阳光中。\n[0003] 当使用图像传感器时，多个像素单元中的每一者中的光生电子从光电二极管转移\n到浮动扩散部以用于后续读出。浮动扩散部上的图像信号由源极跟随器晶体管放大。当启\n用行选择晶体管时，经放大图像信号被转移到像素单元的输出线(称为位线)。\n[0004] 位线上的图像信号通常馈送到模/数转换器(ADC)中以被转换成数字图像信号。斜\n坡类型ADC通常与图像传感器相关联地使用。\n发明内容\n[0005] 一方面，本发明提供一种模/数转换器(ADC)电路，其包括：斜坡电路，其经耦合以\n输出斜坡信号，其中所述斜坡信号从起始电压偏移一偏移电压，且其中所述斜坡信号朝向\n所述起始电压斜升；计数器电路，其耦合到所述斜坡电路以在所述斜坡信号返回到所述起\n始电压之后起始计数；及比较器，其耦合到所述计数器电路及位线以比较所述斜坡信号与\n所述位线上的像素信号电压，且响应于所述斜坡信号等于所述像素信号电压，停止所述计\n数器。\n[0006] 另一方面，本发明提供一种模/数转换方法，其包括：将斜坡信号从起始电压偏移\n一偏移电压；用斜坡电路使所述斜坡信号朝向所述起始电压斜升；在所述斜坡信号返回到\n其起始电压之后起始计数器；使用耦合到所述斜坡电路的比较器比较所述斜坡信号与像素\n信号电压；及响应于所述斜坡信号等于所述像素信号电压，停止所述计数器。\n附图说明\n[0007] 参考以下图式描述本发明的非限制及非详尽实例，其中相似的元件符号指代贯穿\n各个视图的相似部件，除非另外指定。\n[0008] 图1展示根据本发明的教示的模/数转换器的两个时序图。\n[0009] 图2A展示根据本发明的教示的可生成图1的波形的模/数转换器电路的部分。\n[0010] 图2B展示根据本发明的教示的可生成图1的波形的模/数转换器电路的部分。\n[0011] 图3描绘根据本发明的教示的成像系统的框图。\n[0012] 图4描绘根据本发明的教示的模/数转换方法。\n[0013] 对应的参考字符指示贯穿诸图中若干视图的对应组件。所属领域的技术人员应了\n解，为了简单且清楚的目的说明图中的元件，且所述元件并不一定按比例绘制元件。举例来\n说，图中一些元件的尺寸可相对于其它元件而被夸大以帮助改善对本发明的多种实施例的\n理解。并且，为了更方便地了解本发明的这些多种实施例，通常不描绘在商业可行的实施例\n中有用或必要的常见但好理解的元件。\n具体实施方式\n[0014] 本文描述用于控制计数器起始时间的设备及方法的实例。在以下描述中，陈述众\n多特定细节以便提供对实例的详尽理解。然而，相关领域的技术人员应认识到，可无需运用\n所述特定细节中的一或多者或运用其它方法、组件、材料等而实践本文描述的技术。在其它\n例子中，未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作以避免使某些方面模糊。\n[0015] 贯穿本说明书对“一个实例”或“一个实施例”的参考意味着与实例相结合而描述\n的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实例中。因此，贯穿本说明书在多个地方\n出现短语“在一个实例中”或“在一个实施例中”并不一定都指代相同的实例。此外，特定特\n征、结构或特性可以任何合适的方式在一或多个实例中组合。\n[0016] 图1展示根据本发明的教示的“双斜坡”结构(例如，用于相关双取样)的模/数转换\n器的两个时序图。在此，计数器在斜坡信号起始斜升时起始计数(参见例如“计数器1”)，且\n计数器在斜坡信号电压等于来自图像传感器像素的位线上的电压时停止计数。计数器所消\n耗的电力与计数器产生的计数的数目粗略地成比例。因此，计数器计数所需的时间越少，将\n节省的电力越多。\n[0017] 如图1中展示，在此，系统在Vramp上添加偏移(“Voffset”)以覆盖由比较器及\nVramp的延迟所引起的非线性。此导致计数器会消耗额外电力(参见例如“计数器1”在斜坡\n信号起始时起始计数)。用斜坡信号覆盖偏移电压的计数的数目通常是约300到700个计数\n(为了简洁起见此处描绘为三个计数)。与10位计数器中的有效信号计数范围1023相比，输\n出以覆盖Voffset的计数与计数的总数目的比例不小。在图像传感器中，每一列存在一计数\n器，且并行地计数所有列(参见例如图3)。这些并行计数器的总功耗是图像传感器系统的总\n功耗的显著部分。因此，此处根据本发明的教示的系统消除由偏移电压引起的计数，从而节\n省电力(参见例如“计数器2”仅在Vramp返回到起始电压之后才起始计数)。\n[0018] 根据本发明的教示，系统在稍后时间起始计数器(参见例如“计数器2”)以考虑偏\n移电压。此节省可观电力量。斜坡参考信号(Vref.)及来自像素的斜坡图像信号\n(“Vsignal”)两者可延迟相同时间量，使得延迟counter_en不会影响最终读出数据。因此，\n在一个实例中，对于300DN经延迟counter_en，系统在黑暗条件下(例如，当图像传感器不接\n收光时)节省约1/3的计数器电力。\n[0019] 如所述，计数器的功耗与其最终计数数目几乎成比例。在黑暗条件下，图像数据的\n功耗遵循高斯(钟形曲线状)分布。当标绘为直方图时，输出数据将具有中值计数\n“Mediandark”(即，钟形曲线中心处的值)及最小值“Mindark”(即，钟形曲线起始处的值)。计数\n器的功耗与Mediandark成比例。此处，系统在稍后时间起始计数，使得Mindark几乎为0。新的时\n序的功耗与(Mediandark‑Mindark)成比例。且与先前时序(例如，“计数器1”)相比，平均电力节\n省比是(Mindark)/(Mediandark)。\n[0020] 作为实例，当中值是390且最小值是300时，此处系统节省第一斜坡的76％的计数\n电力。对于约512的图像平均值，此处系统节省第二斜坡的约300/(390+512)＝33％的计数\n电力。对于数字相关双取样(CDS)操作，计数参考及计数信号两者的平均电力节省是：(300+\n300)/(390+390+512)＝46.4％。因此，如果数字电力是总电力的～50％且计数电力是数字\n电力的～20％，那么在黑暗条件下，此处系统可节省总电力的4.6％。\n[0021] 如展示，本文揭示的技术可结合相关双取样使用使得计数器针对黑电平参考电压\n(例如，图1中的“Vref”)且针对在Vpixel中所指示的图像信号电压(例如，图1中的\n“Vsignal”)两者稍后起始计数。在模/数转换之后，可从图像信号减去参考信号以产生已针\n对暗电流或类似物校正的图像信号。\n[0022] 图2A展示根据本发明的教示的可生成图1的波形的模/数转换器电路201A的部分。\n模/数转换器电路201A包含第一触发器203、第二触发器205、计时延迟单元207、AND门209、\n计数器211、比较器213及斜坡电路215。第一触发器203的输出耦合到第二触发器205的输\n入，且第二触发器205的输出耦合到计时延迟单元207的输入。计时延迟单元207的输出耦合\n到AND门209。AND门209的输出耦合到计数器211。斜坡电路215耦合到比较器213的第一输\n入，且位线(“Vpixel”)耦合到比较器213的第二输入。计数器211经耦合以在计数事件之前\n(例如，在图1中的第一斜坡及第二斜坡之前)接收复位信号。\n[0023] 如所述，电路图201A可生成图1中的count_en及ramp_en信号。(使用计时延迟单元\n207)使同步ramp_eni延迟由寄存器reg_dly(其可包含于计时延迟单元207中)定义的\n数个系统时钟循环。系统时钟sys_clk与count_clk_i相比是低频率时钟。寄存器相应地经\n调整使得计数器211比斜坡起始的时间更晚地起始。寄存器值可通过芯片测试确定，且所述\n值可存储于一次性可编程存储器中。计时延迟单元207内的触发器的数目是可使计数器延\n迟的系统时钟循环的最大值。更长的延迟可能需要许多触发器。\n[0024] 图2B展示根据本发明的教示的可生成图1的波形的模/数转换器电路201B的部分。\n如展示，模/数转换器电路201B包含第一触发器203、第二触发器205、AND门209、计数器211、\n比较器213、斜坡电路215、第一除法器217、第二除法器219、第三触发器221及第四触发器\n223。第一触发器203的输出耦合到第二触发器205的输入，且第二触发器205的输出耦合到\n第三触发器221的输入。第一除法器217及第二除法器219耦合到第三触发器221的输入。第\n三触发器221的输出耦合到第四触发器223的输入，且第四触发器223的输出耦合到AND门\n209。AND门209的输出耦合到计数器211。斜坡电路215耦合到比较器213的第一输入，且位线\n(“Vpixel”)耦合到比较器213的第二输入。计数器211经耦合以在计数事件之前(例如，在图\n1中的第一斜坡及第二斜坡之前)接收复位信号。\n[0025] 如展示，代替使用延迟单元(例如，图2A中的计时延迟单元207)，此处系统使用除\n法器(例如，除法器217及219)实现类似功能性，且减小了级数目。系统可将时钟除以K1＝1,\n2,3,4及K2＝1,2,3,4。K1及K2可经调整以使count_clk延迟所期望的时钟循环以节省电力。\n被除时钟clk_dly用于使ramp_eni同步。第四触发器223按clk_div计时以具有同步count_\nclk，使得count_clk与ramp_en之间的延迟被良好地定义。所述延迟可为(K1*K2+1)*Tclk。\n[0026] 在一个实例中，芯片上直方图算法块可用于针对count_en产生延迟(其可动态地\n计算)，代替使用一次性可编程存储器来存储基于芯片测试的寄存器值。额外光学黑体行\n(包含黑像素‑例如，其中光被阻挡而无法到达像素的像素)用于黑电平校准(BLC)，且这些\n额外行的数据用于确定最小计数。在一些实例中，系统针对正常BLC及图像行仅可应用延迟\ncount_en。此方法的一个益处是count_en可动态地调整，但其还消耗额外电力。\n[0027] 图3描绘根据本发明的教示的成像系统300的框图。成像系统300包含像素阵列\n305、控制电路321、读出电路311(包含模/数转换器317)及功能逻辑315。在一个实例中，像\n素阵列305是二维(2D)光电二极管或图像传感器像素(例如，像素P1、P2…、Pn)阵列。如说\n明，光电二极管经布置到行(例如，行R1到Ry)及列(例如，列C1到Cx)以获取个人、位置、对象\n等等的图像数据，接着可使用所述图像数据再现个人、位置或对象等等的2D图像。然而，光\n电二极管不必被布置到行及列中且可采取其它配置。\n[0028] 在一个实例中，在像素阵列中的每一图像传感器光电二极管/像素已获取其图像\n数据或图像电荷之后，由读出电路311读出所述图像数据且接着将其转移到功能逻辑315。\n在各种实例中，读出电路311可包含放大电路、模/数转换317电路(例如，来自图2A、图2B的\n模/数转换电路等)及类似物。功能逻辑315可简单地存储所述图像数据或甚至通过应用图\n像后效果(例如，剪裁、旋转、消除红眼、调整亮度、调整对比度或其它)操纵所述图像数据。\n在一个实例中，读出电路311可沿着读出列线一次读出一行图像数据(已说明)，或可使用例\n如串行读出或同时全并行读出所有像素单元的多种其它技术(未说明)来读出所述图像数\n据。\n[0029] 在一个实例中，控制电路321耦合到像素阵列305以控制像素阵列305中的多个光\n电二极管的操作。举例来说，控制电路321可生成用于控制图像获取的快门信号。在一个实\n例中，所述快门信号为全局快门信号，其用于同时启用像素阵列305内的所有像素单元以在\n单获取窗口期间同时捕获其相应的图像数据。在另一个实例中，所述快门信号为滚动快门\n信号，使得在连续获取窗口期间循序地启用像素的每一行、每一列或每一群组。在另一实例\n中，图像获取与光照效果(例如闪光)同步。\n[0030] 如展示，图像传感器可包含一或多行黑像素(例如，借助于金属屏蔽或类似物被阻\n止接收光的像素)，且起始斜坡信号与起始计数器之间的延迟的长度可通过从一或多个黑\n像素读出黑像素电压来动态地确定。\n[0031] 在一个实例中，成像系统300可包含于汽车或类似物中。另外，成像系统300可耦合\n到其它硬件零件，例如处理器(通用或其它)、存储器元件、输出(USB端口、无线发射器、HDMI\n端口等)、光照设备/闪光、电输入(键盘、触摸显示器、跟踪垫、鼠标、麦克风等)及/或显示\n器。其它硬件零件可将指令递送到成像系统300、从成像系统300提取图像数据或操纵由成\n像系统300供应的图像数据。\n[0032] 图4说明根据本发明的教示的实例模/数转换方法400。一些或所有过程框以其在\n方法400中出现的次序不应被认为是具限制性的。确切来说，受益于本发明的所属领域的一\n般技术人员应理解，部分方法400可按未说明的多种次序执行或甚至并行执行。此外，方法\n400可省略某些过程块以便避免使某些方面模糊。替代地，方法400可包含在本发明的一些\n实施例/实例中可能是不必要的额外过程块。\n[0033] 框401说明将斜坡信号从起始电压偏移一偏移电压。如上文所述，斜坡信号基本上\n是线性的，但在斜坡信号的开始处可存在非线性部分(由于比较器及斜坡延迟)。因此，偏移\n电压具有一量值使得斜坡信号在斜坡信号返回到起始电压前变成基本上线性。\n[0034] 框403说明用斜坡电路使斜坡信号朝向起始电压斜升。此可包含在正或负方向上\n斜升。\n[0035] 框405展示在斜坡信号返回到起始电压之后起始计数器。在一个实例中，起始使斜\n坡信号斜升与起始计数器之间的延迟的长度被编程到一次性可编程存储器(例如，静态存\n储器)中。在其它实例中，起始使斜坡信号斜升与起始计数器之间的延迟的长度通过从一或\n多个黑像素读出黑像素电压来动态地确定。在此实例中，黑像素电压用于形成黑像素电压\n数据的直方图，且黑像素电压数据的直方图用于(例如，通过取直方图的中值、平均值、高值\n或低值)动态地确定延迟的长度。\n[0036] 框407描绘使用耦合到斜坡电路的比较器比较斜坡信号与像素信号电压。从位线\n读取的第一像素信号电压可为黑电平参考电压(例如，从已复位且尚未生成图像电荷的像\n素读出的电压)。\n[0037] 框409展示响应于斜坡信号等于像素信号电压，停止计数器。因此，系统已针对像\n素信号电压建立数字值。\n[0038] 如展示，方法400重复其本身以第二次读出像素信号电压(即，读出第二像素信号\n电压；参见例如图1的第二斜坡)。第二像素信号电压是图像信号电压(例如，从已生成图像\n电荷的像素读出的电压)。换种方式来说，第二斜坡信号(参见例如图1中的第二斜坡信号)\n可从起始电压偏移达偏移电压，且第二斜坡信号可朝向起始电压斜升。计数器在第二斜坡\n信号返回到起始电压时起始，且使用比较器比较第二斜坡信号与第二像素信号电压(例如，\n图像信号电压)。响应于第二斜坡信号等于第二像素信号电压，停止计数器。\n[0039] 一旦方法400重复其本身，就可从第二像素信号电压(例如，图像信号电压)减去第\n一像素信号电压(例如，黑电平参考电压)以执行黑电平校正。如图1中展示，第二像素信号\n电压具有比像素信号电压更大的绝对量值。\n[0040] 本发明所说明的实例的上文描述，包含说明书摘要中所描述的内容，不希望为详\n尽的或将本发明限制为所揭示的精确形式。虽然为了说明的目的，本文描述了本发明的特\n定实例，但相关领域的技术人员应认识到，在本发明的范围内，多种修改为可能的。\n[0041] 鉴于上文详细的描述，可对本发明做出这些修改。所附权利要求书中所使用的术\n语不应被解释为将本发明限制于说明书中揭示的特定实例。确切来说，本发明的范围将完\n全由所附权利要求确定，所述权利要求应根据建立的权利要求解释的公认原则来解释。

暂无