[发明专利]用于图像传感器基于sigma-delta ADC的读出电路及工作时序

说明书

技术领域

本发明涉及一种图像传感器的读出电路。特别是涉及一种用于图像传感器基于sigma-delta ADC的读出电路及工作时序。 

背景技术

图像传感器可将镜头获得的光信号转换成易于存储、传输和处理的电学信号。图像传感器按照工作方式可以分为面阵型和线阵型。面阵型图像传感器的工作原理是以呈二维面阵排布的像素阵列对物体进行拍摄以获取二维图像信息，而线阵型图像传感器的工作原理是以呈一维线阵排布的像素阵列通过对物体扫描拍摄的方式来获取二维图像信息，其中线阵型图像传感器的工作方式可参考图1。线阵型图像传感器以其特殊的工作方式被广泛应用在航拍、空间成像、机器视觉和医疗成像等众多领域。但是由于在线阵型图像传感器的像素曝光期间物体始终在移动，因此像素的曝光时间严重受限于线阵型图像传感器相对被拍摄物体的移动速度，尤其在高速运动低照度应用环境下（例如空间成像）线阵型图像传感器的信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）会变得非常低。为解决SNR低的问题，有人提出了时间延时积分（Time Delay Integration，TDI）技术，其能够增加线阵图像传感器的SNR和灵敏度，它以其特殊的扫描方式，通过对同一目标进行多次曝光，实现很高的SNR和灵敏度，因此特別适用于高速运动低照度的环境下。TDI的基本原理是使用面阵排布的像素阵列以线阵扫描的方式工作，进而可实现不同行的像素对移动中的同一物体进行多次曝光，并将每次曝光结果进行累加，等效延长了像素对物体的曝光积分时间，因此可以大幅提升SNR和灵敏度。 

TDI技术最早是通过电荷耦合器件（Charge Coupled Device,CCD）图像传感器实现的，CCD图像传感器也是实现TDI技术的理想器件，它能够实现无噪声的信号累加。目前TDI技术多应用在CCD图像传感器中，普遍采用的CCD-TDI图像传感器的结构类似一个长方形的面阵CCD图像传感器，但是其以线扫的方式工作，如图2所示，CCD-TDI图像传感器的工作过程如下：n级CCD-TDI图像传感器一共有n行像素，某一列上的第一行像素在第一个曝光周期内收集到的电荷并不直接输出，而是与同列第二个像素在第二个曝光周期内收集到的电荷相加，以此类推CCD-TDI图像传感器最后一行（第n行）的像素收集到的电荷与前面n-1次收集到的电荷累加后再按照普通线阵CCD器件的输出方式进行读出。在CCD-TDI图像传感器中，输出信号的幅度是n个像素积分电荷的累加，即相当于一个像素n倍曝光周期内所收集到的电荷，输出信号幅度扩大了n倍而噪声的幅度只扩大了倍，因此信噪比可以提高倍。 

但是由于CCD图像传感器存在功耗大集成度低等缺点，目前其在各个领域的应用都在逐渐被CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor,互补金属氧化物半导体）图像传感器所替代。如果通过CMOS图像传感器能够实现TDI功能（即CMOS-TDI图像传感器），那么TDI相机的成本将大幅下降并得到更广泛的应用。在现有技术中，有人提出通过在CMOS图 像传感器内部集成模拟信号累加器的方法来实现CMOS-TDI图像传感器，即像素输出的模拟信号先进入模拟信号累加器中完成对相同曝光信号的累加，然后将完成累加的模拟信号送入ADC进行量化输出。对于较高的TDI级数，这势必提升了模拟累加器的设计难度。在现有技术中，也有人提出在CMOS图像传感器内部集成数字域累加器的方法来实现对相同曝光信号的累加，即像素输出的信号先直接由列并行ADC进行量化，然后将量化后的数字量输入到数字域累加器中实现对信号的累加，但这种方法提升了对列并行ADC精度和速度的要求。 

TDI对相同曝光信号的累加过程与sigma-delta ADC的过采样过程是相似的，一阶sigma-delta ADC的结构如图3所示，如果sigma-delta调制器对一个固定的输入信号Vin连续采样M-1次，对M-1次输出的码流进行求和即可得到还原后的数字码，sigma-delta ADC输出的Dout的位数N为： 

N=log₂(M-1)  （1） 

因此可以将sigma-delta ADC对直流信号采样和量化的过程应用到TDI读出电路中，进而可以降低TDI读出电路的设计难度。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够降低对积分器的精度要求和模数转换的速度要求，进而降低了CMOS-TDI图像传感器的设计难度的用于图像传感器基于sigma-delta ADC的读出电路及工作时序。