[发明专利]图像传感器中的快速多重采样

说明书

一种读出电路，包括斜坡发生器，用于在重置转换阶段生成具有第一电平的多个第一短斜坡，以及具有大于该第一电平的第二电平的多个第二短斜坡，以及在信号转换阶段具有大于该第二电平的第三电平的满量程斜坡；比较器，用于将第一模拟信号与该第一短斜坡中的每一个进行比较，以在该重置转换阶段获得多个第一比较结果，以及在该信号转换阶段将第二模拟信号与该第二短斜坡中的每一个和该满量程斜坡进行比较，以生成多个第二比较结果和第三比较结果；以及控制器，用于根据该多个第二比较结果和第三结果确定该第二模拟信号的输出信号值。

相关申请的交叉引用

本专利文件要求于2020年4月2日提交的发明名称为“图像传感器中的快速多重采样”的申请号为16/839,050的美国专利申请的优先权和权益。上述专利申请的全部内容通过引用并入本专利文件公开内容的一部分。

技术领域

本发明涉及集成电路图像传感器领域。更具体地，本发明公开了一种使用短暂且快速斜坡的集成电路图像传感器中的相关多重采样架构。

背景技术

具有高像素数的现代图像传感器试图以最小的功耗实现高帧速率、低读出噪声和高动态范围。现代CMOS图像传感器(CIS)的基本功能是捕获在光电二极管中转换为电子的光子。这些捕获的电子由包括作为所述图像传感器一部分的一系列模数转换器(ADC)读出。在读出链中，更高的功率可以提供更低的读出噪声或更高的动态范围，从而导致图像质量的提高。但更高的功耗也会导致电池寿命缩短和发热时间缩短，这在消费产品中具有内在限制，并且可能导致在CIS环境下传感器的性能更差。在功耗和帧率相同的情况下，寻找能够降低所述读出噪声或增加所述动态范围的架构会产生显著的性能优势。

发明内容

本发明公开了一种集成电路图像传感器，包括使用短暂且快速斜坡的相关多重采样架构。根据一方面，本发明构思旨在通过在重置转换阶段和信号转换阶段执行多个ADC转换来改善读出噪声。通过对来自这些转换的输出结果取平均值，最终结果是使得热噪声降低。通过尽早地终止电压斜升，本发明提供了一种改进的高性能和低噪声图像传感器，仅足以转换表示一定数量电子(光子)的信号。这导致大大节省了额外ADC转换的时间。此外，由于一次转换仍覆盖所述像素的整个读出范围，因此不会在所述图像传感器的动态范围内产生负面影响或对其造成损失。

根据另一方面，所述相关多重采样架构还包括一种提供良好线性度和可编程增益的可编程增益放大器(PGA)。使用所述PGA时，短暂的相关多重采样的好处甚至更大，因为所述可编程增益提供了增加斜坡率的灵活性。虽然增加所述斜坡率只会影响来自所述ADC每次转换的噪声贡献，但这种贡献会被来自所述PGA的增益所降低。然而，额外的转换将降低来自所述ADC和所述PGA的热噪声。本申请还公开了一种读出所述图像传感器的一个像素或所有像素的信号的相应方法。

本发明的这些和其他实施例连同其许多优点和特征将结合下文和附图进行更详细的描述。

附图说明

附图不一定按比例绘制，重点在于说明发明构思的原理。例如，为了清楚起见，一些元件的尺寸相对于其他元件被夸大。

图1是根据本公开实施例的一种耦合到示例读出电路的像素的框图。

图2是根据本公开实施例的一种模数转换器的简化框图。

图3是说明根据本公开实施例的一种图像传感器中的模数转换的简化示意框图。

图4是说明用于描述图1的基本像素读出的一种示例性像素读出周期的时序图。

图5是说明图1的一种示例性像素读出周期的时序图，用于描述根据本公开实施例的图1的像素读出。

图6A是可以在本公开实施例中采用的一种斜坡发生器的电路图。图6B是图6A的斜坡发生器的一种输出电压波形。

图7是根据本公开另一实施例的一种耦合到示例读出电路的像素的框图。