專利名稱：自適應(yīng)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器讀出電路系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體圖像傳感器讀出電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。特別是涉及一種可以實(shí)現(xiàn) 和人眼感光類似的更高精度的CMOS圖像傳感器的自適應(yīng)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感 器讀出電路系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器是將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號的半導(dǎo)體裝置。
其基本過程是首先CMOS傳感器中的光電二極管進(jìn)行曝光。在一定的曝光時間內(nèi)， 光電二極管上的電壓隨不同光線強(qiáng)度產(chǎn)生線性電壓，隨后的讀出電路將此電壓轉(zhuǎn)換成數(shù) 字信號輸出。通常情況下CMOS圖像傳感器采用10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，因此其數(shù)字輸出為IO 位精度。另一方面，人眼可以看到的動態(tài)范圍約為10的6次方到10的8次方流明。雖 然人不能同時看到這整個范圍的光線，但人眼能同時感應(yīng)到的最大敏感度約為10， 000:1, 而人眼對光線強(qiáng)度的敏感度成對數(shù)變化，而并非像真實(shí)自然界那樣(即圖像傳感器接受 到的信號)成線性變化的。隨著光線強(qiáng)度的增加，人眼對亮度的變化越不敏感。在O.Ol 流明到100流明之間，人眼對亮度變化的感應(yīng)值是個遞增恒量也就是說，人眼能感覺到 1流明強(qiáng)度光線0. 02流明的亮度變化，10流明強(qiáng)度光線0. 2流明的亮度變化，50流明光 線1流明亮度變化，100流明光線2流明亮度變化。在此之外的亮度范圍則不是這樣遞增 的，遵循更為復(fù)雜的規(guī)律。
現(xiàn)有的CM0S圖像傳感器是采用如圖1所示的電路結(jié)構(gòu)，傳感器進(jìn)行曝光之后，其像 素信號電壓1先通過一個緩沖器2保存起來，然后通過一個流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器3輸出。 這樣的結(jié)構(gòu)在不同的光線強(qiáng)度的變化下始終線性輸出曝光后像素上的電壓值，因此強(qiáng)光 和暗光的輸出值差別大，強(qiáng)光輸出值可以到1000，而暗光可能只有幾十，所以暗光下圖 像細(xì)節(jié)損失很大。這樣的結(jié)構(gòu)顯然不太滿足人眼對圖像質(zhì)量的要求。人眼在亮光和暗光 條件下都能自動適應(yīng)光線強(qiáng)度的變化，看到高質(zhì)量的圖像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種可以實(shí)現(xiàn)和人眼感光類似的更高精度的 CMOS圖像傳感器的自適應(yīng)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器讀出電路系統(tǒng)。
本發(fā)明所釆用的技術(shù)方案是 一種自適應(yīng)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器讀出電 路系統(tǒng)，包括有像素信號電壓輸入和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，還設(shè)置有可變增益放大器和比較器， 其中，可變增益放大器和比較器分別接收像素信號電壓輸入的電壓，可變增益放大器的
輸出信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器至輸出端，比較器的輸出信號分別至可變增益放大器及輸出端。
所述的比較器可設(shè)置l個或l個以上，當(dāng)所述的比較器設(shè)置l個以上時，各比較器 是并聯(lián)連接。
本發(fā)明的自適應(yīng)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器讀出電路系統(tǒng)，在圖像傳感器像 素曝光后的數(shù)據(jù)讀出過程中，先使用比較器對像素曝光電壓進(jìn)行判斷，根據(jù)不同的曝光 電壓區(qū)間改變可變增益放大器的放大倍數(shù)。曝光電壓通過可變增益放大器調(diào)整，使進(jìn)入 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬信號始終位于相同的參考電壓之內(nèi)，這樣可以得到比通常結(jié)構(gòu)精度更 高的結(jié)果。此結(jié)構(gòu)和人眼在不同光亮環(huán)境下的反應(yīng)類似，可以實(shí)現(xiàn)和人眼感光類似的更 高精度的CMOS圖像傳感器。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的圖像傳感器讀出電路結(jié)構(gòu)圖2是本發(fā)明的自適應(yīng)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器讀出電路。
圖3是本發(fā)明的自適應(yīng)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器讀出電路具體實(shí)施例；
圖4是圖3的展開電路示意圖。
g巾-
1:像素信號電壓輸入 2:緩沖器
3:模數(shù)轉(zhuǎn)換器 4:可變增益放大器
5:比較器
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明的自適應(yīng)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器讀出電 路系統(tǒng)做出詳細(xì)說明。
如圖1所示，本發(fā)明的自適應(yīng)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器讀出電路系統(tǒng)，包
括有像素信號電壓輸入1和模數(shù)轉(zhuǎn)換器3，還設(shè)置有可變增益放大器4和比較器5，其 中，可變增益放大器4和比較器5分別接收像素信號電壓輸入1的電壓，可變增益放大 器4的輸出信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器3至輸出端0ut，比較器5的輸出信號分別至可變增益放大 器4及輸出端0ut。
所述的比較器5可設(shè)置1個或1個以上，當(dāng)所述的比較器5設(shè)置1個以上時，各比 較器5是并聯(lián)連接，比較器有兩端，他們的其中一端都接在像素的輸出電壓上，另一端 分別接不同的參考電壓，例如Vref/2 Vref/4 Vref/8。
圖3給出了本發(fā)明自適應(yīng)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器讀出電路系統(tǒng)的一個具 體實(shí)施例。
如圖3、圖4所示，在本實(shí)施例中使用3個比較器5，判斷4個電壓區(qū)間，可變增益 放大器4的增益分別為1倍、2倍、4倍和8倍，以及一個10位的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器3。
當(dāng)像素的曝光電壓大于二分之一參考電壓時，可變增益放大器4的放大倍數(shù)為1，此時通 過流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器3輸出的數(shù)據(jù)在其末尾補(bǔ)3個0 (補(bǔ)0數(shù)量為比較器數(shù)加1)。當(dāng)像 素的曝光電壓小于二分之一，大于四分之一的參考電壓時，可變增益放大器4放大倍數(shù) 為2，此時通過流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器3輸出的數(shù)據(jù)在前面加1個0，其末尾補(bǔ)2個0。當(dāng)像 素的曝光電壓小于四分之一，大于八分之一的參考電壓時，可變增益放大器4放大倍數(shù) 為4，此時通過流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器3輸出的數(shù)據(jù)在前面加2個0，其末尾補(bǔ)1個0。當(dāng)像 素的曝光電壓小于八分之一的參考電壓時，可變增益放大器4放大倍數(shù)為8，此時通過流 水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器3輸出的數(shù)據(jù)在前面加3個0?？梢钥吹竭@種結(jié)構(gòu)下輸出到數(shù)字精度提高 了8倍。輸出函數(shù)如下面所示-
增益=1輸出a9 a8 增益=2輸出0 a9 a8 ' 增益=4輸出0 0 a9 a8 增益=8輸出0 0 0 a9 a8
1、 Vpix 〉 l/2Vref
2、 1/2 Vref >VP1X 〉l/4Vre
3、 1/4 Vref 〉Vpix 〉l氛
4、 VP1X 〈 l/8Vref
al a0 0 0 0 'al aO 0 0al aO 0
上述的結(jié)構(gòu)使得圖像傳感器在不同的光強(qiáng)下都能讓模數(shù)轉(zhuǎn)換器3工作在最佳的輸入 電壓范圍降低噪聲，并且提高了系統(tǒng)的輸出精度，就如同人眼一樣在不同的階段的光強(qiáng) 下都能看到清晰的圖像。
權(quán)利要求
1.一種自適應(yīng)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器讀出電路系統(tǒng)，包括有像素信號電壓輸入(1)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(3)，其特征在于，還設(shè)置有可變增益放大器(4)和比較器(5)，其中，可變增益放大器(4)和比較器(5)分別接收像素信號電壓輸入(1)的電壓，可變增益放大器(4)的輸出信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(3)至輸出端(Out)，比較器(5)的輸出信號分別至可變增益放大器(4)及輸出端(Out)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器讀出電路系統(tǒng)， 其特征在于，所述的比較器(5)可設(shè)置1個或1個以上，當(dāng)所述的比較器(5)設(shè)置1 個以上時，各比較器(5)是并聯(lián)連接。
全文摘要
本發(fā)明公開一種自適應(yīng)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器讀出電路系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)為可變增益放大器和比較器分別接收像素信號電壓輸入的電壓，可變增益放大器的輸出信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器至輸出端，比較器的輸出信號分別至可變增益放大器及輸出端。比較器可設(shè)置1個或1個以上，各比較器是并聯(lián)連接。本發(fā)明在圖像傳感器像素曝光后的數(shù)據(jù)讀出過程中，先使用比較器對像素曝光電壓進(jìn)行判斷，根據(jù)不同的曝光電壓區(qū)間改變可變增益放大器的放大倍數(shù)。曝光電壓通過可變增益放大器調(diào)整，使進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬信號始終位于相同的參考電壓之內(nèi)，這樣可以得到比通常結(jié)構(gòu)精度更高的結(jié)果。此結(jié)構(gòu)和人眼在不同光亮環(huán)境下的反應(yīng)類似，可以實(shí)現(xiàn)和人眼感光類似的更高精度的CMOS圖像傳感器。
文檔編號H04N5/235GK101355637SQ20081015127
公開日2009年1月28日 申請日期2008年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月9日
發(fā)明者萬濤濤, 任曉慧, 曹慶紅, 李斌橋, 羅文哲, 巨 陳, 雷 陳, 明 韓, 黃碧珍 申請人:羅文哲;曹慶紅