一种图像传感器的驱动方法、驱动装置及图像传感器

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，特别是涉及一种图像传感器的驱动方法、驱动装置以及包含该驱动装置的图像传感器。

背景技术

随着智能化时代的日新月异，摄像头对于消费者来说已经是耳熟能详的名词，而拍照性能的高低与CMOS图像传感器(CIS)芯片具有直接的关系。

目前，图像传感器的曝光方式可以分为滚动曝光方式(rolling shutter)和全局曝光方式(global shutter)。

对于滚动曝光方式，像素阵列各行的曝光时间或时间段不一样，同一时间只有一行处于读取状态，为了保证时序正确，存在部分行像素处于不进行曝光也不进行读取的状态，对于全局曝光方式，像素阵列各行同时曝光，在不同时间段读取，因此在某一像素行在读取状态下，其他像素行相当于处于闲置状态。

因此，控制每行像素行需要多个控制信号，控制信号由外部控制单元输入，这意味着每行像素行需要多个电压电平转换器，对于多行多列构成的像素阵列来说，这将进一步增加硬件开销。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种图像传感器的驱动方法、包含该图像传感器的驱动方法的图像传感器。

本发明提供了一种图像传感器的驱动方法，包括：获取预曝光行地址数字信号(d_sp_add)、采样行地址数字信号(d_rp_add)、预曝光行传输数字信号(d_sp_tx)和采样行传输数字信号(d_rp_tx)，并通过电压电平转换器(level shift)输出预曝光行地址模拟信号(a_sp_add)、采样行地址模拟信号(a_rp_add)、预曝光行传输模拟信号(a_sp_tx)和采样行传输模拟信号(a_rp_tx)；

基于预曝光行地址模拟信号(a_sp_add)、采样行地址模拟信号(a_rp_add)、预曝光行传输模拟信号(a_sp_tx)和采样行传输模拟信号(a_rp_tx)输出锁存地址模拟信号(a_lat_addb)；

并基于预曝光行地址模拟信号、采样行地址模拟信号、预曝光行传输模拟信号、采样行传输模拟信号以及锁存地址模拟信号输出栅极传输控制信号；

栅极传输控制信号用于控制图像传感器的像素电路中传输晶体管的开启与关闭。

本发明还提供一种图像传感器的驱动装置，包括：控制模块、驱动模块，控制模块与驱动模块耦接，其中，控制模块至少包括反相调节模块，驱动模块至少包括栅极驱动模块；

驱动装置还包括电压电平转换器，电压电平转换器用于根据预曝光行地址数字信号、采样行地址数字信号、预曝光行传输数字信号和采样行传输数字信号，输出预曝光行地址模拟信号、采样行地址模拟信号、预曝光行传输模拟信号和采样行传输模拟信号；

反相调节模块用于根据曝光行地址模拟信号、采样行地址模拟信号、曝光行传输模拟信号和采样行传输模拟信号，输出锁存地址模拟信号；

栅极驱动模块用于根据曝光行地址模拟信号、采样行地址模拟信号、曝光行传输模拟信号、采样行传输模拟信号以及锁存地址模拟信号输出栅极传输控制信号；其中，栅极传输控制信号用于控制像素单元的传输晶体管的开启与关闭。

本发明还提供了一种包含该图像传感器的驱动方法的图像传感器，包括：像素阵列以及上述的驱动装置，像素阵列包括以行和列排列的多个像素单元，且每个像素单元包括：光电二极管和传输晶体管，光电二极管用于响应入射光以积累图像电荷，传输晶体管耦合于光电二极管和浮动扩散节点之间，以将光电二极管中所积累的图像电荷选择性地转移至浮动扩散节点；控制模块，用于确定像素阵列的像素行的所处状态。

与现有技术相比，本发明至少具有如下突出的优点之一：

本发明的该像素电路驱动方法避免采用锁存的方式控制产生锁存地址模拟信号，直接通过模拟电平逻辑实现传输晶体管驱动电路，进而产生实现具有锁存功能的传输晶体管控制信号，来优化像素blooming，相比锁存加驱动的控制方法，该方法能够实现更小的设计面积和功耗，节省电压电平转换器的数量，减少硬件开销。

附图说明

图1为现有技术中一种图像传感器的像素电路示意图；

图2为现有技术中一种图像传感器的驱动方法；

图3为本发明提供的一种图像传感器的驱动方法流程图；

图4为本发明提供的一种图像传感器的部分结构框图；

图5为本发明提供的另一种图像传感器的部分结构框图；

图6为本发明提供的一种图像传感器的局部结构示意图；

图7为本发明提供的一种图像传感器驱动方法的时序控制图；

图8为本发明提供的一种图像传感器驱动方法运用实例的时序控制图；

图9为本发明提供的一种图像传感器的像素电路示意图；

图10为本发明提供的另一种图像传感器的驱动方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

需要说明的是，在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

如图1所示，图1为现有技术中一种图像传感器的结构示意图。图像传感器包括像素阵列10、控制模块20、驱动模块30，其中，控制模块20与驱动模块30耦接，用于确定像素阵列10的像素行的所处状态，像素阵列10包括以行和列排列的多个像素单元，在该像素阵列中，每一列的所有像素(像素单元)通过一列选择线同时选通，并且每一行的所有像素分别通过一行选择线选择性地输出。每个像素都有一个行地址和一个列地址。像素的列地址对应于由列驱动单元驱动的列选择信号线，像素的行地址对应于由行驱动单元驱动的行选择信号线。控制模块控制行驱动单元和列驱动单元选择性地读取像素阵列中合适的行和列对应的像素以输出图像信号。

图2为现有技术中一种图像传感器的驱动方法，结合参考图1-2，通过控制模块20获取预曝光行地址数字信号(d_sp_add)、采样行地址数字信号(d_rp_add)、预曝光行传输数字信号(d_sp_tx)和采样行传输数字信号(d_rp_tx)，并通过锁存单元40和锁存使能信号(lat_en)获取锁存地址数字信号(d_lat_addb)，锁存地址数字信号(d_lat_addb)通过电压电平转换器level shifter转换为相应的锁存地址模拟信号(a_lat_addb)，并将预曝光行地址数字信号(d_sp_add)、采样行地址数字信号(d_rp_add)、预曝光行传输数字信号(d_sp_tx)和采样行传输数字信号(d_rp_tx)也通过电压电平转换器level shifter转换为相应的预曝光行地址模拟信号(a_sp_add)、采样行地址模拟信号(a_rp_add)、预曝光行传输模拟信号(a_sp_tx)和采样行传输模拟信号(a_rp_tx)，通过上述转换得到的模拟信号控制传输晶体管的栅极传输控制信号tx的输出，进而控制传输晶体管的开启与关闭。而控制每行像素行需要多个控制信号，控制信号由外部控制单元输入，这意味着每行像素行需要多个电压电平转换器，对于多行多列构成的像素阵列来说，这将进一步增加硬件开销。

有鉴于此，本发明的技术方案提供一种图像传感器的驱动方法、驱动装置和包含该驱动装置的图像传感器，以实现更小的设计面积和功耗，节省电压电平转换器的数量，进而减少硬件开销。

如图3-4所示，图3为本发明提供的一种图像传感器的驱动方法流程图，图4为本发明提供的一种图像传感器的部分结构框图，本发明提供的图像传感器的驱动方法包括步骤：

S10：获取预曝光行地址数字信号、采样行地址数字信号、预曝光行传输数字信号和采样行传输数字信号，并通过电压电平转换器输出预曝光行地址模拟信号、采样行地址模拟信号、预曝光行传输模拟信号和采样行传输模拟信号。

可以理解的，电压电平转换器能使I/O电压不同的器件建立通信，在电子设计中，电压电平转换器用于将图像传感器控制电路中的行选址电路的数字电平转换为更高的模拟电平或者将图像传感器控制电路中的列选址电路的数字电平转换为更高的模拟电平，例如数字电平为0-1.8V，对应经过电压电平转换器后输出的模拟电平为0-2.8V，当然，需要输出的模拟电平可根据电路设计需求来设置，在此不作限定。

S20：基于预曝光行地址模拟信号、采样行地址模拟信号、预曝光行传输模拟信号和采样行传输模拟信号输出锁存地址模拟信号；

S30：基于预曝光行地址模拟信号、采样行地址模拟信号、预曝光行传输模拟信号、采样行传输模拟信号以及锁存地址模拟信号输出栅极传输控制信号tx；

其中，栅极传输控制信号tx用于控制图像传感器的像素电路中传输晶体管TX的开启与关闭。

其中，如图5所示，图5为本发明提供的另一种图像传感器的部分结构框图。预曝光行地址模拟信号包括预曝光行地址正向信号(sp_add)和预曝光行地址反向信号(sp_addb)，采样行地址模拟信号包括采样行地址正向信号(rp_add)和采样行地址反向信号(rp_addb)，预曝光行传输模拟信号包括预曝光行传输正向信号(sp_tx)和预曝光行传输反向信号(sp_txb)，采样行传输模拟信号包括采样行传输正向信号(rp_tx)和采样行传输反向信号(rp_txb)。需要说明的，此后的正向信号与反向信号指的均为模拟信号，之后不在赘述。

因此，输出栅极传输控制信号tx的方法，可以包括：基于预曝光行地址正向信号(sp_add)、预曝光行地址反向信号(sp_addb)、采样行地址正向信号(rp_add)、采样行地址反向信号(rp_addb)、预曝光行传输正向信号(sp_tx)、预曝光行传输反向信号(sp_txb)、采样行传输正向信号(rp_tx)、采样行传输反向信号(rp_txb)以及锁存地址模拟信号输出栅极传输控制信号tx至像素阵列内的像素单元的传输晶体管。

在本发明实施例中，通过先将控制模块中的行地址电路输出的数字信号通过电压电平转换器转换为模拟信号，并利用上述行地址电路对应输出的模拟信号输出锁存地址模拟信号，节省了电压电平转换器的数量，进而减少了硬件开销。

下面，将以具体的实施例来描述相应的图像传感器的驱动方法。如图6所示，图6为本发明提供的一种图像传感器的局部结构示意图。其中，控制模块20与驱动模块30耦接，用于确定像素阵列的像素行的所处状态；控制模块20至少包括反相调节模块50，以输出锁存地址模拟信号(lat_addb)，具体的，反相调节模块50基于曝光行地址模拟信号、采样行地址模拟信号、曝光行传输模拟信号和采样行传输模拟信号，输出锁存地址模拟信号(lat_addb)；

驱动模块30至少包括栅极驱动模块60，以控制像素单元的传输晶体管的开启与关闭，具体的，栅极驱动模块60基于曝光行地址模拟信号、采样行地址模拟信号、曝光行传输模拟信号、采样行传输模拟信号以及锁存地址模拟信号输出栅极传输控制信号tx，其中，栅极传输控制信号tx用于控制像素单元的传输晶体管TX的开启与关闭。

图像传感器还包括电压电平转换器(图中未示出)，电压电平转换器基于预曝光行地址数字信号、采样行地址数字信号、预曝光行传输数字信号和采样行传输数字信号，输出预曝光行地址模拟信号、采样行地址模拟信号、预曝光行传输模拟信号和采样行传输模拟信号；

可选的，在一些实施例中，如图6所示，反相调节模块50包括第一反相器I1、第二反相器I2和第三反相器I3；其中，第一反相器I1的输入端接收曝光行地址模拟信号、采样行地址模拟信号、曝光行传输模拟信号和采样行传输模拟信号，第一反相器I1的输出端藕接第二反相器I2的输入端，第二反相器I2的输出端输出锁存地址模拟信号；第三反相器I3的输入端藕接第一反相器I1的输出端以及第二反相器I2的输入端，第三反相器I3的输出端藕接第一反相器I1的输入端。

可选的，结合参考图6和图7，图7为本发明提供的一种图像传感器驱动方法的时序控制图。控制模块20还包括第一控制通路221和第二控制通路222；第一控制通路221用于控制反相调节模块50，以输出锁存地址模拟信号(lat_addb)为第二锁存电平；第二控制通路222用于控制反相调节模块50，以输出锁存地址模拟信号(lat_addb)为第一锁存电平，其中，第一锁存电平为低电平，第二锁存电平为高电平；进一步可选的，第一控制通路221包括两个PMOS管，且两个PMOS管的栅极分别连接预曝光行地址反向信号(sp_addb)和预曝光行传输反向信号(sp_txb)，；第二控制通路222包括两个NMOS管，且两个NMOS管分别连接采样行地址正向信号(rp_add)和采样行传输正向信号(rp_tx)。

即对应输出锁存地址模拟信号的方法，包括：基于预曝光行地址反向信号(sp_addb)、预曝光行传输反向信号(sp_txb)、采样行地址正向信号(rp_add)和采样行传输正向信号(rp_tx)输出锁存地址模拟信号(lat_addb)。

具体的，当预曝光行地址反向信号(sp_addb)、预曝光行传输反向信号(sp_txb)为低电平，将A点电压拉高至AVDD，采用反相器I1，I2驱动点A，加入正反馈反相器I3避免A点成为悬空点，因此，即使预曝光行地址反向信号(sp_addb)和预曝光行传输反向信号(sp_txb)恢复为高电平，A点电平依然保持为高，直到采样行地址正向信号(rp_add)和采样行传输正向信号(rp_tx)都为高电平，A点电压被拉低至AGND，A点驱动得到的锁存地址模拟信号(lat_addb)配合预曝光行地址信号(sp_add，sp_addb)、预曝光行传输信号(sp_txb，sp_tx)、采样行地址信号(rp_add，rp_addb)与采样行传输信号(rp_txb，rp_tx)生成控制传输晶体管导通与关断的栅极传输控制信号tx。

在本发明实施例中，通过上述多种模拟信号控制，以及反相调节模块的作用下，使得锁存地址模拟信号在像素行处于闲置状态时为低电平，在其他状态为高电平，或者也可以在闲置状态时为高电平，其他状态时为低电平，此次不作限定，只需闲置状态与其他状态下的锁存地址模拟信号为反向信号即可。再通过将锁存地址模拟信号输出至驱动模块，并配合曝光行地址信号、预曝光行传输信号、采样行地址信号与采样行传输信号，以使得驱动模块输出栅极传输控制信号tx至处于闲置状态的像素行的传输晶体管。

如图9所示，图9为本发明提供的一种图像传感器的像素电路示意图。其中，像素阵列中的每个像素单元包括光电二极管PD、传输晶体管TX、复位晶体管RST、源极跟随晶体管SF以及行选择晶体管RS。在图像传感器的工作期间，光电二极管PD响应入射光线产生光电电荷，传输晶体管TX接收传输信号tx，以使得传输晶体管TX将累积在光电二极管PD中的电荷传输到浮动扩散点FD。复位晶体管RST耦合在电源VDD和浮动扩散点FD之间，以响应复位信号rst复位该像素单元。浮动扩散点FD被耦合以控制源极跟随晶体管SF的栅极。源极跟随晶体管SF还耦合在电源VDD和行选择晶体管RS之间，以放大浮动扩散点FD上的电荷产生的信号。行选择晶体管RS响应于行选择信号rs，输出相应的像素信号。

可以理解的，曝光周期开始于传输晶体管TX关闭时，这个期间，光电二极管PD接收入射光不断累积光生电子，由于电子是负电荷载流子，对应的，光电二极管PD处的电压降低。在曝光周期结束后，传输晶体管TX开启，将光电二极管PD中的电荷耦合到浮动扩散点FD，从而使浮动扩散点FD的电压下降。

同时，像素阵列的像素行的状态包括闲置状态、预充电状态、曝光(exposure)状态以及采样(sample)状态；其中，在曝光行地址模拟信号和读取行地址模拟信号之间的行地址确定为处于曝光状态的像素行，接收预曝光行地址模拟信号的行地址确定为处于预充电状态的像素行，接收采样行地址模拟信号的行地址确定为处于采样状态的像素行，非处于预充电状态、曝光状态以及采样状态的像素行确定为处于闲置状态的像素行。

正是由于每行像素具有上述多种状态、滚动曝光的时序特性以及HDR模式下的长短曝光特性，使得处于闲置状态下的像素行的像素也会继续接收入射光产生电荷，出现过曝的现象，进而使电荷溢出至相邻行的像素，影响到相邻像素行处于正常曝光状态的像素的电荷积累，对于全局曝光方式，像素阵列各行同时曝光，在不同时间段读取，因此在某一像素行在读取状态下，其他像素行相当于处于闲置状态，光电二极管PD也会不断接收光线并转换为光电电荷。

因此，本发明的技术方案还可以解决闲置状态下的像素行的像素对相邻像素行的像素的影响，起到抗光晕(anti-blooming)的作用。

在本发明实施例中，通过先将行地址电路输出的数字信号通过电压电平转换器转换为模拟信号，并利用上述行地址电路对应输出的模拟信号输出锁存地址模拟信号，节省了电压电平转换器的数量，进而减少了硬件开销，同时，再基于行地址电路对应输出的模拟信号和锁存地址模拟信号配合输出栅极传输控制信号，进一步控制像素单元曝光过程中传输晶体管的开启与关闭，减少像素单元产生的过曝现象，解决闲置状态下的像素单元在被强光照射时造成的光晕现象。

在一些实施例中，继续参考图6，可选的，栅极驱动模块60包括：第一通路301，用于控制像素阵列中处于预充电状态的像素行的传输晶体管的开启与关闭；第二通路302，用于控制像素阵列中处于采样状态的像素行的传输晶体管的开启与关闭；第三通路303，用于控制像素阵列中处于闲置状态的像素行的传输晶体管的开启与关闭。第一通路301、第二通路302和第三通路303分别包括两个PMOS管和三个NMOS管；

第一通路301的两个PMOS管用于控制输出栅极传输控制信号为开启电压，以开启传输晶体管，且第一通路301的两个PMOS管的栅极分别连接预曝光行传输反向信号和预曝光行地址反向信号；第一通路301的三个NMOS管用于控制输出栅极传输控制信号为关闭电压，以关断传输晶体管，且第一通路301的三个NMOS管的栅极分别连接预曝光行地址正向信号、锁存地址模拟信号和预曝光行传输反向信号；

第二通路302的两个PMOS管用于控制输出栅极传输控制信号为开启电压，以开启传输晶体管，且第二通路302的两个PMOS管的栅极分别连接采样行传输反向信号和采样行地址反向信号；第二通路302的三个NMOS管用于控制输出栅极传输控制信号为关闭电压，以关断传输晶体管，且第二通路302的三个NMOS管的栅极分别连接采样行地址正向信号、采样行地址正向信号和采样行传输反向信号；

第三通路303的两个PMOS管用于控制输出栅极传输控制信号为开启电压，以开启传输晶体管，且第三通路303的两个PMOS管的栅极分别连接锁存地址模拟信号和采样行地址正向信号；第三通路303的三个NMOS管用于控制输出栅极传输控制信号为关闭电压，以关断传输晶体管，且第三通路303的三个NMOS管的栅极分别连接预曝光行地址反向信号、采样行地址反向信号和锁存地址模拟信号。

结合参考图6-8和10所示，图8为本发明提供的一种图像传感器驱动方法运用实例的时序控制图；图10为本发明提供的另一种图像传感器的驱动方法流程图。对于处于不同状态下的像素行中栅极传输控制信号状态以及对应的传输晶体管开关状态具体描述如下。

S100：对于图像传感器像素阵列中处于闲置状态的像素行，输出栅极传输控制信号为开启电压，以导通传输晶体管。

可以理解的，开启电压可以为模拟电源电压AVDD。

可选的，输出栅极传输控制信号tx为开启电压AVDD的方法，包括：锁存地址模拟信号(a_lat_addb)为第一锁存电平，即锁存地址模拟信号(a_lat_addb)为低电平，采样行地址正向信号(a_rp_add)为第三电平，即采样行地址正向信号(a_rp_add)也为低电平，传输晶体管TX开启以在闲置状态下输出栅极传输控制信号tx为开启电压AVDD。

在现有技术中，处于闲置状态下的像素行会由于强光照射下产生过曝现象，进而影响到相邻处于其他状态下的像素行，产生光晕现象。而在本申请实施例中，通过控制处于闲置状态下的像素行的传输晶体管导通，将闲置状态下的像素行中光电二极管累积的电荷通过VDD导走，继而解决闲置状态下的像素行的像素对相邻像素行的像素的影响，起到抗光晕的作用。

S200：图像传感器像素阵列中处于预充电状态的像素行包括第一预充电状态和位于第一预充电状态之后的第二预充电状态；在第一预充电状态，输出栅极传输控制信号为开启电压，以导通传输晶体管；在第二预充电状态，输出栅极传输控制信号为关闭电压，以关闭传输晶体管。

可选的，开启电压可以为模拟电源电压AVDD，关闭电压可以为接地电压AGND。

具体的，在第一预充电状态，预曝光行传输反向信号(a_sp_txb)为第一传输电平，即预曝光行传输反向信号(a_sp_txb)为低电平，预曝光行地址反向信号(a_sp_addb)为第一电平，即预曝光行地址反向信号(a_sp_addb)也为低电平，以在第一预充电状态下输出栅极传输控制信号tx为开启电压AVDD，使得传输晶体管TX导通；在第二预充电状态，预曝光行传输反向信号(a_sp_txb)为第二传输电平，预曝光行地址正向信号(a_sp_add)为第二电平，锁存地址模拟信号(a_lat_addb)为第二锁存电平，即预曝光行传输反向信号(a_sp_txb)、预曝光行地址正向信号(a_sp_add)和锁存地址模拟信号(a_lat_addb)均为高电平，以在第二预充电状态下输出栅极传输控制信号tx为关闭电压AGND，使得传输晶体管TX关断。

S300：图像传感器像素阵列中处于采样状态的像素行包括第一采样状态和位于第一采样状态之后的第二采样状态；在第一采样状态，输出栅极传输控制信号为开启电压，以导通传输晶体管；在第二采样状态，输出栅极传输控制信号为关闭电压，以关闭传输晶体管。

在第一采样状态，采样行传输反向信号(a_rp_txb)为第三传输电平，采样行地址反向信号(a_rp_addb)为第三电平，即采样行传输反向信号(a_rp_txb)和采样行地址反向信号(a_rp_addb)均为低电平，以在第一采样状态下输出栅极传输控制信号tx为开启电压AVDD，使得传输晶体管TX导通；

在第二采样状态，采样行传输反向信号(a_rp_txb)为第四传输电平，采样行地址正向信号(a_rp_add)为第四电平，即采样行传输反向信号(a_rp_txb)和采样行地址正向信号(a_rp_add)均为高电平，以在第一采样状态下输出栅极传输控制信号tx为关闭电压AGND，使得传输晶体管TX关断。

可选的，如图7所示，第一电平＝0，第二电平＝1；第三电平＝0，第四电平＝1；第一传输电平＝0，第二传输电平＝1；第三传输电平＝0，第四传输电平＝1；第一锁存电平＝0，第二锁存电平。

在一些实施例中，结合参考图7-8，输出复位控制信号rst至处于闲置状态的像素行中像素单元的复位晶体管RST，以持续导通复位晶体管RST，使得处于闲置状态的像素行中像素单元将累积在光电二极管中的电荷通过VDD导走。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。