图像传感器及相关电子装置

技术领域

本申请涉及一种传感器，尤其涉及一种图像传感器及相关电子装置。

背景技术

随着技术的进步，CMOS图像传感器除了需具备大规模像素阵列，同时还要求具备高的信号处理速度，但随着像素阵列规模的增大，像素阵列中单个像素的尺寸却在不断缩小，导致单个模数转换电路设计难以实现，基于列的模数转换电路便因此产生。然而，现有的用于CMOS图像传感器的列模数转换电路本身会贡献噪声。特别是在较暗的环境下，像素阵列产生的像素输出信号本身的信息量较低，列模数转换电路的噪声对整体信噪比影响较大。

因此，如何解决上述问题，已成为本领域亟需解决的问题之一。

发明内容

本申请的目的之一在于公开一种图像传感器及相关电子装置，来解决上述问题。

本申请的一实施例公开了一种图像传感器，包括：像素阵列，包括像素列，用以感测光线并产生像素输出信号；模拟数字转换单元，包括：比较器，用来比较斜坡信号以及所述像素输出信号以产生比较器输出信号，其中所述比较器的带宽依据控制信号对应地改变，所述控制信号相关于所述像素输出信号的大小；以及锁存器，用来接收所述比较器的所述比较器输出信号；斜坡信号发生电路，用来产生所述斜坡信号，其中所述斜坡信号发生电路依据所述控制信号对应地改变所述斜坡信号的斜率；以及计数器，用来进行计数操作并输出计数结果，其中所述锁存器用来依据所述比较器的所述比较器输出信号来锁存所述计数器的所述计数结果。

本申请的一实施例公开了一种电子装置，包括：上述的图像传感器。

本申请的图像传感器及相关电子装置可通过调整列模数转换电路的带宽来提升整体图像传感器的信噪比。

附图说明

图1为本申请的图像传感器的实施例的示意图。

图2为本申请的图像传感器在高亮度环境下的操作时序图。

图3为本申请的图像传感器在低亮度环境下的操作时序图。

图4为本申请的比较器的实施例的示意图。

图5为本申请产生控制信号的第一实施例的示意图。

图6为本申请产生控制信号的第二实施例的示意图。

具体实施方式

以下揭示内容提供了多种实施方式或例示，其能用以实现本揭示内容的不同特征。下文所述之组件与配置的具体例子系用以简化本揭示内容。当可想见，这些叙述仅为例示，其本意并非用于限制本揭示内容。举例来说，在下文的描述中，将一第一特征形成于一第二特征上或之上，可能包括某些实施例其中所述的第一与第二特征彼此直接接触；且也可能包括某些实施例其中还有额外的组件形成于上述第一与第二特征之间，而使得第一与第二特征可能没有直接接触。此外，本揭示内容可能会在多个实施例中重复使用组件符号和/或标号。此种重复使用乃是基于简洁与清楚的目的，且其本身不代表所讨论的不同实施例和/或组态之间的关系。

虽然用以界定本申请较广范围的数值范围与参数皆是约略的数值，此处已尽可能精确地呈现具体实施例中的相关数值。然而，任何数值本质上不可避免地含有因个别测试方法所致的标准偏差。在此处，「约」通常系指实际数值在一特定数值或范围的正负10％、5％、1％或0.5％之内。或者是，「约」一词代表实际数值落在平均值的可接受标准误差之内，视本申请所属技术领域中具有通常知识者的考虑而定。当可理解，除了实验例之外，或除非另有明确的说明，此处所用的所有范围、数量、数值与百分比(例如用以描述材料用量、时间长短、温度、操作条件、数量比例及其他相似者)均经过「约」的修饰。因此，除非另有相反的说明，本说明书与附随申请专利范围所揭示的数值参数皆为约略的数值，且可视需求而更动。至少应将这些数值参数理解为所指出的有效位数与套用一般进位法所得到的数值。在此处，将数值范围表示成由一端点至另一端点或介于二端点之间；除非另有说明，此处所述的数值范围皆包括端点。

图1为图像传感器的实施例的示意图。图像传感器100包括像素阵列102、模拟数字转换单元106、行解码器104、斜坡信号发生电路108以及计数器110。像素阵列102包括多列像素列以及多行像素行，模拟数字转换单元106包括多列模数转换电路对应地耦接到多列像素列，其中各列模数转换电路皆包括比较器1062以及锁存器1064。然而应注意的是，为便于说明，图1的像素阵列102中仅绘示一列像素列，模拟数字转换单元106中仅绘示图1中绘示一列模数转换电路。

行解码器104用来控制像素阵列102中的各像素列输出像素输出信号，计数器110用来进行计数操作并输出计数结果。举例来说，像素阵列102输出的像素输出信号PXO以及斜坡信号发生电路108产生的斜坡信号Vramp会通过比较器1062进行比较，并输出比较器输出信号Scmp来控制锁存器1064的使能时间。也就是说，锁存器1064依据比较器1062的比较器输出信号Scmp来锁存计数器110的所述计数结果为锁存结果Sd。

图1中的控制信号Sctrl相关于像素输出信号PXO的大小。换句话说，控制信号Sctrl用来指示像素输出信号PXO为高亮度或低亮度。在本实施例中，光线越强，像素输出信号PXO的亮度越高，像素输出信号PXO的值越低。举例来说，当像素输出信号PXO的亮度大于一特定亮度阈值，即像素输出信号PXO的值小于一特定像素值阈值时，控制信号Sctrl为高电压电平，代表像素输出信号PXO为高亮度；当像素输出信号PXO的亮度不大于所述特定亮度阈值，即像素输出信号PXO的值不小于所述特定像素值阈值时，控制信号Sctrl为低电压电平，代表像素输出信号PXO为低亮度。

斜坡信号发生电路108依据控制信号Sctrl对应地改变斜坡信号Vramp的斜率，以达到提供增益的效果。本实施例的斜坡信号发生电路108可以依据控制信号Sctrl对应地产生两种斜率的斜坡信号Vramp，且控制信号Sctrl动态地控制斜坡信号Vramp的斜率的绝对值正相关于所述光线的强度。当控制信号Sctrl指示像素输出信号PXO为高亮度时，如图2所示，斜坡信号发生电路108输出斜率较陡的斜坡信号Vramp，即图2的实线斜坡信号Vramp；反之当控制信号Sctrl指示像素输出信号PXO为低亮度时，如图3所示，斜坡信号发生电路108输出斜率较缓的斜坡信号Vramp，即图3的实线斜坡信号Vramp。应注意的是，本实施例中的斜坡信号Vramp为由高往低变化。

由图2和图3可知，针对低亮度环境下的像素输出信号PXO，采用较缓斜率的斜坡信号Vramp可以使像素输出信号PXO和斜坡信号Vramp的值交会的时间点往后延(从时间点T1延后至时间点T2)，即延后比较器输出信号Scmp改变状态的时间点，可以使锁存器1064得到较大的锁存结果Sd。因此采用较缓斜率的斜坡信号Vramp实质上等同提供增益。

请回到图1，相较于较陡斜率的斜坡信号Vramp，较缓斜率的斜坡信号Vramp变化较慢，因此对于比较器1062来说，对较缓斜率的斜坡信号Vramp和像素输出信号PXO进行比较时，可以放松操作频带的要求，以抑制更多噪声。本申请的比较器1062的带宽可以依据控制信号Sctrl对应地改变。举例来说，控制信号Sctrl可以动态地控制比较器1062的带宽的高频端截止频率的大小正相关于所述光线的强度。在本实施例中，比较器1062可以依据控制信号Sctrl对应地组态以在两种带宽之间切换。当控制信号Sctrl指示像素输出信号PXO为高亮度时，比较器1062需要比较快的操作速度，因此将比较器1062的带宽设定在较宽的状态；当控制信号Sctrl指示像素输出信号PXO为低亮度时，比较器1062的操作速度可以放缓，因此将比较器1062的带宽设定在较窄的状态，即降低比较器1062的高频端截止频率，这样一来可以抑制更多的高频噪声。

由于低亮度时信号的品质已经下降，信噪比很大地受到比较器1062的噪声所影响，因此本申请在低亮度时降低比较器1062本身带来的噪声，可以大大地提升低亮度时整体的信噪比。

具体来说，调整比较器1062的带宽的作法说明于图4。比较器1062包括输入级202、增益级204以及输出级206。输入级202包括输入级电流源2022、晶体管M1、晶体管M2、晶体管M3以及晶体管M4以构成差动放大器，其中晶体管M1的源极耦接至输入级电流源2022，晶体管M1的栅极用来接收斜坡信号Vramp。晶体管M2的源极耦接至输入级电流源2022，晶体管M2的栅极用来接收像素输出信号PXO，晶体管M2的漏极用来输出信号S1。晶体管M3的漏极和栅极彼此耦接，晶体管M3的漏极还耦接至晶体管M1的漏极。晶体管M4的栅极耦接晶体管M3的栅极，晶体管M3的漏极还耦接至晶体管M2的漏极。由于差动放大器的其他可能实施方式和变化繁多，在此不多做赘述，本申请的输入级202的实施方式不以图2为限。

输入级电流源2022用来提供输入级电流。由于改变比较器1062的电流可以改变比较器1062的带宽，而输入级电流占比较器1062整体电流的大部分。因此在本实施例中，可以利用动态地调整输入级电流源2022来改变比较器1062的带宽。如图4所示，输入级电流源2022受控制信号Sctrl的控制，以对应地改变所述输入级电流的大小，藉以控制比较器1062的带宽。具体来说，控制信号Sctrl控制所述输入级电流的大小正相关于所述光线的强度。当控制信号Sctrl指示像素输出信号PXO为高亮度时，比较器1062需要比较快的操作速度，因此控制所述输入级电流增大以使比较器1062的带宽足够；当控制信号Sctrl指示像素输出信号PXO为低亮度时，比较器1062的操作速度可以放缓，因此控制所述输入级电流降低，以降低比较器1062的高频端截止频率，使比较器1062产生的噪声降低。

增益级204用来对信号S1提供增益并输出信号S2。增益级204包括增益级电流源2042以及增益级晶体管M5，其中增益级晶体管M5的漏极耦接至增益级电流源2042，增益级晶体管M5的栅极用来接收信号S1，增益级晶体管M5的漏极还用来输出信号S2。

由于输入级202的输出端，即增益级204的输入端，为图4的比较器1062的架构的主极点位置，因此改变从输入级202的输出端往增益级204的输入端看到的负载，也是一个有效改变比较器1062的高频端截止频率的方式。

在本实施例中，增益级204还包括第一电容C1耦接于增益级晶体管M5的栅极及漏极之间，对输入级202来说，看到的等效电容是第一电容C1的电容值乘上增益级204的增益。因此，第一电容C1的电容值不用很大即可有效率地改变比较器1062的带宽。具体来说，控制信号Sctrl控制第一电容C1的大小负相关于所述光线的强度。当控制信号Sctrl指示像素输出信号PXO为高亮度时，比较器1062需要比较快的操作速度，因此控制第一电容C1为低电容值以使比较器1062的带宽足够；当控制信号Sctrl指示像素输出信号PXO为低亮度时，比较器1062的操作速度可以放缓，因此控制第一电容C1为高电容值以降低比较器1062的高频端截止频率，使比较器1062产生的噪声降低。

在本实施例中，增益级204还包括第二电容C2耦接于增益级晶体管M5的栅极及源极之间，也可以等效地改变输入级202的输出端往增益级204的输入端看到的负载，同时还能够提升电源抑制比。具体来说，控制信号Sctrl控制第二电容C2的大小负相关于所述光线的强度。当控制信号Sctrl指示像素输出信号PXO为高亮度时，比较器1062需要比较快的操作速度，因此控制第二电容C2为低电容值以使比较器1062的带宽足够；当控制信号Sctrl指示像素输出信号PXO为低亮度时，比较器1062的操作速度可以放缓，因此控制第二电容C2为高电容值以降低比较器1062的高频端截止频率，使比较器1062产生的噪声降低。

输出级206用来依据信号S2输出比较器输出信号Scmp。输出级206包括输出级电流源2062以及输出级晶体管M6，其中输出级晶体管M6的漏极耦接至输出级电流源2062，输出级晶体管M6的栅极用来接收信号S2，输出级晶体管M6的漏极还用来输出信号S3。

以上利用控制信号Sctrl来控制输入级电流源2022、第一电容C1以及第二电容C2的三种手段可以合并实施，或仅实施其中的一部分。且由于比较器的其他可能实施方式和变化繁多，控制带宽的实施方式不以图4为限。

在本实施例中，输入级202以及增益级204属于第一电源域(对应参考电压VDD1以及VSS1)，输出级206和运算单元208属于第二电源域(对应参考电压VDD2以及VSS2)，其中所述第二电源域的操作电压低于所述第一电源域的操作电压，即参考电压VDD2低于参考电压VDD1。但本申请不以此为限。

图5为本申请产生控制信号Sctrl的第一实施例的示意图。在此实施例中，图像传感器200还包含数字信号处理器112耦接在锁存器1064之后，数字信号处理器112用来对锁存器1064的锁存结果Sd进行处理后，产生控制信号Sctrl，再将控制信号Sctrl传送至斜坡信号发生电路108及比较器1062。

在某些实施例中，图像传感器200及数字信号处理器112可分别位于不同的芯片上。然而，本揭露不限定于此。在一些实施例中，图像传感器200及数字信号处理器112可以是被整合于单一芯片中。

图6为本申请产生控制信号Sctrl的第二实施例的示意图。在此实施例中，图像传感器300还包含复制比较器114，复制比较器114用来比较阈值电压Vr以及像素输出信号PXO以产生控制信号Sctrl，产生控制信号Sctrl。由于不需经过模拟数字转换单元106，因此图6的方式相较于图5可以较实时地得到控制信号Sctrl。

本申请还提出一种包含图像传感器100/200/300的电子装置。具体的，所述电子装置包括但不限于移动通信设备、超移动个人计算机设备、便携式娱乐设备和其他具有数据交互功能的电子设备。移动通信设备的特点是具备移动通信功能，并且以提供话音、数据通信为主要目标。这类终端包括：智能手机(例如iPhone)、多媒体手机、功能性手机，以及低端手机等。超移动个人计算机设备属于个人计算机的范畴，有计算和处理功能，一般也具备移动上网特性。这类终端包括：PDA、MID和UMPC设备等，例如iPad。便携式娱乐设备可以显示和播放多媒体内容。该类设备包括：音频、视频播放器(例如iPod)，掌上游戏机，电子书，以及智能玩具和便携式车载导航设备。

上文的叙述简要地提出了本申请某些实施例之特征，而使得本申请所属技术领域具有通常知识者能够更全面地理解本揭示内容的多种态样。本申请所属技术领域具有通常知识者当可明了，其可轻易地利用本揭示内容作为基础，来设计或更动其他工艺与结构，以实现与此处所述之实施方式相同的目的和/或达到相同的优点。本申请所属技术领域具有通常知识者应当明白，这些均等的实施方式仍属于本揭示内容之精神与范围，且其可进行各种变更、替代与更动，而不会悖离本揭示内容之精神与范围。