專利名稱：一種圖像信號采樣電路及其方法
技術領域：
本發明涉及一種圖像傳感器中采樣控制電路，尤其涉及一種可提高圖 像信號增益的子采樣電路及其方法。
背景技術：
在CMOS圖像傳感器迅猛發展的今天，圖像信號的處理速度嚴重制約著 高像素圖像傳感器的發展，而圖像信號的處理速度和圖像信號的增益又是 相互制約的，要想提高速度，增益就不能太高，但增益不足又會造成圖像 傳感器對低光圖像采集困難。因此，在不影響速度的前提下，盡可能提高 增益，成為CMOS圖像傳感器設計廠商競爭的焦點。
現有技術中的CMOS圖像傳感器在實現圖像信號采樣工作時，一般不做 處理，即圖像信號直接采樣到電容上，然后直接讀出信號，信號幅度只會 減小不會增加。為了解決圖像傳感器對低光圖像采樣困難的問題，采用對 緩沖器輸出的圖像信號進行后段處理，即將采樣信號放大，但是這在技術 方面要求較高。所以現有采樣控制電路結構單一，沒有增益增加功能，導 致輸出信號增益不足，從而使得圖像傳感器低光效果不理想。
發明內容
本發明解決的技術問題是提出一種在子采樣時可以提高圖像信號增 益的圖像信號采樣電路及其方法，克服了圖像傳感器對低光圖像采集困難 的技術難題。
本發明提出的圖像信號采樣電路，包括信號釆集單元和列讀出單元， 還包括工作模式控制電路，該控制電路包括控制單元、源端列開關組、
地端列開關組和列間開關組；在每個采樣列電路上分別設置一個源端列開 關和一個地端列開關，源端列開關連接在信號源和信號釆集單元的輸入端 之間，地端列開關連接在地和信號采集單元的底端之間；列讀出單元的輸 入端與信號采集單元的輸入端相連，輸出端用于輸出采樣信號；前一列信
號采集單元的輸入端與后一列的信號采集單元底端之間設有列間開關；控 制單元用于根據采樣工作模式控制各開關組中的開關斷開或閉合操作。
優選的，信號采集單元包括多個采樣電容，每個采樣列電路上設置一 個釆樣電容，用于對該釆樣列的像素進行釆樣。
優選的，列讀出單元包括多個緩沖器，每個采樣列電路上設置一個緩 沖器，用于緩存和讀出該采樣列的采樣信號。
優選的，所述源端列開關組、地端列開關組和列間開關組采用MOS
管開關器件。
本發明提出的圖像信號采樣方法，包括以下情況
1) 正常工作模式釆樣時，控制單元控制源端列開關組和地端列開 關組中的各開關均處在閉合狀態，列間開關組中的各開關均處在斷開狀態； 采樣完成后，從各采樣列的讀出單元讀出采樣信號；
2) 1/X子采樣模式，X為大于l的正整數采樣時，控制單元控制源 端列開關組和地端列開關組中的各開關均處在閉合狀態，列間開關組中的 各開關均處在斷開狀態；采樣完成后，控制第NXX-1列采樣列電路與第N XX列采樣列電路之間的列間開關處于斷開狀態，列間開關組中的其余各 開關處在閉合狀態；第(N—l) XX列采樣列電路的源端列開關處在斷開 狀態，地端列開關處在閉合狀態，其余各列的源端列開關和地端列開關處 在斷開狀態；N取l、 2、 3......;從第NXX-1列采樣列電路的列讀出單元
讀出1/X子采樣的采樣信號。
優選的，列讀出單元包括多個緩沖器，每個采樣列電路上設置一個緩 沖器，用于緩存和讀出該采樣列的采樣信號。
優選的，所述源端列開關組、地端列開關組和列間開關組采用MOS 管開關器件。
優選的，所述1/X子采樣模式為1/2子采樣模式。
采用本發明技術方案產生的技術效果是
1.本發明的采樣電路和方法通過工作模式控制電路可以靈活的控制 采樣電路工作在正常模式和1/X子采樣模式下，完成多種不同的采樣方式。
2. 本發明在1/X子采樣模式下，由于通過改變控制電路的連接方式，
使得圖像信號采集單元形成串聯連接，采樣信號增加為原采樣信號的x倍，
解決了圖像傳感器對低光圖像采集困難的技術難題。
3. 本發明的控制電路通過對各開關器件的控制就完成了圖像傳感器
信號增益，并使電路結構更加優化，在增加芯片面積很小的情況下就實現 功能，節約了成本。
圖1是本發明1/X子采樣電路原理圖2是本發明優選實施例1/2子采樣開關組控制時序圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明。
如圖1所示的1/X子采樣電路，控制單元(圖中未畫出)控制三個開關組源端列開關組、地端列開關組和列間開關組，使電路工作在正常工作模式和采樣工作模式。其中S0、 Sl、 S2、……為源端列開關；K0、 Kl、K2、 為地端列開關；KOl、 K12、 K23、 K34、 K45、......為列間開關。每個采樣列電路上分別設置一個源端列開關和一個地端列開關，各相鄰采樣 列間設置列間開關。上述開關與控制單元組成了本發明的工作模式控制電 路。信號采集單元由電容CO、 Cl、 C2、……組成，列讀出單元由緩沖器l、 緩沖器2、……組成，每個采樣列電路分別設置一個電容和一個緩沖器。
像素隊列輸出列方向圖像信號，通過源端列開關SO、 Sl、 S2、……分 別將列方向圖像信號傳遞給緩沖器和電容CO、 Cl、 C2……，其中緩沖器輸 出為列讀出信號，電容C0、 Cl、 C2、……用來對圖像信號進行采樣，C0、 Cl、 C2、 C3、……分別通過地端開關KO、 Kl、 K2、 K3……控制是否連接到 地。列間開關KOl、 K12、 K23、……分別連接在相鄰列中前一列取樣電容 上極板和相鄰列中后一列取樣電容下極板之間。
在正常工作模式下，控制電路的連接為源端列開關S0、 Sl、 S2、……， 地端列開關K0、 Kl、 K2 閉合，列間開關KOl、 K23、 K34、 K45 斷開。第一列像素通過采樣電容C0進行取樣，第二列像素通過采樣電容Cl進行 取樣，……采樣電容C0上的電壓為U0，則采樣電容上的電荷量Q0《0U0， 采樣電容C1上的電壓為U1，則Q1二C1U1，……。取樣后通過緩沖器讀出信號。
對于控制單元的具體實現，最典型的實現方式是通過輸出高低電平的 方式來控制列開關組的通斷。如圖2所示為1/2子采樣時控制單元的控制 時序圖
S
HS為控制開關SO、 Sl、 S2、……的全局時序信號，此信號高電平時 開關閉合。
SKE為控制偶列接地開關KO、 K2、 K4……的全局時序信號，此信號高 電平時開關閉合，在1/2子采樣時一直為高電平。
SK0為控制奇列接地開關K1、 K3、 K5……的全局時序信號，此信號高 電平時開關閉合。
SKD為控制列間開關KOl、 K23、 K45、……的全局時序信號，此信號 高電平時開關閉合。
在1/2子采樣(subsampling)模式下，控制電路的連接為控制信號 SHS控制源端列開關S0、 Sl、 S2、……閉合進行采樣，控制信號SKE和 SKO控制地端列開關K0、 Kl、 K2……閉合，控制信號SKD控制列間開關 KOl、 K23、 K45、……斷開，電容C0、 Cl、 C2、……先進行采樣，此時采 樣電容CO上極板電壓為UO。列間開關K12、 K34、……始終處于斷開狀態。
采樣完成后控制信號SHS控制源端列開關S0、 Sl、 S2、……斷開，控 制信號SK0控制地端列開關K1、 K3、 K5、……斷開，控制信號SKE控制 地端列開關KO、 K2、 K4、……保持閉合，列間開關K12、 K34、……保持斷 開，控制信號SKD控制列間開關KOl、 K23、 K45、 閉合，這樣采樣電
容C1上極板的電壓變為U0+U1，即2U1 (組合列是臨近的，因此認為兩列 采樣電容上采到的電壓是相等的)，則Q1二2C1U1，所以在l/2子采樣時， 圖像信號增加為原來的兩倍。采樣后通過緩沖器讀出信號。上述的源端列 開關組、地端列開關組和列間開關組中的各開關采用MOS管開關器件。
對于1/X子采樣模式(1/X為子采樣的量級，X為大于l的正整數)，
在采樣完成后其列間開關的通斷有所不同。列間開關通斷的目的是形成多 個具有采樣電容電壓x倍疊加的采樣信號電壓，使得采樣得到的圖像信號 增加為原來的X倍。此處就不再通過其他實施例進行闡述。
另外，對于1/2子采樣模式，由于在圖1的電路中列間開關K12、 K34、……始終處于斷開狀態，因此在子采樣模式固定的情況下可以省略上 述開關。對于1/X釆樣，即省略第NXX-1列釆樣列電路與第NXX列釆樣 列電路之間的列間開關，N取1、 2、 3...... (N為1/X采樣時的采樣組數)。
權利要求
1.一種圖像信號采樣電路，包括信號采集單元和列讀出單元，其特征在于，還包括工作模式控制電路，該控制電路包括控制單元、源端列開關組、地端列開關組和列間開關組；在每個采樣列電路上分別設置一個源端列開關和一個地端列開關，源端列開關連接在信號源和信號采集單元的輸入端之間，地端列開關連接在地和信號采集單元的底端之間；列讀出單元的輸入端與信號采集單元的輸入端相連，輸出端用于輸出采樣信號；前一列信號采集單元的輸入端與后一列的信號采集單元底端之間設有列間開關；控制單元用于根據采樣工作模式控制各開關組中的開關斷開或閉合操作。
2. 根據權利要求1所述的圖像信號采樣電路，其特征在于，所述信 號采集單元包括多個采樣電容，每個采樣列電路上設置一個采樣電容，用 于對該采樣列的像素進行采樣。
3. 根據權利要求1或2所述的圖像信號采樣電路，其特征在于，所 述列讀出單元包括多個緩沖器，每個采樣列電路上設置一個緩沖器，用于 緩存和讀出該采樣列的采樣信號。
4. 根據權利要求1或2所述的圖像信號采樣電路，其特征在于，所 述源端列開關組、地端列開關組和列間開關組采用MOS管開關器件。
5. 根據權利要求3所述的圖像信號采樣電路，其特征在于，所述源 端列開關組、地端列開關組和列間開關組采用MOS管開關器件。
6. —種圖像信號采樣方法，其特征在于，所述方法包括以下情況1) 正常工作模式采樣時，控制單元控制源端列開關組和地端列開關組中的各開關均處在閉合狀態，列間開關組中的各開關均處在斷開狀態； 采樣完成后，從各采樣列的讀出單元讀出采樣信號；2) 1/X子采樣模式時，1/X為子采樣的量級，X為大于l的正整數 采樣時，控制單元控制源端列開關組和地端列開關組中的各開關均處在閉 合狀態，列間開關組中的各開關均處在斷開狀態；采樣完成后，控制第N XX-1列采樣列電路與第NXX列采樣列電路之間的列間開關處于斷開狀 態，列間開關組中的其余各開關處在閉合狀態；第(N—l) XX列采樣列 電路的源端列開關處在斷開狀態，地端列開關處在閉合狀態，其余各列的 源端列開關和地端列開關處在斷開狀態；N取l、 2、 3......， N為l/X采樣時的采樣組數;從第NXX-1列采樣列電路的列讀出單元讀出1/X子采樣 的采樣信號。
7. 根據權利要求6所述的圖像信號釆樣方法，其特征在于，所述列 讀出單元包括多個緩沖器，每個采樣列電路上設置一個緩沖器，用于緩存 和讀出該采樣列的采樣信號。
8. 根據權利要求6或7所述的圖像信號采樣方法，其特征在于，所 述源端列開關組、地端列開關組和列間開關組采用MOS管開關器件。
9. 根據權利要求6或7所述的圖像信號采樣方法，其特征在于，所 述1/X子釆樣模式為1/2子采樣模式。
10. 根據權利要求8所述的圖像信號采樣方法，其特征在于，所述1/X 子采樣模式為1/2子采樣模式。
全文摘要
本發明公開了一種圖像信號采樣電路及其方法，電路包括信號采集單元、列讀出單元、工作模式控制電路。該控制電路包括控制單元、源端列開關組、地端列開關組和列間開關組；在每個采樣列電路上分別設置一個源端列開關和一個地端列開關，源端列開關連接在信號源和信號采集單元的輸入端之間，地端列開關連接在地和信號采集單元的底端之間；列讀出單元的輸入端與信號采集單元的輸入端相連，輸出端用于輸出采樣信號；前一列信號采集單元的輸入端與后一列的信號采集單元底端之間設有列間開關；控制單元用于根據采樣工作模式控制各開關組中的開關斷開或閉合操作。采用本發明可以實現圖像傳感器信號增益，電路結構更加優化，芯片面積增加較小，并節約了成本。
文檔編號H04N5/335GK101197921SQ200610157429
公開日2008年6月11日 申請日期2006年12月7日 優先權日2006年12月7日
發明者付璟軍, 衛 馮, 芳 劉, 胡文閣, 輝 趙 申請人:比亞迪股份有限公司