[發(fā)明專利]一種應(yīng)用于CMOS圖像傳感器的列讀出電路

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810011313.5
• 申請日: 2018-01-05
• 公開（公告）號: CN108200364B
• 公開（公告）日: 2019-09-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李浙魯;何樂年;奚劍雄
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學
• 主分類號: H04N5/374
• 分類號: H04N5/374;H04N5/378;H04N5/355
• 代理公司: 杭州天勤知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33224
• 代理人: 王琛

本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于CMOS圖像傳感器的列讀出電路，其包含單端單極性信號轉(zhuǎn)雙端雙極性信號的可編程增益放大器和差分輸入兩步式逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該電路利用具有分時分塊采樣和開關(guān)電容電平平移技術(shù)的可編程增益放大器將像素點輸出電壓轉(zhuǎn)換成更大幅值的雙端雙極性信號，提高信號的動態(tài)范圍；利用小面積差分輸入兩步式逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器將可編程放大器輸出的雙端雙極性模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，提供給成像裝置。因此，本發(fā)明列讀出電路應(yīng)用于CMOS圖像傳感器，可以實現(xiàn)大動態(tài)范圍和高幀頻的特點。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于集成電路設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于CMOS圖像傳感器的列讀出電路。

背景技術(shù)

隨著CMOS工藝的不斷發(fā)展，CMOS圖像傳感器的應(yīng)用范圍因其低功耗、簡單供電電源、高集成度、低成本等特點而日益變得廣泛。隨著成像質(zhì)量要求的不斷提高，圖像傳感器的像素數(shù)量和幀頻不斷增加，對與之配套的讀出電路的精度和速度提出更高要求，因此提高讀出電路的動態(tài)范圍和轉(zhuǎn)換頻率是CMOS圖像傳感器技術(shù)必須解決的技術(shù)問題。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，讀出電路分為全局讀出電路、列讀出電路和像素點讀出電路，列讀出電路折衷芯片面積與讀出速度，其主要由放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成，為了將列讀出電路集成到圖像傳感器，需要在盡量小的面積條件下，實現(xiàn)一定的精度和速度。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍除以放大器的增益加上放大器的本身動態(tài)范圍水平為讀出電路的整體動態(tài)范圍水平，提升讀出電路的動態(tài)范圍主要取決于提升放大器的動態(tài)范圍。綜上所述，在提升放大器動態(tài)范圍的基礎(chǔ)上提出相應(yīng)配合的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是提升讀出電路動態(tài)范圍的關(guān)鍵策略。

如圖1和圖2所示，CMOS圖像傳感器中每次某個像素點被選中時，該像素點先后輸出復位電壓值V_rst和信號電壓值V_sig，經(jīng)過可編程增益放大器，先后輸出基準電壓V_REF和(V_sig-V_rst)C₂/C₁+V_REF。模數(shù)轉(zhuǎn)換器將可變增益放大器的模擬輸出先后兩次轉(zhuǎn)換成數(shù)字量提供給成像裝置，兩次轉(zhuǎn)換的數(shù)字量相減結(jié)果表示圖像傳感器接受到的光強信息。根據(jù)CMOS圖像傳感器像素點原理，V_sig值始終小于V_rst值，所以V_sig與V_rst差值是單端單極性的信號，通過可編程增益放大器放大V_sig與V_rst的差值提供給模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電壓范圍至多是0至V_REF。

該讀出電路技術(shù)在用于寬動態(tài)范圍、高幀頻的圖像傳感器時，存在一系列限制：(1)該技術(shù)采用單端電路結(jié)構(gòu)，其動態(tài)范圍受限于最大輸出電壓和整體噪聲水平，最大輸出電壓受限于電路的供電電壓，隨著CMOS工藝節(jié)點逐步變小，可以承受的供電電壓也逐步變小；因此，提升其動態(tài)范圍只能通過進一步減少整體噪聲水平。(2)單端結(jié)構(gòu)的可編程增益放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器受到偏置電路噪聲與共模噪聲的影響，需要設(shè)計相應(yīng)的低噪聲偏置電路與共模電壓源提供給列讀出電路使用。(3)模數(shù)轉(zhuǎn)換器先后兩次將可編程增益放大器的模擬輸出電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并且求出兩者的差提供給成像裝置，每進行一次像素點信號采樣需要占用兩次模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間，限制整體的幀頻。綜上所述，單端結(jié)構(gòu)列讀出電路受限于結(jié)構(gòu)本身，難以實現(xiàn)寬動態(tài)范圍和高幀頻特性。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于上述，本發(fā)明提供了一種應(yīng)用于CMOS圖像傳感器的列讀出電路，其利用具有分時分塊采樣和開關(guān)電容電平平移技術(shù)的可編程增益放大器將像素點輸出電壓轉(zhuǎn)換成更大幅值的雙端雙極性信號，能夠提高信號的動態(tài)范圍。

一種應(yīng)用于CMOS圖像傳感器的列讀出電路，包括可編程增益放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中：