[發明專利]一種用于CMOS圖像傳感器的ADC固有噪聲分析方法

有效

• 申請號: 202011166168.1
• 申請日: 2020-10-27
• 公開（公告）號: CN112422955B
• 公開（公告）日: 2022-08-12
• 發明（設計）人: 李婷;何杰;崔雙韜;張先嬈;徐晚成;張曼;曹天驕;袁昕;李倩敏;時光
• 申請（專利權）人: 西安微電子技術研究所
• 主分類號: H04N17/00
• 分類號: H04N17/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 李紅霖

本發明公開了一種用于CMOS圖像傳感器的ADC固有噪聲分析方法，屬于仿真分析領域。一種用于CMOS圖像傳感器的ADC固有噪聲分析方法，包括以下步驟：1)對ADC比較器的翻轉進行仿真分析，得出翻轉區間偏移；2)計算所述翻轉區間偏移分布在ADC計數器的一個時鐘周期內的概率和跨越多個時鐘周期的概率，并計算由此而引起的CMOS圖像傳感器噪聲電壓；3)將所述CMOS圖像傳感器噪聲電壓和對應的概率相乘，得到由ADC固有噪聲引起的CMOS圖像傳感器噪聲的計算值。本發明的分析方法，確定了由ADC固有噪聲而引起CMOS圖像傳感器的整體噪聲，在設計階段有利于明確設計值是否滿足設計要求，為噪聲設計改進提供依據。

技術領域

本發明屬于仿真分析領域，尤其是一種用于CMOS圖像傳感器的ADC固有噪聲分析方法。

背景技術

在低亮度場景或視頻應用場合，噪聲嚴重影響所拍攝圖像或視頻的質量。噪聲廣義上指的是除了信號以外其它形式的擾動。CMOS傳感器電路里噪聲有許多類型，大體上可以根據其產生的原因分為器件電子噪聲和“環境”噪聲。器件的電子噪聲是由于器件本身的物理性質造成的，在CMOS可見光圖像傳感器中一般包括熱噪聲、散粒噪聲、閃爍噪聲、暗電流；“環境”噪聲則是指電路受到電源、地線、襯底等的隨機干擾，或者環境溫度變化、時鐘抖動、電磁干擾等。各種噪聲通過外圍電路耦合到傳感器陣列而損壞圖像傳感器性能。其中“環境”噪聲可以通過電路設計而被很好地抑制，不會對傳感器的性能產生重要的影響。如在圖像傳感器的版圖設計過程中，添加保護環來增加芯片對電源波動的抗干擾能力；設計者也可以使用低相位噪聲的時鐘來減少時鐘抖動對圖像傳感器性能的影響。與此同時，器件所固有的噪聲卻很難被抑制，從而成為了CMOS可見光圖像傳感器性能的最基本的限制因素。

CMOS圖像傳感器中集成的ADC用于實現光電信號到數字信號的轉換，ADC的器件固有噪聲嚴重制約著整體CMOS圖像傳感器的噪聲性能，因此分析ADC的器件固有噪聲對整體圖像傳感器的噪聲影響，具有至關重要的作用。圖1所示為ADC的結構框圖和轉換過程，ADC包括ADC比較器10和ADC計數器11，ADC比較器10的輸入為模擬待轉換信號Vin和斜坡參考Ramp，第一次比較翻轉信號出現，則計數器起始計數，第二次比較器翻轉信號出現，則計數器結束計數。由于ADC比較器噪聲，同樣條件下，翻轉沿并不處于同一位置，由此引起CMOS圖像傳感器噪聲。傳統的ADC的噪聲分析方法流程圖如圖2所示，ADC采樣正弦輸入信號，利用快速傅里葉變換，計算噪聲基底。

發明內容

本發明的目的在于克服用于CMOS圖像傳感器的ADC的固有噪聲無法得出的缺點，提供一種用于CMOS圖像傳感器的ADC固有噪聲分析方法。

為達到上述目的，本發明采用以下技術方案予以實現：

一種用于CMOS圖像傳感器的ADC固有噪聲分析方法，包括以下步驟：

1)對ADC比較器的翻轉進行仿真分析，得出翻轉區間偏移；

2)計算所述翻轉區間偏移分布在ADC計數器的一個時鐘周期內的概率和跨越多個時鐘周期的概率，并計算由此而引起的CMOS圖像傳感器噪聲電壓；

3)將所述CMOS圖像傳感器噪聲電壓和對應的概率加權平均，得到由ADC固有噪聲引起的CMOS圖像傳感器噪聲的計算值。

進一步的，步驟1)中根據CMOS圖像傳感器噪聲定義，采用CMOS圖像傳感器噪聲統計方法對ADC比較器的翻轉進行仿真分析。

進一步的，在步驟2)中，若所述翻轉區間偏移分布在ADC計數器的一個時鐘周期內，則不引起噪聲。

進一步的，步驟2)中計算由此而引起的CMOS圖像傳感器噪聲電壓，具體為：

式中：F為第F幀圖像；Voi為像元的第i次輸出；Vo為像元的F次輸出的平均值。