[發明專利]模擬相關多采樣讀出裝置和方法

有效

• 申請號: 202110587709.6
• 申請日: 2021-05-27
• 公開（公告）號: CN113300700B
• 公開（公告）日: 2022-10-11
• 發明（設計）人: 徐江濤;衛嘉豪;聶凱明;高志遠;高靜;王秀宇
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H03K19/0185
• 分類號: H03K19/0185;H03K19/003
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

本發明涉及傳感器讀出電路領域，為實現使用無源開關電容結構進行相關多采樣操作，避免傳統積分器相關多采樣的動態范圍問題以及模數轉換中相關多采樣的速度和功耗問題，使用少量的電路資源和精簡的時序，提出適用于低噪聲傳感器的模擬相關多采樣方法。為此，本發明采取的技術方案是，模擬相關多采樣讀出裝置和方法，包括平均器和減法器，平均器用于在電荷轉移之前和之后對復位和曝光信號的若干個樣本求平均，并將這兩個平均值分別存儲在電容器C_N和C_N1上；減法器用于將電容器C_N和C_N1上的兩個平均值相減并獲得最終輸出值。本發明主要應用于可編程增益的列級放大器讀出場合。

技術領域

本發明涉及傳感器讀出電路領域，基于無源開關電容(Switched-Capacitor，SC)運用相關多采樣(Correlated Multiple Sampling，CMS)對傳感器的輸出進行讀出。具體涉及模擬相關多采樣讀出方法。

背景技術

低噪聲圖像傳感器廣泛應用于監控、安防、夜視和消費類電子產品等應用，在這些應用中，良好的低光性能是基本條件。一旦通過使用高列級電壓增益來降低列級的噪聲貢獻，來自像素的噪聲貢獻就會成為最主要的噪聲源，特別是由像素內源跟隨器(SourceFollower，SF)產生的噪聲。而在像素級，留給設計者的自由度通常是有限的，例如通過使用像素內薄型氧化物pMOS SF來降低SF的噪聲貢獻。不同的電路技術兼容不同的像素，可以在列級實現降噪。更高的列級增益對應著更低的帶寬，因此降低了總的集成熱噪聲。高增益也減輕了下一階段的噪聲貢獻，但代價是降低了動態范圍。典型的可編程增益(PG)列級相關雙采樣(Correlated Double Sampling，CDS)電路對4T像素進行讀出的鏈路如圖1所示，在SF和放大器的輸出穩定之后，可以存儲CDS的第一個樣本V_reset。在光積分時間結束時，將存儲輸出的第二個采樣V_signal。放大器對這兩個樣本做差并輸出，之后執行列并行ADC轉換。由于相關的采樣操作，可以消除在像素reset操作之后在SF采樣的kT/C噪聲。

不同于CDS，CMS技術對信號進行多次采樣，不僅可以降低熱噪聲，還可以降低1/f噪聲、隨機電報信號(Random Telegraph Signal，RTS)及類RTS噪聲?，F有的模擬CMS是通過使用模擬積分器電路累計M個連續樣本的總和實現的，然而這種解決方案會受到動態范圍的限制。此外，數字CMS的實現需要進行多次模數轉換，這需要更快的模數轉換器，從而導致更高的功耗。本發明利用簡單的SC電路對像素的復位信號和曝光信號的輸出樣本進行平均，并進行CMS，且不需要任何額外的電路、反饋回路或多次模數轉換。

發明內容

為克服現有技術的不足，本發明主要針對傳感器中的相關多采樣讀出方法，使用無源開關電容結構進行相關多采樣操作，避免傳統積分器相關多采樣的動態范圍問題以及模數轉換中相關多采樣的速度和功耗問題，使用少量的電路資源和精簡的時序，提出適用于低噪聲傳感器的模擬相關多采樣方法。為此，本發明采取的技術方案是，模擬相關多采樣讀出裝置，包括平均器和減法器，平均器用于在電荷轉移之前和之后對復位和曝光信號的若干個樣本求平均，并將這兩個平均值分別存儲在電容器C_N和C_N1上；減法器用于將電容器C_N和C_N1上的兩個平均值相減并獲得最終輸出值。