CN100444613C - 用于cmos图像传感器的模拟图像信号处理电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于CMOS图像传感器的模拟图像信号处理电路，包括差分运放器、输入级电容和输出级电容，输入级电容包括第一正输入级开关电容阵列和第一负输入级开关电容阵列；第一正输入开关电容阵列的输入模拟图像信号，控制端与色彩增益控制信号端相连，输出端耦合至差分运放器的输入正端；第一负输入开关电容阵列的输入参考电平信号，控制端与色彩增益控制信号端相连，输出端耦合至差分运放器的输入负端；输出级电容连接在差分运放器输出端和输入端之间。本发明利用一个电路实现两个或两个以上的控制功能，在保证成像效果的前提下，简化了电路结构，缩小了CMOS图像传感器芯片的体积，降低了成本，符合产品小型化的发展趋势。
Description
【技术领域】
本发明涉及CMOS(即互补金属氧化物半导体)图像传感器，尤其涉及CMOS图像传感器中用于模拟图像信号处理的电路。
【背景技术】
随着CMOS工艺和固体图像传感器技术的不断完善，CMOS图像传感器发展很快，CMOS图像传感技术在低端图像和视频市场上已经取代了CCD传感技术，CMOS图像传感器比起CCD图像传感器有低功耗、宽动态范围，高速视频、高集成度，低成本等优势，适用于微型数码相机，便携式可视电话，电脑摄像头等领域，CMOS图像传感器还可以用于军事侦察、卫星等方面。
为了方便后端的数字图像处理，通常在CMOS图像传感器芯片中都带有A/D转换器，把模拟图像信号转换成数字信号。这种A/D转换器一般要求采样速度在20MHz以上，属于高速ADC，所以要采用差分信号输入。而从图像传感器阵列中出来的信号VIN是单端的，为了跟ADC相匹配，要把单端信号变成差分信号。并且，在模拟信号电路处理中，差动工作与单端工作相比有很大的优势，其中一个重要的优势就在于它对环境噪声具有更强的抗干扰能力，另一个优势是可以增大电压摆幅。所以差动工作已经成为当代高性能模拟电路和混合信号电路的主要选择。
由于CMOS工艺存在缺陷，晶体管特性参数及无源元件参数不均匀，所以在CMOS传感器中存在固定模式噪声(fixed pattern noise)，它是CMOS图像传感器中固有的噪声，而人眼对这种噪声特别敏感，所以对传感器的图像质量影响特别大，因此CMOS图像传感器一定要首先消除FPN。
为了使CMOS图像传感器拍出来的图像色调逼真，能正确反映景物的真实颜色，通常要在图像传感器的模拟信号领域进行色彩增益调节和曝光调节。
在后端的数字图像信号处理ISP(image signal process)中，尤其是伽玛校正(gamma correction)一般需要确定黑色背景值(black level)，黑色背景值不合适的话，经过伽玛校正后的图像对比度会受很大影响，因此调整黑色背景值就可以使伽玛校正后的图像达到一个较优的效果。
现有技术中的CMOS图像传感器在实现差动工作，并实现色彩控制、曝光控制、黑色背景控制、消除动态噪声和固定噪声FPN时，其处理电路功能单一，电路复杂，所以导致芯片的体积增大，而在IC市场竞争激烈的今天，在成像效果不受影响的前提下，缩小体积，降低成本，已成为CMOS图像传感器设计厂商竞争的焦点。
【发明内容】
本发明的主要目的就是为了解决现有技术的问题，提供一种用于CMOS图像传感器的模拟图像信号处理电路，增加处理电路的调节功能，并使电路结构更加简化，同时也缩小了芯片的面积，降低了成本。
为实现上述目的，本发明公开了一种用于CMOS图像传感器的模拟图像信号处理电路，包括用于将单端模拟图像信号转换成差分信号输出的差分运放器，所述差分运放器的输出端用于连接模数转换器，还包括输入级电容和输出级电容，所述输入级电容包括第一正输入级开关电容阵列和第一负输入级开关电容阵列；所述第一正输入开关电容阵列的输入端用于输入模拟图像信号，控制端与色彩增益控制信号端相连，输出端耦合至差分运放器的输入正端；所述第一负输入开关电容阵列的输入端用于输入参考电平信号，控制端与色彩增益控制信号端相连，输出端耦合至差分运放器的输入负端；所述输出级电容连接在差分运放器输出端和输入端之间。
其中，所述第一正输入开关电容阵列的输入端在时钟的正半周期输入曝光后的模拟图像信号，在时钟的负半周期输入曝光前的模拟图像信号。
为了实现曝光控制，本发明的进一步改进是：所述输出级电容包括正输出级开关电容阵列和负输出级开关电容阵列，所述正输出级开关电容阵列连接在差分运放器的输出正端和输入负端之间，所述负输出级开关电容阵列连接在差分运放器的输出负端和输入正端之间，所述正、负输出级开关电容阵列的控制端与曝光增益控制信号端相连。
为了实现黑色背景控制，本发明的更进一步改进是：所述输入级电容还包括第二正输入级开关电容阵列和第二负输入级开关电容阵列；所述第二正输入开关电容阵列的输入端用于输入第一偏移电压，输出端耦合至差分运放器的输入正端；所述第二负输入开关电容阵列的输入端用于输入第二偏移电压，输出端耦合至差分运放器的输入负端。
为了保证黑色背景在曝光调节时不变，所述第二正输入开关电容阵列的控制端和第二负输入开关电容阵列的控制端还与曝光增益控制信号端相连。
为实现上述目的，本发明还公开了一种用于CMOS图像传感器的模拟图像信号处理电路，包括用于将单端模拟图像信号转换成差分信号输出的差分运放器，所述差分运放器的输出端用于连接模数转换器，还包括连接在差分运放器输入级、用于输入模拟图像信号的输入级电容和输出级电容，所述输出级电容包括正输出级开关电容阵列和负输出级开关电容阵列，所述正输出级开关电容阵列连接在差分运放器的输出正端和输入负端之间，所述负输出级开关电容阵列连接在差分运放器的输出负端和输入正端之间，所述正、负输出级开关电容阵列的控制端还与曝光增益控制信号端相连。
本发明的有益效果是：一个电路实现两个或两个以上的控制功能，在保证成像效果的前提下，简化了电路结构，缩小了CMOS图像传感器芯片的体积，降低了成本，符合产品小型化的发展趋势。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
【附图说明】
图1是本发明最佳实施例的电路框图；
图2是本发明与其它电路连接的示意图。
【具体实施方式】
下面对本发明的最佳实施例进行说明。如图1所示，差分运放器A1用于将单端模拟图像信号转换成差分信号输出，其输出端连接模数转换器，输入级电容包括第一正输入级开关电容阵列C4和第一负输入级开关电容阵列C1；第一正输入开关电容阵列C4的输入端d输入模拟图像信号VIN，控制端c与色彩增益控制信号端b相连，输出端耦合至差分运放器A1的输入正端INP；第一负输入开关电容阵列C1的输入端a输入参考电平VREF，控制端与色彩增益控制信号端b相连，输出端耦合至差分运放器A1的输入负端INN；输出级电容包括正输出级开关电容阵列C5和负输出级开关电容阵列C6，正输出级开关电容阵列C5连接在差分运放器A1的输出正端和输入负端之间，负输出级开关电容阵列C6连接在差分运放器A1的输出负端和输入正端之间，正、负输出级开关电容阵列C5、C6的控制端还与曝光增益控制信号端g相连。
输入级电容还可以进一步包括第二正输入级开关电容阵列C3和第二负输入级开关电容阵列C2；第二正输入开关电容阵列C3的输入端f输入第一偏移电压VOFFP，输出端与差分运放器A1的输入正端相连；第二负输入开关电容阵列C2的输入端e输入第二偏移电压VOFFN，输出端与差分运放器A1的输入负端相连。第二正输入开关电容阵列C3的控制端和第二负输入开关电容阵列C2的控制端还与曝光增益控制信号端g相连。
本实施例采用了全差分运放器，其一端接图像传感器阵列中出来的信号VIN，另外一端接固定的参考电平VREF，根据全差分运放的特性，就可以实现单端信号到差分信号的变换。这样成像芯片的动态噪声可得到较好的抑制。
根据开关电容电路的特性，对像素曝光后的信号和曝光前的信号(复位电平)分别取样，然后相减来得到干净的信号。在第一正输入级开关电容阵列C4的输入端d，时钟的正半周期输入曝光后信号VIN1，时钟的负半周期输入曝光前信号VIN2，根据电荷平衡原理，在时钟正半周期对整个电路复位，就可在时钟的负半周期得到两个信号的差值ΔVIN(VIN2-VIN1)，就可以去掉晶体管特性参数的不均匀性以及其它相同或相关的干扰信号和噪声，从而去除固定噪声FPN。
上述电路的传递函数是：Vout＝Vin*(Cin/Cout)+Voffset
其中，Vout＝OUTP-OUTN，Vin＝ΔVIN，Voffset＝2VOFFP-2VOFFN，Cin为输入级的总电容，Cout为输出级的总电容。VOFFP、VOFFN分别为第一偏移电压和第二偏移电压。
从上式可以知道，通过调节输入级电容阵列或输出级电容阵列的大小，就可以调节信号的增益大小，所以通过控制色彩增益控制信号在输入红、绿、蓝不同颜色信号的不同时刻相应地调节第一正输入级开关电容阵列C4和第一负输入级开关电容阵列C1，改变输入级电容值的大小，就可以分别调节红、绿、蓝三基色信号的增益大小，从而实现色彩增益(color gain)控制，使色差信号为零。在调节输入端电容之后，Cin就是定值，再通过曝光增益控制信号端g去调节正输出级开关电容阵列C5和负输出级开关电容阵列C6，改变输出级电容值的大小，三种颜色的增益都会改变，所以就可以同时调节所有颜色信号的增益大小，从而实现曝光增益(global gain)控制，使图像的亮度信号达到目标值。
再由上述电路的传递函数Vout＝Vin*(Cin/Cout)+Voffset可以知道，当黑色信号Vin(ΔVIN)为零时，即像素曝光后的信号和曝光前的信号(复位电平)相等时，Vout＝Voffset，所以调节第二正输入级开关电容阵列C3和第二负输入级开关电容阵列C2的输入第一、二偏移电压VOFFP和VOFFN的直流电平，就可以调节Voffset的大小，从而调节模数转换器ADC的输出数值，使黑色信号的数字数值达到一个理想值，这样就实现了黑色背景控制(black level control)。
在通过调节正输出级开关电容阵列C5和负输出级开关电容阵列C6控制曝光增益时，如果第二正输入级开关电容阵列C3和第二负输入级开关电容阵列C2不动，则偏移电压Voffset会受影响。所以将第二正输入级开关电容阵列C3和第二负输入级开关电容阵列C2的控制级也与曝光控制信号端g相连，使曝光控制信号g也同时同样地控制第二正输入级开关电容阵列C3和第二负输入级开关电容阵列C2，从而保证图像的黑色背景不受影响。
从以上分析可知，本实施例利用同一个电路实现了色彩增益调节、曝光增益调节和黑色背景控制，并同时消除动态噪声和固定噪声FPN的功能。
本发明还可以有其他实施方式，例如输入级电容也可以不包括第二正输入级开关电容阵列C3和第二负输入级开关电容阵列C2。这种实施方式利用同一个电路实现了色彩增益调节和曝光增益调节，并同时消除动态噪声和固定噪声FPN的功能。
图2是本发明的最佳实施例与其它电路连接的示意图，从图中可知差分运放器A1的输出端连接模数转换器ADC，数字图像处理ISP(image signalprocess)根据自动调节功能输出色彩增益信号b和曝光增益信号g，色彩增益信号b分别用来调节第一正输入级开关电容阵列C4和第一负输入级开关电容阵列C1的电容值，从而改变输入级电容，实现色彩增益控制。曝光增益信号g分别用来调节正输出级开关电容阵列C5和负输出级开关电容阵列C6，实现曝光增益控制，偏移电压VOFFP、VOFFN由黑色背景控制电路输出，分别输入到第二正输入级开关电容阵列C3和第二负输入级开关电容阵列C2，实现黑色背景控制。
Claims (6)
1.一种用于CMOS图像传感器的模拟图像信号处理电路，包括用于将单端模拟图像信号转换成差分信号输出的差分运放器，所述差分运放器的输出端用于连接模数转换器，其特征在于：还包括输入级电容和输出级电容，所述输入级电容包括第一正输入级开关电容阵列和第一负输入级开关电容阵列；所述第一正输入开关电容阵列的输入端用于输入模拟图像信号，控制端与色彩增益控制信号端相连，输出端耦合至差分运放器的输入正端；所述第一负输入开关电容阵列的输入端用于输入参考电平信号，控制端与色彩增益控制信号端相连，输出端耦合至差分运放器的输入负端；所述输出级电容连接在差分运放器输出端和输入端之间。
2.如权利要求1所述的处理电路，其特征在于：所述第一正输入开关电容阵列的输入端在时钟的正半周期输入曝光后的模拟图像信号，在时钟的负半周期输入曝光前的模拟图像信号。
3.如权利要求1所述的处理电路，其特征在于：所述输出级电容包括正输出级开关电容阵列和负输出级开关电容阵列，所述正输出级开关电容阵列连接在差分运放器的输出正端和输入负端之间，所述负输出级开关电容阵列连接在差分运放器的输出负端和输入正端之间，所述正、负输出级开关电容阵列的控制端与曝光增益控制信号端相连。
4.如权利要求1至3中任一项所述的处理电路，其特征在于：所述输入级电容还包括第二正输入级开关电容阵列和第二负输入级开关电容阵列；所述第二正输入开关电容阵列的输入端用于输入第一偏移电压，输出端耦合至差分运放器的输入正端；所述第二负输入开关电容阵列的输入端用于输入第二偏移电压，输出端耦合至差分运放器的输入负端。
5.如权利要求4所述的处理电路，其特征在于：所述第二正输入开关电容阵列的控制端和第二负输入开关电容阵列的控制端还与曝光增益控制信号端相连。
6.一种用于CMOS图像传感器的模拟图像信号处理电路，包括用于将单端模拟图像信号转换成差分信号输出的差分运放器，所述差分运放器的输出端用于连接模数转换器，其特征在于：还包括连接在差分运放器输入级、用于输入模拟图像信号的输入级电容和输出级电容，所述输出级电容包括正输出级开关电容阵列和负输出级开关电容阵列，所述正输出级开关电容阵列连接在差分运放器的输出正端和输入负端之间，所述负输出级开关电容阵列连接在差分运放器的输出负端和输入正端之间，所述正、负输出级开关电容阵列的控制端还与曝光增益控制信号端相连。
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