CN101883221B - 在cmos图像传感器中实现tdi的电路及方法 - Google Patents

Abstract

在CMOS图像传感器中实现TDI的电路及方法，涉及模拟集成电路设计领域，包括像素阵列、MOS管、采样电容、运放、列总线和多个积分器并联组成积分器阵列，积分器包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关和积分电容；像素阵列通过列总线分别和采样电容一端、MOS管源极相连；MOS管栅极接偏置电压；MOS管漏极接地；采样电容另一端分别和运放负极性端、第一开关一端相连；运放正极性端接参考电压；第一开关另一端分别和第二开关一端、第四开关一端相连；第二开关另一端分别和第三开关一端、第五开关一端相连；第三开关另一端和运放输出端相连；第四开关另一端和积分电容一端相连；积分电容另一端和第五开关另一端相连。

Description

在CMOS图像传感器中实现TDI的电路及方法

技术领域

本发明涉及模拟集成电路设计领域，特别涉及一种在CMOS图像传感器中实现TDI的电路及方法。

背景技术

TDI(Time Delay Integration，时间延时积分)技术是一种能够增加线阵图像传感器灵敏度的技术，它以其特殊的扫描方式，通过对同一目标进行多次曝光，实现很高的灵敏度和信噪比，特别适用于低照度和运动物体的拍摄场合。TDI的基本原理是指对同一个移动中的物体，进行多次曝光并将其积累。由于感光器积累多次的入射光，会使图像信号及整体亮度相应地大幅提升。

CCD(Charge Coupled Device，电荷藕合器件)图像传感器是实现TDI技术的理想器件，它能实现无噪声的信号累加。目前TDI技术多应用在CCD图像传感器中，普遍采用的CCD-TDI的结构类似一个长方形的面阵CCD图像传感器，但在功能上是一个线阵CCD器件，如图1所示，CCD-TDI的工作过程如下：某一列上的第一个像元在第一个积分周期内收集到的电荷并不直接输出，而是与同列第二个像元在第二个积分周期内收集到的电荷相加，相加后的电荷移向第三行……，CCD最后一行(第n行)的像元收集到的电荷与前面n一1次收集到的电荷累加后移到输出寄存器中，按普通线阵CCD器件的输出方式进行读出。在CCD-TDI中，输出信号的幅度是n个像元积分电荷的累加，即相当于一个像元n倍积分周期所收集到的电荷，输出幅度扩大了n倍，信噪比可提高

倍。

随着超大规模集成电路技术的飞速发展，CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor，互补金属氧化物)图像传感器成为科学研究和产品开发的热点，发展极其迅猛，目前已占据低、中、高分辨率应用领域。

发明人在实现本发明的过程中，发现上述现有技术至少存在以下缺点和不足：

现有技术中还没有一种合适的电路及方法能在CMOS图像传感器中较好地实现TDI技术，限制了TDI技术的应用。

发明内容

为了在CMOS图像传感器中较好地实现TDI技术，扩大TDI技术应用范围，本发明提供了一种在CMOS图像传感器中实现TDI的电路及方法，

所述电路包括：像素阵列、MOS管、采样电容、运放、列总线和多个积分器并联组成的积分器阵列，每个积分器包括：第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关和积分电容；

所述像素阵列通过所述列总线分别和所述采样电容的一端、所述MOS管的源极相连；所述MOS管的栅极接偏置电压；所述MOS管的漏极接地；所述采样电容的另一端分别和所述运放的负极性端、所述第一开关的一端相连；所述运放的正极性端接参考电压；所述第一开关的另一端分别和所述第二开关的一端、所述第四开关的一端相连；所述第二开关的另一端分别和所述第三开关的一端、所述第五开关的一端相连；所述第三开关的另一端和所述运放的输出端相连；所述第四开关的另一端和所述积分电容的一端相连；所述积分电容的另一端和所述第五开关的另一端相连。

对应于每一帧图像，所述像素阵列中的像素单元与所述积分器阵列中的积分单元一一对应，所述积分器阵列中的每个积分器对不同帧图像中的同一目标的电压进行累加。

所述方法包括采样处理和积分处理；

所述采样处理为像素阵列对被测物进行拍摄，得到第一帧图像，第一开关、第二开关、第三开关、第四开关和第五开关闭合，积分电容上的电荷被清零，采样电容对第一行的复位电压进行采样，所述采样电容上存储的电荷Q_Cs为：

$Q_{\mathrm{Cs}}=(\frac{A}{A+1}{V}_{\mathrm{ref}}-V_{\mathrm{rst}1}-V_{\mathrm{FPN}})C_S$

其中，V_FPN为像素单元引入的固定模式噪声的等效电压值、V_ref为参考电压、V_rst1为第一行的复位电压、A为运放的增益、Cs为采样电容；

所述积分处理为所述第一开关、所述第三开关、所述第四开关和所述第五开关闭合，所述第二开关断开，所述采样电容上存储的电荷

为：

${Q_{C_s}}^{\′}=(V_{\mathrm{ref}}-\frac{V_{\mathrm{out}1}}{A}-V_{\mathrm{FPN}}-V_{\mathrm{sig}1})C_s$

其中，V_sig1为像素阵列输出的第一行经积分后的电压、V_out1为积分器I1的输出电压；

所述积分电容上存储的电荷

为：

其中，C_I1为积分电容；

所述采样处理和所述积分处理转换期间X点的电荷不变，当运放的增益A为无穷大时，得出：

$V_{\mathrm{out}1}=V_{\mathrm{ref}}+\frac{C_S}{C_{I1}}(V_{\mathrm{rst}1}-V_{\mathrm{sig}1})$

被测物和所述像素阵列相对移动，所述像素阵列得到第二帧图像，积分器I2在进行第二次积分之前所述积分电容上的电荷被清零，所述积分器I1的输出为V_out1+V_out1 ²，其中V_out1 ²为第二帧增量，所述积分器I2的输出电压为：

$V_{\mathrm{out}2}=V_{\mathrm{ref}}+\frac{C_S}{C_{I2}}(V_{\mathrm{rst}2}-V_{\mathrm{sig}2})$

其中，V_rst2为第二行的复位电压、V_sig2为像素阵列输出的第二行经积分后的电压，经第n帧图像信号的处理，所述积分器I1的输出为V_out1+V_out1 ²+…V_out1 ⁿ。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

通过上述电路和具体的方法，实现了对电压的累加，满足了实际应用中的需要，扩大了CMOS图像传感器的应用范围，本技术可直接应用于线阵CMOS图像传感器中，特别适合于低照度和运动物体的拍摄场合。

附图说明

图1是现有技术提供的CCD-TDI的工作原理示意图；

图2是本发明提供的电路结构图；

图3是本发明提供的像素阵列和积分器阵列的结构示意图；

图4是本发明提供的积分阵列中的积分单元对同一目标进行累加的示意图；

图5是本发明提供的被测物-像素阵列-积分阵列的对应关系。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：像素阵列；2：MOS管；3：运放；4：积分器阵列；5：列总线；I1-In：积分器；41：第一开关；42：第二开关；43：第三开关；44：第四开关；45：第五开关。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了实现在CMOS图像传感器中较好地实现TDI技术，本发明实施例提供了一种在CMOS图像传感器中实现TDI的电路，参见图2，详见下文描述：

该电路包括：像素阵列1、MOS管2、采样电容Cs、运放3、列总线5和多个积分器I1-In并联组成的积分器阵列4，每个积分器包括：第一开关41、第二开关42、第三开关43、第四开关44、第五开关45和积分电容；

像素阵列1通过列总线5分别和采样电容Cs的一端、MOS管2的源极相连；MOS管2的栅极接偏置电压；MOS管2的漏极接地；采样电容Cs的另一端分别和运放3的负极性端、第一开关41的一端相连；运放3的正极性端接参考电压；第一开关41的另一端分别和第二开关42的一端、第四开关44的一端相连；第二开关42的另一端分别和第三开关43的一端、第五开关45的一端相连；第三开关43的另一端和运放3的输出端相连；第四开关44的另一端和积分电容的一端相连；积分电容的另一端和第五开关45的另一端相连。

其中，MOS管2为列共享偏置管，提供偏置电流。

参见图3，对应于每一帧图像，像素阵列1中的像素单元与积分器阵列4中的积分单元一一对应；积分器阵列4中的每个积分器对不同帧图像中的同一目标的电压进行累加，经过对n帧图像中的同一目标的电压累加处理，实现了对同一目标的n次电压累加。参见图4，被测物沿图3中的移动方向移动，在不同的时刻，相邻帧中同一目标被像素阵列1中的不同的像素单元所采集，积分阵列中4的积分单元与探测相邻帧中的同一目标的像素单元对应，以实现对同一目标的电压累加。

为了实现在CMOS图像传感器中较好地实现TDI技术，本发明实施例提供了一种用于在CMOS图像传感器中实现TDI的电路的方法，结合图5进行分析，以积分器I1为例，对该方法进行说明，其中，I1-I8为列积分器阵列、P1-P8为列像素阵列、A1-An为被测物；

本方法主要包括：采样处理和积分处理，具体描述参见下文；

一、采样处理

在积分器I1的采样阶段，像素阵列1对被测物进行拍摄，得到第一帧图像，第一开关41、第二开关42、第三开关43、第四开关44和第五开关45闭合，积分电容C_I1上的电荷被清零，像素阵列1输出的第一行的复位电压为V_rst1，采样电容Cs对第一行的复位电压V_rst1进行采样，采样电容Cs上存储的电荷Q_Cs为：

$Q_{\mathrm{Cs}}=(\frac{A}{A+1}{V}_{\mathrm{ref}}-V_{\mathrm{rst}1}-V_{\mathrm{FPN}})C_S---\left(1\right)$

其中，V_FPM为像素单元引入的固定模式噪声的等效电压值、V_ref为参考电压、V_rst1为像素阵列1输出的第一行的复位电压、A为积分器中运放的增益。

二、积分处理

在积分器I1的积分阶段，第一开关41、第三开关43、第四开关44和第五开关45闭合，第二开关42断开，采样电容Cs上存储的电荷

为：

${Q_{C_s}}^{\′}=(V_{\mathrm{ref}}-\frac{V_{\mathrm{out}1}}{A}-V_{\mathrm{FPN}}-V_{\mathrm{sig}1})C_s---\left(2\right)$

其中，V_sig1为像素阵列输出的第一行经积分后的电压、V_out1为积分器I1的输出电压。

积分电容C_I1上存储的电荷

为：

${Q_{C_{I1}}}^{\′}=(V_{\mathrm{ref}}-\frac{A+1}{A}{V}_{\mathrm{out}1})C_{I1}---\left(3\right)$

由于本发明实施例提供的电路在采样处理和积分处理的转换期间X点的电荷保持不变，因此，

$Q_{C_s}={Q_{C_s}}^{\′}+{Q_{C_{I1}}}^{\′}---\left(4\right)$

将采样处理中的采样电容Cs上存储的电荷Q_Cs、积分处理中的采样电容Cs上存储的电荷和积分电容C_I1上存储的电荷

代入到公式(4)中，整理得到：

$V_{\mathrm{out}1}=\frac{1}{\frac{A+1}{A}+\frac{1}{A}\·\frac{C_S}{C_{I1}}}[(\frac{1}{A+1}\·\frac{C_S}{C_{I1}}+1)V_{\mathrm{ref}}+\frac{C_S}{C_{I1}}(V_{\mathrm{rst}1}-V_{\mathrm{sig}1})]---\left(5\right)$

当运放的增益A为无穷大时，则式(5)可以简化为：

$V_{\mathrm{out}1}=V_{\mathrm{ref}}+\frac{C_S}{C_{I1}}(V_{\mathrm{rst}1}-V_{\mathrm{sig}1})---\left(6\right)$

从公式(6)中可以得出不含固定模式噪声等效电压值V_FPN，即通过积分器的双采样，消除了信号中所携带的由像素单元引入的固定模式噪声，并且将电压(V_rst1-V_sig1)放大了

倍。

被测物A1和像素阵列1相对移动，像素阵列1得到第二帧图像，重复执行上述的采样处理和积分处理，积分器I2在进行第二次积分之前积分电容C_I1上的电荷被清零，积分器I1的输出为V_out1+V_out1 ²，其中V_out1 ²为第二帧增量，积分器I2的输出电压为：

$V_{\mathrm{out}2}=V_{\mathrm{ref}}+\frac{C_S}{C_{I2}}(V_{\mathrm{rst}2}-V_{\mathrm{sig}2})---\left(7\right)$

其中，V_rst2为第二行的复位电压、V_sig2为像素阵列输出的第二行经积分后的电压、C_I2为积分电容，其中，V_out1 ²和V_out2的获取参见上述的执行过程，在此不再赘述。

像素阵列1对被测物进行拍摄，得到第一帧图像，积分器阵列4中的积分器I1-In对像素阵列1每一行输出的图像信号进行采样处理和积分处理，第一帧的图像信号处理完毕，积分器阵列4中的积分器I1的输出是被测物A1经列像素P1的1次积分后的电压，这时积分器I2-积分器In的输出为无效的电压，即输出为0；被测物A1和像素阵列1相对移动，像素阵列1得到第二帧图像，经积分器阵列4中的采样处理和积分处理，积分器I1的输出是被测物A1经2次积分(分别为P1和P2的积分)累加后的电压；积分器I2在进行第二次积分之前积分电容C_I1上的电荷被清零，因此积分器I2的输出是被测物A2经列像素P1的1次积分的电压，积分器I3-积分器In的输出是无效的电压，即输出为0；同理，采用同样的处理方式，经过n帧信号的处理，积分器I1的输出为被测物A1经过n次积分累加后的电压，再经过第n+1帧信号的处理，积分器I2的输出为被测物A2经过n次积分累加的电压。以此类推，每经过一帧图像的处理时间，积分器依次输出被测物经n次积分累加的电压。实际应用中，经过TDI的处理，积分器I1-In的输出都是经过n次累加的结果，在具体应用中，会对积分器周期性清零，以重新进行累加，在累加的过程中，电压是线性累加，噪声是平方根累加，因此经积分累加后，信噪比也得到了提高。

即，默认积分器阵列中的所有积分器的初始输出为零，经第一帧图像信号的处理，积分器I1输出的电压为V_out1，经第二帧图像信号的处理，积分器I1的输出为V_out1+V_out1 ²，经第三帧图像信号的处理，积分器I1的输出为V_out1(第一帧输出)+V_out1 ²(第二帧增量)+V_out1 ³(第三帧增量)，经第n帧图像信号的处理，积分器I1的输出为V_out1+V_out1 ²+…V_out1 ⁿ。

综上所述，本发明实施例提供了一种在CMOS图像传感器中实现TDI的电路及方法，通过上述电路和具体的方法，实现了对电压的累加，满足了实际应用中的需要；由于CMOS-TDI在应用时需要配合像素阵列和被测物的相对运动，通过对像素输出信号进行多次累加，可有效提高信噪比，因此本发明实施例提供的电路及方法还特别适合于低照度和运动物体的拍摄场合。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种在CMOS图像传感器中实现TDI的电路，其特征在于，所述电路包括：像素阵列、MOS管、采样电容、运放、列总线和多个积分器并联组成的积分器阵列，每个积分器包括：第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关和积分电容；

所述像素阵列通过所述列总线分别和所述采样电容的一端、所述MOS管的源极相连；所述MOS管的栅极接偏置电压；所述MOS管的漏极接地；所述采样电容的另一端分别和所述运放的负极性端、所述第一开关的一端相连；所述运放的正极性端接参考电压；所述第一开关的另一端分别和所述第二开关的一端、所述第四开关的一端相连；所述第二开关的另一端分别和所述第三开关的一端、所述第五开关的一端相连；所述第三开关的另一端和所述运放的输出端相连；所述第四开关的另一端和所述积分电容的一端相连；所述积分电容的另一端和所述第五开关的另一端相连。

2.根据权利要求1所述的在CMOS图像传感器中实现TDI的电路，其特征在于，对应于每一帧图像，所述像素阵列中的像素单元与所述积分器阵列中的积分器一一对应，所述积分器阵列中的每个积分器对不同帧图像中的同一目标的电压进行累加。

3.一种用于权利要求1所述的在CMOS图像传感器中实现TDI的电路的方法，其特征在于，所述方法包括采样处理和积分处理；

所述采样处理为像素阵列对被测物进行拍摄，得到第一帧图像，第一开关、第二开关、第三开关、第四开关和第五开关闭合，积分电容C_I1上的电荷被清零，采样电容对第一行的复位电压进行采样，所述采样电容上存储的电荷Q_Cs为：

其中，V_FPN为像素单元引入的固定模式噪声的等效电压值、V_ref为参考电压、V_rst1为第一行的复位电压、A为运放的增益、Cs为采样电容；

所述积分处理为所述第一开关、所述第三开关、所述第四开关和所述第五开关闭合，所述第二开关断开，所述采样电容上存储的电荷 

为：

其中，V_sig1为像素阵列输出的第一行经积分后的电压、V_out1为积分器I1的 输出电压；

所述积分电容C_I1上存储的电荷 

为：

其中，C_I1为积分电容；

所述采样处理和所述积分处理的转换期间X点的电荷不变，当运放的增益A为无穷大时，得出：

被测物和所述像素阵列相对移动，所述像素阵列得到第二帧图像，积分器I2在进行第二次积分之前所述积分电容C_I1上的电荷被清零，所述积分器I1的输出为V_out1+V_out1 ²，其中V_out1 ²为第二帧增量，所述积分器I2的输出电压为：

其中，V_rst2为第二行的复位电压、V_sig2为像素阵列输出的第二行经积分后的电压、C_I2为积分电容，经第n帧图像信号的处理，所述积分器I1的输出为V_out1+V_out1 ²+…V_out1 ⁿ。 

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