CN102595062A - Cmos图像传感器黑光噪声抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CMOS图像传感器黑光噪声抑制方法，用于解决现有的黑光噪声的抑制方法像素读出电路功耗和面积大的技术问题。技术方案是采用系统级方法对黑光噪声电压进行抑制，即预先对像素阵列中的黑光噪声电压进行采样、取均值，然后用有效像素的读出信号电压与平均黑光噪声电压相减来抑制黑光噪声，使得采用该方法进行黑光噪声抑制的CMOS图像传感器采用了有源像素进行设计。经测试，达到了更好的噪声性能，实现了更小的读出电路面积和功耗。

Description

CMOS图像传感器黑光噪声抑制方法

技术领域

本发明涉及一种黑光噪声抑制方法，特别涉及一种CMOS图像传感器黑光噪声抑制方法。

背景技术

参照图1～2。文献1“Yu-Chuan Shih，Chung-Yu Wu，A New CMOS Pixel StructureforLow-Dark-Current and Large-Array-Size Still Imager Application，IEEETRANSACTIONS ON CIRCUIT AND SYSTEM-I：REGULAR PAPERS，Vol.51，No.11November 2004.pp.2204～2214.”公开了一种黑光噪声的抑制方法，该方法对黑光电流(经过积分后即黑光噪声电压)随感光二极管反偏电压的变化进行了测量，当反偏电压接近0时，黑光电流不再随着偏压的降低按线性规律变化，而是有一个明显的斜率下降。说明在接近0反偏电压的情况下，感光二极管的黑光电流能够得到有效抑制，并能实现较高信噪比。

文献1公开的黑光噪声抑制电路和读出电路中，Cint为电流积分单元；M3是Cint的复位控制管；M4和M5构成源跟随器对积分和复位电压进行读出；像素单元采用无源像素；M1、M2和运放A用来实现像素内感光二极管0反偏电压，以抑制黑光电流。具体做法是：运放A的正相端连接电压Vcom，这一电压的值设置为与M1的阈值电压Vth1大小相同。根据运放的虚短原理，运放A的负相端电位也近似等于Vth1。由于正常工作时像素提供的光电流非常小，M1工作在临界阈值状态，此时M1的栅源电压VGS1≈Vth1，因此M1的源端电位接近0。再者像素内的MOS管为开关管，尺寸较大，其源漏电位近似相等。这样一来就实现了像素内感光二极管的0反偏电压，从而达到抑制黑光噪声的目的。

文献1公开的黑光噪声抑制方法存在的缺点是，其采用的无源像素的噪声特性比有源像素差。这是因为无源像素的积分单元在像素外，光电流积分运算时，M1、M2中除了流过被选中的像素的电流，M1源端较大的并联寄生pn结会产生很大的寄生电流，从而使信噪比严重受损。而在文献1公开的黑光噪声抑制方法中无法使用文献2中的有源像素进行设计，那是由于实现0反偏电压的结构位于于积分节点和感光二极管之间，而在有源像素内部无法实现这一复杂结构，所以文献1提出的黑光噪声抑制方法只能采用无源像素，因此其噪声性能相对于采用有源像素设计图像传感器较差。

由于文献1中实现0反偏电压的结构中包含一个运放A，使像素读出电路功耗和面积较大。

参照图3。文献2“Abbas El Gamal，Helmy Eltoukhy，CMOS imaging Sensors，IEEE Circuit& Devices Magazine，May/June.2005，pp.6-20.”公开了一种有源像素及读出电路，该电路中的积分电容为M2栅端节点处的寄生电容，每个像素的积分节点由源跟随器件M2隔离而各自独立，避免了无源像素在电流积分时产生的较大寄生电流，噪声性能更好。有源像素外的读出电路只有一个器件M4构成，结构简单，面积和功耗更小。

发明内容

为了克服现有的黑光噪声的抑制方法像素读出电路功耗和面积大的不足，本发明提供一种CMOS图像传感器黑光噪声抑制方法，该方法预先对像素阵列中所有暗像素的黑光噪声电压进行采样并取均值，然后用有效像素的读出信号与黑光噪声电压均值相减来抑制黑光噪声。这种方法可以采用有源像素进行电路设计，可以使像素读出电路面积和功耗减小。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种CMOS图像传感器黑光噪声抑制方法，其特点是包括以下步骤：

(a)将数模转换器的输出V_a和V_b置为0电位，对像素阵列中的所有暗像素读出信号进行采样、放大、数字化，计算出黑光噪声电压均值

${\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{black}}=V_a\frac{C_C}{C_S}+V_b\frac{C_C}{{\mathrm{AC}}_S}$

式中，A是增益级的增益；

(b)根据

计算出校准电压V_a和V_b，并通过数模转换器得到这两个校准电压V_a和V_b。

(c)第k个有效像素的读出电压V_read，k在增益级前后的采样保持电路中分别与V_a和V_b运算，

$(V_{\mathrm{COM}}-V_{\mathrm{ip}})C_S+V_{\mathrm{COM}}{C}_C=(V_X-\frac{V_{\mathrm{ip}}+V_{\mathrm{in}}}{2})C_S+(V_X-V_{\mathrm{op}})C_f+V_X{C}_C---\left(1\right)$

$(V_{\mathrm{COM}}-V_{\mathrm{in}})C_S+(V_{\mathrm{COM}}-V_a)C_C=(V_X-\frac{V_{\mathrm{ip}}+V_{\mathrm{in}}}{2})C_S+(V_X-V_{\mathrm{on}})C_f+V_X{C}_C---\left(2\right)$

根据单位采样保持电路C_S＝C_f，用式(2)-式(1)有：

$V_{\mathrm{op}}-V_{\mathrm{on}}=V_{\mathrm{ip}}-V_{\mathrm{in}}-V_a\frac{C_C}{C_S}---\left(3\right)$

又V_ip-V_in是输入差分电压V_read，k，故

$V_{\mathrm{op}}-V_{\mathrm{on}}=V_{\mathrm{read},k}-V_a\frac{C_C}{C_S}---\left(4\right)$

式(4)说明在增益级前，大小为电压信号被从读出信号V_read，k中减去。

在增益级后的采样保持电路中被减去的电压为将其折算到最左边的输入端，相当于从V_read，k中减去了一个电压值

那么，从V_read，k中减去的总电压大小为

该值就是暗像素的黑光噪声电压均值

本发明的有益效果是：由于采用了系统级方法对黑光噪声电压进行抑制，即预先对像素阵列中的黑光噪声电压进行采样、取均值，然后用有效像素的读出信号电压与平均黑光噪声电压相减来抑制黑光噪声，使得采用该方法进行黑光噪声抑制的CMOS图像传感器可以采用有源像素进行设计，经测试，达到了更好的噪声性能，实现了更小的读出电路面积和功耗。

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

附图说明

图1是背景技术文献1中感光二极管的黑光电流随反偏电压的变化曲线。

图2是背景技术文献1中的黑光噪声抑制电路和读出电路的电路图。

图3是背景技术文献2中的有源像素及读出电路的电路图。

图4是本发明方法的像素阵列结构图。

图5是本发明方法的黑光噪声抑制系统图。

图6是本发明方法采用的采样保持电路。

具体实施方式

参照图4～6，首先将数模转换器的输出V_a和V_b置为0电位，对像素阵列中的所有暗像素读出信号进行采样、放大、数字化，并计算出黑光噪声电压均值

根据

(A是增益级的增益)，解析出满足关系式的V_a和V_b，并通过数模转换器得到实现这两个电压(V_a和V_b)。

第k个有效像素的读出电压V_read，k在增益级前后的采样保持电路分别与V_a和V_b进行运算，以增益级(增益为A)前的采样保持电路为例，根据其电路动作原理：

$(V_{\mathrm{COM}}-V_{\mathrm{ip}})C_S+V_{\mathrm{COM}}{C}_C=(V_X-\frac{V_{\mathrm{ip}}+V_{\mathrm{in}}}{2})C_S+(V_X-V_{\mathrm{op}})C_f+V_X{C}_C---\left(1\right)$

$(V_{\mathrm{COM}}-V_{\mathrm{in}})C_S+(V_{\mathrm{COM}}-V_a)C_C=(V_X-\frac{V_{\mathrm{ip}}+V_{\mathrm{in}}}{2})C_S+(V_X-V_{\mathrm{on}})C_f+V_X{C}_C---\left(2\right)$

根据单位采样保持电路C_S＝C_f，用式(2)-式(1)有：

$V_{\mathrm{op}}-V_{\mathrm{on}}=V_{\mathrm{ip}}-V_{\mathrm{in}}-V_a\frac{C_C}{C_S}---\left(3\right)$

又V_ip-V_in即为输入差分电压V_read，k，故

$V_{\mathrm{op}}-V_{\mathrm{on}}=V_{\mathrm{read},k}-V_a\frac{C_C}{C_S}---\left(4\right)$

(4)式说明在增益级前，大小为

电压信号被从读出信号V_read，k中减去。

同理，可以计算出在增益级后的采样保持电路中被减去的电压为

将其折算到最左边的输入端，相当于从V_read，k中减去了一个电压值

那么，从V_read，k中减去的总电压大小为该值正是暗像素的黑光噪声电压均值

Claims (1)

1.一种CMOS图像传感器黑光噪声抑制方法，其特征在于包括以下步骤：

(a)将数模转换器的输出V_a和V_b置为0电位，对像素阵列中的所有暗像素读出信号进行采样、放大、数字化，计算出黑光噪声电压均值

${\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{black}}=V_a\frac{C_C}{C_S}+V_b\frac{C_C}{{\mathrm{AC}}_S}$

式中，A是增益级的增益；

(b)根据

计算出校准电压V_a和V_b，并通过数模转换器得到这两个校准电压V_a和V_b。

(c)第k个有效像素的读出电压V_read，k在增益级前后的采样保持电路中分别与V_a和V_b运算，

$(V_{\mathrm{COM}}-V_{\mathrm{ip}})C_S+V_{\mathrm{COM}}{C}_C=(V_X-\frac{V_{\mathrm{ip}}+V_{\mathrm{in}}}{2})C_S+(V_X-V_{\mathrm{op}})C_f+V_X{C}_C---\left(1\right)$

$(V_{\mathrm{COM}}-V_{\mathrm{in}})C_S+(V_{\mathrm{COM}}-V_a)C_C=(V_X-\frac{V_{\mathrm{ip}}+V_{\mathrm{in}}}{2})C_S+(V_X-V_{\mathrm{on}})C_f+V_X{C}_C---\left(2\right)$

根据单位采样保持电路C_S＝C_f，用式(2)-式(1)有：

$V_{\mathrm{op}}-V_{\mathrm{on}}=V_{\mathrm{ip}}-V_{\mathrm{in}}-V_a\frac{C_C}{C_S}---\left(3\right)$

又V_ip-V_in是输入差分电压V_read，k，故

$V_{\mathrm{op}}-V_{\mathrm{on}}=V_{\mathrm{read},k}-V_a\frac{C_C}{C_S}---\left(4\right)$

式(4)说明在增益级前，大小为电压信号被从读出信号V_read，k中减去。

在增益级后的采样保持电路中被减去的电压为

将其折算到最左边的输入端，相当于从V_read，k中减去了一个电压值

那么，从V_read，k中减去的总电压大小为该值就是暗像素的黑光噪声电压均值

Images