CN104506785B - 应用于tdi型cmos图像传感器的模拟累加器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及集成电路设计领域,为实现对寄生带来的影响的补偿,大幅度提高累加器的有效累加级数,同时不过多地增加电路的面积和功耗。为此,本发明采取的技术方案是,应用于TDI型CMOS图像传感器的模拟累加器,包括运算放大器、N+1级积分器、采样开关、积分开关,还包括两个正反馈电容,一个正反馈电容连接在运算放大器的正输入端与正输出端之间,另一个正反馈电容连接在运算放大器的负输入端与负输出端之间。本发明主要应用于集成电路设计。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路设计领域,特别涉及一种补偿CMOS型TDI图像传感器中模拟累加器的寄生的实现装置和方法。具体讲,涉及应用于TDI型CMOS图像传感器的模拟累加器
技术背景
时间延迟积分(TDI)图像传感器是一种特殊的单行图像传感器。相对于普通的单行图像传感器,TDI图像传感器通过对同一物体的多次采集和像素信号的N次累加,由于信号在累加过程中增加了N倍,而噪声在累加过程中增加了倍,所以输出图像信噪比(SNR)提高了倍。因此,TDI图像传感器可以在高移动速度,低光照强度的情况下,获得低噪声的输出图像。
早期的TDI图像传感器主要通过CCD图像传感器实现,这是由于CCD图像传感器可以实现电荷的无噪声累加。但是由于CCD技术采用高电压实现,难以和像素信号处理电路集成,而随着CMOS技术的发展,MOS器件在噪声,暗电流,光响应等发面取得了显著的进步,采用CMOS技术实现TDI图像传感器(TDI CIS)开始得到广泛的研究。
对于在电压域实现对像素累加的TDI CIS,随着累加级数的提升,不仅受到电路噪声的影响,同时也被电路寄生所限制。由于积分器内部寄生的影响,闲置积分器不会完全从运算放大器的输入输出总线断开,而以小寄生电容的形式存在。对于寄生所带来的影响,可以直观地理解为在每次积分时,寄生电容挂载在运放输入输出端,形成负反馈,减少积分效果,从而降低累加效果,抑制了有效累加级数的提升。
发明内容
为克服现有技术的不足,实现对寄生带来的影响的补偿,大幅度提高累加器的有效累加级数,同时不过多地增加电路的面积和功耗。为此,本发明采取的技术方案是,应用于TDI型CMOS图像传感器的模拟累加器,包括运算放大器、N+1级积分器、采样开关、积分开关,还包括两个正反馈电容,一个正反馈电容连接在运算放大器的正输入端与正输出端之间,另一个正反馈电容连接在运算放大器的负输入端与负输出端之间。
正反馈电容结构包括,电容值呈指数变化的三个正反馈电容通过校正码控制是否接入电路,三个级联的D触发器构成计数器,由校正位Cal.Bit控制产生所需要的校正码。
电容值呈指数变化的三个正反馈电容上下各连接一个开关,通过校正码控制开关是否导通,来决定电容是否接入电路;校正码由一个三位计数器产生,该计数器由三个D触发器级联实现,每个D触发器输出端反相Qn反接回数据端D与下一级D触发器的时钟端Clk,第一级D触发器的输入端由Cal.Bit控制,最终的输出为所有D触发器的输出端Q。
与已有技术相比,本发明的技术特点与效果:
在现有模拟累加器中,积分器内部寄生的存在将抑制模拟累加器的有效累加级数的提升。添加正反馈,可以在不改变模拟累加器的工作原理的基础上,实现对积分器内部寄生的补偿,从而大幅度提升模拟累加器的有效累加级数。与现有模拟累加器相比,所提出的方法结构简单,没有增加过多的面积和功耗。
附图说明
图1为本发明所提出的模拟累加器的结构图。
图2为本发明所提出的模拟累加器的时序图。
图3正反馈电容的具体电路。
具体实施方式
本发明对应用于TDI CIS中的模拟累加器进行改进,通过添加正反馈电容实现对寄生带来的影响的补偿。其能够大幅度提高累加器的有效累加级数,同时不过多地增加电路的面积和功耗。
图1为本发明所提出的模拟累加器的结构图,包括运算放大器、N+1级积分器、采样开关、积分开关和正反馈电容,通过时间过采样技术,可以实现N级的像素信号累加。运算放大器采用全差分结构实现,采样电容连接采样开关clk1、积分开关clk2与运算放大器的输入端,clk1同时连接至像素信号或偏置电压。另一个采样开关clk1’跨接在运算放大器的输入输出端。每一级积分器由四个积分开关、两个积分电容、两个复位开关组成。积分电容通过两个积分开关I和I’连接至运算放大器的输入输出端。为了实现复位,复位开关Reset连接运放输入端与积分电容下极板,复位开关Reset’连接两个积分电容的上极板。为了实现对寄生的补偿,正反馈电容一个连接运算放大器的正输入端与正输出端,一个连接运算放大器的负输入端与负输出端。由于正反馈电容的存在,累加器处于积分阶段时将形成一个正反馈通路,与寄生电容形成的负反馈通路相对应,当正反馈电容与寄生电容所形成的负反馈电容相同时,寄生带来的影响将被完全抵消。
图2为本发明所提出模拟累加器的时序图。该结构工作时,每一级积分器的工作状态可以分为:复位阶段、采样阶段以及积分阶段。
复位阶段:clk1、clk1’、Reset以及Reset’闭合,I以及I’断开。clk1’用于复位运放输入输出端的电压,clk1用于采样输入电压,此时,运放失调被存储于采样电容中,以便实现失调消除。Reset以及Reset’用于消除积分电容中的电荷,实现对积分电容的复位。
采样阶段:clk1以及clk1’闭合,Reset、Reset’I以及I’断开。clk1’用于复位运放输入输出端的电压,clk1用于采样输入电压。
积分阶段:以第x级积分器的积分阶段为例,clk1、clk1’、Resetx以及Resetx’断开,clk2、Ix和Ix’闭合。clk2、Ix和Ix’形成积分回路,将采样电容内的电荷转移至积分电容内。
为实现对正反馈电容大小的调节,可以通过开关控制不同大小的电容是否接入正反馈通路实现。图3为正反馈电容的具体电路。其中,电容值呈指数变化的三个正反馈电容上下各连接一个开关,通过校正码控制开关是否导通,来决定电容是否接入电路。校正码由一个三位计数器产生,该计数器由三个D触发器级联实现,每个D触发器输出端反相Qn反接回数据端D与下一级D触发器的时钟端Clk,第一级D触发器的输入端由Cal.Bit控制,最终的输出为所有D触发器的输出端Q。当Cal.Bit传输一次上升沿,计数器结果+1,从而完成对校正码的改变。通过观察累加输出曲线或者所设计的TDI图像传感器的成像效果,来调节校正码,即可完成对寄生的补偿,实现最佳的累加效果或成像质量。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰,下面将结合实例给出本发明实施方式的具体描述。以128级的模拟累加器为例,简要论述累加器的工作原理。在第1个周期内完成第1个积分器对第1个像素的采样和积分,第2个周期内完成第2个积分器对第2个像素的采样和积分,直至第128个周期内完成第128个积分器对第128个像素的采样和积分,最后第129个周期内完成第129个积分器对第1个像素的采样和积分,此时,完成一个渡越时间内的操作。
对于Cal.Bit的控制,主要在于调节累加曲线的线性度,如果单独实现累加器,可以通过观察累加器的输出曲线的线性度来调节校正码,而对于完整的TDI图像传感器,可以将校正码从0开始调节,输出图像SNR将逐渐提升,当SNR开始下降前,前一个校正码即为最佳校正码。
Claims (1)
1.一种应用于TDI型CMOS图像传感器的模拟累加器,包括运算放大器、N+1级积分器、采样开关、积分开关,其特征是,还包括两个正反馈电容,一个正反馈电容连接在运算放大器的正输入端与正输出端之间,另一个正反馈电容连接在运算放大器的负输入端与负输出端之间,其中,正反馈电容结构包括,电容值呈指数变化的三个正反馈电容通过校正码控制是否接入电路,三个级联的D触发器构成计数器,由校正位Cal.Bit控制产生所需要的校正码,电容值呈指数变化的三个正反馈电容上下各连接一个开关,通过校正码控制开关是否导通,来决定电容是否接入电路;校正码由一个三位计数器产生,该计数器由三个D触发器级联实现,每个D触发器输出端反相Qn反接回数据端D与下一级D触发器的时钟端Clk,第一级D触发器的输入端由Cal.Bit控制,最终的输出为所有D触发器的输出端Q。
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