CN105282460A - 带失调消除的动态范围增强型读出方法及电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及集成电路设计领域，为解决传统CTIA型读出电路动态范围受限以及复位引入失调影响输出端的问题，有效扩展读出电路动态范围，避免输入失调电压对输出端的影响。为此，本发明采取的技术方案是，带失调消除的动态范围增强型读出电路，由运算放大器(OPA)、积分电容、电子开关组成，此外还包括若干比较器、复位晶体管、增益调整电容、一个额外电容、单刀双掷开关，复位晶体管正端接地，复位晶体管负端通过第一电子开关进行复位，复位晶体管负端通过额外电容连接到OPA反相输入端，OPA反相输入端连接读出电路参考电压，OPA输出端与反相输入端之间设置有第二电子开关。本发明主要应用于集成电路设计。

Description

带失调消除的动态范围增强型读出方法及电路

技术领域

本发明涉及集成电路设计领域，特别涉及一种带失调消除的动态范围增强型读出方法及电路。

背景技术

具有较高动态范围的图像传感器可以探测更宽的场景照度范围，从而可以产生更多细节的图像。CMOS图像传感器读出电路的动态范围影响着整个图像传感器的性能。传统结构的读出电路动态范围在60-70dB，而环境图像的动态范围变化往往超过90dB。

对于CMOS图像传感器而言，读出技术主要有直接注入型(DI)、栅调制注入型(GMI)、源极跟随器型(SFD)、电容跨导放大器型(CTIA)等。其中，DI型和SFD型读出方式在处理宽动态范围输入信号时会无法保证高线性度；GMI型的电流增益和注入效率对于MOS管阈值电压非常敏感，导致不同像素间较大的失调电压。CTIA型读出技术可以在宽动态范围下获得很好的线性度和较高的注入效率，是一种常用的读出方式。

器件以及工艺的失配会导致像素之间产生失调。传统的CTIA型读出电路复位方式是将输入端与输出端短接，这种方式实现起来较为简单，然而它会导致输入端的失调电压直接传递到输出端，从而影响传感器的性能。

发明内容

为克服现有技术的不足，解决传统CTIA型读出电路动态范围受限以及复位引入失调影响输出端的问题，有效扩展读出电路动态范围，避免输入失调电压对输出端的影响。为此，本发明采取的技术方案是，带失调消除的动态范围增强型读出电路，由运算放大器(OPA)、积分电容、电子开关组成，此外还包括若干比较器、复位晶体管、增益调整电容、一个额外电容、单刀双掷开关，复位晶体管正端接地，复位晶体管负端通过第一电子开关进行复位，复位晶体管负端通过额外电容连接到OPA反相输入端，OPA反相输入端连接读出电路参考电压，OPA输出端与反相输入端之间设置有第二电子开关；复位晶体管负端通过积分电容连接到单刀双掷开关的单端，单刀双掷开关双端选择连接到OPA输出端或者读出电路参考电压；OPA输出端连接若干比较器反相输入端，比较器同相输入端连接不同的比较器参考电压；当某一比较器输出跳变，则触发相应的增益调整电容开关，使其增益调整电容连接为与积分电容Cint并联；第一、二电子开关闭合时，单刀双掷开关双端连接到读出电路参考电压；第一、二电子开关打开时，单刀双掷开关双端连接到OPA输出端。

带失调消除的动态范围增强型读出方法，在复位期间，Φrst信号置1，光电二极管被复位到二极管复位电压VPD_RST，使运算放大器OPA的负端V-复位到Vref+Vos,Vref为参考电压，Vos为输入端失调电压，运算放大器OPA输出VOUT复位到Vref+Vos，使通过额外电容C0跨接在运算放大器OPA的负端V-与其输出端之间的积分电容右侧在复位期间始终与参考电压Vref相连，积分电容左侧复位成VPD_RST；当Φrst信号跳变为0，复位阶段结束，积分电容Cint接入到光电二极管阴极与运算放大器OPA输出端，OPA输出端变为Vref，光电流开始在Cint上积分，OPA输出端开始从Vref向上增长，OPA输出端连接到比较器反相输入端，比较器同相输入端接不同参考电压Vref1～Vref4，当比较器输出跳变，则触发相应的增益调整电容Cg1～Cg4的开关，使其左端从VPD_RST连接到光电二极管阴极，即连接为与积分电容Cint并联，共同作为积分电容，降低光灵敏度。同时，也触发下一个参考电压接入比较器。VOUT电压越高，触发越高的比较器参考电压接入，同时也就会接入更多的电容，导致增益更加降低。

本发明的特点及有益效果是：

本发明提出了一种带失调消除的动态范围增强型读出电路用以解决传统读出电路动态范围不足以及失调无法消除的问题。相较于一般的动态范围扩展技术，不仅可以在增加动态范围同时保证良好的线性度，而且消除的失调电压对输出端的影响。最终使得传感器有效探测范围达到90dB。

附图说明：

图1动态范围增强型读出电路结构。

图2读出电路折线型输出曲线。

图3失调电压消除技术开关时序。

具体实施方式

本发明中提出的动态范围增强技术如图1所示，图中的CTIA结构采用多电容、多增益、自调节方式进行光电流的积分，使得弱光强下光响应最灵敏，随着光强增大，积分增益自动降低，从而压缩了光响应曲线，增大了动态范围。该方案的原理如图1所示。在复位期间，Φrst信号置1，PD被复位到二极管复位电压VPD_RST，OPA的负端V-复位到Vref+Vos(Vref为参考电压，Vos为输入端失调电压)，OPA输出VOUT复位到Vref+Vos，积分电容右侧在复位期间始终与参考电压Vref相连。当Φrst信号跳变为0，复位阶段结束。积分电容Cint接入到光电二极管阴极与OPA输出端，VOUT变为Vref。光电流开始在Cint上积分，VOUT开始从Vref向上增长。VOUT连接到比较器反相输入端，比较器同相输入端接不同参考电压Vref1～Vref4，当比较器输出跳变，则触发相应的增益调整电容(Cg1～Cg4)的开关，使其左端从VPD_RST连接到光电二极管阴极，即连接为与积分电容Cint并联，共同作为积分电容，降低光灵敏度。同时，也触发下一个参考电压接入比较器。VOUT电压越高，触发越高的比较器参考电压接入，同时也就会接入更多的电容，导致增益更加降低，最终的输出如图2所示。

传统的基于CTIA的像素复位方式是直接将OPA输入端和输出端短接。这种方式实现起来较为简单，但是运放输入端的失调电压会传递到输出端，成为像素阵列的固定模式噪声来源之一，最终影响读出电路的性能。在这个设计当中，通过加入一个复位晶体管、一个额外电容C0和一个单刀双掷开关来消除输出端的失调电压，同时也可以使光电二极管的复位电压根据实际需要灵活配置。开关时序如图所示。在复位阶段，开关Φrst(1)-(3)信号被置为逻辑高电平来使得对应的开关接入电路中，如图3(a)所示。此时，光电二极管被复位到VPD_RST，运放的负输入端和输出端复位至Vref+Vos，Vos表示由运放失配引入的失调电压。在此阶段，光电二极管的右极板一直是Vref。如图3(b)所示，当Φrst(1)信号首先切换至低电平时复位阶段结束。由于此时Cint和C0的右极板一直处于钳位状态，因而由光电二极管引入KT/C噪声将不会传递到输出端。之后Φrst(2)信号切换至低电平如图3(c)所示。失调电压将存储在C0上而Vout保持在Vref+Vos。当Φrst(3)对应开关接入到OPA输出端时，如图3(d)所示，因为存在积分电容Cint和C0上的电荷需要保持不变而且电路形成了负反馈，Vout将变为

$V_{out}=V_{ref}-\frac{V_{os}}{A-1},$

其中A为CTIA结构中运放的增益。通常情况下，两级运放的增益A可以很容易达到10000倍(80dB)，此时公式中的后一项可以被忽略，因此在输出端的失调电压相当于被消除了。然后CTIA开始在积分电容Cint上积分光电流。考虑到运放是非理想的，运放的增益以及光电二极管的寄生电容需要被考虑进去，由此可推导出Vout

$V_{out}=\frac{A}{1+A}(V_{ref}+\frac{(A-1)I_{ph}\·t}{(A-1)C_{\mathrm{int}}+C_{pd}})$

其中Cpd是光电二极管的寄生电容，t是积分时间。根据以上公式，通常情况下，两级运放的增益A可以很容易达到10000倍(80dB)，那么Vout将变为：

V_out＝V_ref+I_ph·t/C_int。

本发明所提出的读出电路用于解决传统CTIA型读出电路动态范围受限以及复位引入失调影响输出端的问题。动态范围增强技术主要通过在运放输入端和输出端间增加跨接电容Cg1～Cg4，通过比较器以及逻辑控制模块来控制跨接电容接入的顺序，同时逻辑模块也控制比较器不同参考电压的接入。VOUT电压越高，触发越高的比较器参考电压接入，也会接入更多的电容，导致增益更加降低，最终使得动态范围得到扩展。通过加入一个复位晶体管、一个额外电容C0和一个单刀双掷开关来消除输出端的失调电压，同时也可以使光电二极管的复位电压根据实际需要灵活配置。

Claims (2)

1.一种带失调消除的动态范围增强型读出电路，其特征是，由运算放大器OPA、积分电容、电子开关组成，此外还包括若干比较器、复位晶体管、增益调整电容、一个额外电容、单刀双掷开关，复位晶体管正端接地，复位晶体管负端通过第一电子开关进行复位，、复位晶体管负端通过额外电容连接到运算放大器反相输入端，运算放大器反相输入端连接读出电路参考电压，运放输出端与反相输入端之间设置有第二电子开关；、复位晶体管负端通过积分电容连接到单刀双掷开关的单端，单刀双掷开关双端选择连接到运算放大器输出端或者读出电路参考电压；运放输出端连接一个比较器反相输入端，比较器同相输入端连接不同的比较器参考电压；当某一比较器输出跳变，则触发相应的增益调整电容开关，使其增益调整电容连接为与积分电容Cint并联；第一、二电子开关闭合时，单刀双掷开关双端连接到读出电路参考电压；第一、二电子开关打开时，单刀双掷开关双端连接到OPA输出端。

2.一种带失调消除的动态范围增强型读出方法，其特征是，在复位期间，Φrst信号置1，光电二极管被复位到二极管复位电压VPD_RST，使运算放大器OPA的负端V-复位到Vref+Vos,Vref为参考电压，Vos为输入端失调电压，运算放大器OPA输出VOUT复位到Vref+Vos，使通过额外电容C0跨接在运算放大器OPA的负端V-与其输出端之间的积分电容右侧在复位期间始终与参考电压Vref相连，积分电容左侧复位成VPD_RST；当Φrst信号跳变为0，复位阶段结束，积分电容Cint接入到光电二极管阴极与运算放大器OPA输出端，OPA输出端变为Vref，光电流开始在Cint上积分，OPA输出端开始从Vref向上增长，OPA输出端连接到比较器反相输入端，比较器同相输入端接不同参考电压Vref1～Vref4，当比较器输出跳变，则触发相应的增益调整电容Cg1～Cg4的开关，使其左端从VPD_RST连接到光电二极管阴极，即连接为与积分电容Cint并联，共同作为积分电容，降低光灵敏度；同时，也触发下一个参考电压接入比较器。VOUT电压越高，触发越高的比较器参考电压接入，同时也就会接入更多的电容，导致增益更加降低。