CN106534729A - 可编程器增益放大器及降低列固定模式噪声方法 - Google Patents

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Abstract

本发明可编程器增益放大器，通过将放大器输出共模电压和采样复位信号时刻的输出电压做模拟域信号相减或模数转换后做数字域相减，最小化运算放大器的失调电压对输出电压的影响，从而降低运放失调电压引起的图像列固定模式噪声。本发明可编程器增益放大器及降低列固定模式噪声方法的有益技术效果是通过负反馈的直流失调消除电路减少运算放大器失调电压对可编程增益放大器输出的影响，通过模拟域或数字域相减，最小化运算放大器的失调电压对输出电压的影响，有效的降低运放失调电压引起的图像列固定模式噪声，从而提高了图像成像质量。

Description

可编程器增益放大器及降低列固定模式噪声方法
发明领域
本发明涉及到图像传感器技术领域，特别涉及到一种用于图像传感器的可编程器增益放大器及降低列固定模式噪声方法。
背景技术
随着现代计算机技术以及信息处理技术的发展，智能系统正在越来越多地帮助人类处理外界的各种复杂信息，这些信息包括自然界的声、光、温度、压力以及气味等等。人类通过五官接受外界信息，其中人眼通过获取图像得到的信息量最大，据统计，人类获取信息的75％是通过视觉器官得到。基于视觉图像巨大的信息量，先进的图像获取技术也就成了现代智能系统的重要组成部分。
图像传感器是图像获取设备的核心，目前主流的固体图像传感器主要包括CCD和CMOS两种图像传感器。CCD图像传感器由于其较高的填充因子和较低的固定模式噪声已经得到广泛的应用。但因其存在着多电压、高功耗、低速度、不易与CMOS集成等缺点，限制了它的应用。CMOS图像传感器正是解决了CCD存在的问题而得到了广泛的应用。但是，CMOS图像传感器应用环境的变化(例如温度与光线强度的变化)会直接影响CMOS图像传感器的信号强度及其性能。为了适应信号强度的变化，通常在CMOS图像传感器输出端设置一个可编程增益放大器调节信号强度，满足信号较大的动态范围要求。
目前，现有技术可编程器增益放大器通常采用带有失调消除技术的可编程器增益放大器，内部可实现采样保持、相关双采样、失调校准等功能，这样，减小了像素内的固定模式噪声、复位管的KTC噪声、可编程器增益放大器引入的列固定模式噪声。附图1为带有失调消除技术的可编程器增益放大器的电路图。工作过程分两步：第一步采样像素复位信号和放大器的失调电压信号；第二步采样积分后的像素信号，将两次采样的模拟信号做差，消除了像素单元的固定模式噪声、复位管的KTC噪声，同时做了失调校准处理，减小了列固定模式噪声的影响。由于实际的运算放大器增益为有限值的影响，由此造成带有失调消除技术的可编程器增益放大器只能减小运放失调电压引起的列固定模式噪声，且不能完全消除，列固定模式噪声仍可能为一个较大的值，对图像成像质量仍有大的影响。
显然，现有技术可编程器增益放大器存在着只能减小运放失调电压引起的列固定模式噪声，且不能完全消除，导致列固定模式噪声仍可能对图像成像质量有较大的影响等问题。
发明内容
为解决现有技术可编程器增益放大器存在的只能减小运放失调电压引起的列固定模式噪声，且不能完全消除，导致列固定模式噪声仍可能对图像成像质量有较大的影响等问题，本发明提出一种可编程器增益放大器及降低列固定模式噪声方法。
本发明可编程器增益放大器，通过将放大器输出共模电压和采样复位信号时刻的输出电压做模拟域信号相减或模数转换后做数字域相减，最小化运算放大器的失调电压对输出电压的影响，从而降低运放失调电压引起的图像列固定模式噪声。
进一步的，本发明可编程器增益放大器，包括主放大器、负反馈的直流失调消除电路、放大功能的开关电容电路；
所述主放大器为差分输入、单端输出放大器；并且，所述主放大器为一级差分结构或者二级差分结构，用作缓冲和放大功能；
所述负反馈的直流失调消除电路用于最小化运算放大器失调电压对图像传感器引起的列固定模式噪声；电路包括主放大器、直流失调消除电容CC、开关S1和S2；
所述主放大器正输入端接共模电压，负输入端与直流失调消除电容CC和开关S1一端相接，输出端为可编程增益放大器的输出端；
所述的直流失调消除电容CC另一端接采样开关S2的一端；
所述的采样开关S2另一端接共模电平VCM；
所述开关S1另一端接可编程增益放大器的输出端；
所述放大功能的开关电容电路与主放大器组成可编程放大功能，开关电容电路包括可编程电容CS、可编程电容CF、开关S3；
所述可编程电容CS一端接图像传感器像素列的输出，另一端与可编程电容CF的一端、开关S3的一端相接；
所述可编程电容CS和S3另一端接可编程增益放大器的输出端；
所述放大功能的开关电容电路与负反馈的直流失调消除电路有公有节点；
可编程电容CS、可编程电容CF、开关S3端口相连节点与一端开关S2一端与直流失调消除电容CC相连节点相连接；
所述主放大功能的开关电容电路、负反馈的直流失调消除电路与主放大器有公共节点，公共节点为可编程增益放大器的输出端。
本发明降低列固定模式噪声方法，采用本发明可编程器增益放大器对图像传感器的信号进行处理，在时序控制中采样复位信号时刻的输出电压V为：
式中，V为时序控制中采样复位信号时刻的输出电压，单位为伏特；A为放大器的放大倍数，无量纲；VCM为放大器输出共模电压，单位为伏特；VOS为失调电压，单位为伏特；
所述采样复位信号时刻的输出电压V和用于图像传感器的可编程增益放大器的放大器输出共模电压VCM和失调电压VOS项差别很小；将放大器输出共模电压VCM和采样复位信号时刻的输出V做模拟域信号相减或模数转换后做数字相减，相减后的输出只剩下放大后有效信号项，由此减小运算放大器失调电压作用于图像传感器列固定模式噪声。
进一步的，本发明降低列固定模式噪声方法，采用本发明可编程器增益放大器对图像传感器的信号进行处理，包括以下步骤：
S1、开关S1和开关S2闭合，直流失调消除电容CC采样运算放大器的失调电压，并存储在直流失调消除电容CC中；
S2、开关S1和开关S2断开，开关S3闭合，图像传感器的复位信号存储于采样电容CS中；此时，运算放大器的输出为采样复位信号时刻的输出电压V；
S3、开关S1、开关S2和开关S3都断开，图像传感器的光电信号从pixle_in端输入，通过开关电容电路的放大，用于图像传感器的可编程增益放大器放大后输出达到图像传感器的有效图像信号，从而消除了像素固定模式噪声和复位热噪声，进而最小化运算放大器的失调电压对图像传感器列固定模式噪声的影响，即降低了失调电压所引起的图像传感器列固定模式噪声。
本发明可编程器增益放大器及降低列固定模式噪声方法的有益技术效果是通过负反馈的直流失调消除电路减少运算放大器失调电压对可编程增益放大器输出的影响，通过模拟域或数字域相减，最小化运算放大器的失调电压对输出电压的影响，有效的降低运放失调电压引起的图像列固定模式噪声，从而提高了图像成像质量。
附图说明
附图1是现有技术带有失调消除技术的可编程器增益放大器的电路图；
附图2是本发明用于图像传感器的可编程器增益放大器的电路图；
附图3是本发明降低列固定模式噪声方法的步骤示意图。
下面结合附图及具体实施例对本发明可编程器增益放大器及降低列固定模式噪声方法作进一步的说明。
具体实施方式
附图2是本发明可编程器增益放大器的电路图，由图可知，本发明可编程器增益放大器，通过将放大器输出共模电压和采样复位信号时刻的输出电压做模拟域信号相减或模数转换后做数字域相减，最小化运算放大器的失调电压对输出电压的影响，从而降低运放失调电压引起的图像列固定模式噪声。
进一步的，本发明可编程器增益放大器，包括主放大器、负反馈的直流失调消除电路、放大功能的开关电容电路；
所述主放大器为差分输入、单端输出放大器；并且，所述主放大器为一级差分结构或者二级差分结构，用作缓冲和放大功能；
所述负反馈的直流失调消除电路用于最小化运算放大器失调电压对图像传感器引起的列固定模式噪声；电路包括主放大器、直流失调消除电容CC、开关S1和S2；
所述主放大器正输入端接共模电压，负输入端与直流失调消除电容CC和开关S1一端相接，输出端为可编程增益放大器的输出端；
所述的直流失调消除电容CC另一端接采样开关S2的一端；
所述的采样开关S2另一端接共模电平VCM；
所述开关S1另一端接可编程增益放大器的输出端；
所述放大功能的开关电容电路与主放大器组成可编程放大功能，开关电容电路包括可编程电容CS、可编程电容CF、开关S3；
所述可编程电容CS一端接图像传感器像素列的输出，另一端与可编程电容CF的一端、开关S3的一端相接；
所述可编程电容CS和S3另一端接可编程增益放大器的输出端；
所述放大功能的开关电容电路与负反馈的直流失调消除电路有公有节点；
可编程电容CS、可编程电容CF、开关S3端口相连节点与一端开关S2一端与直流失调消除电容CC相连节点相连接；
所述主放大功能的开关电容电路、负反馈的直流失调消除电路与主放大器有公共节点，公共节点为可编程增益放大器的输出端。
本发明可编程增益放大器通过直流失调消除电路减小了失调电压对输出的影响，输出电压Vout变为：
而现有技术带有失调消除技术的可编程器增益放大器的输出电压Vout为：
两者相比，本发明可编程增益放大器的输出电压减少了一项；这样，减小了运算放大器失调电压所引起的图像传感器的列固定模式噪声，从而提高了图像成像质量。
附图3是本发明降低列固定模式噪声方法的步骤示意图，由图可知，本发明降低列固定模式噪声方法，采用本发明可编程器增益放大器对图像传感器的信号进行处理，在时序控制中采样复位信号时刻的输出电压V为：
式中，V为时序控制中采样复位信号时刻的输出电压，单位为伏特；A为放大器的放大倍数；VCM为放大器输出共模电压，单位为伏特；VOS为失调电压，单位为伏特；
所述采样复位信号时刻的输出电压V和用于图像传感器的可编程增益放大器的放大器输出共模电压VCM和失调电压VOS项差别很小；将放大输出输出共模电压VCM和采样复位信号时刻的输出V做模拟域信号相减或模数转换后做数字相减，相减后的输出只剩下放大后有效信号项，由此减小运算放大器失调电压作用于图像传感器列固定模式噪声。
本发明降低列固定模式噪声方法，采用本发明可编程器增益放大器对图像传感器的信号进行处理，包括以下步骤：
S1、开关S1和开关S2闭合，直流失调消除电容CC采样运算放大器的失调电压，并存储在直流失调消除电容CC中；
S2、开关S1和开关S2断开，开关S3闭合，图像传感器的复位信号存储于采样电容CS中；此时，运算放大器的输出为采样复位信号时刻的输出电压V；
S3、开关S1、开关S2和开关S3都断开，图像传感器的光电信号从pixle_in端输入，通过开关电容电路的放大，用于图像传感器的可编程增益放大器放大后输出达到图像传感器的有效图像信号，从而消除了像素固定模式噪声和复位热噪声，进而最小化运算放大器的失调电压对图像传感器列固定模式噪声的影响，即降低了失调电压所引起的图像传感器列固定模式噪声。
本发明实施例的可编程增益放大器的电路比现有技术失调消除技术的可编程器增益放大器只多出一个失调采样电容，通过负反馈的直流失调消除电路减少运算放大器失调电压对可编程增益放大器输出的影响，通过模拟域或数字域相减，最小化运算放大器的失调电压对输出电压的影响，因此，本发明可编程器增益放大器比现有技术失调消除技术的可编程器增益放大器能更有效、更彻底的减小运算放大器失调电压作用于图像传感器列固定模式噪声；并且，易于在图像传感器列级可编程器增益电路中实现。
本发明可编程器增益放大器及降低列固定模式噪声方法的有益技术效果是通过负反馈的直流失调消除电路减少运算放大器失调电压对可编程增益放大器输出的影响，通过模拟域或数字域相减，最小化运算放大器的失调电压对输出电压的影响，有效的降低运放失调电压引起的图像列固定模式噪声，从而提高了图像成像质量。
显然，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的饱和范围。

Claims (4)

1.一种可编程器增益放大器，其特征在于，通过将放大器输出共模电压和采样复位信号时刻的输出电压做模拟域信号相减或模数转换后做数字域相减，最小化运算放大器的失调电压对输出电压的影响，从而降低运放失调电压引起的图像列固定模式噪声。
2.根据权利要求1所述可编程器增益放大器，其特征在于，该可编程器增益放大器包括主放大器、负反馈的直流失调消除电路、放大功能的开关电容电路；
所述主放大器为差分输入、单端输出放大器；并且，所述主放大器为一级差分结构或者二级差分结构，用作缓冲和放大功能；
所述负反馈的直流失调消除电路用于最小化运算放大器失调电压对图像传感器引起的列固定模式噪声；电路包括主放大器、直流失调消除电容CC、开关S1和S2；
所述主放大器正输入端接共模电压，负输入端与直流失调消除电容CC和开关S1一端相接，输出端为可编程增益放大器的输出端；
所述的直流失调消除电容CC另一端接采样开关S2的一端；
所述的采样开关S2另一端接共模电平VCM；
所述开关S1另一端接可编程增益放大器的输出端；
所述放大功能的开关电容电路与主放大器组成可编程放大功能，开关电容电路包括可编程电容CS、可编程电容CF、开关S3；
所述可编程电容CS一端接图像传感器像素列的输出，另一端与可编程电容CF的一端、开关S3的一端相接；
所述可编程电容CS和S3另一端接可编程增益放大器的输出端；
所述放大功能的开关电容电路与负反馈的直流失调消除电路有公有节点；
可编程电容CS、可编程电容CF、开关S3端口相连节点与一端开关S2一端与直流失调消除电容CC相连节点相连接；
所述主放大功能的开关电容电路、负反馈的直流失调消除电路与主放大器有公共节点，公共节点为可编程增益放大器的输出端。
3.一种降低列固定模式噪声方法，其特征在于，采用权利要求1或2所述可编程器增益放大器对图像传感器的信号进行处理，在时序控制中采样复位信号时刻的输出电压V为：
V = 1 1 + 1 A [ ( 1 + 1 A + 1 ) V C M + ( 1 A + 1 ) V O S ]
式中，V为时序控制中采样复位信号时刻的输出电压，单位为伏特；A为放大器的放大倍数，无量纲；VCM为放大器输出共模电压，单位为伏特；VOS为失调电压，单位为伏特；
所述采样复位信号时刻的输出电压V和可编程增益放大器的放大器输出共模电压VCM和失调电压VOS项差别很小；将放大输出输出共模电压VCM和采样复位信号时刻的输出V做模拟域信号相减或模数转换后做数字相减，相减后的输出只剩下放大后有效信号项，由此，减小运算放大器失调电压作用于图像传感器列固定模式噪声。
4.根据权利要求3所述降低列固定模式噪声方法，其特征在于，采用权利要求1或2所述可编程器增益放大器对图像传感器的信号进行处理，包括以下步骤：
S1、开关S1和开关S2闭合，直流失调消除电容CC采样运算放大器的失调电压，并存储在直流失调消除电容CC中；
S2、开关S1和开关S2断开，开关S3闭合，图像传感器的复位信号存储于采样电容CS中；此时，运算放大器的输出为采样复位信号时刻的输出电压V；
S3、开关S1、开关S2和开关S3都断开，图像传感器的光电信号从pixle_in端输入，通过开关电容电路的放大，可编程增益放大器放大后输出达到图像传感器的有效图像信号，从而消除了像素固定模式噪声和复位热噪声，进而最小化运算放大器的失调电压对图像传感器列固定模式噪声的影响，即降低了失调电压所引起的图像传感器列固定模式噪声。
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