CN109787563B - 一种基于运放失调补偿的相关双采样电路 - Google Patents

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Abstract

一种基于运放失调补偿的相关双采样电路，属于集成电路领域。采样阶段首先利用第一采样电容采样复位电平信号，再利用第二采样电容采样输入信号，同时复位运算放大器，利用失调存储电容存储运算放大器负输入端的失调电压；电荷转移阶段将存储在第一采样电容上的复位电平信号和第二采样电容上的输入信号的差值通过电荷转移电容和失调存储电容转移到运算放大器的输出端，得到的消除了失调电压的运算放大器的输出电压作为相关双采样电路的输出电压。本发明通过对运放失调电压进行存储实现对输出电压进行补偿；输出端电压为输入信号与复位电平信号的差值，输入信号没有产生衰减。

Description

一种基于运放失调补偿的相关双采样电路
技术领域
本发明属于集成电路领域，尤其涉及一种基于运放失调补偿的相关双采样电路。
背景技术
随着手机、微型相机、行车记录仪等移动设备的快速发展，CMOS图像传感器以其高集成度、低成本、性能优良等特性而受到市场的欢迎，但是CMOS图像传感器容易受到噪声的干扰，主要有CMOS图像传感器中像素的复位噪声、1/f噪声以及像素内的固定模式噪声，CMOS读出电路自身的白噪声、1/f噪声以及有源器件之间失配引入的固定模式噪声。所以，CMOS图像传感系统对读出电路的要求也越来越高。
相关双采样电路通过对复位电平以及信号电平进行两次采样，得到信号电平与复位电平的差值，从而消除CMOS图像传感器像素的复位噪声、1/f噪声以及像素内的固定模式噪声等低频噪声。但是相关双采样电路自身含有的有源器件会引入新的失调与低频噪声，从而引入列级固定模式噪声。所以，如何降低相关双采样电路自身引入的噪声就变得很有意义。
如图3所示是一种传统的相关双采样结构，在采样阶段，开关S9闭合，通过电容C5对复位电平信号Vrst进行采样，开关S10与开关S11闭合，通过电容C6对输入信号Vsig进行采样；在电荷转移阶段，开关S12、S13闭合，开关S14断开，电容C5和电容C6上存储的输入信号Vsig和复位电平Vrst的差值转移到反馈电容C7上，实际电路中，电容C5和电容C6取相同的容值；
根据电荷变化，有如下表达式：
Figure BDA0001947342850000011
其中，A为运放增益，Vos为运放失调电压；
化简后得到输出电压Vout：
Figure BDA0001947342850000012
从式(2)中可以看出，为了减小失调电压Vos的比例，需要减小电容C6与电容C7容值的比例，这就不可避免地衰减了输入信号与复位电平的差值。
发明内容
针对上述传统相关双采样电路中运放自身引入的失调电压产生的固定模式噪声问题，本发明提出了一种能够补偿运放失调电压的相关双采样电路，通过对运放失调电压进行存储来对输出电压进行补偿，能够使得输出端电压为输入信号与复位电平信号的差值。
本发明的技术方案为：
一种基于运放失调补偿的相关双采样电路，包括运算放大器、第一采样电容、第二采样电容、电荷转移电容、失调存储电容、第一采样开关、第二采样开关、第一状态切换开关、第二状态切换开关、第三状态切换开关、第四状态切换开关、第五状态切换开关和复位开关，
第一采样电容的一端一方面通过第一采样开关后连接复位电平信号，另一方面通过第一状态切换开关后接地，其另一端连接第二采样电容的一端并通过第二状态切换开关后接地；
电荷转移电容的一端连接第二采样电容的另一端并分别通过第二采样开关后连接输入信号和通过第三状态切换开关后连接参考电平，其另一端连接运算放大器的负输入端和失调存储电容的一端并通过复位开关后连接运算放大器的输出端；
失调存储电容的另一端一方面通过第四状态切换开关后连接参考电平，另一方面通过第五状态切换开关后连接运算放大器的输出端；
运算放大器的正输入端连接参考电平，其输出端作为所述相关双采样电路的输出端。
具体的，所述第一采样开关和第二采样开关采用衬底偏置的栅压自举开关电路。
具体的，所述电荷转移电容和失调存储电容的电容值相等。
本发明的有益效果为：本发明通过对运放失调电压进行存储实现对输出电压进行补偿；输出端电压为输入信号与复位电平信号的差值，输入信号没有产生衰减。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于运放失调补偿的相关双采样电路的结构示意图。
图2为本发明提出的一种基于运放失调补偿的相关双采样电路在实施例中的开关切换时序图。
图3为一种传统的相关双采样电路的结构示意图。
图4为本发明提出的一种基于运放失调补偿的相关双采样电路中所采用的运算放大器的失调电压分别为0mV和20.1mV时的输出端电压波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图通过实例来进一步说明本发明。
如图1所示是本发明提出的一种基于运放失调补偿的相关双采样电路，包括运算放大器、第一采样电容C1、第二采样电容C2、电荷转移电容C3、失调存储电容C4、第一采样开关S1、第二采样开关S2、第一状态切换开关S3、第二状态切换开关S4、第三状态切换开关S5、第四状态切换开关S7、第五状态切换开关S8和复位开关S6，第一采样电容C1的一端一方面通过第一采样开关S1后连接复位电平信号Vrst，另一方面通过第一状态切换开关S3后接地，其另一端连接第二采样电容C2的一端并通过第二状态切换开关S4后接地；电荷转移电容C3的一端连接第二采样电容C2的另一端并分别通过第二采样开关S2后连接输入信号Vsig和通过第三状态切换开关S5后连接参考电平Vref，其另一端连接运算放大器的负输入端和失调存储电容C4的一端并通过复位开关S6后连接运算放大器的输出端；失调存储电容C4的另一端一方面通过第四状态切换开关S7后连接参考电平Vref，另一方面通过第五状态切换开关S8后连接运算放大器的输出端；运算放大器的正输入端连接参考电平Vref，其输出端作为相关双采样电路的输出端。输入信号Vsig的电压值为Vsig，复位电平信号Vrst的电压值为Vrst，参考电平Vref的电压值为Vref。
一些实施例中，第一采样开关和第二采样开关可以采用衬底偏置的栅压自举开关电路来减小由于采样开关导通电阻变化引入的非线性。
下面结合时序控制详细说明本实施例的工作原理，值得说明的是，本实施例中只是给出了开关的一种时序控制：
在采样阶段包括两个周期，第一个周期中，第一采样开关S1、第二状态切换开关S4闭合，通过第一采样电容C1对复位电平信号Vrst进行采样；第二个周期中，第一采样开关S1关断，第二采样开关S2闭合，通过第二采样电容C2对输入信号Vsig进行采样，同时，运算放大器通过复位开关S6进行复位，第四状态切换开关S7闭合，失调存储电容C4对运算放大器负输入端的失调电压Vos进行存储。
在电荷转移阶段，将在采样阶段闭合的开关全部关断，即第一采样开关S1、第二采样开关S2、第二状态切换开关S4、复位开关S6、第四状态切换开关S7全部关断，需要注意的是，第二状态切换开关S4要比第二采样开关S2提前关断，这样可以减小第二采样开关S2电荷注入带来的非线性。第一状态切换开关S3、第三状态切换开关S5、第五状态切换开关S8闭合，存储在第一采样电容C1上的复位电平信号Vrst和存储在第二采样电容C2上的输入信号Vsig的差值Vsig-Vrst通过电荷转移电容C3和失调存储电容C4转移运算放大器的输出端Vout。
根据运放输入负端电荷守恒，有如下表达式：
Figure BDA0001947342850000031
本实施例中优选电荷转移电容C3和失调存储电容C4取相同的容值，化简后得到：
Figure BDA0001947342850000041
从式(4)中可以看出，在运放增益不影响的条件下，最终的输出电压Vout中只含有输入信号Vsig和复位电平信号Vrst的差值Vsig-Vrst，由于电荷守恒，运放负输入端的两个电容在复位开关S6关断前后电荷相等，要保证式(2)等式两端出现等量的失调电压，即关断前后两个电容一端都要有失调电压，而在采样阶段存储失调存储电容C4存储了失调电压Vos，导致运放复位和反馈状态都存在失调电压，因此输出电压Vout中失调电压Vos被消去，而且信号没有产生衰减。
本实施例中第一采样开关S1、第二采样开关S2、第一状态切换开关S3处于非交叠状态，第一状态切换开关S3、第三状态切换开关S5、第五状态切换开关S8同时闭合和关断，第二状态切换开关S4、复位开关S6、第四状态切换开关S7同时闭合和关断，第三状态切换开关S5、第五状态切换开关S8与复位开关S6、第四状态切换开关S7不同时导通；且在电荷转移阶段第二状态切换开关S4要比第二采样开关S2提前关断从而减小第二采样开关S2电荷注入带来的非线性。
如图4所示是运算放大器的失调电压分别为0mV和20.1mV时的输出端电压Vout波形示意图，当运放失调电压Vos＝20.1mV时，运算放大器处于复位状态，此时失调电压存储在失调存储电容C4上。可以得到，失调电压Vos＝20.1mV与Vos＝0mV两种情况下，运放输出端电压Vout完全相等，输出电压Vout中失调电压被补偿；并且，输出电压Vout等于输入信号Vsig与复位电平信号Vrst的差值，输入信号没有产生衰减。
综上，本发明提出的相关双采样电路，通过对运放失调电压进行存储实现对输出电压进行补偿；输出端电压为输入信号与复位电平信号的差值，输入信号没有产生衰减，能够降低相关双采样过程中由于列读出电路间运放失调电压的失配引入的固定模式噪声，提高图像成像质量。
以上实例仅用以说明本发明的技术方案。本发明所述的运放失调电压存储的相关双采样电路可以替换为其他基于本发明内容的相关双采样电路，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本方向的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利保护范围当中。

Claims (3)

1.一种基于运放失调补偿的相关双采样电路，其特征在于，包括运算放大器、第一采样电容、第二采样电容、电荷转移电容、失调存储电容、第一采样开关、第二采样开关、第一状态切换开关、第二状态切换开关、第三状态切换开关、第四状态切换开关、第五状态切换开关和复位开关，
第一采样电容的一端一方面通过第一采样开关后连接复位电平信号，另一方面通过第一状态切换开关后接地，其另一端连接第二采样电容的一端并通过第二状态切换开关后接地；
电荷转移电容的一端连接第二采样电容的另一端并分别通过第二采样开关后连接输入信号和通过第三状态切换开关后连接参考电平，其另一端连接运算放大器的负输入端和失调存储电容的一端并通过复位开关后连接运算放大器的输出端；
失调存储电容的另一端一方面通过第四状态切换开关后连接参考电平，另一方面通过第五状态切换开关后连接运算放大器的输出端；
运算放大器的正输入端连接参考电平，其输出端作为所述相关双采样电路的输出端；
在采样阶段包括两个周期，第一个周期中，第一采样开关和第二状态切换开关闭合，通过第一采样电容对所述复位电平信号进行采样；第二个周期中，第一采样开关关断，第二采样开关闭合，通过第二采样电容对所述输入信号进行采样，同时复位开关闭合将运算放大器复位，第四状态切换开关闭合，失调存储电容存储运算放大器负输入端的失调电压；
在电荷转移阶段，将第一采样开关、第二状态切换开关、第二采样开关、复位开关和第四状态切换开关关断，且第二状态切换开关比第二采样开关提前关断；第一状态切换开关、第三状态切换开关、第五状态切换开关闭合，存储在第一采样电容上的复位电平信号和存储在第二采样电容上的输入信号的差值通过电荷转移电容和失调存储电容转移到运算放大器的输出端。
2.根据权利要求1所述的基于运放失调补偿的相关双采样电路，其特征在于，所述第一采样开关和第二采样开关采用衬底偏置的栅压自举开关电路。
3.根据权利要求1或2所述的基于运放失调补偿的相关双采样电路，其特征在于，所述电荷转移电容和失调存储电容的电容值相等。
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