CN110832847B - 适用于cmos成像传感器的超低噪声放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低噪声放大器。该放大器包括：信号放大器，其具有放大器信号输出；第一滤波电容器；缓冲放大器，其具有缓冲放大器输入和缓冲放大器输出；和开关网络。第一滤波电容器具有第一和第二端子。第二端子连接至电源轨。在第一时间段期间，放大器信号输出通过第一直流路径连接至缓冲放大器输入，并且缓冲放大器通过第二直流路径连接至第一滤波电容器的第一端子。在第二时间段内，放大器信号输出通过第三直流路径直接连接至第一滤波电容器的第一端子，并且在第三时间段内，通过电阻将放大器信号输出到第一滤波电容器的第一端子。

Description

适用于CMOS成像传感器的超低噪声放大器
技术领域
本发明涉及适用于CMOS成像传感器的超低噪声放大器。
背景技术
CMOS成像传感器通常具有像素传感器的二维阵列，其被组织为多个行和列。每个像素传感器都包括一个光电二极管，该光电二极管在曝光期间测量该像素传感器接收的光。给定列中的每个像素传感器都通过像素传感器中的栅极连接至位线。位线上的信号在读出期间由列放大器放大，放大后的样本存储在采样保持电容器中，以进行进一步处理，以提供表示像素传感器在曝光期间接收的光量的数字值。列放大器和采样保持电路中的读出噪声在将数字值中的总噪声降低到明显小于将单个光电子加到由像素传感器中的光电二极管产生的光电荷中所产生的信号的水平方面带来了挑战。
用于减小读出噪声的现有技术方案在读出电路中需要大电容器。由于通常每列只有一个读出电路，因此提供这些电容器所需的总空间会显著增加成像阵列的面积，从而增加成本。
发明内容
本发明包括低噪声放大器和利用该低噪声放大器的成像阵列。低噪声放大器包括：信号放大器，其具有放大器信号输出；第一滤波电容器；缓冲放大器，其具有缓冲放大器输入和缓冲放大器输出；和开关网络。第一滤波电容器具有第一和第二端子。第二端子连接至电源轨。开关网络在第一时间段期间通过第一直流路径将放大器信号输出连接至缓冲放大器输入，并且通过第二直流路径将缓冲放大器输出连接至第一滤波电容器的第一端子。开关网络还在第二时间段期间通过第三直流路径将放大器信号输出直接连接至第一滤波电容器的第一端子，并在第三时间段期间通过电阻器将放大器信号输出连接至第一滤波电容器的第一端子。
在本发明的一个方面，第一时间段在第二时间段之前，第二时间段在第三时间段之前。
在本发明的另一方面，缓冲放大器具有基本等于一的增益。
在本发明的另一方面，低噪声放大器还包括控制器，该控制器测量缓冲放大器输入与缓冲放大器输出之间的差值，当该差值小于预定阈值时，该控制器使设备从第一时间段切换至第二时间段。
在本发明的另一方面，第一时间段和第二时间段是固定的。
在本发明的另一方面，在第二时间段和第三时间段期间，缓冲放大器输出与第一滤波电容器断开连接。
在本发明的另一方面，信号放大器包括具有大于一的增益的电容性互阻放大器。
该成像阵列包括：读出线导体；多个像素传感器，每个像素传感器响应于字选择信号而耦合到读出线导体；以及列放大器，其连接到读出线导体。列放大器包括：信号放大器，其具有放大器信号输出；第一滤波电容器；缓冲放大器，其具有缓冲放大器输入和缓冲放大器输出；以及开关网络。开关网络在第一时间段期间通过第一直流路径将放大器信号输出连接至缓冲放大器输入，并且通过第二直流路径将缓冲放大器输出连接至第一滤波电容器的第一端子。开关网络还在第二时间段期间通过第三直流路径将放大器信号输出直接连接至第一滤波电容器的第一端子，并在第三时间段期间通过电阻器将放大器信号输出连接至第一滤波电容器的第一端子。
在本发明的一个方面，第一时间段在第二时间段之前，第二时间段在第三时间段之前。
在本发明的另一方面，缓冲放大器具有基本等于一的增益。
在本发明的另一方面，成像阵列还包括控制器，该控制器测量缓冲放大器输入与缓冲放大器输出之间的差值，当该差值小于预定阈值时，该控制器使设备从第一时间段切换至第二时间段。
在本发明的另一方面，缓冲放大器具有大于一的增益。
在本发明的另一方面，第一时间段和第二时间段是固定的。
在本发明的另一方面，在第二时间段和第三时间段期间，缓冲放大器输出与第一滤波电容器断开连接。
在本发明的另一方面，信号放大器包括具有大于一的增益的电容性互阻放大器。
附图说明
图1示出了根据本发明的一个实施例的二维成像阵列。
图2示出了现有技术的遭受读出噪声问题的列读出放大器的一个实施例。
图3示出了另一种现有技术的列放大器，其减少了电容器44的充电时间。
图4示出了使用图3所示的列放大器布置的相关双采样成像阵列中的读出方案的时序图。
图5示出了根据本发明的一个实施例的列放大器。
图6示出了使用图5所示的列放大器布置的相关双采样成像阵列中的读出方案的时序图。
图7示出了本发明的一个实施例，其利用更高增益的放大器来加速滤波电容器的充电。
具体实施方式
参照图1和图2，可以更容易地理解本发明提供其优点的方式。图1示出了根据本发明的一个实施例的二维成像阵列。矩形成像阵列80包括像素传感器81。每个像素传感器具有光电二极管86。下面将更详细地讨论像素传感器的操作方式。每个像素中的复位电路和放大电路在87处示出。像素传感器被布置为多个行和列。在94和95处示出了示例性的行。一列中的每个像素传感器被连接至由该列中的所有像素传感器共享的读出线83。一行中的每个像素传感器连接至行选择线82，行选择线82确定该行中的像素传感器是否连接至相应的读出线。
矩形成像阵列80的操作由控制器92控制，该控制器92接收要读出的像素地址。控制器92生成行选择地址，该行选择地址由行解码器85使用以使得能够读出矩形成像阵列80中的对应行上的像素传感器。列放大器被包括在执行读出算法的列放大器84的阵列中，这将在下文更详细地讨论。给定行中的所有像素传感器都是并行读取的；因此，每条读出线83有一个列放大和模数转换器(ADC)电路。列处理电路将在下文更详细地讨论。
当将矩形成像阵列80复位并且然后在成像曝光期间将其曝光时，每个光电二极管累积取决于该光电二极管的曝光量和光转换效率的电荷。当读出与该光电二极管相关联的像素传感器的行时，该像素传感器中的复位放大电路87将该电荷转换为电压。该电压耦合到相应的读出线83，并由与所讨论的读出线相关联的放大和ADC电路来处理，以产生表示在成像曝光期间入射在像素传感器上的光量的数字值。
现在参考图2，其示出了现有技术的遭受读出噪声问题的列读出放大器的一个实施例。为了简化附图，图中仅示出了由互阻放大器30供应的像素传感器列中的单个像素传感器21。当要读出如图2所示的列中的诸如像素传感器21之类的像素传感器时，通过经由字线24上的信号使栅极23处于导通状态，从而将像素传感器连接至读出线22。如将在下文更详细解释的，读出过程涉及许多步骤和测量。对于来自像素传感器21的电压的每次测量，读出线22上的电压被互阻放大器30放大，并且所得到的电压被存储在采样保持电路40中的相应电容器上。能够从互阻放大器30转移至电容器42和43的噪声的量取决于从互阻放大器30到所讨论的电容器的信号路径的通带。为了减小噪声，使用具有电容C4的大电容器44来减小该路径的带宽。然而，当电容器44增加时，互阻放大器30的带宽减小；因此，给如此大的电容器充电所需的时间带来了严重的问题。另外，电容器的物理尺寸显著增加了成像阵列的尺寸，因为像素传感器的每一列都需要一个这样的电容器。
现在参考图3，其示出了另一种现有技术的列放大器，其减少了电容器44的充电时间。列放大器32使用电容器55来设置互阻放大器的带宽，同时使用大电容器44来减少到采样保持电容器的信号路径的通带。列放大器32与上文讨论的互阻放大器30的不同之处在于，在放大器35的输出与电容器44之间引入了允许电容器44被充电到接近最终输出电压的初始充电电路50。该电路将电容器44上的电压驱动到接近放大器35的电压输出的值。但是，所获得的初始值具有由缓冲器54引入的大量噪声。然后，通过移除产生噪声的元件并允许电容器44通过低带宽路径达到期望电压来获得最终值。由于电容器44与放大器35的输出之间的电压差大大减小，因此达到平衡的时间减少到可接受的水平。
可以将读出线22上任何给定电压的读出周期视为具有两个阶段。在第一阶段，开关51断开并且开关52和53闭合。缓冲器54将电容器44充电至接近输出电压的电压。在这种配置中，由于来自缓冲器54的噪声，在电容器44的输入上可能存在大量的噪声。在第一时间段结束时，开关52和53断开并且开关51闭合，从而直接将电容器44连接至放大器35的输出并重新建立低带宽路径。然后，在该电压被采样保持电路40捕获之前，通过该低带宽路径校正任何剩余的电压差。
在图4中示出了使用图3所示的列放大器布置的相关双采样成像阵列中的读出方案的时序图。在相关双采样方案中，通过升高复位信号RS而将浮动扩散节点25上的电压复位至VR。复位后的电压被捕获在电容器42上。然后，光电二极管上的电荷被转移到浮动扩散节点25上，浮动扩散节点25上的电压被捕获在电容器43上。捕获的电压差是存储在光电二极管26中的光电荷的量度。每个电压捕获步骤都可以看作是分两个阶段进行的。在第一阶段，通过缓冲器54将电容器44充电至接近放大器35的输出的电压。在第二阶段，通过断开缓冲器54并将电容器44通过开关51的低带宽路径连接至放大器35的输出端，将噪声和放大器35的输出与电容器44上的电压之间的剩余差异去除。
开关46和47由信号S1和S2控制，每个开关被相应的信号变为高电平闭合。开关51-53由信号S3控制。通过将S3置为高电平来闭合开关52和53，并且通过将S3置为低电平来闭合开关51。在相关双采样方案中，通过升高复位信号RS将浮动扩散节点25上的电压复位为VR。复位后的电压被捕获在电容器42上。该测量分两个阶段完成。在阶段111中，缓冲器54被激活并用于对电容器44进行预充电。该周期通过闭合开关52和53来设置。如上所述，该周期的特征在于高水平的噪声。在第一周期结束时，开关52和53断开并且开关51闭合。参照图4，被读出的像素传感器的行由在阶段111的开始处置为高电平的字线Wd确定。通过脉冲RS将浮动扩散节点25复位为VR，并且通过脉冲将放大器35Ar复位。通过将S1和S2置为高电平，开关46和47也在阶段111的开始闭合。在阶段111期间，开关52和53闭合，缓冲器54连接至电容器44。在阶段111期间，电容器44上的信号Vout2具有高电平的噪声，并且可能与放大器35的输出电压产生偏移。在阶段111结束时，开关52和53断开，并且开关51闭合。这使阶段112开始。在阶段112期间，放大器35与电容器44之间的连接的特征在于比阶段111期间的带宽低得多。因此，阶段112的特征在于低噪声。在阶段112结束时，电容器44上的电压将已经稳定并且消除了任何缓冲器偏移电压。然后通过断开开关46将电容器44上的电压捕获在电容器42上。这时，浮动扩散节点25上的电压被捕获在电容器42上。
在光电二极管26上的电荷被转移之后，以两个相似的阶段进行对在浮动扩散节点25上的电压的捕获，在图4中被称为阶段113和阶段114。阶段113开始于通过将Tx脉冲置于高电平而将光电荷转移到浮动扩散节点25。阶段113和114类似于以上讨论的阶段111和112，因此将不详细讨论。在阶段114结束时，开关47打开，从而捕获电容器43上的第二电压水平。
实现图3和4所示的方案提出了两个挑战。首先，为了提供期望的低带宽，电容器44的尺寸需要非常大。在一个示例性实施例中，电容器44的电容需要为约120pF从而以每秒五帧的帧速率实现小于0.3电子的读出噪声。每条读出线需要一个这样的电容器，因此，电容器必须构造在具有水平方向上像素间距的宽度的空间中。对于4微米的像素间距，对于NMOS电容器，电容器极板的长度约为5000微米。相应的芯片尺寸必须增加约5mm，以容纳这些大电容器。
第二个挑战涉及缓冲放大器。为了在合理的时间段内对如此大的电容器充电，缓冲放大器必须能够提供大量电流。该要求增加了缓冲放大器的尺寸，因此，进一步增加了模片的尺寸和读出成像传感器所需的功率。
本发明通过利用需要用于电容器44的较小电容器的低带宽连接并将第三阶段引入电压测量中来克服了这些挑战。现在参考图5，其示出了根据本发明一个实施例的列放大器。列放大器132与上文讨论的列放大器32类似，其中，包括放大器35的电容性互阻放大器的输出在经过具有三个状态的滤波器70和与上面讨论的电容器44类似的滤波电容器144滤波之后被捕获在双采样保持电路140上。如将在下文更详细解释的，电容器144可以是电容器44的一部分，并且仍然提供将噪声减小到小于0.3个电子所需的滤波。列放大器132从读出线22上的电压读出具有三个阶段。在第一阶段，开关152和153闭合，而开关151和156断开。缓冲器154将电容器144充电至与放大器35的输出电压相差小的偏移量的电压。由于电容器144的电容是上述电容器44的电容的一小部分，因此所需的充电电流被大大减小，因此，可以使用较小的缓冲器。如上所述，在该阶段期间，Vout2的特征在于高水平的噪声以及与Vout1的偏移。
在第一阶段结束时，由信号S3控制的开关152和153断开，而开关151和156闭合。开关151由开关信号S4控制，而开关156由S3控制，但是，当开关152和开关153断开时，开关156闭合，反之亦然。在第二阶段期间，消除了电容器144上相对于Vout1的任何偏移电压。然而，由于电容器144比上述电容器44小得多，所以Vout2的特征在于具有在第一阶段的噪声水平与期望的最终低噪声水平之间的噪声水平。
在第二阶段结束时，开关151断开，使电容器144由包括电阻器157和电容器144的低通滤波器而连接至放大器35的输出。在一个示例性实施例中，电容器144的电容为20pF，并且电阻157的电阻为1.2MΩ。由于构造电阻器所需的面积明显小于提供额外的100pF所需的面积，因此可以净减少构造滤波器所需的空间。使用传统的制造工艺，所需的面积减少了约75％，同时提供了更低的噪声。
在图6中示出了使用图5中所示的列放大器布置的相关双采样成像阵列中的读出方案的时序图。如上所述，在相关双采样方案中，通过升高复位信号RS将浮动扩散节点25上的电压复位至VR。复位后的电压被捕获在电容器42上。然后，光电二极管上的电荷被转移到浮动扩散节点25上，浮动扩散节点25上的电压被捕获在电容器43上。捕获的电压差是存储在光电二极管26中的光电荷的量度。这些电压捕获步骤中的每个步骤都可以视为发生在两个阶段。在第一阶段，电容器144被缓冲器154充电到接近放大器35的输出的电压。在第二阶段，通过断开缓冲器154并通过开关151的低带宽路径将电容器144连接至放大器35的输出端，来消除该噪声和放大器35的输出与电容器144上的电压之间的剩余差异。
开关46和47由信号S1和S2控制，将相应的信号置为高电平从而闭合每个开关。开关152、153和156由信号S3控制。将S3置为高电平从而闭合开关152和153，并且将S3置为变低电平从而闭合开关156。将信号S4置为高电平从而闭合开关151。在相关的双采样方案中，通过升高复位信号RS将浮动扩散节点25上的电压复位为VR。复位后的电压被捕获在电容器42上。如上所述，该测量以三个阶段来完成。
在阶段201中，缓冲器154被激活并用于对电容器144进行预充电。通过闭合开关152和153来设置该周期。如上所述，该周期的特征在于高水平的噪声。在第一时间段结束时，开关152和153断开并且开关151和156闭合。这使阶段202开始，在阶段202期间，从电容器144去除任何偏移。在阶段202的结尾，通过将S4置为低电平来断开开关151，从而使开关156仍然闭合。在阶段203期间，电容器144上的电压稳定到期望的低噪声状态。在结束阶段203，此电压被捕获在电容器42上。
在光电二极管26上的电荷被转移之后，在三个类似的阶段中进行对在浮动扩散节点25上的电压的捕获，这被称为阶段204-206。阶段204开始于通过Tx脉冲置于高电平而将光电荷转移到浮动扩散节点25。阶段204-206类似于上面讨论的阶段201-203，因此将不详细讨论。在阶段206的结尾，开关47打开，从而捕获电容器43上的第二电压水平。
在上述实施例中，在读出的第一阶段期间，使用单位增益缓冲放大器来加速滤波电容器的充电速率。但是，也可以构成将较高的增益因数与比较器一起使用从而加速滤波电容器的充电的实施方式。现在参考图7，其示出了本发明的实施例，该实施例利用更高增益的放大器来加速滤波电容器的充电。为了简化下面的讨论，列读出放大器232的那些提供类似于上面关于图5所讨论的功能的元件已经被赋予相同的附图标记，并且这里将不进行详细讨论。在列读出放大器232中，放大器254在读出操作的第一阶段期间对滤波电容器144充电。放大器254的增益大于一，从而进一步加速滤波电容器144的初始充电。比较器251监视Vout1和Vout2之间的电压差。当所监视的电压差小于预定阈值时，控制器250改变S3信号的状态以使系统进入充电周期的第二阶段。电压测量的其余部分与上面关于图5讨论的相同。第一阶段的缩短可用于减少总读出时间或增加第三阶段的建立时间。在移动画面应用中，总的读出时间决定了最大帧速率，因此，缩短的读出时间可以实现更高的帧速率，同时改善噪声。
上述实施例取决于四个电容器，即电容器155、144、42和43。通常，电容器144的电容被选择为远大于其余三个电容器的电容。在一个示例性实施例中，电容器144比其他三个电容器大至少五倍。例如，在一个实施例中，电容器144的电容为20pF，而电容器155、42和43的电容分别为0.5pF，1pF和1pF。
电阻器157和电容器144的尺寸确定电容器144的最终充电路径的RC滤波器时间常数。在一个示例性实施例中，将该RC时间常数设置为大于24微秒。
已经提供了本发明的上述实施例以说明本发明的各个方面。然而，应当理解，可以将在不同的特定实施例中示出的本发明的不同方面进行组合以提供本发明的其他实施例。另外，从前述说明书和附图，对本发明的各种修改将变得显而易见。因此，本发明仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (15)

1.一种设备，包括：
信号放大器，其具有放大器信号输出；
第一滤波电容器；
缓冲放大器，其具有缓冲放大器输入和缓冲放大器输出；和
开关网络，
其中，所述第一滤波电容器具有第一和第二端子，所述第二端子连接至电源轨，并且所述开关网络在第一时间段期间通过第一直流路径将所述放大器信号输出连接至所述缓冲放大器输入，并且通过第二直流路径将所述缓冲放大器输出连接至所述第一滤波电容器的所述第一端子，所述开关网络还在第二时间段期间通过第三直流路径将所述放大器信号输出直接连接至所述第一滤波电容器的所述第一端子，所述开关网络还在第三时间段期间通过电阻器将所述放大器信号输出连接至所述第一滤波电容器的所述第一端子。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一时间段在所述第二时间段之前，所述第二时间段在所述第三时间段之前。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述缓冲放大器具有基本等于一的增益。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备还包括：控制器，其测量所述缓冲放大器输入与所述缓冲放大器输出之间的差值，当所述差值小于预定阈值时，所述控制器使所述设备从所述第一时间段切换至所述第二时间段。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一时间段和所述第二时间段是固定的。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，在所述第二时间段和所述第三时间段期间，所述缓冲放大器输出与所述第一滤波电容器断开连接。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述信号放大器包括具有大于一的增益的电容性互阻放大器。
8.一种成像阵列，包括：
读出线导体；
多个像素传感器，每个像素传感器响应于字选择信号而耦合到所述读出线导体；
列放大器，其连接至所述读出线导体，所述列放大器包括：
信号放大器，其具有放大器信号输出；
第一滤波电容器；
缓冲放大器，其具有缓冲放大器输入和缓冲放大器输出；和
开关网络，
其中所述第一滤波电容器具有第一和第二端子，所述第二端子连接至电源轨，并且所述开关网络在第一时间段期间通过第一直流路径将所述放大器信号输出连接至所述缓冲放大器输入，并且通过第二直流路径将所述缓冲放大器输出连接至所述第一滤波电容器的所述第一端子，所述开关网络还在第二时间段期间通过第三直流路径将所述放大器信号输出直接连接至所述第一滤波电容器的所述第一端子，所述开关网络还在第三时间段期间通过电阻器将所述放大器信号输出连接至所述第一滤波电容器的所述第一端子。
9.根据权利要求8所述的成像阵列，其中，所述第一时间段在所述第二时间段之前，所述第二时间段在所述第三时间段之前。
10.根据权利要求8所述的成像阵列，其中，所述缓冲放大器具有基本等于一的增益。
11.根据权利要求8所述的成像阵列，其中，所述成像阵列还包括：控制器，其测量所述缓冲放大器输入与所述缓冲放大器输出之间的差值，当所述差值小于预定阈值时，所述控制器使所述成像阵列从所述第一时间段切换至所述第二时间段。
12.根据权利要求11所述的成像阵列，其中，所述缓冲放大器具有大于一的增益。
13.根据权利要求8所述的成像阵列，其中，所述第一时间段和所述第二时间段是固定的。
14.根据权利要求8所述的成像阵列，其中在所述第二时间段和所述第三时间段期间，所述缓冲放大器输出与所述第一滤波电容器断开连接。
15.根据权利要求8所述的成像阵列，其中，所述信号放大器包括具有大于一的增益的电容性互阻放大器。
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