CN112399103B - 一种用于tof图像传感器的复位噪声抑制方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于TOF图像传感器的复位噪声抑制方法，该方法基于双浮动扩散（Floating Diffusion,FD）结构，通过在像素内增加一个等效的复位管，在不显著增加像素面积和功耗的前提下，实现对像素内浮动扩散节点在复位过程中引入的复位噪声的抑制；双FD结构相对于单FD结构和4‑FD结构，在帧率和FD一致性之间取得了良好的折衷。

Description

一种用于TOF图像传感器的复位噪声抑制方法
技术领域
本发明属于模拟集成电路设计领域，尤其涉及一种用于TOF图像传感器的复位噪声抑制方法。
背景技术
三维图像传感器能够感知物体的深度信息，适应了自动驾驶、工业自动化、机器视觉等诸多新兴领域的应用需求，具有广泛的应用前景。
基于飞行时间法（Time-of-Flight，TOF）的三维成像技术具有小体积、低功耗、低成本、高精度的优点，因而得以广泛应用。经典TOF图像传感器的像素结构示意图如图1，由光电二极管，转移栅，电荷存储单元和电荷-电压转换单元组成。工作时，电荷存储单元先进行第一次复位，而后光电二极管产生的光生电荷通过转移栅进入存储单元积分并读出，得到光生信号电平，继而电荷存储单元第二次复位并读出复位电平，进行相关双采样（Correlated Double Sampling, CDS），由复位电平减去光生信号电平得到有效像素输出。由于光生信号电平中的复位噪声和复位电平中的复位噪声不相关，在进行相关双采样之后，复位噪声会增大为原先的
Figure 825445DEST_PATH_IMAGE001
倍，使成像性能恶化。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明一种用于TOF图像传感器的复位噪声抑制方法，解决TOF图像传感器因为两次读出中的复位噪声不相关，复位噪声显著的问题。
图2给出了本发明中TOF像素的结构，由光电二极管PD，两个传输管MTX0、MTX180，两个复位管MRST1、MRST2，两个浮动扩散结点FD1、FD2，两个共漏管MSF1、MSF2，两个行选管MR1、MR2以及一个等效复位管MER组成，CFD1、CFD2分别为FD1、FD2到地GND的电容，I1、I2是两个电流源，分别为MSF1、MSF2提供偏置电流。PD通过传输管MTX0、MTX180分别与FD1、FD2相连，复位管MRST1、MRST2分别连接FD0、FD1与电源VDD。MSF1、I1和MSF2、I2组成两个源级跟随器，分别读出FD1、FD2的电压，该电压通过行选管MR1、MR2输出到列读出电路。
一种用于TOF图像传感器的复位噪声抑制方法，工作过程可以分为复位、噪声平均、曝光、信号读出四个阶段。在复位阶段，复位管的控制信号RST信号置高，FD1和FD0复位，复位后FD1上的电压VFD1,1=Vrst+Vnoise，其中Vrst为复位电压，Vnoise1为FD1节点在复位过程中引入的复位噪声；复位后FD2上的电压VFD2,1=Vrst+Vnoise2，Vnoise2为FD2节点在复位过程中引入的复位噪声。在噪声平均阶段，RST信号置低，MEQ的控制信号EQ置高，MEQ导通，FD1和FD2上的复位噪声就在FD1和FD2上平均分配，FD1和FD2的电压上的电压相等，记为VEQRST=(VFD1,1+VFD2,1)/2=Vrst+(Vnoise1+ Vnoise2)/2。在曝光阶段，ER信号置低，MEQ关断，两个传输管的控制信号TX0和TX180反相地置高或置低，光生电荷根据TX0和TX180转移到FD1或FD2处并积分。该阶段结束后FD1上的电压Vsig.FD1=VEQRST-Vsig1，FD2上的电压Vsig,FD2=VEQRST-Vsig2，其中Vsig1和Vsig2分别代表在曝光期间转移到FD1和FD2上的光信号，包括背景光的信号。在信号读出阶段，行选管控制信号ROW先置高，而后再将EQ置高，MEQ再次导通，后级差分电路采样到的差分输入
Figure 302212DEST_PATH_IMAGE002
，不含复位噪声成分Vnoise1和Vnoise2。
一种应用于TOF图像传感器的像素复位噪声抑制方法，该方法基于双浮动扩散（Floating Diffusion, FD）结构，通过在像素内增加一个等效的复位管，在不显著增加像素面积和功耗的前提下，实现对像素内浮动扩散节点在复位过程中引入的复位噪声的抑制；双FD结构相对于单FD结构和4-FD结构，在帧率和FD一致性之间取得了良好的折衷。
附图说明
图1是经典TOF像素结构图示意图；
图2是实现有效复位噪声抑制的像素结构电路图；
图3是像素控制信号时序图；
图4是像素结构平面图。
具体实施方式
下面根据附图对本发明技术方案进行详细说明，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
一种用于TOF图像传感器的像素复位噪声抑制方法，该方法的一种像素实现结构如图4所示，图2中的感光区域PD采用埋层光电二极管（Pinned Photodiode, PPD）结构，并将其划分成左右两个完全相同的分离的PPD。将浮动扩散区域放置在两个PPD之间并通过传输管MTX0、MTX180与PPD连接，TG0和TG180分别为MTX0、MTX180的控制信号。采用本发明中的像素结构构成64×64的像素阵列，调制光源采用连续波调制的近红外光源。在复位阶段，FD1、FD2以及两个PPD全部复位，FD的复位会在FD1和FD2内引入不相关的复位噪声电荷；等效复位阶段，FD1和FD2通过二者之间的传输栅相连，复位噪声电荷在两个FD中平均分布；在读出阶段，存在FD1和FD2中的相同的复位噪声由于差分操作而被消除。

Claims (1)

1.一种用于TOF图像传感器的复位噪声抑制方法，其特征在于：所述TOF图像传感器像素的特征是由光电二极管PD、两个传输管MTX0和MTX180、两个复位管MRST1和MRST2、两个浮动扩散节点FD1和FD2、两个共漏管MSF1和MSF2、两个行选管MR1和MR2以及一个传输管MEQ组成，所述MTX0两端分别与所述PD和所述FD1连接，所述MTX180两端分别与所述PD和所述FD2连接，所述MEQ两端分别与所述FD1和所述FD2连接，所述MSF1、MSF2栅极分别与所述FD1、FD2连接，所述MR1、MR2漏极分别与所述MSF1、MSF2连接；
在复位阶段，所述MRST1、MRST2的控制信号RST信号置高，所述FD1和FD2复位，复位后所述FD1上的电压VFD1，1＝Vrst+Vnoise1，其中Vrst为复位电压，Vnoise1为FD1在复位过程中引入的复位噪声；复位后所述FD2上的电压VFD2，1＝Vrst+Vnoise2，Vnoise2为所述FD2在复位过程中引入的复位噪声；
在噪声平均阶段，所述RST信号置低，所述MEQ的控制信号EQ置高，所述MEQ导通，所述FD1和所述FD2上的复位噪声在所述FD1和所述FD2上平均分配，所述FD1和所述FD2电压相等，记为VEQRST＝Vrst+(Vnoise1+Vnoise2)/2；
在曝光阶段，所述EQ信号置低，所述MEQ关断，所述MTX0和所述MTX180的控制信号TX0和TX180反相地置高或置低，光生电荷根据所述TX0和所述TX180的状态转移到所述FD1或所述FD2处并积分；该阶段结束后所述FD1上的电压Vsig，FD1＝VEQRST-Vsig1，所述FD2上的电压Vsig，FD2＝VEQRST-Vsig2，其中Vsig1和Vsig2分别代表在曝光期间转移到所述FD1和所述FD2上的光信号，包括背景光的信号；
在信号读出阶段，所述MR1和所述MR2的控制信号ROW先置高，而后再将所述EQ置高，后级差分电路采样所述MSF1和所述MSF2的差分输出，该差分输出不含噪声Vnoise1和Vnoise2。
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