CN115866428B - 类似于sigma-delta的相关多次采样读出电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种类似于sigma‑delta的相关多次采样读出电路，包括有源像素模块、斩波器模块、相关多次采样解调器、模拟数字转换器模块；斩波器模块包括一号开关、二号开关、三号开关、四号开关和差分放大器；相关多次采样解调器由n个并联的采样电容、4n个采样开关、信号采集电容、一号复位开关和运算放大器组成。本发明中相关多次采样电路对于信号处理类似于低通滤波器，对于噪声处理类似于高通滤波器，其滤波效果与CMS的次数有关，使用开关电容器件架构来实现相关多次采样同时也可以解决传统相关多次采样速度慢的问题。
Description
技术领域
本发明涉及CMOS图像传感器(CMOS Image Sensor，简称CIS)读出电路领域，更具体的说，是涉及一种类似于sigma-delta的相关多次采样读出电路。
背景技术
信噪比(SNR)定义为在一定光照条件下输入信号电平与噪声电平的比值，是CIS一个重要的性能参数。噪声越大，CIS对于信号的要求也会变大。在光照强度非常小时，像素阵列产生的光信号也会非常小，这时CIS就会很难成像。如果想要CIS成像，需要延长像素阵列的积分时间，使得光信号也变大，但是这会严重影响CIS的读出速度。所以研究低噪声CIS对于促进其在微光领域的应用也具有十分重要的意义。
读出电路是CIS中抑制噪声的重要结构，虽然基于钳位二极管的有源像素结构可以限制散粒噪声，增益放大器可以通过限制带宽减少热噪声，但在读出电路中仍然存在很多的1/f噪声和热噪声。相关双采样(CDS)是一种广泛应用于传感器中的技术。相关双采样对复位电平进行采样。复位电平采样完成之后，将传输门(TX)打开，将光生电荷从光电二极管中转移至感测节点中，感测节点中的电压在增益放大器输出处被放大和采样。然后将第一次采样的复位电压和第二次采样的转移后的信号电压做差分可以减少信号中的噪声。这就是相关双采样的基本工作过程。相关双采样(CDS)将采样和差分相结合可以有效地减小复位噪声和1/f噪声，但是其采样次数较少具有随机性，经过相关双采样(CDS)电路处理之后的信号仍然具有很多的噪声。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，针对相关双采样(CDS)噪声抑制能力不足问题，本发明提出了一种类似于sigma-delta的相关多次采样读出电路。采用本设计的读出电路同时可以实现类似于sigma-delta调制器的CMS解调技术。新型相关多次采样电路对于信号处理类似于低通滤波器，对于噪声处理类似于高通滤波器，其滤波效果与CMS的次数有关。使用开关电容器件架构来实现相关多次采样同时也可以解决传统相关多次采样速度慢的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明类似于sigma-delta的相关多次采样读出电路，包括有源像素模块和模拟数字转换器模块，其特征在于，所述有源像素模块和模拟数字转换器模块之间连接有斩波器模块和相关多次采样解调器；
所述斩波器模块由一号开关、二号开关、三号开关、四号开关和差分放大器组成；所述一号开关一端连接有源像素模块的输出端，另一端连接差分放大器的反相输入端；所述二号开关一端连接有源像素模块的输出端，另一端连接差分放大器的同相输入端；所述三号开关一端接地，另一端连接差分放大器的反相输入端；所述四号开关一端接地，另一端连解连接差分放大器的同相输入端；
所述相关多次采样解调器由n个并联的采样电容、4n个采样开关、信号采集电容、一号复位开关和运算放大器组成；每个所述采样电容的左极板均经两个采样开关分别连接至差分放大器的输出端和地，右极板均经两个采样开关分别连接至运算放大器的反相输入端和地；所述信号采集电容的左极板连接至运算放大器的反相输入端，右极板连接至运算放大器的输出端；所述一号复位开关一端连接至运算放大器的反相输入端，另一端连接至运算放大器的输出端；所述运算放大器的输出端连接至模拟数字转换器模块的输入端。
在进行奇数次采样时，二号开关、三号开关闭合，一号开关、四号开关打开，差分放大器的输出为Vsignal+Vnoise，其中Vsignal是像素的信号，Vnoise是像素中的噪声；在进行偶数次采样时，一号开关、四号开关闭合，二号开关、三号开关打开，差分放大器的输出为-Vsignal+Vnoise；从行选管漏极输出的信号在围绕斩波频率及其奇数谐波上进行振幅调制，之后再通过相关多次采样解调器进行解调，具体解调过程如下：
在进行第一次采样时，二号开关、三号开关闭合，一号开关、四号开关打开，相关多次采样解调器的输入为：Vsample1＝Vsignal1+Vnoise，其中Vsignal1为第一次采样的像素信号，Vnoise1为第一次采样时的噪声信号；在第一次采样的采样周期的前TS/2内，相关多次采样解调器中第一个采样电容两端连接的其中两个采样开关先闭合，使得第一个采样电容的左极板连接斩波器模块的输出端，右极板连接运算放大器的反相输入端，实现对斩波器模块第一次输出的采样Vsampl；待采样完成之后，将刚才闭合的两个采样开关断开，第一个采样电容两端连接的另外两个采样开关闭合，使得第一个采样电容左右两极板均接地；相关多次采样解调器的第一次采样的值为其中/>为数学表达式；
在进行第二次采样时，一号开关、四号开关闭合，二号开关、三号开关打开，相关多次采样解调器的输入为：Vsample2＝-Vsignal2+Vnoise2，其中Vsignal2为第二次采样的像素信号，Vnoise2为第二次采样时的噪声信号；在第二次采样的采样周期的前TS/2内，相关多次采样解调器中第二个采样电容两端连接的其中两个采样开关先闭合，使得第二个采样电容的左极板连接斩波器模块的输出端，右极板接地，将斩波器模块第二次输出Vsample2采样至第二个采样电容上；在TS/2之后，将刚才闭合的两个采样开关先断开，第二个采样电容两端连接的另外两个采样开关闭合，使得第二个采样电容的左极板接地，右极板接运算放大器的反相输入端，实现对斩波器模块第二次输出的反向的采样-Vsample2；相关多次采样解调器的第二次采样的值为其中/>为数学表达式；
依次类推，在进行奇次采样时，相关多次采样解调器的开关操作和第一次采样类似，在进行偶次采样时，相关多次采样解调器的开关操作和第二次采样类似；
最后在进行n次采样之后，相关多次采样的输出Vout为：
Vout＝Vout1+Vout2+…+Voutn＝Voutsignal+Voutnoise (1)
其中，Voutn为第n次采样时相关多次采样解调器的采样的值，Voutsignal为n次采样后像素信号的输出值，Voutnoise为n次采样后噪声的输出值；
像素信号经过n次相关多次采样解调之后的输出Voutsignal为：
Vsignaln为第n次采样的像素信号，将式(2)转换到Z域表达式为：
n次相关多次采样解调之后像素信号传递函数STFn(z)为：
噪声经过n次相关多次采样解调之后的输出Voutnoise为：
Vnoisen为第n次采样时的噪声信号，将式(5)转换到Z域表达式为：
n次相关多次采样解调之后噪声传递函数NTFn(z)为：
从像素信号传递函数STFn(z)和噪声传递函数NTFn(z)看出，经过相关多次采样解调器之后，像素信号经过低通滤波，噪声经过高通滤波；n次的相关多次采样解调技术实现了类似于n-1阶的sigma-delta调制器的噪声滤波效果；经相关多次采样解调器采样之后的复位电平和信号电平再通过模拟数字转换器模块实现传统的相关双采样，之后求出CMOS图像传感器的信号，减小电路中的FPN噪声。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
发明提出一种类似于sigma-delta的相关多次采样读出电路。在信号进行ADC转换以前分别对复位信号和转移之后的信号进行相关多次采样。通过相关多次采样解调器对其进行滤波，其中有用的信号类似于低通滤波，噪声类似于高通滤波，极大的减小了电路低频噪声。之后再通过相关双采样减小电路中的FPN噪声和offset。传统相关多次采样速度慢的问题也可以通过开关电容采样解决，极大的提升了CMOS图像传感器的工作速度。
附图说明
图1为相关双采样原理图；
图2为一阶sigma-delta调制器的采样数据模型示意图；
图3为本发明类似于sigma-delta的相关多次采样读出电路原理图；
图4为本发明中n次相关多次采样解调器原理图；
图5为本发明类似于sigma-delta的相关多次采样读出电路工作时序图。
附图标记：PD光电二极管，VDD电源，FD浮动扩散节点，MTX传输管，MRST复位管，MSF源极跟随器，MR行选管，Ibias电流源，K1一号开关，K2二号开关，K3三号开关，K4四号开关，Av差分放大器，GND地，Cn+1信号采集电容，Kaz1一号复位开关，D运算放大器，Kaz2二号复位开关，Caz输入电容，COMP比较器，C1、C2、C3......Cn采样电容，K11......Kn1、K12......Kn2、K13......Kn3、K14......Kn4采样开关。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
相关双采样(CDS)原理图如图1所示，首先采样复位电平完成后经过采样间隔Tdelay之后再采样信号电平，其中，Tdelay为复位电平和信号电平采样的时间间隔。最后信号电平和复位电平做差值，这可以极大的减少4T像素中的复位噪声，提高CMOS图像传感器的成像质量。
通过图1可以得出相关双采样电路的时域传递函数VCDS，out(t)由式(1)表示：
VCDs，out(t)＝S(t)-S(t-Tdelay) (1)
其中，S(t)为信号电平，S(t-Tdelay)为复位电平。将式(1)通过z域变换，可得相关双采样电路频域传递函数HCDS(z)为：
HCDS(z)＝1-z-1 (2)
一阶sigma-delta调制器的采样数据模型如图2所示，对其进行分析可以得到经过sigma-delta调制器n次调制后的输出Y[n]为：
Y[n]＝X[n-1]+e[n]-e[n-1] (3)
其中，Y[n]为第n次sigma-delta调制器输出信号，X[n-1]为第n-1次sigma-delta调制器输入信号，e[n]为第n次调制时量化噪声，e[n-1]为第n-1次调制时量化噪声。将式(3)在z域表达为：
Y(z)＝z-1X(z)+(1-z-1)E(z) (4)
其中，Y(z)为sigma-delta调制器输出信号，X(z)为sigma-delta调制器输入信号，E(z)为sigma-delta调制器的量化噪声。从式(4)中可以看出，一阶sigma-delta调制器的噪声传输函数NTF(z)为：
NTF(z)＝1-z-1 (5)
从式(5)中可以看出，sigma-delta噪声传输函数具有高通特性，将低频段内的噪声滤除，完成了噪声整形。一般来说，在sigma-delta调制器的前馈支路中插入L个积分器就可以得到L阶噪声整形，可以极大的提高峰值信噪比。对于L阶噪声整形，其噪声传输函数NTFL(z)可以表示为：
NTFL(z)＝(1-z-1)L (6)
本发明类似于sigma-delta的相关多次采样读出电路，基于传统的相关多次采样电路结构进行了以下调整，如图3所示，在传统的有源像素模块和模拟数字转换器模块(简称ADC模块)之间增加了斩波器模块和相关多次采样解调器。
有源像素模块采用传统的4T有源像素结构，由光电二极管PD、传输管MTX、复位管MRST、源极跟随器MSF、行选管MR和电流源Ibias组成。传输管MTX的源极经光电二极管PD接地，漏极连接至浮动扩散节点FD，栅极可接入控制信号TX。复位管MRST的源极与电源VDD相连，漏极连接至浮动扩散节点FD，栅极可接入控制信号RT。源极跟随器MSF的栅极连接至浮动扩散节点FD，源极连接电源VDD，漏极和行选管MR的源极相连。行选管MR的漏极接电流源Ibias和斩波器模块的输入端，栅极可接入控制信号RS。其中，传输管MTX、复位管MRST、源极跟随器MSF、行选管MR均可采用MOS晶体管。
斩波器模块由一号开关K1、二号开关K2、三号开关K3、四号开关K4和差分放大器Av组成。所述一号开关K1一端连接有源像素模块的输出端，即连接至行选管MR的漏极，另一端连接差分放大器Av的反相输入端。所述二号开关K2一端连接有源像素模块的输出端，即连接至行选管MR的漏极，另一端连接差分放大器Av的同相输入端。所述三号开关K3一端接地GND，另一端连接差分放大器Av的反相输入端。所述四号开关K4一端接地GND，另一端连解连接差分放大器Av的同相输入端。差分放大器Av的输出端接相关多次采样解调器的输入端。
相关多次采样解调器由n个并联的采样电容、4n个采样开关、一个信号采集电容Cn+1、一个一号复位开关Kaz1和一个运算放大器D组成。每个所述采样电容的左极板均经两个采样开关分别连接至差分放大器Av的输出端和地GND，右极板均经两个采样开关分别连接至运算放大器D的反相输入端和地GND。具体如图3中所示，采样电容Ci(i＝1，2，3…n)的左极板不仅通过采样开关Ki1连接至差分放大器Av的输出端，还通过采样开关Ki3连接至地GND；采样电容Ci的右极板不仅通过开关Ki2连接至运算放大器D的反相输入端，还通过开关Ki4连接至地GND。所述信号采集电容Cn+1的左极板连接至运算放大器D的反相输入端，右极板连接至运算放大器D的输出端。所述复位开关Kaz1一端连接至运算放大器D的反相输入端，另一端连接至运算放大器D的输出端，在开始闭合将信号采集电容Cn+1复位。所述运算放大器D的输出端连接至模拟数字转换器模块的输入端。
模拟数字转换器模块采用传统的单斜ADC结构，主要由比较器COMP、BWI计数器、二号复位开关Kaz2和输入电容Caz组成。所述比较器COMP的一个输入端经输入电容Caz连接至运算放大器D的输出端，且该输入端和比较器COMP的输出端之间连接有二号复位开关Kaz2，所述比较器COMP的另一个输入端接入斜坡电压Vramp，实现对模拟电压的量化；所述比较器COMP的输出端连接至BWI计数器的输入端。采用BWI计数器来实现相关双采样功能，最终输出有源像素的光响应的数字码值。
图4为n次相关多次采样解调器原理图，斩波器模块和n次相关多次采样解调器的工作时序图5所示。
在进行奇数次采样时，二号开关K2、三号开关K3闭合，一号开关K1、四号开关K4打开。此时差分放大器Av的同相输入端连接至行选管MR的漏极，差分放大器Av的反相输入端接地GND。假设差分放大器Av的增益＝1，此时差分放大器Av的输出为Vsignal+Vnoise，其中Vsignal是像素的信号，Vnoise是像素中的噪声。在进行偶数次采样时，一号开关K1、四号开关K4闭合，二号开关K2、三号开关K3打开。此时差分放大器Av的同相输入端接地GND，差分放大器Av的反相输入端连接至行选管MR的漏极。此时差分放大器Av的输出为-Vsignal+Vnoise。从行选管MR漏极输出的信号在围绕斩波频率及其奇数谐波上进行振幅调制，之后再通过相关多次采样解调器进行解调，具体解调过程如下：
在进行第一次采样时，二号开关K2、三号开关K3闭合，一号开关K1、四号开关K4打开，相关多次采样解调器的输入为：Vsample1＝Vsigna+Vnois，其中Vsignal1为第一次采样的像素信号，Vnoise1为第一次采样时的噪声信号。相关多次采样解调器开关操作时序如图5所示，在第一次采样Sample1的采样周期的前TS/2内，其中TS是采样周期，相关多次采样解调器中第一个采样电容C1两端连接的其中两个采样开关K11和K12先闭合，使得第一个采样电容C1的左极板连接斩波器模块的输出端，右极板连接运算放大器D的反相输入端，实现对斩波器模块第一次输出的采样Vsampl。待采样完成之后，将刚才闭合的两个采样开关K11和K12断开，第一个采样电容C1两端连接的另外两个采样开关K13和K14闭合，使得第一个采样电容C1左右两极板均接地GND。相关多次采样解调器的第一次采样的值为其中/>为数学表达式。
在进行第二次采样时，一号开关K1、四号开关K4闭合，二号开关K2、三号开关K3打开，相关多次采样解调器的输入为：Vsample2＝-Vsignal2+Vnoise2，其中Vsignal2为第二次采样的像素信号，Vnoise2为第二次采样时的噪声信号。在第二次采样Sample2的采样周期的前TS/2内，相关多次采样解调器中第二个采样电容C2两端连接的其中两个采样开关K21和K24先闭合，使得第二个采样电容C2的左极板连接斩波器模块的输出端，右极板接地GND，将斩波器模块第二次输出Vsample2采样至第二个采样电容C2上。在TS/2之后，将刚才闭合的两个采样开关K21和K24先断开，第二个采样电容C2两端连接的另外两个采样开关K22和K23闭合。此时第二个采样电容C2的左极板接地GND，右极板接运算放大器D的反相输入端，实现对斩波器模块第二次输出的反向的采样-Vsample2。相关多次采样解调器的第二次采样的值为其中/>为数学表达式。
依次类推，在进行奇次采样时，相关多次采样解调器的开关操作和第一次采样类似，在进行偶次采样时，相关多次采样解调器的开关操作和第二次采样类似。
最后在进行n次采样之后，相关多次采样的输出Vout为：
Vout＝Vout1+Vout2+…+Voutn＝Voutsignal+Voutnoise (7)
其中，Voutn为第n次采样时相关多次采样解调器的采样的值，Voutsignal为n次采样后像素信号的输出值，Voutnoise为n次采样后噪声的输出值。
像素信号经过n次相关多次采样解调之后的输出Voutsignal为：
其中，Vsignaln为第n次采样的像素信号，将式(2)转换到Z域表达式为：
n次相关多次采样解调之后像素信号传递函数STFn(z)为：
噪声经过n次相关多次采样解调之后的输出Voutnoise为：
其中，Vnoisen为第n次采样时的噪声信号，将式(11)转换到Z域表达式为：
n次相关多次采样解调之后噪声传递函数NTFn(z)为：
从像素信号传递函数STFn(z)和噪声传递函数NTFn(z)可以看出，经过相关多次采样解调器之后，像素信号经过低通滤波，噪声经过高通滤波。n次的相关多次采样解调技术实现了类似于n-1阶的sigma-delta调制器的噪声滤波效果。经相关多次采样解调器采样之后的复位电平和信号电平再通过模拟数字转换器模块实现传统的相关双采样，之后求出CMOS图像传感器的信号，减小电路中的FPN噪声。
尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (1)
1.一种类似于sigma-delta的相关多次采样读出电路，包括有源像素模块和模拟数字转换器模块，其特征在于，所述有源像素模块和模拟数字转换器模块之间连接有斩波器模块和相关多次采样解调器；
所述斩波器模块由一号开关(K1)、二号开关(K2)、三号开关(K3)、四号开关(K4)和差分放大器(Av)组成；所述一号开关(K1)一端连接有源像素模块的输出端，另一端连接差分放大器(Av)的反相输入端；所述二号开关(K2)一端连接有源像素模块的输出端，另一端连接差分放大器(Av)的同相输入端；所述三号开关(K3)一端接地(GND)，另一端连接差分放大器(Av)的反相输入端；所述四号开关(K4)一端接地(GND)，另一端连接差分放大器(Av)的同相输入端；
所述相关多次采样解调器由n个并联的采样电容、4n个采样开关、信号采集电容(Cn+1)、一号复位开关(Kaz1)和运算放大器(D)组成；每个所述采样电容的左极板均经两个采样开关分别连接至差分放大器(Av)的输出端和地(GND)，右极板均经两个采样开关分别连接至运算放大器(D)的反相输入端和地(GND)；所述信号采集电容(Cn+1)的左极板连接至运算放大器(D)的反相输入端，右极板连接至运算放大器(D)的输出端；所述一号复位开关(Kaz1)一端连接至运算放大器(D)的反相输入端，另一端连接至运算放大器(D)的输出端；所述运算放大器(D)的输出端连接至模拟数字转换器模块的输入端；
在进行奇数次采样时，二号开关(K2)、三号开关(K3)闭合，一号开关(K1)、四号开关(K4)打开，差分放大器(Av)的输出为Vsignal+Vnoise，其中Vsignal是像素的信号，Vnoise是像素中的噪声；在进行偶数次采样时，一号开关(K1)、四号开关(K4)闭合，二号开关(K2)、三号开关(K3)打开，差分放大器(Av)的输出为-Vsignal+Vnoise；从行选管(MR)漏极输出的信号在围绕斩波频率及其奇数谐波上进行振幅调制，之后再通过相关多次采样解调器进行解调，具体解调过程如下：
在进行第一次采样时，二号开关(K2)、三号开关(K3)闭合，一号开关(K1)、四号开关(K4)打开，相关多次采样解调器的输入为：Vsample1＝Vsignal1+Vnoise1，其中Vsignal1为第一次采样的像素信号，Vnoise1为第一次采样时的噪声信号；在第一次采样的采样周期的前TS/2内，相关多次采样解调器中第一个采样电容两端连接的其中两个采样开关先闭合，使得第一个采样电容的左极板连接斩波器模块的输出端，右极板连接运算放大器(D)的反相输入端，实现对斩波器模块第一次输出的采样Vsample1；待采样完成之后，将刚才闭合的两个采样开关断开，第一个采样电容两端连接的另外两个采样开关闭合，使得第一个采样电容左右两极板均接地(GND)；相关多次采样解调器的第一次采样的值为 其中/>为数学表达式；
在进行第二次采样时，一号开关(K1)、四号开关(K4)闭合，二号开关(K2)、三号开关(K3)打开，相关多次采样解调器的输入为：Vsample2＝-Vsignal2+Vnoise2，其中Vsignal2为第二次采样的像素信号，Vnoise2为第二次采样时的噪声信号；在第二次采样的采样周期的前TS/2内，相关多次采样解调器中第二个采样电容两端连接的其中两个采样开关先闭合，使得第二个采样电容的左极板连接斩波器模块的输出端，右极板接地(GND)，将斩波器模块第二次输出Vsamplel2采样至第二个采样电容上；在TS/2之后，将刚才闭合的两个采样开关先断开，第二个采样电容两端连接的另外两个采样开关闭合，使得第二个采样电容的左极板接地(GND)，右极板接运算放大器(D)的反相输入端，实现对斩波器模块第二次输出的反向的采样-Vsignal2；相关多次采样解调器的第二次采样的值为 其中为数学表达式；
依次类推，在进行奇次采样时，相关多次采样解调器的开关操作和第一次采样类似，在进行偶次采样时，相关多次采样解调器的开关操作和第二次采样类似；
最后在进行n次采样之后，相关多次采样的输出Vout为：
Vout＝Vout1+Vout2+…+Voutn＝Voutsignal+Voutnoise (1)
其中，Voutn为第n次采样时相关多次采样解调器的采样的值，Voutsignal为n次采样后像素信号的输出值，Voutnoise为n次采样后噪声的输出值；
像素信号经过n次相关多次采样解调之后的输出Voutsignal为：
Vsignaln为第n次采样的像素信号，将式(2)转换到Z域表达式为：
n次相关多次采样解调之后像素信号传递函数STFn(z)为：
噪声经过n次相关多次采样解调之后的输出Voutnoise为：
Vnoisen为第n次采样时的噪声信号，将式(5)转换到Z域表达式为：
n次相关多次采样解调之后噪声传递函数NTFn(z)为：
从像素信号传递函数STFn(z)和噪声传递函数NTFn(z)看出，经过相关多次采样解调器之后，像素信号经过低通滤波，噪声经过高通滤波；n次的相关多次采样解调技术实现了类似于n-1阶的sigma-delta调制器的噪声滤波效果；经相关多次采样解调器采样之后的复位电平和信号电平再通过模拟数字转换器模块实现传统的相关双采样，之后求出CMOS图像传感器的信号，减小电路中的FPN噪声。
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