CN117528272A - 一种降噪电路、读出电路和图像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种降噪电路、读出电路和图像传感器，其中降噪电路包括依次连接的多次采样单元和积分单元；所述多次采样单元用于对输入信号进行多次采样，所述积分单元用于对所述多次采样单元每次采样后输出的模拟信号进行积分，以得到积分信号。通过多次采样单元对输入信号进行多次采样，再利用积分单元对多次采样的模拟信号进行积分，使得积分信号中的有效信号相较于噪声信号被放大，即相对应地降低了噪声信号，从而在将降噪电路应用于图像传感器的读出电路时，能够有效降低图像传感器中的噪声信号，解决了现有图像传感器像素噪声较大的问题。

Description

一种降噪电路、读出电路和图像传感器

技术领域

本发明涉及集成电路设计技术领域，特别涉及一种降噪电路、读出电路和图像传感器。

背景技术

图像传感器，或称感光元件，是一种将光学图像转换成电子信号的设备，它被广泛地应用在数码相机和其他电子光学设备中。早期的图像传感器采用模拟信号，如摄像管；随着数码技术、半导体制造技术以及网络的迅速发展，目前常用的图像传感器产品主要分为CCD图像传感器、CMOS图像传感器两种。

受制造工艺的影响，图像传感器不可避免地会具有像素噪声，像素噪声在图像上表现为较强视觉效果的孤立像素点或像素块，严重影响图像质量。目前，降低像素噪声的常用做法是改善图像传感器中像素阵列的晶体管的制程工艺，然而，随着图像传感器面积的不断减小，像素阵列中晶体管的尺寸也在不断减小，从而使得改善晶体管的制程工艺难度大、不易实现，且对像素噪声的改善效果并不理想。

发明内容

本发明的目的在于提供一种降噪电路、读出电路和图像传感器，以解决现有图像传感器像素噪声较大的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种降噪电路，包括依次连接的多次采样单元和积分单元；所述多次采样单元用于对输入信号进行多次采样，所述积分单元用于对所述多次采样单元每次采样后输出的模拟信号进行积分，以得到积分信号。

可选的，在所述的降噪电路中，所述多次采样单元包括第一电容、第一开关、第二开关、第三开关和第四开关；所述第一电容的一端通过所述第一开关接地，并通过所述第二开关与所述积分单元相连；所述第一电容的另一端通过所述第三开关接地，并通过所述第四开关与所述积分单元相连。

可选的，在所述的降噪电路中，所述积分单元包括积分器、第一复位开关和第二电容；所述积分器的第一输入端接入所述第二开关和所述第四开关，所述积分器的第二输入端接地；所述第一复位开关和所述第二电容相并联，且两端分别接入所述积分器的第一输入端和所述积分器的输出端。

可选的，在所述的降噪电路中，所述第一电容和所述第二电容的电容比值为1:m，其中，m为所述多次采样单元对所述输入信号进行采样的次数。

可选的，在所述的降噪电路中，所述多次采样单元和所述积分单元被配置为：

当所述第一复位开关闭合时，所述积分器复位；

当所述第一开关、所述第二开关和所述第四开关断开，所述第三开关闭合时，所述第一电容对所述输入信号进行采样；

当所述第二开关和所述第三开关断开，所述第一开关和所述第四开关闭合时，所述多次采样单元将采样后的模拟信号传输至所述积分器。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种读出电路，包括如上任一项所述的降噪电路。

可选的，在所述的读出电路中，所述读出电路还包括像素模块和模数转换模块；所述像素模块通过所述降噪电路与所述模数转换模块相连。

可选的，在所述的读出电路中，所述像素模块包括发光二极管、电荷传输管、复位管、放大管和选通管；所述感光二极管的正极接地、负极与所述电荷传输管的源极相连，电荷传输管的栅极用于接收传输管控制信号、漏极与所述复位管的源极相连并引出浮空节点，所述复位管的栅极用于接收复位管控制信号、漏极与电源相连，所述放大管的漏极与电源相连、栅极与浮空节点相连、源极与所述选通管的漏极相连，所述选通管的栅极用于接收像素控制信号、源极为输出端与所述降噪电路的多次采样单元的输入端相连。

可选的，在所述的读出电路中，所述读出电路还包括译码驱动器，所述译码驱动器用于提供传输管控制信号、复位管控制信号和像素控制信号。

可选的，在所述的读出电路中，所述模数转换模块包括第三电容、第四电容、第二复位开关、第三复位开关、比较器、反相器和计数器；所述降噪电路的积分单元的输出端通过所述第三电容与所述比较器的第一输入端相连；所述比较器的第二输入端通过所述第四电容接入斜坡信号；所述第二复位开关的两端分别连接所述比较器的第一输入端和第一输出端；所述第三复位开关的两端分别连接所述比较器的第二输入端和第二输出端；所述比较器的输出端与所述反相器的输入端相连，所述反相器的输出端与所述比较器的输入端相连。

可选的，在所述的读出电路中，所述模数转换模块还包括斜坡发生器，所述斜坡发生器通过所述第四电容与所述比较器的第二输出端相连，以提供斜坡信号。

可选的，在所述的读出电路中，所述模数转换模块还包括缓冲器，所述比较器通过所述缓冲器与所述反相器相连。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种图像传感器，包括如上任一项所述的读出电路。

本发明提供的降噪电路、读出电路和图像传感器，其中降噪电路包括依次连接的多次采样单元和积分单元；所述多次采样单元用于对输入信号进行多次采样，所述积分单元用于对所述多次采样单元每次采样后输出的模拟信号进行积分，以得到积分信号。通过多次采样单元对输入信号进行多次采样，再利用积分单元对多次采样的模拟信号进行积分，使得积分信号中的有效信号相较于噪声信号被放大，即相对应地降低了噪声信号，从而在将降噪电路应用于图像传感器的读出电路时，能够有效降低图像传感器中的噪声信号，解决了现有图像传感器像素噪声较大的问题。

附图说明

图1为本实施例提供的降噪电路的电路图；

图2为本实施例提供的读出电路的电路图；

图3为本实施例提供的具有缓冲器的读出电路的电路图；

图4为本实施例提供的读出电路的时序图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的降噪电路、读出电路和图像传感器作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及附图说明中的“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，以便描述本发明的实施例，而不用于描述特定的顺序或先后次序，应该理解这样使用的结构在适当情况下可以互换。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本实施例提供一种降噪电路，如图1所示，包括依次连接的多次采样单元和积分单元；所述多次采样单元用于对输入信号进行多次采样，所述积分单元用于对所述多次采样单元每次采样后输出的模拟信号进行积分，以得到积分信号。

本实施例提供的降噪电路，通过多次采样单元对输入信号进行多次采样，再利用积分单元对多次采样的模拟信号进行积分，使得积分信号中的有效信号相较于噪声信号被放大，即相对应地降低了噪声信号，从而在将降噪电路应用于图像传感器的读出电路时，能够有效降低图像传感器中的噪声信号，解决了现有图像传感器像素噪声较大的问题。

具体的，在本实施例中，所述多次采样单元包括第一电容Cs1、第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4；所述第一电容Cs1的一端通过所述第一开关S1接地，并通过所述第二开关S2与所述积分单元相连；所述第一电容Cs1的另一端通过所述第三开关S3接地，并通过所述第四开关S4与所述积分单元相连。

以及，在本实施例中，所述积分单元包括积分器、第一复位开关RST1和第二电容Cs2；所述积分器的第一输入端inm1接入所述第二开关S2和所述第四开关S4，所述积分器的第二输入端inp1接地；所述第一复位开关RST1和所述第二电容Cs2相并联，且两端分别接入所述积分器的第一输入端inm1和所述积分器的输出端。

本实施例提供的降噪电路，所述多次采样单元和所述积分单元被配置为：

当所述第一复位开关RST1闭合时，所述积分器复位；

当所述第一开关S1、所述第二开关S2和所述第四开关S4断开，所述第三开关S3闭合时，所述第一电容Cs1对所述输入信号进行采样；

当所述第二开关S2和所述第三开关S3断开，所述第一开关S1和所述第四开关S4闭合时，所述多次采样单元将采样后的模拟信号传输至所述积分器。

在实际应用中，第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4分别受时序信号控制以实现断开或闭合的切换，其中，第一开关S1和第四开关S4可以受同一时序信号控制，以使第一开关S1和第四开关S4同步断开或闭合，即使第一开关S1和第四开关S4的状态保持一致。以及，第一复位开关RST1受复位信号控制以实现断开或闭合的切换，从而实现对积分器的复位。

如此，当多次采样单元对输入信号Vin进行采样后，传输至积分器，积分器的每次输出依次为Vcm+Vin、Vcm+2Vin、……、Vcm+m×Vin，其中Vcm为积分器的复位电平，m为多次采样单元对输入信号进行采样的次数。由于输入信号Vin中包括有效信号和噪声信号，在理想状态下，当有效信号为0时，此时的输入信号Vin中仅包含噪声信号，因此，通过对输入信号Vin进行多次采样，并利用积分器进行积分，能够使得在输入信号Vin中有效信号和噪声信号的强度比值(信噪比)为1:1时，经过降噪电路处理后的积分信号中有效信号和噪声信号的强度比值(信噪比)为m:√m，即，在具体应用时，若所述输入信号的信噪比为1:1，则所述积分信号的信噪比为m:√m，其中，m为大于1的正整数。

较佳的，在本实施例中，为了保证最终输出的积分信号中有效信号的强度与输入信号中有效信号的强度一致，可以对积分信号进行取均值操作。具体的，可以在积分器的输出端接入取均值电路实现。在本实施例中，为了简化电路结构，以便降低制造成本和减小电路面积，通过变化所述第一电容Cs1和所述第二电容Cs2的电容比值实现，具体的，所述第一电容Cs1和所述第二电容Cs2的电容比值为1:m，此时，积分信号中有效信号和输入信号的强度比值(信噪比)为1:√m/m。又或者，当降噪电路应用于读出电路时，可以利用读出电路中的计数器实现取均值。

在此基础上，本实施例还提供一种读出电路，包括如上所述的降噪电路。具体的，如图2所示，所述读出电路还包括像素模块和模数转换模块；所述像素模块通过所述降噪电路与所述模数转换模块相连。

进一步的，在本实施例中，所述像素模块包括发光二极管PD、电荷传输管Mtg、复位管Mrst、放大管Msf和选通管Msel；所述感光二极管PD的正极接地、负极与所述电荷传输管Mtg的源极相连，电荷传输管Mtg的栅极用于接收传输管控制信号TX、漏极与所述复位管Mrst的源极相连并引出浮空节点FD，所述复位管Mrst的栅极用于接收复位管控制信号RX、漏极与电源PVDD相连，所述放大管Msf的漏极与电源PVDD相连、栅极与浮空节点FD相连、源极与所述选通管Msel的漏极相连，所述选通管Msel的栅极用于接收像素控制信号SEL、源极为输出端与所述降噪电路的多次采样单元的输入端相连，提供多次采样单元的输入信号Vp。

本实施例提供的像素模块的作用原理大致为：感光二极管PD会感光，并生成与光照强度成正比的光电子；电荷传输管Mtg的作用是转移感光二极管PD内的光电子，当传输管控制信号TX为高电压时，电荷传输管Mtg导通，会将感光二极管PD内的光电子转移到浮空节点FD上，并在浮空节点FD处具有浮空电压Vfd；复位管Mrst作用是在复位管控制信号RX为高电位时，对浮空节点FD进行复位；Msf是放大管，当像素控制信号SEL为高电位、选通管Msel导通时，放大管Msf、选通管Msel与到地的电流源形成通路，此时放大管Msf跟随浮空节点FD电位的变化并最终输出信号Vp。

在具体应用中，所述读出电路还包括译码驱动器，所述译码驱动器用于提供传输管控制信号TX、复位管控制信号RX和像素控制信号SEL。

较佳的，为了便于降噪电路的信号处理，在本实施例中，在像素模块和多次采样单元之间还增加了控制开关S0，以控制像素输出信号的传输。

进一步的，在本实施例中，所述模数转换模块包括第三电容Cs3、第四电容Cs4、第二复位开关RST2、第三复位开关RST3、比较器、反相器和计数器；所述降噪电路的积分单元的输出端通过所述第三电容Cs3与所述比较器的第一输入端inp2相连；所述比较器的第二输入端inm2通过所述第四电容Cs4接入斜坡信号Vramp_buf；所述第二复位开关RST2的两端分别连接所述比较器的第一输入端inp2和第一输出端outm；所述第三复位开关RST3的两端分别连接所述比较器的第二输入端inm2和第二输出端outp；所述比较器的输出端outp与所述反相器的输入端相连，所述反相器的输出端与所述比较器的输入端相连。

在实际应用中，为了对比较器进行复位，需要第二复位开关RST2和第三复位开关RST3同步断开或闭合，即第二复位开关RST2和第三复位开关RST3可以通过同一比较器复位信号进行控制，以实现对比较器的复位。

较佳的，在本实施例中，所述模数转换模块还包括斜坡发生器，所述斜坡发生器通过所述第四电容Cs4与所述比较器的第二输出端相连，以提供斜坡信号Vramp_buf。

更佳的，为了对比较器输出的比较信号进行缓冲加大驱动，在本实施例中，如图3所示，所述模数转换模块还包括缓冲器，所述比较器通过所述缓冲器与所述反相器相连，即比较器的输出端与所述缓冲器的输入端相连，所述缓冲器的输出端与所述反相器的输入端相连。

以下，结合图4，对本实施例提出的读出电路的工作原理进行说明：

当第一复位开关RST1、第二复位开关RST2和第三复位开关RST3闭合时，即积分器复位信号RST1和比较器复位信号RST2为高电平时，积分器和比较器复位；在第一复位开关RST1、第二复位开关RST2和第三复位开关RST3断开时，即积分器复位信号RST1和比较器复位信号RST2为低电平时，读出电路进行正常工作；

当第一复位开关RST1闭合，即积分器复位信号RST1为高电平，控制开关S0和第三开关S3闭合，即控制开关S0的控制信号和第三开关S3的控制信号为高电平，且第一开关S1、第二开关S2和第四开关S4断开，即第一开关S1的控制信号、第二开关S2的控制信号和第四开关S4的控制信号为低电平时，第一电容Cs1对像素模块的输出信号Vrst进行采样；

当第一复位开关RST1断开，即积分器复位信号RST1为低电平，控制开关S0、第二开关S2和第三开关S3断开，即控制开关S0的控制信号、第二开关S2的控制信号和第三开关S3的控制信号为低电平，且第一开关S1和第四开关S4闭合，即第一开关S1的控制信号和第四开关S4的控制信号为高电平时，多次采样单元将采样的模拟信号传输至积分器，此时积分器输出的积分信号为Vcm+Vrst；

当控制开关S0和第三开关S3闭合，且第一开关S1、第二开关S2和第四开关S4断开时，第一电容Cs1对像素模块的输出信号Vrst进行第二次采样；当第一复位开关RST1、控制开关S0、第二开关S2和第三开关S3断开，且第一开关S1和第四开关S4闭合时，多次采样单元将采样的模拟信号再次传输至积分器，此时积分器输出的积分信号为Vcm+2Vrst；以此类推，多次采样后的积分器输出的积分信号为Vcm+m×Vrst；

积分信号存储至第三电容Cs3上，当计数器使能信号EN_COUNT为高电平时，计数器开始计数，当比较器输出发送翻转时，计数器停止计数，此时计数器输出数字信号D0；

当传输管控制信号TX为高电平时，像素模块输出感光信号Vsig；

此时与上述过程类似的，当进行m次采样后，积分器输出的积分信号为Vcm+m×(Vrst-Vsig)，并将该积分信号存储至第三电容Cs3上，当计数器使能信号EN_COUNT为高电平时，计数器开始计数，当比较器输出发送翻转时，计数器停止计数，此时计数器输出数字信号D1。

在数字域，D1和D0的差值即为m×(Vrst-Vsig)，由于对像素模块输出的信号进行了m次采样，因此，最终得到的信号是原像素感光信号的m倍，同时最终得到的信号中的噪声信号是原噪声信号的√m倍。在对最终得到的信号求取平均，便可以得到与原像素感光信号强度一致的信号，即最终得到的信号为Vrst-Vsig，此时噪声信号是原噪声信号的√m/m倍，有效降低了像素感光信号中的噪声信号。

本实施例提供的读出电路，尤其是在低光照环境下能够显著提高信噪比，从而能够在图像传感器应用本实施例提供的读出电路时，有效提高图像传感器的图像质量。

此外，本实施例还提供一种图像传感器，包括如上所述的读出电路。本实施例提供的图像传感器，由于其读出电路中具有降噪电路，通过降噪电路中的多次采样单元对像素输出信号进行多次采样，再利用积分单元对多次采样的模拟信号进行积分，使得积分信号中的有效信号相较于噪声信号被放大，即相对应地降低了噪声信号，从而能够有效降低图像传感器中的噪声信号，解决了现有图像传感器像素噪声较大的问题。

需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可，此外，各个实施例之间不同的部分也可互相组合使用，本发明对此不作限定。

本实施例提供的降噪电路、读出电路和图像传感器，其中降噪电路包括依次连接的多次采样单元和积分单元；所述多次采样单元用于对输入信号进行多次采样，所述积分单元用于对所述多次采样单元每次采样后输出的模拟信号进行积分，以得到积分信号。通过多次采样单元对输入信号进行多次采样，再利用积分单元对多次采样的模拟信号进行积分，使得积分信号中的有效信号相较于噪声信号被放大，即相对应地降低了噪声信号，从而在将降噪电路应用于图像传感器的读出电路时，能够有效降低图像传感器中的噪声信号，解决了现有图像传感器像素噪声较大的问题。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (13)

1.一种降噪电路，其特征在于，包括依次连接的多次采样单元和积分单元；所述多次采样单元用于对输入信号进行多次采样，所述积分单元用于对所述多次采样单元每次采样后输出的模拟信号进行积分，以得到积分信号。

2.根据权利要求1所述的降噪电路，其特征在于，所述多次采样单元包括第一电容、第一开关、第二开关、第三开关和第四开关；所述第一电容的一端通过所述第一开关接地，并通过所述第二开关与所述积分单元相连；所述第一电容的另一端通过所述第三开关接地，并通过所述第四开关与所述积分单元相连。

3.根据权利要求2所述的降噪电路，其特征在于，所述积分单元包括积分器、第一复位开关和第二电容；所述积分器的第一输入端接入所述第二开关和所述第四开关，所述积分器的第二输入端接地；所述第一复位开关和所述第二电容相并联，且两端分别接入所述积分器的第一输入端和所述积分器的输出端。

4.根据权利要求3所述的降噪电路，其特征在于，所述第一电容和所述第二电容的电容比值为1:m，其中，m为所述多次采样单元对所述输入信号进行采样的次数。

5.根据权利要求3所述的降噪电路，其特征在于，所述多次采样单元和所述积分单元被配置为：

当所述第一复位开关闭合时，所述积分器复位；

当所述第一开关、所述第二开关和所述第四开关断开，所述第三开关闭合时，所述第一电容对所述输入信号进行采样；

当所述第二开关和所述第三开关断开，所述第一开关和所述第四开关闭合时，所述多次采样单元将采样后的模拟信号传输至所述积分器。

6.一种读出电路，其特征在于，包括如权利要求1～5任一项所述的降噪电路。

7.根据权利要求6所述的读出电路，其特征在于，所述读出电路还包括像素模块和模数转换模块；所述像素模块通过所述降噪电路与所述模数转换模块相连。

8.根据权利要求7所述的读出电路，其特征在于，所述像素模块包括发光二极管、电荷传输管、复位管、放大管和选通管；所述感光二极管的正极接地、负极与所述电荷传输管的源极相连，电荷传输管的栅极用于接收传输管控制信号、漏极与所述复位管的源极相连并引出浮空节点，所述复位管的栅极用于接收复位管控制信号、漏极与电源相连，所述放大管的漏极与电源相连、栅极与浮空节点相连、源极与所述选通管的漏极相连，所述选通管的栅极用于接收像素控制信号、源极为输出端与所述降噪电路的多次采样单元的输入端相连。

9.根据权利要求8所述的读出电路，其特征在于，所述读出电路还包括译码驱动器，所述译码驱动器用于提供传输管控制信号、复位管控制信号和像素控制信号。

10.根据权利要求7所述的读出电路，其特征在于，所述模数转换模块包括第三电容、第四电容、第二复位开关、第三复位开关、比较器、反相器和计数器；所述降噪电路的积分单元的输出端通过所述第三电容与所述比较器的第一输入端相连；所述比较器的第二输入端通过所述第四电容接入斜坡信号；所述第二复位开关的两端分别连接所述比较器的第一输入端和第一输出端；所述第三复位开关的两端分别连接所述比较器的第二输入端和第二输出端；所述比较器的输出端与所述反相器的输入端相连，所述反相器的输出端与所述比较器的输入端相连。

11.根据权利要求10所述的读出电路，其特征在于，所述模数转换模块还包括斜坡发生器，所述斜坡发生器通过所述第四电容与所述比较器的第二输出端相连，以提供斜坡信号。

12.根据权利要求10所述的读出电路，其特征在于，所述模数转换模块还包括缓冲器，所述比较器通过所述缓冲器与所述反相器相连。

13.一种图像传感器，其特征在于，包括如权利要求6～12任一项所述的读出电路。