CN203608275U - 固态噪声抑制电路及互补金属氧化物半导体图像传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种固态噪声抑制电路及互补金属氧化物半导体图像传感器，在上述电路中，列并行AD转换电路，其一端接入AD基准电压，其另一端与列信号线相连接，用于接收单位像素依次产生的复位信号和有效像素信号，并将复位信号转换为第一数字信号以及将有效像素信号转换为第二数字信号；列并行数字减法器，与列并行AD转换电路相连接，用于依次接收来自于列并行AD转换电路的第一数字信号和第二数字信号，并对第一数字信号与第二数字信号执行减法运算，获取图像信号。根据本实用新型提供的技术方案，进而降低了AD转换电路的转换速率，同时也降低了因AD转换电路的高速转换所带来的高频噪声。
Description
技术领域
本实用新型涉及信号处理领域，具体而言，涉及一种固态噪声抑制电路及互补金属氧化物半导体图像传感器。
背景技术
目前，相关技术中所采用的固态噪声抑制方法可以包括但不限于以下之一：帧缓冲、列并行相关双采样（Correlated-Double-Sampling，简称为CDS），其中，列并行CDS方法是将有效像素信号与复位信号通过每一列的CDS电路进行减法运算，从而抑制像素放大器之间的阈值偏差。
下面通过一个像素点的信号转移过程对列并行CDS电路的工作原理做进一步地详细描述。
在每一列的像素点下方均设置一个CDS电路。当某个单位像素的像素点信号被选中之后，首先进入列信号线，其次再进入CDS电路，通过CDS电路将有效像素信号与复位信号输出至差动放大器中进行减法运算，从而可以抑制固态噪声，然后将处理后的信号通过列选择电路进入到行信号线，最后逐一通过模拟-数字转换器（ADC），将模拟信号转换为数字信号进行输出。因此，该方式的处理步骤可以归纳为：像素输出→CDS→ADC。此种处理方式虽然可以去除像素放大器之间的阈值偏差，从而达到抑制固态噪声的目的，但是列并行CDS电路同时也存在以下缺陷：
缺陷一、不同的列并行CDS电路之间存在偏差，因此会产生新的固态噪声，此种固态噪声呈现竖条状，从某种意义上来讲比像素原有的固态噪声更为严重。
缺陷二、每个列并行CDS电路中均需具备两个电容，而电容又是提高集成度的最大瓶颈，故而，由于列并行CDS电路需要2倍于列数的电容，因此，不利于集成。
缺陷三、整个互补金属氧化物半导体（Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor，简称为CMOS）中只有一个AD转换器，而为了确保其输出的帧率，AD转换器的转换速度需要做到非常快，例如：如果期望达到1080P/25f的输出，则AD转换器的转换速度=1920*1080*25=51.84MHz，其中，处于高速运行状态的AD转换器自身也将产生噪声。
实用新型内容
本实用新型提供了一种固态噪声抑制电路及互补金属氧化物半导体图像传感器，以至少解决相关技术中所采用的固态噪声抑制电路对AD转换器的转换速度要求较高并且会产生额外噪声的问题。
根据本实用新型的一个方面，提供了一种固态噪声抑制电路。
根据本实用新型的固态噪声抑制电路包括：列并行AD转换电路，其一端接入AD基准电压，其另一端与列信号线相连接，用于接收单位像素依次产生的复位信号和有效像素信号，并将复位信号转换为第一数字信号以及将有效像素信号转换为第二数字信号；列并行数字减法器，与列并行AD转换电路相连接，用于依次接收来自于列并行AD转换电路的第一数字信号和第二数字信号，并对第一数字信号与第二数字信号执行减法运算，获取图像信号。
优选地，列并行AD转换电路通过单刀双掷开关与列并行数字减法器相连接。
优选地，列并行数字减法器，用于在单刀双掷开关与该列并行数字减法器的第一输入端相连接时，接收第一数字信号并缓存。
优选地，列并行数字减法器，用于在单刀双掷开关与该列并行数字减法器的第二输入端相连接时，接收第二数字信号并缓存。
优选地，列并行数字减法器为CDS电路。
优选地，上述电路还包括：列选择电路；列选择电路，与列并行数字减法器相连接，用于接收来自于列并行数字减法器的图像信号，并经由行信号线对图像信号进行显示输出。
优选地，上述电路还包括：列信号线；列信号线，用于传输由单位像素依次产生的复位信号和有效像素信号。
优选地，上述电路还包括：行信号线；行信号线，用于采用行驱动信号对图像信号进行显示输出。
根据本实用新型的另一方面，提供了一种互补金属氧化物半导体图像传感器。
根据本实用新型的互补金属氧化物半导体图像传感器包括：上述固态噪声抑制电路。
通过本实用新型，采用列并行AD转换电路接收单位像素依次产生的复位信号和有效像素信号，并将复位信号转换为第一数字信号以及将有效像素信号转换为第二数字信号；列并行数字减法器依次接收来自于列并行AD转换电路的第一数字信号和第二数字信号，并对第一数字信号与第二数字信号执行减法运算，获取图像信号，即针对每一列单位像素分配设置一个AD转换电路，并且在将每个单位像素所产生的复位信号和有效像素信号均变换成数字信号之后，再依次输入数字减法器进行数字域的减法运算，由此，与相关技术中仅为全部单位像素配置一个AD转换电路相比，本实用新型中所提供的每个AD转换电路所需的变换速度大幅降低，其产生的额外噪声明显消除，由此解决了相关技术中所采用的固态噪声抑制电路对AD转换器的转换速度要求较高并且会产生额外噪声的问题，进而降低了AD转换电路的转换速率，同时也降低了因AD转换电路的高速转换所带来的高频噪声。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
图1是根据本实用新型实施例的固态噪声抑制电路的结构示意图；
图2是根据本实用新型优选实施例的固态噪声抑制电路的结构示意图。
以上附图中的标记如下所示：10、列并行AD转换电路；12、列并行数字减法器；14、列选择电路；16、列信号线；18、行信号线；120、第一输入端；122、第二输入端。
具体实施方式
下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
图1是根据本实用新型实施例的固态噪声抑制电路的结构示意图。如图1所示，该固态噪声抑制电路可以包括：列并行AD转换电路10，其一端接入AD基准电压，其另一端与列信号线相连接，用于接收单位像素依次产生的复位信号和有效像素信号，并将复位信号转换为第一数字信号以及将有效像素信号转换为第二数字信号；列并行数字减法器12，与列并行AD转换电路相连接，用于依次接收来自于列并行AD转换电路的第一数字信号和第二数字信号，并对第一数字信号与第二数字信号执行减法运算，获取图像信号。
相关技术中所采用的固态噪声抑制电路对AD转换器的转换速度要求较高并且会产生额外噪声。采用如图1所示的固态噪声抑制电路，列并行AD转换电路接收单位像素依次产生的复位信号和有效像素信号，并将复位信号转换为第一数字信号以及将有效像素信号转换为第二数字信号；列并行数字减法器依次接收来自于列并行AD转换电路的第一数字信号和第二数字信号，并对第一数字信号与第二数字信号执行减法运算，获取图像信号，即针对每一列单位像素分配设置一个AD转换电路，并且在将每个单位像素所产生的复位信号和有效像素信号均变换成数字信号之后，再依次输入数字减法器进行数字域的减法运算，由此，与相关技术中仅为全部单位像素配置一个AD转换电路相比，本实用新型中所提供的每个AD转换电路所需的变换速度大幅降低，其产生的额外噪声明显消除，由此解决了相关技术中所采用的固态噪声抑制电路对AD转换器的转换速度要求较高并且会产生额外噪声的问题，进而降低了AD转换电路的转换速率，同时也降低了因AD转换电路的高速转换所带来的高频噪声。
在优选实施过程中，上述固态噪声抑制电路可以设置于CMOS图像传感器（CMOS ImageSensor）中。CMOS Image Sensor的信号处理方式由其内部电路架构和工艺特性决定。CMOS的固态噪声的来源可以包括以下两种：
来源一、像素放大器偏差；
来源二、光电二极管的暗电流。
相关技术中的CMOS Image Sensor所采用的内部电路架构仅为每一列的像素点下方配置一个CDS电路，而在对各列像素点进行显示输出时，仅在行信号线上设置一个AD转换器。因此，对该AD转换器的转换速率要求极高，并且处于高速运行状态的AD转换器自身还将产生额外的高频噪声。相比之下，本实用新型所采用的技术方案可以通过列并行AD电路结合数字减法器的结构设计不仅同样可以达到降低CMOS固态噪声的目的，而且还能够大幅降低因AD转换电路的高速转换所带来的高频噪声。
在优选实施过程中，上述列并行数字减法器12可以为CDS电路。
列并行AD方式可以将有效像素信号与复位信号通过每一列的AD电路进行AD转换，然后将转换后得到的数字信号分别输入至CDS电路，由CDS电路将两者在数字域上进行减法运算（下文简称为数字CDS），不仅能够有效地抑制固态噪声，同时还能够规避列并行CDS电路的列间差异，即竖状条纹现象的发生得到了充分的抑制，由此达到了更好的固态噪声抑制效果。此外，由于相关技术中所采用的CDS电路由于是直接从列信号线接收到的有效像素信号与复位信号，因此，为了能够执行模拟信号之间的减法运算，需要在每个CDS电路中设置两个电容。而采用本实用新型的优选实施例所提供的电路结构设计，由于首先将从列信号线接收到的有效像素信号与复位信号分别转换成两种数字信号，因此，在CDS电路中所执行的是数字信号之间的减法运算。由此，可以节省在列并行CDS电路中所使用的电容，从而更加有利于硬件的集成设计。
优选地，如图2所示，上述电路还可以包括：列信号线16；列信号线16，用于传输由单位像素依次产生的复位信号和有效像素信号。
在优选实施例中，在每一列的像素点下方均存在一个AD转换电路和一个数字减法器（例如：数字CDS电路）。当某一个特定像素点信号被选中后，在单位像素中通过光电转换生成的复位信号和有效像素信号首先进入列信号线，其次再进入AD转换电路。
优选地，如图2所示，列并行AD转换电路10可以通过单刀双掷开关与列并行数字减法器12相连接。
优选地，如图2所示，列并行数字减法器12，用于在单刀双掷开关与该列并行数字减法器的第一输入端120相连接时，接收第一数字信号并缓存。
优选地，如图2所示，列并行数字减法器12，用于在单刀双掷开关与该列并行数字减法器的第二输入端122相连接时，接收第二数字信号并缓存。
在优选实施例中，在每一列像素点下方的AD转换电路与数字减法器之间可以采用单刀双掷开关进行连接。AD转换电路先从列信号线接收复位信号，并将复位信号转换为第一数字信号。当单刀双掷开关与数字减法器的第一输入端进行连接时，AD转换电路将第一数字信号发送至数字减法器的缓存中。AD转换电路再从列信号线接收有效像素信号，并将有效像素信号转换为第二数字信号。当单刀双掷开关与数字减法器的第二输入端进行连接时，AD转换电路将第二数字信号发送至数字减法器的缓存中。即AD转换电路分别将有效像素信号和复位信号均转换成相应的数字信号，并通过一个单刀双掷开关配合缓存器将上述两个数字信号接入数字减法器的输入端。
优选地，如图2所示，上述电路还可以包括：列选择电路14；列选择电路14，与列并行数字减法器相连接，用于接收来自于列并行数字减法器的图像信号，并经由行信号线对图像信号进行显示输出。
优选地，如图2所示，上述电路还可以包括：行信号线18；行信号线18，用于采用行驱动信号对图像信号进行显示输出。
在优选实施例中，数字减法器通过对第一数字信号和第二数字信号进行减法运算得到去噪声后的图像信号。然后当列选择电路通过选取将要对该列去噪声后的图像信号进行输出时，需要将去噪声后的图像信号输入至行信号线。最后由行信号线采用行驱动信号逐一输出。
因此，本实用新型的上述优选实施例所采用的信号处理过程可以归纳为：复位信号输出→AD转换电路→缓存器→有效信号输出→AD转换电路→缓存器→数字减法器→去噪声后的图像信号。由此可见，在上述信号处理过程中需要进行两次AD转换，然后将复位信号和有效图像信号在数字域上进行减法运算。
综上所述，本实用新型提供的实施例所采用的列并行AD转换电路与数字减法器相结合的信号处理方式，其优势在于以下几点：
（1）可以有效地规避列并行CDS电路的列间偏差问题，即竖状条纹现象的发生得到了充分的抑制。
（2）可以节省在列并行CDS电路中所使用的电容，从而更加有利于集成。
（3）在每一列像素点均配置一个AD转换电路，那么AD转换电路的转换速度可以有所减慢，例如：如果期望达到1080P/25f的输出，则AD转换电路的转换速度=1080*25*2=54KHz（由于相关技术中仅配置一个AD转换电路，因此，在以1080P/25f输出为例的情况下，其分辨率为1920*1080，因此，AD转换电路的转换速度=1920*1080*25=51.84MHz；而在本实用新型的优选实施例中，由于每一列均设置一个AD转换电路（共设置1920个AD转换电路），每个AD转换电路需要对复位信号和有效像素信号进行两次AD转换，因此，AD转换电路的转换速度=1080*25*2=54KHz），与列并行AD转换电路的51.84MHz速度相比，AD转换电路的转换速率降低了1000倍，进而降低了高频噪声。
（4）列并行AD转换电路更加有利于高帧率的输出。由于列并行AD转换电路的转换速率较低，因此，只要将AD转换电路的转换速度提高一倍，那么其输出的帧率也将随之提高一倍，例如：当AD转换电路的转换速率增加到432KHz时，其输出的帧率即可达到200frame/s，而432KHz的速度相对于51.84MHz而言，依旧属于低速。
（5）在运用列并行AD转换电路之后，当进行横向数据转移时，在行信号线上传输的也是数字信号，由此，与在行信号线上传输模拟信号相比，增强了抗干扰性。
从以上的描述中，可以看出，上述实施例实现了如下技术效果（需要说明的是这些效果是某些优选实施例可以达到的效果）：采用本实用新型所提供的技术方案在有效抑制固态噪声的同时还能规避竖状条纹现象的发生；采用基于列并行AD转换电路的信号处理架构以提高输出帧率简便易行，尤其对于高速和超高速抓拍应用而言极为适用；此外，采用列并行AD转换技术还可以提高集成度，即可以将AD转换电路设置在每一个像素点中。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种固态噪声抑制电路，其特征在于，包括：
列并行模拟-数字AD转换电路，其一端接入AD基准电压，其另一端与列信号线相连接，用于接收单位像素依次产生的复位信号和有效像素信号，并将所述复位信号转换为第一数字信号以及将所述有效像素信号转换为第二数字信号；
列并行数字减法器，与所述列并行AD转换电路相连接，用于依次接收来自于所述列并行AD转换电路的所述第一数字信号和所述第二数字信号，并对所述第一数字信号与所述第二数字信号执行减法运算，获取图像信号。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述列并行AD转换电路通过单刀双掷开关与所述列并行数字减法器相连接。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述列并行数字减法器，用于在所述单刀双掷开关与该列并行数字减法器的第一输入端相连接时，接收所述第一数字信号并缓存。
4.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述列并行数字减法器，用于在所述单刀双掷开关与该列并行数字减法器的第二输入端相连接时，接收所述第二数字信号并缓存。
5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述列并行数字减法器为相关双采样CDS电路。
6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电路还包括：列选择电路；
所述列选择电路，与所述列并行数字减法器相连接，用于接收来自于所述列并行数字减法器的所述图像信号，并经由行信号线对所述图像信号进行显示输出。
7.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电路还包括：列信号线；
所述列信号线，用于传输由所述单位像素依次产生的所述复位信号和所述有效像素信号。
8.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述电路还包括：所述行信号线；
所述行信号线，用于采用行驱动信号对所述图像信号进行显示输出。
9.一种互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，包括：权利要求1至8中任一项所述的固态噪声抑制电路。
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