CN216649763U - 一种噪声抑制电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种噪声抑制电路，包括设有像素阵列的图像传感器，以及明像素，尺寸和电路设计与所述明像素完全一致的暗像素；运算放大器，用于将所述明像素及暗像素的输出电压差分后输出；开关电容电路，其连接于所述明像素输出端、暗像素输出端以及运算放大器之间，用于将光照条件下明像素的输出与非光照条件下暗像素的输出相减后输入运算放大器的正向输入端，同时将非光照条件下暗像素的输出与光照条件下明像素的输出相减后输入运算放大器的反向输入端。本实用新型通过调节采样电容的电容值大小，抑制固定模式噪声，实现运算放大器增益的改变，实现单端转双端的功能，通过运算放大器输出差分信号。
Description
技术领域
本实用新型涉及图像传感器的信号处理电路技术领域，特别是涉及一种噪声抑制电路。
背景技术
图像传感器的噪声影响了图像的信噪比，严重的噪声不仅会使得成像质量恶化，同时也决定了图像传感器的光探测能力。我们将图像传感器的图像噪声定义为所有使得图像或者“信号”恶化的波动。图像传感器的图像噪声可以分成出现在图像中固定位置的固定模式噪声(fixed-pattern noise,FPN)以及随时间变化的暂态噪声。
对于暂态噪声，来源于信号随时间变化的随机起伏，在光学和电学系统中存在着热噪声、散粒噪声和闪烁噪声三种类型。暂态噪声在单独的一次采样中在空间上是固定的，而固定模式噪声是输出信号在空间上的固有变化，对图像质量的影响较大。图像传感器的固定模式噪声主要分为黑暗下的暗信号非均匀性(dark signal non uniformity,DSNU)和光照下的光响应非均匀性(photo response non uniformity,PRNU)。在图像传感器中，固定模式噪声的主要来源是暗态下的漏电流。
传统的图像传感器主要采用相关双采样(correlated double sampling,CDS)和差分采样(differential delta sampling,DDS)来抑制图像传感器中的固定模式噪声。对于以上两种噪声抑制方案，它们都需要复位信号来完成信号的采样，电路设计较为复杂；对于对数像素电路等随机读取像素电路而言，因为无法实现相关双采样，因此无法实现噪声的抑制功能。
发明内容
基于此，为了抑制图像传感器特别是具有随机读取像素电路设计的传感器的固定模式噪声，本实用新型提供了一种噪声抑制电路，通过开关电容电路的设计，在抑制固定模式噪声的同时，实现了单端转双端的功能以及运算放大器增益的调控。
本实用新型采用以下技术方案解决该现有技术所存在问题：
一种噪声抑制电路，包括设有像素阵列的图像传感器，以及，
明像素，其为所述图像传感器像素阵列中任一像素，用于感应入射光并输出一个随光照强度变化而变化的电流或电压值；
暗像素，其尺寸和电路设计与所述明像素完全一致，用于输出当前非光照背景下的电流或暗电压值；
运算放大器，所述运算放大器用于将所述明像素及暗像素的输出电压差分后输出；
开关电容电路，其连接于所述明像素输出端、暗像素输出端以及运算放大器之间，用于将光照条件下明像素的输出与非光照条件下暗像素的输出相减后输入运算放大器的正向输入端，同时将非光照条件下暗像素的输出与光照条件下明像素的输出相减后输入运算放大器的反向输入端。
本实用新型通过在图像传感器阵列的任意n列或任意n行设置一个暗像素，其中暗像素的尺寸和电路设计与阵列中的明像素保持一致，且其输出端接入开关电容电路中，与阵列中的明像素进行差分比较，抑制固定模式噪声，调节增益的大小，实现单端转双端的功能，同时输出差分信号,其中，n为正整数。
进一步地，所述开关电容电路包括采样电容、放大电容、开关电路以及用于产生开关电路时序以控制开关电路中各开关导通或断开的双相非交叠时钟信号发生器。
进一步地，所述放大电容连接于所述运算放大器输入以及输出端之间；所述采用电容为2个，其中第一采用电容通过所述开关电路分别与所述明像素的输出端以及所述运算放大器的反向输入端相连，同时通过所述开关电路与所述暗像素输出端连接，第二采用电容一端与暗像素的输出端相连且另一端通过所述开关电路与所述运算放大器正向输入端及明像素的输出端连接。
进一步地，所述开关电路包括开关S1、开关S2、开关S3、开关S4；在第一阶段，在双相非交叠时钟信号发生器的控制下，开关S1、S4闭合，开关S2、S3断开，所述明像素输出电压与暗像素输出电压对采样容器进行充电；在第二阶段，在双相非交叠时钟信号发生器的控制下，开关S1、S4断开,开关S2、S3闭合，所述采样电容进行放电并对放大电容进行充电。
进一步地，所述开关S1为2个，其中，第一开关S1连接于所述明像素输出端及第一采样电容之间，第二开关S1连接于所述明像素输出端及第二采样电容之间；所述开关S2为2个，其中，第一开关S2连接于开关S4及所述运算放大器的反向输入端之间，第二开关S2连接于第二开关S1及所述运算放大器的正向输入端之间；所述开关S3连接于第一开关S1及暗像素输出端之间；所述开关S4连接于第一采用电容及暗像素输出端之间。
进一步地，所述开关电路为MOS互补管开关电路，当MOS互补管开关电路的控制端的控制信号为低电平时，开关处于关断状态，无法完成信号的传输；当MOS互补管开关电路的控制端的控制信号为高电平时，开关处于导通状态，可完成信号从输入到输出端的传输过程。
进一步地，所述采样电容还包括一组以上调节电容，该调节电容用于调节采样电容与放大电容之间电容值之比的大小来实现增益值的改变；所述每组调节电容为2个，其中一个通过所述开关电路与第一采样电容并联连接，另外一个通过所述开关电路与第二采样电容并联连接。
进一步地，所述调节电容为3组。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
本申请提出了一种噪声抑制电路，首先引入与明像素电路设计和结构完全一致的暗像素；然后通过开关电容电路差分，将光照条件下明像素的输出与非光照的黑暗条件下暗像素的输出相减后输入运算放大器的正向输入端，将非光照的黑暗条件下暗像素的输出与光照条件下明像素的输出相减后输入运算放大器的反向输入端，完成单端转双端的功能，实现信号的差分输出。进一步地，本申请通过调节采样电容的电容值大小，抑制固定模式噪声，实现运算放大器增益的改变，实现单端转双端的功能，通过运算放大器输出差分信号。
附图说明
图1示出了本实用新型的电路原理框图；
图2示出了本实用新型的电路示意图；
图3示出了本实用新型所述双相非交叠时钟信号发生器产生的开关电路时序图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，但并非对本实用新型保护范围的限制。基于本申请实施例的描述，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。
请参阅图1所示，图1示出了本申请的电路原理框图。
本申请所述的一种噪声抑制电路，包括设有像素阵列的图像传感器，还包括：明像素VIN，其为所述图像传感器像素阵列中任一像素，用于感应入射光并输出一个随光照强度变化而变化的电流或电压值。暗像素VCM，其尺寸和电路设计与所述明像素VIN完全一致，用于输出当前非光照背景下的电流或暗电压值。运算放大器OPA，所述运算放大器OPA用于将所述明像素VIN及暗像素VCM的输出电压差分后输出。开关电容电路，其连接于所述明像素输出端、暗像素输出端以及运算放大器OPA之间，用于将光照条件下明像素VIN的输出与非光照条件下暗像素VCM的输出相减后输入运算放大器OPA的正向输入端，同时将非光照条件下暗像素VCM的输出与光照条件下明像素VIN的输出相减后输入运算放大器OPA的反向输入端。
所述运算放大器OPA是一种双端输入、双端输出的差分放大器，用于将所述明像素VIN及暗像素VCM的输出电压差分后输出。
本实用新型所述明像素的结构，可以是现有互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)的任意一种像素结构，包括无源像素、有源像素或者随机读取有源像素电路，也包括本实施例未列举出的任意一种已知像素结构，所述暗像素的尺寸和电路结构与明像素完全一致。
在下面的描述中，明像素VIN的输出均表示图像传感器像素阵列中任意像素在光照条件下随光照强度变化而变化所输出的电压值，暗像素VCM的输出均表示图像传感器像素阵列中所增设的用于采集非光照背景下所输出的电压值，也即黑暗条件下暗像素的输出电压。
本申请通过在图像传感器阵列的任意n列或任意n行设置一个暗像素，该暗像素的尺寸和电路设计与阵列中的明像素保持一致，以输出当前非光照背景下的电流或暗电压值且其输出端接入开关电容电路中，与阵列中的明像素进行差分比较，抑制固定模式噪声，调节增益的大小，实现单端转双端的功能，同时输出差分信号。n为正整数。
请同时参阅图2，所述开关电容电路包括采样电容、放大电容、开关电路以及用于产生开关电路时序以控制开关电路中各开关导通或断开的双相非交叠时钟信号发生器。
所述放大电容C0为2个，分别连接于所述运算放大器输入以及输出端之间。所述采用电容器C1为2个，其中，第一采用电容通过所述开关电路分别与所述明像素VIN的输出端以及所述运算放大器OPA的反向输入端相连，并同时通过所述开关电路与所述暗像素VCM输出端连接。第二采用电容一端与暗像素VCM的输出端相连，其另一端通过所述开关电路与所述运算放大器OPA的正向输入端以及明像素VIN的输出端连接。
所述开关电路包括开关S1、开关S2、开关S3、开关S4。在第一阶段，在双相非交叠时钟信号发生器的控制下，开关S1、S4闭合，开关S2、S3断开，所述明像素VIN的输出电压与暗像素VCM的输出电压对采样电容C1进行充电。在第二阶段，在双相非交叠时钟信号发生器的控制下，开关S1、S4断开,开关S2、S3闭合，所述采样电容C1进行放电并对放大电容C0进行充电。所述双相非交叠时钟信号发生器所述产生的开关电路时序图，请参见图3所示。
所述开关S1为2个，其中，第一开关S1连接于所述明像素VIN输出端及第一采样电容之间，第二开关S1连接于所述明像素VIN输出端及第二采样电容之间。所述开关S2为2个，其中，第一开关S2连接于开关S4及所述运算放大器的反向输入端之间，第二开关S2连接于第二开关S1及所述运算放大器的正向输入端之间。所述开关S3连接于第一开关S1及暗像素VCM输出端之间；所述开关S4连接于第一采用电容及暗像素VCM输出端之间。
所述开关电路为MOS互补管开关电路，当MOS互补管开关电路的控制端的控制信号为低电平时，开关处于关断状态，无法完成信号的传输。当MOS互补管开关电路的控制端的控制信号为高电平时，开关处于导通状态，可完成信号从输入到输出端的传输过程。
所述采样电容C1还包括一组以上调节电容，该调节电容用于调节采样电容C1与放大电容C0之间电容值之比的大小，从而实现增益值的改变。所述每组调节电容为2个，每组调节电容中的一个通过所述开关电路与第一采样电容并联连接，另外一个通过所述开关电路与第二采样电容并联连接。
如图2所示，本实施例中调节电容为3组，分别为通过开关电路中的开关与采样电容C1并联连接的电容C2、电容C3及电容C4。
具体地，在图3所示的双相非交叠时钟信号发生器所产生的开关电路时序控制下，所述由采样电容C1，调节电容C2、C3及C4并联后组成的采样电容器完成对光照条件下明像素输出和黑暗条件下暗像素输出的差分采样。随后，将代表光强信号并消除了固定模式噪声的采样信号转移至由放大电容C0，并通过运算放大器OPA的输出端输出。
在第一阶段，此时开关S1、S4的控制信号为高电平，开关导通；开关S2、S3的控制信号为低电平，开关断开，采样电容C1两端电压为光照条件下的明像素VIN的输出电压与黑暗条件下的暗像素VCM的输出电压。此时，所述运算放大器OPA正向输入端电荷量大小为
Q＝(VIN-VCM)C1
此时所述运算放大器OPA反向输入端电荷量大小为
Q＝(VCM-VIN)C1
通过此阶段，完成了对明暗像素输出端差分的功能，将差分后的信号转移至运算放大器的输入的端。
在第二阶段，此时开关S1、S4的控制信号为低电平，开关断开；开关S2、S3的控制信号为高电平，开关导通，此时输入端电荷转移至放大电容C0，由于电荷守恒，此时所述运算放大器OPA正向输出端电荷量大小为
(VOP-VCM)C0＝(VCM-VIN)C1
此时所述运算放大器OPA反向输出端电荷量大小为
(VON-VCM)C0＝(VIN-VCM)C1
通过所述运算放大器，将光照条件下的明像素的输出电压与黑暗条件下的暗像素的输出电压差分后输出。此时输出电压增益的大小为采样电容C1的电容值的两倍与放大电容C0的电容值之比2C1/C0。
本实施例通过开关电路调节开关S5、S6、S7的通断，可调节采样电容C1与调节电容C2、C3及C4的电容值之和与放大电容C0的电容值的比例系数，从而实现对所述运算放大器OPA输出电压的调节，即光照条件下的明像素的输出电压与黑暗条件下的暗像素的输出电压差的放大倍数，实现输出电压增益随着开关S5、S6、S7的通断的变化而变化。
特别是，当需要实现信号缩小时，通过调节采样电容C1与调节电容C2、C3及C4的电容值之和与放大电容C0的电容值的比例系数小于1，便可实现。总之，无论是信号放大或缩小，本申请实施例中的可变增益放大器电路均可以单独实现，而无需专用的放大或缩小电路。
需要说明的是，本实用新型并不局限于上述实施方式，如果对本实用新型的各种改动或变形不脱离本实用新型的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本实用新型的权利要求和等同技术范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变形。
Claims (8)
1.一种噪声抑制电路，包括设有像素阵列的图像传感器，其特征在于还包括：
明像素，其为所述图像传感器像素阵列中任一像素，用于感应入射光并输出一个随光照强度变化而变化的电流或电压值；
暗像素，其尺寸和电路设计与所述明像素完全一致，用于输出当前非光照背景下的电流或暗电压值；
运算放大器，所述运算放大器用于将所述明像素及暗像素的输出电压差分后输出；
开关电容电路，其连接于所述明像素输出端、暗像素输出端以及运算放大器之间，用于将光照条件下明像素的输出与非光照条件下暗像素的输出相减后输入运算放大器的正向输入端，同时将非光照条件下暗像素的输出与光照条件下明像素的输出相减后输入运算放大器的反向输入端。
2.根据权利要求1所述的一种噪声抑制电路，其特征在于：所述开关电容电路包括采样电容、放大电容、开关电路以及用于产生开关电路时序以控制开关电路中各开关导通或断开的双相非交叠时钟信号发生器。
3.根据权利要求2所述的一种噪声抑制电路，其特征在于：所述放大电容连接于所述运算放大器输入以及输出端之间；所述采样电容为2个，其中第一采样电容通过所述开关电路分别与所述明像素的输出端以及所述运算放大器的反向输入端相连，同时通过所述开关电路与所述暗像素输出端连接，第二采样电容一端与暗像素的输出端相连且另一端通过所述开关电路与所述运算放大器正向输入端及明像素的输出端连接。
4.根据权利要求3所述的一种噪声抑制电路，其特征在于：所述开关电路包括开关S1、开关S2、开关S3、开关S4；在第一阶段，在双相非交叠时钟信号发生器的控制下，开关S1、S4闭合，开关S2、S3断开，所述明像素输出电压与暗像素输出电压对采样容器进行充电；在第二阶段，在双相非交叠时钟信号发生器的控制下，开关S1、S4断开,开关S2、S3闭合，所述采样电容进行放电并对放大电容进行充电。
5.根据权利要求4所述的一种噪声抑制电路，其特征在于：所述开关S1为2个，其中，第一开关S1连接于所述明像素输出端及第一采样电容之间，第二开关S1连接于所述明像素输出端及第二采样电容之间；所述开关S2为2个，其中，第一开关S2连接于开关S4及所述运算放大器的反向输入端之间，第二开关S2连接于第二开关S1及所述运算放大器的正向输入端之间；所述开关S3连接于第一开关S1及暗像素输出端之间；所述开关S4连接于第一采样电容及暗像素输出端之间。
6.根据权利要求3所述的一种噪声抑制电路，其特征在于：所述开关电路为MOS互补管开关电路，当MOS互补管开关电路的控制端的控制信号为低电平时，开关处于关断状态，无法完成信号的传输；当MOS互补管开关电路的控制端的控制信号为高电平时，开关处于导通状态，可完成信号从输入到输出端的传输过程。
7.根据权利要求3所述的一种噪声抑制电路，其特征在于：所述采样电容还包括一组以上调节电容，该调节电容用于调节采样电容与放大电容之间电容值之比的大小来实现增益值的改变；所述每组调节电容为2个，其中一个通过所述开关电路与第一采样电容并联连接，另外一个通过所述开关电路与第二采样电容并联连接。
8.根据权利要求7所述的一种噪声抑制电路，其特征在于：所述调节电容为3组。
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