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瑞彩祥云

作者:錢瑩瑩時間:2019-08-12來源:電子産品世界收藏

  錢瑩瑩(電子科技大學?電子科學與工程學院,四川?成都?610054)

本文引用地址:/article/201908/403613.htm

  摘?要:在傳感讀出系統中,噪聲不僅來自于周圍環境,圖像傳感器自身的噪聲成爲影響信噪比的一個重要因素,電路是一种能够有效消除图像傳感器中的低频噪声的技术 [1] 。由于工藝生産的非均勻型,圖像傳感器列級之間的差異會引入額外的噪聲,其中主要是。本文基于GSMC 0.13?m标准工艺,設計了基于运放傳感,大大降低了

  關鍵詞:CMOS;

  0 引言

  随着手机、視頻监控、空间探测等图像市场的飞速发展,人们对图像的需求也越来越大,CMOS图像傳感器凭借高集成度、低成本、性能优良等优点而迅速发展。CMOS图像傳感器容易受到噪声的干扰,包括傳感器自身的噪声和读出電路的噪声。图像傳感器自身的噪声主要包括1/f噪声、热噪声、背景辐射引起的光噪声、外界温度变化对傳感器背景辐射的影响引起的温度噪声,由于工艺造成的傳感器之间的不匹配而引入的空间噪声(也称固定模式噪聲)。早在1976年,StephenP.Emmons就采用技术来消除图像傳感器自身的噪声以及前端读出電路的噪声 [2]

  相關雙采樣技术通过对复位电平以及信号电平进行两次采样,然后得到信号电平与复位电平的差值,从而消除CMOS图像傳感器像素的复位噪声、1/f噪声以及像素内的固定模式噪聲等低频噪声 [1] 。但是相關雙采樣電路自身含有的有源器件会引入新的失调与低频噪声,从而导致列级固定模式噪聲。本文主要为了降低传统相關雙采樣電路中运放自身引入的失调电压而产生的固定模式噪聲,提出了一种失调电压补偿的相關雙采樣電路。通过对运放失调电压等低频噪声进行存储,对输出电压进行补偿。最终输出端电压值为输入信号电压与复位电平的差值,从而得到有效傳感器信号供后续的模数混合電路进行处理。

  1 读出電路及原理

  1.1 积分放大電路

  常见的傳感器有光伏型、热电阻型,本文的采用的傳感器模型为光伏型二极管,而二极管中光电流的是非常小的,通常在200 pA~15 nA的范围内,很容易被自身的暗电流和读出電路的噪声所覆盖,所以前端读出電路需要具备合适的放大倍数。积分放大電路采用运算放大器作为注入管,大大减小了输入阻抗,同时,高增益的运放对二极管型傳感器进行钳位,产生稳定的偏置电压,有效提高了注入效率。

  如图1所示的积分電路包括二极管型傳感器等效電路、积分电容选择電路、复位開關、运算放大器、单位增益缓冲器。

  二极管型傳感器等效電路包含傳感器结电容 C par ,微分等效电阻 R par 和串联电阻 R Ser ,其中微分等效電阻R par 的阻值較大,約爲10 12 ?量級,而串聯電阻阻R Ser 值較小,可忽略不計 [3] 。本次采用的是GSMC 0.13 ?m标准CMOS工艺中的MIM电容,上下极板分别为第四层、第三层金属,具有良好的匹配性,选取单位电容为50 fF,该工艺下电容值的偏差范围为±15%,表1是该电容在各个工艺角下的电容值。

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  周围环境中存在强光电流和弱光电流环境,在强光电流条件下,若积分器放大倍数过大,则可能会造成输出超过工作电压范围。本文設計的积分放大電路采用可调节的积分电容值,从而在不同的光照环境下,改变放大倍数。积分放大電路中共有4个电容,其中电容是固定的积分电容,C 1 、C 2 、C 3 是可选择电容 ,它们的比值为 1:1:2:4 ,从而电容可调节范围为  C0 ~ C08 ,可以有效适应不同的电流环境。

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  复位開關是由工作在深线性区的NMOS管组成,可以等效为线性电阻,可以在电容上积累形成kT/C噪声,同时复位開關的切换会引入电荷注入到运放负输入端,从而影响傳感器的偏置稳定。但相比较与其它读出電路,积分放大電路对偏置影响最小,基本上可以忽略 [4]

  积分放大電路采用的运算放大器需要具有较高的增益、1.2 V以上的输入输出摆幅,高的压摆率,低功耗等条件,输入的折叠式共源共栅放大器能够很好的满足上述要求。较高的增益使得二极管傳感器有稳定的偏置,本文采用的运算放大器的增益为84 dB,相位域度为72°,电流为16 ?A,摆幅为0.6 V~1.8 V。

  单位增益缓冲器是为了隔离积分放大電路与后面的相關雙采樣電路,从而避免了相關雙采樣電路中開關的切换对积分过程的影响。

  1.2 相關雙采樣電路

  相關雙采樣電路最早是应用于CCD器件,用于消除CCD器件的复位噪声和1/f噪声等低频噪声 [5] ,随着CMOS图像傳感器成为市场主流产品后,相關雙采樣技术也应用到CMOS图像傳感读出電路中,可以有效消除低频噪声 [1] 。相關雙采樣的基本原理是利用在周期性采样时间内,电容上的电荷不能突变,从而使原本不相关的噪声具有相关性,这样将信号电平与复位电平相减就能得到去噪声的有效信号 [6]

  相關雙采樣電路包括采样電路和失调存储電路,在采样过程中,采样開關S1先对复位信号进行采样,然后采样開關S2对积分后的信号进行采样,需要注意的是接地開關S4提前采样開關S2关断,这种下极板采样方式能够大大减小采样開關电荷注入和时钟馈通引入的非线性;同时,在此阶段,复位開關S6闭合,运算放大器形成单位增益负反馈形式,连接电压 V ref 開關S7閉合,完成對運放負端的失調電壓的存儲。在信號轉移過程中,接地開關S3閉合,完成對積分信號和複位信號的相減,得到積分信號和複位信號的差值,同時,接地開關S5閉合,由運放負端的電荷守恒,積分信號和複位信號的差值傳遞到運放的輸出端。

  由開複位開關S6閉合前後運放負端電荷守恒得到下式:

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  其中, V os 是運算放大器的失調電壓;A是運算放大器增益;V ref 是參考電平;V out 是輸出電壓。

  爲簡化起見,電容C3、C4取相同的容值,化簡後得到:

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  在运放增益足够大的条件下,上式(2)化简的结果中,只含有信号电平和复位电平的差值,与传统的相關雙采樣電路 [1] 相比,沒有衰減因子,而且運放失調電壓也被補償了。

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  2 仿真结果

  本文采用GSMC 0.13 ?m标准CMOS工艺,仿真温度为300 K,电源电压为3.3 V,地电压为0 V,积分时间为10 ?S,选取的积分电容值为50 fF,傳感器积分电流变化范围为1nA~7.6 nA。

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  如图4所示的是在失调电压分别为0 mV和24 mV条件下,相關雙采樣输出端电压值,可以看出,在复位相时,运算放大器连接成单位增益负反馈形式,失调电压存储在负输入端的电容上,在电荷转移相时,输入信号转移到输出端。由图4的结果可以得到,对于随机变化的失调电压,相關雙采樣電路的输出电压值与失调电压为0 mV的值完全相等,所以,该電路能够很好地补偿运放的失调电压。

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  图5所示的波形从上到下分别表示的是二极管傳感器光电流、积分器输出电压、相關雙采樣输出电压。可以看出,随着二极管傳感器光电流的增大,积分放大電路的输出电压会超过摆幅。对于更大的光电流环境下,需要降低积分放大電路的放大倍数,可以通过调节可变电容的容值来改变。

  3 结论

  本文中,可变增益积分放大電路能够有效适用于强光电流和弱光电流环境,对微弱的光电流进行有效放大;相關雙采樣電路能够对CMOS图像傳感器自身的噪声及积分放大電路的低频噪声进行抑制。在此基础上,本文采用相關雙采樣补偿技术,在不影响有效信号的同时,对运放失调电压进行有效补偿,能够进一步降低相關雙采樣電路的低频噪声。

  參考文獻

  [1] Degerli Y, et al.Column readout circuit with global charge amplifier for CMOS APS imagers.ElectronicsLetters:1457–1459, Aug. 2000.

  [2] Brodersen R W, Emmons S P. Noise in buried channel charge-coupled device. Solid-State Circuits IEEE Journal,1976,11(1):147-155.

  [3] 刘成康.红外焦平面阵列CMOS读出電路研究[D].重庆大学,2001.

  [4] 唐明.320×240非制冷红外焦平面阵列读出電路模拟電路研究[D]. 北京交通大学. 2012.

  [5] 李艺琳,冯勇,安澄全.用相關雙采樣技术提高CCD输出信号的信噪比[J]. 电测与仪表, 1999.

  [6] 曾强,吕坚,蒋亚东.一种红外CMOS读出電路相關雙采樣結構[J].微处理机, 2009.

  本文來源于科技期刊《電子産品世界》2019年第8期第50頁,歡迎您寫論文時引用,並注明出處




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