一種基于運(yùn)放失調(diào)補(bǔ)償?shù)腃MOS傳感讀出電路

　　錢瑩瑩(電子科技大學(xué)?電子科學(xué)與工程學(xué)院，四川?成都?610054）

　　摘?要：在CMOS傳感讀出系統(tǒng)中，噪聲不僅來自于周圍環(huán)境，圖像傳感器自身的噪聲成為影響信噪比的一個(gè)重要因素，相關(guān)雙采樣電路是一種能夠有效消除圖像傳感器中的低頻噪聲的技術(shù) ^[1] 。由于工藝生產(chǎn)的非均勻型，圖像傳感器列級(jí)讀出電路之間的差異會(huì)引入額外的噪聲，其中主要是固定模式噪聲。本文基于GSMC 0.13μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，設(shè)計(jì)了基于運(yùn)放失調(diào)補(bǔ)償的CMOS傳感讀出電路，大大降低了固定模式噪聲。

　　關(guān)鍵詞：CMOS；固定模式噪聲；相關(guān)雙采樣；失調(diào)補(bǔ)償；讀出電路

　　0 引言

　　隨著手機(jī)、視頻監(jiān)控、空間探測(cè)等圖像市場(chǎng)的飛速發(fā)展，人們對(duì)圖像的需求也越來越大，CMOS圖像傳感器憑借高集成度、低成本、性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)而迅速發(fā)展。CMOS圖像傳感器容易受到噪聲的干擾，包括傳感器自身的噪聲和讀出電路的噪聲。圖像傳感器自身的噪聲主要包括1/f噪聲、熱噪聲、背景輻射引起的光噪聲、外界溫度變化對(duì)傳感器背景輻射的影響引起的溫度噪聲，由于工藝造成的傳感器之間的不匹配而引入的空間噪聲（也稱固定模式噪聲）。早在1976年，StephenP.Emmons就采用相關(guān)雙采樣技術(shù)來消除圖像傳感器自身的噪聲以及前端讀出電路的噪聲 ^[2] 。

　　相關(guān)雙采樣技術(shù)通過對(duì)復(fù)位電平以及信號(hào)電平進(jìn)行兩次采樣，然后得到信號(hào)電平與復(fù)位電平的差值，從而消除CMOS圖像傳感器像素的復(fù)位噪聲、1/f噪聲以及像素內(nèi)的固定模式噪聲等低頻噪聲 ^[1] 。但是相關(guān)雙采樣電路自身含有的有源器件會(huì)引入新的失調(diào)與低頻噪聲，從而導(dǎo)致列級(jí)固定模式噪聲。本文主要為了降低傳統(tǒng)相關(guān)雙采樣電路中運(yùn)放自身引入的失調(diào)電壓而產(chǎn)生的固定模式噪聲，提出了一種失調(diào)電壓補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)雙采樣電路。通過對(duì)運(yùn)放失調(diào)電壓等低頻噪聲進(jìn)行存儲(chǔ)，對(duì)輸出電壓進(jìn)行補(bǔ)償。最終輸出端電壓值為輸入信號(hào)電壓與復(fù)位電平的差值，從而得到有效傳感器信號(hào)供后續(xù)的模數(shù)混合電路進(jìn)行處理。

　　1 讀出電路及原理

　　1.1 積分放大電路

　　常見的傳感器有光伏型、熱電阻型，本文的采用的傳感器模型為光伏型二極管，而二極管中光電流的是非常小的，通常在200 pA~15 nA的范圍內(nèi)，很容易被自身的暗電流和讀出電路的噪聲所覆蓋，所以前端讀出電路需要具備合適的放大倍數(shù)。積分放大電路采用運(yùn)算放大器作為注入管，大大減小了輸入阻抗，同時(shí)，高增益的運(yùn)放對(duì)二極管型傳感器進(jìn)行鉗位，產(chǎn)生穩(wěn)定的偏置電壓，有效提高了注入效率。

　　如圖1所示的積分電路包括二極管型傳感器等效電路、積分電容選擇電路、復(fù)位開關(guān)、運(yùn)算放大器、單位增益緩沖器。

　　二極管型傳感器等效電路包含傳感器結(jié)電容 C _par ，微分等效電阻 R _par 和串聯(lián)電阻 R _Ser ，其中微分等效電阻R _par 的阻值較大，約為10 ¹² ?量級(jí)，而串聯(lián)電阻阻R _Ser 值較小，可忽略不計(jì) ^[3] 。本次采用的是GSMC 0.13 μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中的MIM電容，上下極板分別為第四層、第三層金屬，具有良好的匹配性，選取單位電容為50 fF，該工藝下電容值的偏差范圍為±15%，表1是該電容在各個(gè)工藝角下的電容值。

　　周圍環(huán)境中存在強(qiáng)光電流和弱光電流環(huán)境，在強(qiáng)光電流條件下，若積分器放大倍數(shù)過大，則可能會(huì)造成輸出超過工作電壓范圍。本文設(shè)計(jì)的積分放大電路采用可調(diào)節(jié)的積分電容值，從而在不同的光照環(huán)境下，改變放大倍數(shù)。積分放大電路中共有4個(gè)電容，其中電容是固定的積分電容，C ₁ 、C ₂ 、C ₃ 是可選擇電容 ，它們的比值為 1:1:2:4 ，從而電容可調(diào)節(jié)范圍為  C₀ ~ C₀8 ，可以有效適應(yīng)不同的電流環(huán)境。

　　復(fù)位開關(guān)是由工作在深線性區(qū)的NMOS管組成，可以等效為線性電阻，可以在電容上積累形成kT/C噪聲，同時(shí)復(fù)位開關(guān)的切換會(huì)引入電荷注入到運(yùn)放負(fù)輸入端，從而影響傳感器的偏置穩(wěn)定。但相比較與其它讀出電路，積分放大電路對(duì)偏置影響最小，基本上可以忽略 ^[4] 。

　　積分放大電路采用的運(yùn)算放大器需要具有較高的增益、1.2 V以上的輸入輸出擺幅，高的壓擺率，低功耗等條件，輸入的折疊式共源共柵放大器能夠很好的滿足上述要求。較高的增益使得二極管傳感器有穩(wěn)定的偏置，本文采用的運(yùn)算放大器的增益為84 dB，相位域度為72°，電流為16 μA，擺幅為0.6 V~1.8 V。

　　單位增益緩沖器是為了隔離積分放大電路與后面的相關(guān)雙采樣電路，從而避免了相關(guān)雙采樣電路中開關(guān)的切換對(duì)積分過程的影響。

　　1.2 相關(guān)雙采樣電路

　　相關(guān)雙采樣電路最早是應(yīng)用于CCD器件，用于消除CCD器件的復(fù)位噪聲和1/f噪聲等低頻噪聲 ^[5] ，隨著CMOS圖像傳感器成為市場(chǎng)主流產(chǎn)品后，相關(guān)雙采樣技術(shù)也應(yīng)用到CMOS圖像傳感讀出電路中，可以有效消除低頻噪聲 ^[1] 。相關(guān)雙采樣的基本原理是利用在周期性采樣時(shí)間內(nèi)，電容上的電荷不能突變，從而使原本不相關(guān)的噪聲具有相關(guān)性，這樣將信號(hào)電平與復(fù)位電平相減就能得到去噪聲的有效信號(hào) ^[6] 。

　　相關(guān)雙采樣電路包括采樣電路和失調(diào)存儲(chǔ)電路，在采樣過程中，采樣開關(guān)S1先對(duì)復(fù)位信號(hào)進(jìn)行采樣，然后采樣開關(guān)S2對(duì)積分后的信號(hào)進(jìn)行采樣，需要注意的是接地開關(guān)S4提前采樣開關(guān)S2關(guān)斷，這種下極板采樣方式能夠大大減小采樣開關(guān)電荷注入和時(shí)鐘饋通引入的非線性；同時(shí)，在此階段，復(fù)位開關(guān)S6閉合，運(yùn)算放大器形成單位增益負(fù)反饋形式，連接電壓 V _ref 開關(guān)S7閉合，完成對(duì)運(yùn)放負(fù)端的失調(diào)電壓的存儲(chǔ)。在信號(hào)轉(zhuǎn)移過程中，接地開關(guān)S3閉合，完成對(duì)積分信號(hào)和復(fù)位信號(hào)的相減，得到積分信號(hào)和復(fù)位信號(hào)的差值，同時(shí)，接地開關(guān)S5閉合，由運(yùn)放負(fù)端的電荷守恒，積分信號(hào)和復(fù)位信號(hào)的差值傳遞到運(yùn)放的輸出端。

　　由開復(fù)位開關(guān)S6閉合前后運(yùn)放負(fù)端電荷守恒得到下式：

　　其中， V _os 是運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓；A是運(yùn)算放大器增益；V _ref 是參考電平；V _out 是輸出電壓。

　　為簡(jiǎn)化起見，電容C3、C4取相同的容值，化簡(jiǎn)后得到：

　　在運(yùn)放增益足夠大的條件下，上式（2）化簡(jiǎn)的結(jié)果中，只含有信號(hào)電平和復(fù)位電平的差值，與傳統(tǒng)的相關(guān)雙采樣電路 ^[1] 相比，沒有衰減因子，而且運(yùn)放失調(diào)電壓也被補(bǔ)償了。

　　2 仿真結(jié)果

　　本文采用GSMC 0.13 μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，仿真溫度為300 K，電源電壓為3.3 V，地電壓為0 V，積分時(shí)間為10 μS，選取的積分電容值為50 fF，傳感器積分電流變化范圍為1nA~7.6 nA。

　　如圖4所示的是在失調(diào)電壓分別為0 mV和24 mV條件下，相關(guān)雙采樣輸出端電壓值，可以看出，在復(fù)位相時(shí)，運(yùn)算放大器連接成單位增益負(fù)反饋形式，失調(diào)電壓存儲(chǔ)在負(fù)輸入端的電容上，在電荷轉(zhuǎn)移相時(shí)，輸入信號(hào)轉(zhuǎn)移到輸出端。由圖4的結(jié)果可以得到，對(duì)于隨機(jī)變化的失調(diào)電壓，相關(guān)雙采樣電路的輸出電壓值與失調(diào)電壓為0 mV的值完全相等，所以，該電路能夠很好地補(bǔ)償運(yùn)放的失調(diào)電壓。

　　圖5所示的波形從上到下分別表示的是二極管傳感器光電流、積分器輸出電壓、相關(guān)雙采樣輸出電壓。可以看出，隨著二極管傳感器光電流的增大，積分放大電路的輸出電壓會(huì)超過擺幅。對(duì)于更大的光電流環(huán)境下，需要降低積分放大電路的放大倍數(shù)，可以通過調(diào)節(jié)可變電容的容值來改變。

　　3 結(jié)論

　　本文中，可變?cè)鲆娣e分放大電路能夠有效適用于強(qiáng)光電流和弱光電流環(huán)境，對(duì)微弱的光電流進(jìn)行有效放大；相關(guān)雙采樣電路能夠?qū)MOS圖像傳感器自身的噪聲及積分放大電路的低頻噪聲進(jìn)行抑制。在此基礎(chǔ)上，本文采用相關(guān)雙采樣補(bǔ)償技術(shù)，在不影響有效信號(hào)的同時(shí)，對(duì)運(yùn)放失調(diào)電壓進(jìn)行有效補(bǔ)償，能夠進(jìn)一步降低相關(guān)雙采樣電路的低頻噪聲。

　　參考文獻(xiàn)

　　[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] 劉成康.紅外焦平面陣列CMOS讀出電路研究[D].重慶大學(xué),2001.

　　[4] 唐明.320×240非制冷紅外焦平面陣列讀出電路模擬電路研究[D]. 北京交通大學(xué). 2012.

　　[5] 李藝琳,馮勇,安澄全.用相關(guān)雙采樣技術(shù)提高CCD輸出信號(hào)的信噪比[J]. 電測(cè)與儀表, 1999.

　　[6] 曾強(qiáng),呂堅(jiān),蔣亞東.一種紅外CMOS讀出電路相關(guān)雙采樣結(jié)構(gòu)[J].微處理機(jī), 2009.

　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第8期第50頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處