一種cmos圖像傳感器列緩沖器信號完整性優(yōu)化電路及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及互補型金屬-氧化物-半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種CMOS圖像傳感器列緩沖器信號完整性優(yōu)化電路及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]圖像傳感器是現(xiàn)代電子成像系統(tǒng)的核心，圖像傳感器主要基于兩種工藝實現(xiàn)，CMOS工藝和電荷耦合器件(CCD)工藝。CMOS圖像傳感器技術(shù)由于其集成度高、體積小、功耗低等優(yōu)點，在最近幾年取得了飛速發(fā)展。CMOS圖像傳感器讀出電路的速度、精度決定了傳感器的幀頻、動態(tài)范圍及MTF(調(diào)制傳輸函數(shù))等指標(biāo)，因此其設(shè)計的好壞直接影響著圖像傳感器的功能和性能。
[0003]讀出電路中列緩沖器的作用是將前級采樣數(shù)據(jù)快速輸出，由于列緩沖輸出端存在很長的導(dǎo)線，會引入較大的寄生電阻和寄生電容，同時后級電路也存在輸入電容，為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速輸出，列緩沖器需要具有很高的帶寬。圖2(a)所示為傳統(tǒng)的列緩沖電路，然而該結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重的電荷分享效應(yīng)。在正常工作時，采樣電容35和36分別采樣到參考信號和積分信號，而后開關(guān)34和33依次接通，通過列緩沖器將積分信號和參考信號輸出到后級進(jìn)行黑電平校正。由于列緩沖器的單位增益帶寬必須很高，因此列緩沖器的輸入對管尺寸較大，輸入寄生電容也很大，因此列緩沖器輸入電容和采樣電容之間的電荷分享效應(yīng)不容忽視。研宄表明，經(jīng)列緩沖器輸出的積分信號和參考信號之差減小為原來的C2/(C+Cg)2倍，C和Cg分別為采樣電容和列緩沖器輸入端寄生電容，嚴(yán)重破壞了光電信號的完整性。
[0004]如圖2(b)為改進(jìn)的列緩沖電路結(jié)構(gòu)，和圖2(a)相比，該結(jié)構(gòu)增加了一個列緩沖器，且列緩沖器輸入端直接與采樣電容上極板相連，中間無開關(guān)控制，因此，在采樣電容進(jìn)行采樣時，列緩沖器輸入柵寄生電容保存了同樣的電壓，消除了在讀出時列緩沖輸入柵電容和采樣電容之間的電荷分享效應(yīng)。然而，該結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重的“回踢”(kick-back)效應(yīng)。以如圖3所示的運算放大器結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行說明，在每列緩沖器使能之前的采樣時間內(nèi)，采樣電容40完成對前級可編程增益放大器(PGA)輸出信號的采樣，設(shè)采樣到列緩沖輸入端的電壓為Vin，在采樣時間結(jié)束后，列緩沖器逐列使能，列緩沖器從休眠到使能轉(zhuǎn)變過程中，輸入管漏源電壓發(fā)生較大變化，通過柵漏交疊電容41和柵源交疊電容42耦合到采樣電容40，引起柵電壓發(fā)生較大變化，破壞了采樣保持電容40上存儲信號的完整性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提出了一種CMOS圖像傳感器列緩沖器信號完整性優(yōu)化電路及其方法，本列緩沖器信號完整性優(yōu)化電路避免了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)緩沖器從休眠模式到使能模式切換時因運算放大器工作點的較大變化導(dǎo)致的kick-back(回踢)效應(yīng)。同時，該結(jié)構(gòu)也避免了在進(jìn)行二次相關(guān)雙采樣時，兩個采樣保持電容與列緩沖器輸入端寄生電容發(fā)生的電荷分享效應(yīng)。
[0006]一種圖像傳感器讀出電路中列緩沖器信號完整性優(yōu)化電路，包括列緩沖器，所述列緩沖器包括運算放大器，列選通開關(guān)，反饋開關(guān)，第一積分信號選通開關(guān)和第二信號選通開關(guān)，第一參考信號選通開關(guān)和第二參考信號選通開關(guān)，第一積分信號采樣開關(guān)和第二積分信號采樣開關(guān)，第一參考信號采樣開關(guān)和第二參考信號采樣開關(guān)，參考信號采樣保持電容，及積分信號采樣保持電容；
[0007]所述運算放大器正輸入端與共模電平VCM連接，輸出端上連接有列選通開關(guān)；
[0008]所述反饋開關(guān)兩端分別接運算放大器輸出端和負(fù)向輸入端；
[0009]所述參考信號采樣保持電容上極板通過第一參考信號采樣開關(guān)連接至前級可編程增益放大器輸出端，積分信號采樣保持電容通過第一積分信號采樣開關(guān)連接至前級可編程增益放大器輸出端；
[0010]所述第一積分信號選通開關(guān)兩端分別接運算放大器輸出端和積分信號米樣電容的上極板，第二信號選通開關(guān)兩端分別接運算放大器負(fù)輸入端和積分信號采樣電容的下極板；
[0011]第一參考信號選通開關(guān)兩端分別接運算放大器輸出端和參考信號采樣電容的上極板，第二參考信號選通開關(guān)兩端分別接運算放大器負(fù)輸入端和參考信號采樣電容的下極板；
[0012]第二參考信號米樣開關(guān)兩端分別接運算放大器正輸入端和參考信號米樣電容的下極板，第二積分信號采樣開關(guān)兩端分別接運算放大器正輸入端和參考信號采樣電容的下極板。
[0013]所述運算放大器的輸出端和負(fù)向端輸入管之間存在隔離器件。
[0014]一種圖像傳感器讀出電路中列緩沖器信號完整性優(yōu)化電路的優(yōu)化方法，包括以下步驟:在讀取采樣某列數(shù)據(jù)時，該列緩沖器需提前一個時鐘周期進(jìn)入使能狀態(tài)，且將運算放大器連接為單位增益形式，以建立運算放大器工作點，而后列選通開關(guān)接通，反饋開關(guān)斷開，期間積分信號選通開關(guān)和參考信號選通開關(guān)依次接通，分別輸出積分信號和參考信號。
[0015]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述采樣階段包括以下步驟，第一參考信號采樣開關(guān)、第一積分信號采樣開關(guān)、第二積分信號采樣開關(guān)和第二參考信號采樣開關(guān)接通，參考信號采樣保持電容和積分信號采樣保持電容分別完成對參考信號和積分信號的采樣，采樣完成后第一參考信號采樣開關(guān)和第一積分信號采樣開關(guān)斷開，而第二積分信號采樣開關(guān)和第二參考信號采樣開關(guān)仍處于接通狀態(tài)，因此電容處于對采樣信號的保持狀態(tài)，上述處理過程各列列緩沖器并行完成。
[0016]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第一參考信號采樣開關(guān)和第一積分信號采樣開關(guān)的控制時序受前級可編程增益放大器約束。
[0017]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述輸出積分信號步驟包括以下步驟，第一積分信號選通開關(guān)和第二信號選通開關(guān)接通，積分信號采樣電容跨接到運算放大器負(fù)向輸入端和輸出端，第二積分信號采樣開關(guān)斷開，以隔離共模電平VCM和運算放大器負(fù)向輸入端。
[0018]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述輸出參考信號步驟包括以下步驟，第一參考信號選通開關(guān)和第二參考信號選通開關(guān)接通，參考信號采樣電容跨接到運算放大器負(fù)向輸入端和輸出端，同時，參考信號采樣開關(guān)斷開，以隔離共模電平VCM和運算放大器負(fù)向輸入端。
[0019]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述建立運算放大器工作點，需要適當(dāng)?shù)墓材ｋ娖絍CM使得運放工作在合理的電壓范圍。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0021]本發(fā)明一種CMOS圖像傳感器列緩沖器信號完整性優(yōu)化電路，根據(jù)電容的電荷守恒原理，采用電荷翻轉(zhuǎn)采樣技術(shù)，通過時序控制使每列列緩沖器在選通前一個時鐘周期進(jìn)入使能狀態(tài)，一是運算放大器工作點的提前建立；二是利用了運算放大器、采樣電容的負(fù)反饋作用，使得采樣保持電容上的信號即使改變后仍能恢復(fù)。避免了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)緩沖器從休眠模式到使能模式切換時因運算放大器工作點的較大變化導(dǎo)致的kick-back(回踢)效應(yīng)。同時，該結(jié)構(gòu)也避免了在進(jìn)行二次相關(guān)雙采樣時，兩個采樣保持電容與列緩沖器輸入端寄生電容發(fā)生的電荷分享效應(yīng)，大大抑制了列緩沖器對采樣保持電路信號完整性的破壞。
[0022]進(jìn)一步，運算放大器的輸出端和負(fù)向端輸入管之間存在隔離器件，其負(fù)向端輸入管源漏電壓均不變，因此柵源、柵漏交疊電容上的電荷均未改變，也就不會產(chǎn)生kick-back效應(yīng)。
[0023]本發(fā)明的優(yōu)化方法基于在列緩沖器信號完整性優(yōu)化電路，很好的解決了電荷分享效應(yīng)和因運算放大器工作點的較大變化導(dǎo)致的kick_back(回踢)效應(yīng)，將以上兩種效應(yīng)引入的誤差減小了 90%以上，因此可大大提高圖像傳感器的動態(tài)范圍并改善系統(tǒng)成像