CN114339093A - 一种用于图像传感器的可编程器增益放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及图像传感器技术领域，尤其是一种用于图像传感器的可编程器增益放大器，包括开关电容电路、主放大器和共模电平调节电路；所述共模电平调节电路包括开关S2和共模电平调节电容CP；所述开关S2为共模电平调节电路和开关电容电路的公用开关；所述开关电容电路包括可编程电容CS、可编程电容CF、开关S1、开关S2和开关S3。采用本方案，能够增加可编程器增益放大器电动态范围，从而降低可编程器增益放大器电动态范围对图像成像质量的影响，提高图像成像质量。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器技术领域，特别涉及一种用于图像传感器的可编程器增益放大器。
背景技术
随着现代计算机技术以及信息处理技术的发展，智能***成为了帮助人们处理外界各种复杂信息的重要工具，这些信息包括自然界的声、光、温度、压力以及气味。人们通过五官接受外界信息，其中，很大一部分的信息是通过视觉器官得到的。基于视觉图像巨大的信息量，先进的图像获取技术也就成了现代智能***的重要组成部分。
图像传感器是图像获取设备的核心，目前主流的固体图像传感器主要包括CCD和CMOS两种图像传感器。CCD图像传感器由于其较高的填充因子和较低的固定模式噪声已经得到广泛的应用。但因其存在着多电压、高功耗、低速度、不易与CMOS集成等缺点，限制了它的应用。CMOS图像传感器正是解决了CCD存在的问题而得到了广泛的应用。但是，CMOS图像传感器应用环境的变化(例如温度与光线强度的变化)会直接影响CMOS图像传感器的信号强度及其性能。为了适应信号强度的变化，通常会在CMOS图像传感器输出端设置一个可编程增益放大器调节信号强度，以满足信号较大的动态范围要求。
目前，现有技术可编程器增益放大器通常采用带有失调消除技术的可编程器增益放大器，内部可实现采样保持、相关双采样、失调校准等功能，这样，减小了像素内的固定模式噪声、复位管的KTC噪声、可编程器增益放大器引入的列固定模式噪声。现有技术中带有失调消除技术的可编程器增益放大器工作过程一般分为两步：第一步采样像素复位信号和放大器的失调电压信号；第二步采样积分后的像素信号，将两次采样的模拟信号做差并，以共模电压为基准上升或下降输出图像信号电压，消除了像素单元的固定模式噪声、复位管的KTC噪声，同时做了失调校准处理，减小了列固定模式噪声的影响。由于实际的运算放大器输入电压动态范围和输出电压动态范围为有限范围并相互制约，造成可编程器增益放大器的电动态范围受限，降低了图像信号的动态范围，对图像成像质量有较大的影响。
综上，现有技术中的可编程器增益放大器存在着电动态范围小的问题，从而导致电动态范围对图像成像质量有较大的影响，因此，亟需设计一款新的可编程器增益放大器，能够增加可编程器增益放大器电动态范围，从而降低可编程器增益放大器电动态范围对图像成像质量的影响。
发明内容
本发明提供了一种用于图像传感器的可编程器增益放大器，能够增加可编程器增益放大器电动态范围，从而降低可编程器增益放大器电动态范围对图像成像质量的影响，提升图像成像质量。
本发明提供的基础方案：
一种用于图像传感器的可编程器增益放大器，包括开关电容电路、主放大器和共模电平调节电路；
所述共模电平调节电路包括开关S2和共模电平调节电容CP；
所述开关S2与共模电平调节电容CP串联；所述开关S2的一端与共模电平调节电容CP连接，所述开关S2的另一端与输出共模电平VREF连接，所述共模电平调节电容CP的另一端接地；
所述开关S2为共模电平调节电路和开关电容电路的公用开关；
所述开关电容电路包括可编程电容CS、可编程电容CF、开关S1、开关S2和开关S3；
所述可编程电容CS的一端与图像传感器像素列输出端连接，所述可编程电容CS的另一端与可编程电容CF、开关S1和主放大器的输入端连接；
所述可编程电容CF的另一端与开关S2、共模电平调节电容CP和开关S3连接；
所述开关S1的另一端与开关S3的另一端、主放大器的输出端和可编程增益放大器输出端连接。
本发明的原理及优点在于：本方案通过在可编程增益放大器中，添加共模电平调节电容，增大了可编程增益放大器的电动态范围，具体原理如下：共模电平调节电容能够对输出共模电平进行存储，使可编程增益放大器在放大信号的期间，主放大器以输出共模电平为基准上升或下降输出，增大了可编程增益放大器的电动态范围，从而降低了可编程器增益放大器电动态范围对图像成像质量的影响；除此之外，本方案中电动态范围的扩大方式非常简单，仅需在现有可编程增益放大器电路中添加一个共模电平调节电容，从而易于在现有的图像传感器列级可编程器增益电路中实现电动态范围的扩大，且需要对其电动态范围进行改动时，仅需对共模电平调节电容进行相应的替换，改动方式简易，改进成本较小。综上所述，采用本方案能够增加可编程器增益放大器电动态范围，降低可编程器增益放大器电动态范围对图像成像质量的影响，提高了图像成像质量，且本方案的实现成本低，实现难度小，可直接在现有可编程器增益放大器电路中进行器件的添加或变动。
进一步，所述开关电容电路包括放大功能开关电容电路，所述放大功能开关电容电路包括可编程电容CS、可编程电容CF和开关S3；
所述放大功能开关电容电路与主放大器组成可编程放大电路，所述可编程放大电路用于放大图像传感器像素列输出端输出的信号。
有益效果：由放大功能开关电容电路与主放大器组成可编程放大电路，对图像传感器像素列输出端输出的信号进行放大。
进一步，所述开关电容电路包括失调采样开关电容电路，所述失调采样开关电容电路包括可编程电容CS、可编程电容CF、开关S1和开关S2；
所述失调采样开关电容电路用于采样分析主放大器的失调电压。
有益效果：通过失调采样开关电容电路采样分析主放大器的失调电压。
进一步，所述可编程电容CS用于存储所述失调采样开关电容电路采样分析的失调电压。
有益效果：对失调采样开关电容电路采样分析的失调电压进行存储。
进一步，所述可编程电容CF用于存储所述失调采样开关电容电路采样分析的失调电压。
有益效果：对失调采样开关电容电路采样分析的失调电压进行存储。
进一步，所述主放大器为差分输入、单端输出的主放大器；
所述主放大器的负输入端与可编程电容CS连接，所述主放大器的正输入端连接有共模电平VCM。
有益效果：差分输入、单端输出的放大器与单端输入放大器相比：1、抗干扰能力更强，因为正输入端与负输入端走线之间的耦合很好，当外界存在噪声干扰时，几乎是同时被耦合到两条线上，而影响输出端的只是两信号的差值，所以外界的共模噪声可以被完全抵消；2、能有效抑制EMI；3、时序定位精确，由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点，而不像普通单端信号依靠高低两个阈值电压判断，因而受工艺，温度的影响小，能降低时序上的误差，同时也更适合于低幅度信号的电路。
进一步，所述可编程增益放大器输出端的输出电压计算公式为：
式中，Vout为可编程增益放大器输出端的输出电压；VREF为输出共模电平；CS为采样可编程电容；CF为反抗可编程电容；Vreset为复位电压；Vsignal为光曝光信号电压；VOUT_Min为主放大器的最小输出电压；VOUT_Max为主放大器的最大输出电压。
有益效果：本发明中，用于图像传感器的可编程器增益放大器的输出电压以输出共模电平VREF为基准上升或下降输出，这样输出电压只受可编程器增益放大器的输出电压范围的影响，不受可编程器增益放大器的输入电压范围限制，从而增加了可编程器增益放大器的电动态范围，提高了图像成像质量。
进一步，所述图像传感器像素列输出端输出的信号包括复位信号和光电信号。
有益效果：能够对图像传感器像素列输出端输出的多种信号进行处理。
进一步，所述可编程电容CS用于存储图像传感器像素列输出端输出的信号。
有益效果：对图像传感器像素列输出端输出的信号进行存储，有利于进行调用。
附图说明
图1为本发明实施例一种用于图像传感器的可编程器增益放大器的电路图。
图2为本发明实施例一种用于图像传感器的可编程器增益放大器的操作步骤示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
实施例1：
实施例1基本如附图1所示：
一种用于图像传感器的可编程器增益放大器，如图1所示，包括开关电容电路、主放大器和共模电平调节电路。
所述共模电平调节电路包括开关S2和共模电平调节电容CP。
所述开关S2与共模电平调节电容CP串联；所述开关S2的一端与共模电平调节电容CP连接，所述开关S2的另一端与输出共模电平VREF连接，所述共模电平调节电容CP的另一端接地。
所述开关S2为共模电平调节电路和开关电容电路的公用开关。
所述开关电容电路包括可编程电容CS、可编程电容CF、开关S1、开关S2和开关S3。具体的，所述开关电容电路包括放大功能开关电容电路和失调采样开关电容电路。可编程电容CS和可编程电容CF为放大功能开关电容电路和失调采样开关电容电路的公用可编程电容。
所述放大功能开关电容电路包括可编程电容CS、可编程电容CF和开关S3；所述放大功能开关电容电路与主放大器组成可编程放大电路，所述可编程放大电路用于放大图像传感器像素列输出端输出的信号。
所述失调采样开关电容电路包括可编程电容CS、可编程电容CF、开关S1和开关S2；所述失调采样开关电容电路用于采样分析主放大器的失调电压。
所述可编程电容CS及可编程电容CF均用于存储所述失调采样开关电容电路采样分析的失调电压。所述可编程电容CS还用于存储图像传感器像素列输出端输出的信号。
所述可编程电容CS的一端与图像传感器像素列输出端连接，所述可编程电容CS的另一端与可编程电容CF、开关S1和主放大器的输入端连接。所述图像传感器像素列输出端输出的信号包括复位信号和光电信号。
所述主放大器为差分输入、单端输出的主放大器；所述主放大器的负输入端与可编程电容CS连接，所述主放大器的正输入端与共模电平VCM连接。
所述可编程电容CF的另一端与开关S2、共模电平调节电容CP和开关S3连接。
所述开关S1的另一端与开关S3的另一端、主放大器的输出端和可编程增益放大器输出端连接。
本发明中，用于图像传感器的可编程器增益放大器的输出电压以输出共模电平VREF为基准上升或下降输出图像信号电压，最大化可编程器增益放大器的电动态范围，使输出电压Vout变为：
而现有技术带有失调消除技术的可编程器增益放大器的输出电压Vout为：
两者相比，本发明中，用于图像传感器的可编程器增益放大器的输出电压以输出共模电平VREF为基准上升或下降输出，这样输出电压只受可编程器增益放大器的输出电压范围的影响，不受可编程器增益放大器的输入电压范围限制，从而增加了可编程器增益放大器的电动态范围，提高了图像成像质量。
附图2是本发明的操作步骤示意图，由图2可知，本发明扩展电动态范围，采用本发明共模电平调节电路对输出共模电压进行调节，在时序控制中采样放大时刻的输出Vout为：
式中，Vout为可编程增益放大器输出端的输出电压，单位为伏特；VREF为输出共模电平，单位为伏特；CS为采样可编程电容，单位为fF；CF为反抗可编程电容，单位为fF；Vreset为复位电压，单位为伏特；Vsignal为光曝光信号电压，单位为伏特；VOUT_Min为主放大器的最小输出电压，单位为伏特；VOUT_Max为主放大器的最大输出电压，单位为伏特。
现有技术(无本发明中的共模电平调节电容)在时序控制中采样放大时刻的输出Vout为：
式中，Vout为可编程增益放大器输出端的输出电压，单位为伏特；VCM为外加输入共模电平，单位为伏特；CS为采样可编程电容，单位为fF；CF为反抗可编程电容，单位为fF；Vreset为复位电压，单位为伏特；Vsignal为光曝光信号电压，单位为伏特；VIN_min为主放大器的最小共模输入电压，单位为伏特；VIN_max为主放大器的最大共模输入电压，单位为伏特；VOUT_Min为主放大器的最小输出电压，单位为伏特；VOUT_Max为主放大器的最大输出电压，单位为伏特。
相对于现有技术可编程器增益放大器而言，本发明在基准上升或下降两种状态下，采样放大时刻的输出Vout都在增益放大器的最小输出电压和最大输出电压之间，两种状态分别提高了VOUT_Min、VIN_min、VOUT_Max和VIN_max电压摆幅，由此增大可编程器增益放大器的电动态范围。
本发明用于图像传感器的可编程器增益放大器对图像传感器的信号进行处理，包括以下步骤：
S1、开关S1和开关S2闭合，失调采样开关电容电路采样主放大器的失调电压，并存储在可编程电容CS和可编程电容CF中，同时，图像传感器的复位信号或光电信号存储于采样可编程电容CS中。
S2、开关S1和开关S2断开，开关S3闭合，图像传感器的光电信号或复位信号从pixel_in端输入，通过放大功能开关电容电路的放大，用于图像传感器的扩展电动态范围可编程增益放大器放大后输出达到图像传感器的有效图像信号，并且输出电压以输出共模电平VREF为基准上升或下降输出，从而消除了像素固定模式噪声和复位热噪声，增大了可编程器增益放大器电动态范围，提高了图像成像质量。
本方案通过在可编程增益放大器中，添加共模电平调节电容，增大了可编程增益放大器的电动态范围，具体原理如下：共模电平调节电容能够对输出共模电平进行存储，使可编程增益放大器在放大信号的期间，主放大器以输出共模电平为基准上升或下降输出，增大了可编程增益放大器的电动态范围，从而降低了可编程器增益放大器电动态范围对图像成像质量的影响；除此之外，本方案中电动态范围的扩大方式非常简单，仅需在现有可编程增益放大器电路中添加一个共模电平调节电容，从而易于在现有的图像传感器列级可编程器增益电路中实现电动态范围的扩大，且需要对其电动态范围进行改动时，仅需对共模电平调节电容进行相应的替换，改动方式简易，改进成本较小。综上所述，采用本方案能够增加可编程器增益放大器电动态范围，降低可编程器增益放大器电动态范围对图像成像质量的影响，提高了图像成像质量，且本方案的实现成本低，实现难度小，可直接在现有可编程器增益放大器电路中进行器件的添加或变动。
以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (9)
1.一种用于图像传感器的可编程器增益放大器，其特征在于：包括开关电容电路、主放大器和共模电平调节电路；
所述共模电平调节电路包括开关S2和共模电平调节电容CP；
所述开关S2与共模电平调节电容CP串联；所述开关S2的一端与共模电平调节电容CP连接，所述开关S2的另一端与输出共模电平VREF连接，所述共模电平调节电容CP的另一端接地；
所述开关S2为共模电平调节电路和开关电容电路的公用开关；
所述开关电容电路包括可编程电容CS、可编程电容CF、开关S1、开关S2和开关S3；
所述可编程电容CS的一端与图像传感器像素列输出端连接，所述可编程电容CS的另一端与可编程电容CF、开关S1和主放大器的输入端连接；
所述可编程电容CF的另一端与开关S2、共模电平调节电容CP和开关S3连接；
所述开关S1的另一端与开关S3的另一端、主放大器的输出端和可编程增益放大器输出端连接。
2.根据权利要求1所述的用于图像传感器的可编程器增益放大器，其特征在于：所述开关电容电路包括放大功能开关电容电路，所述放大功能开关电容电路包括可编程电容CS、可编程电容CF和开关S3；
所述放大功能开关电容电路与主放大器组成可编程放大电路，所述可编程放大电路用于放大图像传感器像素列输出端输出的信号。
3.根据权利要求1所述的用于图像传感器的可编程器增益放大器，其特征在于：所述开关电容电路包括失调采样开关电容电路，所述失调采样开关电容电路包括可编程电容CS、可编程电容CF、开关S1和开关S2；
所述失调采样开关电容电路用于采样分析主放大器的失调电压。
4.根据权利要求3所述的用于图像传感器的可编程器增益放大器，其特征在于：所述可编程电容CS用于存储所述失调采样开关电容电路采样分析的失调电压。
5.根据权利要求3所述的用于图像传感器的可编程器增益放大器，其特征在于：所述可编程电容CF用于存储所述失调采样开关电容电路采样分析的失调电压。
6.根据权利要求1所述的用于图像传感器的可编程器增益放大器，其特征在于：所述主放大器为差分输入、单端输出的主放大器；
所述主放大器的负输入端与可编程电容CS连接，所述主放大器的正输入端连接有共模电平VCM。
7.根据权利要求1所述的用于图像传感器的可编程器增益放大器，其特征在于：所述可编程增益放大器输出端的输出电压计算公式为：
式中，Vout为可编程增益放大器输出端的输出电压；VREF为输出共模电平；CS为采样可编程电容；CF为反抗可编程电容；Vreset为复位电压；Vsignal为光曝光信号电压；VOUT_Min为主放大器的最小输出电压；VOUT_Max为主放大器的最大输出电压。
8.根据权利要求2所述的用于图像传感器的可编程器增益放大器，其特征在于：所述图像传感器像素列输出端输出的信号包括复位信号和光电信号。
9.根据权利要求2所述的用于图像传感器的可编程器增益放大器，其特征在于：所述可编程电容CS用于存储图像传感器像素列输出端输出的信号。
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