CN216700153U - 一种自适应增益的cmos图像传感器列放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于图像传感器领域，公开了一种自适应增益的CMOS图像传感器列放大器，列放大器包括可编程增益放大器A1、A2以及比较器G；A1、A2可同时放大CMOS图像传感器像素输出的复位电平R和信号电平S，差分输入比较器可以比较复位电平R和信号电平S之差。本实用新型增大了图像传感器的动态范围，避免各像素复位电平和失调电压的差异影响高、低增益之间的阈值。

Description

一种自适应增益的CMOS图像传感器列放大器

技术领域

本实用新型属于图像传感器技术领域，尤其涉及一种自适应增益的CMOS图像传感器列放大器。

背景技术

CMOS图像传感器在输入光功率微弱的时候，需要列放大器有较高的增益，可以减小后级读出电路的噪声贡献。然而在输入光功率增强的时候，较高的增益容易使得信号链路饱和。这时候需要降低列放大器的增益，以满足光功率增强的工作条件。于是近年来发展出自适应列放大器增益的CMOS图像传感器。在输入光功率微弱的时候为列放大器选择较高的增益，在输入光功率增强的时候选择较低的增益，这无疑增大了CMOS图像传感器的动态范围。

依据电子快门的控制方式不同，CMOS图像传感器分为卷帘快门(rollingshutter)和全局快门(global shutter)两种。为了获得速度大于1000fps的超高速图像，必需采用全局快门。

如图1所示的现有技术，每列放大器有一个相应的比较器，在放大器工作之前先比较。它的比较器仅在信号电平读出的时候工作一次，因而没有消除复位电平和像素中失调的差异。在比较器阈值附近，由于各像素复位电平和失调的差异，引起固定图形噪声(Fixedpattern noise)。进一步，为避免高增益的时候列放大器饱和，比较器的阈值电压要小于预期的理想值。如果能在比较器阈值中减小和消除各像素复位电平和失调差异，那么可以缓解上述两个问题。

如图2所示的现有技术，每列放大器有一个相应的比较器，基于像素的相关双采样操作，分两次分别读出像素的复位电平和信号电平。列放大器先对复位电平采样，然后对信号电平采样，列放大器输出是信号电平与复位电平之差的倍数。类似的，比较器的一个输入电容对复位电平和信号电平作相关双采样。

现有技术存在CMOS图像传感器的动态范围小，各像素复位电平和失调电压的差异影响高、低增益之间的阈值的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提出了一种双存储的全局快门CMOS图像传感器，它针对一种具有两个存储节点的CMOS图像传感器像素而设计，这种像素可以同时输出复位电平R和信号电平S。该列放大器具有两个可编程增益放大器，可以同时放大CMOS图像传感器像素输出的复位电平R和信号电平S。该列放大器具有至少一个差分输入比较器，可以比较复位电平R和信号电平S之差。

两个可编程增益放大器均至少有两种增益，改变增益可以由改变反馈网络中并联电容的数量达成。如果只有高低两种增益，那么需要一个差分输入比较器判定阈值；如果有高中低三种增益，那么需要两个差分输入比较器判定阈值；如果需要更多增益设置，那么以此类推。

本实用新型公开的自适应增益的CMOS图像传感器列放大器，所述列放大器包括两个可编程增益放大器A1、A2以及一个差分比较器G；

所述可编程增益放大器A1的负输入端连接电容C0，所述电容C0的另一端串联开关S1后连接输入信号R，所述电容C0的另一端还串联开关RST1后连接所述可编程增益放大器A1的正输入端；所述可编程增益放大器A1的负输入端还分别连接电容C1、开关G1和电容C2串联的电路、开关RST2，所述开关RST2的另一端，所述电容C1的另一端、所述开关G1和电容C2串联的电路的另一端分别和所述可编程增益放大器A1的输出连接，；所述可编程增益放大器A1的正输入端还连接参考电压VREF或VREF-或VREF+；

所述可编程增益放大器A2的负输入端连接电容C3，所述电容C3的另一端串联开关S2后连接输入信号S，所述电容C3的另一端还串联开关RST3后连接所述可编程增益放大器A2的正输入端；所述可编程增益放大器A2的负输入端还分别连接电容C4、开关G1’和电容C5串联的电路、开关RST4，所述开关RST4的另一端，所述电容C4的另一端、所述开关G1’和电容C5串联的电路的另一端分别和所述可编程增益放大器A2的输出连接，；所述可编程增益放大器A2的正输入端还连接参考电压VREF或VREF-或VREF+；

所述差分比较器G的正输入端连接电容C+，所述电容C+的另一端分别连接开关S1’和开关RST5，所述开关RST5的另一端连接参考电压VREF+，所述开关S1’的另一端连接输入信号R；

所述差分比较器G的负输入端连接电容C-，所述电容C-的另一端分别连接开关S2’和开关RST6，所述开关RST6的另一端连接参考电压VREF-，所述开关S2’的另一端连接输入信号S。

进一步的，当开关G1和G1’闭合，所述电容C2和所述电容C5接入反馈网络，分别与所述电容C1和所述电容C4并联，所述可编程增益放大器A1和A2具有低增益；当开关G1和G1’断开，所述电容C2和所述电容C5不接入反馈网络，所述可编程增益放大器A1和A2具有高增益。

进一步的，所述电容C1可再并联一个或多个由一个开关和一个电容串联组成的电路，所述电容C4可再并联一个或多个由一个开关和一个电容串联组成的电路。

进一步的，当开关RST1和RST2闭合，所述可编程增益放大器A1和所述可编程增益放大器A2的正输入端均与输出端相连接，此时所述可编程增益放大器A1的失调电压存储于所述电容C0，所述可编程增益放大器A2的失调电压存储于所述电容C3。

进一步的，在RST相位结束后，开关S1’和开关S2’闭合，如果输入信号R和S的电压差大于参考电压VREF+和VREF-的差值，那么比较器的输出G＝1；如果输入信号R和S的电压差小于参考电压VREF+和VREF-的差值，那么比较器的输出G＝0。

进一步的，所述列放大器至少具有两种增益。

进一步的，所述开关RST1、RST2、RST3和RST4具有相同相位，即同时打开或关闭，所述开关RST5、RST6具有相同相位，即同时打开或关闭。

进一步的，所述开关RST1、RST2、RST3、RST4、RST5、RST6具有相同相位，即同时打开或关闭。

本实用新型的有益效果如下：

针对具有两个存储节点的CMOS图像传感器像素设计了一种自适应增益的列放大器，这样有利于增大CMOS图像传感器的动态范围，也就是在弱光条件下降低了读出电路信噪比，在强光条件下避免读出电路较早饱和；

使用基于CMOS图像传感器像素的信号电平与复位电平之差来决定列放大器的增益，这样减弱了固定图形噪声(Fixed pattern noise)，避免各像素复位电平和失调电压的差异影响高、低增益之间的阈值。

附图说明

图1现有技术之一的列放大器结构图；

图2现有技术之二的列放大器结构图；

图3本实用新型实施例1的列放大器结构图；

图4本实用新型实施例1的列放大器时序图；

图5本实用新型实施例2的列放大器结构图；

图6本实用新型实施例3的列放大器时序图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明，但不以任何方式对本实用新型加以限制，基于本实用新型教导所作的任何变换或替换，均属于本实用新型的保护范围。

本实用新型的目的是提供CMOS图像传感器的动态范围大，各像素复位电平和失调电压的差异不影响高、低增益之间的阈值的图像传感器的列放大器。

为达到该目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种用于全局快门CMOS图像传感器的列放大器。它针对一种具有两个存储节点的CMOS图像传感器像素而设计，这种像素可以同时输出复位电平R和信号电平S。该列放大器具有两个可编程增益放大器，可以同时放大CMOS图像传感器像素输出的复位电平R和信号电平S。该列放大器具有至少一个差分输入比较器，可以比较复位电平R和信号电平S之差。

两个可编程增益放大器均至少有两种增益，改变增益可以由改变反馈网络中并联电容的数量达成。如果只有高低两种增益，那么需要一个差分输入比较器判定阈值；如果有高中低三种增益，那么需要两个差分输入比较器判定阈值；如果需要更多增益设置，那么以此类推。

本实用新型公开的自适应增益的CMOS图像传感器列放大器，所述列放大器包括两个可编程增益放大器A1、A2以及一个差分比较器G；

可编程增益放大器A1的负输入端连接电容C0，电容C0的另一端串联开关S1后连接输入信号R，电容C0的另一端还串联开关RST1后连接可编程增益放大器A1的正输入端；可编程增益放大器A1的负输入端还分别连接电容C1、开关G1和电容C2串联的电路、开关RST2，开关RST2的另一端，电容C1的另一端、开关G1和电容C2串联的电路的另一端分别和可编程增益放大器A1的输出连接；可编程增益放大器A1的正输入端还连接参考电压VREF或VREF-或VREF+；

可编程增益放大器A2的负输入端连接电容C3，电容C3的另一端串联开关S2后连接输入信号S，电容C3的另一端还串联开关RST3后连接可编程增益放大器A2的正输入端；可编程增益放大器A2的负输入端还分别连接电容C4、开关G1’和电容C5串联的电路、开关RST4，开关RST4的另一端，电容C4的另一端、开关G1’和电容C5串联的电路的另一端分别和可编程增益放大器A2的输出连接；可编程增益放大器A2的正输入端还连接参考电压VREF或VREF-或VREF+；

差分比较器G的正输入端连接电容C+，电容C+的另一端分别连接开关S1’和开关RST5，开关RST5的另一端连接参考电压VREF+，开关S1’的另一端连接输入信号R；

差分比较器G的负输入端连接电容C-，电容C-的另一端分别连接开关S2’和开关RST6，开关RST6的另一端连接参考电压VREF-，开关S2’的另一端连接输入信号S。

当比较器的输出G＝1，开关G1和G1’闭合，电容C2和电容C5接入反馈网络，分别与电容C1和电容C4并联，可编程增益放大器A1和A2具有低增益；当比较器的输出G＝0，开关G1和G1’断开，电容C2和电容C5不接入反馈网络，可编程增益放大器A1和A2具有高增益。

电容C1可再并联一个或多个由一个开关和一个电容串联组成的电路，电容C4可再并联一个或多个由一个开关和一个电容串联组成的电路。

当开关RST1和RST2闭合，可编程增益放大器A1和可编程增益放大器A2的正输入端均与输出端相连接，此时可编程增益放大器A1的失调电压存储于电容C0，可编程增益放大器A2的失调电压存储于电容C3。

在RST相位结束后，开关S1’和开关S2’闭合，如果输入信号R和S的电压差大于参考电压VREF+和VREF-的差值，那么比较器的输出G＝1；如果输入信号R和S的电压差小于参考电压VREF+和VREF-的差值，那么比较器的输出G＝0。

列放大器至少具有两种增益。

开关RST1、RST2、RST3和RST4具有相同相位，即同时打开或关闭，开关RST5、RST6具有相同相位，即同时打开或关闭。

开关RST1、RST2、RST3、RST4、RST5、RST6具有相同相位，即同时打开或关闭。

为了使本实用新型的技术方案和有益效果更加清楚，以下结合实际例子，对本实用新型进行进一步描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

如图3所示的自适应增益的列放大器，由两个可编程增益放大器A1和A2，以及一个差分比较器构成。

可编程增益放大器至少具有两种增益，也可以有多于两种增益。放大器的反馈电容由两部分构成，一部分是固定电容C1、C4，另一部分是开关电容C2、C5。C2和C5分别与开关G1和G1’串联。当开关闭合C2和C5接入反馈网络，分别与C1和C4并联，放大器具有较低的增益；当开关断开，C2和C5不接入反馈网络，放大器具有较高的增益。在一些实施例中，可以并联更多类似由开关和电容串联的电路，有越多的电容与C1和C4并联，两个放大器的闭环增益越低。

工作的时序如图4所示。在RST相位，即开关RST1、RST2、RST3、RST4、RST5、RST6同时关闭，放大器A1和放大器A2的正端均与输出相连接。放大器A1的失调电压存储于电容C0，放大器A2的失调电压存储于电容C3。

比较器G的正负输入端各连接一个电容，分别记作C+和C-。在RST相位，C+和C-的左侧连接参考电压VREF+和VREF-。在RST结束后，即开关RST1、RST2、RST3、RST4、RST5、RST6同时打开，电容C+和C-左侧的开关S1’和S2’闭合。如果输入信号R和S的电压差大于参考电压VREF+和VREF-的差值，那么比较器的输出G＝1。如果输入信号R和S的电压差小于参考电压VREF+和VREF-的差值，那么比较器的输出G＝0。示例性的，本实施例中VREF电压可以是1.5V至1.8V，VREF+电压为1.8V，VREF-电压为1.5V。

紧接着电容C0和C3左侧的开关S1和S2闭合，两个放大器分别对复位电平R和信号电平S放大。在G＝1的时候，电容C2串联的开关和电容C5串联的开关闭合，放大器A1和A2具有较低的闭环增益。在G＝0的时候电容C2串联的开关和电容C5串联的开关断开，放大器A1和A2具有较高的闭环增益。

实施例2

如图5所示，本实施例在实施例1的基础上，运放A1和A2的正输入端可以连接参考电压VREF+或VREF-。运放A1和A2的正输入端连接参考电压，这个参考电压可以入实施例1中一样采用单独的参考电压VREF，也可以采用VREF+或VREF-。示例性的，本实施例中VREF电压可以是1.5V至1.8V，VREF+电压为1.8V，VREF-电压为1.5V。

由于运放A1和A2的正输入端参考电压在RST的时候和放大的时候均是作为参考电压，而比较器仅在RST的时候需要连接参考电压，它们互相之间并不影响。

实施例3

本实施例在实施例1的基础上，放大器A1、A2与比较器采用不同的复位相位控制。比较器的电容C+和C-左侧连接正负参考电压的开关由RST’(RST5和RST6)控制。运放A1和A2的复位开关由RST(RST1、RST2、RST3、RST4)控制。

图6中的时序与图4中的时序相比，RST1、RST2、RST3、RST4信号的高电平变长，也就是运放的复位时间延长直到比较器输出建立，即将使开关S1闭合之前。而比较器的RST’控制信号与图4中的RST控制时序相同。

本实用新型的有益效果如下：

针对具有两个存储节点的CMOS图像传感器像素设计了一种自适应增益的列放大器，这样有利于增大CMOS图像传感器的动态范围，也就是在弱光条件下降低了读出电路信噪比，在强光条件下避免读出电路较早饱和；

使用基于CMOS图像传感器像素的信号电平与复位电平之差来决定列放大器的增益，这样减弱了固定图形噪声(Fixed pattern noise)，避免各像素复位电平和失调电压的差异影响高、低增益之间的阈值。

本文所使用的词语“优选的”意指用作实例、示例或例证。本文描述为“优选的”任意方面或设计不必被解释为比其他方面或设计更有利。相反，词语“优选的”的使用旨在以具体方式提出概念。如本申请中所使用的术语“或”旨在意指包含的“或”而非排除的“或”。即，除非另外指定或从上下文中清楚，“X使用A或B”意指自然包括排列的任意一个。即，如果X使用A；X使用B；或X使用A和B二者，则“X使用A或B”在前述任一示例中得到满足。

而且，尽管已经相对于一个或实现方式示出并描述了本公开，但是本领域技术人员基于对本说明书和附图的阅读和理解将会想到等价变型和修改。本公开包括所有这样的修改和变型，并且仅由所附权利要求的范围限制。特别地关于由上述组件(例如元件等)执行的各种功能，用于描述这样的组件的术语旨在对应于执行所述组件的指定功能(例如其在功能上是等价的)的任意组件(除非另外指示)，即使在结构上与执行本文所示的本公开的示范性实现方式中的功能的公开结构不等同。此外，尽管本公开的特定特征已经相对于若干实现方式中的仅一个被公开，但是这种特征可以与如可以对给定或特定应用而言是期望和有利的其他实现方式的一个或其他特征组合。而且，就术语“包括”、“具有”、“含有”或其变形被用在具体实施方式或权利要求中而言，这样的术语旨在以与术语“包含”相似的方式包括。

本实用新型实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以多个或多个以上单元集成在一个模块中。

综上所述，上述实施例为本实用新型的一种实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何背离本实用新型的精神实质与原理下所做的改变、修饰、代替、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种自适应增益的CMOS图像传感器列放大器，其特征在于，所述列放大器包括两个可编程增益放大器A1、A2以及一个差分比较器G；

所述可编程增益放大器A1的负输入端连接电容C0，所述电容C0的另一端串联开关S1后连接输入信号R，所述电容C0的另一端还串联开关RST1后连接所述可编程增益放大器A1的正输入端；所述可编程增益放大器A1的负输入端还分别连接电容C1、开关G1和电容C2串联的电路、开关RST2，所述开关RST2的另一端、所述电容C1的另一端、所述开关G1和电容C2串联的电路的另一端分别和所述可编程增益放大器A1的输出连接；所述可编程增益放大器A1的正输入端还连接参考电压VREF或VREF-或VREF+；

所述可编程增益放大器A2的负输入端连接电容C3，所述电容C3的另一端串联开关S2后连接输入信号S，所述电容C3的另一端还串联开关RST3后连接所述可编程增益放大器A2的正输入端；所述可编程增益放大器A2的负输入端还分别连接电容C4、开关G1’和电容C5串联的电路、开关RST4，所述开关RST4的另一端、所述电容C4的另一端、所述开关G1’和电容C5串联的电路的另一端分别和所述可编程增益放大器A2的输出连接；所述可编程增益放大器A2的正输入端还连接参考电压VREF或VREF-或VREF+；

所述差分比较器G的正输入端连接电容C+，所述电容C+的另一端分别连接开关S1’和开关RST5，所述开关RST5的另一端连接参考电压VREF+，所述开关S1’的另一端连接输入信号R；

所述差分比较器G的负输入端连接电容C-，所述电容C-的另一端分别连接开关S2’和开关RST6，所述开关RST6的另一端连接参考电压VREF-，所述开关S2’的另一端连接输入信号S。

2.根据权利要求1所述的自适应增益的CMOS图像传感器列放大器，其特征在于，当开关G1和G1’闭合，所述电容C2和所述电容C5接入反馈网络，分别与所述电容C1和所述电容C4并联，所述可编程增益放大器A1和A2具有低增益；当开关G1和G1’断开，所述电容C2和所述电容C5不接入反馈网络，所述可编程增益放大器A1和A2具有高增益。

3.根据权利要求1所述的自适应增益的CMOS图像传感器列放大器，其特征在于，所述电容C1可再并联一个或多个由一个开关和一个电容串联组成的电路，所述电容C4可再并联一个或多个由一个开关和一个电容串联组成的电路。

4.根据权利要求1所述的自适应增益的CMOS图像传感器列放大器，其特征在于，当开关RST1和RST2闭合，所述可编程增益放大器A1和所述可编程增益放大器A2的正输入端均与输出端相连接，此时所述可编程增益放大器A1的失调电压存储于所述电容C0，所述可编程增益放大器A2的失调电压存储于所述电容C3。

5.根据权利要求1所述的自适应增益的CMOS图像传感器列放大器，其特征在于，所述列放大器至少具有两种增益。

6.根据权利要求1所述的自适应增益的CMOS图像传感器列放大器，其特征在于，所述开关RST1、RST2、RST3和RST4具有相同相位，即同时打开或关闭，所述开关RST5、RST6具有相同相位，即同时打开或关闭。

7.根据权利要求1所述的自适应增益的CMOS图像传感器列放大器，其特征在于，所述开关RST1、RST2、RST3、RST4、RST5、RST6具有相同相位，即同时打开或关闭。

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