[发明专利]应用于图像传感器中的电容存储方式的列读出电路

说明书

所属技术领域——

本发明涉及CMOS图像传感器的应用，更广泛地可以用于类似于二维阵列的信号读出和信号电平的重新标定。

背景技术——

CMOS图像传感器芯片是一种低功耗高速的“片上摄像系统”。图像传感器通过规模庞大的二维感光像素阵列来采集图像，将光信号转换成模拟的电信号之后，被信号读出处理电路中的放大器放大，然后直接转换成对应的数字信号并对应恢复成图像输出。

CMOS图像传感器有规模庞大的二维感光像素阵列，其读出电路一般是一维线阵。通常情况下，对于采用滚动式曝光的图像传感器，同一列的像素共用一个公共的输出存储节点。这样当行选择器选通了某一行时，这一行上的各列像素信号同时进行输出，并在每列的输出节点进行信号的输出并放大，而后行选择器再选通下一行，如此循环往复，直至所有的像素中的信号全部输出。

在CMOS图像传感器中，一般还利用列读出电路来消除像素的热噪声，固定模式噪声和其它一些噪声。这是应用了双采样(Double Sample)技术的基本原理，在采样像素积分信号的同时，在复位周期内也采样复位信号，然后在列读出电路中用光感应信号减去复位信号，这样就将像素内的固定模式噪声基本消除。

在列读出电路中，需要用电容来采样存储光感应信号和复位信号，一般采用多晶硅或者金属来形成这些电容器，但这样的电容通常拥有较大的面积，会增加整个芯片的成本。而采用MOS管电容器可以有效的减小面积，节约成本。但如果采用PMOS类型的MOS电容，电源噪声会与信号耦合而直接干扰信号；如果采用NMOS类型的MOS电容，须要求光感应信号和复位信号的电压高于MOS管的阈值电压，所以可以考虑采用低阈值的NMOS管来做电容使用。

同时，在现代技术中，一般采用列放大器对列读出电路的采集的光电信号和复位信号进行电平的重新标定或放大，从而进一步消除列读出电路的噪声并为模数转换器的输入端提供需要的信号电平。列放大器每列一个，通常采用全差分的结构，在理想情况下各列的放大器应该是完全相同的，这样就不会引起列固定模式噪声。而实际上由于工艺水平的限制，无法做到所有的列放大器完全同一。例如每个列放大器的失调电压都不尽相同，这样就会导致列固定模式噪声(Column FPN)。列固定模式噪声会在图像上产生纵向的条纹，从而影响图像的质量。

因此，需要在技术上改进列放大器的性能，减小其失调电压，从而降低列固定模式噪声，但这会增加电路的复杂程度。因此需要一种既能重新标定输出信号电平，又拥有较小的列固定模式噪声的列读出电路。

发明内容——

在已有的技术中，应用列放大器的信号读出电路结构如图一所示，采用开关电容同相放大器，输入端与双采样的输出端相连。基本工作原理电路分成两个主要工作状态，状态一，S1＝1，电路通过C₁采样长积分输出信号Vsig；状态二，S1＝0，电路采样短积分输出信号Vrst，同时进入放大阶段将输出信号V_out＝V_ref-(V_rst-V_sig)C₁/C₂送到后一级处理。即通过双采样，将两者电压差送到ADC的采样电容上。考虑到列放大器自身的失调电压，即X与X’点不等后的电路的传输方程如下：

(V_sig-N_PIXEL-V′_ref)C₁+(V_ref-V′_ref)C₂＝(V_rst-N_PIXEL-V′_ref)C₁+(V_out-V′_ref)C₂