[发明专利]模拟相关多采样读出装置和方法

说明书

本发明涉及传感器读出电路领域，为实现使用无源开关电容结构进行相关多采样操作，避免传统积分器相关多采样的动态范围问题以及模数转换中相关多采样的速度和功耗问题，使用少量的电路资源和精简的时序，提出适用于低噪声传感器的模拟相关多采样方法。为此，本发明采取的技术方案是，模拟相关多采样读出装置和方法，包括平均器和减法器，平均器用于在电荷转移之前和之后对复位和曝光信号的若干个样本求平均，并将这两个平均值分别存储在电容器C_N和C_N1上；减法器用于将电容器C_N和C_N1上的两个平均值相减并获得最终输出值。本发明主要应用于可编程增益的列级放大器读出场合。

技术领域

本发明涉及传感器读出电路领域，基于无源开关电容(Switched-Capacitor，SC)运用相关多采样(Correlated Multiple Sampling，CMS)对传感器的输出进行读出。具体涉及模拟相关多采样读出方法。

背景技术

低噪声图像传感器广泛应用于监控、安防、夜视和消费类电子产品等应用，在这些应用中，良好的低光性能是基本条件。一旦通过使用高列级电压增益来降低列级的噪声贡献，来自像素的噪声贡献就会成为最主要的噪声源，特别是由像素内源跟随器(SourceFollower，SF)产生的噪声。而在像素级，留给设计者的自由度通常是有限的，例如通过使用像素内薄型氧化物pMOS SF来降低SF的噪声贡献。不同的电路技术兼容不同的像素，可以在列级实现降噪。更高的列级增益对应着更低的带宽，因此降低了总的集成热噪声。高增益也减轻了下一阶段的噪声贡献，但代价是降低了动态范围。典型的可编程增益(PG)列级相关双采样(Correlated Double Sampling，CDS)电路对4T像素进行读出的链路如图1所示，在SF和放大器的输出稳定之后，可以存储CDS的第一个样本V_reset。在光积分时间结束时，将存储输出的第二个采样V_signal。放大器对这两个样本做差并输出，之后执行列并行ADC转换。由于相关的采样操作，可以消除在像素reset操作之后在SF采样的kT/C噪声。

不同于CDS，CMS技术对信号进行多次采样，不仅可以降低热噪声，还可以降低1/f噪声、随机电报信号(Random Telegraph Signal，RTS)及类RTS噪声。现有的模拟CMS是通过使用模拟积分器电路累计M个连续样本的总和实现的，然而这种解决方案会受到动态范围的限制。此外，数字CMS的实现需要进行多次模数转换，这需要更快的模数转换器，从而导致更高的功耗。本发明利用简单的SC电路对像素的复位信号和曝光信号的输出样本进行平均，并进行CMS，且不需要任何额外的电路、反馈回路或多次模数转换。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明主要针对传感器中的相关多采样读出方法，使用无源开关电容结构进行相关多采样操作，避免传统积分器相关多采样的动态范围问题以及模数转换中相关多采样的速度和功耗问题，使用少量的电路资源和精简的时序，提出适用于低噪声传感器的模拟相关多采样方法。为此，本发明采取的技术方案是，模拟相关多采样读出装置，包括平均器和减法器，平均器用于在电荷转移之前和之后对复位和曝光信号的若干个样本求平均，并将这两个平均值分别存储在电容器C_N和C_N1上；减法器用于将电容器C_N和C_N1上的两个平均值相减并获得最终输出值。