应用于CMOS-TOF图像传感器的模拟除法读出电路制造技术

本发明专利技术涉及模拟集成电路领域，为代替现有技术先进行模数转换再由数字电路做除法运算的方式，具有结构简单、速度快、面积小、功耗低等优点，本发明专利技术，应用于CMOS

【技术实现步骤摘要】
应用于CMOS
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TOF图像传感器的模拟除法读出电路


[0001]本专利技术涉及模拟集成电路设计领域，特别涉及CMOS
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TOF图像传感器读出电路的设计领域。具体涉及应用于CMOS
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TOF图像传感器的模拟除法读出电路。

技术介绍

[0002]图像传感器可以将图像信息转换为便于存储、传输和处理的电学信号。图像传感器主要有两种，分别是电荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)图像传感器和互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)图像传感器，早年受到工艺水平的限制，CMOS图像传感器的性能较低，CCD图像传感器占据图像传感器主流地位，但是近年来随着CMOS大规模集成技术的不断发展，CMOS图像传感器低功耗、低成本、高集成度、低系统复杂度等优点日渐显现，正在逐步发展为CCD图像传感器的替代品。
[0003]随着图像传感技术的发展和人们对图像质量需求的提高，三维成像技术受到越来越广泛的关注，三维图像传感器能够获取场景的深度信息，在工业、消费电子、军事、汽车电子、医疗等诸多领域有着广泛的应用前景。目前的三维成像方法主要有立体视觉法、三角测距法、衍射法和飞行时间法(Time of Flight，TOF)等。TOF测量的是目标的实时信息，它的工作原理是：TOF相机的光源向目标投射调制光，调制光在目标的表面发生反射，反射光被TOF相机的接收器接收，根据调制光在相机和目标之间的传播时间可以计算出目标的距离。相比于其他三维成像方法，TOF立体成像具有精度高、成本低、系统复杂度低、测距远、实时性强、数据处理简单等优点。TOF立体成像按照工作方式可以分为三种：脉冲型、连续波型和时间相关单光子计数。脉冲型TOF利用光脉冲信号在目标物和相机之间的传播时间直接获取目标物的距离信息；连续波型TOF利用发射光和反射光之间的相位差异间接获取目标物的距离信息；时间相关单光子计数TOF则是利用光电二极管在盖革模式下受到光子激发、发生雪崩击穿产生的电流来获取目标物的距离信息。由于连续波型TOF具有对带宽和光源功率要求低、信噪比高、可配置性强等优点，因而得到了广泛的应用。
[0004]正弦波是连续波型TOF图像传感器的一种常用光源，假设光源信号为
[0005]S(t)＝A sin(ωt)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0006]式中A是振幅，ω是光源信号的角频率。接收到的光信号为
[0007][0008]Ar是传感器接收到的反射光的振幅，该振幅相较于光源信号有所衰减，φ是反射光相对于入射光发生的相位偏移，B是环境中的背景光。基于正弦波的TOF图像传感器的工作原理如附图1所示，获取目标物的距离信息需要采样四个相位、两两间隔π/2的信号，四个相位的采样结果分别为：
[0009][0010][0011][0012][0013]由公式(3)～(6)可以得到相位偏移
[0014][0015]由相位偏移可以得到目标物的距离
[0016][0017]在现有技术中，TOF图像传感器的读出电路需要先对传感器接收到不同相位反射光的差值A0
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A2和A1
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A3做模数转换，然后利用数字电路进行除法运算，该数据处理过程的缺点是速度较慢，而且数字电路实现除法的过程较为复杂，数据位宽大、寄存器数目多，需要牺牲传感器芯片的面积、功耗等。因此，如果能通过模拟电路实现对A0
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A2和A1
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A3的除法运算，将会解决数字电路数据处理复杂、电路面积大等方面的不足。

技术实现思路

[0018]为克服现有技术的不足，本专利技术旨在提出由模拟电路对像素两相输出信号的差值A0
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A2、A1
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A3做除法运算的方法，代替现有技术先进行模数转换再由数字电路做除法运算的方式，该方法相比于现有技术具有结构简单、速度快、面积小、功耗低等优点。为此，本专利技术采取的技术方案是，应用于CMOS
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TOF图像传感器的模拟除法读出电路，结构如下：TOF像素的四个不同相位的像素的输出1和输出3分别接到减法器1的输入1和输入2，TOF像素的输出2和输出4分别接到减法器2的输入1和输入2，由此得到TOF像素不同相位输出信号的差值；然后将减法器1的输出和减法器2的输出分别连接到模拟除法电路的输入1和输入2，对两个差值作除法运算，模拟除法电路的输出是反射光相对于发射光的相位偏移的正切值；之后将模拟除法电路的输出连接到模数转换电路的输入，得到相位偏移正切值的数字码，再由数字电路对该数字码作反正切变换得到接收光的相位偏移根据相位偏移得到探测目标的深度信息。
[0019]像素采用4抽头结构，一次曝光同时得到四个不同相位的输出信号，模拟除法运算通过模拟对数运算、减法运算和反对数运算实现，其中模拟对数运算和反对数运算都利用二极管正向导通时的指数伏安特性，二极管正向导通时，其电流为
[0020][0021]其中，Is是二极管的反向饱和电流，q是电子电荷，UD是二极管端电压，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度。
[0022]基本对数运算电路结构：双极性晶体管BJT(Bipolar Junction Transistor)的基极接地、发射极连接运放1的输出端、集电极连接运放1的反相输入端，电阻1的一端接地、另一端连接运放1的同相输入端，电阻2的一端接输入信号ui，另一端连接运放1的反相输入端，利用运放1的虚地特性，此时双极性晶体管的基极电压和集电极电压均为0V，发射极电
压等于运放1的输出电压uo，双极性晶体管的集电极电流为：
[0023][0024][0025]所以输入电压ui和运放1输出电压uo的关系为
[0026][0027]Is与温度有关，采用温度补偿电路来消除Is受温度的影响。
[0028]加入温度补偿的对数运算电路结构：电阻21的一端接地、另一端连接运放21的同相输入端，电阻22的一端接输入信号ui2、另一端连接运放21的反相输入端，双极性晶体管21的基极接地、集电极连接运放21的反相输入端、发射极通过电容连接运放21的输出端，电阻24的一端接地、另一端通过电阻23连接运放21的输出端，电阻25的一端连接晶体管21的发射极、另一端连接运放22的输出端，双极性晶体管22的的基极连接电阻23和电阻24的接触点、发射极连接双极性晶体管21的发射极、集电极连接运放22的反相输入端，电阻26的一端连接参考电压U
R2
、另一端连接运放22的反相输入端，电阻27的一端连接运放22的同相输入端、另一端接地，该对数电路输出信号uo在运放21的输出端输出。双极性晶体管21和双极性晶体管22是特性相同的对管，其集电极电流分别为
[0029][0030][0031]从而得到
[0032][0033][0034]双极性晶体管22的基极电压表示为
[0035][0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用于CMOS
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TOF图像传感器的模拟除法读出电路，其特征是，结构如下：TOF像素的四个不同相位的像素的输出1和输出3分别接到减法器1的输入1和输入2，TOF像素的输出2和输出4分别接到减法器2的输入1和输入2，由此得到TOF像素不同相位输出信号的差值；然后将减法器1的输出和减法器2的输出分别连接到模拟除法电路的输入1和输入2，对两个差值作除法运算，模拟除法电路的输出是反射光相对于发射光的相位偏移的正切值；之后将模拟除法电路的输出连接到模数转换电路的输入，得到相位偏移正切值的数字码，再由数字电路对该数字码作反正切变换得到接收光的相位偏移根据相位偏移得到探测目标的深度信息。2.如权利要求1所述的应用于CMOS
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TOF图像传感器的模拟除法读出电路，其特征是，像素采用4抽头结构，一次曝光同时得到四个不同相位的输出信号，模拟除法运算通过模拟对数运算、减法运算和反对数运算实现，其中模拟对数运算和反对数运算都利用二极管正向导通时的指数伏安特性，二极管正向导通时，其电流为：其中，Is是二极管的反向饱和电流，q是电子电荷，UD是二极管端电压，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度。3.如权利要求1所述的应用于CMOS
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TOF图像传感器的模拟除法读出电路，其特征是，基本对数运算电路结构：双极性晶体管BJT(Bipolar Junction Transistor)的基极接地、发射极连接运放1的输出端、集电极连接运放1的反相输入端，电阻1的一端接地、另一端连接运放1的同相输入端，电阻2的一端接输入信号ui，另一端连接运放1的反相输入端，利用运放1的虚地特性，此时双极性晶体管的基极电压和集电极电压均为0V，发射极电压等于运放1的输出电压uo，双极性晶体管的集电极电流为：1的输出电压uo，双极性晶体管的集电极电流为：所以输入电压ui和运放1输出电压uo的关系为Is与温度有关，采用温度补偿电路来消除Is受温度的影响。4.如权利要求1所述的应用于CMOS
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TOF图像传感器的模拟除法读出电路，其特征是，加入温度补偿的对数运算电路结构：电阻21的一端接地、另一端连接运放21的同相输入端，电阻22的一端接输入信号ui2、另一端连接运放21的反相输入端，双极性晶体管21的基极接地、集电极连接运放21的反相输入端、发射极通过电容连接运放21的输出端，电阻24的一端接地、另一端通过电阻23连接运放21的输出端，电阻25的一端连接晶体管21的发射极、另一端连接运放22的输出端，双极性晶体管22的的基极连接电阻23和电阻24的接触点、发射极连接双极性晶体管21的发射极、集电极连接运放22的反相输入端，电阻26的一端连接参考电压U
R2
、另...

【专利技术属性】
技术研发人员：聂凯明，潘志红，徐江涛，高静，高志远，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：