一种用于消除固定图案噪声的图像传感器制造技术

本实用新型专利技术提供了一种用于消除固定图案噪声的图像传感器，包括：明像素，用于感应入射光并输出模拟图像信号电压；暗像素，其输出电压作为可变增益差分放大电路的参考电压；可变增益差分放大电路，其将暗像素输出的参考电压及明像素输出的信号电压进行差分比较，实现对图像传感器像素阵列中噪声的去除以及明像素所感应到的入射光光强信号的读取；开关电路，与暗像素、明像素及可变增益差分放大电路分别连接，用于控制电路的连通或断开。本实用新型专利技术通过黑暗条件下的随机读取暗像素电压与明像素的信号电压进行差分，通过可变增益差分放大电路设计，消除或最大限度降低固定图案噪声，同时读取光强的大小。同时读取光强的大小。同时读取光强的大小。

【技术实现步骤摘要】
一种用于消除固定图案噪声的图像传感器


[0001]本技术涉及图像传感器的信号处理
，特别是涉及一种用于消除固定图案噪声的图像传感器。

技术介绍

[0002]互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)的结构一般由像素阵列、相关双采样电路(Correlated Double Sampling,CDS)、放大器(Amplifier,AMP)、模数转换器(Analog
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to
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Digital Converter,ADC)、时序控制逻辑、信号处理单元和外部接口单元等组成，如图1。其中，像素阵列由排成阵列的m
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n个像素构成，现有CIS的像素电路主要包括无源像素、有源像素或者随机读取有源像素电路。典型的无源像素电路通常由一个MOS管和一个光电二极管组成；典型的有源像素电路主要由光电二极管、复位MOS管，源极跟随器MOS管和选择开关MOS管组成；随机读取有源像素电路主要由光电二极管、MOS放大管、开关MOS管组成。
[0003]在CMOS图像传感器读出电路的设计中，抑制和消除图像传感器的噪声，提高信噪比是图像传感器电路设计中需重点考虑的一个问题。图像传感器的噪声主要包括器件本身的固有噪声和由于工艺流程、电路结构和工作模式引入的一些附加噪声。一般而言，前者引入了热噪声和闪烁噪声，而后者则表现为KTC噪声和固定模式噪声(Fixed Pattern Noise,FPN)。
[0004]传统的图像传感器像素电路通常采用相关双采样技术来抑制低频噪声，由于电容上的电荷不能突变，也就是说，来自同一电路的噪声和电压在时间上具有相关性，对同一电路的信号电压和复位电压分别作两次采样，把两次采样值的差作为输出信号的值，这样就能够去除噪声。但相关双采样技术也存在一些问题：电容和大量的晶体管的使用会占用较大的面积，同时也会引入附加的噪声；另外，对于在光电转换过程中，不需要对光生电荷进行时间积分的随机读取图像传感器而言，例如通常提到的采用对数像素电路的图像传感器，该类图像传感器的像素电路内部的器件连接方式使得后端的信号读出和处理电路需要进行重新设计，该电路无法实现相关双采样，无法消除固定图案噪声的影响。另外，对于具有全局电子快门功能的图像传感器，也很难实现相关双采样以及对固定图案噪声的去除。

技术实现思路

[0005]基于此，为了去除上述情况下的固定图案噪声并读取光强信号，本技术提供了一种用于消除固定图案噪声的电路。
[0006]本技术采用以下技术方案解决该现有技术所存在问题：
[0007]一种用于消除固定图案噪声的电路，包括：
[0008]明像素，其为图像传感器像素阵列中任一像素，用于感应入射光并输出模拟图像信号电压；
[0009]暗像素，其尺寸、结构和像素电路与所述明像素相同，其输出电压作为可变增益差
分放大电路的参考电压；
[0010]可变增益差分放大电路，其分别与所述明像素及暗像素连接，将暗像素输出的参考电压及明像素输出的信号电压进行差分比较，实现对图像传感器像素阵列中噪声的去除以及明像素所感应到的入射光光强信号的读取；
[0011]开关电路，分别连接于所述暗像素与可变增益差分放大电路之间以及所述明像素与可变增益差分放大电路之间，用于控制电路的连通或断开。
[0012]进一步地，所述可变增益差分放大电路包括采样电容器、第二电容器以及运算放大器，所述开关电路包括开关S1、开关S2、开关S3、开关S4以及用于产生开关电路时序以控制各开关的双相非交叠时钟信号发生器；所述第二电容器两端分别与所述运算放大器的反向输入端和正向输出端相连，并通过开关S2与采样电容器连接；所述开关S1为两个，其中第一开关S1连接于明像素与采样电容器之间，第二开关S1连接于暗像素与运算放大器的正向输入端之间；所述开关S3一端连接于第一开关S1与采样电容器之间，另一端连接于第二开关S1及运算放大器的正向输入端之间；所述开关S4一端连接于开关S2与采样电容器之间，另一端连接于第二开关S1及运算放大器的正向输入端之间。所述采样电容器由第一电容器和第三电容器并联组成。
[0013]进一步地，所述可变增益差分放大电路包括第一电阻器、可变电阻器以及运算放大器；所述开关电路包括开关S0以及用于产生开关电路时序以控制开关S0的双相非交叠时钟信号发生器；所述开关S0为两个，其中第一开关S0与第一电阻器串联后连接于明像素与运算放大器的反向输入端之间，第二开关S0串联连接于暗像素与运算放大器的正向输入端之间；所述可变电阻器一端与第一电阻器串联后与所述运算放大器的反向输入端连接，其另一端与所述运算放大器的正向输出端连接。所述可变电阻器由第二电阻器与第三电阻器串联组成。
[0014]本技术的电路可适用于现有CIS的像素架构，包括无源像素、有源像素或者随机读取有源像素电路。所述无源像素通常由一个MOS管和一个光电二极管组成。所述有源像素主要由光电二极管、复位MOS管，源极跟随器MOS管和选择开关MOS管组成。
[0015]进一步地，所述随机读取有源像素电路结构包括光电二极管、MOS放大管及开关MOS管；所述光电二极管负极由复位信号控制，其正极与MOS放大管衬底相连；所述MOS放大管源极与开关MOS管漏极相连，其栅极由偏置电压控制；所述开关MOS管源极与一恒定电流源连接以将明像素或暗像素的输出电流转变为输出电压。该恒定电流源钳制了电流大小的变化，将明、暗像素的电流变化转换为输出端电压的变化。
[0016]由于所述暗像素尺寸、结构和像素电路与明像素相同，将光照条件下的随机读取明像素的信号电压与黑暗条件下的随机读取暗像素的输出电压，通过可变增益差分放大电路进行差分，就可以消除或大大减低固定图案噪声，同时输出当前光强变化的电压信号。
[0017]与现有技术相比，本技术的有益效果是：
[0018]本技术通过引入光照条件下的随机读取明像素电压与黑暗条件下的随机读取暗像素电压进行差分，通过可变增益差分放大电路设计，消除或最大限度降低固定图案噪声，并读取光强的大小。同时，通过改变电容值或电阻值的大小，实现运算放大器增益的改变。
附图说明
[0019]图1为现有图像传感器的结构示意图；
[0020]图2为本技术所述图像传感器的结构示意图；
[0021]图3示出了本技术工作在开关电容可变增益放大模式下的电路原理框图；
[0022]图4示出了本技术工作在电阻网络可变增益放大模式下的电路原理框图；
[0023]图5示出了本技术实施例1的电路图；
[0024]图6示出了本技术实施例2的电路图；
[0025]图7示出了本技术实施例3的电路图；
[0026]图8示出了本技术所述双相非交叠时钟信号发生器产生的开关电路时序图。
具体实施方式
[0027]下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，但并非对本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于消除固定图案噪声的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包括：明像素，其为图像传感器像素阵列中任一像素，用于感应入射光并输出模拟图像信号电压；暗像素，其尺寸、结构和像素电路与所述明像素相同，其输出电压作为可变增益差分放大电路的参考电压；可变增益差分放大电路，其分别与所述明像素及暗像素连接，将暗像素输出的参考电压及明像素输出的信号电压进行差分比较，实现对图像传感器像素阵列中噪声的去除以及明像素所感应到的入射光光强信号的读取；开关电路，分别连接于所述暗像素与可变增益差分放大电路之间以及所述明像素与可变增益差分放大电路之间，用于控制电路的连通或断开。2.根据权利要求1所述的一种用于消除固定图案噪声的图像传感器，其特征在于：所述可变增益差分放大电路包括采样电容器、第二电容器以及运算放大器，所述开关电路包括开关S1、开关S2、开关S3、开关S4以及用于产生开关电路时序以控制各开关的双相非交叠时钟信号发生器；所述第二电容器两端分别与所述运算放大器的反向输入端和正向输出端相连，并通过开关S2与采样电容器连接；所述开关S1为两个，其中第一开关S1连接于明像素与采样电容器之间，第二开关S1连接于暗像素与运算放大器的正向输入端之间；所述开关S3一端连接于第一开关S1与采样电容器之间，另一端连接于第二开关S1及运算放大器的正向输入端之间；所述开关S4一端连接于开关S2与采样电容器之间，另一端连接于第二开关S1及运算放大器的正向输入端之间。3.根据权利要求2所述的所述的一种用于消除固定图案噪声的图像传感器，其特征在于：所述采样电容器由第一电容器和第三电容器并联组成。4.根据权利要求1所述的一种用于消除固定图案噪声的图像传感器，其特征在于：所述可变增益差分放大电路包括第一电阻器、可变电阻器以及运算放大器；所述开关电路包括开关S0以及用于产生开关电路时序以控制开关S0的双相非交叠时钟信号发生器；所述开关S0为两个，其中第一开关S0与第一电阻器串联后连接于明像素与运算放大器的反向输入端之间，第二开关S0串联连接于暗像素与运算放大器的正向输入端之间；所述可变电阻器一端与第一电阻器串联后与所述运算放大器的反向输入端连接，其另一端与所述运算放大器的正向输出端连接。5.根据权利要求4所述的一种用于消除固定图案噪声的图像传感器，其特征在于：所述可变电阻器由第...

【专利技术属性】
技术研发人员：王凯，刘笑霖，苏奎任，齐一泓，李前，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：新型
国别省市：