用于CMOS图像传感器的高速CMS读出装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及模拟集成电路设计领域，为实现使用同一个斜坡量化大小不同的输入信号，提高线性度，同时保证实现斜坡共用，使用较小的斜坡就可以量化较大的ADC输入，又降低计数器的功耗，本发明专利技术，用于CMOS图像传感器的高速CMS读出装置，包括开关、比较器、计数器和斜坡发生器；比较器的正端输入斜坡信号或者像素信号，负端根据不同的工作状态输入不同的参考电压，所述参考电压有以下三种：参考电压V

【技术实现步骤摘要】
用于CMOS图像传感器的高速CMS读出装置


[0001]本专利技术涉及模拟集成电路设计领域，特别涉及一种能够用于CMOS图像传感器的高速CMS读出技术。具体涉及。

技术介绍

[0002]相关多采样(Correlated Multiple Sampling,CMS)技术是降低读出噪声常用的技术。单斜模数转换器(Single
‑
Slope Analog
‑
to
‑
Digital Converter,SS ADC)的总体架构图如图1所示，由比较器、计数器、斜坡发生器组成，比较输入电压与斜坡电压，并测量比较器翻转前持续的时间，将输入电压转换为数字码。传统CMS技术的工作过程如图2所示。模数转换器(Analog
‑
to
‑
Digital Converter，ADC)的量化过程包括复位信号阶段和采样信号阶段，在这两个阶段分别量化来自像素的复位信号和曝光信号。在CMS技术中，将复位信号和曝光信号多次采样并求平均值，从而抑制随机噪声。并通过将这两个阶段的计数结果相减来消除像素内的固定模式噪声(Fixed Pattern Noise，FPN)、KT/C噪声以及ADC中比较器的响应延迟和计数器的时钟延迟等因素造成的偏移。
[0003]对于一个n位的SS ADC来说，完成一次A/D转换至少需要2
n
个时钟周期，转换时间相对较长。采用CMS技术虽然可以降低读出噪声，但也将线性增加转换时间及功耗。现有技术解决CMS技术速度慢的方法是条件相关多采样(Conditional Correlated Multiple Sampling，CCMS)技术，根据光强自动选择合适的斜坡信号完成A/D转换。这是因为在弱光下以随机噪声为主，其与光照强度无关，可以通过对信号进行多次采样并取平均值抑制；在强光下散粒噪声为主，其无法通过增加采样次数消除。因此对于小摆幅信号，提高采样次数可以有效降低随机噪声；而对于大摆幅信号，提高采样次数并不能提高信噪比。因此在光强较小时，为了提高采样速度，可以使用小斜坡对信号进行多次量化；在光强较大时，为了提高采样速度，可以减少采样次数，使用大斜坡对信号量化一次即可。虽然CCMS可以提高采样速度，但是CCMS技术需要根据信号大小切换不同的斜坡信号，面临不同斜坡之间的斜率失配问题，并且额外的斜坡发生器、量化较大的输入信号等也会增加SS ADC的功耗。

技术实现思路

[0004]为克服现有技术的不足，本专利技术旨在实现使用同一个斜坡量化大小不同的输入信号，避免不同斜坡切换时引入的不匹配问题，提高线性度，同时保证实现斜坡共用，使用较小的斜坡就可以量化较大的ADC输入，又降低计数器的功耗。为此，本专利技术采取的技术方案是，用于CMOS图像传感器的高速CMS读出装置，包括开关、比较器、计数器和斜坡发生器；比较器的正端输入斜坡信号或者像素信号，负端根据不同的工作状态输入不同的参考电压，所述参考电压有以下三种：参考电压V
ref1
大小为0V，参考电压V
ref2
是随时间阶梯变化的电压，参考电压V
ref3
大小为V
total
/4，V
total
是曝光信号的最大值和最小值之差。
[0005]整个量化过程包括1复位信号量化阶段、2曝光信号判断阶段、3曝光信号量化阶段共三个阶段，在复位信号量化阶段对来自像素的复位信号多次量化；在曝光信号判断阶段，
通过将判断电压V
ref3
和来自像素的曝光信号比较，判定曝光信号的大小，利用判断电压，将ADC整个量化范围分为两部分，如果ADC输入信号较小，需要在阶段3对其多次量化以降低随机噪声，如果ADC输入信号较大，则在阶段3对其量化一次；在量化不同大小的曝光信号时，使用的是完全相同的斜坡，为了保证实现斜坡共用，同时降低计数器不必要的功耗，设置一个比较器翻转点。在比较器预翻转点前，计数器不工作，在比较器预翻转后，计数器才开始工作，根据比较器翻转点，确定最高的两位数字码，计数器负责量化最高两位之外的数字码。
[0006]具体结构：
[0007]由开关S1
‑
S6、比较器、计数器和斜坡发生器组成，比较器的正端输入斜坡信号或者像素信号，负端根据不同的工作状态输入不同的参考电压，V
ref1
大小为0V，V
ref2
是随时间阶梯变化的电压，V
ref3
大小为V
total
/4，V
total
是曝光信号的最大值和最小值之差，开关S1控制斜坡信号V
ramp
是否接在电容C1左侧，开关S2控制像素信号V
pixel
是否接在电容C1左侧，开关S3控制V
ref1
是否接在电容C2左侧，开关S4控制V
ref2
是否接在电容C2左侧，开关S5控制V
ref3
是否接在电容C2左侧。
[0008]详细量化过程如下：
[0009]在1复位信号量化阶段，先开关S6、S2和S3闭合，S6闭合使比较器复位，电容C1和C2右端的电压都是V
cm
，S2闭合使C1左端的电压是V
pixel
，S3闭合使C2左端的电压是0；之后S6断开，比较器第一次复位结束，S2断开S1闭合使C1左端电压成为V
ramp
，根据C1电荷守恒，可以得到比较器正端V
CP
＝V
cm
+V
ramp
‑
V
pixel
；
[0010]在2曝光信号判断阶段，开关S6、S2和S3闭合，S6闭合使比较器复位，电容C1和C2右端的电压都是V
cm
，S2闭合使C1左端的电压是V
pixel
，S3闭合使C2左端的电压是0；之后S6断开，比较器第二次复位结束，S2断开S1闭合使C1左端电压成为V
ramp
，S5闭合S3 S4断开使C2左端电压成为V
ref3
；如果比较器的输入端V
CN
>V
CP
，说明此时处于较低的照度，ADC量化的信号较小；如果比较器的输入端V
CN
<V
CP
，说明此时处于较高的照度，ADC量化的信号较大；根据ADC量化的信号大小比较结果，由设置的输入电压判断逻辑控制模块产生控制信号，调整开关的状态，进而调整接入比较器负端的参考电压：如果V
CN
>V
CP
，则S4S5断开，S3闭合使C2左侧的电压为V
ref1
；如果V
CN
<V
CP
，则S3 S5断开，S4闭合使C2左侧的电压为V
ref2
；
[0011]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于CMOS图像传感器的高速CMS读出装置，其特征是，包括开关、比较器、计数器和斜坡发生器；比较器的正端输入斜坡信号或者像素信号，负端根据不同的工作状态输入不同的参考电压，所述参考电压有以下三种：参考电压V
ref1
大小为0V，参考电压V
ref2
是随时间阶梯变化的电压，参考电压V
ref3
大小为V
total
/4，V
total
是曝光信号的最大值和最小值之差。2.如权利要求1所述的用于CMOS图像传感器的高速CMS读出装置，其特征是，量化过程包括1复位信号量化阶段、2曝光信号判断阶段、3曝光信号量化阶段共三个阶段，在复位信号量化阶段对来自像素的复位信号多次量化；在曝光信号判断阶段，通过将判断电压V
ref3
和来自像素的曝光信号比较，判定曝光信号的大小，利用判断电压，将ADC整个量化范围分为两部分，如果ADC输入信号较小，需要在阶段3对其多次量化以降低随机噪声，如果ADC输入信号较大，则在阶段3对其量化一次；在量化不同大小的曝光信号时，使用的是完全相同的斜坡，为了保证实现斜坡共用，同时降低计数器不必要的功耗，设置一个比较器翻转点。在比较器预翻转点前，计数器不工作，在比较器预翻转后，计数器才开始工作，根据比较器翻转点，确定最高的两位数字码，计数器负责量化最高两位之外的数字码。3.如权利要求1所述的用于CMOS图像传感器的高速CMS读出装置，其特征是，具体结构：由开关S1
‑
S6、比较器、计数器和斜坡发生器组成，比较器的正端输入斜坡信号或者像素信号，负端根据不同的工作状态输入不同的参考电压，V
ref1
大小为0V，V
ref2
是随时间阶梯变化的电压，V
ref3
大小为V
total
/4，V
total
是曝光信号的最大值和最小值之差，开关S1控制斜坡信号V
ramp
是否接在电容C1左侧，开关S2控制像素信号V
pixel
是否接在电容C1左侧，开关S3控制V
ref1
是否接在电容C2左侧，开关S4控制V
ref2
是否接在电容C2左侧，开关S5控制V
ref3
是否接在电容C2左侧。4.如权利要求1所述的用于CMOS图像传感器的高速CMS读出装置，其特征是，详细量化过程如下：在1复位信号量化阶段，先开关S6、S2和S3闭合，S6闭合使比较器复位，电容C1和C2右端的电压都是V
cm
，S2闭合使C1左端的电压是V
pixel
，S3闭合使C2左端的电压是0；之后S6断开，比较器第一次复位结束，...

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