一種基于運放失調補償的CMOS傳感讀出電路

　　錢瑩瑩(電子科技大學?電子科學與工程學院，四川?成都?610054）

　　摘?要：在CMOS傳感讀出系統中，噪聲不僅來自于周圍環境，圖像傳感器自身的噪聲成為影響信噪比的一個重要因素，相關雙采樣電路是一種能夠有效消除圖像傳感器中的低頻噪聲的技術 ^[1] 。由于工藝生產的非均勻型，圖像傳感器列級讀出電路之間的差異會引入額外的噪聲，其中主要是固定模式噪聲。本文基于GSMC 0.13μm標準CMOS工藝，設計了基于運放失調補償的CMOS傳感讀出電路，大大降低了固定模式噪聲。

　　關鍵詞：CMOS；固定模式噪聲；相關雙采樣；失調補償；讀出電路

　　0 引言

　　隨著手機、視頻監控、空間探測等圖像市場的飛速發展，人們對圖像的需求也越來越大，CMOS圖像傳感器憑借高集成度、低成本、性能優良等優點而迅速發展。CMOS圖像傳感器容易受到噪聲的干擾，包括傳感器自身的噪聲和讀出電路的噪聲。圖像傳感器自身的噪聲主要包括1/f噪聲、熱噪聲、背景輻射引起的光噪聲、外界溫度變化對傳感器背景輻射的影響引起的溫度噪聲，由于工藝造成的傳感器之間的不匹配而引入的空間噪聲（也稱固定模式噪聲）。早在1976年，StephenP.Emmons就采用相關雙采樣技術來消除圖像傳感器自身的噪聲以及前端讀出電路的噪聲 ^[2] 。

　　相關雙采樣技術通過對復位電平以及信號電平進行兩次采樣，然后得到信號電平與復位電平的差值，從而消除CMOS圖像傳感器像素的復位噪聲、1/f噪聲以及像素內的固定模式噪聲等低頻噪聲 ^[1] 。但是相關雙采樣電路自身含有的有源器件會引入新的失調與低頻噪聲，從而導致列級固定模式噪聲。本文主要為了降低傳統相關雙采樣電路中運放自身引入的失調電壓而產生的固定模式噪聲，提出了一種失調電壓補償的相關雙采樣電路。通過對運放失調電壓等低頻噪聲進行存儲，對輸出電壓進行補償。最終輸出端電壓值為輸入信號電壓與復位電平的差值，從而得到有效傳感器信號供后續的模數混合電路進行處理。

　　1 讀出電路及原理

　　1.1 積分放大電路

　　常見的傳感器有光伏型、熱電阻型，本文的采用的傳感器模型為光伏型二極管，而二極管中光電流的是非常小的，通常在200 pA~15 nA的范圍內，很容易被自身的暗電流和讀出電路的噪聲所覆蓋，所以前端讀出電路需要具備合適的放大倍數。積分放大電路采用運算放大器作為注入管，大大減小了輸入阻抗，同時，高增益的運放對二極管型傳感器進行鉗位，產生穩定的偏置電壓，有效提高了注入效率。

　　如圖1所示的積分電路包括二極管型傳感器等效電路、積分電容選擇電路、復位開關、運算放大器、單位增益緩沖器。

　　二極管型傳感器等效電路包含傳感器結電容 C _par ，微分等效電阻 R _par 和串聯電阻 R _Ser ，其中微分等效電阻R _par 的阻值較大，約為10 ¹² ?量級，而串聯電阻阻R _Ser 值較小，可忽略不計 ^[3] 。本次采用的是GSMC 0.13 μm標準CMOS工藝中的MIM電容，上下極板分別為第四層、第三層金屬，具有良好的匹配性，選取單位電容為50 fF，該工藝下電容值的偏差范圍為±15%，表1是該電容在各個工藝角下的電容值。

　　周圍環境中存在強光電流和弱光電流環境，在強光電流條件下，若積分器放大倍數過大，則可能會造成輸出超過工作電壓范圍。本文設計的積分放大電路采用可調節的積分電容值，從而在不同的光照環境下，改變放大倍數。積分放大電路中共有4個電容，其中電容是固定的積分電容，C ₁ 、C ₂ 、C ₃ 是可選擇電容 ，它們的比值為 1:1:2:4 ，從而電容可調節范圍為  C₀ ~ C₀8 ，可以有效適應不同的電流環境。

　　復位開關是由工作在深線性區的NMOS管組成，可以等效為線性電阻，可以在電容上積累形成kT/C噪聲，同時復位開關的切換會引入電荷注入到運放負輸入端，從而影響傳感器的偏置穩定。但相比較與其它讀出電路，積分放大電路對偏置影響最小，基本上可以忽略 ^[4] 。

　　積分放大電路采用的運算放大器需要具有較高的增益、1.2 V以上的輸入輸出擺幅，高的壓擺率，低功耗等條件，輸入的折疊式共源共柵放大器能夠很好的滿足上述要求。較高的增益使得二極管傳感器有穩定的偏置，本文采用的運算放大器的增益為84 dB，相位域度為72°，電流為16 μA，擺幅為0.6 V~1.8 V。

　　單位增益緩沖器是為了隔離積分放大電路與后面的相關雙采樣電路，從而避免了相關雙采樣電路中開關的切換對積分過程的影響。

　　1.2 相關雙采樣電路

　　相關雙采樣電路最早是應用于CCD器件，用于消除CCD器件的復位噪聲和1/f噪聲等低頻噪聲 ^[5] ，隨著CMOS圖像傳感器成為市場主流產品后，相關雙采樣技術也應用到CMOS圖像傳感讀出電路中，可以有效消除低頻噪聲 ^[1] 。相關雙采樣的基本原理是利用在周期性采樣時間內，電容上的電荷不能突變，從而使原本不相關的噪聲具有相關性，這樣將信號電平與復位電平相減就能得到去噪聲的有效信號 ^[6] 。

　　相關雙采樣電路包括采樣電路和失調存儲電路，在采樣過程中，采樣開關S1先對復位信號進行采樣，然后采樣開關S2對積分后的信號進行采樣，需要注意的是接地開關S4提前采樣開關S2關斷，這種下極板采樣方式能夠大大減小采樣開關電荷注入和時鐘饋通引入的非線性；同時，在此階段，復位開關S6閉合，運算放大器形成單位增益負反饋形式，連接電壓 V _ref 開關S7閉合，完成對運放負端的失調電壓的存儲。在信號轉移過程中，接地開關S3閉合，完成對積分信號和復位信號的相減，得到積分信號和復位信號的差值，同時，接地開關S5閉合，由運放負端的電荷守恒，積分信號和復位信號的差值傳遞到運放的輸出端。

　　由開復位開關S6閉合前后運放負端電荷守恒得到下式：

　　其中， V _os 是運算放大器的失調電壓；A是運算放大器增益；V _ref 是參考電平；V _out 是輸出電壓。

　　為簡化起見，電容C3、C4取相同的容值，化簡后得到：

　　在運放增益足夠大的條件下，上式（2）化簡的結果中，只含有信號電平和復位電平的差值，與傳統的相關雙采樣電路 ^[1] 相比，沒有衰減因子，而且運放失調電壓也被補償了。

　　2 仿真結果

　　本文采用GSMC 0.13 μm標準CMOS工藝，仿真溫度為300 K，電源電壓為3.3 V，地電壓為0 V，積分時間為10 μS，選取的積分電容值為50 fF，傳感器積分電流變化范圍為1nA~7.6 nA。

　　如圖4所示的是在失調電壓分別為0 mV和24 mV條件下，相關雙采樣輸出端電壓值，可以看出，在復位相時，運算放大器連接成單位增益負反饋形式，失調電壓存儲在負輸入端的電容上，在電荷轉移相時，輸入信號轉移到輸出端。由圖4的結果可以得到，對于隨機變化的失調電壓，相關雙采樣電路的輸出電壓值與失調電壓為0 mV的值完全相等，所以，該電路能夠很好地補償運放的失調電壓。

　　圖5所示的波形從上到下分別表示的是二極管傳感器光電流、積分器輸出電壓、相關雙采樣輸出電壓。可以看出，隨著二極管傳感器光電流的增大，積分放大電路的輸出電壓會超過擺幅。對于更大的光電流環境下，需要降低積分放大電路的放大倍數，可以通過調節可變電容的容值來改變。

　　3 結論

　　本文中，可變增益積分放大電路能夠有效適用于強光電流和弱光電流環境，對微弱的光電流進行有效放大；相關雙采樣電路能夠對CMOS圖像傳感器自身的噪聲及積分放大電路的低頻噪聲進行抑制。在此基礎上，本文采用相關雙采樣補償技術，在不影響有效信號的同時，對運放失調電壓進行有效補償，能夠進一步降低相關雙采樣電路的低頻噪聲。

　　參考文獻

　　[1] Degerli Y, et al.Column readout circuit with global charge amplifier for CMOS APS imagers.ElectronicsLetters:1457–1459, Aug. 2000.

　　[2] Brodersen R W, Emmons S P. Noise in buried channel charge-coupled device. Solid-State Circuits IEEE Journal,1976,11(1):147-155.

　　[3] 劉成康.紅外焦平面陣列CMOS讀出電路研究[D].重慶大學,2001.

　　[4] 唐明.320×240非制冷紅外焦平面陣列讀出電路模擬電路研究[D]. 北京交通大學. 2012.

　　[5] 李藝琳,馮勇,安澄全.用相關雙采樣技術提高CCD輸出信號的信噪比[J]. 電測與儀表, 1999.

　　[6] 曾強,呂堅,蔣亞東.一種紅外CMOS讀出電路相關雙采樣結構[J].微處理機, 2009.

　　本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第8期第50頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處