一种使用新型斜坡发生器的消除暗电流的电路及其系统的制作方法

本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种使用新型斜坡发生器的消除暗电流的电路及其系统。

背景技术：

在cmos图像传感器(cis)中，暗电流严重的影响着图像传感器的图像质量，暗电流对图像传感器成像质量的影响主要体现在两个方面，一是，暗电流的非均匀性是cis中固定模式噪声的一个重要来源，使得图像传感器的通透性变差；二是，暗电流会推高整幅图像的平均值，尤其是在高温下，暗电流值显著增大，使得图像的动态范围减小，尽管在制造工艺上可降低光电二极管固有的暗电流，并提高均匀性，但在后期图像处理时仍需消除或抑制暗电流噪声以提高图像质量。

斜坡发生器被广泛应用在模数转换等领域，已经成为图像传感器中不可或缺的一部分，传感器的噪声、固定模式噪声和线性度等诸多特性在很大程度上都依赖于斜坡发生器的设计。现有的斜坡发生器电路如图1所示，复位开关s7导通，对复位电容cf进行复位，此时，运算放大器的第一输入端、第二输入端以及输出端的电压信号相等，即vramp＝vinp3＝vinm3＝vref，当复位开关s7断开，vramp输出斜坡信号。

图像传感器中进行暗电流校正的原理为：首先统计出darkpixelarray(暗像素阵列)的输出平均值，每个activepixel(有效像素)数字信号减去darkpixel(暗像素)数字信号平均值，如附图2所示。当上述斜坡发生器被使用在图像传感器中时，其列读出电路如附图3所示，时序图如图6中虚线所示，其工作原理：当行选信号sel为高时，选择输出某行的像素(pixel)信号值，信号rx为高，信号rx控制的mos管导通，将vfd节点的信号复位到pvdd电压信号，信号rx断开，由于沟道电荷注入效应及时钟馈通，且节点vfd无任何到地通路，节点vfd将保持约低于pvdd电压信号，输出像素(pixel)的复位信号vrst，信号rst_count为高，将计数器复位，当第一开关s1为高时，比较器复位，vinp1＝vinm1＝vcm电压(vcm为比较器共模电压信号)，pixel输出复位信号vrst被采样到采样电容cs1上，信号tx打开，输出pixel的感光信号vsig，vinp1的电压信号跳变为vcm-(vrst-vsig)，当信号en_count为高时，计数器开始计数，并且斜坡信号vramp信号开始变化，vinp1信号跟随斜坡信号变化，当比较器发生翻转时，计数器停止计数，并输出数字信号d1，输出的数字信号d1为pixel的感光信号值。

由于在图像传感器系统统计暗像素阵列的信号平均值时，数字输出不为0，且随着温度的变化而变化，采用上述斜坡发生器进行暗电流校正会导致图像的动态范围减小，尤其是在高温条件下，暗电流值增大。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种使用新型斜坡发生器的消除暗电流的电路及其系统，进行暗电流校正，从而提高图像的动态范围。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种新型斜波发生器，包括复位电容，复位开关、斜波信号模块、暗电流校正模块和运算放大器，其中，所述运算放大器的第一输入端与所述复位电容的一端、复位开关的一端共同连接至斜波信号模块和暗电流校正模块；所述运算放大器的第二输入端连接参考信号；所述运算放大器的输出端同时连接所述复位电容的另一端和复位开关的另一端，并输出斜坡信号；

所述暗电流校正模块包括校正电流源和校正开关，所述校正电流源的输入端输入暗电流信号，当所述校正开关导通时，所述暗电流校正模块连接至所述运算放大器的第一输入端，使得所述运算放大器的输出端输出去除暗电流之后的斜波信号。

进一步地，所述斜波信号模块包括mos管p1、mos管p2、mos管p3、mos管p4、mos管n0、mos管n1、mos管n2、电阻r1、开关s11和开关s12，其中，所述mos管p1、mos管p2、mos管p3和mos管p4的源极连接电源avdd，所述mos管n1、mos管n2、mos管n3和mos管n4的源极接地；所述mos管p1的栅极同时连接mos管p2的栅极、mos管n0的漏极和mos管p1的漏极，所述mos管n0的栅极连接所述运算放大器的输出端，所述mos管n0的源极连接所述运算放大器的第一输入端和电阻r1的一端，所述电阻r1的另一端接地，所述mos管p2的漏极连接mos管n2的栅极、mos管n1的栅极和mos管n1的漏极；所述mos管p3的漏极连接mos管n1的漏极，所述mos管p3的栅极和开关s11的一端，开关s11的另一端连接mos管p4的栅极和开关s11的一端，所述开关s12的另一端连接电源avdd，所述mos管p4的漏极连接斜波电流信号i_ramp；其中，开关s11和开关s12的控制信号为互补信号。

进一步地，所述暗电流校正模块通过开关s13连接至所述运算放大器；所述暗电流校正模块包括mos管p5、mos管p6、mos管p7、mos管n3、mos管n4、校正开关s14和开关s15，所述mos管p5、mos管p6和mos管p7的源极连接至电源avdd，所述mos管n3和mos管n4的源极接地；所述mos管p5的栅极连接开关s13的一端，开关s13的另一端连接mos管n0的漏极，所述mos管p5的漏极连接至mos管n3的栅极、mos管n3的漏极和mos管n4的栅极；所述mos管p6的栅极连接mos管p6的漏极、mos管n4的漏极和校正开关s14的一端，所述校正开关s14的另一端连接开关s15的一端和mos管p7的栅极，所述开关s15的另一端连接电源avdd；所述mos管p7的漏极连接暗电流信号i_dark；其中，校正开关s14和开关s15的控制信号为互补信号。

一种使用新型斜坡发生器的消除暗电流的电路，采用权利要求1所述的斜坡发生器，包括：

像素结构，其输出端连接第一采样电容的一端；

第一采样电容，其另一端与第一开关的一端共同连接至比较器的第一输入端，第一开关的另一端连接信号端(vcm)；

第二采样电容，其一端与斜坡发生器连接，另一端与第二开关的一端共同连接至比较器的第二输入端，第二开关的另一端连接信号端(vcm)；

比较器的第一输出端连接第三采样电容的一端，其第二输出端连接第四采样电容的一端；

第三采样电容的另一端与放大器的第一输入端、第三开关的一端共同连接；

第四采样电容的另一端与所述放大器的第二输入端、第四开关的一端共同连接；

所述放大器的第一输出端与第三开关的另一端连接；所述放大器的第二输出端与第四开关的另一端共同连接至反向二极管的输入端；反向二极管的输出端连接计数器的输入端；计数器连接有en_count信号端和rst_count信号端，并具有输出信号端。

进一步地，所述像素结构包括：

第一晶体管，其栅端连接信号(tx)，源端通过二极管接地；

第二晶体管，其栅端连接信号(rx)，其源端与第一晶体管的漏端、第三晶体管的栅端相连接至节点(vfd)；其漏端与第三晶体管的漏端相连接；

第三晶体管，其源端与第四晶体管的漏端连接；

第四晶体管，其栅端连接信号(sel)，其源端与第一采样电容的一端共同连接并接地；

进一步地，所述像素结构包括有效像素阵列和暗像素阵列，暗电流信号为所述暗像素阵列输出的平均电流值。

一种使用新型斜坡发生器的消除暗电流的图像传感器系统，包括：暗像素阵列、有效像素阵列、以及权利要求5所述的消除暗电流的电路；所述消除暗电流的电路与有效像素阵列相连；

图像传感器系统统计出暗像素阵列输出的平均电流值，

当信号端(sel)为高时，所述消除暗电流的电路输出有效像素阵列的某行像素信号值；

信号端(rx)为高时，信号端(rx)控制的第一晶体管导通，将节点(vfd)复位到电压信号(pvdd)，然后信号端(rx)断开，此时，节点(vfd)无任何到地的通路，节点(vfd)将保持低于电压信号(pvdd)，设像素的输出复位信号为vrst，rst_count信号端为高，将计数器复位；

当第一开关的电压为高时，比较器复位，比较器的第一输入端的电压信号(vinm1)＝第二输入端的电压信号(vinp1)＝电压信号vcm，其中，vcm为比较器的共模电压；

所述消除暗电流的电路输出复位信号(vrst)被采样到第一采样电容(cs1)；

信号端(tx)打开，输出有效像素阵列的感光信号(vsig)，同时，比较器的第一信号输入端的电压信号(vinm1)跳变为vcm-(vrst-vsig)；

当校正开关导通时，暗电流校正模块连接至运算放大器的第一输入端，使得运算放大器的输出端输出去除暗电流之后的斜波信号；

当en_count信号端为高时，计数器开始计数，并且斜坡发生器发出的斜坡信号(vramp)开始变化，比较器的第二输入端信号(vinp1)跟随斜坡信号变化，当比较器发生翻转时，计数器停止计数，并输出数字信号(d)，输出的数字信号(d)即为有效像素阵列的感光信号值。

进一步地，所述暗电流校正模块输出的校正电压信号其中，db为暗像素阵列输出的暗电流噪声数字信号，drad为图像传感器的幅值，nad为图像传感器的精度。

本发明的有益效果为：本发明中的消除暗电流的电路，在传统的斜坡发生器中运算放大器的第一输入端串联了暗电流校正模块，在电路工作过程中首先读出暗像素阵列的平均电流值，并输入至校正电流源，在读出有效像素时，由于暗电流校正模块记录了暗电流的噪声水平并叠加在斜坡信号中，所以有效像素的读出数据中并不包含暗电流噪声，此架构有效的消除了暗电流噪声，减小了由于暗电流造成的图像传感器动态范围的减小，有效的提高了图像传感器的图像质量。

附图说明

附图1为现有技术中的斜坡发生器示意图。

附图2为cmos图像传感器的框架图。

附图3为消除暗电流的列读出电路图。

附图4为本发明中斜坡发生器示意图。

附图5为其中一种电流源产生电路。

附图6为图1和图4的斜坡发生器所在的读出电路的时序图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明；需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。

请参阅附图4，本发明中提供的一种使用新型斜坡发生器的消除暗电流的电路中的斜坡发生器电路，在传统的斜坡发生器电路架构中，增加了暗电流校正模块，具体的，斜坡发生器的电路又包括：复位电容cf，复位开关s7、斜波信号模块、暗电流校正模块和运算放大器；其中，斜波信号模块包括斜波电流源i_ramp_gen和开关s11，斜波电流源的输入端输入斜波电流信号i_ramp，且斜波电流源的输出端通过开关s11连接至运算放大器的第一输入端；暗电流校正模块包括校正电流源i_dark_gen和校正开关s14，校正电流源的输入端输入暗电流信号i_dark，且校正电流源的输出端通过校正开关s14连接至运算放大器的第一输入端。运算放大器的第一输入端inm3与复位电容cf的一端、复位开关s7的一端共同连接至斜波信号模块和暗电流校正模块；运算放大器的第二输入端连接参考信号vref；运算放大器的输出端同时连接复位电容cf的另一端和复位开关s7的另一端，并输出斜坡信号vramp。其中，复位开关上施加控制信号en_ramp。

其中，斜波信号模块具体电路图可以采用现有技术中电路，只需能够产生斜波信号即可，暗电流校正模块的具体电路也不做限制，只需要能够将暗电流信号输入至运算放大器的第一输入端即可。以下以附图5为例，对其中一种电路进行详细介绍：

如附图5所示，斜波信号模块包括mos管p1、mos管p2、mos管p3、mos管p4、mos管n0、mos管n1、mos管n2、电阻r1、开关s11和开关s12，其中，mos管p1、mos管p2、mos管p3和mos管p4的源极连接电源avdd，mos管n1、mos管n2、mos管n3和mos管n4的源极接地；mos管p1的栅极同时连接mos管p2的栅极、mos管n0的漏极和mos管p1的漏极，mos管n0的栅极连接所述运算放大器的输出端，mos管n0的源极连接运算放大器的第一输入端和电阻r1的一端，电阻r1的另一端接地，mos管p2的漏极连接mos管n2的栅极、mos管n1的栅极和mos管n1的漏极；mos管p3的漏极连接mos管n1的漏极，mos管p3的栅极和开关s11的一端，开关s11的另一端连接mos管p4的栅极和开关s11的一端，开关s12的另一端连接电源avdd，mos管p4的漏极连接斜波电流信号i_ramp；其中，开关s11和开关s12的控制信号为互补信号，开关s11受控制信号ramp_ctrl控制，开关s12受控制信号ramp_ctrl_b控制。

请继续参阅附图5，暗电流校正模块通过开关s13连接至所述运算放大器；暗电流校正模块包括mos管p5、mos管p6、mos管p7、mos管n3、mos管n4、校正开关s14和开关s15，mos管p5、mos管p6和mos管p7的源极连接至电源avdd，mos管n3和mos管n4的源极接地；mos管p5的栅极连接开关s13的一端，开关s13的另一端连接mos管n0的漏极，mos管p5的漏极连接至mos管n3的栅极、mos管n3的漏极和mos管n4的栅极；mos管p6的栅极连接mos管p6的漏极、mos管n4的漏极和校正开关s14的一端，校正开关s14的另一端连接开关s15的一端和mos管p7的栅极，开关s15的另一端连接电源avdd；mos管p7的漏极连接暗电流信号i_dark；其中，校正开关s14和开关s15的控制信号为互补信号，校正开关s14受控制信号dark_ctrl控制，开关s15受控制信号dark_ctrl_b控制，开关as13受控制信号en_dark控制，且控制信号en_dark为使能信号，当电路进行暗电流校正时，控制信号en_dark为高电平；当电路不需要进行暗电流校正时，控制信号en_dark为低电平。

当只有开关s11导通时，斜波信号模块连接至运算放大器的第一输入端，此时即为传统的斜波发生器；之后，当开关s11、校正开关s14和开关s13均导通时，运算放大器第一输入端开始放电，其电压值为其中i_dark为暗像素阵列输出的暗电流信号，t为控制信号dark_ctrl的脉宽，drad为图像传感器的幅值，nad为图像传感器的精度，db为暗像素阵列输出的暗电流噪声数字信号。

当本发明中的斜坡放大器运用在暗电流校正时，其列选择电路仍然如附图3所示，其采用4t像素结构，具体地，本实施例的一种使用新型斜坡发生器的消除暗电流的电路，包括：第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第一采样电容cs1、第二采样电容cs2、第三采样电容cs3、第四采样电容cs4、比较器、放大器、二极管、反向二极管、计数器、第一开关s1、第二开关s2、第三开关s3、第四开关s4。本实施例的第一晶体管至第四晶体管均为同一类型的mos管，例如nmos管。

具体的，第一晶体管的栅端连接信号端tx，第一晶体管的源端通过二极管接地；第二晶体管的栅端连接信号端rx，第二晶体管的源端与第一晶体管的漏端、第三晶体管的栅端相连接至节点vfd；第二晶体管的漏端与第三晶体管的漏端相连接；第三晶体管的源端与第四晶体管的漏端连接；第四晶体管的栅端连接信号端sel，第四晶体管的源端与第一采样电容cs1的一端共同连接并接地；第一采样电容cs1的另一端与第一开关s1的一端共同连接至比较器的输入端inm1；第一开关s1的另一端连接vcm信号端；第二采样电容cs2的一端与斜坡发生器连接，第二采样电容cs2的另一端与第二开关s2的一端共同连接至比较器的输入端inp1；第二开关s2的另一端连接vcm信号端。

比较器的第一输出端voutp1连接第三采样电容cs3的一端，比较器的第二输出端voutm1连接第四采样电容cs4的一端；第三采样电容cs3的另一端与放大器的第一输入端inm2、第三开关s3的一端共同连接；第四采样电容cs4的另一端与该放大器的第二输入端inp2、第四开关s4的一端共同连接；放大器的第一输出端与第三开关s3的另一端连接；放大器的第二输出端与第四开关s4的另一端共同连接至一反向二极管的输入端vcomout；反向二极管的输出端连接计数器的输入端；计数器连接有en_count信号端，rst_count信号端，并具有输出信号端dout。

接下来结合图6对本实施例的图像传感器系统进行详细描述。请参阅图6，为本实施例的上述消除暗电路的电路时序图。其中，vcom_out中d1表示采用附图1中的斜坡发生器电路的感光信号值，vcom_out中d0表示采用附图4中的斜坡发生器电路的感光信号值。

本实施例的一种使用新型斜坡发生器的消除暗电流的图像传感器系统，包括：暗像素阵列、有效像素阵列、以及本实施例的上述消除暗电流的电路；消除暗电流的电路与有效像素阵列相连。

本实施例中，图像传感器系统通过统计得出暗像素阵列的暗电流平均值，即暗电流信号i_dark；需要注意的是，理想情况下暗电流信号应该为0，但实际中，由于暗电流噪声的影响，暗电流信号的输出不为0，并且随着温度的变化而变化。

这里，当信号端sel为高时，消除暗电流的电路输出有效像素阵列的某行像素信号值；信号端rx为高时，信号端rx控制的第一晶体管导通，将节点vfd复位到电压信号pvdd，然后，信号端rx断开，由于沟道电荷注入效应及时钟馈通，此时，节点vfd无任何到地的通路，节点vfd将保持约低于pvdd电压信号，设像素的输出复位信号为vrst，rst_count信号端为高，将计数器复位。

当第一开关s1的电压为高时，比较器复位，第一输入端的电压信号vinm1＝第二输入端的电压信号vinp1＝电压vcm，vcm为比较器的共模电压信号。消除暗电流的电路输出复位信号vrst被采样到第一采样电容cs1；然后，信号tx打开，输出有效像素阵列的感光信号vsig；同时，比较器的第一信号输入端的电压信号vinp1跳变为vcm-(vrst-vsig)。当控制信号en_ramp为高时，复位开关s7导通，复位电容cf复位，vramp＝vinp3＝vinm3＝vref，当控制信号en_ramp为低时，vramp保持vref信号，当控制信号dark_ctrl为高时，(其中，附图4中dark_ctrl_b、dark_ctrl为互补信号，分别校正控制s14和开关s15)，vinm3开始放电，其电压值为其中i_dark为暗像素阵列输出的暗电流信号，t为控制信号dark_ctrl的脉宽，drad为图像传感器的幅值，nad为图像传感器的精度，db为暗像素阵列输出的暗电流噪声数字信号。

当en_count信号端和控制信号ramp_ctrl(控制开关s11)为高时，计数器开始计数，并且斜坡发生器发出的斜坡信号vramp开始变化，比较器的第二输入端信号vinp1跟随斜坡信号变化，当比较器发生翻转时，计数器停止计数，并输出数字信号d0，输出的数字信号d0即为有效像素阵列的感光信号值。

综上所述，本发明中的消除暗电流的电路，在传统的斜坡发生器中比较器的第二输入端并联了校正模块以及校正电容，在电路工作过程中首先读出暗像素的暗电流噪声平均数字值，并将此数字值反馈给校正模块，在读出有效像素时，由于校正模块记录了暗电流的噪声水平并叠加在斜坡信号中，所以有效像素的读出数据中并不包含暗电流噪声，此架构有效的消除了暗电流噪声，减小了由于暗电流造成的图像传感器动态范围的减小，有效的提高了图像传感器的图像质量。

以上所述仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用于限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明所附权利要求的保护范围内。