一种新型相关多采样电路的制作方法

本实用新型属于CMOS图像传感器领域，尤其是涉及一种新型相关多采样电路。

背景技术：

随着CMOS图像传感器(CIS)分辨率的不断提高，芯片面积越来越大，如何在高分辨率CIS中减小像素尺寸，以节省芯片面积和成本已成为CIS的研究重点之一。但是，在具有PPD(钳位光电二极管)结构的CMOS有源像素传感器中，像素内源极跟随放大器尺寸的缩小会带来严重的随机噪声(RN)。Y.Chen等人提出了一款具有相关多采样功能(CMS)的列并行SSADC(单斜坡模拟数字转换器)，降低了RN，但由于每个像素的多采样过程都需要很长的A/D(模拟-数字)转换时间，严重降低了帧频。目前，解决该问题一般使用具有两组列ADC的并行多采样方案或具有两个比较器的差分斜率多采样 ADC的技术手段来解决，但是读出电路面积将大幅提升，改进效果一般。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型旨在提出一种新型相关多采样电路，不仅可以降低小尺寸像素下的随机噪声，同时可以在基本不增加读出电路面积的基础上解决传统CMS技术存在的帧频过低的问题。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种新型相关多采样电路，包括放大器、比较器、斜坡发生器、计数器、 D触发器以及锁存器；外部的像素信号输入到放大器，放大器、斜坡发生器的输出端分别与比较器连接，比较器的输出端分别与D触发器的输入端及计数器的输入端连接，D触发器的输出端与斜坡发生器的输入端连接；计数器的输出端与锁存器连接。

进一步的，所述比较器为集成NCMS新型相关多采样比较器，其用于比较放大信号和斜坡电压，从而输出电平结果。

进一步的，所述斜坡发生器输出第一比较电压VRamp1或第二比较电压 VRamp2。

进一步的，所述第一比较电压VRamp1为全摆幅斜坡比较电压；第二比较电压VRamp2为小摆幅斜坡比较电压。

进一步的，所述像素信号为强光像素信号或者弱光像素信号。

相对于现有技术，本实用新型所述的一种新型相关多采样电路具有以下优势：

(1)本实用新型所述的NCMS比较器，针对弱光像素和强光像素的不同信号输入，分别采用两种不同的比较器输入斜坡电压VRamp1和VRamp2，同时兼顾了读出速率和读出噪声。

(2)本实用新型结构简单，不仅可以降低随机噪声，而且可以解决传统CMS技术中存在的帧频过低的问题，大大的提高了ADC的转换速度。

(3)此外，本实用新型所述的采样电路在SSADC单斜坡模拟数字转换器中的占用与传统的SSADC面积几乎相当，没有增加额外的ADC电路板面积，并且有效解决了传统CMS技术中存在的噪声和帧频的问题，具有应用价值。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型实施例所述的结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

本实用新型不仅可以降低小尺寸像素下的随机噪声，同时可以在基本不增加读出电路面积的基础上解决传统CMS技术存在的帧频过低的问题。当像素输出的光信号弱，那么读出噪声在该信号的噪声中占主导；当像素输出的光信号强，那么散粒噪声在该信号的噪声中占主导。读出噪声可以通过相关多采样CMS操作来减弱，但散粒噪声不能，因此本实用新型采用的NCMS比较器根据像素信号，选择不同的采样方式。NCMS比较器对于小摆幅的弱光像素信号(后文简称弱光像素)多次应用小摆幅比较电压VRamp2进行比较输出，以减小随机噪声RN；对于大摆幅的强光像素信号，则只应用一次全摆幅的比较电压VRamp1进行比较输出。

一种新型相关多采样电路，包括放大器、比较器、斜坡发生器、计数器、 D触发器以及锁存器；外部的像素信号输入到放大器，放大器、斜坡发生器的输出端分别与比较器连接，比较器的输出端分别与D触发器的输入端及计数器的输入端连接，D触发器的输出端与斜坡发生器的输入端连接；计数器的输出端与锁存器连接。

所述比较器为集成NCMS新型相关多采样比较器，其用于比较放大信号和斜坡电压，从而输出电平结果。

所述斜坡发生器输出第一比较电压VRamp1或第二比较电压VRamp2。

所述第一比较电压VRamp1为全摆幅斜坡比较电压；第二比较电压VRamp2为小摆幅斜坡比较电压。

所述像素信号为强光像素信号或者弱光像素信号。

本实用新型的具体原理：

像素信号经放大器处理以后送入比较器中进行比较，该比较器具有弱光像素检测的功能，可以通过识别信号的强弱来选择比较器的比较电压VRamp1和VRamp2。若检测到像素为弱光像素，则选通第二比较电压VRamp2作为比较器的比较电压，进行M次相关多采样；若像素为强光像素，则比较器采用第一比较电压VRamp1作为比较电压，只进行一次采样。比较器输出的比较结果经计数器的脉冲累加计数后存储在锁存器中。

如图1所示，本实用新型主要由放大器、集成了NCMS功能的比较器、产生不同的比较电压VRamp1及VRamp2的斜坡发生器、计数器、D触发器以及锁存器组成；其中，放大器，用于完成像素输出信号的放大；斜坡发生器，用于产生VRamp1和VRamp2斜坡电压；比较器，用于接受放大后的信号和斜坡电压，比较两者的大小，从而获得高低电平结果；D触发器，用于接收比较器的输出结果与控制信号，产生状态标志位，提供给斜坡发生器，选择输出 VRamp1或VRamp2；锁存器，用于根据比较器的输出结果，将计数值保存，完成模拟到数字的转换。

首先，像素输出复位信号Vrst，经放大器处理后得到电压信号VAMP，VAMP进入比较器中与VRamp1进行比较，比较器输出CMP_OUT，同时，计数器同步计数，直至CMP_OUT从高电平翻转至低电平，计数器中获得的复位阶段采样信号，该信号在Latch1的使能信号(Latch_EN的第一个脉冲)到来时转移到Latch1中。之后，采用VRamp2作为比较器的比较电压，完成接下来的M-1 次比较，得到对复位信号的M次相关多采样数据，该数据在Latch2的使能信号(Latch_EN的第二个脉冲)到来时转移到Latch2中。

在像素中发生光电荷转移之后，像素输出曝光信号Vsig，经放大器处理后得到的输出VAMP首先与VRamp1进行比较，计数器同步计数，同时将一个 Index的控制脉冲施加到D触发器的输入端来启用弱光像素检测。当 CMP_OUT从高电平变化到低电平时，DFF可以锁存此时的Index值，对于弱光像素而言，DFF会锁存住一个逻辑高电平，state变为1；对于强光像素， DFF锁存住一个逻辑低电平，state保持为0，从而实现了弱光像素检测。

对弱光像素，state变为1，同时控制VRamp2接入比较器中作为比较电压，触发接下来的M-1次采样，最终实现对弱光像素信号的M次相关多采样，从而减小了随机噪声；对强光像素，state维持0，整个过程只进行一次采样即完成，在一定程度上提高了帧频。这样既实现了减弱噪声的目的，又减小了帧频的浪费，提升了速度。

最后，计数器采到的信号数据在Latch3的使能信号(Latch_EN的第三个脉冲)到来时传输至Latch3中锁存下来。在数据处理后，弱光像素的最终输出为(D3-D2)/M，强光像素的输出为(D3-D1)，其中M为采样次数。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。