专利名称：一种图像传感器暗电流补偿装置及补偿方法
技术领域：
本发明属于CMOS图像传感器技术领域，涉及一种图像传感器暗电流补偿装置及方法。
背景技术：
图像传感器是现代电子成像系统的核心，包括摄像机、数码相机、复印机、扫描器等。图像传感器主要基于两种工艺实现，互补型金属-氧化物-半导体(CMOS)工艺和电荷耦合器件(CCD)工艺。由于其集成度高、体积小、功耗低等优点，CMOS图像传感器技术在最近几年取得了飞速发展。然而，CMOS图像传感器的暗电流相对较大，尤其在拍摄较暗场景时，需要长时间的曝光，暗电流产生的暗电平会占据信号的很大范围，使得输出信号不能反应真正的光强信息，同时，由于暗电平会占据信号很大的范围，使得后级模数转换器的有效输出范围降低。为了使输出信号反应真正的光强信息，同时增大后级模数转换器的有效输出范围，需要进行暗电流补偿。许多专利已经提出了多种暗电流补偿方法，虽然电路结构不同，但是大同小异，都是通过闭环负反馈的方式实现的。这种实现方式在进行每帧照片读出之前，需要先让暗电流补偿的环路稳定，产生一个稳定的黑电平，而且环路的稳定时间会随可变增益放大器的增益变化而变化，因此，这种暗电流补偿方法降低了传感器的帧频。另外，这种闭环的实现方式需要一个高精度的数模转换器，其精度要求一般比列读出电路的模数转换器高若干位。
发明内容
本发明解决的问题在于提供一种图像传感器暗电流补偿装置及补偿方法，通过可变增益放大器的采样电容和反馈电容及时序控制，将感光像元复位积分信号差与暗像元复位积分信号差再做差，该输出信号即为经过暗电流补偿后的反应真正光强信息的信号。本发明是通过以下技术方案来实现:一种图像传感器暗电流补偿装置，包括感光像元阵列、暗像元、可变增益放大器、模数转换器和单位增益缓冲器；感光像元阵列中的感光像元电路，包括光电二极管、传输管、复位开关和源跟随器输入管；不同强度的光照在光电二极管中产生不同量的电荷，并通过传输管传输到FD点将电荷转换为电压信号，并通过本列的行选开关将该信号输出到本列的可变增益放大器的正输入端；每行感光像元阵列对应一个暗像元，暗像元包括感光二极管、暗传输管、复位管和暗源跟随器输入管，其电路连接与感光像元电路相对应，暗像元通过复位和曝光产生反映暗电流的电压信号，并通过暗源跟随器输入管和本列的行选开关将该信号输出到本列的可变增益放大器的负输入端；暗像元还通过列线连接到单位增益缓冲器的正输入端，单位增益缓冲器的输出端连接到本身的负输入端及所有列的可变增益放大器的负输入端；可变增益放大器的输出信号与模数转换器的输入相连接，可变增益放大器的正输入端和负输入端的信号通过模数转换器的时序控制实现相减，并将差输出到模数转换器进行量化。所述的感光像元电路中，感光二极管正极接地，负极接传输管的漏极；传输管的栅极由TX信号控制，源极接源跟随器管的栅极；复位管的漏极接电源，栅极由复位信号Reset控制，源极接源跟随器管的栅极；源跟随器管的漏极接电源，源极为像元输出端。所述的暗像元中，感光二极管由金属遮光板覆盖，正极接地，负极接暗传输管的漏极；暗传输管的栅极由传输信号TX控制，体电位接地，源极接暗源跟随器管的栅极；复位管的漏极接电源，栅极由复位信号Reset控制，源极接暗源跟随器管的栅极；暗源跟随器管的漏极电源，源极为暗像元输出端；在无光条件下暗像元产生暗电流，并通过暗传输管流向暗FD点，产生反应暗电流信息的暗电压信号。所述的暗像兀中的TX信号、Reset信号和本行感光像兀阵列响应的TX信号、Reset信号相同。所述的暗像元间的连接是通过导线将各暗像元的暗像元FD点相连接。所述的像元源跟随器输出端接其对应列的行选开关的漏端；行选开关的源端接对应列偏置电流源的漏端，栅极连接所在行的行选及曝光控制译码器；暗像元源跟随器输出端接其对应列的行选开关的漏端；行选开关的源极接对应列偏置电流源的漏端，栅极连接所在行的行选及曝光控制译码器。所述可变增益放大器包括第一相关双米样电容、第二相关双米样电容，第一复位开关、第二复位开关、第三复位开关、第四复位开关，第一采样电容、第二采样电容，第一反馈电容、第二反馈电容，以及差分运算放大器；第一相关双米样电容左极板为模数转换器的正输入端，右极板接第一米样电容的左极板；第二相关双采样电容左极板为模数转换器的负输入端，右极板接第二采样电容的左极板；第一复位开关漏极接差分运算放大器的输出共模电平Vcm，源极接第一采样电容的左极板，栅极接信号S2;第二复位开关漏极接差分运算放大器的输出共模电平Vcm，源极接第二采样电容的左极板，栅极接信号S2;第三复位开关漏极接差分运算放大器的第一正输入端，源极接差分运算放大器的第二负输出端，栅极接信号Si ；第四复位开关漏极接差分运算放大器的第一负输入端，源极接差分运算放大器第二正输出端，栅极接信号Si ；第一采样电容的右极板接差分运算放大器的第一正输入端，第二采样电容的右极板接差分运算放大器的第一负输入端；第一反馈电容的左极板接差分运算放大器的第一正输入端，右极板接差分运算放大器的第二负输出端；第二反馈电容的左极板接差分运算放大器的第一负输入端，右极板接差分运算放大器的第二正输出端。
所述第一相关双采样电容、第二相关双采样电容、第一采样电容、第二采样电容的容值均相等；第一反馈电容与第二反馈电容的容值相等。基于所述图像传感器暗电流补偿装置的补偿方法，包括以下操作:在像元的第二次复位上升沿时刻，将行选开关导通，同时信号SI和S2上升，使得可变增益放大器中第一复位开关、第二复位开关、第三复位开关、第四复位开关导通；在信号TX第二个上升沿到来之前，控制信号SI将第一复位开关、第二复位开关关断，在信号TX第二个上升沿到来之后，完成了相关双采样；之后信号S2首先将第三复位开关、第四复位开关关断，再将第一相关双采样电容、第二相关双采样电容右极板接到差分运算放大器进入放大模式，对电压差进行放大，放大的对象是经过黑电平补偿后的反应光强的信息。通过设置第一采样电容、第一反馈电容电容的比值来调整差分运算放大器需要的放大倍数。与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果:本发明提出了的暗电流补偿装置及方法，能够使暗电流补偿不影响传感器帧频，同时不要求高精度的模数转换器，该方法实现了实时的暗电流补偿，同时将黑电平补偿，相关双采样及可变增益放大功能紧密结合，节省了芯片面积和功耗，提高了补偿精度。本发明提出了的暗电流补偿装置及方法，采用全差分的可变增益放大器结构，通过增加两个相关双采样电容并采用合适的时序控制，将感光像元的复位后输出电压和积分后输出电压的差送到可变增益放大器一输入端，同时将暗像元的复位后输出电压和积分后输出电压的差送到可变增益放大器的另一输入端。通过可变增益放大器的采样电容和反馈电容及适当的时序控制，将感光像元复位积分信号差与暗像元复位积分信号差再做差，该输出信号即为经过暗电流补偿后的反应真正光强信息的信号。
图1典型的CMOS图像传感器；图2感光像元电路图；图3传统的相关双采样电路；图4本发明提出的CMOS图像传感器；图5暗像元电路图；图6相关双采样电路级可变增益放大器电路；图7可变增益放大器及相关双采样时序图。
具体实施例方式下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。如图1所示为典型的CMOS图像传感器整体布局结构，10为感光像元阵列，将不同强度的光信号转换为模拟的电信号，并通过行选开关13接到列线上，11为列读出电路，将模拟的电信号量化为易于存储、传输的数字信号。
如图2为像元阵列的单个像元电路，包括光电二极管101、传输管102、复位开关103、源跟随器输入管104，不同强度的光照在光电二极管101中产生不同量的电荷，这些电荷通过传输管102传输到FD点108，将电荷转换为电压信号，该结点电压信号通过源跟随器104和行选开关13传到列线上。列线连接到相关双采样(⑶S)的输入端。如图3所示，⑶S电路通过采样复位和曝光两次信号，将二者的差送到可变增益放大器(PGA)进行处理，通过相关双采样技术，可以消除像元电路的固定模式噪声，同时可以抑制源跟随器的低频噪声。CDS电路输出的信号除了包括反映光强信息的曝光信号，还包括由暗电流产生的暗信号，在拍摄暗场景图像时，需要长时间的曝光，在此条件下暗电流产生的暗信号较大，使得模数转换器(ADC) 16输出的信号与实际的光强信号偏差很大，并且暗信号还会占据ADC很大的输出范围。因此，为了使ADC输出信号尽可能的接近实际光强信号，并且使得ADC的输出范围最大化，需要进行暗电流补偿。传统的暗电流补偿方式如图1中的17模块，通过环路先采集数字的暗信号，而后将该数字的暗信号存储并经过数模转换器DAC转变为模拟信号送到每列PGA的输入端，将CDS输出信号与该信号相减，得到反映光强信息的电压信号，之后再做进一步的处理。然而，该环路是实现对设计者提出了诸多要求:首先，DAC的精度要求较高，位数要大于等于ADC位数+1g2K, K为PGA的最大增益；其次，由于PGA的增益在不同光照条件下会设置不同的值，因此会影响环路的稳定性，设计时必须考虑最坏情况，这样会增加系统的建立时间，影响传感器巾贞频。本发明将CDS电路与PGA电路实现无缝结合，省去了传统CDS电路的源跟随电路(由器件116和114组成)和开关管115，同时实现了开关管112相关双采样和PGA放大功能的复用，减小了芯片面积，减小了功耗(源跟随器的功耗)，同时避免了源跟随器引入的固
定模式噪声。如图4所示为本发明提出的可见光图像传感器整体结构图。主要包括感光像元10，行选及曝光控制译码器12，行选开关13，偏置电流源14，可变增益放大器15，模数转换器16，单位增益缓冲器18，暗像元21。感光像元阵列10中的感光像元电路，包括光电二极管101、传输管102、复位开关103和源跟随器输入管104 ;不同强度的光照在光电二极管101中产生不同量的电荷，并通过传输管102传输到FD点108将电荷转换为电压信号，并通过本列的行选开关13将该信号输出到本列的可变增益放大器15的正输入端300 ；每行感光像元阵列10对应一个暗像元21，暗像元21包括感光二极管201、暗传输管202、复位管203和暗源跟随器输入管204，其电路连接与感光像元电路相对应，暗像元21通过复位和曝光产生反映暗电流的电压信号，并通过暗源跟随器输入管204和本列的行选开关13将该信号输出到本列的可变增益放大器15的负输入端301 ；暗像元21还通过列线连接到单位增益缓冲器18的正输入端，单位增益缓冲器18的输出端连接到本身的负输入端及所有列的可变增益放大器15的负输入端301 ；可变增益放大器15的输出信号与模数转换器16的输入相连接,可变增益放大器15的正输入端300和负输入端301的信号通过模数转换器16的时序控制实现相减，并将差输出到模数转换器16进行量化。所述的感光像元电路中，感光二极管101正极接地，负极接传输管102的漏极；传输管102的栅极由TX信号控制，源极接源跟随器管104的栅极；复位管103的漏极接电源，栅极由复位信号Reset控制，源极接源跟随器管104的栅极；源跟随器管104的漏极接电源，源极为像元输出端105。参见图5，所述的暗像元中，感光二极管201由金属遮光板109覆盖，正极接地，负极接暗传输管202的漏极；暗传输管202的栅极由传输信号TX控制，源极接暗源跟随器管204的栅极；复位管203的漏极接电源，栅极由复位信号Reset控制，源极接暗源跟随器管204的栅极；暗源跟随器管(204)的漏极电源，源极为暗像元输出端205 ;在无光条件下暗像元产生暗电流，并通过暗传输管202流向暗FD点208，产生反应暗电流信息的暗电压信号。所述暗像兀中的TX信号、Reset信号和本行感光像兀阵列10响应的TX信号、Reset信号相同。暗像元间的连接是通过导线将各暗像元21的暗像元FD点208相连接。像元源跟随器输出端105接其对应列的行选开关13的漏端；行选开关13的源端接对应列偏置电流源14的漏端，栅极连接所在行的行选及曝光控制译码器12 ；暗像元源跟随器输出端205接其对应列的行选开关13的漏端；行选开关13的源极接对应列偏置电流源14的漏端，栅极连接所在行的行选及曝光控制译码器12。此处单位增益缓冲器的作用是提供足够的驱动能力驱动所有列PGA输入端的电容。理想情况下，单位增益缓冲器18的正向输入端与输出端相等，因此连接到所有列PGA负输入端301的信号应该为暗电平信号，实际上，缓冲器18存在失调电压，使得其正向输入端与输出端不相等，导致连接到所有列PGA负输入端301的信号为暗电平信号和缓冲器失调电压的和，为了消除该失调电压的影响，将缓冲器18的正输入端和输出端分别接到本列PGA的输入端300和301，经过与其他列PGA相同增益的放大后，再经ADC转换为数字信号，最终将其他列ADC输出的数字信号减去暗单位列ADC的输出信号(由后级数字信号处理器处理)，得到就是反应真正光强的信号。参见图6,所述可变增益放大器15包括第一相关双米样电容30、第二相关双米样电容31，第一复位开关32、第二复位开关33、第三复位开关38、第四复位开关39，第一采样电容34、第二采样电容35，第一反馈电容36、第二反馈电容37，以及差分运算放大器40 ；第一相关双米样电容30左极板为模数转换器16的正输入端300,右极板接第一米样电容34的左极板；第二相关双采样电容31左极板为模数转换器16的负输入端301，右极板接第二采样电容35的左极板；第一复位开关32漏极接差分运算放大器40的输出共模电平Vcm，源极接第一采样电容34的左极板，栅极接信号S2 ；第二复位开关33漏极接差分运算放大器40的输出共模电平Vcm，源极接第二采样电容35的左极板，栅极接信号S2 ；第三复位开关38漏极接差分运算放大器40的第一正输入端302，源极接差分运算放大器40的第二负输出端304，栅极接信号SI ；第四复位开关39漏极接差分运算放大器40的第一负输入端303，源极接差分运算放大器40第二正输出端305，栅极接信号SI ；第一米样电容34的右极板接差分运算放大器40的第一正输入端302,第二米样电容35的右极板接差分运算放大器40的第一负输入端303 ；第一反馈电容36的左极板接差分运算放大器40的第一正输入端302，右极板接差分运算放大器40的第二负输出端304 ；第二反馈电容37的左极板接差分运算放大器40的第一负输入端303，右极板接差分运算放大器40的第二正输出端305。进一步,第一相关双米样电容30、第二相关双米样电容31、第一米样电容34、第二采样电容35的容值均相等；第一反馈电容36与第二反馈电容37的容值相等。如图7为像元及PGA的控制时序图。图7中RESET为感光像元中复位管103的栅极控制信号，TX为感光像元中复位管102的栅极控制信号，ROff为行选开关13的栅极控制信号，这三个时序与传统图像传感器控制时序相同，在此不再赘述。SI和S2分别为可变增益放大器15的采样信号和放大信号，在RESET第二次复位上升沿到来时，信号S1、S2升高，使得第一复位、第二复位、第三复位、第四复位开关32、33、38、39导通，差分运算放大器40处于单位增益缓冲器状态，第一采样电容34、第二采样电容35两端电压均为Vcm，两个电容上的电量均为O,第一相关双米样 电容30和第二相关双米样电容31左极板电压分别为Vactivejreset和VdaA,Msrt。当TX的第二次上升沿到来时，信号SI下降，S2仍为高，第一复位开关32、第二复位开关33断开，此时第一相关双采样电容30和第二相关双采样电容31左极板电压变为Vartive,sig和Vdarit,sig，根据电荷转移原理，此时电容30和31右极板分别变为:
权利要求
1.一种图像传感器暗电流补偿装置，其特征在于，包括感光像元阵列(10)、暗像元(21)、可变增益放大器(15)、模数转换器(16)和单位增益缓冲器(18)； 感光像元阵列(10)中的感光像元电路，包括光电二极管(101)、传输管(102)、复位开关(103)和源跟随器输入管(104);不同强度的光照在光电二极管(101)中产生不同量的电荷，并通过传输管(102)传输到FD点(108)将电荷转换为电压信号，并通过本列的行选开关(13)将该信号输出到本列的可变增益放大器(15)的正输入端(300)； 每行感光像元阵列(10)对应一个暗像元(21)，暗像元(21)包括感光二极管(201)、暗传输管(202)、复位管(203)和暗源跟随器输入管(204)，其电路连接与感光像元电路相对应，暗像元(21)通过复位和曝光产生反映暗电流的电压信号，并通过暗源跟随器输入管(204)和本列的行选开关(13)将该信号输出到本列的可变增益放大器(15)的负输入端(301)； 暗像元(21)还通过列线连接到单位增益缓冲器(18)的正输入端，单位增益缓冲器(18)的输出端连接到本身 的负输入端及所有列的可变增益放大器(15)的负输入端(301)； 可变增益放大器(15)的输出信号与模数转换器(16)的输入相连接，可变增益放大器(15)的正输入端(300)和负输入端(301)的信号通过模数转换器(16)的时序控制实现相减，并将差输出到模数转换器(16)进行量化。
2.如权利要求1所述的图像传感器暗电流补偿装置，其特征在于，所述的感光像元电路中，感光二极管(101)正极接地，负极接传输管(102)的漏极；传输管(102)的栅极由TX信号控制，源极接源跟随器管(104)的栅极；复位管(103)的漏极接电源，栅极由复位信号Reset控制，源极接源跟随器管(104)的栅极；源跟随器管(104)的漏极接电源，源极为像元输出端(105)。
3.如权利要求1所述的图像传感器暗电流补偿装置，其特征在于，所述的暗像元中，感光二极管(201)由金属遮光板(109)覆盖，正极接地，负极接暗传输管(202)的漏极；暗传输管(202)的栅极由传输信号TX控制，源极接暗源跟随器管(204)的栅极；复位管(203)的漏极接电源，栅极由复位信号Reset控制，源极接暗源跟随器管(204)的栅极；暗源跟随器管(204)的漏极电源，源极为暗像元输出端(205);在无光条件下暗像元产生暗电流，并通过暗传输管(202 )流向暗FD点(208 )，产生反应暗电流信息的暗电压信号。
4.如权利要求3所述的图像传感器暗电流补偿装置，其特征在于，暗像元中的TX信号、Reset信号和本行感光像兀阵列(10)响应的TX信号、Reset信号相同。
5.如权利要求3所述的图像传感器暗电流补偿装置，其特征在于，暗像元间的连接是通过导线将各暗像元(21)的暗像元FD点(208)相连接。
6.如权利要求3所述的图像传感器暗电流补偿装置，其特征在于，像元源跟随器输出端(105)接其对应列的行选开关(13)的漏端；行选开关(13)的源端接对应列偏置电流源(14)的漏端，栅极连接所在行的行选及曝光控制译码器(12)； 暗像元源跟随器输出端(205)接其对应列的行选开关(13)的漏端；行选开关(13)的源极接对应列偏置电流源(14)的漏端，栅极连接所在行的行选及曝光控制译码器(12)。
7.如权利要求1所述的图像传感器暗电流补偿装置，其特征在于，所述可变增益放大器(15)包括第一相关双米样电容(30)、第二相关双米样电容(31),第一复位开关(32)、第二复位开关(33)、第三复位开关(38)、第四复位开关(39)，第一采样电容(34)、第二采样电容(35)，第一反馈电容(36)、第二反馈电容(37)，以及差分运算放大器(40)； 第一相关双米样电容(30 )左极板为模数转换器(16 )的正输入端(300 ),右极板接第一米样电容(34)的左极板；第二相关双米样电容(31)左极板为模数转换器(16)的负输入端(301)，右极板接第二采样电容(35)的左极板； 第一复位开关(32)漏极接差分运算放大器(40)的输出共模电平Vcm，源极接第一采样电容(34)的左极板，栅极接信号S2 ； 第二复位开关(33)漏极接差分运算放大器(40)的输出共模电平Vcm，源极接第二采样电容(35)的左极板，栅极接信号S2 ； 第三复位开关(38 )漏极接差分运算放大器(40 )的第一正输入端(302 )，源极接差分运算放大器(40)的第二负输出端(304)，栅极接信号SI ； 第四复位开关(39)漏极接差分运算放大器(40)的第一负输入端(303)，源极接差分运算放大器(40)第二正输出端(305)，栅极接信号SI ； 第一米样电容(34)的右极板接差分运算放大器(40)的第一正输入端(302),第二米样电容(35)的右极板接差分运算放大器(40)的第一负输入端(303)； 第一反馈电容(36)的左极板接差分运算放大器(40)的第一正输入端(302)，右极板接差分运算放大器(40)的第二负输出端(304)； 第二反馈电容(37)的左极板接差分运算放大器(40)的第一负输入端(303)，右极板接差分运算放大器(40)的第二正输出端(305)。
8.如权利要求7所述的图像传感器暗电流补偿装置，其特征在于，第一相关双采样电容(30)、第二相关双米样电容(31)、第一米样电容(34)、第二米样电容(35)的容值均相等; 第一反馈电容(36)与第二反馈电容(37)的容值相等。
9.一种基于权利要求7所述图像传感器暗电流补偿装置的补偿方法，其特征在于，包括以下操作: 在像元的第二次复位上升沿时刻，将行选开关(13)导通，同时信号SI和S2上升，使得可变增益放大器(15)中第一复位开关(32)、第二复位开关(33)、第三复位开关(38)、第四复位开关(39)导通； 在信号TX第二个上升沿到来之前，控制信号SI将第一复位开关(32)、第二复位开关(33)关断，在信号TX第二个上升沿到来之后，完成了相关双采样； 之后信号S2首先将第三复位开关(38)、第四复位开关(39)关断，再将第一相关双采样电容(30)、第二相关双采样电容(31)右极板接到Vm，差分运算放大器(40)进入放大模式，对电压差进行放大，放大的对象是经过黑电平补偿后的反应光强的信息。
10.如权利要求9的补偿方法， 其特征在于，通过设置第一采样电容(34)、第一反馈电容(36)电容的比值来调整差分运算放大器(40)需要的放大倍数。
全文摘要
本发明公开了一种图像传感器暗电流补偿装置及补偿方法，包括感光像元阵列、暗像元、可变增益放大器、模数转换器和单位增益缓冲器。本发明采用全差分的可变增益放大器结构，通过增加两个相关双采样电容并采用合适的时序控制，将感光像元的复位后输出电压和积分后输出电压的差送到可变增益放大器一输入端，同时将暗像元的复位后输出电压和积分后输出电压的差送到可变增益放大器的另一输入端。通过可变增益放大器的采样电容和反馈电容及适当的时序控制，将感光像元复位积分信号差与暗像元复位积分信号差再做差，该输出信号即为经过暗电流补偿后的反应真正光强信息的信号。
文档编号H04N5/378GK103118236SQ20131004805
公开日2013年5月22日 申请日期2013年2月6日 优先权日2013年2月6日
发明者韩本光, 郭仲杰, 汪西虎, 吴龙胜 申请人:中国航天科技集团公司第九研究院第七七一研究所