用于cmos图像传感器的模拟读出预处理电路及其控制方法

用于cmos图像传感器的模拟读出预处理电路及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于CMOS图像传感器的模拟读出预处理电路及其控制方法。该模拟读出预处理电路包括：扩展计数型积分循环-逐次逼近混合型模数转换电容网络，用于实现CMOS图像传感器输出信号的读出和模数转换；运算放大器，用于利用运算放大器两输入端“虚短”及电荷守恒原理，实现扩展计数型积分循环-逐次逼近混合型模数转换的功能，扩展计数型积分可有效降低图像传感器内部的热噪声和闪烁噪声；比较器，用于比较两端电压的大小，完成信号量化功能；以及控制信号发生器，用于提供控制信号。
【专利说明】用于CMOS图像传感器的模拟读出预处理电路及其控制方 法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及集成电路【技术领域】，尤其涉及一种用于互补金属氧化物半导体（CMOS) 图像传感器的模拟读出预处理电路及其控制方法。

【背景技术】
[0002] CMOS图像传感器是固态图像传感器的一种。分辨率为MXN的CMOS图像传感器一 般包括图像传感器阵列（大小为MXN)、模拟读出处理电路以及数字控制模块等。其中，模 拟读出处理电路的大小为1 XP，1 < P < N ;其中P = 1，串行读出，并行度最低，主要用于低 速图像传感器；P = N，全列并行读出，并行度最高，主要用于高速图像传感器。
[0003] 图1为现有技术用于固态图像传感器的模拟读出处理电路的结构框图。请参照 图1，模拟读出处理电路由模拟读出预处理电路和模拟数字转换器（Analog-to-Digital Con Verter，ADC)构成。其中最重要的就是模拟读出预处理电路。其中，图像传感器输出的 电压经模拟读出预处理电路去噪、放大、电平位移及单转差后输出到差分结构的ADC，ADC 中的采样预处理电路输出差分信号并对该差分信号进行量化，量化值暂存于寄存器，准备 直接或经数字域处理后经10端口输出。
[0004] 现有技术中，模拟读出预处理电路对图像传感器输出的复位信号和有效光强信号 只进行一次采样和转换，导致读出噪声较大，模拟读出时间较长，其中模拟读出预处理电路 的输出噪声包含了来自图像传感器的噪声。
[0005] 本发明中的模拟读出预处理电路包括有扩展计数型积分电路，该扩展计数型积分 电路通过对图像传感器输出的复位信号和光强信号进行多次积分平均，可有效降低来自图 像传感器及电路的热噪声，从而提供更高性能的信号读出。
[0006] 在实现本发明的过程中， 申请人:发现采用扩展计数型积分电路需要对信号进行多 次采样，因而会增加读出时间，降低读出速度，不利于该读出电路在高速场合的应用。


【发明内容】

[0007] (一）要解决的技术问题
[0008] 鉴于上述技术问题，本发明提供了一种用于CMOS图像传感器的模拟读出预处理 电路及其控制方法，既能降低读出噪声又尽可能减小模拟读出时间。
[0009] (二）技术方案
[0010] 为达到上述目的，本发明提供了一种用于固态CMOS图像传感器的模拟读出预处 理电路，包括：
[0011] 扩展计数型积分循环-逐次逼近混合型模数转换电容网络1，用于采集信号并对 采集的信号进行预处理，实现信号的扩展计数型积分和模数转换；
[0012] 运算放大器2,其正输入端（Vip)和负输入端（Vin)连接于扩展计数型积分循环-逐 次逼近混合型模数转换电容网络1的输出端，用于利用运算放大器两输入端"虚短"及电荷 守恒原理，实现扩展计数型积分循环-逐次逼近混合型模数转换；
[0013] 电压比较器3,其正输入端（Vip,"p)连接于运算放大器2的正输出端，负输入端 (V in,MP)连接于运算放大器2的负输出端，其输出端连接于扩展计数型积分循环-逐次逼近 混合型模数转换电容网络1，用于实现电压比较功能，并控制扩展计数型积分循环-逐次逼 近混合型模数转换电容网络1内的开关；
[0014] 控制信号发生器4,用于为扩展计数型积分循环-逐次逼近混合型模数转换电容 网络1提供控制信号；
[0015] 累加器5,用于在扩展计数型积分过程中对电压比较器3的输出进行累加；
[0016] 第一锁存器6,用于对第一次循环-逐次逼近混合型模数转换的输出结果进行暂 存；
[0017] 第二锁存器7,用于对第二次循环-逐次逼近混合型模数转换的输出结果进行暂 存；
[0018] 数字处理器8,用于对累加器5、第一锁存器6、第二锁存器7输出的数字信号进行 合成处理，得到最终的图像传感器输出的有效光强信号对应的数字信号。
[0019] 为达到上述目的，本发明还提供了一种对所述模拟读出预处理电路进行控制的方 法，该方法包括：
[0020] 步骤A，扩展计数型积分器对图像传感器输出的复位信号进行采样；
[0021] 步骤B，在采样操作后，扩展计数型积分器对图像传感器输出的复位信号进行第一 次积分，将采样信号转移到积分电容，以降低复位信号的噪声功率；
[0022] 步骤C，在对图像传感器输出的复位信号进行第一次积分后，再进行十五次积分；
[0023] 步骤D，在对图像传感器输出的复位信号完成十六次积分后，再对图像传感器输出 的有效光强信号进行十六次积分；
[0024] 步骤E，在对复位信号和有效光强信号积分结束后，对放大器输出端V#和V m信号 的差值进行第一次循环-逐次逼近混合型模数转换；
[0025] 步骤F，在第一次循环-逐次逼近混合型模数转换后，执行第一次循环操作；
[0026] 步骤G，在第一次循环操作之后，执行第二次循环-逐次逼近混合型模数转换；
[0027] 步骤H，数字处理器对累加器、第一锁存器、第二锁存器输出的数字信号进行合成 处理，得到最终的图像传感器输出的有效光强信号对应的数字信号。
[0028] (三）有益效果
[0029] 从上述技术方案可以看出，本发明用于CMOS图像传感器的模拟读出预处理电路 具有以下有益效果：
[0030] (1)由于采用扩展计数型积分技术，通过对图像传感器输出信号进行多次积分和 平均可有效降低图像传感器和电路噪声，所以提高了读出电路性能；
[0031] (2)由于采用循环-逐次逼近混合型模数转换技术，所以提高了读出速度；
[0032] (3)由于采用运算放大器、比较器共享技术，所以降低了预处理电路的面积。

【专利附图】

【附图说明】
[0033] 图1为现有技术用于固态图像传感器的模拟读出处理电路的结构框图；
[0034] 图2为根据本发明实施例的用于CMOS图像传感器的模拟读出预处理电路的结构 示意图；
[0035] 图3为图2所示的模拟读出预处理电路的详细电路图；
[0036] 图4为图2所示的模拟读出预处理电路中运算放大器的结构示意图；
[0037] 图5为图2所示的模拟读出预处理电路中比较器的结构示意图；
[0038] 【符号说明】
[0039] 1-扩展计数型积分循环-逐次逼近混合型模数转换电容网络；
[0040] 2-运算放大器；
[0041] 3-电压比较器；
[0042] 4-控制信号发生器；
[0043] 5-累加器；
[0044] 6-第一锁存器；
[0045] 7-第二锁存器；
[0046] 8-数字处理器。

【具体实施方式】
[0047] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部 分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属【技术领域】中普通技术人员 所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等 于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
[0048] 在本发明提供的用于CMOS图像传感器的模拟读出预处理电路中，扩展计数型积 分、循环_逐次逼近混合型模数转换电容网络采用单个运算放大器、电压比较器和开关及 电容实现模拟读出和模数转换功能。本发明提供的用于CMOS图像传感器的模拟读出预处 理电路对于不同的图像传感器结构以及不同的列并行度，其结构及工作过程也相应的有所 不同，下文将主要以全列并行4管有源像素图像传感器为例，对本发明【具体实施方式】作详 细说明。
[0049] 在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种用于CMOS图像传感器的模拟读出 预处理电路。图2为根据本发明实施例的用于CMOS图像传感器的模拟读出预处理电路的 结构示意图。请参照图2，本实施例模拟读出预处理电路包括扩展计数型积分循环-逐次逼 近混合型模数转换电容网络1、运算放大器2、电压比较器3、控制信号发生器4、累加器5、第 一锁存器6、第二锁存器7和数字处理器8,其中：
[0050] 扩展计数型积分循环-逐次逼近混合型模数转换电容网络1，用于采集信号并对 采集的信号进行预处理，实现信号的扩展计数型积分和模数转换。其中，扩展计数型积分循 环-逐次逼近混合型模数转换电容网络1采集的信号包括：自图像传感器输入的复位信号 v ret和光强信号V sig，以及来自外部参考电压源的第一参考电压vm和第一参考电压扩展 计数型积分循环-逐次逼近混合型模数转换电容网络1对采集的信号进行预处理至少包括 去除采集的信号的噪声，以及对有效光强信号（V KT-Vsrc)的积分。运算放大器2,其正输入 端（Vip)和负输入端（V in)连接于扩展计数型积分循环-逐次逼近混合型模数转换电容网络 1的输出端，用于利用运算放大器两输入端"虚短"及电荷守恒原理，实现扩展计数型积分循 环-逐次逼近混合型模数转换。电压比较器3,其正输入端（Vip,MP)连接于运算放大器2的 正输出端，负输入端（Vin,MP)连接于运算放大器2的负输出端，其输出端连接于扩展计数型 积分循环-逐次逼近混合型模数转换电容网络1，用于实现电压比较功能，并控制扩展计数 型积分循环-逐次逼近混合型模数转换电容网络1内的开关。控制信号发生器4,用于为扩 展计数型积分循环-逐次逼近混合型模数转换电容网络1提供控制信号。累加器5,用于在 扩展计数型积分过程中对电压比较器3的输出进行累加。第一锁存器6,用于对第一次循 环-逐次逼近混合型模数转换的输出结果进行暂存。第二锁存器7,用于对第二次循环-逐 次逼近混合型模数转换的输出结果进行暂存。数字处理器8,用于对累加器5、第一锁存器 6、第二锁存器7输出的数字信号进行合成处理，得到最终的图像传感器输出的有效光强信 号对应的数字信号。
[0051] 以下分别对本发明实施例的用于CMOS图像传感器的模拟读出预处理电路及其各 个组成部分进行详细说明。
[0052] 图3为图2所示模拟读出预处理电路中的详细电路图。如图3所示，模拟读出预 处理电路包括：运算放大器2 ;电压比较器1 ;电容Cn，C13, C15, C17, C12, C14, C16, C18, C21，C22， C31，C33，C35，C 37，C32，C34，C36和 C38;开关 S n，S13，S15，S17，S12，S 14，S16，S18，S19，S2(l，S 21，S23，S25， §27，§22，§24，§26，§28，§41，S43，S45，S47，S42，S44，§46，§48，§51，S53，S55，S57，S52，S54，S56矛口 S 58。
[0053] 扩展计数型积分循环_逐次逼近混合型模数转换电容网络1，用于实现信号的扩 展计数型积分和模数转换。请参照图3,该扩展计数型积分循环-逐次逼近混合型模数转 换电容网络1包括：第i^一至第十八电容（Cn，c12, c13, c14, c15, c16, c17, c18)，第二^^一至第 二十二电容（c21，c22)，第三^^一至第三十八电容（(： 31，(：32，(：33，(：34，(：35，(： 36，(：37和(：38);第^^一 至弟一?十八开关（Sn，S 12，S13，S14，S15，S16，S 17，S18，S19，S2(l，S21，S 22，S23，S24，S25，S26，S 27，S28)， 第四i 至第四十八开关（s 41，s42, s43, s44, s45, s46, s47, s48)，第五^ 至第五十八开关（s51， S52，S53，S54，S55，S56，S57和 s 58)，其中：
[0054] 第十一开关（Sn)，其第一端连接于图像传感器的输出端，接收图像传感器输入的 复位信号，第二端连接于第^ 、十三、十五、十七电容（cn、c13、c15、c 17)的下极板；
[0055] 第十三开关（S13)，其第一端连接负参考电压（Vm)，第二端连接于第十二、十四、 十六、十八电容（c 12、c14、c16、c18)的下极板；
[0056] 第十五开关（S15)，其第一端连接运算放大器的正输出端（VJ，第二端连接于第 i 、十三、十五、十七电容（cn、c13、c15、c 17)的下极板；
[0057] 第十二开关（S12)，其第一端连接于正参考电压（V,p)，第二端连接于第十二、十四、 十六、十八电容（c 12、c14、c16、c18)的下极板；
[0058] 第十四开关（S14)，其第一端连接于图像传感器的输出端，第二端连接于第十一、 十三、十五、十七电容（c n、c13、c15、c17)的下极板；
[0059] 第十六开关（S16)，其第一端连接运算放大器的负输出端（VJ，第二端连接于第 十二、十四、十六、十八电容（c 12、c14、c16、c18)的下极板；
[0060] 第十七开关（s17)，其第一端连接于共模电压（VJ、正参考电压（vy、负参考电压 (vm)、运算放大器的负输入端（vin)，第二端连接于第二^ 电容（c21)的下极板；
[0061] 第十八开关（S18)，其第一端连接于共模电压（VJ、正参考电压（vy、负参考电压 (v m)、运算放大器的负输入端（vip)，第二端连接于第二十二电容（c22)的下极板；
[0062] 第十九开关（S19)，其第一端连接于第二^ 电容（C 21)的上极板，其第二端连接于 共模电压（VCM)、运算放大器正输出端（VJ、运算放大器的负输入端（Vin);
[0063] 第二十开关（S2CI)，其第一端连接于第二十二电容（C22)的上极板，其第二端连接于 共模电压（V CM)、运算放大器负输出端（VJ、运算放大器的正输入端（Vip);
[0064] 第二^ 开关（s21)，其第一端连接于第^ 电容（c n)的上极板，其第二端连接于 共模电压（VCM)、正参考电压（Vrp)、负参考电压（Vrn);
[0065] 第二十三开关（S23)，其第一端连接于第十三电容（C13)的上极板，其第二端连接于 共模电压（V CM)、正参考电压（Vrp)、负参考电压（Vrn);
[0066] 第二十五开关（S25)，其第一端连接于第十五电容（C15)的上极板，其第二端连接于 共模电压（V CM)、正参考电压（Vrp)、负参考电压（Vrn);
[0067] 第二十七开关（S27)，其第一端连接于第十七电容（C17)的上极板，其第二端连接于 共模电压（V CM)、正参考电压（Vrp)、负参考电压（Vrn);
[0068] 第二十二开关（S22)，其第一端连接于第十二电容（C12)的上极板，其第二端连接于 共模电压（V CM)、正参考电压（Vrp)、负参考电压（Vrn);
[0069] 第二十四开关（S24)，其第一端连接于第十四电容（C14)的上极板，其第二端连接于 共模电压（V CM)、正参考电压（Vrp)、负参考电压（Vrn);
[0070] 第二十六开关（s26)，其第一端连接于第十六电容（c16)的上极板，其第二端连接于 共模电压（V CM)、正参考电压（Vrp)、负参考电压（Vrn);
[0071] 第二十八开关（S28)，其第一端连接于第十八电容（C18)的上极板，其第二端连接于 共模电压（V CM)、正参考电压（Vrp)、负参考电压（Vrn);
[0072] 第二十九开关（S29)，其第一端连接于电压比较器的正输入端（Vip,_ p)，其第二端 连接于第i 、十三、十五、十七电容（cn、c13、c15、c 17)的下极板；
[0073] 第三十开关（S3CI)，其第一端连接于电压比较器的负输入端（Vin,_ p)，其第二端连 接于第十二、十四、十六、十八电容（c12、c14、c 16、c18)的下极板；
[0074] 第三^ 开关（s31)，其第一端连接于第^ 、十三、十五、十七电容（c n、c13、c15、 c17)的下极板，其第二端连接于运算放大器的负输入端（vin);
[0075] 第三十二开关（S32)，其第一端连接于第十二、十四、十六、十八电容（C 12、C14、C16、 c18)的下极板，其第二端连接于运算放大器的正输入端（v ip);
[0076] 第三十三开关（S33)，其第一端连接于运算放大器的正输出端（VJ，其第二端连接 于电压比较器的正输入端（V ip,_p);
[0077] 第三十四开关（S34)，其第一端连接于运算放大器的正输出端（VJ，其第二端连接 于电压比较器的负输入端（V in,_p);
[0078] 第三十五开关（S35)，其第一端连接于第四十一、四十三、四十五、四十七、四十九开 关（S 41、S43、S45、S47、S49)的第二端，其第二端连接于比较器的正输入端（V ip,ramp);
[0079] 第三十六开关（S35)，其第一端连接于第四十二、四十四、四十六、四十八、四十开关 (S 42、S44、S46、S48、S4Q)的第二端，其第二端连接于比较器的负输入端（V in,_p);
[0080] 第四十一开关（s41)，其第一端连接于第三十一电容（c31)的下极板，其第二端连接 于第三十五开关（s 35)的第一端；
[0081] 第四十三开关（S43)，其第一端连接于第三十三电容（C33)的下极板，其第二端连接 于第三十五开关（s35)的第一端；
[0082] 第四十五开关（S45)，其第一端连接于第三十五电容（C35)的下极板，其第二端连接 于第三十五开关（S 35)的第一端；
[0083] 第四十七开关（S47)，其第一端连接于第三十七电容（C37)的下极板，其第二端连接 于第三十五开关（S 35)的第一端；
[0084] 第四十九开关（S49)，其第一端连接于运算放大器的负输入端（Vin)，其第二端连接 于第三十五开关（s 35)的第一端；
[0085] 第四十二开关（S42)，其第一端连接于第三十二电容（C32)的下极板，其第二端连接 于第三十六开关（s 36)的第一端；
[0086] 第四十四开关（S44)，其第一端连接于第三十四电容（C34)的下极板，其第二端连接 于第三十六开关（s 36)的第一端；
[0087] 第四十六开关（S46)，其第一端连接于第三十六电容（C36)的下极板，其第二端连接 于第三十六开关（s 36)的第一端；
[0088] 第四十八开关（S48)，其第一端连接于第三十八电容（C38)的下极板，其第二端连接 于第三十六开关（s 36)的第一端；
[0089] 第四十开关（S4CI)，其第一端连接于运算放大器的正输入端（Vip)，其第二端连接于 第三十六开关（s 36)的第一端；
[0090] 第五十一开关（s51)，其第一端连接于运算放大器的负输入端（vin)、负参考电压 (v m)、正参考电压（tP)，其第二端连接于第三^^一电容（c31)的上极板；
[0091] 第五十三开关（S53)，其第一端连接于运算放大器的负输入端（Vin)、负参考电压 (v m)、正参考电压（v,p)，其第二端连接于第三十三电容（c33)的上极板；
[0092] 第五十五开关（S55)，其第一端连接于运算放大器的负输入端（Vin)、负参考电压 (V m)、正参考电压（V，其第二端连接于第三十五电容（c35)的上极板；
[0093] 第五十七开关（S57)，其第一端连接于运算放大器的负输入端（Vin)、负参考电压 (V m)、正参考电压（D，其第二端连接于第三十七电容（c37)的上极板；
[0094] 第五十二开关（S52)，其第一端连接于运算放大器的正输入端（Vip)、负参考电压 (v m)、正参考电压（tP)，其第二端连接于第三十二电容（c32)的上极板；
[0095] 第五十四开关（S54)，其第一端连接于运算放大器的正输入端（Vip)、负参考电压 (v m)、正参考电压（tP)，其第二端连接于第三十二电容（c34)的上极板；
[0096] 第五十六开关（S56)，其第一端连接于运算放大器的正输入端（Vip)、负参考电压 (v m)、正参考电压（tP)，其第二端连接于第三十二电容（c36)的上极板；
[0097] 第五十八开关（S58)，其第一端连接于运算放大器的正输入端（Vip)、负参考电压 (v m)、正参考电压（tP)，其第二端连接于第三十二电容（c38)的上极板。
[0098] 该扩展计数型积分循环-逐次逼近混合型模数转换电容网络1中的第十一至第 十八电容（cn，c12, c13, c14, c15, c16, c17, c18)，第二^^一至第二十二电容（c21，c22)，第三i^一至 第三十八电容（c31，C32, C33, C34, C35, C36, C37和 C 38)，第^^一至第十四开关（sn，s12, s13, s14)，第 十七至第二十八开关（s17, s18, s19, s2Q，s21，s22, s23, s24, s25, s26, s27, s28)，第三i^一到第三十六 开关（s31，s32, s33, s34, s35, s36)，第四^ 至第五十八开关（s41，s 42, s43, s44, s45, s46, s47, s48， S49, S5Q，S51，S52, S53, S54, S55, S56, S57和S 58)，与运算放大器2及电压比较器3构成扩展计数 型积分器。
[0099] 该扩展计数型积分循环-逐次逼近混合型模数转换电容网络1与运算放大器2、比 较器3 -起，实现扩展计数型积分和循环-逐次逼近混合型模数转换功能。
[0100] 运算放大器2用于对扩展计数型积分循环-逐次逼近混合型模数转换电容网络 利用运算放大器两输入端"虚短"及电荷守恒原理，实现扩展计数型积分和循环-逐次逼近 混合型模数转换。图4为图2所示模拟读出预处理电路中运算放大器的结构示意图。请参 照图4,该运算放大器包括第零至第十晶体管以及偏置和共模反馈产生电路，其 中：
[0101] 偏置和共模反馈产生电路，用于产生偏置电压VBP1、VBP2、V BN和共模反馈电压V CMFB，
[0102] 第零晶体管（MJ，其栅极连接于所述偏置电压VBP1，其源极连接于电源V DD;
[0103] 第一晶体管（MD，其栅极连接于该运算放大器的正输入端Vip，其源极连接于第零 晶体管（MJ的漏极，其漏极连接于第七晶体管（M 7)的源极和第九晶体管（M9)的漏极；
[0104] 第二晶体管（m2)，其栅极连接于该运算放大器的负输入端vin，其源极连接于第零 晶体管（MJ的漏极，其漏极连接于第八晶体管（M 8)的源极和第十晶体管（M1CI)的漏极；
[0105] 第三晶体管（m3)，其栅极连接于所述偏置电压VBP1，其源极连接于电源V DD，其漏极 连接于第五晶体管（M5)的源极；
[0106] 第四晶体管（m4)，其栅极连接于所述偏置电压VBP1，其源极连接于电源V DD，其漏极 连接于第六晶体管（M6)的源极；
[0107] 第五晶体管（m5)，其栅极连接于所述偏置电压vBP2，其漏极连接于第七晶体管（m 7) 的漏极和该运算放大器的负输出端vm;
[0108] 第六晶体管（m6)，其栅极连接于所述偏置电压vBP2，其漏极连接于第八晶体管（m 8) 的漏极和该运算放大器的正输出端
[0109] 第七晶体管（m7)，其栅极连接于所述偏置电压VBN;
[0110] 第八晶体管（M8)，其栅极连接于所述偏置电压VBN;
[0111] 第九晶体管（M9)，其栅极连接于所述共模反馈电压，其源极连接于地vss;以及
[0112] 第十晶体管（M1CI)，其栅极连接于所述共模反馈电压VeMFB，其源极连接于地V ss。
[0113] 电压比较器3用于对其正负输入端的信号进行比较。图5为图2所示模拟读出预 处理电路中电压比较器的结构示意图。请参照图5,该电压比较器包括第二十至第三十一晶 体管（M 2Q?M31)，其中：
[0114] 第二十晶体管（MJ，其栅极连接于使能信号EN，其源极连接于地GND :
[0115] 第二十一晶体管（M21)，其栅极连接于该电压比较器的正输入端Vip, MP，其源极连接 于第二十晶体管（M2CI)的漏极，其漏极连接于第二十三晶体管（M 23)的漏极以及第二十八晶 体管（M28)的栅极；
[0116] 第二十二晶体管（M22)，其栅极连接于该电压比较器的负输入端Vin,。__，其源极连 接于第二十晶体管（M 2CI)的漏极，其漏极连接于第二十四晶体管（M24)的漏极以及第三十一 晶体管（M 31)的栅极；
[0117] 第二十三晶体管（M23)，其栅极连接于使能信号EN，其源极连接于电源V DD，其漏极 连接于第二十一晶体管（M21)的漏极以及第二十八晶体管（M28)的栅极；
[0118] 第二十四晶体管（M24)，其栅极连接于使能信号EN，其源极连接于电源V DD，其漏极 连接于第二十二晶体管（M22)的漏极以及第三十一晶体管（M31)的栅极
[0119] 第二十五晶体管（M25)，其栅极连接于所述使能信号EN的反相信号W，其源极连 接于电源VDD，其漏极连接于第二十六、第二十七晶体管（M26、M27)的源极；
[0120] 第二十六晶体管（M26)，其栅极连接于第二十七晶体管（M27)的漏极，以及第二十九 晶体管（M 29)的栅极，其漏极连接于第二十七、第三十晶体管（M27、M3CI)的栅极，以及第 二十八、第二十九晶体管（m 28、m29)的漏极以及电压比较器的输出端VMP。；
[0121] 第二十七晶体管（M27)，其栅极连接于第二十六晶体管（M26)的漏极，以及第三十晶 体管（M 3CI)的栅极，其漏极连接于第二十六、第二十九晶体管（M26、M29)的栅极，以及第三十、 第三i^一晶体管（m 3Q、m31)的漏极；
[0122] 第二十八晶体管（M28)，其源极连接于地GND ;
[0123] 第二十九晶体管（M29)，其源极连接于地GND ;
[0124] 第三十晶体管（MJ，其源极连接于地GND ;
[0125] 第三^^一晶体管（M31)，其源极连接于地GND。
[0126] 控制信号发生器4,用于为所扩展计数型积分循环-逐次逼近混合型模数转换电 容网络1提供控制信号。控制信号发生器4提供的控制信号包括：第十一至第二十八开 关（S n，S12，S13，S14，S15，S 16，S17，S18，S19，S2。，S 21，S22，S23，S24，S25，S 26，S27，S28)、弟四十一至弟 四十八开关（s41，s 42, s43, s44, s45, s46, s47, s48)及第五^^一至第五十八开关（s51，s52, s53, s54， s55, s56, s57和s 58)的控制信号，以及累加器、第一锁存器、第二锁存器的控制信号。
[0127] 基于上述图1至图5所示的用于CMOS图像传感器的模拟读出预处理电路，本发明 还提供了对该模拟读出预处理电路的控制方法，该控制方法由控制信号发生器4执行，具 体包括以下步骤：
[0128] 步骤A，扩展计数型积分器对图像传感器输出的复位信号进行采样；
[0129] 其中，扩展计数型积分器对图像传感器输出的复位信号进行采样，具体包括：令第 i^一开关（sn)、第十二开关（s12)、第二^^一、二十三、二十五、二十七开关（s 21、s23、s25、s27) 的第二端连接于共模电压vCM，且第二十二、二十四、二十六、二十八开关（s22、s24、s 26、s28)的 第二端连接于共模电压veM;令第十三开关（s 13)、十五开关（s15)、十四开关（s14)、十六开关 (s 16)断开；令第二十九、第三十开关、第三十一、第三十二开关（S29、S3CI、S 31、S32)断开；令第 十七开关、第十八开关、第十九开关、第二十开关（S17、S 18、S19、S2CI)的第一端连接于共模电压 vCM;令第三十三、三十四、三十五、三十六开关（s 33、s34、s35、s36)、第四^^一、四十三、四十五、 四十七、四十九开关（3 41、543、545、547、549)、第四十二、四十四、四十六、四十八、四十（5 42、544、 S46、S48、S4(I)闭合；令第五^ 、五十三、五十五、五十七开关（S 51、S53、S55、S57)的第一段连接 于运算放大器的负输入端（vin)、第五十二、五十四、五十六、五十八开关（s52、s 54、s56、s58)连 接于运算放大器的正输入端（Vip);令累加器5清零。
[0130] 步骤B，在采样操作后，扩展计数型积分器对图像传感器输出的复位信号进行第一 次积分，将采样信号转移到积分电容，以降低复位信号的噪声功率；其中，所述积分电容由 上积分电容和下积分电容构成，上积分电容包括第三i^一电容（c 31)、第三十三电容（c33)、 第三十五电容（c35)和第三十七电容（c 37)，下积分电容包括第三十二电容（c32)、第三十四 电容（c34)、第三十六电容（c 36)和第三十八电容（c38);
[0131] 扩展计数型积分器对图像传感器输出的复位信号进行第一次积分，具体包括：令 第i 、十二开关（sn、s12)断开；令第四十九、四十开关（s 49、s4Q)断开；令三^ 、三十二开 关（s31、s32)闭合；令第十九开关（s19)的第二端连接于运算放大器的负输入端（v in);电压 比较器对其正输入端（vip,MP)和负输入端（vin,"p)进行比较，如果正输入端（v ip,MP)电压大 于负输入端（vin,MP)电压，则电压比较器输出端（v MP。）输出逻辑高电平，如果正输入端（vip, 。_)电压低于负输入端（vin, MP)电压，则电压比较器输出端（vMP。）输出逻辑低电平；如果电 压比较器输出端（v MP。）输出逻辑高电平，令第十七开关（s17)的第一端连接于正参考电压 (V，如果电压比较器输出端（v MP。）输出逻辑低电平，令第十七开关（s17)的第一端连接于 正参考电压（vy ;如果电压比较器输出端（VMP。）输出逻辑高电平，令第十八开关（s18)的第 一端连接于负参考电压（v m)，如果电压比较器输出端（v"p。）输出逻辑低电平，令第十八开 关（S18)的第一端连接于负参考电压（V m);令第二十一至第二十八开关（321至328)的第二 端连接至共模电压V CM;累加器将电压比较器输出累加至原有的值上。
[0132] 步骤C，在对图像传感器输出的复位信号进行第一次积分后，再进行十五次积分， 即依次执行步骤A和步骤B，重复执行十五次，其中在每次执行步骤A时令第四十九、第四十 开关断开。
[0133] 步骤D，在对图像传感器输出的复位信号完成十六次积分后，再对图像传感器输出 的有效光强信号进行十六次积分，即采用有效光强信号代替复位信号来依次执行步骤A、步 骤B和步骤C，重复执行十六次，其中在每次执行步骤A时，令第十三、十四开关闭合，令第 十一、十二开关断开，第四十九、第四十开关断开。
[0134] 步骤E，在对复位信号和有效光强信号积分结束后，对放大器输出端V#和V m信号 的差值进行第一次循环-逐次逼近混合型模数转换；
[0135] 其中，第一次循环-逐次逼近混合型模数转换，模数转换的分辨4比特，由以下元 件执行：第i^一至第十八电容（c n，c12, c13, c14, c15, c16, c17, c18)，第二^^一至第二十二电容 (c21，c22)，第三^^一至第三十八电容（c 31，c32, c33, c34, c35, c36, c37和c 38);第十五、第十六开 关（S15, s16)，第十七至第二十八开关（s17, s18, s19, S2Q，s21，s22, s23, s24, s25, s26, s27, s28)，第 Si到第三十四开关（s31，s32，s 33，s34)第四^^一至第五十八开关（s41，s42, s43, s44, s45, s46， S47, S48, S49, S5Q，S51，S52, S53, S54, S55, S56, S57和 S 58);运算放大器⑵和电压比较器（3);
[0136] 第一次循环-逐次逼近混合型模数转换，具体包括：令第三十三、第三十四断开； 电压比较器对其正输入端（v ip,MP)和负输入端（vin,"p)进行比较，如果正输入端（V ip,MP)电 压大于负输入端电压，则电压比较器输出端（VMP。）输出逻辑高电平，如果正输入端 (W电压低于负输入端（v in,MP)电压，则电压比较器输出端（vMP。）输出逻辑低电平；如 果电压比较器输出端（V MP。）输出逻辑高电平，令第五十一开关（s51)的第一端连接于负参 考电压（vm)，令第五十二开关（s 52)的第一端连接于正参考电压（vy ;如果电压比较器输 出端（1_。）输出逻辑低电平，令第五十一开关（s51)的第一端连接于正参考电压（vy，令 第五十二开关（s 52)的第一端连接于负参考电压（vm);电压比较器继续对其正输入端（vip, 。_)电压和负输入端电压进行比较；如果电压比较器输出端（V MP。）输出逻辑高电 平，令第五十三开关（s53)的第一端连接于负参考电压（vm)，令第五十四开关（s 54)的第一 端连接于正参考电压（vy ;如果电压比较器输出端（VMP。）输出逻辑低电平，令第五十三开 关（S53)的第一端连接于正参考电压（vy，令第五十四开关（s 54)的第一端连接于负参考电 压（VJ ;上述过程再持续进行两次，直到确定第五十五、五十七、五十六、五十八开关（s55、 s57、s56、s58)第一端的连接状态；将电压比较器四次的比较结果存入锁存器。
[0137] 步骤F，在第一次循环-逐次逼近混合型模数转换后，执行第一次循环操作；其中 所述执行第一次循环操作，具体包括：令第三十一、三十二开关（s 31、s32)断开；令第四十九、 四十开关（S49、S4CI)闭合；令第十七开关（s 17)的第一端连接于运算放大器的负输入端（vin); 令第十九开关（s19)的第二端连接于运算放大器的正输出端（V ;令第十七开关（s18)的 第一端连接于运算放大器的正输入端（vip);令第十九开关（S 2CI)的第二端连接于运算放大 器的负输出端（VJ ;令第三十三、三十四开关（s33、s34)闭合、第二十九、三十开关（S29、S 3Q) 分别连接于电压比较器的正输入端（vip,MP)和负输入端（v in,MP);令第十五、十六开关（s15、 s16)闭合。
[0138] 步骤G，在第一次循环操作之后，执行第二次循环-逐次逼近混合型模数转换；其 中，所述执行第二次循环-逐次逼近混合型模数转换，包括：令第三十三、第三十四断开；电 压比较器对其正输入端（v ip,MP)电压和负输入端（vin,MP)电压进行比较，如果正输入端（v ip, 。_)电压大于负输入端（vin,MP)电压，则电压比较器输出端（V MP。）输出逻辑高电平，如果正 输入端（Vip,」电压低于负输入端（vin,MP)电压，则电压比较器输出端（v" p。）输出逻辑低电 平；如果电压比较器输出端（VMP。）输出逻辑高电平，令第二十一开关（s 21)的第一端连接于 负参考电压（vm)，令第二十二开关（s22)的第一端连接于正参考电压（vy ;如果电压比较 器输出端（1_。）输出逻辑低电平，令第二十一开关（s21)的第一端连接于正参考电压（V， 令第二十二开关（s 22)的第一端连接于负参考电压（vm);电压比较器继续对其正输入端 (U电压和负输入端（v in,MP)电压进行比较；如果电压比较器输出端（vMP。）输出逻辑高 电平，令第二十三开关（s 23)的第一端连接于负参考电压（vm)，令第二十四开关（s24)的第 一端连接于正参考电压（vy ;如果电压比较器输出端（VMP。）输出逻辑低电平，令第二十三 开关（s23)的第一端连接于正参考电压（v m)，令第二十四开关（s24)的第一端连接于负参 考电压（vy ;上述过程再持续进行两次，直到确定第二十五、二十七、二十六、二十八开关 (s25、s27、s 26、s28)第一端的连接状态；将电压比较器四次的比较结果存入锁存器。
[0139] 步骤H，数字处理器对累加器、第一锁存器、第二锁存器输出的数字信号进行合成 处理，得到最终的图像传感器输出的有效光强信号对应的数字信号。
[0140] 至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人 员应当对本发明用于CMOS图像传感器的模拟读出预处理电路及其控制方法有了清楚的认 识。
[0141] 此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形 状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
[0142] 综上所述，本发明用于CMOS图像传感器的模拟读出预处理电路及其控制方法与 传统的预处理电路相比，具有噪声低优点，同时具有只需要一个运算放大器、一个比较器等 优点。
[0143] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
【权利要求】
1. 一种用于固态CMOS图像传感器的模拟读出预处理电路，其特征在于，包括： 扩展计数型积分循环-逐次逼近混合型模数转换电容网络（1)，用于采集信号并对采 集的信号进行预处理，实现信号的扩展计数型积分和模数转换； 运算放大器（2)，其正输入端（Vip)和负输入端（Vin)连接于扩展计数型积分循环-逐 次逼近混合型模数转换电容网络（1)的输出端，用于利用运算放大器两输入端"虚短"及电 荷守恒原理，实现扩展计数型积分循环-逐次逼近混合型模数转换； 电压比较器（3)，其正输入端（Vip,。_)连接于运算放大器（2)的正输出端，负输入端 (Vimanp)连接于运算放大器（2)的负输出端，其输出端连接于扩展计数型积分循环-逐次逼 近混合型模数转换电容网络（1)，用于实现电压比较功能，并控制扩展计数型积分循环-逐 次逼近混合型模数转换电容网络（1)内的开关； 控制信号发生器（4)，用于为扩展计数型积分循环-逐次逼近混合型模数转换电容网 络（1)提供控制信号； 累加器（5)，用于在扩展计数型积分过程中对电压比较器（3)的输出进行累加； 第一锁存器（6)，用于对第一次循环-逐次逼近混合型模数转换的输出结果进行暂存； 第二锁存器（7)，用于对第二次循环-逐次逼近混合型模数转换的输出结果进行暂存； 数字处理器（8)，用于对累加器（5)、第一锁存器（6)、第二锁存器（7)输出的数字信号 进行合成处理，得到最终的图像传感器输出的有效光强信号对应的数字信号。
2. 根据权利要求1所述的用于固态CMOS图像传感器的模拟读出预处理电路，其特征 在于，所述扩展计数型积分循环-逐次逼近混合型模数转换电容网络（1)包括：第十一至第 十八电容（Cn，C12,C13,C14,C15,C16,C17,C18)，第二^^一至第二十二电容（C21，C22)，第三^^一 至第三十八电容（C31，C32,C33,C34,C35,C36,C37和C38);第^^一至第二十八开关（Sn，S12,S13， S14,S15,S16,S17,S18,S19,S2。，S21，S22,S23,S24,S25,S26,S27,S28)，第四十一至第四十八开关（s41， S42,S43,S44,S45,S46,S47,S48)，第五^^一至第五十八开关（s51，S52,S53,S54,S55,S56,S57和S58)， 其中： 第十一开关（S11)，其第一端连接于图像传感器的输出端，接收图像传感器输入的复位 信号，第二端连接于第^ 、十三、十五、十七电容（cn、c13、c15、C17)的下极板； 第十三开关（s13)，其第一端连接负参考电压（vm)，第二端连接于第十二、十四、十六、 十八电容（c12、c14、c16、c18)的下极板； 第十五开关（S15)，其第一端连接运算放大器的正输出端（Vtjp),第二端连接于第十一、 十三、十五、十七电容（cn、c13、c15、c17)的下极板； 第十二开关（S12)，其第一端连接于正参考电压（Vip)，第二端连接于第十二、十四、 十六、十八电容（c12、c14、c16、c18)的下极板； 第十四开关（S14)，其第一端连接于图像传感器的输出端，第二端连接于第十一、十三、 十五、十七电容（cn、c13、c15、c17)的下极板； 第十六开关（S16)，其第一端连接运算放大器的负输出端（Vm)，第二端连接于第十二、 十四、十六、十八电容（c12、c14、c16、c18)的下极板； 第十七开关（S17)，其第一端连接于共模电压（Vai)、正参考电压（Vnj)、负参考电压 (Vm)、运算放大器的负输入端（Vin)，第二端连接于第二^ 电容（C21)的下极板； 第十八开关（S18)，其第一端连接于共模电压（V^、正参考电压（vy、负参考电压 (Vm)、运算放大器的负输入端（Vip)，第二端连接于第二十二电容（C22)的下极板； 第十九开关（S19)，其第一端连接于第二十一电容（C21)的上极板，其第二端连接于共模 电压（Vai)、运算放大器正输出端（Vtjp)、运算放大器的负输入端（Vin); 第二十开关（S2tl),其第一端连接于第二十二电容（C22)的上极板，其第二端连接于共模 电压（Vai)、运算放大器负输出端（VJ、运算放大器的正输入端（Vip); 第二十一开关（S21)，其第一端连接于第十一电容（C11)的上极板，其第二端连接于共模 电压（Vcm)、正参考电压（Vrp)、负参考电压（Vrn); 第二十三开关（S23)，其第一端连接于第十三电容（C13)的上极板，其第二端连接于共模 电压（Vcm)、正参考电压（Vrp)、负参考电压（Vrn); 第二十五开关（S25)，其第一端连接于第十五电容（C15)的上极板，其第二端连接于共模 电压（Vcm)、正参考电压（Vrp)、负参考电压（Vrn); 第二十七开关（S27)，其第一端连接于第十七电容（C17)的上极板，其第二端连接于共模 电压（Vcm)、正参考电压（Vrp)、负参考电压（Vrn); 第二十二开关（S22)，其第一端连接于第十二电容（C12)的上极板，其第二端连接于共模 电压（Vcm)、正参考电压（Vrp)、负参考电压（Vrn); 第二十四开关（S24)，其第一端连接于第十四电容（C14)的上极板，其第二端连接于共模 电压（Vcm)、正参考电压（Vrp)、负参考电压（Vrn); 第二十六开关（S26)，其第一端连接于第十六电容（C16)的上极板，其第二端连接于共模 电压（Vcm)、正参考电压（Vrp)、负参考电压（Vrn); 第二十八开关（S28)，其第一端连接于第十八电容（C18)的上极板，其第二端连接于共模 电压（Vcm)、正参考电压（Vrp)、负参考电压（Vrn); 第二十九开关（S29)，其第一端连接于电压比较器的正输入端（Vip,。。_)，其第二端连接 于第i 、十三、十五、十七电容（cn、c13、c15、C17)的下极板； 第三十开关（S3tl)，其第一端连接于电压比较器的负输入端（vin,_p)，其第二端连接于 第十二、十四、十六、十八电容（c12、c14、c16、c18)的下极板； 第三i开关（S31)，其第一端连接于第^ 、十三、十五、十七电容（cn、c13、c15、c17)的 下极板，其第二端连接于运算放大器的负输入端（Vin); 第三十二开关（s32)，其第一端连接于第十二、十四、十六、十八电容（c12、c14、c16、c18)的 下极板，其第二端连接于运算放大器的正输入端（Vip); 第三十三开关（S33)，其第一端连接于运算放大器的正输出端（Vtjp),其第二端连接于电 压比较器的正输入端（Vip,。_); 第三十四开关（S34)，其第一端连接于运算放大器的正输出端（VJ，其第二端连接于电 压比较器的负输入端（Vimramp); 第三十五开关（S35)，其第一端连接于第四十一、四十三、四十五、四十七、四十九开关 (S41、S43、S45、S47、S49)的第二端，其第二端连接于比较器的正输入端（vip,_p); 第三十六开关（S35)，其第一端连接于第四十二、四十四、四十六、四十八、四十开关 (S42、S44、S46、S48、S4tl)的第二端，其第二端连接于比较器的负输入端（vin,_p); 第四十一开关（S41)，其第一端连接于第三十一电容（C31)的下极板，其第二端连接于第 三十五开关（S35)的第一端； 第四十三开关（S43)，其第一端连接于第三十三电容（C33)的下极板，其第二端连接于第 三十五开关（S35)的第一端； 第四十五开关（S45)，其第一端连接于第三十五电容（C35)的下极板，其第二端连接于第 三十五开关（S35)的第一端； 第四十七开关（S47)，其第一端连接于第三十七电容（C37)的下极板，其第二端连接于第 三十五开关（S35)的第一端； 第四十九开关（S49)，其第一端连接于运算放大器的负输入端（Vin)，其第二端连接于第 三十五开关（S35)的第一端； 第四十二开关（S42)，其第一端连接于第三十二电容（C32)的下极板，其第二端连接于第 三十六开关（S36)的第一端； 第四十四开关（S44)，其第一端连接于第三十四电容（C34)的下极板，其第二端连接于第 三十六开关（S36)的第一端； 第四十六开关（S46)，其第一端连接于第三十六电容（C36)的下极板，其第二端连接于第 三十六开关（S36)的第一端； 第四十八开关（S48)，其第一端连接于第三十八电容（C38)的下极板，其第二端连接于第 三十六开关（S36)的第一端； 第四十开关（S4tl),其第一端连接于运算放大器的正输入端（Vip)，其第二端连接于第 三十六开关（S36)的第一端； 第五i 开关（S51)，其第一端连接于运算放大器的负输入端（Vin)、负参考电压（Vm)、 正参考电压（Vit)，其第二端连接于第三^^一电容（C31)的上极板； 第五十三开关（S53)，其第一端连接于运算放大器的负输入端（Vin)、负参考电压（Vm)、 正参考电压（v,p)，其第二端连接于第三十三电容（C33)的上极板； 第五十五开关（S55)，其第一端连接于运算放大器的负输入端（Vin)、负参考电压（Vm)、 正参考电压（Vn5)，其第二端连接于第三十五电容（C35)的上极板； 第五十七开关（S57)，其第一端连接于运算放大器的负输入端（Vin)、负参考电压（Vm)、 正参考电压（Vit)，其第二端连接于第三十七电容（C37)的上极板； 第五十二开关（S52)，其第一端连接于运算放大器的正输入端（Vip)、负参考电压（Vm)、 正参考电压（Vit)，其第二端连接于第三十二电容（C32)的上极板； 第五十四开关（S54)，其第一端连接于运算放大器的正输入端（Vip)、负参考电压（Vm)、正参考电压（Vit)，其第二端连接于第三十二电容（C34)的上极板； 第五十六开关（S56)，其第一端连接于运算放大器的正输入端（Vip)、负参考电压（Vm)、正参考电压（Vit)，其第二端连接于第三十二电容（C36)的上极板； 第五十八开关（S58)，其第一端连接于运算放大器的正输入端（Vip)、负参考电压（Vm)、正参考电压（Vit)，其第二端连接于第三十二电容（C38)的上极板。
3.根据权利要求2所述的用于固态CMOS图像传感器的模拟读出预处理电路，其特征 在于，所述扩展计数型积分循环-逐次逼近混合型模数转换电容网络（1)中的第十一至第 十八电容（cn，C12,C13,C14,C15,C16,C17,C18)，第二^^一至第二十二电容（c21，C22)，第三^^一至 第三十八电容（c31，C32,C33,C34,C35,C36,C37和C38)，第^^一至第十四开关（Sn，S12,S13,S14)，第 十七至第二十八开关（s17,S18,S19,S2Q，S21，S22,S23,S24,S25,S26,S27,S28)，第三^^一到第三十六 开关（S31，S32,S33,S34,S35,S36)，第四^ 至第五十八开关（s41，s42,s43,s44,s45,s46,s47,s48， S49,S5Q，S51，S52,S53,S54,S55,S56,S57和S58)，与运算放大器⑵及电压比较器⑶构成扩展 计数型积分器。
4. 根据权利要求1、2或3所述的用于固态CMOS图像传感器的模拟读出预处理电路，其 特征在于， 所述扩展计数型积分循环-逐次逼近混合型模数转换电容网络（1)采集的信号包括： 自图像传感器输入的复位信号和光强信号Vsig，以及来自外部参考电压源的第一参考电 压UP第一参考电压V^ 所述扩展计数型积分循环-逐次逼近混合型模数转换电容网络（1)对采集的信号进行 预处理至少包括去除采集的信号的噪声，以及对有效光强信号（Vkst-Vsk)的积分。
5. 根据权利要求1所述的用于固态CMOS图像传感器的模拟读出预处理电路，其特征在 于，所述运算放大器（2)包括第零至第十晶体管（Mtl-Mltl)以及偏置和共模反馈产生电路， 其中： 偏置和共模反馈产生电路，用于产生偏置电压Vbpi、VBP2、Vbn和共模反馈电压VCMFB， 第零晶体管（Mtl)，其栅极连接于所述偏置电压Vbpi，其源极连接于电源Vdd; 第一晶体管（M1)，其栅极连接于该运算放大器的正输入端Vip，其源极连接于第零晶体 管（Mtl)的漏极，其漏极连接于第七晶体管（M7)的源极和第九晶体管（M9)的漏极； 第二晶体管（M2)，其栅极连接于该运算放大器的负输入端Vin，其源极连接于第零晶体 管（Mtl)的漏极，其漏极连接于第八晶体管（M8)的源极和第十晶体管（Mltl)的漏极； 第三晶体管（M3)，其栅极连接于所述偏置电压Vbpi，其源极连接于电源VDD，其漏极连接 于第五晶体管（M5)的源极； 第四晶体管（M4)，其栅极连接于所述偏置电压Vbpi，其源极连接于电源VDD，其漏极连接 于第六晶体管（M6)的源极； 第五晶体管（M5)，其栅极连接于所述偏置电压Vbp2，其漏极连接于第七晶体管（M7)的漏 极和该运算放大器的负输出端Vm; 第六晶体管（M6)，其栅极连接于所述偏置电压Vbp2，其漏极连接于第八晶体管（M8)的漏 极和该运算放大器的正输出端Vtjp; 第七晶体管（M7)，其栅极连接于所述偏置电压Vbn; 第八晶体管（M8)，其栅极连接于所述偏置电压Vbn; 第九晶体管（M9)，其栅极连接于所述共模反馈电压Vqifb，其源极连接于地Vss;以及 第十晶体管（Mltl)，其栅极连接于所述共模反馈电压Vqifb，其源极连接于地Vss。
6. 根据权利要求1所述的用于固态CMOS图像传感器的模拟读出预处理电路，其特征在 于，所述电压比较器（3)包括第二十至第三十一晶体管（M2tl?M31)，其中： 第二十晶体管（M2tl)，其栅极连接于使能信号EN，其源极连接于地GND; 第二十一晶体管（M21)，其栅极连接于该电压比较器的正输入端Vip,。_，其源极连接于第 二十晶体管（M2tl)的漏极，其漏极连接于第二十三晶体管（M23)的漏极以及第二十八晶体管 (M28)的栅极； 第二十二晶体管（M22)，其栅极连接于该电压比较器的负输入端Vin, ΜΡ_，其源极连接于 第二十晶体管（M2tl)的漏极，其漏极连接于第二十四晶体管（M24)的漏极以及第三十一晶体 管（M31)的栅极； 第二十三晶体管（M23)，其栅极连接于使能信号EN，其源极连接于电源VDD，其漏极连接 于第二十一晶体管（M21)的漏极以及第二十八晶体管（M28)的栅极； 第二十四晶体管（M24)，其栅极连接于使能信号EN，其源极连接于电源VDD，其漏极连接 于第二十二晶体管（M22)的漏极以及第三十一晶体管（M31)的栅极 第二十五晶体管（M25)，其栅极连接于所述使能信号EN的反相信号TX，其源极连接于 电源VDD，其漏极连接于第二十六、第二十七晶体管（M26、M27)的源极； 第二十六晶体管（M26)，其栅极连接于第二十七晶体管（M27)的漏极，以及第二十九晶体 管（M29)的栅极，其漏极连接于第二十七、第三十晶体管（M27、M3CI)的栅极，以及第二十八、第 二十九晶体管（M28、M29)的漏极以及电压比较器的输出端VMP。； 第二十七晶体管（Μ27)，其栅极连接于第二十六晶体管（M26)的漏极，以及第三十晶体 管（M3tl)的栅极，其漏极连接于第二十六、第二十九晶体管（Μ26、Μ29)的栅极，以及第三十、第 Si晶体管（M3Q、M31)的漏极； 第二十八晶体管（M28)，其源极连接于地GND; 第二十九晶体管（M29)，其源极连接于地GND; 第三十晶体管（M3tl)，其源极连接于地GND; 第三i^一晶体管（M31)，其源极连接于地GND。
7. 根据权利要求1所述的用于固态CMOS图像传感器的模拟读出预处理电路，其特征在 于，所述控制信号发生器（4)提供的控制信号包括： 第十一至第二十八开关（Sn，S12,S13,S14,S15,S16,S17,S18,S19,S2Q，S21，S22,S23,S24,S25，s26,s27,S28)、第四^ 至第四十八开关（s41，s42,s43,s44,s45,s46,s47,s48)及第五^ 至第 五十八开关（s51，s52,s53,s54,s55,s56,S57和s58)的控制信号，以及累加器、第一锁存器、第二 锁存器的控制信号。
8. -种对权利要求1至7中任一项所述的模拟读出预处理电路进行控制的方法，其特 征在于，该方法包括： 步骤A，扩展计数型积分器对图像传感器输出的复位信号进行采样； 步骤B，在采样操作后，扩展计数型积分器对图像传感器输出的复位信号进行第一次积 分，将采样信号转移到积分电容，以降低复位信号的噪声功率； 步骤C，在对图像传感器输出的复位信号进行第一次积分后，再进行十五次积分； 步骤D，在对图像传感器输出的复位信号完成十六次积分后，再对图像传感器输出的有 效光强信号进行十六次积分； 步骤E，在对复位信号和有效光强信号积分结束后，对放大器输出端Vt51^PV。"信号的差 值（Vtjp-Vm)进行第一次循环-逐次逼近混合型模数转换； 步骤F，在第一次循环-逐次逼近混合型模数转换后，执行第一次循环操作； 步骤G，在第一次循环操作之后，执行第二次循环-逐次逼近混合型模数转换； 步骤H，数字处理器对累加器、第一锁存器、第二锁存器输出的数字信号进行合成处理， 得到最终的图像传感器输出的有效光强信号对应的数字信号。
9. 根据权利要求8所述的模拟读出预处理电路进行控制的方法，其特征在于，步骤A中 所述扩展计数型积分器对图像传感器输出的复位信号进行采样，包括： 令第十一开关（S11)、第十二开关（S12)闭合，令第二十一、二十三、二十五、二十七开关 (S21、S23、S25、S27)的第二端连接于共模电压Vai，且第二十二、二十四、二十六、二十八开关 (S22、S24、S26、S28)的第二端连接于共模电压VCM;令第十三开关（S13)、十五开关（S15)、十四 开关（S14)、十六开关（S16)断开；令第二十九、第三十开关、第三十一、第三十二开关（S29、 S3(l、S31、S32)断开；令第十七开关、第十八开关、第十九开关、第二十开关（S17、S18、S19、S2tl) 的第一端连接于共模电压Vai;令第三十三、三十四、三十五、三十六开关（S33、S34、S35、S36)、 第四i 、四十三、四十五、四十七、四十九开关（s41、s43、s45、s47、S49)、第四十二、四十四、 四十六、四十八、四十（s42、s44、s46、s48、s4(l)闭合；令第五^ 、五十三、五十五、五十七开关 (S51、S53、S55、S57)的第一端连接于运算放大器的负输入端（Vin)、第五十二、五十四、五十六、 五十八开关（S52、S54、S56、S58)连接于运算放大器的正输入端（Vip);令累加器（5)清零。
10. 根据权利要求8所述的模拟读出预处理电路进行控制的方法，其特征在于，步骤 B中所述积分电容由上积分电容和下积分电容构成，其中上积分电容包括第三^ 电容 (C31)、第三十三电容（C33)、第三十五电容（C35)和第三十七电容（C37)，下积分电容包括第 三十二电容（C32)、第三十四电容（C34)、第三十六电容（C36)和第三十八电容（C38)。
11. 根据权利要求8所述的模拟读出预处理电路进行控制的方法，其特征在于，步骤B 中所述扩展计数型积分器对图像传感器输出的复位信号进行第一次积分，包括： 令第十一、十二开关（Sn、S12)断开；令第四十九、四十开关（S49、S4tl)断开；令三十一、 三十二开关（s31、S32)闭合；令第十九开关（S19)的第二端连接于运算放大器的负输入端 (Vin);电压比较器对其正输入端（Vip,卿）和负输入端（Vin，卿）进行比较，如果正输入端（Vip, 。_)电压大于负输入端（Vimanp)电压，则电压比较器输出端（νΜΡ。）输出逻辑高电平，如果正 输入端（Vip,。_)电压低于负输入端（Vimcmp)电压，则电压比较器输出端（ν"ρ。）输出逻辑低 电平；如果电压比较器输出端（νΜΡ。）输出逻辑高电平，令第十七开关（S17)的第一端连接于 正参考电压（Vip),如果电压比较器输出端（VMP。）输出逻辑低电平，令第十七开关（S17)的第 一端连接于正参考电压（Vn5);如果电压比较器输出端（νΜΡ。）输出逻辑高电平，令第十八开 关（S18)的第一端连接于负参考电压（Vm)，如果电压比较器输出端（ν"ρ。）输出逻辑低电平， 令第十八开关（S18)的第一端连接于负参考电压（Vm);令第二十一至第二十八开关（心至 S28)的第二端连接至共模电压Val;累加器将电压比较器输出累加至原有的值上。
12. 根据权利要求8所述的模拟读出预处理电路进行控制的方法，其特征在于，步骤C 中所述在对图像传感器输出的复位信号进行第一次积分后，再进行十五次积分，是依次执 行步骤A和步骤Β，重复执行十五次，其中在每次执行步骤A时令第四十九、第四十开关断 开。
13. 根据权利要求8所述的模拟读出预处理电路进行控制的方法，其特征在于，步骤D 中所述对图像传感器输出的有效光强信号进行十六次积分，是采用有效光强信号代替复位 信号来依次执行步骤Α、步骤B和步骤C，重复执行十六次，其中在每次执行步骤A时，令第 十三、十四开关闭合，令第十一、十二开关断开，第四十九、第四十开关断开。
14. 根据权利要求8所述的模拟读出预处理电路进行控制的方法，其特征在于，步骤E 中所述第一次循环-逐次逼近混合型模数转换，模数转换的分辨4比特，由以下元件执行： 第i^一至第十八电容（cn，c12,c13,c14,c15,c16,c17,C18)，第二^^一至第二十二电容（c21，C22)，第三 ^^一至第三十八电容（(：31，(：32，(：33，(：34，(： 35，(：36，(：37和(：38);第十五、第十六开关（5 15， S16)，第十七至第二十八开关（S17,S18,S19,S2Q，S21，S22,S23,S24,S25,S26,S27,S28)，第三十一到 第三十四开关（s31，s32,s33,s34)第四^^一至第五十八开关（s41，s42,s43,s44,s45,s46,s47,s48， S49,S5Q，S51，S52,S53,S54,S55,S56,S57和S58);运算放大器⑵和电压比较器（3)。
15. 根据权利要求8所述的模拟读出预处理电路进行控制的方法，其特征在于，步骤E 中所述第一次循环-逐次逼近混合型模数转换，包括： 令第三十三、第三十四断开；电压比较器对其正输入端（vip,emp)和负输入端（Vimcmp) 进行比较，如果正输入端（Vip,。_)电压大于负输入端（Vin,。_)电压，则电压比较器输出端 (ν"ρ。）输出逻辑高电平，如果正输入端（Vip,ΜΡ)电压低于负输入端（Vin,。_)电压，则电压 比较器输出端（ν"ρ。）输出逻辑低电平；如果电压比较器输出端（ν"ρ。）输出逻辑高电平，令 第五十一开关（S51)的第一端连接于负参考电压（Vm)，令第五十二开关（S52)的第一端连 接于正参考电压（Vn5);如果电压比较器输出端（νΜΡ。）输出逻辑低电平，令第五十一开关 (S51)的第一端连接于正参考电压（Vip),令第五十二开关（S52)的第一端连接于负参考电压 (Vm);电压比较器继续对其正输入端（Vip,。_)电压和负输入端（Vin,。_)电压进行比较；如果 电压比较器输出端（νΜΡ。）输出逻辑高电平，令第五十三开关（S53)的第一端连接于负参考 电压（Vm)，令第五十四开关（S54)的第一端连接于正参考电压（Vnj);如果电压比较器输出 端（vemp。）输出逻辑低电平，令第五十三开关（S53)的第一端连接于正参考电压（Vip),令第 五十四开关（S54)的第一端连接于负参考电压（Vm);上述过程再持续进行两次，直到确定第 五十五、五十七、五十六、五十八开关（s55、s57、s56、s58)第一端的连接状态；将电压比较器四 次的比较结果存入锁存器。
16. 根据权利要求8所述的模拟读出预处理电路进行控制的方法，其特征在于，步骤F 中所述执行第一次循环操作，包括： 令第三十一、三十二开关（S31、S32)断开；令第四十九、四十开关（S49、S4tl)闭合；令第 十七开关（S17)的第一端连接于运算放大器的负输入端（Vin);令第十九开关（S19)的第二 端连接于运算放大器的正输出端（Vtjp);令第十七开关（S18)的第一端连接于运算放大器 的正输入端（Vip);令第十九开关（S2tl)的第二端连接于运算放大器的负输出端（Vm);令第 三十三、三十四开关（s33、s34)闭合、第二十九、三十开关（S29、S3CI)分别连接于电压比较器的 正输入端（Vip,。_)和负输入端（VimcJ;令第十五、十六开关（S15、S16)闭合。
17. 根据权利要求8所述的模拟读出预处理电路进行控制的方法，其特征在于，步骤G 中所述执行第二次循环-逐次逼近混合型模数转换，包括： 令第三十三、第三十四断开；电压比较器对其正输入端（Vip,。_)电压和负输入端（Vin, 。_)电压进行比较，如果正输入端（Vip,。_)电压大于负输入端（VimcJ电压，则电压比较器 输出端输出逻辑高电平，如果正输入端（Vip,。_)电压低于负输入端（VimcJ电压，则 电压比较器输出端（νΜΡ。）输出逻辑低电平；如果电压比较器输出端（νΜΡ。）输出逻辑高电 平，令第二i开关（S21)的第一端连接于负参考电压（Vm)，令第二十二开关（S22)的第一 端连接于正参考电压（Vn5);如果电压比较器输出端（νΜΡ。）输出逻辑低电平，令第二十一开 关（S21)的第一端连接于正参考电压（Vip),令第二十二开关（S22)的第一端连接于负参考电 压（Vm);电压比较器继续对其正输入端（Vip,ΜΡ)电压和负输入端（Vin,ΜΡ)电压进行比较；如 果电压比较器输出端（VMP。）输出逻辑高电平，令第二十三开关（S23)的第一端连接于负参 考电压（Vm)，令第二十四开关（S24)的第一端连接于正参考电压（Vip);如果电压比较器输 出端（vemp。）输出逻辑低电平，令第二十三开关（S23)的第一端连接于正参考电压（Vm)，令第 二十四开关（S24)的第一端连接于负参考电压（Vip);上述过程再持续进行两次，直到确定第 二十五、二十七、二十六、二十八开关（s25、s27、s26、s28)第一端的连接状态；将电压比较器四 次的比较结果存入锁存器。
【文档编号】H04N5/374GK104469201SQ201410836377
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月29日 优先权日:2014年12月29日
【发明者】刘力源, 吴南健, 郭志强 申请人:中国科学院半导体研究所