钱莹莹(电子科技大学 电子科学与工程学院，四川 成都 610054）
摘 要：在CMOS传感读出体系中，噪声不只来自于周围环境，图画传感器本身的噪声成为影响信噪比的一个重要因素，相关双采样电路是一种可以有用消除图画传感器中的低频噪声的技能 [1] 。因为工艺出产的非均匀型，图画传感器列级读出电路之间的差异会引进额定的噪声，其间首要是固定方式噪声。本文根据GSMC 0.13µm规范CMOS工艺，规划了根据运放失调补偿的CMOS传感读出电路，大大下降了固定方式噪声。
关键词：CMOS；固定方式噪声；相关双采样；失调补偿；读出电路
0 导言
跟着手机、视频监控、空间勘探等图画商场的飞速发展，人们对图画的需求也越来越大，CMOS图画传感器凭仗高集成度、低成本、功能优秀等长处而迅速发展。CMOS图画传感器简单遭到噪声的搅扰，包含传感器本身的噪声和读出电路的噪声。图画传感器本身的噪声首要包含1/f噪声、热噪声、布景辐射引起的光噪声、外界温度改动对传感器布景辐射的影响引起的温度噪声，因为工艺构成的传感器之间的不匹配而引进的空间噪声（也称固定方式噪声）。早在1976年，StephenP.Emmons就选用相关双采样技能来消除图画传感器本身的噪声以及前端读出电路的噪声 [2] 。
相关双采样技能经过对复位电平以及信号电平进行两次采样，然后得到信号电平与复位电平的差值，然后消除CMOS图画传感器像素的复位噪声、1/f噪声以及像素内的固定方式噪声等低频噪声 [1] 。可是相关双采样电路本身含有的有源器材会引进新的失调与低频噪声，然后导致列级固定方式噪声。本文首要为了下降传统相关双采样电路中运放本身引进的失调电压而发生的固定方式噪声，提出了一种失调电压补偿的相关双采样电路。经过对运放失调电压等低频噪声进行存储，对输出电压进行补偿。终究输出端电压值为输入信号电压与复位电平的差值，然后得到有用传感器信号供后续的模数混合电路进行处理。
1 读出电路及原理
1.1 积分扩大电路
常见的传感器有光伏型、热电阻型，本文的选用的传感器模型为光伏型二极管，而二极管中光电流的是十分小的，通常在200 pA~15 nA的规模内，很简单被本身的暗电流和读出电路的噪声所掩盖，所以前端读出电路需求具有适宜的扩大倍数。积分扩大电路选用运算扩大器作为注入管，大大减小了输入阻抗，一起，高增益的运放对二极管型传感器进行钳位，发生安稳的偏置电压，有用进步了注入功率。
如图1所示的积分电路包含二极管型传感器等效电路、积分电容挑选电路、复位开关、运算扩大器、单位增益缓冲器。
二极管型传感器等效电路包含传感器结电容 C par ，微分等效电阻 R par 和串联电阻 R Ser ，其间微分等效电阻R par 的阻值较大，约为10 12 Ω量级，而串联电阻阻R Ser 值较小，可疏忽不计 [3] 。本次选用的是GSMC 0.13 µm规范CMOS工艺中的MIM电容，上下极板别离为第四层、第三层金属，具有杰出的匹配性，选取单位电容为50 fF，该工艺下电容值的误差规模为±15%，表1是该电容在各个工艺角下的电容值。
周围环境中存在强光电流和弱光电流环境，在强光电流条件下，若积分器扩大倍数过大，则可能会构成输出超越作业电压规模。本文规划的积分扩大电路选用可调理的积分电容值，然后在不同的光照环境下，改动扩大倍数。积分扩大电路中共有4个电容，其间电容是固定的积分电容，C 1 、C 2 、C 3 是可挑选电容 ，它们的比值为 1:1:2:4 ，然后电容可调理规模为 C0 ~ C08 ，可以有用习惯不同的电流环境。
复位开关是由作业在深线性区的NMOS管组成，可以等效为线性电阻，可以在电容上堆集构成kT/C噪声，一起复位开关的切换会引进电荷注入到运放负输入端，然后影响传感器的偏置安稳。但比较较与其它读出电路，积分扩大电路对偏置影响最小，基本上可以疏忽 [4] 。
积分扩大电路选用的运算扩大器需求具有较高的增益、1.2 V以上的输入输出摆幅，高的压摆率，低功耗等条件，输入的折叠式共源共栅扩大器可以很好的满意上述要求。较高的增益使得二极管传感器有安稳的偏置，本文选用的运算扩大器的增益为84 dB，相位域度为72°，电流为16 µA，摆幅为0.6 V~1.8 V。
单位增益缓冲器是为了阻隔积分扩大电路与后边的相关双采样电路，然后避免了相关双采样电路中开关的切换对积分进程的影响。
1.2 相关双采样电路
相关双采样电路最早是应用于CCD器材，用于消除CCD器材的复位噪声和1/f噪声等低频噪声 [5] ，跟着CMOS图画传感器成为商场主流产品后，相关双采样技能也应用到CMOS图画传感读出电路中，可以有用消除低频噪声 [1] 。相关双采样的基本原理是利用在周期性采样时刻内，电容上的电荷不能骤变，然后使本来不相关的噪声具有相关性，这样将信号电平与复位电平相减就能得到去噪声的有用信号 [6] 。
相关双采样电路包含采样电路和失调存储电路，在采样进程中，采样开关S1先对复位信号进行采样，然后采样开关S2对积分后的信号进行采样，需求留意的是接地开关S4提早采样开关S2关断，这种下极板采样方法可以大大减小采样开关电荷注入和时钟馈通引进的非线性；一起，在此阶段，复位开关S6闭合，运算扩大器构成单位增益负反馈方式，衔接电压 V ref 开关S7闭合，完成对运放负端的失调电压的存储。在信号搬运进程中，接地开关S3闭合，完成对积分信号和复位信号的相减，得到积分信号和复位信号的差值，一起，接地开关S5闭合，由运放负端的电荷守恒，积分信号和复位信号的差值传递到运放的输出端。
由开复位开关S6闭合前后运放负端电荷守恒得到下式：
其间， V os 是运算扩大器的失调电压；A是运算扩大器增益；V ref 是参阅电平；V out 是输出电压。
为简化起见，电容C3、C4取相同的容值，化简后得到：
在运放增益足够大的条件下，上式（2）化简的成果中，只含有信号电平缓复位电平的差值，与传统的相关双采样电路 [1] 比较，没有衰减因子，并且运放失调电压也被补偿了。
2 仿真成果
本文选用GSMC 0.13 µm规范CMOS工艺，仿真温度为300 K，电源电压为3.3 V，地电压为0 V，积分时刻为10 µS，选取的积分电容值为50 fF，传感器积分电流改动规模为1nA~7.6 nA。
如图4所示的是在失调电压别离为0 mV和24 mV条件下，相关双采样输出端电压值，可以看出，在复位相时，运算扩大器衔接成单位增益负反馈方式，失调电压存储在负输入端的电容上，在电荷搬运相时，输入信号搬运到输出端。由图4的成果可以得到，关于随机改动的失调电压，相关双采样电路的输出电压值与失调电压为0 mV的值彻底持平，所以，该电路可以很好地补偿运放的失调电压。
图5所示的波形从上到下别离表明的是二极管传感器光电流、积分器输出电压、相关双采样输出电压。可以看出，跟着二极管传感器光电流的增大，积分扩大电路的输出电压会超越摆幅。关于更大的光电流环境下，需求下降积分扩大电路的扩大倍数，可以经过调理可变电容的容值来改动。
3 定论
本文中，可变增益积分扩大电路可以有用适用于强光电流和弱光电流环境，对弱小的光电流进行有用扩大；相关双采样电路可以对CMOS图画传感器本身的噪声及积分扩大电路的低频噪声进行按捺。在此基础上，本文选用相关双采样补偿技能，在不影响有用信号的一起，对运放失调电压进行有用补偿，可以进一步下降相关双采样电路的低频噪声。
参阅文献
[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] 刘成康.红外焦平面阵列CMOS读出电路研讨[D].重庆大学,2001.
[4] 唐明.320×240非制冷红外焦平面阵列读出电路模仿电路研讨[D]. 北京交通大学. 2012.
[5] 李艺琳,冯勇,安澄全.用相关双采样技能进步CCD输出信号的信噪比[J]. 电测与外表, 1999.
[6] 曾强,吕坚,蒋亚东.一种红外CMOS读出电路相关双采样结构[J].微处理机, 2009.
本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第8期第50页，欢迎您写论文时引证，并注明出处
