大动态范围数字化像素单元

作者 陈同少 电子科技大学 电子科学与工程学院(四川 成都 610054)

　　陈同少(1991-)，男，硕士生，研究方向：SoC/SIP系统芯片技术。

摘要：红外焦平面成像电路可将光信号转化为电信号，再通过电路处理，转化为可见图像，其包含探测电路、读出电路、信号处理电路，探测电路和读出电路构成像素单元。电容反馈跨阻抗放大电路(CTIA ROIC)由于注入效率比较高，还能为探测器提供稳定的偏置电压，输出信号的线性也很好，常被应用做读出电路像素单元。传统的像素单元由于动态范围(最大可探测信号与最小可探测信号比值)限制，很难在环境光强变化较大的场景使用，往往需要进行对动态范围进行增大。本文设计一种在探测电路中加入补偿电流方式，使光强较弱时也能进行探测，增大了动态范围，本设计基于CSMC 0.5 μm工艺，通过Spectre仿真工具进行仿真与验证。

0 引言

　　CMOS图像传感及其焦平面成像技术，因其功耗低、成本低、光谱灵敏度高等特点，广泛应用于空间遥感和天文物理等领域^[1-2]。红外焦平面成像电路包括：光电探测器、读出电路、信号处理电路^[3]。一般原理是光电探测器将光信号转换为电信号，再由读出电路对电信号进行积分放大、采样输出，然后由模数转换ADC等信号处理模块进行量化处理^[4]。读出电路一般是将探测器产生的光电信号在电容上进行积分，输出以电压的形式传给后续信号处理电路。传统的读出电路是在固定时间内完成对光信号的积分，积分完成后通过采样开关将积分电压信号进行采样、保持。当探测信号背景光强变化较大的，会出现两种情况：强光信号在极短时间内即可积分到截止电压;弱光信号积分完成时积分电压很小，不足以达到后续电路的采集或者后续电路要求很高精度。为达到不同环境背景下探测成像的要求，读出电路动态范围要大。一般图像传感电路动态范围，即输出的最大可探测信号与最小可探测信号之比^[5]，与积分时间，积分饱和电压，积分电容以及积分时间均有关。数字化后所需的数字位数越多，对应的图像传感电路动态范围越大。

　　目前广泛应用的扩大动态范围的方式有自适应改变积分电容和强光下多次重置输出电压并计数方式^[6]，同时，一些噪声消除技术也被应用在读出电路中来增强弱背景下的光强探测^[7]。由于改变积分电容方式增加积分电容个数及容值^[8]，像素面积会相应增加较大，不利于像素的集成;多次重置技术仅提高了强光背景下的光强探测，没有对弱光探测进行增强;噪声消除技术仅对弱光探测进行了提高。本文针对弱光背景下积分电压未能达到阈值电压情况，通过增加补偿电流源的方式，使其在积分完成前达到阈值电压，同时通过数字化读出电压的处理，分离出光生电流信号。对于强光背景下的光强探测，也进行补偿，同样通过数字化读出电压信号，将强光信号分离出来，增大了读出电路的动态范围。

1 大动态范围数字化像素原理及电路设计

　　动态范围增强技术被广泛应用于不同环境下探测光强变化较大的场景^[9-11]。不同光强背景下的电流补偿技术主要是针对数字化像素中未能达到阈值电压的弱光信号无法探测的缺陷，通过补偿方式使积分电压在积分完成前达到阈值电压，通过数字化计数，可得到光生电流与补偿电流大小之和，再通过后续信号处理电路将补偿电流减去，得到探测电流大小。数字化电路计数频率越大，比较器精度越高，可探测光强动态范围越大且精度越高^[10-12]。

　　1.1 基本原理

　　如图1(a)是含有探测电路的CTIA型读出电路的基本架构^[3,10]。该电路包含光电二极管Det组成的探测电路，运放apm及连接运放负输入端和输出端的重置开关k1和跨阻负反馈电容C组成的读出电路。运放正向输入端提供固定电压Vcom，由于运放共模特性，负向输入端电压Vn=Vcom，为光电探测器提供偏置电压，同时为输出电压提供重置电压。s1为开关k1控制信号，在探测开始前闭合对运放输出电压重置到Vout1=Vcom，探测开始时s1信号控制k1断开，探测器Det将光信号转化为电流信号Id，光生电流在电容C上进行积分，运放输出电压随着积分时间变化而变化。图1(b)是积分读出电压Vout1在不同光强下随时间的变化情况，线③为强光时的变化，线②为中等光强的变化情况，线①为弱光强的变化情况，由图可以看出当光强大于线②积分所探测的光强时，输出电压在积分完成前能达到比较电压Vref，可进行数字化;当光强小于线②所探测的光强时，如线①的情况，读出电压未能达到比较阈值电压Vref，数字化计数结果错误，所以光强小于线②探测的光强时不能进行探测，大大降低了读出电路的动态范围。

2 提高动态范围技术

　　如图2(a)是含补偿电流源的探测读出电路的基本构成。在原有探测读出电路基础上，在探测电路中加入由信号s2控制开关k2控制的补偿电流源Icp，补偿电流大小为Icp≥C*(Vcom-Vref)/Tmax。当Icp= C*(Vcom-Vref)/Tmax时，Vout1变化如图2(b)中线①所示，当加入补偿电流源后，电容C上的积分电流总大于图2(b)中线①所对应的积分电流，即补偿电流Icp，读出电压Vout1的变化为图2(b)中线②③所示，不会出现图1(b)中线①的情况，即读出电压Vout1总能在积分完成前达到比较阈值电压Vref，从理论上看，全光强背景下的光生电流都能够被探测到，只要数字化精度够，所有光强都会被量化，动态范围被增大。

3 整体电路设计

　　本文设计的大动态范围数字化单元，整体电路图如图3所示。包含探测补偿电路，读出电路和数字化电路。数字化电路部分包含比较器cmp，一个与以及一个经计数器，是将读出电压Vout1进行时间数字化处理，读出电压经过比较器cmp的正向输入端，与负向输入端的固定比较电压Vref进行比较，同时比较器由信号s1控制清零。比较器输出信号接入与门与基础时钟信号相与后传入计数器，计数器重置由信号s1控制，即在积分开始时对比较器与基础时钟信号进行相与后的信号进行计数。计数器输出信号Vout为计数的脉冲个数，Cout为计数器溢出信号。

　　如图4 所示，显示了不同光强背景下电路各部分的输出信号，即不同探测光强环境，光生电流不同，根据电流积分转换为电压公式Id*T=C*∆V，则积分输出电压从Vcom积分到Vref的时间不同，比较器cmp输出端Vout2维持高电平的时间不同，与基础时钟相与后，输出信号Vout3含有脉冲的时间不同，即传入计数器单元的脉冲个数不同。时间数字化处理就是将不同光强下达到比较阈值电压的时间快慢转换为脉冲个数，如图4中的Vout1、Vout2及Vout3对应的①②③不同光强下对应的不同信号。

4 数字化结果分析

　　由于加入了补偿电流，所以脉冲计数所计算对应的电流大小包含了光生电流和补偿电流。我们需分离出光生电流的大小，才能得出对应的光强。由于不同光电流下读出电压Vout1达到Vref时间不同，则补偿电流有效积分时间不同，如图5所示，分别对应图4不同光强下的输出信号情况。不同光强下得到的脉冲计数值不同，忽略暗电流的影响，无光背景下仅有补偿电流积分，积分到Tmax达到Vref，即∆V=Vcom-Vref。数字化所得计数值Vout为N1，中等光强下光电流与补偿电流一起进行积分，数字化计数值为N2，强光背景下光生电流很大，与补偿电流一起进行积分，很短时间内即可积分到Vref。假设所用基础时钟clk的频率为fclk，那么以中等光强环境下探测为例，根据数字化计数值N2的大小可计算出光生电流的大小。由电流在电容上的积分公式为：

其中，∆V=Vcom-Vref，C为跨阻负反馈积分电容C的容值大小，Icp为补偿电流大小。

5 结论

　　本文设计了一种大动态范围像素单元电路。通过分析及仿真结果可看出，本文所设计的通过电流源补偿方式，结合读出信号的数字化处理来提高动态范围的方式，有效提高了弱背景环境下的光强探测，提高了动态范围，同时电路也可加入强光脉冲计数的方式，使得强光背景与弱光背景下的光强探测动态范围得到极大的提高，本文同时加入了光电流计算方式，为后续信号处理算法提供了方便。

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　　本文来源于《电子产品世界》2018年第9期第67页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。