一种基于运放失调补偿的CMOS传感读出电路

　　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传感读出系统中，噪声不仅来自于周围环境，图像传感器自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能够有效消除图像传感器中的低频噪声的技术 ^[1] 。由于工艺生产的非均匀型，图像传感器列级读出电路之间的差异会引入额外的噪声，其中主要是固定模式噪声。本文基于GSMC 0.13µm标准CMOS工艺，设计了基于运放失调补偿的CMOS传感读出电路，大大降低了固定模式噪声。

　　关键词：CMOS；固定模式噪声；相关双采样；失调补偿；读出电路

　　0 引言

　　随着手机、视频监控、空间探测等图像市场的飞速发展，人们对图像的需求也越来越大，CMOS图像传感器凭借高集成度、低成本、性能优良等优点而迅速发展。CMOS图像传感器容易受到噪声的干扰，包括传感器自身的噪声和读出电路的噪声。图像传感器自身的噪声主要包括1/f噪声、热噪声、背景辐射引起的光噪声、外界温度变化对传感器背景辐射的影响引起的温度噪声，由于工艺造成的传感器之间的不匹配而引入的空间噪声（也称固定模式噪声）。早在1976年，StephenP.Emmons就采用相关双采样技术来消除图像传感器自身的噪声以及前端读出电路的噪声 ^[2] 。

　　相关双采样技术通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，从而消除CMOS图像传感器像素的复位噪声、1/f噪声以及像素内的固定模式噪声等低频噪声 ^[1] 。但是相关双采样电路自身含有的有源器件会引入新的失调与低频噪声，从而导致列级固定模式噪声。本文主要为了降低传统相关双采样电路中运放自身引入的失调电压而产生的固定模式噪声，提出了一种失调电压补偿的相关双采样电路。通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。最终输出端电压值为输入信号电压与复位电平的差值，从而得到有效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 积分放大电路

　　常见的传感器有光伏型、热电阻型，本文的采用的传感器模型为光伏型二极管，而二极管中光电流的是非常小的，通常在200 pA~15 nA的范围内，很容易被自身的暗电流和读出电路的噪声所覆盖，所以前端读出电路需要具备合适的放大倍数。积分放大电路采用运算放大器作为注入管，大大减小了输入阻抗，同时，高增益的运放对二极管型传感器进行钳位，产生稳定的偏置电压，有效提高了注入效率。

　　如图1所示的积分电路包括二极管型传感器等效电路、积分电容选择电路、复位开关、运算放大器、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 ，其中微分等效电阻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，可忽略不计 ^[3] 。本次采用的是GSMC 0.13 µm标准CMOS工艺中的MIM电容，上下极板分别为第四层、第三层金属，具有良好的匹配性，选取单位电容为50 fF，该工艺下电容值的偏差范围为±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，若积分器放大倍数过大，则可能会造成输出超过工作电压范围。本文设计的积分放大电路采用可调节的积分电容值，从而在不同的光照环境下，改变放大倍数。积分放大电路中共有4个电容，其中电容是固定的积分电容，C ₁ 、C ₂ 、C ₃ 是可选择电容 ，它们的比值为 1:1:2:4 ，从而电容可调节范围为  C₀ ~ C₀8 ，可以有效适应不同的电流环境。

　　复位开关是由工作在深线性区的NMOS管组成，可以等效为线性电阻，可以在电容上积累形成kT/C噪声，同时复位开关的切换会引入电荷注入到运放负输入端，从而影响传感器的偏置稳定。但相比较与其它读出电路，积分放大电路对偏置影响最小，基本上可以忽略 ^[4] 。

　　积分放大电路采用的运算放大器需要具有较高的增益、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放大器能够很好的满足上述要求。较高的增益使得二极管传感器有稳定的偏置，本文采用的运算放大器的增益为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隔离积分放大电路与后面的相关双采样电路，从而避免了相关双采样电路中开关的切换对积分过程的影响。

　　1.2 相关双采样电路

　　相关双采样电路最早是应用于CCD器件，用于消除CCD器件的复位噪声和1/f噪声等低频噪声 ^[5] ，随着CMOS图像传感器成为市场主流产品后，相关双采样技术也应用到CMOS图像传感读出电路中，可以有效消除低频噪声 ^[1] 。相关双采样的基本原理是利用在周期性采样时间内，电容上的电荷不能突变，从而使原本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效信号 ^[6] 。

　　相关双采样电路包括采样电路和失调存储电路，在采样过程中，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，需要注意的是接地开关S4提前采样开关S2关断，这种下极板采样方式能够大大减小采样开关电荷注入和时钟馈通引入的非线性；同时，在此阶段，复位开关S6闭合，运算放大器形成单位增益负反馈形式，连接电压 V _ref 开关S7闭合，完成对运放负端的失调电压的存储。在信号转移过程中，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，同时，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：

　　其中， V _os 是运算放大器的失调电压；A是运算放大器增益；V _ref 是参考电平；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）化简的结果中，只含有信号电平和复位电平的差值，与传统的相关双采样电路 ^[1] 相比，没有衰减因子，而且运放失调电压也被补偿了。

　　2 仿真结果

　　本文采用GSMC 0.13 µm标准CMOS工艺，仿真温度为300 K，电源电压为3.3 V，地电压为0 V，积分时间为10 µS，选取的积分电容值为50 fF，传感器积分电流变化范围为1nA~7.6 nA。

　　如图4所示的是在失调电压分别为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，运算放大器连接成单位增益负反馈形式，失调电压存储在负输入端的电容上，在电荷转移相时，输入信号转移到输出端。由图4的结果可以得到，对于随机变化的失调电压，相关双采样电路的输出电压值与失调电压为0 mV的值完全相等，所以，该电路能够很好地补偿运放的失调电压。

　　图5所示的波形从上到下分别表示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，随着二极管传感器光电流的增大，积分放大电路的输出电压会超过摆幅。对于更大的光电流环境下，需要降低积分放大电路的放大倍数，可以通过调节可变电容的容值来改变。

　　3 结论

　　本文中，可变增益积分放大电路能够有效适用于强光电流和弱光电流环境，对微弱的光电流进行有效放大；相关双采样电路能够对CMOS图像传感器自身的噪声及积分放大电路的低频噪声进行抑制。在此基础上，本文采用相关双采样补偿技术，在不影响有效信号的同时，对运放失调电压进行有效补偿，能够进一步降低相关双采样电路的低频噪声。

　　参考文献

　　[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读出电路研究[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拟电路研究[D]. 北京交通大学. 2012.

　　[5] 李艺琳,冯勇,安澄全.用相关双采样技术提高CCD输出信号的信噪比[J]. 电测与仪表, 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，欢迎您写论文时引用，并注明出处