[发明专利]一种图像传感器暗电流补偿装置及补偿方法

说明书

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。

所述的暗像元中的TX信号、Reset信号和本行感光像元阵列响应的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采样电容、第二相关双采样电容，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；

第一相关双采样电容左极板为模数转换器的正输入端，右极板接第一采样电容的左极板；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；