[发明专利]一种应用于CMOS图像传感器的列读出电路

说明书

本发明公开了一种应用于CMOS图像传感器的列读出电路，其包含单端单极性信号转双端双极性信号的可编程增益放大器和差分输入两步式逐次逼近模数转换器，该电路利用具有分时分块采样和开关电容电平平移技术的可编程增益放大器将像素点输出电压转换成更大幅值的双端双极性信号，提高信号的动态范围；利用小面积差分输入两步式逐次逼近模数转换器将可编程放大器输出的双端双极性模拟信号转换成数字信号，提供给成像装置。因此，本发明列读出电路应用于CMOS图像传感器，可以实现大动态范围和高帧频的特点。

技术领域

本发明属于集成电路设计技术领域，具体涉及一种应用于CMOS图像传感器的列读出电路。

背景技术

随着CMOS工艺的不断发展，CMOS图像传感器的应用范围因其低功耗、简单供电电源、高集成度、低成本等特点而日益变得广泛。随着成像质量要求的不断提高，图像传感器的像素数量和帧频不断增加，对与之配套的读出电路的精度和速度提出更高要求，因此提高读出电路的动态范围和转换频率是CMOS图像传感器技术必须解决的技术问题。在现有技术条件下，读出电路分为全局读出电路、列读出电路和像素点读出电路，列读出电路折衷芯片面积与读出速度，其主要由放大器和模数转换器组成，为了将列读出电路集成到图像传感器，需要在尽量小的面积条件下，实现一定的精度和速度。模数转换器的动态范围除以放大器的增益加上放大器的本身动态范围水平为读出电路的整体动态范围水平，提升读出电路的动态范围主要取决于提升放大器的动态范围。综上所述，在提升放大器动态范围的基础上提出相应配合的模数转换器是提升读出电路动态范围的关键策略。

如图1和图2所示，CMOS图像传感器中每次某个像素点被选中时，该像素点先后输出复位电压值V_rst和信号电压值V_sig，经过可编程增益放大器，先后输出基准电压V_REF和(V_sig-V_rst)C₂/C₁+V_REF。模数转换器将可变增益放大器的模拟输出先后两次转换成数字量提供给成像装置，两次转换的数字量相减结果表示图像传感器接受到的光强信息。根据CMOS图像传感器像素点原理，V_sig值始终小于V_rst值，所以V_sig与V_rst差值是单端单极性的信号，通过可编程增益放大器放大V_sig与V_rst的差值提供给模数转换器的电压范围至多是0至V_REF。

该读出电路技术在用于宽动态范围、高帧频的图像传感器时，存在一系列限制：(1)该技术采用单端电路结构，其动态范围受限于最大输出电压和整体噪声水平，最大输出电压受限于电路的供电电压，随着CMOS工艺节点逐步变小，可以承受的供电电压也逐步变小；因此，提升其动态范围只能通过进一步减少整体噪声水平。(2)单端结构的可编程增益放大器和模数转换器受到偏置电路噪声与共模噪声的影响，需要设计相应的低噪声偏置电路与共模电压源提供给列读出电路使用。(3)模数转换器先后两次将可编程增益放大器的模拟输出电压转换成数字量，并且求出两者的差提供给成像装置，每进行一次像素点信号采样需要占用两次模数转换器的转换时间，限制整体的帧频。综上所述，单端结构列读出电路受限于结构本身，难以实现宽动态范围和高帧频特性。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种应用于CMOS图像传感器的列读出电路，其利用具有分时分块采样和开关电容电平平移技术的可编程增益放大器将像素点输出电压转换成更大幅值的双端双极性信号，能够提高信号的动态范围。

一种应用于CMOS图像传感器的列读出电路，包括可编程增益放大器和模数转换器，其中：