一种基于图像传感器的可编程增益放大器

技术领域

本发明属于传感器芯片技术领域，具体涉及一种基于图像传感器的可编程增益放大器。

背景技术

人类的眼睛、耳朵、皮肤可以对自然界中的光信号、声音信号、热信号进行感知，大脑可以对这些感知到的信号进行处理并且控制身体做出合理的反应。光信号在自然界的信号当中占据着重要的地位，不同光信号的变化组合构成了一幅幅绚丽多姿的图像。人类可以通过肉眼直接观察到这些图像也可以通过相机等电子设备对这些图像进行捕获。基于视觉图像巨大的信息量，先进的图像获取技术也就成了现代智能系统的重要组成部分。随着CMOS工艺的不断发展，CMOS图像传感器的应用范围也越来越广泛，其被广泛应用于汽车电子、监控、消费电子等领域，非接触设备受到广泛关注，使得CMOS图像传感器的应用越来越广泛。随着对CMOS图像传感器成像质量要求的不断提高，图像传感器的动态范围不断增加，对与之配套的读出电路有更高的要求。

CMOS图像传感器通常需要在像素阵列将光信号转换为电压信号后接可编程增益放大器，从而根据不同电压信号的幅值，来设置可编程增益放大器的增益范围，满足信号较大的动态范围。同时，PGA可以通过放大有效信号来抑制后面模块的噪声，提高整体电路的信噪比，在PGA模块内部中还可以实现模拟相关双采样技术，用于消除图像传感器像素单元中的固定模式噪声。

可编程增益放大器通常采用带有失调消除技术的可编程增益放大器，内部可实现采样保持、相关双采样、失调校准等功能，但通过反馈电容进行失调消除技术仅能将失调电压降为原来的2/A倍；根据不同像素信号，可编程增益放大器往往需要调整反馈电容与输入电容的比值改变增益，使得反馈电容阵列与输入电容阵列占据很大面积，而且不使用的反馈电容右边为悬空点，会受到时钟信号的干扰。

综上，现有技术中可编程增益放大器存在着失调电压降低程度低，电容阵列面积大，易受寄生电容耦合信号影响的问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于图像传感器的可编程增益放大器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种基于图像传感器的可编程增益放大器包括：

增益控制电路，用于通过转换开关以调整自身电容的容值以及反馈电容的容值，从而调整基于图像传感器的可编程增益放大器的增益范围；并对图像传感器像素阵列中的图像信号在不同增益范围内进行两次相关双采样处理得到模拟电压信号，以消除所述输出信号的固定模式噪声和复位热噪声；

主运算放大器，用于按照所述增益范围对所述模拟电压信号进行缓冲和放大，并将放大之后的信号输出；

反馈控制电路，用于通过负反馈开关控制反馈电容，以将所述主运算放大器的输出反馈至输入；

输入失调存储电路，用于利用自身存储的运放失调电压，并通过失调开关控制失调电容，以消除所述主运算放大器引电压失调引起的固定模式噪声。

有益效果：

1、本发明提供了一种基于图像传感器的可编程增益放大器，通过输入失调存储电路，可以大大降低主运算放大器的失调电压引起的图像列固定模式噪声，通过增益控制电路将可调电容阵列中的电容复用至高、低转换增益电容及反馈电容，从而同时改变高、低转换增益电容的容值及反馈电容的容值，增大图像传感器的动态范围并且可以避免反馈电容一端悬空导致的寄生电容引起的干扰问题。

2、本发明针对图像传感器在一个像素分时输出的高转换增益信号和低转换增益信号，通过两次相关双采样处理技术，消除了高转换增益信号和低转换增益信号的像素固定模式噪声和复位热噪声。本发明的可编程增益放大器可以分两种工作状态，在扩展图像传感器动态范围模式，可以分时段输出高转换增益PGA处理信号和低转换增益PGA处理信号，为后级处理电路分时提供高转换增益和低转换增益的模拟信号输入。在普通模式，本发明的可编程器增益放大器也可进行普通图像信号的相关双采样与降低列固定模式噪声处理。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于图像传感器的可编程增益放大器的示意图；

图2为扩展图像传感器动态范围模式的时序图；

图3为普通模式的时序图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

结合图1至图3，本发明提供了一种基于图像传感器的可编程增益放大器包括：

增益控制电路，用于通过转换开关以调整自身电容的容值以及反馈电容的容值，从而调整基于图像传感器的可编程增益放大器的增益范围；并对图像传感器像素阵列中的图像信号在不同增益范围内进行两次相关双采样处理得到模拟电压信号，以消除所述输出信号的固定模式噪声和复位热噪声；

所述增益控制电路包括：低转换增益电容阵列、高转换增益电容阵列、低转换增益开关阵列和高转换增益开关阵列；所述低转换电容阵列与所述低转换增益开关阵列相连形成低增益放大通路，所述高转换增益电容阵列与所述高转换增益开关阵列相连形成高增益放大通路，所述低转换电容阵列的输入和所述高转换电容阵列的输入均接图像传感器像素阵列中的图像信号(VIN)，所述低增益放大通路的输出连接至所述主运算放大器的负输入端，所述高增益放大通路的输出连接至所述主运算放大器的负输入端。

主运算放大器，用于按照所述增益范围对所述模拟电压信号进行缓冲和放大，并将放大之后的信号输出；

所述主运算放大器A用于信号的缓冲和放大。所述主运算放大器A为差分输入、单端输出放大器；所述主运算放大器A可以采用一级差分结构或者二级差分结构。

反馈控制电路，用于通过负反馈开关控制反馈电容，以将所述主运算放大器的输出反馈至负输入端；

输入失调存储电路，用于利用自身存储的运放失调电压，并通过失调开关控制失调电容，以消除所述主运算放大器引电压失调引起的固定模式噪声。

参考图1，所述低转换增益电容阵列包括低转换增益电容CS_LG和低转换增益可调电容阵列CL；所述高转换增益电容阵列包括高转换增益电容CS_HG和高转换增益可调电容阵列CH；所述低转换增益开关阵列包括低转换增益开关Sa和低转换增益开关阵列SL；所述高转换增益开关阵列包括高转换增益开关Sb和高转换增益开关阵列SH；

其中，低转换增益可调电容阵列CL包括：可调电容：CL_1、CL_2、CL_3、CL_4；高转换增益可调电容阵列CH包括可调电容：CH_1、CH_2、CH_3、CH_4；低转换增益开关阵列SL包括开关：SL_11、SL_12、SL_13、SL_21、SL_22、SL_23、SL_31、SL_32、SL_33；高转换增益开关阵列SH包括开关：SH_11、SH_12、SH_13、SH_21、SH_22、SH_23、SH_31、SH_32、SH_33。低转换增益电容CS_LG和高转换增益电容CS_HG的第一端作为所述增益控制电路的输入端，用于输入所述图像信号VIN；

低转换增益电容CS_LG的第二端连接开关SL_11的第一端、可调电容CL_1的第一端；开关SL_11的第二端连接开关SL_21的第一端、可调电容CL_2的第一端；开关SL_21的第二端连接开关SL_31的第一端、可调电容CL_3的第一端；开关SL_31的第二端连接可调电容CL_4的第一端；可调电容CL_1的第二端连接低转换增益开关Sa、开关SL_12的第一端；可调电容CL_2的第二端连接开关SL_12的第二端、开关SL_13的第一端、开关SL_22的第一端；可调电容CL_3的第二端连接开关SL_22的第二端、开关SL_32的第一端、开关SL_23的第一端；可调电容CL_4的第二端连接开关SL_32的第二端、开关SL_33的第一端；开关SL_13、开关SL_23和开关SL_33的第二端连接至主运算放大器的输出端；低转换增益开关Sa的第二端作为低增益放大通路的输出端；

高转换增益电容CS_HG的第二端连接开关SH_11的第一端、可调电容CH_1的第一端；开关SH_11的第二端连接开关SH_21的第一端、可调电容CH_2的第一端；开关SH_21的第二端连接开关SH_31的第一端、可调电容CH_3的第一端；开关SH_31的第二端连接可调电容CH_4的第一端；可调电容CH_1的第二端连接高转换增益开关Sb、开关SH_12的第一端；可调电容CH_2的第二端连接开关SH_12的第二端、开关SH_13的第一端、开关SH_22的第一端；可调电容CH_3的第二端连接开关SH_22的第二端、开关SH_32的第一端、开关SH_23的第一端；可调电容CH_4的第二端连接开关SH_32的第二端、开关SH_33的第一端；开关SH_13、开关SH_23和开关SH_33的第二端连接至主运算放大器的输出端；高转换增益开关Sb的第二端作为高增益放大通路的输出端。

继续参考图1，所述反馈控制电路包括：反馈电容CF和单位负反馈开关S1；所述输入失调存储电路包括：输入失调存储电容Cc、电容失调开关：S2-S3。所述低增益放大通路的输出端连接输入失调存储电容Cc的第一端、反馈电容CF的第一端、单位负反馈开关S1的第一端、高转换增益开关Sb的第二端、电容失调开关S2的第一端；输入失调存储电容Cc的第二端、电容失调开关S3的第一端以及主运算放大器的负输入端连接；电容失调开关S2的第二端连接所述主运算放大器的正输入端，用于输入参考电压VREF；反馈电容CF的第二端、单位负反馈开关S1的第二端、电容失调开关S3的第二端连接所述主运算放大器的输出端VOUT。

所述低转换电容阵列、所述低转换增益开关阵列、所述高转换电容阵列、所述高转换增益开关阵列在不同的时序控制下工作或不工作，使得基于图像传感器的可编程增益放大器处于高增益工作状态或低增益工作状态。基于图像传感器的可编程增益放大器在高增益工作状态下，处理高增益转换的图像信号，从而产生高转换增益模拟输出信号Vout_H；在低增益工作状态下，处理低增益转换的图像信号，从而产生低转换增益模拟输出信号Vout_L。所述高转换增益模拟输出信号Vout_H与低转换增益模拟输出信号Vout_L受时序控制分时段从所述主运算放大器的输出端输出。

结合图1和图2，由于在增益控制电路设置了低转换增益电容CS_LG和高转换增益电容CS_HG，并分别通过低转换增益开关和高转换增益开关Sa，Sb对上述电容的通断进行控制，可以对图像传感器像素列输出的高转换增益图像信号和低转换增益图像信号分时进行降低列固定模式噪声处理和两次相关双采样(CDS)处理，在不同时序控制下，可以分时段输出高转换增益模拟输出信号Vout_H和低转换增益模拟输出信号Vout_L。当然，也可以仅仅降噪处理，在正常时序控制下输出普通图像模拟输出信号Vout。

当所述可编程增益放大器电路对图像传感器像素列输出的信号分时进行失调存储处理和相关双采样处理时，可编程增益放大器电路工作在扩展图像传感器动态范围模式，

首先需要根据图像传感器像素列输出的信号对反馈电容与采样电容的比值进行调节设置，改变PGA的增益范围。

由于低转换增益可调电容阵列CL、低转换增益可调电容开关阵列SL与高转换增益可调电容阵列CH、高转换增益可调电容开关阵列SH原理相同，只介绍低转换增益可调电容阵列CL、低转换增益可调电容阵列SL功能，包括以下步骤：

S101、低转换增益可调电容阵列中，开关SL_11，SL_12，SL_13用于控制低转换增益可调电容CL_2复用至采样电容或反馈电容，开关SL_21，SL_22，SL_23用于控制低转换增益可调电容CL_3复用至采样电容或反馈电容，开关SL_31，SL_32，SL_33用于控制低转换增益可调电容CL_4复用至采样电容或反馈电容。

S102、当开关SL_11，SL_13，SL_21，SL_23，SL_31，SL_33闭合，此时反馈电容容值变为

S103、当开关SL_12，SL_21，SL_31，SL_33，SL_23闭合，此时反馈电容值变为

S104、当开关SL_11，SL_12，SL_22，SL_31，SL_33闭合，此时反馈电容容值变为

S105、当开关SL_11，SL_12，SL_21，SL_22，SL_31，SL_32闭合时，此时反馈电容容值变为CF，采样电容容值变为

S106、根据上述内容，可完成可调电容阵列对采样电容与反馈电容容值的改变，记调节后的低转换增益采样电容容值为CS_LG’，低转换增益反馈电容容值为CFL’，高转换增益采样电容容值为CS_HG’，高转换增益反馈电容容值为CFH’。

此时，可编程增益放大器电路工作在扩展图像传感器动态范围模式下，电路时序如图2所示，为低转换增益开关和高转换增益开关Sa，Sb、单位负反馈开关S1、输入失调存储电容开关S3在该工作模式下的控制时序(图中3.3V为高电平，0V为低电平)；该工作模式的处理过程包括以下步骤：

S201、可调电容阵列可根据光强进行电容复用设置以调节采样电容与反馈电容的比值，调整PGA的增益范围。输入失调存储电容开关S2、S3同时闭合；低转换增益采样开关Sa、高转换增益采样开关Sb、单位负反馈开关S1断开；此时失调电压采样电容C

S202、输入失调存储电容开关S3、S2依次断开；然后单位负反馈开关S1闭合，此时主运算放大器工作在单位负反馈状态下。主运算放大器的输入失调电压存储于失调存储电容C

S203、低转换增益采样开关Sa断开，此时，低转换增益像素复位信号RST_L存储于低转换增益采样电容CS_LG’中；

S204、图像传感器像素列输出高转换增益像素复位信号RST_H，高转换增益采样电容CS_HG’采样高转换增益像素复位信号RST_H，此时只有高转换增益可调电容阵列CH正常工作。。

S205、单位负反馈开关S1断开，此时，主运算放大器工作在放大状态下。高转换增益像素复位信号RST_H存储于高转换增益采样电容CS_HG’中，主运算放大器的输入失调电压存储于失调存储电容C

S206、高转换增益采样开关Sb断开，随后，输入失调存储电容开关S2、S3同时闭合。失调电压采样电容C

S207、输入失调存储电容开关S3、S2依次断开，低转换增益采样开关Sa闭合，此时只有低转换增益可调电容阵列CL正常工作。图像传感器像素列输出低转换增益像素积分信号SIG_L；低转换增益像素积分信号SIG_L与低转换增益采样电容CS_LG’存储的低转换增益像素复位信号RST_L取差值得到低转换增益有效图像信号；低转换增益有效图像信号经过主运算放大器放大，输出低转换增益模拟输出信号Vout_L。

高转换增益模拟输出信号Vout_H的计算公式为：

当A值很大可化简为：

低转换增益模拟输出信号Vout_L的计算公式为：

当A值很大可化简为：

其中，VRST_H表示高转换增益像素复位信号RST_H的电平值；VSIG_H表示高转换增益像素积分信号SIG_H的电平值；A表示主运算放大器的增益范围；VOS表示主运算放大器的失调电压；VREF表示主运放输入共模电压值；VRST_L表示低转换增益像素复位信号RST_L的电平值；VSIG_L表示低转换增益像素积分信号SIG_L的电平值；CS_LG’表示调节后的低转换增益采样电容容值；CFL’表示调节后的低转换增益反馈电容容值，高转换增益采样电容容CS_HG’表示调节后的高转换增益采样电容容值，CFH’表示调节后的高转换增益反馈电容容值。

通过上述计算公式可知，高低转换增益模拟输出信号Vout_H的失调电压减小了

所述可编程增益放大器电路对普通图像传感器像素列输出的普通图像信号进行失调存储处理和相关双采样处理时，可编程增益放大器电路工作在普通模式，电路时序如图3所示，为低转换增益开关和高转换增益开关Sa，Sb、单位负反馈开关S1、输入失调存储电容开关S3在该工作模式下的控制时序(图中3.3V为高电平，0V为低电平)；该工作模式的处理过程包括以下步骤：

S301、低转换增益可调电容开关阵列SL中的开关，高转换增益可调电容开关阵列SH中的开关根据PGA增益范围需要自行设置闭合或断开，此时低转换增益采样电容容值改变，记为CS_LG’；高转换增益采样电容容值改变，记为CS_HG’反馈电容容值改变，记为CF’。

S302、输入失调存储开关S2、S3同时闭合，单位负反馈开关S1断开，失调电压采样电容C

S303、输入失调存储开关S3、S2依次断开，低转换增益采样开关Sa、高转换增益采样开关Sb、单位负反馈开关S1闭合，普通图像传感器像素列输出像素复位信号RST。主运算放大器的失调电压存储于输入失调存储电容C

S304、单位负反馈开关S1断开，普通图像传感器像素列输出像素积分信号SIG，像素积分信号SIG与低转换增益采样电容CS_LG’和高转换增益采样电容CS_HG’存储的像素复位信号RST取差值得到普通图像传感器像素列输出的有效图像信号；有效图像信号经过主运算放大器放大，以及经过输入失调存储电容C

进一步的，普通图像模拟输出信号Vout的计算公式为：

当A值很大可化简为：

其中，VRST表示像素复位信号RST的电平值；VSIG表示像素积分信号SIG的电平值；A为主运算放大器的增益范围；VOS为主运算放大器的失调电压，CS_LG’为低转换增益采样电容，CS_HG’为高转换增益采样电容，CF’为反馈电容。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。