一种高优值cmos图像传感器读出电路的设计

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1、视觉上的条纹。噪声总结如下：1)积分散粒噪声Qshot2)复位噪声Qreset3)读出电路噪声Q，来自读出电路器件的热噪声和1/f噪声read4)失配FPNQFPN5)增益FPNQPRNU6)暗电流QDSNU采用相关双采样（Correlateddoublesampling,CDS）可以抑制失配FPN噪声和复位噪声，但增加读出噪声功率，但是这一增长取决于CDS抑制闪烁噪声的能力。如图1.2所示，横轴是时间，纵轴是信号电荷。两次采样之间的时间越短，闪烁噪声的相关性越大，CDS也就能更有效的抑制闪烁噪声。但是CDS并不能减少DSNU和PSNU。图1.2相关双采样和伪相

2、关双采样需要说明的是：后面我们设计的读出电路CDS模块可以满足相关双采样操作，但是因为我们的像素是3T-APS（3transistor-activepixelsensor），只能做伪相关双采样，如图1.2（b）所示。伪相关双采样会使复位噪声加倍。S1和S2之差就是剩下的有效噪声：S-S=(i+i)t+DQ+DQ+DQ（1.1）21phdcintreadDSNUPRNUiph为光生电流，idc为暗电流，tint是积分时间，DQread=Q2，read-Q1，read，Qshot=(iph+idc)tint，DQDSNU=Q2，DSNU-Q1，DSNU，DQPRNU

3、=Q2，PRNU-Q1PR，NU，式（1.1）3最后的单位为电子电荷。图像传感器可探测到的光强范围被称为动态范围（DynamicRange,DR），在此范围内光照产生的信号的质量就是信噪比（SignalNoiseRatio,SNR）。噪声决定了动态范围的下限。动态范围可表示为：iitqQ-itmaxmaxintwelldcintDR=20lg=20lg=20lg（1.2）iitqit+q2(D2Q+D2Q)minminintdcintreadDSNU其中，i是像素的最大非饱光电流，i是最小可探测光电流。最大非饱和光maxmin电流与光电探测器的势阱容量以及积分时

4、间有关；最小可探测光电流为噪声的均方差，可通过提高最大非饱和光电流或减小噪声来实现动态范围扩展技术。i=qQt-i（1.3）maxwellintdc22imin=qitdcint+q(+DQDSNU)tint（1.4）信噪比可表示为：2(itphint)SNR=10lg（1.5）2222q(iph+idc)tint+q(DQread+DQDSNU)+D(QPRNUphitint)Q=60,000emaxt=30msintidc=1fADQ=30ereadDQ=10eDSNU()DQ=0.6%PRNUSNRdBDR=66dBi()Aph图1.3典型的传感器参数的信

5、噪比和动态范围上图1.3是对于一个典型的传感器参数绘制信噪比和动态范围，横坐标是光电流，4纵坐标是信噪比。根据式（1.2）可知，受暗电流的不利影响，DR随积分时间的增加而减小。增加满阱容量，降低读出噪声，降低DSNU都可以提高DR。根据式（1.5）可知，SNR随光电流的增加而增加，先由暗电流主导读，SNR以20dB/dec增加。接着由散粒噪声主导，SNR以10dB/dec增加，然后由PRNU噪声主导SNR变得平坦，最后受满阱容量限制而饱和。信噪比正比于积分时间。因此提高SNR和DR可从以下几个方面入手：在提高最大非饱和光电流方面比较[6]实用的方法是多次采样(M

6、ultipleSampling,MS)技术。在低噪声方面，采用低噪声[7]的PPD（Pinnedphotodiode）APS，可将其噪声降到2e或以下。具体到读出电路的设计，降低读出噪声，采用CDS，采用可编程增益放大器(ProgrammableGainAmplifier,PGA)，有效提高DR和SNR。1.2.2高速和高分辨率CIS的分辨率正快速提高，目前的手机摄像头用的CIS分辨率已经达到千万像素级。分辨率越高，可分辨的像点越小，因此就可以感测及识别精细物体，提高影像品质。显然，分辨率越高，读出速率就越低，二者是一对矛盾。2007年的国际图像传感器讨论会（I

7、nternationalImageSensorWorkshop,IISW）上，Alexima报道了一款440fps、4M像素（2368x1728），片上集成10-bitADC的CIS，相当于每秒读出1.8G[8][9]个像素。MasaakiIwane等报道的CIS分辨率为52M像素。2010年，佳能报道了一块高达1.2亿像素的CIS，并且改进了读取延时控制技术，实现了超高速读取，可支持[10]每秒9.5张的高速连拍。高速CIS设计有其自身特点，与传统CIS设计大不相同。首先，传统的APS电路无法实现并行采样与读出，因此，它限制了速度。一般须加一个存储器，称之为快

8、门APS（Shutter