图像传感器像素电源噪声抵消装置及抵消方法与流程

1.本发明涉及图像传感器模拟电路设计技术领域，具体而言，涉及一种图像传感器像素电源噪声抵消装置及抵消方法。


背景技术：

2.图像传感器中，由于像素寄生电容和rst动作等的影响，会将像素上的各种噪声引入到像素电源上。当行选择的时候，电源上的噪声会直接流到像素电压pix_out上，影响成像效果。
3.目前，针对电源噪声的消除方法大多采用放大器电路和信号补偿电路来对电源噪声进行抵消。但是，电源噪声是由于像素动作以及各种寄生电容产生的，难以量化，因此采用信号补偿电路来抵消电源噪声的方法，其效果不佳
4.有鉴于此，特提出本技术。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是：采用信号补偿电路来抵消电源噪声的方法，效果不佳；目的在于提供一种像素电源噪声抵消装置和抵消方法，能够实现不用量化噪声而达到自然抵消像素电源噪声。
6.本发明通过下述技术方案实现：
7.一方面，本发明提供一种图像传感器像素电源噪声抵消装置，包括：像素电源噪声调整电路、像素电路、模数转换器、比较器、恒流源d1、电容c4和电容c5；所述像素电源噪声调整电路的输入端连接像素电源，输出端依次连接所述模数转换器和所述电容c4后，与所述比较器的比较基准信号输入端连接；所述像素电路的输入端连接像素电源，输出端连接所述恒流源d1后接地；所述电容c5的一端连接在所述像素电路和所述恒流源d1之间，另一端与所述比较器的像素电压传输信号输入端连接。
8.本发明提供的像素电源噪声抵消装置，首先通过像素电源噪声调整电路引入了像素电源噪声，然后对引入的噪声进行增益调整和相位调整，使调整后的电源噪声与引入的像素电源噪声的幅度和相位都相同，利用比较器对噪声进行抵消。因此，不用对电源噪声进行量化，充分利用比较器能够抑制共模信号的特性，只需将比较器的像素电压传输信号输入端和比较基准信号输入端的电源噪声信号的幅度和相位都相同，利用比较器实现噪声抵消。
9.作为对本发明的进一步描述，所述像素电源噪声调整电路包括：第一调整电路和第二调整电路；所述第一调整电路和所述第二调整电路并联后与所述模数转换器连接。
10.作为对本发明的进一步描述，所述第一调整电路包括：晶体管mn0、mn1、mn2、mp0、mp1、mp2和mp3，电容c0和c1，电阻r0，以及开关sw0；晶体管mn0的漏极为电流基准信号输入端，源极接地，栅极和漏极之间通过导线连接；晶体管mp0的源极连接像素电源，漏极连接晶体管mn1的漏极，源极和栅极之间通过导线连接；晶体管mn1的源极接地，栅极与晶体管mn0
的栅极连接；晶体管mp1的栅极与晶体管mp0的栅极连接，源极连接像素电源，漏极与晶体管mn2的漏极连接；晶体管mn2的源极连接电阻r0后接地，栅极与晶体管mn1的栅极连接；开关sw0设置在晶体管mn1和mn2之间；电容c0的一端连接在开关sw0和晶体管mn2之间，另一端连接像素电源；晶体管mp2的源极连接像素电源，漏极连接在晶体管mn2的源极和电阻r0之间，栅极与晶体管mp1的漏极连接；电容c1的一端连接像素电源，另一端连接在晶体管mp1的漏极和mp2的栅极之间；晶体管mp3的源极连接像素电源，漏极连接模数转换器，栅极与晶体管mp2的栅极连接；电容c1可调，晶体管mp2和mp3的并联个数可调。
11.作为对本发明的进一步描述，所述第二调整电路包括：晶体管mn3、mn4、mn5、mp4、mp5、mp6和mp7，电容c2和c3，电阻r1和r2，以及开关sw1；晶体管mn3的漏极为电流基准信号输入端，源极接地，栅极连接晶体管mn4的栅极，栅极和漏极之间通过导线连接；晶体管mn4源极接地，漏极连接晶体管mp4的漏极；晶体管mp4的源极连接像素电源，栅极连接晶体管mp5的栅极，栅极和源极之间通过导线连接；晶体管mp5的源极连接像素电源，漏极连接晶体管mn5的漏极；晶体管mn5的栅极连接晶体管mn4的栅极，源极连接电阻r1后接地；开关sw1设置在晶体管mn4和mn5之间；电容c2的一端连接在开关sw1和晶体管mn5之间，另一端连接像素电源；晶体管mp6的源极连接像素电源，栅极连接在晶体管mp5和mp7之间，漏极连接在晶体管mn5和电阻r1之间；晶体管mp7的源极连接像素电源，栅极与晶体管mp6的栅极连接，漏极连接电阻r2后接地；电容c3的一端连接在晶体管mp7和电阻r2之间，另一端连接模数转换器；晶体管mp6和mp7的并联个数可调。
12.作为对本发明的进一步描述，所述模数转换器包括：恒流源d2和电阻r3，电阻r3的一端连接恒流源d2，另一端接地；像素噪声调整电路连接在恒流源d2和电阻r3之间；比较器的比较基准信号输入端连接在恒流源d2和电阻r3之间。
13.作为对本发明的进一步描述，所述像素电路包括晶体管m1和晶体管m2；晶体管m1的漏极连接像素电源，源极与晶体管m2的漏极连接，栅极为amp端；晶体管m2的栅极为sel端，源极与恒流源d1连接后接地。
14.另一方面，本发明提供一种图像传感器像素电源噪声抵消方法，包括以下步骤：
15.s1：像素电路输出像素信号；
16.s2：像素电源噪声调整电路引入像素电源上的噪声信号，对像素电源中的电源噪声进行相位调整和增益调节；
17.s3：经过步骤s2调整后的噪声信号输入基准信号中，基准信号由所述模数转换器产生；
18.s4：将步骤s1的输出信号与步骤s3的输出信号同时输入比较器，所述像素电源噪声与基准信号电源噪声的相位和增益相同，实现电源噪声相互抵消。
19.作为对本发明的进一步描述，对电源噪声进行相位调整和增益调整的步骤包括：利用第一调整电路对电源噪声中的低频信号进行增益调整和相位调整，利用第二调整电路对电源噪声中的高频信号进行增益调整。
20.作为对本发明的进一步描述，所述利用第一调整电路对电源噪声中的低频信号进行增益调整的方法为：通过调整所述第一调整电路中晶体管mp2和晶体管mp3的并联个数，实现对电源噪声中的低频信号的增益调整。所述利用第一调整电路对电源噪声中的低频信号进行相位调整的方法为：通过调节所述第一调整电路中的电容c1，实现对电源噪声的相
位调整。
21.作为对本发明的进一步描述，所述利用第二调整电路对电源噪声中的高频信号进行增益调整的方法为：通过调整所述第二调整电路中晶体管mp6和晶体管mp7的并联个数，实现对电源噪声中的高频信号的增益调整；所述高频增益与低频增益的交点由c3、r2的参数值确定。
22.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
23.1、本发明实施例提供的一种图像传感器像素电源噪声抵消装置和抵消方法，可实现不用对电源噪声进行量化而达到自然抵消像素电源噪声的效果，且抵消效果好；
24.2、本发明实施例提供的一种图像传感器像素电源噪声抵消装置和抵消方法，电路结构简单，成本低，且适用范围广；
25.3、本发明实施例提供的一种图像传感器像素电源噪声抵消装置和抵消方法，通过调整mos管的并联个数，能够实现增益的灵活调整；
26.4、本发明实施例提供的一种图像传感器像素电源噪声抵消装置和抵消方法，通过调整第一调整电路中的电容，并配合高频电路的调整，能够实现相位的灵活调整。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
28.图1为本发明实施例1提供的一种图像传感器像素电源噪声抵消装置内部电路框架图；
29.图2为本发明实施例1提供的第一调整电路的电路结构示意图；
30.图3为本发明实施例1提供的第二调整电路的电路结构示意图；
31.图4为本发明实施例1提供的像素电源噪声调整电路整体结构示意图；
32.图5为本发明实施例2提供的频率增益调整效果对比图。
33.附图中标记及对应的零部件名称：
[0034]1‑
像素电源噪声调整电路，2
‑
像素电路，3
‑
模数转换器，4
‑
比较器，11
‑
第一调整电路，12
‑
第二调整电路。
具体实施方式
[0035]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
[0036]
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
[0037]
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。
因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
[0038]
在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
[0039]
实施例1
[0040]
目前，针对电源噪声的消除方法大多采用放大器电路和信号补偿电路来对电源噪声进行抵消。但是，电源噪声是由于像素动作以及各种寄生电容产生的，难以量化，因此采用信号补偿电路来抵消电源噪声的方法，其效果不佳。对此，本实施例提供了一种图像传感器像素电源噪声抵消装置，其内部电路结构如图1所示，包括：像素电源噪声调整电路1、像素电路2、模数转换器3、比较器4、恒流源d1、电容c4和电容c5；所述像素电源噪声调整电路1的输入端连接像素电源，输出端依次连接所述模数转换器3和所述电容c4后，与所述比较器4的比较基准信号输入端连接；所述像素电路2的输入端连接像素电源，输出端连接所述恒流源d1后接地；所述电容c5的一端连接在所述像素电路2和所述恒流源d1之间，另一端与所述比较器4的像素电压传输信号输入端连接。
[0041]
其中，像素电源噪声调整电路1的具体电路结构如图2所示，包括：第一调整电路11和第二调整电路12；所述第一调整电路11和所述第二调整电路12并联后与所述模数转换器3连接。
[0042]
以下分别对第一调整电路11、第二调整电路12、像素电路2和模数转换器3的具体结构进行描述：
[0043]
如图2，所述第一调整电路11包括：n沟道型晶体管mn0、mn1、mn2，p沟道型晶体管mp0、mp1、mp2和mp3，电容c0和c1，电阻r0，以及开关sw0；晶体管mn0的漏极为电流基准信号输入端，源极接地，栅极和漏极之间通过导线连接；晶体管mp0的源极连接像素电源，漏极连接晶体管mn1的漏极，源极和栅极之间通过导线连接；晶体管mn1的源极接地，栅极与晶体管mn0的栅极连接；晶体管mp1的栅极与晶体管mp0的栅极连接，源极连接像素电源，漏极与晶体管mn2的漏极连接；晶体管mn2的源极连接电阻r0后接地，栅极与晶体管mn1的栅极连接；开关sw0设置在晶体管mn1和mn2之间；电容c0的一端连接在开关sw0和晶体管mn2之间，另一端连接像素电源；晶体管mp2的源极连接像素电源，漏极连接在晶体管mn2的源极和电阻r0之间，栅极与晶体管mp1的漏极连接；电容c1的一端连接像素电源，另一端连接在晶体管mp1的源极和mp2的栅极之间；晶体管mp3的源极连接像素电源，漏极连接模数转换器3，栅极与晶体管mp2的栅极连接；电容c1可调，晶体管mp2和mp3的并联个数可调。
[0044]
如图2，所述第二调整电路12包括：晶体管mn3、mn4、mn5、mp4、mp5、mp6和mp7，电容c2和c3，电阻r1和r2，以及开关sw1；晶体管mn3的漏极为电流基准信号输入端，源极接地，栅极连接晶体管mn4的栅极，栅极和漏极之间通过导线连接；晶体管mn4源极接地，漏极连接晶体管mp4的漏极；晶体管mp4的源极连接像素电源，栅极连接晶体管mp5的栅极，栅极和源极
之间通过导线连接；晶体管mp5的源极连接像素电源，漏极连接晶体管mn5的漏极；晶体管mn5的栅极连接晶体管mn4的栅极，源极连接电阻r1后接地；开关sw1设置在晶体管mn4和mn5之间；电容c2的一端连接在开关sw1和晶体管mn5之间，另一端连接像素电源；晶体管mp6的源极连接像素电源，栅极连接在晶体管mp5和mp7之间，漏极连接在晶体管mn5和电阻r1之间；晶体管mp7的源极连接像素电源，栅极与晶体管mp6的栅极连接，漏极连接电阻r2后接地；电容c3的一端连接在晶体管mp7和电阻r2之间，另一端连接模数转换器3(3)；晶体管mp6和mp7的并联个数可调。
[0045]
如图2，所述模数转换器3包括：恒流源d2和电阻r3，电阻r3的一端连接恒流源d2，另一端接地；像素噪声调整电路连接在恒流源d2和电阻r3之间；比较器4的比较基准信号输入端连接在恒流源d2和电阻r3之间。
[0046]
如图1，所述像素电路2包括晶体管m1和晶体管m2；晶体管m1的漏极连接像素电源，源极与晶体管m2的漏极连接，栅极为amp端；晶体管m2的栅极为sel端，源极与恒流源d1连接后接地。
[0047]
该像素电源噪声抵消装置的工作原理为：利用差动放大器能抑制共模信号的特性，来抵消像素电源上的噪声。像素电源的噪声一路经过像素流向比较器4的pix_out端，而另一路经过模数转换器流向ramp端。两路噪声由于经过的路径不同，到达比较器4的输入端时候，相位和增益都不同，达不到抵消的效果。本发明通过像素电源噪声调整电路引入了像素电源噪声，然后对引入的噪声进行增益调整和相位调整，使调整后的电源信号中的噪声与引入的像素电源噪声的幅度和相位都相同，利用比较器对噪声进行抵消。因此，不用对电源噪声进行量化，充分利用差动放大器能够抑制共模信号的特性，只需将比较器4的像素电压传输信号输入端和比较基准信号输入端的电源噪声信号增益和相位都相同，利用比较器4实现噪声抵消的作用。调整后的效果是ramp端的相位和增益与pix_out端的相位和增益尽可能接近。
[0048]
实施例2
[0049]
与实施例1的像素电源噪声抵消装置对应的，本发明提供一种图像传感器像素电源噪声抵消方法，包括以下步骤：
[0050]
s1：像素电路输出像素信号；
[0051]
s2：像素电源噪声调整电路引入像素电源上的噪声信号，对像素电源中的电源噪声进行相位调整和增益调节；
[0052]
s3：经过步骤s2调整后的噪声信号输入基准信号中，基准信号由所述模数转换器产生；
[0053]
s4：将步骤s1的输出信号与步骤s3的输出信号同时输入比较器，所述像素电源噪声与基准信号电源噪声的相位和增益相同，实现电源噪声相互抵消。
[0054]
在步骤2中，对电源噪声进行相位调整和增益调整的步骤包括：利用第一调整电路对电源噪声中的低频信号进行增益调整和相位调整，利用第二调整电路对电源噪声中的高频信号进行增益调整。
[0055]
进一步的，
[0056]
上述利用第一调整电路11对电源噪声中的低频信号进行增益调整的方法为：通过调整所述第一调整电路11中晶体管mp2和晶体管mp3的并联个数，实现对电源噪声中的低频
信号的增益调整。
[0057]
在低频信号增益的调整过程中，根据图2所示的电路结构可以推导出电源噪声低频增益输出的理论值，可用表达式其中，vin表示输入电源噪声，vout表示输出电源噪声，mp2、mp3分别指晶体管mp2、mp3的并联个数。因此，从输出电源噪声增益的理论值表达式可以得出，通过调整mp3与mp2的比值能够实现vout的改变，因此通过调整晶体管mp2、mp3的并联个数，能够实现低频信号的增益调整。
[0058]
在高频信号增益调整过程中，根据图2所述的电路结构可以推导出电源噪声低频增益输出的理论值。高频增益输出的理论值推导过程通过如下表达式表示：
[0059][0060][0061]
hpf_1g_gain＝20
×
log(i_out_ac
×
(r2/r3)，
[0062]
hpf_xm_gain＝hpf_1g_gain 20
×
log(x/hpf_fc)，
[0063]
式中，mp6、mp7分别指晶体管mp6、mp7的并联个数。
[0064]
从高频增益输出的理论值可以得出，通过调整晶体管mp6、mp7的并联个数，能够实现高频信号的增益调整。
[0065]
上述利用第一调整电路11对电源噪声中的低频信号进行相位调整的方法为：通过调节所述第一调整电路11中的电容c1，实现对电源噪声的相位进行调整。然而，调整过程中，相位变化的同时，高频信号的增益也会发生变化，因此还需要配合高频调整电路12一起调节，实现输出信号的相位和高频信号的增益达到最优值。
[0066]
频率增益调整效果如图3所示。像素输出信号的波形是已知的，通过调整比较器ramp端的低频信号波形，使其接近于比较器pix_out端的低频信号波形，调整比较器ramp的高频信号波形，使其接近比较器pix_out的高频信号波形。
[0067]
此外，pix_out像素输出电压传输信号的拐点是已知的，当低频信号与高频信号的交点无限接近与该拐点时，调整结果最佳，并且该交点与c3、r2的参数值有关。
[0068]
根据本实施例提供的一种图像传感器像素电源噪声抵消方法，通过调整mos管的并联个数，能够实现增益的调整；通过调整c1同时配合高频电路的调整，能够实现相位的调整；通过高频增益调整与低频增益调整的配合，尤其是c3、r2的参数值的调整确定高频增益与低频增益的交点(使其接近于拐点)，最终得到较理想的效果。
[0069]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。