一种电源噪声抑制电路及图像传感器的制作方法

1.本发明涉及图像传感器电子电路领域，尤其涉及一种电源噪声抑制电路及图像传感器。


背景技术：

2.图像传感器通用于多种电子设备，如视频监控系统、智能电话、数字相机以及智能ai、人脸识别等多种电子产品中用于捕获和识别人物或场景的图像信息。作为数字摄像头的重要组成部分，其提供将光学图像转换为电学信号。图像传感器按照元件不同可分为cmos(complementary metaloxide semiconductor，互补型金属氧化物半导体元件)和ccd(charge coupled device,电荷耦合元件)和图像传感器。
3.cmos图像传感器具有高度集成化、低功率损耗和局部像素可编程随即读取、速度快以及成本低等优点，可适用于数码相机、pc摄像机和移动通信产品等领域。而ccd图像传感器除了大规模的应用于数码相机外，还广泛应用于扫描仪和工业领域。cmos图像传感器和ccd图像传感器都是采用光电转换区域，一般采用光电二极管(photodiode or photodetector)收集入射光，并将其转换为能够进行图像处理的光电荷。现有的cmos图像传感器中，若干个像素单元组成的像素阵列，像素单元往往采用3t、4t或5t的结构，以4t为例，由转移晶体管、复位晶体管、源极跟随晶体管以及行选通晶体管组成。像素单元通过光电二极管进行光电转换形成光生载流子，产生模拟信号，通过对像素阵列的行选通并进行读取，读出每列的模拟信号，进行后续的运算增益放大、模数转换等信号处理过程。
4.cmos图像传感器在实际工作中，噪声来源包括像素电源线噪声和从与电源有关的像素控制信号线耦合的噪声，而像素电路的源极跟随晶体管(sf管)的供电电源的噪声会通过电容耦合到像素单元的浮动扩散节点(fd)，然后通过源极跟随晶体管进行信号放大，数模转换模块进行转换之后体现在输出的数据上，影响图像的信噪比。现有的处理方法是为像素电路单独设置一个ldo(low dropout regulator，低压差线性稳压器)，以减小外部供电电源噪声对图像质量的影响。如果ldo的输出受到影响，电源噪声仍然会体现到图像上，因此当以ldo解决电源噪声时，当芯片干扰较大的时候，该方法的稳定速度有限，在其稳定的过程中，电源噪声依然会体现到图像上，并且ldo还较大的占用布局面积，消耗功率并限制其它模块使用供电电源，有可能导致图像传感器芯片性能下降。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供一种电源噪声抑制电路及图像传感器，能够有效的抑制图像传感器的电源噪声干扰、减小图像噪声并提高图像的质量。
6.为实现上述目的，本发明实施例第一方面提供一种电源噪声抑制电路，作为其中一种实施方式，一种电源噪声抑制电路，其特征在于，所述电路包括像素电路、比较信号产生电路及比较器；
7.所述像素电路输出叠加了噪声电源的第一电源噪声信号的图像信号到所述比较
器的第一输入端，所述比较信号产生电路输出叠加了所述噪声电源的第二电源噪声信号的比较信号到所述比较器的第二输入端，所述第二电源噪声信号与所述第一电源噪声信号幅值相同，以抵消所述像素电路中的电源噪声；
8.其中，所述比较信号产生电路包括电容调节模块、缓冲晶体管以及偏置晶体管，所述电容调节模块包括可变电容器和偏置电容；
9.所述可变电容器的第一端连接所述噪声电源，所述可变电容器的第二端连接所述偏置电容的第一端，所述偏置电容的第二端接地；
10.所述缓冲晶体管和所述偏置晶体管串联在所述噪声电源与地之间，所述缓冲晶体管的栅极接收一斜坡电压参考信号，所述偏置晶体管的栅极连接至偏置电压节点并与所述偏置电容的第一端连接；
11.其中，通过调整所述可变电容器的值使所述第二电源噪声信号与所述第一电源噪声信号幅值相同，以抵消所述像素电路中的电源噪声。
12.作为其中一种实施方式，所述缓冲晶体管为第一nmos管，所述偏置晶体管为第二nmos管；所述第一nmos管的漏极连接所述噪声电源，所述第一nmos管的栅极连接至电压参考信号节点，所述电压参考信号为斜坡电压参考信号，所述第一nmos管的源极连接所述比较器的第二输入端；所述第二nmos管的漏极连接所述比较器的第二输入端，所述第二nmos管的栅极连接至偏置电压节点并与所述偏置电容的第一端连接，所述第二nmos管的源极接地。
13.作为其中一种实施方式，所述缓冲晶体管为第一pmos管，所述偏置晶体管为第二pmos管；所述第二pmos管的源极连接所述噪声电源，所述第二pmos管的栅极连接至偏置电压节点并与所述偏置电容的第一端连接，所述第二pmos管的漏极连接所述比较器的第二输入端；所述第一pmos管的源极连接所述比较器的第二输入端，所述第一pmos管的栅极连接至所述电压参考信号节点，所述电压参考信号为斜坡电压参考信号，所述第一pmos管的漏极接地。斜坡电压参考信号斜坡电压参考信号作为其中一种实施方式，所述偏置电压节点连接一电流镜电路，以提供偏置电压。
14.作为其中一种实施方式，所述可变电容器包括一尺寸可变的电容。
15.作为其中一种实施方式，所述可变电容器包括多个并联的恒定电容，每一支路设置有一开关以控制每个恒定电容的导通。
16.作为其中一种实施方式，所述比较器的第一输入端为反相输入端，所述比较器的第二输入端为同相输入端。
17.作为其中一种实施方式，所述偏置电容为可变电容器。
18.作为其中一种实施方式，所述像素电路包括连接于源极跟随晶体管的漏极与栅极之间的第一电容及连接于所述源极跟随晶体管的栅极与地之间的第二电容，所述第一电容为像素电源线、与电源有关的像素控制信号线与浮动扩散节点之间的总耦合电容，所述第二电容为浮动扩散节点上所有的寄生电容减去所述第一电容。
19.作为其中一种实施方式，叠加了第一电源噪声信号的图像信号为：
20.21.叠加了第二电源噪声信号的比较信号为：
[0022][0023]
其中，v
noise
是噪声电源电压，c
p
是第一电容，c
fd
是第二电容，c
bias
是偏置电压节点的总电容，m
buf
是缓冲晶体管，m
bias
是偏置晶体管，w和l分别是mos管的宽和长，gmb
sf
是表征源极跟随晶体管的小信号体跨导，gm
sf
、gm
buf
、gm
bias
分别是源极跟随晶体管、缓冲晶体管、偏置晶体管的跨导，通过调整cc使差值最小化来进行噪声抑制。
[0024]
为实现上述目的，本发明实施例第二方面提供一种图像传感器，作为其中一种实施方式，所述图像传感器包括上述任一项实施方式所述的电源噪声抑制电路。
[0025]
综上，本发明通过设置像素电路、比较信号产生电路及比较器，其中，像素电路输出叠加了噪声电源的第一电源噪声信号的图像信号到比较器的第一输入端，比较信号产生电路输出叠加了噪声电源的第二电源噪声信号的比较信号到比较器的第二输入端，第二电源噪声信号与第一电源噪声信号幅值相同，以抵消像素电路中的电源噪声；其中，比较信号产生电路包括电容调节模块、缓冲晶体管以及偏置晶体管，电容调节模块包括可变电容器和偏置电容；可变电容器的第一端连接噪声电源，可变电容器的第二端连接偏置电容的第一端，偏置电容的第二端接地；斜坡电压参考信号所述缓冲晶体管和所述偏置晶体管串联在所述噪声电源与地之间，所述缓冲晶体管的栅极接收一斜坡电压参考信号，所述偏置晶体管的栅极连接至偏置电压节点并与所述偏置电容的第一端连接；其中，通过调整所述可变电容器的值使所述第二电源噪声信号与所述第一电源噪声信号幅值相同，以抵消所述像素电路中的电源噪声。因此，本发明通过比较器引入比较信号产生电路中的噪声，使电源噪声表现为比较器的共模噪声，从而抑制像素电路中的电源噪声，能够有效的抗电源噪声干扰、减小图像噪声并提高图像的质量。
附图说明
[0026]
图1示出本发明一实施例提供的电源噪声抑制电路的结构框图。
[0027]
图2示出本发明一实施例提供的电源噪声抑制电路的具体结构示意图。
[0028]
图3示出本发明另一实施例提供的电源噪声抑制电路的具体结构示意图。
具体实施方式
[0029]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。在本专利说明书中“一个实施例”或“一实施方式”指的是结合实例中描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实施例中。
[0030]
首先，本发明的发明构思是为了解决因像素单元中像素电源线噪声和从与电源有
关的像素控制信号线耦合的噪声所表现出的图像传感器的行噪声，通过将像素单元中耦合的电源噪声通过源跟随器(源极跟随晶体管和电流源)传输至比较器或放大器的一输入端，同时将幅值相同的电源噪声引入到比较器或放大器的另一输入端，使像素单元的电源噪声变为比较器的共模噪声，从而对像素单元的电源噪声进行抑制，使得比较器的输出受电源噪声的影响较小，实现减小图像噪声并提高图像的质量的目的。
[0031]
具体地，请参考图1，图1示出本发明一实施例提供的电源噪声抑制电路的结构框图。如图1所示，电源噪声抑制电路包括像素电路11、比较信号产生电路12及比较器13，像素电路11输出叠加了噪声电源vnoise的第一电源噪声信号的图像信号到比较器13的第一输入端，比较信号产生电路12输出叠加了噪声电源vnoise的第二电源噪声信号的比较信号到比较器13的第二输入端，第二电源噪声信号与第一电源噪声信号幅值相同，以抵消像素电路中的电源噪声。其中，所述比较信号产生电路12包括电容调节模块、缓冲晶体管以及偏置晶体管，所述缓冲晶体管和所述偏置晶体管串联在所述噪声电源vnoise与地之间，所述缓冲晶体管的栅极接收一电压参考信号，通过所述电容调节模块调整电容使所述第二电源噪声信号与所述第一电源噪声信号幅值相同，以抵消所述像素电路中的电源噪声。
[0032]
结合参考图2，图2示出本发明一实施例提供的电源噪声抑制电路的具体结构示意图。如图2所示，像素电路11包括连接于源极跟随晶体管msf的漏极与栅极之间的第一电容cp及连接于源极跟随晶体管msf的栅极与地之间的第二电容cfd，第一电容cp为像素电源线、与电源有关的像素控制信号线与浮动扩散节点之间的总耦合电容，第二电容cfd为浮动扩散节点上所有的寄生电容减去第一电容cp。
[0033]
电源噪声抑制电路中的比较信号产生电路12包括电容调节模块、第一nmos管mbuf(缓存晶体管)以及第二nmos管mbias(偏置晶体管)，电容调节模块包括可变电容器cc和偏置电容cbias；其中，可变电容器cc的第一端连接噪声电源vnoise，可变电容器cc的第二端连接偏置电容cbias的第一端，偏置电容cbias的第二端接地；第一nmos管mbuf的漏极连接噪声电源vnoise，第一nmos管mbuf的栅极连接至斜坡电压参考信号节点vref，第一nmos管mbuf的源极连接比较器13的第二输入端；第二nmos管mbias的漏极连接比较器13的第二输入端，第二nmos管mbias的栅极连接至偏置电压节点vbias并与偏置电容cbias的第一端连接，第二nmos管mbias的源极接地。
[0034]
具体地，像素电路可以是3t、4t、5t或者其它结构，不管是哪一种结构，像素电路中电源电压都会产生电源噪声，影响图像的信噪比。常见的4t结构的像素电路包括光电二极管、转移晶体管、复位晶体管、源极跟随晶体管、电流源以及行选择晶体管，光电二极管连接到转移晶体管的源极，复位晶体管和源极跟随晶体管的漏极共同连接噪声电源，转移晶体管的漏极、复位晶体管的源极以及源极跟随晶体管的栅极连接至浮动扩散节点，源极跟随晶体管的源极连接行选择晶体管的漏极，行选择晶体管的源极通过一电流源接地。其中，如图2所示，像素单元包括连接于噪声电源vnoise和浮动扩散节点fd(fd的电压表示为图2中的vfd)之间的第一电容cp，以及连接于浮动扩散节点fd(fd的电压表示为图2中的vfd)与地之间的第二电容cfd，第一电容cp为像素电源线、与电源有关的像素控制信号线与浮动扩散节点fd之间的总耦合电容，第二电容cfd为浮动扩散节点fd上所有的寄生电容减去第一电容cp。
[0035]
在图像传感器工作时，第一电容cp会将噪声电源vnoise的电源噪声耦合至浮动扩
散节点fd，并通过源极跟随晶体管msf输出至比较器13的第一输入端，即源极跟随晶体管msf的源极连接至节点visg，比较器13的第一输入端连接节点vsig。因此像素电路11中的噪声电源vnoise的第一电源噪声信号被叠加进图像信号输入到比较器13的第一输入端。然后比较信号产生电路12中的噪声电源vnoise的第二电源噪声信号被叠加进比较信号输入到比较器13的第二输入端，以相互抵消噪声，进而消除像素电路11中噪声电源vnoise的电源噪声。其中，比较信号产生电路12中，偏置电压节点vbias提供一偏置电压至第二nmos管mbias使其产生一偏置电流，也可以理解为给第二nmos管mbias提供一工作电压，而第一nmos管mbuf是用于抑制比较器端的反向噪声对斜坡电压参考信号vref的影响，并提供增益。
[0036]
具体地，在本实施方式中，叠加了第一电源噪声信号的图像信号为：
[0037][0038]
叠加了第二电源噪声信号的比较信号为：
[0039][0040]
其中，v
noise
是噪声电源电压，c
p
是第一电容，c
fd
是第二电容，c
bias
是偏置电压节点的总电容，m
buf
是缓冲晶体管，m
bias
是偏置晶体管，w和l分别是mos管的宽和长，gmb
sf
是表征源极跟随晶体管的小信号体跨导，其与体端和源端的电压差有关，当体端与源端接在一起时，gmb
sf
等于0，此时可以更有效地进行电容调整，gm
sf
、gm
buf
、gm
bias
分别是源极跟随晶体管、缓冲晶体管、偏置晶体管的跨导，通过调整cc使差值最小化来进行噪声抑制。
[0041]
值得一提的是，第二电源噪声信号幅值等于第一电源噪声信号的幅值是最优的情形，可以通过调整可变电容器cc最小化两个噪声信号的幅值差值。
[0042]
在一实施方式中，比较器13的第一输入端为反相输入端，比较器13的第二输入端为同相输入端。
[0043]
在一实施方式中，偏置电压节点vbias连接一电流镜电路，以提供偏置电压。
[0044]
在一实施方式中，可变电容器cc包括一尺寸可变的电容。
[0045]
具体地，可变电容器cc包括一尺寸可变的电容，图像传感器可以通过调整可变电容的尺寸控制第二噪声信号的幅值。
[0046]
在一实施方式中，可变电容器cc包括多个并联的恒定电容，每一支路设置有一开关以控制每个恒定电容的导通。
[0047]
具体地，可变电容器cc可以通过多个并联的恒定电容以及多个对应的开关实现，通过控制各开关的接通/关断改变电容值，以调整可变电容的尺寸控制第二噪声信号的幅值。
[0048]
在一实施方式中，偏置电容cbias为可变电容器。
[0049]
综上，本发明实施例提供的电源噪声抑制电路通过设置像素电路、比较信号产生
电路及比较器，其中，像素电路输出叠加了噪声电源的第一电源噪声信号的图像信号到比较器的第一输入端，比较信号产生电路输出叠加了噪声电源的第二电源噪声信号的比较信号到比较器的第二输入端，第二电源噪声信号与第一电源噪声信号幅值相同，以抵消像素电路中的电源噪声；其中，比较信号产生电路包括电容调节模块、第一nmos管以及第二nmos管，电容调节模块包括可变电容器和偏置电容；可变电容器的第一端连接噪声电源，可变电容器的第二端连接偏置电容的第一端，偏置电容的第二端接地；第一nmos管的漏极连接噪声电源，第一nmos管的栅极连接至斜坡电压参考信号节点，第一nmos管的源极连接比较器的第二输入端；第二nmos管的漏极连接比较器的第二输入端，第二nmos管的栅极连接至偏置电压节点并与偏置电容的第一端连接，第二nmos管的源极接地。本发明通过比较器引入比较信号产生电路中的噪声，使电源噪声表现为比较器的共模噪声，从而抑制像素电路中的电源噪声，能够有效的抗电源噪声干扰、减小图像噪声并提高图像的质量。
[0050]
请参考图3，图3示出本发明另一实施例提供的电源噪声抑制电路的具体结构示意图。如图3所示，电源噪声抑制电路包括像素电路11、比较信号产生电路12及比较器13，像素电路11输出叠加了噪声电源vnoise的第一电源噪声信号的图像信号到比较器13的第一输入端，比较信号产生电路12输出叠加了噪声电源vnoise的第二电源噪声信号的比较信号到比较器13的第二输入端，第二电源噪声信号与第一电源噪声信号幅值相同，以抵消像素电路中的电源噪声；其中，比较信号产生电路12包括电容调节模块、第一pmos管mbias以及第二pmos管mbuf，电容调节模块包括可变电容器cc和偏置电容cbias；可变电容器cc的第一端连接噪声电源vnoise，可变电容器cc的第二端连接偏置电容cbias的第一端，偏置电容cbias的第二端接地；第一pmos管mbias的源极连接噪声电源vnoise，第一pmos管mbias的栅极连接至偏置电压节点vbias并与偏置电容cbias的第一端连接，第一pmos管mbias的漏极连接比较器13的第二输入端；第二pmos管mbuf的源极连接比较器13的第二输入端，第二pmos管mbuf的栅极连接至斜坡电压参考信号节点vref，第二pmos管mbuf的漏极接地。
[0051]
具体地，在本实施方式中，
[0052]
叠加了第一电源噪声信号的图像信号为：
[0053][0054]
叠加了第二电源噪声信号的比较信号为：
[0055][0056]
其中，v
noise
是噪声电源电压，c
p
是第一电容，c
fd
是第二电容，c
bias
是偏置电压节点的总电容，m
buf
是缓冲晶体管，m
bias
是偏置晶体管，w和l分别是mos管的宽和长，gmb
sf
是表征源极跟随晶体管的小信号体跨导，其与体端和源端的电压差有关，当体端与源端接在一起时，gmb
sf
等于0，此时可以更有效地进行电容调整，gm
sf
、gm
buf
、gm
bias
分别是源极跟随晶体管、缓冲晶体管、偏置晶体管的跨导，通过调整cc使差值最小化来进行噪声抑制。
[0057]
值得一提的是，第二电源噪声信号幅值等于第一电源噪声信号的幅值是最优的情形，可以通过调整可变电容器最小化两个噪声信号的幅值差值。
[0058]
在一实施方式中，比较器13的第一输入端为反相输入端，比较器13的第二输入端为同相输入端。
[0059]
在一实施方式中，偏置电压节点vbias连接一电流镜电路，以提供偏置电压。
[0060]
在一实施方式中，可变电容器cc包括一尺寸可变的电容。
[0061]
具体地，可变电容器cc包括一尺寸可变的电容，图像传感器可以通过调整可变电容的尺寸控制第二噪声信号的幅值。
[0062]
在一实施方式中，可变电容器cc包括多个并联的恒定电容，每一支路设置有一开关以控制每个恒定电容的导通。
[0063]
具体地，可变电容器cc可以通过多个并联的恒定电容以及多个对应的开关实现，通过控制各开关的接通/关断改变电容值，以调整可变电容的尺寸控制第二噪声信号的幅值。
[0064]
在一实施方式中，偏置电容cbias为可变电容器。
[0065]
综上，本发明实施例提供的电源噪声抑制电路通过设置像素电路、比较信号产生电路及比较器，其中，像素电路输出叠加了噪声电源的第一电源噪声信号的图像信号到比较器的第一输入端，比较信号产生电路输出叠加了噪声电源的第二电源噪声信号的比较信号到比较器的第二输入端，第二电源噪声信号与第一电源噪声信号幅值相同，以抵消像素电路中的电源噪声；其中，所述比较信号产生电路包括电容调节模块、第一pmos管以及第二pmos管，所述电容调节模块包括可变电容器和偏置电容；所述可变电容器的第一端连接所述噪声电源，所述可变电容器的第二端连接所述偏置电容的第一端，所述偏置电容的第二端接地；所述第一pmos管的源极连接所述噪声电源，所述第一pmos管的栅极连接至偏置电压节点并与所述偏置电容的第一端连接，所述第一pmos管的漏连接所述比较器的第二输入端；所述第二pmos管的源极连接所述比较器的第二输入端，所述第二pmos管的栅极连接至斜坡电压参考信号节点，所述第二pmos管的漏极接地。本发明通过比较器引入比较信号产生电路中的噪声，使电源噪声表现为比较器的共模噪声，从而抑制像素电路中的电源噪声，能够有效的抗电源噪声干扰、减小图像噪声并提高图像的质量。
[0066]
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。