应用于TDI型CMOS图像传感器的模拟累加器

摘要

本发明涉及集成电路设计领域，为实现对寄生带来的影响的补偿，大幅度提高累加器的有效累加级数，同时不过多地增加电路的面积和功耗。为此，本发明采取的技术方案是，应用于TDI型CMOS图像传感器的模拟累加器，包括运算放大器、N+1级积分器、采样开关、积分开关，还包括两个正反馈电容，一个正反馈电容连接在运算放大器的正输入端与正输出端之间，另一个正反馈电容连接在运算放大器的负输入端与负输出端之间。本发明主要应用于集成电路设计。

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路设计领域，特别涉及一种补偿CMOS型TDI图像传感器中模拟累加器 的寄生的实现装置和方法。具体讲，涉及应用于TDI型CMOS图像传感器的模拟累加器

技术背景

时间延迟积分(TDI)图像传感器是一种特殊的单行图像传感器。相对于普通的单行图像 传感器，TDI图像传感器通过对同一物体的多次采集和像素信号的N次累加，由于信号在累 加过程中增加了N倍，而噪声在累加过程中增加了倍，所以输出图像信噪比(SNR)提高 了倍。因此，TDI图像传感器可以在高移动速度，低光照强度的情况下，获得低噪声的输 出图像。

早期的TDI图像传感器主要通过CCD图像传感器实现，这是由于CCD图像传感器可以实 现电荷的无噪声累加。但是由于CCD技术采用高电压实现，难以和像素信号处理电路集成， 而随着CMOS技术的发展，MOS器件在噪声，暗电流，光响应等发面取得了显著的进步，采用 CMOS技术实现TDI图像传感器(TDI CIS)开始得到广泛的研究。

对于在电压域实现对像素累加的TDI CIS，随着累加级数的提升，不仅受到电路噪声的 影响，同时也被电路寄生所限制。由于积分器内部寄生的影响，闲置积分器不会完全从运算 放大器的输入输出总线断开，而以小寄生电容的形式存在。对于寄生所带来的影响，可以直 观地理解为在每次积分时，寄生电容挂载在运放输入输出端，形成负反馈，减少积分效果， 从而降低累加效果，抑制了有效累加级数的提升。

发明内容

为克服现有技术的不足，实现对寄生带来的影响的补偿，大幅度提高累加器的有效累加 级数，同时不过多地增加电路的面积和功耗。为此，本发明采取的技术方案是，应用于TDI 型CMOS图像传感器的模拟累加器，包括运算放大器、N+1级积分器、采样开关、积分开关， 还包括两个正反馈电容，一个正反馈电容连接在运算放大器的正输入端与正输出端之间，另 一个正反馈电容连接在运算放大器的负输入端与负输出端之间。

正反馈电容结构包括，电容值呈指数变化的三个正反馈电容通过校正码控制是否接入电 路，三个级联的D触发器构成计数器，由校正位Cal.Bit控制产生所需要的校正码。

电容值呈指数变化的三个正反馈电容上下各连接一个开关，通过校正码控制开关是否导 通，来决定电容是否接入电路；校正码由一个三位计数器产生，该计数器由三个D触发器级 联实现，每个D触发器输出端反相Qn反接回数据端D与下一级D触发器的时钟端Clk，第一 级D触发器的输入端由Cal.Bit控制，最终的输出为所有D触发器的输出端Q。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

在现有模拟累加器中，积分器内部寄生的存在将抑制模拟累加器的有效累加级数的提升。 添加正反馈，可以在不改变模拟累加器的工作原理的基础上，实现对积分器内部寄生的补偿， 从而大幅度提升模拟累加器的有效累加级数。与现有模拟累加器相比，所提出的方法结构简 单，没有增加过多的面积和功耗。

附图说明

图1为本发明所提出的模拟累加器的结构图。

图2为本发明所提出的模拟累加器的时序图。

图3正反馈电容的具体电路。

具体实施方式

本发明对应用于TDI CIS中的模拟累加器进行改进，通过添加正反馈电容实现对寄生带 来的影响的补偿。其能够大幅度提高累加器的有效累加级数，同时不过多地增加电路的面积 和功耗。

图1为本发明所提出的模拟累加器的结构图，包括运算放大器、N+1级积分器、采样开 关、积分开关和正反馈电容，通过时间过采样技术，可以实现N级的像素信号累加。运算放 大器采用全差分结构实现，采样电容连接采样开关clk1、积分开关clk2与运算放大器的输 入端，clk1同时连接至像素信号或偏置电压。另一个采样开关clk1’跨接在运算放大器的输 入输出端。每一级积分器由四个积分开关、两个积分电容、两个复位开关组成。积分电容通 过两个积分开关I和I’连接至运算放大器的输入输出端。为了实现复位，复位开关Reset 连接运放输入端与积分电容下极板，复位开关Reset’连接两个积分电容的上极板。为了实 现对寄生的补偿，正反馈电容一个连接运算放大器的正输入端与正输出端，一个连接运算放 大器的负输入端与负输出端。由于正反馈电容的存在，累加器处于积分阶段时将形成一个正 反馈通路，与寄生电容形成的负反馈通路相对应，当正反馈电容与寄生电容所形成的负反馈 电容相同时，寄生带来的影响将被完全抵消。

图2为本发明所提出模拟累加器的时序图。该结构工作时，每一级积分器的工作状态可 以分为：复位阶段、采样阶段以及积分阶段。

复位阶段：clk1、clk1’、Reset以及Reset’闭合，I以及I’断开。clk1’用于复位 运放输入输出端的电压，clk1用于采样输入电压，此时，运放失调被存储于采样电容中，以 便实现失调消除。Reset以及Reset’用于消除积分电容中的电荷，实现对积分电容的复位。

采样阶段：clk1以及clk1’闭合，Reset、Reset’I以及I’断开。clk1’用于复位运 放输入输出端的电压，clk1用于采样输入电压。

积分阶段:以第x级积分器的积分阶段为例，clk1、clk1’、Resetx以及Resetx’断开， clk2、Ix和Ix’闭合。clk2、Ix和Ix’形成积分回路，将采样电容内的电荷转移至积分电 容内。

为实现对正反馈电容大小的调节，可以通过开关控制不同大小的电容是否接入正反馈通 路实现。图3为正反馈电容的具体电路。其中，电容值呈指数变化的三个正反馈电容上下各 连接一个开关，通过校正码控制开关是否导通，来决定电容是否接入电路。校正码由一个三 位计数器产生，该计数器由三个D触发器级联实现，每个D触发器输出端反相Qn反接回数据 端D与下一级D触发器的时钟端Clk，第一级D触发器的输入端由Cal.Bit控制，最终的输 出为所有D触发器的输出端Q。当Cal.Bit传输一次上升沿，计数器结果+1，从而完成对校 正码的改变。通过观察累加输出曲线或者所设计的TDI图像传感器的成像效果，来调节校正 码，即可完成对寄生的补偿，实现最佳的累加效果或成像质量。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，下面将结合实例给出本发明实施方式的 具体描述。以128级的模拟累加器为例，简要论述累加器的工作原理。在第1个周期内完成 第1个积分器对第1个像素的采样和积分，第2个周期内完成第2个积分器对第2个像素的 采样和积分，直至第128个周期内完成第128个积分器对第128个像素的采样和积分，最后 第129个周期内完成第129个积分器对第1个像素的采样和积分，此时，完成一个渡越时间 内的操作。

对于Cal.Bit的控制，主要在于调节累加曲线的线性度，如果单独实现累加器，可以通 过观察累加器的输出曲线的线性度来调节校正码，而对于完整的TDI图像传感器，可以将校 正码从0开始调节，输出图像SNR将逐渐提升，当SNR开始下降前，前一个校正码即为最佳 校正码。