可消除寄生效应的高级数TDI模拟域电路及其实现方法

摘要

本发明公开了一种可消除寄生效应的高级数TDI模拟域电路，该电路通过引入极性切换开关L1与L2将像素单元的输出电压交替为上下极板充电，同时为保证CH中的电荷不会被切换极性之后的输入抵消，遂加入CH上下极板切换开关，经过这些开关的控制使得运算放大器的输出呈现高压与低压之间的切换；在保持阶段引入正反馈电容Cb以抵消寄生电容对于转移电荷产生的损失；本发明还公开了一种可消除寄生效应的高级数TDI模拟域电路的实现方法，通过以上方法消除模拟域累加过程中在采样阶段与保持阶段的寄生影响，大幅度提升模拟域TDI电路的累加精度。

说明书

技术领域

本发明属于模拟域CMOS-TDI电路技术领域，涉及一种可消除寄生效应的高级数TDI模拟域电路，本发明还涉及上述电路的实现方法。

背景技术

由于CMOS(Complementmetal-oxide-simicodutctor)图像传感器具有功耗低和易于集成在片上系统中等优点，获得了大量的关注。随着图像传感器的广泛发展，在部分低光照摄像中，对图像的精度与信噪比都有了新的要求，传统的模拟域TDI(Time-Delay-Integration)电路其级数受限于高级数引起的寄生影响。基于加入去耦合电容消除寄生效应，改组原先的存储电容CH与寄生电容之间的电容网络降低其所构成的寄生电容，包括全差分运放，存储电容网络，采样电容与寄生总线寄生电容Cpt与Cpb，去耦合电容Cb，寄生电容与存储电容CH的单级总寄生电容Cp，当累加级数较高时其总寄生电容为Cptotal连接在输入输出总线之间。

TDI电路的一个累加周期内有电荷采样相位与电荷保持相位两个阶段，电荷采样阶段，CLK导通，运算放大器处于单位增益状态，VIN为像素单元复位电压Vrst，CS采样了该电压，CH两端的开关关断，因为加入了去耦合电容，Cp被缩小几个数量级，所以此时的输入输出总线的电压变化对CH的影响可以忽略不计。当进入电荷保持相位，CLK关断，VIN的电压为像素单元的读出电压Vsig，此时CH两端的开关导通，进行电荷转移，该过程中CH中存储的电荷与转移的电荷中的一部分被寄生电容Cptotal吸收，同时输出电压上升到Vo1，该相位结束后知道下一个累加周期开始，输入输出总线两端的电压为Vo1，当进入下一个周期的电荷采样相位，输出输入总线的电压由Vo1降至0，这个电压变化时总线电压变化对CH影响的核心，因为存在去耦合电容Cd，降低了Cp，所以降低了总线电压变化对CH的影响，以及寄生电容对已存储电荷与转移电荷的影响。

对于上述的方案可以看出，加入去耦合电容对寄生影响起到了很好的抑制作用，但是每一级的积分器都需要一个去耦合电容Cd，当TDI级数较高，牺牲的版图面积太大，所以进一步可以利用其寄生影响的机理在电路结构上进行优化且不引入额外的电容与器件。

发明内容

本发明的目的是提供一种可消除寄生效应的高级数TDI模拟域电路，该电路能够在正式累加之前预采样一次累加数值动态调整正反馈电容Cb的大小，使正反馈电容Cb抵消在保持极端寄生电容对于存储电荷与转移电荷的影响。

本发明的目的是还提供一种可消除寄生效应的高级数TDI模拟域电路的实现方法。

本发明所采用的第一种技术方案是，可消除寄生效应的高级数TDI模拟域电路，包括全差分运放OPA，全差分运放OPA的正负极VIN接口分别连接采样电容CS，全差分运放OPA与采样电容CS之间均设置有换向开关L1，两个换向开关L1之间还通过两个换向开关L2连接，正反馈电容Cb与输入总线之间设有开关I，正反馈电容Cb与正负输出端分别设有开关I’与I*；其中一个采样电容CS连接基准电压VREF，另一个采样电容CS连接像素单元，全差分运放OPA的正极VIN接口和负极VIN接口还分别连接若干个相互并联的电容CH上下极板切换电路。

本发明第一种技术方案的特点还在于：

每个电容CH上下极板切换电路包括与全差分运放OPA连接的电容CHi，电容CHi一端分别连接开关Iii和开关Ki，电容CHi另一端分别连接开关Ii和开关Kii，开关Iii和开关Kii均与全差分运放OPA的负极VIN接口或者正极VIN接口连接，开关Ki和开关Ii均与全差分运放OPA的正极VOUT接口或者负极VOUT接口连接，i＝1,2,......N。

正反馈电容Cb的一端接开关I，正反馈电容Cb的另一端接I’与I*，开关I的一端接输入总线，开关I的另一端接正反馈电容Cb，I*的一端接Cb，I*的另一端接另外一边的输出总线，开关I’的一端接正反馈电容Cb，开关I’的一端接该边的输出总线。

本发明采用的第二种技术方案为，可消除寄生效应的高级数TDI模拟域电路的实现方法，具体包括如下步骤：

步骤1，模拟域累加器进行一次正常极性的累加操作；

步骤2，模拟域累加器进行一次相反极性的累加操作，与上一累加操作的寄生效应影响相抵消；

步骤3，将两个累加周期作为一个大的累加周期，累加够相应级数后输出；

步骤4，下一个累加周期内对输出之后的保持电容CHi进行刷新并重复步骤步骤1～3的累加过程。

本发明采用的第二种技术方案的特点还在于：

步骤1的具体过程为：

换向开关L1导通周期内，电荷采样相位时，像素单元输出Vrst，此时电路处于单位增益状态，输入与输出共模电压VCM，电容CHi两端开关处于关断状态；开关I与开关I’导通，正反馈电容Cb内部电荷刷新；电荷保持相位时，开关Iii与开关Ii同时导通，输入电压为像素单元输出Vsig，开关I与I*导通，因全差分的正负输出端电压以VCM为中心对称，因而当正反馈电容Cb与寄生总电容Cptotal相等时相互抵消对于存储电荷与转移电荷的影响，开关Iii先断开，开关Ii后断开，直到下一个周期的采样阶段，输出总线的差分输出值从Vo1下降到VCM-VCM＝0，该电压变化将耦合进保持电容CHi。

步骤2的具体过程为：在换向开关L2导通的周期内，像素单元的输出接全差分运放OPA的正端，开关Ki与开关Kii同时导通，开关Kii先断开，开关Ki后断开，此周期输出总线的差分输出值从Vo2上升到0。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种可消除寄生效应的高级数TDI模拟域电路，加入换向开关后电路仍兼容原电路的相关双采样与失调存储特性。且这种控制方式兼容原电路的时钟对原电路的精度影响微乎其微，利用高级数模拟域累加器的相邻两次累加输出值极度接近，随后将其进行极性切换操作使得前后两次造成的总线电压变化反向，使得达到动态抵消的效果，且并未增大电路面积，在正式累加之前预采样一次累加数值动态调整正反馈电容Cb的大小，使其抵消在保持极端寄生电容对于存储电荷与转移电荷的影响。

附图说明

图1为本发明可消除寄生效应的高级数TDI模拟域电路的结构示意图；

图2为本发明可消除寄生效应的高级数TDI模拟域电路实现后与原电路输出总线的变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明可消除寄生效应的高级数TDI(Time-Delay-Integration)图像传感器模拟域电路，如图1所示，包括全差分运放OPA，全差分运放OPA的正负极VIN接口分别连接采样电容CS，全差分运放OPA与连接采样电容CS之间均设置有换向开关L1，两个换向开关L1之间还通过两个换向开关L2连接，正反馈电容Cb与输入总线之间设有开关I，正反馈电容Cb与输出正负输出端分别设有开关I’与I*；其中一个采样电容CS连接基准电压VREF，另一个采样电容CS连接像素单元，全差分运放OPA的正极VIN接口和负极VIN接口还分别连接N个相互并联的电容CH上下极板切换电路；

每个电容CH上下极板切换电路包括与全差分运放OPA连接的电容CHi，电容CHi一端分别连接开关Iii和开关Ki，电容CHi另一端分别连接开关Ii和开关Kii，开关Iii和开关Kii均与全差分运放OPA的负极VIN接口或者正极VIN接口连接，开关Ki和开关Ii均与全差分运放OPA的正极VOUT接口或者负极VOUT接口连接；其中i＝1，2，......，N；

当i取1时，相应的开关分别为I1、I11、K1、K11；

当i取2时，相应的开关分别为I2、I22、K2、K22；

......

当i取N时，相应的开关分别为IN、INN、KN、KNN；

像素单元为N个，分别为像素1、像素2、像素3、......像素N。

正反馈电容Cb的一端接开关I，正反馈电容Cb的另一端接I’与I*，开关I的一端接输入总线，开关I的另一端接正反馈电容Cb，I*的一端接正反馈电容Cb，I*的另一端接另外一边的输出总线，开关I’一端接正反馈电容Cb，开关I’的另一端接该边的输出总线。

本发明一种消除寄生效应的高级数TD模拟域实现方法，具体为：

步骤1，模拟域累加器进行一次正常极性的累加操作，具体为，

换向开关L1导通周期内，电荷采样相位时，像素单元输出Vrst，此时电路处于单位增益状态，输入与输出共模电压VCM，电容CH两端开关处于关断状态；开关I与I’导通，Cb内部电荷刷新；电荷保持相位时，开关Iii与开关Ii同时导通，输入电压为像素单元输出Vsig，开关I与I*导通，因全差分的正负输出端电压以VCM为中心对称，所以当正反馈电容Cb与寄生总电容Cptotal相等时相互抵消对于存储电荷与转移电荷的影响，开关Iii先断开，开关Ii后断开，降低开关电荷注入的影响，直到下一个周期的采样阶段，输出总线的差分输出值从Vo1下降到VCM-VCM＝0，该电压变化将耦合进保持电容CH；

步骤2，模拟域累加器进行一次相反极性的累加操作，与上一累加操作的寄生效应影响相抵消；

在换向开关L2导通的周期内，像素单元的输出接OPA的正端，采样阶段的状态都一样，因为上一周期的保持电容CH的上下极板保留之前的电压，VOUT+本为高压，现在想让其输出低压所以必须将其电容上下极板翻转充电，以达到VOUT+此时输出低压，VOUT-输出高压的效果，开关Ki与Kii同时导通，开关Kii先断开，开关Ki断开，此周期输出总线的差分输出值从Vo2上升到0。

步骤3，以两个累加周期为一个大的累加周期，累加够相应级数后输出。

步骤4，下一个累加周期内对输出之后的保持电容CHi进行刷新并重复上述累加过程。

图2显示了引入正反馈与未引入正反馈的差分输出效果图，Vn*为引入正反馈之前的结果，引入可调正反馈电容后，其输出精度进一步提高。图2中i的取值为3。

本发明采用输出极性切换技术与正反馈电容技术的适用于高级数CMOS-TDI模拟域实现电路，使原电路结构的变化小，靠逻辑控制开关与一个可调正反馈电容来达到抑制寄生效应的作用，其中开关L1控制第一个累加周期，开关L2控制第二个累加周期，与其相配套的开关IN、INN控制开关L1、开关L2正常极性充电，KN、KNN控制开关L1、开关L2反向充电，正反馈电容Cb在采样阶段刷空内部电荷，保持阶段I*连接在另一端的输出总线提供正反馈。

采用本发明可消除寄生效应的高级数TDI模拟域电路改善后的电路仍兼容原电路的相关双采样与失调存储特性。且这种控制方式兼容原电路的时钟对原电路的精度影响微乎其微，利用高级数模拟域累加器的相邻两次累加输出值极度接近，随后将其进行极性切换操作使得前后两次造成的总线电压变化反向，正反馈电容抵消寄生电容在保持阶段对于存储电荷与转移电荷的影响。

本发明可消除寄生效应的高级数TDI模拟域电路交替使用存储电容CH上下极板进行充电以及引入正反馈电容Cb的适用于高级数CMOS-TDI图像传感器的模拟域实现电路。通过引入极性切换开关L1与L2将像素单元的输出电压交替为上下极板充电，同时为保证电容CH中的电荷不会被切换极性之后的输入抵消，遂加入电容CH上下极板切换开关，经过这些开关的控制使得运算放大器的输出呈现高压与低压之间的切换；在保持阶段引入正反馈电容Cb以抵消寄生电容对于转移电荷产生的损失，通过以上方法消除模拟域累加过程中在采样阶段与保持阶段的寄生影响，大幅度提升模拟域TDI电路的累加精度。