原標(biāo)題：一種基于運(yùn)放失調(diào)補(bǔ)償?shù)腃MOS傳感讀出電路

在CMOS圖像傳感器中，噪聲是影響信噪比（SNR）的關(guān)鍵因素。由于工藝生產(chǎn)的非均勻性，列級(jí)讀出電路之間的差異會(huì)引入固定模式噪聲（FPN）。相關(guān)雙采樣（CDS）技術(shù)雖能有效消除低頻噪聲，但電路中的運(yùn)放自身失調(diào)電壓會(huì)引入新的固定模式噪聲。為此，本文提出了一種基于運(yùn)放失調(diào)補(bǔ)償?shù)腃MOS傳感讀出電路，以降低固定模式噪聲，提高圖像質(zhì)量。

二、電路設(shè)計(jì)

1. 積分放大電路

• 結(jié)構(gòu)：包括二極管型傳感器等效電路、積分電容選擇電路、復(fù)位開關(guān)、運(yùn)算放大器和單位增益緩沖器。

• 功能：對(duì)傳感器輸出的微弱電流信號(hào)進(jìn)行積分放大，產(chǎn)生穩(wěn)定的偏置電壓，提高注入效率。

• 關(guān)鍵參數(shù)：

• 積分電容：采用可調(diào)節(jié)的積分電容值，以適應(yīng)不同的光照環(huán)境。

• 運(yùn)算放大器：選擇具有高增益、高輸入輸出擺幅、高壓擺率和低功耗的折疊式共源共柵放大器。

2. 相關(guān)雙采樣電路

• 結(jié)構(gòu)：包括采樣電路和失調(diào)存儲(chǔ)電路。

• 功能：通過(guò)對(duì)復(fù)位電平和信號(hào)電平進(jìn)行兩次采樣，消除像素的復(fù)位噪聲、1/f噪聲和像素內(nèi)的固定模式噪聲。

• 關(guān)鍵步驟：

• 復(fù)位采樣：對(duì)復(fù)位信號(hào)進(jìn)行采樣，存儲(chǔ)在電容上。

• 信號(hào)采樣：對(duì)積分后的信號(hào)進(jìn)行采樣。

• 信號(hào)相減：將信號(hào)電平與復(fù)位電平相減，得到去噪聲的有效信號(hào)。

三、運(yùn)放失調(diào)補(bǔ)償技術(shù)

1. 失調(diào)電壓存儲(chǔ)

• 原理：在復(fù)位相時(shí)，運(yùn)算放大器連接成單位增益負(fù)反饋形式，失調(diào)電壓存儲(chǔ)在負(fù)輸入端的電容上。

• 實(shí)現(xiàn)：通過(guò)采樣開關(guān)和復(fù)位開關(guān)的時(shí)序控制，將失調(diào)電壓存儲(chǔ)在電容上。

2. 失調(diào)電壓補(bǔ)償

• 原理：在信號(hào)轉(zhuǎn)移相時(shí)，輸入信號(hào)轉(zhuǎn)移到輸出端，同時(shí)將存儲(chǔ)的失調(diào)電壓從輸出中減去。

• 實(shí)現(xiàn)：通過(guò)接地開關(guān)的閉合，完成積分信號(hào)和復(fù)位信號(hào)的相減，得到補(bǔ)償后的輸出電壓。

四、電路仿真與驗(yàn)證

• 仿真條件：采用GSMC 0.13μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，仿真溫度為300K，電源電壓為3.3V，地電壓為0V，積分時(shí)間為10μs，選取的積分電容值為50fF，傳感器積分電流變化范圍為1nA~7.6nA。

• 仿真結(jié)果：

• 失調(diào)電壓補(bǔ)償效果：在失調(diào)電壓分別為0mV和24mV條件下，相關(guān)雙采樣輸出端電壓值完全相等，表明電路能夠很好地補(bǔ)償運(yùn)放的失調(diào)電壓。

• 噪聲抑制效果：電路對(duì)CMOS圖像傳感器自身的噪聲及積分放大電路的低頻噪聲進(jìn)行了有效抑制，進(jìn)一步降低了相關(guān)雙采樣電路的低頻噪聲。

五、創(chuàng)新點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

• 創(chuàng)新點(diǎn)：

• 提出了一種基于運(yùn)放失調(diào)補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)雙采樣電路，通過(guò)存儲(chǔ)和補(bǔ)償運(yùn)放失調(diào)電壓，降低了固定模式噪聲。

• 設(shè)計(jì)了可調(diào)節(jié)的積分電容值，以適應(yīng)不同的光照環(huán)境，提高了電路的靈活性和適應(yīng)性。

• 優(yōu)勢(shì)：

• 低噪聲：有效抑制了像素的復(fù)位噪聲、1/f噪聲和固定模式噪聲，提高了圖像的信噪比。

• 高精度：通過(guò)運(yùn)放失調(diào)補(bǔ)償技術(shù)，提高了讀出電路的精度和穩(wěn)定性。

• 低功耗：采用低功耗的運(yùn)算放大器和積分電容，降低了電路的整體功耗。

六、應(yīng)用前景

該電路適用于手機(jī)、視頻監(jiān)控、空間探測(cè)等圖像市場(chǎng)，能夠顯著提高圖像質(zhì)量，滿足高分辨率、高靈敏度的圖像傳感需求。

七、結(jié)論

本文提出的基于運(yùn)放失調(diào)補(bǔ)償?shù)腃MOS傳感讀出電路，通過(guò)創(chuàng)新的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，有效降低了固定模式噪聲，提高了圖像傳感器的性能。該電路在低噪聲、高精度和低功耗方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景。