專利名稱：用于cmos圖像傳感器的模擬圖像信號處理電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及CMOS(即互補金屬氧化物半導(dǎo)體)圖像傳感器，尤其涉及CMOS圖像傳感器中用于模擬圖像信號處理的電路。
背景技術(shù)：
隨著CMOS工藝和固體圖像傳感器技術(shù)的不斷完善，CMOS圖像傳感器發(fā)展很快，CMOS圖像傳感技術(shù)在低端圖像和視頻市場上已經(jīng)取代了CCD傳感技術(shù)，CMOS圖像傳感器比起CCD圖像傳感器有低功耗、寬動態(tài)范圍，高速視頻、高集成度，低成本等優(yōu)勢，適用于微型數(shù)碼相機，便攜式可視電話，電腦攝像頭等領(lǐng)域，CMOS圖像傳感器還可以用于軍事偵察、衛(wèi)星等方面。
為了方便后端的數(shù)字圖像處理，通常在CMOS圖像傳感器芯片中都帶有A/D轉(zhuǎn)換器，把模擬圖像信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。這種A/D轉(zhuǎn)換器一般要求采樣速度在20MHz以上，屬于高速ADC，所以要采用差分信號輸入。而從圖像傳感器陣列中出來的信號VIN是單端的，為了跟ADC相匹配，要把單端信號變成差分信號。并且，在模擬信號電路處理中，差動工作與單端工作相比有很大的優(yōu)勢，其中一個重要的優(yōu)勢就在于它對環(huán)境噪聲具有更強的抗干擾能力，另一個優(yōu)勢是可以增大電壓擺幅。所以差動工作已經(jīng)成為當(dāng)代高性能模擬電路和混合信號電路的主要選擇。
由于CMOS工藝存在缺陷，晶體管特性參數(shù)及無源元件參數(shù)不均勻，所以在CMOS傳感器中存在固定模式噪聲(fixed pattern noise)，它是CMOS圖像傳感器中固有的噪聲，而人眼對這種噪聲特別敏感，所以對傳感器的圖像質(zhì)量影響特別大，因此CMOS圖像傳感器一定要首先消除FPN。
為了使CMOS圖像傳感器拍出來的圖像色調(diào)逼真，能正確反映景物的真實顏色，通常要在圖像傳感器的模擬信號領(lǐng)域進行色彩增益調(diào)節(jié)和曝光調(diào)節(jié)。
在后端的數(shù)字圖像信號處理ISP(image signal process)中，尤其是伽瑪校正(gamma correction)一般需要確定黑色背景值(black level)，黑色背景值不合適的話，經(jīng)過伽瑪校正后的圖像對比度會受很大影響，因此調(diào)整黑色背景值就可以使伽瑪校正后的圖像達到一個較優(yōu)的效果。
現(xiàn)有技術(shù)中的CMOS圖像傳感器在實現(xiàn)差動工作，并實現(xiàn)色彩控制、曝光控制、黑色背景控制、消除動態(tài)噪聲和固定噪聲FPN時，其處理電路功能單一，電路復(fù)雜，所以導(dǎo)致芯片的體積增大，而在IC市場競爭激烈的今天，在成像效果不受影響的前提下，縮小體積，降低成本，已成為CMOS圖像傳感器設(shè)計廠商競爭的焦點。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的主要目的就是為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，提供一種用于CMOS圖像傳感器的模擬圖像信號處理電路，增加處理電路的調(diào)節(jié)功能，并使電路結(jié)構(gòu)更加簡化，同時也縮小了芯片的面積，降低了成本。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開了一種用于CMOS圖像傳感器的模擬圖像信號處理電路，包括用于將單端模擬圖像信號轉(zhuǎn)換成差分信號輸出的差分運放器，所述差分運放器的輸出端用于連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器，還包括輸入級電容和輸出級電容，所述輸入級電容包括第一正輸入級開關(guān)電容陣列和第一負輸入級開關(guān)電容陣列；所述第一正輸入開關(guān)電容陣列的輸入端用于輸入模擬圖像信號，控制端與色彩增益控制信號端相連，輸出端耦合至差分運放器的輸入正端；所述第一負輸入開關(guān)電容陣列的輸入端用于輸入?yún)⒖茧娖叫盘?，控制端與色彩增益控制信號端相連，輸出端耦合至差分運放器的輸入負端；所述輸出級電容連接在差分運放器輸出端和輸入端之間。
其中，所述第一正輸入開關(guān)電容陣列的輸入端在時鐘的正半周期輸入曝光后的模擬圖像信號，在時鐘的負半周期輸入曝光前的模擬圖像信號。
為了實現(xiàn)曝光控制，本發(fā)明的進一步改進是所述輸出級電容包括正輸出級開關(guān)電容陣列和負輸出級開關(guān)電容陣列，所述正輸出級開關(guān)電容陣列連接在差分運放器的輸出正端和輸入負端之間，所述負輸出級開關(guān)電容陣列連接在差分運放器的輸出負端和輸入正端之間，所述正、負輸出級開關(guān)電容陣列的控制端與曝光增益控制信號端相連。
為了實現(xiàn)黑色背景控制，本發(fā)明的更進一步改進是所述輸入級電容還包括第二正輸入級開關(guān)電容陣列和第二負輸入級開關(guān)電容陣列；所述第二正輸入開關(guān)電容陣列的輸入端用于輸入第一偏移電壓，輸出端耦合至差分運放器的輸入正端；所述第二負輸入開關(guān)電容陣列的輸入端用于輸入第二偏移電壓，輸出端耦合至差分運放器的輸入負端。
為了保證黑色背景在曝光調(diào)節(jié)時不變，所述第二正輸入開關(guān)電容陣列的控制端和第二負輸入開關(guān)電容陣列的控制端還與曝光增益控制信號端相連。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還公開了一種用于CMOS圖像傳感器的模擬圖像信號處理電路，包括用于將單端模擬圖像信號轉(zhuǎn)換成差分信號輸出的差分運放器，所述差分運放器的輸出端用于連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器，還包括連接在差分運放器輸入級、用于輸入模擬圖像信號的輸入級電容和輸出級電容，所述輸出級電容包括正輸出級開關(guān)電容陣列和負輸出級開關(guān)電容陣列，所述正輸出級開關(guān)電容陣列連接在差分運放器的輸出正端和輸入負端之間，所述負輸出級開關(guān)電容陣列連接在差分運放器的輸出負端和輸入正端之間，所述正、負輸出級開關(guān)電容陣列的控制端還與曝光增益控制信號端相連。
為了實現(xiàn)色彩增益控制，本發(fā)明的進一步改進是所述輸入級電容包括第一正輸入級開關(guān)電容陣列和第一負輸入級開關(guān)電容陣列；所述第一正輸入開關(guān)電容陣列的輸入端用于輸入模擬圖像信號，控制端與色彩增益控制信號端相連，輸出端耦合至差分運放器的輸入正端；所述第一負輸入開關(guān)電容陣列的輸入端用于輸入?yún)⒖茧娖叫盘?，控制端與色彩增益控制信號端相連，輸出端耦合至差分運放器的輸入負端。
為了消除固定模式噪聲，所述第一正輸入開關(guān)電容陣列的輸入端在時鐘的正半周期輸入曝光后的模擬圖像信號，在時鐘的負半周期輸入曝光前的模擬圖像信號。
為了實現(xiàn)黑色背景控制，本發(fā)明的更進一步改進是所述輸入級電容還包括第二正輸入級開關(guān)電容陣列和第二負輸入級開關(guān)電容陣列；所述第二正輸入開關(guān)電容陣列的輸入端用于輸入第一偏移電壓，輸出端耦合至差分運放器的輸入正端；所述第二負輸入開關(guān)電容陣列的輸入端用于輸入第二偏移電壓，輸出端耦合至差分運放器的輸入負端。
為了保證黑色背景在曝光調(diào)節(jié)時不變，所述第二正輸入開關(guān)電容陣列的控制端和第二負輸入開關(guān)電容陣列的控制端還與曝光增益控制信號端相連。
本發(fā)明的有益效果是一個電路實現(xiàn)兩個或兩個以上的控制功能，在保證成像效果的前提下，簡化了電路結(jié)構(gòu)，縮小了CMOS圖像傳感器芯片的體積，降低了成本，符合產(chǎn)品小型化的發(fā)展趨勢。
本發(fā)明的特征及優(yōu)點將通過實施例結(jié)合附圖進行詳細說明。

圖1是本發(fā)明最佳實施例的電路框圖；圖2是本發(fā)明與其它電路連接的示意圖。
具體實施方式
下面對本發(fā)明的最佳實施例進行說明。如圖1所示，差分運放器A1用于將單端模擬圖像信號轉(zhuǎn)換成差分信號輸出，其輸出端連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器，輸入級電容包括第一正輸入級開關(guān)電容陣列C4和第一負輸入級開關(guān)電容陣列C1；第一正輸入開關(guān)電容陣列C4的輸入端d輸入模擬圖像信號VIN，控制端c與色彩增益控制信號端b相連，輸出端耦合至差分運放器A1的輸入正端INP；第一負輸入開關(guān)電容陣列C1的輸入端a輸入?yún)⒖茧娖絍REF，控制端與色彩增益控制信號端b相連，輸出端耦合至差分運放器A1的輸入負端INN；輸出級電容包括正輸出級開關(guān)電容陣列C5和負輸出級開關(guān)電容陣列C6，正輸出級開關(guān)電容陣列C5連接在差分運放器A1的輸出正端和輸入負端之間，負輸出級開關(guān)電容陣列C6連接在差分運放器A1的輸出負端和輸入正端之間，正、負輸出級開關(guān)電容陣列C5、C6的控制端還與曝光增益控制信號端g相連。
輸入級電容還可以進一步包括第二正輸入級開關(guān)電容陣列C3和第二負輸入級開關(guān)電容陣列C2；第二正輸入開關(guān)電容陣列C3的輸入端f輸入第一偏移電壓VOFFP，輸出端與差分運放器A1的輸入正端相連；第二負輸入開關(guān)電容陣列C2的輸入端e輸入第二偏移電壓VOFFN，輸出端與差分運放器A1的輸入負端相連。第二正輸入開關(guān)電容陣列C3的控制端和第二負輸入開關(guān)電容陣列C2的控制端還與曝光增益控制信號端g相連。
本實施例采用了全差分運放器，其一端接圖像傳感器陣列中出來的信號VIN，另外一端接固定的參考電平VREF，根據(jù)全差分運放的特性，就可以實現(xiàn)單端信號到差分信號的變換。這樣成像芯片的動態(tài)噪聲可得到較好的抑制。
根據(jù)開關(guān)電容電路的特性，對像素曝光后的信號和曝光前的信號(復(fù)位電平)分別取樣，然后相減來得到干凈的信號。在第一正輸入級開關(guān)電容陣列C4的輸入端d，時鐘的正半周期輸入曝光后信號VIN1，時鐘的負半周期輸入曝光前信號VIN2，根據(jù)電荷平衡原理，在時鐘正半周期對整個電路復(fù)位，就可在時鐘的負半周期得到兩個信號的差值ΔVIN(VIN2-VIN1)，就可以去掉晶體管特性參數(shù)的不均勻性以及其它相同或相關(guān)的干擾信號和噪聲，從而去除固定噪聲FPN。
上述電路的傳遞函數(shù)是Vout＝Vin*(Cin/Cout)+Voffset其中，Vout＝OUTP-OUTN，Vin＝ΔVIN，Voffset＝2VOFFP-2VOFFN，Cin為輸入級的總電容，Cout為輸出級的總電容。VOFFP、VOFFN分別為第一偏移電壓和第二偏移電壓。
從上式可以知道，通過調(diào)節(jié)輸入級電容陣列或輸出級電容陣列的大小，就可以調(diào)節(jié)信號的增益大小，所以通過控制色彩增益控制信號在輸入紅、綠、藍不同顏色信號的不同時刻相應(yīng)地調(diào)節(jié)第一正輸入級開關(guān)電容陣列C4和第一負輸入級開關(guān)電容陣列C1，改變輸入級電容值的大小，就可以分別調(diào)節(jié)紅、綠、藍三基色信號的增益大小，從而實現(xiàn)色彩增益(color gain)控制，使色差信號為零。在調(diào)節(jié)輸入端電容之后，Cin就是定值，再通過曝光增益控制信號端g去調(diào)節(jié)正輸出級開關(guān)電容陣列C5和負輸出級開關(guān)電容陣列C6，改變輸出級電容值的大小，三種顏色的增益都會改變，所以就可以同時調(diào)節(jié)所有顏色信號的增益大小，從而實現(xiàn)曝光增益(global gain)控制，使圖像的亮度信號達到目標(biāo)值。
再由上述電路的傳遞函數(shù)Vout＝Vin*(Cin/Cout)+Voffset可以知道，當(dāng)黑色信號Vin(ΔVIN)為零時，即像素曝光后的信號和曝光前的信號(復(fù)位電平)相等時，Vout＝Voffset，所以調(diào)節(jié)第二正輸入級開關(guān)電容陣列C3和第二負輸入級開關(guān)電容陣列C2的輸入第一、二偏移電壓VOFFP和VOFFN的直流電平，就可以調(diào)節(jié)Voffset的大小，從而調(diào)節(jié)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的輸出數(shù)值，使黑色信號的數(shù)字?jǐn)?shù)值達到一個理想值，這樣就實現(xiàn)了黑色背景控制(black level control)。
在通過調(diào)節(jié)正輸出級開關(guān)電容陣列C5和負輸出級開關(guān)電容陣列C6控制曝光增益時，如果第二正輸入級開關(guān)電容陣列C3和第二負輸入級開關(guān)電容陣列C2不動，則偏移電壓Voffset會受影響。所以將第二正輸入級開關(guān)電容陣列C3和第二負輸入級開關(guān)電容陣列C2的控制級也與曝光控制信號端g相連，使曝光控制信號g也同時同樣地控制第二正輸入級開關(guān)電容陣列C3和第二負輸入級開關(guān)電容陣列C2，從而保證圖像的黑色背景不受影響。
從以上分析可知，本實施例利用同一個電路實現(xiàn)了色彩增益調(diào)節(jié)、曝光增益調(diào)節(jié)和黑色背景控制，并同時消除動態(tài)噪聲和固定噪聲FPN的功能。
本發(fā)明還可以有其他實施方式，例如輸入級電容也可以不包括第二正輸入級開關(guān)電容陣列C3和第二負輸入級開關(guān)電容陣列C2。這種實施方式利用同一個電路實現(xiàn)了色彩增益調(diào)節(jié)和曝光增益調(diào)節(jié)，并同時消除動態(tài)噪聲和固定噪聲FPN的功能。
圖2是本發(fā)明的最佳實施例與其它電路連接的示意圖，從圖中可知差分運放器A1的輸出端連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，數(shù)字圖像處理ISP(image signalprocess)根據(jù)自動調(diào)節(jié)功能輸出色彩增益信號b和曝光增益信號g，色彩增益信號b分別用來調(diào)節(jié)第一正輸入級開關(guān)電容陣列C4和第一負輸入級開關(guān)電容陣列C1的電容值，從而改變輸入級電容，實現(xiàn)色彩增益控制。曝光增益信號g分別用來調(diào)節(jié)正輸出級開關(guān)電容陣列C5和負輸出級開關(guān)電容陣列C6，實現(xiàn)曝光增益控制，偏移電壓VOFFP、VOFFN由黑色背景控制電路輸出，分別輸入到第二正輸入級開關(guān)電容陣列C3和第二負輸入級開關(guān)電容陣列C2，實現(xiàn)黑色背景控制。
權(quán)利要求
1.一種用于CMOS圖像傳感器的模擬圖像信號處理電路，包括用于將單端模擬圖像信號轉(zhuǎn)換成差分信號輸出的差分運放器，所述差分運放器的輸出端用于連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于還包括輸入級電容和輸出級電容，所述輸入級電容包括第一正輸入級開關(guān)電容陣列和第一負輸入級開關(guān)電容陣列；所述第一正輸入開關(guān)電容陣列的輸入端用于輸入模擬圖像信號，控制端與色彩增益控制信號端相連，輸出端耦合至差分運放器的輸入正端；所述第一負輸入開關(guān)電容陣列的輸入端用于輸入?yún)⒖茧娖叫盘?，控制端與色彩增益控制信號端相連，輸出端耦合至差分運放器的輸入負端；所述輸出級電容連接在差分運放器輸出端和輸入端之間。
2.如權(quán)利要求1所述的處理電路，其特征在于所述第一正輸入開關(guān)電容陣列的輸入端在時鐘的正半周期輸入曝光后的模擬圖像信號，在時鐘的負半周期輸入曝光前的模擬圖像信號。
3.如權(quán)利要求1所述的處理電路，其特征在于所述輸出級電容包括正輸出級開關(guān)電容陣列和負輸出級開關(guān)電容陣列，所述正輸出級開關(guān)電容陣列連接在差分運放器的輸出正端和輸入負端之間，所述負輸出級開關(guān)電容陣列連接在差分運放器的輸出負端和輸入正端之間，所述正、負輸出級開關(guān)電容陣列的控制端與曝光增益控制信號端相連。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的處理電路，其特征在于所述輸入級電容還包括第二正輸入級開關(guān)電容陣列和第二負輸入級開關(guān)電容陣列；所述第二正輸入開關(guān)電容陣列的輸入端用于輸入第一偏移電壓，輸出端耦合至差分運放器的輸入正端；所述第二負輸入開關(guān)電容陣列的輸入端用于輸入第二偏移電壓，輸出端耦合至差分運放器的輸入負端。
5.如權(quán)利要求4所述的處理電路，其特征在于所述第二正輸入開關(guān)電容陣列的控制端和第二負輸入開關(guān)電容陣列的控制端還與曝光增益控制信號端相連。
6.一種用于CMOS圖像傳感器的模擬圖像信號處理電路，包括用于將單端模擬圖像信號轉(zhuǎn)換成差分信號輸出的差分運放器，所述差分運放器的輸出端用于連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于還包括連接在差分運放器輸入級、用于輸入模擬圖像信號的輸入級電容和輸出級電容，所述輸出級電容包括正輸出級開關(guān)電容陣列和負輸出級開關(guān)電容陣列，所述正輸出級開關(guān)電容陣列連接在差分運放器的輸出正端和輸入負端之間，所述負輸出級開關(guān)電容陣列連接在差分運放器的輸出負端和輸入正端之間，所述正、負輸出級開關(guān)電容陣列的控制端還與曝光增益控制信號端相連。
7.如權(quán)利要求6所述的處理電路，其特征在于所述輸入級電容包括第一正輸入級開關(guān)電容陣列和第一負輸入級開關(guān)電容陣列；所述第一正輸入開關(guān)電容陣列的輸入端用于輸入模擬圖像信號，控制端與色彩增益控制信號端相連，輸出端耦合至差分運放器的輸入正端；所述第一負輸入開關(guān)電容陣列的輸入端用于輸入?yún)⒖茧娖叫盘?，控制端與色彩增益控制信號端相連，輸出端耦合至差分運放器的輸入負端。
8.如權(quán)利要求7所述的處理電路，其特征在于所述第一正輸入開關(guān)電容陣列的輸入端在時鐘的正半周期輸入曝光后的模擬圖像信號，在時鐘的負半周期輸入曝光前的模擬圖像信號。
9.如權(quán)利要求7或8所述的處理電路，其特征在于所述輸入級電容還包括第二正輸入級開關(guān)電容陣列和第二負輸入級開關(guān)電容陣列；所述第二正輸入開關(guān)電容陣列的輸入端用于輸入第一偏移電壓，輸出端耦合至差分運放器的輸入正端；所述第二負輸入開關(guān)電容陣列的輸入端用于輸入第二偏移電壓，輸出端耦合至差分運放器的輸入負端。
10.如權(quán)利要求9所述的處理電路，其特征在于所述第二正輸入開關(guān)電容陣列的控制端和第二負輸入開關(guān)電容陣列的控制端還與曝光增益控制信號端相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于CMOS圖像傳感器的模擬圖像信號處理電路，包括差分運放器、輸入級電容和輸出級電容，輸入級電容包括第一正輸入級開關(guān)電容陣列和第一負輸入級開關(guān)電容陣列；第一正輸入開關(guān)電容陣列的輸入模擬圖像信號，控制端與色彩增益控制信號端相連，輸出端耦合至差分運放器的輸入正端；第一負輸入開關(guān)電容陣列的輸入?yún)⒖茧娖叫盘?，控制端與色彩增益控制信號端相連，輸出端耦合至差分運放器的輸入負端；輸出級電容連接在差分運放器輸出端和輸入端之間。本發(fā)明利用一個電路實現(xiàn)兩個或兩個以上的控制功能，在保證成像效果的前提下，簡化了電路結(jié)構(gòu)，縮小了CMOS圖像傳感器芯片的體積，降低了成本，符合產(chǎn)品小型化的發(fā)展趨勢。
文檔編號H04N5/335GK1992788SQ20051012143
公開日2007年7月4日 申請日期2005年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月29日
發(fā)明者胡文閣 申請人:比亞迪股份有限公司