專利名稱：在cmos圖像傳感器中實(shí)現(xiàn)tdi的電路及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及模擬集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別涉及一種在CMOS圖像傳感器中實(shí)現(xiàn)TDI 的電路及方法。
背景技術(shù)：
TDI (Time Delay Integration，時間延時積分)技術(shù)是一種能夠增加線陣圖像傳 感器靈敏度的技術(shù)，它以其特殊的掃描方式，通過對同一目標(biāo)進(jìn)行多次曝光，實(shí)現(xiàn)很高的靈 敏度和信噪比，特別適用于低照度和運(yùn)動物體的拍攝場合。TDI的基本原理是指對同一個移 動中的物體，進(jìn)行多次曝光并將其積累。由于感光器積累多次的入射光，會使圖像信號及整 體亮度相應(yīng)地大幅提升。CCD (Charge Coupled Device，電荷藕合器件)圖像傳感器是實(shí)現(xiàn)TDI技術(shù)的理想 器件，它能實(shí)現(xiàn)無噪聲的信號累加。目前TDI技術(shù)多應(yīng)用在CCD圖像傳感器中，普遍采用的 CXD-TDI的結(jié)構(gòu)類似一個長方形的面陣CXD圖像傳感器，但在功能上是一個線陣CXD器件， 如圖1所示，CXD-TDI的工作過程如下某一列上的第一個像元在第一個積分周期內(nèi)收集到 的電荷并不直接輸出，而是與同列第二個像元在第二個積分周期內(nèi)收集到的電荷相加，相 加后的電荷移向第三行……，C⑶最后一行(第η行)的像元收集到的電荷與前面η—1 次收集到的電荷累加后移到輸出寄存器中，按普通線陣CCD器件的輸出方式進(jìn)行讀出。在 CCD-TDI中，輸出信號的幅度是η個像元積分電荷的累加，即相當(dāng)于一個像元η倍積分周期 所收集到的電荷，輸出幅度擴(kuò)大了 η倍，信噪比可提高倍。隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，CMOS (Complementary Metal OxideSemiconductor,互補(bǔ)金屬氧化物)圖像傳感器成為科學(xué)研究和產(chǎn)品開發(fā)的熱點(diǎn)，發(fā) 展極其迅猛，目前已占據(jù)低、中、高分辨率應(yīng)用領(lǐng)域。發(fā)明人在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)現(xiàn)上述現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下缺點(diǎn)和不足現(xiàn)有技術(shù)中還沒有一種合適的電路及方法能在CMOS圖像傳感器中較好地實(shí)現(xiàn) TDI技術(shù)，限制了 TDI技術(shù)的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
為了在CMOS圖像傳感器中較好地實(shí)現(xiàn)TDI技術(shù)，擴(kuò)大TDI技術(shù)應(yīng)用范圍，本發(fā)明 提供了一種在CMOS圖像傳感器中實(shí)現(xiàn)TDI的電路及方法，所述電路包括像素陣列、MOS管、采樣電容、運(yùn)放、列總線和多個積分器并聯(lián)組成 的積分器陣列，每個積分器包括第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)、第四開關(guān)、第五開關(guān)和積 分電容；所述像素陣列通過所述列總線分別和所述采樣電容的一端、所述MOS管的源極相 連；所述MOS管的柵極接偏置電壓；所述MOS管的漏極接地；所述采樣電容的另一端分別和 所述運(yùn)放的負(fù)極性端、所述第一開關(guān)的一端相連；所述運(yùn)放的正極性端接參考電壓；所述 第一開關(guān)的另一端分別和所述第二開關(guān)的一端、所述第四開關(guān)的一端相連；所述第二開關(guān)的另一端分別和所述第三開關(guān)的一端、所述第五開關(guān)的一端相連；所述第三開關(guān)的另一端 和所述運(yùn)放的輸出端相連；所述第四開關(guān)的另一端和所述積分電容的一端相連；所述積分 電容的另一端和所述第五開關(guān)的另一端相連。 對應(yīng)于每一幀圖像，所述像素陣列中的像素單元與所述積分器陣列中的積分單元 一一對應(yīng)，所述積分器陣列中的每個積分器對不同幀圖像中的同一目標(biāo)的電壓進(jìn)行累加。
所述方法包括采樣處理和積分處理；所述采樣處理為像素陣列對被測物進(jìn)行拍攝，得到第一幀圖像，第一開關(guān)、第二開 關(guān)、第三開關(guān)、第四開關(guān)和第五開關(guān)閉合，積分電容上的電荷被清零，采樣電容對第一行的 復(fù)位電壓進(jìn)行采樣，所述采樣電容上存儲的電荷Qcs為: 其中，Vfpn為像素單元引入的固定模式噪聲的等效電壓值、Vref為參考電壓、V tl為 第一行的復(fù)位電壓、A為運(yùn)放的增益、Cs為采樣電容；所述積分處理為所述第一開關(guān)、所述第三開關(guān)、所述第四開關(guān)和所述第五開關(guān)閉 合，所述第二開關(guān)斷開，所述采樣電容上存儲的電荷Qcs'為 其中，Vsigl為像素陣列輸出的第一行經(jīng)積分后的電壓、Voutl為積分器Il的輸出電 壓；所述積分電容上存儲的電荷Qc11'為
，其中，C11 為積分電容； 所述采樣處理和所述積分處理轉(zhuǎn)換期間X點(diǎn)的電荷不變，當(dāng)運(yùn)放的增益A為無窮 大時，得出 被測物和所述像素陣列相對移動，所述像素陣列得到第二幀圖像，積分器12在進(jìn) 行第二次積分之前所述積分電容上的電荷被清零，所述積分器Il的輸出為V。utl+v。utl2，其中 Voutl2為第二幀增量，所述積分器12的輸出電壓為 其中，Vrst2為第二行的復(fù)位電壓、Vsig2為像素陣列輸出的第二行經(jīng)積分后的電壓， 經(jīng)第η幀圖像信號的處理，所述積分器Il的輸出為V。utl+V。utl2+ "V。utln。本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是通過上述電路和具體的方法，實(shí)現(xiàn)了對電壓的累加，滿足了實(shí)際應(yīng)用中的需要，擴(kuò) 大了 CMOS圖像傳感器的應(yīng)用范圍，本技術(shù)可直接應(yīng)用于線陣CMOS圖像傳感器中，特別適合 于低照度和運(yùn)動物體的拍攝場合。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)提供的CXD-TDI的工作原理示意圖；圖2是本發(fā)明提供的電路結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明提供的像素陣列和積分器陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明提供的積分陣列中的積分單元對同一目標(biāo)進(jìn)行累加的示意圖；圖5是本發(fā)明提供的被測物_像素陣列_積分陣列的對應(yīng)關(guān)系。附圖中，各標(biāo)號所代表的部件列表如下1 像素陣列；2 =MOS管；3 運(yùn)放；4 積分器陣列；5 列總線；Il-In 積分器；41 第一開關(guān)；42 第二開關(guān)；43 第三開關(guān)；44 第四開關(guān)；45 第五開關(guān)。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施方 式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。為了實(shí)現(xiàn)在CMOS圖像傳感器中較好地實(shí)現(xiàn)TDI技術(shù)，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種在 CMOS圖像傳感器中實(shí)現(xiàn)TDI的電路，參見圖2，詳見下文描述該電路包括像素陣列1、MOS管2、采樣電容Cs、運(yùn)放3、列總線5和多個積分器 Il-In并聯(lián)組成的積分器陣列4，每個積分器包括第一開關(guān)41、第二開關(guān)42、第三開關(guān)43、 第四開關(guān)44、第五開關(guān)45和積分電容；像素陣列1通過列總線5分別和采樣電容Cs的一端、MOS管2的源極相連；MOS管 2的柵極接偏置電壓；MOS管2的漏極接地；采樣電容Cs的另一端分別和運(yùn)放3的負(fù)極性 端、第一開關(guān)41的一端相連；運(yùn)放3的正極性端接參考電壓；第一開關(guān)41的另一端分別和 第二開關(guān)42的一端、第四開關(guān)44的一端相連；第二開關(guān)42的另一端分別和第三開關(guān)43的 一端、第五開關(guān)45的一端相連；第三開關(guān)43的另一端和運(yùn)放3的輸出端相連；第四開關(guān)44 的另一端和積分電容的一端相連；積分電容的另一端和第五開關(guān)45的另一端相連。其中，MOS管2為列共享偏置管，提供偏置電流。參見圖3，對應(yīng)于每一幀圖像，像素陣列1中的像素單元與積分器陣列4中的積 分單元一一對應(yīng)；積分器陣列4中的每個積分器對不同幀圖像中的同一目標(biāo)的電壓進(jìn)行累 加，經(jīng)過對η幀圖像中的同一目標(biāo)的電壓累加處理，實(shí)現(xiàn)了對同一目標(biāo)的η次電壓累加。參 見圖4，被測物沿圖3中的移動方向移動，在不同的時刻，相鄰幀中同一目標(biāo)被像素陣列1中 的不同的像素單元所采集，積分陣列中4的積分單元與探測相鄰幀中的同一目標(biāo)的像素單 元對應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)對同一目標(biāo)的電壓累加。為了實(shí)現(xiàn)在CMOS圖像傳感器中較好地實(shí)現(xiàn)TDI技術(shù)，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種用 于在CMOS圖像傳感器中實(shí)現(xiàn)TDI的電路的方法，結(jié)合圖5進(jìn)行分析，以積分器Il為例，對 該方法進(jìn)行說明，其中，11-18為列積分器陣列、P1-P8為列像素陣列、Al-An為被測物；本方法主要包括采樣處理和積分處理，具體描述參見下文；一、采樣處理在積分器Il的采樣階段，像素陣列1對被測物進(jìn)行拍攝，得到第一幀圖像，第一開 關(guān)41、第二開關(guān)42、第三開關(guān)43、第四開關(guān)44和第五開關(guān)45閉合，積分電容C11上的電荷 被清零，像素陣列1輸出的第一行的復(fù)位電壓為Vretl，采樣電容Cs對第一行的復(fù)位電壓V tl 進(jìn)行采樣，采樣電容Cs上存儲的電荷Qfe為
其中，Vfpm為像素單元引入的固定模式噪聲的等效電壓值、Vref為參考電壓、V tl為 像素陣列1輸出的第一行的復(fù)位電壓、A為積分器中運(yùn)放的增益。二、積分處理在積分器Il的積分階段，第一開關(guān)41、第三開關(guān)43、第四開關(guān)44和第五開關(guān)45 閉合，第二開關(guān)42斷開，采樣電容Cs上存儲的電荷QCs’為 其中，Vsigl為像素陣列輸出的第一行經(jīng)積分后的電壓、Voutl為積分器Il的輸出電 壓。積分電容C11上存儲的電荷Qc11'為 由于本發(fā)明實(shí)施例提供的電路在采樣處理和積分處理的轉(zhuǎn)換期間X點(diǎn)的電荷保 持不變，因此， 將采樣處理中的采樣電容Cs上存儲的電荷Q&、積分處理中的采樣電容Cs上存儲 的電荷Qcs’和積分電容C11上存儲的電荷Qcii’代入到公式(4)中，整理得到 當(dāng)運(yùn)放的增益A為無窮大時，則式(5)可以簡化為 從公式(6)中可以得出不含固定模式噪聲等效電壓值Vfpn，即通過積分器的雙采 樣，消除了信號中所攜帶的由像素單元引入的固定模式噪聲，并且將電壓(\stl-Vsigl)放大
了力倍。被測物Al和像素陣列1相對移動，像素陣列1得到第二幀圖像，重復(fù)執(zhí)行上述的 采樣處理和積分處理，積分器12在進(jìn)行第二次積分之前積分電容C11上的電荷被清零，積分 器Il的輸出為V。utl+V。utl2，其中V。utl2為第二幀增量，積分器12的輸出電壓為 其中，V t2為第二行的復(fù)位電壓、Vsig2為像素陣列輸出的第二行經(jīng)積分后的電壓、 C12為積分電容，其中，v。utl2和v。ut2的獲取參見上述的執(zhí)行過程，在此不再贅述。像素陣列1對被測物進(jìn)行拍攝，得到第一幀圖像，積分器陣列4中的積分器Il-In對像素陣列1每一行輸出的圖像信號進(jìn)行采樣處理和積分處理，第一幀的圖像信號處理完 畢，積分器陣列4中的積分器Il的輸出是被測物Al經(jīng)列像素Pl的1次積分后的電壓，這 時積分器12-積分器In的輸出為無效的電壓，即輸出為O ；被測物Al和像素陣列1相對移 動，像素陣列1得到第二幀圖像，經(jīng)積分器陣列4中的采樣處理和積分處理，積分器Il的 輸出是被測物Al經(jīng)2次積分(分別為Pl和P2的積分)累加后的電壓；積分器12在進(jìn)行 第二次積分之前積分電容C11上的電荷被清零，因此積分器12的輸出是被測物A2經(jīng)列像 素Pl的1次積分的電壓，積分器13-積分器In的輸出是無效的電壓，即輸出為O ；同理，采 用同樣的處理方式，經(jīng)過η幀信號的處理，積分器Il的輸出為被測物Al經(jīng)過η次積分累加 后的電壓，再經(jīng)過第η+1幀信號的處理，積分器12的輸出為被測物Α2經(jīng)過η次積分累加的 電壓。以此類推，每經(jīng)過一幀圖像的處理時間，積分器依次輸出被測物經(jīng)η次積分累加的電 壓。實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)過TDI的處理，積分器Il-In的輸出都是經(jīng)過η次累加的結(jié)果，在具體 應(yīng)用中，會對積分器周期性清零，以重新進(jìn)行累加，在累加的過程中，電壓是線性累加，噪聲 是平方根累加，因此經(jīng)積分累加后，信噪比也得到了提高。
S卩，默認(rèn)積分器陣列中的所有積分器的初始輸出為零，經(jīng)第一幀圖像信號的處理， 積分器Ii輸出的電壓為v。utl，經(jīng)第二幀圖像信號的處理，積分器Il的輸出為V。utl+v。utl2， 經(jīng)第三幀圖像信號的處理，積分器Ii的輸出為V。utl(第一幀輸出)+v。utl2(第二幀增 量)+v。utl3 (第三幀增量)，經(jīng)第η幀圖像信號的處理，積分器11的輸出為V。utl+V。utl2+···V。utln。綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種在CMOS圖像傳感器中實(shí)現(xiàn)TDI的電路及方 法，通過上述電路和具體的方法，實(shí)現(xiàn)了對電壓的累加，滿足了實(shí)際應(yīng)用中的需要；由于 CMOS-TDI在應(yīng)用時需要配合像素陣列和被測物的相對運(yùn)動，通過對像素輸出信號進(jìn)行多次 累加，可有效提高信噪比，因此本發(fā)明實(shí)施例提供的電路及方法還特別適合于低照度和運(yùn) 動物體的拍攝場合。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個優(yōu)選實(shí)施例的示意圖，上述本發(fā)明實(shí)施例 序號僅僅為了描述，不代表實(shí)施例的優(yōu)劣。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和 原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種在CMOS圖像傳感器中實(shí)現(xiàn)TDI的電路，其特征在于，所述電路包括像素陣列、MOS管、采樣電容、運(yùn)放、列總線和多個積分器并聯(lián)組成的積分器陣列，每個積分器包括第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)、第四開關(guān)、第五開關(guān)和積分電容；所述像素陣列通過所述列總線分別和所述采樣電容的一端、所述MOS管的源極相連；所述MOS管的柵極接偏置電壓；所述MOS管的漏極接地；所述采樣電容的另一端分別和所述運(yùn)放的負(fù)極性端、所述第一開關(guān)的一端相連；所述運(yùn)放的正極性端接參考電壓；所述第一開關(guān)的另一端分別和所述第二開關(guān)的一端、所述第四開關(guān)的一端相連；所述第二開關(guān)的另一端分別和所述第三開關(guān)的一端、所述第五開關(guān)的一端相連；所述第三開關(guān)的另一端和所述運(yùn)放的輸出端相連；所述第四開關(guān)的另一端和所述積分電容的一端相連；所述積分電容的另一端和所述第五開關(guān)的另一端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在CMOS圖像傳感器中實(shí)現(xiàn)TDI的電路，其特征在于，對應(yīng)于 每一幀圖像，所述像素陣列中的像素單元與所述積分器陣列中的積分單元一一對應(yīng)，所述 積分器陣列中的每個積分器對不同幀圖像中的同一目標(biāo)的電壓進(jìn)行累加。
3.一種用于權(quán)利要求1所述的在CMOS圖像傳感器中實(shí)現(xiàn)TDI的電路的方法，其特征在 于，所述方法包括采樣處理和積分處理；所述采樣處理為像素陣列對被測物進(jìn)行拍攝，得到第一幀圖像，第一開關(guān)、第二開關(guān)、 第三開關(guān)、第四開關(guān)和第五開關(guān)閉合，積分電容上的電荷被清零，采樣電容對第一行的復(fù)位 電壓進(jìn)行采樣，所述采樣電容上存儲的電荷Qcs為 f αΛ 其中，Vfpn為像素單元引入的固定模式噪聲的等效電壓值、Vrrf為參考電壓、Vrstl為第一 行的復(fù)位電壓、A為運(yùn)放的增益、Cs為采樣電容；所述積分處理為所述第一開關(guān)、所述第三開關(guān)、所述第四開關(guān)和所述第五開關(guān)閉合，所 述第二開關(guān)斷開，所述采樣電容上存儲的電荷Qcs’為 其中，Vsigl為像素陣列輸出的第一行經(jīng)積分后的電壓、V。utl為積分器Il的輸出電壓；所述積分電容上存儲的電荷Qc1/為 其中，C11 為積分電容； \ ^ J所述采樣處理和所述積分處理的轉(zhuǎn)換期間X點(diǎn)的電荷不變，當(dāng)運(yùn)放的增益A為無窮大 時，得出 被測物和所述像素陣列相對移動，所述像素陣列得到第二幀圖像，積分器12在進(jìn)行第 二次積分之前所述積分電容上的電荷被清零，所述積分器Il的輸出為V。utl+V。utl2，其中V。utl2 為第二幀增量，所述積分器12的輸出電壓為 其中，為第二行的復(fù)位電壓、Vsig2為像素陣列輸出的第二行經(jīng)積分后的電壓、C12為 積分電容，經(jīng)第η幀圖像信號的處理，所述積分器Il的輸出為V。utl+V。utl2+ "V。utln。
全文摘要
在CMOS圖像傳感器中實(shí)現(xiàn)TDI的電路及方法，涉及模擬集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，包括像素陣列、MOS管、采樣電容、運(yùn)放、列總線和多個積分器并聯(lián)組成積分器陣列，積分器包括第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)、第四開關(guān)、第五開關(guān)和積分電容；像素陣列通過列總線分別和采樣電容一端、MOS管源極相連；MOS管柵極接偏置電壓；MOS管漏極接地；采樣電容另一端分別和運(yùn)放負(fù)極性端、第一開關(guān)一端相連；運(yùn)放正極性端接參考電壓；第一開關(guān)另一端分別和第二開關(guān)一端、第四開關(guān)一端相連；第二開關(guān)另一端分別和第三開關(guān)一端、第五開關(guān)一端相連；第三開關(guān)另一端和運(yùn)放輸出端相連；第四開關(guān)另一端和積分電容一端相連；積分電容另一端和第五開關(guān)另一端相連。
文檔編號H04N5/335GK101883221SQ201010212289
公開日2010年11月10日 申請日期2010年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月29日
發(fā)明者史再峰, 葉穎聰, 徐江濤, 高靜 申請人:天津大學(xué)