原標題：一種基于運放失調(diào)補償?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，列級讀出電路之間的差異會引入固定模式噪聲（FPN）。相關(guān)雙采樣（CDS）技術(shù)雖能有效消除低頻噪聲，但電路中的運放自身失調(diào)電壓會引入新的固定模式噪聲。為此，本文提出了一種基于運放失調(diào)補償?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、電路設計

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、復位開關(guān)、運算放大器和單位增益緩沖器。

• 功能：對傳感器輸出的微弱電流信號進行積分放大，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，以適應不同的光照環(huán)境。

• 運算放大器：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)存儲電路。

• 功能：通過對復位電平和信號電平進行兩次采樣，消除像素的復位噪聲、1/f噪聲和像素內(nèi)的固定模式噪聲。

• 關(guān)鍵步驟：

• 復位采樣：對復位信號進行采樣，存儲在電容上。

• 信號采樣：對積分后的信號進行采樣。

• 信號相減：將信號電平與復位電平相減，得到去噪聲的有效信號。

三、運放失調(diào)補償技術(shù)

1. 失調(diào)電壓存儲

• 原理：在復位相時，運算放大器連接成單位增益負反饋形式，失調(diào)電壓存儲在負輸入端的電容上。

• 實現(xiàn)：通過采樣開關(guān)和復位開關(guān)的時序控制，將失調(diào)電壓存儲在電容上。

2. 失調(diào)電壓補償

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

• 實現(xiàn)：通過接地開關(guān)的閉合，完成積分信號和復位信號的相減，得到補償后的輸出電壓。

四、電路仿真與驗證

• 仿真條件：采用GSMC 0.13μm標準CMOS工藝，仿真溫度為300K，電源電壓為3.3V，地電壓為0V，積分時間為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償運放的失調(diào)電壓。

• 噪聲抑制效果：電路對CMOS圖像傳感器自身的噪聲及積分放大電路的低頻噪聲進行了有效抑制，進一步降低了相關(guān)雙采樣電路的低頻噪聲。

五、創(chuàng)新點與優(yōu)勢

• 創(chuàng)新點：

• 提出了一種基于運放失調(diào)補償?shù)南嚓P(guān)雙采樣電路，通過存儲和補償運放失調(diào)電壓，降低了固定模式噪聲。

• 設計了可調(diào)節(jié)的積分電容值，以適應不同的光照環(huán)境，提高了電路的靈活性和適應性。

• 優(yōu)勢：

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

• 高精度：通過運放失調(diào)補償技術(shù)，提高了讀出電路的精度和穩(wěn)定性。

• 低功耗：采用低功耗的運算放大器和積分電容，降低了電路的整體功耗。

六、應用前景

該電路適用于手機、視頻監(jiān)控、空間探測等圖像市場，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

本文提出的基于運放失調(diào)補償?shù)腃MOS傳感讀出電路，通過創(chuàng)新的設計和優(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，具有廣闊的應用前景。