大動(dòng)態(tài)范圍數(shù)字化像素單元

作者 陳同少 電子科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院(四川 成都 610054)

　　陳同少(1991-)，男，碩士生，研究方向：SoC/SIP系統(tǒng)芯片技術(shù)。

摘要：紅外焦平面成像電路可將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再通過(guò)電路處理，轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)圖像，其包含探測(cè)電路、讀出電路、信號(hào)處理電路，探測(cè)電路和讀出電路構(gòu)成像素單元。電容反饋跨阻抗放大電路(CTIA ROIC)由于注入效率比較高，還能為探測(cè)器提供穩(wěn)定的偏置電壓，輸出信號(hào)的線性也很好，常被應(yīng)用做讀出電路像素單元。傳統(tǒng)的像素單元由于動(dòng)態(tài)范圍(最大可探測(cè)信號(hào)與最小可探測(cè)信號(hào)比值)限制，很難在環(huán)境光強(qiáng)變化較大的場(chǎng)景使用，往往需要進(jìn)行對(duì)動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行增大。本文設(shè)計(jì)一種在探測(cè)電路中加入補(bǔ)償電流方式，使光強(qiáng)較弱時(shí)也能進(jìn)行探測(cè)，增大了動(dòng)態(tài)范圍，本設(shè)計(jì)基于CSMC 0.5 μm工藝，通過(guò)Spectre仿真工具進(jìn)行仿真與驗(yàn)證。

0 引言

　　CMOS圖像傳感及其焦平面成像技術(shù)，因其功耗低、成本低、光譜靈敏度高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于空間遙感和天文物理等領(lǐng)域^[1-2]。紅外焦平面成像電路包括：光電探測(cè)器、讀出電路、信號(hào)處理電路^[3]。一般原理是光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再由讀出電路對(duì)電信號(hào)進(jìn)行積分放大、采樣輸出，然后由模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC等信號(hào)處理模塊進(jìn)行量化處理^[4]。讀出電路一般是將探測(cè)器產(chǎn)生的光電信號(hào)在電容上進(jìn)行積分，輸出以電壓的形式傳給后續(xù)信號(hào)處理電路。傳統(tǒng)的讀出電路是在固定時(shí)間內(nèi)完成對(duì)光信號(hào)的積分，積分完成后通過(guò)采樣開(kāi)關(guān)將積分電壓信號(hào)進(jìn)行采樣、保持。當(dāng)探測(cè)信號(hào)背景光強(qiáng)變化較大的，會(huì)出現(xiàn)兩種情況：強(qiáng)光信號(hào)在極短時(shí)間內(nèi)即可積分到截止電壓;弱光信號(hào)積分完成時(shí)積分電壓很小，不足以達(dá)到后續(xù)電路的采集或者后續(xù)電路要求很高精度。為達(dá)到不同環(huán)境背景下探測(cè)成像的要求，讀出電路動(dòng)態(tài)范圍要大。一般圖像傳感電路動(dòng)態(tài)范圍，即輸出的最大可探測(cè)信號(hào)與最小可探測(cè)信號(hào)之比^[5]，與積分時(shí)間，積分飽和電壓，積分電容以及積分時(shí)間均有關(guān)。數(shù)字化后所需的數(shù)字位數(shù)越多，對(duì)應(yīng)的圖像傳感電路動(dòng)態(tài)范圍越大。

　　目前廣泛應(yīng)用的擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍的方式有自適應(yīng)改變積分電容和強(qiáng)光下多次重置輸出電壓并計(jì)數(shù)方式^[6]，同時(shí)，一些噪聲消除技術(shù)也被應(yīng)用在讀出電路中來(lái)增強(qiáng)弱背景下的光強(qiáng)探測(cè)^[7]。由于改變積分電容方式增加積分電容個(gè)數(shù)及容值^[8]，像素面積會(huì)相應(yīng)增加較大，不利于像素的集成;多次重置技術(shù)僅提高了強(qiáng)光背景下的光強(qiáng)探測(cè)，沒(méi)有對(duì)弱光探測(cè)進(jìn)行增強(qiáng);噪聲消除技術(shù)僅對(duì)弱光探測(cè)進(jìn)行了提高。本文針對(duì)弱光背景下積分電壓未能達(dá)到閾值電壓情況，通過(guò)增加補(bǔ)償電流源的方式，使其在積分完成前達(dá)到閾值電壓，同時(shí)通過(guò)數(shù)字化讀出電壓的處理，分離出光生電流信號(hào)。對(duì)于強(qiáng)光背景下的光強(qiáng)探測(cè)，也進(jìn)行補(bǔ)償，同樣通過(guò)數(shù)字化讀出電壓信號(hào)，將強(qiáng)光信號(hào)分離出來(lái)，增大了讀出電路的動(dòng)態(tài)范圍。

1 大動(dòng)態(tài)范圍數(shù)字化像素原理及電路設(shè)計(jì)

　　動(dòng)態(tài)范圍增強(qiáng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于不同環(huán)境下探測(cè)光強(qiáng)變化較大的場(chǎng)景^[9-11]。不同光強(qiáng)背景下的電流補(bǔ)償技術(shù)主要是針對(duì)數(shù)字化像素中未能達(dá)到閾值電壓的弱光信號(hào)無(wú)法探測(cè)的缺陷，通過(guò)補(bǔ)償方式使積分電壓在積分完成前達(dá)到閾值電壓，通過(guò)數(shù)字化計(jì)數(shù)，可得到光生電流與補(bǔ)償電流大小之和，再通過(guò)后續(xù)信號(hào)處理電路將補(bǔ)償電流減去，得到探測(cè)電流大小。數(shù)字化電路計(jì)數(shù)頻率越大，比較器精度越高，可探測(cè)光強(qiáng)動(dòng)態(tài)范圍越大且精度越高^[10-12]。

　　1.1 基本原理

　　如圖1(a)是含有探測(cè)電路的CTIA型讀出電路的基本架構(gòu)^[3,10]。該電路包含光電二極管Det組成的探測(cè)電路，運(yùn)放apm及連接運(yùn)放負(fù)輸入端和輸出端的重置開(kāi)關(guān)k1和跨阻負(fù)反饋電容C組成的讀出電路。運(yùn)放正向輸入端提供固定電壓Vcom，由于運(yùn)放共模特性，負(fù)向輸入端電壓Vn=Vcom，為光電探測(cè)器提供偏置電壓，同時(shí)為輸出電壓提供重置電壓。s1為開(kāi)關(guān)k1控制信號(hào)，在探測(cè)開(kāi)始前閉合對(duì)運(yùn)放輸出電壓重置到Vout1=Vcom，探測(cè)開(kāi)始時(shí)s1信號(hào)控制k1斷開(kāi)，探測(cè)器Det將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)Id，光生電流在電容C上進(jìn)行積分，運(yùn)放輸出電壓隨著積分時(shí)間變化而變化。圖1(b)是積分讀出電壓Vout1在不同光強(qiáng)下隨時(shí)間的變化情況，線③為強(qiáng)光時(shí)的變化，線②為中等光強(qiáng)的變化情況，線①為弱光強(qiáng)的變化情況，由圖可以看出當(dāng)光強(qiáng)大于線②積分所探測(cè)的光強(qiáng)時(shí)，輸出電壓在積分完成前能達(dá)到比較電壓Vref，可進(jìn)行數(shù)字化;當(dāng)光強(qiáng)小于線②所探測(cè)的光強(qiáng)時(shí)，如線①的情況，讀出電壓未能達(dá)到比較閾值電壓Vref，數(shù)字化計(jì)數(shù)結(jié)果錯(cuò)誤，所以光強(qiáng)小于線②探測(cè)的光強(qiáng)時(shí)不能進(jìn)行探測(cè)，大大降低了讀出電路的動(dòng)態(tài)范圍。

2 提高動(dòng)態(tài)范圍技術(shù)

　　如圖2(a)是含補(bǔ)償電流源的探測(cè)讀出電路的基本構(gòu)成。在原有探測(cè)讀出電路基礎(chǔ)上，在探測(cè)電路中加入由信號(hào)s2控制開(kāi)關(guān)k2控制的補(bǔ)償電流源Icp，補(bǔ)償電流大小為Icp≥C*(Vcom-Vref)/Tmax。當(dāng)Icp= C*(Vcom-Vref)/Tmax時(shí)，Vout1變化如圖2(b)中線①所示，當(dāng)加入補(bǔ)償電流源后，電容C上的積分電流總大于圖2(b)中線①所對(duì)應(yīng)的積分電流，即補(bǔ)償電流Icp，讀出電壓Vout1的變化為圖2(b)中線②③所示，不會(huì)出現(xiàn)圖1(b)中線①的情況，即讀出電壓Vout1總能在積分完成前達(dá)到比較閾值電壓Vref，從理論上看，全光強(qiáng)背景下的光生電流都能夠被探測(cè)到，只要數(shù)字化精度夠，所有光強(qiáng)都會(huì)被量化，動(dòng)態(tài)范圍被增大。

3 整體電路設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)的大動(dòng)態(tài)范圍數(shù)字化單元，整體電路圖如圖3所示。包含探測(cè)補(bǔ)償電路，讀出電路和數(shù)字化電路。數(shù)字化電路部分包含比較器cmp，一個(gè)與以及一個(gè)經(jīng)計(jì)數(shù)器，是將讀出電壓Vout1進(jìn)行時(shí)間數(shù)字化處理，讀出電壓經(jīng)過(guò)比較器cmp的正向輸入端，與負(fù)向輸入端的固定比較電壓Vref進(jìn)行比較，同時(shí)比較器由信號(hào)s1控制清零。比較器輸出信號(hào)接入與門(mén)與基礎(chǔ)時(shí)鐘信號(hào)相與后傳入計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器重置由信號(hào)s1控制，即在積分開(kāi)始時(shí)對(duì)比較器與基礎(chǔ)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行相與后的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)Vout為計(jì)數(shù)的脈沖個(gè)數(shù)，Cout為計(jì)數(shù)器溢出信號(hào)。

　　如圖4 所示，顯示了不同光強(qiáng)背景下電路各部分的輸出信號(hào)，即不同探測(cè)光強(qiáng)環(huán)境，光生電流不同，根據(jù)電流積分轉(zhuǎn)換為電壓公式Id*T=C*?V，則積分輸出電壓從Vcom積分到Vref的時(shí)間不同，比較器cmp輸出端Vout2維持高電平的時(shí)間不同，與基礎(chǔ)時(shí)鐘相與后，輸出信號(hào)Vout3含有脈沖的時(shí)間不同，即傳入計(jì)數(shù)器單元的脈沖個(gè)數(shù)不同。時(shí)間數(shù)字化處理就是將不同光強(qiáng)下達(dá)到比較閾值電壓的時(shí)間快慢轉(zhuǎn)換為脈沖個(gè)數(shù)，如圖4中的Vout1、Vout2及Vout3對(duì)應(yīng)的①②③不同光強(qiáng)下對(duì)應(yīng)的不同信號(hào)。

4 數(shù)字化結(jié)果分析

　　由于加入了補(bǔ)償電流，所以脈沖計(jì)數(shù)所計(jì)算對(duì)應(yīng)的電流大小包含了光生電流和補(bǔ)償電流。我們需分離出光生電流的大小，才能得出對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)。由于不同光電流下讀出電壓Vout1達(dá)到Vref時(shí)間不同，則補(bǔ)償電流有效積分時(shí)間不同，如圖5所示，分別對(duì)應(yīng)圖4不同光強(qiáng)下的輸出信號(hào)情況。不同光強(qiáng)下得到的脈沖計(jì)數(shù)值不同，忽略暗電流的影響，無(wú)光背景下僅有補(bǔ)償電流積分，積分到Tmax達(dá)到Vref，即?V=Vcom-Vref。數(shù)字化所得計(jì)數(shù)值Vout為N1，中等光強(qiáng)下光電流與補(bǔ)償電流一起進(jìn)行積分，數(shù)字化計(jì)數(shù)值為N2，強(qiáng)光背景下光生電流很大，與補(bǔ)償電流一起進(jìn)行積分，很短時(shí)間內(nèi)即可積分到Vref。假設(shè)所用基礎(chǔ)時(shí)鐘clk的頻率為fclk，那么以中等光強(qiáng)環(huán)境下探測(cè)為例，根據(jù)數(shù)字化計(jì)數(shù)值N2的大小可計(jì)算出光生電流的大小。由電流在電容上的積分公式為：

其中，?V=Vcom-Vref，C為跨阻負(fù)反饋積分電容C的容值大小，Icp為補(bǔ)償電流大小。

5 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了一種大動(dòng)態(tài)范圍像素單元電路。通過(guò)分析及仿真結(jié)果可看出，本文所設(shè)計(jì)的通過(guò)電流源補(bǔ)償方式，結(jié)合讀出信號(hào)的數(shù)字化處理來(lái)提高動(dòng)態(tài)范圍的方式，有效提高了弱背景環(huán)境下的光強(qiáng)探測(cè)，提高了動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)電路也可加入強(qiáng)光脈沖計(jì)數(shù)的方式，使得強(qiáng)光背景與弱光背景下的光強(qiáng)探測(cè)動(dòng)態(tài)范圍得到極大的提高，本文同時(shí)加入了光電流計(jì)算方式，為后續(xù)信號(hào)處理算法提供了方便。

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第9期第67頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。