用于數(shù)字圖像傳感器的脈沖寬度調(diào)制讀出方法研究*

劉慧穎，李斌橋，高志遠(yuǎn)，姚素英

(天津大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津300072)

0 引 言

數(shù)字像素圖像傳感器是一種在像素內(nèi)部實(shí)現(xiàn)A/D 轉(zhuǎn)換的圖像傳感器，它能夠改善由于工藝尺寸的減小導(dǎo)致的噪聲上升和電源電壓降低對(duì)圖像傳感器的影響。現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)數(shù)字像素共有三種方式，分別是脈沖寬度調(diào)制(PWM)［1］、脈 沖 頻 率 調(diào) 制(PFM)［2］和 地 址 事 件 表 示 法(AER)［3～5］。其中，PWM 將光強(qiáng)信息轉(zhuǎn)換為時(shí)域內(nèi)的信息，減小了電路中的噪聲對(duì)信號(hào)的影響，同時(shí)保持適當(dāng)?shù)墓暮碗娐访娣e。然而，由于像素內(nèi)存儲(chǔ)位數(shù)的限制，PWM的動(dòng)態(tài)范圍受到很大的限制。在固定幀頻的情況下，弱光照信號(hào)的探測(cè)受到了很大的影響。

本文提出了一種自適應(yīng)參考電壓數(shù)字像素圖像傳感器，并設(shè)計(jì)了一種2 次曝光的工作方式，使其動(dòng)態(tài)范圍在原有基礎(chǔ)上擴(kuò)大了2 倍。

1 自適應(yīng)參考電壓數(shù)字像素的基本結(jié)構(gòu)和原理

由于在空間上相鄰的像素間的光強(qiáng)具有連續(xù)性，所以，距離較近的像素使用同一個(gè)參考電壓能夠解決固定參考電壓帶來(lái)的動(dòng)態(tài)范圍不足的問(wèn)題。如圖1 中所示，基于典型PWM 型數(shù)字像素陣列，將其分成大小相同的塊，每個(gè)像素塊含N 個(gè)像素，每個(gè)像素塊設(shè)置一個(gè)參考電壓產(chǎn)生模塊，這種結(jié)構(gòu)的參考電壓能根據(jù)周?chē)鈴?qiáng)情況浮動(dòng)。

以2×2 的像素塊為例，工作時(shí)序如圖2 所示。完整的工作模式包括2 次曝光。第二次曝光時(shí)間是第一次曝光時(shí)間的2 倍。設(shè)第一次曝光時(shí)間為T(mén)int/2，則第二次曝光的時(shí)間為T(mén)int。

圖1 自適應(yīng)參考電壓數(shù)字像素電路結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Structure of digital pixel circuit with self-adaptive reference voltage

第一次曝光開(kāi)始時(shí)，像素陣列復(fù)位，S，S1，S2開(kāi)關(guān)閉合。此時(shí)像素塊內(nèi)N 個(gè)光電二極管的CPD和采樣電容CH并聯(lián)一起，第一次曝光結(jié)束后，CPD結(jié)點(diǎn)上的電壓作為第二次曝光電壓的參考電壓，并通過(guò)列級(jí)AD 輸出。對(duì)于一個(gè)含有N 個(gè)像素的像素塊，CPD結(jié)點(diǎn)上的電壓VN_PD可表示為

其中，Vrst為像素復(fù)位電壓，IN為光電流，為像素塊內(nèi)平均光電流，ΔV 為列級(jí)ADC 的量化單位，n1為第一次量化的數(shù)字值。第二次曝光開(kāi)始時(shí)，像素陣列復(fù)位同時(shí)計(jì)數(shù)器復(fù)位。S3開(kāi)關(guān)閉合，其他開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。VN_PD作為第二次曝光時(shí)比較器的參考電壓。第二次曝光階段，第N 個(gè)像素量化的時(shí)間值為

其中，Δt 為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)間隔，n2為時(shí)間信息量化的數(shù)字值?？梢钥闯鰐PWM是和像素塊內(nèi)平均光電流相關(guān)的。

n1，n2均和光強(qiáng)呈反比。設(shè)Vrange為電壓量化的范圍，為了得到正相關(guān)的輸出，分別用來(lái)表示，并減去平均電流第二步曝光的量化時(shí)間值Tint/(2Δt)，那么，光強(qiáng)的總輸出可表示為

圖2 工作時(shí)序圖Fig 2 Timing sequence diagram

設(shè)Vmax，Vmin分別是比較器能工作的最大電壓和最小電壓。k1，k2分別為電壓量化和時(shí)間量化的精度。Vref-max為第二次曝光所能達(dá)到的最大參考電壓，可以由下式來(lái)表示

如圖3 所示，這種結(jié)構(gòu)能探測(cè)的最小光強(qiáng)是以Vref-max做參考電壓時(shí)，在第二階段結(jié)束時(shí)到達(dá)參考電壓的光電流?？商綔y(cè)的最大光強(qiáng)是以Vmin作為參考電壓時(shí)，在一個(gè)時(shí)間量化單位結(jié)束時(shí)到達(dá)參考電壓的光電流。因此，動(dòng)態(tài)范圍可表示為

而使用固定參考電壓的典型數(shù)字像素的動(dòng)態(tài)范圍為

圖3 動(dòng)態(tài)范圍分析Fig 3 Analysis of dynamic range

2 仿真結(jié)果

使用本文提出的自適應(yīng)參考電壓的方法和固定參考電壓同時(shí)對(duì)原始圖像進(jìn)行處理。結(jié)果如圖4 所示，可以看出采用自適應(yīng)參考電壓方法對(duì)圖像的還原度優(yōu)于采用固定參考電壓的方法，光強(qiáng)值分布也最接近原始圖像。

圖4 仿真效果圖Fig 4 Effects of simulation

3 像素塊內(nèi)誤差分析

3.1 噪聲分析

電路中的誤差會(huì)轉(zhuǎn)換為時(shí)域上的誤差最終體現(xiàn)在電路輸出上。像素塊內(nèi)噪聲包括散粒噪聲，開(kāi)關(guān)、參考電壓產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的熱噪聲和閃爍噪聲。散粒噪聲可表示為

其中，Iph和Idark分別為光電二極管的光電流和暗電流。在第一次曝光時(shí)，參考電壓模塊噪聲等效電路如圖5 所示。

圖5 第一次曝光時(shí)參考電壓模塊噪聲等效電路Fig 5 Equivalent noise circuit of reference voltage module during the first exposure

其中，Cin為比較器的輸入電容，gm12為運(yùn)放的輸入管跨導(dǎo)，Ron為開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻。第二次曝光時(shí)，開(kāi)關(guān)S3產(chǎn)生的噪聲可忽略［6］。只需計(jì)算運(yùn)放在輸出端產(chǎn)生的噪聲即可

所以，參考電壓產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的總噪聲對(duì)tPWM的誤差可以表示為

3.2 采樣電容的誤差分析

由于在第一次曝光時(shí)，采樣電容CH與像素塊內(nèi)其他光電二極管電容并聯(lián)，其大小會(huì)影響參考電壓的精確度，從而影響第二階段曝光的數(shù)字輸出值。定義輸出偏差ε 來(lái)表征電路實(shí)際輸出和理論計(jì)算值的偏差

式中 Nout為電路輸出值，Ntheory為根據(jù)式(3)計(jì)算出的理想輸出值。對(duì)于同一組光電流，選用不同的采樣電容，其理想輸出值和電路輸出值的偏差如圖6 所示。可以看出采樣電容越小，實(shí)際值與理想值的偏差越小。但是根據(jù)公式(8)，CH越小，引起的噪聲就越大。因此，CH應(yīng)該取一個(gè)適中的值。

圖6 不同CH 下電路輸出和理論計(jì)算值偏差Fig 6 Error between circuit outputs and theory values under different CH

4 電路實(shí)現(xiàn)

本文采用65 nm CMOS 工藝和1.2 V，實(shí)現(xiàn)了4×4 的像素塊電路，像素塊內(nèi)電路波形圖如圖7 所示。電源電壓為1.2 V，比較器工作范圍為0.5～1.1 V。參考電壓產(chǎn)生模塊所使用的運(yùn)算放大器為兩級(jí)折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)，輸入范圍0.5～1.1 V，直流增益為88 dB，相位裕度為71°，速度為20 M。列級(jí)ADC 采用Verilog A 編寫(xiě)的理想8 位ADC，計(jì)數(shù)器和像素內(nèi)存儲(chǔ)單元均為8 位。根據(jù)上文分析，CH取值為60 fF。

在復(fù)位電壓為1.1 V 時(shí)，根據(jù)式(5)、式(6)計(jì)算可得，理想情況下的動(dòng)態(tài)范圍可從48 dB 上升到96 dB。通過(guò)仿真得到動(dòng)態(tài)范圍是88.16 dB。

圖7 像素塊內(nèi)電路波形圖Fig 7 Waveforms of circuit within pixels block

在較高光強(qiáng)條件下，理論值和輸出值的對(duì)比如圖8 所示。可以看出:電路輸出比理論計(jì)算值偏小，這是因?yàn)楸容^器的輸入管存在柵電容，導(dǎo)致等效CPD增大，根據(jù)式(9)、式(10)，n2增大，輸出減小。

圖8 高光強(qiáng)下理論計(jì)算和電路輸出的比較Fig 8 Comparison of circuit outputs and theory values under high luminous intensity

在較低光強(qiáng)條件下，理論值和輸出值的對(duì)比如圖9 所示。可以看出較低光強(qiáng)下，電路輸出比理論計(jì)算偏小，除上述原因外，還因?yàn)楸容^器在工作電壓較高時(shí)的傳輸時(shí)延較長(zhǎng)，導(dǎo)致n2增大，輸出減小。

圖9 低光強(qiáng)下理論計(jì)算和電路輸出的比較Fig 9 Comparison of circuit outputs and theory values under low luminous intensity

5 結(jié) 論

本文提出的自適應(yīng)參考電壓的PWM 數(shù)字像素結(jié)構(gòu)能夠?qū)?shù)字像素圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍從48 dB 提升至96 dB。對(duì)這種結(jié)構(gòu)中參考電壓產(chǎn)生模塊引入的噪聲進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并對(duì)參考電壓產(chǎn)生模塊采樣電容引起的電路輸出值偏差進(jìn)行了分析和仿真。采用65 nm 工藝實(shí)現(xiàn)了一個(gè)4×4 的像素塊電路，仿真得到的動(dòng)態(tài)范圍為88.16 dB，并在高光強(qiáng)和弱光強(qiáng)條件下分別將電路輸出同理論計(jì)算值相比較，分析了產(chǎn)生誤差的原因。這種自適應(yīng)參考電壓圖像傳感器在光強(qiáng)較弱的應(yīng)用環(huán)境中，如航天、醫(yī)用內(nèi)窺鏡等領(lǐng)域，有著有廣闊的應(yīng)用前景。

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