一種消除CMOS圖像傳感器行噪聲的時序*

王 艷，李斌橋，徐江濤

(天津大學電子信息工程學院，天津 300072)

CMOS圖像傳感器由于具有高集成度、圖像信息隨機讀取、低功耗、和低成本等一系列優(yōu)勢，在許多應用領域正逐漸取代CCD圖像傳感器［1］。但是由于CMOS圖像傳感器的讀出電路中采用大量的有源器件，使得CMOS的噪聲水平高于CCD圖像傳感器［2，10］。CMOS圖像傳感器普遍采用的像素讀出方法是逐行讀出，由于像素陣列和電源、地以及讀出電路的共模參考電平存在隨機的噪聲，這種讀出方法會引入瞬態(tài)噪聲。同一時刻讀出的一行像素會帶有大小相等的噪聲，而行與行之間由于讀出時刻不同，使得這個噪聲大小不同，稱之為行隨機噪聲［3］。行隨機噪聲在圖像中表現(xiàn)為水平條紋，嚴重影響圖像質(zhì)量。傳統(tǒng)的四管有源像素滾筒曝光讀出時序，可以有效的消除復位管引入的隨機熱噪聲，但是無法消除隨機的行噪聲。本文改進了4T像素的時序，在讀取圖像信號時增加了行隨機噪聲的讀取以及存儲，從而消除行隨機噪聲。

1 4T像素分析

1.1 4T 像素結(jié)構

CMOS圖像傳感器4T像素的結(jié)構如圖1(a)所示。像素由Pinned光電二極管PD、傳輸門(MTx)、復位管(MRS)、放大管(MRD)和選通管(MSEL)組成。后面的電路是讀出電路的采樣保持SH1和SH2分別對Reset(RST)信號和Signal采樣保持，兩次采集的信號的差就是光信號［4］。

圖1 四管像素結(jié)構與工作時序

1.2 傳統(tǒng)時序的噪聲特性

CMOS圖像傳感器中存在固定模式噪聲(Fixed Pattern Noise)和瞬態(tài)噪聲(Temporal Noise)兩種噪聲。固定模式噪聲是一種空間噪聲，它不隨時間變化，主要由電路固定結(jié)構引入。瞬態(tài)噪聲是一種隨時間隨機變化的噪聲，如光電二極管的散粒噪聲，晶體管的熱噪聲以及電源的隨機波動等［2］。這些噪聲如果在行操作時引入，可能會使圖像出現(xiàn)行噪聲，影響圖像質(zhì)量。圖1(a)中標出了行噪聲的幾個主要來源，包括像素電源、地以及采樣電路的參考電平。

雖然相關雙采樣(CDS)可以極大地降低CMOS圖像傳感器的噪聲水平［9］，但是由于像素的Reset信號和Signal信號不是同時采樣的，因此只能消除低頻的噪聲信號，無法消除隨時間隨機變化的行噪聲。

四管像素傳統(tǒng)的工作時序如圖1(b)所示。SH1和SH2是后續(xù)讀出電路對復位信號和圖像信號的采樣保持操作［5］。

t1時刻行選信號SEL信號置高，選通一行待讀出像素;同時像素FD節(jié)點復位。

t2時刻SH1置高，得到包含像素復位噪聲和行隨機噪聲的復位電平，并將信號存儲在采樣電容上，定義該信號為VRST，則

式(1)中，VR是復位信號電平，Vnr是RST管的熱噪聲信號，VnSH1是SH1時刻的行隨機噪聲。

t3時刻，信號TX置高，此時在PD處聚集的光生電荷從PD區(qū)向FD區(qū)完全轉(zhuǎn)移。由于光電管收集的是帶有負電荷的電子，因此VFD下降，最終達到穩(wěn)定時VFD的變化值為:

其中Qsig代表FD處收集的光生電荷數(shù)，CFD代表FD的節(jié)點電容［6－7］。

t4時刻SH2置高，此時采集像素輸出信號，定義該信號為VSIG。

其中VnSH2是SH2時刻的行隨機噪聲。

VSIG與VRST含有的復位噪聲Vnr來源于同一復位過程，因此通過后續(xù)的相關雙采樣電路可以消除［4］，但是VnSH1和VnSH2是隨機變化的噪聲，不具有相關性，因此無法消除。

通過上面的分析可知傳統(tǒng)的時序采用簡單的相關雙采樣方式能消除復位管的熱噪聲以及低頻噪聲［8］，但是對隨機行噪聲沒有抑制作用。

2 改進的時序分析

本文在傳統(tǒng)的4T像素結(jié)構基礎上改進了像素的讀出時序，在讀取圖像信號時增加了隨機行噪聲的讀取的操作，并通過減法運算在模擬域消除隨機行噪聲。

傳統(tǒng)的時序每次只對一行像素進行操作，改進后的時序要對兩行像素進行操作。從圖中可以看出讀出第N行像素時，也對第N+1行的像素進行了讀出操作。第N+1行用來對行噪聲進行采樣。這種操作時序用全差分的方法去除行噪聲，可以將行隨機噪聲減小到可以接受的范圍之內(nèi)。

改進的時序如圖2所示，t1時刻行選信號SEL(N)和SEL(N+1)信號置高，選通第N行為待讀出像素，第N+1行用來采樣噪聲;復位信號RST(N)和RST(N+1)置高，此時像素的儲存節(jié)點將包含本像素復位噪聲的電平VFD儲存在FD節(jié)點電容上。

圖2 改進后的工作時序

t2時刻復位信號RST(N)和RST(N+1)置低，儲存節(jié)點完全與像素電源VDD和光電二極管實現(xiàn)隔離，此時控制列讀出的采樣信號SH1(N)和SH1(N+1)置高，將VFD經(jīng)放大緩沖管MRD讀出，得到包含像素本次復位引入的隨機噪聲的輸出電平，并將信號存儲在采樣電容上，定義該信號為VRST(N)和VRST(N+1)，則

第N行與第N+1行像素有相同的行隨機噪聲VnSH1。

在t3時刻，采樣信號SH1(N)和SH1(N+1)置低，信號TX(N)置高，TX(N+1)為低電平，第N行光生電荷轉(zhuǎn)移到FD節(jié)點，N+1行的電荷不轉(zhuǎn)移，因此這種讀出方式對第N+1行像素沒有影響。

t4時刻，控制列讀出電路的采樣信號SH2(N)和SH2(N+1)置高，將此時像素輸出信號采集，定義該信號為VSIG(N)和VSIG(N+1)。

第N行像素的輸出信號為式(4)與式(6)的差，表示帶有行噪聲的圖像信息，第N+1行像素的輸出為式(5)與式(7)的差，是采集的隨機行噪聲。

則式(8)與式(9)做差可以消除掉隨機的行噪聲，得到

上述分析說明了新的時序去除行隨機噪聲的原理，在傳統(tǒng)相關雙采樣的時序基礎上，增加了隨機噪聲的讀取，利用全差分的方法來消除行隨機噪聲。并且每次用不同的行來采樣噪聲信號，因此不會引入額外的固定噪聲。

3 新時序的仿真驗證

本論文采用 Smic 0.18 μm 工藝，并使用Cadence公司Spectre軟件進行仿真，對上述時序進行了驗證。仿真結(jié)果表明新時序?qū)π须S機噪聲有明顯抑制作用。

驗證過程如下，在像素陣列的地信號中加上隨機的白噪聲，地上的信號波形如圖3所示。

像素陣列地信號中包含的噪聲通過像素內(nèi)的寄生電容耦合到FD節(jié)點，并被讀出電路采集。由于行噪聲是整行引入的，因此每一行只要仿真一個像素的情況就可以得到整行像素的行噪聲，這樣可以減小電路的規(guī)模，加快仿真驗證的速度。

圖3 像素陣列地信號加入的隨機噪聲

由于在暗光條件下，傳感器需要設置較高的增益才能得到亮度合適的圖像，高增益下行隨機噪聲也會隨圖像信號放大，因此噪聲對圖像的影響更為明顯。本論文模擬了暗光環(huán)境(光電管的電流很小)，在不考慮暗電流的情況下，設置增益為1，從而將噪聲歸一化。

仿真得到三組像素輸出信號，分別為理想無噪聲的圖像信號，包含噪聲的圖像信號，以及采用新時序消除噪聲后的圖像信號。仿真結(jié)果如下圖4所示。

圖4 仿真得到的圖像信號波形

曲線1是理想信號，幅值為727 μV，曲線2是帶有噪聲的圖像信號，幅值為526 μV，曲線3是通過新的讀出時序減去噪聲的圖像信號，幅值為699 μV。可知噪聲水平大約為200 μV，放大32 倍后為6.4 mV，ADC 的LSB為1 mV，噪聲大于3LSB，將會對圖像造成影響。新時序可以將噪聲從200 μV減小到28 μV，減小了86%，大約為17 dB，信號放大32倍后噪聲僅為976 μV，小于ADC的LSB，量化后不會出現(xiàn)明顯的橫紋。

MATLAB軟件仿真結(jié)果如圖5所示。圖5(a)為含有行噪聲的原始圖像，可以從圖片上看到明顯的橫紋，圖5(b)為經(jīng)過新時序消除行噪聲后的圖像，在圖片上基本看不到明顯的橫紋。通過對比含有行噪聲的圖像和采用新時序消除行噪聲后的圖像可知，新時序?qū)⑿性肼暣蠓鶞p小后，主觀上從圖像上看不到明顯的橫紋，圖像質(zhì)量得到提高。因此該時序能夠較明顯地改善圖像傳感器在暗光高增益環(huán)境下的成像效果，從而擴展了圖像傳感器的應用范圍。

圖5 MATLAB驗證結(jié)果

4 總結(jié)

本設計基于SMIC 0.18 μm工藝設計了CMOS圖像傳感器的新讀出時序，用于消除圖像傳感器的隨機行噪聲。

新方法采用采樣噪聲的方法得到噪聲的實際值，通過兩次全差分過程把圖像信號中的噪聲減掉。仿真結(jié)果表明該方法效果明顯，可以有效的提高圖像質(zhì)量，擴展傳感器在暗光、高增益條件下的應用。

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