大動態范圍數字化像素單元

陳同少

摘要：紅外焦平面成像電路可將光信號轉化為電信號，再通過電路處理，轉化為可見圖像，其包含探測電路、讀出電路、信號處理電路，探測電路和讀出電路構成像素單元。電容反饋跨阻抗放大電路（ CTIA ROIC）由于注入效率比較高，還能為探測器提供穩定的偏置電壓，輸出信號的線性也很好，常被應用做讀出電路像素單元。傳統的像素單元由于動態范圍（最大可探測信號與最小可探測信號比值）限制，很難在環境光強變化較大的場景使用，往往需要進行對動態范圍進行增大。本文設計一種在探測電路中加入補償電流方式，使光強較弱時也能進行探測，增大了動態范圍，本設計基于CSMC 0.5μm工藝，通過Spectre仿真工具進行仿真與驗證。

關鍵詞：讀出電路；數字化；電流補償；動態范圍

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2018.8.016

O 引言

CMOS圖像傳感及其焦平面成像技術，因其功耗低、成本低、光譜靈敏度高等特點，廣泛應用于空間遙感和天文物理等領域[1-2]。紅外焦平面成像電路包括：光電探測器、讀出電路、信號處理電路[3]。一般原理是光電探測器將光信號轉換為電信號，再由讀出電路對電信弓進行積分放大、采樣輸出，然后由模數轉換ADC等信號處理模塊進行量化處理[4]。讀出電路一般是將探測器產生的光電信號在電容上進行積分，輸出以電壓的形式傳給后續信號處理電路。傳統的讀出電路是在固定時間內完成對光信號的積分，積分完成后通過采樣開關將積分電壓信號進行采樣、保持。當探測信號背景光強變化較大的，會出現兩種情況：強光信號在極短時間內即可積分到截止電壓：弱光信號積分完成時積分電壓很小，不足以達到后續電路的采集或者后續電路要求很高精度。為達到不同環境背景下探測成像的要求，讀出電路動態范圍要大。一般圖像傳感電路動態范圍，即輸出的最大可探測信號與最小可探測信號之比[5]，與積分時間，積分飽和電壓，積分電容以及積分時間均有關。數字化后所需的數字位數越多，對應的圖像傳感電路動態范圍越大。

目前廣泛應用的擴大動態范圍的方式有自適應改變積分電容和強光下多次重置輸出電壓并計數方式[6]，同時，一些噪聲消除技術也被應用在讀出電路中來增強弱背景下的光強探測[7]。由于改變積分電容方式增加積分電容個數及容值[8]，像素面積會相應增加較大，不利于像素的集成：多次重置技術僅提高了強光背景下的光強探測，沒有對弱光探測進行增強：噪聲消除技術僅對弱光探測進行了提高。本文針對弱光背景下積分電壓未能達到閾值電壓情況，通過增加補償電流源的方式，使其在積分完成前達到閾值電壓，同時通過數字化讀出電壓的處理，分離出光生電流信號。對于強光背景下的光強探測，也進行補償，同樣通過數字化讀出電壓信號，將強光信號分離出來，增大了讀出電路的動態范圍。

1 大動態范圍數字化像素原理及電路設計

動態范圍增強技術被廣泛應用于不同環境下探測光強變化較大的場景[9-11]。不同光強背景下的電流補償技術主要是針對數字化像素中未能達到閾值電壓的弱光信號無法探測的缺陷，通過補償方式使積分電壓在積分完成前達到閾值電壓，通過數字化計數，可得到光生電流與補償電流大小之和，再通過后續信號處理電路將補償電流減去，得到探測電流大小。數字化電路計數頻率越大，比較器精度越高，可探測光強動態范圍越大且精度越高[10-12]。

1.1 基本原理

如圖l（a）是含有探測電路的CTIA型讀出電路的基本架構[3，10]。該電路包含光電二極管Det組成的探測電路，運放apm及連接運放負輸入端和輸出端的重置開關kl和跨阻負反饋電容C組成的讀出電路。運放正向輸入端提供固定電壓Vcom，由于運放共模特性，負向輸入端電壓Vn=Vcom，為光電探測器提供偏置電壓，同時為輸出電壓提供重置電壓。sl為開關kl控制信號，在探測開始前閉合對運放輸出電壓重置到Voutl=Vcom，探測開始時sl信號控制kl斷開，探測器Det將光信號轉化為電流信號Id，光生電流在電容C上進行積分，運放輸出電壓隨著積分時間變化而變化。圖l（b）是積分讀出電壓Voutl在不同光強下隨時間的變化情況，線③為強光時的變化，線②為中等光強的變化情況，線①為弱光強的變化情況，由圖可以看出當光強大于線②積分所探測的光強時，輸出電壓在積分完成前能達到比較電壓Vref，可進行數字化；當光強小于線②所探測的光強時，如線①的情況，讀出電壓未能達到比較閾值電壓Vref，數字化計數結果錯誤，所以光強小于線②探測的光強時不能進行探測，大大降低了讀出電路的動態范圍。

2 提高動態范圍技術

如圖2（a）是含補償電流源的探測讀出電路的基本構成。在原有探測讀出電路基礎上，在探測電路中加入由信號s2控制開關k2控制的補償電流源lcp，補償電流大小為lcp>C* （Vcom-Vref） /Tmax。當lcp= C* （Vcom-Vref） /Tmax時，Voutl變化如圖2（b）中線①所示，當加入補償電流源后，電容C上的積分電流總大于圖2（b）中線①所對應的積分電流，即補償電流lcp，讀出電壓Voutl的變化為圖2（b）中線②③所示，不會出現圖l（b）中線①的情況，即讀出電壓Voutl總能在積分完成前達到比較閾值電壓Vref，從理論上看，全光強背景下的光生電流都能夠被探測到，只要數字化精度夠，所有光強都會被量化，動態范圍被增大。

3 整體電路設計

本文設計的大動態范圍數字化單元，整體電路圖如圖3所示。包含探測補償電路，讀出電路和數字化電路。數字化電路部分包含比較器cmp，一個與以及一個經計數器，是將讀出電壓Voutl進行時間數字化處理，讀出電壓經過比較器cmp的正向輸入端，與負向輸入端的固定比較電壓Vref進行比較，同時比較器由信號sl控制清零。比較器輸出信號接入與門與基礎時鐘信號相與后傳入計數器，計數器重置由信號sl控制，即在積分開始時對比較器與基礎時鐘信號進行相與后的信號進行計數。計數器輸出信號Vout為計數的脈沖個數，Cout為計數器溢出信號。

如圖4所示，顯示了不同光強背景下電路各部分的輸出信號，即不同探測光強環境，光生電流不同，根據電流積分轉換為電壓公式ld★T= C*AV，則積分輸出電壓從Vcom積分到Vref的時間不同，比較器cmp輸出端Vout2維持高電平的時間不同，與基礎時鐘相與后，輸出信號Vout3含有脈沖的時間不同，即傳入計數器單元的脈沖個數不同。時間數字化處理就是將不同光強下達到比較閾值電壓的時間快慢轉換為脈沖個數，如圖4中的Voutl、Vout2及Vout3對應的①②③不同光強下對應的不同信號。

4 數字化結果分析

由于加入了補償電流，所以脈沖計數所計算對應的電流大小包含了光生電流和補償電流。我們需分離出光生電流的大小，才能得出對應的光強。由于不同光電流下讀出電壓Voutl達到Vref日寸間不同，則補償電流有效積分時間不同，如圖5所示，分別對應圖4不同光強下的輸出信號情況。不同光強下得到的脈沖計數值不同，忽略暗電流的影響，無光背景下僅有補償電流積分，積分到Tmax達到Vref，即AV=Vcom-Vref。數字化所得計數值Vout為Nl，中等光強下光電流與補償電流一起進行積分，數字化計數值為N2，強光背景下光生電流很大，與補償電流一起進行積分，很短時間內即可積分到Vref。假設所用基礎時鐘clk的頻率為fclk那么以中等光強環境下探測為例，根據數字化計數值N2的大小可計算出光生電流的大小。由電流在電容上的積分公式為：

Id= C*AV/T

（1）

有效積分時間為：

T =N2/fclk

（2）

由式（1） （2）可計算出對應光生電流大小為：

Id=（Vcom-Vref）xC×fclk/N2 -Icp

（3）

其中，AV=Vcom-Vref，C為跨阻負反饋積分電容C的容值大小，lcp為補償電流大小。

5 結論

本文設計了一種大動態范圍像素單元電路。通過分析及仿真結果可看出，本文所設計的通過電流源補償方式，結合讀出信號的數字化處理來提高動態范圍的方式，有效提高了弱背景環境下的光強探測，提高了動態范圍，同時電路也可加入強光脈沖計數的方式，使得強光背景與弱光背景下的光強探測動態范圍得到極大的提高，本文同時加入了光電流計算方式，為后續信號處理算法提供了方便。

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