陣列信息的模擬讀出

APS像素陣列中同一列的每一個(gè)像素上，都有一個(gè)共享的列像素信號(hào)輸出端(Column Output)，如圖所示。每一列像素的這個(gè)共享輸出端，都經(jīng)過一個(gè)列模擬信號(hào)通道，處理和放大這一列像素的圖像信號(hào)。在這個(gè)通道中，首先有一個(gè)由模擬電壓Vb偏置的恒流源，它是本列中每一個(gè)像素上源極跟隨器Tsf通過選擇開關(guān)Tsel連接的公共負(fù)載。在每一個(gè)列通道中還有一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)，就是相關(guān)雙取樣電路CDS(Correlated Double Sampling)。這是一個(gè)模擬信號(hào)處理電路，它對(duì)每個(gè)像素光電二極管PD上的電壓信號(hào)，進(jìn)行兩次取樣：第一次取樣在PD剛剛被預(yù)置到電壓Vrst - Vsat之后，當(dāng)曝光剛剛開始的時(shí)刻;第二次取樣在曝光完成的時(shí)刻。把與這兩次相關(guān)信號(hào)取樣的電壓差值對(duì)應(yīng)的電壓，作為像素的光電信息輸出，因此被稱為相關(guān)雙取樣電路。

為什么要采用相關(guān)雙取樣電路處理圖像信息?首先必須了解CMOS成像器圖像的固定圖樣噪聲FPN(Fixed Pattern Noise)問題，在CMOS成像器的芯片上，每個(gè)像素和每個(gè)像素陣列的幾何尺寸都必須滿足光學(xué)系統(tǒng)的要求。在當(dāng)前，通常像素的尺寸在1.7微米到20微米之間，陣列尺寸在約2mm2到1000mm2數(shù)量級(jí)之間。在以微米、亞微米尺度構(gòu)建晶體管的CMOS芯片上，陣列面積的尺寸是相當(dāng)“巨大”的。由于工藝不均勻的原因，每個(gè)APS像素上的有源器件，在如此大的陣列面積上，會(huì)有參數(shù)的隨幾何位置不同而有差異。例如，重置晶體管Trst的飽和電壓Vsat，在陣列不同位置上像素中的差異，會(huì)引起光電二極管的重置電壓Vrst – Vsat在陣列上的差異。這個(gè)差異會(huì)產(chǎn)生一個(gè)虛假的圖形，疊加在真正對(duì)應(yīng)光學(xué)圖像的信號(hào)上。這個(gè)虛假的圖形僅與陣列制造過程的不均勻有關(guān)，在制造過程完成后是不會(huì)改變的，與真實(shí)光學(xué)圖像無(wú)關(guān)，因此被稱為固定圖樣噪聲FPN。相關(guān)雙取樣CDS電路的輸出，對(duì)應(yīng)于兩次取樣值的差，即曝光曲線的斜率，而不是一次取樣的絕對(duì)值，因而消除了重置管Vsat差異而產(chǎn)生的固定圖樣噪聲。

相關(guān)雙取樣CDS功能通常用開關(guān)電容放大器電路實(shí)現(xiàn)，一種常見的CDS電路結(jié)構(gòu)如圖所示。列輸出(Column Output)的模擬信號(hào)分別經(jīng)過由CKR和CKS信號(hào)控制的采樣模擬開關(guān)，存儲(chǔ)在兩個(gè)保持電容CR和CS上。CKO信號(hào)控制另外兩個(gè)模擬開關(guān)，同時(shí)把兩個(gè)電容上的電壓，分別連接到差分放大器的正負(fù)輸入端，使放大器輸出與這兩個(gè)信號(hào)的差值相關(guān)的電壓。相關(guān)雙取樣CDS的工作時(shí)序如圖中B所示，在像素的曝光過程開始時(shí)，當(dāng)光電二極管PD被Reset控制重置到Vrst-Vsat電壓后，開關(guān)CKR開啟，曝光初始的VPD信號(hào)電壓被采樣保持到電容CR上，形成第一次采樣。當(dāng)曝光結(jié)束時(shí)，CKS開啟，VPD信號(hào)電壓被采樣保持到電容CS上，實(shí)現(xiàn)第二次采樣。然后CKO同時(shí)控制兩個(gè)開關(guān)開啟，電壓差VCS – VCR = Vout輸入到差分放大器輸入端。從CDS的工作過程可以看出，輸出的模擬信號(hào)值是兩次采樣的差值，而不是光電二極管曝光后的信號(hào)絕對(duì)值，從而消除了重置開關(guān)Trst參數(shù)分布的影響。

相關(guān)雙取樣電路CDS改進(jìn)了固定圖樣噪聲，被認(rèn)為是CMOS成像器得到發(fā)展的關(guān)鍵一步。CMOS成像器的早期開拓者們，曾設(shè)想模擬信號(hào)處理可以廣泛應(yīng)用到APS像素陣列中去，而相關(guān)雙取樣電路是至今仍被最廣泛應(yīng)用在CMOS成像器設(shè)計(jì)中的一種模擬信號(hào)處理方法。

從列通道輸出的圖像光電信號(hào)，經(jīng)過列模擬開關(guān)依次轉(zhuǎn)換輸出。列通道輸出依次切換的過程，實(shí)現(xiàn)圖像信息的水平掃描。圖像模擬信號(hào)經(jīng)過一個(gè)可變?cè)鲆娴膶拵Х糯笃鞣糯?，可以?jīng)過功率推動(dòng)直接輸出片外，作為模擬圖像信號(hào)輸出，也可以經(jīng)過模數(shù)變換電路，輸出數(shù)字圖像信號(hào)。而數(shù)字圖像信號(hào)還可以用各種先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理算法，在數(shù)字信號(hào)處理器DSP和微機(jī)中進(jìn)行改善、增強(qiáng)、壓縮，甚至于圖像識(shí)別和跟蹤等等處理。下一期話題將探討高清晰度和高速CMOS成像器。