王 艷，李斌橋，徐江濤

(天津大學(xué)電子信息工程學(xué)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(yīng)用領(lǐng)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(fù)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(gòu)

CMOS圖像傳感器4T像素的結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。像素由Pinned光電二極管PD、傳輸門(MTx)、復(fù)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(gòu)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(gòu)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(guān)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(fù)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(fù)位。

t2時刻SH1置高，得到包含像素復(fù)位噪聲和行隨機噪聲的復(fù)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(fù)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(fù)位噪聲Vnr來源于同一復(fù)位過程，因此通過后續(xù)的相關(guān)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(guān)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(guān)雙采樣方式能消除復(fù)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(gòu)基礎(chǔ)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(guān)雙采樣的時序基礎(chǔ)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(shè)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(shè)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(yīng)用范圍。

圖5 MATLAB驗證結(jié)果

4 總結(jié)

本設(shè)計基于SMIC 0.18 μm工藝設(shè)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(yīng)用。

［1］El Gamal A，Eltoukhy H.CMOS Image Sensors［J］.Circuits and Devices Magazine IEEE，2005，21(3):6－20.

［2］Hui Tian，Boyd Fowler，Abbas E L Gamal.Analysis of Temporal Noise in CMOS Photodiode Active Pixel Sensor［J］.IEEE journal of Solid-State Circuits，2001，36(1):92－101.

［3］Rick Mauritzson.Image Row-Wise Noise Correction［P］.US，7701493 B2［P］.［2010－4－20］.

［4］Xu Jiangtao，Yao Suying，Li Binqiao.Pixel and Column Fixed Pattern Noise Suppression Mechanism in CMOS Image Sensor［J］.Transactions of Tianjin University，2006，12(6):442－445.

［5］Canaan Sungkuk Hong.On-Chip Spatial Image Processing with CMOS Active Pixel Sensors［D］.Ontario，Canada，School of Electrical and Computer Engineering，Waterloo University，2001.

［6］Xu Jiangtao，Yao Suying，Li Binqiao，et al.Design，Analysis，and Optimization of a CMOS Active Pixel Sensor［J］.Chinese Journal of Semiconductors，2006，27(9):1548－1551.

［7］Xu Jiangtao，Yao Suying，Li Binqiao.Pixel and Column Fixed Pattern Noise Suppression Mechanism in CMOS Image Sensor［J］.Transactions of Tianjin University，2006，12(6):442－445.

［8］Xu Jiangtao，Li Binqiao，Yao Suying.Low Noise Four Transistor PPD Pixel CMOS Image Sensor Design and Realization［J］.Transactions of Tianjin University，2009，42(2):149－152.

［9］Xu Jiangtao，Yao Suying，Zhao Yiqiang.A New CMOS Image Sensor Pixel Array Design Using Dual Sampling for High Dynamic Range［J］.Chinese Journal of Sensors and Actuators，2003，16(4):438－441.

［10］Tian li，Yao Suying，Zhou Jin.Research of Adaptive Noise Reduction for CMOS Image Sensor［J］.Chinese Journal of Sensors and Actuators，2008，21(9):1561－1565.