选择性复位CMOS图像传感器电路结构

摘　要：采用数字处理和重构的方法，实现了一种新型选择性复位像素结构及其像素阵列的设计，扩展了CMOS图像传感器(CIS)的动态范围。该方法在像素积分过程中，通过在3个不同的设定时刻比较光电二极管电压值与阈值电压，进行有选择性的复位，得到最终的电压值后，再将其与阈值电压进行重构，从而输出最终的像素值。整个系统的动态范围扩展至107.4dB，提高了成像质量。重构电路由数字电路实现，在保证速度的前提下，减少了处理单元的存储器需要。

关键词：电子技术； CMOS图像传感器；动态范围；选择性复位；阈值比较；数字重构

引　言

CMOS图像传感器与传统的CCD 图像传感器相比具有工艺成熟、集成度高、读出速度快、功耗低和电压低的特点，近年来发展十分迅速，并在汽车安全、生产线监控等许多领域得到应用。目前， CMOS图像传感器普遍采用光电二极管作为感光器件的线性有源像素，这种结构存在的明显缺陷就是动态范围较小，即探测光强的范围不能满足要求。这将从两方面限制图像传感器的应用：
①图像传感器只能应用在光强范围变化较小的场合。
②同一幅图像中过亮和过暗的部分不能同时探测到。国内外针对CMOS图像传感器动态范围不足的问题所采取的解决方案主要有：利用非线性压缩光电响应曲线扩展动态范围的对数像素结构；多次曝光技术；通过增加阱容扩展动态范围的横向溢出栅像素结构以及选择性复位方法等。第一种方法由于受温度和噪声影响较大，生成的图像质量差；多次曝光技术存在增加电路处理时间的问题，从而导致速度的下降；横向溢出栅像素结构在扩展动态范围的同时，带来的是信噪比(SNR)的下降；选择性复位结构也称作自适应积分时间结构，采用该种方法的图像传感器在图像质量、处理速度和信噪比等方面的性能与其他几种方法相比具有明显的优势，但也存在着需要增加存储器和重构电路的问题。

作者在选择性复位结构的基础上，针对该结构的自身固有缺点，提出了一种具有数字重构功能和低存储器要求的自适应积分时间CMOS图像传感器结构。在保证传感器性能的同时，简化了电路的设计，增强了电路的抗干扰能力，提高了重构计算的精度，降低了电路对存储器的需求。

选择性复位的基本原理

积分时间与像素电压值的关系
对于传统意义上的图像传感器来说， 同一像素在帧与帧之间存在一个固定的处理时间间隔T。如果T作为最大积分时间， 那么帧频就确定为1/T。在积分过程中的某一时刻( T/k) ，将光电二极管PD的电压值与一个阈值th进行比较，当PD的电压值超过阈值的时候， 有选择性地重置PD的值(复位光电二极管) 。用这种办法缩短较亮像素的积分时间，但由于积分时间各不相同，因此像素值需要进行重构。

从图1中可以看出，通过这种方法可以成比例地降低较亮像素(光强较高)所对应的光电转换的电压值，从而达到将原处于饱和区范围的光强转换到线性区内。图中A 和B 的积分结果差值b被压缩为A ′和B ′的差值a。

图1　选择性复位积分时间与像素值之间的关系

光强与像素电压值的关系
图2中表示出了普通输出值以及重构前后的电压值与光强的关系。以第一个阈值( k = 5， th =20)控制为例，在普通输出的情况下， 像素值超过255就称为饱和。而利用自适应积分时间控制，当像素值超过100 (20×5)时则降低像素值，然后将曲线加上阈值th完成重构。实际上，这种方法是通过降低输入光强较高像素的灵敏度来完成对传统传感器的动态范围的扩展。这里可以通过改变k (比较时间)和th (阈值)来灵活地调整光强与像素输出值之间的关系。直线B 的斜率是由1-1/k决定的，直线A 和B 之间的拐点也依赖于k和th。

图2　三次阈值比较后的重构曲线

当把这种比较复位操作重复多次时， 就可以进一步加宽动态范围，如图2所示。这里以三次阈值比较为例( k₁ = 5， th₁ = 20； k₂ = 2， th₂ = 60； k ₃= 50 /49， th₃=160) ， 在积分过程中， 光电二极管值在不同的时间分别与3个阈值进行比较。每当像素值超过阈值则将电压复位， 并且将一个标志位信号写入存储器。在积分结束之后，重构电路将标志位高的信号对应的所有阈值加到最终得到的像素值上，从而完成输出值的计算。

图2中，直线A、B、C和D为不同阈值的重构曲线，其斜率分别是1， 1-1/k₁ ， 1-1/k₂ ， 1-1/k₃ ，而两直线之间的拐点应满足公式：



阈值比较所需参数的选择条件
如果假设阈值比较的次数为n， 为了保证光强和像素值之间特性曲线的连续性， 需要满足以下2个条件：

(1)如果比较的时刻为T/k_i ( i = 1， 2， 3， .， n) ，阈值为th_i ( i = 1， 2， 3， .， n) ，那么各时刻的关系为：



其中T为最长的积分时间； V_s 为最大光强条件下进行最长的T时间积分所作用的像素值变化。

(2)各阈值之间的关系为：


传感器的设计与实现

像素处理单元的基本结构设计
如图3所示，处理电路主要包括阈值比较单元、比较时钟产生单元、阈值选择单元、存储器单元、复位单元和重构单元。

阈值比较时间由k₁、k₂ 和k₃ 决定，比较时钟产生单元在相应的时刻产生脉冲信号， 启动阈值比较单元对比较结果进行采样。当V_PD值超过阈值时则值被复位， 并且一位标志位信号“1”被送入存储器。如果V_PD值没有超过阈值， 则继续积分，并将一位标志位信号“0”送入存储器。与此同时，控制阈值选择单元改变阈值电压，等待下一次比较。在一次积分过程中共比较3次，阈值分别为V_th1 ， V_th2和V_th3。当积分完成后，重构单元将对应阈值加到经过AD转换的PD值上。像素处理的整体流程如图4所示。

图3　像素处理电路基本结构

图4　像素处理流程

每个V_PD值在积分结束和超过阈值时复位，因此各个像素的积分情况都不相同。这里可以灵活地对阈值电压和比较时间进行控制。

存储器单元的优化
对每个像素来说， 在一个积分过程中(即一帧中)共需要进行3次比较，同时会得到3个标志位信号。在重构单元中，由于是根据对应的标志位将阈值加到PD值上的(计算标志位为“1”的阈值，忽略为“0”的阈值) ， 因此需要将每个像素的标志位信息保存在3位寄存器中， 这将增加电路对存储器的需求。

经过对阈值比较原理的分析发现， 为了保证最终重构曲线的正确，在设定阈值和时间的时候，应该满足如果一个像素在某次比较时没有超过阈值，那么它也不会在以后的比较中超过阈值，即可得到公式：


由此可以推算出， 实际的标志位信息只可能有以下4种情况，即0 0 0， 1 0 0， 1 1 0和1 1 1 (从左到右依次为无复位和有一、二、三次复位的采样结果) 。也就是说，对于每一个像素， 只需要2位的存储器就可以保存其标志位信息用于最后的重构计算。从总体上将系统所需的存储器减少了1/3，减少了电路面积，降低了电路的功耗。

数字重构单元
当一个像素的曝光过程完成时， 将会得到最终的积分电压值V_PD。此时可以采用像素电路级的模拟加法电路，但会增加电路的复杂程度，而且精度不高。这里采用的是数字重构的方法，电路整体采用列并行结构， 数字重构单元采用列共用结构。在一帧中每个像素的VPD都要经过放大与AD转换，并得到一个8位的PD值。将3个阈值电压也分别转化成8位字节， 然后调用相应的标志位信息， 将PD值与对应阈值相加，最终结果得到一个10位像素值。这种方法提高了最终结果的精度， 并且可以根据需要提取其中的高8位，以适应通用电路的要求。与同类设计相比，采用模拟重构电路的方法简化了电路设计， 增强了电路的抗干扰能力， 提高了计算精度，增加了图像传感器的动态范围。

像素阵列设计
对于采用上述像素结构的图像传感器阵列来说，采用的是列并行滚筒式曝光处理结构，如图5所示。这种结构可以有效减少像素处理电路的面积，同时保证处理速度和帧频。列并行结构中同一列的像素分享同一个处理电路，即以每一行为一个单位，在时钟的控制下逐行操作，而同一行中的像素并行进行积分、阈值比较和AD转换，在积分完成时对每一行的各个像素进行数字重构处理，串行输出最终结果。

图5　图像传感器阵列结构

图6显示了像素处理结构的时序关系，基于滚筒式流水线的思想，利用行积分时间进行AD转换的处理。从图中可以看出，第1行积分结束之后，下一步将进行AD转换，由于AD转换器为列共用，因此第2行的AD转换必须等待第1行转换结束之后才开始，与此同时第1行开始下一帧的积分，其他各行同上所述。由于积分时间具有可调性，因此与AD 转换需要的总时间比较会有以下2种情况： ①积分时间长于AD转换时间，这时只需要在相应的时刻进行行复位操作就可以满足时序要求。②积分时间短于AD转换时间，因为各行处理共用AD 转换器会出现争用现象，导致冲突，此时应根据二者的时间差值，在每一行的总积分复位信号前，插入一段等待时段(或者说延长复位信号) ，如图中的白色部分，从而保证第1行的AD转换开始于最后一行之后，避免冲突。

图6　列并行滚筒式曝光流水线时序

模拟和仿真结果

根据上述原理，对自适应积分时间的选择性复位的像素结构进行模拟，采用XILINX公司的ISE配合Modelsim软件，通过Verilog-HDL描述数字处理电路功能，然后结合前端的光电二极管模型，使用Nanosim进行模数混合信号仿真，并将最终的结果导入Matlab中，得到固定积分时间下光强与输出像素值的对应关系曲线。所选参数值如表1所示。
表1　参数k和V_th

图7中曲线A 和B 分别为传统像素和选择性复位像素的结果。传统像素结构中的像素电压值随着光强增加，接近直线上升至饱和，动态范围约为80 dB；改进型选择性复位的上升曲线更接近于理想的指数曲线C，动态范围为107. 4 dB，达到现阶段国外同类设计指标。

图7　像素输出曲线比较

结束语

作者利用数字处理和重构的方法实现了一种选择性复位像素结构。这种结构在整个积分过程中，通过在不同的设定时刻ki 比较光电二极管电压值V_PD与阈值电压V_th ，进行有选择性的复位，得到最终的电压值后，再与阈值电压进行重构，从而输出最终的像素PD值结果。 与传统像素结构相比，使用该结构的像素阵列显著提高了动态范围，实现了像素单元对光强的自适应调节。与国内外同类设计进行比较，本设计达到了目前高动态范围的图像水平要求， 同时这种结构只需要较少的存储器，而且完全由数字电路实现，在保证速度的前提下，改进了该设计思路自身固有的缺陷，提高了成像质量，具有更高的可靠性和兼容性。