一种消除CMOS图像传感器行噪声的时序*

王 艳，李斌桥，徐江涛

(天津大学电子信息工程学院，天津 300072)

CMOS图像传感器由于具有高集成度、图像信息随机读取、低功耗、和低成本等一系列优势，在许多应用领域正逐渐取代CCD图像传感器［1］。但是由于CMOS图像传感器的读出电路中采用大量的有源器件，使得CMOS的噪声水平高于CCD图像传感器［2，10］。CMOS图像传感器普遍采用的像素读出方法是逐行读出，由于像素阵列和电源、地以及读出电路的共模参考电平存在随机的噪声，这种读出方法会引入瞬态噪声。同一时刻读出的一行像素会带有大小相等的噪声，而行与行之间由于读出时刻不同，使得这个噪声大小不同，称之为行随机噪声［3］。行随机噪声在图像中表现为水平条纹，严重影响图像质量。传统的四管有源像素滚筒曝光读出时序，可以有效的消除复位管引入的随机热噪声，但是无法消除随机的行噪声。本文改进了4T像素的时序，在读取图像信号时增加了行随机噪声的读取以及存储，从而消除行随机噪声。

1 4T像素分析

1.1 4T 像素结构

CMOS图像传感器4T像素的结构如图1(a)所示。像素由Pinned光电二极管PD、传输门(MTx)、复位管(MRS)、放大管(MRD)和选通管(MSEL)组成。后面的电路是读出电路的采样保持SH1和SH2分别对Reset(RST)信号和Signal采样保持，两次采集的信号的差就是光信号［4］。

图1 四管像素结构与工作时序

1.2 传统时序的噪声特性

CMOS图像传感器中存在固定模式噪声(Fixed Pattern Noise)和瞬态噪声(Temporal Noise)两种噪声。固定模式噪声是一种空间噪声，它不随时间变化，主要由电路固定结构引入。瞬态噪声是一种随时间随机变化的噪声，如光电二极管的散粒噪声，晶体管的热噪声以及电源的随机波动等［2］。这些噪声如果在行操作时引入，可能会使图像出现行噪声，影响图像质量。图1(a)中标出了行噪声的几个主要来源，包括像素电源、地以及采样电路的参考电平。

虽然相关双采样(CDS)可以极大地降低CMOS图像传感器的噪声水平［9］，但是由于像素的Reset信号和Signal信号不是同时采样的，因此只能消除低频的噪声信号，无法消除随时间随机变化的行噪声。

四管像素传统的工作时序如图1(b)所示。SH1和SH2是后续读出电路对复位信号和图像信号的采样保持操作［5］。

t1时刻行选信号SEL信号置高，选通一行待读出像素;同时像素FD节点复位。

t2时刻SH1置高，得到包含像素复位噪声和行随机噪声的复位电平，并将信号存储在采样电容上，定义该信号为VRST，则

式(1)中，VR是复位信号电平，Vnr是RST管的热噪声信号，VnSH1是SH1时刻的行随机噪声。

t3时刻，信号TX置高，此时在PD处聚集的光生电荷从PD区向FD区完全转移。由于光电管收集的是带有负电荷的电子，因此VFD下降，最终达到稳定时VFD的变化值为:

其中Qsig代表FD处收集的光生电荷数，CFD代表FD的节点电容［6－7］。

t4时刻SH2置高，此时采集像素输出信号，定义该信号为VSIG。

其中VnSH2是SH2时刻的行随机噪声。

VSIG与VRST含有的复位噪声Vnr来源于同一复位过程，因此通过后续的相关双采样电路可以消除［4］，但是VnSH1和VnSH2是随机变化的噪声，不具有相关性，因此无法消除。

通过上面的分析可知传统的时序采用简单的相关双采样方式能消除复位管的热噪声以及低频噪声［8］，但是对随机行噪声没有抑制作用。

2 改进的时序分析

本文在传统的4T像素结构基础上改进了像素的读出时序，在读取图像信号时增加了随机行噪声的读取的操作，并通过减法运算在模拟域消除随机行噪声。

传统的时序每次只对一行像素进行操作，改进后的时序要对两行像素进行操作。从图中可以看出读出第N行像素时，也对第N+1行的像素进行了读出操作。第N+1行用来对行噪声进行采样。这种操作时序用全差分的方法去除行噪声，可以将行随机噪声减小到可以接受的范围之内。

改进的时序如图2所示，t1时刻行选信号SEL(N)和SEL(N+1)信号置高，选通第N行为待读出像素，第N+1行用来采样噪声;复位信号RST(N)和RST(N+1)置高，此时像素的储存节点将包含本像素复位噪声的电平VFD储存在FD节点电容上。

图2 改进后的工作时序

t2时刻复位信号RST(N)和RST(N+1)置低，储存节点完全与像素电源VDD和光电二极管实现隔离，此时控制列读出的采样信号SH1(N)和SH1(N+1)置高，将VFD经放大缓冲管MRD读出，得到包含像素本次复位引入的随机噪声的输出电平，并将信号存储在采样电容上，定义该信号为VRST(N)和VRST(N+1)，则

第N行与第N+1行像素有相同的行随机噪声VnSH1。

在t3时刻，采样信号SH1(N)和SH1(N+1)置低，信号TX(N)置高，TX(N+1)为低电平，第N行光生电荷转移到FD节点，N+1行的电荷不转移，因此这种读出方式对第N+1行像素没有影响。

t4时刻，控制列读出电路的采样信号SH2(N)和SH2(N+1)置高，将此时像素输出信号采集，定义该信号为VSIG(N)和VSIG(N+1)。

第N行像素的输出信号为式(4)与式(6)的差，表示带有行噪声的图像信息，第N+1行像素的输出为式(5)与式(7)的差，是采集的随机行噪声。

则式(8)与式(9)做差可以消除掉随机的行噪声，得到

上述分析说明了新的时序去除行随机噪声的原理，在传统相关双采样的时序基础上，增加了随机噪声的读取，利用全差分的方法来消除行随机噪声。并且每次用不同的行来采样噪声信号，因此不会引入额外的固定噪声。

3 新时序的仿真验证

本论文采用 Smic 0.18 μm 工艺，并使用Cadence公司Spectre软件进行仿真，对上述时序进行了验证。仿真结果表明新时序对行随机噪声有明显抑制作用。

验证过程如下，在像素阵列的地信号中加上随机的白噪声，地上的信号波形如图3所示。

像素阵列地信号中包含的噪声通过像素内的寄生电容耦合到FD节点，并被读出电路采集。由于行噪声是整行引入的，因此每一行只要仿真一个像素的情况就可以得到整行像素的行噪声，这样可以减小电路的规模，加快仿真验证的速度。

图3 像素阵列地信号加入的随机噪声

由于在暗光条件下，传感器需要设置较高的增益才能得到亮度合适的图像，高增益下行随机噪声也会随图像信号放大，因此噪声对图像的影响更为明显。本论文模拟了暗光环境(光电管的电流很小)，在不考虑暗电流的情况下，设置增益为1，从而将噪声归一化。

仿真得到三组像素输出信号，分别为理想无噪声的图像信号，包含噪声的图像信号，以及采用新时序消除噪声后的图像信号。仿真结果如下图4所示。

图4 仿真得到的图像信号波形

曲线1是理想信号，幅值为727 μV，曲线2是带有噪声的图像信号，幅值为526 μV，曲线3是通过新的读出时序减去噪声的图像信号，幅值为699 μV。可知噪声水平大约为200 μV，放大32 倍后为6.4 mV，ADC 的LSB为1 mV，噪声大于3LSB，将会对图像造成影响。新时序可以将噪声从200 μV减小到28 μV，减小了86%，大约为17 dB，信号放大32倍后噪声仅为976 μV，小于ADC的LSB，量化后不会出现明显的横纹。

MATLAB软件仿真结果如图5所示。图5(a)为含有行噪声的原始图像，可以从图片上看到明显的横纹，图5(b)为经过新时序消除行噪声后的图像，在图片上基本看不到明显的横纹。通过对比含有行噪声的图像和采用新时序消除行噪声后的图像可知，新时序将行噪声大幅减小后，主观上从图像上看不到明显的横纹，图像质量得到提高。因此该时序能够较明显地改善图像传感器在暗光高增益环境下的成像效果，从而扩展了图像传感器的应用范围。

图5 MATLAB验证结果

4 总结

本设计基于SMIC 0.18 μm工艺设计了CMOS图像传感器的新读出时序，用于消除图像传感器的随机行噪声。

新方法采用采样噪声的方法得到噪声的实际值，通过两次全差分过程把图像信号中的噪声减掉。仿真结果表明该方法效果明显，可以有效的提高图像质量，扩展传感器在暗光、高增益条件下的应用。

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