原标题：一种基于运放失调补偿的CMOS传感读出电路

在CMOS图像传感器中，噪声是影响信噪比（SNR）的关键因素。由于工艺生产的非均匀性，列级读出电路之间的差异会引入固定模式噪声（FPN）。相关双采样（CDS）技术虽能有效消除低频噪声，但电路中的运放自身失调电压会引入新的固定模式噪声。为此，本文提出了一种基于运放失调补偿的CMOS传感读出电路，以降低固定模式噪声，提高图像质量。

二、电路设计

1. 积分放大电路

• 结构：包括二极管型传感器等效电路、积分电容选择电路、复位开关、运算放大器和单位增益缓冲器。

• 功能：对传感器输出的微弱电流信号进行积分放大，产生稳定的偏置电压，提高注入效率。

• 关键参数：

• 积分电容：采用可调节的积分电容值，以适应不同的光照环境。

• 运算放大器：选择具有高增益、高输入输出摆幅、高压摆率和低功耗的折叠式共源共栅放大器。

2. 相关双采样电路

• 结构：包括采样电路和失调存储电路。

• 功能：通过对复位电平和信号电平进行两次采样，消除像素的复位噪声、1/f噪声和像素内的固定模式噪声。

• 关键步骤：

• 复位采样：对复位信号进行采样，存储在电容上。

• 信号采样：对积分后的信号进行采样。

• 信号相减：将信号电平与复位电平相减，得到去噪声的有效信号。

三、运放失调补偿技术

1. 失调电压存储

• 原理：在复位相时，运算放大器连接成单位增益负反馈形式，失调电压存储在负输入端的电容上。

• 实现：通过采样开关和复位开关的时序控制，将失调电压存储在电容上。

2. 失调电压补偿

• 原理：在信号转移相时，输入信号转移到输出端，同时将存储的失调电压从输出中减去。

• 实现：通过接地开关的闭合，完成积分信号和复位信号的相减，得到补偿后的输出电压。

四、电路仿真与验证

• 仿真条件：采用GSMC 0.13μm标准CMOS工艺，仿真温度为300K，电源电压为3.3V，地电压为0V，积分时间为10μs，选取的积分电容值为50fF，传感器积分电流变化范围为1nA~7.6nA。

• 仿真结果：

• 失调电压补偿效果：在失调电压分别为0mV和24mV条件下，相关双采样输出端电压值完全相等，表明电路能够很好地补偿运放的失调电压。

• 噪声抑制效果：电路对CMOS图像传感器自身的噪声及积分放大电路的低频噪声进行了有效抑制，进一步降低了相关双采样电路的低频噪声。

五、创新点与优势

• 创新点：

• 提出了一种基于运放失调补偿的相关双采样电路，通过存储和补偿运放失调电压，降低了固定模式噪声。

• 设计了可调节的积分电容值，以适应不同的光照环境，提高了电路的灵活性和适应性。

• 优势：

• 低噪声：有效抑制了像素的复位噪声、1/f噪声和固定模式噪声，提高了图像的信噪比。

• 高精度：通过运放失调补偿技术，提高了读出电路的精度和稳定性。

• 低功耗：采用低功耗的运算放大器和积分电容，降低了电路的整体功耗。

六、应用前景

该电路适用于手机、视频监控、空间探测等图像市场，能够显著提高图像质量，满足高分辨率、高灵敏度的图像传感需求。

七、结论

本文提出的基于运放失调补偿的CMOS传感读出电路，通过创新的设计和优化，有效降低了固定模式噪声，提高了图像传感器的性能。该电路在低噪声、高精度和低功耗方面具有显著优势，具有广阔的应用前景。