应用于图像传感器的具有自适应电荷补偿的电荷泵

1.本发明涉及模拟集成电路设计领域，尤其涉及采用电荷泵驱动图像传感器像素的应用。通过自适应电荷补偿电路，动态补偿电荷泵，加速输出电压的恢复。


背景技术：

2.国内外研究表明，通过调整有源像素中的传输管(transfer gate,tg)栅压能够有效改善图像传感器在环境光极弱条件下的性能。当传输管栅压采用高压时，能够加快电荷的转移，有效提升电荷转移效率，改善图像拖尾的情况。当电荷泵利用输出电容存储的电荷对外供电时，像素传输管tg栅压发生周期性翻转，会导致电荷泵输出电容和像素阵列的tg栅电容发生电荷再分配，使得电荷泵输出的高压下降。为保证像素的正常工作，需要在一个行选周期内使输出电压恢复到额定值。本发明据此提出一种具有自适应电荷补偿机制的电荷泵，理论上可以有效缩短输出电压的恢复时间，满足像素工作需要。


技术实现要素：

3.为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种具有自适应补偿电荷功能的电荷泵，加速电荷泵输出电压的恢复，保证像素正常工作。为此，本发明采取的技术方案是，应用于图像传感器的具有自适应电荷补偿的电荷泵，包括开关电容电荷泵sc cp(switch capacitor charge pump)、低压差线性稳压电路(low dropout regulator ldo)与自适应电荷补偿电路。sc cp为倍压电荷泵，输出滤波电容为电容c1与c2串联的结构，串联节点为mod1，sc cp的输出电压vcp通过低压差线性稳压电路(low dropout regulator ldo)稳压处理后接入负载电路。低压差线性稳压器ldo的输出端接输出电容c
out
，c
out
另一端接地，输出电压为vout。vout为像素阵列中一行像素所有tg同时提供栅极偏置电压，所以电荷泵的负载电容cload是一行像素所有tg的栅极寄生电容的总和；当tg的栅压从低电平切换至高电平时tg导通，负载电容c
load
与输出电容c
out
连接，自适应电荷补偿电路依据sc cp的输出电压的状态，对sc cp进行动态调整，使输出电压恢复到额定值。
4.自适应电荷补偿电路包括分流电阻r1、r2、比较器cmp、与门and1、and2、and3、反相器inv1、inv2，传输门tga与tgb。sc cp的输出电压vcp经串接的电阻r1、r2接地，同时vcp经由另一支路接入ldo，电阻r1、r2相连的节点mod2连接比较器cmp的一个输入端，另一个输入端接信号v
ref
，比较器cmp的一个输出信号v
ref_outn
与主控时钟信号clk经过与门and1做与运算后产生clk，该信号向sc cp提供时钟，此外比较器cmp的两个输出信号v
ref_out
与v
ref_outn
分别与vtg和vtgn通过与门and2和and3进行与运算，产生信号va与vb，va与vb分别接入反相器inv1与inv2，产生信号van与vbn，va、van是传输门tga的控制信号，vb与vbn是tgb的控制信号，tga负责控制电流i
u
，tgb负责控制电流i
d
，tga与tgb串接，tga另一端接产生i
u
的电流源再接sc cp的输出端，tgb的另一端接产生i
d
的电流源再接地，tga与tgb的串接节点连接mod1节点，自适应电荷补偿电路依据sc cp的输出电压vcp的状态，对sc cp进行动态调整，一方面调制sc cp的时钟信号，稳定sc cp输出电压，防止电压过高造成电路不稳定；另一方
面，当vcp与vout因c
load
与c
out
电荷交换产生压降时，给sc cp的输出滤波电容，即给c1与c2补偿电荷，防止vcp欠冲而引起ldo瞬态性能下降；电荷补偿节点为mod1，该节点由电流i
u
进行电荷补偿，并由电流i
d
对其进行电荷释放；i
u
由传输门tga控制，i
d
由传输门tgb控制，当tg栅压从低电平切换成高电平时，vcp与vout产生压降，此时传输门tgb截止，tga导通，i
u
对节点mod1进行电荷补偿；当vout恢复初始电压水平并维持一段时间后，tg栅压从高电压切换为低电压，tg关断，传输门tga随之关断，同时传输门tgb导通，i
d
对c1、c2进行放电，为下一周期的vout压降做准备。
5.传输管tg的控制信号v
tg
、比较器输出信号v
ref_outn
与v
ref_out
、传输门控制信号va、vb的时序如下：v
tg
在t1时刻变为高电平，v
tgn
变为低电平，c
load
与c
out
重新分配电荷，vout会产生压降，ldo电路开始调整vout，需要从倍压电荷泵抽取电荷，但电荷无法瞬间转移，所以v
cp
会产生一个短暂的上冲，此时比较器的输出电压v
ref_outn
变为低电平，屏蔽时钟输入，以稳定v
cp
，此期间v
ref_ou
t为高电平，与v
tg
进行逻辑与运算产生信号va，va为高电平，van为低电平，使得控制i
u
的传输门tga导通，为c1、c2补充电荷，加速vout恢复。同一时间，由于v
ref_outn
为低电平，所以vb为低电平，vbn为高电平，传输门tgb关断。t2时刻vout恢复至稳初始水平，此时v
ref_out
变为低电平，v
ref_outn
为高电平，va从高电平切换为低电平，但由于v
tgn
为低电平，所以vb仍旧为低电平，vbn为高电平，i
d
仍旧被传输门截止，保证了vout在像素传输管tg导通阶段的稳定。t3时刻，v
tg
关断，v
tgn
变为高电平，v
tg
变为低电平，此时va变为低电平，导致i
u
截止。此时ldo电路无需从sc cp抽取电荷，v
cp
会进入一个自适应调整阶段，v
ref_outn
不再被v
tgn
屏蔽，vb与vbn会间断性地在低电平与高电平之间切换，与v
ref_outn
保持一致，此时传输门tgb也会间断性开启，滤波电容c1与c2会通过i
d
逐步放电，并在下一个行选周期开始前完成放电，该过程保证了vout在放电过程中的稳定。
6.sc cp电荷泵可采用的电路结构如下，开关switch1、switch2、switch3、switch4，四个开关的控制信号分别为clk、clkn、clkn与clk；泵电容cpump与输出滤波电容c
cp_out
，其中电荷泵输出滤波电容c
cp_out
由电容c1与c2串联组成，vin为sc cp输入电压。
7.ldo电路结构如下，包括误差放大器ea、分流电阻r3与r4、以及功率管mp。功率管mp源端接vcp，漏端串接r3与r4再接地，且r3与mp漏极连接节点电压为输出电压vout。vout通过电阻r3与r4分压将两电阻连接节点的电压送回运放正端，运放负端接预先设好的基准电压v
ref_ldo
，运放输出端接m
p
栅极，通过负反馈机制改变流经r3与r4的电流，将vout电压钳位到预期得到的电压值。
8.本发明的特点及有益效果是：
9.当像素曝光完成之后，传输管tg开启转移光生电子，此时tg的栅压从低电平切换至高电平，但由于栅极寄生电容并没有储存电荷，会与电荷泵输出电容发生电荷交换，导致电荷泵输出电压vout出现周期性波动，本发明电路通过自适应电荷补偿有效减小vout的恢复时间，在一个行选周期内将vout恢复到额定值，保证像素正常工作，同时本电路可以有效减小sc cp的输出滤波电容，节约了可观的版图面积。
附图说明：
10.图1tg工作方式简要示意图
11.图2自适应电荷补偿电荷泵示意图。
12.图3v
tg
、v
tgn
控制时序与v
ref_out
、v
ref_outn
、va、vb工作时序。
13.图4sc cp电路示意图。
14.图5ldo电路示意图。
具体实施方式
15.图1给出了tg工作方式的简要示意图，其中包括钳位光电二极管(pinned photodiode ppd)与传输管tg，ppd曝光完成之后，开始转移光生电子，此时v
tg
变为高电平，tg导通光生电子将经过tg转移出去，当光生电子完全转移后v
tg
变为低电平，tg关断。
16.图2给出了具有自适应电荷补偿的电荷泵示意图，包括开关电容电荷泵sc cp(switch capacitor charge pump)、低压差线性稳压电路(low dropout regulator ldo)与自适应电荷补偿电路。sc cp为倍压电荷泵，输出滤波电容为电容c1与c2串联的结构，串联节点为mod1，sc cp的输出电压vcp通过低压差线性稳压电路(low dropout regulator ldo)稳压处理后接入负载电路。低压差线性稳压器ldo的输出端接输出电容c
out
，c
out
另一端接地，输出电压为vout。vout为像素阵列中一行像素所有的tg同时提供栅极偏置电压，所以电荷泵的负载电容c
load
是一行像素所有tg的栅极寄生电容的总和；当tg的栅压从低电平切换至高电平时tg导通，负载电容c
load
与输出电容c
out
连接，但由于c
load
没有存储电荷，所以会与c
out
重新分配电荷，导致低压差线性稳压器ldo的输出电压vout下降，进而导致sc cp的输出电压vcp下降影响ldo瞬态性能，此时，自适应电荷补偿电路依据sc cp的输出电压的状态，对sc cp进行动态调整。自适应电荷补偿电路包括分流电阻r1、r2、比较器cmp、与门and1、and2、and3、反相器inv1、inv2，传输门tga与tgb。sc cp的输出电压vcp经串接的电阻r1、r2接地，同时vcp经由另一支路接入ldo。电阻r1、r2相连的节点mod2连接比较器cmp的一个输入端，另一个输入端接信号v
ref
。比较器cmp的一个输出信号v
ref_outn
与主控时钟信号clk经过与门and1做与运算后产生clk，该信号向sc cp提供时钟。此外比较器cmp的两个输出信号v
ref_out
与v
ref_outn
分别与vtg和vtgn通过and2和and3进行与运算，产生信号va与vb，va与vb分别接入反相器inv1与inv2，产生信号van与vbn。va、van是传输门tga的控制信号，vb与vbn是tgb的控制信号。tga负责控制电流i
u
，tgb负责控制电流i
d
。tga与tgb串接，tga另一端接产生i
u
的电流源再接sc cp的输出端，tgb的另一端接产生i
d
的电流源再接地，tga与tgb的串接节点连接mod1节点。自适应电荷补偿电路根据sc cp输出节点的电压v
cp
的状态动态控制传输门tga与tgb。自适应电荷补偿电路依据sc cp的输出电压的状态，对sc cp进行动态调整，一方面调制sc cp的时钟信号，稳定sc cp输出电压，防止电压过高造成电路不稳定；另一方面，当vcp与vout因c
load
与c
out
电荷交换产生压降时，可以及时给sc cp的输出滤波电容，即给c1与c2补偿电荷，防止vcp欠冲而引起ldo瞬态性能下降。电荷补偿节点为mod1，该节点由电流i
u
进行电荷补偿，并由电流i
d
对其进行电荷释放。i
u
由传输门tga控制，i
d
由传输门tgb控制。当tg栅压从低电平切换成高电平时，vcp与vout产生压降，此时传输门tgb截止，tga导通，i
u
对节点mod1进行电荷补偿；当vout恢复初始电压水平并维持一段时间后，tg栅压从高电压切换为低电压，tg关断，传输门tga随之关断，同时传输门tgb导通，i
d
对c1、c2进行放电，为下一周期的vout压降做准备；
17.图3给出了传输管tg的控制信号v
tgn
与v
tg
、比较器输出信号v
ref_outn
与v
ref_out
、传输门控制信号va、vb的时序示意图。v
tg
在t1时刻变为高电平，v
tgn
变为低电平，c
load
与c
out
重新
分配电荷，vout会产生压降，ldo电路开始调整vout，需要从倍压电荷泵抽取电荷，但电荷无法瞬间转移，所以v
cp
会产生一个短暂的上冲，此时比较器的输出电压v
ref_outn
变为低电平，屏蔽时钟输入，以稳定v
cp
，此期间v
ref_out
为高电平，与v
tg
进行逻辑与运算产生信号va，va为高电平，van为低电平，使得控制i
u
的传输门tga导通，为c1、c2补充电荷，加速vout恢复。同一时间，由于v
ref_outn
为低电平，所以vb为低电平，vbn为高电平，传输门tgb关断。t2时刻vout恢复至稳初始水平，此时v
ref_out
变为低电平，v
ref_outn
为高电平，va从高电平切换为低电平，tga关断，i
u
截止。由于v
tgn
为低电平，所以vb仍旧为低电平，vbn为高电平，i
d
仍旧被传输门截止，保证了vout在像素传输管tg导通阶段的稳定。t3时刻，v
tg
关断，v
tgn
变为高电平，v
tg
变为低电平，此时va变为低电平，导致i
u
截止。此时ldo电路无需从sc cp抽取电荷，v
cp
会进入一个自适应调整阶段，v
ref_outn
不再被v
tgn
屏蔽，vb与vbn会间断性地在低电平与高电平之间切换，与v
ref_outn
保持一致，此时传输门tgb也会间断性开启，滤波电容c1与c2会通过i
d
逐步放电，并在下一个行选周期开始前完成放电，该过程保证了vout在放电过程中的稳定。
18.如图4所示，sc cp电荷泵可采用该电路结构，包括开关switch1、switch2、switch3、switch4，四个开关的控制信号分别为clk、clkn、clkn与clk；泵电容c
pump
与输出滤波电容c
cp_out
，其中电荷泵输出滤波电容c
cp_out
由电容c1与c2串联组成。switch1一端与switch2连接，同时串接c
pump
接switch3，switch1的另一端同switch的另一端连接。switch1与switch3连接节点接输入电压vin。switch2的另一端串接c
cp_out
再接switch4的一端，switch4的另一端同c
pump
与switch2连接的节点连接。switch2与c
cp_out
的连接节点输出电压vcp。vin为sc cp输入电压，clk由v
ref_outn
与主时钟clk经过与运算产生，可以动态调整v
cp
，使其不会过高以稳定电路。c
pump
为泵电容，一般取值不超过1pf。由于自适应电荷补偿电路的存在，c
cp_out
可以采用小电容，即c1与c2同时取20pf串联可以达到符合预期的效果。clk频率一般为几十兆的时钟信号，控制switch1、switch4与switch2、switch3两组开关交替开启，为c
pump
充电。
19.如图5所示，ldo电路包括误差放大器ea、分流电阻r3与r4、以及功率管mp。功率管mp源端接vcp，漏端串接r3与r4再接地，且r3与mp漏极连接节点电压为输出电压vout。vout通过电阻r3与r4分压将两电阻连接节点的电压送回运放正端，运放负端接预先设好的基准电压v
ref_ldo
，运放输出端接m
p
栅极，通过负反馈机制改变流经r3与r4的电流，将vout电压钳位到预期得到的电压值。
20.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。