CN102104744B - Cmos图像传感器像素读出电路结构及像素结构 - Google Patents

Cmos图像传感器像素读出电路结构及像素结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种CMOS图像传感器像素读出电路结构及像素结构，读出电路结构包括可调增益放大器，可调增益放大器包括运算放大器、第一电容、开关和第二电容，运算放大器中的一个输入管为CMOS图像传感器像素单元的读出管。可以提高灵敏度、信噪比与动态范围，在传输过程中不会影响图像质量，且可以实现增益可调节。

Description

CMOS图像传感器像素读出电路结构及像素结构
技术领域
本发明涉及一种CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)图像传感器，尤其涉及一种CMOS图像传感器像素读出电路结构及像素结构。
背景披术
CMOS图像传感器广泛的应用于电子消费、安防监控、自动控制、医疗以及国防等众多领域。CMOS图像传感器的像素结构分为两大类，一类是无源像素(Passive Pixel)，另一种是有源像素(Active Pixel)。
如图1所示，是现有技术中的有源像素单元电路及其读出电路示意图，通常有源像素的读出电路采用源极跟随器(Source follower)结构。图1中，像素单元108由光电二极管101、传输管102、清零管103、读出管104、行选通管105组成。像素单元108的结构是典型的4T有源像素单元结构。光电二极管101的负极连接到传输管102的源极，传输管102的栅极由TX控制，传输管102的漏极接到FD节点107。清零管103的源极连到FD节点107，清零管103的漏极接到节点Reset_vdd上。读出管104的栅极连到FD节点107，读出管104的漏极连到节点VDD上，读出管104的源极连到行选通管105的漏极。行选通管105的栅极由行选通(Row select)信号控制，行选通管105的源极连到像素单元108的输出节点OUT上。Reset_vdd与VDD两个节点可以根据需要连接在一起，也可以分开。典型的CMOS图像传感器像素信号读出电路中，像素单元108的输出节点OUT接到电流源负载106，电流源106的另一端接到地上。这样，由像素单元108中的读出管104、行选通管105和电流源106，构成了源极跟随读出电路。
上述现有技术至少包含以下缺点：
源极跟随读出电路的增益固定且小于1，会降低图像传感器像素单元的输出信号幅度，降低传感器灵敏度；降低系统的信噪比与动态范围，影响图像质量；增益固定，不能调节。
发明内容
本发明的目的是提供一种本发明的目的是提供一种高灵敏度、高信噪比与动态范围、在传输过程中不会影响图像质量、增益可调节的CMOS图像传感器像素读出电路结构及像素结构。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的CMOS图像传感器像素读出电路结构，包括可调增益放大器，所述可调增益放大器包括运算放大器、第一电容、开关和第二电容，所述运算放大器中的一个输入管为CMOS图像传感器像素单元的读出管。
本发明的CMOS图像传感器像素结构，该像素结构连接有上述的CMOS图像传感器像素读出电路结构。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的CMOS图像传感器像素读出电路结构及像素结构，由于包括可调增益放大器，可调增益放大器包括运算放大器、第一电容、开关和第二电容，运算放大器中的一个输入管为CMOS图像传感器像素单元的读出管。可以提高灵敏度、信噪比与动态范围，在传输过程中不会影响图像质量，且可以实现增益可调节。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1是现有技术中有源像素单元电路及读出电路图；
图2是本发明具体实施例一的有源像素单元电路及读出电路图；
图3是本发明具体实施例一中读出电路增益为1的工作模式的控制信号波形图；
图4是本发明具体实施例一中读出电路放大工作模式的控制信号波形图；
图5是本发明具体实施例一中多个有源像素单元构成一列读出电路连接方式；
图6是本发明具体实施例二的有源像素单元电路及读出电路图；
图7是本发明具体实施例二中读出电路增益为1的工作模式的控制信号波形图；
图8是本发明具体实施例二中读出电路放大工作模式的控制信号波形图；
图9是本发明具体实施例三的有源像素单元电路及读出电路图；
图10是本发明具体实施例三中读出电路增益为1的工作模式的控制信号波形图；
图11是本发明具体实施例三中读出电路放大工作模式的控制信号波形图；
图12是本发明中有源像素单元电路及像素单元读出管为运算放大器其中一个输入管示意图；
图13是本发明具体实施例四的有源像素单元电路及读出电路图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明的CMOS图像传感器像素读出电路结构，其较佳的具体实施方式是，包括可调增益放大器，所述可调增益放大器包括运算放大器、第一电容、开关和第二电容，所述运算放大器中的一个输入管为CMOS图像传感器像素单元的读出管。
所述CMOS图像传感器像素单元的读出管与另一输入管构成所述运算放大器的输入差分对管。
所述CMOS图像传感器像素单元的读出管的栅极是运算放大器的正输入端，所述另一输入管的栅极是运算放大器的负输入端。
所述开关的控制端与phi信号相连，所述开关的其它两端分别连到所述运算放大器的输出端和负输入端；
所述第一电容的两端分别接到运算放大器的输出端和负输入端；
所述第二电容的两端分别接到运算放大器的负输入端和固定电平节点上。
所述第一电容和第二电容分别为可调电容。
所述运算放大器为一级运算放大器或多级运算放大器。
该读出电路的工作模式通过数字电路控制，该读出电路的工作模式包括增益为1的工作模式和/或增益大于1的增益可调的工作模式。
本发明的CMOS图像传感器像素结构，其较佳的具体实施方式是，该像素结构连接有上述的CMOS图像传感器像素读出电路结构。
本发明的CMOS图像传感器像素读出电路，可以提高灵敏度、信噪比与动态范围，在传输过程中不会影响图像质量，增益可调节的。
下面通过具体实施例并结合附图对本申请进行详细的描述：
具体实施例一：
如图2所示，像素单元215是典型的4T像素结构，由光电二极管201、传输管202、清零管203、读出管205、行选通管204组成。光电二极管201的负极连接到传输管202的源极，传输管的栅极由TX控制，传输管的漏极接到FD节点214。清零管203的源极连到FD节点214，清零管203的漏极接到节点Reset_vdd上。
读出管205的栅极连到FD节点214，读出管205的漏极连到MOS管206的栅极和漏极上，读出管205的源极连到行选通管204的漏极。行选通管204的栅极由行选通信号控制，行选通管204的源极连到MOS(Metal Oxide Semiconductor)管208的漏极和电流源207。电流源207的另一端连到地上。MOS管208的栅极由读出使能信号EN控制，MOS管208的漏极与MOS管211的源极相连。MOS管211的栅极节点IN-相连。MOS管211的漏极与节点OUT相连。开关的控制端与phi信号相连，其他两端分别连到节点OUT与节点IN-。可调电容212(电容值表示为Cap1)的两端分别接到节点OUT与节点IN-上。可调电容213(电容值表示为Cap2)的两端分别接到节点IN-与固定电平节点上。MOS管206的栅极和漏极连接到一起，同时连到MOS管205的漏极和MOS管210的栅极。MOS管206的源极和MOS管210的源极都连到节点VDD上。电容212和电容213的电容值可调。
MOS管204，205，206，208，209，210和电流源207构成了差分输入单端输出的运算放大器，其中MOS管211和像素单元读出管205一起构成差分运算放大器的输入差分对管；这个运算放大器与第一电容212、开关211、第二电容213一起构成像素单元的读出电路，该读出电路的增益可调，成为可调增益放大器；节点OUT是读出电路的信号输出端。在开关211不同的工作方式控制下，该读出电路有两种工作模式：增益为1的工作模式；增益为(1+Cap2/Cap1)的读出模式，因为电容212和电容213可调，这种工作模式可以实现增益大于1的可调增益，以下简称这种模式为放大工作模式。
增益为1的工作模式：
如图2所示的读出电路工作在增益为1的工作模式时，在phi控制下，开关211一直闭合，其他控制信号波形如图3所示。清零信号Reset电位从低变高，控制像素215中的清零管203开启，将像素215中FD点的电位设为高电位；TX信号电位从低变高，控制像素215中的传输管202开启，引起像素215中的光电二极管201全耗尽，完成光电二极管的清零。光子被光电二极管吸收，产生光电子，光电二极管收集光电子，开始曝光。
完成曝光，像素215进入像素信号读出周期。清零信号Reset再次从低电平变为高电平，FD清零。行选通信号Row select和读出使能信号EN从低电平变高电平；当FD完成清零，清零信号从高电平变低电平，节点FD电平稳定后，从读出电路的输出端口OUT输出节点FD清零后的电压Vrst，这时输出端口OUT的输出电压是Vout1＝Vrst+Voffset，其中Voffset是读出电路的失调电压。节点FD清零后的信号读出后，TX信号从低电平变成高电平控制传输管202开启，光电二极管201积累的光电子转移到FD点，光电子转移完成后，TX信号从高电平变成低电平。FD点电平稳定后，读出电路的输出端口OUT输出光电子转移到节点FD后的电压Vsig，这时输出端口OUT的输出电压是Vout2＝Vsig+Voffset，其中Voffset是读出电路的失调电压。最终像素215输出信号是Vout1-Vout2＝Vrst-Vsig，实现像素215信号1倍增益读出。
放大工作模式：
如图2所示的读出电路工作在放大工作模式时，控制信号波形如图4所示。清零信号Reset电位从低变高，控制像素215中的清零管203开启，将像素215中FD点的电位设为高电位；TX信号电位从低变高，控制像素215中的传输管202开启，引起像素215中的光电二极管201全耗尽，完成光电二极管的清零。光子被光电二极管吸收，产生光电子，光电二极管收集光电子，开始曝光。
完成曝光，像素215进入像素信号读出周期。清零信号Reset再次从低电平变为高电平，FD清零。行选通信号Row select和读出使能信号EN从低电平变高电平；当FD完成清零，清零信号从高电平变低电平后，信号phi从高电平变为低电平，开关211断开，节点FD电压信号稳定后，从读出电路的输出端口OUT输出节点FD清零后的电压Vrst，这时输出端口OUT的输出电压是Vout1＝Vrst+Voffset，其中Voffset是读出电路的失调电压。节点FD清零后的信号读出后，TX信号从低电平变成高电平控制传输管202开启，光电二极管201积累的光电子转移到FD点，光电子转移完成后，TX信号从高电平变成低电平。FD点电平稳定后，读出电路的输出端口OUT输出光电子转移到节点FD后的电压Vsig，这时输出端口OUT的输出电压是Vout2＝(1+Cap2/Cap1)＊Vsig-Cap2/Cap1＊Vrst+Voffset，其中Voffset是读出电路的失调电压。最终像素215输出信号是Vout1-Vout2＝(1+Cap2/Cap1)＊(Vrst-Vsig)，实现像素215信号(1+Cap2/Cap1)倍增益读出。电容212、213的电容值Cap1、Cap2可以调节，因此像素215的读出信号增益可调。像素信号读出后phi变为高电平，开关211闭合。
多个像素单元组成像素阵列的一列时，读出电路连接方式，如图5所示。像素514、515、516中的读出管的漏极连到相同节点，与MOS管506的漏极和栅极相连。像素514、515、516中的行选通管的源极连到相同节点，与MOS管509的源极和电流源507相连。图5举例了三个像素单元组成一列时，读出电路连接方式，事实上，可以由1个或多个像素单元组成一列。
具体实施例二：
具有所述CMOS图像传感器像素读出电路结构的像素其结构不限于图2所示的像素215的结构，只要像素有读出管均可采用本发明中的结构。图6所示的像素614与图二所示像素215相比，减少了行选通管。像素614读出管605的源极直接与MOS管608的漏极，MOS管609源极相连。MOS管608的栅极由使能信号EN控制，MOS管608的源极与电流源607相连。图7所示是读出电路工作在增益为1的工作模式时的控制信号波形图，此时phi一直为高电平，开关611一直闭合。图8所示是读出电路工作在放大工作模式时的控制信号波形图。
具体实施例三：
具有所述CMOS图像传感器像素读出电路结构的像素图9所示，像素714与图2所示像素215相比，减少了传输管。图10所示是所述CMOS图像传感器读出电路工作在增益为1的工作模式时的控制信号波形图，此时phi一直为高电平，开关711一直闭合。图11所示是读出电路工作在放大工作模式时的控制信号波形图。
具体实施例四：
本发明读出电路中的运算放大器的结构不限于图2所示结构。只要像素单元读出管作为运算放大器的一个输入管，运算放大器与开关、电容连接成图2所示结构，均属本发明范畴。如图12所示，像素810的光电二极管连到传输管802的源极，传输管的栅极由TX信号控制，传输管的漏极连到FD节点；像素810的清零管的栅极由清零信号Reset控制，漏极连到Reset_vdd，源极连到FD节点；运算放大器的正输入端IN+(像素810的读出管804的栅极)连到FD节点；像素810的读出管804成为运算放大器的一个输入管；运算放大器的负输入端IN-连到电容808、电容809和开关806的一端；电容808的另一端连到固定电平；电容809与开关806的另一端一起连到运算放大器的输出端O，形成读出电路的输出端OUT。
一个运算放大器的结构有多种形式(一级运算放大器，多级运算放大器，gain-boost运算放大器等)。图13所示电路就是另一种运算放大器形式应用于本发明读出电路结构的一种表现。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.CMOS图像传感器像素读出电路结构，其特征在于，包括可调增益放大器，所述可调增益放大器包括运算放大器、第一电容、开关和第二电容，所述运算放大器中的一个输入管为CMOS图像传感器像素单元的读出管；
所述CMOS图像传感器像素单元的读出管与所述运算放大器中的另一个输入管构成所述运算放大器的输入差分对管；
所述CMOS图像传感器像素单元的读出管的栅极是运算放大器的正输入端，所述另一输入管的栅极是运算放大器的负输入端；
所述开关的控制端与phi信号相连，所述开关的其它两端分别连到所述运算放大器的输出端和负输入端；
所述第一电容的两端分别接到运算放大器的输出端和负输入端；
所述第二电容的两端分别接到运算放大器的负输入端和固定电平节点上。
2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器像素读出电路结构，其特征在于，所述第一电容和第二电容分别为可调电容。
3.根据权利要求1或2所述的CMOS图像传感器像素读出电路结构，其特征在于，所述运算放大器为一级运算放大器或多级运算放大器。
4.根据权利要求3所述的CMOS图像传感器像素读出电路结构，其特征在于，该读出电路的工作模式通过数字电路控制，该读出电路的工作模式包括增益为1的工作模式和/或增益大于1的增益可调的工作模式。
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