CN102447848B - Cmos图像传感器全局曝光像素单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CMOS图像传感器全局曝光像素单元，包括依次连接的光电二极管、信号读出电路、信号放大电路、信号采样保持电路和信号输出电路，光电二极管用于采集入射光线的原始信息，将采集的目标图像光信号转换成电信号；信号读出电路用于读出光电转换完成后光电二极管中的电信号，并将其保存在节点FD，节点FD的信号被所述信号放大电路放大；信号放大电路含有一个运算放大器，用于对节点FD所存储的信号进行放大，放大后的信号输出给信号采样保持电路；信号采样保持电路用于对信号放大电路的输出信号进行采样保持；信号输出电路用于采样信号采样保持电路中采样保持的信号并输出。利用本发明，解决了CMOS图像传感器中现有全局曝光像素噪声大的问题。

Description

CMOS图像传感器全局曝光像素单元

技术领域

本发明涉及CMOS图像传感器技术领域，尤其涉及一种CMOS图像传感器全局曝光像素单元。

背景技术

CMOS图像传感器已广泛应用于军事和民用领域，如军事侦察、空间遥感成像、飞行器导航、数码照相机、安防监控及自动控制等。CMOS图像传感器在军、民市场都大有取代CCD的趋势。

对于CMOS图像传感器来说，通常有两种曝光方式：滚动曝光(RollingShutter)和全局曝光(Global Shutter)。采用全局曝光方式的CMOS图像传感器更有利于高速运动物体的成像。在现有技术中，全局曝光CMOS图像传感器主要采用专利号为US 7,129,979B1的美国专利中的五管(5T)像素单元。五管全局曝光像素单元主要存在以下几个缺点：

(1)信号读出时无法实现真正的相关双采样(CDS)，从而不能有效的消除转换节点(FD)的复位噪声，导致像素的读出噪声较大。现有的工业级全局曝光CMOS图像传感器噪声在30～100个电子，而高端全局曝光CCD的噪声为1～10个电子。

(2)转换节点(FD)的漏电较大，使得后读出的像素单元不能保存完整的信号电荷，恶化了图像的质量。

(3)由于转换节点(FD)紧邻感光器件光电二极管，对光照比较敏感，因此易于受光照影响，避光效率(Shutter efficiency)较低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的是为了解决CMOS图像传感器中现有全局曝光像素噪声大的问题，提供一种低噪声、大动态范围、小像素面积、高避光效率的CMOS图像传感器全局曝光像素单元。该像素噪声低，动态范围大，电路结构简单易于实现，只占用很小的像素面积，避光效率高，适合于大规模全局曝光CMOS图像传感器。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明采用的技术方案如下：

一种CMOS图像传感器全局曝光像素单元，包括依次连接的光电二极管1、信号读出电路2、信号放大电路3、信号采样保持电路4和信号输出电路5，其中：

所述光电二极管1，用于采集入射光线的原始信息，将采集的目标图像光信号转换成电信号；

所述信号读出电路2，用于读出光电转换完成后所述光电二极管1中的电信号，并将其保存在节点FD，所述节点FD的信号被所述信号放大电路3放大；

所述信号放大电路3，含有一个运算放大器，用于对所述节点FD所存储的信号进行放大，放大后的信号输出给所述信号采样保持电路4；

所述信号采样保持电路4，用于对所述信号放大电路3的输出信号进行采样保持；

所述信号输出电路5，用于采样所述信号采样保持电路4中采样保持的信号，并输出。

上述方案中，所述光电二极管1的正极接地，输出端连接于所述信号读出电路2的输入端，采用普通光电二极管或掩埋层光电二极管。

上述方案中，所述信号读出电路2含有一个传输管及一个复位管，当所述传输管与所述复位管同时导通时所述光电二极管1被复位；当所述传输管关断，所述复位管导通时，所述节点FD被复位；当所述传输管导通，所述复位管关断时，所述光电二极管1中存储的信号电荷经所述传输管传送到所述节点FD。所述复位管为N型MOS管或P型MOS管。

上述方案中，对于所述信号放大电路3含有的运算放大器，当需要放大所述节点FD的信号时，该运算放大器工作在放大模式；当不需放大所述节点FD的信号时，该运算放大器工作在休眠模式。

上述方案中，所述信号采样保持电路4含有第一开关管、第二开关管、第一采样保持电容及第二采样保持电容，其中：第一采样保持电容，用于采样保持目标图像光信号转换成的电信号；第二采样保持电容，用于采样保持节点FD的复位信号，以在后续信号处理电路中实现相关双采样(CDS)来降低节点FD的复位噪声。所述第一采样保持电容和所述第二采样保持电容均采用MOS电容、MIM电容或PIP电容。

上述方案中，所述信号输出电路5含有一个源随管及一个行选通管，其输出端接后续的信号处理电路，且该源随管、行选通管及位于该全局曝光像素单元外的电流源构成源极跟随读出电路。所述行选通管在行选控制信号的控制下将采样所述信号采样保持电路4中第一采样保持电容及第二采样保持电容上保持的信号，并输出给后续信号处理电路。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下优点及有益效果：

(1)本发明提供的CMOS图像传感器全局曝光像素单元，含有一个运算放大器对节点FD所存储的信号进行放大，其增益A＞1，因此可以降低像素中第一采样保持电容及第二采样保持电容的复位噪声，从而降低了像素的总噪声，提高了动态范围。

(2)本发明提供的CMOS图像传感器全局曝光像素单元，其中的第一采样保持电容用于采样保持目标图像光信号转换成的电信号，而第二采样保持电容用于采样保持节点FD的复位信号，可以在后续信号处理电路中实现相关双采样来降低节点FD的复位噪声及像素间的非均匀性。因此降低了像素的总噪声，提高了动态范围。

(3)本发明提供的CMOS图像传感器全局曝光像素单元，其中的第一采样保持电容CS及第二采样保持电容CR可以取得远大于节点FD的寄生电容，两个采样保持电容自身的复位噪声小，进一步降低了像素的总噪声，提高了动态范围。

(4)本发明提供的CMOS图像传感器全局曝光像素单元，其中的第一采样保持电容CS及第二采样保持电容CR可以取得远大于节点FD的寄生电容，漏电较小，能更好地保存信号的完整性。

(5)本发明提供的CMOS图像传感器全局曝光像素单元，含有一个运算放大器对节点FD所存储的信号进行放大，其增益A＞1，降低了信号采样保持电路中第一采样保持电容及第二采样保持电容的复位噪声，因此可以采用较小的第一采样电容和第二采样电容，像素面积小，适合于大规模全局曝光CMOS图像传感器。

(6)本发明提供的CMOS图像传感器全局曝光像素单元，其中的第一采样保持电容和第二采样保持电容可以采用MOS电容、MIM电容或PIP电容，它们对光照不敏感，像素的避光效率高。

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说，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它附图。

图1为本发明提供的CMOS图像传感器全局曝光像素单元的结构示意图；

图2为依照本发明第一个实施例的CMOS图像传感器全局曝光像素单元的电路图；

图3为依照本发明第一个实施例的CMOS图像传感器全局曝光像素单元的控制时序图；

图4为依照本发明第二个实施例的CMOS图像传感器全局曝光像素单元的电路图；

图5为依照本发明第二个实施例的CMOS图像传感器全局曝光像素单元的控制时序图。

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它实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，图1为本发明提供的CMOS图像传感器全局曝光像素单元的结构示意图，该全局曝光像素单元包括依次连接的光电二极管1、信号读出电路2、信号放大电路3、信号采样保持电路4和信号输出电路5。

其中，光电二极管1用于采集入射光线的原始信息，将采集的目标图像光信号转换成电信号，该电信号可被信号读出电路2读出。光电二极管1可采用普通光电二极管或掩埋层光电二极管。

信号读出电路2含有一个传输管及一个复位管，用于读出光电转换完成后光电二极管中的电信号，并将其保存在节点FD，节点FD的信号被信号放大电路3放大。当传输管与复位管同时导通时光电二极管1被复位；当传输管关断，复位管导通时，节点FD被复位；当传输管导通，复位管关断时，光电二极管1中存储的信号电荷经传输管传送到节点FD。复位管既可以为N型MOS管，也可以为P型MOS管。

信号放大电路3含有一个运算放大器，对节点FD所存储的信号进行放大，放大后的信号输出给信号采样保持电路。当需要放大节点FD的信号时，该运算放大器工作在放大模式；当不需放大节点FD的信号时，该运算放大器工作在休眠模式。两种工作模式，降低了运算放大器的功耗。该运算放大器工作在放大模式下的增益A＞1，降低了信号采样保持电路中第一采样保持电容及第二采样保持电容的复位噪声，因此可以采用较小的第一采样电容和第二采样电容，减小了像素面积，适合于大规模全局曝光CMOS图像传感器。

信号采样保持电路4含有第一开关管、第二开关管、第一采样保持电容及第二采样保持电容，用于对信号放大电路的输出信号进行采样保持，然后传送给信号输出电路。第一采样保持电容用于采样保持目标图像光信号转换成的电信号，而第二采样保持电容用于采样保持节点FD的复位信号，以在后续信号处理电路中实现相关双采样(CDS)来降低节点FD的复位噪声。第一采样保持电容和第二采样保持电容可以采用MOS电容、MIM电容或PIP电容，它们对光照不敏感，因此大大提高了像素的避光效率。第一采样保持电容和第二采样保持电容取值远大于节点FD的寄生电容，两个采样保持电容自身的复位噪声小，并且它们漏电较小，能更好地保存信号的完整性。

信号输出电路5含有一个源随管及一个行选通管。该源随管、行选通管及位于该全局曝光像素单元外的电流源构成了源极跟随读出电路。行选通管在行选控制信号的控制下将采样保持电路中第一采样保持电容及第二采样保持电容上保持的信号，并输送给后续信号处理电路。

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：

实施例1：

如图2所示，图2为依照本发明第一个实施例的CMOS图像传感器全局曝光像素单元的电路图。光电二极管1由一个掩埋层光电二极管PPD组成。信号读出电路2由一个N型MOS传输管M_TG及一个P型MOS复位管M_RST组成。信号放大电路3由两个P型MOS管M₁、M₂组成，这两个P型MOS管构成一个运算放大器。信号采样保持电路4由第一P型MOS开关管M_S1，第二P型MOS开关管M_S2，第一采样保持电容CS及第二采样保持电容CR组成。信号输出电路5由一个N型MOS源随管M_SF及一个N型MOS行选通管M_SEL组成。像素外电流源IS构成了信号输出电路5的负载。

图2所示的全局曝光像素单元电路的连接关系如下：掩埋层光电二极管PPD的正极接地，掩埋层光电二极管PPD的负极接N型MOS传输管M_TG的漏极，N型MOS传输管M_TG的栅极接电荷传输控制信号TG，N型MOS传输管M_TG的源极、P型MOS复位管M_RST的漏极、P型MOS管M₁的栅极相互连接于节点FD，P型MOS复位管M_RST的源极接复位电压V_R，P型MOS复位管M_RST的栅极接复位控制信号RST，P型MOS管M₁的源极接电源电压VDD，P型MOS管M₁的漏极、P型MOS管M₂的源极、第一P型MOS开关管M_S1的漏极相互连接，P型MOS管M₂的栅极接运算放大器的使能控制信号BP，P型MOS管M₂的漏极接地，第一P型MOS开关管M_S1的栅极接第一采样保持控制信号S1，第一P型MOS开关管M_S1的源极、第二P型MOS开关管M_S2的漏极、第一采样保持电容CS的上极板相互连接，第一采样保持电容CS的下极板接地，第二P型MOS开关管M_S2的栅极接第二采样保持控制信号S2，第二P型MOS开关管M_S2的源极、N型MOS源随管M_SF的栅极、第二采样保持电容CR的上极板相互连接，第二采样保持电容CR的下极板接地，N型MOS源随管M_SF的漏极接电源电压VDD，N型MOS源随管M_SF的源极接N型MOS行选通管M_SEL的漏极，N型MOS行选通管M_SEL的栅极接行选控制信号SEL，N型MOS行选通管M_SEL的源极、后续信号处理电路中用于接收像素单元输出信号的电路的输入端及像素外电流源IS的输入端相互连接于输出节点OUT，像素外电流源IS的输出端接地。

图2所示电路的所有控制信号工作过程如图3所示，图3为依照本发明第一个实施例的CMOS图像传感器全局曝光像素单元的控制时序图。在图3中：复位控制信号RST电位从高跳变为低，控制P型MOS复位管M_RST导通，将节点FD的电位设为复位电压V_R；在复位控制信号RST电位从高跳变为低之后，电荷传输控制信号TG电位从低跳变为高，控制N型MOS传输管M_TG导通，使得掩埋层光电二极管PPD全耗尽，完成掩埋层光电二极管PPD的复位。掩埋层光电二极管PPD经过充足的复位时间，电荷传输控制信号TG电位从高跳变为低，控制N型MOS传输管M_TG关断，光子被掩埋层光电二极管PPD吸收，产生光电子，这些光电子被掩埋层光电二极管PPD收集，曝光开始。接着复位控制信号RST电位从低跳变为高，控制P型MOS复位管M_RST关断，节点FD处于浮空状态。

在一定的曝光时间后，第一采样保持控制信号S1与第二采样保持控制信号S2的电位从高跳变为低，分别控制第一P型MOS开关管M_S1及第二P型MOS开关管M_S2导通；然后复位控制信号RST电位再次从高跳变为低，控制P型MOS复位管M_RST导通，将节点FD的电位设为复位电压V_R，对节点FD复位；在P型MOS复位管M_RST导通期间，运算放大器的使能控制信号BP电位从高跳变为低，使得运算放大器工作于放大状态。

复位控制信号RST电位再次从低跳变为高后，节点FD的复位完成，复位后节点FD的电压为：

$V_{\mathrm{RST}}=V_R+\sqrt{\frac{\mathrm{KT}}{C_{\mathrm{FD}}}}$

为节点FD的复位噪声电压。其中：K为玻耳兹曼常数，T为温度，C_FD为节点FD的寄生电容。

第一P型MOS开关管M_S1及第二P型MOS开关管M_S2保持导通状态，节点FD复位后的电压V_RST经P型MOS管M₁和P型MOS管M₂组成的运算放大器放大后，被第一采样保持电容CS和第二采样保持电容CR采样。第二采样保持控制信号S2的电位从低跳变为高，控制第二P型MOS开关管M_S2关断，节点FD的复位电压V_RST经P型MOS管M₁和P型MOS管M₂组成的运算放大器放大后被保持在第二采样保持电容CR上。此时，第二采样保持电容CR上的电压为：

$V_{\mathrm{CR}1}={\mathrm{AV}}_R+\sqrt{A^2{\left(\sqrt{\frac{\mathrm{KT}}{C_{\mathrm{FD}}}}\right)}^2+{\left(\sqrt{\frac{\mathrm{KT}}{C_{\mathrm{CR}}}}\right)}^2}$

为第二采样保持电容CR的复位噪声电压，其中：C_CR为第二采样保持电容CR的电容值，A为P型MOS管M1和P型MOS管M2组成的运算放大器的增益。

在第二采样保持控制信号S2的电位从低跳变为高之后，电荷传输控制信号TG电位再次从低跳变为高，控制N型MOS传输管M_TG导通，掩埋层光电二极管PPD收集的光电子从掩埋层光电二极管PPD传输到节点FD。

经过足够的传输时间，电荷传输控制信号TG电位再次从高跳变为低，控制N型MOS传输管M_TG关断，掩埋层光电二极管PPD收集的光电子被保存在节点FD上，曝光结束。光电子的传输完成后节点FD的电压变为：

$V_{\mathrm{FD}}=V_R\·V_{\mathrm{SIG}}+\sqrt{\frac{\mathrm{KT}}{C_{\mathrm{FD}}}}$

V_SIG为光电子传输完成后引起的节点FD电压变化量。

第一P型MOS开关管M_S1保持导通状态，光电子传输后节点FD电压V_FD经P型MOS管M₁和P型MOS管M₂组成的运算放大器放大后，被第一采样保持电容CS采样。接着，第一采样保持控制信号S1的电位从低跳变为高，控制第一P型MOS开关管M_S1关断，光电子传输后节点FD的电压V_FD经P型MOS管M₁和P型MOS管M₂组成的运算放大器放大后被保持在第一采样保持电容CS上。此时，第一采样保持电容CR上的电压为：

$V_{\mathrm{CS}}=A(V_R-V_{\mathrm{SIG}})+\sqrt{A^2{\left(\sqrt{\frac{\mathrm{KT}}{C_{\mathrm{FD}}}}\right)}^2+{\left(\sqrt{\frac{\mathrm{KT}}{C_{\mathrm{CS}}}}\right)}^2}$

为第二采样保持电容CR的复位噪声电压，C_CS为第二采样保持电容CS的电容值。

运算放大器的使能控制信号BP电位从低跳变为高，使得运算放大器工作于休眠状态，节省功耗。紧跟着行选控制信号SEL电位从低跳变为高，控制N型MOS行选通管M_SEL导通，第二采样保持电容CR上保持的电压V_CR1经N型MOS源随管M_SF、N型MOS行选通管M_SEL及像素外电流源IS构成的源极跟随器，从输出节点OUT输送给后续信号处理电路。

在第二采样保持电容CR上保持的电压V_CR1输出完成后，第二采样保持控制信号S2的电位再次从高跳变为低，控制第二P型MOS开关管M_S2导通，第一采样保持电容CR与第二采样保持电容CS上保持的电荷重新分配，稳定后第二采样保持电容CR上的电压变为：

$V_{\mathrm{CR}2}={\mathrm{AV}}_R-\frac{{\mathrm{AC}}_{\mathrm{CS}}}{C_{\mathrm{CR}}+C_{\mathrm{CS}}}{V}_{\mathrm{SIG}}+\frac{\sqrt{A^2(C_{\mathrm{CR}}+C_{\mathrm{CS}})\frac{\mathrm{KT}}{C_{\mathrm{FD}}}+C_{\mathrm{CR}}\mathrm{KT}+C_{\mathrm{CS}}\mathrm{KT}}}{C_{\mathrm{CR}}+C_{\mathrm{CS}}}$

N型MOS行选通管M_SEL保持导通，第二采样保持电容CR上保持的电压V_CR2经N型MOS源随管M_SF、N型MOS行选通管M_SEL及像素外电流源IS构成的源极跟随器，从输出节点OUT输送给后续信号处理电路。

在第二采样保持电容CR上保持的电压V_CR2输出完成后，第二采样保持控制信号S2的电位再次从低跳变为高，然后行选控制信号SEL电位从高跳变为低，全局曝光像素单元的一个工作周期完成。

后续信号处理电路将V_CR1与V_CR2相减，实现相关双采样(CDS)操作，得到最终的全局曝光像素单元输出电压：

$V_{\mathrm{PLXEL}}=V_{\mathrm{CR}1}-V_{\mathrm{CR}2}=\frac{{\mathrm{AC}}_{\mathrm{CS}}}{C_{\mathrm{CR}}+C_{\mathrm{CS}}}{V}_{\mathrm{SIG}}+\sqrt{{[\sqrt{\frac{\mathrm{KT}}{C_{\mathrm{CR}}}}-\sqrt{\frac{C_{\mathrm{CR}}\mathrm{KT}}{{(C_{\mathrm{CR}}+C_{\mathrm{CS}})}^2}}]}^2+\frac{C_{\mathrm{CS}}\mathrm{KT}}{{(C_{\mathrm{CR}}+C_{\mathrm{CS}})}^2}}$

上式的第一项为光电子传输完成后引起的节点FD电压变化量V_SIG的放大输出，第二项为全局曝光像素单元的最终输出噪声电压。该噪声电压只与第一采样保持电容CS及第二采样保持电容CR的大小有关，节点FD的复位电压V_R及复位噪声电压已经通过CDS实现了消除，因此降低了像素单元的噪声及像素单元间的非均匀性。将全局曝光像素单元的最终输出噪声电压等效为节点FD的噪声电子数为：

$F_{\mathrm{noise}\left(\mathrm{FD}\right)}=\frac{C_{\mathrm{FD}}}{\mathrm{qA}}\sqrt{{[\sqrt{\frac{\mathrm{KT}}{C_{\mathrm{CR}}}}-\sqrt{\frac{C_{\mathrm{CR}}\mathrm{KT}}{{(C_{\mathrm{CR}}+C_{\mathrm{CS}})}^2}}]}^2+\frac{C_{\mathrm{CS}}\mathrm{KT}}{{(C_{\mathrm{CR}}+C_{\mathrm{CS}})}^2}}$

其中q为电子电量。

第一采样保持电容CS的值C_CS及第二采样保持电容CR的值C_CR可以取得远大于节点FD的电容值C_FD，因此可以显著地减小节点FD的噪声电子数N_noise(FD)。P型MOS管M₁和P型MOS管M₂组成的运算放大器的增益A＞1，进一步降低了节点FD的噪声电子数N_noise(FD)。此外，节点FD的噪声电子数N_noise(FD)的表达式也表明，与A＝1的情况相比，我们可以取更小的第一采样保持电容CS及第二采样保持电容CR既能满足对一定节点FD噪声电子数的要求，从而减小了像素面积。

第一采样保持电容CS和第二采样保持电容CR对光照不敏感，大大提高了像素的避光效率；第一采样保持电容CS的值C_CS及第二采样保持电容CR的值C_CR可以取得远大于节点FD的电容值C_FD，漏电较小，能更好地保存V_CR1、V_CS、V_CR2的完整性。

实施例2：

图4为依照本发明第二个实施例的CMOS图像传感器全局曝光像素单元的电路图。光电二极管1由一个普通光电二极管PD组成。信号读出电路2由一个N型MOS传输管M_TG及一个N型MOS复位管M_RST组成。信号放大电路3由两个P型MOS管M₁、M₂及一个电阻R组成，这两个P型MOS管与电阻R构成一个运算放大器。信号采样保持电路4由第一N型MOS开关管M_S1，第二N型MOS开关管M_S2，第一采样保持电容CS及第二采样保持电容CR组成。信号输出电路5由一个N型MOS源随管M_SF及一个N型MOS行选通管M_SEL组成。像素外电流源IS构成了信号输出电路5的负载。

全局曝光像素单元电路的连接关系如下：普通光电二极管PD的正极接地，普通光电二极管PD的负极接N型MOS传输管M_TG的漏极，N型MOS传输管M_TG的栅极接电荷传输控制信号TG，N型MOS传输管M_TG的源极、N型MOS复位管M_RST的源极、P型MOS管M₁的栅极相互连接于节点FD，N型MOS复位管M_RST的漏极接复位电压V_R，N型MOS复位管M_RST的栅极接复位控制信号RST，P型MOS管M₁的源极接电源电压VDD，P型MOS管M₁的漏极接P型MOS管M₂的源极，P型MOS管M₂的漏极、电阻R的上端、第一N型MOS开关管M_S1的漏极相互连接，P型MOS管M₂的栅极接运算放大器的使能控制信号BP，电阻R的下端接地，第一N型MOS开关管M_S1的栅极接第一采样保持控制信号S1，第一N型MOS开关管M_S1的源极、第二N型MOS开关管M_S2的漏极、第一采样保持电容CS的上极板相互连接，第一采样保持电容CS的下极板接地，第二N型MOS开关管M_S2的栅极接第二采样保持控制信号S2，第二N型MOS开关管M_S2的源极、N型MOS源随管M_SF的栅极、第二采样保持电容CR的上极板相互连接，第二采样保持电容CR的下极板接地，N型MOS源随管M_SF的漏极接电源电压VDD，N型MOS源随管M_SF的源极接N型MOS行选通管M_SEL的漏极，N型MOS行选通管M_SEL的栅极接行选控制信号SEL，N型MOS行选通管M_SEL的源极、后续信号处理电路中用于接收像素单元输出信号的电路的输入端及像素外电流源IS的输入端相互连接于输出节点OUT，像素外电流源IS的输出端接地。

图4所示电路的所有控制信号和时钟信号工作过程如图5所示，图5为依照本发明第二个实施例的CMOS图像传感器全局曝光像素单元的控制时序图。

图4所示全局曝光像素单元与图2所示全局曝光像素单元工作过程基本相同，不同点在于：图4所示全局曝光像素单元的N型MOS复位管M_RST、第一N型MOS开关管M_S1，第二N型MOS开关管M_S2在复位控制信号RST、第一采样保持控制信号S1、第二采样保持控制信号S2为高电平时导通，而图2所示全局曝光像素单元的P型MOS复位管M_RST、第一P型MOS开关管M_S1，第二P型MOS开关管M_S2在复位控制信号RST、第一采样保持控制信号S1、第二采样保持控制信号S2为低电平时导通。

通常图4所示全局曝光像素单元运算放大器的使能控制信号BP的高电平为电源电压VDD低电平为地，运算放大器的P型MOS管M₂作开关管用。但运算放大器的使能控制信号BP也可以高电平为电源电压VDD低电平为某一合适的电压V_BP(0＜V_BP＜VDD)，使得运算放大器的P型MOS管M₂导通时工作在饱和区，以更好的实现P型MOS管M₂的漏极与节点FD之间的隔离。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种CMOS图像传感器全局曝光像素单元，包括依次连接的光电二极管(1)、信号读出电路(2)、信号放大电路(3)、信号采样保持电路(4)和信号输出电路(5)，其中：

所述光电二极管(1)，用于采集入射光线的原始信息，将采集的目标图像光信号转换成电信号；

所述信号读出电路(2)，用于读出光电转换完成后所述光电二极管(1)中的电信号，并将其保存在节点FD，所述节点FD的信号被所述信号放大电路(3)放大；

所述信号放大电路(3)，含有一个运算放大器，用于对所述节点FD所存储的信号进行放大，放大后的信号输出给所述信号采样保持电路(4)；

所述信号采样保持电路(4)，用于对所述信号放大电路(3)的输出信号进行采样保持；

所述信号输出电路(5)，用于采样所述信号采样保持电路(4)中采样保持的信号，并输出；

其中，所述信号采样保持电路(4)含有第一开关管、第二开关管、第一采样保持电容及第二采样保持电容，其中：

第一采样保持电容，用于采样保持目标图像光信号转换成的电信号；

第二采样保持电容，用于采样保持节点FD的复位信号，以在后续信号处理电路中实现相关双采样来降低节点FD的复位噪声。

2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器全局曝光像素单元，其特征在于，所述光电二极管(1)的正极接地，输出端连接于所述信号读出电路(2)的输入端，采用普通光电二极管或掩埋层光电二极管。

3.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器全局曝光像素单元，其特征在于，所述信号读出电路(2)含有一个传输管及一个复位管，当所述传输管与所述复位管同时导通时所述光电二极管(1)被复位；当所述传输管关断，所述复位管导通时，所述节点FD被复位；当所述传输管导通，所述复位管关断时，所述光电二极管(1)中存储的信号电荷经所述传输管传送到所述节点FD。

4.根据权利要求3所述的CMOS图像传感器全局曝光像素单元，其特征在于，所述复位管为N型MOS管或P型MOS管。

5.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器全局曝光像素单元，其特征在于，对于所述信号放大电路(3)含有的运算放大器，当需要放大所述节点FD的信号时，该运算放大器工作在放大模式；当不需放大所述节点FD的信号时，该运算放大器工作在休眠模式。

6.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器全局曝光像素单元，其特征在于，所述第一采样保持电容和所述第二采样保持电容均采用MOS电容、MIM电容或PIP电容。

7.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器全局曝光像素单元，其特征在于，所述信号输出电路(5)含有一个源随管及一个行选通管，其输出端接后续的信号处理电路，且该源随管、行选通管及位于该全局曝光像素单元外的电流源构成源极跟随读出电路。

8.根据权利要求7所述的CMOS图像传感器全局曝光像素单元，其特征在于，所述行选通管在行选控制信号的控制下将采样所述信号采样保持电路(4)中第一采样保持电容及第二采样保持电容上保持的信号，并输出给后续信号处理电路。

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