CN102497517B - 低工作电压宽动态范围图像传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体图像感测领域，具体涉及一种低工作电压宽动态范围图像传感器装置。图像传感器装置包括一个像素电路、一个模数转换电路、行读出控制电路和列读出控制电路。像素电路采用连续工作模式，提出一种电流源控制方式，不会引入复位噪声，输出电压直接输入模数转换电路进行模数转换，不需要集成相关双采样电路；同时像素电路输出电压摆幅大，不需要集成列放大器电路，简化了装置设计流程，节省芯片面积。该图像传感器装置采用1.8V低工作电压，适于低功耗应用；感光动态范围极宽，高达160dB；结构简单，像素尺寸小；输出电压摆幅大，可以直接被12-bitADC读取。
Description
技术领域
本发明属于半导体图像感测技术领域，具体涉及一种低工作电压宽动态范围图像传感器。
背景技术
半导体图像传感器应用领域里，传统上认为CCD图像传感器代表着高解析度、低噪声、宽动态范围等优点。而随着CMOS工艺技术的不断发展，CMOS图像传感器绝非只局限于简单应用，标准工艺制程、高度系统整合、低功耗等优势使其显示出强势的发展势头。便携式多媒体电子产品市场的快速发展对图像传感器的低功耗性能提出了新的要求，因此如何降低图像传感器工作电压成为研究热点。降低图像传感器系统工作电压同时有利于增大像素阵列，提高解析度。然而低的工作电压会直接导致最大输出电压幅值减小，影响对强光的检测以及降低信噪比。目前市场上CMOS图像传感器工作电压一般为3.3V。动态范围指可探测光强范围，是图像传感器一个重要性能指标。宽动态范围可以使图像亮暗部的细节明显显示，是目前追求画面逼真度最先进的指标。高端应用的图像传感器对动态范围要求很高，因为自然场景光动态范围大于160dB，在光对比度强的场景中，传统CMOS图像传感器由于动态范围低，很难满足需求。
传统CMOS图像传感器像素电路使用光电探测器势阱容量有限，当光强增大到一定程度，最大输出信号出现饱和；而当光强较弱时，光电探测器产生的光生电流过小而容易被环境噪声所湮灭。所以，一般CMOS图像传感器的动态范围较低，达不到自然界光强的范围。特别CMOS图像传感器读出电路噪声大，更限制了其动态范围的提高。为了提高CMOS图像传感器动态范围，目前常用以下几种技术：
1.势阱容量调节(Adjusting Well Capacity)技术，增加一个横向溢出栅，在曝光器件可使势阱容量增加一倍或几倍，使电荷随光强变化的曲线得到压缩，进而扩展动态范围，但同时降低了信噪比SNR。
2.对数响应(Logarithmic Response)技术，采用二极管连接的光电晶体管，利用其工作在亚阈值区的特性，得到光电流随电压呈对数变化的趋势，该方法可以获得非常宽的动态范围，但信噪比低，图像质量较差。
3.多次采样(Multiple Sampling)技术，该方法在不同的曝光时间内对同一场景多次采样，通常采用双采样技术，即一次短时间曝光，用来采集场景中亮区信息，另一次长时间曝光，用来采集场景中暗区信息，两次采样信号输出组合成一幅宽动态范围图像。这种方法不会降低SNR，但是信号的读出速度必须要远远大于有源像素的读出速度，一般只有像素级ADC可以满足有源像素的需求。而像素级ADC以牺牲芯片面积为代价，填充因子很低，不利于产品实现。而且由于多次曝光，需要在片上或片外存储信息以进行图像组合，处理过程复杂。啊啊
4.局部曝光(Local Shuttering)技术，在理论上这是一种非常理想的扩展动态范围技术，可以控制每一个像素的曝光时间，即使亮区像素积分时间短，暗区像素积分时间长。但是这种技术要在像素中增加大量晶体管，填充因子较低，也需要复杂的后处理电路来重组图像。
5.自动增益控制(Automatic Gain Control，AGC)技术，根据不同光强的变化，通过调节可变增益放大器的增益，实现动态范围的扩展。这个放大器位于模数转换器ADC之前，一般可以获得良好的对比度和噪声特性。
CMOS图像传感器有源像素电路的工作模式分为两种：连续工作模式和电荷积分电压工作模式。连续工作模式的原理是将感光元件作为一个电流源，其电流大小随光强变化而变化，串联负载输出电压信号。然而传统感光元件产生的光生电流很小，要获得一定的输出电压，必须在芯片内集成很大的电阻，出于面积和精确性的考虑，连续工作模式没有得到广泛应用。一般图像传感器都采用电荷积分电压工作模式，其原理是为感光元件(一般为光电二极管)施加一定反向偏压，然后断开开关，则存储在光电二极管电容上的电荷的随入射光照成比例衰减。经过一定积分时间后，输出二极管两端的电压，再通过复位开关将二极管恢复至原来的电压。电荷积分电压工作模式可以通过控制积分时间，多次采样，将输出组合成一幅宽动态范围图像。
以上几种改进CMOS图像传感器动态范围的技术中，只有对数响应技术采用连续工作模式，光强被连续的转化为电压信号，没有复位和积分过程，没有引入复位噪声。但这种技术致命缺陷是对器件参数相当敏感，特别是阈值电压，图像噪声大。除对数响应技术，其余都采用电荷积分电压工作模式，这种工作模式对光照进行电荷积累，可以有效扩展动态范围。电荷积分通过对一个MOS晶体管对光电二极管复位进行，会产生很大的复位噪声(KTC)，这个噪声是限制读出电路的最主要噪声。同时制造工艺的偏差可能导致像素之间或者列之间不匹配而产生固定模式噪声(FPN)，和光电二极管的尺寸、掺杂浓度、生产过程中的污染以及MOS晶体管的阈值电压等参数的偏差有关，通常需要设计相关双采样电路消除以上两种噪声。同时基于对输出电压摆幅的要求，需要对每一列像素单元集成高性能放大电路以增大输出电压摆幅，这增大了图像传感器系统电路的复杂性，不利于增大像素和提高分辨率。
发明内容
本发明的目的是提供一种低工作电压宽动态范围图像传感器，和标准商业CMOS工艺完全兼容。
本发明所述的图像传感器由像素电路、模数转换电路(ADC)、行读出控制电路和列读出控制电路组成。其中，像素电路由一个M×N阵列的像素单元组成(M、N均为正整数)，每一个像素单元采用电流源控制模式，产生一个随光强连续变化的输出电压信号；输出电压信号在外部时钟控制下输入模数转换电路进行模数转换；同时在外部时钟控制下，行读出控制电路产生行选信号，控制像素电路信号逐行向下传输；在外部时钟控制下，列读出控制电路产生列选信号，控制像素电路最末一行信号按次序逐位输出。
上述像素电路的每一个像素单元(其电路图如图3所示)由一个电流源和一个穿通效应增强型硅光电晶体管(“一种穿通效应增强型硅光电晶体管”，ZL200810051680.4)相串联，电流源控制流过光电晶体管电流恒定，随着光强的连续变化，在光电晶体管两端口产生连续变化的直流电压信号，该电压信号幅值范围受光电晶体管对光响应的动态范围限制。如图3所示，M0与R0构成源跟随器，由电流源控制的随光强变化的模拟电压信号之后被跟随输出，进一步经模数转换电路转换成数字信号，得到最终信号输出。源跟随器用作缓冲放大器，用来隔离电荷的直接转移。
上述的图像传感器，整体采用1.8V的低电源工作电压，像素电路采用连续工作模式。穿通效应增强型硅光电晶体管可以选择NPN型或PNP型，穿通电压为0.8V～1.2V。
如图4所示，像素单元由电流源IB1、NPN型穿通效应增强型硅光电晶体管NPEPT、PMOS晶体管M1、负载电阻R1组成。其中电流源IB1一端接电源电位1.8V，另一端与NPN型穿通效应增强型硅光电晶体管NPEPT连接。电流源IB1和NPN型穿通效应增强型硅光电晶体管NPEPT的公共端与PMOS晶体管M1的栅极连接，NPN型穿通效应增强型硅光电晶体管NPEPT的另一端接地。PMOS晶体管M1漏极接地，PMOS晶体管M1的源极与负载电阻R1连接，负载电阻R1的另一端接电源电位1.8V，PMOS晶体管M1的源极与负载电阻R1的公共端为像素电路的电压输出端。
进一步地，上述像素单元的电流源IB1具体可选择PMOSFET单管电流源，如图5(a)所示；或一个P型高摆幅Cascode电流源，如图5(b)所述。
如图7所示，另一种像素单元由电流源IB2、PNP型穿通效应增强型硅光电晶体管PPEPT、PMOS晶体管M2、负载电阻R2组成。其中电流源IB2一端接地，另一端与PNP型穿通效应增强型硅光电晶体管PPEPT连接，PNP型穿通效应增强型硅光电晶体管PPEPT另一端接电源电位1.8V。电流源IB2与PNP型穿通效应增强型硅光电探测器PPEPT公共端与PMOS晶体管M2栅极连接，PMOS晶体管M2漏极接地，源极与负载电阻R2连接，负载电阻R2另一端接电源电位1.8V，PMOS晶体管M2源极与负载电阻R2公共端为像素电路电压输出端。
进一步地，上述像素单元的电流源IB2具体可选择NMOSFET单管电流源，如图8(a)所示；或一个N型高摆幅Cascode电流源，如图8(b)所示。
上述两种图像传感器的像素单元所集成的源跟随器M1和R1或M2和R2为适应1.8V低电源电压需要，放大晶体管M1、M2均选用一个低阈值电压的PMOSFET，所用负载R1、R2为一个PMOS电阻或PMOSFET单管负载。源跟随器负载R1结构示意图如图6(a)和图6(b)所示；负载R2结构示意图如图9(a)和图9(b)所示。为减少芯片使用面积，负载R1、R2为一列像素电路所共用(如图10所示)。
上述的图像传感器的像素单元按阵列排布(M×N)，产生随光强连续变化的输出电压。输出电压信号在外部时钟驱动下直接输入模数转换电路进行模数转换，而不需要经过用于噪声处理的相关双采样电路以及用于提高输出电压摆幅的列放大器处理电路。
本发明所述的低工作电压宽动态范围图像传感器，具有以下优点：
1、1.8V低电源工作电压，适于低功耗应用。像素电路内集成穿通效应增强型硅光电晶体管具有低工作电压，使用P型高摆幅Cascode电流源有效的节省了电压余度。同时源跟随器放大器件采用低阈值电压PMOS晶体管，也使所有晶体管容易满足饱和工作条件，将光生电流转换为电压正常输出。
2、160dB宽动态范围。图像传感器采用穿通效应增强型硅光电晶体管，该器件在弱光下具有107高光电转换增益，有效的扩展了所发明图像传感器弱光下感光动态范围。同时由于该感光器件在强光下不饱和，连续工作模式直接将电流转换为电压读出，增大了图像传感器强光下的动态范围。可将一般CMOS图像传感器几十dB的低动态范围扩展至160dB。
3、结构简单，像素尺寸小，节省芯片面积。由于采用连续工作模式，像素电路为电流源串联光电器件结构，光电器件随光强变化产生的电压经过源跟随器直接被模数转换电路读取。不需要使用用于电荷积分电压工作模式的复位开关，消除了该模式下复位噪声的影响，进而可以节省用于消除此类噪声的相关双采样电路，简化了传感器设计流程。
4、输出电压摆幅大。传统CMOS图像传感器的像素电路输出电压摆幅只有几百mV，需要对每列像素单元集成高性能放大器以提高输出摆幅。本设计图像传感器光电器件在接近160dB光强变化范围内输出电压范围大于1V，输出电压摆幅较大，不需要集成任何列放大器，可以直接由12bit模数转换电路输出。
附图说明
图1：(a)传统CMOS图像传感器系统框图；
(b)本发明所述的图像传感器系统框图；
图2：现有CMOS图像传感器处理单元；
图3：本发明图像传感器处理单元；
图4：本发明图像传感器像素单元结构示意图(NPN型光电器件)；
图5：本发明图像传感器像素单元电流源结构示意图(NPN型光电器件)
(a)PMOSFET单管电流源；
(b)P型高摆幅Cascode电流源；
图6：本发明图像传感器像素单元源跟随器负载结构示意图(NPN型光电器件)
(a)PMOS电阻负载；
(b)PMOSFET单管负载；
图7：本发明图像传感器像素单元结构示意图(PNP型光电器件)；
图8：本发明图像传感器像素单元电流源结构示意图(PNP型光电器件)
(a)NMOSFET单管电流源；
(b)N型高摆幅Cascode电流源；
图9：本发明图像传感器像素单元源跟随器负载结构示意图(PNP型光电器件)
(a)PMOS电阻负载；
(b)PMOSFET单管负载；
图10：本发明图像传感器320×240像素阵列示意图；
图11：本发明图像传感器像素电路输出电压随光强变化曲线。
如图1所示，现有CMOS图像传感器和本发明图像传感器系统框图对比，本发明图像传感器不需要传统积分型图像传感器所需要的相关双采样电路及列放大器电路，很大程度上简化了装置系统结构，节省了芯片面积。
如图2所示，为现有CMOS图像传感器处理单元示意图，像素电路采用积分工作模式，输出电压经过相关双采样电路输入下一级列放大电路中，得到放大的电压信号，进一步输入模数转换电路ADC进行模数转换。
如图3所示，为本发明所述图像传感器处理单元示意图，像素电路采用连续工作模式，将输出电压直接进行ADC模数转换。
如图4所示，为本发明所述图像传感器像素电路示意图，其中，光电器件为NPN型穿通效应增强型硅光电晶体管NPEPT。
如图5所示，为本发明所述图像传感器像素电流源结构，其中，光电器件为NPN型穿通效应增强型硅光电晶体管NPEPT。图5(a)电流源为PMOSFET单管电流源，图5(b)电流源为P型高摆幅Cascode电流源。单管电流源可以充分节省像素面积，提高占空因子。而P型高摆幅Cascode电流源适合更高精度的应用，以牺牲占空因子为代价。
如图6所示，为本发明所述图像传感器源跟随器负载结构，其中，光电器件为NPN型穿通效应增强型硅光电晶体管NPEPT。图6(a)为PMOS电阻负载，图6(b)为PMOSFET单管负载。
如图7所示，为本发明所述图像传感器像素电路示意图，其中，光电器件为PNP型穿通效应增强型硅光电晶体管PPEPT。
如图8所示，为本发明所述图像传感器像素电流源结构，其中，光电器件为PNP型穿通效应增强型硅光电晶体管PPEPT。图8(a)电流源为NMOSFET单管电流源，图8(b)电流源为N型高摆幅Cascode电流源。
如图9所示，为本发明所述图像传感器源跟随器负载结构，其中，光电器件为PNP型穿通效应增强型硅光电晶体管PPEPT。图9(a)为PMOS电阻负载，图9(b)为PMOSFET单管负载。
如图10所示，为本发明所述图像传感器320×240像素阵列示意图。
如图11所示，为本发明所述图像传感器像素电路输出电压随光强变化曲线。
具体实施方式
实施例1：
本发明所述图像传感器和标准CMOS工艺完全兼容，不需要任何特殊工艺步骤，可以在任何一个标准CMOS工艺线上进行具体实施。下面基于0.35um标准CMOS工艺，结合附图和实施例对一个320×240面阵构成的图像传感器阵列进行详细说明。
装置系统设计
在此具体实施例中，图像传感器在0.35um标准CMOS工艺下设计。所设计的图像传感器320×240像素阵列示意图如图10所示。其中，像素电路阵列被排列成320行和240列。随光强连续变化，像素阵列产生连续变化的电压信号。此信号由行读出控制开关RS1～RS320控制逐行向下传输，由列读出控制开关Col1～Col240控制最末一行信号按次序逐位输出。像素阵列的模拟输出信号逐行进入12bitADC得到最终数字信号输出。
所述的行读出控制开关和列读出控制开关由外部一串时钟脉冲信号驱动D触发器控制开关晶体管的导通与关断来完成控制作用。其中，开关晶体管为PMOS晶体管，尺寸为1um/0.35um；D触发器中各PMOS晶体管和NMOS晶体管尺寸都为1um/0.35um。
此装置系统整体采用1.8V低电源工作电压。
像素单元设计
在此具体实施例中，图像传感器像素单元如图4中所示。包括电流源IB1、NPN型穿通效应增强型硅光电晶体管NPEPT、PMOS晶体管M1、负载电阻R1。所述的电流源IB1一端接电源电位1.8V，另一端与NPN型穿通效应增强型硅光电晶体管NPEPT连接。电流源IB1和NPN型穿通效应增强型硅光电晶体管NPEPT的公共端与PMOS晶体管M1的栅极连接，NPN型穿通效应增强型硅光电晶体管NPEPT的另一端接地。PMOS晶体管M1漏极接地，PMOS晶体管M1的源极与负载电阻R1连接，负载电阻R1的另一端接电源电位1.8V，PMOS晶体管M1的源极与负载电阻R1的公共端为像素单元的电压输出端。
在此具体实施例中，所述的晶体管NPEPT采用专利“一种穿通效应增强型硅光电晶体管”(ZL 200810051680.4)中制备方法，通过增大有源区面积，得到最终器件总尺寸为10um×12um，使得穿通电压由2V改善为1V，满足低工作电压需要，此时典型暗电流为1uA。所述的电流源IB1采用图5(b)中所示的P型高摆幅Cascode电流源。所述的源跟随器负载R1采用如图6(b)中所示的PMOSFET单管负载。除穿通效应增强型硅光电晶体管，像素单元中其余晶体管均为PMOSFET，综合考虑失配、功耗、填充因子等因素，折中选择各MOS晶体管尺寸都为2um/1um。其中，为适应1.8V低电源电压需要，放大晶体管M1选用一个低阈值电压PMOS晶体管，典型阈值电压为130mV。
下面对实施例进行进一步说明，无光情况下，NPN型穿通效应增强型硅光电晶体管NPEPT在穿通电压下产生1uA左右暗电流，选定Cascode电流源IB1提供1uA电流。光照情况下，器件将产生一个随光照连续变化的电压，当光强变化范围为10-2～106uW/cm2，电压随之变化范围为16mV～1.36V。装置工作电源电压1.8V，则P型高摆幅Cascode电流源最小电压余度0.44V，可以满足电流源中两个串联PMOS晶体管饱和区工作条件。穿通效应增强型硅光电晶体管NPEPT输出电压驱动源跟随器M1，最大输出电压1.36V，由于选用130mV低阈值源跟随器放大器件，则放大器件的过驱动电压Vov为1.5V，此时要保证源跟随器的低阈值放大器件M1饱和区工作条件，则要求低阈值放大器件Vdsat≥1.5V，说明1.8V工作电源电压下，负载晶体管有0.3V左右的源端和漏端的电压余度，足够满足其在饱和区的工作条件。该像素单元可以正常工作。
图11所示为本发明所述图像传感器像素电路输出电压随光强变化曲线。电流源提供1uA恒定电流，光强变化动态范围接近160dB，输出电压范围大于1V，输出电压摆幅较大，不需要集成任何列放大器，可以直接由12bit ADC输出最终数字信号。
Claims (7)
1.一种低工作电压宽动态范围图像传感器，其特征在于：由像素电路、模数转换电路、行读出控制电路和列读出控制电路组成，像素电路由一个M×N阵列的像素单元组成，每一个像素单元采用电流源控制模式，产生一个随光强连续变化的输出电压信号；输出电压信号在外部时钟控制下输入模数转换电路进行模数转换；同时在外部时钟控制下，行读出控制电路产生行选信号，控制像素电路信号逐行向下传输；列读出控制电路产生列选信号，控制像素电路最末一行信号按次序逐位输出；像素电路的一个像素单元由一个电流源和一个穿通效应增强型硅光电晶体管相串联组成；
像素单元由电流源IB1、NPN型穿通效应增强型硅光电晶体管NPEPT、PMOS晶体管M1、负载电阻R1组成，其中电流源IB1一端接电源电位1.8V，另一端与NPN型穿通效应增强型硅光电晶体管NPEPT连接；电流源IB1和NPN型穿通效应增强型硅光电晶体管NPEPT的公共端与PMOS晶体管M1的栅极连接，NPN型穿通效应增强型硅光电晶体管NPEPT的另一端接地；PMOS晶体管M1漏极接地，PMOS晶体管M1的源极与负载电阻R1连接，负载电阻R1的另一端接电源电位1.8V，PMOS晶体管M1的源极与负载电阻R1的公共端为像素电路的电压输出端；
或者，像素单元由电流源IB2、PNP型穿通效应增强型硅光电晶体管PPEPT、PMOS晶体管M2、负载电阻R2组成；其中电流源IB2一端接地，另一端与PNP型穿通效应增强型硅光电晶体管PPEPT连接，PNP型穿通效应增强型硅光电晶体管PPEPT另一端接电源电位1.8V；电流源IB2与PNP型穿通效应增强型硅光电探测器PPEPT公共端与PMOS晶体管M2栅极连接，PMOS晶体管M2漏极接地，源极与负载电阻R2连接，负载电阻R2另一端接电源电位1.8V，PMOS晶体管M2源极与负载电阻R2公共端为像素电路电压输出端。
2.如权利要求1所述的一种低工作电压宽动态范围图像传感器，其特征在于：传感器使用1.8V低电源工作电压，像素电路采用连续工作模式。
3.如权利要求1所述的一种低工作电压宽动态范围图像传感器，其特征在于：穿通效应增强型硅光电晶体管为NPN型或PNP型，穿通电压为0.8V～1.2V。
4.如权利要求1所述的一种低工作电压宽动态范围图像传感器，其特征在于：电流源IB1为PMOSFET单管电流源或为一个P型高摆幅Cascode电流源。
5.如权利要求1所述的一种低工作电压宽动态范围图像传感器，其特征在于：晶体管M1选用一个低阈值电压的PMOSFET，负载电阻R1为一个PMOS电阻或PMOSFET单管负载，为一列像素电路所共用。
6.如权利要求1所述的一种低工作电压宽动态范围图像传感器，其特征在于：电流源IB2为NMOSFET单管电流源或为一个N型高摆幅Cascode电流源，
7.如权利要求1所述的一种低工作电压宽动态范围图像传感器，其特征在于：晶体管M2选用一个低阈值电压的PMOSFET，负载电阻R2为一个PMOS电阻或PMOSFET单管负载，为一列像素电路所共用。
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