CN102572322A - 超低压cmos图像传感器像素单元及电压输入输出方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超低压CMOS图像传感器像素单元及电压输入输出方法，其中像素单元包括重置晶体管(M1)、光电二极管(D1)及它们中间接点与第一输出端之间的射极互连的源NMOS跟随晶体管(M2)和PMOS管(M3)以及中间接点与第二输出端之间的射极互连的集电极接地的源PMOS跟随晶体管(M4)和NMOS管(M5)，M2集电极接偏置电压(V_dd)，M4集电极接地，M3、M5基极电连接选择信号(R_S)；对应电压输入输出方法包括：施加V_DD＞V_IP+V_IN+2V_dsat的输入偏置电压，V_IP是M2的阈值电压，V_IN是M5的阈值电压，V_dsat是经过源电流的电压；第一和第二输出端共同构成了输出电压V_out，V_dsat＜V_output＜V_DD-V_dsat。

Description

超低压CMOS图像传感器像素单元及电压输入输出方法

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种超低压双互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器像素单元及电压输入输出方法。

背景技术

CMOS图像传感器(CIS)不仅在多数电子产品，如个人电脑、移动电话、掌上电脑等有着广泛的应用，CMOS有源像素单元(APS)也基于自身低成本、低功耗、高集成能力的优势，逐步替代了电荷耦合器件(CCD)。CIS的特性主要由分辨率、填充系数、暗电流、时间噪声、固定图形噪声、灵敏度、响应率、量子效率、动态范围和信噪比决定的。近年，为了制造适应于移动电子器件，如手机、掌上电脑等要求最小功耗的APS器件，展开了减小所需的供应电压值，并延长电池寿命。但是，传统3T-APS结构像素单元，等效电路结构如图1中虚线框内所示，包括重置晶体管M1、光电二极管D1及它们中间接点N1与输出端之间的射极互连的源NMOS跟随晶体管M2和PMOS管M3，M1集电极电连接重置信号Φ1，M2基极电连接N1，M2集电极电连接偏置电压V_dd，M3基极电连接选择信号R_s，该像素单元输出端还电连接接地的饱和NMOS管M7。为了得到最大的信号噪声比和像素动态范围，针对传统3T-APS结构如图2所示，信号必须尽可能大，如果供应电压小于1V，将会影响信号噪声比和像素单元的动态范围，因为允许的输入信号电压减小，低电流将造成较大的噪声电压。所以，信号必须有带有轨至轨信号输入级和轨至轨的信号输出级结构。本发明的目的是如何提高像素单元输出电压的动态范围，从而降低输入电压大小，从而能节省设备功耗。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，如何提供一种超低压CMOS图像传感器像素单元及电压输入输出方法，相较传统3T-APS结构能大大提高输出电压动态范围，从而降低输入电压、节省功耗。

本发明的第一个技术问题这样解决：构建一种超低压CMOS图像传感器像素单元，包括重置晶体管、光电二极管及它们中间接点与第一输出端之间的射极互连的源NMOS跟随晶体管和PMOS管，所述源NMOS跟随晶体管集电极电连接偏置电压，其特征在于，还包括射极互连的：

源PMOS跟随晶体管，基极电连接所述中间接点，集电极电连接地；

NMOS管，基极电连接选择信号，集电极电连接第二输出端；所述选择信号还电连接所述PMOS管的基极。

按照本发明提供的超低压CMOS图像传感器像素单元，第一输出端电连接接地的饱和NMOS管，第二输出端电连接接所述偏置电压的饱和PMOS管。

按照本发明提供的超低压CMOS图像传感器像素单元，第一输出端和第二输出端分别电连接集成放大器的各自对应输入端。

本发明的另一个技术问题这样解决：构建一种超低压CMOS图像传感器像素单元的电压输入输出方法，其特征在于，包括以下步骤：

施加V_DD＞V_IP+V_IN+2V_dsat的电源电压V_DD作为所述偏置电压，V_IP是所述源PMOS跟随晶体管的阈值电压，V_IN是所述源NMOS跟随晶体管的阈值电压，V_dsat是经过源电流的电压；

第一输出端电压V_outn和第二输出端电压V_outp共同构成了所述像素单元的输出电压V_out，其范围是：V_dsat＜V_output＜V_DD-V_dsat。

按照本发明提供的所述电压输入输出方法，所述电源电压V_DD是1V，所述范围的大小是0.5～0.6V。

本发明提供的超低压CMOS图像传感器像素单元及电压输入输出方法，相较于最大有效输出电压范围只有(V_DD-2V_T-V_dsat)、动态范围受限于重置晶体管和源随晶体管的阈值电压降、不能脱离复杂输出电路工作于低于1V电源电压状态的传统3T-APS结构单元而言，更为稳定、高效地使像素单元工作于超低电源电压状态，并扩大信号噪声比和像素动态范围。

附图说明

下面结合附图和具体实施例进一步对本发明进行详细说明：

图1为传统3T-APS结构像素单元等效电路结构示意图；

图2为图1所示传统3T-APS结构像素单元有效动态范围示意图；

图3为本发明超低压像素单元结构等效电路结构示意图；

图4为图3所示超低压像素单元的有效动态范围示意图；

图5为绝缘衬底上的硅(SOI)CMOS技术下的超低压像素单元结构图；

图6为体硅CMOS技术下的超低压像素单元结构图。

具体实施方式

首先，说明本发明所提供的能提高CMOS图像传感器填充系数的像素单元的具体单元结构和操作机理：

(一)单元结构

该像素单元，具体等效电路结构如图3中虚线框内部所示，在传统3T-APS结构的基础上增加射极互连的：

一个源PMOS跟随晶体管M4，基极电连接所述中间接点，集电极电连接地；

一个NMOS管M5，基极电连接选择信号R_S，集电极电连接第二输出端；所述选择信号R_S还电连接所述PMOS管M3的基极。

这样M2、M3、M4、M5共同构成互补的信号通道，第二输出端还电连接接所述偏置电压V_dd的饱和PMOS管M6，与原有输出端(第一输出端)一起电连接集成放大器A1的对应输入端，共同构成输出电压V_out。

(二)操作机理

①整体结构：像素单元由一个光电二极管、一个重置晶体管(M1)、四个构成平行互补信号通道的晶体管M2、M3、M4、M5和两个源跟随晶体管M6、M7组成。

②重置晶体管M1用于减小电源V_dd和输入节点N1的阈值电压降，两互补源跟随晶体管M2、M5用于放大N1处的信号，并将其传输至输出。

源NMOS管M2的输入输出范围如下所示：

V_dsat+V_IN＜V_Ninput＜V_DD

V_dsat＜V_Noutput＜V_DD-V_IN

其中，V_Ninput和V_Noutput分别为N1的输入输出电压范围；V_IN为源NMOS跟随晶体管M2的阈值电压；V_dsat为经过源电流的电压。源PMOS管M5的输入输出范围如下所示：

0＜V_Pinput＜V_DD-V_dsat-V_IP

V_IP＜V_Poutput＜V_DD-V_dsat

其中，V_Pinput和V_Poutput分别为N1的输入输出电压范围；V_IP为源PMOS跟随晶体管M4的阈值电压。

为了确定完全的轨至轨输入电压，供应电源电压至少为V_IP+V_IN+2V_dsat；同时有效输出电压范围接近轨至轨的电压，如下所示：

V_dsat＜V_output＜V_DD-V_dsat

第二，结合本发明具体实施例进一步详细说明，但本发明包括但不限于以下实施例。

实施例1

采用了电压低至1.2V的0.25um厚度的CMOS台积电(TSMC)技术，根据上述技术，每个像素单元只需要一个多晶硅层和五个金属层的测试结构，且此时V_IN＝0.4V，V_IP＝0.6V，V_dsat＝0.1V，如果偏置晶体管工作在三极管状态或弱反型状态，电源电压将可以更低。

该超低压CMOS图像传感器像素单元，具体等效电路结构如图1所示，其中，N1为输入节点，M1是重置晶体管，M2、M3、M4、M5构成平行互补信号通道，M6、M7为单元稳定的轨至轨的输出电压。对应的器件结构图如图5(SOI CMOS技术)、图6(体硅CMOS技术)所示。对应的有效动态范围图如图4所示，大大扩展了输出电压的动态范围。而传统3T-APS像素单元的等效电路图如图1所示，对应的有效动态范围如图2所示。

该超低压CMOS图像传感器像素单元具体输入输出原理是：M1和光电二极管D1的连接点作为输入节点N1，其中M1为PMOS管，置于N1和V_DD之间，光电二极管D1连接在N1和地面之间。平行互补信号通道第一个信号通道由连接N1和V_DD的源跟随NMOS管M2、连接M2和输出节点的NMOS管M3组成；第二个信号通道由连接N1和地面的源跟随PMOS管M5、连接M5和输出节点的PMOS管M4组成。M2和M5的栅极输入由N1提供。连接M2、M3输出节点V_outn的是连接地面的饱和NMOS管M7，连接M4、M5输出节点V_outp的是连接电源的饱和PMOS管M6，V_outn和V_outp共同构成了像素单元的输出电压V_out。

实验结果表示，该像素单元在1V操作电压下，输出范围为0.55V，8位灵敏度为2mV；远高于经典同尺寸3T-APS动态范围的0.2V。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种超低压CMOS图像传感器像素单元，包括重置晶体管(M1)、光电二极管(D1)及它们中间接点与第一输出端之间的射极互连的源NMOS跟随晶体管(M2)和PMOS管(M3)，所述源NMOS跟随晶体管(M2)集电极电连接偏置电压(V_dd)，其特征在于，还包括射极互连的：

源PMOS跟随晶体管(M4)，基极电连接所述中间接点，集电极电连接地；

NMOS管(M5)，基极电连接选择信号(R_S)，集电极电连接第二输出端；所述选择信号(R_S)还电连接所述PMOS管(M3)的基极。

2.根据权利要求1所述超低压CMOS图像传感器像素单元，其特征在于，第一输出端电连接接地的饱和NMOS管(M7)，第二输出端电连接接所述偏置电压(V_dd)的饱和PMOS管(M6)。

3.根据权利要求1或2所述超低压CMOS图像传感器像素单元，其特征在于，第一输出端和第二输出端分别电连接集成放大器(A1)的各自对应输入端。

4.基于权1所述超低压CMOS图像传感器像素单元的电压输入输出方法，其特征在于，包括以下步骤：

施加V_DD＞V_IP+V_IN+2V_dsat的电源电压V_DD作为所述偏置电压(V_dd)，V_IP是所述源PMOS跟随晶体管(M2)的阈值电压，V_IN是所述源NMOS跟随晶体管(M5)的阈值电压，V_dsat是经过源电流的电压；

第一输出端电压(V_outn)和第二输出端电压(V_outp)共同构成了所述像素单元的输出电压V_out，其范围是：V_dsat＜V_output＜V_DD-V_dsat。

5.根据权利要求4所述电压输入输出方法，其特征在于，所述电源电压V_DD是1V，所述范围的大小是0.5～0.6V。

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