CN105227870B - 大动态范围线性-对数响应cmos图像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及CMOS图像传感器领域，为提出一种可编程大动态范围线性‑对数响应有源像素传感器。为此，本发明采取的技术方案是，大动态范围线性‑对数响应CMOS图像传感器，结构是，复位开关SRST连接复位电压Vrst和PD，用于对PD进行复位；传输开关STX连接PD和浮空节点FD，以实现像素的双采样；设置有两个串连的对数NMOS晶体管MLOG1、MLOG2，MLOG1漏极接电源电压，MLOG1栅极接参考电压VLOG，MLOG1源级与MLOG2漏极相连，MLOG2栅极与MLOG2漏极相连，MLOG1源级连接到FD。本发明主要应用于CMOS图像传感器的设计制造。

Description

大动态范围线性-对数响应CMOS图像传感器

技术领域

本发明涉及CMOS图像传感器领域，尤其涉及一种采用线性-对数响应的CMOS有源像素图像传感器。

技术背景

CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)图像传感器具有低功耗、低成本、与CMOS工艺兼容的优势，是当今成像系统的主流。3T有源像素是 CMOS图像传感器的基本像素结构。

参考图1，基于3T结构的像素包括用于感光的光电二极管PD，复位管MRST，源级跟随器MSF和行选管MSEL。PD是由重掺杂的P+钳位层、N埋层和P型硅衬底构成，PD与源级跟随器栅极相连。

假设在初始状态时，首先对PD通过MRST进行复位操作，PD中N层处于完全耗尽的状态。像素曝光阶段，产生的光载流子在N埋层中收集，积累的电荷通过PD的寄生电容转化为电压， VPD逐渐下降，反映出光照的强弱。曝光结束后，MSEL打开，VPD信号通过MSF和MSEL传到读出总线。

根据4T有源像素的工作原理可知，随着光强的增大，在曝光时间内PD收集到的电荷就越多，得到的像素电压也就越大，图像传感器的光照响应近似为线性，如图2所示。

在弱光条件下，当光强低于一定极限值时，PD内收集的光生电荷很少，低于像素本身的噪声值，无法得到有效的像素输出，传感器输出有效信号所需的光强大小定义为最小可探测光强Pmin。当光强很大时，PD达到满阱，此时多余的电荷无法再被收集，造成高光强信息的丢失，传感器可以输出的最大非饱和光强大小定义为Pmax。得到线性响应的像素动态范围为：

发明内容

为克服现有技术的不足，针对线性响应像素动态范围有限的问题，本发明目的是提出一种可编程大动态范围线性-对数响应有源像素传感器。为此，本发明采取的技术方案是，大动态范围线性-对数响应CMOS图像传感器，结构是，复位开关SRST连接复位电压Vrst和PD，用于对PD进行复位；传输开关STX连接PD和浮空节点FD，以实现像素的双采样；设置有两个串联的对数NMOS晶体管MLOG1、MLOG2，MLOG1漏极接电源电压，MLOG1栅极接参考电压VLOG， MLOG1源级与MLOG2漏极相连，MLOG2栅极与MLOG2漏极相连，MLOG1源级连接到FD；设置有基准电流源Ical和校准开关Scal，Scal连接FD与Ical，Ical另一端接地，用于固定模式噪声的消除；FD接输出MOS管栅极，输出MOS管漏极接电源电压，输出MOS管源级通过开关Ssel进行输出。

复位期间，复位开关SRST和传输开关STX闭合，对光电二极管和浮空节点进行复位，复位电平Vrst＝VDD；曝光期间，复位开关SRST关断、传输开关STX闭合，光电二极管产生的光电流大小为Iph；当光照较低时，VFD电压较高，对数管处于截止状态，在一定积分时间内， VFD随着Iph线性下降；当光照较高时，FD点电压VFD持续下降，当VFD<VLOG-2VTH，其中VTH为对数管阈值电压，此时对数管导通，并且工作在亚阈值状态。

在双采样期间，STX关断，校准开关Scal闭合，将基准电流源Ical接入浮空节点，采样得到校准电平VFD2。

复位开关采用两个串联PMOS晶体管实现，其中一个晶体管源级和漏极相连，用于削弱电荷注入效应；传输开关采用传输门，传输门为一个NMOS晶体管和一个PMOS晶体管并联；校准开关和行选各用一个NMOS晶体管组成。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

在传统线性像素基础上提出线性-对数响应像素，即保证了低光照下的分辨率，同时提升了像素的动态范围。采用两个对数管，扩大了像素的输出摆幅。采用校准电流源操作，进行双采样，消除了像素间的固定模式噪声。

附图说明

图1 3T像素结构。

图2线性坐标下线性像素输出与光生电流Iph之间的关系曲线。

图3大动态范围线性-对数像素结构。

图4对数坐标下线性-对数像素光照响应曲线。

图5一种线性-对数像素的实现方式。

具体实施方式

在本发明中,与传统图像传感器相比，将动态范围较大的传感器统称为大动态范围传感器。

本发明提出的对数像素在传统3T像素基础上进行改进，其结构如图3所示。

本发明中采用复位开关SRST连接复位电压Vrst和PD，对PD进行复位。传输开关STX连接PD和浮空节点FD，以实现像素的双采样。另外像素中增加了两个串联的对数NMOS晶体管MLOG1、MLOG2。MLOG1漏极接电源电压，栅极接参考电压VLOG，源级与MLOG2漏极相连，MLOG2栅极与漏极相连，源级连接到FD。另外包含一个基准电流源Ical和校准开关Scal，Scal连接FD与Ical，Ical另一端接地，用于固定模式噪声的消除。像素的工作过程如下：

复位期间，SRST和STX闭合，对光电二极管和浮空节点进行复位，复位电平Vrst＝VDD。曝光期间，SRST关断、STX闭合，光电二极管产生的光电流大小为Iph。当光照较低时，VFD 电压较高，对数管处于截止状态，工作状态与传统3T像素相同，在一定积分时间内，VFD随着Iph线性下降。当光照较高时，VFD持续下降，当VFD<VLOG-2VTH，其中VTH为对数管阈值电压，此时对数管导通，并且工作在亚阈值状态。光电流Iph流经两个对数管，根据晶体管相关理论，对于单个晶体管，有：

其中，ID为对数管的漏电流，ID＝Iph，VT为热电压，I0为晶体管饱和电流。一般情况下，VDS大于几个kT/e，公式(2)简化为：

对于本发明的情况，采用两个对数管得到的像素响应为：

其中，VFD1称为信号电平。

由(5)式可知，VFD与Iph成对数关系变化，扩大了像素的动态范围，采用两个对数管增大了像素输出摆幅。同时，VLOG为外部提供的参考电平，Ical为外部提供的校准电流源，可根据不同光照环境进行调整以获得最佳像素输出响应。

为了消除对数管的阈值电压不同引起的像素间固定模式噪声，在本发明中通过传输开关实现双采样。

在双采样期间，STX关断，校准开关Scal闭合，将基准电流源Ical接入浮空节点，采样得到校准电平VFD2：

将校准电平VFD2与之前得到的信号电平相减得到：

可以看到通过双采样技术，消除了晶体管阈值电压的偏移，同时能够有效消除像素的固定模式噪声。

如图5所示，以3.3v，0.11μm制作工艺为例给出本发明的一种实施方式。所设计图像传感器均采用3.3V晶体管实现，电源电压VDD＝3.3V，复位电压VRST＝3.3V，对数参考电压 VLOG＝3.3V，基准电流源Ical＝1μA，复位时间200ns，读出采用50MHz时钟。其中复位开关采用两个串联PMOS晶体管实现，其中一个晶体管源级和漏极相连，用于削弱电荷注入效应。传输开关采用传输门，传输门为一个NMOS晶体管和一个PMOS晶体管并联。校准开关和行选各用一个NMOS晶体管组成。

Claims (4)

1.一种大动态范围线性-对数响应CMOS图像传感器，其特征是，复位开关SRST连接复位电压Vrst和光电二极管PD，用于对PD进行复位；传输开关STX连接PD和浮空节点FD，以实现像素的双采样；设置有两个串联的对数NMOS晶体管MLOG1、MLOG2，MLOG1漏极接电源电压，MLOG1栅极接参考电压VLOG，MLOG1源级与MLOG2漏极相连，MLOG2栅极与MLOG2漏极相连，MLOG1源级连接到FD；设置有基准电流源Ical和校准开关Scal，Scal连接FD与Ical，Ical另一端接地，用于固定模式噪声的消除；FD接输出MOS管栅极，输出MOS管漏极接电源电压，输出MOS管源级通过开关Ssel进行输出。

2.如权利要求1所述的大动态范围线性-对数响应CMOS图像传感器其特征是，复位期间，复位开关SRST和传输开关STX闭合，对光电二极管和浮空节点进行复位，复位电平Vrst＝VDD；曝光期间，复位开关SRST关断、传输开关STX闭合，光电二极管产生的光电流大小为Iph；当光照较低时，VFD电压较高，对数管处于截止状态，在一定积分时间内，VFD随着Iph线性下降；当光照较高时，FD点电压VFD持续下降，当VFD<VLOG-2VTH，其中VTH为对数管阈值电压，此时对数管导通，并且工作在亚阈值状态。

3.如权利要求1所述的大动态范围线性-对数响应CMOS图像传感器其特征是，在双采样期间，STX关断，校准开关Scal闭合，将基准电流源Ical接入浮空节点，采样得到校准电平VFD2。

4.如权利要求1所述的大动态范围线性-对数响应CMOS图像传感器其特征是，复位开关采用两个串联PMOS晶体管实现，其中一个晶体管源级和漏极相连，用于削弱电荷注入效应；传输开关采用传输门，传输门为一个NMOS晶体管和一个PMOS晶体管并联；校准开关和行选各用一个NMOS晶体管组成。