CN106060433A - 一种复合型cmos图像传感器 - Google Patents

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Abstract

一种复合型CMOS图像传感器，包括光电二极管(110)、复位MOS管(120)、条件复位MOS管(130)、模式选择MOS管(210)、与二极管连接的MOS管(220)、放大管(410)、行选择MOS管(510)和电流源(610)。

Description

一种复合型CMOS图像传感器
技术领域
本发明涉及一种图像传感器，具体涉及一种复合型CMOS图像传感器。
背景技术
图像传感器是图像获取设备的核心，是将光学图像转换成电信号图像的半导体器件，传统的图像传感器分为CCD(电荷耦合器件)图像传感器与MOS图像传感器。当前由于CMOS图像传感器具有低功耗、高信噪比和高速度等方面的优点而广泛应用。
传统的CMOS图像传感器像素部分主要由光电二极管、MOS管、由MOS管构成的放大器和MOS管开关组成。
当前有源式像素结构(APS)为3T型结构，如图1所示，3T型像素单元结构图，其中包括光电二极管D1，将接收到的光信号转换为电信号。
复位晶体管M1，用于在曝光前对所述光电二极管D1进行复位，复位信号由RST信号控制。当所述复位信号RST为高电平时，M1漏极接电源VDD，在电源VDD作用下，对所述光电二极管复位，即清除全部积累的电荷。
放大晶体管M2，用作源极跟随器，将所述光电二极管D1产生的电信号进行放大。一般M2用一个NMOS管，其漏极接电源VDD，源极作为放大信号的输出端。
行选择晶体管M3，用于将所述放大器M2的源极输出的放大信号选择性输出。一般选用一个NMOS，选择控制信号由RS信号控制，其源极接所述放大器M2的源极，所述行选择晶体管漏极作为输出。
由于动态范围性能对CMOS图像传感器的性能影响愈发严重，如何扩展动态范围成了当前的热点。目前常用的动态范围扩展技术有多次采样，条件重置，对数扩展，局部曝光等方法。但是这些方法都处于起步阶段，各种方法都有各自的弊端，因而，没有一种技术能够有绝对的优势。
现有的CMOS图像传感器存在以下问题：
1、光电二极管感光限制，在弱光调节下，图像传感器无法探测；
2、针对条件重置技术，多次复位增加了功耗；
3、针对对数响应技术，其信噪比低，固定模式噪声影响大。
发明内容
针对CMOS图像传感器所遇到的上述问题，本发明提供了一种复合型CMOS图像传感器，其中包括光电二极管(110)、复位MOS管(120)、条件复位MOS管(130)、模式选择MOS管(210)、与二极管连接的MOS管(220)、放大管(410)、行选择MOS管(510)和电流源(610)。
其中，所述光电二极管(110)的正极接地，负极接所述复位MOS管(120)的源极，所述光电二极管(110)作为感光器件。
所述复位MOS管(120)用于在曝光前对所述光电二极管(110)进行复位，所述复位MOS管(120)的漏极接电源VDD，栅极接复位信号RST，源极接所述光电二极管(110)的负极。
所述条件复位MOS管(130)用于在弱光调节下进行条件重置，所述条件复位MOS管(130)的漏极接电源VDD，栅极接条件重置信号CRST，源极接所述光电二极管(110)的负极。
所述模式选择MOS管(210)用于进行开关选择，所述模式选择MOS管(210)的漏极接电源VDD，栅极接模式选择信号VLOG，源极接所述与二极管连接的MOS管(220)的漏极。
所述与二极管连接的MOS管(220)用于在中强光下实现对数响应，所述与二极管连接的MOS管(220)的漏极和栅极相连，源极接所述光电二极管(110)的负极。
所述放大管(410)用于将感应的电荷进行放大并且转移成电压信号，其栅极的寄生电容用于存储电荷，所述放大管(410)的漏极接电源VDD，栅极接接所述光电二极管(110)的负极，源极接所述行选择MOS管(510)的漏极。
所述行选择MOS管(510)用于对像素进行选择输出，所述行选择MOS管(510)，的漏极接所述放大管(410)的源极，栅极接行选择信号RS，源极做输出。
所述电路源(610)的漏极接输出，栅极接偏置电压信号，源极接地。
优选地，所述复合型CMOS图像传感器还包括设置在所述光电二极管(110)和所述放大管(410)之间的辅助光电二极管(310)，所述辅助光电二极管(310)的负极接所述光电二极管(110)的负极，所述辅助光电二极管(310)的正极接所述放大管(410)的栅极。
优选地，所述光电二极管(110)为感光PN结或者Pinned光电二极管。
优选地，所述辅助光电二极管(310)为感光PN结或者Pinned光电二极管。
优选地，本发明的另一个方面是整个电路的实现均可以由标准CMOS工艺片内实现，通过控制电路进行智能选择策略，在整个应用范围内扩展CMOS图像传感器的动态范围。
本发明还提供了一种复合型CMOS图像传感器的控制方法，在弱光条件下进行条件重置模式；在中强光条件下，对像素进行周期性的单管和双管交替工作模式，控制信号VLOG与RST信号反相，在一个积分周期内，实现一次单管对数和一次双管对数响应。
本发明提供的结构，通过调节控制信号，可以在三种模式下工作，分别为条件重置有源像素、单管对数有源像素和双管对数有源像素。由于对数响应技术在弱光下的灵敏度低，故在弱光调节下实现条件重置有源像素；在中强光条件下对像素进行周期性的单管和双管交替工作模式，因此这种像素结构称为复合型对数有源像素，其工作模式如表1所示。
表1 复合型CMOS图像传感器工作模式
工作模式 VLOG电平 RST电平
条件重置APS 低 脉冲信号
单管对数APS 低 高
双管对数APS 高 低
本发明的复合型CMOS图像传感器具有如下技术效果：
1、通过调节控制信号可以实现三种工作模式，充分发挥各个模式的优势，分段提供动态范围；
2、利用复合型的结构，可以降低图像传感器的功耗；
3、改进了对数有源像素在弱光下灵敏度低，消除了图像传感器中固定模式噪声。
附图说明
图1为传统CMOS图像传感器结构示意图；
图2为本发明的复合型CMOS图像传感器结构示意图；
图3为本发明的复合型CMOS图像传感器主要工作时序图；
具体实施方式
本发明提供的复合型CMOS图像传感器一种具体实施方式由图2所示，其中包括光电二极管110、复位MOS管120、条件复位MOS管130、模式选择MOS管210、与二极管连接的MOS管220、放大管410、行选择MOS管510和电流源610组成。
所述光电二极管110，可以是感光PN结或者Pinned光电二极管，正极接地，负极接复位MOS管120的源极，其作用是感光器件。
所述复位MOS管120，可以是NMOS管，用于在曝光前对所述光电二极管110进行复位，复位MOS管120的漏极接电源VDD，栅极接复位信号RST，源极接所述光电二极管110的负极。
所述条件复位MOS管130，可以是NMOS管，用于在弱光调节下进行条件重置，所述条件复位MOS管130的漏极接电源VDD，栅极接条件重置信号CRST，源极接所述光电二极管110的负极。
所述模式选择MOS管210，可以是NMOS管，用于进行开关选择，所述模式选择MOS管210的漏极接电源VDD，栅极接模式选择信号VLOG，源极接所述与二极管连接的MOS管220的漏极。
所述与二极管连接的MOS管220，可以是NMOS管，用于在中强光下实现对数响应，所述与二极管连接的MOS管220的漏极和栅极相连，源极接所述光电二极管110的负极。
所述的放大管410，可以是NMOS管，为了将感应的电荷进行放大并且转移成电压信号，其栅极的寄生电容还起到存储电荷的作用，410的漏极接电源VDD，410的栅极接接所述光电二极管110的负极，源极接所述行选择MOS管510的漏极。
所述的行选择MOS管510，可以是NMOS管，为了对像素进行选择输出，其漏极接所述放大管410的源极，栅极接行选择信号RS，源极做输出。
所述的电路源610，可以是一个NMOS管，其漏极接输出，栅极接偏置电压信号，源极接地。
研究人员发现在光电二极管上再串联一个光电二极管可以增加对光强的采集效率，因此，本发明的复合型CMOS图像传感器还包括设置在所述光电二极管110和所述放大管410之间的辅助光电二极管310，所述辅助光电二极管310的负极接所述光电二极管110的负极，所述辅助光电二极管310的正极接所述放大管410的栅极。
所述辅助光电二极管310可以是感光PN结或者Pinned光电二极管。
本发明提供的复合型CMOS图像传感器，在弱光条件下进行条件重置模式，其时序图在此不作赘述，在单管对数和双管对数切换模式下的主要的工作时序图由图3所示，控制信号VLOG与RST信号反相，在一个积分周期内，实现一次单管对数和一次双管对数响应。
本发明不限于这里所述的特定实施例，对本工程领域的技术人员来说能够基于本发明思想进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，以上实施例只是对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例。

Claims (5)

1.一种复合型CMOS图像传感器，包括光电二极管(110)、复位MOS管(120)、条件复位MOS管(130)、模式选择MOS管(210)、与二极管连接的MOS管(220)、放大管(410)、行选择MOS管(510)和电流源(610)，其特征在于：
所述光电二极管(110)的正极接地，负极接所述复位MOS管(120)的源极，所述光电二极管(110)作为感光器件；
所述复位MOS管(120)用于在曝光前对所述光电二极管(110)进行复位，所述复位MOS管(120)的漏极接电源VDD，栅极接复位信号RST，源极接所述光电二极管(110)的负极；
所述条件复位MOS管(130)用于在弱光调节下进行条件重置，所述条件复位MOS管(130)的漏极接电源VDD，栅极接条件重置信号CRST，源极接所述光电二极管(110)的负极；
所述模式选择MOS管(210)用于进行开关选择，所述模式选择MOS管(210)的漏极接电源VDD，栅极接模式选择信号VLOG，源极接所述与二极管连接的MOS管(220)的漏极；
所述与二极管连接的MOS管(220)用于在中强光下实现对数响应，所述与二极管连接的MOS管(220)的漏极和栅极相连，源极接所述光电二极管(110)的负极；
所述放大管(410)用于将感应的电荷进行放大并且转移成电压信号，其栅极的寄生电容用于存储电荷，所述放大管(410)的漏极接电源VDD，栅极接接所述光电二极管(110)的负极，源极接所述行选择MOS管(510)的漏极；
所述行选择MOS管(510)用于对像素进行选择输出，所述行选择MOS管(510)，的漏极接所述放大管(410)的源极，栅极接行选择信号RS，源极做输出；
所述电路源(610)的漏极接输出，栅极接偏置电压信号，源极接地。
2.根据权利要求1所述的复合型CMOS图像传感器，其特征在于：所述复合型CMOS图像传感器还包括设置在所述光电二极管(110)和所述放大管(410)之间的辅助光电二极管(310)，所述辅助光电二极管(310)的负极接所述光电二极管(110)的负极，所述辅助光电二极管(310)的正极接所述放大管(410)的栅极。
3.根据权利要求1或2所述的复合型CMOS图像传感器，其特征在于：所述光电二极管(110)为感光PN结或者Pinned光电二极管。
4.根据权利要求2所述的复合型CMOS图像传感器，其特征在于：所述辅助光电二极管(310)为感光PN结或者Pinned光电二极管。
5.一种如权利要求1-4中任一项所述的复合型CMOS图像传感器的控制方法，在弱光条件下进行条件重置模式；在中强光条件下，对像素进行周期性的单管和双管交替工作模式，控制信号VLOG与RST信号反相，在一个积分周期内，实现一次单管对数和一次双管对数响应。
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