CN106331539B - 一种图像传感单元电路和具有其的像元 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种新型的图像传感单元电路和具有其的像元，包括：图像传感单元电路，用于在高压型光电转换模块正常工作时，对高压型光电转换模块生成的电信号进行放大和输出；高压型光电转换模块与预设高压偏置提供端相连；高压保护模块，分别与高压型光电转换模块和图像传感单元电路相连，高压保护模块用于在高压型光电转换模块短路时，保护图像传感单元电路。本发明实施例具有高压保护功能，从而预设高压偏置提供端提供高电压例如100V时，图像传感单元电路不需要特殊高压工艺，在普通工艺下即可，保证了高压型光电转换模块的响应率，而且电路结构简单、面积小，保证了正常工作时的电路性能，有利于进行大规模集成。

Description

一种图像传感单元电路和具有其的像元

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，特别是涉及一种新型的图像传感单元电路和一种像元。

背景技术

高压型传感器需要与CMOS电路结合，以实现电信号的放大和输出，但高压型传感器接几十伏甚至一百多伏的高压偏置，这远超出了普通CMOS 工艺的耐压能力，在使用中一旦高压型传感器发生短路，高压就会进入 CMOS电路中，将CMOS电路烧毁。其中，图1是常用的图像传感单元电路结构，整个图像传感单元电路由积分放大器AMP’、复位开关RST’作为控制开关、积分电容Cint’构成，常用的图像传感单元电路可以实现将传感器的光电流进行积分放大的功能。具体地，图1所示的常用的图像传感单元电路结构，若采用标准的5V CMOS工艺，CMOS器件(积分放大器AMP’和复位开关RST’等)的耐压通常在6V，若高压型传感器短路，则高电压Vb’进入图像传感单元电路中，瞬间击穿图像传感单元电路中的CMOS器件，并且会通过图像传感单元电路的公共信号通路影响全图像传感芯片的其他图像传感单元电路，从而使整个单元阵列都无法正常工作。

为了防止上述问题发生，图像传感单元电路只能采用高压CMOS工艺制作来提高CMOS电路的耐压能力。通常采用特殊的高压CMOS工艺后， CMOS电路可以耐高压，即使高压进入CMOS电路，CMOS电路也能正常工作，而不会烧毁。但这大大增加了CMOS电路的制造成本，而且现有的高压CMOS工艺最多到40V，限制了高压型传感器的使用电压范围，另外，高压CMOS管的尺寸大，器件间距也大，此时只能牺牲CMOS电路性能，压缩器件面积，以保证能在有限的单元面积中放下所有器件。

发明内容

本发明是发明人基于以下认识和发现提出的：

在高压传感器应用下，CMOS电路需满足以下几点：第一，不需要高成本的特殊工艺，在普通工艺下就能实现；第二，具有高压保护机制，防止高压进入电路烧毁芯片；第三，支持高压传感器的偏置电压能到100V，否则会影响高压传感器的响应效率；第四，高压保护电路结构简单，面积小，易于集成在图像传感单元电路中；第五，高压保护机制不影响正常工作时的电路性能。

鉴于上述问题，提出了本发明实施例以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种新型的图像传感单元电路和相应的一种像元。

为了解决上述问题，本发明实施例公开了一种新型的图像传感单元电路，包括：图像传感单元电路，所述图像传感单元电路用于在高压型光电转换模块正常工作时，对所述高压型光电转换模块生成的电信号进行放大和输出；所述高压型光电转换模块与预设高压偏置提供端相连；高压保护模块，所述高压保护模块分别与所述高压型光电转换模块和所述图像传感单元电路相连，所述高压保护模块用于在所述高压型光电转换模块短路时，保护所述图像传感单元电路。

优选地，所述高压保护模块包括：限流单元，所述限流单元的一端与所述高压型光电转换模块相连；隔离单元，所述隔离单元的一端与所述限流单元的另一端相连，所述隔离单元的另一端与所述图像传感单元电路相连，所述隔离单元的一端与所述限流单元的另一端之间具有节点；电流泄放单元，所述电流泄放单元的一端与所述节点相连，所述电流泄放单元的另一端与预设电流泄放端口相连；所述预设电流泄放端口具有预设电压。

优选地，所述限流单元为第一电阻。

优选地，所述隔离单元为第二电阻。

优选地，所述电流泄放单元为齐纳二极管，所述齐纳二极管的阴极与所述节点相连，所述齐纳二极管的阳极与所述预设电流泄放端口相连。

优选地，所述电流泄放单元为普通二极管，所述普通二极管的阳极与所述节点相连，所述普通二极管的阴极与所述预设电流泄放端口相连。

优选地，所述图像传感单元电路包括：积分放大器，所述积分放大器的负向输入端与所述隔离单元的另一端相连，所述积分放大器的正向输入端与预设参考电压提供端相连，所述积分放大器的输出端作为所述图像传感单元电路的输出端；复位开关，所述复位开关的两端分别与所述积分放大器的负向输入端和输出端相连；积分电容，所述积分电容的两端分别与所述积分放大器的负向输入端和输出端相连。

优选地，所述高压型光电转换模块为光电探测器，所述光电探测器的阴极与所述预设高压偏置提供端相连，所述光电探测器的阳极与所述高压保护模块相连。

为了解决上述问题，本发明实施例还公开了一种像元，包括：高压型光电转换模块，所述高压型光电转换模块与预设高压偏置提供端相连；所述的新型的图像传感单元电路，所述新型的图像传感单元电路与所述高压型光电转换模块相连。

优选地，所述高压型光电转换模块为光电探测器。

本发明实施例包括以下优点：

第一，通过在图像传感单元电路的基础上增加高压保护模块，以在高压型光电转换模块短路时，对短路电流进行泄放，防止高压进入图像传感单元电路而烧毁图像传感芯片和图像传感单元电路，从而图像传感单元电路不需要高成本的特殊工艺，在普通工艺下就能实现；

第二，预设高压偏置提供端提供的电压可以大于或等于100V，从而不会影响高压型光电转换模块例如高压传感器的响应效率；

第三，通过第一电阻、第二电阻和普通二极管(或齐纳二极管)即可构成高压保护模块，结构简单，成本低，功耗和面积小，易于与图像传感单元电路进行集成；

第四，高压保护模块不影响高压型光电转换模块正常工作时图像传感单元电路的性能。

附图说明

图1是常用的图像传感单元电路结构；

图2是本发明的一种新型的图像传感单元电路实施例的结构框图；

图3是本发明的一种新型的图像传感单元电路实施例中电流泄放单元为齐纳二极管的结构示意图；

图4是本发明的另一种新型的图像传感单元电路实施例中电流泄放单元为普通二极管的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明实施例的核心构思之一在于，通过在图像传感单元电路的基础上增加结构简单、功耗和面积小的高压保护模块，从而在高压型光电转换模块短路时，防止高压进入图像传感单元电路而烧毁图像传感芯片和图像传感单元电路，且不影响电路性能。

本发明实施例的一种新型的图像传感单元电路1，具体可以包括如下模块：图像传感单元电路11和高压保护模块12。其中，图像传感单元电路11 用于在高压型光电转换模块13正常工作时，对高压型光电转换模块13生成的电信号进行放大和输出；高压型光电转换模块13与预设高压偏置提供端 14相连；高压保护模块12分别与高压型光电转换模块13和图像传感单元电路11相连，高压保护模块12用于在高压型光电转换模块13短路时，保护图像传感单元电路11。

优选地，预设高压偏置提供端14提供的电压可以大于或等于100V，从而可以保证高压型光电转换模块13例如高压传感器的响应效率，其中，需要说明的是，当预设高压偏置提供端14提供的电压小于100V时，高压保护模块12同样可以在高压型光电转换模块13短路时，保护图像传感单元电路 11。。优选地，高压型光电转换模块13可以为光电探测器A等，光电探测器A的阴极与预设高压偏置提供端14相连，光电探测器A的阳极与高压保护模块12相连。

优选地，高压保护模块12可以包括：限流单元121、隔离单元122和电流泄放单元123。其中，限流单元121的一端与高压型光电转换模块13相连；隔离单元122的一端与限流单元121的另一端相连，隔离单元122的另一端与图像传感单元电路11相连，隔离单元122的一端与限流单元121的另一端之间具有节点N3；电流泄放单元123的一端与节点N3相连，电流泄放单元123的另一端与预设电流泄放端口相连；预设电流泄放端口可以具有预设电压HVCOM。

优选地，限流单元121可以为第一电阻R1，其中，在不影响新型的图像传感单元电路1总面积的前提下，可以选择大阻值、小面积的电阻作为第一电阻R1，从而当高压型光电转换模块13短路时，可以限制短路电流。优选地，隔离单元122可以为第二电阻R2，其中，在不影响新型的图像传感单元电路1总面积的前提下，可以选择大阻值、小面积的电阻作为第二电阻 R2，从而当高压型光电转换模块13短路时，短路电流将优先通过电流泄放单元123进行泄放，从而保护图像传感单元电路11和图像传感单元电路11 所属的图像传感芯片。优选地，电流泄放单元123可以为齐纳二极管ZD，齐纳二极管ZD的阴极与节点N3相连，齐纳二极管ZD的阳极与预设电流泄放端口相连，其中，在不影响新型的图像传感单元电路1总面积的前提下，可以选择大面积的齐纳二极管ZD，从而当高压型光电转换模块13短路时，可以确保节点N3的电压不会高于图像传感单元电路11的电源电压。优选地，电流泄放单元123可以为普通二极管Diode，普通二极管Diode的阳极与节点N3相连，普通二极管Diode的阴极与预设电流泄放端口相连，其中，在不影响新型的图像传感单元电路1总面积的前提下，可以选择大面积的普通二极管Diode，从而当高压型光电转换模块13短路时，可以确保节点N3的电压不会高于图像传感单元电路11的电源电压。

优选地，图像传感单元电路11可以包括：积分放大器AMP、复位开关 RST和积分电容C1。其中，积分放大器AMP的负向输入端与隔离单元122 的另一端相连，积分放大器AMP的正向输入端与预设参考电压提供端相连，积分放大器AMP的输出端作为图像传感单元电路11的输出端，积分放大器 AMP的电源端与上述电源相连，积分放大器AMP可以由CMOS器件构成；复位开关RST的两端分别与积分放大器AMP的负向输入端和输出端相连，复位开关RST可以由CMOS器件构成；积分电容C1的两端分别与积分放大器AMP的负向输入端和输出端相连，。

参照图2，示出了本发明的一种新型的图像传感单元电路1实施例的结构框图。如图2所示，整个电路主要由高压保护模块12和积分放大器AMP 构成，光电探测器A探测的电信号(光电流)先经过高压保护模块12，再送到积分放大器AMP的负向输入端。图2所示电路的工作原理如下：若光电探测器A正常工作，高压保护模块12的保护机制不启动，光电探测器A 产生的光电流无损地从节点N1(即高压保护模块12的输入端)传到节点 N2(即积分放大器AMP的负向输入端)，积分放大器AMP对光电流进行积分放大，最后输出积分电压信号VO；若光电探测器A发生短路，预设高压偏置提供端14提供的高电压Vb传到节点N1，高压保护模块12的保护机制启动，节点N3的电压被钳制在一个安全电压Vs(小于图像传感单元电路11 的电源电压)，以保护图像传感单元电路11，高电压Vb产生的大电流通过预设电流泄放端口泄放，不会影响到图像传感单元电路11内部的CMOS电路。

参照图3，示出了本发明的一种新型的图像传感单元电路1实施例中电流泄放单元123为齐纳二极管ZD的结构示意图。如图3所示，整个电路主要由高压保护模块12和积分放大器AMP构成，其中，高压保护模块12由第一电阻R1、齐纳二极管ZD和第二电阻R2构成。图3所示电路的工作原理如下：若光电探测器A正常工作，节点N1、节点N2和节点N3的电位相等，并等于预设参考电压提供端提供的电压VR，此时，齐纳二极管ZD两端压降小，齐纳二极管ZD不开启，光电探测器A的光电流无损地从节点 N1传到节点N2，积分放大器AMP对光电流进行积分放大，输出积分电压信号VO；若光电探测器A发生短路，预设高压偏置提供端14提供的高电压Vb传到节点N1，节点N3的电位也随之变高，当节点N3的电位比安全电压Vs高时，此时，安全电压Vs为预设电压HVCOM+齐纳二极管ZD的开启电压VD1，齐纳二极管ZD开启，将节点N3的电压钳制在安全电压Vs，高电压Vb产生的电流通过齐纳二极管ZD从预设电流泄放端口流走，此时，第一电阻R1起到限流作用，可以减小高电压Vb产生的电流，节点N2和节点N3的电位相等，因此高电压Vb和大电流都不会传到节点N2，从而保护了积分放大器AMP等电路器件。

参照图4，示出了本发明的另一种新型的图像传感单元电路1实施例中电流泄放单元123为普通二极管Diode的结构示意图。如图4所示，整个电路主要由高压保护模块12和积分放大器AMP构成，其中，高压保护模块 12由第一电阻R1、普通二极管Diode和第二电阻R2构成。图4所示电路的工作原理如下：若光电探测器A正常工作，节点N1、节点N2和节点N3的电位相等，并等于预设参考电压提供端提供的电压VR，预设参考电压提供端提供的电压VR小于预设电压HVCOM，此时普通二极管Diode反偏，不导通，光电探测器A的光电流无损地从节点N1传到节点N2，积分放大器 AMP对光电流进行积分放大，输出积分电压信号VO；若光电探测器A发生短路，高电压Vb传到节点N1，节点N3的电位也随之变高，当节点N3 的电位比安全电压Vs高时，此时，安全电压Vs为预设电压HVCOM+普通二极管Diode的开启电压VD2，普通二极管Diode正偏，将节点N3的电压钳制在安全电压Vs，高电压Vb产生的电流，通过普通二极管Diode从预设电流泄放端口流走，第一电阻R1起到限流作用，减小高电压Vb产生的电流，节点N2和节点N3的电位相等，因此高压和大电流都不会传到节点N2，从而保护了积分放大器AMP等电路器件。

参照图2，本发明实施例还公开了一种像元，包括：高压型光电转换模块13和上述的新型的图像传感单元电路1。其中，高压型光电转换模块13 与预设高压偏置提供端14相连；新型的图像传感单元电路1与高压型光电转换模块13相连。

优选地，高压型光电转换模块13可以为光电探测器A。

本发明实施例包括以下优点：

第一，通过在图像传感单元电路的基础上增加高压保护模块，以在高压型光电转换模块短路时，对短路电流进行泄放，防止高压进入图像传感单元电路而烧毁图像传感芯片和图像传感单元电路，从而图像传感单元电路不需要高成本的特殊工艺，在普通工艺下就能实现；

第二，预设高压偏置提供端提供的电压可以大于或等于100V，从而不会影响高压型光电转换模块例如高压传感器的响应效率；

第三，通过第一电阻、第二电阻和普通二极管(或齐纳二极管)即可构成高压保护模块，结构简单，面积小，易于与图像传感单元电路进行集成；

第四，高压保护模块不影响高压型光电转换模块正常工作时图像传感单元电路的性能。

对于像元实施例而言，由于其包括新型的图像传感单元电路实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见新型的图像传感单元电路实施例的部分说明即可。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种新型的图像传感单元电路和一种像元，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种新型的图像传感单元电路，其特征在于，包括：

图像传感单元电路，所述图像传感单元电路用于在高压型光电转换模块正常工作时，对所述高压型光电转换模块生成的电信号进行放大和输出；所述高压型光电转换模块与预设高压偏置提供端相连；

高压保护模块，所述高压保护模块分别与所述高压型光电转换模块和所述图像传感单元电路相连，所述高压保护模块用于在所述高压型光电转换模块短路时，保护所述图像传感单元电路；

所述高压保护模块包括：

限流单元，所述限流单元的一端与所述高压型光电转换模块相连；所述限流单元为第一电阻；

隔离单元，所述隔离单元的一端与所述限流单元的另一端相连，所述隔离单元的另一端与所述图像传感单元电路相连，所述隔离单元的一端与所述限流单元的另一端之间具有节点；所述隔离单元为第二电阻；

电流泄放单元，所述电流泄放单元的一端与所述节点相连，所述电流泄放单元的另一端与预设电流泄放端口相连；所述预设电流泄放端口具有预设电压；其中，所述电流泄放单元为齐纳二极管，所述齐纳二极管的阴极与所述节点相连，所述齐纳二极管的阳极与所述预设电流泄放端口相连。

2.根据权利要求1所述的新型的图像传感单元电路，其特征在于，所述电流泄放单元还具体为普通二极管，所述普通二极管的阳极与所述节点相连，所述普通二极管的阴极与所述预设电流泄放端口相连。

3.根据权利要求1所述的新型的图像传感单元电路，其特征在于，所述图像传感单元电路包括：

积分放大器，所述积分放大器的负向输入端与所述隔离单元的另一端相连，所述积分放大器的正向输入端与预设参考电压提供端相连，所述积分放大器的输出端作为所述图像传感单元电路的输出端；

复位开关，所述复位开关的两端分别与所述积分放大器的负向输入端和输出端相连；

积分电容，所述积分电容的两端分别与所述积分放大器的负向输入端和输出端相连。

4.根据权利要求1所述的新型的图像传感单元电路，其特征在于，所述高压型光电转换模块为光电探测器，所述光电探测器的阴极与所述预设高压偏置提供端相连，所述光电探测器的阳极与所述高压保护模块相连。

5.一种像元，其特征在于，包括：

高压型光电转换模块，所述高压型光电转换模块与预设高压偏置提供端相连；

根据权利要求1-4中任一项所述的新型的图像传感单元电路，所述新型的图像传感单元电路与所述高压型光电转换模块相连。

6.根据权利要求5所述的像元，其特征在于，所述高压型光电转换模块为光电探测器。