CN106534727B - 一种监控cis像素单元相关电容的电路及方法 - Google Patents

一种监控cis像素单元相关电容的电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种监控CIS像素单元相关电容的电路，该电路包括m×n个4T CIS单元组成的阵列，将4T CIS单元的各引脚并联引出，通过控制作为控制开关的传输控制信号TX G，实现测量PD等效电容以及FD等效电容，通过本发明，可精确的监控CIS中PD的电容以及FD电容。

Description

一种监控CIS像素单元相关电容的电路及方法
技术领域
本发明涉及CMOS图像传感器领域，特别是涉及一种监控CIS像素单元相关电容的电路及方法。
背景技术
CIS(CMOS Image Sensor)，即CMOS图像传感器，具有低功耗(CMOS的耗电量只有普通CCD的1/3左右)、低成本、高可靠、宽动态范围以及与硅基元件工艺高度兼容，正在逐步取代传统CCD(Charge Coupled Device)图像传感器在市场中的地位。
图1为典型的4T CIS单元结构，由传输管Tx、复位管RST、源极跟随器SF、行选择器RS以及光电二极管PD组成，其中T1_1为传输管Tx，P1_1为复位管RST，S1_1为源极跟随器SF，R1_1为行选择器RS，D1_1为光电二极管PD，图2为图1的4T CIS单元的等效电容示意图，其中，6为D1_1光电二极管PD的等效电容，7为FD点对地的等效电容，T1_1为传输管Tx等效为开关没这种4T结构单元以阵列的形式构成图像传感器的像素区。具体地，该4T CIS单元由4个CMOS管和一个光电二极管PD组成，传输管T1_1的源极接光电二极管D1_1的阴极，光电二极管D1_1的阳极接地，传输管T1_1的漏极与复位管P1_1的源极和源极跟随器S1_1的栅极相连组成节点FD1_1，复位管P1_1的漏极和源极跟随器S1_1的漏极接电源Vdd，源极跟随器S1_1的源极连接行选择器R1_1的漏极，行选择器R1_1的源极为输出Vout，传输管T1_1的栅极连接传输控制信号TX G，复位管P1_1的栅极连接复位控制信号RST G，行选择器R1_1的栅极连接行选择控制信号RS G。进行电容测量时，复位控制信号RST G和行选择控制信号RS G为低，复位管P1_1和行选择器R1_1关闭，其等效电路为光电二极管PD的电容CPD1_1和FD点的等效电容CFD1_1通过传输管T1_1并联。满阱容量是表征CIS性能的一项参数，表示能被转移出来最大的光电子数。该参数与光电二极管以及FD点电容直接相关，通过监控这两项电容即可监控芯片的满阱容量。
由于PD的尺寸不断缩小，传统监控二极管电容的结构为大尺寸二极管，主要由于测试电容仪器的精度有限，所以被测二极管电容面积一般在上万平方微米。但实际上CIS的像素区是由小尺寸的PD阵列构成，传统的监控结构忽略了边缘效应，由于PD的尺寸随着集成度的增加越来越小，边缘的电容影响越大，传统监控结构已经不能准确监控PD的电容。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种监控CIS像素单元相关电容的电路及方法，其可精确的监控CIS中PD的电容以及FD电容。
为达上述及其它目的，本发明提出一种监控CIS像素单元相关电容的电路，该电路包括m×n个4T CIS单元组成的阵列，将4T CIS单元的各引脚并联引出，通过控制作为控制开关的传输控制信号TX G，实现测量PD等效电容以及FD等效电容。
进一步地，所有PD等效电容并联，所有FD等效电容并联，所有TX G等效开关并联，且三者并联后串联。
进一步地，将该阵列中的m×n个传输管T1_1～Tm_n的栅极均连接至传输控制信号TXG，将m×n个行选择器R1_1～Rm_n的栅极均连接至行选择控制信号RS G，将m×n个复位管P1_1～Pm_n的栅极均连接至复位控制信号RST G，将m×n个4T CIS单元的节点FD1_1～FDm_n均连接到一起作为电容测试的输出端FD，将m×n个4T CIS单元的输出均连接到一起作为CIS的输出。
进一步地，将传输控制信号TX G置低，测得像素阵列FD等效电容CFD，将传输控制信号TX G置高，在FD节点测得的电容为节点FD总等效电容CFD与光电管总等效电容CPD之和CFD+CPD，将两者相减可得到光电管总等效电容CPD。
进一步地，该阵列的数量根据电容测试机台精度确定。
为达到上述目的，本发明还提供一种监控CIS像素单元相关电容的方法，包括如下步骤：
步骤一，以被监控芯片的4T CIS单元版图为基础，并以相同的方式组成一个m×n的阵列，将4TCIS单元的阵列各端口并联；
步骤二，测量电容时，将复位控制信号RST G和行选择控制信号RS G置低；
步骤三，将传输控制信号TX G置低，关闭所有的m×n个传输管T1_1～Tm_n，在FD节点测得电容即为节点FD总等效电容CFD，将传输控制信号TX G置高，开启所有的m×n个传输管T1_1～Tm_n，测得光电管总等效电容CPD。
进一步地，于步骤一中，所有PD等效电容并联，所有FD等效电容并联，所有TX G等效开关并联，且三者并联后串联。
进一步地，将该阵列中的m×n个传输管T1_1～Tm_n的栅极均连接至传输控制信号TXG，将m×n个行选择器R1_1～Rm_n的栅极均连接至行选择控制信号RS G，将m×n个复位管P1_1～Pm_n的栅极均连接至复位控制信号RST G，将m×n个4T CIS单元的节点FD1_1～FDm_n均连接到一起作为电容测试的输出端FD，将m×n个4T CIS单元的输出均连接到一起作为CIS的输出。
进一步地，于步骤二中，将复位控制信号RST G和行选择控制信号RS G置低，关闭m×n个复位管P1_1～Pm_n和m×n个行选择器R1_1～Rm_n关闭，该阵列中所有节点FD1_1～FDm_n等效电容CFD1_1～CFDm_n并联形成节点FD总等效电容CFD，各4T CIS单元的PD等效电容与相应的传输管串联后并联形成光电管总等效电容CPD。
进一步地，于步骤三中，将传输控制信号TX G置高，开启所有的m×n个传输管T1_1～Tm_n，m×n个光电管PD通过各自的开关被连接至节点FD，在FD节点测得的电容为节点FD总等效电容CFD与光电管总等效电容CPD之和CFD+CPD，将两者相减得出光电管总等效电容CPD。
与现有技术相比，本发明一种监控CIS像素单元相关电容的电路及方法，在CIS产品中，基于版图像素区的单元阵列，将各像素单元的引脚并联，通过控制Tx开关，在一个测试结构上实现测量PD等效电容以及FD等效电容，实现了精确监控像素区相关电容的目的，即可监控产品满阱容量。
附图说明
图1为典型的4T CIS单元结构示意图；
图2为图1的4T CIS单元的等效电容示意图；
图3为本发明一种监控CIS像素单元相关电容的电路的电路示意图；
图4为本发明一种监控CIS像素单元相关电容的方法的步骤流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图3为本发明一种监控CIS像素单元相关电容的电路的电路示意图。如图1所示，本发明一种监控CIS像素单元相关电容的电路，包括m×n个4T CIS单元组成的阵列，在本发明较佳实施例中，以被监控芯片的4T CIS单元版图为基础，并以相同的方式组成一个m×n的阵列(m行、n列个4T CIS单元)，将4T CIS单元阵列的各端口并联，即将m×n个传输管T1_1～Tm_n的栅极均连接至传输控制信号TX G，将m×n个行选择器R1_1～Rm_n的栅极均连接至行选择控制信号RS G，将m×n个复位管P1_1～Pm_n的栅极均连接至复位控制信号RST G，将m×n个4T CIS单元的节点FD1_1～FDm_n均连接到一起作为电容测试的输出端FD，将m×n个4T CIS单元的输出Vout均连接到一起作为CIS的输出，阵列的数量(行数m和列数n)可根据电容测试机台精度确定，如机台测试精度为0.1pF，FD电容约为1fF，则测试结构至少需要100个4T CIS单元。
图4为本发明一种监控CIS像素单元相关电容的方法的步骤流程图。如图4所示，本发明一种监控CIS像素单元相关电容的方法，包括如下步骤：
步骤401，以被监控芯片的4T CIS单元版图为基础，并以相同的方式组成一个m×n的阵列(m行、n列个4T CIS单元)，将4T单元的阵列各端口并联，即将m×n个传输管T1_1～Tm_n的栅极均连接至传输控制信号TX G，将m×n个行选择器R1_1～Rm_n的栅极均连接至行选择控制信号RS G，将m×n个复位管P1_1～Pm_n的栅极均连接至复位控制信号RST G，将m×n个4TCIS单元的节点FD1_1～FDm_n均连接到一起作为电容测试的输出端FD，将m×n个4T CIS单元的输出Vout均连接到一起作为CIS的输出，阵列的数量(行数m和列数n)可根据电容测试机台精度确定，如机台测试精度为0.1pF，FD电容约为1fF，则测试结构至少需要100个4T CIS单元。
步骤402，测量电容时，将复位控制信号RST G和行选择控制信号RS G置低，关闭m×n个复位管P1_1～Pm_n和m×n个行选择器R1_1～Rm_n关闭，阵列中如图2所示的所有节点FD1_1～FDm_n等效电容CFD1_1～CFDm_n并联形成节点FD总等效电容CFD，各4T CIS单元的PD等效电容CPDj_j(i＝1,……,m，j＝1,……n,)与相应的传输管Tj_j(i＝1,……,m，j＝1,……n,)串联后并联形成光电管总等效电容CPD。
步骤403，将传输控制信号TX G置低，关闭所有的m×n个传输管T1_1～Tm_n，在FD节点测得电容即为节点FD总等效电容CFD，将传输控制信号TX G置高，开启所有的m×n个传输管T1_1～Tm_n，m×n个光电管PD通过各自的开关被连接至节点FD，在FD节点测得的电容为节点FD总等效电容CFD与光电管总等效电容CPD之和CFD+CPD，将两者相减可得出光电管总等效电容CPD。
在实际中，由于CPD较小，若仅测量该电容，测试结构需要占更大的面积。上述方法使得测试结构面积小，且通过控制Tx开关状态实现在一个测试结构上同时测得PD电容和FD电容。
综上所述，本发明一种监控CIS像素单元相关电容的电路及方法，在CIS产品中，基于版图像素区的单元阵列，将各像素单元的引脚并联，通过控制Tx开关，在一个测试结构上实现测量PD等效电容以及FD等效电容，实现了精确监控像素区相关电容的目的，即可监控产品满阱容量。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (8)

1.一种监控CIS像素单元相关电容的电路，其特征在于：该电路包括m×n个4T CIS单元组成的阵列，将该阵列中的m×n个传输管T1_1～Tm_n的栅极均连接至传输控制信号TX G，将m×n个行选择器R1_1～Rm_n的栅极均连接至行选择控制信号RS G，将m×n个复位管P1_1～Pm_n的栅极均连接至复位控制信号RST G，将m×n个4T CIS单元的节点FD1_1～FDm_n均连接到一起作为电容测试的输出端FD，将m×n个4T CIS单元的输出均连接到一起作为CIS的输出，通过控制作为控制开关的传输控制信号TXG，实现测量PD等效电容以及FD等效电容。
2.如权利要求1所述的一种监控CIS像素单元相关电容的电路，其特征在于：所有PD等效电容并联，所有FD等效电容并联，所有TX G等效开关并联，且三者并联后串联。
3.如权利要求2所述的一种监控CIS像素单元相关电容的电路，其特征在于：将传输控制信号TX G置低，测得像素阵列FD等效电容CFD，将传输控制信号TX G置高，在FD点测得CFD+CPD之和，将两者相减可得到光电管总等效电容CPD。
4.如权利要求3所述的一种监控CIS像素单元相关电容的电路，其特征在于：该阵列的数量根据电容测试机台精度确定。
5.一种监控CIS像素单元相关电容的方法，包括如下步骤：
步骤一，以被监控芯片的4T CIS单元版图为基础，并以相同的方式组成一个m×n的阵列，将该阵列中的m×n个传输管T1_1～Tm_n的栅极均连接至传输控制信号TX G，将m×n个行选择器R1_1～Rm_n的栅极均连接至行选择控制信号RS G，将m×n个复位管P1_1～Pm_n的栅极均连接至复位控制信号RST G，将m×n个4T CIS单元的节点FD1_1～FDm_n均连接到一起作为电容测试的输出端FD，将m×n个4T CIS单元的输出均连接到一起作为CIS的输出；
步骤二，测量电容时，将复位控制信号RST G和行选择控制信号RS G置低；
步骤三，将传输控制信号TX G置低，关闭所有的m×n个传输管T1_1～Tm_n，在FD节点测得电容即为节点FD总等效电容CFD，将传输控制信号TX G置高，开启所有的m×n个传输管T1_1～Tm_n，测得光电管总等效电容CPD。
6.如权利要求5所述的一种监控CIS像素单元相关电容的方法，其特征在于：于步骤一中，所有PD等效电容并联，所有FD等效电容并联，所有TX G等效开关并联，且三者并联后串联。
7.如权利要求6所述的一种监控CIS像素单元相关电容的方法，其特征在于：于步骤二中，将复位控制信号RST G和行选择控制信号RS G置低，关闭m×n个复位管P1_1～Pm_n和m×n个行选择器R1_1～Rm_n，该阵列中所有节点FD1_1～FDm_n等效电容CFD1_1～CFDm_n并联形成节点FD总等效电容CFD，各4T CIS单元的PD等效电容与相应的传输管串联后并联形成光电管总等效电容CPD。
8.如权利要求7所述的一种监控CIS像素单元相关电容的方法，其特征在于：于步骤三中，将传输控制信号TX G置高，开启所有的m×n个传输管T1_1～Tm_n，m×n个光电管PD通过各自的开关被连接至节点FD，在FD节点测得的电容为节点FD总等效电容CFD与光电管总等效电容CPD之和CFD+CPD，将两者相减得出光电管总等效电容CPD。
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