CN107426514B - 一种cmos图像传感器读出电路 - Google Patents

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Abstract

一种CMOS图像传感器读出电路，属于模拟集成电路技术领域。CMOS图像传感器包括多个像素单元，像素单元包括源随器，源随器的衬底接地；读出电路包括运算放大器、电流源和MOS管M1，运算放大器的正向输入端连接像素单元的输出端，其输出端连接MOS管M1的栅极并输出CMOS图像传感器的输出信号，MOS管M1的衬底接地，其源极连接运算放大器的负向输入端并通过电流源后接地，其漏极连接电源电压；MOS管M1和源随器类型相同。本发明提出的读出电路适用于低面积高精度的CMOS图像传感器，在像素单元外找回像素单元内源随器电平位移损失的电压分量，校正后的结果不但消除了传统源随器因电平位移带来的直流偏移，而且小信号增益也比传统高精度型源随器更稳定。

Description

一种CMOS图像传感器读出电路
技术领域
本发明属于模拟集成电路技术领域，具体涉及一种应用于CMOS图像传感器的读出电路。
背景技术
随着CMOS工艺的发展，CMOS图像传感器的像素单元尺寸不断减小，与此同时，其性能也不断提升，CMOS图像传感器的成像质量已经和CCD工艺的图像传感的质量相当，而且CMOS工艺的制造成本低，CMOS图像传感器在未来的高速高精度图像处理领域有着广泛的应用前景。
然而，在一些要求像素单元面积很小的情况下，由于CMOS技术非理想特性的限制，CMOS图像传感器很难实现高精度，这对CMOS图像传感器的发展是十分不利的，其中一个重要的非理想因素就是器件的衬底偏置效应。
由于源随器具有结构简单，功耗低，面积小，输入阻抗高，输出阻抗低等优点，CMOS图像传感器中广泛使用源随器做缓冲器Buffer，如图1所示为传统低面积型CMOS图像传感器的基本结构示意图，其基本原理是当复位信号RESET为高电平时，每个像素单元里光电二极管(Photo-Diode，PD)输出端电压VIN均复位到高电平，当复位信号RESET为低电平时，像素单元内电路便进入积分阶段，其具体过程是根据照射到光电二极管PD上光强的大小，光电二极管PD中会形成与之对应的光电流，不断抽取光电二极管PD输出端寄生电容上的电荷，光电二极管PD输出端电压VIN逐渐下降，当积分阶段完成后，光电二极管PD中不再产生光电流，光电二极管PD输出端电压VIN保持不变，然后每个像素单元里行选信号ROW依次打开，便可以把每个像素单元里VIN的大小读出来，由于每个像素单元里光电流积分的时间相同，那么根据每个像素单元里VIN的大小还原出每个像素单元里光电流的大小，便可以呈现出清晰的图像。
每个像素单元内均有一个源随器，为了尽可能的减小像素面积，源随器的衬底接最低电位，当输入电压不同时，由于存在衬底偏置效应，源随器的大信号增益不再稳定，这限制了图像传感器的精度，下面就着重分析衬底偏置效应对源随器精度的影响。
若源随器输入端电压为VIN，输出端电压为VO，MOS管阈值电压为VTH，栅宽为W，栅长为L，电子迁移率μn，单位面积栅氧化层电容Cox，记电流源静态电流大小为I，忽略MOS管的沟道调制效应，那么有
等式(1)两边对VIN求导，有
那么可以得到
可见，MOS管的沟道调制效应直接影响了源随器小信号增益，理想情况下的缓冲器Buffer的增益应为1，实际上由于沟道长度调制效应，随着输入信号的不同，源随器小信号的增益会不同程度的偏离1，使得源随器做缓冲器Buffer的性能变差，CMOS图像传感器的精度受到限制。
如图2所示是一种可以提高精度的办法，其主要是将源随器中MOS管的源和衬底接在一起，这样就可以消去衬底偏置效应对精度带来的影响，一些高精度的图像传感器正是采用这个办法，但这种方法需要每个像素单元里面添加一个独立的阱，无疑会消耗很大的芯片面积，正如一开始所言，这种方法在一些对像素单元面积要求很高的场合是行不通的。
因此，如何用尽可能小的芯片面积设计出一个高精度缓冲器Buffer，成为了CMOS图像传感器技术的一个无法避免的难题，如果实现不了较低面积下的高精度缓冲器Buffer，那么大阵列的CMOS图像传感器将永远无法实现高精度。CMOS图像传感器必将在阵列规模和像素的精度之间存在一定程度的折衷，CMOS图像传感器的应用也大大受到限制。
发明内容
本发明的目的，就是针对上述CMOS图像传感器中，在像素单元面积受限的情况下实现不了高精度缓冲器Buffer的问题，提出一种新型的适用于CMOS图像传感器的读出电路，在不增加像素单元面积的前提下实现了高精度的CMOS图像传感器。
本发明的技术方案是，
一种CMOS图像传感器读出电路，所述CMOS图像传感器包括多个像素单元，所述像素单元包括源随器，所述源随器的衬底接地；
所述读出电路包括运算放大器、电流源和MOS管M1，所述运算放大器的正向输入端连接所述像素单元的输出端，其输出端连接所述MOS管M1的栅极并输出所述CMOS图像传感器的输出信号，所述MOS管M1的衬底接地，其源极连接所述运算放大器的负向输入端并通过电流源后接地，其漏极连接电源电压；
所述MOS管M1和所述源随器类型相同。
具体的，所述源随器和MOS管M1的尺寸相同。
本发明的有益效果为：本发明提出的读出电路适用于低面积高精度的CMOS图像传感器，在像素单元外找回像素单元内源随器电平位移损失的电压分量，校正后的结果不但消除了传统源随器因电平位移带来的直流偏移，而且小信号增益也比传统高精度型源随器更稳定；解决了传统CMOS图像因源随器衬底偏置效应引起精度降低这一难题，在不增加像素单元面积的前提下实现了高精度的CMOS图像传感器，具有很高的应用价值。
附图说明
图1为传统低面积型CMOS图像传感器的基本结构示意图；
图2为传统高精度型CMOS图像传感器的基本结构示意图；
图3为本发明提出的读出电路及其适用的CMOS图像传感器的基本结构示意图；
图4为传统CMOS图像传感器与采用本发明提出的读出电路的CMOS图像传感器的传输特性对比图；
图5为传统CMOS图像传感器与采用本发明提出的读出电路的CMOS图像传感器的小信号增益对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式进行描述。
本发明提出的CMOS图像传感器读出电路，在像素单元内采用传统方法，即是把所有源随器的衬底都接到地上，而不把源随器的源和衬底连在一起，无疑这样缓冲器Buffer的精度很低，但本发明在像素单元外采用了一种简单的办法，使得因源随器的衬底偏置引起的非线性会校正回来。
如图3所示为本发明提出的读出电路适用的CMOS图像传感器，包括多个像素单元，每个像素单元中的源随器的衬底接地，这样单个像素单元的面积会很小；而像素单元外，由于读出电路所占的芯片面积已经很小了，因此在像素单元外的读出电路上使用新技术校正衬底偏置效应，并不会对芯片整体面积产生影响。基于此，本发明提出的读出电路包括运算放大器、电流源和MOS管M1，运算放大器的正向输入端连接像素单元的输出端，其输出端连接MOS管M1的栅极并输出CMOS图像传感器的输出信号，MOS管M1的衬底接地，其源极连接运算放大器的负向输入端并通过电流源后接地，其漏极连接电源电压，MOS管M1和像素单元中源随器同为NMOS管或同为PMOS管。
本发明在像素单元外校正源随器衬底偏置效应，其基本原理如下，与背景技术中的分析类似，假定像素单元内源随器输入端电压为VIN，输出端电压为VO，源随器中MOS管阈值电压为VTH1，栅宽为W1，栅长为L1，记连接像素单元的电流源静态电流大小为I1，忽略MOS管的沟道调制效应，那么有
假定运算放大器AMP增益足够大，带宽足够高，那么运算放大器AMP两端电压均为VO，相似地，假定运算放大器AMP输出端连接的MOS管M1阈值电压为VTH2，栅宽为W2，栅长为L2，记读出电路中的电流源静态电流大小为I2，忽略MOS管的沟道调制效应，那么有
由式(5)和式(6)可得
本实施例中像素单元内源随器和读出电路中MOS管M1的尺寸完全相同(或者一些实施例中呈一定比例)，那么显然有又因为源随器输出电压相同，均为VO，因此源随器中MOS管衬底偏置的程度相同，即有VTH1＝VTH2，可得
可见，本发明在不增加像素单元面积的情况下，使得缓冲器Buffer输出电压精确跟随输入电压，不再受衬底偏置效应的影响，而且输出和输入相同，不再存在传统电平移位带来的直流偏移，因此本发明在不增加像素单元面积的前提下，有效的解决了衬底偏置效应带来的影响，使得CMOS图像传感器的精度大大得到了提高。
图4是传统CMOS图像传感器与采用本发明提出的读出电路的CMOS图像传感器的传输特性对比图，其中自变量是源随器的输入端电压VIN，因变量是缓冲器输出电压VOUT与输入电压VIN的差值，也即VOUT-VIN，曲线(1)，曲线(2)，曲线(3)分别是传统小面积型CMOS图像传感器，传统高精度型CMOS图像传感器与采用本发明提出的读出电路的CMOS图像传感器的输入输出特性曲线。
图5是传统CMOS图像传感器与采用本发明提出的读出电路的CMOS图像传感器的小信号增益对比图，相似地其中自变量也是源随器的输入端电压VIN，因变量是电路的小信号增益，即曲线(1)，曲线(2)，曲线(3)分别是传统小面积型CMOS图像传感器，传统高精度型CMOS图像传感器与采用本发明提出的读出电路的CMOS图像传感器的小信号增益对比图。
通过对比图(4)和图(5)可以得出，本发明中的小信号增益更稳定，并且更接近理想缓冲器的增益，即更稳定于1，同时不存在直流偏移。
本发明的有益效果是在不增加像素单元面积的前提下，提出一种新结构的读出电路校正了传统CMOS图像传感器衬底偏置效应带来的非线性，校正后的结果不但消除了传统源随器因电平移位带来的直流偏移，而且小信号增益也比传统高精度型源随器更稳定。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种CMOS图像传感器读出电路，所述CMOS图像传感器包括多个像素单元，所述像素单元包括源随器，所述源随器的衬底接地；
其特征在于，所述读出电路包括运算放大器、电流源和MOS管(M1)，所述运算放大器的正向输入端连接所述像素单元的输出端，其输出端连接所述MOS管(M1)的栅极并输出所述CMOS图像传感器的输出信号，所述MOS管(M1)的衬底接地，其源极连接所述运算放大器的负向输入端并通过电流源后接地，其漏极连接电源电压；
所述MOS管(M1)和所述源随器类型相同；
设定所述像素单元内源随器输入端电压为VIN，输出端电压为VO，源随器中MOS管阈值电压为VTH1，栅宽为W1，栅长为L1，连接所述像素单元的电流源静态电流大小为I1，记忽略MOS管的沟道调制效应，那么有：
在所述运算放大器增益足够大、带宽足够高的情况下，所述运算放大器两端电压均为VO，设定所述运算放大器输出端连接的MOS管(M1)的阈值电压为VTH2，栅宽为W2，栅长为L2，所述读出电路中的电流源静态电流大小为I2，记忽略MOS管的沟道调制效应，那么有：
VOUT为CMOS图像传感器的输出信号，由式(1)和式(2)可得
所述像素单元内源随器和所述读出电路中MOS管(M1)的尺寸相同或呈一定比例，则又由于源随器输出电压相同，均为VO，因此源随器中MOS管衬底偏置的程度相同，即有VTH1＝VTH2，可得
VOUT＝VIN (4)
所述读出电路用于在不增加像素单元面积的情况下，产生精确跟随输入电压VIN的CMOS图像传感器的输出信号VOUT，不受衬底偏置效应的影响，且VOUT＝VIN，不存在直流偏移。
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