CN107592477B - 3d堆叠高动态cmos图像传感器及其信号采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D堆叠高动态CMOS图像传感器，包括感光单元及信号处理单元，感光单元、信号处理单元分设于两个上下堆叠的芯片上，感光单元与信号处理单元的各节点之间通过金属连接柱相连接，通过将感光单元单独设于其中一个芯片上，以增加像素的填充率；本发明还公开了一种3D堆叠高动态CMOS图像传感器的信号采集方法，通过一次曝光，即可获得高动态范围的图像输出。

Description

3D堆叠高动态CMOS图像传感器及其信号采集方法

技术领域

本发明涉及图像传感器技术领域，更具体地，涉及一种3D堆叠高动态CMOS图像传感器及其信号采集方法。

背景技术

近几十年，随着半导体技术的进步，CMOS图像传感器技术亦日益成熟，但高填充率，高动态范围的CMOS图像传感器依然是高质量图像拍摄所急需的。

传统技术中，CMOS图像传感器的像素单元中除了设有感光二极管外，还加入了放大单元，这将降低像素单元的填充率。另外，传统像素单元的输出动态范围不高，拍摄高动态范围图像需进行多次曝光，从而增加了拍摄时间及图像处理电路的负担。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种3D堆叠高动态CMOS图像传感器及其信号采集方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种3D堆叠高动态CMOS图像传感器，包括感光单元及信号处理单元；其中，所述感光单元、信号处理单元分设于两个上下堆叠的芯片上，所述感光单元与信号处理单元的各节点之间通过金属连接柱相连接；通过将所述感光单元单独设于其中一个芯片上，以增加像素的填充率。

优选地，所述感光单元由一感光二极管构成。

优选地，所述感光二极管的正极与电源负极相连，感光二极管的负极与信号处理单元相连。

优选地，所述信号处理单元至少由第一MOS管至第四MOS管、一比较器、一计数器、一或门及一电流源构成。

优选地，所述第一MOS管的源极与感光二极管的负极之间通过所述金属连接柱相连，第一MOS管的漏极同时与第二MOS管的源极以及第三MOS管的栅极相连，第一MOS管的栅极与第一控制信号相连；所述第二MOS管的漏极与电源正极相连，第二MOS管的栅极与或门的输出端相连；所述第三MOS管的漏极与电源正极相连，第三MOS管的源极与第四MOS管的漏极相连；所述第四MOS管的栅极与第二控制信号相连；所述电流源的正极同时与比较器的负向输入端以及第四MOS管的源极相连，并作为信号处理单元的输出端，电流源的负极与电源负极相连；所述比较器的正向输入端接一参考电压，比较器的负向输入端与信号处理单元的输出端相连；所述计数器与比较器的输出端相连；所述比较器的输出端及一第三控制信号分别与或门的两个输入端相连。

优选地，通过设置所述计数器，在每次比较器输出端的输出电压由低变高时，计数器的输出计数增加1。

优选地，所述第一MOS管至第四MOS管为NMOS管。

本发明还提供了一种上述的3D堆叠高动态CMOS图像传感器的信号采集方法，包括以下步骤：

步骤S01：在感光二极管曝光之后，将第二控制信号由低电平变为高电平，使第四MOS管导通；

步骤S02：之后，将第三控制信号由低电平变为高电平，使或门的输出电压由低变高，从而使第二MOS管导通，此时，输出端的输出值为第一电压；

步骤S03：之后，第三控制信号由高电平变为低电平，使或门的输出电压由高变低，从而使第二MOS管关断，将第一控制信号由低电平变为高电平，使第一MOS管导通，光电流通过第一MOS管对第二MOS管的源极放电，导致第三MOS管的栅极电压下降，输出端的输出值随之下降，当输出端的输出值低于设定的参考电压时，比较器的输出电压由低变高，此时，计数器的输出计数增加1；

步骤S04：之后，或门的输出电压由低变高，使第二MOS管导通，导致第三MOS管的栅极电压上升，输出端的输出值随之上升，比较器的输出电压由高变低，或门的输出电压由高变低，使第二MOS管关断；

步骤S05：光电流通过第一MOS管对第二MOS管的源极放电，导致第三MOS管的栅极电压下降，输出端的输出值随之下降，当输出端的输出值低于设定的参考电压时，比较器的输出电压由低变高，此时，计数器的输出计数增加1；

步骤S06：重复步骤S04和步骤S05；

步骤S07：最后，随着光电流的持续放电，第一控制信号由高电平变为低电平，使第一MOS管关断，此时，输出端的输出值为第二电压。

本发明具有感光单元填充率高、输出信号动态范围大的优点，适于推广使用。

附图说明

图1是本发明一较佳实施例的一种3D堆叠高动态CMOS图像传感器结构示意图；

图2是本发明一较佳实施例的一种3D堆叠高动态CMOS图像传感器电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。

在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图1，图1是本发明一较佳实施例的一种3D堆叠高动态CMOS图像传感器结构示意图。如图1所示，本发明的一种3D堆叠高动态CMOS图像传感器，包括设置在芯片A上的感光单元和设置在芯片B上的信号处理单元(图略)。芯片A、B按照上下堆叠方式形成3D立体结构的CMOS图像传感器。芯片A、B之间通过金属连接柱C进行连接，即所述感光单元与信号处理单元的各节点之间可通过金属连接柱C相连接。

通过将所述感光单元单独设设置在两个堆叠芯片的其中一个芯片A上，而将信号处理单元另外设置在芯片B上，这样可以使感光单元的面积在芯片A上得到充分的扩大，从而可以最大化地增加像素的填充率。

请参阅图2，图2是本发明一较佳实施例的一种3D堆叠高动态CMOS图像传感器电路原理图。如图2所示，所述感光单元设置在芯片A上；每个像素的感光单元可采用一个感光二极管PD构成。其中，将所述感光二极管的正极与电源负极相连，并将感光二极管的负极通过所述金属连接柱与信号处理单元相连。

所述信号处理单元设置在芯片B上；信号处理单元至少由第一MOS管至第四MOS管M1至M4、一比较器、一计数器、一或门及一电流源IO构成。其中，所述第一MOS管至第四MOS管M1至M4可采用NMOS管。

所述第一NMOS管M1的源极与感光二极管PD的负极之间通过所述金属连接柱精确相连，第一NMOS管M1的漏极同时与第二NMOS管M2的源极以及第三NMOS管M3的栅极相连，第一NMOS管M1的栅极与第一控制信号TX相连。

所述第二NMOS管M2的漏极与电源正极VDD相连，第二NMOS管M2的栅极与或门的输出端相连。

所述第三NMOS管M3的漏极与电源正极VDD相连，第三NMOS管M3的源极与第四NMOS管M4的漏极相连。

所述第四NMOS管M4的栅极与第二控制信号RS相连。

所述电流源IO的正极同时与比较器的负向输入端以及第四NMOS管M4的源极相连，并作为信号处理单元的输出端VOUT，电流源IO的负极与电源负极相连。

所述比较器的正向输入端接一参考电压VREF，比较器的负向输入端与信号处理单元的输出端VOUT相连。

所述计数器与比较器的输出端相连。

所述比较器的输出端及一第三控制信号RST分别与或门的两个输入端相连。

所述第一NMOS管至第四NMOS管M1至M4的源极和漏极互换不影响电路功能。

通过设置所述计数器，在每次比较器输出端的输出电压由低变高时，计数器的输出计数增加1。

本发明的上述3D堆叠高动态CMOS图像传感器的信号采集方法，包括以下步骤：

步骤S01：在感光二极管PD曝光之后，将第二控制信号RS由低电平变为高电平，使第四NMOS管M4导通。

步骤S02：之后，将第三控制信号RST由低电平变为高电平，使或门的输出电压由低变高，从而使第二NMOS管M2导通，此时，将输出端VOUT的输出值记为第一电压V1。

步骤S03：之后，第三控制信号RST由高电平变为低电平，使或门的输出电压由高变低，从而使第二NMOS管M2关断，将第一控制信号TX由低电平变为高电平，使第一NMOS管M1导通，光电流通过第一NMOS管M1对第二NMOS管M2的源极放电，导致第三NMOS管M3的栅极电压下降，输出端VOUT的输出值随之下降，当输出端VOUT的输出值低于设定的参考电压VREF时，比较器的输出电压由低变高，此时，计数器的输出计数增加1。

步骤S04：之后，或门的输出电压由低变高，使第二NMOS管M2导通，导致第三NMOS管M3的栅极电压上升，输出端VOUT的输出值随之上升，比较器的输出电压由高变低，或门的输出电压由高变低，使第二NMOS管M2关断。

步骤S05：光电流通过第一NMOS管M1对第二NMOS管M2的源极放电，导致第三NMOS管M3的栅极电压下降，输出端VOUT的输出值随之下降，当输出端VOUT的输出值低于设定的参考电压VREF时，比较器的输出电压由低变高，此时，计数器的输出计数增加1。

步骤S06：重复步骤S04和步骤S05。

步骤S07：最后，随着光电流的持续放电，第一控制信号TX由高电平变为低电平，使第一NMOS管M1关断，此时，将输出端VOUT的输出值记为第二电压V2。

曝光之后，产生的光电流将使得比较器的输出电压多次由低变高；从而该变化的次数将被计数器记录下来。

若将该次数记为N，并设第一电压V1被ADC模数转换后为D1、第二电压V2模数转换后为D2，参考电压VREF模数转换后为DREF，则输出DOUT为：

DOUT＝N·(D1-DREF)+(D1-D2)

由此，通过一次曝光，即可获得高动态范围的图像输出。

综上所述，本发明具有感光单元填充率高、输出信号动态范围大的优点，适于推广使用。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种3D堆叠高动态CMOS图像传感器，其特征在于，包括感光单元及信号处理单元；其中，所述感光单元、信号处理单元分设于两个上下堆叠的芯片上，所述感光单元与信号处理单元的各节点之间通过金属连接柱相连接；

所述感光单元由一感光二极管构成，所述感光二极管的正极与电源负极相连，感光二极管的负极与信号处理单元相连；

所述信号处理单元至少由第一MOS管至第四MOS管、一比较器、一计数器、一或门及一电流源构成；其中

所述第一MOS管的源极与感光二极管的负极之间通过所述金属连接柱相连，第一MOS管的漏极同时与第二MOS管的源极以及第三MOS管的栅极相连，第一MOS管的栅极与第一控制信号相连；所述第二MOS管的漏极与电源正极相连，第二MOS管的栅极与或门的输出端相连；所述第三MOS管的漏极与电源正极相连，第三MOS管的源极与第四MOS管的漏极相连；所述第四MOS管的栅极与第二控制信号相连；所述电流源的正极同时与比较器的负向输入端以及第四MOS管的源极相连，并作为信号处理单元的输出端，电流源的负极与电源负极相连；所述比较器的正向输入端接一参考电压，比较器的负向输入端与信号处理单元的输出端相连；所述计数器与比较器的输出端相连；所述比较器的输出端及一第三控制信号分别与或门的两个输入端相连。

2.根据权利要求1所述的3D堆叠高动态CMOS图像传感器，其特征在于，通过设置所述计数器，在每次比较器输出端的输出电压由低变高时，计数器的输出计数增加1。

3.根据权利要求1-2任意一项所述的3D堆叠高动态CMOS图像传感器，其特征在于，所述第一MOS管至第四MOS管为NMOS管。

4.一种如权利要求2所述的3D堆叠高动态CMOS图像传感器的信号采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S01：在感光二极管曝光之后，将第二控制信号由低电平变为高电平，使第四MOS管导通；

步骤S02：之后，将第三控制信号由低电平变为高电平，使或门的输出电压由低变高，从而使第二MOS管导通，此时，输出端的输出值为第一电压；

步骤S03：之后，第三控制信号由高电平变为低电平，使或门的输出电压由高变低，从而使第二MOS管关断，将第一控制信号由低电平变为高电平，使第一MOS管导通，光电流通过第一MOS管对第二MOS管的源极放电，导致第三MOS管的栅极电压下降，输出端的输出值随之下降，当输出端的输出值低于设定的参考电压时，比较器的输出电压由低变高，此时，计数器的输出计数增加1；

步骤S04：之后，或门的输出电压由低变高，使第二MOS管导通，导致第三MOS管的栅极电压上升，输出端的输出值随之上升，比较器的输出电压由高变低，或门的输出电压由高变低，使第二MOS管关断；

步骤S05：光电流通过第一MOS管对第二MOS管的源极放电，导致第三MOS管的栅极电压下降，输出端的输出值随之下降，当输出端的输出值低于设定的参考电压时，比较器的输出电压由低变高，此时，计数器的输出计数增加1；

步骤S06：重复步骤S04和步骤S05；

步骤S07：最后，随着光电流的持续放电，第一控制信号由高电平变为低电平，使第一MOS管关断，此时，输出端的输出值为第二电压。

5.根据权利要求4所述的3D堆叠高动态CMOS图像传感器的信号采集方法，其特征在于，所述第一MOS管至第四MOS管为NMOS管。