CN107948642B - Cmos无源像素图像传感器电路的失调校正方法及电路 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及图像传感器技术领域，提供一种CMOS无源像素图像传感器电路的失调校正方法及电路。CMOS无源像素图像传感器电路的失调校正方法包括：将CMOS无源像素图像传感器电路的读出电路的积分放大器的输入参考电压设置为预定的初始值；测量失调值；将失调值与预定的允许值进行比较；以及根据比较结果来决定是否调整初始值同时重新设置输入参考电压，并重新进入所述测量失调值的步骤。通过反馈控制输入参考电压产生器去改变积分放大器的输入参考电压VCM的值，而由于积分放大器的反相输入端的电压V‑会跟随VCM而改变，也因此改变了与积分放大器的反相输入端相连接的读出线上的电位，使漏电对积分放大器输出电位的影响降到最低。

Description

CMOS无源像素图像传感器电路的失调校正方法及电路
技术领域
本公开涉及图像传感器技术领域，具体而言，涉及一种CMOS无源像素图像传感器电路的失调校正方法。
背景技术
现代人类生活中，人们迫切需要获取各类信息，其中以视觉器官为渠道获取的图像信息居多。随着半导体技术水平的不断提高，图像传感器作为现在视觉信息获取的一种基础器件，因其能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展，在现代社会生活中得到了越来越广泛的应用，其中CMOS(互补金属氧化物半导体场效应晶体管)工艺制造的图像传感器发展势头渐猛，目前CMOS图像传感器应用领域涵盖数码电子产品、视频电子邮件、汽车尾视、医疗设备、保安监控、可视电话、视频会议、眼膜识别、工业视频监控、视觉玩具等社会生活和工业生产的方方面面，特别是数码产品例如数码相机、照相手机的图像传感器可望由CCD(电荷耦合器件)快速转换到CMOS，市场前景广阔，所以对CMOS图像传感器的研究与开发有非常高的市场价值。
COMS图像传感器是一种采用CMOS工艺制造的多功能、高性能的图像传感器，目前，CMOS图像传感器已发展成为三大类，即CMOS无源像素图像传感器(Passive Pixel Sensor,PPS)、CMOS有源像素图像传感器(Active Pixel Sensor,APS)和CMOS数字图像传感器(Digital Pixel Sensor,DPS)。无源像素图像传感器是像元内只有光电二极管。有源像素电路是在无源像素电路的基础上引入一个有源放大器。而数字图像传感器是在片内集成模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC)，有芯片级ADC，列级ADC和像素级ADC三种。
CMOS无源像素图像传感器电路被利用在像是x-ray(x射线)、指纹识别成像等光学成像应用上，而操作时，最常遇到的问题便是TFT(薄膜晶体管)的漏电。由於是多个像素组成，所以多个TFT的总和漏电便会产生一个很大的偏值，造成后端电路检测动态范围不足。具体来说，CMOS无源像素图像传感器电路主要由多个反向偏置的光电二极管D(或者叫光敏二极管)和地址选通开关薄膜晶体管T构成，其中每一个光电二极管D和对应的地址选通开关薄膜晶体管T构成一个无源像素传感器单元(即通常所说的一个成像点/成像像素)，多个无源像素传感器单元构成无源像素传感器单元阵列；此外CMOS无源像素图像传感器电路还包括行选通线、读出线(read line，或者说列总线)和读出电路(readout circuit)等。其结构如图1所示，当光电二极管D受光时，由于光电效应便会产生光电流，经过读出电路(readout circuit)前端积分放大器A的积累后，产生积累电压输出，再经过取样保持(S/H)和模拟数字转换器(AD convertor)产生数字图像信号。但由於读出线(列总线)上是连接著许多像素，因此列上所有像素产生漏电便会同时积累到积分放大器的输出，产生一个失调的电压，造成动态范围不足，而动态范围又是决定图像传感器成像质量的重要指标。
因此，如何进行失调校正是目前无源像素图像传感器技术领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本公开的目的在于提供一种CMOS无源像素图像传感器电路的失调校正方法及电路，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。
本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得清晰，或者部分地通过本公开的实践而习得。
根据本公开的第一方面，公开一种CMOS无源像素图像传感器电路的失调校正方法，其特征在于，包括：
将CMOS无源像素图像传感器电路的读出电路的积分放大器的输入参考电压设置为预定的初始值；
测量失调值；
将失调值与预定的允许值进行比较；以及
根据比较结果来决定是否调整初始值同时重新设置输入参考电压，并重新进入所述测量失调值的步骤。
在本公开的一种示例性实施方式中，所述根据比较结果来决定是否调整初始值同时重新设置输入参考电压，并重新进入所述测量失调值的步骤包括：
当失调值小于预定的允许值时停止失调校正过程。
在本公开的一种示例性实施方式中，所述根据比较结果来决定是否调整初始值同时重新设置输入参考电压，并重新进入所述测量失调值的步骤包括：
当失调值大于预定的允许值时调整初始值同时重新设置输入参考电压，并重新进入所述测量失调值的步骤。
在本公开的一种示例性实施方式中，所述调整初始值同时重新设置输入参考电压通过二分法进行。
在本公开的一种示例性实施方式中，所述通过二分法进行调整初始值同时重新设置输入参考电压包括：
将输入参考电压设置为比当前初始值高的电压并测量对应的失调值；
将输入参考电压设置为比当前初始值低的电压并测量对应的失调值；以及
将对应于更低失调值的输入参考电压与当前初始值的平均值作为新的初始值并将输入参考电压设置为所述新的初始值。
在本公开的一种示例性实施方式中，所述积分放大器为多个，分别对应于多列CMOS无源像素图像传感器，其中失调校正分别在各列CMOS无源像素图像传感器中单独进行。
在本公开的一种示例性实施方式中，所述积分放大器为多个，分别对应于多列CMOS无源像素图像传感器，其中失调校正在多列CMOS无源像素图像传感器中的全部列或部分列中采用同一预定的初始值同时进行。
在本公开的一种示例性实施方式中，所述测量失调值在CMOS无源像素图像传感器电路中的所有薄膜晶体管闭合的情况下进行。
根据本公开的第二方面，提供一种采用任一前述的失调校正方法的失调校正电路，其特征在于，包括：
微控制器，与CMOS无源像素图像传感器电路的读出电路的输出端连接；以及
输入参考电压发生器，分别与微控制器和积分放大器连接。
根据本公开的一些示例性实施方式的CMOS无源像素图像传感器电路的失调校正方法，通过选择适合的薄膜晶体管的源极电位VS，使薄膜晶体管的漏极电位VD变化过程中，从源极到漏极的漏电与从漏极到源极的漏电是平衡的，从而可以达到漏电最小的效果，使漏电导致的失调对积分放大器输出电位的影响降到最低。
根据本公开的一些示例性实施方式的CMOS无源像素图像传感器电路的失调校正方法，通过反馈控制输入参考电压产生器去改变积分放大器的输入参考电压VCM的值，而由于积分放大器的反相输入端的电压V-会跟随VCM而改变，也因此改变了与积分放大器的反相输入端相连接的读出线上的电位，使漏电对积分放大器输出电位的影响降到最低。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出CMOS无源像素图像传感器电路的结构示意图。
图2示出CMOS无源像素图像传感器电路中薄膜晶体管的漏电行为原理图。
图3示出根据本公开示例实施方式的失调校正的架构示意图。
图4示出根据本公开一示例实施方式的CMOS无源像素图像传感器电路的失调校正方法的流程图。
图5示出根据本公开另一示例实施方式的CMOS无源像素图像传感器电路的失调校正方法的流程图。
图6示出根据本公开又一示例实施方式的CMOS无源像素图像传感器电路的失调校正方法的流程图。
图7示出根据本公开示例实施方式的CMOS无源像素图像传感器电路的失调校正方法中调整初始值同时重新设置输入参考电压的具体方法的流程图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。
需要指出的是，在附图中，为了图示的清晰可能会夸大层和区域的尺寸。而且可以理解，当元件或层被称为在另一元件或层“上”时，它可以直接在其他元件上，或者可以存在中间的层。另外，可以理解，当元件或层被称为在另一元件或层“下”时，它可以直接在其他元件下，或者可以存在一个以上的中间的层或元件。另外，还可以理解，当层或元件被称为在两层或两个元件“之间”时，它可以为两层或两个元件之间唯一的层，或还可以存在一个以上的中间层或元件。通篇相似的参考标记指示相似的元件。
本公开的目的在于提供一种CMOS无源像素图像传感器电路的失调校正方法及电路。CMOS无源像素图像传感器电路的失调校正方法包括：将CMOS无源像素图像传感器电路的读出电路的积分放大器的输入参考电压设置为预定的初始值；测量失调值；将失调值与预定的允许值进行比较；以及根据比较结果来决定是否调整初始值同时重新设置输入参考电压，并重新进入所述测量失调值的步骤。通过选择适合的薄膜晶体管的源极电位VS，使薄膜晶体管的漏极电位VD变化过程中，从源极到漏极的漏电与从漏极到源极的漏电是平衡的，从而可以达到漏电最小的效果，使漏电导致的失调对积分放大器输出电位的影响降到最低。同时通过反馈控制输入参考电压产生器去改变积分放大器的输入参考电压VCM的值，而由于积分放大器的反相输入端的电压V-会跟随VCM而改变，也因此改变了与积分放大器的反相输入端相连接的读出线上的电位，使漏电对积分放大器输出电位的影响降到最低。
下面结合图2-7对本公开的CMOS无源像素图像传感器电路的失调校正方法及电路进行详细说明，其中，图2示出CMOS无源像素图像传感器电路中薄膜晶体管的漏电行为原理图；图3示出根据本公开示例实施方式的失调校正的架构示意图；图4示出根据本公开一示例实施方式的CMOS无源像素图像传感器电路的失调校正方法的流程图；图5示出根据本公开另一示例实施方式的CMOS无源像素图像传感器电路的失调校正方法的流程图；图6示出根据本公开又一示例实施方式的CMOS无源像素图像传感器电路的失调校正方法的流程图；图7示出根据本公开示例实施方式的CMOS无源像素图像传感器电路的失调校正方法中调整初始值同时重新设置输入参考电压的具体方法的流程图。
在对本公开的CMOS无源像素图像传感器电路的失调校正方法及电路进行详细说明之前，先对CMOS无源像素图像传感器电路中薄膜晶体管即TFT的漏电行为进行分析如下：由於薄膜晶体管TFT的漏电和TFT漏极和源极之间的电压即漏-源电压VDS相关，VDS为零时，漏电流Ileakage最小(即Ileakage＝min)，当VDS愈大时漏电流Ileakage也愈大，且VDS压差不同漏电方向也不同。如图2所示，当TFT闭合时，光电二极管进行光电转换累积，VD点的电位因此改变，也让漏电也一直随时间在增加。因此，若能选择适合的VS电位，使VD变化过程中，往左往右的漏电是平衡的，也可以达到漏电最小的效果。
基于以上分析，本公开提出了如图3所示的CMOS无源像素图像传感器电路的失调校正电路，图3示出了根据本公开示例实施方式的失调校正的架构示意图。如图3所示，失调校正电路包括微控制器以及输入参考电压发生器，其中微控制器与CMOS无源像素图像传感器电路的读出电路的输出端连接，而输入参考电压发生器分别与微控制器和积分放大器连接。失调校正电路的校正原理是：同一列N个无源像素传感器单元的电流经过积分放大电路A，再经模数转换器的摸拟-数字转换后，经过微控制器分析得到一组可以得到最大动态范围的电压参考点，反馈控制输入参考电压产生器去改变积分放大器的输入参考电压VCM的值，而由于积分放大器的反相输入端的电压V-会跟随VCM而改变，也因此改变了与积分放大器的反相输入端相连接的读出线上的电位，使漏电对积分放大器输出电位的影响降到最低。
根据本公开提出的方案，可以解决因漏电导致失调的问题，达到使漏电对积分放大器输出电位的影响降到最低的技术效果。
下面继续参照图3所示的失调校正电路并结合图4-7对本公开示例实施方式的CMOS无源像素图像传感器电路的失调校正方法进行详细说明，其中，图4示出根据本公开一示例实施方式的CMOS无源像素图像传感器电路的失调校正方法的流程图；图5示出根据本公开另一示例实施方式的CMOS无源像素图像传感器电路的失调校正方法的流程图；图6示出根据本公开又一示例实施方式的CMOS无源像素图像传感器电路的失调校正方法的流程图；图7示出根据本公开示例实施方式的CMOS无源像素图像传感器电路的失调校正方法中调整初始值同时重新设置输入参考电压的具体方法的流程图。
图4示出根据本公开一示例实施方式的CMOS无源像素图像传感器电路的失调校正方法的流程图。如图4所示，CMOS无源像素图像传感器电路的失调校正方法包括：
在S402，将CMOS无源像素图像传感器电路的读出电路的积分放大器的输入参考电压设置为预定的初始值。该预定的初始值可为10毫伏至几伏之间，视读出的数字图像信号的电压幅度而定。
在S404，测量失调值，即将数字图像信号的电压读出并与已知的基准电压值进行相减即可得到失调值。
在S406，将失调值与预定的允许值进行比较。由于在生产实践中很难做到失调值为零，因此只要失调值低于所述预定的允许值，即可认为产品合格或者说失调对产品成像质量的影响可以忽略不计。
在S408，根据比较结果来决定是否调整初始值同时重新设置输入参考电压，并重新进入所述测量失调值的步骤。
在如图5所示的本公开的一种示例性实施方式中，所述根据比较结果来决定是否调整初始值同时重新设置输入参考电压，并重新进入所述测量失调值的步骤S408包括：
在S4081，当失调值小于预定的允许值时停止失调校正过程，即可认为此时失调对成像质量的影响可以忽略不计，自然无须再继续进行失调校正。
在如图6所示的本公开的一种示例性实施方式中，所述根据比较结果来决定是否调整初始值同时重新设置输入参考电压，并重新进入所述测量失调值的步骤S408包括：
在S4082，当失调值大于预定的允许值时调整初始值同时重新设置输入参考电压，并重新进入所述测量失调值的步骤。这一循环过程将一直持续至失调值小于预定的允许值时为止。
在本公开的一种示例性实施方式中，所述调整初始值同时重新设置输入参考电压通过二分法进行。即采用二分法的方式进行逼近，先在TFT闭合的情况下进行漏电/失调值大小的测量，再利用修改输入参考电压VCM的方式去撷取新的变化，进行调适去逼近最小的失调值。
在对如何采用二分法的方式进行逼近最小的失调值进行详细说明之前，先对二分法进行简要介绍。
二分法指的是数学领域的概念，经常用于计算机中的查找过程中。一般地，对于函数f(x),如果存在实数c,当x＝c时，若f(c)＝0,那么把x＝c叫做函数f(x)的零点。解方程即要求f(x)的所有零点。假定f(x)在区间(x，y)上连续先找到a、b属于区间(x，y)，使f(a)，f(b)异号，说明在区间(a,b)内一定有零点，然后求f[(a+b)/2],现在假设f(a)<0,f(b)>0,a<b。如果f[(a+b)/2]＝0，该点就是零点；如果f[(a+b)/2]<0,则在区间((a+b)/2，b)内有零点，按上述方法在求该区间中点的函数值，这样就可以不断接近零点；如果f[(a+b)/2]>0，同上。通过每次把f(x)的零点所在小区间收缩一半的方法，使区间的两个端点逐步迫近函数的零点，以求得零点的近似值，这种方法叫做二分法。
而对于本公开来说，失调值为函数f(x)，输入参考电压为变量x。
下面结合图7详细说明如何通过二分法进行调整初始值同时重新设置输入参考电压。如图7所示：
在S40822，将输入参考电压设置为比当前初始值高的电压并测量对应的失调值。每次输入参考电压增加的幅度视输入参考电压的幅度(如前述可为10毫伏至几伏之间)而定，如当输入参考电压的幅度为几十毫伏时，每次增加的幅度可为1毫伏。
在S40824，将输入参考电压设置为比当前初始值低的电压并测量对应的失调值。每次电压减小的幅度同上。
在S40826，将对应于更低失调值的输入参考电压与当前初始值的平均值作为新的初始值并将输入参考电压设置为所述新的初始值。
重新设置输入参考电压和初始值之后，重新测量新的输入参考电压之下的失调值，使得失调值不断逼近最小的失调值即零点(即f(x)＝0的点)，直至失调值小于预定的允许值时为止。
上述的示例性实施方式为单一通道(即一列CMOS无源像素图像传感器及其对应的一个积分放大器)采取的校正流程，若是多通道(即多列CMOS无源像素图像传感器及其分别对应的多个积分放大器)，也是可以进行各通道的调校，或是最後只选择单一或部份通道同一设定值的方式，进行设定减少电路面积。也就是说，在本公开的另一些示例性实施方式中，所述积分放大器为多个，分别对应于多列CMOS无源像素图像传感器，其中失调校正在多列CMOS无源像素图像传感器中的全部列或部分列中采用同一预定的初始值同时进行。
通过以上的详细描述，本领域的技术人员易于理解，根据本公开实示例性实施方式的CMOS无源像素图像传感器电路的失调校正方法及电路具有以下优点中的一个或几个。
根据本公开的一些示例性实施方式的CMOS无源像素图像传感器电路的失调校正方法，通过选择适合的薄膜晶体管的源极电位VS，使薄膜晶体管的漏极电位VD变化过程中，从源极到漏极的漏电与从漏极到源极的漏电是平衡的，从而可以达到漏电最小的效果，使漏电导致的失调对积分放大器输出电位的影响降到最低。
根据本公开的一些示例性实施方式的CMOS无源像素图像传感器电路的失调校正方法，通过反馈控制输入参考电压产生器去改变积分放大器的输入参考电压VCM的值，而由于积分放大器的反相输入端的电压V-会跟随VCM而改变，也因此改变了与积分放大器的反相输入端相连接的读出线上的电位，使漏电对积分放大器输出电位的影响降到最低。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (7)

1.一种CMOS无源像素图像传感器电路的失调校正方法，其特征在于，包括：
将CMOS无源像素图像传感器电路的读出电路的积分放大器的输入参考电压设置为预定的初始值；
测量失调值，包括：将CMOS无源像素图像传感器电路读出的数字图像信号的电压与已知的基准电压值进行相减得到失调值；
将失调值与预定的允许值进行比较；以及
当失调值小于预定的允许值时停止失调校正过程；当失调值大于预定的允许值时调整初始值同时重新设置输入参考电压，并重新进入所述测量失调值的步骤。
2.根据权利要求1所述的失调校正方法，其特征在于，所述调整初始值同时重新设置输入参考电压通过二分法进行。
3.根据权利要求2所述的失调校正方法，其特征在于，所述通过二分法进行调整初始值同时重新设置输入参考电压包括：
将输入参考电压设置为比当前初始值高的电压并测量对应的失调值；
将输入参考电压设置为比当前初始值低的电压并测量对应的失调值；以及
将对应于更低失调值的输入参考电压与当前初始值的平均值作为新的初始值并将输入参考电压设置为所述新的初始值。
4.根据权利要求1或3所述的失调校正方法，其特征在于，所述积分放大器为多个，分别对应于多列CMOS无源像素图像传感器，其中失调校正分别在各列CMOS无源像素图像传感器中单独进行。
5.根据权利要求1或3所述的失调校正方法，其特征在于，所述积分放大器为多个，分别对应于多列CMOS无源像素图像传感器，其中失调校正在多列CMOS无源像素图像传感器中的全部列或部分列中采用同一预定的初始值同时进行。
6.根据权利要求1所述的失调校正方法，其特征在于，所述测量失调值在CMOS无源像素图像传感器电路中的所有薄膜晶体管闭合的情况下进行。
7.一种采用根据权利要求1-6中任一所述的失调校正方法的失调校正电路，其特征在于，包括：
微控制器，与CMOS无源像素图像传感器电路的读出电路的输出端连接；以及
输入参考电压发生器，分别与微控制器和积分放大器连接。
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