CN112565642B - 一种具有线性对数输出的cis传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有线性对数输出的CIS传感器，包括：光电感应模块，用于将光信号转换为光电信号；电荷传输模块，用于在传输控制信号TX的控制下将所述光电感应模块产生的光电信号传输至浮空节点FD；线性对数模块，用于在记忆电阻的控制下输出线性信号电平或对数信号电平，并保持对光照的记忆以维持对光照强度选择线性或对数输出；源极跟随器模块，用于将浮空节点FD的电荷进行隔离输出；选择模块，用于在译码电路的输出字线WL的控制下将经所述源极跟随器模块隔离输出的光电信号向后续电路传输。

Description

一种具有线性对数输出的CIS传感器
技术领域
本发明涉及CIS(CMOS Image Sensor，CIS)传感器技术领域，特别是涉及一种CIS传感器与记忆电阻结合的具有线性对数输出的新型CIS传感器。
背景技术
图像传感器设计的主要目标是在低光照下保持小像素尺寸和高灵敏度。现有的具有混合对数线性输出特性的图像传感器可在黑暗条件下产生线性输出，而高亮度区域可提供对数响应能力。然而，考虑到时间和工作像素的数量的交替，不容易检测到光强度的变化。此外，当像素由于其先前的历史而变化时，应当记录该变化。
图1a与图1b揭示了现有CMOS图像传感器(CMOS Image Sensor，CIS)之典型4T有源像素结构，其中图1a为线性传感器，图1b为对数传感器，该典型4T有源像素结构由5部分组成，包括光电感应模块10、电荷传输模块20、复位模块30、源极跟随器模块40和选择模块50，其中，光电感应模块10由P型光电二极管(PD)D1组成，用于将光信号转换为光电信号(节点A)；电荷传输模块20由调节电阻RTXM和NMOS传输管(TG)Q3组成，用于在传输控制信号TX的控制下将光电感应模块10产生的光电信号传输至浮空节点FD(节点B)；复位模块30由PMOS复位管Q1组成，用于在复位信号RST的控制下对光电感应模块10进行复位；源极跟随器(SF)模块40由NMOS管Q2组成，用于将浮空节点FD的电荷进行隔离输出；选择模块50由PMOS选择管(RS)Q4组成，用于在译码电路(未示出)的输出字线WL的控制下将经源极跟随器(SF)模块40隔离输出的光电信号向后续电路(如模数转换电路ADC)传输；一个完整的有源像素阵列包含若干按阵列排布的有源像素结构以及行列译码电路、读出放大器、模数转换电路ADC等。
图1b对数传感器与图1a线性传感器的区别在于复位模块30之复位管Q2接法，线性传感器采用开关接法，即栅极接复位信号RST，源极接电源电压，漏极接浮空节点FD(节点B)，而对数传感器则用二极管接法，即栅极和源极接电源电压，漏极接浮空节点FD(节点B)。
NMOS管Q1、Q2、Q4，传输门Q3
Figure BDA0002804701200000021
其中，ID为对数管漏极电流，其值为光电电流Iph，I0为对数管的饱和电流，VT为热电压
Figure BDA0002804701200000022
k为波耳茨曼常数，T为绝对温度，q为电子电荷。通常VDS远大于VT，上上式后面括号内近似为常数1，上上式等效为
Figure BDA0002804701200000023
做等效变换得到栅源电压
Figure BDA0002804701200000024
浮空节点FD信号电平VFD为
Figure BDA0002804701200000025
显然，浮空节点FD信号电平VFD为与光电电流Vph成对数关系。
为保证低照度和高照度时的各自性能，业界综合图1a和图1b，提出图2所示线性对数输出传感器，其包括光电感应模块10、电荷传输模块20、线性对数模块30、源极跟随器模块40和选择模块50，其中，光电感应模块10由P型光电二极管(PD)D1组成，用于将光信号转换为光电信号(节点A)；电荷传输模块20由调节电阻RTXM和传输管(TG)Q3组成，用于在传输控制信号TX的控制下将光电感应模块10产生的光电信号传输至浮空节点FD(节点B)；线性对数模块30由PMOS复位管Q1、对数管Q5和选择开关管Q6组成，用于在选择开关管的控制下输出线性信号电平或对数信号电平；源极跟随器(SF)模块40由NMOS管Q2组成，用于将浮空节点FD的电荷进行隔离输出；选择模块50由PMOS选择管(RS)Q4组成，用于在译码电路(未示出)的输出字线WL的控制下将经源极跟随器(SF)模块40隔离输出的光电信号向后续电路(如模数转换电路ADC)传输；一个完整的有源像素阵列包含若干按阵列排布的有源像素结构以及行列译码电路、读出放大器、模数转换电路ADC等，然而，图2的线性对数输出传感器仍存在像素尺寸过大，存在漏电风险，没有记忆储存功能等缺陷。
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具有线性对数输出的CIS传感器，以减少线性对数输出CIS传感器像素尺寸，提高光感应敏感性，改善漏电性能以及附加记忆存储功能。
为达上述目的，本发明提出一种具有线性对数输出的CIS传感器，其每个有源像素结构包括：
光电感应模块，用于将光信号转换为光电信号；
电荷传输模块，用于在传输控制信号TX的控制下将所述光电感应模块产生的光电信号传输至浮空节点FD；
线性对数模块，用于在记忆电阻的控制下输出线性信号电平或对数信号电平，并保持对光照的记忆以维持对光照强度选择线性或对数输出；
源极跟随器模块，用于将浮空节点FD的电荷进行隔离输出；
选择模块，用于在译码电路的输出字线WL的控制下将经所述源极跟随器模块隔离输出的光电信号向后续电路传输。
优选地，所述CIS传感器包含完整的有源像素阵列，所述完整的有源像素阵列包含若干按阵列排布的有源像素结构以及行列译码电路、读出放大器、模数转换电路ADC。
优选地，所述线性对数模块至少包括PMOS复位管(Q1)、对数管(Q5)以及记忆电阻(R1)。
优选地，所述PMOS复位管(Q1)的漏极接电源电压Vdd，栅极接复位信号RST，源极接所述电荷传输模块及源极跟随器模块，并连接至所述记忆电阻(R1)一端，所述记忆电阻(R1)另一端接所述对数管(Q5)的源极，所述对数管(Q5)的漏极和栅极连接电源电压Vdd。
优选地，所述光电感应模块包括P型光电二极管(D1)，其阴极连接所述电荷传输模块，阳极接地。
优选地，所述电荷传输模块至少包括调节电阻(RTXM)和传输管(Q3)。
优选地，传输控制信号TX通过所述调节电阻(RTXM)连接至所述传输管(Q3)的控制端，所述传输管(Q3)的输出端与所述记忆电阻(R1)的一端、PMOS复位管(Q1)的源极以及源极跟随器模块相连。
优选地，所述源极跟随器模块包括NMOS跟随管管(Q2)，其漏极接电源电压Vdd，栅极与所述传输管(Q3)的输出端、记忆电阻(R1)以及PMOS复位管(Q1)的源极组成所述浮空节点FD。
优选地，所述选择模块包括PMOS选择管(Q4)，其栅极接译码电路的输出字线WL，源极接所述NMOS跟随管管(Q2)的源极，接PMOS选择管Q4的源极，漏极为光电输出信号。
与现有技术相比，本发明一种具有线性对数输出的CIS传感器基于线性-对数输出记忆电阻实现了一种基于线性对数输出型CIS传感器与记忆电阻结合的具有线性对数输出的新型CIS传感器，可减少线性对数输出CIS传感器像素尺寸，提高光感应敏感性，改善漏电性能以及附加记忆存储功能。
附图说明
图1a为现有CMOS图像传感器之典型4T有源像素结构中线性传感器的示意图；
图1b为现有CMOS图像传感器之典型4T有源像素结构中对数传感器的示意图；
图2为现有技术中线性对数输出传感器的结构示意图；
图3为本发明一种具有线性对数输出的CIS传感器的结构示意图。
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为本发明一种具有线性对数输出的CIS传感器的结构示意图。如图3所示，本发明一种具有线性对数输出的CIS传感器，其每个有源像素结构包括光电感应模块10、电荷传输模块20、线性对数模块30、源极跟随器模块40和选择模块50。
其中，光电感应模块10由P型光电二极管(PD)D1组成，用于将光信号转换为光电信号(节点A)；电荷传输模块20由调节电阻RTXM和传输管(TG)Q3组成，用于在传输控制信号TX的控制下将光电感应模块10产生的光电信号传输至浮空节点FD(节点B)；线性对数模块30由PMOS复位管Q1、对数管Q5和记忆电阻R1组成，用于在记忆电阻的控制下输出线性信号电平或对数信号电平，并保持对光照的记忆以维持对光照强度选择线性或对数输出；源极跟随器(SF)模块40由NMOS管Q2组成，用于将浮空节点FD的电荷进行隔离输出；选择模块50由PMOS选择管(RS)Q4组成，用于在译码电路(未示出)的输出字线WL的控制下将经源极跟随器(SF)模块40隔离输出的光电信号向后续电路(如模数转换电路ADC)传输。本发明CIS传感器的一个完整的有源像素阵列包含若干按阵列排布的有源像素结构以及行列译码电路、读出放大器、模数转换电路ADC等。
光电二极管D1的阴极与传输管Q3的输入端相连组成节点A，光电二极管D1的阳极接地，传输控制信号TX通过调节电阻RTXM连接至传输管Q3的控制端，传输管Q3的输出端与记忆电阻R1的一端、复位管Q1的源极和NMOS跟随管Q2的栅极组成浮空节点FD(节点B)，复位信号RST连接至复位管Q1的栅极，复位管Q1的漏极接电源电压Vdd，记忆电阻R1的另一端接对数管Q5的源极，对数管Q5的漏极和栅极连接电源电压Vdd，NMOS跟随管Q2的漏极接电源电压Vdd，NMOS跟随管Q2的源极接PMOS选择管Q4的源极，字线WL连接至PMOS选择管Q4的栅极，PMOS选择管Q4的漏极为光电输出信号Vout。
可见，本发明基于线性-对数输出记忆电阻，由于记忆电阻尺寸较小(3nm x3nm)面积为9nm2相对于一般的CMOS器件尺寸(1-4um2)要小的多，有助于提高像素的填充系数，而且由于记忆电阻不存在泄漏电流的问题，将有助于降低功耗以及降低像素阵列中的RTS干扰，预计CIS与记忆电阻结合后，将会提高CIS产品的像素，减少漏电降低功耗，以及会记录光强变化，是摄像头对于光强的敏感性更强。
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 (7)

1.一种具有线性对数输出的CIS传感器，其每个有源像素结构包括：
光电感应模块，用于将光信号转换为光电信号；
电荷传输模块，用于在传输控制信号TX的控制下将所述光电感应模块产生的光电信号传输至浮空节点FD；
线性对数模块，用于在记忆电阻的控制下输出线性信号电平或对数信号电平，并保持对光照的记忆以维持对光照强度选择线性或对数输出；
源极跟随器模块，用于将浮空节点FD的电荷进行隔离输出；
选择模块，用于在译码电路的输出字线WL的控制下将经所述源极跟随器模块隔离输出的光电信号向后续电路传输；
所述线性对数模块至少包括PMOS复位管(Q1)、对数管(Q5)以及记忆电阻(R1)，其中，所述PMOS复位管(Q1)的漏极接电源电压Vdd，栅极接复位信号RST，源极接所述电荷传输模块及源极跟随器模块，并连接至所述记忆电阻(R1)一端，所述记忆电阻(R1)另一端接所述对数管(Q5)的源极，所述对数管(Q5)的漏极和栅极连接电源电压Vdd。
2.如权利要求1所述的一种具有线性对数输出的CIS传感器，其特征在于：所述CIS传感器包含完整的有源像素阵列，所述完整的有源像素阵列包含若干按阵列排布的有源像素结构以及行列译码电路、读出放大器、模数转换电路ADC。
3.如权利要求1所述的一种具有线性对数输出的CIS传感器，其特征在于：所述光电感应模块包括P型光电二极管(D1)，其阴极连接所述电荷传输模块，阳极接地。
4.如权利要求3所述的一种具有线性对数输出的CIS传感器，其特征在于：所述电荷传输模块至少包括调节电阻(RTXM)和传输管(Q3)。
5.如权利要求4所述的一种具有线性对数输出的CIS传感器，其特征在于：传输控制信号TX通过所述调节电阻(RTXM)连接至所述传输管(Q3)的控制端，所述传输管(Q3)的输出端与所述记忆电阻(R1)的一端、PMOS复位管(Q1)的源极以及源极跟随器模块相连。
6.如权利要求5所述的一种具有线性对数输出的CIS传感器，其特征在于：所述源极跟随器模块包括NMOS跟随管(Q2)，其漏极接电源电压Vdd，栅极与所述传输管(Q3)的输出端、记忆电阻(R1)以及PMOS复位管(Q1)的源极组成所述浮空节点FD。
7.如权利要求6所述的一种具有线性对数输出的CIS传感器，其特征在于：所述选择模块包括PMOS选择管(Q4)，其栅极接译码电路的输出字线WL，源极接所述NMOS跟随管(Q2)的源极，接PMOS选择管Q4的源极，漏极为光电输出信号。
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