CN112752042A - 行驱动器及其构成的图像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种行驱动器，包括PMOS晶体管Q1、PMOS晶体管Q4、PMOS晶体管Q5、NMOS晶体管Q2和NMOS晶体管Q3，PMOS晶体管Q1和PMOS晶体管Q4的栅极分别与输入信号连接，PMOS晶体管Q1的漏极与接地电压连接，PMOS晶体管Q1的源极与PMOS晶体管Q4的漏级连接，PMOS晶体管Q4的源极与工作电压源连接，PMOS晶体管Q1的源极与PMOS晶体管Q4的漏级分别与PMOS晶体管Q5的栅极连接，PMOS晶体管Q5的源极与升压电压源连接，PMOS晶体管Q5的漏级与NMOS晶体管Q2的漏级连接，NMOS晶体管Q2的栅极与工作电压源连接，NMOS晶体管Q2的源极与NMOS晶体管Q3的漏级连接，NMOS晶体管Q3的栅极与输入信号连接，NMOS晶体管Q3的源极与接地电压连接。本发明能够使任何一个晶体管的各个端电压都小于或等于工作电压，降低晶体管的故障率。

Description

行驱动器及其构成的图像传感器

技术领域

本发明涉及模拟集成电路图像传感器技术领域，特别涉及一种行驱动器及其构成的图像传感器。

背景技术

图像传感器是具有将光学图像转换成电信号的能力的半导体器件。图像传感器可用于多种成像应用，包括医疗产品、导航设备以及诸多数码相机和蜂窝电话之类的消费产品。图像传感器包括光敏器件的阵列，例如在互补金属氧化物半导体(CMOS)器件上制造的光电二极管，每个光敏设备对光敏感，使得它可以产生与撞击光敏设备的光强度成比例的电流。由图像传感器捕获的整体图像包括以行和列布置的阵列中的多个像素，使得每个像素检测该像素位置处的光强度。

像素阵列中的每一行可以对应一个行驱动器，该行驱动器被配置为多个信号发送到所识别的像素或像素行。例如，如果图像传感器包括一千行，则需要一千个行驱动器，而多个控制信号包括行选择信号、行复位信号和传输信号，在接收到各路信号时，像素阵列可以对所识别的像素执行各种功能，转移所识别像素行中的一个或多个像素的电荷。为了提高性能，通常的做法是采用大于工作电源的升压电压来放大复位和传输信号。

如上，增加像素信号上的电压可以改善图像传感器性能，通过增加一个或多个行选择、行复位和输出晶体管的电压，可以避免像素晶体管成像效果差的问题。通过升高电压或复位信号，可以在不增加电源电压的情况下增加传感器像素的动态范围，但是升高电压会引起晶体管的可靠性问题；同时升高的电压可能导致晶体管的端电压大于工作电压，晶体管高于正常电压工作会导致更高的故障率。

发明内容

本发明旨在解决晶体管的端电压高于工作电压导致故障率高的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本发明提供的行驱动器包括：预驱动器、输出器、工作电压源和升压电压源，预驱动器包括第一PMOS晶体管和第二PMOS晶体管，输出器包括第三PMOS晶体管、第一NMOS晶体管和第二NMOS晶体管；其中，第一PMOS晶体管和第二PMOS晶体管的栅极分别与输入信号连接，第一PMOS晶体管的漏极与接地电压连接，第一PMOS晶体管的源极与第二PMOS晶体管的漏级连接，第二PMOS晶体管的源极与工作电压源连接，第一PMOS晶体管的源极与第二PMOS晶体管的漏级分别与第三PMOS晶体管的栅极连接，第三PMOS晶体管的源极与升压电压源连接，第三PMOS晶体管的漏级与第一NMOS晶体管的漏级连接，第一NMOS晶体管的栅极与工作电压源连接，第一NMOS晶体管的源极与第二NMOS晶体管的漏级连接，第二NMOS晶体管的栅极与输入信号连接，第二NMOS晶体管的源极与接地电压连接。

优选地，第一PMOS晶体管的源极与第二PMOS晶体管的漏级之间形成节点，向第三PMOS晶体管的栅极输出驱动器电压，使第三PMOS晶体管的端电压小于或等于工作电压源的工作电压。

优选地，第三PMOS晶体管的漏级与第一NMOS晶体管的漏级之间形成输出节点。

本发明提供的光学系统，包括前述的行驱动器和像素阵列，行驱动器输出选择信号、复位信号和传输信号至像素阵列。

本发明能够取得以下技术效果：

通过对行驱动器的配置，使行驱动器内的任何一个晶体管的各个端电压都小于或等于工作电压，降低晶体管的故障率，从而降低行驱动器的故障率。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的行驱动器的电路图；

图2是根据本发明一个实施例的输入信号和升压电压的时序图；

图3是根据本发明一个实施例的不同的输入输出节点相应的时序图；

图4是根据本发明一个实施例的图像传感器的结构框图；

图5是根据本发明一个实施例的行驱动器的结构框图。

图1-图3中：第一PMOS晶体管Q1、第二PMOS晶体管Q4、第三PMOS晶体管Q5、第一NMOS晶体管Q2、第二NMOS晶体管Q3、行驱动器10、预驱动器110、输出器120、升压电压源130、工作电压源140、驱动器电压150、输出节点160、节点170、驱动器电压171、节点180、接地电压190、输入信号210、输入信号220；

图4中：图像传感器1、行驱动器10、像素阵列11、像素12、控制信号13；

图5中：行驱动器10、SEL电路模块101、RST电路模块102、TX电路模块103、升压电源信号3、SEL输入信号401、RST输入信号402、TX输入信号403、SEL输出信号501、RST输出信号502、TX输出信号503。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

下面将对本发明实施例提供的行驱动器及其构成的图像传感器进行详细说明。

图1示出了是根据本发明一个实施例的行驱动器的电路。

如图1所示，本发明实施例提供的行驱动器10包括预驱动器110、输出器120、升压电压源130和工作电压源140，工作电压源140用于为预驱动器110和输出器120提供工作电压，而升压电压源130用于为预驱动器110和输出器120进行升压，使输出器120以高于工作电压的电压进行信号输出，升压的大小是升压电压源130的电压和工作电压源140的电压之差。

预驱动器110包括第一PMOS晶体管Q1和第二PMOS晶体管Q4，输出器120包括第二PMOS晶体管Q4、第三PMOS晶体管Q5、第一NMOS晶体管Q2和第二NMOS晶体管Q3；其中，第一PMOS晶体管Q1的栅极与输入信号210连接，第二PMOS晶体管Q4的栅极与输入信号220连接，输入信号220与输入信号210相反，第一PMOS晶体管Q1的漏极与接地电压190连接，第一PMOS晶体管Q1的源极与第二PMOS晶体管Q2的漏级连接，第二PMOS晶体管Q2的源极与工作电压源140连接，第一PMOS晶体管Q1的源极与第二PMOS晶体管Q2的漏级分别与第三PMOS晶体管Q5的栅极连接，第三PMOS晶体管Q5的源极与升压电压源130连接，第三PMOS晶体管Q5的漏级与第一NMOS晶体管Q2的漏级连接，第一NMOS晶体管Q2的栅极与工作电压源140连接，第一NMOS晶体管的源极Q2与第二NMOS晶体管Q3的漏级连接，第二NMOS晶体管Q3的栅极与输入信号210连接，第二NMOS晶体管Q3的源极与接地电压190连接。

第一PMOS晶体管Q1的源极与第二PMOS晶体管Q4的漏级之间形成节点170，第一PMOS晶体管Q1的源极与第二PMOS晶体管Q4的漏级通过节点170向第三PMOS晶体管Q5的栅极输出驱动器电压171，驱动器电压171需要确保第三PMOS晶体管Q5的端电压(箭头1、5)小于或等于工作电压源140的电压。

由于驱动器电压171没有完全下降到0V，所以第三PMOS晶体管Q5并没有完全导通，在三极管区域中工作，电阻以线性方式与驱动器电压171是反比例关系，可以通过第三PMOS晶体管Q5的宽长比相同的增加，补偿过驱动电压降低引起的电阻线性增加。

预驱动器110的每个端电压(箭头2、3和4)应保持小于或等于工作电压源140提供的工作电压。

第三PMOS晶体管Q5的漏级与第一NMOS晶体管Q2的漏级之间形成输出节点160，当输出节点160的输出信号增加至与节点170的驱动器电压171的差大约为0.8V时，第三PMOS晶体管Q5的栅极至源极的电压和漏极至漏极的电压(箭头1，5)为2.2-3.0V。另外，当第二NMOS晶体管Q3截止时，第一NMOS晶体管Q2的栅极至漏极的电压(箭头6)为0-0.8V，第一NMOS晶体管的漏极至源极的电压(箭头7)为0.3-1.1V，节点180的电压大小约为2.7V。

当输入信号210为高，输入信号220为低时，第一PMOS晶体管Q1截止，第二PMOS晶体管Q4导通，从而将节点170驱动到工作电压源140。当节点170的电压等于工作电压源140的工作电压时，第三PMOS晶体管Q5闭合，第一NMOS晶体管Q2和第二NMOS晶体管Q3导通，并且输出节点160被驱动到接地电压190。在输出节点160等于零的情况下，第一NMOS晶体管Q2的栅极到漏极和漏极到源极的电压(箭头6、7)分别为3.0V和0V。在节点170等于工作电压源140的工作电压的情况下，第三PMOS晶体管Q5的栅极至源极电压(箭头1)为0V，并且栅极至漏极的电压(箭头5)为3.0V。

如上所述，所有端电压(箭头1-7)都等于或小于工作电压源140的电压，这就提高了第一PMOS晶体管Q1、第二PMOS晶体管Q4、第三PMOS晶体管Q5、第一NMOS晶体管Q2、第二NMOS晶体管Q3的可靠性，从而降低行驱动器10的故障率。

图2示出了根据本发明一个实施例的输入信号210和升压电压源130的时序。

如图2所示，在升压电压源130接通之前，输入信号210进行取反，并且仅在升压电压源130接通之后，输入信号210才能关闭，之后升压电压源130和输出节点160被隔离。因此，仅当输入信号210为低电平时，升压电压源130才能升高。

图3示出了根据本发明一个实施例的不同的输入输出节点相应的时序。

如图3所示，给出了节点170、节点180、输出节点160和升压电压源130相应的时序图。在时间t0，输入信号210被关断，输入信号220无效，第二PMOS晶体管管Q4导通，节点170被拉到升压电压源130的电压，第一NMOS晶体管Q2与第二NMOS晶体管Q3一起导通，且由于第一NMOS晶体管Q2栅极处的工作电压源140，第一NMOS晶体管Q2持续导通，在输入信号72等于电压源64的情况下，第三PMOS晶体管Q5截止，并且输出节点160为0V。

在时间t1，输入信号210被取反，输入信号220被关断，第二PMOS晶体管管Q4截止，第一PMOS晶体管Q1导通，节点170开始下降到第一PMOS晶体管Q1的阈值电压约为0.8V。另外，在输入信号210为负的情况下，第二NMOS晶体管Q3截止，节点180开始上升到约2.7V；在节点170处于低电平时，第三PMOS晶体管Q5导通，输出节点160连接到升压电压源130，并且开始上升到约3.0V。

在时间t2，升压电压源130从3.0V增加到3.8V，输出节点160的电压从3.0V增加到3.8V。

在时间t3，升压电压源130降低到3.0V，输出节点160的电压降低到3.0V。

在时间t4，输入信号210重新有效，输入信号220无效，第一PMOS晶体管Q1和第二PMOS晶体管Q4导通，节点170的电压增加到工作电压源140的工作电压。在输入信号210关断时，第一NMOS晶体管Q2和第二NMOS晶体管Q3导通，节点180的电压接近0V。在输入信号220等于工作电压源140的电压时，第三PMOS晶体管Q5导通，并且输出节点160的电压变为0V。

上述内容详细说明了本发明实施例提供的行驱动器的结构，本发明还提供一种基于行驱动器构成的图像传感器。

图4示出了根据本发明一个实施例的图像传感器的结构。

如图4所示，本发明实施例提供的图像传感器1，包括行驱动器10和像素阵列11，像素阵列11由多个像素12构成，每一行像素对应一个行驱动器10，行驱动器10用于输出控制信号13至对应的行像素。

控制信号13包括选择(SEL)信号、复位(RST)信号和传输(TX)信号，复位信号能够将指定的像素12复位到高电平，以便重置像素12进行积分。

图5示出了根据本发明一个实施例的行驱动器的结构。

如图5所示，行驱动器10包括SEL电路模块101、RST电路模块102和TX电路模块103；其中，SEL电路模块101接收SEL输入信号401和升压电源信号3，并驱动SEL输出信号501到像素阵列；RST电路模块102接收RST输入信号402和升压电源信号3，并驱动RST输出信号502到像素阵列；TX电路模块103接收TX输入信号403和升压电源信号3，并驱动TX输出信号503到像素阵列。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种行驱动器，其特征在于，包括：预驱动器、输出器、工作电压源和升压电压源，所述预驱动器包括第一PMOS晶体管和第二PMOS晶体管，所述输出器包括第三PMOS晶体管、第一NMOS晶体管和第二NMOS晶体管；其中，所述第一PMOS晶体管和所述第二PMOS晶体管的栅极分别与输入信号连接，所述第一PMOS晶体管的漏极与接地电压连接，所述第一PMOS晶体管的源极与所述第二PMOS晶体管的漏级连接，所述第二PMOS晶体管的源极与所述工作电压源连接，所述第一PMOS晶体管的源极与所述第二PMOS晶体管的漏级分别与所述第三PMOS晶体管的栅极连接，所述第三PMOS晶体管的源极与所述升压电压源连接，所述第三PMOS晶体管的漏级与所述第一NMOS晶体管的漏级连接，所述第一NMOS晶体管的栅极与所述工作电压源连接，所述第一NMOS晶体管的源极与所述第二NMOS晶体管的漏级连接，所述第二NMOS晶体管的栅极与输入信号连接，所述第二NMOS晶体管的源极与接地电压连接。

2.根据权利要求1所述的行驱动器及其构成的图像传感器，其特征在于，所述第一PMOS晶体管的源极与所述第二PMOS晶体管的漏级之间形成节点，向所述第三PMOS晶体管的栅极输出驱动器电压，使所述第三PMOS晶体管的端电压小于或等于所述工作电压源的工作电压。

3.根据权利要求2所述的行驱动器及其构成的图像传感器，其特征在于，所述第三PMOS晶体管的漏级与所述第一NMOS晶体管的漏级之间形成输出节点。

4.一种图像传感器，其特征在于，包括如权利要求1-3中任一项所述的行驱动器和像素阵列，所述行驱动器输出行选择信号、行复位信号和传输信号至所述像素阵列。

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