CN113840103B - 一种高动态范围的图像传感器 - Google Patents

Abstract

一种高动态范围的图像传感器，在常规的4T全局像元结构，即在1个传输晶体管、1个复位晶体管、1个源极跟随器和1个行选晶体管组成的像元结构基础上，增加1个抗晕晶体管、1个存储电荷控制晶体管、1个电容和1个电容信号传输管，形成一个7T1C的图像传感器结构。当光电二极管的信号较小时，通过传输晶体管传输信号到浮置扩散区并读出；当光电二极管的信号较大时，通过抗晕晶体管溢出并存储到电容上，再通过电容信号传输管传输到浮置扩散区并读出。本发明通过这种结构，可以大幅扩大可存储的满阱电荷，提高动态范围。

Description

一种高动态范围的图像传感器

技术领域

本发明属于集成电路图像传感器技术领域，尤其涉及一种高动态范围的图像传感器。

背景技术

图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置。图像传感器单元类别主要有电荷耦合器件(Charge-coupled Device，CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS image sensor)器件。

CMOS图像传感器和传统的CCD传感器相比，具有低功耗、低成本以及可与CMOS工艺相兼容等特点，因此得到越来越广泛的应用，包括消费电子、汽车电子、安防监控、工业监控、生物技术和医学等领域。

CMOS图像传感器包括由众多像素单元构成的像素阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、AD转换器、数据总线输出接口、控制接口等模块单元。像素单元是图像传感器实现感光的核心器件。

请参阅图1，图1为现有技术中4T CMOS图像传感器像素单元电路的示意图。如图1所示，在现有技术中，最常见的4T(4Transistors)像素单元中通常包含由一个光电二极管(Photo Diode，PD，等效电容Cpd)和4个场效应NMOS晶体管组成的有源像素结构，4个NMOS晶体管分别是复位(Reset，RST，图中所示为M3)NMOS晶体管、传输(Transition Gate，TX，图中所示为M1)NMOS晶体管、源极跟随器(Source Follower，SF，图中所示为M4)以及行选择(RowSelect，SEL，图中所示为M2)NMOS晶体管。

其中，光电二极管PD连接在NMOS晶体管M1的源极和接地端之间，NMOS晶体管M1的栅极接TX信号；NMOS晶体管M3的源极接在电源VDD，NMOS晶体管M3的漏极接节点FD，NMOS晶体管M3的栅极接RST信号；NMOS晶体管M4的源极接在电源VDD，NMOS晶体管M4的漏极接NMOS晶体管M2的源极，NMOS晶体管M4的栅极接节点FD；NMOS晶体管M2的漏极为输出端VOUT，NMOS晶体管M4的栅极接节点SET信号。

在上述器件中，光电二极管是感光单元，基于入射光产生电子，实现对光线的收集和光电转换；传输晶体管M1通过其栅极控制将光电二极管PD产生的电子转移到浮置扩散区存储节点，再通过后续读出电路将电子转换为电压信号读出。

请参阅图2，图2为图1中所示的4T CMOS图像传感器像素单元电路的感光响应曲线示意图。如图2所示，其横坐标代表曝光量，纵坐标代表输出电压，感光响应曲线表示出输出电压随曝光量的增加线性增大，并在一定的曝光量时达到最大值。此后，即使曝光量增加，输出电压不再增大，趋于水平饱和状态。

然而，采用上述常规的4T CMOS图像传感器像素单元电路，却无法很好地处理同时包括弱光和强光下的照明环境，这是由于对于上述现有的常规的4T CMOS图像传感器像素单元电路，在器件选型确定后，光电二极管具有固定不变的电容，从而导致其转换增益是一定的。

也就是说，在强烈的光照下，上述常规的4T CMOS图像传感器像素单元电路很快就会达到饱和，从而导致图像传感器对强光和弱光的分辨不能兼顾。如果在提高强光区域的分辨能力，则弱光区域图像基本全黑无法分辨；如果提高弱光区域的分辨能力，则强光区域完全过曝光变成全白。这样，动态范围很小，直接影响了图像成像质量。

发明内容

针对现有技术能力的不足，本发明提出了一种高动态范围图像传感器，其在常规的4T像元结构基础上，增加1个抗晕晶体管、1个存储电荷控制晶体管、1个电容和1个电容信号传输管，最终形成了7T1C结构。当光电二极管的信号较小时，通过传输晶体管传输信号到浮置扩散区并读出；当光电二极管的信号较大时，通过抗晕晶体管溢出并存储到电容上，再通过电容信号传输管传输到浮置扩散区并读出。本发明通过这种结构，可以大幅扩大可存储的满阱电荷，提高动态范围。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种高动态范围的图像传感器，包括光电二极管PD、NMOS晶体管M1、NMOS晶体管M2、NMOS晶体管M3和NMOS晶体管M4：光电二极管PD连接在NMOS晶体管M1的源极和接地端之间；所述NMOS晶体管M1的栅极接TX信号；所述NMOS晶体管M3的源极接在电源VDD，所述NMOS晶体管M3的漏极接节点FD，所述NMOS晶体管M3的栅极接RST信号；所述NMOS晶体管M4的源极接在电源VDD，所述NMOS晶体管M4的漏极接所述NMOS晶体管M2的源极，所述NMOS晶体管M4的栅极接节点FD；所述NMOS晶体管M2的漏极为输出端VOUT，所述NMOS晶体管M4的栅极接节点SET信号；其中，所述NMOS晶体管M3为复位晶体管、所述NMOS晶体管M1为传输晶体管，M4为源极跟随器，以及NMOS晶体管M2为行选择晶体管；其特征在于，还包括：NMOS晶体管M5、NMOS晶体管M6、NMOS晶体管M7和电容C1，所述NMOS晶体管M5为抗晕晶体管、所述NMOS晶体管M6为存储电荷控制晶体管、所述NMOS晶体管M7为电容信号传输管；其中，所述抗晕晶体管的源极连接所述NMOS晶体管M1的源极，所述电容C1的一端连接于所述抗晕晶体管的漏极，另一端接固定电位；所述存储电荷控制晶体管的源极连接于所述抗晕晶体管的漏极，所述存储电荷控制晶体管的栅极与漏极连接于电压控制信号VA；所述电容信号传输管的源极接节点FD，所述电容信号传输管的漏极连接于所述存储电荷控制晶体管的漏极；所述电容信号传输管的栅极接SX信号，所述抗晕晶体管的栅极接AB信号。

进一步地，所述电容C1为MOM电容、MIM电容、MOS电容、MIP电容、PN结电容的一种或几种的并联结构。

进一步地，所述电容C1的电容值大于所述光电二极管的等效电容Cpd的电容值。

进一步地，所述电容C1的电容值大于5fF。

进一步地，所述电容的存储电荷能力与光电二极管存储电荷能力的比值越大，动态范围增加的倍数会越高。

进一步地，所述抗晕晶体管的阈值电压低于所述传输晶体管的阈值电压。

进一步地，在积分时间段，所述存储电荷控制晶体管的电压控制信号VA呈阶梯状变化。

进一步地，所述存储电荷控制晶体管的电压控制信号VA的呈阶梯状变化范围为电源电压VDD～0V之间选择的多个值。

从上述本发明的技术方案可以看出，一方面，通过设置于连接光电二极管的阈值电压低于传输晶体管的抗晕晶体管，当产生超出二极管本身的满阱上限的电子时，抗晕晶体管先于传输晶体管导通，多出的电子通过抗晕晶体管以溢出的方式存储到电容上，从而可以大幅提升可存储的满阱电荷，提高动态范围。满阱的上限基本上由电容决定，而不是受限于光电二极管本身。而电容可以通过采用MOM电容、MIM电容、MOS电容、MIP电容、PN结电容的一种或几种的并联结构，其容值可以比较容易做的很高，从而大幅提高承载满阱电荷的能力。

另一方面，通过使用阶梯状变化可调的存储电荷控制晶体管的控制电压，电容电位出现钳位，在这种工作时序的积分状态下，可以等效的表征比电容上限更高的满阱电荷状态，从而进一步提高动态范围。

附图说明

图1为现有技术中4T CMOS图像传感器像素单元电路的示意图

图2为图1中所示的4T CMOS图像传感器像素单元电路的感光响应曲线示意图

图3所示为本发明实施例中高动态范围的图像传感器的电路示意图

图4为所示为本发明实施例中高动态范围的图像传感器电路的工作时序示意图

图5为本发明实施例中高动态范围的图像传感器电路的感光响应曲线示意图

具体实施方式

下面结合附图3-5，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，本发明的高动态范围的图像传感器可以在常规的4T全局像元结构基础上(即1个传输晶体管、1个复位晶体管、1个源极跟随器、1个行选晶体管组成的像元结构基础上)，增加1个抗晕晶体管、1个存储电荷控制晶体管、1个电容和1个电容信号传输管，形成7T1C结构。

请参阅图3，图3所示为本发明实施例中高动态范围的图像传感器的电路示意图。如图3所示，与现有技术相同的是，该图像传感器也包括光电二极管PD、NMOS晶体管M1、NMOS晶体管M2、NMOS晶体管M3和NMOS晶体管M4：光电二极管PD连接在NMOS晶体管M1的源极和接地端之间；所述NMOS晶体管M1的栅极接TX信号；所述NMOS晶体管M3的源极接在电源VDD，所述NMOS晶体管M3的漏极接节点FD，所述NMOS晶体管M3的栅极接RST信号；所述NMOS晶体管M4的源极接在电源VDD，所述NMOS晶体管M4的漏极接所述NMOS晶体管M2的源极，所述NMOS晶体管M4的栅极接节点FD；所述NMOS晶体管M2的漏极为输出端VOUT，所述NMOS晶体管M4的栅极接节点SET信号；其中，所述NMOS晶体管M3为复位晶体管、所述NMOS晶体管M1为传输晶体管，M4为源极跟随器，以及NMOS晶体管M2为行选择晶体管。

与现有技术不同的是，该图像传感器还包括：NMOS晶体管M5、NMOS晶体管M6、NMOS晶体管M7和电容C1，所述NMOS晶体管M5为抗晕晶体管、所述NMOS晶体管M6为存储电荷控制晶体管、所述NMOS晶体管M7为电容信号传输管；其中，所述抗晕晶体管的源极连接所述NMOS晶体管M1的源极，所述电容C1的一端连接于所述抗晕晶体管的漏极，另一端接固定电位(例如，接地端)；所述存储电荷控制晶体管的源极连接于所述抗晕晶体管的漏极，所述存储电荷控制晶体管的栅极与漏极连接于电压控制信号VA；所述电容信号传输管的源极接节点FD，所述电容信号传输管的漏极连接于所述存储电荷控制晶体管的漏极；所述电容信号传输管的栅极接SX信号，所述抗晕晶体管的栅极接AB信号。

下面结合图4的工作时序来进一步说明本实施例是如何提升动态范围的。在积分时间段，光照射到光电二极管PD上产生电子空穴对，电子被光电二极管PD收集。当光电二极管PD的信号较小时，在不超过光电二极管PD满阱电荷上限的范围内，所有电子存储在光电二极管PD中。

当光强较强或积分时间较长，导致光电二极管PD中产生的电子超出光电二极管PD的满阱时，多出的电子便会溢出。在本发明中，由于存在抗晕晶体管，且较佳地，抗晕晶体管的阈值电压低于传输晶体管的阈值电压，在随着曝光量增加的情况下，尽管光电二极管PD中不断产生电子，电位不断下降，产生超出二极管本身的满阱上限的电子，但抗晕晶体管会先于传输晶体管导通，多出的电子通过抗晕晶体管以溢出的方式存储到电容C1上。因此，通过这种结构，可以大幅提升可存储的满阱电荷，提高动态范围。

在本发明的实施例中，通过电子溢出的方式，像素单元实际的满阱电荷的上限不再受光电二极管PD本身的存储电荷能力的限制，而是变成了光电二极管PD的存储电荷能力与电容C1的存储电荷能力之和。一般的，尽量将像素单元的电容C1的容值做大，使得电容C1的存储电荷能力增强，从而可以得到更高的满阱电荷。所述电容C1可以为MOM电容、MIM电容、MOS电容、MIP电容、PN结电容的一种或几种的并联结构。

在本发明的实施例中，所述电容C1的电容值大于所述光电二极管PD的等效电容Cpd值。较佳地，所述电容C1的电容值大于5fF。

并且，所述电容的存储电荷能力与光电二极管存储电荷能力的比值越大，动态范围增加的倍数会越高。

例如，可以考虑将电容C1的存储电荷能力与光电二极管存储电荷能力的比值做到9:1，那么本实施例的像素单元实际的满阱电荷会变成原来只有光电二极管的像素单元结构的10倍，动态范围会增加20dB。

进一步的，假如可以将电容C1的存储电荷能力与光电二极管PD存储电荷能力的比值做到99:1，那么像素单元的满阱电荷就会提高到原来的100倍，动态范围增加40dB。也就是说，满阱电荷的上限基本上由电容C1的存储电荷能力，即电容值决定。如果电容C1做的更大，那么动态范围增加的倍数会越高。

与此同时，在积分时间段，存储电荷控制晶体管的控制电压VA是阶梯状变化下降的，变化范围可以从电源电压一直降低到0V。即所述存储电荷控制晶体管的电压控制信号VA的呈阶梯状变化范围可以为电源电压VDD～0V之间选择的多个值。

下面以存储电荷控制晶体管的阈值电压Vt为0.5V、控制电压VA分两个阶梯为例进行说明。例如，第一个电压V1为2V，持续时间T1；第二个电压V2为1V，持续时间T2，T2<T1。当出现积分时间段电子从光电二极管PD通过抗晕晶体管溢出到电容C1的情况时，随着时间增加，电容C1的电位不断下降。当电位下降到V1-Vt以前，存储电荷控制晶体管未开启；当电位下降到V1-Vt以后，存储电荷控制晶体管开启，电容C1的电位被钳位，此时，从光电二极管PD继续溢出的多余电子会被存储电荷控制晶体管抽走。

当然，光电二极管PD接收到的光信号的光强超出某一光强E1时，该光信号也是无法存储的。但是，在第二个电压阶段，由于第二个电压V2更低，电容C1的电位比V2-Vt高，此时溢出的电荷又能继续被电容C1存储。由于T2时间更短，因此，如果光电二极管PD接收到的光信号的光强有超出E1但不到E2的情况，是可以继续由电容C1信号表征。如果出现超出E2的光强，电容C1的电位已下降到V2-Vt，电容C1的电位再一次被钳位。在这种工作时序的积分状态下，通过阶梯状的电压时间控制，可以等效的表征比电容C1更高的满阱电荷状态，从而进一步提高动态范围。

在本发明的实施例中，采用本发明的高动态范围图像传感器结构，结合时序控制工作方式，得到的光响应曲线如图5所示。也就是说，在信号读出阶段，分三次读出。

第一次，复位晶体管打开，第一次读取S1信号。

第二次，通过传输晶体管打开，将光电二极管PD的电荷信号传输到浮置扩散区并读出，此时浮置扩散区的电容较小，电荷信号较小，但电压信号较大，读取到S2信号，S2-S1就是光电二极管PD中的信号，对应图5中灵敏度响应曲线1。这次读取的信号，与常规的4T结构的光电响应曲线(即图2)是一致的。

第三次，将电容C1的信号传输管打开，读出总的电荷信号值S3，S3-S1对应图5中灵敏度响应曲线2。如图5所示，第一次读出的信号响应曲线是线性增加的；第二次读出由于存储电荷控制晶体管的阶梯控制电压，读出的信号响应曲线是分段的。如果阶梯状的电压时间分段更多，那么第二次读出信号响应曲线也会分段更多。通过这种方式，第二次读出能表征的最大光强得到了拓展，对应的就是积分时间段，等效满阱电荷的增加。与常规结构的线性的响应曲线(图2)相比，本发明的光强响应范围大幅扩大。

综上所述，本发明的技术方案中，一方面，其通过设置于连接光电二极管PD的抗晕晶体管的阈值电压低于传输晶体管的阈值电压，当产生超出光电二极管PD本身的满阱上限的电子时，抗晕晶体管先于传输晶体管导通，多出的电子通过抗晕晶体管以溢出的方式存储到电容C1上，从而可以大幅提升可存储的满阱电荷，提高动态范围。

此外，满阱的上限基本上由电容C1决定，而不是受限于光电二极管PD本身。而电容C1可以通过采用MOM电容、MIM电容、MOS电容、MIP电容、PN结电容的一种或几种的并联结构，其容值可以比较容易做的很高，从而大幅提高承载满阱电荷的能力。另一方面，通过使用阶梯状变化可调的存储电荷控制晶体管的控制电压VA，电容电位出现钳位，在这种工作时序的积分状态下，可以等效的表征比电容C1上限更高的满阱电荷状态，从而进一步提高动态范围。

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 (8)

1.一种高动态范围的图像传感器，包括光电二极管PD、NMOS晶体管M1、NMOS晶体管M2、NMOS晶体管M3、和NMOS晶体管M4；光电二极管PD连接在NMOS晶体管M1的源极和接地端之间；所述NMOS晶体管M1的栅极接TX信号；所述NMOS晶体管M3的源极接在电源VDD，所述NMOS晶体管M3的漏极接节点FD，所述NMOS晶体管M3的栅极接RST信号；所述NMOS晶体管M4的源极接在电源VDD，所述NMOS晶体管M4的漏极接所述NMOS晶体管M2的源极，所述NMOS晶体管M4的栅极接节点FD；所述NMOS晶体管M2的漏极为输出端VOUT，所述NMOS晶体管M4的栅极接节点SET信号；其中，所述NMOS晶体管M3为复位晶体管、所述NMOS晶体管M1为传输晶体管，M4为源极跟随器，以及NMOS晶体管M2为行选择晶体管；其特征在于，还包括：NMOS晶体管M5、NMOS晶体管M6、NMOS晶体管M7和电容C1，所述NMOS晶体管M5为抗晕晶体管、所述NMOS晶体管M6为存储电荷控制晶体管、所述NMOS晶体管M7为电容信号传输管；其中，所述抗晕晶体管的源极连接所述NMOS晶体管M1的源极，所述电容C1的一端连接于所述抗晕晶体管的漏极，另一端接固定电位；所述存储电荷控制晶体管的源极连接于所述抗晕晶体管的漏极，所述存储电荷控制晶体管的栅极与漏极连接于电压控制信号VA；所述电容信号传输管的源极接节点FD，所述电容信号传输管的漏极连接于所述存储电荷控制晶体管的漏极；所述电容信号传输管的栅极接SX信号，所述抗晕晶体管的栅极接AB信号。

2.根据权利要求1所述的高动态范围的图像传感器；其特征在于，所述电容C1为MOM电容、MIM电容、MOS电容、MIP电容、PN结电容的一种或几种的并联结构。

3.根据权利要求1所述的高动态范围的图像传感器；其特征在于，所述电容C1的电容值大于所述光电二极管PD的等效电容Cpd值。

4.根据权利要求3所述的高动态范围的图像传感器；其特征在于，所述电容C1的电容值大于5fF。

5.根据权利要求3所述的高动态范围的图像传感器；其特征在于，所述电容的存储电荷能力与光电二极管存储电荷能力的比值越大，动态范围增加的倍数会越高。

6.根据权利要求1所述的高动态范围的图像传感器；其特征在于，所述抗晕晶体管的阈值电压低于所述传输晶体管的阈值电压。

7.根据权利要求1所述的高动态范围的图像传感器；其特征在于，在积分时间段，所述存储电荷控制晶体管的电压控制信号VA呈阶梯状变化。

8.根据权利要求7所述的高动态范围的图像传感器，其特征在于，所述存储电荷控制晶体管的电压控制信号VA的呈阶梯状变化范围为电源电压VDD～0V之间选择的多个值。

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