CN114222082A - 一种高动态cmos图像传感器及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高动态CMOS图像传感器及其工作方法，包括可编程控制器、斜坡发生器、TX驱动级、像素单元和列线；可编程控制器输出端连接斜坡发生器输入端；斜坡发生器的输出端与TX驱动级的电源接口相连；TX驱动级的输入为TX逻辑控制信号；TX驱动级的输出与像素中TX管的栅极连接；像素单元包括转移开关M1和光电二极管PD，转移开关M1漏极连接光电二极管PD负极，转移开关M1采用MOS管，斜坡发生器的输出端连接像素单元的转移开关M1的栅极，像素单元连接有RST信号，像素单元的输出端连接列线。提高了CMOS图像传感器的动态范围。
Description
技术领域
本发明属于图像采集与信息处理领域，涉及一种高动态CMOS图像传感器及其工作方法。
背景技术
图像传感器是现在智能设备的重要组成部分，目前主流的图像传感器主要分为CMOS图像传感器和CCD图像传感器。
近年来，随着CMOS工艺的不断完善和成熟。CMOS图像传感器凭借其低功耗，低成本以及易于集成等特点，在无线通信和便携智能设备上已取代了CCD图像传感器。
动态范围是CMOS图像传感器的一项重要性能指标，即图像传感器能够响应的最大光强与最小可探测光强的比值，是衡量一个CMOS图像传感器成像质量的重要标准。随着生产生活对图像传感器成像质量需求的提升，在目前许多应用场合下(夜间拍照，监控系统等)都要求图像传感器可以同时捕获场景中的高光强和低光强信息。而传统的CMOS图像传感器的动态范围不高于60dB，无法满足当前市场的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种高动态CMOS图像传感器及其工作方法，提高了CMOS图像传感器的动态范围。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种高动态CMOS图像传感器，包括可编程控制器、斜坡发生器、TX驱动级、像素单元和列线；
可编程控制器输出端连接斜坡发生器输入端；斜坡发生器的输出端与TX驱动级的电源接口相连；TX驱动级的输入为TX逻辑控制信号；TX驱动级的输出与像素中TX管的栅极连接；像素单元包括转移开关M1和光电二极管PD，转移开关M1漏极连接光电二极管PD负极，转移开关M1采用MOS管，斜坡发生器的输出端连接像素单元的转移开关M1的栅极，像素单元连接有RST信号，像素单元的输出端连接列线。
优选的，像素单元为4T、5T、6T、7T或8T像素结构。
优选的，像素单元为4T像素结构，像素单元包括复位开关M2、源跟随器M3和行选开关M4，复位开关M2、源跟随器M3和行选开关M4采用MOS管，转移开关M1源极分别连接复位开关M2源极、源跟随器M3栅极、寄生电容Cfd一个极板，转移开关M1源极与源跟随器M3栅极和开关M2源极与寄生电容Cfd一个极板之间的交汇点为FD，光电二极管PD正极和寄生电容Cfd另一个极板均接地，源跟随器M3源极连接行选开关M4漏极，行选开关M4源极连接列线，源跟随器M3漏极、复位开关M2漏极均连接电源电压。
进一步，转移开关M1、复位开关M2、源跟随器M3和行选开关M4均为NMOS管。
再进一步，转移开关M1、复位开关M2、源跟随器M3和行选开关M4均采用源级与漏极可互换的形式。
优选的，可编程控制器为图像传感器中的内部配置寄存器。
一种基于上述任意一项所述高动态CMOS图像传感器的工作方法，包括以下步骤：
步骤一，复位操作，像素进入复位状态，TX信号接高电平，RST信号接高电平，转移开关M1导通，光电二极管PD被复位到VRST，同时可编程控制器根据环境光强信息输出控制信号；
步骤二，积分操作，RST信号为低电平，斜坡发生器根据可编程控制器输出的控制信号产生相应的斜坡信号作为TX驱动级的电源，转移晶体管M1栅极接TX驱动级的输出，经过积分时间，光电二极管PD产生光生电荷并在耗尽区内积累；
步骤三，电荷转移，TX信号再次置高，在光电二极管PD中累计的光生电荷等待读出。
优选的，当像素单元为4T像素结构时，步骤一中，转移开关M1和复位开关M2均导通，光电二极管PD和FD均被复位到VRST，并且在可编程控制器根据环境光强信息输出控制信号后，之后转移开关M1和复位开关M2断开；步骤三中，在光电二极管PD中累计的光生电荷流入FD等待读出。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明可编程控制器能够根据图像传感器输出图像的分析进而完成对斜坡发生器的斜率控制，斜坡信号发生器输出的斜坡信号用来控制像素单元中转移开关M1在导通阶段的高电平电压，提升CMOS图像传感器的动态范围，解决了CMOS图像传感器动态范围较低的问题，并且没有在像素内增加额外的晶体管，没有采用额外的片上存储器，电路结构简单，易版图布局，适用于各种像素结构。
附图说明
图1为本发明的高动态CMOS图像传感器设计方法示意图(4T为例)；
图2为斜坡发生器在不同光强下产生的光电转移管的栅极控制TX信号。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明所述的一种高动态CMOS图像传感器，包括可编程控制器、斜坡发生器、TX驱动级、像素单元和列线。
可编程控制器输入端连接图像传感器输出端，可编程控制器输出端连接斜坡发生器输入端；斜坡发生器的输出端与TX驱动级的电源接口(高电平电压)相连；TX驱动级的输入为TX逻辑控制信号；TX驱动级的输出与像素中TX管的栅极连接，像素单元输出端连接列线。
可编程控制器为图像传感器中的内部配置寄存器，可以通过外部对其进行配置实现不同斜率的斜坡发生器。
斜坡发生器为内部产生斜坡电压的模块，可以通过常规技术实现，但是需要在输出级增加驱动能力，以确保能驱动所有的TX驱动级。
像素单元为4T、5T、6T、7T或8T等像素结构。
如图1所示，以像素单元为4T像素结构为例，像素单元包括转移开关M1、复位开关M2、源跟随器M3和行选开关M4，转移开关M1漏极连接光电二极管PD负极，转移开关M1源极分别连接复位开关M2源极、源跟随器M3栅极、寄生电容Cfd一个极板，转移开关M1源极与源跟随器M3栅极和开关M2源极与寄生电容Cfd一个极板之间的交汇点为FD，光电二极管PD正极和寄生电容Cfd另一个极板均接地，源跟随器M3源极连接行选开关M4漏极，行选开关M4源极连接像素面阵的列线，源跟随器M3漏极、复位开关M2漏极均连接电源电压。可编程控制器的输出接斜坡发生器的输入，根据当前环境的光照强度来控制斜坡信号发生器所产生斜坡信号的起点、终点以及时长，产生与环境光强相关的斜坡信号。斜坡发生器的输出端通过TX驱动级输出接像素单元转移晶体管M1的栅极。
转移开关M1、复位开关M2、源跟随器M3、行选开关M4均为N沟道增强型绝缘栅型场效应晶体管，即NMOS管，且采用源级与漏极可互换的形式设置。
同样上述的高动态CMOS图像传感器设计方法也适用于5T、6T、7T或8T等像素结构，基本方法与图1中的4T类似，将TX驱动级的输出接转移开关管M1的栅极。
如图2所示为本发明的高动态CMOS图像传感器在不同光照强度下所产生的TX控制信号(横轴为时间，纵轴为电压)。
上述高动态CMOS图像传感器的使用方法，步骤如下：
步骤一，复位操作，可编程控制器根据环境光强输出控制信号，同时像素进入复位状态，TX信号接高电平，RST信号接高电平，转移开关M1和复位开关M2导通，光电二极管PD和FD被复位到VRST，同时可编程控制器根据环境光强信息输出控制信号，之后转移开关M1和复位开关M2断开。
步骤二，积分操作，RST信号为低电平，斜坡发生器根据可编程控制器的输出信号产生相应的斜坡信号作为TX驱动级的电源，转移开关M1栅极接TX驱动级的输出，经过积分时间，光电二极管PD产生光生电荷并在耗尽区内积累。
步骤三，电荷转移，TX信号再次置高，在光电二极管PD中累计的光生电荷流入FD等待读出。
上述高动态CMOS图像传感器工作原理为：
通过可编程控制器产生环境光强相关信息，斜坡发生器根据可编程控制器的输出控制斜坡信号的起点、终点和时长。如图2所示，在外界光照较强时产生斜率较低，持续时间较长的斜坡信号；外界光照较弱时产生斜率较高，持续时间较短的斜坡信号。在转移开关M1处于积分的过程中，通过给转移开关M1栅极施加不同的斜坡控制信号，控制光电二极管PD的有效阱容量随光照强度变化而变化。当光照强时，光电二极管PD的有效阱容量小，电子效率低，当光照弱时，光电二极管PD的有效阱容量大，电子效率高，使图像传感器在弱光照时灵敏度高，强光照时灵敏度低，增大图像传感器的最大可探测光强并减小最小可探测光强。如此可以实现CMOS图像传感器的高动态。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。
Claims (8)
1.一种高动态CMOS图像传感器，其特征在于，包括可编程控制器、斜坡发生器、TX驱动级、像素单元和列线；
可编程控制器输出端连接斜坡发生器输入端；斜坡发生器的输出端与TX驱动级的电源接口相连；TX驱动级的输入为TX逻辑控制信号；TX驱动级的输出与像素中TX管的栅极连接；像素单元包括转移开关M1和光电二极管PD，转移开关M1漏极连接光电二极管PD负极，转移开关M1采用MOS管，斜坡发生器的输出端连接像素单元的转移开关M1的栅极，像素单元连接有RST信号，像素单元的输出端连接列线。
2.根据权利要求1所述的高动态CMOS图像传感器，其特征在于，像素单元为4T、5T、6T、7T或8T像素结构。
3.根据权利要求1所述的高动态CMOS图像传感器，其特征在于，像素单元为4T像素结构，像素单元包括复位开关M2、源跟随器M3和行选开关M4，复位开关M2、源跟随器M3和行选开关M4采用MOS管，转移开关M1源极分别连接复位开关M2源极、源跟随器M3栅极、寄生电容Cfd一个极板，转移开关M1源极与源跟随器M3栅极和开关M2源极与寄生电容Cfd一个极板之间的交汇点为FD，光电二极管PD正极和寄生电容Cfd另一个极板均接地，源跟随器M3源极连接行选开关M4漏极，行选开关M4源极连接列线，源跟随器M3漏极、复位开关M2漏极均连接电源电压。
4.根据权利要求3所述的高动态CMOS图像传感器，其特征在于，转移开关M1、复位开关M2、源跟随器M3和行选开关M4均为NMOS管。
5.根据权利要求4所述的高动态CMOS图像传感器，其特征在于，转移开关M1、复位开关M2、源跟随器M3和行选开关M4均采用源级与漏极可互换的形式。
6.根据权利要求1所述的高动态CMOS图像传感器，其特征在于，可编程控制器为图像传感器中的内部配置寄存器。
7.一种基于权利要求1-6任意一项所述高动态CMOS图像传感器的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，复位操作，像素进入复位状态，TX信号接高电平，RST信号接高电平，转移开关M1导通，光电二极管PD被复位到VRST，同时可编程控制器根据环境光强信息输出控制信号；
步骤二，积分操作，RST信号为低电平，斜坡发生器根据可编程控制器输出的控制信号产生相应的斜坡信号作为TX驱动级的电源，转移晶体管M1栅极接TX驱动级的输出，经过积分时间，光电二极管PD产生光生电荷并在耗尽区内积累；
步骤三，电荷转移，TX信号再次置高，在光电二极管PD中累计的光生电荷等待读出。
8.根据权利要求7所述的高动态CMOS图像传感器的工作方法，其特征在于，当像素单元为4T像素结构时，步骤一中，转移开关M1和复位开关M2均导通，光电二极管PD和FD均被复位到VRST，并且在可编程控制器根据环境光强信息输出控制信号后，之后转移开关M1和复位开关M2断开；步骤三中，在光电二极管PD中累计的光生电荷流入FD等待读出。
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