CN115297283A - 小尺寸大动态范围像素装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及CMOS图像传感器领域，为解决传感器动态范围不足问题，实现小尺寸像素超120dB动态范围，本发明，小尺寸大动态范围像素装置，包括晶体管n1～n6、钳位光电二极管、串联感光二极管、抗晕二极管、溢出电容，n1管漏极接电源，栅极接控制信号，源极接cap上极板、n2管漏极；n2管栅极接信号SG，源极接n3管栅极、n5管源极；n3管漏极接电源，源极接n4管漏极；n4管源极为像素输出，栅极接信号SEL；n5管栅极接控制信号，漏极接阴极、n6管源极；n6管栅极接控制信号，漏极接APD阴极、PPD阴极；ATD阳极接电势；PPD和SPD的阳极接地GND。本发明主要应用于CMOS图像传感器设计制造。

Description

小尺寸大动态范围像素装置

技术领域

本发明涉及CMOS图像传感器领域，尤其涉及大动态范围成像像素器件结构。具体涉及小尺寸大动态范围像素装置。

背景技术

随着科技进步，在安防监控、汽车影像甚至是便携式设备等环境光线复杂的应用场景中对图像传感器成像质量提出高要求。普通CMOS图像传感器的成像动态范围(DynamicRange，DR)通常在60～70dB，人眼的动态范围在100dB以上，我们期望成像设备能够进一步看到人眼看不到的信息，因此支持超100dB DR的图像传感器器件受到广泛研究，尤其小尺寸下，提高DR更是研究的热点、难点。大动态范围CMOS图像传感器有源像素针对动态范围指标进行特殊优化。DR定义为图像传感器成像最高照度与最小照度的比值，其大小与满阱容量和噪声直接相关，DR的扩展也因此多从这两个方向入手。

在扩展满阱容量方面，基于多次曝光的动态范围扩展技术使用较为普遍，短曝光的输出信号与长曝光输出信号之间具有与曝光时间对应的倍数增益A，等效为将满阱容量提高A倍，但这种方法需要多帧生成一幅深度图，帧率较低；在低噪声处理方面，比较常见的方法是在同一个像素阵列中使用两种不同信号转换节点，一种具有高增益低噪声，另一种具有低增益高满阱，但该方法动态范围收益还是受到满阱容量上限限制，很难突破100dB动态范围。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种具有大动态范围的小尺寸像素结构，以解决新一代小尺寸高分辨率传感器动态范围不足，无法应对复杂环境光成像的问题。动态范围扩展功能通过在像素内增加串联感光二极管、抗晕二极管来完成，最终预期实现小尺寸像素超120dB动态范围。为此，本发明采取的技术方案是，小尺寸大动态范围像素装置，包括NMOS晶体管n1～n6、钳位光电二极管PPD、串联感光二极管SPD、抗晕二极管ATD、溢出电容Cap，n1管漏极接电源VDD，栅极接控制信号RST，源极接cap上极板、n2管漏极；n2管栅极接信号SG，源极接n3管栅极、n5管源极；n3管漏极接电源VDD，源极接n4管漏极；n4管源极为像素输出，栅极接信号SEL；n5管栅极接控制信号TXS，漏极接SPD阴极、n6管源极；n6管栅极接控制信号TXP，漏极接APD阴极、PPD阴极；ATD阳极接电势VAT；PPD和SPD的阳极接地GND。

PPD和SPD为串联的两个感光二极管，PPD的面积大于SPD，因此PPD和SPD具有灵敏度的差别，PPD的电荷通过SPD转移至n3管栅极，转换为电压信号输出至像素外；在光强低时，以PPD为主要感光区，读出时保持n2、n5关闭，此时n3栅极电容很小，输出SigP1信号具有高电荷-电压转换增益，读出的RstP1信号用于完成相关双采样操作；当光强很强时，以SPD作为主要感光区，其等效接收电荷量乘以PPD和SPD面积比作为最终的满阱容量，当SPD电荷存储满时，电荷通过n5、n2溢出至电容Cap上，通过电容Cap存储实现高满阱容量；在光强很强时，不仅SPD会溢出，PPD也会溢出，PPD溢出的电荷通过ATD泄放到高电势点VAT，避免溢出至其他相邻像素PPD造成blooming效应，最后将像素输出的高满阱容量信号和低噪声信号融合。

工作时序：首先，当选中当前像素时，SEL信号置为高电平，n4管打开，像素信号连通至像素外；

之后，SG信号置高，n2管打开，此时像素输出电容Cap上存储的信号SigS2，之后将RST信号置高，n1管打开，输出复位信号RstS2，SigS2和RstS2做差完成相关双采样操作，做差后的信号作为最高光强下的成像数据；

然后，n2管关闭，读出复位信号RstS1，TXS信号置高，开启n5管，将SPD内的电荷转移至n3管栅极，读出SigS1，SigS1和RstS1做差完成相关双采样后的信号作为中等光强下的成像数据；

最后，RST、SG、TXS同时置为高电平，清空SPD内电荷和n3栅极电荷后，将TXP、TXS信号置高，开启n6、n5管，将PPD内的电荷转移至n3管栅极，读出SigP1，SigP1和RstP1做差完成相关双采样后的信号作为弱光强下的成像数据。

本发明的特点及有益效果是：

1、PPD和SPD二极管串联，实现PPD远离n3栅极，相对于传统大小PD像素降低了电荷电压转换节点寄生，提高电荷电压转换增益；

2、ATD晶体管阳极接正电势VAT具有抗晕作用，解决了传统溢出方案blooming问题。

3、SPD在像素内占据面积很小，动态范围的扩展技术不会显著影响像素面积，适用于小尺寸像素。

附图说明：

图1本发明的小尺寸大动态像素结构原理图。

图2本发明的小尺寸大动态像素结构工作时序。

具体实施方式

本发明提出的小尺寸大动态范围像素结构，其设计电路结构如图1所示，主要由NMOS晶体管n1～n6，钳位光电二极管(Pinned Photo Diode,PPD)，串联感光二极管(SeriesPhoto Diode，SPD)，抗晕二极管(Anti-Blooming Diode，ATD)，溢出电容Cap来组成。

该结构中各个器件的连接关系如下：n1管漏极接电源VDD，栅极接控制信号RST，源极接cap上极板、n2管漏极；n2管栅极接信号SG，源极接n3管栅极、n5管源极；n3管漏极接电源VDD，源极接n4管漏极；n4管源极为像素输出，栅极接信号SEL；n5管栅极接控制信号TXS，漏极接SPD阴极、n6管源极；n6管栅极接控制信号TXP，漏极接APD阴极、PPD阴极；ATD阳极接电势VAT；PPD和SPD的阳极接地GND。

该结构中各个器件及电势的作用如下：VDD为像素电源；n1管为控制复位管，在n1管导通时起到像素复位的作用；n2管为增益及溢出控制管，n2管导通时可将电容Cap连接至读出节点；n3管为源极跟随器，读出时起到输出驱动器的作用；n4管为读出选择管，在像素阵列化时起到读出选择的作用；n5、n6管为电荷控制管，起到控制PPD、SPD电荷量的作用；PPD和SPD为感光区，可以吸收光子能量形成电荷积分；ATD为抗晕二极管，在光线过强时，可以泄露多余电荷至节点VAT，VAT为正电势点。

结合图2的工作时序进行说明，该结构的动态范围扩展原理如下：PPD和SPD为串联的两个感光二极管，PPD的面积大于SPD，因此PPD和SPD具有灵敏度的差别，PPD的电荷可以通过SPD转移至n3管栅极，转换为电压信号输出至像素外；在光强低时，以PPD为主要感光区，具有高灵敏度的特点，读出时保持n2、n5关闭，此时n3栅极电容很小，输出SigP1信号具有高电荷-电压转换增益，该信号具有低噪声特点，读出的RstP1信号用于完成相关双采样操作；当光强很强时，以SPD作为主要感光区，其等效接收电荷量乘以PPD和SPD面积比作为最终的满阱容量，当SPD电荷存储满时，电荷可以通过n5、n2溢出至电容Cap上，通过电容Cap存储实现高满阱容量；在光强很强时，不仅SPD会溢出，PPD也会溢出，PPD溢出的电荷通过ATD泄放到高电势点VAT，避免溢出至其他相邻像素PPD造成blooming效应。最后将像素输出的高满阱容量信号和低噪声信号融合，实现高动态范围。

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式实例，实例中各参数仅仅为本发明解释举例值，实际技术方案实现包括但不限于本实例参数。

具体实施电路结构如图1所示，包括NMOS晶体管n1～n6，钳位光电二极管(PinnedPhoto Diode,PPD)，串联感光二极管(Series Photo Diode，SPD)，抗晕二极管(Anti-Blooming Diode，ATD)，溢出电容Cap。

其中n1管漏极接电源VDD，栅极接控制信号RST，源极接cap上极板、n2管漏极；n2管栅极接信号SG，源极接n3管栅极、n5管源极；n3管漏极接电源VDD，源极接n4管漏极；n4管源极为像素输出，栅极接信号SEL；n5管栅极接控制信号TXS，漏极接SPD阴极、n6管源极；n6管栅极接控制信号TXP，漏极接APD阴极、PPD阴极；ATD阳极接电势VAT；PPD和SPD的阳极接地GND。

工作时序如图2所示，首先，当选中当前像素时，SEL信号置为高电平，n4管打开，像素信号连通至像素外；

之后，SG信号置高，n2管打开，此时像素输出电容Cap上存储的信号SigS2，之后将RST信号置高，n1管打开，输出复位信号RstS2，SigS2和RstS2做差完成相关双采样操作，做差后的信号作为最高光强下的成像数据；

然后，n2管关闭，读出复位信号RstS1，TXS信号置高，开启n5管，将SPD内的电荷转移至n3管栅极，读出SigS1，SigS1和RstS1做差完成相关双采样后的信号作为中等光强下的成像数据；

最后，RST、SG、TXS同时置为高电平，清空SPD内电荷和n3栅极电荷后，将TXP、TXS信号置高，开启n6、n5管，将PPD内的电荷转移至n3管栅极，读出SigP1，SigP1和RstP1做差完成相关双采样后的信号作为弱光强下的成像数据。

实施过程中，实例设置PPD满阱容量为8Ke^-，读出噪声为1e^-，则PPD和SPD面积比为10:1，Cap电容与n3管栅极电容比值为15:1，则动态范围计算如下：

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种小尺寸大动态范围像素装置，其特征是，包括NMOS晶体管n1～n6、钳位光电二极管PPD、串联感光二极管SPD、抗晕二极管ATD、溢出电容Cap，n1管漏极接电源VDD，栅极接控制信号RST，源极接cap上极板、n2管漏极；n2管栅极接信号SG，源极接n3管栅极、n5管源极；n3管漏极接电源VDD，源极接n4管漏极；n4管源极为像素输出，栅极接信号SEL；n5管栅极接控制信号TXS，漏极接SPD阴极、n6管源极；n6管栅极接控制信号TXP，漏极接APD阴极、PPD阴极；ATD阳极接电势VAT；PPD和SPD的阳极接地GND。

2.如权利要求1所述的小尺寸大动态范围像素装置，其特征是，PPD和SPD为串联的两个感光二极管，PPD的面积大于SPD，因此PPD和SPD具有灵敏度的差别，PPD的电荷通过SPD转移至n3管栅极，转换为电压信号输出至像素外；在光强低时，以PPD为主要感光区，读出时保持n2、n5关闭，此时n3栅极电容很小，输出SigP1信号具有高电荷-电压转换增益，读出的RstP1信号用于完成相关双采样操作；当光强很强时，以SPD作为主要感光区，其等效接收电荷量乘以PPD和SPD面积比作为最终的满阱容量，当SPD电荷存储满时，电荷通过n5、n2溢出至电容Cap上，通过电容Cap存储实现高满阱容量；在光强很强时，不仅SPD会溢出，PPD也会溢出，PPD溢出的电荷通过ATD泄放到高电势点VAT，避免溢出至其他相邻像素PPD造成blooming效应，最后将像素输出的高满阱容量信号和低噪声信号融合。

3.如权利要求1所述的小尺寸大动态范围像素装置，其特征是，工作时序：首先，当选中当前像素时，SEL信号置为高电平，n4管打开，像素信号连通至像素外；

之后，SG信号置高，n2管打开，此时像素输出电容Cap上存储的信号SigS2，之后将RST信号置高，n1管打开，输出复位信号RstS2，SigS2和RstS2做差完成相关双采样操作，做差后的信号作为最高光强下的成像数据；

然后，n2管关闭，读出复位信号RstS1，TXS信号置高，开启n5管，将SPD内的电荷转移至n3管栅极，读出SigS1，SigS1和RstS1做差完成相关双采样后的信号作为中等光强下的成像数据；

最后，RST、SG、TXS同时置为高电平，清空SPD内电荷和n3栅极电荷后，将TXP、TXS信号置高，开启n6、n5管，将PPD内的电荷转移至n3管栅极，读出SigP1，SigP1和RstP1做差完成相关双采样后的信号作为弱光强下的成像数据。

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