CN115396610A - 浮栅型图像传感器斜坡电压的温度校正方法及读出电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了浮栅型图像传感器斜坡电压的温度校正方法及读出电路，属于集成电路技术领域。本发明通过温度编码及电压发生模块产生与器件阈值电压具有相同温度特性的斜坡发生电路参考电压，控制积分时间与常温条件下保持一致，产生与器件阈值电压具有相同温度特性的斜坡电压，从而实现图像传感器读出电路的片上温度校正，在不改变像素器件工艺参数，不增加像素器件尺寸的前提下，有效地解决了温度变化导致器件阈值电压漂移使得读出电路精度降低的问题，提升了图像传感器的成像质量。
Description
技术领域
本发明涉及浮栅型图像传感器斜坡电压的温度校正方法及读出电路，属于集成电路技术领域。
背景技术
图像传感器被广泛应用于科学研究、运动分析、机器视觉和航空航天等领域，广泛的应用需求使得图像传感器快速发展，与此同时，当前图像传感器也遇到了自身技术特点的瓶颈。例如，当图像传感器应用于航空航天领域时，希望其成像质量越高越好，但由于太空环境的复杂性，图像传感器成像质量受温度影响较大。读出电路作为图像传感器的核心模块，对成像质量起着决定性的作用，温度特性的误差对于读出电路的精度影响非常大，温度的变化会导致成像器件阈值电压漂移甚至器件受损等，进而像素的读出精度降低，成像质量变差。因此，对图像传感器读出电路进行温度校正，抑制温漂对读出电路精度的影响，从而提高图像传感器的成像质量变得尤为重要。
目前针对温度造成的读出电路精度问题大致可分为间接补偿和直接补偿两种。间接补偿使用图像增强算法进行成像质量的提升，在专利CN110850500A中，图像信息经过采集后，在片外通过单点校正算法对不同温度段的多段校正补偿参数进行修正，其对单幅图像有着很好的效果，但对于图像数据流，温度的变化使其提升效果有所下降。直接补偿分为物理补偿和电路及工艺补偿。物理补偿通过增加散热，但因图像传感器设备较小而不被适用。电路及工艺补偿通过对图像传感器电路进行改进或者增加像素器件的尺寸，中国科学院大学提出在常温下，提取成像单元的各个工艺参数并对其进行修改，使其适应不同温度情况下像素器件特性的变化，这样一定程度上能够减小温漂对读出电路精度的影响，但是尺寸的增大使得在有限面积内集成更多像素器件变得困难，导致图像传感器的像素阵列规模受限，这与航空航天领域对高像素的需求是不相符的。
发明内容
为了解决温度变化导致器件阈值电压漂移使读出电路精度降低的问题，本发明提供了浮栅型图像传感器斜坡电压的温度校正方法及读出电路，所述技术方案如下：
本发明的第一个目的在于提供一种图像传感器读出电路，用于读出像素器件阈值电压，所述图像传感器读出电路包括：斜坡发生模块、钳位电路、读出电容、比较器、计数器；
所述斜坡发生模块包括依次连接的：温度采集模块、温度编码模块、电压发生模块和斜坡发生电路，用于产生与所述像素器件阈值电压具有相同温度特性的斜坡电压，控制所述像素器件的导通；
所述钳位电路与所述像素器件输出端连接，用于控制所述像素器件漏源电压保持恒定；
所述读出电容的上极板与所述像素器件输出端、比较器的输入端连接，且通过开关与电源连接，所述读出电容的下极板接地；
所述比较器的输出端与所述计数器的输入端连接。
可选的，所述温度采集模块用于实时监测温度变化；
所述温度编码模块根据所述像素器件阈值电压在不同温度下的电压值，将斜坡发生电路的参考电压按照阈值电压与温度的关系进行编码，得到不同温度所对应的码值；
所述电压发生模块包括译码电路与选择电路两部分，所述译码电路依据所述不同温度所对应的码值进行译码，并将译码结果传递给所述选择电路；所述选择电路输出此码值条件下所对应的斜坡参考电压，同时控制所述斜坡发生电路的积分时间与常温条件下保持一致，产生与像素阈值电压具有相同温度特性的斜坡电压。
可选的，所述斜坡发生电路包括：斜坡发生电阻R、斜坡发生电容C和运算放大器；
所述电压发生模块产生第一斜坡参考电压Vref3和第二斜坡参考电压Vref4，所述第一斜坡参考电压Vref3输入所述运算放大器的第一输入端；所述第二斜坡参考电压Vref4通过所述斜坡发生电阻R输入所述运算放大器的第二输入端；
所述斜坡发生电容C一端与所述斜坡发生电阻R和所述运算放大器的第二输入端连接的一端相连，另一端接所述运算放大器的输出端。
可选的，所述发生电路产生的斜坡电压Vramp为：
其中，t为积分时间。
可选的，所述温度采集模块包括：温度传感器。
本发明的第二个目的在于提供一种应用于图像传感器读出电路的片上温度校正方法，所述片上温度校正方法基于上述的图像传感器读出电路实现，包括：
步骤1：测量图像传感器的像素阈值电压在不同温度下的电压值，得到像素器件阈值电压与温度的对应关系；
步骤2：温度编码模块将所述像素器件阈值电压与温度的对应关系进行编码，得到不同温度所对应的码值；
步骤3：通过温度采集模块实时监测温度变化，将实时温度值传输给温度编码模块，温度编码模块输出此温度所对应的码值传递给电压发生模块；
步骤4：电压发生模块包括译码电路与选择电路两部分，译码电路依据码值进行译码，并将译码结果传递给选择电路，选择电路输出此码值条件下所对应的斜坡参考电压，输入所述斜坡发生电路；
步骤5：控制斜坡发生电路的积分时间与常温条件下保持一致，产生与像素器件阈值电压具有相同温度特性的斜坡电压，使得像素器件产生的像素电流与常温条件下保持一致，实现图像传感器读出电路的片上温度校正。
本发明的第三个目的在于提供一种应用于图像传感器的像素器件阈值电压读出方法，所述像素器件阈值电压读出方法基于上述的图像传感器读出电路实现，包括：
电路工作之前，开关导通，读出电容被预充电至电源电压VDD，计数器处于待命状态；
预充电结束后，开关断开，像素器件在光照条件下完成曝光，斜坡电压被加到像素器件输入端上，电路开始工作，比较器此时输出为逻辑电平1，计数器使能端有效，计数器开始计数，同时像素器件输出端上产生的像素电流使得读出电容对地放电；
当读出电容的上极板电压下降至比较器参考电压时，比较器翻转，输出为逻辑电平0，计数器的使能端拉低，计数器停止计数；
由计数器的输出值得到随时间变化的斜坡电压的电压值，从而完成像素器件阈值电压到数字计数值的转换。
可选的，所述像素器件输出端上产生的像素电流的公式等效为MOS管线性电流公式：
其中，μ为像素单元电子迁移率，COX为像素单元栅氧化电容，
为像素单元的宽长比，VGS为像素输入电压，Vth为像素单元阈值电压，VDS为像素单元的漏源电压。
本发明的第三个目的在于提供一种图像传感器，包括：像素器件阵列和上述的图像传感器读出电路，所述图像传感器读出电路用于读出所述像素器件的阈值电压。
本发明有益效果是：
本发明通过温度编码及电压发生模块产生与器件阈值电压具有相同温度特性的斜坡发生电路参考电压，控制积分时间与常温条件下保持一致，产生与器件阈值电压具有相同温度特性的斜坡电压，从而实现图像传感器读出电路的片上温度校正，在不改变像素器件工艺参数，不增加像素器件尺寸的前提下，有效地解决了温度变化导致器件阈值电压漂移使得读出电路精度降低的问题，提升了图像传感器的成像质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的图像传感器像素阵列读出架构图。
图2是本发明实施例的读出电路系统框图。
图3是本发明实施例的器件阈值电压温度特性及斜坡电压曲线图。
图4是本发明实施例的读出电路片上温度校正电路架构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一：
本实施例提供一种图像传感器读出电路，用于读出像素器件阈值电压，参见图2，图像传感器读出电路包括：斜坡发生模块、钳位电路、读出电容、比较器、计数器；
斜坡发生模块包括依次连接的：温度采集模块、温度编码模块、电压发生模块和斜坡发生电路，用于产生与像素器件阈值电压具有相同温度特性的斜坡电压，控制像素器件的导通；
钳位电路与像素器件输出端连接，用于控制像素器件漏源电压保持恒定；
读出电容的上极板与像素器件输出端、比较器的输入端连接，且通过开关与电源连接，读出电容的下极板接地；
比较器的输出端与计数器的输入端连接。
实施例二：
本实施例提供一种应用于图像传感器读出电路的片上温度校正方法，基于实施例一记载的图像传感器读出电路实现，包括以下步骤：
步骤1：测量图像传感器的像素阈值电压在不同温度下的电压值，得到像素器件阈值电压与温度的对应关系；
步骤2：温度编码模块将所述像素器件阈值电压与温度的对应关系进行编码，得到不同温度所对应的码值；
步骤3：通过温度采集模块实时监测温度变化，将实时温度值传输给温度编码模块，温度编码模块输出此温度所对应的码值传递给电压发生模块；
步骤4：电压发生模块包括译码电路与选择电路两部分，译码电路依据码值进行译码，并将译码结果传递给选择电路，选择电路输出此码值条件下所对应的斜坡参考电压，输入所述斜坡发生电路；
步骤5：控制斜坡发生电路的积分时间与常温条件下保持一致，产生与像素器件阈值电压具有相同温度特性的斜坡电压，使得像素器件产生的像素电流与常温条件下保持一致，实现图像传感器读出电路的片上温度校正。
实施例三：
本实施例提供一种应用于图像传感器读出电路和读出方法，采用实施例二记载的温度校正方法对读出电路进行校正。
图1为图像传感器像素阵列读出架构图，像素单元在光照条件下完成曝光，通过斜坡电压控制导通，产生电流从BL输出，传输给读出电路。如图2所示，读出电路包括钳位电路、读出电容、比较器、计数器等部分，钳位电路控制器件漏源电压保持恒定，读出电容会被预充电至电源电压，计数器处于待命状态，预充电结束后斜坡电压被加到WL上，计数器开始计数，同时BL上产生的电流使得读出电容对地放电，当电容上极板电压下降至比较器参考电压时，比较器翻转，计数器停止计数，从而完成像素单元阈值电压到数字计数值的转换。
其中WL作为像素输入电压列控制像素单元的导通，BL作为像素读出列将像素单元的电流传输给后面的读出电路，读出电流的公式可等效为MOS管线性电流公式：
其中μ为像素单元电子迁移率，COX为像素单元栅氧化电容，
为像素单元的宽长比，VGS为像素输入电压，Vth为像素单元阈值电压，VDS为像素单元的漏源电压。
图3为器件阈值电压温度特性及斜坡电压曲线，当温度变化为ΔT时，器件阈值电压变化为ΔV1，为保证计数器的计数值恒定，需抬高斜坡电压Vramp的值，即保ΔV2＝ΔV1。
本实施例的工作原理为：如图4所示，测量器件阈值电压的温度特性，分别得到阈值电压在Temp＝0～Temp＝100条件下的电压值，进而可以得到与常温条件下阈值电压的变化值ΔV1。
通过对斜坡发生电路的参考电压Vref3与Vref4进行温度编码，使得电压发生模块产生不同温度下斜坡发生电路所需的参考电压，且参考电压Vref3与Vref4随温度的变化值ΔV2与ΔV1保持相同，同时控制斜坡发生电路在不同温度下积分时间保持一致，实现斜坡电压温度特性与器件阈值电压温度特性保持一致，达到图像传感器读出电路片上温度校正的目的。
具体来说，以第一列器件为例，假设电子迁移率不随温度变化，其漏端电流IBL0为：
温度变化后为：
温度变化导致的电流变化量为：
电容充放电的公式为：
因此，温度变化后，电流发生变化，对于同一电容且ΔU相同而言，将会导致电容充放电时间改变，进而影响计数器的计数值，使得器件阈值的读出产生误差。通过测量阈值电压在不同温度下的电压值，可以得到多个ΔVth，对斜坡发生电路的参考电压Vref3与Vref4进行温度编码。
本实施例中以10bit精度为例，将0℃～100℃分为10档，分别得到不同温度所对应的码值Code，通过电压发生模块产生对应温度下所需的Vref3与Vref4，斜坡电压Vramp为：
控制积分时间与常温条件下保持一致，实现斜坡电压温度特性与器件阈值电压温度特性保持一致。当ΔVGS→ΔVth时，ΔI→0，即电容充放电的时间Δt不随温度变化，进而计数器的计数值保持恒定，阈值电压的读取不会产生误差，达到对图像传感器读出电路片上温度校正的目的。
本实施例能够在不增加像素器件尺寸的条件下，当温度变化导致像素器件阈值电压发生漂移时，斜坡电压与阈值电压保持相同的温度特性，从而抵消温度变化导致器件阈值电压漂移对读出精度的影响，实现图像传感器读出电路的片上温度校正，解决了温度变化导致器件阈值电压漂移使得读出电路精度降低的问题，提升图像传感器的成像质量。
本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种图像传感器读出电路，用于读出像素器件阈值电压，其特征在于，所述图像传感器读出电路包括：斜坡发生模块、钳位电路、读出电容、比较器、计数器；
所述斜坡发生模块包括依次连接的：温度采集模块、温度编码模块、电压发生模块和斜坡发生电路，用于产生与所述像素器件阈值电压具有相同温度特性的斜坡电压，控制所述像素器件的导通；
所述钳位电路与所述像素器件输出端连接，用于控制所述像素器件漏源电压保持恒定；
所述读出电容的上极板与所述像素器件输出端、比较器的输入端连接，且通过开关与电源连接，所述读出电容的下极板接地；
所述比较器的输出端与所述计数器的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的图像传感器读出电路，其特征在于，所述温度采集模块用于实时监测温度变化；
所述温度编码模块根据所述像素器件阈值电压在不同温度下的电压值，将斜坡发生电路的参考电压按照阈值电压与温度的关系进行编码，得到不同温度所对应的码值；
所述电压发生模块包括译码电路与选择电路两部分，所述译码电路依据所述不同温度所对应的码值进行译码，并将译码结果传递给所述选择电路；所述选择电路输出此码值条件下所对应的斜坡参考电压，同时控制所述斜坡发生电路的积分时间与常温条件下保持一致，产生与像素阈值电压具有相同温度特性的斜坡电压。
3.根据权利要求2述的图像传感器读出电路，其特征在于，所述斜坡发生电路包括：斜坡发生电阻R、斜坡发生电容C和运算放大器；
所述电压发生模块产生第一斜坡参考电压Vref3和第二斜坡参考电压Vref4，所述第一斜坡参考电压Vref3输入所述运算放大器的第一输入端；所述第二斜坡参考电压Vref4通过所述斜坡发生电阻R输入所述运算放大器的第二输入端；
所述斜坡发生电容C一端与所述斜坡发生电阻R和所述运算放大器的第二输入端连接的一端相连，另一端接所述运算放大器的输出端。
4.根据权利要求3述的图像传感器读出电路，其特征在于，所述发生电路产生的斜坡电压Vramp为：
其中，t为积分时间。
5.根据权利要求1所述的图像传感器读出电路，其特征在于，所述温度采集模块包括：温度传感器。
6.一种应用于图像传感器读出电路的片上温度校正方法，其特征在于，所述片上温度校正方法基于权利要求1-5任一项所述的图像传感器读出电路实现，包括：
步骤1：测量图像传感器的像素器件阈值电压在不同温度下的电压值，得到像素器件阈值电压与温度的对应关系；
步骤2：温度编码模块将所述像素器件阈值电压与温度的对应关系进行编码，得到不同温度所对应的码值；
步骤3：通过温度采集模块实时监测温度变化，将实时温度值传输给温度编码模块，温度编码模块输出此温度所对应的码值传递给电压发生模块；
步骤4：电压发生模块包括译码电路与选择电路两部分，译码电路依据码值进行译码，并将译码结果传递给选择电路，选择电路输出此码值条件下所对应的斜坡参考电压，输入所述斜坡发生电路；
步骤5：控制斜坡发生电路的积分时间与常温条件下保持一致，产生与像素器件阈值电压具有相同温度特性的斜坡电压，使得像素器件产生的像素电流与常温条件下保持一致，实现图像传感器读出电路的片上温度校正。
7.一种应用于图像传感器的像素器件阈值电压读出方法，其特征在于，所述像素器件阈值电压读出方法基于权利要求1-5任一项所述的图像传感器读出电路实现，包括：
电路工作之前，开关导通，读出电容被预充电至电源电压VDD，计数器处于待命状态；
预充电结束后，开关断开，像素器件在光照条件下完成曝光，斜坡电压被加到像素器件输入端上，电路开始工作，比较器此时输出为逻辑电平1，计数器使能端有效，计数器开始计数，同时像素器件输出端上产生的像素电流使得读出电容对地放电；
当读出电容的上极板电压下降至比较器参考电压时，比较器翻转，输出为逻辑电平0，计数器的使能端拉低，计数器停止计数；
由计数器的输出值得到随时间变化的斜坡电压的电压值，从而完成像素器件阈值电压到数字计数值的转换。
8.根据权利要求7述的像素器件阈值电压读出方法，其特征在于，所述像素器件输出端上产生的像素电流的公式等效为MOS管线性电流公式：
其中，μ为像素单元电子迁移率，COX为像素单元栅氧化电容，
为像素单元的宽长比，VGS为像素输入电压，Vth为像素单元阈值电压，VDS为像素单元的漏源电压。
9.一种图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包括：像素器件阵列和权利要求1-5任一项所述的图像传感器读出电路，所述图像传感器读出电路用于读出所述像素器件的阈值电压。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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