CN1977528A - 互补金属氧化物半导体图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。该图像传感器包括：二维像素矩阵，其由单位像素构成，各单位像素具有光电二极管和晶体管；行解码器，位于像素矩阵的一端以分配行地址；以及列解码器，其位于垂直于行解码器的像素矩阵的另一端以向由行解码器选择的行中的相应像素分配列地址。所述行解码器允许包括在像素矩阵中的单位像素的结合时间点相同。因此，可以防止图像失真。

Description

互补金属氧化物半导体图像传感器
技术领域
本发明涉及一种CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器，具体的说，本发明涉及一种可以使结合时间点相同从而防止图像失真的CMOS图像传感器。
背景技术
近来，数字照相机和照相机电话快速发展并商业化。数字照相机和照相机电话一般采用半导体传感器感测光，而主要使用的半导体传感器包括互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器和电荷耦合器件(CCD)图像传感器。
CMOS图像传感器是指采用CMOS制造技术并采用提供对应于像素数目的多个MOS晶体管并采用该晶体管顺序检测输出的切换方法而用于将光学图像转换为电信号的器件。目前，相比广泛用作图像传感器的CCD图像传感器，CMOS图像传感器具有如下优点：驱动方法简单、可以实现各种扫描方法、由于信号处理电路可以集成在一个芯片上而可能使产品小型化、由于采用兼容的CMOS技术而使制造成本降低并且能耗可以大大减少。
图1是传统CMOS图像传感器的方框图。参照图1，CMOS图像传感器包括像素矩阵110、行解码器130、相关双采样(CDS)单元和模数转换器(ADC)(下文中称为“CDS和ADC”)150以及列解码器170。
如图2所示，在像素矩阵110中，排列单位像素，用于分配行地址的行解码器130沿着像素矩阵110的一侧在像素矩阵110周围设置，用于分配像素的列地址并且连接到像素的输出的列解码器170沿垂直于行解码器130的方向设置。
行解码器130由多个各自具有多个栅的行解码器单元组成。各行解码器单元通过地址输入线、传输信号输入线、选择信号输入线和复位信号输入线接收输入信号，并且各行解码器单元通过用于响应于复位信号和地址信号而输出复位栅信号的复位栅信号输出单元而输出输出信号，其中复位信号通过复位信号输入线输入，并且地址信号通过地址信号输入线输入，选择栅信号输出单元用于输出响应于选择信号和地址信号而产生的选择栅信号，其中选择信号通过选择信号输入线输入，并且地址信号通过地址信号输入线输入，以及传输信号输出线用于输出通过传输信号输入线输入的传输信号。
在从图像传感器提取数据的具体过程中，由行解码器130选择第一行，提取由列解码器170选择的第一行的各像素数据，然后将提取的像素数据放大。之后，由行解码器130选择第二行，提取由列解码器170选择的第二行的各像素数据，然后将提取的像素数据放大。以这种方式，提取所有的像素数据。
同时，CDS和ADC单元150工作从而其将从单位像素提取的模拟数据转换为数字数据，并通过采样实现高图像质量。
图2为具有4晶体管(4-T)结构的单位像素的电路图。参照图2，单位像素由1个光电二极管PD和4个NMOS晶体管构成。四个NMOS晶体管由复位晶体管Rx、传输晶体管Tx、驱动晶体管Dx和选择晶体管Sx构成，其中复位晶体管Rx用于响应于复位栅信号而复位光电二极管的电势，传输晶体管Tx用于响应于传输信号而将充入在光电二极管中的电子传输到浮置扩散区域，驱动晶体管Dx用于根据浮置扩散区域的电极电压的变化通过改变源跟随器电路的电流而改变各单位像素的输出电压，并且选择晶体管Sx用于响应于选择栅信号而将各单位像素的输出电压作为模拟输出电压输出，该输出电压根据浮置扩散区域的电压变化产生。
参照图3的工作时序图详细说明单位像素的工作。首先，当通过选择栅信号SG选择相应的行时，选择晶体管Sx导通，并且复位晶体管Rx通过复位栅信号RG使浮置扩散区域的电压复位。之后，当光进入光电二极管时产生电子。当传输晶体管Tx通过传输栅信号TG导通时，基于在光电二极管处产生的电子积累的电荷被传输到浮置扩散区域，并且驱动晶体管Dx以与浮置扩散区域中的电荷量成比例地改变单位像素的输出电压。
在图3中，电平“a”表示在通过选择栅信号SG选择相应的行之后输出节点的初始电压电平，电平“b”表示在通过复位栅信号RG执行复位之后输出节点的电压电平，并且电平“c”表示通过传输栅信号SG执行扩散到浮置扩散区域后的电压电平。在这种情况下，输出节点的电压电平“b”和“c”之间的差作为实际图像数据信号输出。
图4是传统行解码器的通用电路图。参照图4，通过行地址Ai、Ai+1、Ai+2和传输信号T、选择信号S以及复位信号R的组合而产生第i行的复位栅信号RGi、传输栅信号TGi和选择栅信号SGi，第i+1行的复位栅信号RGi+1、传输栅信号TGi+1和选择栅信号SGi+1，第i+2行的复位栅信号RGi+2、传输栅信号TGi+2和选择栅信号SGi+2。
在这种情况下，由于CMOS图像传感器采用移位寄存器选择各行并且然后激活单位像素，所以采用图5所示的时序图。
图5为当传统图像传感器在各自单位像素处输出各自像素数据时的时序图。
参照图5，CMOS图像传感器采用选择栅信号SG1选择第一行，采用复位栅信号RG1执行复位，然后在复位之后测量浮置扩散区域的电压(复位值)。之后，CMOS图像传感器允许累积在光电二极管中的电荷通过传输栅信号TG1被传输到浮置扩散区域并且然后再次测量浮置扩散区域的电压(像素数据)。之后，CMOS图像传感器采用选择栅信号SG2选择第二行并重复上述过程。
在上述输出图像数据的方法中，当存在n(这里n为自然数)行时，第一行接收光的时间点和第n行接收光的时间点不同。在这种情况下，当CMOS传感器拍摄图像时，存在移动图像可能失真的问题。
发明内容
技术问题
本发明已经考虑到现有技术中发生的以上问题，并且本发明的目的在于提供一种防止图像失真的CMOS图像传感器。
技术方案
为了实现以上目的，本发明提供一种CMOS图像传感器，包括二维像素矩阵，其由单位像素构成并且各单位像素具有光电二极管和晶体管；行解码器，位于像素矩阵的一端以分配行地址；以及列解码器，位于垂直于行解码器的像素矩阵的另一端以向由行解码器选择的行中的相应像素分配列地址，其中所述行解码器包括多个行解码单元，各行解码单元包括地址信号输入线、传输信号输入线、选择信号输入线、复位信号输入线；复位栅信号输出单元，用于输出响应于复位信号和地址信号而产生的复位栅信号，其中复位信号通过复位信号输入线输入而地址信号通过地址信号输入线输入；选择栅信号输出单元，用于输出响应于选择信号和地址信号而产生的选择栅信号，其中选择信号通过选择信号输入线输入而地址信号通过地址信号输入线输入；以及传输信号输出线，用于输出传输信号，其通过传输信号输入线输入。
所述单位像素的晶体管为用于响应复位栅信号而复位光电二极管电势的复位晶体管(Rx)，用于响应传输信号而将充入到光电二极管的电子传输到浮置扩散区域的传输晶体管(Tx)，用于通过根据浮置扩散区域的电极电压变化而改变源跟随器电路的电流从而改变各单位像素输出电压的驱动晶体管(Dx)，以及用于响应选择栅信号而将根据浮置扩散区域的电压变化产生的各单位像素的输出电压作为模拟信号电压输出的选择晶体管(Sx)。
此外，该CMOS图像传感器允许所有单位像素的传输晶体管由传输信号导通，采用选择栅信号选择一行，然后逐行测量基于在各单位像素中累积的电荷量的电压电平，并且采用复位栅信号逐行复位单位像素，然后在复位之后测量电压电平。
此外，该CMOS图像传感器还包括相关双采用(CDS)单元，用于采用基于累积的电荷量的电压电平与复位之后的电压电平之间的差值而测量实际图像数据信号。
此外，该CMOS图像传感器还包括减少率测量单元，用于根据行解码器的工作而测量从图像传感器顺序输出的第1至第n(这里n为自然数)行数据的输出之间的减少率。
此外，该CMOS图像传感器还包括增益补偿单元，用于基于减少率测量单元测量的减少率而顺序向第1至第n行的输出加上预先确定的增益量。有益效果
根据本发明的CMOS图像传感器对所有像素实现了相同的结合时间点，从而防止了图像失真。
附图说明
图1是传统CMOS图像传感器的方框图；
图2是具有4-T(4晶体管)结构的单位像素的电路图；
图3是单位像素的工作时序图；
图4是传统行解码器的通用电路图；
图5是当传统图像传感器在各自单位像素处输出各自像素数据时的时序图；
图6是根据本发明优选实施方式的行解码器的通用电路图；
图7是根据本发明优选实施方式的CMOS图像传感器的时序图；
图8是当传统图像传感器在各自单位像素处输出各自像素数据的另一时序图；以及
图9是根据行数据之间测量时间的差表示测量值的减少率的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明的优选实施方式进行详细说明。
图6是根据本发明优选实施方式的行解码器的通用电路图。参照图6，根据本发明的CMOS图像传感器允许传输栅信号TGi、TGi+1、TGi+2同时导通。这种情况下，在所有单位像素接收光和产生电子的结合时间点相同，从而即使在显示快速移动的图像时也不会发生图像失真。其具体方法将参照根据本发明优选实施方式的图7的CMOS图像传感器的时序图进行详细说明。
参照图7，根据本发明优选实施方式的CMOS图像传感器允许传输栅信号TG同时导通并且然后使用选择栅信号(第i行SG)选择第i行。之后，CMOS图像传感器根据累积在第i行的单位像素中的电荷量而顺序测量电压电平(第j像素数据、(j+1)像素数据和(j+2)像素数据)，并在采用复位栅信号(第i行RG)复位第i行之后顺序测量各自单位像素的电压电平(第i复位值、(i+1)复位值和(i+2)复位值)。电压电平在复位之后测量的原因在于实际图像数据可以在扩散到浮置区域之后并且电压电平在复位之后采用电压电平之间的差进行测量，即，需要经历CDS过程。
之后，CMOS图像传感器采用选择栅信号(第(i+1)行SG)选择第(i+1)行并重复上述过程。
因此，即使为所有像素实现相同的结合时间点，CMOS图像传感器也可以为各行测量各自像素的电势电平。即，按照惯例，传输晶体管Tx通过传输栅信号TG为各行导通，从而各行的结合时间点有差别。然而，在本发明中，所有传输晶体管Tx通过传输栅信号TG同时导通，因此各行不会产生结合时间点的差别，并且因此可以防止图像失真。
参照图8和图9，以下说明本发明的另一实施方式。图8是当传统图像传感器在各自单位像素处输出各自像素数据时的另一时序图，而图9是根据传统行数据之间测量时间的差表示测量值的减少率的示意图。
参照图8，根据本发明的CMOS图像传感器基于顺序从传统图像传感器输出的行数据之间测量时间的差而测量测量值的减少率，并且根据测量的减少率而向各行增加适当的增益量，从而防止图像的失真。即，传统CMOS图像传感器首先采用与帧同步信号和传输栅信号TG同步的第一选择栅信号(第1行SG)选择第一行，允许将已经在光电二极管中累积的电荷通过传输栅信号传输到浮置扩散区域，并且然后测量浮置扩散区域的电压(像素数据)。之后，CMOS图像传感器采用第一选择栅信号(第1行SG)执行复位，并测量浮置扩散区域中的第一电压(第1复位值)。之后，CMOS图像传感器采用第二选择栅信号(第2行SG)选择第二行，并然后重复上述过程。最后，传统CMOS图像传感器采用第n选择栅信号(第n行SG)选择第n行，并然后重复上述过程。在该输出图像数据的传统方法中，当存在n行时，传输栅信号TG同时导通，并且驱动各自行的像素的栅信号从第一行至第n行顺序工作。因此，在测量第一行像素数据的时间T1与测量第n行像素数据的时间T2之间发生一定的时间差，并且测量的时间差使各自行的像素数据之间产生细微的差别，因此导致图像质量不均衡。
然而，如图9所示，根据本发明的CMOS图像传感器测量从图像传感器同时输出的第1行至第n(这里n为自然数)行数据之间的减少率“a”，并且顺序向第1至第n行的输出加上基于测量的减少率‘a’而预先确定的增益量，从而消除图像质量的不均衡。例如，可以以在图像传感器的后端安装背端集成电路(IC)的方式获得减少率、确定图像质量不均衡的程度并获得相对于该不平衡的减少率。能够补偿该减少率的合适增益量可以通过实验确定或通过图像传感器中的内部计算自动确定。将确定的增益量通过图像传感器的内部自动增益控制器(AGC)和模数转换器(ADC)顺序加到第1行至第n行的输出，因此其可以没有变化的影响图像。
因此，可以消除由于各自行数据之间测量时间的差而产生的传统图像质量不均衡，并且还可以消除图像失真。
虽然已经参照附图以优选实施方式为重点说明了本发明，但是熟悉本领域的技术人员可以理解，在不脱离如所附权利要求书所公开的本发明的范围和精神的情况下，其各种修改、增加和替换是可能的。

Claims (6)

1、一种互补金属氧化物半导体图像传感器，包括：二维像素矩阵，其由单位像素构成，各单位像素具有光电二极管和晶体管；行解码器，位于像素矩阵的一端以分配行地址；以及列解码器，其位于像素矩阵的另一端并垂直于行解码器以为由所述行解码器选择的行中的相应像素分配列地址，其中所述行解码器包括多个行解码单元，各行解码单元包括：
地址信号输入线；
传输信号输入线；
选择信号输入线；
复位信号输入线；
复位栅信号输出单元，用于输出响应于复位信号和地址信号而产生的复位栅信号，其中复位信号通过复位信号输入线输入，并且地址信号通过地址信号输入线输入；
选择栅信号输出单元，用于输出响应于选择信号和地址信号而产生的选择栅信号，其中选择信号通过选择信号输入线输入，并且地址信号通过地址信号输入线输入；以及
传输信号输出线，用于输出传输信号，其通过传输信号输入线输入。
2、根据权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，所述单位像素的晶体管为复位晶体管(Rx)、传输晶体管(Tx)、驱动晶体管(Dx)和选择晶体管(Sx)，其中复位晶体管用于响应于复位栅信号而复位光电二极管的电势，传输晶体管用于响应于传输信号而将充入在光电二极管的电子传输到浮置扩散区域，驱动晶体管用于根据浮置扩散区域的电极电压的变化，通过改变源跟随器电路的电流而改变各单位像素的输出电压，并且选择晶体管用于响应于所述选择栅信号而将根据浮置扩散区域的电压变化产生的单位像素的输出电压作为模拟信号电压输出。
3、根据权利要求2所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，所述互补金属氧化物半导体图像传感器允许所有单位像素的传输晶体管由传输信号导通，采用选择栅信号选择一行，并且然后逐行测量基于在各自单位像素中累积的电荷量的电压电平，采用复位栅信号逐行复位单位像素，然后在复位之后测量电压电平。
4、根据权利要3所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，还包括相关双采样(CDS)单元，用于采用基于累积的电荷量的电压电平与复位之后的电压电平之间的差值而测量实际图像数据信号。
5、根据权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，还包括减少率测量单元，用于根据所述行解码器的工作而测量从图像传感器顺序输出的第1至第n(其中n为自然数)行数据的输出之间的减少率。
6、根据权利要求5所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，还包括增益补偿单元，用于基于减少率测量单元测量的减少率而顺序向从第1至第n行的输出加上预先确定的增益量。
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