FR2803158A1 - Capteur d'image cmos destine a offrir une plage dynamique plus etendue - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un capteur d'image CMOS, comprenant un moyen de détection de lumière (210) pour détecter une lumière incidente afin de générer des charges photoélectriques destinées à un noeud de détection (NS2); un premier moyen de commutation (MR2) pour transférer un niveau de tension de remise à l'état initial au moyen de détection de lumière; un moyen d'amplification (MD2) pour amplifier un niveau de tension du noeud de détection afin de délivrer en sortie un signal amplifié; un second moyen de commutation (MS2) pour délivrer en sortie le signal amplifié sous la forme d'une donnée d'image par l'intermédiaire d'un noeud de sortie (NO2); et un moyen de commande (220) pour agir sur une résistance de sortie du noeud de sortie.
Description
La présente invention concerne un dispositif à semi-conducteur et, plus
particulièrement, un capteur d'image CMOS destiné à offrir une plage dynamique plus étendue à un niveau de tension d'alimentation faible, pour ainsi permettre d'obtenir une grande qualité d'image. Comme cela est bien connu, un capteur d'image est un appareil destiné à détecter un faisceau de lumière réfléchi à partir d'un objet pour générer une donnée d'image. En particulier, un capteur d'image fabriqué à l'aide de la technologie des circuits intégrés à transistors métal-oxyde-semi-conducteur complémentaires
est appelé un capteur d'image CMOS.
D'une manière générale, le capteur d'image CMOS comprend plusieurs pixels élémentaires. Chaque pixel élémentaire comprend un élément de détection de lumière et plusieurs transistors. L'élément de détection de lumière, tel qu'une photodiode, détecte un faisceau de lumière incident pour générer des charges photoélectriques correspondant à une intensité du faisceau de lumière incident. Les transistors exécutent des opérations de commutation pour commander un
transfert des charges photoélectriques.
Actuellement, pour obtenir une grande qualité d'image, il faut un niveau de tension d'alimentation élevé. En général, le capteur d'image CMOS utilise une tension d'alimentation d'environ 5 V. Cependant, étant donné que le degré d'intégration à l'intérieur du capteur d'image CMOS devient de plus en plus important, le niveau de tension d'alimentation appliqué à celui-ci diminue. La figure 1 est un schéma de circuit montrant un
capteur d'image CMOS conventionnel.
En référence à la figure 1, le capteur d'image CMOS conventionnel comprend un pixel élémentaire 10, pixel élémentaire 10 qui comprend une photodiode 12 et quatre transistors. Les quatre transistors comprennent un transistor de transfert MT, un transistor de remise à l'état initial MR, un transistor d'attaque MD et un transistor de sélection MS. De plus, le capteur d'image CMOS comprend un transistor de charge ML relié au pixel
élémentaire 10.
La photodiode 12 détecte une lumière incidente pour générer des charges photoélectriques. Le transistor de transfert MT monté entre la photodiode 12 et un noeud de détection NS transfère les charges photoélectriques au noeud de détection NS. Le transistor de remise à l'état initial MR qui est monté entre une borne d'alimentation VDD et le noeud de détection NS transfère un niveau de tension de remise à l'état initial provenant d'une source de tension à la photodiode 12 et au transistor
d'attaque MD.
Le transistor d'attaque MD dont le drain est relié à la borne d'alimentation VDD amplifie un niveau de tension du noeud de détection NS pour fournir en sortie un signal amplifié. Le transistor de sélection MS monté entre le transistor d'attaque MD et un noeud de sortie NO exécute une opération de commutation pour délivrer en sortie le signal amplifié sous la forme d'une donnée
d'image par l'intermédiaire du noeud de sortie NO.
Le transistor de charge ML monté entre le noeud de sortie NO et une borne de masse GND commande un courant qui circule à travers le neud de sortie NO du pixel
élémentaire 10.
Dans ces conditions, le pixel élémentaire 10 conventionnel a une plage dynamique d'environ 1,5 V lorsque le niveau de tension d'alimentation est de 5 V. Si le niveau de tension d'alimentation est réduit, les charges photoélectriques accumulées dans la photodiode 12 sont elles aussi réduites et la plage dynamique du capteur d'image CMOS se rétrécit, ce qui entraîne une dégradation de la qualité de l'image. On a donc besoin d'un pixel élémentaire capable d'assurer une plage dynamique plus étendue même à un niveau de tension
d'alimentation faible.
La présente invention a précisément pour but de proposer un capteur d'image CMOS destiné à offrir une plage dynamique plus étendue à un niveau de tension d'alimentation faible, pour ainsi permettre d'obtenir
une image de haute qualité.
Pour atteindre ce but et selon l'un des aspects de la présente invention, il est proposé un capteur d'image CMOS, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de détection de lumière pour détecter une lumière incidente afin de générer des charges photoélectriques destinées à un noeud de détection; un premier moyen de commutation monté entre une borne d'alimentation et le noeud de détection pour transférer un niveau de tension de remise à l'état initial provenant d'une source de tension au moyen de détection de lumière; un moyen d'amplification pour amplifier un niveau de tension du noeud de détection afin de délivrer en sortie un signal amplifié, l'une des bornes du moyen d'amplification étant reliée à une borne de masse; un second moyen de commutation monté entre un noeud de sortie et l'autre borne du moyen d'amplification pour délivrer en sortie le signal amplifié sous la forme d'une donnée d'image par l'intermédiaire du noeud de sortie; et un moyen de commande monté entre la borne d'alimentation et le noeud de sortie pour agir sur une résistance de sortie du
noeud de sortie.
Conformément à des caractéristiques particulières de la présente invention, le moyen de détection de lumière peut être une photodiode, et les premier et second moyens de commutation ainsi que le moyen d'amplification peuvent être des transistors MOS à canal N. Le moyen de commande peut comprendre un transistor MOS à canal P monté entre la borne d'alimentation et le
neud de sortie.
Le moyen de commande peut également comprendre un transistor MOS à canal P monté en diode en parallèle avec le transistor MOS à canal P mentionné précédemment. De préférence, le capteur d'image CMOS de l'invention comprend un troisième moyen de commutation monté entre le moyen de détection de lumière et le noeud de détection pour transférer les charges
photoélectriques au noeud de détection.
Conformément à une caractéristique supplémentaire de l'invention, le troisième moyen de commutation est un transistor MOS à canal N. Ce qui précède, ainsi que d'autres buts, caractéristiques et avantages de la présente invention
ressortira plus clairement de la description détaillée
suivante de modes de réalisation préférés donnée à titre d'exemple nullement limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est un schéma de circuit d'un capteur d'image CMOS conventionnel; la figure 2 est un schéma de circuit d'un capteur d'image CMOS selon un premier mode de réalisation de la présente invention; et la figure 3 est un schéma de circuit d'un capteur d'image CMOS selon un second mode de réalisation de la
présente invention.
En référence à la figure 2, le capteur d'image CMOS selon le premier mode de réalisation préféré de l'invention comprend un pixel élémentaire 200 et une unité de commande 220. Le pixel élémentaire 200 comprend une photodiode 210 servant d'élément de détection de lumière et quatre transistors MOS à canal N servant d'éléments de commutation. Les quatre transistors MOS à canal N comprennent un transistor de transfert MT2, un transistor de remise à l'état initial MR2, un transistor d'attaque MD2 et un transistor de
sélection MS2.
La photodiode 210 détecte une lumière incidente pour générer des charges photoélectriques. Le transistor de transfert MT2 monté entre la photodiode 210 et un noeud de détection NS2 transfère les charges photoélectriques au noeud de détection NS2. Le transistor de remise à l'état initial MR2 qui est monté entre une borne d'alimentation VDD et le noeud de détection NS2 transfère un niveau de tension de remise à l'état initial provenant d'une source de tension à la
photodiode 210 et au transistor d'attaque MD2.
Le transistor d'attaque MD2 dont la source est reliée à une borne de masse GND amplifie un niveau de tension du noeud de détection NS2 pour fournir en sortie un signal amplifié. Le transistor de sélection MS2 qui est monté entre un noeud de sortie NO2 et un drain du transistor d'attaque MD2 exécute une opération de commutation pour délivrer en sortie le signal amplifié sous la forme d'une donnée d'image par l'intermédiaire
du noeud de sortie NO2.
L'unité de commande 220 comprend un transistor MOS à canal P P20 monté entre la borne d'alimentation VDD et le noeud de sortie NO2. Ce transistor MOS à canal P P20 est sensible à une tension de polarisation Vb. De préférence, l'unité de commande 220 comprend, en outre, un transistor MOS à canal P P21 monté en diode en parallèle avec le transistor MOS à canal P P20. Le transistor MOS à canal P P21 monté en diode agit sur une résistance de sortie du noeud de sortie NO2 pour ainsi réduire au minimum un courant circulant à travers
le noeud de sortie NO2.
En référence à la figure 3, le capteur d'image CMOS selon le second mode de réalisation préféré de la présente invention comprend un pixel élémentaire 300 et une unité de commande 320. Comparativement au pixel élémentaire 200 représenté sur la figure 2, la seule différence réside en ce que le pixel élémentaire 300 comprend trois transistors MOS à canal N, c'est-à-dire un transistor de remise à l'état initial MR3, un transistor d'attaque MD3 et un transistor de
sélection MS3.
Actuellement, le transistor d'attaque MD contenu dans le pixel élémentaire 10 conventionnel remplit une fonction de transfert de signal plutôt qu'une fonction d'amplification de signal. En revanche, les transistors d'attaque MD2 et MD3 contenus dans le capteur d'image CMOS selon la présente invention exécutent une fonction d'amplification de signal ainsi qu'une fonction de transfert de signal, ce qui permet d'obtenir une plage dynamique plus large. De plus, étant donné que les unités de commande 220 et 230 agissent respectivement sur les résistances de sortie des noeuds de sortie NO2 et NO3, le capteur d'image CMOS de l'invention peut
fonctionner de manière stable.
Bien que la description précédente ait porté sur
des modes de réalisation préférés de la présente invention, celle-ci n'est bien entendu pas limitée aux exemples particuliers décrits et illustrés ici et l'homme de l'art comprendra aisément qu'il est possible d'y apporter de nombreuses variantes et modifications
sans pour autant sortir du cadre de l'invention.
Claims (13)
1. Capteur d'image CMOS, caractérisé en ce qu'il comprend: un moyen de détection de lumière (210; 310) pour détecter une lumière incidente afin de générer des charges photoélectriques destinées à un noeud de détection (NS2; NS3); un premier moyen de commutation (MR2; MR3) monté entre une borne d'alimentation (VDD) et le noeud de détection (NS2; NS3) pour transférer un niveau de tension de remise à l'état initial provenant d'une source de tension au moyen de détection de lumière
(210; 310);
un moyen d'amplification (MD2; MD3) pour amplifier un niveau de tension du noeud de détection (NS2; NS3) afin de délivrer en sortie un signal amplifié, l'une des bornes du moyen d'amplification étant reliée à une borne de masse (GND); un second moyen de commutation (MS2; MS3) monté entre un noeud de sortie (NO2; NO3) et l'autre borne du moyen d'amplification (MD2; MD3) pour délivrer en sortie le signal amplifié sous la forme d'une donnée d'image par l'intermédiaire du noeud de sortie; et un moyen de commande (220; 320) monté entre la borne d'alimentation (VDD) et le noeud de sortie (NO2; NO3) pour agir sur une résistance de sortie du noeud de sortie.
2. Capteur d'image selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de détection de lumière
(210; 310) est une photodiode.
3. Capteur d'image selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier moyen de commutation (MR2; MR3) et le second moyen de commutation (MS2; MS3) sont des transistors MOS à canal N.
4. Capteur d'image selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moyen d'amplification (MD2; MD3) est un transistor MOS à canal N.
5. Capteur d'image selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de commande (220; 320) comprend un transistor MOS à canal P (P20; P30) monté entre la borne d'alimentation (VDD) et le noeud de
sortie (NO2; NO3).
6. Capteur d'image selon la revendication 5, caractérisé en ce que le moyen de commande (220; 320) comprend également un transistor MOS à canal P (P21; P31) monté en diode en parallèle avec le transistor MOS
à canal P (P20; P30).
7. Capteur d'image selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un troisième moyen de commutation (MT2) monté entre le moyen de détection de lumière (210) et le neud de détection (NS2) pour transférer les charges photoélectriques au
neud de détection.
8. Capteur d'image selon la revendication 7, caractérisé en ce que le troisième moyen de commutation (MT2) est un transistor MOS à canal N.
9. Capteur d'image selon la revendication 8, caractérisé en ce que le moyen de détection de lumière
(210) est une photodiode.
10. Capteur d'image selon la revendication 9, caractérisé en ce que les premier et second moyens de commutation (MR2, MS2) sont des transistors MOS à canal N.
11. Capteur d'image selon la revendication 10, caractérisé en ce que le moyen d'amplification (MD2) est un transistor MOS à canal N.
12. Capteur d'image selon la revendication 11, caractérisé en ce que le moyen de commande (220) comprend un transistor MOS à canal P (P20) monté entre la borne d'alimentation (VDD) et le noeud de
sortie (NO2).
13. Capteur d'image selon la revendication 12, caractérisé en ce que le moyen de commande (220) comprend également un transistor MOS à canal P (P21) monté en diode en parallèle avec le transistor MOS à
canal P (P20).
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