用于CMOS图像传感器的有源像素摆幅扩展系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了用于CMOS图像传感器的有源像素摆幅扩展方法，解决有源像素单元在电信号输出过程中由于阈值损失等原因引起的摆幅受限问题，其特征在于，通过开关切换采样保持电容的下极板方法，使得在像素单元采样时，采样保持电容的下极板连接到地电平或低电压上,在像素单元输出时,采样保持电容的下极板连接到电源电平或高电压上,实现列线上对光电信号的摆幅提升。为确保此方法对像素单元填充因子的影响，开关切换与高低电压的实现均在有源像素单元面阵外实现。本发明专利技术提出基于面阵外电压可编程自举的摆幅提升机制，为大面阵大满阱有源像素CMOS图像传感器提供了解决方案，保证了有源像素电路对满阱电荷的完全响应，提升了CMOS图像传感器的满阱能力和动态范围。

Active pixel swing extension system and method for CMOS image sensor

【技术实现步骤摘要】
用于CMOS图像传感器的有源像素摆幅扩展系统及方法
本专利技术属于半导体集成电路
，具体涉及图像传感器、阵列数据读取、高速高精度光电转换前端采集系统，本专利技术还涉及用于CMOS图像传感器的有源像素摆幅扩展方法。
技术介绍
在高速摄影、自动化和工业应用中，由于拍摄快速运动目标的要求，通常采用全局曝光功能的CMOS图像传感器。在低轨航天应用中，因物体在焦平面移动速度较快，若成像采用卷帘曝光型器件，则会产生图像的“运动失真”。类似地，在高轨道应用中，因平台稳定度问题也会造成“运动失真”现象。因而当前航天型号对全局曝光型CMOS图像传感器件需求强烈。可见，全局曝光对于该类型应用具有明显的优势。但是，因像素单元内部集成有存储单元，有效感光面积受到压缩，降低了全局曝光型器件的量子效率和灵敏度，需要通过微透镜工艺、背照式工艺等，提高其在空间等低照度环境下的成像质量，但是这些解决方案都需要引入新的工艺，或是增加工艺成本。高性能全局曝光型CMOS图像传感器研究基础是可以实现同时复位与积分的像素单元，在这一方面目前研究的成果主要有：(1)在4T像素结构基础上增加一个复位晶体管从而实现全局曝光功能的5T像元结构，但是在该结构中，将FD节点作为全局快门的模拟存储点，会引入大的复位噪声，这样很难实现低噪声性能指标，同时，该结构无法实现“真”相关双采样技术，对像素级固定图像噪声无法消除；(2)另采用在3T像素基础上内部增加电荷放大器和采样保持电路形成6T结构，由于FD节点寄生电容相对减小，从而能够减小复位噪声和提高灵敏度，但会增加像素面积；(3)第三种是基于CCD技术的7T像素单元结构，光激发的图像信号电荷通过传输门，存储门和控制门转移到浮置扩散节点FD，通过增加存储门和控制门，该像素就能有一个存储节点来对图像信号电荷进行存储，7T像素单元的优点在于两次信号采样在同一个复位电平积分周期执行，因此，复位信号和图像信号携带的kTC噪声是相关的，相关噪声可通过CDS被抵消，缺点在于功耗较大，结构复杂，工艺与主流硅工艺并不兼容。(4)在4TAPS像素单元的基础上，增加两个存储节点，形成8T双电容全局像元电路结构，由于复位电平和信号电平是在同一个周期内存储的，读出阶段能够通过相关双采样大大减小输出信号的噪声水平。8T像元结构不仅实现了传统4T像元结构的“真”相关双采样，同时满足了全局曝光像元技术的要求，是近期较为成熟与推广的全局曝光型像元结构，但是该结构在光电转换过程中，存在两级源极跟随器，这使得电压输出摆幅受到严重限制，这一关键问题，使得当前较为理想的8T全局曝光型像元技术难于跟上系统需求。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供用于CMOS图像传感器的有源像素摆幅扩展方法，解决了现有技术中存在的CMOS图像传感器8T结构在读出过程中出现的摆幅衰减的问题。本专利技术所采用的技术方案是，用于CMOS图像传感器的有源像素摆幅扩展系统，包括感光器件，感光器件的一端接地，另一端依次连接有电荷转移器件、复位器件，用于实现对感光器件的复位，电荷转移器件与复位器件相连的公共端连接有采样缓冲器的输入端，采样缓冲器的输出端通过电容实现保持的功能，电容的另外一端与选通模块相连，选通模块的两个输入端分别为外部信号A与外部信号B，选通模块的输出端连接到像素单元内部，选通模块与外部信号A以及外部信号B均在像素单元阵列外，且外部信号A为低电平，外部信号B为高电平。感光器件为光电二极管，有源像素单元通过光电二极管将光子转换为电子，电子经过电荷转移器件后在采样源极跟随器件的输入端转换为电压信号，且所述电压信号的幅值与光子输入成正比关系。通选模块的采样相位使用相关双采样模式。电荷转移器件为NMOS管，复位器件为NMOS管，采样缓冲器由NMOS管160与NMOS管组成，采样开关为NMOS管与NMOS管,储能元件为电容A与电容B，其中电容A用于保持复位电压，电容B用于保持图像信号电压。电容A与电容B的下极板接到像素单元阵列的外部，通过开关与外部信号相连，输出缓冲器由依次连接的源极跟随器、行选管以及尾电流组成，尾电流的列线为最终像素单元的输出信号。用于CMOS图像传感器的有源像素摆幅扩展方法，该拓展方法采用用于CMOS图像传感器的有源像素摆幅扩展系统，包括感光器件，感光器件的一端接地，另一端依次连接有电荷转移器件、复位器件，用于实现对感光器件的复位，电荷转移器件与复位器件相连的公共端连接有采样缓冲器的输入端，采样缓冲器的输出端通过电容实现保持的功能，电容的另外一端与选通模块相连，选通模块的两个输入端分别为外部信号A与外部信号B，选通模块的输出端连接到像素单元内部，选通模块与外部信号A以及外部信号B均在像素单元阵列外，且外部信号A为低电平，外部信号B为高电平，所述感光器件为光电二极管，有源像素单元通过光电二极管将光子转换为电子，电子经过电荷转移器件后在采样源极跟随器件的输入端转换为电压信号，且所述电压信号的幅值与光子输入成正比关系；通选模块的采样相位使用相关双采样模式，电荷转移器件为NMOS管，复位器件为NMOS管，采样缓冲器由NMOS管160与NMOS管组成，采样开关为NMOS管与NMOS管,储能元件为电容A与电容B，其中电容A用于保持复位电压，电容B用于保持图像信号电压。电容A与电容B的下极板接到像素单元阵列的外部，通过开关与外部信号相连，输出缓冲器由依次连接的源极跟随器、行选管以及尾电流组成，尾电流的列线为最终像素单元的输出信号；具体按照如下步骤实施：步骤1：CMOS图像传感器曝光结束后，将像素单元导入采样相位，外部信号采样相位开关管控制信号为高，使得保持电容下极板接到外部信号；步骤2：采样复位电压，将复位器件断开，当采样缓冲器栅极控制电压由高电平跳变至低电平时，采样缓冲器断开，则复位电压被保存在电容上，此时电容A的上极板为复位电压，下极板为外部信号的低电平电压，将复位电压进行保存；步骤3：采样完复位电压后，开始采集图像信号电压，电荷转移器件的栅极控制电压由低跳变到高电平，从而使得光电二极管收集的电子转移到采样缓冲器的栅极，当电荷完全转移后，电荷转移器件断开，同时采样开关断开，此时保持电容B的上极板310的电压保存为图像信号电压，将图像信号电压进行保存；步骤4：采样完图像信号电压后，像素单元进入读出相位，将外部信号设置为与实际电路相匹配的高电平，保持电容两端的电压差保持不变，实现源极跟随器输出电压的提升，实现输出电压摆幅的提升；步骤5：在读出相位，后续的读出电路可以对复位电压进行处理。当NMOS管导通后，保持电容B的上极板与源极跟随器相连，此时阵列输出列总线250上将输出图像信号电压，后续的读出电路可以对图像信号电压进行处理,至此，完成了复位电压与图像电压的输出，且实现了对其输出摆幅的提升。有源像素单元在采样的过程中，储能元件的下极板通过面阵外部的选通模块接至低电平。有源像素单元在读出的过程中，储能元件的下极板通过面阵外部的选通模块接至高电平。本专利技术的有益效果是本专利技术通过在像素单元阵列外部配置储能电容的下极板电压，实现对输出电压摆幅的提升，对于阵列内部的像素单元而言，没有增加任何的硬件消耗，因此不会影响像素单元的填充因子与量子效率，但由于摆幅的增大，为大满阱与高灵敏提供了本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于CMOS图像传感器的有源像素摆幅扩展系统，其特征在于，包括感光器件(10)，感光器件(10)的一端接地，另一端依次连接有电荷转移器件(20)、复位器件(30)，用于实现对感光器件(10)的复位，电荷转移器件(20)与复位器件(30)相连的公共端连接有采样缓冲器(40)的输入端，采样缓冲器(40)的输出端通过储能元件(50)实现保持的功能，储能元件(50)的另外一端与选通模块(60)相连，选通模块(60)的两个输入端分别为外部信号A(90)与外部信号B(100)，选通模块(60)的输出端连接到像素单元内部，选通模块(60)与外部信号A(90)以及外部信号B(100)均在像素单元阵列外，且外部信号A(90)为低电平，外部信号B(100)为高电平。

【技术特征摘要】
1.用于CMOS图像传感器的有源像素摆幅扩展系统，其特征在于，包括感光器件(10)，感光器件(10)的一端接地，另一端依次连接有电荷转移器件(20)、复位器件(30)，用于实现对感光器件(10)的复位，电荷转移器件(20)与复位器件(30)相连的公共端连接有采样缓冲器(40)的输入端，采样缓冲器(40)的输出端通过储能元件(50)实现保持的功能，储能元件(50)的另外一端与选通模块(60)相连，选通模块(60)的两个输入端分别为外部信号A(90)与外部信号B(100)，选通模块(60)的输出端连接到像素单元内部，选通模块(60)与外部信号A(90)以及外部信号B(100)均在像素单元阵列外，且外部信号A(90)为低电平，外部信号B(100)为高电平。2.如权利要求1所述用于CMOS图像传感器的有源像素摆幅扩展系统，其特征在于，所述感光器件(10)为光电二极管，有源像素单元通过光电二极管将光子转换为电子，电子经过电荷转移器件后在采样源极跟随器件的输入端转换为电压信号，且所述电压信号的幅值与光子输入成正比关系。3.如权利要求1所述用于CMOS图像传感器的有源像素摆幅扩展系统，其特征在于，所述通选模块(60)的采样相位使用相关双采样模式。4.如权利要求1所述用于CMOS图像传感器的有源像素摆幅扩展系统，其特征在于，所述电荷转移器件(20)为NMOS管，复位器件为NMOS管，采样缓冲器由NMOS管160与NMOS管组成，采样开关为NMOS管与NMOS管,所述储能元件为电容A与电容B，其中电容A用于保持复位电压，电容B用于保持图像信号电压。电容A与电容B的下极板接到像素单元阵列的外部，通过开关与外部信号相连，输出缓冲器由依次连接的源极跟随器、行选管以及尾电流组成，尾电流的列线为最终像素单元的输出信号。5.用于CMOS图像传感器的有源像素摆幅扩展方法，其特征在于，该拓展方法采用用于CMOS图像传感器的有源像素摆幅扩展系统，包括包括感光器件(10)，感光器件(10)的一端接地，另一端依次连接有电荷转移器件(20)、复位器件(30)，用于实现对感光器件(10)的复位，电荷转移器件(20)与复位器件(30)相连的公共端连接有采样缓冲器(40)的输入端，采样缓冲器(40)的输出端通过电容(50)实现保持的功能，电容(50)的另外一端与选通模块(60)相连，选通模块(60)的两个输入端分别为外部信号A(90)与外部信号B(100)，选通模块(60)的输出端连接到像素单元内部，选通模块(60)与外部信号A(90)以及外部信号B(100)均在像素单元阵列...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭仲杰，余宁梅，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61