CN105681692B - Cmos图像传感器及其复位噪声评估方法 - Google Patents
Cmos图像传感器及其复位噪声评估方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105681692B CN105681692B CN201610019409.7A CN201610019409A CN105681692B CN 105681692 B CN105681692 B CN 105681692B CN 201610019409 A CN201610019409 A CN 201610019409A CN 105681692 B CN105681692 B CN 105681692B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- signal
- reset
- transistor
- sampling
- daylighting
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 32
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims abstract description 86
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 26
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 18
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims abstract description 6
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims description 12
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 9
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 6
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 6
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 6
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 23
- 101100191178 Arabidopsis thaliana PPD7 gene Proteins 0.000 description 7
- 101100041125 Arabidopsis thaliana RST1 gene Proteins 0.000 description 7
- 101100443250 Saccharomyces cerevisiae (strain ATCC 204508 / S288c) DIG1 gene Proteins 0.000 description 7
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 6
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 3
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 3
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 230000005622 photoelectricity Effects 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 3
- 101100191174 Arabidopsis thaliana PPD3 gene Proteins 0.000 description 2
- 208000023951 Polydactyly of an index finger Diseases 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 101100191175 Arabidopsis thaliana PPD4 gene Proteins 0.000 description 1
- 208000033873 Polysyndactyly Diseases 0.000 description 1
- 101100443251 Saccharomyces cerevisiae (strain ATCC 204508 / S288c) DIG2 gene Proteins 0.000 description 1
- 101100041128 Schizosaccharomyces pombe (strain 972 / ATCC 24843) rst2 gene Proteins 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 239000008186 active pharmaceutical agent Substances 0.000 description 1
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 206010016256 fatigue Diseases 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 210000004209 hair Anatomy 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 208000023949 polysyndactyly 4 Diseases 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
- H04N25/65—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise applied to reset noise, e.g. KTC noise related to CMOS structures by techniques other than CDS
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
- H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
- H04N25/77—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Abstract
本发明提供的CMOS图像传感器及其复位噪声评估方法，CMOS图像传感器包括像元电路、差分电路、模数转换电路和存储器，其中，像元电路包括光电二极管、复位晶体管、传输晶体管、存储电容、第一缓冲放大电路和第二缓冲放大电路，传输晶体管的输出端与第一缓冲放大电路的输入端连接于一节点，节点的节点电平信号经过第一缓冲放大电路放大后储存至存储电容，放大后节点电平信号经过第二缓冲放大电路输出至列输出线。本发明提出了一种复位噪声评估方法，即在采样采光信号前后的多个时间点，采样复位信号，分别得到双采样和相关双采样下的实际信号值，从而可以在时域和频域来评估复位噪声。本发明的CMOS图像传感器减少像元电路的复杂程度，增加传感器的规模。
Description
技术领域
本发明属于图像传感器领域，具体涉及一种用于全局快门和双采样的7T像元CMOS图像传感器及其复位噪声评估方法。
背景技术
图像传感器是将入射光信号转换成电信号的电子器件，图像传感器包括被称为像素的光传感元件的二维阵列，二维阵列中的每个像素都与透镜系统一起工作以对场景局部区域内的入射光做出响应，并产生描述该场景的局部特征的电信号。来自光传感元件的输出被转换成数字形式，并以数字形式存储，以形成表示该场景的原始数据。原始数据可以通过图像处理器的处理来产生最终呈现的数字图像。
图像传感器的设计包括电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体 (CMOS)图像传感器。 CCD图像传感器在现代设计中不是优选的，部分因为CCD典型地消耗较高水平的功率，并且要求相对复杂的模拟前端电路。CMOS图像传感器消耗较低水平的功率，并且具有提供数字输出像素值的内置模拟端数字转换器。因此，CMOS图像传感器越来越得到广泛的应用。
现有的CMOS图像传感器由CMOS数模电路和像素单元电路阵列构成，根据上述一个像素单元包括的晶体管数目，现有的像素内不带存储电容的CMOS图像传感器主要分为3T型结构，4T型结构和5T型结构。
参见图1，图1为一种现有技术中无存储电容和无传输晶体管的3T像元等效电路结构示意图，包括：一个光电二极管PPD1，用于在曝光时进行光电转换，将接收到的光信号转换成电信号，光电二极管PPD1包括P型区和N型区， P型区接地。
该图像传感器还包括一个复位晶体管RST1，用于在曝光前对光电二极管PPD1进行复位，复位由复位信号Vrst 信号进行控制。在图1中，复位晶体管RST1选用一个NMOS管，复位晶体管RST1的源极和光电二极管PPD1的N型区相连，复位晶体管RST1的源极同时也为一敏感电压节点FD1又称为浮空扩散区（Floating Diffusion，FD）；复位晶体管RST1的漏极接电源Vdd，电源Vdd为一正电源。当复位信号Vrst为高电平时，复位晶体管RST1导通并将光电二极管PPD1的N型区连接到电源Vdd，在电源Vdd 的作用下，使光电二极管PPD1反偏并会清除光电二极管PPD1的全部累积的电荷，实现复位。复位晶体管RST1也可以由多个NMOS管串联形成、或由多个NMOS管并联形成，也可以用PMOS 管代替NMOS管。
该图像传感器还包括一个放大晶体管DX1，用于将光电二极管PPD1产生的电信号进行放大。在图1中，放大晶体管DX1选用一个NMOS管，放大晶体管DX1的栅极接光电二极管PPD1的N型区，放大晶体管DX1的漏极接电源Vdd，放大晶体管DX1的源极为放大信号的输出端。放大晶体管DX1也可以由多个NMOS 管串联形成、或由多个NMOS管并联形成，也可以用PMOS管代替NMOS管。
该图像传感器还包括一个行选晶体管SX1，用于将放大晶体管DX1的源极输出的放大信号输出。在图1中，行选晶体管SX1选用一个NMOS 管，行选晶体管SX1的栅极接行选择信号VSEL，行选晶体管SX1的源极接放大晶体管的源极，行选晶体管SX1漏极为输出端。
图2所示的是一种现有技术中无存储电容和带传输晶体管的4T像元等效电路结构示意图。在3T型结构的像元电路具有复位晶体管RST2、放大晶体管DX2和行选晶体管SX2的基础上，现有4T型结构的CMOS图像传感器的像元电路增加了一个传输晶体管TX2。传输晶体管TX2隔离了光电二极管PPD2和放大晶体管DX2，当光电二极管PPD2复位和电荷转移时闭合,以减少噪声对敏感电压节点FD2的影响。
如图3所示的是一种现有技术中无存储电容和带传输晶体管以及带抗光晕晶体管的5T像元等效电路结构示意图。在4T型结构的像元电路具有复位晶体管RST3、放大晶体管DX3、传输晶体管TX3和行选晶体管SX3的基础上，现有5T型结构的CMOS图像传感器的像素单元电路增加了一个复位抗光晕晶体管RSTAB3。抗光晕复位晶体管RSTAB3的两端分别与电源正极和光电二极管PPD3负极连接，当光电二极管PPD3复位和电荷转移时闭合，以减少噪声对敏感电压节点FD3的影响。
为了实现全局快门和相关双采样等功能，在CMOS图像传感器的3T型结构的基础上，现有的像素内带存储电容的CMOS图像传感器分为6T型结构和9T型结构，其中，6T型结构的CMOS图像传感器的像素单元增加了单个存储电容和一极缓冲放大，9T型结构的CMOS图像传感器的像素单元增加了双存储电容和一极缓冲放大。
CMOS图像传感器包括在每个像素处的控制晶体管，控制晶体管用于控制光电检测器中的光积分、控制复位以及为像素提供缓冲放大。CMOS图像传感器可以支持滚动快门模式和/或全局快门模式。在滚动快门模式下，每一行像素都在比紧接前面行的像素更晚的时间开始曝光或光积分。因此，当场景中的物体正在移动时，滚动快门模式容易造成几何失真。在全局快门模式下，整个CMOS图像传感器中的所有像素同时开始和停止曝光或光积分，因此可以避免由于场景中的运动而引起的几何失真问题。
相关双采样（Correlated Double Sampling,CDS）是一种使用每个像素的复位电平以及附加了复位电平的采光信号来消除CMOS图像传感器像素响应中的噪声和非均匀性的方法。对于相关双采样而言，先采样“复位电平”，再采样“采光信号”，通过第一采样值（复位电平信号）减去第二采样值（采光信号）得到像素位置的实际像素值。
如图4所示的是一种现有技术中实现全局快门和相关双采样的6T像元等效电路结构示意图，它实现了全局快门和相关双采样。该图像传感器包括光电二极管PPD4、存储电容Cp4、复位晶体管RST4、低电平复位晶体管RSTGND4、第一放大晶体管DX41、采样晶体管SX41、第二放大晶体管DX42以及行选晶体管SX42。为了实现相关双采样，像元电路外还有全帧存储器来储存复位电平。
如图5所示的是一种现有技术中实现全局快门和相关双采样的9T像元等效电路结构示意图，它实现了全局快门和相关双采样。在6T型结构的像元电路具有存储电容Cp51、复位晶体管RST5、低电平复位晶体管RSTGND5、第一放大晶体管DX51、采样晶体管SX51、第二放大晶体管DX52以及行选晶体管SX52的基础上，现有9T型CMOS图像传感器的像元电路增加了存储电容Cp52、采样晶体管SX53、放大晶体管DX54以及行选晶体管SX54,并且9T像元电路没有使用全帧存储器。
由上可知，6T型结构的CMOS图像传感器的像元电路比较简单，但需要一个全帧存储器来存放复位电平，使用了较多的像元外芯片空间；9T型结构的CMOS图像传感器的像元电路使用了双存储电容和9个晶体管，使用了较多的像元内芯片空间。实际应用中需要结构紧凑的CMOS像元电路，以便给抗辐射硬度电路和控制信号容差电路等的设计预留更多的空间。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种结构简洁紧凑的CMOS图像传感器。
本发明的另一目的是提供一种CMOS图像传感器复位噪声评估方法。
为实现上述的主要目的，本发明提供的CMOS图像传感器，包括：像元电路、差分电路、模数转换电路以及存储器，像元电路采样采光以及复位电平信号并输出至差分电路，通过差分电路得到像素的实际信号值，并将实际信号值输出至模数转换电路，模数转换电路对实际信号值进行模数转换后输出数字信号至存储器；其中，在采样采光信号前后的多个时间点采样复位电平信号；像元电路包括光电二极管、传输晶体管、复位晶体管、存储电容、第一缓冲放大电路和第二缓冲放大电路；传输晶体管的输出端与第一缓冲放大电路的输入端连接于一节点，该节点的节点电平信号经过第一缓冲放大电路放大后储存在存储电容中，放大后的节点电平信号经过第二缓冲放大电路输出至列输出线。
由上述方案可见，本发明的像元电路的传输晶体管隔离了光电二极管和敏感电压节点，这样敏感电压节点复位和光电二极管采光积分可以同时进行，同时减少了全帧存储器，减少像元电路的复杂程度，占用了较少的像元空间，使得在有限面积的芯片上，可以增加CMOS传感器的规模。
一个优选的方案是，节点电平信号为采光信号或者复位电平信号。
由上可见，当传输晶体管闭合进行全局快门曝光时，敏感电压节点电平VFD反映了光照信号，此时敏感电压节点电平为采光信号，当复位晶体管复位时敏感电压节点复位，此时的敏感电压节点电平为复位电平。
一个优选的方案是，采光信号上附加了复位电平信号。
由上可见，与相关双采样类似，双采样是一种使用每个像素的复位电平以及附加了复位电平的采光信号来消除CMOS图像传感器像素响应中的噪声和非均匀性的方法。 “双采样”是先采光信号，再复位电平，这和“相关双采样”的先复位电平，再采光信号有所差别，两者通过复位电平减去采光信号得到产生像素位置的实际信号值也有所差异，该差异来自于采光信号前后复位电平的变化，也等效于复位电平的噪声。
一个优选的方案是，实际信号值为复位电平信号与采光信号的差值。
由上可见，不论双采样还是相关双采样，均是通过复位电平信号减去采光信号得到实际信号值。
一个优选的方案是，第一缓冲放大电路包括第一放大晶体管和采样晶体管，第一放大晶体管的源极及漏极中的一个与采样晶体管的源极及漏极中的一个连接。
由上可见，第一缓冲放大电路用于将敏感电压节点的电压信号放大输出。
一个优选的方案是，第二缓冲放大电路包括第二放大晶体管和行选晶体管，第二放大晶体管的源极及漏极中的一个与行选晶体管的源极及漏极中的一个连接。
由上可见，第二缓冲放大电路用于将存储电容节点的电压信号放大输出。
一个优选的方案是，像元电路还包括抗光晕复位晶体管，抗光晕复位晶体管的源极及漏极中的一个接电源端，另一个接光电二极管的阴极。
由上可见，光电二极管可以通过抗光晕复位晶体管或者复位晶体管进行复位。
为实现上述的另一目的，本发明提供的CMOS图像传感器复位噪声评估方法，依次包括，首先采样步骤，在采样采光信号前后的多个时间点采样复位电平信号的步骤；其次分析步骤，采样完复位电平信号后，分析复位电平在时域和频域的变化分布；最后评估步骤，通过相关双采样得到的第一实际信号值和通过双采样得到的第二实际信号值的差值为复位噪声，根据复位噪声的大小可以评估实际信号值的差异。
由上述方案可见，通过多点时域采样，在采光信号前后像素浮置扩散电压节点的电压信号，评估复位电平的噪声，从而估计实际信号值在“双采样”和“相关双采样”时的数值差异，也为抑制复位电平的噪声提供依据，通过评估复位电平的变化，可以定量地分析由于使用双采样方式带来的噪声影响。
一个优选的方案是，评估步骤包括在VDD馈电网络放置去耦电容的步骤。
由上可见，在复位晶体管附近的VDD供电网络处，适当地放置去耦电容，可以滤掉复位噪声的高频成分，这样可以减少复位电平的波动。
一个优选的方案是，评估步骤包括监控步骤，监控步骤包括监视像元电路的复位晶体管偏置电压的步骤以及稳定复位晶体管偏置电压的步骤。
由上可见，基于复位电平的差异分析，可以选择性地监视一些CMOS像元复位晶体管的偏置电压，并且通过稳定复位晶体管的偏置电压以使CMOS像元在采光信号时间前后的复位电平变化最小。
本发明的像元电路工作在双采样方式下，先采样采光信号，再采样复位电平，并且分别保持到差分电路的两个输入端，从而得到实际信号值；而类似的其它传感器，当工作在相关双采样方式下时，先采样复位电平，再采样采光信号；从而可以得到在不同工作模式下实际信号值的变化，上述的实际信号值的变化正好为复位电平的波动，即复位噪声；本发明提出了一种复位噪声的评估方法，即在采样采光信号前后的多个时间点，采样复位信号，从而可以在时域和频域来评估复位噪声。注意评估噪声时，CMOS图像传感器工作在评估方式，此时既不是双采样方式，也不是相关双采样方式。为了方便起见，以下“实际信号值”，在双采样工作方式下得到的为“第二实际信号值”，而在相关双采样方式时下得到的为“第一实际信号值”。
附图说明
图1是现有技术中无存储电容和无传输晶体管的3T像元等效电路结构示意图。
图2是现有技术中无存储电容和带传输晶体管的4T像元等效电路结构示意图。
图3是现有技术中无存储电容和带传输晶体管以及带抗光晕晶体管的5T像元等效电路结构示意图。
图4是现有技术中实现全局快门和相关双采样的6T像元等效电路结构示意图。
图5是现有技术中实现全局快门和相关双采样的9T像元等效电路结构示意图。
图6是本发明CMOS图像传感器的结构框图。
图7是本发明CMOS图像传感器第一实施例的像元等效电路结构示意图。
图8是本发明CMOS图像传感器的工作流程图。
图9是图8 CMOS图像传感器工作流程图中双采样步骤S2的步骤流程图。
图10是本发明CMOS图像传感器复位噪声评估方法实施例的方法流程图。
图11是本发明CMOS图像传感器复位噪声评估方法实施例的敏感电压节点电平随时间变化示意图。
图12是本发明CMOS图像传感器第二实施例的8T像元等效电路结构示意图。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
参照图6，图6为本发明CMOS图像传感器的结构框图。本发明的图像传感器包括像元电路1、差分电路2、模数转换电路3以及存储器4，像元电路1输出采光信号以及复位电平信号至差分电路2的正极和负极，通过差分电路2得到采光信号和复位电平信号之间的差值信号，并将差值信号输出至模数转换电路3，模数转换电路3对差值信号进行模数转换后输出数字信号至存储器4。
参照图7，图7为本发明CMOS图像传感器第一实施例的像元等效电路结构示意图，像元电路1包括第一缓冲放大电路11和第二缓冲放大电路12。本发明的像元电路包括光电二极管PPD7、传输晶体管TX7、复位晶体管RST7、第一放大晶体管DX71、采样晶体管SX71、存储电容Cp7、第二放大晶体管DX72、行选晶体管SX72和低电平复位晶体管RSTGND7。
第一缓冲放大电路11包括第一放大晶体管DX71和采样晶体管SX71，第一放大晶体管的源漏极中的一极与采样晶体管SX71的源漏极中的一极连接；第二缓冲放大电路12包括第二放大晶体管DX72和行选晶体管SX72，第二放大晶体管DX72的源漏极中的一极与行选晶体管SX72的源漏极中的一极连接。
复位晶体管RST7用于在曝光前对光电二极管PPD7进行复位，复位由复位信号Vrst信号进行控制。
传输晶体管TX7用于隔离光电二极管PPD7和第一放大晶体管DX71，当光电二极管PPD7复位和电荷转移时闭合减少噪声对敏感电压节点FD7的影响。
第一放大晶体管DX71和第二放大晶体管DX72均为源极跟随器，用于把将光电二极管PPD7中累极的电荷转换为电压。
采样晶体管SX71用于与低电平复位晶体管RSTGND7配合使存储电容放电Cp7，并且将来自第一放大晶体管DX71的采光信号输出。
存储电容Cp7用于存储采光信号。
行选晶体管SX72用于根据选择从行方向上设置的像素区域输出信号的行选信号而输出来自第二放大晶体管DX72的电压，作为对应一个像素的图像信号。
光电二极管PPD7的阳极接地，阴极和传输晶体管TX7的源极连接，传输晶体管TX7的漏极分别与第一放大晶体管DX71的栅极以及复位晶体管RST7的源极连接，传输晶体管TX7的漏极和复位晶体管RST7源极的连接节点为敏感电压节点FD7，复位晶体管RST7的漏极与电源连接。第一放大晶体管DX71的漏极与电源连接，源极分别与采样晶体管SX71的源极和低电平复位晶体管RSTGND7的漏极连接，低电平复位晶体管RSTGND7的源极接地，采样晶体管SX71的漏极分别与存储电容Cp7的一端和第二放大晶体管DX72的栅极连接，存储电容Cp7的另一端接地，第二放大晶体管DX72的漏极与电源连接，源极与行选晶体管SX72的源极连接，行选晶体管SX72的漏极与列输出线连接。其中敏感电压节点FD7的电平VFD反映了光照信号或者复位电平，在曝光后为采光信号，在复位后为复位电平。需要注意的是，本实施例中的晶体管为NMOS管，在实际应用中也可以用PMOS 管代替NMOS管。
参照图8，图8为本发明的CMOS图像传感器的工作流程图。首先执行步骤S1，通过传输晶体管TX7控制全局快门的曝光时间，然后执行步骤S2，进行双采样，再执行步骤S3，将双采样后消除复位电平的像素值经过模数变换转换为数字像素值，最后执行步骤S4，将数字像素值存入存储器4（SRAM）。
在进行全局曝光时，复位晶体管RST7和传输晶体管TX7闭合，光电二极管PPD7和敏感电压节点FD7复位；传输晶体管TX7断开，全局曝光开始；复位晶体管RST7断开，传输晶体管TX7合上，电荷传递开始；传输晶体管TX7断开，全局曝光和电荷传递结束,传输晶体管TX7可以控制曝光的时间。
在进行双采样时，采样晶体管SX71和低电平复位晶体管RSTGND7同时闭合使存储电容Cp7放电至低电平，低电平复位晶体管RSTGND7再断开；采光信号通过第一放大晶体管DX71进行缓冲放大输出，然后采样晶体管SX71断开，采光信号储存至存储电容Cp7。当逐行读出采光信号时，行选晶体管SX72闭合，在存储电容Cp7中储存的采光信号通过第二放大晶体管DX72缓冲放大输出，通过列输出线读出。
当复位晶体管RST7闭合时，敏感电压节点FD7复位得到复位电平；在基于行读出采光信号时，当该行的采光信号读出后，该行的采样晶体管SX71和行选晶体管SX72闭合，复位电平经过第一放大晶体管DX71和第二放大晶体管DX72的两极缓冲放大后，同样通过列输出线读出。
双采样完成后，将复位电平和采光信号通过差分电路2进行差值运算，自动得到的差值就是消除了复位电平的实际信号值，然后通过模数转换电路3进行模数转换，将转换后的数字像素值存入存储器4，在下一行采光信号和复位电平读出时，输出这一行的数据。
上述存储电容Cp7的电平在采光信号缓冲输入前，需要复位到低电平。通过前极电路的低电平复位晶体管RSTGND7导通时实现，此时存储电容Cp7放电。放电电流（discharging current）的方向从存储电容Cp7，经低电平复位晶体管RSTGND7，流入到地，放电电流的大小由低电平复位晶体管RSTGND7的栅极电压控制。由于电子的流向和电流的流向正好相反，所以存储电容Cp7复位到低电平时，电子从地流出，通过低电平复位晶体管RSTGND7，到达像元内存储电容Cp7。因此，存储电容Cp7“放电（discharge）”，也称作“预充电（precharge）”，同时“放电电流（discharging current）”，也称作“预充电电流（precharging current）”。
参照图9，图9为本发明CMOS图像传感器工作流程图中双采样步骤S2的步骤流程图。首先执行步骤S21，全局在存储电容Cp7储存采光信号；然后执行步骤S22，从列输出线逐行读出采光信号并保持在差分电路的一个输入端；再执行步骤S23，复位晶体管RST7闭合，敏感电压节点FD7复位，得到复位电平；再执行步骤S24，逐行读出复位电平并保持在差分电路的另一个输入端；最后执行步骤S25，用复位电平减去采光信号，自动得到的差值即为消除了复位电平的实际信号值。
双采样 (Double Sampling, DS)是一种使用每个像素的复位电平以及附加了复位电平的采光信号来消除CMOS图像传感器像素响应中的噪声和非均匀性的方法。“采光信号”指代像素的“附加了复位电平的采光信号”。使用双采样使得CMOS图像传感器能够获得更好的信号噪声比性能。
为了执行双采样，需要复位像素，然后使像素曝光预定量的时间，像素对入射光中的光子进行积分以产生电压值。先测量采光信号(附加了复位电平) ，得到第一采样值，再复位像素，并测量复位电平，得到第二采样值，通过第二采样值减去第一采样值得到像素位置的实际信号值。
参照图10，图10为本发明CMOS图像传感器复位噪声评估方法实施例的方法流程图。首先执行步骤A1，在采光信号前后的不同时间点采样复位电平信号的步骤；然后执行步骤A2，采样完成后，分析复位信号在时域和频域的变化分布；最后执行步骤A3，所以，根据复位噪声的大小可以评估实际信号值在两种工作方式相关双采样和双采样下的差异。
本发明提出的评估双采样带来的复位噪声的方法，在得到采光信号前后的不同时间点，采样复位电平Vrst（t），记录带有时间戳的复位电平，再在时域或者頻域分析复位电平的差异，从而估计实际信号值在“双采样”和“相关双采样”工作方式时的数值差异，评估实际信号值的变化。
图11出示了敏感电压节点FD7的节点电平VFD随时间变化的示意图，敏感电压节点FD7的节点电压信号VFD可以是复位电平Vrst或者采光信号Vsig。本发明的评估方法，对敏感电压节点FD7的电压信号VFD，在采光信号的前面时间点t1、t2、t3和t4以及后面时间点t5、t6、t7和t8分别进行多点采样，得到相应时间点对应的复位电平的时域采样值。再在时域或频域，分析复位电平的差异，评估实际信号值的变化。
本发明的图像传感器实现的双采样和相关双采样有所不同。基于全帧的相关双采样，先采样复位电平Vrst（t），再采样采光信号Vsig（t+△t）,其中△t为t采样时间点到采样采光信号时间点之间的时间差值。而基于全帧的双采样，是先采样采光信号Vsig（t+△t），再复位电平Vrst（t+△t+△T），其中△T为采样采光信号的时间点到采样复位电平时间点之间的时间差值。实际信号值都是复位电平减去采光信号，消减了复位电平的影响。基于全帧的相关双采样，第一实际信号值Va=Vrst（t）- Vsig（t+△T）；基于全帧的双采样，第二实际信号值Vb=Vrst（t+△t+△T）- Vsig（t+△t）。第一实际信号值和第二实际信号值之差Va-Vb= Vrst（t）- Vrst（t+△t+△T），正好是复位电平在不同时间点的差异，也就是复位噪声的变化。
评估双采样后复位噪声的变化，双采样的第二实际信号值和相关双采样的第一实际信号值的区别是 Vb-Va= Vrst（t+△t+△T）- Vrst（t），也就是复位电平的变化，大小可以进行评估。通过对Vrst（t）时域采样，记录带有时间戳的“复位电平”，然后进行时域和頻域分析，评估复位噪声。
通过评估复位电平的变化，可以定量地分析由于使用双采样工作方式带来的噪声影响。另外，在靠近复位晶体管RST7的VDD供电网络处放置去耦电容，不仅可以滤掉复位噪声的高频成分，还可以减少复位电平的波动。并且基于复位电平的差异分析，选择性地监视一些像元电路的复位电平，并且通过稳定复位晶体管RST7的偏置电压以使像元电路在得到采光信号的前后时间点的复位电平变化最小。
图12为本发明的CMOS图像传感器第二施例的8T像元等效电路结构示意图，本实施例中的像元电路，在本发明第一实施例的像元电路具有传输晶体管TX8、复位晶体管RST8、第一放大晶体管DX81、采样晶体管SX81、存储电容Cp8、第二放大晶体管DX82、行选晶体管SX82和低电平复位晶体管RSTGND8的基础上，本实施例中的8T像元电路增加了一个抗光晕复位晶体管RSTAB8。抗光晕晶体管RSTAB8在光电二极管PPD8复位和电荷转移时闭合，可以减少噪声对敏感电压节点FD8的影响。
由上可见，本发明提供了一种像元结构简洁紧凑的大规模CMOS图像传感器，本发明的CMOS图像传感器，减少了像元电路的复杂程度，占用了较少的像元空间，使得在有限面积的芯片上，可以增加CMOS传感器的规模，将更多地空间留给抗辐射硬度电路和控制信号容差电路的设计，从而提高CMOS图像传感器的可靠性和芯片的成品率;同时本发明提供的CMOS图像传感器复位噪声评估方法，通过估计实际信号值在“双采样”和“相关双采样”工作方式时的数值差异，为抑制复位电平的噪声提供依据，从而评估复位电平的变化，以便于定量地分析由于使用双采样方式带来的噪声影响。
最后需要强调的是，在本发明的范围内，许多修改和变化都是可能的。例如，可以在CMOS图像传感器中使用不同的有源像素单元设计来获得伴随全局快门和双采样，或者将实施例中的NMOS管用PMOS管替代，这些改变均在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.CMOS图像传感器，包括：像元电路、差分电路、模数转换电路以及存储器，所述像元电路采样采光信号以及复位电平信号并输出至所述差分电路，通过所述差分电路得到像元的实际信号值，并将所述实际信号值输出至所述模数转换电路，所述模数转换电路对所述实际信号值进行模数转换后输出数字信号至所述存储器；
其特征在于：
在采样采光信号前后的多个时间点采样所述复位电平信号；
所述像元电路包括光电二极管、传输晶体管、复位晶体管、存储电容、第一缓冲放大电路和第二缓冲放大电路；所述传输晶体管的输出端与所述第一缓冲放大电路的输入端连接于一节点，所述节点的节点电平信号经过第一缓冲放大电路放大后储存在所述存储电容中，放大后的所述节点电平信号经过第二缓冲放大电路输出至列输出线；
所述第一缓冲放大电路包括第一放大晶体管和采样晶体管，所述第一放大晶体管的源极及漏极中的一个与所述采样晶体管的源极及漏极中的一个连接；
所述第二缓冲放大电路包括第二放大晶体管和行选晶体管，所述第二放大晶体管的源极及漏极中的一个与所述行选晶体管的源极及漏极中的一个连接；
所述采样晶体管和所述复位晶体管同时闭合使所述存储电放电至低电平，所述复位晶体管再断开；采光信号通过所述第一放大晶体管进行缓冲放大输出，然后所述采样晶体管断开，所述采光信号储存至所述存储电容；
在逐行读出所述采光信号时，所述行选晶体管闭合，在所述存储电容中储存的采光信号通过所述第二放大晶体管缓冲放大输出，通过列输出线读出；
当所述复位晶体管闭合时，敏感电压节点复位得到复位电平；在基于行读出采光信号时，当该行的采光信号读出后，该行的所述采样晶体管和所述行选晶体管闭合，复位电平经过所述第一放大晶体管和所述第二放大晶体管的两极缓冲放大后，通过列输出线读出。
2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于：
所述节点电平信号为所述采光信号或者所述复位电平信号。
3.根据权利要求2所述的CMOS图像传感器，其特征在于：
所述采光信号上附加了所述复位电平信号。
4.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于：
所述实际信号值为所述复位电平信号与所述采光信号的差值。
5.根据权利要求1至4任一项所述的CMOS图像传感器，其特征在于：
所述像元电路还包括抗光晕复位晶体管，所述抗光晕复位晶体管的源极及漏极中的一个接电源端，另一个接光电二极管的阴极。
6.CMOS图像传感器复位噪声评估方法，其特征在于，包括：
采样步骤，在采样采光信号前后的多个时间点采样复位电平信号；
分析步骤，采样完复位电平信号后，分析复位电平在时域和频域的变化分布；
评估步骤，所述复位电平信号的变化分布用于评估复位噪声，从而定量地确定实际信号值的差异，所述实际信号值的差异是通过相关双采样得到的第一实际信号值和通过双采样得到的第二实际信号值之差；
其中，所述第一实际信号值Va=Vrst（t）- Vsig（t+△T）；
其中，所述第二实际信号值Vb=Vrst（t+△t+△T）- Vsig（t+△t）；
其中，所述第一实际信号值和第二实际信号值分别工作在相关双采样模式和双采样模式；
其中，所述复位噪声评估方法时的工作模式仅为在采样采光信号前后的多个时间点采样复位电平信号；
其中，t和t+△t+△T分别为所述采样前后复位电平时间点，t+△t为所述采样采光信号时间点，△t 为所述采样前复位电平时间点到采样采光信号时间点之间的时间差值，△T为采样采光信号的时间点到采样后复位电平时间点之间的时间差值，Vrst（t）、Vrst（t+△t+△T）为采样复位电平，Vsig（t+△t）、Vsig（t+△T）为采样采光信号。
7.根据权利要求6所述的CMOS图像传感器复位噪声评估方法，其特征在于：
所述评估步骤包括在VDD馈电网络放置去耦电容的步骤。
8.根据权利要求6所述的CMOS图像传感器复位噪声评估方法，其特征在于：
所述评估步骤包括监控步骤，所述监控步骤包括监视像元电路的复位晶体管偏置电压的步骤以及稳定复位晶体管偏置电压的步骤。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610019409.7A CN105681692B (zh) | 2016-01-11 | 2016-01-11 | Cmos图像传感器及其复位噪声评估方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610019409.7A CN105681692B (zh) | 2016-01-11 | 2016-01-11 | Cmos图像传感器及其复位噪声评估方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105681692A CN105681692A (zh) | 2016-06-15 |
| CN105681692B true CN105681692B (zh) | 2018-10-30 |
Family
ID=56300317
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610019409.7A Active CN105681692B (zh) | 2016-01-11 | 2016-01-11 | Cmos图像传感器及其复位噪声评估方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105681692B (zh) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9967496B2 (en) * | 2016-06-30 | 2018-05-08 | Sony Corporation | Active reset circuit for reset spread reduction in single-slope ADC |
| WO2018096813A1 (ja) * | 2016-11-24 | 2018-05-31 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | 固体撮像素子、固体撮像装置、および、固体撮像素子の制御方法 |
| KR102684972B1 (ko) * | 2016-11-28 | 2024-07-16 | 삼성전자주식회사 | 이미지 센서 |
| CN111093043B (zh) * | 2018-10-24 | 2021-10-22 | 宁波飞芯电子科技有限公司 | 一种辐射接收系统及方法、传感阵列 |
| CN111665268B (zh) * | 2020-06-12 | 2023-04-28 | 上海天马微电子有限公司 | 光信号检测电路、方法及x光探测器 |
| CN112422955B (zh) * | 2020-10-27 | 2022-08-12 | 西安微电子技术研究所 | 一种用于cmos图像传感器的adc固有噪声分析方法 |
| CN115150570B (zh) * | 2022-09-06 | 2023-04-28 | 武汉加特林光学仪器有限公司 | 基于数字电路的双采样信号处理电路及显示面板检测设备 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2140676A1 (en) * | 2007-05-01 | 2010-01-06 | Eastman Kodak Company | Image sensor pixel with gain control |
| CN101690157A (zh) * | 2007-03-21 | 2010-03-31 | 伊斯曼柯达公司 | 使用可变灵敏度像素的扩展的动态范围 |
| CN103369270A (zh) * | 2013-06-29 | 2013-10-23 | 天津大学 | 大动态数字像素传感器相关双采样方法 |
| CN105120186A (zh) * | 2015-09-16 | 2015-12-02 | 上海集成电路研发中心有限公司 | 转换增益可调的像素单元结构及其信号采集方法 |
| CN105208301A (zh) * | 2015-09-16 | 2015-12-30 | 上海集成电路研发中心有限公司 | 双转换增益的像素单元结构及其信号采集方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013062611A (ja) * | 2011-09-12 | 2013-04-04 | Sony Corp | 固体撮像素子およびカメラシステム |
-
2016
- 2016-01-11 CN CN201610019409.7A patent/CN105681692B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101690157A (zh) * | 2007-03-21 | 2010-03-31 | 伊斯曼柯达公司 | 使用可变灵敏度像素的扩展的动态范围 |
| EP2140676A1 (en) * | 2007-05-01 | 2010-01-06 | Eastman Kodak Company | Image sensor pixel with gain control |
| CN103369270A (zh) * | 2013-06-29 | 2013-10-23 | 天津大学 | 大动态数字像素传感器相关双采样方法 |
| CN105120186A (zh) * | 2015-09-16 | 2015-12-02 | 上海集成电路研发中心有限公司 | 转换增益可调的像素单元结构及其信号采集方法 |
| CN105208301A (zh) * | 2015-09-16 | 2015-12-30 | 上海集成电路研发中心有限公司 | 双转换增益的像素单元结构及其信号采集方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 一种6T像素全局曝光CMOS图像传感器;吴治军等;《光电器件》;20141031;第35卷(第5期);第1.1-1.2节，图1 * |
| 简化4T像素结构CMOS图像传感器设计与实现;赵秋卫，李晓宇;《硅微电子学》;20140430;第34卷(第2期);第1.1节，图1 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105681692A (zh) | 2016-06-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105681692B (zh) | Cmos图像传感器及其复位噪声评估方法 | |
| CN105308747B (zh) | 分离栅极有条件重置的图像传感器 | |
| JP6911128B2 (ja) | 拡張されたダイナミックレンジを備えたイメージングアレイ | |
| CN104272723B (zh) | 特别用于将时变图像数据的取样亮度感测和异步检测相结合的光电阵列 | |
| CN103348475B (zh) | 传感器的或涉及传感器的改进 | |
| CN107426513B (zh) | 有源像素传感器及其驱动方法 | |
| Brandli et al. | A 240× 180 130 db 3 µs latency global shutter spatiotemporal vision sensor | |
| KR101915980B1 (ko) | 화소 및 방법 | |
| US7791664B1 (en) | Methods for reading a pixel and for writing to a pixel and a device having pixel reading capabilities and pixel writing capabilities | |
| US8059173B2 (en) | Correlated double sampling pixel and method | |
| KR20210025515A (ko) | 직접 메모리 제어를 갖는 이벤트-기반 비전 센서 | |
| CN105706361B (zh) | 适用于cmos成像传感器的放大器 | |
| CN108391071A (zh) | 一种采用二次相关双采样技术的spad阵列级读出电路 | |
| CN103297721A (zh) | Cmos传感器阵列 | |
| CA3047698A1 (en) | Global shutter scheme that reduces the effects of dark current | |
| CN102131059A (zh) | 面向实时视觉芯片的高速行并行图像传感器 | |
| JP4268492B2 (ja) | 光検出装置 | |
| CN110858297A (zh) | 光学指纹识别电路 | |
| CN105323504A (zh) | 固体摄像装置以及固体摄像装置的控制方法 | |
| CN102905089A (zh) | 光电转换装置、焦点检测装置和成像系统 | |
| CN103267579A (zh) | 一种红外焦平面读出电路的行控制电路的检测电路 | |
| CN105049750A (zh) | 像素电路及其控制方法以及全局对比度探测图像传感器 | |
| CN102833494B (zh) | 基于预测编码的cmos数字像素传感器噪声消除装置 | |
| CN112351229B (zh) | 像素存储电路、像素读出电路及其时序控制方法 | |
| JP2019103121A (ja) | 撮像素子、撮像装置及び撮像方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20240513 Address after: E201-55, Building 1, No. 1 Hagongda Road, Tangjiawan Town, Zhuhai City, Guangdong Province, 519000 Patentee after: Zhuhai Shuntian Xigu Technology Development Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: Unit 3, 4th Floor, Exhibition Center 1 #, Software Park Road, Tangjiawan Town, Zhuhai City, Guangdong Province, 519080 Patentee before: ZHUHAI ASICT TECHNOLOGY Co.,Ltd. Country or region before: China |