專利名稱：應(yīng)用于圖像傳感器中的電容存儲方式的列讀出電路的制作方法
應(yīng)用于圖像傳感器中的電容存儲方式的列讀出電路所屬技術(shù)領(lǐng)域——本發(fā)明涉及CMOS圖像傳感器的應(yīng)用，更廣泛地可以用于類似于二維陣列的信號讀出和 信號電平的重新標(biāo)定。
背景技術(shù)：
——CMOS圖像傳感器芯片是一種低功耗高速的"片上攝像系統(tǒng)"。圖像傳感器通過規(guī)模龐大 的二維感光像素陣列來采集圖像，將光信號轉(zhuǎn)換成模擬的電信號之后，被信號讀出處理電路 中的放大器放大，然后直接轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字信號并對應(yīng)恢復(fù)成圖像輸出。CMOS圖像傳感器有規(guī)模龐大的二維感光像素陣列，其讀出電路一般是一維線陣。通常 情況下，對于采用滾動(dòng)式曝光的圖像傳感器，同一列的像素共用一個(gè)公共的輸出存儲節(jié)點(diǎn)。 這樣當(dāng)行選擇器選通了某一行時(shí)，這一行上的各列像素信號同時(shí)進(jìn)行輸出，并在每列的輸出 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信號的輸出并放大，而后行選擇器再選通下一行，如此循環(huán)往復(fù)，直至所有的像素 中的信號全部輸出。在CMOS圖像傳感器中， 一般還利用列讀出電路來消除像素的熱噪聲，固定模式噪聲和 其它一些噪聲。這是應(yīng)用了雙采樣(Double Sample)技術(shù)的基本原理，在采樣像素積分信號 的同時(shí)，在復(fù)位周期內(nèi)也采樣復(fù)位信號，然后在列讀出電路中用光感應(yīng)信號減去復(fù)位信號， 這樣就將像素內(nèi)的固定模式噪聲基本消除。在列讀出電路中，需要用電容來采樣存儲光感應(yīng)信號和復(fù)位信號， 一般采用多晶硅或者 金屬來形成這些電容器，但這樣的電容通常擁有較大的面積，會增加整個(gè)芯片的成本。而采 用MOS管電容器可以有效的減小面積，節(jié)約成本。但如果采用PMOS類型的MOS電容，電 源噪聲會與信號耦合而直接干擾信號；如果采用NMOS類型的MOS電容，須要求光感應(yīng)信 號和復(fù)位信號的電壓高于MOS管的閾值電壓，所以可以考慮采用低閾值的NMOS管來做電 容使用。同時(shí)，在現(xiàn)代技術(shù)中， 一般采用列放大器對列讀出電路的采集的光電信號和復(fù)位信號進(jìn) 行電平的重新標(biāo)定或放大，從而進(jìn)一步消除列讀出電路的噪聲并為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端提供 需要的信號電平。列放大器每列一個(gè)，通常采用全差分的結(jié)構(gòu)，在理想情況下各列的放大器 應(yīng)該是完全相同的，這樣就不會引起列固定模式噪聲。而實(shí)際上由于工藝水平的限制，無法 做到所有的列放大器完全同一。例如每個(gè)列放大器的失調(diào)電壓都不盡相同，這樣就會導(dǎo)致列 固定模式噪聲(Column FPN)。列固定模式噪聲會在圖像上產(chǎn)生縱向的條紋，從而影響圖像 的質(zhì)量。因此，需要在技術(shù)上改進(jìn)列放大器的性能，減小其失調(diào)電壓，從而降低列固定模式噪聲， 但這會增加電路的復(fù)雜程度。因此需要一種既能重新標(biāo)定輸出信號電平，又擁有較小的列固 定模式噪聲的列讀出電路。發(fā)明內(nèi)容一在已有的技術(shù)中，應(yīng)用列放大器的信號讀出電路結(jié)構(gòu)如圖一所示，采用開關(guān)電容同相放 大器，輸入端與雙采樣的輸出端相連?；竟ぷ髟黼娐贩殖蓛蓚€(gè)主要工作狀態(tài)，狀態(tài)一， Sl = l，電路通過d釆樣長積分輸出信號Vsig;狀態(tài)二， S1=0，電路采樣短積分輸出信號 Vrst，同時(shí)進(jìn)入放大階段將輸出信號V。u產(chǎn)VreH;Vrst-Vsig)CVC2送到后一級處理。即通過雙采樣，將兩者電壓差送到ADC的采樣電容上?？紤]到列放大器自身的失調(diào)電壓，即X與X'點(diǎn)不等 后的電路的傳輸方程如下(K地-~瓶-fV)Cl + (IV - )C2 = (7", - iVm￡i - FVe/)Cl + (7。",- )C2其中NpKEL為像素的固定模式噪聲(PixelFPN):輸出信號為乙,=~'-$(^-&)，可以看出該式中包含了由列放大器失調(diào)電壓構(gòu)成的列固定模式噪聲，減小了信噪比。由上面的分析可以看出，采用列放大器的信號讀出電路不可避免地會導(dǎo)致列固定模式噪 聲。如果要減小或者消除列固定模式噪聲，則需增加噪聲消除電路，無疑使結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜， 執(zhí)行起來更加困難。因此本發(fā)明提供了一種用于讀出由像素產(chǎn)生的光感應(yīng)信號和復(fù)位信號的列讀出電路。此 電路既能重新標(biāo)定輸出信號電平，又擁有較小的列固定模式噪聲且結(jié)構(gòu)和執(zhí)行過程簡單。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是該電路主要有兩部分組成。 一是復(fù)位信號支路，其包括第一級的用于存儲復(fù)位信號的MOS電容器和第二級的復(fù)位總線，第一級存儲 電容和像素之間，以及和第二級復(fù)位總線之間分別用開關(guān)連接，最后的輸出通過緩沖buffer 連接到下一級的數(shù)字可編程增益放大器(DPGA); 二是光電信號支路，其結(jié)構(gòu)與復(fù)位信號支 路完全一致，這樣做的目的就是為了盡可能完全消除列固定模式噪聲的影響。該結(jié)構(gòu)從構(gòu)思 上去除了產(chǎn)生列固定模式噪聲的主要模塊——列放大器。采用了電容陣列和總線的結(jié)構(gòu)來替 代列放大器，利用了電容陣列中的電容和總線電容對信號電荷進(jìn)行再分配來重新標(biāo)定信號的 電平值。該發(fā)明可以替代通用的CMOS圖像傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的列前置放大器模塊，從而避免了 列放大器引入的列固定模式噪聲的影響，因此可以消除電路帶來的各列之間的差異，反映到 圖像傳感器上就是降低了圖像的列固定模式噪聲，圖像上不會產(chǎn)生列條紋。另外，在結(jié)構(gòu)上 也比使用列放大器來得簡單，執(zhí)行方便，更易于實(shí)現(xiàn)。


——通過實(shí)施方式說明，并結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)的描述，將更加容易地了解，同時(shí)更好的理解 本發(fā)明的上述特征和具有的優(yōu)點(diǎn)。圖1是已有的技術(shù)中的采用列放大器的讀出電路模塊結(jié)構(gòu)原理圖。圖2是本發(fā)明中采用電容陣列存儲的讀出電路的原理圖。圖3是本發(fā)明中采用電容陣列的讀出電路的時(shí)序控制圖。在圖2中，M1 M4管是像素基本單元結(jié)構(gòu)，其中M1 M3管為三管有源像素結(jié)構(gòu)， M4管為像素的偏置管，D為反偏的光電二極管。Rstl和Sigl為像素到電容存儲陣列的選通 開關(guān)，Rst2和Sig2為連接電容存儲陣列到復(fù)位總線和信號總線的選通開關(guān)，Rst3和Sig3分 別為復(fù)位總線和信號總線的復(fù)位開關(guān)。Cl和C2分別為存儲復(fù)位信號的電容陣列及存儲光感 應(yīng)信號的電容陣列，均采用MOS開關(guān)電容的實(shí)現(xiàn)方式；C3和C4分別為復(fù)位總線和信號總 線所產(chǎn)生的電容值。Bufl和Buf2分別為復(fù)位信號和光感應(yīng)信號的輸出緩沖器，DPGA為數(shù) 字可編程增益放大器。
具體實(shí)施方式
——采用電容陣列存儲的讀出電路的結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了便于說明其在系統(tǒng)中所處的位置， 此圖還給出了前面像素基本單元的結(jié)構(gòu)，即M1 M4管。根據(jù)圖3所示的時(shí)序控制，采用電容存儲方式的信號讀出電路的基本工作原理是Sigl 首先閉合，將信號電壓采樣到電容C2上，然后像素復(fù)位，Rstl閉合，將復(fù)位電壓采樣到電 容C2上。設(shè)計(jì)中嚴(yán)格要求采樣電容CbC2，兩條總線電容Crstbus-Csigbus。其中Crstbus代 表復(fù)位總線電容，Csigbus代表信號總線電容。在采樣的同時(shí)，復(fù)位總線和信號總線通過開關(guān) Rst3和Sig3也復(fù)位到地電平。然后Rst2和Sig2閉合，復(fù)位電容Cl上存儲的電荷與復(fù)位總線的電容進(jìn)行電荷再分配，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)復(fù)位輸出電壓為^,2=77~^~^";信號輸出電壓^2=^^~&gl。例如若果信號電壓為1V，采樣電容為1PF，總線電容為2PF，則輸c2 + c一m出電壓為1/3V?？偩€輸出電壓由電荷再分配決定，每讀出一次像素?cái)?shù)據(jù)都需要對總線進(jìn)行復(fù)位操作。設(shè) 計(jì)中盡可能要求總線匹配，可以在版圖上采用相應(yīng)的技術(shù)來最大限度地減小不匹配。例如要 盡可能的保證兩條總線所處的周圍環(huán)境一致，這樣來減小寄生參數(shù)對總線電容的影響。
權(quán)利要求
1. 用于讀出并進(jìn)行電平標(biāo)定像素輸出的光感應(yīng)信號和復(fù)位信號的列讀出電路包括復(fù)位信號支路，其包括第一端子的用于存儲復(fù)位信號的MOS電容器和第二端子的復(fù)位總線，第一端存儲電容和像素之間，以及和第二端復(fù)位總線之間分別用開關(guān)連接，同時(shí)復(fù)位總線通過開關(guān)選擇性的接地復(fù)位；以及光電信號支路，其包括第一端子的用于存儲光電信號的MOS電容器和第二端子的信號總線，第一端存儲電容和像素之間，以及和第二端信號總線之間分別用開關(guān)連接，同時(shí)信號總線通過開關(guān)選擇性的接地復(fù)位。
2、 權(quán)力要求l的讀出電路，所述的像素單元是指三管有源像素結(jié)構(gòu)，其包括復(fù)位管，緩沖管和選通管。
3、 權(quán)力要求l的讀出電路，用于存儲光電信號和復(fù)位信號的電容采用N管的MOS電容器， 其中NMOS管具有低閾值電壓，且光電信號和復(fù)位信號的電平值必須高于第一端子MOS 電容器的閾值電壓。
4、 權(quán)力要求1的讀出電路，進(jìn)一步包括在所述的第二端子和輸出端子之間設(shè)置的輸出緩沖器(buffer )。
5、 權(quán)力要求1的讀出電路，所述的復(fù)位總線和信號總線是兩條其長度和像素陣列寬度一致的 金屬線，且兩條總線各種屬性一致，且所處周圍環(huán)境一致。
6、 權(quán)力要求1的讀出電路，進(jìn)一步包括用于接收來自復(fù)位信號支路和光電信號支路的輸出信 號的數(shù)字可編程增益放大器(DPGA)。
7、 從列讀出電路讀出像素的光電信號和復(fù)位信號的方法是將所述的光電信號和復(fù)位信號分別存儲在第一端子的兩個(gè)MOS電容器上； 然后對信號總線和復(fù)位總線進(jìn)行接地復(fù)位；完成復(fù)位，將存儲光電信號和復(fù)位信號的MOS電容分別和信號總線和復(fù)位總線的電容 連接，完成電荷的再分配，重新標(biāo)定光電信號和復(fù)位信號的電平值； 通過兩條信號支路的輸出緩沖器輸出到后續(xù)的DPGA的輸入端。
8、 權(quán)力要求8的方法，其中要求MOS電容器工作在線性區(qū)，且光電信號和復(fù)位信號的電壓 高于MOS電容器的閾值。
9、 權(quán)力要求8的方法，信號總線的寄生電容和復(fù)位總線的寄生電容完全匹配且與第一端子的 MOS電容有相同數(shù)量級。
全文摘要
本發(fā)明介紹了一種用于CMOS圖像傳感器的列讀出電路。該電路通過MOS電容來存儲光電信號和復(fù)位信號，然后將其通過信號總線和復(fù)位總線的電容進(jìn)行電荷再分配，進(jìn)而重新標(biāo)定電平輸出。以這種方式，替代了原先的列前置放大器，顯著地減小了由列放大器引起的列固定模式噪聲，改善了圖像的質(zhì)量。
文檔編號H04N3/15GK101272446SQ20071005695
公開日2008年9月24日 申請日期2007年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月20日
發(fā)明者李斌橋 申請人:天津市晶奇微電子有限公司