專利名稱：Cmos圖像傳感器像素讀出電路結(jié)構(gòu)及像素結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)圖像傳感 器，尤其涉及一種CMOS圖像傳感器像素讀出電路結(jié)構(gòu)及像素結(jié)構(gòu)。背景披術(shù)CMOS圖像傳感器廣泛的應(yīng)用于電子消費(fèi)、安防監(jiān)控、自動(dòng)控制、醫(yī)療以及國防等眾 多領(lǐng)域。CMOS圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)分為兩大類，一類是無源像素(Passive Pixel)，另一 種是有源像素(Active Pixel)。如圖1所示，是現(xiàn)有技術(shù)中的有源像素單元電路及其讀出電路示意圖，通常有源 像素的讀出電路采用源極跟隨器(Source follower)結(jié)構(gòu)。圖1中，像素單元108由光電 二極管101、傳輸管102、清零管103、讀出管104、行選通管105組成。像素單元108的結(jié)構(gòu) 是典型的4T有源像素單元結(jié)構(gòu)。光電二極管101的負(fù)極連接到傳輸管102的源極，傳輸管 102的柵極由TX控制，傳輸管102的漏極接到FD節(jié)點(diǎn)107。清零管103的源極連到FD節(jié) 點(diǎn)107，清零管103的漏極接到節(jié)點(diǎn)Resetjdd上。讀出管104的柵極連到FD節(jié)點(diǎn)107，讀 出管104的漏極連到節(jié)點(diǎn)VDD上，讀出管104的源極連到行選通管105的漏極。行選通管 105的柵極由行選通(Row select)信號(hào)控制，行選通管105的源極連到像素單元108的輸 出節(jié)點(diǎn)OUT上。Resetjdd與VDD兩個(gè)節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)需要連接在一起，也可以分開。典型的 CMOS圖像傳感器像素信號(hào)讀出電路中，像素單元108的輸出節(jié)點(diǎn)OUT接到電流源負(fù)載106， 電流源106的另一端接到地上。這樣，由像素單元108中的讀出管104、行選通管105和電 流源106，構(gòu)成了源極跟隨讀出電路。上述現(xiàn)有技術(shù)至少包含以下缺點(diǎn)源極跟隨讀出電路的增益固定且小于1，會(huì)降低圖像傳感器像素單元的輸出信號(hào) 幅度，降低傳感器靈敏度；降低系統(tǒng)的信噪比與動(dòng)態(tài)范圍，影響圖像質(zhì)量；增益固定，不能 調(diào)節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種本發(fā)明的目的是提供一種高靈敏度、高信噪比與動(dòng)態(tài)范 圍、在傳輸過程中不會(huì)影響圖像質(zhì)量、增益可調(diào)節(jié)的CMOS圖像傳感器像素讀出電路結(jié)構(gòu)及 像素結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的CMOS圖像傳感器像素讀出電路結(jié)構(gòu)，包括可調(diào)增益放大器，所述可調(diào)增 益放大器包括運(yùn)算放大器、第一電容、開關(guān)和第二電容，所述運(yùn)算放大器中的一個(gè)輸入管為 CMOS圖像傳感器像素單元的讀出管。本發(fā)明的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，該像素結(jié)構(gòu)連接有上述的CMOS圖像傳感器 像素讀出電路結(jié)構(gòu)。由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例提供的CMOS圖像傳感器 像素讀出電路結(jié)構(gòu)及像素結(jié)構(gòu)，由于包括可調(diào)增益放大器，可調(diào)增益放大器包括運(yùn)算放大器、第一電容、開關(guān)和第二電容，運(yùn)算放大器中的一個(gè)輸入管為CMOS圖像傳感器像素單元 的讀出管?？梢蕴岣哽`敏度、信噪比與動(dòng)態(tài)范圍，在傳輸過程中不會(huì)影響圖像質(zhì)量，且可以 實(shí)現(xiàn)增益可調(diào)節(jié)。


為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用 的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他 附圖。圖1是現(xiàn)有技術(shù)中有源像素單元電路及讀出電路圖；圖2是本發(fā)明具體實(shí)施例一的有源像素單元電路及讀出電路圖；圖3是本發(fā)明具體實(shí)施例一中讀出電路增益為1的工作模式的控制信號(hào)波形圖；圖4是本發(fā)明具體實(shí)施例一中讀出電路放大工作模式的控制信號(hào)波形圖；圖5是本發(fā)明具體實(shí)施例一中多個(gè)有源像素單元構(gòu)成一列讀出電路連接方式；圖6是本發(fā)明具體實(shí)施例二的有源像素單元電路及讀出電路圖；圖7是本發(fā)明具體實(shí)施例二中讀出電路增益為1的工作模式的控制信號(hào)波形圖；圖8是本發(fā)明具體實(shí)施例二中讀出電路放大工作模式的控制信號(hào)波形圖；圖9是本發(fā)明具體實(shí)施例三的有源像素單元電路及讀出電路圖；圖10是本發(fā)明具體實(shí)施例三中讀出電路增益為1的工作模式的控制信號(hào)波形 圖；圖11是本發(fā)明具體實(shí)施例三中讀出電路放大工作模式的控制信號(hào)波形圖；圖12是本發(fā)明中有源像素單元電路及像素單元讀出管為運(yùn)算放大器其中一個(gè)輸 入管示意圖；圖13是本發(fā)明具體實(shí)施例四的有源像素單元電路及讀出電路圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整 地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒?發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施 例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。本發(fā)明的CMOS圖像傳感器像素讀出電路結(jié)構(gòu)，其較佳的具體實(shí)施方式
是，包括可 調(diào)增益放大器，所述可調(diào)增益放大器包括運(yùn)算放大器、第一電容、開關(guān)和第二電容，所述運(yùn) 算放大器中的一個(gè)輸入管為CMOS圖像傳感器像素單元的讀出管。所述CMOS圖像傳感器像素單元的讀出管與另一輸入管構(gòu)成所述運(yùn)算放大器的輸 入差分對(duì)管。所述CMOS圖像傳感器像素單元的讀出管的柵極是運(yùn)算放大器的正輸入端，所述 另一輸入管的柵極是運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端。所述開關(guān)的控制端與phi信號(hào)相連，所述開關(guān)的其它兩端分別連到所述運(yùn)算放大 器的輸出端和負(fù)輸入端；
4
所述第一電容的兩端分別接到運(yùn)算放大器的輸出端和負(fù)輸入端；所述第二電容的兩端分別接到運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端和固定電平節(jié)點(diǎn)上。所述第一電容和第二電容分別為可調(diào)電容。所述運(yùn)算放大器為一級(jí)運(yùn)算放大器或多級(jí)運(yùn)算放大器。該讀出電路的工作模式通過數(shù)字電路控制，該讀出電路的工作模式包括增益為1 的工作模式和/或增益大于1的增益可調(diào)的工作模式。本發(fā)明的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其較佳的具體實(shí)施方式
是，該像素結(jié)構(gòu)連接 有上述的CMOS圖像傳感器像素讀出電路結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的CMOS圖像傳感器像素讀出電路，可以提高靈敏度、信噪比與動(dòng)態(tài)范圍， 在傳輸過程中不會(huì)影響圖像質(zhì)量，增益可調(diào)節(jié)的。下面通過具體實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本申請(qǐng)進(jìn)行詳細(xì)的描述具體實(shí)施例一如圖2所示，像素單元215是典型的4T像素結(jié)構(gòu)，由光電二極管201、傳輸管202、 清零管203、讀出管205、行選通管204組成。光電二極管201的負(fù)極連接到傳輸管202的 源極，傳輸管的柵極由TX控制，傳輸管的漏極接到FD節(jié)點(diǎn)214。清零管203的源極連到FD 節(jié)點(diǎn)214，清零管203的漏極接到節(jié)點(diǎn)Resetjdd上。讀出管205的柵極連到FD節(jié)點(diǎn)214，讀出管205的漏極連到MOS管206的柵極和 漏極上，讀出管205的源極連到行選通管204的漏極。行選通管204的柵極由行選通信號(hào) 控制，行選通管204的源極連到MOS (Metal Oxide Semiconductor)管208的漏極和電流 源207。電流源207的另一端連到地上。MOS管208的柵極由讀出使能信號(hào)EN控制，MOS 管208的漏極與MOS管211的源極相連。MOS管211的柵極節(jié)點(diǎn)IN-相連。MOS管211的 漏極與節(jié)點(diǎn)OUT相連。開關(guān)的控制端與phi信號(hào)相連，其他兩端分別連到節(jié)點(diǎn)OUT與節(jié)點(diǎn) IN-。可調(diào)電容212(電容值表示為Capl)的兩端分別接到節(jié)點(diǎn)OUT與節(jié)點(diǎn)IN-上。可調(diào)電 容213(電容值表示為Cap2)的兩端分別接到節(jié)點(diǎn)IN-與固定電平節(jié)點(diǎn)上。MOS管206的柵 極和漏極連接到一起，同時(shí)連到MOS管205的漏極和MOS管210的柵極。MOS管206的源極 和MOS管210的源極都連到節(jié)點(diǎn)VDD上。電容212和電容213的電容值可調(diào)。MOS管204，205，206，208，209，210和電流源207構(gòu)成了差分輸入單端輸出的運(yùn)算 放大器，其中MOS管211和像素單元讀出管205 —起構(gòu)成差分運(yùn)算放大器的輸入差分對(duì)管； 這個(gè)運(yùn)算放大器與第一電容212、開關(guān)211、第二電容213 —起構(gòu)成像素單元的讀出電路， 該讀出電路的增益可調(diào)，成為可調(diào)增益放大器；節(jié)點(diǎn)OUT是讀出電路的信號(hào)輸出端。在開 關(guān)211不同的工作方式控制下，該讀出電路有兩種工作模式增益為1的工作模式；增益為 (1+Cap2/Capl)的讀出模式，因?yàn)殡娙?12和電容213可調(diào)，這種工作模式可以實(shí)現(xiàn)增益大 于1的可調(diào)增益，以下簡(jiǎn)稱這種模式為放大工作模式。增益為1的工作模式如圖2所示的讀出電路工作在增益為1的工作模式時(shí)，在phi控制下，開關(guān)211 — 直閉合，其他控制信號(hào)波形如圖3所示。清零信號(hào)Reset電位從低變高，控制像素215中的 清零管203開啟，將像素215中FD點(diǎn)的電位設(shè)為高電位；TX信號(hào)電位從低變高，控制像素 215中的傳輸管202開啟，引起像素215中的光電二極管201全耗盡，完成光電二極管的清 零。光子被光電二極管吸收，產(chǎn)生光電子，光電二極管收集光電子，開始曝光。
完成曝光，像素215進(jìn)入像素信號(hào)讀出周期。清零信號(hào)Reset再次從低電平變?yōu)?高電平，F(xiàn)D清零。行選通信號(hào)Row select和讀出使能信號(hào)EN從低電平變高電平；當(dāng)FD完 成清零，清零信號(hào)從高電平變低電平，節(jié)點(diǎn)FD電平穩(wěn)定后，從讀出電路的輸出端口 OUT輸出 節(jié)點(diǎn)FD清零后的電壓Vrst，這時(shí)輸出端口 OUT的輸出電壓是Voutl = Vrst+Voffset，其 中Voffset是讀出電路的失調(diào)電壓。節(jié)點(diǎn)FD清零后的信號(hào)讀出后，TX信號(hào)從低電平變成 高電平控制傳輸管202開啟，光電二極管201積累的光電子轉(zhuǎn)移到FD點(diǎn)，光電子轉(zhuǎn)移完成 后，TX信號(hào)從高電平變成低電平。FD點(diǎn)電平穩(wěn)定后，讀出電路的輸出端口 OUT輸出光電子 轉(zhuǎn)移到節(jié)點(diǎn)FD后的電壓Vsig，這時(shí)輸出端口 OUT的輸出電壓是Vout2 = Vsig+Voffset，其 中Voffset是讀出電路的失調(diào)電壓。最終像素215輸出信號(hào)是Voutl-Vout2 = Vrst-Vsig, 實(shí)現(xiàn)像素215信號(hào)1倍增益讀出。放大工作模式如圖2所示的讀出電路工作在放大工作模式時(shí)，控制信號(hào)波形如圖4所示。清零 信號(hào)Reset電位從低變高，控制像素215中的清零管203開啟，將像素215中FD點(diǎn)的電位 設(shè)為高電位；TX信號(hào)電位從低變高，控制像素215中的傳輸管202開啟，引起像素215中的 光電二極管201全耗盡，完成光電二極管的清零。光子被光電二極管吸收，產(chǎn)生光電子，光 電二極管收集光電子，開始曝光。完成曝光，像素215進(jìn)入像素信號(hào)讀出周期。清零信號(hào)Reset再次從低電平變?yōu)?高電平，F(xiàn)D清零。行選通信號(hào)Row select和讀出使能信號(hào)EN從低電平變高電平；當(dāng)FD完 成清零，清零信號(hào)從高電平變低電平后，信號(hào)Phi從高電平變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)211斷開，節(jié)點(diǎn) FD電壓信號(hào)穩(wěn)定后，從讀出電路的輸出端口 OUT輸出節(jié)點(diǎn)FD清零后的電壓Vrst，這時(shí)輸出 端口 OUT的輸出電壓是Voutl = Vrst+Voffset，其中Voffset是讀出電路的失調(diào)電壓。節(jié) 點(diǎn)FD清零后的信號(hào)讀出后，TX信號(hào)從低電平變成高電平控制傳輸管202開啟，光電二極管 201積累的光電子轉(zhuǎn)移到FD點(diǎn)，光電子轉(zhuǎn)移完成后，TX信號(hào)從高電平變成低電平。FD點(diǎn)電 平穩(wěn)定后，讀出電路的輸出端口 OUT輸出光電子轉(zhuǎn)移到節(jié)點(diǎn)FD后的電壓Vsig，這時(shí)輸出端 口 OUT 的輸出電壓是 Vout2 = (1+Cap2/Capl) * Vsig-Cap2/Capl * Vrst+Voffset，其中 Voffset是讀出電路的失調(diào)電壓。最終像素215輸出信號(hào)是Voutl-Vout2 = (1+Cap2/Capl) * (Vrst-Vsig)，實(shí)現(xiàn)像素215信號(hào)(1+Cap2/Capl)倍增益讀出。電容212、213的電容值 CapU Cap2可以調(diào)節(jié)，因此像素215的讀出信號(hào)增益可調(diào)。像素信號(hào)讀出后phi變?yōu)楦唠?平，開關(guān)211閉合。多個(gè)像素單元組成像素陣列的一列時(shí)，讀出電路連接方式，如圖5所示。像素514、 515、516中的讀出管的漏極連到相同節(jié)點(diǎn)，與MOS管506的漏極和柵極相連。像素514、515、 516中的行選通管的源極連到相同節(jié)點(diǎn)，與MOS管509的源極和電流源507相連。圖5舉例 了三個(gè)像素單元組成一列時(shí)，讀出電路連接方式，事實(shí)上，可以由1個(gè)或多個(gè)像素單元組成一列。具體實(shí)施例二 具有所述CMOS圖像傳感器像素讀出電路結(jié)構(gòu)的像素其結(jié)構(gòu)不限于圖2所示的像 素215的結(jié)構(gòu)，只要像素有讀出管均可采用本發(fā)明中的結(jié)構(gòu)。圖6所示的像素614與圖二 所示像素215相比，減少了行選通管。像素614讀出管605的源極直接與MOS管608的漏 極，MOS管609源極相連。MOS管608的柵極由使能信號(hào)EN控制，MOS管608的源極與電流源607相連。圖7所示是讀出電路工作在增益為1的工作模式時(shí)的控制信號(hào)波形圖，此時(shí) Phi 一直為高電平，開關(guān)611 —直閉合。圖8所示是讀出電路工作在放大工作模式時(shí)的控制 信號(hào)波形圖。具體實(shí)施例三具有所述CMOS圖像傳感器像素讀出電路結(jié)構(gòu)的像素圖9所示，像素714與圖2所 示像素215相比，減少了傳輸管。圖10所示是所述CMOS圖像傳感器讀出電路工作在增益 為1的工作模式時(shí)的控制信號(hào)波形圖，此時(shí)Phi—直為高電平，開關(guān)711—直閉合。圖11 所示是讀出電路工作在放大工作模式時(shí)的控制信號(hào)波形圖。具體實(shí)施例四本發(fā)明讀出電路中的運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)不限于圖2所示結(jié)構(gòu)。只要像素單元讀出 管作為運(yùn)算放大器的一個(gè)輸入管，運(yùn)算放大器與開關(guān)、電容連接成圖2所示結(jié)構(gòu)，均屬本發(fā) 明范疇。如圖12所示，像素810的光電二極管連到傳輸管802的源極，傳輸管的柵極由TX 信號(hào)控制，傳輸管的漏極連到FD節(jié)點(diǎn)；像素810的清零管的柵極由清零信號(hào)Reset控制，漏 極連到Resetjdd，源極連到FD節(jié)點(diǎn)；運(yùn)算放大器的正輸入端IN+(像素810的讀出管804 的柵極)連到FD節(jié)點(diǎn)；像素810的讀出管804成為運(yùn)算放大器的一個(gè)輸入管；運(yùn)算放大器 的負(fù)輸入端IN-連到電容808、電容809和開關(guān)806的一端；電容808的另一端連到固定電 平；電容809與開關(guān)806的另一端一起連到運(yùn)算放大器的輸出端0，形成讀出電路的輸出端 OUT。一個(gè)運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)有多種形式(一級(jí)運(yùn)算放大器，多級(jí)運(yùn)算放大器， gain-boost運(yùn)算放大器等)。圖13所示電路就是另一種運(yùn)算放大器形式應(yīng)用于本發(fā)明讀 出電路結(jié)構(gòu)的一種表現(xiàn)。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范 圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.CMOS圖像傳感器像素讀出電路結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括可調(diào)增益放大器，所述可調(diào)增 益放大器包括運(yùn)算放大器、第一電容、開關(guān)和第二電容，所述運(yùn)算放大器中的一個(gè)輸入管為 CMOS圖像傳感器像素單元的讀出管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器像素讀出電路結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述CMOS 圖像傳感器像素單元的讀出管與另一輸入管構(gòu)成所述運(yùn)算放大器的輸入差分對(duì)管。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的CMOS圖像傳感器像素讀出電路結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述CMOS 圖像傳感器像素單元的讀出管的柵極是運(yùn)算放大器的正輸入端，所述另一輸入管的柵極是 運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的CMOS圖像傳感器像素讀出電路結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述開關(guān) 的控制端與Phi信號(hào)相連，所述開關(guān)的其它兩端分別連到所述運(yùn)算放大器的輸出端和負(fù)輸 入端；所述第一電容的兩端分別接到運(yùn)算放大器的輸出端和負(fù)輸入端；所述第二電容的兩端分別接到運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端和固定電平節(jié)點(diǎn)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的CMOS圖像傳感器像素讀出電路結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一 電容和第二電容分別為可調(diào)電容。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的CMOS圖像傳感器像素讀出電路結(jié)構(gòu)，其特征在 于，所述運(yùn)算放大器為一級(jí)運(yùn)算放大器或多級(jí)運(yùn)算放大器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的CMOS圖像傳感器像素讀出電路結(jié)構(gòu)，其特征在于，該讀出電 路的工作模式通過數(shù)字電路控制，該讀出電路的工作模式包括增益為1的工作模式和/或 增益大于1的增益可調(diào)的工作模式。
8 —種CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，該像素結(jié)構(gòu)連接有權(quán)利1至5任一項(xiàng) 所述的CMOS圖像傳感器像素讀出電路結(jié)構(gòu)。
9.一種CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，該像素結(jié)構(gòu)連接有權(quán)利6所述的CMOS 圖像傳感器像素讀出電路結(jié)構(gòu)。
10.一種CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，該像素結(jié)構(gòu)連接有權(quán)利7所述的 CMOS圖像傳感器像素讀出電路結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種CMOS圖像傳感器像素讀出電路結(jié)構(gòu)及像素結(jié)構(gòu)，讀出電路結(jié)構(gòu)包括可調(diào)增益放大器，可調(diào)增益放大器包括運(yùn)算放大器、第一電容、開關(guān)和第二電容，運(yùn)算放大器中的一個(gè)輸入管為CMOS圖像傳感器像素單元的讀出管?？梢蕴岣哽`敏度、信噪比與動(dòng)態(tài)范圍，在傳輸過程中不會(huì)影響圖像質(zhì)量，且可以實(shí)現(xiàn)增益可調(diào)節(jié)。
文檔編號(hào)H04N5/374GK102104744SQ20111005332
公開日2011年6月22日 申請(qǐng)日期2011年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月4日
發(fā)明者劉志碧, 唐冕, 曠章曲, 李彪, 陳杰 申請(qǐng)人:北京思比科微電子技術(shù)股份有限公司