专利名称：超低压cmos图像传感器像素单元及电压输入输出方法
技术领域：
本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种超低压双互补金属氧化物半导体 (CMOS)图像传感器像素单元及电压输入输出方法。
背景技术：
CMOS图像传感器(CIS)不仅在多数电子产品，如个人电脑、移动电话、掌上电脑等有着广泛的应用，CMOS有源像素单元(APS)也基于自身低成本、低功耗、高集成能力的优势，逐步替代了电荷耦合器件(CCD)。CIS的特性主要由分辨率、填充系数、暗电流、时间噪声、固定图形噪声、灵敏度、响应率、量子效率、动态范围和信噪比决定的。近年，为了制造适应于移动电子器件，如手机、掌上电脑等要求最小功耗的APS器件，展开了减小所需的供应电压值，并延长电池寿命。但是，传统3T-APS结构像素单元，等效电路结构如图1中虚线框内所示，包括重置晶体管Ml、光电二极管Dl及它们中间接点m与输出端之间的射极互连的源NMOS跟随晶体管M2和PMOS管M3，M1集电极电连接重置信号Φ 1，M2基极电连接Ni， M2集电极电连接偏置电压Vdd，M3基极电连接选择信号民，该像素单元输出端还电连接接地的饱和NMOS管M7。为了得到最大的信号噪声比和像素动态范围，针对传统3T-APS结构如图2所示，信号必须尽可能大，如果供应电压小于IV，将会影响信号噪声比和像素单元的动态范围，因为允许的输入信号电压减小，低电流将造成较大的噪声电压。所以，信号必须有带有轨至轨信号输入级和轨至轨的信号输出级结构。本发明的目的是如何提高像素单元输出电压的动态范围，从而降低输入电压大小，从而能节省设备功耗。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是，如何提供一种超低压CMOS图像传感器像素单元及电压输入输出方法，相较传统3T-APS结构能大大提高输出电压动态范围，从而降低输入电压、节省功耗。本发明的第一个技术问题这样解决构建一种超低压CMOS图像传感器像素单元， 包括重置晶体管、光电二极管及它们中间接点与第一输出端之间的射极互连的源NMOS跟随晶体管和PMOS管，所述源NMOS跟随晶体管集电极电连接偏置电压，其特征在于，还包括射极互连的源PMOS跟随晶体管，基极电连接所述中间接点，集电极电连接地；NMOS管，基极电连接选择信号，集电极电连接第二输出端；所述选择信号还电连接所述PMOS管的基极。按照本发明提供的超低压CMOS图像传感器像素单元，第一输出端电连接接地的饱和NMOS管，第二输出端电连接接所述偏置电压的饱和PMOS管。按照本发明提供的超低压CMOS图像传感器像素单元，第一输出端和第二输出端分别电连接集成放大器的各自对应输入端。本发明的另一个技术问题这样解决构建一种超低压CMOS图像传感器像素单元的电压输入输出方法，其特征在于，包括以下步骤施加Vdd > VIP+VIN+2Vdsat的电源电压Vdd作为所述偏置电压，Vip是所述源PMOS跟随晶体管的阈值电压，Vin是所述源NMOS跟随晶体管的阈值电压，Vdsat是经过源电流的电压；第一输出端电压v。utn和第二输出端电压v。_共同构成了所述像素单元的输出电压 v。ut，其范围是vdsat < Voutput < vDD-vdsat。按照本发明提供的所述电压输入输出方法，所述电源电压Vdd是IV，所述范围的大小是0. 5 0. 6V。本发明提供的超低压CMOS图像传感器像素单元及电压输入输出方法，相较于最大有效输出电压范围只有(VDD-2VT-Vdsat)、动态范围受限于重置晶体管和源随晶体管的阈值电压降、不能脱离复杂输出电路工作于低于IV电源电压状态的传统3T-APS结构单元而言， 更为稳定、高效地使像素单元工作于超低电源电压状态，并扩大信号噪声比和像素动态范围。
下面结合附图和具体实施例进一步对本发明进行详细说明图1为传统3T-APS结构像素单元等效电路结构示意图；图2为图1所示传统3T-APS结构像素单元有效动态范围示意图；图3为本发明超低压像素单元结构等效电路结构示意图；图4为图3所示超低压像素单元的有效动态范围示意图；图5为绝缘衬底上的硅(SOI)CMOS技术下的超低压像素单元结构图；图6为体硅CMOS技术下的超低压像素单元结构图。
具体实施例方式首先，说明本发明所提供的能提高CMOS图像传感器填充系数的像素单元的具体单元结构和操作机理( 一 )单元结构该像素单元，具体等效电路结构如图3中虚线框内部所示，在传统3T-APS结构的基础上增加射极互连的一个源PMOS跟随晶体管M4，基极电连接所述中间接点，集电极电连接地；一个NMOS管M5，基极电连接选择信号&，集电极电连接第二输出端；所述选择信号&还电连接所述PMOS管M3的基极。这样M2、M3、M4、M5共同构成互补的信号通道，第二输出端还电连接接所述偏置电压Vdd的饱和PMOS管M6，与原有输出端(第一输出端)一起电连接集成放大器Al的对应输入端，共同构成输出电压V。ut。( 二)操作机理①整体结构像素单元由一个光电二极管、一个重置晶体管(Ml)、四个构成平行互补信号通道的晶体管M2、M3、M4、M5和两个源跟随晶体管M6、M7组成。②重置晶体管Ml用于减小电源Vdd和输入节点m的阈值电压降，两互补源跟随晶体管M2、M5用于放大m处的信号，并将其传输至输出。
源匪OS管M2的输入输出范围如下所示Vdsat+VIN < VNinput < VddVdsat < VNoutput < Vdd-Vin其中，Vmnput和VN。utput分别为m的输入输出电压范围；Vin为源NMOS跟随晶体管M2 的阈值电压；vdsat为经过源电流的电压。源PMOS管M5的输入输出范围如下所示0 < Vpinput < VDD-Vdsat-VIPVip < Vpoutput < Nw-Nisat其中，Vpinput和VP。utput分别为m的输入输出电压范围；Vip为源PMOS跟随晶体管M4 的阈值电压。为了确定完全的轨至轨输入电压，供应电源电压至少为VIP+VIN+2Vdsat ；同时有效输出电压范围接近轨至轨的电压，如下所示Vdsat < Voutput < VDD-Vdsat第二，结合本发明具体实施例进一步详细说明，但本发明包括但不限于以下实施例。实施例1采用了电压低至1.2V的0. 25um厚度的CMOS台积电(TSMC)技术，根据上述技术，每个像素单元只需要一个多晶硅层和五个金属层的测试结构，且此时Vin = 0. 4V，Vip = 0. 6V，Vdsat = 0. IV，如果偏置晶体管工作在三极管状态或弱反型状态，电源电压将可以更低。该超低压CMOS图像传感器像素单元，具体等效电路结构如图1所示，其中，Nl为输入节点，Ml是重置晶体管，M2、M3、M4、M5构成平行互补信号通道，M6、M7为单元稳定的轨至轨的输出电压。对应的器件结构图如图5 (SOI CMOS技术)、图6(体硅CMOS技术)所示。 对应的有效动态范围图如图4所示，大大扩展了输出电压的动态范围。而传统3T-APS像素单元的等效电路图如图1所示，对应的有效动态范围如图2所示。该超低压CMOS图像传感器像素单元具体输入输出原理是M1和光电二极管Dl的连接点作为输入节点Ni，其中Ml为PMOS管，置于m和Vdd之间，光电二极管Dl连接在m 和地面之间。平行互补信号通道第一个信号通道由连接m和Vdd的源跟随NMOS管M2、连接 M2和输出节点的NMOS管M3组成；第二个信号通道由连接m和地面的源跟随PMOS管M5、 连接M5和输出节点的PMOS管M4组成。M2和M5的栅极输入由m提供。连接M2、M3输出节点V。utn的是连接地面的饱和NMOS管M7，连接M4、M5输出节点V。utp的是连接电源的饱和 PMOS管M6，Voutn和V。utp共同构成了像素单元的输出电压Vout。实验结果表示，该像素单元在IV操作电压下，输出范围为0.55V，8位灵敏度为 2mV ；远高于经典同尺寸3T-APS动态范围的0. 2V。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。
权利要求
1.一种超低压CMOS图像传感器像素单元，包括重置晶体管(Ml)、光电二极管(Dl)及它们中间接点与第一输出端之间的射极互连的源NMOS跟随晶体管(M2)和PMOS管(M3)，所述源NMOS跟随晶体管(IC)集电极电连接偏置电压(Vdd)，其特征在于，还包括射极互连的源PMOS跟随晶体管(M4)，基极电连接所述中间接点，集电极电连接地；NMOS管(iK)，基极电连接选择信号(Rs)，集电极电连接第二输出端；所述选择信号(Rs) 还电连接所述PMOS管(M3)的基极。
2.根据权利要求1所述超低压CMOS图像传感器像素单元，其特征在于，第一输出端电连接接地的饱和NMOS管(M7)，第二输出端电连接接所述偏置电压(Vdd)的饱和PMOS管 (M6)。
3.根据权利要求1或2所述超低压CMOS图像传感器像素单元，其特征在于，第一输出端和第二输出端分别电连接集成放大器(Al)的各自对应输入端。
4.基于权1所述超低压CMOS图像传感器像素单元的电压输入输出方法，其特征在于， 包括以下步骤施加Vdd > VIP+VIN+2Vdsat的电源电压Vdd作为所述偏置电压(Vdd)，Vip是所述源PMOS跟随晶体管(M2)的阈值电压，Vin是所述源NMOS跟随晶体管(M5)的阈值电压，Vdsat是经过源电流的电压；第一输出端电压(V。utn)和第二输出端电压(V。utp)共同构成了所述像素单元的输出电压V。ut，其范围是 :Vdsat〈 ^output〈 ^DD—Vdsat。
5.根据权利要求4所述电压输入输出方法，其特征在于，所述电源电压Vdd是IV，所述范围的大小是0. 5 0. 6V。
全文摘要
本发明涉及一种超低压CMOS图像传感器像素单元及电压输入输出方法，其中像素单元包括重置晶体管(M1)、光电二极管(D1)及它们中间接点与第一输出端之间的射极互连的源NMOS跟随晶体管(M2)和PMOS管(M3)以及中间接点与第二输出端之间的射极互连的集电极接地的源PMOS跟随晶体管(M4)和NMOS管(M5)，M2集电极接偏置电压(Vdd)，M4集电极接地，M3、M5基极电连接选择信号(RS)；对应电压输入输出方法包括施加VDD＞VIP+VIN+2Vdsat的输入偏置电压，VIP是M2的阈值电压，VIN是M5的阈值电压，Vdsat是经过源电流的电压；第一和第二输出端共同构成了输出电压Vout，Vdsat＜Voutput＜VDD-Vdsat。
文档编号H01L27/146GK102572322SQ20111044186
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月26日 优先权日2011年12月26日
发明者何进, 杜彩霞, 苏艳梅 申请人:深港产学研基地