图像传感器像素阵列固定模式噪声消除电路的制作方法
【专利摘要】本发明提供一图像传感器像素阵列的固定模式噪声消除电路，所述像素阵列包括呈矩形阵列排列的多个半浮栅晶体管像素，其中：所述固定模式噪声消除电路包括与所述像素阵列的每一列连接的读出电路以及连接于各该读出电路的补偿电路，所述读出电路包括电流比较电路及计数器，所述补偿电路包括斜坡电压发生器、计算电路、查找表及矫正电路；本发明可以通过独特的读出电路及外部补偿电路彻底消除半浮栅晶体管(SFGT)像素阵列的固定模式噪声(FPN)，从而提高信号读出的精度，改善图像质量。结合半浮栅晶体管像素阵列本身像素尺寸小、填充因子大的优点，本发明可以广泛应用于半浮栅晶体管这种新型器件的图像传感器中。
【专利说明】图像传感器像素阵列固定模式噪声消除电路
【技术领域】
[0001]本发明属于集成电路领域，涉及图像传感器的信号处理技术，具体涉及一种半浮栅晶体管像素阵列的固定模式噪声(FPN)消除电路。
【背景技术】
[0002]图像传感器是用来将光信号转换成电信号的半导体器件。目前图像传感器主要有两种:CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)图像传感器和电荷稱合器件(Charge Coupled Device, CCD)图像传感器。由于CMOS图像传感器具有功耗低、体积小、集成度高、动态范围宽等优点，并且可以与当前的制造工艺兼容，而且具有高度系统整合的条件，所以CMOS图像传感器已经得到越来越广泛的应用。
[0003]半浮栅晶体管(Sem1-Floating-Gate Transistor, SFGT)是一种新型的半导体器件，且能够用作感光元件，其基本的结构已经由专利CN101707202给出，如图1所示。用作感光元件时，首先对漏极掺杂区503和半浮栅区505组成的光电二极管施加正偏电压，进行复位操作，清空半浮栅区505上的电荷；随后对光电二极管施加反偏电压，使其进入曝光状态，光生电荷被收集到半浮栅区505，其电压升高，因此整个SFGT器件的阈值电压Vth下降，光照强度越大，半浮栅区505电压上升越多，阈值电压下降值Vth也越大；在读出阶段，对控制栅电极507和漏端电极513分别施加一定的正电压，则会有电流经漏极514流向源极511。读取源电极510的电流，根据电流值的大小，就可以反映出光照的强弱，从而达到感光的功能。如图2所示，与传统CMOS像素单元(3个晶体管加一个感光二极管)相比，SFGT像素单元仅需要一个晶体管就可以完成复位、曝光和读出的操作，因此大大提高了像素单元的填充因子(感光区域面积与像素总面积之比)，增加了图像传感器的灵敏度和分辨率。
[0004]基于半浮栅晶体管SFGT像素元件的感光阵列由专利CN101707202给出，如图3所示，包括M行N列，每个像素由一个SFGT元件组成，同一行的所有像素的控制栅电压Ve和漏极电压Vd全都互相连结，是像素阵列的输入电压信号；同一列的所有像素的源级全都互相连结，是像素阵列的输出电流信号。图3中SFGT的读取电流表达式(第i行，第j列的像素)为:I(j) =K[Vji)-Vs(j)-Vth(i，j)]2，其中K为常数，Ve⑴为该行的控制栅极电压，Vs(j)为该列输出节点电压，Vth(i，j)为该像素的阈值电压。从上式可知，在目前的集成电路工艺中，各晶体管之间普遍存在阈值电压非均一性现象，即每个像素中SFGT的Vth都有所不同，其偏差可达20%至30%，且Vth(i，j)这一项出现在上式的平方项中，因此阈值电压非均一性对于读出电流也会产生十分显著的影响，这种现象称为固定模式噪声(FPN)，即使各个像素处于相同光照强度下，读出电流也会表现出极大的差异，从而影响了成像的质量。
[0005]长久以来，人们不断在寻求减弱和消除固定模式噪声的方法。对于CMOS图像传感器，已经发明和产生了消除固定模式噪声的各种方法。随着半浮栅晶体管(SFGT)这一新器件的发明和使用，亟需提供一种除半浮栅晶体管(SFGT)像素阵列的固定模式噪声(FPN)的方法。
【发明内容】
[0006]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一图像传感器像素阵列固定模式噪声消除电路，用于解决现有技术中半浮栅晶体管(SFGT)像素阵列的固定模式噪声难以消除的问题。
[0007]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一图像传感器像素阵列固定模式噪声消除电路，所述像素阵列包括呈矩形阵列排列的多个半浮栅晶体管像素，其中:
[0008]所述固定模式噪声消除电路包括与所述像素阵列的每一列连接的读出电路以及连接于各该读出电路的补偿电路，所述读出电路包括电流比较电路及计数器，所述补偿电路包括计算电路、查找表、矫正电路及斜坡电压发生器；
[0009]所述电流比较电路用于比较各该半浮栅晶体管像素的输出电流与所述斜坡电流，并在所述读出电流与斜坡电流相等时产生翻转信号；
[0010]所述计数器用于依据所述翻转信号产生数字信号并输出；
[0011]所述计算电路用于计算各该半浮栅晶体管像素结构的对应的数字信号与基准值的差值并将该差值存储至所述查找表；
[0012]所述矫正电路根据所述查找表的差值对所述斜坡电压发生器输出的斜坡电压的斜率进行调整，该调整后的斜坡电压用于对各该读出电路进行补偿。
[0013]所述斜坡电压发生器用于产生斜坡电压并通过所述电流比较电路产生斜坡电流；
[0014]作为本发明的图像传感器像素阵列固定模式噪声消除电路的一种优选方案，所述电流比较电路包括电流镜及两管比较器，所述电流镜由第一 NMOS管及第二 NMOS管组成，所述比较电路由所述第二 NMOS管及PMOS管组成，其中，所述第一 NMOS管的第一极与其栅极、半浮栅晶体管像素及所述第二 NMOS管的栅极相连，第二极接地；所述第二 NMOS管的第一极与所述PMOS管的第一极相连，第二极接地；所述PMOS管的第二极接外部电源，栅极连接所述斜坡电压发生器。
[0015]作为本发明的图像传感器像素阵列固定模式噪声消除电路的一种优选方案，所述电流比较电路包括阻抗放大器及两管比较器，所述比较电路由NMOS管及PMOS管组成，其中，所述阻抗放大器的第一输入端接半浮栅晶体管像素，第二输入端接地，输出端接所述NMOS管的栅极；所述NMOS管的第一极与所述PMOS管的第一极相连，第二极接地
管的第二极接外部电源，栅极连接所述斜坡电压发生器。
[0016]作为本发明的图像传感器像素阵列固定模式噪声消除电路的一种优选方案，所述计数器在所述斜坡电压发生器产生斜坡电压时开始计数，在接收到所述翻转信号时停止计数并输出数字信号。
[0017]作为本发明的图像传感器像素阵列固定模式噪声消除电路的一种优选方案，所述基准值为各该半浮栅晶体管像素结构的对应的数字信号中的最大值或最小值或该最大值与最小值之间的任意值。
[0018]进一步地，所述计算电路包括:
[0019]平均电路，用于计算所有半浮栅晶体管像素结构的对应的数字信号的平均值，作为基准值；
[0020]差值电路，用于计算各该半浮栅晶体管像素结构的对应的数字信号与所述平均值的差值并将该差值存储至所述查找表。
[0021]优选地，所述平均电路包括:用于寄存所述计数器输出的数字信号的寄存器、多个具有第一阻值A的第一电阻、具有第二阻值1*2的第二电阻及第一运算放大器；其中，所述多个第一电阻的第一端分别连接于所述寄存器，另一端共同与所述第二电阻的第一端及所述第一运算放大器的第一输入端相连，所述第二电阻的第二端与所述第一运算放大器的输出端相连，所述第一运算放大器的第二输入端接地；其中，m/N，N为所述第一电阻的个数；
[0022]所述差值电路包括第三电阻、第四电阻、第五电阻及第二运算放大器；其中，所述第三电阻的第一端与所述第二电阻相连，所述第四电阻的第一端与所述寄存器相连，所述第三电阻的第二端与所述第四电阻的第二端相连，且连接于所述第五电阻的第一端及所述第二运算放大器的第一输入端，所述第五电阻的第二端与所述第二运算放大器的输出端相连，所述第二运算放大器的第二输入端接地。
[0023]作为本发明的图像传感器像素阵列固定模式噪声消除电路的一种优选方案，通过矫正所述斜坡电压发生器的工作频率、步进长度或偏移电压来矫正其输出的斜坡电压的斜率。
[0024]作为本发明的图像传感器像素阵列固定模式噪声消除电路的一种优选方案，所述矫正电路包括第一电流镜组及第二电流镜组，其中:
[0025]所述第一电流镜组包括用于输入第一电流源的共用NMOS管及与该共用NMOS分别组成NMOS电流镜的多个NMOS管，所述多个匪OS电流镜的输出端分别连接有开关，各该开关连接于所述查找表，并通过所述查找表控制其开启或闭合；其中，各该NMOS电流镜具有各自的电流放大倍数，且各该电流放大倍数与所述查找表中的的各该差值对应；
[0026]所述第二电流镜组包括用于输入第二电流源的共用PMOS管及与该共用PMOS管分别组成PMOS电流镜的多个PMOS管，所述多个PMOS电流镜的输出端分别连接有开关，各该开关连接于所述查找表，并通过所述查找表控制其开启或闭合；其中，各该PMOS电流镜具有各自的电流放大倍数，且各该电流放大倍数与所述查找表中的的各该差值对应。
[0027]作为本发明的图像传感器像素阵列固定模式噪声消除电路的一种优选方案，所述半浮栅晶体管像素包括控制栅、半浮栅、漏极掺杂区、源极掺杂区及沟道区，其中:
[0028]所述控制栅覆盖于所述半浮栅的表面；
[0029]所述半浮栅包括覆盖于所述沟道区及部分漏极掺杂区表面的栅介质层及栅电极层，且所述栅介质层于所述漏极掺杂区表面处具有开口，所述开口下方的漏极掺杂区中具有扩散区，所述半浮栅、扩散区及漏极掺杂区共同形成用于感光的光电二极管；
[0030]所述半浮栅的掺杂类型与漏极掺杂区、源极掺杂区的掺杂类型相反，所述扩散区的掺杂类型与所述半浮栅的掺杂类型相同。
[0031]如上所述，本发明提供一种图像传感器像素阵列固定模式噪声消除电路，所述像素阵列包括呈矩形阵列排列的多个半浮栅晶体管像素，其中:所述固定模式噪声消除电路包括与所述像素阵列的每一列连接的读出电路以及连接于各该读出电路的补偿电路，所述读出电路包括电流比较电路及计数器，所述补偿电路包括计算电路、查找表、矫正电路及斜坡电压发生器；所述电流比较电路用于比较各该半浮栅晶体管像素的输出电流与所述斜坡电流，并在所述读出电流与斜坡电流相等时产生翻转信号；所述计数器用于依据所述翻转信号产生数字信号并输出；所述计算电路用于计算各该半浮栅晶体管像素结构的对应的数字信号与基准值的差值并将该差值存储至所述查找表；所述矫正电路根据所述查找表的差值对所述斜坡电压发生器输出的斜坡电压的斜率进行调整，该调整后的斜坡电压用于对各该读出电路进行补偿；所述斜坡电压发生器用于产生斜坡电压并通过所述电流比较电路产生斜坡电流。本发明可以通过独特的读出电路及外部补偿电路彻底消除半浮栅晶体管(SFGT)像素阵列的固定模式噪声(FPN)，从而提高信号读出的精度，改善图像质量。结合半浮栅晶体管(SFGT)像素阵列本身像素尺寸小、填充因子大的优点，本发明可以广泛应用于半浮栅晶体管(SFGT)这种新型器件的图像传感器中。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1显示为半浮栅晶体管像素的结构示意图。
[0033]图2显示为现有技术中的CMOS像素单元的电路结构示意图。
[0034]图3显示为基于半浮栅晶体管像素元件的感光阵列的结构示意图。
[0035]图4显示为本发明的一种图像传感器像素阵列固定模式噪声消除电路的电路结构示意图。
[0036]图5显示为本发明的另一种图像传感器像素阵列固定模式噪声消除电路的电路结构示意图。
[0037]图6显示为本发明的图像传感器像素阵列固定模式噪声消除电路的一种计算电路的电路结构不意图。
[0038]图7显示为本发明的图像传感器像素阵列固定模式噪声消除电路的一种矫正电路的电路结构不意图。
[0039]图8显示为本发明的图像传感器像素阵列固定模式噪声消除电路的工作原理示意图。
[0040]元件标号说明
[0041]507控制栅
[0042]505半浮栅
[0043]503漏极掺杂区
[0044]513及514 漏端电极
[0045]511源极掺杂区
[0046]510源端电极
[0047]502扩散区
【具体实施方式】
[0048]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。
[0049]请参阅图1~图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式·中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0050]如4及图5所示，本实施例提供一图像传感器像素阵列固定模式噪声消除电路，所述像素阵列包括呈矩形阵列排列的多个半浮栅晶体管像素，其中:
[0051]所述固定模式噪声消除电路包括与所述像素阵列的每一列连接的读出电路以及连接于各该读出电路的补偿电路，所述读出电路包括电流比较电路及计数器，所述补偿电路包括计算电路、查找表、矫正电路及斜坡电压发生器；
[0052]所述电流比较电路用于比较各该半浮栅晶体管像素的输出电流与所述斜坡电流，并在所述读出电流与斜坡电流相等时产生翻转信号；
[0053]所述计数器用于依据所述翻转信号产生数字信号并输出；
[0054]所述计算电路用于计算各该半浮栅晶体管像素结构的对应的数字信号与基准值的差值并将该差值存储至所述查找表；
[0055]所述矫正电路根据所述查找表的差值对所述斜坡电压发生器输出的斜坡电压的斜率进行调整，该调整后的斜坡电压用于对各该读出电路进行补偿；
[0056]所述斜坡电压发生器用于产生斜坡电压并通过所述电流比较电路产生斜坡电流。
[0057]如图1所示，所述半浮栅晶体管像素主要包括控制栅507、半浮栅505、漏极掺杂区503、漏端电极513及514、源极掺杂区511、源端电极510、沟道区、及扩散区502、其中:
[0058]所述控制栅507覆盖于所述半浮栅505的表面；
[0059]所述半浮栅505包括覆盖于所述沟道区及部分漏极掺杂区503表面的栅介质层及栅电极层，且所述栅介质层于所述漏极掺杂区表面处具有开口，所述开口下方的漏极掺杂区503中具有一扩散区502，所述半浮栅505、扩散区502及漏极掺杂区503共同形成一用于感光的光电二极管；
[0060]所述半浮栅505的掺杂类型与漏极掺杂区503、源极掺杂区511的掺杂类型相反，所述扩散区502的掺杂类型与所述半浮栅505的掺杂类型相同。
[0061]所述半浮栅晶体管像素在感光的过程中，首先对漏极掺杂区503、扩散区502及半浮栅505组成的光电二极管施加正偏电压，进行复位操作，清空半浮栅区505上的电荷；随后对光电二极管施加反偏电压，使其进入曝光状态，光生电荷被收集到半浮栅505区域，其电压升高，因此整个SFGT器件的阈值电压Vth下降，光照强度越大，半浮栅505区域的电压上升越多，阈值电压下降值Vth也越大；在读出阶段，对控制栅507的电极和漏端电极513及514分别施加一定的正电压，则会有电流经漏极掺杂区503流向源端电极510。读取源端电极510的电流，根据电流值的大小，就可以反映出光照的强弱，从而达到感光的功能。
[0062]如图4所示，作为示例，所述电流比较电路包括电流镜及两管比较器，所述电流镜由第一 NMOS管Tl及第二 NMOS管T2组成，所述两管比较器由所述第二 NMOS管T2及PMOS管T3组成，其中，所述第一 NMOS管Tl的第一极与其栅极、半浮栅晶体管像素及所述第二NMOS管T2的栅极相连，第二极接地；所述第二 NMOS管T2的第一极与所述PMOS管T3的第一极相连，第二极接地；所述PMOS管T3的第二极接外部电源，栅极连接所述斜坡电压发生器。
[0063]当然，所述电流比较电路可以采用其它的电路实现，作为另一种电流比较电路的实现电路，如图5所示，所述电流比较电路包括阻抗放大器Al及两管比较器，所述两管比较器由NMOS管T2及PMOS管T3组成，其中，所述阻抗放大器Al的第一输入端接半浮栅晶体管像素，第二输入端接地，输出端接所述NMOS管T2的栅极；所述NMOS管T2的第一极与所述PMOS管T3的第一极相连，第二极接地；所述PMOS管T3的第二极接外部电源，栅极连接所述斜坡电压发生器。
[0064]在所述图像传感器像素阵列固定模式噪声消除电路的实际运作过程中，所述计数器由时钟信号触发开始计数，具体为在像素整列复位结束时，也即所述斜坡电压发生器开始产生斜坡电压时开始计数，在接收到所述翻转信号时停止计数并输出数字信号。
[0065]作为示例，所述基准值为各该半浮栅晶体管像素结构的对应的数字信号中的最大值或最小值或该最大值与最小值之间的任意值。
[0066]为了使所述图像传感器像素阵列固定模式噪声消除电路达到一个比较良好的效果，所述计算电路包括:
[0067]平均电路，用于计算所有半浮栅晶体管像素结构的对应的数字信号的平均值，作为基准值；
[0068]差值电路，用于计算各该半浮栅晶体管像素结构的对应的数字信号与所述平均值的差值并将该差值存储至所述查找表。
[0069]如图6所示，具体地，所述平均电路包括:用于寄存所述计数器输出的数字信号的寄存器(未予图示)、多个具有第一阻值A的第一电阻R1、具有第二阻值r2的第二电阻R2及第一运算放大器A2 ;其中，所述多个第一电阻Rl的第一端分别连接于所述寄存器，另一端共同与所述第二电阻R2的第一端及所述第一运算放大器A2的第一输入端相连，所述第二电阻R2的第二端与所述第一运算放大器A2的输出端相连，所述第一运算放大器A2的第二输入端接地；其中，r2=ri/N，N为所述第一电阻的个数；
[0070]所述差值电路包括第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5及第二运算放大器A3 ；其中，所述第三电阻R3的第一端与所述第二电阻相连，所述第四电阻R4的第一端与所述寄存器相连，所述第三电阻R3的·第二端与所述第四电阻R4的第二端相连，且连接于所述第五电阻R5的第一端及所述第二运算放大器A3的第一输入端，所述第五电阻R5的第二端与所述第二运算放大器A3的输出端相连，所述第二运算放大器A3的第二输入端接地。
[0071]其中，所述第三电阻R3、第四电阻R4及第五电阻R5的阻值相等；所述第一运算放大器A2及第二运算放大器A3的理想特性为:第一输入端及第二输入端的电压相等，流过所述第一运算放大器A2及第二运算放大器A3均为零。作为可选实施例，第二输入端接地，即:第一输入端及第二输入端的电压均为接地电压。需要说明的是，本实施例中，第一运算放大器A2和第二运算放大器A3的第一输入端为反相输入端，第二输入端为同相输入端。
[0072]上述计算电路的工作原理为:
[0073]第一，从寄存器中同时输入与所述计数器所得数字信号对应的电压信号ul、u2、
u3......uN，各该电压信号藉由所述多个第一电阻转化成电流信号后于节点O1相叠加输出叠
加电流，所述叠加电流通过所述第二电阻r2=r 1/N后便获得平均电压:
[0074]U 平均=-(ul+u2+u3......+uN) /N ；
[0075]第二，所述平均电压U平均通过所述第三电阻R3转化成平均电流，从寄存器逐个输入与所述计数器所得数字信号对应的电压信号ul、u2、u3……uN，通过第四电阻R4转化成电流后于节点O2与所述平均电流相叠加后，通过所述第五电阻R5转化成节点O输出的电压差值U0并存储至所述查找表，U0=U平均一 ui，Ui为第四电阻R4第一端从寄存器依次输入的电压信号ul、u2......uN。
[0076]所述斜坡发生器的工作参数一般包括工作频率、步进长度、偏移电压等，因此，通过矫正所述斜坡电压发生器的工作频率、步进长度或偏移电压均可达到矫正其输出的斜坡电压的斜率的效果。
[0077]如图7所示，所述矫正电路包括第一电流镜组及第二电流镜组，其中:
[0078]所述第一电流镜组包括用于输入第一电流源的共用匪OS管匪I及与该共用NMOS分别组成NMOS电流镜的多个NMOS管匪2、匪3、NM4及匪5，所述多个NMOS电流镜的输出端分别连接有开关S5、S6、S7及S8，各该开关连接于所述查找表，并通过所述查找表控制其开启或闭合；其中，各该NMOS电流镜具有各自的电流放大倍数，且各该电流放大倍数与所述查找表中的的各该差值对应；
[0079]所述第二电流镜组包括用于输入第二电流源的共用PMOS管及与该共用PMOS管PMl分别组成PMOS电流镜的多个PMOS管PM2、PM3、PM4及PM5，所述多个PMOS电流镜的输出端分别连接有开关S1、S2、S3及S4，各该开关连接于所述查找表，并通过所述查找表控制其开启或闭合；其中，各该PMOS电流镜具有各自的电流放大倍数，且各该电流放大倍数与所述查找表中的的各该差值对应。
[0080]由于查找表中的数值为差值，故该些数值一般不会过大，因此，在本实施例中，所述第一电流镜组的NMOS电流镜数量为4个，且所述第二电流镜组的PMOS电流镜的数量也为4个。具体地，各该NMOS电流镜具有各自的电流放大倍数，且各该电流放大倍数与所述查找表中的的各该差值对应，例如，当所述查找表中的差值分别为-1、-2、-3、-4时，则根据该数值分别选通相应的电流放大倍数的NMOS电流镜输出放大电流；而当所述查找表中的差值分别为1、2、3、4时，则根据该数值分别选通相应的电流放大倍数的PMOS电流镜输出放大电流；上述的放大电流输出至所述斜坡电压发生器的输出端对其输出进行补偿，以实现对斜坡电压的斜率的调整。
[0081]如图8所示，本发明的图像传感器像素阵列固定模式噪声消除电路的工作工程为:
[0082]第一步，采用一定亮度的点光源在与所述像素阵列足够远的距离垂直照射像素阵列，保证每个半浮栅晶体管像素接收到的光照强度相等；
[0083]第二步，通过控制所述半浮栅晶体管像素阵列的控制栅电压Ve和漏极电压VD，对像素阵列中的每个半浮栅晶体管(SFGT)像素进行复位，使各该半浮栅晶体管像素的半浮栅上的电荷清空；
[0084]第三步，通过控制所述半浮栅晶体管像素阵列的控制栅电压Ve和漏极电压VD，对像素阵列中的每个半浮栅晶体管像素进行曝光，将光照产生的光电子通过半浮栅晶体管像素的隧穿二极管存储到半浮栅晶体管像素的半浮栅上，从而改变半浮栅晶体管像素的阈值电压Vth，阈值电压Vth的大小即反映了光照强度；
[0085]第四步，通过控制所述半浮栅晶体管像素阵列的控制栅电压Ve和漏极电压VD，对像素阵列中的每个半浮栅晶体管像素进行读出，使半浮栅晶体管像素产生读出电流，每个半浮栅晶体管像素的读出电流大小与每个半浮栅晶体管的阈值电压Vth有关；
[0086]第五步，通过控制所述半浮栅晶体管像素阵列中不同的VD[i]和VJi]，从而可以依次逐行选通各行读出电流，而每列的读出电流I (j)分别输入到各个读出电路，原始的读出信号如图8中Original pixel output曲线所示；
[0087]第六步，任意列的读出电流I (j)通过电流镜镜像到两管比较器的第二 NMOS管上，所述两管比较器的输出信号如图8中PWM曲线所示；
[0088]第七步，斜坡电压发生器(Ramp Generator)产生的原始斜坡电压输入到两管比较器中PMOS的栅极，从而在PMOS中产生从小到大的斜坡电流，如图8中的Original ramp曲线所示，此时，所述计数器同时开始计数，如图8中的PWM count曲线所示；
[0089]第八步，当上述斜坡电流增大到等于读出电流I (j)时,Vc(j)被拉低，比较器翻转到低电平(即产生翻转信号)，上述产生的翻转信号输入到读出电路中的计数器(counter)的使能端(en)，使所述计数器停止计数；
[0090]第九步，上述计数器由时钟信号CLK触发，当所述斜坡电压发生器产生斜坡电压时，时钟信号CLK触发计数器开始计数，直到上述条件下停止计数并输出数字信号，计数器的计数结果即反映了读出电流的大小，也即光照强度的大小；并且，由于器件不匹配等原因造成的固定模式噪声(FPN)，使相同光照条件下，每个像素产生的计数结果有差异，也即产生噪声；
[0091]第十步，将所有像素的计数器的计数结果存入寄存器中，并使用一个平均电路求出它们的平均值，再使用一个差值电路依次求出每个像素的计数结果与平均值的差值，并将各差值存储至所述查找表；本发明通过查找表的方式，只需一次性将各差值存储至查找表，此后正式应用时只要找到查找表中对应的差值，并通过矫正电路矫正斜坡电压的斜率，就可以消除掉所有的固定模式噪声(FPN)(包括像素级噪声和列级噪声)。
[0092]在图像传感器芯片正式投入应用后，选通任意一个像素读出的同时，通过地址寻址信号addr找到查找表中该像素对应的差值，将上述差值输入到一个矫正电路中，将该差值转化成斜坡电压发生器的斜率差值，从而改变斜坡电压发生器产生的斜率，矫正后的斜坡电压的斜率如图8中Calibrated ramp曲线所示,矫正后最终计数器读出信号如图8中的Correct PWM count所示，矫正后的斜率可以保证该图像传感器的所有像素在相同光照条件下产生的计数器计数结果相等，也即消除了固定模式噪声(FPN)。
[0093]如上所述，本发明提供一种图像传感器像素阵列固定模式噪声消除电路，所述像素阵列包括呈矩形阵列排列的多个半浮栅晶体管像素，其中:所述固定模式噪声消除电路包括与所述像素阵列的每一列连接的读出电路以及连接于各该读出电路的补偿电路，所述读出电路包括电流比较电路及计数器，所述补偿电路包括计算电路、查找表、矫正电路及斜坡电压发生器；所述电流比较电路用于比较各该半浮栅晶体管像素的输出电流与所述斜坡电流，并在所述读出电流与斜坡电流相等时产生翻转信号；所述计数器用于依据所述翻转信号产生数字信号并输出；所述计算电路用于计算各该半浮栅晶体管像素结构的对应的数字信号与基准值的差值并将该差值存储至所述查找表；所述矫正电路根据所述查找表的差值对所述斜坡电压发生器输出的斜坡电压的斜率进行调整，该矫正后的斜坡电压用于对各该读出电路进行补偿；所述斜坡电压发生器用于产生斜坡电压并通过所述电流比较电路产生斜坡电流。本发明可以通过独特的读出电路及外部补偿电路彻底消除半浮栅晶体管(SFGT)像素阵列的固定模式噪声(FPN)，从而提高信号读出的精度，改善图像质量。结合半浮栅晶体管(SFGT)像素阵列本身像素尺寸小、填充因子大的优点，本发明可以广泛应用于半浮栅晶体管(SFGT)这种新型器件的图像传感器中。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0094]上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属【技术领域】中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
【权利要求】
1.一种图像传感器像素阵列固定模式噪声消除电路，所述像素阵列包括呈矩形阵列排列的多个半浮栅晶体管像素，其特征在于: 所述固定模式噪声消除电路包括与所述像素阵列的每一列连接的读出电路以及连接于各该读出电路的补偿电路，所述读出电路包括电流比较电路及计数器，所述补偿电路包括斜坡电压发生器、计算电路、查找表及矫正电路； 所述斜坡电压发生器用于产生斜坡电压并通过所述电流比较电路产生斜坡电流； 所述电流比较电路用于比较各该半浮栅晶体管像素的输出电流与所述斜坡电流，并在所述读出电流与斜坡电流相等时产生翻转信号； 所述计数器用于依据所述翻转信号产生数字信号并输出； 所述计算电路用于计算各该半浮栅晶体管像素的对应的数字信号与基准值的差值并将该差值存储至所述查找表； 所述矫正电路根据所述查找表的差值对所述斜坡电压发生器输出的斜坡电压的斜率进行调整，该调整后的斜坡电压用于对各该读出电路进行补偿。
2.根据权利要求1所述的图像传感器像素阵列固定模式噪声消除电路，其特征在于:所述电流比较电路包括电流镜及两管比较器，所述电流镜由第一 NMOS管及第二 NMOS管组成，所述两管比较器由所述第二 NMOS管及PMOS管组成，其中，所述第一 NMOS管的第一极与其栅极、半浮栅晶体管像素及所述第二 NMOS管的栅极相连，第二极接地；所述第二 NMOS管的第一极与所述PMOS管的第一极相连，第二极接地；所述PMOS管的第二极接外部电源，栅极连接所述斜坡电压发生器。
3.根据权利要求1所述的图像传感器像素阵列固定模式噪声消除电路，其特征在于:所述电流比较电路包括阻抗放大器及两管比较器，所述两管比较器由NMOS管及PMOS管组成，其中，所述阻抗放大器的第一输入端接半浮栅晶体管像素，第二输入端接地，输出端接所述NMOS管的栅极；所述NMOS管`的第一极与所述PMOS管的第一极相连，第二极接地；所述PMOS管的第二极接外部电源，栅极连接所述斜坡电压发生器。
4.根据权利要求1所述的图像传感器像素阵列固定模式噪声消除电路，其特征在于:所述计数器在像素阵列复位结束，也即所述斜坡电压发生器开始产生斜坡电压时开始计数，在接收到所述翻转信号时停止计数并输出数字信号。
5.根据权利要求1所述的图像传感器像素阵列固定模式噪声消除电路，其特征在于:所述基准值为各该半浮栅晶体管像素结构的对应的数字信号中的最大值或最小值或该最大值与最小值之间的任意值。
6.根据权利要求1所述的图像传感器像素阵列固定模式噪声消除电路，其特征在于:所述计算电路包括: 平均电路，用于计算所有半浮栅晶体管像素的对应的数字信号的平均值，作为基准值； 差值电路，用于计算各该半浮栅晶体管像素的对应的数字信号与所述平均值的差值并将该差值存储至所述查找表。
7.根据权利要求6所述的图像传感器像素阵列固定模式噪声消除电路，其特征在于: 所述平均电路包括:用于寄存所述计数器输出的数字信号的寄存器、多个具有第一阻值!^的第一电阻、具有第二阻值1"2的第二电阻及第一运算放大器；其中，所述多个第一电阻的第一端分别连接于所述寄存器，另一端共同与所述第二电阻的第一端及所述第一运算放大器的第一输入端相连，所述第二电阻的第二端与所述第一运算放大器的输出端相连，所述第一运算放大器的第二输入端接地；其中，r2=ri/N，N为所述第一电阻的个数； 所述差值电路包括第三电阻、第四电阻、第五电阻及第二运算放大器；其中，所述第三电阻的第一端与所述第二电阻相连，所述第四电阻的第一端与所述寄存器相连，所述第三电阻的第二端与所述第四电阻的第二端相连，且连接于所述第五电阻的第一端及所述第二运算放大器的第一输入端，所述第五电阻的第二端与所述第二运算放大器的输出端相连，所述第二运算放大器的第二输入端接地。
8.根据权利要求1所述的图像传感器像素阵列固定模式噪声消除电路，其特征在于:通过矫正所述斜坡电压发生器的工作频率、步进长度或偏移电压来矫正其输出的斜坡电压的斜率。
9.根据权利要求1所述的图像传感器像素阵列固定模式噪声消除电路，其特征在于:所述矫正电路包括第一电流镜组及第二电流镜组，其中: 所述第一电流镜组包括用于输入第一电流源的共用NMOS管及与该共用NMOS分别组成NMOS电流镜的多个NMOS管，所述多个NMOS电流镜的输出端分别连接有开关，各该开关连接于所述查找表，并通过所述查找表控制其开启或闭合；其中，各该NMOS电流镜具有各自的电流放大倍数，且各该电流放大倍数与所述查找表中的的各该差值对应； 所述第二电流镜组包括用于输入第二电流源的共用PMOS管及与该共用PMOS管分别组成PMOS电流镜的多个PMOS管，所述多个PMOS电流镜的输出端分别连接有开关，各该开关连接于所述查找表，并通过所述查找表控制其开启或闭合；其中，各该PMOS电流镜具有各自的电流放大倍数，且各该电流放大倍数与所述查找表中的的各该差值对应。
10.根据权利要求1所述的图像传感器像素阵列固定模式噪声消除电路，其特征在于:所述半浮栅晶体管像素包括控`制栅、半浮栅、漏极掺杂区、源极掺杂区及沟道区，其中: 所述控制栅覆盖于所述半浮栅的表面； 所述半浮栅包括覆盖于所述沟道区及部分漏极掺杂区表面的栅介质层及栅电极层，且所述栅介质层于所述漏极掺杂区表面处具有开口，所述开口下方的漏极掺杂区中具有扩散区，所述半浮栅、扩散区及漏极掺杂区共同形成用于感光的光电二极管； 所述半浮栅的掺杂类型与漏极掺杂区、源极掺杂区的掺杂类型相反，所述扩散区的掺杂类型与所述半浮栅的掺杂类型相同。
【文档编号】H04N5/374GK103685994SQ201410002674
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2014年1月3日 优先权日:2014年1月3日
【发明者】但垂福, 陈志卿, 章琦, 田犁, 汪宁, 方娜, 汪辉, 陈杰 申请人:中国科学院上海高等研究院