一种高动态BiCMOS图像传感器及其像素单元的制作方法

本实用新型涉及图像传感器领域，特别是涉及一种高动态BiCMOS图像传感器。

背景技术：

图像传感器是一种将光学图像转换成电信号的半导体器件。图像传感器大体上可以分为电荷耦合元件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。相比于CCD图像传感器，CMOS图像传感器因低成本、低功耗、高集成度等优点使其越来越受到人们的重视，CMOS图像传感器已广泛运用于手机相机、PC电脑、可视电话、摄像头、摄像机、安防监控、车载电话、玩具等领域。另外CMOS图像传感器还可用于军事侦察、制导、卫星等重要领域。

图像传感器的动态范围定义为最大非饱和信号和最小可测信号的比值，大动态范围的图像传感器可以探测到更宽光信号范围内的场景信息，探测到图像的细节更丰富，动态范围是图像传感器成像质量的重要指标。

然而，很多研究结果表明，传统CMOS图像传感器的动态范围远远无法达到自然场景的光动态范围，CMOS图像传感器若要在更多领域取代CCD图像传感器，开拓出更大的市场，就必须扩展其动态范围。

从动态范围定义中可以看出想要提高CMOS图像传感器动态范围就必须增大最大非饱和信号或减小噪声，研究表明，减小电路噪声实现难度大且效果不明显，一般通过提高最大非饱和信号来实现动态范围扩展。具体方法有势阱容量调节(Adjusting Well Capacity)技术、局部曝光(Local Shuttering)技术、对数响应(Logarithmic Response)技术、自动增益控制(Automatic Gain Control，AGC)技术、自适应曝光调节(Adaptive Adjusting Exposure)技术、条件复位(Conditional Reset)技术。目前比较常用的方法主要是对数响应技术、条件复位技术和自动增益控制技术。

BiCMOS(Bipolar CMOS)是CMOS和双极器件同时集成在同一块芯片上的技术，片上集成以CMOS器件为主要单元电路，在特殊电路模块中加入双极器件。因此BiCMOS电路既具有CMOS电路高集成度、低功耗的优点，又可获得了双极电路高速、大驱动能力的优势。

本实用新型的高动态BiCMOS图像传感器采用BiCMOS工艺实现光电流放大。相对于传统的输出电压增益自适应控制，本实用新型的BiCMOS图像传感器直接对光电流进行自适应放大，很好的避免了光电流信号-电压信号转换过程中出现的非线性偏差。另外，本实用新型的高动态BiCMOS图像传感器利用工作在放大区的晶体管对电流的放大作用实现光电流放大，线性度好，并且可以获得很大的像素电压输出摆幅。

技术实现要素：

本实用新型的核心技术在于采用双极性晶体管电路对光电流自适应放大，实现对不同强度的光信号检测，从而扩展图像传感器的动态范围。

本实用新型提供了一种高动态BiCMOS图像传感器像素单元，其包括光信号检测电路(I1)、电流放大电路(I2)和电流转电压电路(I3)；所述光信号检测电路(I1)将接收到的光信号转化为光电流信号；所述电流放大电路(I2)对光电流信号进行自适应放大，其中电流放大倍数由后端检测模块反馈控制，控制信号为S0、S1、S2；所述电流转电压电路(I3)将放大后的电流信号转换成电压信号，作为像素的输出电压信号。

所述光信号检测电路(I1)包括一个光电二极管、第一PMOS管(MP1)和第二PMOS管(MP2)，所述光电二极管用于将接收到的光信号转换为电流信号I0，然后通过所述第一和第二PMOS(MP1、MP2)管镜像输出到所述电流放大电路(I2)。

所述电流放大电路(I2)包括第一晶体管(Q1)、第二晶体管(Q2)、第三晶体管(Q3)、第三PMOS 管(MP3)、第四PMOS管(MP4)、第一NMOS管(MN1)、第二NMOS管(MN2)、第三NMOS管(MN3)，所述第一晶体管(Q1)、第二晶体管(Q2)、第三晶体管(Q3)级联用作电流放大；所述第一NMOS管(MN1)、第二NMOS管(MN2)、第三NMOS管(MN3)，为电流增益控制开关，开关的断开或闭合分别由所述控制信号S0、S1、S2控制，高电平有效。

所述电流转电压电路(I3)包括第五PMOS管(MP5)、第六PMOS管(MP6)和第一电阻(R1)，第五PMOS管(MP5)为镜像对管，第六PMOS管(MP6)为所述电流转电压电路(I3)的使能开关，由行选信号控制，所述第一电阻(R1)用于将第五PMOS管(MP5)的镜像电流Ip转换成电压。

优选地，为了保证晶体管能够工作在放大区，晶体管的级联级数受电源电压和晶体管阈值电压限制；所述第三PMOS管(MP3)与所述第五PMOS管(MP5)形成镜像对管，将电流镜像到电流转电压电路。

优选地，为了克服MOS管的沟道长度调制效应，镜像对管的沟道长度需要设计得比较大；所述第四PMOS管MP4用作电流放大电路的使能开关，由行选信号控制，当像素单元未选通时，电流放大电路不工作，从而降低像素阵列的静态功耗。

本实用新型还提供了一种高动态BiCMOS图像传感器，其包括上述像素单元。

本实用新型还提供了一种用于高动态BiCMOS图像传感器的像素输出电压采样存储电路，其特征在于，其包括运算放大器、模数转换电路、自适应增益控制检测电路、数字信号解码电路和存储模块；所述运算放大器的输出O与输入V-相接，作为单位增益跟随器，将像素的输出电压信号等效输入到所述模数转换电路中；所述模数转换电路ADC采样像素输出电压，并将其转换为数字信号，输出到所述自适应增益控制检测电路；所述自适应增益控制检测电路用于检测输入数字信号Din是否满足设定要求，以控制内部状态转换，输出S0、S1、S2信号控制电流增益，所述自适应增益控制检测电路还输出对应的状态计数信号Count和采样电压值的数字信号Dout，所述数字信号解码电路用于对所述自适应增益控制检测电路输出的采样电压值数字信号进行解码，并将解码后的像素输出值输入所述存储模块，所述存储模块用于存储所述像素输出值。

本实用新型利用晶体管对电流的放大作用实现光电流放大。电流增益控制主要通过NMOS管开关控制晶体管的级联级数实现。电流增益自适应控制技术可以实现高动态范围的光信号检测，对于强度较大的光信号，电路会自适应调节到低电流增益，对于强度较小的光信号，电路会自适应调节到高电流增益，这样无论是光强光弱，ADC都能采样到合适的像素电压值，然后将像素输出电压的数字信号和电流放大倍数控制信号联合解码，得到与不同光信号强度对等的数字信号。

本实用新型的高动态BiCMOS图像传感器优点：1、采用标准BiCMOS工艺实现，易集成，功耗低；2、采用电流增益自适应控制技术，可以实现高动态范围的光信号检测；3、本实用新型的像素单元各电路模块间均采用电流镜像，抗外部噪声能力强；4、本实用新型的像素单元电路直接对光电流进行自适应放大，线性度好，误差小，像素的输出电压摆幅大。

附图说明

图1是本实用新型高动态BiCMOS图像传感器像素单元的原理框图。

图2是本实用新型高动态BiCMOS图像传感器实施方式的像素单元原理图。

图3是本实用新型图像传感器的像素输出电压采样存储的电路模块示图。

图4是本实用新型高动态BiCMOS图像传感器的工作流程图。

图5是图3所述Detect模块中的状态转换图。

具体实施方式

图1是本实用新型高动态BiCMOS图像传感器像素单元的原理框图。如图1所示，本实用新型的像素单元包括光信号检测电路I1、电流放大电路I2和电流转电压电路I3。

图2是本实用新型高动态BiCMOS图像传感器实施例的像素单元的具体电路图。所述光信号检测电路 I1包括一个光电二极管和两个PMOS管。第一光电二极管D1一端接地GND，另一端接第一PMOS管MP1的漏极、栅极和第二PMOS管MP2栅极；第一PMOS管MP1的源极和第二PMOS管MP2的源极接电源VDD，第二PMOS管的漏极接第一晶体管Q1的基极。

所述电流放大电路I2包括三个晶体管、三个NMOS管和两个PMOS管。第一晶体管Q1的基极接第二PMOS管MP2的漏极，第一晶体管Q1的发射极接第一NMOS管的漏极和第二晶体管Q2的基极，第二晶体管Q2的发射极接第二NMOS管的漏极和第三晶体管Q3的基极，第三晶体管Q3的发射极接第三NMOS管的漏极，晶体管Q1、Q2、Q3的集电极接第三PMOS管MP3的漏极；NMOS管MN1、MN2、MN3的源极接地GND；第三PMOS管MP3的栅极、漏极与第五PMOS管MP5的栅极相接，第三PMOS管MP3的源极与第四PMOS管MP4的漏极相接；第四PMOS管MP4的源极接电源VDD，第四PMOS管MP4的栅极与第六PMOS管的栅极连接，受控于行选信号SEL。

所述电流转电压电路I3包括两个PMOS管和一个电阻，第六PMOS管MP6的源极接电源VDD，第六PMOS管MP6的漏极接第五PMOS管MP5的源极；第五PMOS管MP5的栅极接第三PMOS管MP3的栅极，第五PMOS管MP5的漏极和第一电阻R1的一端接行选MOS管M1，作为像素单元的电压输出端口，第一电阻R1的另一端接地GND。

图3是本实用新型高动态BiCMOS图像传感器的像素输出电压采样存储的电路模块示图，包括五个子模块电路，分别是运算放大器OPA、模数转换电路ADC、自适应增益控制检测电路Detect、数字信号解码电路Decode和存储模块STORE RAM。所述运算放大器OPA的输出O与输入V-相接，用作单位增益跟随器，将像素的输出电压信号等效输入到模数转换电路ADC中，可以避免ADC与像素输出直接相接引起的采样电压变化；所述模数转换电路ADC采样像素输出电压，并将其转换为数字信号，输出到自适应增益控制检测电路；所述的自适应增益控制检测电路Detect主要作用是检测输入数字信号Din是否满足设定要求，从而控制内部状态转换，输出S0、S1、S2信号控制电流增益，另外还要输出对应的状态计数信号Count和采样电压值的数字信号Dout，自适应增益控制检测电路具体的状态转换如图5所示。

图4是本实用新型高动态BiCMOS图像传感器的工作流程图。如图4所示，本实用新型的图像传感器的工作流程是：首先相机快门按下，像素曝光，行选通控制依次选各行像素(未选通的像素使能关闭)，对应像素的输出电压通过列总线输入到模数转换电路ADC中处理，转换成数字信号，然后自适应增益控制检测电路Detect检测数字信号是否符合设定，若不符合则转换到下一状态，并输出相应的控制信号，直到符合检测设定后，解码/存储正确的像素输出值，然后行选转换到下一个像素重复操作，直到完成所有像素输出电压值的存储。

图5是所述自适应增益控制检测电路Detect状态转换图。如图5所示，起始状态State0，增益控制信号S0＝1，S1＝0，S2＝0，此时电流放大倍数为A1，对应的像素输出电压V_Pixel＝Ip×R1＝A1×I0×R1；若检测到的像素输出电压符合设定，则解码/存储像素输出电压的数字信号；若电压值太小，则状态转换到State1。

State1状态的增益控制信号为S0＝0，S1＝1，S2＝0，此时电流放大倍数约等于A1×A2，对应的像素输出电压V_Pixel＝Ip×R1＝A1×A2×I0×R1；此时重新检测像素输出电压，若符合设定，则解码/存储像素输出电压的数字信号；若电压值还是太小，则状态转换到State2。

State2状态的增益控制信号为S0＝0，S1＝0，S2＝1，此时电流放大倍数约等于A1×A2×A3，对应的像素输出电压V_Pixel＝A1×A2×A3×I0×R1，此时因为是最后一个状态，因此不再检测，直接将像素输出电压值的数字信号解码/存储。完成解码存储后，行选下一行像素，状态机恢复到S0状态，重复此操作，直到完成所有像素输出电压值的存储。

本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本工程领域的技术人员来说能够基于本实用新型思想进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，以上实施例只是对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例。