用于CMOS图像传感器的有源像素摆幅扩展系统及方法与流程

本发明属于半导体集成电路技术领域，具体涉及图像传感器、阵列数据读取、高速高精度光电转换前端采集系统，本发明还涉及用于cmos图像传感器的有源像素摆幅扩展方法。

背景技术：

在高速摄影、自动化和工业应用中，由于拍摄快速运动目标的要求，通常采用全局曝光功能的cmos图像传感器。在低轨航天应用中，因物体在焦平面移动速度较快，若成像采用卷帘曝光型器件，则会产生图像的“运动失真”。类似地，在高轨道应用中，因平台稳定度问题也会造成“运动失真”现象。因而当前航天型号对全局曝光型cmos图像传感器件需求强烈。可见，全局曝光对于该类型应用具有明显的优势。但是，因像素单元内部集成有存储单元，有效感光面积受到压缩，降低了全局曝光型器件的量子效率和灵敏度，需要通过微透镜工艺、背照式工艺等，提高其在空间等低照度环境下的成像质量，但是这些解决方案都需要引入新的工艺，或是增加工艺成本。

高性能全局曝光型cmos图像传感器研究基础是可以实现同时复位与积分的像素单元，在这一方面目前研究的成果主要有：(1)在4t像素结构基础上增加一个复位晶体管从而实现全局曝光功能的5t像元结构，但是在该结构中，将fd节点作为全局快门的模拟存储点，会引入大的复位噪声，这样很难实现低噪声性能指标，同时，该结构无法实现“真”相关双采样技术，对像素级固定图像噪声无法消除；(2)另采用在3t像素基础上内部增加电荷放大器和采样保持电路形成6t结构，由于fd节点寄生电容相对减小，从而能够减小复位噪声和提高灵敏度，但会增加像素面积；(3)第三种是基于ccd技术的7t像素单元结构，光激发的图像信号电荷通过传输门，存储门和控制门转移到浮置扩散节点fd，通过增加存储门和控制门，该像素就能有一个存储节点来对图像信号电荷进行存储，7t像素单元的优点在于两次信号采样在同一个复位电平积分周期执行，因此，复位信号和图像信号携带的ktc噪声是相关的，相关噪声可通过cds被抵消，缺点在于功耗较大，结构复杂，工艺与主流硅工艺并不兼容。(4)在4taps像素单元的基础上，增加两个存储节点，形成8t双电容全局像元电路结构，由于复位电平和信号电平是在同一个周期内存储的，读出阶段能够通过相关双采样大大减小输出信号的噪声水平。8t像元结构不仅实现了传统4t像元结构的“真”相关双采样，同时满足了全局曝光像元技术的要求，是近期较为成熟与推广的全局曝光型像元结构，但是该结构在光电转换过程中，存在两级源极跟随器，这使得电压输出摆幅受到严重限制，这一关键问题，使得当前较为理想的8t全局曝光型像元技术难于跟上系统需求。

技术实现要素：

本发明的目的是提供用于cmos图像传感器的有源像素摆幅扩展方法，解决了现有技术中存在的cmos图像传感器8t结构在读出过程中出现的摆幅衰减的问题。

本发明所采用的技术方案是，用于cmos图像传感器的有源像素摆幅扩展系统，包括感光器件，感光器件的一端接地，另一端依次连接有电荷转移器件、复位器件，用于实现对感光器件的复位，电荷转移器件与复位器件相连的公共端连接有采样缓冲器的输入端，采样缓冲器的输出端通过电容实现保持的功能，电容的另外一端与选通模块相连，选通模块的两个输入端分别为外部信号a与外部信号b，选通模块的输出端连接到像素单元内部，选通模块与外部信号a以及外部信号b均在像素单元阵列外，且外部信号a为低电平，外部信号b为高电平。

感光器件为光电二极管，有源像素单元通过光电二极管将光子转换为电子，电子经过电荷转移器件后在采样源极跟随器件的输入端转换为电压信号，且所述电压信号的幅值与光子输入成正比关系。

通选模块的采样相位使用相关双采样模式。

电荷转移器件为nmos管，复位器件为nmos管，采样缓冲器由nmos管160与nmos管组成，采样开关为nmos管与nmos管,储能元件为电容a与电容b，其中电容a用于保持复位电压，电容b用于保持图像信号电压。电容a与电容b的下极板接到像素单元阵列的外部，通过开关与外部信号相连，输出缓冲器由依次连接的源极跟随器、行选管以及尾电流组成，尾电流的列线为最终像素单元的输出信号。

用于cmos图像传感器的有源像素摆幅扩展方法，该拓展方法采用用于cmos图像传感器的有源像素摆幅扩展系统，包括感光器件，感光器件的一端接地，另一端依次连接有电荷转移器件、复位器件，用于实现对感光器件的复位，电荷转移器件与复位器件相连的公共端连接有采样缓冲器的输入端，采样缓冲器的输出端通过电容实现保持的功能，电容的另外一端与选通模块相连，选通模块的两个输入端分别为外部信号a与外部信号b，选通模块的输出端连接到像素单元内部，选通模块与外部信号a以及外部信号b均在像素单元阵列外，且外部信号a为低电平，外部信号b为高电平，所述感光器件为光电二极管，有源像素单元通过光电二极管将光子转换为电子，电子经过电荷转移器件后在采样源极跟随器件的输入端转换为电压信号，且所述电压信号的幅值与光子输入成正比关系；通选模块的采样相位使用相关双采样模式，电荷转移器件为nmos管，复位器件为nmos管，采样缓冲器由nmos管160与nmos管组成，采样开关为nmos管与nmos管,储能元件为电容a与电容b，其中电容a用于保持复位电压，电容b用于保持图像信号电压。电容a与电容b的下极板接到像素单元阵列的外部，通过开关与外部信号相连，输出缓冲器由依次连接的源极跟随器、行选管以及尾电流组成，尾电流的列线为最终像素单元的输出信号；

具体按照如下步骤实施：

步骤1：cmos图像传感器曝光结束后，将像素单元导入采样相位，外部信号采样相位开关管控制信号为高，使得保持电容下极板接到外部信号；

步骤2：采样复位电压，将复位器件断开，当采样缓冲器栅极控制电压由高电平跳变至低电平时，采样缓冲器断开，则复位电压被保存在电容上，此时电容a的上极板为复位电压，下极板为外部信号的低电平电压，将复位电压进行保存；

步骤3：采样完复位电压后，开始采集图像信号电压，电荷转移器件的栅极控制电压由低跳变到高电平，从而使得光电二极管收集的电子转移到采样缓冲器的栅极，当电荷完全转移后，电荷转移器件断开，同时采样开关断开，此时保持电容b的上极板310的电压保存为图像信号电压，将图像信号电压进行保存；

步骤4：采样完图像信号电压后，像素单元进入读出相位，将外部信号设置为与实际电路相匹配的高电平，保持电容两端的电压差保持不变，实现源极跟随器输出电压的提升，实现输出电压摆幅的提升；

步骤5：在读出相位，后续的读出电路可以对复位电压进行处理。当nmos管导通后，保持电容b的上极板与源极跟随器相连，此时阵列输出列总线250上将输出图像信号电压，后续的读出电路可以对图像信号电压进行处理,至此，完成了复位电压与图像电压的输出，且实现了对其输出摆幅的提升。

有源像素单元在采样的过程中，储能元件的下极板通过面阵外部的选通模块接至低电平。

有源像素单元在读出的过程中，储能元件的下极板通过面阵外部的选通模块接至高电平。

本发明的有益效果是本发明通过在像素单元阵列外部配置储能电容的下极板电压，实现对输出电压摆幅的提升，对于阵列内部的像素单元而言，没有增加任何的硬件消耗，因此不会影响像素单元的填充因子与量子效率，但由于摆幅的增大，为大满阱与高灵敏提供了巧妙的解决方案。通过此项技术，在现有像素单元阵列与内部结构不变的前提下，大大提升了列线的输出摆幅，可以广泛地应用于高动态与高灵敏的cmos图像传感器设计中。

附图说明

图1为本文发明用于cmos图像传感器的有源像素摆幅扩展系统的结构示意图。

图2为本发明用于cmos图像传感器的有源像素摆幅扩展方法在8t像素单元中的结构示意图。

图3为用于cmos图像传感器的有源像素摆幅扩展方法实施例时序控制关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

用于cmos图像传感器的有源像素摆幅扩展系统，包括感光器件10，感光器件10的一端接地，另一端依次连接有电荷转移器件20、复位器件30，用于实现对感光器件10的复位，电荷转移器件20与复位器件30相连的公共端连接有采样缓冲器40的输入端，采样缓冲器40的输出端通过储能元件50实现保持的功能，储能元件50的另外一端与选通模块60相连，选通模块60的两个输入端分别为外部信号a90与外部信号b100，选通模块60的输出端连接到像素单元内部，选通模块60与外部信号a90以及外部信号b100均在像素单元阵列外，且外部信号a90为低电平，外部信号b100为高电平。

感光器件10为光电二极管，有源像素单元通过光电二极管将光子转换为电子，电子经过电荷转移器件后在采样源极跟随器件的输入端转换为电压信号，且所述电压信号的幅值与光子输入成正比关系。

通选模块60的采样相位使用相关双采样模式。

电荷转移器件20为nmos管，复位器件为nmos管，采样缓冲器由nmos管160与nmos管组成，采样开关为nmos管与nmos管,所述储能元件为电容a与电容b，其中电容a用于保持复位电压，电容b用于保持图像信号电压。电容a与电容b的下极板接到像素单元阵列的外部，通过开关与外部信号相连，输出缓冲器由依次连接的源极跟随器、行选管以及尾电流组成，尾电流的列线为最终像素单元的输出信号。

用于cmos图像传感器的有源像素摆幅扩展方法，该拓展方法采用用于cmos图像传感器的有源像素摆幅扩展系统，包括感光器件10，感光器件10的一端接地，另一端依次连接有电荷转移器件20、复位器件30，用于实现对感光器件10的复位，电荷转移器件20与复位器件30相连的公共端连接有采样缓冲器40的输入端，采样缓冲器40的输出端通过电容50实现保持的功能，电容50的另外一端与选通模块60相连，选通模块60的两个输入端分别为外部信号a90与外部信号b100，选通模块60的输出端连接到像素单元内部，选通模块60与外部信号a90以及外部信号b100均在像素单元阵列外，且外部信号a90为低电平，外部信号b100为高电平，所述感光器件10为光电二极管，有源像素单元通过光电二极管将光子转换为电子，电子经过电荷转移器件后在采样源极跟随器件的输入端转换为电压信号，且所述电压信号的幅值与光子输入成正比关系；通选模块60的采样相位使用相关双采样模式，电荷转移器件20为nmos管，复位器件为nmos管，采样缓冲器由nmos管160与nmos管组成，采样开关为nmos管与nmos管,储能元件为电容a与电容b，其中电容a用于保持复位电压，电容b用于保持图像信号电压。电容a与电容b的下极板接到像素单元阵列的外部，通过开关与外部信号相连，输出缓冲器由依次连接的源极跟随器、行选管以及尾电流组成，尾电流的列线为最终像素单元的输出信号；

具体按照如下步骤实施：

步骤1：cmos图像传感器曝光结束后，将像素单元导入采样相位，外部信号采样相位开关管控制信号为高，使得保持电容下极板接到外部信号；

步骤2：采样复位电压，将复位器件30断开，当采样缓冲器40栅极控制电压由高电平跳变至低电平时，采样缓冲器40断开，则复位电压被保存在电容50上，此时电容a50的上极板为复位电压，下极板为外部信号的低电平电压，将复位电压进行保存；

步骤3：采样完复位电压后，开始采集图像信号电压，电荷转移器件20的栅极控制电压由低跳变到高电平，从而使得光电二极管收集的电子转移到采样缓冲器40的栅极，当电荷完全转移后，电荷转移器件20断开，同时采样开关断开，此时保持电容b50的上极板310的电压保存为图像信号电压，将图像信号电压进行保存；

步骤4：采样完图像信号电压后，像素单元进入读出相位，将外部信号设置为与实际电路相匹配的高电平，保持电容两端的电压差保持不变，实现源极跟随器输出电压的提升，实现输出电压摆幅的提升；

步骤5：在读出相位，后续的读出电路可以对复位电压进行处理。当nmos管导通后，保持电容b的上极板与源极跟随器相连，此时阵列输出列总线250上将输出图像信号电压，后续的读出电路可以对图像信号电压进行处理,至此，完成了复位电压与图像电压的输出，且实现了对其输出摆幅的提升。

有源像素单元在采样的过程中，储能元件(电容)的下极板通过面阵外部的选通模块接至低电平。

所述有源像素单元在读出的过程中，储能元件(电容)的下极板通过面阵外部的选通模块接至高电平。

用于cmos图像传感器的有源像素摆幅扩展方法，包括光子到电子转换的感光器件10、电荷转移器件20、复位器件30、采样缓冲器40，储能元件(电容)50，选通模块60，选通模块的两个输入端90与100，输出缓冲器70，像素单元输出的信号线80。其中感光器件10的一端接地，另外一端与电荷转移器件20相连，电荷转移器件20的另外一端与复位器件30相连，用于实现对感光器件10的复位。同时，电荷转移器件20与复位器件30相连的公共端接到采样缓冲器40的输入端，采样缓冲器40的输出端通过电容50实现保持的功能。电容50的另外一端与选通模块60相连，选通模块的两个输入端分别为外部信号90与外部信号100,其中电容的一端100在像素单元内部，选通模块60与外部信号90以及外部信号100均在面阵外，且外部信号90为低电平，一般为信号地，外部信号100位高电平，需要根据后续输出缓冲器的最低电压工作限制进行设置。

本发明的关键点在于，当采样缓冲器40对复位信号与图像信号采样时，选通模块选通外部信号90，此时可以确保电容50进行正常的采样，采样电压为电容50的上极板120与下极板110电压之差；当输出缓冲器70开始工作时，选通模块60将电容50的下极板110接至外部信号100的高电平上，此时由于电容50的作用，电容50的上极板120电压相应提升，但电容50的上极板120与下极板110的电压之差不变。通过该变换后，输出缓冲器70的输入电压得到提升，使得输出缓冲器的输入范围得到提升，因此其输出即像素单元输出信号80的摆幅得到提升。

图1为本文发明的可提升像素单元摆幅的方法，图2为该方法在8t像素单元结构中的应用实例，图3为8t像素单元实例时序控制关系示意图。

如图1所示，为本发明公开的用于cmos图像传感器的有源像素摆幅扩展方法，通过面阵外对采样阶段和输出阶段的电压配置，提升像素单元输出缓冲器的输入电压，从而提升面阵输出列线的电压摆幅。

如图2所示，为该方法在8t结构中的应用实例，其中感光器件为光电二极管130，电荷转移器件为nmos管140，复位器件为nmos管150，采样缓冲器由nmos管160与nmos管170组成，采样开关为nmos管180与nmos管190,储能元件为电容200与电容210，其中电容210用于保持复位电压，电容200用于保持图像信号电压。电容200与电容210的下极板260接到像素单元阵列的外部，通过开关270与外部信号290相连，通过开关280与外部信号300相连。输出缓冲器由源极跟随器(nmos管220)、行选管(nmos管230)以及尾电流240组成，其中列线250为最终像素单元的输出信号。

具体工作过程的时序控制如图3所示，为方便起见，图3中的波形序号代表与图2相对应序号器件的控制电压，假设开关管270与开关280为高电平时开关导通，且外部信号290为低电平，外部信号300为高电平。

cmos图像传感器曝光结束后，像素单元进入采样相位，采样相位开关管270控制信号为高，使得保持电容200与保持电容210的下极板接到外部信号290。由于8t像素单元可以在像素单元内部实现相关双采样，因此在采样相位，需要分别采样复位电压和图像信号电压。复位管150的栅极电压为高电平期间，nmos管160的栅极电压被复位至高电平，此时采样管180与采样管190均处于导通状态，因此，该复位电压可以传输到保持电容200与保持电容210上。当采样管190栅极控制电压由高电平跳变至低电平时，采样管190断开，则复位电压被保存在电容210上，此时电容210的上极板为复位电压，下极板为外部信号290的低电平电压。此处需要注意的是，在采样管190断开之前，复位管150必须先断开，如图3所示，这样可以抑制复位管150的电荷注入和时钟馈通的影响。采样完复位电压后，开始采集图像信号电压，对应图3中的是电荷转移器件140的栅极控制电压由低跳变到高电平，从而使得光电二极管130收集的电子转移到nmos管160的栅极，具体的表现是nmos管栅极电压会下降，下降的幅度与光电管130收集的电子数相关。当电荷完全转移后，电荷转移器件140断开，同时采样开关180断开，此时保持电容200的上极板310的电压保存图像信号电压，至此，采样相位完成了采样保持复位电压和图像信号电压，复位电压保存在电容210上，图像信号电压保存在电容200上，此时两电容的下极板均接外部信号290。

采样相位结束后，像素单元进入读出相位，此时的关键点在于，开关管270断开，开关管280导通，使得保持电容200与保持电容210的下极板接到外部信号300上，由于外部信号300可以通过配置设置为与实际电路相匹配的高电平，保持电容两端的电压差保持不变，所以可以使得保持电容200与保持电容210的上极板电压抬高，从而使得源极跟随器220的栅极电压抬高，实现源极跟随器输出电压的提升，确保了源极跟随器和输出尾电流均工作在饱和区，实现输出电压摆幅的提升。具体实现过程如图3所示，

在读出相位，行选管230栅极控制端变为高电平，实现阵列输出列总线250与像素单元源极跟随器220的相连。由于此时保持电容210的上极板320直接与源极跟随器220的栅极相连，因此行选管230导通时，阵列输出列总线250上将输出复位电压，后续的读出电路可以对复位电压进行处理。当采样管190导通后，保持电容200的上极板310与源极跟随器220相连，此时阵列输出列总线250上将输出图像信号电压，后续的读出电路可以对图像信号电压进行处理。至此，完成了复位电压与图像电压的输出，且实现了对其输出摆幅的提升。

综上所述，本发明提出的用于cmos图像传感器的有源像素摆幅扩展方法实现了有源像素内部满阱电荷的承载能力，有效提升了传统电路的电压摆幅，为高动态高灵敏cmos图像传感器的设计提供了解决方案。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。