校正电路、像素单元的读出电路及CMOS图像传感器的制作方法

校正电路、像素单元的读出电路及cmos图像传感器
技术领域
1.本发明涉及集成电路设计领域，尤其涉及一种校正电路、像素单元的读出电路及cmos图像传感器。


背景技术：

2.像素单元的噪声电压在图像上表现为较强视觉效果的孤立像素点或像素块，严重的扰乱图像质量。一般来说，噪声电压以无用的信息形式出现。通常对像素电压的处理可参照图1所示的时序图，当行选电压sel为高电平时，选择输出某行的像素电压值，接收管rx上的电压为高电平时，由rx控制的mos管导通，将浮置扩散节点(floating diffusion，fd)节点上的电压vfd复位到电源pvdd的电压值，rx断开，由于沟道电荷注入效应及时钟馈通，且fd节点无任何到地通路，fd节点将保持约低于pvdd的电压值，输出像素的复位电压vrst，rst_count为高电平时，将计数器复位，当比较器与像素单元连接的电路上的开关s1的电位为高电平时，比较器复位，比较器两个输入端的电压vinp1＝vinm1＝vcm电压(vcm为比较器共模电压值)，像素单元输出的复位电压vrst被采样到采样电容cs1上；传输管tx打开，并输出像素的感光电压vsig，此时vinp1的电压值跳变为vcm-(vrst-vsig)，当en_count、en_ramp上的电压为高电平时，计数器开始计数，并且斜坡电压开始变化，比较器上与像素单元连接的输入端上的电压跟随斜坡电压变化，当比较器发生翻转时，计数器停止计数，并输出数字信号d0，输出的数字信号d0为像素的感光电压值。但传统的电路架构，p节点上的电压不仅仅包含有用的感光电压值，还含有像素单元的噪声电压，如mos管的热噪声，1/f噪声等，此噪声电压是随机的，这些随机噪声电压叠加在感光电压上，并通过cs1电容耦合进所述比较器的inm端口，当比较器翻转时，感光电压会严重的受到inm上像素噪声电压的干扰，导致计数误差。
3.目前常用的减小像素噪声的方法通过工艺来改善晶体管的噪声，但通过工艺降低像素噪声的方法难度大，效果不好，且不易于实现。因此，亟需一种方案来有效地降低像素单元上的噪声电压，以提高图像传感器的图像质量。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供了一种校正电路、像素单元的读出电路及cmos图像传感器，通过校正电路将斜坡电压耦合像素单元输出的噪声电压，输出第一耦合电压，并将第一耦合电压转换为第二耦合电压，使得像素单元的读出电路中的像素电压和获取的第二耦合电压中的噪声电压被相互抵消，从而有效地降低像素单元上的噪声电压，提高图像传感器输出的图像的质量。
5.第一方面，本发明提供一种校正电路，包括第一源跟随器、第二源跟随器和电容；所述第一源跟随器的输入端连接斜坡发生器以获得初始斜坡电压，所述第一源跟随器输出端连接电容的第一端，所述第一源跟随器用于将所述斜坡电压转换为斜坡电压；所述电容的第二端连接像素单元以获得噪声电压，所述电容用于耦合所述第一源跟随器所输出的斜
坡电压和所述像素单元输出的噪声电压，形成第一耦合电压；所述第二源跟随器的输入端连接所述电容的第一端，用于将第一耦合电压转换为第二耦合电压，所述第二耦合电压含有所述像素单元输出的噪声电压。
6.其有益效果在于：所述校正电路通过耦合所述斜坡电压和所述像素单元输出的噪声电压，形成第一耦合电压，并通过第二源跟随器将所述第一耦合电压转换为第二耦合电压，所述第二耦合电压含有所述像素单元输出的噪声电压，使得读出电路的比较器两个输入端可以接收到同样的噪声电压，并彼此抵消，解决了背景技术中通过工艺降低像素噪声的方法难度大，效果不好，且不易于实现的问题。
7.可选地，所述第一源跟随器的输入端还连接第一偏置电路；所述第二源跟随器的输入端还连接第二偏置电路。其有益效果在于，所述第一偏置电路用于使所述第一源跟随器中晶体管的电极处于所要求的电位，以达到工作状态的需求，所述第二偏置电路用于使所述第二源跟随器中晶体管的电极处于所要求的电位，以达到工作状态的需求。
8.可选地，所述第一源跟随器包括晶体管m1和晶体管m2；所述第一源跟随器的输入端连接斜坡发生器以获得初始斜坡电压，所述第一源跟随器输出端连接电容的第一端，包括：所述晶体管m1的源极接入电源，所述晶体管m1的漏极接入晶体管m2的源极，晶体管m1的栅极接入第一偏置电路；所述晶体管m2的漏极接地，所述晶体管m2的栅极连接斜坡发生器所输出的斜坡电压。其有益效果在于：所述晶体管m1和所述晶体管m2在所述第一源跟随器中担任单向开关的作用，即按照一定的方向进行传输，从而保证了所述第一源跟随器获取初始斜坡电压和噪声电压，并输出第一耦合电压。
9.可选地，所述第二源跟随器包括晶体管m3和晶体管m4；所述第二源跟随器的输入端连接所述电容的第一端，包括：所述晶体管m3的栅极输入第一耦合电压；所述晶体管m3的漏极接入电源，所述晶体管m3的源极输出第二耦合电压；所述晶体管m4的栅极接入第二偏置电路；所述晶体管m4的源极接地，所述晶体管m4的漏极接入所述晶体管m3的源极。其有益效果在于：所述晶体管m3和所述晶体管m4在所述第二源跟随器中担任单向开关的作用，即按照一定的方向进行传输，从而保证了所述第二源跟随器获取第一耦合电压，并输出第二耦合电压。
10.进一步可选地，晶体管m1和晶体管m2为pmos管；晶体管m3和晶体管m4为nmos管。其有益效果在于：因为噪声电压可能会比较小，为了保证校正电路可以正常导通，所以获取噪声电压的第一源跟随器上的mos管用pmos管，又因为由于pmos管的导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，输出第二耦合电压的第二源跟随器使用nmos比较好。
11.第二方面，本发明提供一种像素单元的读出电路，包括：斜坡发生器，用于提供初始斜坡电压；如上述第一方面任一项所述的校正电路，用于耦合斜坡电压和噪声电压；差分放大器，所述差分放大器的第一输入端连接像素单元以获得像素电压，所述像素电压中含有噪声电压，所述差分放大器的第二输入端连接所述校正电路以获得第二耦合电压，所述差分放大器用于将所述像素电压和所述第二耦合电压的差分信号进行放大；比较器，连接差分放大器，用于将放大后的所述像素电压和所述第二耦合电压进行比较，其中所述比较结果中所述像素电压和所述第二耦合电压中的所述噪声电压被相互抵消；计数器，连接所述比较器，对所述比较器的比较结果进行计数。
12.其有益效果在于；本发明通过校正电路输出含有噪声电压的第二耦合电压，并通
过比较器将第二耦合电压和像素电压中的噪声电压进行抵消，可以有效地降低像素噪声，提高图像传感器输出的图像的质量。
13.可选地，所述像素单元的读出电路还包括反相器，所述反相器连接在所述比较器和所述计数器之间，所述反相器作为所述比较结果的缓冲器。其有益效果在于：所述反相器用于提高所述像素单元的读出电路的抗干扰能力。
14.可选地，所述像素单元和差分放大器的第一输入端之间还连接有第一采样电容，所述第一采样电容和所述差分放大器的第一输入端之间还连接第一开关的一端，所述第一开关另一端连接电源。其有益效果在于：所述第一采样电容为耦合电容，起到阻直流通交流的作用。
15.可选地，所述校正电路和所述差分放大器的第二输入端之间连接有第二采样电容，所述差分放大器的第二输入端和所述第二采样电容之间还连接第二开关的一端，所述第二开关另一端连接电源。其有益效果在于：所述第二采样电容为耦合电容，起到阻直流通交流的作用。
16.第三方面，本发明提供一种cmos图像传感器，包括：像素单元，用于采集光信号，并将所述光信号转换为像素电压；如上述第二方面任一项所述的像素单元的读出电路，用于读取所述像素电压，并将所述像素电压转换成图像。
17.关于上述第三方面的有益效果可以参见上述第一方面或第二方面中的描述。
附图说明
18.图1为一种对像素电压处理的时序图；
19.图2为一种cmos图像传感器像素阵列；
20.图3为本技术实施例提供的一种校正电路；
21.图4为本技术实施例提供的一种像素单元的读出电路。
22.图中编码：
23.0-校正电路；01-第一源跟随器；02-第二源跟随器；03-第一偏置电路；04-第二偏置电路；
24.1-斜坡发生器；2-差分放大器；3-比较器；4-反相器；5-计数器；
25.cs1-第一采样电容；cs2-第二采样电容；cs3-第三采样电容；s1-第一开关；s2-第二开关；s3-第三开关；cp-电容。
具体实施方式
26.下面结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行描述。其中，在本技术实施例的描述中，以下实施例中所使用的术语只是为了描述特定实施例的目的，而并非旨在作为对本技术的限制。如在本技术的说明书和所附权利要求书中所使用的那样，单数表达形式“一种”、“该”、“上述”、“该”和“这一”旨在也包括例如“一个或多个”这种表达形式，除非其上下文中明确地有相反指示。还应当理解，在本技术以下各实施例中，“至少一个”、“一个或多个”是指一个或两个以上(包含两个)。术语“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系；例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b的情况，其中a、b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
27.在本说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本技术的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“连接”包括直接连接和间接连接，除非另外说明。“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
28.在本技术实施例中，“示例性地”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本技术实施例中被描述为“示例性地”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性地”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
29.在实际应用中，cmos图像传感器会受到环境噪声和固定模式噪声的影响，相比而言，固定模式噪声去除难度更大，固定模式噪声主要包括：暗电流噪声、闪烁噪声、散粒噪声、热噪声等，其中又以暗电流噪声对传感器的影响最大。现有技术提供了一种cmos图像传感器像素阵列，如图2所示，图中所示的像素阵列包括暗像素阵列和成像像素阵列。因为cmos图像传感器的光电二极管，即使在无光照情况下，光线二极管还是会产生电流，因此时并无光照，所以称这种电流为暗电流，即暗像素阵列，该暗像素阵列会跟随成像像素阵列一同被图像传感器中的读出电路读出，并转化为数字信号，最后呈现为图像。如果暗电流噪声抑制的不好，图像很容易出现杂点。本实施例以暗电流噪声对噪声电压的影响为例进行解释说明噪声电压对像素单元的影响，但保护范围不局限于对暗电流噪声的处理，对其他噪声的处理方式也可参照本发明对于暗电流噪声的处理方式。
30.为了消除暗电流噪声等一些噪声电压对图像传感器的影响，本技术实施例提供了一种校正电路，所述校正电路，包括：第一源跟随器01、第二源跟随器02和电容cp，如图3所示，所述第一源跟随器01的输入端连接斜坡发生器以获得初始斜坡电压vramp，所述第一源跟随器01输出端连接电容cp的第一端，所述第一源跟随器01用于将所述初始斜坡电压vramp转换为斜坡电压vramp1；所述电容cp的输入端连接像素单元以获得噪声电压vz，所述电容cp用于耦合所述第一源跟随器01输出端所输出的斜坡电压vramp1和所述像素单元输出的噪声电压vz，形成第一耦合电压；所述第二源跟随器02的输入端连接所述电容cp的输出端，用于将第一耦合电压转换为第二耦合电压vramp_buf，所述第二耦合电压vramp_buf含有所述像素单元输出的噪声电压vz。
31.在实施例中，所述第一源跟随器所在的电路支路和所述第二源跟随器所在的电路支路构成并联电路，二者连接同一个电源和同一根接地线。所述校正电路0通过耦合所述斜坡电压vramp和像素单元输出的噪声电压vz，形成第一耦合电压，并通过第二源跟随器将所述第一耦合电压转换为第二耦合电压vramp_buf，所述第二耦合电压含有所述像素单元输出的噪声电压，使得读出电路的比较器两个输入端可以接收到同样的噪声电压vz，并彼此抵消，解决了背景技术中通过工艺降低像素噪声的方法难度大，效果不好，且不易于实现的问题。
32.在又一种可能的实施例中，所述第一源跟随器01的输入端还连接第一偏置电路03；所述第二源跟随器02的输入端还连接第二偏置电路04。
33.在本实施例中，所述第一偏置电路03用于使所述第一源跟随器01中晶体管的电极处于所要求的电位，以达到工作状态的需求，所述第二偏置电路04用于使所述第二源跟随器02中晶体管的电极处于所要求的电位，以达到工作状态的需求。
34.在还一种可能的实施例中，所述第一源跟随器01包括晶体管m1和晶体管m2；所述第一源跟随器01的输入端连接斜坡发生器以获得初始斜坡电压vramp，所述第一源跟随器01输出端连接电容cp的输出端，包括：所述晶体管m1的源极接入电源avdd，所述晶体管m1的漏极接入晶体管m2的源极，晶体管m1的栅极接入第一偏置电路03；所述晶体管m2的漏极接地，所述晶体管m2的栅极连接斜坡发生器1以获得斜坡电压vramp。
35.在本实施例中，所述晶体管m1和所述晶体管m2在所述第一源跟随器01中担任单向开关的作用，即按照一定的方向进行传输，从而保证了所述第一源跟随器01获取斜坡电压vramp和噪声电压vz，并输出第一耦合电压。
36.在再一种可能的实施例中，所述第二源跟随器02包括晶体管m3和晶体管m4；所述第二源跟随器02的输入端连接所述电容cp的第一端，包括：所述晶体管m3的栅极输入第一耦合电压；所述晶体管m3的漏极接入电源，所述晶体管m3的源极输出第二耦合电压vramp_buf；所述晶体管m4的栅极接入第二偏置电路；所述晶体管m4的源极接地，所述晶体管m4的漏极接入所述晶体管m3的源极。
37.在本实施例中，所述晶体管m3和所述晶体管m4在所述第二源跟随器02中担任单向开关的作用，即按照一定的方向进行传输，从而保证了所述第二源跟随器02获取第一耦合电压，并输出第二耦合电压vramp_buf。
38.在一种可能的实施例中，进一步可选地，晶体管m1和晶体管m2为pmos管；晶体管m3和晶体管m4为nmos管。在本实施例中，因为噪声电压可能会比较小，为了保证校正电路可以正常导通，所以获取噪声电压的第一源跟随器上的mos管用pmos管，又因为由于pmos管的导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，输出第二耦合电压的第二源跟随器使用nmos比较好。
39.基于上述实施例提供的校正电路，本技术实施例提供了一种像素单元的读出电路，如图4所示，其中图4包括像素单元100和像素单元的读出电路200，所述像素单元的读出电路200包括：校正电路0，用于耦合斜坡电压和电路中节点上的噪声电压vz；斜坡发生器1，用于提供初始斜坡电压；差分放大器2，所述差分放大器2的第一输入端连接像素单元以获得像素电压，所述像素电压中含有所述噪声电压vz，所述差分放大器2的第二输入端连接所述校正电路0以获得第二耦合电压vramp_buf，所述差分放大器2用于将所述像素电压和所述第二耦合电压vramp_buf的差分信号进行放大；比较器3，连接差分放大器2，用于将放大后的所述像素电压和所述第二耦合电压vramp_buf进行比较，其中所述比较结果中所述像素电压和所述第二耦合电压vramp_buf中的所述噪声电压vz被相互抵消；计数器5，连接所述比较器3，对所述比较器3的比较结果进行计数。
40.本技术实施例通过校正电路0输出含有噪声电压vz的第二耦合电压vramp_buf，并通过比较器3将第二耦合电压和像素电压中的噪声电压vz进行抵消，可以有效地降低像素噪声，提高图像传感器输出的图像的质量。
41.在又一种可能的实施例中，所述像素单元的读出电路还包括反相器4，所述反相器4连接在所述比较器3和所述计数器5之间，所述反相器4作为所述比较结果的缓冲器。
42.在本实施例中，所述反相器4用于提高所述像素单元的读出电路的抗干扰能力。
43.在还一种可能的实施例中，所述像素单元和差分放大器2的第一输入端之间还连接有第一采样电容cs1，所述第一采样电容cs1和所述差分放大器2的第一输入端之间还连接第一开关s1的一端，所述第一开关s1另一端连接电源。
44.在本实施例中，所述第一采样电容cs1为耦合电容，起到阻直流通交流的作用。
45.在又一种可能的实施例中，所述校正电路0和所述差分放大器2的第二输入端之间连接有第二采样电容cs2，所述差分放大器2的第二输入端和所述第二采样电容cs2之间还连接第二开关s2的一端，所述第二开关s2另一端连接电源。
46.在本实施例中，所述第二采样电容cs2为耦合电容，起到阻直流通交流的作用。
47.示例性地，当像素单元输出复位电压时，计数器5的rst_count端的电压为高电平，计数器5复位。当第一开关s1和第二开关s2闭合，比较器3复位，差分放大器2的第一输入端inm的电压、差分放大器2的第二输入端inp的电压和电源电压相同，即vinm1＝vinp1＝vcm，其中：vinm1为差分放大器的第一输入端inm的电压，vinp1为差分放大器2的第二输入端inp的电压，vcm为电源电压，像素单元输出复位电压vrst，复位电压被采样到采样电容第一采样电容cs1上，tx打开，输出像素的感光电压vsig，p节点上的电压不仅仅包含有用的感光电压值，还含有像素的噪声电压vz，如mos管的热噪声，1/f噪声等，此噪声电压是随机的，这些随机噪声电压叠加在感光电压上，差分放大器2的第一输入端inm的电压值vinm1跳变为：vcm-(vrst-vsig-vz)，其中：vcm为电源电压，vrst为复位电压，vsig为感光电压，vz为噪声电压。而该像素单元的读出电路通过校正电路0，使得斜坡发生器1上输出的斜坡电压vramp转化为第二耦合电压vramp_buf，第二耦合电压vramp_buf中含有所述像素单元输出的噪声电压vz。当计数器5的en_count端和斜坡发生器1的en_ramp端的电压为高电平时，计数器5开始计数，并且第二耦合电压vramp_buf跟随斜坡电压开始变化，差分放大器2的第二输入端inp的电压vinp1跟随第二耦合电压vramp_buf变化，当比较器3发生翻转时，计数器3停止计数，并输出数字信号d1，输出的数字信号d1为像素的感光电压值。本实施例通过像素单元的读出电路的比较器两个输入端可以接收到同样的噪声电压vz并彼此抵消，降低了噪声电压对图像传感器的影响，提高了图像质量。
48.在一种可能的实施方式中，本发明提供一种cmos图像传感器，包括：像素单元，用于采集光信号，并将所述光信号转换为像素电压；如上任一实施例所述的像素单元的读出电路，用于读取所述像素电压，并将所述像素电压转换成图像。具体实施方式可参照上述实施例的描述，在此不再赘述。
49.以上所述，仅为本技术实施例的具体实施方式，但本技术实施例的保护范围并不局限于此，任何在本技术实施例揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本技术实施例的保护范围之内。因此，本技术实施例的保护范围应以该权利要求的保护范围为准。