一种全局像元非线性补偿结构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及集成电路技术领域，特别设及CMOS图像传感器领域，更具体地说，为一 种全局像元的非线性补偿方式，即一种全局像元非线性补偿结构。
【背景技术】
[0002] 图像传感器是一种能将反映图像信息的光信号转换成电信号的传感器忍片，分为 CCD结构与CMOS结构两大类。在如今的图像传感器市场，CMOS图像传感器W其低成本、高速 度、低功耗、不断提升的图像质量、W及与CMOS工艺兼容的优点获得广泛的应用。
[0003] CMOS图像传感器是一种典型的固体成像传感器，CMOS图像传感器通常由像敏单元 阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、AD转换器、数据总线输出接口、控制接日等几部 分组成。上述运几部分通常都被集成在同一块娃片上，其工作过程一般可分为复位、光电转 换、积分和读出等几部分。
[0004] CMOS图像传感器基本工作原理：
[0005] 当外界光照射到像素阵列单元时，发生光电效应，在像素阵列单元内产生相应的 电荷。行选择逻辑单元根据需要，选通相应的行像素单元。行像素单元内的图像信号通过各 自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理单元W及A/D转换器，转换成数字图像信 号输出。其中的行选择逻辑单元可W对像素阵列逐行扫描也可隔行扫描。行选择逻辑单元 与列选择逻辑单元配合使用可W实现图像的窗口提取功能。模拟信号处理单元的主要功能 是对信号进行放大处理，并且提高信噪比。
[0006] 为了获得质量合格的实用摄像头，忍片中必须包含各种控制电路，如曝光时间控 审IJ、自动增益控制等。为了使忍片中各部分电路按规定的节拍动作，必须使用多个时序控制 信号。为了便于摄像头的应用，还要求该忍片能输出一些时序信号，如同步信号、行起始信 号和场起始信号等。
[0007] 尤其是，CMOS图像传感器在拍摄高速移动的物体在很多方面都有应用。不断发展 的应用也对CMOS图像传感器提出了更高的要求，例如速度、图像质量和忍片功耗等。更快的 速度、更好的图像质量、更低的功耗不断对CMOS图像传感器的设计提出挑战。
[000引为了能够拍摄高速移动的物体，CMOS图像传感器内的每个像元（即pixel)需要在 几乎同一时刻曝光，即进行光信号至电信号的转换，而传感器忍片的信号处理电路与数据 读出电路一半分布在pixel阵列的旁边，不可能在同一时刻度全阵列的pixel的信号进行读 出与处理。
[0009] 为了能满足拍摄高速移动物体的需求，需要一种pixel能够在曝光后保存自身产 生的电信号，等待外围信号读出电路读出，全局像元（即global shutter pixel)可W满足 运种需求。
[0010] 本领域技术人员清楚，相对于传统的pixel,全局像元可W支持全局曝光，从而使 忍片能够拍摄高速移动的物体，但同时较复杂的结构也使其在光信号至电信号的转换过程 中引入了更大的非线性，同时损失了有效信号幅度。运会直接影响最终的CMOS图像传感器 的输出图像质量。
[0011] 此外，功耗也是CMOS图像传感器的一个重要指标，在电池技术尚未获得重大突破 的今天，低功耗忍片将使得便携式装置拥有更长的续航能力。
[0012] 因此，虽然全局像元的应用可W满足拍摄高速移动物体对pixel的要求，但其引入 的像元对光信号响应的非线性将会影响CMOS图像传感器对所拍摄图像的还原质量。通常， 全局像元CMOS传感器忍片中没有对全局像元非线性的补偿。
[0013] 请参阅图1，图1所示为传统的全局像元CMOS图像传感器的pixel单元W及后续进 行模数转换的模拟数字转换模块(Analog to Digital Converter,简称ADC)电路的结构示 意图。如图所示，由PiXe 1单元包括8个NMOS晶体管:NMOS晶体管MO、NMOS晶体管Ml、NMOS晶体 管M2、NMOS晶体管M3、NMOS晶体管M4、NMOS晶体管M5、NMOS晶体管M6和NMOS晶体管M7，一个反 向连接在接地端和MO漏极之间的光电二极管D0,一个连接在M4源极和M5漏极与接地端之间 的第一电容Cl, W及一个连接在M5源极和M6漏极与接地端之间的第二电容C2。其中，M1、M2 和M6的漏极与电源单元V孤连接，Ml和MO源极与M2栅极连接在一起，M2源极与M3和M4漏极连 接在一起，M6源极与M7漏极连接在一起，M3源极与接地端相连，连接在M7源极和包括于ADC 单元中的比较器正输入端与接地端的尾电流12。
[0014] 如图左1上端的框中所示，当P i Xe 1复位时，醒OS晶体管M1栅极的RST和NMOS晶体管 MO栅极的TX信号均置高，使节点pd、Vf d均拉至接近VDD电位，Vf d点电压记为Vf d_rst，此时， 醒OS晶体管M4栅极的Sl和NMOS晶体管M5栅极的S2信号控制的开关导通，使得VfcLrst信号 在经过作为源跟随器的醒OS晶体管M2管后被NMOS晶体管M4栅极的Sl和醒OS晶体管M5栅极 的S2信号控制采样至电容C2上，即Vf 2节点上，此时Vf 2节点上的电压为Vf 2_rst，则有：
[0015] Vf2_rst = Vfd_rst-Vgs_M2 ①
[0016] Vgs_M2为此时NMOS晶体管M2管的栅源电压。
[0017] 当采样结束后S2控制开关断开。
[0018] 开始曝光时，TX变为低，反偏的光电二极管DO在光照下在Pd节点积聚电子，曝光时 间结束后，醒OS晶体管MO的TX信号置为高，醒OS晶体管MO开启，Pd上的电子转移至fd点，使 Vf d点电压下降，此时电压下降至VW_s ig，此时NMOS晶体管M4栅极的S1控制开关将VW_sig 经过作为源跟随器的醒OS晶体管M2后采样至电容Cl上，即节点Vf_C1，随后SI控制开关断 开，节点Vf_Cl上的电压为：
[0019] Vf-Cl =Vfd_sig-Vgs_M2' ②
[0020] Vgs_M2'为此时NMOS晶体管M2管的栅源电压。
[0021] 当信号读出时，RSl信号由低变为高，控制NMOS晶体管M7打开，使得M6管作为源极 跟随器工作，此时Pixel的输出端Vinl的电压信号即为Vf2节点上的电压，此时Vinl端的电 压为Vinl_rst，即有
[0022] 化st = Vf2_rst-Vgs_M6 ③
[0023] Vgs_M6为此时NMOS晶体管M6管的栅源电压。
[0024] 然后醒OS晶体管M5栅极的S2信号控制控制醒OS晶体管M5管导通，Vf2点的电压由 C1、C2电容上电荷重分配决定，此时Vf2上的电压为Vf2_sig，则有：
[0026]由于 C1=C2,故有：
[00巧]即此时Pixel输出端Vinl点电压为Vinl_sig，则有：
[0030] Vgs_M6'为此时NMOS晶体管M6的栅源电压。
[0031] 若不考虑匪OS晶体管M2、匪OS晶体管M6管作为源跟随器的非线性，则Vgs_M2 = Vgs_M2'、Vgs_M6 = Vgs_M6'，得到：
[0033] 而实际情况下，由于源跟随器的非线性，Vgs_M2Vgs_M2'、Vgs_M6Vgs_M6'，为简化 计算，记此非线性的传输函数为y = f (X)，则有
[0034] f(x)<x ⑧
[0036] 为实现相关双采样（Correlated Double Sampling,简称CDS)，每次读出一个 Pixel信号时需要读出两次电压信号，即W上最终从Pixel输出端Vinl点检测到的化St电压 和Vsig,而最终需要后续电路处理、量化成数字信号的是化St电压和Vsig电压的差值。
[0037] 请参阅图2,图2为用于图1所示电路中的信号处理方式设计的化amp电压信号波形 示意图。如图左边所示，如果初始电压为Vcm，^p_ramp为化amp电压信号最高点与最低点电 压差值，T_ramp为信号由最高点降低至最低点所用时间，记K为斜率，则有：
[0039] 由于化9_脚1119和1'_脚1]19根据设计指标确定后不变，所Wk也不变。
[0040] Vinl是Pixel输出端读出信号的电压波形。
[0041 ] 如果令Vcm =化St,波形就如图右边所示。Vramp电压信号最为ADC电路的参考电 压，Vinl为ADC输入电压，一同接到比较器的输入端。
[0042]为实现CDS,比较器需要做两次比较，最终的结果是图2所示的Tc时间与Vinl的 化St和Vsig电压的差值相关，最终后续电路将Tc时间转换为数字数据，实现模拟至数字转 换。
[00创 Tc的大小为：
[0045]由W上分析可得，不考虑管子的非线性时，有
[0047]考虑非线性后，Tc的值如式⑩所示。
[0048] 而在整个电路中引入的非线性是不希望有的，且在运里的非线性使得实际的Tc变 小了，最终的影响就是电路的动态范围变小了。
[0049] 因此，业界希望有一种较好的补偿全