Cmos图像传感器及其复位噪声评估方法
【技术领域】
[0001]本发明属于图像传感器领域，具体涉及一种用于全局快门和双采样的7T像元CMOS图像传感器及其复位噪声评估方法。
【背景技术】
[0002]图像传感器是将入射光信号转换成电信号的电子器件，图像传感器包括被称为像素的光传感元件的二维阵列，二维阵列中的每个像素都与透镜系统一起工作以对场景局部区域内的入射光做出响应，并产生描述该场景的局部特征的电信号。来自光传感元件的输出被转换成数字形式，并以数字形式存储，以形成表示该场景的原始数据。原始数据可以通过图像处理器的处理来产生最终呈现的数字图像。
[0003]图像传感器的设计包括电荷耦合器件(CXD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。CCD图像传感器在现代设计中不是优选的，部分因为CCD典型地消耗较高水平的功率，并且要求相对复杂的模拟前端电路。CMOS图像传感器消耗较低水平的功率，并且具有提供数字输出像素值的内置模拟端数字转换器。因此，CMOS图像传感器越来越得到广泛的应用。
[0004]现有的CMOS图像传感器由CMOS数模电路和像素单元电路阵列构成，根据上述一个像素单元包括的晶体管数目，现有的像素内不带存储电容的CMOS图像传感器主要分为3T型结构，4T型结构和5T型结构。
[0005]参见图1，图1为一种现有技术中无存储电容和无传输晶体管的3T像元等效电路结构示意图，包括:一个光电二极管PPDl，用于在曝光时进行光电转换，将接收到的光信号转换成电信号，光电二极管PPDl包括P型区和N型区，P型区接地。
[0006]该图像传感器还包括一个复位晶体管RSTl，用于在曝光前对光电二极管PPDl进行复位，复位由复位信号Vrst信号进行控制。在图1中，复位晶体管RSTl选用一个NMOS管，复位晶体管RSTl的源极和光电二极管PPDl的N型区相连，复位晶体管RSTl的源极同时也为一敏感电压节点FDl又称为浮空扩散区(Floating Diffus1n，FD);复位晶体管RSTl的漏极接电源Vdd，电源Vdd为一正电源。当复位信号Vrst为高电平时，复位晶体管RSTl导通并将光电二极管PPDl的N型区连接到电源Vdd，在电源Vdd的作用下，使光电二极管PPDl反偏并会清除光电二极管PPDI的全部累积的电荷，实现复位。复位晶体管RSTI也可以由多个匪OS管串联形成、或由多个NMOS管并联形成，也可以用PMOS管代替NMOS管。
[0007]该图像传感器还包括一个放大晶体管DXl，用于将光电二极管PPDl产生的电信号进行放大。在图1中，放大晶体管DXI选用一个匪OS管，放大晶体管DXI的栅极接光电二极管PPDl的N型区，放大晶体管DXl的漏极接电源Vdd，放大晶体管DXl的源极为放大信号的输出端。放大晶体管DXl也可以由多个NMOS管串联形成、或由多个NMOS管并联形成，也可以用PMOS管代替NMOS管。
[0008]该图像传感器还包括一个行选晶体管SXl，用于将放大晶体管DXl的源极输出的放大信号输出。在图1中，行选晶体管SXl选用一个NMOS管，行选晶体管SXl的栅极接行选择信号VSEL，行选晶体管SXl的源极接放大晶体管的源极，行选晶体管SXl漏极为输出端。
[0009]图2所示的是一种现有技术中无存储电容和带传输晶体管的4T像元等效电路结构示意图。在3T型结构的像元电路具有复位晶体管RST2、放大晶体管DX2和行选晶体管SX2的基础上，现有4T型结构的CMOS图像传感器的像元电路增加了一个传输晶体管TX2。传输晶体管TX2隔离了光电二极管PPD2和放大晶体管DX2，当光电二极管PPD2复位和电荷转移时闭合，以减少噪声对敏感电压节点FD2的影响。
[0010]如图3所示的是一种现有技术中无存储电容和带传输晶体管以及带抗光晕晶体管的5T像兀等效电路结构不意图。在4T型结构的像兀电路具有复位晶体管RST3、放大晶体管DX3、传输晶体管TX3和行选晶体管SX3的基础上，现有5T型结构的CMOS图像传感器的像素单元电路增加了一个复位抗光晕晶体管RSTAB3。抗光晕复位晶体管RSTAB3的两端分别与电源正极和光电二极管PPD3负极连接，当光电二极管PPD3复位和电荷转移时闭合，以减少噪声对敏感电压节点FD3的影响。
[0011]为了实现全局快门和相关双采样等功能，在CMOS图像传感器的3T型结构的基础上，现有的像素内带存储电容的CMOS图像传感器分为6T型结构和9T型结构，其中，6T型结构的CMOS图像传感器的像素单元增加了单个存储电容和一极缓冲放大，9T型结构的CMOS图像传感器的像素单元增加了双存储电容和一极缓冲放大。
[0012]CMOS图像传感器包括在每个像素处的控制晶体管，控制晶体管用于控制光电检测器中的光积分、控制复位以及为像素提供缓冲放大。CMOS图像传感器可以支持滚动快门模式和/或全局快门模式。在滚动快门模式下，每一行像素都在比紧接前面行的像素更晚的时间开始曝光或光积分。因此，当场景中的物体正在移动时，滚动快门模式容易造成几何失真。在全局快门模式下，整个CMOS图像传感器中的所有像素同时开始和停止曝光或光积分，因此可以避免由于场景中的运动而引起的几何失真问题。
[0013]相关双采样(Correlated Double Sampling ,CDS)是一种使用每个像素的复位电平以及附加了复位电平的采光信号来消除CMOS图像传感器像素响应中的噪声和非均匀性的方法。对于相关双采样而言，先采样“复位电平”，再采样“采光信号”，通过第一采样值(复位电平信号)减去第二采样值(采光信号)得到像素位置的实际像素值。
[0014]如图4所示的是一种现有技术中实现全局快门和相关双采样的6T像元等效电路结构示意图，它实现了全局快门和相关双采样。该图像传感器包括光电二极管PPD4、存储电容Cp4、复位晶体管RST4、低电平复位晶体管RSTGND4、第一放大晶体管DX41、采样晶体管SX41、第二放大晶体管DX42以及行选晶体管SX42。为了实现相关双采样，像元电路外还有全帧存储器来储存复位电平。
[0015]如图5所示的是一种现有技术中实现全局快门和相关双采样的9T像元等效电路结构示意图，它实现了全局快门和相关双采样。在6T型结构的像元电路具有存储电容Cp51、复位晶体管RST5、低电平复位晶体管RSTGND5、第一放大晶体管DX51、采样晶体管SX51、第二放大晶体管DX5 2以及行选晶体管SX5 2的基础上，现有9T型CMOS图像传感器的像元电路增加了存储电容Cp52、采样晶体管SX53、放大晶体管DX54以及行选晶体管SX54，并且9T像元电路没有使用全帧存储器。
[0016]由上可知，6T型结构的CMOS图像传感器的像元电路比较简单，但需要一个全帧存储器来存放复位电平，使用了较多的像元外芯片空间；9T型结构的CMOS图像传感器的像元电路使用了双存储电容和9个晶体管，使用了较多的像元内芯片空间。实际应用中需要结构紧凑的CMOS像元电路，以便给抗辐射硬度电路和控制信号容差电路等的设计预留更多的空间。
【发明内容】
[0017]本发明的主要目的是提供一种结构简洁紧凑的CMOS图像传感器。
[0018]本发明的另一目的是提供一种CMOS图像传感器复位噪声评估方法。
[0019]为实现上述的主要目的，本发明提供的CMO