一种低功耗CMOS图像传感器结构及其实现方法与流程

一种低功耗cmos图像传感器结构及其实现方法
技术领域
1.本发明属于半导体制造技术领域，涉及一种低功耗cmos图像传感器结构及其实现方法。


背景技术：

2.cmos图形传感器由于其集成度高、功耗低和噪声特性较好的特点被广泛应用于消费电子、工业检测和航天探测等领域。cmos图像传感器为温度敏感器件，暗电流会随着温度的上升而指数上升，而功耗增大会导致温度上升，性能降低。此外，为了实现高速a/d转换，高频数字信号反转，造成衬底的噪声较大，由于cmos的p衬工艺所有的晶体管共用衬底，数字域的高频信号产生的噪声会通过公用衬底干扰模拟器件，导致cmos图像传感器整体的噪声增大。
3.现有技术中的cmos图像传感器整体架构如图3所示，包括像元阵列、列并行可编程增益放大器、列并行比较器、列并行计数器、列逻辑、lvds输出接口、锁相环、dac位数产生器和dac斜坡产生器，像元阵列输出的模拟信号由列并行可编程增益放大器进行采样放大，dac码值产生器产生由低到高的数字信号，控制dac斜坡产生器产生向上斜坡，与列并行可编程增益放大器通过列并行比较器进行比较，作为列并行计数器的触发信号，控制计数开始和结束。列并行计数器由高频锁相环控制进行翻转和计数，每列一个计数器会消耗大量的功耗，并且产生大量的翻转噪声。计数器输出的码值由列逻辑完成并串转换，由lvds输出接口输出至片外，作为整体图像传感器的数字输出。
4.现有技术中的cmos图像传感器具体机构如图4所示，包括第二像元电路，可编程增益放大器，列adc比较器，列adc计数器。vramp信号与column input信号进行比较，当斜坡信号幅值超过column input信号时，比较器翻转，adc_clock为高频时钟由锁相环产生，比较器在adc_clock和比较器翻转信号的控制下启动和结束计数。adc计数器为a/d转换的数字信号，adc计数器高频翻转不仅消耗大量功耗，而且引入大量噪声。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决现有技术中由于功耗的增大导致cmos图像传感器在工作时的温度上升，而暗电流会随着温度的上升而指数上升，从而导致传感器性能下降的问题，提供一种低功耗cmos图像传感器结构及其实现方法。
6.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
7.一种低功耗cmos图像传感器结构，包括像元阵列、采样放大单元、比较单元、dac码值产生器、dac斜坡产生器、寄存处理单元和输出电路单元；
8.所述像元阵列输出的模拟信号由采样放大单元进行采样放大后得到输入信号，将输入信号传输至比较单元的一输入端，dac码值产生器产生的数字码值信号通过寄存处理单元传输至dac斜坡产生器，dac斜坡产生器产生的斜坡信号传输至比较单元的另一输入端，当斜坡信号大于输入信号时，比较单元产生翻转信号，寄存处理单元存储产生翻转信号
时的数字码值信号，寄存处理单元对数字码值信号进行处理后，通过输出电路单元将结果输出。
9.本发明的进一步改进在于：
10.所述像元阵列包括n个第一像元电路，第一像元电路包括nmos s4、nmos s5、nmos s6、第一noms和二极管；
11.nmos s4和第一nmos的d极均接入vdd，nmos s4的s极和nmos s5的d极相连后接入第一nmos的g极，nmos s5的s极通过二极管接地，第一nmos的s极与nmos s6的s极相连，nmos s6的d极输出复位信号和光电信号。
12.所述采样放大单元包括n个单列模拟前端，单列模拟前端接收像元阵列输出的模拟信号，经采样放大后输出至比较单元。
13.所述比较单元包括n个单列比较器，单列比较器的正输入端接收dac斜坡产生器的斜坡信号，负输入端接收采样放大单元传输的信号。
14.所述寄存处理单元包括n个单列寄存处理器，单列寄存处理器存储产生翻转信号时的数字码值信号，并对存储的数字码值信号进行相减处理。
15.所述输出电路单元包括列逻辑和lvds输出接口，由列逻辑对输出信号完成并串转换后，经过lvds输出接口将结果输出。
16.所述dac码值产生器为逐次级联的d触发器。
17.所述dac码值产生器和寄存处理单元之间设置有传输控制单元。
18.一种低功耗cmos图像传感器的实现方法，包括以下步骤：
19.第一像元电路产生复位信号v
rst
和光电信号v
sig
，将复位信号v
rst
和光电信号v
sig
传输至单列模拟前端中；
20.单列模拟前端在不同时刻对复位信号v
rst
和光电信号v
sig
进行采样保持和放大处理后，得到v
in
，将v
in
输入至单列比较器的一输入端；
21.dac码值产生器产生由小到大的数字码值，dac斜坡产生器根据数字码值，产生向上的斜坡信号v
ramp
，将v
ramp
输入至单列比较器的另一输入端；
22.当v
ramp
》v
in
时，单列比较器翻转，单列寄存处理器存储比较器翻转时dac码值产生器的数字码值；
23.在转换周期结束后对单列寄存处理器中的存储的数字码值进行相减，作为结果输出。
24.所述dac码值产生器的数字码值通过传输控制单元存入单列寄存处理器中。
25.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
26.通过采用dac码值产生器，其输出的数字码值由低到高逐次产生，从而产生线性向上的斜坡，根据其输出码值逐步线性增加的特点，与计数器计数数目由小到大线性计数的特点一致，将dac码值产生器复用为图像传感器中的计数器，因此dac码值产生器兼具数码产生和adc计数的功能，避免了传统计数器在a/d转换时产生大量的翻转和计数，大幅降低了图像传感器的整体功耗，降低了由于高功耗而产生的热量聚集现象，提升了温度敏感型图像传感器的性能。
27.通过将单列比较器的翻转信号作为触发信号，产生开关闭合脉冲，将dac码值产生器输出的数字码值存入单列寄存处理器中，由于在每个转换周期内，比较器进行两次翻转，
将两次存储的数字码值相减作为结果输出。因此在每个周期内，只需进行三次操作，即寄存两次数字码值和执行一次减法运算，降低了列级的操作频率，不仅降低了功耗，也降低了高频信号对衬底的噪声干扰。
附图说明
28.为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
29.图1为本发明的低功耗cmos图像传感器整体架构图；
30.图2为本发明的低功耗cmos图像传感器具体架构图；
31.图3为现有技术中cmos图像传感器整体结构图；
32.图4为现有技术中cmos图像传感器具体结构图；
33.图5为本发明中dac码值产生器结构示意图；
34.图6为本发明中dac斜坡产生器结构示意图；
35.图7为本发明中传输控制单元的具体结构示意图。
36.其中：10-像元阵列；11-采样放大单元；12-比较单元；13-列并行计数器；14-列逻辑；15-lvds输出接口；16-锁相环；17-dac码值产生器；18-dac斜坡产生器；19-寄存处理单元；20-第二像元电路；21-可编程增益放大器；22-列adc比较器；23-列adc计数器；30-第一像元电路；31-模拟前端；32-单列比较器；35-单列寄存处理器；36-传输控制单元。
具体实施方式
37.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
38.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
40.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
41.此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可
以稍微倾斜。
42.在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
43.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
44.参见图1，为本发明的低功耗cmos图像传感器整体架构图，包括像元阵列10、采样放大单元11、比较单元12、列逻辑14、lvds输出接口15、dac码值产生器17、dac斜坡产生器18和寄存处理单元19，像元阵列10输出的模拟信号由采样放大单元11进行采样放大后得到输入信号，将输入信号传输至比较单元12的一输入端，dac码值产生器17产生的数字码值信号通过寄存处理单元19传输至dac斜坡产生器18，dac斜坡产生器18产生的斜坡信号传输至比较单元12的另一输入端，当斜坡信号大于输入信号时，比较单元12产生翻转信号，寄存处理单元19存储产生翻转信号时的数字码值信号，寄存处理单元19对数字码值信号进行处理后，再由列逻辑14进行并串转换，经过lvds输出接口15将结果输出。
45.参见图2，为本发明的低功耗cmos图像传感器具体结构图，包括第一像元电路30、单列模拟前端31、单列比较器32、单列寄存处理器35、传输控制单元36、dac码值产生器17和dac斜坡产生器18，第一像元电路30为以列为单位的像元电路，由二极管和四个nmos管组成，nmos s4和第一nmos的d极均接入vdd，nmos s4的s极和nmos s5的d极相连后接入第一nmos的g极，nmos s5的s极通过二极管接地，第一nmos的s极与nmos s6的s极相连，nmos s6的d极输出复位信号和光电信号；nmos s6的d极连接单列模拟前端31的输入端，经过采样放大处理后得到输入信号v
in
，将v
in
传输至单列比较器32的负输入端，单列比较器32的正输入端输入dac斜坡产生器18的斜坡信号，当斜坡信号大于输入信号v
in
时，单列比较器32发生翻转，以单列比较器32的翻转信号作为触发信号，将翻转时的dac码值产生器17的数字码值通过传输控制单元36储存至单列寄存处理器35中，由于在每个周期内进行两次采样，因此有两次斜坡信号，第一次用于量化复位信号，第二次量化光电信号，因此在每个转换周期内比较器进行两次翻转，以两次翻转时寄存的数字码值相减作为输出数据。
46.参见图5，为本发明中dac码值产生器17的具体结构示意图，dac码值产生器17采用逐次级联的d触发器生成由低到高的计数和斜坡产生信号。参见图6，为本发明中dac斜坡产生器18的具体结构示意图，dac斜坡产生器18为开关电容阵列，根据dac码值产生器17产生的码值逐渐升高，dac斜坡产生器输出的模拟斜坡信号向上递增。参见图7，为传输控制单元36的具体结构，dac码值产生器17产生的数字码值信号d0～dn垂直于列方向从左到右传输，为增强驱动性在中间加入数字缓冲器，保证波形完整和占空比正常，在连接单列寄存处理器的路径上，采用开关控制的连线，开关的导通和关断由单列比较器32产生的翻转信号控制，将dac码值产生器17产生的数字码值信号d0～dn存入单列寄存处理器35中。
47.根据dac码值产生器17输出数字码值由低到高逐次产生，从而产生线性向上的斜坡，根据dac码值产生器17输出码值逐步线性增加的特点，与计数器计数数目由小到大线性计数的特点一致，因此可以复用dac码值产生器17作为整个图像传感器的计数器，能够大幅降低整个结构的面积。因此在图像传感器中，dac码值产生器17兼具数码产生和adc计数的
功能，避免了传统计数器在a/d转换时产生大量的翻转和计数，大幅降低了图像传感器的整体功耗，降低了由于高功耗而产生的热量聚集现象，提升了温度敏感型图像传感器的性能。
48.本发明的具体实现方法，包括以下步骤：
49.s1，第一像元电路30产生复位信号v
rst
和光电信号v
sig
，将复位信号v
rst
和光电信号v
sig
传输至单列模拟前端31中；
50.s2，单列模拟前端31对复位信号v
rst
和光电信号v
sig
进行采样保持和放大处理后，得到v
in
，将v
in
输入至单列比较器32的一输入端；
51.s3，dac码值产生器17产生由小到大的数字码值，dac斜坡产生器18根据数字码值，产生向上的斜坡信号v
ramp
，将v
ramp
输入至单列比较器32的另一输入端；
52.s4，当v
ramp
》v
in
时，单列比较器32翻转，单列寄存处理器35存储比较器翻转时dac码值产生器17的数字码值；
53.s5，在转换周期结束后对单列寄存处理器35中的存储的数字码值进行相减，作为结果输出。
54.将单列比较器32的翻转信号作为触发信号，产生开关闭合脉冲，将dac码值产生器17输出的数字码值存入单列寄存处理器35中，由于在每个转换周期内，比较器进行两次翻转，将两次存储的数字码值相减作为结果输出。因此在每个a/d转换周期内，只需进行三次操作，即寄存两次数字码值和执行一次减法运算。现有技术中对于12位分辨率的adc，平均每一列的计数数目约为0.5
×
(4096+512)＝2304次，对于1k列面阵规模的图像传感器，计数次数总和为2304000次。本发明中通过将每一列的操作次数降低为三次，对于1k列面阵规模的图像传感器，计数次数仅为3000次，显著降低了列级的操作频率，不仅降低了功耗，也降低了高频信号对衬底的噪声干扰。
55.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。