像素单元及像素信号的读出方法与流程

1.本发明涉及集成电路设计技术领域，尤其涉及一种像素单元及像素信号的读出方法。


背景技术：

2.互补金属氧化物半导体图像传感器(complementary metal oxide semiconductor image sensor，cis)已广泛应用于视频、监控、工业制造、汽车、家电等成像领域。随着cis应用要求的不断提高，cis需要具有较高的图像质量和稳定性，低噪声是图像质量的基本保证，尤其是在暗光应用下，噪声稍微增大就会使图像细节无法呈现。像素单元在低照度下的噪声主要来自放大管的低频噪声，要降低该噪声，一般是对放大管工艺进行改进，减少其沟道中的陷阱和瑕疵，但这往往带来工艺成本的增加。
3.因此，有必要提供一种新型的像素单元及像素信号的读出方法以解决现有技术中存在的上述问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种像素单元及像素信号的读出方法，在不改变制作工艺的情况下，有效降低了像素输出噪声。
5.为实现上述目的，本发明的所述像素单元，包括像素电路、钳位管和开关管，所述像素电路包括感光模块和像素尾电流源管，所述感光模块电路用于感光并产生信号输出，所述像素电路的输出端分别与所述开关管的漏极、所述钳位管的源极电连接，所述开关管的栅极与所述钳位管的栅极电连接并输入控制信号，所述开关管的源极与所述像素尾电流源管的漏极电连接，所述像素尾电流源管的源极接地，所述钳位管的源极接电源电压，且所述开关管的源极输出目标信号。
6.本发明所述像素单元的有益效果在于：通过在像素电路中接入开关管和钳位管，使得像素中源跟随管在非信号读出阶段处于积累状态，该状态下源跟随管si/sio2界面陷阱中存在的是空穴，而在信号读出阶段再切换到反型状态，由于已被空穴所占的陷阱短时间内无法完全再次被电子占据，使得读出阶段源跟随管引入的rts噪声大大降低，从而在不改变制作工艺的情况下实现了像素噪声的降低。
7.可选的，所述像素电路包括感光二极管、传输管、复位管、放大管和选通管，所述感光二极管的正极接地，所述感光二极管的负极与所述传输管的源极电连接，所述传输管的漏极分别与所述复位管的源极、所述放大管的栅极电连接，所述复位管的漏极和所述放大管的漏极均接电源电压，所述放大管的源极与所述选通管的漏极电连接，所述选通管的源极与所述钳位管的漏极电连接，且所述选通管的栅极输入选通信号，所述传输管的栅极输入传输信号，所述复位管的栅极输入复位信号。
8.可选的，所述感光二极管、所述传输管、所述复位管、所述放大管和所述选通管均为nmos管。
9.可选的，所述像素尾电流源管和所述开关管为nmos管，所述钳位管为pmos管。
10.本发明还提供了一种像素信号的读出方法，应用于上述的像素单元，所述读出方法包括：
11.输入高电平控制信号以将所述开关管导通，所述钳位管断开，以使得所述放大管进入反型状态；
12.将所述控制信号切换至低电平后通过所述开关管的源极读出第一像素输出信号；
13.在所述第一像素输出信号读取完成之后，将所述控制信号切换至高电平以使得所述放大管进入积累状态；
14.将所述控制信号切换至低电平后通过所述开关管的源极读出第二像素输出信号；
15.循环执行上述过程，直至所述像素信号完成读出。
16.本发明的像素信号的读出方法的有益效果在于：在像素信号的读取过程中，放大管处于反型状态时间很短，使得读取得到的rts噪声明显下降，有效提高了像素信号的质量。
附图说明
17.图1为现有技术中标准四管像素单元电路的电路图。
18.图2为图1中标准四管像素单元电路的时序图。
19.图3为源跟随器在不同偏压状态下的截面图对比。
20.图4为本发明实施例所述像素单元的电路图。
21.图5为本发明实施例所述像素单元的时序图。
22.图6为本发明实施例像素单元与标准四管像素单元电路的信号读出噪声对比图。
23.图7为本发明实施例所述像素信号的读出方法的流程图。
具体实施方式
24.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图，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的一部分实施例，而不是全部的实施例。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。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
25.现有技术的在对图像传感器的像素信号读出一般采用像素单元电路，比如标准四管像素单元电路，参考图1，所述像素电路包括感光模块和像素尾电流源管15，所述感光模块包括感光二极管10、传输管11、复位管12、放大管13和选通管14，所述感光二极管10的正极接地gnd，所述感光二极管10的负极与所述传输管11的源极电连接，所述传输管11的漏极分别与所述复位管12的源极、所述放大管13的栅极电连接，所述复位管12的漏极和所述放大管13的漏极均接电源电压vdd，所述放大管13的源极与所述选通管14的漏极电连接，所述选通管14的源极与所述像素尾电流源管15的漏极电连接，所述像素尾电流源管15的源极接地gnd，且所述选通管14的栅极输入选通信号sel，所述传输管11的栅极输入传输信号tx，所
述复位管12的栅极输入复位信号rx。
26.其中，感光二极管10会感光，并生成与光照强度成正比的光电子。传输管11的作用是转移感光二极管10内的光电子，当传输信号tx为高电压时，传输管11导通，会将感光二极管10内的光电子转移到浮置扩散区fd上。复位管12的作用是在复位信号rx为高电位时，对浮置扩散区fd进行复位。在偏置电压vb驱动下，像素尾电流源管15为放大管13、选通管14支路提供偏置电流。当选通信号sel为高电位选通管14导通时，放大管13、选通管14和像素尾电流源管15形成到地的通路，此时放大管13本质上为一个源极跟随器(sf)，跟随浮置扩散区fd电位的变化并最终由输出端pix_out输出。
27.图2为图1所述四管像素单元电路的操作时序图，参考图2，整个过程分为复位阶段(rst)、曝光阶段(exp)和信号读取阶段(read)。在rst阶段，tx、rx为“高”，传输管11、复位管12均导通，浮置扩散区fd复位且其电位被拉高到vdd。之后，rx、tx为“低”，进入exp阶段，感光二极管10感光并积累电子。进入read阶段，sel为“高”，rx先为“高”复位fd，rx再拉“低”，tx保持为“低”，此时放大管13受控于fd电位并通过输出端pix_out输出复位电位“vrst”。之后，tx拉“高”将感光二极管10上的电子转移到fd，此时放大管13受控于fd电位并通过输出端pix_out输出信号电位“vsig”。“vrst”、“vsig”电位由后续读取模数转换器(adc)电路转换为数字量并进行减法操作，得到感光二极管10上光电子实际对应的数字量。若adc为12位，adc参考电压范围为vref，则最终输出为dout＝(vrst-vsig)
×212
/vref。
28.图3为放大管13在不同偏压状态下的截面图对比。放大管13为nmos，当其栅源电压差vgs大于其阈值电压vthn时，处于反型状态。此时，将有大量的电子位于沟道与氧化层之间的si/sio2界面处，界面中存在的陷阱将被电子所占据，由于电子不断处于无规则运动中，不停的占据这些陷阱又被释放到沟道中，使得放大管13在该反型状态下存在低频的所谓电报噪声(rts)，这种rts将使小信号时像素的读出噪声增加，影响低照成像质量。
29.针对现有技术存在的问题，本发明的实施例提供了一种像素单元，参考图4，包括上述的像素电路、钳位管16和开关管17，所述像素电路包括感光模块和像素尾电流源管15，所述感光模块电路用于感光并产生信号输出，所述像素电路中的选通管14的源极分别与所述开关管17的漏极、所述钳位管16的源极电连接，所述开关管16的栅极与所述钳位管17的栅极电连接，所述开关管16的源极与所述像素尾电流源管15的漏极电连接，所述像素尾电流源管15的源极接地，所述钳位管17的源极接电源电压vdd，且所述开关管16的源极作为输出端pix_out输出目标信号。
30.在本实施例中，本实施例的所述像素单元与现有技术中的像素单元电路的不同之处在于增加了开关管16和钳位管17。当像素处于非信号读出状态时，控制信号sk为低，开关管16断开，从而将pix_out与像素输出节点q断开，此时钳位管17导通，并将节点q上拉至vdd电位，因为放大管14呈开关导通状态，这样放大管13源极的s点电位也接近vdd，fd点略低于vdd(fd在复位操作后，电位为vdd-vthnx，其中vthnx是复位管12的阈值电压)，这时放大管14的栅源电压vgs《vthn，处于积累状态，该状态下不存在电报噪声rts。当信号读出时，控制信号sk为高，开关管16导通，钳位管17断开，像素输出节点q和输出端pix_out连通，放大管13处于反型状态，此时放大管13由于在上一个积累状态时无电子占据陷阱，重新进入反型状态时，电子是会逐渐占据这些陷阱，并且有一个过程。所以在由积累状态切换到反型状态后，放大管13的低频rts噪声会减少。
31.本发明还提供了一种像素信号的读出方法，应用于上述述的像素单元，所述读出方法，参考图7，包括如下步骤：
32.s701输入高电平控制信号以将所述开关管导通，所述钳位管断开，以使得所述放大管进入反型状态；
33.s702、将所述控制信号切换至低电平后通过所述开关管的源极读出第一像素输出信号；
34.s703、在所述第一像素输出信号读取完成之后，将所述控制信号切换至高电平以使得所述放大管进入积累状态；
35.s704、将所述控制信号切换至低电平后通过所述开关管的源极读出第二像素输出信号；
36.s705、循环执行上述过程，直至所述像素信号完成读出。
37.具体的，结合图5的时序，当rx为高复位完浮置扩散区fd后，控制信号sk由高变为低，通过输出端pix_put读出复位电位vrst，此时的rts噪声是降低了的；在复位电位vrst读取完成后，sk又由低变为高，放大管13又再次进入积累状态，陷阱中电子又被清空，在读取输出端pix_out输出信号电位vsig过程中，sk由高变为低，放大管再进入反型状态。所以vrst、vsig读取过程中，放大管13处于反型状态时间很短，读取得到的rts噪声将明显下降。
38.图6是基于四管像素单元的cis测得的读出噪声对比，可以看出本方案的像素单元与现有技术中的像素单元，在读取像素个数相同时，本方案的电路的读出噪声明显小于现有技术中像素单元电路的读出噪声。由此可见，本方案的像素单元能在不改变工艺条件的情况下，能有效降低像素rts噪声。
39.需要说明的是，本方案中的所述像素单元中的像素电路不仅限于四管像素单元，也可以适用于其它的像素单元，本方案对此不作特别限定，由于其原理与本方案基本相同，此处不再赘述。
40.在一些实施例中，所述感光二极管10、所述传输管11、所述复位管12、所述放大管13和所述选通管14均为nmos管。
41.在又一些实施例中，所述像素尾电流源管15和所述开关管16为nmos管，所述钳位管17为pmos管。
42.本发明所述像素单元通过在像素电路中接入开关管和钳位管，使得像素中源跟随管在非信号读出阶段处于积累状态，该状态下源跟随管si/sio2界面陷阱中存在的是空穴，而在信号读出阶段再切换到反型状态，由于已被空穴所占的陷阱短时间内无法完全再次被电子占据，使得读出阶段源跟随管引入的rts噪声大大降低，从而在不改变制作工艺的情况下实现了像素噪声的降低。
43.虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。