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CN113422918B - 提高动态范围的像素单元、阵列与阵列驱动方法 - Google Patents

提高动态范围的像素单元、阵列与阵列驱动方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及集成电路技术领域，针对传统CIS光敏单元阱容量与转换增益节点电容受限的缺点，本发明旨在提出一种基于像素内电流镜的架构，提高CIS动态范围。本发明，提高动态范围的像素单元、阵列与阵列驱动方法，由1个钳位光电二极管PPD、9个N型MOS管、4个P型MOS管、1个偏置电流源和1个电容构成；其中，N型MOS管M1、M2、M3和P型MOS管M9、M10组成电流镜结构；N型MOS管M4、M5、M6组成共源共栅结构，以确保组成电流镜的M1、M2和M3偏置在相同状态；P型MOS管M7和M8组成共源共栅结构；N型MOS管M11为行选开关晶体管。本发明主要应用于CIS器件设计制造场合。

Description

提高动态范围的像素单元、阵列与阵列驱动方法
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，特别是涉及一种提高动态范围的像素、阵列结构与驱动方式。具体涉及提高动态范围的像素单元、阵列与阵列驱动方法
背景技术
CMOS图像传感器(CIS)是摄像头模组的核心器件，目前在智能手机、安防监控、汽车和航空航天等领域有着广泛的应用。传统CIS受其光敏单元阱容量与转换增益节点电容的限制，其动态范围通常只有60-70dB，而人眼的动态范围在100dB以上。因此，传统CIS在光强范围变化较大的环境下很难拍摄出高质量图像，无法准确还原人眼所观察到的场景。显然，扩展CIS的动态范围是解决这一问题的关键。目前扩展的方法主要有对数光响应、多次采样技术、横向溢出栅技术等，但这些方法也存在一些缺点。采用对数压缩响应会影响到输出信号的线性度，导致低光强度下噪声较大；多次曝光技术虽能扩展动态范围，但增加了时序的复杂性；基于横向溢出栅技术的像素单元填充因子较小，从而使CIS灵敏度较低。
发明内容
为克服现有技术的不足，针对传统CIS光敏单元阱容量与转换增益节点电容受限的缺点，本发明旨在提出一种基于像素内电流镜的架构，将转换增益与光电二极管(PD)电容分离，从而提高了CIS动态范围。为此，本发明采取的技术方案是，一种提高动态范围的像素单元，由1个钳位光电二极管PPD、9个N型MOS管、4个P型MOS管、1个偏置电流源和1个电容构成；其中，N型MOS管M1、M2、M3和P型MOS管M9、M10组成电流镜结构；N型MOS管M4、M5、M6组成共源共栅结构，以确保组成电流镜的M1、M2和M3偏置在相同状态；P型MOS管M7和M8组成共源共栅结构，以确保组成的电流镜的M9和M10偏置在相同状态；N型MOS管M11为行选开关晶体管；N型MOS管M12为积分电容复位管；N型MOS管M13为积分电容内像素信号行选输出晶体管。
具体结构如下：
N型MOS管M1源极接地，栅极与N型MOS管M2和M3栅极相连，漏极接N型MOS管M4源极；N型MOS管M2源极接地，漏极与PPD阴极和N型MOS管M5源极相连；N型MOS管M3源极接地，漏极与N型MOS管M6源极相连；N型MOS管M4栅极与N型MOS管M5和M6栅极相连，漏极与偏置电流源相连；N型MOS管M5漏极与P型MOS管M7源极相连；N型MOS管M6漏极与P型MOS管M8源极相连；P型MOS管M7栅极与P型MOS管M8栅极相连，漏极与P型MOS管M9源极相连；P型MOS管M8漏极接P型MOS管M10源极；P型MOS管M9栅极与P型MOS管M10栅极相连，漏极接电源电压VDD；P型MOS管M10漏极接电源电压VDD；N型MOS管M11源极接N型MOS管M6漏极，栅极接行选开关控制信号，漏极接N型MOS管M12漏极和N型MOS管M13源极；N型MOS管M12栅极接电容复位控制信号；N型MOS管M13栅极接行选输出控制信号，漏极接输出信号线；电容一端接N型MOS管M13源极一端接地。
偏置电流Ibias通过N型MOS管M1-M2-M3组成的电流镜将电流Ibias复制到M2、M3支路中，流过N型MOS管M5的电流为流过M2的偏置电流Ibias和光电流Iph，其电流(Iph+Ibias)通过P型MOS管M9-M10构成的电流镜，将电流(Iph+Ibias)复制到M10、M8支路，由N型MOS管M1-M3形成的电流镜从流过P型MOS管M8的电流(Iph+Ibias)中提取偏置电流Ibias。假设电流镜完全匹配，则只有光电流Iph会对积分电容Cint充电，从而导致输出节点处的电压增加ΔVout由下式给出：
Figure BDA0003105865640000021
其中，I bias M10和I bias M3分别是P型MOS管M10和N型MOS管M3镜像的电流。
提高动态范围的像素阵列，阵列中的像素由前述像素单元构成，一行像素共用一根电源电压线，同一列像素共用一个积分电容，其电容大小可相同或不同以满足不同场景需求，一列像素共用一根列输出线，同一列像素中行选开关晶体管后，积分电容前连接在一起。
第一行的行选开关晶体管开启的同时开启电容复位晶体管1对第一列的电容进行复位，电容复位晶体管1的下降沿对应电容复位晶体管2的上升沿，同理电容复位晶体管n-1的下降沿对应电容复位晶体管n的上升沿，电容复位晶体管依次开启对所有列的积分电容进行复位操作，行选通输出晶体管依次开启以传输积分电容中的像素信号，从积分电容复位晶体管的下降沿到行选通输出晶体管的下降沿为像素的有效曝光时间，通过改变积分电容复位晶体管的下降沿到行选通输出晶体管的下降沿的时间以调整像素有效曝光时间，行选通晶体管1的下降沿对应行选通晶体管2的上升沿，同理行选通晶体管n-1的下降沿对应行选通晶体管n的上升沿，行选通晶体管依次开启将积分电容内的信号输出到列输出线，行选输出晶体管n的下降沿对应行选开关晶体管1的下降沿，至此第一行数据完全读出。同理进行第二行至第n行像素信号读出。
本发明的特点及有益效果是：
本发明像素读出电路的优点：(1)可以将积分电容放置在像素单元外部，这有助于减小像素单元面积，同时可以选择其值满足高电荷存储容量和高动态范围的需求；(2)通过向M9-M10电流镜提供额外的偏置电流Ibias，增加了电流镜的带宽，使像素可以获得更高的帧速率；(3)一列像素可以共用一个像素外积分电容。同时可以根据使用场景的不同选择不同电容值的电容器组。例如，较大的电容器组可用于较明亮的场景，而较小的电容器组可用于较昏暗的场景，以获得高动态范围。
附图说明：
图1像素电路示意图。
图2像素阵列示意图。
图3像素工作时序示意图。
具体实施方式
提高CIS动态范围的像素结构：
一种提高CIS动态范围的像素结构，由1个钳位光电二极管(PPD)、9个N型MOS管、4个P型MOS管、1个偏置电流源和1个电容构成。其中，N型MOS管M1、M2、M3和P型MOS管M9、M10组成电流镜结构；N型MOS管M4、M5、M6组成共源共栅结构，以确保组成电流镜的M1、M2和M3偏置在相同状态；P型MOS管M7和M8组成共源共栅结构，以确保组成的电流镜的M9和M10偏置在相同状态；N型MOS管M11为行选开关晶体管；N型MOS管M12为积分电容复位管；N型MOS管M13为积分电容内像素信号行选输出晶体管。
N型MOS管M1源极接地，栅极与N型MOS管M2和M3栅极相连，漏极接N型MOS管M4源极；N型MOS管M2源极接地，漏极与PPD阴极和N型MOS管M5源极相连；N型MOS管M3源极接地，漏极与N型MOS管M6源极相连；N型MOS管M4栅极与N型MOS管M5和M6栅极相连，漏极与偏置电流源相连；N型MOS管M5漏极与P型MOS管M7源极相连；N型MOS管M6漏极与P型MOS管M8源极相连；P型MOS管M7栅极与P型MOS管M8栅极相连，漏极与P型MOS管M9源极相连；P型MOS管M8漏极接P型MOS管M10源极；P型MOS管M9栅极与P型MOS管M10栅极相连，漏极接电源电压VDD；P型MOS管M10漏极接电源电压VDD；N型MOS管M11源极接N型MOS管M6漏极，栅极接行选开关控制信号，漏极接N型MOS管M12漏极和N型MOS管M13源极；N型MOS管M12栅极接电容复位控制信号；N型MOS管M13栅极接行选输出控制信号，漏极接输出信号线；电容一端接N型MOS管M13源极一端接地。
如图1所示，偏置电流Ibias通过N型MOS管M1-M2-M3组成的电流镜将电流Ibias复制到M2、M3支路中。流过N型MOS管M5的电流为流过M2的偏置电流Ibias和光电流Iph，其电流(Iph+Ibias)通过P型MOS管M9-M10构成的电流镜，将电流(Iph+Ibias)复制到M10、M8支路。由N型MOS管M1-M3形成的电流镜从流过P型MOS管M8的电流(Iph+Ibias)中提取偏置电流Ibias。假设电流镜完全匹配，则只有光电流Iph会对积分电容Cint充电，从而导致输出节点处的电压增加ΔVout由下式给出：
Figure BDA0003105865640000031
其中，Ibias M10和Ibias M3分别是P型MOS管M10和N型MOS管M3镜像的电流。
为了抑制沟道长度调制的影响，使用共源共栅电流镜结构，共源共栅晶体管M4、M5和M6确保组成的电流镜的M1、M2和M3偏置在相同状态。以相同的方式，共源共栅晶体管M7和M8确保组成的电流镜M9和M10偏置在相同状态。
最后，N型MOS管M12用于将输出电压重置为中间电压，以确保电流镜的良好操作。最大输出电压为：
Voutmax＝VDD-VDS(sat)M8-VDS(sat)M10(2)
最小输出电压取决于复位晶体管节点上的电势。理论电压输出范围如下：
ΔVOUT＝VDD-VDS(sat)M8-VDS(sat)M10+Vreset(3)
将积分电容放置在像素单元外部，这有助于减小像素单元面积，同时满足高电荷存储容量和高动态范围的需要。一列像素可以共用一个像素外积分电容。同时可以根据使用场景的不同选择不同电容值的电容器组。例如，较大的电容器组转换增益小可用于较明亮的场景，而较小的电容器组转换增益大可用于较昏暗的场景，以获得高动态范围。
提高动态范围的像素阵列结构：
如图2所示，一行像素共用一根电源电压线。同一列像素共用一个积分电容，其电容大小可相同或不同以满足不同场景需求。一列像素共用一根列输出线，同一列像素中行选开关晶体管后，积分电容前连接在一起。
提高动态范围的像素结构的驱动方式：
如图3所示，第一行的行选开关晶体管开启的同时开启电容复位晶体管1对第一列的电容进行复位。电容复位晶体管1的下降沿对应电容复位晶体管2的上升沿，同理电容复位晶体管n-1的下降沿对应电容复位晶体管n的上升沿，电容复位晶体管依次开启对所有列的积分电容进行复位操作。行选通输出晶体管依次开启以传输积分电容中的像素信号。从积分电容复位晶体管的下降沿到行选通输出晶体管的下降沿为像素的有效曝光时间，通过改变积分电容复位晶体管的下降沿到行选通输出晶体管的下降沿的时间以调整像素有效曝光时间。行选通晶体管1的下降沿对应行选通晶体管2的上升沿，同理行选通晶体管n-1的下降沿对应行选通晶体管n的上升沿，行选通晶体管依次开启将积分电容内的信号输出到列输出线。行选输出晶体管n的下降沿对应行选开关晶体管1的下降沿。至此第一行数据完全读出。同理进行第二行至第n行像素信号读出。
VDD电源设置为3.3V。为了保持电流镜复制电流保持1:1的比例，N型MOS管M1、M2、M3的宽长比相同，同时P型MOS管M9、M10的宽长比相同。为了抑制沟道长度调制效应的影响同时兼顾像素面积与填充效率，用于生成电流镜的晶体管的宽范围为0.5～1um、默认值为0.75um，长范围为1～2um，默认值为1.5um。偏置电流源调节范围为1uA～17uA，默认值为9uA。积分电容值调节范围为10～100fF，默认使用10fF，50fF和100fF三种。最后可实现140dB的大动态范围。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。

Claims (4)

1.一种提高动态范围的像素单元，其特征是，由1个钳位光电二极管PPD、9个N型MOS管、4个P型MOS管、1个偏置电流源和1个积分电容构成；其中，N型MOS管M1、M2、M3和P型MOS管M9、M10组成电流镜结构；N型MOS管M4、M5、M6组成共源共栅结构，以确保组成电流镜的M1、M2和M3偏置在相同状态；P型MOS管M7和M8组成共源共栅结构，以确保组成的电流镜的M9和M10偏置在相同状态；N型MOS管M11为行选开关晶体管；N型MOS管M12为积分电容复位管；N型MOS管M13为积分电容内像素信号行选输出晶体管；
其具体结构如下：N型MOS管M1源极接地，栅极与N型MOS管M2和M3栅极相连，漏极接N型MOS管M4源极；N型MOS管M2源极接地，漏极与PPD阴极和N型MOS管M5源极相连；N型MOS管M3源极接地，漏极与N型MOS管M6源极相连；N型MOS管M4栅极与N型MOS管M5和M6栅极相连，漏极与偏置电流源相连；N型MOS管M5漏极与P型MOS管M7源极相连；N型MOS管M6漏极与P型MOS管M8源极相连；P型MOS管M7栅极与P型MOS管M8栅极相连，漏极与P型MOS管M9源极相连；P型MOS管M8漏极接P型MOS管M10源极；P型MOS管M9栅极与P型MOS管M10栅极相连，漏极接电源电压VDD；P型MOS管M10漏极接电源电压VDD；N型MOS管M11源极接N型MOS管M6漏极，栅极接行选开关控制信号，漏极接N型MOS管M12漏极和N型MOS管M13源极；N型MOS管M12栅极接电容复位控制信号；N型MOS管M13栅极接行选输出控制信号，漏极接输出信号线；积分电容一端接N型MOS管M13源极一端接地，一行像素共用一根电源电压线，同一列像素共用一个积分电容；
第一行的行选开关晶体管开启的同时开启电容复位晶体管1对第一列的积分电容进行复位，电容复位晶体管1的下降沿对应电容复位晶体管2的上升沿，同理电容复位晶体管n-1的下降沿对应电容复位晶体管n的上升沿，电容复位晶体管依次开启对所有列的积分电容进行复位操作，行选通输出晶体管依次开启以传输积分电容中的像素信号，从积分电容复位晶体管的下降沿到行选通输出晶体管的下降沿为像素的有效曝光时间，通过改变积分电容复位晶体管的下降沿到行选通输出晶体管的下降沿的时间以调整像素有效曝光时间，行选通晶体管1的下降沿对应行选通晶体管2的上升沿，同理行选通晶体管n-1的下降沿对应行选通晶体管n的上升沿，行选通晶体管依次开启将积分电容内的信号输出到列输出线。
2.如权利要求1所述的提高动态范围的像素单元，其特征是，偏置电流Ibias通过N型MOS管M1-M2-M3组成的电流镜将电流Ibias复制到M2、M3支路中，流过N型MOS管M5的电流为流过M2的偏置电流Ibias和光电流Iph，其电流(Iph+Ibias)通过P型MOS管M9-M10构成的电流镜，将电流(Iph+Ibias)复制到M10、M8支路，由N型MOS管M1-M3形成的电流镜从流过P型MOS管M8的电流(Iph+Ibias)中提取偏置电流Ibias，对于电流镜完全匹配，则只有光电流Iph会对积分电容Cint充电，从而导致输出节点处的电压增加ΔVout由下式给出：
Figure FDA0003815028520000011
其中，IbiasM10和IbiasM3分别是P型MOS管M10和N型MOS管M3镜像的电流。
3.一种提高动态范围的像素阵列，其特征是，阵列中的像素由权利要求1所述像素单元构成，其电容大小可相同或不同以满足不同场景需求，一列像素共用一根列输出线，同一列像素中行选开关晶体管后，积分电容前连接在一起。
4.一种提高动态范围的像素阵列的驱动方法，其特征是，在权利要求3所述的像素阵列中，第一行的行选开关晶体管开启的同时开启电容复位晶体管1对第一列的积分电容进行复位，电容复位晶体管1的下降沿对应电容复位晶体管2的上升沿，同理电容复位晶体管n-1的下降沿对应电容复位晶体管n的上升沿，电容复位晶体管依次开启对所有列的积分电容进行复位操作，行选通输出晶体管依次开启以传输积分电容中的像素信号，从积分电容复位晶体管的下降沿到行选通输出晶体管的下降沿为像素的有效曝光时间，通过改变积分电容复位晶体管的下降沿到行选通输出晶体管的下降沿的时间以调整像素有效曝光时间，行选通晶体管1的下降沿对应行选通晶体管2的上升沿，同理行选通晶体管n-1的下降沿对应行选通晶体管n的上升沿，行选通晶体管依次开启将积分电容内的信号输出到列输出线，行选输出晶体管n的下降沿对应行选开关晶体管1的下降沿，至此第一行数据完全读出，同理进行第二行至第n行像素信号读出。
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A_200dB_Dynamic_Range_Iris-less_CMOS_Image_Sensor_with_Lateral_Overflow_Integration_Capacitor_using_Hybrid_Voltage_and_Current_Readout_Operation;Nana Akahane, Rie Ryuzaki, Satoru Adachi, Koichi Mizobuchi;《2006 IEEE International Solid State Circuits Conference - Digest of Technical Papers》;20060930;全文 *
高帧频大动态范围CMOS 图像传感器时序控制电路的设计与实现;陈敏思, 姚素英, 赵毅强, 张生才, 李树荣, 徐江涛, 王天盛;《电子学报》;20041130;全文 *

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