阅读说明：本技术 用于cmos图像传感器的自适应转换增益系统及方法 (Adaptive conversion gain system and method for cmos image sensor ) 是由 郭仲杰 余宁梅 于 2019-06-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了用于CMOS图像传感器的自适应转换增益系统及方法,一方面提升图像传感器在暗光下的转换增益,降低暗光下的噪声,提升暗光下的信噪比,另一方面降低图像传感器在亮光下的转换增益,提升亮光下的满阱电荷,提升图像传感器的动态范围。其特征在于,通过在电荷转移节点设计增加可变电容,且该可变电容根据电荷转移节点的电压对应变化。本发明提出的像素内自适应转换增益实现机制,解决了传统CMOS图像传感器像素单元在噪声和满阱电荷之间的矛盾问题,提升了CMOS图像传感器的信噪比和动态范围,为面向微光应用的高动态CMOS图像传感器提供了解决方案。(The invention discloses the adaptive conversion gain system and methods for cmos image sensor, on the one hand conversion gain of the imaging sensor under half-light is promoted, reduce the noise under half-light, promote the signal-to-noise ratio under half-light, on the other hand conversion gain of the imaging sensor under light is reduced, the full trap charge under light is promoted, the dynamic range of imaging sensor is promoted.It is characterized in that, by increasing variable capacitance in electric charge transfer design of node, and the variable capacitance changes according to the voltage of electric charge transfer node is corresponding.Adaptive conversion gain realization mechanism in pixel proposed by the present invention, solve contradictory problems of the conventional CMOS image sensor pixel unit between noise and full trap charge, the signal-to-noise ratio and dynamic range of cmos image sensor are improved, the high dynamic cmos image sensor to apply towards low-light provides solution.)

用于CMOS图像传感器的自适应转换增益系统及方法

技术领域

本发明属于半导体集成电路技术领域，具体涉及图像传感器、阵列数据读取、高速高精度光电转换前端采集系统的应用，本发明还涉及用于CMOS图像传感器的自适应转换增益系统及方法。

背景技术

CMOS图像传感器电路与系统设计中，像素将光信号转化为电信号，并通过后级一系列的读出电路数据处理，最终通过数据到光信号的反变换将景象画面呈现在我们面前，因此，像素是CMOS图像传感器能够实现光电转换的基础，像素设计技术是整个成像传感电路中最为重要的核心技术环节，像素的性能将直接决定整个成像系统性能。信噪比和动态范围是像素设计的两个关键指标，在各种应用场合中起到了非常重要的作用。在微光应用环境中，由于外界输入的光信息较弱，需要将CMOS图像传感器的本底噪声尽量降低，因为低于CMOS图像传感器本底噪声的光信息无法读取出来。在一般的CMOS图像传感器像素设计中，为了降低本底噪声，常用的方法是提升像素转换增益，具体的实现方法是减小电荷转移节点的寄生电容。在亮光应用环境中，由于外界输入的光信息较强，需要将CMOS图像传感器的满阱电荷尽量提高，因为高于CMOS图像传感器满阱电荷的光信息无法读取出来。在一般的CMOS图像传感器像素设计中，为了提升满阱电荷，常用的方法是提升像素感光器件的承载电荷能力与电路级的电压摆幅。感光器件的承载电荷能力与其密度和体积相关，在一定的工艺条件下需要根据实际需求设计，但是电路级的电压摆幅与本底噪声的指标是相矛盾的，具体表现在：为了实现较低的本底噪声，需要将转换增益提升，但高的转换增益必然导致较高的电压摆幅，不利于电路的设计实现；同理，为了实现较强的满阱电荷能力，需要将转换增益降低，但降低的转换增益必然导致较高的本底噪声。当需要同时兼顾微光和亮光的应用场合，上述矛盾在CMOS图像传感器像素设计中显得尤为突出。

本发明立足于电路与系统角度分析，提出一种可以同时兼顾微光和亮光应用场合的CMOS图像传感器像素设计技术，旨在解决本底噪声和满阱电荷的矛盾问题。

发明内容

本发明的目的是提供用于CMOS图像传感器的自适应转换增益系统及方法，解决了现有技术中存在的CMOS图像传感器设计在本底噪声和满阱电荷之间相互矛盾的问题，提出了像素内部自适应转换增益的解决方案，一方面获得了微光应用下的本底噪声降低的效果，另一方面兼顾了亮光应用下的慢镜能力提升的效果。

本发明所采用的技术方案是，用于CMOS图像传感器的像素内部自适应转换增益系统，包括感光器件，感光器件的一端接地，另一端依次连接有电荷转移器件、复位器件，用于实现对感光器件的复位，电荷转移器件与复位器件相连的公共端连接有可变电容模块的输入端，电荷转移器件与复位器件相连的公共端还连接有输出缓冲器，输出缓冲器的输出端连接到像素单元阵列的列总线上。

像素单元通过感光器件将光子转换为电子，该电子经过电荷转移器件后在输出缓冲器(50)的输入端转换为电压信号，且该信号的幅值与光子输入量成正比关系。

可变电容模块为输出缓冲器的输入端到电源的电容。

当输出缓冲器的输入端接收到的电子少时，输出缓冲器的输入端的电压差小，可变电容模块的容值小；当输出缓冲器的输入端接收到的电子多时，输出缓冲器的输入端的电压差大，可变电容模块的容值大。

感光器件为光电二极管，电荷转移器件为NMOS管，复位器件为NMOS管，可变电容模块为NMOS管，输出缓冲器(50)由源极跟随器、行选管以及尾电流组成，其中列总线为最终像素单元的输出信号；可变电容模块采用NMOS器件的栅极寄生电容。

用于CMOS图像传感器的像素内部自适应转换增益的实现方法，该拓展方法采用用于CMOS图像传感器的像素内部自适应转换增益系统，具体结构包括感光器件，感光器件的一端接地，另一端依次连接有电荷转移器件、复位器件，用于实现对感光器件的复位，电荷转移器件与复位器件相连的公共端连接有可变电容模块的输入端，电荷转移器件与复位器件相连的公共端还连接有输出缓冲器，输出缓冲器的输出端连接到像素单元阵列的列总线上；像素单元通过所述感光器件将光子转换为电子，该电子经过电荷转移器件后在输出缓冲器的输入端转换为电压信号；可变电容模块为输出缓冲器的输入端到电源的电容；当输出缓冲器的输入端接收到的电子少时，输出缓冲器的输入端的电压差小，可变电容模块的容值小；当输出缓冲器的输入端接收到的电子多时，输出缓冲器的输入端的电压差大，可变电容模块的容值大，所述感光器件为光电二极管，电荷转移器件为NMOS管，复位器件为NMOS管，可变电容模块为NMOS管，输出缓冲器由源极跟随器、行选管以及尾电流组成，其中列总线为最终像素单元的输出信号；可变电容模块采用NMOS器件的栅极寄生电容；

具体按照如下步骤实施：

步骤1：CMOS图像传感器在曝光开始前，像素单元进入复位状态，将复位管和电荷转移管同时导通，光电二极管复位，清空内部的电子，为下一次曝光做好准备；CMOS图像传感器进入曝光状态时，复位管和电荷转移管同时断开，光电二极管开始接收外部的光子，并在光电二极管内部转换为电子；

步骤2：CMOS图像传感器曝光结束后，像素单元进入读出状态，此时复位管先对输出缓冲器的输入端进行第二次复位，同时，当复位管关断后，后级读出电路通过输出列总线对复位信号进行采样；

步骤3：当复位信号读取完成后，电荷转移器件开始导通，此时由光电二极管生成的电子经过电荷转移器件转移到输出缓冲器的输入端上，使得输出缓冲器的输入端的电压变化会根据转移的电子数发生变化；

步骤4，当转移到输出缓冲器的输入端的电子数较少时，电荷转移节点700的电压差较小，此时转换增益较大，适用于本底噪声的降低；当转移到输出缓冲器的输入端的电子数较多时，输出缓冲器的输入端的电压差较大，此时转换增益较低，适用于满阱电荷能力的提升。当输出缓冲器的输入端电压稳定后，后级读出电路通过列总线对图像信号进行采样，从而实现了相关双采样技术中像素内自适应转换增益。

步骤2中，所述复位管进行第二次复位时，行选管也同时导通，列总线同步开启建立过程；列总线对复位信号的采样在复位管关断后进行。

本发明的有益效果是，本发明通过在像素内部设计可变电容模块，实现对本底噪声和满阱电荷的提升，为微光应用与高动态应用提供了巧妙的解决方案。通过此项技术，在现有像素单元阵列与内部结构不变的前提下，大大提升了像素单元的噪声与摆幅能力，可以广泛地应用于高动态与高灵敏的CMOS图像传感器设计中。

附图说明

图1为本文发明用于CMOS图像传感器的像素内部自适应转换增益系统的结构示意图。

图2为本发明用于CMOS图像传感器的自适应转换增益系统及方法在4T像素单元中的结构示意图。

图3为本发明用于CMOS图像传感器的自适应转换增益系统及方法实施例时序控制关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

用于CMOS图像传感器的像素内部自适应转换增益系统，包括感光器件10，感光器件10的一端接地，另一端依次连接有电荷转移器件20、复位器件30，用于实现对感光器件10的复位，电荷转移器件20与复位器件30相连的公共端连接有可变电容模块40的输入端，电荷转移器件20与复位器件30相连的公共端还连接有输出缓冲器50，输出缓冲器的输出端连接到像素单元阵列的列总线80上。

像素单元通过所述感光器件10将光子转换为电子，该电子经过电荷转移器件20后在输出缓冲器50的输入端转换为电压信号，且该信号的幅值与光子输入量成正比关系。

可变电容模块40为输出缓冲器50的输入端到电源的电容。

当输出缓冲器50的输入端接收到的电子少时，输出缓冲器50的输入端的电压差小，可变电容模块40的容值小；当输出缓冲器50的输入端接收到的电子多时，输出缓冲器50的输入端的电压差大，可变电容模块40的容值大。

感光器件10为光电二极管，电荷转移器件20为NMOS管，复位器件30为NMOS管，可变电容模块40为NMOS管，输出缓冲器50由源极跟随器、行选管以及尾电流组成，其中列总线为最终像素单元的输出信号；可变电容模块采用NMOS器件的栅极寄生电容。

用于CMOS图像传感器的像素内部自适应转换增益的实现方法，该实现方法采用用于CMOS图像传感器的像素内部自适应转换增益系统，具体结构包括感光器件10，感光器件10的一端接地，另一端依次连接有电荷转移器件20、复位器件30，用于实现对感光器件10的复位，电荷转移器件20与复位器件30相连的公共端连接有可变电容模块40的输入端，电荷转移器件20与复位器件30相连的公共端还连接有输出缓冲器50，输出缓冲器的输出端连接到像素单元阵列的列总线80上；像素单元通过所述感光器件将光子转换为电子，该电子经过电荷转移器件后在输出缓冲器的输入端转换为电压信号；可变电容模块为输出缓冲器50的输入端到电源的电容；当输出缓冲器的输入端接收到的电子少时，输出缓冲器的输入端的电压差小，可变电容模块40的容值小；当输出缓冲器的输入端接收到的电子多时，输出缓冲器的输入端的电压差大，可变电容模块40的容值大，所述感光器件10为光电二极管，电荷转移器件20为NMOS管，复位器件30为NMOS管，可变电容模块40为NMOS管，输出缓冲器50由源极跟随器、行选管以及尾电流组成，其中列总线为最终像素单元的输出信号；可变电容模块采用NMOS器件的栅极寄生电容；

具体按照如下步骤实施：

步骤1：CMOS图像传感器在曝光开始前，像素单元进入复位状态，将复位管和电荷转移管同时导通，光电二极管复位，清空内部的电子，为下一次曝光做好准备；CMOS图像传感器进入曝光状态时，复位管和电荷转移管同时断开，光电二极管开始接收外部的光子，并在光电二极管内部转换为电子；

步骤2：CMOS图像传感器曝光结束后，像素单元进入读出状态，此时复位管先对输出缓冲器的输入端进行第二次复位，同时，当复位管关断后，后级读出电路通过输出列总线对复位信号进行采样；

步骤3：当复位信号读取完成后，电荷转移器件20开始导通，此时由光电二极管生成的电子经过电荷转移器件转移到输出缓冲器的输入端上，使得输出缓冲器的输入端的电压变化会根据转移的电子数发生变化；

步骤4，当转移到输出缓冲器的输入端的电子数较少时，电荷转移节点700的电压差较小，此时转换增益较大，适用于本底噪声的降低；当转移到输出缓冲器的输入端的电子数较多时，输出缓冲器的输入端的电压差较大，此时转换增益较低，适用于满阱电荷能力的提升。当输出缓冲器的输入端电压稳定后，后级读出电路通过列总线对图像信号进行采样，从而实现了相关双采样技术中像素内自适应转换增益。

步骤2中，所述复位管进行第二次复位时，行选管也同时导通，列总线同步开启建立过程；列总线对复位信号的采样在复位管关断后进行。

用于CMOS图像传感器的像素内部自适应转换增益的实现方法，包括光子到电子转换的感光器件10、电荷转移器件20、复位器件30、可变电容模块40，输出缓冲器50。其中感光器件的输出端与电荷转移器件的输入端相连，对应信号线60；电荷转移器件的输出端为电荷转移节点70，该节点同时与可变电容模块和输出缓冲器的输入端相连；输出缓冲器的输出端连接到像素单元阵列的列总线80上。当感光器件10接收外部的光子信息后，转化为电子，具体的电子数由光强和曝光时间确定；当曝光结束后，感光器件10产生的电子经过信号线60和电荷转移器件20转移到电荷转移节点70上，从而在电荷转移节点70上产生了一定的电压差，该电压差由感光器件10转移的电子数和电荷转移节点70处的电容决定；该电压差经过输出缓冲器50输出到像素单元阵列的列总线80上，从而实现了对光信息的读取。

本发明的关键点在于，当感光器件10产生的电子经过信号线60和电荷转移器件20转移到电荷转移节点70上时，可变电容模块40的容值会根据电荷转移节点70的电压值而动态变化。当电荷转移节点70接收到的电子较少时，电荷转移节点70的电压差较小，可变电容模块40的容值较小；当电荷转移节点70接收到的电子较多时，电荷转移节点70的电压差较大，可变电容模块40的容值较大。由于像素内部转换增益与电荷转移节点70的电容成反比关系，可见，通过该方法实现了像素内部根据光信息对转换增益的动态调整。

图1为本文发明的用于CMOS图像传感器的像素内部自适应转换增益的实现方法，图2为该方法在4T像素单元结构中的应用实例，图3为4T像素单元实例时序控制关系示意图。

如图1所示，为本发明公开的用于CMOS图像传感器的像素内部自适应转换增益的实现方法，通过像素单元内部对电荷转移节点电容的动态调整，实现了对转换增益的自适应设置，提升像素单元在微光环境下的噪声特性和在亮光环境下的满阱能力特性，从而解决了两种环境下两个关键指标的矛盾问题。

如图2所示，为该方法在4T结构中的应用实例，其中感光器件为光电二极管100，电荷转移器件为NMOS管200，复位器件为NMOS管300，可变电容模块为NMOS管400，输出缓冲器由源极跟随器(NMOS管500)、行选管(NMOS管600)以及尾电流700组成，其中列总线800为最终像素单元的输出信号。可变电容模块采用NMOS器件的栅极寄生电容，一方面无需额外的工艺条件，另一方面可以巧妙地实现电荷转移节点900到电源V_DD的寄生电容动态变化。由于NMOS器件的栅极寄生电容与NMOS器件的工作区间有关系，且在栅源电压变化的过程中，其寄生电容动态变化，从而实现了电荷转移节点寄生电容的自适应变化。

具体工作过程的时序控制如图3所示，为方便起见，图3中的波形序号代表与图2相对应序号器件的控制电压。

CMOS图像传感器在曝光开始前，像素单元进入复位状态，复位管300和电荷转移管200同时导通，电源V_DD对光电二极管100进行复位，以清空内部的电子，为下一次曝光做好准备；CMOS图像传感器进入曝光状态时，复位管300和电荷转移管200同时断开，光电二极管100开始接收外部的光子，并在光电二极管100内部转换为电子，具体的电子数由光强、量子效率与曝光时间决定。

CMOS图像传感器曝光结束后，像素单元进入读出状态，此时复位管300先对电荷转移节点900进行第二次复位，以提升电荷转移节点900的电位，为电荷转移做好准备。同时，当复位管300关断后，后级读出电路通过输出列总线800对复位信号进行采样。这里需要注意的是，为了确保输出列总线的建立时间和建立精度，复位管开始导通进行第二次复位时，行选管600也同时导通，列总线800同步开启建立过程；为了抑制复位管的电荷注入与始终馈通效应，列总线800对复位信号的采样应该在复位管300关断后进行。

当复位信号读取完成后，电荷转移器件200开始导通，此时由光电二极管100生成的电子经过电荷转移器件200转移到电荷转移节点700上，且在转移的过程中，转移的电子数引起电荷转移节点700的电压变化，该电压变化将会引起NMOS管400的栅源电压变化，进而影响电荷转移节点700处的寄生电容，使得电荷转移节点700的电压变化会根据转移的电子数发生变化。具体而言，当转移到电荷转移节点700处的电子数较少时，电荷转移节点700的电压差较小，NMOS管400的栅源电压较小，电荷转移节点700处的寄生电容较小，此时转换增益较大，适用于本底噪声的降低；当转移到电荷转移节点700处的电子数较多时，电荷转移节点700的电压差较大，NMOS管400的栅源电压较大，电荷转移节点700处的寄生电容较大，此时转换增益较低，适用于满阱电荷能力的提升。当电荷转移节点700电压稳定后，后级读出电路通过列总线800对图像信号进行采样，从而实现了相关双采样技术。

综上所述，本发明提出的用于CMOS图像传感器的像素内部自适应转换增益的实现方法实现了像素内部噪声和满阱电荷对转换增益的融合设计，有效解决了传统CMOS图像传感器在高灵敏低噪声和大满阱能力之间的矛盾问题。