Cmos有源像素結構及圖像傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種CMOS有源像素結構及圖像傳感器，該CMOS有源像素結構包括多個像素單元以及用于讀出每一所述像素單元感測光照產生的電信號的讀出電路；所述讀出電路包括第一復位管、第二復位管、放大電路、MOS電容以及源極跟隨器，每一像素單元的輸出端分別與所述放大電路的輸入端電連接，放大電路的輸出端、MOS電容、所述源極跟隨器依次電連接，第一復位管的輸出端電連接至每一像素單元的輸出端和所述放大電路的輸入端的公共結點，所述第二復位管的輸出端電連接至所述MOS電容和所述源極跟隨器的公共結點，所述第一復位管和所述第二復位管的控制端分別用于輸入導通信號，以對該兩個公共結點處的電壓進行復位。本發(fā)明具有高信噪比和高填充系數(shù)的有益效果。
【專利說明】CMOS有源像素結構及圖像傳感器

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及圖像傳感領域，更具體地說，涉及一種CMOS有源像素結構及圖像傳感 器。

【背景技術】
[0002] 廣泛使用的圖像傳感器一般分為兩種類型：互補金屬氧化物半導體（CMOS)圖像 傳感器和電荷耦合元件（CCD)圖像傳感器。隨著集成電路工藝技術和設計水平的提高， CMOS圖像傳感器由于其高集成度、讀出速度快、低功耗和低成本等一系列優(yōu)勢，在許多領域 如數(shù)字照相機、攝像機、打印機、掃描儀、人機界面、監(jiān)控和監(jiān)測、機器視覺、生物測試等，正 日益挑戰(zhàn)(XD圖像傳感器。
[0003] CMOS圖像傳感器一般包括光電轉換元件陣列及像素讀出電路、列讀出電路、時序 控制電路以及行、列控制電路。CMOS圖像傳感器的像素結構一般分為無源像素和有源像素。 CMOS無源像素的優(yōu)點是像素內只集成了一個晶體管，填充系數(shù)較大。在給定的工藝下，像素 面積較小，因此提高了單位面積的分辨率，價格低。但其缺點是噪聲較大，只適用于中低檔 的應用場合。
[0004] CMOS有源像素在像素內對信號進行放大、去噪等處理，具有讀出信噪比高和讀出 速度快等優(yōu)點。但是，由于像素單元電路結構復雜，造成單個像素面積較大，不利于集成； 同時集成在有源像素表面的晶體管減小了像素的感光部分面積，這會造成像素填充系數(shù)減 小，靈敏度降低。


【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術問題在于，針對現(xiàn)有技術的上述缺陷，提供一種改進的CMOS 有源像素結構及圖像傳感器。
[0006] 本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：構造一種CMOS有源像素結構，包括 多個像素單元以及用于讀出每一所述像素單元感測光照產生的電信號的讀出電路；
[0007] 所述讀出電路包括第一復位管、第二復位管、放大電路、M0S電容以及源極跟隨器， 每一所述像素單元的輸出端分別與所述放大電路的輸入端電連接，所述放大電路的輸出 端、所述M0S電容、所述源極跟隨器依次電連接，所述第一復位管的輸入端預設第一復位電 壓VR1，所述第一復位管的輸出端電連接至每一所述像素單元的輸出端和所述放大電路的 輸入端的公共結點，所述第二復位管的輸入端預設第二復位電壓VR2,所述第二復位管的輸 出端電連接至所述M0S電容和所述源極跟隨器的公共結點，所述第一復位管和所述第二復 位管的控制端分別用于輸入導通信號，以對該兩個公共結點處的電壓進行復位。
[0008] 在本發(fā)明提供的CMOS有源像素結構中，所述放大電路包括分壓單元、第一選通管 以及第一驅動管，所述第一選通管以及第一驅動管均為NM0S場效應晶體管，所述第一選通 管的源極接地，所述第一選通管的柵極與每一所述像素單元的輸出端連接，所述第一選通 管的漏極與所述M0S電容的一端以及所述第一驅動管的源極連接，所述第一驅動管的漏極 與所述分壓單元的一端連接，所述第一驅動管的柵極。
[0009] 在本發(fā)明提供的CMOS有源像素結構中，所述分壓單元為NM0S場效應晶體管，所述 分壓單元的柵極以及漏極分別與供電端連接，所述分壓單元）的源極與所述第一選通管的 漏極連接。
[0010] 在本發(fā)明提供的CMOS有源像素結構中，所述像素單元包括光電二極管以及傳輸 管，所述光電二極管的正極與所述傳輸管的輸入端電連接，所述傳輸管的輸出端與所述放 大電路的輸入端以及所述第一復位管的輸出端連接。
[0011] 在本發(fā)明提供的CMOS有源像素結構中，所述傳輸管為NM0S場效應管。
[0012] 在本發(fā)明提供的CMOS有源像素結構中，所述源極跟隨器包括第二選通管和第二 驅動管，所述第二選通管和所述第二驅動管均為NM0S場效應晶體管，所述第二選通管的漏 極與供電端連接，所述第二選通管的柵極與所述M0S電容以及所述第二復位管的輸出端連 接，所述第二選通管的源極與所述第二驅動管的漏極連接，所述第二驅動管的源極接地，所 述第二驅動管的柵極用于輸入導通信號。
[0013] 本發(fā)明還提供了一種圖像傳感器，包括多個如上述任一項所述的CMOS有源像素 結構，所述圖像傳感器還包括：
[0014] 分別與所述放大電路的控制端電連接以及所述源極跟隨器的控制端電連接的選 通連接線，所述選通連接線用于控制所述放大電路以及所述源極跟隨器的導通與截止；
[0015] 與所述第一復位管的控制端相連的第一復位連接線，用于加載導通信號給所述第 一復位管；
[0016] 與所述第二復位管的控制端相連的第二復位連接線，用于加載導通信號給所述第 二復位管；以及，
[0017] 與所述源極跟隨器的輸出端相連的信號連接線，所述信號連接線用于輸出所述讀 取電路讀取的信號。
[0018] 實施本發(fā)明的CMOS有源像素結構及圖像傳感器，具有以下有益效果：
[0019] 由于本發(fā)明采用多個像素單元共用一個讀出電路提高了 CMOS有源像素的填充系 數(shù)；
[0020] 由于在CMOS有源像素結構內部設置放大電路，并且通過多個像素單元共用一個 讀出電路為內置放大電路的設置騰出了空間，打破了傳統(tǒng)技術中，不能在CMOS有源像素 結構內設置放大電路的技術偏見，提高了降低了信號傳輸過程中的噪聲影響，提高了信噪 比；
[0021] 通過設置M0S電容實現(xiàn)了像素單元內的相關雙采樣操作，通過M0S電容消除了共 源級放大電路失調電壓和第一復位管導通復位時產生的復位噪聲。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 下面將結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中：
[0023] 圖1是本發(fā)明一優(yōu)選實施例中的CMOS有源像素結構的電路原理圖；
[0024] 圖2是圖1所示實施例中的放大電路的電路原理圖；
[0025] 圖3是圖1所示實施例中的源極跟隨器的電路原理圖；
[0026] 圖4是圖1所示實施例中的CMOS有源像素結構的信號時序圖。
[0027] 圖5是一優(yōu)選實施例中的圖像傳感器的電路原理圖；

【具體實施方式】
[0028] 為了對本發(fā)明的技術特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照附圖詳細說明 本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0029] 如圖1示出了本發(fā)明一優(yōu)選實施例中的CMOS有源像素結構1，用于圖像傳感器中。 該CMOS有源像素結構1包括多個像素單元11以及一個讀出電路12。在本實施例中像素單 元11的為4個，但是其并不限于此。通過多個像素單元11公用一個讀出電路12可以提高 該CMOS有源像素結構1的填充系數(shù)。
[0030] 該像素單元11包括光電二極管D1以及傳輸管Ml。該讀出電路12包括第一復位 管F1、第二復位管F2、放大電路CS、M0S電容CM、源極跟隨器SF。其中，每一像素單元11的 輸出端分別與放大電路CS的輸入端電連接，放大電路CS的輸出端、M0S電容CM、源極跟隨 器SF依次電連接，第一復位管F1的輸入端預設有第一復位電壓VR1，第一復位管F1的輸 出端電連接至每一像素單元11的輸出端和放大電路CS的輸入端的公共結點。第二復位管 F2的輸入端預設有第二復位電壓VR2,第二復位管F2的輸出端電連接至M0S電容CM和源 極跟隨器SF的公共結點。該放大電路CS為共源極放大電路
[0031] 該傳輸管Ml、第一復位管F1、第二復位管F2均為NM0S場效應晶體管，其柵極作為 控制端，漏極作為輸入端，源極作為輸出端。在本發(fā)明中，可以通過基準電壓提供裝置來提 供第一復位電壓VR1以及第二復位電壓VR2。該CMOS有源像素結構1中的每一個傳輸管 Ml的柵極分別用于接入導通信號，從而依次讀出每一個光電二極管D1收集到的信號。
[0032] 如圖2所示，該放大電路CS包括分壓單元RM、第一選通管Q1、第一驅動管Q2,其中 該分壓單元RM、第一選通管Q1、第一驅動管Q2均為NM0S場效應管，當然，并不限于此。該 分壓單元RM的柵極和漏極分別與供電端VDD連接，該分壓單元RM的源極與第一選通管Q1 的漏極連接。采用NM0S場效應晶體管來作為分壓單元RM具有降低元件尺寸的有益效果。 該第一選通管Q1的柵極用于輸入導通信號以控制該第一選通管Q1的導通與關閉，從而在 需要讀出信號時，將第一選通管Q1導通，進一步使得該放大電路CS導通。該第一選通管Q1 的源極與第一驅動管Q2的漏極以及M0S電容的一端連接，該第一驅動管Q2的柵極作為輸 入端與每一像素單元11的傳輸管Ml的漏極連接，第一驅動管Q2的源極接地。
[0033] 如圖3所示，該源極跟隨器SF包括第二選通管Q3以及第二驅動管Q4。第二選通 管Q3以及第二驅動管Q4均為NM0S場效應管。該第二選通管Q3的漏極與供電端VDD連 接，柵極用于輸入導通信號以控制該第二選通管Q3的導通與截止，從而在需要讀出信號時 將該第二選通管Q3導通，進而將該源極跟隨器SF導通。該第二選通管Q3的源極與第二驅 動管Q4的漏極連接。并且該第二驅動管Q4的漏極與恒流電流源的一端連接，該恒流電流 源lb的另一端接地。該恒流電流源lb與該第二驅動管Q4的漏極之間的公共結點作為讀 出電路的輸出端，用于輸出信號。
[0034] 圖4示出了依據(jù)本發(fā)明實施例的CMOS有源像素單元的工作時序圖。該CMOS有源 像素結構1采用的M0S電容CM可以消除共源級放大電路CS的失調電壓和第一復位管F1導 通時復位產生的復位噪聲。以圖1中兩個CMOS有源像素結構1中的一個像素結構1的讀 取為例，讀取過程分為兩個階段：復位階段和積分階段。在復位階段，第一復位連接線RST1 和第二復位連接線RST2分別發(fā)送導通信號給第一復位管F1以及第二復位管F2的柵極，使 得該第一復位管F1和第二復位管導通，節(jié)點A的電壓保持在VR1，節(jié)點C的電壓保持在VR2。 然后，第一復位管F1關閉，由第一復位管F1導通時產生的復位噪聲疊加在節(jié)點A。這個噪 聲與共源級放大電路CS的輸入失調電壓經過放大后疊加在節(jié)點B，此時結點C電壓保持在 VR2。當?shù)诙臀还蹻2關閉后，整個電路復位完成。
[0035] 整個工作工程如下：首先CMOS有源像素結構1復位。然后，選擇第一個像素單元 11中的選通管Ml導通，使得該像素單元11的光電二極管Dla與讀出電路11連通，該像素 單元1進入積分階段。積分狀態(tài)結束后，選通連接線SEL打開讀出電路12中的放大電路CS 中的第一開關管Q1，開關RD控制采樣保持讀出電路12讀出信號到信號連接線SIG。最后， 第一復位連接線RST1和第二復位連接線RST2分別發(fā)送導通信號給該像素單元1的第一復 位管F1以及第二復位管F2的柵極，電路再次復位，開關CALIB控制讀出電路12讀出參考 電壓。同理可得第二個像素單元11的光電二極管Dlb、第三個像素單元11的光電二極管 Die以及第四個像素單元11的光電二極管Did的信號讀出過程。
[0036] 該CMOS有源像素結構1復位后，放大電路CS的失調電壓和第一復位連接線RST1 產生的復位噪聲存儲在M0S電容CM上，因此讀出的信號以及參考電壓與失調電壓和復位噪 聲這兩者無關，該M0S電容CM實現(xiàn)了像素單元11內的相關雙采樣操作，通過M0S電容CM 消除了共源級放大電路CS失調電壓和RST1復位時產生的復位噪聲。
[0037] 如圖5所示，本發(fā)明還提供了一種圖像傳感器，該圖像傳感器包括多個如上述實 施例所述的CMOS有源像素結構1、選通連接線SEL、第一復位連接線RST1 (圖5未示出，見圖 1)、第二復位連接線RST2(圖5未示出，見圖1)、傳輸管連接線READ以及信號連接線SIG。 優(yōu)選地，該多個CMOS有源像素結構1呈陣列分布。
[0038] 該選通連接線SEL用于和每一 CMOS有源像素結構1中的讀出電路12的第一選通 管Q1以及第二選通管Q3的柵極連接，以發(fā)送導通信號給第一選通管Q1以及第二選通管Q3 的柵極。同一個CMOS有源像素結構1里的各個像素單元11的傳輸管Ml分別連接不同的 傳輸管連接線READ，傳輸管連接線READ發(fā)送對應的導通信號給對應的傳輸管Ml的柵極，以 使得讀出電路12讀取該像素單元11中的信號。第一復位連接線RST1與第一復位管F1的 控制端連接，第二復位連接線RST2與第二復位管F2的控制端連接。
[0039] 在本實施例中，選通連接線SEL的條數(shù)可以與CMOS有源像素結構11的數(shù)量相同， 傳輸管連接線READ與需要控制的傳輸管Ml的數(shù)量相同，第一復位管連接RST1以及第二復 位連接線RST2分別與需要控制的第一復位管F1以及第二復位管F2的數(shù)量相同，信號連接 線SIG與CMOS有源像素結構1的個數(shù)相同。
[0040] 優(yōu)選地，為了減少連接線的條數(shù)，需要同步動作的第一選通管Q1以及第二選通管 Q3可以共用一條選通連接線SEL。需要同步動作的第一復位管F1共用一條第一復位連接 線RST1，需要同步動作的第二復位管F2共用一條第二復位連接線RST1。不同步輸出信號 的兩個CMOS有源像素結構1共用一條信號連接線SIG。
[0041] 傳統(tǒng)圖像傳感器是由于尺寸的限制，無法采用在圖像傳感器內部來設置放大電路 CS來降低信號傳輸過程中的噪聲影響，本發(fā)明打破了傳統(tǒng)技術偏見，采用在圖像傳感器的 每一個CMOS有源像素結構1中內設置放大電路CS以及M0S電容CM，并通過多個像素單元 11共用一個讀出電路12為該放大電路CS以及M0S電容CM騰出了空間，具有在保證填充系 數(shù)的同時提高了該圖像傳感器的信噪比的有益效果。
[0042] 上面結合附圖對本發(fā)明的實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體 實施方式，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員 在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多 形式，這些均屬于本發(fā)明的保護之內。
【權利要求】
1. 一種CMOS有源像素結構，其特征在于，包括多個像素單元（11)以及一個用于讀出每 一所述像素單元（11)感測光照產生的電信號的讀出電路（12); 所述讀出電路（12)包括第一復位管（F1)、第二復位管（F2)、放大電路（CS)、M0S電容 (CM)以及源極跟隨器（SF)，每一所述像素單元（11)的輸出端分別與所述放大電路（CS)的 輸入端電連接，所述放大電路（CS)的輸出端、所述M0S電容（CM)、所述源極跟隨器（SF)依 次電連接，所述第一復位管（F1)的輸入端預設第一復位電壓VR1，所述第一復位管（F1)的 輸出端電連接至每一所述像素單元（11)的輸出端和所述放大電路（CS)的輸入端的公共結 點，所述第二復位管（F2)的輸入端預設第二復位電壓VR1，所述第二復位管（F2)的輸出端 電連接至所述M0S電容（CM)和所述源極跟隨器（SF)的公共結點，所述第一復位管（F1)和 所述第二復位管（F2)的控制端分別用于輸入導通信號，以對該兩個公共結點處的電壓進 行復位。
2. 根據(jù)權利要求1所述的CMOS有源像素結構，其特征在于，所述放大電路（CS)包括 分壓單元、第一選通管（Q1)以及第一驅動管（Q2)，所述第一選通管（Q1)以及第一驅動管 (Q2)均為NM0S場效應晶體管，所述第一選通管（Q1)的源極接地，所述第一選通管（Q1)的 柵極與每一所述像素單元（11)的輸出端連接，所述第一選通管（Q1)的漏極與所述M0S電 容（CM)的一端以及所述第一驅動管（Q2)的源極連接，所述第一驅動管（Q2)的漏極與所述 分壓單元的一端連接，所述第一驅動管（Q2)的柵極。
3. 根據(jù)權利要求2所述的CMOS有源像素結構，其特征在于，所述分壓單元（RM)為NM0S 場效應晶體管，所述分壓單元（RM)的柵極以及漏極分別與供電端（VDD)連接，所述分壓單 元（RM)的源極與所述第一選通管（Q1)的漏極連接。
4. 根據(jù)權利要求1所述的CMOS有源像素結構，其特征在于，所述像素單元（11)包括 光電二極管（D1)以及傳輸管（Ml)，所述光電二極管（D1)的正極與所述傳輸管（Ml)的輸入 端電連接，所述傳輸管（Ml)的輸出端與所述放大電路（CS)的輸入端以及所述第一復位管 (F1)的輸出端連接。
5. 根據(jù)權利要求4所述的CMOS有源像素結構，其特征在于，所述傳輸管（Ml)為NM0S 場效應管。
6. 根據(jù)權利要求1所述的CMOS有源像素結構，其特征在于，所述源極跟隨器（SF)包 括第二選通管（Q3)和第二驅動管（Q4)，所述第二選通管（Q3)和所述第二驅動管（Q4)均 為NM0S場效應晶體管，所述第二選通管（Q3)的漏極與供電端（VDD)連接，所述第二選通管 (Q3)的柵極與所述M0S電容（CM)以及所述第二復位管（F2)的輸出端連接，所述第二選通 管（Q3)的源極與所述第二驅動管（Q4)的漏極連接，所述第二驅動管（Q4)的源極接地，所 述第二驅動管（Q4)的柵極用于輸入導通信號。
7. -種圖像傳感器，其特征在于，包括多個如權利要求1-6任一項所述的CMOS有源像 素結構，所述圖像傳感器還包括： 分別與所述放大電路（CS)的控制端電連接以及所述源極跟隨器（SF)的控制端電連接 的選通連接線（SEL)，所述選通連接線（SEL)用于控制所述放大電路（CS)以及所述源極跟 隨器（SF)的導通與截止； 與所述第一復位管（F1)的控制端相連的第一復位連接線（RST1)，用于加載導通信號 給所述第一復位管（F1); 與所述第二復位管（F2)的控制端相連的第二復位連接線（RST2)，用于加載導通信號 給所述第二復位管（F2);以及， 與所述源極跟隨器（SF)的輸出端相連的信號連接線（SIG)，所述信號連接線用于輸出 所述讀取電路（12)讀取的信號。
【文檔編號】H04N5/3745GK104113714SQ201410373100
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月31日 優(yōu)先權日:2014年7月31日
【發(fā)明者】李琰, 俞航, 劉少華, 姜來, 紀震 申請人:深圳大學