APS+CMOS图像传感器复位电路的设计研究

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* 半导体光电 + ! " " # 年第 ! : 卷增刊
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刘!宇 等! ’ )+]? ) 图像传感器复位电路的设计研究 !<
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设计了一种采用电荷泵的复位 +]? ) 图像传感器 $ 电路 ’ 该电路 不 但 提 高 了 +]? )图像传感器的动 态范围 $ 而且还消除 了 复 位 引 起 的 固 定 图 像 噪 声 和 图像滞后 " # ’ F I B
!!< ’ )+]? )图像传感器像素复位 电路
& $ 2 : B & 3 4 6 & J GS * V I S U I A ( I G VM R ( Q I S * ( * M A I FT * f G F Q G V G ( 4 * Q 4 D * ( R M Q * . I GV G A V M Q V D 4 JI V F * . * ( !8 B B $ $ ( MS A I . * 4Q I A G R * f G ST * 4 ( D Q GA M * V G" [ ’ 9# I A S* . I GF I I Q GI A I F 6 G S &8 J GI S U I A ( I G VI A S O B B B O B S * V I S U I A ( I G VM R( W M. G ( J M S V( M* . Q M U GQ G V G (4 * Q 4 D * (I Q G4 M . I Q G S &< A G WI Q M I 4 J( MD V G B T T T T 4 J I Q GT D . M * . Q M U GQ G V G (4 * Q 4 D * ( * VT Q G V G A ( G S & H A J I A 4 * A A I . * 4Q I A GI A SQ G . M U * A ’ 9 B T( T BS O B B[ I A S * . I GF I Q G* . F G . G A ( G SP V * A J GA G WI Q M I 4 JW J * 4 JV M F U G V( J GT Q M P F G . VM R( W M B BI T OD B( T T . G ( J M S V. G A ( * M A G SI P M U G & ) * . D F I ( * M AM R I F F 4 * Q 4 D * ( V * V * . F G . G A ( G SP I V G SM AT Q M 4 G V VM R "& ;! . T M R+5\ 8& & ! ! G 8 3 = B * . I GV G A V M Q S A I . * 4Q I A G [ ’ 9! 4 J I Q GT D . ! B O B B T 5H
解 决 了 动 态 范 围" ’]? )晶 体 管 复 位 电 路" 但却引起了其他性能参数的下 [ ’ 9 和滞 后 问 题 " 降 % 以 T 衬 底 +]? ) 工 艺 为 例" 9]? )晶体管做 在衬底上 " ’]? ) 晶体管做在单独的 9 阱中 % 在像 素单元内采用 ’]? ) 管必然要做 9 阱 " 9 阱和它周 围的隔离距离将 占 据 像 素 单 元 大 量 的 感 光 区 面 积 % 这使得图像传感器的灵敏度急剧下降 % 如果要保正 灵敏度 " 我们就不得不增大像素单元的面积 " 进而引 起整个芯片面积的急剧增加 % 显然这种改进不具有 特别的吸引力 % JI #! 复位管单独供电 如图 - 所 示 " 将 ]% 的 电 源 电 压 改 为 )4 选择 4"
!’ 起& % 这种非完全复位使像素的最终复位电压 受 像
-! 复位电路设计方案
&’ 通常 采 用 ’]? )管复位 - 和复位管单独供电
素电容上原有电荷 的 影 响 " 导致前帧图像的残影带 入到新采集的帧 % #I J!2 % ’)L@ ’ 图像传感器复位电路分析 图 % 是标 准 的 < 复位 ’ ) 结 构 像 素 单 元 % ]% " 管( 源随器 # 源 随 器 的 负 载 在 位 线 的 下 端" 本图 ]! " 中未画出 $ " 读取开关 % ]- "
L 4 3 6 7# " " P
################################################## 方案消除了复位引起的 [ 但动态范 ’ 9 和图像滞后 ! 围没有增大 " ]% 与 ]! 采用两条 电源 线 分 开供 电 ! 也给像素阵列版图 的 设 计 增 加 了 复 杂 性 ! 带来面积 增加的隐患 " 设计的电荷泵电路 ! 结构简单 ! 却满足要求 " 复位信
,\ 互补形式输入 " 号以 )\ 和 )
图 ;! 电荷泵电路
图 -! 复位管采用独立电源电压的像素复位电路
图 %! 标准 < ’ ) 结构像素单元
复位期间 " )Q ]% 可能工作于两种状态 " G V G (变高 " 饱和状态或亚阈值状态 % 当 )Q( )S )( ]% 工 S$ J时 " 作于饱和 状 态 " 直 到 )Q _ )S S通 过 ] % 对( T 充 电"
图 !! 采用 ’]? ) 复位管的像素复位电路
! 4
容纳的最大电荷数 " # $ >V )Q ! I ( %( T 式中 ! 光二极管结 电 容$ " (T 为像素电 容 # )Q 为 像 素 光二极管复位电压 $ % 显然像素复位电压 复位电压 #
)Q 越高 " "\ 越大 % #I #! 图像滞后现象
图像 滞 后 现 象 由 像 素 单 元 的 非 完 全 复 位 引
等方案来改善 < ’ )+]? ) 图像传感器复位电路的 缺陷 % JI !! 采用 %L@ ’ 复位管 将复位管 ]% 由 9]? 如图 ! 所示 " )晶体管改 为 ’]? ) 晶体管 % 复位信号由高 电平改 为低 电 平 % 在复位期间 " 这 时 )Q 复 位 可 达 ]% 工 作 于 线 性 区 " 而且与 ]% 的 域 值 电 压 和 ( )S S" T 上的残存电荷均 无关 %
)4 )S )( 4) S$ J% ] % 与 ] ! 分 开 供 电% 复 位 时 ] % 工作于三极 管 区 " 可 复 位 到 确 定 的 电 压 % 该 )Q )4 4
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)S )( ]% 工 作 于 亚 阈 值 状 S$ J% 当 ) Q +)S S $) ( J"
态" 像素单元的复位 时 间 ) Q最终达到 )S S% 实际中 " 有限 " 可以不考虑亚阈 ]% 管主要工作 于 饱 和 状 态 " 值的情况 % 复位电路引起的问题如下 ! # $ 像素单元的电源电压为 )S 而复 位 电压 ) I Q S" 最高到 )S )( S$ J% 复位电路没能充分的利 用 电 源电 压 % 根据式 # $ " 阈 值 电 压 的 损 失 降 低 了 动 态 范 围% % 在 -& 与将 )Q 复位到电源电压 -‘ 电源电压条件下 " 阈值损失导致动态范围损失约为 ! 相比 " ;0 % # $ 工艺制 造 中 ‘ 而像素 P ( J 会 有 一 定 的 差 别" 的复位电压 )Q_ )S )( )( S$ J" J的不一致必然带来 ) Q 的不一致 " 使各像素单产生固定的初始状态差异 " 即 为固定图像噪音 # % [ ’ 9$ # $ 复位后的 )Q 受到复位前 的 )Q 的 影 响 % ]% 4
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