[发明专利]提高CMOS图像传感器动态范围和线性度的装置和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年2月5日提交的美国临时专利申请 61/202,196的优先权，其整体内容通过引用结合于此。

技术领域

本发明一般地涉及半导体图像感测，尤其是涉及一种有校准和 活动检测的CMOS图像感测架构，用以实现宽动态范围、高信号噪声 比、高线性度、低固定模式噪声、高占空因子和低输出数据率。

背景技术

术语定义

占空因子：CMOS图像传感器的占空因子指的是光敏二极管相对 于像素表面的尺寸。

介绍

近年来互补型金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的持续进 步开启了科学研究和生物医疗诊断中的新的应用领域，诸如空间望远 镜，DNA微阵列，生物荧光检测和计算机断层扫描。图像传感器作为 这些应用中的数据采集系统，需要宽动态范围(WDR)和在整个量程 下的高线性度。电荷耦合器件(CCD)主要用于这些应用。然而，强 大的片上处理能力使得CMOS图像传感器比CCD传感器更具吸引力。

相较于CCD，CMOS图像传感器可以在同一块芯片上处理图像， 因此能在成本显著降低的情况下，提供更多的图像功能性和更好的性 能。在名为“片上CMOS有源像素传感器类型图像系统(CMOS active pixel sensor type imaging system on a chip)”的6,570,617 号美国专利中可以找到示范教学。此专利于2003年5月颁发给 Fossum of La Crescenta，Calif.，且转让给California Institute of Technology，Pasadena，C.A.。

一个通常的单片CMOS图像传感器设计包括规则的像素阵列电 路，分列处理电路和数字并行到串行转换电路。像素电路包括可感测 和处理光信号的光电二极管和像素级处理电路。分列处理电路周期性 读出列中所有像素累积的光电压，并将其量化成数字值。并行到串行 转换电路依次将数字值从所有列中移出芯片。在“1/1.8英寸6.4百 万像素60帧每秒无缝模式改变CMOS图像传感器(A 1/1.8-inch 6.4 MPixel 60 frames/s CMOS image sensor with seamless mode change)，”IEEE Journal of Solid-State Circuits，pp.2998-3006， Dec.2006 by S.Yoshihara et al.”中可以找到单片CMOS图像传 感器设计的一个示范教学。

图1所示的是传统的CMOS有源像素传感器(APS)的像素电路。 在光闸信号重置光闸晶体管101之后，光电流(I_ph)将在悬浮漏极(V_n) 处的电容(C_int)放电。累积的光电压(V_ph)在积分一段时间(T_int) 后被读出。V_ph正比于光电流强度，其可以表示为

Vph=TintCintIph]]>

一个像素可以处理的最大的V_ph定义了像素可以处理的最大的光 电流。如果T_int和C_int保持恒定，则井容量限制了最大的V_ph，由此定 义了一个独立像素在饱和前能承载的量。CMOS像素中的井容量(V_w) 是像素重置电压和最低悬浮漏极电压间的电压空间。