[发明专利]CMOS图像传感器全局曝光像素单元

说明书

技术领域

本发明涉及CMOS图像传感器技术领域，尤其涉及一种CMOS图像传感器全局曝光像素单元。

背景技术

CMOS图像传感器已广泛应用于军事和民用领域，如军事侦察、空间遥感成像、飞行器导航、数码照相机、安防监控及自动控制等。CMOS图像传感器在军、民市场都大有取代CCD的趋势。

对于CMOS图像传感器来说，通常有两种曝光方式：滚动曝光(Rolling Shutter)和全局曝光(Global Shutter)。采用全局曝光方式的CMOS图像传感器更有利于高速运动物体的成像。在现有技术中，全局曝光CMOS图像传感器主要采用专利号为US 7,129,979B1的美国专利中的五管(5T)像素单元。五管全局曝光像素单元主要存在以下几个缺点：

(1)信号读出时无法实现真正的相关双采样(CDS)，从而不能有效的消除转换节点(FD)的复位噪声，导致像素的读出噪声较大。现有的工业级全局曝光CMOS图像传感器噪声在30～100个电子，而高端全局曝光CCD的噪声为1～10个电子。

(2)转换节点(FD)的漏电较大，使得后读出的像素单元不能保存完整的信号电荷，恶化了图像的质量。

(3)由于转换节点(FD)紧邻感光器件光电二极管，对光照比较敏感，因此易于受光照影响，避光效率(Shutter efficiency)较低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的是为了解决CMOS图像传感器中现有全局曝光像素噪声大的问题，提供一种低噪声、大动态范围、小像素面积、高避光效率的CMOS图像传感器全局曝光像素单元。该像素噪声低，动态范围大，电路结构简单易于实现，只占用很小的像素面积，避光效率高，适合于大规模全局曝光CMOS图像传感器。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明采用的技术方案如下：

一种CMOS图像传感器全局曝光像素单元，包括依次连接的光电二极管1、信号读出电路2、信号放大电路3、信号采样保持电路4和信号输出电路5，其中：

所述光电二极管1，用于采集入射光线的原始信息，将采集的目标图像光信号转换成电信号；

所述信号读出电路2，用于读出光电转换完成后所述光电二极管1中的电信号，并将其保存在节点FD，所述节点FD的信号被所述信号放大电路3放大；

所述信号放大电路3，含有一个运算放大器，用于对所述节点FD所存储的信号进行放大，放大后的信号输出给所述信号采样保持电路4；

所述信号采样保持电路4，用于对所述信号放大电路3的输出信号进行采样保持；

所述信号输出电路5，用于采样所述信号采样保持电路4中采样保持的信号，并输出。

上述方案中，所述光电二极管1的正极接地，输出端连接于所述信号读出电路2的输入端，采用普通光电二极管或掩埋层光电二极管。

上述方案中，所述信号读出电路2含有一个传输管及一个复位管，当所述传输管与所述复位管同时导通时所述光电二极管1被复位；当所述传输管关断，所述复位管导通时，所述节点FD被复位；当所述传输管导通，所述复位管关断时，所述光电二极管1中存储的信号电荷经所述传输管传送到所述节点FD。所述复位管为N型MOS管或P型MOS管。

上述方案中，对于所述信号放大电路3含有的运算放大器，当需要放大所述节点FD的信号时，该运算放大器工作在放大模式；当不需放大所述节点FD的信号时，该运算放大器工作在休眠模式。

上述方案中，所述信号采样保持电路4含有第一开关管、第二开关管、第一采样保持电容及第二采样保持电容，其中：第一采样保持电容，用于采样保持目标图像光信号转换成的电信号；第二采样保持电容，用于采样保持节点FD的复位信号，以在后续信号处理电路中实现相关双采样(CDS)来降低节点FD的复位噪声。所述第一采样保持电容和所述第二采样保持电容均采用MOS电容、MIM电容或PIP电容。

上述方案中，所述信号输出电路5含有一个源随管及一个行选通管，其输出端接后续的信号处理电路，且该源随管、行选通管及位于该全局曝光像素单元外的电流源构成源极跟随读出电路。所述行选通管在行选控制信号的控制下将采样所述信号采样保持电路4中第一采样保持电容及第二采样保持电容上保持的信号，并输出给后续信号处理电路。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下优点及有益效果：