[发明专利]CMOS图像传感器像素时序控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属互补氧化物半导体(CMOS)图像传感器，特别涉及一种提高图像传感器动态范围的控制时序，具体讲，涉及CMOS图像传感器像素时序控制方法。

背景技术

随着标准CMOS逻辑工艺的持续缩减和CMOS图像传感器(CMOS Image Sensors，CIS)制造工艺的不断改善，CMOS图像传感器在功耗、可集成性、随机寻址等方面相比CCD图像传感器具有相对优势，成为固态图像传感器领域的主流器件。

CMOS图像传感器由像素单元阵列、双采样电路、模拟前端处理电路、模拟/数字(A/D)转换器、存储单元以及时序控制电路组成。

CMOS图像传感器中的像素单元阵列是图像传感器中信息采集和转换的部分，对图像传感器的性能起着决定性作用。当前的像素单元结构根据晶体管数量的不同主要分为三管有源像素(3T-APS)、四管有源像素(4T-APS)、五管有源像素(5T-APS)等类型，其中，四管有源像素应用最为广泛。图1所示为典型的四管有源像素的结构。四管有源像素由光电二极管(Photodiode，PD)、传输管(Transfer Transistor，TX)、浮空扩散区(Floating Diffusion，FD)、复位晶体管(Reset Transistor，RST)、源极跟随器(Source Follower，SF)、选通管(Select Transistor)构成。

CMOS图像传感器中四管有源像素的工作原理如下：光电二极管将光信号转化为电荷信号存储在光电二极管中，当传输管打开之后，光生电荷从PD转移到FD中并转换为电压信号。FD中的电压信号经过SF缓冲经过选通管输出到列信号线(Column output line)。复位管给FD和PD复位，以进入下一次的工作周期。

CMOS图像传感器的像素单元阵列的曝光方式主要分为全局式曝光和滚筒式曝光。全局式曝光的CMOS图像传感器像素同时开始曝光同时曝光结束，再进行读出工作。滚筒式曝光是指由于每列像素都共用一套读出电路，所以先由第一行的像素读出，再进行第二行的读出，以此类推，所以相邻两行之间的曝光有一定的时间差，这个时间差等于一个像素信号读出时间。

图2为典型的CMOS图像传感器中像素单元阵列的示意图。行读出模块提供行读出信号，首先会将第一行的像素选中，第一行的所有像素经过读出电路输出后，行读出模块会将第二行的像素选中，第二行的所有像素经过读出电路输出，以此类推。图3为典型的滚筒式曝光的CMOS图像传感器的工作时序。

在曝光结束时，先给像素的复位管一个复位信号，将FD复位，复位后的FD读出为Vrst；再给传输管一个电荷转移信号，将光电二极管内的光生电子转移到FD中，此时FD读出为Vrst_sig。这两次电压读出要保证选通管信号SEL为1。所以选通管要在复位管复位结束之前置1，再在传输管电荷转移信号结束后置0。读出时间可以认为是选通管信号为1的时间，即下图的T_R时间。对于单个像素来说两个读出之间的间隔为曝光时间。如图8所示。

T_F为图像传感器输出一帧信息的工作时间，T_R为像素信号的读出时间。第一行像素曝光结束后进入读出阶段，此时第二行像素处于曝光期间。当第一行像素读出完成，第二行进入读出阶段。图3中所示为四行像素按照此方式工作的时序示意图。T_F为获取一帧信息所用的时间，T_R为一个像素读出的时间。