[发明专利]一种全局像元非线性补偿结构

说明书

本发明提供一种全局像元非线性补偿结构，全局像元包括像元电路模块和模拟数字转换模块，模拟数字转换模块包括具有正输入端Vin1与像元电路模块连接和负输入端Vin2接收参考电压Vramp的比较器，该非线性补偿结构补偿电路模块；补偿电路模块连接在参考电压Vramp信号与比较器负输入端Vin2之间，用来补偿像元电路模块内部电路引入的非线性。因此，本发明在实现补偿全局像元的非线性的同时，可以提高全局像元的动态范围，且补偿非线性的同时优化时序，引入尽量小的功耗。

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及CMOS图像传感器领域，更具体地说，为一种全局像元的非线性补偿方式，即一种全局像元非线性补偿结构。

背景技术

图像传感器是一种能将反映图像信息的光信号转换成电信号的传感器芯片，分为CCD结构与CMOS结构两大类。在如今的图像传感器市场，CMOS图像传感器以其低成本、高速度、低功耗、不断提升的图像质量、以及与CMOS工艺兼容的优点获得广泛的应用。

CMOS图像传感器是一种典型的固体成像传感器，CMOS图像传感器通常由像敏单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、AD转换器、数据总线输出接口、控制接口等几部分组成。上述这几部分通常都被集成在同一块硅片上，其工作过程一般可分为复位、光电转换、积分和读出等几部分。

CMOS图像传感器基本工作原理：

当外界光照射到像素阵列单元时，发生光电效应，在像素阵列单元内产生相应的电荷。行选择逻辑单元根据需要，选通相应的行像素单元。行像素单元内的图像信号通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理单元以及A/D转换器，转换成数字图像信号输出。其中的行选择逻辑单元可以对像素阵列逐行扫描也可隔行扫描。行选择逻辑单元与列选择逻辑单元配合使用可以实现图像的窗口提取功能。模拟信号处理单元的主要功能是对信号进行放大处理，并且提高信噪比。

为了获得质量合格的实用摄像头，芯片中必须包含各种控制电路，如曝光时间控制、自动增益控制等。为了使芯片中各部分电路按规定的节拍动作，必须使用多个时序控制信号。为了便于摄像头的应用，还要求该芯片能输出一些时序信号，如同步信号、行起始信号和场起始信号等。

尤其是，CMOS图像传感器在拍摄高速移动的物体在很多方面都有应用。不断发展的应用也对CMOS图像传感器提出了更高的要求，例如速度、图像质量和芯片功耗等。更快的速度、更好的图像质量、更低的功耗不断对CMOS图像传感器的设计提出挑战。

为了能够拍摄高速移动的物体，CMOS图像传感器内的每个像元(即pixel)需要在几乎同一时刻曝光，即进行光信号至电信号的转换，而传感器芯片的信号处理电路与数据读出电路一半分布在pixel阵列的旁边，不可能在同一时刻度全阵列的pixel的信号进行读出与处理。

为了能满足拍摄高速移动物体的需求，需要一种pixel能够在曝光后保存自身产生的电信号，等待外围信号读出电路读出，全局像元(即global shutter pixel)可以满足这种需求。

本领域技术人员清楚，相对于传统的pixel，全局像元可以支持全局曝光，从而使芯片能够拍摄高速移动的物体，但同时较复杂的结构也使其在光信号至电信号的转换过程中引入了更大的非线性，同时损失了有效信号幅度。这会直接影响最终的CMOS图像传感器的输出图像质量。

此外，功耗也是CMOS图像传感器的一个重要指标，在电池技术尚未获得重大突破的今天，低功耗芯片将使得便携式装置拥有更长的续航能力。

因此，虽然全局像元的应用可以满足拍摄高速移动物体对pixel的要求，但其引入的像元对光信号响应的非线性将会影响CMOS图像传感器对所拍摄图像的还原质量。通常，全局像元CMOS传感器芯片中没有对全局像元非线性的补偿。