[发明专利]CMOS图像传感器的光电信号处理电路及方法

说明书

技术领域

本发明涉及互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，特别涉及互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的光电信号处理电路及光电信号处理方法。

背景技术

图像传感器是用于将光学图像转换成电信号的半导体器件，包括电荷耦合器件(CCD，Charge Coupled Device)图像传感器和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。

一般的CCD图像传感器包括将光信号转换成电信号的光敏二极管阵列，多个垂直的电荷耦合器件，形成在以矩阵型配置对准的各垂直光敏二极管之间，并垂直地传送产自各光敏二极管的电荷。水平电荷耦合器件，用于水平地传送由各垂直电荷耦合器件传送的电荷，以及读出放大器，用于检测和输出水平传送的电荷。电荷耦合器件的缺陷在于驱动方法复杂、高功耗以及需要多级光刻处理的复杂制造工艺。另外，在电荷耦合器件中，难以将诸如控制电路、信号处理器、以及模数转换器这样的互补电路集成到单芯片器件中，因而，阻碍了利用这种图像传感器的紧凑型产品的发展，例如，数字照相机和数字摄像机。

而与此相对地，CMOS图像传感器采用了利用控制电路和信号处理电路作为外围电路的CMOS技术，还采用了允许利用与排列的像素的数量对应设置的MOS晶体管顺序检测输出而由此检测图像的开关技术。另外，CMOS图像传感器利用了CMOS制造技术。因而，与CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器具有以下优势：1)与CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器工艺成本较低。2)CMOS图像传感器可以通过单一的电源操作，使得其耗电比CCD图像传感器低。3)CMOS图像传感器可以将信号处理电路在电路集成到传感器芯片上，从而面积更小。

现有的CMOS图像传感器通常包括3管结构和4管结构。4管像素单元的结构，通常包括三个晶体管和一个用于吸收入射光并转换为光电流的光敏二极管，如图1所示，4管CMOS图像传感器包括光敏二极管PD、第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3和第四晶体管T4。光敏二极管正极接地、负极与第四晶体管T4的源极相连；第一晶体管T1的源极与第四晶体管T4的漏极相连、第一晶体管T1的栅极接收复位信号(RST)、漏极与第二晶体管T2的漏极相连且与外围电源电路相连以提供像素电压VDDPIX；第二晶体管T2的栅极与第一晶体管T1的源极相连、源极与第三晶体管T3的漏极相连；第三晶体管T3的栅极接收行使能信号(ENX)、源极与电压采样电路相连；第四晶体管T4的栅极与传输门相连。其中，第一晶体管T1的作用是提供复位功能。第二晶体管T2的作用是作为跟随器。第三晶体管T3的作用是接收行使能信号。第四晶体管T4的作用是作为传输管。第一晶体管T1和第四晶体管T4一起导通时将像素电压VDDPIX转移给光敏二极管PD，第三晶体管T3和第四晶体管T4一起导通时是将光敏二极管PD上的电荷转移到电压采样电路的电容上。但是，4管结构工艺实现过程比较复杂，并且由于CMOS图像传感器的光敏性受光敏二极管所占的表面区域与CMOS图像传感器的整个表面区域的比值度影响，因而像素单元的MOS管数量如果较多，就会使每个像素单元的实际感光面积较小，从而影响图像质量。

相应地，现有的3管像素单元的结构，如图2所示，包括光敏二极管PD、复位管T1、跟随管T2和使能管T3，光敏二极管正极接地，负极与复位管T1的源极相连；复位管T1的栅极接收复位信号(RST)、漏极与跟随管T2的漏极相连且与外围电源电路相连以提供像素电压VDDPIX；跟随管T2的栅极与光敏二极管的负极相连、源极与使能管T3的漏极相连；使能管T3的栅极接收行使能信号(ENX)、源极与电压采样电路相连。复位管T1的作用是提供复位功能，主要使光敏二极管PD的电压复位。跟随管T2的作用是作为跟随器。使能管T3的作用是当接收到行使能信号为高时，将光敏二极管PD两端电压输送给采样电路。相对于采用4管结构的CMOS图像传感器来说，3管结构的CMOS图像传感器的感光面积会更大。

在例如专利号为ZL 02120295.8的中国专利中还能发现更多关于CMOS图像传感器的信息。