[发明专利]CMOS图像传感器

说明书

技术领域

本发明涉及图像传感器，特别涉及包含复位单元的CMOS图像传感器。

背景技术

摄像机、数码相机和数码摄像机等数字彩色成像装置的图像传感器通常采 用CCD(Charge-coupled device，电荷耦合器件)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补性氧化金属半导体)技术。采用CMOS技术的图像 传感器由于功耗小、成本低、易于在标准的生产线生产等优点成为主流。

现有技术的CMOS图像传感器的像素单元通常包括一个光电二极管和3 个、4个或者5个NMOS晶体管。根据像素单元中包含的晶体管的数目，所 述CMOS图像传感器可以分为3T型、4T型和5T型。现有的3T型、4T型图 像传感器和5T型的图像传感器的工作原理相同，下面以5T型图像传感器为 例，对现有CMOS图像传感器的工作原理进行说明。

请参考图1，图1是现有技术的CMOS图像传感器的电路结构示意图。 所述图像传感器包括像素单元100，所述像素单元100包括1个光电二极管和 5个NMOS晶体管，分别是：光电二极管PD、复位晶体管M1、放大晶体管 M2、选择晶体管M3、转移晶体管M4、全局复位晶体管M5。所述复位晶体 管M1包括源极，所述源极本领域技术人员称之为像素单元100的感应节点 FD(又称为浮空扩散区，Floating Diffusion)。其中所述复位晶体管M1的漏 极、放大晶体管M2的漏极分别接像素电源Vdd，所述像素电源Vdd为高电 位。所述复位晶体管M1用于在曝光前对所述感应节点FD进行复位，使所述 感应节点FD由低电位达到预定的高电位；所述全局复位晶体管M5用于在曝 光前对光电二极管PD进行复位；所述光电二极管PD用于在曝光时进行光电 转换，将接收到的光信号转换为电信号；所述转移晶体管M4用于将光电二极 管PD转换后的电信号输入至所述感应节点FD；所述放大晶体管M2用于将 从所述感应节点FD接收到的电信号放大；选择晶体管M3用于将放大后的电 信号输出。

继续参考图1，所述图像传感器还包括负反馈运算放大器A和反馈晶体 管M6。所述负反馈运算放大器A的输入负端V_-接收选择晶体管M3的漏极 输出的电信号，输入正端V₊输入参考电压信号Vr。负反馈运算放大器A的输 出信号至反馈晶体管M6的漏极。所述负反馈运算放大器A的输入正端输入 的参考电压信号Vr为线性增长信号。所述反馈晶体管M6的栅极输入脉冲信 号，所述反馈晶体管M6的源极电连接复位晶体管M1的栅极。

上述5T结构的图像传感器的工作过程如下：曝光前，反馈晶体管M6在 栅极输入高电位脉冲信号时，反馈晶体管M6的内部形成导电沟道，反馈晶体 管M6的漏极接收到的负反馈运算放大器A的输出信号为高电位，因此反馈 晶体管M6导通，其源极输出与漏极相同的高电位信号；所述高电位信号输入 至复位晶体管M1的栅极，复位晶体管M1的漏极接收像素电源Vdd，因此， 复位晶体管M1导通，复位晶体管的源极输出与漏极相同的高电位信号，从而 所述感应节点FD具有相应的高电位信号；所述感应节点FD的高电位信号作 为放大晶体管M2的栅极控制信号，在放大晶体管M2内部形成导电沟道，所 述放大晶体管M2的漏极接像素电源Vdd，因而放大晶体管M2导通，其源极 输出与漏极相同的高电位信号，所述高电位信号输入至选择晶体管M3的漏 极，此时选择晶体管M3的栅极接收的控制信号为高电位，使选择晶体管M3 内部形成导电沟道，选择晶体管M3的漏极为高电位信号而导通，其漏极输出 与源极相同的高电位信号从而感应节点FD电位经过放大晶体管M2的源极和 选择晶体管M3的源极输出至运算放大器A的输入负端V_-。所述运算放大器 A输入正端V₊接收参考电压信号Vr，所述参考电压信号为线性增长信号，运 算放大器的输出信号等于a(V_--V₊)+b(V_-+V₊)，其中，a为运算放大器 的差模增益，b为运算放大器的共模增益。所述负反馈运算放大器A根据选 择晶体管M3的输出信号对输入复位晶体管M1的电信号进行调节，直至选择 晶体管M3的输出信号稳定至与参考电压信号Vr相同，此时，所述感应节点 FD达到预定电位，上述通过负反馈运算放大器A的负反馈作用消除了复位噪 声。所述复位噪声包括由于复位晶体管M1的热噪声引起的感应节点FD噪声。