[发明专利]超低压CMOS图像传感器像素单元及电压输入输出方法

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种超低压双互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器像素单元及电压输入输出方法。

背景技术

CMOS图像传感器(CIS)不仅在多数电子产品，如个人电脑、移动电话、掌上电脑等有着广泛的应用，CMOS有源像素单元(APS)也基于自身低成本、低功耗、高集成能力的优势，逐步替代了电荷耦合器件(CCD)。CIS的特性主要由分辨率、填充系数、暗电流、时间噪声、固定图形噪声、灵敏度、响应率、量子效率、动态范围和信噪比决定的。近年，为了制造适应于移动电子器件，如手机、掌上电脑等要求最小功耗的APS器件，展开了减小所需的供应电压值，并延长电池寿命。但是，传统3T-APS结构像素单元，等效电路结构如图1中虚线框内所示，包括重置晶体管M1、光电二极管D1及它们中间接点N1与输出端之间的射极互连的源NMOS跟随晶体管M2和PMOS管M3，M1集电极电连接重置信号Φ1，M2基极电连接N1，M2集电极电连接偏置电压V_dd，M3基极电连接选择信号R_s，该像素单元输出端还电连接接地的饱和NMOS管M7。为了得到最大的信号噪声比和像素动态范围，针对传统3T-APS结构如图2所示，信号必须尽可能大，如果供应电压小于1V，将会影响信号噪声比和像素单元的动态范围，因为允许的输入信号电压减小，低电流将造成较大的噪声电压。所以，信号必须有带有轨至轨信号输入级和轨至轨的信号输出级结构。本发明的目的是如何提高像素单元输出电压的动态范围，从而降低输入电压大小，从而能节省设备功耗。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，如何提供一种超低压CMOS图像传感器像素单元及电压输入输出方法，相较传统3T-APS结构能大大提高输出电压动态范围，从而降低输入电压、节省功耗。

本发明的第一个技术问题这样解决：构建一种超低压CMOS图像传感器像素单元，包括重置晶体管、光电二极管及它们中间接点与第一输出端之间的射极互连的源NMOS跟随晶体管和PMOS管，所述源NMOS跟随晶体管集电极电连接偏置电压，其特征在于，还包括射极互连的：

源PMOS跟随晶体管，基极电连接所述中间接点，集电极电连接地；

NMOS管，基极电连接选择信号，集电极电连接第二输出端；所述选择信号还电连接所述PMOS管的基极。

按照本发明提供的超低压CMOS图像传感器像素单元，第一输出端电连接接地的饱和NMOS管，第二输出端电连接接所述偏置电压的饱和PMOS管。

按照本发明提供的超低压CMOS图像传感器像素单元，第一输出端和第二输出端分别电连接集成放大器的各自对应输入端。

本发明的另一个技术问题这样解决：构建一种超低压CMOS图像传感器像素单元的电压输入输出方法，其特征在于，包括以下步骤：

施加V_DD＞V_IP+V_IN+2V_dsat的电源电压V_DD作为所述偏置电压，V_IP是所述源PMOS跟随晶体管的阈值电压，V_IN是所述源NMOS跟随晶体管的阈值电压，V_dsat是经过源电流的电压；

第一输出端电压V_outn和第二输出端电压V_outp共同构成了所述像素单元的输出电压V_out，其范围是：V_dsat＜V_output＜V_DD-V_dsat。

按照本发明提供的所述电压输入输出方法，所述电源电压V_DD是1V，所述范围的大小是0.5～0.6V。

本发明提供的超低压CMOS图像传感器像素单元及电压输入输出方法，相较于最大有效输出电压范围只有(V_DD-2V_T-V_dsat)、动态范围受限于重置晶体管和源随晶体管的阈值电压降、不能脱离复杂输出电路工作于低于1V电源电压状态的传统3T-APS结构单元而言，更为稳定、高效地使像素单元工作于超低电源电压状态，并扩大信号噪声比和像素动态范围。

附图说明

下面结合附图和具体实施例进一步对本发明进行详细说明：

图1为传统3T-APS结构像素单元等效电路结构示意图；

图2为图1所示传统3T-APS结构像素单元有效动态范围示意图；