[发明专利]用于CMOS图像传感器的自适应转换增益系统及方法

说明书

本发明公开了用于CMOS图像传感器的自适应转换增益系统及方法，一方面提升图像传感器在暗光下的转换增益，降低暗光下的噪声，提升暗光下的信噪比，另一方面降低图像传感器在亮光下的转换增益，提升亮光下的满阱电荷，提升图像传感器的动态范围。其特征在于，通过在电荷转移节点设计增加可变电容，且该可变电容根据电荷转移节点的电压对应变化。本发明提出的像素内自适应转换增益实现机制，解决了传统CMOS图像传感器像素单元在噪声和满阱电荷之间的矛盾问题，提升了CMOS图像传感器的信噪比和动态范围，为面向微光应用的高动态CMOS图像传感器提供了解决方案。

技术领域

本发明属于半导体集成电路技术领域，具体涉及图像传感器、阵列数据读取、高速高精度光电转换前端采集系统的应用，本发明还涉及用于CMOS图像传感器的自适应转换增益系统及方法。

背景技术

CMOS图像传感器电路与系统设计中，像素将光信号转化为电信号，并通过后级一系列的读出电路数据处理，最终通过数据到光信号的反变换将景象画面呈现在我们面前，因此，像素是CMOS图像传感器能够实现光电转换的基础，像素设计技术是整个成像传感电路中最为重要的核心技术环节，像素的性能将直接决定整个成像系统性能。信噪比和动态范围是像素设计的两个关键指标，在各种应用场合中起到了非常重要的作用。在微光应用环境中，由于外界输入的光信息较弱，需要将CMOS图像传感器的本底噪声尽量降低，因为低于CMOS图像传感器本底噪声的光信息无法读取出来。在一般的CMOS图像传感器像素设计中，为了降低本底噪声，常用的方法是提升像素转换增益，具体的实现方法是减小电荷转移节点的寄生电容。在亮光应用环境中，由于外界输入的光信息较强，需要将CMOS图像传感器的满阱电荷尽量提高，因为高于CMOS图像传感器满阱电荷的光信息无法读取出来。在一般的CMOS图像传感器像素设计中，为了提升满阱电荷，常用的方法是提升像素感光器件的承载电荷能力与电路级的电压摆幅。感光器件的承载电荷能力与其密度和体积相关，在一定的工艺条件下需要根据实际需求设计，但是电路级的电压摆幅与本底噪声的指标是相矛盾的，具体表现在：为了实现较低的本底噪声，需要将转换增益提升，但高的转换增益必然导致较高的电压摆幅，不利于电路的设计实现；同理，为了实现较强的满阱电荷能力，需要将转换增益降低，但降低的转换增益必然导致较高的本底噪声。当需要同时兼顾微光和亮光的应用场合，上述矛盾在CMOS图像传感器像素设计中显得尤为突出。

本发明立足于电路与系统角度分析，提出一种可以同时兼顾微光和亮光应用场合的CMOS图像传感器像素设计技术，旨在解决本底噪声和满阱电荷的矛盾问题。

发明内容

本发明的目的是提供用于CMOS图像传感器的自适应转换增益系统及方法，解决了现有技术中存在的CMOS图像传感器设计在本底噪声和满阱电荷之间相互矛盾的问题，提出了像素内部自适应转换增益的解决方案，一方面获得了微光应用下的本底噪声降低的效果，另一方面兼顾了亮光应用下的慢镜能力提升的效果。

本发明所采用的技术方案是，用于CMOS图像传感器的像素内部自适应转换增益系统，包括感光器件，感光器件的一端接地，另一端依次连接有电荷转移器件、复位器件，用于实现对感光器件的复位，电荷转移器件与复位器件相连的公共端连接有可变电容模块的输入端，电荷转移器件与复位器件相连的公共端还连接有输出缓冲器，输出缓冲器的输出端连接到像素单元阵列的列总线上。

像素单元通过感光器件将光子转换为电子，该电子经过电荷转移器件后在输出缓冲器(50)的输入端转换为电压信号，且该信号的幅值与光子输入量成正比关系。

可变电容模块为输出缓冲器的输入端到电源的电容。

当输出缓冲器的输入端接收到的电子少时，输出缓冲器的输入端的电压差小，可变电容模块的容值小；当输出缓冲器的输入端接收到的电子多时，输出缓冲器的输入端的电压差大，可变电容模块的容值大。