[发明专利]一种同时具有高低增益和对数响应的高动态CMOS图像传感器及时序控制方法和读取方式

权利要求书

1.一种同时具有高低增益和对数响应的高动态CMOS图像传感器，其特征在于，像素结构包括钳位光电二极管(1)、电荷转移控制晶体管(2)、电荷补偿元件(9)、源极跟随器(5)和行选晶体管(6)；

钳位光电二极管(1)作为光电探测元件，能够把接收的光信号转换为电信号并积累光生电荷，钳位光电二极管(1)的P端接GND，N端接电荷转移控制晶体管(2)的源极；电荷转移控制晶体管(2)用于将钳位光电二极管中积累的光生电荷转移到FD点，电荷转移控制晶体管(2)的栅极的控制信号TX来自于图像传感器系统中的行控制模块，漏极连接到FD点；电荷补偿元件(9)包括新型复位晶体管(7)、新型高动态范围晶体管(8)，其中新型复位晶体管(7)的漏极接Vpix电位，源极连接到新型高动态范围晶体管(8)的漏极，新型高动态范围晶体管8的源极连接到FD点；新型复位晶体管(7)和新型高动态范围晶体管(8)共同构成的电荷补偿元件9的栅极控制信号RST和HDR来自于行控制模块，该元件弱光和强光下工作在截止区，超强光或者超长积分时间时工作在亚阈值区，以此来增加图像传感器的动态范围；源极跟随器(5)和行选晶体管(6)用于将像素信号输出到后续读出电路，源极跟随器(5)的栅极与FD点相连，漏极接至VDD，源极与行选晶体管(6)的漏极相连；行选晶体管(6)的栅端的控制信号SEL来自于行控制模块，源极与列总线相连，用于将像素的信号值输出到图像传感器系统的后续读出电路中；

所述的电荷转移控制晶体管(2)、源极跟随器(5)和行选晶体管(6)均采用标准NMOS晶体管工艺制造而成；

所述的新型复位晶体管(7)、新型高动态范围晶体管(8)是在标准工艺基础上进行了一次额外的离子注入，用来调整晶体管的阈值电压，使其阈值电压低于正常值，故二者共同构成了所述的电荷补偿元件9；该元件在超强光下或者长时间积分时工作在亚阈值区域，可以向FD点注入电荷补偿钳位光电二极管(1)溢出到FD点的光生电荷，避免因钳位光电二极管达到满阱而导致的信号饱和；利用亚阈值区晶体管电流电压为对数关系的特性，从而在弱光和强光的线性响应基础上获得对数响应，极大的扩展了图像传感器的动态范围。

2.权利要求1所述的一种同时具有高低增益和对数响应的高动态CMOS图像传感器的时序控制方法和读取方式，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一，复位操作；

首先像素进入复位状态，电荷转移控制晶体管(2)、电荷补偿元件(9)同时导通一次，钳位光电二极管(1)中的电荷被清空，FD点电压被复位到Vpix；

步骤二，积分操作；

复位操作结束后，电荷转移控制晶体管(2)和电荷补偿元件(9)的栅极控制信号电压分别下降到VTXL和VRL，像素进入积分阶段，钳位光电二极管(1)内开始积累光生电荷；

1)弱光或者强光下曝光时间不够长时，钳位光电二极管(1)中产生的光生电荷小于等于钳位光电二极管(1)的满阱容量，光生电荷全部积累在钳位光电二极管(1)中，不会有多余的光生电荷通过电荷转移控制晶体管(2)流向FD点，因此积分时间内FD点电压不会发生变化；电荷补偿元件(9)的栅源电压V_GS远远小于阈值电压，因此电荷补偿元件(9)工作于截止区，没有电流流向FD点；

2)随着光强的增加或者积分时间的延长，积分过程中钳位光电二极管(1)中积累的光生电荷会超过自身的满阱容量，多余的光生电荷会通过电荷转移控制晶体管(2)流到FD点，构成过溢电流I_OV，该电流与钳位光电二极管(1)所生成的光生电流I_ph相等，

I_OV＝I_ph＝ηRP_in

其中，η、R、P_in分别是钳位光电二极管(1)的量子效率、响应率和入射光功率；该电流使得FD点的电压下降，电压变化值ΔV_FD与积分时间t成正比，

ΔV_FD＝ηRP_in·t

由于此时光强不够大，因此一定积分时间内，流到FD点的光生电荷有限，FD点的电压不会下降很多，电荷补偿元件(9)内部两个晶体管都处于关闭状态，工作状态不发生改变；此时体现为FD点电压变化与光强成正比；FD的电压值通过源极跟随器(5)、行选晶体管(6)及后续电路读出，作为对数模式的线性信号值LOG_S1；

3)当光强过强，或者积分时间较长时，钳位光电二极管(1)中积累的光生电荷远远超过自身的满阱容量，过多的光生电荷会通过电荷转移控制晶体管(2)流到FD点并且积累在FD点，产生持续的光生过溢电流I_OV，导致FD点电压持续下降，使得电荷补偿元件(9)的V_GS持续增高；由于电荷补偿元件(9)内部晶体管是在标准工艺的基础上进行了一次额外的离子注入，其阈值电压低于正常值，此时V_GS值接近该阈值电压，使得电荷补偿元件(9)从截止区进入到亚阈值工作区域，导致有电流从Vpix流入FD点；该电流可以抵消从钳位光电二极管(1)流入到FD点的过溢电流I_OV，因此被称为电荷补偿电流I_C；如果光强足够强或者积分时间足够长时，光生过溢电流I_OV与电荷补偿电流I_C达到平衡状态，则FD点电压将不再随积分时间变化；此时，电荷补偿元件(9)工作在亚阈值区，电荷补偿电流I_C如下式：

其中，I_S是具有电流量纲的常量、V_RST是电荷补偿元件(9)的栅极电压、V_FD是FD点的电压、V_TH是电荷补偿元件(9)的阈值电压、m是亚阈值斜率因子、V_T是热电压；

在平衡后，电荷补偿电流与光生过溢电流相等，

I_OV＝I_C＝ηRP_in

可以得到V_FD表达式：

根据上式可知，此时FD点的电压值变化与入射光强的对数成正比；该电压可通过源极跟随器(5)、行选晶体管(6)及后续电路读出，作为对数模式的信号值LOG_S2；

积分结束之前，再对FD点进行一次复位操作，电荷补偿元件(9)内部新型复位晶体管(7)、新型高动态范围晶体管(8)分别导通，在新型高动态范围晶体管(8)的栅极控制信号HDR为高电平VHDRH时，FD点电压作为低增益的复位值RST_L，可通过源极跟随器(5)、行选晶体管(6)及后续电路读出；随后HDR信号电压降为VRL，FD点电压作为高增益的复位值RST_H，可通过源极跟随器(5)、行选晶体管(6)及后续电路读出；至此像素电路积分阶段结束；

步骤三，第一次电荷转移过程；

首先，电荷转移控制晶体管(2)导通，在电势差的作用下，钳位光电二极管(1)中积累的光生电荷通过电荷转移控制晶体管(2)转移到FD点；此时读取FD点的高增益信号值SIG_H，该电压可通过源极跟随器(5)、行选晶体管(6)及后续电路读出；

步骤四，第二次电荷转移过程；

第一次电荷转移之后将新型高动态范围晶体管(8)开启，FD和FDL点短接，期间电荷转移控制晶体管(2)再次导通，钳位光电二极管(1)中剩余的光生电荷通过电荷转移控制晶体管(2)继续转移到FD和FDL点；读取FD点电压值为低增益的信号值SIG_L，该电压可通过源极跟随器(5)、行选晶体管(6)及后续电路读出。