專利名稱：Cmos圖像傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像傳感器，特別涉及包含復(fù)位單元的CMOS圖像傳感器。
背景技術(shù)：
攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和數(shù)碼攝像機(jī)等數(shù)字彩色成像裝置的圖像傳感器通常采 用 CCD (Charge-coupled device,電荷耦合器件)或 CMOS (Complementary MetalOxide Semiconductor，互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體)技術(shù)。采用CMOS技術(shù)的圖像傳感器由于功耗小、 成本低、易于在標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)線生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)成為主流。現(xiàn)有技術(shù)的CMOS圖像傳感器的像素單元通常包括一個光電二極管和3個、4個或 者5個NMOS晶體管。根據(jù)像素單元中包含的晶體管的數(shù)目，所述CMOS圖像傳感器可以分 為3T型、4T型和5T型?，F(xiàn)有的3T型、4T型圖像傳感器和5T型的圖像傳感器的工作原理 相同，下面以5T型圖像傳感器為例，對現(xiàn)有CMOS圖像傳感器的工作原理進(jìn)行說明。請參考圖1，圖1是現(xiàn)有技術(shù)的CMOS圖像傳感器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。所述圖像傳 感器包括像素單元100，所述像素單元100包括1個光電二極管和5個NMOS晶體管，分別 是光電二極管PD、復(fù)位晶體管Ml、放大晶體管M2、選擇晶體管M3、轉(zhuǎn)移晶體管M4、全局復(fù) 位晶體管M5。所述復(fù)位晶體管Ml包括源極，所述源極本領(lǐng)域技術(shù)人員稱之為像素單元100 的感應(yīng)節(jié)點(diǎn)FD (又稱為浮空擴(kuò)散區(qū)，F(xiàn)loating Diffusion) 0其中所述復(fù)位晶體管Ml的漏 極、放大晶體管M2的漏極分別接像素電源Vdd，所述像素電源Vdd為高電位。所述復(fù)位晶 體管Ml用于在曝光前對所述感應(yīng)節(jié)點(diǎn)FD進(jìn)行復(fù)位，使所述感應(yīng)節(jié)點(diǎn)FD由低電位達(dá)到預(yù)定 的高電位；所述全局復(fù)位晶體管M5用于在曝光前對光電二極管PD進(jìn)行復(fù)位；所述光電二 極管PD用于在曝光時進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號；所述轉(zhuǎn)移晶體管M4 用于將光電二極管PD轉(zhuǎn)換后的電信號輸入至所述感應(yīng)節(jié)點(diǎn)FD ；所述放大晶體管M2用于將 從所述感應(yīng)節(jié)點(diǎn)FD接收到的電信號放大；選擇晶體管M3用于將放大后的電信號輸出。繼續(xù)參考圖1，所述圖像傳感器還包括負(fù)反饋運(yùn)算放大器A和反饋晶體管M6。所 述負(fù)反饋運(yùn)算放大器A的輸入負(fù)端V—接收選擇晶體管M3的漏極輸出的電信號，輸入正端 V+輸入?yún)⒖茧妷盒盘朧r。負(fù)反饋運(yùn)算放大器A的輸出信號至反饋晶體管M6的漏極。所述 負(fù)反饋運(yùn)算放大器A的輸入正端輸入的參考電壓信號Vr為線性增長信號。所述反饋晶體 管M6的柵極輸入脈沖信號，所述反饋晶體管M6的源極電連接復(fù)位晶體管Ml的柵極。上述5T結(jié)構(gòu)的圖像傳感器的工作過程如下曝光前，反饋晶體管M6在柵極輸入高電位脈沖信號時，反饋晶體管M6的內(nèi)部形成導(dǎo)電溝道，反饋晶體管M6的漏極接收到的負(fù)反 饋運(yùn)算放大器A的輸出信號為高電位，因此反饋晶體管M6導(dǎo)通，其源極輸出與漏極相同的 高電位信號；所述高電位信號輸入至復(fù)位晶體管Ml的柵極，復(fù)位晶體管Ml的漏極接收像素 電源Vdd，因此，復(fù)位晶體管Ml導(dǎo)通，復(fù)位晶體管的源極輸出與漏極相同的高電位信號，從 而所述感應(yīng)節(jié)點(diǎn)FD具有相應(yīng)的高電位信號；所述感應(yīng)節(jié)點(diǎn)FD的高電位信號作為放大晶體 管M2的柵極控制信號，在放大晶體管M2內(nèi)部形成導(dǎo)電溝道，所述放大晶體管M2的漏極接 像素電源Vdd，因而放大晶體管M2導(dǎo)通，其源極輸出與漏極相同的高電位信號，所述高電位信號輸入至選擇晶體管M3的漏極，此時選擇晶體管M3的柵極接收的控制信號為高電位，使 選擇晶體管M3內(nèi)部形成導(dǎo)電溝道，選擇晶體管M3的漏極為高電位信號而導(dǎo)通，其漏極輸出 與源極相同的高電位信號從而感應(yīng)節(jié)點(diǎn)FD電位經(jīng)過放大晶體管M2的源極和選擇晶體管M3 的源極輸出至運(yùn)算放大器A的輸入負(fù)端V_。所述運(yùn)算放大器A輸入正端V+接收參考電壓信 號Vr，所述參考電壓信號為線性增長信號，運(yùn)算放大器的輸出信號等于a(V_-V+)+b(V_+V+)， 其中，a為運(yùn)算放大器的差模增益，b為運(yùn)算放大器的共模增益。所述負(fù)反饋運(yùn)算放大器A 根據(jù)選擇晶體管M3的輸出信號對輸入復(fù)位晶體管Ml的電信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至選擇晶體管 M3的輸出信號穩(wěn)定至與參考電壓信號Vr相同，此時，所述感應(yīng)節(jié)點(diǎn)FD達(dá)到預(yù)定電位，上述 通過負(fù)反饋運(yùn)算放大器A的負(fù)反饋?zhàn)饔孟藦?fù)位噪聲。所述復(fù)位噪聲包括由于復(fù)位晶體 管Ml的熱噪聲引起的感應(yīng)節(jié)點(diǎn)FD噪聲。
但是實(shí)際中發(fā)現(xiàn)，上述CMOS圖像傳感器的缺點(diǎn)是負(fù)反饋運(yùn)算放大器A只能消除帶 寬位于負(fù)反饋運(yùn)算放大器A的帶寬內(nèi)的噪聲部分，而實(shí)際中，負(fù)反饋運(yùn)算放大器A的帶寬有 限，消除復(fù)位噪聲的效果有限。因此，需要一種新的圖像傳感器，能夠消除更多的復(fù)位噪聲。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題是提供了一種新的CMOS圖像傳感器，消除了更多的復(fù)位噪聲。為解決上述問題，本發(fā)明提供一種CMOS圖像傳感器，所述像素單元包括復(fù)位晶體 管、選擇晶體管和放大晶體管，所述復(fù)位晶體管包括源極，所述源極作為像素單元的感應(yīng)節(jié) 點(diǎn)，所述CMOS圖像傳感器還包括復(fù)位單元，所述復(fù)位單元在輸入的第一信號為高電位時，將所述感應(yīng)節(jié)點(diǎn)電位升 至高電位，在所述第一信號由高電位轉(zhuǎn)換為低電位時，將復(fù)位晶體管的溝道電阻增大?？蛇x地，所述CMOS圖像傳感器還包括反饋單元，用于穩(wěn)定所述感應(yīng)節(jié)點(diǎn)的電位， 所述反饋單元包括第一輸入端、第二輸入端和第一輸出端，所述第一輸入端電連接至選擇 晶體管的源極，所述第二輸入端輸入?yún)⒖茧妷?，所述第一輸出端電連接至所述復(fù)位晶體管 的漏極?？蛇x地，所述反饋單元為負(fù)反饋運(yùn)算放大器?？蛇x地，所述選擇晶體管的柵極輸入第二信號，所述第二信號的脈寬大于第一信號。可選地，所述復(fù)位單元包括變阻單元，用于提供阻值可變的電阻；控制單元，用于在輸入的第一信號為高電位時，使感應(yīng)節(jié)點(diǎn)電位升至高電位，在所 述第一信號由高電位轉(zhuǎn)換為低電位時，將變阻單元提供的電阻與復(fù)位晶體管的柵極連接組 成放電通路?？蛇x地，所述控制單元包括電壓轉(zhuǎn)換電路，所述電壓轉(zhuǎn)換電路包括輸入端，用于將 所述第一信號轉(zhuǎn)換為第三信號，并且所述第三信號的高電位大于第一信號的高電位，第三 信號的脈寬與第一信號相同；所述控制單元還包括第一反相器，用于對第三信號進(jìn)行反相轉(zhuǎn)換；所述控制單元還包括第一晶體管，所述第一晶體管用于在輸入的第一信號為高電位時使感應(yīng)節(jié)點(diǎn)升至高電位，所述第一晶體管的柵極接反相器輸出端，漏極接像素電源，源極接復(fù)位晶體管的柵極；所述控制單元還包括第二晶體管，所述第二晶體管用于輸入的第一信號由高電位 轉(zhuǎn)為低電位時，控制變阻單元工作，所述第二晶體管的柵極接第三信號，源極接地，漏極與 所述變阻單元輸入端相連?？蛇x地，所述變阻單元包括多個電阻及電阻控制單元，所述電阻控制單元用于控 制變阻單元工作時輸出的電阻值?？蛇x地，所述電阻控制單元包括譯碼器，所述譯碼器接收外部數(shù)字脈沖信號，輸出 選擇信號；所述電阻控制單元還包括多個晶體管，所述多個晶體管與多個電阻相對應(yīng)電連 接，所述晶體管的柵極接收所述選擇信號，源極電連接至所述電阻單元的第二晶體管的源 極，漏極電連接相對應(yīng)的電阻一端，所述電阻另一端與復(fù)位晶體管的柵極相連?？蛇x地，所述第一晶體管為PMOS晶體管，所述第二晶體管為NMOS晶體管?？蛇x地，當(dāng)像素單元為4T型和5T型時，所述CMOS圖像傳感器還包括第一開關(guān)，所述放大晶體管和復(fù)位晶體管的漏極通過第一開關(guān)與反饋單元的輸出 端電連接，所述第一開關(guān)接收控制信號，在CMOS圖像傳感器工作于非相關(guān)雙采樣模式，第 一開關(guān)接通；第二開關(guān)，所述放大晶體管和復(fù)位晶體管的漏極通過第二開關(guān)與像素電源相連， 所述第二開關(guān)接收控制信號，在CMOS圖像傳感器工作于相關(guān)雙采樣模式時，第二開關(guān)接
ο與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)復(fù)位單元在輸入的第一信號為高電位時， 將感應(yīng)節(jié)點(diǎn)的電位升至高電位，在所述第一信號由高電位轉(zhuǎn)換為低電位時，將復(fù)位晶體管 的溝道電阻增大，減小了復(fù)位噪聲，通過反饋單元使得感應(yīng)節(jié)點(diǎn)的電壓穩(wěn)定，消除了更多的 復(fù)位噪聲；進(jìn)一步優(yōu)化地，所述復(fù)位單元包括變阻單元，所述變阻單元提供阻值可變的電 阻，可以根據(jù)CMOS圖像傳感器的應(yīng)用場合、復(fù)位噪聲的狀況進(jìn)行選擇，保證去除復(fù)位噪聲 的效果。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的CMOS圖像傳感器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明第一實(shí)施例的3T型CMOS圖像傳感器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明第一實(shí)施例的復(fù)位單元的電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明第二實(shí)施例的4T型CMOS圖像傳感器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是本發(fā)明第三實(shí)施例的5T型CMOS圖像傳感器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式在現(xiàn)有CMOS圖像傳感器的工作過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，CMOS圖像傳感器中的負(fù)反饋 運(yùn)算放大器只能消除復(fù)位噪聲帶寬位于負(fù)反饋運(yùn)算放大器帶寬以內(nèi)的部分。若消除更多的 噪聲，有兩個方法一是增大負(fù)反饋運(yùn)算放大器的帶寬；二是減小復(fù)位噪聲帶寬。經(jīng)過發(fā)明人進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，復(fù)位噪聲帶寬隨著復(fù)位晶體管的溝道電阻的增大而減小，負(fù)反饋運(yùn)算放大器的帶寬也隨著復(fù)位晶體管的溝道電阻增大而減小，而復(fù)位噪聲減小的更多，因此，增 大復(fù)位晶體管的溝道電阻，可以相對地減小復(fù)位噪聲帶寬，使得更多的復(fù)位噪聲帶寬位于 負(fù)反饋運(yùn)算放大器帶寬以內(nèi)，可以消除更多的復(fù)位噪聲。因此，本發(fā)明提供一種CMOS圖像傳感器。請參考圖2，圖2是本發(fā)明的CMOS圖像 傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。所述圖像傳感器包括像素單元201，所述像素單元包括復(fù)位晶體管 (未示出)、選擇晶體管(未示出)和放大晶體管(未示出)，所述復(fù)位晶體管包括源極(未 示出)，所述源極作為像素單元的感應(yīng)節(jié)點(diǎn)，還包括復(fù)位單元202，所述復(fù)位單元202在輸入的第一信號rst為高電位時，將所述感應(yīng) 節(jié)點(diǎn)電位升至高電位，在所述第一信號rst由高電位轉(zhuǎn)換為低電位時，將復(fù)位晶體管的溝 道電阻增大。仍參考圖2，所述CMOS圖像傳感器還包括反饋單元203，用于穩(wěn)定所述感應(yīng)節(jié)點(diǎn)的 電位，所述反饋單元203包括輸入負(fù)端V_、輸入正端V+和輸出端V。ut，所述輸入負(fù)端V_電連 接至選擇晶體管的源極(未示出)，所述輸入正端V+輸入?yún)⒖茧妷篤ref，所述輸出端V。ut電 連接至所述復(fù)位晶體管的漏極。下面將結(jié)合具體的實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的描述。第一實(shí)施例請參考圖3，圖3是本發(fā)明第一實(shí)施例的3T型CMOS圖像傳感器的電路結(jié)構(gòu)示意 圖。所述CMOS圖像傳感器包括像素單元201、反饋單元203以及復(fù)位單元202。本發(fā)明所 述的3T型CMOS圖像傳感器具體是指其中的像素單元201包括1個光電二極管和3個NMOS 晶體管，分別是光電二極管PD、復(fù)位晶體管Ml、放大晶體管M2、選擇晶體管M3。所述復(fù)位 晶體管Ml具有源極，所述源極本領(lǐng)域技術(shù)人員稱之為像素單元的感應(yīng)節(jié)點(diǎn)FD。繼續(xù)參考圖3，所述反饋單元203包括負(fù)反饋運(yùn)算放大器A，所述負(fù)反饋運(yùn)算放大 器A包括輸入負(fù)端V_、輸入正端V+和輸出端V。ut，所述輸入負(fù)端1電連接至選擇晶體管M3的 源極，所述輸入正端V+輸入?yún)⒖茧妷篤ref，所述輸出端V。ut電連接至所述復(fù)位晶體管Ml的 漏極以及放大晶體管M2的漏極。所述負(fù)反饋運(yùn)算放大器A輸出端的信號與輸入負(fù)端V—和 輸入正端V+信號的關(guān)系為a(V_-V+)+b(V_+V_)。其中a為差模增益，b為共模增益。參考圖3，所述復(fù)位單元202輸入第一信號rst，所述選擇晶體管M3輸入第二信號 sel，第二信號sel的脈寬、占空比大于第一信號sel的脈寬、占空比。即當(dāng)所述第一信號 rst為高電位時，所述第二信號sel也為高電位，并且第二信號sel的高電位持續(xù)時間大于 第一信號rst的高電位持續(xù)時間。所述3T型CMOS圖像傳感器的復(fù)位過程包括當(dāng)所述第一信號rst為高電位時，復(fù)位單元202輸出第一控制信號至復(fù)位晶體管 Ml的柵極，所述第一控制信號為高電位信號，因此所述復(fù)位晶體管Ml內(nèi)部產(chǎn)生導(dǎo)電溝道， 此時，負(fù)反饋運(yùn)算放大器A的輸出端V。ut輸出高電位反饋信號至復(fù)位晶體管Ml的漏極和放 大晶體管M2的漏極，因此復(fù)位晶體管Ml導(dǎo)通，其源極輸出高電位第一中間信號；所述第一 中間信號作為放大晶體管M2的柵極控制信號，使放大晶體管M2內(nèi)部形成導(dǎo)電溝道，放大 晶體管M2的漏極接高電位反饋信號，放大晶體管M2導(dǎo)通，其源極輸出高電位第二中間信 號；所述第二中間信號輸出至選擇晶體管M3的漏極；選擇晶體管M3的柵極接收的第二信號sel為高電位，選擇晶體管M3的內(nèi)部形成導(dǎo)電溝道，從而選擇晶體管M3導(dǎo)通，選擇晶體管M3的漏極輸出高電位第三中間信號，忽略選擇晶體管M3的導(dǎo)通壓降，所述第三中間信號 的電位與第二中間信號的電位相同；所述第三中間信號輸入至負(fù)反饋運(yùn)算放大器A的輸入 負(fù)端V_，負(fù)反饋運(yùn)算放大器A根據(jù)輸入負(fù)端V_的電位與輸入負(fù)端V+的電位比較，輸出高電 位反饋信號至復(fù)位晶體管Ml的漏極和放大晶體管M2的漏極，然后重復(fù)上述過程，直至負(fù)反 饋運(yùn)算放大器A的輸入負(fù)端V_的電位與輸入負(fù)端V+的電位相等，此時，感應(yīng)節(jié)點(diǎn)FD達(dá)到預(yù) 定電位。當(dāng)?shù)谝恍盘杛st由高電位轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娢粫r，復(fù)位單元202增大復(fù)位晶體管Ml的溝 道電阻，具體原理將將在后續(xù)復(fù)位單元202的工作原理進(jìn)行詳細(xì)說明，這里暫不作解釋。上述過程中，感應(yīng)節(jié)點(diǎn)FD的電位偏離預(yù)定電位的波動稱為復(fù)位噪聲。復(fù)位噪聲通 常具有一定帶寬，復(fù)位噪聲帶寬位于負(fù)反饋運(yùn)算放大器A帶寬以內(nèi)的部分能夠通過負(fù)反饋 運(yùn)算放大器A的反饋?zhàn)饔帽幌Ｋ鲐?fù)反饋運(yùn)算放大器A的反饋?zhàn)饔孟龔?fù)位噪聲的原理為當(dāng)感應(yīng)節(jié)點(diǎn)FD出現(xiàn) 復(fù)位噪聲，且復(fù)位噪聲帶寬位于負(fù)反饋運(yùn)算放大器A帶寬以內(nèi)時，所述復(fù)位噪聲使得第一 中間信號、第二中間信號、第三中間信號電位相應(yīng)改變，最終反饋單元201的負(fù)反饋運(yùn)算放 大器A的反饋電位改變，使得感應(yīng)節(jié)點(diǎn)FD的電位回到預(yù)定電位。例如當(dāng)感應(yīng)節(jié)點(diǎn)的電位大 于預(yù)定電位時，第一中間信號、第二中間信號、第三中間信號電位相應(yīng)增大，反饋電位減小， 最終使感應(yīng)節(jié)點(diǎn)FD的電位減小至預(yù)定電位。本發(fā)明在第一信號rst由高電位轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娢粫r，復(fù)位單元202增大復(fù)位晶體管 Ml的溝道電阻，增大所述溝道電阻使得復(fù)位噪聲的帶寬和負(fù)反饋運(yùn)算放大器A的帶寬同時 降低，但是復(fù)位噪聲的帶寬減小更多，從而更多的復(fù)位噪聲位于負(fù)反饋運(yùn)算放大器A的帶 寬以內(nèi)，更多的復(fù)位噪聲被消除。下面將對本發(fā)明所述的復(fù)位單元的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的說明。請參考圖4，圖4是本發(fā) 明第一實(shí)施例的復(fù)位單元的電路結(jié)構(gòu)示意圖。所述復(fù)位單元包括變阻單元302，用于提供阻值可變的電阻；控制單元301，用于在輸入的第一信號rst為高電位時，使感應(yīng)節(jié)點(diǎn)(未示出)電 位升至高電位，在所述第一信號rst由高電位轉(zhuǎn)換為低電位時，將變阻單元302提供的電阻 與復(fù)位晶體管Ml的柵極連接組成放電通路。參考圖4，所述控制單元301包括電壓轉(zhuǎn)換電路。所述電壓轉(zhuǎn)換電路為1. 8-3. 3V 電壓轉(zhuǎn)換電路，所述1. 8-3. 3V電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端接收第一信號rst，將第一信號rst轉(zhuǎn) 換為第三信號，并且所述第三信號的高電位大于第一信號的高電位，第三信號的脈寬與第 一信號相同；所述控制單元301還包括第一反相器F1，用于對第三信號進(jìn)行反相轉(zhuǎn)換；所述控制單元301還包括第一晶體管M7,所述第一晶體管M7的柵極收反相器Fl 輸出的第三信號，源極電連接復(fù)位晶體管的柵極，漏極電連接像素電源Vdd，所述像素電源 Vdd為高電位信號；所述第一晶體管M7用于在輸入的第一信號rst為高電位時使感應(yīng)節(jié)點(diǎn) 升至高電位；所述控制單元302還包括第二晶體管M6，所述第二晶體管M6用于輸入的第一信 號rst由高電位轉(zhuǎn)為低電位時，控制變阻單元302工作，所述第二晶體管M6的柵極接所述第三信號，源極接地，漏極與所述變阻單元302輸入端相連。本實(shí)施例中，所述第一晶體管M7為PMOS晶體管，所述第二晶體管M6為NMOS晶體 管。所述第一信號rst的高電位為1.8v，所述第三信號電位等于像素以及像素電源Vdd電 位，所述電位為3. 3V。請參考圖4，所述變阻單元302包括多個電阻及電阻控制單元，所述電阻控制單元 用于控制變阻單元工作時輸出的電阻值，這樣可以根據(jù)CMOS圖像傳感器的應(yīng)用場合、復(fù)位 噪聲的情況，靈活選擇變阻單元302輸出的電阻值，保證去除復(fù)位噪聲的效果。作為一個實(shí) 施例，所述變阻單元302包括8個電阻，分別是第一電阻R0、第二電阻R1、第三電阻R2、第 四電阻R3、第五電阻R4、第六電阻R5、第七電阻R6、第八電阻R7。所述電阻控制單元包括3-8譯碼器，所述3-8譯碼器具有三個輸入端以及8個輸 出端，所述輸入端分別是第一輸入端so、第二輸入端Si、第三輸入端S2，所述輸出端分別 是第一輸出端DO、第二輸出端D1、第三輸出端D2、第四輸出端D3、第五輸出端D4、第六輸 出端D5、第七輸出端D6、第八輸出端D7。所述電阻控制單元還包括8個晶體管，所述8個晶體管為NMOS晶體管，分別是第 一 MOS管AO、第二 MOS管Al、第三MOS管A2、第四MOS管A3、第五MOS管A4、第六MOS管A5、 第七M(jìn)OS管A6、第八MOS管A7。所述8個晶體管的柵極分別與3_8譯碼器的輸出端對應(yīng)相 電連接。參考圖4，第一晶體管AO的柵極與第一輸出端DO相電連接，第二 MOS管Al的柵極 與第二輸出端Dl相電連接，第三MOS管A2的柵極與第三輸出端D2相電連接，第四MOS管 A3的柵極與第四輸出端D3相電連接，第五MOS管A4的柵極與第五輸出端D4相電連接，第 六MOS管A5的柵極與第六輸出端D5相電連接、第七M(jìn)OS管A6的柵極與第七輸出端D6相 電連接，第八MOS管A7的柵極與第八輸出端D7相電連接。所述8個晶體管的源極與控制 單元301的第二晶體管M6相電連接，所述8個晶體管的漏極與8個電阻的一端對應(yīng)相電連 接。例如，第一 MOS管AO的漏極與第一電阻RO的一端電連接、第二 MOS管Al的漏極與第 二電阻Rl的一端電連接、第三MOS管A2的漏極與第三電阻R2的一端電連接、第四MOS管 A3的漏極與第四電阻R3的一段電連接，在此不做一一列舉。所述8個電阻的另一端與復(fù)位 晶體管Ml的柵極電連接。第二晶體管M6導(dǎo)通時，第二晶體管M6源極接地，因而第二晶體管M6的漏極為低 電位，從而與第二晶體管M6的漏極相連的第一 MOS管AO、第二 MOS管Al、第三MOS管A2、第 四MOS管A3、第五MOS管A4、第六MOS管A5、第七M(jìn)OS管A6、第八MOS管A7的源極為低電 位，在外部電阻選擇脈沖信號輸入變阻單元302的3個輸入端后，所述變阻單元302開始工 作，其工作原理具體包括3個輸入端分別接收外部電阻選擇脈沖信號，其8個輸出端的中的一個輸出端輸 出高電位控制信號，與所述輸出端相連的MOS管內(nèi)部形成導(dǎo)電溝道；所述MOS管由于源極為 低電位因而其漏極也為低電位，因此與所述漏極相連的電阻接地，所述電阻與復(fù)位晶體管 Ml的柵極相電連接構(gòu)成放電通道，延長了復(fù)位晶體管Ml的柵極電位下降沿的時間，從而增 大了復(fù)位晶體管Ml的溝道電阻。例如，所述變阻單元302的3個輸入端輸入的電阻選擇脈沖信號均為零電位時，所 述8個輸出端的第一輸出端DO輸出高電位，其他7個輸出端輸出零電位，與第一輸出端DO 相連的第一 MOS管AO的第一電阻RO接地，與復(fù)位晶體管Ml的柵極電連，相應(yīng)地，增大了復(fù)位晶體管Ml的柵極電位下降沿的時間的溝道電阻。所述增大復(fù)位晶體管Ml的溝道電阻的具體原理將在復(fù)位單元的工作原理中進(jìn)行介紹，在此暫不作說明。下面對所述復(fù)位單元的工作原理進(jìn)行介紹。參考圖4，所述復(fù)位單元的工作原理如 下當(dāng)?shù)谝恍盘杛st為高電位時，經(jīng)過1. 8-3. 3V電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為第三信號，所述 第三信號為3. 3V高電位；所述第三信號輸入至第一反相器F1，經(jīng)過第一反相器Fl反相轉(zhuǎn) 換為低電位，所述低電位為零電位，此時，第一晶體管M7內(nèi)形成導(dǎo)電溝道，第一晶體管M7的 漏極接收像素電源Vdd因而導(dǎo)通，其源極輸出第一控制信號至復(fù)位晶體管Ml的柵極，如果 忽略第一晶體管M7的導(dǎo)通壓降，第一控制信號的電位等于像素電源Vdd電位，所述第一控 制信號輸出至復(fù)位晶體管Ml的柵極，使得所述復(fù)位晶體管Ml內(nèi)部產(chǎn)生導(dǎo)電溝道，此時復(fù)位 晶體管Ml內(nèi)部的寄生電容充電；所述第一控制信號使得像素單元FD的電位升高至預(yù)定電 位，具體過程參見3T型CMOS圖像傳感器的復(fù)位過程，在此不做詳述；同時，當(dāng)?shù)谝恍盘杛st為高電位時，所述第三信號為3. 3V高電位，經(jīng)過第一反相器 Fl反相轉(zhuǎn)換為低電位，所述低電位為零電位，所述第二晶體管M6內(nèi)部沒有形成導(dǎo)電溝道因 而關(guān)斷；當(dāng)?shù)谝恍盘杛st由高電位轉(zhuǎn)換為低電位時，所述低電位為零電位，經(jīng)過1.8-3.3V 電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為第三信號，所述第三信號為零電位；所述第三信號輸入至第一反相器 F1，經(jīng)過第一反相器Fl反相轉(zhuǎn)換為高電位，所述高電位為3. 3V，此時，所述高電位輸入第一 晶體管M7的柵極，所述第一晶體管M7內(nèi)的導(dǎo)電溝道消失，從而第一晶體管M7關(guān)斷，第一晶 體管M7不再對復(fù)位晶體管Ml提供第一控制信號，復(fù)位晶體管Ml的柵極電位開始下降；此 時，第二晶體管M6的內(nèi)部形成導(dǎo)電溝道，第二晶體管M6的源極接地，其漏極為低電位，從 而變阻單元302的某個電阻與復(fù)位晶體管Ml的柵極串聯(lián)，復(fù)位晶體管Ml內(nèi)部的寄生電容 經(jīng)過電阻放電，使得復(fù)位晶體管Ml的柵極電位緩慢下降，從而復(fù)位晶體管Ml的溝道電阻 增大，所述溝道電阻增大的比例與放電時間常數(shù)相關(guān)。放電時間常數(shù)越長，溝道電阻越大。 在復(fù)位晶體管Ml確定后，所述放電時間常數(shù)取決于與復(fù)位晶體管Ml的柵極串聯(lián)的電阻阻 值。所述電阻阻值在實(shí)際中可以根據(jù)CMOS圖像傳感器的應(yīng)用場合以及復(fù)位噪聲的狀況進(jìn) 行設(shè)置。例如，當(dāng)復(fù)位噪聲較大，需要較大的放電時間常數(shù)時，可以通過對變阻單元的電阻 控制開關(guān)進(jìn)行設(shè)置，選擇需要的電阻與復(fù)位晶體管Ml的柵極串聯(lián)，以保證去除復(fù)位噪聲的 效果。需要說明的是，上述3T型CMOS圖像傳感器工作于非相關(guān)雙采樣模式，所述非相關(guān) 雙采樣模式的工作原理為未曝光時，復(fù)位單元202對像素單元201的感應(yīng)節(jié)點(diǎn)FD復(fù)位，使得感應(yīng)節(jié)點(diǎn)FD達(dá) 到預(yù)定電壓，所述復(fù)位過程參考3T型CMOS圖像傳感器的復(fù)位過程；然后，曝光開始，光電二 極管PD進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，獲得電信號，所述電信號輸出至輸出端out，并存儲；接著，復(fù)位單元 202對像素單元202的感應(yīng)節(jié)點(diǎn)FD復(fù)位，使得感應(yīng)節(jié)點(diǎn)FD達(dá)到預(yù)定電位，所述復(fù)位過程參 考3T型CMOS圖像傳感器的復(fù)位過程，所述預(yù)定電位輸出至輸出端out，所述預(yù)定電位與存 儲的電信號作差，獲得的差信號作為實(shí)際的電信號，所述光信號一次采集過程結(jié)束。第二實(shí)施例
圖5是本發(fā)明第二實(shí)施例的4T型CMOS圖像傳感器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。所述CMOS圖像傳感器包括像素單元201，反饋單元203以及復(fù)位單元202。本發(fā) 明所述的4T型CMOS圖像傳感器具體是指其中的像素單元201包括1個光電二極管和4個 NMOS晶體管，分別是光電二極管PD、復(fù)位晶體管Ml、放大晶體管M2、選擇晶體管M3、傳輸 晶體管M4。所述復(fù)位晶體管Ml具有源極，所述源極本領(lǐng)域技術(shù)人員稱之為像素單元201的 感應(yīng)節(jié)點(diǎn)FD。參考圖5，作為優(yōu)選的實(shí)施例，所述CMOS圖像傳感器還包括
第一開關(guān)K1，所述放大晶體管M2和復(fù)位晶體管Ml的漏極通過第一開關(guān)Kl與反饋 單元203的輸出端電連接，所述第一開關(guān)Kl接受控制信號，在CMOS圖像傳感器工作于非相 關(guān)雙采樣模式，第一開關(guān)Kl接通；第二開關(guān)K2，所述放大晶體管M2和復(fù)位晶體管Ml的漏極通過第二開關(guān)K2與像素 電源Vdd相電連，所述第二開關(guān)K2接收控制信號，在CMOS圖像傳感器工作于相關(guān)雙采樣模 式時，第二開關(guān)K2接通。所述復(fù)位單元202、反饋單元203的電路結(jié)構(gòu)與第一實(shí)施例的復(fù)位單元的電路結(jié) 構(gòu)相同，請參考圖4所示。所述復(fù)位單元202包括變阻單元302，用于提供阻值可變的電阻；控制單元301，用于在輸入的第一信號rst為高電位時，使感應(yīng)節(jié)點(diǎn)(未示出)電 位升至高電位，在所述第一信號rst由高電位轉(zhuǎn)換為低電位時，將變阻單元302提供的電阻 與復(fù)位晶體管Ml的柵極電連接組成放電通路。本發(fā)明所述的4T型CMOS圖像傳感器可以工作于相關(guān)雙采樣模式和非相關(guān)雙采樣 模式。通常4T型CMOS圖像傳感器應(yīng)用于高速拍攝的場合時，采用非相關(guān)雙采樣模式，第一 開關(guān)Kl接通，第二開關(guān)K2關(guān)斷，此時復(fù)位單元202以及反饋單元203同時工作，具體工作 原理參考參考第一實(shí)施例的3T型CMOS圖像傳感器的復(fù)位原理以及復(fù)位單元201的工作原 理，在此不做贅述。當(dāng)4T型CMOS圖像傳感器應(yīng)用于低速拍攝的場合時，第一開關(guān)Kl關(guān)斷，第二開關(guān) K2接通，此時復(fù)位單元201工作，反饋單元203與像素單元201斷開，反饋單元203不工作。 請參考圖4，此時復(fù)位單元的控制單元301工作，其工作原理與第一實(shí)施例的控制單元301 的工作單元相同，而變阻單元302的輸入端4T型CMOS圖像傳感器的工作過程沒有輸入任 何外部電阻選擇脈沖輸入，變阻單元302不參與對4T型CMOS圖像傳感器的復(fù)位工作。本實(shí)施例設(shè)置的第一開關(guān)Kl和第二開關(guān)K2，使得4T型CMOS圖像傳感器能夠靈活 的根據(jù)應(yīng)用場合選擇像素單元工作于相關(guān)雙采樣模式或非相關(guān)雙采樣模式。如果所述4T 型CMOS圖像傳感器僅需要工作于非相關(guān)雙采樣模式時，所述第一開關(guān)K1、第二開關(guān)K2可以 去除，所述4T型CMOS圖像傳感器的像素單元的放大晶體管M2和復(fù)位晶體管Ml的漏極直 接與反饋單元的輸出端相連。需要說明的是，所述4T型CMOS圖像傳感器應(yīng)用于高速拍攝的場合或者低速拍攝 的場合，相應(yīng)的像素單元的各個晶體管的工作時序不同，CMOS圖像傳感器的控制信號脈沖 時序根據(jù)需要設(shè)置。作為本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)，在此不做贅述。所述相關(guān)雙采樣模式作為本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)，具體是指未曝光時，復(fù)位單元202對像素單元201的感應(yīng)節(jié)點(diǎn)FD復(fù)位以及光電二極管PD復(fù)位，使得感應(yīng)節(jié)點(diǎn)FD以及光電二極管PD達(dá)到預(yù)定電位，所述預(yù)定電位輸出至輸出端out 并存儲；然后，曝光開始，光電二極管PD進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，獲得電信號，所述電信號輸出至輸 出端out，所述電信號與存儲的預(yù)定電位作差，獲得的差信號作為實(shí)際的電信號，所述光信 號一次采集過程結(jié)束。第三實(shí)施例請參考圖6，圖6是本發(fā)明第三實(shí)施例的5T型CMOS圖像傳感器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。所述CMOS圖像傳感器包括像素單元201、控制單元202、反饋單元203。本發(fā)明所述的 5T型CMOS圖像傳感器是指，像素單元201包括1個光電二極管5個NMOS晶體管，分別是 光電二極管PD、復(fù)位晶體管Ml、放大晶體管M2、選擇晶體管M3、傳輸晶體管M4、全局復(fù)位晶 體管M5。所述復(fù)位晶體管Ml具有源極，所述源極本領(lǐng)域技術(shù)人員稱之為像素單元的感應(yīng)節(jié) 點(diǎn)FD。作為優(yōu)選的實(shí)施例，所述CMOS圖像傳感器還包括第一開關(guān)K1，所述放大晶體管M2和復(fù)位晶體管Ml的漏極通過第一開關(guān)Kl與反饋 單元203的輸出端電連接，所述第一開關(guān)Kl接受控制信號，在CMOS圖像傳感器工作于非相 關(guān)雙采樣模式，第一開關(guān)Kl接通；第二開關(guān)K2，所述放大晶體管M2和復(fù)位晶體管Ml的漏極通過第二開關(guān)K2與像素 電源Vdd相電連，所述第二開關(guān)K2接收控制信號，在CMOS圖像傳感器工作于相關(guān)雙采樣模 式時，第二開關(guān)K2接通。其中，所述復(fù)位單元202、反饋單元203的電路結(jié)構(gòu)與第一實(shí)施例的復(fù)位單元的電 路結(jié)構(gòu)相同，請參考圖4所示。所述復(fù)位單元202包括變阻單元302，用于提供阻值可變的電阻，；控制單元301，用于在輸入的第一信號rst為高電位時，使感應(yīng)節(jié)點(diǎn)(未示出)電 位升至高電位，在所述第一信號rst由高電位轉(zhuǎn)換為低電位時，將變阻單元302提供的電阻 與復(fù)位晶體管Ml的柵極電連接組成放電通路。本發(fā)明所述的5T型CMOS圖像傳感器可以工作于相關(guān)雙采樣模式和非相關(guān)雙采樣 模式。通常5T型CMOS圖像傳感器應(yīng)用于高速拍攝的場合時，采用非相關(guān)雙采樣模式，第一 開關(guān)Kl接通，第二開關(guān)K2關(guān)斷，此時復(fù)位單元202以及反饋單元203同時工作，具體工作 原理參考參考第一實(shí)施例的3T型CMOS圖像傳感器的復(fù)位原理以及復(fù)位單元201的工作原 理，在此不做贅述。當(dāng)5T型CMOS圖像傳感器應(yīng)用于低速拍攝的場合時，第一開關(guān)Kl關(guān)斷，第二開關(guān) K2接通，此時復(fù)位單元201工作，反饋單元203與像素單元201斷開，反饋單元203不工作。 請參考圖4，此時復(fù)位單元的控制單元301工作，其工作原理與第一實(shí)施例的控制單元301 的工作單元相同，而變阻單元302的輸入端4T型CMOS圖像傳感器的工作過程沒有輸入任 何外部電阻選擇脈沖輸入，變阻單元302不參與對4T型CMOS圖像傳感器的復(fù)位工作。本實(shí)施例設(shè)置的第一開關(guān)Kl和第二開關(guān)K2，使得5T型CMOS圖像傳感器能夠靈活 的根據(jù)應(yīng)用場合選擇像素單元工作于相關(guān)雙采樣模式或非相關(guān)雙采樣模式。如果所述5T 型CMOS圖像傳感器僅需要工作于非相關(guān)雙采樣模式時，所述第一開關(guān)K1、第二開關(guān)K2可以 去除，所述5T型CMOS圖像傳感器的像素單元的放大晶體管M2和復(fù)位晶體管Ml的漏極直 接與反饋單元的輸出端相連。所述5T型CMOS圖像傳感器工作相關(guān)雙采樣模式請參考第二實(shí)施例的4T型CMOS圖像傳感器工作相關(guān)雙采樣模式。作為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知技術(shù)，在 此不做詳細(xì)說明。需要說明的是，所述5T型CMOS圖像傳感器應(yīng)用于高速拍攝的場合或者低速拍攝 的場合，相應(yīng)的像素單元的各個晶體管的工作時序不同，CMOS圖像傳感器的控制信號脈沖 時序根據(jù)需要設(shè)置。作為本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)，在此不做贅述。綜上，本發(fā)明提供的復(fù)位單元包括控制單元和反饋單元，所述控制單元增大了復(fù) 位晶體管的溝道電阻，減小了復(fù)位噪聲的帶寬和反饋單元的負(fù)反饋運(yùn)算放大器的帶寬，而 復(fù)位噪聲帶寬減小的更多，因此，更多的復(fù)位噪聲帶寬位于負(fù)反饋運(yùn)算放大器的帶寬內(nèi)，更 多的復(fù)位噪聲被去除。本發(fā)明雖然以較佳實(shí)施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，任何領(lǐng)域技術(shù) 人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以作出可能的變動和修改，因此本發(fā)明的保護(hù) 范圍應(yīng)當(dāng)以本發(fā)明權(quán)利要求所界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種CMOS圖像傳感器，包括像素單元，所述像素單元包括復(fù)位晶體管、選擇晶體管和放大晶體管，所述復(fù)位晶體管包括源極，所述源極作為像素單元的感應(yīng)節(jié)點(diǎn)，其特征在于，還包括復(fù)位單元，所述復(fù)位單元在輸入的第一信號為高電位時，將所述感應(yīng)節(jié)點(diǎn)電位升至高電位，在所述第一信號由高電位轉(zhuǎn)換為低電位時，將復(fù)位晶體管的溝道電阻增大。
2.如權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述CMOS圖像傳感器還包括反 饋單元，用于穩(wěn)定所述感應(yīng)節(jié)點(diǎn)的電位，所述反饋單元包括第一輸入端、第二輸入端和第一 輸出端，所述第一輸入端電連接至選擇晶體管的源極，所述第二輸入端輸入?yún)⒖茧妷?，第?輸出端電連接至所述復(fù)位晶體管的漏極。
3.如權(quán)利要求2所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述反饋單元為負(fù)反饋運(yùn)算放 大器。
4.如權(quán)利要求2所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述選擇晶體管的柵極輸入第 二信號，所述第二信號的脈寬大于第一信號。
5.如權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述復(fù)位單元包括變阻單元，用于提供阻值可變的電阻；控制單元，用于在輸入的第一信號為高電位時，使感應(yīng)節(jié)點(diǎn)電位升至高電位，在所述第 一信號由高電位轉(zhuǎn)換為低電位時，將變阻單元提供的電阻與復(fù)位晶體管的柵極連接組成放 電通路。
6.如權(quán)利要求5所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述控制單元包括電壓轉(zhuǎn)換電 路，所述電壓轉(zhuǎn)換電路包括輸入端，用于將所述第一信號轉(zhuǎn)換為第三信號，并且所述第三信 號的高電位大于第一信號的高電位，第三信號的脈寬與第一信號相同；所述控制單元還包括第一反相器，用于對第三信號進(jìn)行反相轉(zhuǎn)換；所述控制單元還包括第一晶體管，所述第一晶體管用于在輸入的第一信號為高電位時 使感應(yīng)節(jié)點(diǎn)升至高電位，所述第一晶體管的柵極接反相器輸出端，漏極接像素電源，源極接 復(fù)位晶體管的柵極；所述控制單元還包括第二晶體管，所述第二晶體管用于輸入的第一信號由高電位轉(zhuǎn)為 低電位時，控制變阻單元工作，所述第二晶體管的柵極輸入第三信號，源極接地，漏極與所 述變阻單元輸入端相連。
7.如權(quán)利要求5所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述變阻單元包括多個電阻及 電阻控制單元，所述電阻控制單元用于控制變阻單元工作時輸出的電阻值。
8.如權(quán)利要求7所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述電阻控制單元包括譯碼器， 所述譯碼器接收外部數(shù)字脈沖信號，輸出選擇信號；所述電阻控制單元還包括多個晶體管，所述多個晶體管與多個電阻相對應(yīng)電連接，所 述晶體管的柵極接收所述選擇信號，源極電連接至所述電阻單元的第二晶體管的漏極，漏 極電連接相對應(yīng)的電阻一端，所述電阻另一端與復(fù)位晶體管的柵極相連。
9.如權(quán)利要求5所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述第一晶體管為PMOS晶體 管，所述第二晶體管為NMOS晶體管。
10.如權(quán)利要求2所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，像素單元為4T型和5T型時， 所述CMOS圖像傳感器還包括第一開關(guān)，所述放大晶體管和復(fù)位晶體管的漏極通過第一開關(guān)與反饋單元的輸出端電 連接，所述第一開關(guān)接收控制信號，在CMOS圖像傳感器工作于非相關(guān)雙采樣模式，第一開 關(guān)接通； 第二開關(guān)，所述放大晶體管和復(fù)位晶體管的漏極通過第二開關(guān)與像素電源相連，所述 第二開關(guān)接收控制信號，在CMOS圖像傳感器工作于相關(guān)雙采樣模式時，第二開關(guān)接通。
全文摘要
本發(fā)明提供一種CMOS圖像傳感器，像素單元，所述像素單元包括復(fù)位晶體管、選擇晶體管和放大晶體管，所述復(fù)位晶體管包括源極，所述源極作為像素單元的感應(yīng)節(jié)點(diǎn)，還包括復(fù)位單元，所述復(fù)位單元在輸入的第一信號為高電位時，將所述感應(yīng)節(jié)點(diǎn)電位升至高電位，在所述第一信號由高電位轉(zhuǎn)換為低電位時，將復(fù)位晶體管的溝道電阻增大。通過增大復(fù)位晶體管的導(dǎo)通電阻，相對減小了復(fù)位噪聲帶寬，使得更多的復(fù)位噪聲可以通過負(fù)反饋運(yùn)算放大器消除。
文檔編號H04N5/335GK101815179SQ20101015157
公開日2010年8月25日 申請日期2010年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月15日
發(fā)明者任張強(qiáng) 申請人:昆山銳芯微電子有限公司