圖像傳感器像素陣列固定模式噪聲消除電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一圖像傳感器像素陣列的固定模式噪聲消除電路，所述像素陣列包括呈矩形陣列排列的多個半浮柵晶體管像素，其中：所述固定模式噪聲消除電路包括與所述像素陣列的每一列連接的讀出電路以及連接于各該讀出電路的補償電路，所述讀出電路包括電流比較電路及計數(shù)器，所述補償電路包括斜坡電壓發(fā)生器、計算電路、查找表及矯正電路；本發(fā)明可以通過獨特的讀出電路及外部補償電路徹底消除半浮柵晶體管(SFGT)像素陣列的固定模式噪聲(FPN)，從而提高信號讀出的精度，改善圖像質(zhì)量。結(jié)合半浮柵晶體管像素陣列本身像素尺寸小、填充因子大的優(yōu)點，本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于半浮柵晶體管這種新型器件的圖像傳感器中。
【專利說明】圖像傳感器像素陣列固定模式噪聲消除電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于集成電路領(lǐng)域，涉及圖像傳感器的信號處理技術(shù)，具體涉及一種半浮柵晶體管像素陣列的固定模式噪聲(FPN)消除電路。
【背景技術(shù)】
[0002]圖像傳感器是用來將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的半導(dǎo)體器件。目前圖像傳感器主要有兩種:CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)圖像傳感器和電荷稱合器件(Charge Coupled Device, CCD)圖像傳感器。由于CMOS圖像傳感器具有功耗低、體積小、集成度高、動態(tài)范圍寬等優(yōu)點，并且可以與當(dāng)前的制造工藝兼容，而且具有高度系統(tǒng)整合的條件，所以CMOS圖像傳感器已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。
[0003]半浮柵晶體管(Sem1-Floating-Gate Transistor, SFGT)是一種新型的半導(dǎo)體器件，且能夠用作感光元件，其基本的結(jié)構(gòu)已經(jīng)由專利CN101707202給出，如圖1所示。用作感光元件時，首先對漏極摻雜區(qū)503和半浮柵區(qū)505組成的光電二極管施加正偏電壓，進(jìn)行復(fù)位操作，清空半浮柵區(qū)505上的電荷；隨后對光電二極管施加反偏電壓，使其進(jìn)入曝光狀態(tài)，光生電荷被收集到半浮柵區(qū)505，其電壓升高，因此整個SFGT器件的閾值電壓Vth下降，光照強度越大，半浮柵區(qū)505電壓上升越多，閾值電壓下降值Vth也越大；在讀出階段，對控制柵電極507和漏端電極513分別施加一定的正電壓，則會有電流經(jīng)漏極514流向源極511。讀取源電極510的電流，根據(jù)電流值的大小，就可以反映出光照的強弱，從而達(dá)到感光的功能。如圖2所示，與傳統(tǒng)CMOS像素單元(3個晶體管加一個感光二極管)相比，SFGT像素單元僅需要一個晶體管就可以完成復(fù)位、曝光和讀出的操作，因此大大提高了像素單元的填充因子(感光區(qū)域面積與像素總面積之比)，增加了圖像傳感器的靈敏度和分辨率。
[0004]基于半浮柵晶體管SFGT像素元件的感光陣列由專利CN101707202給出，如圖3所示，包括M行N列，每個像素由一個SFGT元件組成，同一行的所有像素的控制柵電壓Ve和漏極電壓Vd全都互相連結(jié)，是像素陣列的輸入電壓信號；同一列的所有像素的源級全都互相連結(jié)，是像素陣列的輸出電流信號。圖3中SFGT的讀取電流表達(dá)式(第i行，第j列的像素)為:I(j) =K[Vji)-Vs(j)-Vth(i，j)]2，其中K為常數(shù)，Ve⑴為該行的控制柵極電壓，Vs(j)為該列輸出節(jié)點電壓，Vth(i，j)為該像素的閾值電壓。從上式可知，在目前的集成電路工藝中，各晶體管之間普遍存在閾值電壓非均一性現(xiàn)象，即每個像素中SFGT的Vth都有所不同，其偏差可達(dá)20%至30%，且Vth(i，j)這一項出現(xiàn)在上式的平方項中，因此閾值電壓非均一性對于讀出電流也會產(chǎn)生十分顯著的影響，這種現(xiàn)象稱為固定模式噪聲(FPN)，即使各個像素處于相同光照強度下，讀出電流也會表現(xiàn)出極大的差異，從而影響了成像的質(zhì)量。
[0005]長久以來，人們不斷在尋求減弱和消除固定模式噪聲的方法。對于CMOS圖像傳感器，已經(jīng)發(fā)明和產(chǎn)生了消除固定模式噪聲的各種方法。隨著半浮柵晶體管(SFGT)這一新器件的發(fā)明和使用，亟需提供一種除半浮柵晶體管(SFGT)像素陣列的固定模式噪聲(FPN)的方法。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一圖像傳感器像素陣列固定模式噪聲消除電路，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中半浮柵晶體管(SFGT)像素陣列的固定模式噪聲難以消除的問題。
[0007]為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一圖像傳感器像素陣列固定模式噪聲消除電路，所述像素陣列包括呈矩形陣列排列的多個半浮柵晶體管像素，其中:
[0008]所述固定模式噪聲消除電路包括與所述像素陣列的每一列連接的讀出電路以及連接于各該讀出電路的補償電路，所述讀出電路包括電流比較電路及計數(shù)器，所述補償電路包括計算電路、查找表、矯正電路及斜坡電壓發(fā)生器；
[0009]所述電流比較電路用于比較各該半浮柵晶體管像素的輸出電流與所述斜坡電流，并在所述讀出電流與斜坡電流相等時產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)信號；
[0010]所述計數(shù)器用于依據(jù)所述翻轉(zhuǎn)信號產(chǎn)生數(shù)字信號并輸出；
[0011]所述計算電路用于計算各該半浮柵晶體管像素結(jié)構(gòu)的對應(yīng)的數(shù)字信號與基準(zhǔn)值的差值并將該差值存儲至所述查找表；
[0012]所述矯正電路根據(jù)所述查找表的差值對所述斜坡電壓發(fā)生器輸出的斜坡電壓的斜率進(jìn)行調(diào)整，該調(diào)整后的斜坡電壓用于對各該讀出電路進(jìn)行補償。
[0013]所述斜坡電壓發(fā)生器用于產(chǎn)生斜坡電壓并通過所述電流比較電路產(chǎn)生斜坡電流；
[0014]作為本發(fā)明的圖像傳感器像素陣列固定模式噪聲消除電路的一種優(yōu)選方案，所述電流比較電路包括電流鏡及兩管比較器，所述電流鏡由第一 NMOS管及第二 NMOS管組成，所述比較電路由所述第二 NMOS管及PMOS管組成，其中，所述第一 NMOS管的第一極與其柵極、半浮柵晶體管像素及所述第二 NMOS管的柵極相連，第二極接地；所述第二 NMOS管的第一極與所述PMOS管的第一極相連，第二極接地；所述PMOS管的第二極接外部電源，柵極連接所述斜坡電壓發(fā)生器。
[0015]作為本發(fā)明的圖像傳感器像素陣列固定模式噪聲消除電路的一種優(yōu)選方案，所述電流比較電路包括阻抗放大器及兩管比較器，所述比較電路由NMOS管及PMOS管組成，其中，所述阻抗放大器的第一輸入端接半浮柵晶體管像素，第二輸入端接地，輸出端接所述NMOS管的柵極；所述NMOS管的第一極與所述PMOS管的第一極相連，第二極接地
管的第二極接外部電源，柵極連接所述斜坡電壓發(fā)生器。
[0016]作為本發(fā)明的圖像傳感器像素陣列固定模式噪聲消除電路的一種優(yōu)選方案，所述計數(shù)器在所述斜坡電壓發(fā)生器產(chǎn)生斜坡電壓時開始計數(shù)，在接收到所述翻轉(zhuǎn)信號時停止計數(shù)并輸出數(shù)字信號。
[0017]作為本發(fā)明的圖像傳感器像素陣列固定模式噪聲消除電路的一種優(yōu)選方案，所述基準(zhǔn)值為各該半浮柵晶體管像素結(jié)構(gòu)的對應(yīng)的數(shù)字信號中的最大值或最小值或該最大值與最小值之間的任意值。
[0018]進(jìn)一步地，所述計算電路包括:
[0019]平均電路，用于計算所有半浮柵晶體管像素結(jié)構(gòu)的對應(yīng)的數(shù)字信號的平均值，作為基準(zhǔn)值；
[0020]差值電路，用于計算各該半浮柵晶體管像素結(jié)構(gòu)的對應(yīng)的數(shù)字信號與所述平均值的差值并將該差值存儲至所述查找表。
[0021]優(yōu)選地，所述平均電路包括:用于寄存所述計數(shù)器輸出的數(shù)字信號的寄存器、多個具有第一阻值A(chǔ)的第一電阻、具有第二阻值1*2的第二電阻及第一運算放大器；其中，所述多個第一電阻的第一端分別連接于所述寄存器，另一端共同與所述第二電阻的第一端及所述第一運算放大器的第一輸入端相連，所述第二電阻的第二端與所述第一運算放大器的輸出端相連，所述第一運算放大器的第二輸入端接地；其中，m/N，N為所述第一電阻的個數(shù)；
[0022]所述差值電路包括第三電阻、第四電阻、第五電阻及第二運算放大器；其中，所述第三電阻的第一端與所述第二電阻相連，所述第四電阻的第一端與所述寄存器相連，所述第三電阻的第二端與所述第四電阻的第二端相連，且連接于所述第五電阻的第一端及所述第二運算放大器的第一輸入端，所述第五電阻的第二端與所述第二運算放大器的輸出端相連，所述第二運算放大器的第二輸入端接地。
[0023]作為本發(fā)明的圖像傳感器像素陣列固定模式噪聲消除電路的一種優(yōu)選方案，通過矯正所述斜坡電壓發(fā)生器的工作頻率、步進(jìn)長度或偏移電壓來矯正其輸出的斜坡電壓的斜率。
[0024]作為本發(fā)明的圖像傳感器像素陣列固定模式噪聲消除電路的一種優(yōu)選方案，所述矯正電路包括第一電流鏡組及第二電流鏡組，其中:
[0025]所述第一電流鏡組包括用于輸入第一電流源的共用NMOS管及與該共用NMOS分別組成NMOS電流鏡的多個NMOS管，所述多個匪OS電流鏡的輸出端分別連接有開關(guān)，各該開關(guān)連接于所述查找表，并通過所述查找表控制其開啟或閉合；其中，各該NMOS電流鏡具有各自的電流放大倍數(shù)，且各該電流放大倍數(shù)與所述查找表中的的各該差值對應(yīng)；
[0026]所述第二電流鏡組包括用于輸入第二電流源的共用PMOS管及與該共用PMOS管分別組成PMOS電流鏡的多個PMOS管，所述多個PMOS電流鏡的輸出端分別連接有開關(guān)，各該開關(guān)連接于所述查找表，并通過所述查找表控制其開啟或閉合；其中，各該PMOS電流鏡具有各自的電流放大倍數(shù)，且各該電流放大倍數(shù)與所述查找表中的的各該差值對應(yīng)。
[0027]作為本發(fā)明的圖像傳感器像素陣列固定模式噪聲消除電路的一種優(yōu)選方案，所述半浮柵晶體管像素包括控制柵、半浮柵、漏極摻雜區(qū)、源極摻雜區(qū)及溝道區(qū)，其中:
[0028]所述控制柵覆蓋于所述半浮柵的表面；
[0029]所述半浮柵包括覆蓋于所述溝道區(qū)及部分漏極摻雜區(qū)表面的柵介質(zhì)層及柵電極層，且所述柵介質(zhì)層于所述漏極摻雜區(qū)表面處具有開口，所述開口下方的漏極摻雜區(qū)中具有擴散區(qū)，所述半浮柵、擴散區(qū)及漏極摻雜區(qū)共同形成用于感光的光電二極管；
[0030]所述半浮柵的摻雜類型與漏極摻雜區(qū)、源極摻雜區(qū)的摻雜類型相反，所述擴散區(qū)的摻雜類型與所述半浮柵的摻雜類型相同。
[0031]如上所述，本發(fā)明提供一種圖像傳感器像素陣列固定模式噪聲消除電路，所述像素陣列包括呈矩形陣列排列的多個半浮柵晶體管像素，其中:所述固定模式噪聲消除電路包括與所述像素陣列的每一列連接的讀出電路以及連接于各該讀出電路的補償電路，所述讀出電路包括電流比較電路及計數(shù)器，所述補償電路包括計算電路、查找表、矯正電路及斜坡電壓發(fā)生器；所述電流比較電路用于比較各該半浮柵晶體管像素的輸出電流與所述斜坡電流，并在所述讀出電流與斜坡電流相等時產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)信號；所述計數(shù)器用于依據(jù)所述翻轉(zhuǎn)信號產(chǎn)生數(shù)字信號并輸出；所述計算電路用于計算各該半浮柵晶體管像素結(jié)構(gòu)的對應(yīng)的數(shù)字信號與基準(zhǔn)值的差值并將該差值存儲至所述查找表；所述矯正電路根據(jù)所述查找表的差值對所述斜坡電壓發(fā)生器輸出的斜坡電壓的斜率進(jìn)行調(diào)整，該調(diào)整后的斜坡電壓用于對各該讀出電路進(jìn)行補償；所述斜坡電壓發(fā)生器用于產(chǎn)生斜坡電壓并通過所述電流比較電路產(chǎn)生斜坡電流。本發(fā)明可以通過獨特的讀出電路及外部補償電路徹底消除半浮柵晶體管(SFGT)像素陣列的固定模式噪聲(FPN)，從而提高信號讀出的精度，改善圖像質(zhì)量。結(jié)合半浮柵晶體管(SFGT)像素陣列本身像素尺寸小、填充因子大的優(yōu)點，本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于半浮柵晶體管(SFGT)這種新型器件的圖像傳感器中。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1顯示為半浮柵晶體管像素的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖2顯示為現(xiàn)有技術(shù)中的CMOS像素單元的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034]圖3顯示為基于半浮柵晶體管像素元件的感光陣列的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035]圖4顯示為本發(fā)明的一種圖像傳感器像素陣列固定模式噪聲消除電路的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036]圖5顯示為本發(fā)明的另一種圖像傳感器像素陣列固定模式噪聲消除電路的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0037]圖6顯示為本發(fā)明的圖像傳感器像素陣列固定模式噪聲消除電路的一種計算電路的電路結(jié)構(gòu)不意圖。
[0038]圖7顯示為本發(fā)明的圖像傳感器像素陣列固定模式噪聲消除電路的一種矯正電路的電路結(jié)構(gòu)不意圖。
[0039]圖8顯示為本發(fā)明的圖像傳感器像素陣列固定模式噪聲消除電路的工作原理示意圖。
[0040]元件標(biāo)號說明
[0041]507控制柵
[0042]505半浮柵
[0043]503漏極摻雜區(qū)
[0044]513及514 漏端電極
[0045]511源極摻雜區(qū)
[0046]510源端電極
[0047]502擴散區(qū)
【具體實施方式】
[0048]以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的【具體實施方式】加以實施或應(yīng)用，本說明書中的各項細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0049]請參閱圖1~圖8。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式·中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0050]如4及圖5所示，本實施例提供一圖像傳感器像素陣列固定模式噪聲消除電路，所述像素陣列包括呈矩形陣列排列的多個半浮柵晶體管像素，其中:
[0051]所述固定模式噪聲消除電路包括與所述像素陣列的每一列連接的讀出電路以及連接于各該讀出電路的補償電路，所述讀出電路包括電流比較電路及計數(shù)器，所述補償電路包括計算電路、查找表、矯正電路及斜坡電壓發(fā)生器；
[0052]所述電流比較電路用于比較各該半浮柵晶體管像素的輸出電流與所述斜坡電流，并在所述讀出電流與斜坡電流相等時產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)信號；
[0053]所述計數(shù)器用于依據(jù)所述翻轉(zhuǎn)信號產(chǎn)生數(shù)字信號并輸出；
[0054]所述計算電路用于計算各該半浮柵晶體管像素結(jié)構(gòu)的對應(yīng)的數(shù)字信號與基準(zhǔn)值的差值并將該差值存儲至所述查找表；
[0055]所述矯正電路根據(jù)所述查找表的差值對所述斜坡電壓發(fā)生器輸出的斜坡電壓的斜率進(jìn)行調(diào)整，該調(diào)整后的斜坡電壓用于對各該讀出電路進(jìn)行補償；
[0056]所述斜坡電壓發(fā)生器用于產(chǎn)生斜坡電壓并通過所述電流比較電路產(chǎn)生斜坡電流。
[0057]如圖1所示，所述半浮柵晶體管像素主要包括控制柵507、半浮柵505、漏極摻雜區(qū)503、漏端電極513及514、源極摻雜區(qū)511、源端電極510、溝道區(qū)、及擴散區(qū)502、其中:
[0058]所述控制柵507覆蓋于所述半浮柵505的表面；
[0059]所述半浮柵505包括覆蓋于所述溝道區(qū)及部分漏極摻雜區(qū)503表面的柵介質(zhì)層及柵電極層，且所述柵介質(zhì)層于所述漏極摻雜區(qū)表面處具有開口，所述開口下方的漏極摻雜區(qū)503中具有一擴散區(qū)502，所述半浮柵505、擴散區(qū)502及漏極摻雜區(qū)503共同形成一用于感光的光電二極管；
[0060]所述半浮柵505的摻雜類型與漏極摻雜區(qū)503、源極摻雜區(qū)511的摻雜類型相反，所述擴散區(qū)502的摻雜類型與所述半浮柵505的摻雜類型相同。
[0061]所述半浮柵晶體管像素在感光的過程中，首先對漏極摻雜區(qū)503、擴散區(qū)502及半浮柵505組成的光電二極管施加正偏電壓，進(jìn)行復(fù)位操作，清空半浮柵區(qū)505上的電荷；隨后對光電二極管施加反偏電壓，使其進(jìn)入曝光狀態(tài)，光生電荷被收集到半浮柵505區(qū)域，其電壓升高，因此整個SFGT器件的閾值電壓Vth下降，光照強度越大，半浮柵505區(qū)域的電壓上升越多，閾值電壓下降值Vth也越大；在讀出階段，對控制柵507的電極和漏端電極513及514分別施加一定的正電壓，則會有電流經(jīng)漏極摻雜區(qū)503流向源端電極510。讀取源端電極510的電流，根據(jù)電流值的大小，就可以反映出光照的強弱，從而達(dá)到感光的功能。
[0062]如圖4所示，作為示例，所述電流比較電路包括電流鏡及兩管比較器，所述電流鏡由第一 NMOS管Tl及第二 NMOS管T2組成，所述兩管比較器由所述第二 NMOS管T2及PMOS管T3組成，其中，所述第一 NMOS管Tl的第一極與其柵極、半浮柵晶體管像素及所述第二NMOS管T2的柵極相連，第二極接地；所述第二 NMOS管T2的第一極與所述PMOS管T3的第一極相連，第二極接地；所述PMOS管T3的第二極接外部電源，柵極連接所述斜坡電壓發(fā)生器。
[0063]當(dāng)然，所述電流比較電路可以采用其它的電路實現(xiàn)，作為另一種電流比較電路的實現(xiàn)電路，如圖5所示，所述電流比較電路包括阻抗放大器Al及兩管比較器，所述兩管比較器由NMOS管T2及PMOS管T3組成，其中，所述阻抗放大器Al的第一輸入端接半浮柵晶體管像素，第二輸入端接地，輸出端接所述NMOS管T2的柵極；所述NMOS管T2的第一極與所述PMOS管T3的第一極相連，第二極接地；所述PMOS管T3的第二極接外部電源，柵極連接所述斜坡電壓發(fā)生器。
[0064]在所述圖像傳感器像素陣列固定模式噪聲消除電路的實際運作過程中，所述計數(shù)器由時鐘信號觸發(fā)開始計數(shù)，具體為在像素整列復(fù)位結(jié)束時，也即所述斜坡電壓發(fā)生器開始產(chǎn)生斜坡電壓時開始計數(shù)，在接收到所述翻轉(zhuǎn)信號時停止計數(shù)并輸出數(shù)字信號。
[0065]作為示例，所述基準(zhǔn)值為各該半浮柵晶體管像素結(jié)構(gòu)的對應(yīng)的數(shù)字信號中的最大值或最小值或該最大值與最小值之間的任意值。
[0066]為了使所述圖像傳感器像素陣列固定模式噪聲消除電路達(dá)到一個比較良好的效果，所述計算電路包括:
[0067]平均電路，用于計算所有半浮柵晶體管像素結(jié)構(gòu)的對應(yīng)的數(shù)字信號的平均值，作為基準(zhǔn)值；
[0068]差值電路，用于計算各該半浮柵晶體管像素結(jié)構(gòu)的對應(yīng)的數(shù)字信號與所述平均值的差值并將該差值存儲至所述查找表。
[0069]如圖6所示，具體地，所述平均電路包括:用于寄存所述計數(shù)器輸出的數(shù)字信號的寄存器(未予圖示)、多個具有第一阻值A(chǔ)的第一電阻R1、具有第二阻值r2的第二電阻R2及第一運算放大器A2 ;其中，所述多個第一電阻Rl的第一端分別連接于所述寄存器，另一端共同與所述第二電阻R2的第一端及所述第一運算放大器A2的第一輸入端相連，所述第二電阻R2的第二端與所述第一運算放大器A2的輸出端相連，所述第一運算放大器A2的第二輸入端接地；其中，r2=ri/N，N為所述第一電阻的個數(shù)；
[0070]所述差值電路包括第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5及第二運算放大器A3 ；其中，所述第三電阻R3的第一端與所述第二電阻相連，所述第四電阻R4的第一端與所述寄存器相連，所述第三電阻R3的·第二端與所述第四電阻R4的第二端相連，且連接于所述第五電阻R5的第一端及所述第二運算放大器A3的第一輸入端，所述第五電阻R5的第二端與所述第二運算放大器A3的輸出端相連，所述第二運算放大器A3的第二輸入端接地。
[0071]其中，所述第三電阻R3、第四電阻R4及第五電阻R5的阻值相等；所述第一運算放大器A2及第二運算放大器A3的理想特性為:第一輸入端及第二輸入端的電壓相等，流過所述第一運算放大器A2及第二運算放大器A3均為零。作為可選實施例，第二輸入端接地，即:第一輸入端及第二輸入端的電壓均為接地電壓。需要說明的是，本實施例中，第一運算放大器A2和第二運算放大器A3的第一輸入端為反相輸入端，第二輸入端為同相輸入端。
[0072]上述計算電路的工作原理為:
[0073]第一，從寄存器中同時輸入與所述計數(shù)器所得數(shù)字信號對應(yīng)的電壓信號ul、u2、
u3......uN，各該電壓信號藉由所述多個第一電阻轉(zhuǎn)化成電流信號后于節(jié)點O1相疊加輸出疊
加電流，所述疊加電流通過所述第二電阻r2=r 1/N后便獲得平均電壓:
[0074]U 平均=-(ul+u2+u3......+uN) /N ；
[0075]第二，所述平均電壓U平均通過所述第三電阻R3轉(zhuǎn)化成平均電流，從寄存器逐個輸入與所述計數(shù)器所得數(shù)字信號對應(yīng)的電壓信號ul、u2、u3……uN，通過第四電阻R4轉(zhuǎn)化成電流后于節(jié)點O2與所述平均電流相疊加后，通過所述第五電阻R5轉(zhuǎn)化成節(jié)點O輸出的電壓差值U0并存儲至所述查找表，U0=U平均一 ui，Ui為第四電阻R4第一端從寄存器依次輸入的電壓信號ul、u2......uN。
[0076]所述斜坡發(fā)生器的工作參數(shù)一般包括工作頻率、步進(jìn)長度、偏移電壓等，因此，通過矯正所述斜坡電壓發(fā)生器的工作頻率、步進(jìn)長度或偏移電壓均可達(dá)到矯正其輸出的斜坡電壓的斜率的效果。
[0077]如圖7所示，所述矯正電路包括第一電流鏡組及第二電流鏡組，其中:
[0078]所述第一電流鏡組包括用于輸入第一電流源的共用匪OS管匪I及與該共用NMOS分別組成NMOS電流鏡的多個NMOS管匪2、匪3、NM4及匪5，所述多個NMOS電流鏡的輸出端分別連接有開關(guān)S5、S6、S7及S8，各該開關(guān)連接于所述查找表，并通過所述查找表控制其開啟或閉合；其中，各該NMOS電流鏡具有各自的電流放大倍數(shù)，且各該電流放大倍數(shù)與所述查找表中的的各該差值對應(yīng)；
[0079]所述第二電流鏡組包括用于輸入第二電流源的共用PMOS管及與該共用PMOS管PMl分別組成PMOS電流鏡的多個PMOS管PM2、PM3、PM4及PM5，所述多個PMOS電流鏡的輸出端分別連接有開關(guān)S1、S2、S3及S4，各該開關(guān)連接于所述查找表，并通過所述查找表控制其開啟或閉合；其中，各該PMOS電流鏡具有各自的電流放大倍數(shù)，且各該電流放大倍數(shù)與所述查找表中的的各該差值對應(yīng)。
[0080]由于查找表中的數(shù)值為差值，故該些數(shù)值一般不會過大，因此，在本實施例中，所述第一電流鏡組的NMOS電流鏡數(shù)量為4個，且所述第二電流鏡組的PMOS電流鏡的數(shù)量也為4個。具體地，各該NMOS電流鏡具有各自的電流放大倍數(shù)，且各該電流放大倍數(shù)與所述查找表中的的各該差值對應(yīng)，例如，當(dāng)所述查找表中的差值分別為-1、-2、-3、-4時，則根據(jù)該數(shù)值分別選通相應(yīng)的電流放大倍數(shù)的NMOS電流鏡輸出放大電流；而當(dāng)所述查找表中的差值分別為1、2、3、4時，則根據(jù)該數(shù)值分別選通相應(yīng)的電流放大倍數(shù)的PMOS電流鏡輸出放大電流；上述的放大電流輸出至所述斜坡電壓發(fā)生器的輸出端對其輸出進(jìn)行補償，以實現(xiàn)對斜坡電壓的斜率的調(diào)整。
[0081]如圖8所示，本發(fā)明的圖像傳感器像素陣列固定模式噪聲消除電路的工作工程為:
[0082]第一步，采用一定亮度的點光源在與所述像素陣列足夠遠(yuǎn)的距離垂直照射像素陣列，保證每個半浮柵晶體管像素接收到的光照強度相等；
[0083]第二步，通過控制所述半浮柵晶體管像素陣列的控制柵電壓Ve和漏極電壓VD，對像素陣列中的每個半浮柵晶體管(SFGT)像素進(jìn)行復(fù)位，使各該半浮柵晶體管像素的半浮柵上的電荷清空；
[0084]第三步，通過控制所述半浮柵晶體管像素陣列的控制柵電壓Ve和漏極電壓VD，對像素陣列中的每個半浮柵晶體管像素進(jìn)行曝光，將光照產(chǎn)生的光電子通過半浮柵晶體管像素的隧穿二極管存儲到半浮柵晶體管像素的半浮柵上，從而改變半浮柵晶體管像素的閾值電壓Vth，閾值電壓Vth的大小即反映了光照強度；
[0085]第四步，通過控制所述半浮柵晶體管像素陣列的控制柵電壓Ve和漏極電壓VD，對像素陣列中的每個半浮柵晶體管像素進(jìn)行讀出，使半浮柵晶體管像素產(chǎn)生讀出電流，每個半浮柵晶體管像素的讀出電流大小與每個半浮柵晶體管的閾值電壓Vth有關(guān)；
[0086]第五步，通過控制所述半浮柵晶體管像素陣列中不同的VD[i]和VJi]，從而可以依次逐行選通各行讀出電流，而每列的讀出電流I (j)分別輸入到各個讀出電路，原始的讀出信號如圖8中Original pixel output曲線所示；
[0087]第六步，任意列的讀出電流I (j)通過電流鏡鏡像到兩管比較器的第二 NMOS管上，所述兩管比較器的輸出信號如圖8中PWM曲線所示；
[0088]第七步，斜坡電壓發(fā)生器(Ramp Generator)產(chǎn)生的原始斜坡電壓輸入到兩管比較器中PMOS的柵極，從而在PMOS中產(chǎn)生從小到大的斜坡電流，如圖8中的Original ramp曲線所示，此時，所述計數(shù)器同時開始計數(shù)，如圖8中的PWM count曲線所示；
[0089]第八步，當(dāng)上述斜坡電流增大到等于讀出電流I (j)時,Vc(j)被拉低，比較器翻轉(zhuǎn)到低電平(即產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)信號)，上述產(chǎn)生的翻轉(zhuǎn)信號輸入到讀出電路中的計數(shù)器(counter)的使能端(en)，使所述計數(shù)器停止計數(shù)；
[0090]第九步，上述計數(shù)器由時鐘信號CLK觸發(fā)，當(dāng)所述斜坡電壓發(fā)生器產(chǎn)生斜坡電壓時，時鐘信號CLK觸發(fā)計數(shù)器開始計數(shù)，直到上述條件下停止計數(shù)并輸出數(shù)字信號，計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果即反映了讀出電流的大小，也即光照強度的大??；并且，由于器件不匹配等原因造成的固定模式噪聲(FPN)，使相同光照條件下，每個像素產(chǎn)生的計數(shù)結(jié)果有差異，也即產(chǎn)生噪聲；
[0091]第十步，將所有像素的計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果存入寄存器中，并使用一個平均電路求出它們的平均值，再使用一個差值電路依次求出每個像素的計數(shù)結(jié)果與平均值的差值，并將各差值存儲至所述查找表；本發(fā)明通過查找表的方式，只需一次性將各差值存儲至查找表，此后正式應(yīng)用時只要找到查找表中對應(yīng)的差值，并通過矯正電路矯正斜坡電壓的斜率，就可以消除掉所有的固定模式噪聲(FPN)(包括像素級噪聲和列級噪聲)。
[0092]在圖像傳感器芯片正式投入應(yīng)用后，選通任意一個像素讀出的同時，通過地址尋址信號addr找到查找表中該像素對應(yīng)的差值，將上述差值輸入到一個矯正電路中，將該差值轉(zhuǎn)化成斜坡電壓發(fā)生器的斜率差值，從而改變斜坡電壓發(fā)生器產(chǎn)生的斜率，矯正后的斜坡電壓的斜率如圖8中Calibrated ramp曲線所示,矯正后最終計數(shù)器讀出信號如圖8中的Correct PWM count所示，矯正后的斜率可以保證該圖像傳感器的所有像素在相同光照條件下產(chǎn)生的計數(shù)器計數(shù)結(jié)果相等，也即消除了固定模式噪聲(FPN)。
[0093]如上所述，本發(fā)明提供一種圖像傳感器像素陣列固定模式噪聲消除電路，所述像素陣列包括呈矩形陣列排列的多個半浮柵晶體管像素，其中:所述固定模式噪聲消除電路包括與所述像素陣列的每一列連接的讀出電路以及連接于各該讀出電路的補償電路，所述讀出電路包括電流比較電路及計數(shù)器，所述補償電路包括計算電路、查找表、矯正電路及斜坡電壓發(fā)生器；所述電流比較電路用于比較各該半浮柵晶體管像素的輸出電流與所述斜坡電流，并在所述讀出電流與斜坡電流相等時產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)信號；所述計數(shù)器用于依據(jù)所述翻轉(zhuǎn)信號產(chǎn)生數(shù)字信號并輸出；所述計算電路用于計算各該半浮柵晶體管像素結(jié)構(gòu)的對應(yīng)的數(shù)字信號與基準(zhǔn)值的差值并將該差值存儲至所述查找表；所述矯正電路根據(jù)所述查找表的差值對所述斜坡電壓發(fā)生器輸出的斜坡電壓的斜率進(jìn)行調(diào)整，該矯正后的斜坡電壓用于對各該讀出電路進(jìn)行補償；所述斜坡電壓發(fā)生器用于產(chǎn)生斜坡電壓并通過所述電流比較電路產(chǎn)生斜坡電流。本發(fā)明可以通過獨特的讀出電路及外部補償電路徹底消除半浮柵晶體管(SFGT)像素陣列的固定模式噪聲(FPN)，從而提高信號讀出的精度，改善圖像質(zhì)量。結(jié)合半浮柵晶體管(SFGT)像素陣列本身像素尺寸小、填充因子大的優(yōu)點，本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于半浮柵晶體管(SFGT)這種新型器件的圖像傳感器中。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點而具高度產(chǎn)業(yè)利用價值。
[0094]上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1.一種圖像傳感器像素陣列固定模式噪聲消除電路，所述像素陣列包括呈矩形陣列排列的多個半浮柵晶體管像素，其特征在于: 所述固定模式噪聲消除電路包括與所述像素陣列的每一列連接的讀出電路以及連接于各該讀出電路的補償電路，所述讀出電路包括電流比較電路及計數(shù)器，所述補償電路包括斜坡電壓發(fā)生器、計算電路、查找表及矯正電路； 所述斜坡電壓發(fā)生器用于產(chǎn)生斜坡電壓并通過所述電流比較電路產(chǎn)生斜坡電流； 所述電流比較電路用于比較各該半浮柵晶體管像素的輸出電流與所述斜坡電流，并在所述讀出電流與斜坡電流相等時產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)信號； 所述計數(shù)器用于依據(jù)所述翻轉(zhuǎn)信號產(chǎn)生數(shù)字信號并輸出； 所述計算電路用于計算各該半浮柵晶體管像素的對應(yīng)的數(shù)字信號與基準(zhǔn)值的差值并將該差值存儲至所述查找表； 所述矯正電路根據(jù)所述查找表的差值對所述斜坡電壓發(fā)生器輸出的斜坡電壓的斜率進(jìn)行調(diào)整，該調(diào)整后的斜坡電壓用于對各該讀出電路進(jìn)行補償。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器像素陣列固定模式噪聲消除電路，其特征在于:所述電流比較電路包括電流鏡及兩管比較器，所述電流鏡由第一 NMOS管及第二 NMOS管組成，所述兩管比較器由所述第二 NMOS管及PMOS管組成，其中，所述第一 NMOS管的第一極與其柵極、半浮柵晶體管像素及所述第二 NMOS管的柵極相連，第二極接地；所述第二 NMOS管的第一極與所述PMOS管的第一極相連，第二極接地；所述PMOS管的第二極接外部電源，柵極連接所述斜坡電壓發(fā)生器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器像素陣列固定模式噪聲消除電路，其特征在于:所述電流比較電路包括阻抗放大器及兩管比較器，所述兩管比較器由NMOS管及PMOS管組成，其中，所述阻抗放大器的第一輸入端接半浮柵晶體管像素，第二輸入端接地，輸出端接所述NMOS管的柵極；所述NMOS管`的第一極與所述PMOS管的第一極相連，第二極接地；所述PMOS管的第二極接外部電源，柵極連接所述斜坡電壓發(fā)生器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器像素陣列固定模式噪聲消除電路，其特征在于:所述計數(shù)器在像素陣列復(fù)位結(jié)束，也即所述斜坡電壓發(fā)生器開始產(chǎn)生斜坡電壓時開始計數(shù)，在接收到所述翻轉(zhuǎn)信號時停止計數(shù)并輸出數(shù)字信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器像素陣列固定模式噪聲消除電路，其特征在于:所述基準(zhǔn)值為各該半浮柵晶體管像素結(jié)構(gòu)的對應(yīng)的數(shù)字信號中的最大值或最小值或該最大值與最小值之間的任意值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器像素陣列固定模式噪聲消除電路，其特征在于:所述計算電路包括: 平均電路，用于計算所有半浮柵晶體管像素的對應(yīng)的數(shù)字信號的平均值，作為基準(zhǔn)值； 差值電路，用于計算各該半浮柵晶體管像素的對應(yīng)的數(shù)字信號與所述平均值的差值并將該差值存儲至所述查找表。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的圖像傳感器像素陣列固定模式噪聲消除電路，其特征在于: 所述平均電路包括:用于寄存所述計數(shù)器輸出的數(shù)字信號的寄存器、多個具有第一阻值!^的第一電阻、具有第二阻值1"2的第二電阻及第一運算放大器；其中，所述多個第一電阻的第一端分別連接于所述寄存器，另一端共同與所述第二電阻的第一端及所述第一運算放大器的第一輸入端相連，所述第二電阻的第二端與所述第一運算放大器的輸出端相連，所述第一運算放大器的第二輸入端接地；其中，r2=ri/N，N為所述第一電阻的個數(shù)； 所述差值電路包括第三電阻、第四電阻、第五電阻及第二運算放大器；其中，所述第三電阻的第一端與所述第二電阻相連，所述第四電阻的第一端與所述寄存器相連，所述第三電阻的第二端與所述第四電阻的第二端相連，且連接于所述第五電阻的第一端及所述第二運算放大器的第一輸入端，所述第五電阻的第二端與所述第二運算放大器的輸出端相連，所述第二運算放大器的第二輸入端接地。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器像素陣列固定模式噪聲消除電路，其特征在于:通過矯正所述斜坡電壓發(fā)生器的工作頻率、步進(jìn)長度或偏移電壓來矯正其輸出的斜坡電壓的斜率。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器像素陣列固定模式噪聲消除電路，其特征在于:所述矯正電路包括第一電流鏡組及第二電流鏡組，其中: 所述第一電流鏡組包括用于輸入第一電流源的共用NMOS管及與該共用NMOS分別組成NMOS電流鏡的多個NMOS管，所述多個NMOS電流鏡的輸出端分別連接有開關(guān)，各該開關(guān)連接于所述查找表，并通過所述查找表控制其開啟或閉合；其中，各該NMOS電流鏡具有各自的電流放大倍數(shù)，且各該電流放大倍數(shù)與所述查找表中的的各該差值對應(yīng)； 所述第二電流鏡組包括用于輸入第二電流源的共用PMOS管及與該共用PMOS管分別組成PMOS電流鏡的多個PMOS管，所述多個PMOS電流鏡的輸出端分別連接有開關(guān)，各該開關(guān)連接于所述查找表，并通過所述查找表控制其開啟或閉合；其中，各該PMOS電流鏡具有各自的電流放大倍數(shù)，且各該電流放大倍數(shù)與所述查找表中的的各該差值對應(yīng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器像素陣列固定模式噪聲消除電路，其特征在于:所述半浮柵晶體管像素包括控`制柵、半浮柵、漏極摻雜區(qū)、源極摻雜區(qū)及溝道區(qū)，其中: 所述控制柵覆蓋于所述半浮柵的表面； 所述半浮柵包括覆蓋于所述溝道區(qū)及部分漏極摻雜區(qū)表面的柵介質(zhì)層及柵電極層，且所述柵介質(zhì)層于所述漏極摻雜區(qū)表面處具有開口，所述開口下方的漏極摻雜區(qū)中具有擴散區(qū)，所述半浮柵、擴散區(qū)及漏極摻雜區(qū)共同形成用于感光的光電二極管； 所述半浮柵的摻雜類型與漏極摻雜區(qū)、源極摻雜區(qū)的摻雜類型相反，所述擴散區(qū)的摻雜類型與所述半浮柵的摻雜類型相同。
【文檔編號】H04N5/374GK103685994SQ201410002674
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2014年1月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月3日
【發(fā)明者】但垂福, 陳志卿, 章琦, 田犁, 汪寧, 方娜, 汪輝, 陳杰 申請人:中國科學(xué)院上海高等研究院