本實用新型涉及圖像傳感器領(lǐng)域，特別是涉及一種高動態(tài)BiCMOS圖像傳感器。

背景技術(shù)：

圖像傳感器是一種將光學圖像轉(zhuǎn)換成電信號的半導體器件。圖像傳感器大體上可以分為電荷耦合元件(CCD)和互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器。相比于CCD圖像傳感器，CMOS圖像傳感器因低成本、低功耗、高集成度等優(yōu)點使其越來越受到人們的重視，CMOS圖像傳感器已廣泛運用于手機相機、PC電腦、可視電話、攝像頭、攝像機、安防監(jiān)控、車載電話、玩具等領(lǐng)域。另外CMOS圖像傳感器還可用于軍事偵察、制導、衛(wèi)星等重要領(lǐng)域。

圖像傳感器的動態(tài)范圍定義為最大非飽和信號和最小可測信號的比值，大動態(tài)范圍的圖像傳感器可以探測到更寬光信號范圍內(nèi)的場景信息，探測到圖像的細節(jié)更豐富，動態(tài)范圍是圖像傳感器成像質(zhì)量的重要指標。

然而，很多研究結(jié)果表明，傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器的動態(tài)范圍遠遠無法達到自然場景的光動態(tài)范圍，CMOS圖像傳感器若要在更多領(lǐng)域取代CCD圖像傳感器，開拓出更大的市場，就必須擴展其動態(tài)范圍。

從動態(tài)范圍定義中可以看出想要提高CMOS圖像傳感器動態(tài)范圍就必須增大最大非飽和信號或減小噪聲，研究表明，減小電路噪聲實現(xiàn)難度大且效果不明顯，一般通過提高最大非飽和信號來實現(xiàn)動態(tài)范圍擴展。具體方法有勢阱容量調(diào)節(jié)(Adjusting Well Capacity)技術(shù)、局部曝光(Local Shuttering)技術(shù)、對數(shù)響應(yīng)(Logarithmic Response)技術(shù)、自動增益控制(Automatic Gain Control，AGC)技術(shù)、自適應(yīng)曝光調(diào)節(jié)(Adaptive Adjusting Exposure)技術(shù)、條件復(fù)位(Conditional Reset)技術(shù)。目前比較常用的方法主要是對數(shù)響應(yīng)技術(shù)、條件復(fù)位技術(shù)和自動增益控制技術(shù)。

BiCMOS(Bipolar CMOS)是CMOS和雙極器件同時集成在同一塊芯片上的技術(shù)，片上集成以CMOS器件為主要單元電路，在特殊電路模塊中加入雙極器件。因此BiCMOS電路既具有CMOS電路高集成度、低功耗的優(yōu)點，又可獲得了雙極電路高速、大驅(qū)動能力的優(yōu)勢。

本實用新型的高動態(tài)BiCMOS圖像傳感器采用BiCMOS工藝實現(xiàn)光電流放大。相對于傳統(tǒng)的輸出電壓增益自適應(yīng)控制，本實用新型的BiCMOS圖像傳感器直接對光電流進行自適應(yīng)放大，很好的避免了光電流信號-電壓信號轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)的非線性偏差。另外，本實用新型的高動態(tài)BiCMOS圖像傳感器利用工作在放大區(qū)的晶體管對電流的放大作用實現(xiàn)光電流放大，線性度好，并且可以獲得很大的像素電壓輸出擺幅。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的核心技術(shù)在于采用雙極性晶體管電路對光電流自適應(yīng)放大，實現(xiàn)對不同強度的光信號檢測，從而擴展圖像傳感器的動態(tài)范圍。

本實用新型提供了一種高動態(tài)BiCMOS圖像傳感器像素單元，其包括光信號檢測電路(I1)、電流放大電路(I2)和電流轉(zhuǎn)電壓電路(I3)；所述光信號檢測電路(I1)將接收到的光信號轉(zhuǎn)化為光電流信號；所述電流放大電路(I2)對光電流信號進行自適應(yīng)放大，其中電流放大倍數(shù)由后端檢測模塊反饋控制，控制信號為S0、S1、S2；所述電流轉(zhuǎn)電壓電路(I3)將放大后的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，作為像素的輸出電壓信號。

所述光信號檢測電路(I1)包括一個光電二極管、第一PMOS管(MP1)和第二PMOS管(MP2)，所述光電二極管用于將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電流信號I0，然后通過所述第一和第二PMOS(MP1、MP2)管鏡像輸出到所述電流放大電路(I2)。

所述電流放大電路(I2)包括第一晶體管(Q1)、第二晶體管(Q2)、第三晶體管(Q3)、第三PMOS 管(MP3)、第四PMOS管(MP4)、第一NMOS管(MN1)、第二NMOS管(MN2)、第三NMOS管(MN3)，所述第一晶體管(Q1)、第二晶體管(Q2)、第三晶體管(Q3)級聯(lián)用作電流放大；所述第一NMOS管(MN1)、第二NMOS管(MN2)、第三NMOS管(MN3)，為電流增益控制開關(guān)，開關(guān)的斷開或閉合分別由所述控制信號S0、S1、S2控制，高電平有效。

所述電流轉(zhuǎn)電壓電路(I3)包括第五PMOS管(MP5)、第六PMOS管(MP6)和第一電阻(R1)，第五PMOS管(MP5)為鏡像對管，第六PMOS管(MP6)為所述電流轉(zhuǎn)電壓電路(I3)的使能開關(guān)，由行選信號控制，所述第一電阻(R1)用于將第五PMOS管(MP5)的鏡像電流Ip轉(zhuǎn)換成電壓。

優(yōu)選地，為了保證晶體管能夠工作在放大區(qū)，晶體管的級聯(lián)級數(shù)受電源電壓和晶體管閾值電壓限制；所述第三PMOS管(MP3)與所述第五PMOS管(MP5)形成鏡像對管，將電流鏡像到電流轉(zhuǎn)電壓電路。

優(yōu)選地，為了克服MOS管的溝道長度調(diào)制效應(yīng)，鏡像對管的溝道長度需要設(shè)計得比較大；所述第四PMOS管MP4用作電流放大電路的使能開關(guān)，由行選信號控制，當像素單元未選通時，電流放大電路不工作，從而降低像素陣列的靜態(tài)功耗。

本實用新型還提供了一種高動態(tài)BiCMOS圖像傳感器，其包括上述像素單元。

本實用新型還提供了一種用于高動態(tài)BiCMOS圖像傳感器的像素輸出電壓采樣存儲電路，其特征在于，其包括運算放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、自適應(yīng)增益控制檢測電路、數(shù)字信號解碼電路和存儲模塊；所述運算放大器的輸出O與輸入V-相接，作為單位增益跟隨器，將像素的輸出電壓信號等效輸入到所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路ADC采樣像素輸出電壓，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，輸出到所述自適應(yīng)增益控制檢測電路；所述自適應(yīng)增益控制檢測電路用于檢測輸入數(shù)字信號Din是否滿足設(shè)定要求，以控制內(nèi)部狀態(tài)轉(zhuǎn)換，輸出S0、S1、S2信號控制電流增益，所述自適應(yīng)增益控制檢測電路還輸出對應(yīng)的狀態(tài)計數(shù)信號Count和采樣電壓值的數(shù)字信號Dout，所述數(shù)字信號解碼電路用于對所述自適應(yīng)增益控制檢測電路輸出的采樣電壓值數(shù)字信號進行解碼，并將解碼后的像素輸出值輸入所述存儲模塊，所述存儲模塊用于存儲所述像素輸出值。

本實用新型利用晶體管對電流的放大作用實現(xiàn)光電流放大。電流增益控制主要通過NMOS管開關(guān)控制晶體管的級聯(lián)級數(shù)實現(xiàn)。電流增益自適應(yīng)控制技術(shù)可以實現(xiàn)高動態(tài)范圍的光信號檢測，對于強度較大的光信號，電路會自適應(yīng)調(diào)節(jié)到低電流增益，對于強度較小的光信號，電路會自適應(yīng)調(diào)節(jié)到高電流增益，這樣無論是光強光弱，ADC都能采樣到合適的像素電壓值，然后將像素輸出電壓的數(shù)字信號和電流放大倍數(shù)控制信號聯(lián)合解碼，得到與不同光信號強度對等的數(shù)字信號。

本實用新型的高動態(tài)BiCMOS圖像傳感器優(yōu)點：1、采用標準BiCMOS工藝實現(xiàn)，易集成，功耗低；2、采用電流增益自適應(yīng)控制技術(shù)，可以實現(xiàn)高動態(tài)范圍的光信號檢測；3、本實用新型的像素單元各電路模塊間均采用電流鏡像，抗外部噪聲能力強；4、本實用新型的像素單元電路直接對光電流進行自適應(yīng)放大，線性度好，誤差小，像素的輸出電壓擺幅大。

附圖說明

圖1是本實用新型高動態(tài)BiCMOS圖像傳感器像素單元的原理框圖。

圖2是本實用新型高動態(tài)BiCMOS圖像傳感器實施方式的像素單元原理圖。

圖3是本實用新型圖像傳感器的像素輸出電壓采樣存儲的電路模塊示圖。

圖4是本實用新型高動態(tài)BiCMOS圖像傳感器的工作流程圖。

圖5是圖3所述Detect模塊中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。

具體實施方式

圖1是本實用新型高動態(tài)BiCMOS圖像傳感器像素單元的原理框圖。如圖1所示，本實用新型的像素單元包括光信號檢測電路I1、電流放大電路I2和電流轉(zhuǎn)電壓電路I3。

圖2是本實用新型高動態(tài)BiCMOS圖像傳感器實施例的像素單元的具體電路圖。所述光信號檢測電路 I1包括一個光電二極管和兩個PMOS管。第一光電二極管D1一端接地GND，另一端接第一PMOS管MP1的漏極、柵極和第二PMOS管MP2柵極；第一PMOS管MP1的源極和第二PMOS管MP2的源極接電源VDD，第二PMOS管的漏極接第一晶體管Q1的基極。

所述電流放大電路I2包括三個晶體管、三個NMOS管和兩個PMOS管。第一晶體管Q1的基極接第二PMOS管MP2的漏極，第一晶體管Q1的發(fā)射極接第一NMOS管的漏極和第二晶體管Q2的基極，第二晶體管Q2的發(fā)射極接第二NMOS管的漏極和第三晶體管Q3的基極，第三晶體管Q3的發(fā)射極接第三NMOS管的漏極，晶體管Q1、Q2、Q3的集電極接第三PMOS管MP3的漏極；NMOS管MN1、MN2、MN3的源極接地GND；第三PMOS管MP3的柵極、漏極與第五PMOS管MP5的柵極相接，第三PMOS管MP3的源極與第四PMOS管MP4的漏極相接；第四PMOS管MP4的源極接電源VDD，第四PMOS管MP4的柵極與第六PMOS管的柵極連接，受控于行選信號SEL。

所述電流轉(zhuǎn)電壓電路I3包括兩個PMOS管和一個電阻，第六PMOS管MP6的源極接電源VDD，第六PMOS管MP6的漏極接第五PMOS管MP5的源極；第五PMOS管MP5的柵極接第三PMOS管MP3的柵極，第五PMOS管MP5的漏極和第一電阻R1的一端接行選MOS管M1，作為像素單元的電壓輸出端口，第一電阻R1的另一端接地GND。

圖3是本實用新型高動態(tài)BiCMOS圖像傳感器的像素輸出電壓采樣存儲的電路模塊示圖，包括五個子模塊電路，分別是運算放大器OPA、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路ADC、自適應(yīng)增益控制檢測電路Detect、數(shù)字信號解碼電路Decode和存儲模塊STORE RAM。所述運算放大器OPA的輸出O與輸入V-相接，用作單位增益跟隨器，將像素的輸出電壓信號等效輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路ADC中，可以避免ADC與像素輸出直接相接引起的采樣電壓變化；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路ADC采樣像素輸出電壓，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，輸出到自適應(yīng)增益控制檢測電路；所述的自適應(yīng)增益控制檢測電路Detect主要作用是檢測輸入數(shù)字信號Din是否滿足設(shè)定要求，從而控制內(nèi)部狀態(tài)轉(zhuǎn)換，輸出S0、S1、S2信號控制電流增益，另外還要輸出對應(yīng)的狀態(tài)計數(shù)信號Count和采樣電壓值的數(shù)字信號Dout，自適應(yīng)增益控制檢測電路具體的狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖5所示。

圖4是本實用新型高動態(tài)BiCMOS圖像傳感器的工作流程圖。如圖4所示，本實用新型的圖像傳感器的工作流程是：首先相機快門按下，像素曝光，行選通控制依次選各行像素(未選通的像素使能關(guān)閉)，對應(yīng)像素的輸出電壓通過列總線輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路ADC中處理，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后自適應(yīng)增益控制檢測電路Detect檢測數(shù)字信號是否符合設(shè)定，若不符合則轉(zhuǎn)換到下一狀態(tài)，并輸出相應(yīng)的控制信號，直到符合檢測設(shè)定后，解碼/存儲正確的像素輸出值，然后行選轉(zhuǎn)換到下一個像素重復(fù)操作，直到完成所有像素輸出電壓值的存儲。

圖5是所述自適應(yīng)增益控制檢測電路Detect狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。如圖5所示，起始狀態(tài)State0，增益控制信號S0＝1，S1＝0，S2＝0，此時電流放大倍數(shù)為A1，對應(yīng)的像素輸出電壓V_Pixel＝Ip×R1＝A1×I0×R1；若檢測到的像素輸出電壓符合設(shè)定，則解碼/存儲像素輸出電壓的數(shù)字信號；若電壓值太小，則狀態(tài)轉(zhuǎn)換到State1。

State1狀態(tài)的增益控制信號為S0＝0，S1＝1，S2＝0，此時電流放大倍數(shù)約等于A1×A2，對應(yīng)的像素輸出電壓V_Pixel＝Ip×R1＝A1×A2×I0×R1；此時重新檢測像素輸出電壓，若符合設(shè)定，則解碼/存儲像素輸出電壓的數(shù)字信號；若電壓值還是太小，則狀態(tài)轉(zhuǎn)換到State2。

State2狀態(tài)的增益控制信號為S0＝0，S1＝0，S2＝1，此時電流放大倍數(shù)約等于A1×A2×A3，對應(yīng)的像素輸出電壓V_Pixel＝A1×A2×A3×I0×R1，此時因為是最后一個狀態(tài)，因此不再檢測，直接將像素輸出電壓值的數(shù)字信號解碼/存儲。完成解碼存儲后，行選下一行像素，狀態(tài)機恢復(fù)到S0狀態(tài)，重復(fù)此操作，直到完成所有像素輸出電壓值的存儲。

本實用新型不限于這里所述的特定實施例，對本工程領(lǐng)域的技術(shù)人員來說能夠基于本實用新型思想進行各種明顯的變化、重新調(diào)整和替代而不會脫離本實用新型的保護范圍。因此，以上實施例只是對本實用新型進行了較為詳細的說明，但是本實用新型不僅僅限于以上實施例，在不脫離本實用新型構(gòu)思的情況下，還可以包括更多其他等效實施例。