本发明涉及一种超低压CMOS图像传感器像素单元及电压输入输出方法,其中像素单元包括重置晶体管(M1)、光电二极管(D1)及它们中间接点与第一输出端之间的射极互连的源NMOS跟随晶体管(M2)和PMOS管(M3)以及中间接点与第二输出端之间的射极互连的集电极接地的源PMOS跟随晶体管(M4)和NMOS管(M5),M2集电极接偏置电压(V
1.一种超低压CMOS图像传感器像素单元,包括重置晶体管(M1)、光电二极管(D1)及它们中间接点与第一输出端之间的射极互连的源NMOS跟随晶体管(M2)和PMOS管(M3),所述源NMOS跟随晶体管(M2)集电极电连接偏置电压(V_dd),其特征在于,还包括射极互连的:源PMOS跟随晶体管(M4),基极电连接所述中间接点,集电极电连接地;NMOS管(M5),基极电连接选择信号(R_S),集电极电连接第二输出端;所述选择信号(R_S)还电连接所述PMOS管(M3)的基极。
2.根据权利要求1所述超低压CMOS图像传感器像素单元,其特征在于,第一输出端电连接接地的饱和NMOS管(M7),第二输出端电连接接所述偏置电压(V_dd)的饱和PMOS管(M6)。
3.根据权利要求1或2所述超低压CMOS图像传感器像素单元,其特征在于,第一输出端和第二输出端分别电连接集成放大器(A1)的各自对应输入端。
4.基于权利要求1所述超低压CMOS图像传感器像素单元的电压输入输出方法,其特征在于,包括以下步骤:施加V_DD>V_IP+V_IN+2V_dsat的电源电压V_DD作为所述偏置电压(V_dd),V_IP是所述源PMOS跟随晶体管(M4)的阈值电压,V_IN是所述源NMOS跟随晶体管(M2)的阈值电压,V_dsat是经过源电流的电压;第一输出端电压(V_outn)和第二输出端电压(V_outp)共同构成了所述像素单元的输出电压V_output,其范围是:V_dsat<V_output<V_DD-V_dsat。
5.根据权利要求4所述电压输入输出方法,其特征在于,所述电源电压V_DD是1V,所述范围的大小是0.5~0.6V。技术领域
本发明涉及集成电路技术领域,具体涉及一种超低压双互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器像素单元及电压输入输出方法。
背景技术
CMOS图像传感器(CIS)不仅在多数电子产品,如个人电脑、移动电话、掌上电脑等有着广泛的应用,CMOS有源像素单元(APS)也基于自身低成本、低功耗、高集成能力的优势,逐步替代了电荷耦合器件(CCD)。CIS的特性主要由分辨率、填充系数、暗电流、时间噪声、固定图形噪声、灵敏度、响应率、量子效率、动态范围和信噪比决定的。近年,为了制造适应于移动电子器件,如手机、掌上电脑等要求最小功耗的APS器件,展开了减小所需的供应电压值,并延长电池寿命。但是,传统3T-APS结构像素单元,等效电路结构如图1中虚线框内所示,包括重置晶体管M1、光电二极管D1及它们中间接点N1与输出端之间的射极互连的源NMOS跟随晶体管M2和PMOS管M3,M1集电极电连接重置信号Φ1,M2基极电连接N1,M2集电极电连接偏置电压V_dd,M3基极电连接选择信号R_s,该像素单元输出端还电连接接地的饱和NMOS管M7。为了得到最大的信号噪声比和像素动态范围,针对传统3T-APS结构如图2所示,信号必须尽可能大,如果供应电压小于1V,将会影响信号噪声比和像素单元的动态范围,因为允许的输入信号电压减小,低电流将造成较大的噪声电压。所以,信号必须有带有轨至轨信号输入级和轨至轨的信号输出级结构。本发明的目的是如何提高像素单元输出电压的动态范围,从而降低输入电压大小,从而能节省设备功耗。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是,如何提供一种超低压CMOS图像传感器像素单元及电压输入输出方法,相较传统3T-APS结构能大大提高输出电压动态范围,从而降低输入电压、节省功耗。本发明的第一个技术问题这样解决:构建一种超低压CMOS图像传感器像素单元,包括重置晶体管、光电二极管及它们中间接点与第一输出端之间的射极互连的源NMOS跟随晶体管和PMOS管,所述源NMOS跟随晶体管集电极电连接偏置电压,其特征在于,还包括射极互连的:源PMOS跟随晶体管,基极电连接所述中间接点,集电极电连接地;NMOS管,基极电连接选择信号,集电极电连接第二输出端;所述选择信号还电连接所述PMOS管的基极。按照本发明提供的超低压CMOS图像传感器像素单元,第一输出端电连接接地的饱和NMOS管,第二输出端电连接接所述偏置电压的饱和PMOS管。按照本发明提供的超低压CMOS图像传感器像素单元,第一输出端和第二输出端分别电连接集成放大器的各自对应输入端。本发明的另一个技术问题这样解决:构建一种超低压CMOS图像传感器像素单元的电压输入输出方法,其特征在于,包括以下步骤:施加V_DD>V_IP+V_IN+2V_dsat的电源电压V_DD作为所述偏置电压,V_IP是所述源PMOS跟随晶体管的阈值电压,V_IN是所述源NMOS跟随晶体管的阈值电压,V_dsat是经过源电流的电压;第一输出端电压V_outn和第二输出端电压V_outp共同构成了所述像素单元的输出电压V_output,其范围是:V_dsat<V_output<V_DD-V_dsat。按照本发明提供的所述电压输入输出方法,所述电源电压V_DD是1V,所述范围的大小是0.5~0.6V。本发明提供的超低压CMOS图像传感器像素单元及电压输入输出方法,相较于最大有效输出电压范围只有(V_DD-2V_T-V_dsat)、动态范围受限于重置晶体管和源随晶体管的阈值电压降、不能脱离复杂输出电路工作于低于1V电源电压状态的传统3T-APS结构单元而言,更为稳定、高效地使像素单元工作于超低电源电压状态,并扩大信号噪声比和像素动态范围。
附图说明
下面结合附图和具体实施例进一步对本发明进行详细说明:图1为传统3T-APS结构像素单元等效电路结构示意图;图2为图1所示传统3T-APS结构像素单元有效动态范围示意图;图3为本发明超低压像素单元结构等效电路结构示意图;图4为图3所示超低压像素单元的有效动态范围示意图;图5为绝缘衬底上的硅(SOI)CMOS技术下的超低压像素单元结构图;图6为体硅CMOS技术下的超低压像素单元结构图。
具体实施方式
首先,说明本发明所提供的能提高CMOS图像传感器填充系数的像素单元的具体单元结构和操作机理:(一)单元结构该像素单元,具体等效电路结构如图3中虚线框内部所示,在传统3T-APS结构的基础上增加射极互连的:一个源PMOS跟随晶体管M4,基极电连接所述中间接点,集电极电连接地;一个NMOS管M5,基极电连接选择信号R_S,集电极电连接第二输出端;所述选择信号R_S还电连接所述PMOS管M3的基极。这样M2、M3、M4、M5共同构成互补的信号通道,第二输出端还电连接接所述偏置电压V_dd的饱和PMOS管M6,与原有输出端(第一输出端)一起电连接集成放大器A1的对应输入端,共同构成输出电压V_out。(二)操作机理1整体结构:像素单元由一个光电二极管、一个重置晶体管(M1)、四个构成平行互补信号通道的晶体管M2、M3、M4、M5和两个源跟随晶体管M6、M7组成。2重置晶体管M1用于减小电源V_dd和输入节点N1的阈值电压降,两互补源跟随晶体管M2、M5用于放大N1处的信号,并将其传输至输出。源NMOS管M2的输入输出范围如下所示:V_dsat+V_IN<V_Ninput<V_DDV_dsat<V_Noutput<V_DD-V_IN其中,V_Ninput和V_Noutput分别为N1的输入输出电压范围;V_IN为源NMOS跟随晶体管M2的阈值电压;V_dsat为经过源电流的电压。源PMOS管M5的输入输出范围如下所示:0<V_Pinput<V_DD-V_dsat-V_IPV_IP<V_Poutput<V_DD-V_dsat其中,V_Pinput和V_Poutput分别为N1的输入输出电压范围;V_IP为源PMOS跟随晶体管M4的阈值电压。为了确定完全的轨至轨输入电压,供应电源电压至少为V_IP+V_IN+2V_dsat;同时有效输出电压范围接近轨至轨的电压,如下所示:V_dsat<V_output<V_DD-V_dsat第二,结合本发明具体实施例进一步详细说明,但本发明包括但不限于以下实施例。实施例1采用了电压低至1.2V的0.25um厚度的CMOS台积电(TSMC)技术,根据上述技术,每个像素单元只需要一个多晶硅层和五个金属层的测试结构,且此时V_IN=0.4V,V_IP=0.6V,V_dsat=0.1V,如果偏置晶体管工作在三极管状态或弱反型状态,电源电压将可以更低。该超低压CMOS图像传感器像素单元,具体等效电路结构如图1所示,其中,N1为输入节点,M1是重置晶体管,M2、M3、M4、M5构成平行互补信号通道,M6、M7为单元稳定的轨至轨的输出电压。对应的器件结构图如图5(SOIxa0CMOS技术)、图6(体硅CMOS技术)所示。对应的有效动态范围图如图4所示,大大扩展了输出电压的动态范围。而传统3T-APS像素单元的等效电路图如图1所示,对应的有效动态范围如图2所示。该超低压CMOS图像传感器像素单元具体输入输出原理是:M1和光电二极管D1的连接点作为输入节点N1,其中M1为PMOS管,置于N1和V_DD之间,光电二极管D1连接在N1和地面之间。平行互补信号通道第一个信号通道由连接N1和V_DD的源跟随NMOS管M2、连接M2和输出节点的NMOS管M3组成;第二个信号通道由连接N1和地面的源跟随PMOS管M5、连接M5和输出节点的PMOS管M4组成。M2和M5的栅极输入由N1提供。连接M2、M3输出节点V_outn的是连接地面的饱和NMOS管M7,连接M4、M5输出节点V_outp的是连接电源的饱和PMOS管M6,V_outn和V_outp共同构成了像素单元的输出电压V_out。实验结果表示,该像素单元在1V操作电压下,输出范围为0.55V,8位灵敏度为2mV;远高于经典同尺寸3T-APS动态范围的0.2V。以上所述仅为本发明的较佳实施例,凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰,皆应属本发明权利要求的涵盖范围。