一種基于電荷泵的CMOS圖像傳感器

0 引 言
??? CMOS圖像傳感器(CIS)使用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝制造，與電荷耦合器件(CCD)相比，CMOS圖像傳感器具有低功耗、高集成度和功能靈活的特點(diǎn)，在便攜式及其它特殊環(huán)境中有巨大的應(yīng)用前景。近些年對(duì)CMOS圖像傳感器的研究中，動(dòng)態(tài)范圍(DR)一直是一個(gè)熱點(diǎn)。CMOS圖像傳感器中的動(dòng)態(tài)范圍被定義為最大非飽和信號(hào)與無(wú)光照條件下的噪聲標(biāo)準(zhǔn)差的比值。動(dòng)態(tài)范圍是圖像傳感器中非常重要的指標(biāo)，對(duì)圖像的質(zhì)量有很大的影響，提高動(dòng)態(tài)范圍可以提高圖像的對(duì)比度和分辨率。已經(jīng)有多種方案被提出來(lái)提高動(dòng)態(tài)范圍：Chen Xu等在像素單元中使用PMOS作為重置(Reset)開(kāi)關(guān)，并使用互補(bǔ)的源極跟隨器將信號(hào)調(diào)整至軌對(duì)軌，但這個(gè)結(jié)構(gòu)占用了許多像素中的面積，減小了感光面積百分比(Fill Factor)，同時(shí)PMOS管的載流子的低移動(dòng)率，延長(zhǎng)了充電時(shí)間，降低了傳感器的幀率；S Yang等在中提出基于條件重置的多采樣技術(shù)提高動(dòng)態(tài)范圍，但是這種方法在一次圖像采集操作中需要多個(gè)充電周期和積分周期，同樣降低了傳感器的幀率；O Yadid-Pecht等在中提出了一種包含兩列信號(hào)鏈的有源像素傳感器，它可以同時(shí)讀取兩個(gè)圖像，包括短積分時(shí)間和長(zhǎng)積分時(shí)間，但是這種方法并不能有效地獲取場(chǎng)景的明暗信息，同時(shí)很難擴(kuò)展到同時(shí)采集多于兩個(gè)圖像。在此提出了基于電荷泵的CMOS圖像傳感器，使用一個(gè)簡(jiǎn)單的電荷泵抬高重置脈沖信號(hào)的幅值，使像素單元中的充電節(jié)點(diǎn)電壓達(dá)到電源電壓；同時(shí)調(diào)整源極跟隨器的參數(shù)，拓展充電節(jié)點(diǎn)電壓在積分周期擺動(dòng)范圍的下界，這兩種方案可以有效地提高充電節(jié)點(diǎn)電壓的擺幅，從而提高了傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。重置脈沖信號(hào)幅值的提高也減小了充電的時(shí)間常數(shù)，縮短了充電時(shí)間，從而可以提高圖像采集的幀率。

1 像素單元部分的考慮
??? 像素陣列是CMOS圖像傳感器中最重要的組成部分，現(xiàn)在大多數(shù)像素單元使用有源像素單元結(jié)構(gòu)，如圖1所示。PD通常是N+／P-well形成的二極管，反向偏置PD，作為傳感器中的感光元件。在充電周期，重置脈沖Vreset_p是高電平，M1導(dǎo)通，電源對(duì)PD充電；在積分周期，Vreset_p降為低電平，M1截止，由于入射光的照射，PD產(chǎn)生反向光電流，對(duì)PD進(jìn)行放電；節(jié)點(diǎn)N的電壓VN隨之下降，VN下降的斜率與入射光的光強(qiáng)成正比。當(dāng)積分周期結(jié)束時(shí)，行選信號(hào)Vrow_s產(chǎn)生一個(gè)脈沖導(dǎo)通M3，VN經(jīng)源極跟隨器輸出至后處理電路。

??? 傳感器中的動(dòng)態(tài)范圍可以表示為：

???
??? 式中：q為單位電荷量；Cload為充電節(jié)點(diǎn)電容；Nwell為最大井容量(Well Capacity)，表示為VN×Cload；ndark為無(wú)光照情況下像素的暗電流；Vnoise為像素噪聲標(biāo)準(zhǔn)差，包括固定模式噪聲(FPN)和1／f噪聲。從式(1)可以看出，在Cload不變的情況下，VN在充電周期的最大值決定了Nwell，而VN在積分周期的最小值決定Ndark的最小值，因此VN的電壓擺幅直接影響了傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。
??? 在傳統(tǒng)的像素單元設(shè)計(jì)中，Vreset_p的幅值為電源電壓Vdd，因此VN的擺動(dòng)范圍為：
???
??? 式(2)顯示Vreset_p的幅值限制了VN的電壓上界。如果提高Vreset_p的幅值，那么VN的電壓上界也會(huì)隨之上升，當(dāng)Vreset_p≥Vdd+Vthn時(shí)，VN的值在充電后將達(dá)到最大值Vdd。因?yàn)樾枰獙reset_p的幅值抬高超過(guò)電源電壓至少Vthn，因此，在這里使用一個(gè)電荷泵電路抬高Vreset_p的幅值，這樣就可以在充電周期使VN的電壓達(dá)到Vdd。當(dāng)Vreset_p的幅值超過(guò)Vdd+Vthn時(shí)，M1進(jìn)入線(xiàn)性區(qū)，此時(shí)它的導(dǎo)通電阻為：

???
式中：Vg1為M1的柵極電壓，即Vreset_p的幅值，它與Ron成反比，當(dāng)Vg1提高很大時(shí)，Ron將大大減小。在充電電路中，充電時(shí)間常數(shù)τ=RonCload，隨著Ron變小，時(shí)間常數(shù)也隨之減小，因此當(dāng)Vg1很大時(shí)，充電周期將大大縮短，從而提高了傳感器的幀率。從式(2)可看出VN的下界由M2的柵源電壓Vgs2和電流源的飽和電壓VIds(sat)決定，當(dāng)偏置電流Ibias不變時(shí)，Vlds(sat)的變化很小，可以不予考慮。如果可以減小Vgs2，就可以降低VN的電壓下限。根據(jù)M2的柵源電壓等式：

???
??? 可看出，增大M2的寬長(zhǎng)比(W／L)：可以降低Vgs2。由于布局中使用工藝中的最小長(zhǎng)度，MOS管的長(zhǎng)度L不變，因此增大M2的寬度W可以降低Vgs2。從式(4)中也可以看到減小源極跟隨器的偏置電流Ibiad同樣可以降低Vgs2。根據(jù)像素單元中布局的實(shí)際情況適當(dāng)?shù)卦龃驧2的寬度，同時(shí)根據(jù)二次采樣電路中的負(fù)載情況適當(dāng)?shù)販p小偏置電流，可以有效地降低Vgs2，從而降低VN的電壓下界。

2 電荷泵部分的考慮
??? 為了產(chǎn)生一個(gè)高于電源電壓的高電平，采用一個(gè)基本的電荷泵電路抬高電壓，如圖2(a)所示。

??? 這個(gè)電路使用了兩個(gè)非重疊的、反相的時(shí)鐘clk和clk～，幅值為電源電壓Vdd兩個(gè)NMOS器件M1和M2以交叉耦合的方式連接，交替導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)分別拉動(dòng)相應(yīng)節(jié)點(diǎn)N1或N2至輸入電壓Vin_c。時(shí)鐘脈沖交替加在電容C1和C2上，在NMOS截止的一邊，相應(yīng)電容的電壓泵至Vdd+Vin_c，同時(shí)這一邊的PMOS導(dǎo)通，輸出這個(gè)電壓至Vout_c。在一些時(shí)鐘周期以后，節(jié)點(diǎn)N1和N2有反相的、幅值為Vdd+Vin_c的時(shí)鐘脈沖，兩個(gè)PMOS交替導(dǎo)通，使輸出Vout_c一直為Vdd+Vin-c本文中，Vin_c設(shè)為Vdd由于NMOS的閾值電壓的影響，Vout_c=2Vdd-Vthn。輸出波形如圖2(b)所示。電荷泵的輸出Vout_c在經(jīng)歷最初的大約1μs的時(shí)間以后達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定值約為5．8 V。圖中的小插圖是輸出電壓穩(wěn)定以后的紋波電壓．它的擺幅約為30 mV。由于這個(gè)電壓在充電周期加在像素單元中的重置開(kāi)關(guān)的柵極上，導(dǎo)通重置開(kāi)關(guān)使充電節(jié)點(diǎn)電壓達(dá)到電源電壓，因此當(dāng)充電節(jié)點(diǎn)電壓已經(jīng)達(dá)到電源電壓以后，柵極電壓上的紋波不再影響充電節(jié)點(diǎn)電壓，所以電荷泵輸出端的電容C3不必做得很大，以減小紋波電壓的擺幅。