本發明屬于半導體圖像感測技術領域，具體涉及一種基于兩次電荷轉移的高動態范圍圖像傳感器及其信號讀出方法。

背景技術：

隨著現代信息技術的發展，圖像獲取和處理技術也得到了相應的提高，圖像傳感器作為圖像處理的基本設備，正日益廣泛地應用于各個領域。

以半導體技術和工藝為基礎的電子圖像傳感器主要包括電荷耦合器件(CCD)和CMOS圖像傳感器(CIS)兩種。其中CIS由于采用標準CMOS工藝，易于與電路進行集成制造，具有低功耗、低成本等一系列優點，近年來獲得了越來越廣泛的應用，尤其在專業攝像等領域開始占據主導地位。

動態范圍(DR)是CIS的一項重要指標，用于標定圖像傳感器所能處理的光強范圍，該范圍用分貝(dB)做單位。提高動態范圍一方面需要降低CIS的最小可探測光強，即提高弱光下像素信噪比。另一方面需提高像素的最大可探測光強，其主要受像素積分電容大小(即阱容量)影響。

傳統CIS像素電路使用光電探測器勢阱容量有限，當光強增大到一定程度，最大輸出信號出現飽和；而當光強較弱時，光電探測器產生的光生電流過小而容易被環境噪聲所湮滅。所以，一般CIS的動態范圍較低，尚達不到自然界光強的范圍。

為了提高CMOS圖像傳感器動態范圍，目前常用以下幾種技術：(1)提高勢阱容量，即增大積分電容C_ph。(2)多次采樣技術，即通過多次曝光對同一場景進行采樣，此種方式需要較為復雜的外部讀取和存儲電路，且不適合高速攝影場景。(3)多探測器像素，即在一個像素單元中集成兩個光電二極管，一個用于弱光條件，一個用于強光條件，但其電路結構復雜，且沒有從根本上解決勢阱容量問題，增加DR的能力有限。(4)對數響應技術。對數模式CIS工作在連續方式，像素中DP連接一個柵漏極短接的MOS管做負載。當MOS管工作在亞閾值區域時具有近似對數電流電壓關系，使得輸入信號與光強的對數成正比，從而擴展DR。但由于亞閾值MOS管性能受工藝影響很大，導致CIS固定模式噪聲(FPN)很大；(5)線性對數復合模式，這種技術結合了線性模式和對數模式的優點，可以在低中等光強條件下得到信噪比較高的圖像，同時在強光條件下能保持較高的動態范圍。該方法的缺點是需要非常復雜的電路來進行線性和對數模式的判別和轉換。

此外還有其他較為復雜的方式來提高動態范圍，但目前為止還沒有一種理想的方法出現。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種基于兩次電荷轉移技術的高動態范圍圖像傳感器，和標準商業CMOS工藝完全兼容。目的在于在像素單元結構內，通過判斷入射光的強弱從而產生兩路復位信號RST和兩路電荷轉移控制信號TG，使得在弱光下具有良好的線性響應，而在強光下進行兩次電荷轉移從而獲得良好的線性響應且保持非飽和狀態，進而獲得圖像傳感器動態范圍的增強。

本發明所述的基于兩次電荷轉移的高動態范圍圖像傳感器，包括光電轉換模塊、行列讀出控制模塊、相關雙采樣電路、列放大器及模數轉換器；相關雙采樣電路對光電轉換模塊讀出的數據進行采樣，并濾除一部分系統噪聲，列放大器將相關雙采樣電路采集到的模擬數據進行放大，由行列讀出控制送給模數轉換器進行數字化。

所述的光電轉換模塊由一個M×N陣列的像素單元組成(M、N均為正偶數)，每個像素單元由4T(Transistor)像素、比較器模塊、鎖存器模塊及二選一多路選擇器模塊組成；在外部光信號的作用下，像素單元產生隨光強變化的像素信號，實際上就是起到將光信號轉換成電信號的作用；4T像素輸出信號連接到比較器的反向輸入端，而比較器的正向輸入端連接的是參考電壓Vref；比較器的輸出連接到鎖存器Latch上，每一次比較器輸出跳轉時，都能鎖存住數字碼；鎖存器的輸出連接到二選一多路選擇器，用以根據光強信息產生復位信號RST和電荷轉移信號TG。

圖3給出了采用標準4管(4T)結構的像素單元結構示意圖，在P型襯底(P-sub)上通過擴散或注入工藝生長N阱區(n-well)以及重摻雜的N+區(n+)，N阱區上通過離子注入生長重摻雜的p+區。在兩個N阱區n-well、n+之間通過干氧法氧化制備柵氧層，并在柵氧層上淀積多晶硅層，形成TG柵。具體連接方式為：M1、SF管的漏端同時與模擬電源Vdd相連，復位信號RST接至M1管的柵極，M1管的源端與SF管的柵極以及TG柵一側的n+區浮置節點FD相連，SF管的源端連接M2管的一端，M2管的另一端與并行信號總線Signal Bus相連，行選信號RS接至M2管的柵極。其中，晶體管M1和M2作為開關管使用，SF為源跟隨器，Vdd為電源電壓。

P型襯底為硅Si，摻雜材料為硼B，摻雜濃度為1×10¹⁶/cm³～5×10¹⁶/cm³

重摻雜P區的摻雜材料為硼B，摻雜濃度為1×10¹⁹/cm³～5×10¹⁶/cm³。

當行選擇信號RS給出時，M2管開啟，將SF源端的電壓傳輸至并行信號總線Signal Bus上。電路進行復位操作時，M1管和TG柵均打開，將TG柵一側n+區浮置節點FD復位至Vdd-V_TH1，同時清空TG柵另一側p+、n區積累的光生電荷。TG 柵與M1管關斷后，電路進入積分狀態，C_PD(光電二極管的結電容)上的電壓由Vdd開始下降，其存儲電荷的多少與光強有關。當需要讀出時，TG柵再次打開，將存儲在C_PD上的電荷轉移至TG一側的n+區之中。SF管的源端電壓同樣將跟隨n+區浮置節點FD電平的變化，將像素信號傳輸至并行信號總線Signal Bus上，讀取周期完畢，M2管斷開。

基于兩次電荷轉移的高動態范圍圖像傳感器的信號讀出方法，具體步驟如下:

步驟一：電路進行復位操作，M1管和TG柵均打開，將TG柵一側n+區浮置節點FD復位至Vdd-V_TH1，同時清空TG柵另一側p+n區積累的光生電荷；

步驟二：TG柵與M1管關斷，電路進入積分狀態，到達t₀時，TG柵打開，存儲在光電二極管PD中的光生電荷轉移到浮置節點FD中；

步驟三：電荷轉移完成后，源跟隨器的源端電壓V_S與比較器正向輸入端的參考電壓V_ref比較：

如果電壓V_S大于參考電壓V_ref，則可判斷出入射光為弱光，直到積分結束都不會再有電荷轉移，浮置節點FD的電壓保持不變，t₂時刻，源跟隨器的輸出電壓V_S被采集并轉換，之后開啟下一幀，重復以上步驟；

如果電壓V_S小于參考電壓V_ref，則可判斷入射光為強光，在時刻t₁，傳輸柵TG打開，存儲在光電二極管PD中的光生電荷轉移到浮置節點FD中，同時晶體管M1被復位，然后TG柵和復位管M1關閉，電路進入積分工作模式；在時刻t₂，傳輸柵TG再次打開，此時源跟隨器SF的輸出點電壓被采集并轉換，之后開啟下一幀，重復以上步驟；

其中：V_TH1為晶體管M1的閾值電壓，C_PD為光電二極管的結電容，t₀為第一次電荷轉移發生的時刻，t₁為第二次電荷轉移發生的時刻，t₂為整個積分過程結束的時刻。

圖4給出了本次發明所提出的針對4T像素CMOS圖像傳感器動態范圍增強的轉換算法。其中P_ref代表像素剛好達到飽和時所對應的光強，而P_max代表著像素所能夠探測到的最大光強，V_ref＝I_ref·t₀·C_pd為比較器正向輸入端的參考電壓。Q_FD為浮置節點FD內存儲的電荷量，Q_full代表像素的滿阱容量，Q_ref＝P_ref·t₀為參考電荷量。 t₂＝t₀+T_int。

圖5給出了本發明所提出的動態范圍增強算法所對應的轉換時序圖，當以恒定光強照射時，光電二極管將會產生大小為I_ph的光電流。電路進行復位操作時，M1管和TG柵均打開，同時清空TG柵左側p+n區積累的光生電荷，晶體管M1將浮置節點FD復位到Vdd-V_TH1，在轉換開始時，TG柵與M1管關斷，電路進入積分狀態，C_PD上的電壓開始下降。經過一個短暫的積分時間t₀之后，傳輸柵TG打開，存儲在光電二極管PD中的光生電荷迅速轉移到浮置節點FD中。

電荷轉移完成之后，源跟隨器的源端電壓V_S通過比較器與參考電壓V_REF比較。如果電壓V_S大于參考電壓V_ref，則可判斷出入射光為弱光，直到積分結束都不會再有電荷轉移，浮置節點FD的電壓保持不變。在t₂時刻，源跟隨器的輸出電壓V_S被采集并轉換，V_s2＝V_FD2-V_GS2，其中V_FD2為積分結束時刻浮置節點的電壓，而V_GS2為源跟隨器M2管的柵源電壓。浮置節點的復位電壓V_s1＝Vdd-V_TH1-V_GS2，其中V_TH1為晶體管M1的閾值電壓。

此時，弱光的光強可以被表示為

如果電壓V_S小于參考電壓V_ref，則可判斷出入射光為強光，在積分時刻t₁，傳輸柵TG打開，同時晶體管M1被復位。緊接著TG柵和復位管M1關閉，電路進入積分工作模式。在積分時刻t₂，傳輸柵TG再次打開，采集此時源跟隨器M2的輸出點電壓V′_S2＝V_FD1-V_GS2，其中V_FD1為積分結束時刻浮置節點的電壓。

此時，強光的光強可以被表示為

采用動態范圍增強方法之前，像素可以探測到的最大光強為

而采用了動態范圍增強算法時，像素可以探測到的最大光強為

因此，圖像傳感器的動態范圍被增強了k-bit，

當k＝8時，動態范圍增強理論上能夠達到48.16dB。

圖像傳感器的信噪比(SNR)可以表示為

其中，i_ph為光電流,i_d為暗電流，為輸入噪聲功率。

與現有技術相比，本發明所述的高動態范圍圖像傳感器具有以下優點：

1、在整個光強范圍內都保持了線性響應，輸出DN(Digital Number)值正比于入射光強度，大大簡化了后續數字信號的處理過程。

2、光電探測器是由4T像素構成，可以使用相關雙采樣技術很大程度上降低系統噪聲，具有較高的填充因子和簡單的結構，無論在強光還是弱光下響應速度都非常快。

3、直接可以在像素內部使用簡單的電路實現入射光強弱的判斷，無需后續復雜電路的圖像處理。

4、采用新的像素電路讀出算法，通過改變調整K值，可以實現很高的動態范圍增強。

附圖說明

圖1傳統的圖像傳感器的系統架構示意圖；

圖2本發明的基于兩次電荷轉移的圖像傳感器的像素結構示意圖；

圖3本發明的4T結構的像素單元連接示意圖；

圖4本發明的CIS動態范圍增強的轉換算法示意圖；

圖5本發明的CIS動態范圍增強的時序示意圖；

圖6本發明的CIS信噪比與入射光強的關系；

從圖6中可以看出，本發明采用了0.18um 1P4M標準CIS工藝，相比于傳統4T像素讀出方式，僅僅增加了一次光強判斷以及電荷轉移的操作，在不需要進行比較時，比較器偏置電壓拉低從而節省功耗，通過這種信號讀出方法，CMOS圖像傳感器的動態范圍實現了8bit的增強，由61.15dB增強到了107.36dB只多消耗了5％的功耗。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步地說明。

本發明所述的圖像傳感器和標準CMOS工藝完全兼容，下面基于0.18μm 1P4M標準CIS工藝，基于兩次電荷轉移的高動態范圍圖像傳感器，包括光電轉換模塊、行列讀出控制模塊、相關雙采樣電路、列放大器及模數轉換器；相關雙采樣電路對光電轉換模塊讀出的數據進行采樣，并濾除一部分系統噪聲，列放大器將相關雙采樣電路采集到的模擬數據進行放大，由行列讀出控制送給模數轉換器進行數字化。

所述的光電轉換模塊由一個M×N陣列的像素單元組成，其中，M、N均為正偶數，每個像素單元由4T像素、比較器模塊、鎖存器模塊及二選一多路選擇器模塊組成；在外部光信號的作用下，像素單元產生隨光強變化的像素信號，實際上就是起到將光 信號轉換成電信號的作用；4T像素輸出信號連接到比較器的反向輸入端，而比較器的正向輸入端連接的是參考電壓V_ref；比較器的輸出連接到鎖存器上，每一次比較器輸出跳轉時，都能鎖存住數字碼；鎖存器的輸出連接到二選一多路選擇器，用以根據光強信息產生復位信號RST和電荷轉移信號TG。

所述的4T像素如圖3所示，4T結構中所有MOS管采用N管設計，像素積分電容由光電二極管結電容(p+和n-well)構成，浮置節點FD的電容由n+與p-sub結電容和源跟隨器SF的柵電容構成。具體地，是在P型襯底上通過擴散或注入工藝生長N阱區以及重摻雜的N+區，N阱區上通過離子注入生長重摻雜的p+區；在兩個N阱區、N+區之間通過干氧法氧化制備柵氧層，并在柵氧層上淀積多晶硅層，形成TG柵；具體連接方式為：M1、SF管的漏端同時與Vdd相連，復位信號RST接至M1管的柵極，M1管的源端與SF管的柵極以及TG柵一側的n+區浮置節點FD相連，SF管的源端連接M2管的一端，M2管的另一端與并行信號總線相連，行選信號RS接至M2管的柵極；其中，晶體管M1和M2作為開關管使用，SF為源跟隨器，Vdd為電源電壓。

入射光采用600nm波長的單色光輸入。器件P-sub摻雜濃度1×10¹⁶/cm³，N-well摻雜濃度1×10¹⁷/cm³，P+重摻雜濃度為1×10¹⁹/cm³，N+重摻雜濃度為1×10¹⁹/cm³，開關TG門為多晶硅柵，P型摻雜材料為硼B，N型摻雜材料為磷P。

實施例1：

基于兩次電荷轉移的高動態范圍圖像傳感器的信號讀出方法，具體步驟如下:

步驟一：工作開始時，首先在復位期間，將傳輸柵控制信號TG和復位信號RST置為高電平3.3V，浮置節點FD被復位到2.3V，同時積分電容C_PD里的積分電荷完全轉移進入浮置節點FD，讀出此時源跟隨器SF的源端電壓V_s1。

步驟二：傳輸柵控制信號TG和復位信號RST拉為低電平，關斷開關TG門和復位管M1，光電二極管進入積分工作模式。經過200ns(用于光強的判斷)之后，再次打開TG門，積分電荷轉移至浮置節點FD。

步驟三：通過比較器對像素輸出點電壓V_S與1.3V的參考電壓V_ref進行比較。若比較器輸出為低電平，則可判斷此時入射光為弱光，通過二選一多路選擇器MUX產生弱光對應的時序，即產生復位信號RST1和電荷轉移信號TG1。從t0時刻即200ns時開始，電路進入長積分階段，直到積分時間結束時刻t2即1.2ms時，TG門才再次打開，儲存在光電二極管中的積分電荷轉移到浮置節點FD中，源跟隨器SF的柵端連接至節點FD上，其源端電壓跟隨柵壓變化，此時讀出源跟隨器SF源端電壓V_s2，由相關雙采樣電路采樣之后由列放大器進行放大，再由模數轉換器進行數字化。

實施例2：

基于兩次電荷轉移的高動態范圍圖像傳感器的信號讀出方法，具體步驟如下:

步驟一：工作開始時，首先在復位期間，將傳輸柵控制信號TG和復位信號RST置為高電平3.3V，浮置節點FD被復位到2.3V，同時積分電容C_PD里的積分電荷完全轉移進入浮置節點FD，讀出此時源跟隨器SF的源端電壓V_s1。

步驟二：傳輸柵控制信號TG和復位信號RST拉為低電平，關斷開關TG門和復位管M1，光電二極管進入積分工作模式。經過200ns之后，再次打開TG門，積分電荷轉移至浮置節點FD。

步驟三：通過比較器對像素輸出點電壓V_S與1.3V的參考電壓V_ref進行比較，電荷轉移完成之后再次開啟復位管M1對光電二極管進行復位，隨后關閉。若比較器輸出為高電平，則可判斷此時入射光為強光，通過二選一多路選擇器MUX產生強光對應的時序，即產生復位信號RST2和電荷轉移信號TG2。從t0時刻即200ns時開始，電路進入積分工作模式，到達積分時間t1時刻即1196ns時，再次打開傳輸柵控制信號TG和復位管M1，完成電荷的轉移和復位操作。隨后TG和RST被拉低至低電平，關閉TG門和復位管M1。之后進入到短積分階段，在積分時間結束時刻t2即1.2ms時，TG門再次打開，儲存在光電二極管中的積分電荷轉移到浮置節點FD中，此時讀出源跟隨器SF源端電壓V_S′₂，由相關雙采樣電路采樣之后由列放大器進行放大，再由模數轉換器進行數字化。

在不需要進行比較時，比較器偏置電壓拉低從而節省功耗，通過這種信號讀出方法，CMOS圖像傳感器的動態范圍實現了8bit的增強，由61.15dB增強到了107.36dB只多消耗了5％的功耗。