5T結(jié)構(gòu)全局曝光CMOS圖像傳感器的研究與設(shè)計(jì)

姚洪濤，李曉寧，田青青

（長春理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長春130022）

0 引言

目前，固態(tài)圖像傳感器主要有兩種：電荷耦合器件（Charge Couple Device，CCD）和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）。

近年來，CMOS傳感器設(shè)計(jì)技術(shù)和半導(dǎo)體制造技術(shù)的不斷發(fā)展，使得CMOS圖像傳感器在數(shù)碼相機(jī)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、安防監(jiān)控、手機(jī)、汽車倒車影像、醫(yī)療影像等方面有著越來越廣闊的應(yīng)用前景[1]。

CMOS圖像傳感器主要有兩種曝光方式：滾筒曝光（Rolling Shutter）和全局曝光（Global Shutter）。在滾筒曝光模式中，一幀圖像中的每一行都是在不同的時(shí)間點(diǎn)開始和結(jié)束曝光的，下一行的曝光開始時(shí)刻比上一行延遲一個(gè)行的讀出周期，最后一行的曝光開始時(shí)刻比最早曝光的一行延遲了一個(gè)幀的讀出周期[2]。在滾筒式曝光模式下，如果被拍攝物體在曝光過程中高速運(yùn)動(dòng)，在進(jìn)行曝光的過程中，被拍攝的物體已經(jīng)發(fā)生了位移。首先曝光的圖像部分和隨后曝光的圖像部分已經(jīng)處于不同的相對位置，導(dǎo)致被攝物體的圖像產(chǎn)生形變失真。而在全局曝光模式中，所有像素開始曝光的時(shí)刻相同，結(jié)束曝光的時(shí)刻也相同，可以防止拍攝的圖像產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)形變。另外，在使用滾筒曝光模式拍攝帶閃光的圖像時(shí)，如果閃光持續(xù)時(shí)間與一幅圖像的曝光時(shí)間相當(dāng)，那么在曝光一幀圖像期間，閃光發(fā)生了從開始發(fā)生、逐漸增強(qiáng)、達(dá)到最大、逐漸降低和完全消失的全過程。那么在不同時(shí)間曝光的畫面部分，被光照射的強(qiáng)度也不相同，這樣便會(huì)造成圖像的閃光失真，而全局曝光模式對所有像素單元在同一時(shí)刻進(jìn)行曝光則可以很好地解決閃光失真的問題[3-4]。

1 全局曝光像素結(jié)構(gòu)

1.1 傳統(tǒng)全局曝光 4T像素結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代尖端科學(xué)納米技術(shù)研究、生物工程、材料分析學(xué)科等，都需要高速拍攝技術(shù)的支持，同樣在民用領(lǐng)域也經(jīng)常需要使用到高速拍攝。通常，全局曝光CMOS圖像傳感器采用的是4T的像素結(jié)構(gòu)，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。該像素結(jié)構(gòu)由光電二極管PD、傳輸管TX、復(fù)位開關(guān)Trst、源極跟隨器Tsf和行選通開關(guān)Tsel組成。主要控制信號包括：復(fù)位信號RST、傳輸控制信號TS和行選擇控制信號SEL。

全局曝光4T像素結(jié)構(gòu)的工作時(shí)序如圖2所示。在4T結(jié)構(gòu)的全局曝光時(shí)序中，將復(fù)位信號RST置為高電平，陣列中的所有像素單元同時(shí)復(fù)位，然后開始整個(gè)像素陣列的曝光；經(jīng)過曝光時(shí)間Texp后，傳輸控制信號TS被置為高電平，全部像素陣列的傳輸管TX再次同時(shí)開啟，終止曝光進(jìn)程，然后光電二極管中的電荷轉(zhuǎn)移到相應(yīng)懸浮擴(kuò)散區(qū)FD，最后行選通信號SEL被置為高電平，行選通開關(guān)Tsel逐行開啟，并按順序讀出每行的信號電壓。在逐行滾動(dòng)讀出期間，尚未被讀出的信號臨時(shí)存儲在各自像素的懸浮擴(kuò)散區(qū)FD中，等待選擇讀出。

圖1 全局曝光4T像素結(jié)構(gòu)

圖2 全局曝光4T像素工作時(shí)序

1.2 5T像素結(jié)構(gòu)

全局曝光CMOS圖像傳感器通常采用得是4T結(jié)構(gòu)，曝光結(jié)束后所有像素單元積分電壓值都被采樣到相應(yīng)的存儲節(jié)點(diǎn)中，然后逐行讀出積分值，整個(gè)過程中，曝光和讀出的順序是循環(huán)進(jìn)行的，讀出積分值的同時(shí)不能進(jìn)行光電二極管的曝光，否則存儲在懸浮擴(kuò)散區(qū)FD中尚未被讀出的信號將會(huì)被重置。然而，像素點(diǎn)曝光和積分值讀出分開進(jìn)行操作降低了圖像傳感器的效率并增加了電荷采樣信號的噪聲，使得幀速率和信噪比均低于滾筒曝光模式，因此本次設(shè)計(jì)采用5T像素結(jié)構(gòu)，可以對存儲節(jié)點(diǎn)和光電二極管分別管理，實(shí)現(xiàn)曝光與積分值讀出同步進(jìn)行，從而提高圖像傳感器的工作效率和成像質(zhì)量，得到比4T像素結(jié)構(gòu)更加優(yōu)越的性能。全局曝光5T像素結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖中Tgs開關(guān)管為光電二極管PD復(fù)位開關(guān)，來進(jìn)行全局曝光的控制操作，而復(fù)位開關(guān)Trst僅復(fù)位懸浮擴(kuò)散區(qū)FD，其他的像素單元電路結(jié)構(gòu)：光電二極管PD、傳輸管TX、源極跟隨器Tsf、行選通開關(guān)Tsel的功能與4T像素結(jié)構(gòu)相同。

圖3 全局曝光5T像素結(jié)構(gòu)

GS信號控制像素結(jié)構(gòu)中的Tgs開關(guān)來重置光電二極管PD，從而啟動(dòng)陣列中所有的像素單元同時(shí)開始曝光；重置信號RST僅控制懸浮擴(kuò)散區(qū)FD的復(fù)位；傳輸信號TS控制像素陣列上所有單元的傳輸管TX；最后行選通信號SEL控制像素陣列按順序逐行滾動(dòng)讀出圖像信號。由于5T像素陣列的光電二極管PD和懸浮擴(kuò)散區(qū)FD是獨(dú)立重置的，需要被讀出的信號傳輸管TX傳輸后暫時(shí)存儲在懸浮擴(kuò)散區(qū)FD中，F(xiàn)D中的信號與PD中的信號被傳輸管TX隔離開來，分別等待輸出。

除了可以對曝光和積分值讀出進(jìn)行分別操作，使得圖像傳感器擁有更高的幀率、可以捕獲高速圖像的優(yōu)點(diǎn)以外，全局曝光5T像素結(jié)構(gòu)還有抗暈光的功能，當(dāng)某一點(diǎn)的信號亮度過高，由光子轉(zhuǎn)換成的電子數(shù)就會(huì)過多，會(huì)超過單個(gè)像素點(diǎn)可包含的電子數(shù)，多出的電子便會(huì)向周圍的像素單元溢出，導(dǎo)致周圍的像素點(diǎn)會(huì)變得比實(shí)際上更亮。而在全局曝光5T像素結(jié)構(gòu)單元中，通過將曝光控制管Tgs開關(guān)的柵極的低電平值設(shè)置為略高于零電位，這樣Tgs一側(cè)的勢壘會(huì)略低于TX一側(cè)的勢壘，可以泄漏一部分溢出的電子，達(dá)到了抗暈光的效果。

1.3 5T像素結(jié)構(gòu)的工作時(shí)序

本文所設(shè)計(jì)的像素工作時(shí)序如圖4所示，其中RST為復(fù)位信號，GS是曝光控制信號，TS是傳輸控制信號，SEL則對行選通開關(guān)進(jìn)行控制。

圖4 全局曝光5T像素工作時(shí)序

首先，全局曝光控制信號GS置為高電平，全局曝光控制開關(guān)Tgs導(dǎo)通，對光電二極管進(jìn)行復(fù)位，使其電位與電壓Vgs一致。RST復(fù)位信號置為高電平，復(fù)位開關(guān)Trst導(dǎo)通，懸浮擴(kuò)散區(qū)FD節(jié)點(diǎn)的電位保持與復(fù)位電壓Vrst保持一致，F(xiàn)D被復(fù)位。此處懸浮擴(kuò)散區(qū)FD節(jié)點(diǎn)的電位為傳輸管TX的漏極或者復(fù)位開關(guān)管Trst的源極的電位。

隨后全局曝光控制信號GS與復(fù)位控制信號RST置為低電平，全局曝光Tgs開關(guān)與復(fù)位開關(guān)管Trst關(guān)閉，感光二極管在曝光周期將光信號轉(zhuǎn)化生成電信號。

在曝光周期結(jié)束前，復(fù)位控制信號RST置為高電平，復(fù)位開關(guān)管Trst導(dǎo)通，使得懸浮擴(kuò)散區(qū)FD節(jié)點(diǎn)再次復(fù)位，為后續(xù)FD節(jié)點(diǎn)存儲感光二極管的信號做準(zhǔn)備。

然后傳輸控制信號TS置為高電平，傳輸管TX導(dǎo)通，此時(shí)聚集在光電二極管處的光生電荷就在勢壘的作用下，通過傳輸管TX逐漸向懸浮擴(kuò)散區(qū)FD節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移，然后傳輸控制信號TS再置為低電平以關(guān)閉傳輸管TX，懸浮擴(kuò)散區(qū)FD節(jié)點(diǎn)存儲光電二極管產(chǎn)生的電信號，同時(shí)傳輸管TX將光電二極管PD和懸浮擴(kuò)散區(qū)FD節(jié)點(diǎn)分隔開來，存儲在懸浮擴(kuò)散區(qū)的信號不受光電二極管曝光操作的影響。

最后行選通信號SEL置為高電平，行選通開關(guān)Tsel導(dǎo)通，懸浮擴(kuò)散區(qū)FD節(jié)點(diǎn)存儲的信號經(jīng)過源級跟隨器Tsf管和行選通開關(guān)Tsel，傳輸?shù)搅屑墧?shù)據(jù)線上。

2 列級ADC

在曝光結(jié)束后，反映光強(qiáng)變化的模擬信號需要通過ADC（Analog to Digital Converter）轉(zhuǎn)化為數(shù)字編碼信號進(jìn)行輸出，在CMOS圖像傳感器系統(tǒng)中，ADC起到了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的橋梁的作用[5]。

通常，CMOS圖像傳感器使用全局ADC來進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。使用全局ADC的圖像傳感器系統(tǒng)在單個(gè)芯片上集成了成像核心器件和單個(gè)ADC模塊，整個(gè)像素陣列共用一個(gè)ADC，每一像元的模擬信號按順序依次轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。采用全局ADC的圖像傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，其中ADC模塊位于芯片信號串行傳輸通道的末端。

圖5 全局ADC的基本結(jié)構(gòu)

全局ADC具有更少的面積限制、更高的像素填充因子，所有像素單元共用一個(gè)ADC，像素陣列與ADC模塊不需要進(jìn)行間距匹配，因此一致性較好，設(shè)計(jì)相對靈活。在使用全局ADC的圖像傳感器結(jié)構(gòu)中，光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的模擬電壓由同一ADC量化，隨著像素陣列面積增大或者幀率提高，ADC的運(yùn)行速度成為限制整個(gè)芯片處理速度的瓶頸，ADC必須高速運(yùn)行以確保圖像傳感器具有高幀頻，因此該結(jié)構(gòu)適用于低分辨率和低幀率的CMOS圖像傳感器。此外，由于像素的輸出信號需要通過較長的路徑才能達(dá)到ADC進(jìn)行量化，因此會(huì)引入較大的噪聲。

由于本次設(shè)計(jì)的全局曝光像素陣列采用的5T結(jié)構(gòu)，具有較快的幀數(shù)據(jù)處理速度，此時(shí)全局ADC并不適用于5T像素結(jié)構(gòu)。為了使ADC的運(yùn)行速度與圖像傳感器的幀率適配以提高圖像傳感器的效率，本次設(shè)計(jì)使用列級ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

使用列級ADC的圖像傳感器架構(gòu)如圖6所示，圖像傳感器像素陣列中每列像素或多列像素共用一個(gè)ADC，然后將全部ADC的并行模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。隨后逐行讀取像素陣列，每行像素同時(shí)讀出到信號處理電路，然后將這一行像素內(nèi)的信號再逐個(gè)串行傳輸?shù)捷敵龆恕?/p>

圖6 列級ADC的基本結(jié)構(gòu)

這種并行處理數(shù)據(jù)的列級ADC結(jié)構(gòu)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如對ADC模塊的運(yùn)行速度要求較低，具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性，便于ADC模塊和圖像傳感器整體架構(gòu)的設(shè)計(jì)。列級ADC因其利于列級集成，功耗適中，特別適用于大像素陣列和高分辨率的圖像傳感器。本次設(shè)計(jì)采用列級ADC，可以同時(shí)并行處理多個(gè)數(shù)據(jù)源，有效提高了數(shù)據(jù)吞吐量讀出速率。

3 芯片整體架構(gòu)研究與設(shè)計(jì)

本任務(wù)研究設(shè)計(jì)的圖像傳感器系統(tǒng)主要包括像素單元陣列、采樣部分、列AD放大部分、電源部分、I2C接口、MIPI接口等模塊。在電路設(shè)計(jì)過程中綜合使用全定制與半定制的設(shè)計(jì)方法以適應(yīng)圖像傳感器芯片的電路要求。芯片整體架構(gòu)如圖7所示。

像素陣列中所有的像素單元同時(shí)曝光，并且在完成曝光后，以逐行掃描的形式讀出像素信號。首先，X譯碼電路選中所要讀出的行，然后經(jīng)第一級采樣保持電路。在列轉(zhuǎn)換的同時(shí)，亮信號與暗信號進(jìn)行CDS操作，最大程度降低列電路不均勻性導(dǎo)致的固定模式噪聲。列級ADC可以有效提高芯片讀出速度及成像質(zhì)量。通過列級ADC，放大的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號被直接輸出到SRAM中，再從SRAM輸出到數(shù)字邏輯電路端進(jìn)行圖像格式轉(zhuǎn)換，最后通過多通道MIPI接口輸出。

圖7 基于5T結(jié)構(gòu)的全局曝光CMOS圖像傳感器整體架構(gòu)

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)一種可以實(shí)現(xiàn)全局曝光功能的5T像素結(jié)構(gòu)，解決了滾筒曝光可能會(huì)產(chǎn)生的圖像失真問題。與傳統(tǒng)的全局曝光4T結(jié)構(gòu)相比，在像素單元內(nèi)增加了可以對曝光管單獨(dú)進(jìn)行控制的Tgs開關(guān)，使得曝光和積分值讀出能夠同時(shí)進(jìn)行，從而提高了圖像傳感器的幀頻。同時(shí)，采用列級ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，更加適配于全局曝光對幀頻較高的要求，進(jìn)一步地提高了幀數(shù)據(jù)的處理速度，同時(shí)降低了芯片功耗，可以使圖像傳感器擁有更好的性能。