5T結構全局曝光CMOS圖像傳感器的研究與設計

姚洪濤，李曉寧，田青青

（長春理工大學計算機科學技術學院，長春130022）

0 引言

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

近年來，CMOS傳感器設計技術和半導體制造技術的不斷發展，使得CMOS圖像傳感器在數碼相機、數字攝像機、安防監控、手機、汽車倒車影像、醫療影像等方面有著越來越廣闊的應用前景[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間點開始和結束曝光的，下一行的曝光開始時刻比上一行延遲一個行的讀出周期，最后一行的曝光開始時刻比最早曝光的一行延遲了一個幀的讀出周期[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動，在進行曝光的過程中，被拍攝的物體已經發生了位移。首先曝光的圖像部分和隨后曝光的圖像部分已經處于不同的相對位置，導致被攝物體的圖像產生形變失真。而在全局曝光模式中，所有像素開始曝光的時刻相同，結束曝光的時刻也相同，可以防止拍攝的圖像產生運動形變。另外，在使用滾筒曝光模式拍攝帶閃光的圖像時，如果閃光持續時間與一幅圖像的曝光時間相當，那么在曝光一幀圖像期間，閃光發生了從開始發生、逐漸增強、達到最大、逐漸降低和完全消失的全過程。那么在不同時間曝光的畫面部分，被光照射的強度也不相同，這樣便會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刻進行曝光則可以很好地解決閃光失真的問題[3-4]。

1 全局曝光像素結構

1.1 傳統全局曝光 4T像素結構

現代尖端科學納米技術研究、生物工程、材料分析學科等，都需要高速拍攝技術的支持，同樣在民用領域也經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的像素結構，其電路結構如圖1所示。該像素結構由光電二極管PD、傳輸管TX、復位開關Trst、源極跟隨器Tsf和行選通開關Tsel組成。主要控制信號包括：復位信號RST、傳輸控制信號TS和行選擇控制信號SEL。

全局曝光4T像素結構的工作時序如圖2所示。在4T結構的全局曝光時序中，將復位信號RST置為高電平，陣列中的所有像素單元同時復位，然后開始整個像素陣列的曝光；經過曝光時間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再次同時開啟，終止曝光進程，然后光電二極管中的電荷轉移到相應懸浮擴散區FD，最后行選通信號SEL被置為高電平，行選通開關Tsel逐行開啟，并按順序讀出每行的信號電壓。在逐行滾動讀出期間，尚未被讀出的信號臨時存儲在各自像素的懸浮擴散區FD中，等待選擇讀出。

圖1 全局曝光4T像素結構

圖2 全局曝光4T像素工作時序

1.2 5T像素結構

全局曝光CMOS圖像傳感器通常采用得是4T結構，曝光結束后所有像素單元積分電壓值都被采樣到相應的存儲節點中，然后逐行讀出積分值，整個過程中，曝光和讀出的順序是循環進行的，讀出積分值的同時不能進行光電二極管的曝光，否則存儲在懸浮擴散區FD中尚未被讀出的信號將會被重置。然而，像素點曝光和積分值讀出分開進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，因此本次設計采用5T像素結構，可以對存儲節點和光電二極管分別管理，實現曝光與積分值讀出同步進行，從而提高圖像傳感器的工作效率和成像質量，得到比4T像素結構更加優越的性能。全局曝光5T像素結構如圖3所示，圖中Tgs開關管為光電二極管PD復位開關，來進行全局曝光的控制操作，而復位開關Trst僅復位懸浮擴散區FD，其他的像素單元電路結構：光電二極管PD、傳輸管TX、源極跟隨器Tsf、行選通開關Tsel的功能與4T像素結構相同。

圖3 全局曝光5T像素結構

GS信號控制像素結構中的Tgs開關來重置光電二極管PD，從而啟動陣列中所有的像素單元同時開始曝光；重置信號RST僅控制懸浮擴散區FD的復位；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讀出圖像信號。由于5T像素陣列的光電二極管PD和懸浮擴散區FD是獨立重置的，需要被讀出的信號傳輸管TX傳輸后暫時存儲在懸浮擴散區FD中，FD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點以外，全局曝光5T像素結構還有抗暈光的功能，當某一點的信號亮度過高，由光子轉換成的電子數就會過多，會超過單個像素點可包含的電子數，多出的電子便會向周圍的像素單元溢出，導致周圍的像素點會變得比實際上更亮。而在全局曝光5T像素結構單元中，通過將曝光控制管Tgs開關的柵極的低電平值設置為略高于零電位，這樣Tgs一側的勢壘會略低于TX一側的勢壘，可以泄漏一部分溢出的電子，達到了抗暈光的效果。

1.3 5T像素結構的工作時序

本文所設計的像素工作時序如圖4所示，其中RST為復位信號，GS是曝光控制信號，TS是傳輸控制信號，SEL則對行選通開關進行控制。

圖4 全局曝光5T像素工作時序

首先，全局曝光控制信號GS置為高電平，全局曝光控制開關Tgs導通，對光電二極管進行復位，使其電位與電壓Vgs一致。RST復位信號置為高電平，復位開關Trst導通，懸浮擴散區FD節點的電位保持與復位電壓Vrst保持一致，FD被復位。此處懸浮擴散區FD節點的電位為傳輸管TX的漏極或者復位開關管Trst的源極的電位。

隨后全局曝光控制信號GS與復位控制信號RST置為低電平，全局曝光Tgs開關與復位開關管Trst關閉，感光二極管在曝光周期將光信號轉化生成電信號。

在曝光周期結束前，復位控制信號RST置為高電平，復位開關管Trst導通，使得懸浮擴散區FD節點再次復位，為后續FD節點存儲感光二極管的信號做準備。

然后傳輸控制信號TS置為高電平，傳輸管TX導通，此時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逐漸向懸浮擴散區FD節點轉移，然后傳輸控制信號TS再置為低電平以關閉傳輸管TX，懸浮擴散區FD節點存儲光電二極管產生的電信號，同時傳輸管TX將光電二極管PD和懸浮擴散區FD節點分隔開來，存儲在懸浮擴散區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Tsel導通，懸浮擴散區FD節點存儲的信號經過源級跟隨器Tsf管和行選通開關Tsel，傳輸到列級數據線上。

2 列級ADC

在曝光結束后，反映光強變化的模擬信號需要通過ADC（Analog to Digital Converter）轉化為數字編碼信號進行輸出，在CMOS圖像傳感器系統中，ADC起到了數據轉換的橋梁的作用[5]。

通常，CMOS圖像傳感器使用全局ADC來進行模數轉換。使用全局ADC的圖像傳感器系統在單個芯片上集成了成像核心器件和單個ADC模塊，整個像素陣列共用一個ADC，每一像元的模擬信號按順序依次轉換為數字信號。采用全局ADC的圖像傳感器系統結構圖如圖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的基本結構

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ADC，像素陣列與ADC模塊不需要進行間距匹配，因此一致性較好，設計相對靈活。在使用全局ADC的圖像傳感器結構中，光電轉換產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的運行速度成為限制整個芯片處理速度的瓶頸，ADC必須高速運行以確保圖像傳感器具有高幀頻，因此該結構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到ADC進行量化，因此會引入較大的噪聲。

由于本次設計的全局曝光像素陣列采用的5T結構，具有較快的幀數據處理速度，此時全局ADC并不適用于5T像素結構。為了使ADC的運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，本次設計使用列級ADC進行模數轉換。

使用列級ADC的圖像傳感器架構如圖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ADC，然后將全部ADC的并行模擬信號轉換為數字信號。隨后逐行讀取像素陣列，每行像素同時讀出到信號處理電路，然后將這一行像素內的信號再逐個串行傳輸到輸出端。

圖6 列級ADC的基本結構

這種并行處理數據的列級ADC結構具有諸多優點，例如對ADC模塊的運行速度要求較低，具有較強的擴展性，便于ADC模塊和圖像傳感器整體架構的設計。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。本次設計采用列級ADC，可以同時并行處理多個數據源，有效提高了數據吞吐量讀出速率。

3 芯片整體架構研究與設計

本任務研究設計的圖像傳感器系統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。在電路設計過程中綜合使用全定制與半定制的設計方法以適應圖像傳感器芯片的電路要求。芯片整體架構如圖7所示。

像素陣列中所有的像素單元同時曝光，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，然后經第一級采樣保持電路。在列轉換的同時，亮信號與暗信號進行CDS操作，最大程度降低列電路不均勻性導致的固定模式噪聲。列級ADC可以有效提高芯片讀出速度及成像質量。通過列級ADC，放大的模擬信號轉換為數字信號。經過AD轉換后的數字信號被直接輸出到SRAM中，再從SRAM輸出到數字邏輯電路端進行圖像格式轉換，最后通過多通道MIPI接口輸出。

圖7 基于5T結構的全局曝光CMOS圖像傳感器整體架構

4 結語

本文設計一種可以實現全局曝光功能的5T像素結構，解決了滾筒曝光可能會產生的圖像失真問題。與傳統的全局曝光4T結構相比，在像素單元內增加了可以對曝光管單獨進行控制的Tgs開關，使得曝光和積分值讀出能夠同時進行，從而提高了圖像傳感器的幀頻。同時，采用列級ADC進行模數轉換，更加適配于全局曝光對幀頻較高的要求，進一步地提高了幀數據的處理速度，同時降低了芯片功耗，可以使圖像傳感器擁有更好的性能。