CMOS图像传感器的光电信号处理电路及方法转让专利
申请号 : CN200710043668.4
文献号 : CN100586158C
文献日 : 2010-01-27
发明人 : 黄碧珍 , 万涛涛 , 任晓慧 , 曹庆红
申请人 : 上海锐晶电子科技有限公司
摘要 :
本发明公开了CMOS图像传感器的光电信号处理方法，包括在光敏二极管曝光前，在行复位信号为高电平时对光敏二极管复位；在行使能信号首次为高电平且复位采样控制信号为高电平时采样光敏二极管复位电压作为曝光前光敏二极管电压信号并暂存；在光敏二极管曝光后，在行使能信号再次为高电平且在曝光采样控制信号为高电平时采样曝光后光敏二极管电压信号；比较采样的曝光后与曝光前光敏二极管电压信号，并将比较结果作为图像信号输出。本发明还公开了CMOS图像传感器的光电信号处理电路。本发明CMOS图像传感器的光电信号处理电路及方法解决了相关二次采样不精确的问题，实现了精确相关二次采样，改善了图像质量。
权利要求 :
1.一种CMOS图像传感器的光电信号处理电路，其特征在于，包括，
像素单元，用于在接收的行复位信号为高电平时，对光敏二极管复位， 并在接收的行使能信号首次为高电平时，输出光敏二极管复位电压作为曝光 前光敏二极管电压信号以及在接收的行使能信号再次为高电平时，输出曝光 后光敏二极管电压信号；
电压采样电路，用于在接收的复位采样控制信号为高电平时，接收曝光 前光敏二极管电压信号并输出曝光前电压采样信号以及在接收的曝光采样控 制信号为高电平时，接收曝光后光敏二极管电压信号并输出曝光后电压采样 信号；
电压比较电路，将接收的曝光前电压采样信号与曝光后电压采样信号进 行比较，并将比较结果作为图像信号输出。
2.如权利要求1所述的CMOS图像传感器的光电信号处理电路，其特征在于， 所述电压比较电路包括用于存储所接收的曝光前电压采样信号的存储器以及 用于调用存储器存储的曝光前电压采样信号并与所接收的曝光后电压采样信 号进行比较，并将比较结果作为图像信号输出的比较器。
3.如权利要求1所述的CMOS图像传感器的光电信号处理电路，其特征在于， 所述行使能信号在所述行复位信号由高电平达到低电平时，首次由低电平变 高电平。
4.如权利要求3所述的CMOS图像传感器的光电信号处理电路，其特征在于， 所述复位采样控制信号在所述行使能信号首次由低电平达到高电平时，由低 电平变高电平。
5.如权利要求4所述的CMOS图像传感器的光电信号处理电路，其特征在于， 所述行使能信号在所述复位采样控制信号由高电平达到低电平时，首次由高 电平变低电平。
6.如权利要求5所述的CMOS图像传感器的光电信号处理电路，其特征在于， 所述曝光采样控制信号在所述行使能信号再次为高电平时，由低电平变高电 平。
7.如权利要求6所述的CMOS图像传感器的光电信号处理电路，其特征在于， 所述行使能信号再次为高电平的时间与行使能信号首次为高电平的时间间隔 等于光敏二极管的曝光时间。
8.一种CMOS图像传感器的光电信号处理方法，其特征在于，包括下列步骤，
在光敏二极管曝光前，在行复位信号为高电平时对光敏二极管复位；
在光敏二极管曝光前，在行使能信号首次为高电平，且复位采样控制信 号为高电平时采样光敏二极管复位电压作为曝光前光敏二极管电压信号；
在光敏二极管曝光后，在行使能信号再次为高电平，且在曝光采样控制 信号为高电平时采样曝光后光敏二极管电压信号；
比较采样的曝光后光敏二极管电压信号与曝光前光敏二极管电压信号， 并将比较结果作为图像信号输出。
9.如权利要求8所述的CMOS图像传感器的光电信号处理方法，其特征在于， 所述采样光敏二极管复位电压作为曝光前光敏二极管电压信号后，将曝光前 光敏二极管电压信号暂存。
10.如权利要求8所述的CMOS图像传感器的光电信号处理方法，其特征在于， 所述行使能信号在所述行复位信号由高电平达到低电平时，首次由低电平变 高电平。
11.如权利要求10所述的CMOS图像传感器的光电信号处理方法，其特征在 于，所述复位采样控制信号在所述行使能信号首次由低电平达到高电平时， 由低电平变高电平。
12.如权利要求11所述的CMOS图像传感器的光电信号处理方法，其特征在 于，所述行使能信号在所述复位采样控制信号由高电平达到低电平时，首次 由高电平变低电平。
13.如权利要求12所述的CMOS图像传感器的光电信号处理方法，其特征在 于，所述曝光采样控制信号在所述行使能信号再次达到高电平时，由低电平 变高电平。
14.如权利要求13所述的CMOS图像传感器的光电信号处理方法，其特征在 于，所述行使能信号再次为高电平的时间与行使能信号首次为高电平的时间 间隔等于光敏二极管的曝光时间。
说明书 :
技术领域
本发明涉及互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，特别涉及互补 金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的光电信号处理电路及光电信号处理 方法。
背景技术
图像传感器是用于将光学图像转换成电信号的半导体器件，包括电荷耦 合器件(CCD，Charge Coupled Device)图像传感器和互补金属氧化物半导体 (CMOS)图像传感器。
一般的CCD图像传感器包括将光信号转换成电信号的光敏二极管阵列， 多个垂直的电荷耦合器件，形成在以矩阵型配置对准的各垂直光敏二极管之 间，并垂直地传送产自各光敏二极管的电荷。水平电荷耦合器件，用于水平 地传送由各垂直电荷耦合器件传送的电荷，以及读出放大器，用于检测和输 出水平传送的电荷。电荷耦合器件的缺陷在于驱动方法复杂、高功耗以及需 要多级光刻处理的复杂制造工艺。另外，在电荷耦合器件中，难以将诸如控 制电路、信号处理器、以及模数转换器这样的互补电路集成到单芯片器件中， 因而，阻碍了利用这种图像传感器的紧凑型产品的发展，例如，数字照相机 和数字摄像机。
而与此相对地，CMOS图像传感器采用了利用控制电路和信号处理电路 作为外围电路的CMOS技术，还采用了允许利用与排列的像素的数量对应设 置的MOS晶体管顺序检测输出而由此检测图像的开关技术。另外，CMOS图 像传感器利用了CMOS制造技术。因而，与CCD图像传感器相比，CMOS 图像传感器具有以下优势：1)与CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器 工艺成本较低。2)CMOS图像传感器可以通过单一的电源操作，使得其耗电 比CCD图像传感器低。3)CMOS图像传感器可以将信号处理电路在电路集 成到传感器芯片上，从而面积更小。
现有的CMOS图像传感器通常包括3管结构和4管结构。4管像素单元 的结构，通常包括三个晶体管和一个用于吸收入射光并转换为光电流的光敏 二极管，如图1所示，4管CMOS图像传感器包括光敏二极管PD、第一晶体 管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3和第四晶体管T4。光敏二极管正极接 地、负极与第四晶体管T4的源极相连；第一晶体管T1的源极与第四晶体管 T4的漏极相连、第一晶体管T1的栅极接收复位信号(RST)、漏极与第二晶 体管T2的漏极相连且与外围电源电路相连以提供像素电压VDDPIX；第二晶 体管T2的栅极与第一晶体管T1的源极相连、源极与第三晶体管T3的漏极相 连；第三晶体管T3的栅极接收行使能信号(ENX)、源极与电压采样电路相 连；第四晶体管T4的栅极与传输门相连。其中，第一晶体管T1的作用是提 供复位功能。第二晶体管T2的作用是作为跟随器。第三晶体管T3的作用是 接收行使能信号。第四晶体管T4的作用是作为传输管。第一晶体管T1和第 四晶体管T4一起导通时将像素电压VDDPIX转移给光敏二极管PD，第三 晶体管T3和第四晶体管T4一起导通时是将光敏二极管PD上的电荷转移到 电压采样电路的电容上。但是，4管结构工艺实现过程比较复杂，并且由于 CMOS图像传感器的光敏性受光敏二极管所占的表面区域与CMOS图像传感 器的整个表面区域的比值度影响，因而像素单元的MOS管数量如果较多，就 会使每个像素单元的实际感光面积较小，从而影响图像质量。
相应地，现有的3管像素单元的结构，如图2所示，包括光敏二极管PD、 复位管T1、跟随管T2和使能管T3，光敏二极管正极接地，负极与复位管T1 的源极相连；复位管T1的栅极接收复位信号(RST)、漏极与跟随管T2的漏 极相连且与外围电源电路相连以提供像素电压VDDPIX；跟随管T2的栅极与 光敏二极管的负极相连、源极与使能管T3的漏极相连；使能管T3的栅极接 收行使能信号(ENX)、源极与电压采样电路相连。复位管T1的作用是提供 复位功能，主要使光敏二极管PD的电压复位。跟随管T2的作用是作为跟随 器。使能管T3的作用是当接收到行使能信号为高时，将光敏二极管PD两端 电压输送给采样电路。相对于采用4管结构的CMOS图像传感器来说，3管 结构的CMOS图像传感器的感光面积会更大。
在例如专利号为ZL 02120295.8的中国专利中还能发现更多关于CMOS 图像传感器的信息。
而现有3管结构的CMOS图像传感器进行相关二次采样来实现光电信号 处理的过程如下，结合图2和图3所示：当行复位信号RST为高电平时，复 位管T1导通，对电容C3进行充电；当行复位信号RST由高变为低电平时， 电容C3充电结束，基本接近于像素电压VDDPIX；曝光过程中，光敏二极管 PD受光照影响，电阻值变小，电容C3开始放电，使得电容C3上的电压降低。 曝光结束后，行使能信号ENX由低变高，使能管T3导通，当曝光采样控制 信号SHS变为高电平时，对电容C2进行充电，SHS变低后，行复位信号RST 变高电平，重新对电容C3进行充电，当行复位信号RST由高变为低电平时， 电容C3充电结束，基本接近于像素电压VDDPIX。然后，复位采样控制信号 SHR变成高电平时，对电容C1进行充电，复位采用控制信号SHR变低后， 行使能信号ENX变低，充电结束，电容C1的电压基本接近于电容C3的电压， 此电压约等于曝光前电容C3的电压。然后将电容C1的电压作为输入信号， 电容C2的电压作为参考信号，通过比较电容C1和电容C2的电压来得到电 压差，也就是将曝光前后光敏二极管的电压变化来作为图像输出信号，来达 到光信号转换成电信号的目的。但是，现有光电信号处理方法存在下列不足：
1.由于作为参考电压的电容C1的电压与曝光前光敏二极管的电压并不 完全一致，而只是一个近似值，因而输出的反映曝光前后光敏二极管电压变 化的信号就不太精确，特别是在暗光下曝光时间比较长，复位管传递的像素 电压会发生变化，导致曝光前后光敏二极管复位后的电压值相差较大，因而 相关二次采样不精确，最终会影响图像质量。
2.在进行光电信号处理的过程中需要进行两次复位，因而光电信号处理 的时间较长，传感器的工作效率不高。
一般的CCD图像传感器包括将光信号转换成电信号的光敏二极管阵列， 多个垂直的电荷耦合器件，形成在以矩阵型配置对准的各垂直光敏二极管之 间，并垂直地传送产自各光敏二极管的电荷。水平电荷耦合器件，用于水平 地传送由各垂直电荷耦合器件传送的电荷，以及读出放大器，用于检测和输 出水平传送的电荷。电荷耦合器件的缺陷在于驱动方法复杂、高功耗以及需 要多级光刻处理的复杂制造工艺。另外，在电荷耦合器件中，难以将诸如控 制电路、信号处理器、以及模数转换器这样的互补电路集成到单芯片器件中， 因而，阻碍了利用这种图像传感器的紧凑型产品的发展，例如，数字照相机 和数字摄像机。
而与此相对地，CMOS图像传感器采用了利用控制电路和信号处理电路 作为外围电路的CMOS技术，还采用了允许利用与排列的像素的数量对应设 置的MOS晶体管顺序检测输出而由此检测图像的开关技术。另外，CMOS图 像传感器利用了CMOS制造技术。因而，与CCD图像传感器相比，CMOS 图像传感器具有以下优势：1)与CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器 工艺成本较低。2)CMOS图像传感器可以通过单一的电源操作，使得其耗电 比CCD图像传感器低。3)CMOS图像传感器可以将信号处理电路在电路集 成到传感器芯片上，从而面积更小。
现有的CMOS图像传感器通常包括3管结构和4管结构。4管像素单元 的结构，通常包括三个晶体管和一个用于吸收入射光并转换为光电流的光敏 二极管，如图1所示，4管CMOS图像传感器包括光敏二极管PD、第一晶体 管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3和第四晶体管T4。光敏二极管正极接 地、负极与第四晶体管T4的源极相连；第一晶体管T1的源极与第四晶体管 T4的漏极相连、第一晶体管T1的栅极接收复位信号(RST)、漏极与第二晶 体管T2的漏极相连且与外围电源电路相连以提供像素电压VDDPIX；第二晶 体管T2的栅极与第一晶体管T1的源极相连、源极与第三晶体管T3的漏极相 连；第三晶体管T3的栅极接收行使能信号(ENX)、源极与电压采样电路相 连；第四晶体管T4的栅极与传输门相连。其中，第一晶体管T1的作用是提 供复位功能。第二晶体管T2的作用是作为跟随器。第三晶体管T3的作用是 接收行使能信号。第四晶体管T4的作用是作为传输管。第一晶体管T1和第 四晶体管T4一起导通时将像素电压VDDPIX转移给光敏二极管PD，第三 晶体管T3和第四晶体管T4一起导通时是将光敏二极管PD上的电荷转移到 电压采样电路的电容上。但是，4管结构工艺实现过程比较复杂，并且由于 CMOS图像传感器的光敏性受光敏二极管所占的表面区域与CMOS图像传感 器的整个表面区域的比值度影响，因而像素单元的MOS管数量如果较多，就 会使每个像素单元的实际感光面积较小，从而影响图像质量。
相应地，现有的3管像素单元的结构，如图2所示，包括光敏二极管PD、 复位管T1、跟随管T2和使能管T3，光敏二极管正极接地，负极与复位管T1 的源极相连；复位管T1的栅极接收复位信号(RST)、漏极与跟随管T2的漏 极相连且与外围电源电路相连以提供像素电压VDDPIX；跟随管T2的栅极与 光敏二极管的负极相连、源极与使能管T3的漏极相连；使能管T3的栅极接 收行使能信号(ENX)、源极与电压采样电路相连。复位管T1的作用是提供 复位功能，主要使光敏二极管PD的电压复位。跟随管T2的作用是作为跟随 器。使能管T3的作用是当接收到行使能信号为高时，将光敏二极管PD两端 电压输送给采样电路。相对于采用4管结构的CMOS图像传感器来说，3管 结构的CMOS图像传感器的感光面积会更大。
在例如专利号为ZL 02120295.8的中国专利中还能发现更多关于CMOS 图像传感器的信息。
而现有3管结构的CMOS图像传感器进行相关二次采样来实现光电信号 处理的过程如下，结合图2和图3所示：当行复位信号RST为高电平时，复 位管T1导通，对电容C3进行充电；当行复位信号RST由高变为低电平时， 电容C3充电结束，基本接近于像素电压VDDPIX；曝光过程中，光敏二极管 PD受光照影响，电阻值变小，电容C3开始放电，使得电容C3上的电压降低。 曝光结束后，行使能信号ENX由低变高，使能管T3导通，当曝光采样控制 信号SHS变为高电平时，对电容C2进行充电，SHS变低后，行复位信号RST 变高电平，重新对电容C3进行充电，当行复位信号RST由高变为低电平时， 电容C3充电结束，基本接近于像素电压VDDPIX。然后，复位采样控制信号 SHR变成高电平时，对电容C1进行充电，复位采用控制信号SHR变低后， 行使能信号ENX变低，充电结束，电容C1的电压基本接近于电容C3的电压， 此电压约等于曝光前电容C3的电压。然后将电容C1的电压作为输入信号， 电容C2的电压作为参考信号，通过比较电容C1和电容C2的电压来得到电 压差，也就是将曝光前后光敏二极管的电压变化来作为图像输出信号，来达 到光信号转换成电信号的目的。但是，现有光电信号处理方法存在下列不足：
1.由于作为参考电压的电容C1的电压与曝光前光敏二极管的电压并不 完全一致，而只是一个近似值，因而输出的反映曝光前后光敏二极管电压变 化的信号就不太精确，特别是在暗光下曝光时间比较长，复位管传递的像素 电压会发生变化，导致曝光前后光敏二极管复位后的电压值相差较大，因而 相关二次采样不精确，最终会影响图像质量。
2.在进行光电信号处理的过程中需要进行两次复位，因而光电信号处理 的时间较长，传感器的工作效率不高。
发明内容
本发明即是为了解决现有技术CMOS图像传感器相关二次采样不精确的 问题。
本发明还解决了现有技术CMOS图像传感器需要进行两次复位，因而效 率不高的问题。
为解决上述问题，本发明提供了一种CMOS图像传感器的光电信号处理 电路，包括，
在接收的行复位信号为高电平时，对光敏二极管复位，并在接收的行使 能信号首次为高电平时，输出曝光前光敏二极管电压信号以及在接收的行使 能信号再次为高电平时，输出曝光后光敏二极管电压信号的像素单元；
在接收的复位采样控制信号为高电平时，接收曝光前光敏二极管电压信 号并输出曝光前电压采样信号以及在接收的曝光采样控制信号为高电平时， 接收曝光后光敏二极管电压信号并输出曝光后电压采样信号的电压采样电 路；
根据接收的曝光前电压采样信号及曝光后电压采样信号进行比较，并将 比较结果作为图像信号输出的电压比较电路。
所述电压比较电路包括用于存储所接收的曝光前电压采样信号的存储器 以及用于调用存储器存储的曝光前电压采样信号并与所接收的曝光后电压采 样信号进行比较，并将比较结果作为图像信号输出的比较器。
相应地，本发明提供了一种CMOS图像传感器的光电信号处理方法，包 括下列步骤，
在光敏二极管曝光前，在行复位信号为高电平时对光敏二极管复位；
在光敏二极管曝光前，在行使能信号首次为高电平，且复位采样控制信 号为高电平时采样光敏二极管复位电压作为曝光前光敏二极管电压信号；
在光敏二极管曝光后，在行使能信号再次为高电平，且在曝光采样控制 信号为高电平时采样曝光后光敏二极管电压信号；
比较采样的曝光后光敏二极管电压信号与曝光前光敏二极管电压信号， 并将比较结果作为图像信号输出。
与现有技术相比，上述方案具有以下优点：
1.上述方案通过在曝光之前采样光敏二极管的电压，然后与曝光后采样 得到的光敏二极管的电压进行比较，从而能够精确地反映曝光前后光敏二极 管的电压变化，使相关二次采样更精确，提高传感器图像输出信号的精确性， 从而使传感器图像质量得到提高。
2.上述方案进行光电信号处理的过程中只需要进行一次复位，节省了光 电信号处理的时间，提高了传感器工作的效率。
本发明还解决了现有技术CMOS图像传感器需要进行两次复位，因而效 率不高的问题。
为解决上述问题，本发明提供了一种CMOS图像传感器的光电信号处理 电路，包括，
在接收的行复位信号为高电平时，对光敏二极管复位，并在接收的行使 能信号首次为高电平时，输出曝光前光敏二极管电压信号以及在接收的行使 能信号再次为高电平时，输出曝光后光敏二极管电压信号的像素单元；
在接收的复位采样控制信号为高电平时，接收曝光前光敏二极管电压信 号并输出曝光前电压采样信号以及在接收的曝光采样控制信号为高电平时， 接收曝光后光敏二极管电压信号并输出曝光后电压采样信号的电压采样电 路；
根据接收的曝光前电压采样信号及曝光后电压采样信号进行比较，并将 比较结果作为图像信号输出的电压比较电路。
所述电压比较电路包括用于存储所接收的曝光前电压采样信号的存储器 以及用于调用存储器存储的曝光前电压采样信号并与所接收的曝光后电压采 样信号进行比较，并将比较结果作为图像信号输出的比较器。
相应地，本发明提供了一种CMOS图像传感器的光电信号处理方法，包 括下列步骤，
在光敏二极管曝光前，在行复位信号为高电平时对光敏二极管复位；
在光敏二极管曝光前，在行使能信号首次为高电平，且复位采样控制信 号为高电平时采样光敏二极管复位电压作为曝光前光敏二极管电压信号；
在光敏二极管曝光后，在行使能信号再次为高电平，且在曝光采样控制 信号为高电平时采样曝光后光敏二极管电压信号；
比较采样的曝光后光敏二极管电压信号与曝光前光敏二极管电压信号， 并将比较结果作为图像信号输出。
与现有技术相比，上述方案具有以下优点：
1.上述方案通过在曝光之前采样光敏二极管的电压，然后与曝光后采样 得到的光敏二极管的电压进行比较，从而能够精确地反映曝光前后光敏二极 管的电压变化，使相关二次采样更精确，提高传感器图像输出信号的精确性， 从而使传感器图像质量得到提高。
2.上述方案进行光电信号处理的过程中只需要进行一次复位，节省了光 电信号处理的时间，提高了传感器工作的效率。
附图说明
图1是现有技术CMOS图像传感器4管像素单元结构图；
图2是现有技术CMOS图像传感器3管像素单元结构图；
图3是现有技术3管结构CMOS图像传感器信号处理时序图；
图4是本发明实施例CMOS图像传感器光电信号处理方法流程图；
图5是本发明实施例CMOS图像传感器光电信号处理电路结构图；
图6是本发明实施例CMOS图像传感器光电信号处理时序图。
图2是现有技术CMOS图像传感器3管像素单元结构图；
图3是现有技术3管结构CMOS图像传感器信号处理时序图；
图4是本发明实施例CMOS图像传感器光电信号处理方法流程图；
图5是本发明实施例CMOS图像传感器光电信号处理电路结构图；
图6是本发明实施例CMOS图像传感器光电信号处理时序图。
具体实施方式
本发明CMOS图像传感器的光电信号处理方法的实质是在光敏二极管曝 光前后分别对于光敏二极管电压进行采样，从而能够精确地反映曝光前后光 敏二极管的电压变化，实现精确相关二次采样，提高传感器图像输出信号的 精确性。
参照图4所示，本发明实施例CMOS图像传感器的光电信号处理方法包 括下列步骤，
步骤s1，在光敏二极管曝光前，在行复位信号为高电平时对光敏二极管 复位；
步骤s2，在光敏二极管曝光前，在行使能信号首次为高电平，且复位采 样控制信号为高电平时采样光敏二极管复位电压作为曝光前光敏二极管电压 信号并暂存；
步骤s3，在光敏二极管曝光后，在行使能信号再次为高电平，且在曝光 采样控制信号为高电平时采样曝光后光敏二极管电压信号；
步骤s4，比较采样的曝光后光敏二极管电压信号与曝光前光敏二极管电 压信号，并将比较结果作为图像信号输出。
参照图5所示，本发明实施例CMOS图像传感器光电信号处理电路包括，
在接收的行复位信号为高电平时，对光敏二极管复位，并在接收的行使 能信号首次为高电平时，输出光敏二极管复位电压作为曝光前光敏二极管电 压信号以及在接收的行使能信号再次为高电平时，输出曝光后光敏二极管电 压信号的像素单元10；
在接收的复位采样控制信号为高电平时，接收曝光前光敏二极管电压信 号并输出曝光前电压采样信号以及在接收的曝光采样控制信号为高电平时， 接收曝光后光敏二极管电压信号并输出曝光后电压采样信号的电压采样电路 20；
根据接收的曝光前电压采样信号及曝光后电压采样信号进行比较，并将 比较结果作为图像信号输出的电压比较电路30。
下面以3管结构的CMOS图像传感器的光电信号处理电路为例来对于本 发明CMOS图像传感器的光电信号处理电路以及光电信号处理方法进行详细 说明。
继续参照图5所示，像素单元10的作用是在光敏二极管PD曝光前，对 光敏二极管PD复位并将复位电压作为曝光前光敏二极管的模拟电压信号输 出，以及在光敏二极管PD曝光后，将光敏二极管PD所接收的光转换成模拟 电压并作为曝光后光敏二极管PD的模拟电压信号输出。作为本发明的实施 例，像素单元10包括复位管T1，光敏二极管PD，跟随管T2，使能管T3， 以及电容C3。其中，光敏二极管PD正极接地，负极与复位管T1的源极相连； 复位管T1的栅极接收复位信号(RST)，漏极与跟随管T2的漏极相连且与像 素电压VDDPIX相连；跟随管T2的栅极与光敏二极管PD的负极相连、源极 与使能管T3的漏极相连；使能管T3的栅极接收行使能信号(ENX)、源极与 电压采样电路11相连。电容C3的两端分别接于光敏二极管PD的正极和负 极。其中，复位管T1的作用是提供复位功能，主要使光敏二极管PD的电压 复位。跟随管T2的作用是作为跟随器。使能管T3的作用是当接收到行使能 信号为高时，将光敏二极管PD两端电压输送给电压采样电路20。
电压采样电路20的作用是采样像素单元10输出的曝光前光敏二极管PD 模拟电压信号并输出曝光前电压采样信号，以及采样像素单元10输出的曝光 后光敏二极管的模拟电压信号并输出曝光后电压采样信号。电压采样电路20 包括复位电压采样电路(图5中未标示)和曝光电压采样电路(图5中未标 示)，分别用以采样所述的曝光前光敏二极管PD的模拟电压信号和曝光后光 敏二极管PD的模拟电压信号。
作为本发明的实施例，复位电压采样电路包括根据复位采样控制信号 SHR对于电容C1的充放电进行控制的复位电压采样控制开关201，以及用以 存储曝光前光敏二极管模拟电压的电容C1，并且，所述的复位采样控制开关 201和电容C1为串联。更进一步，为了使复位采样电路输出的曝光前电压采 样信号质量更高，还可以在电容C1之后串联具有放大功能的可编程增益放大 器(PGA，Programmable Gain Amplifier)(图5中未显示)。可编程增益放大 器将曝光前电压采样信号放大之后传输给电压比较电路30。
作为本发明的实施例，曝光电压采样电路包括根据曝光采样控制信号 SHS对于电容C2的充放电进行控制的曝光电压采样控制开关202，以及用以 存储曝光后光敏二极管模拟电压的电容C2，并且，所述的曝光采样控制开关 202和电容C2为串联。更进一步，为了使曝光采样电路输出的曝光后电压采 样信号质量更高，还可以在电容C2之后串联具有放大功能的可编程增益放大 器(PGA，Programmable Gain Amplifier)(图5中未显示)。可编程增益放大 器将曝光后电压采样信号放大之后传输给电压比较电路30。
电压比较电路30的作用是接收电压采样电路20输出的曝光前电压采样 信号和曝光后电压采样信号，并对这两个信号进行比较，并将比较结果作为 光电信号处理电路的图像输出信号。
作为本发明的实施例，电压比较电路30包括用以将电压采样电路20输 出的曝光前采样信号转换成数字电压信号的模数转换器302、用以将电压采样 电路20输出的曝光后采样信号转换成数字电压信号的模数转换器301，用以 存储经模数转换器302转换之后的曝光前光敏二极管的数字电压信号的存储 器303，以及用以对于曝光前光敏二极管电压的数字电压信号和曝光后光敏二 极管电压的数字电压信号进行比较的比较器304。其中比较器304分别接收模 数转换器301传输的曝光后光敏二极管的数字电压信号和存储器303传输的 曝光前光敏二极管的数字电压信号，并将比较结果作为光电信号处理电路的 图像信号输出。更进一步，存储器303可以是随机存储器(RAM)，比较器 304可以是相减器。
结合图4、图5和图6所示，在CMOS图像传感器的光电信号处理电路 进行光电信号处理前，即在曝光前，需要先对于光敏二极管PD复位。当复位 管T1接收的行复位信号RST的电平为高时，复位管T1导通，像素电压 VDDPIX通过复位管T1对电容C3进行充电。此处所指的行复位信号RST为 高电平是行复位信号RST稳定维持在复位管T1的开启电压。因为电容C3的 两端分别接于光敏二极管PD的正极和负极，电容C3由于充电过程，存储的 电荷越来越高，而光敏二极管PD两端的电压也越来越高，因此对于电容C3 的充电过程也是使光敏二极管PD两端的电压达到像素电压VDDPIX的过程。 当行复位信号RST的电平由高变为低时，复位管T1截止，对于电容C3的充 电结束，光敏二极管PD两端的电压也达到了像素电压VDDPIX，对于光敏二 极管PD的复位过程也就此完成。并且，此时由于光敏二极管PD还未曝光， 因此电阻值极大，光敏二极管PD的负极电压也维持在像素电压VDDPIX，而 跟随管T2的栅极与光敏二极管PD的负极相连，因此，跟随管T2导通。
继续结合图4、图5和图6所示，在复位过程结束后，就需要对于曝光前 光敏二极管的电压进行采样。当行复位信号的电平完全变低时，行使能信号 ENX的电平由低变高，使能管T3也随之导通，因为跟随管T2已经处于导通 状态，因此，使能管T3就会通过跟随管T2将像素电压VDDPIX传输给电压 采样电路。而当行使能信号ENX的电平完全变高时，复位采样控制信号SHR 的电平由低变高，电压采样电路20中对于电容C1的充放电进行控制的复位 电压采样控制开关201也随之闭合，开始对于电容C1进行充电。此处所指的 行使能信号ENX的电平完全变高指的是行使能信号ENX稳定维持在使能管 T3的开启电压，而复位采样控制信号SHR由低变高指的是复位采样控制信号 SHR达到复位电压采样控制开关201的开启电压。当复位采样控制信号SHR 的电平由高变低时，复位电压采样控制开关201也随之断开，对于电容C1的 充电过程结束。此时，电容C1两端的电压就是曝光前光敏二极管的电压 VDDPIX。如前所述，在电容C1之后可以设置具有放大功能的可编程增益放 大器来对于电容C1的电压信号进行放大，之后可编程增益放大器会将电容 C1的电压信号传输给电压比较电路30。由于电容C1经可编程增益放大器放 大的电压信号是模拟信号，因此，电压比较电路30会先通过模数转换器302 将模拟信号转换成数字信号，然后将该数字信号传输给存储器303暂存。此 时，存储器303中存储的就是曝光前光敏二极管PD的数字电压信号。所述经 模数转换器302转换后的数字电压信号的形式是由“1”或“0”组成的数据 编码，而存储器303中存储的曝光前光敏二极管PD的数字电压信号就是所述 的数据编码。并且，在复位采样控制信号SHR的电平完全变低后，行使能信 号ENX也变低，使能管T3也随之截止。
继续结合图5和图6所示，在完成了对于曝光前光敏二极管PD的电压的 采样之后，对于光敏二极管PD进行曝光。光敏二极管PD受光照影响，电阻 值变小，电容C3与光敏二极管PD形成放电回路，电容C3开始放电，因而 光敏二极管PD的负极上的电压下降。当曝光结束后，光敏二极管PD两端的 电压也降到了曝光后的电压。
继续结合图4、图5和图6所示，在光敏二极管PD的曝光结束后，采样 曝光后光敏二极管的电压。当经过了光敏二极管曝光时间的间隔之后，行使 能信号ENX的电平再次由低变高时，使能管T3也随着导通，将曝光后光敏 二极管PD的电压传输给电压采样电路20。当行使能信号ENX的电平完全变 高时，曝光采样控制信号SHS的电平由低变高，电压采样电路20中对于电容 C2的充放电进行控制的曝光电压采样控制开关202也随之闭合，开始对电容 C2进行充电。此处所指的行使能信号ENX的电平完全变高指的是行使能信 号ENX稳定维持在使能管T3的开启电压，而曝光采样控制信号SHS由低变 高指的是曝光采样控制信号SHS达到曝光电压采样控制开关202的开启电压。 当曝光采样控制信号SHR的电平由高变低时，曝光电压采样控制开关202也 随之断开，对于电容C2的充电过程结束。此时，电容C2两端的电压就是曝 光后光敏二极管的电压。如前所述，在电容C2之后可以设置具有放大功能的 可编程增益放大器来对于电容C2的电压信号进行放大，之后可编程增益放大 器会将电容C2的电压信号传输给电压比较电路30。由于电容C2经可编程增 益放大器放大的电压信号是模拟信号，因此，电压比较电路30会先通过模数 转换器301将模拟信号转换成数字信号，然后将该数字信号传输给比较器304。 所述由模数转换器301转换后的数字电压信号的形式是由“1”或“0”组成 的数据编码。并且，在曝光采样控制信号SHS的电平完全变低后，行使能信 号ENX也变低，使能管T3也随之截止。
继续结合图4和图5所示，在完成了采样曝光后光敏二极管PD的电压后， 将曝光后光敏二极管电压与曝光前光敏二极管电压比较得到曝光前后光敏二 极管电压变化值，并作为光电信号处理电路的输出信号。比较器304在接收 到模数转换器301传输的曝光后光敏二极管的数字电压信号后，会调用存储 器303存储的曝光前光敏二极管的数字电压信号，并将两者进行比较得到曝 光前后光敏二极管的电压变化，并作为光电信号处理电路的图像输出信号。 如前所述，由于曝光前电压采样信号和曝光后电压采样信号经模数转换器转 换后，分别得到的是由“1”或“0”组成的不同数据编码，而比较器304就 能够根据所述的数据编码比较得到曝光前电压采样信号对应的数据编码和曝 光后电压采样信号对应的数据编码的差值，并以该差值作为光电信号处理电 路的图像输出信号。由于经过模数转换器转换得到的模拟电压信号对应的数 字电压信号都是唯一的，因此所述的经比较器304比较得到的数据编码的差 值能够非常精确地反应曝光前后光敏二极管PD的电压变化，从而提高光电信 号处理电路的图像输出信号的精确性，并且进一步使传感器的图像质量得到 提高。
综上所述，上述方案通过在曝光之前采样光敏二极管的电压并暂存，然 后与曝光后采样得到的光敏二极管的电压进行比较，从而能够精确地反映曝 光前后光敏二极管的电压变化，实现精确二次相关采样，提高传感器图像输 出信号的精确性，从而使传感器图像质量得到提高。并且，上述方案进行光 电信号处理的过程中只需要进行一次复位，节省了光电信号处理的时间，提 高了传感器工作的效率。
虽然本发明己以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本 领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改， 因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
参照图4所示，本发明实施例CMOS图像传感器的光电信号处理方法包 括下列步骤，
步骤s1，在光敏二极管曝光前，在行复位信号为高电平时对光敏二极管 复位；
步骤s2，在光敏二极管曝光前，在行使能信号首次为高电平，且复位采 样控制信号为高电平时采样光敏二极管复位电压作为曝光前光敏二极管电压 信号并暂存；
步骤s3，在光敏二极管曝光后，在行使能信号再次为高电平，且在曝光 采样控制信号为高电平时采样曝光后光敏二极管电压信号；
步骤s4，比较采样的曝光后光敏二极管电压信号与曝光前光敏二极管电 压信号，并将比较结果作为图像信号输出。
参照图5所示，本发明实施例CMOS图像传感器光电信号处理电路包括，
在接收的行复位信号为高电平时，对光敏二极管复位，并在接收的行使 能信号首次为高电平时，输出光敏二极管复位电压作为曝光前光敏二极管电 压信号以及在接收的行使能信号再次为高电平时，输出曝光后光敏二极管电 压信号的像素单元10；
在接收的复位采样控制信号为高电平时，接收曝光前光敏二极管电压信 号并输出曝光前电压采样信号以及在接收的曝光采样控制信号为高电平时， 接收曝光后光敏二极管电压信号并输出曝光后电压采样信号的电压采样电路 20；
根据接收的曝光前电压采样信号及曝光后电压采样信号进行比较，并将 比较结果作为图像信号输出的电压比较电路30。
下面以3管结构的CMOS图像传感器的光电信号处理电路为例来对于本 发明CMOS图像传感器的光电信号处理电路以及光电信号处理方法进行详细 说明。
继续参照图5所示，像素单元10的作用是在光敏二极管PD曝光前，对 光敏二极管PD复位并将复位电压作为曝光前光敏二极管的模拟电压信号输 出，以及在光敏二极管PD曝光后，将光敏二极管PD所接收的光转换成模拟 电压并作为曝光后光敏二极管PD的模拟电压信号输出。作为本发明的实施 例，像素单元10包括复位管T1，光敏二极管PD，跟随管T2，使能管T3， 以及电容C3。其中，光敏二极管PD正极接地，负极与复位管T1的源极相连； 复位管T1的栅极接收复位信号(RST)，漏极与跟随管T2的漏极相连且与像 素电压VDDPIX相连；跟随管T2的栅极与光敏二极管PD的负极相连、源极 与使能管T3的漏极相连；使能管T3的栅极接收行使能信号(ENX)、源极与 电压采样电路11相连。电容C3的两端分别接于光敏二极管PD的正极和负 极。其中，复位管T1的作用是提供复位功能，主要使光敏二极管PD的电压 复位。跟随管T2的作用是作为跟随器。使能管T3的作用是当接收到行使能 信号为高时，将光敏二极管PD两端电压输送给电压采样电路20。
电压采样电路20的作用是采样像素单元10输出的曝光前光敏二极管PD 模拟电压信号并输出曝光前电压采样信号，以及采样像素单元10输出的曝光 后光敏二极管的模拟电压信号并输出曝光后电压采样信号。电压采样电路20 包括复位电压采样电路(图5中未标示)和曝光电压采样电路(图5中未标 示)，分别用以采样所述的曝光前光敏二极管PD的模拟电压信号和曝光后光 敏二极管PD的模拟电压信号。
作为本发明的实施例，复位电压采样电路包括根据复位采样控制信号 SHR对于电容C1的充放电进行控制的复位电压采样控制开关201，以及用以 存储曝光前光敏二极管模拟电压的电容C1，并且，所述的复位采样控制开关 201和电容C1为串联。更进一步，为了使复位采样电路输出的曝光前电压采 样信号质量更高，还可以在电容C1之后串联具有放大功能的可编程增益放大 器(PGA，Programmable Gain Amplifier)(图5中未显示)。可编程增益放大 器将曝光前电压采样信号放大之后传输给电压比较电路30。
作为本发明的实施例，曝光电压采样电路包括根据曝光采样控制信号 SHS对于电容C2的充放电进行控制的曝光电压采样控制开关202，以及用以 存储曝光后光敏二极管模拟电压的电容C2，并且，所述的曝光采样控制开关 202和电容C2为串联。更进一步，为了使曝光采样电路输出的曝光后电压采 样信号质量更高，还可以在电容C2之后串联具有放大功能的可编程增益放大 器(PGA，Programmable Gain Amplifier)(图5中未显示)。可编程增益放大 器将曝光后电压采样信号放大之后传输给电压比较电路30。
电压比较电路30的作用是接收电压采样电路20输出的曝光前电压采样 信号和曝光后电压采样信号，并对这两个信号进行比较，并将比较结果作为 光电信号处理电路的图像输出信号。
作为本发明的实施例，电压比较电路30包括用以将电压采样电路20输 出的曝光前采样信号转换成数字电压信号的模数转换器302、用以将电压采样 电路20输出的曝光后采样信号转换成数字电压信号的模数转换器301，用以 存储经模数转换器302转换之后的曝光前光敏二极管的数字电压信号的存储 器303，以及用以对于曝光前光敏二极管电压的数字电压信号和曝光后光敏二 极管电压的数字电压信号进行比较的比较器304。其中比较器304分别接收模 数转换器301传输的曝光后光敏二极管的数字电压信号和存储器303传输的 曝光前光敏二极管的数字电压信号，并将比较结果作为光电信号处理电路的 图像信号输出。更进一步，存储器303可以是随机存储器(RAM)，比较器 304可以是相减器。
结合图4、图5和图6所示，在CMOS图像传感器的光电信号处理电路 进行光电信号处理前，即在曝光前，需要先对于光敏二极管PD复位。当复位 管T1接收的行复位信号RST的电平为高时，复位管T1导通，像素电压 VDDPIX通过复位管T1对电容C3进行充电。此处所指的行复位信号RST为 高电平是行复位信号RST稳定维持在复位管T1的开启电压。因为电容C3的 两端分别接于光敏二极管PD的正极和负极，电容C3由于充电过程，存储的 电荷越来越高，而光敏二极管PD两端的电压也越来越高，因此对于电容C3 的充电过程也是使光敏二极管PD两端的电压达到像素电压VDDPIX的过程。 当行复位信号RST的电平由高变为低时，复位管T1截止，对于电容C3的充 电结束，光敏二极管PD两端的电压也达到了像素电压VDDPIX，对于光敏二 极管PD的复位过程也就此完成。并且，此时由于光敏二极管PD还未曝光， 因此电阻值极大，光敏二极管PD的负极电压也维持在像素电压VDDPIX，而 跟随管T2的栅极与光敏二极管PD的负极相连，因此，跟随管T2导通。
继续结合图4、图5和图6所示，在复位过程结束后，就需要对于曝光前 光敏二极管的电压进行采样。当行复位信号的电平完全变低时，行使能信号 ENX的电平由低变高，使能管T3也随之导通，因为跟随管T2已经处于导通 状态，因此，使能管T3就会通过跟随管T2将像素电压VDDPIX传输给电压 采样电路。而当行使能信号ENX的电平完全变高时，复位采样控制信号SHR 的电平由低变高，电压采样电路20中对于电容C1的充放电进行控制的复位 电压采样控制开关201也随之闭合，开始对于电容C1进行充电。此处所指的 行使能信号ENX的电平完全变高指的是行使能信号ENX稳定维持在使能管 T3的开启电压，而复位采样控制信号SHR由低变高指的是复位采样控制信号 SHR达到复位电压采样控制开关201的开启电压。当复位采样控制信号SHR 的电平由高变低时，复位电压采样控制开关201也随之断开，对于电容C1的 充电过程结束。此时，电容C1两端的电压就是曝光前光敏二极管的电压 VDDPIX。如前所述，在电容C1之后可以设置具有放大功能的可编程增益放 大器来对于电容C1的电压信号进行放大，之后可编程增益放大器会将电容 C1的电压信号传输给电压比较电路30。由于电容C1经可编程增益放大器放 大的电压信号是模拟信号，因此，电压比较电路30会先通过模数转换器302 将模拟信号转换成数字信号，然后将该数字信号传输给存储器303暂存。此 时，存储器303中存储的就是曝光前光敏二极管PD的数字电压信号。所述经 模数转换器302转换后的数字电压信号的形式是由“1”或“0”组成的数据 编码，而存储器303中存储的曝光前光敏二极管PD的数字电压信号就是所述 的数据编码。并且，在复位采样控制信号SHR的电平完全变低后，行使能信 号ENX也变低，使能管T3也随之截止。
继续结合图5和图6所示，在完成了对于曝光前光敏二极管PD的电压的 采样之后，对于光敏二极管PD进行曝光。光敏二极管PD受光照影响，电阻 值变小，电容C3与光敏二极管PD形成放电回路，电容C3开始放电，因而 光敏二极管PD的负极上的电压下降。当曝光结束后，光敏二极管PD两端的 电压也降到了曝光后的电压。
继续结合图4、图5和图6所示，在光敏二极管PD的曝光结束后，采样 曝光后光敏二极管的电压。当经过了光敏二极管曝光时间的间隔之后，行使 能信号ENX的电平再次由低变高时，使能管T3也随着导通，将曝光后光敏 二极管PD的电压传输给电压采样电路20。当行使能信号ENX的电平完全变 高时，曝光采样控制信号SHS的电平由低变高，电压采样电路20中对于电容 C2的充放电进行控制的曝光电压采样控制开关202也随之闭合，开始对电容 C2进行充电。此处所指的行使能信号ENX的电平完全变高指的是行使能信 号ENX稳定维持在使能管T3的开启电压，而曝光采样控制信号SHS由低变 高指的是曝光采样控制信号SHS达到曝光电压采样控制开关202的开启电压。 当曝光采样控制信号SHR的电平由高变低时，曝光电压采样控制开关202也 随之断开，对于电容C2的充电过程结束。此时，电容C2两端的电压就是曝 光后光敏二极管的电压。如前所述，在电容C2之后可以设置具有放大功能的 可编程增益放大器来对于电容C2的电压信号进行放大，之后可编程增益放大 器会将电容C2的电压信号传输给电压比较电路30。由于电容C2经可编程增 益放大器放大的电压信号是模拟信号，因此，电压比较电路30会先通过模数 转换器301将模拟信号转换成数字信号，然后将该数字信号传输给比较器304。 所述由模数转换器301转换后的数字电压信号的形式是由“1”或“0”组成 的数据编码。并且，在曝光采样控制信号SHS的电平完全变低后，行使能信 号ENX也变低，使能管T3也随之截止。
继续结合图4和图5所示，在完成了采样曝光后光敏二极管PD的电压后， 将曝光后光敏二极管电压与曝光前光敏二极管电压比较得到曝光前后光敏二 极管电压变化值，并作为光电信号处理电路的输出信号。比较器304在接收 到模数转换器301传输的曝光后光敏二极管的数字电压信号后，会调用存储 器303存储的曝光前光敏二极管的数字电压信号，并将两者进行比较得到曝 光前后光敏二极管的电压变化，并作为光电信号处理电路的图像输出信号。 如前所述，由于曝光前电压采样信号和曝光后电压采样信号经模数转换器转 换后，分别得到的是由“1”或“0”组成的不同数据编码，而比较器304就 能够根据所述的数据编码比较得到曝光前电压采样信号对应的数据编码和曝 光后电压采样信号对应的数据编码的差值，并以该差值作为光电信号处理电 路的图像输出信号。由于经过模数转换器转换得到的模拟电压信号对应的数 字电压信号都是唯一的，因此所述的经比较器304比较得到的数据编码的差 值能够非常精确地反应曝光前后光敏二极管PD的电压变化，从而提高光电信 号处理电路的图像输出信号的精确性，并且进一步使传感器的图像质量得到 提高。
综上所述，上述方案通过在曝光之前采样光敏二极管的电压并暂存，然 后与曝光后采样得到的光敏二极管的电压进行比较，从而能够精确地反映曝 光前后光敏二极管的电压变化，实现精确二次相关采样，提高传感器图像输 出信号的精确性，从而使传感器图像质量得到提高。并且，上述方案进行光 电信号处理的过程中只需要进行一次复位，节省了光电信号处理的时间，提 高了传感器工作的效率。
虽然本发明己以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本 领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改， 因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。