一種全局像元cmos圖像傳感器系統(tǒng)架構(gòu)及其信號傳輸方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于本發(fā)明屬于圖像傳感器領(lǐng)域，涉及一種高幀率1080P5T全局像元互補金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor，簡稱CMOS)圖像傳感器系統(tǒng)架構(gòu)及其信號傳輸方法。
【背景技術(shù)】
[0002]圖像傳感器是組成數(shù)字?jǐn)z像頭的重要組成部分。根據(jù)元件的不同，可分為CO) (Charge-coupled Device)圖像傳感器和CMOS圖像傳感器兩大類。CMOS傳感器獲得廣泛應(yīng)用的一個前提是其所擁有的較高靈敏度、較短曝光時間和日漸縮小的像素尺寸。
[0003]通常來說，一個CMOS圖像傳感器的幀率往往取決于后方數(shù)字信號處理器(digital signal processing，簡稱DSP) (DSP)的能力，從目前來看，通常的數(shù)字信號處理器具備1080p全高清視頻流下每秒鐘30幀(30fps)的處理能力，這一幀率能力對于高清視頻流來說是足夠了。
[0004]但是，對于某些特殊應(yīng)用來說，需要每秒鐘傳輸30幀或60幀的視頻流幀率就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。例如，對于某些科學(xué)應(yīng)用相機來說，通常需要拍攝超高速運動的物體，比如拍攝超高速運動的子彈、百米運動員沖刺等，因此，要求其圖像傳感器能夠具備高幀率的圖像采集能力。在上述情況下，高幀率的圖像傳感器需要具備1SOp全高清視頻流下每秒鐘200幀以上的數(shù)據(jù)流能力。
[0005]傳統(tǒng)的4T像元通常屬于滾筒曝光像元(Rolling Shutter Pixel)，其信號讀取原理是當(dāng)TX置高時，PD的信號將被傳輸出來，當(dāng)NMOS管的柵極信號RX拉到高電平時，對FD點電荷進行清空和復(fù)位，然后RX信號置為低電平并將另一 NMOS的柵極信號置為高電平，此時，PD的信號被傳輸至FD點，隨后完成信號讀出。也就是說，對于傳統(tǒng)4T像元組成的圖像傳感器X行I列來說，第一行第一列的曝光時間與第X行第X列的曝光時間并不同時。這個非同時性對于普通相機應(yīng)用來說沒有問題，但是對于高幀率拍攝圖像時，則會引起明顯的圖像失真與變形。所以對于高幀率的圖像傳感器，需要通過5T全局像元(Global ShutterPixel)來實現(xiàn)。
[0006]另外，對于高幀率的圖像傳感器來說，CMOS工藝下由于具備高度集成的特點，可以在一顆芯片上集成像素和數(shù)字處理電路，因此，非常適用于有效提高圖像傳感器的幀率。
[0007]請參閱圖1和圖2，圖1為現(xiàn)有技術(shù)中5T全局像元的CMOS圖像傳感器像元結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)中圖1中的CMOS圖像傳感器像元的控制信號時序圖；其中，控制信號包括:EC、TG、SEL和RST，以及采樣開關(guān)SI和S2。如圖所示，5T全局像元都需要進行兩步操作，即復(fù)位與采樣信號，在這種情況下，5T全局像元增加了第一晶體管Ml，通過PR信號可以復(fù)位采樣，并且該復(fù)位信號即可以作用于CIS所有像元，又可以與采樣信號分開，相對于傳統(tǒng)的4T像元，大幅提高了 CIS的幀率。
[0008]然而，上述CIS的幀率還是不能實現(xiàn)圖像傳感器在1080p (1920*1080 = 207萬像素)超高清視頻流下每秒鐘60幀以上的數(shù)據(jù)流能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的主要目的在于提供一種全局像元CMOS圖像傳感器系統(tǒng)架構(gòu)及其信號傳輸方法，其基于高幀率的5T全局像元的CMOS圖像傳感器系統(tǒng)架構(gòu)，實現(xiàn)1080p (1920*1080=207萬像素)超高清視頻流下每秒鐘60幀以上的數(shù)據(jù)流能力。
[0010]為達(dá)成上述目的，本發(fā)明提供一種全局像元的CMOS圖像傳感器系統(tǒng)架構(gòu)，其包括:由M*N個5T全局像元組成的像素陣列區(qū)；其中，所述像元包括5個NMOS晶體管，即第一晶體管M1、第二晶體管M2、第三晶體管M3、第四晶體管M4、第五晶體管M5和I個感光二極管；以及第一 5T全局像元尾電流模塊、TG控制信號譯碼模塊、RST控制信號譯碼模塊、PR控制信號譯碼模塊、RS控制信號譯碼模塊、列級數(shù)據(jù)線譯碼模塊、偏置和激勵電壓提供模塊和輸入輸出接口 ；其中，第一 5T全局像元尾電流模塊為所述列級數(shù)據(jù)線譯碼模塊提供電流，PR控制信號、TG控制信號是全局信號，RST控制信號是行信號；所述像元的工作時序如下:[0011 ] (I)、PR控制信號置高，所述第一晶體管Ml導(dǎo)通，使得所述感光二極管的電位保持與VPR—致，進行復(fù)位；
[0012](2)、RST控制信號置高，所述第三晶體管M3導(dǎo)通，使得FD點的電位保持與輸入電壓VDD —致，進行復(fù)位；所述FD點的電位為所述第二晶體管M2的漏極或所述第三晶體管M3的源極的電位；
[0013](3)、所述PR控制信號與RST控制信號信號置低，曝光時間開始計；
[0014](4)、在曝光時間即將結(jié)束之前，所述RST控制信號置高，所述第三晶體管M3導(dǎo)通，使得FD點再次復(fù)位，為后續(xù)FD點存儲所述感光二極管的信號做準(zhǔn)備；
[0015](5)、TG控制信號置高，所述第二晶體管M2導(dǎo)通，使得所述感光二極管的信號轉(zhuǎn)移到FD點，然后TG控制信號置低，第二晶體管M2關(guān)閉，F(xiàn)D點存儲所述感光二極管的信號；
[0016](6)、RS控制信號置高，所述第五晶體管M5導(dǎo)通，使得FD點存儲的感光二極管信號經(jīng)過作為源跟隨器的所述第四晶體管M4和作為開關(guān)功能的第五晶體管M5傳出到所述列級數(shù)據(jù)線上。
[0017]優(yōu)選地，所述M*N 為 1920*1080。
[0018]優(yōu)選地，所述的全局像元CMOS圖像傳感器系統(tǒng)架構(gòu)還包括PRECHARGE控制信號譯碼模塊，PRECHARGE控制信號是行信號；所述PRECHARGE控制信號譯碼模塊連接在所述第五晶體管M5輸出端和接地端之間，其包括相互串聯(lián)的控制開關(guān)和第二尾電流模塊，在每一次5T全局像元信號讀取之前產(chǎn)生，通過所述控制開關(guān)和第二尾電流模塊配合產(chǎn)生的短暫高電平，得到PRECHARGE控制信號。
[0019]優(yōu)選地，所述每列5T全局像元共享所述第一尾電流模塊輸出的尾電流激勵。
[0020]優(yōu)選地，所述第一尾電流的大小為2?20uA。
[0021]優(yōu)選地，所述第一尾電流的大小為5uA。
[0022]優(yōu)選地，所述的全局像元CMOS圖像傳感器系統(tǒng)架構(gòu)還包括輸出驅(qū)動級，其在接收到所述列級數(shù)據(jù)線譯碼模塊將N個依次傳輸過來的信號后，將所述信號傳輸?shù)叫酒舛恕?br>[0023]為達(dá)成上述目的，本發(fā)明還提供一種采用上述全局像元CMOS圖像傳感器系統(tǒng)架構(gòu)的信號傳輸方法，其包括如下步驟:
[0024]步驟S1:根據(jù)TG控制信號、RST控制信號、PR控制信號的工作時序，使所述像素陣列中各所述全局像元同時進行曝光和信號采樣；
[0025]步驟S2:根據(jù)RS控制信號的工作時序，選中所述像素陣列的某一行，執(zhí)行對該行的各所述全局像元的信號同時讀取的步驟；
[0026]步驟S3:將該行的各所述全局像元所讀取的信號依次輸出；
[0027]重復(fù)步驟S2和步驟S3直至該像素陣列中全部全局像元的信號輸出。
[0028]優(yōu)選地，所述步驟S2具體包括:
[0029]步驟S21:在每一次5T全局像元信號讀取之前產(chǎn)生，通過所述控制開關(guān)和第二尾電流配合產(chǎn)生短暫高電平，得到PRECHARGE控制信號；
[0030]步驟S22:所述PRECHARGE控制信號控制所述第二尾電流模塊對所述第五晶體管M5的漏極放電，使所述第五晶體管M5漏極的電壓短暫拉低至接地端電平；
[0031]步驟S23:根據(jù)RS控制信號的工作時序，選中所述像素陣列的某一行，對該行的各所述全局像元的信號同時讀取。
[0032]優(yōu)選地，還包括步