固定模式噪声消除电路的制作方法
固定模式噪声消除电路的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种固定模式噪声消除电路，所述像素阵列包括呈矩形阵列排列的多个半浮栅晶体管像素，其中：所述固定模式噪声消除电路包括WTA(winner-take-all)电路、与所述像素阵列的每一列连接的读出电路以及连接于各该读出电路的补偿电路，所述读出电路包括阻抗运算放大器、两管比较器及计数器，所述补偿电路包括斜坡电压发生器及查找表。本发明可以通过WTA电路以及独特的读出电路与外部补偿电路彻底消除半浮栅晶体管(SFGT)像素阵列的固定模式噪声(FPN)，从而提高信号读出的精度，改善图像质量。结合半浮栅晶体管像素阵列本身像素尺寸小、填充因子大的优点，本发明可以广泛应用于半浮栅晶体管这种新型器件的图像传感器中，从而开创CMOS图像传感器的新篇章。
【专利说明】固定模式噪声消除电路
【技术领域】
[0001]本发明属于集成电路领域，涉及图像传感器的信号处理技术，具体涉及一种基于半浮栅晶体管的图像传感器像素阵列固定模式噪声(FPN)消除电路。
【背景技术】
[0002]图像传感器是用来将光信号转换成电信号的半导体器件。目前图像传感器主要有两种:CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)图像传感器和电荷稱合器件(Charge Coupled Device, CCD)图像传感器。由于CMOS图像传感器具有功耗低、体积小、集成度高、动态范围宽等优点，并且可以与当前的制造工艺兼容，而且具有高度系统整合的条件，所以CMOS图像传感器已经得到越来越广泛的应用。
[0003]半浮栅晶体管(Sem1-Floating-Gate Transistor, SFGT)是一种新型的半导体器件，且能够用作感光元件，其基本的结构已经由专利CN给出，如图1所示。用作感光元件时，首先对漏极掺杂区503和半浮栅区505组成的光电二极管施加正偏电压，进行复位操作，清空半浮栅区505上的电荷；随后对光电二极管施加反偏电压，使其进入曝光状态，光生电荷被收集到半浮栅区505，其电压升高，因此整个SFGT器件的阈值电压Vth下降，光照强度越大，半浮栅区505电压上升越多，阈值电压下降值Vth也越大；在读出阶段，对控制栅电极507和漏端电极513分别施加一定的正电压，则会有电流经漏极514流向源极511。读取源电极510的电流，根据电流值的大小，就可以反映出光照的强弱，从而达到感光的功能。如图2所示，与传统CMOS像素单元(3个晶体管加一个感光二极管)相比，SFGT像素单元仅需要一个晶体管就可以完成复位、曝光和读出的操作，因此大大提高了像素单元的填充因子(感光区域面积与像素总面积之比)，增加了图像传感器的灵敏度和分辨率。
[0004]基于半浮栅晶体管SFGT像素元件的感光阵列由专利CN给出，如图3所示，包括M行N列，每个像素由一个SFGT元件组成，同一行的所有像素的控制栅电压Ve和漏极电压Vd全都互相连结，是像素阵列的输入电压信号；同一列的所有像素的源极全都互相连结，是像素阵列的输出电流信号。这种基于SFGT元件的感光像素阵列存在两个主要问题。图3中SFGT的读取电流表达式(第i行，第j列的像素)为:I(j)=K[Ve⑴_Vs(j)-Vth(i，j)]2，其中K为常数，Ve⑴为该行的控制栅极电压，Vs (j)为该列输出节点电压，Vth(i，j)为该像素的阈值电压。从上式可知，第一个问题是，每一列的输出节点电SVs(j)都会对读出电流I (j)产生影响，因此无法正确反映出像素的感光强度，使得信号读取的精度下降；第二个问题是，在目前的集成电路工艺中，各晶体管之间普遍存在阈值电压非均一性现象，即每个像素中SFGT的Vth都有所不同，其偏差可达20%至30%，且Vth(i，j)这一项出现在上式的平方项中，因此阈值电压非均一性对于读出电流也会产生十分显著的影响，这种现象称为固定模式噪声(FPN)，即使各个像素处于相同光照强度下，读出电流也会表现出极大的差异，从而影响了成像的质量。
[0005]长久以来，人们不断在寻求减弱和消除固定模式噪声的方法。对于CMOS图像传感器，已经发明和产生了消除固定模式噪声的各种方法。随着半浮栅晶体管(SFGT)这一新器件的发明和使用，亟需提供一种除半浮栅晶体管(SFGT)像素阵列的固定模式噪声(FPN)的方法。
【发明内容】
[0006]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一半浮栅晶体管像素阵列的固定模式噪声消除电路，用于解决现有技术中半浮栅晶体管(SFGT)像素阵列的固定模式噪声FPN难以消除的问题。
[0007]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一固定模式噪声消除电路，用于图像传感器像素阵列信号读出过程中的的固定模式噪声消除，所述像素阵列包括呈矩形阵列排列的多个半浮栅晶体管像素，其中:
[0008]所述固定模式噪声消除电路包括WTA电路、与所述像素阵列的每一列连接的读出电路以及连接于各该读出电路的补偿电路，所述读出电路包括阻抗运算放大器、两管比较器及计数器，所述补偿电路包括斜坡电压发生器及查找表；
[0009]所述阻抗运算放大器用于将所述查找表输出的各该源极补偿电压补偿对应的各该半浮栅晶体管像素的源极电压，并将各该半浮栅晶体管像素的输出电流信号转化为电压信号;
[0010]所述斜坡电压发生器用于产生斜坡电压对各该半浮栅晶体管像素的源极电压进行补偿，以及通过所述两管比较器产生斜坡电流；
[0011]所述两管比较器用于将所述电压信号转换为电流信号后与所述斜坡电流进行比较，在所述电流信号与斜坡电流相等时产生翻转信号；
[0012]所述计数器用于依据所述翻转信号产生数字信号并输出。
[0013]作为本发明的半浮栅晶体管像素阵列的固定模式噪声消除电路的一种优选方案，所述WTA电路包括恒流电流源、第一晶体管、第二晶体管及第三晶体管；所述第一晶体管的栅极通过列选电路与各该半浮栅晶体管像素的漏极相连，第一极通过行选电路与各该半浮栅晶体管的栅极及所述恒流电流源相连，第二极用于输出第一电流；所述第二晶体管的栅极与所述第三晶体管的第一极相连，用于输入基准电流，第一极与所述第三晶体管的栅极及所述恒流电流源相连，第二极用于输出第二电流；所述第三晶体管的第二极接地。
[0014]进一步地，所述斜坡电压发生器通过第一开关连接于各该半浮栅晶体管像素的源极，以对所述源极进行逐渐增大或逐渐减小的电压补偿，直至所述第一电流与所述第二电流相等时，将对应的源极补偿电压存储至所述查找表。
[0015]优选地，采用精密电流表对所述第一电流与所述第二电流进行检测。
[0016]作为本发明的固定模式噪声消除电路的一种优选方案，所述第一晶体管及第二晶体管工作于亚阈值区域，所述第三晶体管工作于饱和区域。
[0017]作为本发明的固定模式噪声消除电路的一种优选方案，所述基准电流为各该半浮栅晶体管像素的输出电流中的最大值或最小值或该最大值与最小值之间的任意值。
[0018]作为本发明的固定模式噪声消除电路的一种优选方案，所述阻抗运算放大器及两管比较器之间通过第二开关连接，所述阻抗运算放大器包括运算放大器及电阻，所述运算放大器的第一输入端与所述电阻的第一端相连，并与各列半浮栅晶体管像素的输出端相连，第二输入端与所述查找表相连，输出端与所述电阻的第二端相连。[0019]作为本发明的固定模式噪声消除电路的一种优选方案，所述两管比较器包括PMOS管及NMOS管，其中，所述PMOS管的栅极与所述阻抗运算放大器的输出端相连，第一极与所述NMOS管的第一极相连，第二极接电源；所述NMOS管的栅极与所述斜坡电压发生器相连，第二极接地。
[0020]作为本发明的固定模式噪声消除电路的一种优选方案，所述计数器在像素阵列复位结束，也即所述斜坡电压发生器开始产生斜坡电压时开始计数，在接收到所述翻转信号时停止计数并输出数字信号。
[0021]作为本发明的固定模式噪声消除电路的一种优选方案，所述半浮栅晶体管像素包括控制栅、半浮栅、漏极掺杂区、源极掺杂区及沟道区，其中:
[0022]所述控制栅覆盖于所述半浮栅的表面；
[0023]所述半浮栅包括覆盖于所述沟道区及部分漏极掺杂区表面的栅介质层及栅电极层，且所述栅介质层于所述漏极掺杂区表面处具有开口，所述开口下方的漏极掺杂区中具有扩散区，所述半浮栅、扩散区及漏极掺杂区共同形成用于感光的光电二极管；
[0024]所述半浮栅的掺杂类型与漏极掺杂区、源极掺杂区的掺杂类型相反，所述扩散区的掺杂类型与所述半浮栅的掺杂类型相同。
[0025]如上所述，本发明提供一种固定模式噪声消除电路，所述像素阵列包括呈矩形阵列排列的多个半浮栅晶体管像素，其中:所述固定模式噪声消除电路包括WTA电路、与所述像素阵列的每一列连接的读出电路以及连接于各该读出电路的补偿电路，所述读出电路包括阻抗运算放大器、两管比较器及计数器，所述补偿电路包括斜坡电压发生器及查找表；所述WTA电路用于获得各该半浮栅晶体管像素的源极补偿电压；所述查找表用于将所述WTA电路获得的各该源极补偿电压进行存储，并用于向所述阻抗运算放大器输出各该源极补偿电压；所述阻抗运算放大器用于将所述查找表输出的各该源极补偿电压补偿对应的各该半浮栅晶体管像素的源极电压，并将各该半浮栅晶体管像素的输出电流信号转化为电压信号；所述斜坡电压发生器用于产生斜坡电压对各该半浮栅晶体管像素的源极电压进行补偿，以及通过所述两管比较器产生斜坡电流；所述两管比较器用于将所述电压信号转换为电流信号后与所述斜坡电流进行比较，在所述电流信号与斜坡电流相等时产生翻转信号；所述计数器用于依据所述翻转信号产生数字信号并输出。本发明可以通过WTA电路以及独特的读出电路与外部补偿电路彻底消除半浮栅晶体管(SFGT)像素阵列的固定模式噪声(FPN)，从而提高信号读出的精度，改善图像质量。结合半浮栅晶体管(SFGT)像素阵列本身像素尺寸小、填充因子大的优点，本发明可以广泛应用于半浮栅晶体管(SFGT)这种新型器件的图像传感器中，从而开创CMOS图像传感器的新篇章。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1显示为半浮栅晶体管像素的结构示意图。
[0027]图2显示为现有技术中的CMOS像素单元的电路结构示意图。
[0028]图3显示为基于半浮栅晶体管像素元件的感光阵列的结构示意图。
[0029]图4显示为本发明的固定模式噪声消除电路的电路结构示意图。
[0030]元件标号说明
【权利要求】
1.一种固定模式噪声消除电路，用于图像传感器像素阵列信号读出过程中的的固定模式噪声消除，所述像素阵列包括呈矩形阵列排列的多个半浮栅晶体管像素，其特征在于:
所述固定模式噪声消除电路包括WTA电路、与所述像素阵列的每一列连接的读出电路以及连接于各该读出电路的补偿电路，所述读出电路包括阻抗运算放大器、两管比较器及计数器，所述补偿电路包括斜坡电压发生器及查找表；
所述WTA电路用于获得各该半浮栅晶体管像素的源极补偿电压；
所述查找表用于将所述WTA电路获得的各该源极补偿电压进行存储，并用于向所述阻抗运算放大器输出各该源极补偿电压；
所述阻抗运算放大器用于将所述查找表输出的各该源极补偿电压补偿对应的各该半浮栅晶体管像素的源极电压，并将各该半浮栅晶体管像素的输出电流信号转化为电压信号;
所述斜坡电压发生器用于产生斜坡电压对各该半浮栅晶体管像素的源极电压进行补偿，以及通过所述两管比较器产生斜坡电流；
所述两管比较器用于将所述电压信号转换为电流信号后与所述斜坡电流进行比较，在所述电流信号与斜坡电流相等时产生翻转信号；
所述计数器用于依据所述翻转信号产生数字信号并输出。
2.根据权利要求1所述的固定模式噪声消除电路，其特征在于:所述WTA电路包括恒流电流源、第一晶体管、第二晶体管及第三晶体管；所述第一晶体管的栅极通过列选电路与各该半浮栅晶体管像素的漏极相连，第一极通过行选电路与各该半浮栅晶体管的栅极及所述恒流电流源相连，第二极用于输出第一电流；所述第二晶体管的栅极与所述第三晶体管的第一极相连，用于输入基准电流，第一极与所述第三晶体管的栅极及所述恒流电流源相连，第二极用于输出第二电流；所述第三晶体管的第二极接地。
3.根据权利要求2所述的固定模式噪声消除电路，其特征在于:所述斜坡电压发生器通过第一开关连接于各该半浮栅晶体管像素的源极，以对所述源极进行逐渐增大或逐渐减小的电压补偿，直至所述第一电流与所述第二电流相等时，将对应的源极补偿电压存储至所述查找表。
4.根据权利要求3所述的固定模式噪声消除电路，其特征在于:采用精密电流表对所述第一电流与所述第二电流进行检测。
5.根据权利要求2所述的固定模式噪声消除电路，其特征在于:所述第一晶体管及第二晶体管工作于亚阈值区域，所述第三晶体管工作于饱和区域。
6.根据权利要求2所述的固定模式噪声消除电路，其特征在于:所述基准电流为各该半浮栅晶体管像素的输出电流中的最大值或最小值或该最大值与最小值之间的任意值。
7.根据权利要求1所述的固定模式噪声消除电路，其特征在于:所述阻抗运算放大器及两管比较器之间通过第二开关连接，所述阻抗运算放大器包括运算放大器及电阻，所述运算放大器的第一输入端与所述电阻的第一端相连，并与各列半浮栅晶体管像素的输出端相连，第二输入端与所述查找表相连，输出端与所述电阻的第二端相连。
8.根据权利要求1所述的固定模式噪声消除电路，其特征在于:所述两管比较器括PMOS管及NMOS管，其中，所述PMOS管的栅极与所述阻抗运算放大器的输出端相连，第一极与所述NMOS管的第一极相连， 第二极接电源；所述NMOS管的栅极与所述斜坡电压发生器相连，第二极接地。
9.根据权利要求1所述的固定模式噪声消除电路，其特征在于:所述计数器在像素阵列复位结束，也即所述斜坡电压发生器开始产生斜坡电压时开始计数，在接收到所述翻转信号时停止计数并输出数字信号。
10.根据权利要求1所述的固定模式噪声消除电路，其特征在于:所述半浮栅晶体管像素包括控制栅、半浮栅、漏极掺杂区、源极掺杂区及沟道区，其中:
所述控制栅覆盖于所述半浮栅的表面；
所述半浮栅包括覆盖于所述沟道区及部分漏极掺杂区表面的栅介质层及栅电极层，且所述栅介质层于所述漏极掺杂区表面处具有开口，所述开口下方的漏极掺杂区中具有扩散区，所述半浮栅、扩散区及漏极掺杂区共同形成用于感光的光电二极管；
所述半浮栅的掺杂类型与漏极掺杂区、源极掺杂区的掺杂类型相反，所述扩散区的掺杂类型与所述半 浮栅的掺杂类型相同。
【文档编号】H04N5/365GKSQ
【公开日】日
申请日期:日
优先权日:日
【发明者】但垂福, 陈志卿, 章琦, 汪宁, 田犁, 方娜, 汪辉, 陈杰
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①判断AE滑道哪段导电并简单说明理由？
②完成下列控制电路图。
(3) 丙发电站有N台风车，每台风车车叶转动时可形成半径为r的圆面，当风速在v2和v4之间时，风车每平方米叶片在to时间内接收到的风能为Wo，如果风车能将10%的风能转变成电能，求：①每台发电机的平均功率Po；②发电站在0-t1时间内总发电量W。
②电路如下图。
（3）①P0=②
【解析】（1）发电效能最大，在发电时间上要有保证，时间越长，效能最大。风速在v2和v4之间时间最长的是丙图。
（2）风速在v2和v4之间可带动风车发电，滑片把上下两个金属轨道接通只在BD之间移动，只有BD导电才能把两个金属导轨接通从而把发电机接通。控制电路的连接注意滑动变阻器的调节应该串联在电路中。发电机和金...
考点分析：
考点1：能量的转化和守恒
机械能：动能和势能的统称。（机械能=动能+势能）单位是：焦耳
动能和势能之间可以互相转化的。
方式有：动能&& &&&&重力势能；动能&&&&&&&& 弹性势能。
自然界中可供人类大量利用的机械能有风能和水能。
考点2：电流和电路
1.电流的形成：电荷的定向移动形成电流.(任何电荷的定向移动都会形成电流)。&
2.电流的方向：在电源的外部，电流从电源正极经用电器流向负极。&
3.电源：能提供持续电流(或电压)的装置。&
4.电源是把其他形式的能转化为电能。如干电池是把化学能转化为电能.发电机则由机械能转化为电能。&
5.电路中有持续电流的条件：①有电源 & ②电路闭合
6.导体：容易导电的物体叫导体。如：金属，人体，大地，石墨，酸、碱、盐水溶液等。&
导体容易导电的原因：导体内部有大量的自由电荷。
7.绝缘体：不容易导电的物体叫绝缘体。如：玻璃，陶瓷，塑料，油，纯水等。
绝缘体不容易导电的原因：绝缘体内部几乎没有自由电荷。&
8.电路的基本组成：由电源，导线，开关和用电器组成。
9.电路的三种状态：
(1)通路：接通的电路叫通路；(2)开路（断路）：断开的电路叫开路（断路）； (3)短路：直接把导线接在电源两极上的电路叫短路，绝对不允许。&
10.电路图：用元件符号表示电路连接的图叫电路图。（必须记住各种电路元件符号）&
11.串联：把元件逐个顺次连接起来叫串联。(任意处断开，电路中都没有电流)
12.串联电路的工作特点：开关只需一个；各个用电器不能独立工作（相互影响）；电流路径有且只有一条。
13.并联：把元件并列地连接起来叫并联。(各条支路之间互不影响)&
14.并联电路的工作特点：开关可以不止一个；各个用电器能独立工作（相互不影响）；电流路径不止一条。
15.判断串联、并联电路的常用方法：
①分流法：观察电路中的电流从电源正极出来经过用电器回到负极的过程中，是否有分支。如果电流有分支，则电路为并联；如果电流没有分支，则电路为串联。
②断路法：将电路中的任意一个用电器去掉后，观察其他用电器是否能继续工作。如果其他用电器能继续工作，则电路为并联；如果其他用电器不能继续工作，则电路为串联。
③电路工作特点法：观察电路中的各个用电器能否独立工作。如果各用电器能独立工作（相互不影响），则电路为并联；如果各用电器不能独立工作（相互影响），则电路为串联。
方法：在判断电路的连接方式时，如果电路中连接有电压表和电流表，则先把电压表所在的位置看作断路，把电流表所在的位置看作纯导线，然后再判断用电器之间的连接方式。
电流 （I）
1.国际单位：安培(A)； & & & & & &&
常用单位：毫安(mA)，微安( A)， &1安培=103毫安=106微安。&
2.测量电流的仪表是：电流表
3.电流表的使用规则是：
①电流表要串联在电路中；
②电流要从“+”接线柱入，从“－”接线柱出；
③被测电流不要超过电流表的量程；
④绝对不允许不经过用电器而把电流表连到电源的两极上。
实验室中常用的电流表有两个量程：
①0～0.6安，每小格表示的电流值是0.02安；
②0～3安，每小格表示的电流值是0.1安。 （电流表的使用方法可简要归纳成：两要、两不、两看清）
记住：要测量谁的电流，则电流表就与谁串联；反之，电流表与谁串联，则表示测量谁的电流。
考点3：电能
1、定义：电能是表示电流做多少功的物理量；
2、电能单位：千瓦时(Kw·h)，在物理学中，更常用的能量单位是焦耳，简称焦，符号是J；1kW·h=3、6×106J。
考点4：电功率
电流单位时间内所做的功叫做电功率，表示电流做功的快慢。
2. 单位：国际单位：瓦（W），常用单位千瓦（kW），1kW=1000W
额定功率：
1. 定义：额定功率是指用电器正常工作时的功率。它的值为用电器的额定电压乘以额定电流。若用电器的实际功率大于额定功率，则用电器可能会损坏；若实际功率小于额定功率，则用电器可能无法运行。
额定功率和实际功率：
补充：实际生活中的照明电路是并联电路，如果并联的用电器越多，并联部分的总电阻就越小，在总电压不变的条件下，电路中的总电流就越大，因此输电线上的电压降就越大，这样，分给用电器的电压就越小，每个用电器消耗的功率也就越小。所以灯开的少时比灯开的多时要亮些。晚上七八点钟，大家都用电灯照明，所以电灯发的光就比深夜时的暗。
灯丝通常在开灯瞬间被烧断的原因：
导体的电阻随温度的变化而变化，金属导体的电阻随温度的升高而增大，一般金属导体温度变化几摄氏度或几十摄氏度，电阻变化不过百分之几，可忽略不计，但电灯的灯丝(钨丝)不发光时(温度几十摄氏度)，电阻较小，正常发光时灯丝的温度较高，达 2000℃左右，电阻值就要增大许多倍。在刚接通电路的瞬间，灯丝的温度还没有升高，由于电阻还很小，通过灯丝的电流要比正常发光时大得多，根据P=U2／R，这时实际功率最大，远远超过正常工作时的功率，所以通常灯丝容易在开灯时的瞬间烧断。
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实验测量数据记录表：
动力臂L1/cm
阻力臂L2/cm
将下图中三种仪器的测量结果（数值及单位）填写在下表相应的空格中。
纸带中AD两点的距离
体温计的温度
汽车运动的速度
题型：计算题
难度：困难
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