[发明专利]用于CMOS图像传感器的对电源压降不敏感电流源电路

说明书

技术领域

本发明涉及微电子学的集成电路设计领域，尤其涉及一种用于CMOS图像传感器的对电源压降不敏感电流源电路。

背景技术

目前，高清电视(High-Definition Television，HDTV)的发展加速了高分辨率CMOS图像传感器的发展。在高分辨率CMOS图像传感器芯片中，电源和地的金属连接线会非常的长，这就会在供电电源和负载单元之间引入较大的电压降(IR-Drop)。一般CMOS图像传感器会采用图1中的架构，每列像素采用一个电流源偏置给像素中的源极跟随器提供工作电流，在现有技术中这个电流源一般是通过NMOS晶体管实现的，此NMOS晶体管的栅极电压Vbias是由电流镜决定的。NMOS管构成的电流镜栅极接电流偏置电压，源极接地，漏极接像素的输出端，为像素提供电流偏置。在信号读出期间，像素的偏置电流会从电源VDD流向地VSS，地线中的寄生电阻会导致地线上的电压从VSS开始上升。因此尽管所有的电流源NMOS晶体管都使用相同的栅极电压，那么栅源之间的电压Vgs减小会使NMOS晶体管提供的电流会降低。这个问题在高分辨率CMOS图像传感器的列并行读出电路中也存在。电流源偏置电流的降低会导致使用此电流源的电路的速度和增益产生偏差，进而恶化图像传感器的成像质量，对于高帧频的高分辨率CMOS图像传感器这种恶化将会更加严重。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提供与电源压降无关的稳定的电流偏置，将其应用在高清CMOS图像传感器中可以提升传感器的特性，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，用于CMOS图像传感器的对电源压降不敏感电流源电路，包括由晶体管M0组成的电流镜电路，还包括电容Cn1、电容Cn2、晶体管Mn1、Mn2、Mn3；开关S1、S2，开关S1为联动组开关，开关S2也为联动组开关；当S1闭合，S2打开时，电容Cn1的上极板连接到参考电源VDD_ref上，下极板连接到晶体管M0的栅极上，与此同时，Cn2的上极板连接到第n列电流源单元的电源VDD_power上，其下极板连接到晶体管Mn1的栅极上；当S1打开，S2闭合时，电容Cn1和Cn2的位置互换，电容Cn1连接了晶体管Mn1的源极和栅极，电容Cn2连接晶体管M0的源极和栅极；晶体管Mn1源极连接电源VDD_power；晶体管Mn1漏极连接晶体管Mn2源极，晶体管Mn2源极、栅极短接，晶体管Mn2漏极连接地VSS；晶体管Mn2和Mn3构成的电流镜将晶体管Mn1的电流镜像后输出。

晶体管M0的宽长比为60∶1，晶体管Mn1的宽长比为6∶1，M0的工作电流为60uA，则Mn1的工作电流为6uA，晶体管Mn2和Mn3的宽长比为2∶1，Mn3可提供稳定的6uA偏置电流；电容Cn1和Cn2通过MOS电容实现，其容值均为500fF。

电容Cn1、电容Cn2容值比晶体管Mn1的栅极对地寄生电容CP大出一个数量级以上。

开关S1、S2在两相不交叠时钟的控制下开合，使电容Cn1和Cn2交替的连接到晶体管Mn1的源极和栅极以保持稳定的栅源电压。

本发明的技术特点及效果：

通过两个受时钟控制的电容保证了电流源晶体管的栅源电压维持恒定，与电源无关，进而保证了电流源晶体管提供的电流不受电压电压降的影响。当电源电压从正常值到降低30％变化时，本发明描述的电流源和现有技术提供的电流源输出电流值的变化对比如图3所示，可见，当电源电压下降30％时现有技术提供的电流源已无法正常提供电流，而本发明所描述的电流源输出的电流只出现了约1.6％的衰减，所以本发明描述的电流源可以提供与电源电压降非敏感的电流。

附图说明

图1典型的CMOS图像传感器架构图。

图2本发明描述的电源压降非敏感电流源电路结构图。A部分：现有技术中可提供的电流镜电路，B部分：第n列电源压降非敏感电流源电路单元。

图3电源压降非敏感电流源提供的电流随电源压降的变化曲线。

具体实施方式

本发明描述的电流源电路和它的控制时序如图2所示。VX表示晶体管M0的栅极电压，VY表示晶体管Mn1的栅极电压，VY[k]表示第k个时钟周期结束时晶体管Mn1的栅极电压。图2中A部分电路是现有技术中可提供的电流镜电路，此电流镜流过的电流为Iref，并且其使用的电源和地分别是没有IR-drop的参考电源VDD_ref和地VSS_ref。因为VX是晶体管M0的栅极电压，所以其可以表示为：