CN103491324B

CN103491324B - 高速全局快门图像传感器像素及其像素信号的采样方法

Info

Publication number: CN103491324B
Application number: CN201310459382.XA
Authority: CN
Inventors: 马成; 王欣洋
Original assignee: GPIXEL Inc
Current assignee: Changchun Changguang Chenxin Microelectronics Co ltd
Priority date: 2013-09-29
Filing date: 2013-09-29
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2033-09-29
Also published as: CN103491324A

Abstract

本发明涉及一种高速全局快门图像传感器像素及其像素信号的采样方法，该像素包括复位开关，光电二极管，第一、第二、第三缓冲放大器，第一、第二采样电容，校正开关，采样开关，行选开关；曝光之前校正开关先闭合，对第一采样电容右节点的电压进行校正；复位开关闭合，光电二极管复位；复位开关断开，曝光开始；校正开关断开，使光电二极管的复位电压通过第一缓冲放大器被采集到第一采样电容的左节点；在帧转移时间内，采样开关打开，第一采样电容右节点电位信息通过第二缓冲放大器和采样开关采集到第二采样电容中以供之后并通过第三缓冲放大器和行选开关读出；采样开关断开，曝光结束。本发明能够消除KTC噪声，且帧转移时间短、结构简单。

Description

高速全局快门图像传感器像素及其像素信号的采样方法

技术领域

本发明属于半导体图像感测技术领域,涉及一种高速全局快门图像传感器像素及其像素信号的采样方法。

背景技术

在拍摄高速移动的物体时需要使用全局快门以避免图像的扭曲。一种典型的全局快门CMOS像素如图1所示，由复位开关M1、光电二极管D、缓冲放大器AMP1、采样开关M4，采样电容C1、缓冲放大器M5和行选开关M6构成。该像素基于传统的3T像素结构变化而来，首先复位开关闭合并对光电二极管进行复位，之后复位开关M1断开，像素开始曝光，由光电二极管将接收的光信号转换为电信号。在帧转移时间内，首先采样开关M4闭合并将光电二极管转换的电信号存储在采样电容C1上。之后采样开关M4打开，采样电容C1存储的电信号就代表了光强的大小，曝光结束；然后像素可以开始下一帧曝光，采样电容C1上存储的信号在之后通过源级跟随器M5和行选开关M6读出。该像素的优点是结构简单，帧转移时间较短，在帧转移时间内仅需要对采样开关M4进行一次操作。其缺点为无法进行相关双采样以去除KTC（复位）噪声。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题是提供一种高速全局快门图像传感器像素，该像素能够进行相关双采样以去除KTC噪声，并且帧转移时间短，像素的填充因子高。

为了解决上述技术问题，本发明的高速全局快门图像传感器像素包括复位开关，光电二极管，第一缓冲放大器，第一采样电容，校正开关，第二缓冲放大器，采样开关，第二采样电容，第三缓冲放大器，行选开关；所述复位开关的输入端接复位电压Vreset，输出端连接到光电二极管的负极和第一缓冲放大器的输入端，光电二极管的正极接地；第一缓冲放大器的输出端通过第一采样电容连接到第二缓冲放大器的输入端；校正开关的输入端接校正电压Vcali，输出端连接到第二缓冲放大器的输入端；第二缓冲放大器的输出端通过采样开关连接到第二采样电容和第三缓冲放大器的输入端；第二采样电容的另一端接地，第三缓冲放大器的输出端通过行选开关连接到总线。

本发明要解决的另一个技术问题是提供一种上述高速全局快门图像传感器像素的像素信号采样方法。

为了解决上述技术问题，本发明的高速全局快门图像传感器像素的像素信号采样方法如下：

步骤一：在开始曝光之前，使校正开关闭合，将第一采样电容右节点的电压校正为Vcali，随后将复位开关闭合，使光电二极管复位；

步骤二：将复位开关首先断开，曝光开始；随后将校正开关断开，使光电二极管的复位电压Vreset通过第一缓冲放大器被采集到第一采样电容的左节点，第一采样电容右节点的电压为Vcali；

步骤三：在帧转移时间内，光电二极管的像素信号由Vreset变为Vsignal，该电压通过第一缓冲放大器被采集到第一采样电容的左节点；此时第一采样电容右节点的电位信息由之前的Vcali变为Vcali+Vsignal-Vreset；此时将采样开关打开，将这个第一采样电容右节点的电位信息通过第二缓冲放大器和采样开关采集到第二采样电容中以供之后通过第三缓冲放大器和行选开关读出；之后采样开关断开，曝光结束并准备下一帧曝光。

本发明像素采用三级缓冲放大器，通过第一采样电容实现相关双采样以消除KTC噪声，在帧转移时间内，仅需要对开关SAMPLE进行操作，帧转移时间短；采样电容的数量仅为两个，像素结构简单。

所述第一缓冲放大器由第一源级跟随器和第一电流源负载构成，第二缓冲放大器由第二源级跟随器和第二电流源负载构成。

所述复位开关、校正开关、第一源级跟随器、第一电流源负载、第二源级跟随器和第二电流源负载均采用场效应管；复位开关的漏极接复位电压Vreset，源极接到光电二极管的负极和第一源级跟随器的栅极；第一源级跟随器的漏极接电源电压Vpix，源极通过第一采样电容连接到第二源级跟随器的栅极；第一电流源负载的漏极接第一源级跟随器的源极，源极接地；第二源级跟随器的漏极接电源电压Vpix，源极通过采样开关连接到第三缓冲放大器的输入端；第二电流源负载的漏极接第二源级跟随器的源极，源级接地。

所述第一缓冲放大器采用第一源级跟随器；第二缓冲放大器采用第二源级跟随器。

所述第一源级跟随器为一场效应管，其漏极接电源电压Vsf-pulse1，源极通过第一采样电容连接到第二源级跟随器的栅极；第二源级跟随器为一场效应管，其漏极接电源电压Vsf-pulse2，源极通过采样开关连接到第三缓冲放大器的输入端。

所述第三缓冲放大器由第三源级跟随器构成。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是现有技术的全局快门CMOS像素结构示意图。

图2是本发明的高速全局快门图像传感器像素结构示意图。

图3是本发明的高速全局快门图像传感器像素实施例1的结构示意图。

图4是本发明实施例1的操作时序图。

图5是本发明的高速全局快门图像传感器像素实施例2的结构示意图。

图6是本发明实施例2的操作时序图。

具体实施方式

如图2所示，本发明的高速全局快门图像传感器像素包括复位开关M1，第一缓冲放大器AMP1，第一采样电容C1，校正开关M2，第二缓冲放大器AMP2，采样开关SAMPLE，第二采样电容C2，第三缓冲放大器AMP3，行选开关READ；所述复位开关M1的输入端接复位电压Vreset，输出端连接到光电二极管D的负极和第一缓冲放大器AMP1的输入端，光电二极管D的正极接地；第一缓冲放大器AMP1的输出端通过第一采样电容C1连接到第二缓冲放大器AMP2的输入端；校正开关M2的输入端接校正电压Vcali，输出端连接到第二缓冲放大器AMP2的输入端；第二缓冲放大器AMP2的输出端通过采样开关SAMPLE连接到第二采样电容C2和第三缓冲放大器AMP3的输入端；第二采样电容C2的另一端接地，第三缓冲放大器AMP3的输出端通过行选开关READ连接到总线BUS。

实施例1

如图3所示，本发明的高速全局快门图像传感器像素包括复位开关M1，第一缓冲放大器AMP1，第一采样电容C1，校正开关M2，第二缓冲放大器AMP2，采样开关SAMPLE，第二采样电容C2，第三缓冲放大器AMP3，行选开关READ；所述第一缓冲放大器AMP1由第一源级跟随器M3和第一电流源负载M4构成，第二缓冲放大器AMP2由第二源级跟随器M5和第二电流源负载M6构成。

所述第三缓冲放大器AMP3由第三源级跟随器M8构成。

所述复位开关M1、校正开关M2、第一源级跟随器M3、第一电流源负载M4、第二源级跟随器M5和第二电流源负载M6均采用场效应管；复位开关M1的漏极接复位电压Vreset，源极接到光电二极管D的负极和第一源级跟随器M3的栅极；第一源级跟随器M3的漏极接电源电压Vpix，源极通过第一采样电容C1连接到第二源级跟随器M5的栅极；第一电流源负载M4的漏极接第一源级跟随器M3的源极，源极接地；第二源级跟随器M5的漏极接电源电压Vpix，源极通过采样开关SAMPLE连接到第三缓冲放大器AMP3的输入端；第二电流源负载M6的漏极接第二源级跟随器M5的源极，源级接地。

所述采样开关SAMPLE采用场效应管M7，行选开关READ采用场效应管M9；采样开关SAMPLE的源极连接到第二源级跟随器M5的源极，源极连接到第三源级跟随器M8的栅极；第三源级跟随器M8的漏极接电源电压Vpix，源极接行选开关READ的漏极；行选开关READ的源极连接到总线BUS。

图4所示为本实施例的操作时序图，在对像素复位信号进行采样时，第一电流源负载M4需要被使能，在对被进行相关双采样之后的像素信号Vcali+Vsignal-Vreset进行采样时，第一电流源负载M4和第二电流源负载M6都需要被使能。如图中所示，整个帧转移的时间内，仅需对采样开关SAMPLE进行操作，这极大的缩小了帧转移时间。各个电源Vreset,Vpix,Vcali可以为同一个电压，也可以为不同的电压，第一电流源负载M4的使能信号Pc1和第二电流源负载M6的使能信号Pc2也可以为同一个电压或不同的电压。

如图3、4所示，上述高速全局快门图像传感器像素的像素信号采样方法如下：

步骤一：在开始曝光之前，将校正开关M2栅极电压Calibre拉到高电平，使校正开关M2闭合，第一采样电容C1右节点的电压校正为Vcali；随后将复位开关M1栅极电压Reset拉到高电平，使复位开关M1闭合，光电二极管D复位；再随后将第一电流源负载M4的栅极电压Pc1拉到高电平，第一电流源负载M4被使能；

步骤二：将复位开关M1栅极电压Reset拉到低电平，曝光开始；随后校正开关M2的栅极电压Calibre拉到低电平，使光电二极管的复位电压Vreset通过第一缓冲放大器被采集到第一采样电容C1的左节点；再随后将第一电流源负载M4的栅极电压Pc1拉到低电平。

步骤三：在帧转移时间内，第一采样电容C1的左节点电位由复位电压Vreset变为信号电压Vsignal；由于第一采样电容C1左右两极板的电荷得以保持，第一采样电容C1右节点的电位由Vcali变为Vcali+Vsignal-Vreset；此时将第一电流源负载M4的栅极电压Pc1、采样开关SAMPLE栅极电压Sample、第二电流源负载M6的栅极电压Pc2拉到高电平，使光电二极管D的像素信号Vsignal通过第一缓冲放大器AMP1被采集到第一采样电容C1的左节点，第一采样电容右节点的电位信息通过第二缓冲放大器AMP2和采样开关SAMPLE采集到第二采样电容C2中，并随后通过第三缓冲放大器AMP3和行选开关READ读出；曝光结束时，帧转移结束时曝光同时结束，采样开关SAMPLE的栅极电压Sample被拉到低电平；随后将校正开关M2的栅极电压Calibre拉到高电平，第一电流源负载M4的栅极电压Pc1、第二电流源负载M6的栅极电压Pc2被拉到低电平，准备下一帧曝光及采样。

实施例2

如图5所示，本发明的高速全局快门图像传感器像素与实施例1同样包括复位开关M1，第一缓冲放大器AMP1，第一采样电容C1，校正开关M2，第二缓冲放大器AMP2，采样开关SAMPLE，第二采样电容C2，第三缓冲放大器AMP3，行选开关READ；不同的是在本实施例中，第一缓冲放大器AMP1采用第一源级跟随器M3，第一源级跟随器M3为一场效应管，其漏极接电源电压Vsf-pulse1；第二缓冲放大器AMP2采用第二源级跟随器M5，第二源级跟随器M5也为一场效应管，其漏极接电源电压Vsf-pulse2；这有助于更小像素的制造和增加像素的填充因子。

图6所示为实施例2的操作时序图，与实施例1像素不同，该像素通过调节两级源级跟随器的漏端电压来对光信号进行采样。如图所示在复位开关M1闭合，光电二极管D进行复位后，作为第一源级跟随器M3的漏端电压Vsf-pulse1首先被拉到低电平，此时第一源级跟随器M3表现为一个电流源将第一采样电容C1的左节点放电，之后第一源级跟随器M3的漏端电压Vsf_pulse1拉为高电平，将像素的复位信号采集到第一采样电容C1的左节点。在帧转移时间内，对第一源级跟随器M3和第二源级跟随器M5进行类似的操作，将光信号Vcali+Vsignal-Vreset采集到第二采样电容C2中供之后读出。

如图5、6所示，上述高速全局快门图像传感器像素的像素信号采样方法如下：

步骤一：在开始曝光之前，将校正开关M2栅极电压Calibre拉到高电平，使校正开关M2闭合，第一采样电容C1右节点的电压校正为Vcali；随后将复位开关M1栅极电压Reset拉到高电平，使复位开关M1闭合，光电二极管D复位；光电二极管D复位后将第一源级跟随器M3的漏端电压Vsf-pulse1拉到低电平，将第一采样电容C1的左节点放电，之后第一源级跟随器M3的漏端电压Vsf_pulse1拉为高电平，以用于之后采集像素的复位信号；

步骤二：将复位开关M1栅极电压Reset拉到低电平，曝光开始；随后校正开关M2的栅极电压Calibre拉到低电平，使光电二极管的复位电压Vreset通过第一源级跟随器M3采集到第一采样电容C1的左节点；

步骤三：在帧转移时间内，第一采样电容C1的左节点电位由复位电压Vreset变为信号电压Vsignal；由于第一采样电容左右两极板的电荷得以保持，第一采样电容C1右节点的电位由Vcali变为Vcali+Vsignal-Vreset；此时将采样开关SAMPLE栅极电压Sample拉到高电平，随后第一源级跟随器M3的漏端电压Vsf-pulse1和第二源级跟随器M5的漏端电压Vsf-pulse2拉到低电平，然后再将第一源级跟随器M3的漏端电压Vsf-pulse1和第二源级跟随器M5的漏端电压Vsf-pulse2拉到高电平，使光电二极管D的像素信号Vsignal通过第一源级跟随器M3被采集到第一采样电容C1的左节点，第一采样电容C1右节点的电位信息通过第二源级跟随器M5和采样开关SAMPLE采集到第二采样电容C2中以用于之后通过第三源级跟随器M8和行选开关READ读出；帧转移结束时曝光同时结束，此时将采样开关SAMPLE的栅极电压Sample被拉到低电平；随后将校正开关M2的栅极电压Calibre拉到高电平，准备下一帧曝光采样。

本发明不限于上述实施方式，第一缓冲放大器AMP1，第二缓冲放大器AMP2，第三缓冲放大器AMP3还可以采用现有技术中的其他类型的缓冲放大器，如共源级放大器或差分型放大器。复位开关M1、校正开关M2、采样开关SAMPLE、行选开关READ还可以采用例如PN互补型等其他类型的开关。

Claims

1.一种高速全局快门图像传感器像素，包括复位开关(M1），光电二极管(D），第一缓冲放大器(AMP1），采样开关(SAMPLE），第二采样电容(C2），第三缓冲放大器(AMP3），行选开关(READ）；所述复位开关(M1）的输入端接复位电压Vreset，输出端连接到光电二极管(D）的负极和第一缓冲放大器(AMP1）的输入端，光电二极管(D）的正极接地；其特征在于还包括第一采样电容(C1），校正开关(M2），第二缓冲放大器(AMP2），所述第一缓冲放大器（AMP1）的输出端通过第一采样电容（C1）连接到第二缓冲放大器的输入端；校正开关(M2）的输入端接校正电压Vcali，输出端连接到第二缓冲放大器（AMP2）的输入端；第二缓冲放大器（AMP2）的输出端通过采样开关（M2）连接到第二采样电容（C2）和第三缓冲放大器（AMP3）的输入端；第二采样电容（C2）的另一端接地，第三缓冲放大器（AMP3）的输出端通过行选开关（READ）连接到总线（BUS）。

2.根据权利要求1所述的高速全局快门图像传感器像素，其特征在于所述第一缓冲放大器（AMP1）由第一源级跟随器（M3）和第一电流源负载（M4）构成，第二缓冲放大器（AMP2）由第二源级跟随器（M5）和第二电流源负载（M6）构成。

3.根据权利要求2所述的高速全局快门图像传感器像素，其特征在于所述复位开关

（M1）、校正开关（M2）、第一源级跟随器（M3）、第一电流源负载（M4）、第二源级跟随器（M5）和第二电流源负载（M6）均采用场效应管；复位开关（M1）的漏极接复位电压Vreset，源极接到光电二极管（D）的负极和第一源级跟随器（M3）的栅极；第一源级跟随器（M3）的漏极接电源电压Vpix，源极通过第一采样电容（C1）连接到第二源级跟随器（M5）的栅极；第一电流源负载（M4）的漏极接第一源级跟随器（M3）的源极，源极接地；第二源级跟随器（M5）的漏极接电源电压Vpix，源极通过采样开关（SAMPLE）连接到第三缓冲放大器（AMP3）的输入端；第二电流源负载（M6）的漏极接第二源级跟随器（M5）的源极，源级接地。

4.根据权利要求1所述的高速全局快门图像传感器像素，其特征在于所述第一缓冲放大器（AMP1）采用第一源级跟随器（M3）；第二缓冲放大器（AMP2）采用第二源级跟随器（M5）。

5.根据权利要求4所述的高速全局快门图像传感器像素，其特征在于所述第一源级跟随器（M3）为一场效应管，其漏极接电源电压Vsf-pulse1，源极通过第一采样电容（C1）连接到第二源级跟随器（M5）的栅极；第二源级跟随器（M5）为一场效应管，其漏极接电源电压Vsf-pulse2，源极通过采样开关（SAMPLE）连接到第三缓冲放大器（AMP3）的输入端。

6.根据权利要求2或4所述的高速全局快门图像传感器像素，其特征在于所述第三缓冲放大器（AMP3）由第三源级跟随器（M8）构成。

7.一种如权利要求1所述的高速全局快门图像传感器像素的像素信号采样方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤一：在开始曝光之前，使校正开关(M2）闭合，将第一采样电容(C1）右节点的电压校正为Vcali，随后将复位开关(M1）闭合，使光电二极管(D）复位；

步骤二：将复位开关(M1）首先断开，曝光开始；随后将校正开关(M2）断开，使光电二极管(D）的复位电压Vreset通过第一缓冲放大器(AMP1）被采集到第一采样电容(C1）的左节点，第一采样电容(C1）右节点的电压为Vcali；

步骤三：在帧转移时间内，光电二极管（D）的像素信号由Vreset变为Vsignal，该电压通过第一缓冲放大器(AMP1）被采集到第一采样电容(C1）的左节点；此时第一采样电容(C1）右节点的电位信息由之前的Vcali变为Vcali+Vsignal-Vreset；此时采样开关(SAMPLE）打开，将这个第一采样电容(C1）右节点的电位信息通过第二缓冲放大器(AMP2）和采样开关(SAMPLE）采集到第二采样电容(C2）中以供之后通过第三缓冲放大器(AMP3）和行选开关(READ）读出；之后采样开关(SAMPLE）断开，曝光结束并准备下一帧曝光。

8.一种如权利要求3所述的高速全局快门图像传感器像素的像素信号采样方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤一：在开始曝光之前，将校正开关（M2）栅极电压Calibre拉到高电平，使校正开关（M2）闭合，第一采样电容（C1）右节点的电压校正为Vcali；随后将复位开关（M1）栅极电压Reset拉到高电平，使复位开关（M1）闭合，光电二极管（D）复位；再随后将第一电流源负载（M4）的栅极电压Pc1拉到高电平，第一电流源负载（M4）被使能；

步骤二：将复位开关（M1）栅极电压Reset拉到低电平，曝光开始；随后将校正开关（M2）的栅极电压Calibre拉到低电平，使光电二极管的复位电压Vreset通过第一缓冲放大器被采集到第一采样电容（C1）的左节点；再随后将第一电流源负载（M4）的栅极电压Pc1拉到低电平：

步骤三：在帧转移时间内，第一采样电容（C1）的左节点电位由复位电压Vreset变为信号电压Vsignal，第一采样电容（C1）右节点的电位由Vcali变为Vcali+Vsignal-Vreset；此时将第一电流源负载（M4）的栅极电压Pc1、采样开关（SAMPLE）栅极电压Sample、第二电流源负载（M6）的栅极电压Pc2拉到高电平，使光电二极管（D）的像素信号Vsignal通过第一缓冲放大器（AMP1）被采集到第一采样电容（C1）的左节点，第一采样电容（C1）右节点的电位信息通过第二缓冲放大器（AMP2）和采样开关（SAMPLE）采集到第二采样电容（C2）中，并随后通过第三缓冲放大器（AMP3）和行选开关（READ）读出；曝光结束时，帧转移结束时曝光同时结束，采样开关（SAMPLE）的栅极电压Sample被拉到低电平；随后将校正开关（M2）的栅极电压Calibre拉到高电平，第一电流源负载（M4）的栅极电压Pc1、第二电流源负载（M6）的栅极电压Pc2被拉到低电平，开始下一帧曝光及采样。

9.一种如权利要求5所述的高速全局快门图像传感器像素的像素信号采样方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤一：在开始曝光之前，将校正开关（M2）栅极电压Calibre拉到高电平，使校正开关（M2）闭合，第一采样电容（C1）右节点的电压校正为Vcali；随后将复位开关（M1）栅极电压Reset拉到高电平，使复位开关（M1）闭合，光电二极管（D）复位；光电二极管（D）复位后将第一源级跟随器（M3）的漏端电压Vsf-pulse1拉到低电平，将第一采样电容（C1）的左节点放电，之后第一源级跟随器（M3）的漏端电压Vsf_pulse1拉为高电平，以用于之后采集像素的复位信号；

步骤二：将复位开关（M1）栅极电压Reset拉到低电平，曝光开始；随后校正开关（M2）的栅极电压Calibre拉到低电平，使光电二极管的复位电压Vreset通过第一源级跟随器（M3）采集到第一采样电容（C1）的左节点；

步骤三：在帧转移时间内，第一采样电容（C1）的左节点电位由复位电压Vreset变为信号电压Vsignal，第一采样电容（C1）右节点的电位由Vcali变为Vcali+Vsignal-Vreset；此时将采样开关（SAMPLE）栅极电压Sample拉到高电平，随后第一源级跟随器（M3）的漏端电压Vsf-pulse1和第二源级跟随器（M5）的漏端电压Vsf-pulse2拉到低电平，然后再将第一源级跟随器（M3）的漏端电压Vsf-pulse1和第二源级跟随器（M5）的漏端电压Vsf-pulse2拉到高电平，使光电二极管（D）的像素信号Vsignal通过第一源级跟随器（M3）被采集到第一采样电容（C1）的左节点，第一采样电容（C1）右节点的电位信息通过第二源级跟随器（M5）和采样开关（SAMPLE）采集到第二采样电容（C2）中以用于之后通过第三源级跟随器（M8）和行选开关（READ）读出；帧转移结束时曝光同时结束，此时将采样开关（SAMPLE）的栅极电压Sample被拉到低电平；随后将校正开关（M2）的栅极电压Calibre拉到高电平，开始下一帧曝光采样。