CN103533259A - 线性-对数响应图像传感器像素及其信号转移控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种线性-对数响应图像传感器像素及其信号转移控制方法，该像素包括钳位光电二极管，第一、第二转移控制栅，复位开关，亚阈值工作状态晶体管，读出电路。在积分之前开启复位开关和第一转移控制栅，钳位光电二极管复位；关断第一转移控制栅开始积分；关断复位开关，在第二转移控制栅关断之前由读出电路读出对数响应信号电压，在第二转移控制栅半开启之后由读出电路读出对数响应复位电压；将第一转移控制栅开启并随后关断，在第一转移控制栅开启之前由读出电路读出线性响应复位电压，在第一转移控制栅关断之后由读出电路读出线性响应信号电压。本发明可以得到理想输出电压摆幅，并且可以消除复位噪声和固定模式噪声。

Description

线性-对数响应图像传感器像素及其信号转移控制方法

技术领域

本发明属于半导体图像感测技术领域，具体涉及一种具有线性-对数响应的高动态范围图像传感器像素及其信号转移控制方法。

背景技术

为提高图像传感器动态范围，发明了对数响应像素，典型的对数响应像素架构如图1所示。光电二极管01反向偏置，阳极接地，阴极与具有二极管连接方式（栅极与漏极相连）的晶体管02的源极相连；晶体管02的漏极接电源电压VD；光电二极管01与晶体管02的连接端产生一个随光强变化的电压信号，经过读出电路被读出，读出电路通常由源跟随器03等组成。

由于光生电流较小，该像素电路的晶体管02工作在亚阈值区，因而输出电压信号随光强变化呈对数响应，该特性可以有效拓展图像传感器感光动态范围，一般大于120dB。但存在许多缺点：输出电压摆幅小；漏电流严重，弱光探测性能差；无法实现相关双采样，固定模式噪声大。

目前，一些线性-对数响应技术被提出，希望可以改善对数响应图像传感器的某些特性。如“SensorPixel with Linear and Logarithmic Response”（US6323479B1,Nov.27,2001）如图2所示，在典型对数响应像素基础之上，增加了一个复位晶体管04。复位晶体管04源极与光电二极管01和晶体管02的连接端相连，漏极接电源电压，栅极由控制信号RST控制其开关状态。通过引入复位晶体管，使像素电路工作在积分模式下，弱光下呈线性响应，强光下呈对数响应，通过电源电压VD1、VD2取值来调节响应拐点。该架构可以得到高动态范围，同时可以采用双采样技术降低固定模式噪声，但是由于复位噪声具有不相关性，无法被消除，该架构仍然存在严重的噪声问题。另外，虽然有技术提出串联多个二极管连接方式的晶体管02可以有效提高输出电压摆幅，但噪声问题在这种像素架构中仍然很严重。

另外，在以上线性-对数响应像素架构基础之上，结合4T像素工作原理，还有人提出另一种改善的线性-对数响应像素，如图3所示。增加了一个转移控制栅05，另外，光电二极管01被替换成钳位光电二极管06。通过一定时序控制，该电路的线性响应信号可以采用相关双采样方法读出，但是对数响应信号只可以进行双采样读出，而无法实现相关双采样读出。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够实现线性响应信号和对数响应信号相关双采样，消除复位噪声和固定模式噪声，改善弱光下漏电流问题，同时可以灵活控制线性-对数响应曲线拐点，得到理想输出电压摆幅的高动态范围线性-对数响应图像传感器像素。

为了解决上述技术问题，本发明的线性-对数响应图像传感器像素包括钳位光电二极管，第一转移控制栅，第二转移控制栅，复位开关，亚阈值工作状态晶体管，读出电路；所述钳位光电二极管反向偏置，阳极接地，阴极与第一转移控制栅和第二转移控制栅的一端相连；第一转移控制栅的另一端与复位开关的一端相连，复位开关的另一端与电源电压VD1相连；第二转移控制栅的另一端与亚阈值工作状态晶体管的源极相连，亚阈值工作状态晶体管漏极接于电源电压VD2；第一转移控制栅与复位晶体管的连接端为线性响应信号输出端，第二转移控制栅与亚阈值工作状态晶体管的连接端为对数响应信号输出端；线性响应信号输出端和对数响应信号输出端与读出电路连接。

所述亚阈值工作状态晶体管的栅极和漏极相连。

所述读出电路由第一控制开关、第二控制开关，源极跟随器和行选开关组成；所述第一控制开关、第二控制开关的一端分别与线性响应信号输出端、对数响应信号输出端相连，另一端与源极跟随器的栅极相连；源极跟随器的漏极与电源电压VD相连，源极与行选开关的一端相连，行选开关另一端为像素电压输出端。

所述读出电路还可以由第一源极跟随器、第二源极跟随器，对数响应端复位晶体管以及第一行选开关、第二行选开关组成；其中，对数响应端复位开关的一端与电源电压VD相连，另一端与对数响应信号输出端相连；第一源极跟随器、第二源极跟随器的栅极分别与线性响应信号输出端、对数响应信号输出端相连，漏极都与电源电压VD相连，源极分别与第一行选开关、第二行选开关一端相连；第一行选开关、第二行选开关另一端分别为对数响应像素电压输出端、线性响应像素电压输出端。

上述读出电路包含了一个对数响应端复位开关，可以使对数响应信号输出端进行快速复位。同时，由于采用双通道读出，可以同时选通第一行选开关、第二行选开关，同时读取对数、线性响应信号。

所述读出电路还可以由源极跟随器和行选开关组成；其中，源极跟随器的栅极与线性响应信号输出端和对数响应信号输出端同时相连，漏极接电源电压VD，源极与行选开关一端相连；行选开关的另一端为像素电压输出端。

上述线性-对数响应图像传感器像素的信号转移控制方法包括下述步骤：

步骤一：在积分之前，开启复位开关，同时开启第一转移控制栅，对钳位光电二极管进行复位；随后关断第一转移控制栅，开始积分；

步骤二：将复位信号RST拉为低电平关断复位开关；积分期间第二转移控制栅半开启，积分结束时第二转移控制栅关断；在第二转移控制栅关断之前由读出电路读出对数响应信号电压，在第二转移控制栅半开启之后由读出电路读出对数响应复位电压；

步骤三：将第一转移控制栅开启并随后关断；在第一转移控制栅开启之前由读出电路读出线性响应复位电压，在第一转移控制栅关断之后由读出电路读出线性响应信号电压。

在后续信号处理中分别在对数响应信号电压中减去对数响应复位电压，在线性响应信号电压中减去线性响应复位电压，即可得到相关双采样对数响应像素信号和线性响应像素信号，并合成一副高动态图像。

本发明所述的像素电路，相比于一般线性-对数响应像素，其创新点在于引入一个额外的第二转移控制栅，使对数响应信号与线性响应信号在两个节点分别独立输出。

本发明所述的像素电路，其创新点还在于，通过调节第二转移控制栅的栅极信号电平大小，可以灵活控制线性-对数响应曲线拐点，得到理想输出电压摆幅。

另外，本发明所述的像素电路，其创新点还在于，采用一定时序信号，配合读出电路，可以实现相关双采样，消除复位噪声和固定模式噪声。

本发明像素电路工作在积分模式下，弱光下呈线性响应，强光下呈对数响应，改善了弱光下漏电流问题。

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为传统典型对数响应像素。

图2为一种现有技术的线性-对数响应像素。

图3为另一种现有技术的线性-对数响应像素。

图4为本发明的线性-对数响应图像传感器像素结构示意图。

图5为本发明的线性-对数响应图像传感器像素工作机理示意图。

图6为本发明的线性-对数响应图像传感器像素实施例1结构示意图。

图7为本发明的线性-对数响应图像传感器像素实施例1读出时序示意图。

图8为本发明的线性-对数响应图像传感器像素实施例2结构示意图。

图9为本发明的线性-对数响应图像传感器像素实施例2读出时序示意图。

图10为本发明的线性-对数响应图像传感器像素实施例3结构示意图。

具体实施方式

如图4所示，本发明的线性-对数响应图像传感器像素包括钳位光电二极管12，第一转移控制栅11，第二转移控制栅13，复位开关14，亚阈值工作状态晶体管15，读出电路16；所述第一转移控制栅11、第二转移控制栅13、复位开关14和亚阈值工作状态晶体管15采用MOS管；钳位光电二极管12反向偏置，阳极接地，阴极与第一转移控制栅11和第二转移控制栅13的一端相连；第一转移控制栅11的另一端与复位开关14的源极相连；复位开关14的漏极与电源电压VD1相连，栅极由RST控制信号控制其开关状态；第二转移控制栅13的另一端与亚阈值工作状态晶体管15的源极相连，亚阈值工作状态晶体管15的栅极与漏极相连，漏极接于电源电压VD2；第一转移控制栅11和第二转移控制栅13的栅极分别由控制信号TX1、TX2控制其开关状态；第一转移控制栅11与复位晶体管14的连接端为线性响应信号输出端，第二转移控制栅13与亚阈值工作状态晶体管15的连接端为对数响应信号输出端；线性响应信号输出端和对数响应信号输出端分别与读出电路16连接。

所述亚阈值工作状态晶体管15还可以采用栅漏不连接，栅极另接一个电压，通过调整栅电压与漏电压来控制晶体管工作在亚阈值状态，从而仍然实现对数响应的方式。

本发明的线性-对数响应具体工作机理如图5所示。第一转移控制栅11有两种控制电平，TX1为高电平时控制其开启（图中用TX1下的虚线表示高电势），TX1为低电平时控制其关断（图中用TX1下的实线表示低电势）。第二转移控制栅13有两种控制电平，TX2为半开电平时控制其半开启（图中用TX2下的实线表示高电势），TX2为低电平时控制其关断（图中用TX2下的虚线表示低电势）；这里所述的TX2为半开电平指能够使第二转移控制栅13处于不完全开启状态的电平，而不是指使第二转移控制栅13处于完全开启状态所用高电平电压的一半；调整半开电平电压值能够灵活控制线性-对数响应曲线拐点，得到理想输出电压摆幅。工作时，第一转移控制栅11关断、第二转移控制栅13半开启，钳位光电二极管12在光照积分期间将积累光生电子，若光生电子累计量在线性响应区间以内，在第一转移控制栅11开启之后，可以在右侧势阱内读出线性响应信号；若光生电子累计量达到对数响应区间，将会产生一个亚阈值电流，使第二转移控制栅13的另一端电位降低，左侧势阱内产生一个对数响应信号。

两个电源电压VD1、VD2也可以使用相同的电源电压。

以下描述仅提供了几种示例性实施例，向本领域技术人员提供用于实现本发明的帮助性描述，具体还包括使用这几个实施例线性-对数响应工作机理的几种像素信号读出方法。以下描述并非限制本发明的范围、适用性和配置等。在不脱离权利要求中所阐述的本发明的机理和范围的情况下，可以对信号的读出方法进行各种改变。

实施例1

如图6所示，本发明的线性-对数响应图像传感器像素包括钳位光电二极管12，第一转移控制栅11，第二转移控制栅13，复位开关14，亚阈值工作状态晶体管15，读出电路16；所述读出电路16由第一控制开关17、第二控制开关18，源极跟随器24和行选开关25组成；所述第一控制开关17、第二控制开关18，源极跟随器24和行选开关25均采用MOS管，第一控制开关17、第二控制开关18的一端分别与线性响应信号输出端、对数响应信号输出端相连，另一端与源极跟随器24的栅极相连；第一控制开关17、第二控制开关18分别由控制信号S1、S2控制其开关状态；源极跟随器24的漏极与电源电压VD相连，源极与行选开关25的一端相连，行选开关25由控制信号SEL控制其开关状态，行选开关25另一端为像素电压输出端。

如图7所示，上述线性-对数响应图像传感器像素的信号转移控制方法如下：

首先，在积分期间，将复位信号RST拉为高电平，开启复位开关14；同时将TX1拉为高电平，开启第一转移控制栅11，对钳位光电二极管12进行复位；随后将TX1拉为低电平，关断第一转移控制栅11；

然后，将复位信号RST拉为低电平关断复位开关14；

将控制信号S2拉为高电平，开启第二控制开关18；

将控制信号TX2拉为半开电平并随后拉为低电平使第二转移控制栅13半开启并随后关断，在将控制信号TX2拉为低电平之前由源极跟随器24和行选开关25读出对数响应信号电压，在将控制信号TX2拉为半开电平之后由源极跟随器24和行选开关25读出对数响应复位电压；

将控制信号S2拉为低电平关断第二控制开关18；

将控制信号S1拉为高电平开启第一控制开关17：

将控制信号TX1拉为高电平并随后降为低电平，在将控制信号TX1拉为高电平之前由源极跟随器24和行选开关25读出线性响应复位电压，在将控制信号TX1拉为低电平之后由源极跟随器24和行选开关25读出线性响应信号电压。

实施例2

另外，基于本发明线性-对数响应像素的工作机理，提出另一种实施方式如图8所示。该读出电路16由第一源极跟随器21、第二源极跟随器24，对数响应端复位开关23以及第一行选开关22、第二行选开关25组成。其中，对数响应端复位开关23采用一复位晶体管，该复位晶体管的漏极与电源电压VD相连，栅极由控制信号RST2控制其开关状态，源极与对数响应信号输出端相连；第一源极跟随器21、第二源极跟随器24的栅极分别与线性响应信号输出端、对数响应信号输出端相连，漏极都与电源电压VD相连，源极分别与第一行选开关22、第二行选开关25一端相连；第一行选开关22、第二行选开关25另一端分别为两个像素电压输出端。第一行选开关22、第二行选开关25分别由控制信号SEL1、SEL2控制其开启和关断。

第二种实施方式读出时序示意图如图9所示。增加RST2复位信号可以使对数响应信号输出端进行快速复位。同时，这种读出方法由于采用双通道读出，可以同时选通SEL1、SEL2，同时读取两种响应信号。

如图9所示，上述线性-对数响应图像传感器像素的信号转移控制方法如下：

首先，在积分期间，将复位信号RST拉为高电平，开启复位开关14；同时将TX1拉为高电平，开启第一转移控制栅11，对钳位光电二极管12进行复位；随后将TX1拉为低电平，关断第一转移控制栅11；

然后，将复位信号RST拉为低电平关断复位开关14；

将控制信号SEL2拉为高电平，开启第二行选开关27；

将控制信号TX2拉为半开电平使第二转移控制栅13半开启；将控制信号RST2拉为高电平并随后拉为低电平使对数响应端复位开关23开启并随后关断；将控制信号TX2拉为低电平使第二转移控制栅13关断；在将控制信号TX2拉为低电平之前由第二源极跟随器26和第二行选开关27读出对数响应信号电压，在将控制信号TX2拉为半开电平之后由第二源极跟随器26和第二行选开关27读出对数响应复位电压；

将控制信号SEL2拉为低电平关断第二行选开关27；

将控制信号SEL1拉为高电平开启第一行选开关22：

将控制信号TX1拉为高电平并随后降为低电平，在将控制信号TX1拉为高电平之前由第一源极跟随器21和第一行选开关22读出线性响应复位电压，在将控制信号TX1拉为低电平之后由第一源极跟随器21和第一行选开关22读出线性响应信号电压。

实施例3

另外，基于本发明线性-对数响应像素的工作机理，提出第三种实施方式如图10所示。该读出电路16由源极跟随器24和行选开关25组成。其中，源极跟随器24的栅极与线性响应信号输出端和对数响应信号输出端同时相连，漏极接电源电压VD，源极与行选开关25一端相连；行选开关25栅极由控制信号SEL控制其开关状态，另一端为像素电压输出端。

Claims (6)

1.一种线性-对数响应图像传感器像素包括钳位光电二极管（12），第一转移控制栅（11），复位开关（14），亚阈值工作状态晶体管（15），读出电路（16）；其特征在于还包括第二转移控制栅（13），所述钳位光电二极管（12）反向偏置，阳极接地，阴极与第一转移控制栅（11）和第二转移控制栅（13）的一端相连；第一转移控制栅（11）的另一端与复位开关（14）的一端相连，复位开关（14）的另一端与电源电压VD1相连；第二转移控制栅(13)的另一端与亚阈值工作状态晶体管(15)的源极相连，亚阈值工作状态晶体管(15)漏极接于电源电压VD2；第一转移控制栅(11)与复位晶体管(14)的连接端为线性响应信号输出端，第二转移控制栅(13)与亚阈值工作状态晶体管(15)的连接端为对数响应信号输出端；线性响应信号输出端和对数响应信号输出端与读出电路(16)连接。

2.根据权利要求1所述的线性-对数响应图像传感器像素，其特征在于所述亚阈值工作状态晶体管(15)的栅极和漏极相连。

3.根据权利要求1所述的线性-对数响应图像传感器像素，其特征在于所述读出电路(16)由第一控制开关(17)、第二控制开关(18)，源极跟随器(24)和行选开关(25)组成；所述第一控制开关(17)、第二控制开关(18)的一端分别与线性响应信号输出端、对数响应信号输出端相连，另一端与源极跟随器(24)的栅极相连；源极跟随器(24)的漏极与电源电压VD相连，源极与行选开关(25)的一端相连，行选开关(25)另一端为像素电压输出端。

4.根据权利要求1所述的线性-对数响应图像传感器像素，其特征在于所述读出电路(16)由第一源极跟随器(21)、第二源极跟随器(24)，对数响应端复位晶体管(23)以及第一行选开关(22)、第二行选开关(25)组成；其中，对数响应端复位开关(23)的一端与电源电压VD相连，另一端与对数响应信号输出端相连；第一源极跟随器(21)、第二源极跟随器(24)的栅极分别与线性响应信号输出端、对数响应信号输出端相连，漏极都与电源电压VD相连，源极分别与第一行选开关(22)、第二行选开关(25)一端相连；第一行选开关(22)、第二行选开关(25)另一端分别为对数响应像素电压输出端、线性响应像素电压输出端。

5.根据权利要求1所述的线性-对数响应图像传感器像素，其特征在于所述读出电路(16)由源极跟随器(24)和行选开关(25)组成；其中，源极跟随器(24)的栅极与线性响应信号输出端和对数响应信号输出端同时相连，漏极接电源电压VD，源极与行选开关(25)一端相连；行选开关(25)的另一端为像素电压输出端。

6.一种如权利要求1所述的线性-对数响应图像传感器像素的信号转移控制方法其特征在于包括下述步骤：

步骤一：在积分之前，开启复位开关(14)；同时开启第一转移控制栅(11)，对钳位光电二极管(12)进行复位；随后关断第一转移控制栅(11)，开始积分；

步骤二：将复位信号RST拉为低电平关断复位开关(14)；积分期间第二转移控制栅(13)半开启，积分结束时第二转移控制栅(13)关断；在第二转移控制栅(13)关断之前由读出电路(16)读出对数响应信号电压，在第二转移控制栅(13)半开启之后由读出电路(16)读出对数响应复位电压；

步骤三：将第一转移控制栅（11）开启并随后关断；在第一转移控制栅（11）开启之前由读出电路（16）读出线性响应复位电压，在第一转移控制栅（11）关断之后由读出电路（16读出线性响应信号电压。

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