CN103533265A

CN103533265A - 高速全局快门图像传感器像素及其信号转移控制方法

Info

Publication number: CN103533265A
Application number: CN201310459374.5A
Authority: CN
Inventors: 王欣洋; 马成
Original assignee: GPIXEL Inc
Current assignee: Changchun Changguang Chenxin Microelectronics Co.,Ltd.
Priority date: 2013-09-29
Filing date: 2013-09-29
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2033-09-29
Also published as: CN103533265B

Abstract

本发明涉及一种高速全局快门图像传感器像素及其信号转移控制方法，该像素在第一帧时，光电二极管复位电压经第一缓冲放大器、采样主开关被采集到第一支路采样电容中供之后读出；帧转移时，像素信号电压经第一缓冲放大器、采样主开关被采集到第三支路采样电容中供之后读出；第二帧时，光电二极管复位电压经第一缓冲放大器、采样主开关被采集到第二支路采样电容中供之后读出；帧转移时，像素信号电压经第一缓冲放大器、采样主开关被采集到第三支路采样电容中供之后读出。本发明像素的输出信号摆幅降为一般像素的一半，而对光信号进行采样的噪声也降为一般像素的一半，无其他任何噪声源的引入，像素输出的动态范围不受损失。

Description

高速全局快门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,具体涉及一种高速全局快门图像传感器像素及其信号转移控制方法。

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。该像素基于传统的3T像素结构变化而来，由复位开关M1、光电二极管D、第一缓冲放大器AMP1、采样开关M4、采样电容C1、第二缓冲放大器AMP2、行选开关M6组成；第一缓冲放大器AMP1由第一源极跟随器M2和电流源负载M3构成，第二缓冲放大器AMP2由第二源极跟随器M5构成；首先复位开关M1闭合并对光电二极管D进行复位，之后M1关断，像素开始曝光，在曝光结束后，采样开关M4闭合并将光信号存储在采样电容C1上以用于读出。之后M4关断，然后像素可以开始下一帧曝光，C1存储的像素信号通过第二源极跟随器M5和行选开关M6读出到总线BUS。该像素的优点是结构简单，帧转移时间较短，在曝光结束后仅需要对采样开关M4进行一次操作。其缺点为无法进行相关双采样以去除KTC噪声。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够进行相关双采样以去除KTC噪声，并且降低像素中输出信号的摆幅和降低输出信号噪声的高速全局快门图像传感器像素。

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M1，光电二极管D，第一缓冲放大器AMP1，采样主开关M3，第二缓冲放大器AMP2，行选开关M9，采样与0.5倍增益放大器模块；所述采样与0.5倍增益放大器模块包括第一支路采样开关M5、第一支路采样电容C1、第二支路采样开关M6、第二支路采样电容C2、第三支路采样开关M7、第三支路采样电容C3；复位开关M1的一端接电源电压，另一端接光电二极管的阴极和第一缓冲放大器AMP1的输入，光电二极管D的阳极接地；采样主开关M3设置在第一缓冲放大器AMP1与采样与0.5倍增益放大器模块之间；第一支路采样开关M5、第二支路采样开关M6的一端与采样主开关M3连接，另一端分别与第一支路采样电容C1、第二支路采样电容C2的一个极板连接，第一支路采样电容C1、第二支路采样电容C2的另一个极板接地；第三支路采样开关M7的一端与采样主开关M3连接，另一端同时与第二缓冲放大器AMP2的输出和第三支路采样电容C3的一个极板连接；第三支路采样电容C3的另一端接地；第二缓冲放大器AMP2的输出连接到行选开关M9的一端，行选开关M9的另一端连接到总线BUS。

上述高速全局快门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：将复位开关M1闭合对光电二极管D进行复位，随后将采样主开关M3、第一支路采样开关M5闭合；

步骤二：将复位开关M1关断，曝光开始，随后将采样主开关M3、第一支路采样开关M5关断,使光电二极管复位电压通过第一缓冲放大器AMP1、采样主开关M3和第一支路采样开关M5被采集到第一支路采样电容C1中供之后读出；

步骤三：在帧转移时间内，将采样主开关M3、第三支路采样开关M7闭合，信号稳定之后断开，像素信号电压Vsignal通过第一缓冲放大器AMP1、采样主开关M3和第三支路采样开关M7被采集到第三支路采样电容C3中供之后读出，第一帧曝光结束；

步骤四：将复位开关M1闭合对光电二极管D进行第二次复位，随后将采样主开关M3、第二支路采样开关M6闭合；

步骤五：将复位开关M1关断，第二帧曝光开始，随后将采样主开关M3、第二支路采样开关M6关断；使光电二极管第二帧的复位电压通过第一缓冲放大器AMP1、采样主开关M3和第二支路采样开关M6被采集到第二支路采样电容C2中供之后读出；

步骤六：在帧转移时间内，将采样主开关M3、第三支路采样开关M7闭合，信号稳定之后断开使像素信号电压Vsignal通过第一缓冲放大器AMP1、采样主开关M3和第三支路采样开关M7被采集到第三支路采样电容C3中供之后读出，第二帧曝光结束；

步骤七：将复位开关M1闭合对光电二极管进行第三次复位，随后将采样主开关M3、第一支路采样开关M5闭合；

步骤八：将复位开关M1关断，第三帧曝光开始；之后断开采样主开关M3和第一支路采样开关M5使光电二极管复位电压通过采样主开关M3和第一支路采样开关M5被采集到第一支路采样电容C1中供之后读出；

步骤九：重复上述过程，即可将图像传感器的图像读出。

本发明采用采样电路及0.5倍增益放大器模块对光电二极管的复位电压和信号电压进行采样，将步骤四和步骤七前后读出的两次电压相减即得到经过相关双采样之后的光信号电压（Vreset-Vsignal）/2。通过该操作，像素的输出信号摆幅变为一般像素的一半，而对光信号进行采样的噪声也降为一般像素的一半，无其他任何噪声源的引入，从而保证了像素输出的动态范围不受损失。

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是现有技术的典型全局快门像素结构示意图。

图2是本发明的高速全局快门图像传感器像素实施例1的结构示意图。

图3是本发明的高速全局快门图像传感器像素实施例2的结构示意图。

图4是本发明的高速全局快门图像传感器像素实施例3的结构示意图。

图5是本发明的高速全局快门图像传感器像素实施例4的结构示意图。

图6是本发明的高速全局快门图像传感器像素实施例1、2、3曝光操作时序图。

图7是本发明的高速全局快门图像传感器像素实施例1、2、3逐行读出时序图。

图8是本发明的高速全局快门图像传感器像素实施例4曝光操作时序图。

具体实施方式

实施例1(为了支持权1的保护范围画了4个图，只有微小的差别)

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，光电二极管D，第一缓冲放大器AMP1，采样主开关M3，第一支路采样开关M5，第一支路采样电容C1，第二支路采样开关M6，第二支路采样电容C2，第三支路采样开关M7，第三支路采样电容C3，第二缓冲放大器AMP2，行选开关M9；所述第一缓冲放大器由第一源极跟随器M2和电流源负载M4构成；第二缓冲放大器AMP2采用第二源极跟随器M8；复位开关M1、采样主开关M3、第一支路采样开关M5、第二支路采样开关M6、第三支路采样开关M7、行选开关M9均采用MOS管，复位开关M1、采样主开关M3、电流源负载M4、第一支路采样开关M5、第二支路采样开关M6、第三支路采样开关M7、行选开关M9分别由栅极控制信号Reset、Sample、pc、s1、s2、s3、SEL控制其开启和关断；复位开关M1、第一源极跟随器M2、第二源极跟随器M8的漏极连接电源电压Vddpix；光电二极管D反向偏置，其阴极接复位开关M1的源极，阳极接地；第一采样主开关M3设置在第一源极跟随器M2的源极与电流源负载M4的漏极之间；第一支路采样开关M5、第二支路采样开关M6、第三支路采样开关M7的漏极与电流源负载M4的漏极连接，源极分别与第一支路采样电容C1、第二支路采样电容C2、第三支路采样电容C3的一个极板连接，第一支路采样电容C1、第二支路采样电容C2、第三支路采样电容C3的另一个极板接地；第三支路采样开关M7的源极同时连接到第二源极跟随器M8的栅极，第二源极跟随器M8的源极连接到行选开关M9的一端，行选开关M9的另一端连接到总线BUS。

实施例2

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，光电二极管D，第一缓冲放大器AMP1，采样主开关M3，第一支路采样开关M5，第一支路采样电容C1，第二支路采样开关M6，第二支路采样电容C2，第三支路采样开关M7，第三支路采样电容C3，第二缓冲放大器AMP2，行选开关M9；所述第一缓冲放大器由第一源极跟随器M2和电流源负载M4构成；第二缓冲放大器AMP2采用第二源极跟随器M8；复位开关M1、采样主开关M3、第一支路采样开关M5、第二支路采样开关M6、第三支路采样开关M7、行选开关M9均采用MOS管，复位开关M1、采样主开关M3、电流源负载M4、第一支路采样开关M5、第二支路采样开关M6、第三支路采样开关M7、行选开关M9分别由栅极控制信号Reset、Sample、pc、s1、s2、s3、SEL控制其开启和关断；复位开关M1、第一源极跟随器M2、第二源极跟随器M8的漏极连接电源电压Vddpix；光电二极管D反向偏置，其阴极接复位开关M1的源极，阳极接地；采样主开关M3放置于电流源负载M4的漏极与第一支路采样开关M5的漏极之间；第一支路采样开关M5、第二支路采样开关M6、第三支路采样开关M7的漏极与电流源负载M4的漏极连接，源极分别与第一支路采样电容C1、第二支路采样电容C2、第三支路采样电容C3的一个极板连接，第一支路采样电容C1、第二支路采样电容C2、第三支路采样电容C3的另一个极板接地；第三支路采样开关M7的源极同时连接到第二源极跟随器M8的栅极，第二源极跟随器M8的源极连接到行选开关M9的一端，行选开关M9的另一端连接到总线BUS。

实施例3

如图4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，光电二极管D，第一缓冲放大器AMP1，采样主开关M3，第一支路采样开关M5，第一支路采样电容C1，第二支路采样开关M6，第二支路采样电容C2，第三支路采样开关M7，第三支路采样电容C3，第二缓冲放大器AMP2，行选开关M9；所述第一缓冲放大器由第一源极跟随器M2和电流源负载M4构成；第二缓冲放大器AMP2采用第二源极跟随器M8；复位开关M1、采样主开关M3、第一支路采样开关M5、第二支路采样开关M6、第三支路采样开关M7、行选开关M9均采用MOS管，复位开关M1、采样主开关M3、电流源负载M4、第一支路采样开关M5、第二支路采样开关M6、第三支路采样开关M7、行选开关M9分别由栅极控制信号Reset、Sample、pc、s1、s2、s3、SEL控制其开启和关断；复位开关M1、第一源极跟随器M2、第二源极跟随器M8的漏极分别连接电源电压VD1、VD2、VD3，VD1、VD2、VD3电压值各不相同；光电二极管D反向偏置，其阴极接复位开关M1的源极，阳极接地；采样主开关M3放置于电流源负载M4的漏极与第一支路采样开关M5的漏极之间；第一支路采样开关M5、第二支路采样开关M6、第三支路采样开关M7的漏极与电流源负载M4的漏极连接，源极分别与第一支路采样电容C1、第二支路采样电容C2、第三支路采样电容C3的一个极板连接，第一支路采样电容C1、第二支路采样电容C2、第三支路采样电容C3的另一个极板接地；第三支路采样开关M7的源极同时连接到第二源极跟随器M8的栅极，第二源极跟随器M8的源极连接到行选开关M9的一端，行选开关M9的另一端连接到总线BUS。

实施例4

如图5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，光电二极管D，第一缓冲放大器AMP1，采样主开关M3，第一支路采样开关M5，第一支路采样电容C1，第二支路采样开关M6，第二支路采样电容C2，第三支路采样开关M7，第三支路采样电容C3，第二缓冲放大器AMP2，行选开关M9；所述第一缓冲放大器AMP1由第一源极跟随器M2构成；第二缓冲放大器AMP2采用第二源极跟随器M8；复位开关M1、采样主开关M3、第一支路采样开关M5、第二支路采样开关M6、第三支路采样开关M7、行选开关M9均采用MOS管，复位开关M1、采样主开关M3、第一支路采样开关M5、第二支路采样开关M6、第三支路采样开关M7、行选开关M9分别由栅极控制信号Reset、Sample、s1、s2、s3、SEL控制其开启和关断；复位开关M1、第二源极跟随器M8的漏极连接电源电压Vddpix，第一源极跟随器M2的漏极连接电源电压Vsf_pulsed；光电二极管D反向偏置，其阴极接复位开关M1的源极，阳极接地；采样主开关M3放置于第一源极跟随器M2的源极与第一支路采样开关M5的漏极之间；第一支路采样开关M5、第二支路采样开关M6、第三支路采样开关M7的漏极与电流源负载M4的漏极连接，源极分别与第一支路采样电容C1、第二支路采样电容C2、第三支路采样电容C3的一个极板连接，第一支路采样电容C1、第二支路采样电容C2、第三支路采样电容C3的另一个极板接地；第三支路采样开关M7的源极同时连接到第二源极跟随器M8的栅极，第二源极跟随器M8的源极连接到行选开关M9的一端，行选开关M9的另一端连接到总线BUS。

如图6所示，本发明实施例1、2、3的全局曝光信号转移控制方法如下：

将复位开关M1的栅极控制信号Reset拉为高电平对光电二极管D进行复位，随后将采样主开关M3、第一支路采样开关M5、电流源负载M4的栅极控制信号Sample、s1、pc拉为高电平，之后将复位开关M1的栅极控制信号Reset拉为低电平，曝光开始；随后将Sample、s1、pc拉为低电平，使光电二极管的复位电压Vreset通过第一缓冲放大器AMP1、采样主开关M3和第一支路采样开关M5被采集到第一支路采样电容C1中供之后读出；

在帧转移时间内，将采样主开关M3、第三支路采样开关M7、电流源负载M4的栅极控制信号Sample、s3、pc拉为高电平，之后将这三个控制信号拉为低电平，像素信号电压Vsignal通过采样主开关M3和第三支路采样开关M7被采集到第三支路采样电容C3中供之后读出，第一帧曝光结束；

将复位开关M1的栅极控制信号Reset拉为高电平对光电二极管D进行第二次复位，随后将采样主开关M3、第二支路采样开关M6、电流源负载M4的栅极控制信号Sample、s2、pc拉为高电平，将复位开关M1的栅极控制信号Reset拉为低电平，第二帧曝光开始；随后将Sample、s2、pc拉为低电平，使光电二极管D的复位电压Vreset通过采样主开关M3和第二支路采样开关M6被采集到第二支路采样电容C2中供之后读出；

在帧转移时间内，将采样主开关M3、第三支路采样开关M7、电流源负载M4的栅极控制信号Sample、s3、pc拉为高电平，之后拉为低电平，像素信号电压Vsignal通过采样主开关M3和第三支路采样开关M7被采集到第三支路采样电容C3中供之后读出，第二帧曝光结束；

复位开关M1的栅极控制信号Reset拉为高电平对光电二极管D进行第三次复位，随后将采样主开关M3、第一支路采样开关M5、电流源负载M4的栅极控制信号Sample、s1、pc拉为高电平，将复位开关M1的栅极控制信号Reset拉为低电平，第三帧曝光开始；

重复上述过程，即可将图像传感器的图像读出。

如图7所示，像素的读出过程为：闭合像素的行选开关M9，读出第三支路电容C3中存储的信号电压Vsignal，然后将第三支路采样开关M7，第一支路采样开关M5或者第二支路采样开关M6闭合，读出电压（Vreset+Vsignal）/2。根据读出的当前帧的Vsignal存储的位置，选择读出时的开关是第一支路采样开关M5还是第二支路采样开关M6。

如图8所示，本发明实施例4的全局曝光信号转移控制方法如下：

将复位开关M1的栅极控制信号Reset拉为高电平对光电二极管D进行复位，随后将采样主开关M3、第一支路采样开关M5的栅极控制信号Sample、s1拉为高电平，将第一源极跟随器M2的漏极拉为低电平；之后将复位开关M1的栅极控制信号Reset拉为低电平、第一源极跟随器M2的漏极电源电压Vsf_pulsed拉为高电平，曝光开始；随后将Sample、s1拉为低电平；使光电二极管D的复位电压Vreset通过第一源极跟随器M2、采样主开关M3和第一支路采样开关M5被采集到第一支路采样电容C1中供之后读出；

在帧转移时间内，将采样主开关M3、第三支路采样开关M7的栅极控制信号Sample、s3拉为高电平，第一源极跟随器M2的漏极电源电压Vsf_pulsed拉为低电平并随后拉为高电平；信号稳定后，栅极控制信号Sample、s3被拉为低电平，使像素信号电压Vsignal通过采样主开关M3和第三支路采样开关M7被采集到第三支路采样电容C3中供之后读出，第一帧曝光结束；

将复位开关M1的栅极控制信号Reset拉为高电平对光电二极管D进行第二次复位，随后将采样主开关M3、第二支路采样开关M6的栅极控制信号Sample、s2拉为高电平，第一源极跟随器M2的漏极电源电压Vsf_pulsed拉为低电平，将复位开关M1的栅极控制信号Reset拉为低电平，第一源极跟随器M2的漏极电源电压Vsf_pulsed拉为高电平，第二帧曝光开始；随后将Sample、s2拉为低电平，使光电二极管D的复位电压Vreset通过采样主开关M3和第二支路采样开关M6被采集到第二支路采样电容C2中供之后读出；

在帧转移时间内，将采样主开关M3、第三支路采样开关M7的栅极控制信号Sample、s3拉为高电平，第一源极跟随器M2的漏极电源电压Vsf_pulsed拉为低电平并随后拉为高电平；信号稳定后，栅极控制信号Sample、s3被拉为低电平，使像素信号电压Vsignal通过采样主开关M3和第三支路采样开关M7被采集到第三支路采样电容C3中供之后读出，第二帧曝光结束；

复位开关M1的栅极控制信号Reset拉为高电平对光电二极管D进行第三次复位，随后将采样主开关M3、第一支路采样开关M6的栅极控制信号Sample、s1拉为高电平，第一源极跟随器M2的漏极电源电压Vsf_pulsed拉为低电平；将复位开关M1的栅极控制信号Reset拉为低电平，第一源极跟随器M2的漏极电源电压Vsf_pulsed拉为高电平，第三帧曝光开始；

重复上述过程，即可将图像传感器的图像读出。

像素的读出过程与实施例1、2、3相同。

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），采样主开关（M3），第二缓冲放大器（AMP2），行选开关（M9），其特征在于还包括采样与0.5倍增益放大器模块；所述采样与0.5倍增益放大器模块包括第一支路采样开关（M5）、第一支路采样电容（C1）、第二支路采样开关（M6)、第二支路采样电容(C2)、第三支路采样开关(M7)、第三支路采样电容(C3)；复位开关(M1)的一端接电源电压，另一端接光电二极管的阴极和第一缓冲放大器(AMP1)的输入，光电二极管(D)的阳极接地；采样主开关(M3)设置在第一缓冲放大器(AMP1)与采样与0.5倍增益放大器模块之间；第一支路采样开关(M5)、第二支路采样开关(M6)的一端与采样主开关(M3)连接，另一端分别与第一支路采样电容(C1)、第二支路采样电容(C2)的一个极板连接，第一支路采样电容(C1)、第二支路采样电容(C2)的另一个极板接地；第三支路采样开关(M7)的一端与采样主开关(M3)连接，另一端同时与第二缓冲放大器(AMP2)的输出和第三支路采样电容(C3)的一个极板连接；第三支路采样电容(C3)的另一端接地；第二缓冲放大器(AMP2)的输出连接到行选开关(M9)的一端，行选开关(M9)的另一端连接到总线(BUS)。

2.一种如权利要求1所述的高速全局快门图像传感器像素的信号转移控制方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤一：将复位开关(M1)闭合对光电二极管(D)进行复位，随后将采样主开关(M3)、第一支路采样开关(M5)闭合；

步骤二：将复位开关(M1)关断，曝光开始，随后将采样主开关(M3)、第一支路采样开关(M5)关断,使光电二极管复位电压通过第一缓冲放大器(AMP1)、采样主开关(M3)和第一支路采样开关(M5)被采集到第一支路采样电容(C1)中供之后读出；

步骤三：在帧转移时间内，将采样主开关(M3)、第三支路采样开关(M7)闭合，信号稳定之后断开，像素信号电压Vsignal通过第一缓冲放大器(AMP1)、采样主开关(M3)和第三支路采样开关(M7)被采集到第三支路采样电容(C3)中供之后读出，第一帧曝光结束；

步骤四：将复位开关(M1)闭合对光电二极管(D)进行第二次复位，随后将采样主开关(M3)、第二支路采样开关(M6)闭合；

步骤五：将复位开关(M1)关断，第二帧曝光开始，随后将采样主开关(M3)、第二支路采样开关(M6)关断；使光电二极管第二帧的复位电压通过第一缓冲放大器(AMP1)、采样主开关(M3)和第二支路采样开关(M6)被采集到第二支路采样电容(C2)中供之后读出；

步骤六：在帧转移时间内，将采样主开关(M3)、第三支路采样开关(M7)闭合，信号稳定之后断开使像素信号电压Vsignal通过第一缓冲放大器(AMP1)、采样主开关(M3)和第三支路采样开关(M7)被采集到第三支路采样电容(C3)中供之后读出，第二帧曝光结束；

步骤七：将复位开关(M1)闭合对光电二极管进行第三次复位，随后将采样主开关(M3)、第一支路采样开关(M5)闭合；

步骤八：将复位开关(M1)关断，第三帧曝光开始；之后断开采样主开关(M3)和第一支路采样开关(M5)使光电二极管复位电压通过采样主开关(M3)和第一支路采样开关(M5)被采集到第一支路采样电容(C1)中供之后读出；

步骤九：重复上述过程，即可将图像传感器的图像读出。

3.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由第一源极跟随器(M2)和电流源负载(M4)构成；第一采样主开关(M3)设置在第一源极跟随器(M2)的源极与电流源负载(M4)的漏极之间。

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由第一源极跟随器(M2)和电流源负载（M4）构成；采样主开关（M3）、第一支路采样开关（M5）采用MOS管，采样主开关（M3）放置于电流源负载（M4）的漏极与第一支路采样开关（M5）的漏极之间。

5.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）由第一源极跟随器（M2）构成；采样主开关（M3）、第一支路采样开关（M5）采用MOS管，采样主开关（M3）放置于第一源极跟随器（M2）的源极与第一支路采样开关（M5的漏极之间。