CN103686005A - 一种具有记忆和多次选择输出功能的像素单元电路 - Google Patents

一种具有记忆和多次选择输出功能的像素单元电路 Download PDF

Info

Publication number
CN103686005A
CN103686005A CN201310719144.8A CN201310719144A CN103686005A CN 103686005 A CN103686005 A CN 103686005A CN 201310719144 A CN201310719144 A CN 201310719144A CN 103686005 A CN103686005 A CN 103686005A
Authority
CN
China
Prior art keywords
gate transistor
transistor
capacitor
pixel
pixel unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201310719144.8A
Other languages
English (en)
Inventor
骆丽
李瑞菁
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Jiaotong University
Original Assignee
Beijing Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Jiaotong University filed Critical Beijing Jiaotong University
Priority to CN201310719144.8A priority Critical patent/CN103686005A/zh
Publication of CN103686005A publication Critical patent/CN103686005A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Abstract

本发明提供了一种具有记忆和多次选择输出功能的像素单元电路，可应用于CMOS图像传感器。所述像素单元电路在传统四管有源像素电路结构上增加了电容充电、放电两个选通晶体管和一个存储电容。电容充电选通晶体管位于传输门晶体管输出端和存储电容上极板之间，控制存储电容充电操作；电容放电选通晶体管位于存储电容上极板和源跟随晶体管栅极之间，控制存储电容放电操作；存储电容上极板位于电容充电选通晶体管和电容放电选通晶体管连接处，下极板接地，起到存储固定瞬时光照信息并使其能被多次选择性输出的作用。本发明增加了像素单元内存储瞬时光照信息的功能，同时增加了多次选择性输出固定瞬时光照信息的功能。

Description

一种具有记忆和多次选择输出功能的像素单元电路
技术领域
本发明属于CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）图像传感器领域，尤其涉及一种具有记忆和多次选择输出功能的像素单元电路。
背景技术
近年来，基于压缩传感理论的信号采样、处理方式不断发展，对像素单元电路提出了更高的要求，要求像素单元电路中同一个光照信息能在不同时刻参与运算多次，以完成和测量矩阵的相关运算。
根据晶体管的数量不同，当前像素单元电路结构主要分为三管有源像素、四管有源像素等类型，其中，四管有源像素在CMOS图像传感器中应用最广泛。
传统的四管结构CMOS图像传感器像素单元电路如图1所示，包括：复位晶体管M_RST，传输门晶体管M_TX，源跟随晶体管M_SF，行选通晶体管M_RS及用于感受光信号的光电二极管PD，FD为浮动扩散节点，Vout为像素单元输出端。复位晶体管M_RST位于电源正极VDD和浮动扩散节点FD之间，传输门晶体管M_TX位于浮动扩散节点和光电二极管PD之间，光电二极管PD位于传输门晶体管M_TX和地之间，源跟随晶体管M_SF位于电源正极VDD和行选通晶体管M_RS之间，行选通晶体管M_RS位于源跟随晶体管M_SF与像素单元输出端Vout之间，浮动扩散节点FD与源跟随晶体管M_SF的栅极相连。给复位晶体管M_RST施加复位信号RST，传输门晶体管M_TX施加传输信号TX，行选通晶体管M_RS施加行选通信号RS。
图1中VDD是外部提供给像素单元电路的电源电压，控制复位晶体管M_RST、传输门晶体管M_TX、行选通晶体管M_RS的导通与截止来实现像素单元电路的信号输出。因为传统四管结构CMOS图像传感器主要只利用光电二极管PD存储电荷，所以像素单元电路存储的光照信息只能被输出一次。
发明内容
本发明为解决现有像素单元电路只能将存储的光照信息输出一次的技术问题，提供了一种具有记忆和多次选择输出功能的像素单元电路。
一种具有记忆和多次选择输出功能的像素单元电路，具有六管结构：
所述像素单元电路在传统四管有源像素电路结构上增加了电容充电、放电两个选通晶体管和一个存储电容。电容充电选通晶体管位于传输门晶体管输出端和存储电容上极板之间，控制存储电容充电操作；电容放电选通晶体管位于存储电容上极板和源跟随晶体管栅极之间，控制存储电容放电操作；存储电容上极板位于电容充电选通晶体管和电容放电选通晶体管连接处，下极板接地，起到存储固定瞬时光照信息并使其能被多次选择性输出的作用。
进一步的，所述六管结构的像素单元电路包括：启动晶体管、传输门晶体管、光电二极管、电容充电选通晶体管、存储电容、电容放电选通晶体管、源跟随晶体管、像素选通晶体管；所述启动晶体管位于电源正极和浮动扩散节点之间；传输门晶体管位于浮动扩散节点和光电二极管之间；光电二极管位于传输门晶体管和地之间；电容充电选通晶体管位于浮动扩散节点和存储电容上极板之间；存储电容上极板连接在电容充电选通晶体管和电容放电选通晶体管之间，下极板接地；电容放电选通晶体管位于存储电容上极板和源跟随晶体管栅极之间；源跟随晶体管位于电源正极和像素选通晶体管之间；像素选通晶体管位于源跟随晶体管和像素单元输出端之间。
进一步的，该像素单元电路还包括：给启动晶体管施加启动信号、传输门晶体管施加传输信号、电容充电选通晶体管施加电容充电选通信号、电容放电选通晶体管施加电容放电选通信号、像素选通晶体管施加像素选择输出信号。
本发明像素单元电路在传统四管有源像素电路结构上增加了电容充电、放电两个选通晶体管和一个存储电容。电容充电选通晶体管位于传输门晶体管输出端和存储电容上极板之间，控制存储电容充电操作；电容放电选通晶体管位于存储电容上极板和源跟随晶体管栅极之间，控制存储电容放电操作；存储电容上极板位于电容充电选通晶体管和电容放电选通晶体管连接处，下极板接地，起到存储固定瞬时光照信息并使其能被多次选择性输出的作用。本发明增加了像素单元内存储瞬时光照信息的功能，同时增加了多次选择性输出固定瞬时光照信息的功能。
附图说明
图1是现有技术提供的四管结构像素单元电路示意图；
图2是本发明实施例提供的六管结构具有记忆和多次选择输出功能的像素单元电路示意图；
图3是本发明实施例提供的控制单元产生的控制信号波形图；
图4是本发明实施例提供的控制单元控制像素单元工作的流程图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
具有记忆和多次选择输出功能，即将固定瞬时光照信息的电荷存储在非光电二极管的单独电容中，并使该电容中固定瞬时光照信息的电荷量基本无变化。为存储并保持瞬时光照信息，本发明提供了一种具有记忆功能的像素单元电路，具有六管结构，所述像素单元电路在传统四管有源像素电路结构上增加了电容充电、放电两个选通晶体管和一个存储电容。电容充电选通晶体管位于传输门晶体管输出端和存储电容上极板之间，控制存储电容充电操作；电容放电选通晶体管位于存储电容上极板和源跟随晶体管栅极之间，控制存储电容放电操作；存储电容上极板位于电容充电选通晶体管和电容放电选通晶体管连接处，下极板接地，起到存储固定瞬时光照信息并使其能被多次选择性输出的作用。本发明增加了像素单元内存储瞬时光照信息的功能，同时增加了多次选择性输出固定瞬时光照信息的功能。
为了更详细的描述本发明的技术方案，提供了具有记忆和多次选择输出功能的像素单元电路示意图，如图2所示，包括：启动晶体管M_START、传输门晶体管M_TX、光电二极管PD、电容充电选通晶体管M_CI、存储电容C、电容放电选通晶体管M_CO、源跟随晶体管M_SF、像素选通晶体管M_SEL。
图2中所述启动晶体管M_START位于电源正极VDD和浮动扩散节点FD之间；传输门晶体管M_TX位于浮动扩散节点FD和光电二极管PD之间；光电二极管PD位于传输门晶体管M_TX和地之间；电容充电选通晶体管M_CI位于浮动扩散节点FD和存储电容C上极板之间；存储电容C上极板位于电容充电选通晶体管M_CI和电容放电选通晶体管M_CO连接处，下极板接地；电容放电选通晶体管M_CO位于存储电容C上极板和源跟随晶体管M_SF栅极之间；源跟随晶体管M_SF位于电源正极VDD和像素选通晶体管M_SEL之间；像素选通晶体管M_SEL位于源跟随晶体管M_SF和像素单元输出端Iout之间。
图2中所述电容充电选通晶体管M_CI、存储电容C、电容放电选通晶体管M_CO增加了像素单元内存储瞬时光照信息的功能，同时增加了多次选择性输出固定瞬时光照信息的功能。
进一步的，图2所示的六管结构像素单元还包括：给启动晶体管M_START施加启动信号START、传输门晶体管M_TX施加传输信号TX、电容充电选通晶体管M_CI施加电容充电选通信号CI、电容放电选通晶体管M_CO施加电容放电选通信号CO、像素选通晶体管M_SEL施加像素选择输出信号SEL。图3所示为控制单元产生的传输信号TX、电容充电选通信号CI、电容放电选通信号CO、像素选择输出信号SEL的波形图。启动信号START在该像素单元工作时，始终接电源正极VDD。
图4为控制单元产生的控制信号控制像素单元工作的流程图，控制步骤如下：
步骤41：截止启动晶体管M_START、传输门晶体管M_TX、电容充电选通晶体管M_CI、电容放电选通晶体管M_CO、像素选通晶体管M_SEL，光电二极管PD感受光信号并完成光生电荷的积累；
步骤42：导通启动晶体管M_START、传输门晶体管M_TX，电容充电选通晶体管M_CI，光电二极管PD区域的电子转移到存储电容C的上极板；
步骤43：截止传输门晶体管M_TX、电容充电选通晶体管M_CI，导通电容放电选通晶体管M_CO，根据像素选通晶体管M_SEL栅极控制信号是0或1，选择截止或导通像素选通晶体管M_SEL，采集像素单元输出电流Iout；
步骤44：根据电路的具体需要，控制像素选通晶体管M_SEL栅极控制信号，重复步骤43，以便多次选择性输出固定瞬时光照信息。
在上述像素单元的工作过程中步骤41完成了光电二极管PD感受光信号并完成光生电荷的积累；步骤42完成了瞬时光照信息电荷在存储电容C上的存储；步骤43中的电容放电选通晶体管M_CO连接在存储电容C上极板和源跟随晶体管M_SF栅极之间，由于MOS管的栅极和源极、漏极之间均不导通，所以存储电容C上极板存储的电荷能基本保持瞬时光照信息的固定电荷量，步骤43和步骤44完成了多次选择性固定瞬时光照信息的输出。
以上所述仅为发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种具有记忆和多次选择输出功能的像素单元电路，具有六管结构：其特征在于：
所述像素单元电路在传统四管有源像素电路结构上增加了电容充电、放电两个选通晶体管和一个存储电容；电容充电选通晶体管位于传输门晶体管输出端和存储电容上极板之间，控制存储电容充电操作；电容放电选通晶体管位于存储电容上极板和源跟随晶体管栅极之间，控制存储电容放电操作；存储电容上极板位于电容充电选通晶体管和电容放电选通晶体管连接处，下极板接地，起到存储固定瞬时光照信息并使其能被多次选择性输出的作用。
2.如权利要求1所述的具有记忆和多次选择输出功能的像素单元电路，其特征在于，所述六管结构的像素单元电路包括：启动晶体管、传输门晶体管、光电二极管、电容充电选通晶体管、存储电容、电容放电选通晶体管、源跟随晶体管、像素选通晶体管；
所述启动晶体管位于电源正极和浮动扩散节点之间；传输门晶体管位于浮动扩散节点和光电二极管之间；光电二极管位于传输门晶体管和地之间；电容充电选通晶体管位于浮动扩散节点和存储电容上极板之间；存储电容上极板位于电容充电选通晶体管和电容放电选通晶体管连接处，下极板接地；电容放电选通晶体管位于存储电容上极板和源跟随晶体管栅极之间；源跟随晶体管位于电源正极和像素选通晶体管之间；像素选通晶体管位于源跟随晶体管和像素单元输出端之间。
3.如权利要求1所述的具有记忆和多次选择输出功能的像素单元电路，其特征在于：该像素单元还包括：给启动晶体管施加启动信号、传输门晶体管施加传输信号、电容充电选通晶体管施加电容充电选通信号、电容放电选通晶体管施加电容放电选通信号、像素选通晶体管施加像素选择输出信号。
CN201310719144.8A 2013-12-24 2013-12-24 一种具有记忆和多次选择输出功能的像素单元电路 Pending CN103686005A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310719144.8A CN103686005A (zh) 2013-12-24 2013-12-24 一种具有记忆和多次选择输出功能的像素单元电路

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310719144.8A CN103686005A (zh) 2013-12-24 2013-12-24 一种具有记忆和多次选择输出功能的像素单元电路

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN103686005A true CN103686005A (zh) 2014-03-26

Family

ID=50322142

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310719144.8A Pending CN103686005A (zh) 2013-12-24 2013-12-24 一种具有记忆和多次选择输出功能的像素单元电路

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103686005A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107040732A (zh) * 2016-02-03 2017-08-11 原相科技股份有限公司 影像感测电路及方法
CN109874308A (zh) * 2018-04-26 2019-06-11 京东方科技集团股份有限公司 像素记忆电路及其驱动方法、阵列基板和显示装置

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5461425A (en) * 1994-02-15 1995-10-24 Stanford University CMOS image sensor with pixel level A/D conversion
US6204524B1 (en) * 1999-07-14 2001-03-20 Micron Technology, Inc. CMOS imager with storage capacitor
CN1552052A (zh) * 2001-09-07 2004-12-01 ���µ�����ҵ��ʽ���� El显示装置和el显示装置的驱动电路以及图像显示装置
US6960796B2 (en) * 2002-11-26 2005-11-01 Micron Technology, Inc. CMOS imager pixel designs with storage capacitor
CN1849816A (zh) * 2003-07-15 2006-10-18 微米技术有限公司 设有浮置扩散栅电容的四晶体管cmos图像传感器
CN101026172A (zh) * 2001-02-28 2007-08-29 株式会社半导体能源研究所 半导体器件
CN101211956A (zh) * 2006-12-27 2008-07-02 东部高科股份有限公司 Cmos图像传感器及其制造方法
CN101257577A (zh) * 2007-03-02 2008-09-03 索尼株式会社 图像捕获设备和图像处理方法
CN101271827A (zh) * 2006-10-17 2008-09-24 株式会社半导体能源研究所 用于制造半导体器件的方法
CN101635790B (zh) * 2008-07-23 2012-01-18 佳能株式会社 摄像系统及其控制方法
CN102469241A (zh) * 2010-10-29 2012-05-23 佳能株式会社 摄像设备、放射线摄像系统和图像传感器的控制方法

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5461425A (en) * 1994-02-15 1995-10-24 Stanford University CMOS image sensor with pixel level A/D conversion
US6204524B1 (en) * 1999-07-14 2001-03-20 Micron Technology, Inc. CMOS imager with storage capacitor
US6429470B1 (en) * 1999-07-14 2002-08-06 Micron Technology, Inc. CMOS imager with storage capacitor
CN101026172A (zh) * 2001-02-28 2007-08-29 株式会社半导体能源研究所 半导体器件
CN1552052A (zh) * 2001-09-07 2004-12-01 ���µ�����ҵ��ʽ���� El显示装置和el显示装置的驱动电路以及图像显示装置
US6960796B2 (en) * 2002-11-26 2005-11-01 Micron Technology, Inc. CMOS imager pixel designs with storage capacitor
CN1849816A (zh) * 2003-07-15 2006-10-18 微米技术有限公司 设有浮置扩散栅电容的四晶体管cmos图像传感器
CN101271827A (zh) * 2006-10-17 2008-09-24 株式会社半导体能源研究所 用于制造半导体器件的方法
CN101211956A (zh) * 2006-12-27 2008-07-02 东部高科股份有限公司 Cmos图像传感器及其制造方法
CN101257577A (zh) * 2007-03-02 2008-09-03 索尼株式会社 图像捕获设备和图像处理方法
CN101635790B (zh) * 2008-07-23 2012-01-18 佳能株式会社 摄像系统及其控制方法
CN102469241A (zh) * 2010-10-29 2012-05-23 佳能株式会社 摄像设备、放射线摄像系统和图像传感器的控制方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107040732A (zh) * 2016-02-03 2017-08-11 原相科技股份有限公司 影像感测电路及方法
CN107040732B (zh) * 2016-02-03 2019-11-05 原相科技股份有限公司 影像感测电路及方法
CN109874308A (zh) * 2018-04-26 2019-06-11 京东方科技集团股份有限公司 像素记忆电路及其驱动方法、阵列基板和显示装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8520104B2 (en) Image sensor devices having dual-gated charge storage regions therein
JP4825982B2 (ja) 固体撮像素子及びその信号読み出し方法
KR20140047497A (ko) 바이너리 이미지 센서 및 그것의 이미지 감지 방법
CN103533259B (zh) 线性-对数响应图像传感器像素及其信号转移控制方法
CN101444085A (zh) 半导体摄像元件
CN104469195A (zh) 高动态范围图像传感器像素结构及其操作方法
CN103139499B (zh) 具有可变转换增益的图像传感器有源像素及图像传感器
CN110505421A (zh) 具有全局快门的宽动态范围图像传感器
JP6903637B2 (ja) 画素検知回路及びその駆動方法、画像センサ、電子機器
US20170186806A1 (en) High-dynamic-range pixel
CN103929600A (zh) 高灵敏度cmos图像传感器共享型像素结构
CN106575075A (zh) 差分参考信号分布方法和系统
CN107425847A (zh) 一种基于脉冲上升沿触发的电荷转移型模拟计数读出电路
KR100284306B1 (ko) 이미지 센서의 화질 개선을 위한 단위 화소 구동 방법
CN103066972A (zh) 一种带有全局使能脉冲控制自动复位功能的上电复位电路
CN103686006A (zh) 一种基于压缩传感的全局式曝光cmos图像传感器
US10880510B2 (en) Circuit of detecting light, image sensor and electronic device using the same and method of detecting light based on the same
CN103686005A (zh) 一种具有记忆和多次选择输出功能的像素单元电路
KR20130054508A (ko) 화소 회로 및 이를 포함하는 깊이 센서
CN204217043U (zh) 扩展动态范围的三晶体管图像传感器像素结构
CN104485342A (zh) 一种图像传感器像素结构及其操作方法
CN112700810B (zh) 一种融合忆阻器的cmos感存算一体电路结构
CN207200679U (zh) 一种漏电保护型自举采样开关电路
CN107315440A (zh) 一种高速宽频带频率电压转换电路
CN105578085A (zh) 应用于单光子雪崩二极管的光信号线性存储方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20140326

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication