CN104243861A - 高速全局快门像素结构及其信号控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速全局快门像素结构，所述高速全局快门像素结构对采样开关的电气结构进行了创新，使得两个采样电容可以单独管理，保证了读出过程中电荷转换时采样电容大小不变；另外，本发明还公开了与前述结构配合使用的信号控制方法；本发明的有益技术效果是：可以提高像素结构输出信号的电压幅度，扩展像素的动态范围，提高图像灰度质量；同时，不改变典型8T结构的CVF、PLS、噪声等指标。

Description

高速全局快门像素结构及其信号控制方法

技术领域

    本发明涉及一种CMOS图像传感器，尤其涉及一种高速全局快门像素结构及其信号控制方法。

背景技术

拍摄高速运动的物体时，需要采用全局快门来避免图像的扭曲；现有的CMOS图像传感器上，用于实现全局快门功能的典型像素结构如图1所示，该像素结构基于传统的4T像素结构变化而来，它由光电二极管、传输管、复位开关、源极跟随器一、电流源负载、两个采样开关（M5和M6）、两个采样电容（C1和C2）、源极跟随器二和行选开关组成；其工作原理是：1）驱动传输管和复位开关闭合，使光电二极管复位，之后，将传输管和复位开关断开，图像开始曝光；2）曝光开始后，闭合复位开关，使FD节点处形成复位信号；3）驱动两个采样开关和电流源负载闭合，待复位信号转移至采样电容C2中后，断开复位开关；复位信号转移完成后，驱动采样开关M6断开；4）驱动传输管闭合，将光信号存储在采样电容C1中，光信号转移完成后，断开传输管和采样开关M5；5）先驱动行选开关闭合，再驱动采样开关M6闭合，从而使采样电容C2和采样电容C1中的信号先后向外输出；前一帧图像信号控制的步骤5）开始后，后一帧图像信号控制重新开始步骤1）的操作；存在的问题是：基于现有的电学理论可知，采用前述的像素结构进行采样时，相比于光电二极管的输出电压幅度，通过行选开关向外输出的信号的电压幅度将降低C1*(V_reset-V_signal)/(C1+C2)，导致像素的动态范围也随之降低，导致图像灰度范围变低。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种高速全局快门像素结构，其结构为：所述高速全局快门像素结构由光电二极管、传输管、复位开关、源极跟随器一、主采样开关、放电电流源、复位信号采样开关、光信号采样开关、采样电容一、采样电容二、源极跟随器二和行选开关组成；所述传输管、复位开关、源极跟随器一、主采样开关、放电电流源、复位信号采样开关、光信号采样开关、源极跟随器二和行选开关均采用NMOS场效应管；光电二极管的阳极接地，光电二极管的阴极与传输管的源极连接；传输管的栅极接控制端一，传输管的漏极与FD节点连接；复位开关的源极与FD节点连接，复位开关的栅极与控制端二连接，复位开关的漏极与电压源一连接；源极跟随器一的栅极与FD节点连接，源极跟随器一的源极与主采样开关的源极连接，源极跟随器一的漏极与电压源二连接；主采样开关的栅极与控制端三连接，主采样开关的漏极与A节点连接；放电电流源的漏极与A节点连接，放电电流源的栅极与控制端四连接，放电电流源的源极接地；复位信号采样开关的漏极与A节点连接，复位信号采样开关的栅极与控制端五连接，复位信号采样开关的源极与采样电容一的一端连接，采样电容一的另一端接地；光信号采样开关的漏极与A节点连接，光信号采样开关的栅极与控制端六连接，光信号采样开关的源极与采样电容二的一端连接，采样电容二的另一端接地；源极跟随器二的栅极与A节点连接，源极跟随器二的漏极与电压源三连接，源极跟随器二的源极与行选开关的漏极连接；行选开关的栅极与控制端七连接，行选开关的源极与列级总线COL_BUS连接。

本发明的原理是：现有技术中，由于两个采样电容仅用一个采样开关连接，导致光信号读出时，光信号电荷在两个采样电容同时分配，最终使得行选开关向外输出光信号的电压幅度将降低C1·(V_reset-V_signal)/(C1+C2)，而采用本发明的方案后，可以分别对两个采样电容进行单独管理，读出过程中电荷转换时采样电容大小不变，这就解决了输出信号的电压幅度降低问题；同时，该像素能够采用相关双采样，消除了KTC噪声；而且，复位电压信号和光电压信号存储环境相同，通过相关双采样具有小的PLS；与典型的8T像素结构对比，没有降低的PLS、CVF、噪声等指标。

为了便于本领域技术人员实施，本发明还公开了一种高速全局快门像素结构信号控制方法，所涉及的硬件如前所述；具体的信号控制方法如下：

初始状态时，传输管、复位开关、主采样开关、放电电流源、复位采样开关、光信号采样开关和行选开关均处于断开状态；

1）驱动传输管和复位开关闭合，使光电二极管复位；光电二极管复位后，驱动传输管和复位开关断开，图像开始曝光；

2）曝光完成之前，驱动复位开关、放电电流源和复位信号采样开关闭合，使FD节点处形成复位信号，同时也对采样电容一进行了放电处理；然后，驱动放电电流源和复位采样开关断开；

3）步骤2）操作完成后，先驱动主采样开关和复位采样开关闭合，然后驱动复位开关断开，待FD节点处的复位信号存储到采样电容一中后，驱动主采样开关和复位采样开关断开；

4）步骤3）的处理完成后，驱动放电电流源和光信号采样开关闭合，对采样电容二进行放电处理；

5）步骤4）的处理完成后，驱动放电电流源和光信号采样开关断开；然后，驱动传输管、主采样开关和光信号采样开关闭合，使光电二极管中的光信号传输并存储到采样电容二中；

6）步骤5）的操作完成后，驱动传输管、主采样开关和光信号采样开关断开，此时曝光操作结束；然后，驱动复位采样开关和行选开关闭合，使采样电容一中的信号传输至列级总线COL_BUS并向外输出；

7）步骤6）的操作完成后，驱动复位采样开关断开；然后，驱动光信号采样开关闭合，使采样电容二中的信号传输至列级总线COL_BUS并向外输出；

8）步骤7）的操作完成后，驱动光信号采样开关和选行开关断开，单帧图像信号控制过程结束；

前一帧图像信号控制过程中，对应的曝光操作结束后，后一帧图像信号控制同步开始步骤1）的操作。

本发明的有益技术效果是：可以提高像素结构输出信号的电压幅度，扩展像素的动态范围，提高图像灰度质量；同时，不改变典型8T结构的CVF、PLS、噪声等指标。

附图说明

图1、现有像素结构的电气原理示意图；

图2、本发明的像素结构的电气原理示意图；

图3、本发明的像素结构的操作时序图；

图中各个标记所对应的名称分别为：光电二极管1、传输管2、复位开关3、源极跟随器一4、主采样开关5、放电电流源6、复位信号采样开关7、光信号采样开关8、采样电容一9、采样电容二10、源极跟随器二11、行选开关12、采样电容C1/C2、电流源负载M4、采样开关M5/M6、控制端一TX、控制端二RST、控制端三Sample、制端四PC、控制端五S_reset、控制端六S_pho、控制端七SEL、电压源一VDD1、电压源二VDD2、电压源三VDD3、列级总线COL_BUS。

具体实施方式

一种高速全局快门像素结构，所述高速全局快门像素结构由光电二极管1、传输管2、复位开关3、源极跟随器一4、主采样开关5、放电电流源6、复位信号采样开关7、光信号采样开关8、采样电容一9、采样电容二10、源极跟随器二11和行选开关12组成；所述传输管2、复位开关3、源极跟随器一4、主采样开关5、放电电流源6、复位信号采样开关7、光信号采样开关8、源极跟随器二11和行选开关12均采用NMOS场效应管；

光电二极管1的阳极接地，光电二极管1的阴极与传输管2的源极连接；

传输管2的栅极接控制端一TX，传输管2的漏极与FD节点连接；

复位开关3的源极与FD节点连接，复位开关3的栅极与控制端二RST连接，复位开关3的漏极与电压源一VDD1连接；

源极跟随器一4的栅极与FD节点连接，源极跟随器一4的源极与主采样开关5的源极连接，源极跟随器一4的漏极与电压源二VDD2连接；

主采样开关5的栅极与控制端三Sample连接，主采样开关5的漏极与A节点连接；

放电电流源6的漏极与A节点连接，放电电流源6的栅极与控制端四PC连接，放电电流源6的源极接地；

复位信号采样开关7的漏极与A节点连接，复位信号采样开关7的栅极与控制端五S_reset连接，复位信号采样开关7的源极与采样电容一9的一端连接，采样电容一9的另一端接地；

光信号采样开关8的漏极与A节点连接，光信号采样开关8的栅极与控制端六S_pho连接，光信号采样开关8的源极与采样电容二10的一端连接，采样电容二10的另一端接地；

源极跟随器二11的栅极与A节点连接，源极跟随器二11的漏极与电压源三VDD3连接，源极跟随器二11的源极与行选开关12的漏极连接；行选开关12的栅极与控制端七SEL连接，行选开关12的源极与列级总线COL_BUS连接。

一种高速全局快门像素结构信号控制方法，所涉及的硬件有：所述高速全局快门像素结构由光电二极管1、传输管2、复位开关3、源极跟随器一4、主采样开关5、放电电流源6、复位信号采样开关7、光信号采样开关8、采样电容一9、采样电容二10、源极跟随器二11和行选开关12组成；所述传输管2、复位开关3、源极跟随器一4、主采样开关5、放电电流源6、复位信号采样开关7、光信号采样开关8、源极跟随器二11和行选开关12均采用NMOS场效应管；光电二极管1的阳极接地，光电二极管1的阴极与传输管2的源极连接；传输管2的栅极接控制端一TX，传输管2的漏极与FD节点连接；复位开关3的源极与FD节点连接，复位开关3的栅极与控制端二RST连接，复位开关3的漏极与电压源一VDD1连接；源极跟随器一4的栅极与FD节点连接，源极跟随器一4的源极与主采样开关5的源极连接，源极跟随器一4的漏极与电压源二VDD2连接；主采样开关5的栅极与控制端三Sample连接，主采样开关5的漏极与A节点连接；放电电流源6的漏极与A节点连接，放电电流源6的栅极与控制端四PC连接，放电电流源6的源极接地；复位信号采样开关7的漏极与A节点连接，复位信号采样开关7的栅极与控制端五S_reset连接，复位信号采样开关7的源极与采样电容一9的一端连接，采样电容一9的另一端接地；光信号采样开关8的漏极与A节点连接，光信号采样开关8的栅极与控制端六S_pho连接，光信号采样开关8的源极与采样电容二10的一端连接，采样电容二10的另一端接地；源极跟随器二11的栅极与A节点连接，源极跟随器二11的漏极与电压源三VDD3连接，源极跟随器二11的源极与行选开关12的漏极连接；行选开关12的栅极与控制端七SEL连接，行选开关12的源极与列级总线COL_BUS连接；

所述高速全局快门像素结构信号控制方法包括：

初始状态时，传输管2、复位开关3、主采样开关5、放电电流源6、复位采样开关7、光信号采样开关8和行选开关12均处于断开状态；

1）驱动传输管2和复位开关3闭合，使光电二极管1复位；光电二极管1复位后，驱动传输管2和复位开关3断开，图像开始曝光；

2）曝光完成之前，驱动复位开关3、放电电流源6和复位信号采样开关7闭合，使FD节点处形成复位信号，同时也对采样电容一9进行了放电处理；然后，驱动放电电流源6和复位采样开关7断开；

3）步骤2）操作完成后，先驱动主采样开关5和复位采样开关7闭合，然后驱动复位开关3断开，待FD节点处的复位信号存储到采样电容一中后，驱动主采样开关5和复位采样开关7断开；

4）步骤3）的处理完成后，驱动放电电流源6和光信号采样开关8闭合，对采样电容二10进行放电处理；

5）步骤4）的处理完成后，驱动放电电流源6和光信号采样开关8断开；然后，驱动传输管2、主采样开关5和光信号采样开关8闭合，使光电二极管1中的光信号传输并存储到采样电容二10中；

6）步骤5）的操作完成后，驱动传输管2、主采样开关5和光信号采样开关8断开，此时曝光操作结束；然后，驱动复位采样开关7和行选开关12闭合，使采样电容一9中的信号传输至列级总线COL_BUS并向外输出；

7）步骤6）的操作完成后，驱动复位采样开关7断开；然后，驱动光信号采样开关8闭合，使采样电容二10中的信号传输至列级总线COL_BUS并向外输出；

8）步骤7）的操作完成后，驱动光信号采样开关8和选行开关12断开，单帧图像信号控制过程结束；

前一帧图像信号控制过程中，对应的曝光操作结束后，后一帧图像信号控制同步开始步骤1）的操作。

Claims (2)

1.一种高速全局快门像素结构，其特征在于：所述高速全局快门像素结构由光电二极管（1）、传输管（2）、复位开关（3）、源极跟随器一（4）、主采样开关（5）、放电电流源（6）、复位信号采样开关（7）、光信号采样开关（8）、采样电容一（9）、采样电容二（10）、源极跟随器二（11）和行选开关（12）组成；所述传输管（2）、复位开关（3）、源极跟随器一（4）、主采样开关（5）、放电电流源（6）、复位信号采样开关（7）、光信号采样开关（8）、源极跟随器二（11）和行选开关（12）均采用NMOS场效应管；

光电二极管（1）的阳极接地，光电二极管（1）的阴极与传输管（2）的源极连接；

传输管（2）的栅极接控制端一（TX），传输管（2）的漏极与FD节点连接；

复位开关（3）的源极与FD节点连接，复位开关（3）的栅极与控制端二（RST）连接，复位开关（3）的漏极与电压源一（VDD1）连接；

源极跟随器一（4）的栅极与FD节点连接，源极跟随器一（4）的源极与主采样开关（5）的源极连接，源极跟随器一（4）的漏极与电压源二（VDD2）连接；

主采样开关（5）的栅极与控制端三（Sample）连接，主采样开关（5）的漏极与A节点连接；

放电电流源（6）的漏极与A节点连接，放电电流源（6）的栅极与控制端四（PC）连接，放电电流源（6）的源极接地；

复位信号采样开关（7）的漏极与A节点连接，复位信号采样开关（7）的栅极与控制端五（S_reset）连接，复位信号采样开关（7）的源极与采样电容一（9）的一端连接，采样电容一（9）的另一端接地；

光信号采样开关（8）的漏极与A节点连接，光信号采样开关（8）的栅极与控制端六（S_pho）连接，光信号采样开关（8）的源极与采样电容二（10）的一端连接，采样电容二（10）的另一端接地；

源极跟随器二（11）的栅极与A节点连接，源极跟随器二（11）的漏极与电压源三（VDD3）连接，源极跟随器二（11）的源极与行选开关（12）的漏极连接；行选开关（12）的栅极与控制端七（SEL）连接，行选开关（12）的源极与列级总线COL_BUS连接。

2.一种高速全局快门像素结构信号控制方法，其特征在于：所涉及的硬件有：所述高速全局快门像素结构由光电二极管（1）、传输管（2）、复位开关（3）、源极跟随器一（4）、主采样开关（5）、放电电流源（6）、复位信号采样开关（7）、光信号采样开关（8）、采样电容一（9）、采样电容二（10）、源极跟随器二（11）和行选开关（12）组成；所述传输管（2）、复位开关（3）、源极跟随器一（4）、主采样开关（5）、放电电流源（6）、复位信号采样开关（7）、光信号采样开关（8）、源极跟随器二（11）和行选开关（12）均采用NMOS场效应管；光电二极管（1）的阳极接地，光电二极管（1）的阴极与传输管（2）的源极连接；传输管（2）的栅极接控制端一（TX），传输管（2）的漏极与FD节点连接；复位开关（3）的源极与FD节点连接，复位开关（3）的栅极与控制端二（RST）连接，复位开关（3）的漏极与电压源一（VDD1）连接；源极跟随器一（4）的栅极与FD节点连接，源极跟随器一（4）的源极与主采样开关（5）的源极连接，源极跟随器一（4）的漏极与电压源二（VDD2）连接；主采样开关（5）的栅极与控制端三（Sample）连接，主采样开关（5）的漏极与A节点连接；放电电流源（6）的漏极与A节点连接，放电电流源（6）的栅极与控制端四（PC）连接，放电电流源（6）的源极接地；复位信号采样开关（7）的漏极与A节点连接，复位信号采样开关（7）的栅极与控制端五（S_reset）连接，复位信号采样开关（7）的源极与采样电容一（9）的一端连接，采样电容一（9）的另一端接地；光信号采样开关（8）的漏极与A节点连接，光信号采样开关（8）的栅极与控制端六（S_pho）连接，光信号采样开关（8）的源极与采样电容二（10）的一端连接，采样电容二（10）的另一端接地；源极跟随器二（11）的栅极与A节点连接，源极跟随器二（11）的漏极与电压源三（VDD3）连接，源极跟随器二（11）的源极与行选开关（12）的漏极连接；行选开关（12）的栅极与控制端七（SEL）连接，行选开关（12）的源极与列级总线COL_BUS连接；

所述高速全局快门像素结构信号控制方法包括：

初始状态时，传输管（2）、复位开关（3）、主采样开关（5）、放电电流源（6）、复位采样开关（7）、光信号采样开关（8）和行选开关（12）均处于断开状态；

1）驱动传输管（2）和复位开关（3）闭合，使光电二极管（1）复位；光电二极管（1）复位后，驱动传输管（2）和复位开关（3）断开，图像开始曝光；

2）曝光完成之前，驱动复位开关（3）、放电电流源（6）和复位信号采样开关（7）闭合，使FD节点处形成复位信号，同时也对采样电容一（9）进行了放电处理；然后，驱动放电电流源（6）和复位采样开关（7）断开；

3）步骤2）操作完成后，先驱动主采样开关（5）和复位采样开关（7）闭合，然后驱动复位开关（3）断开，待FD节点处的复位信号存储到采样电容一（9）中后，驱动主采样开关（5）和复位采样开关（7）断开；

4）步骤3）的处理完成后，驱动放电电流源（6）和光信号采样开关（8）闭合，对采样电容二（10）进行放电处理；

5）步骤4）的处理完成后，驱动放电电流源（6）和光信号采样开关（8）断开；然后，驱动传输管（2）、主采样开关（5）和光信号采样开关（8）闭合，使光电二极管（1）中的光信号传输并存储到采样电容二（10）中；

6）步骤5）的操作完成后，驱动传输管（2）、主采样开关（5）和光信号采样开关（8）断开，此时曝光操作结束；然后，驱动复位采样开关（7）和行选开关（12）闭合，使采样电容一（9）中的信号传输至列级总线COL_BUS并向外输出；

7）步骤6）的操作完成后，驱动复位采样开关（7）断开；然后，驱动光信号采样开关（8）闭合，使采样电容二（10）中的信号传输至列级总线COL_BUS并向外输出；

8）步骤7）的操作完成后，驱动光信号采样开关（8）和选行开关（12）断开，单帧图像信号控制过程结束；

前一帧图像信号控制过程中，对应的曝光操作结束后，后一帧图像信号控制同步开始步骤1）的操作。