CN104378561B - 全局快门像素单元及其信号采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全局快门像素单元，包括：用于将接收的光信号转换为电信号的感光二极管；信号读取电路，用于先后读取一复位信号以及经所述感光二极管光电转换后的电信号；信号保持电路，其包括并联的两个电容用以分别保持所述信号读取电路所读取的信号；每一所述电容的一端接地，另一端连接两个开关管以控制该电容的充放电状态；以及信号输出电路，用于输出所述两个电容所保持的信号，其中所述两个电容所保持的信号之差为所述全局快门像素单元的信号。本发明不仅可实现全局曝光，且具有高动态范围。

Description

全局快门像素单元及其信号采集方法

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，特别涉及一种全局快门像素单元及其信号采集方法。

背景技术

如今，CMOS传感器获得因其所拥有的较高灵敏度、较短曝光时间和日渐缩小的像素单元尺寸被广泛用作成像设备。CMOS图像传感器通常采用两种曝光方式：滚动曝光(Rolling Shutter)和全局曝光(Global Shutter)。传统的4T像素单元像元通常属于滚动曝光像元(Rolling Shutter Pixel)，对于其组成的CMOS图像传感器的像素单元阵列来说，不同行(列)的像素单元的曝光时间并不同时开始或终止，这一非同时性对于普通成像设备应用来说没有问题，但是对于高帧率拍摄图像时，则会引起明显的图像失真与变形。因此，当进行高速运动物体的成像时，需要通过全局快门的像素单元来实现。

图1显示了现有技术的8T全局快门像素单元的电路图。如图所示，整个像素单元包括8个NMOS晶体管，分别为传输晶体管M1、复位晶体管M2、第一源跟随器M3、预充电晶体管M4、开关晶体管M5、开关晶体管M6、第二源跟随器M7以及行选通管M8。像素单元还包括两个MOS电容C1和C2。控制信号TX、RST、PC、S1、S2、RS分别控制传输晶体管M1、复位管M2、预充电管M4、开关晶体管M5、M6和行选通管M8的打开和关闭。8T全局快门像素单元的工作原理如下：

首先将控制信号TX/RST同时置高，使得传输晶体管M1、复位晶体管M2同时打开，此时，电源电压VDD对感光二极管进行充电复位，同时悬浮节点FD(即第一晶体管M3的栅极)进行复位。之后，将TX信号置低使第一晶体管M1关闭，感光二极管开始处于曝光状态。将控制信号PC，S1，S2置高，晶体管M4、M5、M6打开，电容C1和C2均存储复位信号。接着将开关晶体管M6关闭，复位信号存储于电容C2中。将传输晶体管M1打开，完成曝光过程。再将开关晶体管M5打开，将感光二极管的信号存储到C1电容中后再次关闭开关晶体管M5。之后进行信号的输出，首先开关晶体管M6保持关闭，电容C2存储的复位信号Vreset输出；然后将开关晶体管M6打开，此时电容C1中存储的感光二极管信号Vsignal与电容C2电容中存储的复位信号Vreset进行混合，使得电容C2中存储的信号变为＝1/2(Vreset+Vsignal)并再次输出。而这两次输出信号之差Vout＝1/2(Vreset-Vsignal)即为像素单元的像素信号。然而，这种8T全局快门像素单元虽然能够同时进行像素曝光，但动态范围只有一般像素单元动态范围的一半。

因此，需要提出一种具有高动态范围的全局快门像素单元。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种高动态范围的全局快门像素单元。

为达成上述目的，本发明提供一种全局快门像素单元，包括感光二极管，用于将接收的光信号转换为电信号；信号读取电路，与所述感光二极管相连，用于先后读取一复位信号以及经所述感光二极管光电转换后的电信号；信号保持电路，与所述信号读取电路相连，其包括并联的两个电容用以分别保持所述信号读取电路所读取的信号；每一所述电容的一端接地，另一端连接两个开关管以控制该电容的充放电状态；以及信号输出电路，用于输出所述两个电容所保持的信号，其中所述两个电容所保持的信号之差为所述全局快门像素单元的信号。

优选的，所述信号读取电路包括传输管、悬浮节点、复位管、第一源跟随器和预充电管，所述传输管的漏极、所述第一源跟随器的栅极、所述复位管的源极连接于所述悬浮节点；所述预充电管的漏极与所述第一源跟随器的源极及所述信号保持电路的输入端相连、所述预充电管的源极接地；所述复位管的漏极接复位电压，所述第一源跟随器的漏极接电源电压。

优选的，所述信号保持电路包括第一电容、第二电容、串联的第一开关管和第二开关管、串联的第三开关管和第四开关管；所述第一电容一端接地，另一端连接于所述第一开关管和第二开关管之间；所述第二电容一端接地，另一端连接于所述第三开关管和第四开关管之间；所述第一开关管和第三开关管与所述信号读取电路的输出端相连，所述第二开关管和所述第四开关管与所述信号输出电路的输入端相连；通过各开关管的开闭控制使得所述第一电容存储当所述复位管导通对所述悬浮节点复位时所述预充电管的输出信号，所述第二电容存储当所述复位管截止所述传输管开启时所述预充电管的输出信号。

优选的，所述信号输出电路包括第二源跟随器及行选通管，所述第二源跟随器的栅极连接所述信号保持电路的输出端、漏极连接电源电压、源极连接所述行选通管的源极；所述行选通管的栅极连接行选通信号，漏极作为所述全局快门像素单元的输出端；所述行选通管在所述行选通信号的控制下依次采样并输出所述第一电容和第二电容所保持的信号。

优选的，所述行选通管的源极连接第一尾电流，同时通过一控制开关连接第二尾电流。

本发明还提供了一种上述全局快门像素单元的信号采集方法，包括：

步骤S1：通过所述信号读取电路读取复位信号；

步骤S2：将所述复位信号保持于所述两个电容的其中一个；

步骤S3：通过所述信号读取电路读取经所述感光二极管光电转换后的电信号；

步骤S4：将所述光电转换的电信号保持于所述两个电容中的另一个；

步骤S5：通过所述信号输出电路依次输出所述两个电容中所保持的信号。

优选的，所述信号读取电路包括传输管、悬浮节点、复位管、第一源跟随器和预充电管；所述传输管的漏极、所述第一源跟随器的栅极、所述复位管的源极连接于所述悬浮节点；所述预充电管的漏极与所述第一源跟随器的源极、所述信号保持电路的输入端相连、源极接地；所述复位管的漏极接复位电压，所述第一源跟随器的漏极接电源电压；其中，步骤S1包括：

步骤S11：开启所述复位管及所述传输管，对所述悬浮节点进行电荷清空和复位；

步骤S12：关断所述传输管，使所述全局快门像素单元开始曝光；

步骤S13：开启所述预充电管；

步骤S3包括：

步骤S31：开启所述传输管，使所述全局快门像素单元完成曝光。。

优选的，所述信号保持电路包括第一电容、第二电容、串联的第一开关管和第二开关管、串联的第三开关管和第四开关管；所述第一电容一端接地，另一端连接于所述第一开关管和第二开关管之间；所述第二电容一端接地，另一端连接于所述第三开关管和第四开关管之间；所述第二开关管和所述第四开关管与所述信号输出电路的输入端相连；

其中，步骤S2包括：

步骤S21：开启所述第一开关管和第三开关管，关断所述第二开关管和第四开关管，使所述第一电容和第二电容采样所述预充电管所输出的复位信号；

步骤S22：关断所述复位管；关断所述第一开关管将所述复位信号存储于所述第一电容中；

步骤S4包括：

步骤S41：通过所述第二电容采样所述预充电电容输出的经所述感光二极管光电转换的电信号；

步骤S42：关断所述传输管，关断所述第三开关管，将所述电信号存储于所述第二电容中。

优选的，所述信号输出电路包括第二源跟随器及行选通管，所述第二源跟随器的栅极连接所述信号保持电路的输出端、漏极连接电源电压、源极连接所述行选通管的漏极；所述行选通管的栅极连接行选通信号，源极作为所述全局快门像素单元的输出端；步骤S5包括：

步骤S51：开启所述行选通管及所述第二开关管，输出所述第一电容上保持的信号；

步骤S52：关断所述第二开关管，开启所述第四开关管，输出所述第二电容上保持的信号。

本发明的优点在于通过在信号保持电路中采用并联设置的两个接地电容以分别保持复位信号和感光二极管光电转换信号，不仅实现像素单元的全局曝光，并且输出的像素信号的动态范围也较高，使得全局曝光CMOS图像传感器应用范围更广。

附图说明

图1所示为现有技术的全局快门像素单元的电路图；

图2所示为本发明一实施例的全局快门像素单元的方块图；

图3所示为本发明一实施例的全局快门像素单元的电路示意图；

图4所示为本发明一实施例的全局快门像素单元信号采集的时序图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

图2是本发明的全局快门像素单元的方块图，图3是本发明全局快门像素单元的电路示意图。

如图2所示，全局快门像素单元包括依次相连的感光二极管10，信号读取电路20，信号保持电路30和信号输出电路40。其中，感光二极管10用于将其接收的光信号转换为电信号。信号读取电路用于先后读取复位信号以及经感光二极管10光电转换后的电信号。信号保持电路30具有并联的两个电容，这两个电容用于分别保持信号读取电路20所读出的两个信号。信号输出电路40则将两个并联电容所保持的信号依次输出，而这两个电容所保持的信号之差即为全局快门像素单元的信号。具体来说，本实施例的全局快门像素单元采用10个MOS晶体管来实现信号读取电路20、信号保持电路30和信号输出电路40的功能。

请参照图3，本实施例中信号读取电路20包括传输管M1、悬浮节点FD、复位管M2、第一源跟随器M3和预充电管M4。各晶体管的连接关系如下：

传输管M1的漏极、第一源跟随器M3的栅极和复位管M2的源极共同连接于悬浮节点FD；

预充电管M4的漏极与第一源跟随器M3的源极相连而作为信号读取电路的输出端、源极接地；

复位管M2的漏极接复位电压Vreset，第一源跟随器M3的漏极接电源电压VDD；

传输管M1的栅极、复位管M2的栅极以及预充电管M4的栅极分别由控制信号TX、RST和PC控制。在控制信号RST置高时将悬浮节点FD的电压拉高至Vreset，从而对悬浮节点FD的电荷进行清空和复位，复位电压Vreset经第一源跟随器M3输出。当控制信号RST置低而信号TX置高时，传输管M1打开，感光二极管PD转换的模拟电信号传输至悬浮节点FD，再经第一源跟随器M3输出。

请继续参照图3，信号保持电路包括四个开关管M5～M8和两个电容C1、C2。电容C1和C2为并联设置，具体地开关管M5和M6为串联连接，开关管M7和M8为串联连接，电容C1一端接地、另一端连接于开关管M5，M6之间，电容C2一端接地、另一端连接于开关管M7和M8之间。开关管M5和M7的另一端相连作为信号保持电路的输入端，与第一源跟随器M3的源极连接，开光管M6和M8的另一端相连作为信号保持电路的输出端。开关管M5～M8的栅极分别由控制信号S1～S4控制，从而根据这些开关管的导通和截止状态的切换也就能够控制电容C1和C2的充放电状态，进而控制电容C1和C2分别采样、保持、输出经信号读取电路所输出的复位信号以及感光二极管信号。

信号输出电路40包括第二源跟随器M9及行选通管M10，第二源跟随器M9的栅极连接信号保持电路的输出端、漏极连接电源电压VDD、源极连接行选通管M10的源极，行选通管M10的漏极为信号输出电路的输出端OUTPUT。行选通管M10的栅极由控制信号RS控制，源极作为全局快门像素单元的输出端。行选通管M10可以在控制信号RS的控制下依次采样并输出电容C1和C2所保持的信号。此外，行选通管M10的漏极连接第一尾电流I1的输入端，第一尾电流源I1为像素单元提供激励，其输出端接地。行选通管M10的漏极还可通过一控制开关连接第二尾电流源I2的输入端，尾电流源I2的输出端接地。当控制开关导通时第二尾电流源I2对行选通管M10的漏极放电，使该漏极电压短暂拉低至GND。这样做的目的是为了使得每次全局像素单元开始输出信号时，行选通管M10的漏极均处于一个参考电位水平(即GND)，可以避免由于第n次输出的全局像素单元信号大小对第n+1次输出的全局像素单元信号产生的寄生影响，即所谓的“ImageLeg”效应。

首先，将控制信号TX和RST上升至高电平，复位管M2导通，使得悬浮节点FD与复位电压Vreset相连，对悬浮节点FD电荷进行清空和复位，悬浮节点FD的电压为Vreset。

然后将TX信号置为低电平，像素单元根据积分时间开始曝光。在积分时间结束前的末段，控制信号PC、S1、S3置为高电平，控制信号S2和S4保持低电平，信号保持电路的电容C1和C2均充电至复位电压Vreset。接着，控制信号RST，S1相继置低，使得开关管M5关断，复位电压Vreset被存储在电容C1中。

接下来，控制信号TX上升至高电平，传输管M1打开，完成像素单元的曝光过程，感光二极管转换的电信号Vsignal传递至悬浮节点FD，由于控制信号S3为高电平，电容C2被充电至电信号Vsignal。控制信号S3在TX脉冲信号结束后置低，由此电信号Vsignal被存储在电容C2中。

当需要将电容C1和C2中保持的电压信号输出时，首先将控制信号RS和S4置高，输出存储在电容C1上的复位信号Vreset，然后将控制信号S4置地、将控制信号S3置高，输出存储在电容C2上的电信号Vsignal，复位信号Vreset与电信号Vsignal之差即为该像素单元的信号，相较于传统的8T全局像素单元，本发明的像素信号的动态范围增加了一倍。当CMOS图像传感器工作时，各全局快门像素单元可同时进行曝光，将相应信号存储在每个像素单元的电容C1和C2中，再根据需要对各行像素的信号依次输出。

综上所述，本发明的全局快门像素单元不仅能够实现全局曝光功能，还具有更高的动态范围。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (9)

1.一种全局快门像素单元，其特征在于，包括：

感光二极管，用于将接收的光信号转换为电信号；

信号读取电路，与所述感光二极管相连，用于先后读取一复位信号以及经所述感光二极管光电转换后的电信号；

信号保持电路，与所述信号读取电路相连，其包括并联的两个电容用以分别保持所述信号读取电路所读取的信号；每一所述电容的一端接地，另一端连接两个开关管以控制该电容的充放电状态；以及

信号输出电路，用于输出所述两个电容所保持的信号，其中所述两个电容所保持的信号之差为所述全局快门像素单元的信号；

其中所述信号保持电路包括第一电容、第二电容、串联的第一开关管和第二开关管、串联的第三开关管和第四开关管；所述第一电容一端接地，另一端连接于所述第一开关管和第二开关管之间；所述第二电容一端接地，另一端连接于所述第三开关管和第四开关管之间；所述第一开关管和第三开关管与所述信号读取电路的输出端相连，所述第二开关管和所述第四开关管与所述信号输出电路的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的全局快门像素单元，其特征在于，所述信号读取电路包括传输管、悬浮节点、复位管、第一源跟随器和预充电管，所述传输管的漏极、所述第一源跟随器的栅极、所述复位管的源极连接于所述悬浮节点；所述预充电管的漏极与所述第一源跟随器的源极以及所述信号保持电路的输入端相连、所述预充电管的源极接地；所述复位管的漏极接复位电压，所述第一源跟随器的漏极接电源电压。

3.根据权利要求2所述的全局快门像素单元，其特征在于，通过各开关管的开闭控制使得所述第一电容存储当所述复位管导通对所述悬浮节点复位时所述预充电管的输出信号，所述第二电容存储当所述复位管截止所述传输管开启时所述预充电管的输出信号。

4.根据权利要求3所述的全局快门像素单元，其特征在于，所述信号输出电路包括第二源跟随器及行选通管，所述第二源跟随器的栅极连接所述信号保持电路的输出端、漏极连接电源电压、源极连接所述行选通管的源极；所述行选通管的栅极连接行选通信号，漏极作为所述全局快门像素单元的输出端；所述行选通管在所述行选通信号的控制下依次采样并输出所述第一电容和第二电容所保持的信号。

5.根据权利要求4所述的全局快门像素单元，其特征在于，所述行选通管的源极连接第一尾电流，同时通过一控制开关连接第二尾电流。

6.一种如权利要求1所述的全局快门像素单元的信号采集方法，其特征在于，包括：

步骤S1：通过所述信号读取电路读取复位信号；

步骤S2：将所述复位信号保持于所述两个电容的其中一个；

步骤S3：通过所述信号读取电路读取经所述感光二极管光电转换后的电信号；

步骤S4：将所述光电转换的电信号保持于所述两个电容中的另一个；

步骤S5：通过所述信号输出电路依次输出所述两个电容中所保持的信号。

7.根据权利要求6所述的信号采集方法，其特征在于，所述信号读取电路包括传输管、悬浮节点、复位管、第一源跟随器和预充电管；所述传输管的漏极、所述第一源跟随器的栅极、所述复位管的源极连接于所述悬浮节点；所述预充电管的漏极与所述第一源跟随器的源极、所述信号保持电路的输入端相连、源极接地；所述复位管的漏极接复位电压，所述第一源跟随器的漏极接电源电压；其中，步骤S1包括：

步骤S11：开启所述复位管及所述传输管，对所述悬浮节点进行电荷清空和复位；

步骤S12：关断所述传输管，使所述全局快门像素单元开始曝光；

步骤S13：开启所述预充电管；

步骤S3包括：

步骤S31：开启所述传输管，使所述全局快门像素单元完成曝光。

8.根据权利要求7所述的信号采集方法，其特征在于，

其中，步骤S2包括：

步骤S21：开启所述第一开关管和第三开关管，关断所述第二开关管和第四开关管，使所述第一电容和第二电容采样所述预充电管所输出的复位信号；

步骤S22：关断所述复位管；关断所述第一开关管将所述复位信号存储于所述第一电容中；

步骤S4包括：

步骤S41：通过所述第二电容采样所述预充电电容输出的经所述感光二极管光电转换的电信号；

步骤S42：关断所述传输管，关断所述第三开关管，将所述电信号存储于所述第二电容中。

9.根据权利要求8所述的信号采集方法，其特征在于，所述信号输出电路包括第二源跟随器及行选通管，所述第二源跟随器的栅极连接所述信号保持电路的输出端、漏极连接电源电压、源极连接所述行选通管的漏极；所述行选通管的栅极连接行选通信号，源极作为所述全局快门像素单元的输出端；步骤S5包括：

步骤S51：开启所述行选通管及所述第二开关管，输出所述第一电容上保持的信号；

步骤S52：关断所述第二开关管，开启所述第四开关管，输出所述第二电容上保持的信号。