CN105120186A - 转换增益可调的像素单元结构及其信号采集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种像素单元结构，包括感光二极管和信号读取电路。所述信号读取电路包括传输管、复位管、源跟随器和变容二极管，所述传输管的漏极、所述源跟随器的栅极以及所述复位管的源极连接于悬浮节点；所述复位管的漏极连接复位电压、其栅极连接第一控制信号；所述变容二极管的阴极与所述源跟随器的栅极相连、阳极连接第二控制信号，用于改变所述悬浮节点的等效寄生电容以调节所述光信号转换为电信号的转换增益。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器领域，特别涉及一种转换增益可调的像素单元结构及其信号采集方法。
背景技术
图1显示了现有技术的3T像素单元的电路图。如图所示，整个像素单元包括3个NMOS晶体管，分别为传输晶体管M1、复位晶体管M2和源跟随器M3，其中传输晶体管M1的漏极、复位管M2的源极和源跟随器M3的栅极共同连接于悬浮节点FD，复位管M2的漏极连接复位电压Vreset，源跟随器M3的漏极接电源电压VDD，源跟随器M3的源极作为像素单元的输出端。控制信号VTX、VRX分别控制传输晶体管M1、复位管M2的打开和关闭。3T像素单元结构的工作原理如下：
首先将控制信号VTX/VRX同时置高，使得传输晶体管M1、复位晶体管M2同时打开，此时，复位电压Vreset对感光二极管进行充电复位，同时悬浮节点FD(即源跟随器M3的栅极)进行电荷清空和复位。之后，将VTX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，将复位电压Vreset输出。将传输晶体管M1打开后再次关断，完成曝光过程，将感光二极管转换的信号电压Vsignal输出，这两次输出信号之差Vout＝(Vreset-Vsignal)即为像素单元结构的像素信号。在光照强度与时间乘积达到一定程度之后，像素单元结构会进入饱和状态，此时输出电压将会固定在一个数值保持不变，该数值通常称之为该像素单元结构的最大输出电压。像素单元结构的动态范围是由最大输出电压和最小输出电压(通常为该像素单元结构的噪声)决定，而传统3T像素单元结构的输出电压在进入饱和状态之前曲线斜率固定不变，说明像素单元将光信号转换为电信号的转换增益是固定不变的，这也造成了像素单元结构的动态范围无法灵活调节。
为了实现高动态范围，业界希望像素单元在光强和曝光时间乘积较低时的转换增益较高，而在光强和曝光时间乘积较高时的转换增益较低。如果像素单元能够按需求在不同条件下的转换增益，那么便可以实现较高的动态范围。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种转换增益可调的像素单元结构以实现高动态范围。
为达成上述目的，本发明提供一种像素单元结构，其包括：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，其包括传输管、复位管、源跟随器和变容二极管，所述传输管的漏极、所述源跟随器的栅极以及所述复位管的源极连接于悬浮节点；所述复位管的漏极连接复位电压、其栅极连接第一控制信号；所述变容二极管的阴极与所述源跟随器的栅极相连、阳极连接第二控制信号，用于改变所述悬浮节点的等效寄生电容以调节所述光信号转换为电信号的转换增益。
优选的，所述感光二极管为钉扎光电二极管，其阴极与所述传输管的漏极相连。
优选的，所述信号读取电路还包括行选择器，所述行选择器的漏极连接所述源跟随器的源极、其栅极连接行选通信号，其源极作为所述像素单元结构的输出端。
本发明还提供了一种上述像素单元结构的信号采集方法，包括：
步骤S1：通过所述信号读取电路读取所述复位电压并输出；
步骤S2：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的信号电压并输出。
优选的，步骤S1包括：
步骤S11：开启所述复位管及所述传输管，将所述复位电压置为高电平，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，将所述复位电压置为低电平，使所述像素单元结构开始曝光；
步骤S13：曝光完毕后，将所述复位电压置为高电平对所述悬浮节点充电，并将所述复位电压传输至所述像素单元结构的输出端；
步骤S14：关断所述复位管，通过后级采样电路对所述复位电压进行采样。
优选的，所述步骤S2包括：
步骤S21：开启所述传输管后关断，将经所述感光二极管转换的电信号的信号电压传输至所述悬浮节点后再传递至所述像素单元结构的输出端；
步骤S22：通过所述后级采样电路对所述信号电压进行采样。
优选的，所述信号读取电路还包括行选择器，所述行选择器的漏极连接所述源跟随器的源极、其栅极连接行选通信号、其源极作为所述像素单元结构的输出端；所述信号读取电路通过所述行选择器的源极输出所述复位电压和所述信号电压。
本发明的优点在于通过变容二极管的设置，能够对像素单元结构光电转换的转换增益进行实时调节。
附图说明
图1所示为现有技术的像素单元结构的电路图；
图2所示为本发明一实施例的像素单元结构的电路示意图；
图3所示为本发明一实施例的像素单元结构信号采集的时序图。
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是本发明像素单元结构的电路示意图。
如图2所示，像素单元结构包括感光二极管PD和信号读取电路。其中，感光二极管PD用于将其接收的光信号转换为电信号，本实施例中感光二极管为钉扎光电二极管。信号读取电路与感光二极管PD的阴极相连，用于先后读取复位电压以及经感光二极管PD光电转换后的电信号的信号电压，复位电压和信号电压的差值即为像素单元结构的输出像素信号。本实施例的像素单元结构在传统3个NMOS晶体管，也即是，传输管、复位管、源跟随器的基础上增加了变容二极管D1，各器件之间的连接关系如下：
传输管M1的源极、源跟随器M3的栅极、复位管M2的源极共同连接于悬浮节点FD；
复位管M2的漏极接复位电压Vreset、栅极接第一控制信号VRST；
传输管M1的漏极连接感光二极管PD的阴极、栅极连接传输控制信号VTG；
变容二极管D1的阴极与源跟随器M3的栅极相连、阳极连接第二控制信号Vctrl。在第一控制信号VRST置高时将悬浮节点FD的电压拉高至复位电压Vreset，从而对悬浮节点FD的电荷进行清空和复位，复位电压Vreset经源跟随器M3输出。当第一控制信号VRST置低而信号VTG置高时，传输管M1打开，感光二极管PD转换的模拟电信号的信号电压传输至悬浮节点FD，再经源跟随器M3输出，两次输出值之差即为像素单元结构的输出像素信号。在本实施例中，信号读取电路不包括行选择器，源跟随器M3作为像素单元结构的输出端，但在其他实施例中，也可包括行选择器。如果信号读取电路包括行选择器，则将行选择器的漏极连接源跟随器的源极、栅极连接行选通信号、源极作为像素单元结构的输出端。
需要注意的是，通过调节变容二极管D1的电容值，就能够调节悬浮节点FD处的等效寄生电容，进而调节像素单元结构将光信号转换为电信号的转换增益。而由像素单元结构的特性可知，在相同条件下，悬浮节点FD的等效寄生电容越大则像素单元结构的转换增益越小，即像素单元结构的转换增益与控制电压Vctrl的大小成反比。因此，通过调节第二控制信号Vctrl，能够有效调节变容二极管的电容值，从而最终调节像素单元结构的光电转换增益。
接下来将结合图3对本发明像素单元结构的信号采集方法加以说明。
如图3所示，首先，将控制信号VTG和VRST上升至高电平，传输管M1和复位管M2导通，将复位电压Vreset置为高电平，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。
然后将VTG信号置为低电平以关断传输管，将复位电压Vreset置为低电平，像素单元结构根据积分时间开始曝光。在积分时间结束后，即曝光完毕后，重新将复位电压置为高电平，复位电压Vreset输出。
接下来，控制信号VRST置为低电平以关断复位管，此时可通过像素后级采样电路对复位电压进行采样。然后，将控制信号VTG上升至高电平后再次置低，即传输管M1打开后关闭，从而将感光二极管转换的电信号的信号电压Vsignal传递至悬浮节点FD，再输出至像素单元结构的输出端，同样的可由像素后级采样电路对信号电压进行采样，复位电压Vreset与信号电压Vsignal之差即为该像素单元的像素信号。
综上所述，本发明的像素单元结构能够对光电转换增益进行实时调节。
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 (7)
1.一种转换增益可调的像素单元结构，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，其包括传输管、复位管、源跟随器和变容二极管，所述传输管的漏极、所述源跟随器的栅极以及所述复位管的源极连接于悬浮节点；所述复位管的漏极连接复位电压、其栅极连接第一控制信号；所述变容二极管的阴极与所述源跟随器的栅极相连、阳极连接第二控制信号，用于改变所述悬浮节点的等效寄生电容以调节所述光信号转换为电信号的转换增益。
2.根据权利要求1所述的像素单元结构，其特征在于，所述感光二极管为钉扎光电二极管，其阴极与所述传输管的漏极相连。
3.根据权利要求1或2所述的像素单元结构，其特征在于，所述信号读取电路还包括行选择器，所述行选择器的漏极连接所述源跟随器的源极、其栅极连接行选通信号、其源极作为所述像素单元结构的输出端。
4.一种利用如权利要求1所述的转换增益可调的像素单元结构的信号采集方法，其特征在于，包括：
步骤S1：通过所述信号读取电路读取所述复位电压并输出；
步骤S2：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的信号电压并输出。
5.根据权利要求4所述的信号采集方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
步骤S11：开启所述复位管及所述传输管，将所述复位电压置为高电平，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，将所述复位电压置为低电平，使所述像素单元结构开始曝光；
步骤S13：曝光完毕后，将所述复位电压置为高电平对所述悬浮节点充电，并将所述复位电压传输至所述像素单元结构的输出端。
6.根据权利要求4所述的信号采集方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
步骤S21：关断所述复位管；
步骤S22：开启所述传输管后关断，将经所述感光二极管转换的电信号的信号电压传输至所述悬浮节点后再传递至所述像素单元结构的输出端。
7.根据权利要求4所述的信号采集方法，其特征在于，所述信号读取电路还包括行选择器，所述行选择器的漏极连接所述源跟随器的源极、其栅极连接行选通信号、其源极作为所述像素单元结构的输出端；所述信号读取电路通过所述行选择器的源极输出所述复位电压和所述信号电压。
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