CN105208302B - 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、第一源跟随器、行选择器、转换增益调节管和双转换增益电路。传输管的漏极、第一源跟随器的栅极以及复位管的源极连接于悬浮节点；转换增益调节管与第一源跟随器的栅极相连且其电容值可调；双转换增益电路包括第二源跟随器和预充电管，其中第二源跟随器的栅极连接第一源跟随器的源极、源极连接预充电管的漏极；预充电管工作在亚阈值区，其源极与行选择器的漏极相连、栅极连接控制信号，其中，通过调节预充电管的阈值电压以使光信号转换为电信号的转换增益在不同的光照度时间乘积段有不同的两个值。本发明能够实现双转换增益且转换增益可调。

Description

像素单元结构及其信号采集方法
技术领域
本发明涉及图像传感器领域，特别涉及一种双转换增益且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4T像素单元的电路图。如图所示，整个像素单元包括4个NMOS晶体管，分别为传输晶体管M1、复位晶体管M2、源跟随器M3以及行选择器M4，其中传输晶体管M1的漏极、复位管M2的源极和源跟随器的栅极共同连接于悬浮节点FD，复位管M2的漏极和源跟随器M3的漏极均接电源VDD，源跟随器M3的源极与行选择器M4的漏极相连，行选择器M4的源极作为像素单元的输出端。控制信号TG、RST、SEL分别控制传输晶体管M1、复位管M2和行选择器M4的打开和关闭。4T像素单元结构的工作原理如下：
图1显示了现有技术的4T像素单元的电路图。如图所示，整个像素单元包括4个NMOS晶体管，分别为传输晶体管M1、复位晶体管M2、源跟随器M3以及行选择器M4，其中传输晶体管M1的漏极、复位管M2的源极和源跟随器的栅极共同连接于悬浮节点FD，复位管M2的漏极和源跟随器M3的漏极均接电源VDD，源跟随器M3的源极与行选择器M4的漏极相连，行选择器M4的源极作为像素单元的输出端。控制信号TG、RST、SEL分别控制传输晶体管M1、复位管M2和行选择器M4的打开和关闭。4T像素单元结构的工作原理如下：
首先将控制信号TG/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(即源跟随器M3的栅极)进行复位。之后，将TG信号置低使传输晶体管M1关闭，感光二极管(Pinned PD)开始处于曝光状态，将复位信号(即电源电压)VDD输出。将传输晶体管M1打开，完成曝光过程，将感光二极管转换的电信号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。图2显示了4T像素单元结构像素信号的输出电压曲线图，可以看到，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，而从图中可以看出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形成不同的转换增益，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，提供一种具有双转换增益且转换增益可调的像素单元结构。
为达成上述目的，本发明提供一种像素单元结构，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，其中，所述信号读取电路包括传输管、复位管、第一源跟随器和行选择器，所述传输管的漏极、所述第一源跟随器的栅极以及所述复位管的源极连接于悬浮节点；
其特征在于，所述信号读取电路还包括：
转换增益调节管，其与所述第一源跟随器的栅极共同连接于所述悬浮节点且其电容值可调，用于改变所述悬浮节点的等效寄生电容；以及
双转换增益电路，包括第二源跟随器和预充电管，其中所述第二源跟随器的栅极连接所述第一源跟随器的源极、其源极连接所述预充电管的漏极、其漏极连接电源电压；所述预充电管工作在亚阈值区，其源极与所述行选择器的漏极相连、其栅极连接控制信号，其中，通过调节所述预充电管的阈值电压以使所述光信号转换为电信号的转换增益在不同的光照度时间乘积段有不同的两个值。
优选的，所述转换增益调节管为NMOS晶体管，其漏极连接所述第一源跟随器的源极、源极连接控制电压，通过所述控制电压调节所述转换增益调节管的栅源寄生电容。
优选的，所述行选择器的栅极连接行选通信号，漏极作为所述像素单元结构的输出端。
优选的，所述行选择器的源极连接第一尾电流，同时通过一开关连接第二尾电流。
本发明还提供了一种利用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信号并输出；
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并输出。
优选的，所述步骤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，使所述像素单元结构开始曝光；
步骤S13：曝光完毕后，开启所述预充电管，之后开启所述行选择器输出所述复位信号。
优选的，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，将所述电信号传输至所述悬浮节点后再通过所述第一源跟随器、所述第二源跟随器和所述行选择器输出。
优选的，所述行选择器的栅极连接行选通信号，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信号和所述电信号。
优选的，所述行选择器的源极连接第一尾电流，同时通过一开关连接第二尾电流。
本发明的优点在于通过转换增益调节管和双转换增益电路的设置，在实现像素单元的双转换增益特性的同时能够进一步对其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所示为现有技术的像素单元结构像素信号的输出电压曲线图；
图3所示为本发明一实施例的像素单元结构的电路示意图；
图4所示为本发明一实施例的像素单元结构像素信号的输出电压曲线图；
图5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3是本发明像素单元结构的电路示意图。
如图3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，用于先后读取一复位信号以及经感光二极管PD光电转换后的电信号，复位信号和电信号的差值即为像素单元结构的输出像素信号，以输出电压来表示。本实施例的像素单元结构在传统4个MOS晶体管，也即是，传输管、复位管、源跟随器和行选择器的基础上增加了转换增益调节管和双转换增益电路来实现信号读取电路的功能。具体地，转换增益调节管与源跟随器的栅极相连且其电容值可调，从而改变悬浮节点处的等效寄生电容；双转换增益电路连接于源跟随器的源极和行选择器的漏极之间，用于实现像素单元结构光信号转换至电信号的两种转换增益。
请参照图3，本实施例中信号读取电路除了传输管M1、复位管M2、第一源跟随器M3和行选择器M7外，还包括转换增益调节管M4、构成双转换增益电路的第二源跟随器M5和预充电管M6，其中预充电管M6工作在亚阈值区。这些晶体管均为NMOS晶体管，各晶体管的连接关系如下：
传输管M1的源极、第一源跟随器M3的栅极、复位管M2的源极和转换增益调节管M4的栅极共同连接于悬浮节点FD；
传输管M1的漏极连接感光二极管的阴极；
转换增益调节管M4的漏极与第一源跟随器M3的源极相连、源极接控制电压Vctrl；
第二源跟随器的栅极与第一源跟随器M3的源极相连、漏极接电源电压VDD、源极接预充电管M6的漏极；
行选择器M7的漏极接预充电管M6的源极、源极作为像素单元结构的输出端；
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、预充电管M6的栅极和行选择器M7的栅极分别由传输控制信号VTG、复位控制信号VRST、控制信号VPC和行选信号VRS控制。在复位控制信号VRST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，也即是复位信号，经第一源跟随器M3、第二源跟随器M5、预充电管M6和行选择器M7输出。当复位控制信号VRST置低而信号VTG置高时，传输管M1打开，感光二极管PD转换的模拟电信号传输至悬浮节点FD，再经第一源跟随器M3、第二源跟随器M5、预充电管M6和行选择器M7输出，两次输出值之差即为像素单元结构的输出像素信号。较佳的，行选择器M7的漏极连接第一尾电流I1的输入端，第一尾电流源I1为像素单元结构提供激励，其输出端接地。行选择器M7的漏极还可通过一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。当开关导通时第二尾电流源I2对行选择器M7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像素单元结构开始输出信号时，行选择器M7的漏极均处于一个参考电位水平(即GND)，可以避免由于第n次输出的像素单元信号大小对第n+1次输出的像素单元信号产生的寄生影响，即所谓的“Image Leg”效应。
需要注意的是，本发明电容可调的转换增益调节管M4，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。具体的，当控制电压Vctrl的电压值大于零时，相当于在悬浮节点FD处并联了一个转换增益调节管M4的栅源电容。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，通过调节转换增益调节管M4源极的控制电压Vctrl，能够有效调节转换增益调节管M4的栅源寄生电容，从而调节悬浮节点FD的等效寄生电容，进而调节像素单元结构的转换增益。
另一方面，请参照图4，通过新增加的源跟随器M5以及工作在亚阈值区的预充电管M6，像素单元结构的输出就能实现如图4所示的分段双斜率输出曲线。通过调节预充电管M6的阈值电压，可使得光信号转换为电信号的转换增益在不同的光照度时间乘积段有不同的两个值，如图所示，在光强或曝光时间较小的情况下，曲线的斜率较大，输出电压随光强或曝光时间增大而增大的速率较快；在接近饱和的情况下，曲线的斜率较小。这种双斜率输出电压曲线代表着该像素单元结构在不同的光强或曝光时间下存在两种不同的转换增益，在接近饱和的时候转换增益较小，在输出信号较小的时候转换增益较大，从而实现了较高的动态范围。
接下来将结合图5对本发明像素单元结构的信号采集方法加以说明。
如图5所示，首先，将传输控制信号VTG和复位控制信号VRST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VTG信号置为低电平，像素单元结构根据积分时间开始曝光。在积分时间结束即曝光完毕后，控制信号Vpc置为高电平打开预充电管M6，然后行选信号VRS置为高电平，行选择器M7打开，复位电压(复位信号)Vreset输出。
接下来，复位控制信号VRST置为低电平，传输控制信号VTG上升至高电平后再次置低，即复位管M2先关闭，然后传输管M1打开后关闭，从而将感光二极管转换的电信号Vsignal传递至悬浮节点FD，再经由两个源跟随器M3和M5、预充电管M6和行选择器M7输出，复位信号Vreset与电信号Vsignal之差即为该像素单元的信号。
综上所述，本发明的像素单元结构不仅能够实现光电转换的双转换增益，还能对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 (8)

1.一种像素单元结构，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，其中，所述信号读取电路包括传输管、复位管、第一源跟随器和行选择器，所述传输管的漏极、所述第一源跟随器的栅极以及所述复位管的源极连接于悬浮节点；
其特征在于，所述信号读取电路还包括：
转换增益调节管，其漏极连接所述第一源跟随器的源极、其源极连接控制电压、其栅极与所述第一源跟随器的栅极共同连接于所述悬浮节点，通过所述控制电压调节所述转换增益调节管的栅源寄生电容以改变所述悬浮节点的等效寄生电容；以及
双转换增益电路，包括第二源跟随器和预充电管，其中所述第二源跟随器的栅极连接所述第一源跟随器的源极、其源极连接所述预充电管的漏极、其漏极连接电源电压；所述预充电管工作在亚阈值区，其源极与所述行选择器的漏极相连、其栅极连接控制信号，其中，通过调节所述预充电管的阈值电压以使所述光信号转换为电信号的转换增益在不同的光照度时间乘积段有不同的两个值；所述传输管、复位管、第一源跟随器、行选择器、转换增益调节管、第二源跟随器和预充电管均为NMOS晶体管。
2.根据权利要求1所述的像素单元结构，其特征在于，所述行选择器的栅极连接行选通信号，源极作为所述像素单元结构的输出端。
3.根据权利要求2所述的像素单元结构，其特征在于，所述行选择器的源极连接第一尾电流，同时通过一开关连接第二尾电流。
4.一种利用如权利要求1所述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信号并输出；
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，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，使所述像素单元结构开始曝光；
步骤S13：曝光完毕后，开启所述预充电管，之后开启所述行选择器输出所述复位信号。
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，将所述电信号传输至所述悬浮节点后再通过所述第一源跟随器、所述第二源跟随器和所述行选择器输出。
7.根据权利要求5所述的信号采集方法，其特征在于，所述行选择器的栅极连接行选通信号，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信号和所述电信号。
8.根据权利要求7所述的信号采集方法，其特征在于，所述行选择器的源极连接第一尾电流，同时通过一开关连接第二尾电流。
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