CN106791507B - 高动态cmos像素单元及其信号采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种CMOS像素单元及其信号采集方法，包括：感光二极管的阳极与电源的负极相连；强光处理电路与第一NMOS管的漏极、第二NMOS管的源极相互连接，用于在感光二极管受到强光照射时，为电信号增加一个存储电容；列电流源的正极与第三NMOS关的漏极相连，并且作为高动态CMOS像素单元信号输出端，列电流源的负极与电源的负极相连；第一NMOS管的源极与感光二极管的阴极相连，用于导通感光二极管；第二NMOS管的源极与第一NMOS管的漏极相连，第二NMOS管的漏极与电源的正极相连，用于实现输出信号复位；第三NMOS管的源极与强光处理电路相连，用于实现每个像素单元与列输出端的选择性连接。

Description

高动态CMOS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技术领域，具体涉及一种高动态CMOS像素单元及其信号采集方法。

背景技术

CMOS图像传感器在经历了近几十年迅猛发展，技术愈加成熟，凭借其低功耗，低成本，高性能的优点，在消费电子、监控、军事、航天诸多领域获得了广泛应用。同时随着时代的发展，也为CMOS图像传感器提出了更高的要求。

人眼视觉动态范围高达200dB，CMOS图像传感器动态范围越高，图像提供的信息越多，图像也越接近人眼的视觉。因此，高动态范围CMOS图像传感器是业界所需要的。传统4TCMOS像素单元一次曝光输出图像动态范围不高，通过多此曝光合成图像可实现高动态图像，但其涉及到复杂的数字算法，而且会降低帧率。另外一种方法是对数输出CMOS像素单元，但其存在各个像素单元工艺偏差影响大，像素输出一致性差的问题，难以实现高分辨率的应用。

发明内容

为了克服以上问题，本发明旨在提供一种高动态CMOS像素单元及其信号采集方法，从而提高CMOS像素的分辨率。

为了达到上述目的，本发明提供了一种CMOS像素单元，包括：电源、感光二极管、强光处理电路、列电流源、第一NMOS管、第二NMOS管和第三NMOS管和列输出端；其中，

感光二极管的阳极与电源的负极相连，用于将光信号转换为电信号；

强光处理电路，与第一NMOS管的漏极、第二NMOS管的源极相互连接，用于在感光二极管受到强光照射时，为电信号增加一个存储电容；

列电流源，其正极与第三NMOS关的漏极相连，并且作为高动态CMOS像素单元信号输出端，列电流源的负极与电源的负极相连；

第一NMOS管，其源极与感光二极管的阴极相连，用于导通感光二极管；

第二NMOS管，其源极与第一NMOS管的漏极相连，第二NMOS管的漏极与电源的正极相连，用于实现输出信号复位；

第三NMOS管，其源极与强光处理电路相连，用于实现每个像素单元与列输出端的选择性连接。

优选地，所述第一NMOS管的栅极连接像素选通信号端(TX)；第二NMOS管的栅极连接像素复位信号端(RST)；所述第三NMOS管的栅极连接行选信号端(RS)。

优选地，所述强光处理电路包括：比较器、第四NMOS管、第五NMOS管和电容；其中，第四NMOS管的漏极与第一NMOS管的漏极、第二NMOS管的源极、第五NMOS管的栅极相互连接，第四NMOS管的源极与电容的一端相连；电容的另一端与电源的负极相连；比较器的正向输入端与第五NMOS管的源极、第三NMOS管的源极相连，比较器的反向输入端还提供参考电压，比较器的输出端与第四NMOS管的栅极相连；参考电压的低电平为预设阈值光照强度下的像素单元读出电压，参考电压的高电平为电源电压；第五NMOS管的漏极与电源的正极相连。

优选地，第一NMOS管的源极和漏极可互换、第二NMOS管的源极和漏极可互换、第三NMOS管的源极和漏极可互换、第四NMOS管的源极和漏极可互换和第五NMOS管的源极和漏极可互换。

优选地，所述比较器为具有五管放大器的比较器。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种根据上述的CMOS像素单元进行信号采集的方法，其包括：

步骤001：感光二极管开始进行曝光，曝光后，保持第一NMOS管关断，打开第二NMOS管，此时比较器的反向输入端的电平处于高电位，比较器输出低电平，从而使得第四NMOS管关断；

步骤002：关断第二NMOS管，保持第三NMOS管导通，此时，像素单元的输出端输出复位信号；

步骤003：打开第一NMOS管，然后比较器的反向输出端输出固定的参考电压；

步骤004：当感光二极管受到的光照强度小于设定的阈值光照强度时，第四NMOS管关断；当感光二极管受到的光照强度大于设定的阈值光照强度时，第五NMOS管的源极的电压升高，比较器输出高电平，从而使得第四NMOS管导通；然后，将电容的一端与第五NMOS管的栅极相连。

本发明高动态CMOS像素单元，当光照强度达到设定的阈值光照强度后，像素单元增加了一个光电流的存储电容，降低了大于阈值光照强度之后的输出斜率，从而增大了像素单元的有效感光范围，有效提高了图像传感器的动态范围。

附图说明

图1为本发明的一个较佳实施例的CMOS像素单元的电路结构示意图

图2为本发明的一个较佳实施例的运算放大器的电路结构示意图

图3为本发明的一个较佳实施例的信号采集时序图

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。

本发明中的一种CMOS像素单元包括：电源、感光二极管、强光处理电路、列电流源、第一NMOS管、第二NMOS管和第三NMOS管和列输出端；其中，感光二极管的阳极与电源的负极相连，用于将光信号转换为电信号；强光处理电路与第一NMOS管的漏极、第二NMOS管的源极相互连接，用于在感光二极管受到强光照射时，为电信号增加一个存储电容；列电流源的正极与第三NMOS关的漏极相连，并且作为高动态CMOS像素单元信号输出端，列电流源的负极与电源的负极相连；第一NMOS管的源极与感光二极管的阴极相连，用于导通感光二极管；第二NMOS管的源极与第一NMOS管的漏极相连，第二NMOS管的漏极与电源的正极相连，用于实现输出信号复位；第三NMOS管的源极与强光处理电路相连，用于实现每个像素单元与列输出端的选择性连接。

本发明中，根据上述的CMOS像素单元进行信号采集的方法包括：

步骤01：对感光二极管进行光照射，感光二极管将光信号转换为电信号；

步骤02：在感光二极管受到强光照射时，强光处理电路为电信号增加一个存储电容；

步骤03：第一NMOS管导通感光二极管；

步骤04：第三NMOS管将每个像素单元与列输出端的选择性连接；

步骤05：列电流源的正极作为高动态CMOS像素单元信号输出端将信号输出；

步骤06：第二NMOS管使输出信号复位。

以下结合附图1～3和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。

请参阅图1，本实施例中的一种高动态CMOS像素单元，包括感光二极管PD，NMOS管M1、M2、M3，强光处理电路1，列电流源I1。其中，感光二极管PD的阳极与电源的负极VSS相连，其阴极与NMOS管M1的源极相连。NMOS管M1的栅极连接像素选通信号端TX，由像素选通信号控制，用于选通感光二极管PD。NMOS管M2源极与NMOS管M1的漏极相连与节点N1，其漏极与电源的正极VDD相连，其栅极连接像素复位信号端RST，由像素复位信号控制，用于实现输出信号复位。强光处理电路1与NMOS管M1的漏极、NMOS管M2的源极相互连接于节点N1，用于在感光二极管PD受到强光照射时，为电信号增加一个存储电容。NMOS管M3的源极与强光处理电路1连接于节点N2，其栅极连接行选信号端RS，由行选信号控制，用于实现各个像素单元与列输出端的选择连接。列电流源I1的正极与NMOS管M3的漏极相连并作为像素单元输出端VOUT输出信号，列电流源I1的负极与电源的负极VSS相连。

请参阅图1和图2，本实施例的强光处理电路可以包括：比较器、第四NMOS管M4、第五NMOS管M5和电容C1；其中，第四NMOS管M4的漏极与第一NMOS管M1的漏极、第二NMOS管M2的源极、第五NMOS管M5的栅极相互连接，第四NMOS管M4的源极与电容C1的一端相连；电容C1的另一端与电源的负极VSS相连；比较器的正向输入端与第五NMOS管M5的源极、第三NMOS管M3的源极相连，比较器的反向输入端VX还可以用于提供可供选择的参考电压，比较器的输出端与第四NMOS管M4的栅极相连；参考电压的低电平为预设阈值光照强度下的像素单元读出电压，参考电压的高电平为电源电压；第五NMOS管M5的漏极与电源的正极VDD相连。需要说明的是，这里的第一NMOS管M1的源极和漏极可互换、第二NMOS管M2的源极和漏极可互换、第三NMOS管M3的源极和漏极可互换、第四NMOS管M4的源极和漏极可互换和第五NMOS管M5的源极和漏极可互换。

请参阅图2，本实施例的比较器可以为具有五管放大器的比较器，也就是采用五管放大器来实现比较器的功能。关于五管放大器电路结构是本领域技术人员可以知晓的，这里不再赘述。

请参阅图3并结合图1，本实施例的CMOS像素单元进行信号采集的方法，包括：

步骤001：感光二极管PD开始进行曝光，曝光后，保持第一NMOS管M1关断，打开第二NMOS管M2，此时比较器的反向输入端VX的电平处于高电位，比较器输出低电平，从而使得第四NMOS管M4关断；

具体的，本实施例的步骤001具体包括：感光二极管PD开始进行曝光，曝光后，TX信号端保持低电平，第一NMOS管M1关断，RST信号端由低电平变为高电平，打开第二NMOS管M2，此时比较器的反向输入端VX的电平处于高电位，比较器输出低电平，从而使得第四NMOS管M4关断；

步骤002：关断第二NMOS管M2，保持第三NMOS管M3导通，此时，像素单元的输出端VOUT输出复位信号；

具体的，本实施例的步骤002具体包括：RST信号端由高电平设置为低电平，关断第二NMOS管M2，然后，RS信号端由低电平设置为高电平，保持第三NMOS管M3导通，此时，像素单元的输出端VOUT输出复位信号；

步骤003：打开第一NMOS管M1，然后比较器的反向输出端VX输出固定的参考电压；

具体的，本实施例的步骤003具体包括：TX信号端由低电平设置为高电平，打开第一NMOS管M1，然后比较器的反向输出端VX输出固定的参考电压。

步骤004：当感光二极管PD受到的光照强度小于设定的阈值光照强度时，第四NMOS管M4关断；当感光二极管PD受到的光照强度大于设定的阈值光照强度时，第五NMOS管M5的源极电压升高，比较器输出高电平，从而使得第四NMOS管M4导通；然后，将电容C1的一端与第五NMOS管M5的栅极相连，从而增大了光电流的存储电容，从而增大了像素单元的饱和输出电压，有效提高了像素输出信号的动态范围。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然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为准。

Claims (5)

1.一种CMOS像素单元，其特征在于，包括：电源、感光二极管、强光处理电路、列电流源、第一NMOS管、第二NMOS管和第三NMOS管和列输出端；其中，

感光二极管的阳极与电源的负极相连，用于将光信号转换为电信号；

所述强光处理电路包括：比较器、第四NMOS管、第五NMOS管和电容；其中，第四NMOS管的漏极与第一NMOS管的漏极、第二NMOS管的源极、第五NMOS管的栅极相互连接，第四NMOS管的源极与电容的一端相连；电容的另一端与电源的负极相连；比较器的正向输入端与第五NMOS管的源极、第三NMOS管的源极相连，比较器的反向输入端还提供参考电压，比较器的输出端与第四NMOS管的栅极相连；参考电压的低电平为预设阈值光照强度下的像素单元读出电压，参考电压的高电平为电源电压；第五NMOS管的漏极与电源的正极相连；

列电流源，其正极与第三NMOS关的漏极相连，并且作为高动态CMOS像素单元信号输出端，列电流源的负极与电源的负极相连；

第一NMOS管，其源极与感光二极管的阴极相连，用于导通感光二极管；

第二NMOS管，其源极与第一NMOS管的漏极相连，第二NMOS管的漏极与电源的正极相连，用于实现输出信号复位；

第三NMOS管，其源极与强光处理电路相连，用于实现每个像素单元与列输出端的选择性连接。

2.根据权利要求1所述的CMOS像素单元，其特征在于，所述第一NMOS管的栅极连接像素选通信号端(TX)；第二NMOS管的栅极连接像素复位信号端(RST)；所述第三NMOS管的栅极连接行选信号端(RS)。

3.根据权利要求1所述的CMOS像素单元，其特征在于，第一NMOS管的源极和漏极可互换、第二NMOS管的源极和漏极可互换、第三NMOS管的源极和漏极可互换、第四NMOS管的源极和漏极可互换和第五NMOS管的源极和漏极可互换。

4.根据权利要求1所述的CMOS像素单元，其特征在于，所述比较器为具有五管放大器的比较器。

5.一种根据权利要求1所述的CMOS像素单元进行信号采集的方法，其特征在于，包括：

步骤001：感光二极管开始进行曝光，曝光后，保持第一NMOS管关断，打开第二NMOS管，此时比较器的反向输入端的电平处于高电位，比较器输出低电平，从而使得第四NMOS管关断；

步骤002：关断第二NMOS管，保持第三NMOS管导通，此时，像素单元的输出端输出复位信号；

步骤003：打开第一NMOS管，然后比较器的反向输出端输出固定的参考电压；

步骤004：当感光二极管受到的光照强度小于设定的阈值光照强度时，第四NMOS管关断；当感光二极管受到的光照强度大于设定的阈值光照强度时，第五NMOS管的源极的电压升高，比较器输出高电平，从而使得第四NMOS管导通；然后，将电容的一端与第五NMOS管的栅极相连。