CN108063905A - 像素感应电路及其驱动方法、图像传感器、电子设备 - Google Patents

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Abstract

一种像素感应电路及其驱动方法、图像传感器、电子设备。该像素感应电路，包括用于响应入射光产生电荷的光电转换元件、用于将所述光电转换元件产生的电荷输出的传输元件、用于对所述传输元件的输出电流进行补偿的源跟随器电路。所述源跟随器电路包括第一源跟随器晶体管、第二源跟随器晶体管和第一存储电容，所述第一源跟随器晶体管和所述第二源跟随器晶体管具有相等的阈值电压，所述第一源跟随器晶体管的栅极、所述第一源跟随器晶体管的输出端、所述第二源跟随器晶体管的栅极和所述第一存储电容的第一端都耦接至第一节点，所述第一存储电容的第二端和所述第二源跟随器晶体管的输入端耦接至电源电压线。

Description

像素感应电路及其驱动方法、图像传感器、电子设备
技术领域
本发明的实施例涉及像素感应电路及其驱动方法、图像传感器、电子设备。
背景技术
有源像素传感器(APS)用于将光图像转换为电信号，其广泛应用于数字照相机、具有照相机的移动电话、视觉系统等。可以将有源像素传感器划分为电荷耦合器件(CCD)型和互补金属氧化物半导体(CMOS)型。可以采用半导体制造工艺制造在硅衬底上制备CMOS型APS，因此可以将CMOS型APS容易地集成到具有放大电路和信号处理的外围系统当中。与CCD型APS相比，CMOS型APS具有更低的制造成本、更高的处理速度和更低的功率消耗。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种新型的像素感应电路及其驱动方法，以及具有该像素感应电路的图像传感器，像素感应电路可以克服源极跟随器晶体管由于自身差异所导致的输出电流不均一的问题。
本发明的至少一个实施例提供了一种像素感应电路，包括：用于响应入射光产生电荷的光电转换元件；用于将所述光电转换元件产生的电荷输出的传输元件；用于对所述传输元件的输出电流进行补偿的源跟随器电路。所述源跟随器电路包括第一源跟随器晶体管、第二源跟随器晶体管和第一存储电容，所述第一源跟随器晶体管和所述第二源跟随器晶体管具有相等的阈值电压，所述第一源跟随器晶体管的栅极、所述第一源跟随器晶体管的输出端、所述第二源跟随器晶体管的栅极和所述第一存储电容的第一端都耦接至第一节点，所述第一存储电容的第二端和所述第二源跟随器晶体管的输入端耦接至电源电压线。
例如，本发明实施例的像素感应电路还可以包括读出元件，所述读出元件用于响应于选择信号将所述源跟随器电路的输出电流传输至外部电路，所述第二源跟随器晶体管的输出端耦接至所述读出元件的输入端。
例如，本发明实施例的像素感应电路还可以包括第一重置元件，所述第一重置元件用于将所述光电转换元件的输出节点的电压进行重置，所述输出节点耦接至所述传输元件的输入端。
例如，本发明实施例的像素感应电路还可以包括开关元件，所述开关元件耦接在所述输出节点和所述光电转换元件之间。
例如，本发明实施例的像素感应电路还可以包括用于响应入射光产生电荷的第二光电转换元件和第二开关元件，所述第二开关元件耦接在所述输出节点和所述第二光电转换元件之间。
例如，本发明实施例的像素感应电路还可以包括第二存储电容，所述第二存储电容的第一端耦接至所述输出节点，所述第二存储电容的第二端耦接地或公共电压。
例如，本发明实施例的像素感应电路还可以包括第二重置元件，所述第二重置元件用于对所述第一节点的电压进行重置。
例如，本发明实施例的像素感应电路中，所述第一重置元件和所述第二重置元件耦接至同一重置信号线。
例如，本发明实施例的像素感应电路中，所述传输元件、开关元件、第一重置元件或所述第二重置元件为晶体管。
例如，本发明实施例的像素感应电路中，所述晶体管为N型晶体管或P型晶体管。
例如，本发明实施例的像素感应电路中，所述光电转换元件为光电二极管。
本发明的另一个实施例提供了一种图像传感器，包括排列为阵列的多个像素单元，至少一个像素单元包括如上所述的任一像素感应电路。
例如，本发明实施例的图像传感器形成于硅衬底上。
本发明的再一个实施例提供了一种电子设备，该电子设备包括上述图像传感器。
本发明的再另一个实施例提供了一种上述像素感应电路的驱动方法，该方法包括：通过所述光电转换元件响应入射光产生电荷；通过所述传输元件将所述光电转换元件产生的电荷输出至所述源跟随器电路；通过所述源跟随器电路对所述传输元件的输出电流进行补偿。
例如，本发明实施例的像素感应电路还可以包括读出元件，所述第二源跟随器晶体管的输出端耦接至所述读出元件的输入端，相应地，所述方法还可以包括：通过所述读出元件响应于选择信号将所述源跟随器电路的输出电流传输至外部电路。
例如，本发明实施例的像素感应电路还可以包括第一重置元件，所述输出节点耦接至所述传输元件的输入端，相应地，所述方法还可以包括：在通过所述光电转换元件相应于所述入射光产生电荷之前，通过所述第一重置元件将所述光电转换元件的输出节点的电压进行重置。
例如，本发明实施例的像素感应电路还可以包括开关元件和第二存储电容，所述开关元件耦接在所述输出节点和所述光电转换元件之间，所述第二存储电容的第一端耦接至所述输出节点，所述第二存储电容的第二端耦接地或公共电压，相应地，所述方法还可以包括：在通过所述光电转换元件响应入射光产生电荷之后，开启所述开关元件，将所述电荷存储在所述第二存储电容之中，然后再通过所述传输元件将所述光电转换元件产生的电荷输出至所述源跟随器电路。
例如，本发明实施例的像素感应电路还可以包括第二重置元件，相应地，所述方法还包括：在通过所述传输元件将所述光电转换元件产生的电荷输出至所述源跟随器电路之前，通过所述第二重置元件用于对所述第一节点的电压进行重置。
例如，本发明实施例的像素感应电路的驱动方法中，通过所述第一重置元件将所述光电转换元件的输出节点的电压进行重置以及通过所述第二重置元件用于对所述第一节点的电压进行重置是通过同一重置信号进行的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。
图1是说明CMOS图像传感器的原理框图。
图2是说明具有4晶体管构造的CMOS有源像素传感电路的电路图。
图3是说明具有3晶体管构造的CMOS有源像素传感电路的电路图。
图4是根据本发明一个实施例的像素感应电路的示意图。
图5是根据本发明另一个实施例的像素感应电路的示意图。
图6A至图6D是图5所示的像素感应电路的操作流程的示意图。
图7是根据本发明再一个实施例的像素感应电路的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”、“相连”“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
图1是说明CMOS图像传感器的原理框图。如图1所示，该CMOS图像传感器包括像素单元阵列和周边电路，它们例如可以集成在同一硅基芯片上。像素单元阵列包括排成阵列的像素单元，例如图中所示，像素单元阵列按X和Y方向排列成方阵，方阵中的每一个像素单元都有它在X、Y方向(例如行方向和列方向)上的地址，并可分别经由相应的行线和相应的列线在这两个方向上的地址译码器进行选择；输出的电流/电压信号被放大之后，输送到A/D转换器进行模数转换变成数字信号输出。
上述CMOS图像传感器的每个像素单元包括有源像素传感电路，有源像素传感电路通常具有3晶体管构造和4晶体管构造。在4晶体管构造当中，CMOS有源像素传感器包括一个光电二极管和四个MOS晶体管；在光电二极管上产生、汇集的光生电荷在四个MOS晶体管的控制下被感测。在3晶体管构造当中，CMOS有源像素传感器包括一个光电二极管和三个MOS晶体管；在光电二极管上产生、汇集的光生电荷在三个MOS晶体管的控制下被感测。
图2是说明具有4晶体管构造的一种CMOS有源像素传感电路的电路图。参照图2，该CMOS有源像素传感电路100包括光电二极管PD、传输晶体管M11、重置晶体管M12、源极跟随器晶体管M13和选择晶体管M14。
在重置晶体管M12的栅极电压RG增大且重置晶体管M12开启时，感测节点(即浮置扩散节点FD)的电势增大，直至等于电源电压VDD的电平。源极跟随器晶体管M13和选择晶体管M14对浮置扩散节点FD的电势进行抽样，抽样电势为参考电势。
在光感积累阶段期间，当光线入射到光电二极管PD上时，响应于入射光产生电子空穴对(EHP)。在光感积累阶段结束后，当传输晶体管M11的栅极电压TG增大时，在光电二极管PD中积累(或存储)的电荷被传输至浮置扩散节点FD。当与传输的电荷量基本成正比的浮置扩散节点FD的电势显著降低时，源极跟随器晶体管M13的源极电势发生改变。当选择晶体管M14的栅极电压SEL增大时，选择晶体管M14开启，源极跟随器晶体管M13的源极电压作为输出电压Vout输出。通过测量参考电势与输出电压Vout之间的差值完成光感测。之后重复重置操作。
图3是说明具有3晶体管构造的一种CMOS有源像素传感电路的电路图。参照图3，该CMOS有源像素传感电路200包括光电二极管PD、传输晶体管M21、重置晶体管M22和源极跟随器晶体管M23。该具有3晶体管构造的CMOS有源像素传感电路200可以不包括图2所示的传输晶体管M11。此外，具有3晶体管构造的CMOS有源像素传感电路200不包括图2所示的选择晶体管M14，并且例如其采用动态电压源电压DVD。
在重置晶体管M22的栅极电压RG增大且重置晶体管M22开启，与此同时动态电压源电压DVD具有高电源电压时，感测节点(即浮置扩散节点FD)的电势增大直至高电源电压的电平。源极跟随器晶体管M23对浮置扩散节点FD的电势抽样，并将抽样电势输出至外部电路。抽样电势为参考电势。之后，动态电压源电压DVD降低至低电源电压。
在光感积累阶段期间，当光线入射到光电二极管PD上时，响应于入射光产生电子空穴对(EHP)。在光感积累阶段之后，当传输晶体管M21的栅极电压TG增大时，在光电二极管PD中累积(或存储)的电荷被传输至浮置扩散节点FD。当浮置扩散节点FD的电势与传输的电荷量基本成正比地降低，同时动态电压源电压DVD具有高电源电压时，源极跟随器晶体管M23的源极电压发生改变。源极跟随器晶体管M23的源极电压作为输出电压Vout被输出至外部电路。之后，如图2所述重复重置操作。该有源像素传感器电路基于浮置扩散节点FD的电势变化感测信号，即通过测量参考电势与输出电压Vout之间的差值完成光感测。
但是，在硅衬底上通过半导体制备工艺制造的过程中，由于原材料、工艺条件等的非均匀性，不同像素单元中的有源像素传感电路中的源极跟随器可能会存在器件上的差异，使得其最终感测到的电流大小和实际光照产生的电流在数值上存在差异，从而使得采集到的图像存在失真。
本发明的至少一个实施例提供了一种像素感应电路及其驱动方法，还提供了一种具有该像素感应电路的图像传感器，该像素感应电路通过对电路重新设计，以消除由于源极跟随器自身差异所导致的输出电流不均一的问题。
本发明的一个实施例提供了一种像素感应电路，该像素感应电路包括：用于响应入射光产生电荷的光电转换元件、用于将所述光电转换元件产生的电荷输出的传输元件、用于对所述传输元件的输出电流进行补偿的源跟随器电路。该源跟随器电路包括第一源跟随器晶体管、第二源跟随器晶体管和第一存储电容，所述第一源跟随器晶体管和所述第二源跟随器晶体管具有相等的阈值电压，所述第一源跟随器晶体管的栅极、所述第一源跟随器晶体管的输出端、所述第二源跟随器晶体管的栅极和所述第一存储电容的第一端都耦接至第一节点，所述第一存储电容的第二端和所述第二源跟随器晶体管的输入端耦接至电源电压线。
本发明的另一个实施例提供了一种上述像素感应电路的驱动方法，该方法包括：通过所述光电转换元件响应入射光产生电荷；通过所述传输元件将所述光电转换元件产生的电荷输出至所述源跟随器电路；通过所述源跟随器电路对所述传输元件的输出电流进行补偿。
如本领域技术人员已知的，晶体管可以是N型晶体管也可以是P型晶体管。在本发明的实施例中，对于N型晶体管，其(电流)输入端为漏极而输出端为源极；对于P型晶体管，其(电流)输入端为源极而输出端为漏极。
在本发明下面的描述中，以P型晶体管(例如，P型MOS晶体管)为例进行说明，但是，本领域技术人员可以知道它们中任一也可以采用N型晶体管(例如，N型MOS晶体管)实现。
图4是根据本发明一个实施例的像素感应电路的示意图。如图4所示，该像素感应电路为有源像素感应电路400包括：光电二极管PD、传输晶体管T3和源跟随器电路。光电二极管PD用作响应入射光产生电荷的光电转换元件；传输晶体管T3用作将所述光电二极管产生的电荷输出的传输元件；源跟随器电路则用于对所述传输晶体管T3的输出电流进行补偿。
该源跟随器电路包括第一源跟随器晶体管M1、第二源跟随器晶体管M2和第一存储电容C1。第一源跟随器晶体管M1和第二源跟随器晶体管M2具有相等的阈值电压(Vth)，第一源跟随器晶体管M1的栅极、第一源跟随器晶体管M1的漏极、第二源跟随器晶体管M2的栅极和第一存储电容C1的第一端都耦接至第一节点a，第一存储电容C1的第二端和第二源跟随器晶体管M2的源极耦接至电源电压线Vdd。
传输晶体管T3设置在光电二极管PD与源跟随器电路之间。如图所示，光电二极管PD的阴极例如接地或公共电压，而其阳极接传输晶体管T3的源极；传输晶体管T3的漏极耦接至第一源跟随器晶体管M1的源极，并且传输晶体管T3的栅极耦接到第二扫描线Scan2。
该有源像素感应电路还可以包括读出元件，例如，该读出元件用于响应于选择信号将源跟随器电路的输出电流传输至外部电路，第二源跟随器晶体管的输出端耦接至读出元件的输入端。
具体而言，如图4所示，该有源像素感应电路包括读出晶体管T5，该读出晶体管T5用作读出元件，耦接在第二源跟随器晶体管M2的漏极和读出线RL(例如为列线)之间，该读出晶体管T5的栅极连接到选择信号线EM(例如为行线)。
第一源跟随器晶体管M1和第二源跟随器晶体管M2具有相等的阈值电压(Vth)，但并非要求二者严格相等，例如可以为基本相等，例如彼此的差值在5％以内，优选3％以内。影响晶体管的阈值电压的因素包括栅绝缘层的材料和厚度、有源层的材料和掺杂浓度、工作温度等。为了使得第一源跟随器晶体管M1和第二源跟随器晶体管M2具有相等的阈值电压(Vth)，可以使第一源跟随器晶体管M1和第二源跟随器晶体管M2为相同的类型，并且例如在制备第一源跟随器晶体管M1和第二源跟随器晶体管M2时，尽可能地使二者靠近，并采用相同的制备参数(包括栅绝缘层厚度、有源层厚度、沟道区的宽长比(W/L)等)，但本发明的实施例不限于此。在图4的示意图中，第一源跟随器晶体管M1和第二源跟随器晶体管M2相对设置，而且二者的阈值电压彼此相等，因此二者可以视为对称设置(或镜像设置)。
如上所述，在图4所示的实施例中，传输晶体管T3、第一源跟随器晶体管M1、第二源跟随器晶体管M2和读出晶体管T5均为P型晶体管。光电二极管PD作为光电转换器件的示例，但本发明的实施例不限于此。
如图4所示的实施例的有源像素感应电路400的驱动方法可以包括光电转换阶段、放电阶段以及信号读出阶段。
首先，在光电转换阶段，当有入射光照射到光电二极管PD上时，光量子激发在光电二极管的PN结上产生电子空穴对，由此光电二极管PD响应入射光进行光电转换产生电荷，这些电荷在光电二极管PD上积累，产生数据电压Vdata。
接着，在放电阶段，通过传输晶体管T3将光电二极管产生的电荷输出至源跟随器电路，具体而言，第二扫描线Scan2上施加低电平信号，传输晶体管T3导通，同时第一源跟随器晶体管M1也导通，由此通过第一源跟随晶体管M1对第一节点a进行充电，一直充电至Vdata-Vth1为止，Vdata为光电二极管PD产生的数据电压，Vth1为第一源跟随器晶体管M1的阈值电压，该电压存储在第一存储电容C1中。
然后，在信号读出阶段，通过所述源跟随器电路对传输晶体管的输出电流进行补偿，然后通过读出晶体管T5响应于选择信号EM将源跟随器电路的输出电流传输至外部电路，具体而言，选择信号线EM上施加低电平信号，读出晶体管T5导通，在第二源跟随器晶体管M2的源极接入电源电压，电流Iout通过第二源跟随器晶体管M2和读出晶体T5流出，进而被传输至外部电路，被进一步处理，例如放大、模/数转换等。
基于晶体管的饱和电流公式，可以得到流经第二源跟随器晶体管M2的电流：
Iout＝K(VGS–Vth2)2
＝K[Vdd–(Vdata-Vth1)–Vth2]2
＝K(Vdd–V1)2
上述公式中VGS为对于晶体管M2的栅极和源极之间的电压差，Vdd为电源电压，Vth2是第二源跟随电路晶体管M2的阈值电压，并且阈值电压Vth1与Vth2相等，即Vth1＝Vth2。另外，VGS＝Vdd–(Vdata-Vth1)。
由上式中可以看到此时输出电流Iout已经不受源跟随器晶体管M1或M2的阈值电压Vth1或Vth2的影响，而只与电源电压Vdd和数据电压Vdata有关。而数据电压Vdata直接由光电二极管PD中的PN结由于入射光的光照而产生，这样就解决了源跟随器晶体管由于工艺制程及长时间的操作造成阈值电压(Vth)漂移的问题，可以保证信号数据的准确性。
基于图4所示的实施例，还可以通过增加其他电路以得到其他实施例。例如，如图4所示的有源像素感应电路还可以包括第一重置元件，用于将光电二极管的输出节点(例如在图4中可对应于传输晶体管T3的输入端与发光二极管PD的阳极之间)的电压进行重置，该输出节点耦接至传输晶体管的输入端，该第一重置元件可以为重置晶体管。
或者，例如，如图4所示的有源像素感应电路还可以包括第二重置元件，用于对第一节点a的电压进行重置，该第二重置元件也可以为重置晶体管。上述第一重置元件和第二重置元件并不必须被同时添加。
又或者，例如，如图4所示的有源像素感应电路还可以包括开关元件和第二存储电容，该开关元件耦接在输出节点和光电二极管之间，第二存储电容的第一端耦接至输出节点，第二存储电容的第二端耦接地或公共电压。由此，可以选择对光电二极管产生的电压进行缓存。
图5是根据本发明另一个实施例的像素感应电路的示意图。如图5所示，与图4所示的实施例相比，该像素感应电路为有源像素感应电路500，其除了光电二极管PD、传输晶体管T3、源跟随器电路和输出晶体管T5之外，还包括开关晶体管T1、第一重置晶体管T2、第二存储电容C2和第二重置晶体管T4。
第一重置晶体管T2作为第一重置元件，用于将光电二极管的输出节点N2的电压进行重置，该输出节点N2耦接至传输元件的输入端，即传输晶体管T3的源极。如图5所示，第一重置晶体管T2连接至重置线Reset，一端与输出节点N2耦接，另一端与公共电压Vcom耦接。
开关晶体管T1用作开关元件，用于控制是否输出光电二极管PD响应入射光产生的数据电压。开关晶体管T1耦接在输出节点N2和光电二极管PD之间。如图5所示，开关晶体管T1的栅极与第一扫描线Scan1连接，其源极与光电二极管PD的阳极耦接，其漏极与输出节点N2耦接。
第二存储电容C2的第一端耦接至输出节点N2，第二存储电容C2的第二端耦接地或公共电压。第二存储电容C2可用于存储输出节点N2的电压。
第二重置晶体管T4用作第二重置元件，用于对第一节点a的电压进行重置。如图5所示，第二重置晶体管T2连接至重置线Reset，一端与第一节点a耦接，另一端与初始电压Vint耦接。第一重置晶体管T2和第二重置晶体管T4可以耦接同一重置线Reset，也可以连接至不同的重置线Reset而二者施加的重置信号同步。
如图5所示，开关晶体管T1、第一重置晶体管T2、第二存储电容C2和第二重置晶体管T4为P型晶体管(例如，P型MOS晶体管)；同样地，本领域技术人员可以知道，它们中任一可以为N型晶体管(例如，N型MOS晶体管)。
图5的右侧示出了重置信号Reset、选择信号EM、第一扫描信号Scan1和第二扫描信号Scan2的时序图。下面将结合该时序图以及图6A-图6D来对如图5所示的实施例的有源像素感应电路的驱动方法进行说明。如图4所示的实施例的有源像素感应电路的驱动方法可以包括重置阶段、光电转换阶段、放电阶段以及信号读出阶段。
首先，在重置阶段，如图6A右侧的时序图所示，重置信号Reset变为低电平，而选择信号EM、第一扫描信号Scan1和第二扫描信号Scan2保持为高电平，对应于时序图中的阴影部分。此时，第一重置晶体管T2和第二重置晶体管T4导通，分别将输出节点N2和第一节点a的电压重置为公共电压Vcom和初始电压Vint，同时其他晶体管处于截止状态。初始电压Vint为低压信号。
其次，在光电转换阶段，如图6B右侧的时序图所示，当有入射光照射到光电二极管PD上时，光量子激发在光电二极管的PN结上产生电子空穴对，由此光电二极管PD响应入射光进行光电转换产生电荷，这些电荷在光电二极管PD上积累产生电压。此时，重置信号Reset变为低电平，选择信号EM和第二扫描信号Scan2保持为高电平，而第一扫描信号Scan1改变为低电平，由此开关晶体T1导通，而其他晶体管处于截止状态。由此，输出节点N2的电势为数据电压Vdata，并且存储在第二存储电容C2之中。
接着，在放电阶段，通过传输晶体管T3将光电二极管产生的电荷输出至源跟随器电路。具体而言，如图6C右侧的时序图所示，第二扫描信号Scan2改变为低电平，而重置信号Reset、选择信号EM和第一扫描信号Scan1变为高电平，传输晶体管T3导通，同时第一源跟随器晶体管M1也导通，而其他晶体管处于截止状态，由此通过第一源跟随晶体管M1对第一节点a进行充电，一直充电至Vdata-Vth1为止，Vth1为第一源跟随器晶体管M1的阈值电压，该电压存储在第一存储电容C1中。
然后，在信号读出阶段，通过所述源跟随器电路对传输晶体管的输出电流进行补偿，然后通过读出晶体管T5响应于选择信号EM将源跟随器电路的输出电流传输至外部电路，具体而言，如图6D右侧的时序图所示，选择信号EM改变为低电平，而重置信号Reset、第一扫描信号Scan1和第二扫描信号Scan2为高电平，从而读出晶体管T5导通，其他晶体管处于截止状态，在第二源跟随器晶体管M2的源极接入电源电压，电流Iout通过第二源跟随器晶体管M2和读出晶体T5流出，进而被传输至外部电路，被进一步处理，例如放大、模/数转换等。
基于晶体管的饱和电流公式，可以得到流经第二源跟随器晶体管M2的电流：
Iout＝K(VGS–Vth2)2
＝K[Vdd–(Vdata-Vth1)–Vth2]2
＝K(Vdd–V1)2
上述公式中VGS为对于晶体管M2的栅极和源极之间的电压差，Vdd为电源电压，Vth2是第二源跟随电路晶体管M2的阈值电压，并且阈值电压Vth1与Vth2相等，即Vth1＝Vth2。另外，VGS＝Vdd–(Vdata-Vth1)。
由上式可以看到此时输出电流Iout已经不受源跟随器晶体管M1或M2的阈值电压Vth1或Vth2的影响，而只与电源电压Vdd和数据电压Vdata有关。而数据电压Vdata直接由光电二极管PD中的PN结由于入射光的光照而产生，这样就解决了源跟随器晶体管由于工艺制程及长时间的操作造成阈值电压(Vth)漂移的问题，可以保证信号数据的准确性。
图7是根据本发明再一个实施例的像素感应电路的示意图，示出了用于说明具有共享结构的有源像素传感器电路的电路图。
参考图7，该像素感应电路为具有共享结构的有源像素感应电路700，其可以提高像素单元阵列的像素占空比。这里可以将像素占空比定义为光电二极管所占的面积与重置晶体管、源跟随器晶体管等其他晶体管所占的面积之比。
具有共享结构的有源像素感应电路700与图5所示的实施例相比，例如四组光电二极管与开关晶体管的组合共同耦接到输出节点N2，并且共享第一重置晶体管T2、第二存储电容C2、传输晶体管T3、源跟随电路(包括第一源跟随电路晶体管M1、第二源跟随电路晶体管M2和第一存储电容C1)和读出晶体管T5。这四组光电二极管与开关晶体管的组合分属四个像素单元。第一像素单元包括光电晶体管PD1和开关晶体管T11，开关晶体管T11连接到扫描线Scan11；第二像素单元包括光电晶体管PD2和开关晶体管T12，开关晶体管T12连接到扫描线Scan12；第三像素单元包括光电晶体管PD3和开关晶体管T13，开关晶体管T13连接到扫描线Scan13；第四像素单元包括光电晶体管PD4和开关晶体管T14，开关晶体管T14连接到扫描线Scan14。
例如，第一至第四子像素可以在四个相邻的扫描周期中被依次扫描以读出其中的光电二极管相应于入射光产生的电荷。四个扫描周期中每个都包括重置阶段、光电转换阶段、放电阶段以及信号读出阶段，区别在于分别对扫描线Scan11、Scan12、Scan13、Scan14施加低电平信号以分别读出光电二极管PD1、PD2、PD3和PD4产生的电压。
本领域技术人员可以理解，本发明的实施例并不限于如图7所示的四组光电二极管和开关晶体管的组合，只要两组以上的光电二极管和开关晶体管的组合即可。
本发明的一个实施例还提供了一种图像传感器，包括排列为阵列的多个像素单元，至少一个像素单元包括本发明实施例所提供的任一有源像素感应电路。该图像传感器例如包括X行Y列的像素单元阵列，相应地形成有X条行线(选择信号线Em)和Y条列线(读出线RL)。
除了像素单元阵列之外，该图像传感器还可以包括行驱动电路、列驱动电路、放大电路、预处理电路等外围电路。像素单元阵列和外围电路例如可以通过半导体集成电路制备工艺(例如CMOS集成电路制备工艺)形成在硅衬底上，该硅衬底例如可以为单晶硅衬底或绝缘体上硅(SOI)衬底等。
本发明的一个实施例还提供了一种电子设备，该电子设备包括本发明实施例提供的如上所述图像传感器。该电子设备可以是数字照相机、移动电话、平板电脑、笔记本电脑等。
以上所述仅是本发明的示范性实施方式，而非用于限制本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。

Claims (20)

1.一种像素感应电路，包括：
用于响应入射光产生电荷的光电转换元件；
用于将所述光电转换元件产生的电荷输出的传输元件；
用于对所述传输元件的输出电流进行补偿的源跟随器电路；
其中，所述源跟随器电路包括第一源跟随器晶体管、第二源跟随器晶体管和第一存储电容，所述第一源跟随器晶体管和所述第二源跟随器晶体管具有相等的阈值电压，所述第一源跟随器晶体管的栅极、所述第一源跟随器晶体管的输出端、所述第二源跟随器晶体管的栅极和所述第一存储电容的第一端都耦接至第一节点，所述第一存储电容的第二端和所述第二源跟随器晶体管的输入端耦接至电源电压线。
2.根据权利要求1所述的像素感应电路，还包括读出元件，其中，所述读出元件用于响应于选择信号将所述源跟随器电路的输出电流传输至外部电路，所述第二源跟随器晶体管的输出端耦接至所述读出元件的输入端。
3.根据权利要求2所述的像素感应电路，还包括第一重置元件，其中所述第一重置元件用于将所述光电转换元件的输出节点的电压进行重置，所述输出节点耦接至所述传输元件的输入端。
4.根据权利要求3所述的像素感应电路，还包括开关元件，其中所述开关元件耦接在所述输出节点和所述光电转换元件之间。
5.根据权利要求4所述的像素感应电路，还包括：
用于响应入射光产生电荷的第二光电转换元件；
第二开关元件，耦接在所述输出节点和所述第二光电转换元件之间。
6.根据权利要求4所述的像素感应电路，还包括第二存储电容，其中，所述第二存储电容的第一端耦接至所述输出节点，所述第二存储电容的第二端耦接地或公共电压。
7.根据权利要求6所述的像素感应电路，还包括第二重置元件，其中，所述第二重置元件用于对所述第一节点的电压进行重置。
8.根据权利要求7所述的像素感应电路，其中，所述第一重置元件和所述第二重置元件耦接至同一重置信号线。
9.根据权利要求7所述的像素感应电路，其中，所述传输元件、开关元件、第一重置元件或所述第二重置元件为晶体管。
10.根据权利要求9所述的像素感应电路，其中，所述晶体管为N型晶体管或P型晶体管。
11.根据权利要求1-10任一所述的像素感应电路，其中，所述光电转换元件为光电二极管。
12.一种图像传感器，包括排列为阵列的多个像素单元，至少一个像素单元包括如权利要求1-11任一所述的像素感应电路。
13.根据权利要求12所述的图像传感器，其中，所述图像传感器形成于硅衬底上。
14.一种电子设备，包括根据权利要求12所述图像传感器。
15.一种如权利要求1所述像素感应电路的驱动方法，包括：
通过所述光电转换元件响应入射光产生电荷；
通过所述传输元件将所述光电转换元件产生的电荷输出至所述源跟随器电路；
通过所述源跟随器电路对所述传输元件的输出电流进行补偿。
16.根据权利要求15所述的驱动方法，所述像素感应电路还包括读出元件，所述第二源跟随器晶体管的输出端耦接至所述读出元件的输入端，所述方法还包括：
通过所述读出元件响应于选择信号将所述源跟随器电路的输出电流传输至外部电路。
17.根据权利要求16所述的驱动方法，所述像素感应电路还包括第一重置元件，所述输出节点耦接至所述传输元件的输入端，所述方法还包括：
在通过所述光电转换元件相应于所述入射光产生电荷之前，通过所述第一重置元件将所述光电转换元件的输出节点的电压进行重置。
18.根据权利要求17所述的驱动方法，所述像素感应电路还包括开关元件和第二存储电容，所述开关元件耦接在所述输出节点和所述光电转换元件之间，所述第二存储电容的第一端耦接至所述输出节点，所述第二存储电容的第二端耦接地或公共电压，所述方法还包括：
在通过所述光电转换元件响应入射光产生电荷之后，开启所述开关元件，将所述电荷存储在所述第二存储电容之中，然后再通过所述传输元件将所述光电转换元件产生的电荷输出至所述源跟随器电路。
19.根据权利要求18所述的驱动方法，所述像素感应电路还包括第二重置元件，所述方法还包括：
在通过所述传输元件将所述光电转换元件产生的电荷输出至所述源跟随器电路之前，通过所述第二重置元件用于对所述第一节点的电压进行重置。
20.根据权利要求19所述的驱动方法，其中，通过所述第一重置元件将所述光电转换元件的输出节点的电压进行重置以及通过所述第二重置元件用于对所述第一节点的电压进行重置是通过同一重置信号进行的。
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