CN109040628B - 图像传感器像素电路及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

一种图像传感器像素电路及其工作方法，图像传感器像素电路包括：参考电位产生结构，所述参考电位产生结构具有参考电位输出端，所述参考电位输出端的电位低于像素驱动电源线的电位；像素单元；与像素单元中源跟随晶体管的漏极连接的切换结构，所述切换结构适于在第一连接状态和第二连接状态之间切换所述源跟随晶体管的漏极的电学连接状态，在第一连接状态下，所述源跟随晶体管的漏极与像素驱动电源线电学连接，在第二连接状态下，所述源跟随晶体管的漏极与所述参考电位输出端电学连接；列读出线，所述列读出线适于读出所述浮空扩散点的电位信息。所述图像传感器像素电路的性能得到提高。

Description

图像传感器像素电路及其工作方法
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种图像传感器像素电路及其工作方法。
背景技术
图像传感器是一种将光信号转化为电信号的半导体器件。
图像传感器分为互补金属氧化物(CMOS)图像传感器和电荷耦合器件(CCD)图像传感器。其中CMOS图像传感器具有工艺简单、易于其它器件集成、体积小、重量轻、功耗小和成本低等优点。因此，随着图像传感技术的发展，CMOS图像传感器越来越多地取代CCD图像传感器应用于各类电子产品中。目前，CMOS图像传感器已经广泛应用于静态数码相机、数码摄像机、医疗用摄像装置和车用摄像装置等。
然而，现有的图像传感器的性能有待提高。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种图像传感器像素电路及其工作方法，以提高图像传感器像素电路的性能。
为解决上述问题，本发明提供一种图像传感器像素电路，包括：参考电位产生结构，所述参考电位产生结构具有参考电位输出端，所述参考电位输出端的电位低于像素驱动电源线的电位；像素单元，所述像素单元包括：光电二极管；传输晶体管，所述传输晶体管的源级与所述光电二极管连接；复位晶体管，所述复位晶体管的漏极与像素驱动电源线连接；浮空扩散点，所述浮空扩散点与传输晶体管的漏极连接且与所述复位晶体管的源极连接；源跟随晶体管，所述源跟随晶体管的栅极与所述浮空扩散点连接；与所述源跟随晶体管的漏极连接的切换结构，所述切换结构适于在第一连接状态和第二连接状态之间切换所述源跟随晶体管的漏极的电学连接状态，在第一连接状态下，所述源跟随晶体管的漏极与像素驱动电源线电学连接，在第二连接状态下，所述源跟随晶体管的漏极与所述参考电位输出端电学连接；列读出线，所述列读出线适于读出所述浮空扩散点的电位信息。
可选的，所述切换结构包括：第一开关，第一开关的一端与所述源跟随晶体管的漏极连接，所述第一开关的另一端与像素驱动电源线连接；第二开关，第二开关的一端与所述源跟随晶体管的漏极连接，第二开关的另一端与所述参考电位输出端连接。
可选的，所述参考电位输出端的电位可调。
可选的，所述像素单元的数量为若干个，若干个像素单元排列成阵列；对于同一行的像素单元，不同列的像素单元中的源跟随晶体管的漏极与同一个切换结构连接。
可选的，所述像素单元的数量为若干个，若干个像素单元排列成阵列；所述切换结构的数量为若干个；对于同一行的像素单元，不同列的像素单元中的源跟随晶体管的漏极分别连接不同的切换结构。
可选的，还包括：选择晶体管，所述选择晶体管的漏极与所述源跟随晶体管的源级连接，所述选择晶体管的源级与所述列读出线连接。
本发明还提供一种图像传感器像素电路的工作方法，包括：提供上述任意一项的图像传感器像素电路；进行读出时序步骤，进行读出时序步骤包括：进行复位操作，所述复位晶体管导通；在进行所述复位操作的过程中，所述切换结构将所述源跟随晶体管的漏极的电学连接状态从第一连接状态切换至第二连接状态；进行所述复位操作后，所述切换结构将源跟随晶体管的漏极的电学连接状态从第二连接状态切换至第一连接状态；所述切换结构将源跟随晶体管的漏极的电学连接状态从第二连接状态切换至第一连接状态后，所述列读出线对浮空扩散点的电位信息进行基准数据采集。
可选的，在所述复位操作中，所述选择晶体管处于导通状态，所述传输晶体管处于断开状态。
可选的，所述切换结构包括：第一开关，第一开关的一端与所述源跟随晶体管的漏极连接，第一开关的另一端与像素驱动电源线连接；第二开关，第二开关的一端与所述源跟随晶体管的漏极连接，第二开关的另一端与所述参考电位输出端连接；所述切换结构将源跟随晶体管的漏极的电学连接状态从第一连接状态切换至第二连接状态的步骤包括：断开第一开关，导通第二开关；所述切换结构将源跟随晶体管的漏极的电学连接状态从第二连接状态切换至第一连接状态的步骤包括：导通第一开关，断开第二开关。
可选的，所述读出时序步骤还包括：进行所述基准数据采集后，导通所述传输晶体管，光电二极管中的电荷对所述浮空扩散点进行充电；光电二极管中的电荷对所述浮空扩散点进行充电后，所述列读出线对浮空扩散点的电位信息进行信号数据采集；光电二极管中的电荷对所述浮空扩散点进行充电中，所述复位晶体管处于断开状态，所述源跟随晶体管的漏极的电学连接为第一连接状态，所述传输晶体管处于导通状态，所述选择晶体管处于导通状态；在所述信号数据采集中，所述复位晶体管处于断开状态，所述源跟随晶体管的漏极的电学连接为第一连接状态，所述传输晶体管处于断开状态，所述选择晶体管处于导通状态。
本发明还提供一种图像传感器像素电路，包括：参考电位产生结构，所述参考电位产生结构具有参考电位输出端，所述参考电位输出端的电位低于像素驱动电源线的电位；像素单元，所述像素单元包括：光电二极管；传输晶体管，所述传输晶体管的源级与所述光电二极管连接；复位晶体管，所述复位晶体管的漏极与像素驱动电源线连接；源跟随晶体管；附加晶体管；电容；第一浮空扩散点，第一浮空扩散点分别与传输晶体管的漏极、附加晶体管的源级以及源跟随晶体管的栅极连接；第二浮空扩散点，第二浮空扩散点分别与附加晶体管的漏极、复位晶体管的源级以及所述电容连接；与所述源跟随晶体管的漏极连接的切换结构，所述切换结构适于在第一连接状态和第二连接状态之间切换所述源跟随晶体管的漏极的电学连接状态，在第一连接状态下，所述源跟随晶体管的漏极与像素驱动电源线电学连接，在第二连接状态下，所述源跟随晶体管的漏极与所述参考输出端电学连接；列读出线，所述列读出线适于读出第一浮空扩散点的电位信息。
可选的，所述切换结构包括：第一开关，第一开关的一端与所述源跟随晶体管的漏极连接，所述第一开关的另一端与像素驱动电源线连接；第二开关，第二开关的一端与所述源跟随晶体管的漏极连接，第二开关的另一端与所述参考电位输出端连接。
可选的，所述参考电位输出端的电位可调。
可选的，所述像素单元的数量为若干个，若干个像素单元排列成阵列；对于同一行的像素单元，不同列的像素单元中的源跟随晶体管的漏极与同一个切换结构连接。
可选的，所述像素单元的数量为若干个，若干个像素单元排列成阵列；对于同一行的像素单元，不同列的像素单元中的源跟随晶体管的漏极分别连接不同的切换结构。
可选的，还包括：选择晶体管，所述选择晶体管的漏极与所述源跟随晶体管的源级连接，所述选择晶体管的源级与所述列读出线连接。
本发明还提供一种图像传感器像素电路的工作方法，包括：提供上述任意一项的图像传感器像素电路；进行曝光时序步骤后，进行读出时序步骤；所述读出时序步骤包括：与所述曝光时序步骤连续的附加时序步骤，在附加时序步骤中，所述附加晶体管处于导通状态；在进行附加时序步骤的过程中，所述切换结构将所述源跟随晶体管的漏极的电学连接状态从第一连接状态切换至第二连接状态；进行所述附加时序步骤后，所述切换结构将源跟随晶体管的漏极的电学连接状态从第二连接状态切换至第一连接状态；所述切换结构将源跟随晶体管的漏极的电学连接状态从第二连接状态切换至第一连接状态后，所述列读出线对第一浮空扩散点的电位信息进行第一次基准数据采集；在附加时序步骤的初始时刻至第一次基准数据采集的终结时刻，所述复位晶体管和所述传输晶体管处于断开状态。
可选的，所述切换结构包括：第一开关，第一开关的一端与所述源跟随晶体管的漏极连接，所述第一开关的另一端与像素驱动电源线连接；第二开关，第二开关的一端与所述源跟随晶体管的漏极连接，第二开关的另一端与所述参考电位输出端连接；所述切换结构将源跟随晶体管的漏极的电学连接状态从第一连接状态切换至第二连接状态的步骤包括：断开第一开关，导通第二开关；所述切换结构将源跟随晶体管的漏极的电学连接状态从第二连接状态切换至第一连接状态的步骤包括：导通第一开关，断开第二开关。
可选的，所述读出时序步骤还包括：进行第一次基准数据采集后，导通所述传输晶体管，光电二极管中的电荷对所述第一浮空扩散点进行第一充电；在第一充电中，所述附加晶体管和复位晶体管处于断开状态，所述源跟随晶体管的漏极的电学连接状态为第一连接状态，所述传输晶体管处于导通状态，所述选择晶体管处于导通状态；进行第一充电后，所述列读出线对第一浮空扩散点的电位信息进行第一次信号数据采集；在第一次信号数据采集中，所述附加晶体管、传输晶体管和复位晶体管处于断开状态，所述源跟随晶体管的漏极的电学连接为第一连接状态，所述选择晶体管处于导通状态；根据第一次基准数据采集的数据和第一次信号数据采集的数据之差，获取第一有效数据。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
本发明技术方案提供的图像传感器像素电路中，包括切换结构，所述切换结构适于在第一连接状态和第二连接状态之间切换所述源跟随晶体管的漏极的电学连接状态。所述切换结构将源跟随晶体管的漏极的电学连接状态从第二连接状态切换至第一连接状态时，能使源跟随晶体管的漏极的电位上升，进而拉动浮空扩散点电位的上升。综上，提高了图像传感器像素电路的性能。
本发明技术方案提供的图像传感器像素电路中，包括切换结构，所述切换结构适于在第一连接状态和第二连接状态之间切换所述源跟随晶体管的漏极的电学连接状态。所述切换结构将源跟随晶体管的漏极的电学连接状态从第二连接状态切换至第一连接状态时，能使源跟随晶体管的漏极的电位上升，进而拉动第一浮空扩散点电位的上升。综上，提高了图像传感器像素电路的性能。
附图说明
图1是一种图像传感器像素电路的结构示意图；
图2是本发明一实施例中图像传感器像素电路的结构示意图；
图3是本发明一实施例中参考电位产生结构的示意图；
图4是本发明另一实施例中参考电位产生结构的示意图；
图5是本发明一实施例中对应多个像素单元的图像传感器像素电路的结构示意图；
图6是本发明另一实施例中对应多个像素单元的图像传感器像素电路的结构示意图；
图7是图2中图像传感器像素电路的一种时序图；
图8是本发明又一实施例中图像传感器像素电路的结构示意图；
图9是图8中图像传感器像素电路的一种时序图。
具体实施方式
正如背景技术所述，现有技术形成的图像传感器像素电路的性能较差。
一种图像传感器像素电路，请参考图1，包括：光电二极管；传输晶体管TG，所述传输晶体管TG的源级与所述光电二极管连接；浮空扩散点FD node，所述浮空扩散点FD node和所述传输晶体管TG的漏极连接；复位晶体管PGRST，所述复位晶体管PGRST的源极与所述浮空扩散点FD node连接；源跟随晶体管PGSF，所述源跟随晶体管PGSF的栅极与浮空扩散点FDnode连接；选择晶体管PGRSEL，所述选择晶体管PGRSEL的漏极与所述源跟随晶体管PGSF的源级连接；列读出线BL，所述列读出线BL与所述选择晶体管PGRSEL的源级连接。
为了降低图像传感器的噪声，一般采取的方法是在图像传感器像素电路中内置LDO(低压差线性稳压器)，所述内置的LDO的输出端适于给像素单元提供电源，内置的LDO具有较高的电源抑制比性能，能够较好的抵抗外部噪声的干扰。所述复位晶体管PGRST的漏极和源跟随晶体管PGSF的漏极与内置的LDO的输出端连接。内置的LDO的输出端的电位小于比外部电源的电位小，为了方便说明，将内置的LDO的输出端的电位称为内置电位。
在读出过程中，首先复位晶体管导通，进行复位操作，使浮空扩散点FD node的电位复位至内置电位，之后断开复位晶体管，此时浮空扩散点FD的电位为reset level，resetlevel略小于内置电位，reset level会经过源跟随晶体管PGSF和选择晶体管PGRSEL输出至列读出线BL，从而得到第一数据；然后，导通传输晶体管TG，光电二极管中的电子流入至浮空扩散点FD，使浮空扩散点FD的电位在reset level的基础上降至signal level，signallevel会经过源跟随晶体管PGSF和选择晶体管PGRSEL输出至列读出线BL，从而得到第二数据。第一数据和第二数据相减得到有效读出数据。
然而，由于内置电位较小，因此电位reset level相应较低。电位reset level较低，进而导致一系列的问题，包括：reset level会经过源跟随晶体管PGSF和选择晶体管PGRSEL输出至列读出线BL，reset level电位降低导致第一数据较小，导致第一数据和第二数据之差得到的有效读出数据的范围较小，进而导致读出线BL的工作范围下降，降低图像传感器像素电路的动态范围；由于reset level电位较低，传输晶体管导通后，光电二极管中的电子难以完全传输至浮空扩散点FD，光电二极管中还残留一部分光生电子，导致暗场下图像上存在黑点区域。
因此，提高浮空扩散点FD的reset level电位非常必要。
为了解决上述问题，本发明提供一种图像传感器像素电路，包括：参考电位产生结构，所述参考电位产生结构具有参考电位输出端，所述参考电位输出端的电位低于像素驱动电源线的电位；像素单元；与像素单元中源跟随晶体管的漏极连接的切换结构，所述切换结构适于在第一连接状态和第二连接状态之间切换所述源跟随晶体管的漏极的电学连接状态，在第一连接状态下，所述源跟随晶体管的漏极与像素驱动电源线电学连接，在第二连接状态下，所述源跟随晶体管的漏极与所述参考电位输出端电学连接；列读出线，所述列读出线适于读出所述浮空扩散点的电位信息。所述图像传感器像素电路的性能得到提高。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
本发明一实施例提供一种图像传感器像素电路，请参考图2，包括：
参考电位产生结构270，所述参考电位产生结构270具有参考电位输出端，所述参考电位输出端的电位VREF低于像素驱动电源线L_VDD1的电位VDD1；
像素单元，所述像素单元包括：光电二极管200；传输晶体管210，所述传输晶体管210的源级与所述光电二极管200连接；复位晶体管220，所述复位晶体管220的漏极与像素驱动电源线L_VDD1连接；浮空扩散点FD，所述浮空扩散点FD与传输晶体管210的漏极连接且与所述复位晶体管220的源极连接；源跟随晶体管230，所述源跟随晶体管230的栅极与浮空扩散点FD连接；
与所述源跟随晶体管230的漏极连接的切换结构250，所述切换结构250适于在第一连接状态和第二连接状态之间切换所述源跟随晶体管230的漏极的电学连接状态，在第一连接状态下，所述源跟随晶体管230的漏极与像素驱动电源线L_VDD1电学连接，在第二连接状态下，所述源跟随晶体管230的漏极与所述参考电位输出端电学连接；
列读出线bL，所述列读出线bL适于读出所述浮空扩散点FD的电位信息。
所述像素单元还包括：选择晶体管240，所述选择晶体管240的漏极与所述源跟随晶体管230的源级连接，所述选择晶体管240的源级与所述列读出线bL连接。
所述切换结构250包括：第一开关251，第一开关251的一端与所述源跟随晶体管230的漏极连接，所述第一开关251的另一端与像素驱动电源线L_VDD1连接；第二开关252，第二开关252的一端与所述源跟随晶体管230的漏极连接，第二开关252的另一端与所述参考电位输出端连接。
电位VREF小于电位VDD1。
在一个具体的实施例中，电位VREF大于等于0且小于等于VDD1的80％。
本实施例中，所述参考电位输出端的电位可调。
所述像素单元和参考电位产生结构270均集成在芯片中。
在一个实施例中，参考图3，所述参考电位产生结构270包括：第一放大器Q1，所述第一放大器Q1具有第一正输入端、第一负输入端以及第一输出端，所述第一正输入端适于输入基准电位；第一晶体管M1，第一晶体管M1的漏极与外部电源连接，第一晶体管M1的源极与第一负输入端连接，第一晶体管M1的栅极与第一输出端连接；第一电阻R1，第一电阻R1的一端连接第一晶体管M1的源极，第一电阻R1的另一端接地；第二晶体管M2，第二晶体管M2的漏极与第一晶体管M1的漏极连接，第二晶体管M2的栅极与第一晶体管M1的栅极连接；第二电阻R2，第二电阻R2的一端与第二晶体管M2的源级连接，第二电阻R2的另一端接地；第二放大器Q2，第二放大器Q2具有第二正输入端、第二负输入端以及第二输出端，第二正输入端与第二晶体管M2的源级连接；第三电阻R3和第四可变电阻R4_control；第三电阻R3的一端与第二负输入端连接，第三电阻R3的另一端与第二输出端连接；第四可变电阻R4_control的一端与第二负输入端连接，第四可变电阻R4_control的另一端接地。
第二输出端为参考电位产生结构270的参考电位输出端。
所述第一正输入端适于输入基准电位，该基准电位可由带隙基准电源提供，带隙基准电源由外部电源驱动。
本实施例中，图3中的参考电位产生结构270的参考电位输出端同时驱动各列的切换结构。在一个实施例中，图3中一个参考电位产生结构270的参考电位输出端仅驱动一列的切换结构，不同列的切换结构与不同的参考电位产生结构270连接。
在另一个实施例中，参考图4，所述参考电位产生结构包括：放大器Q11，所述放大器Q11具有正输入端、负输入端以及放大输出端，所述正输入端适于输入基准电位；第三晶体管M11，第三晶体管M11的漏极与外部电源连接，第三晶体管M11的源极与负输入端连接，第三晶体管M11的栅极与放大输出端连接；第五电阻R11，第五电阻R11的一端连接第三晶体管M11的源极，第三晶体管M11的另一端接地；第四晶体管M22，第四晶体管M22的漏极与第三晶体管M11的漏极连接，第四晶体管M22的栅极与第三晶体管M11的栅极连接；第六可变电阻R22_control，第六可变电阻R22_control的一端与第四晶体管M22的源级连接，第六可变电阻R22_control的另一端接地；若干个列连接结构Q22；各个列连接结构Q22包括：第五晶体管M3，第五晶体管M3的栅极与第四晶体管M22的源级连接，第五晶体管M3的漏极与第三晶体管M11的漏极连接。不同的列连接结构Q22中的第五晶体管M3的栅极连接在一起，不同的列连接结构Q22中第五晶体管M3的漏极连接在一起。
第五晶体管M3的源级为参考电位产生结构270的参考电位输出端。
图4中每个列连接结构Q22与同一列的切换结构连接，不同的列连接结构Q22与不同的切换结构连接。
图2中具体示出了一个像素单元。
图5中示出了像素单元的数量为若干个的情况，若干个像素单元排列成阵列，对于同一行的像素单元，不同列的像素单元中的源跟随晶体管的漏极与同一个切换结构连接。
参考图6示出了像素单元的数量为若干个的情况，若干个像素单元排列成阵列，所述切换结构的数量为若干个；对于同一行的像素单元，不同列的像素单元中的源跟随晶体管的漏极分别连接不同的切换结构。
图6中图像传感器像素电路的好处包括：降低对切换结构的驱动能力的要求。
所述图像传感器像素电路还包括：内置低压差线性稳压器(内置LDO)，所述内置低压差线性稳压器的电位输出端适于给像素单元提供电源。具体的，内置低压差线性稳压器的电位输出端与像素驱动电源线L_VDD1连接。内置低压差线性稳压器具有较高的电源抑制比性能，能够较好的抵抗外部噪声的干扰。
当内置低压差线性稳压器的电位输出端与像素驱动电源线L_VDD1连接的情况下，尽管内置低压差线性稳压器提供的电位较小，就是说尽管复位晶体管的漏极的电位较小，但是由于本实施例中具有参考电位产生结构和切换结构250，当切换结构250将源跟随晶体管230的漏极的电学连接状态从第二连接状态切换至第一连接状态，会使源跟随晶体管230的漏极的电位由VREF上升至VDD1，源跟随晶体管230的漏极的电位上升会拉动浮空扩散点FD电位的上升。
本实施例中，所述内置低压差线性稳压器、像素单元以及参考电位产生结构270均集成在芯片中。
在另一个实施例中，像素驱动电源线L_VDD1与外部电源连接，所述外部电源独立于像素单元集成的芯片。
相应的，当外部电源的结构简单，外部电源提供的电位较小时，也会有：切换结构250将源跟随晶体管230的漏极的电学连接状态从第二连接状态切换至第一连接状态，会使源跟随晶体管230的漏极的电位由VREF上升至VDD1，源跟随晶体管230的漏极的电位上升会拉动浮空扩散点FD电位的上升。
相应的，本实施例还提供一种图像传感器像素电路的工作方法，包括：提供上述的图像传感器像素电路(请参考图2)；进行读出时序步骤，进行读出时序步骤包括：进行复位操作，所述复位晶体管220导通；在进行所述复位操作的过程中，所述切换结构250将所述源跟随晶体管230的漏极的电学连接状态从第一连接状态切换至第二连接状态；进行所述复位操作后，所述切换结构250将源跟随晶体管230的漏极的电学连接状态从第二连接状态切换至第一连接状态；所述切换结构250将源跟随晶体管230的漏极的电学连接状态从第二连接状态切换至第一连接状态后，所述列读出线bL对浮空扩散点FD的电位信息进行基准数据采集。
图7为图2中图像传感器像素电路的一种读出时序图。
V_RSEL是所述选择晶体管240的栅极的时序信号，当V_RSEL为高电平时，所述选择晶体管240处于导通状态，当V_RSEL为低电平时，所述选择晶体管240处于断开状态。
V_RST是所述复位晶体管220的栅极的时序信号，当V_RST为高电平时，所述复位晶体管220处于导通状态，当V_RST为低电平时，所述复位晶体管220处于断开状态。
T_SW是所述切换结构250的时序信号，当T_SW为高电平时，所述切换结构250使源跟随晶体管230的漏极处于第二连接状态，当T_SW为低电平时，所述切换结构250使源跟随晶体管230的漏极处于第一连接状态。
V_TX是所述传输晶体管210的栅极的时序信号，当V_TX为高电平时，所述传输晶体管210处于导通状态，当V_TX为低电平时，所述传输晶体管210处于断开状态。
在进行读出时序步骤中，首先复位晶体管220导通，进行复位操作，使浮空扩散点FD的电位复位至VDD1。
参考图5，在复位操作中，所述选择晶体管240处于导通状态，所述传输晶体管210处于断开状态，复位晶体管处于220导通状态。
在进行所述复位操作的过程中，所述切换结构250将源跟随晶体管230的漏极的电学连接状态从第一连接状态切换至第二连接状态，具体的，在所述复位操作的起始时刻至终结时刻之间，所述切换结构250将源跟随晶体管230的漏极的电学连接状态从第一连接状态切换至第二连接状态。
所述切换结构将源跟随晶体管的漏极的电学连接状态从第一连接状态切换至第二连接状态的步骤包括：断开第一开关251，导通第二开关252。
在第一连接状态下，所述源跟随晶体管230的漏极与像素驱动电源线L_VDD1电学连接，在第二连接状态下，所述源跟随晶体管230的漏极与所述参考电位输出端电学连接。
在复位操作的终结时刻，断开复位晶体管220，此时浮空扩散点FD的电位为resetlevel_1。
进行所述复位操作后，所述切换结构250将源跟随晶体管230的漏极的电学连接状态从第二连接状态切换至第一连接状态。
所述切换结构250将源跟随晶体管230的漏极的电学连接状态从第二连接状态切换至第一连接状态的步骤包括：导通第一开关251，断开第二开关252。
所述切换结构250将源跟随晶体管230的漏极的电学连接状态从第二连接状态切换至第一连接状态，使源跟随晶体管230的漏极的电位由VREF上升至VDD1。由于所述切换结构250将源跟随晶体管230的漏极的电学连接状态从第二连接状态切换至第一连接状态的过程中，所述浮空扩散点FD处于浮空状态，因此源跟随晶体管230的漏极的电位上升会拉动浮空扩散点FD电位的上升，当源跟随晶体管230的漏极的电位上升并稳定为VDD1时，浮空扩散点FD电位变为reset level_2，reset level_2大于reset level_1。
所述切换结构250将源跟随晶体管230的漏极的电学连接状态从第二连接状态切换至第一连接状态后，所述列读出线bL对浮空扩散点FD的电位信息进行基准数据采集。基准数据采集中，具体的，浮空扩散点FD的电位reset level_2会经过源跟随晶体管230和选择晶体管240输出至列读出线bL，从而得到第一数据。
所述读出时序步骤还包括：进行基准数据采集后，导通所述传输晶体管210，光电二极管200中的电荷对所述浮空扩散点FD进行充电，具体的，导通传输晶体管210，使光电二极管200中的电子流入至浮空扩散点FD，使浮空扩散点FD的电位在reset level_2的基础上降至电位signal level_1；光电二极管200中的电荷对所述浮空扩散点FD进行充电后，所述列读出线bL对浮空扩散点FD的电位信息进行信号数据采集。信号数据采集中，具体的，浮空扩散点FD的电位signal level_1会经过源跟随晶体管230和选择晶体管240输出至列读出线bL，从而得到第二数据。
光电二极管200中的电荷对所述浮空扩散点FD进行充电中，所述传输晶体管210处于导通状态，所述复位晶体管220处于断开状态，所述源跟随晶体管230的漏极的电学连接为第一连接状态，所述选择晶体管240处于导通状态；在信号数据采集中，所述复位晶体管220处于断开状态，所述源跟随晶体管230的漏极的电学连接为第一连接状态，所述传输晶体管210处于断开状态，所述选择晶体管240处于导通状态。
第一数据和第二数据相减得到有效读出数据。
本发明另一实施例还提供一种图像传感器像素电路，请参考图8，包括：
参考电位产生结构370，所述参考电位产生结构370具有参考电位输出端，所述参考电位输出端的电位VREF2低于像素驱动电源线L_VDD11的电位VDD11；
像素单元，所述像素单元包括：光电二极管300；传输晶体管310，所述传输晶体管310的源级与所述光电二极管300连接；复位晶体管320，所述复位晶体管320的漏极与像素驱动电源线L_VDD11连接；源跟随晶体管330；附加晶体管360；电容C；第一浮空扩散点FD1，第一浮空扩散点FD1分别与传输晶体管310的漏极、附加晶体管360的源级以及源跟随晶体管330的栅极连接；第二浮空扩散点FD2，第二浮空扩散点FD2分别与附加晶体管360的漏极、复位晶体管320的源级以及所述电容C连接；
与所述源跟随晶体管330的漏极连接的切换结构350，所述切换结构350适于在第一连接状态和第二连接状态之间切换所述源跟随晶体管330的漏极的电学连接状态，在第一连接状态下，所述源跟随晶体管330的漏极与像素驱动电源线L_VDD11电学连接，在第二连接状态下，所述源跟随晶体管330的漏极与所述参考输出端电学连接；
列读出线bL_1，所述列读出线bL_1适于读出第一浮空扩散点FD1的电位信息。
所述像素单元还包括：选择晶体管340，所述选择晶体管340的漏极与所述源跟随晶体管330的源级连接，所述选择晶体管340的源级与所述列读出线bL_1连接。
所述切换结构350包括：第一开关351，第一开关351的一端与所述源跟随晶体管330的漏极连接，所述第一开关351的另一端与像素驱动电源线L_VDD11连接；第二开关352，第二开关352的一端与所述源跟随晶体管330的漏极连接，第二开关352的另一端与所述参考电位输出端连接。
电位VREF2小于电位VDD11。
在一个具体的实施例中，电位VREF2大于等于0且小于等于VDD11的80％。
本实施例中，所述参考电位输出端的电位可调。
本实施例中，所述参考电位产生结构370的结构参考前一实施例中参考电位产生结构270的结构，不再详述。
所述像素单元以及参考电位产生结构370均集成在芯片中。
图8中具体示出了一个像素单元。
需要说明的是，当所述像素单元的数量为若干个时，若干个像素单元排列成阵列；对于同一行的像素单元，不同列的像素单元中的源跟随晶体管的漏极与同一个切换结构连接，或者，不同列的像素单元中的源跟随晶体管的漏极分别连接不同的切换结构。
本实施例中，所述图像传感器像素电路还包括：内置低压差线性稳压器(内置LDO)，所述内置低压差线性稳压器的电位输出端适于给像素单元提供电源。具体的，内置低压差线性稳压器的电位输出端与像素驱动电源线L_VDD11连接。内置低压差线性稳压器具有较高的电源抑制比性能，能够较好的抵抗外部噪声的干扰。
当内置低压差线性稳压器的电位输出端与像素驱动电源线L_VDD11连接的情况下，尽管内置低压差线性稳压器提供的电位较小，就是说尽管复位晶体管的漏极的电位较小，但是由于本实施例中具有参考电位产生结构和切换结构350，当切换结构350将源跟随晶体管330的漏极的电学连接状态从第二连接状态切换至第一连接状态，会使源跟随晶体管330的漏极的电位由VREF2上升至VDD11，源跟随晶体管330的漏极的电位上升会拉动第一浮空扩散点FD1电位的上升。
本实施例中，所述内置低压差线性稳压器、像素单元以及参考电位产生结构370均集成在芯片中。
在另一个实施例中，像素驱动电源线L_VDD11与外部电源连接，所述外部电源独立于像素单元集成的芯片。
相应的，当外部电源的结构简单，外部电源提供的电位较小时，也会有：切换结构350将源跟随晶体管330的漏极的电学连接状态从第二连接状态切换至第一连接状态，会使源跟随晶体管330的漏极的电位由VREF2上升至VDD11，源跟随晶体管330的漏极的电位上升会拉动第一浮空扩散点FD1电位的上升。
本发明还提供一种图像传感器像素电路的工作方法，包括：提供上述的图像传感器像素电路(参考图8)；进行曝光时序步骤后，进行读出时序步骤；所述读出时序步骤包括：与所述曝光时序步骤连续的附加时序步骤，在附加时序步骤中，所述附加晶体管360处于导通状态；在进行附加时序步骤的过程中，所述切换结构350将源跟随晶体管330的漏极的电学连接状态从第一连接状态切换至第二连接状态；进行所述附加时序步骤后，所述切换结构350将源跟随晶体管330的漏极的电学连接状态从第二连接状态切换至第一连接状态；所述切换结构350将源跟随晶体管330的漏极的电学连接状态从第二连接状态切换至第一连接状态后，所述列读出线bL_1对第一浮空扩散点FD1的电位信息进行第一基准数据采集；在附加时序步骤的初始时刻至第一次基准数据采集的终结时刻，所述复位晶体管320和所述传输晶体管310处于断开状态。
图9为图8中图像传感器像素电路的一种时序图。
V_RSEL1是所述选择晶体管340的栅极的时序信号，当V_RSEL1为高电平时，所述选择晶体管340处于导通状态，当V_RSEL1为低电平时，所述选择晶体管340处于断开状态。
V_RST1是所述复位晶体管320的栅极的时序信号，当V_RST1为高电平时，所述复位晶体管320处于导通状态，当V_RST1为低电平时，所述复位晶体管320处于断开状态。
T_SW1是所述切换结构350的时序信号，当T_SW1为高电平时，所述切换结构350使源跟随晶体管330的漏极处于第二连接状态，当T_SW1为低电平时，所述切换结构350使源跟随晶体管330的漏极处于第一连接状态。
V_TX1是所述传输晶体管310的栅极的时序信号，当V_TX1为高电平时，所述传输晶体管310处于导通状态，当V_TX1为低电平时，所述传输晶体管310处于断开状态。
V_F是所述附加晶体管360的栅极的时序信号，当V_F为高电平时，所述附加晶体管360处于导通状态，当V_F为低电平时，所述附加晶体管360处于断开状态。
在进行曝光时序步骤之前，还包括：进行清空步骤，在清空步骤中，所述复位晶体管320处于导通状态，所述附加晶体管360处于导通状态，所述传输晶体管310处于导通状态，选择晶体管340处于断开状态，所述清空步骤使光电二极管300的电荷清空。
在进行曝光时序步骤的过程中，所述附加晶体管360一直处于导通状态，所述选择晶体管340一直处于断开状态，所述复位晶体管320和传输晶体管310均处于断开状态。
进行曝光时序步骤后，进行读出时序步骤，在读出时序步骤中，所述选择晶体管340一直处于导通状态。
所述读出时序步骤包括：与所述曝光时序步骤连续的附加时序步骤，在附加时序步骤中，所述附加晶体管360处于导通状态，所述复位晶体管320处于断开状态，所述传输晶体管310处于断开状态。
所述读出时序步骤还包括：在进行附加时序步骤的过程中，所述切换结构350将源跟随晶体管330的漏极的电学连接状态从第一连接状态切换至第二连接状态，具体的，在所述附加时序步骤的起始时刻至终结时刻之间的时刻，所述切换结构350将源跟随晶体管330的漏极的电学连接状态从第一连接状态切换至第二连接状态。
所述切换结构350将源跟随晶体管330的漏极的电学连接状态从第一连接状态切换至第二连接状态的步骤包括：断开第一开关351，导通第二开关352。
在第一连接状态下，所述源跟随晶体管330的漏极与像素驱动电源线L_VDD11电学连接，在第二连接状态下，所述源跟随晶体管330的漏极与所述参考输出端电学连接。
在附加时序步骤的终结时刻，断开附加晶体管360，此时第一浮空扩散点FD1的电位为reset level_11。
进行所述附加时序步骤后，所述切换结构350将源跟随晶体管330的漏极的电学连接状态从第二连接状态切换至第一连接状态。
所述切换结构350将源跟随晶体管330的漏极的电学连接状态从第二连接状态切换至第一连接状态的步骤包括：导通第一开关351，断开第二开关352。
所述切换结构350将源跟随晶体管330的漏极的电学连接状态从第二连接状态切换至第一连接状态，使源跟随晶体管330的漏极的电位由VREF2上升至VDD11。由于所述切换结构350将源跟随晶体管330的漏极的电学连接状态从第二连接状态切换至第一连接状态的过程中，所述第一浮空扩散点FD1处于浮空状态，因此源跟随晶体管330的漏极的电位上升会拉动第一浮空扩散点FD1电位的上升，当源跟随晶体管330的漏极的电位上升并稳定为VDD11时，第一浮空扩散点FD1电位变为reset level_22，reset level_22大于resetlevel_11。
所述切换结构350将源跟随晶体管330的漏极的电学连接状态从第二连接状态切换至第一连接状态后，所述列读出线bL_1对第一浮空扩散点FD1的电位信息进行第一次基准数据采集。在第一次基准数据采集中，具体的，第一浮空扩散点FD1的电位reset level_22经过源跟随晶体管330和选择晶体管340输出至列读出线bL_1，从而得到第一数据。
在附加时序步骤的初始时刻至第一次基准数据采集的终结时刻，所述复位晶体管320和所述传输晶体管310处于断开状态。
在第一次基准数据采集中，所述源跟随晶体管330的漏极的电学连接状态处于第一连接状态，所述附加晶体管360处于断开状态。
所述读出时序步骤还包括：进行第一次基准数据采集后，导通所述传输晶体管310，光电二极管300中的电荷对所述第一浮空扩散点FD1进行第一充电，具体的，导通传输晶体管310，使光电二极管200中的电子流入至第一浮空扩散点FD1，使第一浮空扩散点FD1的电位在reset level_22的基础上降至电位signal level_11。在第一充电中，所述传输晶体管310处于导通状态，所述复位晶体管320处于断开状态，所述附加晶体管360处于断开状态，所述源跟随晶体管330的漏极处于第一连接状态，所述选择晶体管340处于导通状态。
所述读出时序步骤还包括：进行第一充电后，所述列读出线bL_1对第一浮空扩散点FD1的电位信息进行第一次信号数据采集，在第一次信号数据采集中，具体的，第一浮空扩散点FD1的电位signal level_11经过源跟随晶体管330和选择晶体管340输出至列读出线bL_1，从而得到第二数据。在第一次信号数据采集中，所述附加晶体管360、传输晶体管310和复位晶体管320处于断开状态，所述源跟随晶体管330的漏极的电学连接为第一连接状态，所述选择晶体管340处于导通状态。
根据第一次基准数据采集的数据和第一次信号数据采集的数据之差，获取第一有效数据，具体的，第一数据与第二数据之差得到第一有效数据。
本实施例中，所述读出时序步骤还包括：第一次信号数据采集后，打开所述附加晶体管360；之后，在所述附加晶体管360处于导通状态下，导通传输晶体管310，使光电二极管中的电荷对所述第一浮空扩散点FD1和第二浮空扩散点FD2进行第二充电；进行第二充电后，所述列读出线bL_1对第一浮空扩散点FD1的电位信息进行第二次信号数据采集，得到第三数据。在第二次信号数据采集中，传输晶体管310处于断开状态，附加晶体管360处于导通状态，复位晶体管320处于断开状态，选择晶体管处于导通状态，源跟随晶体管330的漏极的电学连接状态为第一连接状态。
在第二充电中，复位晶体管320处于断开状态，传输晶体管310处于导通状态，附加晶体管360处于导通状态。
第二次信号数据采集后，进行复位操作，在复位操作中，复位晶体管320处于导通状态，所述附加晶体管360处于导通状态，选择晶体管处于导通状态，源跟随晶体管330的漏极的电学连接状态为第一连接状态，传输晶体管310处于断开状态；进行复位操作后，所述列读出线bL_1对第一浮空扩散点FD1的电位信息进行第二次基准数据采集，得到第四数据。第四数据与第三数据之差得到第二有效数据。
第二次基准数据采集中，复位晶体管320和传输晶体管310处于断开状态，附加晶体管360处于导通状态。
本实施例中，第二有效数据可表征的图像亮度大于第一有效数据可表征的图像亮度。
将第二有效数据和第一有效数据进行融合，得到一帧完整的图像。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (21)

1.一种图像传感器像素电路，其特征在于，包括：
参考电位产生结构，所述参考电位产生结构具有参考电位输出端，所述参考电位输出端的电位低于像素驱动电源线的电位；
像素单元，所述像素单元包括：光电二极管；传输晶体管，所述传输晶体管的源级与所述光电二极管连接；复位晶体管，所述复位晶体管的漏极与像素驱动电源线连接；浮空扩散点，所述浮空扩散点与传输晶体管的漏极连接且与所述复位晶体管的源极连接；源跟随晶体管，所述源跟随晶体管的栅极与所述浮空扩散点连接；
与所述源跟随晶体管的漏极连接的切换结构，所述切换结构适于在第一连接状态和第二连接状态之间切换所述源跟随晶体管的漏极的电学连接状态，在第一连接状态下，所述源跟随晶体管的漏极与像素驱动电源线电学连接，在第二连接状态下，所述源跟随晶体管的漏极与所述参考电位输出端电学连接；
列读出线，所述列读出线适于读出所述浮空扩散点的电位信息。
2.根据权利要求1所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述切换结构包括：第一开关，第一开关的一端与所述源跟随晶体管的漏极连接，所述第一开关的另一端与像素驱动电源线连接；第二开关，第二开关的一端与所述源跟随晶体管的漏极连接，第二开关的另一端与所述参考电位输出端连接。
3.根据权利要求1所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述参考电位输出端的电位可调。
4.根据权利要求1所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述像素单元的数量为若干个，若干个像素单元排列成阵列；对于同一行的像素单元，不同列的像素单元中的源跟随晶体管的漏极与同一个切换结构连接。
5.根据权利要求1所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述像素单元的数量为若干个，若干个像素单元排列成阵列；所述切换结构的数量为若干个；对于同一行的像素单元，不同列的像素单元中的源跟随晶体管的漏极分别连接不同的切换结构。
6.根据权利要求1所述的图像传感器像素电路，其特征在于，还包括：选择晶体管，所述选择晶体管的漏极与所述源跟随晶体管的源级连接，所述选择晶体管的源级与所述列读出线连接。
7.一种图像传感器像素电路的工作方法，其特征在于，包括：
提供如权利要求1至5任意一项的图像传感器像素电路；
进行读出时序步骤，进行读出时序步骤包括：
进行复位操作，所述复位晶体管导通；
在进行所述复位操作的过程中，所述切换结构将所述源跟随晶体管的漏极的电学连接状态从第一连接状态切换至第二连接状态；
进行所述复位操作后，所述切换结构将源跟随晶体管的漏极的电学连接状态从第二连接状态切换至第一连接状态；
所述切换结构将源跟随晶体管的漏极的电学连接状态从第二连接状态切换至第一连接状态后，所述列读出线对浮空扩散点的电位信息进行基准数据采集。
8.根据权利要求7所述图像传感器像素电路的工作方法，其特征在于，所述图像传感器像素电路还包括：选择晶体管；所述选择晶体管的漏极与所述源跟随晶体管的源级连接，所述选择晶体管的源级与所述列读出线连接。
9.根据权利要求8所述图像传感器像素电路的工作方法，其特征在于，在所述复位操作中，所述选择晶体管处于导通状态，所述传输晶体管处于断开状态。
10.根据权利要求7所述图像传感器像素电路的工作方法，其特征在于，所述切换结构包括：第一开关，第一开关的一端与所述源跟随晶体管的漏极连接，第一开关的另一端与像素驱动电源线连接；第二开关，第二开关的一端与所述源跟随晶体管的漏极连接，第二开关的另一端与所述参考电位输出端连接；
所述切换结构将源跟随晶体管的漏极的电学连接状态从第一连接状态切换至第二连接状态的步骤包括：断开第一开关，导通第二开关；
所述切换结构将源跟随晶体管的漏极的电学连接状态从第二连接状态切换至第一连接状态的步骤包括：导通第一开关，断开第二开关。
11.根据权利要求8所述图像传感器像素电路的工作方法，其特征在于，所述读出时序步骤还包括：进行所述基准数据采集后，导通所述传输晶体管，光电二极管中的电荷对所述浮空扩散点进行充电；光电二极管中的电荷对所述浮空扩散点进行充电后，所述列读出线对浮空扩散点的电位信息进行信号数据采集；光电二极管中的电荷对所述浮空扩散点进行充电中，所述复位晶体管处于断开状态，所述源跟随晶体管的漏极的电学连接为第一连接状态，所述传输晶体管处于导通状态，所述选择晶体管处于导通状态；在所述信号数据采集中，所述复位晶体管处于断开状态，所述源跟随晶体管的漏极的电学连接为第一连接状态，所述传输晶体管处于断开状态，所述选择晶体管处于导通状态。
12.一种图像传感器像素电路，其特征在于，包括：
参考电位产生结构，所述参考电位产生结构具有参考电位输出端，所述参考电位输出端的电位低于像素驱动电源线的电位；
像素单元，所述像素单元包括：光电二极管；传输晶体管，所述传输晶体管的源级与所述光电二极管连接；复位晶体管，所述复位晶体管的漏极与像素驱动电源线连接；源跟随晶体管；附加晶体管；电容；第一浮空扩散点，第一浮空扩散点分别与传输晶体管的漏极、附加晶体管的源级以及源跟随晶体管的栅极连接；第二浮空扩散点，第二浮空扩散点分别与附加晶体管的漏极、复位晶体管的源级以及所述电容连接；
与所述源跟随晶体管的漏极连接的切换结构，所述切换结构适于在第一连接状态和第二连接状态之间切换所述源跟随晶体管的漏极的电学连接状态，在第一连接状态下，所述源跟随晶体管的漏极与像素驱动电源线电学连接，在第二连接状态下，所述源跟随晶体管的漏极与参考输出端电学连接；
列读出线，所述列读出线适于读出第一浮空扩散点的电位信息。
13.根据权利要求12所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述切换结构包括：第一开关，第一开关的一端与所述源跟随晶体管的漏极连接，所述第一开关的另一端与像素驱动电源线连接；第二开关，第二开关的一端与所述源跟随晶体管的漏极连接，第二开关的另一端与所述参考电位输出端连接。
14.根据权利要求12所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述参考电位输出端的电位可调。
15.根据权利要求12所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述像素单元的数量为若干个，若干个像素单元排列成阵列；对于同一行的像素单元，不同列的像素单元中的源跟随晶体管的漏极与同一个切换结构连接。
16.根据权利要求12所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述像素单元的数量为若干个，若干个像素单元排列成阵列；对于同一行的像素单元，不同列的像素单元中的源跟随晶体管的漏极分别连接不同的切换结构。
17.根据权利要求12所述的图像传感器像素电路，其特征在于，还包括：选择晶体管，所述选择晶体管的漏极与所述源跟随晶体管的源级连接，所述选择晶体管的源级与所述列读出线连接。
18.一种图像传感器像素电路的工作方法，其特征在于，包括：
提供如权利要求12至17任意一项的图像传感器像素电路；
进行曝光时序步骤后，进行读出时序步骤；
所述读出时序步骤包括：与所述曝光时序步骤连续的附加时序步骤，在附加时序步骤中，所述附加晶体管处于导通状态；在进行附加时序步骤的过程中，所述切换结构将所述源跟随晶体管的漏极的电学连接状态从第一连接状态切换至第二连接状态；进行所述附加时序步骤后，所述切换结构将源跟随晶体管的漏极的电学连接状态从第二连接状态切换至第一连接状态；所述切换结构将源跟随晶体管的漏极的电学连接状态从第二连接状态切换至第一连接状态后，所述列读出线对第一浮空扩散点的电位信息进行第一次基准数据采集；
在附加时序步骤的初始时刻至第一次基准数据采集的终结时刻，所述复位晶体管和所述传输晶体管处于断开状态。
19.根据权利要求18所述图像传感器像素电路的工作方法，其特征在于，所述切换结构包括：第一开关，第一开关的一端与所述源跟随晶体管的漏极连接，所述第一开关的另一端与像素驱动电源线连接；第二开关，第二开关的一端与所述源跟随晶体管的漏极连接，第二开关的另一端与所述参考电位输出端连接；
所述切换结构将源跟随晶体管的漏极的电学连接状态从第一连接状态切换至第二连接状态的步骤包括：断开第一开关，导通第二开关；
所述切换结构将源跟随晶体管的漏极的电学连接状态从第二连接状态切换至第一连接状态的步骤包括：导通第一开关，断开第二开关。
20.根据权利要求18所述图像传感器像素电路的工作方法，其特征在于，所述图像传感器像素电路还包括：选择晶体管；所述选择晶体管的漏极与所述源跟随晶体管的源级连接，所述选择晶体管的源级与所述列读出线连接。
21.根据权利要求20所述图像传感器像素电路的工作方法，其特征在于，所述读出时序步骤还包括：进行第一次基准数据采集后，导通所述传输晶体管，光电二极管中的电荷对所述第一浮空扩散点进行第一充电；在第一充电中，所述附加晶体管和复位晶体管处于断开状态，所述源跟随晶体管的漏极的电学连接状态为第一连接状态，所述传输晶体管处于导通状态，所述选择晶体管处于导通状态；进行第一充电后，所述列读出线对第一浮空扩散点的电位信息进行第一次信号数据采集；在第一次信号数据采集中，所述附加晶体管、传输晶体管和复位晶体管处于断开状态，所述源跟随晶体管的漏极的电学连接为第一连接状态，所述选择晶体管处于导通状态；根据第一次基准数据采集的数据和第一次信号数据采集的数据之差，获取第一有效数据。
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