CN109819183B - 一种提高动态范围的像素结构与驱动方式 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种提高动态范围的像素结构与驱动方式。该像素结构包括N型MOS管M1‑M6，M1为像素传输管，M2、M3为开关管，M4为FD节点的复位管，M5为源级跟随器，M6为像素选通管，M1的源端接光电二极管PPD，漏端接FD节点和M5的栅极，M2、M3源端接M1栅极，M3漏端接电源Vramp，M4的源端接FD节点，漏端接电源电压VDD，M5的漏端接电源VDD，源端接M6的漏端。本发明通过在像素曝光过程中，使传输栅电势从大到小变化，降低PPD达到饱和的速度，从而提升传感器响应光照量的范围，提升传感器动态范围。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，特别是涉及一种提高动态范围的像素结构与驱动方式。
背景技术
受图像传感器中光电二极管的阱容量限制，常规CMOS图像传感器的动态范围只有60-70dB，而人眼具有约100dB的动态范围，故在较大光照变化的环境下无法拍摄出高质量图像，对提升图像传感器动态范围性能的研究不断发展。
已有的提升传感器动态范围的方法包括利用对数传感器实现对数响应、多次采样等，但对数传感器在低光强度下具有较大噪声，易造成图像拖尾，多次采样技术要求复杂的时序设计。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种提高动态范围的像素结构与驱动方式。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种提高动态范围的像素结构，包括六个N型MOS管，其中，N型MOS管M1为像素传输管，N型MOS管M2与N型MOS管M3为开关管，N型MOS管M4为FD节点的复位管，N型MOS管M5为源级跟随器，N型MOS管M6为像素选通管；N型MOS管M1的源端接光电二极管PPD、漏端接FD节点和N型MOS管M5的栅极；N型MOS管M2与N型MOS管M3源端接N型MOS管M1栅极，N型MOS管M3漏端接电源Vramp，N型MOS管M2的漏端接控制信号TX，N型MOS管M2与N型MOS管M3栅极分别接开关SW1、SW2，N型MOS管M4的源端接FD节点、漏端接电源电压VDD；N型MOS管M5的漏端接电源VDD，源端接N型MOS管M6的漏端。
本发明还提供一种提高动态范围的像素结构的驱动方式，在积分过程中，N型MOS管M3选通，N型MOS管M2断开，电源Vramp由高变低；
在复位与读出阶段，N型MOS管M2选通，N型MOS管M3断开；读出阶段，N型MOS管M6导通选中像素，首先N型MOS管M4导通，置空FD中的电荷，读出复位电压，之后N型MOS管M1选通，使PPD中电荷转移到FD中，读出信号电压，读出完成后，N型MOS管M1、N型MOS管M4同时选通，进行复位。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过在像素曝光过程中，使传输栅电势从大到小变化，降低PPD达到饱和的速度，从而提升传感器响应光照量的范围，提升传感器动态范围。
附图说明
图1所示为提高动态范围的像素结构；
图2是工作时序图；
图3a-3b分别是积分过程以及读出与复位过程的状态图；
图4a是积分过程中PPD阱容量调节过程示意图；
图4b是PPD积累中电子数QPPD与入射光生电子数Qphoton的关系图；
图5a-5b是电荷传输与沟道势垒变化图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提高动态范围的像素结构，在4T像素结构基础上实现，通过添加SW1、SW2开关以用于切换TG传输栅的工作状态，像素具体结构如图1所示，包括N型MOS管M1-M6，M1为像素传输管，M2、M3为开关管，M4为FD节点的复位管，M5为源级跟随器，M6为像素选通管，M1的源端接光电二极管PPD，漏端接FD节点和M5的栅极，M2、M3源端接M1栅极，M3漏端接电源Vramp，M4的源端接FD节点，漏端接电源电压VDD，M5的漏端接电源VDD，源端接M6的漏端。
像素工作时序与工作方式，分别如图2和图3a-3b所示。在积分过程中，通过开关SW2选通，SW1断开，使得由开关SW2、SW1对应控制的N型MOS管M3选通，N型MOS管M2断开，电源Vramp由高变低；在复位与读出阶段，通过开关SW2断开，SW1选通，控制使N型MOS管M2选通，N型MOS管M3断开，工作时序与传统四管像素相同。
在像素曝光过程中，通过电源Vramp的变化使传输栅电势从大到小变化，对PPD的阱容量进行调节，从而降低PPD达到饱和的速度，提升传感器动态范围。对于低光照度与高光照度，分别对线性与非线性响应曲线，保证了低光照环境下的灵敏度。提出的方法与传统方法对比，对动态范围的影响如图4b所示。
图4a为积分过程中PPD阱容量调节过程，FWC_fixed为积分时间开始、Vramp最高时的PPD阱容量，FWC为积分时间结束、Vramp最低时的PPD阱容量；图4b为PPD积累中电子数QPPD与入射光生电子数Qphoton的关系，Q_sat1为传统结构中使PPD饱和的入射光生电子数，Q_sat2为本发明结构中使PPD饱和的入射光生电子数。
图5a为低光照条件下PPD中电荷随TG势垒变化的过程；图5b为高光照条件下PPD中电荷随TG势垒变化的过程。其中tint0、tint1与tint2分别为积分时间开始、积分过程中和积分时间结束对应的时刻。
(1)积分过程：
如图3a所示，积分时，N型MOS管M3选通，N型MOS管M2断开，在图3a电源Vramp由高变低的过程中，传输栅TG处的势垒如图4a所示，随着积分时间增加，势垒增大，FWC_fixed为积分开始时PPD阱容量，FWC为积分结束时PPD阱容量。如图4b所示，在低照度环境中，入射光生电子数小于FWC_fixed，PPD中电荷积累过程如图5a所示，此时TG势垒变化不影响PPD中电荷积累，PPD积累中电子数QPPD与入射光生电子数Qphoton的关系与传统结构相同，保证了低光照度下的高灵敏度；在高光照条件下，入射光生电子数大于FWC_fixed，PPD中电荷积累过程如图5b所示，此时由于TG势垒由低到高变化，导致积分过程中，部分光生电子从PPD溢出到FD，PPD中剩余电子的数量QPPD对入射光电子数量Qphoton的响应曲线的斜率变小(如图4b中所示)，即电子在PPD中的积累速度减慢，PPD达到饱和的速度降低，从而使相同的满阱容量FWC可以对应的光照量区分范围由Q_sat1增加为Q_sat2，提升像素的动态范围。
(2)复位与读出过程：
如图3b所示，在复位与读出阶段，N型MOS管M2选通，N型MOS管M3断开(开关SW1选通，开关SW2断开)。图3b所示，读出阶段，SEL管(N型MOS管M6)导通选中像素，首先N型MOS管M4导通，置空FD中的电荷，读出复位电压，之后N型MOS管M1选通，使PPD中电荷转移到FD中，读出信号电压。读出完成后，N型MOS管M1、N型MOS管M4同时选通，进行复位。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种提高动态范围的像素结构，其特征在于，包括六个N型MOS管，其中，N型MOS管M1为像素传输管，N型MOS管M2与N型MOS管M3为开关管，N型MOS管M4为FD节点的复位管，N型MOS管M5为源级跟随器，N型MOS管M6为像素选通管；N型MOS管M1的源端接光电二极管PPD、漏端接FD节点和N型MOS管M5的栅极；N型MOS管M2与N型MOS管M3源端接N型MOS管M1栅极，N型MOS管M3漏端接电源Vramp，N型MOS管M2的漏端接控制信号TX，N型MOS管M2与N型MOS管M3栅极分别接开关SW1、SW2；N型MOS管M4的源端接FD节点、漏端接电源电压VDD；N型MOS管M5的漏端接电源VDD，源端接N型MOS管M6的漏端。
2.如权利要求1所述提高动态范围的像素结构的驱动方式，其特征在于，在积分过程中，N型MOS管M3选通，N型MOS管M2断开，电源Vramp由高变低；
在复位与读出阶段，N型MOS管M2选通，N型MOS管M3断开；读出阶段，N型MOS管M6导通选中像素，首先N型MOS管M4导通，置空FD中的电荷，读出复位电压，之后N型MOS管M1选通，使PPD中电荷转移到FD中，读出信号电压，读出完成后，N型MOS管M1、N型MOS管M4同时选通，进行复位。
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