CN110390317A - 像素电路、像素阵列以及光学指纹传感器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开一种像素电路、像素阵列以及光学指纹传感器，其中，一种像素电路，包括：光感测器件；重置开关；传送开关；所述传送开关串接于所述光感测器件和所述重置开关之间；所述传送开关和所述重置开关之间具有第一连接节点；与所述第一连接节点连接的调整模块；所述调整模块能够将所述第一连接节点的节点转换电容从第一电容值提升至大于所述第一电容值的第二电容值。该像素电路、像素阵列以及光学指纹传感器能够在缩短曝光时间的基础上提升指纹图像的信噪比和有效动态范围。
Description
技术领域
本申请涉及指纹识别领域，尤其涉及一种像素电路、像素阵列以及光学指纹传感器。
背景技术
目前，在光学指纹传感系统中，为了得到清晰指纹图像，以及最大指纹谷和指纹脊差，提升指纹解析度，现有手段一般会尽可能提高曝光时间，使得指纹图像灰度尽可能最大。但是，这样会导致曝光时间过长，影响用户解锁时间和体验效果。
另外，在实际光学指纹系统中，提升指纹图像的有效动态范围以及信噪比，指纹解析度对指纹识别和解锁才有意义。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本申请的一个目的是提供一种像素电路、像素阵列以及光学指纹传感器，以能够在缩短曝光时间的基础上提升指纹图像的信噪比和有效动态范围。
本申请还有一个目的是提供一种光学指纹传感器，以能够降低固定图形噪声以及重置开关噪声。
为达到上述至少一个目的，本申请采用如下技术方案：
一种像素电路，包括：
光感测器件；
重置开关；
传送开关；所述传送开关串接于所述光感测器件和所述重置开关之间；所述传送开关和所述重置开关之间具有第一连接节点；
与所述第一连接节点连接的调整模块；所述调整模块能够将所述第一连接节点的节点转换电容从第一电容值提升至大于所述第一电容值的第二电容值。
作为一种优选的实施方式，所述调整模块包括：转换电容开关、第一转换电容、跟随开关；其中，所述转换电容开关串接于所述第一连接节点和所述第一转换电容之间；所述第一转换电容的一端接地；
所述跟随开关连接至所述转换电容开关和第一转换电容之间的第二连接节点；所述跟随开关的漏端用于连接有源负载；
所述跟随开关的栅端用于输入转换控制信号；所述转换电容开关的栅端用于输入所述转换控制信号的反相信号。
作为一种优选的实施方式，所述第一连接节点在所述跟随开关导通以及所述转换电容开关断开时处于第一电容值；所述第一连接节点在所述跟随开关断开以及所述转换电容开关导通时处于第二电容值。
作为一种优选的实施方式，所述调整模块还包括用于向所述跟随开关输入所述转换控制信号以及向所述转换电容开关输入所述反相信号的控制器。
作为一种优选的实施方式，所述第一连接节点的节点转换电容处于第一电容值的时长在处于第一电容值和第二电容值的总时长的20％以上。
作为一种优选的实施方式，所述第一连接节点的节点转换电容处于第一电容值的时长可调。
作为一种优选的实施方式，所述像素电路还包括连接所述第一连接节点和所述调整模块的单位增益缓冲器；所述单位增益缓冲器用于使所述第一转换电容的电压跟随输入信号变化。
作为一种优选的实施方式，所述单位增益缓冲器包括：正相输入电路、反相输入电路以及有源负载；
所述正相输入电路包括正相输入端，所述正相输入端连接至所述传送开关和所述重置开关之间的第一连接节点；所述反相输入电路包括反相输入端，所述有源负载包括输出端，所述输出端连接至所述反相输入端，所述跟随开关的漏端连接至所述输出端；所述正相输入电路和所述反相输入电路连接至提供工作电流的电流源。
一种像素电路，包括：
光感测器件；
重置开关；
传送开关；所述传送开关串接于所述光感测器件和所述重置开关之间；所述传送开关和所述重置开关之间具有第一连接节点；
与所述第一连接节点连接的调整模块；所述调整模块能够将节点电压从第一下降速率减小至第二下降速率；其中，第二下降速率小于第一下降速率。
一种像素阵列，包括：多个像素电路、反相输入电路、有源负载；其中，每个所述像素电路包括光感测器件、传送开关、重置开关、调整模块以及正相输入电路；
所述传送开关串接于所述光感测器件和所述重置开关之间；所述传送开关和所述重置开关之间具有第一连接节点；
与所述第一连接节点连接的调整模块；所述调整模块能够将所述第一连接节点的节点转换电容从第一电容值提升至大于所述第一电容值的第二电容值；
所述正相输入电路包括正相输入端，所述正相输入端连接至所述传送开关和所述重置开关之间的第一连接节点。
作为一种优选的实施方式，多个所述像素电路共同连接一个所述反相输入电路、以及一个所述有源负载；多个所述像素电路中的一个像素电路被选择时，被选择的像素电路的正相输入电路通过所述反相输入电路和有源负载形成一单位增益缓冲器。
一种光学指纹传感器，包括：如上任意一项所述像素电路，或者，如上任意一个实施方式所述的像素阵列；行驱动电路；相关双采样放大电路、可编程增益放大器、模数转换器、和列驱动电路；
其中，所述相关双采样放大电路包括相关双采样电路和自动校零差分放大电路；所述相关双采样电路能够在曝光时间中对所述第一连接节点的节点电压采样至少两次，以获取光感测信号和重置信号；所述自动校零差分放大电路能够对所述光感测信号和重置信号的差分信号进行放大。
作为一种优选的实施方式，所述相关双采样电路包括信号输入端、重置信号输出端以及光感测信号输出端；所述信号输入端连接至所述像素阵列的输出端；
所述自动校零差分放大电路包括正相输入端、反相输入端、正相输出端以及反相输出端，其中，正相输入端和反相输入端分别连接至所述相关双采样电路的光感测信号输出端和所述重置信号输出端。
作为一种优选的实施方式，所述相关双采样电路包括重置信号采样开关、光感测信号采样开关、重置信号保持电容、光感测信号保持电容、第一共模电平控制开关以及第二共模电平控制开关；
所述重置信号采样开关串接至所述信号输入端和所述重置信号保持电容之间；所述重置信号保持电容串接至所述重置信号采样开关和所述重置信号输出端之间；所述光感测信号采样开关串接至所述信号输入端和所述光感测信号保持电容之间；所述光感测信号保持电容串接至所述光感测信号采样开关和所述光感测信号输出端之间；所述第一共模电平控制开关连接至所述重置信号采样开关和所述重置信号保持电容的连接节点，所述第二共模电平控制开关连接至所述光感测信号采样开关和所述光感测信号保持电容的连接节点，用于输出重置信号和光感测信号。
作为一种优选的实施方式，所述自动校零差分放大电路包括差分放大器、第一反馈电容、第二反馈电容、第一放大控制开关、第二放大控制开关、第一校零控制开关、第二校零控制开关、第三校零控制开关、第四校零控制开关；所述差分放大器的正相输入端连接至所述相关双采样电路的光感测信号输出端，所述差分放大器的反相输入端连接至所述相关双采样电路的重置信号输出端；
所述第一反馈电容串接至所述差分放大器的反相输入端与所述第一放大控制开关和第一校零控制开关的连接节点之间；所述第二反馈电容串接至所述差分放大器的正相输入端与所述第二放大控制开关和第二校零控制开关的连接节点之间；所述第三校零控制开关串接至所述差分放大器的反相输入端与其正相输出端之间，所述第四校零控制开关串接至所述差分放大器的正相输入端与其反相输出端之间。
有益效果：
本实施例所提供的像素电路通过连接第一连接节点的调整模块在曝光时间中将第一连接节点的节点转换电容从第一电容值提升至第二电容值，在处于第一电容值时节点转换电容较小，转换增益高，所需曝光时间少，然后，节点转换电容增大至电容值较高的第二电容值，转换增益低，进而降低信号噪声。因此，本实施例中的像素电路通过改变节点转换电容来改变转换增益，提高信噪比，同时可以减少曝光时间提高系统工作频率。
参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。
针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一个实施例应用的光学指纹传感器结构示意图。
图2为传统的4T像素电路。
图3为图1中的像素电路。
图4为图3像素电路的工作时序图。
图5为图3与传统4T像素电路的曝光时间对比图。
图6为图1中的一种像素阵列。
图7为图1中的一种相关双采样放大电路结构示意图。
图8为图7中的相关双采样放大电路的工作时序图。
附图标记说明：
1 像素阵列
2 像素电路
Vpix 第一参考电压
RST 重置控制信号
TX 传送控制信号
SEL 选择控制信号
T1 转换控制信号
T1B 转换控制信号的反相信号
AVDD 电源电压
Vout 像素电路的输出信号
VN 单位增益缓冲器的反相输入端
VP 单位增益缓冲器的正相输入端
9 单位增益缓冲器的正相输入电路
10 单位增益缓冲器的反相输入电路
11 单位增益缓冲器的有源负载
12 电流源
13 自动校零差分放大电路
14 差分放大器
15 重置信号采样开关
16 光感测信号采样开关
17 第一共模电平控制开关
18 第二共模电平控制开关
19 第一放大控制开关
20 第二放大控制开关
21 第一校零控制开关
22 第二校零控制开关
23 第三校零控制开关
24 第四校零控制开关
Vcom 共模电平
VR 重置信号
VS 光感测信号
P1 第一阶段
P2 第二阶段
P3 第三阶段
P4 第四阶段
P5 第五阶段
P6 第六阶段
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的另一个元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中另一个元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1、图3至图7。本申请的实施例中公开了一种光学指纹传感器，所述光学指纹传感器的每个像素电路在工作时可通过改变节点转换电容来改变转换增益，提高信噪比和有效动态范围，减少曝光时间提高系统工作频率，像素阵列的输出信号经相关双采样放大电路采样放大，降低固定图形噪声和重置开关噪声，减少放大器误差。以下配合多个实施例及图式，详细说明本申请的光学指纹传感器的技术内容。
请参阅图1所示，本申请一个实施例所提供的光学指纹传感器包括由像素阵列1、行驱动电路2、单位增益缓冲器3、相关双采样放大电路4、可编程增益放大器5、模数转换电路6以及列驱动电路7。其中，像素阵列1由多个像素电路8构成。
请参阅图2所示，该像素电路是一个传统的4T像素电路，包括光感测器件PPD、传送开关MN1、重置开关MN2、源跟随级MN3以及选择开关MN4。节点FD处的电容(包括寄生电容)为节点转换电容CFD，则像素电路的转换增益AP(其中，q为电子电荷，转换电容固定，则转换增益也是固定值)为：
传统的4T像素电路中节点FD处的转换电容CFD值较小，一般为几个F，因此信噪比不高，有效动态范围较小，指纹谷和指纹脊识别度不高。
基于上述对传统的4T像素电路的分析，可以看出可以通过提高节点FD处的转换电容CFD来提高信噪比和有效动态范围，增加指纹谷和指纹脊识别度。但是，进一步研究发现单纯的提高转换电容CFD会导致转换增益AP降低，增加曝光时间。因此，为了提高信噪比和有效动态范围，减少曝光时间，本申请的一个实施例提供了如下一种改进型像素电路，请参阅图3所示。
在本实施例中，该像素电路包括：光感测器件PPD；重置开关MN2；传送开关MN1、调整模块。重置开关MN2连接至第一参考电压Vpix。所述传送开关MN1串接于所述光感测器件PPD和所述重置开关MN2之间。所述传送开关MN1和所述重置开关MN2之间具有第一连接节点FD。调整模块与所述第一连接节点FD连接。所述调整模块能够将所述第一连接节点FD的节点转换电容从第一电容值提升至大于所述第一电容值的第二电容值。
本实施例所提供的像素电路通过连接第一连接节点FD的调整模块在可以在曝光时间中将第一连接节点FD的节点转换电容从第一电容值提升至第二电容值，在处于第一电容值时节点转换电容较小，转换增益AP高，所需曝光时间少，然后节点转换电容增大至第二电容值，电容值较高，转换增益AP低，进而降低信号噪声。因此，本实施例中的像素电路通过改变节点转换电容来改变转换增益，提高信噪比，同时可以减少曝光时间提高系统工作频率。
在本实施例中，调整模块可以具有第一转换电容CFD1，利用预设开关按照期望时机导通使第一转换电容CFD1串联至第一连接节点FD，实现增大节点转换电容。其中，第二电容值相较于第一电容值增加第一转换电容的电容值。当然，在其他实施例中可以提供多个第一转换电容CFD1，或者，多个可以开关的连接第一连接节点FD的电容调节支路(比如多个调整模块)，通过调节第一连接节点FD的节点转换电容所包含的第一转换电容CFD1的数量，实现第一连接节点FD的节点转换电容的电容值按照期望控制。
预设开关可以包括转换电容开关MN5、以及跟随开关MN6。预设开关可以连接有控制器(未示出)，控制器通过向预设开关发送控制信号(例如高低电平信号)，实现预设开关的导通断开。具体的，所述调整模块包括：转换电容开关MN5、第一转换电容CFD1、跟随开关MN6。其中，所述转换电容开关MN5串接于所述第一连接节点FD和所述第一转换电容CFD1之间；所述第一转换电容CFD1的一端接地。
所述跟随开关MN6连接至所述转换电容开关MN5和第一转换电容CFD1之间的第二连接节点FD1。所述跟随开关MN6的漏端用于连接有源负载。所述跟随开关MN6的栅端用于输入转换控制信号T1。所述转换电容开关MN5的栅端用于输入所述转换控制信号的反相信号T1B。需要说明的是，T1B控制MN5，T1控制MN6，T1B和T1两个信号反相，即T1为高电平时T1B为低电平，T1为低电平时T1B为高电平；MN5和MN6都是NMOS晶体管，NMOS的栅端为高电平时，则NMOS导通；NMOS的栅端为低电平时，则NMOS断开。
为实现调整模块的自动控制，所述调整模块还包括用于向所述跟随开关MN6输入所述转换控制信号T1以及向所述转换电容开关MN5输入所述反相信号T1B的控制器。其中，控制器可以通过控制向跟随开关MN6以及转换电容开关MN5输入转换控制信号T1以及反相信号T1B的时长，从而调整所述第一连接节点FD的节点转换电容处于第一电容值的时长(也即下述处于第一阶段的时长)，使得所述第一连接节点FD的节点转换电容处于第一电容值的时长可调。为有效缩短曝光时长，同时降低信噪比，提升有效动态范围，所述第一连接节点FD的节点转换电容处于第一电容值的时长在处于第一电容值和第二电容值的总时长的20％以上。
在本实施例中，调整模块可以具有第一状态和第二状态。在第一状态下，跟随开关MN6导通以及转换电容开关MN5断开，第一连接节点FD的节点转换电容处于第一电容值。在第二状态下，跟随开关MN6断开以及转换电容开关MN5导通，第一连接节点FD的节点转换电容处于第二电容值。也即，所述第一连接节点FD在所述跟随开关MN6导通以及所述转换电容开关MN5断开时处于第一电容值；所述第一连接节点FD在所述跟随开关MN6断开以及所述转换电容开关MN5导通时处于第二电容值。
像素电路在曝光时间中，控制器可以通过控制输入转换控制信号、以及其反相信号实现调整模块从第一状态向第二状态切换，从而增大第一连接节点FD的节点转换电容。相应的，在曝光时间中，对应于调整模块的第一状态和第二状态，像素电路的运行可以具有第一阶段(P1)以及第二阶段(P2)。
在曝光时，光感测器件PPD会产生光电流，第一连接节点FD的节点转换电容被放电，第一连接节点FD的节点转换电容的电压减小，此时节点转换电容的电压变化视为输入信号，而单位增益缓冲器使得第一转换电容CFD1的电压跟随转换电容的电压变化。具体的，本实施例的像素电路在第一阶段P1时，转换电容开关MN5断开，跟随开关MN6导通(T1信号为高电平信号，相应的，T1B为低电平信号)，此时，第一转换电容CFD1的电压经单位增益缓冲器跟随输入信号变动而变动。
在第二阶段P2时，转换电容开关MN5导通，跟随开关MN6断开(T1信号为低电平信号，相应的，T1B为高电平信号)，第一转换电容CFD1通过转换电容开关MN5连接至传送开关MN1和重置开关MN2的第一连接节点FD，像素电路的转换电容增加。
在第一阶段P1，节点转换电容为传送开关MN1和重置开关MN2的第一连接节点FD处的寄生电容。在第二阶段P2，节点转换电容为寄生电容加上第一转换电容CFD1，进而节点转换电容变大。如此，在第一阶段P1时，像素电路的节点转换电容值小，转换增益高，所需曝光时间少，切换至第二阶段P2时，所述像素电路的转换电容增大，转换增益低，噪声降低。因此，本实施例的像素电路通过改变节点转换电容来改变转换增益，提高信噪比，同时可以减少曝光时间提高系统工作频率。
进一步地，本实施例所提供的像素电路还可以包括连接所述第一连接节点FD和所述调整模块的单位增益缓冲器3。所述单位增益缓冲器3用于使所述第一转换电容CFD1的电压跟随输入信号变化。具体的，本实施例所改进的像素电路包括光感测器件PPD、传送开关MN1、重置开关MN2、转换电容开关MN5、第一转换电容CFD1、跟随开关MN6以及单位增益缓冲器3。
本实施例所提供的像素电路通过设有单位增益缓冲器3，可以增加信号线性度，使输出信号跟随输入信号线性变化，同时驱动第一转换电容CFD1的电压跟随输入信号变动而变动。第一转换电容CFD1的大小是固定。传送开关MN1和重置开关MN2的第一连接节点FD处的节点转换电容包括寄生电容。当转换电容开关MN5导通时，第一转换电容CFD1通过转换电容开关MN5连接到传送开关MN1和重置开关MN2的第一连接节点FD，使得节点转换电容增大。
具体的，MN1、MN2、MN5以及MN6均为NMOS晶体管，CFD1可以是MOS电容、MIM电容或MOM电容。传送开关MN1串接于光感测器件PPD和重置开关MN2之间，传送开关MN1的栅端接至传送控制信号TX(也即，用于输入传送控制信号TX)。重置开关MN2的漏端接至第一参考电压Vpix，其栅端接至重置控制信号RST(也即，用于输入重置控制信号RST)。转换电容开关MN5串接于第一连接节点FD(第一连接节点FD位于重置开关MN2和传送开关MN1之间)和第一转换电容CFD1(第一转换电容CFD1一端连接第二连接节点FD1，另一端接地)之间，其栅端接转换控制信号的反相信号T1B；跟随开关MN6接至第二连接节点FD1，其栅端接转换控制信号T1。
需要说明的是，第一连接节点FD并不是位置上位于重置开关MN2和传送开关MN1之间，而是位于将二者连接的导线上的某一点，只要该二者之间电动势相同的点均可以视为位于重置开关MN2和传送开关MN1之间。
单位增益缓冲器3可以使第一转换电容CFD1的电压线性跟随输入信号变化，改善像素电路的光电转换曲线的线性度。具体的，单位增益缓冲器3包括正相输入电路9、反相输入电路10以及有源负载11。正相输入电路9包括正相输入端VP，正相输入端VP接至第一连接节点FD；反相输入电路10包括反相输入端VN。有源负载11包括输出端Vout，输出端Vout连接至反相输入端VN和跟随开关MN6的漏端。正相输入电路9和反相输入电路10连接至电流源12，由电流源12提供工作电流。
具体的，正相输入电路9包括NMOS晶体管MN3和MN4。NMOS晶体管MN3的栅端通过正相输入端VP连接至第一连接节点FD，其漏端连接至有源负载11，其源端连接至MN4的漏端。NMOS晶体管MN4的栅端连接至(或用于输入)选择控制信号SEL，其源端接电流源12。反相输入电路10包括NMOS晶体管MN7和MN8。NMOS晶体管MN7的栅端通过反相输入端VN连接至有源负载的输出端Vout，其漏端也接至输出端Vout，其源端接至MN8的漏端。NMOS晶体管MN8的栅端接至电源电压AVDD，其源端接电流源12。
主动负载11包括PMOS晶体管MP1和MP2。PMOS晶体管MP1和MP2的源端都接至电源电压AVDD，MP1的栅端接至MP2的栅端，MP1的漏极接至MP1的栅端，并接至正相输入电路9中MN3的漏端，MP2的漏端接至输出端Vout。
图4为本实施例像素电路的时序图。如图4所示，选择控制信号SEL为高电平使MN4导通，该像素电路开始工作。重置控制信号RST变高电平使重置开关MN2导通，设此时第一连接节点FD处的电压为重置信号VR，随后传送控制信号TX变高使传送开关MN1导通，光感测器件PPD将光强弱转换为对应的电压大小。
在第一阶段P1，转换控制信号T1为高电平信号使跟随开关MN6导通，反相信号T1B为低电平使转换电容开关MN5断开，第一连接节点FD的节点转换电容CFD值小，转换增益大，第一连接节点FD电压下降快；在第二阶段P2，转换控制信号T1为低电平信号使跟随开关MN6断开，反相信号T1B为高电平使转换电容开关MN5导通，节点转换电容CFD值变大，转换增益变小，第一连接节点FD电压下降变缓。传送控制信号TX变为低电平使传送开关MN1关断后，第一连接节点FD电压即为光感测信号VS。重置信号VR和光感测信号VS之差通过后级电路处理转换为对应的灰度值。
重置开关MN2断开后，传送开关MN1导通之前，光电流还没有对第一连接节点FD的节点转换电容放电，此时节点转换电容上的电压视为重置信号VR。当传送开关MN1导通后，光感测器件PPD对节点转换电容放电，此时节点转换电容上的电压视为光感测信号VS。两者之差为输入信号，该输入信号为一电压信号，经后面的电路处理后会转换为数字信号，数字信号再经软件转换为灰度值。
在第一阶段P1至第二阶段P2，第一连接节点FD的节点电压一直处于下降状态。为降低曝光时间以及提高信噪比，所述调整模块能够将节点电压从第一下降速率减小至第二下降速率。其中，第二下降速率小于第一下降速率。具体的，第一阶段P1中调整模块对应第一下降速度，该阶段节点电压下降速度快，转换增益高，所需曝光时间短。相对应的，第二阶段P2中调整模块对应第二下降速度，该阶段节点电压下降速度慢，转换增益低，能够有效提升信噪比。
图5为本实施例的像素电路与传统4T像素电路的曝光时间对比图。如图5所示，由于传统的4T像素电路的转换增益是固定值，因此其灰度值与曝光时间是线性的，其有效动态范围是固定的。本实施例所提供的像素电路在第一阶段P1和第二阶段P2的转换增益是不同的(P1阶段中，转换增益高，斜率大，因此需要的曝光时间少)。而指纹信息(谷和脊)叠加在镜头RI(Relative Illumination)和中心灰度之间，因此增大镜头RI之下的斜率以此减少曝光时间，减小镜头RI和中心灰度之间的斜率以获得想要的指纹信息，通过改变转换增益实现。改进型像素电路的有效动态范围可以通过调节第一阶段P1的时间T1改变以适应不同光强，通过设定T1使得整个曝光时间可适应强光条件。第一阶段P1的时间T1也对应第一连接节点的节点转换电容处于第一电容值下的时间。
基于同一构思，本发明还提供了一种像素阵列1、光学指纹传感器，如下面的实施例所述。由于该像素阵列1、光学指纹传感器解决问题的原理，以及能够取得的技术效果与上述像素电路相似，因此该像素阵列1、光学指纹传感器的实施可以参见上述像素电路的实施，重复之处不再赘述。当然，该像素阵列1、光学指纹传感器并不局限于仅解决上述问题，其作为额外的实施例还具备的其他技术效果。本申请实施例中所使用的术语“模块”，可以是基于软件实现，也可以是基于硬件实现，还可以是以软硬件结合的方式实现。
如图6所示，本申请的另一个实施例还提供一种像素阵列1。像素阵列1包括多个像素电路8、反相输入电路10、有源负载11。其中，每个所述像素电路8包括光感测器件PPD、传送开关MN1、重置开关MN2、调整模块以及正相输入电路9。所述正相输入电路9包括正相输入端VP，所述正相输入端VP连接至所述传送开关MN1和所述重置开关MN2之间的第一连接节点FD。具体的，每个像素电路8包括光感测器件PPD、传送开关MN1、重置开关MN2、转换电容开关MN5、第一转换电容CFD1、跟随开关MN6以及正相输入电路9。
像素阵列1中各列中每个像素电路8共享一个反相输入电路10和一个有源负载11。如图3所示，多个所述像素电路8共同连接一个所述反相输入电路10、以及一个所述有源负载11。共享的反相输入电路10和有源负载11放在像素阵列1的一侧，正相输入电路9来传输输入信号。当像素阵列中一像素电路8被选择时，则该像素电路8的正相输入电路9与反相输入电路10和有源负载11构成等效的单位增益缓冲器3。本实施例的单位增益缓冲器的具体连接构造可以参考上述实施例中的单位增益缓冲器3，本实施例中不再赘述。
在第一阶段时，被选择像素电路8的转换电容开关MN5断开，跟随开关MN6导通，第一转换电容CFD1的电压经所述单位增益缓冲器3跟随输入信号变动而变动。在第二阶段时，转换电容开关MN5导通，跟随开关MN6断开，被选择像素电路8的节点转换电容增加。在第一阶段时，被选择像素电路8的节点转换电容值小，转换增益高，所需曝光时间少。由公式(1)可知，转换增益与转换电容成反比，节点转换电容值越小，转换增益越高。而输入信号的输入范围是固定的，转换增益越高，所需曝光时间越少。由于噪声与节点转换电容成反比，节点转换电容高，噪声就低，信噪比就提高。如此，在切换至第二阶段时，被选择像素电路8的节点转换电容增大，转换增益低，噪声降低，因此每个像素电路8都可以通过改变节点转换电容来改变转换增益，提高信噪比和有效动态范围，适应强光条件，同时可以减少曝光时间提高系统工作频率。
本申请另一个实施例还提供一种光学指纹传感器，包括：如上实施例所述的像素阵列1或者如上实施例所述的像素电路8；行驱动电路2；相关双采样放大电路4、可编程增益放大器5、模数转换器6、和列驱动电路7。
其中，所述相关双采样放大电路4包括相关双采样电路34和自动校零差分放大电路13。所述相关双采样电路34能在曝光时间中对所述第一连接节点FD的节点电压采样至少两次，以获取光感测信号VS和重置信号VR。所述自动校零差分放大电路13能够对所述光感测信号VS和重置信号VR的差分信号进行放大。相关双采样放大电路4通过设有采样两次获取光感测信号VS和重置信号VR的相关双采样电路34，二者相减得到的差分信号可以有效去除固定图形噪声和重置开关噪声。
在本实施例中，考虑到固定图形噪声是各像素的光感测器件的暗电流不均匀导致的，重置开关噪声是上述重置开关在断开的时候产生的，噪声在同一周期内具有相关性，相关双采样电路34在同一周期内对单位增益缓冲器3采样两次，一次采样光感测信号VS，一次采样重置信号VR，两个信号都包含固定图形噪声和重置开关噪声，光感测信号VS减去重置信号VR就能减去这两种噪声。
请参阅图7所示，相关双采样放大电路包括相关双采样电路34和自动校零差分放大电路13。相关双采样电路34包括信号输入端VS、重置信号输出端VCR以及光感测信号输出端VCS。其中信号输入端VS连接至单位增益缓冲器3的输出端Vout。自动校零差分放大电路13包括正相输入端(+)、反相输入端(-)、正相输出端Vop以及反相输出端Von。其中，正相输入端(+)和反相输入端(-)分别连接至相关双采样电路34的光感测信号输出端VCS和重置信号输出端VCR。
相关双采样电路34包括重置信号采样开关15、光感测信号采样开关16、重置信号保持电容CR、光感测信号保持电容CS及第一共模电平控制开关17、第二共模电平控制开关18。重置信号采样开关15串接至信号输入端VS和重置信号保持电容CR之间；光感测信号采样开关16串接至信号输入端VS和光感测信号保持电容CS之间；第一共模电平控制开关17连接至重置信号采样开关15和重置信号保持电容CR的连接节点，第二共模电平控制开关18连接至光感测信号采样开关16和光感测信号保持电容CS的连接节点。第一共模电平控制开关17和第二共模电平控制开关18连接至共模电平Vcom。
如图7、图8所示。所述重置信号采样开关15串接至所述信号输入端VS和所述重置信号保持电容CR之间，用来在第三阶段P3将所述重置信号保持电容CR连接至信号输入端VS。所述重置信号保持电容CR串接至所述重置信号采样开关15和所述重置信号输出端VCR之间。所述光感测信号采样开关16串接至所述信号输入端VS和所述光感测信号保持电容CS之间，用来在第四阶段P4将所述光感测信号保持电容CS连接至信号输入端VS。所述光感测信号保持电容CS串接至所述光感测信号采样开关16和所述光感测信号输出端VCS之间。
所述第一共模电平控制开关17连接至所述重置信号采样开关15和所述重置信号保持电容CR的连接节点。所述第二共模电平控制开关18连接至所述光感测信号采样开关16和所述光感测信号保持电容CS的连接节点，用来输出重置信号和光感测信号。所述相关双采样电路用来降低固定图形噪声和重置开关噪声。
请继续参阅图7。自动校零差分放大电路13包括差分放大器14、第一反馈电容C1和第二反馈电容C2、第一放大控制开关19、第二放大控制开关20及第一校零控制开关21、第二校零控制开关22、第三校零控制开关23、第四校零控制开关24。第一反馈电容C1串接至差分放大器14的反相输入端(-)与第一放大控制开关19和第一校零控制开关21的连接节点之间，第一校零控制开关21连接至共模电平Vcom，第一放大控制开关19连接至正相输出端Vop；第二反馈电容C2串接至差分放大器14的正相输入端(+)与第二放大控制开关20和第二校零控制开关22的连接节点之间，第二校零控制开关22连接至共模电平Vcom，第二放大控制开关20连接至反相输出端Vop。第三校零控制开关23串接至差分放大器14的反相输入端(-)与正相输出端Vop之间，第四校零控制开关24串接至差分放大器14的正相输入端(+)与其反相输出端Vop之间。
请配合参阅图8所示，SR、SS、S1以及S2是非重叠的脉冲信号。在第三阶段P3，相关双采样电路34通过重置信号采样开关SR对重置信号VR进行采样并储存在重置信号保持电容CR中。在第四阶段P4，相关双采样电路34通过光感测信号采样开关SS对光感测信号VS进行采样并储存在光感测信号保持电容CS中。在第五阶段P5，校零控制开关S2导通，自动校零差分放大电路13自动校零。在第六阶段P6，放大控制开关S1导通，自动校零差分放大电路13对输入的差分信号(VR-VS)进行放大。其中，第三阶段P3和第四阶段P4在第五阶段P5中操作。其中，第三阶段P3为获取重置信号VR阶段，在第四阶段为获取光感测信号VS阶段。第五阶段P5，与第三阶段P3、第一阶段P1、第二阶段P2、第四阶段P4，并行进行。第六阶段P6为在得到差分信号进行放大处理的阶段。
本实施例所提供的光学指纹传感器中，降低噪声的采样放大电路通过相关双采样电路对像素阵列输出的重置信号和光感测信号进行二次采样，进而获得光感测信号与重置信号的差值，以此降低固定图形噪声和重置开关噪声，同时，采用自动校零技术，减少放大器的误差。
综上所述，本申请上述实施例中的像素电路、像素阵列、以及光学指纹传感器的每个像素电路在工作时可通过改变节点转换电容改变转换增益，提高信噪比和有效动态范围，减少曝光时间提高系统工作频率，像素阵列的列输出信号经相关双采样放大电路采样放大，降低固定图形噪声和重置开关噪声，减少放大器误差。
本文引用的任何数字值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。
除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。
披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。
多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用于描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为发明人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。
Claims (15)
1.一种像素电路，其特征在于，包括：
光感测器件；
重置开关；
传送开关；所述传送开关串接于所述光感测器件和所述重置开关之间；所述传送开关和所述重置开关之间具有第一连接节点；
与所述第一连接节点连接的调整模块；所述调整模块能够将所述第一连接节点的节点转换电容从第一电容值提升至大于所述第一电容值的第二电容值。
2.如权利要求1所述像素电路，其特征在于，所述调整模块包括：转换电容开关、第一转换电容、跟随开关；其中，所述转换电容开关串接于所述第一连接节点和所述第一转换电容之间；所述第一转换电容的一端接地；
所述跟随开关连接至所述转换电容开关和第一转换电容之间的第二连接节点；所述跟随开关的漏端用于连接有源负载；
所述跟随开关的栅端用于输入转换控制信号；所述转换电容开关的栅端用于输入所述转换控制信号的反相信号。
3.如权利要求2所述像素电路，其特征在于，所述第一连接节点在所述跟随开关导通以及所述转换电容开关断开时处于第一电容值；所述第一连接节点在所述跟随开关断开以及所述转换电容开关导通时处于第二电容值。
4.如权利要求2所述像素电路，其特征在于，所述调整模块还包括用于向所述跟随开关输入所述转换控制信号以及向所述转换电容开关输入所述反相信号的控制器。
5.如权利要求1所述像素电路，其特征在于，所述第一连接节点的节点转换电容处于第一电容值的时长在处于第一电容值和第二电容值的总时长的20％以上。
6.如权利要求1所述像素电路，其特征在于，所述第一连接节点的节点转换电容处于第一电容值的时长可调。
7.如权利要求2所述像素电路，其特征在于，还包括连接所述第一连接节点和所述调整模块的单位增益缓冲器；所述单位增益缓冲器用于使所述第一转换电容的电压跟随输入信号变化。
8.如权利要求7所述像素电路，其特征在于，所述单位增益缓冲器包括：正相输入电路、反相输入电路以及有源负载；
所述正相输入电路包括正相输入端，所述正相输入端连接至所述传送开关和所述重置开关之间的第一连接节点；所述反相输入电路包括反相输入端，所述有源负载包括输出端，所述输出端连接至所述反相输入端，所述跟随开关的漏端连接至所述输出端；所述正相输入电路和所述反相输入电路连接至提供工作电流的电流源。
9.一种像素电路，其特征在于，包括：
光感测器件；
重置开关；
传送开关；所述传送开关串接于所述光感测器件和所述重置开关之间；所述传送开关和所述重置开关之间具有第一连接节点；
与所述第一连接节点连接的调整模块；所述调整模块能够将节点电压从第一下降速率减小至第二下降速率；其中，第二下降速率小于第一下降速率。
10.一种像素阵列，其特征在于，包括：多个像素电路、反相输入电路、有源负载；其中，每个所述像素电路包括光感测器件、传送开关、重置开关、调整模块以及正相输入电路；
所述传送开关串接于所述光感测器件和所述重置开关之间；所述传送开关和所述重置开关之间具有第一连接节点；
与所述第一连接节点连接的调整模块；所述调整模块能够将所述第一连接节点的节点转换电容从第一电容值提升至大于所述第一电容值的第二电容值；
所述正相输入电路包括正相输入端，所述正相输入端连接至所述传送开关和所述重置开关之间的第一连接节点。
11.如权利要求10所述像素阵列，其特征在于，多个所述像素电路共同连接一个所述反相输入电路、以及一个所述有源负载；多个所述像素电路中的一个像素电路被选择时，被选择的像素电路的正相输入电路通过所述反相输入电路和有源负载形成一单位增益缓冲器。
12.一种光学指纹传感器，其特征在于，包括：如权利要求1至9任意一项所述像素电路，或者，如权利要求10或11所述的像素阵列；行驱动电路；相关双采样放大电路、可编程增益放大器、模数转换器、和列驱动电路；
其中，所述相关双采样放大电路包括相关双采样电路和自动校零差分放大电路；所述相关双采样电路能够在曝光时间中对所述第一连接节点的节点电压采样至少两次，以获取光感测信号和重置信号；所述自动校零差分放大电路能够对所述光感测信号和重置信号的差分信号进行放大。
13.如权利要求12所述光学指纹传感器，其特征在于，所述相关双采样电路包括信号输入端、重置信号输出端以及光感测信号输出端；所述信号输入端连接至所述像素阵列的输出端；
所述自动校零差分放大电路包括正相输入端、反相输入端、正相输出端以及反相输出端，其中，正相输入端和反相输入端分别连接至所述相关双采样电路的光感测信号输出端和所述重置信号输出端。
14.如权利要求13所述光学指纹传感器，其特征在于，所述相关双采样电路包括重置信号采样开关、光感测信号采样开关、重置信号保持电容、光感测信号保持电容、第一共模电平控制开关以及第二共模电平控制开关；
所述重置信号采样开关串接至所述信号输入端和所述重置信号保持电容之间；所述重置信号保持电容串接至所述重置信号采样开关和所述重置信号输出端之间；所述光感测信号采样开关串接至所述信号输入端和所述光感测信号保持电容之间；所述光感测信号保持电容串接至所述光感测信号采样开关和所述光感测信号输出端之间；所述第一共模电平控制开关连接至所述重置信号采样开关和所述重置信号保持电容的连接节点，所述第二共模电平控制开关连接至所述光感测信号采样开关和所述光感测信号保持电容的连接节点，用于输出重置信号和光感测信号。
15.如权利要求14所述光学指纹传感器，其特征在于，所述自动校零差分放大电路包括差分放大器、第一反馈电容、第二反馈电容、第一放大控制开关、第二放大控制开关、第一校零控制开关、第二校零控制开关、第三校零控制开关、第四校零控制开关；所述差分放大器的正相输入端连接至所述相关双采样电路的光感测信号输出端，所述差分放大器的反相输入端连接至所述相关双采样电路的重置信号输出端；
所述第一反馈电容串接至所述差分放大器的反相输入端与所述第一放大控制开关和第一校零控制开关的连接节点之间；所述第二反馈电容串接至所述差分放大器的正相输入端与所述第二放大控制开关和第二校零控制开关的连接节点之间；所述第三校零控制开关串接至所述差分放大器的反相输入端与其正相输出端之间，所述第四校零控制开关串接至所述差分放大器的正相输入端与其反相输出端之间。
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