CN110519538A - 一种基于忆阻器的像元电路和图像传感器 - Google Patents

一种基于忆阻器的像元电路和图像传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种基于忆阻器的像元电路，包括光电二极管、忆阻器、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管，所述第一MOS管用于对光电二极管进行复位，所述第四MOS管和第五MOS管用于对忆阻器进行初始化控制，所述第三MOS管和第六MOS管用于对忆阻器进行写入控制；所述光电二极管曝光产生的电荷被第三MOS管和第六MOS管写入至所述忆阻器中，所述忆阻器的阻值用于反应光电二极管曝光产生的电荷量。本发明提供的一种基于忆阻器的像元电路，可有效减小像元面积，提高像元填充率；由于忆阻器具有掉电阻值不变的特点，使得图像传感器在电源关闭后可存储最后一帧图像，在重新通电后还可以复现掉电前的图像。

Description

一种基于忆阻器的像元电路和图像传感器
技术领域
本发明涉及图像传感器领域，具体涉及一种基于忆阻器的像元电路和图像传感器。
背景技术
全局曝光CMOS图像传感器由于在拍摄时使用全局曝光(所有像素单元同时曝光)的方式，具有拍摄速度快，图像无拖影的特点，在高速拍摄领域获得了广泛应用。
现有的全局曝光CMOS图像传感器的像元在全局曝光后是将信号电压存储在每个像元内部的电容上。像元电路中包含存储电容，存储信号的机理是Q＝CV，即通过电容存储电荷实现，包含电容的像元面积一般较大，像素电路的占空比较低，并且在信号读出时，需要依次读出两个信号(RESET信号和SIGNAL信号)，电路较复杂。同时，现有的图像传感器电路在断电时，无法保存正在读出的信号，从而造成曝光信号的缺失。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于忆阻器的像元电路，可有效减小像元面积，提高像元填充率；由于忆阻器具有掉电阻值不变的特点，使得图像传感器在电源关闭后可存储最后一帧图像，在重新通电后还可以复现掉电前的图像。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于忆阻器的像元电路，包括光电二极管、忆阻器、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管，所述第一MOS管用于对光电二极管进行复位，所述第四MOS管和第五MOS管用于对忆阻器进行初始化控制，所述第三MOS管和第六MOS管用于对忆阻器进行写入控制；
其中，所述忆阻器的一端通过第二MOS管连接光电二极管，另一端连接像元电路的输出端口，所述光电二极管曝光产生的电荷被第三MOS管和第六MOS管写入至所述忆阻器中，所述忆阻器的阻值用于反应光电二极管曝光产生的电荷量。
进一步地，所述第四MOS管的源极连接电源负极，漏极连接忆阻器的一端；所述第五MOS管的漏极连接电源正极，源极连接忆阻器的另一端；所述第三MOS管的源极连接第二MOS管，漏极连接忆阻器的一端；所述第六MOS管的源极连接电源负极，漏极连接忆阻器的另一端。
进一步地，所述光电二极管的阳极连接电源负极；
所述第一MOS管栅极连接RST控制信号，漏极连接电源正极，源极连接所述第二MOS管的栅极以及光电二极管的阴极；
所述第二MOS管漏极连接电源正极，源极连接所述第三MOS管源极；
所述第三MOS管栅极连接S1控制信号，漏极连接第四MOS管漏极以及忆阻器的一端；
所述第四MOS管栅极连接S2控制信号，源极连接电源负极；
所述第五MOS管栅极连接S3控制信号，漏极连接电源正极，源极连接忆阻器的另一端以及第六MOS管漏极，且第五MOS管源极作为该像元电路的输出端口；
第六MOS管栅极连接S4控制信号，源极连接电源负极。
进一步地，当所述RST控制信号、S2控制信号和S3控制信号由低电平变为高电平时，所述第一MOS管、第四MOS管、第五MOS管导通，其中，第一MOS管对光电二极管进行复位，第四MOS管和第五MOS管对忆阻器进行初始化控制；
当所述S1控制信号和S4控制信号由低电平变为高电平，所述第三MOS管、第六MOS管导通，第三MOS管和第六MOS管对忆阻器进行写入控制。
进一步地，所述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管的源极和漏极可以互换。
进一步地，所述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管均为NMOS晶体管。
进一步地，所述第一MOS管和第五MOS管为PMOS晶体管，所述第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管和第六MOS管均为NMOS晶体管。
进一步地，所述忆阻器为阻变式存储器。
一种基于忆阻器的像元电路进行信号输出的方法，包括如下步骤：
S01：RST控制信号、S2控制信号和S3控制信号由低电平变为高电平，第一MOS管、第四MOS管、第五MOS管导通，其中，第一MOS管对光电二极管进行复位，第四MOS管和第五MOS管对忆阻器进行初始化控制；
S02：RST控制信号、S2控制信号和S3控制信号由高电平变为低电平，第一MOS管、第四MOS管、第五MOS管关断，光电二极管进行曝光；
S03：S1控制信号和S4控制信号由低电平变为高电平，第三MOS管、第六MOS管导通，其中，第三MOS管和第六MOS管对忆阻器进行写入控制；
S04：RST控制信号、S1控制信号、S2控制信号、S3控制信号和S4控制信号均变为低电平，忆阻器写入完成，同时像元电路输出曝光结果。
一种基于忆阻器的图像传感器，包括上述的像元电路。
本发明的有益效果为：本发明中忆阻器远小于像元内电容面积，使用忆阻器存储像元内信号电压具有面积小的优点，从而有效减小像元面积，提高像元填充率；此外，由于忆阻器是非易失存储器单元，具有掉电阻值不变的特点，采用该像元电路的图像传感器在电源关闭后可存储最后一帧图像，在重新通电后还可以复现掉电前的图像，可用于普通拍摄，也可用于特殊监控领域。
附图说明
附图1为实施例1中像元电路的电路图。
附图2为实施例1中像元电路的时序控制图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
本发明的核心思想是采用忆阻器的不同阻值来反应感光单元曝光产生的电荷。作为一种新型存储器，忆阻器具有电阻值随外加电压的高低而改变的特性，而且其阻值是非易失性的，具有掉电阻值不变的特点。本发明所形成的像元电路适用于全局曝光领域。
本发明提供的一种基于忆阻器的像元电路，包括光电二极管、忆阻器、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管，第一MOS管用于对光电二极管进行复位(Reset)，第四MOS管和第五MOS管用于对忆阻器进行初始化(Forming)控制，第三MOS管和第五MOS管用于对忆阻器进行写入控制；其中，忆阻器的一端通过第二MOS管连接光电二极管，另一端连接像元电路的输出端口，光电二极管曝光产生的电荷经过第二MOS管，并被第三MOS管和第六MOS管写入至忆阻器中，忆阻器的阻值用于反应光电二极管曝光产生的电荷量，像元电路的输出端口输出写入之后的忆阻器阻值，即可换算得出光电二极管曝光产生的电荷，即像元曝光产生的信号。
本发明中忆阻器需要先被初始化，再进行写入(也称写值操作)，具体的，第四MOS管和第五MOS管用于对忆阻器进行初始化控制，第四MOS管的源极连接电源负极，漏极连接忆阻器的一端；第五MOS管的漏极连接电源正极，源极连接忆阻器的另一端。第三MOS管和第六MOS管用于对忆阻器进行写入控制，第三MOS管的源极连接第二MOS管，漏极连接忆阻器的一端；第六MOS管的源极连接电源负极，漏极连接忆阻器的另一端。具体的忆阻器可以为阻变式存储器。
本发明中像元电路与背景技术中介绍的现有技术中的像元电路相比，具有如下区别：
(1)现有技术中全局曝光像元，当其工作时，像元是将信号存储在电容上，存储信号的机理是Q＝CV，即通过电容存储电荷实现，而本发明存储机理是通过忆阻器存储不同的阻值；
(2)对信号进行存储时，现有技术使用开关进行电荷转移实现信号存储，本发明是通过控制忆阻器上通过不同的电流，从而改变忆阻器的阻值；本发明工作机理与现有技术并不相同；
(3)现有技术中像元电路在工作时，需要依次读出两个信号(RESET信号和SIGNAL信号)，而本发明只需读出忆阻器一次的阻值；
(4)本发明在工作时，通过极简电路自动将光强变化转变为忆阻器的阻值大小，另外通过各个开关控制，使忆阻器两端交替出现正电压和负电压，从而实现忆阻器的读和写操作，其读写方法与通用忆阻器读写电路完全不同。另外，本发明像元电路充分考虑了像元电路的工作特点，将像元电路输出信号有效地转变为忆阻器阻值的变化，而不像传统像元将光电信号转变为电荷或者电压。
以下通过实施例1对本发明像元电路进行详细解释：
实施例1
请参阅图1，本发明中基于忆阻器的像元电路包括光电二极管、第一MOS管M1、第二MOS管M2、忆阻器RRAM、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第三MOS管M3和第六MOS管M6；光电二极管的阳极连接电源负极；第一MOS管栅M1极连接RST控制信号，第一MOS管M1漏极连接电源正极，第一MOS管M1源极连接第二MOS管M2的栅极以及光电二极管的阴极；第二MOS管M2漏极连接电源正极，第二MOS管M2源极连接第三MOS管M3源极；第三MOS管M3栅极连接S1控制信号，第三MOS管M3漏极连接第四MOS管M4漏极以及忆阻器的一端；第四MOS管M4栅极连接S2控制信号，第四MOS管M4源极连接电源负极；第五MOS管M5栅极连接S3控制信号，第五MOS管M5漏极连接电源正极，第五MOS管M5源极连接忆阻器的另一端以及第六MOS管M6漏极，且第五MOS管M5源极作为该像元电路的输出端口；第六MOS管M6栅极连接S4控制信号，第六MOS管M6源极连接电源负极。
其中，第四MOS管和第五MOS管用于对忆阻器进行初始化控制，第三MOS管和第六MOS管用于对忆阻器进行写入控制，也称写值操作；当RST控制信号、S2控制信号和S3控制信号由低电平变为高电平时，第一MOS管、第四MOS管、第五MOS管导通，第一MOS管对光电二极管进行复位，第四MOS管和第五MOS管对忆阻器进行初始化控制；当S1控制信号和S4控制信号由低电平变为高电平，第三MOS管、第六MOS管导通，第三MOS管和第六MOS管对忆阻器进行写入控制。
请参阅附图2，本发明还提供了基于忆阻器的像元电路进行信号输出的方法，即该电路的工作时序：
S01：RST控制信号、S2控制信号和S3控制信由低电平变为高电平，第一MOS管、第四MOS管、第五MOS管导通，其中，第一MOS管对光电二极管进行复位，第四MOS管和第五MOS管对忆阻器进行初始化控制；
S02：RST控制信号、S2控制信号和S3控制信由高电平变为低电平，第一MOS管、第四MOS管、第五MOS管关断，光电二极管进行曝光；
S03：S1控制信号和S4控制信号由低电平变为高电平，第三MOS管、第六MOS管导通，其中，第三MOS管和第六MOS管对忆阻器进行写入控制；
S04：RST控制信号、S1控制信号、S2控制信号、S3控制信号和S4控制信号均变为低电平，第一MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管均关断，此时忆阻器的写值操作完成，忆阻器阻值输出即可转换为该像元的曝光信号。
本发明中，第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管均为NMOS晶体管，其中，当第一MOS管和第五MOS管替换为PMOS晶体管，第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管和第六MOS管为NMOS晶体管时，也可实现相同的效果。且上述晶体管中源极和漏极只是起到导通连接的作用，互换之后并不影响本发明功能。
本发明还提供了一种基于忆阻器的图像传感器，图像传感器中包含像素阵列，且像素阵列有多个像元组成，其中，每个像元的电路结构采用上述基于忆阻器的像元电路，从而形成一种基于忆阻器的图像传感器。该图像传感器可以更好地适用在全局曝光领域，由于忆阻器是非易失存储器单元，具有掉电阻值不变的特点，采用该像素的图像传感器在电源关闭后可存储最后一帧图像，在重新通电后还可以复现掉电前的图像，可用于普通拍摄，也可用于特殊监控领域。除此之外，忆阻器远小于像元内电容面积，使用忆阻器存储像元内信号电压具有面积小的优点，从而有效减小像元面积，提高像元填充率。
以上所述仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用于限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于忆阻器的像元电路，其特征在于，包括光电二极管、忆阻器、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管，所述第一MOS管用于对光电二极管进行复位，所述第四MOS管和第五MOS管用于对忆阻器进行初始化控制，所述第三MOS管和第六MOS管用于对忆阻器进行写入控制；
其中，所述忆阻器的一端通过第二MOS管连接光电二极管，另一端连接像元电路的输出端口，所述光电二极管曝光产生的电荷被第三MOS管和第六MOS管写入至所述忆阻器中，所述忆阻器的阻值用于反应光电二极管曝光产生的电荷量。
2.根据权利要求1所述的一种基于忆阻器的像元电路，其特征在于，所述第四MOS管的源极连接电源负极，漏极连接忆阻器的一端；所述第五MOS管的漏极连接电源正极，源极连接忆阻器的另一端；所述第三MOS管的源极连接第二MOS管，漏极连接忆阻器的一端；所述第六MOS管的源极连接电源负极，漏极连接忆阻器的另一端。
3.根据权利要求1所述的一种基于忆阻器的像元电路，其特征在于，
所述光电二极管的阳极连接电源负极；
所述第一MOS管栅极连接RST控制信号，漏极连接电源正极，源极连接所述第二MOS管的栅极以及光电二极管的阴极；
所述第二MOS管漏极连接电源正极，源极连接所述第三MOS管源极；
所述第三MOS管栅极连接S1控制信号，漏极连接第四MOS管漏极以及忆阻器的一端；
所述第四MOS管栅极连接S2控制信号，源极连接电源负极；
所述第五MOS管栅极连接S3控制信号，漏极连接电源正极，源极连接忆阻器的另一端以及第六MOS管漏极，且第五MOS管源极作为该像元电路的输出端口；
第六MOS管栅极连接S4控制信号，源极连接电源负极。
4.根据权利要求3所述的一种基于忆阻器的像元电路，其特征在于，当所述RST控制信号、S2控制信号和S3控制信号由低电平变为高电平时，所述第一MOS管、第四MOS管、第五MOS管导通，其中，第一MOS管对光电二极管进行复位，第四MOS管和第五MOS管对忆阻器进行初始化控制；
当所述S1控制信号和S4控制信号由低电平变为高电平，所述第三MOS管、第六MOS管导通，第三MOS管和第六MOS管对忆阻器进行写入控制。
5.根据权利要求3所述的一种基于忆阻器的像元电路，其特征在于，所述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管的源极和漏极可以互换。
6.根据权利要求3所述的一种基于忆阻器的像元电路，其特征在于，所述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管均为NMOS晶体管。
7.根据权利要求3所述的一种基于忆阻器的像元电路，其特征在于，所述第一MOS管和第五MOS管为PMOS晶体管，所述第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管和第六MOS管均为NMOS晶体管。
8.根据权利要求1所述的一种基于忆阻器的像元电路，其特征在于，所述忆阻器为阻变式存储器。
9.一种基于忆阻器的像元电路进行信号输出的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01：RST控制信号、S2控制信号和S3控制信号由低电平变为高电平，第一MOS管、第四MOS管、第五MOS管导通，其中，第一MOS管对光电二极管进行复位，第四MOS管和第五MOS管对忆阻器进行初始化控制；
S02：RST控制信号、S2控制信号和S3控制信号由高电平变为低电平，第一MOS管、第四MOS管、第五MOS管关断，光电二极管进行曝光；
S03：S1控制信号和S4控制信号由低电平变为高电平，第三MOS管、第六MOS管导通，其中，第三MOS管和第六MOS管对忆阻器进行写入控制；
S04：RST控制信号、S1控制信号、S2控制信号、S3控制信号和S4控制信号均变为低电平，忆阻器写入完成，同时像元电路输出曝光结果。
10.一种基于忆阻器的图像传感器，其特征在于，包括权利要求1所述的像元电路。
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