CN111447384A - 高动态范围全局快门像素结构及其信号采样读取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高动态范围全局快门像素结构及其信号采样读取方法，高动态范围全局快门像素结构通过包括感光元件、传输开关、复位开关、开关放大单元、第一采样电容、第二采样电容、第一采样开关、第二采样开关、第一放大器及总线选通开关；开关放大单元的输出端、第一采样开关的第一端与第一采样电容的第一端连接于第一节点；第一采样开关的第二端、第二采样开关的第一端以及所述第一放大器的输入连接于第二节点；第二采样电容的第一端与第二采样开关的第二端连接。实现了复位信号和图像信号的相关双采样，有效的抑制了寄生光灵敏度以及固定模式噪声，提高了输出信号的动态范围，拓展了全局快门图像传感器的应用场景。

Description

高动态范围全局快门像素结构及其信号采样读取方法

技术领域

本发明属于图像传感技术领域，尤其涉及一种高动态范围的全局快门像素结构及其信号采样读取方法。

背景技术

CMOS图像传感器根据电子快门的工作类型分类可以分为电子卷帘快门和电子全局快门两种。卷帘快门是使用逐行曝光的方式，在每一行像素信号读取完成之后开始下一帧的曝光，这样的工作方式使得每一行的曝光起始时间不同，而累计曝光时间相同。这种快门机制在拍摄运动的物体时会产生图像扭曲。全局快门图像传感器的出现可以解决卷帘快门图像传感器拍摄运动的物体时引起的图像扭曲。全局快门需要保证整个图像传感器阵列像素开始曝光以及截止曝光的同步。整个像素阵列可以同时开始感应光信号以及同时产生电信号，但是CMOS图像传感器很难同时读取出整个像素阵列的所有电信号，因此全局快门像素需要在不影响感光单元继续开始下一帧的曝光的前提下，在像素内存储未被读取的上一帧曝光产生的感生信号。

全局快门技术根据像素内存储感生信号的形式分为电压域全局快门技术和电荷域全局快门技术两种。电压域全局快门是将产生的光生电荷转变为电压信号后，以电压的形式存储在像素中。而电荷域全局快门则是将光生载流子以电荷的形式存储在像素中。相比电荷域全局快门，电压域全局快门像素有其不可取代的优点。因其工艺实现简单，在前照式图像传感器和后照式图像传感器中都可以实现而被广泛使用。

电压域全局快门像素有很多不同的实施方案，图1是现有技术中一个典型的解决方案。其工作原理是：在一帧曝光截止前，整个阵列所有的像素中的第一晶体管Sample1和第二晶体管Sample2导通，第一电容C1通过源极跟随器M2对电荷存储点FD的复位信号电压进行采样。采样结束后开启传输管TX，光生电子从钉扎光电二极管(Pinned photodiode)中被传输到电荷存储点FD中。光生电子在电荷存储点FD的电容中产生压降。第二晶体管Sample2再次导通，第二电容C2通过源极跟随器M2对电荷存储点FD的图像信号电压再次采样。在全局采样结束后，每一行的总线选通开关Select分别导通，先读出第一电容C1存储的复位信号电压Vreset，然后通过第一晶体管Sample1导通，第一电容C1和第二电容C2进行均衡之后读出均衡后的信号电压为(Vsignal+Vreset)/2。两次读出的信号差值为Vreset-(Vsignal+Vreset)/2＝(Vreset-Vsignal)/2；通过图1所示全局快门结构，一方面，读出的信号幅度即两次读出信号电压的差值由于图1所示像素结构的限制，在未考虑两级源极跟随器的增益的情况下，已经变为了两个存储信号差值的一半，从而降低了图像传感器像素的动态范围。另一方面，第二采样电容C2存储的图像信号电压值由于结构的限制无法被快速直接的读出。

图2所示像素结构是现有的另一种全局快门像素结构，此结构在全局复位采样中将采样的复位信号Vreset存储到131点，通过Vcal置高，136管导通将135点置为VPIX；随着118管以及130管的导通，在全局信号采样后，131点的电压变为信号电压Vsignal；由于136管为断开状态，135点为浮动电压，根据电荷守恒定律，电容134的右端点也会随着两次采样131点的电压变化而变化，因此135点从VPIX下降到(Vreset-Vsignal)。在行读出时，选中行首先读出135点存储VPIX-(Vreset-Vsignal)；之后通过Vcal置高，136管导通再次读出VPIX；两次读出的差值为复位信号电压与图像信号电压的差值(Vreset-Vsignal)。由于存储信号的电容会积累寄生光电荷，此像素结构不是分别存储复位信号电压Vreset与图像信号电压Vsignal，而只存储了全局采样时复位信号电压和图像信号电压的电压差值(Vreset-Vsignal)。由于寄生光电荷带来的影响会由于整个像素阵列不同行的读出时间不同而导致存储的信号差值的变化不同。而此结构第二次读取的是一个固定值VPIX，因此寄生光带来的影响不能够通过两次相关采样而抵消掉，造成此结构有较大的寄生光灵敏度。而且两次采样之间存在的固定偏差也会影响其像素相应的一致性，引入较大的固定模式噪声

还有一些其他的技术方案，要么存在较大的固定偏差和寄生光灵敏度，要么像素结构复杂，元件与连接线较多，不适合在高分辨率小像素尺寸的全局图像传感器中实现。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种高动态范围全局快门像素结构，可以解决现有实现技术中信号幅度减半，动态范围较小的问题，并且具有较小的寄生光灵敏度以及较小的固定输出偏差；同时可以解决图像信号电压直接读出实现全局快门像素在光信号的无损检测以及连续两帧差异检测等丰富场景下的应用。

为实现上述目的，本发明提出了一种高动态范围全局快门像素结构及其信号采样读取方法，作为一种新的像素结构和多种应用场景下的采样读取方法，不仅可以避免输出信号幅度的下降，实现高动态范围成像，实现相关双采样，抑制寄生光灵敏度，有较小的固定模式噪声；而且可以解决现有技术中图像信号无法直接快速被读出的问题，可以实现光信号无损检测，连续两帧差异检测等工作模式，拓展了全局快门像素的应用场景。

为实现上述目的，本发明提供了一种高动态范围全局快门像素结构，包括：感光元件，用于将接受的光信号转换为电信号；悬浮节点；传输开关，连接在所述感光元件与所述悬浮节点之间，用于控制所述感光元件到所述悬浮节点的电信号传输；复位开关，第一端与所述悬浮节点连接，第二端接入电源电压，用于控制悬浮节点电压复位至复位信号电压；其特征在于，还包括开关放大单元、第一采样电容、第二采样电容、第一采样开关、第二采样开关、第一放大器以及总线选通开关；所述开关放大单元的输入端与所述悬浮节点连接，所述开关放大单元的输出端与所述第一采样电容的第一端连接；所述开关放大单元用于放大并输出所述悬浮节点电压，以控制所述第一采样电容的复位和第二采样电容的复位，并控制全局信号采样的开始和结束；所述第一采样电容的第二端接入第一参考电压；所述第一采样开关的第一端与所述第一采样电容的第一端连接于第一节点；所述第一采样开关的第二端、第二采样开关的第一端以及所述第一放大器的输入连接于第二节点；所述第二采样电容的第一端连接第二采样开关的第二端，所述第二采样电容的第二端接入第二参考电压；所述总线选通开关用于控制所述第一放大器的输出信号的读取，所述第一放大器的输出端与所述总线选通开关的第一端连接，所述总线选通开关的第二端与总线连接。

在其中一个实施例中，所述第一参考电压和所述第二参考电压为相同的电源、地或者其他参考电位，或者所述第一参考电压和所述第二参考电压为不同的电源、地或者其他参考电位。

在其中一个实施例中，所述开关放大单元包括第一源极跟随器、第一负载开关元件和第一全局采样开关，所述第一源极跟随器的输入端连接所述悬浮节点，所述第一源极跟随器的输出端和所述第一负载开关元件的第一端均与所述第一全局采样开关的第一端连接；所述第一负载开关元件的第二端接入电源地，所述第一负载开关元件用于复位所述第一采样电容和所述第二采样电容，同时给第一源极跟随器提供负载电流；所述第一全局采样开关的第二端与所述第一采样电容的第一端连接。

在其中一个实施例中，所述开关放大单元包括第二源极跟随器、第二全局采样开关以及第二负载开关元件，所述第二源极跟随器的输入端连接所述悬浮节点，所述第二源极跟随器的输出端和所述第二全局采样开关的第一端连接；所述第二全局采样开关的第二端与所述第一采样电容的第一端以及所述第二负载开关元件的第一端连接，所述第二负载开关元件的第二端接入电源地，所述第二负载开关元件用于复位所述第一采样电容和所述第二采样电容，同时给第二源极跟随器提供负载电流。

在其中一个实施例中，所述开关放大单元包括第三源极跟随器和第三全局采样开关，所述第三源极跟随器的输入端连接所述悬浮节点，所述第三源极跟随器的电源端接入可变电压源，所述第三源极跟随器的输出端与所述第三全局采样开关的第一端连接，所述第三全局采样开关的第二端与所述第一采样电容的第一端连接，所述第一采样电容和所述第二采样电容通过所述第三源极跟随器连接可变电压源以进行复位。

在其中一个实施例中，所述第一放大器包括第四源极跟随器，所述第四源极跟随器的输入端连接所述第二节点。

本发明实施例还提供一种如上述的高动态范围全局快门像素结构的像素信号采样读出方法，包括：

步骤A1：在开始曝光前通过导通所述传输开关与所述复位开关将所述感光元件以及所述悬浮节点复位；将所述传输开关关断，曝光开始；

步骤A2：在曝光即将结束时，通过导通所述开关放大单元以及所述第一采样开关、所述第二采样开关以使所述第一采样电容和所述第二采样电容放电复位；控制所述复位开关关断，所述悬浮节点结束复位状态，所述悬浮节点电压为复位信号电压；通过导通的所述开关放大单元、所述第一采样开关以及所述第二采样开关读取所述悬浮节点的所述复位信号电压，控制所述第二采样开关关断，将所述复位信号电压采样并存储于所述第二采样电容；所述第一采样开关关断，所述开关放大单元保持导通；

步骤A3：控制所述传输开关导通，以使所述感光单元积累的电荷通过所述传输开关全部转移至所述悬浮节点；待全部电荷转移完毕，控制所述传输开关关断,第一帧图像曝光结束,此时所述悬浮节点电压为图像信号电压；通过导通的所述开关放大单元读取所述悬浮节点的所述图像信号电压，随着所述开关放大单元的关断，所述图像信号电压采样并存储于所述第一采样电容；第一帧信号全局采样阶段结束；

步骤A4：全局采样阶段结束之后，控制所述传输开关和所述复位开关导通，以使所述感光元件复位；此后通过控制所述传输开关关断开始下一帧曝光；同时，在全局采样阶段结束之后，开始逐行读出阶段，逐行控制所述总线选通开关导通，控制所述第二采样开关导通，保持所述第一采样开关关断，所述第一放大器将所述第二采样电容存储的所述复位信号电压传输至总线，待所述复位信号电压读取完毕后，关断所述第二采样开关，控制所述第一采样开关导通，所述第一采样电容存储的图像信号电压传输至总线以进行读取；在逐行读出阶段，所述复位信号电压和所述图像信号电压的读取顺序可以根据需要进行互换，即所述第一采样开关和所述第二采样开关在本步骤中的导通顺序可以根据具体读取顺序需要进行互换。

本发明实施例还提供一种如上述的高动态范围全局快门像素结构实现光信号无损检测的信号采样读出方法，包括：

步骤B1：在开始曝光前通过导通所述传输开关与所述复位开关将所述感光元件以及所述悬浮节点复位；将所述传输开关关断，曝光开始；

步骤B2：在曝光即将结束时，通过导通所述开关放大单元、所述第一采样开关以及所述第二采样开关使所述第一采样电容和所述第二采样电容放电复位；控制所述复位开关关断，所述悬浮节点结束复位状态，所述悬浮节点电压为复位信号电压；通过导通的所述开关放大单元、所述第一采样开关以及所述第二采样开关读取所述悬浮节点的所述复位信号电压，控制所述第二采样开关关断，将所述复位信号电压采样并存储于所述第二采样电容；

步骤B3：控制所述传输开关导通，以使所述感光单元积累的电荷通过所述传输开关全部转移至所述悬浮节点；待全部电荷转移完毕，控制所述传输开关关断；通过导通的所述开关放大单元读取所述悬浮节点的图像信号电压，随着所述开关放大单元的关断，所述图像信号电压采样存储于所述第一采样电容；所述第一采样电容存储的所述图像信号电压通过像素检测行的所述总线选通开关以及所述第一采样开关开启输出至总线读出；

步骤B4：通过判断读出图像信号电压是否大于设定阈值来进行光信号无损检测；

步骤B5：若否，以一定时间频率重复执行步骤B3和步骤B4以和阈值进行比较判断，并不断读取累计的图像信号电压；若是，则执行步骤B6；

步骤B6：当像素检测行检测到的所述图像信号电压达到阈值之后，通过控制所述传输开关和所述复位开关导通，以使所述感光元件复位；通过控制所述传输开关关断开启下一帧图像曝光；同时，当像素检测行检测到的图像信号电压达到阈值之后，逐行控制所述总线选通开关导通，控制所述第二采样开关打开，所述第一放大器将所述第二采样电容存储的所述复位信号电压放大传输至总线，待所述复位信号电压读取完毕后，关断所述第二采样开关，控制所述第一采样开关导通，所述第一采样电容存储的所述图像信号电压通过所述第一放大器传输至总线读取。在逐行读出阶段，读出行所述复位信号电压和所述图像信号电压的读取顺序可以根据需要进行互换，即所述第一采样开关和所述第二采样开关在本步骤中的导通顺序可以根据具体读取顺序需要进行互换。

本发明实施例还提供一种如上述的高动态范围全局快门像素结构实现连续两帧差异检测的信号采样读出方法，包括：

步骤C1：在开始曝光前通过导通所述传输开关与所述复位开关将所述感光元件以及所述悬浮节点复位；将所述传输开关关断，曝光开始；

步骤C2：在曝光即将结束时，通过导通所述开关放大单元、所述第一采样开关以及第二采样开关以使所述第一采样电容和所述第二采样电容放电复位；控制所述复位开关关断，所述悬浮节点结束复位状态，控制所述传输开关导通，以使所述感光单元积累的电荷通过所述传输开关全部转移至所述悬浮节点；待全部电荷转移完毕，控制所述传输开关关断,第一帧图像曝光截止，此时所述悬浮节点电压为第一帧图像信号电压；通过导通的所述开关放大单元、所述第一采样开关以及所述第二采样开关读取所述悬浮节点的第一帧图像信号电压，随着所述第二采样开关的关断，所述第一帧图像信号电压采样并存储于所述第二采样电容；第一帧图像信号电压全局采样结束；

步骤C3：连续两帧读取时，在第一帧图像曝光结束后开始计算第二帧图像曝光时间，直到第二帧图像曝光即将结束，通过导通所述开关放大单元使所述第一采样电容放电复位，控制所述传输开关导通，以使所述感光单元积累的电荷通过所述传输开关全部转移至所述悬浮节点，待全部电荷转移完毕，控制所述传输开关关断，第二帧图像曝光截止；或在步骤C2后，通过控制所述传输开关和所述复位开关导通，以使所述感光元件复位，再通过控制所述传输开关关断开启所述第二帧图像曝光，保持所述复位开关导通，以使所述悬浮节点的电压保持复位，直到所述第二帧图像曝光即将结束，通过导通所述开关放大单元使所述第一采样电容放电复位，控制所述复位开关关断，所述悬浮节点结束复位状态，控制所述传输开关导通，以使所述感光单元积累的电荷通过所述传输开关全部转移至所述悬浮节点；待全部电荷转移完毕，控制所述传输开关关断,所述第二帧图像曝光截止；所述第二帧图像曝光截止后，所述悬浮节点电压为第二帧图像信号电压；通过导通的所述开关放大单元读取所述悬浮节点的所述第二帧的图像信号电压，随着所述开关放大单元的关断，所述第二帧的图像信号电压采样并存储于所述第一采样电容；第二帧图像信号电压全局采样结束；

步骤C4：所述第一帧图像信号电压全局采样阶段和所述第二帧图像信号电压全局采样阶段结束之后，控制所述传输开关和所述复位开关导通，以使所述感光元件复位；再通过控制所述传输开关关断开始下一帧图像曝光；同时，所述第一帧图像信号电压全局采样阶段和所述第二帧图像信号电压全局采样阶段结束之后，开始逐行读出阶段；逐行控制所述总线选通开关导通，控制所述第一采样开关打开，保持所述第二采样开关关断，所述第一放大器将所述第一采样电容存储的所述第二帧图像信号电压放大传输至总线，待第二帧图像信号电压读取完毕后，关断第一采样开关，控制所述第二采样开关导通，所述第二采样电容存储的所述第一帧图像信号电压通过所述第一放大器传输至总线读取；通过两次读取，进一步得所述第一帧图像信号电压和所述第二帧图像信号电压差值；在逐行读出阶段，所述第二帧图像信号电压和所述第一帧图像电压信号的读取顺序可以根据需要进行互换，即所述第一采样开关和第二采样开关在本步骤中的导通顺序可以根据具体读取顺序需要进行互换。

本发明的有益效果在于本发明提出的高动态范围全局快门像素结构在信号输出的过程中两个电容上存储的电压值都可以被分别完整读出，不存在图1所示的现有技术中由于信号均衡导致信号幅度减半的问题，从而实现了较高的信号动态范围。同时在逐行读出阶段，开关放大单元关断，第一采样开关与第一采样电容串联，第二采样开关与第二采样电容串联，对于第一放大器输入而言形成了两路并联的开关采样电容。因此通过合理的设计匹配可以最大限度的抵消寄生光电荷带来的影响，以及寄生电容带来的控制信号电压变化串扰的影响，从而可以通过相关双采样有效的抑制寄生光灵敏度，并且消除两次采样读出差值的固定偏差噪声。

本发明的有益效果还在于本发明提出的高动态范围全局快门图像传感器像素可以根据应用场景以及后端电路设计，通过控制第一采样开关和第二采样开关的开启顺序，灵活改变第一采样电容和第二采样电容的读出顺序。可以做到快速获取光信号幅度，即时做出相关判断。同时所述高动态范围全局快门图像传感器像素可以持续只读取当前图像信号电压但不影响已存储的复位信号电压以及图像信号电压，因而可以适用于非常丰富的应用场景。例如，所述全局快门图像传感器像素利用上述光信号无损检测采样读取方法，可以在一次较长的连续曝光中通过多次快速无损读取当前曝光信号值，智能判断光信号的大小及场景信息来判断是否结束当前曝光，还可以根据读取结果，实现快速增大或者缩小读取的信号范围，实现智能控制像素增益以及满阱变化进而实现全局快门的高动态范围成像等有益效果。除此之外，所述高动态范围全局快门图像传感器像素中的第一采样电容和第二采样电容并不局限于复位信号电压和图像信号电压的存储和读取，同时可以存储其他相关信号。比如所述全局快门图像传感器像素利用上述连续两帧差异检测信号采样读取方法，可以根据需要得到两帧图像信号值，变化差值，以及平均值等，使得本发明提出的高动态范围全局快门图像传感器像素可以灵活应用于丰富需求和场景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为现有技术1的全局快门像素结构示意图；

图2为现有技术2的全局快门像素结构示意图；

图3为本发明的高动态范围全局快门像素电路模块示意图；

图4为本发明高动态范围全局快门像素结构的第一实施例的电路示意图

图5为本发明高动态范围全局快门像素结构的第一实施例应用于普通全局快门成像的信号采样读出方法的时序示意图；

图6为本发明高动态范围全局快门像素结构的第一实施例应用于光信号无损检测的信号读出采样方法的时序示意图；

图7为本发明高动态范围全局快门像素结构的第一实施例应用于连续两帧差异检测的信号采样方法的时序示意图；

图8为本发明高动态范围全局快门像素结构的第二实施例的电路示意图；

图9为本发明高动态范围全局快门像素结构的第二实施例应用于普通全局快门成像的信号采样读出方法的时序示意图；

图10为本发明高动态范围全局快门像素结构的第三实施例的电路示意图；

图11为本发明高动态范围全局快门像素结构的第三实施例应用于普通全局快门成像的信号采样读出方法的时序示意图；

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。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。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要说明的是，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

图3为本发明的高动态范围全局快门像素结构的电路模块示意图，如图3所示。

一种全局快门图像传感器像素，包括感光元件PD、传输开关TG、复位开关M1、悬浮节点FD、开关放大单元10、第一采样电容C1、第二采样电容C2、第一采样开关M2、第二采样开关M3,第一放大器AMP1以及总线选通开关M4；感光元件PD，用于将接受的光信号转换为电信号，感光元件PD的正极与电源地连接，PD的负极与传输开关TG的第一端相连；传输开关TG，连接在所述感光元件PD与所述悬浮节点FD之间，用于控制所述感光元件PD到所述悬浮节点FD的电信号传输，传输开关TG接入传输开关控制信号TX；复位开关M1，第一端与所述悬浮节点FD连接，第二端接入电源电压VDD，复位开关M1用于控制所述悬浮节点电压复位至复位信号电压，复位开关M1接入复位开关控制信号RST；其中悬浮节点FD对地的电容包括常规电容和寄生电容为Cfd。

开关放大单元10的输入端与悬浮节点FD点连接，开关放大单元10的输出端与第一采样电容C1的第一端连接于第一节点(A点)；开关放大单元10用于放大输出悬浮节点电压，控制第一采样电容C1和第二采样电容C2的放电复位，并控制全局信号采样的开始和结束；第一采样电容C1的第二端接入第一参考电压Vref_1；第一采样开关M2的第一端与第一采样电容C1的第一端连接于第一节点(A点)；第一采样开关M2的第二端、第二采样开关M3的第一端以及第一放大器AMP1的输入端连接于第二节点(B点)，第二采样电容C2的第二端接入第二参考电压Vref_2；总线选通开关M4用于控制第一放大器AMP1的输出信号的读取，第一放大器AMP1的输出端与总线选通开关M4的第一端连接，总线选通开关M4的第二端与总线COL连接。其中第一参考电压Vref_1和第二参考电压Vref_2可以一起接入电源电压、电源地或者其他参考电位，也可以分别接入不同的电源电压、电源地、或者其他参考电位。

以下，基于图3所示的电路结构，根据开关放大单元的不同实现方式，详细描述实现本发明提出的高动态范围全局快门图像传感器像素的不同实施例。

实施例1

图4为基于本发明提供的高动态范围全局快门图像传感器像素实施例1的电路示意图。

在本发明实施例中感光元件为钉扎光电二极管(PPD)，传输开关为传输管TG，复位开关M1、第一采样开关M2、第二采样开关M3以及总线选通开关M4均为晶体管。钉扎光电二极管PPD的正极接电源地，钉扎光电二极管PPD的负极连接传输管TG的源极，传输管TG的漏极连接悬浮节点FD，以形成浮动扩散区，寄生电容Cfd为悬浮节点FD对电源地的寄生电容，传输管TG的栅极由传输开关控制信号TX控制。复位开关M1的源极连接悬浮节点FD，复位开关M1的漏极连接第一电源VDD_RST，且复位开关M1的栅极由复位开关控制信号RST控制。

此实施例中开关放大单元10包括第一源极跟随器M6、第一全局采样开关M7以及第一负载开关元件M8。第一源极跟随器M6、第一全局采样开关M7以及第一负载开关元件M8均为晶体管。第一源极跟随器M6的栅极端连接悬浮节点FD、第一源极跟随器M6的源极、第一负载开关元件M8的漏极以及第一全局采样开关M7的源极共同连接于第三节点(C点)，第一源极跟随器M6的漏极连接第二电源VDD_PIX。第一负载开关元件M8的栅极由负载开关控制信号PC控制，第一负载开关元件M8的源极接入电源地。第一全局采样开关M7的漏极、第一采样电容C1的第一端均与第一采样开关M2的漏极共同连接于第一节点(A点)。第一采样电容C1的第二端接入电源地。第一全局采样开关M7的栅极由全局采样控制信号S3控制。

第一采样开关M2的栅极由第一采样控制信号S1控制，第一采样开关M2的源极与第二采样开关M3的漏极共同连接于第二节点(B点)，第二采样开关M3的栅极由第一采样控制信号S2控制，第二采样开关M3的源级与第二采样电容C2的第一端连接，第二采样电容C2的第二端接入电源地。第一放大器AMP1包括第四源极跟随器M5，第四源极跟随器M5也为晶体管。第四源极跟随器M5的栅极连接第二节点(B点)，第四源极跟随器M5的漏极端连接第二电源VDD_PIX，第四源极跟随器M5的源极与总线选通开关M4的漏极连接，总线选通开关M4的栅极接入行选择信号SEL，总线选通开关M4的源极连接总线COL。此实施例1中第二电源VDD_PIX与第一电源VDD_RST可以为同一个电源或不同的电源。

图5为实施例1进行全局快门成像的具体工作时序示意图(以第n帧图像像素信号的采样读取为例)，具体步骤为：

步骤S1：在T0时刻，传输管TG的传输开关控制信号TX由低电平升到高电平，复位开关M1的复位开关控制信号RST也为高电平，传输管TG与复位开关M1导通，将钉扎光电二极管PPD以及悬浮节点FD复位；随后传输开关控制信号TX由高电平降到低电平，将所述传输管TG关断，曝光开始。

步骤S2：在T1时刻，曝光即将结束时，第一采样控制信号S1、第二采样控制信号S2和全局采样控制信号S3从低电平升到高电平，负载开关控制信号PC电平上升到一个偏置电压，通过导通第一全局采样开关M7第一负载开关M8、第一采样开关M2以及第二采样开关M3使第一采样电容C1和第二采样电容C2放电复位。随后，通过复位开关M1的复位开关控制信号RST从高电平下降到低电平，复位开关M1关断，悬浮节点电压为复位信号电压Vreset；在T2时刻，通过控制第二采样控制信号S2信号从高电平下降为低电平，第二采样开关M3关断，将复位信号电压Vreset采样并存储于第二采样电容C2，第二采样电容C2的存储电压为Vreset’；控制第一采样控制信号S1信号从高电平下降为低电平，第一采样开关M2关断。

步骤S3：传输开关控制信号TX从低电平上升为高电平，控制传输管TG导通，以使钉扎光电二极管PPD积累的电荷通过传输管TG全部转移至悬浮节点FD点的电容；悬浮节点电压下降幅度与传输电荷数量成正比；待全部电荷转移完毕，在T3时刻，传输开关控制信号TX信号从高电平下降为低电平，控制传输管TG关断，第n帧图像曝光截止,此时悬浮节点电压为图像信号电压Vsignal；通过导通的第一全局采样开关M7读取悬浮节点FD的图像信号电压，在T4时刻随着全局采样控制信号S3信号从高电平下降为低电平，第一全局采样开关M7管被关断，图像信号电压采样并存储于第一采样电容C1，第一采样电容C1的存储电压为Vsignal’。第n帧信号全局采样阶段结束；负载开关控制信号PC从高偏置电压下降为低电平，第一负载开关元件M8被关断。

步骤S4：全局采样阶段结束之后，复位开关控制信号RST与传输开关控制信号TX从低电平恢复为高电平，控制传输管TG和复位开关M1导通，以使钉扎光电二极管PPD复位；此后可以随时通过传输开关控制信号TX高电平下降为低电平，控制传输管TG关断开始第n+1帧图像曝光，如图中T5时刻所示；同时，在全局采样阶段结束之后，开始逐行读出阶段；逐行将所在行像素的行选择信号SEL信号从低电平上升为高电平，控制总线选通开关M4导通，第二采样控制信号S2从低电平上升为高电平，第二采样开关M3导通，第四源极跟随器M5将第二采样电容C2存储的图像信号电压Vreset’放大并传输至总线，在T6时刻复位信号电压被读出电路读取；读取完毕后，第二采样控制信号S2从高电平下降为低电平，第二采样开关M3关断。通过第一采样控制信号S1从低电平上升为高电平，控制第一采样开关M2导通，第四源极跟随器M5将第一采样电容C1存储的图像信号电压Vsignal’放大并传输至总线，即在T7时刻通过总线选通开关M4和第四源极跟随器M5传输至总线以进行读取；值得指出的是，图中T5时刻可以发生在T4时刻后的任意时刻，和T6时刻没有先后关系。在逐行读出阶段，复位信号电压和图像信号电压的读取顺序可以根据需要进行互换，即第一采样开关M2和第二采样开关M3在行读出过程中的导通顺序可以根据具体读取顺序需要进行互换，即T6时刻和T7时刻可以互换。

经过相关双采样后，该像素的最后读出的光信号值为Asf_m5*(Vreset’-Vsignal’)。Asf_m5为第四源极跟随器M5的增益。

除了正常的全局快门成像，本发明还可以实现光信号的无损检测，实施例1的具体工作时序如图6所示(以第n帧曝光无损检测为例)。具体步骤描述如下：

步骤S1：在T0时刻，传输管TG的传输开关控制信号TX由低电平升到高电平，复位开关M1的复位开关控制信号RST也为高电平，传输管TG与复位开关M1导通，将钉扎光电二极管PPD以及悬浮节点FD复位；随后传输开关控制信号TX由高电平降到低电平，将传输管TG关断，曝光开始。

步骤S2：在T1时刻，曝光即将结束时，第一采样控制信号S1、第二采样控制信号S2和全局采样控制信号S3从低电平升到高电平，负载开关控制信号PC电平上升到一个偏置电压，通过导通第一全局采样开关M7、第一负载开关M8、第一采样开关M2和第二采样开关M3使第一采样电容C1和第二采样电容C2放电复位。随后，通过复位开关M1的复位开关控制信号RST从高电平下降到低电平，复位开关M1关断，悬浮节点FD的电压为复位信号电压Vreset_0；在T2时刻，通过控制第二采样控制信号S2从高电平下降为低电平，第二采样开关M3关断，将复位信号电压Vreset_0采样并存储于第二采样电容C2,第二采样电容C2存储的电压值为Vreset_0’。控制第一采样控制信号S1信号从高电平下降为低电平，第一采样开关M2关断。

步骤S3：传输开关控制信号TX信号从低电平上升为高电平，控制传输管TG导通，以使钉扎光电二极管PPD积累的电荷通过传输管TG全部转移至悬浮节点FD的电容；所述悬浮节点电压下降幅度与传输电荷数量成正比；待全部电荷转移完毕，在T3时刻，传输开关控制信号TX信号从高电平下降为低电平，控制传输管TG关断,此时悬浮节点电压为图像信号电压Vsignal_0；通过导通的第一全局采样开关M7管读取悬浮节点FD的图像信号电压，在T4时刻随着全局采样控制信号S3信号从高电平下降为低电平，第一全局采样开关M7被关断，图像信号电压Vsignal_0’被采样并存储于第一采样电容C1。负载开关控制信号PC从高偏置电压下降为低电平，第一负载开关元件M8被关断。随后检测行的行选择信号SEL与第一采样控制信号S1逐行从低电平上升为高电平，第一采样电容C1存储的图像信号电压Vsignal_0’通过像素检测行导通的第一采样开关M2与总线选通开关M4输出至总线，在图中T5时刻图像信号电压读出电路采样读出。随后检测行的行选择信号SEL与第一采样控制信号S1逐行从高电平下降为低电平，第一采样开关M2与总线选通开关M4关断。

步骤S4：通过读出电路系统判断T5时刻读出的信号是否大于阈值，若是，则执行步骤S5；若否，在预设时间之后传输开关控制信号TX、全局采样控制信号S3以及负载开关控制信号PC信号再次从低电平上升为高电平，传输管TG导通将钉扎光电二极管PPD新累计产生的光生电荷转移到悬浮节点FD,传输完毕后，在T6时刻，传输开关控制信号TX从高电平下降为低电平，传输管TG关断；悬浮节点电压从T5时刻的Vsignal_0下降变为在T6时刻的Vsignal_1，电压下降的幅度与光信号的大小和传输开关控制信号TX两次关断的时间差即T3时刻至T6时刻的长度成正比。T6时刻之后，全局采样控制信号S3与负载开关控制信号PC也从高电平降为低电平，第一全局采样开关M7和第一负载开关元件M8关断；通过第一源极跟随器M6和第一全局采样开关M7，Vsignal_1变为Vsignal_1’并被采样并存储至第一采样电容C1。随后检测行的行选择信号SEL与第一采样控制信号S1逐行从低电平上升为高电平，第一采样电容C1存储的Vsignal_1’通过像素检测行导通的总线选通开关M4输出至总线，在图中T7时刻图像信号电压读出电路采样读出并再次和设定阈值进行比较；在图6示例的时序举例中，直到T9时刻的第三次采样读取与阈值判断，Vsignal_2’的值达到既定阈值电压。

步骤S5：当像素检测行读出的图像信号电压达到阈值之后，可以通过传输开关控制信号TX与复位开关控制信号RST从低电平上升为高电平，控制传输管TG和复位开关M1导通，以使钉扎光电二极管PPD复位；之后通过控制传输开关控制信号TX信号从高电平下降为低电平将传输管TG关断以随时开启下一帧图像曝光；同时，当检测行检测到的图像信号电压达到阈值之后，进入整帧图像逐行读出阶段。逐行控制行选择信号SEL与第二采样控制信号S2从低电平上升为高电平，第二采样开关M3与控制总线选通开关M4导通，所述第四源极跟随器M5将第二采样电容C2存储的Vreset_0’放大传输至总线，待复位信号电压在T10时刻读取完毕后，第二采样控制信号S2从高电平下降为低电平，第二采样开关M3关断。随后第一采样控制信号S1从低电平上升到高电平，控制第一采样开关M2导通，在T11时刻第四源极跟随器M5将第一采样电容C1存储的Vsignal_2’放大传输至总线读取；值得指出的是，在逐行读出阶段，读出复位信号电压和图像信号电压的读取顺序可以根据需要进行互换，即第一采样开关M2和第二采样开关M3在行读出过程中的导通顺序可以根据具体读取顺序需要进行互换，即T10时刻和T11时刻可以互换。经过相关双采样后，该像素的最后读出光信号值为Asf_m5*(Vreset_0’-Vsignal_2’),其中Asf_m5为第四源极跟随器M5的增益。

除了以上两种信号采样读取方法，，本发明还可以实现前后两帧差异检测，实施例1的具体工作时序如图7所示。具体步骤描述如下：

步骤S1：在T0时刻，传输管TG的传输开关控制信号TX由低电平升到高电平，复位开关M1的复位开关控制信号也为高电平，传输管TG与复位开关M1导通，将钉扎光电二极管PPD以及悬浮节点FD复位；随后传输开关控制信号TX由高电平降到低电平，将所述传输管TG关断，曝光开始；

步骤S2：在T1时刻，曝光即将结束时，第一采样控制信号S1、第二采样控制信号S2和全局采样控制信号S3从低电平升到高电平，负载开关控制信号PC的电平上升到一个偏置电压，通过导通第一全局采样开关M7、第一负载开关M8以及第一采样开关M2使第一采样电容C1和第二采样电容C2放电复位。随后，通过复位开关M1的复位开关控制信号RST从高电平下降到低电平，复位开关M1关断，悬浮节点FD结束复位状态；传输开关控制信号TX从低电平上升到高电平，控制传输管TG导通，以使钉扎光电二极管PPD积累的电荷通过传输管TG全部转移至悬浮节点FD；悬浮节点电压随着传输电荷的数量增加而下降；待全部电荷转移完毕，在T2时刻，传输开关控制信号TX信号从高电平下降到低电平，传输管TG关断,第一帧曝光截止，此时悬浮节点电压为第一帧图像信号电压V1_signal；在T3时刻,第二采样控制信号S2信号从高电平下降为低电平，第二采样开关M3被关断，第一帧图像信号电压V1_signal通过导通的第一源极跟随器M6、第一全局采样开关M7以及第一采样开关M2，被采样并存储于第二采样电容C2，第二采样电容C2存储电压值为V1_signal’。随后第一采样控制信号S1和全局采样控制信号S3从高电平降到低电平，负载开关控制信号PC从高偏置电压下降到低电平，第一全局采样开关M7,、第一负载开关M8以及第一采样开关M2关断。第一帧图像信号电压全局采样结束。

步骤S3：第一帧图像信号电压全局采样结束后开始计算第二帧曝光时间，直到第二帧图像曝光即将结束时，全局采样控制信号S3从低电平升到高电平，负载开关控制信号PC的电平上升到一个偏置电压，通过导通第一全局采样开关M7使第一采样电容C1复位。随后传输开关控制信号TX从低电平上升到高电平，控制传输管TG导通，以使钉扎光电二极管PPD积累的电荷通过传输管TG全部转移至悬浮节点FD；待全部电荷转移完毕，在T4时刻，传输开关控制信号TX信号从高电平下降到低电平，传输管TG关断,第二帧曝光截止；通过导通的第一源极跟随器M6和第一全局采样开关M7读取悬浮节点FD的第二帧图像信号电压V2_signal。在T5时刻，全局采样控制信号S3从高电平下降为低电平控制第一全局采样开关M7关断，V2_signal’被采样并存储于第一采样电容C1；负载开关控制信号PC从高偏置电压下降到低电平，第一负载开关M8关断，第二帧图像信号电压全局采样结束。

步骤S4：连续两帧图像信号电压全局采样阶段结束之后，复位开关控制信号RST以及传输开关控制信号TX从低电平上升到高电平，通过控制传输管TG和复位开关M1导通，以使钉扎光电二极管PPD复位。此后可以通过传输开关控制信号TX从高电平下降为低电平，控制传输管TG关断以随时开始下一帧图像曝光；同时，连续两帧图像信号电压全局采样阶段结束之后，开始逐行读出阶段；逐行控制行选择信号SEL从低电平上升到高电平，控制总线选通开关M4导通，第一采样控制信号S1从低电平上升到高电平，第一采样开关M2导通，第四源极跟随器M5将第一采样电容C1存储的第二帧图像信号电压V2_signal’放大并传输至总线，在T6时刻第二帧图像信号电压被读取。完毕后，第一采样控制信号S1从高电平下降到低电平，第一采样开关M2关断。随后第二采样控制信号S2信号从低电平上升为高电平，控制所述第二采样开关M3导通，第二采样电容C2存储的第一帧图像信号电压通过第四源极跟随器M5传输至总线在T7时刻读取；随后第二采样控制信号S2信号从高电平下降为低电平，控制所述第二采样开关M3关断。在逐行读出阶段，读出第一帧信号电压和第二帧信号电压的读取顺序可以根据需要进行互换，即第一采样开关M2和第二采样开关M3在行读出过程中的导通顺序可以根据具体读取顺序需要进行互换，即T6时刻和T7时刻可以互换。通过以上两次相关双采样读取，可以进一步得到前后两帧的图像信号差值Asf_m5*(V2_signal’-V1_signal’),其中Asf_m5为第四源极跟随器M5的增益。

实施例2

图8为基于本发明提供的高动态范围全局快门图像传感器像素实施例2的电路示意图。实施例2和上述实施例1的主要区别在于开关放大单元的实现方式。实施例2中开关放大单元10包括第二源极跟随器M6、第二全局采样开关M7以及第二负载开关元件M8。第二源极跟随器M6、第二全局采样开关M7以及第二负载开关元件M8均为晶体管。第二源极跟随器M6的栅极端连接悬浮节点FD，第二源极跟随器M6的源极和第二全局采样开关M7的漏极相连接于第三节点(C点)，第二源极跟随器M6的漏极连接第二电源VDD_PIX。第二负载开关元件M8的栅极由负载开关控制信号PC控制，第二负载开关元件M8的源极端接入电源地。第二全局采样开关M7的源极、第二负载开关M8的漏极、第一采样电容C1的第一端与第一采样开关M2的漏极连接于第一节点(A点)。第二全局采样开关M7的栅极由全局采样控制信号S3控制。

图9为实施例2进行全局快门成像的具体工作时序示意图(以第n帧图像像素信号的采样读取为例)，和图5所示实施例1的具体工作时序基本相同，差异点主要在于，负载开关控制信号PC需要在T4时刻第二全局采样开关M7关断之前从高电平变为低电平，将第二负载开关元件M8关断，以防止在第二全局采样开关M7关断，第一采样电容C1存储采样图像信号电压之后，第一采样电容C1通过第二负载开关元件M8放电复位。其他信号的工作时序和工作原理和图5所示一致。

实施例3

图10为基于本发明提供的高动态范围全局快门图像传感器像素实施例3的电路示意图。实施例3和上述实施例1和实施例2的主要区别在于开关放大单元的实现方式。实施例3中开关放大单元10由第三源极跟随器M6和第三全局采样开关M7组成。第三源极跟随器M6和第三全局采样开关M7均为晶体管。第三源极跟随器M6的栅极连接悬浮节点FD，第三源极跟随器M6的源极和第三全局采样开关M7的源极或者第三全局采样开关M7的漏极共同连接于第三节点(C点)，第三源极跟随器M6的漏极接入可变电压源VSF_PULSE。第三全局采样开关M7的漏极或者第三全局采样开关M7的源极、第一采样电容C1的第一端与第一采样开关M2的漏极共同连接于第一节点(A点)。第三全局采样开关M7的栅极由全局采样控制信号S3控制。在本实施例3中，利用第三源极跟随器M6的漏极连接一个可变电压信号替代实施例1和实施例2的负载开关元件M8，并控制信号使能变化来完成采样电容的充放电状态转换。和图4相比，第三源极跟随器M6的漏极连接的第二电源VDD_PIX被替换为了可变电压源VSF_PULSE。这种实现方式节省了一个晶体管，在一定程度上可以实现更紧凑精简的设计。同前两个实施方法一样，复位开关M1漏极连接的第一电源VDD_RST可以是独立的也可以和第四源极跟随器M5连接同一个电源VDD_PIX。

图11为实施例3进行全局快门成像的具体工作时序示意图(以第n帧图像像素信号的采样读取为例)，和图5所示实施例1的具体工作时序基本相同，差异点主要在于，可变电压源VSF_PULSE的控制信号时序替代了负载开关控制信号PC。可变电压源VSF_PULSE在全局采样过程中需要两次由高电平下拉到低电平，再从低电平恢复到高电平的过程。可变电压源VSF_PULSE在每帧全局采样过程中第一次下降的时间可以为如图11所示T1时刻前后复位开关控制信号RST为高电平时，也可以在复位开关控制信号RST为低电平之后。在T2时刻之前，悬浮节点FD复位，可变电压源VSF_PULSE从高电位下降到低电位，第一节点(A点)、第二节点(B点)和第三节点(C点)被拉到与可变电压源VSF_PULSE对应的低电平，第一采样电容C1的存储电压和第二采样电容C2的存储电压被复位。同样要在T2时刻之前，可变电压源VSF_PULSE从低电平恢复为高电平，第三源极跟随器M6重新工作为源极跟随器状态，为T2时刻，第二采样控制信号S2信号从高电平下降到低电平，第二采样开关M3关断，为第二采样电容C2采样复位信号电压做好准备。在T4时刻第一采样电容C1采样之前，可变电压源VSF_PULSE又需要一次从高电平到低电平，再从低电平恢复到高电平的变化，为第二节点(B点)放电复位再采样信号电压做好准备。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的实施例2和实施例3，可以参考前述实施例1的光信号无损检测和连续两帧差异检测的信号采样读取方法中的对应过程来实现光信号无损检测和连续两帧差异检测，在此不再赘述。

如前所述，本发明不限于上述几种实施方式，本发明所有实施例中第一电源VDD_RST和第二电源VDD_PIX根据具体情况可以为同一个电源信号，也可以连接为不同的电源信号。所有实施例中第一采样电容C1与第二采样电容C2的第二端可以如图示连接到电源地，也可以连接到电源信号或者其他的合适固定电位参考点。本发明提到的开关放大单元和第一放大器AMP1不但可以采用上述几个实施例中提到的源极跟随器，还可以采用其他类型的放大器实现方式。复位开关M1、全局采样开关、第一采样开关M2、总线选通开关M4不但可以选择nmos晶体管，也可以选择CMOS传输门开关等其他开关类型。负载开关控制信号PC的控制方式可以如图5、图6、图7和图9中负载开关控制信号PC对应的实线所示，也可以如虚线所示时序工作。

本发明所提出的像素结构不但可以兼容前照式(Frontsideillumination)与后照式(Backside illumination)图像传感器工艺，同样可以适用于三维堆栈(3D stacking)结构图像传感器。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种高动态范围全局快门像素结构，其特征在于，包括：感光元件，用于将接受的光信号转换为电信号；悬浮节点；传输开关，连接在所述感光元件与所述悬浮节点之间，用于控制所述感光元件到所述悬浮节点的电信号传输；复位开关，第一端与所述悬浮节点连接，第二端接入电源电压，用于控制悬浮节点电压复位至复位信号电压；其特征在于，还包括开关放大单元、第一采样电容、第二采样电容、第一采样开关、第二采样开关、第一放大器以及总线选通开关；所述开关放大单元的输入端与所述悬浮节点连接，所述开关放大单元的输出端与所述第一采样电容的第一端连接；所述开关放大单元用于放大并输出所述悬浮节点电压，以控制所述第一采样电容的复位和第二采样电容的复位，并控制全局信号采样的开始和结束；所述第一采样电容的第二端接入第一参考电压；所述第一采样开关的第一端与所述第一采样电容的第一端连接于第一节点；所述第一采样开关的第二端、第二采样开关的第一端以及所述第一放大器的输入连接于第二节点；所述第二采样电容的第一端连接第二采样开关的第二端，所述第二采样电容的第二端接入第二参考电压；所述总线选通开关用于控制所述第一放大器的输出信号的读取，所述第一放大器的输出端与所述总线选通开关的第一端连接，所述总线选通开关的第二端与总线连接。

2.根据权利要求1所述的高动态范围全局快门像素结构，其特征在于，所述第一参考电压和所述第二参考电压为相同的电源、地或者其他参考电位，或者所述第一参考电压和所述第二参考电压为不同的电源、地或者其他参考电位。

3.根据权利要求1所述的高动态范围全局快门像素结构，其特征在于，所述开关放大单元包括第一源极跟随器、第一负载开关元件和第一全局采样开关，所述第一源极跟随器的输入端连接所述悬浮节点，所述第一源极跟随器的输出端和所述第一负载开关元件的第一端均与所述第一全局采样开关的第一端连接；所述第一负载开关元件的第二端接入电源地，所述第一负载开关元件用于复位所述第一采样电容和所述第二采样电容,同时给第一源极跟随器提供负载电流；所述第一全局采样开关的第二端与所述第一采样电容的第一端连接。

4.根据权利要求1所述的全局快门图像传感器像素结构，其特征在于，所述开关放大单元包括第二源极跟随器、第二全局采样开关以及第二负载开关元件，所述第二源极跟随器的输入端连接所述悬浮节点，所述第二源极跟随器的输出端和所述第二全局采样开关的第一端连接；所述第二全局采样开关的第二端与所述第一采样电容的第一端以及所述第二负载开关元件的第一端连接，所述第二负载开关元件的第二端接入电源地，所述第二负载开关元件用于复位所述第一采样电容和所述第二采样电容，同时给第二源极跟随器提供负载电流；。

5.根据权利要求1所述的高动态范围全局快门像素结构，其特征在于，所述开关放大单元包括第三源极跟随器和第三全局采样开关，所述第三源极跟随器的输入端连接所述悬浮节点，所述第三源极跟随器的电源端接入可变电压源，所述第三源极跟随器的输出端与所述第三全局采样开关的第一端连接，所述第三全局采样开关的第二端与所述第一采样电容的第一端连接，所述第一采样电容和所述第二采样电容通过所述第三源极跟随器连接可变电压源以进行复位。

6.根据权利要求1所述的高动态范围全局快门像素结构，其特征在于，所述第一放大器包括第四源极跟随器，所述第四源极跟随器的输入端连接所述第二节点。

7.一种如权利要求1所述的高动态范围全局快门像素结构的像素信号采样读出方法，其特征在于，包括：

步骤A1：在开始曝光前通过导通所述传输开关与所述复位开关将所述感光元件以及所述悬浮节点复位；将所述传输开关关断，曝光开始；

步骤A2：在曝光即将结束时，通过导通所述开关放大单元以及所述第一采样开关、所述第二采样开关以使所述第一采样电容和所述第二采样电容放电复位；控制所述复位开关关断，所述悬浮节点结束复位状态，所述悬浮节点电压为复位信号电压；通过导通的所述开关放大单元、所述第一采样开关以及所述第二采样开关读取所述悬浮节点的所述复位信号电压，控制所述第二采样开关关断，将所述复位信号电压采样并存储于所述第二采样电容；所述第一采样开关关断，所述开关放大单元保持导通；

步骤A3：控制所述传输开关导通，以使所述感光单元积累的电荷通过所述传输开关全部转移至所述悬浮节点；待全部电荷转移完毕，控制所述传输开关关断,第一帧图像曝光结束,此时所述悬浮节点电压为图像信号电压；通过导通的所述开关放大单元读取所述悬浮节点的所述图像信号电压，随着所述开关放大单元的关断，所述图像信号电压采样并存储于所述第一采样电容；第一帧信号全局采样阶段结束；

步骤A4：全局采样阶段结束之后，控制所述传输开关和所述复位开关导通，以使所述感光元件复位；此后通过控制所述传输开关关断开始下一帧曝光；同时，在全局采样阶段结束之后，开始逐行读出阶段，逐行控制所述总线选通开关导通，控制所述第二采样开关导通，保持所述第一采样开关关断，所述第一放大器将所述第二采样电容存储的所述复位信号电压传输至总线，待所述复位信号电压读取完毕后，关断所述第二采样开关，控制所述第一采样开关导通，所述第一采样电容存储的图像信号电压传输至总线以进行读取；在逐行读出阶段，所述复位信号电压和所述图像信号电压的读取顺序可以根据需要进行互换，即所述第一采样开关和所述第二采样开关在本步骤中的导通顺序可以根据具体读取顺序需要进行互换。

8.一种如权利要求1所述的高动态范围全局快门像素结构实现光信号无损检测的信号采样读出方法，其特征在于，包括：

步骤B1：在开始曝光前通过导通所述传输开关与所述复位开关将所述感光元件以及所述悬浮节点复位；将所述传输开关关断，曝光开始；

步骤B2：在曝光即将结束时，通过导通所述开关放大单元、所述第一采样开关以及所述第二采样开关使所述第一采样电容和所述第二采样电容放电复位；控制所述复位开关关断，所述悬浮节点结束复位状态，所述悬浮节点电压为复位信号电压；通过导通的所述开关放大单元、所述第一采样开关以及所述第二采样开关读取所述悬浮节点的所述复位信号电压，控制所述第二采样开关关断，将所述复位信号电压采样并存储于所述第二采样电容；

步骤B3：控制所述传输开关导通，以使所述感光单元积累的电荷通过所述传输开关全部转移至所述悬浮节点；待全部电荷转移完毕，控制所述传输开关关断；通过导通的所述开关放大单元读取所述悬浮节点的图像信号电压，随着所述开关放大单元的关断，所述图像信号电压采样存储于所述第一采样电容；所述第一采样电容存储的所述图像信号电压通过像素检测行的所述总线选通开关以及所述第一采样开关开启输出至总线读出；

步骤B4：通过判断读出图像信号电压是否大于设定阈值来进行光信号无损检测；

步骤B5：若否，以一定时间频率重复执行步骤B3和步骤B4以和阈值进行比较判断，并不断读取累计的图像信号电压；若是，则执行步骤B6；

步骤B6：当像素检测行检测到的所述图像信号电压达到阈值之后，通过控制所述传输开关和所述复位开关导通，以使所述感光元件复位；通过控制所述传输开关关断开启下一帧图像曝光；同时，当像素检测行检测到的图像信号电压达到阈值之后，逐行控制所述总线选通开关导通，控制所述第二采样开关打开，所述第一放大器将所述第二采样电容存储的所述复位信号电压放大传输至总线，待所述复位信号电压读取完毕后，关断所述第二采样开关，控制所述第一采样开关导通，所述第一采样电容存储的所述图像信号电压通过所述第一放大器传输至总线读取。在逐行读出阶段，读出行所述复位信号电压和所述图像信号电压的读取顺序可以根据需要进行互换，即所述第一采样开关和所述第二采样开关在本步骤中的导通顺序可以根据具体读取顺序需要进行互换。

9.一种如权利要求1所述的高动态范围全局快门像素结构实现连续两帧差异检测的信号采样读出方法，其特征在于，包括：

步骤C1：在开始曝光前通过导通所述传输开关与所述复位开关将所述感光元件以及所述悬浮节点复位；将所述传输开关关断，曝光开始；

步骤C2：在曝光即将结束时，通过导通所述开关放大单元、所述第一采样开关以及第二采样开关以使所述第一采样电容和所述第二采样电容放电复位；控制所述复位开关关断，所述悬浮节点结束复位状态，控制所述传输开关导通，以使所述感光单元积累的电荷通过所述传输开关全部转移至所述悬浮节点；待全部电荷转移完毕，控制所述传输开关关断,第一帧图像曝光截止，此时所述悬浮节点电压为第一帧图像信号电压；通过导通的所述开关放大单元、所述第一采样开关以及所述第二采样开关读取所述悬浮节点的第一帧图像信号电压，随着所述第二采样开关的关断，所述第一帧图像信号电压采样并存储于所述第二采样电容；第一帧图像信号电压全局采样结束；

步骤C3：连续两帧读取时，在第一帧图像曝光结束后开始计算第二帧图像曝光时间，直到第二帧图像曝光即将结束，通过导通所述开关放大单元使所述第一采样电容放电复位，控制所述传输开关导通，以使所述感光单元积累的电荷通过所述传输开关全部转移至所述悬浮节点，待全部电荷转移完毕，控制所述传输开关关断，第二帧图像曝光截止；或在步骤C2后，通过控制所述传输开关和所述复位开关导通，以使所述感光元件复位，再通过控制所述传输开关关断开启所述第二帧图像曝光，保持所述复位开关导通，以使所述悬浮节点的电压保持复位，直到所述第二帧图像曝光即将结束，通过导通所述开关放大单元使所述第一采样电容放电复位，控制所述复位开关关断，所述悬浮节点结束复位状态，控制所述传输开关导通，以使所述感光单元积累的电荷通过所述传输开关全部转移至所述悬浮节点；待全部电荷转移完毕，控制所述传输开关关断,所述第二帧图像曝光截止；所述第二帧图像曝光截止后，所述悬浮节点电压为第二帧图像信号电压；通过导通的所述开关放大单元读取所述悬浮节点的所述第二帧的图像信号电压，随着所述开关放大单元的关断，所述第二帧的图像信号电压采样并存储于所述第一采样电容；第二帧图像信号电压全局采样结束；

步骤C4：所述第一帧图像信号电压全局采样阶段和所述第二帧图像信号电压全局采样阶段结束之后，控制所述传输开关和所述复位开关导通，以使所述感光元件复位；再通过控制所述传输开关关断开始下一帧图像曝光；同时，所述第一帧图像信号电压全局采样阶段和所述第二帧图像信号电压全局采样阶段结束之后，开始逐行读出阶段；逐行控制所述总线选通开关导通，控制所述第一采样开关打开，保持所述第二采样开关关断，所述第一放大器将所述第一采样电容存储的所述第二帧图像信号电压放大传输至总线，待第二帧图像信号电压读取完毕后，关断第一采样开关，控制所述第二采样开关导通，所述第二采样电容存储的所述第一帧图像信号电压通过所述第一放大器传输至总线读取；通过两次读取，进一步得所述第一帧图像信号电压和所述第二帧图像信号电压差值；在逐行读出阶段，所述第二帧图像信号电压和所述第一帧图像电压信号的读取顺序可以根据需要进行互换，即所述第一采样开关和第二采样开关在本步骤中的导通顺序可以根据具体读取顺序需要进行互换。

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