CN111669525A - 像素电压调节器 - Google Patents

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Abstract

一种像素电路(100)，其中像素布置(20)包括：像素(30)，该像素包括光电探测器(32)、用于累积来自光电探测器(32)的信号的积分器(38)、用于放大积分信号的源极跟随输出晶体管(37)以及用于通过输出晶体管施加读出电流的电流源(34)；电压调节电路(10)，该电压调节电路包括放大器(11)、尺寸与输出晶体管(37)基本相同的复制晶体管(12)以及用于基本提供通过每个复制晶体管(12)的读出电流的复制电流源(13)，复制晶体管(12)的栅极与和像素布置连接的放大器(11)的输出节点连接，并且复制晶体管(12)的源极与放大器(11)的负输入端连接，通过复制电流源(13)，预定义的参考电压可施加于正输入端。

Description

像素电压调节器
技术领域
本发明涉及像素电路领域。更具体地，本发明涉及用于改善像素的动态范围的调节电路和方法。
背景技术
图像传感器的设计目标是对场景中的黑暗区域和明亮区域具有良好的图像感知。因此，应针对高信号摆幅和动态范围设计像素。例如，图像传感器可应用于动态范围对其特别重要的飞行时间设备。
例如，图像传感器可包括3T(三个晶体管)CMOS像素。在图1中示意性地图示出此类像素的示例，示出了包括复位晶体管1、光电探测器2、源极跟随器晶体管3和选择器晶体管4的像素。选择器晶体管4的栅极由行线5控制，而源极与列线6电连接。在读出像素信号电压时，应使用整个读出链(如列放大器和ADC)的最大信号范围，以获得系统可能的最高动态范围。因此，可能的最低信号电平(“复位电压”)应被明确定义，并恰好适合于读出链的最低信号电平。以像素为单位的累积光信号存储在积分节点(integration node)处。在曝光之前，该节点被重置为某一明确定义的电压(“内部复位电压”)。对于读出，有源CMOS像素通过简单的源极跟随器晶体管放大其积分节点电压。因此，读出电压偏移了源极跟随器晶体管的阈值电压。
源极跟随器晶体管通常具有非常小的尺寸，以保持像素填充因子高。这些小尺寸使源极跟随器阈值电压易于发生工艺变化。因此，“复位电压”未被明确定义，并且易于发生源极跟随器阈值电压的工艺、温度和电源变化。
用于3T像素的现有解决方案经常使用伪相关双采样“CDS”来放大像素输出信号电压并将其改变成参考带隙的参考电压。这通过开关电容器电路来完成，该开关电容器电路在第一阶段中对累积的像素信号进行采样，并在第二阶段中减去像素复位电压。CDS阶段将所获得的差分电压放大并将其改变成带隙稳定基准。
具有CDS阶段的优点在于，可以简单地放大像素输出信号。缺点在于CDS阶段增加噪声并占用布局空间(每一列需要一个阶段)。
在US20100271517A1中公开了包括像素内相关双采样像素的像素传感器的示例。此类像素传感器的示意图在US20100271517A1的图3中示出。该像素传感器中的光电检测器适于累积辐射感应的电荷。浮动扩散元件(FD)通过转换开关电耦合至光电检测器的输出。电容器元件(C)具有输入节点，该输入节点电耦合至放大器，并通过放大器电耦合至浮动扩散元件。电容器元件的输出节点电耦合至像素的输出。电容器元件被配置成用于在复位采样期间对浮动扩散元件的复位值进行采样，并且在信号采样期间对浮动扩散元件的信号值进行采样。
鉴于获得图像传感器的良好动态范围的需要，因此存在用于调节像素的复位电压的系统和方法的空间。
发明内容
本发明的实施例的目的在于提供用于调节像素的复位电压的良好方法和系统。
上述目标通过根据本发明的方法和设备来实现。
在第一方面，本发明的实施例涉及一种像素电路。像素电路包括光电探测器像素布置和适于在像素布置上施加目标电压的电压调节电路。光电探测器像素布置包括至少一个像素。至少一个像素包括光电检测器、用于累积来自光电检测器的信号的积分器(integrator)以及用于放大积分信号的源极跟随输出晶体管。光电探测器像素布置包括电流源，该电流源用于通过施加穿过源极跟随输出晶体管的读出电流来对源极跟随输出晶体管进行偏置。
电压调节电路包括放大器、至少一个复制晶体管和复制电流源，其中至少一个复制晶体管的栅极与放大器的输出节点电连接，并且放大器的输出节点与像素布置电连接以供提供目标电压，至少一个复制晶体管的漏极适于在操作期间与电源电连接，并且至少一个复制晶体管的源极与放大器的负输入端电连接、并且与复制电流源电连接，其中将电压调节电路布置成使得在操作期间可以将预定义的参考电压施加到放大器的正输入节点。
其中至少一个复制晶体管的尺寸与至少一个像素的输出晶体管基本相同，并且其中复制电流源适于通过每个复制晶体管提供与读出电流基本相同的电流。
本发明实施例的优点在于，如果在操作期间将参考电压施加到放大器的正输入节点并且电源在向晶体管的漏极提供功率，则产生目标电压，该目标电压为电源电压加上电压调节电路的复制晶体管的阈值电压。由于复制晶体管具有与像素的输出晶体管基本相同的尺寸，并且由于通过这些晶体管施加相同的偏置电流，因此至少一个复制晶体管的阈值电压与像素的输出晶体管的阈值电压也基本相同。因此，形成晶体管的工艺中的变化、电源电压的变化和温度的偏差被补偿，因为它们与源极跟随器晶体管一样影响复制晶体管的阈值电压。
在本发明的实施例中，像素布置是像素阵列，该像素阵列包括并联连接到输出线的多个像素。不同像素的源极跟随输出晶体管的源极与输出线并联连接在一起。这可以通过开关来完成。电流源还连接到输出线，使得在像素之一的开关闭合时，读出电流流过连接到闭合开关的源极跟随输出晶体管。
在本发明的实施例中，至少一个像素的源极跟随输出晶体管和电压调节电路的至少一个复制晶体管是CMOS晶体管。
在本发明的实施例中，电压调节电路包括多个并联的复制晶体管。
在本发明的实施例中，像素还包括复位晶体管和快门晶体管。复位晶体管的漏极与放大器的输出端电连接，复位晶体管的源极与光电检测器电连接，而快门晶体管的漏极与复位晶体管的源极电连接，快门晶体管的源极与源极跟随器晶体管的栅极电连接。
在本发明的实施例中，积分器包括在源极跟随器晶体管的栅极与地之间的电容器。
在第二方面，本发明的实施例涉及飞行时间光学传感器，其包括适于产生光脉冲的光源，以及根据本发明的实施例的像素电路。像素电路适于检测由光源产生的光脉冲在被物体反射后的光脉冲。
在第三方面，本发明的实施例涉及用于在光电探测器像素布置上施加目标电压的方法。光电探测器像素布置包括至少一个像素。至少一个像素包括光电检测器、用于累积来自光电检测器的信号的积分器以及用于放大积分信号的源极跟随输出晶体管。光电探测器像素布置包括电流源，该电流源用于通过施加穿过源极跟随输出晶体管的读出电流来对源极跟随输出晶体管进行偏置。方法包括：
-向至少一个复制晶体管的漏极施加电源电压，至少一个复制晶体管的尺寸与输出晶体管的尺寸基本相同，
-通过至少一个复制晶体管施加电流，其中所施加的电流与通过至少一个源极跟随输出晶体管的读出电流基本相同，
-放大预定义的参考电压与至少一个复制晶体管的源极电压之间的电压差，从而获得目标电压，
-将目标电压提供给至少一个复制晶体管和光电检测器像素布置。
在所附独立和从属权利要求中阐述了本发明的特定和优选方面。来自从属权利要求的特征可与独立权利要求的特征并且与其他从属权利要求的特征适当地而不仅仅是如在权利要求中明确阐述地那样组合。
根据下文所描述的(多个)实施例，本发明的这些和其他方面将是显而易见的，并且将参考这些实施例来阐明本发明的这些和其他方面。
附图说明
图1示出了现有技术像素的简化示意图。
图2示出了根据本发明的实施例的像素电路的简化示意图。
权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。
在不同的附图中，相同的附图标记指代相同或相似的要素。
具体实施方式
将就具体实施例并且参考特定附图来描述本发明，但是本发明不限于此而仅由权利要求书来限定。所描述的附图仅是示意性并且是非限制性的。在附图中，出于解说目的，可将要素中的一些的尺寸放大且不按比例绘制。尺寸和相对尺寸不对应于对本发明的实施的实际减少量。
说明书中和权利要求书中的术语第一、第二等用于在类似的要素之间进行区分，而不一定用于描述时间上、空间上、等级上或以任何其他方式的顺序。应理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文中所描述的本发明的实施例能够以与本文中所描述或图示的不同的顺序来进行操作。
应当注意，权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限定于其后列出的装置；它并不排除其他要素或步骤。因此，该术语应被解释为指定如所提到的所陈述的特征、整数、步骤或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或组件、或其群组的存在或添加。因此，表述“一种包括装置A和B的设备”的范围不应当被限定于仅由组件A和B构成的设备。这意味着对于本发明，设备的仅有的相关组件是A和B。
贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意指结合该实施例描述的特定的特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”贯穿本说明书在各个地方的出现并不一定全部是指同一实施例，但是可以指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，如通过本公开对本领域普通技术人员将是显而易见的那样，特定的特征、结构或特性能以任何合适的方式进行组合。
类似地，应当领会，在本发明的示例性实施例的描述中，出于精简本公开和辅助对各个发明性方面中的一个或多个的理解的目的，本发明的各个特征有时一起被编组在单个实施例、附图或其描述中。然而，公开的此种方法不应被解释为反映所要求保护的本发明需要比每项权利要求中所明确记载的更多特征的意图。相反，如所附权利要求所反映，发明性方面在于比单个前述公开的实施例的全部特征更少的特征。因此，具体实施方式之后所附的权利要求由此被明确纳入本具体实施方式中，其中每一项权利要求本身代表本发明的单独实施例。
此外，尽管本文中所描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些特征但不包括其他实施例中所包括的其他特征，但是如本领域技术人员将理解的那样，不同实施例的特征的组合旨在落在本发明的范围内，并且形成不同实施例。例如，在所附的权利要求书中，所要求保护的实施例中的任何实施例均能以任何组合来使用。
在本文中所提供的描述中，阐述了众多具体细节。然而要理解，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明的实施例。在其他实例中，公知的方法、结构和技术未被详细示出，以免混淆对本描述的理解。
在第一方面，本发明的实施例涉及一种像素电路100，其包括光电探测器像素布置20和电压调节电路10。电压调节电路10适于在像素布置20上施加目标电压。
光电探测器像素布置20包括至少一个像素30。光电探测器像素布置20可包括以阵列组织的多个像素，其中多个像素的源极跟随输出晶体管的源极并联连接在一起。每个像素包括光电检测器32、用于累积来自光电检测器32的信号的积分器38以及用于放大累积的信号的源极跟随输出晶体管37。光电检测器32和积分器38在积分器节点处连接。
光电探测器像素布置20还包括电流源34，该电流源用于通过施加穿过源极跟随输出晶体管的读出电流来对源极跟随输出晶体管37进行偏置。
电压调节电路10包括放大器11、至少一个复制晶体管12和复制电流源13。
至少一个复制晶体管12的栅极与放大器11的输出节点电连接，并且放大器11的输出节点与像素布置电连接以供提供目标电压。例如，放大器11可以是运算放大器。
至少一个复制晶体管12的漏极适于在操作期间与电源电连接。
至少一个复制晶体管12的源极与放大器11的负输入端电连接，并且与复制电流源13电连接。
电压调节电路10被布置成使得在操作期间，可以将预定义的参考电压施加到放大器11的正输入节点。
至少一个复制晶体管12的尺寸与至少一个像素30的输出晶体管37的尺寸基本相同，并且其中复制电流源13适于通过每个复制晶体管12提供与读出电流基本相同的电流。
在多个像素与电流源并联连接的情况下，每个像素可包括开关，该开关适于将源极跟随输出晶体管与电流源连接或断开，使得通过连接的源极跟随输出晶体管施加读出电流。
本发明的目的是将像素的复位电压以及因此像素的暗电压调节到充足的、与PVT(工艺变化、电源电压变化和温度偏差)无关的电压。这是通过在电压调节电路中使用像素的输出源极跟随器晶体管的复制来调节像素的工作电压来实现的。通过这样做，尽管PVT变化，全阱容量(即，在像素饱和之前单个像素可以保持的电荷量)仍被最大化。通过使用电压调压电路，控制积分节点38处的复位电压和像素源极跟随器输出。通过控制积分节点处的复位电压，控制全阱容量，而通过控制源极跟随器像素输出，控制输出(ADC)摆幅。
本发明的实施例的优点在于可以在宽温度范围内获得更稳定的性能。这在其中传感器可能经受宽温度范围的汽车环境中特别有利。
图2示出了根据本发明示例性实施例的包括光电探测器像素布置20和电压调节电路10的像素电路100的简化图。光电探测器像素布置20包括一个或多个像素30。在该示例中，像素形成一列并共享输出线36。
在图2的示例中，像素是3T(三个晶体管)CMOS像素，并且包括复位晶体管31、快门晶体管33、源极跟随器37、光电检测器(32)以及输入电容器38。在本发明的该示例性实施例中，复位晶体管31的漏极和源极跟随器晶体管37的漏极与放大器11的输出端电连接。在示例中，光电检测器32的阴极与复位像素31的源极电连接，而光电检测器32的阳极与地电连接。快门晶体管33的漏极与光电检测器32的阴极电连接，而快门晶体管的源极与电容器38的第一端子电连接。电容器38的第二端子与地电连接。电容器38的第一端子与源极跟随器晶体管37的栅极电连接。源极跟随器晶体管37的源极与电流源34电连接。
电压调节电路10适于由电源供电。因此，在图2所示的示例性实施例中，电压调节电路10的晶体管12的漏极与电源电连接。这通过电源电压VDDD图示，该电源电压VDDD是系统的电源电压。例如，这可以是3.3V的带隙稳定电压。
像素30的功能由复位晶体管31的栅极处和快门晶体管33的栅极处的信号控制。在本发明的该示例性实施例中，两个信号在VDDD处均具有其高电平。这些信号分别控制复位晶体管31和快门晶体管33的栅极。通过这些信号，能够使用光电探测器32对光进行复位和检测。光电探测器可以是例如PIN二极管，或者在图像传感器的情况下是钉扎光电二极管。
源极跟随器晶体管37用于放大读出线36的检测结果。在本发明的该示例性实施例中，放大器结果通过开关39传递到列读出线36。晶体管37是源极跟随器，而光电检测器32的输出(通过快门晶体管33)连接到晶体管37的栅极，而读出线36(在该示例中通过开关39)连接到源极。由电压调节电路10在放大器11的输出节点处产生的像素电源电压PIXELVDD被提供给源极跟随器晶体管37的漏极。使用电流源34来对源极跟随器晶体管37进行偏置，该电流源34对于列中的所有像素单元30通用。
本发明的实施例的优点在于，可以将与源极跟随晶体管37的源极连接的输出线36处的输出电压调节为恒定的预定义的参考电压。该电压可以例如是1至2.2V之间(例如1.6V至2V之间，例如1.8V或1.9V)的目标电压。这是通过将电源电压PIXELVDD调节到目标电压加上像素30中的源极跟随器晶体管37的阈值电压(Vt)来实现的。该电压(PIXELVDD)将在像素复位后驻留在积分电容器38上。
目标电压由电压调节电路10通过使用晶体管12产生，该晶体管12是每个像素单元30中的源极跟随器晶体管37的复制。电压调节电路10使用晶体管12的阈值电压和预定义的参考电压，用于获得经调节的输出电压PIXELVDD。该预定义的参考电压是可调的。例如，它可以是1.8V。这样，源极跟随器晶体管37的PVT(工艺变化、电源电压变化、温度偏差)条件被补偿，因为条件变化的影响对复制晶体管12的阈值电压的影响与对源极跟随器晶体管37的阈值电压的影响类似。
在本发明的实施例中，复制晶体管和源极跟随器输出晶体管37处于相同的工作条件下并且具有相同的布局。在一个复制晶体管的情况下，这意味着相同的电流流过晶体管，并且源极节点处的电压基本相同。
在本发明的另一个实施例中，通过并行地使用多个(m个)源极跟随器复制晶体管，以相同的方式乘以偏置电流(偏置电流按m进行缩放，使得通过源极跟随器复制的每一个的电流与通过源极跟随器晶体管的电流相同)，将复制12与源极跟随器晶体管37之间的芯片上工艺变化最小化。通过这样做，源极跟随器复制是较大的设备，因此芯片上的变化较少。
在图2中，积分器38是单独的电容器。然而，本发明不限于此。可以使用适于累积来自光电探测器的信号的任何电容器。例如，这可以是源极跟随器或光电检测器的栅极电容器，或者是适于累积来自光电检测器的信号的另一个寄生电容器。
在第二方面，本发明的实施例涉及飞行时间光学传感器。飞行时间光学传感器包括适于产生光脉冲的光源和根据本发明的实施例的像素电路。像素电路适于检测由光源产生的光脉冲在被物体反射后的光脉冲。因此，有利的在于通过电压调节电路的存在来增加动态范围，因为这导致增加的检测范围。因此，有利的在于可以同时(例如，在一次曝光时间的一次测量中)检测远和/或低反射率的暗物体以及近和/或高反射率的亮物体。
在第三方面，本发明的实施例涉及用于在光电探测器像素布置20上施加目标电压的方法。光电检测器像素布置20包括至少一个像素30，该像素包括光电检测器32、用于累积来自光电检测器32的信号的积分器38、以及用于放大积分信号的源极跟随输出晶体管37。光电探测器像素布置20还包括电流源34，该电流源用于通过施加穿过源极跟随输出晶体管的读出电流来对源极跟随输出晶体管进行偏置。
方法包括：
-向至少一个复制晶体管12的漏极施加电源电压，至少一个复制晶体管12的尺寸与输出晶体管的尺寸基本相同，
-通过至少一个复制晶体管12施加电流，其中所施加的电流与通过源极跟随输出晶体管37的读出电流基本相同，
-放大预定义的参考电压与至少一个复制晶体管12的源极电压之间的电压差，从而获得目标电压，
-将目标电压提供给至少一个复制晶体管12和光电检测器像素布置20。

Claims (8)

1.一种像素电路(100)包括光电探测器像素布置(20)和适于在像素布置(20)上施加目标电压的电压调节电路(10)，
光电检测器像素布置(20)包括至少一个像素(30)，所述至少一个像素包括光电检测器(32)、用于累积来自所述光电检测器(32)的信号的积分器(38)、以及用于放大积分信号的源极跟随输出晶体管(37)，
光电探测器像素布置(20)包括电流源(34)，所述电流源用于通过施加穿过所述源极跟随输出晶体管的读出电流来对所述源极跟随输出晶体管进行偏置，
所述电压调节电路(10)包括放大器(11)、至少一个复制晶体管(12)和复制电流源(13)，其中
-所述至少一个复制晶体管(12)的栅极与所述放大器(11)的输出节点电连接，并且所述放大器(11)的输出节点与所述像素布置电连接以提供所述目标电压，
-所述至少一个复制晶体管(12)的漏极适于在操作期间与电源电连接，
-并且所述至少一个复制晶体管(12)的源极与所述放大器(11)的负输入端电连接，并且与所述复制电流源(13)电连接，
其中所述电压调节电路(10)被布置成使得在操作期间，可以将预定义的参考电压施加到所述放大器(11)的正输入节点，
并且其中所述至少一个复制晶体管(12)的尺寸与所述至少一个像素(30)的输出晶体管(37)的尺寸基本相同，并且其中所述复制电流源(13)适于通过每个复制晶体管(12)提供与所述读出电流基本相同的电流。
2.根据权利要求1所述的像素电路(100)，其中所述像素布置(20)是包括多个像素的像素阵列，并且其中不同像素的源极跟随输出晶体管的源极与输出线(36)并联连接在一起，并且其中所述电流源(34)连接到所述输出线(36)。
3.根据权利要求1所述的像素电路(100)，其中所述至少一个像素(30)的源极跟随输出晶体管(37)和所述电压调节电路(10)的至少一个复制晶体管(12)是CMOS晶体管。
4.根据权利要求1所述的像素电路(100)，所述电压调节电路包括多个并联的复制晶体管。
5.根据权利要求1所述的像素电路(100)，其中所述像素还包括复位晶体管(31)和快门晶体管(33)，所述复位晶体管的漏极与所述放大器的输出端电连接，所述复位晶体管的源极与所述光电检测器电连接，而所述快门晶体管的漏极与所述复位晶体管的源极电连接，所述快门晶体管的源极与所述源极跟随器晶体管的栅极电连接。
6.根据权利要求1所述的像素电路(100)，其中所述积分器(38)包括在所述源极跟随器晶体管(32)的栅极与地之间的电容器。
7.一种飞行时间光学传感器，包括适于产生光脉冲的光源，以及根据前述权利要求中的任一项所述的像素电路，所述像素电路适于检测由所述光源产生的光脉冲在被物体反射之后的光脉冲。
8.一种用于在光电探测器像素布置(20)上施加目标电压的方法，
所述光电检测器像素布置(20)包括至少一个像素(30)，所述至少一个像素包括光电检测器(32)、用于累积来自所述光电检测器(32)的信号的积分器(38)、以及用于放大积分信号的源极跟随输出晶体管(37)，
所述光电探测器像素布置(20)包括电流源(34)，所述电流源用于通过施加穿过所述源极跟随输出晶体管的读出电流来对所述源极跟随输出晶体管进行偏置，
所述方法包括：
-向至少一个复制晶体管(12)的漏极施加电源电压，所述至少一个复制晶体管(12)的尺寸与输出晶体管的尺寸基本相同，
-通过所述至少一个复制晶体管(12)施加电流，其中所施加的电流与穿过所述源极跟随输出晶体管(37)的读出电流基本相同，
-放大预定义的参考电压与所述至少一个复制晶体管(12)的源极电压之间的电压差，从而获得所述目标电压，
-将所述目标电压提供给所述至少一个复制晶体管(12)和所述光电检测器像素布置(20)。
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