CN111866414B - 高动态图像传感器像素结构及时序控制方法 - Google Patents

高动态图像传感器像素结构及时序控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111866414B
CN111866414B CN202010679695.6A CN202010679695A CN111866414B CN 111866414 B CN111866414 B CN 111866414B CN 202010679695 A CN202010679695 A CN 202010679695A CN 111866414 B CN111866414 B CN 111866414B
Authority
CN
China
Prior art keywords
dynamic range
point
gain
fdh
fdl
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010679695.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111866414A (zh
Inventor
常玉春
娄珊珊
吴妍岩
冯国林
张震
刘岩
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian University of Technology
Original Assignee
Dalian University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dalian University of Technology filed Critical Dalian University of Technology
Priority to CN202010679695.6A priority Critical patent/CN111866414B/zh
Publication of CN111866414A publication Critical patent/CN111866414A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111866414B publication Critical patent/CN111866414B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/50—Control of the SSIS exposure
    • H04N25/57—Control of the dynamic range
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/50—Control of the SSIS exposure
    • H04N25/57—Control of the dynamic range
    • H04N25/58—Control of the dynamic range involving two or more exposures

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)

Abstract

本发明提供了高动态图像传感器像素结构及时序控制方法，属于半导体光电方向图像传感器领域。所述的高动态图像传感器像素结构集成了一个钳位光电二极管作为光电探测元件，反向偏置，阳极为p型接地，阴极通过高增益传输晶体管与源极跟随器的输入端FDH点相连。FDH点同时与低增益传输晶体管相连，并与FDL点连接。FDL点分别与复位晶体管、超高动态范围控制二极管相连，复位晶体管与低增益传输晶体管的漏极相连，用于保证FDL点被复位至VPIX电压。选通管与源极跟随器的源极相连，用于将源极跟随器与外部信号读出链相连。超高动态范围控制二极管的阴极与FDL点相连，阳极接在电压VC上。

Description

高动态图像传感器像素结构及时序控制方法
技术领域
本发明属于半导体光电方向图像传感器领域，具体为一种具有复合光电响应的高动态范围图像传感器像素，以及与其相对应的时序控制方法。
背景技术
目前典型的CMOS图像传感器采用4T像素结构，如图1所示。集成了一个钳位光电二极管1作为光电探测元件，反向偏置，阳极为p型接地，阴极通过高增益传输晶体管2与源极跟随器3的输入FD相连。FD点同时与复位晶体管4相连，可通过该晶体管被VPIX电压复位。工作时首先高增益传输晶体管2关闭，钳位光电二极管1在外界光照下积累电荷；然后FD点被复位晶体管4复位到VPIX，源极跟随器3进行第一次读信号操作；最后，高增益传输晶体管2导通，钳位光电二极管1产生的光电荷在电势差的作用下转移到FD点，产生信号电压，通过源极跟随器3进行第二次读信号操作，得到信号电压。后续电路通过对两次读出的信号做差，从而获得最终的输出信号。选通管5的作用是将源极跟随器3与外部信号读出链相连。
该像素结构可以极大的改善暗电流，降低噪声，同时可采用相关双采样技术来获得小的读出电路噪声，因此可得到较好的微光探测性能。图2所示是该像素结构对应的光电响应曲线。图2中的光强范围约为0.001lux到1lux，此时的光强定义为弱光。可见随着光强的增加，输出信号电压随之线性增加。然而，该像素结构所能得到的动态范围较低，一般来说只能为60-70dB左右。
为了获得更好的暗光特性，有必要提高像素的电荷转换增益，从而压缩输入等效噪声。由图1可知，电荷转换增益由FD点的总电容来决定，减小FD点的电容值即可获得较高的电荷转换增益。然而，降低FD点电容会导致像素满阱容量的减小，从而影响到像素的动态范围。如图2所示，随着光强信号的增加，信号电压很快就进入饱和，导致此结构像素的动态范围较低。
为了提高如上像素的动态范围，同时还能够维持在较低光强下的电荷转换增益，具有高低增益结构的像素结构被提出来，典型结构如图3所示。钳位光电二极管1作为光电探测元件，通过高增益传输晶体管2与源极跟随器3相连。FDH点同时通过低增益传输晶体管6与复位晶体管4相连。选通管5的作用是将源极跟随器3与外部信号读出链相连。
工作时首先高增益传输晶体管2断开，钳位光电二极管1在外界光照下积累电荷；然后FDH点被复位晶体管4通过低增益传输晶体管6复位到VPIX，源极跟随器3进行第一次读信号操作；接下来，高增益传输晶体管2导通，钳位光电二极管1产生的光电荷在电势差的作用下转移到FDH点，产生信号电压，通过源极跟随器3进行第二次读信号操作，得到信号电压。然后高增益传输晶体管2关闭，低增益传输晶体管6导通，将FDH点与FDL点相连，提高了像素电容；最后再经过源极跟随器3进行读信号操作。
该像素结构对动态范围的提升如图4所示。图4中的光强范围约为0.001lux到几十lux。光强范围在～1lux到～100lux时的光强定义为强光，大于100lux的光强定义为超强光。像素的第一次电荷转移过程，用于电荷存储的节点只有FDH，通过优化电路结构，使得该点电容值较小，可以实现弱光下的高增益；像素的第二次电荷转移过程，FDH与FDL两个节点的电容同时用于电荷储存，可获得较大的电容，实现在高光强下的低增益。两次电荷转移对应的光电响应曲线如图4所示。可见采用该种方法可以使得动态范围扩大20～30dB以上。
上述发明存在的问题是虽然通过两次电荷转移提高了动态范围，但由于像素面积、填充比的限制，FDL点电容有限，不能容纳更多的电荷，从而限制了动态范围。
限于像素面积，像素钳位光电二极管1的满阱容量也受到限制，当光强过强，或者积分时间过长时，像素钳位光电二极管1被电荷填满，输出信号OUT会饱和。即使FDL点电容足够大，也无法获得正确的信号电压。因此，提高动态范围有限。
发明内容
本发明涉及一种提高图像传感器动态范围的像素结构，以及与之相应的各个控制端的控制时序。本发明的目的在于像素电荷转移过程完成后再进行一次动态范围拓展过程，像素中增加的光生电荷控制机制，使得最后像素电势与光强的对数成比例，进一步增加了图像传感器动态范围，使之继续提升至少40dB以上。
高动态图像传感器像素结构，如图5所示。所述的高动态图像传感器像素结构集成了一个钳位光电二极管1作为光电探测元件，反向偏置，阳极为p型接地，阴极通过高增益传输晶体管2与源极跟随器3的输入端FDH点相连；FDH点同时与低增益传输晶体管6相连，并与FDL点连接；FDL点分别与复位晶体管4、超高动态范围控制二极管7相连，复位晶体管4与低增益传输晶体管6的漏极相连，用于保证FDL点被复位至VPIX电压；选通管5与源极跟随器3的源极相连，用于将源极跟随器3与外部信号读出链相连；超高动态范围控制二极管7的阴极与FDL点相连，阳极接在电压VC上。
进一步的，高动态图像传感器像素结构中，高增益传输晶体管2的控制信号为高增益传输信号TXH；源极跟随器3的控制信号为高增益传输晶体管2的输出FDH，并与低增益传输晶体管6的输出相连；低增益传输晶体管6的控制信号为低增益传输信号TXL；复位晶体管4的控制信号为复位电压RST；选通管5的控制信号为行选择信号SEL；VC控制超高动态范围控制二极管7的工作状态，当VC为低电平时，超高动态范围控制二极管7处于反偏状态；当VC为预设的动态范围调节电压时，且FDL电压小于VC时，则超高动态范围控制二极管7工作在正偏状态。当VC为预设的动态范围调节电压时，且FDL电压大于等于VC时，超高动态范围控制二极管(7)仍工作在反偏状态。进一步的，对于低增益传输晶体管6，像素在第一次电荷转移过程时，低增益传输晶体管6处于关断状态，FDH点的寄生电容为CFDH，像素的电荷-电压转换增益与CFDH成反比，从而提高在弱光下的信噪比；像素在第二次电荷转移过程时，低增益传输晶体管6处于导通状态，将FDL和FDH两个节点连接在一起，扩大了电容值，使得此阶段像素的电荷-电压转化增益变为CFDH+CFDL，从而扩展了动态范围；像素在动态范围拓展过程时，低增益传输晶体管6处于导通状态，将超高动态范围控制二极管7与钳位光电二极管1连接在一起，在光强更强时像素能够正常工作，能够进一步扩展像素的动态范围。
进一步的，对于高增益传输晶体管2，像素在第一次电荷转移过程时，高增益传输晶体管2导通一次，将钳位光电二极管1产生的光生电荷转移到节点FDH处；像素在第二次电荷转移过程时，高增益传输晶体管2再导通一次，将钳位光电二极管1势阱中剩余的电荷转移到由FDL和FDH两个节点所共同形成的电容中；像素在动态范围拓展过程时，高增益传输晶体管2处于导通状态，与低增益传输晶体管6一同将超高动态范围控制二极管7与钳位光电二极管1连接在一起，在光强更强时使得像素仍能够正常工作，扩展了像素的动态范围。
进一步的，对于超高动态范围控制二极管7，像素在第一次电荷转移过程时，VC为低电平，超高动态范围控制二极管7处于反偏状态，这时由于低增益传输晶体管6、复位晶体管4都处于关断状态，超高动态范围控制二极管7不与FDH发生联系；像素在第二次电荷转移过程时，VC为低电平，超高动态范围控制二极管7处于反偏状态，作用等同于一个电容，与FDL点寄生电容、FDH点寄生电容共同构成电荷存储电容，用来存储从第一次电荷转移过程中钳位光电二极管1势阱中的电荷，以及第二次电荷转移过程中钳位光电二极管1势阱中剩余的光生电荷；像素的动态范围拓展过程时，VC为预设的动态范围调节电压时，使得超高动态范围控制二极管7可能处于反偏状态，也可能处于正偏状态，两种状态具体情况如下：
(1)在弱光和强光时，经过第一次和第二次电荷转移过程后，钳位光电二极管1产生的总光生电荷数目导致FDL点电压下降，不足以使得超高动态范围控制二极管7翻转，超高动态范围控制二极管7仍处于反偏状态；(2)在超强光时，经过第一次和第二次电荷转移过程后，钳位光电二极管1产生的总光生电荷数目导致FDL点电压下降，足以使得超高动态范围控制二极管7翻转，超高动态范围控制二极管7处于正偏状态，此时，超高动态范围控制二极管7与钳位光电二极管1通过高增益传输晶体管2和低增益传输晶体管6连接在一起，超高动态范围控制二极管7的正向导通电流与钳位光电二极管1产生的光生电流达到平衡，FDH点电位稳定，通过源极跟随器3完成信号读取。
高动态图像传感器像素结构的时序控制方法，步骤如下：
步骤一，复位操作
像素进入复位状态，VC接低电平，复位晶体管4和低增益传输晶体管6先后导通，FDH和FDL被复位到VPIX，然后低增益传输晶体管6和复位晶体管4依次断开；
步骤二，高增益电荷转移过程，即第一次电荷转移过程
高增益传输晶体管2导通，钳位光电二极管1产生的光生电荷通过高增益传输晶体管2流入FDH点，FDH点电压下降，其下降值与转移来的光生电荷成正比，其比例即为电荷转换增益。FDH点电压由源极跟随器3传递给OUT点进行输出。
步骤三，低增益电荷转移过程，即第二次电荷转移过程
低增益传输晶体管6与高增益传输晶体管2依次导通，FDH点的电荷通过低增益传输晶体管6先转移到FDL点，然后钳位光电二极管1中剩余的光生电荷通过高增益传输晶体管2继续转移到FDH和FDL点。FDH点电压由源极跟随器3传递给OUT点进行输出。
步骤四，动态范围拓展过程
低增益传输晶体管6和高增益传输晶体管2同时导通，将钳位光电二极管1与超高动态范围控制二极管7连接在一起；VC变为预设的动态范围调节电压，超高动态范围控制二极管7的偏置状态与FDH和FDL点电压相关，此时，FDH和FDL点电压由当前情况入射光强决定。
本发明的创新点在于，与传统的图像传感器像素结构相比较，本发明增加了低增益传输晶体管6与超高动态范围控制二极管7；与现有技术的高动态图像传感器像素结构相比较，本发明增加了超高动态范围控制二极管7。其中超高动态范围控制二极管7起到至关重要的作用，可进一步扩展图像传感器像素的动态范围。
本发明的创新点在于，与传统的图像传感器像素结构以及现有技术的高动态图像传感器像素结构相比较，本发明引入了新的控制信号VC，该点电压开始是低电平，在动态范围拓展过程中为预设的动态范围调节电压。
本发明的创新点在于，与现有技术相比较，引入了动态范围拓展过程。在像素完成第一次和第二次电荷转移过程后，增加了一个了动态范围拓展过程。(1)光强为弱光时。首先经过第一次电荷转移过程，光生电荷完全进入到FDH点形成的势阱中，并进行高增益的电荷-电压转换；然后经过第二次电荷转移过程。由于第一次电荷转移过程时光生电荷已经完全转移到FDH点，因此此时电荷转移只发生在FDH和FDL两点间；最后进入动态范围拓展过程。此时，FDL点电压不足以使超高动态范围控制二极管7导通，与前一状态相比，输出信号未发生变化；(2)光强为强光时。与(1)相比，钳位光电二极管1产生的总光生电荷无法一次完全转移到FDH，因此在第二次电荷转移过程中继续进行转移，从而扩展了动态范围。此时FDL点电压仍不足以使超高动态范围控制二极管7导通，该管仍处于反偏状态；(3)入射光强为超强光时，经过第一次、第二次的电荷转移过程后，光生电荷已超出满阱容量上限，导致输出信号饱和。此时VC为预设的动态范围调节电压1.5V，FDL点电位下降，使得超高动态范围控制二极管7翻转且处于正偏导通状态，通过7流入到FDL点的电流与钳位光电二极管1产生的光生电流抵消，导致FDH和FDL点电压变化与光强的对数成正比，光电响应关系由线性转换为对数，从而极大的扩展了图像传感器像素的动态范围。
本发明的创新点在于，现有技术的图像传感器像素，会在光强过强时发生饱和。本发明的像素将工作状态分为三个弱光、强光、超强光，本发明在弱光、强光状态，与现有技术的高动态图像传感器特性相同，具有良好的信噪比；在超强光状态，输出信号电平与光强的对数成正比，与积分时间无关。本发明的像素不会发生输出信号随着光强增加而饱和的情况，因此极大的拓展了像素的动态范围。
附图说明
图1是现有技术的图像传感器像素结构图。
图2是现有技术的图像传感器像素的光电响应曲线图。
图3是现有技术的高动态图像传感器像素结构图。
图4是现有技术的高动态图像传感器像素的光电响应曲线图。
图5是本发明的高动态图像传感器像素结构图。
图6是本发明的高动态图像传感器像素的光电响应曲线图。
图7是本发明的高动态图像传感器像素各控制端的时序示意图。
图8是弱光下本发明的高动态图像传感器像素的电荷转移示意图。
图9是强光下本发明的高动态图像传感器像素的电荷转移示意图。
图10是超强光下本发明的高动态图像传感器像素的电荷转移示意图。
图中：1钳位光电二极管；2高增益传输晶体管；3源极跟随器；4复位晶体管；5选通管；6低增益传输晶体管；7超高动态范围控制二极管。
具体实施方式
具体实施方式如图5所示的本发明的高动态图像传感器结构，图6为相应的光电转换曲线，图7为其时序控制。
本发明的图像传感器像素包括了钳位光电二极管1，高增益传输晶体管2，源极跟随器3，低增益传输晶体管6，复位晶体管4，选通管5，以及超高动态范围控制二极管7。钳位光电二极管1反向偏置，阳极接地，阴极通过高增益传输晶体管2与源极跟随器3的栅极FDH点连接。低增益传输晶体管6将FDH点与FDL点连接。复位晶体管4将FDL与VPIX相连。行的选通管5控制源极跟随器3输出最终的信号电压。超高动态范围控制二极管7的阴极与FDL点相连，阳极与外界信号VC相连接。高增益传输晶体管2的栅极控制端为TXH，低增益传输晶体管6的栅极控制端为TXL，复位晶体管4的栅极控制端为RST，行的选通管5的栅极控制端为SEL。
根据图像传感器工作特点及外界光照和曝光时间长短，钳位光电二极管1内部势阱所存储的电荷数目会有较大差别。本发明将像素工作状态分为I、II、III，其中状态I对应的是弱光情况，像素内部势阱中电荷如图8所示；状态II对应强光情况，像素内部势阱中电荷如图9所示；状态III对应超强光情况，像素内部势阱中电荷如图10所示。
结合图6至图10具体阐述本发明实施例的工作原理。
(1)像素工作状态为I时，此时钳位光电二极管1产生的光生电荷可以被FDH点的电容所形成的势阱全部容纳，如图8所示。首先像素先进行复位操作，复位晶体管4和低增益传输晶体管6先后导通，FDH和FDL被复位到VPIX。FDH点残余电荷产生的复位电压由源极跟随器3负责读出；接下来是高增益电荷转移过程，高增益传输晶体管2导通，钳位光电二极管1产生的光生电荷通过高增益传输晶体管2流入FDH势阱，FDH点电压由源极跟随器3负责读出；然后是低增益电荷转移过程，低增益传输晶体管6与高增益传输晶体管2依次导通。此时钳位光电二极管1中已无光生电荷，FDH点的电荷通过低增益传输晶体管6转移到FDL点。FDH和FDL点产生的电压由源极跟随器3负责读出；最后是动态范围拓展过程，超高动态范围控制二极管7仍为反偏状态，这时的像素状态未发生变化，信号电压由源极跟随器3负责读出。
(2)像素工作状态为II时，此时FDH电容所形成的势阱已无法全部容纳钳位光电二极管1产生的光生电荷，但FDH和FDL共同构成的电容势阱可以容纳下全部光生电荷，如图9所示。首先像素先进行复位操作，复位晶体管4和低增益传输晶体管6先后导通，FDH和FDL点被复位到VPIX。FDH点残余电荷产生的复位电压由源极跟随器3负责读出；接下来是高增益电荷转移过程，高增益传输晶体管2导通，钳位光电二极管1产生的光生电荷通过高增益传输晶体管2流入FDH势阱。FDH势阱不能全部容纳钳位光电二极管1产生的光生电荷，因此钳位光电二极管1会残留部分电荷。此时FDH点信号电压由源极跟随器3负责读出；然后是低增益电荷转移过程，低增益传输晶体管6与高增益传输晶体管2依次导通。此时FDH和FDL点共同组成的势阱可以容纳下所有钳位光电二极管1中产生的光生电荷。FDH和FDL点信号电压由源极跟随器3负责读出；最后是动态范围拓展过程，VC变为预设的动态范围调整电压1.5V，但由于FDL点电压仍小于等于此时的VC值，超高动态范围控制二极管7依旧为反偏或截止状态，这时的像素状态未发生变化，FDH和FDL点信号电压由源极跟随器3负责读出。
(3)像素工作状态为III时，此时FDH和FDL点共同构成的电容势阱已经无法容纳下钳位光电二极管1产生的光生电荷，如图10所示。首先像素先进行复位操作，复位晶体管4和低增益传输晶体管6先后导通，FDH和FDL点被复位到VPIX。FDH点残余电荷产生的复位电压由源极跟随器3负责读出；接下来是高增益电荷转移过程，高增益传输晶体管2导通，钳位光电二极管1产生的光生电荷通过高增益传输晶体管2流入FDH势阱。由于FDH势阱不能全部容纳钳位光电二极管1产生的光生电荷，此时FDH点信号电压已达到饱和值，由源极跟随器3负责读出；然后是低增益电荷转移过程，低增益传输晶体管6与高增益传输晶体管2依次导通。此时由于FDH和FDL点共同组成的势阱仍无法容纳下所有钳位光电二极管1中产生的光生电荷。FDH和FDL点信号电压已达到饱和值，由源极跟随器3负责读出；最后是动态范围拓展过程，VC变为预设的动态范围调整电压1.5V，由于FDL点电压下降导致超高动态范围控制二极管7变为正偏状态，光生电荷将从超高动态范围控制二极管7的阳极流出，电荷流出速度由VC电压值与该势阱电势数值决定。同时钳位光电二极管1在光照存在的情况下，依旧产生光生电荷，因此会向FDH和FDL点共同构成的势阱继续注入电荷，二者很快达到平衡，FDH和FDL点信号电压由源极跟随器3负责读出。
(4)最后，像素的读出信号由后续列读出链电路进行放大、模数转换、相关采样操作和数据处理，生成最终的输出信号。
根据状态I、II、III的情况，最终本发明所涉及的图像传感器像素光电响应曲线如图6所示，其中状态I和状态II最终输出信号电压与光强成正比。状态III时光强过强，像素的满阱容量达到极限，无法工作在线性区，将自动转换到对数工作区域。
本发明的创新在于状态I所处的弱光情况，像素工作在线性区域，信噪比高；状态III时像素工作在对数模式下，噪声大，但同时信号也非常强，很好的避免了信噪比恶化问题。
本发明的创新在于超高动态范围控制二极管7的作用，在状态II时，处于反偏状态，相当于扩大了FDL点的电容，提高了电荷容纳能力；在状态III时，处于正偏状态，迫使像素工作于对数模式，使得像素输出电压不饱和，拓展了像素的动态范围。

Claims (5)

1.高动态图像传感器像素结构，其特征在于，所述的高动态图像传感器像素结构集成了一个钳位光电二极管(1)作为光电探测元件，反向偏置，阳极为p型接地，阴极通过高增益传输晶体管(2)与源极跟随器(3)的输入端FDH点相连；FDH点同时与低增益传输晶体管(6)相连，并与FDL点连接；FDL点分别与复位晶体管(4)、超高动态范围控制二极管(7)相连，复位晶体管(4)与低增益传输晶体管(6)的漏极相连，用于保证FDL点被复位至VPIX电压；选通管(5)与源极跟随器(3)的源极相连，用于将源极跟随器(3)与外部信号读出链相连；超高动态范围控制二极管(7)的阴极与FDL点相连，阳极接在电压VC上；
对于超高动态范围控制二极管(7)，像素在第一次电荷转移过程时，VC为低电平，超高动态范围控制二极管(7)处于反偏状态，这时由于低增益传输晶体管(6)、复位晶体管(4)都处于关断状态，超高动态范围控制二极管(7)不与FDH发生联系；像素在第二次电荷转移过程时，VC为低电平，超高动态范围控制二极管(7)处于反偏状态，作用等同于一个电容，与FDL点寄生电容、FDH点寄生电容共同构成电荷存储电容，用来存储从第一次电荷转移过程中钳位光电二极管(1)势阱中的电荷，以及第二次电荷转移过程中钳位光电二极管(1)势阱中剩余的光生电荷；像素的动态范围拓展过程时，VC为预设的动态范围调节电压时，使得超高动态范围控制二极管(7)可能处于反偏状态，也可能处于正偏状态，两种状态具体情况如下：
(1)在弱光和强光时，经过第一次和第二次电荷转移过程后，钳位光电二极管(1)产生的总光生电荷数目导致FDL点电压下降，不足以使得超高动态范围控制二极管(7)翻转，超高动态范围控制二极管(7)仍处于反偏状态；(2)在超强光时，经过第一次和第二次电荷转移过程后，钳位光电二极管(1)产生的总光生电荷数目导致FDL点电压下降，足以使得超高动态范围控制二极管(7)翻转，超高动态范围控制二极管(7)处于正偏状态，此时，超高动态范围控制二极管(7)与钳位光电二极管(1)通过高增益传输晶体管(2)和低增益传输晶体管(6)连接在一起，超高动态范围控制二极管(7)的正向导通电流与钳位光电二极管(1)产生的光生电流达到平衡，FDH点电位稳定，通过源极跟随器(3)完成信号读取。
2.根据权利要求1所述的高动态图像传感器像素结构，其特征在于，高动态图像传感器像素结构中，高增益传输晶体管(2)的控制信号为高增益传输信号TXH；源极跟随器(3)的控制信号为高增益传输晶体管(2)的输出FDH，并与低增益传输晶体管(6)的输出相连；低增益传输晶体管(6)的控制信号为低增益传输信号TXL；复位晶体管(4)的控制信号为复位电压RST；选通管(5)的控制信号为行选择信号SEL；VC控制超高动态范围控制二极管(7)的工作状态，当VC为低电平时，超高动态范围控制二极管(7)处于反偏状态；当VC为预设的动态范围调节电压时，且FDL电压小于VC时，则超高动态范围控制二极管(7)工作在正偏状态；当VC为预设的动态范围调节电压时，且FDL电压大于等于VC时，超高动态范围控制二极管(7)仍工作在反偏状态。
3.根据权利要求1所述的高动态图像传感器像素结构，其特征在于，对于低增益传输晶体管(6)，像素在第一次电荷转移过程时，低增益传输晶体管(6)处于关断状态，FDH点的寄生电容为CFDH，像素的电荷-电压转换增益与CFDH成反比，从而提高在弱光下的信噪比；像素在第二次电荷转移过程时，低增益传输晶体管(6)处于导通状态，将FDL和FDH两个节点连接在一起，扩大了电容值，使得此阶段像素的电荷-电压转化增益变为CFDH+CFDL，从而扩展了动态范围；像素在动态范围拓展过程时，低增益传输晶体管(6)处于导通状态，将超高动态范围控制二极管(7)与钳位光电二极管(1)连接在一起，在光强更强时像素能够正常工作，能够进一步扩展像素的动态范围。
4.根据权利要求1所述的高动态图像传感器像素结构，其特征在于，对于高增益传输晶体管(2)，像素在第一次电荷转移过程时，高增益传输晶体管(2)导通一次，将钳位光电二极管(1)产生的光生电荷转移到节点FDH处；像素在第二次电荷转移过程时，高增益传输晶体管(2)再导通一次，将钳位光电二极管(1)势阱中剩余的电荷转移到由FDL和FDH两个节点所共同形成的电容中；像素在动态范围拓展过程时，高增益传输晶体管(2)处于导通状态，与低增益传输晶体管(6)一同将超高动态范围控制二极管(7)与钳位光电二极管(1)连接在一起，在光强更强时使得像素仍能够正常工作，扩展了像素的动态范围。
5.采用权利要求1-4任一所述的高动态图像传感器像素结构的时序控制方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一，复位操作
像素进入复位状态，VC接低电平，复位晶体管(4)和低增益传输晶体管(6)先后导通，FDH和FDL被复位到VPIX，然后低增益传输晶体管(6)和复位晶体管(4)依次断开；
步骤二，高增益电荷转移过程，即第一次电荷转移过程
高增益传输晶体管(2)导通，钳位光电二极管(1)产生的光生电荷通过高增益传输晶体管(2)流入FDH点，FDH点电压下降，其下降值与转移来的光生电荷成正比，其比例即为电荷转换增益；FDH点电压由源极跟随器(3)传递给OUT点进行输出；
步骤三，低增益电荷转移过程，即第二次电荷转移过程
低增益传输晶体管(6)与高增益传输晶体管(2)依次导通，FDH点的电荷通过低增益传输晶体管(6)先转移到FDL点，然后钳位光电二极管(1)中剩余的光生电荷通过高增益传输晶体管(2)继续转移到FDH和FDL；FDH点电压由源极跟随器(3)传递给OUT点进行输出；
步骤四，动态范围拓展过程
低增益传输晶体管(6)和高增益传输晶体管(2)同时导通，将钳位光电二极管(1)与超高动态范围控制二极管(7)连接在一起；VC变为预设的动态范围调节电压，超高动态范围控制二极管(7)的偏置状态与FDH和FDL点电压相关，此时，FDH和FDL点电压由当前情况入射光强决定。
CN202010679695.6A 2020-07-15 2020-07-15 高动态图像传感器像素结构及时序控制方法 Active CN111866414B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010679695.6A CN111866414B (zh) 2020-07-15 2020-07-15 高动态图像传感器像素结构及时序控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010679695.6A CN111866414B (zh) 2020-07-15 2020-07-15 高动态图像传感器像素结构及时序控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111866414A CN111866414A (zh) 2020-10-30
CN111866414B true CN111866414B (zh) 2021-08-20

Family

ID=72983435

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010679695.6A Active CN111866414B (zh) 2020-07-15 2020-07-15 高动态图像传感器像素结构及时序控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111866414B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114640808B (zh) * 2022-03-09 2023-08-08 大连理工大学 基于复位晶体管复用技术的高动态范围图像传感器像素单元

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103533259A (zh) * 2013-09-29 2014-01-22 长春长光辰芯光电技术有限公司 线性-对数响应图像传感器像素及其信号转移控制方法
CN105681690A (zh) * 2016-03-10 2016-06-15 长春长光辰芯光电技术有限公司 双转移栅高动态范围图像传感器像素的全局快门控制方法
CN108419033A (zh) * 2018-03-01 2018-08-17 上海晔芯电子科技有限公司 基于拐点的hdr图像传感器像素结构及成像系统
CN109120835A (zh) * 2018-10-31 2019-01-01 昆山锐芯微电子有限公司 图像传感器像素电路及其工作方法

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7199828B2 (en) * 2002-05-28 2007-04-03 Imagerlabs Active pixel sensor cell array
JP2006303019A (ja) * 2005-04-18 2006-11-02 Pentax Corp 撮像素子
US7696545B2 (en) * 2006-08-29 2010-04-13 Micron Technology, Inc. Skimmed charge capture and charge packet removal for increased effective pixel photosensor full well capacity
GB201011640D0 (en) * 2010-07-12 2010-08-25 Univ Sheffield Radiation detection and method
US9324759B2 (en) * 2013-12-19 2016-04-26 Omnivision Technologies, Inc. Image sensor pixel for high dynamic range image sensor
GB2526047B (en) * 2014-02-27 2021-04-07 British Broadcasting Corp Method and apparatus for improved signal processing for high dynamic range
CN104010142B (zh) * 2014-06-12 2018-03-27 北京思比科微电子技术股份有限公司 有源像素及图像传感器及其控制时序
CN105791715B (zh) * 2016-03-10 2018-09-18 长春长光辰芯光电技术有限公司 高动态范围图像传感器像素的全局快门控制方法
US10687003B2 (en) * 2016-08-04 2020-06-16 Omnivision Technologies, Inc. Linear-logarithmic image sensor
CN106412453B (zh) * 2016-10-14 2019-02-22 吉林大学 基于两次电荷转移的高动态范围图像传感器
CN108470742B (zh) * 2018-03-22 2020-10-02 思特威(上海)电子科技有限公司 Hdr图像传感器像素结构及成像系统
US10616512B2 (en) * 2018-07-27 2020-04-07 Wisconsin Alumni Research Foundation Systems, methods, and media for high dynamic range imaging using dead-time-limited single photon detectors
CN110505417A (zh) * 2019-06-28 2019-11-26 西安理工大学 用于cmos图像传感器的自适应转换增益系统及方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103533259A (zh) * 2013-09-29 2014-01-22 长春长光辰芯光电技术有限公司 线性-对数响应图像传感器像素及其信号转移控制方法
CN105681690A (zh) * 2016-03-10 2016-06-15 长春长光辰芯光电技术有限公司 双转移栅高动态范围图像传感器像素的全局快门控制方法
CN108419033A (zh) * 2018-03-01 2018-08-17 上海晔芯电子科技有限公司 基于拐点的hdr图像传感器像素结构及成像系统
CN109120835A (zh) * 2018-10-31 2019-01-01 昆山锐芯微电子有限公司 图像传感器像素电路及其工作方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111866414A (zh) 2020-10-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7375751B2 (en) CMOS image sensor
CN108470742B (zh) Hdr图像传感器像素结构及成像系统
KR100871056B1 (ko) 듀얼 변환 이득 이미저
US7199349B2 (en) Amplification with feedback capacitance for photodetector signals
CN108419033B (zh) 基于拐点的hdr图像传感器像素结构及成像系统
US8068155B2 (en) Solid-state image sensor and driving method thereof, and image sensor
US20050083421A1 (en) Dynamic range enlargement in CMOS image sensors
US20060158542A1 (en) Photosensitive part and solid-state image pickup device
US20190014276A1 (en) Image sensor and a method of operating the same
US8975103B2 (en) CMOS image sensor with wide dynamic range
JP4439536B2 (ja) 固体撮像装置
US6730897B2 (en) Linearity and dynamic range for complementary metal oxide semiconductor active pixel image sensors
CN111866414B (zh) 高动态图像传感器像素结构及时序控制方法
US20120267695A1 (en) Solid state imaging device
KR100847742B1 (ko) 변환이득 조절이 가능한 공통 칼럼 액티브 ｃｍｏｓ 이미지센서
US20240089623A1 (en) Image sensor with high dynamic range and low noise
US20240147063A1 (en) Image sensor supporting af function and method of operating the same
CN112399099B (zh) 一种电荷域采样低噪声像素结构
KR20080058560A (ko) 넓은 동작 범위의 ｃｍｏｓ형 이미지 센서용 화소 회로
CN115134541A (zh) 一种同时具有高低增益和对数响应的高动态cmos图像传感器及时序控制方法和读取方式
CN115665574A (zh) 一种新型像素电路及降噪方法
JPH06189199A (ja) 固体撮像装置
CN114363537B (zh) 像素结构和阵列、电路和方法、图像传感器、存储介质
CN112399110A (zh) 一种对数光响应大动态范围像素结构
US20240098386A1 (en) Image sensor with stacked pixels having high dynamic range and low noise

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant