CN112399113A - 一种实现像素内相关双采样的高速全局曝光像素结构 - Google Patents

一种实现像素内相关双采样的高速全局曝光像素结构 Download PDF

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Abstract

一种实现像素内相关双采样的高速全局曝光像素结构，包括光电二极管（PD）、复位晶体管（RST）、电荷传输晶体管（TX）、两个源极跟随器（SF1、SF2）、多功能晶体管（PC）、三个MOS开关（S1、S2、S3）、选择晶体管（SEL）、两个电容（C1、C2）；该像素结构能够实现像素内相关双采样（CDS）操作，消除电荷‑电压转换节点（FD）的复位噪声，提高图像的信噪比，提升图像质量；CDS操作在像素内实现，避免额外的CDS电路，减少在芯片面积同时降低时间延迟，提高帧率；能够实现曝光和像素的流水线操作，即可以在当前帧信号输出过程中进行下一帧曝光，充分利用信号读出时间，提高帧率。

Description

一种实现像素内相关双采样的高速全局曝光像素结构
技术领域
本发明属于图像传感器领域，具体涉及一种实现像素内相关双采样的高速全局曝光像素结构。
背景技术
图像传感器像素阵列在曝光过程中接收光子，将光信号转化为电信号，电信号经后续模数转换电路和数字信号处理电路等转换为所需的图像并输出。通常图像传感器曝光方式有两种：滚筒曝光方式和全局曝光方式。滚筒曝光方式中像素阵列逐行依次进行曝光并读出，在对运动速度较高的物体进行成像时，不同行的曝光时间不同，物体的位置会存在差异，因此会出现图像扭曲的问题，例如对快速运动的风扇，汽车等；而全局曝光方式中所有像素在同一帧时间全部曝光，曝光完毕后，再逐行读取像素中的信号，这种情况下物体可以看做是静止不动的，因此全局曝光方式更适用于对高速物体进行拍摄。
传统全局曝光方式中，五管（5T）有源像素结构能够实现全局曝光，但是由于结构原因无法实现相关双采样（CDS）操作，因此得到图像的噪声较高，而八管（8T）有源像素结构增加了电信号存储节点，但CDS操作需要额外的电路进行，增加时间的消耗，带来成像帧率下降等问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种实现像素内相关双采样的高速全局曝光像素结构，该像素结构能够实现像素内相关双采样（CDS）操作，消除电荷-电压转换节点（FD）的复位噪声，同时能够在上一个曝光周期产生的信号进行读取时保存当前曝光周期的复位信号，实现曝光时读取，即曝光和读取的流水线操作，提高帧率。
一种实现像素内相关双采样的高速全局曝光像素结构，通过以下技术方案实现的：
本发明的全局曝光像素结构电路示意图如图1所示，包括光电二极管（PD）、复位晶体管（RST）、电荷传输晶体管（TX）、两个源极跟随器（SF1、SF2）、多功能晶体管（PC）、三个MOS开关（S1、S2、S3）、选择晶体管（SEL）、两个电容（C1、C2）；
所述光电二极管（PD）是像素的感光区域，通过光电转换将接收到的光子转化为电荷，以确定接收到的光信号情况；所述复位晶体管RST用于下一帧曝光开始前对光电二极管PD进行复位操作；所述电荷传输晶体管TX用于控制电荷-电压转换节点与光电二极管PD的导通，导通时允许光电二极管PD中的光生电子转移到电荷-电压转换节点；所述源极跟随器SF1用于将电荷-电压转换节点的电荷信号转换为电压信号,源极跟随器SF2用于在相关双采样CDS操作结束后将电容C2上电压信号输出；所述多功能晶体管PC用于负载时与源极跟随器SF1共同实现源极跟随器功能，用于开关时与MOS开关S3共同对电容C2进行复位；所述MOS开关用于控制电路的导通与关断，完成电容上的电荷存储功能；所述选择晶体管SEL用于控制像素信号的逐行输出；所述电容C1、C2分别用于存储复位信号和光信号。
一种实现像素内相关双采样的高速全局曝光像素结构，如图2所示，具体工作方式如下：
（一）、曝光开始前，复位晶体管RST、电荷传输晶体管TX处于开启状态，rst、tx信号为高电位，对光电二极管PD和电荷-电压转换节点FD进行复位；复位结束后，电荷传输晶体管TX关闭，即tx为低电位；
（二）、电荷传输晶体管TX关闭后，开启MOS开关S1和S2，将电荷-电压转换节点FD节点电荷信号通过源极跟随器SF1转换为电压信号存储到电容C1，此时电容C1上存储的为复位信号，即s1和s2为高电位；
（三）、曝光过程中，MOS开关S1处于关闭状态防止光信号通过源极跟随器SF1传输影响电容上电荷，即s1位低电位；同时曝光中一段时间内MOS开关S3和多功能晶体管PC处于开启状态，对电容C2进行复位，即s3和Vb处于高电位；
（四）、曝光结束后，MOS开关S1和S3处于开启状态，光电二极管PD内的电荷通过电荷传输晶体管TX传输到FD节点，通过源极跟随器SF1转换为电压在电容C2存储，此时电容C2上存储的为光信号，即s1和s3为高电位；
（五）、光信号存储过程结束后，将MOS开关S1和S3关闭，MOS开关S2开启，电容C1和C2上的电荷进行重新分配，得到光信号与复位信号的差值，即进行相关双采样CDS操作，完成后将图像信息通过源极跟随器SF2和选择晶体管SEL进行输出。
本发明的全局曝光像素结构的流水线工作过程如图3所示，当前曝光过程结束，进行信号读出时，由于读出操作为逐行读出，最后一行读出时间较晚，如果等读出结束后再进行下一帧曝光会对帧率产生较大影响。因此，本发明的像素结构中FD节点具有对下一帧复位信号暂时性存储功能，在读出时保持开关S1的关闭，将CDS电路和FD节点分隔，实现读出与下一帧曝光同时进行，提高帧率。
一种实现像素内相关双采样的高速全局曝光像素结构，能够用于对快速运动物体的拍摄，避免图像扭曲的问题，提高图像质量；能够实现CDS操作，消除FD节点的复位噪声，提高图像的信噪比，提升图像质量； CDS操作在像素内实现，避免额外的CDS电路，减少在芯片面积同时降低时间延迟，提高帧率；能够实现曝光和像素的流水线操作，即可以在当前帧信号输出过程中进行下一帧曝光，充分利用信号读出时间，提高帧率。
附图说明
图1是像素结构电路示意图；
图2是像素结构的工作时序图；
图3是流水线的工作过程示意图。
具体实施方式
下面结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行进一步清楚完整的描述：
如图1所示，图1为本发明提供的一种实现像素内相关双采样的高速全局曝光像素结构示意图，包括光电二极管（PD）、复位晶体管（RST）、电荷传输晶体管（TX）、两个源极跟随器（SF1、SF2）、多功能晶体管（PC）、三个MOS开关（S1、S2、S3）、选择晶体管（SEL）、两个电容（C1、C2）；
其中，光电二极管PD用于采集光信号并将其转化为电信号，该信号经电荷传输晶体管TX读出到电荷—电压转换节点（FD），光电二极管PD负极与复位晶体管RST源极和电荷传输晶体管TX漏极相连，正极与地（GND）相连；
复位晶体管RST用于对光电二极管PD和电荷-电压转换节点FD进行复位，其漏极和电源（VDD）相连，源极和光电二极管PD负极相连，栅极接复位信号rst；
电荷传输晶体管TX用于将光电二极管PD内产生的电荷转移到电荷-电压转换节点FD，其源极连接到电荷-电压转换节点FD，漏极与光电二极管PD负极相连，栅极接传输信号tx；
源极跟随器SF1用于将电荷-电压转换节点FD的电荷信号转化为电压信号，其源极与开关S1漏极相连，漏极与电源相连，栅极连接到电荷-电压转换节点FD；
源极跟随器SF2用于将CDS操作后得到的图像像素信息在选择晶体管SEL导通时输出到输出端，其栅极与开关S3漏极相连，漏极与电源相连，源极与开关S3漏极相连；
多功能晶体管PC在电荷-电压信号转换时工作为负载，在电容C2复位时工作为开关，其栅极与信号Vb相连，漏极与开关S1源极相连，源极与地相连；
MOS开关S1、S2、S3均用于开关，控制电路通断，其栅极分别接开关信号s1、s2、s3，其中S1漏极与源极跟随器源极相连、源极与多功能晶体管漏极相连，S2漏极与多功能晶体管漏极相连、源极与电容C1上极板相连，S3漏极与电容C2右极板相连、源极与地相连；
选择晶体管SEL用于控制像素信号的输出，当选择晶体管SEL开启时像素信号输出到后续电路，其栅极接行选择信号，漏极接源极跟随器SF2源极，源极接输出端；
电容C1、C2分别用于存储复位信号和光信号，C1的上极板与开关S2的源极相连、下极板接地，C2的左极板与开关S2的漏极相连、右极板接开关S3的漏极。

Claims (3)

1.一种实现像素内相关双采样的高速全局曝光像素结构，其特征在于：包括光电二极管PD、复位晶体管RST、电荷传输晶体管TX、两个源极跟随器SF1和SF2、多功能晶体管PC、三个MOS开关S1、S2和S3、选择晶体管SEL、两个电容C1和C2；
所述光电二极管PD是像素的感光区域，通过光电转换将接收到的光子转化为电荷，以确定接收到的光信号情况；所述复位晶体管RST用于下一帧曝光开始前对光电二极管PD进行复位操作；所述电荷传输晶体管TX用于控制电荷-电压转换节点与光电二极管PD的导通，导通时允许光电二极管PD中的光生电子转移到电荷-电压转换节点；所述源极跟随器SF1用于将电荷-电压转换节点的电荷信号转换为电压信号,源极跟随器SF2用于在相关双采样CDS操作结束后将电容C2上电压信号输出；所述多功能晶体管PC用于负载时与源极跟随器SF1共同实现源极跟随器功能，用于开关时与MOS开关S3共同对电容C2进行复位；所述MOS开关用于控制电路的导通与关断，完成电容上的电荷存储功能；所述选择晶体管SEL用于控制像素信号的逐行输出；所述电容C1、C2分别用于存储复位信号和光信号。
2.根据权利要求1所述一种实现像素内相关双采样的高速全局曝光像素结构，其特征在于：具体工作方式如下：
（一）、曝光开始前，复位晶体管RST、电荷传输晶体管TX处于开启状态，rst、tx信号为高电位，对光电二极管PD和电荷-电压转换节点FD进行复位；复位结束后，电荷传输晶体管TX关闭，即tx为低电位；
（二）、电荷传输晶体管TX关闭后，开启MOS开关S1和S2，将电荷-电压转换节点FD节点电荷信号通过源极跟随器SF1转换为电压信号存储到电容C1，此时电容C1上存储的为复位信号，即s1和s2为高电位；
（三）、曝光过程中，MOS开关S1处于关闭状态防止光信号通过源极跟随器SF1传输影响电容上电荷，即s1位低电位；同时曝光中一段时间内MOS开关S3和多功能晶体管PC处于开启状态，对电容C2进行复位，即s3和Vb处于高电位；
（四）、曝光结束后，MOS开关S1和S3处于开启状态，光电二极管PD内的电荷通过电荷传输晶体管TX传输到FD节点，通过源极跟随器SF1转换为电压在电容C2存储，此时电容C2上存储的为光信号，即s1和s3为高电位；
（五）、光信号存储过程结束后，将MOS开关S1和S3关闭，MOS开关S2开启，电容C1和C2上的电荷进行重新分配，得到光信号与复位信号的差值，即进行相关双采样CDS操作，完成后将图像信息通过源极跟随器SF2和选择晶体管SEL进行输出。
3.根据权利要求1所述一种实现像素内相关双采样的高速全局曝光像素结构，其特征在于：像素结构中FD节点具有对下一帧复位信号暂时性存储功能，在读出时保持开关S1的关闭，将CDS电路和FD节点分隔，实现读出与下一帧曝光同时进行，提高帧率。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113301280A (zh) * 2021-05-20 2021-08-24 京东方科技集团股份有限公司 感光块的像素电路、图像处理方法、装置及电子设备
CN115802186A (zh) * 2023-01-31 2023-03-14 天津海芯微电子技术有限公司 一种低噪声全局曝光像素结构及其工作方法
CN115967864A (zh) * 2022-12-29 2023-04-14 脉冲视觉(北京)科技有限公司 图像传感器中光信号的采集方法、电路、设备和介质

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110013064A1 (en) * 2009-07-15 2011-01-20 Tower Semiconductor Ltd. CMOS Image Sensor With Wide (Intra-Scene) Dynamic Range
CN102447848A (zh) * 2012-01-17 2012-05-09 中国科学院半导体研究所 Cmos图像传感器全局曝光像素单元
CN104243861A (zh) * 2014-09-29 2014-12-24 中国电子科技集团公司第四十四研究所 高速全局快门像素结构及其信号控制方法
CN104333720A (zh) * 2014-11-12 2015-02-04 上海集成电路研发中心有限公司 高帧率全局像元cmos图像传感器及其信号传输方法
US20160088251A1 (en) * 2013-05-17 2016-03-24 Brigates Microelectronics (Kunshan) Co., Ltd. Cmos image sensor, pixel unit and control method thereof
US20170078598A1 (en) * 2016-05-11 2017-03-16 SmartSens Technology (US) Inc. Imaging apparatus and imaging method thereof using correlated double sampling
US10250828B1 (en) * 2017-12-21 2019-04-02 SmartSens Technology (U.S.), Inc. Global shutter image sensor with anti-blooming pixel and knee point self-calibration

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110013064A1 (en) * 2009-07-15 2011-01-20 Tower Semiconductor Ltd. CMOS Image Sensor With Wide (Intra-Scene) Dynamic Range
CN102447848A (zh) * 2012-01-17 2012-05-09 中国科学院半导体研究所 Cmos图像传感器全局曝光像素单元
US20160088251A1 (en) * 2013-05-17 2016-03-24 Brigates Microelectronics (Kunshan) Co., Ltd. Cmos image sensor, pixel unit and control method thereof
CN104243861A (zh) * 2014-09-29 2014-12-24 中国电子科技集团公司第四十四研究所 高速全局快门像素结构及其信号控制方法
CN104333720A (zh) * 2014-11-12 2015-02-04 上海集成电路研发中心有限公司 高帧率全局像元cmos图像传感器及其信号传输方法
US20170078598A1 (en) * 2016-05-11 2017-03-16 SmartSens Technology (US) Inc. Imaging apparatus and imaging method thereof using correlated double sampling
US10250828B1 (en) * 2017-12-21 2019-04-02 SmartSens Technology (U.S.), Inc. Global shutter image sensor with anti-blooming pixel and knee point self-calibration

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
INOUE, TORU, TAKEUCHI, SHINJI, KAWAHITO, SHOJI: "CMOS active pixel image sensor with in-pixel CDS for high-speed cameras", 《PROCEEDINGS OF SPIE》 *
RUOYU XU; WAI CHIU NG; JIE YUAN; SHOUYI YIN; SHAOJUN WEI: "A_1_2.5_inch_VGA_400_fps_CMOS_Image_Sensor_With_High_Sensitivity_for_Machine_Vision", 《IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS》 *
XU WU: "High speed global shutter image sensors for professional applications", 《PROCEEDINGS OF SPIE》 *
YANG LIU: "A new 9T global shutter pixel with CDS technique", 《PROCEEDINGS OF SPIE》 *
刘昌举等: "全局快门CMOS图像传感器研究进展", 《半导体光电》 *
徐江涛: "大动态范围CMOS图像传感器技术研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士) 信息科技辑》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113301280A (zh) * 2021-05-20 2021-08-24 京东方科技集团股份有限公司 感光块的像素电路、图像处理方法、装置及电子设备
CN113301280B (zh) * 2021-05-20 2023-01-24 京东方科技集团股份有限公司 感光块的像素电路、图像处理方法、装置及电子设备
CN115967864A (zh) * 2022-12-29 2023-04-14 脉冲视觉(北京)科技有限公司 图像传感器中光信号的采集方法、电路、设备和介质
CN115967864B (zh) * 2022-12-29 2023-12-26 脉冲视觉(北京)科技有限公司 图像传感器中光信号的采集方法、电路、设备和介质
CN115802186A (zh) * 2023-01-31 2023-03-14 天津海芯微电子技术有限公司 一种低噪声全局曝光像素结构及其工作方法

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