CN114285983B - 缩短像素输出稳定时间的电路及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了缩短像素输出稳定时间的电路及其方法，属于图像传感技术领域，负载单元给所述像素单元提供尾电流信号，像素单元由M行N列的像素矩阵组成，且每列像素对应设置一个负载单元，第一MOS管用于在电子读取第三MOS管的时间段内，切断给像素单元提供的尾电流信号；第二MOS管用于在电子读取第三MOS管时间段内，控制负载MOS管进行正常工作；本发明的有益效果为在不增加像素供给电流的条件下，将对第八MOS管的栅极电压的电容耦合影响量降到最低，既能保证像素输出的动态范围，确保输出图像质量；也大幅缩短像素输出稳定所需时间，缩短一个读出周期的时间，增加传感器的输出帧率，增加了画质的清晰度。

Description

缩短像素输出稳定时间的电路及其方法

技术领域

本发明涉及图像传感器技术领域，具体而言，涉及缩短像素输出稳定时间的电路及其方法。

背景技术

在一般的CIS图像传感器中，由负载电流源为像素提供尾电流，然后通过比较器将像素输出和基准信号进行比较，再由计数器进行计数，得到有效信号量，完成模数转换。随着消费者对画面帧数的要求越来越高，对CIS芯片设计也提出了更高要求，如何在更短的有效时间内就能完成一次像素的读出成了设计的一大难题。

而在一次完整的像素读出中，分为像素RST读取期间，和像素有效信号读取期间，像素RST读取期间又分为比较器RST期间，像素信号稳定期间和像素信号与基准电压比较的区间，有效信号读取期间又分为像素电子读取期间，像素信号稳定期间和像素信号与基准电压的比较器区间。两次像素的稳定期间占一个读出周期1/3，所以缩短像素稳定时间对减少一个读出周期的时间有至关重要的意义。

现有技术中，在减少像素稳定时间的做法多为增加像素供给电流，但这样会增加芯片的功耗，同时会增加像素中间与两端的差分，造成画质上的降低。并且这样也会降低像素的输出电压，而像素的输出电压越低，其有效像素信号的范围就越小，这样也会降低像素动态范围，从而影响芯片的动态范围。

有鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中通过增加像素供给电流的方式来降低像素稳定时间，在电子读取像素单元的信号时，像素输出的稳定时间长，从而造成的画质降低，目的在于提供缩短像素输出稳定时间的电路及其方法，能够实现减小像素输出的稳定时间，增加画质的清晰度。

本发明通过下述技术方案实现：

缩短像素输出稳定时间的电路，包括负载单元以及像素单元，所述负载单元给所述像素单元提供尾电流信号，所述像素单元由M行N列的像素矩阵组成，且每列像素对应设置一个负载单元，所述负载单元包括第一MOS管以及第二MOS管，所述第一MOS管用于在电子读取第三MOS管的时间段内，切断给所述像素单元提供的尾电流信号；所述第二MOS管用于在电子读取第三MOS管时间段内，控制负载MOS管进行正常工作。

传统地在像素输出的时候，都是采用的是传统像素单元，且在负载MOS管没有施加任何处理，当采用传统结构进行像素输出时，常常会因为第三MOS管与第六MOS管的寄生电容，造成在第三MOS管与第六MOS管信号变化时，像素负载较大时，像素输出Vout的稳定时间会很长，这会大大降低芯片的输出帧率，严重时会影响画质的清晰度；本发明提供了缩短像素输出稳定时间的电路，通过控制第一MOS管，第二MOS管与第三MOS管的控制信号的相位关系，控制像素尾电流的供给情况，降低了像素负载的影响，进而减少了像素输出Vout的稳定时间，增加了画质的清晰度。

优选地，所述第一MOS管用于在所述第三MOS管打开，第四MOS管关闭时，切断像素单元与负载单元的信号传输；所述第一MOS管用于在所述第四MOS管开启时，将所述负载单元与所述像素单元连通。

优选地，所述第二MOS管用于在所述第三MOS管打开，所述第四MOS管关闭时，给所述负载MOS管供给电压信号，所述第二MOS管用于在所述第四MOS管开启时，切断给所述负载MOS管供给的电压信号。

优选地，所述第三MOS管在所述第一MOS管关闭后、所述第二MOS管打开后打开，所述第三MOS管在所述第一MOS管打开前、所述第二MOS管关闭前关闭。

优选地，所述像素输出稳定时间电路还包括驱动单元，所述驱动单元用于通过所述负载单元给像素单元提供尾电流信号。

优选地，所述驱动单元包括电阻R以及第五MOS管，所述第五MOS管的漏极通过电阻R与电源VDD连接，所述第五MOS管的源极接地，所述第五MOS管的栅极与所述负载单元连接。

优选地，所述负载MOS管的栅极与所述第五MOS管的栅极连接，且所述负载MOS管与所述第五MOS管构成电流镜。

优选地，所述第一MOS管漏极与像素单元连接，所述第一MOS管源极与所述负载MOS管的漏极连接；所述第二MOS管的漏极与电源连接，所述第二MOS管的源极与所述负载MOS管的漏极连接，所述负载MOS管源极接地。

本发明还提供一种缩短像素输出稳定时间的方法，采用如上所述的缩短像素输出稳定时间电路，方法步骤包括：

通过关闭所述第四MOS管和第一MOS管，切断像素单元的尾电流信号，并在所述第二MOS管的控制下，向所述负载MOS管提供电压信号；

向所述第三MOS管施加电压信号，并读取像素单元中的像素信号；

当像素信号读取完成后，停止向所述第三MOS管施加的电压信号；

并打开所述第四MOS管和第一MOS管，向像素单元提供尾电流信号，并在所述第二MOS管的控制下，切断对所述负载单元提供的电压信号。

本实施例还提供了一种图像传感器，包括像素阵列；所述像素阵列包括若干如上所述的像素时序控制电路，且若干所述像素时序控制电路呈阵列的形式均匀排布。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明实施例提供的缩短像素输出稳定时间的电路及其方法，在不增加像素供给电流的条件下，将对第八MOS管的栅极电压的电容耦合影响量降到最低，既能保证像素输出的动态范围，又能确保图像输出质量；

2、本发明实施例提供的缩短像素输出稳定时间的电路及其方法，大幅缩短像素输出稳定所需时间，缩短一个读出周期的时间，增加传感器的输出帧率，提高了画质的清晰度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为缩短像素输出稳定时间的电路示意图；

图2为缩短像素输出稳定时间电路的工作时序示意图。

附图说明：1、第三MOS管；2、第四MOS管；3、第八MOS管；4、第六MOS管；5、第一MOS管；6、第二MOS管；7、负载MOS管；8、第五MOS管。

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明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

在现有技术中的像素输出的动态范围中，采用的是如图1的结构示意图，在图1对应的电压变化范围如图2所示，从图中可以看出，现有技术中对像素单元进行电子读取时，通常会因为第六MOS管4以及第三MOS管1自身的寄生电容，在第六MOS管4以及第三MOS管1上的电压信号进行变化时，常常会造成第八MOS管3的栅极电压的电压变动也变得很大，而其电压变动范围越大，像素输出Vout的电压变化范围也越大，Vout稳定所需时间也越长，如图2所示，第八MOS管3的栅极电压的稳定主要和第八MOS管3的栅极电压的寄生与第三MOS管1，第六MOS管4的驱动能力有关，而Vout一定在第八MOS管3的栅极电压稳定之后才会进入稳定，但Vout的稳定时间与像素输出线上的寄生，阻抗和像素尾电流有关。在一列像素上的负载越大，像素的输出Vout达到稳定所需要的时间也越长。

实施例一

本实施例公开了缩短像素输出稳定时间的电路，该电路包括驱动单元(1个)、负载单元(N个)和像素单元(M行N列)；像素单元由M行N列的像素矩阵组成；每列像素对应一个负载单元(N个负载单元)；如图1所示，每个负载单元包括第一MOS管5以及第二MOS管6，所述第一MOS管5用于在电子读取第三MOS管1的时间段内，切断像素单元提供的尾电流信号；所述第二MOS管6用于在电子读取第三MOS管1时间段内，控制负载MOS管7进行正常工作。

本实施例中的设置的负载单元可以为像素单元提供稳定的尾电流，通过控制第一MOS管5，第二MOS管6，第四MOS管2与第三MOS管1的控制信号的相位关系，控制像素尾电流的供给情况，能够实现在不增加像素供给电流的情况下，使得时序控制电路输出电压Vout在短时间内就能达到稳定状态，增加了画质的稳定度。

在本实施例中，第一MOS管5用于在所述第三MOS管1打开，所述第四MOS管2关闭时，切断像素单元与负载单元的信号传输；所述第一MOS管5用于在所述第四MOS管2开启时，将所述负载单元与所述像素单元连通。所述第二MOS管6用于在所述第三MOS管1打开，所述第四MOS管2关闭时，给所述负载MOS管7供给电压信号，所述第二MOS管6用于在所述第四MOS管2开启时，切断给所述负载MOS管7供给的电压。所述第三MOS管1在所述第一MOS管5关闭后、所述第二MOS管6打开后打开，所述第三MOS管1在所述第一MOS管5打开前、所述第二MOS管6关闭前关闭。

当像素单元中的第三MOS管1进行开启的时候，就是像素单元进行电子读取的时候，而在电子读取期间，第三MOS管1以及第六MOS管4上的电压信号变化，会引起第八MOS管3的栅极电压线路上的电压进行波动，同时会对像素输出稳定时间电路的输出电路带来巨大的波动，因此，在本实施例中，在像素单元的电子读取期间，会切断电流，关闭行选择信号的第四MOS管2，同时关闭第一MOS管5，促使时序控制电路输出的Vout信号不受TX信号对第三MOS管1动作时，对第八MOS管3的栅极电压产生的电容耦合影响，同时在切断尾电流信号后，需要提供电流镜管的漏极电压，能够促使负载单元能够正常工作，因此，本实施例就设置了第二MOS管6来控制负载MOS管7上的信号，第一MOS管5来控制尾电流信号是否需要进行连通。

本实施例中，所述第一MOS管5漏极与像素单元连接，所述第一MOS管5源极与所述负载MOS管7的漏极连接；所述第二MOS管6的漏极与电源连接，所述第二MOS管6的源极与所述负载MOS管7的漏极连接。

本实施例中，设置的缩短像素输出稳定时间的电路还包括驱动单元，所述驱动单元用于通过所述负载单元给像素单元提供尾电流信号。驱动单元包括电阻R以及第五MOS管8，所述第五MOS管8的漏极通过电阻R与电源VDD连接，所述第五MOS管8的源极接地，所述第五MOS管8的栅极与所述负载单元连接。所述负载MOS管7的栅极与所述第五MOS管8的栅极连接，且所述负载MOS管7与所述第五MOS管8构成电流镜；所述负载MOS管7的源极接地。

本实施中，负载MOS管7如图1所示，通过施加XNSW信号来控制第一MOS管5的状态，通过施加NSW信号来控制第二MOS管6的状态，通过施加TX信号来控制第三MOS管1的状态，通过施加SX信号来控制第四MOS管2的状态，其工作原理如下：

在负载MOS中增加了一个第二MOS管6和一个与像素间的CUT管第一MOS管5，负载MOS中增加的电压控制开关第二MOS管6，其保证像素的第四MOS管2关闭后能让负载MOS中的电流镜管能够保持正常工作，增加的像素间CUT管与第四MOS管2，在没有光照的状态时(即光电二极管不产生电子)，保证Vout上的电压能与第三MOS管1动作前后基本一致。

当像素的第八MOS管3的栅极电压动作时，会传至Vout，但由于像素的线上寄生和阻抗的影响，Vout的稳定时间相较于第八MOS管3的栅极电压的稳定时间会长很多，但第三MOS管1是在进行电子读取时会开启，读出完成后关闭，在其对第八MOS管3的栅极电压的电容耦合影响中，第八MOS管3的栅极电压电压的上升和下降幅度是相同的，即第三MOS管1打开前后第八MOS管3的栅极电压的电压是相同的(在没有光照的状态时)；这个时候将第四MOS管2关闭，让第八MOS管3管输出动作时，不会被整个Vout的线上寄生，阻抗影响。

在本实施例中，将第四MOS管2关闭的同时将第二MOS管6打开,第一MOS管5关闭，让像素电源切断的同时，将负载MOS的电源接入，保证在第四MOS管2关闭时负载MOS的电流镜管不会因为切断了电源而关闭，能够保持正常工作。当第三MOS管1关闭，且第八MOS管3的栅极电压基本进入稳定后，再将第四MOS管2打开，同时将第二MOS管6关闭第一MOS管5打开，让像素电源重新接入负载MOS。

本实施例公开的缩短像素输出稳定时间电路，在不增加像素供给电流的条件下，将对第八MOS管3的栅极电压的电容耦合影响量降到最低，既能保证像素输出的动态范围，确保输出图像质量；也大幅缩短像素输出稳定所需时间，缩短一个读出周期的时间，增加传感器的输出帧率，增加了画质的清晰度。

实施例二

本实施例公开了一种缩短像素输出稳定时间的方法，本实施例是为了实现实施例一中提供的缩短像素输出稳定时间电路，方法步骤包括：

通过关闭所述第四MOS管2和第一MOS管5，切断像素单元的尾电流信号，并在所述第二MOS管6的控制下，向所述负载MOS管7提供电压信号；

向所述第三MOS管1施加电压信号，并读取像素单元中的像素信号；

当像素信号读取完成后，停止向所述第三MOS管1施加的电压信号；

并打开所述第四MOS管2和第一MOS管5，向像素单元提供尾电流信号，并在所述第二MOS管6的控制下，切断对所述负载单元提供的电压信号。

在图1中的每个MOS管对应的信号变换如图2所示，是减少有效信号读出器件的稳定时间，具体为：

在第四MOS管2，第一MOS管5关闭，第二MOS管6打开后，这时像素的尾电流被切断了，第八MOS管3处于关闭状态，第八MOS管3的栅极电压就基本处于一个HIZ状态，即四周全部处于断开的状态，这时第八MOS管3的栅极电压的电压变化完全由像素中第三MOS管1的电容耦合对第八MOS管3的栅极电压产生的影响，并且由于第八MOS管3处于关闭状态，也减少了第八MOS管3对其栅极电压稳定所带来的影响。

Vout的输出波形由于第四MOS管2与第一MOS管5的切断，第八MOS管3的栅极电压波形的变化量无法传到Vout，且Vout在第四MOS管2与第一MOS管5都关闭的期间处于HIZ状态，Vout的电压会基本维持在第四MOS管2与第一MOS管5关闭前的电位，并且在第四MOS管2与第一MOS管5再次开启前都将维持此电压。当像素的信号读出完成，第八MOS管3的栅极电压基本进入稳定的时候，将第四MOS管2与第一MOS管5打开，第二MOS管6关闭，这个时候第八MOS管3重新接入尾电流，进入饱和工作区，但Vout此时的电位还维持在第三MOS管1打开前的电位，而此时的第八MOS管3的栅极电压电位也已进入稳定，基本等于第三MOS管1打开前的电位，所以Vout的电压相对于第三MOS管1打开前后不会有太大的变化(在没有光照的状态时)，通常能够将第八MOS管3的栅极电压的电压变动量对Vout的影响降低到几十mV。而Vout的电压变化量越小，其所需的稳定时间越短，同时减小了第八MOS管3的栅极电压的稳定时间与像素输出Vout的稳定时间。达到了在不增加像素供给电流的条件下，就减少了像素输出的稳定时间的目的。

通过在第三MOS管1开启前，将第四MOS管2、第一MOS管5关闭，第二MOS管6开启；在第三MOS管1关闭后，将第四MOS管2、第一MOS管5开启，第二MOS管6关闭，且保证在第八MOS管3的栅极电压尽可能处于稳定状态后动作，减小了第三MOS管1对第八MOS管3的栅极电压电容耦合的影响，减少像素输出Vout的稳定时间，提高了画质的清晰度。

实施例三

本实施例公开了一种图像传感器，包括像素阵列；所述像素阵列包括若干如实施例一中的缩短像素输出稳定时间的电路，且若干所述缩短像素输出稳定时间的电路呈阵列的形式均匀排布。

本实施例中提供的图像传感器中，其他组成图像传感器的部分为现有技术中CMOS图像传感器的部分，只是在像素阵列的部分采用的是实施例一种提供的时序控制电路，能够使得图像传感器在进行画质输出的时候，更快更稳定。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.缩短像素输出稳定时间的电路，其特征在于，包括负载单元以及像素单元，所述负载单元给所述像素单元提供尾电流信号，所述像素单元由M行N列的像素矩阵组成，且每列像素对应设置一个负载单元，所述负载单元包括第一MOS管（5）以及第二MOS管（6），所述第一MOS管（5）用于在电子读取第三MOS管（1）的时间段内，切断给所述像素单元提供的尾电流信号；所述第二MOS管（6）用于在电子读取第三MOS管（1）时间段内，控制负载MOS管（7）进行正常工作；

其中，所述像素矩阵中每个像素的结构均包括：第三MOS管（1）、第四MOS管（2）、第六MOS管（4）和第八MOS管（3），所述第六MOS管（4）的栅极和源极之间连接有寄生电容Cr，所述第六MOS管（4）的漏极和所述第八MOS管（3）的漏极均连接电源VDD，所述第六MOS管（4）的源极连接所述第三MOS管（1）的漏极及所述第八MOS管（3）的栅极，所述第三MOS管（1）的栅极和漏极之间连接有寄生电容Ct，所述第三MOS管（1）的源极通过二极管接地，所述第八MOS管（3）的源极连接所述第四MOS管（2）的漏极，所述第四MOS管（2）的源极连接所述第一MOS管（5）的漏极；

其中，所述像素输出稳定时间电路还包括驱动单元，所述驱动单元用于通过所述负载单元给像素单元提供尾电流信号；

其中，所述负载MOS管（7）的栅极与第五MOS管（8）的栅极连接，且所述负载MOS管（7）与所述第五MOS管（8）构成电流镜；

其中，所述第一MOS管（5）漏极与像素单元连接，所述第一MOS管（5）源极与所述负载MOS管（7）的漏极连接；所述第二MOS管（6）的漏极与电源连接，所述第二MOS管（6）的源极与所述负载MOS管（7）的漏极连接，所述负载MOS管（7）源极接地。

2.根据权利要求1所述的缩短像素输出稳定时间的电路，其特征在于，所述第一MOS管（5）用于在所述第三MOS管（1）打开，第四MOS管（2）关闭时，切断像素单元与负载单元的信号传输；所述第一MOS管（5）用于在所述第四MOS管（2）开启时，将所述负载单元与所述像素单元连通。

3.根据权利要求2所述的缩短像素输出稳定时间的电路，其特征在于，所述第二MOS管（6）用于在所述第三MOS管（1）打开，所述第四MOS管（2）关闭时，给所述负载MOS管（7）供给电压信号，所述第二MOS管（6）用于在所述第四MOS管（2）开启时，切断给所述负载MOS管（7）供给的电压信号。

4.根据权利要求3所述的缩短像素输出稳定时间的电路，其特征在于，所述第三MOS管（1）在所述第一MOS管（5）关闭后、所述第二MOS管打开后打开，所述第三MOS管（1）在所述第一MOS管（5）打开前、所述第二MOS管（6）关闭前关闭。

5.根据权利要求1所述的缩短像素输出稳定时间的电路，其特征在于，所述驱动单元包括电阻R以及第五MOS管（8），所述第五MOS管（8）的漏极通过电阻R与电源VDD连接，所述第五MOS管（8）的源极接地，所述第五MOS管（8）的栅极与所述负载单元连接。

6.缩短像素输出稳定时间的方法，其特征在于，采用如权利要求1~5任一所述的缩短像素输出稳定时间电路，方法步骤包括：

通过关闭第四MOS管（2）和第一MOS管（5），切断像素单元的尾电流信号，并在所述第二MOS管（6）的控制下，向所述负载MOS管（7）提供电压信号；

向所述第三MOS管（1）施加电压信号，并读取像素单元中的像素信号；

当像素信号读取完成后，停止向所述第三MOS管（1）施加的电压信号；

并打开所述第四MOS管（2）和第一MOS管（5），向像素单元提供尾电流信号，并在所述第二MOS管（6）的控制下，切断对所述负载单元提供的电压信号。

7.一种图像传感器，其特征在于，包括像素阵列；所述像素阵列包括若干如权利要求1~5任一所述的缩短像素输出稳定时间的电路，且若干所述缩短像素输出稳定时间的电路呈阵列的形式均匀排布。

Images