CN115314646A - 一种像素电路和图像处理器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种像素电路，包括：像素驱动模块、负电压生成模块、像素模块和电流补偿模块；像素模块包括：一个单位负载检测像素单元和多个有效像素单元；电流补偿模块用于输出负载电流对像素模块进行电流补偿，单位负载检测像素单元用于模拟像素泄放动作单位电流，并根据有效像素单元的个数对模拟像素泄放动作单位电流进行放大；像素驱动模块连接负电压生成模块和像素模块，像素驱动模块与像素模块一起接入电源电压，像素模块连接电流补偿模块。该像素电路中电流补偿模块输出负载电流消除了成像画面亮度不一的现象，替代了现有技术中的专用像素；新增的电流补偿模块结构简单，大面积的缩减了像素所占芯片的面积，减小了设计和制造成本。

Description

一种像素电路和图像处理器

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，具体而言，涉及一种像素电路和图像处理器。

背景技术

目前，大多数图像传感器为解决在高清、高速、多模式的运用场景下，最终成像画面亮度不一的问题，采取的处理方式是：通过专用像素单元在采样期间的特殊动作，使各周期内的电荷泄放动作对电流的影响相同。但是该方法中使用的专用像素单元占用大量的芯片面积，不利于图像传感器的小型化和低成本化。

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：现有技术在解决成像画面亮度不一的问题时，使用的专用像素单元占用大量的芯片面积。目的在于提供一种像素电路和图像处理器，在现有的像素电路的基础上仅保留一个专用像素，并增加电流补偿模块用于对有效像素进行电流补偿，实现消除图像传感器成像画面亮度不一的现象，同时实现芯片小型化。

本发明通过下述技术方案实现：

一方面，

本发明提供一种像素电路，包括：像素驱动模块、负电压生成模块、像素模块和电流补偿模块；所述像素模块包括：一个单位负载检测像素单元和多个有效像素单元；所述电流补偿模块用于输出负载电流对所述像素模块进行电流补偿，所述单位负载检测像素单元用于模拟像素泄放动作单位电流，并根据有效像素单元的个数对所述模拟像素泄放动作单位电流进行放大；所述像素驱动模块连接所述负电压生成模块和所述像素模块，所述像素驱动模块与所述像素模块一起接入电源电压，所述像素模块连接所述电流补偿模块。

进一步的，

所述电流补偿模块包括：定电流生成电路、电流镜、驱动电路和比较器电路；定电流生成电路用于生成基准电流；所述电流镜用于复制所述基准电流得到电流I₁和电流I₂，所述电流I₂＝N×I₁；所述驱动电路和所述比较器电路用于共同控制所述单位负载检测像素单元的电压达到预设电压阈值的时间，所述预设电压阈值＝(V1+V2)/N，所述V1表示所述像素驱动模块的输入电压，所述V2表示所述负电压生成模块的输出电压；所述定电流生成电路连接所述驱动电路后接入所述单位负载检测像素单元；所述定电流生成电路、所述电流镜和所述比较器电路依次连接后接入所述单位负载检测像素单元。

进一步的，

所述电流镜包括：P型MOS管M1和M2，恒压源V1和V2；所述M1的源极连接所述V1，漏极连接所述定电流生成电路，栅极连接所述M2的栅极，所述M1的栅极与漏极相互连接；所述M2的源极连接所述V2，漏极连接所述驱动电路。

进一步的，

所述驱动电路包括：N型MOS管M3和M4，P型MOS管M5和M6；所述M3的源极接地，漏极连接所述M5的漏极，栅极与所述M5的栅极一起连接所述驱动电路的输入端；所述M4的源极接地，漏极与所述M6的漏极一起连接所述单位负载检测像素单元，栅极与所述M6的栅极一起连接在所述M3的漏极和所述M5的漏极之间；所述M5的源极与所述M6的源极一起连接所述电流镜。

进一步的，

所述比较器电路包括：N型MOS管M7和M8，P型MOS管M9和M10，恒压源V3和V4；所述M7的源极与所述M8的源极一起接地，漏极连接所述M9的漏极，栅极接入参考电压，所述参考电压的值为所述预设电压阈值；所述M8的漏极与所述M10的漏极一起连接所述电流镜，栅极连接所述单位负载检测像素单元(31)；所述M9的源极连接所述V3，栅极连接所述M10的栅极，所述M9的漏极与栅极相互连接；所述M10的源极连接所述V4。

进一步的，

所述电流补偿模块还包括：P型MOS管M11和恒压源V5；所述M11用于将所述I₁放大N倍后得到所述I₂；所述M11的源极连接所述V5，漏极连接所述比较器电路，栅极连接所述电流镜。

进一步的，

所述电流补偿模块还包括：开关；所述开关用于根据所述单位负载检测像素单元的电压达到所述预设电压阈值的时间，控制所述I₂的输出；所述开关连接在所述M11和所述比较器电路之间。

进一步的，

所述单位负载检测像素单元的电路包括：光电二极管PD，N型MOS管M12、M14、M13和M15；所述PD的一端接地，另一端连接所述M12的源极；所述M12的漏极连接所述M13的栅极，栅极连接所述单位负载检测像素单元的Tx端；所述M13的源极连接在所述M15的漏极，漏极与所述M14的漏极一起接入电压V1，栅极连接所述M12的漏极；所述M14的源极连接所述M13的栅极与所述M12的漏极的公共端，栅极接所述单位负载检测像素单元的RX端；所述M15的源极接入像素电压Vpix，栅极连接所述单位负载检测像素单元的Sx端。

进一步的，

所述有效像素单元的电路结构与所述单位负载检测像素单元的电路结构相同。

另一方面，

本发明提供一种图像处理器，所述图形处理器内置于图像传感器中；所述图像处理器包括半导体芯片和上述像素电路，所述像素电路集成在所述半导体芯片上。

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一种像素电路和图像处理器，通过电流补偿模块输出负载电流消除了成像画面亮度不一的现象，替代了现有技术中的专用像素；新增的电流补偿模块结构简单，大面积的缩减了像素所占芯片的面积，减小了设计和制造成本。

2、本发明实施例提供的一种像素电路和图像处理器，仅保留了一个专用像素，通过单一的电流复制方式来进行电流负载模拟，功耗大幅降低，扩大了芯片的应用场景；

3、本发明实施例提供的一种像素电路和图像处理器，通过控制电流镜模拟相应大小的负载电流，保证各模式下各周期对电流进行精准地补偿，控制简单容易实现。

4、本发明实施例提供的一种像素电路和图像处理器，仅通过一个单位负载检测像素单元和电流补偿模块即解决像素各行间的偏差问题，且单位负载检测像素单元生成的单位负载电流与工艺、温度等的相关性也得到复制，能够实现各区间负载电流的精准再现。

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为本发明实施例提供的画面亮度不一现象的产生原理示意图；

图2为本发明实施例提供的现有像素电路结构及画面亮度不一现象的产生原理示意图；

图3为本发明实施例提供的改进的像素电路结构示意图；

图4为本发明实施例提供的改进的像素电路中电流补偿模块的电路结构示意图；

图5为本发明实施例提供的电流补偿模块动作时序图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-像素驱动模块，2-负电压生成模块，3-像素模块，4-电流补偿模块，31-单位负载检测像素单元，32-有效像素单元，41-定电流生成电路，42-电流镜，43-驱动电路，44-比较器电路，45-开关。

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。

实施例

目前，大多数图像传感器在高清、高速、多模式的运用场景下，因各周期电荷泄放动作行差对电流影响程度不一致，导致最终成像画面中出现亮度不一的现象。

如图1所示，读出区间1的读出行与前一次的电荷泄放行同时动作，读出区间2的读出行与前后两次的电荷泄放行同时动作，读出区间3的读出行于后一次的电荷泄放行同时动作。即不同的读出区间对应的电荷泄放行数不一致，导致读出区间1-3的电荷泄放动作对电流的影响程度不同。

如图2所示，在进行电荷泄放动作的时候，由于各读出区间动作行数不一致(有动作行差)会导致以下两条路径受到的影响不一致：

路径一：动作行差对像素驱动模块1的电流I_V1产生的影响不同。由于电压和电流的依存性，对电流I_V1的影响不同，会导致像素驱动模块1的输入电压V1的波动不同，即V1在不同读出区间存在偏差。

路径二：动作行差对负电压生成模块2的电流I_V2产生的影响不同。由于电压和电流的依存性，对电流I_V2的影响不同，会导致负电压生成模块2的输出电压V2的波动不同，即V2在不同读出区间存在偏差。

然而，电压V1和电压V2决定了像素驱动模块1的输出Vout(像素的控制信号Tx/Rx/Sx)，当V1和V2在不同读出区间存在偏差，即电压V1和电压Vout在不同读出区间的波动不同，最终导致不同读出区间内FD→Vpix传输的数据存在差分，进而出现成像画面亮度不一的现象。

现有的解决图形传感器的最终成像画面亮度不一的方法是：在像素区域配置与有效像素单元32数量相同的专用像素单元，保证各周期进行电荷泄放动作的行数相同，即保证图2中V1/V2在不同读出区间的波动是一致的，以此消除图像传感器的最终成像画面亮度一致，达到改善画质的目的。

但是，在上述解决图形传感器的最终成像画面亮度不一的方法中使用的专用像素单元占用了大量的芯片面积。

为解决现有技术存在的上述技术问题，本实施例对现有的像素电路进行以下两个方面的改进：

一方面，只保留现有像素电路中的一个专用像素单元，将其作为单位负载检测像素单元31，用于模拟像素泄放动作的单位电流，并将单位电流根据像素电路中有效像素单元32的个数进行成倍放大(如像素电路中有3个有效像素单元32，则将单位电流放大3倍)。

另一方面，删除其余专用像素单元，同时在现有像素电路中加入一个电流补偿模块4，用于补偿各周期中因泄放动作行数不一致而导致的电流波动，使各读出区间的电流波动相同，从而消除图像传感器的最终成像图像中出现亮度不一的现象。

基于上述改进思路，本实施例提供的一种像素电路如图3所示，包括：

像素驱动模块1、负电压生成模块2、像素模块3和电流补偿模块4；所述像素模块3包括：一个单位负载检测像素单元31和多个有效像素单元32；所述电流补偿模块4用于输出负载电流对所述像素模块3进行电流补偿，所述单位负载检测像素单元31用于模拟像素泄放动作单位电流，并根据有效像素单元32的个数对所述模拟像素泄放动作单位电流进行放大；所述像素驱动模块1连接所述负电压生成模块2和所述像素模块3，所述像素驱动模块1与所述像素模块3一起接入电源电压，所述像素模块3连接所述电流补偿模块4。

由于在现有像素电路的基础上仅保留了一个专用像素，删除了其余多个专用像素，因此大幅缩减了专用像素所占用的芯片面积，进而增强了芯片的功能拓展性。

其中，

光电二极管PD，N型MOS管M12、M14、M13和M15；所述PD的一端接地，另一端连接所述M12的源极；所述M12的漏极连接所述M13的栅极，栅极连接所述单位负载检测像素单元31的Tx端；所述M13的源极连接在所述M15的漏极，漏极与所述M14的漏极一起接入电压V1，栅极连接所述M12的漏极；所述M14的源极连接所述M13的栅极与所述M12的漏极的公共端，栅极接所述单位负载检测像素单元31的RX端；所述M15的源极接入像素电压Vpix，栅极连接所述单位负载检测像素单元31的Sx端。所述有效像素单元32的电路结构与所述单位负载检测像素单元31的电路结构相同。

电流补偿模块4如图4所示，包括：

定电流生成电路41、电流镜42、驱动电路43和比较器电路44；定电流生成电流用于生成基准电流；所述电流镜42用于复制所述基准电流得到电流I1和电流I2，所述电流I2＝N×I1；所述驱动电路43和所述比较器电路44用于共同控制所述单位负载检测像素单元31的电压达到预设电压阈值的时间，所述预设电压阈值＝(V1+V2)/N，所述V1表示所述像素驱动模块1的输入电压，所述V2表示所述负电压生成模块2的输出电压；所述定电流生成电路41连接所述驱动电路43后接入所述单位负载检测像素单元31；所述定电流生成电路41、所述电流镜42和所述比较器电路44依次连接后接入所述单位负载检测像素单元31。

电流补偿模块4还包括：P型MOS管M11和恒压源V5；所述M11用于将所述I1放大N倍后得到所述I2；所述M11的源极连接所述V5，漏极连接所述比较器电路44，栅极连接所述电流镜42。还包括：开关45；所述开关45用于根据所述单位负载检测像素单元31的电压达到所述预设电压阈值的时间，控制所述I2的输出；所述开关45连接在所述M11和所述比较器电路44之间。

进一步的，

所述电流镜42包括：P型MOS管M1和M2，恒压源V1和V2；所述M1的源极连接所述V1，漏极连接所述定电流生成电路41，栅极连接所述M2的栅极，所述M1的栅极与漏极相互连接；所述M2的源极连接所述V2，漏极连接所述驱动电路43。

所述驱动电路43包括：N型MOS管M3和M4，P型MOS管M5和M6；所述M3的源极接地，漏极连接所述M5的漏极，栅极与所述M5的栅极一起连接所述驱动电路43的输入端；所述M4的源极接地，漏极与所述M6的漏极一起连接所述单位负载检测像素单元31，栅极与所述M6的栅极一起连接在所述M3的漏极和所述M5的漏极之间；所述M5的源极与所述M6的源极一起连接所述电流镜42。

所述比较器电路44包括：N型MOS管M7和M8，P型MOS管M9和M10，恒压源V3和V4；所述M7的源极与所述M8的源极一起接地，漏极连接所述M9的漏极，栅极接入参考电压，所述参考电压的值为所述预设电压阈值；所述M8的漏极与所述M10的漏极一起连接所述电流镜42，栅极连接所述单位负载检测像素单元31；所述M9的源极连接所述V3，栅极连接所述M10的栅极，所述M9的漏极与栅极相互连接；所述M10的源极连接所述V4。

根据上述像素电路可以等价地获得电流泄放动作时V1和V2的电荷量Q1。假设像素负载电容为C，通过定电流I1在电荷泄放时间T内将像素电容充电至(V1+V2)/N时所需的电荷量为Q2。由于Q＝C(电容)×V(电压)，且Q＝I(电流)×T(时间)，所以得到如下推导式：

Q1＝C×(V1+V2)(1)；

Q2＝C×(V1+V2)/N＝I1×T(2)；

Q1/Q2＝N＝N；

11＝N×Q2＝N×I1×T(4)。

从式(1)至式(4)可分析得出，若I2＝N×I1(5)，则有Q2+Q3＝I2×T＝N×I1×T(6)。

由此可见，在T一定的情况下，当I2＝N×I1时，有Q2+Q3＝Q1，即可得到电荷泄放动作时V1和V2的电荷量等同的电荷量。

基于上述推导分析，并结合图4，电流补偿模块4的工作原理为：定电流生成电路41生成的基准电流通过电流镜42复制得到电流I1和电流I2，并且I2＝N×I1；然后通过驱动电路43和比较器电路44控制单位负载检测电路单元的电压达到(V1+V2)/N这个阈值的时间T，进而控制I2是否输出。

如图5所示，电流补偿模块4的动作时序为：在像素电子蓄积和读取之前，都需要优先清除掉像素残留的无效信号，所以Rx信号和泄放动作信号在①(复位信号采样阶段)之前动作。有效信号则在读取动作信号控制下在②(图像信号采样阶段)进行采样，最终通过对前后两次读取的信号进行作差(②-①※CDS(相关双采样))，来得到真实的数据量。新型电流补偿模块4生成的电流(I_V1和I_V2)是用来补偿各周期因泄放动作行差导致的差分，因此电流补偿输入信号动作上升时间要与泄放动作信号上升时间保持一致，且在①(复位信号采样阶段)之前完成动作。然后根据对单位负载检测像素的驱动能力大小来确定电流补偿输入信号的占空比。此时需要注意的是当负载检测用像素驱动波形达到(V1+V2)/N这个阈值的建立时间(T)要跟泄放动作信号的占空比保持一致，也就是说电流补偿输入信号的占空比不得小于泄放动作信号的占空比。

进一步的，将上述像素电路集成在半导体芯片上，还可得到具有能够消除成像画面亮度不一现象的图像处理器，将该图像处理器内置于图像传感器中进而得到具有相应功能的图像传感器。

综上，本实施例提供的一种像素电路具有如下特点：

(1)能够消除成像画面亮度不一问题的同时，还大幅缩减了芯片占用面积。通过电流补偿模块输出负载电流消除了横带现象，替代了现有技术中的专用像素。新增的电流补偿模块构造小巧简单，以比较器、电流镜为主体，大面积的削减了像素所占芯片的面积，减小了设计和制造成本。对于以动作模式复杂、小型化等的定制产品，效果更为显著。

(2)功耗低，扩充了芯片的应用场景。现有技术在不同的场景下，各周期对泄放动作的控制复杂繁多，且每行专用像素都需要一个对应的驱动电路来进行驱动，电流消耗大。本实施例的像素电路中由于只保留了一个专用像素，其对应的模拟和逻辑控制电路简单，仅通过较为单一的电流复制来对其进行电流负载模拟，功耗大幅降低，扩大了芯片的应用场景。

(3)控制简单。现有技术在通过专用像素消除成像画面亮度不一的现象时，严重依赖于各周期的泄放动作一致性，在控制动作行数一致性上会稍显复杂。而本实施例通过控制电流镜单纯地模拟相应大小的负载电流，保证各模式下各周期对电流进行精准地补偿，控制简单容易实现。

(4)模拟精准。现有技术中专用像素会受限于生产工艺、外界温度、良品率等(像素间在物理层面并非完全相同)因素的影响，且各行动作间也存在噪声的介入，即使保证了各周期动作一致，电流所受到的影响也不完全一样，只是尽可能的接近。本实施例的像素电路中有且仅有一个单位负载检测像素单元，即可消除像素各行间的偏差，而且单位负载检测像素单元生成的单位负载电流跟工艺、温度等的相关性也能得到复制，能够实现各区间负载电流的精准再现。

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 (10)

1.一种像素电路，其特征在于，包括：像素驱动模块(1)、负电压生成模块(2)、像素模块(3)和电流补偿模块(4)；所述像素模块(3)包括：一个单位负载检测像素单元(31)和多个有效像素单元(32)；所述电流补偿模块(4)用于输出负载电流对所述像素模块(3)进行电流补偿，所述单位负载检测像素单元(31)用于模拟像素泄放动作单位电流，并根据有效像素单元(32)的个数对所述模拟像素泄放动作单位电流进行放大；所述像素驱动模块(1)连接所述负电压生成模块(2)和所述像素模块(3)，所述像素驱动模块(1)与所述像素模块(3)一起接入电源电压，所述像素模块(3)连接所述电流补偿模块(4)。

2.根据权利要求1所述的一种像素电路，其特征在于，所述电流补偿模块(4)包括：定电流生成电路(41)、电流镜(42)、驱动电路(43)和比较器电路(44)；定电流生成电流(41)用于生成基准电流；所述电流镜(42)用于复制所述基准电流得到电流I₁和电流I₂，所述电流I₂＝N×I₁，N表示电流I₂与I₁相差的倍数；所述驱动电路(43)和所述比较器电路(44)用于共同控制所述单位负载检测像素单元(31)的电压达到预设电压阈值的时间，所述预设电压阈值＝(V1+V2)/N，其中，所述V1表示所述像素驱动模块(1)的输入电压，所述V2表示所述负电压生成模块(2)的输出电压；所述定电流生成电路(41)连接所述驱动电路(43)后接入所述单位负载检测像素单元(31)；所述定电流生成电路(41)、所述电流镜(42)和所述比较器电路(42)依次连接后接入所述单位负载检测像素单元(31)。

3.根据权利要求2所述的一种像素电路，其特征在于，所述电流镜(42)包括：P型MOS管M1和M2，恒压源V1和V2；所述M1的源极连接所述V1，漏极连接所述定电流生成电路(41)，栅极连接所述M2的栅极，所述M1的栅极与漏极相互连接；所述M2的源极连接所述V2，漏极连接所述驱动电路(43)。

4.根据权利要求2所述的一种像素电路，其特征在于，所述驱动电路(43)包括：N型MOS管M3和M4，P型MOS管M5和M6；所述M3的源极接地，漏极连接所述M5的漏极，栅极与所述M5的栅极一起连接所述驱动电路(43)的输入端；所述M4的源极接地，漏极与所述M6的漏极一起连接所述单位负载检测像素单元(31)，栅极与所述M6的栅极一起连接在所述M3的漏极和所述M5的漏极之间；所述M5的源极与所述M6的源极一起连接所述电流镜(42)。

5.根据权利要求2所述的一种像素电路，其特征在于，所述比较器电路(44)包括：N型MOS管M7和M8，P型MOS管M9和M10，恒压源V3和V4；所述M7的源极与所述M8的源极一起接地，漏极连接所述M9的漏极，栅极接入参考电压，所述参考电压的值为所述预设电压阈值；所述M8的漏极与所述M10的漏极一起连接所述电流镜(42)，栅极连接所述单位负载检测像素单元(31)；所述M9的源极连接所述V3，栅极连接所述M10的栅极，所述M9的漏极与栅极相互连接；所述M10的源极连接所述V4。

6.根据权利要求1所述的一种像素电路，其特征在于，所述电流补偿模块(4)还包括：P型MOS管M11和恒压源V5；所述M11用于将所述I₁放大N倍后得到所述I₂；所述M11的源极连接所述V5，漏极连接所述比较器电路(44)，栅极连接所述电流镜(42)。

7.根据权利要求6所述的一种像素电路，其特征在于，所述电流补偿模块(4)还包括：开关(45)；所述开关(45)用于根据所述单位负载检测像素单元(31)的电压达到所述预设电压阈值的时间，控制所述I₂的输出；所述开关(45)连接在所述M11和所述比较器电路(44)之间。

8.根据权利要求1所述的一种像素电路，其特征在于，所述单位负载检测像素单元(31)的电路包括：光电二极管PD，N型MOS管M12、M14、M13和M15；所述PD的一端接地，另一端连接所述M12的源极；所述M12的漏极连接所述M13的栅极，栅极连接所述单位负载检测像素单元(31)的Tx端；所述M13的源极连接在所述M15的漏极，漏极与所述M14的漏极一起接入电压V1，栅极连接所述M12的漏极；所述M14的源极连接所述M13的栅极与所述M12的漏极的公共端，栅极接所述单位负载检测像素单元(31)的RX端；所述M15的源极接入像素电压Vpix，栅极连接所述单位负载检测像素单元(31)的Sx端。

9.根据权利要求1所述的一种像素电路，其特征在于，所述有效像素单元(32)的电路结构与所述单位负载检测像素单元(31)的电路结构相同。

10.一种图像处理器，其特征在于，所述图形处理器内置于图像传感器中；所述图像处理器包括半导体芯片和如权利要求1-9中任一所述的像素电路，所述像素电路集成在所述半导体芯片上。

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