CN116744138A - 脉冲序列式传感器像素单元、脉冲序列式传感器及设备 - Google Patents
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Abstract
本公开实施例公开了一种脉冲序列式传感器像素单元、脉冲序列式传感器及设备，其中，脉冲序列式传感器像素单元包括：信号采集模块、信号量化模块和反馈控制模块；信号采集模块，用于在曝光时长内接收光信号以产生第一信号，根据反馈控制模块输入的第一控制信号的控制执行复位，并在复位阶段输出第二信号；信号量化模块，用于根据反馈控制模块输入的第二控制信号的控制，在信号采集模块的复位阶段对第二信号进行存储；在信号采集模块输出第一信号时，通过存储的第二信号作为参照确定输出的目标信号；反馈控制模块，用于接收信号量化模块输出的目标信号，并根据目标信号确定向信号采集模块输出的第一控制信号以及向信号量化模块输出的第二控制信号。
Description
技术领域
本公开涉及传感器技术，尤其是一种脉冲序列式传感器像素单元、脉冲序列式传感器及设备。
背景技术
图像传感器已经被广泛地应用在数码相机、移动手机、医疗、汽车、无人机和机器识别等领域，特别是制造互补型金属氧化物半导体(Complementary Metal OxideSemiconductor，CMOS)图像传感器技术的快速发展，使人们对图像传感器的输出图像品质有了更高的要求。CMOS图像传感器依据信号采集方式，可分为两种类别：一种方式是，对像素设定曝光时长进而测量电压信号变化量的方式；第二种方式是，对像素设定电压变化量进而测量曝光时长的方式，这种图像传感器称为脉冲序列式图像传感器。
发明内容
根据本公开实施例的一个方面，提供了一种脉冲序列式传感器像素单元，包括：信号采集模块、信号量化模块和反馈控制模块；
所述信号采集模块，用于在曝光时长内接收光信号以产生第一信号，根据所述反馈控制模块输入的第一控制信号的控制执行复位，并在复位阶段输出第二信号；
所述信号量化模块，用于根据反馈控制模块输入的第二控制信号的控制，在所述信号采集模块的复位阶段对所述第二信号进行存储；在所述信号采集模块输出第一信号时，通过存储的所述第二信号作为参照确定输出的目标信号；
所述反馈控制模块，用于接收所述信号量化模块输出的目标信号，并根据所述目标信号确定向所述信号采集模块输出的第一控制信号以及向所述信号量化模块输出的第二控制信号。
可选地，所述信号量化模块包括：信号存储电路和比较器；
所述信号存储电路与所述信号采集模块以及所述比较器的第一输入端连接，用于在所述信号采集模块复位时，根据所述反馈控制模块发出的第二控制信号的控制对所述第二信号进行采集和存储；
所述比较器的第一输入端与所述信号存储电路连接，第二输入端与所述信号采集模块连接，用于接收所述第一信号，并根据所述第一信号与所述第二信号之间的关系，确定所述目标信号，根据置位信号控制通过输出端输出所述目标信号。
可选地，所述信号存储电路包括：第一开关晶体管、第二开关晶体管、第三开关晶体管和电容；
所述第一开关晶体管和所述第三开关晶体管根据所述第二控制信号的控制同时导通或断开，所述第二开关晶体管根据所述第二控制信号的控制导通或断开，并且与所述第一开关晶体管的状态相反；
所述电容用于在所述第一开关晶体管和所述第三开关晶体管导通时，采集所述第二信号并存储，在所述第二开关晶体管导通时，将所述第二信号与参考信号的差值输入所述比较器的第一输入端。
可选地，所述比较器根据第一输入端输入的差值信号和所述第一信号之间的关系，确定所述目标信号，并根据外部触发信号的控制输出所述目标信号；其中，所述差值信号基于所述电容中存储的第二信号与所述参考信号的差值确定。
可选地，所述第一开关晶体管的漏极与所述信号采集模块连接，源极与所述电容的一端连接，栅极与所述反馈控制模块连接；
所述第二开关晶体管的漏极与所述电容的另一端连接，源极接地，栅极与所述反馈控制模块连接；
所述第三开关晶体管的漏极与所述电容的另一端连接，源极与所述参考信号连接，栅极与所述反馈控制模块连接；
所述电容一端与所述第一开关晶体管的源极连接，另一端与所述第二开关晶体管的漏极以及所述第三开关晶体管的漏极连接。
可选地，所述反馈控制模块包括：第一D触发器和第二D触发器；
所述第一D触发器的D端与所述信号量化模块连接，接收所述目标信号，Q端与所述信号采集模块和所述第二D触发器的D端连接，根据第一时钟信号的控制将D端的信号状态锁定到Q端，根据所述信号状态输出所述第一控制信号到所述信号采集模块；
所述第二D触发器的D端与所述第一D触发器的Q端连接；Q端与所述信号量化模块连接，根据第二时钟信号的控制将D端的信号状态锁定到Q端，根据所述信号状态输出所述第二控制信号到所述信号量化模块。
可选地，所述反馈控制模块包括：第一D触发器和第二D触发器；
所述第一D触发器的D端与所述信号量化模块连接，接收所述目标信号，Q端与所述信号采集模块连接，根据第一时钟信号的控制将D端的信号状态锁定到Q端，根据所述信号状态输出所述第一控制信号到所述信号采集模块；
所述第二D触发器的D端与所述信号量化模块连接；Q端与所述信号量化模块连接，根据第二时钟信号的控制将D端的信号状态锁定到Q端，根据所述信号状态输出所述第二控制信号到所述信号量化模块。
可选地，所述信号采集模块包括：光电二极管、复位晶体管和辅助电路；
所述复位晶体管，源极与光电二极管连接，漏极与电源模块连接，栅极与所述反馈控制模块连接；用于根据所述反馈控制模块发送的所述第一控制信号控制闭合或断开，并通过所述复位晶体管的闭合或断开控制所述光电二极管与电源模块之间是否导通；
所述光电二极管，正极接地，负极与所述复位晶体管的源极连接并用于输出信号；在所述复位晶体管断开时，在曝光时长内接收光信号以产生光电电荷；在所述复位晶体管闭合时，执行复位；
所述辅助电路，用于在所述光电二极管复位时输出第二信号，或根据所述光电二极管的电势变化，输出第一信号。
可选地，所述辅助电路包括源跟随晶体管和像素选择晶体管；
所述源跟随晶体管的栅极与所述光电二极管连接，源极与所述像素选择晶体管连接，漏极与电源模块连接；用于探测并跟随所述光电二极管的电势变化，确定第一信号或第二信号；
所述像素选择晶体管的漏极与所述源跟随晶体管的源极连接，源极与所述信号量化模块连接，栅极与外部控制信号连接，并根据所述外部控制信号的控制确定是否输出所述第一信号或所述第二信号。
可选地，所述辅助电路还包括偏置晶体管；
所述偏置晶体管的漏极与所述像素选择晶体管的源极连接，源极接地，栅极接外部导通信号连接；用于为所述像素选择晶体管提供一个稳定的偏置电流。
根据本公开实施例的另一方面，提供了一种脉冲序列式传感器，包括：多个上述任一实施例所述的脉冲序列式传感器像素单元。
根据本公开实施例的又一方面，提供了一种电子设备，包括：处理器，以及与所述处理器通信连接的存储器，还包括上述任一实施例所述的脉冲序列式传感器像素单元或上述实施例所述的脉冲序列式传感器；
所述存储器存储计算机执行指令；
所述处理器执行所述存储器存储的计算机执行指令，以控制所述脉冲序列式传感器像素单元或脉冲序列式传感器工作。
可选地，所述电子设备被纳入为以下任意一项：脉冲相机、高速相机、音/视频播放器、导航设备、固定位置终端、娱乐单元、智能手机、通信设备、机动交通工具中的设备、摄像头、运动或可穿戴式相机、检测设备、飞行设备、医疗设备、安防设备。
基于本公开上述实施例提供的脉冲序列式传感器像素单元、脉冲序列式传感器及设备，其中，脉冲序列式传感器像素单元包括：信号采集模块、信号量化模块和反馈控制模块；所述信号采集模块，用于在曝光时长内接收光信号以产生第一信号，根据所述反馈控制模块的控制执行复位，并在复位阶段输出第二信号；所述信号量化模块，用于根据反馈控制模块的控制，在所述信号采集模块的复位阶段对所述第二信号进行存储；在所述信号采集模块输出第一信号时，通过存储的所述第二信号作为参照确定输出的目标信号；所述反馈控制模块，用于接收所述信号量化模块输出的目标信号，并根据所述目标信号确定向所述信号采集模块输出的第一控制信号以及向所述信号量化模块输出的第二控制信号；本实施例中，通过在信号量化模块中存储第二信号作为第一信号的参照，降低了现有技术中由于参考电压与复位电压相近而产生的电容噪声(KTC噪声)，优化了因生产工艺波动引起的量化噪声，提升了传感器输出图像的品质，尤其是暗光环境下图像的质量，可有效提升图像的信噪比。
下面通过附图和实施例，对本公开的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同描述一起用于解释本公开的原理。
参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：
图1是本公开一示例性实施例提供的脉冲序列式传感器像素单元的结构示意图；
图2是本公开一示例性实施例提供的脉冲序列式传感器像素单元中信号量化模块的一种结构示意图；
图3-1是本公开一示例性实施例提供的脉冲序列式传感器像素单元中反馈控制模块的一种结构示意图；
图3-2是本公开另一示例性实施例提供的脉冲序列式传感器像素单元中反馈控制模块的一种结构示意图；
图4是本公开一示例性实施例提供的脉冲序列式传感器像素单元中信号采集模块的一种结构示意图；
图5是本公开一示例性实施例提供的脉冲序列式传感器像素单元对应的信号时序示意图；
图6图示了根据本公开实施例的电子设备的框图。
具体实施方式
下面，将参考附图详细地描述根据本公开的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本公开的一部分实施例，而不是本公开的全部实施例，应理解，本公开不受这里描述的示例实施例的限制。
应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。
本领域技术人员可以理解，本公开实施例中的“第一”、“第二”等术语仅用于区别不同步骤、设备或模块等，既不代表任何特定技术含义，也不表示它们之间的必然逻辑顺序。
还应理解，在本公开实施例中，“多个”可以指两个或两个以上，“至少一个”可以指一个、两个或两个以上。
还应理解，对于本公开实施例中提及的任一部件、数据或结构，在没有明确限定或者在前后文给出相反启示的情况下，一般可以理解为一个或多个。
另外，本公开中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本公开中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本公开中所指数据可以包括文本、图像、视频等非结构化数据，也可以是结构化数据。
还应理解，本公开对各个实施例的描述着重强调各个实施例之间的不同之处，其相同或相似之处可以相互参考，为了简洁，不再一一赘述。
同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在实现本公开的过程中，发明人发现，现有技术的脉冲序列式图像传感器中光电积分单元的输出端直接连接到比较器的正输入端，通过复位管对光电二极管进行复位操作，会引入电容(KTC)噪声；由于图像传感器生产制造工艺中，不同的晶圆(wafer)之间会有工艺波动，wafer与wafer之间，或同一片wafer不同芯片之间，甚至在同一颗芯片中，不同像素在复位操作后光电二极管的复位电压会有变化不相同的情况，对比较器量化的bit流数据有影响，进而引入量化噪声；特别是暗光环境下工作的脉冲序列式图像传感器，参考电压与光电二极管输出的复位信号电压较为接近，比如参考电压仅低于光电二极管的复位信号电压10mV，不同wafer间或同一wafer不同芯片间的像素输出复位信号电压的波动可能会超过5mV，因此像素的量化脉冲bit流误差可能会超过50％。现有技术的脉冲序列式图像传感器，噪声高的缺点迫切需要优化解决，以便提升图像传感器输出的图像质量的信噪比。
图1是本公开一示例性实施例提供的脉冲序列式传感器像素单元的结构示意图。如图1所示，本实施例提供的脉冲序列式传感器像素单元包括：信号采集模块11、信号量化模块12和反馈控制模块13。
信号采集模块11，用于在曝光时长内接收光信号以产生第一信号，根据反馈控制模块13输入的第一控制信号的控制执行复位，并在复位阶段输出第二信号。
可选地，信号采集模块中的主要元器件可以为光电转换元件(例如，光电二极管等可实现光能转换为电能的元件)，通过光电转换元件实现光电转换，基于转换得到的电荷得到第一信号，即，第一信号为通过光电转换得到光电信号，该第一信号表示脉冲序列式传感器像素单元采集的一帧图像信号；并且，信号采集模块11中还可以设置对光电转换元件执行复位的元件，通过该复位元件接收反馈控制模块13的控制，使光电转换元件执行复位，并输出第二信号(例如，复位信号等)。
信号量化模块12，用于根据反馈控制模块13输入的第二控制信号的控制，在信号采集模块11的复位阶段对第二信号进行存储；在信号采集模块11输出第一信号时，通过存储的第二信号作为参照确定输出的目标信号。
本实施例中，在信号量化模块12中设置了对第二信号进行存储的元器件，通过将第二信号进行存储，使信号量化模块12在接收到第一信号时，基于第二信号作为第一信号的参照，确定目标信号，由于第二信号同样是与信号采集模块输出，由同样的元器件处理得到的第二信号作为第一信号的参照，解决了使用设定值的参照信号时，由于参照信号可能与第一信号相近，导致引入电容噪声的问题。
反馈控制模块13，用于接收信号量化模块12输出的目标信号，并根据目标信号确定向信号采集模块11输出的第一控制信号以及向信号量化模块12输出的第二控制信号。
本实施例中，通过反馈控制模块13根据从信号量化模块12接收的目标信号生成第一控制信号以及第二控制信号，并通过第一控制信号实现对信号采集模块11实现复位控制，通过第二控制信号实现对信号量化模块12实现信号存储控制，实现在像素单元内完成像素单元中信号采集模块的复位控制以及信号量化模块的存储控制。
本公开上述实施例提供的脉冲序列式传感器像素单元，包括：信号采集模块、信号量化模块和反馈控制模块；所述信号采集模块，用于在曝光时长内接收光信号以产生第一信号，根据所述反馈控制模块的控制执行复位，并在复位阶段输出第二信号；所述信号量化模块，用于根据反馈控制模块的控制，在所述信号采集模块的复位阶段对所述第二信号进行存储；在所述信号采集模块输出第一信号时，通过存储的所述第二信号作为参照确定输出的目标信号；所述反馈控制模块，用于接收所述信号量化模块输出的目标信号，并根据所述目标信号确定向所述信号采集模块输出的第一控制信号以及向所述信号量化模块输出的第二控制信号；本公开提供的实施例中，通过在信号量化模块中存储第二信号作为第一信号的参照，降低了现有技术中由于参考电压与复位电压相近而产生的电容噪声(KTC噪声)，优化了因生产工艺波动引起的量化噪声，提升了传感器输出图像的品质，尤其是暗光环境下图像的质量，可有效提升图像的信噪比。
图2是本公开一示例性实施例提供的脉冲序列式传感器像素单元中信号量化模块的一种结构示意图。如图2所示(为简化显示，图中未示出信号采集模块11与反馈控制模块13之间的连接关系)，信号量化模块12包括：信号存储电路120和比较器110；
信号存储电路120与信号采集模块11以及比较器110的第一输入端连接，用于在信号采集模块11复位时，根据反馈控制模块13发出的第二控制信号的控制对第二信号进行采集和存储；
比较器110的第一输入端与信号存储电路120连接，第二输入端与信号采集模块11连接，用于接收第一信号，并根据第一信号与第二信号之间的关系，确定目标信号，根据置位信号Reset的控制通过输出端OUT输出目标信号。
可选地，比较器可以为双端输入单端输出的比较器，其中，第一输入端可以为正输入端INP，第二输入端可以为负输入端INN，并通过置位信号Reset控制输出端OUT的输出时刻；本实施例中信号存储电路中存储第二信号，并在比较器的第二输入端接收第一信号时，将存储的第二信号输入第一输入端，实现基于第二信号和第一信号确定比较器输出的目标信号，本实施例中比较器的两个输入端输入的信号均来自信号采集模块，有效消除了因工艺波动带来器件属性变化所引起的信号量化噪声，有效提升了脉冲序列式传感器输出的图像的质量。
如图2所示，进一步地，信号存储电路120包括：第一开关晶体管106、第二开关晶体管108、第三开关晶体管109和电容107；
第一开关晶体管106和第三开关晶体管109根据第二控制信号的控制同时导通或断开，第二开关晶体管108根据第二控制信号的控制导通或断开，并且与第一开关晶体管106的状态相反；
电容107用于在第一开关晶体管106和第三开关晶体管109导通时，采集第二信号并存储，在第二开关晶体管导通108时，将第二信号与参考信号的差值输入比较器的第一输入端。
结合图2可知，信号存储电路120中包括的各个元件之间的连接关系如下：第一开关晶体管106的漏极与信号采集模块11连接，源极与电容107的一端连接，栅极与反馈控制模块13连接；
第二开关晶体管108的漏极与电容107的另一端连接，源极接地GND，栅极与反馈控制模块13连接；
第三开关晶体管109的漏极与电容107的另一端连接，源极与参考信号Vref连接，栅极与反馈控制模块13连接；
电容107一端与第一开关晶体管106的源极连接，另一端与第二开关晶体管108的漏极以及第三开关晶体管109的漏极连接。
本实施例中，当第一开关晶体管106和第三开关晶体管109导通时，电容107一段与信号采集模块11连接，另一端与参考信号Vref连接，实现对信号采集模块11输出的第二信号的采集和存储；在一些可选地实施例中，第一开关晶体管106、第三开关晶体管109和第二开关晶体管108根据同一第二控制信号SC的控制导通或断开，为了实现第二开关晶体管108与第三开关晶体管109的漏极与电容107之间的导通相反，一示例中，第一晶体管开关器件106为N型晶体管，第二晶体管开关器件108为P型晶体管，第三晶体管开关器件109为N型晶体管；或者，第一晶体管开关器件106为P型晶体管，第二晶体管开关器件108为N型晶体管，第三晶体管开关器件109为P型晶体管；因此，第二控制信号SC可以同时控制第一开关晶体管106和第三开关晶体管109导通，而第二开关晶体管108断开；还可控制第一开关晶体管106和第三开关晶体管109断开，而第二开关晶体管108导通。
可选地，比较器110根据第一输入端输入的差值信号和第一信号之间的关系，确定目标信号，并根据外部触发信号的控制输出目标信号。
其中，差值信号基于电容中存储的第二信号与参考信号的差值确定。
本实施例中，通过第二信号和参考信号的差值确定差值信号，基于差值信号与第一信号之间的关系确定目标信号，例如，在一个示例中，差值信号＝Vreset(第二信号)－Vref(参考信号)；当第一信号Vss大于差值信号(Vss>(Vreset－Vref))时，通过比较器输出的目标信号为0；当第一信号Vss小于差值信号(Vss<(Vreset－Vref))时，通过比较器输出的目标信号为1。
图3-1是本公开一示例性实施例提供的脉冲序列式传感器像素单元中反馈控制模块的一种结构示意图。如图3-1所示(为简化显示，图中未示出信号采集模块11与信号量化模块12之间的连接关系)，反馈控制模块13包括：第一D触发器111和第二D触发器112；
第一D触发器111的D端与信号量化模块12连接，接收目标信号，Q端与信号采集模块11和第二D触发器的D端连接，根据第一时钟信号CK1的控制将D端的信号状态锁定到Q端，根据信号状态输出第一控制信号RD到信号采集模块11；
第二D触发器112的D端与第一D触发器111的Q端连接；Q端与信号量化模块12连接，根据第二时钟信号CK2的控制将D端的信号状态锁定到Q端，根据信号状态输出第二控制信号SD到信号量化模块12。
本实施例中，第一D触发器111的输出Q端与第二D触发器112的D端连接，因此第二D触发器112必然在第一D触发器111之后工作；分别通过第一D触发器111和第二D触发器112输出第一控制信号RD和第二控制信号SC，并通过第一时钟信号CK1和第二时钟信号CK2控制第一控制信号RD和第二控制信号SC的输出时刻，实现对信号采集模块11和信号量化模块12的控制。
另外，由于第一控制信号RD和第二控制信号SC的输出时刻由第一时钟信号CK1和第二时钟信号CK2控制，因此，反馈控制模块13中的第一D触发器111和第二D触发器112除了上述连接方式，还可以并联，如图3-2所示(为简化显示，图中未示出信号采集模块11与信号量化模块12之间的连接关系)，图3-2是本公开另一示例性实施例提供的脉冲序列式传感器像素单元中反馈控制模块的一种结构示意图。在该实施例中，反馈控制模块13包括：第一D触发器111和第二D触发器112；
第一D触发器111的D端与信号量化模块12连接，接收目标信号，Q端与信号采集模块11连接，根据第一时钟信号CK1的控制将D端的信号状态锁定到Q端，根据信号状态输出第一控制信号RD到信号采集模块11；
第二D触发器112的D端与信号量化模块12连接；Q端与信号量化模块12连接，根据第二时钟信号CK2的控制将D端的信号状态锁定到Q端，根据信号状态输出第二控制信号SC到信号量化模块12。
图4是本公开一示例性实施例提供的脉冲序列式传感器像素单元中信号采集模块的一种结构示意图。如图4所示(为简化显示，图中未示出反馈控制模块13与信号量化模块12之间的连接关系)，信号采集模块11包括：光电二极管101、复位晶体管102和辅助电路130；
复位晶体管102，源极与光电二极管101连接，漏极与电源模块Vdd连接，栅极与反馈控制模块13连接；用于根据反馈控制模块13发送的第一控制信号RD控制闭合或断开，并通过复位晶体管102的闭合或断开控制光电二极管101与电源模块Vdd之间是否导通。
本实施例中，复位晶体管102根据反馈控制模块13输出的第一控制信号RD实现对光电二极管101的复位控制，实现了在像素单元内部完成光电二极管101的复位控制。
第一控制信号RD为高电平时，复位晶体管102闭合，光电二极管101执行复位；第一控制信号RD为低电平时，复位晶体管102断开，光电二极管101停止复位。并且，由图2可知，第一控制信号RD由信号量化模块12输出的目标信号确定，通常情况下，目标信号为高电平时，第一控制信号RD为高电平；目标信号为低电平时，第一控制信号RD为低电平。
光电二极管101，正极接地，负极与复位晶体管102的源极连接并用于输出信号；在复位晶体管102断开时，在曝光时长内接收光信号以产生光电电荷；在复位晶体管102闭合时，执行复位。
光电二极管是一种能够将光根据使用方式，转换成电流或者电压信号的光探测器。管芯常使用一个具有光敏特征的PN结，对光的变化非常敏感，具有单向导电性，而且光强不同的时候会改变电学特性，因此，可以利用光照强弱来改变电路中的电压或电流。
辅助电路130，用于在光电二极管101复位时输出第二信号，或根据光电二极管101的电势变化，输出第一信号。
可选地，第一信号和第二信号可以包括如下信号中的至少一种：脉冲信号、电势信号和具有限位的数值等。
在一些可选的实施例中，辅助电路130包括源跟随晶体管103和像素选择晶体管104；
源跟随晶体管103的栅极与光电二极管101连接，源极与像素选择晶体管104连接，漏极与电源模块Vdd连接；用于探测并跟随光电二极管101的电势变化，确定第一信号或第二信号；
像素选择晶体管104的漏极与源跟随晶体管103的源极连接，源极与信号量化模块12连接，栅极与外部控制信号V_sel连接，并根据外部控制信号V_sel的控制确定是否输出第一信号或第二信号。
本实施例中，源跟随晶体管103的栅极端与光电二极管101连接，并且跟随光电二极管101的电势变化，得到电势信号，像素选择晶体管104根据外部控制信号V_sel的控制选择是否输出目标信号或复位信号，外部控制信号V_sel可以为外部时钟信号或外部脉冲信号等；基于外部时钟电路可以定时发送信号控制像素选择晶体管输出第一信号或第二信号。
可选地，辅助电路130还可以包括偏置晶体管105；
偏置晶体管105的漏极与像素选择晶体管104的源极连接，源极接地GND，栅极接外部导通信号Vd连接；用于为像素选择晶体管104提供一个稳定的偏置电流。
本实施例中，在像素选择晶体管104的源极与地GND之间设置一个偏置晶体管105，外部导通信号Vd为常高电平，即偏置晶体管105为常导通状态，此时，信号采集模块11的输出端在偏置晶体管105的漏极与像素选择晶体管104的源极之间；通过偏置晶体管105为像素选择晶体管104提供一个稳定的偏置电流，实现提供一个静态的基准电流，使信号采集模块11采集的第一信号或第二信号能够正确输出。
在一些可选的实施例中，本公开实施例提供的脉冲序列式图像传感器像素单元(以下简称像素单元)的工作流程阐述如下，信号量化模块输出的目标信号有两种状态：0和1，0表征目标信号为低电平(例如，对应地GND的电压)，1表征目标信号为高电平(例如，对应电源模块Vdd的电压)。目标信号的两种状态，其控制方法可使用同一时序来控制，以实现时序简化有效的目的，图5是本公开一示例性实施例提供的脉冲序列式传感器像素单元对应的信号时序示意图。如图5所示，其中示出了外部控制信号V_sel、第一时钟信号CK1、第二时钟信号CK2、置位信号Reset、目标信号Bit_out的时序示意图，其中信号V_sel、CK1、CK2、Reset的高电平表征其对应的器件导通或生效，目标信号Bit_out高低双线翻转动作表征量化信号输出动作，量化信号输出为1或0，即高电平Vdd或GND。
当目标信号状态为1时，像素单元工作流程阐述如下：
首先，将外部控制信号V_sel从低电平置为高电平，开启像素选择晶体管104；
下一步，信号量化模块12输出目标信号Bit_out为1；给与第一时钟信号CK1高电平脉冲操作，使第一D触发器111触发工作，Q端电平被刷新为D端电平，其输出端Q端将高电平Vdd作为第一控制信号RD反馈给复位晶体管102的栅极端，像素单元中的光电二极管101开始被复位，信号采集模11输出复位信号(对应第二信号)，目标信号Bit_out进行翻转，输出量化信号值0或1；
下一步，给与第二时钟信号CK2高电平脉冲操作，进行第二D触发器112触发工作，Q端电平被刷新为D端电平，其输出端Q端将高电平Vdd作为第二控制信号SC反馈给第一开关晶体管106、第二开关晶体管108和第三开关晶体管109的栅极端(第一开关晶体管106和第三开关晶体管109闭合，第二开关晶体管108断开)，像素复位信号存储通道开启(开始对复位上一步骤中的复位信号进行采集存储)；
下一步，置位信号Reset高脉冲操作，比较器110的输出端OUT被置0，即置为GND电平；
下一步，给与第一时钟信号CK1高电平脉冲操作，使第一D触发器111触发工作，Q端电平被刷新为D端电平，其输出端Q端将低电平GND作为第一控制信号RD反馈给复位晶体管102的栅极端，像素单元中的光电二极管101复位操作结束，像素单元开始下一帧的曝光操作；
下一步，在像素单元下一帧的曝光操作时，给与第二时钟信号CK2高电平脉冲操作，进行第二D触发器112触发工作，Q端电平被刷新为D端电平，其输出端Q端将低电平GND作为第二控制信号SC反馈给第一开关晶体管106、第二开关晶体管108和第三开关晶体管109的栅极端(第一开关晶体管106和第三开关晶体管109断开，第二开关晶体管108闭合)，像素复位信号存储通道被关闭(停止复位信号的采集)，复位信号(对应上述实施例中的第二信号)标记为Vreset，被存储在电容107中；
下一步，将外部控制信号V_sel从高电平置为低电平，断开像素中的像素选择晶体管104，像素信号的一次量化输出工作完毕。可继续根据下一次时序控制，继续像素单元的量化操作。
当目标信号状态为0时，结合图5所示的时序示意图，像素单元工作流程阐述如下：
首先，将外部控制信号V_sel从低电平置为高电平，开启所述像素选择晶体管104；
下一步，信号量化模块12输出目标信号Bit_out为0；给与第一时钟信号CK1高电平脉冲操作，使第一D触发器111触发工作，Q端电平被刷新为D端电平，其输出端Q端将低电平GND作为第一控制信号RD反馈给复位晶体管102的栅极端，像素单元中的光电二极管101保持继续曝光操作；
下一步，给与第二时钟信号CK2高电平脉冲操作，进行第二D触发器112触发工作，Q端电平被刷新为D端电平，其输出端Q将低电平Vdd作为第二控制信号SC反馈给第一开关晶体管106、第二开关晶体管108和第三开关晶体管109的栅极端(第一开关晶体管106和第三开关晶体管109断开，第二开关晶体管108闭合)，像素复位信号存储通道保持先前的断开状态；
下一步，置位信号Reset高脉冲操作，比较器110的输出端OUT被置0，即置为GND电平；
下一步，给与第一时钟信号CK1高电平脉冲操作，使第一D触发器111触发工作，Q端电平被刷新为D端电平，其输出端Q端将低电平GND作为第一控制信号RD反馈给复位晶体管102的栅极端，像素单元中的光电二极管101曝光操作保持不变；
下一步，给与第二时钟信号CK2高电平脉冲操作，进行第二D触发器112触发工作，Q端电平被刷新为D端电平，其输出端Q端将低电平GND作为第二控制信号SC反馈给第一开关晶体管106、第二开关晶体管108和第三开关晶体管109的栅极端(第一开关晶体管106和第三开关晶体管109断开，第二开关晶体管108闭合)，像素复位信号存储通道保持先前的断开状态，其存储的复位信号Vreset存储在电容107中保持不变；
下一步，将外部控制信号V_sel从高电平置为低电平，断开像素单元中的像素选择晶体管104，像素信号的一次量化输出工作完毕。
本公开上述实施例中，将像素单元的复位信号存储在信号量化模块12的电容器件107中，标记为对量化信号的第二信号Vreset；信号量化模块12进行信号量化操作中，比较器110的负输入端INN的信号，标记为第一信号Vss。第一次采样与第二次采样的信号量差Vsig＝Vreset－Vss，为像素单元所采集到的光电信号。本公开实施例提供的脉冲序列式传感器像素单元有效降低了像素复位操作带来的KTC噪声，有效消除了因工艺波动带来器件属性变化所引起的量化噪声，因此有效提升了图像传感器输出图像的品质，尤其是暗光环境下图像的质量，大大提升了图像的信噪比。
本公开实施例的另一方面，还提供了一种脉冲序列式传感器，包括：多个上述任一实施例所述的脉冲序列式传感器像素单元。
本公开提供的电子设备可被纳入为以下任意一项：脉冲相机、高速相机、音/视频播放器、导航设备、固定位置终端、娱乐单元、智能手机、通信设备、机动交通工具中的设备、摄像头、运动或可穿戴式相机、检测设备、飞行设备、医疗设备、安防设备等。
本公开提供的电子设备可被应用于以下任意一项：脉冲相机、高速相机、音/视频播放器、导航设备、固定位置终端、娱乐单元、智能手机、通信设备、机动交通工具中的设备、摄像头、运动或可穿戴式相机、检测设备、飞行设备、医疗设备、安防设备等。
下面，参考图6来描述根据本公开实施例的电子设备。该电子设备可以是第一设备和第二设备中的任一个或两者、或与它们独立的单机设备，该单机设备可以与第一设备和第二设备进行通信，以从它们接收所采集到的输入信号。
图6图示了根据本公开实施例的电子设备的框图。
如图6所示，电子设备包括一个或多个处理器和存储器。
处理器可以是中央处理单元(CPU)或者具有数据处理能力和/或指令执行能力的其他形式的处理单元，并且可以控制电子设备中的其他组件以执行期望的功能。
存储器可以存储一个或多个计算机程序产品，所述存储器可以包括各种形式的计算机可读存储介质，例如易失性存储器和/或非易失性存储器。所述易失性存储器例如可以包括随机存取存储器(RAM)和/或高速缓冲存储器(cache)等。所述非易失性存储器例如可以包括只读存储器(ROM)、硬盘、闪存等。在所述计算机可读存储介质上可以存储一个或多个计算机程序产品，处理器可以运行所述计算机程序产品，以实现上文所述的本公开的各个实施例的脉冲序列式传感器像素单元的工作流程以及/或者其他期望的功能。
在一个示例中，电子装置还可以包括：输入装置和输出装置，这些组件通过总线系统和/或其他形式的连接机构(未示出)互连。
此外，该输入装置还可以包括例如键盘、鼠标等等。
该输出装置可以向外部输出各种信息，包括确定出的距离信息、方向信息等。该输出装置可以包括例如显示器、扬声器、打印机、以及通信网络及其所连接的远程输出装置等等。
当然，为了简化，图6中仅示出了该电子设备中与本公开有关的组件中的一些，省略了诸如总线、输入/输出接口等等的组件。除此之外，根据具体应用情况，电子设备还可以包括任何其他适当的组件。
除了上述方法和设备以外，本公开的实施例还可以是计算机程序产品，其包括计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器运行时使得所述处理器执行本说明书上述部分中描述的根据本公开各种实施例的脉冲序列式传感器像素单元的工作流程。
所述计算机程序产品可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本公开实施例操作的程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，诸如Java、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言，诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。
此外，本公开的实施例还可以是计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器运行时使得所述处理器执行本说明书上述部分中描述的根据本公开各种实施例的脉冲序列式传感器像素单元的工作流程中的步骤。
所述计算机可读存储介质可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以包括但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。
以上结合具体实施例描述了本公开的基本原理，但是，需要指出的是，在本公开中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本公开的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本公开为必须采用上述具体的细节来实现。
本说明书中各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可。对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
本公开中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。
可能以许多方式来实现本公开的方法和装置。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本公开的方法和装置。用于所述方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本公开的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。此外，在一些实施例中，还可将本公开实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本公开的方法的机器可读指令。因而，本公开还覆盖存储用于执行根据本公开的方法的程序的记录介质。
还需要指出的是，在本公开的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本公开的等效方案。
提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本公开。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本公开的范围。因此，本公开不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本公开的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。
Claims (13)
1.一种脉冲序列式传感器像素单元，其特征在于，包括：信号采集模块、信号量化模块和反馈控制模块；
所述信号采集模块，用于在曝光时长内接收光信号以产生第一信号，根据所述反馈控制模块输入的第一控制信号的控制执行复位，并在复位阶段输出第二信号；
所述信号量化模块，用于根据反馈控制模块输入的第二控制信号的控制，在所述信号采集模块的复位阶段对所述第二信号进行存储；在所述信号采集模块输出第一信号时，通过存储的所述第二信号作为参照确定输出的目标信号；
所述反馈控制模块，用于接收所述信号量化模块输出的目标信号，并根据所述目标信号确定向所述信号采集模块输出的第一控制信号以及向所述信号量化模块输出的第二控制信号。
2.根据权利要求1所述的像素单元，其特征在于，所述信号量化模块包括：信号存储电路和比较器；
所述信号存储电路与所述信号采集模块以及所述比较器的第一输入端连接，用于在所述信号采集模块复位时，根据所述反馈控制模块发出的第二控制信号的控制对所述第二信号进行采集和存储；
所述比较器的第一输入端与所述信号存储电路连接，第二输入端与所述信号采集模块连接，用于接收所述第一信号，并根据所述第一信号与所述第二信号之间的关系，确定所述目标信号，根据置位信号控制通过输出端输出所述目标信号。
3.根据权利要求2所述的像素单元，其特征在于，所述信号存储电路包括：第一开关晶体管、第二开关晶体管、第三开关晶体管和电容；
所述第一开关晶体管和所述第三开关晶体管根据所述第二控制信号的控制同时导通或断开，所述第二开关晶体管根据所述第二控制信号的控制导通或断开，并且与所述第一开关晶体管的状态相反；
所述电容用于在所述第一开关晶体管和所述第三开关晶体管导通时，采集所述第二信号并存储，在所述第二开关晶体管导通时，将所述第二信号与参考信号的差值输入所述比较器的第一输入端。
4.根据权利要求3所述的像素单元，其特征在于，所述比较器根据第一输入端输入的差值信号和所述第一信号之间的关系，确定所述目标信号，并根据外部触发信号的控制输出所述目标信号；其中，所述差值信号基于所述电容中存储的第二信号与所述参考信号的差值确定。
5.根据权利要求3或4所述的像素单元，其特征在于，所述第一开关晶体管的漏极与所述信号采集模块连接，源极与所述电容的一端连接，栅极与所述反馈控制模块连接；
所述第二开关晶体管的漏极与所述电容的另一端连接，源极接地，栅极与所述反馈控制模块连接；
所述第三开关晶体管的漏极与所述电容的另一端连接，源极与所述参考信号连接，栅极与所述反馈控制模块连接；
所述电容一端与所述第一开关晶体管的源极连接，另一端与所述第二开关晶体管的漏极以及所述第三开关晶体管的漏极连接。
6.根据权利要求1-5任一所述的像素单元，其特征在于，所述反馈控制模块包括：第一D触发器和第二D触发器；
所述第一D触发器的D端与所述信号量化模块连接，接收所述目标信号，Q端与所述信号采集模块和所述第二D触发器的D端连接，根据第一时钟信号的控制将D端的信号状态锁定到Q端，根据所述信号状态输出所述第一控制信号到所述信号采集模块；
所述第二D触发器的D端与所述第一D触发器的Q端连接；Q端与所述信号量化模块连接，根据第二时钟信号的控制将D端的信号状态锁定到Q端，根据所述信号状态输出所述第二控制信号到所述信号量化模块。
7.根据权利要求1-5任一所述的像素单元，其特征在于，所述反馈控制模块包括：第一D触发器和第二D触发器；
所述第一D触发器的D端与所述信号量化模块连接，接收所述目标信号，Q端与所述信号采集模块连接，根据第一时钟信号的控制将D端的信号状态锁定到Q端，根据所述信号状态输出所述第一控制信号到所述信号采集模块；
所述第二D触发器的D端与所述信号量化模块连接；Q端与所述信号量化模块连接，根据第二时钟信号的控制将D端的信号状态锁定到Q端，根据所述信号状态输出所述第二控制信号到所述信号量化模块。
8.根据权利要求1-7任一所述的像素单元，其特征在于，所述信号采集模块包括：光电二极管、复位晶体管和辅助电路；
所述复位晶体管，源极与光电二极管连接，漏极与电源模块连接，栅极与所述反馈控制模块连接；用于根据所述反馈控制模块发送的所述第一控制信号控制闭合或断开，并通过所述复位晶体管的闭合或断开控制所述光电二极管与电源模块之间是否导通；
所述光电二极管，正极接地，负极与所述复位晶体管的源极连接并用于输出信号；在所述复位晶体管断开时，在曝光时长内接收光信号以产生光电电荷；在所述复位晶体管闭合时，执行复位；
所述辅助电路，用于在所述光电二极管复位时输出第二信号，或根据所述光电二极管的电势变化，输出第一信号。
9.根据权利要求8所述的像素单元，其特征在于，所述辅助电路包括源跟随晶体管和像素选择晶体管；
所述源跟随晶体管的栅极与所述光电二极管连接，源极与所述像素选择晶体管连接，漏极与电源模块连接；用于探测并跟随所述光电二极管的电势变化，确定第一信号或第二信号；
所述像素选择晶体管的漏极与所述源跟随晶体管的源极连接，源极与所述信号量化模块连接，栅极与外部控制信号连接，并根据所述外部控制信号的控制确定是否输出所述第一信号或所述第二信号。
10.根据权利要求9所述的像素单元，其特征在于，所述辅助电路还包括偏置晶体管；
所述偏置晶体管的漏极与所述像素选择晶体管的源极连接，源极接地，栅极接外部导通信号连接；用于为所述像素选择晶体管提供一个稳定的偏置电流。
11.一种脉冲序列式传感器，其特征在于，包括：多个权利要求1-10任一所述的脉冲序列式传感器像素单元。
12.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器，以及与所述处理器通信连接的存储器，还包括权利要求1-10任一所述的脉冲序列式传感器像素单元或权利要求11所述的脉冲序列式传感器；
所述存储器存储计算机执行指令；
所述处理器执行所述存储器存储的计算机执行指令，以控制所述脉冲序列式传感器像素单元或脉冲序列式传感器工作。
13.根据权利要求12所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备被纳入为以下任意一项：脉冲相机、高速相机、音/视频播放器、导航设备、固定位置终端、娱乐单元、智能手机、通信设备、机动交通工具中的设备、摄像头、运动或可穿戴式相机、检测设备、飞行设备、医疗设备、安防设备。
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