CN209897167U - 像素电路、图像传感器和电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种像素电路、图像传感器和电子设备，能够使光电二极管工作在器件性能优秀的状态。该像素电路包括：光电二极管、积分电路、第一电容器和第一开关；其中，第一电容器的两端分别连接至光电二极管的负端和积分电路的输入端；第一开关设置于光电二极管的负端与电压源之间；光电二极管的正端接地。

Description

像素电路、图像传感器和电子设备

技术领域

本申请实施例涉及像素电路技术领域，并且更具体地，涉及一种像素电路、图像传感器和电子设备。

背景技术

图像传感器是一种将光信号转换成电信号的装置。图像传感器通常包括像素电路、读出电路、模数转换电路和数字处理电路，其中，像素电路可以将感受到的光信号转换成电信号后，输入到读出电路中，读出电路可以将像素电路输出的电信号放大和读出，模数转换电路可以将读出电路输出的模拟信号转换为数字信号，数字处理电路可以对模数转换电路输出的数字信号进行算法处理。

像素电路中包括光电二极管，其中，光电二极管的器件性能与图像传感器的性能紧密相关，光电二极管的器件性能越好，则图像传感器的性能上限越好。因此，设计好一个光电二极管之后，如何使它工作在器件性能优秀的状态，是一项亟待解决的问题。

实用新型内容

本申请实施例提供一种像素电路、图像传感器和电子设备，能够使光电二极管工作在器件性能优秀的状态。

第一方面，提供了一种像素电路，包括：光电二极管、积分电路、第一电容器和第一开关；其中，所述第一电容器的两端分别连接至所述光电二极管的负端和所述积分电路的输入端；所述第一开关设置于所述光电二极管的负端与电压源之间；所述光电二极管的正端接地。

在一些可能的实施例中，在所述第一开关导通时，所述电压源对所述第一电容器进行充电；在所述第一开关断开时，所述第一电容器用于维持所述光电二极管的负端电压。

在一些可能的实施例中，所述第一电容器的电容大于预设电容，所述预设电容用于保证所述光电二极管的负端电压的变化量在目标范围内。

在一些可能的实施例中，所述第一电容器和所述光电二极管的寄生电容器的电容之和大于预设电容，所述预设电容用于保证所述光电二极管的负端电压的变化量在目标范围内。

在一些可能的实施例中，所述积分电路包括：运算放大器、第一积分电容器和第二开关；其中，所述第一积分电容器的两个极板分别连接至所述运算放大器的输入端和输出端，所述第二开关的两端分别连接至所述第一积分电容器的两个极板。

在一些可能的实施例中，所述像素电路的输出电压满足：

其中，V_OUT为所述像素电路的输出电压，I_PD和I_D分别为所述光电二极管的光电流和暗电流，C_p为所述光电二极管的寄生电容器的电容，C₁为所述第一电容器的电容，C_F为所述第一积分电容器的电容，V_CM为所述运算放大器的共模电压。

在一些可能的实施例中，所述第一开关和所述第二开关的开关状态相同。

在一些可能的实施例中，所述积分电路包括：第一金属-氧化物-半导体MOS管、第二MOS管、第二积分电容器、第三开关、第四开关和第五开关；

其中，所述第一MOS管的漏极与所述第二MOS管的源极连接，所述第一MOS管的源极接地，所述第一MOS管的栅极和所述第二积分电容器的左极板分别与所述第一电容器的右极板连接，所述第四开关的两端分别连接至所述第二MOS管的漏极和所述第三开关的右端，所述第三开关的两端分别连接至所述第二积分电容器的右极板和所述像素电路的输出端，所述第五开关的两端分别连接至所述第二积分电容器的左极板和所述第三开关的右端。

在一些可能的实施例中，所述第一开关和所述第五开关的开关状态相同，所述第三开关和所述第四开关的开关状态相同。

第二方面，提供了一种图像传感器，包括第一方面或第一方面的任意可能的实现方式中的像素电路。

第三方面，提供了一种电子设备，包括第一方面或第一方面的任意可能的实现方式中的像素电路。

上述技术方案，像素电路中包括第一电容器和第一开关，第一电容器的两端分别连接至光电二极管的负端和积分电路的输入端，第一开关设置于光电二极管的负端与电压源之间。如此，在第一开关导通时，光电二极管的负端电压与电压源的电压相同；并且，在第一开关断开时，若第一电容器的取值较大，光电二极管的负端电压可以约等于电压源的电压。从而光电二极管的负端电压可以不受积分电路的限制，使得光电二极管的负端电压可以任意选取，合适的负端电压可以让光电二极管工作在器件性能优秀的状态。

附图说明

图1是现有的一种像素电路的结构示意图。

图2是本申请实施例的像素电路的结构示意图。

图3是本申请实施例的超像素电路的结构示意图。

图4是本申请实施例的一种像素电路的结构示意图。

图5是本申请实施例的另一种像素电路的结构示意图。

图6是本申请实施例的图4所示的像素电路的一种应用方式示意图。

图7是图4和图5所示的像素电路对应的控制方式时序图。

图8是本申请实施例适用的一种读出电路的结构示意图。

图9是本申请实施例的电子设备的示意性框图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

图1是一种现有的像素电路100的结构示意图。在图1中，像素电路100主要可以由以下4个部分构成：①光电二极管(Photo-Diode，PD)，其中，光电二极管可以将光信号转换成电压信号；②积分电容器C_F，积分电容器C_F的电容为C_F；③运算放大器(OperationalAmplifier，OPA)，OPA的增益为-A，理想情况下A为∞，OPA的输入电压为V_I，输出电压为V_OUT；④复位开关SW，它的控制信号为CLK_R。

应理解，在本申请实施例对像素电路和光电二极管的名称并不限定，也就是说，他们也可以表述为其他名称。例如，像素电路也可以表述为像素传感单元电路，光电二极管也可以表述为感光二极管、光敏二极管等。

下面对像素电路100的工作原理进行描述。为了便于描述，本申请实施例定义CLK_R为高电平时SW导通。为了便于分析，将光电二极管等效为光电流I_PD、暗电流I_D以及寄生电容器C_P，寄生电容器C_P的电容为C_P。其中，C_P包括OPA的输入寄生电容，光电流I_PD的大小与光信号的强度正相关，即光信号越强，光电流I_PD越大。暗电流I_D与光电二极管的材料、尺寸和工作温度等因素有关。应理解，在没有光照时，暗电流I_D也是存在的。

像素电路100共有2个相位：

当CLK_R为高电平时，SW导通，像素电路100处于复位相位。此时，反馈可以使得理想情况下的OPA输入电压V_I和输出电压V_OUT均维持在共模电压。设OPA的共模电压为V_CM，则寄生电容器C_P上存储的电荷为V_CM*C_P，积分电容器C_F上存储的电荷为0。

一般情况下，像素电路100首先可以处于复位相位，再从复位相位切换到积分相位进行工作。

当CLK_R由高电平变为低电平时，SW断开，像素电路100进入积分相位。此时，反馈可以使得理想情况下的OPA输入电压V_I维持在共模电压V_CM，则寄生电容器C_P上存储的电荷为V_CM*C_P，光电流I_PD和暗电流I_D可以在积分电容器C_F上进行积分。

从复位相位切换到积分相位的过程中，寄生电容器C_P的上极板以及积分电容器C_F的左极板除了光电流I_PD和暗电流I_D以外没有任何电荷通路。设CLK_R由高电平变为低电平的时刻为t＝0，根据电荷守恒原理有：

由公式(1)可以解得：

其中，V_OUT为像素电路100输出的光电信号，t为积分时间且t≥0。从公式(2)中可以看到，调整C_F可以改变积分的速度。由于光电流I_PD的大小和光信号的强度正相关，因此积分相位的V_OUT可以反映出光信号的大小。

光电二极管的反偏电压为光电二极管的负端电压与正端电压之间的电压差。可以看到，在像素电路100中，光电二极管的负端电压一直为V_CM，正端电压一直为地电压，因此它的反偏电压为V_CM。而光电二极管的器件性能与它的反偏电压大小极其相关。例如，满阱容量(Full-Well Capacity，FWC)为光电二极管曝光时最多可以容纳的电子数，光电二极管的负端电压越大，满阱容量越大。

然而，很多情况下OPA的设计可能会限制V_CM的取值范围，从而限值光电二极管的反偏电压的取值范围，使得光电二极管无法工作在器件性能优秀的状态。应理解，在本申请实施例中，光电二极管的反偏电压也可以称为光电二极管的负端电压或者其他名称。

为了解决上述问题，本申请实施例提出了一种新的像素电路，使得光电二极管的反偏电压可以任意选取，从而可以使光电二极管工作在器件性能优秀的状态。

图2示出了本申请实施例的像素电路200的示意图。如图2所示，像素电路200可以包括光电二极管210、积分电路220、第一电容器230和第一开关240。其中，第一电容器230的两端分别连接至光电二极管210的负端和积分电路220的输入端，第一开关240设置于光电二极管210的负端与电压源之间，光电二极管210的正端接地。

其中，第一开关240导通时，电压源可以对第一电容器230进行充电；在第一开关240断开时，第一电容器230可以用于维持光电二极管210的负端电压。

在本申请实施例中，像素电路中包括第一电容器和第一开关，第一电容器的两端分别连接至光电二极管的负端和积分电路的输入端，第一开关设置于光电二极管的负端与电压源之间。如此，在第一开关导通时，光电二极管的负端电压与电压源的电压(即V_REF)相同，而电压源的电压不受积分电路的限制。因此，光电二极管210的反偏电压可以任意选取，合适的反偏电压可以让光电二极管工作在器件性能优秀的状态。

可选地，本申请实施例的像素电路200可以为单独的一个像素电路，也可以为一个超像素电路中的子像素电路。其中，一个超像素电路可以包括多个子像素电路。图3示出了超像素电路的示意图。图3中的超像素电路包括X个子像素电路，子像素电路1的输出光电信号为V_PO1……子像素电路X的输出光电信号为V_POX。本申请实施例的像素电路200可以为X个子像素电路中的任意一个子像素电路。

应理解，本申请实施例的像素电路200可以应用于集成电路领域。可选地，像素电路200可以应用于图像传感器。例如，图像传感器可以为光学指纹传感器。其中，图像传感器也可以称为图像传感器芯片或其他名称，光学指纹传感器也可以称为指纹传感器、光传感器、指纹传感器芯片。

可选地，在本申请实施例中，第一电容器230的电容可以大于预设电容。示例性地，第一电容器230的电容可以为10pF。

或者，第一电容器230的电容和光电二极管210的寄生电容器的电容之和可以大于预设电容。其中，预设电容可以保证光电二极管210的负端电压的变化量在目标范围内。示例性地，预设电容可以保证光电二极管210的负端电压为V_REF，或者，预设电容可以保证光电二极管210的负端电压略大于或略小于V_REF。

如此，在第一开关240断开时，光电二极管210的负端电压的减少量可以忽略不计，光电二极管210的负端电压仍然约等于电压源的电压(即V_REF)，而电压源的电压不受积分电路的限制。因此，光电二极管210的反偏电压可以任意选取，合适的反偏电压可以让光电二极管工作在器件性能优秀的状态。

可选地，在一些实施例中，积分电路220可以包括：运算放大器、第一积分电容器和第二开关。其中，第一积分电容器的两个极板可以分别连接至运算放大器的输入端和输出端，第二开关的两端分别可以连接至第一积分电容器的两个极板。

此时，像素电路200的结构示意图可以如图4所示。在图4中，PD为光电二极管210，C₁为第一电容器230，SW₂为第一开关，C_F为第一积分电容器，SW₁为第二开关。

应理解，在本申请实施例中，“第一”和“第二”仅仅为了区分不同的对象，但并不对本申请实施例的范围构成限制。

可选地，第二开关和第一开关的开关状态可以相同，即第一开关导通时第二开关也导通，第一开关关断时第二开关也关断。

作为一种示例，第一开关和第二开关的控制信号可以为同一个控制信号。如图4所示，第一开关和第二开关的控制信号都为CLK_R。

作为另一种示例，第一开关和第二开关的控制信号可以不同，第一开关的控制信号控制第一开关导通时，第二开关的控制信号也控制第二开关导通；第一开关的控制信号控制第一开关断开时，第二开关的控制信号也控制第二开关断开。

下面将详细介绍图4所示的像素电路200的工作原理。图4中的运算放大器OPA的增益为-A，理想情况下A为∞，它的输入电压为V_I，输出电压为V_OUT。第二开关SW₁和第一开关SW₂的控制信号均为CLK_R，光电二极管的负端电压为V₀，第一电容器C₁的电容为C₁，第一积分电容器C_F的电容为C_F，电压源的电压为V_REF。

为了便于描述，第二开关SW₁和第一开关SW₂均定义为：控制信号高电平时导通。为了便于分析，将光电二极管等效为光电流I_PD、暗电流I_D以及寄生电容器C_P，寄生电容器C_P的电容为C_P。其中C_P包括OPA的输入寄生电容，光电流I_PD的大小与光信号的强度正相关。

像素电路200共有2个相位：

当CLK_R为高电平时，SW1和SW2均导通，像素电路200处于复位相位。此时，光电二极管的负端电压V₀与V_REF相同。反馈可以使得理想情况下的OPA输入电压V_I和输出电压V_OUT均维持在共模电压。设OPA的共模电压为V_CM，则寄生电容器C_P上存储的电荷可以为V_REF*C_P，第一电容器C₁上存储的电荷可以为(V_REF-V_CM)*C₁，第一积分电容器C_F上存储的电荷为0。

一般情况下，像素电路200首先可以处于复位相位，再从复位相位切换到积分相位进行工作。

当CLK_R由高电平变为低电平时，SW1和SW2均断开，像素电路200进入积分相位。此时，反馈可以使得理想情况下的OPA输入电压V_I维持在共模电压V_CM，光电流I_PD和暗电流I_D可以在第一电容器C₁和寄生电容器C_P上进行积分。

从复位相位切换到积分相位的过程中，寄生电容器C_P的上极板以及第一电容器C₁的左极板除了光电流I_PD和暗电流I_D以外没有任何电荷通路。设CLK_R由高电平变为低电平的时刻为t＝0，根据电荷守恒原理可以得到：

由公式(3)可以解得光电二极管的负端电压V₀为：

参考公式(4)，若寄生电容器C_P和第一电容器C₁的取值较大，则积分相位下光电二极管的负端电压约等于V_REF，而V_REF电压不受运算放大器的限制。因此，光电二极管的负端电压可以任意选取，合适的负端电压可以让光电二极管工作在器件性能优秀的状态。

从复位相位切换到积分相位的过程中，第一电容器C₁的右极板以及第一积分电容器C_F的左极板外没有任何电荷通路，并且OPA的输入电压V_I始终维持在V_CM，因此根据电荷守恒原理有：

(V₀-V_CM)*C₁+(V_OUT-V_CM)*C_F＝(V_REF-V_CM)*C₁ (5)

根据公式(4)和公式(5)可以得到：

其中，V_OUT为像素电路200输出的光电信号，t为积分时间且t≥0。从公式(6)中可以看到，调整C_F和C₁可以改变积分的速度。由于光电流I_PD的大小和光信号的强度正相关，因此积分相位的V_OUT可以反映出光信号的大小。即光信号的强度越高，V_OUT越大。

需要说明的是，在对像素电路200的描述中，复位相位和积分相位仅是为了区分像素电路200的不同状态，并不对本申请实施例的范围造成任何限制，像素电路200的两个不同的相位状态还可以表述为其他名称。例如，复位相位和积分相位也可以称为相位1和相位2。

应理解，本申请实施例的像素电路对运算放大器的结构没有特殊要求，运算放大器例如可以是双端输入运算放大器、轨到轨运算放大器、全差分运算放大器等。因此本申请实施例的像素电路可以广泛应用于现有的图像传感器的设计中。

可选地，在另一些实施例中，积分电路220可以包括：第一金属-氧化物-半导体(Metal Oxide Semiconductor，MOS)管、第二MOS管、第二积分电容器、第三开关、第四开关和第五开关。其中，第一MOS管的漏极与第二MOS管的源极连接，第一MOS管的源极接地，第一MOS管的栅极和第二积分电容器的左极板分别与第一电容器的右极板连接，第四开关的两端分别连接至第二MOS管的漏极和第三开关的右端，第三开关的两端分别连接至第二积分电容器的右极板和像素电路的输出端，第五开关的两端分别连接至第二积分电容器的左极板和第四开关的右端。

可选地，第一开关和第五开关的开关状态可以相同，第三开关和第四开关的开关状态可以相同。作为一种示例，第一开关和第五开关的控制信号可以为同一个控制信号，第三开关和第四开关的控制信号可以为同一个控制信号。作为另一种示例，第一开关和第五开关的开关状态也可以不采用同一个控制信号进行控制，同样，第三开关和第四开关的开关状态也可以不采用同一个控制信号进行控制，只要第一开关和第五开关的开关状态相同，以及第三开关和第四开关的开关状态相同即可。

在该实施例中，一种可能的像素电路200的示意图可以如图5所示。图5中的MN₁为第一MOS管，MN₂为第二MOS管，第二积分电容器C_F的电容为C_F，SW₃为第三开关，SW₄为第四开关，SW₁为第五开关。可以看到，MN₁和MN₂组成了共源共栅放大器。

图6是图5所示的像素电路200的一种可能的应用方式示意图。图6包括：n个像素电路，分别为像素电路1至像素电路n，以及一个电流源I_BP。其中：n个像素电路共用一个电流源I_BP，电流源I_BP可以分别和n个像素电路组成n个运算放大器，这n个运算放大器具有同样的输出电压V_OUT。从图6中可以看到，像素电路1至像素电路n中的每个像素电路的结构都与图5所示的像素电路200的电路结构相同。

对于像素电路1来说，像素电路1中的第一开关SW₂₁和第五开关SW₂₁的控制信号均为CLK_R1，第三开关SW₃₁和第四开关SW₃₁和的控制信号均为CLK_RS1。光电二极管PD₁的负端电压为V₀₁，电压源的电压为V_REF。图6所示的运算放大器0可以由两部分组成：一部分为电流源I_BP，另一部分为像素电路1中的第一MOS管MN₁₁、第二MOS管MN₂₁、第三开关SW₃和第四开关SW₄。理想情况下运算放大器0的增益为∞，它的输入电压为V_I0，输出电压为V_OUT。

像素电路2、像素电路n的器件定义与像素电路1类似，具体可以参考像素电路1的描述，为了内容的简洁，此处不再赘述。

图7示出了图6所示的像素电路对应的控制方式时序图。下面将结合图7详细介绍像素电路的工作原理。为了便于描述，前述所有开关均定义为：控制信号高电平时导通。为了便于分析，将光电二极管PD₁等效为光电流I_PD1、暗电流I_D1以及寄生电容器C_P1。其中，寄生电容器C_P1的电容为C_P1，C_P1可以包括运算放大器0的输入寄生电容，光电流I_PD1的大小与光信号的强度正相关。

应理解，光电二极管PD₂、PD₃……PD_n采用与PD₁类似的近似。如光电二极管PD₂可以等效为光电流I_PD2、暗电流I_D2以及寄生电容器C_P2。

在t＝0时刻，CLK_RS1从低电平变为高电平时，CLK_R1为低电平，并且从t＝0至t1时段SW₁₁、SW₂₁、SW₃₁和SW₄₁的开关状态没有发生变化。因此，在t＝0至t1时段，SW₃₁和SW₄₁均导通，SW₁₁和SW₂₁均断开，像素电路1处于相位1。

在t1时刻，CLK_R1从低电平变为高电平时，CLK_RS1为高电平，并且从t1至t2时段SW₁₁、SW₂₁、SW₃₁和SW₄₁的开关状态没有发生变化。因此在t1至t2时段SW₁₁、SW₂₁、SW₃₁和SW₄₁均导通，像素电路1处于相位2。

光电二极管PD₁的负端电压V₀₁与V_REF相同，反馈可以使得理想情况下运算放大器0的输入电压V_I1和输出电压V_OUT均维持在共模电压。设运算放大器0的共模电压为V_CM，则寄生电容器C_P1上存储的电荷可以为V_REF*C_P1，第一电容器C₁₁上存储的电荷可以为(V_REF-V_CM)*C₁₁，第二积分电容器C_F1上存储的电荷为0。

在t2时刻，CLK_R1从高电平变为低电平时，CLK_RS1为高电平，并且从t2至t3时段SW₁₁、SW₂₁、SW₃₁和SW₄₁的开关状态没有发生变化。因此在t2至t3时段。SW₃₁和SW₄₁均导通，SW₁₁和SW₂₁均断开，像素电路1重新处于相位1。反馈可以使得理想情况下运算放大器0的输入电压V_I1维持在共模电压V_CM，光电流I_PD1和暗电流I_D1将会在第一电容器C₁₁和寄生电容器C_P1上进行积分。

t2至t3时段寄生电容器C_P1的上极板以及第一电容器C₁₁的左极板除了光电流I_PD1和暗电流I_D1以外没有任何电荷通路，根据电荷守恒原理可以得到t2至t3时段有：

根据公式(7)可以解得：

其中，公式(8)中的V₀₁为光电二极管PD1在t2至t3时段的负端电压。

t2至t3时段第一电容器C₁₁的右极板以及第二积分电容器C_F1的左极板以外没有任何电荷通路，并且运算放大器0的输入电压V_I1始终维持在V_CM。根据电荷守恒原理在t2至t3时段有：

(V₀₁-V_CM)*C₁₁+(V_OUT-V_CM)*C_F1＝(V_REF-V_CM)*C₁₁ (9)

根据公式(8)和公式(9)可以得到：

其中，公式(10)中的V_OUT为像素电路1在t2至t3时段输出的光电信号。

在t3时刻，CLK_RS1从高电平变为低电平时，CLK_R1为低电平，并且从t3至t7时段SW₁₁、SW₂₁、SW₃₁和SW₄₁的开关状态没有发生变化。因此在t3至t7时段SW₁₁、SW₂₁、SW₃₁和SW₄₁均断开，像素电路1处于相位3。运算放大器0的输入点为高阻态，光电流I_PD1和暗电流I_D1可以在寄生电容器C_P1上进行积分，根据电荷守恒原理可以得到在t3至t7时段有：

根据公式(11)可以得到光电二极管PD1在t3至t7时段的负端电压V₀₁为：

在t7时刻，CLK_RS1从低电平变为高电平时，CLK_R1为低电平，并且从t7至t8时段SW₁₁、SW₂₁、SW₃₁和SW₄₁的开关状态没有发生变化。因此在t7至t8时段SW₃₁和SW₄₁均导通，SW₁₁和SW₂₁均断开，像素电路1再次处于相位1。反馈可以使得理想情况下运算放大器0的输入电压V_I1维持在共模电压V_CM，光电流I_PD1和暗电流I_D1可以在第一电容器C₁₁和寄生电容器C_P1上进行积分。

t2至t8时段，寄生电容器C_P1的上极板以及第一电容器C₁₁的左极板除了光电流I_PD1和暗电流I_D1以外没有任何电荷通路，并且在t7至t8时段运算放大器0的输入电压V_I1始终维持在V_CM，根据电荷守恒原理可以在t7至t8时段得到公式(7)。

根据公式(7)可以解得光电二极管PD1在t7至t8时段的负端电压V₀₁为：

t2至t8时段的过程中，第一电容器C₁₁的右极板以及第二积分电容器C_F1的左极板外没有任何电荷通路，并且在t7至t8时段运算放大器0的输入电压V_I1始终维持在V_CM，因此根据电荷守恒原理在t7至t8时段可以得到公式(9)。

结合公式(9)和公式(13)可以得到像素电路1在t7至t8时段输出的光电信号V_OUT为：

从公式(14)中可以看到，调整第二积分电容器C_F1的电容和第一电容器C₁₁的电容可以改变积分的速度。由于光电流I_PD1的大小和光信号的强度正相关，因此t7至t8时段的V_OUT可以反映出光信号的大小。

类似地，在t3至t9时段可以对像素电路2进行与像素电路1在t＝0至t8时段相同的操作，从而可以得到像素电路2在t8至t9时段输出的光电信号V_OUT为：

从公式(15)中可以看到，调整像素电路2中的第二积分电容器C_F2的电容和第一电容器C₁₂的电容可以改变积分的速度。由于光电流I_PD2的大小和光信号的强度正相关，因此像素电路2在t8至t9时段输出的光电信号V_OUT可以反映出光信号的大小。

同样，在t5至t11时段对像素电路n进行与像素电路1在t＝0至t8时段相同的操作，可以得到像素电路n在t10至t11时段输出的光电信号V_OUT为：

从公式(16)中可以看到，调整像素电路n中的第二积分电容器C_Fn的电容和第一电容器C_1n的电容可以改变积分的速度。由于光电流I_PDn的大小和光信号的强度正相关，因此t10至t11时段的V_OUT可以反映出光信号的大小。

在图6中的像素电路中，相位2下的光电二极管PD₁、PD₂……PD_n的负端电压均一直为V_REF。此外，若寄生电容器C_P和第一电容器C₁的电容取值较大，则根据公式(12)可以看出，相位3下光电二极管PD₁、PD₂……PD_n的负端电压约等于V_REF；根据公式(13)可以看出相位1下光电二极管PD₁、PD₂……PD_n的负端电压约等于V_REF，而V_REF电压不受运算放大器的限制。因此，光电二极管的负端电压可以任意选取，合适的负端电压可以让光电二极管工作在器件性能优秀的状态。

需要说明的是，上述内容中的复位相位和积分相位仅是为了区分像素电路的不同状态，并不对本申请实施例的范围造成任何限制。例如，复位相位和积分相位也可以称为相位1和相位2。

在像素电路输出光电信号，读出电路可以将像素电路输出的光电信号读出。应理解，本申请实施例的像素电路对读出电路没有特殊要求，任何读出电路都可以应用于本申请实施例。

图8为本申请实施例的一种可能的读出电路400结构示意图。在图8中，读出电路400可以主要可以由以下部分构成：

(a)输入电容阵列。其中，输入电容阵列可以包括电容组11至电容组1S，电容组11包括输入电容器C_c1和开关SW_c1，电容组12包括输入电容器C_c2和开关SW_c2……电容组1S包括输入电容器C_cS和开关SW_cS。输入电容器C_c1、输入电容器C_c2……输入电容器C_cS的电容分别为C_c1、C_c2……C_cS。电容组开关SW₁的控制信号为CLK_P1，电容组开关SW₂的控制信号为CLK_P2……电容组开关SW_S的控制信号为CLK_PS。

(b)输出电路。其中，输出电路可以由反馈电容器C_cF、运算放大器、采样开关SW_S+1、第一保持开关SW_S+2和第二保持开关SW_S+3组成。运算放大器的增益为-A，理想情况下A为∞，运算放大器的输入电压为V_CI，输出电压为V_O。采样开关SW_S+1的控制信号为CLK_S，第一保持开关SW_S+2的控制信号为CLK_H1，第二保持开关SW_S+3的控制信号为CLK_H2。

可选地，在一些实施例中，输入电容阵列中输入电容器的数量可以小于或等于图像传感器中一个方向上的像素电路的数量。其中，一个方向上的像素电路可以为图像传感器中同一行的像素电路，或者同一列的像素电路。

其中，读出电路400中的输入电压V_IN1、V_IN2……V_INS为图像传感器中一个方向上的S个像素电路输出的光电信号，即像素电路的输出为读出电路的输入。

可选地，在一些实施例中，读出电路400可以同时对S个像素电路的光电信号进行独立的存储，此时，输入电容阵列中的所有开关导通。然后逐个对S个像素电路的光电信号进行放大和输出。

例如，当输出电路用于放大和输出电容器13存储的信号时，电容器13对应的开关导通，输入电容阵列中其他开关断开。

上述技术方案，读出电路同时对S个像素电路的输出信号进行独立的存储，然后逐个进行放大和输出，使得S行(或者S列)的像素电路可以共用一个读出电路。例如，当图像传感器中包括m*n个像素电路时，该图像传感器可以需要m/S个读出电路，或者n/S个读出电路，从而可以降低图像传感器的面积和功耗开销。

本申请实施例，像素电路中包括第一电容器和第一开关，第一电容器的两端分别连接至光电二极管的负端和积分电路的输入端，第一开关设置于光电二极管的负端与电压源之间。如此，在第一开关导通时，光电二极管的负端电压与电压源的电压相同；并且，在第一开关断开时，若第一电容器的取值较大，光电二极管的负端电压可以约等于电压源的电压。从而光电二极管的反偏电压可以不受积分电路的限制，使得光电二极管的反偏电压可以任意选取，合适的反偏电压可以让光电二极管工作在器件性能优秀的状态。

本申请实施例还提供了一种图像传感器，用于将光信号转换成电信号。

可选地，该图像传感器可以包括像素电路。该像素电路可以为前述实施例中的像素电路200，可以实现像素电路200的相应操作，为了简洁，在此不再赘述。

应理解，本申请实施例的读出电路可以应用于各种电子设备，例如智能手机、笔记本电脑、平板电脑、游戏设备等便携式或移动计算设备，以及电子数据库、汽车、银行自动柜员机(Automated Teller Machine，ATM)等其他电子设备，本申请实施例对此并不限定。

本申请实施例还提供了一种电子设备500，如图9所示，所述电子设备500可以包括像素电路510。该像素电路510可以为前述实施例中的像素电路200，可以实现像素电路200的相应操作，为了简洁，在此不再赘述。

可选地，电子设备还可以包括显示屏520。该显示屏520可以为具有自发光显示单元的显示屏，比如有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)显示屏或者微型发光二极管(Micro-LED)显示屏。

应理解，本申请实施例中的具体的例子只是为了帮助本领域技术人员更好地理解本申请实施例，而非限制本申请实施例的范围。

应理解，在本申请实施例和所附权利要求书中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请实施例。例如，在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“上述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种像素电路，其特征在于，包括：

光电二极管、积分电路、第一电容器和第一开关；

其中，所述第一电容器的两端分别连接至所述光电二极管的负端和所述积分电路的输入端；

所述第一开关设置于所述光电二极管的负端与电压源之间；

所述光电二极管的正端接地。

2.根据权利要求1所述的像素电路，其特征在于，在所述第一开关导通时，所述电压源对所述第一电容器进行充电；

在所述第一开关断开时，所述第一电容器用于维持所述光电二极管的负端电压。

3.根据权利要求1或2所述的像素电路，其特征在于，所述第一电容器的电容大于预设电容，所述预设电容用于保证所述光电二极管的负端电压的变化量在目标范围内。

4.根据权利要求1或2所述的像素电路，其特征在于，所述第一电容器和所述光电二极管的寄生电容器的电容之和大于预设电容，所述预设电容用于保证所述光电二极管的负端电压的变化量在目标范围内。

5.根据权利要求1或2所述的像素电路，其特征在于，所述积分电路包括：

运算放大器、第一积分电容器和第二开关；

其中，所述第一积分电容器的两个极板分别连接至所述运算放大器的输入端和输出端，所述第二开关的两端分别连接至所述第一积分电容器的两个极板。

6.根据权利要求5所述的像素电路，其特征在于，所述像素电路的输出电压满足：

其中，V_OUT为所述像素电路的输出电压，I_PD和I_D分别为所述光电二极管的光电流和暗电流，C_p为所述光电二极管的寄生电容器的电容，C₁为所述第一电容器的电容，C_F为所述第一积分电容器的电容，V_CM为所述运算放大器的共模电压。

7.根据权利要求5所述的像素电路，其特征在于，所述第一开关和所述第二开关的开关状态相同。

8.根据权利要求1或2所述的像素电路，其特征在于，所述积分电路包括：

第一金属-氧化物-半导体MOS管、第二MOS管、第二积分电容器、第三开关、第四开关和第五开关；

其中，所述第一MOS管的漏极与所述第二MOS管的源极连接，所述第一MOS管的源极接地，所述第一MOS管的栅极和所述第二积分电容器的左极板分别与所述第一电容器的右极板连接，所述第四开关的两端分别连接至所述第二MOS管的漏极和所述第三开关的右端，所述第三开关的两端分别连接至所述第二积分电容器的右极板和所述像素电路的输出端，所述第五开关的两端分别连接至所述第二积分电容器的左极板和所述第三开关的右端。

9.根据权利要求8所述的像素电路，其特征在于，所述第一开关和所述第五开关的开关状态相同，所述第三开关和所述第四开关的开关状态相同。

10.一种图像传感器，其特征在于，包括：根据权利要求1至9中任一项所述的像素电路。

11.一种电子设备，其特征在于，包括：根据权利要求1至9中任一项所述的像素电路。

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