高速全局快门像素结构及其信号控制方法技术

本发明专利技术公开了一种高速全局快门像素结构，所述高速全局快门像素结构对采样开关的电气结构进行了创新，使得两个采样电容可以单独管理，保证了读出过程中电荷转换时采样电容大小不变；另外，本发明专利技术还公开了与前述结构配合使用的信号控制方法；本发明专利技术的有益技术效果是：可以提高像素结构输出信号的电压幅度，扩展像素的动态范围，提高图像灰度质量；同时，不改变典型8T结构的CVF、PLS、噪声等指标。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种CMOS图像传感器，尤其涉及一种。
技术介绍
拍摄高速运动的物体时，需要采用全局快门来避免图像的扭曲；现有的CMOS图像传感器上，用于实现全局快门功能的典型像素结构如图1所示，该像素结构基于传统的4T像素结构变化而来，它由光电二极管、传输管、复位开关、源极跟随器一、电流源负载、两个采样开关(M5和M6)、两个采样电容(Cl和C2)、源极跟随器二和行选开关组成；其工作原理是:1)驱动传输管和复位开关闭合，使光电二极管复位，之后，将传输管和复位开关断开，图像开始曝光；2)曝光开始后，闭合复位开关，使FD节点处形成复位信号；3)驱动两个采样开关和电流源负载闭合，待复位信号转移至采样电容C2中后，断开复位开关；复位信号转移完成后，驱动米样开关M6断开；4)驱动传输管闭合,将光信号存储在米样电容Cl中,光信号转移完成后，断开传输管和采样开关M5 ;5)先驱动行选开关闭合，再驱动采样开关M6闭合，从而使采样电容C2和采样电容Cl中的信号先后向外输出；前一帧图像信号控制的步骤 5)开始后，后一帧图像信号控制重新开始步骤I)的操作；存在的问题是:基于现有的电学理论可知，采用前述的像素结构进行采样时，相比于光电二极管的输出电压幅度，通过行选开关向外输出的信号的电压幅度将降低Cl*(V_rt-Vsignal)/(Cl+C2)，导致像素的动态范围也随之降低，导致图像灰度范围变低。
技术实现思路
针对
技术介绍
中的问题，本专利技术提出了一种高速全局快门像素结构，其结构为:所述高速全局快门像素结构由光电二极管、传输管、复位开关、源极跟随器一、主采样开关、放电电流源、复位信号米样开关、光信号米样开关、米样电容一、米样电容二、源极跟随器二和行选开关组成；所述传输管、复位开关、源极跟随器一、主采样开关、放电电流源、复位信号采样开关、光信号采样开关、源极跟随器二和行选开关均采用NMOS场效应管；光电二极管的阳极接地，光电二极管的阴极与传输管的源极连接；传输管的栅极接控制端一，传输管的漏极与FD节点连接；复位开关的源极与FD节点连接，复位开关的栅极与控制端二连接，复位开关的漏极与电压源一连接；源极跟随器一的栅极与FD节点连接，源极跟随器一的源极与主采样开关的源极连接，源极跟随器一的漏极与电压源二连接；主采样开关的栅极与控制端三连接，主采样开关的漏极与A节点连接；放电电流源的漏极与A节点连接，放电电流源的栅极与控制端四连接，放电电流源的源极接地；复位信号采样开关的漏极与A节点连接，复位信号采样开关的栅极与控制端五连接，复位信号采样开关的源极与采样电容一的一端连接，采样电容一的另一端接地；光信号采样开关的漏极与A节点连接，光信号采样开关的栅极与控制端六连接，光信号采样开关的源极与采样电容二的一端连接，采样电容二的另一端接地；源极跟随器二的栅极与A节点连接，源极跟随器二的漏极与电压源三连接，源极跟随器二的源极与行选开关的漏极连接；行选开关的栅极与控制端七连接，行选开关的源极与列级总线COL_BUS连接。 本专利技术的原理是:现有技术中，由于两个采样电容仅用一个采样开关连接，导致光信号读出时，光信号电荷在两个采样电容同时分配，最终使得行选开关向外输出光信号的电压幅度将降低Cl.(V_rt-Vsignal)/(C1+C2)，而采用本专利技术的方案后，可以分别对两个采样电容进行单独管理，读出过程中电荷转换时采样电容大小不变，这就解决了输出信号的电压幅度降低问题；同时，该像素能够采用相关双采样，消除了 KTC噪声；而且，复位电压信号和光电压信号存储环境相同，通过相关双采样具有小的PLS ;与典型的8T像素结构对比，没有降低的PLS、CVF、噪声等指标。 为了便于本领域技术人员实施，本专利技术还公开了一种高速全局快门像素结构信号控制方法，所涉及的硬件如前所述；具体的信号控制方法如下:初始状态时，传输管、复位开关、主采样开关、放电电流源、复位采样开关、光信号采样开关和行选开关均处于断开状态；1)驱动传输管和复位开关闭合，使光电二极管复位；光电二极管复位后，驱动传输管和复位开关断开，图像开始曝光；2)曝光完成之前，驱动复位开关、放电电流源和复位信号采样开关闭合，使FD节点处形成复位信号，同时也对采样电容一进行了放电处理；然后，驱动放电电流源和复位采样开关断开；3)步骤2)操作完成后，先驱动主采样开关和复位采样开关闭合，然后驱动复位开关断开，待FD节点处的复位信号存储到采样电容一中后，驱动主采样开关和复位采样开关断开；4)步骤3)的处理完成后，驱动放电电流源和光信号采样开关闭合，对采样电容二进行放电处理；5)步骤4)的处理完成后，驱动放电电流源和光信号采样开关断开；然后，驱动传输管、主采样开关和光信号采样开关闭合，使光电二极管中的光信号传输并存储到采样电容二中；6)步骤5)的操作完成后，驱动传输管、主采样开关和光信号采样开关断开，此时曝光操作结束；然后，驱动复位采样开关和行选开关闭合，使采样电容一中的信号传输至列级总线C0L_BUS并向外输出；7)步骤6)的操作完成后，驱动复位采样开关断开；然后，驱动光信号采样开关闭合，使采样电容二中的信号传输至列级总线C0L_BUS并向外输出；8)步骤7)的操作完成后，驱动光信号采样开关和选行开关断开，单帧图像信号控制过程结束；前一帧图像信号控制过程中，对应的曝光操作结束后，后一帧图像信号控制同步开始步骤I)的操作。 本专利技术的有益技术效果是:可以提高像素结构输出信号的电压幅度，扩展像素的动态范围，提高图像灰度质量；同时，不改变典型8T结构的CVF、PLS、噪声等指标。 【附图说明】 图1、现有像素结构的电气原理示意图；图2、本专利技术的像素结构的电气原理示意图；图3、本专利技术的像素结构的操作时序图；图中各个标记所对应的名称分别为:光电二极管1、传输管2、复位开关3、源极跟随器一 4、主米样开关5、放电电流源6、复位信号米样开关7、光信号米样开关8、米样电容一 9、采样电容二 10、源极跟随器二 11、行选开关12、采样电容C1/C2、电流源负载M4、采样开关M5/M6、控制端一 TX、控制端二 RST、控制端三Sample、制端四PC、控制端五Sraset、控制端六Sph。、控制端七SEL、电压源一 VDD1、电压源二 VDD2、电压源三VDD3、列级总线C0L_BUS。 【具体实施方式】 一种高速全局快门像素结构，所述高速全局快门像素结构由光电二极管1、传输管 2、复位开关3、源极跟随器一 4、主米样开关5、放电电流源6、复位信号米样开关7、光信号米样开关8、米样电容一 9、米样电容二 10、源极跟随器二 11和行选开关12组成；所述传输管2、复位开关3、源极跟随器一 4、主米样开关5、放电电流源6、复位信号米样开关7、光信号采样开关8、源极跟随器二 11和行选开关12均采用NMOS场效应管；光电二极管I的阳极接地，光电二极管I的阴极与传输管2的源极连接；传输管2的栅极接控制端一 TX，传输管2的漏极与FD节点连接；复位开关3的源极与FD节点连接,复位开关3的栅极与控制端二 RST连接,复位开关3的漏极与电压源一 VDDl连接；源极跟随器一 4的栅极与FD节点连本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高速全局快门像素结构，其特征在于：所述高速全局快门像素结构由光电二极管（1）、传输管（2）、复位开关（3）、源极跟随器一（4）、主采样开关（5）、放电电流源（6）、复位信号采样开关（7）、光信号采样开关（8）、采样电容一（9）、采样电容二（10）、源极跟随器二（11）和行选开关（12）组成；所述传输管（2）、复位开关（3）、源极跟随器一（4）、主采样开关（5）、放电电流源（6）、复位信号采样开关（7）、光信号采样开关（8）、源极跟随器二（11）和行选开关（12）均采用NMOS场效应管；光电二极管（1）的阳极接地，光电二极管（1）的阴极与传输管（2）的源极连接；传输管（2）的栅极接控制端一（TX），传输管（2）的漏极与FD节点连接；复位开关（3）的源极与FD节点连接，复位开关（3）的栅极与控制端二（RST）连接，复位开关（3）的漏极与电压源一（VDD1）连接；源极跟随器一（4）的栅极与FD节点连接，源极跟随器一（4）的源极与主采样开关（5）的源极连接，源极跟随器一（4）的漏极与电压源二（VDD2）连接；主采样开关（5）的栅极与控制端三（Sample）连接，主采样开关（5）的漏极与A节点连接；放电电流源（6）的漏极与A节点连接，放电电流源（6）的栅极与控制端四（PC）连接，放电电流源（6）的源极接地；复位信号采样开关（7）的漏极与A节点连接，复位信号采样开关（7）的栅极与控制端五（Sreset）连接，复位信号采样开关（7）的源极与采样电容一（9）的一端连接，采样电容一（9）的另一端接地；光信号采样开关（8）的漏极与A节点连接，光信号采样开关（8）的栅极与控制端六（Spho）连接，光信号采样开关（8）的源极与采样电容二（10）的一端连接，采样电容二（10）的另一端接地；源极跟随器二（11）的栅极与A节点连接，源极跟随器二（11）的漏极与电压源三（VDD3）连接，源极跟随器二（11）的源极与行选开关（12）的漏极连接；行选开关（12）的栅极与控制端七（SEL）连接，行选开关（12）的源极与列级总线COL_BUS连接。...

【技术特征摘要】
1.一种高速全局快门像素结构，其特征在于:所述高速全局快门像素结构由光电二极管(I)、传输管(2)、复位开关(3)、源极跟随器一(4)、主采样开关(5)、放电电流源(6)、复位信号米样开关(7)、光信号米样开关(8)、米样电容一(9)、米样电容二( 10)、源极跟随器二(11)和行选开关(12)组成；所述传输管(2)、复位开关(3)、源极跟随器一(4)、主采样开关(5)、放电电流源(6)、复位信号采样开关(7)、光信号采样开关(8)、源极跟随器二(11)和行选开关(12)均采用NMOS场效应管； 光电二极管(I)的阳极接地，光电二极管(I)的阴极与传输管(2)的源极连接； 传输管(2)的栅极接控制端一(TX)，传输管(2)的漏极与FD节点连接； 复位开关(3)的源极与FD节点连接，复位开关(3)的栅极与控制端二(RST)连接，复位开关(3)的漏极与电压源一(VDDl)连接； 源极跟随器一(4)的栅极与FD节点连接，源极跟随器一(4)的源极与主采样开关(5)的源极连接，源极跟随器一(4)的漏极与电压源二(VDD2)连接； 主采样开关(5)的栅极与控制端三(Sample)连接，主采样开关(5)的漏极与A节点连接； 放电电流源(6)的漏极与A节点连接，放电电流源(6)的栅极与控制端四(PC)连接，放电电流源(6)的源极接地； 复位信号采样开关(7)的漏极与A节点连接，复位信号采样开关(7)的栅极与控制端五(Sresrt)连接，复位信号采样开关(7)的源极与采样电容一(9)的一端连接，采样电容一(9)的另一端接地； 光信号采样开关(8)的漏极与A节点连接，光信号采样开关(8)的栅极与控制端六(Sph。)连接，光信号采样开关(8)的源极与采样电容二( 10)的一端连接，采样电容二( 10)的另一端接地； 源极跟随器二(11)的栅极与A节点连接，源极跟随器二(11)的漏极与电压源三(VDD3)连接，源极跟随器二(11)的源极与行选开关(12 )的漏极连接；行选开关(12 )的栅极与控制端七(SEL)连接，行选开关(12)的源极与列级总线C0L_BUS连接。2.一种高速全局快门像素结构信号控制方法，其特征在于:所涉及的硬件有:所述高速全局快门像素结构由光电二极管(I)、传输管(2)、复位开关(3)、源极跟随器一(4)、主采样开关(5)、放电电流源(6)、复位信号米样开关(7)、光信号米样开关(8)、米样电容一(9)、采样电容二(10)、源极跟随器二(11)和行选开关(12)组成；所述传输管(2)、复位开关(3)、源极跟随器一(4)、主采样开关(5)、放电电流源(6)、复位信号采样开关(7)、光信号采样开关(8 )、源极跟随器二( 11)和行选开关(12 )均采用NMOS场效应管；光电二极管(I)的阳极接地，光电二极管(I)的阴极与传输管(2)的源极连接；传输管(2)的栅极接控制端一(TX)，传输管(2)的漏极与FD节点连接；复位开关(3)的源极与FD节点连接，复位开关(3)的栅极与控制端二(RST)连接，复位开关(3)的漏极与电压源一(VDDl)连接；源极跟随器一...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴治军，李毅强，刘昌举，邓光平，任思伟，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第四十四研究所，
类型：发明
国别省市：重庆;85