全局快门图像传感器像素结构及其信号采样读取方法技术

本发明专利技术公开了一种全局快门图像传感器像素结构及其信号采样读取方法，所述全局快门图像传感器像素结构包括感光元件、传输开关、复位开关、开关放大单元、第一采样电容、第二采样电容、第一采样开关、第一放大器及总线选通开关；开关放大单元的输出端与第一采样电容的第一端连接；第一采样开关的第一端与第一采样电容的第一端以及所述第一放大器的输入端连接于第一节点；通过对像素中采样开关与采样电容连接关系的创新，不但实现了复位信号和图像信号的相关双采样，有效的抑制了寄生光灵敏度以及固定模式噪声，并且拓展了全局快门图像传感器的应用场景，可以实现光信号无损检测以及连续两帧图像差异检测等重要场景下的应用。

【技术实现步骤摘要】
全局快门图像传感器像素结构及其信号采样读取方法
本专利技术属于图像传感
，尤其涉及一种全局快门图像传感器像素结构及其信号采样读取方法。
技术介绍
CMOS图像传感器是用于把投射在传感器像素阵列上的光信号转化为电信号的CMOS芯片。根据图像传感器电子快门的工作类型分类，CMOS图像传感器可以分为电子卷帘快门和电子全局快门两种。卷帘快门是使用逐行曝光的方式，在每一行像素信号读取完成之后开始下一帧的曝光，这样的工作方式使得每一行的曝光起始时间不同，而累计曝光时间相同。这种快门机制在拍摄运动的物体时会产生图像扭曲。全局快门图像传感器的出现可以解决卷帘快门图像传感器拍摄运动的物体时引起的图像扭曲。全局快门需要保证整个图像传感器阵列像素开始曝光以及截止曝光的同步。整个像素阵列可以同时开始感应光信号以及同时产生电信号，但是CMOS图像传感器很难同时读取出整个像素阵列的所有电信号，因此全局快门像素需要在不影响感光单元继续开始下一帧的曝光的前提下，在像素内存储未被读取的上一帧曝光产生的感生信号。全局快门技术根据像素内存储感生信号的形式分为电压域全局快门技术和电荷域全局快门技术两种。电压域全局快门是将产生的光生电荷转变为电压信号后，以电压的形式存储在像素中。而电荷域全局快门则是将光生载流子以电荷的形式存储在像素中。相比电荷域全局快门，电压域全局快门像素有其不可取代的优点。因其工艺实现简单，在前照式图像传感器和后照式图像传感器中都可以实现而被广泛使用。电压域全局快门像素有很多不同的实施方案，图1是现有技术中一个典型的解决方案。其工作原理是：在一帧曝光截止前，整个阵列所有的像素中的第一晶体管Sample1和第二晶体管Sample2导通，第一电容C1通过源极跟随器M2对电荷存储点FD的复位信号电压进行采样。采样结束后开启传输管TX，光生电子从钉扎光电二极管(Pinnedphotodiode)中被传输到电荷存储点FD中。光生电子在电荷存储点FD的电容中产生压降。第二晶体管Sample2再次导通，第二电容C2通过源极跟随器M2对电荷存储点FD的图像信号电压再次采样。在全局采样结束后，每一行的总线选通开关Select分别导通，先读出复位信号电压Vreset，然后通过第一晶体管Sample1导通，第一电容C1和第二电容C2进行均衡之后读出均衡后的信号电压为(Vsignal+Vreset)/2。通过图1所示全局快门结构，像素内采样存储的图像信号电压由于像素结构的限制无法被快速直接的读出。还有一些其他的技术方案，要么存在较大的固定偏差和寄生光灵敏度，要么像素结构复杂，元件与连接线较多，不适合在高分辨率小像素尺寸的全局图像传感器中实现。
技术实现思路
基于上述存在的多种问题，本专利技术提出了一种全局快门图像传感器像素结构及其信号采样读取方法，作为一种新的像素结构和多种应用场景下的采样读取方法，不仅可以很好的应用在普通全局快门成像应用中，比如可以实现相关双采样，抑制了寄生光灵敏度，有较小的固定模式噪声；而且可以解决现有实现技术中图像信号无法直接快速被读出的问题，可以实现光信号无损检测，连续两帧差异检测等工作模式，拓展了全局快门像素的应用场景。为实现上述目的，本专利技术提供了一种全局快门图像传感器像素结构，包括：感光元件，用于将接受的光信号转换为电信号；悬浮节点；传输开关，连接在所述感光元件与所述悬浮节点之间，用于控制所述感光元件到所述悬浮节点的电信号传输；复位开关，第一端与所述悬浮节点连接，第二端接入电源电压，用于控制悬浮节点电压复位至复位信号电压；其特征在于，还包括开关放大单元、第一采样电容、第二采样电容、第一采样开关、第一放大器，总线选通开关；所述开关放大单元的输入端与所述悬浮节点连接，所述开关放大单元的输出端与所述第一采样电容的第一端连接；所述开关放大单元用于放大并输出所述悬浮节点电压，以控制所述第一采样电容的复位和第二采样电容的复位，并控制全局信号采样的开始和结束；所述第一采样电容的第二端接入第一参考电压；所述第一采样开关的第一端与所述第一采样电容的第一端以及所述第一放大器的输入端连接于第一节点；所述第一采样开关的第二端与所述第二采样电容的第一端连接，所述第二采样电容的第二端接入第二参考电压；所述总线选通开关用于控制读取所述第一放大器的输出信号，所述第一放大器的输出端与所述总线选通开关的第一端连接，所述总线选通开关的第二端与总线连接。在其中一个实施例中，所述第一参考电压和所述第二参考电压为相同的电源、地或者其他参考电位，或者所述第一参考电压和所述第二参考电压为不同的电源、地或者其他参考电位。在其中一个实施例中，所述开关放大单元包括第一源极跟随器、第一负载开关元件和第一全局采样开关，所述第一源极跟随器的输入端连接所述悬浮节点，所述第一源极跟随器的输出端和所述第一负载开关元件的第一端与所述第一全局采样开关的第一端连接；所述第一负载开关元件的第二端接入电源地，所述第一负载开关元件用于复位所述第一采样电容和所述第二采样电容，同时给第一源极跟随器提供负载电流；所述第一全局采样开关的第二端与所述第一采样电容的第一端连接。在其中一个实施例中，所述开关放大单元包括第二源极跟随器、第二全局采样开关以及第二负载开关元件，所述第二源极跟随器的输入端连接所述悬浮节点，所述第二源极跟随器的输出端和所述第二全局采样开关的第一端相连接；所述第二全局采样开关的第二端与所述第一采样电容的第一端以及所述第二负载开关元件的第一端相连接，所述第二负载开关元件的第二端接入电源地，所述第二负载开关元件用于复位所述第一采样电容和所述第二采样电容，同时给第二源极跟随器提供负载电流。在其中一个实施例中，所述开关放大单元包括第三源极跟随器和第三全局采样开关，所述第三源极跟随器的输入端接入所述悬浮节点，所述第三源极跟随器的电源端接入可变电压源，所述第三源极跟随器的输出端与所述第三全局采样开关的第一端连接，所述第三全局采样开关的第二端与所述第一采样电容的第一端连接。所述第一采样电容和所述第二采样电容通过所述第三源极跟随器连接可变电压源进行复位。在其中一个实施例中，所述第一放大器包括第四源极跟随器，所述第四源极跟随器的输入端接入所述第一节点。本专利技术实施例还提供一种如上述的全局快门图像传感器像素结构的像素信号采样读出方法，包括：步骤A1：在开始曝光前通过导通所述传输开关与所述复位开关将所述感光元件以及所述悬浮节点复位；将所述传输开关关断，曝光开始；步骤A2：在曝光即将结束时，通过导通所述开关放大单元以及所述第一采样开关使所述第一采样电容和所述第二采样电容放电复位；控制所述复位开关关断，所述悬浮节点结束复位状态，所述悬浮节点电压为复位信号电压；通过导通的所述开关放大单元以及所述第一采样开关读取所述悬浮节点的复位信号电压，控制所述第一采样开关关断，将复位信号电压采样并存储于所述第二采样电容；步骤A3：控制所述传输开关导通，以使所述感光单元积累的电荷通过所述传输开关全部转移至所述悬浮节点；待全部电荷转移完毕，控制所述传输开关关断,第一帧图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全局快门图像传感器像素结构，其特征在于，包括：感光元件，用于将接受的光信号转换为电信号；悬浮节点；传输开关，连接在所述感光元件与所述悬浮节点之间，用于控制所述感光元件到所述悬浮节点的电信号传输；复位开关，第一端与所述悬浮节点连接，第二端接入电源电压，用于控制悬浮节点电压复位至复位信号电压；其特征在于，还包括开关放大单元、第一采样电容、第二采样电容、第一采样开关、第一放大器，总线选通开关；所述开关放大单元的输入端与所述悬浮节点连接，所述开关放大单元的输出端与所述第一采样电容的第一端连接；所述开关放大单元用于放大并输出所述悬浮节点电压，以控制所述第一采样电容的复位和第二采样电容的复位，并控制全局信号采样的开始和结束；所述第一采样电容的第二端接入第一参考电压；所述第一采样开关的第一端与所述第一采样电容的第一端以及所述第一放大器的输入端连接于第一节点；所述第一采样开关的第二端与所述第二采样电容的第一端连接，所述第二采样电容的第二端接入第二参考电压；所述总线选通开关用于控制读取所述第一放大器的输出信号，所述第一放大器的输出端与所述总线选通开关的第一端连接，所述总线选通开关的第二端与总线连接。/n...

【技术特征摘要】
1.一种全局快门图像传感器像素结构，其特征在于，包括：感光元件，用于将接受的光信号转换为电信号；悬浮节点；传输开关，连接在所述感光元件与所述悬浮节点之间，用于控制所述感光元件到所述悬浮节点的电信号传输；复位开关，第一端与所述悬浮节点连接，第二端接入电源电压，用于控制悬浮节点电压复位至复位信号电压；其特征在于，还包括开关放大单元、第一采样电容、第二采样电容、第一采样开关、第一放大器，总线选通开关；所述开关放大单元的输入端与所述悬浮节点连接，所述开关放大单元的输出端与所述第一采样电容的第一端连接；所述开关放大单元用于放大并输出所述悬浮节点电压，以控制所述第一采样电容的复位和第二采样电容的复位，并控制全局信号采样的开始和结束；所述第一采样电容的第二端接入第一参考电压；所述第一采样开关的第一端与所述第一采样电容的第一端以及所述第一放大器的输入端连接于第一节点；所述第一采样开关的第二端与所述第二采样电容的第一端连接，所述第二采样电容的第二端接入第二参考电压；所述总线选通开关用于控制读取所述第一放大器的输出信号，所述第一放大器的输出端与所述总线选通开关的第一端连接，所述总线选通开关的第二端与总线连接。


2.根据权利要求1所述的全局快门图像传感器像素结构，其特征在于，所述第一参考电压和所述第二参考电压为相同的电源、地或者其他参考电位，或者所述第一参考电压和所述第二参考电压为不同的电源、地或者其他参考电位。


3.根据权利要求1所述的全局快门图像传感器像素结构，其特征在于，所述开关放大单元包括第一源极跟随器、第一负载开关元件和第一全局采样开关，所述第一源极跟随器的输入端连接所述悬浮节点，所述第一源极跟随器的输出端和所述第一负载开关元件的第一端与所述第一全局采样开关的第一端连接；所述第一负载开关元件的第二端接入电源地，所述第一负载开关元件用于复位所述第一采样电容和所述第二采样电容，同时给第一源极跟随器提供负载电流；所述第一全局采样开关的第二端与所述第一采样电容的第一端连接。


4.根据权利要求1所述的全局快门图像传感器像素结构，其特征在于，所述开关放大单元包括第二源极跟随器、第二全局采样开关以及第二负载开关元件，所述第二源极跟随器的输入端连接所述悬浮节点，所述第二源极跟随器的输出端和所述第二全局采样开关的第一端相连接；所述第二全局采样开关的第二端与所述第一采样电容的第一端以及所述第二负载开关元件的第一端相连接，所述第二负载开关元件的第二端接入电源地，所述第二负载开关元件用于复位所述第一采样电容和所述第二采样电容，同时给第二源极跟随器提供负载电流。


5.根据权利要求1所述的全局快门图像传感器像素结构，其特征在于，所述开关放大单元包括第三源极跟随器和第三全局采样开关，所述第三源极跟随器的输入端接入所述悬浮节点，所述第三源极跟随器的电源端接入可变电压源，所述第三源极跟随器的输出端与所述第三全局采样开关的第一端连接，所述第三全局采样开关的第二端与所述第一采样电容的第一端连接。所述第一采样电容和所述第二采样电容通过所述第三源极跟随器连接可变电压源进行复位。


6.根据权利要求1所述的全局快门图像传感器像素结构，其特征在于，所述第一放大器包括第四源极跟随器，所述第四源极跟随器的输入端接入所述第一节点。


7.一种如权利要求1所述的全局快门图像传感器像素结构的像素信号采样读出方法，其特征在于，包括：
步骤A1：在开始曝光前通过导通所述传输开关与所述复位开关将所述感光元件以及所述悬浮节点复位；将所述传输开关关断，曝光开始；
步骤A2：在曝光即将结束时，通过导通所述开关放大单元以及所述第一采样开关使所述第一采样电容和所述第二采样电容放电复位；控制所述复位开关关断，所述悬浮节点结束复位状态，所述悬浮节点电压为复位信号电压；通过导通的所述开关放大单元以及所述第一采样开关读取所述悬浮节点的复位信号电压，控制所述第一采样开关关断，将复位信号电压采样并存储于所述第二采样电容；
步骤A3：控制所述传输开关导通，以使所述感光单元积累的电荷通过所述传输开关全部转移至所述悬浮节点；待全部电荷转移完毕，控制所述传输开关关断,第一帧图像曝光结束,此时所述悬浮节点电压为图像信号电压；通过导通的所述开关放大单元读取悬浮节点的图像信号电压，随着所述开关放大单元的关断，所述图像信号电压采样并存储于所述第一采样电容；第一帧信号全局采样阶段结束；
步骤A4：全局采样阶段结束之后，控制所述传输开关和所述复位开关导通，以使所述感光元件复位；此后通过控制所述传输开关关断开始下一帧曝光；同时，在全局采样阶段结束之后，开始逐行读出阶段，逐行控制所述总线选通开关导通，所述第一放大器将所述第一采样电容存储的所述图像信号电压放大并传输至总线，待所述图像信号电压读取完毕后，控制所述第一采样开关导通，所述第一采样电容存储的图像信号电压和所述第二采样电容存储的复位信号电压根据其电容值均衡，均衡后的电压通过所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：许阳，郭佳，李志升，
申请(专利权)人：深圳市南北微电子技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44