一种像素单元及其时序控制方法技术

本发明专利技术公开了一种像素单元及其时序控制方法，包括：光电二极管的阴极连接电荷传输管的一端，以及抗溢流管的一端，光电二极管的阳极接地，电荷传输管的另一端连接双转换增益调节晶体管，抗溢流管的另一端连接溢出电荷存储管；溢出电荷存储管的另一端连接复位晶体管的一端，溢出电荷存储管用于将光电二极管饱和范围外的电荷传输到第二节点；双转换增益调节晶体管的一端为第一节点，双转换增益调节晶体管的另一端与溢出电荷存储管的另一端连接；复位晶体管的另一端连接电源电压，用于将像素单元复位；以及输出单元，用于放大电压并输出放大电压。该结构能够通过收集曝光时间段的溢出电荷和光生电荷，三帧合成实现高动态范围，以适应复杂光照场景。应复杂光照场景。应复杂光照场景。

【技术实现步骤摘要】
一种像素单元及其时序控制方法


[0001]本专利技术涉及半导体图像感测
，尤其涉及一种像素单元及其时序控制方法。

技术介绍

[0002]目前，随着工艺技术能力的发展，CMOS有源像素传感器(CMOS active pixel sensor，CMOSAPS)以其集成度高、体积小、功耗低等优点，已经成为图像传感器领域的优先选择。但目前CMOS APS采用电荷积分的方式，为兼顾像元尺寸、灵敏度及噪声指标，动态范围(dynamic range，DR)必然受到有限的满阱容量限制。一般的有源像素传感器(active pixel sensor，APS)只有70dB的动态范围，人类眼睛则高达200dB，而一般户外场景则高达100dB，特别是现在应用于自动驾驶车载摄像头，其所需的动态范围会高达120dB(例如晴天从隧道口驶出时，隧道内两壁墙面和隧道外路面由于照度差异)。因此要提高CMOSAPS的应用领域，必然要扩展其动态范围。
[0003]目前，现有主要采用时间间断法扩展其动态范围，时间间断法本质是以间断的时间曝光，因曝光时间不同产生多变灵敏度的多帧图像，然后通过特异算法进行数据拟合，以实现时域上的高动态，但是，该方法因要求不同的曝光环境下采用不同的曝光时长，所以并不适用于对时延要求严苛的应用场景，如智能驾驶场景。

技术实现思路

[0004]本专利技术实施例提供一种的像素单元及其时序控制方法，用以在曝光时间不变的情况下，通过收集曝光时间段的溢出电荷和光生电荷，三帧合成实现高动态范围，以适应复杂光照场景。<br/>[0005]第一方面，本专利技术提供一种像素单元，该像素单元包括：光电二极管的阴极连接电荷传输管的一端，以及抗溢流管的一端，所述光电二极管的阳极接地，所述光电二极管用于响应于光信号而生成电荷；电荷传输管的另一端连接所述双转换增益调节晶体管，所述电荷传输管，用于将所述光电二极管的电荷传输到第一节点；抗溢流管的另一端连接所述溢出电荷存储管；所述抗溢流管用于将所述光电二极管饱和范围外的电荷溢出到第三节点；溢出电荷存储管的另一端连接复位晶体管的一端，所述溢出电荷存储管用于将所述光电二极管饱和范围外的电荷传输到第二节点；双转换增益调节晶体管的一端为所述第一节点，所述双转换增益调节晶体管的另一端与所述溢出电荷存储管的另一端连接，用于通过打开或关断所述第一节点和所述第二节点之间的通路来控制对所述光电二极管的转换增益；复位晶体管的另一端连接电源电压，用于将像素单元复位；以及输出单元，用于放大电压并输出放大电压。
[0006]本专利技术提供的像素单元的有益效果在于：该结构能够收集光电二极管的溢出电荷，以在曝光时间不变的情况下，通过收集曝光时间段的溢出电荷和光生电荷，三帧合成实现高动态范围，以适应复杂光照场景。
[0007]可选地，该像素单元还包括第一电容，所述第一电容的一端与所述第二节点连接，所述第一电容的另一端接地。其有益效果在于：能够降低所述光电二极管的低转化增益，扩大所述像素单元的动态范围。
[0008]可选地，该像素单元还包括第二电容，所述第二电容的一端与所述第三节点连接，所述第二电容的另一端接地。其有益效果在于：能够降低所述光电二极管的低转化增益，扩大所述像素单元的动态范围。
[0009]可选地，所述输出单元包括源跟随管SF和选通晶体管，所述选通晶体管通过所述源跟随管SF与电源连接；
[0010]所述源跟随管SF一端接电源电压，所述源跟随管SF的栅极连接第一节点，所述源跟随管SF的另一端与所述选通晶体管的一端连接，所述源跟随管SF用于将所述第一节点处的电压放大；
[0011]所述选通晶体管用于选择是否输出所述源跟随管SF放大的电压。
[0012]可选地，所述像素单元还包括驱动电路，所述驱动电路用于驱动所述电荷传输管TG、抗溢流管AB、溢出电荷存储管CSG双转换增益调节晶体管DCG、复位晶体管RT和选通晶体管SEL。
[0013]可选地，所述驱动电路与所述电荷传输管TG的栅极、双转换增益调节晶体管DCG的栅极、抗溢流管AB的栅极和溢出电荷存储管CSG的栅极均连接，以及与复位晶体管RT和选通晶体管SEL的栅极均连接。
[0014]第二方面，本专利技术还提供了一种图像传感器，包括上述第一方面任意一种可能的像素单元构成的像素阵列。其有益效果可以参见上述描述。
[0015]第三方面，本专利技术提供一种像素单元的时序控制方法，该方法包括：从T1时刻开始的第一时段，打开复位管RT、溢出电荷存储管CSG、抗溢流管AB、电荷传输管TG和双转换增益调节晶体管DCG，复位光电二极管PD、第一节点、第二节点和第三节点；
[0016]从T2时刻开始的第二时段，保持复位管RT和双转换增益调节晶体管DCG仍处于打开状态，关断溢出电荷存储管CSG和电荷传输管TG，弱关断抗溢流管AB，使第一节点和第二节点仍处于复位状态；并开始曝光；
[0017]从T3时刻开始的第三时段，使第三节点与第二节点和第一节点相连，读取第三节点、第二节点和第一节点所在寄生电容存储的电荷；
[0018]从T4时刻开始的第四时段，分别读出在高增益下光电二极管PD中存储的电荷，以及在低增益下光电二极管PD中存储的电荷。
[0019]可选地，在曝光时段，从T2时刻开始的第二时段，所述方法还包括：
[0020]控制溢出电荷存储管CSG周期性打开或关闭，当溢出电荷存储管CSG打开时，将第三节点与第一节点连接，以周期性地复位第三节点；在曝光时段的结束阶段，维持电荷存储管CSG处于关断状态。
[0021]可选地，从T3时刻开始的第三时段，使第三节点与第二节点和第一节点相连，读取第三节点、第二节点和第一节点所在寄生电容存储的电荷，包括：
[0022]在T3时刻，关断复位管RT和抗溢流管AB、打开溢出电荷存储管CSG，以及保持双转换增益调节晶体管DCG仍处于打开状态、保持电荷传输管TG仍处于关断状态，使第三节点与第二节点、第一节点相连；控制源跟随管SF输入低电压，开启选通晶体管SEL，读取强光信号
电压V2_HDR；
[0023]在T5时刻，打开复位管RT，复位第一节点、第二节点和第三节点中电荷；
[0024]在T6时刻，关闭复位管RT管，再开启选通晶体管SEL，读取第一节点、第二节点和第三节点中电荷为空时的强光信号电压V1_HDR；
[0025]其中第三节点、第二节点和第一节点中的存储的电荷对应的电位等于V1_HDR减去V2_HDR。
[0026]本专利技术提供的像素单元的时序控制方法可以在像素单元被强光或超强光照射时，在曝光时间不变的情况下，有效地收集从光电转换部溢出的电荷，从而收集是所有曝光时间段的光生电子。
附图说明
[0027]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种像素单元，其特征在于，包括：光电二极管PD的阴极连接电荷传输管TG的一端，以及抗溢流管AB的一端，所述光电二极管PD的阳极接地，所述光电二极管用于响应于光信号而生成电荷；电荷传输管TG的另一端连接双转换增益调节晶体管DCG，所述电荷传输管TG，用于将所述光电二极管的电荷传输到第一节点；抗溢流管AB的另一端连接溢出电荷存储管CSG；所述抗溢流管AB用于将所述光电二极管饱和范围外的电荷溢出到第三节点；溢出电荷存储管CSG的另一端连接复位晶体管RT的一端，所述溢出电荷存储管CSG用于将所述光电二极管饱和范围外的电荷传输到第二节点；双转换增益调节晶体管DCG的一端为所述第一节点，所述双转换增益调节晶体管DCG的另一端与所述溢出电荷存储管CSG的另一端连接，用于通过打开或关断所述第一节点和所述第二节点之间的通路来控制对所述光电二极管PD的转换增益；复位晶体管RT的另一端连接电源电压，用于将像素单元复位；以及输出单元，用于放大电压并输出放大电压。2.根据权利要求1所述的像素单元，其特征在于，还包括第一电容，所述第一电容的一端与所述第二节点连接，所述第一电容的另一端接地。3.根据权利要求2所述的像素单元，其特征在于，还包括第二电容，所述第二电容的一端与所述第三节点连接，所述第二电容的另一端接地。4.根据权利要求1至3任一项所述的像素单元，其特征在于，所述输出单元包括源跟随管SF和选通晶体管SEL，所述选通晶体管SEL通过所述源跟随管SF与电源连接；所述源跟随管SF一端接电源电压，所述源跟随管SF的栅极连接第一节点，所述源跟随管SF的另一端与所述选通晶体管的一端连接，所述源跟随管SF用于将所述第一节点处的电压放大；所述选通晶体管用于选择是否输出所述源跟随管SF放大的电压。5.根据权利要求4所述的像素单元，其特征在于，还包括驱动电路，所述驱动电路用于驱动所述电荷传输管TG、抗溢流管AB、溢出电荷存储管CSG双转换增益调节晶体管DCG、复位晶体管RT和选通晶体管SEL。6.根据权利要求5所述的像素单元，其特征在于，所述驱动电路与所述电荷传输管TG的栅极、双转换增益调节晶体管DCG的栅极、抗溢流管AB的栅极和溢出电荷存储管CSG的栅极均连接，以及与...

【专利技术属性】
技术研发人员：周阳，
申请(专利权)人：上海微阱电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：