一种像素单元电路、图像传感器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电路，该像素单元电路包括：光电信号转换单元，用于将图像帧中像素点的曝光信息转换为初始电压信号；电压放大单元，用于将所述初始电压信号放大并输出；第一输出单元，用于接收并存储第n

【技术实现步骤摘要】
一种像素单元电路、图像传感器及其时序控制方法


[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电路、图像传感器及其时序控制方法。

技术介绍

[0002]目前，互补金属氧化物半导体图像传感器(Complementary Metal Oxide SemiconductorImage Sensor，CIS)作为典型的固体成像传感器，是数字摄像头的关键组成部分，广泛应用于工业相机、消费电子、数码产品、安防监控等领域。随着智能手机的不断升级以及物联网、人工智能、高级辅助驾驶系统等新技术的驱动，CIS迎来市场需求的攀升，同时也面临新的挑战。一方面，CIS集成度越来越高，相对于传统的拍摄需求还部署了更多的新应用和新技术；另一方面，移动便携式设备一般由电池支持，对低功耗、低散热有着严格的应用需求，如何在不降低CIS性能的前提下对其功耗进行控制和优化，成为当前面临的一个技术难题。

技术实现思路

[0003]本专利技术实施例提供一种像素单元电路、图像传感器及其时序控制方法，用以当像素电的电压信号发生显著变化的情况下触发模数转换，以在保证CIS性能的前提下节省功耗。
[0004]第一方面，本专利技术提供一种像素单元电路，该像素单元电路包括：
[0005]光电信号转换单元，用于将图像帧中像素点的曝光信息转换为初始电压信号；电压放大单元，用于将所述初始电压信号放大并输出；第一输出单元连接至所述电压放大单元，用于接收并存储第n
‑
1帧时图像帧的像素点的第一电压信号；第二输出单元连接至所述电压放大单元，用于接收并输出第n帧时图像帧的所述像素点的第二电压信号；比较单元分别与所述第一输出单元的输出端和所述第二输出单元的输出端相连接，比较单元用于接收来自所述第一输出单元的所述第一电压信号和接收来自所述第二输出单元的所述第二电压信号，并对所述第一电压信号和所述第二电压信号进行比较，以确定第n
‑
1帧时图像帧中所述像素点的初始电压信号与第n帧时图像帧中所述像素点的初始电压信号之间是否存在变化。
[0006]本专利技术提供的像素单元电路的有益效果在于：上述像素单元电路中包括两路输出单元，其中，第二输出单元这一路存储第n帧的像素信号，第一输出单元这一路存储第n
‑
1帧的像素信号，两路输出单元的电压信号同时输出至比较单元。该像素结构适合以行并行处理采样信息，包括后续的电压信号比较和模数转换过程，由于同一行中的像素并行操作，可以大大提高运算速度，提高系统运算带宽；另外，比较单元可以确定所述像素点的初始电压信号是否存在变化有助于判断是否触发模数转换。
[0007]可选地，所述光电信号转换单元包括光电二极管；所述电压放大单元包括第一MOS管、第二MOS管和第三MOS管；所述第一MOS管的源极或漏极和所述第二MOS管的栅极均连接
至所述光电二极管的阴极，第二MOS管的源极或漏极连接第三MOS管的源极或漏极，第二MOS管的漏极或源极和第一MOS管的漏极或源极均连接至电源电压。
[0008]可选地，所述比较单元包括比较器；所述第一输出单元包括第一开关晶体管、电容、第二开关晶体管、以及第四MOS管和第五MOS管；
[0009]所述电容用于存储电荷，所述电容的一端与第一开关晶体管和第二开关晶体管连接，所述电容的另一端接地；第五MOS管的栅极连接第二开关晶体管，第五MOS管的源极或漏极连接第四MOS管的源极或漏极，第五MOS管的漏极或源极连接至比较器的第一输入端；第四MOS管的漏极或源极接地；
[0010]所述第一开关晶体管和第二开关晶体管用于控制所述电容的充放电状态；当第一开关晶体管闭合，第二开关晶体管断开，图像帧的像素点的初始电压信号被存储至电容；当第一开关晶体管断开，第二开关晶体管闭合，电容中的电荷通过第二开关晶体管被传输至第五MOS管。
[0011]可选地，所述第二输出单元包括第六MOS管和第七MOS管；第七MOS管的栅极连接至所述第二MOS管的源极或漏极，第七MOS管的源极或漏极连接第六MOS管的源极或漏极，第七MOS管的漏极或源极连接至比较器的第二输入端，第六MOS管的漏极或源极接地。
[0012]第二方面，本专利技术还提供了一种图像传感器，除了包括上述第一方面任意一种可能的像素单元电路构成的像素阵列和模数转换单元，所述比较单元，还用于：当所述第一电压信号和所述第二电压信号的差值的绝对值不在设定范围内时，确定第n
‑
1帧时图像帧中所述像素点的初始电压信号与第n帧时图像帧中所述像素点的初始电压信号之间存在变化，向所述模数转换单元发送触发信号；所述模数转换单元与所述第二输出单元的输出端连接，所述模数转换单元用于接收所述第n帧时图像帧中所述像素点的第二电压信号；当接收所述触发信号时，开始对所述第二电压信号进行模数转换。该实施例中，当一个像素信号发生显著变化时，比较单元才触发模数转换单元进行模数转换，而在当像素信号未发生显著变化的情况下不触发模数转换，以在保证CIS性能的前提下节省功耗。
[0013]第三方面，本专利技术提供一种像素单元电路的时序控制方法，可以应用于如第一方面所述的像素电路，所述时序控制方法包括：
[0014]针对第n
‑
1帧，从T1时刻开始的第一时段t1，驱动电路控制输入至第一MOS管的复位信号为高电平，打开第一MOS管，复位光电二极管；
[0015]从T2时刻开始的第二时段t2，驱动电路控制输入至第一MOS管的复位信号从高电平切换为低电平，第一MOS管断开，像素单元电路开始曝光；
[0016]控制第一开关晶体管导通，在T3时刻开始的第三时段t3，驱动电路控制行控制信号切换到高电位，对应行的像素被选中，所述行像素的采样信号被存储到电容上，电容所存储的第n
‑
1帧像素信号经过第一传输单元输出至比较单元的第一输入端；
[0017]针对第n帧，从T4时刻开始的第四时段t4，驱动电路再次控制输入至第一MOS管的复位信号为高电平，打开第一MOS管，复位光电二极管；
[0018]从T5时刻开始的第五时段t5，驱动电路控制输入至第一MOS管的复位信号从高电平切换为低电平，第一MOS管断开，像素单元电路开始曝光，第n帧的第二电压信号经过第二传输单元输出至比较单元的第二输入端；
[0019]当第二电压信号和第一电压信号之间的差值不在设定范围内时，比较单元在T2时
刻触发模数转换单元进行模数转换；当第二电压信号和第一电压信号之间的差值在设定范围内时，比较单元并不触发模数转换单元进行模数转换。
[0020]可选地，所述方法还包括：经过设定时段的模数转换之后，将转换结果写入相应列的输出结果锁存器中。
[0021]可选地，所述方法还包括：当所述行像素的模数转换完成后，将存储在锁存器中的转换结果和比较结果清除。
[0022]可选地，所述方法还包括：将存储在锁存器中的转换结果和比较结果，以串行的方式读出。
[0023]本专利技术提本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种像素单元电路，其特征在于，包括：光电信号转换单元，用于将图像帧中像素点的曝光信息转换为初始电压信号；电压放大单元，用于将所述初始电压信号放大并输出；第一输出单元连接至所述电压放大单元，用于接收并存储第n
‑
1帧时图像帧中所述像素点的第一电压信号；第二输出单元连接至所述电压放大单元，用于接收并输出第n帧时图像帧中所述像素点的第二电压信号；比较单元，所述比较单元分别与所述第一输出单元的输出端和所述第二输出单元的输出端相连接，用于接收来自所述第一输出单元的所述第一电压信号和接收来自所述第二输出单元的所述第二电压信号，并对所述第一电压信号和所述第二电压信号进行比较，以确定第n
‑
1帧时图像帧中所述像素点的初始电压信号与第n帧时图像帧中所述像素点的初始电压信号之间是否存在变化。2.根据权利要求1所述的像素单元电路，其特征在于，所述光电信号转换单元包括光电二极管；所述电压放大单元包括第一MOS管、第二MOS管和第三MOS管；所述第一MOS管的源极或漏极和所述第二MOS管的栅极均连接至所述光电二极管的阴极，第二MOS管的源极或漏极连接第三MOS管的源极或漏极，第二MOS管的漏极或源极和第一MOS管的漏极或源极均连接至电源电压。3.根据权利要求2所述的像素单元电路，其特征在于，所述比较单元包括比较器；所述第一输出单元包括第一开关晶体管、电容、第二开关晶体管、以及第四MOS管和第五MOS管；所述电容用于存储电荷，所述电容的一端与第一开关晶体管和第二开关晶体管连接，所述电容的另一端接地；第五MOS管的栅极连接第二开关晶体管，第五MOS管的源极或漏极连接第四MOS管的源极或漏极，第五MOS管的漏极或源极连接至比较器的第一输入端；第四MOS管的漏极或源极接地；所述第一开关晶体管和第二开关晶体管用于控制所述电容的充放电状态；当第一开关晶体管闭合，第二开关晶体管断开，图像帧的像素点的初始电压信号被存储至电容；当第一开关晶体管断开，第二开关晶体管闭合，电容中的电荷通过第二开关晶体管被传输至第五MOS管。4.根据权利要求3所述的像素单元电路，其特征在于，所述第二输出单元包括第六MOS管和第七MOS管；第七MOS管的栅极连接至所述第二MOS管的源极或漏极，第七MOS管的源极或漏极连接第六MOS管的源极或漏极，第七MOS管的漏极或源极连接至比较器的第二输入端，第六MOS管的漏极或源极接地。5.一种图像传感器，其特征在于，包括如权利要求1至4任一项所述的像素单元电路构成的像素阵列和模数转换单元，所述比较单元，还用于：当所述第一电压信号和所述第二电...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋寓文，傅正明，
申请(专利权)人：上海齐感电子信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：