CN108495064B - 像素电路及图像传感器装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种像素电路，所述像素电路采用多个传输晶体管：高转换增益传输晶体管及一个或多个低转换增益传输晶体管。所述像素电路包括复位晶体管，双转换增益晶体管，电容，高转换增益传输晶体管，低转换增益传输晶体管及输出单元。所述输出单元包括放大晶体管及行选择晶体管。所述像素电路还包括一个防溢出晶体管，对满阱信号进行控制。所述一个或多个低转换增益传输晶体管形成一个或多个传输支路，分别连接到所述光电二极管。所述多个低转换增益传输晶体管可分别连接到多个传输支路，或依次连接于同一传输支路。本发明还提供一种包含上述像素电路的图像传感器装置。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感装置，尤其涉及一种采用多个传输晶体管的像素电路及图像传感器装置。
背景技术
通常的CMOS图像传感器电路中采用传输晶体管将光敏元件，例如光电二极管PD将光电效应产生的电子传输到浮动扩散节点FD，图1为现有技术中的像素电路。图像传感器装置在不同的应用环境中，比如低光场景和高光场景，低光场景的灵敏度相对较弱，为了提高在低光场景中读出的信号能达到高光场景的信号，通常采用双增益的像素设计方式。在低光场景中，图像传感器的像素电路工作在高转换增益模式下，灵敏度较高。在高光场景中，图像传感器的像素电路工作在低转换增益模式下，灵敏度相对低，但能够读出更多的信号。
在大像素(像素阵列)图像传感器电路设计中，光电二极管的满阱信号多，就需要大尺寸传输晶体管来完成信号传输。这样会带来其他问题，例如浮动扩散点的寄生电容会比较大，转换增益也无法达到很高，会降低最高灵敏度，从而限制了低光场景下的正常使用。
为解决上述问题，提高在低光场景下图像传感器装置使用的灵敏度，同时不增加浮动扩散点的寄生电容，提高电路的转换增益，同时改善满阱信号控制，本发明提出一种高性能像素设计电路及图像传感器装置。
发明内容
本发明目的提出一种像素电路，所述像素电路采用多个传输晶体管：高转换增益传输晶体管及一个或多个低转换增益传输晶体管，所述像素电路包括：
复位晶体管，其漏极连接第一电压源，根据复位控制信号复位电路及浮动扩散点电压；
双转换增益晶体管，连接在所述复位晶体管和浮动扩散点之间；
电容，所述电容的一极连接在所述复位晶体管和所述双转换增益晶体管之间；
光电二极管，用于在光电效应中将入射光转变成电子；
高转换增益传输晶体管，连接到所述光电二极管和所述浮动扩散点之间，在低光场景下将所述光电二极管输出的电子转移到所述浮动扩散点；
一个或多个低转换增益传输晶体管，连接到所述光电二极管，在低光场景下和所述高转换增益传输晶体管一起将所述光电二极管输出的电子转移输出；
输出单元，所述输出单元包括放大晶体管和行选择晶体管，所述放大晶体管的漏极连接到第一电压源，其漏极连接到所述浮动扩散点，其源极输出端连接到所述行选择晶体管；所述行选择晶体管将所述像素电路信号连接到输出至列线；所述放大晶体管可为源极跟随晶体管；
可选地，所述像素电路还包括一防溢出晶体管，连接至所述光电二极管，用于对所述光电二极管进行满阱控制；
可选地，所述防溢出晶体管连接到所述第一电压源，或连接到独立的第二电压源；
可选地，所述多个低转换增益传输晶体管形成一个或多个传输支路，所述多个低转换增益传输晶体管分别设置于不同的传输支路，或设置于同一传输支路；所述一个或多个传输支路分别连接到所述光电二极管；
可选地，所述电容为器件电容或所述复位晶体管和所述双转换增益晶体管的连接点对地的寄生电容；所述器件电容另一极所连接的指定电压为一指定电压值或地端。
本发明还提供一种图像传感器装置，所述图像传感器装置包括多个排成行和列的上述所述像素电路构成的像素阵列；
所述图像传感器装置还包括***电路，对所述像素阵列的输出进行控制和处理。
本发明提出的像素电路及图像传感器装置，在低光场景下高转换增益传输晶体管工作，能有效提高像素电路的转换增益和灵敏度；在高光场景下低转换增益传输晶体管和高转换增益传输晶体管都工作，能够充分传输电路信号。同时所述的像素电路及图像传感器装置还可实现对光电二极管的满阱控制，防止信号溢出，能够有效提高像素电路及图像传感器装置的像素质量。
附图说明
图1为现有技术中图像传感器像素电路结构图；
图2为本发明实施例一所提出的像素电路结构图；
图3为本发明实施例一像素电路的时序图；
图4为本发明实施例二所提出的像素电路结构图；及
图5为本发明实施例三所提出的像素电路结构图。
具体实施方式
以下结合各附图对本发明所提出的内容进行详细的说明。图2为本发明实施例一所提出的像素电路结构图，图3为本实施例一的像素电路的时序图。
如图2中所示，所述高转换增益传输晶体管TX_HCG和低转换增益传输晶体管TX_LCG分别连接到光电二极管PD，将入射光通过光电二极管PD光电效应产生的电子进行转移输出。高转换增益传输晶体管TX_HCG连接到浮动扩散点FD，低转换增益传输晶体管TX_LCG连接到复位晶体管RST和双转换增益晶体管DCG的连接点。电容C可为器件电容或复位晶体管RST和双转换增益晶体管DCG连接点的寄生电容。器件电容C的另一极可根据应用连接固定电压或接地。结合图3给出的电路时序，本发明实施例一的像素电路的实施过程如下：
首先，复位晶体管RST，双转换增益晶体管DCG，高转换增益传输晶体管TX_HCG和低转换增益传输晶体管TX_LCG的控制信号均置为高电平，各晶体管导通，对电路及光电二极管PD进行复位；
打开脉冲光源对光电二极管PD曝光，曝光结束时复位晶体管RST的控制信号置为低电平，双转换增益晶体管DCG的控制信号置为高电平，双转换增益晶体管DCG导通，电容C中存储的电荷转移到浮动扩散点FD，行选择晶体管RS导通，像素电路输出低转换增益时的参考电压VL0；
双转换增益晶体管DCG的控制信号置为低电平，行选择晶体管RS的控制信号置为高电平，双转换增益晶体管DCG关断，行选择晶体管RS导通，像素电路输出高转换增益时的参考电压VH0；
光电二极管积分过程结束，高转换增益传输晶体管TX_HCG的控制信号置为高电平，行选择晶体管RS的控制信号置为高电平，行选择晶体管RS导通；高转换增益传输晶体管TX_HCG将电子转移到浮动扩散点FD，经行选择晶体管RS输出高转换增益时信号电压VH1；
将双转换增益晶体管DCG的控制信号，高转换增益传输晶体管TX_HCG的控制信号及低转换增益传输晶体管TX_LCG的控制信号都置为高电平，双转换增益晶体管DCG、高转换增益传输晶体管TX_HCG及低转换增益传输晶体管TX_LCG分别导通，分别从高转换增益传输晶体管TX_HCG和低转换增益传输晶体管TX_LCG输出的电荷及电容C中的电荷转移至浮动扩散点FD；
行选择晶体管RS的控制信号置为高电平，行选择晶体管RS导通，像素电路从浮动扩散点FD输出低转换增益信号VL1。
分别对VL0，VL1，VH0，及VH1进行相关运算，获得低转换增益模式下的信号电压VL＝VL1-VL0，高转换增益模式下的信号电压VH＝VH1-VH0。通过对不同增益模式下的图像信号进行处理，可获得一帧高质量的图像信号。
在图2所示的像素电路应用中，一般在低光场景下高转换增益传输晶体管工作，能有效提高像素电路的转换增益和灵敏度；在高光场景下低转换增益传输晶体管和高转换增益传输晶体管都工作，能够充分传输电路信号。
图4为本发明实施例二提出的像素电路，与实施例一不同的是，像素电路还包含一防溢出晶体管AB，连接到光电二极管PD，主要用于对光电二极管PD的满阱信号进行控制，以避免溢出信号造成像素间的串扰，影响像素电路输出的图像质量。在实施例二中，所述防溢出晶体管AB所连接的电压源，可为与复位晶体管RST相同的第一电压源VDD，或者分别采用独立的电压源。如图4中所示，所述防溢出晶体管AB连接的电压源为VDD0，所述复位晶体管RST连接的电压源为VDD1。图4中电路的具体实施过程与图2和图3给出的实施例一的实施过程类似，此处不再另行赘述。
图5是本发明实施例三提出的像素电路，与实施例一和实施例二不同，该像素电路包括多个低转换增益传输晶体管TX_LCG传输支路，如图中所示的两个支路。如图5中所示，两个支路的低转换增益传输晶体管分别连接到光电二极管PD，分别对光电二极管PD曝光后光电效应产生的电荷进行传输。本发明还有另一种实施方案，多个低转换增益传输晶体管TX_LCG依次连接设置于同一传输支路中，例如，TX_LCG1，TX_LCG2，TX_LCG3…本实施例未给出图示。
本发明还提出一种包含上述各实施例中记载的像素电路的图像传感器装置。所述图像传感器装置中包含排多个成行和列的上述多个实施例中给出的像素电路阵列。图像传感器装置还包括***电路，***电路主要用于对像素电路的输出进行控制和处理。
本发明实施方案中给出的各实施例，包含但不限于对本发明所提出的发明内容的解释和说明。上述实施例仅用于解释之目的，并不构成对本发明的限制。对本发明各实施例进行的合理的修订或调整均落入本发明所保护的内容范围。
Claims (14)
1.一种像素电路，采用多个传输晶体管，其特征在于，所述像素电路包括：
复位晶体管，其漏极连接第一电压源；
双转换增益晶体管，连接在所述复位晶体管和浮动扩散点之间；
电容，连接在所述复位晶体管和所述双转换增益晶体管之间；
光电二极管，用于在光电效应中将光转变成电子；
高转换增益传输晶体管，连接在所述光电二极管和所述浮动扩散点之间；
一个或多个低转换增益传输晶体管，形成一个或多个传输支路，所述一个或多个传输支路的一端分别连接到所述光电二极管，所述一个或多个传输支路的另一端分别连接到所述复位晶体管和所述双转换增益晶体管的连接点；及
输出单元，所述输出单元包括放大晶体管和行选择晶体管，将所述像素电路信号输出至列线。
2.根据权利要求1所述的像素电路，其特征在于，所述像素电路还包括一防溢出晶体管，所述防溢出晶体管连接到所述光电二极管。
3.根据权利要求1或2所述的像素电路，其特征在于，所述多个低转换增益传输晶体管设置于同一传输支路，或分别设置于不同的传输支路。
4.根据权利要求2所述的像素电路，其特征在于，所述防溢出晶体管连接到所述第一电压源，或连接到独立的第二电压源。
5.根据权利要求1或2所述的像素电路，其特征在于，所述输出单元的放大晶体管为源极跟随晶体管。
6.根据权利要求1或2所述的像素电路，其特征在于，所述电容为器件电容或所述复位晶体管和所述双转换增益晶体管的连接点对地的寄生电容。
7.根据权利要求6所述的像素电路，其特征在于，所述器件电容的一极连接到指定电压或接地。
8.一种图像传感器装置，所述图像传感器装置包括排成行和列的多个像素电路构成的阵列，其特征在于，所述像素电路包括：
复位晶体管，其漏极连接第一电压源；
双转换增益晶体管，连接在所述复位晶体管和浮动扩散点之间；
电容，连接在所述复位晶体管和所述双转换增益晶体管之间；
光电二极管，用于在光电效应中将光转变成电子；
高转换增益传输晶体管，连接在所述光电二极管和所述浮动扩散点之间；
一个或多个低转换增益传输晶体管，形成一个或多个传输支路，所述一个或多个传输支路的一端分别连接到所述光电二极管，所述一个或多个传输支路的另一端分别连接到所述复位晶体管和所述双转换增益晶体管的连接点；
输出单元，所述输出单元包括放大晶体管和行选择晶体管，将所述像素电路信号输出至列线；及
***电路，对所述像素电路进行控制和处理。
9.根据权利要求8所述的图像传感器装置，其特征在于，所述像素电路还包括一防溢出晶体管，所述防溢出晶体管连接到所述光电二极管。
10.根据权利要求8或9所述的图像传感器装置，其特征在于，所述多个低转换增益传输晶体管设置于同一传输支路，或分别设置于不同的传输支路。
11.根据权利要求9所述的图像传感器装置，其特征在于，所述防溢出晶体管连接到所述第一电压源，或连接到独立的第二电压源。
12.根据权利要求8或9所述的图像传感器装置，其特征在于，所述输出单元的放大晶体管为源极跟随晶体管。
13.根据权利要求8或9所述的图像传感器装置，其特征在于，所述电容为器件电容或所述复位晶体管和所述双转换增益晶体管的连接点对地的寄生电容。
14.根据权利要求13所述的图像传感器装置，所述器件电容的一极连接到指定电压或接地。
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