一种像素电路及相应运行方法
技术领域
本发明总体而言涉及集成电路领域,具体而言涉及一种像素电路。此外,本发明还涉及一种运行像素电路的方法。
背景技术
半导体像素是一种广泛应用于成像领域、光纤通信领域、激光测距等众多领域的重要半导体器件,其用于将光信号转换成电压信号,其原理是,像素的光电二极管的反向偏置的PN结在一定波长辐射的照射下,由于光生载流子的影响会出现反向电压或电流的变化,该变化与光辐射强成比例,通过检测该变化可确定光辐射强度。
现有像素采用转换电容CFD来将光电信号转换为电压信号。如图1所示,输出电压V=Q/CFD,其中Q为光电二极管因受到光辐射而产生电荷量。从上面的公式可以看出,转换电容CFD的大小将直接影响输出电压的大小,从而影响像素的灵敏度。然而,目前还不能无限地缩小转换电容CFD,因此电子-电压转换增益受到限制。
发明内容
本发明的任务是,提供一种像素电路及相应运行方法,通过该像素电路和/或该方法,可以显著提高像素电路的电子-电压转换增益,从而明显提高像素的灵敏度。
在本发明的第一方面,该任务通过一种像素电路来解决,该像素电路包括:
第一金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET(RST3),其栅极连接到第一控制信号(Ctr1),其漏极和源极分别连接到第一电压(V1)和光电二极管(PD)的负极;
第二金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET(RST2),其栅极连接到第二控制信号(Ctr2),其漏极和源极分别连接到第二电压(V2)和光电二极管(PD)的负极;
光电二极管(PD),其正极接地;
第三金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET(TG),其栅极连接到第三控制信号(Ctr3),其漏极和源极分别连接到光电二极管(PD)的负极和三极管的基极;
三极管,其发射极与第五金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET(Amp/SF)的栅极连接,其集电极接地;
第四金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET(RST1),其栅极连接到第四控制信号(Ctr4),其漏极和源极分别连接到第二电压(V2)和三极管的发射极;
第五金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET(Amp/SF),其漏极和源极分别连接到第二电压(V2)和第六金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET(Adr/SEL)的漏极和源极之一;以及
第六金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET(Adr/SEL),其栅极连接到第五控制信号(Ctr5),其漏极和源极中的另一作为输出端(OP)。
在此应当指出,在本发明中,根据MOSFET的类型不同(如n型或p型),其漏极和源极的连接方式不同。当MOSFET是n型时,其漏极连接到较高电压(即两个端子中电压较高的端子),而其源极连接到较低电压(即两个端子中电压较低的端子)。以此类推,当MOSFET是p型时反之。此外,n型MOSFET是低电平驱动,而p型MOSFET是高电平驱动。因此,在p型MOSFET的情况下,在提供控制信号时可能需要采用电荷泵等升压装置来提供高电平。
在本发明的一个优选方案中规定,第一至第六MOSFET为n型MOSFET,其中第一至第六MOSFET的漏极连接到高电压端,其源极连接到低电压端。通过采用n型MOSFET,可以实现低电压驱动,从而节省电路成本。
在本发明的一个扩展方案中规定,第一电压(V1)是复位电压,并且第二电压(V2)是电源电压。根据应用场合,第一电压和第二电压的大小可以相应地设置。例如,可以设置第一电压等于第二电压。
在本发明的另一扩展方案中规定,所述三极管是PNP型双极结型晶体管。在PNP型双极结型晶体管的情况下,电流从发射极流向集电极,其中发射极的电位最高。在使用NPN型双极结型晶体管时,情况相反。在本发明中,优选使用PNP型双极结型晶体管。但是在本发明的教导下,使用其它类型双极结型晶体管也是可设想的。
在本发明的第二方面,前述任务通过一种图像传感器来解决,该图像传感器具有根据本发明的像素电路。在此应当指出,除了图像传感器以外,本发明的像素电路还可以应用于其它设备或器件。
在本发明的第三方面,前述任务通过一种用于运行像素电路的方法来解决,该方法包括下列步骤:
提供相应的第五控制信号(Ctr5),使得第五MOSFET(Adr/SEL)导通;
提供相应的第四控制信号(Ctr4)、第二控制信号(Ctr2)和第三控制信号(Ctr3),使得第四MOSFET(RST1)、第二MOSFET(RST2)和第三MOSFET(TG)导通,其中在输出端(OP)处生成第一输出信号(S1);
提供相应的第四控制信号(Ctr4)、第二控制信号(Ctr2)和第三控制信号(Ctr3),使得第四MOSFET(RST1)、第二MOSFET(RST2)、和第三MOSFET(TG)截止;
提供相应的第一控制信号(Ctr1),使得第一MOSFET(RST3)导通;
将光电二极管(PD)曝光;
提供相应的第三控制信号(Ctr3),使得第三MOSFET(TG)导通,其中在输出端(OP)处生成第二输出信号(S2);以及
提供相应的第三控制信号(Ctr3),使得第三MOSFET(TG)截止。
在本发明的一个优选方案中规定,提供相应的第四控制信号(Ctr4)、第二控制信号(Ctr2)和第三控制信号(Ctr3),使得第四MOSFET(RST1)、第二MOSFET(RST2)和第三MOSFET(TG)导通包括:
将第四MOSFET(RST1)、第二MOSFET(RST2)和第三MOSFET(TG)保持导通,使得下列等式成立:
Vemit=Vbase=V2,
其中Vemit是三极管的发射极电压,并且Vbase是三极管的基极电压(Vbase)。
在本发明的另一优选方案中规定,提供相应的第三控制信号(Ctr3),使得第三MOSFET(TG)导通包括:
将第三MOSFET(TG)保持导通,使得下列等式成立:
Vemit=Vbase=(Vpd+V2)/2,
其中Vpd是光电二极管电压。
在本发明的一个扩展方案中规定,该方法还包括:
由比较器确定第二输出信号(S2)与第一输出信号(S2)之间的电压差。
本发明至少具有下列有益效果:在本发明中,通过用晶体管(如双极结型晶体管BJT)替换转换电容CFD,可以放大基极的电压(例如在BJT的情况下,Vemit=Vbase+Vcollector,Vemit≈2.11Vbase),由此放大电压变化,从而提高像素电路的电子-电压转换增益,进而提高像素的灵敏度,同时还避免了转换电容CFD对电子-电压转换增益的限制,由此显著提高像素的灵敏度。
附图说明
下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。
图1示出了根据现有技术的像素电路的原理图;以及
图2示出了根据本发明的像素电路的原理图。
具体实施方式
应当指出,各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出,而不一定是比例正确的。在各附图中,给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。
在本发明中,除非特别指出,“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外,“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系,而在一定情况下、如在颠倒产品方向后,也可以转换为“布置在…下或下方”,反之亦然。
在本发明中,各实施例仅仅旨在说明本发明的方案,而不应被理解为限制性的。
在本发明中,除非特别指出,量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
在此还应当指出,在本发明的实施例中,为清楚、简单起见,可能示出了仅仅一部分部件或组件,但是本领域的普通技术人员能够理解,在本发明的教导下,可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。
在此还应当指出,在本发明的范围内,“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等,而是允许一定的合理误差,也就是说,所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推,在本发明中,表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。
另外,本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出,各方法步骤可以以不同顺序执行。
在本发明中,“提供相应的控制信号”例如是指,提供该控制信号的相应参数(如电平),使得具有该参数的控制信号能够激活或停止激活相应器件(如使器件导通或截止)。
下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。
图2示出了根据本发明的像素电路100的原理图。
如图2所示,像素电路100包括下列部件,其中一些部件可能是可选的:
·第一金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET(RST3),其栅极连接到第一控制信号(Ctr1),其漏极连接到第一电压(V1),其源极连接到光电二极管(PD)的负极。
·第二金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET(RST2),其栅极连接到第二控制信号(Ctr2),其漏极连接到第二电压(V2),其源极连接到光电二极管(PD)的负极。
·光电二极管(PD),其正极接地。该光电二极管可以是常规的光电二极管。
·第三金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET(TG),其栅极连接到第三控制信号(Ctr3),其漏极连接到光电二极管(PD)的负极,其源极连接到三极管的基极;
·三极管,其发射极与第五金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET(Amp/SF)的栅极连接,其集电极接地。在本发明中,三极管是双极结型晶体管(BJT)。
·第四金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET(RST1),其栅极连接到第四控制信号(Ctr4),其漏极连接到第二电压(V2),其源极连接到三极管的发射极。
·第五金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET(Amp/SF),其漏极连接到第二电压(V2),其源极连接到第六金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET(Adr/SEL)的漏极。
·第六金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET(Adr/SEL),其栅极连接到第五控制信号(Ctr5),其源极作为输出端(OP)。
下面阐述本发明的像素电路100的运行方式。
在步骤S1,提供相应的第五控制信号(Ctr5)(例如使第五控制信号为高电平),使得第五MOSFET(Adr/SEL)导通。
在步骤S2,提供相应的第四控制信号(Ctr4)、第二控制信号(Ctr2)和第三控制信号(Ctr3)(例如使这些控制信号为高电平),使得第四MOSFET(RST1)、第二MOSFET(RST2)和第三MOSFET(TG)导通,其中在输出端(OP)处生成第一输出信号(S1)。
此时,Vemit=Vbase=V2,
其中Vemit是三极管的发射极电压,并且Vbase是三极管的基极电压(Vbase)。因此,S1=V2。
在步骤S3,提供相应的第四控制信号(Ctr4)、第二控制信号(Ctr2)和第三控制信号(Ctr3),使得第四MOSFET(RST1)、第二MOSFET(RST2)、和第三MOSFET(TG)截止(例如使这些控制信号为低电平)。
在步骤S4,提供相应的第一控制信号(Ctr1),使得第一MOSFET(RST3)导通。在此,通过反向偏置,使得Vpd=V1,其中Vpd是光电二极管(PD)的电压。
在步骤S5,将光电二极管(PD)曝光,使得光电二极管在一定波长辐射的照射下,由于会生成光生载流子(其电荷量为Q),进而其反向偏置的PN结影响会出现反向电压的变化,该变化与光辐射强成比例。
此时,Vpd=V1-Q/Cpd,
其中Cpd是光电二极管的电容。
在步骤S6,提供相应的第三控制信号(Ctr3),使得第三MOSFET(TG)导通,其中在输出端(OP)处生成第二输出信号(S2)。在此,导通时间为使得三极管(如BJT)的电荷达到平衡,即有下面的等式成立:
Vemit=Vbase≈(Vpd+V2)/2=(V1-Q/Cpd+V2)/2。
在可选步骤S7,由比较器确定第一输出信号(S1)与第二输出信号(S2)之间的电压差ΔV=S1-S2。
ΔV=S1-S2≈V2-(V1-Q/Cpd+V2)/2=(Q/CPD-V1+V2)/2。
从这里可以看出,根据本发明的像素电路的电压变化值与现有技术(V=Q/CFD)相比,得到了显著提升,且与CFD无关。
在步骤S7,提供相应的第三控制信号(Ctr3),使得第三MOSFET(TG)截止。
在可选步骤S8,在当前的全部操作完成后,可通过复位电压V1对光电二极管进行反向偏置以进行复位。例如可重复前述步骤。
本发明至少具有下列有益效果:在本发明中,通过用晶体管(如双极结型晶体管BJT)替换转换电容CFD,可以放大基极的电压(例如在BJT的情况下,Vemit=Vbase+Vcollector,Vemit≈2.11Vbase),由此放大电压变化,从而提高像素电路的电子-电压转换增益,进而提高像素的灵敏度,同时还避免了转换电容CFD对电子-电压转换增益的限制,由此显著提高像素的灵敏度。
虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述,但是本领域技术人员能够理解,这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员在本发明的教导下可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围,并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。