[發明專利]高速全局快門圖像傳感器像素及其像素信號的采樣方法

有效

• 申請號: 201310459382.X
• 申請日: 2013-09-29
• 公開（公告）號: CN103491324A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發明（設計）人: 馬成;王欣洋
• 申請（專利權）人: 長春長光辰芯光電技術有限公司
• 主分類號: H04N5/374
• 分類號: H04N5/374;H04N5/378;H04N5/363
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 王淑秋

技術領域

本發明屬于半導體圖像感測技術領域,涉及一種高速全局快門圖像傳感器像素及其像素信號的采樣方法。

背景技術

在拍攝高速移動的物體時需要使用全局快門以避免圖像的扭曲。一種典型的全局快門CMOS像素如圖1所示，由復位開關M1、光電二極管D、緩沖放大器AMP1、采樣開關M4，采樣電容C1、緩沖放大器M5和行選開關M6構成。該像素基于傳統的3T像素結構變化而來，首先復位開關閉合并對光電二極管進行復位，之后復位開關M1斷開，像素開始曝光，由光電二極管將接收的光信號轉換為電信號。在幀轉移時間內，首先采樣開關M4閉合并將光電二極管轉換的電信號存儲在采樣電容C1上。之后采樣開關M4打開，采樣電容C1存儲的電信號就代表了光強的大小，曝光結束；然后像素可以開始下一幀曝光，采樣電容C1上存儲的信號在之后通過源級跟隨器M5和行選開關M6讀出。該像素的優點是結構簡單，幀轉移時間較短，在幀轉移時間內僅需要對采樣開關M4進行一次操作。其缺點為無法進行相關雙采樣以去除KTC（復位）噪聲。

發明內容

本發明要解決的一個技術問題是提供一種高速全局快門圖像傳感器像素，該像素能夠進行相關雙采樣以去除KTC噪聲，并且幀轉移時間短，像素的填充因子高。

為了解決上述技術問題，本發明的高速全局快門圖像傳感器像素包括復位開關，光電二極管，第一緩沖放大器，第一采樣電容，校正開關，第二緩沖放大器，采樣開關，第二采樣電容，第三緩沖放大器，行選開關；所述復位開關的輸入端接復位電壓Vreset，輸出端連接到光電二極管的負極和第一緩沖放大器的輸入端，光電二極管的正極接地；第一緩沖放大器的輸出端通過第一采樣電容連接到第二緩沖放大器的輸入端；校正開關的輸入端接校正電壓Vcali，輸出端連接到第二緩沖放大器的輸入端；第二緩沖放大器的輸出端通過采樣開關連接到第二采樣電容和第三緩沖放大器的輸入端；第二采樣電容的另一端接地，第三緩沖放大器的輸出端通過行選開關連接到總線。

本發明要解決的另一個技術問題是提供一種上述高速全局快門圖像傳感器像素的像素信號采樣方法。

為了解決上述技術問題，本發明的高速全局快門圖像傳感器像素的像素信號采樣方法如下：

步驟一：在開始曝光之前，使校正開關閉合，將第一采樣電容右節點的電壓校正為Vcali，隨后將復位開關閉合，使光電二極管復位；

步驟二：將復位開關首先斷開，曝光開始；隨后將校正開關斷開，使光電二極管的復位電壓Vreset通過第一緩沖放大器被采集到第一采樣電容的左節點，第一采樣電容右節點的電壓為Vcali；

步驟三：在幀轉移時間內，光電二極管的像素信號由Vreset變為Vsignal，該電壓通過第一緩沖放大器被采集到第一采樣電容的左節點；此時第一采樣電容右節點的電位信息由之前的Vcali變為Vcali+Vsignal-Vreset；此時將采樣開關打開，將這個第一采樣電容右節點的電位信息通過第二緩沖放大器和采樣開關采集到第二采樣電容中以供之后通過第三緩沖放大器和行選開關讀出；之后采樣開關斷開，曝光結束并準備下一幀曝光。

本發明像素采用三級緩沖放大器，通過第一采樣電容實現相關雙采樣以消除KTC噪聲，在幀轉移時間內，僅需要對開關SAMPLE進行操作，幀轉移時間短；采樣電容的數量僅為兩個，像素結構簡單。

所述第一緩沖放大器由第一源級跟隨器和第一電流源負載構成，第二緩沖放大器由第二源級跟隨器和第二電流源負載構成。

所述復位開關、校正開關、第一源級跟隨器、第一電流源負載、第二源級跟隨器和第二電流源負載均采用場效應管；復位開關的漏極接復位電壓Vreset，源極接到光電二極管的負極和第一源級跟隨器的柵極；第一源級跟隨器的漏極接電源電壓Vpix，源極通過第一采樣電容連接到第二源級跟隨器的柵極；第一電流源負載的漏極接第一源級跟隨器的源極，源極接地；第二源級跟隨器的漏極接電源電壓Vpix，源極通過采樣開關連接到第三緩沖放大器的輸入端；第二電流源負載的漏極接第二源級跟隨器的源極，源級接地。

所述第一緩沖放大器采用第一源級跟隨器；第二緩沖放大器采用第二源級跟隨器。

所述第一源級跟隨器為一場效應管，其漏極接電源電壓Vsf-pulse1，源極通過第一采樣電容連接到第二源級跟隨器的柵極；第二源級跟隨器為一場效應管，其漏極接電源電壓Vsf-pulse2，源極通過采樣開關連接到第三緩沖放大器的輸入端。

所述第三緩沖放大器由第三源級跟隨器構成。

附圖說明