[發明專利]高動態范圍全局快門像素結構及其信號采樣讀取方法

有效

• 申請號: 202010185899.4
• 申請日: 2020-03-17
• 公開（公告）號: CN111447384B
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發明（設計）人: 許陽;郭佳;李志升
• 申請（專利權）人: 深圳市南北微電子技術有限公司
• 主分類號: H04N5/374
• 分類號: H04N5/374;H04N5/365;H04N5/357
• 代理公司: 深圳中一聯合知識產權代理有限公司 44414
• 代理人: 張全文

本發明公開了一種高動態范圍全局快門像素結構及其信號采樣讀取方法，高動態范圍全局快門像素結構通過包括感光元件、傳輸開關、復位開關、開關放大單元、第一采樣電容、第二采樣電容、第一采樣開關、第二采樣開關、第一放大器及總線選通開關；開關放大單元的輸出端、第一采樣開關的第一端與第一采樣電容的第一端連接于第一節點；第一采樣開關的第二端、第二采樣開關的第一端以及所述第一放大器的輸入連接于第二節點；第二采樣電容的第一端與第二采樣開關的第二端連接。實現了復位信號和圖像信號的相關雙采樣，有效的抑制了寄生光靈敏度以及固定模式噪聲，提高了輸出信號的動態范圍，拓展了全局快門圖像傳感器的應用場景。

技術領域

本發明屬于圖像傳感技術領域，尤其涉及一種高動態范圍的全局快門像素結構及其信號采樣讀取方法。

背景技術

CMOS圖像傳感器根據電子快門的工作類型分類可以分為電子卷簾快門和電子全局快門兩種。卷簾快門是使用逐行曝光的方式，在每一行像素信號讀取完成之后開始下一幀的曝光，這樣的工作方式使得每一行的曝光起始時間不同，而累計曝光時間相同。這種快門機制在拍攝運動的物體時會產生圖像扭曲。全局快門圖像傳感器的出現可以解決卷簾快門圖像傳感器拍攝運動的物體時引起的圖像扭曲。全局快門需要保證整個圖像傳感器陣列像素開始曝光以及截止曝光的同步。整個像素陣列可以同時開始感應光信號以及同時產生電信號，但是 CMOS圖像傳感器很難同時讀取出整個像素陣列的所有電信號，因此全局快門像素需要在不影響感光元件繼續開始下一幀的曝光的前提下，在像素內存儲未被讀取的上一幀曝光產生的感生信號。

全局快門技術根據像素內存儲感生信號的形式分為電壓域全局快門技術和電荷域全局快門技術兩種。電壓域全局快門是將產生的光生電荷轉變為電壓信號后，以電壓的形式存儲在像素中。而電荷域全局快門則是將光生載流子以電荷的形式存儲在像素中。相比電荷域全局快門，電壓域全局快門像素有其不可取代的優點。因其工藝實現簡單，在前照式圖像傳感器和后照式圖像傳感器中都可以實現而被廣泛使用。

電壓域全局快門像素有很多不同的實施方案，圖1是現有技術中一個典型的解決方案。其工作原理是：在一幀曝光截止前，整個陣列所有的像素中的第一晶體管Sample1和第二晶體管Sample2導通，第一電容C1通過源極跟隨器M2對電荷存儲點FD的復位信號電壓進行采樣。采樣結束后開啟傳輸管TX，光生電子從釘扎光電二極管(Pinned photodiode)中被傳輸到電荷存儲點FD中。光生電子在電荷存儲點FD的電容中產生壓降。第二晶體管Sample2再次導通，第二電容C2通過源極跟隨器M2對電荷存儲點FD的圖像信號電壓再次采樣。在全局采樣結束后，每一行的總線選通開關Select分別導通，先讀出第一電容C1存儲的復位信號電壓Vreset，然后通過第一晶體管Sample1導通，第一電容C1和第二電容C2進行均衡之后讀出均衡后的信號電壓為(Vsignal+Vreset)/2。兩次讀出的信號差值為 Vreset-(Vsignal+Vreset)/2＝(Vreset-Vsignal)/2；通過圖1所示全局快門結構，一方面，讀出的信號幅度即兩次讀出信號電壓的差值由于圖1所示像素結構的限制，在未考慮兩級源極跟隨器的增益的情況下，已經變為了兩個存儲信號差值的一半，從而降低了圖像傳感器像素的動態范圍。另一方面，第二采樣電容C2 存儲的圖像信號電壓值由于結構的限制無法被快速直接的讀出。