本發(fā)明涉及一種高增益圖像傳感器的控制方法。

背景技術(shù)：

1、標(biāo)準(zhǔn)圖像傳感器具有大致60db至70db的有限動(dòng)態(tài)范圍。然而，現(xiàn)實(shí)世界的亮度的動(dòng)態(tài)范圍要大得多。自然景象通?？缭?0db及以上的范圍。圖像傳感器在某些應(yīng)用場景中具有單幀高動(dòng)態(tài)范圍（hdr）的功能需求，例如拍攝運(yùn)動(dòng)的物體或者追求高幀率拍攝讀出的場景。

2、在目前的cmos圖像傳感器中，普遍采用3t或4t像素結(jié)構(gòu)（圖1示出傳統(tǒng)4t像素作為示例），主要原因在于像素中的放大管m3為源極跟隨器結(jié)構(gòu)（sourcefollower，sf），像素輸出電壓范圍較大以及復(fù)位電壓自由度較高，其轉(zhuǎn)換增益近似地反比于fd節(jié)點(diǎn)（m3管柵極）電容。為了在低照度下取得更好的噪聲表現(xiàn)，業(yè)界已有的另一種做法是將像素中的放大管改為工作于共源放大結(jié)構(gòu)，即所謂電容反饋跨阻抗放大器（capacitor?feedbacktransimpedance?amplifier，ctia）像素結(jié)構(gòu)（如圖2所示），其轉(zhuǎn)換增益近似地反比于m3管柵極和漏極之間的電容。由于，ctia像素相比傳統(tǒng)4t像素可以取得更高的轉(zhuǎn)換增益。然而，ctia像素的主要問題在于工作范圍較小，需要較為精確的復(fù)位電壓，pvt魯棒性較差，而且容易由于電荷注入導(dǎo)致輸出電壓飽和。

3、為了綜合以上兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，專利us10277848b2提出了一種結(jié)合了兩種結(jié)構(gòu)的混合型像素結(jié)構(gòu)，通過切換外圍電路，使得像素可以在sf和ctia兩種模式之間切換，但是需要額外的參考電壓，而且仍然無法解決ctia像素本身存在的問題。專利cn110537366a提出一種差分像素結(jié)構(gòu)，可以一定程度上改善單端的ctia像素存在的問題，但是差分結(jié)構(gòu)的工作過程和時(shí)序較為復(fù)雜，另外功耗也會(huì)顯著增大，在應(yīng)用中會(huì)受到限制。專利cn107770461提出一種雙增益輸出的像素結(jié)構(gòu)，結(jié)合像素和列電路中放大器，實(shí)現(xiàn)sf和ctia兩種模式的信號(hào)輸出，但是這種結(jié)構(gòu)需要在像素內(nèi)增加電容和晶體管以及額外的信號(hào)輸出線，增大了像素的復(fù)雜程度，列電路中的放大器也會(huì)增加整體的功耗。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種高增益圖像傳感器的控制方法，可以在傳統(tǒng)像素結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過簡單的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和較低的功耗成本實(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)換增益。

2、基于以上考慮，本發(fā)明提供一種高增益圖像傳感器的控制方法，所述圖像傳感器包括陣列排布的多列像素單元，每列像素單元具有列共用的電流輸入連線和列共用的電流輸出連線，每列中各像素單元的源跟隨晶體管的柵極連接各自的浮置擴(kuò)散區(qū)，源跟隨晶體管的漏極連接所述列共用的電流輸入連線，源跟隨晶體管的源極直接或通過各自的行行選擇晶體管連接所述列共用的電流輸出連線；所述列共用的電流輸入連線和列共用的電流輸出連線連接至列信號(hào)讀出單元；所述列信號(hào)讀出單元包括列偏置電流源以及列pmos放大管，所述列偏置電流源與所述列共用的電流輸出連線相連，所述列pmos放大管的漏極與所述列共用的電流輸入連線相連，所述列pmos放大管的柵極直接或通過電容與所述列共用的電流輸出連線相連，可在所述列共用的電流輸入連線上得到放大的讀出行像素單元浮置擴(kuò)散區(qū)的信號(hào)。

3、優(yōu)選的，當(dāng)所述列pmos放大管的柵極通過第一電容與所述列共用的電流輸出連線相連時(shí)，在所述列pmos放大管的柵極與漏極之間設(shè)置第二電容，通過改變所述第一電容與第二電容的比例，改變所述列信號(hào)讀出單元在所述列共用的電流輸入連線上對讀出行像素單元浮置擴(kuò)散區(qū)信號(hào)的放大倍數(shù)。

4、優(yōu)選的，所述列信號(hào)讀出單元還包括相關(guān)電源產(chǎn)生模塊，通過所述相關(guān)電源產(chǎn)生模塊鎖存第一偏置電壓并輸出列第二電源電壓至所述列pmos放大管的源極，以使得所述列信號(hào)讀出單元的電源在采樣參考信號(hào)和采樣圖像信號(hào)時(shí)具有相關(guān)性，從而消除電源噪聲對相關(guān)雙采樣的影響。

5、優(yōu)選的，所述相關(guān)電源產(chǎn)生模塊包括至少一個(gè)源跟隨晶體管，所述相關(guān)電源產(chǎn)生模塊的源跟隨晶體管的漏極連接第一電源電壓，源極連接列第二電源電壓輸出端，柵極在采樣參考信號(hào)的時(shí)間之前采樣并鎖存所述第一偏置電壓，產(chǎn)生列信號(hào)讀出單元所需要的在采樣參考信號(hào)和采樣圖像信號(hào)時(shí)具有相關(guān)性的列第二電源電壓。

6、優(yōu)選的，所述相關(guān)電源產(chǎn)生模塊的源跟隨晶體管的柵極通過第七開關(guān)采樣所述第一偏置電壓，并保持在第三電容上，在采樣參考信號(hào)的時(shí)間之前進(jìn)行逐行或逐幀的采樣保持。

7、優(yōu)選的，所述列信號(hào)讀出單元還包括噪聲補(bǔ)償模塊，所述噪聲補(bǔ)償模塊感應(yīng)所述第一電源電壓或列第二電源電壓的波動(dòng)并產(chǎn)生負(fù)反饋信號(hào)作用于所述列第二電源電壓，以抑制所述列第二電源電壓的波動(dòng)。

8、優(yōu)選的，所述噪聲補(bǔ)償模塊包括電流鏡單元，所述電流鏡單元的偏置端通過第四電容與所述第一電源電壓輸出端相連，所述電流鏡單元的漏極與所述列第二電源電壓輸出端相連。

9、優(yōu)選的，所述電流鏡單元的偏置端還通過第八開關(guān)采樣第二偏置電壓，并保持在第五電容上，以進(jìn)行逐行或逐幀的采樣保持。

10、優(yōu)選的，所述電流鏡單元為共源共柵電流鏡。

11、優(yōu)選的，所述噪聲補(bǔ)償模塊包括放大晶體管，所述放大晶體管的柵極通過第六電容與所述列第二電源電壓輸出端相連，漏極與電流源相連，并通過第七電容與所述相關(guān)電源產(chǎn)生電路的源跟隨晶體管的柵極相連，所述放大晶體管的柵極與漏極之間連接有第九開關(guān)，可以通過逐行或逐幀的閉合所述第九開關(guān)來實(shí)現(xiàn)所述放大晶體管的直流偏置。

12、優(yōu)選的，所述列信號(hào)讀出單元還包括鉗位模塊，在采樣參考信號(hào)和采樣圖像信號(hào)之前，分別通過所述鉗位模塊將所述像素單元的源跟隨晶體管漏極的電壓鉗位到同一電平。

13、優(yōu)選的，所述鉗位模塊包括鉗位晶體管，所述鉗位晶體管的源極連接所述列第二電源電壓，柵極和漏極彼此連接，同時(shí)漏極通過第十開關(guān)連接所述像素單元的源跟隨晶體管的漏極。

14、優(yōu)選的，所述鉗位晶體管的尺寸為固定尺寸或陣列可調(diào)尺寸。

15、優(yōu)選的，每個(gè)所述列信號(hào)讀出單元對應(yīng)一個(gè)相關(guān)電源產(chǎn)生模塊，或者，多個(gè)所述列信號(hào)讀出單元對應(yīng)一個(gè)相關(guān)電源產(chǎn)生模塊。

16、優(yōu)選的，每個(gè)所述列信號(hào)讀出單元對應(yīng)一個(gè)噪聲補(bǔ)償模塊，或者，多個(gè)所述列信號(hào)讀出單元對應(yīng)一個(gè)噪聲補(bǔ)償模塊。

17、優(yōu)選的，每個(gè)所述列信號(hào)讀出單元對應(yīng)一個(gè)鉗位模塊，或者，多個(gè)所述列信號(hào)讀出單元對應(yīng)一個(gè)鉗位模塊。

18、優(yōu)選的，所述的高增益圖像傳感器的控制方法，包括：采樣所述像素單元的源跟隨晶體管的源極輸出至所述列信號(hào)讀出單元的第一參考信號(hào)；采樣所述像素單元的源跟隨晶體管的漏極輸出至所述列信號(hào)讀出單元的第二參考信號(hào)；打開所述像素單元的轉(zhuǎn)移晶體管，采樣所述像素單元輸出至所述列信號(hào)讀出單元的圖像信號(hào)。

19、優(yōu)選的，采樣所述像素單元輸出至所述列信號(hào)讀出單元的圖像信號(hào)的步驟包括：根據(jù)從所述像素單元讀取的電壓信號(hào)進(jìn)行判斷；若判斷結(jié)果為高照度條件，采樣所述像素單元的源跟隨晶體管的源極輸出至所述列信號(hào)讀出單元的第一圖像信號(hào)，所述像素單元具有第一轉(zhuǎn)換增益；若判斷結(jié)果為低照度條件，采樣所述像素單元的源跟隨晶體管的漏極輸出至所述列信號(hào)讀出單元的第二圖像信號(hào)，所述像素單元具有第二轉(zhuǎn)換增益；所述第二轉(zhuǎn)換增益高于所述第一轉(zhuǎn)換增益。

20、優(yōu)選的，根據(jù)從所述像素單元讀取的電壓信號(hào)進(jìn)行判斷的步驟包括：將打開所述轉(zhuǎn)移晶體管前后從所述像素單元讀取的電壓信號(hào)的變化幅度與閾值電壓進(jìn)行比較，若變化幅度小于等于閾值電壓則為低照度條件，若變化幅度大于閾值電壓則為高照度條件。

21、優(yōu)選的，利用模數(shù)轉(zhuǎn)換的斜坡電壓的下降區(qū)間作為所述閾值電壓。

22、優(yōu)選的，采樣所述像素單元輸出至所述列信號(hào)讀出單元的圖像信號(hào)的步驟包括：采樣所述像素單元的源跟隨晶體管的漏極輸出至所述列信號(hào)讀出單元的第二圖像信號(hào)，所述像素單元具有第二轉(zhuǎn)換增益；采樣所述像素單元的源跟隨晶體管的源極輸出至所述列信號(hào)讀出單元的第一圖像信號(hào)，所述像素單元具有第一轉(zhuǎn)換增益；所述第二轉(zhuǎn)換增益高于所述第一轉(zhuǎn)換增益。

23、優(yōu)選的，所述像素單元的源跟隨晶體管的源極輸出至所述列信號(hào)讀出單元時(shí)，通過所述像素單元的雙轉(zhuǎn)換增益控制晶體管調(diào)整所述第一轉(zhuǎn)換增益。

24、優(yōu)選的，通過所述像素單元的雙轉(zhuǎn)換增益控制晶體管調(diào)整所述第一轉(zhuǎn)換增益的步驟包括：打開所述雙轉(zhuǎn)換增益控制晶體管，以獲得相對較低的第一轉(zhuǎn)換增益，或者，關(guān)閉所述雙轉(zhuǎn)換增益控制晶體管，以獲得相對較高的第一轉(zhuǎn)換增益。

25、優(yōu)選的，通過開關(guān)模塊控制所述像素單元的源跟隨晶體管的源極或漏極輸出至所述列信號(hào)讀出單元。

26、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明高增益圖像傳感器的像素單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)3t或4t像素一致，工藝兼容性好；僅通改進(jìn)列信號(hào)讀出單元的電路結(jié)構(gòu)及連接方式，可以實(shí)現(xiàn)超高轉(zhuǎn)換增益（super?high?conversion?gain，shcg），拓展暗光場景下的動(dòng)態(tài)范圍，而無需引入額外參考電壓、額外放大電路帶來的功耗；列信號(hào)讀出單元中的器件結(jié)構(gòu)尺寸可以遠(yuǎn)大于像素內(nèi)晶體管，工藝一致性更好，也可以更靈活調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換增益；可以通過驅(qū)動(dòng)列信號(hào)讀出單元中的開關(guān)模塊，而無需驅(qū)動(dòng)像素陣列中的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)shcg模式與std模式（standardmode，標(biāo)準(zhǔn)模式，即傳統(tǒng)源極跟隨模式）之間的切換，操作時(shí)對電源和地的沖擊更小，提高了電路穩(wěn)定性。

27、優(yōu)選的，通過相關(guān)電源產(chǎn)生模塊鎖存第一偏置電壓并輸出列第二電源電壓至列pmos放大管的源極，以使得所述列信號(hào)讀出單元的電源在采樣參考信號(hào)和采樣圖像信號(hào)時(shí)具有相關(guān)性，從而消除電源噪聲對相關(guān)雙采樣的影響，提高成像質(zhì)量；通過噪聲補(bǔ)償模塊感應(yīng)所述第一電源電壓或列第二電源電壓的波動(dòng)并產(chǎn)生負(fù)反饋信號(hào)作用于所述列第二電源電壓，以抑制所述列第二電源電壓的波動(dòng)，進(jìn)一步減小電源噪聲；在采樣參考信號(hào)和采樣圖像信號(hào)之前，分別通過鉗位模塊將所述像素單元的源跟隨晶體管漏極的電壓鉗位到同一電平，加快信號(hào)穩(wěn)定速度，提高參考信號(hào)和圖像信號(hào)建立的一致性，改善圖像質(zhì)量。