本發(fā)明涉及模擬集成電路，特別是涉及一種適用于微光環(huán)境的自適應(yīng)復(fù)位的大動(dòng)態(tài)范圍像素結(jié)構(gòu)、圖像傳感器以及電子設(shè)備。

背景技術(shù)：

1、動(dòng)態(tài)范圍(dynamic?range,dr)是cis的關(guān)鍵性能參數(shù)之一，代表了cis能夠在同一幀圖像中同時(shí)探測(cè)到的最大光強(qiáng)信號(hào)和最小光強(qiáng)信號(hào)的范圍，動(dòng)態(tài)范圍越高，圖像的對(duì)比度細(xì)節(jié)越清晰。cis的微光探測(cè)能力和像素的轉(zhuǎn)換增益和adc的量化精度密切相關(guān)，微光環(huán)境下光信號(hào)很小，需要高的轉(zhuǎn)換增益將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后通過高精度的adc進(jìn)行量化，才能得到有效的光信息。像素的轉(zhuǎn)換增益由電荷-電壓轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)的電容決定，由于寄生的影響，很難繼續(xù)提升。adc的量化精度由計(jì)數(shù)器的位數(shù)決定，提升adc的精度會(huì)導(dǎo)致功耗和面積的增加。因此提升像素的微光探測(cè)能力存在巨大的挑戰(zhàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了解決傳統(tǒng)像素微光探測(cè)能力弱，微光環(huán)境動(dòng)態(tài)范圍低的問題，提出了一種自適應(yīng)復(fù)位的大動(dòng)態(tài)范圍像素結(jié)構(gòu)、圖像傳感器以及電子設(shè)備。自適應(yīng)復(fù)位的大動(dòng)態(tài)范圍像素結(jié)構(gòu)在每幀曝光結(jié)束后，通過列級(jí)電路的比較結(jié)果判斷像素是否進(jìn)行復(fù)位，當(dāng)光強(qiáng)較低時(shí)，不進(jìn)行復(fù)位，在上一幀的基礎(chǔ)上繼續(xù)曝光，從而實(shí)現(xiàn)微光信號(hào)的量化，拓展微光環(huán)境的動(dòng)態(tài)范圍。

2、本發(fā)明的第一方面，提供一種自適應(yīng)復(fù)位的大動(dòng)態(tài)范圍像素結(jié)構(gòu)，其像素單元通過列反饋實(shí)現(xiàn)像素在不同光強(qiáng)場(chǎng)景下復(fù)位的自適應(yīng)控制，實(shí)現(xiàn)微光環(huán)境的動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展，包括光電二極管，傳輸管，電荷存儲(chǔ)電容，復(fù)位管，第一開關(guān)，第一電容，第一源極跟隨器，第二開關(guān)，行選管，第二源極跟隨器，第三開關(guān)，鎖存器，第一與門，第二與門；

3、其中，光電二極管的正極和傳輸管的源極連接，光電二極管的負(fù)極接地，傳輸管的柵極接傳輸控制信號(hào)，傳輸管的漏極同時(shí)和電荷存儲(chǔ)電容的一端、第一開關(guān)的源極、復(fù)位管的源極連接，電荷存儲(chǔ)電容的另一端接地，第一開關(guān)的漏極同時(shí)和第一電容的一端、第一源極跟隨器的柵極連接，第一開關(guān)的柵極和第一與門的輸出連接，第一電容的另一端接地，第一源極跟隨器的漏極接電源電壓，第一源極跟隨器的源極和第二開關(guān)的源極連接，第二開關(guān)的漏極和行選管的源極連接，第二開關(guān)的柵極接第二開關(guān)信號(hào)，行選管的柵極接行選信號(hào)，行選管的漏極接列總線，第二源極跟隨器的柵極和第一開關(guān)的源極連接，第二源極跟隨器的漏極接電源電壓，第二源極跟隨器的源極和第三開關(guān)的源極連接，第三開關(guān)的漏極和行選管的源極連接，第三開關(guān)的柵極接第三開關(guān)信號(hào)，鎖存器的輸入為列反饋信號(hào)，鎖存器的時(shí)鐘信號(hào)為鎖存信號(hào)，鎖存器的輸出同時(shí)和第一與門和第二與門的一端輸入連接，第一與門的另一端輸入為第一開關(guān)信號(hào)，第二與門的另一端輸入為復(fù)位控制信號(hào)，第二與門的輸出和復(fù)位管的柵極連接，復(fù)位管的漏極接電源電壓。

4、其中，所述像素單元在每幀曝光結(jié)束后，通過列級(jí)電路的比較結(jié)果判斷像素是否進(jìn)行復(fù)位，在不進(jìn)行復(fù)位時(shí)，在上一幀的基礎(chǔ)上繼續(xù)曝光，從而實(shí)現(xiàn)微光信號(hào)的量化，實(shí)現(xiàn)拓展微光環(huán)境的動(dòng)態(tài)范圍。

5、其中，所述的通過列級(jí)電路的比較結(jié)果判斷像素是否進(jìn)行復(fù)位，通過對(duì)讀出的復(fù)位電壓與信號(hào)電壓做差后是否小于參考電壓來判斷；如果復(fù)位電壓和信號(hào)電壓做差后小于參考電壓，列反饋信號(hào)為低電平，像素不進(jìn)行復(fù)位；如果復(fù)位電壓和信號(hào)電壓做差后大于參考電壓，列反饋信號(hào)為高電平，像素進(jìn)行復(fù)位。

6、其中，所述的讀出的復(fù)位電壓和信號(hào)電壓通過相關(guān)雙采樣做差，做差后的結(jié)果與參考電壓進(jìn)行比較產(chǎn)生列反饋信號(hào)。

7、其中，所述的列反饋信號(hào)在鎖存信號(hào)的控制下傳輸出到第二與門，第二與門的輸出控制復(fù)位管是否進(jìn)行復(fù)位。

8、其中，所述像素單元進(jìn)行信號(hào)處理，輸出復(fù)位電壓與信號(hào)電壓的過程，包括：

9、第一電容存儲(chǔ)像素的復(fù)位電壓，采樣電壓通過第一源極跟隨器讀出，電荷存儲(chǔ)電容存儲(chǔ)像素的信號(hào)電壓，信號(hào)電壓通過第二源極跟隨器讀出，在行選管導(dǎo)通時(shí)，第二開關(guān)信號(hào)和第三開關(guān)信號(hào)控制復(fù)位電壓和信號(hào)電壓依次讀出到列總線。

10、其中，所述像素單元的輸出連接列讀出單元，所述列讀出單元包括第四開關(guān)，第五開關(guān)，第二電容，第三電容，cds電路，第一比較器，斜坡發(fā)生器，第二比較器，計(jì)數(shù)器；

11、其中，列總線vpix和第四開關(guān)、第五開關(guān)的一端連接，第四開關(guān)的另一端同時(shí)和第二電容的一端、cds電路的第一輸入端連接，第五開關(guān)的另一端同時(shí)和第三電容的一端、cds電路的第二輸入端連接，第四開關(guān)由第二開關(guān)信號(hào)控制，第五開關(guān)由第三開關(guān)信號(hào)s3控制，第二電容和第三電容的另一端都接地，cds電路的輸出端同時(shí)和第一比較器的正輸入端、第二比較器的正輸入端連接，第一比較器的負(fù)輸入端接參考電壓vref，第一比較器的輸出為列反饋信號(hào)fs，第二比較器的負(fù)輸入端接斜坡發(fā)生器的輸出vramp，第二比較器的輸出接計(jì)數(shù)器。

12、其中，所述像素單元的信號(hào)處理過程，包括：

13、當(dāng)上一幀像素輸出的復(fù)位電壓和信號(hào)電壓經(jīng)過cds電路做差后的結(jié)果大于設(shè)定閾值vref時(shí)，第一比較器的輸出列反饋信號(hào)fs為高電平，在時(shí)鐘信號(hào)latch高電平期間，列反饋信號(hào)fs被鎖存在鎖存器中，并在下一個(gè)高電平到來前一直保持鎖存后的結(jié)果；當(dāng)復(fù)位信號(hào)rst拉高時(shí)，第二與門輸出高電平，像素內(nèi)復(fù)位管導(dǎo)通，同時(shí)傳輸管導(dǎo)通，進(jìn)行光電二極管與電荷存儲(chǔ)電容的復(fù)位，完成復(fù)位后關(guān)閉傳輸管，拉低復(fù)位信號(hào)rst，隨后進(jìn)入曝光階段；曝光結(jié)束后進(jìn)入信號(hào)轉(zhuǎn)移階段，首先拉高復(fù)位信號(hào)rst和第一開關(guān)信號(hào)s1，第一與門和第二與門都輸出高電平，控制復(fù)位管和第一開關(guān)導(dǎo)通，將電荷存儲(chǔ)電容和第一電容復(fù)位；復(fù)位后拉低復(fù)位信號(hào)rst和第一開關(guān)信號(hào)s1，復(fù)位電壓存儲(chǔ)在第一電容；之后拉高傳輸信號(hào)tx，傳輸管導(dǎo)通，光電二極管在曝光期間積累的電荷向電荷存儲(chǔ)電容進(jìn)行轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移完成后傳輸信號(hào)tx拉低，信號(hào)電壓存儲(chǔ)在電荷存儲(chǔ)電容，之后進(jìn)入讀出階段；讀出期間，行選信號(hào)sel拉高，行選管導(dǎo)通，像素與列總線vpix保持連接，首先拉高第二開關(guān)信號(hào)s2，第二開關(guān)和第四開關(guān)都導(dǎo)通，將第一電容存儲(chǔ)的復(fù)位電壓讀出到第二電容；之后拉高第三開關(guān)信號(hào)s3，第三開關(guān)和第五開關(guān)都導(dǎo)通，將電荷存儲(chǔ)電容存儲(chǔ)的信號(hào)電壓讀出到第三電容；之后列讀出單元中的cds電路對(duì)第二電容存儲(chǔ)的復(fù)位電壓和第三電容存儲(chǔ)的信號(hào)電壓做差，做差后的結(jié)果與設(shè)定閾值vref比較，并將比較結(jié)果fs向像素反饋，控制下一幀的復(fù)位。同時(shí)，做差后的結(jié)果與斜坡發(fā)生器產(chǎn)生的斜坡信號(hào)vramp通過第二比較器進(jìn)行比較，并由計(jì)數(shù)器進(jìn)行量化；

14、當(dāng)上一幀像素輸出的復(fù)位電壓和信號(hào)電壓經(jīng)過cds電路做差后的結(jié)果小于設(shè)定閾值vref時(shí)，列反饋信號(hào)fs為低電平，在時(shí)鐘信號(hào)latch高電平期間，列反饋信號(hào)fs被鎖存在鎖存器中，鎖存器輸出為低電平，當(dāng)復(fù)位信號(hào)rst拉高時(shí)，第二與門的輸出仍然保持低電平，電荷存儲(chǔ)電容不進(jìn)行復(fù)位，仍然保存上一幀的信號(hào)電壓，繼續(xù)進(jìn)行曝光；曝光結(jié)束后，復(fù)位信號(hào)rst和第一開關(guān)信號(hào)s1拉高，由于鎖存器的輸出為低電平，第一與門和第二與門的輸出仍然保持低電平，復(fù)位管和第一開關(guān)不會(huì)導(dǎo)通，第一電容存儲(chǔ)的復(fù)位電壓不會(huì)刷新，之后傳輸信號(hào)tx拉高，光電二極管在曝光期間積累的電荷繼續(xù)向電荷存儲(chǔ)電容進(jìn)行轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移完成后進(jìn)入讀出階段；信號(hào)讀出過程：先讀復(fù)位電壓再讀信號(hào)電壓，經(jīng)第二電容和第三電容分別存儲(chǔ)后，通過cds電路進(jìn)行做差，做差后的結(jié)果與參考電壓vref在第一比較器比較，并將比較結(jié)果fs向像素反饋，控制下一幀的復(fù)位；同時(shí)，做差后的結(jié)果與斜坡發(fā)生器、產(chǎn)生的斜坡信號(hào)vramp通過第二比較器進(jìn)行比較，并由計(jì)數(shù)器進(jìn)行量化。

15、本發(fā)明的第二方面，提供一種圖像傳感器，包括所述自適應(yīng)復(fù)位的大動(dòng)態(tài)范圍像素結(jié)構(gòu)。

16、本發(fā)明的第三方面，提供一種電子設(shè)備，包括所述的圖像傳感器。

17、本發(fā)明像素結(jié)構(gòu)中的第一電容存儲(chǔ)像素的復(fù)位電壓，采樣電壓通過第一源極跟隨器讀出，電荷存儲(chǔ)電容存儲(chǔ)像素的信號(hào)電壓，信號(hào)電壓通過第二源極跟隨器讀出，在行選管導(dǎo)通時(shí)，第二開關(guān)信號(hào)和第三開關(guān)信號(hào)控制復(fù)位電壓和信號(hào)電壓依次讀出到列總線；讀出的復(fù)位電壓和信號(hào)電壓通過相關(guān)雙采樣(correlated?double?sample,cds)進(jìn)行做差，做差后的結(jié)果與參考電壓進(jìn)行比較產(chǎn)生列反饋信號(hào)，列反饋信號(hào)在鎖存信號(hào)的控制下傳輸出到第二與門，第二與門的輸出控制復(fù)位管是否進(jìn)行復(fù)位；如果復(fù)位電壓和信號(hào)電壓做差后小于參考電壓，列反饋信號(hào)為低電平，像素不進(jìn)行復(fù)位；如果復(fù)位電壓和信號(hào)電壓做差后大于參考電壓，列反饋信號(hào)為高電平，像素進(jìn)行復(fù)位；通過列反饋實(shí)現(xiàn)像素在不同光強(qiáng)場(chǎng)景下復(fù)位的自適應(yīng)控制，實(shí)現(xiàn)微光環(huán)境的動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展。