一种低噪声全局曝光像素结构及其工作方法与流程

1.本发明属于像素结构领域，尤其是涉及一种低噪声全局曝光像素结构及其工作方法。


背景技术：

2.随着cmos工艺技术的快速发展，cmos图像传感器（cmos image sensor, cis）已经成为了视觉领域的主流产品。用于光电转换的像素是图像传感器的核心器件。
3.像素的作用是通过光电二极管和多个晶体管将光信号转换为电压信号，转换得到的电压信号通过读出电路读出，经过模拟放大、adc采样等数据处理后，输出为数字信号，通过数字信号处理，形成图像。在有源像素结构中，通过使用晶体管的数量来分类，可以分为3t~10t等多个类型，t表示像素中晶体管的数量。4t像素结构由一个光电二极管和四个晶体管组成，在3t像素结构的基础上，在光电二极管和复位管之间，加入了一个由栅级电压控制的传输管。通过时序控制，有效地使光电二极管与电荷储存区域在非曝光时间隔离，是目前最常用的像素结构。但是4t像素结构只能实现滚筒曝光，在拍摄运动物体时会引入图像形变。
4.为实现全局曝光，在像素4t结构基础上增加一个晶体管成为5t像素结构，实现了全局快门（global shutter）功能，有效的消除运动伪影现象，改善了成像质量。但是，5t像素存在无法消除复位噪声的缺点。为了降低5t像素工作中的复位噪声，提出了8t像素结构，如图1所示。图1为传统的8t像素结构，传统的8t像素结构由一个光电二极管、8个晶体管和2个电容构成。8t像素结构相比于5t像素结构，有效地去除了复位噪声。8t像素结构的缺点是单个像素内增加了源极跟随器（如图1中方框所示），从而在像素工作过程中，源极跟随器中的电源vdd到地的通路上持续有电流流过，导致单个像素的功耗增加；同时，源极跟随器还成为了新的噪声源，使得像素噪声性能提升有限。
5.为了解决源极跟随器引入的功耗增加和额外噪声问题，本发明提出一种低噪声全局曝光像素结构及其工作方法。本发明中像素结构由一个光电二极管，8个晶体管，2个电容组成。相比于传统8t有源相素结构，将源极跟随器中作为电流源的mpc晶体管去除，让内部的缓冲晶体管msf源极处在浮空状态，避免了源极跟随器电源vdd到地的通路中的持续电流。同时，源极处在浮空状态的晶体管相比源极跟随器可实现低噪声的信号缓冲。因此，相比于传统8t有源像素结构，该结构有噪声小，功耗低的优点。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明旨在提出一种低噪声全局曝光像素结构及其工作方法，以解决源极跟随器引入的功耗增加和额外噪声问题。
7.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种低噪声全局曝光像素结构，包括n
×
n个像素单元，n
×
n个所述像素单元组成像素阵列；所述像素阵列还包括输入信号、输出信号；所述输入信号包括输入信号tx、输入
信号rst、输入信号s1、输入信号s2、输入信号sel、输入信号pd
sw
，所述输出信号包括n个输出信号vout，n个输出信号vout互相平行设置；所述输入信号tx，输入信号rst均为全局信号，所述输入信号tx、输入信号rst均为n个，n个输入信号tx、输入信号rst互相平行设置，每个输入信号tx、输入信号rst均连接n个像素单元，第n行像素单元共用同一组输入信号s1、输入信号s2、输入信号sel、输入信号pd
sw
；相邻行像素单元之间的输入信号s1、输入信号s2、输入信号sel、输入信号pd
sw
波形相同，但全局信号转移阶段18-2和信号读出阶段18-3之间的延迟时间不同；每一列像素单元的输出信号vout共用一条总线。
8.进一步的，所述像素单元包括光电二极管、传输晶体管、复位晶体管、一号源跟随管、一号开关管、一号电容、下拉开关管、二号开关管、二号电容、二号源跟随管和输出晶体管；所述光电二极管阳极接地，所述光电二极管阴极连接到一号节点；所述传输晶体管源极连接到一号节点，所述传输晶体管漏极连接到二号节点，所述传输晶体管栅极连接输入信号tx；所述复位晶体管源极连接到二号节点，所述复位晶体管漏极连接到电源vdd，所述复位晶体管栅极连接到输入信号rst；所述一号源跟随管源极连接到三号节点，所述一号源跟随管漏极连接到电源vdd，所述一号源跟随管栅极连接到二号节点；所述一号开关管源极连接到四号节点，所述一号开关管漏极连接到三号节点，所述一号开关管栅极连接到输入信号s1；所述一号电容的一端连接到地端，所述一号电容的另一端连接到四号节点；所述下拉开关管源极连接到地端，所述下拉开关管漏极连接到四号节点，所述下拉开关管栅极连接到输入信号pd
sw
；所述二号开关管源极连接到五号节点，所述二号开关管漏极连接到四号节点，所述二号开关管栅极连接到输入信号s2；所述二号电容的一端连接到地端，所述二号电容的另一端连接到五号节点；所述二号源跟随管源极连接到六号节点，所述二号源跟随管漏极连接到电源vdd，所述二号源跟随管栅极连接到五号节点；所述输出晶体管源极连接到输出节点vout，所述输出晶体管漏极连接到六号节点，所述输出晶体管栅极连接到输入信号sel。
9.进一步的，一种低噪声全局曝光像素结构的工作方法，包括像素单元的工作时序和像素阵列的工作时序；像素单元的工作时序包括以下步骤：s1、将像素单元工作的一个周期18分为三个阶段，分别为全局信号复位阶段18-1、全局信号转移阶段18-2、信号读出阶段18-3；s2、执行全局信号复位阶段18-1；s3、执行全局信号转移阶段18-2；s4、执行信号读出阶段18-3；像素阵列的工作时序包括以下步骤：a1、将像素阵列工作的一个帧周期分为三个阶段，分别为全局信号复位阶段、全局信号转移阶段和全局信号读出阶段；a2、同步执行前一帧周期的全局信号读出阶段和本帧周期的全局信号复位阶段；a3、全局信号复位阶段的全局信号复位完成后，等效曝光开始；a4、进入全局信号转移阶段，像素阵列内的n
×
n个像素单元同时进行信号转移，等效曝光结束，每个像素单元将其光强信号转换为电压信号存储起来；a5、进入全局信号读出阶段，像素阵列进行列扫描，信号按行逐次读出；在信号按
行读出的同时，下一帧的全局信号复位也同时进行；a6、随着步骤a5的第n行信号读出，全局信号读出阶段结束。
10.进一步的，在步骤s2中的执行全局信号复位阶段18-1包括以下步骤：s21、输入信号s1，输入信号s2，输入信号sel，输入信号pd
sw
信号置为低电平；s22、输入信号rst和输入信号tx信号同时上升为高电平，此时传输晶体管、复位晶体管导通，光电二极管阴极与电源vdd之间形成通路，光电二极管开始复位；s23、在步骤s22的光电二极管复位后，输入信号tx下降为低电平；s24、输入信号rst下降为低电平；s25、全局信号复位阶段结束，光电二极管收集光生电荷，等效曝光开始。
11.进一步的，在步骤s3中的执行全局信号转移阶段18-2包括以下步骤：s31、输入信号rst信号上升到高电平，s32、输入信号rst信号下降到低电平，对二号节点4复位；s33、输入信号s2和输入信号pd
sw
上升到高电平，此时，下拉开关管和二号开关管导通，一号电容和二号电容开始复位；s34、输入信号pd
sw
信号下降为低电平，下拉开关管关断，一号电容和二号电容复位结束；s35、输入信号pd
sw
下降到低电平之后，输入信号s1上升到高电平，此时存在二号节点到一号电容和二号电容的通路，一号电容和二号电容开始充电；s36、随着步骤s35的充电进行，一号电容和二号电容两端电压增加，一号源跟随管工作状态从饱和区逐渐向亚阈值区变化，当一号源跟随管工作在亚阈值区后，一号电容和二号电容两端电压趋于稳定；s37、输入信号s2下降为低电平，随着输入信号s2的下降，二号电容充电结束，二号电容记录复位状态的电压vrst；s38、随着步骤s37的输入信号s2下降为低电平之后，输入信号s1下降为低电平；输入信号tx先上升为高电平然后下降为低电平，光电二极管的电荷通过传输晶体管传到二号节点，二号节点的电压体现像素单元所曝光的光电信息，等效曝光结束；s39、输入信号pd
sw
上升为高电平，一号电容开始复位；s310、输入信号pd
sw
下降为低电平，一号电容复位结束；s311、随着步骤s310的输入信号pd
sw
下降到低电平之后，输入信号s1上升到高电平，此时二号节点到一号电容存在通路，一号电容开始充电；s312、随着步骤s311的充电进行，一号电容两端电压升高，一号源跟随管工作状态从饱和区逐渐向亚阈值区变化，当一号源跟随管工作在亚阈值区后，一号电容两端电压趋于稳定；s313、输入信号s1下降为低电平；s314、随着步骤s313的输入信号s1的下降，一号电容充电结束，一号电容记录的是含有光电信息的电压vsig；s315、随着步骤s314的输入信号s1降为低电压后，像素单元的全局信号转移阶段结束。
12.进一步的，在步骤s4中的执行信号读出阶段18-3包括以下步骤：
的含义是两个或两个以上。
18.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
19.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
20.如图2所示，一种低噪声全局曝光像素结构：图2展示的是本发明的低噪声全局曝光像素结构。一个低噪声全局曝光像素由1个光电二极管1、8个晶体管（传输晶体管3、复位晶体管5、一号源跟随管6、一号开关管8、下拉开关管11、二号开关管12、二号源跟随管15和输出晶体管17）和2个电容（一号电容10、二号电容14）组成。在图2中，光电二极管1阳极接地，阴极连接到一号节点2；传输晶体管3源极连接到一号节点2，漏极连接到二号节点4，栅极连接输入信号tx；复位晶体管5源极连接到二号节点4，漏极连接到电源vdd，栅极连接到输入信号rst；一号源跟随管6源极连接到三号节点7，漏极连接到电源vdd，栅极连接到二号节点4；一号开关管8源极连接到四号节点9，漏极连接到三号节点7，栅极连接到输入信号s1；一号电容10的极板两端，一端连接到地端，另一端连接到四号节点9；下拉开关管11源极连接到地端，漏极连接到四号节点9，栅极连接到输入信号pd
sw
；二号开关管12源极连接到五号节点13，漏极连接到四号节点9，栅极连接到输入信号s2；二号电容14两端，一端连接到地端，另一端连接到五号节点13；二号源跟随管15源极连接到六号节点16，漏极连接到电源vdd，栅极连接到五号节点13；输出晶体管17源极连接到输出节点vout，漏极连接到六号节点16，栅极连接到输入信号sel。
21.一种低噪声全局曝光像素结构的工作方法：图3为低噪声全局曝光像素结构的时序图，低噪声全局曝光像素工作的一个周期18分为三个阶段，分别为全局信号复位阶段18-1、全局信号转移阶段18-2、信号读出阶段18-3。
22.在全局信号复位阶段18-1里，输入信号s1，输入信号s2，输入信号sel，输入信号pd
sw
信号始终为低电平，输入信号rst和输入信号tx信号同时上升为高电平，此时传输晶体管3，复位晶体管5导通，光电二极管1阴极与电源vdd之间形成通路，光电二极管1开始复位。复位一段时间后，输入信号tx先下降为低电平，然后输入信号rst下降为低电平，全局信号复位阶段结束。输入信号tx比输入信号rst先下降为低电平，可以防止复位晶体管5断开形成的波动对光电二极管1产生影响。全局信号复位阶段结束后，光电二极管1开始收集光生电荷，等效曝光开始。
23.在全局信号转移阶段18-2里，输入信号rst信号先上升到高电平，维持一段时间后下降到低电平，对二号节点4复位，消除因为漏电等原因造成的二号节点4电压的变化。接着，输入信号s2和输入信号pd
sw
先上升到高电平，下拉开关管11和二号开关管12导通，一号电容10和二号电容14开始复位。一段时间后，输入信号pd
sw
信号下降为低电平，下拉开关管11关断，一号电容10和二号电容14复位结束。输入信号pd
sw
下降到低电平之后，输入信号s1上升到高电平，此时存在二号节点4到一号电容10和二号电容14的通路，一号电容10和二号电容14开始充电。随着充电的进行，一号电容10和二号电容14两端电压增加，一号源跟随管
6工作状态从饱和区逐渐向亚阈值区变化，当一号源跟随管6工作在亚阈值区后，一号电容10个二号电容14两端电压趋于稳定。一段时间后，输入信号s2下降为低电平，随着输入信号s2的下降，二号电容14充电结束，二号电容14记录了复位状态的电压vrst。输入信号s2下降为低电平之后，输入信号s1下降为低电平。接着，输入信号tx先上升为高电平然后下降为低电平，光电二极管1的电荷通过传输晶体管3传到二号节点4，此时二号节点4的电压体现了该像素单元所曝光的光电信息，等效曝光结束。然后输入信号pd
sw
上升为高电平，一号电容10开始复位。一段时间后，输入信号pd
sw
下降为低电平，一号电容10复位结束。输入信号pd
sw
下降到低电平之后，输入信号s1上升到高电平，此时二号节点4到一号电容10存在通路，一号电容10开始充电。随着充电的进行，一号电容10两端电压升高，一号源跟随管6工作状态从饱和区逐渐向亚阈值区变化，当一号源跟随管6工作在亚阈值区后，一号电容10两端电压趋于稳定。一段时间后，输入信号s1下降为低电平。随着输入信号s1的下降，一号电容10充电结束，一号电容10记录的是含有光电信息的电压vsig。输入信号s1降为低电压后，像素单元的全局信号转移阶段结束。
24.在信号读出阶段18-3里，输入信号sel先上升为高电平，输出晶体管17导通，二号电容14中储存的复位状态的电压vrst通过二号源跟随管15和输出晶体管17输出到输出信号vout。然后当输入信号s2上升为高电平时，二号开关管12导通，一号电容10和二号电容14电荷重新分配，电容上极板电压变为vsig_avg，此电压通过二号源跟随管15和输出晶体管17输出到输出信号vout。随后，输入信号s2先下降为低电平，二号开关管12关断；然后输入信号sel下降到低电平，输出晶体管17关断。信号读出阶段结束。
25.图4描述了一个n
×
n低噪声全局曝光像素阵列，由像素单元、输入信号、输出信号组成。其中，输入信号tx，输入信号rst为全局信号，连接到每一个像素。第n行像素共用同一组输入信号s1-n、输入信号s2-n、输入信号sel-n、输入信号pd
sw-n。相邻行之间的输入信号s1、输入信号s2、输入信号sel、输入信号pd
sw
波形相同，但全局信号转移阶段18-2和信号读出阶段18-3之间的延迟时间不同，典型情况后一行比前一行多延迟一个行读出时间，从而达到行与行之间的读出互不干扰。每一列像素的输出信号vout共用一条总线。
26.由于输入信号tx，输入信号rst为全局信号，所以可以实现全局曝光和全局复位操作。而每一行共用一组输入信号s1，输入信号s2，输入信号sel，输入信号pd
sw
信号，同一列像素的输出信号使用一条总线，从而实现列并行、逐行读出功能。
27.图5描述的是一个n
×
n低噪声全局曝光像素阵列的一个帧周期的时序图，一个帧周期包括三个阶段，分别为全局信号复位阶段，全局信号转移阶段，全局信号读出阶段。
28.低噪声全局曝光像素结构将信号存储在一号电容10和二号电容14中，因此信号读出和信号复位相互隔离，全局信号读出阶段和全局信号复位阶段可以同时进行。因此在图5中的一个帧周期中的全局信号复位阶段，是在前一个帧周期中的全局信号读出阶段完成的，全局信号复位完成后，等效曝光开始。
29.在全局信号转移阶段，整个n
×
n像素阵列同时进行信号转移，实现全局快门功能，等效曝光结束，每个低噪声全局曝光像素将这一时刻的光强信号转换为电压信号存储起来。
30.在全局信号读出阶段，像素阵列进行列扫描，信号按行逐次读出。在信号按行读出的同时，下一帧的全局信号复位也同时进行，随着第n行信号的读出，全局信号读出阶段结
束。
31.本发明针对现有8t像素结构的问题，设计一个低噪声全局曝光像素结构及其工作方法，经过计算推导和仿真测试，低噪声全局曝光像素结构在噪声性能和功耗性能方面相比于传统8t像素结构都有提升。本发明保护的关键点是低噪声全局曝光像素结构及其工作方法。
32.本发明的优点：本发明在传统8t像素结构的基础上，提出了一种低噪声全局曝光像素结构及其工作方法。本发明将传统结构的源极跟随器中的起电流源作用的晶体管除去，在两个电容相连的节点处与地之间增加一个由输入信号控制栅极电压的晶体管，避免了源极跟随器电源vdd到地的通路中的持续电流。同时，源极处在浮空状态的晶体管相比源极跟随器可实现低噪声的信号缓冲。从而达到减小像素噪声、降低像素功耗的效果。
33.实施例1本实施例的图像传感器像素结构如图2所示，包括由1个光电二极管，8个晶体管和2个电容组成。光电二极管1阳极接地，阴极连接到节点2；传输晶体管3源极连接到节点2，漏极连接到节点4，栅极连接输入信号tx；复位晶体管5源极连接到节点4，漏极连接到电源vdd，栅极连接到输入信号rst；源跟随管6源极连接到节点7，漏极连接到电源vdd，栅极连接到节点4；开关管8源极连接到节点9，漏极连接到节点7，栅极连接到输入信号s1；电容10的极板两端，一端连接到地端，另一端连接到节点9；下拉开关管11源极连接到地端，漏极连接到节点9，栅极连接到输入信号pdsw；开关管12源极连接到节点13，漏极连接到节点9，栅极连接到输入信号s2；电容14两端，一端连接到地端，另一端连接到节点13；源跟随管15源极连接到节点16，漏极连接到电源vdd，栅极连接到节点13；晶体管17源极连接到输出节点vout，漏极连接到节点16，栅极连接到输入信号sel。
34.在实施例中，晶体管3，5，6，8，11，12，15，17的宽长比为350nm/600nm。电容10和电容14的容值为2ff。
35.本实施例的低噪声全局曝光像素应用于分辨率为1000（行）x1000（列），帧频为30fps的图像传感器中。本实施例的低噪声全局曝光像素结构时序图如图3所示，低噪声全局曝光像素工作的一个周期18的时间为30ms，其中全局信号复位阶段18-1的时间为1μs，全局信号转移阶段18-2的时间为18ms，信号读出阶段18-3的时间为12μs，全阵列（1000行）的读出阶段时间为12ms。
36.本实施例实现指标为：分辨率：1000（行）x1000（列）；帧频：30fps；全局信号复位时间：1μs；全局信号转移时间：18ms；全阵列读出时间：12ms。
37.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。