全文摘要
本实用新型提供了一种具有多转换增益的像素电路，包括：电压源，场效应管，电荷传输晶体管，光电二极管，跟随器以及选择晶体管；所述场效应管包括第一场效应管和第二场效应管，所述电荷传输晶体管包括第一电荷传输晶体管和第二传输晶体管，光电二极管包括第一光电二极管和第二光电二极管；本实用新型提出了通过改变串联的场效应管工作状态来改变电荷‑电压转换节点电容的方案，从而改变转换增益，扩展动态范围。
主设计要求
1.一种具有多转换增益的像素电路，其特征在于,包括：电压源，场效应管，电荷传输晶体管，光电二极管，跟随器以及选择晶体管；所述场效应管包括第一场效应管和第二场效应管，所述电荷传输晶体管包括第一电荷传输晶体管和第二传输晶体管，光电二极管包括第一光电二极管和第二光电二极管；复位晶体管的一端与电压源相连，其另一端与第二场效应管的一端相连，第二场效应管的另一端与第一场效应管的一端相连，第一场效应管的另一端与电荷电压转换节点相连，第一电荷传输晶体管、第二电荷传输晶体管的一端分别与电荷电压转换节点相连，第一电荷传输晶体管的另一端与第一光电二极管相连，第二电荷出书晶体管的另一端与第二光电二极管相连，所述第一光电二极管和第二光电二极管的阳极分别接地。
设计方案
1.一种具有多转换增益的像素电路，其特征在于,包括：电压源，场效应管，电荷传输晶体管，光电二极管，跟随器以及选择晶体管；所述场效应管包括第一场效应管和第二场效应管，所述电荷传输晶体管包括第一电荷传输晶体管和第二传输晶体管，光电二极管包括第一光电二极管和第二光电二极管；
复位晶体管的一端与电压源相连，其另一端与第二场效应管的一端相连，第二场效应管的另一端与第一场效应管的一端相连，第一场效应管的另一端与电荷电压转换节点相连，第一电荷传输晶体管、第二电荷传输晶体管的一端分别与电荷电压转换节点相连，第一电荷传输晶体管的另一端与第一光电二极管相连，第二电荷出书晶体管的另一端与第二光电二极管相连，所述第一光电二极管和第二光电二极管的阳极分别接地。
2.根据权利要求1所述的一种具有多转换增益的像素电路，其特征在于：所述电压源上还连接一跟随器，跟随器的另一端与选择晶体管的一端相连；选择晶体管的另一端输出电压信号。
3.根据权利要求2所述的一种具有多转换增益的像素电路，其特征在于：所述跟随器的栅极端与电荷电压转换节点相连。
4.根据权利要求1所述的一种具有多转换增益的像素电路，其特征在于：所述光电二极管为像素感光区域，用于将光子转化为电荷。
5.根据权利要求1所述的一种具有多转换增益的像素电路，其特征在于：所述第一电荷传输晶体管的漏极连接到电荷-电压转换节点，其源极与第一光电二极管的阴极相连；第二电荷传输晶体管的漏极连接到电荷-电压转换节点，其源极与光电二极管PD2的阴极相连，所述电荷传输晶体管用于控制电荷-电压转换节点与光电二极管的导通。
6.根据权利要求1所述的一种具有多转换增益的像素电路，其特征在于：所述电荷-电压转换节点用于将信号从电荷域到电压域的转换。
7.根据权利要求2所述的一种具有多转换增益的像素电路，其特征在于：所述跟随器SF的漏极与电压源相连，其源极与选择晶体管的漏极相连，其栅极连接到电荷-电压转换节点，所述跟随器用于将电荷-电压转换节点的电压信号进行缓冲。
8.根据权利要求1所述的一种具有多转换增益的像素电路，其特征在于：所述第二场效应管的源极与第一场效应管的漏极相连，第二场效应管的栅极用于输入第二调制信号；第一场效应管的源极连接到电荷-电压转换节点，第一场效应管的栅极用于输入第一调制信号；场效应管用于增益模式的选择。
9.根据权利要求1所述的一种具有多转换增益的像素电路，其特征在于：所述复位晶体管的源极与第二效应管的漏极相连，其漏极与电压源相连，栅极用于输入外部的复位信号，所述复位晶体管用于对光电二极管和电荷-电压转换节点的复位。
设计说明书
技术领域
本实用新型属于图像传感器装置领域，尤其是涉及一种具有多转换增益的像素电路。
背景技术
大动态范围成像方案中，低光强下需要电荷-电压转换(CG，conversion gain)，在高增益模式下工作以提高灵敏度，但是由于受到电荷-电压转换节点(FD，floatingdiffusion)输出电压的限制，转换增益CG较高时,饱和容量也会降低，因此动态范围会受到限制。
现有方案中，多次曝光大动态范围技术MEHDR使用较为普遍，其原理为通过多次曝光捕获的信号进行融合实现大动态范围，但是这种方法信噪比 SNR较低；另一种方法是，在同一个像素阵列中使用两种像素，一种具有高增益，另一种具有低增益，然后将不同像素信号融合得到最终信号，但这种方法会造成像素的冗余，同时也会产生光学一致性等问题。
发明内容
有鉴于此，本实用新型旨在提出一种在高转换增益模式下，具有较低噪声，能成功探测低光强下的弱信号；在低转换增益模式下，具有较高的满阱容量，能成功探测高光强下的强信号，能实现大动态范围的具有多转换增益的像素电路。
为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：
一种具有多转换增益的像素电路，包括：电压源，场效应管，电荷传输晶体管，光电二极管，跟随器以及选择晶体管；所述场效应管包括第一场效应管和第二场效应管，所述电荷传输晶体管包括第一电荷传输晶体管和第二传输晶体管，光电二极管包括第一光电二极管和第二光电二极管；
所述复位晶体管的一端与电压源相连，其另一端与第二场效应管的一端相连，第二场效应管的另一端与第一场效应管的一端相连，第一场效应管的另一端与电荷电压转换节点相连，第一电荷传输晶体管、第二电荷传输晶体管的一端分别与电荷电压转换节点相连，第一电荷传输晶体管的另一端与第一光电二极管相连，第二电荷出书晶体管的另一端与第二光电二极管相连，所述第一光电二极管和第二光电二极管的阳极分别接地。
进一步的，所述电压源上还连接一跟随器，跟随器的另一端与选择晶体管的一端相连；选择晶体管的另一端输出电压信号。
进一步的，所述跟随器的栅极端与电荷电压转换节点相连。
进一步的，所述光电二极管为像素感光区域，用于将光子转化为电荷。
进一步的，所述第一电荷传输晶体管的漏极连接到电荷-电压转换节点，其源极与第一光电二极管的阴极相连；第二电荷传输晶体管的漏极连接到电荷-电压转换节点，其源极与光电二极管PD2的阴极相连，所述电荷传输晶体管用于控制电荷-电压转换节点与光电二极管的导通。
进一步的，所述电荷-电压转换节点用于将信号从电荷域到电压域的转换。
进一步的，所述跟随器SF的漏极与电压源相连，其源极与选择晶体管的漏极相连，其栅极连接到电荷-电压转换节点，所述跟随器用于将电荷-电压转换节点的电压信号进行缓冲。
进一步的，所述第二场效应管的源极与第一场效应管的漏极相连，第二场效应管的栅极用于输入第二调制信号；第一场效应管的源极连接到电荷- 电压转换节点，第一场效应管的栅极用于输入第一调制信号；场效应管用于增益模式的选择。
进一步的，所述复位晶体管的源极与第二效应管的漏极相连，其漏极与电压源相连，栅极用于输入外部的复位信号，所述复位晶体管用于对光电二极管和电荷-电压转换节点的复位。
相对于现有技术，本实用新型所述的一种具有多转换增益的像素电路具有以下优势：
(1)本实用新型提出了通过改变串联的场效应管工作状态来改变电荷- 电压转换节点电容的方案，从而改变转换增益，扩展动态范围；
(2)本实用新型在高转换增益模式下具有较低的噪声，避免了MEHDR技术的SNR损失问题；
(3)本实用新型在一个像素内实现转换增益的变化，避免像素结构冗余；
(4)本实用新型在读出中通过对转换增益的调节，对弱光和强光条件下都具有较好地成像效果，实现大动态范围成像。
附图说明
构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
图1为本实用新型实施例所述的结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本实用新型的描述中，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实用新型中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
一种具有多转换增益的像素电路，包括：电压源，场效应管，电荷传输晶体管，光电二极管，跟随器以及选择晶体管；所述场效应管包括第一场效应管和第二场效应管，所述电荷传输晶体管包括第一电荷传输晶体管和第二传输晶体管，光电二极管包括第一光电二极管和第二光电二极管；
所述复位晶体管的一端与电压源相连，其另一端与第二场效应管的一端相连，第二场效应管的另一端与第一场效应管的一端相连，第一场效应管的另一端与电荷电压转换节点相连，第一电荷传输晶体管、第二电荷传输晶体管的一端分别与电荷电压转换节点相连，第一电荷传输晶体管的另一端与第一光电二极管相连，第二电荷出书晶体管的另一端与第二光电二极管相连，所述第一光电二极管和第二光电二极管的阳极分别接地。
所述电压源上还连接一跟随器，跟随器的另一端与选择晶体管的一端相连；选择晶体管的另一端输出电压信号。
所述跟随器的栅极端与电荷电压转换节点相连。
所述光电二极管为像素感光区域，用于将光子转化为电荷。
所述第一电荷传输晶体管的漏极连接到电荷-电压转换节点，其源极与第一光电二极管的阴极相连；第二电荷传输晶体管的漏极连接到电荷-电压转换节点，其源极与光电二极管PD2的阴极相连，所述电荷传输晶体管用于控制电荷-电压转换节点与光电二极管的导通。
所述电荷-电压转换节点用于将信号从电荷域到电压域的转换。
所述跟随器SF的漏极与电压源相连，其源极与选择晶体管的漏极相连，其栅极连接到电荷-电压转换节点，所述跟随器用于将电荷-电压转换节点的电压信号进行缓冲。
所述第二场效应管的源极与第一场效应管的漏极相连，第二场效应管的栅极用于输入第二调制信号；第一场效应管的源极连接到电荷-电压转换节点，第一场效应管的栅极用于输入第一调制信号；场效应管用于增益模式的选择。
所述复位晶体管的源极与第二效应管的漏极相连，其漏极与电压源相连，栅极用于输入外部的复位信号，所述复位晶体管用于对光电二极管和电荷- 电压转换节点的复位。
本实用新型的大动态范围图像传感器像素电路如图1所示，
包括复位晶体管(RST)、两个场效应管(BIN1、BIN2)、两个电荷传输晶体管(TG1、TG2)、两个光电二极管(PD1、PD2)、跟随器(SF)、选择晶体管(SEL)以及电荷电压转换节点(FD)；
所述第一电荷传输晶体管TG1、第二电荷传输晶体管TG2用于控制电荷- 电压转换节点FD与光电二极管的导通，导通时允许光电二极管中的光生电子转移到电荷-电压转换节点，并在,电荷-电压转换节点FD完成信号从电荷域到电压域的转换；所述跟随器SF将电荷-电压转换节点的电压信号进行缓冲，在选择晶体管导通时输出电压信号；所述第一场效应管BIN1、第二场效应管BIN2在关闭状态下工作为电容，开启状态下工作为导线；所述复位晶体管RST用于对光电二极管和电荷-电压转换节点的复位。选择晶体管SEL 的栅极连接到输出选择信号sel，源极连接到输出端Vout；
本实用新型提供的具有三个转换增益的像素结构共有三种工作模式，当第一场效应管BIN1和第二场效应管BIN2同时导通时为低增益模式(LPG)，当第一场效应管BIN1导通，第二场效应管BIN2关断时为中增益模式(MPG)，当第一场效应管BIN1和第二场效应管BIN2同时关断时为高增益模式(HPG)；为了避免在读出阶段多增益之间切换导致光电二极管内的电荷无法完全转移到电荷-电压转换节点，本实用新型在一个像素中采用2个光电二极管(PD1、 PD2)和2个电荷传输晶体管(TG1、TG2)，在读出中可以先后完成电荷转移，进一步增强了本像素结构对转换增益的调控能力。
本实用新型可以增加串联连接的场效应管数目，实现更大的电荷-电压转换节点电容的调节能力，增加饱和容量和动态范围的调整空间，也可以增加并联的光电二极管和电荷传输管的数量，进一步增加转换增益的调整空间。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920096794.4
申请日:2019-01-21
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:12(天津)
授权编号:CN209448819U
授权时间:20190927
主分类号:H04N 5/355
专利分类号:H04N5/355
范畴分类:39C;
申请人:天津慧微电子研发科技有限公司
第一申请人:天津慧微电子研发科技有限公司
申请人地址:300457 天津市滨海新区经济技术开发区信环西路19号4号楼4403室
发明人:罗文哲;高志远;陈全民
第一发明人:罗文哲
当前权利人:天津慧微电子研发科技有限公司
代理人:李成运
代理机构:12226
代理机构编号:天津企兴智财知识产权代理有限公司
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计
标签：光电二极管论文; 场效应管论文; 电压源论文; 跟随器论文; 电压增益论文; 复位电路论文; 信号传输论文; 动态范围论文; 像素论文; 电荷论文;