像素单元结构及其信号采集方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及图像传感器领域，特别涉及一种双转换增益且转换增益可调的像素单元结构及其信号采集方法。
【背景技术】
[0002]图1显示了现有技术的4T像素单元的电路图。如图所示，整个像素单元包括4个NMOS晶体管，分别为传输晶体管M1、复位晶体管M2、源跟随器M3以及行选择器M4，其中传输晶体管Ml的漏极、复位管M2的源极和源跟随器的栅极共同连接于悬浮节点FD，复位管M2的漏极和源跟随器M3的漏极均接电源VDD，源跟随器M3的源极与行选择器M4的漏极相连，行选择器M4的源极作为像素单元的输出端。控制信号TG、RST、SEL分别控制传输晶体管M1、复位管M2和行选择器M4的打开和关闭。4T像素单元结构的工作原理如下:
[0003]图1显示了现有技术的4T像素单元的电路图。如图所示，整个像素单元包括4个NMOS晶体管，分别为传输晶体管M1、复位晶体管M2、源跟随器M3以及行选择器M4，其中传输晶体管Ml的漏极、复位管M2的源极和源跟随器的栅极共同连接于悬浮节点FD，复位管M2的漏极和源跟随器M3的漏极均接电源VDD，源跟随器M3的源极与行选择器M4的漏极相连，行选择器M4的源极作为像素单元的输出端。控制信号TG、RST、SEL分别控制传输晶体管M1、复位管M2和行选择器M4的打开和关闭。4T像素单元结构的工作原理如下:
[0004]首先将控制信号TG/RST同时置高，使得传输晶体管Ml、复位晶体管M2同时打开，此时，电源电压VDD对感光二极管进行充电复位，同时悬浮节点FD (即源跟随器M3的栅极)进行复位。之后，将TG信号置低使传输晶体管Ml关闭，感光二极管(Pinned PD)开始处于曝光状态，将复位信号(即电源电压)VDD输出。将传输晶体管Ml打开，完成曝光过程，将感光二极管转换的电信号Vsignal输出，这两次输出信号之差Vout = (Vreset-Vsignal)即为像素单元结构的像素信号。图2显示了 4T像素单元结构像素信号的输出电压曲线图，可以看到，在光照强度与时间乘积达到一定程度之后，像素单元结构会进入饱和状态，此时输出电压将会固定在一个数值保持不变，该数值通常称之为该像素单元结构的最大输出电压。像素单元结构的动态范围是由最大输出电压和最小输出电压(通常为该像素单元结构的噪声)决定，而从图中可以看出像素单元结构的输出电压在进入饱和状态之前曲线斜率固定不变，说明像素单元将光信号转换为电信号的转换增益是固定不变的，这也造成了像素单元结构的动态范围无法灵活调节。
[0005]为了实现高动态范围，业界希望像素单元在光强和曝光时间乘积较低时的转换增益较高，而在光强和曝光时间乘积较高时的转换增益较低。如果像素单元能够按需求在不同条件下形成不同的转换增益，那么便可以实现较高的动态范围。
【发明内容】
[0006]本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种具有双转换增益且转换增益可调的像素单元结构。
[0007]为达成上述目的，本发明提供一种像素单元结构，包括感光二极管，用于将接收的光信号转换为电信号；
[0008]信号读取电路，与所述感光二极管相连，用于先后读取一复位信号以及经所述感光二极管光电转换后的电信号，其中，所述信号读取电路包括传输管、复位管、第一源跟随器和行选择器，所述传输管的漏极、所述第一源跟随器的栅极以及所述复位管的源极连接于悬浮节点；
[0009]其特征在于，所述信号读取电路还包括:
[0010]转换增益调节管，其与所述第一源跟随器的栅极共同连接于所述悬浮节点且其电容值可调，用于改变所述悬浮节点的等效寄生电容；以及
[0011]双转换增益电路，包括第二源跟随器和预充电管，其中所述第二源跟随器的栅极连接所述第一源跟随器的源极、其源极连接所述预充电管的漏极、其漏极连接电源电压；所述预充电管工作在亚阈值区，其源极与所述行选择器的漏极相连、其栅极连接控制信号，其中，通过调节所述预充电管的阈值电压以使所述光信号转换为电信号的转换增益在不同的光照度时间乘积段有不同的两个值。
[0012]优选的，所述转换增益调节管为NMOS晶体管，其漏极连接所述第一源跟随器的源极、源极连接控制电压，通过所述控制电压调节所述转换增益调节管的栅源寄生电容。
[0013]优选的，所述行选择器的栅极连接行选通信号，漏极作为所述像素单元结构的输出端。
[0014]优选的，所述行选择器的源极连接第一尾电流，同时通过一开关连接第二尾电流。
[0015]本发明还提供了一种利用上述像素单元结构的信号采集方法，包括:
[0016]步骤S1:通过所述信号读取电路读取所述复位信号并输出；
[0017]步骤S2:通过所述信号读取电路读取经所述感光二极管光电转换后的电信号并输出。
[0018]优选的，所述步骤SI包括:
[0019]步骤Sll:开启所述复位管及所述传输管，对所述悬浮节点进行电荷清空和复位；
[0020]步骤S12:关断所述传输管，使所述像素单元结构开始曝光；
[0021 ] 步骤S13:曝光完毕后，开启所述预充电管，之后开启所述行选择器输出所述复位信号。
[0022]优选的，所述步骤S2包括:
[0023]步骤S21:关断所述复位管；
[0024]步骤S22:开启所述传输管后关断，将所述电信号传输至所述悬浮节点后再通过所述第一源跟随器、所述第二源跟随器和所述行选择器输出。
[0025]优选的，所述行选择器的栅极连接行选通信号，源极作为所述像素单元结构的输出端；所述信号读取电路通过所述行选择器的源极输出所述复位信号和所述电信号。
[0026]优选的，所述行选择器的源极连接第一尾电流，同时通过一开关连接第二尾电流。
[0027]本发明的优点在于通过转换增益调节管和双转换增益电路的设置，在实现像素单元的双转换增益特性的同时能够进一步对其转换增益进行实时调节。
【附图说明】
[0028]图1所示为现有技术的像素单元结构的电路图；
[0029]图2所示为现有技术的像素单元结构像素信号的输出电压曲线图；
[0030]图3所示为本发明一实施例的像素单元结构的电路示意图；
[0031]图4所示为本发明一实施例的像素单元结构像素信号的输出电压曲线图；
[0032]图5所示为本发明一实施例的像素单元结构信号采集的时序图。
【具体实施方式】
[0033]为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
[0034]图3是本发明像素单元结构的电路示意图。
[0035]如图3所示，像素单元结构包括感光二极管H)和信号读取电路。其中，感光二极管PD用于将其接收的光信号转换为电信号，本实施例中感光二极管为钉扎光电二极管。信号读取电路与感光二极管ro的阴极相连，用于先后读取一复位信号以及经感光二极管ro光电转换后的电信号，复位信号和电信号的差值即为像素单元结构的输出像素信号，以输出电压来表示。本实施例的像素单元结构在传统4个MOS晶体管，也即是，传输管、复位管、源跟随器和行选择器的基础上增加了转换增益调节管和双转换增益电路来实现信号读取电路的功能。具体地，转换增益调节管与源跟随器的栅极相连且其电容值可调，从而改变悬浮节点处的等效寄生电容；双转换增益电路连接于源跟随器的源极和行选择器的漏极之间，用于实现像素单元结构光信号转换至电信号的两种转换增益。
[0036]请参照图3，本实施例中信号读取电路除了传输管M1、复位管M2、第一源跟随器M3和行选择器M7外，还包括转换增益调节管M4、构成双转换增益电路的第二源跟随器M5和预充电管M6，其中预充电管M6工作在亚阈值区。这些晶体管均为NMOS晶体管，各晶体管的连接关系如下:
[0037]传输管Ml的源极、第一源跟随器M3的栅极、复位管M2的源极和转换增益调节管M4的栅极共同连接于悬浮节点FD ;
[0038]传输管Ml的漏极连接感光二极管的阴极；
[0039]转换增益调节管M4的漏极与第一源跟随器M3的源极相连、源极接控制电压Vctrl ；
[0040]第二源跟随器