轉換增益可調的像素單元結構及其信號采集方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及圖像傳感器領域，特別涉及一種轉換增益可調的像素單元結構及其信號米集方法。
【背景技術】
[0002]圖1顯示了現有技術的3T像素單元的電路圖。如圖所示，整個像素單元包括3個NMOS晶體管，分別為傳輸晶體管M1、復位晶體管M2和源跟隨器M3，其中傳輸晶體管Ml的漏極、復位管M2的源極和源跟隨器M3的柵極共同連接于懸浮節點FD，復位管M2的漏極連接復位電壓Vreset，源跟隨器M3的漏極接電源電壓VDD，源跟隨器M3的源極作為像素單元的輸出端。控制信號VTX、Vrx分別控制傳輸晶體管M1、復位管M2的打開和關閉。3T像素單元結構的工作原理如下:
[0003]首先將控制信號VTX/VRX同時置高，使得傳輸晶體管M1、復位晶體管M2同時打開，此時，復位電壓Vreset對感光二極管進行充電復位，同時懸浮節點FD (即源跟隨器M3的柵極)進行電荷清空和復位。之后，將Vtx信號置低使第一晶體管Ml關閉，感光二極管開始處于曝光狀態，將復位電壓Vreset輸出。將傳輸晶體管Ml打開后再次關斷，完成曝光過程，將感光二極管轉換的信號電壓Vsignal輸出，這兩次輸出信號之差Vout = (Vreset-Vsignal)即為像素單元結構的像素信號。在光照強度與時間乘積達到一定程度之后，像素單元結構會進入飽和狀態，此時輸出電壓將會固定在一個數值保持不變，該數值通常稱之為該像素單元結構的最大輸出電壓。像素單元結構的動態范圍是由最大輸出電壓和最小輸出電壓(通常為該像素單元結構的噪聲)決定，而傳統3T像素單元結構的輸出電壓在進入飽和狀態之前曲線斜率固定不變，說明像素單元將光信號轉換為電信號的轉換增益是固定不變的，這也造成了像素單元結構的動態范圍無法靈活調節。
[0004]為了實現高動態范圍，業界希望像素單元在光強和曝光時間乘積較低時的轉換增益較高，而在光強和曝光時間乘積較高時的轉換增益較低。如果像素單元能夠按需求在不同條件下的轉換增益，那么便可以實現較高的動態范圍。
【發明內容】
[0005]本發明的主要目的在于克服現有技術的缺陷，提供一種轉換增益可調的像素單元結構以實現高動態范圍。
[0006]為達成上述目的，本發明提供一種像素單元結構，其包括:感光二極管，用于將接收的光信號轉換為電信號；信號讀取電路，與所述感光二極管相連，其包括傳輸管、復位管、源跟隨器和變容二極管，所述傳輸管的漏極、所述源跟隨器的柵極以及所述復位管的源極連接于懸浮節點；所述復位管的漏極連接復位電壓、其柵極連接第一控制信號；所述變容二極管的陰極與所述源跟隨器的柵極相連、陽極連接第二控制信號，用于改變所述懸浮節點的等效寄生電容以調節所述光信號轉換為電信號的轉換增益。
[0007]優選的，所述感光二極管為釘扎光電二極管，其陰極與所述傳輸管的漏極相連。
[0008]優選的，所述信號讀取電路還包括行選擇器，所述行選擇器的漏極連接所述源跟隨器的源極、其柵極連接行選通信號，其源極作為所述像素單元結構的輸出端。
[0009]本發明還提供了一種上述像素單元結構的信號采集方法，包括:
[0010]步驟S1:通過所述信號讀取電路讀取所述復位電壓并輸出；
[0011]步驟S2:通過所述信號讀取電路讀取經所述感光二極管光電轉換后的電信號的信號電壓并輸出。
[0012]優選的，步驟SI包括:
[0013]步驟Sll:開啟所述復位管及所述傳輸管，將所述復位電壓置為高電平，對所述懸浮節點進行電荷清空和復位；
[0014]步驟S12:關斷所述傳輸管，將所述復位電壓置為低電平，使所述像素單元結構開始曝光；
[0015]步驟S13:曝光完畢后，將所述復位電壓置為高電平對所述懸浮節點充電，并將所述復位電壓傳輸至所述像素單元結構的輸出端；
[0016]步驟S14:關斷所述復位管，通過后級采樣電路對所述復位電壓進行采樣。
[0017]優選的，所述步驟S2包括:
[0018]步驟S21:開啟所述傳輸管后關斷，將經所述感光二極管轉換的電信號的信號電壓傳輸至所述懸浮節點后再傳遞至所述像素單元結構的輸出端；
[0019]步驟S22:通過所述后級采樣電路對所述信號電壓進行采樣。
[0020]優選的，所述信號讀取電路還包括行選擇器，所述行選擇器的漏極連接所述源跟隨器的源極、其柵極連接行選通信號、其源極作為所述像素單元結構的輸出端；所述信號讀取電路通過所述行選擇器的源極輸出所述復位電壓和所述信號電壓。
[0021]本發明的優點在于通過變容二極管的設置，能夠對像素單元結構光電轉換的轉換增益進行實時調節。
【附圖說明】
[0022]圖1所示為現有技術的像素單元結構的電路圖；
[0023]圖2所示為本發明一實施例的像素單元結構的電路示意圖；
[0024]圖3所示為本發明一實施例的像素單元結構信號采集的時序圖。
【具體實施方式】
[0025]為使本發明的內容更加清楚易懂，以下結合說明書附圖，對本發明的內容作進一步說明。當然本發明并不局限于該具體實施例，本領域內的技術人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發明的保護范圍內。
[0026]圖2是本發明像素單元結構的電路示意圖。
[0027]如圖2所示，像素單元結構包括感光二極管H)和信號讀取電路。其中，感光二極管ro用于將其接收的光信號轉換為電信號，本實施例中感光二極管為釘扎光電二極管。信號讀取電路與感光二極管ro的陰極相連，用于先后讀取復位電壓以及經感光二極管ro光電轉換后的電信號的信號電壓，復位電壓和信號電壓的差值即為像素單元結構的輸出像素信號。本實施例的像素單元結構在傳統3個NMOS晶體管，也即是，傳輸管、復位管、源跟隨器的基礎上增加了變容二極管Dl，各器件之間的連接關系如下:
[0028]傳輸管Ml的源極、源跟隨器M3的柵極、復位管M2的源極共同連接于懸浮節點FD ;
[0029]