[发明专利]线性-对数响应图像传感器像素及其信号转移控制方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体图像感测技术领域，具体涉及一种具有线性-对数响应的高动态范围图像传感器像素及其信号转移控制方法。

背景技术

为提高图像传感器动态范围，发明了对数响应像素，典型的对数响应像素架构如图1所示。光电二极管01反向偏置，阳极接地，阴极与具有二极管连接方式（栅极与漏极相连）的晶体管02的源极相连；晶体管02的漏极接电源电压VD；光电二极管01与晶体管02的连接端产生一个随光强变化的电压信号，经过读出电路被读出，读出电路通常由源跟随器03等组成。

由于光生电流较小，该像素电路的晶体管02工作在亚阈值区，因而输出电压信号随光强变化呈对数响应，该特性可以有效拓展图像传感器感光动态范围，一般大于120dB。但存在许多缺点：输出电压摆幅小；漏电流严重，弱光探测性能差；无法实现相关双采样，固定模式噪声大。

目前，一些线性-对数响应技术被提出，希望可以改善对数响应图像传感器的某些特性。如“SensorPixel with Linear and Logarithmic Response”（US6323479B1,Nov.27,2001）如图2所示，在典型对数响应像素基础之上，增加了一个复位晶体管04。复位晶体管04源极与光电二极管01和晶体管02的连接端相连，漏极接电源电压，栅极由控制信号RST控制其开关状态。通过引入复位晶体管，使像素电路工作在积分模式下，弱光下呈线性响应，强光下呈对数响应，通过电源电压VD1、VD2取值来调节响应拐点。该架构可以得到高动态范围，同时可以采用双采样技术降低固定模式噪声，但是由于复位噪声具有不相关性，无法被消除，该架构仍然存在严重的噪声问题。另外，虽然有技术提出串联多个二极管连接方式的晶体管02可以有效提高输出电压摆幅，但噪声问题在这种像素架构中仍然很严重。

另外，在以上线性-对数响应像素架构基础之上，结合4T像素工作原理，还有人提出另一种改善的线性-对数响应像素，如图3所示。增加了一个转移控制栅05，另外，光电二极管01被替换成钳位光电二极管06。通过一定时序控制，该电路的线性响应信号可以采用相关双采样方法读出，但是对数响应信号只可以进行双采样读出，而无法实现相关双采样读出。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够实现线性响应信号和对数响应信号相关双采样，消除复位噪声和固定模式噪声，改善弱光下漏电流问题，同时可以灵活控制线性-对数响应曲线拐点，得到理想输出电压摆幅的高动态范围线性-对数响应图像传感器像素。

为了解决上述技术问题，本发明的线性-对数响应图像传感器像素包括钳位光电二极管，第一转移控制栅，第二转移控制栅，复位开关，亚阈值工作状态晶体管，读出电路；所述钳位光电二极管反向偏置，阳极接地，阴极与第一转移控制栅和第二转移控制栅的一端相连；第一转移控制栅的另一端与复位开关的一端相连，复位开关的另一端与电源电压VD1相连；第二转移控制栅的另一端与亚阈值工作状态晶体管的源极相连，亚阈值工作状态晶体管漏极接于电源电压VD2；第一转移控制栅与复位晶体管的连接端为线性响应信号输出端，第二转移控制栅与亚阈值工作状态晶体管的连接端为对数响应信号输出端；线性响应信号输出端和对数响应信号输出端与读出电路连接。

所述亚阈值工作状态晶体管的栅极和漏极相连。

所述读出电路由第一控制开关、第二控制开关，源极跟随器和行选开关组成；所述第一控制开关、第二控制开关的一端分别与线性响应信号输出端、对数响应信号输出端相连，另一端与源极跟随器的栅极相连；源极跟随器的漏极与电源电压VD相连，源极与行选开关的一端相连，行选开关另一端为像素电压输出端。

所述读出电路还可以由第一源极跟随器、第二源极跟随器，对数响应端复位晶体管以及第一行选开关、第二行选开关组成；其中，对数响应端复位开关的一端与电源电压VD相连，另一端与对数响应信号输出端相连；第一源极跟随器、第二源极跟随器的栅极分别与线性响应信号输出端、对数响应信号输出端相连，漏极都与电源电压VD相连，源极分别与第一行选开关、第二行选开关一端相连；第一行选开关、第二行选开关另一端分别为对数响应像素电压输出端、线性响应像素电压输出端。

上述读出电路包含了一个对数响应端复位开关，可以使对数响应信号输出端进行快速复位。同时，由于采用双通道读出，可以同时选通第一行选开关、第二行选开关，同时读取对数、线性响应信号。