[发明专利]具有多个放大器晶体管的高动态范围像素

说明书

技术领域

本发明一般来说涉及图像传感器，且更具体来说，本发明涉及高动态范围图像传感器。

背景技术

图像捕获装置包含图像传感器及成像透镜。成像透镜将光聚焦到图像传感器上以形成图像，且图像传感器将光转换成电信号。电信号从图像捕获装置输出到主机电子系统的其它组件。举例来说，电子系统可为移动电话、计算机、数码相机或医疗装置。

随着像素单元变得更小，对图像传感器在大范围的光照条件(从低光条件变化到亮光条件)内执行的要求变得更难以实现。此性能能力通常称为具有高动态范围成像(HDRI或替代地，仅HDR)。在常规图像捕获装置中，像素单元需要多次连续曝光以实现HDR。

图1是展示四晶体管(“4T”)像素单元100的电路图。如所展示，像素单元100包含光敏元件110、传送晶体管120、复位晶体管130、浮动扩散部(“FD”)180、源极随耦器(“SF”)晶体管140、行选择晶体管150、双重转换增益晶体管160及电容器165。

在像素单元100的操作期间，传送晶体管120接收传送信号TX，传送信号TX将在光敏元件110中积累的电荷传送到浮动扩散部FD180。复位晶体管130耦合于电力供应器VDD与浮动扩散部FD180之间以在复位信号RST的控制下对像素单元进行复位(例如，将浮动扩散部FD180及/或光敏元件110放电或充电到预设定电压)。FD180还经耦合以控制SF晶体管140的栅极。SF晶体管140耦合于电力供应器VDD与行选择晶体管150之间。SF晶体管140操作为提供到浮动扩散部FD180的高阻抗连接的源极随耦器。在选择信号SEL的控制下，行选择晶体管150将像素单元的输出选择性地提供到读出列线或位线170。

电容器165及双重转换增益晶体管160串联耦合于电力供应器VDD与浮动扩散部FD180之间，其中双重转换增益晶体管160耦合到FD180且电容器165耦合到电力供应器VDD。电容器165的电容可通过断言双重转换增益信号DCG而添加到FD180，借此减少像素单元100的转换增益。

光敏元件110及FD180通过暂时地断言复位信号RST及传送信号TX而复位。图像积累窗(例如，曝光周期)通过将传送信号TX解除断言且准许入射光在光敏元件110中光生电子而开始。随着光生电子在光敏元件110中积累，光敏元件110上的电压减少。光敏元件110上的电压或电荷指示在曝光周期期间入射于光敏元件110上的光的强度。在曝光周期结束时，复位信号RST被解除断言以隔离FD180且传送信号TX经断言以允许光敏元件110与FD180及因此SF晶体管140的栅极之间的电荷交换。电荷传送致使FD180的电压改变与在曝光周期期间在光敏元件110上积累的光生电子成比例的量。此第二电压使SF晶体管140偏置，此与正断言的选择信号SEL组合地将来自行选择晶体管150的信号驱动到位线170。接着，经由位线170从像素单元100读出数据作为模拟信号。

通过在连续图像捕获之间改变像素单元100的转换增益，所产生图像的HDR可增加。然而，此将增加捕获及读出一个HDR图像所需的时间量且影响图像捕获装置的性能。

发明内容

本发明的一个方面涉及一种供在高动态范围图像传感器中使用的像素单元，该像素单元包括：光电二极管，其安置于半导体材料中以响应于入射于所述光电二极管上的光而积累电荷；传送晶体管，其安置于所述半导体材料中，所述传送晶体管耦合于浮动扩散部与所述光电二极管之间；第一放大器晶体管，其安置于所述半导体材料中，所述第一放大器晶体管具有耦合到所述浮动扩散部的栅极端子及经耦合以产生所述像素单元的第一输出信号的源极端子；及第二放大器晶体管，其安置于所述半导体材料中，所述第二放大器晶体管具有耦合到所述浮动扩散部的栅极端子及经耦合以产生所述像素单元的第二输出信号的源极端子。