[发明专利]低功耗高动态范围的图像传感器像素结构及操作方法

说明书

本发明公开了一种低功耗高动态范围图像传感器像素结构及操作方法，其包括光电二极管(1)、电荷传输晶体管(2)、复位晶体管(3)、源跟随晶体管(4)、选择晶体管(5)、采样电容复位晶体管(6)、模式控制晶体管(7)、扩展电容C1和漂浮有源区FD。光电二极管通过电荷传输晶体管与FD相连；复位晶体管的漏极接电源线，源极接FD；源跟随晶体管的栅极接FD，漏极接电源线，源极接选择晶体管的漏极；扩展电容C1通过模式控制晶体管与FD相连；采样电容复位晶体管的漏极与选择晶体管的源极及后级电路的采样电容C2相连。本发明降低了图像传感器的功耗，扩展了动态范围，可用于在复杂环境下长时间工作的监控设备。

技术领域

本发明属于固态图像传感器技术领域，更进一步涉及一种低功耗高动态范围图像传感器像素结构及操作方法，可用于在复杂环境下长时间工作的监控设备。

背景技术

图像传感器是利用光电器件将光信号转换为电信号的一种高端技术元件，被广泛地应用于视频监控领域。当监控设备在复杂环境下长时间工作时，需要图像传感器具有较低的功耗和较高的动态范围。当前在CMOS图像传感器中普遍采用的是4管图像传感器像素结构4T-APS。如图1所示，该4管图像传感器像素结构包括：光电二极管1、电荷传输晶体管2、复位晶体管3、源跟随晶体管4和选择晶体管5；Tx为电荷传输晶体管2的栅极端，Reset为复位晶体管3的栅极端，Sel为选择晶体管5的栅极端，FD为漂浮有源区，VDD为电源线，Vout为信号输出端，ibias为偏置电流源。光电二极管1接收外界入射的光线，产生光生电荷；开启电荷传输晶体管，将光电二极管1中的光生电荷转移至漂浮有源区FD后，漂浮有源区FD内电荷量的变化被源跟随晶体管4探测到并转换为电势变化经信号输出端Vout读取并保存。其中，光电二极管1中的光生电荷与入射光照量成正比，漂浮有源区FD内电荷量的变化被源跟随晶体管4探测到并转换为电势变化，此电势变化量与入射光照量成正比关系。由于这种结构的漂浮有源区FD内能够存储的光电荷量较少，且源跟随晶体管4由恒定电流源ibias偏置，因此这种像素结构存在动态范围小，功耗大的缺点，难以满足监控设备在复杂环境下长时间工作的要求。

北京思比科微电子技术股份有限公司在其申请的专利文献“高动态范围图像传感器像素结构及其操作方法”(申请号201410797654.1，申请公开号CN 104469195 A，公开日为2014.12.18)中公开了一种高动态范围图像传感器结构，该结构包括光电二极管、复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管、漂浮有源区，还包括第一电荷传输晶体管、第二电荷传输晶体管、第三电荷传输晶体管，以及置于第二电荷传输晶体管与第三电荷传输晶体管之间的晶体管电容器件。像素采用两次曝光方式采集光电信号，第一次长时间曝光方式采集的光生电荷，被转移到晶体管电容器件中储存起来，第二次短时间曝光方式采集的光生电荷和在晶体管电容器件中储存的光生电荷被一同转移到漂浮有源区，然后进行光电信号读取操作。该结构的不足之处在于：增大动态范围的同时导致单个像素结构复杂，增大了像素面积也增加了功耗。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足提出一种低功耗高动态范围的图像传感器像素结构及操作方法，以在增大像素动态范围的同时减小了像素的功耗。

实现本发明目的的技术方案如下：

1.一种低功耗高动态范围的图像传感器像素结构，包括电荷传输晶体管2、复位晶体管3、源跟随晶体管4、选择晶体管5、漂浮有源区FD和置于半导体基体中的光电二极管1，其特征在于，还包括采样电容复位晶体管6、模式控制晶体管7和扩展电容C1；

所述采样电容复位晶体管6，其漏极与选择晶体管5源极以及后级电路的采样电容C2相连，源极与地相连，用于清空后级采样电容C2；

所述模式控制晶体管7，其漏极与漂浮有源区FD相连，源极与扩展电容C1连接，用于控制图像传感器像素的工作模式，该所述扩展电容C1的另一端与地相连。