双转移栅高动态范围图像传感器像素的全局快门控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体图像感测技术领域，具体涉及一种双转移栅高动态图像传感器像素的全局快门控制方法。
【背景技术】
[0002]动态范围是图像传感器的一个重要指标，一种双转移栅高动态范围图像传感器像素被提出，如图1所示，工作时序如图2所示。
[0003]结合图2时序，该高动态范围图像传感器像素工作原理为:
[0004]1.tl时刻，第一电荷转移控制晶体管Ml闭合，开关晶体管M2闭合，复位晶体管M3闭合，光电二极管ro被复位。之后断开第一电荷转移控制晶体晶体管Mi，像素开始曝光；
[0005]2.在曝光结束之前闭合行选晶体管M5开始读取信号，然后断开复位晶体管M3，于t2时刻在像素输出端采集一个低增益复位电压I;
[0006]3.开关晶体管M2，于t3时刻在像素输出端采集一个高增益复位电压2 ；
[0007]4.闭合第一电荷转移控制晶体管Ml，进行电荷转移，光生电荷转移至浮置扩散区ro中。若曝光量较小，光电二极管内所有电荷转移至浮置扩散区ro中；若曝光量较大，光电二极管内积分电荷较多，无法全部转移至浮置扩散区FD中。
[0008]5.闭合第二电荷转移控制晶体管M6，光电二极管内剩余的电荷将全部转移至存储电容Cl中。
[0009]6.断开第一电荷转移控制晶体管Ml和第二电荷转移控制晶体M6，在t4时刻在像素输出端采集一个高增益信号电压3;
[0010]7.闭合开关晶体管M2，将浮置扩散区FD与存储电容Cl中电荷混合，在像素输出端采集一个低增益信号电压4;
[0011]8.经后续电路处理，高增益复位电压2与信号电压3相减，低增益复位电压I与信号电压4相减，每个像素可以得到两个不同增益的有效信号值。
[0012]如图3a所示，曝光时，光电二极管PD积累电荷；如图3b所示，闭合第一电荷转移控制晶体管Ml，进行电荷转移，曝光量较小时(积分时间较短或光强较弱)，经过电荷转移，光电二极管ro内积分电荷全部转移至浮置扩散区ro;曝光量较大时(积分时间较长或光强较强)，在光电二极管内剩余部分电荷未转移出；如图3c所示，闭合第二电荷转移控制晶体管M6，光电二极管内剩余的电荷将转移至存储电容Cl中；图3d所示为电荷转移完成，光电二极管被清空。
[0013]通过以上时序控制，整个图像传感器阵列可以得到两幅不同增益的图像。高增益图像能够很好的显示场景中的弱光细节，低增益图像能够很好的显示场景中的强光细节，再通过后续图像处理，对两幅图像进行综合，即可以得到一副高动态范围图像。
[0014]该高动态范围图像传感器的快门模式为卷帘快门，即像素阵列逐行曝光，逐行读取，读出时间可认为是行选晶体管闭合时间。卷帘快门工作示意图如下图4所示。应用这种快门对高速运动的物体进行拍摄，每行起止曝光时间不同，容易出现画面变形现象。
[0015]全局快门可以使所有像素的曝光起止时间相同，拍摄高速运动物体不失真。传统全局快门工作示意图如下图5所示。具体操作方法:所有像素感光二极管同时开始复位，然后进行曝光，曝光结束之后进行帧转移，即所有像素的光生电荷同时转移至像素内的电荷存储区，然后开始逐行读取数据，未被读取到的行的光生电荷在电荷存储区内等待被读出。目前没有针对以上双转移栅高动态像素的全局快门控制方法被提出。
【发明内容】
[0016]本发明要解决的技术问题是提供一种所有像素起止曝光时间相同，在拍摄高速移动物体时，画面不会失真的双转移栅高动态范围图像传感器像素的全局快门控制方法。
[0017]为了解决上述技术问题，本发明的双转移栅高动态范围图像传感器像素的全局快门控制方法采用下述两种技术方案。
[0018]技术方案一
[0019]本发明的双转移栅高动态范围图像传感器像素的全局快门控制方法包括下述步骤:
[0020]I)开始曝光前闭合各像素复位晶体管M3和开关晶体管M2，使浮置扩散区H)接电源电压，然后控制全局栅晶体管M7闭合再断开使所有像素的光电二极管ro同时复位并开始曝光；
[0021]2)经过一段曝光时间后，闭合第一行行选晶体管M5，断开第一行复位晶体管M3，读取该行低增益复位电压，之后断开该行行选晶体管M5;
[0022]3)闭合第二行行选晶体管M5，断开第二行复位晶体管M3，读取该行低增益复位电压，之后断开该行行选晶体管M5;
[0023]4)重复以上过程，逐行读取整帧的低增益复位电压；
[0024]5)闭合第一行行选晶体管M5，断开第一行开关晶体管M2，读取该行高增益复位电压，之后断开该行行选晶体管M5;
[0025]6)重复以上过程，逐行读取整帧的高增益复位电压；
[0026]7)控制所有像素的第一电荷转移控制晶体管Ml闭合，将光电二极管H)中的积分电荷转移至浮置扩散区ro中，然后闭合所有像素的第二电荷转移控制晶体管M6，将光电二极管PD中剩余的电荷转移至存储电容Cl中，曝光结束;然后断开第一电荷转移控制晶体管Ml和第二电荷转移控制晶体管M6，使积分电荷在浮置扩散区ro和存储电容Cl中存储，等待被逐行读出；
[0027]8)闭合第一行行选晶体管M5，读取该行高增益信号电压，闭合开关晶体管M2，断开该行行选晶体管M5;
[0028]9)重复以上过程，逐行读取整帧的高增益信号电压；
[0029]10)闭合第一行行选晶体管M5，读取该行低增益信号电压，闭合复位晶体管M3，断开该行行选晶体管M5 ；
[0030]11)重复以上过程，逐行读取整帧的低增益信号电压；
[0031]所述双转移栅高动态图像传感器像素包括全局栅晶体管M7、光电二极管PD、第一电荷转移控制晶体管M1、复位晶体管M3、开关晶体管M2、缓冲放大器M4和行选晶体管M5，第二电荷转移控制晶体管M6;光电二极管H)负极通过图像传感器的全局栅晶体管M7与复位电压VD3相连，并通过第一电荷转移控制晶体管Ml与浮置扩散区FD连接;光电二极管H)负极通过第二电荷转移控制晶体管M6与存储电容Cl的正极连接，浮置扩散区FD通过开关晶体管M2与存储电容Cl的正极连接，存储电容Cl的负极接电源地或任意稳定电源电位；同时浮置扩散区FD通过缓冲放大器M4与行选晶体管M5连接。
[0032]在片外进行相关双采样数据处理，低增益复位电压与低增益信号电压相减，高增益复位电压与高增益信号电压相减，得到两帧不同增益的有效信号。通过相关双采样，消除了复位噪声，降低了传统全局快门图像传感器较高的暗噪声。
[0033]所述复位晶体管M3的漏极接电源电压，源极接存储电容Cl的正极。
[0034]所述复位晶体管M3的漏极接电源电压，源极还可以接浮置扩散区H)。
[0035]技术方案二
[0036]本发明的双转移栅高动态范围图像传感器像素的全局快门控制方法包括下述步骤:
[0037]I)开始曝光前闭合各像素复位晶体管M3和开关晶体管M2，使浮置扩散区H)接电源电压，然后控制全局栅晶体管M7闭合再断开使所有像素的光电二极管ro同时复位并开始曝光；
[0038]2)经过一段曝光时间后，首先闭合第一行行选晶体管M5和行选开关M9，断开第一行复位晶体管M3)然后断开第一行开关晶体管M2;同时通过行选晶体管M5和行选开关M9分别读取高、低增益复位电压;然后断开第一行行选晶体管M5和行选开关M9;
[0039]3)重复以上过程，逐行读取整帧的高、低增益复位电压；
[0040]4)控制所有像素的第一电荷转移控制晶体管Ml闭合，将光电二极管ro中的积分电荷转移至浮置扩散区ro中，然后闭合所有像素的第二电荷转移控制晶体管M6，将光电二极管PD中剩余的电荷转移至存储电容Cl中，曝光结束，然后断开第一电荷转移控制晶体管Ml和第二电荷转移控制晶体管M6，积分电荷在浮置扩散区ro和存储电容Cl中存储，等待被逐行读出；
[0041]5)闭合第一行行选晶体管M5和行选开关M9，同时通过行选晶体管M5和行选开关M9分别读取高、低增益信号电压;闭合第一行开关晶体管M2，闭合第一行复位晶体管M3;
[0042]6)重复以上过程，逐行读取整帧的高、低增益信号电压；
[0043]所述双转移栅高动态图像传感器像素包括全局栅晶体管M7、光