一种高增益像素设计方法与流程

1.本发明属于集成电路设计领域，特别是涉及一种高增益像素设计方法。


背景技术：

2.在全局快门图像传感器应用中，如全局快门cmos图像传感器，itof等应用中，光生信号现在光电二极管中积分，然后先转移到存储节点储存：常用的存储结构如浮置扩散节点、存储栅等。传感器的读出电路逐把像素阵列的信号逐行读出。根据电荷转移过程，存储节点的容量决定了可以采集到信号的最大值，同时存储节点直接连接到放大器输入端，容量过大也会降低传感器对微弱信号的敏感度，这严重限制了像素所能感测到信号的范围。本专利通过设计合理的电路和时序，对存储节点进行合理的耦合，既不降低图像传感器对小信号分辨能力，同时可以实现传感器对大信号的探测。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种高增益像素设计方法，解决了以上问题。
4.为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
5.本发明的一种高增益像素设计方法，针对全局快门像素结构6t设计，通过提供新的控制方法和信号甄别手段实现，所述全局快门像素6t结构包括光电二极管、曝光管子、存储栅、转移栅、复位管、存储节点、源极跟随器、行选开关、电源线和读出线，所述控制方法和信号甄别手段具体如下：
6.对所述转移栅关断电压为0v，在应用中电压调制n次，当每调节一个电压，对像素的信号读出一次，即帧读出时间过程重复n次，每次改变一个调制电压，需要读出n张图；
7.相比正常开启电压mv，在第一次读出中，所述转移栅只开启1/n*mv；在第二次读出中，所述转移栅只开启2/n*mv；在第三次读出中，所述转移栅只开启3/n*mv，即每次电压抬升幅度为m/nv；依次类推，直至最后一次中，所述转移栅开启mv，像素达到最大输出满阱；
8.在输出的图像中，需要分别甄选信号，最后将n张图像进行融合得到高动态范围图像。
9.进一步侧，所述n的取值范围为≥2。
10.本发明相对于现有技术包括有以下有益效果：
11.本发明通过设计合理的电路和时序，对存储节点进行合理的耦合，既不降低图像传感器对小信号分辨能力，通过调制转移栅电压改变其下沟道势垒，实现对不同信号的检测，同时可以实现传感器对大信号的探测，解决了传统全局像素中的高灵敏度和大满阱相矛盾问题。
12.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的
附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
14.图1为具体实施例中应用本发明的一种高增益像素设计方法后的全局快门像素结构6t的高动态范围像素时序图；
15.图2为图1中高动态范围像素第一次采样的原理图；
16.图3为图1中高动态范围像素第二次采样的原理图；
17.图4为本具体实施例不同的xt2电压对应低增益信号输出范围图；
18.图5为现有传统全局快门像素结构6t的结构示意图；
19.图6为现有传统全局快门像素结构6t像素的控制时序图；
20.图7为现有传统全局快门像素结构6t通过电压调制实现存储节点耦合的原理图；
21.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
22.pd
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光电二极管，tx3
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曝光管子，tx1
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存储栅，tx2
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转移栅，rst
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复位管，fd
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存储节点，sf
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源极跟随器，sel
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行选开关，vdd
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电源线，col
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读出线。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
24.如图5所示，为现有的传统的全局快门像素结构，其包含光电二极管pd，曝光管子tx3,存储栅tx1，转移栅tx2，复位管rst,存储节点fd，源极跟随器sf,行选开关sel，电源线vdd和读出线col；
25.其对应的操作时序如图6所示，纵轴代表电压，横轴代表时刻，tx1、tx2、tg3、sel、rst分别代表对6t像素晶体管施加的电压，当采用低电压如
‑
1v到0v时，晶体管关断，高电压2.5v到3.5v时晶体管打开，samp1和samp2分别为读出电路采集像素信号的电平，当samp1打开，第一次采集fd电平信号，smap2打开后第二次采集fd信号。在传统全局图像传感器工作中，tx3在1时刻，由低电平转换到高电平，打开复位pd，然后在2时刻关断。pd开始积累光电荷，当曝光结束后，tx1在6时刻打开，pd将光电荷转移到tx1里面，tx1在7时刻关断，信号也存储在tx1中。当传感器读出当前像素时，tx2在14时刻打开信号从tx1里面流向fd，然后tx2在15时刻关断；
26.根据q＝cv,电荷量等于电压和电容乘，光电二极管pd的电容将存储栅tx1转移来电荷转换为电压被源极跟随器sf转到读出线colcol。因此，如果光电二极管pd电容太大，信号电荷转换成电压会很低，像素对信号敏度度会降低。若光电二极管pd电容很小，它会把信号电荷转换为一个很高的电压，超过后面输出的量程，如标准cis是2.5v
‑
3.3v.像素动态范围定义为像素输出最大电压和最小电压比值，而上述例子中在工作模式下，像素电容只有一种cfd，像素灵敏度cvg为1/cfd，其代表像素可以把一个电荷转换成的电压数值。由于读出电路电压幅值限制，像素输出电压被限制在1v到1.5v以内。当大满阱里大量电荷在高灵敏度下输出电压过高，从而超过输出幅值的上限。而低灵敏度下对小信号的分辨能力会下
降，这严重制约着像素在高动态范围领域的应用。
27.针对传统全局像素中的高灵敏度和大满阱相矛盾问题，本发明提出一种新的像素设计及其相应的控制方法，即通过调制转移栅电压改变其下沟道势垒，实现对不同信号的检测。其工作原理如图7所示：像素存储电荷区域为storage node,检测节点为fd，当转移栅关断off,两者完全分离。在像素工作中。如图7中，探测电容为cfd，电荷无法溢出，放大器只能检测fd电压，像素处于高灵敏度状态。
28.当调制转移栅的电压，当信号不能超过转移栅栏下的电势，没有发生电荷耦合，像素仍然处在高增益模式。当存储电荷超过转移栅栏下的电势，从而实现存储storage node节点和fd的耦合，总的电容为两者之和cfd+ctx,像素灵敏度降低1/(cfd+ctx),像素处于大满阱状态，如图7中右侧图所示。通过调制转移栅的电压，改变沟道下的势垒，当电荷溢出时候，发生电荷共享使得两个电荷阱耦合，同时像素分别检测在不同电压下的信号，从而检测在不同增益下的像素信号，由于该技术使像素同时兼容高灵敏度和大满阱，因此可以有效提高像素的动态范围。
29.针对全局快门像素6t,本技术方案设计一种新的控制方法和信号甄别手段，两者结合可以实现高动态范围；请参阅图1
‑
4所示，本发明的一种高增益像素设计方法，其中，控制方法和信号甄别手段具体如下：
30.对转移栅tx2关断电压为0v，在应用中电压调制n次，当每调节一个电压，对像素的信号读出一次，即帧读出时间frame readout过程重复n次，每次改变一个调制电压，需要读出n张图，n的取值范围为≥2，本具体实施例中n采用4；
31.相比正常开启电压mv，本具体实施例中正常开启电压为2.8v，在第一次读出中，转移栅tx2只开启1/4*2.8v＝0.7v；在第二次读出中，转移栅tx2只开启2/4*2.8v＝1.4v；在第三次读出中，转移栅tx2只开启3/4*2.8v＝2.1v，即每次电压抬升幅度为2.8/4v＝0.7v；依次类推，直至最后一次中，所述转移栅tx2开启2.8v，像素达到最大输出满阱；
32.在输出的图像中，需要分别甄选信号，最后将四张图像进行融合得到高动态范围图像。
33.具体地：
34.如第一次检测中，过程如图3所示，由于在frame radout过程中，rst在7到8时刻开启，fd先被电压vdd复位，清空一次，其电压拉高到2.8v，如果不发生电荷共享的像素，其fd只能检测到复位信号如2.8v，对应输出码值为0.当信号有溢出，但没有发生电荷共享，此时像素高灵敏度检测，其灵敏度为cvg＿hg：160/cfd(uv/e
‑
),此时fd电压为1.2－2.8v范围内变化，对应输出码值为0－2048dn变化。当发生电荷共享，像素处于大满阱状态，即灵敏度为cvg＿lg：160/(cfd+ctx)(uv/e
‑
),此时检测电压为会高于0.7v，对应输出码值在3583－4096dn变化；
35.第二次检测中，如图4所示，重复frame readout过程，rst在7到8时刻开启，fd先被电压vdd复位，fd被清空，电压拉高到2.8v。如果不发生电荷共享的像素，其fd依然只能检测到复位信号如2.8v，对应输出码值为0.当信号有溢出，但没有发生电荷共享，此时像素高灵敏度检测，其灵敏度为160/cfd(uv/e
‑
),此时fd电压为1.2－2.8v范围内变化，对应输出码值为0－2048dn变化。当发生电荷共享，像素处于大满阱状态，即灵敏度为160/(cfd+ctx)(uv/e
‑
),此时检测电压为0.7v－1.3v，对应输出码值为3071－3583dn之间变化；
36.第三次和第四次依次类推；最终获得如图4所示的不同电压对应低增益信号输出范围的图；
37.如当传感器采用12位adc，其最大输出值为4095，0代表像素没有输出电压信号，4095其代表像素输出电压的最大幅值如1v。本例在此基础上更提出一种检测像素增益状态的方法。即后续通过光子转移曲线确定fd的电容，通过满井测量方法，测量ctx的电容，从而确定，tx 2处在不同电压下，对应像素的的输出dn值。
38.最后将所得图像每个格点的信号值，根据图像素敏度值加权后累加起来获得图像。如ctx/cfd＝4；cvg＿hg/cvg＿lg＝k＝5：对于一个像素，如果本次采样处于高增益，即保持原值，如果处在低增益下，则需要让该次采样的值乘以因子k；最后将四次采样的信号累加起来得到高动态范围图像。
39.有益效果：
40.本发明通过设计合理的电路和时序，对存储节点进行合理的耦合，既不降低图像传感器对小信号分辨能力，通过调制转移栅电压改变其下沟道势垒，实现对不同信号的检测，同时可以实现传感器对大信号的探测，解决了传统全局像素中的高灵敏度和大满阱相矛盾问题。
41.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。