一种像素电路和获取像素信号的方法与流程

本技术涉及图像处理领域，并且更具体地，涉及一种像素电路和获取像素信号的方法。

背景技术：

1、动态范围(dynamic range，dr)是互补金属氧化物半导体图像传感器(complementary metal-oxide-semiconductor image sensor，cis)的关键性能参数之一，其能够直接决定在白天室外逆光、夜景等场景的成像质量。因此，在消费电子、汽车电子、安防领域等均对cis的动态范围有很高的要求。对于像素而言，现有拓展其动态范围的方法主要有以下几种：长短帧曝光技术，双转换增益(dual conversion gain，dcg)技术，大小像素技术和横向溢出集成电容(lateral overflow integration capacitor，lofic)技术等。其中，长短帧曝光技术的两帧曝光不可能同时完成，融合出图像会产生运动伪影；dcg技术可以拓展动态范围，但是因为受限于光电二极管(photodiode，pd)的满阱容量，动态范围拓展范围有限；lofic技术利用电容对溢流电荷的收集扩展满阱容量，可以不受pd满阱容量的限制，而且在一次曝光下不会有长短帧曝光的运动伪影问题，成为cis领域的研究热点。

2、但是，在lofic技术中，实现高动态的前提是溢流电容需要足够大，但是在芯片尺寸日益变小的趋势下，像素受到面积的限制，lofic电容很难做大，导致动态范围提升受限。

3、因此，亟需一种像素电路和获取像素信号的方法，能够在有限的面积下实现更大的lofic电容，提升像素的动态范围。

技术实现思路

1、本技术提供一种像素电路和获取像素信号的方法，有助于在有限的面积下实现更大的lofic电容，从而提升像素的动态范围。

2、第一方面，提供了一种像素电路。该像素电路包括：信号产生单元、信号复位单元、信号调节单元和信号输出单元。其中：信号产生单元的输出端与信号复位单元的输入端相连接；信号复位单元的输出端与信号输出单元的输入端相连接，信号复位单元包括第一电容；信号调节单元与第一电容并联，用于调节第一电容的满阱容量。

3、根据本技术所揭示的像素电路，通过信号调节单元调节第一电容两端的电压，能够有效减小转换增益，增大电容的满阱容量。同时，由于信号调节单元面积增加较小，因此，能够在有限的面积下实现更大的电容，提升像素的动态范围。

4、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，信号产生单元包括光电二极管和传输晶体管。其中：光电探测器的阳极接地，光电探测器的阴极与传输晶体管的源极相连接；传输晶体管的漏极与信号复位单元的输入端相连接，传输晶体管的栅极用于施加传输控制信号。

5、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，信号复位单元包括浮动扩散节点电容、开关晶体管和复位晶体管。其中：浮动扩散节点电容的第一端与传输晶体管的漏极相连接，浮动扩散节点电容的第二端接地。开关晶体管的源极与浮动扩散节点电容的第一端相连接，开关晶体管的漏极与复位晶体管的源极相连接，开关晶体管的栅极用于施加开关控制信号。复位晶体管的漏极与电源电压相连接，复位晶体管的栅极施加复位控制信号。第一电容的第一端与复位晶体管的源极相连接，第一电容的第二端与信号调节单元的输出端相连接。

6、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，信号调节单元包括共源放大管和负载电阻。其中：共源放大管的栅极与复位晶体管的源极相连接，共源放大管的漏极与第一电容的第二端相连接，共源放大管的源极接地。负载电阻的第一端与共源放大管的漏极相连接，负载电阻的第二端与电源电压相连接。这样做，在第一电容两端并联一个由共源放大管和负载电阻组成的信号调节单元，通过反馈，能够有效减小转换增益，抬高第一电容右侧极板电压，增大电容的满阱容量。

7、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，信号调节单元包括共源放大管和电流源负载管。共源放大管的栅极与复位晶体管的源极相连接，共源放大管的漏极与第一电容的第二端相连接，共源放大管的源极接地。电流源负载管的漏极与共源放大管的漏极相连接，电流源负载管的源极与电源电压相连接，电流源负载管的栅极施加偏置电压。这样做，采用电流源做负载，引入的阻抗为无穷大，增益为共源放大管的本征增益，从而提高信号调节单元增益。同时，因为电流源负载管的面积相比于负载电阻可以做到更小，更节省面积。

8、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，信号调节单元包括共源放大管和n型沟道金属氧化物半导体(n-type channel metal oxide semiconductor，nmos)负载管。共源放大管的栅极与复位晶体管的源极相连接，共源放大管的漏极与第一电容的第二端相连接，共源放大管的源极接地。nmos负载管的源极与共源放大管的漏极相连接，nmos负载管的栅极和漏极与电源电压相连接。这样做，采用与共源放大管相连的nmos负载管做负载，放大器的增益与共源放大器与nmos负载管的宽长比有关，不随输入信号电平变化，可以提高像素电路的曝光线性度。

9、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，信号调节单元包括共源放大管和p型沟道金属氧化物半导体(p-type channel metal oxide semiconductor，pmos)负载管。共源放大管的栅极与复位晶体管的源极相连接，共源放大管的漏极与第一电容的第二端相连接，共源放大管的源极接地。pmos负载管的栅极和漏极与共源放大管的漏极相连接，pmos负载管的源极与电源电压相连接。这样做，采用pmos二极管做负载的共源放大器的增益不受体效应(或者背栅效应)的影响。在忽略沟道长度调制效应时，增益只与共源放大管和pmos负载管的宽长比相关，线性度更高。

10、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，信号输出单元包括源跟随晶体管和行选择晶体管。其中：源跟随晶体管的栅极与浮动扩散节点电容的第一端相连接，源跟随晶体管的源极与行选择晶体管的漏极相连接，源跟随晶体管的漏极与电源电压相连接。行选择晶体管的源极连接至列总线，行选择晶体管的栅极用于施加行选择信号。

11、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，第一电容为横向溢出集成电容。

12、第二方面，提供了一种获取像素信号方法，该方法包括：方法由像素电路执行，像素电路包括信号产生单元、信号复位单元、信号调节单元和信号输出单元，其中，信号复位单元包括浮动扩散节点电容和第一电容，信号调节单元与第一电容并联，用于调节第一电容的满阱容量。上述方法包括：将行选择信号sel置于高电平，得到第一电平信号，第一电平信号为高增益下的复位电平信号。将传输控制tg信号置于高电平，得到第二电平信号，第二电平信号为高增益下的电平信号。对第一电平信号和第二电平信号做双采样量化处理，得到第一像素信号，第一像素信号为高增益下的像素信号。将开关控制sg信号和传输控制tg信号置于高电平，获得第三电平信号，第三电平信号为低增益下的电平信号。将复位控制rst信号置于高电平，得到第四电平信号，第四电平信号为低增益下的复位电平信号。对第三电平信号和第四电平信号做双采样量化处理，得到第二像素信号，第二像素信号为低增益下的像素信号，其中，第一像素信号和第二像素信号的差值大于第一阈值，第一阈值为浮动扩散节点电容和第一电容的额定满阱容量之和。

13、根据本技术所揭示的方法，通过信号调节单元调节第一电容两端的电压，能够有效减小转换增益，增大电容的满阱容量。同时，由于信号调节单元面积增加较小，因此，能够在有限的面积下实现更大的电容，提升像素的动态范围。

14、结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，上述方法还包括：将复位控制rst信号、传输控制tg信号和开关控制sg信号置于高电平，使得光电二极管、浮动扩散节点电容和第一电容处于复位状态。将复位控制rst信号、传输控制tg信号和开关控制sg信号置于低电平，进行曝光过程。

15、结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，信号调节单元包括共源放大管和负载电阻，其中：共源放大管的栅极与复位晶体管的源极相连接，共源放大管的漏极与第一电容的第二端相连接，共源放大管的源极接地。负载电阻的第一端与共源放大管的漏极相连接，负载电阻的第二端与电源电压相连接。

16、结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，信号调节单元包括共源放大管和电流源负载管，共源放大管的栅极与复位晶体管的源极相连接，共源放大管的漏极与第一电容的第二端相连接，共源放大管的源极接地。电流源负载管的漏极与共源放大管的漏极相连接，电流源负载管的源极与电源电压相连接，电流源负载管的栅极施加偏置电压。

17、结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，信号调节单元包括共源放大管和n型沟道金属氧化物半导体nmos负载管。共源放大管的栅极与复位晶体管的源极相连接，共源放大管的漏极与第一电容的第二端相连接，共源放大管的源极接地。nmos负载管的源极与共源放大管的漏极相连接，nmos负载管的栅极和漏极与电源电压相连接。

18、结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，信号调节单元包括共源放大管和p型沟道金属氧化物半导体pmos负载管。共源放大管的栅极与复位晶体管的源极相连接，共源放大管的漏极与第一电容的第二端相连接，共源放大管的源极接地。pmos负载管的栅极和漏极与共源放大管的漏极相连接，pmos负载管的源极与电源电压相连接。

19、结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，第一电容为横向溢出集成lofic电容。