一种兼容三种工作模式的高速大动态范围像素架构

本发明涉及图像传感器像素领域，更具体的说，是涉及一种兼容三种工作模式的高速大动态范围像素架构。

背景技术：

1、互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor,cmos)图像传感器是一种将光信号转换为电信号的电子设备，其基本结构由一组单独的光敏像素组成，也称为光电点或光电二极管。每个光电二极管负责将入射光转换成与照射它的光强度成正比的电荷量，然后将这些电荷转换成代表像素颜色和亮度的数字值。cmos图像传感器由于其低功耗、快速读出速度和高电路集成能力而受到广泛欢迎。这类图像传感器已成为许多消费电子设备的主导技术，应用于数码相机、智能手机和各种其他电子设备的图像传感器，帮助人们捕获图像信息，推动了消费电子领域的发展。

2、随着消费电子领域的发展，对cmos图像传感器提出了更高的需求。cmos图像传感器的动态范围(dynamic range,dr)指的是其在图像中捕捉和表示亮度范围的能力。它衡量的是最暗和最亮区域之间的跨度，即在保持细节且避免过曝或信息丢失的情况下所能捕捉的亮度范围。动态范围通常以最大和最小可探测光强水平之间的比值来表示。cmos图像传感器的动态范围受多种因素影响，包括像素的大小和设计、光电二极管和读出电路的质量，以及传感器的噪声特性。较高的动态范围使其能够更好地捕捉具有高对比度的场景，例如具有明亮高光和深暗阴影的风景。为增强动态范围，cmos图像传感器采用了各种技术。一种常见的扩展动态范围的方法是增加像素内对光强的转化能力，如电荷转移节点采用双转换增益像素结构(dual conversion gain,dcg)，对感光节点的光强分别进行高低增益的转换，较低增益模式用于捕捉高亮度场景，而较高增益模式用于捕捉低亮度场景。这种灵活的增益调整允许传感器在较广的亮度范围内捕捉和保留细节。通过双转换增益技术，图像传感器的动态范围可以达到甚至超过100db。这样的动态范围使传感器能够在极为明亮的光照条件下捕捉细节丰富的高光部分，同时在非常低光条件下保持较低的噪声水平，并捕捉到暗部细节。但dcg结构像素在读出阶段需要进行高增益和低增益两个信号的读出，读出时间限制了dcg图像传感器的帧率，导致dcg结构的像素无法用于有高帧率需求的高速场景。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提出了一种兼容三种工作模式的高速大动态范围像素架构。在传统dcg结构的基础上增加列级信号对像素的反馈控制，使该像素结构除常规的4t工作模式外还同时兼容大动态范围工作模式和高速脉冲读出工作模式，既能够实现dcg技术的动态范围扩展，同时又能够兼容高速读出模式，读出时间仅200ns，可以有效提高芯片帧率。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

3、本发明兼容三种工作模式的高速大动态范围像素架构，包括行选通电路、像素阵列、列级比较器，所述像素阵列由m×n个相同的像素结构构成，所述列级比较器由n个相同结构的比较器构成，每列像素结构对应一个比较器；

4、每个所述像素结构均包括光电二极管、传输栅晶体管、fd电容、复位晶体管、dcg电容、增益控制晶体管、一号复位控制晶体管、二号复位控制晶体管、源跟随晶体管、行选晶体管；

5、所述传输栅晶体管的栅极施加由行选通电路提供的传输控制信号，漏极连接至fd电容上极板，fd电容下极板接地，源极与光电二极管的负极相连，所述光电二极管正极接地；

6、所述复位晶体管的栅极施加由行选通电路提供的复位信号，漏极连接电源，源极连接dcg电容上极板，dcg电容下极板接地；

7、所述一号复位控制晶体管和二号复位控制晶体管的栅极同时连接至行选通电路输出端或同时连接至对应的比较器输出端，对二者同时施加由行选通电路提供的复位时序信号或者同时施加由对应比较器提供的列级反馈信号，若二者同时接收由对应比较器提供的列级反馈信号，其电平高低正相反；所述一号复位控制晶体管源极连接电源，所述二号复位控制晶体管源极接地，所述一号复位控制晶体管和二号复位控制晶体管的漏极均连接至增益控制晶体管栅极；所述增益控制晶体管漏极连接至dcg电容上极板，源极连接至fd电容上极板；

8、所述源跟随晶体管栅极连接至fd电容上极板，漏极连接电源，源极连接行选晶体管漏极，所述行选晶体管源极经列总线连接至对应的比较器输入端，栅极施加由行选通电路提供的行选控制信号。

9、本发明兼容三种工作模式的高速大动态范围像素架构，兼具高速脉冲读出工作模式、4t工作模式和大动态范围工作模式；

10、高速脉冲读出工作模式下，采用列级比较器为一号复位控制晶体管、二号复位控制晶体管提供列级反馈信号；列级比较器将前一帧的像素输出信号与列级设定阈值进行比较，并将比较结果作为列级反馈信号；若前一帧像素输出信号高于列级设定阈值，则列级反馈信号控制当前帧像素结构内fd电容不复位，继续累积由光电二极管转移过来的光生电荷；若前一帧像素输出信号低于列级设定阈值，则列级反馈信号控制当前帧像素结构内fd电容复位，重新累积由光电二极管转移过来的光生电荷；

11、4t工作模式下，采用行选通电路为一号复位控制晶体管17、二号复位控制晶体管18提供复位时序信号；曝光过程中由光电二极管11累积光生电荷，曝光完成后光电二极管11中的光生电荷向fd电容13转移，转移完成后像素结构先后向对应的比较器comp读出fd电容13的复位电压和积分电压；

12、大动态范围工作模式包含高增益和低增益两种子模式，通过一号复位控制晶体管控制增益控制晶体管开关，进而控制高增益与低增益两种子模式的量化，先后读出高增益与低增益时的复位和积分电压；其中，光电二极管内累积的光生电荷进行两次转移，第一次向fd电容转移，转移完成后输出第一次转移的信号，即高增益子模式时的积分电压，第二次同时向fd电容和dcg电容两个电荷存储节点转移，转移完成后输出第二次转移的信号，即低增益子模式时的积分电压。

13、与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

14、本发明提出一种兼容4t、大动态范围和高速脉冲读出工作模式的像素架构。该像素在传统dcg的基础上增加了接收列级反馈信号的结构。在高速脉冲读出工作模式下由列级反馈信号控制像素感光节点的电荷累积，输出信号vpix，在列级对像素输出信号vpix进行脉冲量化，并将量化结果通过列级反馈信号feedback_a、feedback_b控制像素结构复位。此模式下可以实现像素高速读出，将光强转化为时间域脉冲信号，有利于高速场景的应用。大动态范围工作模式下像素内存在高增益和低增益两种电荷存储节点，通过将光电二极管累积的光生电荷分别在两种增益条件下进行量化读出，有效提升像素的量化精度和动态范围，同时可以在比较器进行cds双采样降低噪声，提升成像质量。

技术特征：

1.一种兼容三种工作模式的高速大动态范围像素架构，其特征在于，包括行选通电路、像素阵列、列级比较器，所述像素阵列由m×n个相同的像素结构构成，所述列级比较器由n个相同结构的比较器(comp)构成，每列像素结构对应一个比较器(comp)；

2.根据权利要求1所述的兼容三种工作模式的高速大动态范围像素架构，其特征在于，兼具高速脉冲读出工作模式、4t工作模式和大动态范围工作模式；

技术总结
本发明公开了一种兼容三种工作模式的高速大动态范围像素架构，包括行选通电路、像素阵列、列级比较器，像素阵列由M×N个像素结构构成，列级比较器由N个比较器构成；每个像素结构均包括光电二极管、传输栅晶体管、FD电容、复位晶体管、DCG电容、增益控制晶体管、一号复位控制晶体管、二号复位控制晶体管、源跟随晶体管、行选晶体管。本发明兼容4T、大动态范围、高速脉冲读出三种工作模式，既能够实现DCG技术的动态范围扩展，同时又能够兼容高速读出模式，可以有效提高芯片帧率。

技术研发人员：徐江涛,智雨燕,高志远,聂凯明,高静
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16