本發(fā)明涉及圖像傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種像素電路及其驅(qū)動(dòng)方法。

背景技術(shù)：

1、圖像傳感器是利用像素陣列中光電器件的光電轉(zhuǎn)換功能將感光面上的光像轉(zhuǎn)換為與光像成相應(yīng)比例關(guān)系的電信號(hào)，再經(jīng)過外圍電路的處理、存儲(chǔ)等，從而記錄圖像信息。圖像傳感器性能需求日益提高，動(dòng)態(tài)范圍已經(jīng)成為cmos圖像傳感器的關(guān)鍵性能參數(shù)。目前使用較多的是單次曝光的方式，利用像素單元內(nèi)的電容做成不同檔位的轉(zhuǎn)換增益，通過切換不同檔位的轉(zhuǎn)換增益來實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍(hdr)。

2、圖1所示為適應(yīng)該方式的現(xiàn)有電路示例，每個(gè)像素單元的電路包括：光電二極管pd、轉(zhuǎn)移晶體管tg、復(fù)位晶體管rst、轉(zhuǎn)換增益控制管dcg、源跟隨管sf；還可將金屬電容(圖未示出)耦合至復(fù)位晶體管rst、轉(zhuǎn)換增益控制管dcg之間的節(jié)點(diǎn)。其中，光電二極管pd用于將感測(cè)到的入射光轉(zhuǎn)換成電荷；轉(zhuǎn)移晶體管tg耦合在光電二極管pd和浮置擴(kuò)散區(qū)fd之間，用于選擇性地將光電二極管pd累積的電荷傳輸?shù)礁≈脭U(kuò)散區(qū)fd。浮置擴(kuò)散區(qū)fd用于累積收到的電荷。轉(zhuǎn)換增益控制管dcg用于選擇性地在兩種轉(zhuǎn)換增益之間切換，通過將金屬電容與浮置擴(kuò)散區(qū)fd接通或斷開，來改變浮置擴(kuò)散區(qū)fd處的電容(金屬電容接入時(shí)，浮置擴(kuò)散區(qū)fd處電容增加，像素單元的轉(zhuǎn)換增益減?。唤饘匐娙輿]有接入時(shí)，浮置擴(kuò)散區(qū)fd處電容減小，像素單元的轉(zhuǎn)換增益增大)；復(fù)位晶體管rst耦合至電源電壓vdd，用于選擇性地復(fù)位在浮置擴(kuò)散區(qū)fd和光電二極管pd處累積的電荷。源跟隨管sf用于放大浮置擴(kuò)散區(qū)fd的電位變化，并輸出與放大結(jié)果相應(yīng)的pxd信號(hào)。

3、現(xiàn)有方案的電路設(shè)計(jì)中，電路工作時(shí)序如下：

4、清電子：rst導(dǎo)通，dcg導(dǎo)通，tg導(dǎo)通，清除pd和fd中的電子；

5、積分：tg關(guān)斷，rst導(dǎo)通，dcg導(dǎo)通；

6、讀出過程(lhhl模式)：

7、讀lcg參考信號(hào)：tg關(guān)斷，rst關(guān)斷，dcg導(dǎo)通，讀lcg參考信號(hào)；

8、讀hcg參考信號(hào)：tg關(guān)斷，rst關(guān)斷，dcg關(guān)斷，讀hcg參考信號(hào)；

9、讀hcg信號(hào)：tg導(dǎo)通，rst關(guān)斷，dcg關(guān)斷，讀hcg信號(hào)；

10、讀lcg信號(hào)：tg導(dǎo)通，rst關(guān)斷，dcg導(dǎo)通，讀lcg信號(hào)。

11、對(duì)于上述的現(xiàn)有電路，在暗光下可以利用高轉(zhuǎn)換增益(hcg)檔位讀出，亮光下可以利用低轉(zhuǎn)換增益(lcg)檔位讀出；但是，一方面，轉(zhuǎn)換增益只能在電容值大小固定的兩個(gè)檔位之間切換，而在高動(dòng)態(tài)范圍的設(shè)計(jì)下，為了能同時(shí)兼顧暗場(chǎng)和高亮場(chǎng)景，兩個(gè)檔位的電容差較大，因而，從hcg檔位切換到lcg檔位時(shí)，信噪比會(huì)發(fā)生跳變；這樣對(duì)一個(gè)場(chǎng)景中不同亮度的點(diǎn)來說，較暗的點(diǎn)會(huì)損失一部分信噪比，降低圖像質(zhì)量。另一方面，現(xiàn)有的圖像傳感器中，不同行像素單元的讀出時(shí)序不能覆蓋重疊，限制了整個(gè)器件的讀出速度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)中固定檔位轉(zhuǎn)換增益使得一部分信噪比損失的問題，本發(fā)明提出一種新的像素電路及其驅(qū)動(dòng)方法，一方面，將多個(gè)像素單元的新增的第一電容連接共用作為可變電容，以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換增益的電容大小，得到多種檔位的轉(zhuǎn)換增益，改善信噪比損失的問題；另一方面，還設(shè)置了控制開關(guān)，用于選擇控制是否連接該可變電容同時(shí)實(shí)現(xiàn)不同行的讀出可以覆蓋重疊以提高讀出速度。

2、本發(fā)明提供一種像素電路的驅(qū)動(dòng)方法，所述像素電路包括：像素單元，一個(gè)或多個(gè)所述像素單元形成像素陣列；每個(gè)所述像素單元包括：

3、一個(gè)或多個(gè)光電二極管；

4、一個(gè)或多個(gè)第一晶體管，對(duì)應(yīng)連接所述一個(gè)或多個(gè)光電二極管；所述第一晶體管耦合在對(duì)應(yīng)的光電二極管與該像素單元的一浮置擴(kuò)散區(qū)之間；

5、第二晶體管，耦合至電源電壓；

6、第三晶體管，耦合在所述浮置擴(kuò)散區(qū)和第二晶體管之間；

7、每個(gè)所述像素單元還包括：控制開關(guān)和第一電容；

8、所述控制開關(guān)的一端與所述第二晶體管和第三晶體管的連接節(jié)點(diǎn)連接，所述控制開關(guān)的另一端連接所述第一電容；

9、其中，m個(gè)所述像素單元的第一電容串聯(lián)，m>1且m為整數(shù)；通過控制串聯(lián)的第一電容導(dǎo)通的個(gè)數(shù)以控制增益檔位不同。

10、可選地，m個(gè)所述像素單元包括相鄰行和/或相鄰列的p個(gè)所述像素單元，其中1<p≤m且p為整數(shù)。

11、可選地，m個(gè)所述像素單元包括至少一列像素單元或至少一行像素單元。

12、可選地，m個(gè)所述像素單元包括共用所述第一電容的q個(gè)像素單元，所述q個(gè)像素單元中的每?jī)蓚€(gè)像素單元間隔i行和/或間隔j列，其中1<q≤m且q為整數(shù)，i≥1且i為整數(shù)，j≥1且j為整數(shù)。

13、可選地，所述q個(gè)像素單元中，每?jī)蓚€(gè)像素單元間隔1行；在至少一列像素單元中，所述第一電容隔行彼此串聯(lián)，形成第一串聯(lián)組和第二串聯(lián)組。

14、可選地，至少存在兩行像素單元的所述第一電容共享，所述驅(qū)動(dòng)方法還包括：通過所述控制開關(guān)的設(shè)置，在上一行讀高轉(zhuǎn)換增益信號(hào)的同時(shí)，下一行開始讀低轉(zhuǎn)換增益參考信號(hào)。

15、可選地，所述像素單元的電路工作時(shí)序包括：

16、清電子：

17、第二晶體管導(dǎo)通，第三晶體管導(dǎo)通，第一晶體管導(dǎo)通，控制開關(guān)關(guān)斷，第一電容關(guān)斷，清除光電二極管和浮置擴(kuò)散區(qū)中的電子；

18、積分：

19、第一晶體管關(guān)斷，第二晶體管導(dǎo)通，第三晶體管導(dǎo)通，控制開關(guān)關(guān)斷，第一電容關(guān)斷；

20、讀出過程，所述讀出過程包括：

21、讀低轉(zhuǎn)換增益參考信號(hào)：第一晶體管關(guān)斷，第二晶體管關(guān)斷，第三晶體管導(dǎo)通，控制開關(guān)導(dǎo)通，h行第一電容同時(shí)導(dǎo)通，讀低轉(zhuǎn)換增益參考信號(hào)；

22、讀高轉(zhuǎn)換增益參考信號(hào)：第一晶體管關(guān)斷，第二晶體管關(guān)斷，第三晶體管導(dǎo)通，控制開關(guān)導(dǎo)通，k行第一電容同時(shí)導(dǎo)通，讀高轉(zhuǎn)換增益參考信號(hào)；

23、讀高轉(zhuǎn)換增益信號(hào)：第一晶體管導(dǎo)通，第二晶體管關(guān)斷，第三晶體管導(dǎo)通，控制開關(guān)導(dǎo)通，k行第一電容同時(shí)導(dǎo)通，讀高轉(zhuǎn)換增益信號(hào)；

24、讀低轉(zhuǎn)換增益信號(hào)：第一晶體管導(dǎo)通，第二晶體管關(guān)斷，第三晶體管導(dǎo)通，控制開關(guān)導(dǎo)通，h行第一電容同時(shí)導(dǎo)通，讀低轉(zhuǎn)換增益信號(hào)。

25、m≥h>k，k≥1，且h是小于等于像素陣列的最大行數(shù)的整數(shù)，k是小于像素陣列的最大行數(shù)的整數(shù)。

26、可選地，所述控制開關(guān)和第一電容在所述像素單元的區(qū)域內(nèi)或在所述像素單元的區(qū)域外制作而成。

27、可選地，所述控制開關(guān)包括第四晶體管，所述第一電容包括第五晶體管，所述驅(qū)動(dòng)方法包括通過控制串聯(lián)的多個(gè)第五晶體管導(dǎo)通的個(gè)數(shù)以控制增益檔位的不同。

28、可選地，每個(gè)所述像素單元包括四個(gè)、或八個(gè)、或九個(gè)、或十六個(gè)所述光電二極管。

29、可選地，每個(gè)所述像素單元還包括第二電容，所述第二電容耦合至所述第二晶體管和第三晶體管的連接節(jié)點(diǎn)。

30、可選地，每個(gè)所述像素單元還包括：

31、第六晶體管，所述第六晶體管的控制端連接所述浮置擴(kuò)散區(qū)；

32、第七晶體管，耦合在所述第六晶體管和信號(hào)輸出線之間，用于選擇輸出。

33、可選地，所述第一晶體管包括轉(zhuǎn)移晶體管；

34、所述第二晶體管包括復(fù)位晶體管；

35、所述第三晶體管包括增益轉(zhuǎn)換晶體管；

36、所述第六晶體管包括源跟隨晶體管；

37、所述第七晶體管包括選擇輸出晶體管。

38、可選地，所述第四晶體管和/或第五晶體管與第一、第二、第三、第六、第七晶體管中的至少一者同步制作。

39、本發(fā)明還提供一種像素電路，應(yīng)用于上述任意一項(xiàng)所述的驅(qū)動(dòng)方法。

40、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案具有以下有益效果：本方案為每個(gè)像素單元新增了電容和用于控制檔位切換的控制開關(guān)，多個(gè)像素單元的新增電容連接共用作為可變電容。一方面，根據(jù)需要將不同數(shù)量的新增電容耦合到浮置擴(kuò)散區(qū)來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換增益的電容大小，從而設(shè)計(jì)出多種檔位的轉(zhuǎn)換增益，以便根據(jù)不同場(chǎng)景選擇合適檔位的轉(zhuǎn)換增益，降低轉(zhuǎn)換增益檔位切換時(shí)的信噪比損失，優(yōu)化整個(gè)圖像的信噪比；另一方面，還設(shè)置了控制開關(guān)，用于選擇控制是否連接該可變電容同時(shí)實(shí)現(xiàn)不同行的讀出可以覆蓋重疊以提高讀出速度。

41、本方案的示例中，在每個(gè)像素單元現(xiàn)有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上新增有兩個(gè)晶體管，第一個(gè)新增的晶體管用作控制開關(guān)，用于控制檔位切換；多個(gè)像素單元的第二個(gè)新增的晶體管串聯(lián)共用，作為可變電容，通過控制開啟第二個(gè)新增的晶體管的個(gè)數(shù)來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換增益的電容大小，從而設(shè)計(jì)出多種檔位的轉(zhuǎn)換增益，根據(jù)不同亮度選擇合適的低轉(zhuǎn)換增益檔位，及根據(jù)同一場(chǎng)景下不同亮度點(diǎn)比重選擇合適的高轉(zhuǎn)換增益檔位，使得整個(gè)圖像的信噪比最優(yōu)，降低信噪比損失。

42、本方案的示例中，對(duì)于可共享電容的多個(gè)像素單元，通過控制開關(guān)(如第一個(gè)新增的晶體管)的設(shè)置，可以控制是否啟用信號(hào)讀取時(shí)序覆蓋重疊的模式；如果啟用該模式，則每次將一個(gè)像素單元的控制開關(guān)斷開，控制其進(jìn)入高轉(zhuǎn)換增益模式，這樣在讀取這個(gè)像素單元的高轉(zhuǎn)換增益信號(hào)的同時(shí)，可以對(duì)下一個(gè)像素單元開始讀取低轉(zhuǎn)換增益參考信號(hào)，以此類推，加快整個(gè)裝置的讀出速度。