本發(fā)明涉及圖像傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種全局快門CMOS像素單元及圖像采集方法。

背景技術(shù)：

全局快門CMOS圖像傳感器由于其高速輸出的優(yōu)點(diǎn)，在監(jiān)控、科學(xué)應(yīng)用，工業(yè)視覺(jué)等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。目前，在諸多應(yīng)用場(chǎng)合中，高速且高動(dòng)態(tài)成像成為圖像傳感器愈加廣泛的需求。

傳統(tǒng)全局快門CMOS圖像傳感器一次曝光輸出圖像動(dòng)態(tài)范圍不高，雖然可以采用多次曝光合成圖像實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)圖像，但其數(shù)字算法復(fù)雜，而且會(huì)大大降低幀率，弱化了全局快門像素高速的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服以上問(wèn)題，本發(fā)明旨在提供一種高動(dòng)態(tài)的全局快門CMOS像素單元，從而提高全局快門像素速度。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種一種全局快門CMOS像素單元，其包括：電源、像素產(chǎn)生單元、信號(hào)采樣保持單元和信號(hào)輸出單元；其中，電源與像素產(chǎn)生單元、信號(hào)采樣保持單元和信號(hào)輸出單元相連；所述像素產(chǎn)生單元的輸出端與所述信號(hào)采樣保持單元的輸入端相連，所述信號(hào)采樣保持單元的輸出端與所述信號(hào)輸出單元的輸入端相連；

所述像素產(chǎn)生單元包括：第一電流源、第二電流源、第一控制信號(hào)端、第二控制信號(hào)端、偏置電壓信號(hào)端、列選信號(hào)端、感光二極管、第一晶體管、第二晶體管、第三晶體管、第四晶體管、第五晶體管、第一電流源和第二電流源；其中，第一晶體管的漏極與電源的正極相連，第一晶體管的柵極連接于偏置電壓端，所述第一晶體管的源極與第二晶體管的漏極、第三晶體管的漏極、第四晶體管的源極相連接于一節(jié)點(diǎn)；第二晶體管的源極與感光二極管的陰極相連，第二晶體管的柵極連接于列選信號(hào)端；感光二極管的陽(yáng)極與電源的負(fù)極相連；第三晶體管的源極與第一電流源的正極相連，第三晶體管的柵極與第一控制信號(hào)端相連；第一電流源的另一端與電源的負(fù)極相連；第四晶體管的漏極與第五晶體管的柵極相連，第四晶體管的柵極與第二控制端相連；第五晶體管的漏極與電源的正極相連，第五晶體管的源極與第二電流源的正極相連并且作為像素產(chǎn)生單元的輸出端；第二電流源的另一端與電源的負(fù)極相連。

優(yōu)選地，所述信號(hào)采樣保持單元包括：第六晶體管、第七晶體管、第一電容、第二電容、第三控制信號(hào)端和第四控制信號(hào)端；第六晶體管的源極作為信號(hào)采樣保持單元的輸入端與第五晶體管的源極相連，第六晶體管的漏極與第七晶體管的源極、第一電容的一端相互連接，第六晶體管的柵極與第三控制信號(hào)端相連；第七晶體管的漏極與第二電容的一端相互連接并作為信號(hào)采樣保持單元的輸出端，第七晶體管的柵極與第四控制信號(hào)端相連；第一電容的另一端、第二電容的另一端均與電源的負(fù)極相連。

優(yōu)選地，所述第一晶體管、所述第二晶體管、所述第三晶體管、所述第四晶體管、所述第五晶體管、所述第六晶體管、所述第七晶體管均為NMOS管。

優(yōu)選地，信號(hào)輸出單元包括：第八晶體管、第九晶體管、第三電流源和行選信號(hào)端；其中，第八晶體管的柵極作為信號(hào)輸出單元的輸入端與第七晶體管的漏極相連，第八晶體管的漏極與電源的正極相連，第八晶體管的源極與第九晶體管的源極相連；第九晶體管的漏極與第三電流源的正極相連并且作為信號(hào)輸出單元的最終輸出端，第九晶體管的柵極與行選信號(hào)端相連；第三電流源的另一端與電源的負(fù)極相連。

優(yōu)選地，所述第八晶體管為NMOS。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明還提供了一種采用權(quán)利要求4所述的全局快門CMOS像素單元進(jìn)行的圖像采集方法，其特征在于，包括：

步驟01：感光二極管開(kāi)始曝光，曝光之后，打開(kāi)第四晶體管；

步驟02：打開(kāi)第二晶體管、第六晶體管、第七晶體管，此時(shí)，第一晶體管保持在所設(shè)定的亞閾值區(qū)，然后，關(guān)斷第七晶體管，此時(shí)，第二電容保持在第一電壓；

步驟03：打開(kāi)第三晶體管，此時(shí)，第一晶體管處在飽和區(qū)，然后，關(guān)斷第六晶體管，此時(shí)，第一電容保持在第二電壓；

步驟04：關(guān)斷第二晶體管、第三晶體管，然后，關(guān)斷第四晶體管；

步驟05：打開(kāi)第九晶體管，此時(shí)，信號(hào)輸出單元輸出第一輸出電壓，然后，打開(kāi)第七晶體管，信號(hào)輸出單元輸出第二輸出電壓；

步驟06：關(guān)斷第七晶體管，然后關(guān)斷第九晶體管，完成對(duì)圖像信號(hào)的一次讀取過(guò)程。

本發(fā)明通過(guò)將像素輸出電壓-光生電流設(shè)置為對(duì)數(shù)關(guān)系，有效提高了信號(hào)輸出的動(dòng)態(tài)范圍，使其在高速讀取的同時(shí)提高了圖像輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍；此外，本發(fā)明的像素單元具有消除工藝偏差的特點(diǎn)，有效提高了像素的一致性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的高動(dòng)態(tài)的全局快門CMOS像素單元的電路示意圖

圖2為本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的圖像采集方法的時(shí)序圖

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚易懂，以下結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖，對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步說(shuō)明。當(dāng)然本發(fā)明并不局限于該具體實(shí)施例，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。

以下結(jié)合附圖1～2和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。需說(shuō)明的是，附圖均采用非常簡(jiǎn)化的形式、使用非精準(zhǔn)的比例，且僅用以方便、清晰地達(dá)到輔助說(shuō)明本實(shí)施例的目的。

請(qǐng)參閱圖1，本實(shí)施例的全局快門CMOS像素單元，包括：電源、像素產(chǎn)生單元1、信號(hào)采樣保持單元2和信號(hào)輸出單元3；電源與像素產(chǎn)生單元1、信號(hào)采樣保持單元2和信號(hào)輸出單元3相連；像素產(chǎn)生單元1的輸出端與信號(hào)采樣保持單元2的輸入端相連，信號(hào)采樣保持單元2的輸出端與信號(hào)輸出單元3的輸入端相連。這里所采用的第一晶體管M1、第二晶體管M2、第三晶體管M3、第四晶體管M4、第五晶體管M5、第六晶體管M6、第七晶體管M7、第八晶體管M8均為NMOS。

像素產(chǎn)生單元1包括：第一電流源I1、第二電流源I2、第一控制信號(hào)端S1、第二控制信號(hào)端S2、偏置電壓信號(hào)端BIAS、列選信號(hào)端TX、感光二極管PD、第一晶體管M1、第二晶體管M2、第三晶體管M3、第四晶體管M4、第五晶體管M5、第一電流源I1和第二電流源I2；第一晶體管M1的漏極與電源的正極VDD相連，第一晶體管M1的柵極連接于偏置電壓端BIAS，第一晶體管M1的源極與第二晶體管M2的漏極、第三晶體管M3的漏極、第四晶體管M4的源極相連接于一節(jié)點(diǎn)；第二晶體管M2的源極與感光二極管PD的陰極相連，第二晶體管M2的柵極連接于列選信號(hào)端TX；感光二極管PD的陽(yáng)極與電源的負(fù)極VSS相連；第三晶體管M3的源極與第一電流源I1的正極相連，第三晶體管M3的柵極與第一控制信號(hào)端S1相連；第一電流源I1的另一端與電源的負(fù)極VSS相連；第四晶體管M4的漏極與第五晶體管M5的柵極相連，第四晶體管M4的柵極與第二控制端S2相連；第五晶體管M5的漏極與電源的正極VDD相連，第五晶體管M5的源極與第二電流源I2的正極相連并且作為像素產(chǎn)生單元的輸出端；第二電流源I2的另一端與電源的負(fù)極VSS相連。

信號(hào)采樣保持單元2包括：第六晶體管M6、第七晶體管M7、第一電容C1、第二電容C2、第三控制信號(hào)端S3和第四控制信號(hào)端S4；第六晶體管M6的源極作為信號(hào)采樣保持單元2的輸入端與第五晶體管M5的源極相連，第六晶體管M6的漏極與第七晶體管M7的源極、第一電容C1的一端相互連接，第六晶體管M7的柵極與第三控制信號(hào)端S3相連；第七晶體管M7的漏極與第二電容C2的一端相互連接并作為信號(hào)采樣保持單元2的輸出端，第七晶體管M7的柵極與第四控制信號(hào)端S4相連；第一電容C1的另一端、第二電容C2的另一端均與電源的負(fù)極VSS相連。

信號(hào)輸出單元3包括：第八晶體管M8、第九晶體管M9、第三電流源I3和行選信號(hào)端RS；其中，第八晶體管M8的柵極作為信號(hào)輸出單元3的輸入端與第七晶體管M7的漏極相連，第八晶體管M8的漏極與電源的正極VDD相連，第八晶體管M8的源極與第九晶體管M9的源極相連；第九晶體管M9的漏極與第三電流源I3的正極相連并且作為信號(hào)輸出單元3的最終輸出端，第九晶體管M9的柵極與行選信號(hào)端RS相連；第三電流源I3的另一端與電源的負(fù)極VSS相連。

請(qǐng)參閱圖2并結(jié)合圖1，采用本實(shí)施例上述的全局快門CMOS像素單元進(jìn)行的圖像采集方法，包括：

步驟01：感光二極管開(kāi)始曝光，曝光之后，打開(kāi)第四晶體管；

步驟02：打開(kāi)第二晶體管、第六晶體管、第七晶體管，此時(shí)，第一晶體管保持在所設(shè)定的亞閾值區(qū)，然后，關(guān)斷第七晶體管，此時(shí)，第二電容保持在第一電壓；

具體的，本步驟02中，當(dāng)?shù)谝痪w管處于所設(shè)定的亞閾值區(qū)時(shí)，第五晶體管的源極電壓等于第一電壓；

第一電壓為：

其中，V_a為第一電壓的值，V_bias為偏置電壓，I_bias為偏置電流，V_th,M1為第一晶體管的閾值電壓，V_th,M5為第五晶體管的閾值電壓，n為亞閾值區(qū)理想因子，I₀為MOS管柵源電壓等于閾值電壓時(shí)的漏電流；V_t為熱電勢(shì)，I_p為感光二極管的光生電流，I_L為感光二極管的反向光生電流，β₅＝uC_ox，u為載流子遷移率，C_ox為單位面積柵氧化層電容。

步驟03：打開(kāi)第三晶體管，此時(shí)，第一晶體管處在飽和區(qū)，然后，關(guān)斷第六晶體管，此時(shí)，第一電容保持在第二電壓；

具體的，本步驟03中，當(dāng)?shù)谝痪w管處于飽和區(qū)時(shí)，第五晶體管的源極電壓等于第二電壓；

第二電壓為：

其中，V_b為第二電壓的值，V_bias為偏置電壓，I₁為第一電流源的電流，I₂為第二電流源的電流，V_th,M1為第一晶體管的閾值電壓，V_th,M5為第五晶體管的閾值電壓，β₁＝u₁C_ox，β₅＝u₅C_ox，u₁為第一晶體管載流子遷移率，u₅為第五晶體管載流子遷移率，C_ox為單位面積柵氧化層電容。

步驟04：關(guān)斷第二晶體管、第三晶體管，然后，關(guān)斷第四晶體管；

步驟05：打開(kāi)第九晶體管，此時(shí)，信號(hào)輸出單元輸出第一輸出電壓，然后，打開(kāi)第七晶體管，信號(hào)輸出單元輸出第二輸出電壓；

具體的，第一輸出電壓等于第一電壓，第二輸出電壓為：V2＝(V_a*C2+V_b*C1)/(C1+C2)，其中，V_a為第一電壓的值，C2為第二電容的值，V_b為第二輸出電壓的值，C1為第一電容的值。

步驟06：關(guān)斷第七晶體管，然后關(guān)斷第九晶體管，完成對(duì)圖像信號(hào)的一次讀取過(guò)程。

此外，對(duì)圖像信號(hào)讀取并傳輸?shù)酵怆娐分?，還可以繼續(xù)對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行處理，從式(1)和(2)可以看出，第五晶體管的閾值電壓對(duì)第一電壓和第二電壓均有影響，并且，由于第一輸出電壓等于第一電壓，第二輸出電壓與第一電壓有關(guān)系，因此，會(huì)影響到第一輸出電壓和第二輸出電壓，從而影響到圖像信號(hào)，因此，可以將第一輸出電壓和第二輸出電壓進(jìn)行相減，消去第五晶體管的閾值電壓影響，具體原理如下：

第一電壓V_a和第二電壓V_b的差值為：

由于第一輸出電壓Vout1＝V_a，第二輸出電壓Vout2＝(V_a*C2+V_b*C1)/(C1+C2)，

則有，當(dāng)C1＝C2時(shí)，Vout2＝(V_a+V_b)/2

則，Vout1-Vout2＝(V_a-V_b)/2。

因此，后續(xù)像素處理電路中，將Vout1-Vout2即可消去第五晶體管的閾值電壓對(duì)圖像信號(hào)的影響，從而有效地提高了像素輸出圖像的一致性。

雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭示如上，然實(shí)施例僅為了便于說(shuō)明而舉例而已，并非用以限定本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下可作若干的更動(dòng)與潤(rùn)飾，本發(fā)明所主張的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求書(shū)為準(zhǔn)。