阅读说明：本技术 一种高灵敏度大动态范围的新型像素结构 (A kind of Novel pixel structure of high sensitivity Larger Dynamic range ) 是由 高静 赵彤 徐江涛 聂凯明 于 2019-09-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种高灵敏度大动态范围的新型像素结构,包括采用基于电流反射镜的反馈结构的输出镜像电流的CMI模块、与所述CMI模块连接的用于控制复制的镜像电流达到输出端的上下选择模块、与所述上下选择模块连接的传输模块；所述CMI模块能同时将光生电流反射到集成电容；当电流积分时,电压随积分时间的增加而增加,斜率与像素光电流成正比。本发明采用基于电流镜镜像积分模块的像素结构替代传统的有源像素传感器,使得电源电压在一定范围内摆动,像素电容实际的最大存储电荷得到扩展,在重构阶段根据电源电压的摆幅和摆动次数,使得电路的操作电压的虚拟增强,从而为像素提供大动态范围模式。(The present invention discloses a kind of Novel pixel structure of highly sensitive Larger Dynamic range, CMI module including the output image current using the feedback arrangement based on current mirror, connect with the CMI module be used to control the image current replicated reach output end selecting module up and down, with it is described above and below the transmission module that connect of selecting module；Photogenerated current can be reflected into integrated capacitance simultaneously by the CMI module；When current integration, voltage increases with the increase of the time of integration, and slope is directly proportional to pixel photoelectric current.The present invention substitutes traditional CMOS active pixel sensor using the dot structure based on current mirror mirror integration module, so that supply voltage is swung in a certain range, the actual maximum storage charge of pixel capacitance is expanded, in reconstruction stage according to the amplitude of oscillation and number of oscillations of supply voltage, so that the virtual enhancing of the operation voltage of circuit, to provide Larger Dynamic range mode for pixel.)

一种高灵敏度大动态范围的新型像素结构

技术领域

本发明涉及图像传感器技术领域，特别是涉及一种高灵敏度大动态范围的新型像素结构。

背景技术

大动态范围(High-Dynamic Range，HDR)和高灵敏度是大多数图像传感器无法提供的理想特性。大动态范围传感器能够在一幅图像中同时记录极亮和极暗信号。当场景的光照对比度较大时，高灵敏度对于图像传感器成像的性能同样重要。然而，大多数具有HDR操作的图像传感器往往缺乏灵敏度。

图像传感器是一组像素。像素电路通常与光电二极管连接，光电二极管将光转换成光电流，常用的图像传感器是有源像素传感器(Active pixel sensor,APS)，APS的响应几乎为线性，当它工作在离饱和较远的区域是，其输出电压与输入光电流成比例，其动态范围有限。在像素饱和之前可以被收集的最大电流I_sat由像素电路的最大电荷存储容量决定，而像素电路的最大电荷存储容量Q_max又取决于电路集成电容C_int和芯片中的最大供给电压VDD，由Q_max＝I_sat·ΔT，可得出I_sat＝C_int·VDD/ΔT。灵敏度可通过给定输入电流变化时像素电路输出端相应产生的电压差来测量。灵敏度越大，光学功率接近的两个输入光强越容易区分。由于输出电压与输入电流有关，它也可以解释为电路的直流过电压增益。对于作为积分器的线性像素电路，其灵敏度S可推导为，

为了改进APS的动态范围特性，主要采用对数或压缩传感器法、剪切传感器法、控制积分时间传感器法。第一种方法是压缩输出响应的增益，这是通过在整个输入电流范围内渐进地降低像素的跨导增益来实现的，从而降低了灵敏度。第二种类型调整输出节点电容，允许使用更大的电容来检测更大的输入光电流，因此也导致灵敏度下降。最后一种采用多次曝光的算法，减少了较大光电流的积分时间，允许HDR操作，但也降低了灵敏度。

为了重建图像，电压模式的CMOS图像传感器必须为每个像素提供关于时间和电压的信息。对于线性积分结构APS来说，有I_sat＝VDD/S。在不损害灵敏度的前提，可采用提高VDD的方式提高最大非饱和电流，在实际应用中，集成电路技术越新，VDD越低，使得实现HDR更加困难，并且倾向于降低像素的灵敏度。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种高灵敏度大动态范围的新型像素结构。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种高灵敏度大动态范围的新型像素结构，包括采用基于电流反射镜的反馈结构的输出镜像电流的CMI模块、与所述CMI模块连接的用于控制复制的镜像电流达到输出端的上下选择模块、与所述上下选择模块连接的传输模块；所述CMI模块能同时将光生电流反射到集成电容；当电流积分时，电压随积分时间的增加而增加，斜率与像素光电流成正比。

其中，所述CMI模块中包括四个晶体管构成的双电流镜、与双电流镜的输出连接的镜像电流复制模块以及光电探测器；其中所述光电探测器与读取电流的双电流镜连接；

所述镜像电流复制模块包括两个选择晶体管，分别对应的复制镜像电流，分别输出绝对值相同、方向相反的电流I_UP和I_DOWN到上下选择模块。

其中，所述上下选择模块包括两个选择晶体管，构成上下开关，通过SW信号控制复制的镜像电流是否达到输出端。

其中，所述传输模块包括通过一对差分的选择信号控制的传输门，所述传输门提供采样保持功能，并选定特定的像素模块的信号输出。

本发明采用基于电流镜镜像积分(Current Mirroring Integration,CMI)模块的像素结构替代传统的有源像素传感器，使得电源电压在一定范围内摆动，像素电容实际的最大存储电荷得到扩展，在重构阶段根据电源电压的摆幅和摆动次数，使得电路的操作电压的虚拟增强，从而为像素提供大动态范围模式。

为防止集成电压达到饱和，本发明的像素结构的信号在参考信号上限处反弹，并继续向下积分，保持斜率，直到最终达到参考下限并反弹向上。每当信号在规定的电压差范围内饱和时，这个过程就会重复。通过这种反复改变的方式可以建立一个虚拟的电压信号，而虚拟电压信号比芯片实际的电压源高很多倍。在保证像素灵敏度的同时，极大地提高了像素结构的动态范围。

本发明提出的像素结构在整个光照范围内具有恒定的灵敏度，由于其仅需要一次采样就可以达到较大的动态范围，像素的帧速率更高，并提供线性响应，允许在场景中进行均匀的对比度再现。此外，整个传感器直接将电路的输出值处理后得到最终图像，无需额外的行控制，也不需要任何二次输入，可以直接得出HDR图像。

附图说明

图1为本发明的高灵敏度大动态范围的新型像素结构图；

图2为本发明的像素的电压信号时序图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明高灵敏度大动态范围的新型像素结构，包括CMI模块101、上下选择模块102和传输模块103，CMI模块采用基于电流反射镜的反馈结构，具有稳定的偏置电压和低输入阻抗，同时将光生电流反射到集成电容。当电流积分时，电压随积分时间的增加而增加，其斜率与像素光电流成正比。在CMI模块中，四个晶体管(104、105、106、107)构成双电流镜，在光电探测器115中读取电流，其中，I1＝I2＝I_DC。

晶体管108和晶体管109复制镜像电流，分别输出IUP和IDOWN，二者绝对值相同，方向相反。

晶体管111、晶体管110构成上下开关，通过SW信号112控制这些电流是否达到输出端。

最后，所选电流通过一对差分的select信号(113、114)控制的传输门，传输门提供采样保持功能，并选定特定的像素模块的信号输出。

当积分电压达到低阈值或高阈值时，以正比于I_DC的绝对斜率反复弹跳，使之避免达到饱和。信号总是在ΔV＝V_max-V_min的任意范围内，并根据强度出现高峰和低谷。

本发明中，积分时间ΔT内弹跳次数N＝5，积分时间结束后，电压信号V_CAP被采样。根据V_CAP和N，HDR信号即可重建。重建的虚拟信号V_R＝N·ΔV+(V_CAP-V_MIN)，可以比VDD高几倍，限制最大虚拟电压(V_{R_max})的唯一参数是最大允许摆动次数(N_max)。使用比特数为b_c的计数器计算信号弹跳，对于该像素，当计数器即将溢出时发生饱和电流，即，当时，最大饱和电流发生。在计数完成时，则由于I_sat与b_c成指数关系，像素灵敏度较高时也可以保持较大的最大非饱和电流。

现有技术中提高CMOS图像传感器动态范围的方法是调整或修改APS，这总是导致强光下灵敏度下降，特别是当图像传感器需要在光照较强的环境下呈现一个良好的对比度时，这一缺点尤为明显。

本发明提出的基于电源电压自适应法的像素结构可避免了上述的限制，通过在相同积分时间内避免信号饱和，从而扩大最大的非饱和电流。通过计算可得，数字计数器位数为5位时，这种结构的像素的灵敏度相比常规APS可提高25倍。数字计数器的比特值更高时，灵敏度可以提高数百倍，综合传感器电路的复杂度增加和动态范围、灵敏度等性能的提高，可使用6～8位的计数器，即像素的最大弹跳次数为2⁶～2⁸。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。