[发明专利]一种像素单元及其时序控制方法

说明书

本发明公开了一种像素单元及其时序控制方法，包括：光电二极管的阴极连接电荷传输管的一端，以及抗溢流管的一端，光电二极管的阳极接地，电荷传输管的另一端连接双转换增益调节晶体管，抗溢流管的另一端连接溢出电荷存储管；溢出电荷存储管的另一端连接复位晶体管的一端，溢出电荷存储管用于将光电二极管饱和范围外的电荷传输到第二节点；双转换增益调节晶体管的一端为第一节点，双转换增益调节晶体管的另一端与溢出电荷存储管的另一端连接；复位晶体管的另一端连接电源电压，用于将像素单元复位；以及输出单元，用于放大电压并输出放大电压。该结构能够通过收集曝光时间段的溢出电荷和光生电荷，三帧合成实现高动态范围，以适应复杂光照场景。

技术领域

本发明涉及半导体图像感测技术领域，尤其涉及一种像素单元及其时序控制方法。

背景技术

目前，随着工艺技术能力的发展，CMOS有源像素传感器(CMOS active pixelsensor，CMOSAPS)以其集成度高、体积小、功耗低等优点，已经成为图像传感器领域的优先选择。但目前CMOS APS采用电荷积分的方式，为兼顾像元尺寸、灵敏度及噪声指标，动态范围(dynamic range，DR)必然受到有限的满阱容量限制。一般的有源像素传感器(activepixel sensor，APS)只有70dB的动态范围，人类眼睛则高达200dB，而一般户外场景则高达100dB，特别是现在应用于自动驾驶车载摄像头，其所需的动态范围会高达120dB(例如晴天从隧道口驶出时，隧道内两壁墙面和隧道外路面由于照度差异)。因此要提高CMOSAPS的应用领域，必然要扩展其动态范围。

目前，现有主要采用时间间断法扩展其动态范围，时间间断法本质是以间断的时间曝光，因曝光时间不同产生多变灵敏度的多帧图像，然后通过特异算法进行数据拟合，以实现时域上的高动态，但是，该方法因要求不同的曝光环境下采用不同的曝光时长，所以并不适用于对时延要求严苛的应用场景，如智能驾驶场景。

发明内容

本发明实施例提供一种的像素单元及其时序控制方法，用以在曝光时间不变的情况下，通过收集曝光时间段的溢出电荷和光生电荷，三帧合成实现高动态范围，以适应复杂光照场景。

第一方面，本发明提供一种像素单元，该像素单元包括：光电二极管的阴极连接电荷传输管的一端，以及抗溢流管的一端，所述光电二极管的阳极接地，所述光电二极管用于响应于光信号而生成电荷；电荷传输管的另一端连接所述双转换增益调节晶体管，所述电荷传输管，用于将所述光电二极管的电荷传输到第一节点；抗溢流管的另一端连接所述溢出电荷存储管；所述抗溢流管用于将所述光电二极管饱和范围外的电荷溢出到第三节点；溢出电荷存储管的另一端连接复位晶体管的一端，所述溢出电荷存储管用于将所述光电二极管饱和范围外的电荷传输到第二节点；双转换增益调节晶体管的一端为所述第一节点，所述双转换增益调节晶体管的另一端与所述溢出电荷存储管的另一端连接，用于通过打开或关断所述第一节点和所述第二节点之间的通路来控制对所述光电二极管的转换增益；复位晶体管的另一端连接电源电压，用于将像素单元复位；以及输出单元，用于放大电压并输出放大电压。

本发明提供的像素单元的有益效果在于：该结构能够收集光电二极管的溢出电荷，以在曝光时间不变的情况下，通过收集曝光时间段的溢出电荷和光生电荷，三帧合成实现高动态范围，以适应复杂光照场景。

可选地，该像素单元还包括第一电容，所述第一电容的一端与所述第二节点连接，所述第一电容的另一端接地。其有益效果在于：能够降低所述光电二极管的低转化增益，扩大所述像素单元的动态范围。

可选地，该像素单元还包括第二电容，所述第二电容的一端与所述第三节点连接，所述第二电容的另一端接地。其有益效果在于：能够降低所述光电二极管的低转化增益，扩大所述像素单元的动态范围。

可选地，所述输出单元包括源跟随管SF和选通晶体管，所述选通晶体管通过所述源跟随管SF与电源连接；