像素电路、图像传感器及减小像素固定图像噪声的方法与流程

1.本发明涉及图像传感器领域，特别是涉及一种像素电路、图像传感器及减小像素固定图 像噪声的方法。


背景技术：

2.图像传感器在对像素进行曝光及采样的过程中，由于制造工艺的偏差，会产生固定图案 噪声(fpn：fixed pattern noise)，针对单个像素的固定图案噪声(pfpn：pixel fixed patternnoise)其造成的因素有：有源晶体管的阈值电压不一致；另外，光电二极管的暗电流不一致 等也会造成固定图案噪声。其中，由于制造工艺的偏差，有源晶体管的实际阈值电压会与预 设阈值电压存在偏差，各有源晶体管的实际阈值电压不一致，对于控制端电压与实际阈值电 压差值较大的情况，沟道电荷注入效应(沟道电荷注入效应主要体现在晶体管从导通到关断 状态时，会有电荷从晶体管中泄露，若泄漏到存储信号的电容中，便会影响电容中的信号) 对图像传感器读出信号的准确性产生很大影响；且不同有源晶体管的沟道电荷注入效应不一 致，对每个像素造成的影响也不同，最终读出图像的一致性大受影响。
3.另外，现有图像传感器在对像素进行重置和采样时，控制时序复杂、效率低。
4.因此，如何克服沟道电荷注入效应的影响，提高读出信号的准确性、一致性以及工作效 率，已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。


技术实现要素：

5.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种像素电路、图像传感器及减 小像素固定图像噪声的方法，用于解决现有技术中电荷注入效应对图像传感器读出信号的准 确性和一致性产生影响、控制时序复杂、效率低等问题。
6.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种减小像素固定图像噪声的方法，所述 减小像素固定图像噪声的方法至少包括：
7.对各像素进行全局曝光；
8.对储存用于表征图像的信号的电容进行重置；
9.分别基于对应的所述电容对所述用于表征图像的信号进行采样；
10.读出所述用于表征图像的信号；
11.其中，在采样阶段，采样所述用于表征图像的信号的晶体管的控制信号为台阶电平，所 述台阶电平具有至少两个台阶，各台阶的电压依次减小。
12.可选地，所述用于表征图像的信号包括复位信号及图像信号。
13.可选地，所述控制信号的第一台阶为晶体管开启电平，第二台阶介于所述晶体管开启电 平与晶体管关断电平之间。
14.更可选地，所述第二台阶介于所述晶体管开启电平与对应晶体管的阈值电压之间。
15.可选地，所述减小像素固定图像噪声的方法还包括：在所述全局曝光前对各所述像素进 行复位的步骤。
16.可选地，所述至少两个台阶包括一个为对应晶体管开启电平的台阶及至少一个大于对应 晶体管阈值电压的台阶。
17.更可选地，所述减小像素固定图像噪声的方法还包括：基于增益控制信号调整所述复位 信号及所述图像信号的转换增益，分别获取高转换增益和/或低转换增益的复位信号、图像信 号。
18.更可选地，在采样阶段：
19.设置转换增益模式；
20.导通第一控制晶体管，以将所述复位信号存储到第一电容；
21.关断所述第一控制晶体管；
22.将曝光电荷转移至浮动扩散点；
23.导通第二控制晶体管，以将所述图像信号存储到第二电容；
24.关断所述第二控制晶体管；
25.在读出阶段：
26.导通像素选择晶体管，读出所述复位信号；
27.导通第三控制晶体管，以读出所述复位信号与所述图像信号之和的一半；
28.关断所述第三控制晶体管；
29.其中，所述第一控制晶体管、所述第二控制晶体管及所述第三控制晶体管中至少一个导 通及关断时的控制端电压为所述台阶电平。
30.更可选地，各所述像素中采用所述台阶电平的对应的晶体管的台阶设置一致。
31.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种像素电路，适用于上述减小像素固定 图像噪声的方法，所述像素电路至少包括：
32.存储控制模块，连接至浮动扩散点，用于分别基于电容存储用于表征图像的信号；
33.其中，在采样阶段，所述存储控制模块中采样所述复位信号及所述图像信号的晶体管的 控制信号为台阶电平，所述台阶电平具有至少两个台阶，各台阶的电压依次减小。
34.可选地，所述存储控制模块包括至少一个存储控制单元，所述存储控制单元均包括复位 电压信号传输支路及图像电压信号传输支路，分别用于传输并存储所述复位信号及所述图像 信号，其中，所述复位电压信号传输支路包括第一控制晶体管及第一电容，所述图像电压信 号传输支路包括第二控制晶体管及第二电容，所述存储控制单元还包括第三控制晶体管，其 中：
35.所述第一控制晶体管的第一连接端及所述第二控制晶体管的第一连接端耦接至所述浮动 扩散点；所述第一控制晶体管的控制端接入第一控制信号，第二连接端连接所述第三控制晶 体管的第一连接端，并通过所述第一电容接第一参考电位；所述第二控制晶体管的控制端接 入第二控制信号，第二连接端连接所述第三控制晶体管的第二连接端，并通过所述第二电容 接第二参考电位；所述第三控制晶体管的控制端接入第三控制信号。
36.更可选地，各存储控制单元还包括：第一源跟随晶体管、第二源跟随晶体管及像素选择 晶体管；
37.所述第一源跟随晶体管的控制端连接至所述浮动扩散点，第一连接端接入可变电
压，第 二连接端连接所述第一控制晶体管的第一连接端和所述第二控制晶体管的第一连接端；
38.所述第二源跟随晶体管的控制端连接所述第三控制晶体管的第一连接端，第一连接端接 入第一电源电压，第二连接端连接所述像素选择晶体管的第一连接端；
39.所述像素选择晶体管的控制端接入像素选择信号，第二连接端作为对应存储控制单元的 输出端。
40.更可选地，所述存储控制单元用于存储高转换增益和/或低转换增益的复位信号和图像信 号，所述存储控制单元连接至浮动扩散点，基于所述存储控制信号存储相应转换增益模式的 复位信号和图像信号；其中，当所述存储控制模块用于存储高转换增益及低转换增益的复位 信号和图像信号时，所述存储控制模块包括高增益存储控制单元及低增益存储控制单元：
41.所述高增益存储控制单元和所述低增益存储控制单元并联设置且均连接至浮动扩散点； 所述高增益存储控制单元用于分别存储高转换增益的复位信号和图像信号，所述低增益存储 控制单元用于分别存储低转换增益的复位信号和图像信号。
42.更可选地，当存在所述高增益存储控制单元及所述低增益存储控制单元时，所述高增益 存储控制单元和所述低增益存储控制单元对应相同或不同的列线，以分别实现信号的串行输 出或者并行输出。
43.可选地，所述像素电路还包括：感光控制模块及复位模块；其中，
44.所述感光控制模块连接于所述浮动扩散点和第三参考电位之间，并受控于传输控制信号， 用于根据光电效应产生曝光电荷，并根据所述传输控制信号将所述曝光电荷转移输出；
45.所述复位模块包括复位晶体管，所述复位晶体管的控制端接入复位控制信号，第一连接 端接入第二电源电压，第二连接端连接至所述浮动扩散点。
46.更可选地，所述像素电路还包括：
47.增益控制模块，所述增益控制模块接收增益控制信号，使所述像素电路工作于不同转换 增益模式下，所述不同转换增益模式包括高增益转换模式及低增益转换模式；
48.所述存储控制模块用于分别存储高转换增益的复位信号和图像信号和/或用于分别存储 低转换增益的复位信号和图像信号。
49.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种图像传感器，所述图像传感器至少包 括：
50.控制电路、读出电路及上述像素电路；
51.所述控制电路为所述读出电路及所述像素电路提供控制信号；所述读出电路连接于所述 像素电路的输出端，用于读出所述像素电路中的复位信号及图像信号。
52.如上所述，本发明的像素电路、图像传感器及减小像素固定图像噪声的方法，具有以下 有益效果：
53.1、本发明的像素电路、图像传感器及减小像素固定图像噪声的方法将采样阶段用于采 样表征图像的信号的晶体管的控制信号设置为台阶电平，以此减小晶体管关断时栅端电压与 阈值电压的差值，进而减小沟道电荷注入效应对像素造成的影响，减小固定图像噪声。
54.2、本发明的像素电路、图像传感器及减小像素固定图像噪声的方法在阈值电压未知的 情况下，设置多个台阶以捕捉到阈值电压的位置，以使得晶体管关断时栅端电压与阈值电压 的差值降低，改善沟道电荷注入效应对像素阵列的影响，减小固定噪声。
55.3、本发明的像素电路及图像传感器采用三个控制晶体管的结构，可大大减小控制时序 的复杂度，提高工作效率。
附图说明
56.图1显示为本发明的像素电路的一种结构示意图。
57.图2显示为本发明的像素电路的另一种结构示意图。
58.图3显示为本发明的像素电路的又一种结构示意图。
59.图4显示为本发明的像素电路的再一种结构示意图。
60.图5显示为本发明的图像传感器的结构示意图。
61.图6显示为本发明的减小像素固定图像噪声的方法的一种控制时序示意图。
62.图7显示为本发明的减小像素固定图像噪声的方法的原理示意图。
63.图8显示为本发明的减小像素固定图像噪声的方法的另一种控制时序示意图。
64.元件标号说明
[0065]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
像素电路
[0066]
11
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
存储控制模块
[0067]
111
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一存储控制模块
[0068]
112
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
高增益存储控制单元
[0069]
113
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
低增益存储控制单元
[0070]
12
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
感光控制模块
[0071]
13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
复位模块
[0072]
14
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
增益控制模块
[0073]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
读出电路
[0074]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
控制电路
具体实施方式
[0075]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露 的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加 以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精 神下进行各种修饰或改变。
[0076]
请参阅图1～图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的 基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及 尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型 态也可能更为复杂。
[0077]
实施例一
[0078]
如图1所示，本实施例提出一种像素电路1，所述像素电路1包括：
[0079]
存储控制模块11，连接至浮动扩散点，用于基于电容存储用于表征图像的信号。
[0080]
具体地，所述存储控制模块11包括至少一个存储控制单元。在本实施例中，所述存储控 制模块11包括第一存储控制模块111，用于存储高转换增益或低转换增益的复位信号、图像 信号；所述第一存储控制单元111包括复位电压信号传输支路及图像电压信号传输支路，分 别用于传输并存储所述复位信号及所述图像信号，其中，所述复位电压信号传输支路包括第 一控制晶体管m1及第一电容c1，所述图像电压信号传输支路包括第二控制晶体管m2及第 二电容c2，所述第一存储控制单元111还包括第三控制晶体管m3。所述第一控制晶体管m1 的第一连接端及所述第二控制晶体管m2的第一连接端耦接至所述浮动扩散点fd；所述第一 控制晶体管m1的控制端接入第一控制信号gs_rst2，第二连接端连接所述第三控制晶体管 m3的第一连接端，并通过所述第一电容c1接第一参考电位；所述第二控制晶体管m2的控 制端接入第二控制信号gs_sig，第二连接端连接所述第三控制晶体管m3的第二连接端，并 通过所述第二电容c2接第二参考电位；所述第三控制晶体管m3的控制端接入第三控制信号 gs_rst1。
[0081]
需要说明的是，作为示例，所述第一控制晶体管m1、所述第二控制晶体管m2及所述第 三控制晶体管m3均采用nmos管，其第一连接端为漏端，第二连接端为源端，控制端为栅 端；所述第一参考电位和所述第二参考电位均为地电位；在实际使用中，可根据需要选择相 应的器件类型，并设置所述第一参考电位与所述第二参考电位，其中，各控制晶体管的器件 类型可不同，所述第一参考电位与所述第二参考电位的电平也可不同，不以本实施例为限。
[0082]
具体地，沟道电荷注入效应影响因素为：导通状态的mosfet反型层沟道电荷为：
[0083]qch
＝wlc
ox
(v
g-v
in-v
th
)；
[0084]
其中，vg为栅极电压，v
th
为晶体管的阈值电压，v
in
为晶体管的源极电压。当vg与v
th
的差值越大时，关断mosfet时沟道电荷注入的情况越严重；在采样的过程中，控制信号 gs_rst1、gs_sig、gs_rst2从高电平变为低电平时，会有电荷注入到第一电容c1与第二电容 c2中，从而造成固定图像噪声。本发明在采样阶段，将所述存储控制模块11中采样所述复 位信号及所述图像信号的晶体管的控制信号设置为台阶电平；在本实施例中，所述第一控制 晶体管m1、所述第二控制晶体管m2及所述第三控制晶体管m3中至少一个的控制信号为台 阶电平，所述台阶电平具有至少两个台阶，各台阶的电压依次减小。基于所述台阶电平的设 置，能有效减小由沟道电荷注入效应溢出的电荷量，进而减小像素的固定模式噪声。在一示 例中，所述第一控制晶体管m1及所述第二控制晶体管m2均选择为所述台阶电平。
[0085]
具体地，在对所述第一存储控制单元111进行重置时，所述第一控制晶体管m1及所述第 二控制晶体管m2导通，所述第一电容c1通过所述第一控制晶体管m1放电重置，所述第二 电容c2通过所述第二控制晶体管m2放电重置。在对复位信号进行采样时，所述第一控制晶 体管m1导通，复位信号存储到所述第一电容c1中；在对图像信号进行采样时，所述第二控 制晶体管m2导通，图像信号存储到所述第二电容c2中。对于两个控制晶体管的结构，需要 反复导通和关断各控制晶体管以实现重置和采样，显然，本实施例的像素电路1的控制时序 大大简化。
[0086]
如图1所示，作为本发明的另一种实现方式，所述第一存储控制单元111还包括：第一 源跟随晶体管m4、第二源跟随晶体管m5及像素选择晶体管m6。所述第一源跟随晶体管 m4的控制端连接至所述浮动扩散点fd，第一连接端接入可变电压vrsf，第二连接端连接 所述第一控制晶体管m1的第一连接端和所述第二控制晶体管m2的第一连接端；所述第二 源
跟随晶体管m5的控制端连接所述第三控制晶体管m3的第一连接端，第一连接端接入第 一电源电压vdd1，第二连接端连接所述像素选择晶体管m6的第一连接端；所述像素选择 晶体管m6的控制端接入像素选择信号gs_sel，第二连接端作为对应存储单元的输出端pixout。
[0087]
需要说明的是，作为示例，所述第一源跟随晶体管m4、所述第二源跟随晶体管m5及所 述像素选择晶体管m6均采用nmos管，其第一连接端为漏端，第二连接端为源端，控制端 为栅端；所述第一参考电位和所述第二参考电位均为地电位；在实际使用中，可根据需要选 择相应的器件类型，各晶体管的器件类型可不同，不以本实施例为限。
[0088]
如图1所示，作为本发明的另一种实现方式，所述像素电路1还包括：感光控制模块12 及复位模块13。其中，所述感光控制模块12连接于所述浮动扩散点fd和第三参考电位之间， 并受控于传输控制信号tx，用于根据光电效应产生曝光电荷，并根据所述传输控制信号tx将 所述曝光电荷转移输出。作为示例，所述感光控制模块12包括光电二极管pd及传输晶体管 m7；所述光电二极管pd的阳极接所述第三参考电位，阴极连接所述传输晶体管m7的第二 连接端；所述传输晶体管m7的第一连接端连接所述浮动扩散点fd，控制端连接所述传输控 制信号tx。所述复位模块13包括复位晶体管m8，所述复位晶体管m8的控制端接入复位控 制信号rst，第一连接端接入第二电源电压vdd2，第二连接端连接至所述浮动扩散点fd。
[0089]
需要说明的是，作为示例，所述传输晶体管m7、所述复位晶体管m8均采用nmos管， 其第一连接端为漏端，第二连接端为源端，控制端为栅端；所述第三参考电位为地电位；所 述第二电源电压vdd2与所述第一电源电压vdd1相等；在实际使用中，可根据需要选择相 应的器件类型，各晶体管的器件类型可不同，各电源电压可不等，不以本实施例为限。
[0090]
如图1所示，作为本发明的另一种实现方式，所述像素电路1还包括：增益控制模块14。 所述增益控制模块14接收增益控制信号dcg，使所述像素电路1工作于不同转换增益模式下， 所述不同转换增益模式包括高增益转换模式及低增益转换模式。所述增益控制模块14连接于 所述复位晶体管m8的第二连接端与所述浮动扩散点fd之间，基于所述增益控制信号dcg 调节所述浮动扩散点fd的等效电荷存储容量，使所述第一存储控制模块111分别存储高转 换增益的复位信号和图像信号或分别存储低转换增益的复位信号和图像信号，即高增益或低 增益可调，并不局限于一种。作为示例，所述增益控制模块14包括增益控制晶体管m9及增 益调节电容cdcg；其中，所述增益控制晶体管m9的控制端接入所述增益控制信号dcg，第 一连接端连接所述复位晶体管m8的第二连接端，并通过所述增益调节电容cdcg接第四参考 电位，第二连接端连接至所述浮动扩散点fd。
[0091]
需要说明的是，作为示例，所述增益控制晶体管m9采用nmos管，其第一连接端为漏 端，第二连接端为源端，控制端为栅端；所述第四参考电位为地电位；在实际使用中，可根 据需要选择相应的器件类型，不以本实施例为限；所述增益调节电容cdcg可以为所述复位晶 体管m8与所述增益控制晶体管m9连接点对地的寄生电容，也可以为器件电容(即外接的 电容器)。
[0092]
实施例二
[0093]
如图2所示，本实施例提供一种像素电路1，与实施例一的不同之处在于，所述存储控 制模块11包括高增益存储控制单元112及低增益存储控制单元113，所述存储控制模块11 用于存储高转换增益及低转换增益的复位信号和图像信号。
[0094]
如图2所示，所述高增益存储控制单元112和所述低增益存储控制单元113并联设
置且 均连接至所述浮动扩散点fd；所述高增益存储控制单元112用于分别存储高转换增益的复位 信号和图像信号，所述低增益存储控制单元113用于分别存储低转换增益的复位信号和图像 信号。
[0095]
具体地，在本实施例中，所述高增益存储控制单元112及所述低增益存储控制单元113 与所述第一存储控制模块111的结构相同，控制信号做适应性调整。所述高增益存储控制单 元112中：所述第一控制晶体管m1的控制端连接第一高增益控制信号gs_rst2h，所述第二控 制晶体管m2的控制端连接第二高增益控制信号gs_sigh，所述第三控制晶体管m3的控制端 连接第三高增益控制信号gs_rst1h，所述第一源跟随晶体管m4的第一连接端连接第一可变电 压vrsf1，所述第二源跟随晶体管m5的第一连接端连接第三电源电压vdd3，所述像素选 择晶体管m6的控制端连接高增益行选择信号gs_selh，所述像素选择晶体管m6的第二连接 端作为对应存储单元的高增益输出端pixouth。所述低增益存储控制单元112中：所述第一控 制晶体管m1的控制端连接第一低增益控制信号gs_rst2l，所述第二控制晶体管m2的控制端 连接第二低增益控制信号gs_sigl，所述第三控制晶体管m3的控制端连接第三低增益控制信 号gs_rst1l，所述第一源跟随晶体管m4的第一连接端连接第二可变电压vrsf2，所述第二源 跟随晶体管m5的第一连接端连接第四电源电压vdd4，所述像素选择晶体管m6的控制端 连接低增益行选择信号gs_sell，所述像素选择晶体管m6的第二连接端作为对应存储单元的 低增益输出端pixoutl。此时，所述高增益存储控制单元112和所述低增益存储控制单元113 对应不同的列线，以实现信号的并行输出。
[0096]
需要说明的是，作为示例，所述第一可变电压vrsf1与所述第二可变电压vrsf2的值 相等；所述第三电源电压vdd3与所述第四电源电压vdd4的值相等，且与所述第二电源电 压vdd2的值相等；所述高增益存储控制单元112及所述低增益存储控制单元113中各参考 电位为地电位；在实际使用中，可根据需要设置各可变电压的值、各电源电压的值及各参考 电位的电平，不以本实施例为限。
[0097]
如图3所示，作为本发明的另一种实现方式，所述高增益存储控制单元112及所述低增 益存储控制单元113中所述第一源跟随晶体管m4共用。如图4所示，作为本发明的另一种 实现方式，所述高增益存储控制单元112和所述低增益存储控制单元113对应相同的列线， 以实现信号的串行输出。
[0098]
具体地，本实施例的存储控制模块11可基于所述高增益存储控制单元112及所述低增益 存储控制单元113同时获取高转换增益的复位信号、图像信号和低转换增益的复位信号、图 像信号。同样地，所述高增益存储控制单元112与所述低增益存储控制单元113中所述第一 控制晶体管m1、所述第二控制晶体管m2及所述第三控制晶体管m3中至少一个的控制信号 为台阶电平，所述台阶电平具有至少两个台阶，各台阶的电压依次减小。基于所述台阶电平 的设置，能有效减小由沟道电荷注入效应溢出的电荷量，进而减小像素的固定模式噪声。
[0099]
需要说明的是，本实施例的像素电路1的其它电路结构及原理与实施例一类似，在此不 一一赘述。
[0100]
实施例三
[0101]
如图5所示，本实施例提供一种图像传感器，所述图像传感器包括：
[0102]
控制电路3、读出电路2及像素电路1。
[0103]
其中，所述像素电路1采用实施例一或实施例二的结构，在此不一一赘述。所述控制电 路3为所述读出电路2及所述像素电路1提供控制信号。所述读出电路2连接于所述像素电 路1的输出端，用于读出所述像素电路1中的复位信号及图像信号，任意能读出所述像素电 路1的复位信号及图像信号的电路结构均适用于本发明，在此不一一赘述。
[0104]
实施例四
[0105]
如图6所示，本实施例提供一种减小像素固定图像噪声的方法，在本实施例中，本方法 基于实施例一的像素电路实现，在实际使用中，任意可实现本方法的硬件电路结构均适用， 不以本实施例为限。所述减小像素固定图像噪声的方法包括：
[0106]
1)对各像素进行全局曝光。
[0107]
具体地，作为本发明的一种实现方式，所述减小像素固定图像噪声的方法还包括：在所 述全局曝光前对各所述像素进行复位的步骤；如图6所示，在t0时刻，所述传输控制信号tx 跳变为高电平，所述传输晶体管m7导通，所述光电二极管pd中的残余电荷被释放，以此 确保检测信号的准确性。
[0108]
具体地，在t1时刻，所述传输控制信号tx跳变为低电平，所述传输晶体管m7关断，随 后对各像素进行曝光，各像素中的光电二极管pd将检测到的光信号转换为电信号。
[0109]
2)对储存用于表征图像的信号的电容进行重置。
[0110]
具体地，在本实施例中，所述用于表征图像的信号包括复位信号及图像信号，相应地， 具有第一电容c1及第二电容c2，所述第一电容c1用于储存复位信号，所述第二电容c2用 于储存图像信号。如图6所示，曝光结束后，在t2-t5时刻，所述可变电压vrsf为低电平； 在t3-t4时刻，所述第一控制信号gs_rst2及所述第二控制信号gs_sig跳变为高电平，所述第 一控制晶体管m1及所述第二控制晶体管m2导通，此时，所述第一电容c1通过所述第二控 制晶体管m2放电，所述第二电容c2通过所述第一控制晶体管m1放电，对所述第一电容 c1及所述第二电容c2进行重置。
[0111]
需要说明的是，在t3-t4时刻，所述行选择信号gs_sel可以为高电平也可以为低电平，相 应地，所述像素选择晶体管m6可处于导通状态也可处于关断状态，在此不一一限定。另外， 所述用于表征图像的信号可仅包括图像信号，此时，仅对存储图像信号的电容进行重置，在 此不一一赘述。
[0112]
3)分别基于对应的所述电容对所述用于表征图像的信号进行采样；其中，在采样阶段， 采样所述用于表征图像的信号的晶体管的控制信号为台阶电平，所述台阶电平具有至少两个 台阶，各台阶的电压依次减小。
[0113]
具体地，步骤3)包括：导通第一控制晶体管m1，以将所述复位信号vrst存储到第一电 容c1；关断所述第一控制晶体管m1；将曝光电荷转移至浮动扩散点fd；导通第二控制晶体 管m2，以将所述图像信号vsig存储到第二电容c2；关断所述第二控制晶体管m2。
[0114]
更具体地，t6-t15时刻，所述复位控制信号rst为低电平，进入采样阶段。t8-t9时刻，所 述第一控制信号gs_rst2为台阶电平，所述第一控制晶体管m1被导通后关断；所述第一控制 晶体管m1导通时，所述第一电容c1中存储复位信号vrst。本发明通过设置至少两个台阶的 台阶电平减小由沟道电荷注入效应溢出的电荷量，其中，所述至少两个台阶包括一个为对应 晶体管开启电平的台阶及至少一个大于对应晶体管阈值电压的台阶。作为示例，所述台阶电 平具有两个台阶，其中，第一台阶为所述第一控制晶体管m1的开启电平，第二
台阶介于所 述第一控制晶体管m1开启电平与关断电平之间；进一步地，所述第二台阶介于所述第一控 制晶体管m1开启电平与所述第一控制晶体管m1的阈值电压之间。如图7所示，基于两个 台阶的控制信号控制所述第一控制晶体管m1的导通和关断，假设所述第一控制晶体管m1 的实际阈值为vth1(所述第二台阶介于开启电平与阈值电压之间)，则，t0时刻，所述控制 信号跳变为第一台阶，所述第一控制晶体管m1导通；t1时刻，所述控制信号跳变为第二台 阶，所述第一控制晶体管m1仍处于导通状态，直至t2时刻，所述控制信号跳变为低电平 (agnd)时所述第一控制晶体管m1才关断；相对于第一台阶，第二台阶时所述第一控制 晶体管m1的控制信号与阈值电压的差值从
△
v1变为
△
v2，显然，关断时栅端电压与阈值电 压的差值减小了，由此可有效减小沟道电荷注入效应溢出的电荷量，减小进入所述第一电容 c1中的溢出电荷量，进而确保信号的准确性。作为另一示例，所述台阶电平包括两个以上台 阶，各台阶的电压依次减小，由于控制晶体管的阈值电压未知，可通过多个台阶捕捉实际阈 值电压的位置，从而可以使得栅极电压与阈值电压的压差降低。如图7所示，假设所述第一 控制晶体管m1的实际阈值为vth2(大于vth1，与所述第二台阶对应的电平相同)，则，t1 时刻，所述第一控制晶体管m1可能导通也可能关断，但关断时所述第一控制晶体管m1的 控制信号与阈值电压的差值为
△
v3，也就是正常关断时的差值；对于实际阈值大于所述第二 台阶对应电平的情况，关断时所述第一控制晶体管m1的控制信号与阈值电压的差值也就是 正常关断时的差值。
[0115]
更具体地，对复位信号采样结束后，t10-t11时刻导通所述传输晶体管m7，所述光电二 极管pd中的信号存储到所述浮动扩散点fd；t12-t13时刻，所述第二控制信号gs_sig基于台 阶电平先导通后关断所述第二控制晶体管m2，以减小沟道电荷注入效应溢出的电荷量进入所 述第二电容c2中，所述第二电容c2中存储图像信号vsig。所述第二控制信号gs_sig的台阶 电平的设置原理与第一控制信号gs_rst2相同，在此不一一赘述。
[0116]
具体地，作为本发明的另一种实现方式，所述减小像素固定图像噪声的方法还包括：基 于增益控制信号dcg调整所述复位信号及所述图像信号的转换增益，分别获取高转换增益或 低转换增益的复位信号、图像信号，在存储所述复位信号vrst及所述图像信号vsig前设置转 换增益模式。如图6所示，在t7-t14时刻，所述增益控制信号dcg设置为低电平，用于获取 高转换增益的复位信号及图像信号；若在t7-t14时刻，所述增益控制信号dcg设置为高电平， 用于获取低转换增益的复位信号及图像信号；不以本实施例为限。
[0117]
4)读出所述用于表征图像的信号。
[0118]
具体地，步骤4)包括：导通像素选择晶体管m6，读出所述复位信号vrst；导通第三控 制晶体管m3，以读出所述复位信号vrst与所述图像信号vsig之和的一半；关断所述第三控 制晶体管m3。
[0119]
更具体地，采样结束后，在t16-t19时刻，所述行选择信号gs_sel跳变为高电平，读出所 述复位信号vrst；在t17-t18时刻，所述第三控制信号gs_rst1基于台阶电平先导通后关断所 述第三控制晶体管m3，以减小沟道电荷注入效应溢出的电荷量进入所述第一电容c1及所述 第二电容c2中；读出所述复位信号vrst与所述图像信号vsig之和的一半，即1/2(vrst+vsig)。
[0120]
需要说明的是，所述第一控制晶体管m1、所述第二控制晶体管m2及所述第三控制晶体 管m3中至少一个导通及关断时的控制端电压为所述台阶电平。优选地，所述第一控制
晶体 管m1、所述第二控制晶体管m2及所述第三控制晶体管m3导通及关断时的控制端电压均设 置为所述台阶电平，以最大程度上减小沟道电荷注入效应的影响。
[0121]
作为另一示例，各所述像素中采用所述台阶电平的对应的晶体管的台阶设置一致，以保 证读出信号的一致性。例如，在一示例中，对于像素阵列中每个像素的第一控制晶体管m1， 各像素的第一控制晶体管m1台阶设置一致，对于像素阵列中每个像素的第二控制晶体管m2， 各像素的第二控制晶体管m2台阶设置一致；当然，在进一步示例中，还可以是，对于像素 阵列中每个像素的第一控制晶体管m1和第二控制晶体管m2，同一像素中的第一控制晶体管 m1和第二控制晶体管m2台阶设置一致，且各像素间的第一控制晶体管m1、第二控制晶体 管m2的台阶设置均一致。
[0122]
实施例五
[0123]
如图8所示，本实施例提供一种减小像素固定图像噪声的方法，与实施例四的不同之处 在于，本实施例的减小像素固定图像噪声的方法能获取高转换增益和低转换增益的复位信号、 图像信号，在本实施例中，本方法基于实施例二的像素电路实现，在实际使用中，任意可实 现本方法的硬件电路结构均适用，不以本实施例为限。所述减小像素固定图像噪声的方法包 括：
[0124]
1)对各像素进行全局曝光。
[0125]
具体步骤与实施例四相同，在此不一一赘述。
[0126]
2)对储存用于表征图像的信号的电容进行重置。
[0127]
具体地，如图8所示，曝光结束后，在t2-t5时刻，所述第一可变电压vrsf1与所述第 一可变电压vrsf2为低电平；在t3-t4时刻，所述第一高增益控制信号gs_rst2h、所述第二高 增益控制信号gs_sigh、所述第一低增益控制信号gs_rst2l及所述第二低增益控制信号gs_sigl 跳变为高电平，所述高增益存储控制单元112及所述低增益存储控制单元113中的所述第一 控制晶体管m1及所述第二控制晶体管m2均导通，此时，所述第一电容c1通过所述第二控 制晶体管m2放电，所述第二电容c2通过所述第一控制晶体管m1放电，所述高增益存储控 制单元112及所述低增益存储控制单元113中的所述第一电容c1及所述第二电容c2重置。
[0128]
需要说明的是，在t3-t4时刻，所述高增益行选择信号gs_selh及所述低增益行选择信号 gs_sell可以为高电平也可以为低电平，在此不一一限定。
[0129]
3)分别基于对应的所述电容对所述用于表征图像的信号进行采样；其中，在采样阶段， 采样所述用于表征图像的信号的晶体管的控制信号为台阶电平，所述台阶电平具有至少两个 台阶，各台阶的电压依次减小。
[0130]
具体地，按设定顺序对高转换增益的复位信号、图像信号和低转换增益的复位信号、图 像信号进行采样。
[0131]
如图8所示，t6-t21时刻，所述复位控制信号rst为低电平，进入采样阶段。t7-t8时刻， 所述第一低增益控制信号gs_rst2l基于台阶电平先导通后关断所述低增益存储控制单元113 中第一控制晶体管m1，以在所述低增益存储控制单元113的第一电容c1中存储低转换增益 的复位信号vrstl。t9时刻，所述增益控制信号dcg跳变为低电平。t10-t11时刻，所述第一高 增益控制信号gs_rst2h基于台阶电平先导通后关断所述高增益存储控制单元112中第一控制 晶体管m1，以在所述高增益存储控制单元112的第一电容c1中存储高转换
增益的复位信号 vrsth。对复位信号采样结束后，t12-t13时刻导通所述传输晶体管m7，所述光电二极管pd 中的信号存储到所述浮动扩散点fd；t14-t15时刻，所述第二高增益控制信号gs_sigh基于台 阶电平先导通后关断所述高增益存储控制单元112中的第二控制晶体管m2，以在所述高增益 存储控制单元112的第二电容c2中存储高转换增益的图像信号vsigh。t16时刻，所述增益 控制信号dcg跳变为高电平。t17-t18时刻导通所述传输晶体管m7，所述光电二极管pd中的 信号存储到所述浮动扩散点fd；t19-t20时刻，所述第二低增益控制信号gs_sigl基于台阶电 平先导通后关断所述低增益存储控制单元113中的第二控制晶体管m2，以在所述低增益存储 控制单元113的第二电容c2中存储低转换增益的图像信号vsigl。
[0132]
需要说明的是，所述增益控制信号dcg的高低电平状态可互换，不以本实施例为限。其 它原理与实施例四相同，在此不一一赘述。
[0133]
4)读出所述用于表征图像的信号。
[0134]
具体地，在t22-t25时刻，所述高增益行选择信号gs_selh及所述低增益行选择信号gs_sell 跳变为高电平，分别读出所述高转换增益的复位信号vrsth及所述低转换增益的复位信号 vrstl；在t23-t24时刻，所述第三高增益控制信号gs_rst1h及所述第三低增益控制信号gs_rst1l 分别基于台阶电平先导通后关断对应第三控制晶体管m3，以分别读出所述高转换增益的复位 信号vrsth与所述高转换增益的图像信号vsigh之和的一半，以及所述低转换增益的复位信号 vrstl与所述低转换增益的图像信号vsigl之和的一半，即1/2(vrsth+vsigh)与1/2 (vrstl+vsigl)。
[0135]
需要说明的是，在本实施例中，所述采用并行读出的方式，在实际使用中，可采用串行 读出的方式，对应的控制时序适应性调整，不以本实施例为限。其它原理与实施例四相同， 在此不一一赘述。
[0136]
综上所述，本发明提供一种像素电路、图像传感器及减小像素固定图像噪声的方法，包 括：对各像素进行全局曝光；对储存用于表征图像的信号的电容进行重置；分别基于对应的 所述电容对所述用于表征图像的信号进行采样；读出所述用于表征图像的信号；其中，在采 样阶段，采样所述用于表征图像的信号的晶体管的控制信号为台阶电平，所述台阶电平具有 至少两个台阶，各台阶的电压依次减小。本发明的像素电路、图像传感器及减小像素固定图 像噪声的方法将采样阶段用于采样用于表征图像的信号的晶体管的控制信号设置为台阶电 平，以此减小晶体管关断时栅端电压与阈值电压的差值，进而减小沟道电荷注入效应对每个 像素造成的影响，减小固定图像噪声；在阈值电压未知的情况下，设置多个台阶以捕捉到阈 值电压的位置，以使得晶体管关断时栅端电压与阈值电压的差值降低到最小；采用三个控制 晶体管的结构，可大大减小控制时序的复杂度，提高工作效率。所以，本发明有效克服了现 有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0137]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技 术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡 所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等 效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

技术特征：
1.一种减小像素固定图像噪声的方法，其特征在于，所述减小像素固定图像噪声的方法至少包括：对各像素进行全局曝光；对储存用于表征图像的信号的电容进行重置；分别基于对应的所述电容对所述用于表征图像的信号进行采样；读出所述用于表征图像的信号；其中，在采样阶段，采样所述用于表征图像的信号的晶体管的控制信号为台阶电平，所述台阶电平具有至少两个台阶，各台阶的电压依次减小。2.根据权利要求1所述的减小像素固定图像噪声的方法，其特征在于：所述用于表征图像的信号包括复位信号及图像信号。3.根据权利要求1所述的减小像素固定图像噪声的方法，其特征在于：所述控制信号的第一台阶为晶体管开启电平，第二台阶介于所述晶体管开启电平与晶体管关断电平之间。4.根据权利要求3所述的减小像素固定图像噪声的方法，其特征在于：所述第二台阶介于所述晶体管开启电平与对应晶体管的阈值电压之间。5.根据权利要求1所述的减小像素固定图像噪声的方法，其特征在于：所述减小像素固定图像噪声的方法还包括：在所述全局曝光前对各所述像素进行复位的步骤。6.根据权利要求1所述的减小像素固定图像噪声的方法，其特征在于：所述至少两个台阶包括一个为对应晶体管开启电平的台阶及至少一个大于对应晶体管阈值电压的台阶。7.根据权利要求1-6任意一项所述的减小像素固定图像噪声的方法，其特征在于：所述减小像素固定图像噪声的方法还包括：基于增益控制信号调整所述用于表征图像的信号的转换增益，分别获取高转换增益和/或低转换增益下的用于表征图像的信号。8.根据权利要求7所述的减小像素固定图像噪声的方法，其特征在于：在采样阶段：设置转换增益模式；导通第一控制晶体管，以将所述复位信号存储到第一电容；关断所述第一控制晶体管；将曝光电荷转移至浮动扩散点；导通第二控制晶体管，以将所述图像信号存储到第二电容；关断所述第二控制晶体管；在读出阶段：导通像素选择晶体管，读出所述复位信号；导通第三控制晶体管，以读出所述复位信号与所述图像信号之和的一半；关断所述第三控制晶体管；其中，所述第一控制晶体管、所述第二控制晶体管及所述第三控制晶体管中至少一个的控制端电压为所述台阶电平。9.根据权利要求8所述的减小像素固定图像噪声的方法，其特征在于：各所述像素中采用所述台阶电平的对应的晶体管的台阶设置一致。10.一种像素电路，适用于如权利要求1-9中任意一项所述的减小像素固定图像噪声的方法，其特征在于，所述像素电路至少包括：
存储控制模块，连接至浮动扩散点，用于基于电容存储用于表征图像的信号；其中，在采样阶段，所述存储控制模块中采样所述复位信号及所述图像信号的晶体管的控制信号为台阶电平，所述台阶电平具有至少两个台阶，各台阶的电压依次减小。11.根据权利要求10所述的像素电路，其特征在于：所述存储控制模块包括至少一个存储控制单元，所述存储控制单元包括复位电压信号传输支路及图像电压信号传输支路，分别用于传输并存储所述复位信号及所述图像信号，其中，所述复位电压信号传输支路包括第一控制晶体管及第一电容，所述图像电压信号传输支路包括第二控制晶体管及第二电容，所述存储控制单元还包括第三控制晶体管，其中：所述第一控制晶体管的第一连接端及所述第二控制晶体管的第一连接端耦接至所述浮动扩散点；所述第一控制晶体管的控制端接入第一控制信号，第二连接端连接所述第三控制晶体管的第一连接端，并通过所述第一电容接第一参考电位；所述第二控制晶体管的控制端接入第二控制信号，第二连接端连接所述第三控制晶体管的第二连接端，并通过所述第二电容接第二参考电位；所述第三控制晶体管的控制端接入第三控制信号。12.根据权利要求11所述的像素电路，其特征在于：各存储控制单元还包括：第一源跟随晶体管、第二源跟随晶体管及像素选择晶体管；所述第一源跟随晶体管的控制端连接至所述浮动扩散点，第一连接端接入可变电压，第二连接端连接所述第一控制晶体管的第一连接端和所述第二控制晶体管的第一连接端；所述第二源跟随晶体管的控制端连接所述第三控制晶体管的第一连接端，第一连接端接入第一电源电压，第二连接端连接所述像素选择晶体管的第一连接端；所述像素选择晶体管的控制端接入像素选择信号，第二连接端作为对应存储控制单元的输出端。13.根据权利要求11所述的像素电路，其特征在于：所述存储控制单元用于存储高转换增益和/或低转换增益的复位信号和图像信号，所述存储控制单元连接至浮动扩散点，基于存储控制信号存储相应转换增益模式的复位信号和图像信号；其中，当所述存储控制模块用于存储高转换增益及低转换增益的复位信号和图像信号时，所述存储控制模块包括高增益存储控制单元及低增益存储控制单元：所述高增益存储控制单元和所述低增益存储控制单元并联设置且均连接至浮动扩散点；所述高增益存储控制单元用于分别存储高转换增益的复位信号和图像信号，所述低增益存储控制单元用于分别存储低转换增益的复位信号和图像信号。14.根据权利要求13所述的图像传感器，其特征在于，当存在所述高增益存储控制单元及所述低增益存储控制单元时，所述高增益存储控制单元和所述低增益存储控制单元对应相同或不同的列线，以分别实现信号的串行输出或者并行输出。15.根据权利要求10所述的像素电路，其特征在于：所述像素电路还包括：感光控制模块及复位模块；其中，所述感光控制模块连接于所述浮动扩散点和第三参考电位之间，并受控于传输控制信号，用于产生曝光电荷，并根据所述传输控制信号将所述曝光电荷转移输出；所述复位模块包括复位晶体管，所述复位晶体管的控制端接入复位控制信号，第一连接端接入第二电源电压，第二连接端连接至所述浮动扩散点。16.根据权利要求10-15中任意一项所述的像素电路，其特征在于，所述像素电路还包
括：增益控制模块，所述增益控制模块接收增益控制信号，使所述像素电路工作于不同转换增益模式下，所述不同转换增益模式包括高增益转换模式及低增益转换模式；所述存储控制模块用于存储高转换增益的用于表征图像的信号和/或用于存储低转换增益的用于表征图像的信号。17.一种图像传感器，其特征在于，所述图像传感器至少包括：控制电路、读出电路及如权利要求10-16任意一项所述的像素电路；所述控制电路为所述读出电路及所述像素电路提供控制信号；所述读出电路连接于所述像素电路的输出端，用于读出所述像素电路中的复位信号及图像信号。

技术总结
本发明提供一种像素电路、图像传感器及减小像素固定图像噪声的方法，包括：对各像素进行全局曝光；对储存用于表征图像的信号的电容进行重置；分别基于对应的电容对用于表征图像的信号进行采样；读出用于表征图像的信号；在采样阶段，采样用于表征图像的信号的晶体管的控制信号为台阶电平，具有至少两个台阶，各台阶的电压依次减小。本发明将采样晶体管的控制信号设置为台阶电平，以此减小晶体管关断时栅端电压与阈值电压的差值，进而减小沟道电荷注入效应对每个像素造成的影响，减小固定图像噪声；在阈值电压未知的情况下，设置多个台阶以捕捉到阈值电压的位置，以使得晶体管关断时栅端电压与阈值电压的差值降低。端电压与阈值电压的差值降低。端电压与阈值电压的差值降低。


技术研发人员：王锋奇 陈鹏
受保护的技术使用者：思特威（上海）电子科技股份有限公司
技术研发日：2021.12.29
技术公布日：2023/7/13