本發(fā)明涉及一種基于可變斜坡實(shí)現(xiàn)hdr的復(fù)合介質(zhì)柵雙晶體管讀出方法，屬于集成電路領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、圖像傳感器是利用光電器件進(jìn)行成像的器件，通過(guò)將感光面上的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為與光信號(hào)成相應(yīng)比例關(guān)系的電信號(hào)，然后再將變化的模擬信號(hào)通過(guò)設(shè)計(jì)的電路量化為數(shù)字信號(hào)即可成像?，F(xiàn)有的圖像傳感器中，ccd和cmos-aps已被廣泛使用，公開號(hào)為cn102938409a的中國(guó)發(fā)明專利公開了一種復(fù)合介質(zhì)柵雙晶體管光敏探測(cè)器，該光敏探測(cè)器具有雙晶體管的結(jié)構(gòu)，為分別實(shí)現(xiàn)感光功能和讀取功能的感光晶體管和讀取晶體管，該復(fù)合結(jié)構(gòu)使得感光晶體管部分不需要制作源漏；與傳統(tǒng)的光電探測(cè)器相比，具有低暗電流、感光單元之間無(wú)干擾、量子效率高等優(yōu)越性。對(duì)復(fù)合介質(zhì)柵雙晶體管光敏探測(cè)器進(jìn)行讀出時(shí)，不同的光響應(yīng)會(huì)使讀取晶體管的閾值電壓不同，因此可以通過(guò)固定柵極電壓量化漏極電流或者固定電流量化柵極電壓等方式進(jìn)行光信號(hào)的讀出。

2、傳統(tǒng)的讀出電路的量化方式都是線性量化，即光響應(yīng)強(qiáng)度和轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)線性對(duì)應(yīng)。針對(duì)復(fù)合介質(zhì)柵雙晶體管的讀出，公開號(hào)為cn111147078a的中國(guó)發(fā)明專利提出了一種基于復(fù)合介質(zhì)柵雙晶體管光敏探測(cè)器的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，通過(guò)片外斜坡電壓源，可以將器件光響應(yīng)轉(zhuǎn)換為數(shù)字讀出；另外，公開號(hào)為cn116017184a和cn117135478a的中國(guó)發(fā)明專利分別提出了基于反相器鏈跨阻放大器的復(fù)合介質(zhì)柵雙晶體管像素讀出電路和基于雙跨阻放大器的復(fù)合介質(zhì)柵晶體管像素讀出電路，前者采用在復(fù)合介質(zhì)柵雙晶體管的柵極施加斜坡電壓的方式進(jìn)行讀出，后者采用斜坡電流源加跨組放大器的形式進(jìn)行讀出。上述方案中，無(wú)論是斜坡電壓源還是斜坡電流源，均采用的是固定斜率的斜坡信號(hào)，對(duì)各像素不同的光響應(yīng)都進(jìn)行線性的量化。因此對(duì)于一張明暗范圍很大的圖像，若曝光時(shí)間較短，則較暗像素點(diǎn)得不到好的成像效果；若曝光時(shí)間較長(zhǎng)，則較亮像素點(diǎn)得不到好的成像效果。

3、為了提高明暗范圍很大的圖像的成像效果，可以采用高動(dòng)態(tài)范圍成像技術(shù)(highdynamic?range?imaging，hdr)，通過(guò)提高圖像亮度范圍使得圖像里的高光和陰影的范圍更寬，這樣就會(huì)讓圖像細(xì)節(jié)更加飽滿，正確地表示真實(shí)世界中從太陽(yáng)光直射到最暗的陰影這樣大的范圍亮度。傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)hdr的方法是采用時(shí)域多幀合成的方法，即采用不同的曝光時(shí)間拍攝多張圖(例如拍三幀，分別短曝光時(shí)間幀，中曝光時(shí)間幀，長(zhǎng)曝光時(shí)間幀)，最后再進(jìn)行合成，該方法通常需要在算法端進(jìn)行處理，導(dǎo)致大的功耗和更高的復(fù)雜度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了在不增加功耗和復(fù)雜度的前提下提高明暗范圍很大的圖像的成像效果，本發(fā)明提供了一種基于可變斜坡實(shí)現(xiàn)hdr的復(fù)合介質(zhì)柵雙晶體管讀出電路和讀出方法，通過(guò)在公開號(hào)為cn111147078a的中國(guó)發(fā)明專利提供的讀出電路框架基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，在電路端實(shí)現(xiàn)了hdr成像，無(wú)需經(jīng)過(guò)多次曝光成像和額外的算法處理，實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，不會(huì)帶來(lái)額外的功耗。

2、一種基于可變斜坡實(shí)現(xiàn)hdr的復(fù)合介質(zhì)柵雙晶體管讀出方法，所述方法通過(guò)對(duì)復(fù)合介質(zhì)柵雙晶體的柵極施加斜率可變的斜坡電壓對(duì)復(fù)合介質(zhì)柵雙晶體閾值電壓進(jìn)行非線性讀出；所述斜坡電壓的斜率兩端小、中間大。

3、可選的，所述方法基于可變斜坡實(shí)現(xiàn)hdr的復(fù)合介質(zhì)柵雙晶體管讀出電路實(shí)現(xiàn)，所述電路包括復(fù)合介質(zhì)柵雙晶體管光敏探測(cè)器、斜率可控的斜坡發(fā)生電路、鉗位電路、積分電容、比較器電路和計(jì)數(shù)器；其中，斜率可控的斜坡發(fā)生電路連接所述復(fù)合介質(zhì)柵雙晶體管光敏探測(cè)器的柵極，所述復(fù)合介質(zhì)柵雙晶體管光敏探測(cè)器的源極接地，漏極接鉗位電路的輸出以保持漏端電壓恒定；所述復(fù)合介質(zhì)柵雙晶體管光敏探測(cè)器的漏極還與所述積分電容相連以將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)連接到所述比較器電路的正輸入端，所述比較器電路的負(fù)輸入端連接基準(zhǔn)電壓vrefcomp；所述計(jì)數(shù)器與所述比較器電路的輸出端相連。

4、可選的，所述斜率可控的斜坡發(fā)生電路包括跨導(dǎo)運(yùn)算放大器、積分電容和電流鏡電路，所述積分電容上下極板分別接跨導(dǎo)運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端和輸出端，所述跨導(dǎo)運(yùn)算放大器的正輸入端接參考電壓vhold；所述電流鏡電路用于產(chǎn)生積分電流，所述電流鏡電路通過(guò)開關(guān)與所述跨導(dǎo)運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端相連。

5、可選的，所述電流鏡電路包括n路電流鏡，每路電流鏡下連接一個(gè)開關(guān)，開關(guān)由數(shù)字電路控制實(shí)現(xiàn)積分電流的大小調(diào)節(jié)。

6、可選的，所述n路電流鏡產(chǎn)生的電流大小分別為20i、21i、22i、……，2n-1i，i表示單位電流。

7、可選的，所述斜坡電壓的三段斜率分別記為k1、k2、k1，k1<k2；斜坡電壓最低和最高電壓分別為vl和vh，斜率轉(zhuǎn)折點(diǎn)處斜坡電壓分別記為v1和v2；

8、對(duì)于閾值電壓范圍在vl～v1的像素點(diǎn)，比較器翻轉(zhuǎn)的時(shí)間等于計(jì)數(shù)值為

9、

10、對(duì)于閾值電壓范圍在v1～v2的像素點(diǎn)，比較器翻轉(zhuǎn)的時(shí)間等于計(jì)數(shù)值為

11、對(duì)于閾值電壓范圍在v2～vh的像素點(diǎn)，比較器翻轉(zhuǎn)的時(shí)間等于計(jì)數(shù)值為

12、vth為復(fù)合介質(zhì)柵雙晶體管閾值電壓。

13、可選的，所述方法包括：

14、步驟1，通過(guò)數(shù)字電路控制積分電流的大小實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合介質(zhì)柵雙晶體管柵極施加斜率可變的斜坡電壓；

15、步驟2，當(dāng)斜坡電壓大小達(dá)到復(fù)合介質(zhì)柵雙晶體管閾值時(shí)，復(fù)合介質(zhì)柵雙晶體管漏端電流對(duì)積分電容充電達(dá)到比較器基準(zhǔn)電壓vrefcomp，比較器翻轉(zhuǎn)；

16、步驟3，計(jì)數(shù)器從開始到比較器翻轉(zhuǎn)的時(shí)間開始計(jì)數(shù)，最終的計(jì)數(shù)值為對(duì)復(fù)合介質(zhì)柵雙晶體管閾值電壓的量化；

17、步驟4，根據(jù)計(jì)數(shù)器最終的計(jì)數(shù)值得到復(fù)合介質(zhì)柵雙晶體管閾值電壓的量化，根據(jù)量化值讀出各像素的灰度值。

18、本技術(shù)還提供一種基于可變斜坡實(shí)現(xiàn)hdr的復(fù)合介質(zhì)柵雙晶體管讀出電路，所述電路包括復(fù)合介質(zhì)柵雙晶體管光敏探測(cè)器、斜率可控的斜坡發(fā)生電路、鉗位電路、積分電容、比較器電路和計(jì)數(shù)器；其中，斜率可控的斜坡發(fā)生電路連接所述復(fù)合介質(zhì)柵雙晶體管光敏探測(cè)器的柵極，所述復(fù)合介質(zhì)柵雙晶體管光敏探測(cè)器的源極接地，漏極接鉗位電路的輸出以保持漏端電壓恒定；所述復(fù)合介質(zhì)柵雙晶體管光敏探測(cè)器的漏極還與所述積分電容相連以將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)連接到所述比較器電路的正輸入端，所述比較器電路的負(fù)輸入端連接基準(zhǔn)電壓vrefcomp；所述計(jì)數(shù)器與所述比較器電路的輸出端相連。

19、可選的，所述斜率可控的斜坡發(fā)生電路包括跨導(dǎo)運(yùn)算放大器、積分電容和電流鏡電路，所述積分電容上下極板分別接跨導(dǎo)運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端和輸出端，所述跨導(dǎo)運(yùn)算放大器的正輸入端接參考電壓vhold；所述電流鏡電路用于產(chǎn)生積分電流，所述電流鏡電路通過(guò)開關(guān)與所述跨導(dǎo)運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端相連。

20、可選的，所述電流鏡電路包括n路電流鏡，每路電流鏡下連接一個(gè)開關(guān)，開關(guān)由數(shù)字電路控制實(shí)現(xiàn)積分電流的大小調(diào)節(jié)；n路電流鏡產(chǎn)生的電流大小分別為20i、21i、22i、……，2n-1i，i表示單位電流。

21、本發(fā)明有益效果是：

22、通過(guò)對(duì)復(fù)合介質(zhì)柵雙晶體管光敏探測(cè)器柵極添加一個(gè)特定的非線性斜坡電壓(該斜坡電壓在前段斜率小，中間段斜率大，后段斜率又減小)，拉長(zhǎng)了低亮度和高亮度區(qū)間的像素點(diǎn)的比較器翻轉(zhuǎn)時(shí)間，即拉大了這兩個(gè)區(qū)間的灰度值范圍，但不拉大處于中間灰度值的像素，從而在電路端達(dá)到hdr的成像效果，避免了在算法端進(jìn)行處理導(dǎo)致的大功耗和高復(fù)雜度的問(wèn)題，本技術(shù)方案無(wú)需經(jīng)過(guò)多次曝光成像和額外的算法處理，實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單。