CN111048540A - 一种门控式像素单元以及3d图像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种门控式像素单元以及3D图像传感器，所述门控式像素单元包括：光电转换与控制模块、时间‑电压转换模块和选择输出模块，其中，光电转换与控制模块用于将接收到的光信号转换为电压信号，并根据电压信号得到控制信号和光强度信息；时间‑电压转换模块根据控制信号，对时间间隔信息进行测量得到距离信息；选择输出模块根据接收的选择信号选择输出距离信息或光强度信息。本发明的门控式像素单元通过调节光电转换与控制模块的偏置电压，可以使门控式像素单元在SPAD工作模式和APD工作模式之间任意切换，以实现对目标物体距离的测量以及目标物体反射回来的光照强度的测量，从而获得目标物体的距离信息和光强度信息。

Description

一种门控式像素单元以及3D图像传感器

技术领域

本发明属于图像传感器技术领域，具体涉及一种门控式像素单元以及3D图像传感器。

背景技术

图像传感器是将从外部输入的光信号转换为电信号(即，执行光电转换)以提供与所述光信号相应的图像信息的半导体器件。最近，已经提出了基于光信号提供距离信息以及图像信息的3D(Three dimensional，三维)图像传感器，3D图像传感器在激光雷达、医学研究、人工智能等领域有着重要的应用，是当前研究的热点方向。

通常，传统的3D图像传感器一般通过飞行时间测距法(Time of Flight，简称TOF)来实现三维成像，其测试原理如图1所示，由开始信号触发激光脉冲信号发射器同步发射激光脉冲，激光脉冲经过一段时间后到达目标物体表面后被反射回来，再经过一段时间后被传感器芯片接收到并产生结束信号。这个过程所经历的时间间隔可由传感器芯片量化出来，即图1中开始信号与结束信号之间的时间间隔t，进而可得到传感器与目标物体之间的距离信息s，

其中，c表示光速。

传统的3D图像传感器像素单元主要由光电转换器件、时间数字转换电路(Time toDigital Converter，简称TDC)以及背景光抑制电路等部分构成，它的测量精度主要由光电转换器件的转换性能和TDC的分辨率决定，同时由于其易受到环境光和由热载流子等噪声影响，需要背景光抑制电路来将有效光子信号从噪声光信号中提取出来。可以看出，传统的3D图像传感器像素单元内部电路结构较为复杂，像素有效填充率较低，而且像素面积较大，不适于设计生产大规模的像素阵列。

因此，设计一种具有高填充率、小面积、易于大规模集成并且具有环境光抑制功能的3D图像传感器像素单元具有重大意义和应用前景。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种门控式像素单元以及3D图像传感器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种门控式像素单元，包括：光电转换与控制模块、时间-电压转换模块和选择输出模块，其中，

所述光电转换与控制模块用于将接收到的光信号转换为电压信号，并根据所述电压信号得到控制信号和光强度信息；

所述时间-电压转换模块根据所述控制信号，对时间间隔信息进行测量得到距离信息；

所述选择输出模块根据接收的选择信号选择输出所述距离信息或所述光强度信息。

在本发明的一个实施例中，所述光电转换与控制模块，包括：与门、与非门、第一NMOS管、第一PMOS管、第一反相器和雪崩光电二极管，其中，

所述与门的输入端接收第一复位信号和门控信号，输出端连接所述与非门的第一输入端；

所述与非门的第二输入端分别连接所述第一NMOS管的漏极和所述第一反相器的输入端，输出端连接所述时间-电压转换模块；

所述第一NMOS管的栅极接收所述门控信号，源极连接所述雪崩光电二极管的阴极，漏极连接所述第一PMOS管的漏极；

所述第一PMOS管的栅极接收所述第一复位信号，源极连接复位电压端，漏极分别连接所述第一反相器的输入端和所述选择输出模块；

所述第一反相器的输出端连接所述时间-电压转换模块；

所述雪崩光电二极管的阳极连接负电压端。

在本发明的一个实施例中，所述时间-电压转换模块包括第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第二反相器、第一电容和第二电容，其中，

所述第二PMOS管的源极连接电压端，栅极连接第一偏置电压端，漏极连接所述第三PMOS管的源极；

所述第三PMOS管的栅极连接第二偏置电压端，漏极分别连接所述第四PMOS管的源极和所述第五PMOS管的源极；

所述第四PMOS管的栅极连接所述与非门的输出端；

所述第二反相器的输入端连接所述与非门的输出端，输出端连接所述第五PMOS管的栅极；

所述第五PMOS管的漏极连接接地端；

所述第二NMOS管的栅极接收第一电容复位信号，漏极连接所述第三NMOS管的漏极，源极连接所述接地端；

所述第三NMOS管的栅极连接所述第一反相器的输出端，源极分别连接所述第四NMOS管的漏极和所述选择输出模块；

所述第四NMOS管的栅极接收第二电容复位信号，源极连接所述接地端；

所述第一电容串接在所述第四PMOS管的漏极与所述接地端之间；

所述第二电容串接在所述所述第三NMOS管的源极与所述接地端之间。

在本发明的一个实施例中，所述选择输出模块包括第五NMOS管、第六NMOS管和源极跟随器，其中，

所述第五NMOS管的栅极接收第一选择信号，源极连接所述第一PMOS管的漏极，漏极连接所述源极跟随器的输入端；

所述第六NMOS管的栅极接收第二选择信号，漏极连接所述第三NMOS管的源极，源极连接所述源极跟随器的输入端；

所述源极跟随器用于输出接收的像素信息。

在本发明的一个实施例中，所述源极跟随器包括第六PMOS管、第七PMOS管和第八PMOS管，其中，

所述第六PMOS管的栅极连接第三偏置电压端，源极连接所述电压端，漏极连接所述第七PMOS管的源极；

所述第七PMOS管的栅极接收所述列选择信号，漏极连接所述第八PMOS管的源极；

所述第八PMOS管的栅极分别连接所述第五NMOS管的漏极和所述第六NMOS管的源极，漏极连接所述接地端。

在本发明的一个实施例中，还包括列放大器，所述列放大器连接所述源极跟随器的输出端，用于对所述像素信息进行放大处理并输出。

本发明提供了一种3D图像传感器，包括像素阵列，读取输出电路模块和量化电路模块，其中，

所述像素阵列用于获取目标物体的像素信息，所述像素阵列包括若干个上述实施例中所述的任一种门控式像素单元；

所述读取输出电路模块用于将所述像素信息逐个按顺序读取并输出；

所述量化电路模块用于将输出的所述像素信息转换为数字信息并输出。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明的门控式像素单元通过调节光电转换与控制模块的偏置电压，可以使所述门控式像素单元在SPAD工作模式和APD工作模式之间任意切换，以实现对目标物体距离的测量以及目标物体反射回来的光照强度的测量，从而获得目标物体的距离信息和光强度信息。

2、本发明的门控式像素单元不存在时间数字转换器电路，可以使像素单元的面积大幅度减小，从而使得其功耗也大幅度降低，有利于大规模像素阵列的集成化设计。

3、本发明的3D图像传感器利用门控式像素单元通过门控测距法对目标物体的距离进行测量，可以在一个测量周期内，只控制3D图像传感器在某个很短的时间间隔内处于开启状态，使得3D图像传感器在其他时间内都处于关闭状态，极大减少了暗计数对测量结果的干扰。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种飞行时间测距法原理图；

图2是本发明实施例提供的一种门控测距法原理图；

图3是本发明实施例提供的一种门控式像素单元的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种雪崩光电二极管的电压-电流特性曲线图；

图5是本发明实施例提供的一种门控式像素单元的电路图；

图6是本发明实施例提供的一种门控式像素单元的模式切换时序图；

图7是本发明实施例提供的一种门控式像素单元在SPAD工作模式下的工作时序图。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种门控式像素单元以及3D图像传感器进行详细说明。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。

实施例一

请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种门控测距法原理图，如图所示，在TOF测距法中得到的时间信息和距离是一一对应的，假设待测的总距离为S，对应的待测的总时间间隔为T，可以把时间间隔等分成N份，即图中T₁、T₂，……，T_N-1、T_N，各时间间隔对应的距离为S₁、S₂，……，S_N-1、S_N。假设在某个测量周期内，需要测量T_i(1≤i≤N)时间间隔内3D图像传感器是否接收到激光脉冲信号，则只需要控制3D图像传感器在开始信号发射之后的

到

时间内处于开启状态，对激光脉冲信号进行响应，测量周期内的其余时间3D图像传感器处于关闭状态，对激光脉冲信号不响应。那么，若在T_i时间间隔内3D图像传感器接收到光子，则其会产生结束信号，即可认为目标物体与3D图像传感器之间的距离为

若在T_i时间间隔内3D图像传感器没有接收到光子，则不会产生结束信号，并在下个测量周期内控制3D图像传感器仅在T_i+1时间间隔内开启，其他时间处于关闭状态，重复上述步骤，直至测量得到目标物体与3D图像传感器之间的距离。

本实施例基于门控测距法提出一种应用于3D图像传感器的门控式像素单元，请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种门控式像素单元的结构示意图，如图所示，本实施例的门控式像素单元，包括：光电转换与控制模块1、时间-电压转换模块2和选择输出模块3，其中，光电转换与控制模块1用于将接收到的光信号转换为电压信号，并根据所述电压信号得到控制信号和光强度信息；时间-电压转换模块2根据所述控制信号，对时间间隔信息进行测量得到距离信息；选择输出模块3根据接收的选择信号选择输出所述距离信息或所述光强度信息。

在本实施例中，光信号包括激光回波信号和环境光信号，光电转换与控制模块1通过雪崩光电二极管完成光信号到电压信号的转换，同时可以通过调节雪崩光电二极管阳极的偏置电压使其工作在APD(光电二极管)模式，进而获得目标物体的光强度信息，也可以通过调节雪崩光电二极管阳极的偏置电压使其工作在盖革模式，利用门控扫描法对时间间隔信息进行粗测量，再通过像时间-电压转换模块2实现对时间间隔信息的细测量，进而获得目标物体的距离信息，选择输出模块3实现选择功能，控制输出在所述距离信息和所述光强度信息之间切换。

在本实施例中，雪崩光电二极管作为光电转换器设置在光电转换与控制模块1中，请参见图4，图4是本发明实施例提供的一种雪崩光电二极管的电压-电流特性曲线图，从图中可以看出，雪崩光电二极管因不同的外加反偏电压而工作在不同的模式。当反偏电压较小时候，器件工作在APD模式，产生的反向电流和光照强度成正比；当反偏电压在雪崩击穿电压附近但小于击穿电压时，器件吸收一个光子可以激发出有限个电子空穴对，器件工作在线性模式，对光生载流子具有线性放大的作用，具有有限增益；当反偏电压大于雪崩击穿电压时，器件工作在盖革模式(Geiger mode)，在该模式下单个光子就可以触发APD发生雪崩而产生雪崩电流，理论上雪崩增益为无穷大，因此，称盖革模式下的雪崩光电二极管为单光子雪崩二极管(SPAD)，盖革模式也称为SPAD模式。

具体地，本实施例中的门控式像素单元的具体电路图如图5所示，图5是本发明实施例提供的一种门控式像素单元的电路图，从图中可以看出，光电转换与控制模块1，包括：与门U₁、与非门U₂、第一NMOS管NM1、第一PMOS管PM1、第一反相器I₁和雪崩光电二极管Diode，其中，与门U₁的输入端接收第一复位信号RST和门控信号TRN，输出端连接与非门U₂的第一输入端；与非门U₂的第二输入端分别连接第一NMOS管NM1的漏极和第一反相器I₁的输入端，输出端连接时间-电压转换模块2；第一NMOS管NM1的栅极接收门控信号TRN，源极连接雪崩光电二极管Diode的阴极，漏极连接第一PMOS管PM1的漏极；第一PMOS管PM1的栅极接收第一复位信号RST，源极连接复位电压端Vex，漏极分别连接第一反相器I₁的输入端和选择输出模块3；第一反相器I₁的输出端连接时间-电压转换模块2；雪崩光电二极管Diode的阳极连接负电压端Vsub。

在本实施例中，雪崩光电二极管Diode作为光电转换器将接收到的光信号转换为电压信号，负电压端Vsub为雪崩光电二极管Diode的阳极提供偏置电压，复位电压端Vex为雪崩光电二极管Diode的阴极提供偏置电压，通过调节负电压端Vsub的电压可以使雪崩光电二极管Diode工作在APD模式或SPAD模式，第一复位信号RST用于复位雪崩光电二极管Diode至SPAD模式。门控信号TRN用于控制门控窗口开启的位置，确定门控测距法中测量的时间间隔，使得第一NMOS管NM1在测量的时间间隔内导通。

进一步地，时间-电压转换模块2包括第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第五PMOS管PM5、第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4、第二反相器I₂、第一电容C1和第二电容C2，其中，第二PMOS管PM2的源极连接电压端VDD，栅极连接第一偏置电压端Vb1，漏极连接第三PMOS管PM3的源极；第三PMOS管PM3的栅极连接第二偏置电压端Vb2，漏极分别连接第四PMOS管PM4的源极和第五PMOS管PM5的源极；第四PMOS管PM4的栅极连接与非门U₂的输出端；第二反相器I₂的输入端连接与非门U₂的输出端，输出端连接第五PMOS管PM5的栅极；第五PMOS管PM5的漏极连接接地端GND；第二NMOS管NM2的栅极接收第一电容复位信号RST_1，漏极连接第三NMOS管NM3的漏极，源极连接接地端GND；第三NMOS管NM3的栅极连接第一反相器I₁的输出端，源极分别连接第四NMOS管NM4的漏极和选择输出模块3；第四NMOS管NM4的栅极接收第二电容复位信号RST_2，源极连接接地端GND；第一电容C1串接在第四PMOS管PM4的漏极与接地端GND之间；第二电容C2串接在第三NMOS管NM3的源极与接地端GND之间。

在本实施例中，第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4和第五PMOS管PM5构成一对共源共栅结构的电流源，用于对第一电容C1进行充电，其根据与非门U₂输出的所述控制信号，控制对第一电容C1的充电时间，以实现精细的时间量化，第二电容C2在每个测量周期与第一电容C1进行电荷分享，用来多次分享平均化第一电容C1上的电压信息，从而获得更精确的时间分辨率，进而获得精确的目标物体的距离信息。第一偏置电压端Vb1和第二偏置电压端Vb2分别为第二PMOS管PM2和第三PMOS管PM3提供栅极偏置电压。第一电容复位信号RST_1用于控制第一电容C1的复位，第二电容复位信号RST_2用于控制第一电容C2的复位。

进一步地，选择输出模块3包括第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6和源极跟随器301，其中，第五NMOS管NM5的栅极接收第一选择信号SEL1，源极连接第一PMOS管PM1的漏极，漏极连接源极跟随器301的输入端；第六NMOS管NM6的栅极接收第二选择信号SEL2，漏极连接第三NMOS管NM3的源极，源极连接源极跟随器301的输入端；源极跟随器301用于输出接收的像素信息。具体地，源极跟随器301包括第六PMOS管PM6、第七PMOS管PM7和第八PMOS管PM8，其中，第六PMOS管PM6的栅极连接第三偏置电压端Vb3，源极连接电压端VDD，漏极连接第七PMOS管PM7的源极；第七PMOS管PM7的栅极接收列选择信号COL，漏极连接第八PMOS管PM8的源极；第八PMOS管PM8的栅极分别连接第五NMOS管NM5的漏极和第六NMOS管NM6的源极，漏极连接接地端GND。

在本实施例中，第一选择信号SEL1控制第五NMOS管NM5的导通，输出所述光强度信息，第二选择信号SEL2控制第六NMOS管NM6的导通，输出所述距离信息。所述光强度信息和所述距离信息作为像素信息通过源极跟随器301输出至后续的电路中。在3D图像传感器工作过程中，根据列选择信号COL选择输出像素阵列中每个像素单元的像素信息。在本发明的其他实施例中，所述门控像素单元还包括列放大器4，列放大器4连接源极跟随器301的输出端，用于对所述像素信息进行放大处理并输出。

本实施例的基于门控测距法提出的门控式像素单元，通过调节光电转换与控制模块1中雪崩光电二极管Diode的偏置电压，可以使其在SPAD工作模式和APD工作模式之间任意切换，以实现对目标物体距离的测量以及目标物体反射回来的光照强度的测量，从而获得目标物体的距离信息和光强度信息。同时，门控式像素单元内部并不需要存在时间数字转换器电路，因此可使像素单元面积大幅度减小，从而使得其功耗也大幅度降低，有利于大规模像素阵列的集成化设计。

本实施例的门控式像素单元的工作原理如下，请参见图6，图6是本发明实施例提供的一种门控式像素单元的模式切换时序图，如图所示，SPAD工作模式和APD工作模式之间的切换通过调节雪崩光电二极管Diode的负电压端Vsub来实现，同时需控制第一选择信号SEL1和第二选择信号SEL2信号来切换输出通路。当像素单元在SPAD工作模式时，第一选择信号SEL1为低电平，第五NMOS管NM5不导通，第二选择信号SEL2为高电平，第六NMOS管NM6导通，那么，输出SPAD工作模式下的测量信息，也就是对目标物体距离的测量信息。当像素单元在APD工作模式时，第二选择信号SEL2为低电平，第六NMOS管NM6不导通，第一选择信号SEL1为高电平，第五NMOS管NM5导通，那么，输出APD工作模式下的测量信息，也就是对目标物体光强度的测量信息。请参见图7，图7是本发明实施例提供的一种门控式像素单元在SPAD工作模式下的工作时序图，如图所示，在所述门控式像素单元工作之前，首先通过第一电容复位信号RST_1和第二电容复位信号RST_2分别对第一电容C1和第二电容C2进行复位，使得第一电容C1和第二电容C2上存储的电荷变为零，复位完成后，第一电容C1和第二电容C2上的电压均为零。当需要测量得到目标物体的距离信息时，通过调节负电压端Vsub的电压使雪崩光电二极管Diode工作在盖革模式，然后开始进行测量，LASER信号为激光脉冲信号发射器发射的激光脉冲信号，代表一次测量周期的开始，门控信号TRN在LASER信号发射后延迟一段时间变为有效，用来控制门控窗口开启的位置，即通过延迟的时间来确定门控测距法中测量的时间间隔，当门控信号TRN置于高电平时，第一NMOS管NM1导通，当门控信号TRN变为有效的高电平时，第一复位信号RST变为低电平，使得第一PMOS管PM1导通，此时，雪崩光电二极管Diode的正负极两端的总压降为Vex+Vsub，使雪崩光电二极管Diode工作在盖革模式也就是SPAD模式。随后第一复位信号RST又快速恢复至高电平，使得第一PMOS管PM1关断，此时门控信号TRN仍保持高电平，故第一NMOS管NM1仍保持导通状态，同时第一复位信号RST和门控信号TRN经过与门U₁输出的START信号为高电平，节点FD(雪崩光电二极管Diode的阴极)保持复位后的高电平Vex，与START信号经过与非门U₂输出低电平，即节点Φ为低电平，此时共源共栅结构电流源对第一电容C1进行充电。若在门控信号TRN为高电平的这段时间内(也就是在测量时间段内)雪崩光电二极管Diode接收到光子，那么由于雪崩倍增效应，雪崩光电二极管Diode上会产生很大的雪崩电流，使得节点FD放电至低电平，同时由于雪崩光电二极管Diode的两端电压降至Vsub，雪崩光电二极管Diode也会自动退出盖革模式。由于节点FD变为低电平信号，使得节点Φ的信号变为高电平信号，共源共栅结构电流源对第一电容C1停止充电，同时节点FD的低电平信号通过第一反相器变为高电平信号，控制第三NMOS晶体管NM3导通，使得在有光子被检测到时，第二电容C2分享第一电容C1上的电荷，并将有效信息存储在电容第二电容C2上，最后在测量周期的结束时，使第一电容复位信号RST1产生一个高电平信号，以使得第一电容C1上的电荷释放至零，完成复位。

当需要测量得到目标物体的光强度信息时，通过调节负电压端Vsub的电压使雪崩光电二极管Diode工作在APD模式，产生有限的光电转化增益，此时，光照强度与光电流为线性关系，即若物体反射回来的光强度越大，光电流也越大，在测量周期内，测量的时间间隔内由节点FD的寄生电容对光电流进行积分，并将其转变为电压，通过对节点FD的电压值进行量化，进而获得物体反射回来的光强度信息。

上述描述的一个测量周期过程中，若选择输出模块3接收的第一选择信号SEL1有效，则第五NMOS管NM5导通，调节负电压端Vsub的电压使雪崩光电二极管Diode工作在APD模式，输出测量得到的所述光强度信息；若选择输出模块3接收的第二选择信号SEL2有效，则第六NMOS管NM6导通，调节负电压端Vsub的电压使雪崩光电二极管Diode工作在SPAD模式，输出测量得到的所述距离信息。

值得说明的是，门控测距法中的每一个时间间隔都需要经过多次测量，以实现进一步抑制环境光信号的影响，使得测量结果更为精确。通过同一时间间隔的多次测量，可以使得电容第二电容C2上存储的电压近似为多次测量中第一电容C1上电压的平均值。最后在每个时间间隔测量结束后，将第二选择SEL2信号置为高电平，使得第六NMOS管NM6导通，第二电容C2上的电压通过由第六PMOS管PM6、第七PMOS管PM7和第八PMOS管PM8组成的源极跟随器301输出，通过后续的量化电路量化第二电容C2上的电压可以获得更精细的时间划分，得到更高的时间分辨率。

实施例二

本实施例提供了一种3D图像传感器，包括像素阵列，读取输出电路模块和量化电路模块，其中，所述像素阵列用于获取目标物体的像素信息，所述像素阵列包括若干个实施例一中所述的门控式像素单元，若干所述门控式像素单元组成n*n的二维阵列；所述读取输出电路模块用于将所述像素信息逐个按顺序读取并输出；所述量化电路模块用于将输出的所述像素信息转换为数字信息并输出。所述读取输出电路模块和量化电路模块的电路均与传统图像传感器类似，在此不再赘述。

本实施例的3D图像传感器是基于门控测距法对目标物体进行测量，在一个测量周期内，只需控制所述3D图像传感器在某个很短的时间间隔内处于开启状态，在其他时间段内都处于关闭状态，可以有效地减少所述3D图像传感器在接收有效激光回波信号时环境光信号对其的干扰。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种门控式像素单元，其特征在于，包括：光电转换与控制模块(1)、时间-电压转换模块(2)和选择输出模块(3)，其中，

所述光电转换与控制模块(1)用于将接收到的光信号转换为电压信号，并根据所述电压信号得到控制信号和光强度信息；

所述时间-电压转换模块(2)根据所述控制信号，对时间间隔信息进行测量得到距离信息；

所述选择输出模块(3)根据接收的选择信号选择输出所述距离信息或所述光强度信息。

2.根据权利要求1所述的门控式像素单元，其特征在于，所述光电转换与控制模块(1)，包括：与门(U₁)、与非门(U₂)、第一NMOS管(NM1)、第一PMOS管(PM1)、第一反相器(I₁)和雪崩光电二极管(Diode)，其中，

所述与门(U₁)的输入端接收第一复位信号(RST)和门控信号(TRN)，输出端连接所述与非门(U₂)的第一输入端；

所述与非门(U₂)的第二输入端分别连接所述第一NMOS管(NM1)的漏极和所述第一反相器(I₁)的输入端，输出端连接所述时间-电压转换模块(2)；

所述第一NMOS管(NM1)的栅极接收所述门控信号(TRN)，源极连接所述雪崩光电二极管(Diode)的阴极，漏极连接所述第一PMOS管(PM1)的漏极；

所述第一PMOS管(PM1)的栅极接收所述第一复位信号(RST)，源极连接复位电压端(Vex)，漏极分别连接所述第一反相器(I₁)的输入端和所述选择输出模块(3)；

所述第一反相器(I₁)的输出端连接所述时间-电压转换模块(2)；

所述雪崩光电二极管(Diode)的阳极连接负电压端(Vsub)。

3.根据权利要求2所述的门控式像素单元，其特征在于，所述时间-电压转换模块(2)包括第二PMOS管(PM2)、第三PMOS管(PM3)、第四PMOS管(PM4)、第五PMOS管(PM5)、第二NMOS管(NM2)、第三NMOS管(NM3)、第四NMOS管(NM4)、第二反相器(I₂)、第一电容(C1)和第二电容(C2)，其中，

所述第二PMOS管(PM2)的源极连接电压端(VDD)，栅极连接第一偏置电压端(Vb1)，漏极连接所述第三PMOS管(PM3)的源极；

所述第三PMOS管(PM3)的栅极连接第二偏置电压端(Vb2)，漏极分别连接所述第四PMOS管(PM4)的源极和所述第五PMOS管(PM5)的源极；

所述第四PMOS管(PM4)的栅极连接所述与非门(U₂)的输出端；

所述第二反相器(I₂)的输入端连接所述与非门(U₂)的输出端，输出端连接所述第五PMOS管(PM5)的栅极；

所述第五PMOS管(PM5)的漏极连接接地端(GND)；

所述第二NMOS管(NM2)的栅极接收第一电容复位信号(RST_1)，漏极连接所述第三NMOS管(NM3)的漏极，源极连接所述接地端(GND)；

所述第三NMOS管(NM3)的栅极连接所述第一反相器(I₁)的输出端，源极分别连接所述第四NMOS管(NM4)的漏极和所述选择输出模块(3)；

所述第四NMOS管(NM4)的栅极接收第二电容复位信号(RST_2)，源极连接所述接地端(GND)；

所述第一电容(C1)串接在所述第四PMOS管(PM4)的漏极与所述接地端(GND)之间；

所述第二电容(C2)串接在所述所述第三NMOS管(NM3)的源极与所述接地端(GND)之间。

4.根据权利要求3所述的门控式像素单元，其特征在于，所述选择输出模块(3)包括第五NMOS管(NM5)、第六NMOS管(NM6)和源极跟随器(301)，其中，

所述第五NMOS管(NM5)的栅极接收第一选择信号(SEL1)，源极连接所述第一PMOS管(PM1)的漏极，漏极连接所述源极跟随器(301)的输入端；

所述第六NMOS管(NM6)的栅极接收第二选择信号(SEL2)，漏极连接所述第三NMOS管(NM3)的源极，源极连接所述源极跟随器(301)的输入端；

所述源极跟随器(301)用于输出接收的像素信息。

5.根据权利要求4所述的门控式像素单元，其特征在于，所述源极跟随器(301)包括第六PMOS管(PM6)、第七PMOS管(PM7)和第八PMOS管(PM8)，其中，

所述第六PMOS管(PM6)的栅极连接第三偏置电压端(Vb3)，源极连接所述电压端(VDD)，漏极连接所述第七PMOS管(PM7)的源极；

所述第七PMOS管(PM7)的栅极接收所述列选择信号(COL)，漏极连接所述第八PMOS管(PM8)的源极；

所述第八PMOS管(PM8)的栅极分别连接所述第五NMOS管(NM5)的漏极和所述第六NMOS管(NM6)的源极，漏极连接所述接地端(GND)。

6.根据权利要求4所述的门控式像素单元，其特征在于，还包括列放大器(4)，所述列放大器(4)连接所述源极跟随器(301)的输出端，用于对所述像素信息进行放大处理并输出。

7.一种3D图像传感器，其特征在，包括像素阵列，读取输出电路模块和量化电路模块，其中，

所述像素阵列用于获取目标物体的像素信息，所述像素阵列包括若干个如权利要求1-6所述的任一种门控式像素单元；

所述读取输出电路模块用于将所述像素信息逐个按顺序读取并输出；

所述量化电路模块用于将输出的所述像素信息转换为数字信息并输出。

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