專利名稱：降低成像器中的噪音的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及成像裝置，且更特定來(lái)說(shuō)，涉及一種降低成像裝置中的瞬時(shí)噪音 的方法。
背景技術(shù)：
CMOS成像器電路包括像素單元的焦平面陣列，所述單元中的每一者包括上覆一基 板用于使光生電荷積聚于所述基板的下伏部分中的光傳感器，例如，光柵、光電導(dǎo)體或 光電二極管。每一像素單元具有讀出電路，其包括形成于所述基板中的至少一輸出場(chǎng)效 晶體管，和形成于所述基板上的連接到輸出晶體管的柵極的電荷存儲(chǔ)區(qū)。可將所述電荷 存儲(chǔ)區(qū)構(gòu)造為浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)。每一像素可包括用于將電荷從光傳感器轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)區(qū)的例如 晶體管的至少一個(gè)電子裝置，和一個(gè)用于在電荷轉(zhuǎn)移之前將存儲(chǔ)區(qū)重設(shè)到預(yù)定電荷電平 的(通常也為晶體管)裝置。
在CMOS成像器中，像素單元的有源元件執(zhí)行以下必需功能(1)光子到電荷轉(zhuǎn) 換；(2)圖像電荷的積聚；(3)在電荷轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)區(qū)之前將存儲(chǔ)區(qū)重設(shè)到已知狀態(tài)；(4) 伴隨有電荷放大的電荷到存儲(chǔ)區(qū)的轉(zhuǎn)移；(5)用于讀出的像素的選擇；和(6)表示像 素電荷的信號(hào)的輸出和放大。在光電荷從初始電荷積聚區(qū)移動(dòng)到存儲(chǔ)區(qū)時(shí)，可將光電荷 放大。通常通過(guò)源極跟隨器輸出晶體管將存儲(chǔ)區(qū)處的電荷轉(zhuǎn)換為像素輸出電壓。
如全文以引用的方式并入本文中的轉(zhuǎn)讓給美光科技有限公司(Micron Technology, Inc.)的(例如)第6，140，630號(hào)美國(guó)專利、第6,376,868號(hào)美國(guó)專利、第6,310,366號(hào) 美國(guó)專利、第6,326,652號(hào)美國(guó)專利、第6,204,524號(hào)美國(guó)專利和第6,333,205號(hào)美國(guó)專 利中論述，上述類型的CMOS成像器為普遍已知的。
圖1說(shuō)明常規(guī)CMOS成像器10的一部分。所說(shuō)明的成像器10包括通過(guò)像素輸出 線32而連接到列取樣和保持電路40的像素20 (像素陣列(未圖示)中的許多者中的 一者)。成像器10還包括讀出可編程增益放大器(PGA)70和模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC) 80。
所說(shuō)明的像素20包括光傳感器22 (例如，插腳式光電二極管、光柵等)、轉(zhuǎn)移晶 體管24、浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD、重設(shè)晶體管26、源極跟隨器晶體管28和行選擇晶體管30。 在轉(zhuǎn)移晶體管24通過(guò)轉(zhuǎn)移控制信號(hào)TX而激活時(shí)，光傳感器22通過(guò)轉(zhuǎn)移晶體管24而連接到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD。重設(shè)晶體管26連接于浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD與陣列像素電源電壓 Vaa-pix之間。使用重設(shè)控制信號(hào)RST來(lái)激活重設(shè)晶體管26，其重設(shè)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD(如 此項(xiàng)技術(shù)中已知)。
源極跟隨器晶體管28使其柵極連接到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD且連接于陣列像素電源電壓 Vaa-pix與行選擇晶體管30之間。源極跟隨器晶體管28將存儲(chǔ)于浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD處的 電荷轉(zhuǎn)換為電輸出電壓信號(hào)。行選擇晶體管30可由用于將源極跟隨器晶體管28及其輸 出電壓信號(hào)選擇性地連接到像素輸出線32的行選擇信號(hào)SELECT控制。
列取樣和保持電路40包括由控制電壓Vln—bias控制的偏壓晶體管56，其用于偏壓 像素輸出線32。像素輸出線32還經(jīng)由取樣和保持重設(shè)信號(hào)開(kāi)關(guān)42而連接到第一電容 器44。取樣和保持重設(shè)信號(hào)開(kāi)關(guān)42由取樣和保持重設(shè)控制信號(hào)SHR控制。像素輸出 線32還經(jīng)由取樣和保持像素信號(hào)開(kāi)關(guān)52而連接到第二電容器54。取樣和保持像素信 號(hào)開(kāi)關(guān)52由取樣和保持重像素控制信號(hào)SHS控制。開(kāi)關(guān)42、 52通常是MOSFET晶體 管。
第一電容器44的第二端子經(jīng)由第一列選擇開(kāi)關(guān)50而連接到放大器70，第一列選 擇開(kāi)關(guān)50由列選擇信號(hào)COLUMN—SELECT控制。第一電容器44的第二端子還經(jīng)由第 一箝位開(kāi)關(guān)46而連接到箝位電壓VCL。類似地，第二電容器54的第二端子通過(guò)第二 列選擇開(kāi)關(guān)60而連接到放大器70，第二列選擇開(kāi)關(guān)60由列選擇信號(hào)COLUMN— SELECT控制。第二電容器54的第二端子還通過(guò)第二箝位丌關(guān)48而連接到箝位電壓 VCL。
箝位開(kāi)關(guān)46、 48由箝位控制信號(hào)CLAMP控制。如此項(xiàng)技術(shù)中己知，箝位電壓VCL 用于在需要存儲(chǔ)重設(shè)信號(hào)和像素信號(hào)時(shí)(當(dāng)還產(chǎn)生適當(dāng)?shù)娜雍捅３挚刂菩盘?hào)SHR、 SHS時(shí))將電荷分別放置于兩個(gè)電容器44、 54上。
參看圖1和2，在操作中，將行選擇信號(hào)SELECT驅(qū)動(dòng)為高，此激活行選擇晶體管 30。在被激活時(shí)，行選擇晶體管30將源極跟隨器晶體管28連接到像素輸出線32。接 著將箝位控制信號(hào)CLAMP驅(qū)動(dòng)為高以激活箝位開(kāi)關(guān)46、 48，從而允許箝位電壓VCL 被施加到取樣和保持電容器44、 54的第二端子。接著脈沖調(diào)制重設(shè)信號(hào)RST以激活重 設(shè)晶體管26,所述重設(shè)晶體管重設(shè)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD。在脈沖調(diào)制取樣和保持重設(shè)控制信 號(hào)SHR時(shí)，接著對(duì)來(lái)自源極跟隨器28的信號(hào)(基于重設(shè)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD)進(jìn)行取樣。 此時(shí)，第一電容器44存儲(chǔ)像素重設(shè)信號(hào)Vrst。
此后，脈沖調(diào)制轉(zhuǎn)移晶體管控制信號(hào)TX，從而使來(lái)自光傳感器22的電荷轉(zhuǎn)移到浮
動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD。在脈沖調(diào)制取樣和保持像素控制信號(hào)SHS時(shí)，對(duì)來(lái)自源極跟隨器28的信號(hào)(基于轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD的電荷)進(jìn)行取樣。此時(shí)，第二電容器54存儲(chǔ)像素 圖像信號(hào)Vsig。通過(guò)差分放大器70產(chǎn)生差分信號(hào)(Vw-Vsig)。通過(guò)模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器 80來(lái)將所述差分信號(hào)數(shù)字化。模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器80將數(shù)字化像素信號(hào)供應(yīng)到圖像處理 器(未圖示)，其形成數(shù)字圖像輸出。
像素式(Pixel-wise)瞬時(shí)讀取噪音是重要的像素性能參數(shù)。歸因于降低的信噪比 (SNR)，高讀取噪音使圖像傳感器的低光度成像性能降級(jí)。舉例來(lái)說(shuō)，如果像素具有約 六個(gè)電子的讀取噪音，那么所述像素必須俘獲六個(gè)光子以實(shí)現(xiàn)為一的信噪比(排除光子 射出噪音)。如果可降低讀取噪音，那么在降低的曝光時(shí)傳感器可實(shí)現(xiàn)相同信噪比，此 將改進(jìn)圖像傳感器的低光度性能。
因此，期望且需要減輕成像器中的噪音(例如像素式瞬時(shí)讀取噪音)的存在。

發(fā)明內(nèi)容
無(wú)


從下文參看附圖提供的示范性實(shí)施例的具體實(shí)施方式
中將更加了解本發(fā)明的以上
和其它優(yōu)點(diǎn)及特征，附圖中
圖1是典型CMOS成像器的一部分的圖2是圖1的成像器的操作的時(shí)序圖3是包含4向共享像素的CMOS成像器的一部分的圖4是圖3的成像器的典型操作的時(shí)序圖5是根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例的圖3的成像器的操作的時(shí)序圖； 圖6是包含2向共享像素的CMOS成像器的一部分的圖； 圖7是根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例的圖6的成像器的操作的時(shí)序圖； 圖8是根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例的圖1的成像器的操作的時(shí)序圖； 圖9說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的任一示范性實(shí)施例的成像器；以及
圖10展示并入有根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例而構(gòu)造的至少一個(gè)成像裝置的處理器系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式
像素式瞬時(shí)噪音具有許多已知來(lái)源。將與源極跟隨器和偏壓晶體管相關(guān)聯(lián)的1/f和 熱噪音認(rèn)為是像素式讀取噪音問(wèn)題的關(guān)鍵組成部分。發(fā)明者己確定主要噪音源具有高頻 功率譜(在下文中稱為"高頻噪音")。使用例如相關(guān)雙取樣(CDS)的常規(guī)技術(shù)未降低此類型的高頻噪音。發(fā)明者已確定有可能通過(guò)將增加的電容性負(fù)載添加到列輸出(例如， 列輸出線)或像素輸出而顯著地降低與高頻功率譜相關(guān)聯(lián)的噪音。
再次參看圖1，雖然存在與源極跟隨器晶體管28的輸出相關(guān)聯(lián)的一些寄生電容， 但在取樣操作期間由源極跟隨器晶體管28的輸出看出的多數(shù)電容是在列取樣和保持電 路40中取樣和保持電容器44、 54的結(jié)果。因此，有可能通過(guò)增加取樣和保持電容器 44、 54的大小來(lái)降低列上的高頻噪音(即，源極跟隨器晶體管28的輸出)。
此方法的一個(gè)缺點(diǎn)是，還將需要增加晶粒面積以增加取樣和保持電容器44、 54的 大小。另外，將需要增加流經(jīng)偏壓晶體管56的電流以足夠快地對(duì)較大電容器44、 54 充電而避免不利地影響成像器10的幀速率。增加通過(guò)偏壓晶體管56的電流將使功率消 耗增加且還可降低源極跟隨器晶體管28的增益，且還可影響常用于成像器中的抗蝕電 路(未圖示)。
圖3展示包含4向共享像素120的CMOS成像器110的一部分。上述高頻噪音問(wèn) 題對(duì)于圖3的成像器110來(lái)說(shuō)可能尤為麻煩。如可看出，成像器110包括像素120，像 素120含有配置成拜耳(Bayer)圖案的四個(gè)光傳感器22GI、 22B、 22R、 22c2和轉(zhuǎn)移晶 體管2401、 24b、 24r、 24G2以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)綠色Gl、 G2、 一藍(lán)色B和一紅色R像素部分。
在所說(shuō)明的成像器110中，第一綠色和藍(lán)色像素部分G1、 B共享浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FDE、 重沒(méi)晶體管126e、源極跟隨器晶體管128E和行選擇晶體管130e，其它兩個(gè)像素部分在 成像器110像素陣列的偶數(shù)行中。類似地，第二綠色和紅色像素部分G2、 R共享浮動(dòng) 擴(kuò)散區(qū)FDo、重設(shè)晶體管1260、源極跟隨器晶體管128o和行選擇晶體管1300，其它兩
個(gè)像素部分在成像器iio像素陣列的奇數(shù)行中。
共享列輸出線132連接到偶數(shù)列取樣和保持電路140E和奇數(shù)列取樣和保持電路 140o。偶數(shù)取樣和保持電路140E包括第一電容器144E、第二電容器154E、取樣和保持 重設(shè)信號(hào)開(kāi)關(guān)142E、取樣和保持像素信號(hào)開(kāi)關(guān)152E和箝位開(kāi)關(guān)146E。應(yīng)了解，還使用 偏壓和列選擇電路(例如圖1所示的這些)，但未展示于圖3中。取樣和保持重設(shè)信號(hào) 開(kāi)關(guān)142E由偶數(shù)取樣和保持重設(shè)控制信號(hào)SHR—EVEN控制。取樣和保持像素信號(hào)開(kāi)關(guān) 152e由偶數(shù)取祥和保持像素控制信號(hào)SHS—EVEN控制。箝位開(kāi)關(guān)146E用于在需要存儲(chǔ) 重設(shè)和像素信號(hào)時(shí)將電荷分別放置于兩個(gè)電容器144E、 154e上。
奇數(shù)取樣和保持電路140o包括第一電容器1440、第二電容器1540、取樣和保持重 設(shè)信號(hào)開(kāi)關(guān)1420、取樣和保持像素信號(hào)開(kāi)關(guān)152o和箝位開(kāi)關(guān)1460。應(yīng)了解，還使用偏 壓和列選擇電路，但未展示于圖3中。取樣和保持重設(shè)信號(hào)開(kāi)關(guān)142o由奇數(shù)取樣和保 持重設(shè)控制信號(hào)SHR一ODD控制。取樣和保持像素信號(hào)開(kāi)關(guān)152o由奇數(shù)取樣和保持像素控制信號(hào)SHS—ODD控制。箝位開(kāi)關(guān)146o用于在需要存儲(chǔ)重設(shè)和像素信號(hào)時(shí)將電荷 分別放置于兩個(gè)電容器1440、 1540上。取樣和保持電路140E、 140o連接到放大器和模 擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換級(jí)170E、 170o，此形成來(lái)自從取樣和保持電路140E、 140o接收的差分信 號(hào)(Vrst、 Vs,g)的數(shù)字信號(hào)輸出。
參看圖3和4，在操作中，在已通過(guò)斷言重設(shè)控制信號(hào)RST<n>、 RST〈n+l〉而重設(shè) 與像素120相關(guān)聯(lián)的兩個(gè)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FDE、 FDo后，脈沖調(diào)制偶數(shù)取樣和保持重設(shè)控制 信號(hào)SHR_EVEN以將通過(guò)源極跟隨器128E (基于重設(shè)偶數(shù)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FDE)產(chǎn)生的重 設(shè)信號(hào)值存儲(chǔ)于電容器144e中(經(jīng)由開(kāi)關(guān)142E)。接著，脈沖調(diào)制奇數(shù)取樣和保持重設(shè) 控制信號(hào)SHR_ODD以將通過(guò)源極跟隨器1280 (基于重設(shè)奇數(shù)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD0)產(chǎn)生 的重設(shè)信號(hào)值存儲(chǔ)于電容器1440中(經(jīng)由開(kāi)關(guān)142Q)。
此后，脈沖調(diào)制第一轉(zhuǎn)移柵極控制信號(hào)TXA〈n+l〉以允許將來(lái)自藍(lán)色部分B的電荷 轉(zhuǎn)移(經(jīng)由晶體管24B)到偶數(shù)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FDe且將來(lái)自第二縁色部分G2的電荷轉(zhuǎn)移 (經(jīng)由晶體管24G2)到奇數(shù)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD0。脈沖調(diào)制偶數(shù)取樣和保持像素控制信號(hào) SHS—EVEN以將通過(guò)源極跟隨器128E (基于偶數(shù)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FDE中存儲(chǔ)的電荷)產(chǎn)生 的藍(lán)色像素信號(hào)值存儲(chǔ)于電容器154e中(經(jīng)由開(kāi)關(guān)152E)。接著，脈沖調(diào)制奇數(shù)取樣和 保持像素控制信號(hào)SHS—ODD以將通過(guò)源極跟隨器1280 (基于奇數(shù)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FDo中 存儲(chǔ)的電荷)產(chǎn)生的第二綠色像素信號(hào)值存儲(chǔ)于電容器1540中(經(jīng)由開(kāi)關(guān)1520)。
雖然未展示于圖4中，但通過(guò)斷言重設(shè)控制信號(hào)RST<n〉、 RST〈n+l〉來(lái)再次重設(shè)兩 個(gè)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FDE、 FD0。接著將來(lái)自紅色和第一綠色部分的重設(shè)信號(hào)和像素信號(hào)值讀 出且對(duì)其進(jìn)行取樣。重設(shè)信號(hào)值的后續(xù)取樣的定時(shí)以及紅色和第一綠色像素信號(hào)值的轉(zhuǎn) 移和取樣遵照?qǐng)D4的時(shí)序圖(除了產(chǎn)生TXB〈n+l〉而非TXA〈n+l〉外)。在圖3電路的 優(yōu)選操作中，將第一和第二綠色像素部分Gl、 G2路由到同一取樣和保持電路1400， 而將紅色和藍(lán)色部分R、 B路由到取樣和保持電路140E;因此形成紅色/藍(lán)色信道和綠 色信道。為了實(shí)現(xiàn)此目的，使用另一選擇信號(hào)和額外取樣和保持輸入開(kāi)關(guān)(未圖示)以 將信號(hào)路由到所要取樣和保持電容器。
如上所述，成像器110遭受高頻噪音問(wèn)題。還如上所述，增加電容器144E、 1440、 154E、 154o的大小可減輕此問(wèn)題，但并非適合的解決方案。然而，根據(jù)本發(fā)明，可通過(guò) 以不同于圖4所示的方式的方式來(lái)操作成像器110而在不增加電容器大小的情況下實(shí)質(zhì) 上減輕高頻噪音問(wèn)題。圖5說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的一示范性操作方法，其經(jīng)設(shè)計(jì)以使多個(gè)取 樣和保持電容器在多數(shù)取樣操作期間連接到列輸出線。因此，極大地增加在列輸出線上
看出的有效電容而不增加晶粒大小或取樣和保持電容器的大小(或?qū)⑵渌娙萜魈砑拥?br> 9成像器110)。
根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例，在已通過(guò)斷言重設(shè)控制信號(hào)RST<n>、 RST〈n+l〉來(lái) 重設(shè)兩個(gè)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FDE、 FDo后，大體上同時(shí)斷言所有四個(gè)取樣和保持控制信號(hào)。艮P， 同時(shí)激活偶數(shù)和奇數(shù)取樣和保持重設(shè)控制信號(hào)SHR_EVEN、 SHR_ODD以及偶數(shù)和奇 數(shù)取樣和保持像素控制信號(hào)SHS—EVEN、 SHS一ODD。所有四個(gè)取樣和保持控制信號(hào) SHR—EVEN、 SHR_ODD、 SHS—EVEN、 SHS—ODD的激活使晶體管142E、 1420、 152E、 1520激活，此使所有四個(gè)取樣和保持電容器144E、 1440、 154E、 1540同時(shí)連接到列輸 出線132。本質(zhì)上，將電容器144E、 1440、 154E、 1540的電容加在一起且將其施加到列 輸出線132，此實(shí)質(zhì)上減輕高頻噪音。
將來(lái)自源極跟隨器128e的重投信號(hào)但(基于重設(shè)偶數(shù)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FDE)存儲(chǔ)于電 容器144e中(經(jīng)由開(kāi)關(guān)142E)。此后，將偶數(shù)取樣和保持重設(shè)控制信號(hào)SHR—EVEN解 除斷言。此將取樣和保持電容器144E從共列輸出線132移除。接著將來(lái)自源極跟隨器 128o的重設(shè)信號(hào)值(基于重設(shè)奇數(shù)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FDo)存儲(chǔ)于電容器1440中(經(jīng)由開(kāi)關(guān) 1420)。在此取樣期間，三個(gè)取樣和保持電容器1440、 154E、 1540連接到線132。隨后， 將奇數(shù)取樣和保持重設(shè)控制信號(hào)SHR—ODD解除斷言，此將取樣和保持電容器1440從 線132移除。
此后，脈沖調(diào)制第-一轉(zhuǎn)移柵極控制信號(hào)TXA〈n+l〉以允許將來(lái)自藍(lán)色部分B的電荷 轉(zhuǎn)移(徑由晶體管24b)到偶數(shù)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FDe且將來(lái)自第二縁色部分G2的電荷轉(zhuǎn)移 (經(jīng)由晶體管24cj2)到奇數(shù)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FDo。請(qǐng)注意，此時(shí)，偶數(shù)和奇數(shù)取樣和保持像 素控制信號(hào)SHS_EVEN、 SHS—ODD仍維持于高電平，這意味著電容器154E、 1540仍 連接到列線132 (分別經(jīng)由開(kāi)關(guān)152E、 1520)。 一旦將來(lái)自偶數(shù)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FDE的電荷 轉(zhuǎn)移，通過(guò)源極跟隨器128E產(chǎn)生的藍(lán)色像素信號(hào)值就存儲(chǔ)于電容器154e中。在此取樣 期間，兩個(gè)取樣和保持電容器154E、 1540連接到線132。
接著對(duì)偶數(shù)取樣和保持像素控制信號(hào)SHS—EVEN解除斷言，此將取樣和保持電容 器154e從踐132移除。將來(lái)自源極跟隨器128o的第二綠色像素信號(hào)值(基于奇數(shù)浮動(dòng) 擴(kuò)散區(qū)FDo中存儲(chǔ)的轉(zhuǎn)移電荷)存儲(chǔ)于電容器1540中(經(jīng)由開(kāi)關(guān)1520)。如此，多個(gè) 電容器不連接到列輸出線132的唯一時(shí)間是在奇數(shù)像素信號(hào)值(例如，綠色像素G2) 的取樣期間。
發(fā)明者己確定通過(guò)根據(jù)圖5的時(shí)序圖來(lái)操作成像器110而極大地降低且實(shí)質(zhì)上減輕 高頻噪音。降低高頻噪音導(dǎo)致改進(jìn)的讀出和大大改進(jìn)的圖像輸出。圖5的定時(shí)將增加列 線132的安定時(shí)間，因?yàn)樵诙鄶?shù)操作期間花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)對(duì)在所述線上看出的較大電容充電。然而，這通常并不是問(wèn)題，因?yàn)閷?duì)于低光度條件，成像器110以降低的幀速率 來(lái)運(yùn)行(其中可增加像素定時(shí)寬度而不會(huì)對(duì)幀速率產(chǎn)生任何影響)。在亮光度條件下， 像素讀出可回復(fù)到圖4中所說(shuō)明的定時(shí)，因?yàn)樵诹凉舛葪l件下不需要改進(jìn)的讀取噪音性 能(其中光子射出噪音是主要噪音源)。
此外，通過(guò)優(yōu)化取樣和保持控制信號(hào)的寬度，發(fā)明者確定安定時(shí)間要求小于圖4 的定時(shí)的要求的兩倍。這是因?yàn)殡m然存在較重的電容性負(fù)載，但SHR_ODD、SHS—EVEN 和SHSJDDD信號(hào)的寬度同樣增加，此允許其相關(guān)聯(lián)的電容器比其使用圖4的定時(shí)時(shí)通 常出現(xiàn)的情況更早地開(kāi)始充電。
圖6是包含2向共享像素220的CMOS成像器210的一部分的圖。g卩，每一像素 220包含兩個(gè)光傳感器222o、 222,和轉(zhuǎn)移晶體管224o、 224,。在所說(shuō)明的成像器210中， 光傳感器2220、 222!和轉(zhuǎn)移晶體管224o、 224:共享浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD、重設(shè)晶體管226、 源極跟隨器晶體管228和行選擇晶體管230。共享像素輸出線32連接到列取樣和保持 電路40 (在上文中參看圖1來(lái)描述)。
為了降低和/或?qū)嵸|(zhì)上減輕高頻噪音，根據(jù)圖7中說(shuō)明的示范性時(shí)序圖來(lái)操作成像 器210以在重設(shè)和像素信號(hào)取樣和保持操作的至少一部分期間將多個(gè)取樣和保持電容 器連接到線32。
現(xiàn)參看圖6和7，將行選擇信號(hào)SELECT驅(qū)動(dòng)為高，此激活行選擇晶體管230。在 被激活時(shí)，行選擇晶體管230將源極跟隨器晶體管228連接到線32。接著將箝位控制 信號(hào)CLAMP驅(qū)動(dòng)為高以激活箝位開(kāi)關(guān)46、 48，從而允許箝位電壓VCL被施加到取樣 和保持電容器44、 54的第二端子。接著脈沖調(diào)制重設(shè)信號(hào)RST以激活重設(shè)晶體管226， 所述重設(shè)晶體管226重設(shè)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD。接著，同時(shí)激活取樣和保持重設(shè)控制信號(hào)SHR 和取樣和保持像素控制信號(hào)SHS。在進(jìn)行此操作時(shí)，取樣和保持電路40中的電容器44、 54兩者的電容均連接到線32。
在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD上的信號(hào)通過(guò)源極跟隨器228而轉(zhuǎn)換為重設(shè)信號(hào)Vut且接著存儲(chǔ) 于第一電容器44中。 一旦存儲(chǔ)Vw，就將取樣和保持重設(shè)控制信號(hào)SHR解除斷言，此 將電容器44從線32移除(經(jīng)由斷開(kāi)開(kāi)關(guān)42)。此后，脈沖調(diào)制第一轉(zhuǎn)移晶體管控制信 號(hào)TXO，使來(lái)自第一光傳感器222。的電荷轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD。接著將來(lái)自源極跟隨 器228的像素信號(hào)Vsig (基于浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD上的轉(zhuǎn)移電荷)存儲(chǔ)于第二電容器54中。 通過(guò)差分放大器70產(chǎn)生差分信號(hào)(Vrst-Vsig)。通過(guò)模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器80將所述差分信 號(hào)數(shù)字化。模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器80將數(shù)字化像素信號(hào)供應(yīng)到圖像處理器(未圖示)，其形 成數(shù)字圖像輸出。雖然未展示于圖6中，但通過(guò)斷言重設(shè)控制信號(hào)RST來(lái)再次重設(shè)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD。 接著使用上述的相同定時(shí)(除了產(chǎn)生TX1而非TX0外)來(lái)讀出來(lái)自第二光傳感器222, 的重設(shè)信號(hào)V^和像素信號(hào)V^且對(duì)其進(jìn)行取樣。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的另一示范性實(shí)施例的圖1的成像器IO的操作的時(shí)序圖。為了 降低和/或?qū)嵸|(zhì)上減輕高頻噪音，根據(jù)圖8中說(shuō)明的示范性時(shí)序圖來(lái)操作成像器10以在 重設(shè)和像素信號(hào)取樣和保持操作的至少一部分期間將多個(gè)取樣和保持電容器連接到線 32。
現(xiàn)參看圖1和8，將行選擇信號(hào)SELECT驅(qū)動(dòng)為高，此激活行選擇晶體管30。在 被激活時(shí)，行選擇晶體管30將源極跟隨器晶體管28連接到線32。接著將箝位控制信 號(hào)CLAMP驅(qū)動(dòng)為高以激活箝位開(kāi)關(guān)46、 48，從而允許將箝位電壓VCL施加到取樣和 保持電容器44、 54的第二端子。接著脈沖調(diào)制重設(shè)信號(hào)RST以激活重設(shè)晶體管26，所 述重設(shè)晶體管26重設(shè)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD。接著，同時(shí)激活取樣和保持重設(shè)控制信號(hào)SHR 以及取樣和保持像素控制信號(hào)SHS。在進(jìn)行此操作時(shí)，取樣和保持電路40中的電容器 44、 54兩者的電容均連接到線32。
在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD上的信號(hào)通過(guò)源極跟隨器28而轉(zhuǎn)換為重設(shè)信號(hào)V^且接著存儲(chǔ) 于第一電容器44中。 一旦存儲(chǔ)V^，就將取樣和保持重設(shè)控制信號(hào)SHR解除斷言，此 將電容器44從線32移除(經(jīng)由斷開(kāi)開(kāi)關(guān)42)。此后，脈沖調(diào)制轉(zhuǎn)移晶體管控制信號(hào) TX，從而使來(lái)自光傳感器22的電荷轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD。接著將來(lái)自源極跟隨器28 的像素信號(hào)Vsig (基于浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD上的轉(zhuǎn)移電荷)存儲(chǔ)于第二電容器54中。通過(guò)差 分放大器70產(chǎn)生差分信號(hào)(Vrst-Vsig)。通過(guò)模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器80將所述差分信號(hào)數(shù)字 化。模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器80將數(shù)字化像素信號(hào)供應(yīng)到圖像處理器(未圖示)，其形成數(shù)字 圖像輸出。
圖9說(shuō)明更完整的CMOS成像器400的框圖。成像器400包括像素陣列410。像素 陣列410包含配置成預(yù)定數(shù)目的列和行的多個(gè)像素。陣列410可利用圖1、 4或6中說(shuō) 明的像素配置中的一者。通過(guò)行選擇線來(lái)同時(shí)全部開(kāi)啟陣列410中每一行的像素，且通 過(guò)列選擇線來(lái)選擇性地輸出每一列的像素。為整個(gè)陣列410提供多個(gè)行和列線。
響應(yīng)于行地址解碼器430通過(guò)行驅(qū)動(dòng)器432來(lái)選擇性地激活行線，且響應(yīng)于列地址 解碼器436通過(guò)列驅(qū)動(dòng)器434來(lái)選擇性地激活列選擇線。因此，為每一像素提供一行和 列地址。CMOS成像器400通過(guò)控制電路420以及行和列驅(qū)動(dòng)器電路432、 434來(lái)操作， 所述控制電路420控制用于選擇適當(dāng)?shù)男泻土芯€以供像素讀出的地址解碼器430、 436， 且所述行和列驅(qū)動(dòng)器電路432、 434將驅(qū)動(dòng)電壓施加到選定行和列線的驅(qū)動(dòng)晶體管。每一列含有與讀取選定像素的像素重設(shè)信號(hào)V^和像素圖像信號(hào)Vs,g的列驅(qū)動(dòng)器 434相關(guān)聯(lián)的取樣和保持電路440。差分信號(hào)(Vrst-Vsig)對(duì)于每一像素由差分放大器470 產(chǎn)生且由模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器480 (ADC)數(shù)字化。模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器480將數(shù)字化像素 信號(hào)供應(yīng)到圖像處理器490，其形成數(shù)字圖像輸出。在優(yōu)選實(shí)施例中，控制電路420根 據(jù)本發(fā)明的適當(dāng)定時(shí)來(lái)操作陣列420。如上所述，必要時(shí)，控制電路420有可能在低光 度條件下利用多個(gè)電容器取樣和保持操作以及在亮光度條件下使用標(biāo)準(zhǔn)單一電容器取 樣和保持操作。
圖10展示系統(tǒng)700，經(jīng)修改以包括根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例而構(gòu)造和操作的成像裝 置400的典型處理器系統(tǒng)。處理器系統(tǒng)700是具有可包括圖像傳感器裝置的數(shù)字電路的 系統(tǒng)的示范。未經(jīng)限制，此系統(tǒng)可包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、相機(jī)系統(tǒng)、掃描儀、機(jī)器視覺(jué)、車 輛導(dǎo)航、視頻電話、監(jiān)督系統(tǒng)、自動(dòng)聚焦系統(tǒng)、星體跟蹤儀系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、圖像 穩(wěn)定系統(tǒng)和數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)。
系統(tǒng)700 (例如，相機(jī)系統(tǒng))通常包含經(jīng)由總線704而與輸入/輸出(I/O)裝置706 通信的中央處理單元(CPU) 702，例如微處理器。成像裝置400也經(jīng)由總線704而與 CPU 702通信。處理器系統(tǒng)700還包括隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM) 710，且可包括也經(jīng)由 總線704而與CPU 702通信的可移除存儲(chǔ)器715，例如快閃存儲(chǔ)器。成像裝置400可與 處理器(例如CPU、數(shù)字信號(hào)處理器或微處理器)組合，具有或不具有與處理器在單 一集成電路上或在與處理器不同的芯片上的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)裝置(memory storage)。
上述過(guò)程和裝置說(shuō)明可使用和生產(chǎn)的許多優(yōu)選方法和典型裝置。上文的描述和圖式 說(shuō)明實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)勢(shì)的實(shí)施例。然而，不希望將本發(fā)明嚴(yán)格限于上文描 述和說(shuō)明的實(shí)施例。雖然當(dāng)前不可預(yù)見(jiàn)，但應(yīng)將落入所附權(quán)利要求書(shū)的精神和范圍內(nèi)的 本發(fā)明的任何修改認(rèn)為是本發(fā)明的一部分。
權(quán)利要求
1.一種操作成像裝置的方法，所述方法包含以下動(dòng)作重設(shè)像素浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)；將多個(gè)電容連接到像素輸出線；從所述線對(duì)來(lái)自所述重設(shè)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的第一信號(hào)進(jìn)行取樣；將所述多個(gè)電容中的第一電容從所述線移除；將電荷從第一光敏裝置轉(zhuǎn)移到所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)；以及從所述線對(duì)來(lái)自所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的第二信號(hào)進(jìn)行取樣。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述經(jīng)取樣的第一信號(hào)存儲(chǔ)于與所述第一電容 相關(guān)聯(lián)的第一電容器中。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述經(jīng)取樣的第二信號(hào)存儲(chǔ)于與所述多個(gè)電容 中的另一者相關(guān)聯(lián)的第二電容器中。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一歩包含以下動(dòng)作重設(shè)所述像素浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)；將所述多個(gè)電容連接到所述像素輸出線；從所述線對(duì)來(lái)自所述重設(shè)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的第三信號(hào)進(jìn)行取樣；將所述多個(gè)電容中的所述第一電容從所述線移除；將電荷從第二光敏裝置轉(zhuǎn)移到所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)；以及從所述線對(duì)來(lái)自所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的第四信號(hào)進(jìn)行取樣。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述經(jīng)取樣的第三信號(hào)存儲(chǔ)于所述第一電容器 中。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述經(jīng)取樣的第四信號(hào)存儲(chǔ)于所述第二電容器 中。
7. —種操作成像裝置的方法，所述方法包含以下動(dòng)作重設(shè)第一和第二像素浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)；將多個(gè)電容連接到電連接到所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的像素輸出線；從所述線對(duì)來(lái)自所述重設(shè)第一浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的第一信號(hào)進(jìn)行取樣；將所述多個(gè)電容中的第一電容從所述線移除；從所述線對(duì)來(lái)自所述重設(shè)第二浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的第二信號(hào)進(jìn)行取樣；將所述多個(gè)電容中的第二電容從所述線移除；將電荷從第一光敏裝置轉(zhuǎn)移到所述第一浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)； 將電荷從第二光敏裝置轉(zhuǎn)移到所述第二浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)； 從所述線對(duì)來(lái)自所述第一浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的第三信號(hào)進(jìn)行取樣； 將所述多個(gè)電容中的第三電容從所述線移除；以及 從所述線對(duì)來(lái)自所述第二浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的第四信號(hào)進(jìn)行取樣。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述經(jīng)取樣的第一信號(hào)存儲(chǔ)于與所述第一電容 相關(guān)聯(lián)的第一電容器中。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述經(jīng)取樣的第二信號(hào)存儲(chǔ)于與所述第二電容 相關(guān)聯(lián)的第二電容器中。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述經(jīng)取樣的第三信號(hào)存儲(chǔ)于與所述第三電容 相關(guān)聯(lián)的第三電容器中。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的方法，其中所述經(jīng)取樣的第四信號(hào)存儲(chǔ)于與所述多個(gè)電容 中的另一者相關(guān)聯(lián)的第四電容器中。
12. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其進(jìn)一步包含以下動(dòng)作重設(shè)所述第一和所述第二像素浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)；將所述多個(gè)電容連接到電連接到所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的像素輸出線； 從所述線對(duì)來(lái)自所述重設(shè)第一浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的第五信號(hào)進(jìn)行取樣； 將所述第一電容從所述線移除；從所述線對(duì)來(lái)自所述重設(shè)第二浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的第六信號(hào)進(jìn)行取樣； 將所述第二電容從所述線移除；將電荷從第三光敏裝置轉(zhuǎn)移到所述第一浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)； 將電荷從第四光敏裝置轉(zhuǎn)移到所述第二浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)； 從所述線對(duì)來(lái)自所述第一浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的第七信號(hào)進(jìn)行取樣； 將所述第三電容從所述線移除；以及從所述線對(duì)來(lái)自所述第二浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的第八信號(hào)進(jìn)行取樣。
13. —種操作成像裝置的方法，其包含以下動(dòng)作在多個(gè)電容器連接到一連接到像素電路的列輸出線時(shí)，從所述線對(duì)第一信號(hào)進(jìn) 行取樣；將所述多個(gè)電容器中的一者從所述線移除；以及 從所述線對(duì)第二信號(hào)進(jìn)行取樣。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其進(jìn)一步包含以下動(dòng)作將所述多個(gè)電容器中的第二者從所述線移除；以及 從所述線對(duì)第三信號(hào)進(jìn)行取樣。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其進(jìn)一步包含以下動(dòng)作將所述多個(gè)電容器中的第三者從所述線移除；以及 從所述線對(duì)第四信號(hào)進(jìn)行取樣。
16. —種成像裝置，其包含多個(gè)像素，其組織成行和列；取樣和保持電路，其經(jīng)由列輸出線而連接到所述列；以及控制電路，其用于控制所述取樣和保持電路以在多個(gè)電容器連接到第一列輸出 線時(shí)從所述線對(duì)第一信號(hào)進(jìn)行取樣，將所述多個(gè)電容器中的一者從所述線移除， 且從所述線對(duì)第二信號(hào)進(jìn)行取樣。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其中所述控制電路進(jìn)一步控制所述取樣和保持電路 以將所述多個(gè)電容器中的第二者從所述線移除，且從所述線對(duì)第三信號(hào)進(jìn)行取樣。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，其中所述控制電路進(jìn)一步控制所述取樣和保持電路 以將所述多個(gè)電容器中的第三者從所述線移除，且從所述線對(duì)第四信號(hào)進(jìn)行取樣。
19. 一種處理器系統(tǒng)，其包含處理器；以及成像裝置，其耦合到所述處理器，所述成像裝置包含多個(gè)像素，其組織成行 和列；取樣和保持電路，其經(jīng)由列輸出線而連接到所述列；和控制電路，其用于 控制所述取樣和保持電路以在多個(gè)電容器連接到第一列輸出線時(shí)從所述線對(duì)第一 信號(hào)進(jìn)行取樣，將所述多個(gè)電容器中的一者從所述線移除，且從所述線對(duì)第二信 號(hào)進(jìn)行取樣。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述控制電路進(jìn)一步控制所述取樣和保持電路 以將所述多個(gè)電容器中的第二者從所述線移除，且從所述線對(duì)第三信號(hào)進(jìn)行取樣。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述控制電路進(jìn)一步控制所述取樣和保持電路 以將所述多個(gè)電容器中的第三者從所述線移除，且從所述線對(duì)第四信號(hào)進(jìn)行取樣。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種操作成像器以在從像素輸出或列輸出線進(jìn)行的多數(shù)重設(shè)信號(hào)和像素信號(hào)取樣操作期間在所述線上具有增加的電容的方法。所述增加的電容通過(guò)在所述取樣操作期間接入多個(gè)取樣和保持電容器而實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)H04N5/363GK101410982SQ200780010694
公開(kāi)日2009年4月15日 申請(qǐng)日期2007年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月30日
發(fā)明者約翰·拉德 申請(qǐng)人:美光科技公司