具有補充電容性耦合節(jié)點的圖像傳感器和其操作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及圖像傳感器和操作圖像傳感器的方法，所述圖像傳感器包含像素陣列、位線、補充電容節(jié)點線及補充電容電路。所述像素陣列包含多個像素單元，每一像素單元包含浮動擴散“FD”節(jié)點及經(jīng)耦合以選擇性地將圖像電荷傳送到所述FD節(jié)點的光敏元件。所述位線經(jīng)耦合以選擇性地傳導(dǎo)從所述像素單元的第一群組輸出的圖像數(shù)據(jù)。所述補充電容節(jié)點線耦合到所述像素單元的第二群組的所述FD節(jié)點以響應(yīng)于控制信號而選擇性地將補充電容耦合到所述第二群組的所述FD節(jié)點。在各種實施例中，所述第一及第二像素單元群組可為所述像素單元的同一群組或不同群組且可添加電容性升壓特征或多重轉(zhuǎn)換增益特征。
【專利說明】具有補充電容性耦合節(jié)點的圖像傳感器和其操作方法
[0001] 分案申請的相關(guān)信息
[0002] 本申請為申請?zhí)枮?01110433598. X、申請日為2011年12月16日、發(fā)明名稱為"具 有補充電容性耦合節(jié)點的圖像傳感器"的發(fā)明專利申請的分案申請。
[0003] 本申請案主張2010年12月17日申請的題為"具有補充電容性耦合節(jié)點的圖像傳 感器（IMAGE SENSOR HAVING SUPPLEMENTAL CAPACITIVE COUPLING NODE) "的第 12/972, 188 號美國申請案的優(yōu)先權(quán)。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0004] 本發(fā)明一般來說涉及圖像傳感器，且明確地說（但非排他地）涉及互補金屬氧化 物半導(dǎo)體（"CMOS"）圖像傳感器。

【背景技術(shù)】
[0005] 圖像傳感器已變得普遍存在。其廣泛用于數(shù)碼靜物相機、蜂窩式電話、安全相機 以及醫(yī)學(xué)、汽車及其它應(yīng)用中。用以制造圖像傳感器且明確地說互補金屬氧化物半導(dǎo)體 ("CMOS"）圖像傳感器（"CIS"）的技術(shù)已不斷快速地發(fā)展。舉例來說，對較高分辨率及較 低電力消耗的需求已促進了這些圖像傳感器的進一步小型化及集成。
[0006] 圖1是圖解說明圖像傳感器陣列內(nèi)的兩個四晶體管（"4T"）像素單元Pa及Pb (統(tǒng) 稱為像素單元1〇〇)的像素電路的電路圖。像素單元Pa及Pb布置于兩行及一列中且對單 一讀出列線進行分時。每一像素單元100包含光電二極管ro、傳送晶體管T1、復(fù)位晶體管 T2、源極跟隨器（"SF"）或放大器（"AMP"）晶體管T3及行選擇（"RS"）晶體管T4。
[0007] 在操作期間，傳送晶體管T1接收傳送信號TX，所述傳送信號將光電二極管ro中所 積累的電荷傳送到浮動擴散（FD)節(jié)點。復(fù)位晶體管T2耦合于電源軌VDD與所述FD節(jié)點 之間以在復(fù)位信號RST的控制下對像素進行復(fù)位（例如，將所述FD及所述ro放電或充電 到預(yù)設(shè)電壓）。所述FD節(jié)點經(jīng)耦合以控制AMP晶體管T3的柵極。AMP晶體管T3耦合于電 源軌VDD與RS晶體管T4之間。AMP晶體管T3作為提供到所述FD節(jié)點的高阻抗連接的源 極跟隨器操作。最后，RS晶體管T4在信號RS的控制下選擇性地將像素電路的輸出耦合到 所述讀出列線。
[0008] 在正常操作中，通過暫時斷言復(fù)位信號RST及傳送信號TX來對光電二極管ro及 FD節(jié)點進行復(fù)位。通過解除斷言所述傳送信號TX且準許入射光來給光電二極管ro充電而 開始圖像積累窗（曝光周期）。隨著光生電子在光電二極管ro上積累，所述光電二極管的 電壓降低（電子是負電荷載流子）。光電二極管ro上的電壓或電荷指示在所述曝光周期 期間入射于光電二極管ro上的光的強度。在所述曝光周期結(jié)束時，解除斷言復(fù)位信號rst 以隔離FD節(jié)點，且斷言傳送信號TX以將所述光電二極管耦合到所述FD節(jié)點且因此耦合到 AMP晶體管T3的柵極。電荷傳送致使FD節(jié)點的電壓下降與所述曝光周期期間在光電二極 管ro上所積累的光生電子成比例的量。此第二電壓偏置AMP晶體管T3,當在RS晶體管T4 上斷言信號RS時，所述AMP晶體管T3耦合到所述讀出列線。
[0009] 像素單元100的轉(zhuǎn)換增益定義為電荷傳送之后FD節(jié)點處的電壓的改變與傳送到 FD節(jié)點的電荷的改變的比率（R)。轉(zhuǎn)換增益（R)與FD節(jié)點的電容成反比。高轉(zhuǎn)換增益R 可有益于改進低光靈敏性。對于傳統(tǒng)圖像傳感器來說，可通過減小FD節(jié)點的電容來增加轉(zhuǎn) 換增益。然而，隨著像素單元的大小不斷縮小，明亮環(huán)境下的像素飽和或曝光過度正變得更 加嚴重。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的一個實施例涉及一種圖像傳感器。所述傳感器包括以下組件：像素陣列， 其包含多個像素單元，每一像素單元包含：浮動擴散"FD"節(jié)點；及光敏元件，其經(jīng)耦合以選 擇性地將圖像電荷傳送到所述FD節(jié)點；位線，其經(jīng)耦合以選擇性地傳導(dǎo)從所述像素單元的 第一群組輸出的圖像數(shù)據(jù)；取樣與保持電路，其經(jīng)耦合到所述位線以從所述第一群組的所 述像素單元中的每一者中取樣和保持所述圖像數(shù)據(jù)；第一補充電容節(jié)點線，其耦合到所述 像素單元的不同于所述第一群組的第二群組的所述FD節(jié)點；及控制電路，其耦合到所述第 一補充電容節(jié)點線以選擇性地在所述第一補充電容節(jié)點線上斷言FD升壓信號以選擇性地 增加所述第二群組的所述像素單元中的每一者的所述FD節(jié)點處的電位。
[0011] 本發(fā)明的另一實施例涉及一種操作圖像傳感器的方法。該方法包括以下步驟：使 用光敏元件在用于捕獲圖像的多個像素單元的像素陣列中的第一像素單元內(nèi)捕獲圖像電 荷；將所述圖像電荷傳送到所述第一像素單元內(nèi)的浮動擴散"FD"節(jié)點；在耦合到所述多個 像素單元的位線上輸出圖像數(shù)據(jù)，所述圖像數(shù)據(jù)是基于傳送到所述FD節(jié)點的所述圖像電 荷；及將升壓信號斷言到耦合到所述第一像素單元的所述FD節(jié)點的FD升壓電容，通過：對 于所述第一像素單元的每個取樣周期，在復(fù)位所述FD節(jié)點后及在使用耦合到所述位線的 取樣與保持電容在所述位線上取樣所述圖像數(shù)據(jù)前，斷言所述升壓信號。。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 參考以下各圖描述本發(fā)明的非限制性及非窮盡性實施例，其中除非另有說明，否 則貫穿各個視圖的相似參考編號指代相似部件。
[0013] 圖1(現(xiàn)有技術(shù)）是圖解說明圖像傳感器陣列內(nèi)的兩個常規(guī)像素單元的電路圖。
[0014] 圖2是圖解說明根據(jù)本發(fā)明一實施例的成像系統(tǒng)的框圖。
[0015] 圖3是圖解說明圖像傳感器陣列內(nèi)的具有雙重轉(zhuǎn)換增益的兩個像素單元的電路 圖。
[0016] 圖4是圖解說明根據(jù)本發(fā)明一實施例的圖像傳感器陣列內(nèi)的具有雙重轉(zhuǎn)換增益 的兩個像素單元的電路圖。
[0017] 圖5是圖解說明根據(jù)本發(fā)明一實施例的圖像傳感器陣列內(nèi)的具有雙重轉(zhuǎn)換增益 的兩個像素單元的電路圖。
[0018] 圖6A是圖解說明根據(jù)本發(fā)明一實施例用于增加全阱容量及減小圖像滯后的耦合 到一行像素單元的FD升壓電路的功能性框圖。
[0019] 圖6B圖解說明根據(jù)本發(fā)明一實施例的FD升壓補充電容的逐行耦合及多重轉(zhuǎn)換增 益補充電容的逐列耦合。
[0020] 圖6C圖解說明根據(jù)本發(fā)明一實施例從光電二極管到浮動擴散節(jié)點的未導(dǎo)致電荷 共享的電荷傳送。
[0021] 圖6D圖解說明從光電二極管到浮動擴散節(jié)點的導(dǎo)致電荷共享的電荷傳送，所述 電荷共享致使圖像滯后。
[0022] 圖7是在不具有FD升壓電路的像素單元的操作期間的控制信號的時序圖，且圖解 說明由于復(fù)位柵極關(guān)斷及傳送柵極導(dǎo)通所致的電容性耦合的效應(yīng)。
[0023] 圖8A是根據(jù)本發(fā)明一實施例在包含F(xiàn)D升壓電路的像素單元的操作期間的控制信 號的時序圖。
[0024] 圖8B是根據(jù)本發(fā)明一實施例在包含F(xiàn)D升壓電路的像素單元的替代操作模式期間 的控制信號的時序圖。

【具體實施方式】
[0025] 本文中描述包含補充電容性耦合節(jié)點的CMOS圖像傳感器的實施例。在以下說明 中，描述了眾多特定細節(jié)以提供對本發(fā)明的實施例的透徹理解。然而，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員 將認識到，本發(fā)明可在不具有所述特定細節(jié)中的一者或一者以上的情況下實踐或者可借助 其它方法、組件、材料等來實踐。在其它實例中，未詳細展示或描述眾所周知的結(jié)構(gòu)、材料或 操作，但所述結(jié)構(gòu)、材料或操作仍囊括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0026] 本說明書通篇所提及的"一個實施例"或"一實施例"意指結(jié)合所述實施例所描述 的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性包含于本發(fā)明的至少一個實施例中。因此，在本說明書通篇的各處 出現(xiàn)的短語"在一個實施例中"或"在一實施例中"未必全部指代同一實施例。此外，所述 特定特征、結(jié)構(gòu)或特性可以任何適合的方式組合于一個或一個以上實施例中。參考正描述 的圖的定向使用例如"頂部"、"底部"、"下方"等方向性術(shù)語。
[0027] 圖2是圖解說明根據(jù)本發(fā)明一實施例的成像系統(tǒng)200的框圖。成像系統(tǒng)200的所 圖解說明實施例包含像素陣列205、讀出電路210、功能邏輯215及控制電路220。
[0028] 像素陣列205是圖像傳感器單元或像素單元（例如，像素 P1、P2、…、Pn)的二維 ("2D"）陣列。在一個實施例中，每一像素為一互補金屬氧化物半導(dǎo)體（"CMOS"）成像像 素。像素陣列205可實施為前側(cè)照明式圖像傳感器或背側(cè)照明式圖像傳感器。如所圖解說 明，每一像素布置到一行（例如，行R1到Ry)及一列（例如，列C1到Cx)中以獲取人、地方 或?qū)ο蟮膱D像數(shù)據(jù)，接著可使用所述圖像數(shù)據(jù)來再現(xiàn)所述人、地方或?qū)ο蟮膱D像。
[0029] 在每一像素已獲取其圖像數(shù)據(jù)或圖像電荷之后，所述圖像數(shù)據(jù)由讀出電路210讀 出并傳送到功能邏輯215。讀出電路210可包含放大電路、模/數(shù)（"ADC"）轉(zhuǎn)換電路或其 它。功能邏輯215可簡單地存儲所述圖像數(shù)據(jù)或甚至通過應(yīng)用后圖像效應(yīng)（例如，修剪、旋 轉(zhuǎn)、移除紅眼、調(diào)整亮度、調(diào)整對比度或其它）來操縱所述圖像數(shù)據(jù)。在一個實施例中，讀出 電路210可沿讀出列線（圖解說明為類屬位線）一次讀出一行圖像數(shù)據(jù)或可使用多種其它 技術(shù)（未圖解說明）讀出所述圖像數(shù)據(jù)，例如串行讀出、沿讀出行線的列讀出或所有像素的 同時全并行讀出。
[0030] 控制電路220耦合到像素陣列205且包含用于控制像素陣列205的操作特性的邏 輯。舉例來說，如下文所論述，控制電路220可產(chǎn)生復(fù)位、行選擇及傳送信號。另外，如下文 所論述，控制電路220還可產(chǎn)生雙重轉(zhuǎn)換增益信號或FD升壓信號。在一個實施例中，控制 電路220可包含用以測量撞擊于像素陣列205上的光的強度并相應(yīng)地調(diào)整控制信號的光敏 電路。
[0031] 典型4T像素架構(gòu)包含沿導(dǎo)電線以各種方式連接到控制電路220或讀出電路210 的各種端子（例如，傳送柵極、復(fù)位柵極、復(fù)位漏極、源極跟隨器漏極、行選擇漏極、行選擇 柵極及位線輸出）。這些端子中的一些端子通過逐行延續(xù)的導(dǎo)電線連接（例如，傳送柵極、 復(fù)位柵極、行選擇），一些端子通過逐列延續(xù)的導(dǎo)電線連接（例如，位線輸出），而又一些端 子可通過沿行或列方向或者甚至沿一柵格圖案延續(xù)的導(dǎo)電線連接（例如，復(fù)位漏極、源極 跟隨器漏極、行選擇裝置）。因此，存在沿各種方向或圖案延續(xù)的若干個導(dǎo)電線。如下文所 論述，這些導(dǎo)電線以及沿類似路徑選路的額外線可用來將補充電容耦合到像素陣列205內(nèi) 的每一像素的像素電路中以提供多重轉(zhuǎn)換增益及/或FD升壓電容特征。
[0032] 高轉(zhuǎn)換增益可有利于在低光條件下操作的CMOS圖像傳感器，這是因為增益是在 信號鏈的最早階段處施加，此產(chǎn)生低讀取噪聲。然而，對于固定的模/數(shù)轉(zhuǎn)換范圍來說，較 高轉(zhuǎn)換增益通常伴隨有較低的全阱容量。當光子散粒噪聲是主要的噪聲源時，在高光條件 下，此會導(dǎo)致較低信噪比。雙重轉(zhuǎn)換增益CMOS圖像傳感器具有高光環(huán)境下的高全阱容量 (因此較高信噪比）及低光環(huán)境下的較低讀取噪聲的優(yōu)點。在一個實施例中，控制電路確定 撞擊于像素陣列205上的光的亮度值，且如果確定存在高光條件，則通過經(jīng)由控制信號的 適當斷言將補充電容解耦來減小像素陣列205的轉(zhuǎn)換增益。如果確定存在低光條件，則通 過經(jīng)由控制信號的適當斷言耦合補充電容來增加像素陣列205的轉(zhuǎn)換增益。
[0033] 圖3是圖解說明包含雙重轉(zhuǎn)換增益特征的像素陣列內(nèi)的兩個四晶體管（"4T"）像 素的像素電路300的電路圖。像素電路300是用于實施圖2的像素陣列205內(nèi)的每一像素 的一個可能像素電路架構(gòu)。然而，應(yīng)了解，本文中所揭示的教示內(nèi)容并不限于4T像素架構(gòu)； 而是，受益于本發(fā)明的所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解本發(fā)明教示內(nèi)容還適用于各種其它像素 架構(gòu)。
[0034] 在圖3中，像素單元P1及P2布置于兩行及一列中。像素單元P1及P2類似于圖1 的像素 Pa及Pb地操作，但每一像素單元包含耦合到FD節(jié)點的雙重轉(zhuǎn)換增益（"DCG"）電 路340。DCG電路340的所圖解說明實施例包含串聯(lián)耦合于FD節(jié)點與電壓軌（例如，VDD、 GND或其它）之間的補充電容器316及控制晶體管318。通過在信號DCG的控制下接通或切 斷控制晶體管118,可選擇性地補充節(jié)點FD的電容（例如，增加超過FD節(jié)點的固有電容）， 借此改變像素單元P1及P2的轉(zhuǎn)換增益。
[0035] 因此，通過在像素陣列205的每一像素單元內(nèi)添加補充電容器316及控制晶體管 318來實現(xiàn)圖3的雙重轉(zhuǎn)換增益解決方案?？苫谧詣悠毓饪刂迫虻貙?dǎo)通或關(guān)斷控制晶 體管318以將補充電容器316與節(jié)點FD連接或斷開，借此實現(xiàn)雙重轉(zhuǎn)換增益。然而，電容 器及控制晶體管兩者均占用硅空間且減小光電二極管ro的填充因數(shù)。對于小像素大小的 成像器來說，此可成問題。
[0036] 圖4是圖解說明根據(jù)本發(fā)明一實施例的包含雙重轉(zhuǎn)換增益特征的圖像傳感器400 的一部分的電路圖。圖像傳感器400的所圖解說明部分包含給定列內(nèi)的兩個像素單元410、 取樣與保持電路420、位線430、雙重轉(zhuǎn)換增益電路440及補充電容節(jié)點線450。每一像素單 元410表示圖2中所圖解說明的像素單元P1到PN的一個可能實施方案。
[0037] 在所圖解說明的實施例中，每一像素單元410包含光電二極管411、傳送晶體管 412、SF晶體管413、RS晶體管414、復(fù)位晶體管415、補充電容器416及FD節(jié)點417。行選 擇晶體管414耦合于SF晶體管413與像素單元410的第一輸出之間。像素單元410的第 一輸出經(jīng)由位線430耦合到取樣與保持電路420。補充電容器416可表示耦合到FD節(jié)點 417的額外物理電容器，或者可簡單地表示與FD節(jié)點417相關(guān)聯(lián)的固有電容。盡管圖4圖 解說明了 4T像素架構(gòu)，但應(yīng)了解，本發(fā)明的實施例并不限于4T像素架構(gòu)，而且還適用于各 種其它像素架構(gòu)。
[0038] 可將補充電容器416制作為金屬板電容器、晶體管電容器或其它。補充電容器416 的第一端子耦合到FD節(jié)點417,補充電容器416的第二端子（其也為像素單元410的第二輸 出）耦合到補充電容節(jié)點線450。一列中的每一像素單元410中的補充電容器416的第二 端子耦合到同一補充電容節(jié)點線450。補充電容節(jié)點線450耦合到雙重轉(zhuǎn)換增益電路440。 在所圖解說明的實施例中，雙重轉(zhuǎn)換增益電路440包含耦合于補充電容節(jié)點線450與參考 電壓軌（例如，接地）之間且在信號DCG的控制下的晶體管441 (例如，PM0S晶體管）。在 所圖解說明的實施例中，控制信號DCG還控制將補充電容節(jié)點線450耦合到位線430的晶 體管442 (例如，NM0S晶體管）。
[0039] 補充電容器416具有CDra的電容。當補充電容節(jié)點線450耦合到接地時，補充電 容器416對浮動擴散節(jié)點417的貢獻為C Da;。當補充電容節(jié)點線450經(jīng)由晶體管442耦合 到位線430時，補充電容器416對浮動擴散節(jié)點417的貢獻為C Da;(l-A)，其中A為源極跟隨 器晶體管413的增益。對于0. 9的典型源極跟隨器增益來說，反饋電容為0. lCDa;。舉例來 說，如果浮動擴散節(jié)點417 (不包含補充電容器416)處的電容為IfF且補充電容器416具 有0. 5fF的電容，則當補充電容節(jié)點線450耦合到接地時，由于電容的添加，因此FD節(jié)點處 的總電容為1.5fF。當補充電容節(jié)點線450耦合到位線430時，由于補充電容器416根據(jù) CDa;(l-A)將電容貢獻給FD節(jié)點，因此FD節(jié)點417處的總電容為1. 05fF。
[0040] 圖5是圖解說明根據(jù)本發(fā)明一實施例的包含雙重轉(zhuǎn)換增益特征的圖像傳感器500 的一部分的電路圖。除對雙重轉(zhuǎn)換增益電路540的修改之外，圖像傳感器500的所圖解說 明部分類似于圖像傳感器400。雙重轉(zhuǎn)換增益電路540的所圖解說明實施例包含：晶體管 542 (例如，NM0S晶體管），其具有耦合于補充電容節(jié)點線450與位線430之間的溝道；晶體 管541 (例如，PM0S晶體管），其具有耦合于補充電容節(jié)點線450與雙重轉(zhuǎn)換增益放大器543 的輸出之間的溝道。雙重轉(zhuǎn)換增益放大器543的輸入耦合到位線430。
[0041] 在此實施例中，當補充電容節(jié)點線450經(jīng)由晶體管542耦合到位線430時，補充電 容器416對浮動擴散節(jié)點417的貢獻為C Da;(l-A)，其中A為SF晶體管413的增益。當補充 電容節(jié)點線450經(jīng)由晶體管541及雙重轉(zhuǎn)換增益放大器543耦合到位線430時，反饋電容 為C Da;(l-G)，其中G為雙重轉(zhuǎn)換增益放大器543的增益。如果雙重轉(zhuǎn)換增益放大器543的 增益為-G，則反饋電容將為C Da;(l+G)。在不增加補充電容器416的物理尺寸的情況下便可 獲得較高反饋電容。
[0042] 還可實施DCG電路440及540的各種組合/重復(fù)，從而產(chǎn)生多重轉(zhuǎn)換增益。如此， 本說明書通篇所提及的"雙重"轉(zhuǎn)換增益或DCG可一般地稱為多重轉(zhuǎn)換增益（"MCG"）以指 代兩個或兩個以上轉(zhuǎn)換增益實施例。因此，術(shù)語MCG電路可用來指代能夠?qū)嵤﹥蓚€或兩個 以上轉(zhuǎn)換增益的轉(zhuǎn)換增益電路。
[0043] 本發(fā)明的實施例適用于前側(cè)照明式及背側(cè)照明式圖像傳感器兩者，但背側(cè)照明式 圖像傳感器中的較少限制使本發(fā)明較容易實施。本發(fā)明的實施例適用于其中多個光電二極 管及傳送晶體管共享一浮動擴散節(jié)點的像素電路。在共享像素的這些情況下，由于難以設(shè) 計完全對稱的浮動擴散耦合電容，因此多重轉(zhuǎn)換增益特征可為有用的。
[0044] 盡管圖4及圖5圖解說明了耦合到像素陣列205的給定列內(nèi)的像素且由所述像素 共享的單一補充電容節(jié)點線450及單一位線430,但應(yīng)了解，其它配置是可能的。而是，補充 電容節(jié)點線450及位線430可鏈接到像素陣列205內(nèi)的任何像素群組或圖案且可由所述像 素群組或圖案共享；然而，補充電容節(jié)點線450及位線430通常將耦合到同一像素群組或圖 案。舉例來說，補充電容節(jié)點線450及位線430可耦合到像素陣列205內(nèi)的一像素列（列 讀出）、一像素行（行讀出）、任何任意像素線或定制像素圖案（例如，柵格圖案）。
[0045] 一般來說，本發(fā)明的實施例涵蓋用于多種應(yīng)用的補充電容到FD節(jié)點417的選擇性 耦合。如上文所論述，可將補充電容添加到FD節(jié)點417以實施多重轉(zhuǎn)換增益特征。然而， 補充電容還可在像素陣列205的操作期間以特定定時選擇性地耦合到FD節(jié)點417以提供 FD電容性升壓，此增加像素的全阱容量同時也減小圖像滯后。圖6A是圖解說明根據(jù)本發(fā)明 一實施例用于在逐行基礎(chǔ)上用補充電容以電容方式選擇性地使FD節(jié)點417的電位升壓的 實例性架構(gòu)的功能性框圖。如下文結(jié)合圖8A及圖8B的時序圖所論述，所述電位升壓可經(jīng) 由在成像循環(huán)期間在選擇時間處于補充電容節(jié)點線607上FD升壓控制信號的適當斷言而 以電容方式添加到FD節(jié)點417。
[0046] 圖6B是圖解說明根據(jù)本發(fā)明一實施例可如何將多重轉(zhuǎn)換增益特征及FD升壓特征 兩者以組合方式添加到像素陣列205的功能性框圖。在所圖解說明的實施例中，可使用FD 升壓電路605逐行地添加及共享第一補充電容（本文中也稱為FD升壓電容），而也可使用 MCG電路610逐列地添加及共享第二補充電容。所述第一補充電容經(jīng)添加以解決全阱容量 及圖像滯后（下文中更詳細地論述），而所述第二補充電容經(jīng)添加以提供多重轉(zhuǎn)換增益特 征。可獨立地或以組合方式添加這兩個補充電容。
[0047] 雖然圖6B圖解說明了在逐行基礎(chǔ)上添加 FD升壓電容及在逐列基礎(chǔ)上添加多重轉(zhuǎn) 換增益電容，但如上文所論述，取決于像素陣列205的讀出配置，可以其它配置添加這兩個 補充電容。舉例來說，可逐行地（圖6A及圖6B中所圖解說明）、逐列地或以兩者的組合方 式耦合FD升壓電容。
[0048] 在一個實施例中，F(xiàn)D升壓電路605各自耦合到補充電容節(jié)點線607,所述補充電 容節(jié)點線鏈接到給定行的每一像素內(nèi)的補充電容器609的第一端子，而補充電容器609的 第二端子鏈接到所述行中的每一像素的FD節(jié)點417 (類似于電容器416及補充電容節(jié)點線 450,但是逐行的）?？墒褂枚喾N信號產(chǎn)生電路（包含能夠產(chǎn)生如圖8A或圖8B中所揭示的 控制脈沖的邏輯）來實施FD升壓電路605。在一個實施例中，F(xiàn)D升壓電路605是控制電路 220的子元件。
[0049] 隨著CMOS圖像傳感器的像素大小變得更小以實現(xiàn)更高像素密度及更低成本，光 電二極管ro的有源區(qū)域也變得更小。對于通常用于cmos圖像傳感器的釘扎光電二極管來 說，較小光電二極管區(qū)域意味著所述光電二極管的釘扎電壓（Vpin)(光電二極管在其完 全空時的電位）需要較高以維持合理的全阱容量（光電二極管ro中可保持的電荷的最大 數(shù)目）。此又需要在電荷傳送期間浮動漏極節(jié)點的電位較高以避免圖像滯后。如圖6C中 所示，在電荷傳送期間FD節(jié)點電位降低。像素單元的目標全阱容量經(jīng)定義以使得在電荷傳 送結(jié)束時，F(xiàn)D節(jié)點電位仍高于傳送柵極及光電二極管的Vpin下的電位，從而實現(xiàn)全電 荷傳送。然而，對于具有高全阱容量的像素來說，F(xiàn)D節(jié)點電位可降低到低于傳送柵極或甚 至的Vpin下的電位的電平，從而導(dǎo)致所謂的電荷共享滯后（圖6D)。如果在電荷傳送之 前，F(xiàn)D節(jié)點電位未復(fù)位到足夠高的電平，則通常必須限制全阱容量以避免任何電荷共享滯 后，此會導(dǎo)致較低動態(tài)范圍及信噪比。因此，用以在電荷傳送期間增加 FD節(jié)點的電位的技 術(shù)可為合意的。
[0050] 復(fù)位之后的FD節(jié)點電位由施加到復(fù)位晶體管（例如，圖3中的T2)的柵極及漏極 電壓確定。另外，由于FD節(jié)點到復(fù)位柵極的電容性耦合，復(fù)位柵極脈沖（信號RST)的下降 沿致使FD節(jié)點電位下降。同樣，由于電容性耦合，傳送柵極（例如，圖3中的T1)的上升沿 也致使FD節(jié)點電位增加。圖7中圖解說明在不具有FD升壓電路的常規(guī)圖像傳感器的操作 期間的這些電容性耦合效應(yīng)。
[0051] 通常管理像素設(shè)計以減小FD節(jié)點到復(fù)位柵極的耦合而準許合理的FD節(jié)點到傳 送柵極的耦合，因為后者有利于較好的電荷傳送。然而，對于共享像素來說，一次僅一個地 導(dǎo)通多個傳送柵極，此促成有利的電壓耦合，而全部傳送柵極耦合電容促成總的FD節(jié)點電 容，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)換增益的減小。此意味著為充分利用正電容性耦合的益處FD節(jié)點到傳送柵 極的耦合無法增加太多。另一困難為，通常無法完全對稱地設(shè)計到多個傳送柵極的FD節(jié)點 耦合電容，因此所述益處限于最小耦合電容。
[0052] 圖8A圖解說明根據(jù)本發(fā)明一實施例的用于控制像素單元的控制信號的時序圖 800。時序圖800包含在被斷言時增加FD節(jié)點的電位的FD升壓信號。在所圖解說明的實 施例中，在解除斷言用以對FD節(jié)點進行復(fù)位的復(fù)位信號RST之后且在針對給定像素執(zhí)行對 黑色電平值（取樣Blk)及圖像數(shù)據(jù)（取樣數(shù)據(jù)）的相關(guān)二重取樣之前，將FD升壓信號從 低切換到高。在此實施例中，在對所述黑色電平值及所述圖像數(shù)據(jù)兩者進行取樣的持續(xù)時 間內(nèi)，F(xiàn)D升壓信號保持被斷言。或者，還可在對所述黑色電平值進行取樣之后且在對所述 圖像數(shù)據(jù)進行取樣之前，斷言FD升壓信號，如圖8B中所圖解說明。在此實施例中，僅需要 在斷言施加到傳送晶體管的柵極的TX信號期間斷言FD升壓信號。
[0053] 用于對黑色電平值及圖像數(shù)據(jù)進行取樣的取樣電容器可位于取樣與保持電路420 內(nèi)，且用以使用相關(guān)二重取樣對位線430上的輸出圖像數(shù)據(jù)進行取樣并在執(zhí)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換 時保持所述數(shù)據(jù)。舉例來說，取樣數(shù)據(jù)信號可控制串聯(lián)耦合于位線430與數(shù)據(jù)取樣電容器 之間的取樣晶體管的柵極，而取樣Blk信號可控制串聯(lián)耦合于位線430與黑色電平取樣電 容器之間的另一取樣晶體管的柵極。
[0054] FD升壓電容的一個實例性設(shè)計選擇為總FD節(jié)點電容的約10%。在此實例性設(shè)計 的情況下，像素的轉(zhuǎn)換增益減小約10%。如果FD升壓節(jié)點從0V切換到3. 3V，則FD節(jié)點電 位升壓0. 33V。對于約IV的典型FD信號擺幅來說，所述升壓大約等效于容許全阱容量的 30 %增加。
[0055] 可選擇FD升壓電容的一個優(yōu)點是像素單元設(shè)計上的自由度的增加。FD升壓電容 可定位于靠近源極跟隨器柵極處且因此對具有共享像素群組的多個像素來說更加對稱。另 夕卜，益處在于FD節(jié)點到傳送柵極的耦合的添加。
[0056] 包含發(fā)明摘要中所描述內(nèi)容的對本發(fā)明所圖解說明實施例的以上說明并非打算 為窮盡性或?qū)⒈景l(fā)明限于所揭示的精確形式。雖然出于說明性目的而在本文中描述本發(fā)明 的特定實施例及實例，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，可在本發(fā)明的范圍內(nèi)作出各種修 改。
[0057] 可根據(jù)以上詳細說明對本發(fā)明作出這些修改。以上權(quán)利要求書中所使用的術(shù)語不 應(yīng)理解為將本發(fā)明限于說明書中所揭示的特定實施例。而是，本發(fā)明的范圍將完全由以上 權(quán)利要求書來確定，所述權(quán)利要求書將根據(jù)權(quán)利要求解釋所創(chuàng)建的原則來加以理解。
【權(quán)利要求】
1. 一種圖像傳感器，其包括： 像素陣列，其包含多個像素單元，每一像素單元包含： 浮動擴散"FD"節(jié)點；及 光敏元件，其經(jīng)耦合以選擇性地將圖像電荷傳送到所述FD節(jié)點； 位線，其經(jīng)耦合以選擇性地傳導(dǎo)從所述像素單元的第一群組輸出的圖像數(shù)據(jù)； 取樣與保持電路，其經(jīng)耦合到所述位線以從所述第一群組的所述像素單元中的每一者 中取樣和保持所述圖像數(shù)據(jù)； 第一補充電容節(jié)點線，其耦合到所述像素單元的不同于所述第一群組的第二群組的所 述FD節(jié)點；及 控制電路，其耦合到所述第一補充電容節(jié)點線以選擇性地在所述第一補充電容節(jié)點線 上斷言FD升壓信號以選擇性地增加所述第二群組的所述像素單元中的每一者的所述FD節(jié) 點處的電位。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中所述控制電路包含邏輯以通過在解除斷言 用于將所述FD節(jié)點復(fù)位到復(fù)位電位的復(fù)位信號后且在使用取樣與保持電路取樣所述位線 前斷言所述FD升壓信號，來增加所述FD節(jié)點處的所述電位。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像傳感器，其中所述像素單元的所述第一群組被組織成所 述像素陣列中的一列，且所述像素單元中的第二群組被組織成所述像素陣列中的一行。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中所述控制電路包含邏輯以通過在從所述位 線取樣黑色參考值后且在使用所述取樣與保持電路從所述位線取樣所述圖像數(shù)據(jù)前斷言 所述FD升壓信號，來增加所述FD節(jié)點處的電位。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中所述像素單元中的每一者進一步包括： 電容器，其具有耦合到所述FD節(jié)點的第一端子及耦合到所述第一補充電容節(jié)點線的 第二端子，以使得所述電容器串聯(lián)耦合于所述FD節(jié)點與所述第一補充電容節(jié)點線之間。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其進一步包括： 第二補充電容節(jié)點線，其經(jīng)耦合到所述像素單元的所述第一群組的所述FD節(jié)點； 補充電容電路，其經(jīng)耦合到所述第二補充電容節(jié)點線以響應(yīng)于控制信號選擇性地將補 充電容加入到所述第一群組的所述像素單元中的每一者的所述FD節(jié)點。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的圖像傳感器，其中所述補充電容電路包括多重轉(zhuǎn)換增益 "MCG"電路，所述MCG電路包括： 第一晶體管，其具有耦合于所述位線與所述第二補充電容節(jié)點線之間的溝道，所述第 一晶體管具有經(jīng)耦合以對所述控制信號作出響應(yīng)的控制端子；及 第二晶體管，其具有耦合到所述第二補充電容節(jié)點線的溝道，所述第二晶體管具有經(jīng) 耦合以對所述控制信號作出響應(yīng)的控制端子。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的圖像傳感器，其中所述第二晶體管的所述溝道耦合于所述第 二補充電容節(jié)點線與參考電壓軌之間。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的圖像傳感器，其中所述第一晶體管包括具有經(jīng)耦合以接收所 述控制信號的柵極的NMOS晶體管，且所述第二晶體管包括也具有經(jīng)耦合以接收所述控制 信號的柵極的PMOS晶體管，以使得當所述第二補充電容節(jié)點線經(jīng)由所述第一晶體管耦合 到所述位線時，由所述第二晶體管將所述第二補充電容節(jié)點線與所述參考電壓軌解耦。
10. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的圖像傳感器，其中所述MCG電路進一步包括： 放大器，其具有耦合到所述位線的輸入及耦合到所述第二晶體管的所述溝道的輸出， 以使得所述第二晶體管的所述溝道耦合于所述放大器的所述輸出與所述位線之間。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的圖像傳感器，其中所述放大器包括負增益放大器。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中所述像素陣列包括互補金屬氧化物半導(dǎo) 體"CMOS"像素陣列，其中所述像素單元中的每一者進一步包含： 傳送晶體管，其耦合于所述光敏元件與所述FD節(jié)點之間以用于在所述光敏元件與所 述FD節(jié)點之間選擇性地傳送所述圖像電荷；及 源極跟隨器晶體管，其具有經(jīng)耦合以對傳送到所述FD節(jié)點的所述圖像電荷作出響應(yīng) 且經(jīng)耦合以響應(yīng)于傳送到所述FD節(jié)點的所述圖像電荷而產(chǎn)生用于輸出到所述位線的所述 圖像數(shù)據(jù)的柵極。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的圖像傳感器，其中所述像素單元中的每一者進一步包含： 復(fù)位晶體管，其具有耦合于參考電壓軌與所述FD節(jié)點之間的溝道；及 選擇晶體管，其具有耦合于所述位線與所述源極跟隨器晶體管之間的溝道。
14. 一種操作圖像傳感器的方法，所述方法包括： 使用光敏元件在用于捕獲圖像的多個像素單元的像素陣列中的第一像素單元內(nèi)捕獲 圖像電荷； 將所述圖像電荷傳送到所述第一像素單元內(nèi)的浮動擴散"FD"節(jié)點； 在耦合到所述多個像素單元的位線上輸出圖像數(shù)據(jù)，所述圖像數(shù)據(jù)是基于傳送到所述 FD節(jié)點的所述圖像電荷；及 將升壓信號斷言到耦合到所述第一像素單元的所述FD節(jié)點的FD升壓電容，通過： 對于所述第一像素單元的每個取樣周期，在復(fù)位所述FD節(jié)點后及在使用耦合到所述 位線的取樣與保持電容在所述位線上取樣所述圖像數(shù)據(jù)前，斷言所述升壓信號。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述升壓信號在從所述位線取樣黑色電平值和 所述圖像數(shù)據(jù)之前被斷言。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，進一步包括： 確定撞擊于所述像素陣列上的光的亮度值；且 通過調(diào)整耦合到所述第一像素單元中的所述FD節(jié)點的電容，基于所述亮度值調(diào)整所 述像素單元中的所述第一像素單元的轉(zhuǎn)換增益。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中基于所述亮度值調(diào)整所述第一像素單元的所述 轉(zhuǎn)換增益包括： 在低光條件下，將補充電容與所述FD節(jié)點解耦；或 在高光條件下，將所述補充電容耦合到所述FD節(jié)點。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中調(diào)整耦合到所述第一像素單元內(nèi)的所述FD節(jié)點 的所述電容包括： 斷言或解除斷言用于控制耦合到所述多個像素單元的所述位線的轉(zhuǎn)換增益"CG"電路 的控制信號；及 經(jīng)由從所述CG電路延伸且耦合到所述多個像素單元中的每一者的所述FD節(jié)點的補充 電容節(jié)點線而調(diào)整所述電容。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述CG電路包括： 第一晶體管，其具有串聯(lián)耦合于所述位線與所述補充電容節(jié)點線之間的溝道；及 第二晶體管，其具有串聯(lián)耦合于參考電壓軌與所述補充電容節(jié)點線之間的溝道， 其中所述第一及第二晶體管對所述控制信號作出響應(yīng)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述CG電路包括： 第一晶體管，其具有串聯(lián)耦合于所述位線與所述補充電容節(jié)點線之間的溝道；及 放大器，其具有耦合到所述位線的輸入；及 第二晶體管，其具有串聯(lián)耦合所述補充電容節(jié)點線及所述放大器的輸出的溝道， 其中所述第一及第二晶體管對所述控制信號作出響應(yīng)。
【文檔編號】H04N5/3745GK104092962SQ201410347541
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2011年12月16日 優(yōu)先權(quán)日:2010年12月17日
【發(fā)明者】毛杜利, 戴幸志, 文森特·韋內(nèi)齊亞, 霍華德·E·羅茲, 真鍋宗平 申請人:全視科技有限公司