CN101193203B - 具有输出噪声降低机制的图像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种具有读出噪声降低机制的图像传感器。所述图像传感器可包含：第一取样晶体管；第二取样晶体管，其连接到所述第一取样晶体管；平均晶体管，其将所述第一和第二取样晶体管电学串联连接；重设取样晶体管，其连接到所述第一和第二取样晶体管；以及差分装置，其连接到所述重设取样晶体管以及所述第一和/或第二取样晶体管。

Description

具有输出噪声降低机制的图像传感器

技术领域

本揭示案涉及具有读出噪声降低机制的图像传感器。明确地说，本揭示案的各方面涉及具有模拟输出平均机制的互补金属氧化物硅(CMOS)图像传感器。

背景技术

与使用胶卷来俘获和存储图像的传统相机不同，如今的数码相机使用固态图像传感器来获取图像。此类图像传感器通常设置在含有排列成像素阵列的上百万个光电装置(例如，光电二极管)的指甲大小的硅芯片上。曝光期间，每一光电装置通过将光能转换为聚集的电荷来记录入射光的强度或亮度。接着可读出每一光电装置记录的亮度，并将其存储为数字信号。

图1说明用于获取图像的代表性固态图像传感器100。图像传感器100包含经由转移晶体管104连接到浮动节点106的光电二极管102。浮动节点106又连接到可缓冲来自浮动节点106的信号的源跟随器晶体管108。源跟随器晶体管108的输出经由行选择晶体管110连接到列位线116。浮动节点106还电连接到重设晶体管112，所述重设晶体管112的源极连接到参考电压线114。

在操作中，首先接通重设晶体管112以将浮动节点106设定为参考电压Vdd。接着，接通转移晶体管104以将聚集的电荷从光电二极管102转移到浮动节点106。因此，浮动节点106获取新的电压。源跟随器晶体管108接着将浮动节点106处的新的电压缓冲到列位线116上。

与现有技术图像传感器100相关联的一个问题是，在低光级下不能将实际信号与噪声进行区分。图像传感器100的每一晶体管可(例如)通过电荷载流子的热搅动、电荷载流子的捕集和从晶体管陷阱(trap)的释放或其它机制而产生噪声。此类噪声本质上是暂时的且并非确定性的。因此，即使相同量的光入射在图像传感器100上，图像传感器100的输出也可能不时地变化。因此，这些噪声源可使低光图像质量降级并限制图像传感器100的使用。

一种现有技术方法通过在数字域中将图像的两个连续帧进行平均来降低此类噪声。然而，存在与这种常规技术相关联的许多缺点。首先，处理期间存储连续帧所需的额外芯片上/芯片外存储装置可能大大增加所需的芯片面积和相关联的制造成本。第二，将两个连续帧进行平均会使可用的帧速率降低50％。因此，实施此技术的成像装置对于高速成像应用可能不尽如人意。

发明内容

一种用于CMOS图像传感器的读出电路，其包括：

第一取样晶体管；第二取样晶体管；平均晶体管，其将所述第一和第二取样晶体管电串联连接；重设取样晶体管；以及差分装置，其连接到所述重设取样晶体管以及所述第一和/或第二取样晶体管。

一种并入有用于CMOS图像传感器的读出电路的图像记录装置，其包括：

第一取样晶体管；第二取样晶体管；平均晶体管，其将所述第一和第二取样晶体管电串联连接；重设取样晶体管；以及差分装置，其连接到所述重设取样晶体管以及所述第一和/或第二取样晶体管，其中所述图像记录装置包含静态相机、摄像机、蜂窝式电话、录像机和个人数据助理中的至少一者。

一种用于图像传感器的读出电路，其包括：

第一取样晶体管，其电连接到信号源，用于从所述信号源获得第一模拟信号；第二取样晶体管，其连接到所述第一取样晶体管，用于从所述信号源获得第二模拟信号；以及平均晶体管，其电串联连接到所述第一和第二取样晶体管，用于从浮动节点获得平均模拟信号。

一种并入有用于图像传感器的读出电路的半导体芯片，其包括：

第一取样晶体管，其电连接到信号源，用于从所述信号源获得第一模拟信号；第二取样晶体管，其连接到所述第一取样晶体管，用于从所述信号源获得第二模拟信号；以及平均晶体管，其电串联连接到所述第一和第二取样晶体管，用于从浮动节点获得平均模拟信号。

一种用于降低来自光传感像素的输出噪声的方法包括：从含有在积分周期期间产生的聚集电荷的浮动节点获得第一模拟信号；在从所述浮动节点获得所述第一模拟信号之后从所述浮动节点获得第二模拟信号；以及将所述第一和第二模拟信号进行平均以从所述浮动节点获得平均模拟信号。

附图说明

图1是根据现有技术的图像传感器的示意图。

图2是具有输出噪声降低机制并根据本发明实施例配置的图像传感器的示意图。

图3是展示操作图2的图像传感器的一个实施例的时序图。

图4是展示操作图2的图像传感器的一个实施例的结果的输出电压图表。

图5是并入有具有输出噪声降低机制并根据本发明实施例配置的多个图像传感器的半导体芯片的示意图。

图6是并入有具有输出噪声降低机制并根据本发明另一实施例配置的多个图像传感器的半导体芯片的示意图。

具体实施方式

本揭示案描述具有输出噪声降低机制的图像传感器。将了解，提供下文陈述的细节中的若干细节是为了以足以使相关领域的技术人员能够制造和使用所揭示的实施例的方式描述以下实施例。然而，下文描述的细节和优点中的若干者可能并非实践本发明的某些实施例所必需的。另外，本发明可包含在权利要求书的范围内但未参看图2-6详细描述的其它实施例。

图2说明具有输出噪声降低机制并根据本发明实施例配置的图像传感器200。图像传感器200包含像素元件201，其用于将入射光转换为电信号。像素元件201包含转移晶体管204，转移晶体管204将光传感元件202连接到浮动节点206。光传感元件202可包含光电二极管、光电门、钉扎式光电二极管或其它适宜的光传感装置中的至少一者。浮动节点206又连接到源跟随器晶体管208和重设晶体管212，所述重设晶体管212连接到处于V_dd的参考电压线214。行选择晶体管210接着将源跟随器晶体管208的输出经由列位线216连接到读出电路203。列位线216可进一步包含负载晶体管218，负载晶体管21 8用于将偏置电流提供到源跟随器晶体管208。在所说明的实施例中，像素元件201配置为四晶体管(4T)CMOS有效像素。在其它实施例中，像素元件201可配置为3T、5T、6T或7T CMOS，或配置为CCD像素。

图像传感器200的读出电路203电连接到列位线216，用于对来自像素元件201的电信号进行取样，并将经取样信号供应到输出线217。读出电路203包含第一和第二取样晶体管220、222、平均晶体管232、重设取样晶体管234，和差分装置238。重设取样晶体管234的源极连接到列位线216，且重设取样晶体管234的漏极连接到用于对来自浮动节点206的重设电压进行取样的重设取样电容器236。重设取样电容器236的底板接地。

第一和第二取样晶体管220、222的源极连接到列位线216，且第一取样晶体管的漏极连接到差分装置238。平均晶体管232将第一取样晶体管220的漏极电连接到第二取样晶体管222的漏极。读出电路203进一步包含第一和第二取样电容器226、228，其分别连接到第一和第二取样晶体管220、222的漏极。第一和第二取样电容器226、228的底板接地。因此，当平均晶体管232接通时，第一和第二取样电容器226、228和平均晶体管232可形成闭合电路。

差分装置238经配置以用于将输入信号彼此相减。差分装置238的输入侧可连接到第一和/或第二取样晶体管220、222的漏极以及重设取样晶体管234的漏极。差分装置238的输出侧连接到输出线217。在一个实施例中，差分装置238实施为差分放大器。在其它实施例中，差分装置238可实施为A/D转换器，或其它类型的适宜的装置。

下文参看图3和图4两者来描述图像传感器200的操作。图3说明展示操作图像传感器200的一个实施例的时序图。在操作中，首先通过接通行选择晶体管210(线306)来选择像素元件201。接着，通过对重设晶体管212施加脉冲(线302)而将浮动节点206设定为参考电压V_dd。已重设浮动节点206之后，对重设取样晶体管234施加脉冲以对来自浮动节点206的重设电压V_reset进行取样(线308)。将经取样重设电压V_reset存储在重设取样电容器236中。接着对转移晶体管204施加脉冲以将光传感元件202中聚集的电荷转移到浮动节点206(线304)。因此，浮动节点206现具有表示感测到的入射光强度的电压。

接着，对第一取样晶体管220施加脉冲以感测来自浮动节点206的缓冲电压(线310)。将感测到的第一电压V₁存储在第一取样电容器226中。还通过对第二取样晶体管222施加脉冲(线312)而对第二电压进行取样。将感测到的第二电压V₂存储在第二取样电容器228中。在所说明的实施例中，在对第一取样晶体管220施加脉冲之后立即对第二取样晶体管222施加脉冲。在另一实施例中，对第二取样晶体管222施加脉冲可延迟预设的时间周期。在又一实施例中，可大体上同时对第一和第二取样晶体管施加脉冲。

获取第一和第二取样电压之后，对平均晶体管施加脉冲以使得第一和第二取样电容器226、228形成闭合电路(线314)。接着，经由电荷共享使存储在第一和第二取样电容器226、228中的电荷均衡。因此，分别存储在第一和第二取样电容器226、228中的第一和第二电压经平均以导出平均电压V_avg，如下：

$V_{\mathrm{avg}}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i$

其中V_avg是平均电压，V_i是经取样电压，且n是样本数目。接着，差分装置238从重设电压V_reset中减去平均电压V_avg以导出输出电压V_output，如下：

V_output＝V_reset-V_avg

接着经由输出线217读出输出电压V_output。

图4说明展示操作根据本发明一个实施例的图像传感器200的结果的代表性输出电压图表。在此实例中，出于说明的目的使用2.4伏的参考电压，且通过将类似噪声的波动叠加在实际电压上来表示来自浮动节点206的所测量的电压噪声。如图4中所说明，对重设晶体管212施加脉冲以重设浮动节点206之后，浮动节点206获取类似于参考电压V_dd的重设电压(≈2.42伏)(图解402)。源跟随器晶体管208在列位线216上缓冲出重设电压(≈1.21伏)。接着对重设取样晶体管234施加脉冲以对来自浮动节点206的重设电压进行取样(图解404)。在脉冲结束时，重设取样电容器236获取重设电压V_reset(≈1.21伏，图解406)。

接着，对转移晶体管204施加脉冲以将聚集的电荷从光传感元件202转移到浮动节点206。因此，浮动节点206获取约2.25V的新电压。源跟随器晶体管208在列位线216上缓冲此新电压。接着，对第一取样晶体管220施加脉冲(图解404)以获取列位线216上的第一电压V₁(≈1.07伏，图解408)。随后，对第二取样晶体管222施加脉冲(图解404)以获取第二电压V₂(≈1.09伏，图解408)。接着，对平均晶体管232施加脉冲(图解404)以使第一和第二取样电容器226、228上的电荷均衡。因此，第一和第二电压被平均，且任一电容器226、228上的电压现为V_avg(≈1.08伏，图解408)。

通过对第一和第二经取样电压进行平均，可降低来自图像传感器200的读出噪声。在不受理论限制的情况下，相信可将多个样本的平均值的标准偏差从每一个别样本的标准偏差中减小样本数目的倒数的平方根的倍数，如以下公式中所指示：

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ave}}=\mathrm{\δ}\sqrt{\frac{1}{n}}$

其中δ_ave是平均值的标准偏差，δ是样本的标准偏差，且n是样本数目。因此，增加样本数目导致样本的平均值的标准偏差减小。因此，对来自浮动节点的电压取样多次并将经取样电压进行平均可降低来自浮动节点206的读出噪声。

图2所示的图像传感器200的若干实施例的一个预期优点是，可在不影响帧速率的情况下降低来自像素元件201的读出噪声，因为经取样电压的平均是逐行而不是逐帧执行的。另一预期优点是，可在不显著增加芯片面积和制造成本的情况下降低读出噪声，因为图像传感器200可在不需要存储多个图像帧的情况下执行平均功能。

尽管将图像传感器200说明为具有两个取样晶体管220、222和一重设取样晶体管234，但也可包含额外的取样晶体管和重设取样晶体管及电容器。如图5所示，图像传感器300可包含N个取样晶体管224和N个取样电容器230，以及第一和第二取样晶体管220、222，其中N是大于2的整数。类似地，图像传感器300还可包含M个重设取样晶体管240和M个重设取样电容器242，以及重设取样晶体管234，其中M是同样大于2的整数。如果存在N个取样电容器，那么可存在N-1个用于将所述N个取样电容器进行平均的平均晶体管。重设平均晶体管243可连接重设取样电容器242、236的顶板以对重设取样电压进行平均。在一个实施例中，取样晶体管和电容器的数目可等于重设取样晶体管和电容器的数目，即M＝N。在其它实施例中，取样晶体管的数目可大于或小于重设取样晶体管的数目，即M<>N。

图6说明并入有具有输出噪声降低机制的多个图像传感器的半导体芯片600。在所说明的实施例中，半导体芯片600包含像素阵列602和邻近于像素阵列602的外围区604。个别像素602可并入有如上文参看图2描述的各种成像组件(例如，像素元件201)，以及例如模拟信号链、模拟-数字转换器、数字信号链和其它适宜组件等其它信号处理或控制组件。外围区604可并入有多个电路，包含图2或图5的读出电路203。每一读出电路203对应于像素阵列602中的一列像素。在其它实施例中，个别读出电路203可并入到像素阵列602的每一像素中。此外，半导体芯片600可并入到图像记录装置中，包含(例如)静态相机、摄像机、蜂窝式电话、录像机和个人数据助理。尽管将外围区604说明为具有逐列式排列，但在某些实施例中，外围区604可具有逐行式排列或逐列式与逐行式排列的组合。

从上文中将了解，本文中已出于说明的目的描述了本发明的具体实施例，但可在不脱离本发明的情况下作出各种修改。在其它实施例中，可组合或排除特定实施例的情境下描述的本发明的某些方面。此外，虽然已在本发明的某些实施例的情境下描述与那些实施例相关联的优点，但其它实施例也可展现此类优点，且并非所有实施例均必需展现落在本发明范围内的此类优点。因此，本发明仅由所附权利要求书限定。

Claims (22)

1.一种用于CMOS图像传感器的读出电路，其包括：

第一取样晶体管；

第二取样晶体管；

平均晶体管，其将所述第一和第二取样晶体管电串联连接；

重设取样晶体管；以及

差分装置，其直接连接到所述重设取样晶体管以及所述第一和/或第二取样晶体管。

2.根据权利要求1所述的读出电路，其进一步包括：

第一电容器，其电连接到所述第一取样晶体管；以及

第二电容器，其电连接到所述第二取样晶体管，其中所述第一和第二电容器串联连接到所述平均晶体管以形成闭合电路。

3.根据权利要求1所述的读出电路，其进一步包括随同所述第一和第二取样晶体管的N个取样晶体管，其中N是大于2的正整数。

4.根据权利要求1所述的读出电路，其中所述重设取样晶体管是第一重设取样晶体管，且所述CMOS图像传感器进一步包含第二重设取样晶体管。

5.根据权利要求1所述的读出电路，其进一步包括选自由光电二极管、光电门和钉扎式光电二极管组成的群组的光电组件。

6.根据权利要求5所述的读出电路，其进一步包括在所述光电组件与所述第一和第二取样晶体管之间的源跟随器晶体管。

7.根据权利要求5所述的读出电路，其进一步包括：

浮动节点；以及

转移晶体管，其将所述光电组件电连接到所述浮动节点。

8.根据权利要求7所述的读出电路，其进一步包括电连接到所述浮动节点用于将所述浮动节点设定为参考电压的重设晶体管。

9.一种并入有根据权利要求1所述的读出电路的图像记录装置，其中所述图像记录装置包含静态相机、摄像机、蜂窝式电话、录像机和个人数据助理中的至少一者。

10.一种用于图像传感器的读出电路，其包括：

数目为N的多个取样晶体管包括：

第一取样晶体管，其电连接到信号源，用于从所述信号源获得第一模拟信号；

第二取样晶体管，其连接到所述第一取样晶体管，用于从所述信号源获得第二模拟信号；以及

数目不超过N-1的平均晶体管，其中所述N-1个平均晶体管包括：

平均晶体管，其电串联连接到所述第一和第二取样晶体管，用于从所述信号源获得平均模拟信号。

11.根据权利要求10所述的读出电路，其进一步包括：

重设取样晶体管，其连接到所述第一和第二取样晶体管，用于从所述信号源获得重设信号；以及

差分装置，其电连接到所述重设取样晶体管以及所述第一和/或第二取样晶体管，用于从所述平均模拟信号中减去所述重设信号。

12.根据权利要求11所述的读出电路，其中N是大于0的正整数。

13.根据权利要求11所述的读出电路，其进一步包括连接到所述重设取样晶体管的一个或一个以上额外重设取样晶体管。

14.一种包括根据权利要求10所述的读出电路的半导体芯片。

15.一种用于降低来自光传感像素的输出噪声的方法，其包括：

从含有在积分周期期间产生的聚集电荷的浮动节点获得第一模拟信号；

在从所述浮动节点获得所述第一模拟信号之后从所述浮动节点获得第二模拟信号；以及

使用不超过一个平均晶体管将所述第一和第二模拟信号进行平均以从所述浮动节点获得平均模拟信号。

16.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括：

将所述第一模拟信号作为第一电压存储在第一电容器中；以及

将所述第二模拟信号作为第二电压存储在第二电容器中，其中所述第一和第二电容器连接到平均晶体管，且其中将所述第一和第二模拟信号进行平均包含接通所述平均晶体管以经由电荷共享使所述第一和第二电压均衡。

17.根据权利要求16所述的方法，其中获得第一模拟信号包含接通第一取样晶体管以将所述浮动节点电连接到所述第一电容器，且其中获得第二模拟信号包含当所述第一电容器与所述浮动节点电隔离时，接通第二取样晶体管以将所述浮动节点电连接到所述第二电容器。

18.根据权利要求15所述的方法，其中从所述浮动节点获得第二模拟信号包含当获得所述第一模拟信号时大体上同时从所述浮动节点获得第二模拟信号。

19.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括：

在所述浮动节点含有所述聚集电荷之前将所述浮动节点设定至参考电压；以及

在所述浮动节点设定至所述参考电压之后立即从所述浮动节点获得重设信号。

20.根据权利要求19所述的方法，其中从所述浮动节点获得重设信号包含

从所述浮动节点获得第一模拟信号作为第一重设信号；

从所述浮动节点获得第二模拟信号作为第二重设信号；以及

将所述第一和所述第二重设信号进行平均以从所述浮动节点获得经平均的重设信号。

21.根据权利要求19所述的方法，其进一步包括：

从所述平均模拟信号中减去所述重设信号以从所述浮动节点获得输出信号；以及

将所述输出信号从所述浮动节点提供到位线。

22.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括：

在所述积分周期期间在光电二极管中产生所述聚集电荷；以及

在所述积分周期之后将所述聚集电荷从所述光电二极管转移到所述浮动节点。

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