CN101385329A - 使用斜变转移栅极时钟的a/d转换器 - Google Patents

使用斜变转移栅极时钟的a/d转换器 Download PDF

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Abstract

一种图像传感器，包括感光区域，积累对应于接收的入射光的电荷；转移栅极，用于从感光区域转移电荷；电源电压，具有随时间渐增的电压；浮置扩散，用于从感光区域接收电荷并将电荷转换成电压；放大器，用于接收和放大来自浮置扩散的信号；比较器，用于将来自放大器的电压与基准电压比较；以及计数器，用于计数从渐增的电压的起始直到从比较器收到指示从感光区域到浮置扩散的电荷转移的信号之间的时钟周期，其中生成代表感光区域未填充的电容量的数字信号。

Description

使用斜变转移栅极时钟的A/D转换器
技术领域
本发明一般涉及图像传感器的领域，更具体的，涉及其中图像信号在从像素阵列输出之后被立即转换为数字信号的CMOS图像传感器。
背景技术
目前已知的CMOS图像传感器都具有相同或基本相同的结构。它们通常包括像素阵列中的感光器件，如光电二极管或光电栅，以将光信号转换成电荷；浮置扩散电容器，用于将电荷转换成电压；以及像素放大器，从大的输出总线电容缓冲浮置扩散电容，并将电信号送出像素阵列。像素输出信号由采样/保持电路阵列存储，采样/保持电路阵列之后是模拟信号处理链和模数转换器。
该当前CMOS图像传感器的缺陷是高噪声，低速度和高功率。这些问题可以通过将模数转换移至较前的级并接着在数字域处理信号来解决。一种这样的在较前的级中在数字域处理的现有技术揭示于IEEEJournal of Solid-State Circuits，Vol.36，No.12，December 2001(2049页)。该现有技术包括将斜坡电压施加到独立于像素的比较器。这种独立会在输出引起像素到像素的不均匀性。
因而，存在需要来解决具有较后级的模数转换电路的图像传感器的高噪声、低速度和高功率，以及具有较前级的模数转换电路的图像传感器的像素到像素的不均匀性。本发明中致力于解决像素到像素的不均匀性，其中相邻于光电二极管的转移栅极是斜变的，并且基准电压来自像素复位。
发明内容
本发明目标是解决上述的一个或多个问题。简言之，根据本发明的一个方面，本发明在于一种图像传感器，包括(a)感光区域，积累对应于接收的入射光的电荷；(b)转移栅极，用于从感光区域转移电荷；(c)电源电压，具有随时间斜变的电压；(d)浮置扩散，用于从感光区域接收电荷并将电荷转换成电压；(e)放大器，用于接收和放大来自浮置扩散的信号；(f)比较器，用于将来自放大器的电压与基准电压比较；以及(g)计数器，用于计数从渐增的电压的起始直到从比较器收到指示从感光区域到浮置扩散的电荷转移的信号之间的时钟周期。
当结合下面的描述和附图一起考虑，本发明的上述和其它目标将变得更明显，附图中在可能的地方用相同的附图标记指示不同附图中共有的要素。
本发明的有益效果
本发明具有高速处理、低功耗和低噪声的优点。它还消除了像素放大器中的非线性和阈值变化的影响。
附图说明
图1是本发明的图像传感器的框图；
图2是图1的示意图；
图3是图2的时序图；
图4a以示意形式示出本发明的图像传感器；
图4b示出本发明的剖面图；
图4c示出图4b的阱电势图，以清楚的示出本发明的概念；以及
图5是本发明的数字相机，以示出本发明的图像传感器典型的商用实施例。
具体实施方式
参考图1，示出本发明的图像传感器10，具有多个像素20和多个采样保持电路30，用于以预定的方式接收和存储来自该多个像素20的信号。多个比较器40分别连接到每个采样保持电路30的输出，多个计数器50分别连接到该多个比较器40。
为了理解清楚，注意到上述本发明的装置限制模拟电路使用(为了降低噪声)并且最大化地利用数字电路的优点。还注意到为了理解清楚，图2示出仅一个本发明的像素及其相关电路，以示出本发明的多个像素的代表性像素。需要理解，本发明包括多个这样的像素，例如图1所示的像素阵列20。参考图2，像素20包括感光区域或光电二极管60，感光区域或光电二极管60响应于入射光积累电荷。转移栅极70从电源电压95接收随时间斜变的电压(优选随时间渐增的电压)，这使得电荷从光电二极管60转移到电荷到电压转换区域或浮置扩散80，电压转换区域或浮置扩散80将电荷转换成电压信号。渐增的电压由电源电压95供给，电源电压95优选在芯片上但是在像素阵列20之外。在替代实施例中电源电压95可以可选地在芯片之外。复位晶体管90为浮置扩散80和采样保持电路30两者设定基准电压，该基准电压(在采样保持电路30的情况下)将由比较器40接着使用，如下文将详细描述的。放大器或放大器晶体管100接收并放大来自浮置扩散80的信号。行选择晶体管110选择输出到采样保持电路30的特定的像素行。
图3包括图2的优选时序，并且包括将施加到图2中提到的部件的时序信号的通常时序信号缩写-RS，TG，RG和SHR。现在参考图2和图3，在积分期间由多个光电二极管60捕捉图像，在积分之后，通过施加“高”到行选择晶体管110的栅极选择像素阵列中的一行像素供读出。接着将脉冲电压施加到复位晶体管90的栅极以从浮置扩散(FD)电容器80清除电荷，并从而将浮置扩散80复位到基准电压。FD 80处的电压由放大器100放大并送出到列总线。借助在输出节点115的参考信号，时钟SHR从“低”到“高”以关闭开关S2并打开开关S1。基准电压被采样到电容器(Csh)120。SHR时钟还复位计数器50。在SHR脉冲之后，将随时间斜变或渐增的电压施加到转移栅极70，在转移栅极70之下产生电势，以将信号从光电二极管60转移到浮置扩散80。接着SHR信号高变低，开关S1关闭而S2打开，这将比较器40置于比较状态，计数器50开始计数时钟周期直到比较器40通知计数器50终止计数。比较器50在每一列中比较像素输出电压与采样的复位电压。
当斜变TG电压在TG栅极70下产生足够的电势时，光电二极管60中积累的电荷开始从光电二极管60流到浮置扩散80。注意到与现有技术中感测光电二极管上的“全部”电荷不同，本发明使用浮置扩散80感测从光电二极管60的电荷转移的“开始”或“起始”。回到本发明的讨论，在电荷转移开始的时候在浮置扩散80上产生电压变化，电压变化通过像素放大器100送出到列比较器40。该电压变化触发比较器40改变输出状态。计数器50的“使能”输入感测来自比较器40的输出的变化并接着停止计数。列计数器50的内容是原始的像素数字输出。
数字校正功能通过在黑暗中采样入射光存储在存储器(在芯片上或者不在芯片上)中而包括在A/D转换操作中。将从表示捕捉的图像的数字信号中减去该校正信号。去除或者大大减少了像素噪声和像素放大器偏移。
参考图4a-4c，为了清楚注意到现有技术检测电子的数量。相反，本发明的图像传感器检测光电二极管的电荷电势，或者换言之，其检测光电二极管未填充的势阱的深度。当像素阵列20中的光电二极管60上存在光时，在光电二极管60的电势阱121中产生和积累电荷。像素中光电二极管60和用于将电荷转换成电压的浮置扩散80之间存在转移栅极70。施加到转移栅极70的栅极的电压控制栅极之下的电势，并在电压高于转移栅极70的阈值电压时产生导电沟道。光电二极管60的势阱121和浮置扩散区域80由转移栅极70该产生的沟道连接。随着该栅极电压增加，栅极之下的电势被降低。当转移栅极70之下的电势等于光电二极管60的阱121的电势时，光电二极管60中积累的电荷开始通过转移栅极70从光电二极管60移动到扩散区域80。电荷从光电二极管60到浮置扩散80的移动将在浮置扩散区域80处产生电压信号，该电压信号接着被送到像素放大器100的输入。列采样保持阵列30中的电路将像素放大器输出115处的电压信号与之前当施加转移栅极电压时生成的基准电压比较。电子从光电二极管60到浮置扩散80的移动将触发采样保持电路30中的比较器40改变其输出状态。比较器40输出状态的这种变化停止计数器50，并且数字码在计数器50输出处生成。该数字码或数字信号代表像素产生的图像信号。
参考图5，为了示出本发明优选的商业实施例，示出了数字相机125，其中设置了本发明的图像传感器10。
部件列表
10 图像传感器
20 多个像素
30 采样保持电路
40 比较器
50 计数器
60 光电二极管
70 转移栅极
80 浮置扩散
90 复位晶体管
95 电源电压
100 放大器晶体管
110 行选择晶体管
115 输出节点或像素放大器输出
120 电容器(Csh)
121 电势阱
125 数字相机

Claims (27)

1.一种图像传感器，包括:
(a)感光区域，积累对应于接收的入射光的电荷；
(b)转移栅极，用于从感光区域转移全部或部分电荷；
(c)电源电压，具有施加到转移栅极的随时间斜变的电压；
(d)浮置扩散，用于从感光区域接收全部或部分电荷并将该电荷转换成电压；
(e)放大器，用于接收和放大来自浮置扩散的信号；
(f)比较器，用于将来自放大器的电压与基准电压比较；以及
(g)计数器，用于计数从渐增的电压的起始直到从比较器接收指示从感光区域到浮置扩散的电荷转移起始的信号之间的时钟周期。
2.如权利要求1所述的图像传感器，其中斜变的电压是随时间渐增的电压。
3.如权利要求1所述的图像传感器，还包括复位晶体管，用于生成基准电压。
4.如权利要求1所述的图像传感器，还包括电连接到比较器的电容器，用于保持基准电压。
5.如权利要求1所述的图像传感器，其中感光区域是光电二极管。
6.如权利要求1所述的图像传感器，还包括电连接到放大器的行选择晶体管，用于使能读出。
7.一种成像装置，包括:
(a)感光区域，积累对应于接收的入射光的电荷；
(b)转移栅极，用于从感光区域转移全部或部分电荷；
(c)电源电压，具有施加到转移栅极的随时间斜变的电压；
(d)浮置扩散，用于从感光区域接收全部或部分电荷并将该电荷转换成电压；
(e)放大器，用于接收和放大来自浮置扩散的信号；
(f)比较器，用于将来自放大器的电压与基准电压比较；以及
(g)计数器，用于计数从渐增的电压的起始直到从比较器接收指示从感光区域到浮置扩散的电荷转移起始的信号之间的时钟周期。
8.如权利要求7所述的成像装置，其中斜变的电压是随时间渐增的电压。
9.如权利要求7所述的成像装置，还包括复位晶体管，用于生成基准电压。
10.如权利要求7所述的成像装置，还包括电连接到比较器的电容器，用于保持基准电压。
11.如权利要求7所述的成像装置，其中感光区域是光电二极管。
12.如权利要求7所述的成像装置，还包括电连接到放大器的行选择晶体管，用于使能读出。
13.一种图像传感器，包括:
(a)感光区域，具有电容，其中积累对应于接收的入射光的电荷；
(b)转移栅极，用于从感光区域转移全部或部分电荷；
(c)电源电压，具有施加到转移栅极的随时间斜变的电压；
(d)电荷收集部，用于从感光区域接收全部或部分电荷并将该电荷转换成电压；
(e)指示从感光区域到电荷收集部的电荷转移起始的电路。
14.如权利要求13所述的图像传感器，其中斜变的电压是随时间渐增的电压。
15.如权利要求13所述的图像传感器，其中电荷收集部是浮置扩散。
16.如权利要求13所述的图像传感器，其中感光区域是光电二极管。
17.如权利要求16所述的图像传感器，其中电荷收集部是浮置扩散。
18.一种成像装置，包括:
(a)感光区域，具有电容，其中积累对应于接收的入射光的电荷；
(b)转移栅极，用于从感光区域转移全部或部分电荷；
(c)电源电压，具有施加到转移栅极的随时间斜变的电压；
(d)电荷收集部，用于从感光区域接收全部或部分电荷并将该电荷转换成电压；
(e)指示从感光区域到电荷收集部的电荷转移起始的电路。
19.如权利要求18所述的成像装置，其中斜变的电压是随时间渐增的电压。
20.如权利要求18所述的成像装置，其中电荷收集部是浮置扩散。
21.如权利要求18所述的成像装置，其中感光区域是光电二极管。
22.如权利要求21所述的成像装置，其中电荷收集部是浮置扩散。
23.一种操作图像传感器的方法，该方法包括步骤:
(a)通过具有电容的感光区域积累对应于接收的入射光的电荷；
(b)通过转移栅极从感光区域转移全部或部分电荷；
(c)施加随时间斜变的电压到转移栅极；
(d)通过电荷收集部从感光区域接收全部或部分电荷并将该电荷转换成电压；
(e)指示从感光区域到电荷收集部的电荷转移起始。
24.如权利要求23所述的方法，还包括提供随时间渐增的电压作为斜变的电压的步骤。
25.如权利要求23所述的方法，还包括将电荷收集部提供为浮置扩散的步骤。
26.如权利要求23所述的方法，还包括将感光区域提供为光电二极管的步骤。
27.如权利要求26所述的方法，还包括将电荷收集部提供为浮置扩散的步骤。
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