CN101803368A - 具有无开关有源像素的电流/电压模式图像传感器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于高分辨率成像的电压和电流模式有源像素传感器。光像素由光电二极管和两个晶体管即重置晶体管和跨导放大器晶体管构成。开关晶体管被移到像素外部，使得实现较低的像素间距并且改善输出光电流的线性度。通过在光电二极管和重置晶体管的源极以及读出晶体管的栅极之间引入转换开关，在相邻像素之间还可以共享重置和放大器(读出)晶体管。在像素外部的开关晶体管向读出晶体管提供偏置电压或电流，使得当期望相应的光电二极管读出时将它们选择性地接通，并且当相应光电二极管不被读出时断开读出晶体管。

Description

具有无开关有源像素的电流/电压模式图像传感器
政府支持
本发明在批准号码FA9550-05-1-0052下由美国空军科学研究局(AFOSR)支持。政府在本发明中可能具有某些权利。
技术领域
本发明涉及一种电流/电压模式有源像素传感器架构，其中，像素传感器由每像素1.5或2.0晶体管构成，因此，每给定硅面积允许更高分辨率和更多像素。
背景技术
高分辨率的成像与每像素的晶体管数目和互连密切相关。传统的电压模式图像传感器是基于三晶体管(3T)有源像素传感器(APS)拓扑，这是由E.R.Fossum在“CMOS Image Sensor：ElectronicCamera-On-A-Chip”，IEEE Trans.Electron Devices，Vol.44，pp.1689-1698，Oct.1997中提出的。这种三晶体管拓扑作为行业标准已经被广泛接受，它由重置晶体管、开关晶体管和源极跟随器(即，在光电二极管节点处缓冲来自大线路电容的有源元件)组成。3T APS的一个缺点是高的暗电流和高的时间噪声。为了解决这些问题，针式光电二极管作为四晶体管(4T)APS的一部分而被引入。(参见例如Guidash等人的“A 0.6μm CMOS pinned photodiode color imager technology”，Electron Devices Meeting，1997.Technical Digest.，International 7-10Dec.1997，Pages：927-929。)这种埋入式光电二极管具有较低的暗电流，并且该额外的开关晶体管允许真实相关双采样(CDS)。较低的时间噪声变化产生了令人印象深刻的信噪比改善，高达60dB的令人惊讶的数字。不幸的是，额外开关晶体管的引入是以增大像素大小和降低图像传感器的分辨率为代价的。
为了实现高分辨率的电压模式成像，已经公布了各种像素方案，表1中对这些方法作了总结。Y.Iida等人在“A 1/4-Inch 330kSquare Pixel Progressive Scan CMOS Active Pixel Image Sensor”，IEEEJ.Solid-State Circuits，v.32，pp.2042-2047，July 1994中提出了两种不同像素拓扑，以便减少每像素晶体管计数和互连。这两种像素拓扑依赖于像素的电容性寻址，导致了低像素敏感性，以及由于在光电二极管节点处的电容的增加而造成空间变化增加。在题为“Single-Capacitor-Single-Contact Active Pixel”，Proc.IEEE ISCAS，Geneva，Switzerland，May 2000的文章中，Etienne-Cummings提出使用电容性寻址方案的具有单一接触的单一像素。然而，由像素内BJT的增益变化所造成的大的空间变化，诸如高的固定模式噪声，是这种该实现方式的缺点之一。另外，关于相邻像素的各种晶体管共享方案在文献中已经被广泛报告。在这种情形下，四个或八个4T APS像素在该四个或八个像素中共享重置和/或读出晶体管。这将每像素晶体管的数目分别减少至1.75或1.25。(参见，Y.C.Kim等人的“1/2inch 7.2mega-pixelCMOS image sensor with 2.25μm pixel using 4-shared pixel structure forpixel-level charge summation”，inDigest.IEEE ISCCC，pp.494-495，2006；以及S.Yoshihara等人的“A 1/1.8-inch 6.4Mpixel 60fps CMOS ImageSensor with Seamless Mode Change”，in Digest.IEEE ISCCC，pp.492-493，2006。)而且，通过J.Burns等人的“A Wafer-Scale 3-D CircuitIntegration Technology”，IEEE Trans.On Electron Devices，v.53，pp.2507-2516，October 2006，以3-D技术制作了一种小间距、高填充因子图像传感器，其中，将光电二极管放置在顶层，并且将读出电路放置在随后层。该堆叠3-D制作技术已经允许几乎100％的填充因子，因为整个层被专用于光电二极管。不幸的是，与层内连接相关的浅结光电二极管和高寄生电容对于图像传感器的较差敏感性具有直接影响。
  像素类型   3T PS   4T APS   电容性地址   单一晶体管   单一BJT像素   共享4T APS(1.75T)
  参考   Fossum等人   Guidash等人   Iida等人   Iida等人   Etienne-Cummings   Kim等人
  每像素晶体管   3   4   2   1   1(BJT)   7(每4个像素)
  每像素电容器   0   0   1   1   1   0
  每像素互连   5   6   5   3   9(每4个像素)
  输出   电压   电压   电压   电压   电压   电压
  FPN(％)   0.1％   0.1％   平均   平均   3.5   优秀
  SNR(dB)   45   45-60   ？   ？   35   46.7
  敏感性   良好   优秀   中等   较差   较差   优秀
表1：电压模式有源像素传感器的总结
电流模式成像与上述较为传统的电压模式APS已形成竞争。电流模式成像技术已经产生了众多的传感器，其中，在焦点平面处的视觉信息提取是这项技术的主要焦点和主要强项。A.G.Andreou等人“A48,000pixel，590,000transistor silicon retina in current-modesubthreshold CMOS”，in Proc.37th Midwest Symposium on Circuits andSystems，pp.97-102，1994；T.Delbruck等人“Adaptive photoreceptor withwide dynamic range”，in Proc.IEEE Intl.Symp.on Circuits and Systems，pp.339-342，1994；A.G.Andreou等人“Analog VLSI neuromorphic imageacquisition and pre-processing systems”，Neural Networks，Vol.8，No.78，pp.1323-1347，1995；K.A.Boahen等人“A retinomorphic vision systems”，IEEE Micro，Vol.16，No.5，pp.30-39，October 1996；S.Espejo等人“Switched-current techniques for image processing cellular neuralnetworks in MOS VLSI”，Proc.IEEE Int.Symposium on circuits andSystems，pp.1537-1540，1992；R.Etienne-Cummings等人“A focal planevisual motion measurement sensor”，IEEE Trans.Circuits and Sys.I：Fundamental Theory and Applications，Vol.44，No.1，pp.55-66，January1997；Eiichi Funatsu等人“An Artificial Retina Chip with Current-ModeFocal Plane Image Processing Functions”，IEEE Transactions on ElectronDevices，Vol.44，No.10，October 1997；以及P.Dudek等人在“Ageneral-purpose processor-per-pixel analog SIMD vision chip”，IEEETransactions on Circuits and Systems-I：Regular Papers，Vol.52，No.1，January 2005对常规的电流模式成像技术做了描述。在这样的电流模式成像传感器中的限制因素是由于大的固定模式噪声而引起的低图像质量(参见表2)。
  像素类型   对数像素  二次电流APS   线性电流APS
  参考   Mead等人   Phillip等人
  每像素晶体管   高   高   3
  每像素电容器   0
  每像素互连   高   高   5
  输出   电流
  FPN(％)   ＞3％   高   0.5％
  SNR(dB)   41
  敏感性   优秀   优秀   良好
表2：电流模式图像传感器的总结.
在电压和电流模式APS中的固定模式噪声的主要贡献者是在成像阵列中的像素之间的读出晶体管的阈值电压变化。如Fossum所描述的，在电压模式APS中，关于与相关双采样(CDS)电路耦合的光电二极管电压的线性电压输出允许抑制在成像阵列中的读出晶体管之间的阈值变化。在电流模式图像传感器中，光强度与输出电流之间的关系可以是对数的(参见Delbruck等人)、二次的(F.Boussaid等人的“An ultra-low ower operating technique for mega-pixels current-mediated CMOS imagers”，IEEE Trans.on Consumer Electronics，v.50，pp.46-54，Feb.2004)或线性的(参见R.Etienne-Cummings等人的“Neuromorphic vision systems for mobile applications”，in Proc.IEEECICC.San Jose，CA，2006年，San Hose，CA；以及V.Gruev等人的“LinearCurrent Mode Imager with Low Fix Pattern Noise”，Proc.IEEE ISCAS，Vancouver，Canada，May 2004)。由于Delbruck等人和Boussaid等人所指出的光和输出电流之间的非线性关系，所以取消电压阈值变化在芯片上不容易被执行。Etienne-Cummings等人和Gruev等人通过操作线性模式的像素的读出晶体管，已经实现了关于光电电压的线性光电流输出。与电流输送器和电流模式存储器电路相耦合的线性电路输出已经允许高读出速度(高帧率)和低固定模式噪声(FPN)系数。然而，限制了电流输出线性度(从而影响FPN系数)的因素之一是在像素中的接入晶体管的有限导通电阻。
需要一种克服这样的现有技术传感器的局限性并且限制用于每个像素的晶体管的大小和数目，从而减少电阻并且提高分辨率的电流/电压模式有源像素传感器。本发明解决了本技术领域中的这种需求。
发明内容
本发明涉及基于线性电流模式APS范型的成像传感器，其中，像素寻址(开关)晶体管被移到了像素外部，从而使得有效率地实现每像素两个晶体管，并且有效地减少了像素的大小(间距)。此外，从像素消除开关晶体管使得实现输出光电流和光电二极管电压之间的较高线性度。改善的线性度对于整个传感器的空间变化具有直接影响，因此，降低了FPN系数。
根据本发明的图像传感器的特征在于偏置电路和像素阵列，其中，像素阵列中的每个像素包括光电二极管、重置晶体管和读出晶体管，但没有寻址开关晶体管。重置晶体管控制光电二极管的操作和读出晶体管的栅极电压。每个读出晶体管被配置成提供与光电二极管的电压或电流输出成比例的输出，其中，在相同行或列中的每个像素的读出晶体管的漏极被直接连接在一起，并且被连接至偏置电路，和/或在相同行或列中的每个像素的读出晶体管的源极被直接连接在一起，并且连接至偏置电路。读出晶体管的栅极经由重置晶体管被连接至偏置电路，而来自偏置电路的电压或电流被施加到读出晶体管，以当光电二极管的输出被读出时将读出晶体管接通，以及当光电二极管的输出不被读出时将读出晶体管断开。
公开了若干实施例。在第一电流模式实施例中，将光电二极管连接在接地或适当的DC电压和重置晶体管的源极(或漏极)之间，并且将该重置晶体管的漏极(或源极)连接至重置电压。将读出晶体管的栅极连接至重置晶体管的源极。在该配置中，每像素被提供了2个晶体管。在行中的每个读出晶体管的漏极在平行于行的方向上彼此连接，并且在列中的每个读出晶体管的源极在垂直于行的方向上彼此连接，从而定义了x，y坐标方向。
在示例性配置中，为像素阵列的每行或列提供包括电流输送器电路的偏置电路，并且将至电流输送器的输入线路销连接至参考电压。为了这一目的，电流输送器电路可以包括操作放大器，该操作放大器被连接至在第一输出处的参考电压以及连接至在像素阵列的行中每个像素的读出晶体管的连接的漏极的行或列。在成像阵列外的行或者列寻址开关可以被连接至每个电流输送器电路的输出，用于选择用于读出的相应行或列。另外，相关双采样单元可以被连接至每个寻址开关，用于采样并且存储来自一个或多个像素的输入光电流。也可以提供列或行寻址开关，它被连接至用于像素阵列的每列或行中的每个像素的读出晶体管的连接的源极的每列或行。全局电流输送器电路也可以被用于整个像素阵列，而非仅用于其每行。
在第二电流模式实施例中，将在接地(或者适当的DC电压)和转换开关晶体管之间的光电二极管连接至重置晶体管的源极，并且将重置晶体管的漏极连接至重置电压。在该实施例中，重置晶体管由像素阵列中的多个像素(例如，4)共享。在该实施例中，将读出晶体管的栅极连接至重置晶体管的源极，并且读出晶体管也被像素阵列中的多个像素共享。为了便于像素的寻址，用于像素的转换开关晶体管的断开将用于像素的光电二极管连接至读出晶体管的栅极。而且，在行中的每个像素的转换开关晶体管被寻址开关所控制，该寻址开关将该行的转换开关晶体管选择性地连接至电压源，以便选择包含转换开关晶体管中的每个的像素。另外，将多个像素的重置晶体管的漏极连接至在像素阵列的公共行中的其他多个像素的重置晶体管，并且将所连接的重置晶体管的漏极选择性地连接至偏置电路。在示例性配置中，将在像素列中的每个读出晶体管的源极彼此连接或连接到接地，并且将在像素列中的每个读出晶体管的漏极直接彼此连接或通过寻址开关连接至偏置电路。在该每像素1.5晶体管的实施例中，偏置电路可以包括电流输送器，该电流输送器将至该电流输送器的输入线路销连接到参考电压；以及相关双采样单元，该相关双采样单元被连接至电流输送器的输出，用于采样并存储来自一个或多个像素的输入光电流。
在本发明的成像传感器的第三实施例中，考虑具有每像素1.5晶体管的电压模式成像传感器。在该实施例中，将像素列中的每个读出晶体管的漏极直接彼此连接，并且连接至参考电压。将像素列中的每个读出晶体管的源极直接连接在一起，并且通过寻址开关连接至偏置电路。在该实施例中，偏置电路可以包括偏置电流源。将电压模式相关双采样单元通过寻址开关连接至像素列中的读出晶体管的源极。
基于下文对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的这些和其他可能示例性实施例对于本领域的技术人员将变得显而易见。
附图说明
参考附图，进一步描述了根据本发明的成像传感器，在附图中：
图1图示了本发明的整个图像传感器架构的像素示意图和总视图。
图2图示了根据本发明的两个晶体管图像传感器的时序图。
图3图示了用于本发明的两个晶体管图像传感器的控制方案。
图4图示了本发明的共享晶体管实施例的示意图，由此四个相邻像素共享读出的晶体管，使得由1.5晶体管来表示每个像素。
图5图示了用于图4的1.5晶体管像素实施例的时序图。
图6图示了使用图4的1.5像素拓扑的电流模式图像传感器的替代实现。
图7图示了使用图4的1.5像素拓扑的电压模式图像传感器的替代实现。
图8图示了关于用于本发明示例性实施例的光电二极管累积的电压所测量的线性电流输出。
图9图示了关于用于本发明示例性实施例的积分时间所测量的照片像素输出的线性度。
图10图示了关于用于本发明实施例的光电二极管累积的电压所测量的线性电流。
图11图示了来自本发明示例性实施例的样本图像或者未修正的图像(a)和CDS噪声消除之后的图像(b)。
具体实施方式
在下文关于图1-11的描述中阐明了某些具体细节，以提供对于本发明各种实施例的透彻理解。然而，为了避免不必要地使本发明的各个实施例模糊，某些公知细节未在下文的公开中阐明。本领域的技术人员将理解，他们可以在没有下文所描述的一个或多个细节的情况下实施本发明的其他实施例。而且，虽然已经参考下文公开中的步骤和顺序描述了各种方法，但是说明书意在提供对本发明实施例的清楚实现，并且这些步骤和这些步骤的顺序不应被视为实施本发明所必需的。
图1呈现了用于每像素两个晶体管的线性电流模式CMOS成像器的示例性实施例的像素示意的框图。光像素10包括光电二极管P和两个晶体管：重置晶体管M0和跨导放大器M1。如此处所使用的，光电二极管被认为在功能上等同于光电栅、针式光电二极管、光电晶体管或者对于本领域的技术人员已知的任何其他已知可比较的感测元件。每像素有五个线路连接：读出晶体管M1的漏极(12)和源极(14)线路、接地线路16、重置控制线路18和重置电压线路20。用于图1的实施例的关键寻址要求是，跨导放大器M1的漏极(12)和源极(14)线路必须被连接在彼此垂直的两个共享总线之间：垂直总线选择有源列，而水平总线承载输出电流。这种情形的原因是，仅将一个晶体管用于两个寻址维度；因此，寻址线路必须垂直，以对应于x，y轴。另外，本领域的技术人员将理解的是，寻址方案也可以适于与极性坐标(r，θ)一起使用。下文将针对图4描述替代实施例，其中，垂直性要求可能是不严格的。
在图1中可以观察到漏极线路12和源极线路14的正交性，其中，在行(列)中的所有M1晶体管将它们的漏极12(源极14)连接至水平(垂直)线路。该正交要求允许经由在成像阵列中的所有像素的开关晶体管M2来直接控制跨越读出晶体管M1的漏极-源极(Vds)电压降。因此，经由晶体管M1的漏极-源极电压来直接控制特定像素(多个)的接入。如果像素应当被接通，则Vds被设置成非零值。相反，如果像素应当被断开，则Vds被设置成零，和/或晶体管M1的栅极-源极电压Vgs被降低为低于阈值。为了理解像素的控制原则，接下来将讨论与成像设备在同一芯片上或者放置在芯片外部用于设置读取晶体管M1的漏极和源极电压的偏置电路。
在晶体管M1的漏极12处的电压由在操作放大器22的正极端子处的参考电压(Vref)来确定，并且将它设置成大约0.2V。操作放大器22经由晶体管M3被连接在负反馈配置中，有效地实现了第二代电流输送器电路24。电流输送器电路可以在利用或不利用操作放大器22的情况下以多种方式实现偏置电路。而且，根据将读出晶体管M1实现为PMOS或NMOS，电流输送器电路24可以被连接至其源极或者漏极。而且，重置晶体管可以被实现为PMOS或NMOS。经由晶体管M4提供电流输送器24的输出，晶体管M4复制从感兴趣的光像素10提供的输入电流。晶体管M3和M4均在饱和区域中操作，这确保输入光电流的正确复制。出于简便起见，在图1中仅示出了晶体管M3和M4。在实际实现中，使用规定的级联方案，以便最小化信道长度调制效应。电流输送器24通过将行总线的输入线路销连接(pin)至固定电压Vref并且将像素电流传递至CDS单元26，有效地遮蔽在漏极线路12上的寄生电容。因此，在读出阶段，读出线路不需要被充电或放电，这导致较高的读出速度(即，较高的帧率)。注意到，根据本发明，用于寻址像素的所有接入开关物理地(或逻辑地)处于成像阵列外部，以便简化像素布局。这些接入开关控制跨越读出晶体管的电压降或者读出晶体管的电流输出。通过使得跨越漏极和源极的电压降变成零，和/或通过使得栅极至源极电压低于阈值，使得未选择的像素输出电流为零。本领域的技术人员将理解，消除在每个像素中的地址晶体管导致更小的像素大小，并且因此导致更高的分辨率，因为更多像素可以被设置在给定的硅面积中。此外，与常规APS像素不同，图1的实施例的像素在电流域中操作。
在图2中呈现了用于操作图1的图像传感器所需要的所有必需控制信号的时序图。呈现了用于前两行的前三个像素的时序控制信号。在积分时间的端部的特定像素的光电流被缩写为int，并且相同像素的重置电流被缩写为res。如图所示，从所呈现的时序信号，容易地推测出用于整个成像阵列的控制信号的重置。
跨越所有像素的M1晶体管的漏极电压总是被设置为Vref，无论这些像素是否处于接通或断开状态。仅操控M1晶体管的源极电压，以便接入像素。例如，如果在列1中的开关晶体管M2被接通(参见图2)，则对于x＝1至N的被列举为P(x，1)的像素的漏极电压被连接到接地，其中，N是该列中的像素数目(图3中N＝3)。跨越这些晶体管，建立了0.2V的Vds压降，并且这些晶体管的各自电流在水平总线线路上被平行提供至列平行电流输送器24。因此，图3中的像素P(1，1)的输出电流I(1，1)在漏极行1上流动。类似地，与列1的像素相对应的其他电流I(2，1)、I(3，1)等在水平总线线路上流动。在该实施例中，当选择了像素时，读出晶体管M1在线性区域中工作，用作跨导体。
下一步骤是选择像素的特定行。经由通过图2中的信号列1计时的垂直开关晶体管M5来实现这一点。这为行1接通了垂直地址开关晶体管M5，而在行2至K中的地址开关晶体管M5被断开，其中K是行的数目(在图3中K＝3)。因此，仅像素P(1，1)被接入，并且被允许将其输出光电流提供至相关双采样单元(CDS)26。CDS单元26被实现为电流存储单元，并且如图3所示在积分的结尾采样来自像素P(1，1)的累积的光电流。下一步骤是通过应用重置1(图2)接通列重置线路1来重置像素P(1，1)。在列1中的所有像素被平行地重置，并且来自像素P(1，1)的重置电流流过CDS单元26。从CDS单元26的最终输出是像素P(1，1)的累积的光电流和重置光电流之间的差。
接下来通过接通第二列的晶体管M2来读出像素P(1，2)(参见图2的时序图)。一旦像素P(1，2)被接入，并且其累积的光电流被记忆在像素阵列10外部的相关双采样(CDS)单元26中。CDS单元26修正像素间的阈值变化，这种变化是固定模式模式噪声(FPN)的主因。通过接通重置线路2来重置像素。通过将每行和列总线连接至VDD或者经过用于像素阵列10中所有像素的像素阵列10外部的开关接地。在任何时间，仅一个选择的像素阵列10的列接地，而其余像素的漏极电势连接到VDD。这确保跨越漏极和源极至所有未选择的像素的读出晶体管M1的零电压降，迫使它们不向输出线路输出电流。像素阵列10外部的这些开关优选地被设计有高纵横比，以便最小化跨越它们的电压降。它们被移位寄存器(未示出)所控制，该移位寄存器扫描所有列，类似于常规的列平行成像器。
从图2的时序图中显而易见的是，用于像素的最大积分时段是扫描一行所花费的时间，因为采用单一CDS单元26和列平行重置。为了增加积分时段，应当使用行平行CDS单元26，或者应当使用具有全局CDS单元的附加每像素重置晶体管。第一建议的方式是优选的，以便以由于列平行接入所造成的更高功率消耗为代价最小化像素大小。
为了断开一列(多列)像素，开关晶体管M2被断开(图2中的信号列2)。在图3中，第二列被断开，并且在第二列中的晶体管M1的源极电压是浮动的，并且它将开始从0V充电至大约Vref(0.2V)，以便断开该像素(Vds＝0)。对于小的成像阵列，用于充满电源线路的时间可以快于最小像素扫描时间，并且在读出期间它将不会造成问题。对于大的成像阵列以及因此大的寄生电容，开关晶体管M2应当被实现为差分开关。该差分开关应当将断开像素的源极连接至Vref(0.2V)，以迫使Vds等于0V。
在积分循环的结尾，光电二极管上的电压可以被表示为Vphoto，并且累积的光电流由等式(1)来表示： I photo = k n W L [ ( V photo - V t ) V ref - V ref 2 2 ] - - - ( 1 ) 在等式(1)中，W/L是纵横比，Vt是阈值电压，并且Vref是跨越M1晶体管的漏极和源极端子的参考电压。一旦累积的光电流在CDS单元26中的电流存储器单元上被采样，则通过接通M0晶体管来将该像素的光电二极管电压设置成Vreset。重置的光电流由等式(2)来表示： I reset = k n W L [ ( V reset - V t ) V ref - V ref 2 2 ] - - - ( 2 ) 从由等式(1)所表示的被记忆的光电流中减去由等式(2)表示的重置电流。从CDS单元26的最终电流输出独立于晶体管M1的电压阈值(Vt)，并且它由等式(3)来表示： I out = I photo - I reset = k n W L V ref ( V reset - V photo ) - - - ( 3 ) 只要跨越M1晶体管的Vds电压在积分和重置期间保持恒定，则等式(3)成立。该假定仅在理想的开关晶体管的情况下有效，其中，阻抗是零，并且使用理想的电流输送器，其中，输入电压随着输入电流的变化是恒定的。如果由于空间要求而将开关晶体管嵌入在像素内，则通常使用最小尺寸的晶体管。因此，开关晶体管的导通电阻可能相当大。例如，在0.5μm工艺中的最小尺寸的晶体管可能具有～2.5kΩ的导通电阻。如果光电流和重置电流中的差是～10μA，则晶体管M1的漏极电压可以变化～25mV。由于通常将两个开关晶体管用于独立像素接入，所以漏极电压的变化可以增加至50mV。沿着漏极线路的变化将使输出的线性和由等式(3)表示的CDS修正的准确性下降。
在本发明的图像传感器中，最小化了由于沿着从晶体管M1至电流输送器的输出光电流的直接路径的开关所造成的电阻。在该设计中，仅将单一开关与对于列平行电流输送器24的直接输入一起使用。由于开关晶体管M2被放置在成像阵列的外部，所以可以使纵横比很大，并且可以显著降低导通电阻。例如，在18μm乘以18μm的面积中实现具有200的纵横比的开关晶体管M2，并且实现了15Ω的导通电阻。行平行电流输送器24的输入阻抗是～10Ω，并且晶体管M1的漏极电压变化从传统实现减少至22μV或者三个数量级。由于晶体管M2的导通电阻与电流输送器24的输入阻抗是可比较的，所以也可以实现像素外部的两个开关晶体管(一个开关用于水平寻址，另一开关用于垂直寻址)和全局(芯片级别)电流输送器。全局电流输送器将减少功率消耗，因为仅将一个像素将连接至输出，并且它还将缓解列FPN问题。然而，全局电流输送器还将需要单独像素重置方案，并且它将用于每像素总共3个晶体管和一个附加控制线路的重置晶体管的数目增加成2。为了最优实现，应该考虑在速度、功率和像素大小之间折衷。
在以上图像传感器架构的实现中，应当考虑两个重要的二阶效应。第一个是在列平行电流输送器24之间的输入电压失配。这些电压变化将导致在不同列中的读出晶体管M1的漏极电压之间的变化，并且它将导致在读出晶体管M1的漏极和源极之间的非零电压。结果，可以同时接通跨越图像传感器的不同部分的各种像素。使用操作放大器偏移补偿技术或者引入浮动栅极以单独地校准在列平行电流输送器24上的参考电压，可以缓解该效应。该读出方案的第二个缺点是在电流输送器24中的晶体管M3和M4之间的失配。该失配将导致列之间的增益误差，并且通过使用大的纵横比晶体管，在本实现中将它们最小化。通过采用使用个人计算机(PC)或者数字信号处理器(DSP)在片上实现或者片外执行的各种校准方案，可以回避该增益误差。这种片上校准技术可以使用最小化行至行的变化的浮动栅极的组合，和/或调整各个Vref电平以补偿像素至像素的变化的专用存储器与数模转换器(DAC)的组合。这两种技术可能在片上实现。而且，由于寻址开关M2和M4在像素阵列10外部，所以可以使得寻址开关M2和M4更大，因此减少跨越它们的电压降。包括每像素1.5晶体管的替代实施例
一种允许减少每像素晶体管计数的有效方案是在像素的附近共享共用的晶体管，以生成“超像素”。图4呈现了对于上文生成1.5晶体管电流模式图像传感器的2T像素实施例的扩展，其中，在四个相邻光电二极管之间共享重置晶体管(M0)和读出晶体管(M5)。转换开关晶体管M1至M4的引入允许4个光电二极管的各个接入，并且它将晶体管计数减少至每像素1.5。图5中呈现了用于操作该像素的时序图。1.5T像素的布置类似于针对图1描述的2T图像传感器，其中，图1中的每个像素被图4中呈现的“超像素”取代。一旦通过接通外围中的列开关晶体管接入了“超像素”，则通过向转换线路Tr1至Tr4加脉冲信号来顺序接通四个转换晶体管。因此，来自四个光电二极管的累积的光电流被记忆在四个不同CDS单元26中。然后，像素被重置并且从CDS单元26中减去重置电流。通过等式3来表示最后电流输出，并且它们已经消除了成像阵列中读出晶体管M1的阈值电压变化。在重置时段期间，接通了四个转换晶体管，以便重置光电二极管。通过断开转换开关晶体管M1至M4，可以在不影响各个光电二极管的情况下经由重置晶体管来控制读出晶体管的栅极电压。因此，读出晶体管的栅极电压可以被设置为低于阈值电压，以便断开像素输出。在该情形下，积分时段可以被延长至帧时间。因此，该实施例采用像素的读出晶体管的偏置电压的操控，以寻址各个像素。而且，较之先前技术的成像设备，地址晶体管的去除允许更高的线性度(linearity)以及更好的噪声性能。
本领域的技术人员将理解的是，对于漏极线路12和源极线路14的正交性要求在该实施例中可以是不严格的，因为附加转换栅极晶体管可以用作额外的寻址开关。通过转换开关晶体管Tr1至Tr4的栅极完成了各个光电二极管的寻址。换言之，在不要求漏极线路和源极线路彼此正交的条件下，可以实现x，y寻址(参见，例如，下文图6和7中的实施例)。例如，在一个示例性实施例中，正交性原则应用于控制转换晶体管Tr1等的栅极和读出晶体管M1的源极/漏极的线路。本领域的技术人员还将理解的是，用于该实施例的每像素更低数目的晶体管还允许每给定硅面积的更高分辨率和更多像素。而且，在该实施例中，如在图1的实施例中，在给定列或行中的所有漏极彼此直接连接(即，没有通过寻址开关)，和/或在给定行或列中的所有源极直接彼此连接。具有全局CDS单元的图像传感器
图6中示出了使用图4中呈现的1.5晶体管像素拓扑的电流模式图像传感器的替代实现。在该实现中，使用全局电流输送器28和全局CDS单元30，而非行平行电流输送器24和CDS单元26。在成像传感器中使用单一CDS单元30的益处加倍。第一，由于仅单一像素将其电流值输出到全局CDS单元30，所以降低了功率消耗。第二，由于全局电流输送器28实现而使得消除了列基FPN。电流输送器28的负载电容在该实施例中大得多，并且读出速度高于图4的实施例中的读出速度。由于像素由四个光电二极管构成，经由转换栅极分别接入这四个光电二极管，所以每像素的总晶体管计数是1.5个晶体管。该图像传感器的操作模式非常类似于图2和图5中呈现的时序图。在转换栅极(例如Tr1-Tr4)上的附加控制信号允许没有读出的像素具有等于0伏的栅极电压。对于这些像素，不但源极至漏极电压大约为零，而且栅极电压也等于零伏。
图6中呈现的电流模式图像传感器也可以在如图7所示的电压模式域中实现。在该架构中，将所有像素的读出晶体管M1的漏极电压连接至Vdd电势，并且将源极端子经由在成像阵列外围处的开关晶体管连接至偏置电路，诸如全局电流源(Ibias)。由于将地址/开关晶体管移到像素外部，所以经由操控栅极电压来控制像素的输出。为了断开一行或多行像素，经由重置晶体管将读出晶体管(M5)的栅极电压设置为低于阈值电压。这确保在晶体管M5的栅极下面没有形成沟道。此外，被断开的像素的列的源极线路是浮动的并且它将充电至Vdd电势。差分开关可以被实现，以便将断开像素的源极设置为Vdd电势。这将进一步最小化可能在读出线路上出现的任何子阈值泄漏电流。通过将这些像素的源极经由在该阵列的底部的开关晶体管连接至电流源Ibias，接通了一列像素。通过接通转换晶体管(M1至M4)并且有效地将积累的光电二极管电压转换到晶体管M5的栅极，接入在给定列中的感兴趣像素。由于晶体管M5在源极跟随器配置中操作，所以晶体管的源极跟踪晶体管M5的栅极。电压模式CDS单元32采样累积的光电二极管电压，并且将它从参考重置电压中减去。因此，在CDS单元32有效消除了偏移变化。图像传感器测量
已经在标准的1聚乙烯3金属CMOS 0.5μm工艺中制作了具有50乘以128像素的原型图像传感器。在图8中，测量了关于时间(即，累积的光电二极管电压)的来自像素的测量输出光电流的线性度。对于大约100μsec，在～1.8msec处重置了像素。重置电流是3.6μA，并且通过改变在图1中的重置电压Vreset或者晶体管M1的漏电压Vref可以操控重置电流。当断开重置晶体管M0时，在光电二极管节点的电荷注入被引入，并且在图8中观测它们。通过使用最小宽度的重置晶体管，这些电荷注入已经被最小化。在图8和图9中，观测到输出光电流和光电二极管电压(即，时间)之间的线性关系。
图9呈现了在33msec积分时段期间随着光电二极管放电1.1V光像素关于时间的线性度。利用其范围被设置为1.1V(即，将ADC设置成匹配输出光电流的范围)的模数转换器(ADC)，片外地数字化线性输出光电流。左侧的纵轴呈现了芯片外呈现的最终光电流。右侧的纵轴呈现了被计算为从线性拟合(即，残差)至饱和值的偏差率的非线性度。在整个积分时段期间，输出光电流的线性度在99.5％之内。弱非线性度可能是由于光电二极管电压的非线性放电、关于栅极电压(即，光电二极管电压)的像素中读出晶体管的移动性衰降，和/或由于开关晶体管的有限电阻和电流输送器的有限电阻所导致的跨越读出晶体管的非恒定Vds电压。
输出光电流的改善的线性度对于固定模式噪声系数具有直接影响。在图10中呈现了示例性图像传感器的FPN测量。图像传感器被1mW/cm2光强度均匀地照亮，并且光电二极管的积分时间在1msec和33msec之间变化。当传感器的积分时间为1msec时，测量的最差情形的未修正FPN为饱和值的2.5％每行，并且对于整个图像为3.2％。对于33msec的积分时间，未修正FPN改进为饱和值的2.3％每行，并且对于整个图像为2.7％。对于较短积分时间，FPN系数较大，这是由于偏移输入电压以及在电流输送器中的晶体管M3和M4的失配。这些因素均在列之间产生了增益误差。对于长的积分时间，较之短的积分时间，来自像素的输出电流较低。因此，对于较小的流(即，对于较长积分时间)，增益变化较不明显。当在输出光电流上执行CDS时，对于33msec的积分时间，FPN系数下降为饱和值的0.4％每行，并且对于整个图像为0.6％。对于较长积分时间，FPN系数更大，这主要是由于在重置和积分阶段期间电流输送器的输入节点的电压变化。对于较长积分时间，重置和累积的光电流之间的差异大(在图8中观测到大约3μA)，并且跨越电流输送器的输入节点的电压差(大约36μV)将在最后输出电流中引入误差。对于小的积分时间，电流输送器的输入节点实质上保持恒定，因为重置和累积的光电流之间的差非常小。因此，CDS单元有效地抵消了各个晶体管之间的阈值变化。
图11示出了从传感器记录的样本图像。图11中的图像(a)呈现了没有任何噪声抑制的原始图像。在这些图像中，观测到跨越整个图像的大的变化以及列变化。图11中的图像(b)呈现了CDS噪声抑制之后的结果图像。在噪声已修正的图像中，我们仍然可以观测到列基FPN。在单一列中的像素之间的变化在噪声已修正的图像中较为不明显。低FPN系数与输出光电流的改善的线性度密切相关。测量的图像传感器的输入参考噪声为7.5mV，并且信噪比(SNR)为43.3dB。总结
此处描述的图像传感器实施例的特征在于寻址开关被移到像素阵列10外部，并且通过将适当的偏置电压从像素阵列外部施加到读出晶体管，以在用于读出的适当时间接通或断开读出晶体管，由读出晶体管执行在像素中的地址开关的功能。当读出晶体管的栅极-源极电压Vgs大于阈值并且漏极-源极电压Vds大于零时，可以接通读出晶体管。当Vgs小于阈值或Vds＝0时，可以断开读出晶体管。
表3总结了在图8-11中呈现了其数据的两个示例性晶体管图像传感器。最大扫描速率被虚拟接地电路限定为50MHz。使用50x128(1000x1000)像素阵列，可以实现每秒25k(41)帧的帧率。饱和值的0.4％的低固定模式噪声比得上电压模式APS，并且该图像传感器可以被用作用于许多电流模式计算图像传感器的前端。该5mW系统的低功率消耗是电流模式成像系统的另一优点。
  技术   0.5μm Nwell CMOS
  晶体管数目   25K
  阵列大小   50x128
  像素大小(填充因子)   18μmx18μm(36％)
  技术   0.5μm Nwell CMOS
  芯片大小   1.5mmx3mm
  具有CDS行的FDN(整体)   饱和值电平的0.4％(0.6％)
  没有CDS行的FPN(整体)   饱和值电平的2.5％(3.2％)
  测量的输入参考噪声   7.5mV
  SNR   43.3dB
  饱和电平   3.5μA
  功率消耗   5mW
表3
虽然已经结合各个附图的优选实施例描述了本发明，但是应当理解的是，在不脱离本发明的情况下，为了执行本发明的相同功能，可以使用其他类似实施例，或者可以对所描述的实施例进行修改和添加。例如，本领域的技术人员将理解的是，此处所描述的成像传感器实施例可以用于高分辨率成像，或者作为用于其他图像处理应用的前端，诸如偏振计图像的片上提取、形状提取或运动检测图像等。另外，本领域的技术人员将理解的是，存在多种方式将每个像素中的光电二极管连接至重置晶体管并且读出。这些晶体管可以是NMOS、PMOS或任何其他组合。因此，此处所使用的漏极、源极、接地和VDD术语可以根据配置而互换。类似地，在不改变本发明的原则的情况下，此处可以参考对于行或列的引用。因此，本发明不应限于任何单一实施例，而应在根据权利要求的宽度和范围内解释本发明。

Claims (21)

1.一种图像传感器，包括：
偏置电路；以及
像素阵列，在所述像素阵列中的每个像素包括光电二极管、重置晶体管和读出晶体管，
其中，所述重置晶体管控制所述光电二极管的操作以及所述读出晶体管的栅极电压，并且
其中，所述读出晶体管被构造成提供与所述光电二极管的电压或电流输出成比例的输出，其中，在相同行或列中的每个像素的读出晶体管的漏极被直接连接在一起并且被连接至所述偏置电路，和/或在相同行或列中的每个像素的读出晶体管的源极被直接连接在一起并且被连接至所述偏置电路，所述读出晶体管的所述栅极通过所述重置晶体管连接至所述偏置电路，其中，来自所述偏置电路的电压或电流被施加到所述读出晶体管，使得当所述光电二极管的输出要被读出时接通所述读出晶体管，并且当所述光电二极管的输出不被读出时断开所述读出晶体管。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述光电二极管被连接在接地或预定电压与所述重置晶体管的源极之间，并且所述重置晶体管的漏极被连接至重置电压，或者所述光电二极管被连接在电压参考与所述重置晶体管的漏极之间，并且所述重置晶体管的源极被连接至所述重置电压。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中，所述读出晶体管的栅极被连接至所述重置晶体管的所述源极。
4.根据权利要求3所述的图像传感器，其中，在行中的每个读出晶体管的所述漏极沿平行于所述行的方向彼此直接连接，并且在列中的每个读出晶体管的源极沿垂直于所述行的方向彼此直接连接。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述偏置电路包括用于所述像素阵列的每行或列的电流输送器电路，所述电流输送器电路把其输入线路销连接至参考电压。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，其中，每个电流输送器电路包括操作放大器，所述操作放大器连接至在第一输入处的所述参考电压，并且被连接至用于所述像素阵列的行或列中的每个像素的读出晶体管的被连接的漏极或源极的所述行或列。
7.根据权利要求5所述的图像传感器，进一步包括行或列寻址开关，所述行或列寻址开关被连接至每个电流输送器电路的输出，用于选择用于读出的相应行或列。
8.根据权利要求7所述的图像传感器，进一步包括相关双采样单元，所述相关双采样单元被连接至每个所述寻址开关，用于采样和存储来自一个或多个所述像素的输入光电流。
9.根据权利要求7所述的图像传感器，进一步包括列或行寻址开关，所述列或行寻址开关被连接至用于所述像素阵列的每个列或行中每个像素的读出晶体管的被连接的源极或漏极的每列或行。
10.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述偏置电路包括用于所述像素阵列的全局电流输送器电路，所述电流输送器电路把其输入线路销连接至参考电压。
11.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述光电二极管被连接在接地或预定电压与转换开关晶体管之间，被连接至所述重置晶体管的源极或漏极，其中，所述重置晶体管的漏极或源极被连接至重置电压，并且所述重置晶体管由在所述像素阵列中的多个像素共享。
12.根据权利要求11所述的图像传感器，其中，所述读出晶体管的栅极被连接至所述重置晶体管的所述源极或者漏极，并且所述读出晶体管由所述像素阵列中的所述多个像素共享，其中，适当地偏置用于像素的所述转换开关晶体管的所述栅极把用于所述像素的所述光电二极管连接至所述读出晶体管的栅极。
13.根据权利要求12所述的图像传感器，其中，所述多个像素是4，由此每个像素使用等同的1.5个晶体管。
14.根据权利要求11所述的图像传感器，其中，在行或列中的每个像素的所述转换开关晶体管的栅极由所述像素阵列外部的寻址开关1来控制，所述寻址开关选择性地把所述行或列的所述转换开关晶体管连接至所述偏置电路，以便选择包含每个所述转换开关晶体管的像素。
15.根据权利要求14所述的图像传感器，其中，所述多个像素的重置晶体管的漏极或源极被连接至所述像素阵列的共同行或列中的其他多个像素的重置晶体管，所述被连接的重置晶体管的所述漏极或源极进一步选择性地被连接至所述偏置电路。
16.根据权利要求12所述的图像传感器，其中，在像素列或行中的每个读出晶体管的所述源极或漏极彼此连接并连接至接地或适当的电压，并且在所述像素列或行中的每个读出晶体管的漏极或源极彼此直接连接并通过寻址开关连接至所述偏置电路。
17.根据权利要求15所述的图像传感器，其中，所述偏置电路包括电流输送器，所述电流输送器将其输入线路销连接至参考电压。
18.根据权利要求17的所述图像传感器，进一步包括相关双采样单元，所述相关双采样单元被连接至所述电流输送器的输出，以采样和存储来自一个或多个所述像素的输入光电流。
19.根据权利要求12所述的图像传感器，其中，在像素列或行中的每个读出晶体管的所述漏极彼此直接连接并连接至参考电压，并且所述像素列或行中的每个读出晶体管的源极通过寻址开关被连接至所述偏置电路。
20.根据权利要求19所述的图像传感器，其中，所述偏置电路包括偏置电流源。
21.根据权利要求20所述的图像传感器，进一步包括电压模式相关双采样单元，所述电压模式相关双采样单元通过所述寻址开关被连接至所述像素列或行中的所述读出晶体管的所述源极。
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