CN101938607B

CN101938607B - 驱动cmos成像装置内主动像素的方法及电路

Info

Publication number: CN101938607B
Application number: CN200910142525.8A
Authority: CN
Inventors: 张宇轩; 米塔艾民; 林积劭
Original assignee: VIA SHANGHENGJING TECHNOLOGY CORP
Current assignee: VIA SHANGHENGJING TECHNOLOGY CORP
Priority date: 2009-06-29
Filing date: 2009-06-29
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2029-06-29
Also published as: CN101938607A

Abstract

本发明公开了一种驱动CMOS成像内主动像素的方法及电路，该电路包含至少一个光二极管、一个耦合在光二极管与浮动扩散节点之间的第一晶体管、一个耦合在浮动扩散节点与可修改驱动电压信号之间的第二晶体管以及具有栅极耦合至浮动扩散节点、源极耦合至信号输出以及漏极耦合至固定电压的第三晶体管。该方法包含重设该光二极管和该浮动扩散节点、让该光二极管暴露在光线下来累积电荷、利用将该驱动电压信号从第一电压位阶切换至第二电压位阶来选择该像素电路、从该选取的像素电路撷取参考电压以及从该选取的像素电路中撷取对应于该累积电荷的影像信号。

Description

驱动CMOS成像装置内主动像素的方法及电路

技术领域

本发明涉及互补金属氧化物半导体(CMOS，“complementary metal-oxidesemiconductor”)成像装置，尤其涉及驱动CMOS成像装置内主动像素的方法及电路。

背景技术

除非在此处另有说明，在此段落中所描述的内容并非为此发明的权利要求的先前技术，且在此段落中所包含的内容并非承认其为先前技术。

CMOS成像装置通常由主动像素的阵列所形成，可操作来用电子信号形式捕捉物体的影像。每一主动像素都具有像素电路，该电路包含光二极管，用来将光线转换成电子信号，其代表影像信号，以及显示电路，可调适成放大并撷取来自主动像素的电子信号。理想上来说，主动像素应该具有不会阻碍以有效率方式捕捉入射光的大片光二极管表面区域。不过，对于需要小外型的产品而言，像是小型数字相机，则像素大小要尽可能缩小。

缩小像素大小的实际方式为缩小显示电路的大小，并且将显示电路的部分实体结构与金属互连重叠在光二极管表面区域上。不过，这种方式导致光二极管的实际感光面积小于光二极管的表面。换言之，显示电路的大小及其结构显著影响到达光二极管的光线量。

某些典型CMOS像素电路配置包含4晶体管与3晶体管配置。在4晶体管配置当中，一个主动像素电路包含一个光二极管，用来收集产生的整合电荷来回应入射光，以及四个晶体管，通过这些晶体管可转换整合电荷来显示影像信号。在3晶体管配置当中，主动像素电路包含一个光二极管以及三个晶体管，通过这些晶体管可转换整合电荷来显示影像信号。相较于4晶体管配置，3晶体管配置提供较高的像素填充系数。不过，若要取代4晶体管配置中额外晶体管的功能，3晶体管像素电路需要一种驱动方法，其中同时将主动像素的选取行充电并且将主动像素的未选取行放电需要启用来自主动像素选取行的信号显示。在操作期间主动像素阵列频繁充电与放电的结果之下，会消耗更多电源，并且会因为电源线耦合产生非所要的噪声。

因此业界内所需的是一种可用更有效率方式驱动CMOS主动像素并且解决至少上述问题的方法及电路。

发明内容

本发明说明一种用于驱动CMOS成像装置内主动像素的方法及电路。尤其是，本发明的一个具体实施例提出一种像素电路，该电路包含至少一个光二极管、一个耦合在光二极管与浮动扩散节点之间的第一晶体管、一个耦合在浮动扩散节点与可修改驱动电压来源之间的第二晶体管以及具有栅极耦合至浮动扩散节点、源极耦合至信号输出以及漏极耦合至固定电压的第三晶体管。

在另一具体实施例内，已揭示一种成像装置。该成像装置包含：以行列方式排列的主动像素阵列；行驱动器电路，其配置成提供控制信号给每一行主动像素；以及信号输出电路，其配置成接收每一列主动像素发出的模拟信号，其中同一行内的每一主动像素具有像素电路，该电路包含：至少一光二极管；第一晶体管，其耦合在该光二极管与浮动扩散节点之间；第二晶体管，其耦合在该浮动扩散节点与共同耦合至该行内所有主动像素的驱动电压信号之间；以及第三晶体管，其具有栅极耦合至该浮动扩散节点、源极耦合至信号输出以及漏极耦合至固定电压。

仍旧在另一具体实施例内，提示一种驱动该像素电路的方法。该方法包含：重设该光二极管和该浮动扩散节点；让该光二极管暴露在光线下来累积电荷；利用将该驱动电压信号从第一电压位阶切换至第二电压位阶来选择该像素电路；从该选取的像素电路撷取参考电压；以及从该选取的像素电路中撷取对应至该累积电荷的影像信号。

此处揭示的至少一项本发明优点为提供一种像素电路的能力，该电路具有数量减少的晶体管，并且可通过简单修改像素电路所耦合的驱动电压来选择与取消选择电路以便显示信号。结果，在操作期间耗电量较少并且可减少电源线耦合所感应的不需要噪声。

附图说明

所以，可以详细了解本发明上述特征的方式中，本发明的更为特定的说明简述如上，其可通过参照到具体实施例来进行，其中一些例示于附图中。但应注意附图仅例示本发明的典型具体实施例，因此其并非要做为本发明的范围的限制，本发明自可包含其它同等有效的具体实施例。

图1为根据本发明具体实施例的CMOS成像装置像素电路的电路图；

图2A为根据本发明具体实施例用于驱动像素电路的方法步骤流程图；

图2B为说明图2A内所示方法步骤的实施用于驱动图1中像素电路的时间图；

图3为根据本发明另一具体实施例的CMOS成像装置像素电路的电路图；

图4A为根据本发明另一具体实施例用于驱动像素电路的方法步骤流程图；

图4B为说明图4A内所示方法步骤的实施用于驱动图3中像素电路的时间图；以及

图5为根据本发明具体实施例的CMOS成像装置的概念图。

具体实施方式

图1为根据本发明具体实施例的像素电路102的电路图。像素电路102包含一个光二极管104和三个晶体管，包含一个转移晶体管106、一个重设晶体管108以及一个来源追随晶体管110。任何晶体管106、108和110都可实施成为金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET，“metal-oxide-semiconductor field-effect transistor”)。转移晶体管106的源极耦合至光二极管节点PD，并且其漏极耦合至浮动扩散节点FD，该节点配置成接收通过转移晶体管106转移过来的电荷累积。重设晶体管108耦合在浮动扩散节点FD与驱动电压线V_RG之间。重设晶体管108为可操作地重设浮动扩散节点FD和光二极管104，并且控制来源追随晶体管110的栅极电压，来选择性在开启状态与关闭状态之间切换来源追随晶体管110。来源追随晶体管110具有栅极耦合至该浮动扩散节点FD、漏极耦合至固定电压V+以及源极耦合至信号输出列112。在重设晶体管108的控制之下，来源追随晶体管110可操作地选择性启用或停用像素电路102，来撷取对应至浮动扩散节点FD内所储存电荷的电信号。

参照图1，图2A为根据本发明具体实施例用于操作像素电路102的方法步骤流程图。开始在步骤202内，执行重设操作，在此操作期间，驱动电压线V_RG设定为高电压位阶并且重设晶体管108和转移晶体管106开启来重设光二极管104和浮动扩散节点FD。接着在步骤204内，驱动电压线V_RG设定为低电压位阶，如此关闭转移晶体管106以开始影像曝光周期来捕捉影像光线。在影像曝光期间，光线撞击在光二极管104上导致光电流的整合，使得电荷累积在光二极管节点PD上。然后执行步骤206-210来选择性启用从像素电路102至信号输出列112的信号显示。

明确地来说，在步骤206内，在利用将驱动电压线V_RG和重设晶体管108的栅极电压RG设定为高电压位阶来将浮动扩散节点FD转为高位阶并且启用来源追随晶体管110之后，则重设晶体管108的栅极电压RG转为低位阶来显示从重设浮动扩散节点FD至信号输出列112的参考电压。在步骤208内，当重设晶体管108的栅极电压RG为低位阶，转移晶体管104的栅极电压TG设定为高电压位阶来开启转移晶体管104，并且将累积的电荷从光二极管节点PD转移至浮动扩散节点FD。在接下来的步骤210内，在完成电荷转移并且转移晶体管104关闭之后，对应至浮动扩散节点FD上所接收电荷的影像信号电压通过开启状态下的来源追随晶体管110显示在信号输出列112上。参考电压与从信号输出列112上撷取的影像信号电压间的差异对应至光二极管104所感应的光信号。在完成影像信号显示操作之后，重复步骤202-210来捕捉并撷取下一个影像信号。

图2B为说明图2A内所述方法步骤的实施用于操作像素电路102的时间图。在时间a上，光二极管104已经根据步骤202重设。在利用将驱动电压线V_RG设定为低电压位阶并且关闭转移晶体管106来执行步骤204之后，重设像素电路102的影像曝光周期则开始于时间b。在时间c上，在驱动电压线V_RG和重设晶体管108的栅极电压RG已经设定为高位阶来启用来源追随晶体管110之后，则根据步骤206将重设晶体管108的栅极电压RG转为低位阶，来显示来自浮动扩散节点FD的参考电压。最后，在时间d上，在已经执行步骤208和210之后，从浮动扩散节点FD显示影像信号电压。

相较于传统4晶体管像素电路，上述像素电路102的某些优点包含但不受限于：减少晶体管数量、降低耗电量以及减少噪声。尤其是，像素电路102只有三个晶体管，这改善了填充系数。另外，简单修改像素电路102所耦合的单一驱动电压线V_RG，就可选取或取消选取用于信号显示的像素电路102。结果，在操作期间耗电量较少，并且减少电源线耦合噪声。

值得注意的是，虽然已经关于单一光二极管像素具体实施例来描述上列像素驱动方法，不过相同的驱动方法也适用于驱动耦合在一个共用像素电路内的多个像素。

图3为说明根据本发明具体实施例的四向共享像素电路302的电路图。像素电路302包含一个重设晶体管304和一个来源追随晶体管306，这两者耦合至四个像素区块308₁、308₂、308₃和308₄。每一像素区块308_i包含一个光二极管310_i和一个对应的转移晶体管312_i，其中i为范围从1至4的像素区块指数。每一转移晶体管312_i都具有源极连接至每一光二极管310_i相关联的光二极管节点PD_i，以及漏极连接至一个共用的浮动扩散节点FD。重设晶体管304耦合在浮动扩散节点FD与驱动电压线V_RG之间。重设晶体管304可操作地重设每一光二极管310_i，并且供应控制电压给来源追随晶体管306的栅极，来选择性在开启状态与关闭状态之间切换来源追随晶体管306。来源追随晶体管306具有栅极耦合至该浮动扩散节点FD、漏极耦合至固定电压V+以及源极耦合至信号输出列314。在重设晶体管304的控制之下，来源追随晶体管306可操作地选择性启用/停用来自每一像素区块308₁、308₂、308₃和308₄的信号显示。

参照图3，图4A为根据本发明具体实施例用于操作像素电路302的方法步骤流程图。一开始，依序执行重设操作来重设每一像素区块308_i的光二极管310_i。如此在一开始的步骤402内，针对每一选取的像素区块308_i，在当驱动电压线V_RG设定为高电压位阶并且利用设定高栅极电压RG来开启重设晶体管304时，利用提供转移晶体管312_i的栅极电压TG_i提高来重设对应的光二极管310_i，开启所选像素区块308_i的转移晶体管312_i。然后在步骤404内，驱动电压线V_RG设定为低位阶，并且利用降低转移晶体管312_i的栅极电压TG_i来关闭转移晶体管312_i，以开始像素区块308_i的影像曝光周期。在曝光期间光线撞击在像素区块308_i的光二极管310_i上导致光电流的整合，接着导致电荷累积在每一光二极管节点PD_i上。在已经重设一个像素区块之后，后续步骤406判断是否已经重设像素电路302的所有像素区块。若否，则针对每一后续像素区块308_i重复步骤402和404，直到已经重设所有像素区块的光二极管。

在所有像素区块的影像曝光已经开始，则执行步骤408-414来依序从每一像素区块308_i中选择性撷取影像信号。更明确地来说，在步骤408内，在利用将驱动电压线V_RG和重设晶体管304的栅极电压RG设定为高电压位阶来将浮动扩散节点FD转为高位阶并且启用来源追随晶体管306之后，则重设晶体管304的栅极电压RG转为低位阶来显示从重设浮动扩散节点FD至信号输出列314的参考电压。当重设晶体管304的栅极电压RG为低位阶，在步骤410内，利用提升转移晶体管312_i的栅极电压TG_i，将所选像素区块308_i的转移晶体管312_i开启，以将累积的电荷从光二极管节点PD_i转移至浮动扩散节点FD。在步骤412内，在完成电荷从所选像素区块308_i转移至浮动扩散节点FD之后，利用设定低栅极电压TG_i将转移晶体管312_i关闭，接着撷取信号输出列314上的影像信号电压。在步骤414内，重设晶体管304的栅极电压RG接着转为高位阶并且V_RG转为低位阶，来重设浮动扩散节点FD。在重设浮动扩散节点FD之后，后续步骤416判断是否已经处理所有像素区块来撷取影像信号。若否，则重复步骤408-414直到已经处理所有像素区块。一旦已经完成所有像素区块的影像信号显示，则重复步骤402-414来捕捉下一个影像信号。

图4B为说明图4A内所述方法步骤的实施用于操作图3的像素电路302的时间图。在时间a’与b’之间，利用重复执行步骤402和404依序重设光二极管310₁、310₂、310₃、310₄。在时间c上，在驱动电压线V_RG和重设晶体管304的栅极电压RG已经设定为高位阶来启用来源追随晶体管306之后，则接着根据步骤408所提出地将重设晶体管108的栅极电压RG转为低位阶，来显示来自浮动扩散节点FD的参考电压。在时间d’上，在已经开启转移晶体管312₁用于电荷转移，并于完成之后关闭后，接着根据步骤410和412从所选像素区块308₁的光二极管PD₁撷取影像信号电压。应该注意，虽然已开启转移晶体管312₁来将影像信号从所选像素区块308₁转移至浮动扩散节点FD，不过像素电路302的所有其他未选取像素区块的转移晶体管仍旧关闭。在时间e’上，利用根据步骤414将重设晶体管304的栅极电压RG转成高位阶并且转低V_RG，来重设浮动扩散节点FD。然后重复步骤408-414，在时间f’与g’之间，接着处理像素区块308₂；在时间h’与i’之间，处理像素区块308₃以及在时间j’与k’之间，处理像素区块308₄。

利用提供其中多个像素区块分享一个共用重设晶体管与来源追随晶体管的像素电路，可减少每一像素区块的有效晶体管数量。为了说明，图1内说明的范例中一个像素具有三个晶体管。相较之下，图3的范例具有四个像素区块总共六个晶体管，即每像素的有效晶体管数量为1.5。因此，相较于图1的具体实施例，图3的具体实施例具有提高的像素填充系数。虽然图3说明的具体实施例描述具有四个像素区块的像素电路，本领域技术人员将可轻易了解，在像素电路内可耦合更多或更少像素区块。

图5为调适来实施本发明一或多态样的CMOS成像装置500的概念图。CMOS成像装置500包含以n行与m列排列而成的主动像素感应器510的二维阵列。每一主动像素感应器510都具有像素电路，该电路包含一或多个光二极管、与每一光二极管相关联的转移晶体管、一个重设晶体管以及一个来源追随晶体管。每一主动像素感应器510的合适像素电路范例包含之前描述的像素电路102或像素电路302。行驱动器电路514将一组共用控制信号供应给每一行主动像素感应器510。提供给每一行j的控制信号包含一个供应给行j内所耦合每一重设晶体管的漏极的驱动电压V_RGj、一个供应给行j内每一重设晶体管的栅极的控制电压RG_j以及分别提供给行j的每一主动像素感应器510内每一转移晶体管的栅极的一或多电压TG_j，x，其中j为范围从1到行n总数的行指数，并且x为范围从1到每一主动像素感应器510内所提供转移晶体管总数的指数。列取样与维持电路518配置成接收分别从主动像素感应器510的每一列显示出来的参考电压和影像信号。然后可程式编辑增益放大器(PGA，“programmable gain amplifier”)/模数转换器(ADC，“analog-to-digital converter”)522将这些电压信号放大，并将其转换成数字型态来存储在存储器装置(图中未示出)内。

如上面所述，所提供的方法及电路利用将重设晶体管的漏极耦合至驱动电压信号，而将来源追随晶体管的漏极耦合至固定电压，独立于相邻像素行，来选择主动像素的每一行。结果，可降低耗电量与耦合噪声。

以上的说明例示了本发明的多种具体实施例，以及如何实施本发明的态样的范例。上面的范例、具体实施例、指令语意以及附图都不应该看待为唯一的具体实施例，而是用来说明下列权利要求所定义的本发明弹性与优点。

Claims

1.一种像素电路，包含：

至少一光二极管；

第一晶体管，其耦合在所述光二极管与浮动扩散节点之间；

第二晶体管，其耦合在所述浮动扩散节点与可修改的驱动电压之间；以及

第三晶体管，其具有第三晶体管栅极耦合至所述浮动扩散节点、第三晶体管源极耦合至信号输出以及第三晶体管漏极耦合至固定电压。

2.如权利要求1所述的像素电路，其中，所述第一、第二和第三晶体管任一都为金属氧化物半导体场效晶体管。

3.如权利要求1所述的像素电路，还包含多个光二极管。

4.如权利要求3所述的像素电路，其中，所述多个光二极管共同连接至所述浮动扩散节点。

5.如权利要求1所述的像素电路，其中，所述第二晶体管具有第二晶体管漏极耦合至所述可修改的驱动电压，以及第二晶体管源极耦合至所述浮动扩散节点。

6.如权利要求1所述的像素电路，其中，所述可修改的驱动电压在高电压位阶与低电压位阶之间切换，以选择或取消选择所述像素电路。

7.一种成像装置，其包含：

以行列方式排列的主动像素阵列；

行驱动器电路，其配置成提供控制信号给每一行主动像素；以及

信号输出电路，其配置成接收每一列主动像素发出的模拟信号，其中，在一相同行内的每一主动像素具有像素电路，其包含：

至少一光二极管；

第一晶体管，其耦合在所述光二极管与浮动扩散节点之间；

第二晶体管，其耦合在所述浮动扩散节点与共同耦合至所述行内所有主动像素的驱动电压信号之间；以及

第三晶体管，其具有栅极耦合至所述浮动扩散节点、源极耦合至信号输出以及漏极耦合至固定电压。

8.如权利要求7所述的成像装置，其中，所述第一、第二和第三晶体管任一都为金属氧化物半导体场效晶体管。

9.如权利要求7所述的成像装置，其中，所述像素电路还包含多个光二极管。

10.如权利要求9所述的成像装置，其中，所述像素电路的所述多个光二极管共同连接至所述浮动扩散节点。

11.如权利要求7所述的成像装置，其中，所述第二晶体管具有第二晶体管漏极耦合至所述驱动电压信号，以及第二晶体管源极耦合至所述浮动扩散节点。

12.如权利要求7所述的成像装置，其中，每一驱动电压信号在高电压位阶与低电压位阶之间切换，来选择或取消对应行的主动像素。

13.一种用于驱动成像装置的像素电路的方法，所述像素电路包含至少一光二极管、耦合在所述光二极管与浮动扩散节点之间的第一晶体管、耦合在所述浮动扩散节点与驱动电压信号之间的第二晶体管以及具有栅极耦合至所述浮动扩散节点和源极耦合至信号输出的第三晶体管，所述方法包含：

重设所述光二极管和所述浮动扩散节点；

让所述光二极管暴露在光线下来累积电荷；

利用将所述驱动电压信号从第一电压位阶切换至第二电压位阶来选择所述像素电路；

从所选取的像素电路撷取参考电压；以及

从所选取的像素电路中撷取对应至所述累积电荷的影像信号。

14.如权利要求13所述的方法，还包含在所述像素电路操作期间连续供应固定电压至所述第三晶体管的漏极。

15.如权利要求13所述的方法，其中，所述第一电压位阶低于所述第二电压位阶。

16.如权利要求15所述的方法，其中，重设所述光二极管和所述浮动扩散节点还包含；

将所述驱动电压信号从所述第一电压位阶切换至所述第二电压位阶；以及

开启所述第一晶体管。

17.如权利要求15所述的方法，其中，从所选取的像素电路撷取所述参考电压还包含：

将所述第一晶体管维持在关闭状态；

将所述驱动电压信号从所述第一电压位阶提升至所述第二电压位阶；以及

在所述驱动电压信号已经提升至所述第二电压位阶之后，将所述第二晶体管的栅极电压从第三电压位阶降低至第四电压位阶。

18.如权利要求15所述的方法，其中，从所述像素电路撷取对应至所述累积电荷的所述影像信号包含：

将所述第二晶体管的栅极电压从第三电压位阶降低至第四电压位阶；以及

开启所述第一晶体管来将所述累积电荷从所述光二极管转移至所述浮动扩散节点。

19.如权利要求18所述的方法，其中，从所述像素电路撷取对应至所述累积电荷的所述影像信号还包含：

关闭所述第一晶体管；以及

显示在所述浮动扩散节点上所接收对应至所述累积电荷的所述影像信号。