CN106101587A - 可减少随机电讯信号噪音的cmos图像传感器和相关方法 - Google Patents

Abstract

一种可减少随机电讯信号(RTS)噪音的CMOS图像传感器，包括：像素及电连接到像素的相关的双采样(CDS)电路。该CDS电路具有包括参考采样周期和图像数据采样周期的CDS周期。图像传感器也包括位线，位线连接开关，及位线开关控制器。该位线连接开关在像素和连接到像素的读取电路之间；该位线传送转移闸极信号以作为位线信号，该位线信号在参考采样周期和图像数据采样周期之间的整个第一时间期间内具有非零的值；该位线开关控制器电连接到位线连接开关且被配置用于控制位线连接开关，使得位线连接开关在除了包括第一时间期间的连续的打开期间之外的整个CDS期间被关闭。

Description

可减少随机电讯信号噪音的CMOS图像传感器和相关方法

技术领域

本发明涉及图像传感器技术领域，特别地涉及一种可减少随机电讯信号噪音的CMOS图像传感器和相关方法。

背景技术

互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器普遍存在于相机的产品，如移动装置、汽车、医疗装置和视频监控装置等之中。CMOS图像传感器包括分别的N×M行和列的像素阵列，其中每一个像素会将通过照相机透镜而照在其上的光转换成数字信号，数字信号再被转换成显示的图像和/或包含图像数据档案的一部分。

每一个像素包括光电二极管，其是可能将伪影引入图像数据的光电二极管重设噪音的来源。CMOS图像传感器可包括相关的双采样(CDS)电路，以减少或消除这种噪音。CDS电路，正如其名称所暗示的，每一个采样周期会采样二次来自像素的输出：(i)在重设晶体管重设光电二极管电压之后所获取的参考样本，和(ii)在转移闸被脉冲后所获取的图像数据样本，这会导致累积在光电二极管的集成信号电荷。从图像数据样本减去参考样本可移除图像数据样本中的重设噪音。

若没有显著的光电二极管重设噪音，则随机电讯信号(RTS)噪音是显著的噪音来源。各个像素中的源极耦随器晶体管是RTS噪音的一个来源，其在数字信号表现形态上表现为低光照条件下的闪烁显示像素。RTS噪音的第二个来源是对应于CMOS图像传感器的每一个像素列的列读出电路，其在本文中被称为列的RTS噪音或偏压的RTS噪音。

发明内容

本文所公开的实施例阐明具有一种可减少偏压RTS噪音的列读取时序的CMOS图像传感器。

一种可减少随机电讯信号噪音的CMOS图像传感器被揭露。所述图像传感器包括像素和电连接到像素的相关的双采样(CDS)电路，CDS电路的特征是其具有一个CDS周期，该CDS周期包括参考采样周期和图像数据采样周期。图像传感器还包括位线，位于像素和连接到像素的读取电路之间的位线连接开关，以及位线开关控制器。位线在参考采样周期和图像数据采样周期之间的整个第一时间的期间时，传送转移闸极信号作为具有非零值的位线信号。位线开关控制器被电连接到位线连接开关且被配置用于控制位线连接开关，使得位线连接开关在除了一个包括第一时间期间的连续的开放期间之外的整个CDS期间被关闭。

一种用于减少CMOS图像传感器的RTS噪音的方法也被揭露。该方法包括在第一时刻开启位线的位线连接开关，其选择性地连接像素和读取电路。第一时刻发生于在位线信号开关开启时的第二瞬时之前，且在相关的双采样(CDS)参考样本结束之后。该方法还包括在第五时刻关闭位线连接开关。第五时刻发生于在位线信号结束时的第四时刻之后且在CDS成像数据样本开始时的第六时刻之前。

附图说明

图1显示一个实施例中的减小的RTS噪音的CMOS图像传感器。

图2是在一个实施例中，以进一步的示例性细节显示图1的减小的RTS噪音的CMOS图像传感器的像素阵列，及显示其列的读取电路。

图3是在一个实施例中，图1的减小的RTS噪音的CMOS图像传感器的像素内的组件的电路图。

图4是在一个实施例中，用来说明图1的减小的RTS噪音的CMOS图像传感器的列的读取电路的CDS运作的时序图。

图5是显示在一个实施例中，用来减少CMOS图像传感器的RTS噪音的方法的流程图。

具体实施方式

图1显示一个实施例中的减小的RTS噪音的CMOS图像传感器100，其包括具有多个像素110的像素阵列105，每一个像素是像素列和像素行111的一部分。CMOS图像传感器100是由控制器135所操作，控制器135控制从像素阵列105中选择要被读取的像素。行中的所有像素同时被发现且并行地被列读取电路115读取。公共行的像素响应来自控制器135的控制信号而被行选择器电路120所选择并被激活。应当理解到，每一个像素的尺寸，包括大小、形状和给定阵列中的像素的数目仅用于说明目的，而并非用于对范围的限制，除非另有说明。

在CMOS图像传感器100的一个实施例中，每一个像素列111包括CDS电路。这样的电路被说明于，例如，M.Bigas等人所发表的“CMOS图像传感器的评论”，Microelectr.J.37(2006)433-451，和其中的参考文献。行选择器电路120将转移闸极信号TX施加到所选择的像素行以激活被选择的行中的像素。响应来自控制器135的控制信号，列读取电路115在图像数据采样周期时从所选择的行中的像素读取像素的输出信号。

当转移闸极信号TX到达列读取电路115时会产生RTS噪音。这样的RTS噪音在本文中被称为列向的RTS噪音或偏压的RTS噪音。偏压的RTS噪音在黑暗或光线不足的设置中可在图像中见到暗淡的垂直白线，其对应于具有呈现RTS噪音的读取电路的像素列。如下面所讨论的，位线连接开关133位于相应的像素列111和列读取电路115之间。各个位线连接开关133具有计时属性(显示于图4和相关的内容中)，使得转移闸极信号TX不能到达列读取电路115，其导致减少的偏压RTS噪音。

位线开关控制器134以控制信号S1控制各个位线连接开关133。位线开关控制器134可以包括微处理器。位线开关控制器134的作用可以被并入例如控制器135、行选择器电路120或减少的RTS噪音的CMOS图像传感器100的其它部分中。

各个像素列111电连接到列读取电路115的相应的列读取电路116。列读取电路116依次被连接到像素输出级125。像素输出级125将列读取电路115所读取的电荷转换成数字图像样本。然后样本经处理器130进行处理，以产生数字图像输出140，其包括来自偏压的RTS噪音的在低光成像条件下最明显可见的图像的伪影。

图2以进一步的示例性细节显示像素阵列105及列读取电路115。像素阵列105包括布置在N个像素列111(1)至111(N)中的像素110。列读取电路115包括各自连接到一个相应的像素列111(1)至111(N)的列读取电路116(1)至116(N)。列读取电路116(1)至116(N)包括相应的列放大器205(1)至205(N)，其用于放大来自位线206(1)至206(N)中的像素110(1)至110(N)的相应的电信号。列读取电路116也包括相应的用于读取放大电荷的采样和保持电路220(1)至220(N)。各个采样和保持电路220可以包括列的模拟-数字转换器(ADC)222，并且能够关联到双采样。位线206，也被称为“列线”是传导线，所有给定列的像素被连接到其上且信号输出从其中经由各个像素被读取。位于各个相应的像素列111和其相应的列读取电路116之间的位线连接开关133将各个位线206选择性地连接到其相应的列读取电路116。

典型的像素110可使用光检测器，其具有接着4-晶体管(“4T”)的配置，如图3所示。像素110包括光电二极管315，其接着转移晶体管311，重设晶体管312，源极耦随器晶体管313，和行选择晶体管314。光探测器(光电二极管)315将入射其上的光转换成电荷。当转移晶体管311被转移闸极控制信号TX激活时，电荷经由转移晶体管311被浮动扩散区域316接收。重设晶体管312被连接在浮动扩散区域316和电源电压线335之间。重设控制信号“RST”被用来激活重设晶体管312，以便在传输来自光电二极管315的电荷之前，将浮动扩散区域316重设到电源电压线335的电源电压V_S。代替图3的4T配置，像素110可以使用不同的晶体管配置，如3-晶体管、5-晶体管或6-晶体管而不脱离本发明的范围。

源极耦随器晶体管313被连接到在电源电压线335和行选择晶体管314之间的浮动扩散区域316。源极耦随器晶体管313将存储在浮动扩散区域316的电荷转换成位线信号371。行选择晶体管314被行选择信号“RS”所控制，用来选择性地将源极耦随器晶体管313和其位线信号371连接到位线206，其被连接到包括在列读取电路115中的一个列读取电路116。

在光电二极管315未接收到入射光的成像的情况下，位线信号371是转移闸极信号TX的失真版本。转移闸极信号TX的失真可来自像素110的电路组件的特性，如在转移晶体管311的点TX1和TX2(图3)之间的寄生电容等。如果位线连接开关133在位线信号371到达时被关闭，则位线信号371会“泄漏”到列读取电路116和其中的ADC222。ADC222包括装置捕集器。由于位线信号371所增加的电压会增加装置捕集器的静电位，其将增加捕捉电子的可能性，因此，会产生来自列ADC222的RTS噪音。

图4是时序图，用来说明在黑暗的环境中的减小的RTS噪音的CMOS图像传感器100的一个列读取电路116的CDS的运作。时序图400说明在一个CDS期间490的CDS，CDS期间490包括参考样本周期404和由采样时序402所示的图像数据采样周期406。样本周期404和406分别对应于黑参考值和图像数据值的测量。转移闸极信号TX和位线信号371发生在相邻的样本周期404和406之间，其中参考样本周期404在图像数据采样周期406之前。开关时序433代表控制信号S1并说明了位线连接开关133的时序。

行选择晶体管时序414显示行选择晶体管314，如图3所示的状态。行选择晶体管314在相关的双采样周期490时被关闭。行选择晶体管时序414对应于，例如，描述在给Mao等人的美国专利8294077号的行选择晶体管的时序，其缺少位线连接开关133。因为行选择晶体管314在位线信号371是非零值时被打开，故位线信号371到达列读取电路116且产生偏压的RTS噪音。具有开关时序433的位线连接开关133，经由阻止位线信号371到达列读取电路116到达列读出电路116，来移除这种偏压的RTS噪音。其结果是，只有未偏压的RTS噪音保留。

在时序图400中，转移闸极信号TX在时间t₂和t₃之间被打开且位线信号371在时间t₂和t₄之间是非零值。转移闸极信号TX关闭转移晶体管311，使得累积在光电二极管315的电荷移向浮动扩散区316。位线连接开关133，除了在时间t₁和t₅之间的持续时间T₅₁之外，在CDS周期490时被关闭。持续时间T₂₁＝t₂-t₁可以被认为是位线连接开关133的建立时间，使得位线连接开关133在位线信号371到达它时是稳定不变的打开状态，从而防止位线信号371到达列读取电路116。持续时间T21可等于零而不脱离本发明的范围。持续时间T54＝t₅-t₄可被视为位线连接开关133的保持时间，使得位线连接开关133在位线信号371在时间t₄返回到零时，是稳定不变的关闭(传送)状态。持续时间T54可等于零而不脱离本发明的范围。

在转移栅极信号TX和位线信号371分别在持续时间T32和T42为非零值时，偏压RTS噪音可能会导致更多的伪影，其中T32＝t3-t2和T42＝t₄-t₂。持续时间T43决定于浮动扩散区域316的固有电容CFD，源极–耦随器和位线电路的寄生电容CTX和RC时间常数τ。位线信号371具有显示于方程式1的浮动扩散电压VFD。

$V_{FD}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔV}}^{\′}(1-e^{-(t-t_2)/\mathrm{\τ}}),t_2\≤t\≤t_3\\ {\mathrm{\ΔV}}^{\′}{e}^{-(t-t_3)/\mathrm{\τ}},t_3\≤t\≤t_4\end{array}\right.,---\left(1\right)$

在方程式1中，在时间t＝t₄时,位线信号371返回到电压V_FD(t₄)＝ΔV′/α，其中常数α为正值。若设定ΔV′/α为V_FD(t₄)，依据方程式1，T₄₃＝τlnα.常数α可以足够大，使得V_FD(t₄)比起其它可量测的量如ΔV′是可忽略的(近乎零)。

偏压的RTS噪音可以在所得图像中引起更多的伪影，因为它会改变像素值的直方图的平均值，使得直方图会歪斜朝向超过中值像素值的像素值。相比之下，未偏压的RTS噪音所表现的直方图，大约对称于其平均像素值，使得图像伪影不太明显。偏压的RTS噪音在图像中会产生统计学上不平衡数目的白色和黑色点，而，未偏压的RTS噪音在图像中会产生统计学上平衡数目的白色和黑色点。在所有其它的因素都一样的条件下，未偏压的RTS噪音比偏压的RTS噪音产生较少的图像伪影。

图5是显示用来减少CMOS图像传感器的RTS噪音的方法500的流程图。在步骤502中，方法500在第一时刻打开选择性地连接像素和读取电路的位线的位线连接开关，该第一时刻出现在双采样(CDS)的参考采样结束之后且在位线信号开关接通时的第二时刻之前；在步骤502的一个例子中，位线连接开关133在转移闸极信号开始时被打开，其发生于时刻t₀之后且在时刻t₂之前，如图4所示。转移闸极信号TX在时间t₃发生的第三时刻结束。

在步骤504中，方法500在第五时刻关闭位线连接开关，该第五时刻出现在位线信号结束时的第四时刻之后，且在CDS成像数据采样开始时的第六时刻之前。在步骤504的一个例子中，位线连接开关133在时间t5时被关闭，其发生于时间t4之后且在时刻t6之前。

方法500，位线连接开关除了在第一时刻和第五时刻之间之外，在CDS期间的任何时候均保持于关闭状态。例如，位线连接开关133除了在时间t1和时间t5之间之外，在CDS期间490的任何时候都保持在闭合状态(关闭的电路状态)。

方法500在第一时刻和第五时刻之间的任何时候，位线连接开关均保持于打开状态(开启的电路状态)。例如，位线连接开关133在时间t1和时间t5之间的任何时候都保持在开启状态。

在方法500的实施例中，在CDS期间时，如图4所示，步骤502和504分别是位线连接开关被打开和被关开的唯一的时间。

特征的组合。

如上所述的特征以及下面的权利要求可以以各种方式来组合而不脱离本发明的范围。下面的例子说明了一些可能的，非限制性的组合：

(A1)一种可减少随机电讯信号(RTS)噪音的CMOS图像传感器，其包括像素及电连接到像素的相关的双采样(CDS)电路，CDS电路具有包括参考采样周期和图像数据采样周期的CDS周期；图像传感器也包括位线，位于像素和连接到像素的读取电路之间的位线连接开关，和位线开关控制器。位线传送转移闸极信号以作为位线信号，该位线信号在参考采样周期和图像数据采样周期之间的整个第一时间期间内具有非零的值。位线开关控制器电连接到位线连接开关且被配置用于控制位线连接开关，使得位线连接开关在整个CDS期间除了一个包括第一时间期间的连续的开启期间之外均被关闭。

(A2)，如(A1)所述的图像传感器，其中，位线连接开关可具有开关时序，该开关时序具有每CDS期间恰好有两个转变。

(A3)，如(A1)及(A2)的任一项所述的图像传感器，其中，位线信号具有大于转移闸极信号的持续时间的持续时间。

(A4)，如(A1)至(A3)的任一项所述的图像传感器，其中，转移闸极信号可具有完全在参考采样和图像数据采样之间的持续时间。

(A5)，如(A1)至(A4)的任一项所述的图像传感器，其中，像素是形成像素阵列的多个像素列之一的一部分，且读取电路可以是电连接到多个像素列之一的列读取电路。

(B1)，一种用于减少CMOS图像传感器中的RTS噪音的方法，其包括：

在第一时刻打开选择性地连接像素和读取电路的位线的位线连接开关，该第一时刻出现在位线信号开关接通时的第二时刻之前且在相关的双采样(CDS)的参考采样结束之后。该方法也包括在第五时刻关闭位线连接开关，该第五时刻出现在位线信号结束时的第四时刻之后，且在CDS成像数据采样开始时的第六时刻之前。

(B2)，如(B1)所述的方法，其中，还包括在CDS期间除了在第一时刻和第五时刻之间之外的所有时间，位线连接开关均保持在关闭状态的步骤。

(B3)，如(B1)及(B2)的任一项所述的方法，其中，还包括在第一时刻和第五时刻之间的所有时间，位线连接开关均保持在打开状态。

上述方法和系统可以被施行改变而不脱离本发明的范围。因此应当指出，包含在上述说明或显示在附图中的事项应当被解释为说明性的而不是限制性的意义。下面的权利要求旨在涵盖本文中所描述的所有一般的和特别的特征，以及本发明的方法和系统的范围的所有陈述，其中，只是因为语言的关系，可以说它们都落入其间。

Claims (8)

1.一种用于减少随机电讯信号(RTS)噪音的CMOS图像传感器，包括：

像素；

相关的双采样(CDS)电路，电连接到所述像素，且具有包括参考采样周期和图像数据采样周期的CDS周期；

位线，传送转移闸极信号以作为位线信号，所述位线信号在完全在所述参考采样周期和所述图像数据采样周期之间的第一时间期间内具有非零的值；

位线连接开关，位于所述像素和连接到所述像素的读取电路之间；和

位线开关控制器，电连接到所述位线连接开关且被配置用于控制所述位线连接开关，使得所述位线连接开关在整个CDS期间除了包括所述第一时间期间的单一连续开放期间之外而被关闭。

2.如权利要求1所述的图像传感器，其中，所述位线连接开关具有开关时序，所述开关时序在每个CDS期间具有恰好两个转换。

3.如权利要求1所述的图像传感器，其中，所述位线信号具有大于所述转移闸极信号的持续时间的持续时间。

4.如权利要求1所述的图像传感器，其中，所述转移闸极信号具有完全在所述参考采样周期和所述图像数据采样周期之间的持续时间。

5.如权利要求1所述的图像传感器，其中，所述像素是形成像素阵列的多个像素列中的一个的一部分，所述读取电路是电连接到所述多个像素列中的一个的列读取电路。

6.一种用于减少CMOS图像传感器中的随机电讯信号(RTS)噪音的方法，包括：

在第一时刻，将选择性地连接像素和读取电路的位线的位线连接开关打开，所述第一时刻出现在位线信号开关接通时的第二时刻之前，且在相关的双采样(CDS)的参考采样关闭之后；和

在第五时刻，关闭所述位线连接开关，所述第五时刻出现在所述位线信号结束时的第四时刻之后，且在CDS成像数据采样开始时的第六时刻之前。

7.如权利要求6所述的方法，还包括：

在双采样期间，在所述第一时刻和所述第五时刻之间的所有时间之外的时间，所述位线连接开关均保持在关闭状态。

8.如权利要求6所述的方法，还包括：

在所述第一时刻和所述第五时刻之间的所有时间，所述位线连接开关均保持在打开状态。