CN107087124B - 图像传感器以及用于驱动图像传感器的单位像素的方法 - Google Patents

Abstract

一种驱动单位像素的方法可以包括：在光电二极管复位时段的第一区段期间，在复位信号的激活之前激活传输信号以增强单位像素的浮置扩散节点；以及在光电二极管复位时段的第二区段期间，使用硬复位来激活复位信号。

Description

图像传感器以及用于驱动图像传感器的单位像素的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年2月12日提交的申请号为10-2016-0016043的韩国专利申请的优先权，其通过引用整体合并于此。

技术领域

本发明的示例性实施例总体而言涉及一种图像传感器，诸如互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，以及更具体地涉及一种CMOS图像传感器以及用于驱动图像传感器的单位像素的方法。

背景技术

通常，CMOS图像传感器的单位像素包括光电二极管、传输晶体管、复位晶体管、驱动晶体管和选择晶体管。在单位像素中，由光电二极管所产生的光电荷经由传输晶体管传输到为驱动晶体管(即源极跟随晶体管)的输入节点(即栅极端子)的浮置扩散节点。即像素信号(即驱动晶体管的输出电压)通过浮置扩散节点的电压来驱动。

随着单位像素的尺寸减小，钉扎电压增加以保证适当的动态范围特性。因此，在使用硬复位的情况下，在光电二极管复位时段中，光电二极管的复位电平和浮置扩散节点的复位电平之间的差减小，并可能导致滞后现象。

为了防止这种滞后现象，建议采用软复位。然而，软复位可能导致在读出操作期间可能发生相当大的复位电平变化。

发明内容

本发明的各种实施例涉及一种能够通过使用硬复位与增强浮置扩散节点来在很大程度上减少或去除复位电平变化和滞后现象的图像传感器，以及用于驱动在图像传感器中包括的单位像素的方法。

本发明的各种实施例涉及一种能够通过适时地使用软复位和硬复位来去除复位电平变化和滞后现象的操作单位像素的方法，以及使用该方法的图像传感器。

在本发明的各种实施例中，在额外的时间裕度不恶化的情况下，可以通过使用硬复位和改变像素控制信号的上升时间来去除滞后现象和复位电平变化。

即，根据本发明的实施例，通过在激活复位信号之前使用传输信号激活来增强浮置扩散节点、减小浮置扩散节点的电势以及增加光电二极管和浮置扩散节点之间的电势差来去除滞后现象。此外，通过使用硬复位来去除作为软复位的缺点的复位电压水平变化。因此，通过滞后现象和复位电压水平变化导致的图像质量的恶化可以得到改善。

在本发明的一个实施例中，驱动单位像素的方法可以包括：在光电二极管(PD)复位时段的第一区段期间，在复位信号的激活之前激活传输信号以增强单位像素的浮置扩散节点；以及在光电二极管复位时段的第二区段期间，使用硬复位来激活复位信号。

在本发明的一个实施例中，驱动单位像素的方法可以包括：通过第一电源电压来激活复位信号；在保持复位信号的状态的情况下激活传输信号以增强单位像素的浮置扩散节点；以及当传输信号被激活以后过了预定时间时，通过比第一电源电压高的第二电源电压来改变复位信号的状态。

在本发明的一个实施例中，图像传感器可以包括：单位像素，适用于产生与入射光相对应的像素信号；电源电压供应单元，适用于供应比在单元像素中使用的第一电源电压高的第二电源电压；以及复位电压选择单元，适用于在光电二极管复位时段期间，基于复位控制信号而将第一电源电压或第二电源电压作为复位信号的复位电压选择性地提供给单位像素。

附图说明

通过参考附图详细地描述其各种实施例，本发明的上述和其它特征及优点对于本发明所属的本领域技术人员将更加明显。

图1是图示传统单位像素的电路图。

图2A到图2D是描述在光电二极管复位时段中传统单位像素的操作的示图。

图3是描述根据本发明的一个实施例的在光电二极管复位时段中单位像素的操作的时序图。

图4是描述根据本发明的一个实施例的在光电二极管复位时段中单位像素的操作的时序图。

图5是图示根据本发明的一个实施例的图像传感器的方框图。

图6是用于描述图5中示出的图像传感器的操作的时序图。

图7是图示根据本发明的一个实施例的CMOS图像传感器的方框图。

具体实施方式

下面将参照附图来更详细地描述本发明的各种实施例。然而，本发明可以以不同的形式来实施，而不应当被解释为局限于本文中所阐述的实施例。相反地，这些实施例被提供以使得本公开将彻底且完整，并且将本发明充分地传达给本领域技术人员。贯穿本公开，相同的附图标记在本发明的各种附图和实施例中始终指代相同的部分。

贯穿本说明书，当一元件被称作“耦接”至另一元件时，其不仅表示所述元件彼此“直接耦接”，也可以表示在另一元件介于其间的情况下，所述元件彼此“电耦接”。

将理解的是，虽然在本文中可以使用术语“第一”、“第二”和“第三”等来描述各种元件，但这些元件不受这些术语的限制。这些术语是用来将一个元件与另一元件区分开。因此，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，下面描述的第一元件也可以被称作第二元件或第三元件。

附图不需要按照比例，在某些情况下，为了清楚地图示实施例的特征，比例可以被夸大。

本文中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而非意在限制本发明。如本文中所用，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式意在也包括复数形式。

还将理解的是，术语“包含”、“包含有”、“包括”和“包括有”在本说明书中使用时，表示所述元件的存在，但不排除一个或更多个其它元件的存在或添加。如本文中所用，术语“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任意组合和所有组合。

除非另外定义，否则，基于本公开，本文中所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域技术人员通常所理解的意思相同的意思。还将理解的是，诸如在通用词典中定义的术语应当被解释为具有与本公开和相关领域的背景中的意思一致的意思，而将不以理想化或过于形式化的意义来解释，除非本文中明确如此定义。

在下面的描述中，阐述了大量具体细节以提供对本发明的透彻理解。可以在无这些具体细节中的一些或全部的情况下实施本发明。在其他情况下，未详细描述公知的工艺结构和/或工艺，以免必要地混淆本发明。

还应注意，在某些情况下，对于相关领域的技术人员明显的是，关于一个实施例描述的特征或元件可以单独使用或者与另一实施例的其它特征或元件组合使用，除非另外具体说明。

在下文中，将参考附图详细地描述本发明的各种实施例。

首先，在下面的描述中，软复位意味着在光电二极管复位时段中，第一电源电压VDD(即漏极电压)被施加到复位晶体管的栅极端子。硬复位意味着在光电二极管复位时段中，第二电源电压VPP被施加到复位晶体管的栅极端子，第二电源电压VPP具有比第一电源电压VDD高的电压水平。

图1是图示传统单位像素的电路图。

参考图1，单位像素10包括光电二极管PD、传输晶体管M1、复位晶体管M2、驱动晶体管M3以及选择晶体管M4。

光电二极管PD执行将入射光转换成光电荷的光电转换功能。

传输晶体管M1响应于施加到其栅极端子的传输信号TX而将由光电二极管PD产生的光电荷传输到耦接至传输晶体管M1的其它端子的浮置扩散节点FD。

复位晶体管M2响应于施加到其栅极端子的复位信号RX而用漏极电压VDD使浮置扩散节点FD复位。在此，漏极电压VDD可以是浮置扩散节点FD的初始电压。

驱动晶体管(即源极跟随晶体管)M3耦接至漏极电压VDD。驱动晶体管M3产生与耦接至其栅极端子的浮置扩散节点FD上累积的电荷相对应的电信号。

选择晶体管M4响应于施加到其栅极端子的选择信号SX，将通过驱动晶体管M3驱动的电信号作为像素信号VPIXEL输出。

在此，浮置扩散节点FD是共同耦接至传输晶体管M1和复位晶体管M2的扩散区。由于与图像信号或初始电压相对应的电荷被累积在浮置扩散节点FD上，所以浮置扩散节点FD可以被模式化为电容器C1。

在此，与漏极电压VDD(即初始电压)相对应的电荷被累积在浮置扩散节点FD上，所述漏极电压VDD驱动复位晶体管M2。即，复位晶体管M2导通并初始化浮置扩散节点FD。然后，传输晶体管M1导通且与图像信号(即入射光)相对应的电荷从光电二极管PD传输到浮置扩散节点FD。

图2A到图2D描述在光电二极管复位时段中图1示出的单位像素的操作。更具体地，图2A和图2B示出在光电二极管复位时段中使用硬复位的时序以及电势水平。图2C和图2D示出在光电二极管复位时段中使用软复位情况下的时序以及电势水平。

通常，随着单位像素的尺寸减小，钉扎电压增加以保证动态范围特性。

如在图2A所示，当在光电二极管复位时段中在传输信号上升(即传输信号激活)之前使用硬复位和执行复位信号上升(即复位信号激活)时，由于在光电二极管PD复位时光电二极管PD的电势降低，所以在光电二极管PD和浮置扩散节点FD之间的电压差减小。

因此，如图2B所示，由于光电二极管PD的电荷没有完全放电，所以很可能发生滞后现象。

为了防止滞后现象的发生，如图2C和图2D所示，通过在光电二极管复位时段中在传输信号激活之前激活复位信号、使用软复位、增强浮置扩散节点FD和降低浮置扩散节点FD的电势电压，来增加在光电二极管PD和浮置扩散节点FD之间的电势差。

然而，这样的软复位具有在读出操作期间可能发生复位电平变化的问题。在此，下面将描述在使用软复位时复位电平为什么变化的原因。在使用软复位的情况下，由于复位晶体管M2的栅极端子和漏极端子具有相同的电压(即第一电源电压VDD)，所以当浮置扩散节点FD的初始电压在低照度下被设定为高电压时，复位晶体管M2可以在弱反型状态下工作。当复位晶体管M2在弱反型状态下工作时，复位电平根据浮置扩散节点FD的电压水平随着微电流而变化。

因此，在本发明的一个实施例中，为了去除滞后现象和复位电平变化，使用硬复位并增强浮置扩散节点FD，同时在复位信号激活之前激活传输信号。这些将参考图3详细地描述。

此外，在本发明的一个实施例中，为了去除滞后现象和复位电平变化，在传输信号激活时使用软复位，而在传输信号激活时间以后过了预定时间时使用硬复位。这些将参考图4到图6来详细地描述。

图3是描述根据本发明的一个实施例的在光电二极管复位时段期间单位像素操作的时序图。

如图3所示，与参考图2A(硬复位)和图2C(软复位)讨论的现有技术方法不同，传输信号TX在复位信号RX之前上升。换句话说，在PD复位时段的第一区段期间，在复位信号RX被激活之前激活传输信号TX。在PD复位时段的第一区段期间，传输晶体管M1导通，而复位晶体管M2保持关断，因此，由光电二极管PD产生的光电荷被传输到浮置扩散节点FD，从而增强(即提高)浮置扩散节点FD的电压。

随后，在PD复位时段的第二区段期间，在浮置扩散节点FD的电压已经充分增强以后，使用硬复位来激活复位信号RX，即，使用比第一电源电压VDD高的第二电源电压VPP水平来激活复位信号RX，同时保持传输信号TX激活。即，在通过增强浮置扩散节点FD来充分提高浮置扩散节点FD的电势以后，使用硬复位来激活复位信号RX。由于在复位信号RX被激活时光电二极管PD的电荷已经被传输到浮置扩散节点FD，所以不会发生滞后现象。此外，通过使用上述的硬复位，不会发生复位电平变化，在使用软复位的情况下，复位电压水平改变，而在使用硬复位的情况下，由于复位晶体管M2在全导通状态操作，因此复位电压水平是固定的并且是不变的。

还参考图3，在PD复位时段的第三区段期间，传输信号TX被去激活，同时保持复位信号RX的电平稳定，那么随后，复位信号RX被去激活。如所能看到的，当复位信号RX被激活时，浮置扩散节点FD的电压水平略有下降，并在复位信号RX的激活期间的非常短暂的初始转变时段内达到恒定值。然后，当复位信号RX被去激活时，浮置扩散节点FD转变到甚至更低的电平。

图4是描述根据本发明的另一个实施例的在光电二极管复位时段中单位像素的操作的时序图。

首先，在PD复位时段的第一区段期间，在传输信号升高(即被激活)之前，使用软复位(即使用第一电压VDD)来使复位信号升高(即被激活)。在光电二极管复位时段的这个第一区段期间，复位晶体管M2接通，而传输晶体管M1断开，因此浮置扩散节点FD被驱动至复位晶体管的电压VDD。

然后，在PD复位时段的第二区段期间，传输信号TX升高(即被激活)，同时维持软复位状态(即继续施加电压VDD到复位晶体管M2)。以这种方式，增加了在光电二极管PD和浮置扩散节点FD之间的电势差，以及通过增强浮置扩散节点FD和降低浮置扩散节点FD的电势来去除滞后现象。

随后，在PD复位时段的第三区段中，当传输信号TX被激活以后过了预定时间时，通过将复位方式改变为硬复位(施加VPP电压)来连续执行复位操作。在此，响应于从外部控制电路(未示出，例如时序发生器)施加的复位控制信号RX_CTRL，复位方式从软复位改变到硬复位。需要预定时间用于增强浮置扩散节点FD。例如，如图4所示，预定时间可以对应于“传输信号激活区段的一半”。此外，预定时间可以对应于“传输信号激活区段的三分之一”或“传输信号激活区段的三分之二”。这样，通过使用硬复位，不会发生复位电平变化。

随后，在PD复位时段的第四区段中，传输信号TX被去激活，同时保持复位信号RX的电平，以及然后复位信号RX被去激活。

图5是图示根据本发明的另一个实施例的图像传感器的方框图。图6是用于描述图5中示出的图像传感器的操作的时序图。

如图5所示，图像传感器可以包括单位像素10、第二电源电压(VPP)供应单元20和复位电压选择单元30。

单位像素10输出与入射光相对应的像素信号VPIXEL。单位像素10具有与如图1所示的传统单位像素类似的配置。

第二电源电压供应单元20将第二电源电压VPP供应至复位电压选择单元30。第二电源电压VPP比被供应至单位像素10的第一电源电压VDD高。

复位电压选择单元30将第一电源电压VDD或第二电源电压VPP作为复位电压(即复位信号RX)选择性地提供给单位像素10。即，复位信号RX可以响应于复位控制信号RX_CTRL用第一电源电压VDD或第二电源电压VPP来激活。

更具体地，在复位信号激活区段的初始时段期间，复位电压选择单元30响应于复位控制信号RX_CTRL来选择第一电源电压VDD作为复位电压。供作参考，如图4所示，复位信号激活区段的初始时段从复位信号激活时开始。在复位信号激活区段的初始时段期间，传输信号TX被激活，以及在传输信号激活时间以后，初始时段可以维持预定时间。

此外，在复位信号激活区段的保持时段中，复位电压选择单元30响应于复位控制信号RX_CTRL来选择第二电源电压VPP作为复位电压。供作参考，如图4所示，在复位信号激活区段的保持时段期间，传输信号TX被去激活，以及随后复位信号RX被去激活。

复位电压选择单元30可以包括反相器31、缓冲器32、第一PMOS晶体管M5以及第二PMOS晶体管M6。响应于复位控制信号RX_CTRL，第一电源电压VDD或第二电源电压VPP被选择性地提供给复位晶体管M2的栅极端子。

当复位控制信号RX_CTRL处于逻辑低电平时，第一PMOS晶体管M5关断，而第二PMOS晶体管M6导通。因此，第二PMOS晶体管M6将第一电源电压VDD提供给缓冲器32(即，缓冲器32的上拉驱动电压端子)。

当复位控制信号RX_CTRL处于逻辑高电平时，第一PMOS晶体管M5导通，而第二PMOS晶体管M6关断。因此，第一PMOS晶体管M5将从第二电源电压供应单元20供应的第二电源电压VPP提供给缓冲器32(即，缓冲器32的上拉驱动电压端子)。

缓冲器32接收复位信号RX以将具有第一电源电压VDD或第二电源电压VPP的激活电平的复位信号RX施加到单位像素10的复位晶体管M2的栅极端子。

此外，在图6中示出PD复位时段、曝光时段和读出时段。

PD复位时段可以是与图4所示的PD复位时段相同的时段。曝光时段和读出时段在本领域广为人知，因而在此省略了对每个时段期间操作的描述。

图7是图示根据本发明的一个实施例的CMOS图像传感器的方框图。

如图7所示，CMOS图像传感器可以包括行电路510、像素阵列520以及读出处理单元530。

行电路510可以包括行解码器和行驱动器。行驱动器驱动在像素阵列520中所包括的多个像素(即单位像素)中的由行解码器选中的像素。

像素阵列520检测入射光，并产生与检测到的光相对应的像素信号。即，在像素阵列520中所包括的像素中，由行解码器选中的并由行驱动器驱动的像素输出像素信号。输出的像素信号是模拟信号并且包括复位电压和信号电压。在像素阵列520中包括的每个像素都可以具有与图5所示的单位像素10类似的配置和操作。

读出处理单元530读出从像素阵列520输出的像素信号以产生读出数据(即数字信号)。

根据本发明的实施例，可以通过适时地使用软复位和硬复位来去除滞后现象和复位电平变化。可以在传输信号激活时增强单位像素的浮置扩散节点，同时使用软复位。因此，由滞后现象和复位电平变化引起的图像质量的恶化可以得到改善。

尽管已经出于说明目的对本发明的各种实施例进行了描述，但对本领域技术人员将明显的是：在不脱离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种改变和修改。

Claims (8)

1.一种驱动单位像素的方法，包括：

在光电二极管复位时段的第一区段期间，在复位信号的激活之前用第一电源电压激活传输信号以增强所述单位像素的浮置扩散节点；以及

在所述光电二极管复位时段的第二区段期间，用第二电源电压激活所述复位信号，同时保持所述传输信号用所述第一电源电压激活，所述第二电源电压具有比所述第一电源电压高的电压电平。

2.如权利要求1所述的方法，还包括：

在所述光电二极管复位时段的第三区段期间，在维持所述复位信号的电平的同时去激活所述传输信号。

3.一种驱动单位像素的方法，包括：

通过第一电源电压来激活复位信号；

在保持复位信号的状态的情况下激活传输信号以增强所述单位像素的浮置扩散节点；以及

当所述传输信号被激活以后过了预定时间时，通过比第一电源电压高的第二电源电压来改变所述复位信号的状态。

4.如权利要求3所述的方法，还包括：

在保持所述复位信号的状态的同时去激活所述传输信号；以及

去激活所述复位信号。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述第一电源电压用在所述单位像素中。

6.一种图像传感器，包括：

单位像素，适用于产生与入射光相对应的像素信号；

电源电压供应单元，适用于供应比在所述单位像素中使用的第一电源电压高的第二电源电压；以及

复位电压选择单元，适用于：在光电二极管复位时段期间，基于复位控制信号而选择性地将所述第一电源电压或第二电源电压作为复位信号的复位电压提供给所述单位像素，

其中，在所述光电二极管复位时段期间，用所述第二电源电压激活所述复位信号，同时保持传输信号用所述第一电源电压激活。

7.如权利要求6所述的图像传感器，其中：

在所述光电二极管复位时段的第一区段期间，所述复位信号用所述第一电源电压来激活；

在所述光电二极管复位时段的第二区段期间，传输信号被激活，同时所述复位信号用所述第一电源电压来激活；

在所述光电二极管复位时段的第三区段期间，所述复位信号的激活电平响应于所述复位控制信号的转变而改变为所述第二电源电压，同时保持所述传输信号激活；以及

在所述光电二极管复位时段的第四区段期间，所述传输信号被去激活，同时所述复位信号用所述第二电源电压来激活，然后所述复位信号被去激活。

8.如权利要求6所述的图像传感器，其中，所述复位电压选择单元包括：

第一PMOS晶体管，适用于响应于所述复位控制信号来提供从所述第二电源电压供应单元供应的所述第二电源电压；

第二PMOS晶体管，适用于响应于所述复位控制信号来提供所述第一电源电压；以及

缓冲器，适用于接收所述复位信号以将具有所述第一电源电压或第二电源电压的激活电平的所述复位信号施加到所述单位像素的复位晶体管的栅极端子。

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