CN109075180A - 改进的超高动态范围像素架构 - Google Patents

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Abstract

像素包括：高响应光电二极管，其收集光电荷；第一传输栅极，其使电荷能够从高响应光电二极管传输走，将其完全清空到低响应光电二极管上；第二传输栅极，其使电荷从低响应光电二极管传输走，将其完全清空到浮动扩散节点上；第三传输栅极，用于防止模糊；浮动扩散节点，用于收集传输的电荷，产生电压变化；用于重置浮动扩散节点的装置。源极跟随器由浮动扩散节点上的电压调制，以控制位线电压和列放大器输出。在实施例中，光电荷集成在高响应光电二极管上和低响应光电二极管上。列读出电路包括：列放大器，其使用电容设置放大器增益；三个采样电容，其用作模拟存储器并用于相关双采样；和比较器，其协助提供最终输出。

Description

改进的超高动态范围像素架构
技术领域
实施例涉及CMOS图像传感器，更具体地，涉及超高动态范围像素架构。
背景技术
在设计图像传感器中的一项挑战是需要图像传感器呈现非常宽的动态范围。领域包括一般摄影和视频(电影摄影、广播、个人摄影等)、航空摄影(情报收集)、农业摄影(作物分析)、产品检验、医疗应用、和汽车应用。在许多应用中，特别是室外，图像传感器需要具有宽动态范围以应对非常明亮和非常暗的区域。应用可能具有低于1lux(用于夜视)至高于10,000lux(用于明亮阳光)的照明条件。真实世界画面可具有在100或更大的dB范围内变化的照明强度。虽然生物视觉系统和卤化银薄膜可以在很少损失对比度信息的情况下对高动态范围(100+dB)画面进行成像，但开发具有该范围的电子图像传感器一直是一项挑战。
大多数现有图像传感器具有有限的动态范围，通常在50dB至80dB之间。因此，丢失了捕获画面的相关信息内容。另外，对于具有非常明亮区域的画面，可以在图像模糊中表现出照明强度的大变化。由非常明亮的光照射的像素饱和并将光信号溢出在相邻像素上，使得输出图像的明亮区域增长并且真实图像丢失。CMOS图像传感器通常具有较差的图像质量，因为CMOS图像传感器通常具有图像效率的低动态范围。传统的CMOS图像传感器能够记录大约10位画面的动态范围。已经应用了用于改善CMOS图像传感器的动态范围的方法来改善捕获图像的质量。但是，这些方法不能满足超宽动态范围(UDR)图像传感器的需求。
该挑战在于创建一种宽动态范围图像传感器，其在具有低照度的阴影区域中具有足够光学灵敏度，在具有高照度的亮区域以及具有非常明亮照度的高光区域中具有足够的灵敏度范围。为了实现这一点，需要同时具有用于低照度的非常低的噪声和用于高照度的非常低的光学速度。对于构成视频流的一组图像，在整个照明范围内的优异信噪比表现是很重要的。
所需要的是一种改进的超高动态范围(UDR)图像传感器，其可以更准确地捕获图像画面。
发明内容
实施例提供了一种超高动态范围像素，包括：高响应光电二极管；与高响应光电二极管电接触的第一传输栅极；与第一传输栅极电接触的低响应光电二极管；与低响应光电二极管电接触的第二传输栅极；与第二传输栅极电接触的浮动扩散节点；用于重置浮动扩散节点的装置；和与浮动扩散节点电接触的源极跟随器。在实施例中，高响应光电二极管收集光电荷，并且高响应光电二极管具有比低响应光电二极管更高的量子效率。在其它实施例中，第一传输栅极使得电荷能够从高响应光电二极管传输走，将其完全清空到低响应光电二极管上。在随后的实施例中，第二传输栅极使电荷能够从低响应光电二极管传输走，将其完全清空到浮动扩散节点上。对于另外的实施例，浮动扩散节点收集传输的电荷，从而产生电压变化。在另一实施例中，源极跟随器由浮动扩散节点上的电压调制，以控制输出信号线上的电压。对于接下来的实施例，光电荷集成在高响应光电二极管上和低响应光电二极管上。在随后的实施例中，低响应光电二极管是单独的二极管，没有与互连层的接触，从而包括较低的暗缺陷。另外的实施例还包括与高响应光电二极管电接触的第三传输栅极。
另一实施例提供了一种读出超高动态范围像素的方法，包括如下步骤：集成一帧；将高响应光电荷集成到高响应光电二极管上；将低响应光电荷集成到低响应光电二极管上；重置浮动扩散节点；重置列放大器以产生参考电压；用开关S1捕获参考电压；将低响应电荷从低响应光电二极管传输到浮动扩散节点；用开关S2捕获电压V2；将高响应电荷从高响应光电二极管通过低响应光电二极管传输到浮动扩散节点；将电荷添加到已经存在的低响应电荷；用开关S3捕获电压V3；开关S3变成低电平；Comp_en变成高电平以启用比较器；如果电压V2高于阈值电压VT，则sel成为高电平，并且sel补码成为低电平，则读出V2、Voutm和sel；如果电压V2低于阈值电压VT，则sel成为低电平，并且sel补码成为高电平，则读出V3、Voutm和sel。在所包括的实施例中，比较器输出sel和sel补码是非重叠信号，从而避免了电容器C2和C3之间的电荷共享。在更进一步的实施例中，调节阈值电压VT以获得优化的动态范围。在相关实施例中，用于光学响应的低端的信号是高响应信号V3和组合复位Voutm的差。对于进一步的实施例，用于光学响应的高端的信号是低响应信号V2和组合复位Voutm的差。在随后的实施例中，用于光学响应的低端的信号和用于光学响应的高端的信号具有显著不同的响应，因成为高电平响应光电二极管具有比低响应光电二极管更高的量子效率。对于更进一步的实施例，线读出仅需要组合重置、低响应读出和高响应读出的三个读数。对于更多实施例，第一传输栅极使得高响应电荷能够从高响应光电二极管传输走，将其完全清空到低响应光电二极管上。继续的实施例包括第二传输栅极，其使得低响应电荷能够从低响应光电二极管传输走，从而将其完全清空到浮动扩散节点上。对于另外的实施例，低响应读出和高响应读出都具有相同的极性。
又一实施例提供了一种超高动态范围像素成像系统，包括高响应光电二极管；与高响应光电二极管电接触的第一传输栅极；与第一传输栅极电接触的低响应光电二极管；与低响应光电二极管电接触的第二传输栅极；与第二传输栅极电接触的浮动扩散节点；用于重置浮动扩散节点的装置；与浮动扩散电接触的源极跟随器；将高响应光电荷集成到高响应光电二极管上；将低响应光电荷集成到低响应光电二极管上，其中高响应电荷和低响应电荷集成在高响应和低响应光电二极管上的量是不同的；重置浮动扩散节点；重置列放大器以产生参考电压；用开关S1捕获参考电压；将低响应电荷从低响应光电二极管传输到浮动扩散节点；用开关S2捕获电压V2；将高响应电荷从高响应光电二极管通过低响应光电二极管传输到浮动扩散节点；将电荷添加到已经存在的低响应电荷；用开关S3捕获电压V3；开关S3变成低电平；Comp_en变成高电平以启用比较器；如果电压V2高于阈值电压VT，则sel成为高电平并且sel补码成为低电平，则读出V2、Voutm和sel；如果电压V2低于阈值电压VT，则sel成为低电平并且sel补码成为高电平，则读出V3、Voutm和sel。
本文描述的特征和优点并非包括一切，并且特别地，鉴于附图、说明书和权利要求，许多附加特征和优点对于本领域普通技术人员将是显而易见的。此外，应该注意，说明书中使用的语言主要是出于可读性和指导目的而选择的，并不限制本发明主题的范围。
附图说明
图1描绘了根据实施例配置的包括UDR模式的列读出电路。
图2描绘了根据实施例配置的包括UDR模式的读出时序图。
图3示出了根据一个实施例配置的调制的像素。
图4示出了根据一个实施例配置的像素电路细节。
图5是根据实施例配置的方法流程图。
具体实施方式
实施例使用传统CMOS图像传感器有源像素的调制版本并且提供具有大于120dB的动态范围的极低光灵敏度，以及1电子RMS的读取噪声和低暗电流。
实施例结构不同于文献中讨论的那些或提出的用于减少全局快门的暗电流和暗缺陷的那些结构。在这些情况下，目标是创建一个实际上没有光学响应的存储节点。对于实施例，该结构被不同地设计，以使存储节点具有设定量的光学响应。
图1描绘了用于UDR模式的已知列读出电路1A，以及用于UDR模式的新颖列读出电路1B。
图1A示出了用于传统CMOS图像传感器有源像素的读出电路100。像素包括收集光电荷的光电二极管PD；允许电荷从光电二极管完全传输走清空的传输栅极Tx1；带寄生二极管PDFD的浮动扩散节点FD和收集传输电荷产生电压变化的电容器CFD；用于抗模糊(当光电二极管PD饱和时或达到FD节点处的最大电压摆动时去除多余电荷)的传输栅极Tx3；用于复位浮动扩散节点的装置；以及源极跟随器MSF，其被浮动扩散节点上的电压所调制从而控制位线电压和列放大器输出Vout。在该实施方式中，光电荷以其优化的高响应被集成到光电二极管PD上，并且以被调谐得低得多的光学响应被集成到寄生二极管PDFD上。列读出电路包括列放大器A1，其使用电容器Cin1，Cin2和Cfb来设置4T和3T模式的增益，以及两个采样电容器C1和C2，它们用作模拟存储器和相关双采样(CDS)。这种方法至少有三个问题：1)浮动扩散节点读数具有不相关的3T复位和3T信号，因此与相关的4T复位和4T信号的光电二极管读数相比，限制其动态范围的噪声增加到二的平方根倍；2)读出需要单独读出光电二极管和浮动扩散节点的复位电平，以便每行读出限制为包括四个读出时间；以及3)用于光电二极管读出和浮动扩散节点读出的两个相应样本之间的极性彼此相反。
图1B示出了读出电路实施例195。该像素包括：收集光电荷的高响应光电二极管PD1 105；第一传输栅极Tx1 110，其使电荷能够从高响应光电二极管PD1 105传输走，将其完全清空到低响应光电二极管PD2 115上；第二传输栅极Tx2 120，其使电荷能够从低响应光电二极管PD2 115传输走，将其完全清空到浮动扩散节点FD 125上；用于抗模糊的第三传输栅极Tx3 130；浮动扩散节点FD 125收集传输的电荷，产生电压变化；用于重置浮动扩散节点的装置。源极跟随器MSF 135被浮动扩散节点FD 125上的电压调制，以控制位线电压140和列放大器输出Vout 145。在该实施例中，光电荷集成在高响应光电二极管PD1 105上和低响应光电二极管PD2 115上。列读出电路包括：列放大器A1 150，其使用电容器Cin 155和Cfb 160设置放大器增益；三个采样电容器C1165、C2 170和C3 175，它们用作模拟存储器和用于相关双采样(CDS)；和比较器Comp1 180，其有助于获得最终输出Voutp 185。Voutp的最终值取决于比较器输出sel和
情况1：Voutp＝V3当：V2<VT，sel＝低，
情况2：Voutp＝V2当：V2>VT，sel＝高，
优点包括(1)高响应信号和低响应信号都使用相关复位，去除不相关双采样的二的平方根倍增加；(2)线路读出仅需要三个读出(组合复位；低响应读出；高响应读出)；(3)低响应读出和高响应读出都具有相同的极性。这种方法的另一个优点是低响应光电二极管可以设计成提供较低的暗缺陷，因为它是单独的二极管，它不像浮动扩散节点那样需要接触互连层。
图2描绘了已知的列读出时序2A和新的列读出时序2B。
图2A示出了用于图1A的传统实现的读出时序200。以下步骤显示了读出电路的工作原理。首先，在前一帧4T读出阶段结束时，使用Px_rst的脉冲来重置浮动扩散节点FD。在Px_rst变成低电平后，在电容器CFD上产生3T复位噪声其次，在一帧集成之后，光电荷被集成到光电二极管PD上和寄生二极管PDFD上。第三，当当前帧开始时，AW变成高电平以将位线连接到电容器Cin2，并且放大器A1被复位以产生3T参考电压Voutm。在3T读出阶段，开关S1用于捕获3T参考电压。第四，浮动扩散节点FD由Px_rst脉冲复位，之后，使用开关S2捕获3T信号电压Voutp。在这种情况下，在Px_rst变成低电平后，另一个3T复位噪声被添加到电容器CFD上。结果，3T读出阶段的总复位噪声等于第五，AW变成低电平以将位线连接到电容器Cin1以开始4T读出阶段。同时，浮动扩散节点FD和列放大器A1也被复位以产生4T参考电压Voutm。使用开关S1捕获4T参考电压。第六，Tx1将光电荷从光电二极管PD传输到浮动扩散节点FD，以产生4T信号电压Voutp。然后，使用开关S2捕获4T信号电压。第七，浮动扩散节点FD被复位以准备其上的电压用于下一帧的3T读出阶段。光学响应低端的信号是4T信号和4T复位的差值；光学响应高端的信号是3T信号和3T复位的差值。这两个信号具有显著不同的响应，因为光电二极管被设计为具有比浮动扩散节点更高的量子效率。
如前面提到的，对于图1A，该方法至少存在三个问题：1)浮动扩散节点读数具有不相关的3T复位和3T信号，因此与相关的4T复位和4T信号的光电二极管读数相比，限制其动态范围的噪声增加到二的平方根倍；2)读出需要单独读出光电二极管和浮动扩散节点的复位电平，以便每行读出限制为包括四个读出时间；以及3)用于光电二极管读出和浮动扩散节点读出的两个相应样本之间的极性彼此相反。
图2B示出了改进的UDR模式的实施例的读出时序295。以下步骤显示了读出电路的工作原理。首先，在一帧集成之后，将光电荷集成到高响应光电二极管PD1上和低响应光电二极管PD2上。其次，使用Px_rst脉冲205复位浮动扩散节点FD。此时，列放大器A1也被Amp_reset脉冲210复位以产生参考电压Voutm。使用开关S1 215捕获参考电压。第三，Tx2脉冲220将电荷从低响应光电二极管PD2传输到浮动扩散节点FD以产生电压V2。使用开关S2 225捕获V2。第四，脉冲Tx1 230和Tx2 235将来自高响应光电二极管PD1的电荷通过低响应光电二极管PD2传输到浮动扩散节点FD，在那里它被加到已经存在的低响应电荷以产生电压V3。使用开关S3 240捕获V3。第五，在开关S3变成低电平245之后，Comp_en变成高电平250以启动比较器Comp1。如果电压V2高于阈值电压VT(Case2)255，则sel将成为高电平并且(sel补码)将成为低电平。因此，读出V2、Voutm和sel。相反，如果电压V2低于阈值电压VT(Case1)260，则sel将成为低电平并且将成为高电平。结果，读出V3、Voutm和sel。比较器输出sel和是非重叠信号，以避免电容器C2和C3之间的电荷共享。在该实施例中，调节阈值电压VT以获得优化的动态范围。用于光学响应的低端的信号是高响应信号V3和组合复位Voutm的差。用于光学响应的高端的信号是低响应信号V2和组合复位Voutm的差。这两个信号具有显著不同的响应，因成为高电平响应光电二极管PD1被设计为具有比低响应光电二极管PD2更高的量子效率。
如前面提到的，对于图1B，这种方法的优点包括：1)高响应信号和低响应信号都使用相关复位，去除不相关双采样的二的平方根倍增加(这消除了两个3T复位噪声相当于)。2)线路读数仅需要三个读数(组合复位；低响应读数；高响应读数)。3)低响应读出和高响应读出都具有相同的极性。这简化了列放大器的设计。该方法的另一个优点是低响应光电二极管PD2可以设计成提供较低的暗缺陷，因为它是单独的二极管，它不像浮动扩散节点那样需要接触互连层。
图3描绘了调制的像素300。组件包括高响应光电二极管PD1305、第一传输栅极Tx1310、低响应光电二极管PD2 315、第二传输栅极Tx2 320、浮动扩散节点FD 325和第三传输栅极Tx3 330。在实施例中，在位于高响应光电二极管PD1 305和浮动扩散节点FD 325之间的专用低响应光电二极管PD2 315上收集低响应信号。添加第二传输栅极TX2 320以控制从低增益光电二极管PD2315到浮动扩散325的电荷传输。
图4示出了像素电路实施例细节400。如图1B所示，像素由以下部件组成：收集光电荷的高响应光电二极管PD 1 405，第一传输栅极Tx1 410使电荷能够从高响应光电二极管PD1 405传输走，完全清空到低响应光电二极管PD2 415上，第二传输栅极Tx2 420使电荷能够从低响应光电二极管PD2 415传输走，将其完全清空到浮动扩散425；第三传输栅极Tx3430防止模糊；浮动扩散节点FD 425收集传输的电荷，产生电压变化；用于复位浮动扩散节点的装置；以及源极跟随器MSF 435，其由浮动扩散425上的电压调制，以控制位线电压440和列放大器输出VOUT。
再次，优点包括(1)高响应和低响应信号都使用相关复位，去除不相关双采样的二的平方根倍增加；(2)线路读出仅需要三个读出(组合复位；低响应读出；高响应读出)；(3)低响应读出和高响应读出都具有相同的极性。另一个优点是低响应光电二极管可以设计成提供较低的暗缺陷，因为它是单独的二极管，它不像浮动扩散节点那样需要接触互连层。该方法的另一个优点是低响应光电二极管PD2可以设计成提供较低的暗缺陷，因为它是单独的二极管，它不像浮动扩散节点那样需要接触来互连层。
图5是方法流程图500。读出步骤包括在一帧集成505之后，将光电荷集成到高响应光电二极管PD1 510上和低响应光电二极管PD2 515上；接下来，使用Px_rst脉冲复位浮动扩散节点FD 520。此时，列放大器A1也被复位以产生参考电压Voutm 525。使用开关S1捕获参考电压530。接下来，Tx2脉冲将来自低响应光电二极管PD2的电荷传输到浮动扩散节点FD535以产生电压V2。使用开关S2捕获V2 540。接下来，脉冲Tx1和Tx2将来自高响应光电二极管PD1的电荷通过低响应光电二极管PD2传输到浮动扩散节点FD 545，在那里它被添加到已经存在的低响应电荷550以产生电压V3。使用开关S3捕获V3 555。接下来，在开关S3变成低电平560之后，Comp_en变成高电平565以启动比较器Comp1。如果电压V2高于阈值电压VT(情况2)，则sel将成为高电平并且将成为低电平570。因此，读出V2、Voutm和sel。相反，如果电压V2低于阈值电压VT(Case1)575，则sel将成为低电平并且将成为高电平。结果，读出V3、Voutm和sel。比较器输出sel和并被设计为非重叠信号，以避免电容器C2和C3之间的电荷共享。在该实施例中，调节阈值电压VT以获得优化的动态范围。用于光学响应的低端的信号是高响应信号V3和组合复位Voutm的差。用于光学响应的高端的信号是低响应信号V2和组合复位Voutm的差。这两个信号具有显著不同的响应，因为高响应光电二极管PD1被设计为具有比低响应光电二极管PD2更高的量子效率。
已经出于说明和描述的目的呈现了本发明的实施例的前述描述。其并非旨在穷举或限制所公开的精确形式。鉴于本公开，许多修改和变化都是可能的。意图是该范围不受该详细描述的限制，而是受所附权利要求的限制。

Claims (20)

1.一种超高动态范围像素，包括：
高响应光电二极管；
与所述高响应光电二极管电接触的第一传输栅极；
与所述第一传输栅极电接触的低响应光电二极管；
与所述低响应光电二极管电接触的第二传输栅极；
与所述第二传输栅极电接触的浮动扩散节点；
用于重置所述浮动扩散节点的装置；和
与所述浮动扩散电接触的源极跟随器。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述高响应光电二极管收集光电荷，并且所述高响应光电二极管具有比所述低响应光电二极管更高的量子效率。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一传输栅极使得电荷能够从所述高响应光电二极管传输走，将其完全清空到所述低响应光电二极管上。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第二传输栅极使得电荷能够从所述低响应光电二极管传输走，将其完全清空到所述浮动扩散节点上。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述浮动扩散节点收集传输的电荷，从而产生电压的变化。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述源极跟随器由所述浮动扩散节点上的电压调制，以控制输出信号线上的电压。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，光电荷集成在所述高响应光电二极管上和所述低响应光电二极管上。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述低响应光电二极管是单独的二极管，没有与互连层的接触，从而包括较低的暗缺陷。
9.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括与所述高响应光电二极管电接触的第三传输栅极。
10.一种用于读出超高动态范围像素的方法，包括以下步骤：
集成一帧；
将高响应光电荷集成到高响应光电二极管上；
将低响应光电荷集成到低响应光电二极管上；
重置浮动扩散节点；
重置列放大器以产生参考电压；
使用开关S1捕获所述参考电压；
将低响应电荷从所述低响应光电二极管传输到所述浮动扩散节点；
使用开关S2捕获电压V2；
将来自所述高响应光电二极管的高响应电荷通过所述低响应光电二极管传输到所述浮动扩散节点；
将电荷添加到已经存在的所述低响应电荷；
使用开关S3捕获电压V3；
所述开关S3变为低电平；
Comp_en变为高电平以启用比较器；
如果所述电压V2高于阈值电压VT，则sel成为高电平并且sel补码成为低电平，则读出所述V2、Voutm和所述sel；和
如果所述电压V2低于所述阈值电压VT，则所述sel成为低电平并且所述sel补码成为高电平，则读出所述V3、所述Voutm和所述sel。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述比较器输出sel和sel补码是非重叠信号，从而避免电容器C2和C3之间的电荷共享。
12.如权利要求10所述的方法，其中，调节所述阈值电压VT以获得优化的动态范围。
13.如权利要求10所述的方法，其中，用于光学响应的低端的信号是所述高响应信号V3和所述组合复位Voutm的差。
14.如权利要求10所述的方法，其中，用于光学响应的高端的信号是所述低响应信号V2和所述组合复位Voutm的差。
15.如权利要求10所述的方法，其中，用于光学响应的低端的信号和用于光学响应的高端的信号具有显著不同的响应，因为所述高响应光电二极管具有比所述低响应光电二极管更高的量子效率。
16.根据权利要求10所述的方法，其中，线读出仅需要三个读出：组合重置、低响应读出和高响应读出。
17.根据权利要求10所述的方法，其中，第一传输栅极使得所述高响应电荷能够从所述高响应光电二极管传输走，将其完全清空到所述低响应光电二极管上。
18.根据权利要求10所述的方法，其中，第二传输栅极使得所述低响应电荷能够从所述低响应光电二极管传输走，将其完全清空到所述浮动扩散节点上。
19.如权利要求10所述的方法，其中，低响应读出和高响应读出都具有相同的极性。
20.一种超高动态范围像素成像系统，包括：
高响应光电二极管；
与所述高响应光电二极管电接触的第一传输栅极；
与所述第一传输栅极电接触的低响应光电二极管；
与所述低响应光电二极管电接触的第二传输栅极；
与所述第二传输栅极电接触的浮动扩散节点；
用于重置所述浮动扩散节点的装置；
与所述浮动扩散电接触的源极跟随器；
将高响应光电荷集成到所述高响应光电二极管上；
将低响应光电荷集成到所述低响应光电二极管上，其中所述高响应电荷和所述低响应电荷集成在所述高响应和所述低响应光电二极管上的量是不同的；
重置所述浮动扩散节点；
重置列放大器以产生参考电压；
使用开关S1捕获所述参考电压；
将低响应电荷从所述低响应光电二极管传输到所述浮动扩散节点；
使用开关S2捕获电压V2；
将来自所述高响应光电二极管的高响应电荷通过所述低响应光电二极管传输到所述浮动扩散节点；
将电荷添加到已经存在的所述低响应电荷；
使用开关S3捕获电压V3；
所述开关S3变为低电平；
Comp_en变成高电平以启用比较器；
如果所述电压V2高于阈值电压VT，则sel成为高电平，并且sel补码成为低电平，则读出所述V2、Voutm和所述sel；和
如果所述电压V2低于所述阈值电压VT，则所述sel成为低电平，并且所述sel补码成为高电平，则读出所述V3、所述Voutm和所述sel。
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