CN110035243A - 快速稳定输出线电路、快速稳定方法和成像系统 - Google Patents

快速稳定输出线电路、快速稳定方法和成像系统 Download PDF

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Abstract

一种快速稳定输出线电路、快速稳定方法和成像系统。转移晶体管耦合在光电二极管与浮动扩散之间以将图像电荷从光电二极管转移到浮动扩散。转移栅极电压控制图像电荷从转移晶体管的转移接收端子向浮动扩散的传输。复位晶体管被耦合成向浮动扩散供应复位浮动扩散电压。源极跟随器晶体管被耦合成从源极跟随器的栅极端子接收浮动扩散的电压并将经放大信号提供到源极跟随器的源极端子。行选择晶体管被耦合成将来自源极跟随器源极端子的经放大信号使能并将经放大信号输出到位线。位线使能晶体管耦合到位线与位线源极节点之间的链路。位线源极节点耦合到黑太阳电压产生器。电流源产生器通过偏压晶体管向位线源极节点提供可调整的电流。

Description

快速稳定输出线电路、快速稳定方法和成像系统
技术领域
本公开大体来说涉及互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，且具体来说涉及但并非只涉及应用于图像传感器中的光电二极管像素单元及所述光电二极管像素单元的输出线(位线)的装置及方法，所述图像传感器能够在图像信号的读出期间使位线快速稳定以减少固定图案噪声(FPN)并维持供应电源的稳定性。
背景技术
图像传感器已普遍存在。图像传感器广泛用于数字照相机(digital stillcamera)、手机、安全照相机以及医疗、汽车及其他应用中。这些应用中的许多应用需要使用高动态范围(High dynamic range，HDR)图像传感器。人眼一般具有高达约100分贝(dB)的动态范围。对于汽车应用来说，常常需要具有超过100dB动态范围的图像传感器来处理不同的驾驶状况，例如在穿过黑暗的隧道驶入明亮的阳光中时。
HDR图像传感器并非始终正确地执行HDR功能。常见的缺点包括会由固定图案噪声(fixed pattern noise，FPN)导致图像劣化、随机噪声大、与电荷晕染相关联的分辨率降低、存在运动伪影(motion artifact)、灵敏度固定以及在使用多个光电二极管时填充因数(fill factor)较低，其中填充因数是像素的感光面积对像素的总面积的比率。
当使用图像传感器时，多个像素单元中的每一者中的光生电子(photo-generatedelectron)从光电二极管(photodiode，PD)转移到浮动扩散(floating diffusion，FD)以供后续读出。耦合在PD与FD之间的转移(transfer，TX)晶体管在施加到TX栅极端子的电压脉冲的控制下接通及断开以实现这种电荷转移。由于在TX栅极端子与FD之间始终存在耦合电容，因此施加在TX栅极上的脉冲信号始终在很大程度上耦合到FD。这称为TX馈通(TX feed-through)。所述脉冲信号通过源极跟随器(source follower，SF)晶体管及行选择(rowselect，RS)晶体管波动到像素单元的输出线(也称为位线)。这种大的不期望的脉冲的传播是不可避免的，且甚至也会对暗信号(由像素内部的非光生本征电子(non-photo-generated,intrinsic electrons)引起的信号)造成恼人的FPN。对于任何给定的位线来说，由于所述给定的位线连接到列中的所有像素，因此所述给定的位线具有明显的阻容(capacitive and resistive，RC)负载。因此，位线上的任何状态改变均会因这种RC延迟而不可避免地变慢。也就是说，一旦在位线上发生状态改变，便会耗用长的时间才能稳定到重新更新的步长电平(step level)。这受所谓的RC时间常数支配。对于任何给定的输入步长Vin来说，其稳定时间受下式支配：
其中时间常数τ＝RC，且V0.5LSB是单个位等效电压(single bit equivalentvoltage)值的一半。
解决此问题的其中一种典型解决方案是使用钳位电压产生器来对位线电压进行钳位以限制其摆动。此有助于抑制由接近电压范围的下端的电压所带来的高光带化(high-light-banding)。这个目标是通过不允许位线降到低于钳位电压限值来实现的。结果，这会减少在高光照条件下的FPN。然而，这一解决方案导致电源供应对每一步长电压改变作出反应而引起大的电流变化，此转而会在传感器上引起其他不期望的性能问题。
另一种解决方案是在电荷转移期间将像素单元从像素单元的输出线(位线)断开，此同样借助于所添加的钳位电压产生器。钳位电压产生器不允许位线电压降到低于某一电压电平。因此，当发生电荷转移时，位线上的电压改变可减小，且稳定时间可缩短。另外，钳位电压产生器使总电源供应(AVDD)电流保持接近恒定，以避免电源供应发生大的变化。通过这一解决方案，在RS晶体管再次重新接通以将像素输出重新连接到位线之后，在与最高电压相关的完全黑暗条件下，位线被流过SF晶体管的上拉电流充电而不会被相对弱的电流源产生器的下拉电流吸收。由于SF电流不受电流源产生器限制，因此稳定时间也缩短。始终达到较快的上拉。这意味着，在低光照条件下较快地稳定是这种解决方案的明显优点所在。然而，在强光照条件下的性能仍然是问题，因为光强度的较高反差会在位线上造成较大的电压降，此会直接导致稳定时间较长。
此外，随着像素大小变小且所利用的转换增益变高，FD电容可变得过小而使得TX馈通可能容易超出模拟-数字转换器(analog-digital converter，ADC)输入电压的范围。
发明内容
根据本公开实施例，提供一种输出线电路、快速稳定方法和成像系统以快速稳定位线。
根据本公开实施例，一种快速稳定输出线电路包括：光电二极管，适于响应于入射光来积聚图像电荷；至少一个转移晶体管，耦合在所述光电二极管与浮动扩散之间以将所述图像电荷从所述光电二极管转移到所述浮动扩散，其中转移栅极电压控制所述图像电荷从所述转移晶体管的转移接收端子向所述浮动扩散的传输；复位晶体管，被耦合成向所述浮动扩散供应复位浮动扩散电压，其中复位栅极电压控制所述复位晶体管；源极跟随器晶体管，被耦合成从源极跟随器栅极端子接收所述浮动扩散的电压并将经放大信号提供到源极跟随器源极端子；位线使能晶体管，耦合在位线与位线源极节点之间，其中位线使能电压控制所述位线使能晶体管，且其中所述位线源极节点耦合到黑太阳电压产生器；以及，电流源产生器，耦合在所述位线源极节点与地电位之间，其中所述电流源产生器通过偏压晶体管向所述位线源极节点提供可调整的电流，所述偏压晶体管受偏压控制电压控制。
根据本公开实施例，一种使输出线电路快速稳定的方法包括：通过将复位栅极电压复位到高电平以接通复位晶体管来将浮动扩散复位到复位浮动扩散电压；当行选择晶体管及位线使能晶体管被断开时，通过将空闲使能电压设定成高电平以导通空闲使能晶体管来通过位线寄生电容器将位线预充电到源极跟随器源极复位电压；通过将黑太阳使能电压设定成高电平以接通黑太阳使能晶体管并通过将黑太阳控制电压提供到黑太阳晶体管来将位线源极节点预充电到黑太阳电压，并通过将钳位使能电压设定成低电平来关断钳位使能晶体管；通过将所述空闲使能电压设定成低电平以关断所述空闲使能晶体管来中断对所述位线电容器的预充电；通过将行选择栅极电压及位线使能电压设定成高电平以将所述行选择晶体管及所述位线使能晶体管闭合来对源极跟随器源极端子与所述位线的连接进行使能并将所述位线重新连接到所述位线源极节点；通过将所述复位栅极电压设定成低电平以断开所述复位晶体管来将所述浮动扩散从像素电压断开；以及，从所述浮动扩散读取背景信号，其中源极跟随器晶体管在源极跟随器栅极端子处接收所述背景信号并在源极跟随器源极端子处提供经放大背景信号，且其中模拟-数字转换器将所述经放大背景信号从所述位线接收到模拟-数字转换器输入端子。
根据本公开实施例，一种具有快速稳定输出线电路的成像系统包括：由像素单元形成的像素阵列，其中每一像素单元包括：光电二极管，适于响应于入射光来积聚图像电荷；至少一个转移晶体管，耦合在所述光电二极管与浮动扩散之间以将所述图像电荷从所述光电二极管转移到所述浮动扩散，其中转移栅极电压控制所述图像电荷从所述转移晶体管的转移接收端子向所述浮动扩散的传输；复位晶体管，被耦合成向所述浮动扩散供应复位浮动扩散电压，其中复位栅极电压控制所述复位晶体管；以及，源极跟随器晶体管，被耦合成从源极跟随器栅极端子接收所述浮动扩散的电压并将经放大信号提供到源极跟随器源极端子；位线使能晶体管，耦合在位线与位线源极节点之间，其中位线使能电压控制所述位线使能晶体管，且其中所述位线源极节点耦合到黑太阳电压产生器；电流源产生器，耦合在所述位线源极节点与地电位之间，其中所述电流源产生器通过偏压晶体管向所述位线源极节点提供可调整的电流，所述偏压晶体管受偏压控制电压控制；控制电路系统，耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作，其中所述控制电路系统向所述像素阵列提供所述转移栅极电压、所述复位栅极电压、行选择栅极电压、所述位线使能电压、采样保持电压、栅地-阴地电压、偏压电压、钳位控制电压、钳位使能电压、黑太阳控制电压、黑太阳使能电压、空闲控制电压及空闲使能电压；读出电路系统，通过多个读出列耦合到所述像素阵列，以从所述多个像素读出图像数据；以及，功能逻辑，被耦合成从所述读出电路系统接收图像数据以存储来自所述多个像素单元中的每一者的所述图像数据，其中所述功能逻辑向所述控制电路系统提供指令。
附图说明
参照以下各图来阐述本发明的非限制性及非穷尽性实例，其中除非另外指明，否则在所有各个视图中相同的参考编号指代相同部件。
图1示出根据本公开实施例的成像系统的一个实例。
图2是根据本公开实施例的成像传感器中的像素单元及像素输出电路的方块图的示例性示意图，所述成像传感器能够使其位线快速稳定。
图3是根据本公开实施例的与成像传感器中的光电二极管为了达到位线稳定而进行的操作相关联的示例性波形。
图4是根据本公开实施例的与图3所示事件相关联的例示性流程图。
在图式的所有几个视图中，对应的参考字符表示对应的组件。所属领域中的技术人员应理解，图中的元件是出于简洁及清晰的目的而示出且未必按比例绘制。举例来说，可相对于其他元件夸大图中的一些元件的尺寸以助于增进对本发明各个实施例的理解。另外，在商业上可行的实施例中可使用的或必要的常见但熟知的元件常常不被示出，以便不妨碍本发明这些各种实施例的视图。
[符号的说明]
100：成像系统；
102：像素阵列；
104：控制电路系统/控制电路；
106：读出电路系统；
108：功能逻辑；
110：读出列/读出列线；
200：图像传感器系统/电路系统；
201：像素单元；
202：光电二极管(PD)/检测光电二极管；
203：转移存储(TS)晶体管；
204：转移(TX)晶体管；
205：转移存储栅极(TSG)电压；
206：转移(TX)栅极电压；
207：转移(TX)接收端子；
208：浮动扩散(FD)；
210：复位(RST)晶体管；
212：复位(RST)栅极电压；
216：源极跟随器(SF)晶体管；
218：源极跟随器(SF)源极端子/SF输出/SF源极电位/源极端子；
220：行选择(RS)晶体管；
222：行选择(RS)栅极电压；
224：位线/浮动位线；
226：位线使能晶体管；
228：位线使能电压/位线使能电压bl_en/位线使能信号bl_en；
230：位线源极节点(BLSN)；
231：电流源(CS)产生器；
232：栅地-阴地晶体管；
234：栅地-阴地控制电压(Vcl)；
236：栅地-阴地采样保持(SH)晶体管/栅地-阴地使能晶体管；
238：采样保持(SH)电压/SH脉冲/采样保持(SH)电压脉冲；
240：栅地-阴地电压/电压Vcasc/Vcasc；
242：偏压晶体管；
244：偏压控制电压(Vbl)；
246：偏压采样保持(SH)晶体管/偏压使能晶体管；
248：偏压电压/电压(Vbias)；
250：栅地-阴地保持(CH)电容器/电容器；
252：偏压保持(BH)电容器；
254：模拟地电位(AGND)；
255：钳位电压(CV)产生器；
256：钳位晶体管/钳位电压晶体管；
258：钳位控制电压；
260：可调整的钳位电压；
262：钳位使能晶体管；
264：钳位使能电压(clamp_en)；
265：黑太阳电压产生器；
266：黑太阳电源供应晶体管；
268：黑太阳电源供应电压；
270：黑太阳晶体管；
272：黑太阳控制电压；
274：可调整的黑太阳电压/黑太阳电压；
276：黑太阳使能晶体管；
278：黑太阳使能电压(bsun_en)；
279：空闲电压(IV)产生器；
280：空闲电源供应晶体管；
282：空闲电源供应电压；
284：空闲使能晶体管；
286：空闲使能电压(idle_en)；
288：位线寄生电容器/寄生电容器(Cp)；
290：传输门；
292：模拟-数字转换器输入端子；
300：信号读出操作；
302：时间点/时间；
310、320、330、340、350、360：时间区；
400：流程图；
402、460：过程块；
410、420、430、440、450：过程块/方块；
C1、C2、C3、C4、C5～Cx：列；
R1、R2、R3、R4、R5～Ry：行。
具体实施方式
本文中阐述了使成像传感器中的像素输出线快速稳定的装置及方法的实施例。在以下说明中，陈述许多具体细节以提供对实施例的透彻理解。然而，相关领域中的技术人员应认识到，本文所述技术可在不使用这些具体细节中的一个或多个具体细节的条件下来实践或者可使用其他方法、组件、材料等来实践。在其他情形中，未详细地示出或阐述众所周知的结构、材料或操作以避免使某些方面模糊不清。
本说明书通篇中所提及的“一个实例”或“一个实施例”意指结合所述实例所阐述的特定特征、结构或特性包括于本发明的至少一个实例中。因此，在本说明书通篇中各处出现的短语“在一个实例中”或“在一个实施例中”未必均指同一实例。另外，在一个或多个实例中，所述特定特征、结构或特性可以任何适合的方式进行组合。
在本说明书通篇中，使用了若干技术用语。除非在本文中具体地定义或者在使用这些用语的上下文中清楚地表明，否则这些用语采用它们在所属领域中的通常含义。
图1示出根据本公开实施例的成像系统100的一个实例。成像系统100包括像素阵列102、控制电路系统104、读出电路系统106及功能逻辑108。在一个实例中，像素阵列102是二维(two-dimensional，2D)光电二极管阵列、或图像传感器像素(例如，像素P1、P2、...、Pn)。如图中所示，光电二极管被排列成行(例如，行R1到Ry)及列(例如，列C1到Cx)以获得人、场所、物体等的图像数据，所述图像数据可接着用于呈现人、场所、物体等的二维图像。然而，光电二极管并非必须排列成行及列，而是也可采用其他配置方式。
在一个实例中，在像素阵列102中的每一个图像传感器光电二极管/像素通过光生图像电荷而获得其图像电荷之后，由读出电路系统106读出对应的图像数据，且接着将对应的图像数据转移到功能逻辑108。读出电路系统106可耦合到来自像素阵列102中的所述多个光电二极管的读出图像数据。在各种实例中，读出电路系统106可包括放大电路系统、模拟-数字转换(ADC)电路系统、或其他电路系统。在一个实例中，读出电路系统106可沿着读出列线110(图中所示)一次读出一行图像数据，或者可使用各种其他技术(未示出)(例如，串行读出或所有像素同时全平行读出)来读出图像数据。功能逻辑108可存储图像数据或甚至通过应用后期图像效果(例如，裁剪、旋转、消除红眼、调整亮度、调整对比度、或其他后期图像效果)来操纵图像数据。
在一些实施例中，功能逻辑108可能要求满足某些成像条件，且因此可指示控制电路系统104操纵像素阵列102中的某些参数来实现更好的品质或特殊效果。
图2是根据本公开实施例的成像传感器中的像素单元及像素输出电路的方块图的一个实例，所述图像传感器能够使其输出线(位线224)快速稳定。图像传感器系统200的所示实施例在典型的4晶体管(4transistor，4T)像素单元201中可包括检测光电二极管(PD)202，其中4T部分可包括转移(TX)晶体管204、复位(reset，RST)晶体管210、源极跟随器(SF)晶体管216及行选择(RS)晶体管220。在一个实施例中，RS晶体管220连接在SF晶体管216的源极端子与位线224之间，SF晶体管216的漏极端子直接连接到像素电压(pixel voltage，VPIX)，如图2所示。在另一个实施例中，RS晶体管220连接在SF晶体管216的漏极端子与VPIX之间。VPIX可连接到电源供应电压AVDD，或者可连接到经调节电压供应源，其中经调节电压供应源是基于来自AVDD的电源供应进行调节的。TX晶体管204的漏极、RST晶体管210的源极及SF晶体管216的栅极在其中发生交会的节点是浮动扩散(FD)208。受控制电路系统104(参见图1)控制的复位(RST)栅极电压212及RS栅极电压222能够分别使RST晶体管210及RS晶体管220导通。
转移(TX)栅极电压206对TX晶体管204进行使能。当对TX栅极电压206施加高的连接电压时，TX晶体管204可接通，在这种情况下，在一个实施例中，光电二极管(PD)202直接连接到TX晶体管204的TX接收端子207，在PD 202处积聚的光生信号电荷可通过TX晶体管204转移到FD 208。在另一个实施例中，在TX晶体管204的TX接收端子207处存在的由转移存储(transfer storage，TS)晶体管203从PD 202转移来的存储电荷可通过TX晶体管204转移到FD 208。当对TX栅极电压206施加足够低的断开电压时，TX晶体管204可断开。其中，转移存储栅极(TSG)电压205控制转移存储(TS)晶体管203。
当RS晶体管220在RS栅极电压222被设定成高电平而接通时，来自SF晶体管216的源极端子的经放大图像信号被递送到位线224。位线224上的模拟图像信号最终被提供到ADC的输入端子。在一个实施例中，当对应的传输门290被使能时，这种ADC是耦合到每一条位线或图1所示读出列110的所述多个ADC中的一个ADC。
位线使能晶体管226连接在位线224与位线源极节点(bitline source node，BLSN)230之间。当位线使能电压bl_en 228被设定成高电平时，位线使能晶体管226被接通，且位线224通过BLSN 230连接到其电流源(current source，CS)产生器231。
CS产生器231连接在BLSN 230与模拟地电位(analog ground，AGND)之间。在实施例中，CS产生器231通过偏压晶体管242向BLSN 230提供可调整的电流。偏压晶体管242受偏压控制电压Vbl 244控制。CS产生器231中的偏压晶体管242的正常操作需要适当的偏压控制电压Vbl 244。Vbl 244受电压Vbias 248制约。在另一个实施例中，CS产生器231(栅地-阴地晶体管232、栅地-阴地使能晶体管236、偏压使能晶体管246、CH电容器250及BH电容器252全部存在)通过以下两个串联连接的晶体管向BLSN 230提供可调整的电流：栅地-阴地晶体管232与偏压晶体管242。栅地-阴地晶体管232受栅地-阴地控制电压Vcl 234控制。偏压晶体管242受偏压控制电压Vbl 244控制。
CS产生器231的正常操作需要适当的栅地-阴地控制电压Vcl 234，且当将采样保持(sample and hold，SH)电压238设定成高电平以闭合栅地-阴地使能晶体管236时，栅地-阴地控制电压Vcl 234受电压Vcasc 240制约。当SH电压238为高电平时，栅地-阴地保持(cascode hold，CH)电容器250被充电到Vcasc 240。CH电容器250保持Vcasc 240的值不变直到下一个SH脉冲238到来，此时CH电容器250上的Vcl 234的值被再次刷新到Vcasc 240的确切值。由于CH电容器250耦合在栅地-阴地控制电压Vcl 234与模拟地电位AGND 254之间，因此Vcl 234缓慢地放电且Vcl 234的值在后续SH脉冲238到达之前稍微下降。Vcasc 240与SH脉冲238二者均受控制电路104控制。
CS产生器231的正常操作也需要适当的偏压控制电压244，且当将SH电压238设定成高电平以闭合偏压使能晶体管246时，偏压控制电压244受电压Vbias 248制约。当SH电压238为高电平时，偏压保持(bias hold，BH)电容器252被充电到Vbias 248。BH电容器252保持Vbias 248的值不变直到下一个SH脉冲238到来，此时BH电容器252上的值Vbl 244被再次刷新到Vbias 248的确切值。由于偏压BH电容器252耦合在偏压控制电压Vbl 244与AGND254之间，因此Vbl 244缓慢地放电且Vbl 244的值在后续SH脉冲238到达之前稍微下降。Vbias 248受控制电路104控制。
无论位线224是通过位线使能(bitline enable，BE)晶体管226与BLSN230连接还是从BLSN 230断开，CS产生器231始终通过以下两个电压源直接连接到BLSN 230：钳位电压(clamp voltage，CV)产生器255及黑太阳电压(blacksun voltage，BV)产生器265。CS产生器231在一个实施例中可由这两个电压产生器中的一者驱动，或者在另一个实施例中由这两个电压产生器同时驱动。
钳位电压(CV)产生器255包括钳位电压晶体管256及钳位使能晶体管262。钳位电压晶体管256接收VPIX并在钳位控制电压258的控制下提供可调整的钳位电压260。钳位使能晶体管262在钳位使能电压264的控制下将可调整的钳位电压260递送到BLSN 230上的CS产生器231。
黑太阳电压(BV)产生器265包括黑太阳电源供应晶体管266、黑太阳晶体管270及黑太阳使能晶体管276。黑太阳电源供应晶体管266提供黑太阳电源供应电压268，由于黑太阳电源供应晶体管266的漏极端子与源极端子之间的电压降，黑太阳电源供应电压268保证低于VPIX。黑太阳晶体管270接收黑太阳电源供应电压268并在黑太阳控制电压272的控制下提供可调整的黑太阳电压274。黑太阳使能晶体管276在黑太阳使能电压278的控制下将可调整的黑太阳电压274递送到BLSN 230上的电流源产生器231。
可调整的黑太阳电压274在BLSN 230上提供的电位比可调整的钳位电压260在BLSN 230上提供的电位高得多。如果VPIX(像素电路的最高电位)表示最暗图像边界(ADC将其看作转换范围的上限)，且任何正常背景信号略低于VPIX，则将可调整的黑太阳电压274设定成低于那些背景信号的最低电压。黑太阳电压仍然表示暗图像，并且仅比那些背景信号稍暗。在下面的段落中解释了黑太阳电压产生器265的用途。
使用黑太阳电压是为了避免所谓的日食效应(sun eclipse effect)(或黑太阳效应)。也就是说，当图像传感器直接面对阳光时，FD 208处按照推测为“暗”的背景被填充大量电子，所述电子是直接在FD上产生的(由于FD本身是感光性物质)或者是从环绕FD的硅酮不可阻挡地晕染的。因此，这种按照推测为“暗”的背景噪声信号被保存为实际的亮信号。在ADC之后基于相关双采样(correlated double sampling，CDS)方法保存真实亮(加上噪声)信号之后，这两个所保存的几乎相等的“亮”信号相减会得到接近“零”的最终信号，所述接近“零”的最终信号等效于在原本应呈现亮太阳的位置处的黑色图像。可看出，如果保持原样，则由于上述减法，亮太阳会变成黑太阳—因此称为“黑太阳”。为了克服黑太阳效应，当在CDS过程期间采用已知的背景信号(黑色或接近黑色)时，黑太阳电压274强制使用黑电平。因此，图像中的太阳将不再是黑色的。
控制电路系统104基于关于在何处存在正常背景信号的电平的反馈来控制黑太阳控制电压272。一旦功能逻辑108确定了(许多正常背景信号中的)最低等效电压，所述值便被馈送到控制电路系统104。且接着，将经过更新的黑太阳控制电压272馈送到BV产生器265以确保对于CDS过程而言背景信号将足够“黑”。
与可调整的黑太阳电压274相比，可调整的钳位电压260设定最低限值电压。所述最低限值电压表示最亮图像边界(ADC将其看作转换范围的下端)。
控制电路104提供全部四个控制信号：钳位控制电压258、钳位使能电压264、黑太阳控制电压272及黑太阳使能电压278，以控制CV产生器255及BV产生器265。
空闲电压(idle voltage，IV)产生器279用作位线224的电流源。当位线224从其电源供应电路断开时，需要此IV产生器279来相对于位线224维持空闲电位。在一个实施例中，当RS晶体管220及位线使能晶体管226二者被同时去能时，IV产生器279变成唯一的电源(power source)以通过其寄生电容器Cp 288对浮动位线224进行充电。当SF晶体管216的栅极被RST晶体管210设定成复位FD电压(reset FD voltage，VRFD)时，空闲电位被维持处于与SF源极端子218的电位最接近的值。VRFD是用于对受控制电路系统104控制的浮动扩散进行复位的专用电压。VRFD可具有或可不具有与VPIX相同的电压。当RS晶体管220再次接通时，位线224处的电位已被预充电到SF源极端子218的相似电平；因此，位线224与SF晶体管216连接的稳定时间大大缩短。这是因为当位线224重新连接到SF晶体管216时，位线224与SF输出218之间的电压差大大减小。在一个实施例中，IV产生器279包括空闲电源供应晶体管280以及用于驱动位线224的空闲使能晶体管284，空闲电源供应晶体管280接收VPIX并提供受空闲控制电压(VIDLE)控制的空闲电源供应电压282。空闲使能电压286及VIDLE受控制电路系统104控制。
图3是根据本公开实施例的成像传感器中的像素单元及像素单元的输出电路的示例性信号读出操作300，所述成像传感器能够使其输出线(位线224)快速稳定。为更好地理解图3以及图3表示的序列，在图4中提供了时序流程图来结合图2解释在图3中发生的所有主要事件。
图4是根据本公开实施例的示例性流程图400。流程图400可示出完整的行读出循环并展示可如何使用所公开的电路系统200在典型的数据读出循环中实现位线224的快速稳定。
流程图400在过程块402处开始且接着进行过程块410。过程块402(与图3中的时间点302相关)标记读出循环的开始，此时读出电路系统106读出新的一行多个像素单元。过程块410与图3所示时间区310相关。过程块410与像素阵列102的每一行的水平空白(H-空白)重合。H-空白在新的读出循环之前清除整个并发行(concurrent row)中的每一个读出列110。在电路状况方面，在方块410期间，RST晶体管210被RST栅极电压212接通以将FD 208复位到VRFD。同时，RS晶体管220与位线使能晶体管226二者同时被RS栅极电压222及位线使能电压(bl_en)228断开。在其中RS晶体管220连接在SF晶体管216与位线224之间的实施例中，这些断开将位线224与驱动电路系统的除了IV产生器279之外的其余部分隔离开。
在与后续H-空白重合的过程块410期间，三个主要的预充电活动同时生效。首先，对于电流源(CS)产生器231来说，如果在一个实施例中存在全部栅地-阴地晶体管232、栅地-阴地使能晶体管236、偏压使能晶体管246、CH电容器250及BH电容器252，则采样保持(SH)电压脉冲238将栅地-阴地使能晶体管236及偏压使能晶体管246二者使能。CH电容器250被充电到Vcasc 240，且BH电容器252被充电到Vbias 248。在方块410内，当SH脉冲导通时，栅地-阴地晶体管232由Vcl 234驱动来正确地运行，Vcl 234是由Vcasc 240直接驱动；且偏压晶体管242是由Vbl 244驱动来正确地运行，Vbl 244在一个实施例中由Vbias 248直接驱动或者在另一个实施例中由Vbias248通过偏压使能晶体管246驱动。在方块410外，当SH脉冲断开时，CH电容器250及BH电容器252正确地维持SH脉冲之间CS产生器231的正常操作，这是因为用于驱动栅地-阴地晶体管232和偏压晶体管242的偏压值Vcl及Vbl二者由这两个电容器正确地保持。
其次，通过将钳位使能电压clamp_en 264设定成低电平来将钳位电压(CV)产生器255去能。且通过将黑太阳使能电压bsun_en 278设定成高电平来将黑太阳电压(BV)产生器265使能。在此当前过程块410期间，BV产生器265通过CS产生器231对BLSN 230进行充电。
第三，通过将空闲使能电压idle_en 286设定成高电平来将空闲电压(IV)产生器279使能。IV产生器279通过位线寄生电容器Cp 288将隔离的位线224充电到空闲电位，所述空闲电位与SF源极电位218上出现的高电压值紧密匹配，这是因为SF栅极或FD 208在此相同周期期间被RST晶体管210设定成VRFD。
IV产生器279通过仅使用通过寄生电容器Cp 288的全电流容量(full currentcapacity)来将位线224的电压上拉到其预期的高复位电平。此缩短了每一行的复位稳定时间，因此缩短了H-空白时间。直接结果是每一行的读出时间缩短以及总体帧时间缩短。在时间302处将充电负荷从CV产生器255交换到IV产生器279有助于在AVDD处维持供应电源的稳定消耗，这是因为作为负载电路的位线224是由CV产生器255或IV产生器279连续充电。
在过程块410之后可进行过程块420。过程块420与图3所示时间区320相关。在方块420期间，SH电压238及空闲使能电压idle_en 286二者均被从高电平设定成低电平。栅地-阴地使能晶体管236、偏压使能晶体管246及空闲使能晶体管284被从接通切换到断开。时间区320的持续时间仅需要长到足以对由SH电压238与空闲使能电压idle_en 286一起进行的第一开关动作与由RS栅极电压222与位线使能电压bl_en 228一起进行的第二开关动作之间的区进行缓冲以避免第一开关动作与第二开关动作之间出现任何竞争状况。且为了允许足够的时间，在一个实施例中使用几纳秒来使位线224达到稳定。
在过程块420之后可进行过程块430。过程块430与图3所示时间区330相关。在方块430期间，RST栅极电压212保持为高电平以保持RST晶体管210导通。FD 208被连续地复位成VRFD。在当RS晶体管220及位线使能晶体管226二者均被接通时位线224在一侧上重新连接到SF晶体管216且在另一侧上重新连接到BLSN 230之后，方块430允许足够的时间来使位线224达到稳定。
在过程块430之后可进行过程块440。过程块440与图3所示时间区340相关。在方块440期间，RST晶体管210断开。SF晶体管216将FD 208上的背景信号放大，且接着经放大背景信号在一个实施例中通过RS晶体管220被提供到位线224，或者在另一个实施例中从SF晶体管216的源极端子218被直接提供到位线224。在这一时间段期间，黑太阳使能电压278仅将全部三个电压产生器中的BV产生器265使能。黑太阳电压274同时驱动BLSN 230与位线224二者，这是因为位线使能电压bl_en 228仍使位线使能晶体管226闭合。来自BV产生器265的可调整的黑太阳电压可提供一般设定在高电平侧上的电位，所述电位仅略低于正常背景信号。如果VPIX表示最暗的图像信号，则不太低的黑太阳电压设定足够暗的图像信号(如果不是最暗的话)。在ADC看来，如果VPIX表示ADC输出的最低值，则黑太阳电压在ADC输出处确保非常低的值，所述值不过分高于ADC在其范围内转换的最低值。
在过程块440之后可进行过程块450。过程块450与图3所示时间区350相关。在方块450期间，在一个实施例中，当转移晶体管204被TX栅极电压206接通时，积聚在PD 202上的光生信号电荷转移到FD 208。在另一个实施例中，TX接收端子207处由转移存储(TS)晶体管203从PD 202转移来的存储电荷被转移到FD 208。RS晶体管220及位线使能晶体管226二者在电荷转移之前断开且在电荷转移之后重新接通。这是为了确保在TX栅极电压206的高电平与RS栅极电压222的高电平及位线使能信号bl_en 228的高电平之间不会发生交叠。还应注意，空闲使能晶体管284保持断开，且在本公开中当转移晶体管204在此当前过程块450期间在接通与断开之间双态触变时，位线224停留在完全浮动状态中。
由转移栅极电压206的双态触变造成的位线224的电压变化与在位线224不浮动时的相同情形相比大大降低。位线224能够维持其原始电压电平几乎与脉冲添加到TX栅极电压206之前的值相同。在一个实例中，相比之下，位线224上的电压步长可小10倍以上。由于在由TX栅极电压206造成的电荷转移期间位线224处于浮动状态，FPN大大减少。尽管位线224在电荷转移期间从BV产生器265断开，然而BV产生器265仍然通过电流源产生器231将BLSN 230充电到AGND。总AVDD电流在整个此方块450中显示出很小的变化。系统电源因此根据需要保持稳定。
在过程块450之后可进行过程块460。过程块460与图3所示时间区360相关。在方块460期间，一般来说，从TX接收端子207转移到FD 208的图像电荷经过SF晶体管216放大，且接着在一个实施例中通过RS晶体管220提供到位线224，或者在另一个实施例中从SF晶体管216的源极端子218直接提供到位线224。确切地说，在方块450中TX栅极电压206上的脉冲结束之后，立刻通过将RS栅极电压222设定成高电平以允许SF源极端子上的图像信号电压驱动位线224来对RS晶体管220进行重新连接，并且通过将位线使能电压bl_en 228设定成高电平以允许BLSN 230对位线224上的电压进行钳位来对位线使能晶体管226进行重新连接。
在方块460期间，在BLSN 230侧上，BV产生器265的功能被CV产生器255接管。这种切换通过同时将黑太阳使能电压278设定成低电平且将钳位使能电压264设定成高电平来生效。由于可调整的钳位电压被设定成比黑太阳电压低得多，因此在方块460开始处，BLSN230上的电压开始从高的黑太阳电压向下移动。同时，在SF源极端子侧上，如果图像信号是暗的(其由高电压表示)，则位线224上的有效输入步长电压在RS晶体管从断开到接通的切换点处接近为0。位线224基于小的有效输入步长电压而快速稳定。如果图像信号是亮的，则位线224上的有效输入步长电压也被最小化以有利于位线224的快速稳定，这是因为位线224的两侧上的初始电压要同时向下漂移。
CV产生器255的可调整的钳位电压可提供比表示绝对最亮光的电平略高的电位。钳位电压对最低边界设定了限值，所述最低边界等效于在ADC看起来最亮的信号。尽管所述钳位电压不是最亮的但它足够接近最亮的，以使得ADC可接受所述钳位电压作为输入，并对其进行转换以用作ADC输出处的最高值而不会使ADC超限(overflow)。钳位电压确保了ADC能够应对的电压下限值。一旦CV产生器255接管BV产生器265的功能，则CV产生器255便还用于使功耗的变化最小化并连续地维持总AVDD电流的稳定性。
本发明对所示出的实例的以上说明(包括摘要中所阐述的以上说明)并非旨在为穷尽性的或将本发明限制为所公开的精确形式。尽管本文中出于例示性目的阐述了本发明的具体实例，但是如相关领域中的技术人员将认识到，在本发明的范围内可存在各种修改。
可根据以上详细说明对本发明作出这些修改。以上权利要求书中所使用的用语不应被视为将本发明限制为本说明书中所公开的具体实例。而是，本发明的范围应完全由以上权利要求书来确定，此应根据所制定的权利要求解释原则来理解。

Claims (47)

1.一种快速稳定输出线电路，包括：
光电二极管(202)，适于响应于入射光来积聚图像电荷；
至少一个转移晶体管(204)，耦合在所述光电二极管(202)与浮动扩散(208)之间以将所述图像电荷从所述光电二极管(202)转移到所述浮动扩散(208)，其中转移栅极电压(206)控制所述图像电荷从所述转移晶体管的转移接收端子(207)向所述浮动扩散(208)的传输；
复位晶体管(210)，被耦合成向所述浮动扩散(208)供应复位浮动扩散电压，其中复位栅极电压(212)控制所述复位晶体管；
源极跟随器晶体管(216)，被耦合成从源极跟随器栅极端子接收所述浮动扩散(208)的电压并将经放大信号提供到源极跟随器源极端子(218)；
位线使能晶体管(226)，耦合在位线(224)与位线源极节点(230)之间，其中位线使能电压(228)控制所述位线使能晶体管，且其中所述位线源极节点(230)耦合到黑太阳电压产生器(265)；以及
电流源产生器(231)，耦合在所述位线源极节点(230)与地电位之间，其中所述电流源产生器(231)通过偏压晶体管(242)向所述位线源极节点(230)提供可调整的电流，所述偏压晶体管(242)受偏压控制电压(244)控制。
2.根据权利要求1所述的快速稳定输出线电路，还包括转移存储晶体管(203)，所述转移存储晶体管(203)耦合在所述光电二极管(202)与所述转移晶体管(204)之间以将所述光电二极管(202)中积聚的所述图像电荷转移到所述转移晶体管的所述转移接收端子(207)，其中转移存储栅极电压(206)控制所述转移存储晶体管(203)。
3.根据权利要求1所述的快速稳定输出线电路，还包括行选择晶体管(220)，所述行选择晶体管(220)耦合在所述源极跟随器源极端子(218)与所述位线(224)之间，其中行选择栅极电压(222)控制所述行选择晶体管(220)，且其中所述行选择晶体管(220)将所述经放大信号从所述源极跟随器源极端子(218)传递到所述位线(224)。
4.根据权利要求1所述的快速稳定输出线电路，还包括行选择晶体管(220)，所述行选择晶体管(220)耦合在源极跟随器漏极端子与像素电压之间，其中行选择栅极电压(222)控制所述行选择晶体管(220)，其中所述行选择晶体管(220)将所述像素电压传递到所述源极跟随器漏极端子，且其中所述源极跟随器源极端子(218)连接到所述位线(224)。
5.根据权利要求4所述的快速稳定输出线电路，其中所述像素电压连接到电源供应电压。
6.根据权利要求4所述的快速稳定输出线电路，其中所述像素电压连接到经调节电压供应源，其中所述经调节电压供应源是基于所述电源电压进行调节的。
7.根据权利要求4所述的快速稳定输出线电路，其中所述像素电压与所述复位浮动扩散电压具有相同的值。
8.根据权利要求4所述的快速稳定输出线电路，其中所述像素电压与所述复位浮动扩散电压具有不同的值。
9.根据权利要求1所述的快速稳定输出线电路，其中所述黑太阳电压产生器(265)被配置成接收所述像素电压并向所述位线源极节点(230)提供可调整的黑太阳电压，且其中所述黑太阳电压产生器(265)包括：
黑太阳电源供应晶体管(266)，接收所述像素电压并提供黑太阳电源供应电压(268)；
黑太阳晶体管(270)，被耦合成接收所述黑太阳电源供应电压(268)并提供受黑太阳控制电压(272)控制的可调整的黑太阳电压(274)；以及
黑太阳使能晶体管(276)，被耦合成受黑太阳使能电压(278)控制将所述可调整的黑太阳电压(274)传递到所述位线源极节点(230)。
10.根据权利要求9所述的快速稳定输出线电路，还包括钳位电压产生器(255)，所述钳位电压产生器(255)被配置成连接到所述位线源极节点(230)。
11.根据权利要求10所述的快速稳定输出线电路，其中所述钳位电压产生器(255)被配置成接收所述像素电压并向所述位线源极节点(230)提供可调整的钳位电压，且其中所述钳位电压产生器(255)包括：
钳位晶体管(256)，被配置成接收所述像素电压并提供受钳位控制电压(258)控制的可调整的钳位电压(260)；以及
钳位使能晶体管(262)，被耦合成受钳位使能电压(264)控制将所述可调整的钳位电压(260)传递到所述位线源极节点(230)。
12.根据权利要求11所述的快速稳定输出线电路，其中所述可调整的钳位电压低于所述可调整的黑太阳电压。
13.根据权利要求1所述的快速稳定输出线电路，其中偏压电压(248)提供所述偏压控制电压(244)。
14.根据权利要求1所述的快速稳定输出线电路，其中所述电流源产生器(231)还包括耦合在所述位线源极节点(230)与所述偏压晶体管(242)之间的栅地-阴地晶体管(232)，所述栅地-阴地晶体管(232)受栅地-阴地控制电压(234)控制。
15.根据权利要求14所述的快速稳定输出线电路，其中栅地-阴地电压(240)提供所述栅地-阴地控制电压(234)。
16.根据权利要求14所述的快速稳定输出线电路，其中所述电流源产生器(231)还包括：
栅地-阴地采样保持晶体管(236)，被耦合成接收栅地-阴地电压(240)并提供受采样保持电压(238)控制的所述栅地-阴地控制电压(234)；
偏压采样保持晶体管(246)，被耦合成接收偏压电压(248)并提供受所述采样保持电压(238)控制的所述偏压控制电压(244)；
栅地-阴地保持电容器(250)，耦合在所述栅地-阴地控制电压(234)与所述地电位之间；以及
偏压保持电容器(252)，耦合在所述偏压控制电压(244)与所述地电位之间。
17.根据权利要求1所述的快速稳定输出线电路，还包括空闲电压产生器(279)，所述空闲电压产生器(279)被配置成接收像素电压并向所述位线(224)提供空闲电压，其中所述空闲电压产生器(279)包括：
空闲电源供应晶体管(280)，被配置成接收所述像素电压并提供受空闲控制电压控制的空闲电源供应电压(282)；以及
空闲使能晶体管(284)，被耦合成受空闲使能电压(286)控制将所述空闲电源供应电压(282)传递到所述位线(224)。
18.根据权利要求1所述的快速稳定输出线电路，还包括将所述经放大信号从所述位线(224)传递到模拟-数字转换器输入(292)的传输门(290)。
19.一种使输出线电路快速稳定的方法，包括：
通过将复位栅极电压(212)复位到高电平以接通复位晶体管(210)来将浮动扩散(208)复位到复位浮动扩散电压；
当行选择晶体管(220)及位线使能晶体管(226)被断开时，通过将空闲使能电压(286)设定成高电平以导通空闲使能晶体管(284)来通过位线寄生电容器(288)将位线(224)预充电到源极跟随器源极复位电压；
通过将黑太阳使能电压(278)设定成高电平以接通黑太阳使能晶体管(276)并通过将黑太阳控制电压(272)提供到黑太阳晶体管(270)来将位线源极节点(230)预充电到黑太阳电压，并通过将钳位使能电压(264)设定成低电平来关断钳位使能晶体管(262)；
通过将所述空闲使能电压(286)设定成低电平以关断所述空闲使能晶体管(284)来中断对所述位线电容器(288)的预充电；
通过将行选择栅极电压(222)及位线使能电压(228)设定成高电平以将所述行选择晶体管(220)及所述位线使能晶体管(226)闭合来对源极跟随器源极端子(218)与所述位线(224)的连接进行使能并将所述位线(224)重新连接到所述位线源极节点(230)；
通过将所述复位栅极电压(212)设定成低电平以断开所述复位晶体管(210)来将所述浮动扩散(208)从像素电压断开；以及
从所述浮动扩散(208)读取背景信号，其中源极跟随器晶体管(216)在源极跟随器栅极端子处接收所述背景信号并在源极跟随器源极端子(218)处提供经放大背景信号，且其中模拟-数字转换器将所述经放大背景信号从所述位线(224)接收到模拟-数字转换器输入端子(292)。
20.根据权利要求19所述的方法，其中当所述行选择栅极电压(222)使所述行选择晶体管(220)闭合时，所述行选择晶体管(220)将所述经放大背景信号传递到所述位线(224)。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述经放大背景信号流动到所述位线(224)。
22.根据权利要求19所述的方法，还包括：
通过将采样保持电压(238)设定成高电平以导通栅地-阴地采样保持晶体管(236)及偏压采样保持晶体管(246)来将栅地-阴地保持电容器(250)预充电到栅地-阴地电压(240)以及将偏压保持电容器(252)预充电到偏压电压(248)；以及
在关断所述空闲使能晶体管(284)时，通过将采样保持电压(238)设定成低电平以关断所述栅地-阴地采样保持晶体管(236)以及所述偏压采样保持晶体管(246)来中断对所述栅地-阴地保持电容器(250)及所述偏压保持电容器(252)的预充电。
23.根据权利要求19所述的方法，还包括：在通过将所述行选择栅极电压(222)及所述位线使能(228)设定成低电平来使所述行选择晶体管(220)及所述位线使能晶体管(226)开路后，通过转移栅极电压(206)的双态触变使转移晶体管(204)接通及断开来将所积聚的图像电荷从所述转移晶体管的转移接收端子(207)转移到所述浮动扩散(208)。
24.根据权利要求23所述的方法，其中在通过将所述转移栅极电压(206)设定成低电平来将所述转移晶体管(204)断开后，通过将所述行选择栅极电压(222)及所述位线使能(228)设定成高电平来将所述行选择晶体管(220)及所述位线使能晶体管(226)闭合，且通过将所述黑太阳使能(278)设定成低电平来将所述黑太阳使能晶体管(276)关断，并通过将所述钳位使能(264)设定成高电平来将所述钳位使能晶体管(262)导通。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述源极跟随器晶体管(216)在源极跟随器源极端子(218)处将来自所述转移晶体管的所述转移接收端子(207)的所述图像电荷放大成经放大图像信号，且其中所述模拟-数字转换器将所述经放大图像信号从所述位线(224)接收到所述模拟-数字转换器输入端子(292)。
26.根据权利要求25所述的方法，其中当所述行选择栅极电压(222)使所述行选择晶体管(220)闭合时，所述行选择晶体管(220)将所述经放大图像信号传递到所述位线(224)。
27.根据权利要求25所述的方法，其中所述经放大图像信号流动到所述位线(224)。
28.根据权利要求19所述的方法，其中通过对传输门(290)进行使能，所述传输门(290)将经放大图像信号从所述位线(224)传递到所述模拟-数字转换器输入端子(292)。
29.根据权利要求19所述的方法，其中由所述黑太阳使能晶体管(276)提供的电压高于由所述钳位使能晶体管(262)提供到所述位线源极节点(230)的电压。
30.根据权利要求19所述的方法，其中所述源极跟随器源极复位电压是当所述浮动扩散(208)通过所述复位晶体管(210)被复位到复位浮动扩散电压时所述源极跟随器源极端子(218)的电压值。
31.一种具有快速稳定输出线电路的成像系统(100)，包括：
由像素单元形成的像素阵列(102)，其中每一像素单元(201)包括：
光电二极管(202)，适于响应于入射光来积聚图像电荷；
至少一个转移晶体管(204)，耦合在所述光电二极管(202)与浮动扩散(208)之间以将所述图像电荷从所述光电二极管(202)转移到所述浮动扩散(208)，其中转移栅极电压(206)控制所述图像电荷从所述转移晶体管的转移接收端子(207)向所述浮动扩散(208)的传输；
复位晶体管(210)，被耦合成向所述浮动扩散(208)供应复位浮动扩散电压，其中复位栅极电压(212)控制所述复位晶体管；以及
源极跟随器晶体管(216)，被耦合成从源极跟随器栅极端子接收所述浮动扩散(208)的电压并将经放大信号提供到源极跟随器源极端子(218)；
位线使能晶体管(226)，耦合在位线(224)与位线源极节点(230)之间，其中位线使能电压(228)控制所述位线使能晶体管，且其中所述位线源极节点(230)耦合到黑太阳电压产生器(265)；
电流源产生器(231)，耦合在所述位线源极节点(230)与地电位之间，其中所述电流源产生器(231)通过偏压晶体管(242)向所述位线源极节点(230)提供可调整的电流，所述偏压晶体管(242)受偏压控制电压(244)控制；
控制电路系统(104)，耦合到所述像素阵列(102)以控制所述像素阵列(102)的操作，其中所述控制电路系统(104)向所述像素阵列(102)提供所述转移栅极电压(206)、所述复位栅极电压(212)、行选择栅极电压(222)、所述位线使能电压(228)、采样保持电压(238)、栅地-阴地电压(240)、偏压电压(248)、钳位控制电压(258)、钳位使能电压(264)、黑太阳控制电压(272)、黑太阳使能电压(278)、空闲控制电压及空闲使能电压(286)；
读出电路系统(106)，通过多个读出列(110)耦合到所述像素阵列(102)，以从所述多个像素读出图像数据；以及
功能逻辑(108)，被耦合成从所述读出电路系统(106)接收图像数据以存储来自所述多个像素单元中的每一者的所述图像数据，其中所述功能逻辑(108)向所述控制电路系统(104)提供指令。
32.根据权利要求31所述的快速稳定成像系统，还包括转移存储晶体管(203)，所述转移存储晶体管(203)耦合在所述光电二极管(202)与所述转移晶体管(204)之间以将所述光电二极管(202)中积聚的所述图像电荷转移到所述转移晶体管的所述转移接收端子(207)，其中转移存储栅极电压(206)控制所述转移存储晶体管(203)。
33.根据权利要求31所述的快速稳定成像系统，还包括行选择晶体管(220)，所述行选择晶体管(220)耦合在所述源极跟随器源极端子(218)与所述位线(224)之间，其中行选择栅极电压(222)控制所述行选择晶体管(220)，且其中所述行选择晶体管(220)将所述经放大信号从所述源极跟随器源极端子(218)传递到所述位线(224)。
34.根据权利要求31所述的快速稳定成像系统，还包括行选择晶体管(220)，所述行选择晶体管(220)耦合在源极跟随器漏极端子与像素电压之间，其中行选择栅极电压(222)控制所述行选择晶体管(220)，其中所述行选择晶体管(220)将所述像素电压传递到所述源极跟随器漏极端子，且其中所述源极跟随器源极端子(218)连接到所述位线(224)。
35.根据权利要求34所述的快速稳定成像系统，其中所述像素电压连接到电源供应电压。
36.根据权利要求34所述的快速稳定成像系统，其中所述像素电压连接到经调节电压供应源，其中所述经调节电压供应源是基于所述电源电压进行调节的。
37.根据权利要求34所述的快速稳定成像系统，其中所述像素电压与所述复位浮动扩散电压具有相同的值。
38.根据权利要求34所述的快速稳定成像系统，其中所述像素电压与所述复位浮动扩散电压具有不同的值。
39.根据权利要求31所述的快速稳定成像系统，其中所述黑太阳电压产生器(265)被配置成接收像素电压并向所述位线源极节点(230)提供可调整的黑太阳电压，且其中所述黑太阳电压产生器(265)包括：
黑太阳电源供应晶体管(266)，被配置成接收所述像素电压并提供黑太阳电源供应电压(268)；
黑太阳晶体管(270)，被耦合成接收所述黑太阳电源供应电压(268)并提供受黑太阳控制电压(272)控制的可调整的黑太阳电压(274)；以及
黑太阳使能晶体管(276)，被耦合成受黑太阳使能电压(278)控制将所述可调整的黑太阳电压(274)传递到所述位线源极节点(230)。
40.根据权利要求35所述的快速稳定成像系统，还包括钳位电压产生器(255)，所述钳位电压产生器(255)被配置成连接到所述位线源极节点(230)。
41.根据权利要求40所述的快速稳定成像系统，其中所述钳位电压产生器(255)被配置成接收所述像素电压并向所述位线源极节点(230)提供可调整的钳位电压，其中所述可调整的钳位电压低于可调整的黑太阳电压，且其中所述钳位电压产生器(255)包括：
钳位晶体管(256)，被配置成接收所述像素电压并提供受钳位控制电压(258)控制的可调整的钳位电压(260)；以及
钳位使能晶体管(262)，被耦合成受钳位使能电压(264)控制将所述可调整的钳位电压(260)传递到所述位线源极节点(230)。
42.根据权利要求31所述的快速稳定成像系统，其中偏压电压(248)提供所述偏压控制电压(244)。
43.根据权利要求31所述的快速稳定成像系统，其中所述电流源产生器(231)还包括耦合在所述位线源极节点(230)与所述偏压晶体管(242)之间的栅地-阴地晶体管(232)，所述栅地-阴地晶体管(232)受栅地-阴地控制电压(234)控制。
44.根据权利要求43所述的快速稳定成像系统，其中栅地-阴地电压(240)提供所述栅地-阴地控制电压(234)。
45.根据权利要求43所述的快速稳定成像系统，其中所述电流源产生器(231)还包括：
栅地-阴地采样保持晶体管(236)，被耦合成接收栅地-阴地电压(240)并提供受所述采样保持电压(238)控制的所述栅地-阴地控制电压(234)；
偏压采样保持晶体管(246)，被耦合成接收偏压电压(248)并提供受所述采样保持电压(238)控制的所述偏压控制电压(244)；
栅地-阴地保持电容器(250)，耦合在所述栅地-阴地控制电压(234)与所述地电位之间；以及
偏压保持电容器(252)，耦合在所述偏压控制电压(244)与所述地电位之间。
46.根据权利要求31所述的快速稳定成像系统，还包括空闲电压产生器(279)，所述空闲电压产生器(279)被配置成接收像素电压并向所述位线(224)提供空闲电压，其中所述空闲电压产生器(279)包括：
空闲电源供应晶体管(280)，被配置成接收所述像素电压并提供受空闲控制电压控制的空闲电源供应电压(282)；以及
空闲使能晶体管(284)，被耦合成受空闲使能电压(286)控制将所述空闲电源供应电压(282)传递到所述位线(224)。
47.根据权利要求31所述的快速稳定成像系统，还包括将所述经放大信号从所述位线(224)传递到模拟-数字转换器输入(292)的传输门(290)。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10462394B1 (en) * 2018-07-11 2019-10-29 Raytheon Company Digital pixel imager with dual bloom storage capacitors and cascode transistors
US10622980B1 (en) * 2018-11-09 2020-04-14 Analog Devices, Inc. Apparatus and methods for setting and clamping a node voltage
US10834351B2 (en) * 2018-11-26 2020-11-10 Omnivision Technologies, Inc. Bitline settling speed enhancement
US11178351B1 (en) * 2020-05-07 2021-11-16 Novatek Microelectronics Corp. Readout circuit for pixel
KR20220051623A (ko) * 2020-10-19 2022-04-26 에스케이하이닉스 주식회사 이미지 센싱 장치 및 그의 동작 방법
US11430821B2 (en) * 2020-12-07 2022-08-30 Semiconductor Components Industries, Llc Image sensor with active clamp to suppress transfer gate feedthrough

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1835245A (zh) * 2005-03-17 2006-09-20 富士通株式会社 嵌有光电二极管区的图像传感器及其制造方法
US20110101420A1 (en) * 2009-10-31 2011-05-05 Pratik Patel Increasing full well capacity of a photodiode used in digital photography
US8149304B2 (en) * 2008-10-10 2012-04-03 Panasonic Corporation Solid-state imaging device and imaging device
CN102572326A (zh) * 2010-11-09 2012-07-11 美商豪威科技股份有限公司 具有流水线化列模数转换器的图像传感器
US8325255B2 (en) * 2009-07-14 2012-12-04 Sony Corporation Solid-state imaging device, control method therefor, and camera system
CN105321967A (zh) * 2014-07-31 2016-02-10 全视科技有限公司 像素单元及成像系统
CN105681696A (zh) * 2014-12-03 2016-06-15 全视科技有限公司 像素单元、图像传感器及提升像素单元中复位电平的方法
US9549135B2 (en) * 2013-03-29 2017-01-17 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Solid-state imaging device and imaging apparatus
CN106851139A (zh) * 2015-12-03 2017-06-13 豪威科技股份有限公司 用于全局快门校正的像素电路及成像系统

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8729451B2 (en) * 2011-08-30 2014-05-20 Omnivision Technologies, Inc. Multilevel reset voltage for multi-conversion gain image sensor
CN108141551B (zh) * 2015-11-19 2020-08-11 奥林巴斯株式会社 检查装置、图像处理装置、校正值计算方法、图像处理方法以及存储介质

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1835245A (zh) * 2005-03-17 2006-09-20 富士通株式会社 嵌有光电二极管区的图像传感器及其制造方法
US8149304B2 (en) * 2008-10-10 2012-04-03 Panasonic Corporation Solid-state imaging device and imaging device
US8325255B2 (en) * 2009-07-14 2012-12-04 Sony Corporation Solid-state imaging device, control method therefor, and camera system
US20110101420A1 (en) * 2009-10-31 2011-05-05 Pratik Patel Increasing full well capacity of a photodiode used in digital photography
CN102572326A (zh) * 2010-11-09 2012-07-11 美商豪威科技股份有限公司 具有流水线化列模数转换器的图像传感器
US9549135B2 (en) * 2013-03-29 2017-01-17 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Solid-state imaging device and imaging apparatus
CN105321967A (zh) * 2014-07-31 2016-02-10 全视科技有限公司 像素单元及成像系统
CN105681696A (zh) * 2014-12-03 2016-06-15 全视科技有限公司 像素单元、图像传感器及提升像素单元中复位电平的方法
CN106851139A (zh) * 2015-12-03 2017-06-13 豪威科技股份有限公司 用于全局快门校正的像素电路及成像系统

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