CN110214443A - 具有扩展动态范围的成像阵列 - Google Patents
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Abstract
公开了一种成像阵列及其使用方法。成像阵列包括连接到位线的多个像素传感器，每个像素传感器包括光电检测器，该光电检测器包括光电二极管、浮动扩散节点、和连接到浮动扩散节点的缓冲器，缓冲器产生具有电压的像素输出信号，该电压是浮动扩散节点上的电压的单调函数。每个像素传感器还包括通过溢流传输栅极而连接到光电二极管的溢流电容器，该溢流传输栅极允许超过预定电荷的光电荷流到溢流电容器上。将累积在光电二极管和溢流电容器上的电荷组合到一起从而为像素传感器提供改进的动态范围。
Description
技术领域
本发明涉及具有扩展动态范围的成像阵列。
背景技术
现在可以使用能够检测非常低的光水平的CMOS图像传感器。噪声抑制的改进导致探测器的噪声水平只是电子的一小部分；从而使单个光子计数成为可能。虽然这种传感器可以在极低的光线下提供图像，但光电二极管在高光照水平下会饱和。因此，这种传感器具有有限的动态范围。
已经提出了具有多个光电二极管的像素传感器以扩展动态范围。在这样的传感器中，一个光电二极管对低光水平敏感，而另一个光电二极管具有低得多的光转换率，因此当低光光电二极管饱和时可用于提供光测量。然而，多个光电二极管的使用带来了其他挑战，因为光电二极管不相同，因此可以具有不同的光谱响应。
发明内容
本发明包括一种装置和使用该装置的方法。该装置包括连接到位线的多个像素传感器，每个像素传感器包括光电检测器，该光电检测器包括光电二极管、浮动扩散节点、和连接到浮动扩散节点的缓冲器，该缓冲器产生具有电压的像素输出信号，该电压是浮动扩散节点上的电压的单调函数。每个像素传感器还包括：位线栅极，其响应于行选择信号而将像素输出信号连接到位线；复位栅极，其响应于复位信号而将浮动扩散节点连接到第一复位电压源；第一传输栅极，其响应于第一传输信号而将光电二极管连接到浮动扩散节点；溢流电容器，其通过第二传输栅极连接到浮动扩散节点，第二传输栅极响应于第二传输信号而将溢流电容器连接到浮动扩散节点；以及溢流传输栅极，其响应于溢流传输栅极信号而将光电二极管连接到溢流电容器。
在本发明的一个方面中，当光电二极管产生的电荷超过溢流阈值时，溢流传输栅极信号被调整到使电荷流到溢流电容器而不是浮动扩散节点的水平。
在本发明的另一个方面中，缓冲器包括源极跟随器，其具有连接到浮动扩散节点的栅极。
在本发明的另一个方面中，该装置包括控制器，该控制器产生第一和第二采样信号、复位信号、第一和第二传输信号、以及溢流传输栅极信号。在本发明的另一个方面中，控制器使每个像素传感器中的光电二极管和溢流电容器复位到复位电压。
在本发明的另一个方面中，控制器将光电二极管与每个像素传感器中的浮动扩散节点隔离，使得由照射光电二极管的光产生的光电荷首先累积在光电二极管上，直到光电二极管达到存储的光电荷的预定水平，超过该预定水平的任何过量光电荷存储在溢流电容器上。
在本发明的另一个方面中，控制器在每个像素传感器的曝光时段之后确定存储在溢流电容器上的第一光电荷和存储在光电二极管上的第二光电荷，控制器将第一和第二光电荷组合到一起以提供对曝光期间每个像素传感器接收光量的测量值。
本发明还包括一种操作成像阵列的方法，该成像阵列包括多个像素传感器，其中每个像素传感器包括光电二极管，该光电二极管测量在曝光期间入射在该像素传感器中的光电二极管上的光的强度，该光电二极管的特征在于具有在曝光期间可以存储在每个光电二极管中的最大光电荷。该方法包括在每个像素传感器中提供溢流路径，溢流路径收集超过最大光电荷的光电荷、测量在曝光期间通过溢流路径的收集的电荷、并测量曝光后存储在光电二极管上的光电荷、并且在曝光之后将测量的收集的电荷与存储在光电二极管上的光电荷组合到一起，从而得到对应于像素传感器的曝光的像素强度的测量值。
在本发明的另一个方面中，对每个像素传感器中的溢流路径的测量包括每个像素传感器中的电容器，其在曝光之前已经被预充电到复位电压，并且通过溢流栅极而连接到光电二极管。当光电二极管上的电压小于阈值时溢流栅极通过电荷，并且其中在曝光之后对收集的电荷的测量包括在曝光之后对电容器上的电压的测量。
附图说明
图1是利用根据本发明一个实施例的像素传感器的CMOS成像阵列的示意图。
图2示出了根据本发明一个实施例的像素传感器。
图3A示出了在读出周期期间作为时间的函数的各种控制电压和信号电压。
图3B示出了实施例中的控制信号定时，其中Voutp总是大于或等于Voutm。
具体实施方式
现在参考图1，图1是利用根据本发明一个实施例的像素传感器的CMOS成像阵列的示意图。成像阵列40由矩形阵列的像素传感器41构成。每个像素传感器包括光电二极管46和接口电路47。接口电路的细节取决于特定的像素设计。然而，所有像素传感器包括连接到行线42的栅极，行线42用于将该像素传感器连接到位线43。在任何时间启用的具体行由输入到行解码器45的行地址来确定。行选择线是平行的导体阵列，其在基板上方的金属层中水平延伸，其中构造了光电二极管和接口电路。
每个位线终止于列处理电路44，其通常包括传感放大器和列解码器。位线是平行的导体阵列，其在基板上方的金属层中垂直延伸，其中构造了光电二极管和接口电路。每个传感放大器读取信号，该信号由当前连接到位线的像素而产生，该位线由该传感放大器处理。传感放大器可以通过利用模数转换器(ADC)而产生数字输出信号。在任何给定时间，从成像阵列读出单个像素传感器。读出的特定列由列地址确定，该列地址被列解码器用于将来自该列的传感放大器/ADC输出连接到成像阵列外部的电路。控制信号和其他功能的序列由控制器30来执行。为了简化附图，已从图中省略控制器30与各种控制线之间的连接。
现在参考图2，其示出了根据本发明一个实施例的像素传感器。像素60包括在曝光期间收集光电荷的光电二极管11。传输栅极12允许累积的电荷响应于信号Tx1而从光电二极管11传输到浮动扩散节点13。出于本讨论的目的，浮动扩散节点被定义为不与电源轨相连或由另一电路驱动的电节点。浮动扩散节点13的特征在于具有电容CFD的寄生电容器14。所收集的电荷从在传输之前设置的复位电压值改变浮动扩散节点13的电压。浮动扩散节点电压的减少量提供了传递的光电荷的量度。
复位栅极16用于在电荷传输之前设置浮动扩散节点13上的电压，或者在曝光之前复位光电二极管11。浮动扩散节点13上的电压由源极跟随器晶体管17而放大。当要读出像素60时，栅极晶体管18上的信号将源极跟随器晶体管17的输出连接到位线19，该位线19由给定列中的所有像素传感器共享。出于本讨论的目的，位线被定义为由多列像素传感器共享的导体，并且携带指示像素传感器中的浮动扩散节点处的电压的电压信号，该像素传感器通过传输栅极而连接到位线。
每个位线终止于列处理电路55。列处理电路55包括位线放大器50和两个采样和保持电路，其功能将在下面更详细地描述。第一采样和保持电路包括栅极22和电容器23，第二采样和保持电路包括栅极24和电容器25。这些采样和保持电路的输出由ADC 51处理，以提供当前连接到位线19的像素传感器的输出值。使用采样和保持电路的方式将在下面更详细地讨论。
像素60还包括溢流电容器61，其在光电二极管11饱和之后收集由光电二极管11产生的光电荷。在曝光开始时，光电二极管11和溢流电容器61被设置为具有由Vr确定的复位电压。随着光电荷在光电二极管11上累积，光电二极管11上的电压减小，直到光电二极管11饱和。在由栅极15上的栅极电压确定的电压下，过量电荷流过栅极15并流到溢流电容器61、电容器14(即，浮动扩散节点13的寄生电容)、和栅极62的寄生电容的组合上，其在整个曝光期间保持导通状态。因此，在曝光结束时，可以通过测量浮动扩散节点13处的电压从复位电压的降低来确定任何溢流电荷。
在测量溢流电荷之后，再次重置浮动扩散节点13并且将栅极62置于非导通状态。然后测量浮动扩散节点13上的复位电压以提供参考值。然后通过打开栅极12并测量由于电荷转移到浮动扩散节点13而导致的浮动扩散节点13处的电压降低来确定保留在光电二极管11上的光电荷。
在以下讨论中，来自节点26上的位线放大器50的输出电压将由Vout表示。该输出电压在不同时间存储在采样和保持电容器23和25上。所存储的电压由图1中所示的控制器30来使用，以产生构成最终图像的像素值。存储的模拟电压可以通过列解码电路中的ADC或作为控制器30的一部分的ADC来数字化。图2中所示的各种控制信号由控制器30产生。控制器30与各种栅极之间的连接已在附图中被省略从而简化附图。
现在将更详细地讨论测量像素曝光的方式。曝光可视为由三个阶段组成。第一阶段是复位和积分阶段，其中浮动扩散节点13和节点66被复位到由Vr确定的复位电压。在复位期间，栅极12、16、和62处于导通状态。在复位之后，将栅极12设置为非导通状态，从而将光电二极管11与浮动扩散节点13隔离。当在光电二极管11与浮动扩散节点13隔离时开始在曝光期间将电荷集成在光电二极管11上，光电荷首先在光电二极管11上被隔离。然而，当光电二极管11饱和时，光电二极管11上的电压降低到电荷流过栅极15的点。电荷流过栅极15的电压由信号Tx2的电位决定，该电位在整个曝光和读出阶段保持不变。
在曝光期间，栅极62保持导通状态，因此，溢流电荷在电容器61、电容器14、和与栅极62相关的寄生电容之间分配，这三个电容器在浮动扩散节点13与地之间有效地并联连接。在曝光期间结束时，来自曝光的光电荷在光电二极管11与像素传感器的这些并联连接的电容器之间分开，在其中光电二极管已经饱和。在读出的第一阶段(称为溢流电荷阶段)中，测量了浮动扩散节点上的电压并将其与曝光阶段开始时的复位电压进行比较。
一旦测量到溢流电荷，就开始读出的第二阶段，称为光电二极管电荷阶段。在该阶段中，栅极62处于非导通状态，并且浮动扩散节点被复位。读取浮动扩散节点13上的电压，然后断开栅极12以允许存储在光电二极管11上的光电荷转移到浮动扩散节点13。然后再次读取浮动扩散节点13上的电压以确定转移到浮动扩散节点13的光电荷的量。
现在参考图3A，其示出了在读出周期期间作为时间的函数的各种控制电压和信号电压。在最后的读出周期之后，但在当前的读出周期之前，浮动扩散节点13、电容器61和光电二极管11都在现在要读出的曝光开始时被复位。通过将栅极12、16和62置于导通状态，然后将栅极12和16置于非导通状态来完成该复位。在一个示例性实施例中，发生这种复位的时间取决于所需曝光的长度。
可以将读出阶段视为由两个子阶段组成，称为溢流电荷阶段和光电二极管电荷阶段。在溢流电荷阶段期间，测量在曝光期间累积的溢流电荷。在溢流电荷阶段之后，在光电二极管电荷阶段期间测量存储在光电二极管上的电荷。通过计算浮动扩散节点13复位之后浮动扩散节点13处的电压与相关电荷已经转移到浮动扩散节点13之后浮动扩散节点13处的电压之间的差来测量每个电荷。当通过将Rs设置为高而将所讨论的像素连接到位线19时，读出阶段开始，如图3A所示。此时，浮动扩散节点13上的电位已经反映了在曝光期间累积的溢流电荷。在溢流电荷阶段的第一部分中，通过将栅极22置于导通状态而在采样和保持电容器23上捕获浮动扩散节点13上的电压，如图3A中为高的第一采样信号S1所示。当浮动扩散节点13被复位时，通过测量该电压与浮动扩散节点13上的复位电压之间的差来确定溢流电荷。因此，在溢流电荷阶段的第二部分中，通过将像素复位控制Rp设为高来复位浮动扩散节点13和电容器61。然后，在采样和保持电容器25上捕获复位电压，如第二采样信号S2所示。然后，采样和保持电容器23和25上的电压之间的差值由作为控制器30的一部分的ADC来数字化，以提供曝光期间溢流电荷的测量值。
光电二极管电荷阶段通过隔离浮动扩散节点13并在复位之后测量浮动扩散节点13上的复位电位而开始。复位电位存储在采样和保持电容器23上。然后，栅极12处于导通状态，并且来自光电二极管11的电荷被转移到浮动扩散节点13，这降低了浮动扩散节点13上的电压。然后，将该电压存储在采样和保持电容器25上。然后，采样和保持电容器23和25上的电压之间的差值由作为控制器30的一部分的ADC来数字化，以提供对在曝光期间累积在光电二极管11上的电荷的测量值。这些电荷的总和用于提供与连接到位线的像素传感器对应的像素信号。
应注意，直到存储在光电二极管上的电荷被转移到浮动扩散节点时，曝光才会停止。但是，在此时间点之前测量溢流电荷。因此，在测量溢流电荷与从光电二极管到浮动扩散节点的电荷转移之间的时段中溢流的任何电荷都会丢失。然而，这种损失的电荷很小，因为时间周期通常小于4微秒，而运动图像中的典型曝光大约是17毫秒。
如上所述，存储在采样和保持电容器上的电压必须被数字化并相互减去。通常，每个位线都有一个ADC，以减少读出时间。成像阵列中像素传感器的列数为数千。因此，降低列读出电路的复杂性是有利的。用于降低读出电路的复杂性的一种方法是将减法硬件与ADC功能组合到一起。可以使用的一种简单形式的ADC是递增ADC，其包括驱动数模转换器(DAC)的寄存器。计数器对时钟脉冲进行计数，直到DAC的输出超过输入电压。通常，寄存器中的初始值为零。
在本发明的一个方面中，计数器仅在DAC输出超过第一模拟输入之后从初始计数器值零开始计数时钟脉冲，并且在DAC输出超过第二模拟输入之后计数停止。该实施例在执行第二模拟输入的数字化所需的相同时间内提供减法功能和数字化功能。为了利用这样的ADC，要数字化的值必须路由到ADC输入，使得较低的电压始终在指定的输入，而较高的电压在另一个输入。例如，在图2所示的实施例中，Voutm应小于或等于Voutp，以使ADC 51在该模式下工作。
这种实现中的问题源于在上面讨论的两个阶段中产生信号和复位电压的顺序。出于本讨论的目的，复位电压将被称为参考电压，并且在浮动扩散节点被设置为参考电压之后通过将电荷转移到浮动扩散节点而获得的衰减的复位电压将被称为信号电压。如上所述，在该电荷的参考电压之前产生溢流电荷阶段的信号电压。然而，在光电二极管电荷阶段，在信号电压之前产生参考电压。
现在参考图3B，其示出了实施例中的控制信号定时，其中Voutp总是大于或等于Voutm。在该示例性实施例中，在光电二极管电荷阶段中，开关S1和S2的作用相对于溢流电荷阶段而反转，因此，参考电压总是存储在电容器25上，而信号电压总是存储在电容器23上。
为了提供像素传感器的动态范围的显著扩展，电容器61的电容和栅极62的寄生电容之和必须显著大于浮动扩散节点13的电容。提供这样的大电容的代价是曝光范围内的噪声增加，其中曝光接近光电二极管11中的阱的最大存储量。电容器61的电容和栅极62的寄生电容之和用C’表示。在一个示例性实施例中，CFD＝4fF，C’＝28fF，并且浮动扩散节点具有1.2V的全电压摆幅。在该示例性实施例中，光电二极管电荷阶段中的读出噪声是0.7e-。可以看出，光电二极管刚刚饱和的曝光噪声增加了约16％。但是，像素传感器的动态范围增加了18dB。增加电容器61的电容进一步增加了动态范围。
上述实施例利用每个像素中的源极跟随器来缓冲来自位线的浮动扩散节点，同时产生随浮动扩散节点上的电压而变化的信号。如果像素尺寸的增加是可接受的，也可以利用其中源极跟随器由放大器或产生像素输出信号的其它电路代替的实施例，该像素输出信号是浮动扩散节点上的电压的单调函数。出于本讨论的目的，术语缓冲器将被定义为包括这样的放大器或其它电路以及源跟随器。
已经提供了本发明的上述实施例以说明本发明的各个方面。然而，应该理解，可以组合在不同的具体实施方案中显示的本发明的不同方面，以提供本发明的其他实施方案。另外，根据前面的描述和附图，对本发明的各种修改将变得显而易见。因此，本发明仅受所附权利要求的范围限制。
Claims (9)
1.一种装置，包括连接到位线的多个像素传感器，每个像素传感器包括光电检测器，该光电检测器包括：
光电二极管；
浮动扩散节点；
缓冲器，其连接到所述浮动扩散节点，所述缓冲器产生像素输出信号，所述像素输出信号具有电压，该电压是所述浮动扩散节点上的电压的单调函数；
位线栅极，其响应于行选择信号而将所述像素输出信号连接到所述位线；
复位栅极，其响应于复位信号而将所述浮动扩散节点连接到第一复位电压源；
第一传输栅极，其响应于第一传输信号而将所述光电二极管连接到所述浮动扩散节点；
溢流电容器，其通过第二传输栅极而连接到所述浮动扩散节点，该第二传输栅极响应于第二传输信号而将所述溢流电容器连接到所述浮动扩散节点；和
溢流传输栅极，其响应于溢流传输栅极信号而将所述光电二极管连接到所述溢流电容器。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，当所述光电二极管产生的电荷超过溢流阈值时，所述溢流传输栅极信号被调节到使电荷流到所述溢流电容器而不是所述浮动扩散节点的水平。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述缓冲器包括源极跟随器，其具有连接到所述浮动扩散节点的栅极。
4.如权利要求1所述的装置，还包括控制器，其产生所述第一和第二采样信号、所述复位信号、所述第一和第二传输信号、以及所述溢流传输栅极信号。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述控制器使每个所述像素传感器中的所述光电二极管和所述溢流电容器复位到复位电压。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述控制器将所述光电二极管与每个所述像素传感器中的所述浮动扩散节点隔离，使得由照射所述光电二极管的光产生的光电荷首先累积在所述光电二极管上，直到所述光电二极管达到存储的光电荷的预定水平，超过该预定水平的任何过量光电荷存储在所述溢流电容器上。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述控制器在每个所述像素传感器的曝光时段之后确定存储在所述溢流电容器上的第一光电荷和存储在所述光电二极管上的第二光电荷，所述控制器将所述第一和第二光电荷组合到一起以提供对曝光期间每个像素传感器接收光量的测量值。
8.一种操作包括多个像素传感器的成像阵列的方法，每个像素传感器包括光电二极管，所述光电二极管测量在曝光期间入射在所述像素传感器中的所述光电二极管上的光的强度，所述光电二极管的特征在于具有在曝光期间能够存储在每个光电二极管中的最大光电荷，所述方法包括：
在每个所述像素传感器中提供溢流路径，所述溢流路径收集超过所述最大光电荷的光电荷；
测量在所述曝光期间通过所述溢流路径的所述收集的电荷，并测量在所述曝光之后存储在所述光电二极管上的所述光电荷；和
在所述曝光之后将所述测量的收集的电荷与存储在所述光电二极管上的所述光电荷组合到一起，从而得到对应于所述像素传感器的所述曝光的像素强度的测量值。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，对每个所述像素传感器中的所述溢流路径的测量包括每个所述像素传感器中的电容器，所述电容器在所述曝光之前已被预充电到复位电压，并且通过溢流栅极连接到所述光电二极管，当所述光电二极管上的电压小于阈值时该溢流栅极通过电荷，并且其中在所述曝光之后对所述收集的电荷的测量包括在所述曝光之后对所述电容器上的电压的测量。
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