CN114025109B - 具有帧级别黑色电平校准的图像传感器 - Google Patents

Abstract

本申请案涉及一种具有帧级别黑色电平校准的图像传感器。一种图像传感器包含像素阵列，所述像素阵列具有：像素单元的作用行；黑色电平校准行，其具有经耦合以产生代表没有入射光的黑色图像数据信号的黑色图像数据产生电路；以及虚设行，所述虚设行具有经耦合以接收黑色太阳参考电压以箝位所述像素阵列的位线的黑色电平箝位电路，以及经耦合以接收所述黑色太阳参考电压以产生黑色太阳校准电压的黑色电平校准电路。黑色太阳反馈电路经耦合以响应于所述黑色太阳校准电压和黑色电平样本参考产生所述黑色太阳参考电压，且黑色电平取样电路经耦合到所述位线以对所述黑色图像数据信号进行取样以产生由所述黑色太阳反馈电路接收的所述黑色电平样本参考。

Description

具有帧级别黑色电平校准的图像传感器

技术领域

本公开大体上涉及图像传感器，并且特定来说但不排他地，涉及互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。

背景技术

图像传感器已经变得无处不在，且现在广泛应用于数码相机、蜂窝式电话、监控摄像机以及医疗、汽车及其它应用中。用于制造图像传感器，且特定来说互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的技术持续飞速进步。随着图像传感器被集成到更广泛范围的电子装置中，期望通过装置架构设计以及图像获取处理两者以尽可能多的方式(例如，分辨率、功耗、动态范围等)增强其功能性、性能指标等。

典型的图像传感器响应于来自外部场景的图像光入射到图像传感器上而操作。图像传感器包含具有光敏元件(例如，光电二极管)的像素阵列，所述光敏元件吸收入射图像光的一部分并在吸收图像光后产生图像电荷。由像素光生的图像电荷可测量为列位线上的模拟输出图像信号，所述信号依据入射图像光而变化。换句话说，所产生的图像电荷的量与图像光的强度成比例，所述图像电荷作为模拟信号从列位线读出并转换为数字值以产生表示外部场景的数字图像(即，图像数据)。

注意，如果过量的光照射到一些CMOS传感器的像素上，那么所述像素的电势阱可随着光生电荷溢出并导致参考电平的增加，这可归因于从图像信号电平减去参考电平而导致图像传感器的输出中的错误，所述减去伴随相关双取样(CDS)而发生。在一些情况下，例如在明亮的阳光下，CDS减法操作导致负值，这使图像传感器输出被设置为零，从而导致在图像传感器上的明亮区域中出现“黑点”。在此情形下，在图像传感器的亮点中出现的“黑点”有时被称为黑色太阳效应的实例。

发明内容

在一个方面中，本申请案提供一种图像传感器，其包括：像素阵列，其包含：像素单元的多个作用行，其经耦合以响应于入射光产生图像数据；黑色电平校准行，其包含多个黑色图像数据产生电路，所述多个黑色图像数据产生电路经耦合以产生表示没有所述入射光的黑色图像数据信号；及虚设行，其包含：多个黑色电平箝位电路，其经耦合以接收黑色太阳参考电压以箝位所述像素阵列的多根位线；及黑色电平校准电路，其经耦合以接收所述黑色太阳参考电压以产生黑色太阳校准电压；黑色太阳反馈电路，其经耦合以响应于所述黑色太阳校准电压和所述黑色电平样本参考产生所述黑色太阳参考电压；及黑色电平取样电路，其经耦合到所述多根位线，以对从所述黑色电平校准行产生的所述黑色图像数据信号进行取样，以产生经耦合以由所述黑色太阳反馈电路接收的所述黑色电平样本参考。

在另一方面中，本申请案进一步提供一种成像系统，其包括：第一裸片，其包含像素阵列，其中所述像素阵列包括：像素单元的多个作用行，其经耦合以响应入射光生图像数据；黑色电平校准行，其包含多个黑色图像数据产生电路，所述多个黑色图像数据产生电路经耦合以产生表示没有所述入射光的黑色图像数据信号；及虚设行，其包含：多个黑色电平箝位电路，其经耦合以接收黑色太阳参考电压以箝位所述像素阵列的多根位线；及黑色电平校准电路，其经耦合以接收所述黑色太阳参考电压以产生黑色太阳校准电压；及第二裸片，其经耦合到所述第一裸片，其中所述第二裸片包括：黑色太阳反馈电路，其经耦合以响应于所述黑色太阳校准电压和所述黑色电平样本参考产生所述黑色太阳参考电压；及黑色电平取样电路，其经耦合到所述多根位线，以对从所述黑色电平校准行产生的所述黑色图像数据信号进行取样，以产生经耦合以由所述黑色太阳反馈电路接收的所述黑色电平样本参考。

附图说明

参考下列图描述本发明的非限制性及非穷举性实施例，其中除非另外指定，否则贯穿各个视图的类似的参考编号指代类似的部分。

图1说明根据本发明的教示的具有帧级别黑色电平自校准的成像系统的一个实例。

图2说明根据本公开的教示的包含像素阵列的像素裸片中的各种区域的布置的一个实例。

图3说明根据本公开的教示的具有帧级别黑色电平自校准的成像系统的示意图的一个实例。

图4说明根据本发明的教示的说明暴露在明亮阳光下的成像系统中的信号之间的相对关系的时序图的一个实例。

图5说明根据本发明的教示的说明具有在像素阵列的每一帧读出之前执行的黑色电平自校准的成像系统中的信号之间的相对关系的时序图的一个实例。

贯穿附图的若干视图的对应参考符号指示对应组件。所属领域的技术人员将了解，图中的元件是出于简明和清晰的目的而说明且不必按比例绘制。例如，图中的一些元件的尺寸可相对其它元件放大来帮助改进对本发明的各种实施例的理解。另外，通常不描绘在商业上可行的实施例中有用或必要的常见但充分理解的元件，以便有助于对本发明的这些不同实施例的较少受阻碍的观察。

具体实施方式

本文描述涉及具有帧级别黑色太阳电压自校准的成像系统的各种实例。在下列描述中，阐述许多具体细节以提供对实例的通透理解。但是，所属领域的技术人员将认识到；本文描述的技术可在没有一或多个特定细节的情况下或用其它方法、组件、材料等实践。在其它例子中，不详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作以避免混淆某些方面。

贯穿本说明书对“一个实例”或“一个实施例”的引用意指结合实例描述的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实例中。因此，在贯穿本说明书的各个地方中“在一个实例中”或“在一个实施例中”的短语的出现不一定都指相同实例。此外，可在一或多个实例中以任何适当的方式组合特定特征、结构或特性。

为了便于描述，空间相对术语，例如“下面”、“以下”、“下”、“下方”、“上方”、“上”、“顶部”、“底部”、“左”、“右”、“中心”、“中间”及其类似者可在本文中用于描述一个元件或特征与另一(些)元件或特征的关系，如图中所说明。应理解，空间相对术语旨在涵盖除图中描绘的定向之外的装置在使用或操作中的不同定向。例如，如果图中的装置被旋转或翻转，那么被描述为在其它元件或特征“以下”或“下面”或“下方”的元件将被定向为在其它元件或特征“上方”。因此，示范性术语“以下”及“下方”可涵盖上方及以下的定向两者。装置可以其它方式定向(旋转九十度或以其它定向)，且可相应地解译本文中使用的空间相对描述词。另外，还将理解，当一层被称为在两个层“之间”时，它可为两层之间的唯一层，或也可存在一或多个中介层。

贯穿本说明书，使用若干技术术语。这些术语具有其所源自的领域中的普通含义，除非本文中明确定义或其使用上下文另有明确指示。应注意，元素名称及符号可贯穿本文献互换使用(例如，Si对硅)；然而，两者具有相同含义。

如将讨论，公开成像系统的各种实例，其中在每一帧读出之前，由成像系统执行黑色太阳电平自校准操作。在各种实例中，成像系统包含具有一或多个虚设行的像素阵列，所述虚设行包含黑色电平箝位电路，所述黑色电平箝位电路将像素阵列中的位线箝位在黑色太阳参考电压下。虚设行还包含黑色电平校准电路，所述黑色电平校准电路是黑色电平箝位电路的复制品。黑色电平校准电路用于在像素阵列的每一帧读出之前重新校准成像系统的黑色太阳参考电压。在每一帧读出之前在成像系统中实施自校准的情况下，根据本发明的教示，逐帧地考虑由温度和工艺变化引起的例如晶体管电导(g_m)及/或位线电流上的漏极电流(I_d)等的变动，所述变动可导致黑色电平箝位电平改变。

为了说明，图1说明根据本发明的教示的具有帧级别黑色太阳电压自校准的成像系统100的一个实例。在所描绘的实例中，成像系统100包含像素阵列102、控制电路110、读出电路106和功能逻辑108。在一个实例中，像素阵列102包含在第一裸片101(例如，像素裸片)中，并且控制电路110、读出电路106和功能逻辑108包含在第二裸片103中，例如专用集成电路(ASIC)裸片或提供经耦合以支持像素裸片中包含的电路的操作的电路的另一芯片。在一个实例中，第一裸片101和第二裸片103耦合在一起并以堆叠芯片方案堆叠。在所述实例中，第一裸片101中的电路和第二裸片103中的电路可通过混合接合、穿硅通路(TSV)和/或其它合适的耦合件在两个裸片之间耦合在一起。

在一个实例中，像素阵列102是包含多个像素单元104的二维(2D)阵列，所述像素单元包含光电二极管(例如，P1、P2、…、Pn)。如所描绘的实例中说明，像素单元104经布置成行(例如，R1到Ry)及列(例如，C1到Cx)中以获得人、位置、物体等的图像数据，所述图像数据可接着用于呈现人、位置、物体等的图像。

在所述实例中，每一像素单元104经配置以响应于入射光而光生图像电荷。在每一像素单元104已获取其图像电荷之后，对应图像电荷数据由读出电路106通过位线112读出。在各种实例中，由读出电路通过列位线112并行地读出来自每一行像素单元104的图像电荷。在各种实例中，根据本发明的教示，图像电荷信号是被转换成数字值的模拟信号，接着将数字值传送到功能逻辑106。功能逻辑108可存储图像数据或甚至通过应用图像后期效果(例如，剪裁、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或其它)而操纵图像数据。

如下文将更详细地讨论，成像系统100还包含在图像数据从像素阵列102的每一帧读出之前执行黑色太阳电压电平自校准的电路。例如，在各种实例中，第一裸片101中的像素阵列102包含与第二裸片103中的黑色电平取样电路和黑色太阳反馈电路一起工作的黑色图像数据产生电路、黑色电平箝位电路和黑色太阳校准电路，以在每一帧读出之前执行像素阵列102中的黑色电平箝位电路使用的黑色太阳参考电压的重新校准。在这样做时，根据本发明的教示，可减小或最小化由像素阵列102中的温度和工艺的变化引起的晶体管电导(g_m)和/或位线电流上的漏极电流(I_d)等的变动。

图2说明根据本公开的教示的包含像素阵列202的像素裸片中的各种区域的布置的一个实例。应了解，图2的像素阵列202可为图1中展示的像素阵列102的一个实例，且上文描述的类似命名且编号的元件可在下文类似地耦合且起作用。

如所描绘的实例中展示，像素阵列202包含作用像素阵列214部分，在一个实例中，作用像素阵列214部分可为8000个像素x 6000个像素的4800万像素阵列。围绕作用像素阵列214的是作用边界216，在一个实例中，作用边界216可包含8个行和8个列。围绕作用边界216的是额外作用边界218，在一个实例中，额外作用边界218可包含8个行和8个列。在额外作用边界218的上方和下方是虚设行220。在一个实例中，黑色电平校准区域222在底部在虚设行220下方。在一个实例中，黑色电平校准区域222包含在虚设行220下方的黑色电平校准(BLC)边界，及接着在BLC边界下方的BLC行，及接着在BLC行下方的另一BLC边界。在一个实例中，存在围绕虚设行220、额外作用边界218和BLC区域222的保护环224，如展示。应了解，上文提到的行和列的数目是用于解释目的的实例，并且根据本发明的教示，在其它实例中可存在不同数目的行和/或列。

在一个实例中，如上文在图1中描述的响应于入射光而光生图像电荷以获取人、位置、物体等的图像数据的像素单元104的阵列可包含在作用像素阵列214中，所述图像数据可接着用于呈现人、位置、物体等的图像。如将描述，在一个实例中，根据本发明的教示，虚设行220可包含黑色电平箝位电路和黑色电平校准电路，且包含在黑色电平校准区域222中的BLC行可包含黑色图像数据产生电路以产生用于黑色电平自校准的黑色图像数据信号。在BLC行中产生的黑色图像数据信号可用于提供可由作用像素阵列214中的像素单元感测以用于自校准的真实黑色噪声参考电平。在一个实例中，为了维持黑色电平校准区域222的真实黑度，黑色电平校准区域222可用遮光罩覆盖。

图3说明根据本公开的教示的具有帧级别黑色电平自校准的成像系统300的示意图的一个实例。应了解，图3的成像系统300可为如在图1中展示的成像系统100的一个实例，及/或包含在第一裸片301中的电路可为图1的像素阵列102或图2的像素阵列202的实例，且上文描述的类似命名且编号的元件可在下文类似地耦合且起作用。

如在图3中描绘的实例中展示，成像系统300包含耦合到第二裸片303的第一裸片301。在一个实例中，包含在第一裸片301中的电路可通过混合接合/穿硅通路(TSV)344或其它合适的耦合技术耦合到包含在第二裸片303中的电路。在所述实例中，第一裸片301是包含像素阵列的像素芯片，所述像素阵列包含具有箝位的虚设行320、黑色电平校准(BLC)行322和作用行314。作用行314包含像素单元，每一像素单元包含耦合到电源电压PIXVDD的复位晶体管330、耦合到电源电压PIXVDD和耦合到复位晶体管330的栅极的源极跟随器晶体管328、以及耦合在源极跟随器晶体管328与位线312之间的行选择晶体管326。在所描绘的实例中，出于解释目的，作用像素阵列包含8,000个列，并且因此，存在8,000根位线312，其在图3标记为位线<0>到位线<7999>。在其它实例中，当然应了解，根据本发明的教示，可存在不同数目的位线312。此外，应了解，每一像素单元还可包含响应于耦合到源极跟随器晶体管328的栅极的入射光而产生图像电荷的一或多个光电二极管(未展示)。在那些实例中，还可存在耦合在作用行314中的每一像素单元的一或多个光电二极管与源极跟随器晶体管328的栅极之间的一或多个相应传送晶体管(未展示)和浮动扩散部(未展示)。

图3中说明的实例还说明BLC行322包含多个黑色图像数据产生电路，所述多个黑色图像数据产生电路经耦合以产生表示没有入射光(即，完全黑暗)的黑色图像数据信号进行校准。如将描述，包含在BLC行322中的黑色图像数据产生电路经耦合以产生表示可由作用行314中的像素单元感测的真实黑色噪声参考电平的黑色图像数据信号。在所述实例中，多个黑色图像数据产生电路中的每一者包含耦合到电源电压PIXVDD的黑色图像复位晶体管331、耦合到电源电压PIXVDD并具有耦合到黑色图像复位晶体管331的栅极的黑色图像源极跟随器晶体管329、以及耦合在黑色图像源极跟随器晶体管329与相应位线312之间的黑色图像行选择晶体管327，其经耦合以由黑色电平取样电路取样，如下文将描述。

具体来说，根据本发明的教示，在像素阵列的每一帧读出之前，在成像系统300的自校准操作期间，由每一相应位线312接收耦合的黑色图像数据信号，并对其进行取样和保持。在一个实例中，注意，根据本发明的教示，在像素阵列的每一帧读出之前，在成像系统300的自校准操作期间，针对黑色图像数据信号对像素阵列的左端或左侧上的一组128根位线进行取样，并且还可针对黑色图像数据信号对像素阵列的右端或右侧上的一组128根位线进行取样。在其它实例中，当然应了解，根据本发明的教示，在自校准操作期间，可取样不同数目的位线。

如在图3中描绘的实例中展示，虚设行320包含多个黑色电平箝位电路，其经耦合以接收黑色太阳参考电压Blacksun_vref 374以箝位像素阵列的相应位线312，以防止成像系统300中的黑色太阳效应。在所述实例中，多个黑色电平箝位电路中的每一者包含耦合到电源电压PIXVDD的黑色电平箝位供应晶体管336、耦合到黑色电平箝位供应晶体管336并具有经耦合以接收黑色太阳参考电压Blacksun_vref 374的栅极的黑色电平箝位源极跟随器晶体管334、以及耦合在黑色电平箝位源极跟随器334与多根位线312中的相应一者之间的黑色电平箝位启用晶体管332。在操作中，响应于黑色电平箝位启用信号Bsun_clamp_en376启用多个黑色电平箝位电路中的每一者，以响应于黑色太阳参考电压Blacksun_vref374箝位相应位线312。

继续图3中描绘的实例，虚设行320还包含黑色电平校准电路，其还经耦合以接收黑色太阳参考电压Blacksun_vref 374以产生黑色太阳校准电压Bsun_Calib 373。在一个实例中，黑色电平校准电路是虚设行320中的多个黑色电平箝位电路中的每一者的复制品。因而，黑色电平校准电路包含耦合到电源电压PIXVDD的黑色电平校准供应晶体管342、耦合到黑色电平校准供应晶体管342并具有经耦合以接收黑色太阳参考电压Blacksun_vref374的栅极的黑色电平校准源极跟随器晶体管340、以及耦合在黑色电平校准源极跟随器340与虚设位线之间的黑色电平校准启用晶体管338，其耦合到黑色太阳反馈电路364。在一个实例中，黑色电平校准启用晶体管338的栅极连接到电源电压PIXVDD，使得在所述实例中黑色电平校准电路始终被启用。

如下文将更详细地讨论，在黑色电平校准电路是虚设行320中的多个黑色电平箝位电路中的每一者的复制品的情况下，影响黑色电平箝位电路中的晶体管的晶体管电导(g_m)和/或漏极电流(I_d)等的变动因此也将影响黑色电平校准电路中的晶体管。因此，根据本发明的教示，成像系统300的自校准通过利用黑色电平校准电路来考虑到并因此消除影响黑色电平箝位电路的温度和工艺变动。

在一个实例中，注意，可存在耦合到包含在虚设行320中的多个黑色电平校准电路的一组32根虚设位线。在所述实例中，32根虚设位线中的每一者耦合到相应黑色电平校准启用晶体管338，其耦合到黑色太阳反馈电路364。在其它实例中，当然应了解，根据本发明的教示，不同数目的虚设位线可耦合到黑色太阳反馈电路364。

在图3中说明的实例中，成像系统300还包含第二裸片303，第二裸片303与第一裸片301分离并耦合到第一裸片301。在一个实例中，第二裸片303包含黑色太阳反馈电路364，其经耦合以响应于黑色太阳校准电压Bsun_Calib 373和黑色电平样本参考Bsun_Black_Pre 372而产生黑色太阳参考电压Blacksun_vref 374。在一个实例中，黑色太阳反馈电路364包含具有经耦合以接收黑色太阳校准电压Bsun_Calib 373的反相输入、经耦合以接收黑色电平样本参考Bsun_Black_Pre 372的非反相输入以及经耦合以响应于黑色太阳校准电压Bsun_Calib 373和黑色电平样本参考Bsun_Black_Pre 372产生黑色太阳参考电压Blacksun_vref 374的输出的运算放大器。在所描绘的实例中，运算放大器的反相输入经耦合以通过一或多个混合接合/TSV 344从耦合到第一裸片301的虚设行320中包含的一或多个黑色电平校准电路的一或多根虚设位线接收黑色太阳校准电压Bsun_Calib 373。在所述实例中，如展示，一或多根虚设位线耦合到相应电流源346以在第二裸片303中接地。

在所描绘的实例中，第二裸片303还包含黑色电平取样电路，其耦合到多条位线312，以通过混合接合/TSV 344对从第一裸片301中的BLC行322中包含的黑色图像数据产生电路产生的黑色图像数据信号进行取样和保持，以产生黑色电平样本参考Bsun_Black_Pre372，如上文讨论，所述黑色电平样本参考Bsun_Black_Pre 372经耦合以由黑色太阳反馈电路374接收。在所述实例中，如展示，位线312的每一者耦合到相应电流源346以在第二裸片303中接地。

如所说明的实例中展示，在操作中，黑色电平取样电路包含第一电容器C1 360，第一电容器C1 360通过多个位线开关耦合到多根位线312以在多个位线开关闭合时被充电并取样黑色图像数据信号。在一个实例中，多个位线开关包含耦合在多根位线312与第一电容器C1 360之间的BL_test_SW 348、BL_test_SW 350、Frame_SP 352和Frame_SP 354，如展示。第一电容器C1 360经耦合以在多个位线开关断开时保持黑色图像数据信号。所描绘的实例还说明第二电容器C2，其表示可包含在黑色电平取样电路中并耦合到第一电容器C1360的其它电容。在图3中展示的实例中还说明跨开关354耦合的缓冲器358和开关356。在一个实例中，开关356响应于Frame_SB_b信号切换，所述信号在一个实例中是Frame_SP信号的补充。

在一个实例中，黑色电平取样电路还包含耦合到第一电容器C1 360的容限偏移切换电路。在一个实例中，容限偏移切换电路包含耦合到第一电容器C1 360的开关366和开关368，如展示。在所述实例中，开关366耦合在第一电容器C1 360与接地之间，并且响应于信号Frame_ref_SP切换。开关368耦合在第一电容器C1 360与容限偏移电压Vref_Bsun_delta370之间，并响应于信号Frame_ref_SP_b切换。在一个实例中，信号Frame_ref_SP和信号Frame_ref_SP_b彼此互补，使得每次只可闭合开关366和368中的一者。

在一个实例中，在操作中，容限偏移切换电路经配置以在多个位线开关BL_test_SW 348、BL_test_SW 350、Frame_SP 352和Frame_SP 354闭合的同时通过开关368将第一电容器C1 360耦合到容限偏移电压Vref_Bsun_delta 370。在所述实例中，容限偏移切换电路经进一步配置以在多个位线开关BL_test_SW 348、BL_test_SW 350、Frame_SP 352和Frame_SP 354断开的同时通过开关366将第一电容器C1 360耦合到接地。在一个实例中，第一电容器C1 360还经配置以响应于容限偏移切换电路将第一电容器C1 360耦合到接地来产生黑色电平样本参考Bsun_Black_Pre 372。如将讨论，在操作中，黑色电平取样电路和黑色太阳反馈电路经配置以在图像数据从像素阵列的每一帧读出之前，重新取样从BLC行322产生的黑色图像数据信号，并重新产生黑色太阳参考电压。

为了说明，图4说明根据本发明的教示的说明暴露在明亮阳光下的成像系统中的信号之间的相对关系的时序图的一个实例。将了解，图4所说明的实例信号可为如图3中展示的成像系统300中发现的信号的实例，或如图2中展示的像素阵列202中发现的信号的实例，或如图1中展示的成像系统100中发现的信号的实例，且因此，上文描述的类似命名且编号的元件可在下文类似地耦合且起作用。

如说明，图4展示位线信号412、复位信号RST 430、传送信号TX 478、斜坡信号480和黑色电平箝位启用信号Bsun_clamp_en 476。在时间T1，启用黑色电平箝位启用信号Bsun_clamp_en 476和复位信号RST 430。同样在此时，复位信号RST 430将位线信号412向上拉向电源电压PIXVDD。在时间T2，关断复位信号RST 430。因而，归因于复位信号RST 430变低引起的电荷注入，位线信号412开始下降，如展示。

在正常操作期间，在黑色电平箝位启用信号Bsun_clamp_en 476仍被启用的情况下，受黑色太阳效应影响的列将由虚设行320中的黑色电平箝位电路箝位到黑色太阳参考电压Blacksun_vref 374，使得黑色太阳效应将不会干扰正常像素黑色电平。如实例中展示，箝位范围由黑色太阳参考电压Blacksun_vref 374(上界)和vbsun_signal_clamp电压(下界，未展示)确定。在所述实例中，黑色太阳列的箝位电压范围维持为等于或大于所需的位线范围以在相关双取样(CDS)参考电平的取样期间防止非所要的黑色太阳效应，甚至当有明亮的阳光时也如此。如实例中展示，在时间T3之前在斜坡信号480中发生第一斜坡事件，在此期间执行模/数转换(ADC)操作以获得CDS参考电平(例如，黑色电平)的数字表示。一旦相关双取样(CDS)参考电平的取样完成，就可禁用黑色电平箝位启用信号Bsun_clamp_en 476，此在实例中展示为在时间T3之前发生。

在时间T3，接着接通传送TX信号478，在此期间，光生的图像电荷从光电二极管传送到源极跟随器晶体管328的栅极，其用位线信号412响应于光生的图像电荷下降来展示。在时间T4，接着关断传送TX信号478，并且可获得CDS操作的图像信号值，如用第二斜坡事件在时间T4之后在斜坡信号480中发生来指示，在此期间执行ADC操作以获得CDS图像信号电平的数字表示。

图5说明根据本发明的教示的说明具有在像素阵列的每一帧读出之前执行的黑色电平自校准的成像系统中的信号之间的相对关系的时序图的一个实例。将了解，图5所说明的实例信号可为如图3中展示的成像系统300中发现的信号的实例，或如图2中展示的像素阵列202中发现的信号的实例，或如图1中展示的成像系统100中发现的信号的实例，且因此，上文描述的类似命名且编号的元件可在下文类似地耦合且起作用。

如说明，图5展示BLC Row RST信号531、Bitline_test_SW信号548、Frame_SP信号554、Frame_ref_SP信号566、BLC Row RS信号527、Bsun_Clamp_en信号576、Normal Row RS信号526、Bsun_Blk_Pre信号572和Blacksun_vref信号574。

在时间T1，第一行的行时序在图像传感器的每一帧读出之前开始。根据本发明的教示，此时，在每一帧读出之前，从BLC行322中包含的黑色图像数据产生电路产生的黑色图像数据信号在像素阵列的每一帧读出之前由黑色电平取样电路取样及保持以开始自校准。因此，在时间T1发生，BLC Row RST信号531、Bitline_test_SW信号548和BLC Row RS信号527转变到开启状态。在时间T2，Frame_SP信号554转变到开启状态。因此，在时间T2，耦合在多根位线312和第一电容器C1 360之间的多个位线开关BL_test_SW 348、BL_test_SW 350、Frame_SP 352和Frame_SP 354全部接通，从而使第一电容器C1 360能够被充电并取样来自多根位线312的黑色图像数据信号。因此，在第一电容器C1 360现在经耦合以取样黑色图像数据信号的情况下，Bsun_Blk_Pre 572和因此Blacksun_vref 574信号在时间T2上升，如展示。注意，此时，Frame_ref_SP 566信号关断。因此，在对黑色图像数据信号进行取样的同时，断开Frame_ref_SP开关366，并且接通Frame_ref_SP_b开关368，以将Vref_Bsun_delta370容限电压施加到第一电容器C1 360的另一端。在一个实例中，Vref_Bsun_delta 370电压是可用于产生Bsun_Black_Pre信号372的容限电压。在各种实例中，应了解，凭借由根据本发明的教示的成像系统执行的自校准，根据本发明的教示，在每一帧之前，与没有自校准的成像系统相比，Vref_Bsun_delta 370容限电压的量值可减小。

在时间T3，Frame_SP 554转变到关闭状态，且接着Bitline_test_SW信号548转变到关闭状态。因此，现在断开多个位线开关BL_test_SW 348、BL_test_SW 350、Frame_SP352和Frame_SP 354，并且现在在第一电容器C1 360中保持黑色图像数据信号来完成黑色电平取样操作。

在时间T4，接通Frame_ref_SP 566信号，此通过接通Frame_ref_SP开关366和关断Frame_ref_SP_b开关368从第一电容器C1 360移除Vref_bsun_delta370容限电压来将容限偏移电压施加到现在保持在第一电容器C1 360中的黑色图像数据信号。如展示，通过施加容限偏移电压，在一个实例中，Bsun_Blk_Pre 572和Blacksun_vref 574信号的变化或增量可用以下等式(1)近似：

在时间T5，第一行的行时序完成，且因此，根据本发明的教示，也完成在每一帧读出之前的Blacksun_vref 574信号的自校准或重新校准。因此，每一帧的正常作用行读出可在时间t5之后开始。根据本发明的教示，此在图5中用Bsun_Clamp_en 576和Normal Row RS526信号在时间T6和T7等等针对帧期间的每一行读出脉冲高以用于帧的此复位来说明。根据本发明的教示，在下一帧之前，处理将重复回到时间T1以在下一帧读出之前重新校准Blacksun_vref 574信号。

本发明的所说明实例的以上描述(包含在摘要中的描述的内容)并不旨在将本发明限制于所公开的精确形式。虽然在本文中出于说明的目的描述本发明的特定实例，但所属领域的技术人员将认识到各种修改在本发明的范围中是可能的。

鉴于以上具体实施方式，可对本发明做出这些修改。用于下列权利要求书中的术语不应被解释为将本发明限制于说明书中公开的特定实例。事实上，完全通过下列权利要求确定本发明范围，其可理解为根据权利要求的解释而建立起来的教示。

Claims (29)

1.一种图像传感器，其包括：

像素阵列，其包含：

像素单元的多个作用行，其经耦合以响应于入射光产生图像数据；

黑色电平校准行，其包含多个黑色图像数据产生电路，所述多个黑色图像数据产生电路经耦合以产生表示没有所述入射光的黑色图像数据信号；及

虚设行，其包含：

多个黑色电平箝位电路，其经耦合以接收黑色太阳参考电压以箝位所述像素阵列的多根位线；及

黑色电平校准电路，其经耦合以接收所述黑色太阳参考电压以产生黑色太阳校准电压；

黑色太阳反馈电路，其经耦合以响应于所述黑色太阳校准电压和黑色电平样本参考产生所述黑色太阳参考电压；及

黑色电平取样电路，其经耦合到所述多根位线，以对从所述黑色电平校准行产生的所述黑色图像数据信号进行取样，以产生经耦合以由所述黑色太阳反馈电路接收的所述黑色电平样本参考。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述黑色电平取样电路包括第一电容器，所述第一电容器通过多个位线开关耦合到所述多根位线，以在所述多个位线开关闭合时对所述黑色图像数据信号进行取样，其中所述第一电容器经耦合以在所述多个位线开关断开时保持所述黑色图像数据信号。

3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中所述黑色电平取样电路进一步包括耦合到所述第一电容器的容限偏移切换电路，

其中所述容限偏移切换电路经配置以在所述多个位线开关闭合的同时将所述第一电容器耦合到容限偏移电压，

其中所述容限偏移切换电路经配置以在所述多个位线开关断开的同时将所述第一电容器耦合到接地，其中所述第一电容器经配置以响应于所述容限偏移切换电路将所述第一电容器耦合到接地而产生所述黑色电平样本参考。

4.根据权利要求3所述的图像传感器，其中所述黑色电平取样电路和所述黑色太阳反馈电路经配置以在所述图像数据从所述像素阵列的每一帧读出之前，重新取样从所述黑色电平校准行产生的所述黑色图像数据信号并重新产生所述黑色太阳参考电压。

5.根据权利要求4所述的图像传感器，其中所述多根位线包含第一组位线，其中所述黑色电平取样电路通过所述多个位线开关耦合到所述第一组位线以取样和保持所述黑色图像数据信号。

6.根据权利要求5所述的图像传感器，其中所述多根位线进一步包含第二组位线，其中所述黑色电平取样电路通过所述多个位线开关耦合到所述第一组位线和所述第二组位线以取样和保持所述黑色图像数据信号。

7.根据权利要求6所述的图像传感器，其中所述第一组位线位于所述像素阵列的第一端上，并且其中所述第二组位线位于所述像素阵列的第二端上，所述第二端与所述第一端相对。

8.根据权利要求7所述的图像传感器，其中所述第一组位线包括位于所述像素阵列的所述第一端上的128根位线，并且其中所述第二组位线包括位于所述像素阵列的所述第二端上的128根位线。

9.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述多个黑色图像数据产生电路中的每一者包括：

黑色图像复位晶体管，其经耦合到电源电压；

黑色图像源极跟随器晶体管，其经耦合到所述电源电压，并且具有耦合到所述黑色图像复位晶体管的栅极；及

黑色图像行选择晶体管，其耦合在所述黑色图像源极跟随器晶体管与所述黑色电平取样电路之间。

10.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述黑色电平校准电路是多个黑色电平校准电路中的一者，其中所述多个黑色电平校准电路中的每一者耦合到包含在所述多根位线中的一组位线中的相应一者，其中所述黑色太阳反馈电路经耦合以通过所述一组位线从所述多个黑色电平校准电路接收所述黑色太阳校准电压以产生所述黑色太阳参考电压。

11.根据权利要求10所述的图像传感器，其中所述一组位线包括所述多根位线中的32根虚设位线。

12.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述多个黑色电平箝位电路中的每一者包括：

黑色电平箝位供应晶体管，其经耦合到电源电压；

黑色电平箝位源极跟随器晶体管，其经耦合到所述黑色电平箝位供应晶体管并且具有耦合以接收所述黑色太阳参考电压的栅极；及

黑色电平箝位启用晶体管，其经耦合在所述黑色电平箝位源极跟随器晶体管与所述多根位线中的相应一者之间。

13.根据权利要求12所述的图像传感器，其中所述黑色电平校准电路是所述多个黑色电平箝位电路中的每一者的复制品，其中所述黑色电平校准电路包括：

黑色电平校准供应晶体管，其经耦合到所述电源电压；

黑色电平校准源极跟随器晶体管，其经耦合到所述黑色电平校准供应晶体管并且具有经耦合以接收所述黑色太阳参考电压的栅极；及

黑色电平校准启用晶体管，其耦合在所述黑色电平校准源极跟随器晶体管与所述黑色太阳反馈电路之间。

14.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述黑色太阳反馈电路包括具有经耦合以接收所述黑色太阳校准电压的反相输入、经耦合以接收所述黑色电平样本参考的非反相输入以及经耦合以响应于所述黑色太阳校准电压和所述黑色电平样本参考产生所述黑色太阳参考电压的输出的运算放大器。

15.一种成像系统，其包括：

第一裸片，其包含像素阵列，其中所述像素阵列包括：

像素单元的多个作用行，其经耦合以响应入射光生图像数据；

黑色电平校准行，其包含多个黑色图像数据产生电路，所述多个黑色图像数据产生电路经耦合以产生表示没有所述入射光的黑色图像数据信号；及

虚设行，其包含：

多个黑色电平箝位电路，其经耦合以接收黑色太阳参考电压以箝位所述像素阵列的多根位线；及

黑色电平校准电路，其经耦合以接收所述黑色太阳参考电压以产生黑色太阳校准电压；及

第二裸片，其经耦合到所述第一裸片，其中所述第二裸片包括：

黑色太阳反馈电路，其经耦合以响应于所述黑色太阳校准电压和黑色电平样本参考产生所述黑色太阳参考电压；及

黑色电平取样电路，其经耦合到所述多根位线，以对从所述黑色电平校准行产生的所述黑色图像数据信号进行取样，以产生经耦合以由所述黑色太阳反馈电路接收的所述黑色电平样本参考。

16.根据权利要求15所述的成像系统，其进一步包括：

控制电路，其经耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作；

读出电路，其经耦合到所述像素阵列，以通过所述多根位线从所述像素单元读出所述图像数据；及

功能逻辑，其经耦合到所述读出电路以存储从所述像素阵列读出的所述图像数据。

17.根据权利要求15所述的成像系统，其中所述黑色电平取样电路包括第一电容器，所述第一电容器通过多个位线开关耦合到所述多根位线，以在所述多个位线开关闭合时对所述黑色图像数据信号进行取样，其中所述第一电容器经耦合以在所述多个位线开关断开时保持所述黑色图像数据信号。

18.根据权利要求17所述的成像系统，其中所述黑色电平取样电路进一步包括耦合到所述第一电容器的容限偏移切换电路，

其中所述容限偏移切换电路经配置以在所述多个位线开关闭合的同时将所述第一电容器耦合到容限偏移电压，

其中所述容限偏移切换电路经配置以在所述多个位线开关断开的同时将所述第一电容器耦合到接地，其中所述第一电容器经配置以响应于所述容限偏移切换电路将所述第一电容器耦合到接地而产生所述黑色电平样本参考。

19.根据权利要求18所述的成像系统，其中所述黑色电平取样电路和所述黑色太阳反馈电路经配置以在所述图像数据从所述像素阵列的每一帧读出之前，重新取样从所述黑色电平校准行产生的所述黑色图像数据信号并重新产生所述黑色太阳参考电压。

20.根据权利要求19所述的成像系统，其中所述多根位线包含第一组位线，其中所述黑色电平取样电路通过所述多个位线开关耦合到所述第一组位线以取样和保持所述黑色图像数据信号。

21.根据权利要求20所述的成像系统，其中所述多根位线进一步包含第二组位线，其中所述黑色电平取样电路通过所述多个位线开关耦合到所述第一组位线和所述第二组位线以取样和保持所述黑色图像数据信号。

22.根据权利要求21所述的成像系统，其中所述第一组位线位于所述像素阵列的第一端上，并且其中所述第二组位线位于所述像素阵列的第二端上，所述第二端与所述第一端相对。

23.根据权利要求22所述的成像系统，其中所述第一组位线包括位于所述像素阵列的所述第一端上的128根位线，并且其中所述第二组位线包括位于所述像素阵列的所述第二端上的128根位线。

24.根据权利要求15所述的成像系统，其中所述多个黑色图像数据产生电路中的每一者包括：

黑色图像复位晶体管，其经耦合到电源电压；

黑色图像源极跟随器晶体管，其经耦合到所述电源电压并且具有耦合到所述黑色图像复位晶体管的栅极；及

黑色图像行选择晶体管，其耦合在所述黑色图像源极跟随器晶体管与所述黑色电平取样电路之间。

25.根据权利要求15所述的成像系统，其中所述黑色电平校准电路是多个黑色电平校准电路中的一者，其中所述多个黑色电平校准电路中的每一者耦合到包含在所述多根位线中的一组位线中的相应一者，其中所述黑色太阳反馈电路经耦合以通过所述一组位线从所述多个黑色电平校准电路接收所述黑色太阳校准电压以产生所述黑色太阳参考电压。

26.根据权利要求25所述的成像系统，其中所述一组位线包括所述多根位线中的32根虚设位线。

27.根据权利要求15所述的成像系统，其中所述多个黑色电平箝位电路中的每一者包括：

黑色电平箝位供应晶体管，其经耦合到电源电压；

黑色电平箝位源极跟随器晶体管，其经耦合到所述黑色电平箝位供应晶体管并且具有耦合以接收所述黑色太阳参考电压的栅极；及

黑色电平箝位启用晶体管，其经耦合在所述黑色电平箝位源极跟随器晶体管与所述多根位线中的相应一者之间。

28.根据权利要求27所述的成像系统，其中所述黑色电平校准电路是所述多个黑色电平箝位电路中的每一者的复制品，其中所述黑色电平校准电路包括：

黑色电平校准供应晶体管，其经耦合到所述电源电压；

黑色电平校准源极跟随器晶体管，其经耦合到所述黑色电平校准供应晶体管并且具有经耦合以接收所述黑色太阳参考电压的栅极；及

黑色电平校准启用晶体管，其耦合在所述黑色电平校准源极跟随器晶体管与所述黑色太阳反馈电路之间。

29.根据权利要求15所述的成像系统，其中所述黑色太阳反馈电路包括具有经耦合以接收所述黑色太阳校准电压的反相输入、经耦合以接收所述黑色电平样本参考的非反相输入以及经耦合以响应于所述黑色太阳校准电压和所述黑色电平样本参考产生所述黑色太阳参考电压的输出的运算放大器。

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