CN114302076A - 图像传感器的像素单元、成像系统及读取图像信号的方法 - Google Patents

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Abstract

一种图像传感器的像素单元、成像系统以及读取图像信号的方法。像素单元包括光电二极管、复位晶体管、转移晶体管、至少一个源极跟随器晶体管、采样保持电路、有源复位晶体管以及读出晶体管。读出电路从像素单元的每一列读出图像数据。读出电路中的列差分放大器将列复位驱动电压馈送回布置在同一列中的每一像素单元。当所有有源复位晶体管断开时，全局地读出同一列中的每一像素单元的信号数据。通过切换同一列中的像素单元的每一有源复位晶体管的配置而判定，全局地或逐行地读出同一列中的每一像素单元的噪声数据。最终图像数据是通过应用相关双采样(CDS)方法来实现的。

Description

图像传感器的像素单元、成像系统及读取图像信号的方法
技术领域
本公开大体上涉及互补型金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor；CMOS)图像传感器，且确切地说但非排他地，涉及应用于光电二极管像素单元和其像素位线的装置和方法，所述装置和方法能够在根据相关双采样(CorrelatedDouble Sampling；CDS)读出图像信号期间消除用于复位信号的两个存储电容器中的一个，以在像素大小继续缩小时减小固定模式噪声(fixed pattern noise；FPN)。
背景技术
图像传感器已变得随处可见。它们广泛用于数字静物摄影机、蜂窝式电话、安保摄像头，以及医学、汽车和其它应用。图像传感器通常利用互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器来捕获所成像场景的图像数据。
CMOS器件包含像素阵列，所述像素阵列对来自场景持续特定时间量的入射光感光。此暴露时间允许个别像素的电荷累积直到像素具有特定信号电压值，也称为像素灰度值。可随后将这些个别信号电压值关联到表示所成像场景的数字图像数据中。
图像质量非常重要，尤其是在像素大小继续缩小时。为达成较高品质，阵列内像素的数量的增加提供一种解决方案。为在图像数据中消除尽可能多的噪点，提供另一解决方案。在CMOS图像传感器中减少噪声的常见方式是相关双采样(CDS)。CDS通过针对给定像素计算信号电压值(图像灰度值SHS)与复位电压值(图像黑色背景噪声SHR)之间的差来减少信号中的噪声。实施CDS从图像数据减少固定模式噪声和其它时间噪声，例如kTC热噪声。相关双采样可在模拟域或数字域中进行。
电压域全局快门像素阵列通常使用两个存储电容器作为复位电压值SHR和信号电压值SHS的存储器。为满足小kTC热噪声要求，两个存储电容器需要维持足够大的布局大小。如此大的布局大小限制像素可缩小的程度。如果仅一个存储电容器可与几个额外晶体管在一起使用，那么每一像素都有更好的机会缩小更多。
发明内容
根据一个实施例，一种图像传感器的像素单元，包括：光电二极管，适于响应于入射光而累积图像电荷；转移晶体管，耦合在所述光电二极管与浮动扩散之间，以将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光电二极管到所述浮动扩散的传输；复位晶体管，耦合在复位驱动输入与所述浮动扩散之间，以将复位驱动电压供应到所述浮动扩散，其中复位栅极电压控制所述复位晶体管；第一源极跟随器晶体管，耦合成从第一源极跟随器栅极端接收浮动扩散电压且将放大信号电压提供到第一源极跟随器源极端；采样保持电路，耦合在第二源极跟随器晶体管的所述第一源极跟随器源极端与第二源极跟随器栅极端之间；读出晶体管，耦合在所述第二源极跟随器晶体管的第二源极跟随器源极端与像素信号输出之间，其中读出栅极电压控制放大采样保持信号电压从所述第二源极跟随器源极端到所述像素信号输出的传输；以及有源复位晶体管，耦合在所述第一源极跟随器源极端与像素位线反馈输出之间，其中有源复位栅极电压控制作为所述放大信号电压的像素位线电压从所述第一源极跟随器源极端到所述像素位线反馈输出的传输。
根据一个实施例，一种成像系统，包括：像素阵列，具有布置成多个行和多个列的多个像素单元，其中所述多个像素单元中的每一个包括：光电二极管，适于响应于入射光而累积图像电荷；转移晶体管，耦合在所述光电二极管与浮动扩散之间，以将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光电二极管到所述浮动扩散的传输；复位晶体管，耦合在复位驱动输入与所述浮动扩散之间，以将列复位驱动电压供应到所述浮动扩散，其中复位栅极电压控制所述复位晶体管；第一源极跟随器晶体管，耦合成从第一源极跟随器栅极端接收浮动扩散电压且将放大信号电压提供到第一源极跟随器源极端；采样保持电路，耦合在第二源极跟随器晶体管的所述第一源极跟随器源极端与第二源极跟随器栅极端之间；读出晶体管，耦合在所述第二源极跟随器晶体管的第二源极跟随器源极端与像素信号输出之间，其中读出栅极电压控制放大采样保持信号电压从所述第二源极跟随器源极端到所述像素信号输出的传输；以及有源复位晶体管，耦合在所述第一源极跟随器源极端与像素位线反馈输出之间，其中有源复位栅极电压控制作为所述放大信号电压的像素位线电压从所述第一源极跟随器源极端到所述像素位线反馈输出的传输；控制电路，耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作，其中所述控制电路控制所述转移栅极电压、所述复位栅极电压、所述采样保持电路的操作、所述读出栅极电压以及所述有源复位栅极电压；读出电路，通过多个读出列耦合到所述像素阵列以从多个像素单元列读出图像数据，且将多个复位驱动电压供应到所述多个像素单元列中的每一对应列；以及功能逻辑，耦合成从所述读出电路接收所述多个像素单元中的每一个的图像数据且存储接收的所述图像数据。
根据一个实施例，一种读取图像信号的方法，包括：维持多个转移栅极端的低电压以断开多个转移晶体管；维持多个复位栅极端的高电压以接通多个复位晶体管，从而利用多个列复位驱动电压中的对应列复位驱动电压复位多个浮动扩散；维持多个有源复位栅极端的高电压以接通多个有源复位晶体管，从而将所述多个列复位驱动电压中的所述对应列复位驱动电压馈送回复位晶体管的多个复位漏极端；维持多个采样保持栅极电压的低电压以断开多个采样保持晶体管；维持多个读出栅极端的低电压以断开多个读出晶体管；通过对多个复位栅极端设置低电压以断开所述多个复位晶体管来断开所述多个浮动扩散与所述多个列复位驱动电压的连接；通过对所述多个有源复位栅极端设置低电压以断开所述多个有源复位晶体管来断开多个列放大器与多个像素位线反馈输出的连接；通过将所述多个转移栅极端的电压切换为高和低以接通和断开所述多个转移晶体管来将多个电荷从多个光电二极管转移到所述多个浮动扩散；以及通过将所述多个采样保持栅极端的电压切换为高和低以接通和断开所述多个采样保持晶体管来采样和保持从多个第一源极跟随器到多个存储电容器的多个第一像素位线电压。
附图说明
参考以下附图描述本发明的非限制性且非穷尽性的实例，其中除非另外指定，否则在各视图中相同附图标号记指代相同部分。
图1示出根据本公开的实施例的成像系统的一个实例。
图2是根据本公开的实施例的能够通过列反馈环主动复位多个浮动扩散(floating diffusion；FD)的成像传感器中的像素单元列和有源复位电路的框图的实例示意图。
图3是根据本公开的第一实施例的布置在成像传感器中的多个读出列110的每一列中的像素单元列的说明性全局有源复位信号读出配置。
图4是根据本公开的第一实施例的与布置在成像传感器中的多个读出列110的每一列中的像素单元列的全局有源复位信号读出操作相关联的第一实例时序图，所述成像传感器与图2的列反馈电路和图3的全局复位配置相关联。
图5是根据本公开的第二实施例的布置在成像传感器中的多个读出列110的每一列中的像素单元列的说明性逐行有源复位信号读出配置。
图6是根据本公开的第二实施例的与布置在成像传感器中的多个读出列110的每一列中的像素单元列的逐行有源复位信号读出操作相关联的第二实例时序图，所述成像传感器与图2的列反馈电路和图5的逐行复位配置相关联。
对应附图标号在附图的若干视图中指示对应组件。本领域技术人员将了解，图中的元件仅为简单和清楚起见而示出，且未必按比例绘制。举例来说，图中的一些元件的尺寸可能相对于其它元件放大以有助于改进对本发明的各种实施例的理解。并且，通常未描绘在商业可行的实施例中有用或必需的常见但众所周知的元件，以便促进本发明的这些各种实施例的遮挡较少的视图。
附图标号说明
100：成像系统；
102：像素阵列；
103、203、P1、P2、P3…Pm、303_1…303_n…303_y、503_1、503_2…503_n…503_y：像素单元；
104：控制电路；
106：读出电路；
107：预模数转换电路；
108：功能逻辑；
110：读出列；
114、、214、314_1…314_y、：复位驱动输入；
138、238、238_1…238_y：像素信号输出；
144、244：像素位线反馈输出；
148：差分放大器；
150：模数转换电路；
200：列反馈成像系统；
201：像素管芯；
202、PD_1…PD_y：光电二极管；
204、TX_1…TX_y：TX晶体管；
206：TX栅极；
208、FD_1、FD_2…FD_n…FD_y：浮动扩散；
210、RST_1…RST_y：RST晶体管；
212：RST栅极；
216、SF_1、SF1_2…SF1_n…SF_y：SF晶体管；
218：像素位线；
220：偏置晶体管；
221：ASIC管芯；
222：栅极；
224、SH_1、SH_2…SH_n…SH_y：SH晶体管；
226：SH栅极；
228、BIAS、Vsh：电压；
230：存储电容器；
232：第二SF晶体管；
234、234_1…234_y、RO_1…RO_y：RO晶体管；
236：RO栅极；
240、AR_1、AR_2…AR_y：AR晶体管；
242：AR栅极；
245：反相输入；
246：参考电压；
248：列放大器；
300：说明性全局有源复位信号读出配置；
346、546、Vref：参考电压；
348、548：列op amp；
400、600：时序图；
500：说明性信号读出配置；
C1…Cx：列；
GS、GSH、GT、RSH、：电压脉冲；
R1…Ry：行；
READ_1…READ_y：栅极端；
T0、T1、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9、T10、T11、T12：时间；
Tint：集成
VDD：电源电压；
Vpb、Vpb_1、Vpb_2…Vpb_y：像素位线电压；
Vpb_fb、Vpb_fb_1…Vpb_fb_y：像素位线反馈电压；
Vrd：复位驱动电压；
Vsh_1、Vsh_2…Vsh_y：SH电压；
Vx、Vx_1…Vx_-y：像素信号电压。
具体实施方式
本文中描述用于在成像传感器中快速沉降像素输出线的设备和方法的实施例。在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，本文中所描述的技术可在没有一个或多个具体细节的情况下或利用其它方法、组件、材料等来实践。在其它情况下，未绘示或详细描述众所周知的结构、材料或操作以免使某些方面混淆。
在本说明书通篇中对“一个实例”或“一个实施例”的参考意味着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，在本说明书通篇中在不同位置中出现短语“在一个实例中”或“在一个实施例中”未必都是指同一个实例。此外，在一个或多个实例中，特定特征、结构或特性可以任何合适的方式组合。
在本说明书通篇中，使用若干技术术语。除非本文中明确定义，或其使用情境将明显另外表明，否则这些术语将采用其在它们所出现的领域中的普通含义。
图1示出根据本公开的实施例的成像系统100的一个实例。成像系统100包含像素阵列102、控制电路104、读出电路106以及功能逻辑108。在一个实例中，像素阵列102是图像传感器像素单元103(例如，像素单元P1、像素单元P2……像素单元Pm)的二维(two-dimensional；2D)阵列。多个像素单元中的每一个可包括用以响应于入射光而累积图像电荷的光电二极管。如所示出，像素单元103布置成行(例如，行R1到行Ry)和列(例如，列C1到列Cx)，以获取人、位置、物体等的图像数据，所述图像数据可随后用于呈现人、位置、物体等的2D图像。然而，像素单元103不必排列成行和列，且可采取其它配置。
在一个实例中，在像素阵列102中的每一图像传感器像素单元103已通过图像电荷的光产生获取其图像电荷之后，对应图像数据由读出电路106读出且接着被转移到功能逻辑108。读出电路106可耦合到来自像素阵列102中的多个光电二极管的读出图像数据。在不同实例中，读出电路106可包括：预模数(预ADC)转换电路107；模数(analog-to-digital；ADC)转换电路150，其中如图1中所绘示，此ADC是耦合到每一读出列110的多个ADC中的一个；差分放大器148，其中如图1中所绘示或以其它方式，此差分放大器是耦合到且来自每一读出列110的多个差分放大器中的一个。在一个实例中，读出电路106可沿读出列线110(已示出)一次读出一行图像数据，或可使用多种其它技术(未示出)来读出图像数据，所述技术例如串行读出或同时完全平行读出所有像素。功能逻辑108可存储图像数据，或甚至通过施加后期图像效果(例如修剪、旋转、去除红眼、调整亮度、调整对比度或以其它方式)来操纵图像数据。
在一些实施例中，功能逻辑108可要求满足某些成像条件，且可因此指示控制电路104操纵像素阵列102中的某些参数以实现较好质量或特殊效果。
在一个实例中，多个读出列110中的每一个可包含三个导体。第一导体可以是连接到布置在同一列中的多个像素单元103的多个像素信号输出138中的每一个的像素信号导体。第二导体可以是连接到布置在同一列中的多个像素单元103的多个像素位线反馈输出144中的每一个的像素位线反馈导体。第三导体可以是连接到布置在同一列中的多个像素单元103的多个复位驱动输入114中的每一个的复位驱动导体。
图2是根据本公开的实施例的能够通过列反馈环主动复位多个浮动扩散(FD)208的列的成像传感器中的像素单元列的像素单元103和列有源复位电路的框图的实例。列反馈成像系统200的所示出的实施例可包括检测光电二极管(photodiode；PD)202的列和3晶体管(3-transistor；3T)像素配置的列，其中每一3T像素配置可包含转移(TX)晶体管204、复位(RST)晶体管210以及第一源极跟随器(source follower；SF)晶体管216。PD 202、TX晶体管204、RST晶体管210以及SF晶体管216集成在像素管芯201中。
当暴露于入射光时，在PD 202处累积的光产生信号电荷通过TX晶体管204转移到FD 208。TX晶体管204通过将高电压施加到TX晶体管204的TX栅极206而接通。RST晶体管210通过将高电压施加到RST晶体管的RST栅极212而接通。当RST晶体管接通时，来自复位驱RST动输入214的复位驱动电压Vrd将FD 208复位到Vrd。SF晶体管216的栅极端连接到FD 208。SF晶体管216的漏极端连接到电源电压VDD。控制电路104(参见图1)控制施加到TX栅极206和RST栅极212的相应电压。SF晶体管216的源极端连接到像素位线218，以基于呈现于FD208上的电荷提供放大信号电压Vpb，如图2中所示出。
采样保持(sample and hold；SH)晶体管224连接在像素位线218与第二SF晶体管232的栅极端之间。SH晶体管224通过将高电压施加到SH晶体管224的SH栅极226而接通。存储电容器(storage capacitor；SC)230连接在第二SF晶体管232的栅极与接地电路之间。当SH晶体管224通过将SH栅极的电压切换为高和低而接通和断开时，对像素位线218上的像素位线电压Vpb进行采样且将其在SC 230中保持(存储)为电压Vsh 228。
读出(readout；RO)晶体管234连接在第二SF晶体管232的源极端与像素信号输出238之间。当RO晶体管234通过将高电压施加到RO晶体管234的RO栅极236而接通时，像素信号输出238处的像素信号电压Vx是基于先前电压采样而保持在SC 230上的经放大电压Vsh228。第二SF晶体管232的漏极端连接到VDD。
偏置晶体管220连接在像素位线218与接地之间。偏置晶体管220通过调节施加到偏置晶体管220的栅极222的电压BIAS而维持到第一SF晶体管216的适当操作电流。
有源复位(active reset；AR)晶体管240连接在像素位线218与像素位线反馈输出244之间。当AR晶体管240通过将高电压施加到AR晶体管240的AR栅极242而接通时，像素位线218上的像素位线电压Vpb呈现为像素位线反馈输出244上的像素位线反馈电压Vpb_fb。
控制电路104(如图1中所绘示)控制施加到偏置栅极222、SH栅极226、RO栅极236以及AR栅极242的相应电压。偏置晶体管220、SH晶体管224、存储电容器SC 230、第二SF晶体管232、RO晶体管234以及AR晶体管240集成在ASIC管芯221中。
多个列放大器的列放大器248连接在像素单元203的列的像素位线反馈输出244与像素单元203的列的复位驱动输入214之间，其中像素单元的列是多个读出列110的列。列放大器248是差分放大器。在一个实例中，列放大器248可以是运算放大器(operationalamplifier；op amp)。op amp 248的反相输入连接到布置在多个读出列110的同一列中的多个像素单元203的多个像素位线反馈输出中的每一像素位线反馈输出244。op amp 248的非反相输入连接到参考电压Vref 246。op amp 248的输出连接到布置在多个读出列110的同一列中的多个像素单元203的多个复位驱动输入中的每一复位驱动输入214。
图3是根据本公开的实施例的布置在成像传感器中的多个读出列110的同一列中的多个像素单元303_1至像素单元303_y的说明性全局有源复位信号读出配置300，所述成像传感器全局读出图像信号和复位信号。在图3中，每一读出列110连接到y个像素单元303_1至像素单元303_y。每一像素单元303_1至像素单元303_y(303_1至303_y)的所有y个复位驱动输入314_1至复位驱动输入314_y(314_1至314_y)连接到共享列op amp 348的输出。因此，将同一列中的所有像素单元303_1至像素单元303_y的复位电平设置为同一列复位驱动电压Vrd。
为了更好地理解图3和其能够的序列，在图4中提供时序图400以结合图2解释图3中发生的所有主要事件。
在时间T0处，读出列110的像素单元303_1至像素单元303_y的所有1到y个光电二极管PD_1至光电二极管PD_y开始基于入射光集成光产生电子。同时，所有1到y个TX晶体管TX_1至TX晶体管TX_y通过维持其栅极端206的低电压而断开，且所有1到y个RST晶体管RST_1至RST晶体管RST_y通过维持其栅极端212的高电压而接通以将多个浮动扩散FD_1至浮动扩散FD_y复位到Vrd，且所有1到y个AR晶体管AR_1至AR晶体管AR_y通过维持其栅极端242的高电压而接通以将参考电压Vref 346提供到同一列中的RST晶体管210的多个RST漏极端214。由于参考电压Vref 346施加到op amp 348的非反相输入，所以当op amp 348具有足够高的开环增益时，所有1到y个像素位线电压Vpb_1 218至像素位线电压Vpb_y 218和像素位线反馈电压Vpb_fb_1 244至像素位线反馈电压Vpb_fb_y 244通过op amp 348在其反相输入245处维持接近Vref。此外，在T0处，所有1到y个SH晶体管SH_1至SH晶体管SH_y通过维持其栅极端226到低电压而断开，且所有1到y个RO晶体管RO_1至RO晶体管RO_y通过维持其栅极端236的高电压而接通。
在时间T1处，所有1到y个RST晶体管RST_1至RST晶体管RST_y通过将其栅极电压从高变为低而断开，且所有1到y个AR晶体管AR_1至AR晶体管AR_y通过将其栅极电压从高变为低而断开。这两个断开动作终止对所有浮动扩散FD_1到浮动扩散FD_y的初始复位过程。
在T2与T3之间，将电压脉冲GT施加到所有TX_1至TX_y栅极端，以分别引起从PD_1至PD_y到FD_1至FD_y累积的所有光产生电子的全局转移。在T4处，在集成Tint期间由入射光的集成引起的图像信号(Sig)已经稳定为像素位线电压Vpb_1至像素位线电压Vpb_y。在T4与T5之间，将电压脉冲GSH全局施加到所有1到y个SH晶体管SH_1 224至SH晶体管SH_y224的栅极端。在T6处，反映Vpb_1至Vpb_y的SH电压Vsh_1至SH电压Vsh_y稳定且作为图像信号电压全局存储在所有对应存储电容器SC_1 230至存储电容器SC_y 230中。因此，在T6处，对于每一个别像素单元303_n，
(Vsh_n)SIG＝Vrd-ΔVpd_n-VTSF_n (1)
其中ΔVpd_n表示PD_n上累积的光产生电子在FD_n处产生的信号电压，且VTSF_n是晶体管SF1_n的栅极到源极阈值电压。
此时，对于CDS，等式(1)的图像信号电压(Vsh_1-y)SIG已全局实现，所述过程移动以全局获取用于CDS的复位信号电压(Vsh_1-y)RST。此外，在T6处，RST晶体管RST_1至RST晶体管RST_y通过将其栅极电压从低到高改变而接通，且AR晶体管AR_1至AR晶体管AR_y通过将其栅极电压从低到高改变而接通，恰好如图3中所绘示。RST_1至RST_y以及AR_1至AR_y这两个接通动作将所有浮动扩散FD_1至浮动扩散FD_y复位到列复位驱动电压Vrd。
在T7处，通过op amp 348将像素位线电压Vpb_1至像素位线电压Vpb_y驱动到接近Vref。
在T8处，所有RO晶体管234通过将高电压施加到其栅极端READ_1 236至栅极端READ_y 236。
在T8与T9之间，将电压脉冲GS施加到所有TX栅极端以启动到PD_1至PD_y的全局快门(GS)。此动作同时复位所有PD_1至PD_y以及FD_1至FD_y。在T9处，新一轮的光产生电子与所有PD_1至PD_y的集成可开始。
在T9与T10之间，与等式(1)的(Vsh_1-y)SIG相关的像素信号电压Vx_1至像素信号电压Vx_y呈现在对应像素信号输出238处。其可进一步由读出电路106中的ADC 150转换为数字信号，所述ADC 150与对应读出列110相关联。
在T10与T11之间，复位电压脉冲RSH施加到所有1到y个SH晶体管224的栅极端。在T11之后不久，反映FD_1至FD_y的复位(Rst)电压SH电压Vsh_1至SH电压Vsh_y稳定且与(Vsh_1-y)RST相关的像素复位(RST)电压Vx_1至电压Vx_y呈现在对应像素信号输出238处。因此，对于每一个别像素单元303_n，
(Vsh_n)RST＝Vrd-VTSF_avg (2)
其中VTSF_avg表示同一读出列110中的所有晶体管SF1_1至晶体管SF1_y的平均阈值电压。
在T12处，所有RO晶体管234通过将低电压施加到其栅极端READ_1236至栅极端READ_y 236。
为了应用CDS的概念，通过组合等式(1)和等式(2)，每一个别像素单元303_n的最终图像信号引起
(Vsh_n)RST-(Vsh_n)SIG＝ΔVpd_n+(VTSF_n-VTSF_avg) (3)
其中ΔVpd_n表示仅仅由PD_n上累积的光产生电子在FD_n处产生的信号电压，其是所需图像信号。(VTSF_n-VTSF_avg)表示与读出相关联的噪声电压，其有助于2D图像的垂直固定模式噪声(vertical fixed pattern noise；VFPN)。为了减小VFPN，应最小化等式(3)中的噪声(VTSF_n-VTSF_avg)。如果所有晶体管SF1_1至晶体管SF1_y自身具有较小VTSF_1-y变化，那么噪声电压(VTSF_n-VTSF_avg)可大大降低。VTSF_1-y变化可通过使用更大大小的SF晶体管SF1_1至SF晶体管SF1_y来减少。
图5是根据本公开的实施例的布置在成像传感器中的多个读出列110的同一列中的多个像素单元503_1至像素单元503_y的列的说明性信号读出配置500，所述成像传感器全局读出图像信号且以逐行方法读出复位信号复位信号。在图5中，每一读出列110连接到y个像素单元503_1至像素单元503_y。每一列像素单元503_1至像素单元503_y(503_1至503_y)的所有y个复位驱动输入514_1至复位驱动输入514_y(514_1至514_y)连接到共享列opamp 548的输出。因此，将同一列中的所有像素单元的多个复位电压设置为同一电压Vrd。
为了更好地理解图5和其表示的序列，在图6中提供时序图600以结合图2解释图5中发生的所有主要事件。
在时间T0处，连接到同一读出列110的列像素单元503_1至503_y的所有1到y个列光电二极管PD_1至列光电二极管PD_y开始基于入射光集成光产生电子。同时，所有1到y个TX晶体管TX_1至TX晶体管TX_y通过维持其栅极端的低电压而断开，且所有1到y个RST晶体管RST_1至RST晶体管RST_y通过维持其栅极端的高电压而接通，且所有1到y个AR晶体管AR_1至AR晶体管AR_y通过维持其栅极端的高电压而接通。由于参考电压Vref 546施加到opamp 548的非反相输入，因此所有1到y个像素位线电压Vpb_1至像素位线电压Vpb_y通过opamp 548在其反相输入处维持接近Vref。这是通过共享在每一像素单元503_1至像素单元503_y的列复位驱动输入514_1至列复位驱动输入514_y处呈现的相同列复位驱动电压Vrd来实现的。
在时间T1处，所有1到y个RST晶体管RST_1至RST晶体管RST_y通过将其栅极电压从高变为低而断开，且所有1到y个AR晶体管AR_1至AR晶体管AR_y通过将其栅极电压从高变为低而断开。这两个断开动作终止对所有浮动扩散FD_1到浮动扩散FD_y的初始复位过程。
在T2与T3之间，将电压脉冲GT施加到所有TX栅极端，以使得PD_1至PD_y上累积的所有光产生电子的全局转移(GT)分别流入FD_1至FD_y。在T4处，在集成Tint期间由入射光的集成引起的图像信号(Sig)已经稳定为像素位线电压Vpb_1至像素位线电压Vpb_y。在T4与T5之间，将全局电压脉冲GSH全局施加到所有1到y个SH晶体管224的栅极端226。在T6处，反映Vpb_1至Vpb_y的SH电压Vsh_1至SH电压Vsh_y稳定且作为图像信号电压全局存储在所有对应存储电容器SC_1 230至存储电容器SC_y 230中。因此，在T6处，对于每一个别像素单元503_n，
(Vsh_n)SIG＝Vrd-ΔVpd_n-VTSF_n (4)
其中ΔVpd_n表示PD_n上累积的光产生电子在FD_n处产生的信号电压，且VTSF_n是晶体管SF1_n的栅极到源极阈值电压。
此时，对于CDS，等式(4)的图像信号电压(Vsh_1-y)SIG已全局实现，所述过程移动以按逐行方式获取用于CDS的复位信号电压(Vsh_1-y)RST。此外，在T6处，RST晶体管RST_1至RST晶体管RST_y通过将其栅极电压从低变为高而接通，且AR晶体管AR_1至AR晶体管AR_y通过将其栅极电压从低变为高而接通。RST_1至RST_y以及AR_1的这两个接通动作将浮动扩散FD_1复位到电压Vrd。此外，在T6处，所有RO晶体管234通过将高电压施加到其栅极端READ_1236至栅极端READ_y 236而接通。多个经放大SH电压Vsh_1至SH电压Vsh_y被读取到多个像素信号输出238，其中多个经放大SH电压Vsh_1至SH电压Vsh_y基于保持在多个存储电容器230中的多个SH电压Vsh_1至SH电压Vsh_y通过多个第二SF晶体管232放大。
在T7处，通过op amp 548将像素位线电压Vpb_1驱动到接近Vref。
在T6与T8之间，与等式(4)的(Vsh_1-y)SIG相关的像素信号电压Vx_1至像素信号电压Vx_y呈现在对应像素信号输出238处。其可进一步由读出电路106中的ADC 150转换为数字信号，所述ADC 150与对应读出列110相关联。
在T8与T9之间，将电压脉冲RSH施加到SH晶体管SH_1 224的栅极端。在T9处，晶体管AR_1通过将其栅极电压从高变为低而断开。在T10处，反映FD_1的复位(Rst)电压的SH电压Vsh_1稳定，且与(Vsh_1)RST相关的像素复位(RST)电压Vx_1呈现在对应像素信号输出238处。因此，在T10与T11之间，对于像素单元503_1，
(Vsh_1)RST＝Vrd_1-VTSF_1 (5)
其中Vrd_1表示像素单元503_1的复位驱动输入514_1处的复位驱动电压，且VTSF_1表示读出列110的晶体管SF1_1的栅极至源极阈值电压。
在获取(Vsh_1)RST之后，随后获取(Vsh_2)RST。在T10之后不久，AR晶体管AR_2通过将其栅极电压从低变为高而接通。AR_2将浮动扩散FD_2设置为电压Vrd_2。类似于(Vsh_1)RST的测量，通过op amp 548将Vpb_2驱动到接近Vref。将电压脉冲RSH施加到SH晶体管SH_2 224的栅极端226，以接通和断开晶体管AR_2。由于SH_2 224的切换，反映FD_2的复位电压的SH电压Vsh_2稳定，且与(Vsh_2)RST相关的像素复位(RST)电压Vx_2呈现在对应像素信号输出238处。因此，对于像素单元503_2，
(Vsh_2)RST＝Vrd_2-VTSF_2 (6)
其中Vrd_2表示像素单元503_2的复位驱动输入514_2处的复位驱动电压，且VTSF_2表示读出列110的晶体管SF1_2的栅极至源极阈值电压。
由于获取(Vsh_n)RST的类似过程自身不断地重复到第n个像素单元503_n(n在1与y之间)，AR_n将浮动扩散FD_n设置为电压Vrd_n，恰好如图5中所绘示。类似于先前对(Vsh_1)RST和(Vsh_2)RST的获取，通过op amp 548将Vpb_n驱动到接近Vref。将电压脉冲RSH施加到SH晶体管SH_n 224的栅极端226，以接通和断开晶体管AR_n。由于SH_n 224的切换，反映FD_n的复位电压的SH电压Vsh_n稳定，且与(Vsh_n)RST相关的像素复位(RST)电压Vx_n呈现在对应像素信号输出238处。因此,类似于等式(5)和等式(6),对于像素单元503_n，
(Vsh_n)RST＝Vrd_n-VTSF_n(7)
其中Vrd_n表示像素单元503_n的复位驱动输入514_n处的复位驱动电压，且VTSF_n表示读出列110的晶体管SF1_n的栅极至源极阈值电压。
可重复的获取可通过获取FD_y的复位电压的(Vsh_y)RST来得出结论。且在像素信号输出238_y处呈现(Vsh_y)RST。此时，当RO晶体管234_1至RO晶体管234_y通过将电压脉冲逐行施加到其对应栅极端READ_1 236至栅极端READ_y 236时，FD_1至FD_y的复位电压的所有(Vsh_1-y)RST分别呈现给对应像素信号输出238_1至像素信号输出238_y。
为了应用CDS的概念，通过组合等式(4)和等式(7)，每一个别像素单元503_n的最终图像信号引起
(Vsh_n)RST-(Vsh_n)SIG＝△Vpd_n+(Vrd_n-Vrd) (8)
其中ΔVpd_n表示仅仅由PD_n上累积的光产生电子在FD_n处产生的信号电压，其是最需要的图像信号。(Vrd_n-Vrd)表示与读出相关联的噪声电压，其有助于2D图像的固定模式噪声(fixed pattern noise；FPN)。为了减小FPN，应最小化等式(8)的噪声电压(Vrd_n-Vrd)，或最好让每一个别值Vrd_n最接近Vrd。Vrd是在如图6中所绘示的T0与T1之间的初始全局复位过程期间由所有列像素单元503_1至列像素单元503_y共享的列复位驱动电压。
如果晶体管SF1_1至晶体管SF1_y中的每一个设法在它们自身中具有较小的VTSF_1-y变化，那么等式(8)中的噪声电压(Vrd_n-Vrd)可大大降低。通过为RST_1 210至RST_y210、SF1_1 216至SF1_y 216以及op amp 248使用较大大小的晶体管，VTSF_1-y变化可减少。
在T12处，通过将对应AR栅极端242设置为高电压以接通对应AR晶体管240，将每一列放大器248连接到对应像素位线反馈输出244。此外，在T12处，每一FD 208仍复位到在复位驱动输入214处接收的复位驱动电压Vrd，这是因为RST晶体管214由于T6通过维持RST栅极端212的高电压而保持开启，且每一PD 202通过将TX栅极端206的电压切换为高和低以接通和断开TX晶体管204来复位到Vrd。在TX晶体管204稳定到其断开状态之后，新一轮的电荷集成可从像素阵列102的每一PD 202上的Tint开始，以对任何入射光做出反应。
对本发明的所示出实例的以上描述(包含摘要中所描述的内容)并不意图是穷尽性的或将本发明限制于所公开的精确形式。虽然本文中出于说明性目的描述了本发明的具体实例，但是如相关领域的技术人员将认识到，在本发明的范围内，各种修改是可能的。
可鉴于以上详细描述对本发明作出这些修改。所附权利要求中使用的术语不应解释为将本发明限于本说明书中公开的具体实例。确切地说，本发明的范围应完全由所附权利要求确定，应根据权利要求解释的已确立的原则来解释所附权利要求。

Claims (27)

1.一种图像传感器的像素单元，包括：
光电二极管，适于响应于入射光而累积图像电荷；
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光电二极管到所述浮动扩散的传输；
复位晶体管，耦合在复位驱动输入与所述浮动扩散之间，以将复位驱动电压供应到所述浮动扩散，其中复位栅极电压控制所述复位晶体管；
第一源极跟随器晶体管，耦合成从第一源极跟随器栅极端接收浮动扩散电压且将放大信号电压提供到第一源极跟随器源极端；
采样保持电路，耦合在第二源极跟随器晶体管的所述第一源极跟随器源极端与第二源极跟随器栅极端之间；
读出晶体管，耦合在所述第二源极跟随器晶体管的第二源极跟随器源极端与像素信号输出之间，其中读出栅极电压控制放大采样保持信号电压从所述第二源极跟随器源极端到所述像素信号输出的传输；以及
有源复位晶体管，耦合在所述第一源极跟随器源极端与像素位线反馈输出之间，其中有源复位栅极电压控制作为所述放大信号电压的像素位线电压从所述第一源极跟随器源极端到所述像素位线反馈输出的传输。
2.根据权利要求1所述的图像传感器的像素单元，其中所述光电二极管、所述转移晶体管、所述复位晶体管以及所述第一源极跟随器晶体管集成在像素管芯中。
3.根据权利要求1所述的图像传感器的像素单元，更包括耦合在所述第一源极跟随器源极端与接地之间的偏置晶体管。
4.根据权利要求3所述的图像传感器的像素单元，其中所述偏置晶体管集成在专用集成电路管芯中。
5.根据权利要求1所述的图像传感器的像素单元，其中所述采样保持电路包括
采样保持晶体管，耦合在所述第一源极跟随器源极端与所述第二源极跟随器栅极端之间；以及
存储电容器，耦合在所述第二源极跟随器栅极端与接地之间。
6.根据权利要求5所述的图像传感器的像素单元，其中所述采样保持晶体管、所述存储电容器、所述第二源极跟随器晶体管、所述读出晶体管以及所述有源复位晶体管集成在专用集成电路管芯中。
7.一种成像系统，包括：
像素阵列，具有布置成多个行和多个列的多个像素单元，其中所述多个像素单元中的每一个包括：
光电二极管，适于响应于入射光而累积图像电荷；
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光电二极管到所述浮动扩散的传输；
复位晶体管，耦合在复位驱动输入与所述浮动扩散之间，以将列复位驱动电压供应到所述浮动扩散，其中复位栅极电压控制所述复位晶体管；
第一源极跟随器晶体管，耦合成从第一源极跟随器栅极端接收浮动扩散电压且将放大信号电压提供到第一源极跟随器源极端；
采样保持电路，耦合在第二源极跟随器晶体管的所述第一源极跟随器源极端与第二源极跟随器栅极端之间；
读出晶体管，耦合在所述第二源极跟随器晶体管的第二源极跟随器源极端与像素信号输出之间，其中读出栅极电压控制放大采样保持信号电压从所述第二源极跟随器源极端到所述像素信号输出的传输；以及
有源复位晶体管，耦合在所述第一源极跟随器源极端与像素位线反馈输出之间，其中有源复位栅极电压控制作为所述放大信号电压的像素位线电压从所述第一源极跟随器源极端到所述像素位线反馈输出的传输；
控制电路，耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作，其中所述控制电路控制所述转移栅极电压、所述复位栅极电压、所述采样保持电路的操作、所述读出栅极电压以及所述有源复位栅极电压；
读出电路，通过多个读出列耦合到所述像素阵列以从多个像素单元列读出图像数据，且将多个复位驱动电压供应到所述多个像素单元列中的每一对应列；以及
功能逻辑，耦合成从所述读出电路接收所述多个像素单元中的每一个的图像数据且存储接收的所述图像数据。
8.根据权利要求7所述的成像系统，其中所述光电二极管、所述转移晶体管、所述复位晶体管以及所述第一源极跟随器晶体管集成在像素管芯中。
9.根据权利要求7所述的成像系统，所述多个像素单元中的每一像素单元更包括耦合在所述第一源极跟随器源极端与接地之间的偏置晶体管，其中偏置栅极电压控制所述第一源极跟随器晶体管的偏置电流。
10.根据权利要求9所述的成像系统，其中所述偏置晶体管由所述控制电路控制且集成在专用集成电路管芯中。
11.根据权利要求7所述的成像系统，其中所述多个像素单元中的每一个的所述采样保持电路包括
存储电容器，耦合在所述第二源极跟随器栅极端与接地之间；以及
采样保持晶体管，耦合在所述第一源极跟随器源极端与所述第二源极跟随器栅极端之间，其中采样保持栅极电压控制作为所述放大信号电压的所述像素位线电压从所述第一源极跟随器源极端到所述存储电容器的传输。
12.根据权利要求11所述的成像系统，其中所述采样保持晶体管、所述存储电容器、所述第二源极跟随器晶体管、所述读出晶体管以及所述有源复位晶体管集成在专用集成电路管芯中。
13.根据权利要求7所述的成像系统，其中所述功能逻辑向所述控制电路提供指令。
14.根据权利要求7所述的成像系统，其中所述多个读出列中的每一读出列包括
像素信号导体，耦合到与对应读出列相关联的多个像素信号输出中的每一像素信号输出；
位线反馈导体，耦合到与对应读出列相关联的多个像素位线反馈输出中的每一像素位线反馈输出；以及
复位驱动导体，耦合到与对应读出列相关联的多个复位驱动输入中的每一复位驱动输入。
15.根据权利要求7所述的成像系统，所述读出电路更包括多个列放大器，其中所述多个列放大器中的每一列放大器耦合在多个像素反馈导体中的对应像素反馈导体与多个复位驱动导体中的对应复位驱动导体之间。
16.根据权利要求15所述的成像系统，其中所述多个列放大器的每一列放大器是运算放大器，且其中所述运算放大器的反相输入耦合到所述对应列的像素位线反馈导体，且所述运算放大器的非反相输入耦合到参考电压。
17.根据权利要求15所述的成像系统，其中所述列放大器集成在专用集成电路管芯中。
18.根据权利要求7所述的成像系统，其中所述读出电路更包括：
多个预模数转换器电路；以及
多个模数转换器，其中所述多个预模数转换器电路中的每一预模数转换器电路耦合在多个像素信号导体中的每一像素信号导体与所述多个模数转换器中的每一模数转换器之间。
19.一种读取图像信号的方法，包括：
维持多个转移栅极端的低电压以断开多个转移晶体管；
维持多个复位栅极端的高电压以接通多个复位晶体管，从而利用多个列复位驱动电压中的对应列复位驱动电压复位多个浮动扩散；
维持多个有源复位栅极端的高电压以接通多个有源复位晶体管，从而将所述多个列复位驱动电压中的所述对应列复位驱动电压馈送回所述多个复位晶体管的多个复位漏极端；
维持多个采样保持栅极电压的低电压以断开多个采样保持晶体管；
维持多个读出栅极端的低电压以断开多个读出晶体管；
通过对多个复位栅极端设置低电压以断开所述多个复位晶体管来断开所述多个浮动扩散与所述多个列复位驱动电压的连接；
通过对所述多个有源复位栅极端设置低电压以断开所述多个有源复位晶体管来断开多个列放大器与多个像素位线反馈输出的连接；
通过将所述多个转移栅极端的电压切换为高和低以接通和断开所述多个转移晶体管来将多个电荷从多个光电二极管转移到所述多个浮动扩散；以及
通过将多个采样保持栅极端的电压切换为高和低以接通和断开所述多个采样保持晶体管来采样和保持从多个第一源极跟随器到多个存储电容器的多个第一像素位线电压。
20.根据权利要求19所述的读取图像信号的方法，更包括：
通过对所述多个复位栅极端设置高电压以接通所述多个复位晶体管来将所述多个浮动扩散连接到耦合到所述多个列放大器的对应输出的多个复位驱动输入；以及
通过对所述多个有源复位栅极端设置高电压以接通所述多个有源复位晶体管来将所述多个列放大器连接到所述多个像素位线反馈输出。
21.根据权利要求20所述的读取图像信号的方法，更包括：
通过对所述多个读出栅极端设置高电压以接通所述多个读出晶体管来将多个放大第一像素位线电压读取到多个像素信号输出，其中所述多个放大第一像素位线电压由多个第二源极跟随器晶体管从保持在所述多个存储电容器中的所述多个第一像素位线电压放大。
22.根据权利要求21所述的读取图像信号的方法，更包括：
通过将所述多个转移栅极端的电压切换成高和低以接通和断开所述多个转移晶体管来复位所述多个光电二极管和所述多个浮动扩散，从而开始新入射光集成。
23.根据权利要求22所述的读取图像信号的方法，更包括：
通过将所述多个采样保持栅极端的电压切换为高和低以接通和断开所述多个采样保持晶体管来将多个第二像素位线电压采样和保持到所述多个存储电容器；
通过所述多个第二源极跟随器晶体管将多个放大第二像素位线电压从所述多个存储电容器读取到所述多个像素信号输出；以及
对所述多个读出栅极端设置低电压以断开所述多个读出晶体管。
24.根据权利要求19所述的读取图像信号的方法，更包括：
通过对所述多个复位栅极端设置高电压以接通所述多个复位晶体管来将所述多个浮动扩散连接到耦合到所述多个列放大器的对应输出的多个复位驱动输入。
25.根据权利要求24所述的读取图像信号的方法，更包括：
通过对所述多个读出栅极端设置高电压以接通所述多个读出晶体管来将多个放大第一像素位线电压读取到多个像素信号输出，其中所述多个放大第一像素位线电压由多个第二源极跟随器晶体管从保持在所述多个存储电容器中的多个第一像素位线电压放大。
26.根据权利要求25所述的读取图像信号的方法，更包括：
多个行操作，以在多个像素单元列的像素单元列的第一行中开始且在最后一行中结束的顺序进行，其中所述多个行操作的第n个行操作包括：
通过对多个第n个有源复位栅极端中的每一个设置高电压以接通多个第n个有源复位晶体管来将所述多个列放大器连接到多个第n个像素位线反馈电压中的每一个；
通过将多个第n个采样保持栅极端的电压切换为高和低以接通和断开多个第n个采样保持晶体管来将多个第n个第二像素位线电压采样和保持到多个第n个存储电容器；
通过对所述多个第n个有源复位栅极端设置低电压以断开所述多个第n个有源复位晶体管来断开所述多个列放大器与所述多个第n个像素位线反馈电压的连接；
通过多个第n个第二源极跟随器晶体管将多个第n个放大第二像素位线电压从多个第n个存储电容器读取到多个第n个像素信号输出；以及
对多个第n个读出栅极端设置低电压以断开多个第n个读出晶体管。
27.根据权利要求26所述的读取图像信号的方法，更包括：
通过对所述多个有源复位栅极端设置高电压以接通所述多个有源复位晶体管来将所述多个列放大器连接到多个像素位线反馈电压；以及
通过将所述多个转移栅极端的电压切换成高和低以接通和断开所述多个转移晶体管来复位所述多个光电二极管，从而开始新入射光集成。
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