CN1308457A - 带有改进的基准信号的有源像素传感器 - Google Patents
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Abstract
一种有源像素传感器(APS)电路(5),其中在信号处理中使用地电位以外的基准信号。用一个或多个基准像素单元(20,30,40)来产生基准信号。从像素单元产生的基准信号比较接近地逼近曝光像素单元所经受的噪声和寄生影响。利用一个以上的像素来产生基准信号,来获得平均的光电二极管电压。还公开了这种电路在改进共模抑制和暗电流抑制上的用法。
Description
本发明涉及有源像素传感器，更详细地说，涉及这种传感器中改进的基准信号的产生和处理。
有源像素传感器(APS)捕获数字图像数据，常常用于数字静止摄像机、数字视频摄像机和图像复制设备等。APS一般由许多像素单元构成，后者每一个都包含一般称作光电二极管的光敏二极管。
参见图1，其中示出按照本发明使用的典型的像素单元12的电路简图。单元12最好包括三个晶体管13-15(一般是n-型场效应晶体管)和光敏光电二极管11。晶体管13和14耦合到VDD，而晶体管15耦合到晶体管14的源极。复位信号加在晶体管13的栅极上，而行选择信号加在晶体管15的栅极上。
在典型的工作方式下，规定复位线为高电平，以便将反偏置的光电二极管的寄生电容充电到复位电平。光电二极管的输出节点17上的复位电平稳定之后，复位线被拉到低电平，使光生电荷载体可以以与入射光强度成正比的速率将光电二极管放电。在特定的曝光时间之后，行选择线被规定为高电平，使节点17处的电压能够通过源跟随器缓冲晶体管14在单元输出节点19(列导体接于此处)被采样。复位信号再次被规定为高和低电平，以便第二次使节点17复位。在输出节点19处对复位电平采样。对入射光曝光后(VEXPOSURE)和复位(VRESET)时输出节点19的电压电平之间的差值与入射光强度成正比。VRESET和VEXPOSURE是以地为基准测定的。
为了构成APS，把这许多个像素单元设置在一起，最好排成阵列。通过读所述许多像素单元中每一个的输出节点来读出APS。读通常是通过把每一行的像素输出数据传输到行缓冲器，并顺序地处理每一行行缓冲器的内容来进行的。
尽管对捕获图像数据有利，但当前的APS器件也有缺点，例如，光电二极管输出值一般都是以地为基准测定的。这样做的问题包括光电二极管的输出信号和地信号受到不同的噪声电平和其他不公平的(inequitable)影响。结果，光电二极管的输出信号(以地为基准测定的)往往有显著的噪声分量，造成对入射光的精确度较差的记录和质量较低的图像重放。
因此，本发明的一个目的是提供一种APS，它使用一种对像素单元所受的噪声和其他影响能做出比较精确的补偿的基准信号。
本发明的另一个目的是提供一种APS，它利用处于相似位置的像素单元来建立所需要的基准信号。
本发明的这些和相关的目的利用带有这里描述的改进的基准信号的有源像素传感器来达到。
在一个实施例中，本发明包括可曝光的像素单元阵列和基准信号产生电路，后者利用一个或多个基准像素单元来产生基准信号。基准像素单元最好以与可曝光像素单元类似的方法形成，从而反映类似的噪声和寄生影响。
基准像素单元可以设置在曝光阵列旁边的阵列中，或作其他安排。可以为所述曝光阵列中的每一行设置一个或多个基准像素单元。当设置多个基准像素单元时，最好至少把它们的光电二极管中的一些光电二极管连接在一起，以便产生平均光电二极管输出电压。基准像素单元最好用不透明的滤光片等材料覆盖。
在结合附图阅读以下对本发明的较详细的描述之后，本专业的技术人员将不难明白本发明的上述和相关的优点和特征的实现。
图1是用于本发明的有源像素传感器(APS)的典型的像素单元的电路简图；
图2是按照本发明的带有列读出电路的有源像素传感器的电路简图；以及
图3是按照本发明的整体地短路的光电二极管的示意图。
参见图2，其中示出按照本发明的有源像素传感器(APS)的电路简图。应该指出，图2实际上公开了一种带有列读出电路的有源像素阵列。图中没有示出行译码等。但因主要示出APS，所以在以下的描述中将使用该术语。
APS5含有排列成N×M阵列的多个像素单元12(此后称作“像素”)。典型的APS大小包括640×480(VGA)和352×288(CIF)，预料将来密度会提高。图中示出两个典型的行1和2的部分。应该指出，在图中设置垂直3点图案处可以设置很多行，并且每一行像素的数目可以增加。
APS5可以分成两段：“基准”像素3和“曝光”像素4。正如下面将更详细讨论的，基准像素用来建立基准信号，后者最好逐行地与曝光像素的输出信号进行比较，以提供更准确的图像数据输出信号。
尽管行1和2代表APS中许多中的任何一行，但是行2将用来传授本发明的基准信号的产生和处理技术。应该明白，这里有关行2的传授可以应用于其他行中的任何一行。
行2包括VDD行6，复位线(RST)7和行选择线8。图中示许出多个(尽管比全部少)21,31,41,51,61,71。(段3中)列21,31,41用于基准信号产生，而列51,61,71对入射光曝光，以便捕获图像。每一列具有对应的像素，而每一个像素包括光电二极管22,32,42,52,62,72，以及各自的输出节点27,37,47,57,67,77。
段3的像素(20,30,40)规定为与曝光像素50,60,70相同，只是它们的光电二极管输出节点被短接在一起(沿着像素行)。这些像素(20,30,40)用遮断光线的不透明的滤光片等覆盖。
基准像素之一、例如像素30的列输出作为基准信号提供。这个输出信号通过缓冲器34向列放大器38进行门控。该阵列的曝光段中每一列的输出进行类似的门控，并分别送到列放大器58,68,78。每一个放大器的输出由多路器90利用已知选择逻辑顺序地选择，每一个段4的列放大器的输出依次与放大器38输出的基准信号比较，以提供差动输出信号。
列放大器最好具有一个输出端，并像已知那样包括开关电容采样和保持电路。最好像下面将要讨论那样向每一个放大器提供共模电压(VCM)。VCM最好是直流偏压，它提高光电二极管输出信号的数值。VCM最好具有大致处于两电源线之间的数值。应该认识到，包括两个输出放大器的其他列放大器的电路也可以使用，所述两个输出放大器中每一个输出信号和复位电平。如所周知，双差动信号处理电路用来处理这样的输出。
在最佳实施例中，曝光列放大器输出信号等于VCM-(Vrst-Vsig)，式中Vrst是像素复位电平，而Vsig是积分期后的像素信号电平。Vsig包括两个分量：Vsig=Vlight+Vdark，其中Vlight分量是光生电流的积分的结果，而Vdark分量是漏电流或暗电流积分的结果。因为基准像素被不透明的滤光片覆盖，所以每一个基准像素的Vsig只包括暗电流分量。这样，由基准信号和所选择的列输出的差值给出的差分输出给出如下：
差分输出(n)=基准信号-列(n)的输出
=VCM-(Vrst-Vdark(avg))-[VCM-(Vrst-V(light+dark)(n))]
=(Vrst-V(light+dark)(n))-(Vrst-Vdark(avg)) (1)
通过把多个基准像素的检测节点短接在一起，从像素到像素的暗电流的差值以及与暗电流相关的散粒噪声被平均，因此进一步减小了行固定格式噪声。
用这样的方法产生基准信号有几个好处。正如上列方程式1所表明的，从每一个像素输出中减去平均暗信号，使得不需要在信号通路的其他某些点上恢复黑电平。另外，基准光电二极管和曝光光电二极管在共同的工序中制造，并具有相同的尺寸，以同样的方式采样。于是，当与这种基准信号相比较时，工艺引入的信号变化被从输出信号中减掉。此外，基准光电二极管暴露在相同的噪声(VDD偏置变化、来自行选择和复位信号过渡过程的EMI等)下，因而这种噪声也被抵消掉。
于是，通过利用和建立来自处于相似位置的光电二极管的基准信号，基准信号更接近地包括曝光光电二极管将会经历的同样变化。当把这种基准信号用来获得差动输出时，共享的噪声、偏置和造成影响的其他信号都被从APS输出信号中减去。
应该认识到，尽管每行只能设置一个基准像素，但是利用一个以上的基准像素提供“平均”值。还应该认识到，尽管最好每行有多个基准像素，但是设置可用于一行以上的一个或多个基准像素(少于每行一个基准像素)也在本发明的范围之内。基准信号也可以从与曝光像素阵列隔开的基准像素组合体产生。
参见图3，其中示出按照本发明的具有短路的光电二极管110-112的像素电路简图。图3举例示出布置在半导体材料中的三个像素110-112的顶视图。图3用来举例说明光电二极管120-122以及它们的集成的连接桥124-125最好在同一个工序中形成。这样，基准像素的相邻光电二极管的连接不必额外的工序即可实现，因而减小了寄生参数。
二极管可以用在p-型掺杂材料上进行n-型掺杂的材料制成或者反之亦然(形成p-n结)。
像素110举例说明像素单元晶体管113-115及导体的典型的布局。矩形图案内的矩形代表导体结点。示出了VDD、行选择、复位和输出列导体。像素111-112的晶体管用晶体管块117-118等代表。
尽管基准光电二极管最好如上所述连接在一起(把寄生电容减到最小并消除附加的工序)，但是应该认识到，光电二极管可以用其他装置连接，诸如用附加的金属导体或其他装置连接。
尽管已经联系其特定的实施例描述了本发明，但是应该明白，可以作进一步的修改，而本申请打算覆盖一般地遵循本发明的原理的本发明的任何变化、使用或适应性改变，包括适于本发明以及可以应用于前面提出的基本特征的先有技术中已知和习惯的偏离本公开的做法，以及落在本发明的范围和后附权利要求书界限之内者。
Claims (10)
1．一种有源像素传感器电路，它包括：
多个可曝光的像素单元(4,12)，它们排成阵列(5)并配置成提供代表入射光的输出信号，所述阵列曝光在所述入射光之下；
基准信号产生电路(3)，它包括至少一个第一基准像素单元(30)，所述基准电路输出基准信号，后者至少部分地表示所述基准像素单元的光电二极管(32)上的电压；以及
其中所述基准信号与所述阵列输出信号的比较减小了所述阵列输出信号中的噪声和寄生影响。
2．权利要求1的电路，其特征在于：所述基准像素单元以与每一个所述多个可曝光的像素单元(12)类似的方法形成。
3．权利要求1的电路，其特征在于：所述基准像素单元(30)以与所述可曝光阵列(4)中的不同的方式形成。
4．权利要求1的电路，其特征在于：所述基准电路包括多个基准像素单元(20,30,40)，并输出一个基准信号，后者至少部分地表示所述多个基准像素单元(20,30,40)的光电二极管中某些光电二极管上的平均电压。
5．权利要求1的电路，其特征在于：所述阵列(4)包括多个行(1,2)，并且对于每一个所述行，所述基准电路(3)包括至少一个基准像素单元。
6．权利要求5的电路，其特征在于：对于每一个所述行，所述基准电路(3)包括多个基准像素。
7．权利要求6的电路，其特征在于：每一行(1,2)中的所述多个基准像素(20,30,40)的光电二极管连接在一起。
8．权利要求7的电路，其特征在于：所述多个连接在一起的光电二极管(120-122)及其互连构件(124-125)是整体地构成的。
9．一种操作APS电路的方法，它包括以下步骤：
设置具有第一部分和第二部分的像素单元阵列；
产生代表输入光的输出信号，所述第一部分曝光在所述入射光下；以及
从所述阵列的所述第二部分中形成的至少一个第一基准像素单元为所述输出信号产生基准信号。
10．权利要求9的方法，其特征在于还包括以下步骤：
从多个基准像素单元，以这样的方式产生所述基准信号，使之至少部分地反映所述多个基准像素单元的光电二极管输出电压的平均值。
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