CN1716622A - Cmos图像传感器、复位晶体管控制电路和电压切换电路 - Google Patents

Abstract

本发明可以适用于下述CMOS图像传感器，在该CMOS图像传感器中，活动像素传感器阵列的每个像素电路包括用于将输入光转换成电的光电转换元件和用于控制对光电转换元件的复位电压供给的切换晶体管，所述复位电压用于将光电转换元件复位到预定电压。CMOS图像传感器包括控制电路，该控制电路用于分配施加到切换晶体管的控制电极上的控制信号。在光电转换元件的复位期的第一部分中，控制电路输出高于CMOS图像传感器的电源电压的第一电压，从而使得切换晶体管的ON电阻充分小，并且在光电转换元件的复位期的后面部分中输出低于CMOS图像传感器的电源电压的第二电压。

Description

CMOS图像传感器、复位晶体管控制电路和电压切换电路

技术领域

本发明一般地涉及CMOS图像传感器，更具体而言，涉及电压控制电路和用于该电压控制电路中的电压切换电路，该电压控制电路产生切换元件的控制电压，该切换元件用于控制对包含于CMOS图像传感器中的每个像素电路的光电转换元件的复位电压供给。

背景技术

CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器包括像素部件，其中用于为一个像素获取图像的像素电路被以矩阵形式排列，并且通过利用垂直和水平扫描移位寄存器顺次选择各个像素电路的输出来输出一页的图像信号。在每个像素电路中，在每次获取图像时诸如光敏二极管等的光电转换元件在预定的复位电压处被短路之后，光电转换元件的充电电压根据接通到复位电压的短接电路得到的曝光量而下降。从而，可以通过获得每个像素的充电电压的下降量来获取图像。此时，如众所周知的那样，用于控制光电转换元件的复位电压的短路(short)的CMOS切换元件或者为ON(导通)状态或者被设置为导通状态。然后，当光电转换元件的一个结点被从短路状况接通到预定的复位电压时，产生使用公式(kT/C)得到的kTC噪声。这里，k为Boltzman(波尔兹曼)常数，T为绝对温度，C是光电转换元件的全电容。

申请人考虑到上述要点，公开了一种能够降低kTC噪声的CMOS图像传感器(日本早期专利公布2003-234959，此后称其为专利文献1)。在此CMOS图像传感器中，在像素电路中，通过在光电转换的复位期期间控制CMOS切换元件的栅极电势，来适当增加当CMOS切换元件为ON时的ON电阻或者导通电阻。从而，低通滤波器的截止频率降低，所述低通滤波器由CMOS切换元件的ON电阻和在供电转换元件的阴极处产生的寄生电容两者组成。因此，可以降低等于或者高于截止频率的kTC噪声分量。

但是，当CMOS切换元件被短接到复位电平时，该元件的ON电阻是有限值。因此，在复位诸如光敏二极管等的光电转换元件时的电压略微偏离所分配的预定复位电压。由元件中的偏离产生的复位噪声被添加到kTC噪声上。因此，通过降低kTC噪声和由偏离这样的复位电压产生的复位噪声，可以改进画面质量。

发明内容

本发明旨在提供一种用于降低kTC噪声和由偏离复位电压所产生的复位噪声的CMOS图像传感器。

此外，本发明旨在提供一种电压控制电路，用于为CMOS切换元件分配控制电压以降低kTC噪声和由偏离复位电压所产生的复位噪声，其中CMOS切换元件用于控制对CMOS图像传感器中的像素电路的光电转换元件的复位电压供给，本发明还旨在提供用于实现此电压控制电路的电压切换电路。

在一个方面，本发明提供了一种CMOS图像传感器，其中活动像素传感器阵列的每个像素电路包括用于将输入光转换成电的光电转换元件和用于控制对光电转换元件的复位电压供给的切换晶体管，复位电压用于将光电转换元件复位到预定电压。CMOS图像传感器包括控制电路，该控制电路用于分配施加到切换晶体管的控制电极上的控制信号。在光电转换元件的复位期的第一部分中，控制电路输出高于CMOS图像传感器的电源电压的第一电压，从而使得切换晶体管的ON电阻充分小。

在另一方面，本发明提供了一种控制电路，用于分配施加到CMOS图像传感器中的切换晶体管的控制电极上的控制信号，在CMOS图像传感器中，活动像素传感器阵列的每个像素电路包括用于将输入光转换成电的光电转换元件和用于控制对光电转换元件的复位电压供给的复位晶体管，复位电压用于将光电转换元件复位到预定电压。该控制电路包括第一导体和低电压产生电路，其中第一导体用于接收远高于CMOS图像传感器的电源电压的第一电压，低电压产生电路用于产生低于CMOS图像传感器的电源电压的第二电压。此外，该控制电路包括切换电路，该切换电路用于在光电转换元件的复位期的第一部分中，输出第一电压以使得ON电阻充分小，以及在光电转换元件的复位期的后面部分中，输出第二电压。

在另一方面，本发明提供了一种电压切换电路，该电压切换电路被插入在用于接收相对高的第一电压的第一导体和用于接收相对低的第二电压的第二导体之间，并且输出第一电压或者第二电压。该电压切换电路包括一个单元，用于在将第一电压切换到第二电压的情况下，防止第一电压的电压下降发生在第二导体上。

根据本发明，在复位期的第一部分中，通过充分降低复位晶体管或切换晶体管的ON电阻，光电转换元件被可靠地复位，其中所述复位晶体管或切换晶体管用于控制光电转换元件的复位电压供给使得光电转换元件被可靠地复位。结果，可以降低由偏离复位电压产生的复位噪声。在复位期的后面部分，通过增加CMOS切换元件的ON电阻，减低了低通滤波器的截止频率，该低通滤波器由CMOS图像传感器的ON电阻和在光电转换元件的阴极处产生的寄生电容两者来产生。从而，可以降低与等于或者高于截止频率的频率相对应的kTC噪声分量。

附图说明

图1A是示出了一般CMOS图像传感器的整体配置的框图；

图1B是示出了包含于CMOS图像传感器中的像素电路的一个示例的电路图；

图1C是示出了用于复位的切换晶体管的栅极电压示例的波形图；

图2A是示出了根据传统技术用于复位的切换晶体管的栅极电压示例的电路图；

图2B是用于解释图2A的电压控制电路的操作的波形图；

图3A是示出了根据本发明优选实施例的CMOS图像传感器的整体配置的框图；

图3B是示出了CMOS图像传感器的电压控制电路的一个示例的电路图；以及

图4是用于解释图3A的CMOS图像传感器的电压控制电路和像素电路的操作的时序图。

具体实施方式

下面参考优选实施例和附图详细解释本发明。在这些附图中，类似的参考标号表示类似的元件。

[第一优选实施例]

在对本发明的CMOS图像传感器进行解释之前，首先解释专利文献1中描述的CMOS图像传感器。

图1A至图1C示出了专利文献1的CMOS图像传感器的概要。图1A是CMOS图像传感器1的总体视图。图1B是示出了像素电路11和电压控制电路21的电路图，其中电压控制电路21用于提供该像素电路11的CMOS切换元件M11的控制电压(即，栅极电压)RST。图1C是示出了控制电压RST的波形的波形图。

在图1A中，CMOS图像传感器包括以矩阵形式排列的像素部件10。

如图1B所示，每个像素电路11包括诸如光敏二极管或者光敏门(photo gate)等的光电转换元件D11，和由诸如N沟道MOSFET(MOS场效应晶体管)分别形成的用于复位的切换晶体管M11、用于放大的晶体管M12和列选择晶体管M13。电压控制电路21连接到切换晶体管M11的栅极。光电转换元件D11的阳极侧接地。其阴极侧连接到切换晶体管M11的源极和用于放大的晶体管12的栅极。此外，切换晶体管M11的漏极和用于放大的晶体管12的漏极连接到电源供电线路L13，其中复位电压VR被提供到电源供电线路L13上。用于放大的晶体管M12的源极连接到列选择晶体管M13的漏极。列选择晶体管M13的栅极连接到列选择信号线路L12，其中用于选择行方向上的像素电路11的列选择信号SLCT被提供到列选择线路L12上。此外，列选择晶体管M13的源极连接到用于选择行方向上的像素电路11的行选择信号线路L14。

此外，CMOS图像传感器包括：垂直扫描移位寄存器/电压控制电路20，用于实现垂直方向上像素电路11的指定或者复位信号的电压控制；放大器/噪声消除电路30，用于实现从每行中的像素电路11输出的图像信号的放大和噪声降低；以及水平扫描移位寄存器40，用于使用行选择晶体管M41在水平方向上指定来自像素电路11的输出。此外，放大器41a连接到输出总线L41，用于接收来自每个行选择晶体管M41的输出信号。在图1A中，放大器/噪声消除电路30被显示为一个功能模块，但实际上对于其中排列了像素电路11的每行都布置了一个电路。此外，图1A示出了在像素部件10中排列了4行4列的像素电路11的情况，但不言而喻实际上排列了更多的像素电路11。为便于解释，在图1B中，电压控制电路21是和像素电路11一起显示的，但是，实际上电压控制电路21是在垂直扫描移位寄存器/电压控制电路20中为每列提供的。

首先，解释像素电路11的基本操作。首先，从电压控制电路21经由复位信号线路L11提供复位信号RST。当在预定时刻切换晶体管M11变为ON时，在作为初始电压的复位电势VR处光电转换元件D11被充电。然后，当复位信号RTS变为OFF(断开)时，根据从外部输入的入射辐射，电荷在光电转换元件D11中累积。因此，光电转换元件D11的阴极侧上的电势下降。此时，用于放大的晶体管M12起到源极跟随放大器的作用。即，此晶体管放大电流以增加在后续阶段的驱动能力，同时其输出的电压比光电转换元件D11的阴极侧上的电势低约MOS-FET的阈值。

这样，当信号电荷的累积开始并且预定的时间过去之后列选择信号SLCT被从列选择信号线路L12输入到列选择晶体管M13的栅极中时，用于放大的晶体管M12的输出电压作为图像信号被输出到行选择信号线路L14。然后，复位信号RTS使切换晶体管M11导通并且在光电转换元件D11上累积的信号电荷被复位。

在如此配置的像素电路11中，通过输入复位信号RST来产生kTC噪声，并且取决于光电转换元件D11中所累积的电荷的信号电压和上述kTC噪声的分量有部分重叠。

如图1C所示，为了降低此kTC噪声，图1的CMOS图像传感器从电压控制电路21向切换晶体管M11的栅极提供复位信号RST。在时刻T1到时刻T3之间的时间段期间，复位信号RST将切换晶体管M11充分保持于ON状态。因此，此时间段成为用于对光电转换元件D11中所累积的电荷进行复位的复位期。实际上，复位信号的电压控制是通过将此复位期分为两段实现的。在T1时刻，电压控制电路21设置输出电压为电压VDD。从而，切换晶体管M11变为导通。此时，通过利用电源电压VDD尽可能地降低切换晶体管M11的ON电阻，光电转换元件D11中所累积的电荷被可靠地复位。然后，在预定的时间过去之后，在T2时刻，电压控制电路21输出控制电压Vcont，以控制上述低通滤波器的截止频率。此控制电压Vcont被设置为等于或者高于切换晶体管M11所拥有的阈值电压，并且如图1C所示，控制电压Vcont通常低于电源电压VDD。这样，通过使切换晶体管M11的栅极电势下降来增加切换晶体管M11的ON电阻，从而低通滤波器的截止频率减低。因此，kTC噪声分量降低了截止频率的减低量那么大。

但是，由于切换晶体管M11的ON电阻是有限值，所以在复位光电转换元件D11时获得的电压略微偏离了预定的复位电压VR，从而添加了由元件中的变化产生的复位噪声。因此，当晶体管M11为ON时获得的电阻(图1B中的Ron)优选地应尽可能小。

作为减少晶体管M11的ON电阻Ron的一种方法，存在一种改变晶体管M11自身的特性以减少ON电阻Ron而不改变电路状态的方法。但是，特性的改变导致晶体管M11的安装面积增加。因此，像素尺寸增加从而难于得到更高的分辨率。

作为减少晶体管M11的ON电阻Ron的另一种方法，存在一种增加晶体管M11的栅极电压而不改变晶体管M11的特性的方法。例如，图2A示出了用于在复位期期间输出高于VDD的电压(例如，7V)作为RES信号的电压控制电路21a的一个示例。在图2A中，电压控制电路21a包括切换电路100和低电压产生电路200，切换电路100用于输出两个输入电压中的任一个，低电压产生电路200产生低电压LV并且连接到切换电路100的输入之一。在切换电路100的另一输入上，施加恒定的高电压HV(例如，7V)。低电压产生电路200被配置成仅在T1和T3之间的复位期期间输出预定的低电压(例如，1.8V)而除该期间以外输出0V。切换电路100串联地包括用于切换的CMOS晶体管M1和M2。控制信号G1和G2分别连接到一组串联晶体管M1和M2的栅极。

图2B是示出了用于解释图2A的电压控制电路21a的操作的信号波形的时序图。在复位期之前，即，在时刻T1之前，控制信号G1和G2都是逻辑0。在复位的开始时刻T1，控制信号G1是逻辑1，从而输出高电压HV作为电压控制电路21a的输出RST。在时刻T2，信号G1是逻辑0而信号G2是逻辑1，从而晶体管M1为OFF而晶体管M2为ON。但是，在T2时刻以及T2之后，经由晶体管M1在M1和M2的连接结点上出现高电压HV。从而，高电压HV被施加到低电压产生电路200的接线端LV上，直到高电压HV达到低电压产生电路200的输出电平LV。在实现此方法的情形中，有必要使得低电压产生电路200的电路元件也拥有可以耐受高电压HV的能力。因此，如果高电压元件被用于低电压产生电路200，则布线面积通常增加并且芯片面积也增加，这导致成本增加的问题。此时，在控制信号G2检查到低电压产生电路200的输出LV变成0V之后，控制信号G2被配置为逻辑0。

为解决此问题，发明了本发明。图3A至图3B示出了本发明的CMOS图像传感器的配置。图3A是本发明的CMOS图像传感器2的总体视图。图3B是示出了在垂直扫描移位寄存器/电压控制电路20a中为每列提供的电压控制电路21b的配置的电路图。除了垂直扫描移位寄存器/电压控制电路20被20a代替并且增加了用于产生恒定高电压HV的高电压产生电路22外，图3A的CMOS图像传感器2等同于图1A的CMOS图像传感器1。垂直扫描移位寄存器/电压控制电路20和20a之间的不同之处在于电压控制电路21被21b代替并且明确示出了计时电路24。高电压产生电路22的输出HV经由导体L1被提供给每个电压控制电路。计时电路24是用于产生控制信号G1、G2和G3的电路，稍后将对其进行描述。

除了电压切换电路100被100a代替外，图3B的电压控制电路21b等同于图2A的电压控制电路21a。所以，下面给出了切换电路100a的解释。图3A的切换电路100a是通过在图2A的切换电路的一组晶体管M1和M2的连接结点与地之间插入用于将切换晶体管M3和二极管式连接的晶体管M4串联连接的单元而得到的。切换晶体管M3的栅极由控制信号G3控制。

图4是示出图3的电压控制电路21b的每个部件的信号波形的时序图，以解释操作。在图4中，T1和T3之间的时间段是复位期。仅在T1和T2之间的复位期的第一部分中，控制信号G1被设置为逻辑1，这和图2的CMOS图像传感器的情形等同。T2’被设置在当高电压产生电路22的输出HV完全下降时的时刻之后。在时刻T2和之后电压HV下降时间段期间，新添加的晶体管M3和M4的串联电路担当将连接结点(即，输出RST)接地的角色。从而，仅在T2和电压HV的下降终止(即，略微在T2’之前)之间的时间段期间，控制信号G3是逻辑1。然后，在T2’之后，在高电压产生电路22的输出HV完全下降时，控制信号G2变为逻辑1。因此，低电压产生电路200的输出电压LV经由晶体管M2作为电压控制电路21b的输出RST被输出。如上所述，在T3处，低电压产生电路200的输出电压LV从低于VDD(对于CMOS电路的情形，约为2.5V到3V)的电压(例如，1.8V)变为0V。在低电压LV从1.8V变为0V之后，G2从逻辑1变为逻辑0。

这样，在本发明的CMOS图像传感器2中，在高电压HV(在此示例中为7V)完全下降之后晶体管M2为ON，从而晶体管M1和M2的连接结点的电压在高电压HV的下降期间没有被施加到低电压产生电路200上。因此，高电压产生电路22的输出电压HV可以被设置得充分高以充分减少切换晶体管M1的ON电阻Ron。这样，根据本发明，在复位期的第一部分，通过充分减少切换晶体管M11的ON电阻，以及通过可靠地复位光电转换元件D11，可以降低复位噪声，其中切换晶体管M11用于控制对光电转换元件D11的复位电压供给。

此外，在T2和T3之间的复位期的后面部分，通过增加CMOS切换M11的ON电阻Ron，以及通过减低低通滤波器的设定截止频率，可以降低与比设定截止频率更高的频率有关的kTC噪声分量。所述低通滤波器是由CMOS切换元件M11的ON电阻Ron和在光电转换元件D11的阴极处产生的寄生电容两者产生的。

电压切换电路100并不限于上述的使用示例，并且可以作为输出高电压产生电路或者低电压产生电路的电压的电路而在多方面加以利用。

为了解释本发明，上述解释仅参考了优选实施例。因此，根据本发明的技术概念或者原理，本领域的技术人员可以很容易地做出各种改变或者修改。

例如，像素电路并不限于图1B，并且只要像素电路具有光电转换元件和用于控制对光电转换元件的复位电压供给的切换晶体管，本发明的原理就可以应用于像素电路。

在上述示例中，7V被用作复位电压的高电压HV。高电压并不限于7V，可以使用适当的高电压。类似地，虽然在优选实施例中低电压产生电路的输出LV被设置为1.8V和0V，但是可以使用除了这些电压之外的适当电压。

在上述优选实施例中，虽然电压控制电路21b具有晶体管M3和M4的串联电路，作为用于将晶体管M1和M2的连接结点接地的电路，但是没有此串联电路也可以完成操作。如果没有此接地串联电路(M3+M4)，则通过如图4所示那样在时刻T2’当高电压HV完全下降时将低电压产生电路200的切换晶体管M2的控制电压G2变为逻辑1，也可以充分实现本发明的目标。这里认为与提供接地串联电路(M3+M4)的情形相比高电压HV的值不能那么高。

此外，可以使用另一低电压产生电路而不是M4。

同时，M3和M4的次序可以颠倒。

Claims (14)

1.一种互补金属氧化物半导体图像传感器，其中

活动像素传感器阵列的每个像素电路包括用于将输入光转换成电的光电转换元件和用于控制对所述光电转换元件的复位电压供给的切换晶体管，所述复位电压用于将所述光电转换元件复位到预定电压，所述互补金属氧化物半导体图像传感器包括

控制电路，用于分配施加到所述切换晶体管的控制电极上的控制信号，其中

在所述光电转换元件的复位期的第一部分中，所述控制电路输出高于所述互补金属氧化物半导体图像传感器的电源电压的第一电压，使得所述切换晶体管的导通电阻充分小。

2.如权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中所述控制电路包括：

第一导体，用于接收所述第一电压；

输出导体，用于输出所述控制信号；

低电压产生电路，用于产生第二电压；以及

切换电路，用于将要被作为所述控制信号从所述输出导体输出的电压从所述第一电压切换到所述第二电压。

3.如权利要求2所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中所述切换电路还包括一个单元，所述单元用于防止紧跟在所述第一电压终止之后的下降电压被加到所述低电压产生电路上。

4.如权利要求3所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中所述切换电路包括：

第一切换单元，所述第一切换单元被插入到所述第一导体和所述输出导体之间，并且仅在所述第一电压的输出时间段期间才导通；以及

第二切换单元，所述第二切换单元被插入到所述输出导体和所述低电压产生电路之间，并且在所述电压下降之后导通而在所述电压下降时和所述电压下降之前断开。

5.如权利要求4所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中：

所述低电压产生电路至少在所述第二电压的输出时间段期间输出所述第二电压，并且在所述复位期终止后输出0伏特；以及

所述第二切换单元在所述低电压产生电路的输出变为0伏特之后从导通切换到断开。

6.如权利要求4所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中所述切换电路还包括第三切换单元，所述第三单元被插入到所述输出导体和地之间，并且仅在紧跟所述第一电压终止之后和所述电压下降近似终止之前的时间段期间导通。

7.如权利要求6所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中所述第三切换单元串联地包括：

第一晶体管，所述第一晶体管由从外部分配的控制信号操作；以及

二极管式连接的第二晶体管。

8.如权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中所述第一电压比所述互补金属氧化物半导体图像传感器的电源电压的两倍更高。

9.如权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中所述第二电压近似为1.8伏特。

10.一种互补金属氧化物半导体图像传感器的控制电路，在所述互补金属氧化物半导体图像传感器中，活动像素传感器阵列的每个像素电路包括用于将输入光转换成电的光电转换元件和用于控制对所述光电转换元件的复位电压供给的复位晶体管，所述复位电压用于将所述光电转换元件复位到预定电压，所述控制电路用于分配要被施加到所述复位晶体管的控制电极上的控制信号，所述控制电路包括：

第一导体，用于接收远高于所述互补金属氧化物半导体图像传感器的电源电压的第一电压；

低电压产生电路，用于产生低于所述互补金属氧化物半导体图像传感器的电源电压的第二电压；以及

切换电路，用于在所述光电转换元件的复位期的第一部分中输出所述第一电压以及在所述光电转换元件的复位期的后面部分中输出所述第二电压。

11.一种被插入在用于接收相对高的第一电压的第一导体和用于接收相对低的第二电压的第二导体之间的电压切换电路，用于输出所述第一电压或者所述第二电压，所述电压切换电路包括：

一个单元，用于在将所述输出从所述第一电压切换到所述第二电压的情况下，防止所述第一电压的下降电压发生在所述第二导体上。

12.如权利要求11所述的电压切换电路，包括：

输出导体，用于输出所述两个电压中的任一个；

第一切换单元，所述第一切换单元被插入到所述第一导体和所述输出导体之间，并且仅在所述第一电压的输出时间段期间才导通；以及

第二切换单元，所述第二切换单元被插入到所述输出导体和所述第二导体之间，并且在所述电压下降之后导通而在所述电压下降时和所述电压下降之前断开。

13.如权利要求12所述的电压切换电路，还包括

第三切换单元，所述第三单元被插入到所述输出导体和地之间，并且仅在紧跟所述第一电压终止之后和所述电压下降近似终止之前的时间段期间导通。

14.如权利要求13所述的电压切换电路，其中所述第三切换单元串联地包括：

第一晶体管，所述第一晶体管由从外部分配的控制信号操作；以及

二极管式连接的第二晶体管。

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