CN1798272B - 互补金属氧化物半导体图像传感器和相关的操作方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。该CMOS图像传感器包括具有矩阵型单位像素阵列的像素阵列单元，每个单位像素包括将在光电转换元件中收集的电荷传送给电荷检测元件的电荷传送元件。电荷传送元件还接收比外部电源电压高的升压信号。

Description

互补金属氧化物半导体图像传感器和相关的操作方法

技术领域

本发明总体上涉及一种互补金属氧化物半导体(CMOS)图像处理器和相关的操作方法。本发明更加具体地涉及一种残像效应减弱的CMOS图像传感器及其操作方法。

背景技术

图像传感器可以应用于许多领域中，包括机器视觉应用、机器人、基于卫星的仪器、汽车、航海以及导向设备等等。广义上来讲，传统的图像传感器包括形成在半导体衬底上的两维像素阵列。该像素阵列决定了图像帧的图像场。

形成像素阵列的多个像素中的每个像素主要包括光电转换元件，其能够根据被测能(例如，可见光等)的数量来聚集大量电荷。也就是说，当光子撞击光电转换元件的表面时，就会产生自由电荷载流子。这些自由电荷载流子随后由其中的光电转换元件收集。通过采用公知技术，收集到的自由电荷载流子在允许对应于收集到的自由电荷载流子量的信号(例如电压或电流)的传送的读出操作中被转换。然后，来自多个像素的输出信号的集合可以通过输出电路发送出来，用于产生与像帧发出的被测能相对应的图像。

具有代表性的传统图像传感器包括电荷耦合装置(CCD)以及互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。众所周知，CCD的噪声较低并且产生的图像品质要优于CMOS图像传感器，但CMOS图像传感器更容易操作并且更适用于多种扫描技术。此外，信号处理电路可以和CMOS图像传感器一起集成在一个芯片上，由此使合成的产品小型化。而且CMOS图像传感器与传统的CMOS生产工艺的兼容性也使生产成本降低。另外，CMOS图像传感器还具有功率消耗相对较小这样的特点。该特点使得CMOS图像传感器对于电池容量有限的产品来说是很理想的选择。由于具有上述优点，传统的CMOS图像传感器已经被广泛用于商业产品，诸如具有SVGA(0.5百万像素)和MEGA(1百万像素)的显示设备中。

传统的CMOS图像传感器可以被制成各种特殊的结构，但通常是形成包括四个晶体管和一个光电二极管的结构。该结构一般被称为“4Tr结构”。其好处是，可以采用传统的CMOS制造工艺来形成4Tr结构。

具有四个晶体管(4Tr)结构的传统CMOS图像传感器按照以下方式工作。其中的光电二极管聚集与吸收到的光能总量相对应的电荷。然后电荷传送元件将聚集的电荷由光电二极管传送给电荷检测元件。然后，例如通过由源极跟随缓冲放大器(source follower buffer amplifier)和恒流源组合而成的放大器接收来自电荷传送元件的电信号，并输出相应的输出信号。

然而不幸的是，在传统的CMOS图像传感器中，自光电二极管至电荷检测元件的电荷传送往往效率不高或是进行的不够充分。在电荷传送过程之后残留在光电二极管中的剩余电荷就是所谓的“残像”。此现像能够在随后的读图操作中产生错误的图像。另外，残留电荷还趋于使光电二极管集中(即聚集)电荷的能力降低。并且由于光电二极管与电荷检测元件之间错误的电荷分配，而在随后的读图操作中使光电二极管的转换增益(即每个光电子产生的电荷量)降低。

为了补救拖延残像效应所带来的问题，在过去已经进行了多种尝试。例如，美国专利6,140,630。在这篇专利文献中，在CMOS成像器的像素阵列元件中设置了一个或多个专用的电荷泵元件。这种专用的电荷泵元件用于从Vdd中得到过电压信号。为了接收过电压信号，像素阵列中的每个像素元件，特别是每个像素元件中的电荷传递元件都连接到电荷泵上。不幸的是，这个传统方法具有一些缺点。例如，专用的并且是特别设置的电荷泵元件及其动力信号装置增加了像素阵列元件的尺寸和复杂性。当过电压信号施加给形成像素阵列的各个像素单元中的电荷传递元件和其他元件时，其还是一直保持ON。因此，像素单元中的组成元件的大小必须要适于处理过电压信号。

针对CMOS成像器中的残像效应所引起的上述问题，希望能有一种更有效(例如，强力较小)的方法。也就是说，希望有这样一种方法，其不会给CMOS成像器的整体尺寸带来不利影响，或是由于持续ON的过电压信号而危险到其构成元件。

发明内容

本发明实施方式中的设备和方法提供了一种残像效应明显降低的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。

在一种实施方式中，提供了一种CMOS图像传感器，其包括：具有单位像素行的像素阵列单元，每个单位像素接收电源电压并且包括电荷传送元件和行驱动单元，电荷传送元件被配置成将电荷由光电转换元件传送给电荷检测元件，行驱动单元被配置成给电荷传送元件提供电荷传送信号，其中电荷传送信号仅在电荷传送周期被其电压高于电源电压的升压信号升压。

在另一种实施方式中，提供了一种CMOS图像传感器的操作方法。该CMOS图像传感器包括由接收外部电源电压的单位像素构成的行列式像素阵列，其中每个单位像素包括光电转换元件、电荷检测元件、以及电荷传送元件。本方法包括：收集在光电转换元件中的电荷，并且在电荷传送周期将收集到的电荷经电荷传送元件传送给电荷检测元件，并且仅在电荷传送周期给电荷传送元件提供比电源电压高的升压信号。

在另一种实施方式中，提供了一种CMOS图像传感器，其包括：接收电源电压并且具有多个单位像素行的像素阵列单元，每个单位像素包括光电转换元件、电荷传送元件、以及电荷检测元件，每个单元像素行都与给每个单位像素中的电荷传送元件发送电荷传送信号的电荷传送信号线连接，并且还包括与单位像素行相关的开关部分，其被配置成有选择地切换高于电源电压的升压信号到电荷传送信号线上。

在另一种实施方式中，提供了一种操作CMOS图像传感器的方法。该CMOS图像传感器包括由单位像素组成的行列式像素阵列，其接收由外部供给的电源电压，每个单位像素包括光电转换元件、电荷检测元件以及电荷传送元件。该方法包括：根据经过电荷传送信号线施加给电荷传送元件的电荷传送信号，将电荷由光电转换元件经由电荷传送元件而传送给电荷检测元件，并且有选择地切换高于电源电压的升压信号到电荷传送信号线。

在另一种实施方式中，提供了一种CMOS图像传感器，其包括：接收电源电压并且包括像素单元行的像素阵列，每个像素单元包括电荷传送元件、形成升压充电的升压电容器、与像素单元行相关的负载电容、以及开关部分，其中电荷传送部分响应于比电源电压高的升压信号，控制从光电转换元件至电荷检测元件的电荷传送，而开关部分配置成分配升压电容器与负载电容之间的升压电荷，用以产生至少部分升压信号。

在另一种实施方式中，提供了一种将在接收电源电压的光电转换元件上形成的电荷经由CMOS图像传感器中的电荷传送元件传送给电荷检测元件的方法。该方法包括：确定升压电容；确定与电荷传送元件相关的负载电容；分配升压电容与负载电容之间的电荷，从而产生比电源电压高的升压信号，并且将此升压信号提供给电荷传送元件。

在另一种实施方式中，提供一种CMOS图像传感器，其包括：具有多个单位像素行的像素阵列单元，每个单位像素接收电源电压，并且包括：配置成将电荷从光电转换元件传送给电荷检测元件的电荷传送元件、配置成提供多个电荷传送处理信号的驱动信号提供部分，其中每个部分都对应于多个单位像素行中的至少一行、至少一个配置成提供第一电压信号的升压部分、以及至少一个开关部分，其配置成接收多个电荷传送处理信号中的至少一个信号，并且进一步配置成给像素阵列单元中的选定的单位像素行和未选定的单位像素行一起提供第一电压信号和第二电压信号，其中第一电压信号高于第二电压信号。

附图说明

下面将参照附图描述本发明的示范实施例，在附图中采用相同的附图标记表示相同或相似的元件。附图包括：

图1是适于使用CMOS图像传感器的传统主机系统的总结构图；

图2是根据本发明一种实施方式的CMOS图像传感器的示范结构图；

图3是适于用在本发明一种实施方式中的CMOS图像传感器的单位像素的示例电路图；

图4是根据本发明实施方式的CMOS图像传感器的单位像素的示例平面图；

图5A和5B是阐述根据本发明实施方式的CMOS图像传感器的电荷传送元件的选定特性的曲线图；

图6是阐述根据本发明实施方式的CMOS图像传感器的升压部分和开关部分的示范逻辑图；

图7是进一步阐述图6所示的示范CMOS图像传感器的升压部分和开关部分的操作时序图；

图8是阐述根据本发明实施方式的CMOS图像传感器的升压部分和开关部分的示范电路图；

图9是进一步阐述图8所示的CMOS图像传感器的升压部分和开关部分的时序图；

图10是阐述根据本发明实施方式的CMOS图像传感器的操作时序图；

图11是根据本发明实施方式的CMOS图像传感器的示意图和相关的电位图；

图12是阐述根据本发明另一种实施方式的CMOS图像传感器的升压部分和开关部分的示范电路图；

图13是阐述根据本发明另一种实施方式的CMOS图像传感器的升压部分和开关部分的示范电路图；

图14是阐述图13所示的示范CMOS图像传感器的操作时序图；

图15A是阐述根据本发明另一种实施方式的CMOS图像传感器的局部驱动信号提供部分、升压部分、以及开关部分的示范电路图；

图15B是阐述图15A所示的示范CMOS图像传感器的选定输入的时序图；

图15C是用于图15A所示的示范CMOS图像传感器的电荷传送信号的输出电压波形图；

图16是阐述根据本发明另一种实施方式的CMOS图像传感器的升压部分和开关部分的示范电路图；

图17和18是阐述图16中的示范CMOS图像传感器的各种操作的时序图；和

图19至22是阐述根据本发明另外几种实施方式的CMOS图像传感器的升压部分、开关部分、以及选定的信号连接的各种构造的示范方框图。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明几种实施方式中的一些特点和优点。本发明可以在包括设备和方法的多种不同的实施方式中实施。这些实施方式的本质和构造可以根据具体的设计和实施情况而有很大的不同。下面的示范实施方式是教导如何实现并且使用本发明的实施例。但本发明的范围不应该仅被限定为这些教导实施例，而是由所附的权利要求来限定本发明的范围。

在整个说明书中，术语“低”和“高”分别指逻辑上的相反信号值或电平(例如，逻辑值“0”或“1”)。这两个术语并不表示特定的电压电平或逻辑标准。另外，仅涉及特定实施方式的相对逻辑状态。

在描述本发明的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的选定实施例之前，先说明一下其工作环境。在此认为该图像传感器的工作环境是例如图1所示的通常的基于处理器的主机系统200。CMOS图像传感器(也可以称为“CMOS成像器”)210一般包括像素阵列单元。CMOS成像器210通过像素阵列单元的操作产生图像输出，并且发送与该图像输出相应的电信号。该电信号可以经由系统总线205发送给中央处理单元(CPU)220和/或存储器(RAM)240。系统总线205上可以连接一个或多个块数据存储设备，诸如硬盘驱动器250或连接到端口255(例如，存储卡槽)的存储卡、以及一个或多个输入/输出(I/O)设备230。

不管具体结构如何变化，CMOS成像器210都是主机系统可以成像的关键所在。这样，由其中的像素阵列单元产生的图像数据信号的质量是整个主机系统性能的重要因素。

图2是根据本发明一个实施方式的示范CMOS图像传感器1的结构图。在图2中，CMOS图像传感器1一般包括像素阵列单元10，行驱动单元20，相关双重采样器(Correlated Double Sampler)(CDS)70和模数转换器(ADC)80。

像素阵列单元10包括多个布置在行列矩阵中的单位像素。多个单位像素中的每个吸收从像帧中的物体上反射过来的光能，并将吸收到的光能转换成电信号。在所示的实施例中，像素阵列单元10接收多个驱动信号，包括像素选择信号ROW，复位信号RST，以及来自行驱动单元20的电荷传送信号TG。由像素阵列单元10产生的电信号经由垂直信号线12输入给CDS 70。

行驱动单元20接收时钟信号以及来自控制器(未示出)的一个或多个控制信号，并且如上所述，给像素阵列单元10提供多个驱动信号。这些驱动信号一起用于控制形成像素阵列单元10的多个单位像素的读出操作。在一种实施例方式中，通常以行式的方式给矩阵型单位像素阵列输入驱动信号。

行驱动单元20一般包括驱动信号提供部分30，升压部分40，以及开关部分50。

驱动信号提供部分30给像素阵列单元10提供像素选择信号ROW和复位信号RST。驱动信号提供部分30还给开关部分50提供电荷传送处理信号TGX。

像素选择信号ROW控制像素阵列单元10中的单位像素元件的选择。例如，像素选择信号ROW可以凭藉第i条像素选择信号线14，选择相应的位于像素阵列单元10第i行上的一个或多个单位像素元件。

复位信号RST控制像素阵列单元10中的单位像素元件的复位操作。例如，复位信号RST可以凭藉第i条复位信号线16，复位像素阵列单元10第i行中相应的一个或多个元件。

给开关部分50提供电荷传送处理信号TGX，用于获得电荷传送信号TG。电荷传送信号TG控制像素阵列单元10中的一个多个电荷传送元件。

升压部分40将外部提供的电源电压(例如Vdd)提升至所需的较高电压。在一种实施方式中，升压部分40包括升压电容器，其适于接收来自外部供给电源电压的电荷，并且响应于升压控制信号BSTX泵激出更多的电荷以产生升压信号。术语“升压”及其派生词在整篇说明书中用于表示产生或形成其电势高于外部电源电压的电压。在此采用电容性升压来示例升压过程，而且本发明的实施方式仅限于电容性升压技术和相关的电路。然而在实际中，许多类似的包括数字量和模拟量的信号处理技术，都可以很容易地用于形成电荷传送元件使用的升压信号。

开关部分50接收来自驱动信号提供部分30的电荷传送处理信号TGX，以及来自升压部分40的升压信号，并且有选择地给像素阵列单元10中的一个或多个电荷传送元件传送这两个信号中的其中一个。

与传统的升压电路不同，在图2中所示的CMOS图像传感器产生高于外部供给的电源电压升压信号，但并不会一直保持(例如，维持)提升后的电压。这是由于升压信号仅基于“需要”的前提才由升压部分40产生，因此不需要将图1示范的CMOS图像传感器1设计成经受持续施加的高压信号。

CDS 70一般借助垂直信号线12接收(例如通过采样和保持操作)由像素阵列单元10产生的电信号。在所示实施例中，设想CDS 70执行传统的双重采样操作-包括在预定的参考电压电平(此后，称为“噪声电平”)的一个采样，和在通过目标电信号确定的电压电平(此后，称为“信号电平”)的另一次采样，之后输出表示噪声电平和信号电平之间的电平差的“差分电平信号”。也可以采用其他形式的采样操作，但CDS 70一般用于负责抑制由像素阵列单元10中的单位像素以及信号线12的分布特性所导致的固定噪声电平。也可以选择使用可编程放大器(图2中未示出)来接收来自CDS 70的差分电平信号，并且输出具有适当增益的相应模拟信号。

ADC 80接收来自CDS 70的模拟信号(或是可选地通过放大器)，并且输出适于提供偏差校正的数字信号。和传统方式一样，输出数字信号可以被锁定在锁定元件(未示出)内，并且由数据选择元件(未示出)进行进一步处理。然后将传统的锁定信号提供给多路元件(未示出)。该多路元件连续地排列接收到的信号，并将该连续排列的信号提供给图像信号处理元件(未示出)。

图3是适于在根据本发明的CMOS图像传感器的一种实施方式中使用的示例性的单位像素的电路图。图4是图3的示例性的单位像素的俯视示意图。

一起参照图3和图4，CMOS图像传感器的示例性的单位像素100包括光电转换元件110、电荷检测元件120、电荷传送元件130、复位元件140、放大元件150、以及选择元件160。这里使用术语“元件”来泛指单独的电气件(或其组合)、杂质扩散区、电压节点、和/或相关的信号线。本领域的普通技术人员可以理解所述“元件”可以有许多具体的实施方式。

光电转换元件110收集在吸收光能的过程中产生的电荷。光电转换元件110可以由例如光电二极管、光电晶体管、光栅、和/或针式光电二极管(pinnedphoto diode)(PPD)形成。

在一个实施例中，可以利用浮动扩散区来形成电荷检测元件120，但利用其他结构也可以起到相同的作用。电荷检测元件120利用固有的寄生电容，接收并且聚集收集在光电转换元件110中的电荷。在所示实施例中，电荷检测元件120电连接到放大元件150的栅极上，由此控制放大元件150。

电荷传送元件130控制由光电转换元件110到电荷检测元件120的电荷传送。电荷传送元件130可以由一个或多个晶体管形成。在所示实施例中，电荷传送元件130由电荷传送信号TG控制。

复位元件140周期性地对电荷检测元件120进行复位。在所示实施例中，形成复位元件140的晶体管的源极与电荷检测元件120连接，复位元件140的漏极与外部电源电压(Vdd)连接。在实施例中，使用复位信号RST来驱动复位元件140。

在所示实施例中，放大元件150采用源极跟随缓冲放大器与外部恒流源发生器(未示出)相组合的形式。在具体实施方式中，放大元件150可以响应于电荷检测元件120接收的电压，给垂直信号线12输出可变电压。在实施例中，放大元件150的源极与选择元件160的漏极连接，放大元件150的漏极与外部电源电压(Vdd)连接。

选择元件160用于选择有待于以行式方式读出的单位像素，并且由像素选择信号ROW驱动。在所示实施例中，形成选择元件160的晶体管的源极与垂直信号线12连接。

需要注意的是，在所示实施例中，设定与电荷传送元件130、复位元件140、以及选择元件160相关联的各个驱动信号线(14，16，18)在行方向上延伸至属于同行单位像素100中的单位像素。

下面参照附图5A和5B及图3和4描述升压部分40提供的升压信号的其他一些细节。在相关的一个实施例中，为了避免当光电转换元件110接收到过量的光能时，出现过流或是所谓的模糊现像(blooming phenomenon)，电荷传送元件130由阈值电压较低的增强型晶体管或是耗尽型晶体管形成。也就是说，根据本发明的CMOS图像传感器的一个实施例可以包括利用普通增强型晶体管形成分离的过流路径。

图5A示出在所示实施例中施加给电荷传送元件130的栅极的电荷传信号TG，与在电荷传送元件130上产生的相应阶跃电势之间的电压关系-假设为了当前的说明，可采用阈值电压较低的增强型晶体管来形成电荷传送元件130。

带有这种适当的假设，即使给电荷传送元件130的栅极输入“低”信号时，也可以通过比电荷传送元件130的阈值电压高的预定电压来形成沟道。该沟道可以使得由光电转换元件110产生的电荷总量大于将要被部分迁入电荷检测元件120中的电荷总量。在一个相关实施例中，为了形成沟道区，在与电荷传送元件130对应的半导体衬底选定部分的表面内离子注入P⁺型掺杂物。

参照图5A，当电荷传送信号TG为“高”时，传统CMOS图像传感器的工作使得通过区域(A)形成与外部提供的电源电压(Vdd)相关的额定电压(V)，的。与此相反，根据本发明一实施例的CMOS图像传感器的工作使得形成较高的电压(V)，其与在至少一段已定电荷传送周期内提供的升压信号(Vh)相关。当然，提供升压信号(Vh)的时间长短可以根据CMOS图像传感器的设计而有所变化。此处，术语“在至少一段已定电荷传送周期内”包含至少这样一个时间段，在该时间段内由升压部分40给一行或多行像素阵列单元10提供升压信号(Vh)，和/或这样一个时间段，其足够用于使电荷传送元件130给电荷检测元件120传送电荷。例如，可以在0.1-10微秒的时间内提供升压信号(Vh)。

在一个相关的实施例中，升压信号(Vh)可以按照比外部供给电压(Vdd)高的几个不连续的电平变化地提升。(对照图5A所示的相应的TG波形)。由此，可以减小或避免由升压信号(Vh)的突然应用所引起的压力。

进一步指出，使用升压信号(Vh)可以使电荷传送元件130的电势高于光电转换元件110的电势，其进一步促进了电荷传送。在一种具体的实施方式中，成功地使用4至5伏的升压信号。

图5B进一步示出当采用耗尽型晶体管作为电荷传送元件130时，电荷传送元件130栅极上的电荷传送信号TG与所产生的电势之间的关系。

再次带有这种适当的假设，使用耗尽型晶体管，即使当电荷传送元件130处于未激发状态时，也能产生沟道。因此，如前所述，由光电转换元件110产生的超过预定量的电荷可以通过电荷传送元件130部分地迁入电荷检测元件120中。在此，沟道区也可以这样形成，在与电荷传送元件130相对应的半导体衬底的选定表面部分内有选择地离子注入N^-掺杂物。

参照图5B，传统CMOS图像传感器的工作使得形成电压电势(C)，其与当电荷传送信号TG为“高”时由外部供给的电源电压(Vdd)相关。与此相反，根据本发明一实施方式的CMOS图像传感器的工作使得形成电压电势(D)，其与在至少一段已定电荷传送周期内使用的升压信号(Vh)相关。

如图5A所示，升压信号(Vh)可以按照比外部供给电压(Vdd)高的几个不连续的电平提升。(参照图5B所示的相应的TG波形)。升压信号(Vh)的使用可以使得电压传送元件130上的电势高于光电转换元件110的电势。

图6示意性地示出根据本发明一个实施方式的CMOS图像传感器的示例性的升压部分40和开关部分50。图7是图6所示的升压部分40和开关部分50的时序图。术语“部分”在此处用于泛指一个或多个电路、器件、器件组合、元件、以及元件组合。这些部分可以采用不同的方式实施。

一起参照图6和图7，假定电荷传送信号TG通常施加给属于像素阵列单元10的相应行的单位像素。在所示实施例中，假定像素阵列单元10包括N行。为了便于阐述，下面仅阐述和说明与选自N行像素阵列单元10中的第i行像素相关的电荷传送处理信号TGX(i)和相应的电荷传送信号TG(i)。

参照图6，驱动信号提供部分30由控制器(未示出)控制，给开关部分50提供电荷传送处理信号TGX(i)。升压部分40提升外部供给的电源电压(Vdd)，并且将升压信号提供给开关部分50。在所示实施例中，升压部分40通常给像素阵列单元10中的所有行提供升压信号。

在所示实施例中，由外部供给的电源电压(Vdd)对升压电容器CBST充电，并且响应于升压控制信号BSTX，对该电容器CBST另外泵激以形成需要量的电荷。当然还可以使用其他的电荷泵浦装置。下面继续所示的实施例，第一开关SW1由预升压信号BSTP控制。当预升压信号BSTP为“低”时，第一开关SW1闭合，升压电容CBST充电。同时，节点E由外部供给的电源电压(Vdd)充电，节点F充电为0V。当预升压信号BSTP变为“高”时，第一开关SW1不断开。同时，升压控制信号BSTX变为“高”，节点F上的电压转为外部供给的电源电压，升压电容CBST开始泵激充电。通过这种方式，提供升压信号。

从外部看待接收电荷传送信号TG(i)时，电荷传送元件130就像是电容为几个pF的负载电容CTG(i)。这样，升压用电容CBST和负载电容CTG(i)有效地耦合在一起，共同用于充电。一个或多个输出信号线和负载电容器CTG(i)的组合可以被看成是行驱动单元输出部分60。

通过由所示实施例得出的上述假设，可以根据下面的等式1来计算提升电压(Vbst)：

$\mathrm{Vbst}=\mathrm{Vdd}*\left\{\frac{\mathrm{CBST}}{\mathrm{CBST}+\mathrm{CTG}\left(i\right)}\right\}---\left(1\right)$

在此等式中，负载电容器CTG(i)可以由几个电容性源形成，包括例如，与电荷传送信号线的输出相关的寄生电容，设计的自举电容，或用于限定所需提升电压的一些另外设置的离散电容。因此，给出一个指定值Vdd之后，确定所需升高电压Vbst的过程在一方面可以被理解为是给升压电容器CBST和负载电容器CTG选择适当值的过程。在一个相关的方面，该过程还可以被进一步理解为是这样一个过程，其间CMOS图像传感器工作时所使用的固有的控制信号与以上两个确定出的电容值一起用于仅在限定窗口时间内形成并且分配升压电容器和负载电容器之间的电荷，其中在该窗口时间内，电荷一般由光电转换元件110经由电荷传送元件130传送给电荷检测元件120。

例如，当升压电容器CBST的电容比负载电容器CTG(i)的电容高九倍时，90％由外部供给的电源电压(Vdd)被提升。当升压电容器CBST的电容比负载电容器CTG(i)的电容足够大时，提升电压(Vbst)成为由外部供给的电源电压(Vdd)。因而，升压电容器CBST的电容最好比负载电容器CTG(i)的电容高2至10倍。在几个有代表性的实施例中，使用电容值为10至20pF的升压电容器CBST，但本发明并没有将电容值限定到此范围。

开关部分50接收来自驱动信号提供部分30的电荷传送处理信号TGX(i)，以及来自升压部分40的升压信号，然后有选择地将这两个信号中的其中一个传送给电荷传送元件。在图6所示的实施例中，电荷传送处理信号TGX(i)通过第二开关SW2(i)传送给电荷传送元件，而升压信号则经过较高的第三开关SW3(i)传送给电荷传送元件。

第二开关SW2(i)和第三开关SW3(i)交替闭合。第二开关SW2(i)和第三开关SW3(i)被预升压信号BSTP和电荷传送处理信号TGX(i)的“与”逻辑组合控制。当“与”信号为“低”时，第二开关SW2(i)闭合，而当“与”逻辑信号为“高”时，第三开关SW3(i)闭合。在所示实施例中，电荷传送信号TGX(i)先变为“高”，然后预升压信号BSTP也变为“高”。这样，当预升压信号BSTP转变为“高”时，第三开关SW3(i)闭合。

现在参看图7的时序图，进一步描述图6所示的示范实施例中的升压部分40和开关部分50的操作。在时刻(t1)，预升压信号BSTP和升压控制信号BSTX为“低”，同时电荷传送处理信号TGX(i)变为“高”。这样，第一开关SW1闭合，由此升压电容器CBST开始充电。同样在时刻(t1)，由于预升压信号BSTP和电荷传送处理信号TGX(i)的“与”信号为“低”，因此第二开关SW2(i)也闭合。这样，电荷传送处理信号TGX(i)通过第二开关SW2(i)被传送给电荷传送元件130。

在时刻(t2)，预升压信号BSTP变为“高”。这样，第一开关SW1断开，升压电容器CBST可以浮动。由于预升压信号BSTP和电荷传送处理信号TGX(i)的“与”组合转变为“高”，因此第二开关SW2(i)也断开，但是第三开关SW3(i)仍保持闭合。

在时刻(t3)，升压控制信号BSTX转为“高”。因此，升压电容器CBST开始泵激电荷。提升电压(Vbst)根据上面的等式1升高，电荷传送信号TG(i)也随之升高为(Vdd+Vbst)。

图8是根据本发明另一种实施方式的CMOS图像传感器的升压部分和开关部分的电路图，图9是其时序图。在图8中使用相同的附图标记和/或缩写形式来表示与图6相似的构成元件。对这些元件不再进行更加详细的说明。

参看图8，升压部分40仍是提升外部供给的电源电压(Vdd)，并给开关部分50提供升压信号。

此处，升压电容器CBST仍然由外部供给的电源电压(Vdd)充电。当升压控制信号BSTX转为“高”时，升压电容器CBST泵激电荷，并且给开关部分50提供升压信号。通过反相的预升压信号BSTP来控制位于外部供给电源电压(Vdd)和升压电容器CBST之间的第一开关SW1。

开关部分50接收来自驱动信号提供部分30的电荷传送处理信号TGX(i)和来自升压部分40的升压信号，并且有选择地这两个信号中的其中一个传送给相应的电荷传送元件。也即，将电荷传送处理信号TGX(i)经过第二开关SW2(i)传送给电荷传送元件，或将升压信号经过第三开关SW3(i)传送给电荷传送元件。

在第三开关SW3(i)的栅极和源极连接自举电容器CBS(i)，由此可以使其栅源之间的电势差保持在预定值。在一个相关的方面中，自举电容器CBS(i)的电容值足够用于补偿相关元件的寄生电容和结点泄漏(junction leakage)。例如，自举电容器CBS(i)的电容可以是0.001到0.1pF之间。

当第四开关SW4(i)和第五开关SW5(i)闭合时，由外部供给的电源电压(Vdd)对自举电容器CBS(i)充电。第四开关SW4(i)和第五开关SW5(i)受反相的电荷传送处理信号TGX(i)与预升压信号BSTP的逻辑“或”组合的控制。

在使用外部供给的电源电压(Vdd)对自举电容器CBS(i)充电之前，先在第六开关SW6(i)闭合从而形成对地的放电路径时，将该电容器放电到0伏。第六开关SW6(i)受反相电荷传送处理信号TGX(i)的控制。

当第五开关SW5(i)闭合时，自举阻抗RBS(i)维持节点I和节点J之间的电势差。当第五开关SW5(i)断开时，节点I和节点J具有相同的电势。

在前述实施例中，考虑到在实施上述各种电路时所涉及到的驱动特性和制作工艺，可以通过传统的NMOS晶体管电路来形成用于驱动升压部分40和开关部分50的电路。

下面参照于图9所示的时序图，对图8所示的CMOS图像传感器中的升压部分40和开关部分50工作细节进行描述。

在(t1)以前的假定时刻，预升压信号BSTP为“低”，因而第一开关SW1闭合。同时电荷传送处理信号TGX(i)为“低”，因而第六开关SW6(i)闭合。

在所示实施例中，由于第一开关SW1是NMOS晶体管，因此节点E充有电压(Vdd-Vth)。由此，升压电容器CBST的电压变为(Vdd-Vth)。由于第六开关SW6(i)闭合，因此节点H处的电压保持为0V。因而第三开关SW3(i)断开。

由于电荷传送处理信号TGX(i)和预升压信号BSTP为“低”，节点G为“高”。这样，第二开关SW2(i)闭合，并且电荷传送信号TG(i)为“低”。

在时刻(t1)，电荷传送处理信号TGX(i)转为”高“，第二开关SW2(i)闭合。这样，电荷传送信号TG(i)成为(Vdd-Vth)。

这里，第四开关SW4(i)和第五开关SW5(i)闭合，第六开关SW6(i)断开。这样，自举电容器CBS(i)被充入电压(Vdd-Vth)，节点H处的电压变为(Vdd-Vth)。结果，第三开关SW3(i)闭合。当第三开关SW3(i)闭合时，节点E处的电压(Vdd-Vth)转移到节点J。自举阻抗RBS(i)引起节点J和节点I之间的电压降。因此，节点J处的电压成为(Vdd-Vth)，而节点I上的电压变为0V。

在时刻(t2)，预升压信号BSTP变为“高“。因而第一开关SW1和第二开关SW2(i)断开。然而，由于节点E上的电压经由第三开关SW3(i)转移给节点J，因此电荷传送信号TG(i)可以保持在(Vdd-Vth)。

同样在时刻(t2)，第四开关SW4(i)和第五开关SW5(i)断开。因此，节点I和节点J具有相同的电压，(Vdd-Vth)。当节点I上的电压由0V变为(Vdd-Vth)时，节点H上的电压经过自举电容器CBS(i)的升压操作而变为(2Vdd-2Vth)。

在时刻(t3)，升压控制信号BSTX变为“高“。因此，升压电容器CBST泵激电荷。然而，电荷传送元件在接收电荷传送信号TG(i)时，从外部上看电荷传送元件就像是电容为几个pF的负载电容器CTG(i)。这样，升压电容器CBST和负载电容器CTG(i)一起按照上述等式1中所描述的耦合方式充电。在这点上，当升压电容器CBST泵激电荷时，节点E处的电压可以成为(Vbst+Vdd-Vth)。

如果升压电容器CBST的电容比负载电容器CTG(i)的电容足够高，可以认为提升电压Vbst即为外部供给的电源电压(Vdd)。因而为了充分地使提升电压Vbst升高，在所选实施例中建议加大升压电容器CBST的电容。在这些实施方式中，升压电容器CBST的电容可以比负载电容CTG(i)的电容高2到10倍。

由于第三开关SW3(i)仍然闭合，因此节点E的电压转移到节点J，并且电荷传送信号TG(i)成为(Vbst+Vdd-Vth)。然而由于节点I和节点J的电压一起升高，因此经过电容器CBS(i)的升压作用，使得节点H的电压成为(Vbst+2Vdd-2Vth)。

在时刻(t4)，升压控制信号BSTX转为“低”。因此，升压电容器CBST的电压VCBST又成为(Vdd-Vth)，而且节点E的电压也成为(Vdd-Vth)。

此时，第三开关SW3(i)继续闭合。因此，节点E的电压转移给节点J，而电荷传送信号TG(i)变为(Vdd-Vth)。由于节点I的电压和节点J的电压一起下降，因此节点H的电压变为(2Vdd-2Vth)。

在时刻(t5)，预升压信号BSTP变为“低”。因此，第一开关SW1和第二开关SW2(i)闭合。此时，由于第四开关SW4(i)和第五开关SW5(i)闭合，因此节点H的电压变为(Vdd-Vth)，节点I的电压变为0V。

在时刻(t6)，电荷传送处理信号TGX(i)变为“低”。这样，第四开关SW4(i)和第五开关SW5(i)断开，第六开关SW6(i)闭合。结果使得自举电容器CBS(i)放电到0V。同样在此时，由于节点H的电压保持在0V，因此第三开关SW3(i)断开。

同样，由于经由第二开关SW2(i)给电荷传送元件传送了“低”电荷传送处理信号TGX(i)。因此电荷传送信号TG(i)变为“低”。

图10是根据本发明另一实施方式的CMOS图像传感器的时序图。图11是CMOS图像传感器的示意图以及电势图，下面将参照图10对其工作过程进行解释。在图11中，电路开始工作前的电势电平由虚线表示，电路开始工作后的电势电平由实线表示。

图10和11中的CMOS图像传感器的工作方式和图2至9所示的使用例如光电二极管这样的光电转换元件的实施例相同，下面参照图10和11描述其他一些细节。通常，设置在指定像素阵列单元中的所有单位像素通常一起进行电荷汇集。复位信号RST和像素选择信号ROW是用于每行像素阵列单元中的单位像素的公共信号。也就是说，设定一行中的单位像素接收特定的复位信号和特定的像素选择信号。

该指定像素阵列单元由N行组成，这些行被顺序表示为ROW(1)、......、ROW(i)、ROW(i+1)、......、ROW(N)。为了便于阐述，下面仅以ROW(i)和ROW(i+1)为例来说CMOS图像传感器的工作过程。如上所述，通过受控制器(未示出)控制的行驱动单元给像素阵列单元输入像素选择信号ROW，复位信号RST，以及电荷传送信号TG。像素阵列单元接收这几个信号ROW、RST、以及TG，进行电荷汇集，并且将收集到的电荷传送给电荷检测元件。电荷检测元件进行采样，诸如对噪声电平和信号电平的双重采样。

参照图10和11，t1之前的时间对应于目标像素行的未选定状态。也就是说，像素选择信号ROW(i)和ROW(i+1)，复位信号RST(i)和RST(i+1)，以及电荷传送信号TG(i)和TG(i+1)都为“低”。但由于为了避免当光电转换元件接受到过量的光能时，即使当电荷传送元件未被激活时出现过流现像，既然设定教导实施例中包括耗尽型晶体管或阈值电压(Vth)较低的增强型晶体管来作为电荷传送元件，那么形成沟道。这样，所产生的其总量大于预定量的电荷可以通过电荷传送元件，部分迁入电荷检测元件中。

在时刻(t1)，当像素选择信号ROW(i)为“高”时，选择元件被激活。也就是说，存储在电荷检测元件中的电荷准备通过连接在选定单位像素上的垂直信号线进行读出操作。在时刻(t1)，复位信号RST(i)也变为“高”，并且电荷检测元件复位成Vdd。可以理解当像素选择信号ROW(i)变为“高”之后，复位信号RST(i)可以变为“高”。

在时刻(t2)，复位信号RST(i)变为“低”。当复位信号RST(i)变为“低”时，凭藉垂直信号线读出每个像素各不相同的偏差电平，例如，噪音电平。虽然没有示出，但垂直信号线的噪音电平可以通过例如采样保持脉冲保持在相关的双重采样器中(例如参见图1中的元件70)。

在时刻(t3)，当电荷传送信号TG(i+1)变为“高”时，电荷传送元件开始工作。换句话说，收集到的电荷从光电转换元件传送给电荷检测元件。由于电荷检测元件具有寄生电容，因此电荷被累积起来。因此，电荷检测元件的电势发生变化。在这里，电荷传送元件处于激活状态的期间被称为是“传送周期”。

在过去，收集在光电转换元件上的电荷不能完全传送给电荷检测元件。留在光电转换元件上的电荷可能在后续的读出操作中表现为残像，并且可能导致光电转换元件收集电荷能力减弱。

这样，在时刻(t4)，电荷传送信号TG(i)转变为比外部供给的电源电压(Vdd)高的升压信号。由此，施加给电荷传送元件的电势被调节成高于光电转换元件的电势。因此光电转换元件上的剩余电荷全部被传送给电荷检测元件。

在时刻(t5)，电荷传送信号TG(i)再次变为“高”。在时刻(t6)，电荷传送信号TG(i)变为“低”。当电荷传送信号TG(i)变为“低”时，电荷检测元件中电势发生变化，例如信号电平通过垂直信号线被读出。虽然没有示出，但垂直信号线12的信号电平通过例如采样保持脉冲，被保持在相关的双重采样器70中。

也就是说，由单个单位像素100分别对噪声电平和信号电平先后进行采样。当然，也可以颠倒上面示范的采样顺序。

根据上述操作，由预先确定的开关来控制噪声电平和信号电平的输出。因此，即使使用的沟道相同，理论上也不会产生固定的噪声电平。此外，由于噪声电平和信号电平被顺序输出，因此即使在不使用单设存储器的情况下，也可以通过相关双重采样器或类似的差分电路读出噪声电平与信号电平之间的电平差。结果是使系统设计和工作得到简化。

在图像数据被显示或是由传统的图像信号处理元件(未示出)被完全处理的时刻，可以进行几个后续过程。例如，可以由相关双重采样器输出噪声电平和信号电平之间的电平差。因此，避免了由于单位像素和垂直信号线的分布特性引起的固定噪声电平。此外，相关的模数转换器可以接收从双重采样器中输出的模拟信号输出，并且输出相应的数字信号。

在时刻(t7)之后，电荷传送信号TG(i+1)变为“高”。第i1行重复与前面的第i行一样的工作。在该时刻之前，(例如从时刻(t1)至时刻(t7))，未选定像素行TG(i+1)的状态特征是其电压低于施加给选定像素行TG(i)的电压。

图12是根据本发明另一实施例的CMOS图像传感器的升压部分和开关部分的电路图。图12中示出的示范电路在许多方面相似于先前在图6中示出的电路。因此，省略了对这两个所示实施例中共有元件的描述。

图12的电路基本上省略了选择切换电压到相应的电荷传送信号线(例如TG)上的门逻辑(例如双重AND门)。而采用反相的预升压信号(BSTP)作为第一开关SW1的控制信号。与升压控制信号(BSTX)和预升压信号(BSTP)成同步关系的第一开关SW1的操作将节点E上形成的提升电压有选择地施加于相应的电荷传送信号线。第一开关SW1可以与单刀双掷开关组合(SW2和SW3)结合使用，实现在正常情况下施加的电荷传送处理信号TGX(i)和升压信号之间进行切换。

图13是阐述根据本发明另一实施例的CMOS图像传感器的升压部分和开关部分的电路图。图13中的示范电路在很多方面类似于先前在图8中所示的电路。图14是时序图，其用于阐述在图13所示电路工作过程出现的各个信号之间的关系。

在图8和图13所示的电路中，图13所示的开关部分50进行了下述方式的改变。首先，在开关部分50中增加控制单元90。在所示实施例中的控制单元90包括连接在Vdd和地之间的第四和第五开关(SW4和SW5)。从这些开关元件的公共接点引入控制单元输出信号(例如，节点H上的电压)。给“与非”门输入复位信号RST和行选择信号ROW，其反相输出施加给第四开关SW4的栅极作为控制信号。反相的行选择信号施加给第五开关SW5的栅极作为控制信号。

复位信号和行选择信号同步工作，给第三开关SW3的栅极施加控制单元输出信号，并且给自举电容器CBS充电。开关部分50进一步包括在其源极接收电荷传送处理信号TGX、并且在其栅极接收反相的电荷传送处理信号的第二开关SW2。第二和第三开关的漏极，以及自举电容器CBS的一侧一起连接(节点I)到电荷传送信号线TG上。

图14示出图13中的电路的工作过程。在时刻t1，行选择信号ROW变为“高”，打开第四开关SW4，闭合第五开关SW5，同时打开第三开关SW3。结果，在节点H上形成比第四开关SW4的阈值电压(Vth4)低的电势Vdd。之后，在时刻t2，复位信号RST变为“低”，闭合第四开关SW4。

在时刻t3，预升压信号BSTP和电荷传送处理信号TGX变为“高”，由此闭合第一和第二开关(SW1和SW2)。结果，在节点H上形成比第一和第四开关的阈值电压(Vth1和Vth4)低的两倍于Vdd的电势，并且在电荷传送信号TG上形成比第一开关的阈值电压(Vth1)低的电势Vdd。

在时刻t4，升压控制信号BSTX变为“高”，由此使节点E上的电压增高为Vdd加上提升电压Vbst，但其小于第一开关的阈值电压(Vth1)。该提升电压使得节点H上的电势被提升至两倍的Vdd再加上提升电压Vbst，但其小于第一和第四开关的阈值电压(Vth1和Vth4)，同时电荷传送信号线TG上的电压被提升至Vdd再加上提升电压Vbst，但其小于第一开关的阈值电压(Vth1)。

在时刻t5，升压控制信号BSTX、预升压信号BSTP、以及电荷传送处理信号TGX全部都变为“低”，使得节点H以及电荷传送信号线TG上的电压都返回至各自的未升压状态。

图15A、15B、15C是相关的附图。图15A示出根据本发明另一实施例的升压部分40、开关部分50、以及驱动信号提供部分30的局部。此处，升压部分40包括连接在升压控制信号BSTX和Vdd之间的升压电容器CBST，其由第一开关SW1根据传送信号TX(例如，电荷传送处理信号TGX或是电荷传送信号TG)的控制进行切换。

在图15A中还示出了驱动信号提供部分30的示范部分。该部分示出用于产生施加给行驱动单元的开关部分50的伪复位信号TST和伪行选择信号ROW。在所示实施例中，通过由主定时产生器(未示出)提供的第一主定时信号TGB来获得复位信号RST。同样，通过由主定时产生器提供的第二主定时信号GSW来获得行选择信号ROW。在一种具体的实施方式中，给驱动信号提供部分30提供1.5V左右“高”标称电平的第一和第二主定时信号。这样，每一主定时信号通过相应的延时电路提供给电平移位器(LS1和LS2)。从电平移位器中输出具有适当延时特性并且“高”标称电压增加至2.5V左右的复位信号和行选择信号，其被提供给开关部分50。

在开关部分50中，给第四开关SW4的栅极和同样接收复位信号的“与非”门施加反相的行选择信号。给第三开关SW3的栅极施加复位信号和反相的行选择信号的“与非”输出。第三和第四开关(SW3和SW4)连接在Vdd和地之间。该开关组合所引出的输出施加给第五开关SW5的栅极，并且同时给自举电容器BSTC的第一侧充电。

开关部分50还包括第二开关SW2，其控制电荷传送信号线TG的电压，并且被反相的电荷传送处理信号TGX选通。第五开关SW5连接在上面描述升压电路40时提到的节点E和自举电容器的第二侧之间，同时该电容器被连接在电荷传送信号线TG的输出上。

结合图15B所示的施加的输入信号(BSTX，TX，TGB以及GSW)的时序图，以及图15C所示的电荷传送信号线TG上的输出电压曲线图，可以更好地理解图15A所示电路的工作。

该实施例按照前述实施例的原则工作，本领域的普通技术人员可以根据旨在为在电荷传送信号线TG的输出节点K产生提升电压而输入的切换信号的操作定时，很容易地理解组成开关的动作。进一步需要注意的是，该经过提升的输出电压与先前实施例提供的电压相同，可以通过选择升压电容器的电容值来改变大小。

许多互补CMOS成像器包括快门功能，其可以使主机系统的操作者控制与每个像素元件的光转换元件(例如光二极管)相关的电荷汇集时间。快门功能与例如在老的胶片摄像机上实施曝光设定相似。为了获得最好的效果，实施快门功能的控制信号应该专门的并且经过选择的用于各个像素。也就是说，对CMOS成像器的相应行和/或像素应用快门使能信号不应该对提升电荷传送信号的组电压产生有害影响。

本发明的实施例应用于具有快门功能的CMOS成像器，并且能够给像素阵列单元有选择地应用快门使能信号，同时不会失去上述的升压功能。例如图16中所示的电路，其中将控制单元90调整成接收与行选择信号逻辑“或”的快门使能信号。

图16所示的电路在功能方面类似于图13中所示的电路。通过比较图17和18中的时序图可以看出，在不选择电子快门功能(例如，在图17中的快门使能“高”)和选择电子快门功能(例如图18中的快门使能“低”)之间没有不利的影响。

图19至22中的示范电路图示出了驱动信号提供部分30、升压部分40、开关部分50、像素阵列单元10、以及相关的控制信号的各种不同构造或设置。

参看图19，示例的CMOS图像传感器包括多个升压部分40_1，40_2，......，40_M，以及相应的多个开关部分50_1，50_2，......，50_M。在所示实施例中，每个升压部分和开关部分都对应于由像素阵列单元10中的一百个像素行组成的块。这仅是可以在根据本发明实施例提供的CMOS图像传感器的设计中所作的多个相似差别中的一种示例。然而，通过将行驱动单元限定成由像素行阵列组合而成的较小块，然后由升压部分和开关部分的相应组合来作用于这些较小块，可以缓解形成像素阵列单元的许多行线的大量(例如容性负载)寄生效应。

作为对比，图20所示的构造仅使用一个升压部分40来给多个开关部分50_1，50_2，......，50_M提供提升电压。此外，该实施例示出作用于行驱动单元的复位信号、行选择信号、电荷传送处理信号、电荷传送信号之间的一种可能的流程和连接方式。

进一步作为对比，图21中所示的构造设定分立的相应的多个升压部分40_1，40_2，......，40_M和多个开关部分50_1，50_2，......，50_M，以及它们与相应的像素行线组的连接。此外，该实施例示出作用于行驱动单元的复位信号、行选择信号、电荷传送处理信号、以及电荷传送信号另一种可能的流程和连接方式。当然，控制信号的连接方式和流程是由对形成各个升压部分和开关部分的组成电路进行大量测试而决定的。换句话说，作为上面示出的一些细节，可以使用升压部分和/或切换部分的不同实施方式来有效地产生所需要的经提升的电荷传送信号。这些不同的实施方式可以使用一般为了满足其他原因而在CMOS成像器中出现的具有的各种控制信号来产生这些信号。这样，系统设计者的电路的选择决定控制电路到不同的实施例中的升压部分和开关部分的布置和应用。

进一步作为对比，图22中所示的结构仍是指定只由一个升压部分40给多个开关部分50_1，50_2，......50_M提供提升电压。然而，在图中所示作用于行驱动单元的复位信号、行选择信号、电荷传送处理信号、电荷传送信号的另一种流程和连接图中，还示有驱动信号提供部分30上的快门使能信号。

为了简化，尽管上述的示范性电路和其操作一致地具有其中用于所有单位像素的信号被独立读出的给定的像素独立读出模式，但是本发明并不仅限于这种工作模式。本领域普通技术人员可以理解本发明可以有效地用于实施用于CMOS成像器的所有常规已知的工作模式。

此外，虽然用于CMOS图像传感器各种实施方式中的示例性的单位像素都使用负电荷载流子以及NMOS晶体管，但本发明并不限于只能采用这种设计选择。单位像素也可以设计成使用正电荷载流子和PMOS晶体管来实施。电压极性也相应地发生变化。

本领域普通技术人员可以认识到根据本发明教导设计的CMOS图像传感器可以包括附加的信号处理硬件、聚焦透镜和/或滤光元件。CMOS图像传感器的实施方式适于结合在电器设备的单个模块中。

本发明提供的CMOS图像传感器的实施方式具有多个优点。例如，在电荷传送周期期间提供给电荷传送元件的升压信号有助于电荷从光电转换元件完全传送给电荷检测元件。这样，可以减少或消除潜在的残像效应。而且还可以增强光电转换元件的转换增益和电荷汇集能力。所形成的图像传感器不需要承受高电压。

其他优点在经示范的实施例暗示的许多容易的设计变化和变型中是显而易见的。这些变化和变型也落入由所附权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (43)

1.一种CMOS图像传感器，包括：

像素阵列单元，其包括单位像素行，每个单位像素接收电源电压并且包括电荷传送元件，该电荷传送元件被配置为将电荷由光电转换元件传送给电荷检测元件，其中电荷传送元件包括具有源极、漏极和栅极的晶体管；和

行驱动单元，其被配置成给电荷传送元件的栅极提供电荷传送信号，其中电荷传送信号仅在电荷传送周期被电压高于电源电压的升压信号升高，

其中行驱动单元包括：

驱动信号提供部分，其被配置成提供电荷传送处理信号；

升压部分，其被配置成提供升压信号；和

开关部分，其被配置成接收电荷传送处理信号和升压信号，并且提供电荷传送信号。

2.根据权利要求1的CMOS图像传感器，其中升压部分包括由电源电压充电的升压电容器。

3.根据权利要求2的CMOS图像传感器，其中开关部分进一步包括：

自举电容器，其被配置成在产生升压信号期间利用升压电容器来分配电荷。

4.根据权利要求1的CMOS图像传感器，其中驱动信号提供部分进一步被配置成给单位像素行提供复位信号和行选择信号，其中复位信号和行选择信号确定了电荷传送周期。

5.根据权利要求1的CMOS图像传感器，进一步包括相关双重采样器，其被配置成输出模拟差分信号，该信号表征所确定的与单位像素相关的噪音电平和信号电平之差。

6.根据权利要求5的CMOS图像传感器，进一步包括模数转换器，其被配置成将差分电平信号转换成数字信号。

7.根据权利要求1的CMOS图像传感器，其中升压信号给电荷传送元件提供电势，该电势高于施加给光电转换元件的电势。

8.根据权利要求1的CMOS图像传感器，其中升压信号包括阶跃电压信号。

9.根据权利要求3的CMOS图像传感器，其中升压电容器的电容在大约10到20pF的范围内。

10.根据权利要求3的CMOS图像传感器，其中升压电容器的电容要比与电荷传送元件相关的负载电容器的电容高2到10倍。

11.根据权利要求3的CMOS图像传感器，其中开关部分包括：

第一开关，其对传送给电荷传送元件的电荷传送处理信号进行选择；和

第二开关，其对将被传送给电荷传送元件的升压信号进行选择。

12.根据权利要求11的CMOS图像传感器，其中自举电容器连接在第二开关的栅极和源极之间，由此将栅极和源极之间的电势差保持在预定电平。

13.根据权利要求12的CMOS图像传感器，其中自举电容器的电容在0.001到0.1pF的范围内。

14.一种操作CMOS图像传感器的方法，该CMOS图像传感器包括单位像素组成的行列式像素阵列，其接收外部供给的电源电压，其中每个单位像素包括光电转换元件、电荷检测元件和电荷传送元件，其中电荷传送元件包括具有源极、漏极和栅极的晶体管，该方法包括：

收集在光电转换元件中的电荷，并且在电荷传送期间将收集到的电荷经由电荷传送元件传送给电荷检测元件；和

仅在电荷传送周期期间给电荷传送元件的栅极提供高于电源电压的升压信号，

其中CMOS图像传感器进一步包括提供电荷传送处理信号的驱动信号提供部分、提供升压信号的升压部分、以及开关部分，该方法进一步包括：

通过操作开关部分，给电荷传送元件提供电荷传送处理信号或升压信号。

15.根据权利要求14的方法，其中升压部分进一步包括升压电容器和用于控制电源电压到升压电容器的施加的开关，该方法进一步包括：

在升压部分中接收升压控制信号和预升压信号，并且确定与升压控制信号以及预升压信号有关的电荷传送周期。

16.根据权利要求15的方法，进一步包括：

根据受预升压信号控制的开关的定时操作，在升压电容器上形成电荷；

其中升压信号被确定为与在升压电容器上形成的电荷相关。

17.根据权利要求14的方法，其中驱动信号提供部分进一步提供与像素阵列中的至少一个像素行相关的复位信号和行选择信号，该方法进一步包括：

根据复位信号和行选择信号来确定电荷传送周期。

18.一种CMOS图像传感器，包括：

像素阵列单元，其接收电源电压并且包括多个单位像素行，其中每个单位像素包括光电转换元件、电荷传送元件、以及电荷检测元件，其中电荷传送元件包括具有源极、漏极和栅极的晶体管，其中每个单位像素行与电荷传送信号线连接，用于给每个单位像素中的电荷传送元件的栅极发送电荷传送信号；

与单位像素行连接的开关部分，并且被配置成仅在电荷传送周期切换比电源电压高的升压信号到电荷传送信号线；

驱动信号提供部分，其被配置成给开关部分提供电荷传送处理信号，使得响应于电荷传送处理信号有选择地切换升压信号到电荷传送信号线；和

升压部分，其被配置成给开关部分提供升压信号。

19.根据权利要求18的CMOS图像传感器，其中升压部分包括升压电容器，其根据电源电压、预升压信号、以及升压控制信号的定时施加来形成电荷；

其中升压信号被确定为与在升压电容器上形成的电荷相关。

20.根据权利要求18的CMOS图像传感器，其中驱动信号提供部分进一步被配置成给单位像素行提供复位信号和行选择信号；并且其中响应于复位信号和行选择信号有选择地切换升压信号到电荷传送信号线。

21.根据权利要求20的CMOS图像传感器，其中开关部分进一步包括控制块，其被配置成接收复位信号和行选择信号，并且产生控制块输出信号，用于控制切换升压信号到电荷传送信号线。

22.根据权利要求21的CMOS图像传感器，其中驱动信号提供部分被进一步配置成接收第一和第二主定时信号，并且分别产生复位信号和行选择信号。

23.根据权利要求20的CMOS图像传感器，其中驱动信号提供部分被进一步配置成给单位像素行和开关部分提供快门使能信号，使得进一步响应于快门使能信号而有选择地切换升压信号到电荷传送信号线。

24.根据权利要求20的CMOS图像传感器，其中开关部分进一步包括自举电容器，其使用升压电容器来分配电荷，以确定升压信号。

25.一种操作CMOS图像传感器的方法，该CMOS图像传感器包括单位像素组成的行列式像素阵列，其接收外部提供的电源电压，其中每个单位像素包括光电转换元件、电荷检测元件、和电荷传送元件，其中电荷传送元件包括具有源极、漏极和栅极的晶体管，该方法包括：

根据经电荷传送信号线施加给电荷传送元件的栅极的电荷传送信号，将电荷从光电转换元件经由电荷传送元件而传送给电荷检测元件；

仅在电荷传送周期切换比电源电压高的升压信号到电荷传送信号线，

其中CMOS图像传感器进一步包括提供电荷传送处理信号的驱动信号提供部分、提供升压信号的升压部分、以及开关部分，该方法进一步包括：

通过操作开关部分，切换电荷传送处理信号或升压信号到电荷传送信号线，

其中升压部分进一步包括升压电容器和用于控制电源电压到升压电容器上施加的开关，该方法进一步包括：

在升压部分中接收升压控制信号和预升压信号，并且根据升压控制信号和预升压信号，切换升压信号到电荷传送信号线。

26.根据权利要求25的方法，进一步包括：

根据受预升压信号控制的开关的定时操作，在升压电容器上形成电荷；

其中升压信号被确定为与在升压电容器上形成的电荷相关。

27.根据权利要求25的方法，其中驱动信号提供部分进一步提供与像素阵列中的至少一个像素行相关的复位信号和行选择信号，该方法进一步包括：

根据复位信号和行选择信号，切换升压信号到电荷传送信号线上。

28.一种CMOS图像传感器，包括：

接收电源电压并且包括像素单元行的像素阵列，其中每个像素单元包括电荷传送元件，其用于响应于比电源电压高的升压信号而控制将电荷由光电转换元件至电荷检测元件的传送；

形成升压电荷的升压电容器；

与像素单元行连接的负载电容；和

开关单元，其被配置成分配升压电容器和负载电容之间的升压电荷，以便产生升压信号，

其中仅在电荷传送周期给电荷传送元件的栅极提供高于电源电压的升压信号。

29.根据权利要求28的CMOS图像传感器，其中升压电容器响应于升压控制信号和预升压信号，由电源电压进行充电。

30.根据权利要求28的CMOS图像传感器，其中开关部分包括确定负载电容的自举电容器。

31.根据权利要求28的CMOS图像传感器，其中升压电容器的电容在10到20pF的范围内。

32.根据权利要求28的CMOS图像传感器，其中升压电容器的电容比负载电容高2到10倍。

33.根据权利要求30的CMOS图像传感器，其中自举电容器的电容值在0.001到0.1pF的范围内。

34.一种将在接收电源电压的光电转换元件上形成的电荷经CMOS图像传感器中的电荷传送元件，传送给电荷检测元件的方法，包括：

确定升压用电容；

确定电荷传送元件的负载电容；

分配升压用电容和负载电容之间的电荷，用于产生比电源电压高的升压信号；

可切换地提供升压信号到电荷传送元件，

提供电荷传送处理信号，并且确定与电荷传送处理信号相关的电荷传送周期，

另外提供复位信号和行选择信号，并且进一步确定与复位信号和行选择信号相关的电荷传送周期，

其中给电荷传送元件施加升压信号包括：

从像素阵列单元中的多个单位像素行中选择一个单位像素行；以及

切换升压信号到与电荷传送元件连接的电荷传送信号线，

其中仅在电荷传送周期给电荷传送元件施加升压信号。

35.根据权利要求34的方法，进一步包括：

另外提供升压控制信号和预升压信号，并且进一步确定与升压控制信号和预升压信号相关的电荷传送周期。

36.根据权利要求34的方法，进一步包括：

另外提供快门使能信号，并且进一步确定与快门使能信号相关的电荷传送周期。

37.根据权利要求34的方法，其中确定负载电容包括提供自举电容器。

38.一种CMOS图像传感器，包括：

像素阵列单元，其包括多个单位像素行，每个单位像素接收电源电压并且包括电荷传送元件，该电荷传送元件被配置成将电荷由光电转换元件传送给电荷检测元件；

驱动信号提供部分，其被配置成提供多个电荷传送处理信号，每个信号对应于多个单位像素行中的至少一个；

至少一个升压部分，其被配置成提供第一电压信号；和

至少一个开关部分，其被配置成接收多个电荷传送处理信号中的至少一个，并且进一步被配置成给像素阵列单元中的选定的单位像素行提供第一电压信号；

其中仅在电荷传送周期给电荷传送元件的栅极提供高于电源电压的升压信号。

39.根据权利要求38的CMOS图像传感器，其中第一电压信号是升压信号。

40.根据权利要求38的CMOS图像传感器，其中多个单位像素行被分组成多个单位像素行组；并且，

其中多个单位像素行组中的每一组接收来自相应开关部分的电荷传送信号。

41.根据权利要求40的CMOS图像传感器，其中相应开关部分中的每一个接收来自相应升压部分的升压信号。

42.根据权利要求38的CMOS图像传感器，其中驱动信号提供部分进一步被配置成给每个单位像素行和至少一个开关部分提供复位信号和行选择信号。

43.根据权利要求38的CMOS图像传感器，其中驱动信号提供部分进一步被配置成给至少一个单位像素行和至少一个开关部分提供快门使能信号。

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