CN1893542A - 具有减少引线的像素电路 - Google Patents

Abstract

图像传感器的像素电路包括浮置扩散节点和复位晶体管。该复位晶体管耦合在该图像传感器的该浮置扩散节点和另一像素电路的复位控制信号节点之间。施加到该另一像素电路的复位控制信号节点的电压是通过复位晶体管传送给浮置扩散节点的复位电压。

Description

具有减少引线的像素电路

交叉参考

本申请要求以于2005年6月8日向韩国知识产权局提交的其申请号为10-2005-0048824的韩国专利申请为优先权，其公开的全部内容在此结合作为参考。

技术领域

本发明通常涉及图像传感器，尤其涉及这样的像素电路，其为了减少图像传感器中的引线而耦合到用于接收复位电压和/或电源电压的另一个像素电路的复位控制信号节点。

背景技术

CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器通常包括在许多电子设备中，例如移动电话和数字照相机。CMOS图像传感器检测图像、将该图像转换为电信号，该电信号再转换为数字图象信号。该CMOS图像传感器输出的数字图象信号通常是三色(红色、绿色和蓝色)。经历此过程之后，该数字图象信号驱动例如液晶显示器(LCD)的显示设备。

图1示出常规的CMOS图像传感器100的方框图。参见图1，该图像传感器100包括APS(有源像素传感器)阵列110、行驱动器120和ADC(模拟-数字转换器)130。

行驱动器120接收来自行译码器(未示出)的控制信号，ADC 130接收来自行译码器(未示出)的控制信号。图像传感器100还包括控制器(未示出)，该控制器产生定时控制信号和用来检测和输出用于每一个像素的相应的图像信号的地址信号。

图2示出了图1的APS阵列110的滤色器模型(pattern)的例子。作为彩色图像传感器的CMOS图像传感器100包括在每一个像素的上部相应的滤色器以接收和检测特定颜色的光。该CMOS图像传感器100包括至少三种滤色器以形成彩色信号。最常见的滤色器模型是图2示出的拜尔模型。

在图2中，带有″G″指示的像素具有用于绿色滤色器、带有″R″指示的像素具有用于红色的滤色器、带有″B″指示的像素具有用于蓝色的滤色器。在上述的拜尔模型，密切涉及亮度信号的绿色位于所有的行，红色和蓝色位于交替的行以提高亮度分辨力。为了提高分辩率，CMOS图像传感器一般包括超过一百万的像素的用于实现例如数字照相机的常见电子设备。

APS阵列110包括将接收到的这些颜色的光转换为电信号以产生图像信号的光电二极管。该自APS阵列110输出的模拟图像信号是三色(红色、绿色和蓝色)模拟图像信号。ADC 130接收该模拟图像信号并利用众所周知的相关双采样(CDS)方法将该模拟图像信号转换为数字信号。

图3示出图1中的包括在APS阵列110中的用于相应的像素的单元像素电路300的电路图。参见图3，单元像素电路300包括光电二极管PD和四个晶体管。在模拟到数字转换中利用该CDS方法，复位信号VRES和图像信号VSIG从用于每一个像素的像素电路300输出。

为此，参见图3，由行选择信号SEL的激活而选择像素行。为了复位信号VRES的输出，复位控制信号RX导通复位晶体管以耦合电源电压VDD到浮置扩散(FD)节点。上述的耦合到FD节点的电源电压VDD形成通过源极跟随器晶体管和行选择晶体管输出的复位信号VRES。

为了图像信号VSIG的输出，该光电二极管PD将接收到的光转换为电信号，当激活传送控制信号TX时该电信号通过传送晶体管传送到该FD节点。上述的在FD节点的电信号通过该源极跟随器晶体管和该行选择晶体管而作为图像信号VSIG输出。

为了相关双采样(correlated double sampling)，在复位信号VRES和作为模拟信号的图像信号VSIG之间的差值通过ADC 120被转换为数字信号。行选择信号SEL、复位控制信号RX和传送控制信号TX可以由图1中的行驱动器120产生。

如图3中示出的，CMOS图像传感器100中的单元像素电路300包括光电二极管PD和用于以适当的时序输出复位信号VRES和图像信号VSIG的晶体管。

近来，图像传感器中需要的像素数目已经增加进而需要更小尺寸的像素。因此，为了保证光电二极管PD的足够的空间，期望减少在单元像素电路300中的连接光电二极管PD和晶体管的金属引线。

为此，可以减少用于单元像素电路的晶体管数目，例如Kang的序号为6,710,803的美国专利所公开的。另外，单元像素电路300中的晶体管的尺寸可以利用先进的制造技术而减少。然而，单元像素电路300所需要的减少晶体管数目存在限制，并且先进的制造技术是昂贵的。

为了保证外界光到达光电二极管PD，光电二极管PD的上层中的金属引线可以被最少化，该金属引线可能是上述的光的主要障碍。但是，当遵守集成电路制造中的设计规则时，金属引线宽度的减少是有限度的。

发明内容

因此，本发明的实施例通过将在另一像素电路的复位控制信号节点处的电压作为复位电压和/或电源电压耦合到一像素电路，减少了金属引线。

根据本发明的一方面，图像传感器的像素电路包括浮置扩散节点(floating diffusion node)和复位晶体管。该复位晶体管耦合在该浮置扩散节点和该图像传感器的另一像素电路复位控制信号节点之间。施加到另一像素电路的复位控制信号节点的电压是通过该复位晶体管传送到该浮置扩散节点的复位电压。

在本发明的一个实施例中，该复位晶体管是一场效应晶体管，其具有耦合到该复位控制信号节点和该另一像素电路的该浮置扩散节点之间的漏/源极。

在本发明的实例性实施例中，该复位控制信号节点用于沿相同的列配置的相邻的像素电路。

在本发明的下一实施例中，该像素电路还包括耦合到该浮置扩散节点和该另一像素电路的该复位控制信号节点的源极跟随器晶体管。在此情况下，施加到该另一像素电路的该复位控制信号节点上的该电压是用于该源极跟随器晶体管的电源电压。

在本发明的另一实施例中，该像素电路还包括耦合到该源极跟随器晶体管的行选择晶体管。在此情况下，该源极跟随器晶体管传送浮置扩散节点处的该复位电压到该行选择晶体管，其再输出复位信号。

在本发明的再一实施例中，该像素电路包括耦合到该浮置扩散节点的传送晶体管并包括耦合到该传送晶体管的光电二极管。该光电二极管将接收到的光转换为电信号，并且在该复位电压已经从该浮置扩散节点读出之后，该传送晶体管将来自该光电二级管的该电信号传送到该浮置扩散节点。

用这样的方式，不用单独的金属引线来将该复位电压耦合到该浮置扩散节点并且将该电源电压耦合到该源极跟随器晶体管。因此，金属引线减到最少以确保光电二极管的占空因数。

附图说明

当参照附图详细描述本发明的实例性实施例时，本发明的上述及其它的特征以及优点将变得更显而易见，其中：

图1是常规的CMOS图像传感器的方框图；

图2示出作为现有技术所知的图1中的有源像素传感器(APS)阵列的滤色器模型的实例；

图3是根据现有技术的包括在图1的APS阵列中的单元像素电路的电路图；

图4是根据本发明的实施例的带有减少引线的，包括在CMOS图像传感器中的像素电路的电路图；以及

图5是根据本发明的实施例的、驱动图4的像素电路的信号的时序图。

在此涉及的这些图为了清楚表示，没有必要按比例描绘。在图1、2、3、4和5中具有同样参考数字的元件是指具有类似的结构和/或功能的元件。

具体实施例

图4示出根据本发明的实施例的包括在CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器中的像素电路400的阵列。为了表示简化和清楚，图4示出三个单元像素电路410、420和430沿着阵列400中的同一列配置。但是，阵列400包括沿更多行和列的二维配置的像素电路，以形成CMOS图像传感器的有源像素传感器(APS)阵列。

像素电路410、420和430的列耦合在被偏置电路490偏置的同一个输出节点上。偏置电路490可被垂直地配置高于或低于该APS阵列。图4的CMOS图像传感器可以包括行驱动器和模拟-数字转换器(ADC)。该行驱动器(未示出)可以产生行选择信号SEL1、SEL2、SEL3、…，复位控制信号RX1、RX2、RX3、…，和传送控制信号TX1、TX2、TX3、…，用于驱动图4的该像素电路。该ADC(未示出)可以接收来自图4的输出节点的复位信号VRES和图像信号VSIG，用于将上述的模拟信号转换为数字信号。

现在描述单元像素电路420的实例的组成部分。然而，阵列400的每一像素电路由上述类似的相应组成部分所组成。该单元像素电路420包括行选择晶体管M1、复位晶体管M2、源极跟随器晶体管M3、传送晶体管M4和光电二极管PD。图4中示出的所有的晶体管都是NMOSFET(N-沟道金属氧化物半导体场效应晶体管)。然而，本发明也可由其它类型的晶体管实现。

该行选择信号SEL2施加到行选择晶体管M1的栅极。M1的第一源/漏极耦合到第一节点ND1，和M1的第二源/漏极耦合到输出节点。复位控制信号RX2施加到复位晶体管M2的栅极。M2的第一源/漏极耦合到另一像素电路430的复位控制信号节点，M2的第二源/漏极耦合到FD(浮置扩散)节点。在本发明的一个实施例中，另一像素电路430是沿着同一列作为像素电路420的相邻像素电路。

源极跟随器晶体管M3的栅极耦合到FD节点。M3的第一源/漏极耦合到另一像素电路430的复位控制信号节点，M3的第二源/漏极耦合到第一节点ND1。传送控制信号TX2施加到传送晶体管M4的栅极。M4的第一源/漏极耦合到FD节点，M4的第二源/漏极耦合到第三节点ND3。

该光电二极管PD在电源VSS(例如，接地电压源)和该第三节点ND3之间执行光电变换。该光电二极管PD将接收到的光转换为形成在该第三节点ND3上的电信号。

图5示出根据本发明的实施例的、用于驱动图4的像素电路410、420和430的信号的时序图。参见图5，单元像素电路410响应于行选择信号SEL1、复位控制信号RX1和传送控制信号TX1而操作。单元像素电路420响应于行选择信号SEL2、复位控制信号RX2和传送控制信号TX2而操作。单元像素电路430响应于行选择信号SEL3、复位控制信号RX3和传送控制信号TX3而操作。

参见图5，每一垂直扫描周期，依次激励每一行选择信号SEL1、SEL2和SEL3到逻辑高状态以选择一行。如图5所示，当相应的行选择信号SEL1、SEL2和SEL3之一处于逻辑高状态时，每一复位控制信号RX1、RX2和RX3被激励为持续预定时间周期的逻辑低状态。

如图5所示，当复位控制信号RX1、RX2和RX3相应之一处于逻辑低状态时，每一传送控制信号TX1、TX2和TX3激励预定时间周期的逻辑高状态。当每一传送控制信号TX1、TX2和TX3处于逻辑高状态时上述时间周期具有从行选择信号SEL1、SEL2和SEL3的相应之一激励到逻辑高状态的时间点A的时间余量(margin)MA，并且具有在行选择信号SEL1、SEL2和SEL3的相应之一被去激励到逻辑低状态的时间点B之前的时间余量MB。

现在参考图5描述图4的像素电路420的运行。然而，图4的阵列400的每一像素电路将如像素电路420同样地运行。

在行选择信号SEL2激励到逻辑高状态之前，复位控制信号RX2被设定为逻辑高状态。在上述时期、另一像素电路430的复位控制信号RX3也被设定在逻辑高状态。另一像素电路430的上述复位控制信号RX3的电压是通过复位晶体管M2传送到FD节点的复位电压。

另一像素电路430的复位控制信号RX3在激励行选择信号SEL2之前至少保持在逻辑高状态持续一时间周期。因此，另一像素电路430的复位控制信号RX3有利地被用作以稳定的方式复位FD节点的复位电压，因此减少了用于阵列400的金属引线。

除了像素电路430的例子之外，本发明也可以通过复位晶体管M2的源/漏极之一同时被耦合到阵列400中的其它任一像素电路的复位控制信号节点而实现。希望上述另一像素电路的复位控制信号节点的电压在激励行选择信号SEL2之前激励到逻辑高状态持续足够的时间周期，用于复位FD节点。相邻的像素410和430优选满足上述的时间余量要求。

进一步参考图4和5，当行选择信号SEL2激励到逻辑高状态时，行选择晶体管M1传送源极跟随器晶体管M3的输出到输出节点。此外，当复位控制信号RX2激励到逻辑低状态时，源极跟随器晶体管M3传送FD节点处的复位电压到行选择晶体管M1。行选择晶体管M1在输出节点输出上述的复位电压作为复位信号VRES(在图5中以RESET READOUT示出)。

另一像素电路430的复位控制信号RX3也耦合到源极跟随器晶体管M3的源/漏极节点。因此，设定为逻辑高状态的另一像素电路430的复位控制信号RX3被用作在FD节点处的复位电压的上述传送期间到源极跟随器晶体管M3的电压电源，用于减少金属引线。然而，除了另一像素电路430的复位控制信号RX3以外，本发明也可以通过耦合在另一电源之间的源极跟随器晶体管M3而实现。

进一步参见图4和5，在输出复位信号VRES后，传送控制信号TX2激励到逻辑高状态持续预定时间周期。在上述的时间周期内，由光电二极管PD根据接收光的光电变换而产生的电信号被通过传送晶体管M4传送到FD节点。

随后，传送控制信号TX2被切换到逻辑低状态，并且在FD节点产生的电信号通过源极跟随器晶体管M3和行选择晶体管M1，传送作为图像信号VSIG(在图5中以SIGNAL READOUT示出)。其它的像素电路例如410和430通过对相应的行选择、复位和传送控制信号的类似的触发而同样地操作。

ADC(未示出)可以使用相关双采样(CDS)方法，该方法用于将相应于复位信号VRES和图像信号VSIG之间差值的模拟信号转换为数字信号。上述的数字信号可以通过数字信号处理单元(未示出)被进一步处理，例如插值该数字信号用于产生适于例如LCD(液晶显示器)的显示设备的分辩率的驱动信号。

以这种方式，另一像素电路的复位控制信号RX3的电压被用作像素电路的复位电压和/或电源电压。因此，不需要用于上述的复位电压和/或上述电源电压的金属引线，使得CMOS图像传感器的APS阵列中的金属引线减到最少。因此，可以增加光电二极管PD的尺寸以提高光效率。此外，图像信号VSIG对复位信号VRES的信噪比可以提高，从而改善图像的显示品质。

虽然参考本发明实例性的实施例已经详细地表示出和描述本发明，对本领域的普通技术人员而言，不背离下述权利要求所限定的本发明的精神和范围的各种形式和细节的变化是可以理解的。例如，此处仅作为实例而示出和描述许多元件、或装置类型、或信号的时序图。本发明仅受到下述的权利要求以及等同物限定的限制。

Claims (22)

1.一种图像传感器的像素电路，该像素电路包括：

浮置扩散节点；和

复位晶体管，其耦合在该浮置扩散节点和该图像传感器的另一像素电路复位控制信号节点之间；

其中，施加到另一像素电路的复位控制信号节点的电压是通过该复位晶体管传送到该浮置扩散节点的复位电压。

2.如权利要求1的像素电路，其中该复位晶体管是一场效应晶体管，其具有耦合在该复位控制信号节点和该另一像素电路的该浮置扩散节点之间的漏/源极。

3.如权利要求2的像素电路，其中当复位控制信号施加到设定到预定逻辑状态的该复位场效应晶体管的栅极时，该复位场效应晶体管变为导通，用于传送该复位电压到该浮置扩散节点。

4.如权利要求1的像素电路，其中该复位电压是施加到该另一像素电路的该复位控制信号节点的逻辑高状态的复位控制信号。

5.如权利要求1的像素电路，其中该复位控制信号节点用于相邻的像素电路。

6.如权利要求5的像素电路，其中该相邻的像素电路被沿着同一列配置。

7.如权利要求1的像素电路，还包括：

源极跟随器晶体管，其耦合到该浮置扩散节点和该另一像素电路的该复位控制信号节点；

其中施加到该另一像素电路的该复位控制信号节点上的该电压是用于该源极跟随器晶体管的电源电压。

8.如权利要求7的像素电路，还包括：

耦合到该源极跟随器晶体管的行选择晶体管；

其中该源极跟随器晶体管传送浮置扩散节点处的该复位电压到输出复位信号的该行选择晶体管。

9.如权利要求1的像素电路，还包括：

传送晶体管，其耦合到该浮置扩散节点；和

光电二极管，其耦合到该传送晶体管，该光电二极管将接收到的光转换为电信号，

其中在该复位电压已经被从该浮置扩散节点读出之后，该传送晶体管将该来自该光电二级管的电信号传送到该浮置扩散节点。

10.如权利要求1的像素电路，其中该图像传感器是CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器。

11.如权利要求1的像素电路，其中该另一像素电路是垂直配置在该像素电路之上的多个像素电路中的任一个。

12.如权利要求1的像素电路，其中该另一像素电路是垂直配置在该像素电路之下的像素电路中任何一个。

13.一种驱动图像传感器的像素电路的方法，包括：

将施加到另一像素电路的复位控制信号节点上的、作为复位电压的电压耦合到所述像素电路的复位晶体管；以及

使该复位晶体管导通，用于将该复位电压从该另一像素电路的复位控制信号节点传送到所述像素电路的浮置扩散节点。

14.如权利要求13的方法，其中该复位晶体管是一场效应晶体管，其具有耦合在该浮置扩散节点和该另一像素电路的浮置扩散节点之间的漏/源极。

15.如权利要求14的方法，其中当施加到复位场效应晶体管的栅极的复位控制信号被设定为预定的逻辑状态时，该复位场效应晶体管变为导通，用于传送该复位电压到该浮置扩散节点。

16.如权利要求13的方法，其中该复位电压是施加到该另一像素电路的该复位控制信号节点的逻辑高状态的复位控制信号

17.如权利要求13的方法，其中该复位控制信号节点用于相邻的像素电路。

18.如权利要求17的方法，其中该相邻的像素电路被沿着同一列配置。

19.如权利要求13的方法，还包括：

将作为电源电压的、施加到该另一像素电路的该复位控制信号节点的该电压耦合到所述像素电路的源极跟随器晶体管。

20.如权利要求19的方法，还包括：

通过其上施加电源电压的该源极跟随器晶体管，传送该浮置扩散节点处的该复位电压到输出复位信号的行选择晶体管。

21.如权利要求13的方法，还包括：将接收到的光转换为电信号；以及

在该复位电压已经从该浮置扩散区读出之后，通过传送晶体管将该电信号传送到该浮置扩散区。

22.如权利要求13的方法，其中该图像传感器是CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器。

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