TW201929255A

TW201929255A - 快速穩定輸出線電路、快速穩定方法和成像系統

Info

Publication number: TW201929255A
Application number: TW107146451A
Authority: TW
Inventors: 睿王; 海老原弘知
Original assignee: 美商豪威科技股份有限公司
Priority date: 2017-12-22
Filing date: 2018-12-21
Publication date: 2019-07-16
Also published as: US10165210B1; CN109963095B; CN109963095A; TWI672822B

Abstract

一種快速穩定輸出線電路、快速穩定方法和成像系統。轉移電晶體耦合在光電二極體與浮動擴散之間以將光電二極體中積聚的圖像電荷轉移到浮動擴散。重置電晶體被耦合成向浮動擴散供應重置浮動擴散電壓。源極跟隨器電晶體被耦合成從源極跟隨器閘極端子接收浮動擴散的電壓並將經放大信號提供到源極跟隨器源極端子。列選擇電晶體被耦合成從源極跟隨器源極端子接收經放大信號並將經放大信號輸出到位元線。受位元線使能電壓控制的位元線使能電晶體耦合到位元線與位元線源極節點之間的鏈路。位元線耦合到空閒電壓產生器、黑太陽電壓產生器及鉗位電壓產生器。這三個電壓產生器各自由基於圖像感測器像素陣列的虛擬列中的虛擬像素的多個經修改虛擬像素構成。

Description

快速穩定輸出線電路、快速穩定方法和成像系統

本揭露大體來說涉及互補金屬氧化物半導體（CMOS）圖像感測器，且具體來說涉及但並非只涉及應用於圖像感測器中的光電二極體像素單元及所述光電二極體像素單元的輸出線（位元線）的裝置及方法，所述圖像感測器能夠在圖像信號的讀出期間使位元線快速穩定以減少固定圖案雜訊（FPN）並維持供應電源的穩定性。

圖像感測器已普遍存在。圖像感測器廣泛用於數位照相機（digital still camera）、手機、安全照相機以及醫療、汽車及其他應用中。這些應用中的許多應用需要使用高動態範圍（High dynamic range，HDR）圖像感測器。人眼一般具有高達約100分貝（dB）的動態範圍。對於汽車應用來說，常常需要具有超過100 dB動態範圍的圖像感測器來處理不同的駕駛狀況，例如在穿過黑暗的隧道駛入明亮的陽光中時。

HDR圖像感測器並非始終正確地執行HDR功能。常見的缺點包括會由固定圖案雜訊（fixed pattern noise，FPN）導致圖像劣化、隨機雜訊大、與電荷暈染相關聯的解析度降低、存在運動偽影（motion artifact）、靈敏度固定以及在使用多個光電二極體時填充因數（fill factor）較低，其中填充因數是像素的感光面積對像素的總面積的比率。

當使用圖像感測器時，多個像素單元中的每一者中的光生電子（photo-generated electron）從光電二極體（photodiode，PD）轉移到浮動擴散（floating diffusion，FD）以供後續讀出。耦合在PD與FD之間的轉移（transfer，TX）電晶體在施加到TX閘極端子的電壓脈衝的控制下接通及斷開以實現這種電荷轉移。由於在TX閘極端子與FD之間始終存在耦合電容，因此施加在TX閘極上的脈衝信號始終在很大程度上耦合到FD。這稱為TX饋通（TX feed-through）。所述脈衝信號通過源極跟隨器（source follower，SF）電晶體及列選擇（row select，RS）電晶體波動到像素單元的輸出線（也稱為位元線）。這種大的不期望的脈衝的傳播是不可避免的，且甚至也會對暗信號（由像素內部的非光生本征電子（non-photo-generated, intrinsic electrons）引起的信號）造成惱人的FPN。對於任何給定的位元線來說，由於所述給定的位元線連接到行中的所有像素，因此所述給定的位元線具有明顯的阻容（capacitive and resistive，RC）負載。因此，位元線上的任何狀態改變均會因這種RC延遲而不可避免地變慢。也就是說，一旦在位元線上發生狀態改變，便會耗用長的時間才能穩定到重新更新的步長準位（step level）。這受所謂的RC時間常數支配。對於任何給定的輸入步長Vin來說，其穩定時間受下式支配：，其中時間常數t= RC，且V_0.5LSB 是單個位元等效電壓（single bit equivalent voltage）值的一半。

解決此問題的其中一種典型解決方案是使用鉗位電壓產生器來對位元線電壓進行鉗位以限制其擺動。此有助於抑制由接近電壓範圍的下端的電壓所帶來的高光帶化（high-light-banding）。這個目標是通過不允許位元線降到低於鉗位電壓限值來實現的。結果，這會減少在高光照條件下的FPN。然而，這一解決方案導致電源供應對每一步長電壓改變作出反應而引起大的電流變化，此轉而會在感測器上引起其他不期望的性能問題。

另一種解決方案是在電荷轉移期間將像素單元從像素單元的輸出線（位元線）斷開，此同樣借助於所添加的鉗位電壓產生器。鉗位電壓產生器不允許位元線電壓降到低於某一電壓準位。因此，當發生電荷轉移時，位元線上的電壓改變可減小，且穩定時間可縮短。另外，鉗位電壓產生器使總電源供應（AVDD）電流保持接近恒定，以避免電源供應發生大的變化。通過這一解決方案，在RS電晶體再次重新接通以將像素輸出重新連接到位元線之後，在與最高電壓相關的完全黑暗條件下，位元線被流過SF電晶體的上拉電流充電而不會被相對弱的電流源產生器的下拉電流吸收。由於SF電流不受電流源產生器限制，因此穩定時間也縮短。始終達到較快的上拉。這意味著，在低光照條件下較快地穩定是這種解決方案的明顯優點所在。然而，在強光照條件下的性能仍然是問題，因為光強度的較高反差會在位元線上造成較大的電壓降，此會直接導致穩定時間較長。

此外，隨著像素大小變小且所利用的轉換增益變高，FD電容可變得過小而使得TX饋通可能容易超出類比-數位轉換器（analog-digital converter，ADC）輸入電壓的範圍。

根據本揭露實施例，提供一種輸出線電路、快速穩定方法和成像系統以快速穩定位元線。

根據本揭露實施例，一種快速穩定輸出線電路包括：像素單元，包括：光電二極體，適於回應於入射光來積聚圖像電荷；轉移電晶體，耦合在所述光電二極體與浮動擴散之間以將所述圖像電荷從所述光電二極體轉移到所述浮動擴散，其中轉移閘極電壓控制所述圖像電荷從所述光電二極體向所述浮動擴散的傳輸；重置電晶體，被耦合成向所述浮動擴散供應重置浮動擴散電壓，其中重置閘極電壓控制所述重置電晶體；源極跟隨器電晶體，被耦合成從源極跟隨器閘極端子接收所述浮動擴散的電壓並將經放大信號提供到源極跟隨器源極端子；列選擇電晶體，耦合在所述源極跟隨器電晶體與位元線之間，其中列選擇閘極電壓控制所述列選擇電晶體，且其中所述列選擇電晶體將所述經放大信號從所述源極跟隨器源極端子傳遞到所述位元線；以及，M個第一電壓產生器，其中每一個第一電壓產生器被配置成接收所述重置浮動擴散電壓並在第一電壓使能的控制下向所述位元線提供第一電壓，其中M是等於或大於一的整數，且其中所述第一電壓是由空閒電壓產生器提供的空閒電壓、由黑太陽電壓產生器提供的黑太陽電壓及由鉗位電壓產生器提供的鉗位電壓中的一者，其中所述第一電壓產生器包括經修改虛擬像素，且其中所述經修改虛擬像素是與所述像素單元相同的單元，只是：（i）轉移閘極被耦合成接收重置浮動擴散電壓而非接收所述轉移閘極電壓；（ii）重置閘極被耦合成接收重置浮動擴散電壓而非接收所述重置閘極電壓；以及（iii）源極跟隨器閘極被耦合成接收重置浮動擴散電壓而非接收所述浮動擴散；以及，位元線使能電晶體，耦合在位元線與位元線源極節點之間，其中位元線使能電壓控制所述位元線使能電晶體。

根據本揭露實施例，一種使輸出線電路快速穩定的方法包括：當通過將列選擇閘極設定成低準位來將列選擇電晶體斷開時，通過將重置閘極電壓設定成高電壓以接通重置電晶體來將浮動擴散重置到重置浮動擴散電壓；當所述重置電晶體被接通且列選擇電晶體被斷開時，將位元線預充電到通過以下操作提供的黑太陽電壓：通過將黑太陽使能電壓位元中的每一者設定成高準位來導通多個黑太陽使能電晶體中的每一者以及通過將鉗位使能電壓位元中的每一者設定成低準位來將多個鉗位使能電晶體中的每一者關斷；當所述重置電晶體被接通且所述列選擇電晶體被斷開時，通過將空閒使能電壓位元設定成高準位以導通多個空閒使能電晶體中的每一者來將位元線預充電到源極跟隨器源極重置電壓；通過在不同時間將所述空閒使能電壓位元中的一些空閒使能電壓位元設定成低準位以將相應的空閒使能電晶體關斷來中斷從空閒電壓產生器到所述位元線的所述預充電，其中對最後一個所述空閒使能電晶體進行的關斷與通過將所述列選擇閘極電壓設定成高準位來對所述列選擇電晶體進行的接通重合；通過將列選擇閘極電壓設定成高準位以接通所述列選擇電晶體來將源極跟隨器源極端子連接到所述位元線；通過將所述重置閘極電壓設定成低準位以斷開所述重置電晶體來將所述浮動擴散從像素電壓斷開；以及，從所述浮動擴散讀取背景信號，其中源極跟隨器電晶體在源極跟隨器閘極端子處接收所述背景信號並在源極跟隨器源極端子處提供經放大背景信號，其中所述列選擇電晶體將所述經放大背景信號通過接通的所述列選擇電晶體從所述源極跟隨器源極端子傳遞到所述位元線，且其中所述經放大背景信號從所述位元線被傳遞到類比-數位轉換器輸入端子。

根據本揭露實施例，一種具有快速穩定輸出線電路的成像系統包括：由像素單元形成的像素陣列，其中每一個像素單元包括：光電二極體，適於回應於入射光來積聚圖像電荷；轉移電晶體，耦合在所述光電二極體與浮動擴散之間以將所述圖像電荷從所述光電二極體轉移到所述浮動擴散，其中轉移閘極電壓控制所述圖像電荷從所述光電二極體向所述浮動擴散的傳輸；重置電晶體，被耦合成向所述浮動擴散供應重置浮動擴散電壓，其中重置閘極電壓控制所述重置電晶體；源極跟隨器電晶體，被耦合成從源極跟隨器閘極端子接收所述浮動擴散的電壓並將經放大信號提供到源極跟隨器源極端子；列選擇電晶體，耦合在所述源極跟隨器電晶體與位元線之間，其中列選擇閘極電壓控制所述列選擇電晶體，且其中所述列選擇電晶體將所述經放大信號從所述源極跟隨器源極端子傳遞到所述位元線；以及，M個第一電壓產生器，其中每一個第一電壓產生器被配置成接收所述重置浮動擴散電壓並在第一電壓使能的控制下向所述位元線提供第一電壓，其中M是等於或大於一的整數，且其中所述第一電壓是由空閒電壓產生器提供的空閒電壓、由黑太陽電壓產生器提供的黑太陽電壓及由鉗位電壓產生器提供的鉗位電壓中的一者，其中所述第一電壓產生器包括經修改虛擬像素，且其中所述經修改虛擬像素是與所述像素單元相同的單元，只是：（i）轉移閘極被耦合成接收重置浮動擴散電壓而非接收所述轉移閘極電壓；（ii）重置閘極被耦合成接收重置浮動擴散電壓而非接收所述重置閘極電壓；以及（iii）源極跟隨器閘極被耦合成接收重置浮動擴散電壓而非接收所述浮動擴散；以及，位元線使能電晶體，耦合在位元線與位元線源極節點之間，其中位元線使能電壓控制所述位元線使能電晶體；控制電路系統，耦合到所述像素陣列以控制所述像素陣列的操作，其中所述控制電路系統向所述像素陣列提供所述轉移閘極電壓、所述重置閘極電壓、所述列選擇閘極電壓、所述位元線使能電壓、採樣保持電壓、鉗位控制電壓、鉗位使能電壓、黑太陽控制電壓、黑太陽使能電壓、空閒使能電壓、經修改虛擬像素鉗位使能電壓位元、經修改虛擬像素黑太陽使能電壓位元、及經修改虛擬像素空閒使能電壓位元；讀出電路系統，通過多個讀出行耦合到所述像素陣列，以從所述多個像素讀出圖像資料；以及，功能邏輯，被耦合成從所述讀出電路系統接收圖像資料以儲存來自所述多個像素單元中的每一者的所述圖像資料，其中所述功能邏輯向所述控制電路系統提供指令。

本文中闡述了使成像感測器中的像素輸出線快速穩定的裝置及方法的實施例。在以下說明中，陳述許多具體細節以提供對實施例的透徹理解。然而，相關領域中的技術人員應認識到，本文所述技術可在不使用這些具體細節中的一個或多個具體細節的條件下來實踐或者可使用其他方法、元件、材料等來實踐。在其他情形中，未詳細地示出或闡述眾所周知的結構、材料或操作以避免使某些方面模糊不清。

本說明書通篇中所提及的“一個實例”或“一個實施例”意指結合所述實例所闡述的特定特徵、結構或特性包括于本發明的至少一個實例中。因此，在本說明書通篇中各處出現的短語“在一個實例中”或“在一個實施例中”未必均指同一實例。另外，在一個或多個實例中，所述特定特徵、結構或特性可以任何適合的方式進行組合。

在本說明書通篇中，使用了若干技術用語。除非在本文中具體地定義或者在使用這些用語的上下文中清楚地表明，否則這些用語採用它們在所屬領域中的通常含義。

圖1示出根據本揭露實施例的成像系統100的一個實例。成像系統100包括像素陣列102、控制電路系統104、讀出電路系統106及功能邏輯108。在一個實例中，像素陣列102是二維（two-dimensional，2D）光電二極體陣列、或圖像感測器像素（例如，像素P1、P2、...、Pn）。如圖中所示，光電二極體被排列成列（例如，列R1到Ry）及行（例如，行C1到Cx）以獲得人、場所、物體等的圖像資料，所述圖像資料可接著用於呈現人、場所、物體等的二維圖像。然而，光電二極體並非必須排列成列及行，而是也可採用其他配置方式。

在一個實例中，在像素陣列102中的每一個圖像感測器光電二極體/像素通過光生圖像電荷而獲得其圖像電荷之後，由讀出電路系統106讀出對應的圖像資料，且接著將對應的圖像資料轉移到功能邏輯108。讀出電路系統106可耦合到來自像素陣列102中的所述多個光電二極體的讀出圖像資料。在各種實例中，讀出電路系統106可包括放大電路系統，類比-數位轉換（ADC）電路系統、或其他電路系統。在一個實例中，讀出電路系統106可沿著讀出行線110（圖中所示）一次讀出一列圖像資料，或者可使用各種其他技術（未示出）（例如，串列讀出或所有像素同時全平行讀出）來讀出圖像資料。功能邏輯108可儲存圖像資料或甚至通過應用後期圖像效果（例如，裁剪、旋轉、消除紅眼、調整亮度、調整對比度、或其他後期圖像效果）來操縱圖像資料。

在一些實施例中，功能邏輯108可能要求滿足某些成像條件，且因此可指示控制電路系統104操縱像素陣列102中的某些參數來實現更好的品質或特殊效果。

圖2是根據本揭露實施例的成像感測器中的像素單元及像素輸出電路的方塊圖的一個實例，所述圖像感測器能夠使其輸出線（位元線224）快速穩定。圖像感測器系統200的所示實施例在典型的4電晶體（4 transistor，4T）像素單元201中可包括檢測光電二極體（PD）202，其中4T部分可包括轉移（TX）電晶體204、重置（reset，RST）電晶體210、源極跟隨器（SF）電晶體216及列選擇（RS）電晶體220。RS電晶體220連接在SF電晶體216的源極端子與位元線224之間，SF電晶體216的汲極端子直接連接到像素電壓（pixel voltage，VPIX），如圖2所示。VPIX可連接到電源供應電壓AVDD，或者可連接到經調節電壓供應源，其中經調節電壓供應源是基於來自AVDD的電源供應進行調節的。TX電晶體204的汲極、RST電晶體210的源極及SF電晶體216的閘極在其中發生交會的節點是浮動擴散（FD）208。受控制電路系統104（參見圖1）控制的重置（RST）閘極電壓212及RS閘極電壓222能夠分別使RST電晶體210及RS電晶體220導通。

轉移（TX）閘極電壓206對TX電晶體204進行使能。當對TX閘極電壓206施加高的連接電壓時，TX電晶體204可接通，在這種情況下，在一個實施例中，光電二極體（PD）202直接連接到TX電晶體204的TX接收端子207，在PD 202處積聚的光生信號電荷可通過TX電晶體204轉移到FD 208。在另一個實施例中，在TX電晶體204的TX接收端子處存在的由轉移儲存（transfer storage，TS）電晶體從PD 202轉移來的儲存電荷可通過TX電晶體204轉移到FD 208。當對TX閘極電壓206施加足夠低的斷開電壓時，TX電晶體204可斷開。

當RS電晶體220在RS閘極電壓222被設定成高準位而接通時，來自SF電晶體216的源極端子的經放大圖像信號被遞送到位元線224。位元線224上的類比圖像信號最終被提供到ADC的輸入端子292。在一個實施例中，當對應的傳輸閘291被使能時，這種ADC是耦合到每一條位元線或圖1所示讀出行110的所述多個ADC中的一個ADC。

位元線使能電晶體226連接在位元線224與位元線源極節點（bitline source node，BLSN）230之間。當位元線使能電壓bl_en 228被設定成高準位時，位元線使能電晶體226被接通，且位元線224連接到BLSN 230。

電流源（CS）產生器227耦合在BLSN 230與類比地電位（AGND）之間。BLSN 230可被CS產生器227吸收電流。

三個電壓產生器連接到位元線224以向位元線224提供電流。這三個電壓產生器是空閒電壓（idle voltage，IV）產生器231、黑太陽電壓（blacksun voltage，BV）產生器251及鉗位電壓（clamp voltage CV）產生器271。

空閒電壓（IV）產生器231用作位元線224的電流源。此IV產生器231（對黑太陽電壓產生器251）進行補充以維持位元線224的空閒電位，而不論位元線使能電晶體226是否使位元線224浮動。此IV產生器231向浮動位元線224提供附加電流，浮動位元線224在進行水平空白（H-空白）時具有主要由寄生電容器Cp 288表示的負載。對於圖像感測器的像素陣列102的每一列而言，H-空白在新的讀出迴圈之前清除整個並發列（concurrent row）中的每一個讀出行110。在一個實施例中，當RS電晶體220斷開時，在SF電晶體216的閘極被RST電晶體210設定成重置FD電壓（VPIX）時空閒電位維持處於與SF源極端子218的值最接近的值。VPIX是用於對受RST閘極電位HVDD控制的浮動擴散進行重置的電壓。HVDD受控制電路系統104控制。當RS電晶體220被重新接通時（在前面提及的一個實施例中便可為這種情形），位元線224處的電位已被預充電到SF源極端子218的相似的準位，因此位元線224與SF電晶體216連接的穩定時間大大縮短。這是因為當在這種實施例中位元線224重新連接到SF電晶體216時，位元線224與SF輸出218之間的電壓差大大減小。IV產生器231包括空閒電源供應電晶體232，空閒電源供應電晶體232接收VPIX並提供空閒電源供應電壓234。當空閒使能電晶體236被空閒使能信號238接通時，空閒電源供應電壓234驅動位元線224。空閒使能信號238受控制電路系統104控制。

黑太陽電壓（BV）產生器251包括黑太陽電源供應電晶體252、黑太陽電晶體256及黑太陽使能電晶體262。黑太陽電源供應電晶體252提供黑太陽電源供應電壓254，由於黑太陽電源供應電晶體252的汲極端子與源極端子之間的電壓降，黑太陽電源供應電壓254保證低於VPIX。黑太陽電晶體256接收黑太陽電源供應電壓254並在黑太陽控制電壓Vbsun 258的控制下提供可調整的黑太陽電壓260。黑太陽使能電晶體262在黑太陽使能電壓264的控制下將位元線224上拉到可調整的黑太陽電壓260。

鉗位電壓（CV）產生器271包括鉗位電壓電晶體272及鉗位使能電晶體278。鉗位電壓電晶體272接收VPIX並在鉗位控制電壓Vclamp 274的控制下提供可調整的鉗位電壓276。鉗位使能電晶體278在鉗位使能電壓280的控制下將位元線224上拉到可調整的鉗位電壓276。

可調整的黑太陽電壓260在BLSN 230上提供的電位比可調整的鉗位電壓276在BLSN 230上提供的電位高得多。如果VPIX（像素電路的最高電位）表示最暗圖像邊界（ADC將其看作轉換範圍的上限），且任何正常背景信號略低於VPIX，則將可調整的黑太陽電壓260設定成低於那些背景信號的最低電壓。由BV產生器251提供到位元線224的黑太陽電壓仍然表示暗圖像，並且僅比那些背景信號稍暗。在下面的段落中解釋了BV產生器251的用途。

使用黑太陽電壓是為了避免所謂的日食效應（sun eclipse effect）（或黑太陽效應）。也就是說，當圖像感測器直接面對陽光時，FD 208處按照推測為“暗”的背景被填充大量電子，所述電子是直接在FD上產生的（由於FD本身是感光性物質）或者是從環繞FD的矽酮不可阻擋地暈染的。因此，這種按照推測為“暗”的背景雜訊信號被轉換及保存為實際的亮信號。在ADC之後基於相關雙採樣（correlated double sampling，CDS）方法在稍後保存真實亮（加上雜訊）信號之後，這兩個所保存的幾乎相等的“亮”信號相減會得到接近“零”的最終信號，所述接近“零”的最終信號等效于在原本應呈現亮太陽的位置處的黑色圖像。可看出，如果保持原樣，則由於上述減法，亮太陽會變成黑太陽—因此其命名為“黑太陽”。為了克服黑太陽效應，當在CDS過程期間採用已知的背景信號（黑色或接近黑色）時，黑太陽電壓強制使用黑準位。因此，圖像中的太陽將不再是黑色的。

控制電路系統104基於關於在何處存在正常背景信號的準位的回饋來控制黑太陽控制電壓Vbsun 258。一旦功能邏輯108確定了（許多正常背景信號中的）最低等效電壓，所述值便被饋送到控制電路系統104。且接著，將經過更新的黑太陽控制電壓Vbsun 258饋送到BV產生器251以確保對於CDS過程而言背景信號將足夠“黑”。在電位方面，黑太陽電壓設定不會遠低於VPIX的值的相對高的電壓限值。

與可調整的黑太陽電壓260相比，可調整的鉗位電壓276設定最低限值電壓。所述最低限值電壓表示最亮圖像邊界（ADC將其看作轉換範圍的下端）。

控制電路104提供全部四個控制信號：鉗位控制電壓Vclamp 274、鉗位使能電壓280、黑太陽控制電壓Vbsun 258及黑太陽使能電壓264，以控制BV產生器251及CV產生器271。

圖3是現實中正常製作的像素陣列102的例示圖300。像素陣列102不僅由主動圖像感測器陣列310組成，而且還由許多光學黑列330組成。在主動圖像感測器陣列310與光學黑列330之間具有由許多所謂的虛擬列320製成的區以用作過渡區。每一個虛擬列及每一個光學黑列具有P1、P2、…、Px像素單元（與在主動圖像感測器陣列310的每一列中存在的P1、P2、…Px像素單元非常相同的單元）。簡單來說，像素陣列102中的所有像素單元是完全相同的單元，而不論單元實際位於區310、320或330中的哪一區中。

光學黑列330用於校準主動圖像感測器陣列310的真實黑雜訊準位。為了維持光學黑列330的真實黑度，光學黑列330被金屬屏障（圖3所示虛線框）覆蓋—金屬屏障是當在像素陣列102中製作所有光電二極體時在製造期間由真實金屬（real metal）製成的層。當金屬屏障層如由虛線區域（其大於圖3所示光學黑列區330）所示由恰當厚度及恰當區域懸垂（area overhang）製成時，金屬屏障層會阻擋光到達所有的光學黑列330。結果，在區310與區330之間實施有且在實體上插入有虛擬列320作為過渡區320。由於在像素陣列102中所有像素單元和成像感測器中的每一個虛擬列中的P1、P2、…、Px虛擬像素的相同，因此每一個虛擬像素被修改成且用於根據本揭露的實施例使位元線224快速穩定。

原則上，對每一個虛擬像素進行修改以形成經修改虛擬像素（modified dummy pixel，MDP）。每一個MDP可用作任何類型（IV/BV/CV）的電壓產生器。在與正常像素單元201相同地表示的任何給定的虛擬像素與圖4的451中所繪示的MDP之間進行的比較示出了這是如何發揮作用的。在圖4中，與201相同的每一個虛擬像素可被分成兩部分。第一部分由PD 202/452、TX電晶體204/454、FD 208/458及RST電晶體210/460組成。第二部分由SF電晶體216/466及RS電晶體220/470組成。將SF閘極從正常像素單元201中的FD 208重新路由到任何虛擬像素中的SF汲極這一物理修改本身可將虛擬像素451的第二部分轉換成電壓產生器。這如圖4所示一樣簡單容易。同樣簡單容易的是，在對虛擬像素的第一部分的修改中，TX閘極及RST閘極二者均聯接到高電壓VPIX。因此，對虛擬像素的第一部分及第二部分二者的修改會將虛擬像素轉換成MDP，其中虛擬像素中的舊的RS閘極端子用作MDP中的電壓產生器的產生器使能（gen_en）。

像素單元中的VPIX與RST閘極控制電壓HVDD可具有相同或不同的電位。在這兩種情況下，利用MDP，來自PD 452的光生電荷均通過TX電晶體454、FD 458及RST電晶體460到電源被猝滅。FD 458本身作為感光性裝置還產生光致電子（photo induced electrons），所述光致電子在PD電荷被猝滅的同時通過RST電晶體460被猝滅。從PD 452或FD 458產生的電荷可能會暈染到相鄰的像素中並導致不期望的結果。必須在發生任何損壞之前，如在MDP中所執行的一樣積極地抑制這些不受歡迎的電荷。

圖4示出這三個電壓產生器（IV產生器431、BV產生器451及CV產生器471）中的每一者現在可由一個或多個MDP取代。使用額外的MDP會使每一個電壓產生器具有額外的提供電流的能力。如圖4所示，IV產生器431可由M個MDP組成；黑太陽電壓產生器451可由N個MDP組成；且CV產生器471可由P個MDP組成，其中M、N及P分別是值等於或大於1的整數。

由於圖3所示區320中存在多個虛擬列，因此可對這三個電壓產生器中的每一者使用多個MDP。對於每一行讀出而言，如圖3中從頂部到底部所示，如在一個實施例中一樣，BV產生器451可採用由bsun_en[0]及bsun_en[1]（或設計語言中的bsun_en[1:0]）使能的兩個MDP。CV產生器471可採用由clamp_en[1:0]使能的另外兩個MDP。IV產生器431可採用虛擬列中由idle_en[m:0]使能的可用的所有其餘MDP，其中m是等於或大於2的整數。IV產生器431具有比BV產生器及CV產生器多的MDP的原因將在後面在圖5部分中進行論述。目前，可至少看到以下兩個邊緣虛擬列未被使用：在頂部上與主動圖像感測器像素陣列310的邊界相鄰的一個邊緣虛擬列；以及在底部上與光學黑列的邊界的一個邊緣虛擬列。頂部邊緣虛擬列沒有動過（left untouched）以用作緩衝區來使主動圖像感測器與用於實施IV產生器/BV產生器/CV產生器的虛擬列之間的干擾最小化。底部邊緣虛擬列沒有動過以用作緩衝區來使光學黑列與用於實施IV產生器/BV產生器/CV產生器的虛擬列之間的干擾最小化。

圖5是根據本揭露實施例的成像感測器中的像素單元及像素單元的輸出電路的示例性信號讀出操作500，所述成像感測器能夠使其輸出線（位元線224）快速穩定。為更好地理解圖5以及圖5表示的序列，在圖6中提供了時序流程圖來結合圖4解釋在圖5中發生的所有主要事件。

圖6是根據本揭露實施例的示例性流程圖600。流程圖600可示出完整的列讀出迴圈並展示可如何使用所揭露的電路系統400在典型的資料讀出迴圈中實現位元線224的快速穩定。

流程圖600首先進行過程塊602（其對應於圖5中的時間502），且接著進行過程塊610。方塊602標記讀出迴圈的開始，此時讀出電路系統106讀出新的一列多個像素單元。過程塊610與圖5所示時間區510相關。過程塊610與像素陣列102的每一列的水平空白（H-空白）重合。H-空白在新的列讀出迴圈之前清除整個並發列中的每一個讀出行110。在電路狀況方面，在方塊610期間，RST電晶體210被RST閘極電壓212接通以將FD 208重置到HVDD。同時，在一個實施例中，RS電晶體220與位元線使能電晶體226二者可同時被RS閘極電壓222及位元線使能電壓（bl_en）228斷開。結果，這種斷開可將位元線224從像素單元201及耦合在BLSN與AGND之間的電流源二者隔離開。在另一個實施例中，只有RS電晶體220可被RS閘極電壓222斷開，此可將位元線224從像素單元201隔離開。

在與後續H-空白重合的過程塊610期間，三個主要的預充電活動同時生效。首先，耦合在BLSN 230與AGND之間的電流源（CS）產生器227被預充電且因此被採樣保持（SH）電壓脈衝229使能。SH脈衝229從時間502到時間522導通，如圖5所見。在移除SH脈衝之後在方塊610之外，在出現下一SH脈衝之前由CS產生器227提供的吸收電流由一個或多個內部保持電容器恰當地維持（保持緩慢的電壓衰減）。電容器保持電壓用於控制偏壓來設定CS產生器227的吸收電流。

其次，通過將鉗位使能電壓clamp_en 489設定成低準位來將鉗位電壓（CV）產生器471去能。且通過將黑太陽使能電壓bsun_en 469設定成高準位來將黑太陽電壓（BV）產生器451使能。BV產生器451對位元線224進行充電。

第三，通過將空閒使能電壓idle_en 449設定成高準位來將空閒電壓（IV）產生器431使能。（除了BV產生器451之外）IV產生器431通過位元線寄生電容器Cp 288將（從像素單元201）隔離開的位元線224充電（或供電）到空閒電位，所述空閒電位與在SF源極電位218上出現的高電壓值緊密匹配，這是因為SF閘極或FD 208在此相同時間段期間被RST電晶體210設定成HVDD。

如圖3及圖5所示，對於在時間502處起始的對每一行像素的讀出而言，在一個實施例中，有來自兩個虛擬列的兩個像素被應用於BV產生器451。這意味著與使用單個MDP相比，採用由bsun_en[1:0]使能的（來自這兩個虛擬列的）兩個MDP（參照圖3所示322）會使BV產生器451的驅動能力翻倍。然而，驅動能力方面可能不夠。為在時間區510內在H-空白期間進一步增強驅動能力，如從圖5可看出，IV產生器431採用另外八個MDP來進行輔助，所述八個MDP由idle_en[7:0]使能，此在圖3所示實施例中被展示為“待使用像素”322。

IV產生器431可採用由idle_en[m:0]使能的虛擬列中可用的所有其餘MDP。這是因為一般來說與來自BV產生器及CV產生器的驅動能力相比需要來自IV產生器431的更多驅動能力來進行H-空白，以使用盡可能全的電流能力將位元線224的電壓上拉到其預期的高重置準位。來自IV產生器431的這種額外效果有助於縮短每一列的重置穩定時間，因此縮短H-空白時間。直接結果是每一列的讀出時間縮短以及總體幀時間縮短。在時間502處將充電負荷從CV產生器471交換到BV產生器451有助於在AVDD處維持供應電源的穩定消耗，這是因為作為負載電路的位元線224是由CV產生器471或BV產生器451連續充電。

從idle_en[7:0]的行為看出的另一個重要特徵是由IV產生器431中現用的MDP的數目表示的IV電源的逐漸關斷。首先，當在時間502處將idle_en[7:0]設定成高準位時同時對所有8個MDP進行使能。過程塊620在時間520處進行，其中當將idle_en[3:0]設定成低準位時，通過對8個MDP中的4個MDP進行去能來去除4/8（50%）的驅動能力。過程塊624在時間524處進行，其中當將idle_en[6:4]設定成低準位時，通過對另外3個MDP進行去能來撤銷另外3/8（37.5%）的驅動能力。現在，在H-空白接近結束時，只有一個空閒列有效。過程塊628在時間528處進行，其中當將idle_en[7]設定成低準位時，通過對IV產生器431的最後一個現用的MDP進行去能來終止用於使位元線224快速穩定的其餘的1/8（12.5%）的驅動能力。同時H-空白結束。

逐漸空閒鉗位控制具有以下益處：通過一次啟動單個MDP來實現更好的電壓匹配，這是因為對多個MDP中的單個MDP進行更精細的微調會提供更好的解析度。idle_en[m:0]的每一個位元的上升時間及下降時間受控制電路系統104控制。來自虛擬列的所述許多可用的MDP可構建強得多的電流源（通過使來自每一個MDP的更多相同的電流源並聯，對IV產生器431構建強得多的電流源）來對位元線224進行上拉並使位元線224更快地穩定。由於在RST期間位元線224快速穩定（圖5），因而總畫面播放速率（或讀出時間）減小，這是H-空白時間縮短的直接結果。

在過程塊628之後可進行過程塊630。過程塊630與圖5所示時間區530相關。在方塊630期間，RST閘極電壓212保持為高準位以保持RST電晶體210導通。FD 208被連續地重置到AVDD。在當在一個實施例中RS電晶體220從斷開切換成接通時位元線224重新連接到SF電晶體216之後、以及當在另一個實施例中位元線使能電晶體226從斷開切換到接通時位元線224重新連接到BLSN 230之後，方塊630使位元線224有足夠的時間達到穩定。

在過程塊630之後可進行過程塊640。過程塊640與圖5所示時間區540相關。在方塊640期間，RST電晶體210斷開。SF電晶體216將FD 208上的背景信號放大，且接著經放大背景信號通過RS電晶體220被提供到位元線224。在這一時間段期間，黑太陽使能電壓bsun_en[1:0]將全部三個電壓產生器中的僅BV產生器451使能。如果位元線使能電晶體226通過位元線使能電壓bl_en 228閉合，則黑太陽電壓同時驅動位元線224與BLSN 230二者。由BV產生器451提供到位元線224的黑太陽電壓可提供一般設定在高準位側上的電位，所述電位僅略低於正常背景信號。如果VPIX表示最暗的圖像信號，則不太低的黑太陽電壓設定足夠暗的圖像信號（如果不是最暗的話）。在ADC看來，如果VPIX表示ADC輸出的最低值，則黑太陽電壓在ADC輸出處確保非常低的值，所述值不過分高於ADC在其範圍內轉換的最低值。

在過程塊640之後可進行過程塊650。過程塊650與圖5所示時間區550相關。在方塊650期間，當轉移電晶體204被TX閘極電壓206接通時，積聚在PD 202上的光生信號電荷轉移到FD 208。在一個實施例中，RS電晶體220在電荷轉移之前斷開且在電荷轉移之後重新接通；在另一個實施例中，RS電晶體220及位元線使能電晶體226在電荷轉移之前斷開且在電荷轉移之後重新接通。這是為了確保在TX閘極電壓206的高準位與RS閘極電壓222的高準位及位元線使能信號bl_en 228的高準位之間不會發生交疊。在本揭露中當轉移電晶體204在此當前過程塊650期間在接通與斷開之間雙態觸變時，空閒使能信號idle_en[m:0]保持斷開。

在過程塊650之後可進行過程塊660。過程塊660與圖5所示時間區560相關。在方塊660期間，一般來說，從PD 202轉移到FD 208的圖像電荷通過SF電晶體216轉換成圖像電壓信號，且接著通過RS電晶體220提供到位元線224。確切地說，在一個實施例中，在方塊650中TX閘極電壓206上的脈衝結束之後，立刻通過將RS閘極電壓222設定成高準位以允許SF源極端子上的圖像信號電壓驅動位元線224來對RS電晶體220進行重新連接，並且通過將位元線使能電壓bl_en 228設定成高準位來對位元線使能電晶體226進行重新連接以允許BLSN 230重新連接到位元線224。位元線224不僅由IV產生器/BV產生器/CV產生器供電，而且還被CS產生器227吸收電流。

在方塊660期間，當充當電壓產生器來對位元線224進行供電時，BV產生器451的功能被CV產生器471接管。通過同時將黑太陽使能電壓bsun_en[1:0] 469設定成低準位且將鉗位使能電壓clamp_en[1:0] 489設定成高準位來使這種切換生效，如圖5所見。由CV產生器471提供到位元線224的鉗位電壓被設定成比由BV產生器251提供到位元線224的黑太陽電壓低得多。在方塊660開始時，位元線224上的電壓開始從較高的黑太陽電壓向下移動到低得多的鉗位電壓。

由CV產生器471提供到位元線224的鉗位電壓可提供比表示絕對最亮光的準位略高的電位。鉗位電壓對最低邊界設定了限值，所述最低邊界等效於在ADC看起來最亮的信號。儘管所述鉗位電壓不是最亮的但它足夠接近最亮的，以使得ADC可接受所述鉗位電壓作為輸入，並對其進行轉換以用作ADC輸出處的最高值而不會使ADC超限（overflow）。鉗位電壓確保了ADC能夠應對的電壓下限值。一旦CV產生器471接管BV產生器451的功能，則CV產生器471便還用於使功耗的變化最小化並連續地維持總AVDD電流的穩定性。

本發明對所示出的實例的以上說明（包括摘要中所闡述的以上說明）並非旨在為窮盡性的或將本發明限制為所揭露的精確形式。儘管本文中出於例示性目的闡述了本發明的具體實例，但是如相關領域中的技術人員將認識到，在本發明的範圍內可存在各種修改。

可根據以上詳細說明對本發明作出這些修改。以上權利要求書中所使用的用語不應被視為將本發明限制為本說明書中所揭露的具體實例。而是，本發明的範圍應完全由以上權利要求書來確定，此應根據所制定的權利要求解釋原則來理解。

100‧‧‧成像系統

102‧‧‧像素陣列

104‧‧‧控制電路系統/控制電路

106‧‧‧讀出電路系統

108‧‧‧功能邏輯

110‧‧‧讀出行/讀出行線

200‧‧‧圖像感測器系統

201‧‧‧像素單元/正常像素單元

202‧‧‧光電二極體（PD）/檢測光電二極體

204、454‧‧‧轉移（TX）電晶體

206‧‧‧轉移（TX）閘極電壓/轉移儲存閘極（TSG）電壓

208、458‧‧‧浮動擴散（FD）

210、460‧‧‧重置（RST）電晶體

212‧‧‧重置（RST）閘極電壓（HVDD）/重置閘極電壓

216‧‧‧源極跟隨器（SF）電晶體

218‧‧‧源極跟隨器（SF）源極端子/SF輸出/SF源極電位

220、470‧‧‧列選擇（RS）電晶體

222‧‧‧列選擇（RS）閘極電壓

224‧‧‧位元線/浮動位元線

226‧‧‧位元線使能電晶體

227‧‧‧電流源（CS）產生器

228‧‧‧位元線使能電壓/位元線使能電壓bl_en/位元線使能信號bl_en

229‧‧‧採樣保持（SH）電壓/採樣保持（SH）電壓脈衝/SH脈衝

230‧‧‧位元線源極節點（BLSN）

231、431‧‧‧空閒電壓（IV）產生器

232‧‧‧空閒電源供應電晶體

234‧‧‧空閒電源供應電壓

236、450‧‧‧空閒使能電晶體

238‧‧‧空閒使能電壓/空閒使能信號

251‧‧‧黑太陽電壓（BV）產生器

252‧‧‧黑太陽電源供應電晶體

254‧‧‧黑太陽電源供應電壓

256‧‧‧黑太陽電晶體

258‧‧‧黑太陽控制電壓

260‧‧‧可調整的黑太陽電壓

262‧‧‧黑太陽使能電晶體

264‧‧‧黑太陽使能電壓

271、471‧‧‧鉗位電壓（CV）產生器

272‧‧‧鉗位電壓電晶體

274‧‧‧鉗位控制電壓

276‧‧‧可調整的鉗位電壓

278、490‧‧‧鉗位使能電晶體

280‧‧‧鉗位使能電壓

288‧‧‧位元線寄生電容器/寄生電容器（Cp）

291‧‧‧傳輸閘

292‧‧‧類比-數位轉換器輸入端子/輸入端子

300‧‧‧例示圖

310‧‧‧主動圖像感測器陣列/區/主動圖像感測器像素陣列

320‧‧‧虛擬列/區/過渡區

322‧‧‧經修改虛擬像素（MDP）/待使用像素

330‧‧‧光學黑列/區

400‧‧‧電路系統

449‧‧‧空閒使能電壓位元/空閒使能電壓idle_en

451‧‧‧黑太陽電壓（BV）產生器/虛擬像素

452‧‧‧光電二極體（PD）

466‧‧‧源極跟隨器（SF）電晶體

469‧‧‧黑太陽使能電壓位元/黑太陽使能電壓（bsun_en）

489‧‧‧鉗位使能電壓位元/經修改虛擬像素鉗位使能電壓位元

500‧‧‧信號讀出操作

502、520、522、524、528‧‧‧時間

510、530、540、550、560‧‧‧時間區

600‧‧‧流程圖

602、610、630、640、650、660‧‧‧過程塊/方塊

620、624、628‧‧‧過程塊

C1、C2、C3、C4、C5~Cx‧‧‧行

R1、R2、R3、R4、R5~Ry‧‧‧列

參照以下各圖來闡述本發明的非限制性及非窮盡性實例，其中除非另外指明，否則在所有各個視圖中相同的參考編號指代相同部件。

圖1示出根據本揭露實施例的成像系統的一個實例。圖2是根據本揭露實施例的成像感測器中的像素單元及像素輸出電路的方塊圖的示例性示意圖，所述成像感測器能夠使其位元線快速穩定。圖3是根據本揭露實施例的成像感測器中的像素陣列及虛擬像素的方塊圖的示例性示意圖，所述成像感測器用於使其位元線快速穩定。圖4是根據本揭露實施例的成像感測器中的像素單元及像素輸出電路的方塊圖的示例性示意圖，所述成像感測器能夠通過使用經修改虛擬像素單元進行鉗位來使其位元線快速穩定。圖5是根據本揭露實施例的與成像感測器中的光電二極體為了達到位元線穩定而進行的操作相關聯的示例性波形。圖6是根據本揭露實施例的與圖5所示事件相關聯的例示性流程圖。

在圖式的所有幾個視圖中，對應的參考字元表示對應的元件。所屬領域中的技術人員應理解，圖中的元件是出於簡潔及清晰的目的而示出且未必按比例繪製。舉例來說，可相對於其他元件誇大圖中的一些元件的尺寸以助于增進對本發明各個實施例的理解。另外，在商業上可行的實施例中可使用的或必要的常見但熟知的元件常常不被示出，以便不妨礙本發明這些各種實施例的視圖。

Claims

一種快速穩定輸出線電路，包括：像素單元（201），包括：光電二極體（202），適於回應於入射光來積聚圖像電荷；轉移電晶體（204），耦合在所述光電二極體（202）與浮動擴散（208）之間以將所述圖像電荷從所述光電二極體（202）轉移到所述浮動擴散（208），其中轉移閘極電壓（206）控制所述圖像電荷從所述光電二極體（202）向所述浮動擴散（208）的傳輸；重置電晶體（210），被耦合成向所述浮動擴散（208）供應重置浮動擴散電壓，其中重置閘極電壓（212）控制所述重置電晶體；源極跟隨器電晶體（216），被耦合成從源極跟隨器閘極端子接收所述浮動擴散（208）的電壓並將經放大信號提供到源極跟隨器源極端子（218）；列選擇電晶體（220），耦合在所述源極跟隨器電晶體（216）與位元線（224）之間，其中列選擇閘極電壓（222）控制所述列選擇電晶體（220），且其中所述列選擇電晶體（220）將所述經放大信號從所述源極跟隨器源極端子（218）傳遞到所述位元線（224）；以及 M個第一電壓產生器，其中每一個第一電壓產生器被配置成接收所述重置浮動擴散電壓並在第一電壓使能的控制下向所述位元線（224）提供第一電壓，其中M是等於或大於一的整數，且其中所述第一電壓是由空閒電壓產生器（431）提供的空閒電壓、由黑太陽電壓產生器（451）提供的黑太陽電壓及由鉗位電壓產生器（471）提供的鉗位電壓中的一者，其中所述第一電壓產生器包括經修改虛擬像素，且其中所述經修改虛擬像素是與所述像素單元（201）相同的單元，只是：（i）轉移閘極被耦合成接收重置浮動擴散電壓而非接收所述轉移閘極電壓（206）；（ii）重置閘極被耦合成接收重置浮動擴散電壓而非接收所述重置閘極電壓（212）；以及（iii）源極跟隨器閘極被耦合成接收重置浮動擴散電壓而非接收所述浮動擴散（208）；以及位元線使能電晶體（226），耦合在位元線（224）與位元線源極節點（230）之間，其中位元線使能電壓（228）控制所述位元線使能電晶體（226）。
如申請專利範圍第1項所述的快速穩定輸出線電路，更包括N個第二電壓產生器，其中每一個第二電壓產生器被配置成接收所述重置浮動擴散電壓並在第二電壓使能的控制下向所述位元線（224）提供第二電壓，其中每一個第二電壓產生器包括所述經修改虛擬像素，且其中N是等於或大於一的整數，且其中所述第二電壓產生器是所述空閒電壓產生器（431）、所述黑太陽電壓產生器（451）、及所述鉗位電壓產生器（471）中的一者。
如申請專利範圍第1項所述的快速穩定輸出線電路，更包括P個第三電壓產生器，其中每一個第三電壓產生器被配置成接收所述重置浮動擴散電壓並在第三電壓使能的控制下向所述位元線（224）提供第三電壓，其中每一個第三電壓產生器包括所述經修改虛擬像素，且其中P是等於或大於一的整數，且其中所述第三電壓產生器是所述空閒電壓產生器（431）、所述黑太陽電壓產生器（451）、及所述鉗位電壓產生器（471）中的一者。
如申請專利範圍第1項所述的快速穩定輸出線電路，其中所述鉗位電壓低於所述黑太陽電壓。
如申請專利範圍第1項所述的快速穩定輸出線電路，更包括耦合在所述位元線源極節點（230）與地電位之間的電流源產生器（227），其中所述電流源產生器（227）在採樣保持信號的控制下從所述位元線源極節點（230）吸收電流，且其中在所述採樣保持信號關斷的時間段期間，所述電流源產生器（227）對電流的所述吸收是通過所述電流源產生器（227）的保持電容器來維持的。
如申請專利範圍第1項所述的快速穩定輸出線電路，其中所述重置浮動擴散電壓連接到經調節電壓供應源，其中所述經調節電壓供應源是基於供應電源電壓進行調節的。
如申請專利範圍第1項所述的快速穩定輸出線電路，其中所述重置浮動擴散電壓與所述重置閘極電壓具有相同的值。
如申請專利範圍第1項所述的快速穩定輸出線電路，其中所述重置浮動擴散電壓與所述重置閘極電壓具有不同的值。
如申請專利範圍第1項所述的快速穩定輸出線電路，更包括將所述經放大信號從所述位元線（224）傳遞到類比-數位轉換器輸入（292）的傳輸閘（291）。
一種使輸出線電路快速穩定的方法，包括：當通過將列選擇閘極（222）設定成低準位來將列選擇電晶體（220）斷開時，通過將重置閘極電壓（212）設定成高電壓以接通重置電晶體（210）來將浮動擴散（208）重置到重置浮動擴散電壓；當所述重置電晶體（210）被接通且列選擇電晶體（220）被斷開時，將位元線（224）預充電到通過以下操作提供的黑太陽電壓：通過將黑太陽使能電壓位元（469）中的每一者設定成高準位來導通多個黑太陽使能電晶體（468）中的每一者以及通過將鉗位使能電壓位元（489）中的每一者設定成低準位來將多個鉗位使能電晶體（488）中的每一者關斷；當所述重置電晶體（210）被接通且所述列選擇電晶體（220）被斷開時，通過將空閒使能電壓位元（449）設定成高準位以導通多個空閒使能電晶體（448）中的每一者來將位元線（224）預充電到源極跟隨器源極重置電壓；通過在不同時間將所述空閒使能電壓位元（449）中的一些空閒使能電壓位元（449）設定成低準位以將相應的空閒使能電晶體（450）關斷來中斷從空閒電壓產生器（431）到所述位元線（224）的所述預充電，其中對最後一個所述空閒使能電晶體（450）進行的關斷與通過將所述列選擇閘極電壓（222）設定成高準位來對所述列選擇電晶體（220）進行的接通重合；通過將列選擇閘極電壓（222）設定成高準位以接通所述列選擇電晶體（220）來將源極跟隨器源極端子（218）連接到所述位元線（224）；通過將所述重置閘極電壓（212）設定成低準位以斷開所述重置電晶體（210）來將所述浮動擴散（208）從像素電壓斷開；以及從所述浮動擴散（208）讀取背景信號，其中源極跟隨器電晶體（216）在源極跟隨器閘極端子處接收所述背景信號並在源極跟隨器源極端子（218）處提供經放大背景信號，其中所述列選擇電晶體（220）將所述經放大背景信號通過接通的所述列選擇電晶體（220）從所述源極跟隨器源極端子（218）傳遞到所述位元線（224），且其中所述經放大背景信號從所述位元線（224）被傳遞到類比-數位轉換器輸入端子（292）。
如申請專利範圍第10項所述的方法，更包括：當所述重置電晶體（210）被接通且列選擇電晶體（220）被斷開時，通過將採樣保持電壓（229）設定成高準位以啟動電流源產生器（227）來對所述電流源產生器（227）中的偏壓電容器進行預充電；以及當所述重置電晶體（210）仍被接通時，通過將所述採樣保持電壓（229）設定成低準位來中斷對所述電流源產生器（227）中的所述偏壓電容器的預充電以使所述電流源產生器（227）維持使能吸收電流流過內部保持電容器。
如申請專利範圍第10項所述的方法，更包括通過轉移閘極電壓（206）的雙態觸變使轉移電晶體（204）接通及斷開來將所積聚的圖像電荷從光電二極體（202）轉移到所述浮動擴散（208）。
如申請專利範圍第12項所述的方法，其中在通過將所述轉移閘極電壓（206）設定成低準位來將所述轉移電晶體（204）斷開之後，通過將所述黑太陽使能電壓位元（469）設定成低準位來將所述黑太陽使能電晶體（470）關斷，且通過將所述鉗位使能電壓位元（489）設定成高準位來導通所述鉗位使能電晶體（490）。
如申請專利範圍第13項所述的方法，其中所述源極跟隨器電晶體（216）通過接通的所述列選擇電晶體（220）將來自所述浮動擴散（208）的所述圖像電荷轉換成去往所述位元線（224）的經放大圖像信號，且其中所述經放大圖像信號被從所述位元線（224）傳遞到類比-數位轉換器輸入端子（292）。
如申請專利範圍第14項所述的方法，其中通過對傳輸閘（291）進行使能，所述傳輸閘（291）將所述經放大圖像信號從所述位元線（224）傳遞到所述類比-數位轉換器輸入端子（292）。
如申請專利範圍第10項所述的方法，其中所述黑太陽電壓高於由每一個鉗位使能電晶體（490）提供到所述位元線（224）的鉗位電壓。
如申請專利範圍第10項所述的方法，其中所述源極跟隨器源極重置電壓是當所述浮動擴散（208）通過所述重置電晶體（210）被重置到重置浮動擴散電壓時且當所述列選擇電晶體（220）被斷開時所述源極跟隨器源極端子（218）的電壓值。
一種具有快速穩定輸出線電路的成像系統（100），包括：由像素單元形成的像素陣列（102），其中每一個像素單元（201）包括：光電二極體（202），適於回應於入射光來積聚圖像電荷；轉移電晶體（204），耦合在所述光電二極體（202）與浮動擴散（208）之間以將所述圖像電荷從所述光電二極體（202）轉移到所述浮動擴散（208），其中轉移閘極電壓（206）控制所述圖像電荷從所述光電二極體（202）向所述浮動擴散（208）的傳輸；重置電晶體（210），被耦合成向所述浮動擴散（208）供應重置浮動擴散電壓，其中重置閘極電壓（212）控制所述重置電晶體；源極跟隨器電晶體（216），被耦合成從源極跟隨器閘極端子接收所述浮動擴散（208）的電壓並將經放大信號提供到源極跟隨器源極端子（218）；列選擇電晶體（220），耦合在所述源極跟隨器電晶體（216）與位元線（224）之間，其中列選擇閘極電壓（222）控制所述列選擇電晶體（220），且其中所述列選擇電晶體（220）將所述經放大信號從所述源極跟隨器源極端子（218）傳遞到所述位元線（224）；以及 M個第一電壓產生器，其中每一個第一電壓產生器被配置成接收所述重置浮動擴散電壓並在第一電壓使能的控制下向所述位元線（224）提供第一電壓，其中M是等於或大於一的整數，且其中所述第一電壓是由空閒電壓產生器（431）提供的空閒電壓、由黑太陽電壓產生器（451）提供的黑太陽電壓及由鉗位電壓產生器（471）提供的鉗位電壓中的一者，其中所述第一電壓產生器包括經修改虛擬像素，且其中所述經修改虛擬像素是與所述像素單元（201）相同的單元，只是：（i）轉移閘極被耦合成接收重置浮動擴散電壓而非接收所述轉移閘極電壓（206）；（ii）重置閘極被耦合成接收重置浮動擴散電壓而非接收所述重置閘極電壓（212）；以及（iii）源極跟隨器閘極被耦合成接收重置浮動擴散電壓而非接收所述浮動擴散（208）；以及位元線使能電晶體（226），耦合在位元線（224）與位元線源極節點（230）之間，其中位元線使能電壓（228）控制所述位元線使能電晶體（226）；控制電路系統（104），耦合到所述像素陣列（102）以控制所述像素陣列（102）的操作，其中所述控制電路系統（104）向所述像素陣列（102）提供所述轉移閘極電壓（206）、所述重置閘極電壓（212）、所述列選擇閘極電壓（222）、所述位元線使能電壓（228）、採樣保持電壓（229）、鉗位控制電壓（274）、鉗位使能電壓（280）、黑太陽控制電壓（258）、黑太陽使能電壓（264）、空閒使能電壓（238）、經修改虛擬像素鉗位使能電壓位元（489）、經修改虛擬像素黑太陽使能電壓位元（469）、及經修改虛擬像素空閒使能電壓位元（449）；讀出電路系統（106），通過多個讀出行（110）耦合到所述像素陣列（102），以從所述多個像素讀出圖像資料；以及功能邏輯（108），被耦合成從所述讀出電路系統（106）接收圖像資料以儲存來自所述多個像素單元中的每一者的所述圖像資料，其中所述功能邏輯（108）向所述控制電路系統（104）提供指令。
如申請專利範圍第18項所述的快速穩定成像系統，更包括N個第二電壓產生器，其中每一個第二電壓產生器被配置成接收所述重置浮動擴散電壓並在第二電壓使能的控制下向所述位元線（224）提供第二電壓，其中每一個第二電壓產生器包括所述經修改虛擬像素，且其中N是等於或大於一的整數，且其中所述第二電壓產生器是所述空閒電壓產生器（431）、所述黑太陽電壓產生器（451）、及所述鉗位電壓產生器（471）中的一者。
如申請專利範圍第18項所述的快速穩定成像系統，更包括P個第三電壓產生器，其中每一個第三電壓產生器被配置成接收所述重置浮動擴散電壓並在第三電壓使能的控制下向所述位元線（224）提供第三電壓，其中每一個第三電壓產生器包括所述經修改虛擬像素，且其中P是等於或大於一的整數，且其中所述第三電壓產生器是所述空閒電壓產生器（431）、所述黑太陽電壓產生器（451）、及所述鉗位電壓產生器（471）中的一者。
如申請專利範圍第18項所述的快速穩定成像系統，其中所述鉗位電壓低於所述黑太陽電壓。
如申請專利範圍第18項所述的快速穩定成像系統，更包括電流源產生器（227），耦合在所述位元線源極節點（230）與地電位之間，其中所述電流源產生器（227）在採樣保持信號脈衝的控制下從所述位元線源極節點（230）吸收電流，且其中在所述採樣保持信號關斷的時間段期間，所述電流源產生器（227）對電流的所述吸收是通過所述電流源產生器（227）的保持電容器來維持的。
如申請專利範圍第18項所述的快速穩定成像系統，其中所述重置浮動擴散電壓連接到經調節電壓供應源，其中所述經調節電壓供應源是基於供應電源電壓進行調節的。
如申請專利範圍第18項所述的快速穩定成像系統，其中所述重置浮動擴散電壓與所述重置閘極電壓具有相同的值。
如申請專利範圍第18項所述的快速穩定成像系統，其中所述重置浮動擴散電壓與所述重置閘極電壓具有不同的值。
如申請專利範圍第18項所述的快速穩定成像系統，更包括將所述經放大信號從所述位元線（224）傳遞到類比-數位轉換器輸入（292）的傳輸閘（291）。
如申請專利範圍第18項所述的快速穩定成像系統，其中所述經修改虛擬像素是基於虛擬像素修改的，且其中每一個虛擬像素是所述像素陣列（102）中待使用的多個虛擬列中的每一個虛擬列中的多個虛擬像素中的一個虛擬像素。