TWI233299B - Method and apparatus for KTC noise canceling in a linear CMOS image sensor - Google Patents

Description

1¾¾ 離] ，. ，年…____ I t 飞 丁 |j 明說明（l) 發明所屬之技術領域： 本發明與一種互補式金氧半電晶體（CMOS)影像感測器 有關，特別是有關於一線性影像感測器中消除其kTC雜訊之 方法與電路。 先前技術： 隨著積體電路技術的迅速發展，許多不同領域的已有革命 性的發展，上述之領域包括：電腦、控制系統、電子通$ 與影像。舉一個例子來說，在影像的領域中，互補式金氧 半導體（CMOS)影像感應器已經被證明它的製造價格比電荷 耦合元件（CCD)影像裝置來得低。更進一步來說，對於某 些應用上，互補式金氧半導體（CMOS)的性能是比較優良的。 在互補式金氧半導體（CMOS )元件中的圖素（p 1 X e 1)可以做 的更小，以提供一比電荷耦合元件（CCD)影像感應器更爲 的解析度。此外，以邏輯需要而處理之訊號可以整合靠彺 該影像電路之旁，在這樣情況之下，一個單一的整合晶）丨 (integrated chip)可以形成一個完整的單獨（stand a 1 one)影像裝置。 儘管互補式金氧半電晶體（CMOS)影像感測器技術的進展， 仍然存在阻止它們的廣泛接受的問題。這種問題之一是在 重定操作期間，在互補式金氧半電晶體（CMOS )圖素（p i X L、1 ) 中引入的"kTC11雜訊。特別是，在互補式金氧半電晶體 (CMOS)陣列中，在圖素（pixel )開始它的"積分"

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五、發明說明（2) (integration) 週期之前以、泪嗇中—， ^ 〈刚必須重疋母個圖素（pixel)。通 * ，，種重定步驟需要每個圖素（pixel)使相關聯的電晶體 打開（turned on)，以便使重定電壓到達關聯圖素 (pixeO的光電二極體。當關聯電晶體關（turned 〇fn時 ’光電二極體的電壓就等於重定電壓。然而，在每一個圓素 (pixel )重疋之後在電晶體通迢中的熱雜訊（稱為丨〈]、('雜 訊）就引入注入在每個圖素（p i χ e丨）中的電荷量的一些變化 。由於熱雜訊實質上是隨機的，一旦在各個圖素（pixei)上 發生電壓改=:將不-定第二次發生相同變〖。爪雜訊的 幅度與波爾茲曼常數k、開爾文溫度τ與電流路徑中的電容c 有關。每個圖素（PiXel)中的局部溫度變化將引起這種隨機 的kTC雜訊。 現有技術試圖集中在改變圖素（pixel)的結構上來克服k,rr 雜汛。例如，已經提出使用四個電晶體的圖素（P丨X 1 ) 然而，這就具有大的圖素（P i xe丨）尺寸與難於製造的缺點υ 類似地，在美國第5 9 8 1 9 3 2號專利中描述了通過在偽電容器 (pseudo-capacitor)中存儲電荷來消除以⑽訊的一種 圖素（p i X e 1)。然而’這種圖素（p丨x e 1 )需要額外的製样步 驟’以及操作的額外k間要求。此外，美國第5 g 8丨g 3 2號 專利中的圖素（p i xe 1 )要求額外的電晶體以便提供額外的開 關給地（ground)或電源。 因此’就需要提供一種簡單並易於製造的能夠補償k τ C雜訊

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五、發明說明（3) 之方法或裝置。 發明内容：

本發明之目的在於提供一種從圖素（p 1 X e 1 )中讀出一圖素 (p i xe 1 )信號之方法，該方法包括：首先，在上述圖素 (pixel)開始一積分週期（integration period)之前， 從上述圖素（pixel)中捕獲一第一黑參考信號（black reference signal);然後，在完成上述積分週期之後， 捕獲一圖素（p i xe 1 )信號；之後，完成上述積分週期之後、 捕獲一第二黑參考信號；最後，輸出上述第一黑參考信妮、 第二黑參考信號與圖素（p i X e 1 )信號。

本發明之另一目的在於提供一藉由一圖素（pixel)來讀出一 圖素（p i xe 1 )信號輸出之行讀出電路，該電路包括：一連接 到上述圖素（p i X e 1 )之圖素（p i X e 1 )信號支線，上述圖素 (pixel )信號支線包括一圖素（pixel )信號儲存元件、一 圖素（p i xe 1 )信號選擇開關與一圖素（p i X e 1 )信號讀取開關， 上述圖素（p i xe 1 )信號選擇開關係連接到上述圖素（1) 1 X c 1 ) 與圖素（p i xe 1 )信號儲存元件以便選擇性地存儲上述圖素 (p i xe 1 )信號在圖素（p i xe 1 )信號儲存元件上，上述圖素 (p i xe 1 )信號讀取開關係連接到上述圖素（p 1 xe 1 )信號儲存 元件以便從上述圖素（p i xe 1 )信號儲存元件中選擇性地讀 出上述圖素（p i X e 1 )信號；一連接到上述圖素（p i X e 1 )之第 一黑參考信號支線，上述第一黑參考信號支線包括一第一

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黑參考儲存元件、一第一黑參考選擇開關與一第一黑參考 讀取開關，上述第一黑參考選擇開關係連接到上述圖素 (p i xe 1 )與第一黑參考儲存元件以便選擇性地存儲一第一黑 參考信號在上述第一黑參考儲存元件上，上述第一黑參考 讀取開關係連接到上述第一黑參考儲存元件以便從上述第 一黑參考儲存元件中選擇性地讀出上述第一黑參考信號：以 及，一連接到上述圖素（p 1 X e 1 )之第二黑參考信號支線，上 述第二黑參考信號支線包括一第二黑參考儲存元件、一第 二黑參考選擇開關與一第二黑參考讀取開關，上述第二黑 參考選擇開關係連接到上述圖素（p 1 X e 1 )與第二黑參考儲存 元件以便選擇地存儲一第二黑參考信號在上述第二黑參考 儲存元件上，上述第二黑參考讀取開關係連接到上述第二 黑參考儲存元件以便從上述第二黑參考儲存元件中選擇性 地讀出上述第二黑參考信號。 實施方法： 在接下來的描述中，提供了許多的具體的詳細說明以提供 對於本發明之實施例的一個完整的了解。然而，對於一個 熟知習知技術的人而言，本發明可以在沒有一個或多個具 體的細節，或使用其它方法、部件、材料等的情況下實施。 在其它例子中，熟知的結構或運作不加以顯示或詳細描述 以避免模糊了本發明不同實施例的觀點。 整個說明書中所提及到的π —個實施例（ο n e e in b 〇 d in〗e u ί )

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五、發明說明（5) 或 π —實施例（a n e m b 〇 d i m e n t)"是意謂著：關聯著一實 施例中所描述的一個特殊的特徵、結構或特性是包括在至 少一個本發明之實施例中。因此，在整個說明書不同地方 中所出現的”在一個實施例中（i η 〇 n e e in b 〇 d i in e n t) π或 在一實施例中（i n a n e m b o d i n] e n t)"之句子不必然是指向 相同的實施例。此外，上述之特殊的特徵、結構或特性也 可能以任何的方式而結合在一個或多個實施例中。 C 使 體起 晶 一 電器 半描 氧掃 金與 式地 補型 互典 於合 用結 應將 地亦 性明 般發 一本 以 ， 可中 明器 發測 本感 然像 雖影 器 測 感 性 上、述 , 如上 示例， 所。行 一式陣 圖形g 如的ο I -- 矣 ， I 4. \\JIy 講較el -Μ tplx 體器彳 總測素 。 感圖 述像一 描影有 來一具 丨是器 只感 1 傳 器像 ” 感的 一性統 之線傳 用述一 素 圖

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一讀出電路來描述。應當理解的是，對於整個影像感測器 需要多個讀出電路。 請參考圖二，其顯示出一主動圖素（a c t i v e p i X e 1) 1 0 1達

接到一讀出電路1 0 3。上述主動圖素1 〇 1包括一光電二極體 (photodiode) 105、一重定電晶體107、圖素輸出電晶體 1 0 9與列選擇電晶體1 1 1。上述主動圖素1 0 1的結構是現有 技術中的傳統結構。在操作中，上述光電二極體1 0 5提供了 一表示撞擊在光電二極體1 0 5上的光量之光電信號輸出。如 果上述列選擇（RS)電晶體1 1 1是開的（turned on)，則 上述光電信號即用來調製上述圖素輸出電晶體1 0 9以輸出一 光電信號。上述圖素輸出電晶體1 0 9也被稱為處於源極跟隨 器（source follower)結構。上述重定電晶體10 7係用來 對下一個信號整合週期（integration period)重定上述 圖素1 0 1。此外，在一個實施例中，上述圖素1 〇 1採用一光 電二極體1 05，而圖素1 0 1還可以採用一光閘（ph(；u〇gH丨·V) 或釘紮光電二極體（pinned photodiode)。

上述讀出電路1 0 3包括三個支線（b r a n c h):第一支線用於 捕獲光電信號，第二支線用於捕獲第一黑參考（t)丨ac k reference)信號，以及第三支線用於捕獲第二黑參考信 號。特別地，上述圖素輸出電晶體之源極係透過列選擇電 晶體111而連接到上述第一與第二支線。兩個支線的使用就 能夠允許相關雙取樣，其係一種對丨/ f雜訊與固定的影像雜

五、發明說明（7) 訊最小化之有用的技術。應當注意的是，對於相關雙取樣 (correlated double sampling)，典型地方式係在兩個 支線之間採用一短路電晶體（s h 〇 r t i n g t r a n s i s t 〇 r)。然 而，為了使目的清楚，在圖二所示的讀出電路中，上述短 路電晶體被省略了。

第一、第二與第三支線基本上具有相同結構。為了易於理 解，除了用n an表示用於捕獲光電信號的第一支線、用"1)" 表示用於捕獲第一黑參考信號的第二支線、以及用"c 11表示 用於捕獲第二黑參考信號的第三支線之外，相同的參考數 字表示相同的元件。 上述讀出電路1 0 3包括一上述圖素（p i X e 1 )輸出電晶體1 0 9之 負載電晶體113。上述第一、第二與第三支線之每一支線包 括支線選擇電晶體1 1 5 a、1 1 5 b與1 1 5 c。上述這些電晶體係 用來作為開關以選擇由主動圖素（p i xe 1 ) 1 0 1輸出的信號直 接到達的支線。應當注意的是，在本實施例中，上述選擇 電晶體115a-115c是P型金氧半電晶體（PM0S);然而，應當 理解的是，還可以採用N型金氧半電晶體（N Μ 0 S )。

支線選擇電晶體1 1 5 a - 1 1 5 c的下游（d 〇 w n s t r e a in)是電 容器117a、117 b與1 1 7 c。下游（d o w n s t r e a hi )這個術語是 指在信號路徑中參考位置之後的位置。上述電容器丨1 7 a —

1 1 7c具有一連接到電壓VL之第一極板，電壓VL可以是VSS

第11頁 五、發明說明（8) 或地（ground)。上述電容器之第二極板係連接到選擇電 晶體1 1 5a-l 1 5〇之汲極。上述電容器！ } 7a_丄丄7c可以是多: 石夕-多晶矽（poly-poly)電容器、金屬—金屬 (metal-metal)電容器、金氧半電晶體（M〇S)電容器、或 者在半導體製程中形成之任何類型的傳統的電容界— 11 電關出 述開讀 上取述 ，讀上 外些於 此這關 板 極二 第 之 器 容 過 透 係 ί\ 1ώΝ -1開 a 9地 r—丄 1性 關擇 開選 取2 li 讀 到 接 当一/ 係 σνσ 口少口 容 電 •1與 P C考 素參 圖黑 從一 便第 以一 號， 信同 些不素 這術圖 理技自 處有來 次現使 依與於

P 後 然 虎 信 同 2 1 不 器種 衝各 緩之 一上 聯 關 互 相 # 信 。 用 號都 信號 該信 取考 提參 中黑 Ί1ο 二 )1第 具體地，請參考圖三A-三G，當上述圖素（pixei )1〇1處於一 重定操作時（藉由打開重定電晶體1 〇 7，並參考圖三A)， 如圖三C所示，就僅僅第二支線選擇電晶體丨丨5b是開的 (turned on)。這就捕獲一第一黑參考信號到電容器 1 1 7 b上。應當注意的是，先於圖素（p丨x e 1 )信號的積分 (integration)之前，上述第一黑參考信號是被採用的。 上述第一和第三支線選擇電晶體1 1 5 a與1 1 5 c是關的 (turned off)，如圖三B與三D所示。 請參考圖三E，在電容器1 1 7b上捕獲第一黑參考信號之後， 用於圖素（pixel )信號支線之讀取開關丨丨9a是開的，以便透

五、發明說明（9) 過緩衝器1 2 1讀出圖素 電容器117a儲存來自前 如圖三G所示，用於第-是開的，以便透過緩衝 意的是，第二黑參考信 第二黑參考信號是在前 類似地，還應當注意， 考信號將用來作為一被 後的列中）之第一黑參 是 的 意 11 注e X 者田 i P 應C 。素 號圖 说的 1期 e X週 述 上 lgu " 信 ,〆^ 隨 注 C '/ 9 办3 11 1 應 關 。 開號 取信 士買学 之參 線黑 支二 號第 信出 考讀 I < 參2 1!丄 0- ;器 且號二 /(V 並信第} IX ，考之 CD -▲ νΛ 内參 o i 期黑} c Μ 11 週 素 一 X 一 i 圖 - 第 P 前"彳個 在的素一 存内圖下。 儲期定的號 係週特樣信 號一 一取考 述 參 2UI'' M3' 隨 在 接著，如圖三B所示，然後，選擇電晶體1 1 5 a是開的。這就 導致了一新的圖素（pixel )信號將存儲在電容器1 1 7a上。 於是，上述週期完成並且下一個讀出週期可以開始。當上 述重定電晶體再一次被啟動，如圖三A所示，並且通過啟動 選擇電晶體1 1 5 c，上述第二黑參考信號被存儲在電容器 1 1 7 c上，如圖三D所示。 電路的操作是：在圖素（p i xe 1 )信號積分之前捕獲第一黑參 考信號，在圖素（p i xe 1 )信號積分之後捕獲第二黑參考信 號。所有這些信號都透過緩衝器1 2 1用於隨後的信號處理。 特別地，可以結合相關雙路取樣技術與採用第一黑參考信 號和第二黑參考信號來消除kTC雜訊。 對熟悉此領域技藝者，本發明雖以一些較佳實例闡明如

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上，然其並非用以限定本發明精神。例如，以上詳細描述 說到的是調整曝光時間，但是上面描述的技術同樣可以用 於增益控制。例如，不是延長與縮短曝光時間，而是相應 地提高或降低增益。此外，如果需要還可以同時延長曝光 時間與提高增.益。在不脫離本發明之精神與範圍内所作之 修改與類似的安排，均應包含在下述之申請專利範圍内， 這樣的範圍應該與覆蓋在所有修改與類似結構的最寬廣的 詮釋一致。因此，闡明如上的本發明一些較佳實例，可用 來鑑別不脫離本發明之精神與範圍内所作之各種改變。

圖式簡單說明： 之 例 施 實 的。 盡分 7VJ bh 勺 與同 性相 制表 限代 非字 的 數 明考 發參 本的 個同 整相 在， ，中 中示 圖圖 附同 在不 之圖之 成意成 形示形 所一所 明之明 發器發 本測本 據感據 根像根 是影是 圖S 圖 ο 一 Μ 二 C 第C第 體 晶 f 半 氧 金 式 補 互 性 線 素 圖 行 的 flv 相 - 圖 序 時 作 工 之 路 電 出 賣 =0 行 之二 圖 示 ];顯 圖 -是 意 圖 示G二 第路， 至 電A 出三 讀第 圖示符號對照表： 線性感測器1 1 圖素（p i X e 1 s )列 1 3 a、 1 3 b、 1 3 c 行讀出電路1 5 主動圖素（pixel)lOl 讀出電路1 0 3 光電二極體（photodiode) 105 重定電晶體1 0 7 圖素輸出電晶體1 0 9 列選擇電晶體1 1 1 負載電晶體1 1 3 支線選擇電晶體1 1 5 a、1 1 5 b、1 1 5 c

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Claims (1)

1. 細辨 ‘· ^ Η ρ]___________________ | ~ ? / "4 — ~卜· 申請專利範圍 申請專利範圍： 1 . 一種從一圖素（p i X e 1 )中讀出一圖素（ρ 1 π 1 )信號之方 法，包括： 在該圖素（p i X e 1 )開始一積分週期（i n t e g r a t 1 ο n p e r i 〇 d) 之前，從該圖素（p i xe 1 )中捕獲一第一黑參考信號（b 1 ac k reference signal) ; 在完成該積分週期之後，捕獲一圖素（P 1 X e 1 )信號； 完成該積分週期之後，捕獲一第二黑參考信號；以及 輸出該第一黑參考信號、該第二黑參考信號與該圖素 (p i X e 1 )信號。 2 ·如申請專利範圍第1項之從一圖素（p i X e 1)中讀出一圖 素信號之方法，其中當該圖素（p i xe 1 )執行一重定功能時， 捕獲該第一黑參考信號。 3 ·如申請專利範圍第1項之從一圖素（p 1 X e 1)中讀出一圖 素信號之方法，其中該第一黑參考信號、該第二黑參考信 號與該圖素（p i X e 1 )信號係透過一緩衝器（b u f i e r:)輸出。 4.如申請專利範圍第1項之從一圖素（p i x e 1)中讀出一圖 素信號之方法，其中該第一黑參考信號係領先該第二黑色 參考信號一領先的讀出週期。

   第17頁 ______________ —— ...... ·. 六、申請專利範圍 5 .如申請專利範圍第1項之從一圖素（p i X e 1)中讀出一圖 素信號之方法，其中該第二黑參考信號將用作隨後的一讀 出週期之一隨後的第一黑參考信號。 6. —種藉由一圖素（pixel)來讀出一圖素（pi xelM宫號輪出 之行讀出電路，該電路包括： 一連接到該圖素（p i X e 1 )之圖素（p i X e 1 )信號支線，該圖素 (p i X e 1 )信號支線包括一圖素（p i X e 1 )信號儲存元件、一 圖素（pixel )信號選擇開關與一圖素（pixel )信號讀取開關 ，該圖素（p i xe 1 )信號選擇開關係連接到該圖素（p 1 X e 1 )與 該圖素（p i xe 1 )信號儲存元件以便選擇性地存儲該圖素 (p i xe 1 )信號在該圖素（p i xe 1 )信號儲存元件上，該圖素 (p i xe 1 )信號讀取開關係連接到該圖素（p i X e 1 )信號儲存元 件以便從該圖素（pixel)信號儲存元件中選擇性地讀出該圖 素（p i X e 1 )信號； 一連接到該圖素（p i xe 1 )之第一黑參考信號支線，該第一黑 參考信號支線包括一第一黑參考儲存元件、一第一黑參考 選擇開關與一第一黑參考讀取開關，該第一黑參考選擇開 關係連接到該圖素（p i xe 1 )與該第一黑參考儲存元件以便選 擇性地存儲一第一黑參考信號在該第一黑參考儲存元件上 該第一黑參考讀取開關係連接到該第一黑參考儲存元件以 便從該第一黑參考儲存元件中選擇性地讀出該第一黑參考 信號；以及 一連接到該圖素（p i xe 1 )之第二黑參考信號支線，該第二黑

   六、申請專利範圍 參考信號支線包括一第二黑參考儲存元件、一第二黑參考 選擇開關與一第二黑參考讀取開關，該第二黑參考選擇開 關係連接到該圖素（p i xe 1 )與該第二黑參考儲存元件以便選 擇地存儲一第二黑參考信號在該第二黑參考儲存元件上， 該第二黑參考讀取開關係連接到該第二黑參考儲存元件以 便從該第二黑參考儲存元件中選擇性地讀出該第二黑參考 信號。

   7 .如申請專利範圍第6項之藉由一圖素C p 1 X e 1 )來讀出一 圖素（p i X e 1 )信號輸出之行讀出電路，其中在一圖素 (p i xe 1 )信號積分週期開始之前，該第一黑參考信號儲存 於該第一黑參考元件上。 8 .如申請專利範圍第6項之藉由一圖素（p i X e 1 )來讀出一 圖素（pixel)信號輸出之行讀出電路，其中在完成一圖素 (p i xe 1 )信號積分週期之後，該第二黑參考信號儲存於該 第二黑參考元件上。

   9 .如申請專利範圍第6項之藉由一圖素（p i X e 1 )來讀出一 圖素（p i X e 1 )信號輸出之行讀出電路，其中所冇之該儲存 元件係由電容器所形成。 1 0 .如申請專利範圍第6項之藉由一圖素（p i X e 1 )來讀出一 圖素（p i xe 1 )信號輸出之行讀出電路，更包括一緩衝器連

   第19頁 ya. 12. 21 it、申請專利範圍 接到所有之該讀取開關，以便允許從該儲存元件而來之該 信號透過該緩衝器被讀出。 IHI 第20頁