專利名稱：用于像素單元及其它電路具有過壓保護的驅動電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及驅動電路，特別涉及提供大于電源電壓的電壓的具有過壓保護的驅動電路。這些電路適用于如這里討論的像素單元及需要大于VDD(或VCC)電壓的其它應用。
光敏或“像素”單元及控制這些單元的驅動電路是所屬領域公知的。典型的驅動電路由能夠將不高于邏輯高電壓電平的電壓電平傳送到像素單元或其它電路的常規(guī)緩沖器構成。在CMOS電路中，這種電壓高電平經常是VDD。如以后將詳細討論的，這種局限對于用于像素單元或其它類型的電路是不利的。
參見

圖1，圖中示出了代表性的光敏單元10。單元10包括三個晶體管12-14(一般為N型場效應晶體管)及光敏或“光電”二極管15。晶體管12和13耦合到VDD，晶體管14耦合到晶體管13的源。行復位信號加于晶體管12的柵，行選擇信號加到晶體管14的柵。
在典型工作模式下，行復位線確定為高，將反偏的光電二極管的寄生電容充電到復位電平。二極管輸出節(jié)點17穩(wěn)定后，行復位被拉低，允許光誘生電荷載流子以正比于入射光強的速率將光電二極管放電。特定的曝光時間后，行選線確定為高，允許節(jié)點17處的電壓在單元輸出節(jié)點19(一般耦合到像素單元輸出的列)通過源跟隨緩沖晶體管13被取樣。行復位信號再次確定為高和低，以第二次復位節(jié)點17。復位電平在輸出19被取樣。暴露于入射光后輸出19處的電壓電平與復位電平間的差正比于入射光強。
將高電平的行復位的限制為VDD的數(shù)字門驅動行復位信號，VDD一般是CMOS集成電路上的最高有效電源電壓。在適用于這些用途時，在高電平限制為VDD的行復位信號的典型像素單元中的應用具有以下不利的方面。
一個不利的方面是，輸出19的動態(tài)范圍限制為最大等于VDD-(2×NMOS閾值，Vtn)。在晶體管12損失一個Vtn，并且在晶體管13損失另一個Vtn。這樣，3.3V VDD單元的動態(tài)范圍約為3.3-(2×0.8)或1.7到1.4(耦合到像素列輸出19的電流源晶體管的關斷電壓)。這造成了1.3V的典型動態(tài)范圍。
另一不利的方面是，在節(jié)點17達到其最終設置電壓前，由于晶體管12到達其關斷狀態(tài)時的亞閾值漏電流，行復位信號必須較長時間保持高，約100微秒。由于時序限制，強制成像系統(tǒng)采用較短的復位間隔。較短的復位間隔進而導致“曝光前”復位和“曝光后”復位信號強度間的差異。這種凈效應是先前俘獲的圖像的存儲，可以加到本次俘獲的圖像或從本次俘獲的圖像中減去，顯示疊加于所要求圖像上的正或負重像。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種能夠改善像素單元或其它電路的性能的驅動電路。本發(fā)明另一目的是提供一種驅動電路，該電路能夠產生大于電源電壓，并提供合適的過壓保護的輸出信號。
本發(fā)明再一目的是提供一種驅動電路，該電路能夠增大動態(tài)范圍，并增大像素單元中到達穩(wěn)態(tài)和復位電平的速率。
利用用于如這里所述的像素單元和其它電路具有過壓保護的驅動電路，可以實現(xiàn)本發(fā)明的這些及相關目的。
像素單元利用這種驅動電路允許將較高的電壓電平復位信號傳送到該單元的行復位晶體管。較高行復位信號或柵壓的第一優(yōu)點是，允許光電二極管陰極(節(jié)點17)在不改變像素設計的情況下總是被復位到VDD，從而單元的動態(tài)范圍增大Vtn。這可以是一種達2倍的動態(tài)范圍改善，這取決于電源電壓電平和類似于取決于背偏壓的閾值的工藝規(guī)范。第二個優(yōu)點是，由于復位期間單元復位晶體管決不會達到關斷，所以二極管輸出節(jié)點很快地充電到復位電平。第三個優(yōu)點是，由于節(jié)點17總是復位到VDD，所以最終的復位電平不取決于復位操作前的光電二極管的放電電平，因而避免了重像的發(fā)生。
另一優(yōu)點是，較高的復位電平導致了光電二極管上較強的反偏，造成較小的寄生耗盡電容。較小的電容產生對光生電荷載流子的較高靈敏度，可以改善低光照條件下的圖像質量。
除用于像素單元外，本發(fā)明的驅動電路還可用于設計者要求采用用于具有大動態(tài)范圍的門信號的非互補傳輸門的任何應用中。例如，n溝道MOS器件的柵可以由類似的驅動電路驅動，以便允許其控制接近正電源的信號的傳輸。這種功能在其它情況下需要采用與n溝道MOS器件并聯(lián)的p溝道MOS器件，具有互補的門信號。本發(fā)明驅動電路的其它可能應用包括用于(1)必須與較高電壓技術接口的衰減器(pad)電路，(2)FPGA，(3)熔絲電路，(4)DRAM，(5)EEPROM，(6)快閃存儲器。
對于所屬領域的技術人員來說，在閱讀了以下結合附圖對本發(fā)明的更詳細介紹后，本發(fā)明上述和有關優(yōu)點及特點的實現(xiàn)是更顯然的。
圖1是用于有源像素傳感器器件如數(shù)字相機或掃描儀等的典型光敏或像素單元類型的框圖。
圖2是本發(fā)明的驅動電路及該電路可應于其中的圖1的像素單元的示圖。
圖3是展示本發(fā)明圖2的驅動電路150的工作情況的時序圖。
圖4是展示用作本發(fā)明圖2的驅動電路150的部件的過壓保護電路的示意圖。
圖5是本發(fā)明有源像素傳感器陣列的信號行的時序圖。
圖6是利用本發(fā)明圖2和4的驅動電路的典型有源像素傳感器陣列的示意圖。
圖7是本發(fā)明用于產生多個過壓驅動信號的電路的示意圖。
參見圖2，該圖示出了根據(jù)本發(fā)明耦合到像素單元110的驅動電路150的框圖。電路150得到一個增大幅度的行復位信號，以便改善單元110的動態(tài)范圍和響應時間。電路150基本上包括過壓發(fā)生元件149及過壓保護和驅動元件151。
電路150包括CMOS反相器152，反相器152包括PMOS晶體管153和NMOS晶體管154。該反相器耦合在VDD和地之間，并且其輸出通過電容器160耦合到節(jié)點170。節(jié)點170還通過二極管165耦合到VDD，通過開關175耦合到行復位信號線180，行復位信號線180進而耦合到單元110的晶體管112(與圖1的單元10的晶體管12類似)的柵。示出了中斷開關185和電容器195(表現(xiàn)為行復位信號線的寄生電容)耦合在行復位信號線和地之間。
參見圖3，該圖示出了本發(fā)明圖2的驅動器電路150的工作情況的時序圖。圖3中信號名的縮寫如下RSTB＝復位選通脈沖；INT＝中斷復位信號；DRV＝驅動復位信號，RRST＝行復位信號(輸送到晶體管12，112的柵)。
復位操作(行復位信號的從低到高和反過來又到低的轉換)前，驅動電容器160充電，DRV開關175打開，RSTB為高(驅動反相器154的輸出為低)。在復位操作開始時，節(jié)點170的電壓電平設置在VDD之下約0.7V(一個二極管壓降)，DRV開關175打開，INT開關185關閉，保持行復位線為低。然后INT開關185打開，同時DRV開關175關閉。這導致了行復位線上的電壓升高到由從驅動電容器160到寄生電容188的電荷傳送所確定的相同電壓電平。中間行復位電壓電平約等于CD*(VDD-0.7)/(CRST+CD)。
然后確定RSTB(被驅動為低)，向著VDD升高反相器的輸出，這進一步將行復位信號驅動到電平行復位＝CD*(2*VDD-0.7)/(CRST+CD)方程1然后通過打開DRV開關175，并關閉INT關開185，行復位再被拉到低。RSTB信號隨后在準備下一行復位操作時被驅動到高。應認識到，CD的大小相對于CRST選擇，以便高電平的行復位(方程1給出的)至少在VDD上1Vtn。另外，在復位間隔期間，器件112的源將總是被上位到VDD。
還應認識到，用于實現(xiàn)上述電路的CMOS工藝在最大工作電源電壓上具有特定限制，以保證電路可靠性。最大電源電壓一般約為工業(yè)標準例如5V或3.3V之上10％。然而，經常提供界于新工藝技術和老工藝技術間的較高電壓工藝技術。導致了允許集成電路上較高電壓的特殊設計規(guī)則，一般限制在衰減器環(huán)(pad rings)，并且不會造成電路可靠性折扣。這些特殊設計規(guī)則將任何一對FET器件節(jié)點上的最大電壓限制在小于最大額定電源電壓。電路設計技術應符合實現(xiàn)上述電路的這種限制。下面討論一個電路實例。
參見圖4，該圖示出了展示根據(jù)本發(fā)明包括過壓保護的驅動電路151的示意圖。
到區(qū)域151的信號輸入包括RSTB、INT和來自節(jié)點170的信號(RSS)、VDD和地。DRV由傳送到晶體管或INT開關185(圖2)的INT信號的反相內部產生。DRV信號由反相器181產生，并被傳送到PMOS晶體管175。DRV信號還與RSTB信號一起受控，并被傳送到NMOS晶體管183。來自節(jié)點170的RSS信號被傳送到PMOS晶體管176。電路151還包括二極管D1、恒流源184和NMOS晶體管186-190(注意，晶體管187、189和190有效構成為二極管)。
保護其它器件免受高壓損害的器件包括二極管D1及晶體管186和188。產生于節(jié)點170的高壓脈沖(RSS)受晶體管176控制。如果在該脈沖到達時INT為低，則晶體管176導通，脈沖通過到達行復位線180。如果在脈沖到達時INT為高，則晶體管176截止，行復位信號保持低。
參見圖5，該圖示出了本發(fā)明電路151工作的時序圖。下面結合圖5的時序圖介紹電路151的工作情況。
時間t0前，INT和RSTB高，RSS穩(wěn)定在VDD-二極管壓降(約0.7V)。由于DRV低，內部節(jié)點191(信號DRVB)穩(wěn)定在VDD-0.7，保持晶體管176在截止狀態(tài)。RRST保持在其由來自驅動連接到器件189和190的二極管的恒流源184的涓流限定的低電平。恒流源184提供很低的電流，以便器件189，190上的電壓約為兩倍的n溝道閾值(2Vtn)。
在時間t0，INT變低，使DRV變高，截止晶體管175。AND門182的輸出變高，導通晶體管183，將DRVB下拉到地之上一個n溝道閾值(即，晶體管183和186是傳輸門，允許連接到器件187的二極管下拉DRVB，直到器件187在地之上一個Vtn時關斷)。在DRVB被拉到低時，晶體管176導通，將RSS和RRST短接在一起，允許電荷從電容器CD傳送到行復位線的電容CRST。由于晶體管或開關185截止，所以行復位線不再耦合到地，RRST和RSS設置到中間態(tài)，Vr1，即2Vtn與VDD-0.7之間。
在時間t1(t0后約200ns)，RSTB被驅動到低，強迫AND門182的輸出為低，截止晶體管183，允許DRV浮動。同時，節(jié)點170的電壓驅動RSS和RRST(由于晶體管176導通)到電壓Vr2，該電壓在VDD之上(如果準確地控制CD的大小)。在RSS升高時，RSS和DRVB間的寄生電容(晶體管176的柵電容)將DRVB拉到較高電平，以便晶體管176的柵上的電壓不超過工藝限制，同時保持晶體管176在導通狀態(tài)。應認識到，DRVB被拉到低導通晶體管176后，隨后允許DRVB浮動，同時晶體管175和183都截止，以便DRVB跟隨RSS。在RRST被驅動到VDD之上時，晶體管188將連接到節(jié)點193的器件從過壓條件緩沖。晶體管188自身由于柵為VDD而不經受柵氧化物過壓。
在時間t2(t1后約300ns)，INT被驅動為高，將DRV拉低，導通晶體管175，進而又將DRVB上拉到VDD-0.7，截止晶體管176。同時，開關185導通，將RRST下拉回2Vtn。
在時間t3(t2后約100ns)，RSTB再被驅動為高，將RSS下拉回到VDD-0.7。
在復位驅動電路的INT信號保持高(以便不讓RSS脈沖通過到達行復位線上)，同時RSTB被拉低時，晶體管183保持截止，DRVB不被拉低，使晶體管176截止。由于RSTB被驅動為低，強迫RSS在VDD之上，RSS和DRVB間的寄生電容又使DRVB跟隨RSS。這種作用保證了晶體管176處于截止，而RSS升高，隔離RRST與RSS，以便RRST處于低(2Vtn)。在DRVB被拉到較高時，二極管D1變?yōu)榉雌?，隔離晶體管188與DRVB的過電壓。與保護晶體管188所作的類似，晶體管186保護晶體管183不受DRVB電壓的影響。即使DRVB在這種RSTB間隔期間將超過VDD，由于RRST低電平在地之上2Vtn，晶體管176的柵-源電壓也不會超過工藝規(guī)范。
參見圖6，該圖示出了利用本發(fā)明圖2和4的驅動電路的典型有源像素傳感器陣列200的示意圖。圖6示出了耦合到多個線性排列的像素單元1101、1102和110n的驅動電路150。
行復位信號從驅動電路傳送到每個像素單元的復位晶體管1121、1122和112n。該像素單元與以上討論的像素單元10和110類似。行選114和單元110(圖2)的源跟隨器/緩沖器晶體管113表示為緩沖器1311、1312和131n，它們由行選啟動。陣列200是一維或二維陣列的行的代表。
參見圖7，該圖示出了根據(jù)本發(fā)明用于產生多個過壓驅動信號的電路210的示意圖。電路210包括以上討論過的過壓發(fā)生元件149、及多個過壓保護和驅動電路151。
除此之外，圖7還展示了在需要提供多個一次只產生一個脈沖的過壓脈沖時，可以利用單個過壓發(fā)生電路149及多個過壓保護和驅動電路151實現(xiàn)。
在優(yōu)選實施例中，過壓脈沖由發(fā)生電路149產生，并同時被傳送到每個保護和驅動電路151的RSS輸入。在過壓脈沖傳送到每個保護和驅動電路151時，譯碼邏輯171只給多個保護和驅動電路中的一個提供有源INT信號。只有其INT信號為低的保護和驅動電路才能使脈沖通過到達其RRST輸出。其它保護和驅動電路的RRST信號將保持低。
盡管以上結合特定的實施例介紹了本發(fā)明，但應理解，本發(fā)明可以有進一步的改形，本申請意在覆蓋任何符合本發(fā)明原理并包括源于本公開的衍生物的改變、應用或適用范圍，是由于它們皆落在本發(fā)明所屬領域的常識或慣用手段范圍內，并且，由于它們可以應于前述的必要特征中，而且落入了本發(fā)明的范圍和所附權利要求的限制中。
權利要求
1.一種集成電路裝置，包括過壓電路(149)，其能夠在給定的電源電壓電平下工作，并產生幅度大于所說電源電壓電平的過壓信號；及門電路(151)，其可控地使所說過壓信號通過，其中所說門電路的偏壓相對于所說過壓信號浮動，以便在所說門電路提供過壓保護。
2.根據(jù)權利要求1的裝置，其中所說門電路(151)包括構成為可控地使所說過壓信號通過的晶體管(176)，所說晶體管有效地具有輸入和輸出及控制電極，其中相對于偏壓的所說浮動(DRVB)被傳送到所說控制電極。
3.根據(jù)權利要求2的裝置，其中所說控制電極選擇性耦合到所說電源電壓電平。
4.根據(jù)權利要求2的裝置，其中所說晶體管(176)是FET晶體管。
5.根據(jù)權利要求1的裝置，其中所說電源電壓電平為VDD。
6.根據(jù)權利要求2的裝置，其中所說輸出耦合到來自耦合在所說輸出的器件的電容電壓可以通過其泄漏的路徑中的節(jié)點上；及其中緩沖晶體管器件耦合在所說輸出和所說節(jié)點之間，以保護所說電壓泄漏路徑中的元件不受所說輸出處的所說過壓信號的影響。
7.根據(jù)權利要求6的裝置，還包括耦合到所說電壓泄漏路徑的恒流源。
8.根據(jù)權利要求1的裝置，還包括耦合到所說門電路的像素單元(10，110)，用于接收所說過壓信號作為行復位信號。
9.根據(jù)權利要求1的裝置，其中所說浮動偏壓基本上跟隨所說過壓信號。
10.根據(jù)權利要求1的裝置，其中所說過壓電路和所說門電路設置在一個襯底內。
全文摘要
一種驅動電路(150)能夠產生過壓信號,并保護電路元件不受過壓信號的影響(即,以便電路元件工作在工藝規(guī)范極限內)。光敏像素單元(10,110)可由該驅動電路(150)驅動。采用該驅動電路(150)可以增大像素單元(10,110)的動態(tài)范圍,減少“重像”?？刂七壿嬤x擇性地使過壓信號通過,到達2－D像素陣列的各行。
文檔編號H03K17/08GK1255760SQ99111840
公開日2000年6月7日 申請日期1999年7月30日 優(yōu)先權日1998年12月1日
發(fā)明者M·M·波爾格 申請人:惠普公司