專利名稱：消除線性CMOS圖像傳感器中kTC噪聲的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及CMOS圖像傳感器，更具體地，本發(fā)明涉及用于消除線性圖像傳感器中的kTC噪聲的方法和電路。
背景技術(shù)：
集成電路技術(shù)已經(jīng)使包括計算機、控制系統(tǒng)、電信和圖像的各種不同領(lǐng)域產(chǎn)生重大變革。例如，在成像領(lǐng)域中，已經(jīng)證實CMOS圖像傳感器相對于CCD成像器件的制造更廉價。此外，對于某些應(yīng)用，CMOS器件在性能上更優(yōu)越。例如，可以將必需的信號處理邏輯電路集成在成像電路一側(cè)，因此允許單一集成芯片形成完全獨立的成像器件。
盡管CMOS圖像傳感器技術(shù)的進展，仍然存在阻止它們的廣泛接受的問題。這種問題之一是在復(fù)位操作期間在CMOS像素中引入的“kTC”噪聲。特別是，在CMOS陣列中，在像素開始它的“積分”周期之前必須復(fù)位每個像素。通常，這種復(fù)位步驟需要每個像素使相關(guān)聯(lián)的晶體管接通以便使復(fù)位電壓到達關(guān)聯(lián)像素的光電二極管。當關(guān)聯(lián)晶體管關(guān)斷時，光電二極管的電壓就等于復(fù)位電壓。然而，在每一個像素復(fù)位之后，在晶體管溝道中的熱噪聲(稱為kTC噪聲)就引入注入在每個像素中的電荷量的一些變化。由于熱噪聲實質(zhì)上是隨機的，一旦在各個像素上發(fā)生電壓改變將不一定第二次發(fā)生相同變化。kTC噪聲的幅度與波爾茲曼常數(shù)k、開爾文溫度T和電流路徑中的電容C有關(guān)。每個像素中的局部溫度變化將引起這種隨機的kTC噪聲。
現(xiàn)有技術(shù)試圖集中在改變像素的結(jié)構(gòu)上來反對kTC噪聲。例如，已經(jīng)提出使用四個晶體管的像素。然而，這就具有大的像素尺寸和難于制造的缺點。類似地，在美國專利No.5981932中描述了通過在偽電容器中存儲電荷來消除kTC噪聲的一種像素。然而，這種像素需要附加的制造工藝步驟，以及操作的額外時間要求。此外，`932專利中的像素要求附加的晶體管以便提供對地或電源的附加開關(guān)。
因此，就需要提供一種簡單并易于制造的能夠補償kTC噪聲的方法或裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種從像素中讀出像素信號的方法，包括在所述像素開始積分周期之前，從所述像素中捕獲第一基準黑電平信號；在完成所述積分周期之后，捕獲像素信號；完成所述積分周期后，捕獲第二基準黑電平信號；以及輸出所述第一基準黑電平信號、所述第二基準黑電平信號和所述像素信號。
本發(fā)明的另一目的是提供用于讀出由像素輸出的像素信號的列讀出電路，所述電路包括連接到所述像素的像素信號支線，所述像素信號支線包括像素信號存儲元件、像素信號選擇開關(guān)和像素信號讀取開關(guān)，所述像素信號選擇開關(guān)連接到所述像素和所述像素信號存儲元件以便在所述像素信號存儲元件上選擇性地存儲所述像素信號，所述像素信號讀取開關(guān)連接到所述像素信號存儲元件以便從所述像素信號存儲元件選擇性地讀出所述像素信號；連接到所述像素的第一基準黑電平信號支線，所述第一基準黑電平信號支線包括第一基準黑電平存儲元件、第一基準黑電平選擇開關(guān)和第一基準黑電平讀取開關(guān)，所述第一基準黑電平選擇開關(guān)連接到所述像素和所述第一基準黑電平存儲元件以便在所述第一基準黑電平存儲元件上選擇性地存儲第一基準黑電平信號，所述第一基準黑電平讀取開關(guān)連接到所述第一基準黑電平存儲元件以便從所述第一基準黑電平存儲元件中選擇性地讀出所述第一基準黑電平信號；以及連接到所述像素的第二基準黑電平信號支線，所述第二基準黑電平信號支線包括第二基準黑電平存儲元件、第二基準黑電平選擇開關(guān)和第二基準黑電平讀取開關(guān)，所述第二基準黑電平選擇開關(guān)連接到所述像素和所述第二基準黑電平存儲元件以便在所述第二基準黑電平存儲元件上選擇地存儲第二基準黑電平信號，所述第二基準黑電平讀取開關(guān)連接到所述第二基準黑電平存儲元件以便從所述第二基準黑電平存儲元件中選擇性地讀出所述第二基準黑電平信號。


在附圖中，在整個本發(fā)明的非限制性和非窮舉的實施例的不同視圖中，相同的參考數(shù)字代表相同的部分。
圖1是根據(jù)本發(fā)明形成的線性CMOS圖像傳感器的示意圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明形成的像素和相關(guān)的列讀出電路的示意圖。
圖3A-3G是說明圖2的列讀出電路的工作時序圖。
具體實施例方式
在下面的說明書中，提供許多具體的細節(jié)，例如各種不同的系統(tǒng)部件的標識，以便提供對本發(fā)明的實施例的全面理解。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當認為，本發(fā)明可在沒有一個或多個具體的細節(jié)，或使用其它方法、部件、材料等的情況下實現(xiàn)。在再一個實例中，沒有詳細示出或詳細地描述公知的結(jié)構(gòu)、材料或操作以免使本發(fā)明的各個實施例的特征不明顯。
整個本說明書中參考“一個實施例”或“實施例”意指在本發(fā)明的至少一個實施例中包含的與實施例相關(guān)描述的特殊的特征、結(jié)構(gòu)或特性。因此，在整個說明書的不同位置處出現(xiàn)的短語“在一個實施例中”或“在實施例中”不必都指相同的實施例。此外，可以在一個實施例中或在多個實施例中以任何適合的方式組合特殊的特征、結(jié)構(gòu)或特性。
雖然本發(fā)明可以一般性地應(yīng)用于CMOS圖像傳感器，但將結(jié)合典型地和掃描器一起使用的“線性傳感器”來描述本發(fā)明。總體上講，如圖1中所示，線性傳感器11只是圖像傳感器的較小形式。例如，常規(guī)的圖像傳感器具有像素101的陣列，像素101的陣列具有相應(yīng)于例如CIF格式、VGA格式或SVGA格式的幾種已知標準之一的尺寸。然而，線性傳感器11典型地僅具有一行像素(用于黑和白)或三行像素13a、13b和13c(用于彩色)。因此，彩色線性傳感器可具有三行像素，每一行具有大約1000個像素。
如上所述，CMOS圖像傳感器包括形成為列和行的像素陣列。典型地，像素的每一列將其與列讀出電路15相關(guān)聯(lián)，這是本發(fā)明的目的。在下面的說明書中，結(jié)合讀出電路描述單個像素。應(yīng)當理解，對于整個圖像傳感器需要多個讀出電路。
參照圖2，示出連接到讀出電路103的有源像素101。有源像素101包括光電二極管105、復(fù)位晶體管107、像素輸出晶體管109和行選擇晶體管111。有源像素101的結(jié)構(gòu)是現(xiàn)有技術(shù)中的常規(guī)結(jié)構(gòu)。在操作中，光電二極管105提供表示撞擊在光電二極管105上的光量的光信號輸出。如果行選擇(RS)晶體管111被接通，為了輸出光電信號(photosignal)就利用光信號來調(diào)制像素輸出晶體管109。像素輸出晶體管109還稱為處于源跟隨器結(jié)構(gòu)。復(fù)位晶體管107用于在隨后的信號積分周期復(fù)位像素101。
讀出電路103包括三個支線(branch)第一支線用于捕獲光電信號，第二支線用于捕獲第一基準黑電平(black reference)，以及第三支線用于捕獲第二基準黑電平。特別地，通過行選擇晶體管111將像素輸出晶體管的源極連接到第一、第二和第三支線。三個支線的應(yīng)用就能夠用于相關(guān)雙路取樣(correlated double sampling)，一種對于使1/f噪聲和固定的圖像噪聲最小化有用的技術(shù)。應(yīng)當注意，對于相關(guān)雙路取樣，典型地在兩個支線之間采用短路晶體管。然而，為了清楚的目的，在圖2所示的讀出電路中省略了短路晶體管。
第一、第二和第三支線基本上具有相同結(jié)構(gòu)。為了易于理解，除了用“a”表示用于捕獲光電信號的第一支線、用“b”表示用于捕獲第一基準黑電平信號的第二支線、以及用“c”表示用于捕獲第二基準黑電平信號的第三支線之外，相同數(shù)字表示相同的元件。
讀出電路103包括像素輸出晶體管109的負載晶體管113。第一、第二和第三支線每一支線包括支線選擇晶體管115a、115b和115c。這些晶體管用作開關(guān)以選擇由有源像素101輸出的信號直接到達的支線。應(yīng)當注意，在本實施例中，選擇晶體管115a-115c是PMOS晶體管；然而，應(yīng)當理解，還可以采用NMOS晶體管。
支線選擇晶體管115a-115c的下游是電容器117a、117b和117c。術(shù)語下游是指在信號路徑中參考位置之后的位置。電容器117a-117c具有連接到電壓VL的第一極板，電壓VL可以是Vss或地。電容器的第二極板連接到選擇晶體管115a-115c的漏極。電容器117a-117c還可以是多晶-多晶(poly-poly)電容器、金屬-金屬電容器、MOS電容器、或者在半導(dǎo)體工藝中形成的任何類型的傳統(tǒng)的電容器。
此外，電容器的第二極板連接到讀取開關(guān)119a-119c。這些讀取開關(guān)119a-119c選擇性地開閉并通過緩沖器121讀出電容器117a-117c上的各種不同信號。然后依次處理這些信號以便從像素101中提取該信號。與現(xiàn)有技術(shù)不同，第一基準黑電平和第二基準黑電平都用于使來自像素的信號相互關(guān)聯(lián)。
具體地，參照圖3A-3G，當像素101處于復(fù)位操作時(通過接通復(fù)位晶體管107并參見圖3A)，參見圖3C，就僅僅接通第二支線選擇晶體管115b。這就捕獲第一基準黑電平信號到電容器117b上。應(yīng)當注意，先于像素信號的積分之前取第一基準黑電平信號。參見圖3B和3D，關(guān)斷第一和第三支線選擇晶體管115a和115c。
參見圖3E，在電容器117b上捕獲第一基準黑電平信號之后，接通用于像素信號支線的讀取開關(guān)119a以便通過緩沖器121讀出像素信號。應(yīng)當注意，電容器117a存儲來自前一周期的像素信號。隨后參見圖3G，接通用于第二基準黑電平信號支線的讀取開關(guān)119c以便通過緩沖器121讀出第二基準黑電平信號。應(yīng)當注意，在前一周期內(nèi)存儲第二基準黑電平信號并且該第二基準黑電平信號是在前一周期內(nèi)的“第一”基準黑電平信號。類似地，還應(yīng)當注意，特定像素101的第二基準黑電平信號將用作將被取樣的下一個像素(在隨后的行中)的第一基準黑電平信號。
接著參見圖3B，然后接通選擇晶體管115a。這就導(dǎo)致了新的像素信號將存儲在電容器117a上。于是，該周期完成并且下一個讀出周期可以開始。當復(fù)位晶體管再一次被激活，參見圖3A，并且通過激活選擇晶體管115c第二基準黑電平信號被存儲在電容器117c上，參見圖3D，時，上述情況發(fā)生。
電路的操作是在像素信號積分之前捕獲第一基準黑電平信號，在像素信號積分之后捕獲第二基準黑電平信號。所有這些信號都經(jīng)過緩沖器121用于隨后的信號處理。特別地，可以結(jié)合相關(guān)雙路取樣技術(shù)采用第一基準黑電平信號和第二基準黑電平信號來消除kTC噪聲。
雖然這里在有限數(shù)量的實施例的上下文中說明并描述了本發(fā)明，可以在不脫離本發(fā)明的基本特征的精神的情況下以多種形式實施本發(fā)明。因此，總體地講，說明并描述的實施例將認為是說明性的并非限定性的。例如，根據(jù)調(diào)整曝光時間已給出上述詳細的說明。然而，上述的技術(shù)可以相同地應(yīng)用于增益控制。例如代替增加或減少曝光量，可以類似地增加或減少增益量。此外，根據(jù)需要可以增加或減少曝光時間和增益。因此，所附權(quán)利要求書而不是由前面的說明書表示了本發(fā)明的范圍，希望落入權(quán)利要求書等價內(nèi)容的意思和范圍內(nèi)的所有變化將包括其中。
權(quán)利要求
1.一種從像素中讀出像素信號的方法，包括在所述像素開始積分周期之前，從所述像素中捕獲第一基準黑電平信號；在完成所述積分周期之后，捕獲像素信號；完成所述積分周期后，捕獲第二基準黑電平信號；以及輸出所述第一基準黑電平信號、所述第二基準黑電平信號和所述像素信號。
2.權(quán)利要求1的方法，其中當所述像素執(zhí)行復(fù)位功能時，捕獲所述第一基準黑電平信號。
3.權(quán)利要求1的方法，其中通過緩沖器輸出所述第一基準黑電平信號、所述第二基準黑電平信號和所述像素信號。
4.權(quán)利要求1的方法，其中所述第一基準黑電平信號是前一讀出周期中的前一第二基準黑電平信號。
5.權(quán)利要求1的方法，其中所述第二基準黑電平信號將用作隨后的讀出周期的隨后的第一基準黑電平信號。
6.用于讀出由像素輸出的像素信號的列讀出電路，所述電路包括連接到所述像素的像素信號支線，所述像素信號支線包括像素信號存儲元件、像素信號選擇開關(guān)和像素信號讀取開關(guān)，所述像素信號選擇開關(guān)連接到所述像素和所述像素信號存儲元件以便在所述像素信號存儲元件上選擇性地存儲所述像素信號，所述像素信號讀取開關(guān)連接到所述像素信號存儲元件以便從所述像素信號存儲元件選擇性地讀出所述像素信號；連接到所述像素的第一基準黑電平信號支線，所述第一基準黑電平信號支線包括第一基準黑電平存儲元件、第一基準黑電平選擇開關(guān)和第一基準黑電平讀取開關(guān)，所述第一基準黑電平選擇開關(guān)連接到所述像素和所述第一基準黑電平存儲元件以便在所述第一基準黑電平存儲元件上選擇性地存儲第一基準黑電平信號，所述第一基準黑電平讀取開關(guān)連接到所述第一基準黑電平存儲元件以便從所述第一基準黑電平存儲元件中選擇性地讀出所述第一基準黑電平信號；以及連接到所述像素的第二基準黑電平信號支線，所述第二基準黑電平信號支線包括第二基準黑電平存儲元件、第二基準黑電平選擇開關(guān)和第二基準黑電平讀取開關(guān)，所述第二基準黑電平選擇開關(guān)連接到所述像素和所述第二基準黑電平存儲元件以便在所述第二基準黑電平存儲元件上選擇地存儲第二基準黑電平信號，所述第二基準黑電平讀取開關(guān)連接到所述第二基準黑電平存儲元件以便從所述第二基準黑電平存儲元件中選擇性地讀出所述第二基準黑電平信號。
7.權(quán)利要求6的電路，其中在像素信號積分周期開始之前，在所述第一基準黑電平存儲元件上存儲所述第一基準黑電平信號。
8.權(quán)利要求6的電路，其中在完成像素信號積分周期之后，在所述第二基準黑電平存儲元件上存儲所述第二基準黑電平信號。
9.權(quán)利要求6的電路，其中由電容器形成所有的所述存儲元件。
10.權(quán)利要求6的電路，進一步包括連接到所有所述讀取開關(guān)的緩沖器以便允許通過所述緩沖器從存儲元件讀出該信號。
全文摘要
公開了一種從像素讀出像素信號的方法。該方法包括首先在像素開始積分周期之前從像素捕獲第一基準黑電平信號。隨后，在完成積分周期之后，捕獲像素信號。隨后，在隨著積分周期完成之后，捕獲第二基準黑電平信號。最后，輸出第一基準黑電平信號、第二基準黑電平信號和像素信號。
文檔編號H04N5/217GK1447586SQ0310831
公開日2003年10月8日 申請日期2003年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月27日
發(fā)明者H·楊, X·何, Q·單 申請人:全視技術(shù)有限公司