專利名稱：固態(tài)圖象傳感器和驅(qū)動該傳感器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固態(tài)圖象傳感器和驅(qū)動該傳感器的方法，尤其是涉及象具有逐個象素放大功能的MOS圖象傳感器的放大型固態(tài)成象器件，還涉及驅(qū)動這種傳感器的方法。


圖14示出一種兩維固態(tài)圖象傳感器的傳統(tǒng)的示例性的結(jié)構(gòu)，相關(guān)技術(shù)中稱之為放大型的固態(tài)成象器件。在圖中，一個單元象素105是由一個光電二極管101、放大MOS晶體管102、光電二極管復(fù)位MOS晶體管103和垂直選擇MOS晶體管104構(gòu)成。在本結(jié)構(gòu)中，光電二極管復(fù)位MOS晶體管103的柵極接到垂直復(fù)位線108，垂直選擇MOS晶體管104的柵極接到垂直選擇線109，且垂直選擇MOS晶體管104的源極接到垂直信號線110。
一個水平選擇MOS晶體管112接在垂直信號線110的一端和一個水平信號線111之間。通過從一個行選擇垂直掃描電路113輸出的兩種掃描脈沖信號φVSn和φVRn控制每行的每個象素的操作，并且經(jīng)過由來自列選擇水平掃描電路114輸出的一個水平掃描脈沖φHm控制的水平選擇MOS晶體管112把一個象素信號輸出到水平信號線111。此時，通過光電轉(zhuǎn)換存儲在光電二極管101中的信號電荷被放大MOS晶體管102轉(zhuǎn)換成一個信號的電流，并且隨后作為圖象傳感器的輸出信號提供。
但是，在已知的上述放大型的二維固態(tài)圖象傳感器的結(jié)構(gòu)中，存在有構(gòu)成每一個象素，主要是在放大MOS晶體管102中的有源元件的特性的離散的問題，并且特別是涉及到該MOS晶體管的門限電壓的偏差性的問題。而且這種偏差性直接地包括在圖象傳感器的輸出信號中。由于這種特性的偏差性具有每一個象素的固定的值，所以在顯示屏幕上的圖象中看起來具有固定的圖案噪聲(FPN)。為了抑止這種固定圖案的噪聲，有必要將一個外接的使用幀存儲器或行存儲器的噪聲消除電路接到該裝置，以便消除起因于象素中的特性偏差的任何噪聲成分。結(jié)果是，在采用這種固態(tài)圖象傳感器作為成象裝置的攝象機(jī)之類的裝置中，提出的對應(yīng)于所外部連接的噪聲消除電路的規(guī)模就較大。
和上述的情況相對比，圖15中示出另一種放大型的固態(tài)圖象傳感器，它能夠在內(nèi)部抑止裝置中的這樣的固定圖案的噪聲。這種固態(tài)圖象傳感器裝置的差異在于，盡管它的單元象素105在構(gòu)造上和圖14中相同，但是它提供用于抑止起因于在單元象素105中的特性離散的固定圖案的噪聲的水平輸出電路115，并且該水平輸出電路115執(zhí)行提取在單元象素105的信號中的復(fù)位前和復(fù)位后之間的差的一個處理過程。
在圖15中，一個負(fù)載MOS晶體管116用作一個放大MOS晶體管102的源極跟隨器的負(fù)載接在垂直信號線110和地之間。而且，成對的信號開關(guān)MOS晶體管117和117＇的主電極接到垂直信號線110。并且有一對信號保持電容118和118＇分別地接到該成對的信號開關(guān)MOS晶體管117和117＇的地和主電極之間。
而且，一對水平選擇MOS晶體管112和112＇分別地接到該成對的信號開關(guān)MOS晶體管117和117＇另一個主電極和一對水平信號線111和111＇之間。并且其差分放大器119的正向輸入端(+)和反相輸入端(-)被分別地接到一對水平信號線111和111＇。
上述結(jié)構(gòu)的放大型的固態(tài)圖象傳感器中，通過成對的信號開關(guān)MOS晶體管117和117＇將象素的復(fù)位前和復(fù)位后信號分別地保持在一對信號保持電容118和118＇中，并隨后經(jīng)過水平選擇MOS晶體管112和112＇及水平信號線111和111＇送到差分放大器119。隨后，在差分放大器119中提取在象素的復(fù)位前和復(fù)位后信號之間的差，從而消除起因于在每一個單元象素中的特性離散的固定圖案的噪聲。
盡管上述結(jié)構(gòu)的放大類型的固態(tài)成象傳感器中有可能抑止起源于在每一個單元象素中的特性離散的固定圖案的噪聲，但是這種象素復(fù)位前和復(fù)位后信號經(jīng)過分離的路徑到達(dá)差分放大器119，使得出現(xiàn)在圖象上的相對于成對的信號開關(guān)MOS晶體管117、117＇和成對的水平選擇MOS晶體管112、112＇的特性的離散性成為具有垂直相關(guān)條紋的固定圖案的噪聲。所以，這種結(jié)構(gòu)也要求用于抑止具有垂直條紋的固定圖案噪聲的校正電路。
本發(fā)明的一個目的是提供一種改進(jìn)的放大類型的固態(tài)圖象傳感器，它能夠抑止在裝置中的起源于在每一個單元象素中的特性離散的任何固定圖案的噪聲和其它的垂直條紋的固定圖案的噪聲。本發(fā)明的另一個目的在于提供這樣的傳感器的驅(qū)動的方法。
根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供一種包括單元象素的固態(tài)圖象傳感器，每一個單元象素具有一個光電轉(zhuǎn)換單元，用于把入射光轉(zhuǎn)換成電信號電荷并隨之把這種光電轉(zhuǎn)換所得到的信號電荷進(jìn)行存儲；一個放大單元，用于將存儲在光電轉(zhuǎn)換單元中的信號電荷轉(zhuǎn)換成電信號；和一個選擇開關(guān)，用于將該象素信號有選擇地從該放大單元輸出到一個信號線；和一個在單元象素的每一個中的復(fù)位電路，用于在象素信號每一次從相關(guān)的單元象素輸出時復(fù)位該光電轉(zhuǎn)換單元。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種用于驅(qū)動上述結(jié)構(gòu)的固態(tài)圖象傳感器的方法。該方法包括步驟在每一個象素信號從相關(guān)的單元象素輸出時復(fù)位該光電轉(zhuǎn)換單元；隨后傳遞來自每一個單元象素的復(fù)位前信號和復(fù)位后信號并提取在復(fù)位前信號和復(fù)位后信號之間的差。
根據(jù)本發(fā)明的第三個方面，其中提供一個攝象機(jī)包括一個光學(xué)系統(tǒng)，用于聚焦來自目標(biāo)場景的入射光；一個固態(tài)圖象傳感器包括單元象素，每一個單元象素具有一個光電轉(zhuǎn)換單元，用于把由光學(xué)系統(tǒng)形成的光學(xué)圖象轉(zhuǎn)換成電信號的電荷并隨后對于通過這種光電轉(zhuǎn)換得到的信號電荷進(jìn)行存儲；用于把存儲在光電轉(zhuǎn)換單元中的信號電荷轉(zhuǎn)換成電信號的一個放大單元；和一個選擇開關(guān)，用于將該象素信號有選擇地從該放大單元輸出到一個信號線；和一個在單元象素的每一個中的復(fù)位電路，用于在象素信號每一次從相關(guān)的單元象素輸出時復(fù)位該光電轉(zhuǎn)換單元；一個能夠驅(qū)動該固態(tài)圖象傳感器的驅(qū)動器；和一個用于處理該固態(tài)圖象傳感器的輸出信號的信號處理器。
在構(gòu)成上述固態(tài)圖象傳感器的單元象素的每一個中，在每次輸出象素信號時把光電轉(zhuǎn)換單元復(fù)位，以便連續(xù)地從單元象素的每一個輸出復(fù)位前信號和復(fù)位后信號。在此情況中，起源于象素中的任何特性的離散的固定圖案的噪聲被作為來自每一個象素的放大單元的補(bǔ)償成分的產(chǎn)生。因此，能夠通過提取在復(fù)位前和復(fù)位后信號之間的差來消除噪聲成分。而且在二維的固態(tài)圖象傳感器中，前置和復(fù)位后信號經(jīng)過一個共同的信號路徑從一個垂直信號線傳輸?shù)揭粋€水平信號線，以便使得實際上不產(chǎn)生任何垂直相關(guān)的條紋噪聲成分。
通過下面的結(jié)合附圖的說明，本發(fā)明的上述的和其它的特征將會變得顯見。
圖1是表示本發(fā)明的第一個實施例的結(jié)構(gòu)的框圖；圖2是說明第一實施例的操作的信號的定時圖；圖3是表示一個CD電路的示范性配置的電路示意圖；圖4A和4B曲線分別示出一個增強(qiáng)型MOS晶體管和一個耗盡型MOS晶體管的Id-Vd；圖5是說明在第一實施例中的復(fù)位電路的操作的電位圖；圖6是表示一個單元象素的另一個結(jié)構(gòu)的示意圖；圖7是表示一個單元象素的結(jié)構(gòu)的電路示意圖；圖8是對應(yīng)于圖5的結(jié)構(gòu)的電位示意圖；圖9是對應(yīng)于圖6的結(jié)構(gòu)的電位示意圖；圖10是表示本發(fā)明的第二實施例的結(jié)構(gòu)的框圖；圖11是用于說明第二實施例的操作的信號的定時圖；圖12是說明在第二實施例中的復(fù)位電路的操作的電位圖；圖13是表示采用了上述結(jié)構(gòu)的一個固態(tài)圖象傳感器的本發(fā)明的一個攝象機(jī)的示范性結(jié)構(gòu)的框圖；圖14是表示相關(guān)技術(shù)中的已知結(jié)構(gòu)的框圖；圖15表示說明相關(guān)技術(shù)中的問題的框圖。
隨后將參考附圖描述本發(fā)明的最佳的實施例。圖1是描述本發(fā)明的第一實施例的結(jié)構(gòu)的框圖。
在圖1中虛線包括的區(qū)域是表示一個單元象素11。該單元象素11包括作為光電轉(zhuǎn)換單元的一個光電二極管(PD)12、作為放大單元的放大MOS晶體管13、作為選擇開關(guān)的選擇MOS晶體管14、作為復(fù)位開關(guān)的復(fù)位MOS晶體管15和復(fù)位選擇MOS晶體管16。整個單元象素二維地排列形成一個行與列的矩陣。為了使得附圖簡化，這里僅示出一個單元象素11(第m列，第n行)。
在單元象素11中，光電二極管12具有執(zhí)行入射光的光電轉(zhuǎn)換的功能并存儲由這種轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的信號的電荷。放大MOS晶體管13的柵極接到光電二極管12的陰極，同時放大MOS晶體管13的漏極接到電源(VDD)17。并且該選擇MOS晶體管14接在放大MOS晶體管13的源極和垂直信號線18之間。
復(fù)位MOS晶體管15接在光電二極管12的陰極和供電線路17之間，而復(fù)位選擇MOS晶體管16接在復(fù)位MOS晶體管15的柵極和水平復(fù)位線19之間。復(fù)位MOS晶體管15和復(fù)位選擇MOS晶體管16都是由耗盡型晶體管構(gòu)成的。復(fù)位選擇MOS晶體管16的柵極連同選擇MOS晶體管14的柵極一起接到垂直選擇線20。而且水平選擇MOS晶體管22接在垂直信號線18和水平信號線21之間。
而且，提供了行選擇垂直掃描電路23和列選擇水平掃描電路24。從行選擇垂直掃描電路23輸出的垂直掃描脈沖φVn送到垂直選擇線20，從列選擇水平掃描電路24輸出的水平掃描脈沖φHRm送到水平復(fù)位線19，并且一個水平掃描脈沖φSm送到水平選擇MOS晶體管22的柵極。所以，電路的構(gòu)成被簡化，因為該列選擇水平掃描電路24也被用作產(chǎn)生水平掃描脈沖φHRm的復(fù)位電路。
在水平信號線21的輸出端提供一個簡單配置的相關(guān)雙重取樣電路(下稱CDS電路)25，用于提取在象素復(fù)位前和復(fù)位后信號之間差的差分電路。一個CDS電路25的實際配置和其操作將在下面詳述。CDS電路25的輸出端被連接到該圖象傳感器的輸出端26。
現(xiàn)在結(jié)合附圖2的定時圖描述上述結(jié)構(gòu)的放大型固態(tài)圖象傳感器的第一實施例的操作。
首先，放大MOS晶體管13通過光電轉(zhuǎn)換把存儲在光電二極管12中的信號電荷(電子)轉(zhuǎn)換成電信號。在隨后的水平視頻信號的周期中，垂直掃描脈沖φVn從行選擇垂直掃描電路23輸出，并隨即通過垂直選擇線20分別送到選擇MOS晶體管14和復(fù)位選擇MOS晶體管16的柵極。隨后該選擇MOS晶體管14和復(fù)位選擇MOS晶體管16被導(dǎo)通，以便通過選擇MOS晶體管14使得信號電流出現(xiàn)在垂直信號線18上。
在水平視頻信號周期中，水平掃描脈沖φSm從水平掃描電路24輸出，并隨后送到水平選擇MOS晶體管22的柵極。結(jié)果是該水平選擇MOS晶體管22導(dǎo)通，從而使得出現(xiàn)在垂直選擇線20上的信號電流通過水平選擇MOS晶體管22在水平信號線21中流動，因此該信號電流經(jīng)過水平信號線21而被提供給CDS電路25。
緊隨其后，水平復(fù)位脈沖φHRm從列水平掃描電路24送到水平復(fù)位線19，該脈沖涉及到已經(jīng)輸出信號電流的相關(guān)象素。由于復(fù)位選擇MOS晶體管16在此時的導(dǎo)通狀態(tài)，所以該水平掃描脈沖φHRm經(jīng)過復(fù)位選擇MOS晶體管16被送到復(fù)位MOS晶體管15的柵極。結(jié)果是該復(fù)位MOS晶體管15被導(dǎo)通，從而將光電二極管12復(fù)位到VDD電平。
從圖2中的定時圖中可以看到，該水平掃描脈沖φHRm實際上是在水平掃描脈沖φSm的中點產(chǎn)生的。所以，在水平掃描脈沖φHRm消失之后的光電二極管12的電荷(噪聲成分)，即復(fù)位后信號的電荷，由放大MOS晶體管13轉(zhuǎn)換成一個電流，并且該復(fù)位電流通過導(dǎo)通狀態(tài)的選擇MOS晶體管14、垂直信號線18和導(dǎo)通狀態(tài)的水平選擇MOS晶體管22流經(jīng)水平信號線21，并且隨后將該復(fù)位電流經(jīng)過水平信號線21送到CDS電路25。
由于上述的一系列操作，對于一個單元象素11的信號輸出和復(fù)位輸出是按照下列的形式實現(xiàn)信號輸出→PD復(fù)位→噪聲輸出。這樣的操作是相對于由垂直掃描電路23選擇的象素行按照象素的順序選擇由水平掃描電路24所執(zhí)行的，以便這個輸出被送到水平信號線21，其順序是m列，n行(信號輸出→PD復(fù)位→噪聲輸出)、(m+1)列，n行(信號輸出→PD復(fù)位→噪聲輸出)。。。等等，并被送到CDS電路25。隨后，根據(jù)復(fù)位前和復(fù)位后噪聲輸出在CDS電路25中執(zhí)行相關(guān)的雙倍取樣，并因此在原則上消除在放大MOS晶體管13中出現(xiàn)的特性離散。
圖3中示出了CDS電路25的實際構(gòu)成。CDS電路25包括其輸入端連接到輸入終端31的電流-電壓轉(zhuǎn)換器32、一端接到電流-電壓轉(zhuǎn)換器32的輸出端的箝位電容33、一個主電極接到箝位電容33的另一端的箝位MOS晶體管34、一個主電極接到箝位電容33的另一端的取樣保持MOS晶體管35、接在取樣保持MOS晶體管35的另一個主電極和地之間的取樣保持電容36和接在取樣保持MOS晶體管35的另一個主電極和輸出端38之間的緩存放大器37。
在CDS電路25中，電流-電壓轉(zhuǎn)換器32包括一個差分放大器39，在其反相輸入端(-)接收經(jīng)由輸入終端31提供的信號電流，并且還在其同相輸入端(+)接收預(yù)定的偏置電壓Vb；耦合電阻40接在差分放大器39的反相輸入端和輸出端之間。該電流-電壓轉(zhuǎn)換器32用于將信號電流轉(zhuǎn)換成一個信號電壓。一個箝位電壓Vc1加到箝位MOS晶體管34的另一個主電極，而一個箝位脈沖φCL加到它的柵極。取樣保持脈沖φSH加到取樣保持MOS晶體管35的柵極。
因此，由于上述配置的差分電路根據(jù)復(fù)位前信號和復(fù)位后信號由CDS電路25執(zhí)行的相關(guān)的雙重的取樣，使之有可能逐個象素地消除放大MOS晶體管13的特性的離散性，特別是消除MOS晶體管的門限電壓(Vth)的離散性。
如上所述，每一個單元象素11的光電二極管12在象素信號的每一次輸出時都被復(fù)位，并且根據(jù)復(fù)位前信號的輸出和后置噪聲的輸出執(zhí)行相關(guān)的雙重取樣，因此抑止起源于在象素中的特性離散造成固定的圖案噪聲，以及起源于在與垂直信號線18相連接的開關(guān)元件(水平選擇MOS晶體管22)中而特性離散的垂直條紋的固定的圖案噪聲。
起源于在象素中的特性離散的固定的圖案噪聲是作為單元象素11的放大MOS晶體管13的補(bǔ)償成分而被產(chǎn)生的，并且基本上這種噪聲能夠通過執(zhí)行象素的復(fù)位前和復(fù)位后信號的雙重取樣而被消除。至于起源于在與垂直信號線18相連接的開關(guān)部件中的特性離散的垂直條紋的其它固定的圖案噪聲，該電路結(jié)構(gòu)在設(shè)計上是使得其經(jīng)過同一條信號的路徑提供復(fù)位前和復(fù)位后的信號，而不是經(jīng)過分隔的開關(guān)部元(例如水平選擇MOS晶體管)，從而在原理上防止了這種噪聲的產(chǎn)生。
現(xiàn)在進(jìn)一步詳細(xì)地描述復(fù)位這個光電二極管12的操作。由圖1中看出，復(fù)位MOS晶體管15和復(fù)位選擇MOS晶體管16的每一個都包括一個耗盡型晶體管。
在采用增強(qiáng)型晶體管作為復(fù)位選擇MOS晶體管16的情況下出現(xiàn)的問題在于，當(dāng)光電二極管12復(fù)位到VDD的電平時，如果水平掃描脈沖φHRm在由垂直掃描脈沖φVn選擇的該狀態(tài)中加到漏極的話，該復(fù)位選擇MOS晶體管16就在其圖4A示出的飽和區(qū)中起作用，以便使得其源極的電位降低到低于漏極電位。
同時，在采用耗盡型晶體管作為復(fù)位選擇MOS晶體管16的情況中，該晶體管工作在圖4B示出的放大區(qū)中，從而使得該源極電位實際上到達(dá)漏極的電位。相似地，在將一個增強(qiáng)型晶體管用作復(fù)位MOS晶體管15的情況中，是在其飽和區(qū)執(zhí)行其復(fù)位，使得如果復(fù)位的時間很短的話，可將某些電荷剩下而不被去除，因此引發(fā)殘余圖象。但是，在采用耗盡型晶體管的情況中，復(fù)位是在其線性區(qū)域中執(zhí)行的，從而實現(xiàn)完全的復(fù)位而沒有任何的未被去除的電荷。
隨后，根據(jù)圖2的定時圖并參考圖5的電位圖描述上述結(jié)構(gòu)的實施例中的放大型固態(tài)圖象傳感器的操作。
在一個選擇象素信號讀出模式中(圖2的定時a)，通過一個垂直掃描脈沖φVn導(dǎo)通復(fù)位選擇MOS晶體管16，以便使得對應(yīng)于源極電位的一個水平掃描脈沖φSm的低電位被加到復(fù)位MOS晶體管15的柵極。由于此時的復(fù)位MOS晶體管15沒有導(dǎo)通，所以存儲在光電二極管12中的信號電荷由放大MOS晶體管13轉(zhuǎn)換成一個信號電流。
在選擇象素復(fù)位模式中(圖2中的定時b)，高電平的水平掃描脈沖φHRm經(jīng)過處于導(dǎo)通狀態(tài)的復(fù)位選擇MOS晶體管16加到復(fù)位MOS晶體管15的柵極，以便使得該復(fù)位MOS晶體管15被導(dǎo)通，從而將光電二極管12完全復(fù)位到在線性區(qū)域中的DVD電平。
在選擇象素噪聲電平讀出模式中(圖2中的定時c)，水平掃描脈沖φHRm處在其低電平，并且因此通過處在導(dǎo)通狀態(tài)的復(fù)位選擇MOS晶體管16將低電平電位加到復(fù)位MOS晶體管15的柵極，從而使得該復(fù)位MOS晶體管15截止。結(jié)果是該復(fù)位電平由放大MOS晶體管13轉(zhuǎn)換成噪聲電流。同時，在該時間點開始下一幀的存儲。
在信號電荷的存儲模式中(圖2中的定時d)，在讀出另一行和另一列的同時，垂直掃描脈沖φVn被變成一個低電平。但是，由于該復(fù)位選擇MOS晶體管16是一個耗盡型的晶體管，所以該復(fù)位MOS晶體管15的柵極被保持在其低電平而不被置于浮動狀態(tài)。
在一個非選擇的象素復(fù)位模式中(圖2中的定時e)，通過一個高電平的水平復(fù)位脈沖φHRm將復(fù)位選擇MOS晶體管16的漏極復(fù)位到VDD電平，隨后，對應(yīng)于復(fù)位選擇MOS晶體管16的柵極的低電平的電位被加到復(fù)位MOS晶體管15的柵極。在光電二極管12中，這個耗盡型的復(fù)位柵極被直接地用作橫向溢出勢壘，超出該電平的任何過剩的電荷都被吸收到電源。并且在此時溢出勢壘被降低，從而確定哪里的溢出電平。
涉及到每一個單元象素的結(jié)構(gòu)，通常是被考慮為在圖6或圖7中的一個實例，復(fù)位MOS晶體管15和復(fù)位選擇MOS晶體管16被串接在光電二極管12的陰極和電源線17之間，并且水平掃描脈沖φHRm和垂直掃描脈沖φVn加到復(fù)位MOS晶體管15的柵極，而同時將垂直掃描脈沖φVn或水平復(fù)位脈沖φHRm加到復(fù)位選擇MOS晶體管16的柵極。
但是，在這樣的一個示范性的結(jié)構(gòu)中存在一個缺點，使得在讀出噪聲的時候由復(fù)位MOS晶體管15和復(fù)位選擇MOS晶體管16得到的耦合變得不同于在讀出信號電平時的耦合，因此使得出現(xiàn)隨之每個象素而生的離散性。下面結(jié)合對應(yīng)于圖6的結(jié)構(gòu)的圖8的電位示意圖來描述其原因。
假設(shè)狀態(tài)1表示一個條件，其中的象素是由一個垂直掃描脈沖φVn的產(chǎn)生而被選擇，并且復(fù)位是由于一個水平掃描脈沖φHRm的產(chǎn)生而被執(zhí)行。在狀態(tài)1中，該光電二極管12被復(fù)位到VDD電平。隨后在狀態(tài)2中，水平復(fù)位脈沖φHRm消失，并且當(dāng)復(fù)位MOS晶體管15被截止時，因為耦合作用，使得光電二極管12的電位稍低于VDD電平。在此狀態(tài)中，假設(shè)是一個噪音電平讀出模式。
在狀態(tài)3中，在垂直掃描脈沖φVn消失時，被假設(shè)是一個非選擇模式。當(dāng)復(fù)位選擇MOS晶體管16被截止時，由于這個饋通，在復(fù)位MOS晶體管15和復(fù)位選擇MOS晶體管16之間的擴(kuò)散區(qū)域的電位被置為稍低于VDD電平。
狀態(tài)4表示一種電荷存儲條件，其中光電二極管12的電位由于存儲的電荷的存在而變淺薄。狀態(tài)5表示一個非選擇的復(fù)位條件，其中把在其它行上的相同的列復(fù)位。在此狀態(tài)中，通過水平掃描脈沖φHRm的產(chǎn)生而使得復(fù)位MOS晶體管15導(dǎo)通，以便調(diào)整信號電荷、復(fù)位柵極饋通和復(fù)位選擇柵極饋通。
在狀態(tài)6中，在水平掃描脈沖φHRm消失之時將復(fù)位柵極饋通到光電二極管12。狀態(tài)5和狀態(tài)6在讀出其它的行期間被重復(fù)。在狀態(tài)7中，通過垂直掃描脈沖φVn的產(chǎn)生而導(dǎo)通復(fù)位選擇MOS晶體管16，并且在此狀態(tài)中讀出信號的電平。隨后操作返回到狀態(tài)1。
從圖8中的電位圖對于狀態(tài)2和狀態(tài)7的比較可見，在狀態(tài)2中的噪聲電平讀出時由于饋通的存在使得存儲在光電二極管12中的電荷量不同于在狀態(tài)7中信號電平讀出時的存儲的的電荷量。和門限電壓的離散性相似，由于饋通量隨著不同的晶體管而異，所以在用于抑止相似離散性的CDS電路25中不能夠消除在信號電平讀出模式和在噪聲電平讀出模式之間的饋通差異，從而使得這種饋通的差異被作為象素的離散性遺留。
而且在圖7的結(jié)構(gòu)中的復(fù)位MOS晶體管15和復(fù)位選擇MOS晶體管16是以反相的關(guān)系而相互連接的，在圖6中相同的不足仍然存在，如在圖9中的電位圖所見。
與之相對照，本實施例的設(shè)計是使得復(fù)位選擇MOS晶體管16的源極接到復(fù)位MOS晶體管15的柵極，并且經(jīng)過復(fù)位選擇MOS晶體管16的漏極和源極將水平掃描脈沖φHRm加到復(fù)位MOS晶體管15的柵極。因此不論是在噪聲讀出模式還是信號讀出模式中，由于在后級中的CDS電路25被啟動來抑止起因于每個象素復(fù)位柵極的離散性，所以操作不會受到相對于復(fù)位選擇柵極的饋通的有害影響。
圖10是表示應(yīng)用于一維固態(tài)圖象傳感器的本發(fā)明的第二個實施例的結(jié)構(gòu)框圖。
在圖10中，虛線包括的區(qū)域是表示一個單元象素51。該單元象素51包括作為光電轉(zhuǎn)換單元的一個光電二極管52、作為放大單元的放大MOS晶體管53、作為選擇開關(guān)的選擇MOS晶體管54、作為復(fù)位開關(guān)的復(fù)位MOS晶體管55。整個單元象素線性地排列成一維陣列。
在單元象素51中，光電二極管52具有的功能是執(zhí)行入射光的光電轉(zhuǎn)換并存儲由這種轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的信號的電荷。放大MOS晶體管53的柵極接到光電二極管52的陰極，同時放大MOS晶體管53的漏極接到電源(VDD)56。
選擇MOS晶體管54接在放大MOS晶體管53的源極和信號線信號線57之間，而復(fù)位MOS晶體管55接在光電二極管52的陰極和供電線路56之間。復(fù)位MOS晶體管55是由耗盡型晶體管構(gòu)成的。
而且提供掃描電路58用于順序地選擇一維排列的單元象素51。并且從掃描電路58輸出的掃描脈沖φHSm加到選擇MOS晶體管54的柵極，并且復(fù)位脈沖φHRm加到復(fù)位MOS晶體管55的柵極。所以，由于掃描電路58也用作產(chǎn)生復(fù)位脈沖φHRm的復(fù)位電路，所以電路的構(gòu)成被簡化。
在信號線57的輸出端提供簡單配置的CDS電路59，用作提取在復(fù)位前和復(fù)位后之間差的差分電路。和第一實施例中的電路相類似，CDS電路59的構(gòu)成如圖3所示。
現(xiàn)在結(jié)合附圖11的定時圖描述上述結(jié)構(gòu)的放大型固態(tài)圖象傳感器的第二實施例的操作。
首先，放大MOS晶體管53通過光電轉(zhuǎn)換把存儲在光電二極管52中的信號電荷(電子)轉(zhuǎn)換成電荷信號。隨后掃描脈沖φHSm從掃描電路58輸出，選擇MOS晶體管54導(dǎo)通，以便通過信號線57使得信號電流經(jīng)過選擇MOS晶體管54提供到CDS電路59。
緊隨其后，復(fù)位脈沖φHRm從掃描電路58輸出，該脈沖涉及到已經(jīng)輸出信號電流的相關(guān)象素，并隨后加到復(fù)位MOS晶體管55的柵極。由于復(fù)位MOS晶體管55在此時處于導(dǎo)通狀態(tài)，所以將光電二極管52復(fù)位到VDD電平。
從圖11中的定時圖中可以看到，復(fù)位脈沖φHRm是在掃描脈沖φHSm期間(高電平)產(chǎn)生的。所以，在復(fù)位脈沖φHRm消失之后的光電二極管52的電荷(噪聲成分)，即復(fù)位后信號的電荷，由放大MOS晶體管53轉(zhuǎn)換成一個電流，并且該復(fù)位電流通過導(dǎo)通狀態(tài)的選擇MOS晶體管54在信號線57上流通，并在其后將這一復(fù)位電流經(jīng)過信號線57送到CDS電路59。
由于上述的一系列操作，一個信號輸出和復(fù)位輸出是按照下列的形式實現(xiàn)信號輸出→PD復(fù)位→相對于一個單元象素51的噪聲輸出并隨后送到CDS電路59。隨后，根據(jù)這樣的復(fù)位前和復(fù)位后噪聲輸出在CDS電路59中被執(zhí)行相關(guān)的雙重取樣，并因此在原則上消除在放大MOS晶體管53中出現(xiàn)的特性離散。
現(xiàn)在進(jìn)一步描述光電二極管52的操作。如在圖10中所見，復(fù)位MOS晶體管55是由一個耗盡型晶體管構(gòu)成。
在采用增強(qiáng)型晶體管作為復(fù)位MOS晶體管55的情況中出現(xiàn)的問題在于，當(dāng)光電二極管52復(fù)位到VDD的電平時，如果復(fù)位脈沖φHRm在由掃描脈沖φHSm選擇的該狀態(tài)中加到漏極的話，該復(fù)位MOS晶體管55就在其圖4A示出的飽和區(qū)中起作用，以便使得其源極的電位降低到低于漏極電位，并且如果復(fù)位的時間是很短的話，某些電荷將會被剩余而未被去除，因此引起殘余的圖象。
同時，在采用耗盡型晶體管作為復(fù)位MOS晶體管55的情況中，該晶體管工作在圖4B示出的線性區(qū)中，從而使得該源極電位實際上到達(dá)漏極的電位，從而實現(xiàn)完全的復(fù)位而沒有任何的未被去除的電荷。
然后，根據(jù)圖11的定時圖并參考圖12的電位圖描述上述結(jié)構(gòu)的第二實施例中的放大型固態(tài)圖象傳感器的操作。
在信號的讀出模式中(圖11的定時a)，復(fù)位MOS晶體管55沒有導(dǎo)通，以便使得存儲在光電二極管52中的信號電荷由放大MOS晶體管53轉(zhuǎn)換成一個信號電流。
在復(fù)位模式中(圖11中的定時b)，高電平的復(fù)位脈沖φHRm加到復(fù)位MOS晶體管55的柵極，以便使得該復(fù)位MOS晶體管55被導(dǎo)通，將光電二極管52完全復(fù)位到在線性區(qū)域中的VDD電平。
在噪聲電平讀出的模式中(圖11中的定時c)，復(fù)位脈沖φHRm處在其低電平，并且因此使得該復(fù)位MOS晶體管55截止。結(jié)果是該復(fù)位電平由放大MOS晶體管53轉(zhuǎn)換成噪聲電流。同時，在該時間點(圖11中的定時d)開始下一幀的存儲。
在光電二極管52中，耗盡復(fù)位柵極直接地用作橫向溢出勢壘，任何超過該電平的充電電荷都被電源所吸收。該溢出電平對應(yīng)于該復(fù)位MOS晶體管55的柵極電位的低電平。
圖13是表示采用前述的固態(tài)圖象傳感器和驅(qū)動方法的本發(fā)明的一個攝象機(jī)的示范性結(jié)構(gòu)的示意圖。
在圖13中，通過包括有一組透鏡210的光學(xué)系統(tǒng)把來自目標(biāo)場景的入射光聚焦在該固態(tài)圖象傳感器220的平面上。固態(tài)圖象傳感器220具有上述的結(jié)構(gòu)。該圖象傳感器是以前述的方法由驅(qū)動器230所驅(qū)動，該驅(qū)動器包括一個沒有示出的定時產(chǎn)生器。
經(jīng)過各個處理階段，固態(tài)圖象傳感器220的輸出信號在信號處理器240中變成視頻信號。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的其中每一個單元象素都具有放大功能的固態(tài)圖象傳感器，在從每一個單元象素輸出一個象素信號時，該相關(guān)的光電轉(zhuǎn)換單元都被完全地復(fù)位，從而信號成分和噪聲成分能夠被連續(xù)地從這些象素輸出，以便使得通過提取在復(fù)位前和復(fù)位后信號之間的差來抑止固定圖案的噪聲。而且，由于每一個象素的完全的復(fù)位，所以不產(chǎn)生殘留的圖象，并且由于信號重復(fù)和噪聲成分是經(jīng)過從垂直信號線到水平信號線的相同的路徑輸出，所以能夠抑止具有垂直條紋的固定圖案的產(chǎn)生。
盡管本發(fā)明是參考一些最佳的實施例進(jìn)行描述的，但是應(yīng)該懂得，本發(fā)明并不局限于這些實施例的本身，本專業(yè)的技術(shù)人員顯然能夠在不背離本發(fā)明的精神條件下作出各種修改。
因此，本發(fā)明的范圍僅由所附的權(quán)利要求來確定。
權(quán)利要求
1．一種固態(tài)圖象傳感器，包括單元象素，每一個單元象素具有一個光電轉(zhuǎn)換單元，用于把入射光轉(zhuǎn)換成電信號電荷并隨之把這種光電轉(zhuǎn)換所得到的信號電荷進(jìn)行存儲；一個放大單元，用于將存儲在光電轉(zhuǎn)換單元中的信號轉(zhuǎn)換成電信號；和一個選擇開關(guān)，用于將該象素信號有選擇地從該放大單元輸出到一個信號線；和在上述單元象素的每一個中的復(fù)位電路，用于在象素信號每一次從相關(guān)的單元象素輸出時復(fù)位該光電轉(zhuǎn)換單元。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)圖象傳感器，其中上述單元象素是二維排列的，以便形成行和列的矩陣。
3．根據(jù)權(quán)利要求2的固態(tài)圖象傳感器，其中上述單元象素的每一個具有一個用于復(fù)位上述光電轉(zhuǎn)換單元的復(fù)位開關(guān)，和一個用于響應(yīng)來自上述復(fù)位電路的復(fù)位脈沖而對上述復(fù)位開關(guān)進(jìn)行通/斷控制的一個復(fù)位選擇開關(guān)；上述復(fù)位開關(guān)和復(fù)位選擇開關(guān)的每一個都是由耗盡型MOS晶體管構(gòu)成的。
4．根據(jù)權(quán)利要求3的固態(tài)圖象傳感器，其中上述復(fù)位開關(guān)是連接在上述光電轉(zhuǎn)換單元和電源線之間，上述復(fù)位選擇開關(guān)是連接在上述復(fù)位開關(guān)的柵極和加有上述復(fù)位脈沖的復(fù)位線之間。
5．根據(jù)權(quán)利要求2的固態(tài)圖象傳感器，其中上述復(fù)位電路是一個水平掃描電路，用于逐列地選擇上述單元象素的每一個。
6．根據(jù)權(quán)利要求2的固態(tài)圖象傳感器，還包括連接在上述垂直信號線和水平信號線之間的一個水平選擇開關(guān)，用于通過一個共用的路徑把一個復(fù)位前信號和一個復(fù)位后信號從上述復(fù)位電路輸出到上述垂直信號線。
7．根據(jù)權(quán)利要求6的固態(tài)圖象傳感器，還包括一個差分電路，提取從上述水平選擇開關(guān)輸出到上述水平信號線的復(fù)位前信號和復(fù)位后信號之間的差。
8．根據(jù)權(quán)利要求7的固態(tài)圖象傳感器，其中上述差分電路是一個相關(guān)雙重取樣電路。
9．根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)圖象傳感器，其中上述單元象素是線性地排列成一維陣列。
10．根據(jù)權(quán)利要求9的固態(tài)圖象傳感器，其中上述單元象素的每一個具有一個復(fù)位開關(guān)，用于響應(yīng)從上述復(fù)位電路輸出的一個復(fù)位脈沖對于上述光電轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行復(fù)位，并且上述復(fù)位開關(guān)是由耗盡型MOS晶體管構(gòu)成。
11．根據(jù)權(quán)利要求10的固態(tài)圖象傳感器，其中上述復(fù)位開關(guān)是接在上述光電轉(zhuǎn)換單元和一個電源線之間。
12．根據(jù)權(quán)利要求9的固態(tài)圖象傳感器，其中上述復(fù)位電路是一個用于選擇上述單元象素的每一個的掃描電路。
13．根據(jù)權(quán)利要求9的固態(tài)圖象傳感器，其中上述選擇開關(guān)經(jīng)過一個共用的路徑把一個復(fù)位前信號和一個復(fù)位后信號從上述復(fù)位電路輸出到上述信號線。
14．根據(jù)權(quán)利要求13的固態(tài)圖象傳感器，還包括一個差分電路，提取從上述選擇開關(guān)輸出到上述信號線的復(fù)位前信號和復(fù)位后信號之間的差。
15．根據(jù)權(quán)利要求14的固態(tài)圖象傳感器，其中上述差分電路是一個相關(guān)雙重取樣電路。
16．一種用于驅(qū)動固態(tài)圖象傳感器的方法，該固態(tài)圖象傳感器包括多個單元象素，每一個單元象素具有一個光電轉(zhuǎn)換單元，用于把入射光轉(zhuǎn)換成電信號電荷并隨之把這種光電轉(zhuǎn)換所得到的信號電荷進(jìn)行存儲；一個放大單元，用于將存儲在光電轉(zhuǎn)換單元中的信號電荷轉(zhuǎn)換成電信號；和一個選擇開關(guān)，用于將該象素信號有選擇地從該放大單元輸出到一個信號線；以及一個在單元象素的每一個中的復(fù)位電路，用于在象素信號每一次從相關(guān)的單元象素輸出時復(fù)位該光電轉(zhuǎn)換單元；上述方法包括步驟在每一次象素信號從相關(guān)的單元象素輸出時復(fù)位該光電轉(zhuǎn)換單元；傳遞來自每一個單元象素的復(fù)位前信號和復(fù)位后信號并且經(jīng)過一個共同的傳輸路徑傳送這些信號；和提取在復(fù)位前信號和復(fù)位后信號之間的差。
17．一個攝象機(jī)包括一個光學(xué)系統(tǒng)，用于聚焦來自目標(biāo)場景的入射光，以便由此形成一個圖象；一個固態(tài)圖象傳感器包括單元象素，每一個單元象素具有一個光電轉(zhuǎn)換單元，用于把由光學(xué)系統(tǒng)形成的光學(xué)圖象轉(zhuǎn)換成電信號電荷并隨后對于通過這種光電轉(zhuǎn)換得到的信號電荷進(jìn)行存儲；一個用于把存儲在光電轉(zhuǎn)換單元中的信號電荷轉(zhuǎn)換成電信號的放大單元；和一個選擇開關(guān)，用于將該象素信號有選擇地從該放大單元輸出到一個信號線；和一個在單元象素的每一個中的復(fù)位電路，用于在象素信號每一次從相關(guān)的單元象素輸出時復(fù)位該光電轉(zhuǎn)換單元；一個能夠驅(qū)動該固態(tài)圖象傳感器的驅(qū)動器；和一個用于處理該固態(tài)圖象傳感器的輸出信號的信號處理器。
18．根據(jù)權(quán)利要求17的攝象機(jī)，其中上述單元象素是二維排列的，以便形成行和列的矩陣。
19．根據(jù)權(quán)利要求18的攝象機(jī)，其中上述單元象素的每一個具有一個用于復(fù)位上述光電轉(zhuǎn)換單元的復(fù)位開關(guān)，和一個復(fù)位選擇開關(guān)，用于響應(yīng)來自復(fù)位電路的復(fù)位脈沖對上述復(fù)位開關(guān)進(jìn)行通/斷控制。
20．根據(jù)權(quán)利要求19的攝象機(jī)，其中上述復(fù)位開關(guān)和復(fù)位選擇開關(guān)的每一個都是由耗盡型MOS晶體管構(gòu)成的。
21．根據(jù)權(quán)利要求19的攝象機(jī)，其中上述復(fù)位開關(guān)是連接在上述光電轉(zhuǎn)換單元和電源線之間，并且上述復(fù)位選擇開關(guān)是連接在上述復(fù)位開關(guān)的柵極和加有上述復(fù)位脈沖的復(fù)位線之間。
22．根據(jù)權(quán)利要求18的攝象機(jī)，其中上述復(fù)位電路是一個水平掃描電路，用于逐列地選擇上述單元象素的每一個。
23．根據(jù)權(quán)利要求18的攝象機(jī)，還包括連接在上述垂直信號線和水平信號線之間的一個水平選擇開關(guān)，用于通過一個共用的路徑把一個復(fù)位前信號和一個復(fù)位后信號從上述復(fù)位電路傳遞到上述垂直信號線。
24．根據(jù)權(quán)利要求23的攝象機(jī)，還包括一個差分電路，提取從上述水平選擇開關(guān)輸出到上述水平信號線的該復(fù)位前信號和復(fù)位后信號之間的差。
25．根據(jù)權(quán)利要求24的攝象機(jī)，其中上述差分電路是一個相關(guān)雙重取樣電路。
26．根據(jù)權(quán)利要求17的攝象機(jī)，其中上述單元象素是線性地排列成一維陣列。
全文摘要
一種固態(tài)圖象傳感器,包括單元象素,每個單元象素具有一個光電轉(zhuǎn)換單元,用于把入射光轉(zhuǎn)換成電信號電荷并存儲;一個放大單元,用于將信號電荷轉(zhuǎn)換成電信號;和一個選擇開關(guān),用于將該象素信號有選擇地輸出到一個信號線;和在每個單元象素中的復(fù)位電路。在每次象素信號輸出時光電轉(zhuǎn)換單元復(fù)位,使得每一個單元象素發(fā)出復(fù)位前信號和復(fù)位后信號并隨后經(jīng)過共用的路徑傳輸,提取這些信號之差,來不僅抑止每個單元象素中特性偏離引起的固定圖案的噪聲,而且抑止垂直條紋的垂直相關(guān)的固定圖案的噪聲。
文檔編號H04N5/363GK1212567SQ98118380
公開日1999年3月31日 申請日期1998年8月14日 優(yōu)先權(quán)日1997年8月15日
發(fā)明者鈴木亮司, 上野貴久, 鹽野浩一, 米本和也 申請人:索尼株式會社