具有主动复位和随机可寻址像素的图像传感器

摘要

本发明公开了一种具有一列或多列像素的成像阵列。每个像素包括：包括第一和第二端子的光电二极管；本地复位电路，用于将第一端子连接到列复位线；和缓冲器电路，用于响应于字选择信号来有选择地将第一端子连接到列位线。每列还包括具有运算放大器和低通滤波器的列复位电路。所述运算放大器具有连接到该列的列位线的第一输入端，和连接到在复位周期期间产生复位信号的复位信号生成器的第二输入端。所述运算放大器的输出在复位周期期间连接到所述列复位线。在一个实施例中，在复位周期期间所述运算放大器的增益和所述低通滤波器的通带都变化。

说明书

技术领域

本发明涉及CMOS图像传感器。

背景技术

原则上，CMOS图像传感器相对于CCD图像传感器具有许多优点。CMOS的产量大大好于CCD制造工艺的产量。此外，用基于CMOS的传感器所能得到的最低噪声水平大大低于用CCD可以得到的。最后，在基于CMOS的图像传感器中存储的图像可以在不破坏图像的情况下被读出。

CMOS传感器遭受到时域噪声。降低时域噪声的方案是本领域所公知的。例如，这里通过引用而结合进来的美国专利6,424,375，描述了一种降低时域噪声影响的主动像素复位系统(active pixel reset system)。然而，该专利中讨论的像素设计要求CMOS像素具有许多额外的部件，这些部件被用来在累积图像之前将光电二极管上的电压复位。此额外的电路增大了像素的尺寸，并因此增加了采用这种设计的成像阵列的成本。

此外，在噪声降低的程度和复位像素所需的时间之间有一个折衷。为了提供高的噪声降低量，复位电路的带宽必须被限制。这增加了光电二极管过渡到复位电势所需的时间。如果增加带宽来提供更短的复位时间，则噪声水平就升高。因此，这种设计无法同时提供短的复位时间和高的噪声降低量。

发明内容

本发明包括具有一列或多列像素的成像阵列。每个像素包括：包括第一和第二端子的光电二极管；本地复位电路，用于将第一端子连接到列复位线；和缓冲器电路，用于响应于字选择信号来有选择地将第一端子连接到列位线。每列还包括具有运算放大器和低通滤波器的列复位电路。所述运算放大器具有连接到该列的列位线的第一输入端，和连接到在复位周期期间产生复位信号的复位信号生成器的第二输入端。所述运算放大器的输出在复位周期期间连接到所述列复位线。在一个实施例中，所述运算放大器具有由增益控制信号确定的增益。在此实施例中所述运算放大器的增益在复位周期期间变化。在此实施例中，所述低通滤波器的通带也在复位周期中变化。优选的低通滤波器包括在复位周期期间连接到所述列复位线的一个或多个电容器。

附图说明

图1是二维成像阵列中一列100个像素的示意图。

图2是二维成像阵列300以及用来运行该成像阵列的像素的复位和解码电路的框图。

具体实施方式

参考图1可以更容易地理解本发明提供优点的方式。图1是二维成像阵列中一列100个像素的示意图。

参考图1，从组织成M列N行的矩形阵列的多个像素，来构造根据本发明一个实施例的成像阵列。图1示出了一列像素。在131和134示出了示例像素。每个像素具有三个部件：光电二极管112、本地复位电路101和输出放大器。输出放大器由晶体管114和116组成。晶体管116被用来有选择地将来自晶体管114的输出耦合到列输出线118，列输出线118被用来将代表光电二极管112上的电势的信号耦合到列输出放大器61。通过相应字线121上的信号来将所选像素连接到输出线118。

本地复位电路101由晶体管122和108以及电容器111组成。虽然电容器111被示为单独的电路部件，但应该注意到在一些实施例中，电容器111可以被晶体管122的寄生电容代替。晶体管122响应于相应复位线上的信号，将晶体管108的栅极耦合到列复位线158。141和151示出了示例的字复位线。在任何给定时间，每列中只有一个像素被耦合到列复位线158。

每列像素还包括列复位电路60，其包括放大器40和电容器30。在图1所示的本发明实施例中，放大器40包括多个并联的运算放大器。41和42示出了示例的放大器。每个放大器包括确定该放大器是“接通”还是“断开”的选通电路(gating circuit)。放大器41和42的选通电路，分别由控制线44和45上的合适的信号控制。类似地，在本实施例中，电容器30由多个并联的电容器构成。31和32示出了示例的电容器。每个电容器具有确定该电容器是否连接到列复位线158的相应的开关。33和34分别示出了与电容器31和32对应的开关。

为了更好地理解基本的复位周期，假定部件放大器和电容器中分别只有一个连接到列复位线158，例如放大器41和电容器31。假定像素134将被复位。复位周期可以被分成两个时间段。在复位周期开始时，通过合上开关50来将列复位线158连接到复位放大器。此外，提升复位线151来将晶体管108的栅极连接到复位线158，并且晶体管108经由复位线152而连接到Vdd。然后放大器41的输出被暂时接地。放大器41随后经由导线43连接到复位信号生成器。在第一时间段期间，运算放大器的反相输入Vr被线性增大到最大电势。当Vr超过光电二极管112上的电势加上晶体管108和114的阈值电压时，光电二极管上的电势类似地增大到某个最大值。在第二时间段期间，将Vr保持恒定在其最大值处。在此时间段光电二极管112上的电势由于晶体管108而增大。这使得被连接到复位线158的放大器41的输出下降，直到其差动输入达到大约相同的电势。复位线158上电势的降低关闭了晶体管108，随后允许光电二极管112上的电势在第二时间段期间过渡。在此第二时间段期间，光电二极管经由晶体管108的栅极到源极的电容而电容性耦合到复位线158。光电二极管112的电容性耦合在放大器41周围形成了反馈回路。此反馈回路被用来降低光电二极管112上的复位噪声。该反馈回路的过渡过程遵循典型的RC时间曲线，因此电容越大，过渡过程时间就越长。

噪声水平，即光电二极管上复位电势的变化还取决于电容器31的值。可以示出，复位值中的噪声近似由下式给出：

噪声＝kTC/(1+Aβ)²+f(带宽)，

其中kT是玻尔兹曼常数乘以绝对温度，C是光电二极管112的电容，A是放大器41的放大系数，β是反馈回路增益，f是复位回路带宽的函数，其随带宽的增大而增大。因此，为了提供最低的噪声，人们希望在使复位回路的带宽最小的同时使放大系数最大。在此例子中复位回路的带宽由电容器31的电容来控制。放大器40的输出电容越大，放大器带宽越小。此外，如果利用大的放大系数来使从以上等式中的第一项产生的噪声最小，则必须使用小的带宽。如上所述，很不幸，光电二极管过渡到复位电势所需的时间也由复位回路的带宽确定，更小的带宽导致过渡过程时间的增加。因此，单个放大器和电容值无法同时提供低的噪声和快的复位时间。

在本发明的一个优选实施例中，通过使用具有在复位周期上随时间变化的放大系数的放大器来克服这个问题。类似地，带宽限制电容也随时间变化。在复位周期开始时，利用小的放大系数和大的带宽，来将光电二极管112上的电势移到接近所需的复位电势的值。一旦复位电势接近于其最终值，就利用更大的放大系数和更小的带宽来降低噪声水平。由于当发生切换时复位电势接近其最终值，所以过渡过程时间并不显著增加，这是因为在降低的带宽处必须适应的电压变化相对较小。

在本实施例中，通过切换所选的放大器和电容器来实现带宽限制电容和放大的变化。如上所述，放大器40包括多个运算放大器。在本发明的这个实施例中，每个运算放大器具有不同的增益。因此，通过在复位周期期间切换所选的放大器，可以有效地改变放大系数。类似地，电容器30实现为多个电容器，这些电容器可以在复位周期的预定点处切换进入复位回路或切换出去。

现在参考图2，其是二维成像阵列300以及用来运行该成像阵列的像素的复位和解码电路的框图。成像阵列300由多列如上参考图1所述构成的像素所构成。这些像素被组织成具有N列和M行的矩形阵列301。在给定行上所有像素被连接到同一字线和字复位线。每列像素具有诸如参考图1所述的一个复位电路。在302示出N列复位电路。在310示出示例的一列像素，并在311示出相应的列复位电路。在312示出示例的行。单个复位信号生成器303为所有列提供复位信号。

一行中的所有像素可以被并行读取和复位。所关注的行由输入到字解码电路305的地址确定。当选择了一行来读取时，N个模拟信号可用来读取，每列一个信号。如果要输出单个像素值，可利用列解码电路304来选择所要的列。在本发明的一个优选实施例中，读出电路包括模数转换器(ADC)，其将模拟值转换成数字值，该数字值从成像阵列输出。但是，也可以采用这样的实施例，其输出模拟电压，该模拟电压在成像阵列外被转换。

或者，读出电路可对每列包括一个ADC。在此情况下，ADC锁存器优选地存储被转换的结果。这些结果随后可按列选择电路304所指定的顺序被读出。

应该注意到本发明很适合于其中仅仅利用阵列中所有像素的子集的应用。例如，在自动数字相机中，相机通过检查图像中像素的子集来设置焦距和曝光。通常参考视场中预定的多个子场中的一个来设置焦距。通常通过测量差不多随机布置在视场中的预定多个像素的光强来设置曝光。

本发明允许每行中的所有像素或像素子集被读出。类似地，任何给定行中的像素的任何子集都可被复位。因此，当需要仅涉及全部像素的子集的一系列测量时，只有那些像素才需要被读取和复位。因为读取和复位整个图像可能需要大量的时间，所以此随机访问特征可显著缩短计算正确的曝光和聚焦所需的时间。

此外，在这种部分读出和复位操作中消耗的功率，大大小于必须读取和复位全部图像的系统中所使用的功率。数字相机一般由电池供电。因此，本发明提供的装置增加了在需要更换电池之前所能拍摄的图像的数量。

从以上说明和附图，对本领域技术人员本发明的各种改进将变得明显。因此，本发明仅仅由所附权利要求的范围来限制。