專利名稱：Cmos圖像傳感器的零直流電流讀出電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
總的來說，本發(fā)明涉及用于掃描儀的CMOS圖像傳感器，具體而言，涉及CMOS圖像傳感器中在讀出過程里不會產(chǎn)生任何直流電流的一種讀出電路。
根據(jù)具體應(yīng)用的情況，CMOS圖像傳感器有各種陣列大小。具有一百萬像素的高分辨率圖像傳感器被用于數(shù)字照相機，而低分辨率的CIF、VGA或者SVGA格式則被用于安全照相機或者PC照相機。在許多應(yīng)用中，像素陣列大小在每行352～1280像素，每列288～1024像素的數(shù)量級上。
對于掃描儀，像素陣列具有完全不同的大小。一般情況下，每一行大約10000個像素。具體而言，多數(shù)掃描儀都被制造成掃描8.5英寸寬的文件。在1200點每英寸(dpi)的分辨率下，需要略多于10000個像素。此外，黑白掃描儀只需要一行像素。但是對于彩色掃描儀，需要三個10000個像素的行，一行用于紅色，一行用于綠色，一行用于藍(lán)色。
從陣列中的每個像素讀出信號的時候，讀出過程中通常都有一個電流。如果要同時讀大量的像素，需要很大的電流。需要的大電流會同時導(dǎo)致電源線出現(xiàn)電壓下降，同時影響圖像傳感器的地線。這樣就會導(dǎo)致非均勻性，縮短圖像傳感器的信號距離。
盡管這是許多圖像傳感器的問題，但是這個問題因為掃描儀中彩色圖像傳感器需要同時讀出30000像素以上而更加復(fù)雜。此外，因為一行中有大量的像素，所以實際的像素陣列大小在2厘米的數(shù)量級上。因此，與其它應(yīng)用中使用的圖像傳感器相比，用作電源和地的金屬線實際上很長。因此，電源和地線上的電壓降是一個問題。
圖2是本發(fā)明另一個實施方案中讀出電路的一個原理圖。
圖3是本發(fā)明再一個實施方案中讀出電路的一個原理圖。
圖4是本發(fā)明另一個實施方案中讀出電路的一個原理圖。
圖5是本發(fā)明再一個實施方案中讀出電路的一個原理圖。
在這個說明中，“一個實施方案”指的是與這個實施方案有關(guān)的某個特點、結(jié)構(gòu)或者特征包括在本發(fā)明的至少一個實施方案里。這樣，這一說明中各個地方出現(xiàn)的術(shù)語“在一個實施方案中”不一定全部指同一個實施方案。除此以外，某些特征、結(jié)構(gòu)或者特征都可以以適當(dāng)?shù)姆绞浇Y(jié)合在一個或者多個實施方案內(nèi)。
如上所述，CMOS圖像傳感器包括形成行和列的像素陣列。對于彩色掃描儀，這個陣列包括三行像素，每個主要色彩一行。這些像素中的每一個都必須用某種方式讀出來。典型情況下，每一列像素都有一個讀出電路，它是本發(fā)明的主要內(nèi)容。在以下描述中，一個像素有一個讀出電路。顯然，整個圖像傳感器需要多個讀出電路。
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圖1，一個有源像素101與一個讀出電路103相連。有源像素101包括一個光電二極管105，一個復(fù)位晶體管107，像素輸出晶體管109和行選擇晶體管111。讀出電路103包括一個預(yù)充電晶體管113，一個保持晶體管115，一個電容器117和一個放大輸出晶體管119。由于在某些解釋中不將行選擇晶體管111明確地看作像素101的一部分，因此行選擇晶體管111也可以被看作讀出電路103的一部分。類似地，像素讀出晶體管109也可以被看作讀出電路103的一部分。
光電二極管連接在地和節(jié)點A處復(fù)位晶體管的源極之間。復(fù)位晶體管107的漏極與電壓VR_reset連接。VR_reset是一個參考電壓，在一個實施方案中它可以是VDD，也可以是比VDD小的另外一個值。復(fù)位晶體管107的柵極用一根復(fù)位信號線控制。復(fù)位晶體管107在復(fù)位信號線的控制下成為一個開關(guān)。
此外，復(fù)位晶體管107的源極(對應(yīng)于光電二極管105的“輸出”)與像素輸出晶體管109的柵極連接。通過這種方式，將像素輸出晶體管109設(shè)計成使得光電二極管輸出的電壓會導(dǎo)致像素輸出晶體管109工作在線性區(qū)。下面將說明它會調(diào)制要輸出的信號的幅度。在一個實施方案中，像素輸出晶體管109是一個PMOS，但是，如同下面的另一個實施方案中將提到的一樣，也可以采用一個NMOS。
像素輸出晶體管109連接在地和行選擇晶體管111的漏極之間。行選擇晶體管111的柵極與一個行選擇(RS)信號線連接。行選擇晶體管111在行選擇信號線的控制之下成為一個開關(guān)。
行選擇晶體管111的源極或者漏極與保持晶體管115的源極或者漏極連接。保持晶體管115的柵極與一根保持信號線連接。保持晶體管115在保持信號線的控制下成為一個開關(guān)。
還有預(yù)充電晶體管113的源極與行選擇晶體管111的源極或者漏極連接。預(yù)充電晶體管113的柵極與一根預(yù)充電信號線連接。預(yù)充電晶體管113在于充電信號線的控制下成為一個開關(guān)。
保持晶體管115的漏極與電容器117的一端連接。電容器117的另一端與地連接。此外，保持晶體管115的漏極與輸出晶體管119的柵極連接。在這種傳統(tǒng)的放大結(jié)構(gòu)中，放大輸出晶體管119被用作放大元件。
在這個實施方案中，讀出電路103以兩個階段的方式工作，一個預(yù)充電階段和一個讀出階段。在預(yù)充電級中，行選擇信號是地電平，導(dǎo)致行選擇晶體管111截止。預(yù)充電信號和保持信號是高電平，導(dǎo)致預(yù)充電晶體管113和保持晶體管115導(dǎo)通。這樣就使得電容器117的電壓是VDD，從而給電容器117充電。電容器充好電以后，預(yù)充電信號和保持信號被置成低電平，導(dǎo)致預(yù)充電晶體管113和保持晶體管115截止。
在讀出的時候，行選擇信號和保持信號是高電平，從而使這些晶體管111和115導(dǎo)通。這就導(dǎo)致電容器117通過流經(jīng)像素讀出晶體管109的電流放電。放電電流隨著時間迅速減小。在預(yù)定長度的一段時間以后，行選擇信號和保持信號被隨后置成低電平，關(guān)閉這些晶體管111和115，結(jié)束這一放電過程。
電容器117的放電速度受到像素輸出晶體管109柵極信號的控制。如果光電二極管105輸出一個高電平，那么對于PMOS晶體管109，像素輸出晶體管109允許的放電電流就最小，從而使電容器117保持高電平。如果光電二極管105輸出一個低電平，那么對于PMOS晶體管109，像素輸出晶體管109允許的放電電流最大，從而使電容器117上的電平最低。通過這種方式，光電二極管105的輸出對電容器117中保存的電荷進行調(diào)制。儲存在電容器117中的電壓被隨后用來控制放大輸出晶體管119。要注意，讀出結(jié)果對電容器C的預(yù)充電電壓值不敏感，只要它一直有，并且在讀出階段的時間是連續(xù)的。
讀出信號以后，用復(fù)位晶體管107給光電二極管105復(fù)位。像素101通過復(fù)位晶體管107的復(fù)位可以在預(yù)充電的時候或者前后進行。注意，復(fù)位晶體管107的操作常常用于讀出信號以后對光電二極管105進行復(fù)位。在現(xiàn)有技術(shù)中的優(yōu)選像素領(lǐng)域里這一過程大家都了解。在復(fù)位過程中，節(jié)點A上的電壓被設(shè)置成VR_reset。光電二極管105經(jīng)歷了積分時間以后，在這個階段里光電二極管105接收光線，節(jié)點A上的電壓按照正比于光接收量而變化。
本發(fā)明有幾個優(yōu)點。首先，因為在讀出過程中沒有任何直流電流，因此功耗較小。計算表明，只需要大約現(xiàn)有技術(shù)功率的10％。
其次，有很好的一致性和很大的信號范圍。在讀出過程中，放電電流流經(jīng)讀出電路。因為外部電源和接地線上沒有任何電流，因此在電源和地線之間沒有電壓降。
一般而言，本發(fā)明用一個電容器在預(yù)充電的時候儲存預(yù)定量的電荷。接下來，在讀出階段，光電二極管上的信號被隨后用來調(diào)整電容器釋放的電荷的電量。在讀出階段的放電以后電容器上剩余的電荷被隨后放大成為信號輸出。
圖1畫出了可能能夠?qū)崿F(xiàn)這一技術(shù)的一種讀出電路結(jié)構(gòu)。但是，應(yīng)該明白，讀出電路還可以有其它結(jié)構(gòu)。例如，圖2畫出了這樣一個在這個實施方案中，通過讓行選擇晶體管111截止，預(yù)充電晶體管113和接地晶體管S1導(dǎo)通，電容器117充電。這樣就將電容器117充到電壓VDD。晶體管117充完電以后，預(yù)放電晶體管113和接地晶體管S1被關(guān)閉。這就使得電容器117上保留初始電壓VDD，但是仍然允許電容器117在讀出的過程中放電。
具體而言，在讀出的過程中，行選擇晶體管111，預(yù)充電晶體管113和晶體管S0導(dǎo)通。這樣就允許電容器117在光電二極管105節(jié)點A上信號的控制下通過像素輸出晶體管109放電。雖然說的是“放電”，但是電荷實際上是被放到(通過像素輸出晶體管109，行選擇晶體管111和晶體管S0)電容器117的一個極板上，以均衡(或者“放電”)電容器117上的電壓。
在一些情況下，不可能在讀出電路中形成一個放電電流路徑。圖3說明這種情況下的一個實施方案。具體而言，圖3基本上與圖2類似，除了節(jié)點B不是與節(jié)點C連接這一點以外。在這種情況下的讀出過程中，外部電源和接地線上有放電電流。雖然放電電流迅速地減小，但是在讀出過程結(jié)束的時候電源和接地線之間仍然有一個很小的電壓降。這樣，這個實施方案不如圖1和圖2所示的方案那么好，但是仍然比現(xiàn)有技術(shù)中的方案好。
在所有這些實施方案中，讀出電路中的電容器都能夠同時充電或者單獨充電。對于同時充電情形，這樣做會導(dǎo)致電源線中電流很大，電壓降也很大。因此，在這個時候不應(yīng)該讀出數(shù)據(jù)。
圖4說明另一個實施方案。在這個實施方案中，電容器首先放電，然后執(zhí)行讀出步驟。盡管大部分元件類似于圖1～3所示的那些，但是布局和工作方式不同。具體而言，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基本上與前面的實施方案中的相同。但是在第一個放電階段，行選擇晶體管111截止，放電晶體管121和保持晶體管115導(dǎo)通。這樣就會導(dǎo)致電容器117放電，使得陽極和陰極之間沒有電壓差(都是同樣的電位VDD)。完成放電以后，放電晶體管121和保持晶體管115截止。
在讀出過程中，行選擇晶體管111和保持晶體管115導(dǎo)通。這就使得電容器通過讓電流流過保持晶體管115、行選擇晶體管111和像素讀出晶體管109到達(dá)地而充電。換句話說，電流流過的時候，與放大輸出晶體管119的柵極連接的電容器極板上的電壓從VDD穩(wěn)定地下降到低電壓。這樣就給電容器117“充電”。
電流大小受到像素輸出晶體管109的柵極上施加的節(jié)點A的信號調(diào)制。這樣，電容器117陽極和陰極之間的電壓差取決于像素輸出晶體管109，它受到節(jié)點A上光電二極管105輸出的信號的調(diào)制。這個信號就這樣儲存在電容器117中，然后通過放大輸出晶體管119輸出。
圖5所示的電路工作方式基本相同。具體而言，在第一個放電階段，行選擇晶體管111截止，放電晶體管121和保持晶體管115導(dǎo)通。這樣就會放掉電容器117中的電，導(dǎo)致陽極和陰極之間沒有任何電壓差(都是地電勢)。放電過程結(jié)束以后，放電晶體管121和保持晶體管115截止。
在讀出階段，行選擇晶體管111和保持晶體管115導(dǎo)通。這就導(dǎo)致電容器通過電流從VDD流經(jīng)保持晶體管115、行選擇晶體管111和像素讀出晶體管109而充電。換句話說，在電流流過的時候，與放大輸出晶體管119柵極連接的電容器極板上的電壓穩(wěn)定地從VDD下降到地電平。這樣就給電容器117“充上了”電。
電流大小受到施加在像素輸出晶體管109的柵極上，節(jié)點A上的信號的調(diào)制。這樣，電容器117陽極和陰極之間的電壓取決于像素輸出晶體管109，受到節(jié)點A上光電二極管105輸出信號的調(diào)制。這個信號就這樣儲存在電容器117上，然后通過放大輸出晶體管119輸出。
在讀出階段結(jié)束的時候，圖4和圖5所示的實施方案在電源和地線之間都產(chǎn)生很小的電流和電壓降。但是，圖4和圖5所示的實施方案都能夠很容易地在讀出電路內(nèi)部構(gòu)成放電路徑。此外，這些實施方案中的放電時間都很短。
雖然已經(jīng)給出了本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，但是顯然可以對本發(fā)明進行各種改變而不會偏離本發(fā)明的實質(zhì)和范圍。例如，雖然描述本發(fā)明的時候采用了光電二極管，但是也可以采用其它類型的光傳感元件，比如光門(photogate)等。此外，描述以上實例的時候利用了p型基底和光電二極管。對于n型基底或者光門傳感器，本發(fā)明同樣能行。
這樣，在讀完以上說明以后，本領(lǐng)域中的技術(shù)人員能夠進行各種改變和替換，而不會偏離這里公開的概念。因此，本發(fā)明的范圍只是由權(quán)利要求及其等價條款加以限制，而不是由這里給出的實施方案加以限制。
權(quán)利要求
1.一種讀出電路，包括在預(yù)充電階段充電充到預(yù)定電壓的一個電容器；在預(yù)充電階段啟動，有選擇地將所述電容器充到預(yù)定電壓的一個預(yù)充電晶體管；和柵極受到光傳感元件輸出信號調(diào)制的一個像素輸出晶體管，該像素輸出晶體管在讀出階段與所述電容器連接，以便有選擇地讓所述電容器放電。
2.權(quán)利要求1的讀出電路，還包括一個放大輸出晶體管，它的柵極與所述電容器連接，從而使讀出階段結(jié)束以后電容器上儲存的電壓調(diào)制所述放大輸出晶體管上的電流。
3.權(quán)利要求1的讀出電路，還包括所述電容器和所述像素輸出晶體管之間的一個行選擇晶體管。
4.一種讀出電路，包括一個電容器；一個放電晶體管，用于在放電階段啟動，從而有選擇地給所述電容器放電；和一個像素輸出晶體管，它的柵極受到光傳感元件輸出信號的調(diào)制，在讀出階段所述像素輸出晶體管與所述電容器連接，從而有選擇地給所述電容器充電。
5.權(quán)利要求4的讀出電路，包括一個放大輸出晶體管，它的柵極與所述電容器連接，從而在讀出階段結(jié)束以后所述電容器上儲存的電壓調(diào)制所述放大輸出晶體管上的電流。
6.權(quán)利要求4的讀出電路，還包括所述電容器和所述像素讀出晶體管之間的一個行選擇晶體管。
7.從像素讀出光信號的一種方法，包括在預(yù)充電階段給一個電容器充電；通過一個像素輸出晶體管給所述電容器放電，所述像素輸出晶體管受到所述光信號的調(diào)制；和將所述電容器保持的電壓作為輸出信號。
8.權(quán)利要求7的方法，還包括通過將所述輸出信號提供給放大輸出晶體管的柵極來放大所述輸出信號。
9.權(quán)利要求7的方法，其中所述電容器的充電過程將所述電容器充到預(yù)定電壓。
10.權(quán)利要求7的方法，其中所述電容器的放電過程要經(jīng)歷預(yù)定長度的一段時間。
11.權(quán)利要求9的方法，其中的光信號通過將所述光信號施加在所述像素輸出晶體管的柵極來調(diào)制所述像素輸出晶體管。
12.從像素讀出光信號的一種方法，包括在預(yù)充電階段將電容器充電充到一個預(yù)定電壓上；用預(yù)定長度的一段時間通過一個像素輸出晶體管給所述電容器放電，所述像素輸出晶體管被施加在所述像素輸出晶體管柵極上的所述光信號調(diào)制；和將所述電容器保持的電壓作為輸出信號。
13.權(quán)利要求12的方法，還包括將所述輸出信號提供給放大輸出晶體管的柵極，從而放大所述輸出信號的步驟。
14.從像素讀出光信號的一種方法，包括給一個電容器放電；用預(yù)先確定長度的一段時間通過一個像素輸出晶體管給所述電容器充電，通過將所述光信號施加在所述像素輸出晶體管的柵極，所述像素輸出晶體管受到所述光信號的調(diào)制；和將所述電容器保持的電壓作為輸出信號。
15.權(quán)利要求14的方法，還包括將所述輸出信號提供給放大輸出晶體管的柵極，從而放大所述輸出信號的步驟。
全文摘要
公開了從像素讀出光信號的一種方法。該方法包括首先在預(yù)充電階段將一個電容器充電到預(yù)定電壓。然后在讀出階段，用預(yù)先確定長度的一段時間通過一個像素輸出晶體管給電容器放電。通過將光信號提供給像素輸出晶體管的柵極，該像素輸出晶體管受到光信號的調(diào)制。最后，將電容器保持的電壓作為輸出信號。
文檔編號H04N3/15GK1417864SQ0215063
公開日2003年5月14日 申請日期2002年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月6日
發(fā)明者T·戴 申請人:全視技術(shù)有限公司