[发明专利]有源像素图像传感器的控制方法

说明书

在包括光电二极管Dp、记忆节点MN和读出节点SN的有源像素传感器中，设置记忆节点以便在积分时期的终点容纳由光电二极管产生的电荷，从而能够进行全局快门模式的积分以及相关双采样读出，在每个积分时期中，进行至少一次从光电二极管至记忆节点的电荷的转移(A)，随后在积分时期的起点之后，但在积分时期的终点的至记忆节点的电荷的最后一次转移(C)之前，在中间时刻t₁对记忆节点中容纳的电荷的量进行限幅(B)。随后通过相关双采样CDS逐行读出像素。在积分时期期间的伴有在记忆节点的限幅的一次或多次中间转移能够使传感器的动态范围延伸至高亮度环境，同时在低亮度环境中保持良好的敏感度。

技术领域

本发明涉及基于使用MOS技术的有源像素而工作的电子图像传感器。更准确地说，本发明涉及用于控制构成有源像素的各个晶体管的方法。

背景技术

有源像素通常包括光电二极管以及多个MOS晶体管，所述光电二极管将接收的光子转化为电荷，所述MOS晶体管允许控制该电荷的读出以及其至电压的转换。在矩阵阵列式传感器中，对像素的行进行独立的编址，并且由像素输出的电压应用至共用于给定的列的像素的列导体。在列的底部的读出电路使得能够对于每个编址的像素的行采样列上存在的电压。采样储存在读出电路的电容器中。随后通过模数转化器(例如每个像素列一个转化器)将采样转化为数字形式。

使用光电二极管的有源像素通常包括至少四个晶体管：转移晶体管，其用于将电荷从光电二极管转移至被称为读出节点的部分，其为电容式电荷储存节点；读出晶体管，其以电压跟随器的配置而连接，并且其栅极连接至读出节点从而使其源极达到代表该节点的电压的电压；行选择晶体管，其受到行导体控制，以选择像素的完整一行，该选择晶体管使得像素的跟随晶体管的输出能够连接至对应的列导体，并因此连接至列底部的读出电路；以及重置晶体管，其使得读出节点的电势能够重置为参考值。

该有源像素结构能够使用被称为全局快门技术的技术来拍摄图像：在所有像素共用的积分时期内，所有像素积分由光产生的电荷。随后逐行相继读出像素。与被称为卷帘快门技术的积分技术相比，该拍摄技术是有利的，特别是因为其能够在拍摄移动物体的图像时避免失真效应。

在共用积分阶段中的像素控制顺序如下：

-在初始化控制脉冲期间，迫使电荷离开所有光电二极管。脉冲的终点设定光电二极管的积分时期的起点：它们可以再次累积在它们所暴露至的光的作用下产生的电荷。这可以通过在初始化脉冲期间同时接通读出节点的转移晶体管和重置晶体管而实现，电荷随后经由重置晶体管的漏极移除。然而，通常优选使用特定的第五晶体管来重置光电二极管，其源极连接至像素的光电二极管，电荷经由该晶体管的漏极移除。

-在控制脉冲施加至所有转移晶体管的栅极时，所有转移晶体管同时接通：从当前积分时间的起点开始由每个光电二极管累积的电荷转移至相关的读出节点。该转移控制脉冲的终点设定所有像素的积分时期的终点。

在每个积分时期后，可以开始读出像素的阶段。逐行相继读出像素。对于一行中的每个像素，在选择控制脉冲期间，像素的选择晶体管接通，并且在这期间：

-将施加至列导体的信号电平采样至像素的列的底部的读出电路中；随后

-在重置控制脉冲期间接通读出节点的初始化晶体管，并且施加至列导体的参考电平采样至读出电路中。