[发明专利]快速稳定输出线电路、快速稳定方法和成像系统

说明书

本发明涉及一种快速稳定输出线电路、快速稳定方法和成像系统。转移晶体管耦合在光电二极管与浮动扩散之间以将光电二极管中积聚的图像电荷转移到浮动扩散。复位晶体管被耦合成向浮动扩散供应复位浮动扩散电压。源极跟随器晶体管被耦合成从源极跟随器栅极端子接收浮动扩散的电压并将经放大信号提供到源极跟随器源极端子。行选择晶体管被耦合成从源极跟随器源极端子接收经放大信号并将经放大信号输出到位线。受位线使能电压控制的位线使能晶体管耦合到位线与位线源极节点之间的链路。位线耦合到空闲电压产生器、黑太阳电压产生器及钳位电压产生器。这三个电压产生器各自由基于图像传感器像素阵列的虚拟行中的虚拟像素的多个经修改虚拟像素构成。

技术领域

本发明大体来说涉及互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，且具体来说涉及但并非只涉及应用于图像传感器中的光电二极管像素单元及所述光电二极管像素单元的输出线(位线)的装置及方法，所述图像传感器能够在图像信号的读出期间使位线快速稳定以减少固定图案噪声(FPN)并维持供应电源的稳定性。

背景技术

图像传感器已普遍存在。图像传感器广泛用于数字照相机(digital stillcamera)、手机、安全照相机以及医疗、汽车及其他应用中。这些应用中的许多应用需要使用高动态范围(High dynamic range，HDR)图像传感器。人眼一般具有高达约100分贝(dB)的动态范围。对于汽车应用来说，常常需要具有超过100dB动态范围的图像传感器来处理不同的驾驶状况，例如在穿过黑暗的隧道驶入明亮的阳光中时。

HDR图像传感器并非始终正确地执行HDR功能。常见的缺点包括会由固定图案噪声(fixed pattern noise，FPN)导致图像劣化、随机噪声大、与电荷晕染相关联的分辨率降低、存在运动伪影(motion artifact)、灵敏度固定以及在使用多个光电二极管时填充因数(fill factor)较低，其中填充因数是像素的感光面积对像素的总面积的比率。

当使用图像传感器时，多个像素单元中的每一者中的光生电子(photo-generatedelectron)从光电二极管(photodiode，PD)转移到浮动扩散(floating diffusion，FD)以供后续读出。耦合在PD与FD之间的转移(transfer，TX)晶体管在施加到TX栅极端子的电压脉冲的控制下接通及断开以实现这种电荷转移。由于在TX栅极端子与FD之间始终存在耦合电容，因此施加在TX栅极上的脉冲信号始终在很大程度上耦合到FD。这称为TX馈通(TX feed-through)。所述脉冲信号通过源极跟随器(source follower，SF)晶体管及行选择(rowselect，RS)晶体管波动到像素单元的输出线(也称为位线)。这种大的不期望的脉冲的传播是不可避免的，且甚至也会对暗信号(由像素内部的非光生本征电子(non-photo-generated,intrinsic electrons)引起的信号)造成恼人的FPN。对于任何给定的位线来说，由于所述给定的位线连接到列中的所有像素，因此所述给定的位线具有明显的阻容(capacitive and resistive，RC)负载。因此，位线上的任何状态改变均会因这种RC延迟而不可避免地变慢。也就是说，一旦在位线上发生状态改变，便会耗用长的时间才能稳定到重新更新的步长电平(step level)。这受所谓的RC时间常数支配。对于任何给定的输入步长Vin来说，其稳定时间受下式支配：

其中时间常数τ＝RC，且V_0.5LSB是单个位等效电压(single bit equivalentvoltage)值的一半。

解决此问题的其中一种典型解决方案是使用钳位电压产生器来对位线电压进行钳位以限制其摆动。此有助于抑制由接近电压范围的下端的电压所带来的高光带化(high-light-banding)。这个目标是通过不允许位线降到低于钳位电压限值来实现的。结果，这会减少在高光照条件下的FPN。然而，这一解决方案导致电源供应对每一步长电压改变做出反应而引起大的电流变化，此转而会在传感器上引起其他不期望的性能问题。