專利名稱：互補金屬氧化物半導體圖像傳感器和相關的操作方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及一種互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像處理器和相關的操作方法。本發(fā)明更加具體地涉及一種殘像效應減弱的CMOS圖像傳感器及其操作方法。
背景技術：
圖像傳感器可以應用于許多領域中，包括機器視覺應用、機器人、基于衛(wèi)星的儀器、汽車、航海以及導向設備等等。廣義上來講，傳統(tǒng)的圖像傳感器包括形成在半導體襯底上的兩維像素陣列。該像素陣列決定了圖像幀的圖像場。
形成像素陣列的多個像素中的每個像素主要包括光電轉換元件，其能夠根據(jù)被測能(例如，可見光等)的數(shù)量來聚集大量電荷。也就是說，當光子撞擊光電轉換元件的表面時，就會產生自由電荷載流子。這些自由電荷載流子隨后由其中的光電轉換元件收集。通過采用公知技術，收集到的自由電荷載流子在允許對應于收集到的自由電荷載流子量的信號(例如電壓或電流)的傳送的讀出操作中被轉換。然后，來自多個像素的輸出信號的集合可以通過輸出電路發(fā)送出來，用于產生與像幀發(fā)出的被測能相對應的圖像。
具有代表性的傳統(tǒng)圖像傳感器包括電荷耦合裝置(CCD)以及互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器。眾所周知，CCD的噪聲較低并且產生的圖像品質要優(yōu)于CMOS圖像傳感器，但CMOS圖像傳感器更容易操作并且更適用于多種掃描技術。此外，信號處理電路可以和CMOS圖像傳感器一起集成在一個芯片上，由此使合成的產品小型化。而且CMOS圖像傳感器與傳統(tǒng)的CMOS生產工藝的兼容性也使生產成本降低。另外，CMOS圖像傳感器還具有功率消耗相對較小這樣的特點。該特點使得CMOS圖像傳感器對于電池容量有限的產品來說是很理想的選擇。由于具有上述優(yōu)點，傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器已經被廣泛用于商業(yè)產品，諸如具有SVGA(0.5百萬像素)和MEGA(1百萬像素)的顯示設備中。
傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器可以被制成各種特殊的結構，但通常是形成包括四個晶體管和一個光電二極管的結構。該結構一般被稱為“4Tr結構”。其好處是，可以采用傳統(tǒng)的CMOS制造工藝來形成4Tr結構。
具有四個晶體管(4Tr)結構的傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器按照以下方式工作。其中的光電二極管聚集與吸收到的光能總量相對應的電荷。然后電荷傳送元件將聚集的電荷由光電二極管傳送給電荷檢測元件。然后，例如通過由源極跟隨緩沖放大器(source follower buffer amplifier)和恒流源組合而成的放大器接收來自電荷傳送元件的電信號，并輸出相應的輸出信號。
然而不幸的是，在傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器中，自光電二極管至電荷檢測元件的電荷傳送往往效率不高或是進行的不夠充分。在電荷傳送過程之后殘留在光電二極管中的剩余電荷就是所謂的“殘像”。此現(xiàn)像能夠在隨后的讀圖操作中產生錯誤的圖像。另外，殘留電荷還趨于使光電二極管集中(即聚集)電荷的能力降低。并且由于光電二極管與電荷檢測元件之間錯誤的電荷分配，而在隨后的讀圖操作中使光電二極管的轉換增益(即每個光電子產生的電荷量)降低。
為了補救拖延殘像效應所帶來的問題，在過去已經進行了多種嘗試。例如，美國專利6,140,630。在這篇專利文獻中，在CMOS成像器的像素陣列元件中設置了一個或多個專用的電荷泵元件。這種專用的電荷泵元件用于從Vdd中得到過電壓信號。為了接收過電壓信號，像素陣列中的每個像素元件，特別是每個像素元件中的電荷傳遞元件都連接到電荷泵上。不幸的是，這個傳統(tǒng)方法具有一些缺點。例如，專用的并且是特別設置的電荷泵元件及其動力信號裝置增加了像素陣列元件的尺寸和復雜性。當過電壓信號施加給形成像素陣列的各個像素單元中的電荷傳遞元件和其他元件時，其還是一直保持ON。因此，像素單元中的組成元件的大小必須要適于處理過電壓信號。
針對CMOS成像器中的殘像效應所引起的上述問題，希望能有一種更有效(例如，強力較小)的方法。也就是說，希望有這樣一種方法，其不會給CMOS成像器的整體尺寸帶來不利影響，或是由于持續(xù)ON的過電壓信號而危險到其構成元件。

發(fā)明內容
本發(fā)明實施方式中的設備和方法提供了一種殘像效應明顯降低的互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器。
在一種實施方式中，提供了一種CMOS圖像傳感器，其包括具有單位像素行的像素陣列單元，每個單位像素接收電源電壓并且包括電荷傳送元件和行驅動單元，電荷傳送元件被配置成將電荷由光電轉換元件傳送給電荷檢測元件，行驅動單元被配置成給電荷傳送元件提供電荷傳送信號，其中電荷傳送信號僅在電荷傳送周期被其電壓高于電源電壓的升壓信號升壓。
在另一種實施方式中，提供了一種CMOS圖像傳感器的操作方法。該CMOS圖像傳感器包括由接收外部電源電壓的單位像素構成的行列式像素陣列，其中每個單位像素包括光電轉換元件、電荷檢測元件、以及電荷傳送元件。本方法包括收集在光電轉換元件中的電荷，并且在電荷傳送周期將收集到的電荷經電荷傳送元件傳送給電荷檢測元件，并且僅在電荷傳送周期給電荷傳送元件提供比電源電壓高的升壓信號。
在另一種實施方式中，提供了一種CMOS圖像傳感器，其包括接收電源電壓并且具有多個單位像素行的像素陣列單元，每個單位像素包括光電轉換元件、電荷傳送元件、以及電荷檢測元件，每個單元像素行都與給每個單位像素中的電荷傳送元件發(fā)送電荷傳送信號的電荷傳送信號線連接，并且還包括與單位像素行相關的開關部分，其被配置成有選擇地切換高于電源電壓的升壓信號到電荷傳送信號線上。
在另一種實施方式中，提供了一種操作CMOS圖像傳感器的方法。該CMOS圖像傳感器包括由單位像素組成的行列式像素陣列，其接收由外部供給的電源電壓，每個單位像素包括光電轉換元件、電荷檢測元件以及電荷傳送元件。該方法包括根據(jù)經過電荷傳送信號線施加給電荷傳送元件的電荷傳送信號，將電荷由光電轉換元件經由電荷傳送元件而傳送給電荷檢測元件，并且有選擇地切換高于電源電壓的升壓信號到電荷傳送信號線。
在另一種實施方式中，提供了一種CMOS圖像傳感器，其包括接收電源電壓并且包括像素單元行的像素陣列，每個像素單元包括電荷傳送元件、形成升壓充電的升壓電容器、與像素單元行相關的負載電容、以及開關部分，其中電荷傳送部分響應于比電源電壓高的升壓信號，控制從光電轉換元件至電荷檢測元件的電荷傳送，而開關部分配置成分配升壓電容器與負載電容之間的升壓電荷，用以產生至少部分升壓信號。
在另一種實施方式中，提供了一種將在接收電源電壓的光電轉換元件上形成的電荷經由CMOS圖像傳感器中的電荷傳送元件傳送給電荷檢測元件的方法。該方法包括確定升壓電容；確定與電荷傳送元件相關的負載電容；分配升壓電容與負載電容之間的電荷，從而產生比電源電壓高的升壓信號，并且將此升壓信號提供給電荷傳送元件。
在另一種實施方式中，提供一種CMOS圖像傳感器，其包括具有多個單位像素行的像素陣列單元，每個單位像素接收電源電壓，并且包括配置成將電荷從光電轉換元件傳送給電荷檢測元件的電荷傳送元件、配置成提供多個電荷傳送處理信號的驅動信號提供部分，其中每個部分都對應于多個單位像素行中的至少一行、至少一個配置成提供第一電壓信號的升壓部分、以及至少一個開關部分，其配置成接收多個電荷傳送處理信號中的至少一個信號，并且進一步配置成給像素陣列單元中的選定的單位像素行和未選定的單位像素行一起提供第一電壓信號和第二電壓信號，其中第一電壓信號高于第二電壓信號。


下面將參照附圖描述本發(fā)明的示范實施例，在附圖中采用相同的附圖標記表示相同或相似的元件。附圖包括圖1是適于使用CMOS圖像傳感器的傳統(tǒng)主機系統(tǒng)的總結構圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的CMOS圖像傳感器的示范結構圖；圖3是適于用在本發(fā)明一種實施方式中的CMOS圖像傳感器的單位像素的示例電路圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明實施方式的CMOS圖像傳感器的單位像素的示例平面圖；圖5A和5B是闡述根據(jù)本發(fā)明實施方式的CMOS圖像傳感器的電荷傳送元件的選定特性的曲線圖；圖6是闡述根據(jù)本發(fā)明實施方式的CMOS圖像傳感器的升壓部分和開關部分的示范邏輯圖；圖7是進一步闡述圖6所示的示范CMOS圖像傳感器的升壓部分和開關部分的操作時序圖；圖8是闡述根據(jù)本發(fā)明實施方式的CMOS圖像傳感器的升壓部分和開關部分的示范電路圖；
圖9是進一步闡述圖8所示的CMOS圖像傳感器的升壓部分和開關部分的時序圖；圖10是闡述根據(jù)本發(fā)明實施方式的CMOS圖像傳感器的操作時序圖；圖11是根據(jù)本發(fā)明實施方式的CMOS圖像傳感器的示意圖和相關的電位圖；圖12是闡述根據(jù)本發(fā)明另一種實施方式的CMOS圖像傳感器的升壓部分和開關部分的示范電路圖；圖13是闡述根據(jù)本發(fā)明另一種實施方式的CMOS圖像傳感器的升壓部分和開關部分的示范電路圖；圖14是闡述圖13所示的示范CMOS圖像傳感器的操作時序圖；圖15A是闡述根據(jù)本發(fā)明另一種實施方式的CMOS圖像傳感器的局部驅動信號提供部分、升壓部分、以及開關部分的示范電路圖；圖15B是闡述圖15A所示的示范CMOS圖像傳感器的選定輸入的時序圖；圖15C是用于圖15A所示的示范CMOS圖像傳感器的電荷傳送信號的輸出電壓波形圖；圖16是闡述根據(jù)本發(fā)明另一種實施方式的CMOS圖像傳感器的升壓部分和開關部分的示范電路圖；圖17和18是闡述圖16中的示范CMOS圖像傳感器的各種操作的時序圖；和圖19至22是闡述根據(jù)本發(fā)明另外幾種實施方式的CMOS圖像傳感器的升壓部分、開關部分、以及選定的信號連接的各種構造的示范方框圖。
具體實施例方式
下面參照附圖描述本發(fā)明幾種實施方式中的一些特點和優(yōu)點。本發(fā)明可以在包括設備和方法的多種不同的實施方式中實施。這些實施方式的本質和構造可以根據(jù)具體的設計和實施情況而有很大的不同。下面的示范實施方式是教導如何實現(xiàn)并且使用本發(fā)明的實施例。但本發(fā)明的范圍不應該僅被限定為這些教導實施例，而是由所附的權利要求來限定本發(fā)明的范圍。
在整個說明書中，術語“低”和“高”分別指邏輯上的相反信號值或電平(例如，邏輯值“0”或“1”)。這兩個術語并不表示特定的電壓電平或邏輯標準。另外，僅涉及特定實施方式的相對邏輯狀態(tài)。
在描述本發(fā)明的互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器的選定實施例之前，先說明一下其工作環(huán)境。在此認為該圖像傳感器的工作環(huán)境是例如圖1所示的通常的基于處理器的主機系統(tǒng)200。CMOS圖像傳感器(也可以稱為“CMOS成像器”)210一般包括像素陣列單元。CMOS成像器210通過像素陣列單元的操作產生圖像輸出，并且發(fā)送與該圖像輸出相應的電信號。該電信號可以經由系統(tǒng)總線205發(fā)送給中央處理單元(CPU)220和/或存儲器(RAM)240。系統(tǒng)總線205上可以連接一個或多個塊數(shù)據(jù)存儲設備，諸如硬盤驅動器250或連接到端口255(例如，存儲卡槽)的存儲卡、以及一個或多個輸入/輸出(I/O)設備230。
不管具體結構如何變化，CMOS成像器210都是主機系統(tǒng)可以成像的關鍵所在。這樣，由其中的像素陣列單元產生的圖像數(shù)據(jù)信號的質量是整個主機系統(tǒng)性能的重要因素。
圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的示范CMOS圖像傳感器1的結構圖。在圖2中，CMOS圖像傳感器1一般包括像素陣列單元10，行驅動單元20，相關雙重采樣器(Correlated Double Sampler)(CDS)70和模數(shù)轉換器(ADC)80。
像素陣列單元10包括多個布置在行列矩陣中的單位像素。多個單位像素中的每個吸收從像幀中的物體上反射過來的光能，并將吸收到的光能轉換成電信號。在所示的實施例中，像素陣列單元10接收多個驅動信號，包括像素選擇信號ROW，復位信號RST，以及來自行驅動單元20的電荷傳送信號TG。由像素陣列單元10產生的電信號經由垂直信號線12輸入給CDS 70。
行驅動單元20接收時鐘信號以及來自控制器(未示出)的一個或多個控制信號，并且如上所述，給像素陣列單元10提供多個驅動信號。這些驅動信號一起用于控制形成像素陣列單元10的多個單位像素的讀出操作。在一種實施例方式中，通常以行式的方式給矩陣型單位像素陣列輸入驅動信號。
行驅動單元20一般包括驅動信號提供部分30，升壓部分40，以及開關部分50。
驅動信號提供部分30給像素陣列單元10提供像素選擇信號ROW和復位信號RST。驅動信號提供部分30還給開關部分50提供電荷傳送處理信號TGX。
像素選擇信號ROW控制像素陣列單元10中的單位像素元件的選擇。例如，像素選擇信號ROW可以憑藉第i條像素選擇信號線14，選擇相應的位于像素陣列單元10第i行上的一個或多個單位像素元件。
復位信號RST控制像素陣列單元10中的單位像素元件的復位操作。例如，復位信號RST可以憑藉第i條復位信號線16，復位像素陣列單元10第i行中相應的一個或多個元件。
給開關部分50提供電荷傳送處理信號TGX，用于獲得電荷傳送信號TG。電荷傳送信號TG控制像素陣列單元10中的一個多個電荷傳送元件。
升壓部分40將外部提供的電源電壓(例如Vdd)提升至所需的較高電壓。在一種實施方式中，升壓部分40包括升壓電容器，其適于接收來自外部供給電源電壓的電荷，并且響應于升壓控制信號BSTX泵激出更多的電荷以產生升壓信號。術語“升壓”及其派生詞在整篇說明書中用于表示產生或形成其電勢高于外部電源電壓的電壓。在此采用電容性升壓來示例升壓過程，而且本發(fā)明的實施方式僅限于電容性升壓技術和相關的電路。然而在實際中，許多類似的包括數(shù)字量和模擬量的信號處理技術，都可以很容易地用于形成電荷傳送元件使用的升壓信號。
開關部分50接收來自驅動信號提供部分30的電荷傳送處理信號TGX，以及來自升壓部分40的升壓信號，并且有選擇地給像素陣列單元10中的一個或多個電荷傳送元件傳送這兩個信號中的其中一個。
與傳統(tǒng)的升壓電路不同，在圖2中所示的CMOS圖像傳感器產生高于外部供給的電源電壓升壓信號，但并不會一直保持(例如，維持)提升后的電壓。這是由于升壓信號僅基于“需要”的前提才由升壓部分40產生，因此不需要將圖1示范的CMOS圖像傳感器1設計成經受持續(xù)施加的高壓信號。
CDS 70一般借助垂直信號線12接收(例如通過采樣和保持操作)由像素陣列單元10產生的電信號。在所示實施例中，設想CDS 70執(zhí)行傳統(tǒng)的雙重采樣操作-包括在預定的參考電壓電平(此后，稱為“噪聲電平”)的一個采樣，和在通過目標電信號確定的電壓電平(此后，稱為“信號電平”)的另一次采樣，之后輸出表示噪聲電平和信號電平之間的電平差的“差分電平信號”。也可以采用其他形式的采樣操作，但CDS 70一般用于負責抑制由像素陣列單元10中的單位像素以及信號線12的分布特性所導致的固定噪聲電平。也可以選擇使用可編程放大器(圖2中未示出)來接收來自CDS 70的差分電平信號，并且輸出具有適當增益的相應模擬信號。
ADC 80接收來自CDS 70的模擬信號(或是可選地通過放大器)，并且輸出適于提供偏差校正的數(shù)字信號。和傳統(tǒng)方式一樣，輸出數(shù)字信號可以被鎖定在鎖定元件(未示出)內，并且由數(shù)據(jù)選擇元件(未示出)進行進一步處理。然后將傳統(tǒng)的鎖定信號提供給多路元件(未示出)。該多路元件連續(xù)地排列接收到的信號，并將該連續(xù)排列的信號提供給圖像信號處理元件(未示出)。
圖3是適于在根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器的一種實施方式中使用的示例性的單位像素的電路圖。圖4是圖3的示例性的單位像素的俯視示意圖。
一起參照圖3和圖4，CMOS圖像傳感器的示例性的單位像素100包括光電轉換元件110、電荷檢測元件120、電荷傳送元件130、復位元件140、放大元件150、以及選擇元件160。這里使用術語“元件”來泛指單獨的電氣件(或其組合)、雜質擴散區(qū)、電壓節(jié)點、和/或相關的信號線。本領域的普通技術人員可以理解所述“元件”可以有許多具體的實施方式。
光電轉換元件110收集在吸收光能的過程中產生的電荷。光電轉換元件110可以由例如光電二極管、光電晶體管、光柵、和/或針式光電二極管(pinnedphoto diode)(PPD)形成。
在一個實施例中，可以利用浮動擴散區(qū)來形成電荷檢測元件120，但利用其他結構也可以起到相同的作用。電荷檢測元件120利用固有的寄生電容，接收并且聚集收集在光電轉換元件110中的電荷。在所示實施例中，電荷檢測元件120電連接到放大元件150的柵極上，由此控制放大元件150。
電荷傳送元件130控制由光電轉換元件110到電荷檢測元件120的電荷傳送。電荷傳送元件130可以由一個或多個晶體管形成。在所示實施例中，電荷傳送元件130由電荷傳送信號TG控制。
復位元件140周期性地對電荷檢測元件120進行復位。在所示實施例中，形成復位元件140的晶體管的源極與電荷檢測元件120連接，復位元件140的漏極與外部電源電壓(Vdd)連接。在實施例中，使用復位信號RST來驅動復位元件140。
在所示實施例中，放大元件150采用源極跟隨緩沖放大器與外部恒流源發(fā)生器(未示出)相組合的形式。在具體實施方式
中，放大元件150可以響應于電荷檢測元件120接收的電壓，給垂直信號線12輸出可變電壓。在實施例中，放大元件150的源極與選擇元件160的漏極連接，放大元件150的漏極與外部電源電壓(Vdd)連接。
選擇元件160用于選擇有待于以行式方式讀出的單位像素，并且由像素選擇信號ROW驅動。在所示實施例中，形成選擇元件160的晶體管的源極與垂直信號線12連接。
需要注意的是，在所示實施例中，設定與電荷傳送元件130、復位元件140、以及選擇元件160相關聯(lián)的各個驅動信號線(14，16，18)在行方向上延伸至屬于同行單位像素100中的單位像素。
下面參照附圖5A和5B及圖3和4描述升壓部分40提供的升壓信號的其他一些細節(jié)。在相關的一個實施例中，為了避免當光電轉換元件110接收到過量的光能時，出現(xiàn)過流或是所謂的模糊現(xiàn)像(blooming phenomenon)，電荷傳送元件130由閾值電壓較低的增強型晶體管或是耗盡型晶體管形成。也就是說，根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器的一個實施例可以包括利用普通增強型晶體管形成分離的過流路徑。
圖5A示出在所示實施例中施加給電荷傳送元件130的柵極的電荷傳信號TG，與在電荷傳送元件130上產生的相應階躍電勢之間的電壓關系-假設為了當前的說明，可采用閾值電壓較低的增強型晶體管來形成電荷傳送元件130。
帶有這種適當?shù)募僭O，即使給電荷傳送元件130的柵極輸入“低”信號時，也可以通過比電荷傳送元件130的閾值電壓高的預定電壓來形成溝道。該溝道可以使得由光電轉換元件110產生的電荷總量大于將要被部分遷入電荷檢測元件120中的電荷總量。在一個相關實施例中，為了形成溝道區(qū)，在與電荷傳送元件130對應的半導體襯底選定部分的表面內離子注入P+型摻雜物。
參照圖5A，當電荷傳送信號TG為“高”時，傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器的工作使得通過區(qū)域(A)形成與外部提供的電源電壓(Vdd)相關的額定電壓(V)，的。與此相反，根據(jù)本發(fā)明一實施例的CMOS圖像傳感器的工作使得形成較高的電壓(V)，其與在至少一段已定電荷傳送周期內提供的升壓信號(Vh)相關。當然，提供升壓信號(Vh)的時間長短可以根據(jù)CMOS圖像傳感器的設計而有所變化。此處，術語“在至少一段已定電荷傳送周期內”包含至少這樣一個時間段，在該時間段內由升壓部分40給一行或多行像素陣列單元10提供升壓信號(Vh)，和/或這樣一個時間段，其足夠用于使電荷傳送元件130給電荷檢測元件120傳送電荷。例如，可以在0.1-10微秒的時間內提供升壓信號(Vh)。
在一個相關的實施例中，升壓信號(Vh)可以按照比外部供給電壓(Vdd)高的幾個不連續(xù)的電平變化地提升。(對照圖5A所示的相應的TG波形)。由此，可以減小或避免由升壓信號(Vh)的突然應用所引起的壓力。
進一步指出，使用升壓信號(Vh)可以使電荷傳送元件130的電勢高于光電轉換元件110的電勢，其進一步促進了電荷傳送。在一種具體的實施方式中，成功地使用4至5伏的升壓信號。
圖5B進一步示出當采用耗盡型晶體管作為電荷傳送元件130時，電荷傳送元件130柵極上的電荷傳送信號TG與所產生的電勢之間的關系。
再次帶有這種適當?shù)募僭O，使用耗盡型晶體管，即使當電荷傳送元件130處于未激發(fā)狀態(tài)時，也能產生溝道。因此，如前所述，由光電轉換元件110產生的超過預定量的電荷可以通過電荷傳送元件130部分地遷入電荷檢測元件120中。在此，溝道區(qū)也可以這樣形成，在與電荷傳送元件130相對應的半導體襯底的選定表面部分內有選擇地離子注入N-摻雜物。
參照圖5B，傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器的工作使得形成電壓電勢(C)，其與當電荷傳送信號TG為“高”時由外部供給的電源電壓(Vdd)相關。與此相反，根據(jù)本發(fā)明一實施方式的CMOS圖像傳感器的工作使得形成電壓電勢(D)，其與在至少一段已定電荷傳送周期內使用的升壓信號(Vh)相關。
如圖5A所示，升壓信號(Vh)可以按照比外部供給電壓(Vdd)高的幾個不連續(xù)的電平提升。(參照圖5B所示的相應的TG波形)。升壓信號(Vh)的使用可以使得電壓傳送元件130上的電勢高于光電轉換元件110的電勢。
圖6示意性地示出根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的CMOS圖像傳感器的示例性的升壓部分40和開關部分50。圖7是圖6所示的升壓部分40和開關部分50的時序圖。術語“部分”在此處用于泛指一個或多個電路、器件、器件組合、元件、以及元件組合。這些部分可以采用不同的方式實施。
一起參照圖6和圖7，假定電荷傳送信號TG通常施加給屬于像素陣列單元10的相應行的單位像素。在所示實施例中，假定像素陣列單元10包括N行。為了便于闡述，下面僅闡述和說明與選自N行像素陣列單元10中的第i行像素相關的電荷傳送處理信號TGX(i)和相應的電荷傳送信號TG(i)。
參照圖6，驅動信號提供部分30由控制器(未示出)控制，給開關部分50提供電荷傳送處理信號TGX(i)。升壓部分40提升外部供給的電源電壓(Vdd)，并且將升壓信號提供給開關部分50。在所示實施例中，升壓部分40通常給像素陣列單元10中的所有行提供升壓信號。
在所示實施例中，由外部供給的電源電壓(Vdd)對升壓電容器CBST充電，并且響應于升壓控制信號BSTX，對該電容器CBST另外泵激以形成需要量的電荷。當然還可以使用其他的電荷泵浦裝置。下面繼續(xù)所示的實施例，第一開關SW1由預升壓信號BSTP控制。當預升壓信號BSTP為“低”時，第一開關SW1閉合，升壓電容CBST充電。同時，節(jié)點E由外部供給的電源電壓(Vdd)充電，節(jié)點F充電為0V。當預升壓信號BSTP變?yōu)椤案摺睍r，第一開關SW1不斷開。同時，升壓控制信號BSTX變?yōu)椤案摺?，?jié)點F上的電壓轉為外部供給的電源電壓，升壓電容CBST開始泵激充電。通過這種方式，提供升壓信號。
從外部看待接收電荷傳送信號TG(i)時，電荷傳送元件130就像是電容為幾個pF的負載電容CTG(i)。這樣，升壓用電容CBST和負載電容CTG(i)有效地耦合在一起，共同用于充電。一個或多個輸出信號線和負載電容器CTG(i)的組合可以被看成是行驅動單元輸出部分60。
通過由所示實施例得出的上述假設，可以根據(jù)下面的等式1來計算提升電壓(Vbst)Vbst=Vdd*{CBSTCBST+CTG(i)}---(1)]]>在此等式中，負載電容器CTG(i)可以由幾個電容性源形成，包括例如，與電荷傳送信號線的輸出相關的寄生電容，設計的自舉電容，或用于限定所需提升電壓的一些另外設置的離散電容。因此，給出一個指定值Vdd之后，確定所需升高電壓Vbst的過程在一方面可以被理解為是給升壓電容器CBST和負載電容器CTG選擇適當值的過程。在一個相關的方面，該過程還可以被進一步理解為是這樣一個過程，其間CMOS圖像傳感器工作時所使用的固有的控制信號與以上兩個確定出的電容值一起用于僅在限定窗口時間內形成并且分配升壓電容器和負載電容器之間的電荷，其中在該窗口時間內，電荷一般由光電轉換元件110經由電荷傳送元件130傳送給電荷檢測元件120。
例如，當升壓電容器CBST的電容比負載電容器CTG(i)的電容高九倍時，90％由外部供給的電源電壓(Vdd)被提升。當升壓電容器CBST的電容比負載電容器CTG(i)的電容足夠大時，提升電壓(Vbst)成為由外部供給的電源電壓(Vdd)。因而，升壓電容器CBST的電容最好比負載電容器CTG(i)的電容高2至10倍。在幾個有代表性的實施例中，使用電容值為10至20pF的升壓電容器CBST，但本發(fā)明并沒有將電容值限定到此范圍。
開關部分50接收來自驅動信號提供部分30的電荷傳送處理信號TGX(i)，以及來自升壓部分40的升壓信號，然后有選擇地將這兩個信號中的其中一個傳送給電荷傳送元件。在圖6所示的實施例中，電荷傳送處理信號TGX(i)通過第二開關SW2(i)傳送給電荷傳送元件，而升壓信號則經過較高的第三開關SW3(i)傳送給電荷傳送元件。
第二開關SW2(i)和第三開關SW3(i)交替閉合。第二開關SW2(i)和第三開關SW3(i)被預升壓信號BSTP和電荷傳送處理信號TGX(i)的“與”邏輯組合控制。當“與”信號為“低”時，第二開關SW2(i)閉合，而當“與”邏輯信號為“高”時，第三開關SW3(i)閉合。在所示實施例中，電荷傳送信號TGX(i)先變?yōu)椤案摺?，然后預升壓信號BSTP也變?yōu)椤案摺?。這樣，當預升壓信號BSTP轉變?yōu)椤案摺睍r，第三開關SW3(i)閉合。
現(xiàn)在參看圖7的時序圖，進一步描述圖6所示的示范實施例中的升壓部分40和開關部分50的操作。在時刻(t1)，預升壓信號BSTP和升壓控制信號BSTX為“低”，同時電荷傳送處理信號TGX(i)變?yōu)椤案摺?。這樣，第一開關SW1閉合，由此升壓電容器CBST開始充電。同樣在時刻(t1)，由于預升壓信號BSTP和電荷傳送處理信號TGX(i)的“與”信號為“低”，因此第二開關SW2(i)也閉合。這樣，電荷傳送處理信號TGX(i)通過第二開關SW2(i)被傳送給電荷傳送元件130。
在時刻(t2)，預升壓信號BSTP變?yōu)椤案摺?。這樣，第一開關SW1斷開，升壓電容器CBST可以浮動。由于預升壓信號BSTP和電荷傳送處理信號TGX(i)的“與”組合轉變?yōu)椤案摺?，因此第二開關SW2(i)也斷開，但是第三開關SW3(i)仍保持閉合。
在時刻(t3)，升壓控制信號BSTX轉為“高”。因此，升壓電容器CBST開始泵激電荷。提升電壓(Vbst)根據(jù)上面的等式1升高，電荷傳送信號TG(i)也隨之升高為(Vdd+Vbst)。
圖8是根據(jù)本發(fā)明另一種實施方式的CMOS圖像傳感器的升壓部分和開關部分的電路圖，圖9是其時序圖。在圖8中使用相同的附圖標記和/或縮寫形式來表示與圖6相似的構成元件。對這些元件不再進行更加詳細的說明。
參看圖8，升壓部分40仍是提升外部供給的電源電壓(Vdd)，并給開關部分50提供升壓信號。
此處，升壓電容器CBST仍然由外部供給的電源電壓(Vdd)充電。當升壓控制信號BSTX轉為“高”時，升壓電容器CBST泵激電荷，并且給開關部分50提供升壓信號。通過反相的預升壓信號BSTP來控制位于外部供給電源電壓(Vdd)和升壓電容器CBST之間的第一開關SW1。
開關部分50接收來自驅動信號提供部分30的電荷傳送處理信號TGX(i)和來自升壓部分40的升壓信號，并且有選擇地這兩個信號中的其中一個傳送給相應的電荷傳送元件。也即，將電荷傳送處理信號TGX(i)經過第二開關SW2(i)傳送給電荷傳送元件，或將升壓信號經過第三開關SW3(i)傳送給電荷傳送元件。
在第三開關SW3(i)的柵極和源極連接自舉電容器CBS(i)，由此可以使其柵源之間的電勢差保持在預定值。在一個相關的方面中，自舉電容器CBS(i)的電容值足夠用于補償相關元件的寄生電容和結點泄漏(junction leakage)。例如，自舉電容器CBS(i)的電容可以是0.001到0.1pF之間。
當?shù)谒拈_關SW4(i)和第五開關SW5(i)閉合時，由外部供給的電源電壓(Vdd)對自舉電容器CBS(i)充電。第四開關SW4(i)和第五開關SW5(i)受反相的電荷傳送處理信號TGX(i)與預升壓信號BSTP的邏輯“或”組合的控制。
在使用外部供給的電源電壓(Vdd)對自舉電容器CBS(i)充電之前，先在第六開關SW6(i)閉合從而形成對地的放電路徑時，將該電容器放電到0伏。第六開關SW6(i)受反相電荷傳送處理信號TGX(i)的控制。
當?shù)谖彘_關SW5(i)閉合時，自舉阻抗RBS(i)維持節(jié)點I和節(jié)點J之間的電勢差。當?shù)谖彘_關SW5(i)斷開時，節(jié)點I和節(jié)點J具有相同的電勢。
在前述實施例中，考慮到在實施上述各種電路時所涉及到的驅動特性和制作工藝，可以通過傳統(tǒng)的NMOS晶體管電路來形成用于驅動升壓部分40和開關部分50的電路。
下面參照于圖9所示的時序圖，對圖8所示的CMOS圖像傳感器中的升壓部分40和開關部分50工作細節(jié)進行描述。
在(t1)以前的假定時刻，預升壓信號BSTP為“低”，因而第一開關SW1閉合。同時電荷傳送處理信號TGX(i)為“低”，因而第六開關SW6(i)閉合。
在所示實施例中，由于第一開關SW1是NMOS晶體管，因此節(jié)點E充有電壓(Vdd-Vth)。由此，升壓電容器CBST的電壓變?yōu)?Vdd-Vth)。由于第六開關SW6(i)閉合，因此節(jié)點H處的電壓保持為0V。因而第三開關SW3(i)斷開。
由于電荷傳送處理信號TGX(i)和預升壓信號BSTP為“低”，節(jié)點G為“高”。這樣，第二開關SW2(i)閉合，并且電荷傳送信號TG(i)為“低”。
在時刻(t1)，電荷傳送處理信號TGX(i)轉為”高“，第二開關SW2(i)閉合。這樣，電荷傳送信號TG(i)成為(Vdd-Vth)。
這里，第四開關SW4(i)和第五開關SW5(i)閉合，第六開關SW6(i)斷開。這樣，自舉電容器CBS(i)被充入電壓(Vdd-Vth)，節(jié)點H處的電壓變?yōu)?Vdd-Vth)。結果，第三開關SW3(i)閉合。當?shù)谌_關SW3(i)閉合時，節(jié)點E處的電壓(Vdd-Vth)轉移到節(jié)點J。自舉阻抗RBS(i)引起節(jié)點J和節(jié)點I之間的電壓降。因此，節(jié)點J處的電壓成為(Vdd-Vth)，而節(jié)點I上的電壓變?yōu)?V。
在時刻(t2)，預升壓信號BSTP變?yōu)椤案摺?。因而第一開關SW1和第二開關SW2(i)斷開。然而，由于節(jié)點E上的電壓經由第三開關SW3(i)轉移給節(jié)點J，因此電荷傳送信號TG(i)可以保持在(Vdd-Vth)。
同樣在時刻(t2)，第四開關SW4(i)和第五開關SW5(i)斷開。因此，節(jié)點I和節(jié)點J具有相同的電壓，(Vdd-Vth)。當節(jié)點I上的電壓由0V變?yōu)?Vdd-Vth)時，節(jié)點H上的電壓經過自舉電容器CBS(i)的升壓操作而變?yōu)?2Vdd-2Vth)。
在時刻(t3)，升壓控制信號BSTX變?yōu)椤案摺?。因此，升壓電容器CBST泵激電荷。然而，電荷傳送元件在接收電荷傳送信號TG(i)時，從外部上看電荷傳送元件就像是電容為幾個pF的負載電容器CTG(i)。這樣，升壓電容器CBST和負載電容器CTG(i)一起按照上述等式1中所描述的耦合方式充電。在這點上，當升壓電容器CBST泵激電荷時，節(jié)點E處的電壓可以成為(Vbst+Vdd-Vth)。
如果升壓電容器CBST的電容比負載電容器CTG(i)的電容足夠高，可以認為提升電壓Vbst即為外部供給的電源電壓(Vdd)。因而為了充分地使提升電壓Vbst升高，在所選實施例中建議加大升壓電容器CBST的電容。在這些實施方式中，升壓電容器CBST的電容可以比負載電容CTG(i)的電容高2到10倍。
由于第三開關SW3(i)仍然閉合，因此節(jié)點E的電壓轉移到節(jié)點J，并且電荷傳送信號TG(i)成為(Vbst+Vdd-Vth)。然而由于節(jié)點I和節(jié)點J的電壓一起升高，因此經過電容器CBS(i)的升壓作用，使得節(jié)點H的電壓成為(Vbst+2Vdd-2Vth)。
在時刻(t4)，升壓控制信號BSTX轉為“低”。因此，升壓電容器CBST的電壓VCBST又成為(Vdd-Vth)，而且節(jié)點E的電壓也成為(Vdd-Vth)。
此時，第三開關SW3(i)繼續(xù)閉合。因此，節(jié)點E的電壓轉移給節(jié)點J，而電荷傳送信號TG(i)變?yōu)?Vdd-Vth)。由于節(jié)點I的電壓和節(jié)點J的電壓一起下降，因此節(jié)點H的電壓變?yōu)?2Vdd-2Vth)。
在時刻(t5)，預升壓信號BSTP變?yōu)椤暗汀?。因此，第一開關SW1和第二開關SW2(i)閉合。此時，由于第四開關SW4(i)和第五開關SW5(i)閉合，因此節(jié)點H的電壓變?yōu)?Vdd-Vth)，節(jié)點I的電壓變?yōu)?V。
在時刻(t6)，電荷傳送處理信號TGX(i)變?yōu)椤暗汀?。這樣，第四開關SW4(i)和第五開關SW5(i)斷開，第六開關SW6(i)閉合。結果使得自舉電容器CBS(i)放電到0V。同樣在此時，由于節(jié)點H的電壓保持在0V，因此第三開關SW3(i)斷開。
同樣，由于經由第二開關SW2(i)給電荷傳送元件傳送了“低”電荷傳送處理信號TGX(i)。因此電荷傳送信號TG(i)變?yōu)椤暗汀薄?br> 圖10是根據(jù)本發(fā)明另一實施方式的CMOS圖像傳感器的時序圖。圖11是CMOS圖像傳感器的示意圖以及電勢圖，下面將參照圖10對其工作過程進行解釋。在圖11中，電路開始工作前的電勢電平由虛線表示，電路開始工作后的電勢電平由實線表示。
圖10和11中的CMOS圖像傳感器的工作方式和圖2至9所示的使用例如光電二極管這樣的光電轉換元件的實施例相同，下面參照圖10和11描述其他一些細節(jié)。通常，設置在指定像素陣列單元中的所有單位像素通常一起進行電荷匯集。復位信號RST和像素選擇信號ROW是用于每行像素陣列單元中的單位像素的公共信號。也就是說，設定一行中的單位像素接收特定的復位信號和特定的像素選擇信號。
該指定像素陣列單元由N行組成，這些行被順序表示為ROW(1)、......、ROW(i)、ROW(i+1)、......、ROW(N)。為了便于闡述，下面僅以ROW(i)和ROW(i+1)為例來說CMOS圖像傳感器的工作過程。如上所述，通過受控制器(未示出)控制的行驅動單元給像素陣列單元輸入像素選擇信號ROW，復位信號RST，以及電荷傳送信號TG。像素陣列單元接收這幾個信號ROW、RST、以及TG，進行電荷匯集，并且將收集到的電荷傳送給電荷檢測元件。電荷檢測元件進行采樣，諸如對噪聲電平和信號電平的雙重采樣。
參照圖10和11，t1之前的時間對應于目標像素行的未選定狀態(tài)。也就是說，像素選擇信號ROW(i)和ROW(i+1)，復位信號RST(i)和RST(i+1)，以及電荷傳送信號TG(i)和TG(i+1)都為“低”。但由于為了避免當光電轉換元件接受到過量的光能時，即使當電荷傳送元件未被激活時出現(xiàn)過流現(xiàn)像，既然設定教導實施例中包括耗盡型晶體管或閾值電壓(Vth)較低的增強型晶體管來作為電荷傳送元件，那么形成溝道。這樣，所產生的其總量大于預定量的電荷可以通過電荷傳送元件，部分遷入電荷檢測元件中。
在時刻(t1)，當像素選擇信號ROW(i)為“高”時，選擇元件被激活。也就是說，存儲在電荷檢測元件中的電荷準備通過連接在選定單位像素上的垂直信號線進行讀出操作。在時刻(t1)，復位信號RST(i)也變?yōu)椤案摺?，并且電荷檢測元件復位成Vdd?？梢岳斫猱斚袼剡x擇信號ROW(i)變?yōu)椤案摺敝?，復位信號RST(i)可以變?yōu)椤案摺薄?br> 在時刻(t2)，復位信號RST(i)變?yōu)椤暗汀?。當復位信號RST(i)變?yōu)椤暗汀睍r，憑藉垂直信號線讀出每個像素各不相同的偏差電平，例如，噪音電平。雖然沒有示出，但垂直信號線的噪音電平可以通過例如采樣保持脈沖保持在相關的雙重采樣器中(例如參見圖1中的元件70)。
在時刻(t3)，當電荷傳送信號TG(i+1)變?yōu)椤案摺睍r，電荷傳送元件開始工作。換句話說，收集到的電荷從光電轉換元件傳送給電荷檢測元件。由于電荷檢測元件具有寄生電容，因此電荷被累積起來。因此，電荷檢測元件的電勢發(fā)生變化。在這里，電荷傳送元件處于激活狀態(tài)的期間被稱為是“傳送周期”。
在過去，收集在光電轉換元件上的電荷不能完全傳送給電荷檢測元件。留在光電轉換元件上的電荷可能在后續(xù)的讀出操作中表現(xiàn)為殘像，并且可能導致光電轉換元件收集電荷能力減弱。
這樣，在時刻(t4)，電荷傳送信號TG(i)轉變?yōu)楸韧獠抗┙o的電源電壓(Vdd)高的升壓信號。由此，施加給電荷傳送元件的電勢被調節(jié)成高于光電轉換元件的電勢。因此光電轉換元件上的剩余電荷全部被傳送給電荷檢測元件。
在時刻(t5)，電荷傳送信號TG(i)再次變?yōu)椤案摺?。在時刻(t6)，電荷傳送信號TG(i)變?yōu)椤暗汀?。當電荷傳送信號TG(i)變?yōu)椤暗汀睍r，電荷檢測元件中電勢發(fā)生變化，例如信號電平通過垂直信號線被讀出。雖然沒有示出，但垂直信號線12的信號電平通過例如采樣保持脈沖，被保持在相關的雙重采樣器70中。
也就是說，由單個單位像素100分別對噪聲電平和信號電平先后進行采樣。當然，也可以顛倒上面示范的采樣順序。
根據(jù)上述操作，由預先確定的開關來控制噪聲電平和信號電平的輸出。因此，即使使用的溝道相同，理論上也不會產生固定的噪聲電平。此外，由于噪聲電平和信號電平被順序輸出，因此即使在不使用單設存儲器的情況下，也可以通過相關雙重采樣器或類似的差分電路讀出噪聲電平與信號電平之間的電平差。結果是使系統(tǒng)設計和工作得到簡化。
在圖像數(shù)據(jù)被顯示或是由傳統(tǒng)的圖像信號處理元件(未示出)被完全處理的時刻，可以進行幾個后續(xù)過程。例如，可以由相關雙重采樣器輸出噪聲電平和信號電平之間的電平差。因此，避免了由于單位像素和垂直信號線的分布特性引起的固定噪聲電平。此外，相關的模數(shù)轉換器可以接收從雙重采樣器中輸出的模擬信號輸出，并且輸出相應的數(shù)字信號。
在時刻(t7)之后，電荷傳送信號TG(i+1)變?yōu)椤案摺?。第i1行重復與前面的第i行一樣的工作。在該時刻之前，(例如從時刻(t1)至時刻(t7))，未選定像素行TG(i+1)的狀態(tài)特征是其電壓低于施加給選定像素行TG(i)的電壓。
圖12是根據(jù)本發(fā)明另一實施例的CMOS圖像傳感器的升壓部分和開關部分的電路圖。圖12中示出的示范電路在許多方面相似于先前在圖6中示出的電路。因此，省略了對這兩個所示實施例中共有元件的描述。
圖12的電路基本上省略了選擇切換電壓到相應的電荷傳送信號線(例如TG)上的門邏輯(例如雙重AND門)。而采用反相的預升壓信號(BSTP)作為第一開關SW1的控制信號。與升壓控制信號(BSTX)和預升壓信號(BSTP)成同步關系的第一開關SW1的操作將節(jié)點E上形成的提升電壓有選擇地施加于相應的電荷傳送信號線。第一開關SW1可以與單刀雙擲開關組合(SW2和SW3)結合使用，實現(xiàn)在正常情況下施加的電荷傳送處理信號TGX(i)和升壓信號之間進行切換。
圖13是闡述根據(jù)本發(fā)明另一實施例的CMOS圖像傳感器的升壓部分和開關部分的電路圖。圖13中的示范電路在很多方面類似于先前在圖8中所示的電路。圖14是時序圖，其用于闡述在圖13所示電路工作過程出現(xiàn)的各個信號之間的關系。
在圖8和圖13所示的電路中，圖13所示的開關部分50進行了下述方式的改變。首先，在開關部分50中增加控制單元90。在所示實施例中的控制單元90包括連接在Vdd和地之間的第四和第五開關(SW4和SW5)。從這些開關元件的公共接點引入控制單元輸出信號(例如，節(jié)點H上的電壓)。給“與非”門輸入復位信號RST和行選擇信號ROW，其反相輸出施加給第四開關SW4的柵極作為控制信號。反相的行選擇信號施加給第五開關SW5的柵極作為控制信號。
復位信號和行選擇信號同步工作，給第三開關SW3的柵極施加控制單元輸出信號，并且給自舉電容器CBS充電。開關部分50進一步包括在其源極接收電荷傳送處理信號TGX、并且在其柵極接收反相的電荷傳送處理信號的第二開關SW2。第二和第三開關的漏極，以及自舉電容器CBS的一側一起連接(節(jié)點I)到電荷傳送信號線TG上。
圖14示出圖13中的電路的工作過程。在時刻t1，行選擇信號ROW變?yōu)椤案摺?，打開第四開關SW4，閉合第五開關SW5，同時打開第三開關SW3。結果，在節(jié)點H上形成比第四開關SW4的閾值電壓(Vth4)低的電勢Vdd。之后，在時刻t2，復位信號RST變?yōu)椤暗汀?，閉合第四開關SW4。
在時刻t3，預升壓信號BSTP和電荷傳送處理信號TGX變?yōu)椤案摺保纱碎]合第一和第二開關(SW1和SW2)。結果，在節(jié)點H上形成比第一和第四開關的閾值電壓(Vth1和Vth4)低的兩倍于Vdd的電勢，并且在電荷傳送信號TG上形成比第一開關的閾值電壓(Vth1)低的電勢Vdd。
在時刻t4，升壓控制信號BSTX變?yōu)椤案摺?，由此使?jié)點E上的電壓增高為Vdd加上提升電壓Vbst，但其小于第一開關的閾值電壓(Vth1)。該提升電壓使得節(jié)點H上的電勢被提升至兩倍的Vdd再加上提升電壓Vbst，但其小于第一和第四開關的閾值電壓(Vth1和Vth4)，同時電荷傳送信號線TG上的電壓被提升至Vdd再加上提升電壓Vbst，但其小于第一開關的閾值電壓(Vth1)。
在時刻t5，升壓控制信號BSTX、預升壓信號BSTP、以及電荷傳送處理信號TGX全部都變?yōu)椤暗汀保沟霉?jié)點H以及電荷傳送信號線TG上的電壓都返回至各自的未升壓狀態(tài)。
圖15A、15B、15C是相關的附圖。圖15A示出根據(jù)本發(fā)明另一實施例的升壓部分40、開關部分50、以及驅動信號提供部分30的局部。此處，升壓部分40包括連接在升壓控制信號BSTX和Vdd之間的升壓電容器CBST，其由第一開關SW1根據(jù)傳送信號TX(例如，電荷傳送處理信號TGX或是電荷傳送信號TG)的控制進行切換。
在圖15A中還示出了驅動信號提供部分30的示范部分。該部分示出用于產生施加給行驅動單元的開關部分50的偽復位信號TST和偽行選擇信號ROW。在所示實施例中，通過由主定時產生器(未示出)提供的第一主定時信號TGB來獲得復位信號RST。同樣，通過由主定時產生器提供的第二主定時信號GSW來獲得行選擇信號ROW。在一種具體的實施方式中，給驅動信號提供部分30提供1.5V左右“高”標稱電平的第一和第二主定時信號。這樣，每一主定時信號通過相應的延時電路提供給電平移位器(LS1和LS2)。從電平移位器中輸出具有適當延時特性并且“高”標稱電壓增加至2.5V左右的復位信號和行選擇信號，其被提供給開關部分50。
在開關部分50中，給第四開關SW4的柵極和同樣接收復位信號的“與非”門施加反相的行選擇信號。給第三開關SW3的柵極施加復位信號和反相的行選擇信號的“與非”輸出。第三和第四開關(SW3和SW4)連接在Vdd和地之間。該開關組合所引出的輸出施加給第五開關SW5的柵極，并且同時給自舉電容器BSTC的第一側充電。
開關部分50還包括第二開關SW2，其控制電荷傳送信號線TG的電壓，并且被反相的電荷傳送處理信號TGX選通。第五開關SW5連接在上面描述升壓電路40時提到的節(jié)點E和自舉電容器的第二側之間，同時該電容器被連接在電荷傳送信號線TG的輸出上。
結合圖15B所示的施加的輸入信號(BSTX，TX，TGB以及GSW)的時序圖，以及圖15C所示的電荷傳送信號線TG上的輸出電壓曲線圖，可以更好地理解圖15A所示電路的工作。
該實施例按照前述實施例的原則工作，本領域的普通技術人員可以根據(jù)旨在為在電荷傳送信號線TG的輸出節(jié)點K產生提升電壓而輸入的切換信號的操作定時，很容易地理解組成開關的動作。進一步需要注意的是，該經過提升的輸出電壓與先前實施例提供的電壓相同，可以通過選擇升壓電容器的電容值來改變大小。
許多互補CMOS成像器包括快門功能，其可以使主機系統(tǒng)的操作者控制與每個像素元件的光轉換元件(例如光二極管)相關的電荷匯集時間?？扉T功能與例如在老的膠片攝像機上實施曝光設定相似。為了獲得最好的效果，實施快門功能的控制信號應該專門的并且經過選擇的用于各個像素。也就是說，對CMOS成像器的相應行和/或像素應用快門使能信號不應該對提升電荷傳送信號的組電壓產生有害影響。
本發(fā)明的實施例應用于具有快門功能的CMOS成像器，并且能夠給像素陣列單元有選擇地應用快門使能信號，同時不會失去上述的升壓功能。例如圖16中所示的電路，其中將控制單元90調整成接收與行選擇信號邏輯“或”的快門使能信號。
圖16所示的電路在功能方面類似于圖13中所示的電路。通過比較圖17和18中的時序圖可以看出，在不選擇電子快門功能(例如，在圖17中的快門使能“高”)和選擇電子快門功能(例如圖18中的快門使能“低”)之間沒有不利的影響。
圖19至22中的示范電路圖示出了驅動信號提供部分30、升壓部分40、開關部分50、像素陣列單元10、以及相關的控制信號的各種不同構造或設置。
參看圖19，示例的CMOS圖像傳感器包括多個升壓部分40-1，40-2，......，40-M，以及相應的多個開關部分50-1，50-2，......，50-M。在所示實施例中，每個升壓部分和開關部分都對應于由像素陣列單元10中的一百個像素行組成的塊。這僅是可以在根據(jù)本發(fā)明實施例提供的CMOS圖像傳感器的設計中所作的多個相似差別中的一種示例。然而，通過將行驅動單元限定成由像素行陣列組合而成的較小塊，然后由升壓部分和開關部分的相應組合來作用于這些較小塊，可以緩解形成像素陣列單元的許多行線的大量(例如容性負載)寄生效應。
作為對比，圖20所示的構造僅使用一個升壓部分40來給多個開關部分50-1，50-2，......，50-M提供提升電壓。此外，該實施例示出作用于行驅動單元的復位信號、行選擇信號、電荷傳送處理信號、電荷傳送信號之間的一種可能的流程和連接方式。
進一步作為對比，圖21中所示的構造設定分立的相應的多個升壓部分40-1，40-2，......，40-M和多個開關部分50-1，50-2，......，50-M，以及它們與相應的像素行線組的連接。此外，該實施例示出作用于行驅動單元的復位信號、行選擇信號、電荷傳送處理信號、以及電荷傳送信號另一種可能的流程和連接方式。當然，控制信號的連接方式和流程是由對形成各個升壓部分和開關部分的組成電路進行大量測試而決定的。換句話說，作為上面示出的一些細節(jié)，可以使用升壓部分和/或切換部分的不同實施方式來有效地產生所需要的經提升的電荷傳送信號。這些不同的實施方式可以使用一般為了滿足其他原因而在CMOS成像器中出現(xiàn)的具有的各種控制信號來產生這些信號。這樣，系統(tǒng)設計者的電路的選擇決定控制電路到不同的實施例中的升壓部分和開關部分的布置和應用。
進一步作為對比，圖22中所示的結構仍是指定只由一個升壓部分40給多個開關部分50-1，50-2，......，50-M提供提升電壓。然而，在圖中所示作用于行驅動單元的復位信號、行選擇信號、電荷傳送處理信號、電荷傳送信號的另一種流程和連接圖中，還示有驅動信號提供部分30上的快門使能信號。
為了簡化，盡管上述的示范性電路和其操作一致地具有其中用于所有單位像素的信號被獨立讀出的給定的像素獨立讀出模式，但是本發(fā)明并不僅限于這種工作模式。本領域普通技術人員可以理解本發(fā)明可以有效地用于實施用于CMOS成像器的所有常規(guī)已知的工作模式。
此外，雖然用于CMOS圖像傳感器各種實施方式中的示例性的單位像素都使用負電荷載流子以及NMOS晶體管，但本發(fā)明并不限于只能采用這種設計選擇。單位像素也可以設計成使用正電荷載流子和PMOS晶體管來實施。電壓極性也相應地發(fā)生變化。
本領域普通技術人員可以認識到根據(jù)本發(fā)明教導設計的CMOS圖像傳感器可以包括附加的信號處理硬件、聚焦透鏡和/或濾光元件。CMOS圖像傳感器的實施方式適于結合在電器設備的單個模塊中。
本發(fā)明提供的CMOS圖像傳感器的實施方式具有多個優(yōu)點。例如，在電荷傳送周期期間提供給電荷傳送元件的升壓信號有助于電荷從光電轉換元件完全傳送給電荷檢測元件。這樣，可以減少或消除潛在的殘像效應。而且還可以增強光電轉換元件的轉換增益和電荷匯集能力。所形成的圖像傳感器不需要承受高電壓。
其他優(yōu)點在經示范的實施例暗示的許多容易的設計變化和變型中是顯而易見的。這些變化和變型也落入由所附權利要求限定的本發(fā)明的范圍內。
權利要求
1.一種CMOS圖像傳感器，包括像素陣列單元，其包括單位像素行，每個單位像素接收電源電壓并且包括電荷傳送元件，該電荷傳送元件被配置為將電荷由光電轉換元件傳送給電荷檢測元件；和行驅動單元，其被配置成給電荷傳送元件提供電荷傳送信號，其中電荷傳送信號僅在電荷傳送周期被電壓高于電源電壓的升壓信號升高。
2.根據(jù)權利要求1的CMOS圖像傳感器，其中行驅動單元包括驅動信號提供部分，其被配置成提供電荷傳送處理信號；升壓部分，其被配置成提供至少部分升壓信號；和開關部分，其被配置成接收電荷傳送處理信號和升壓信號，并且提供電荷傳送信號。
3.根據(jù)權利要求2的CMOS圖像傳感器，其中升壓部分包括由電源電壓充電的升壓電容器。
4.根據(jù)權利要求3的CMOS圖像傳感器，其中開關部分進一步包括自舉電容器，其被配置成在產生升壓信號期間利用升壓電容器來分配電荷。
5.根據(jù)權利要求2的CMOS圖像傳感器，其中驅動信號提供部分進一步被配置成給單位像素行提供復位信號和行選擇信號，其中復位信號和行選擇信號確定了電荷傳送周期。
6.根據(jù)權利要求2的CMOS圖像傳感器，進一步包括相關雙重采樣器，其被配置成輸出模擬差分信號，該信號表征所確定的與單位像素相關的噪音電平和信號電平之差。
7.根據(jù)權利要求6的CMOS圖像傳感器，進一步包括模數(shù)轉換器，其被配置成將差分電平信號轉換成數(shù)字信號。
8.根據(jù)權利要求2的CMOS圖像傳感器，其中升壓信號給電荷傳送元件提供電勢，該電勢高于施加給光電轉換元件的電勢。
9.根據(jù)權利要求2的CMOS圖像傳感器，其中升壓信號包括階躍電壓信號。
10.根據(jù)權利要求3的CMOS圖像傳感器，其中自舉電容器的電容在大約10到20pF的范圍內。
11.根據(jù)權利要求3的CMOS圖像傳感器，其中自舉電容器的電容要比與電荷傳送元件相關的負載電容器的電容高2到10倍。
12.根據(jù)權利要求4的CMOS圖像傳感器，其中開關部分包括第一開關，其對傳送給電荷傳送元件的電荷傳送處理信號進行選擇；和第二開關，其對將被傳送給電荷傳送元件的升壓信號進行選擇。
13.根據(jù)權利要求12的CMOS圖像傳感器，其中自舉電容器連接在第二開關的柵極和源極之間，由此將柵極和源極之間的電勢差保持在預定電平。
14.根據(jù)權利要求13的CMOS圖像傳感器，其中自舉電容器的電容在0.001到0.1pF的范圍內。
15.一種操作CMOS圖像傳感器的方法，該CMOS圖像傳感器包括單位像素組成的行列式像素陣列，其接收外部供給的電源電壓，其中每個單位像素包括光電轉換元件、電荷檢測元件和電荷傳送元件，該方法包括收集在光電轉換元件中的電荷，并且在電荷傳送期間將收集到的電荷經由電荷傳送元件傳送給電荷檢測元件；和僅在電荷傳送周期期間給電荷傳送元件提供高于電源電壓的升壓信號。
16.根據(jù)權利要求15的方法，其中CMOS圖像傳感器進一步包括提供電荷傳送處理信號的驅動信號提供部分、提供升壓信號的升壓部分、以及開關部分，該方法進一步包括通過操作開關部分，給電荷傳送元件提供電荷傳送處理信號或升壓信號。
17.根據(jù)權利要求16的方法，其中升壓部分進一步包括升壓電容器和用于控制電源電壓到升壓電容器的施加的開關，該方法進一步包括在升壓部分中接收升壓控制信號和預升壓信號，并且確定與升壓控制信號以及預升壓信號有關的電荷傳送周期。
18.根據(jù)權利要求17的方法，進一步包括根據(jù)受預升壓信號控制的開關的定時操作，在升壓電容器上形成電荷；其中升壓信號被確定為至少部分與在升壓電容器上形成的電荷相關。
19.根據(jù)權利要求16的方法，其中驅動信號提供部分進一步提供與像素陣列中的至少一個像素行相關的復位信號和行選擇信號，該方法進一步包括根據(jù)復位信號和行選擇信號來確定電荷傳送周期。
20.一種CMOS圖像傳感器，包括像素陣列單元，其接收電源電壓并且包括多個單位像素行，其中每個單位像素包括光電轉換元件、電荷傳送元件、以及電荷檢測元件，其中每個單位像素行與電荷傳送信號線連接，用于給每個單位像素中的電荷傳送元件發(fā)送電荷傳送信號；和與單位像素行連接的開關部分，并且被配置成有選擇地切換比電源電壓高的升壓信號到電荷傳送信號線。
21.根據(jù)權利要求20的CMOS圖像傳感器，進一步包括升壓部分，其被配置成給開關部分提供升壓信號。
22.根據(jù)權利要求21的CMOS圖像傳感器，其中升壓部分包括升壓電容器，其根據(jù)電源電壓、預升壓信號、以及升壓控制信號的定時施加來形成電荷；其中至少部分地根據(jù)形成的電荷來確定升壓信號。
23.根據(jù)權利要求22的CMOS圖像傳感器，進一步包括驅動信號提供部分，其被配置成給開關部分提供電荷傳送處理信號，使得響應于電荷傳送處理信號有選擇地切換升壓信號到電荷傳送信號線。
24.根據(jù)權利要求23的CMOS圖像傳感器，其中驅動信號提供部分進一步被配置成給單位像素行提供復位信號和行選擇信號；并且其中響應于復位信號和行選擇信號有選擇地切換升壓信號到電荷傳送信號線。
25.根據(jù)權利要求24的CMOS圖像傳感器，其中開關部分進一步包括控制塊，其被配置成接收復位信號和行選擇信號，并且產生控制塊輸出信號，用于控制切換升壓信號到電荷傳送信號線。
26.根據(jù)權利要求25的CMOS圖像傳感器，其中驅動信號提供部分被進一步配置成接收第一和第二主定時信號，并且分別產生復位信號和行選擇信號。
27.根據(jù)權利要求24的CMOS圖像傳感器，其中驅動信號提供部分被進一步配置成給單位像素行和開關部分提供快門使能信號，使得進一步響應于快門使能信號而有選擇地切換升壓信號到電荷傳送信號線。
28.根據(jù)權利要求24的CMOS圖像傳感器，其中開關部分進一步包括自舉電容器，其使用升壓電容器來分配電荷，以至少部分地確定升壓信號。
29.一種操作CMOS圖像傳感器的方法，該CMOS圖像傳感器包括單位像素組成的行列式像素陣列，其接收外部提供的電源電壓，其中每個單位像素包括光電轉換元件、電荷檢測元件、和電荷傳送元件，該方法包括根據(jù)經電荷傳送信號線施加給電荷傳送元件的電荷傳送信號，將電荷從光電轉換元件經由電荷傳送元件而傳送給電荷檢測元件；有選擇地切換比電源電壓高的升壓信號到電荷傳送信號線。
30.根據(jù)權利要求29的方法，其中CMOS圖像傳感器進一步包括提供電荷傳送處理信號的驅動信號提供部分、提供升壓信號的升壓部分、以及開關部分，該方法進一步包括通過操作開關部分，切換電荷傳送處理信號或升壓信號到電荷傳送信號線。
31.根據(jù)權利要求30的方法，其中升壓部分進一步包括升壓電容器和用于控制電源電壓到升壓電容器上施加的開關，該方法進一步包括在升壓部分中接收升壓控制信號和預升壓信號，并且根據(jù)升壓控制信號和預升壓信號，切換升壓信號到電荷傳送信號線。
32.根據(jù)權利要求31的方法，進一步包括根據(jù)受預升壓信號控制的開關的定時操作，在升壓電容器上形成電荷；其中至少部分地根據(jù)升壓電容器上形成的電荷來確定升壓信號。
33.根據(jù)權利要求30的方法，其中驅動信號提供部分進一步提供與像素陣列中的至少一個像素行相關的復位信號和行選擇信號，該方法進一步包括根據(jù)復位信號和行選擇信號，切換升壓信號到電荷傳送信號線上。
34.一種CMOS圖像傳感器，包括接收電源電壓并且包括像素單元行的像素陣列，其中每個像素單元包括電荷傳送元件，其用于響應于比電源電壓高的升壓信號而控制將電荷由光電轉換元件至電荷檢測元件的傳送；形成升壓電荷的升壓電容器；與像素單元行連接的負載電容；和開關單元，其被配置成分配升壓電容器和電容之間的升壓電荷，以便產生至少部分升壓信號。
35.根據(jù)權利要求34的CMOS圖像傳感器，其中升壓電容器響應于升壓控制信號和預升壓信號，由電源電壓進行充電。
36.根據(jù)權利要求34的CMOS圖像傳感器，其中開關部分包括至少部分確定負載電容的自舉電容器。
37.根據(jù)權利要求34的CMOS圖像傳感器，其中自舉電容器的電容在10到20pF的范圍內。
38.根據(jù)權利要求34的CMOS圖像傳感器，其中升壓電容器的電容比負載電容高2到10倍。
39.根據(jù)權利要求36的CMOS圖像傳感器，其中自舉電容器的電容值在0.001到0.1pF的范圍內。
40.一種將在接收電源電壓的光電轉換元件上形成的電荷經CMOS圖像傳感器中的電荷傳送元件，傳送給電荷檢測元件的方法，包括確定升壓用電容；確定電荷傳送元件的負載電容；分配升壓用電容和負載電容之間的電荷，用于產生比電源電壓高的升壓信號；可切換地提供升壓信號到電荷傳送元件。
41.根據(jù)權利要求40的方法，其中僅在電荷傳送周期給電荷傳送元件施加升壓信號。
42.根據(jù)權利要求41的方法，進一步包括提供電荷傳送處理信號，并且確定與電荷傳送處理信號相關的電荷傳送周期。
43.根據(jù)權利要求42的方法，進一步包括另外提供升壓控制信號和預升壓信號，并且進一步確定與升壓控制信號和預升壓信號相關的電荷傳送周期。
44.根據(jù)權利要求42的方法，進一步包括另外提供復位信號和行選擇信號，并且進一步確定與復位信號和行選擇信號相關的電荷傳送周期。
45.根據(jù)權利要求44的方法，進一步包括另外提供快門使能信號，并且進一步確定與快門使能信號相關的電荷傳送周期。
46.根據(jù)權利要求40的方法，其中給電荷傳送元件施加升壓信號包括從像素陣列單元中的多個單位像素行中選擇一個單位像素行；以及切換升壓信號到與電荷傳送元件連接的電荷傳送信號線。
47.根據(jù)權利要求40的方法，其中確定負載電容包括提供自舉電容器。
48.一種CMOS圖像傳感器，包括像素陣列單元，其包括多個單位像素行，每個單位像素接收電源電壓并且包括電荷傳送元件，該電荷傳送元件被配置成將電荷由光電轉換元件傳送給電荷檢測元件；驅動信號提供部分，其被配置成提供多個電荷傳送處理信號，每個信號對應于多個單位像素行中的至少一個；至少一個升壓部分，其被配置成提供第一電壓信號；和至少一個開關部分，其被配置成接收多個電荷傳送處理信號中的至少一個，并且進一步被配置成給像素陣列單元中的選定的單位像素行和未選定的單位像素行一起提供第一電壓信號和第二電壓信號；其中第一電壓信號高于第二電壓信號。
49.根據(jù)權利要求48的CMOS圖像傳感器，其中第一電壓信號是升壓信號。
50.根據(jù)權利要求48的CMOS圖像傳感器，其中多個單位像素行被分組成多個單位像素行組；并且，其中多個單位像素行組中的每一組接收來自相應開關部分的電荷傳送信號。
51.根據(jù)權利要求50的CMOS圖像傳感器，其中相應開關部分中的每一個接收來自相應升壓部分的升壓信號。
52.根據(jù)權利要求48的CMOS圖像傳感器，其中驅動信號提供部分進一步被配置成給每個單位像素行和至少一個開關部分提供復位信號和行選擇信號。
53.根據(jù)權利要求48的CMOS圖像傳感器，其中驅動信號提供部分進一步被配置成給至少一個單位像素行和至少一個開關部分提供快門使能信號。
全文摘要
提供了一種互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器。該CMOS圖像傳感器包括具有矩陣型單位像素陣列的像素陣列單元，每個單位像素包括將在光電轉換元件中收集的電荷傳送給電荷檢測元件的電荷傳送元件。電荷傳送元件還接收比外部電源電壓高的升壓信號。
文檔編號H04N3/15GK1798272SQ20051000349
公開日2006年7月5日 申請日期2005年11月8日 優(yōu)先權日2004年11月8日
發(fā)明者盧宰燮, 南丁鉉 申請人:三星電子株式會社