專利名稱：圖像傳感器和電子信息設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種圖像傳感器和一種電子信息設(shè)備，尤其涉及諸如 曰光等這樣的局部明亮圖像的質(zhì)量的改善。本發(fā)明可應(yīng)用于在諸如攝 影機、數(shù)碼相機等的電子圖像采集設(shè)備中使用的CMOS圖像傳感器的 像素讀取電路。
背景技術(shù)：
圖8是描述常規(guī)圖像傳感器的示圖。該示圖示出了圖像傳感器中 的一個像素和保持從像素讀取的信號值的電路。圖9是描述常規(guī)圖像 傳感器的操作的時序圖。
如圖8所示，例如，組成常規(guī)圖像傳感器20的像素200包括光 電二極管PD，它是用于將光轉(zhuǎn)換成電子的光電轉(zhuǎn)換元件；復(fù)位晶體管 Ml，用于將其陰極電勢復(fù)位到復(fù)位電壓；讀取晶體管M2，用于放大 并讀取在光電二極管PD產(chǎn)生的光電轉(zhuǎn)換信號，并且將其作為像素電壓 讀??；以及選擇晶體管M3，用于選擇像素。
在該圖像傳感器中，多個這種像素200以矩陣布置，并且為每一 個像素列設(shè)置讀取線202。 一個像素列的所有像素與讀取線202相連， 且每個讀取線202與一個恒流源203相連。
此外，取樣和保持電路210被連接到每個讀取線202，且該取樣和 保持電路210保持被讀取到讀取線202的像素電壓，該像素電壓對應(yīng) 于光電二極管的陰極電勢。
復(fù)位時，復(fù)位噪聲被疊加在該陰極電勢上。這種復(fù)位噪聲對于每 一個像素而言是不同的，這是因為它依賴于晶體管特性的離差和像素 中的寄生電容的離差。在此，為了去除該復(fù)位噪聲，相關(guān)雙取樣電路被用于取樣和保持電路210。該相關(guān)雙取樣電路分別保持作為每個像素
壓，并基于這些電壓的電壓差檢測每個像素的像素信號。 ' 接下來，描述其操作。
首先，當像素選擇信號(SEL)處于H電平時，選擇晶體管M3 導(dǎo)通且預(yù)定的像素200被選擇。
然后，在復(fù)位時間周期T1中實現(xiàn)第一復(fù)位操作。即，通過處于H 電平的復(fù)位(RST)信號和導(dǎo)通的復(fù)位晶體管Ml，讀取晶體管M2的 柵極通過復(fù)位電壓充電，讀取晶體管M2導(dǎo)通，且讀取線202變成復(fù)位 電勢。確切地說，盡管復(fù)位電勢(即，當復(fù)位晶體管導(dǎo)通時讀取晶體 管的柵極電勢)處于比復(fù)位晶體管Ml的閾值電壓低一個量的電勢， 但在像素的操作描述中，在不需要將兩者具體區(qū)分的部分中仍將所述 復(fù)位電勢稱為是VD電壓。
在此后的積分時間周期T2中，RST信號處于L電平，且復(fù)位晶體 管截止。因而，由于光電二極管PD產(chǎn)生的電荷，讀取晶體管M2的柵 極201的電勢逐漸減小，且被讀取到讀取線202的像素電壓也逐漸減 小。
相關(guān)雙取樣電路210取樣和保持被讀取到讀取線202的像素電壓 Vs作為積分時間周期T2結(jié)束之前的信號電壓。
在時間周期T3中實現(xiàn)第二復(fù)位操作之后，在比積分時間周期T2 短的復(fù)位電平讀取時間周期T4內(nèi)，相關(guān)雙取樣電路210取樣和保持被 讀取到讀取線202的像素電壓VD，作為復(fù)位電壓。
取樣和保持電路輸出在第 一復(fù)位操作之后的積分時間周期T2取樣 和保持的信號電壓Vs和在第二復(fù)位操作之后在短時間周期T4內(nèi)取樣 和保持的復(fù)位電壓VD，之間的電壓差作為像素信號，該像素信號是在 該像素檢測的光檢測信號。
以這種方式，通過輸出兩個取樣和保持電壓之間的差，從自像素 讀取的像素信號中去除復(fù)位噪聲。
然而，當在采集的圖像中局部存在具有諸如日光等之類的亮度(和 周圍圖像相比具有極高的亮度)的區(qū)域等，使用與之對應(yīng)的像素，光 電二極管產(chǎn)生的光電轉(zhuǎn)換電流變得極大。因此如圖9(b)所示，在第二 復(fù)位操作之后的復(fù)位噪聲讀取時間周期T4中，其陰極電勢急劇減小。因此，這兩個取樣和保持電壓之間的電壓差變得很小。即，最初， 在具有諸如日光等之類的高亮度的區(qū)域，期望待檢測的像素信號電平 處于最大值。然而，因為復(fù)位噪聲讀取時間周期中讀取的復(fù)位噪聲變 得太大，像素信號電平不能如期獲得。因而，獲得的輸出圖像是具有
極低日光亮度的圖像。在極端情況，如圖12(a)所示，太陽變成黑色圖 像Iml。
在該常規(guī)圖像傳感器中，研究了一種用于改善具有局部高亮度的 圖像的質(zhì)量的方法。例如，參考文獻l公開了一個示例。
圖IO是描述該參考文獻中公開的一種圖像傳感器的示圖。在圖10 中，相同的參考數(shù)字表示圖8中的相同的部件。
圖像傳感器20a包括插入到如圖8所示的常規(guī)圖像傳感器20的讀 取線202和相關(guān)雙取樣電路210之間的控制電路204。圖像傳感器20a 控制，使得在復(fù)位噪聲讀取時間周期T4中，從讀取線202供給到相關(guān) 雙取樣和保持電路210的電勢不會變得比預(yù)定閾值Vth低。
控制電路204包括二輸入OR電路207，用于輸入使能(EN ) 信號和來自讀取線202的信號；反相器INV，用于反轉(zhuǎn)OR電路207 的輸出；傳輸晶體管M40，連接在讀取線202和相關(guān)雙取樣電路210 之間，其中OR電路207的輸出被輸入到柵極；以及上拉晶體管M50， 用于將相關(guān)雙取樣電路210的輸入固定在VD電壓，其中柵極被連接到 反相器INV的輸出。
在該圖像傳感器20a中，在信號讀取(時間周期T2)過程中，輸 入到控制電路204中的OR電路207的EN信號被固定在H電平。此 時，因為OR電路207的輸出205總是處于H電平，連接在讀取線202 和控制電路204的輸出信號206之間的傳輸晶體管M40處于ON狀態(tài)。
此時，因為控制電路204中的反相器INV的輸入信號205處于H 電平，該反相器INV的輸出信號處于L電平。因而，用于控制電路204 的輸出信號206的上拉晶體管M50的柵極處于L電平，且上拉晶體管 M50處于OFF狀態(tài)。
因此，讀取線202的電壓電平通過控制電路204被傳輸?shù)较嚓P(guān)雙 取樣電路210。
接下來，在復(fù)位電平讀取(時間周期T4)過程中，在圖像傳感器 20a中，被輸入到控制電路204中的OR電路207的EN信號被固定在L電平。當圖像包括具有諸如太陽和燈泡之類的局部高亮度圖像時， 作為OR電路的另 一輸入信號的讀取線202的電壓可以變得比OR電路 的閾值低。此時，因為OR電路的輸出205處于L電平，連接在讀取 線202和控制電路204的輸出信號206之間的傳輸晶體管M40處于 OFF狀態(tài)。
此時，因為控制電路204中的反相器INV的輸入信號205處于L 電平，該反相器INV的輸出信號處于H電平。用于控制電路204的輸 出信號206的上拉晶體管M50的柵極處于H電平，且上拉晶體管M50 處于ON狀態(tài)。因此，控制電路204的輸出信號206被保持在VD電壓。
圖11是描述當圖10所示的圖像傳感器接收強光(在高亮度過程 中)時的具體電路操作的時序圖。圖ll示出了在高亮度過程中的像素 信號讀取操作和在高亮度過程中的復(fù)位信號讀取操作。在此，示出了 像素200被選擇的狀態(tài)，且選擇像素200的SEL信號處于H電平。
描述高亮度過程中像素信號讀取操作。
在第一復(fù)位時間周期T1， RST信號處于H電平。圖10中所示的 復(fù)位晶體管M1導(dǎo)通，讀取晶體管M2的柵極201處于VD電壓。因為 SEL信號處于H電平，選擇晶體管M3處于ON狀態(tài)。因此，讀取線 202的電平處于VD電壓。
此時，因為圖11所示的EN信號處于H電平，控制電路204中的 OR電路輸出205處于H電平，且傳輸晶體管M40處于ON狀態(tài)。因 而，讀取線202的VD電壓被傳輸?shù)娇刂齐娐?04的輸出206。因此， 如圖11所示，控制電路204的輸出206處于VD電壓。
接下來，在積分時間周期T2中，因為RST信號處于L電平，復(fù) 位晶體管M1截止，因此，由于光電二極管產(chǎn)生的電流以及復(fù)位噪聲， 讀取晶體管M2的柵極201處的電壓減小。在高亮度過程中，讀取晶體 管M2的柵極201處于或低于讀取晶體管M2的閾值電壓，且讀取晶體 管M2截止。
此時，因為沒有從像素200向恒流源203供給的更多的電流，讀 取線202處于最小電壓，且控制電路204的輸出206也處于最小電壓。 在相關(guān)雙取樣和保持電路210，該最小電勢作為積分時間周期T2中的 信號電勢被保持。
描述高亮度過程中復(fù)位操作。在第二復(fù)位時間周期T3， RST信號再次處于H電平。類似于第一 復(fù)位時間周期Tl,讀取晶體管M2的柵極201處于VD電壓。
接下來，當RST信號處于L電平時，復(fù)位讀取時間周期T4開始。 在該時間周期中，由于復(fù)位噪聲和亮度信號即圖IO所示的光電二極管 產(chǎn)生的電流的影響，圖10中所示的像素200中的讀取晶體管M2的柵 極201處的電壓減小。在高亮度過程中，類似于積分時間周期T2，讀 取晶體管M2的柵極201處于或低于讀取晶體管M2的閣值，且讀取晶 體管M2截止。因此，讀取線202被降低到最小電壓。
然后，在用于檢測復(fù)位信號的時間中，被輸入到控制電路204的 EN信號處于L電平。因此，當讀取線202的電壓處于或低于控制電路 204中的OR電路的閾值電壓Vth時，因為另 一輸入信號EN處于L電 平，控制電路204中的OR電路輸出205處于L電平。因為該OR電 路輸出205是傳輸晶體管M40的柵極信號，傳輸晶體管M40截止。具 有OR電路輸出205作為輸入的反相器INV的輸出處于H電平。通過 導(dǎo)通的上拉晶體管M50,控制電路204的輸出信號206處于VD電壓。
該VD電壓被相關(guān)雙取樣電路210保持，這是在復(fù)位讀取時間周期 T4內(nèi)在EN信號處于H電平之前在控制電路204之后的步驟。
以這種方式，在相關(guān)雙取樣電路210檢測作為在時間周期T2中產(chǎn) 生的輸出信號206的信號電壓(最小電壓)和作為在時間周期T4中產(chǎn) 生的輸出信號206的復(fù)位電壓(VD電壓)之間的差異，且在高亮度過 程中輸出像素信號。
參考文獻1:日本特許公開No.2004-112740。
發(fā)明內(nèi)容
如上所述，存在這樣的情況其中當通過圖像傳感器采集諸如太 陽和燈泡之類的高亮度物體時假定是白色的物體變成了黑色。然而， 這是具有相關(guān)雙取樣電路的圖像傳感器導(dǎo)致的典型問題，該相關(guān)雙取 樣電路輸出復(fù)位電壓和信號電壓之間的差作為光檢測信號(像素信 號)。
這是因為強光被入射到組成像素的晶體管上，且復(fù)位電壓在讀取 過程中突然下降。
由于讀取過程中復(fù)位電壓的這種突然下降，信號電壓和復(fù)位電壓之間的差變得很小，且如圖12(a)所示，發(fā)生高亮度物體變黑的現(xiàn)象。
盡管上述參考文件中描述的技術(shù)用于改善這些問題，在該參考文 件的技術(shù)中，被添加到每個讀取線的控制電路204具有IO個晶體管元 件。當為每個讀取線添加該控制電路時，導(dǎo)致芯片尺寸的增加。即， 控制電路包括組成OR電路207的六個晶體管、組成反相器INV的兩 個晶體管和晶體管M40和M50。
盡管控制電路204檢測由于高亮度變黑現(xiàn)象導(dǎo)致的復(fù)位電壓降的 問題，與檢測復(fù)位電壓中的下降有關(guān)的閾值可能依賴于控制電路204 中組成OR電路的晶體管的特性等的制造離差而發(fā)生離差。例如，當 不實際的顏色的離差出現(xiàn)時，發(fā)生諸如太陽的一部分是灰色且太陽的 另 一部分是紅色這樣的問題。
本發(fā)明旨在解決上述常規(guī)問題。本發(fā)明的目的是獲得一種圖像傳 感器和使用這種圖像傳感器的電子信息設(shè)備，這種圖像傳感器能夠在 抑制芯片尺寸增加和高亮度物體的自然顏色的離差的同時，避免高亮 度物體變黑的現(xiàn)象。
根據(jù)本發(fā)明的圖像傳感器包括以矩陣布置的多個像素，該圖像傳 感器基于作為每個像素的參考電壓的復(fù)位電壓和在每個像素通過光電 轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的信號電壓之間的電壓差檢測每個像素的像素信號，該圖像 傳感器包括為每個像素列設(shè)置的多個讀取線，其中復(fù)位電壓和信號 電壓從相應(yīng)的像素列的像素讀??；以及為每個讀取線設(shè)置的復(fù)位電流 源部分，其中當從像素讀取復(fù)位電壓時，在從像素向讀取線供給第一 復(fù)位電流的同時，該復(fù)位電流源部分向讀取線供給第二復(fù)位電流，使 得第一復(fù)位電流和第二復(fù)位電流的總和恒定，由此獲得上述目的。
優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的圖像傳感器中，所述像素包括第一讀 取晶體管，用于通過在用于讀取復(fù)位電壓的時間周期中向柵極施加復(fù) 位電壓，向讀取線供給第一復(fù)位電流，并用于通過在用于讀取信號電 壓的時間周期中向柵極施加信號電壓，向讀取線供給對應(yīng)于該信號電 壓的像素電流；以及復(fù)位電流源部分，該部分包括第二讀取晶體管， 用于通過在用于讀取復(fù)位電壓的時間周期中向柵極施加復(fù)位電壓，向 讀取線供給第二復(fù)位電流。
優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的圖像傳感器中，組成復(fù)位電流源部分的 第二讀取晶體管的柵極長度比組成像素的第一讀取晶體管的柵極長度長。
優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的圖像傳感器中，所述復(fù)位電流源部分包
括復(fù)位電流源電路，該電路包括串聯(lián)連接在源電壓和讀取線之間的 多個晶體管，其中串聯(lián)連接的多個晶體管其中至少一個被控制，以在 用于讀取該復(fù)位電壓的時間周期中處于導(dǎo)通狀態(tài)；以及連接在讀取線
和接地電壓之間的恒流源。
優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的圖像傳感器中，所述復(fù)位電流源電路包 括串聯(lián)連接在源電壓和讀取線之間的兩個晶體管；源電壓被供給到串 聯(lián)連接的兩個晶體管的源電壓端的晶體管的柵極；并且控制信號被供 給到串聯(lián)連接的兩個晶體管的讀取線端的晶體管的柵極。
優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的圖像傳感器中，所述復(fù)位電流源電路包 括串聯(lián)連接在源電壓和讀取線之間的兩個晶體管；并且控制信號被供 給到串聯(lián)連接的兩個晶體管的柵極.
優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的圖像傳感器中，所述復(fù)位電流源電路包 括串聯(lián)連接在源電壓和讀取線之間的兩個晶體管；復(fù)位電壓被供給到 串聯(lián)連接的兩個晶體管的讀取線端的晶體管的柵極；并且控制信號被 供給到串聯(lián)連接的兩個晶體管的源電壓端的晶體管的柵極。
優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的圖像傳感器中，所述復(fù)位電流源電路包 括連接在源電壓和讀取線之間的單個晶體管；控制信號被供給到該單 個晶體管的柵極。
優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的圖像傳感器中，所述像素包括光電二 極管，用于執(zhí)行光電轉(zhuǎn)換；選擇晶體管，用于選擇像素；讀取晶體管， 連接在所述選擇晶體管和復(fù)位電壓之間，該讀取晶體管用于讀取在光 電二極管通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電荷的電平；復(fù)位晶體管，用于控制讀 取晶體管，使得該讀取晶體管輸出復(fù)位電壓；以及傳輸晶體管，用于 將在光電二極管通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電荷電平傳輸?shù)阶x取晶體管，其 中在選擇的像素中，在讀取復(fù)位電壓之后，讀取通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的 信號電壓。
優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的圖像傳感器中，所述復(fù)位電流源電流是 位于陰影區(qū)域中的偽像素，其中該偽像素包括光電二極管，用于實 現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換；選擇晶體管，用于在讀取復(fù)位電壓的周期中選擇該偽像 素；讀取晶體管，連接在所述選擇晶體管和源電壓之間，該讀取晶體管用于讀取在偽像素產(chǎn)生的電荷的電平；復(fù)位晶體管，用于總是供給 復(fù)位電壓到讀取晶體管的柵極；以及傳輸晶體管，連接在光電二極管
和讀取晶體管之間，其中柵極電壓被固定在晶體管的截止電壓。 優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的圖像傳感器中，所述復(fù)位電流源電流是
位于陰影區(qū)域中的偽像素，其中該偽像素包括選擇晶體管，用于在 讀取復(fù)位電壓的周期中選擇該偽像素；讀取晶體管，連接在所述選擇 晶體管和源電壓之間，該讀取晶體管用于讀取在偽像素產(chǎn)生的電荷的 電平；以及復(fù)位晶體管，用于總是供給復(fù)位電壓到讀取晶體管的柵極。
優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的圖像傳感器中，所述像素包括光電二 極管，用于實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換；選擇晶體管，用于選擇像素；讀取晶體管， 連接在所述選擇晶體管和源電壓之間，該讀取晶體管用于讀取在光電 二極管通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電荷的電平；以及復(fù)位晶體管，用于控制 讀取晶體管，使得該讀取晶體管輸出復(fù)位電壓，其中在選擇的像素中， 在讀取了通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的信號電壓之后，讀取所述復(fù)位電壓。
優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的圖像傳感器中，所述復(fù)位電流源電流是 位于陰影區(qū)域中的偽像素，其中該偽像素包括光電二極管，用于實 現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換；選擇晶體管，用于在讀取復(fù)位電壓的周期中選擇該偽像 素；讀取晶體管，連接在所述選擇晶體管和源電壓之間，該讀取晶體
管用于讀取在該偽像素產(chǎn)生的電荷的電平；以及復(fù)位晶體管，用于總 是供給復(fù)位電壓到讀取晶體管的柵極。
優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的圖像傳感器中，所述復(fù)位電流源電流是 位于陰影區(qū)域中的偽像素，其中該偽像素包括選擇晶體管，用于在 讀取復(fù)位電壓的周期中選擇該偽像素；讀取晶體管，連接在所述選擇 晶體管和源電壓之間，該讀取晶體管用于讀取在該偽像素產(chǎn)生的電荷 的電平；以及復(fù)位晶體管，用于總是供給復(fù)位電壓到讀取晶體管的柵 極。
根據(jù)本發(fā)明的電子信息設(shè)備在圖像采集部分中使用該圖像傳感 器，由此獲得上述目的。
此后將描述具有上述結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的功能。
在本發(fā)明中，為多個讀取線中的每一個設(shè)置復(fù)位電流源部分，其 中復(fù)位電壓和信號電壓從相應(yīng)的像素列的像素讀取，其中當從像素讀 取復(fù)位電壓時，在從像素向讀取線供給第一復(fù)位電流的同時，該復(fù)位電流源部分向讀取線供給第二復(fù)位電流，使得該第 一復(fù)位電流和笫二 復(fù)位電流的總和恒定。因而，即使來自像素的第一復(fù)位電流在復(fù)位電 壓的讀取過程中突然減小，從復(fù)位電流源部分向讀取線供給第二復(fù)位 電流，使得讀取線的復(fù)位電壓電平幾乎恒定.因而，在該復(fù)位電流源 部分中，不需要檢測讀取線中的復(fù)位電壓的電平。因此，即使組成該 復(fù)位電流源部分的晶體管的特性在多個讀取線之間存在離差，可以避 免為了檢測復(fù)位電壓的減小而由閾值中的錯誤導(dǎo)致的顯示圖像中的高 亮度物體的異常顏色離差。因此，能夠減小顯示圖像中的高亮度物體 中的異常顏色離差。
因為不需要檢測讀取線中的復(fù)位電壓的電平，在該復(fù)位電流源部 分中不必使用諸如邏輯電路這樣的需要很多元件的電路。
通過在讀取線和接地之間連接恒流源并使得從像素和復(fù)位電流源 部分供給到讀取線的復(fù)位電流的總和總是恒定，復(fù)位電流源裝置可以 僅通過連接在源電壓和讀取線之間的單個晶體管配置，該晶體管被控 制以僅在復(fù)位電壓的讀取時間周期導(dǎo)通。組成復(fù)位電流源部分的電路 所占用的面積能夠極大地減小，且芯片尺寸的增加能夠得到抑制。
在本發(fā)明中，用于供給笫二復(fù)位電流到組成復(fù)位電流源部分的讀 取線的第二讀取晶體管的柵極長度比用于供給笫一復(fù)位電流到組成像 素的讀取線的第一讀取晶體管的柵極長度長。因而，在復(fù)位電壓的讀 取過程中，從像素讀取的第一復(fù)位電流超過從復(fù)位電壓源部分讀取的 第二復(fù)位電流而占主導(dǎo)。因而，即使由于組成所述復(fù)位電流源部分的 電路中的制造離差導(dǎo)致在第二復(fù)位電流中存在離差，但可以減小對復(fù) 位電壓的負面影響。因此，甚至可以進一步減小顯示圖像中的高亮度 物體中的異常顏色離差。
在本發(fā)明中，因為所述復(fù)位電流源部分由位于陰影區(qū)域中的偽像 素組成，并不需要組成該復(fù)位電流源部分的新的電路空間。能夠使組 成像素的電路和組成復(fù)位電流源部分的電路之間的特性等的一致性做 得更高，且能夠避免復(fù)位電流源部分的復(fù)位電流供給能力與像素的復(fù) 位電流供給能力相差甚遠的問題。
根據(jù)本發(fā)明，設(shè)置復(fù)位電流源部分以抑制高亮度變黑，其中當從 像素讀取復(fù)位電壓時，在從像素向讀取線供給第一復(fù)位電流的同時，
該復(fù)位電流源部分向讀取線供給第二復(fù)位電流，使得第 一復(fù)位電流和第二復(fù)位電流的總和恒定。用于高亮度變黑抑制的電路能夠通過用在 像素中的小晶體管配置，且能夠在不增加芯片尺寸的條件下實現(xiàn)高亮 度變黑抑制。
因為復(fù)位電流源部分向讀取線供給復(fù)位電流，使得讀取線的復(fù)位 電壓不下降，不需要現(xiàn)有技術(shù)中可見的檢測電路，且能夠避免檢測閾 值錯誤導(dǎo)致的顯示圖像中高亮度物體的異常顏色離差。
通過使得用于供給組成復(fù)位電流源部分的笫二復(fù)位電流的讀取晶 體管的柵極長度比用于供給組成像素的第一復(fù)位電流的讀取晶體管的 柵極長度長，能夠進一步消除由于復(fù)位電流源部分中的晶體管閾值的 制造離散導(dǎo)致的高亮度物體中的顏色離差。
當閱讀和理解下面參考附圖的詳述時，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言， 本發(fā)明的這些和其他優(yōu)點將變得明顯。
圖1是描述本發(fā)明的實施例1的圖像傳感器的示圖，其中圖l(a) 示出了該圖像傳感器中的像素和復(fù)位電流源電路的示例性配置，圖l(b) 示出了組成像素的讀取晶體管的柵極長度，且圖l(c)示出了組成復(fù)位電 流源電路的讀取晶體管的柵極長度。
圖2是描述實施例1的圖像傳感器的操作的時序圖，其中圖2(a) 示出了正常亮度過程中的操作且圖2(b)示出了高亮度過程中的操作。
圖3是示出實施例3的圖像傳感器中的復(fù)位電流源電路的三種變 型示例(圖(a)、 (b)和(c))的示圖。
圖4是描述本發(fā)明的實施例2的圖像傳感器的示圖，其中圖4(a) 示出了該圖像傳感器中的像素的配置和復(fù)位電流源電路的配置，且圖 4(b)示意性地示出了該圖像傳感器的像素陣列中的陰影區(qū)域。
圖5是描述本發(fā)明的實施例3的圖像傳感器的示圖，其中該示圖 示出了該圖像傳感器中的像素的配置和復(fù)位電流源電路的配置。
圖6是描述本發(fā)明的實施例4的圖像傳感器的示圖，其中該示圖 示出了該圖像傳感器中的像素的配置和復(fù)位電流源電路的配置。
圖7是描述實施例4的圖像傳感器的操作的時序圖，其中圖7(a) 示出了正常亮度過程中的操作且圖7(b)示出了高亮度過程中的操作。
圖8是描述了常規(guī)圖像傳感器的示圖，其中該示圖示出了圖像傳感器中的像素的配置。
圖9是示圖，描述常規(guī)圖像傳感器的操作的時序圖，其中圖9(a)
示出了正常亮度過程中的操作且圖9(b)示出了高亮度過程中的操作。 圖10是描述在參考文獻1中公開的圖像傳感器的示圖。 圖ll是描述在參考文獻l中公開的圖像傳感器的操作的時序圖。 圖12是描述本發(fā)明的效果的示圖，其中該示圖示出了與復(fù)位電流
源電路不操作時的太陽的圖像(圖(a))相比，復(fù)位電流源電路操作
時的太陽的圖像(圖(b))。
圖13是示出了作為本發(fā)明的實施例5，在圖像采集部分中使用根
據(jù)實施例1-4的圖像傳感器中的任意一種的電子信息設(shè)備的示意性示
例配置的框圖。
具體實施方式
(實施例1)
圖1是描述本發(fā)明的實施例1的圖像傳感器的示圖，其中圖l(a) 示出了該圖像傳感器中的像素的電路配置和復(fù)位電流源部分的電路配 置，圖l(b)示出了組成像素的讀取晶體管的柵極長度，且圖l(c)示出了 復(fù)位電流源部分的讀取晶體管的柵極長度。
組成本實施例1的圖像傳感器IO的像素100具有四晶體管配置. 即，像素100包括光電二極管PD，用于將光子轉(zhuǎn)換成電子；傳輸晶 體管M4，用于傳輸在光電二極管PD產(chǎn)生的電荷，其中TX信號被輸 入到柵極；讀取晶體管M2，用于放大電荷的電平并產(chǎn)生與之對應(yīng)的信 號電壓；復(fù)位晶體管Ml，用于將讀取晶體管M2的柵極101復(fù)位到 VD電壓，即，圖像傳感器中的高電勢電壓(例如，源電壓)；以及選 擇晶體管M3，用于傳輸讀取晶體管M2的輸出到讀取線102，其中SEL 信號被輸入到柵極。確切地說，盡管當復(fù)位時讀取晶體管M2的柵極 101的電勢處于比源電壓低一個復(fù)位晶體管Ml的閾值電壓量的電勢， 但在操作描述中，在不需要將兩者具體區(qū)分的部分中仍將所述電勢稱 為是VD電壓。
在該實施例1的圖像傳感器10中，具有這種電路配置的多個像素 100以矩陣布置，且為每個像素列設(shè)置讀取線102。 一個像素列的所有 像素都連接到每個讀取線102，且每個讀取線102連接到與之對應(yīng)的一個恒流源103。此外，用于從像素檢測光檢測信號(像素信號)的相關(guān) 雙取樣和保持電路110與每個讀取線102相連。例如，這是與圖8和 10所示的常規(guī)圖像傳感器中的相關(guān)雙取樣和保持電路210的配置相同 的配置。
而且，用于改善具有局部高亮度的圖像質(zhì)量的復(fù)位電流源電路104 與每個讀取線102相連。該復(fù)位電流源電路104包括讀取晶體管M5, 其中漏極和柵極與源電壓VD相連；以及選擇晶體管M6，連接在讀取 晶體管M5的源極和讀取線102之間，其中EN信號被輸入到柵極。組 成復(fù)位電流源電路104的晶體管M5和M6被遮蔽。
在此，當從像素向讀取線讀取復(fù)位電壓時，在從像素向讀取線供 給笫 一復(fù)位電流的同時，復(fù)位電流源電路向讀取線供給第二復(fù)位電流， 使得第 一 復(fù)位電流和第二復(fù)位電流的總和恒定。能夠使用在像素中使 用的小晶體管，且可以避免芯片尺寸的增加。
在本實施例中，復(fù)位電流源電路的讀取晶體管M5的柵極長度Lm5 (見圖l(c))比像素中的讀取晶體管M2的柵極長度Lm2(見圖l(b)) 長。在圖l (b)中，Rm2是組成像素的讀取晶體管M2的擴散區(qū)域， 且Gm2是通過柵極絕緣膜(未示出)位于擴散區(qū)域Rm2之上的柵電 極。在圖l(c)中，Rm5是組成像素的讀取晶體管M5的擴散區(qū)域，且 Gm5是通過柵極絕緣膜(未示出)位于擴散區(qū)域Rm5之上的柵電極。
在這種配置中，當讀取復(fù)位電壓時，從像素IOO供給第一復(fù)位電 流II，且從復(fù)位電流源電路104分別供給到讀取線102的第二復(fù)位電 流12。因為恒流源103與讀取線102相連，第一復(fù)位電流I1和復(fù)位電 流12的總和總是恒定。
下面描述操作。
圖2是描述像素和高亮度變黑抑制電路的操作的時序圖，其中圖2 (a)示出了正常亮度過程中的操作且圖2(b)示出了高亮度過程中的 操作。
首先，參考圖2 (a)描述正常亮度過程中的操作。 對于時間周期Tal,當RST信號處于H電平且復(fù)位晶體管Ml導(dǎo) 通時，讀取晶體管M2的柵極101處于VD電壓。在這種情況下，TX 信號被保持在L電平，且用于傳輸電荷的傳輸晶體管M4截止。
對于時間周期Ta2，當用于選擇像素的SEL信號處于H電平時，選擇晶體管M3導(dǎo)通，且第一復(fù)位電流II通過讀取晶體管M2和選擇 晶體管M3被從VD電壓供給到讀取線102。
此外，對于時間周期Ta2， EN信號處于H電平，且第二復(fù)位電流 12通過讀取晶體管M5和選擇晶體管M6被從圖1 (a)所示的復(fù)位電 流源電路104供給到讀取線102。因為讀取晶體管M2和讀取晶體管 M5的柵極都處于VD電壓，讀取線102的電壓電平處于VD電壓。
因為復(fù)位電流源電路104中的讀取晶體管M5的柵極長度Lm5比 像素100中的讀取晶體管M2的柵極長度Lm2長，從像素供給的第一 復(fù)位電流II超過從復(fù)位電流源電路104供給的第二復(fù)位電流12而占主 導(dǎo)。因而，能夠抑制由于復(fù)位電流源電路104的特性中的離差而導(dǎo)致 的整個復(fù)位電流的離差。
接下來，對于時間周期Ta3， TX信號處于H電平，且傳輸晶體管 M4導(dǎo)通以讀取圖1中在光電二極管PD產(chǎn)生的電荷。然后，讀取晶體 管M2的柵極101的電壓從VD電壓下降一個與在光電二極管產(chǎn)生的電 荷相關(guān)的量。此時，因為EN信號處于L電平且來自復(fù)位電流源電路 104的第二復(fù)位電流12為0，讀取線102的電壓電平跟隨讀取晶體管 M2的柵極IOI的電壓。
對于時間周期Ta4, TX信號是L電平，且傳輸晶體管M4截止。 因為讀取晶體管M2的柵極處于信號電壓，讀取線102的電壓電平表示 信號電壓。
通過在相關(guān)雙取樣電路110檢測在上述時間周期Ta2 ,皮讀取到讀 取線102的復(fù)位電壓(VD電壓)和在時間周期Ta4被讀取到讀取線 102的信號電壓之間的差異，像素信號，即，正常的亮度信號，作為光 檢測信號輸出。
接下來，參考圖2 (b)描述高亮度過程中的操作。
如下所述的Ta2時間周期中的操作是不同于正常亮度過程中操作 的高亮度過程中操作的特征。
即，在高亮度過程中，在時間周期Ta2，與傳輸晶體管M4截止無 關(guān)，通過P型半導(dǎo)體基板(P-SUB)形成的PN二極管和在基板中形成 的N+型半導(dǎo)體區(qū)域，電子被注入到讀取晶體管M2的柵極101。因而， 讀取晶體管M2的柵極IOI的電平從VD電壓突然下降。因此，讀取晶 體管M2是OFF狀態(tài)，且不產(chǎn)生來自像素IOO的第一復(fù)位電流II。然而，第二復(fù)位電流I2被從復(fù)位電流源電路104輸出到讀取線，以補償 來自像素的第一復(fù)位電流Il。因為復(fù)位電流被供給到恒流源103，讀取 線102的電壓電平保持在VD電壓。
以這種方式，在本實施例中，因為復(fù)位電流源電路104被操作以 防止復(fù)位電壓下降，不需要如現(xiàn)有技術(shù)中可見的用于檢測復(fù)位電壓下 降的電路。能夠抑制通過檢測闞值錯誤導(dǎo)致的高亮度物體中的顏色中 的離差。
例如，當示意本發(fā)明的復(fù)位電流源電路對具有太陽圖像示例的高 亮度變黑的影響時，當復(fù)位電流源電路104的高亮度變黑抑制失效時， 太陽的圖像是圖像Iml，其中太陽看上去如圖12 (a)所示是黑色的， 而當復(fù)位電流源電流104的高亮度變黑抑制有效時，太陽的圖像是圖 像lm2，其中太陽看上去如圖12 (b)所示是白色的。
接下來，在時間周期Ta3,圖1中示出的復(fù)位電流源電路104中的 選擇晶體管M6的EN信號處于L電平。因而，不產(chǎn)生來自復(fù)位電流源 電路104的輸出電流，即，第二復(fù)位電流I2。不存在為讀取線102保 持VD電壓的路徑，且讀取線102的電壓電平處于最小電壓。
然后，對于時間周期Ta4， TX信號處于L電平，且傳輸晶體管 M4截止。因為讀取晶體管M2的柵極處于最小電壓，讀取線102的電 壓電平表示最小電壓。
通過在相關(guān)雙取樣電路IIO檢測在上述時間周期Ta2被讀取到讀 取線102的復(fù)位電壓(VD電壓)和在時間周期Ta4被讀取到讀取線 102的信號電壓(最小電壓)之間的差異，輸出高亮度信號。
以這種方式，在本實施例1中，在圖像傳感器中，該圖像傳感器 包括以矩陣布置的多個像素100和為用于從每個像素列的像素讀取信 號電壓的每個像素列設(shè)置的讀取線102，該圖像傳感器包括用于為每個 讀取線102供給第二復(fù)位電流12的復(fù)位電流源電路104,其中當讀取 像素中的復(fù)位電壓時，從像素供給到讀取線102的第一復(fù)位電流Il和 從復(fù)位電流源電路104供給到讀取線102的第二復(fù)位電流I2的總和恒 定。因而，即使來自像素的笫一復(fù)位電流Il變化，供給到讀取線的復(fù) 位電流和(11+12)保持恒定。因此，由于高亮度過程中強光入射到組 成像素的晶體管，即使來自像素的第一復(fù)位電流突然下降，笫二復(fù)位 電流從復(fù)位電流源電路104供給到讀取線，且在復(fù)位電壓讀取時間周期過程中，能夠避免復(fù)位電壓中的下降。因此，信號電壓和復(fù)位電壓 之間的差異在高亮度過程中變小，且能夠防止高亮度物體變黑的現(xiàn)象。
在本實施例1中，因為復(fù)位電流源電路104操作，使得復(fù)位電壓 不降低，不需要現(xiàn)有技術(shù)中可見的用于檢測復(fù)位電壓中的降低的電路。 能夠抑制通過檢測閾值錯誤導(dǎo)致的高亮度物體中的顏色中的離差。
在本實施例1中，復(fù)位電流源電路中的讀取晶體管M5的柵極長度 Lm5比像素中的讀取晶體管M2的柵極長度Lm2長。因而，復(fù)位電流 源電路104中的讀取晶體管M5的閾值和溝道電阻大于像素中的讀取 晶體管M2的闊值和溝道電阻。因此，在正常亮度過程的復(fù)位時間周 期，來自像素的第 一復(fù)位電流II超過來自復(fù)位電流源電路的第二復(fù)位 電流I2而占主導(dǎo)。因而，能夠抑制由于復(fù)位電流源電路的特性中的離 差導(dǎo)致的復(fù)位電流的離差。因此，能夠進一步消除由于復(fù)位電流源電 路中的晶體管閣值中的制造離差導(dǎo)致的高亮度物體中顏色的離差。
在上述實施例1中，復(fù)位電流源電路104 ,皮配置成連接讀取晶體 管M5的柵極和漏極到VD電壓，且EN信號將被輸入到選擇晶體管 M6的柵極。然而，復(fù)位電流源電路104的電路配置不限于此。
例如，圖3 (a)示出了一種復(fù)位電流源電路104a，其中電路配置 不同于實施例1的復(fù)位電流源電路104。
類似于實施例1，復(fù)位電流源電路104a包括讀取晶體管M5和選 擇晶體管M6。然而，在該電路104a中，VD電平僅連接到晶體管M5 的漏極，且EN信號被輸入到晶體管M5和M6的柵極。
因此，如果EN信號的H電平等于VD電壓，復(fù)位電流源電路104a 實現(xiàn)與實施例1的復(fù)位電流源電路104完全相同的功能。
即，即使在這種配置的復(fù)位電流源電路104a中，僅對于EN信號 處于H電平的用于讀取復(fù)位電壓的時間周期Ta2(見圖2(a)和2(b)), 第二復(fù)位電流I2被供給到讀取線102，使得第二復(fù)位電流I2和從像素 輸出的第一復(fù)位電流Il的總和恒定。因此，即使來自像素的第一復(fù)位 電流Il在高亮度過程中突然下降，供給到讀取線102的復(fù)位電流的總 量能夠保持恒定。因此，能夠避免當拍攝高亮度物體時假定白色的物 體變成黑色的變黑現(xiàn)象。
圖3 (b)示出了作為具有不同于實施例1的復(fù)位電流源電路104 的電路配置的另一示例的復(fù)位電流源電路104b。同樣類似于實施例1，復(fù)位電流源電路104b包括讀取晶體管M5 和選擇晶體管M6。然而，在該電路104b中，VD電平被連接到讀取晶 體管M5的漏極和選擇晶體管M6的柵極，且EN信號被輸入到晶體管 M5的柵極。
在此，如果EN信號的H電平等于VD電壓，復(fù)位電流源電路104b 實現(xiàn)與實施例1的復(fù)位電流源電路104完全相同的功能。
即使在這種配置的復(fù)位電流源電路104b中，僅對于在EN信號處 于H電平的用于讀取復(fù)位電壓的時間周期T2(見圖2(a)和2(b)), 第二復(fù)位電流I2被供給到讀取線102，使得第二復(fù)位電流I2和從像素 輸出的第一復(fù)位電流Il的總和恒定。因此，即使來自像素的第一復(fù)位 電流Il在高亮度過程中突然下降，供給到讀取線102的復(fù)位電流的總 量能夠保持恒定。因此，能夠避免當拍攝高亮度物體時假定白色的物 體變成黑色的變黑現(xiàn)象。
圖3 (c)示出了作為具有不同于實施例1的復(fù)位電流源電路104 的電路配置的另一示例的復(fù)位電流源電路104c。
復(fù)位電流源電路104c不同于實施例1。它僅由連接在VD電平和 讀取線102之間的讀取晶體管M5組成，且EN信號被輸入到其柵極。
在此，如果EN信號的H電平等于VD電壓，類似于實施例1的 復(fù)位電流源電路104，僅對于其中EN信號處于H電平的用于讀取復(fù)位 電壓的時間周期T2 (見圖2 (a)和2 (b))，復(fù)位電流源電路104c供 給第二復(fù)位電流到讀取線102，使得第二復(fù)位電流和從像素輸出的第一 復(fù)位電流Il的總和恒定。
以這種方式，能夠使用各種電路配置實現(xiàn)用于供給電流使得復(fù)位 電壓不減小的復(fù)位電流源電路。在晶體管的任意組合中，需要讀取晶 體管，其中復(fù)位電壓被連接到柵極。
盡管上述實施例1示出了包括復(fù)位電流源電路的圖像傳感器，該 復(fù)位電流源電路具有與用于每個讀取線的像素不同的電路配置，該復(fù) 位電流源電路能夠通過具有與像素相同的電路元件的偽像素或具有與 像素部分相同的電路元件的偽像素構(gòu)造。下面將描述具有這種配置的 圖像傳感器。
(實施例2)圖4是描述本發(fā)明的實施例2的圖像傳感器的示圖，其中圖4(a) 示出了圖像傳感器中的像素的配置和復(fù)位電流源電路的配置，且圖4 (b)示意性地示出了圖像傳感器的像素陣列中的陰影區(qū)域。
實施例2的圖像傳感器10a使用偽像素100a代替實施例1的圖像 傳感器10中的復(fù)位電流源電路104。
即，在實施例2的圖像傳感器中，如圖4(b)所示，用于位于空 間的上部或下部的陰影區(qū)域lla中的一行的像素被用作復(fù)位電流源電 路，以供給復(fù)位電流到每個讀取線。此外，示圖中的llb是非陰影像 素列區(qū)域中的圖像傳感器的光接收部分。
類似于像素100，該偽像素100a包括光電二極管PDa、復(fù)位晶體 管Mla、讀取晶體管M2a、選擇晶體管M3a以及傳輸晶體管M4a。然 而，在偽像素100a中，復(fù)位晶體管Mla的柵極連接到VD電壓，且 EN信號(僅在用于復(fù)位電壓的讀取時間周期處于H電平的控制信號) 而非用于選擇像素的SEL信號被輸入到選擇晶體管M3a的柵極。傳輸 晶體管M4a的柵極被固定到L電平(例如，接地電壓)。
即使在這種配置的實施例2的圖像傳感器10a中，僅對于EN信號 處于H電平的用于讀取復(fù)位電壓的時間周期Ta2(見圖2(a)和2(b)), 由偽像素組成的復(fù)位電流源電路100a供給第二復(fù)位電流I2a到讀取線 102,使得第二復(fù)位電流I2a和從像素輸出的第一復(fù)位電流Il的總和恒 定。因此，即使來自像素的第一復(fù)位電流I1在高亮度過程中突然下降， 供給到讀取線102的復(fù)位電流的總量能夠保持恒定。因此，能夠避免 當拍攝高亮度物體時假定白色的物體變成黑色的變黑現(xiàn)象。
(實施例3)
圖5是描述本發(fā)明的實施例3的圖像傳感器的示圖，其中該示圖 示出了圖像傳感器中的像素的配置和復(fù)位電流源電路的配置。
類似于實施例2的圖像傳感器10a，實施例3的圖像傳感器10b使 用位于像素陣列中的陰影部分的偽像素100b代替實施例1的圖像傳感 器10中的復(fù)位電流源電路104。然而，在實施例3中的偽像素100b中， 在該像素中待形成傳輸晶體管M4和光電二極管PD的區(qū)域中不形成元 件。
即，該偽像素100b包括復(fù)位晶體管Mlb、讀取晶體管M2b和選擇晶體管M3b。在該偽像素100b中，類似于實施例2的偽像素100a, 復(fù)位晶體管Mlb的柵極連接到VD源，且EN信號(僅在用于復(fù)位電 壓的讀取時間周期處于H電平的控制信號)而非用于選擇像素的SEL 信號被輸入到選擇晶體管M3b的柵極。
即使在這種配置的實施例3的圖像傳感器10b中，僅對于EN信號 處于H電平的用于讀取復(fù)位電壓的時間周期Ta2(見圖2(a)和2(b)), 由偽像素100b組成的復(fù)位電流源電路100b供給第二復(fù)位電流I2b到讀 取線102，使得第二復(fù)位電流I2a和從像素輸出的第一復(fù)位電流II的 總和恒定。因此，即使來自像素的復(fù)位電流Il在高亮度過程中突然下 降，供給到讀取線102的復(fù)位電流的總量能夠保持恒定。因此，能夠 避免當拍攝高亮度物體時假定白色的物體變成黑色的變黑現(xiàn)象。
(實施例4)
圖6是描述本發(fā)明的實施例4的圖像傳感器的示圖，其中該示圖 示出了圖像傳感器中的像素的電路配置和復(fù)位電流源電路的配置，圖7 示出了描述該圖像傳感器的操作的時序圖。
實施例4的圖像傳感器10c具有像素的三晶體管配置而不是實施 例1的圖像傳感器10中的四晶體管配置。
即，組成實施例4的圖像傳感器的像素110c與圖8中所示的組成 常規(guī)圖像傳感器20的像素200相同。像素110c包括光電二極管PD、 復(fù)位晶體管M1、讀取晶體管M2和選擇晶體管M3，其中用于復(fù)位光 電二極管PD的陰極電壓的RST信號被輸入到復(fù)位晶體管Ml的柵極， 且用于選擇像素的SEL信號被輸入到選擇晶體管M3的柵極.
類似于實施例1中的復(fù)位電流源電路，復(fù)位電流源電路114c包括 讀取晶體管M5，其中漏極和柵極連接到源電壓VD;以及選擇晶體管 M6;連接在讀取晶體管M5的源極和讀取線102之間。在該實施例4 中，僅對于讀取復(fù)位電壓到讀取線的時間周期，導(dǎo)通選擇晶體管M6 的控制信號ENc被輸入到選擇晶體管M6的柵極。
此外，在該實施例4中，復(fù)位電流源電路114c中的讀取晶體管 M5的柵極長度Lm5 (見圖1 ( c ))比像素110c中的讀取晶體管M2的 柵極長度Lm2 (見圖1 (b))長。
實施例4的圖像傳感器10c中的其他配置與實施例1中的圖像傳感
23器的配置相同。
在具有這種配置的圖像傳感器10c中，當讀取復(fù)位電壓時，第一 復(fù)位電流lie從像素100c和第二復(fù)位電流12從復(fù)位電流源電路U4c 分別供給到讀取線102。因為恒流源103連接到讀取線102,上述電流 11c和電流I2的總和總是恒定。
接著，下面描述操作。
圖7是描述像素和高亮度變黑抑制電路的操作的時序圖，其中圖 7(a)示出了正常亮度過程中的操作且圖7(b)示出了高亮度過程中的操 作。
首先，參考圖7 (a)描述正常亮度過程中的操作。
當SEL信號處于H電平且選擇晶體管M3導(dǎo)通時，像素被選擇。 然后，在第一復(fù)位時間周期Tl，通過處于H電平的RST信號和圖6 中所示的處于導(dǎo)通的復(fù)位晶體管Ml，讀取晶體管M2的柵極201處于 VD電壓。因為SEL信號處于H電平，選擇晶體管M3處于ON狀態(tài)。 因而，讀取線102的電平處于VD電壓。
在此后積分時間周期T2， RST信號處于L電平，且復(fù)位晶體管 Ml截止。因而，由于光電二極管PD產(chǎn)生的電荷，讀取晶體管M2的 柵極201的電壓減小，且被讀取到讀取線102的像素電壓也逐漸減小。
相關(guān)雙取樣電路110取樣和保持被讀取到讀取線102的像素電壓 Vs作為在積分時間周期T2結(jié)束前的信號電壓。
在時間周期T3中實現(xiàn)第二復(fù)位操作之后，在比積分時間周期T2 短的時間周期T4中，Enc信號處于H電平，第二復(fù)位電流被從復(fù)位電 流源電路114c供給到讀取線102，且讀取線102被保持在VD電平。 相關(guān)雙取樣電路110取樣和保持被讀取到讀取線102的像素電壓為時 間周期T4中的復(fù)位電壓。
取樣和保持電路輸出在第 一復(fù)位操作之后的積分時間周期T2中取 樣和保持的信號電壓和在第二復(fù)位操作之后的短復(fù)位電壓讀取時間周 期T4中取樣和保持的復(fù)位電壓之間的電壓差作為在像素檢測的光檢 測信號(像素信號)。
以這種方式，通過輸出這兩個取樣和保持電壓之間的差，從自像 素讀取的像素信號中去除復(fù)位噪聲。
接下來，參考圖7 (b)描述高亮度過程中的操作。當SEL信號處于H電平且選擇晶體管M3導(dǎo)通時，像素被選擇。 然后，在第一復(fù)位時間周期Tl中，通過處于H電平的RST信號和處 于導(dǎo)通的復(fù)位晶體管Ml，讀取晶體管M2的柵極201處于VD電壓。 因為SEL信號處于H電平，選擇晶體管M3處于ON狀態(tài)。因而，讀 取線102的電平處于VD電壓。
在此后的積分時間周期T2， RST信號處于L電平，且復(fù)位晶體管 Ml截止。因而，在高亮度過程中，由于光電二極管PD產(chǎn)生的電流， 讀取晶體管M2的柵極201的電壓突然減小。
相關(guān)雙取樣電路110取樣和保持被讀取到讀取線102的像素電壓， 即，最小電壓，作為在積分時間周期T2剛好結(jié)束之前的信號電壓。
接著，在時間周期T3中實現(xiàn)第二復(fù)位操作，且在此后的時間周期 T4， RST信號處于L電平。因而，復(fù)位晶體管M1截止。然后，在高 亮度過程中，由于光電二極管PD產(chǎn)生的電流，讀取晶體管M2的柵極 201的電壓突然減小，且供給到讀取線102的電流Ilc也從復(fù)位時間周 期T3中的最大值突然減小。然而，在與第一復(fù)位操作之后的時間周期 T2不同的第二復(fù)位操作之后的時間周期T4中，EN信號處于H電平。 第二復(fù)位電流I2被從復(fù)位電流源電路114c供給到讀取線102，使得第 二復(fù)位電流12和第一復(fù)位電流Ilc的總和恒定。因而，讀取線102的 電平凈皮保持在VD電壓。
因此，相關(guān)雙取樣電路110取樣和保持被讀取到讀取線102的VD 電壓作為復(fù)位電壓。
以這種方式，在相關(guān)雙取樣電路210檢測作為在積分時間周期T2 產(chǎn)生的輸出信號206的信號電壓(最小電壓)和作為在時間周期T4中 產(chǎn)生的輸出信號206的復(fù)位電壓(VD電壓)之間的差異，且在高亮度 過程中輸出正確的像素信號。
以這種方式，在本實施例4中，在包括以矩陣布置的多個像素110c 和為用于從每個像素列的像素讀取信號電壓的每個像素列設(shè)置的讀取 線102的圖像傳感器中，該圖像傳感器包括復(fù)位電流源電路104c，用 于為每個讀取線102供給復(fù)位電流I2，其中當讀取像素中的復(fù)位電壓 時，從像素供給到讀取線102的第一復(fù)位電流Ilc和從復(fù)位電流源電路 114c供給到讀取線102的第二復(fù)位電流I2的總和恒定。因而，即使來 自像素的第一復(fù)位電流Ilc變化，供給到讀取線102的復(fù)位電流的總量(Ilc+I2)保持恒定。因此，由于高亮度過程中強光入射到組成像素的 晶體管，即使來自像素的復(fù)位電流突然下降，所述復(fù)位電流仍被從復(fù) 位電流源電路104供給到讀取線。因而，在復(fù)位電壓讀取時間周期過 程中，能夠避免復(fù)位電壓中的下降。因此，在高亮度過程中信號電壓 和復(fù)位電壓之間的差異變小，且能夠防止高亮度物體變黑現(xiàn)象。
在實施例4中，類似于實施例l,在用于讀取復(fù)位電壓的時間周期 中，因為復(fù)位電流源電路114c供給第二復(fù)位電流I2到讀取線102，使 得復(fù)位電壓不下降，因此不需要現(xiàn)有技術(shù)中可見的用于檢測復(fù)位電壓 中的下降的電路。能夠抑制由于檢測闊值錯誤導(dǎo)致的高亮度物體中的 顏色的離差。
在本實施例4中，復(fù)位電流源電路中的讀取晶體管M5的柵極長度 比像素中的讀取晶體管M2的柵極長度長。因而，類似于實施例l,在 正常亮度過程的復(fù)位時間周期中，來自像素的復(fù)位電流Ilc超過來自復(fù) 位電流源電路的復(fù)位電流I2而占主導(dǎo)。由于復(fù)位電流源電路的特性中 的離差導(dǎo)致的復(fù)位電流的離差能夠得到抑制。因此，能夠進一步消除 由于復(fù)位電流源電路中的晶體管闊值中的制造離差導(dǎo)致的高亮度物體 中顏色離差。
在實施例4中，該復(fù)位電流源電路114c被配置成連接讀取晶體管 M5的柵極和漏極到VD電壓，且EN信號被輸入到選擇晶體管M6的 柵極。然而，復(fù)位電流源電路114c的電路配置不限于此。相反，可以 使用附圖3 (a)中示出的復(fù)位電流源電路104a、圖3(b)中示出的復(fù) 位電流源電路104b以及圖3 (c)中示出的復(fù)位電流源電路104c。
在上述實施例4中，示出了包括復(fù)位電流源電路的圖像傳感器， 該復(fù)位電流源電路具有不同于用于每個讀取線的像素的電路配置，其 中如實施例1中所述，復(fù)位電流源電路能夠通過偽像素配置，該偽像 素具有與像素相同的電路元件，或者具有與像素部分相同的電路元件。
例如，類似于^f象素110c，實施例4中的復(fù)位電流源電路可以是包 括光電二極管PD、復(fù)位晶體管Ml、讀取晶體管M2和選擇晶體管M3 的偽像素，其中復(fù)位晶體管Ml的柵極連接到VD電壓，且僅在復(fù)位電 壓的讀取時間周期中處于H電平的ENc信號而非用于選擇像素的SEL 信號被輸入到選擇晶體管M3的柵極。
此外，在偽像素中，顯然，讀取晶體管M2和選擇晶體管M3串聯(lián)連接在VD電壓和讀取線之間，VD電壓端的讀取晶體管M2的柵極被 連接到光電二極管PD的陰極，且復(fù)位晶體管Ml連接在VD源和讀取 晶體管M2的柵極之間。
實施例4中的復(fù)位電流源電路可以是包括如上所述的偽像素中的 光電二極管的偽像素，包括組成該像素的三個晶體管，即，復(fù)位晶體 管Ml、讀取晶體管M2和選擇晶體管M3，其中復(fù)位晶體管Ml的柵 極連接到VD電壓，且僅在復(fù)位電壓的讀取時間周期處于H電平的ENc 信號而非用于選擇像素的SEL信號被輸入到選擇晶體管M3的柵極。 此外，在該偽像素中，顯然，讀取晶體管M2和選擇晶體管M3串聯(lián)連 接在VD電壓和讀取線之間，且復(fù)位晶體管Ml連接在VD源和讀取晶 體管M2的柵極之間。
另外，盡管在上述實施例1-4中沒有特別描述，下面將描述一種電 子信息設(shè)備，其中該電子信息設(shè)備在圖像采集部分中包括使用根據(jù)實 施例l-4的圖像傳感器其中至少任意一種的數(shù)碼相機(例如，數(shù)字攝像 機、數(shù)字照相機)、圖像輸入照相機以及圖像輸入設(shè)備(例如，掃描儀、 傳真機以及裝配有照相機的移動電話設(shè)備)。
(實施例5)
圖13是示出作為本發(fā)明的實施例5在圖像采集部分使用根據(jù)實施 例1-4的圖像傳感器的電子信息設(shè)備的示意性示例配置的框圖。
圖13中所示的根據(jù)本發(fā)明實施例5的電子信息設(shè)備90包括下述至 少之一圖像采集部分91,至少使用根據(jù)本發(fā)明實施例1-4的圖像傳 感器其中任意一種；存儲部分92(例如，記錄介質(zhì))，用于在實現(xiàn)了用 于記錄的預(yù)定信號處理之后，數(shù)據(jù)記錄圖像采集部分91獲得的高質(zhì)量 圖像數(shù)據(jù)；顯示部分93(例如，液晶顯示設(shè)備)，用于在實現(xiàn)了用于顯 示的預(yù)定信號處理之后，在顯示屏幕上顯示圖像數(shù)據(jù)；通信部分94(例 如，發(fā)射和接收設(shè)備)，用于在實現(xiàn)了用于通信的預(yù)定信號處理之后通 信圖像數(shù)據(jù)；以及圖像輸出部分95，用于打印(打字輸出)和輸出(打 印輸出)該圖像數(shù)據(jù)。
如上所述，通過使用其優(yōu)選實施例示例了本發(fā)明。然而，本發(fā)明 不應(yīng)被理解成只基于上述實施例。應(yīng)當理解，本發(fā)明的范圍應(yīng)被理解 成只基于權(quán)利要求。還應(yīng)當理解，基于本發(fā)明的描述和來自本發(fā)明的詳細優(yōu)選實施例描述的公共知識，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)等同的技 術(shù)范圍。而且，應(yīng)當理解，本說明書中引用的任意專利、任意專利申 請和任意參考文獻，都以與此處具體描述的內(nèi)容相同的方式，通過引 用被并入到本說明書中。
工業(yè)應(yīng)用
本發(fā)明提供了在裝配有照相機的移動電話設(shè)備、數(shù)字照相機或監(jiān) 控照相機中使用的圖像傳感器，具體而言，在圖像傳感器的領(lǐng)域中提 供了一種圖像傳感器，該圖像傳感器在拍攝過程中具有改善的高亮度 物體的圖像質(zhì)量，并且能夠防止高亮度物體變黑現(xiàn)象而不增加芯片尺 寸，該圖像傳感器包括以矩陣布置的多個像素和為用于從每個像素列 的像素讀取像素信號的每個像素列設(shè)置的讀取線。
對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，不偏離本發(fā)明范圍和精神的各種其他 修改是顯而易見且容易實現(xiàn)的。因此，本發(fā)明并不旨在表明此處所述 的權(quán)利要求的范圍受限于此處提出的描述，而是旨在表明權(quán)利要求應(yīng) 凈皮廣義地理解。
權(quán)利要求
1.一種圖像傳感器，包括以矩陣布置的多個像素，該圖像傳感器基于作為每個像素的參考電壓的復(fù)位電壓和在每個像素通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的信號電壓之間的電壓差檢測每個像素的像素信號，該圖像傳感器包括為每個像素列設(shè)置的多個讀取線，其中從相應(yīng)的像素列的像素讀取所述復(fù)位電壓和所述信號電壓；以及為每個讀取線設(shè)置的復(fù)位電流源部分，其中當從像素讀取所述復(fù)位電壓時，在從該像素向讀取線供給第一復(fù)位電流的同時，該復(fù)位電流源部分向該讀取線供給第二復(fù)位電流，使得該第一復(fù)位電流和該第二復(fù)位電流的總和恒定。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的圖像傳感器，其中 所述像素包括第一讀取晶體管，用于通過在用于讀取所述復(fù)位電壓的時間周期中向柵極施加所述復(fù)位電壓，向所述讀取線供給所述第 一復(fù)位電流，并用于通過在用于讀取所述信號電壓的時間周期中向柵 極施加所述信號電壓，向所述讀取線供給對應(yīng)于所述信號電壓的像素 電5危；以及所述復(fù)位電流源部分包括第二讀取晶體管，用于通過在用于讀取 所述復(fù)位電壓的時間周期中向柵極施加所述復(fù)位電壓，向所述讀取線 供給所述第二復(fù)位電流。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像傳感器，其中組成所述復(fù)位電流源 部分的第二讀取晶體管的柵極長度比組成所述像素的第一讀取晶體管的柵極長度長。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的圖像傳感器，其中所述復(fù)位電流源部分 包括復(fù)位電流源電路，包括串聯(lián)連接在源電壓和所述讀取線之間的多 個晶體管，其中串聯(lián)連接的所述多個晶體管其中至少一個被控制，以 在用于讀取所述復(fù)位電壓的周期中處于導(dǎo)通狀態(tài)；以及恒流源，連接在所述讀取線和接地電壓之間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的圖像傳感器，其中 所述復(fù)位電流源電路包括串聯(lián)連接在所述源電壓和所述讀取線之間的兩個晶體管；源電壓被供給到串聯(lián)連接的兩個晶體管的源電壓端的晶體管的柵極；并且控制信號被供給到串聯(lián)連接的兩個晶體管的讀取線端的晶體管的 柵極。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的圖像傳感器，其中 所述復(fù)位電流源電路包括串聯(lián)連接在所述源電壓和所述讀取線之間的兩個晶體管；并且控制信號被供給到串聯(lián)連接的兩個晶體管的柵極。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的圖像傳感器，其中 所述復(fù)位電流源電路包括串聯(lián)連接在所述源電壓和所述讀取線之間的兩個晶體管；復(fù)位電壓被供給到串聯(lián)連接的兩個晶體管的讀取線端的晶體管的 柵極；并且控制信號被供給到串聯(lián)連接的兩個晶體管的源電壓端的晶體管的 柵極。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的圖像傳感器，其中 所述復(fù)位電流源電路包括連接在所述源電壓和所述讀取線之間的單個晶體管；控制信號被供給到所述單個晶體管的柵極。
9. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的圖像傳感器，其中所述像素包括 光電二極管，用于執(zhí)行光電轉(zhuǎn)換；選擇晶體管，用于選擇所述像素；讀取晶體管，連接在所述選擇晶體管和所述復(fù)位電壓之間，該讀 取晶體管用于讀取在光電二極管通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電荷的電平；復(fù)位晶體管，用于控制所述讀取晶體管，使得所述讀取晶體管輸 出所述復(fù)位電壓；以及傳輸晶體管，用于將在光電二極管通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電荷電平 傳輸?shù)剿鲎x取晶體管，其中在所選擇的像素中，在讀取所述復(fù)位電壓之后，讀取通過光 電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的信號電壓。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的圖像傳感器，其中所述復(fù)位電流源電 流是位于陰影區(qū)域中的偽像素，其中該偽像素包括 光電二極管，用于實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換；選擇晶體管，用于在讀取所述復(fù)位電壓的周期中選擇該偽像素； 讀取晶體管，連接在所述選擇晶體管和所述源電壓之間，該讀取晶體管用于讀取在所述偽像素產(chǎn)生的電荷的電平；復(fù)位晶體管，用于總是供給所述復(fù)位電壓到所述讀取晶體管的柵極；以及傳輸晶體管，連接在光電二極管和讀取晶體管之間，其中柵極電 壓被固定在所述晶體管的截止電壓。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的圖像傳感器，其中所述復(fù)位電流源電 流是位于陰影區(qū)域中的偽像素，其中該偽像素包括選擇晶體管，用于在讀取所述復(fù)位電壓的周期中選擇該偽像素； 讀取晶體管，連接在所述選擇晶體管和源電壓之間，該讀取晶體 管用于讀取在所述偽像素產(chǎn)生的電荷的電平；以及復(fù)位晶體管，用于總是供給所述復(fù)位電壓到所述讀取晶體管的柵極。
12. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的圖像傳感器，其中所述像素包括 光電二極管，用于實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換；選擇晶體管，用于選擇所述像素；讀取晶體管，連接在所述選擇晶體管和源電壓之間，該讀取晶體 管用于讀取在光電二極管通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電荷的電平；以及復(fù)位晶體管，用于控制所述讀取晶體管，使得所述讀取晶體管輸 出復(fù)位電壓，其中在所選擇的像素中，在讀取了通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的信號電壓 之后，讀取所述復(fù)位電壓。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的圖像傳感器，其中所述復(fù)位電流源電 流是位于陰影區(qū)域中的偽像素，其中該偽像素包括 光電二極管，用于實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換；選擇晶體管，用于在讀取所述復(fù)位電壓的周期中選擇該偽像素； 讀取晶體管，連接在所述選擇晶體管和所述源電壓之間，該讀取晶體管用于讀取在該偽像素產(chǎn)生的電荷的電平；以及復(fù)位晶體管，用于總是供給所述復(fù)位電壓到所述讀取晶體管的柵極。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的圖像傳感器，其中所述復(fù)位電流源電 流是位于陰影區(qū)域中的偽像素，其中該偽像素包括選擇晶體管，用于在讀取所述復(fù)位電壓的周期中選擇該偽像素；讀取晶體管，連接在所述選擇晶體管和所述源電壓之間，該讀取晶體管用于讀取在該偽像素產(chǎn)生的電荷的電平；以及復(fù)位晶體管，用于總是供給所述復(fù)位電壓到所述讀取晶體管的柵極。
15. —種電子信息設(shè)備，在圖像采集部分中使用根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器。
全文摘要
圖像傳感器和電子信息設(shè)備。公開了一種圖像傳感器。該圖像傳感器包括以矩陣布置的多個像素，該圖像傳感器基于作為每個像素的參考電壓的復(fù)位電壓和在每個像素通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的信號電壓之間的電壓差檢測每個像素的像素信號，并且包括為每個像素列設(shè)置的多個讀取線，其中復(fù)位電壓和信號電壓被從所述相應(yīng)像素列的像素讀?。灰约盀槊總€讀取線設(shè)置的復(fù)位電流源部分，其中當從像素讀取復(fù)位電壓時，在從該像素向讀取線供給第一復(fù)位電流的同時，該復(fù)位電流源部分向該讀取線供給第二復(fù)位電流，使得該第一復(fù)位電流和該第二復(fù)位電流的總和恒定。
文檔編號H04N5/374GK101309369SQ200810099070
公開日2008年11月19日 申請日期2008年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月16日
發(fā)明者服部真司 申請人:夏普株式會社