专利名称：进行改善的子采样的图像传感器的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及图像传感器，尤其涉及一种用于改善CMOS图像传感器中的子采样(sub-sampling)的机制。
背景技术：
CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器通常安装在蜂窝电话、数字静像照相机以及其它便携式电子装置上。CMOS图像传感器捕获观察图像并且将图像转换成电子信号，其然后转换成数字信号。数字图像信号从CMOS图像传感器输出形成RGB(红绿蓝)色彩图像数据。数字图像信号被处理来驱动诸如液晶显示器(LCD)的显示装置。
图1是传统CMOS图像传感器100的框图。参考图1，图像传感器100包括有源像素传感器(APS)阵列110，行驱动器120，以及模数转换器(ADC)130。
行驱动器120从行解码器(未示出)接收控制信号以及模数转换器130从列解码器(未示出)接收控制信号。此外，图像传感器100包括控制器(未示出)，可产生定时控制信号以及寻址信号用于选择输出感测的图像信号的像素。
图2说明了图1的APS阵列110的滤色片模式。APS阵列110具有多个配置在像素上的滤色片，使得每个像素接收特定颜色的光。一个示例滤色片阵列具有拜耳模式，其中蓝色和绿色在一行或一列中交替，并且红色和绿色在下一行或列中交替，如图2所示。
在此，与亮度信号密切相关的绿色与红色或蓝色在每行中交替来改善亮度分辨率。为了增强分辨率，多于一百万像素的CMOS图像传感器被用在许多电子装置比如数字照相机中。
图1的APS阵列110使用光电二极管感测光线并且将感测到的光线转换为电子信号来产生图像信号。从APS阵列110输出的图像信号包括红色、绿色和蓝色模拟信号。模数转换器130从像素阵列110接收模拟图像信号并且将其转换为数字图像信号。模数转换器130使用现有技术中已知的相关二重采样(correlated doublesampling，CDS)转换光电二极管感测到的图像信号。
图3是形成图1的APS阵列110的每个像素的单元像素驱动电路300的电路图。参考图3，单元像素驱动电路300包括光电二极管PD和四个晶体管。此外，单元像素驱动电路300包括连接到输出结点VRST/VSIG的偏压电路310。该偏压电路310配置在APS阵列110的每列的顶部或底部。
在CDS模拟到数字的转换中，当复位控制信号RX(和行选择信号SEL)被激活时，在浮点扩散(FD)结点的从电源电压VDD传输的信号作为复位信号VRST输出。此外，当传送控制信号TC(和行选择信号SEL)被激活时，在光电二极管PD基于入射光的检测产生的电子信号传送到FD结点并且作为图像信号VSIG输出。ADC130将复位信号VRST和图像信号VSIG之间的差异从模拟信号转换为数字信号。行选择信号SEL、复位控制信号RX和传送控制信号TX可由行驱动器120产生。
在蜂窝电话或数字照相机中使用的图像传感器100在具有减少垂直分辨率而不改变驱动频率的子采样的模式中操作，来输出完整帧(full frame)图像信号。当不期望高分辨率显示时，操作的子采样模式典型地用于快速信号处理，比如在预览步骤用于确定要捕获的图像或用于自动聚焦步骤。
对于一般的子采样操作模式，来自行或列的间隔的图像信号被采样(即输出到ADC130)来减小分辨率。例如为了从SXGA分辨率减小到VGA分辨率，来自每两行和列的像素数据被采样来降低一半分辨率。当像素在行和列的更大间隔采样时分辨率可进一步减小来降低处理数据的数量。然而，这些减小数据处理导致了混叠噪声(aliasing noise)，它在显示器上表现为多条锯齿形的斜线。
为了去除这些混叠噪声，提出了各种尝试来平均图像信号。特别地，来自同一个滤色片的两行的图像信号可被垂直平均。然而，当两行被分别选择时使用如此垂直平均帧速率不能被增加。
因此，两行被同时选择的条件下，可进行垂直平均来增加帧速率。在那种情况下，当两个被平均图像信号之间的差异很小时，子采样操作是可接受的。然而，当差异不小时，较大的信号将会恶化图像质量。例如，将不会呈现包括在暗图像中的亮线。
发明内容
因此，本发明的图像传感器对同时选择的两行图像信号进行垂直平均，而不会恶化图像质量。
根据本发明总的方面的一种图像传感器包括第一和第二像素电路和连接到第一和第二像素电路的输出结点。而且，图像传感器包括偏压电路用于在图像传感器的不同操作模式的输出结点上提供不同的偏压电流。
例如，偏压电路在图像传感器操作的子采样模式期间在输出结点提供较高偏压电流。在这样的子采样操作模式期间，输出结点从第一和第二像素电路产生的复位信号中产生平均复位信号，并且从第一和第二像素电路产生的图像信号中产生平均图像信号。
在本发明的示例实施例中，第一像素电路产生第一图像信号指示在第一像素电路中的第一光电二极管检测的光强度，以及第二像素电路产生第二图像信号指示在第二像素电路中的第二光电二极管检测的光强度。
在本发明的另一个示例实施例中，偏压电路包括电流反射镜，其具有连接到输出结点的第一晶体管。偏压电路还包括至少两个另外的晶体管连接到第一晶体管用于确定流过第一晶体管的偏压电流。
在本发明的另一个实施例中，偏压电路还包括电流源和连接在电流源和至少另外两个彼此二极管连接的晶体管之间的相应开关。此外，偏压电路包括寄存器用于提供相应的控制信号，其确定每个开关是否被接通或关上。
在本发明的示例实施例中，较少数开关被接通用于增加在子采样操作模式期间流过第一晶体管的偏压电流。在本发明的另一个实施例中，至少两个其它的晶体管具有不同的W/L(宽比长)比率。
在本发明的另一个实施例中，当第一和第二像素电路之一被去激活(de-activated)时，偏压电路在图像传感器的正常操作模式期间在输出结点提供较低的偏压电流。
在本发明的示例实施例中，第一和第二像素电路是用于在图像传感器的有源像素传感器阵列的同一行中颜色最接近的像素。
当图像传感器是具有第一和第二像素电路的CIS类型(CMOS图像传感器类型)时，其中每个像素电路包括光电二极管、复位晶体管、传送晶体管、行选择晶体管、源跟随晶体管，本发明可被用于特别优化。
通过这种方式，在子采样操作模式期间连接到输出结点的用于垂直平均的偏压电流被增加。这些增加的偏压电流即使当将被平均的图像信号之间的差异很大时，也可增强图像质量。
当参考附图，详细描述实施例时，本发明的上述和其它特征及优点将变得显而易见，其中图1是传统图像传感器的框图；图2说明图1的APS阵列的拜耳滤色片模式，如在现有技术中已知的；图3是用于图1的APS阵列的典型像素驱动电路的电路图，如在现有技术中已知的；图4是根据本发明的实施例具有增强的子采样的图像传感器的框图；图5是根据本发明的实施例，在图4的图像传感器的操作期间的步骤流程图；图6是根据本发明的实施例，在图4的图像传感器的操作期间的信号时序图；图7示出了在图4的浮点扩散结点FD3的电压变量和CDS电路输出电压之间的关系图表；图8示出了根据图7的结果，灰度级和输出码差异之间的关系图表；以及图9示出了根据图7的结果，输出码差异和像素频率之间的关系图像。
在此提及的附图是为了清楚说明而绘制的，并没必要按比例画。在图1，2，3，4，5，6，7，8和9中具有相同附图标记的元件表示具有相同结构和/或功能的元件。
具体实施例方式
图4是根据本发明的实施例的CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器400的框图。参考图4，CMOS图像传感器400包括第一像素电路410和第二像素电路420。第一和第二像素电路410和420是具有多个像素的APS(有源像素传感器)阵列的一部分。CMOS图像传感器400还包括偏压电路430用于偏压像素电路410和420的输出结点VRST/VSIG，以及寄存器440用于控制偏压电路430。
CMOS图像传感器400的APS阵列包括多个配置在行和列的阵列中的像素。图4仅说明对应于在APS阵列的垂直方向同一列上具有用于相同颜色的滤色片的两个像素的示例像素电路410和420。在本发明的一个实施例中CMOS传感器的APS阵列具有拜耳颜色模式(如图2所示)。
例如利用这样的拜耳颜色模式，第一像素电路410用于APS阵列的第一行中的G(R/B)像素，以及第二像素电路420用于APS阵列的第三行中的G(R/B)像素。在任何情况下，像素电路410和420沿着像素阵列中的相同列配置。
偏压电路430和寄存器400可配置在APS阵列以上或以下。类似于图1的图像传感器100，CMOS图像传感器400也可包括行驱动器和模数转换器。在那种情况下，这样的行驱动器(未示出)可产生图4所示的行选择信号SEL1，SEL3，...，复位控制信号RX和传送控制信号TX。模数转换器(未示出)可接收从图像传感器400的输出结点VRST/VSIG输出的平均模拟复位信号VRST和平均图像信号VSIG用于转换成数字信号。
参考图4，像素电路410和420的每个包括各自的行选择晶体管M1/M5，各自的复位晶体管M2/M6，各自的源跟随晶体管M3/M7，各自的传送晶体管M4/M8，和各自的光电二极管PD1/PD3。当这些晶体管在图4中表示为NMOSFET(N通道金属氧化物半导体场效应晶体管)时，本发明可用不同类型的晶体管实现。
每个行选择晶体管M1/M5具有栅极(gate)，各自的行选择信号SEL1/SEL3施加在栅极上。每个行选择晶体管M1/M5的漏极/源极连接到各个结点ND1/ND3，而其它漏极/源极连接到输出结点VRST/VSIG。
每个复位晶体管M2/M6具有其上施加了复位控制信号RX的栅极。每个复位晶体管M2/M6的漏极/源极连接到电源VDD，并且另一漏极/源极连接到各个FD(浮点扩散)结点FD1/FD3。每个源跟随晶体管M3/M7具有连接到各个FD结点FD1/FD3上的栅极。每个源跟随晶体管M3/M7的漏极/源极连接到电源VDD，并且另一漏极/源极连接到各个结点ND1/ND3。
每个传送晶体管M4/M8具有其上施加了传送控制信号TX的栅极。每个传送晶体管M4/M8的漏极/源极连接到各个FD结点FD1/FD3，并且另一漏极/源极连接到各个结点ND5/ND7。每个像素电路410和420中的各个光电二极管PD1/PD3在电源VSS(例如地极)和各个结点ND5/ND7之间执行光电转换。
偏压电路430包括电流源434，多个开关431，432和433，第一晶体管M11和多个其它晶体管M12，M13和M14。这些晶体管M11，M12，M13和14在图4中由NMOSFET表示，但是本发明可由不同类型的晶体管实现。
电流源434连接到电源VCC来产生预定电流等级。每个开关431，432和433连接在电流源434和源极接地(或低电源VSS)的晶体管M12，M13和M14中相应一个的漏极之间。来自寄存器440的控制信号S1，S2和S3中相应的一个确定每个开关431，431和433是否被接通(即闭合)或关断(即断开)。
每个晶体管M12，M13和M14通过二极管连接到与栅极连接的漏极。晶体管M12，M13和M14的栅极共同连接到晶体管M11的栅极，M11的漏极连接到输出节点VRST/VSIG，且其源极连接到接地节点(或低电源VSS)。通过这种方式，当任一开关431，431和433闭合时，晶体管M11形成了连接到电流源434的任一晶体管M12，M13和M14的电流反射镜。
晶体管M12，M13和M14可以以相同的尺寸形成(即相同W/L，宽长比率)。或者，在本发明的优选实施例中，晶体管M12，M13和M14具有不同的宽长比率W/L。例如，当晶体管M14的W/L比率为1时，晶体管M12和M13的W/L比率分别为3和2。
寄存器440响应于指示图像传感器400的操作模式的模式信号MODE产生开关控制信号S1，S2和S3。例如，模式信号MODE指示图像传感器400是否在正常模式工作还是在子采样模式工作。寄存器400分别根据MODE信号提供开关控制信号S1，S2和S3到多个开关431，432和433。
在正常操作模式中，在图像传感器400中的APS阵列的行方向上的像素被依次选择。因此，在正常操作模式中仅偈素电路410和420之一可被激活。当对应的行选择晶体管M1/M5被接通时像素电路被激活，当对应的行选择晶体管M1/M5被关断时被去激活。
然而，在操作的子采样模式中，在相同列的垂直方向上的相同颜色的滤色片的像素被同时选择。例如，图4的像素电路410和420在子采样操作模式中被同时激活。
采样现在可参考图5和6对图4的图像传感器400的子采样操作模式进行更详细的描述。图5示出了操作步骤，图6是图4的图像传感器在子采样操作模式期间的信号时序图。
参考图5，在传送控制信号TX被激活到逻辑高电平之前，像素电路410和420中的每个光电二极管PD1和PD3接收各个外部光用于进行光电转换(图5的步骤510)。参考图5和6，行选择信号SEL1和SEL3被激活到逻辑高电平用于子采样操作模式。因此，APS阵列的在奇数行(例如第一和第三行)对应的像素电路被激活。
参考图4，5和6，当行选择信号SEL1和SEL3被激活到逻辑高电平时，行选择晶体管M1和M5被同时接通用于从两个像素电路410和420中产生平均复位信号VRST和平均图像信号VSIG(图5的步骤S520)。特别地，电源电压VDD在复位控制信号RX被激活到低电平之前被传输到FD结点FD1和FD3。
此后，当复位控制信号RX被激活到低电平时，在FD结点FD1和FD3的电压被通过源跟随晶体管M3和M7以及行选择晶体管M1和M5传送到输出结点VRST/VSIG。结果是，由来自FD结点FD1和FD3传送的复位信号的平均值，在输出节点VRST/VSIG产生平均复位信号VRST。
此后，传送控制信号TX被激活到高电平。结果是，由光电二极管PD1/PD3光电转换的每个图像信号被传送到各个FD结点FD1和FD3。接下来，传送控制信号TX被去激活到低电平，以及图像信号通过源跟随晶体管M3和M7以及行选择晶体管M1和M5从FD结点FD1和FD3传送到输出结点VRST/VSIG。结果是，从来自FD结点FD1和FD3传送的图像信号的平均值在输出节点VRST/VSIG产生平均图像信号。
这样的平均复位和图像信号VRST和VSIG进一步例如由模数转换器处理。在这些用于奇数行(例如第一和第三行)的像素的平均复位和图像信号产生之后，随后的用于对应的偶数行(例如第二和第四行)的平均复位和图像信号类似地产生(图5的步骤S530)。随后的奇数行队和偶数行对被交替选择来为APS阵列中的所有行产生对应的平均复位和图像信号(图5的步骤S540)。
在本发明的实施例中，偏压电路430产生提供在输出结点VRST/VSIG(通过晶体管M11)上的偏压电流，其在子采样操作模式中的数值大于在正常操作模式中的数值。例如，寄存器440产生开关控制信号S1，S2和S3，当模式信号MODE指示进行正常模式的操作时所述开关控制信号S1，S2和S3接通所有的开关431，432和433。在那种情况下，因为来自电流源434的预定电流等级流过所有的晶体管M12，M13和M14，减小晶体管M11的栅极到源极的电压来依次降低流过晶体管M11的电流。
另一方面，当模式信号MODE指示进行子采样模式操作时，寄存器440产生开关控制信号S1，S2和S3以便只接通多个开关431，432和433中的一个。因为预定电流等级仅流过晶体管M12，M13和M14中的一个，晶体管M11的栅极到源极的电压被依次增加从而增加流过晶体管M11的电流。
通过晶体管M11的电流由晶体管M11，M12，M13和M14的W/L比率、以及由开关控制信号S1，S2和S3选择晶体管M12，M13和M14中的哪个连接到电流源434来确定。一般地，晶体管M12，M13和M14中的更少数被连接到电流源434会导致更高的偏压电流流过晶体管M11并且提供在输出结点VRST/VSIG。
在本发明可替换的实施例中，用户可设置寄存器430中的每个开关控制信号S1，S2和S3来设置流过晶体管M11的偏压电流并且提供在输出结点VRST/VSIG。
图7示出了在图4中结点FD3的电压VFD中的变量和CDS(相关二重采样)电路输出电压之间的关系图表。为了进行最坏情况场景下的试验，图4中的结点FD1上的电压被设置为最暗情况下的电压，即复位电压(VDD＝2.5V)。
如图7所示，当在结点FD3的电压VFD接近于复位电压VDD(2.5伏特)时，曲线71，72和73变得类似于理想曲线。然而，当结点FD3的电压VFD降低时，这些曲线71，72和73更加偏离理想曲线。当流过晶体管M11的偏压电流在最低等级时获得曲线71。当流过晶体管M11的偏压电流在中间等级(比如在曲线71的情况下使用的电流值的两倍)时获得曲线72。当流过晶体管M11的偏压电流在最高等级(比如在曲线71的情况下使用的电流值的三倍)时获得曲线73。具有最高电流等级的曲线73最接近于图7中的理想曲线。
图8示出了基于图7的结果而得到的灰度级和输出码差异之间的关系曲线，假设在8位像素灰度级系统中光电二极管PD1/PD3的饱和度电压是300mV。图8中的曲线81对应于图7中的曲线71；图8中的曲线82对应于图7中的曲线72；图8中的曲线83对应于图7中的曲线73。在图8中，在输出结点VRST/VSIG的最高偏压电流的情况下的曲线83最接近于理想曲线。给定光电二极管PD1/PD3的可接受码误差，用户可在寄存器440中设置控制信号S1，S2和S3用于在可接受码误差中进行图像传感器的操作。
图9基于图7的曲线，示出了输出码差异和像素频率之间的关系图像。图9中的曲线91对应于图7中的曲线71；图9中的曲线92对应于图7中的曲线72；图9中的曲线93对应于图7中的曲线73。这些曲线说明降低较大码误差的频率同时增加在输出结点VRST/VSIG的偏压电流。
通过这种方式，在子采样操作模式期间，图像传感器400以两倍于从垂直平均的正常操作模式的读取速率来处理图像信号。此外，在子采样操作模式期间，在输出结点增强VRST/VSIG的偏压电流以改善图像质量，甚至对要被平均的图像信号之间的大的差异也如此。
当本发明已经被特别示出并且参考其具体实施例描述时，本领域普通技术人员应当理解的是可在不脱离由权利要求所定义的本发明的精神和范围内作出各种形式和细节上的改变。例如，在此说明和描述的任何元件的数量或设备的类型或信号的时序图仅通过示例的方式描述。本发明仅由以下权利要求及其等同方式来限制。
权利要求
1.一种图像传感器，包括第一像素电路和第二像素电路；连接到所述第一和第二像素电路的输出结点；以及偏压电路，用于在所述输出节点为图像传感器的不同操作模式提供不同偏压电流。
2.如权利要求1所述的图像传感器，其中偏压电路在图像传感器的子采样操作模式期间，在输出结点提供更高的偏压电流。
3.如权利要求2所述的图像传感器，其中在子采样操作模式期间，输出结点从由第一和第二像素电路产生的复位信号产生平均复位信号，并且从由第一和第二像素电路产生的图像信号产生平均图像信号。
4.如权利要求3所述的图像传感器，其中第一像素电路产生第一图像信号，该第一图像信号指示在第一像素电路中的第一光电二极管检测的光强度，以及其中第二像素电路产生第二图像信号，该第二图像信号指示在第二像素电路中的第二光电二极管检测的光强度。
5.如权利要求2所述的图像传感器，其中偏压电路包括电流反射镜，该电流反射镜具有第一晶体管，其连接到输出结点；以及至少两个其它晶体管，连接到第一晶体管，用于确定流过第一晶体管的偏压电流。
6.如权利要求5所述的图像传感器，其中偏压电路还包括电流源；和连接在电流源和至少两个彼此二极管连接的其它晶体管之间的相应开关；并且其中图像传感器还包括寄存器，用于提供用来确定每个开关是否被接通或关断的相应控制信号。
7.如权利要求6所述的图像传感器，其中在子采样模式操作期间，更少的开关被接通，以便增加流过第一晶体管的偏压电流。
8.如权利要求6所述的图像传感器，其中所述相应控制信号由寄存器响应于指示图像传感器的操作模式的模式信号而设置。
9.如权利要求6所述的图像传感器，其中至少两个其它的晶体管具有不同的W/L(宽比长)比率。
10.如权利要求2所述的图像传感器，其中当第一和第二像素电路之一被去激活时，偏压电路在图像传感器的正常操作模式期间在输出结点提供较低的偏压电流。
11.如权利要求2所述的图像传感器，其中第一和第二像素电路是用于在图像传感器的有源像素传感器阵列的相同列中颜色最接近的像素。
12.如权利要求1所述的图像传感器，其中图像传感器是CIS类型即CMOS图像传感器类型，其具有第一和第二像素电路，第一和第二像素电路中的每一个都包括光电二极管、复位晶体管、传送晶体管、行选择晶体管以及源跟随晶体管。
13.一种图像传感器，包括第一像素电路和第二像素电路；输出节点，其连接到第一和第二像素电路；以及用于在输出结点为图像传感器的不同操作模式提供不同的偏压电流的装置。
14.如权利要求13所述的图像传感器，其中所述装置在图像传感器的子采样操作模式期间在输出结点提供更高的偏压电流，并且所述装置在第一和第二像素电路之一被去激活时在图像传感器的正常操作模式期间在输出结点提供较低的偏压电流。
15.如权利要求14所述的图像传感器，其中在子采样操作模式期间，输出结点从由第一和第二像素电路产生的复位信号中产生平均复位信号，并且从由第一和第二像素电路产生的图像信号中产生平均图像信号。
16.如权利要求15所述的图像传感器，其中第一和第二像素电路是用于图像传感器的有源像素传感器阵列的相同列中颜色最接近的像素。
17.一种用于驱动图像传感器的方法，包括激活连接到输出结点的第一和第二像素电路中的至少一个，来在输出结点产生复位和图像信号；并且为图像传感器的不同操作模式在输出结点提供不同的偏压电流。
18.如权利要求17所述的方法，其中当第一和第二像素被激活时，在图像传感器的子采样操作模式期间在输出结点提供更高的偏压电流。
19.如权利要求17所述的方法，其中当第一和第二像素被去激活时，在图像传感器的正常操作模式期间在输出结点提供较低的偏压电流。
20.如权利要求17所述的方法，其中第一和第二像素电路是用于图像传感器的有源像素传感器阵列的相同列中颜色最接近的像素。
全文摘要
一种图像传感器，包括第一和第二像素电路以及连接到第一和第二像素电路的输出结点。偏压电路，在图像传感器的子采样操作模式期间为改善的图像质量在输出结点提供较高偏压电流。
文档编号H04N5/341GK1925566SQ20061013639
公开日2007年3月7日 申请日期2006年7月6日 优先权日2005年7月6日
发明者高京民, 尹广镐 申请人:三星电子株式会社