具有可变带宽的图像传感器全局快门供电电路的制作方法

本发明大体上涉及图像传感器。更具体地说，本发明的实例涉及具有全局快门的图像传感器像素单元。

背景技术：

对于高速图像传感器，可使用全局快门来捕捉快速移动物体。全局快门通常使得图像传感器中的所有像素单元能够同时捕捉图像。对于较慢移动的物体，使用最常见的滚动快门。滚动快门通常按顺序捕捉图像。例如，可循序启用二维(“2D”)像素单元阵列内的每一行，使得单个行内的每一像素单元同时捕捉图像，但是每一行是以滚动次序启用。因而，像素单元的每一行在不同的图像获取窗期间捕捉图像。对于缓慢的移动物体，每一行之间的时间差可产生图像失真。对于快速移动物体，滚动快门可导致沿物体的移动轴的可感知伸长失真。

在全局快门图像传感器中，在开始正常曝光操作之前利用复位电压(例如，AVDD)初始化所有像素单元。此复位通常是凭借通过全局快门开关将每个像素连接到AVDD电压而实现。在复位之后，关断每一像素中的全局快门开关，这接着使得每一像素能够开始正常曝光操作。

技术实现要素：

一方面，本申请案涉及一种像素单元。所述像素单元包括：光电二极管，其安置在半导体材料中以响应于引导到所述光电二极管的入射光而积累图像电荷；全局快门晶体管，其安置在所述半导体材料中且耦合到所述光电二极管以响应于全局快门控制信号而选择性地将所述光电二极管中的所述图像电荷复位；全局快门控制信号产生器电路，其经耦合以产生所述全局快门控制信号以具有第一值信号或第二值信号，其中所述全局快门控制信号的所述第一值经耦合以接通所述全局快门晶体管以将所述光电二极管复位，其中所述全局快门控制信号的所述第二值经耦合以将所述全局快门晶体管控制为低漏电关断模式；及供电电路，其经耦合以将所述第二值信号提供到所述全局快门控制信号产生器电路，其中所述供电电路包含可变滤波器电路，其耦合到所述供电电路的输出以响应于带宽选择信号而选择性地改变所述第二值信号的带宽。

另一方面，本申请案涉及一种成像系统。所成像系统包括：像素单元的像素阵列，其中所述像素单元中的每一者包含：光电二极管，其安置在半导体材料中以响应于引导到所述光电二极管的入射光而积累图像电荷；全局快门晶体管，其安置在所述半导体材料中且耦合到所述光电二极管以响应于全局快门控制信号而选择性地将所述光电二极管中的所述图像电荷复位；全局快门控制信号产生器电路，其经耦合以产生所述全局快门控制信号以具有第一值信号或第二值信号，其中所述全局快门控制信号的所述第一值经耦合以接通所述全局快门晶体管以将所述光电二极管复位，其中所述全局快门控制信号的所述第二值经耦合以将所述全局快门晶体管控制为低漏电关断模式；及供电电路，其经耦合以将所述第二值信号提供到所述全局快门控制信号产生器电路，其中所述供电电路包含可变滤波器电路，其耦合到所述供电电路的输出以响应于带宽选择信号而选择性地改变所述第二值信号的带宽；控制电路，其耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作；及读出电路，其耦合到所述像素阵列以从所述多个像素读出图像数据。

另一方面，本申请案涉及一种用于控制像素单元的全局快门的方法。所述方法包括：响应于经耦合以由全局快门晶体管的栅极端子接收的全局快门控制信号而接通所述全局快门晶体管以将耦合到所述全局快门晶体管的光电二极管中的图像电荷复位；响应于所述全局快门控制信号而关断所述全局快门晶体管以使得所述光电二极管能够响应于在正常曝光操作期间引导到所述光电二极管的入射光而积累图像电荷，其中关断所述全局快门晶体管包括：将所述全局快门控制信号设置为在所述全局快门晶体管关断的时间的第一部分期间具有较大带宽；及将所述全局快门控制信号设置为在所述全局快门晶体管关断的时间的第二部分期间具有较小带宽；及将所述图像电荷从所述光电二极管中转移出来；及在所述图像电荷已从所述光电二极管中转移出来之后响应于所述全局快门控制信号而接通所述全局快门晶体管。

附图说明

参考以下图式描述本发明的非限制及非详尽实例，其中除非另有规定，否则相同的参考数字是指各个视图中的相同部分。

图1是根据本发明的教示的说明包含经耦合以从具有可变带宽的供电电路接收供电电压的全局快门控制信号产生器的像素单元的一个实例的示意图。

图2是根据本发明的教示的说明具有从具有可变带宽的供电电路提供的第一值信号的实例全局快门控制信号的时序图。

图3是根据本发明的教示的说明具有可变带宽的供电电路的一个实例的示意图。

图4是根据本发明的教示的说明包含具有利用实例全局快门控制信号产生器控制的像素单元的像素阵列的成像系统的一个实例的图。

对应的参考字符指示图式的若干视图中的对应组件。所属领域的技术人员将明白，图中的元件是为了简单清楚起见而说明且不一定按比例绘制。例如，图中的一些元件的尺寸可相对于其它元件夸大以帮助改善对本发明的各个实施例的理解。此外，商业上可行的实施例中有用或必需的常见但众所周知的元件通常并未描绘以促进更容易地查看本发明的这些各个实施例。

具体实施方式

如将所示，揭示了针对向像素单元中的全局快门开关提供全局快门控制信号的全局快门控制信号产生器的方法及设备。在以下描述中，陈述数种特定细节以提供对本发明的彻底理解。在以下描述中，陈述数种特定细节以提供对实施例的彻底理解。然而，所属领域的技术人员将认识到，本文中描述的技术可在无特定细节中的一或多者的情况下或利用其它方法、组件、材料等来实践。在其它实例中，并未详细示出或描述众所周知的结构、材料或操作以避免混淆某些方面。

贯穿本说明书对“一个实施例”、“实施例”、“一个实例”或“实例”的引用意指结合实施例或实例描述的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例或实例中。因此，例如“在一个实施例中”或“在一个实例中”的短语在本说明书中的各个位置中的出现不一定全部是指相同实施例或实例。此外，特定特征、结构或特性可以任何合适方式组合在一或多个实施例或实例中。下文是在通过参考附图描述本发明的实例时使用的术语及元件的详述。

如将讨论，对于使用NMOS晶体管实施的全局快门开关，NMOS晶体管的栅极端子可连接到负NVDD电压(例如，-2伏特)以在全局快门开关关断时为全局快门开关提供低漏电关断模式，这改善了图像传感器性能。因而，当全局快门开关从被接通转变到被关断时，NMOS栅极电压从AVDD变为NVDD。例如，在其中AVDD＝3伏特且NVDD＝-2伏特的实例中，当全局快门开关被关断时，全局快门开关的栅极端子上的电压从3伏特转变为-2伏特。为了提供负NVDD电压(例如，-2伏特)，提供又可称为N泵或负泵的负电压产生器。为了同时关断图像传感器的每个像素单元中的全局快门开关以实施全局快门，典型的N泵将需要具有极大的驱动能力以驱动全局快门开关的所有栅极端子。实际上，耦合到所有全局快门开关的栅极端子的线电容可能极大，在一些实例中线电容可取决于图像传感器的像素阵列中的像素数目而为纳法拉的数量级。

为了实现具有快速稳定时间的大驱动能力，N泵电路需要较大回路带宽，所述N泵电路将负NVDD电压供应给图像传感器中的所有全局快门晶体管的栅极端子。然而，在较大带宽下供应负NVDD电压通常结果导致增加噪声。如下文将更详细地讨论，根据本发明的教示的实例解决了需要具有大驱动能力及低噪声的负NVDD电压供电电路的此问题。

如将所示，取代固定低通滤波器带宽的是，在NMOS全局快门晶体管的栅极端子最初耦合到负NVDD电压的时间的第一部分期间给可变低通滤波器提供大的带宽以提供快速稳定时间。在NMOS全局快门晶体管的栅极端子上的负NVDD电压大致上稳定之后，在当全局快门晶体管的栅极端子耦合到负NVDD电压时的时间的第二部分期间降低可变低通滤波器上的带宽以在当快门晶体管的栅极端子耦合到负NVDD电压时的时间的第二部分期间减少全局快门晶体管的栅极上的噪声及脉动。因此，利用根据本发明的教示的具有可变带宽的NVDD供电电路实现了快速稳定以及低噪声及脉动两者。

为了说明，图1是根据本发明的教示的说明具有利用全局快门控制信号产生器120控制的全局快门的像素单元100的一个实例的示意图。在实例中，全局快门控制信号产生器120经耦合以从根据本发明的教示的具有可变带宽的供电电路128接收负NVDD电压130。在实例中，像素单元100可为像素阵列中的多个像素单元中的一者。如所描绘实例中所示，像素单元100包含全局快门晶体管102、光电二极管104、转移晶体管106、存储晶体管108、输出晶体管110、读出节点114、复位晶体管112、放大器晶体管116及耦合到位线178的行选择晶体管118。在一个实例中，读出节点114是安置在像素单元100的半导体材料中的浮动扩散区。在一个实例中，放大器晶体管116利用耦合源极跟随器的晶体管来实施。如图1的实例中所示，全局快门晶体管102耦合在AVDD电压与光电二极管104之间。

在操作中，全局快门晶体管102经耦合以在正常曝光操作之前通过响应于全局快门控制信号GS_CTRL 126选择性地将光电二极管104耦合到电压AVDD选择性地耗尽积累在光电二极管104中的图像电荷，全局快门控制信号GS_CTRL 126由全局快门控制信号产生器120产生。在实例中，包含在图像传感器的像素阵列中的所有像素单元100共享全局快门控制信号GS_CTRL 126以实施全局快门。在光电二极管104中的图像电荷已通过全局快门晶体管102耗尽之后，全局快门控制信号GS_CTRL 126转变为NVDD以将全局快门晶体管102切换为低漏电关断模式。如所描绘实例中所示，负NVDD电压130是由具有可变带宽的供电电路128提供。如下文将更详细地讨论，在全局快门晶体管102的断开时间的第一部分期间，全局快门控制信号GS_CTRL 126的带宽经设置以具有大带宽以提供快速稳定时间。根据本发明的教示，在全局快门晶体管102的断开时间的第二部分期间，全局快门控制信号GS_CTRL 126的带宽经设置以具有小带宽以提供低噪声及波纹脉动。

在全局快门开关102已响应于全局快门控制信号GS_CTRL 126而关断之后，安置在像素单元100的半导体材料中的光电二极管104接着开始响应于在正常曝光操作期间引导到光电二极管104的入射光122而积累图像电荷。在一个实例中，入射光122可被引导穿过像素单元100的半导体材料的前侧。在另一实例中，应明白，入射光122可被引导穿过像素单元100的半导体材料的背侧。在正常曝光操作之后，积累在光电二极管104中的图像电荷通过转移晶体管106转移到存储晶体管108的输入。

图1中的实例还说明输出晶体管110耦合到存储晶体管108的输出以选择性地将图像电荷从存储晶体管108转移到读出节点114，读出节点114在所说明的实例中是浮动扩散区FD。复位晶体管112耦合在复位电压V_RESET与读出节点114之间以响应于复位信号RST选择性地将读出节点114中的电荷复位。在实例中，放大器晶体管116包含耦合到读出节点114的放大器栅极以放大读出节点114上的信号以输出来自像素单元100的图像数据。行选择晶体管118耦合在位线178与放大器晶体管116之间以将图像数据输出到位线178。

图2是根据本发明的教示的说明具有第一值AVDD 224及第二值NVDD 230以控制全局快门开关的实例全局快门控制信号GS_CTRL 226的时序图。在所描绘实例中，应明白，图2的全局快门控制信号GS_CTRL 226可为由图1的全局快门控制信号产生器120产生的全局快门控制信号126的一个实例，且下文引用的类似命名及编号的元件类似于如上所述那样耦合及运作。因此，还可在下文为了解释目的引用图1中的元件。

在一个实例中，AVDD 224可等于3伏特，且NVDD 230等于-2伏特。当然应明白，在其它实例中，AVDD 224及NVDD 230可具有根据本发明的教示的不同值，且本文中描述的实例电压是为了解释目的而提供。

如图2的实例中所示，在时间t0处，全局快门控制信号GS_CTRL 226等于AVDD 224，这接通全局快门晶体管102并将光电二极管104中的图像电荷复位。在时间t1处，全局快门控制信号GS_CTRL 226从正AVDD 224转变为NVDD 230，这关断全局快门晶体管102，并将全局快门晶体管102切换为其中通过全局快门晶体管102的漏电减少的低漏电关断模式。如图2中描绘的实例中所示，根据本发明的教示，在时间t1与时间t2之间，全局快门控制信号GS_CTRL226的NVDD 230电压经设置以具有大带宽，这实现更快稳定时间。根据本发明的教示，随后在时间t2处，全局快门控制信号GS_CTRL 226的NVDD 230电压经设置以具有小带宽，这提供减少的噪声及脉动。应明白，当全局快门晶体管102在时间t1之后关断时，开始正常曝光操作，此时图像电荷可响应于入射光122而积累在光电二极管104中。

在一个实例中，从时间t1到t2的持续时间可近似为在时间t1处关断全局快门晶体管102与在时间t3处开始的读出操作之间的时间的80％。因而，在所述实例中，从时间t2到时间t3的持续时间可近似为在时间t3处开始的读出操作之前的时间的剩余20％。

继续图2中所示的实例，在时间t3处，可开始读出操作，此后转移晶体管106可将积累在光电二极管104中的图像电荷转移到存储晶体管108，所述图像电荷接着最终可通过输出晶体管110、放大器晶体管116及行选择晶体管118读出到位线178，如上文讨论。在图2中描绘的实例中，在时间t4处，全局快门控制信号GS_CTRL 226从NVDD转变回到AVDD以将全局快门晶体管102再次接通，这在下一个正常曝光操作之前再次将光电二极管104中的图像电荷初始化。

图3是根据本发明的教示的说明具有可变带宽的供电电路328的一个实例的示意图。在所描绘实例中，应明白图3的具有可变带宽的供电电路328可为产生图1的NVDD 130或图2的NVDD 230的具有可变带宽的供电电路128的一个实例，且下文引用的类似命名及编号的元件类似于如上所述那样耦合及运作。

如图3中描绘的实例中所示，具有可变带宽的供电电路328经耦合以提供NVDD 330，其在一个实例中经耦合以由图1的全局快门控制信号产生器120接收。在所描绘实例中，具有可变带宽的供电电路328包含N泵供电电路332及如所示那样耦合到具有可变带宽的供电电路328的输出的可变滤波器电路334。

在实例中，可变滤波器电路334经耦合以响应于带宽选择信号344而选择性地改变NVDD 330信号的带宽。在一个实例中，带宽选择信号344可为数字信号，或可受控于数字寄存器等。因而，可变滤波器电路334可经耦合以选择性地在第一带宽与第二带宽之间改变NVDD 330信号的带宽，其中第一带宽大于第二带宽。

在图3中描绘的特定实例中，可变滤波器电路334包含可变RC滤波器电路，其耦合到供电电路328的输出以响应于带宽选择信号344选择性地在较大带宽与较小带宽之间改变NVDD 330信号的带宽。例如，在可变滤波器电路334中，图3的实例包含可变电阻器电路336及电容器Cout 342，其耦合到供电电路328的输出以提供RC电路以响应于带宽选择信号344而选择性地改变NVDD 330信号的带宽。在所描绘实例中，可变电阻器电路336包含耦合到电容器Cout 342的第一电阻器R1 338、如所示那样耦合到第一电阻器R1 338的开关342及如所示那样耦合到电容器Cout 342及开关342的第二电阻器R2 340。根据本发明的教示，在实例中，开关342经耦合以选择性地将第二电阻器R2 340跨第一电阻器R1 338并联耦合以改变可变电阻器电路336的总电阻以响应于带宽选择信号344而改变可变滤波器电路334的RC时间常数。

在一个实例中，第一电阻器R1 338的电阻大于第二电阻器R2 340的电阻。在操作中，当带宽选择信号344断开开关342时，解除第二电阻器R2 340与第一电阻器R1 338的并联耦合，且可变电阻电路336的总电阻因此等于R1。然而，当带宽选择信号344闭合开关342时，第二电阻器R2 340跨第一电阻器R1 338并联连接，且可变电阻电路336的总电阻因此等于R1*R2/(R1+R2)。在一个实例中，第二电阻器R2 340的电阻小于第一电阻器R1 338的电阻。因而，当开关342闭合(例如，在图2中的时间t1与t2之间)时，可变电阻电路336的总电阻是较小的，且提供较小的RC时间常数，且对NVDD 330信号提供第一带宽或较大带宽。根据本发明的教示，类似地，当开关342断开时(例如，图2中的时间t2与t3之间)，可变电阻电路336的总电阻是较大的，且提供较大的RC时间常数，且对NVDD 330信号提供第二带宽或较小带宽。

在图3中描绘的实例中，N泵供电电路332被说明为包含实例倍压器核心的负电荷泵电路，所述倍压器核心经耦合以利用时钟信号CLK计时且耦合到电容器Cm以将负NVDD 330电压如所示那样供应给可变滤波器电路334及供电电路328的输出。应明白，N泵供电电路332是可用于如所示那样产生NVDD 330的供电电路的一个实例，且其它类型的供电电路可用于提供负电压NVDD 330并享用具有根据本发明的教示的可变带宽的实例供电电路的益处。

图4是根据本发明的教示的说明包含具有利用包含具有可变带宽的实例供电电路428的控制电路484控制的像素单元的像素阵列476的成像系统474的一个实例的图。在所描绘的实例中，应明白，图4的具有可变带宽的实例供电电路428可为产生图1的实例NVDD 130信号或图2的NVDD 230信号或图3的NVDD 330信号的图1的具有可变带宽的实例供电电路128或图3的具有可变带宽的供电电路328的一个实例，且下文引用的类似命名及编号的元件类似于如上所述那样耦合及运作。

特定地说，如图4中描绘的实例中所示，成像系统474包含具有多个图像传感器像素单元的实例像素阵列476。成像系统474包含耦合到控制电路484及读出电路480的像素阵列476，读出电路480耦合到功能逻辑482。在一个实例中，像素阵列476是图像传感器像素单元(例如，像素P1、P2、P3、……、Pn)的二维(2D)阵列。应注意，像素阵列476中的像素单元P1、P2、……、Pn可为图1的像素单元100的实例。如所说明，每一像素单元被布置为行(例如，行R1到Ry)及列(例如，列C1到Cx)以获取人、地点、物体等的图像数据，其接着可用来呈现人、地点、物体等的2D图像。

在一个实例中，在每一像素单元P1、P2、P3、……、Pn已响应于全局快门控制信号产生器电路而复位之后，在包含于每一像素单元P1、P2、P3、……、Pn中的全局快门晶体管已响应于具有利用包含在控制电路484中的具有可变带宽的供电电路428产生的NVDD值的全局快门控制信号而关断之后且在每一像素单元P1、P2、P3、……、Pn已在如上文详细讨论的正常曝光操作期间获取其图像数据或图像电荷之后，图像数据由读出电路480通过位线478读出且接着被转移到功能逻辑482。在各个实例中，读出电路480可包含放大电路、模/数转换(ADC)电路或其它电路。功能逻辑482可仅仅存储图像数据或甚至通过施加后图像效果(例如，剪切、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或其它)操控图像数据。在一个实例中，读出电路480可一次沿读出列线读出一行图像数据(所说明的)或可使用各种其它技术(未说明)(例如串行读出或同时完全并行读出所有像素)来读出图像数据。

在所描绘实例中，控制电路484耦合到像素阵列476以控制像素阵列476的操作特性。如上文详细地讨论，控制电路484包含具有可变带宽的实例供电电路428以供应全局快门控制信号的负NVDD信号。控制电路484还产生其它控制信号以控制包含在像素阵列476中的每一像素单元的图像获取。在实例中，根据本发明的教示，在单个获取窗期间，全局快门控制信号及其它控制信号同时启用像素阵列476内的所有像素单元P1、P2、P3、……、Pn以获取图像电荷并转移来自像素单元中的每一相应光电二极管的图像电荷。

本发明的所说明实例的以上描述(包含发明摘要中描述的内容)不旨在是详尽的或限于所揭示的精确形式。虽然本发明的特定实施例及实例在本文中是为了说明性目的而描述，但是各种等效修改在不脱离本发明的更广泛精神及范围的情况下是可行的。实际上，应明白，特定实例电压、电流、频率、功率范围值、时间等是为了解释目的而提供且在根据本发明的教示的其它实施例及实例中也可以采用其它值。

鉴于以上详述可对本发明的实例作出这些修改。所附权利要求书中使用的术语不应被解释为将本发明限于说明书及权利要求书中揭示的特定实施例。而是，范围应完全由所附权利要求书确定，所附权利要求书应根据权利要求书解释的既定规则来解释。本说明书及图式因此被视为说明性而非限制性。