具有恒定电压偏置的光电二极管的像素电路和相关的成像方法
【专利说明】具有恒定电压偏置的光电二极管的像素电路和相关的成像方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2013年9月11日提交的美国临时申请号61/876，226(代理人案号124-0015-US-PR0)的权益，其通过引用并入本文。
【背景技术】
[0003]除非在本文中另外指出，否则不应该认为在本部分中所描述的途径是本申请的权利要求的现有技术，并且不因为其包括在该部分中而认为是现有技术。
[0004]常规成像器使用是将入射光转换成电流或电压的光敏电子元件的光电二极管。来自这样的光电二极管元件或像素的矩阵的信号产生图像。光电二极管通常以“电荷耗尽”模式操作。在这种模式下，在曝光或图像采集之前，与每个像素电路中的光电二极管相关联的电容器被预先充电到1V-6V反向偏置(或电压)。比如，阴极处于比阳极更高的电压电平(阴极和阳极是光电二极管中的两个带有相反电荷的电极)。非常低的漏电流流动可能在这些两个终端之间。漏电流是电荷在设备的“断开”状态下的流动，并且是不期望的效果。在电荷耗尽模式下，由图像信息生成的光电流会被动地耗尽或移除存储在反向偏置中的电荷，以使光电二极管两端的电压在其吸收由输入图像投影的光时逐渐下降。
[0005]在一些现有技术的无源像素电路中，读出动作可以将光电二极管反向偏置恢复至曝光前的水平，并且测量恢复该偏置所需的电荷的数量。在一些现有技术的有源像素电路中，在曝光结束时测量留在光电二极管上的电压。然后，光电二极管反向偏置由单独的重置动作恢复。
[0006]上文所提及的现有技术的途径至少具有下列限制:(I)光电二极管漏电流还可能耗尽所存储的反向偏置，从而引入被称为散粒噪声的噪声类型和动态范围限制；(2)光电二极管响应度可能随其偏置电压而改变，其可能随信号积分增加而被耗尽，从而引入不期望的非线性度；(3)在许多有源像素设计中，所累积的信号电荷由是电压的函数的光电二极管电容两端的电压表示，从而引入不期望的非线性度;和(4)光电二极管电容的偏置恢复动作可以引入kTC噪声(还称为重置噪声)。
【附图说明】
[0007]图1是成像系统中的一个示例像素电路的示意图；
[0008]图2是成像系统中的另一示例像素电路的示意图；
[0009]图3是成像系统中的另一示例像素电路的示意图；
[0010]图4是成像系统中的又一示例像素电路的示意图；
[0011]图5是用图1中所图示的像素电路实现的成像系统的示意图；和
[0012]图6是图示了图5的成像系统的操作的时序图，所有操作按照本公开的至少一些实施例进行布置。
【具体实施方式】
[0013]在以下的【具体实施方式】中，参照形成其一部分的附图。在附图中，类似的符号通常标识类似的部件，除非上下文另外指示。在【具体实施方式】、附图和权利要求书中所描述的说明性实施例并不意味着是限制性的。可以利用其它实施例，并且可以在不脱离这里所提出的主题的精神或范围的情况下做出其它改变。应当容易理解，如本文中通常所描述的并且在附图中所图示的，本公开的方面可以以广泛多种不同的构造进行布置、取代、组合并且设计，所有这些都在本文中进行明确设想。
[0014]贯穿本描述，应当注意光电二极管两端的偏置电压(S卩，在光电二极管阴极和阳极端子两端预先设定或维持的电位差)和在像素电路中操作的偏置电流之间的区别。偏置电压被施加到光电二极管，以使它们能够通过电荷耗尽来积分光学信号。偏置电流被施加在像素电路的有源单元中，以确保像素电路的最佳的、线性的和低噪声操作。
[0015]图1、图2、图3和图4分别是根据本公开的至少一些实施例的成像系统中的像素电路101，102，103和104的示意图。每个像素电路101，102，103和104包括光电二极管PD、偏置电路10、电荷-电压转换器Cl、以及开关SWl和SW2。像素电路101，102，103和104可以被配置成基于将在随后的段落中详细地进行解释的控制信号RESET，BIAS和SELECT来操作。VCC和VSS表示供应到偏置电路10以确保适当的操作的偏置电压。
[0016]像素电路101，102，103和104的操作可以包括至少三个阶段:图像采集周期、读出周期、和重置周期。偏置电路10被配置成在整个操作期间提供光电二极管ro两端的恒定偏置电压，以使像素电路101，102，103和104可以以“电荷生成”模式操作。在图像采集周期期间，光电二极管ro可以被配置成响应于输入光或辐射来生成电荷。在“电荷生成”模式下，响应于光或福射由光电二极管F1D所生成的电荷由偏置电压电路10排出(drain)并且在电荷-电压转换器Cl中进行累积。如先前所陈述的，现有技术的像素电路被配置成以其中光电二极管响应度可以随偏置电压而改变的“电荷耗尽”模式来操作，从而引入不期望的非线性度。在本公开中，由于光电二极管H)两端的偏置电压不被允许通过输入光或辐射进行调制，所以光电二极管响应度不是已经所捕获的信号的数量的函数，并且因此可以维持信号响应的线性度。
[0017]在图1，图2，图3和图4中所图示的实施例中，电荷-电压转换器Cl可以是但不限于线性平行板电容器或具有类似功能的另一类型的设备。在图像采集周期期间，电荷-电压转换器Cl可以被配置成在第一端接收从光电二极管PD排出的电荷、累积所接收的电荷、并且在第二端将所累积的电荷转换成输出电压Vo。在读出周期期间，输出电压Vo可以经由开关SWl被传送给成像系统中的对应的数据线用于获取对应的视频信号，其将在随后的段落中详细地进行说明。在重置周期期间，电荷-电压转换器Cl可以使用开关SW2进行重置用于清除所累积的电荷，从而准备用于随后的图像获取周期。
[0018]如先前所陈述的，在现有技术的有源像素电路由于光或辐射而生成的电荷被累积在光电二极管电容中，其是变化的偏置电压的函数，从而引入不期望的非线性度。在本公开中，由于光或福射而生成的电荷被积累在电荷-电压转换器Cl而非在光电二极管电容中累积。由于电荷-电压转换器Cl (输入电荷与输出电压的比例)的增益是与任何输入光或福射无关的恒定值，输入光或辐射的线性表示可以通过在电荷-电压转换器Cl的第二端直接读出输出电压Vo来提供。
[0019]应当注意，当以“电荷生成”模式操作时，不需以切换方式对光电二极管PD执行偏置恢复动作。因此，如同常规像素电路的缺点一样，根据本公开的至少一些实施例的像素电路101，102，103和104不生成太多的kTC噪声。
[0020]在如图1和图3所图示的实施例中，像素电路101或103的偏置电路10包括运算放大器20和电压源40。电压源40被耦合在运算放大器20的非反相端和光电二极管PD的阳极之间。电荷-电压转换器Cl被耦合在运算放大器20的反相端和输出端之间。在光电二极管H)两端所提供的恒定的偏置电压由电压源40确定。运算放大器20可以在其反相输入将虚拟接地节点呈现给光电二极管ro，从而将该虚拟接地节点保持在与非反相输入相同的电压。所有的光生电荷被拉过到电荷-电压转换器Cl，其中，它可能产生与光电二极管ro从输入光信号生成的电荷的所积分的数量成线性比例的输出电压Vo。然而，如同常规像素电路的非线性度的原因一样，这些光感应电荷不改变光电二极管ro两端的电压。
[0021]在图2和图4中所图示的实施例中，像素电路102或104的偏置电路10包括电流整流电路30和电压源40。电流整流电路30包括晶体管以，02，03，04和05，其可以是金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、双极结型晶体管(BJT)或者具有类似功能的其它设备。光电二极管H)的阴极被耦合到电流整流电路30的第一端。电压源40被耦合在电流整流电路30的第二端和光电二极管PD的阳极之间。电荷-电压转换器Cl被耦合在电流整流电路30的第三端和光电二极管ro的阳极之间。在光电二极管ro两端所提供的恒定偏置电压由电