专利名称：消除线性CMOS图像传感器中kTC噪声的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及CMOS图像传感器，更具体地，本发明涉及用于消除线性图像传感器中的kTC噪声的方法和电路。
背景技术：
集成电路技术已经使包括计算机、控制系统、电信和图像的各种不同领域产生重大变革。例如，在成像领域中，已经证实CMOS图像传感器相对于CCD成像器件的制造更廉价。此外，对于某些应用，CMOS器件在性能上更优越。例如，可以将必需的信号处理逻辑电路集成在成像电路一侧，因此允许单一集成芯片形成完全独立的成像器件。
尽管CMOS图像传感器技术的进展，仍然存在阻止它们的广泛接受的问题。这种问题之一是在复位操作期间在CMOS像素中引入的“kTC”噪声。特别是，在CMOS阵列中，在像素开始它的“积分”周期之前必须复位每个像素。通常，这种复位步骤需要每个像素使相关联的晶体管接通以便使复位电压到达关联像素的光电二极管。当关联晶体管关断时，光电二极管的电压就等于复位电压。然而，在每一个像素复位之后，在晶体管沟道中的热噪声(称为kTC噪声)就引入注入在每个像素中的电荷量的一些变化。由于热噪声实质上是随机的，一旦在各个像素上发生电压改变将不一定第二次发生相同变化。kTC噪声的幅度与波尔兹曼常数k、开尔文温度T和电流路径中的电容C有关。每个像素中的局部温度变化将引起这种随机的kTC噪声。
现有技术试图集中在改变像素的结构上来反对kTC噪声。例如，已经提出使用四个晶体管的像素。然而，这就具有大的像素尺寸和难于制造的缺点。类似地，在美国专利No.5981932中描述了通过在伪电容器中存储电荷来消除kTC噪声的一种像素。然而，这种像素需要附加的制造工艺步骤，以及操作的额外时间要求。此外，`932专利中的像素要求附加的晶体管以便提供对地或电源的附加开关。
因此，就需要提供一种简单并易于制造的能够补偿kTC噪声的方法或装置。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种从像素中读出像素信号的方法，包括在所述像素开始积分周期之前，从所述像素中捕获第一基准黑电平信号；在完成所述积分周期之后，捕获像素信号；完成所述积分周期后，捕获第二基准黑电平信号；以及输出所述第一基准黑电平信号、所述第二基准黑电平信号和所述像素信号。
本发明的另一目的是提供用于读出由像素输出的像素信号的列读出电路，所述电路包括连接到所述像素的像素信号支线，所述像素信号支线包括像素信号存储元件、像素信号选择开关和像素信号读取开关，所述像素信号选择开关连接到所述像素和所述像素信号存储元件以便在所述像素信号存储元件上选择性地存储所述像素信号，所述像素信号读取开关连接到所述像素信号存储元件以便从所述像素信号存储元件选择性地读出所述像素信号；连接到所述像素的第一基准黑电平信号支线，所述第一基准黑电平信号支线包括第一基准黑电平存储元件、第一基准黑电平选择开关和第一基准黑电平读取开关，所述第一基准黑电平选择开关连接到所述像素和所述第一基准黑电平存储元件以便在所述第一基准黑电平存储元件上选择性地存储第一基准黑电平信号，所述第一基准黑电平读取开关连接到所述第一基准黑电平存储元件以便从所述第一基准黑电平存储元件中选择性地读出所述第一基准黑电平信号；以及连接到所述像素的第二基准黑电平信号支线，所述第二基准黑电平信号支线包括第二基准黑电平存储元件、第二基准黑电平选择开关和第二基准黑电平读取开关，所述第二基准黑电平选择开关连接到所述像素和所述第二基准黑电平存储元件以便在所述第二基准黑电平存储元件上选择地存储第二基准黑电平信号，所述第二基准黑电平读取开关连接到所述第二基准黑电平存储元件以便从所述第二基准黑电平存储元件中选择性地读出所述第二基准黑电平信号。
在附图中，在整个本发明的非限制性和非穷举的实施例的不同视图中，相同的参考数字代表相同的部分。
图1是根据本发明形成的线性CMOS图像传感器的示意图。
图2是根据本发明形成的像素和相关的列读出电路的示意图。
图3A-3G是说明图2的列读出电路的工作时序图。
具体实施例方式
在下面的说明书中，提供许多具体的细节，例如各种不同的系统部件的标识，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本领域技术人员应当认为，本发明可在没有一个或多个具体的细节，或使用其它方法、部件、材料等的情况下实现。在再一个实例中，没有详细示出或详细地描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各个实施例的特征不明显。
整个本说明书中参考“一个实施例”或“实施例”意指在本发明的至少一个实施例中包含的与实施例相关描述的特殊的特征、结构或特性。因此，在整个说明书的不同位置处出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不必都指相同的实施例。此外，可以在一个实施例中或在多个实施例中以任何适合的方式组合特殊的特征、结构或特性。
虽然本发明可以一般性地应用于CMOS图像传感器，但将结合典型地和扫描器一起使用的“线性传感器”来描述本发明。总体上讲，如图1中所示，线性传感器11只是图像传感器的较小形式。例如，常规的图像传感器具有像素101的阵列，像素101的阵列具有相应于例如CIF格式、VGA格式或SVGA格式的几种已知标准之一的尺寸。然而，线性传感器11典型地仅具有一行像素(用于黑和白)或三行像素13a、13b和13c(用于彩色)。因此，彩色线性传感器可具有三行像素，每一行具有大约1000个像素。
如上所述，CMOS图像传感器包括形成为列和行的像素阵列。典型地，像素的每一列将其与列读出电路15相关联，这是本发明的目的。在下面的说明书中，结合读出电路描述单个像素。应当理解，对于整个图像传感器需要多个读出电路。
参照图2，示出连接到读出电路103的有源像素101。有源像素101包括光电二极管105、复位晶体管107、像素输出晶体管109和行选择晶体管111。有源像素101的结构是现有技术中的常规结构。在操作中，光电二极管105提供表示撞击在光电二极管105上的光量的光信号输出。如果行选择(RS)晶体管111被接通，为了输出光电信号(photosignal)就利用光信号来调制像素输出晶体管109。像素输出晶体管109还称为处于源跟随器结构。复位晶体管107用于在随后的信号积分周期复位像素101。
读出电路103包括三个支线(branch)第一支线用于捕获光电信号，第二支线用于捕获第一基准黑电平(black reference)，以及第三支线用于捕获第二基准黑电平。特别地，通过行选择晶体管111将像素输出晶体管的源极连接到第一、第二和第三支线。三个支线的应用就能够用于相关双路取样(correlated double sampling)，一种对于使1/f噪声和固定的图像噪声最小化有用的技术。应当注意，对于相关双路取样，典型地在两个支线之间采用短路晶体管。然而，为了清楚的目的，在图2所示的读出电路中省略了短路晶体管。
第一、第二和第三支线基本上具有相同结构。为了易于理解，除了用“a”表示用于捕获光电信号的第一支线、用“b”表示用于捕获第一基准黑电平信号的第二支线、以及用“c”表示用于捕获第二基准黑电平信号的第三支线之外，相同数字表示相同的元件。
读出电路103包括像素输出晶体管109的负载晶体管113。第一、第二和第三支线每一支线包括支线选择晶体管115a、115b和115c。这些晶体管用作开关以选择由有源像素101输出的信号直接到达的支线。应当注意，在本实施例中，选择晶体管115a-115c是PMOS晶体管；然而，应当理解，还可以采用NMOS晶体管。
支线选择晶体管115a-115c的下游是电容器117a、117b和117c。术语下游是指在信号路径中参考位置之后的位置。电容器117a-117c具有连接到电压VL的第一极板，电压VL可以是Vss或地。电容器的第二极板连接到选择晶体管115a-115c的漏极。电容器117a-117c还可以是多晶-多晶(poly-poly)电容器、金属-金属电容器、MOS电容器、或者在半导体工艺中形成的任何类型的传统的电容器。
此外，电容器的第二极板连接到读取开关119a-119c。这些读取开关119a-119c选择性地开闭并通过缓冲器121读出电容器117a-117c上的各种不同信号。然后依次处理这些信号以便从像素101中提取该信号。与现有技术不同，第一基准黑电平和第二基准黑电平都用于使来自像素的信号相互关联。
具体地，参照图3A-3G，当像素101处于复位操作时(通过接通复位晶体管107并参见图3A)，参见图3C，就仅仅接通第二支线选择晶体管115b。这就捕获第一基准黑电平信号到电容器117b上。应当注意，先于像素信号的积分之前取第一基准黑电平信号。参见图3B和3D，关断第一和第三支线选择晶体管115a和115c。
参见图3E，在电容器117b上捕获第一基准黑电平信号之后，接通用于像素信号支线的读取开关119a以便通过缓冲器121读出像素信号。应当注意，电容器117a存储来自前一周期的像素信号。随后参见图3G，接通用于第二基准黑电平信号支线的读取开关119c以便通过缓冲器121读出第二基准黑电平信号。应当注意，在前一周期内存储第二基准黑电平信号并且该第二基准黑电平信号是在前一周期内的“第一”基准黑电平信号。类似地，还应当注意，特定像素101的第二基准黑电平信号将用作将被取样的下一个像素(在随后的行中)的第一基准黑电平信号。
接着参见图3B，然后接通选择晶体管115a。这就导致了新的像素信号将存储在电容器117a上。于是，该周期完成并且下一个读出周期可以开始。当复位晶体管再一次被激活，参见图3A，并且通过激活选择晶体管115c第二基准黑电平信号被存储在电容器117c上，参见图3D，时，上述情况发生。
电路的操作是在像素信号积分之前捕获第一基准黑电平信号，在像素信号积分之后捕获第二基准黑电平信号。所有这些信号都经过缓冲器121用于随后的信号处理。特别地，可以结合相关双路取样技术采用第一基准黑电平信号和第二基准黑电平信号来消除kTC噪声。
虽然这里在有限数量的实施例的上下文中说明并描述了本发明，可以在不脱离本发明的基本特征的精神的情况下以多种形式实施本发明。因此，总体地讲，说明并描述的实施例将认为是说明性的并非限定性的。例如，根据调整曝光时间已给出上述详细的说明。然而，上述的技术可以相同地应用于增益控制。例如代替增加或减少曝光量，可以类似地增加或减少增益量。此外，根据需要可以增加或减少曝光时间和增益。因此，所附权利要求书而不是由前面的说明书表示了本发明的范围，希望落入权利要求书等价内容的意思和范围内的所有变化将包括其中。
权利要求
1.一种从像素中读出像素信号的方法，包括在所述像素开始积分周期之前，从所述像素中捕获第一基准黑电平信号；在完成所述积分周期之后，捕获像素信号；完成所述积分周期后，捕获第二基准黑电平信号；以及输出所述第一基准黑电平信号、所述第二基准黑电平信号和所述像素信号。
2.权利要求1的方法，其中当所述像素执行复位功能时，捕获所述第一基准黑电平信号。
3.权利要求1的方法，其中通过缓冲器输出所述第一基准黑电平信号、所述第二基准黑电平信号和所述像素信号。
4.权利要求1的方法，其中所述第一基准黑电平信号是前一读出周期中的前一第二基准黑电平信号。
5.权利要求1的方法，其中所述第二基准黑电平信号将用作随后的读出周期的随后的第一基准黑电平信号。
6.用于读出由像素输出的像素信号的列读出电路，所述电路包括连接到所述像素的像素信号支线，所述像素信号支线包括像素信号存储元件、像素信号选择开关和像素信号读取开关，所述像素信号选择开关连接到所述像素和所述像素信号存储元件以便在所述像素信号存储元件上选择性地存储所述像素信号，所述像素信号读取开关连接到所述像素信号存储元件以便从所述像素信号存储元件选择性地读出所述像素信号；连接到所述像素的第一基准黑电平信号支线，所述第一基准黑电平信号支线包括第一基准黑电平存储元件、第一基准黑电平选择开关和第一基准黑电平读取开关，所述第一基准黑电平选择开关连接到所述像素和所述第一基准黑电平存储元件以便在所述第一基准黑电平存储元件上选择性地存储第一基准黑电平信号，所述第一基准黑电平读取开关连接到所述第一基准黑电平存储元件以便从所述第一基准黑电平存储元件中选择性地读出所述第一基准黑电平信号；以及连接到所述像素的第二基准黑电平信号支线，所述第二基准黑电平信号支线包括第二基准黑电平存储元件、第二基准黑电平选择开关和第二基准黑电平读取开关，所述第二基准黑电平选择开关连接到所述像素和所述第二基准黑电平存储元件以便在所述第二基准黑电平存储元件上选择地存储第二基准黑电平信号，所述第二基准黑电平读取开关连接到所述第二基准黑电平存储元件以便从所述第二基准黑电平存储元件中选择性地读出所述第二基准黑电平信号。
7.权利要求6的电路，其中在像素信号积分周期开始之前，在所述第一基准黑电平存储元件上存储所述第一基准黑电平信号。
8.权利要求6的电路，其中在完成像素信号积分周期之后，在所述第二基准黑电平存储元件上存储所述第二基准黑电平信号。
9.权利要求6的电路，其中由电容器形成所有的所述存储元件。
10.权利要求6的电路，进一步包括连接到所有所述读取开关的缓冲器以便允许通过所述缓冲器从存储元件读出该信号。
全文摘要
公开了一种从像素读出像素信号的方法。该方法包括首先在像素开始积分周期之前从像素捕获第一基准黑电平信号。随后，在完成积分周期之后，捕获像素信号。随后，在随着积分周期完成之后，捕获第二基准黑电平信号。最后，输出第一基准黑电平信号、第二基准黑电平信号和像素信号。
文档编号H04N5/217GK1447586SQ0310831
公开日2003年10月8日 申请日期2003年3月27日 优先权日2002年3月27日
发明者H·杨, X·何, Q·单 申请人:全视技术有限公司