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Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf CMOS-Bildsensoren und bezieht
sich insbesondere auf einen CMOS-Bildsensor mit reduziertem 1/f-Rauschen.
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Ein
Typ Bildsensor des Stands der Technik ist ein Aktivpixelsensor-
(APS-) Bildsensor. APS-Bildsensoren werden üblicherweise unter Verwendung
einer Komplementär-Metalloxid-Halbleiter- (CMOS-)
Verarbeitungstechnologie hergestellt und werden üblicherweise auch als CMOS-Bildsensoren bezeichnet.
CMOS-Bildsensoren erfassen Licht durch ein Umwandeln einfallenden
Lichts (Photonen) in eine elektronische Ladung (Elektronen) über den photoelektrischen
Effekt. Farb-CMOS-Bildsensoren werden üblicherweise durch ein Beschichten
jedes einzelnen Pixels mit einer Filterfarbe (z. B. Rot, Grün und Blau)
hergestellt. CMOS-Bildsensoren umfassen üblicherweise einen Photosensor
(z. B. Photodiode) und mehrere CMOS-Transistoren für jedes
Pixel. Einige CMOS-Bildsensoren
stellen eine integrierte Analog-Digital-Umwandlung und Vollzeitgebungssteuerung
auf einer einzelnen integrierten Schaltung bereit.
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Existierende
CMOS-Bildsensoren umfassen Drei-Transistor-(3T-) und Vier-Transistor- (4T-) Pixelimplementierungen.
Pixelimplementierungen mit mehr als vier Transistoren wurden ebenso
entwickelt. Die Pixelschaltungen in diesen Bildsensoren umfassen üblicherweise
einen Source-Folger-Transistor, der verwendet wird, um die Photodiodenspannung auf
einer Spaltenleitung zwischenzuspeichern. In CMOS-Bildsensoren mit
festgelegten 4T-Photodiodenpixelimplementierungen wird ein Leserauschen üblicherweise
durch das 1/f-Rauschen des Source-Folger-Transistors dominiert.
Das 1/f-Rauschen, das auch als Funkelrauschen bezeichnet wird, weist eine
Spektraldichte auf, die umgekehrt proportional zu der Fre quenz (f)
ist. Das 1/f-Rauschen des Source-Folger-Transistors ist ebenso ein
Faktor bei 3T-Pixelimplementierungen, obwohl das 1/f-Rauschen üblicherweise
nicht dominant ist. Vielmehr wird in 3T-Pixelimplementierungen das
Leserauschen üblicherweise
durch ein „kTC"-Rauschen dominiert,
was das Rauschen ist, das einem Rücksetzen des Pixels auf einen
Rücksetzpegel
zugeordnet ist. Trotzdem liefert das 1/f-Rauschen von dem Source-Folger-Transistor einen
wesentlichen Beitrag zu dem Gesamtrauschen in 3T-Pixelimplementierungen.
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Existierende
Techniken zum Reduzieren des 1/f-Rauschens eines Transistors umfassen
ein Erhöhen
der Größe des Transistors
oder ein Modifizieren des CMOS-Prozesses. Aufgrund von Pixelgrößenbeschränkungen
in CMOS-Bildsensoren jedoch kann die Größe des Source-Folger-Transistors üblicherweise
nicht erhöht
werden. Eine Modifizierung des CMOS-Vorgangs ist üblicherweise
komplex und keine lebensfähige
Option.
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Bei
Mendis, Sunetra K.; Kemeny, Sabrina E.; Gee, Russell C. et al.: "CMOS Active Pixel
Image Sensors for Highly Integrated Imaging Systems", IEEE Journal of
Solid-State Circuits, Vol. 32, Nr. 2, Februar 1997, S. 187–197, sind
CMOS-Bildsensoren beschrieben, die eine Mehrzahl von Pixelschaltungen
aufweisen, wobei jede Pixelschaltung eine Mehrzahl von Transistoren
umfasst, wobei eine Steuerung zum Steuern einer Operation der Mehrzahl
von Pixelschaltungen vorgesehen ist.
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Bei
Klumperink, Eric A. M.; Gierkink, Sander L.J.; van der Wel, Arnoud
P. et al.: "Reducing
MOSFET 1/f Noise and Power Consumption by Switched Baising", IEEE Journal of
Solid Solid-State Circuits, Vol. 35, Nr. 7, Juli 2000, S. 994–1001, sind
Verfahren zum Reduzieren des 1/f-Rauschens von MOSFESTs beschrieben,
im Zusammenhang mit Oszillatoren, Mischern, Phasendetektoren und
Frequenzteilern.
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Die
US 2003/0025816 A1 offenbart eine Bildaufnahmevorrichtung, die eine
Mehrzahl von Sensorzellen aufweist. Jede Sensorzelle umfasst ein
photoelektrisches Umwandlungselement, einen Verstärkertransistor
zum Verstärken
und Ausgeben eines Signals von dem photoelektrischen Umwandlungselement
und einen Auswahltransistor zum selektiven Ausgeben eines Signals
von dem Verstärkertransistor.
Eine Treiberschaltung ist vorgesehen, die eine vorbestimmte Spannung
zu dem Transistor liefert, um den Verstärkertransistor in einen Aus-Zustand oder
einen Akkumulationszustand zu treiben, bevor der Verstärkertransistor
ein Signal, das in dem photoelektrischen Umwandlungselement erzeugt
wird, ausgibt. Diese Schrift verweist hinsichtlich einer Reduzierung
des 1/f-Rauschens auf den oben genannten Artikel von Klumperink.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen CMOS-Bildsensor, ein Verfahren
oder einen APS-Bildsensor mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
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Diese
Ausgabe wird durch einen CMOS-Bildsensor gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch
6 oder einen APS-Bildsensor
gemäß Anspruch
9 gelöst.
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Eine
Form der vorliegenden Erfindung liefert einen CMOS-Bildsensor, der eine
Mehrzahl von Pixelschaltungen umfasst. Jede Pixelschaltung umfasst
eine Mehrzahl von Transistoren. Der Bildsensor umfasst eine Steuerung
zum Steuern einer Operation der Mehrzahl von Pixelschaltungen, wobei
die Steuerung konfiguriert ist, um zu bewirken, dass zumindest einer
der Transistoren jeder Pixelschaltung in einen Akkumulationsmodus
versetzt wird und dann von dem Akkumulationsmodus in einen Starkinversionsmodus
umgeschaltet wird, wodurch das 1/f-Rauschen der Pixelschaltungen
reduziert wird.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
schematisches Diagramm, das eine Drei-Transistor- (3T-) Pixelschaltung
des Stands der Technik für
einen CMOS-Bildsensor darstellt;
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2 ein
schematisches Diagramm, das eine Vier-Transistor- (4T-) Pixelschaltung
des Stands der Technik für
einen CMOS-Bildsensor darstellt;
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3 ein
Blockdiagramm, das Hauptkomponenten eines Bildsensors gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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4 ein
schematisches Diagramm, das eine Vier-Transistor- (4T-) Pixelschaltung
mit reduziertem 1/f-Rauschen
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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5 ein
Zeitdiagramm, das die Zeitgebung von Steuersignalen für die Pixelschaltung
aus 4 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung darstellt; und
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6 ein
schematisches Diagramm, das eine Vier-Transistor- (4T-) Pixelschaltung
mit reduziertem 1/f-Rauschen
gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung darstellt.
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In
der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
wird Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen genommen, die einen Teil derselben bilden und in denen
zur Darstellung spezifische Ausführungsbeispiele
gezeigt sind, in denen die Erfindung praktiziert werden kann. Es wird
darauf verwiesen, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet werden
können
und strukturelle oder logische Veränderungen vorgenommen werden können, ohne
von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die
folgende detaillierte Beschreibung soll deshalb in keinem einschränkenden
Sinn aufgefasst werden und der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung
ist durch die beigefügten Ansprüche definiert.
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1 ist
ein schematisches Diagramm, das eine Drei-Transistor- (3T-) Pixelschaltung 100 des Stands
der Technik für
einen CMOS-Bildsensor darstellt. Die Pixelschaltung 100 umfasst
Transistoren 102, 106 und 108 und eine
Photodiode 104. Die Transistoren 102, 106 und 108 sind üblicherweise NMOS-Feldeffekttransistoren
(-FETs). Das Drain des Transistors 102 ist mit einer Spannungsversorgungsleitung 101 (VDD) verbunden. Das Gate des Transistors 102 ist
mit einer RÜCKSETZEN-Leitung 103 verbunden.
Die Source des Transistors 102 ist mit der Photodiode 104 und
mit dem Gate des Transistors 106 verbunden. Zusätzlich dazu,
dass die Photodiode 104 mit der Source des Transistors 102 verbunden
ist, ist dieselbe außerdem
mit Masse verbunden. Das Drain des Transistors 106 ist
mit der Spannungsversorgungsleitung 101 (VDD)
verbunden. Die Source des Transistors 106 ist mit dem Drain
des Transistors 108 verbunden. Das Gate des Transistors 108 ist
mit einer ZEILE-Leitung 105 verbunden. Die Source des Transistors 108 ist
mit einer SPALTE-Leitung 107 verbunden. Die Körper (Substrate)
der Transistoren 102, 106 und 108 sind
mit Masse verbunden.
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Der
Transistor 102 ist ein Rücksetztransistor, der zum Rücksetzen
der Spannung der Photodiode 104 verwendet wird. Der Transistor 106 ist
ein Source-Folger-Transistor zum Erfassen und Zwischenspeichern
der Photodiodenspannung. Der Transistor 108 ist ein Auswahltransistor,
der zur Auswahl der Pixelschaltung 100 verwendet wird.
Pixelinformationen von einem CMOS-Bildsensor werden üblicherweise in
Zeilen abgetastet. Zur Auswahl einer Zeile von Pixeln wird die ZEILE-Leitung 105 für die Pixelschaltungen 100 in
der erwünschten
Zeile in einen Hochzustand gesetzt. Zum Rücksetzen einer Zeile von Pixeln
wird die RÜCKSETZEN-Leitung 103 für die ausgewählte Zeile
von Pixelschaltungen 100 in einen Hochzustand gesetzt.
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Pixelinformationen
für die
Pixelschaltung 100 werden üblicherweise in drei Phasen
erzeugt und abgetastet: (1) Rücksetzen,
(2) Integration und (3) Auslesen. Während der Rücksetzphase wird die Pixelschaltung 100 durch
ein Setzen der RÜCKSETZEN-Leitung 103 in
einen Hochzustand (z. B. oberhalb VDD) rückgesetzt.
Das Setzen der RÜCKSETZEN-Leitung 103 in
einen Hochzustand schaltet den Transistor 102 ein und setzt
die Spannung über
die Photodiode 104 auf einen festen Anfangswert. Die RÜCKSETZEN-Leitung 103 wird
dann in einen Niedrigzustand (z. B. Masse) gesetzt, wodurch der
Transistor 102 ausgeschaltet wird und die Integrationsphase
beginnt. Während
die RÜCKSETZEN-Leitung 103 in
einem Niedrigzustand ist, integriert die Pixelschaltung 100 die
Menge auf die Photodiode 104 fokussierten Lichts und die
Photodiode 104 entlädt
sich von dem Rücksetzpegel
nach unten. Am Ende der Integrationsphase ist die ZEILE-Leitung 105 üblicherweise
in einen Hochzustand gesetzt, um die Auslesephase zu beginnen. Das
Setzen der ZEILE-Leitung 105 in einen Hochzustand schaltet
den Transistor 108 ein und leitet die Integrationsspannung
auf der Photodiode 104 auf die SPALTE-Leitung 107.
Während
der Auslesephase werden die Rücksetzspannung
und die Integrationsspannung üblicherweise von
der SPALTE-Leitung 107 gelesen. Das durch jede Pixelschaltung 100 erzeugte
Bildsignal ist üblicherweise
die Differenz zwischen der Rücksetzspannung
und der Spannung auf der Photodiode 104 nach der Integrationsperiode
(d. h. die Integrationsspannung).
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2 ist
ein schematisches Diagramm, das eine Vier-Transistor- (4T-) Pixelschaltung 200 des Stands
der Technik für
einen CMOS-Bildsensor darstellt. Wie in 2 gezeigt
ist, ist die 4T-Pixelschaltung 200 üblicherweise auf die gleiche
Art und Weise wie die in 1 gezeigte 3T- Pixelschaltung 100 konfiguriert,
mit der Ausnahme, dass ein vierter Transistor 202 in Serie
zu der Photodiode 104 hinzugefügt wurde. Die Source des Transistors 202 ist
mit der Source des Transistors 102 und mit dem Gate des Transistors 106 verbunden.
Das Gate des Transistors 202 ist mit einer TX- (ÜBERTRRGUNGS-)
Leitung 201 verbunden. Das Drain des Transistors 202 ist
mit der Photodiode 104 verbunden. Der Transistor 202 ist üblicherweise
ein NMOS-FET. Die Körper (Substrate)
der Transistoren 102, 106, 108 und 202 sind
mit Masse verbunden.
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Die
4T-Pixelschaltung 200 verwendet üblicherweise die gleichen drei
Phasen (d. h. Rücksetzen,
Integration und Auslesen) wie die 3T-Pixelschaltung 100 (1).
Während
der Rücksetzphase
wird die Pixelschaltung 200 durch ein Setzen der RÜCKSETZEN-Leitung 103 und
der TX-Leitung 201 in einen Hochzustand (z. B. oberhalb
der VDD) rückgesetzt. Ein Setzen der Leitungen 103 und 201 in
einen Hochzustand bewirkt, dass die Transistoren 102 und 202 eingeschaltet
werden, und setzt die Spannung über
die Photodiode 104 auf einen festen Anfangswert. Die RÜCKSETZEN-Leitung 103 und
die TX-Leitung 201 werden dann in einen Niedrigzustand (z.
B. Masse) gesetzt, wodurch die Transistoren 102 und 202 ausgeschaltet
werden, und die Integrationsphase beginnt. Während der Integrationsphase
entlädt
die Photodiode 104 sich von dem Rücksetzpegel nach unten. Am
Ende der Integrationsphase wird die TX-Leitung 201 in einen
Hochzustand gesetzt, um die Auslesephase zu beginnen. Das Setzen
der TX-Leitung 201 in einen Hochzustand schaltet den Transistor 202 ein
und bewirkt, dass die Ladung auf der Photodiode 104 auf
die parasitäre
Kapazität
an dem mit dem Gate des Transistors 106 verbundenen Knoten übertragen
wird. Die TX-Leitung 201 wird dann
in einen Niedrigzustand gesetzt, wodurch der Transistor 202 ausgeschaltet
wird, und die ZEILE-Leitung 105 wird in einen Hochzustand
gesetzt. Das Setzen der ZEILE-Leitung 105 in einen Hochzustand überträgt die Integrationsspannung
auf die SPALTE-Leitung 107.
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Wie
oben beschrieben ist, ist das 1/f-Rauschen des Source-Folger-Transistors
(z. B. Transistor 106 in den 1 und 2)
in CMOS-Bildsensoren ein wesentlicher, wenn auch nicht dominanter Faktor
des Gesamtleserauschens des Sensors. Mehrere unterschiedliche physische
Mechanismen tragen vermutlich zu dem 1/f-Rauschen in MOSFETs bei.
Ein derartiger Mechanismus, von dem man glaubt, dass er die wichtigste
Rolle spielt, ist das Vorliegen von Fallen bzw. Traps (Oberflächenfallen)
an der Halbleiter-Oxid- (z. B. Si-SiO2-)
Grenzfläche
eines MOSFET-Bauelements. Ein Einfangen und Freilassen von Elektronen
durch die Oberflächenfallen kann
zu Elektronenanzahlvariationen und einem entsprechenden 1/f-Rauschen führen.
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Eine
Form der vorliegenden Erfindung reduziert das 1/f-Rauschen der Source-Folger-Transistoren
in Pixelschaltungen eines CMOS-Bildsensors durch ein dynamisches
Passivieren der Oberflächenfallen.
Bei einem Ausführungsbeispiel
werden die Oberflächenfallen
dynamisch durch ein Versetzen des Source-Folger-Transistors in einen
Akkumulationsmodus (tritt z. B. auf, wenn die Gatespannung (Vg) minus der Volumenspannung (Vb)
kleiner als ein Volt ist), bevor derselbe in einem Starkinversionsmodus
(z. B. Vgs > Vth) betrieben
wird, passiviert. Für eine
NMOS-Vorrichtung werden in dem Starkinversionsmodus negative Ladungen
(Elektronen) zu der Kanalregion angezogen, die einen n-Typ-Kanal
zwischen der Source und dem Drain bildet, eine Leitung kann zwischen
der Source und dem Drain auftreten.
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In
dem Akkumulationsmodus eines NMOS-Transistors werden positive Ladungen
(Löcher)
zu der Kanalregion angezogen und nur ein Leckstrom kann zwischen
der Source und dem Drain fließen.
Während
der Source-Folger-Transistor in dem Akkumulationsmodus ist, passivieren
die Löcher,
die zu der Oberfläche
der Vorrichtung getrieben werden, die Oberflächenfallen. Nachdem die Oberflächenfallen
passiviert sind, wird der Source-Folger-Transistor in dem Starkinversionsmodus
betrieben. Die Oberflächenfallen
bleiben für
einen Zeitraum, nachdem zu dem Starkinversionsmodus geschaltet wird,
passiviert, wodurch das 1/f-Rauschen des Source-Folger-Transistors
reduziert wird, während
die Oberflächenfallen
passiviert bleiben. So wird das 1/f-Rauschen in dem Starkinversionsmodus
reduziert, indem zuerst der Source-Folger-Transistor in den Akkumulationsmodus
versetzt wird, unmittelbar bevor der Transistor in dem Starkinversionsmodus betrieben
wird.
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Techniken
zum Umschalten des Source-Folger-Transistors zwischen einem Akkumulationsmodus
und einem Starkinversionsmodus in Pixelschaltungen eines CMOS-Bildsensors
gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung sind unten detaillierter Bezug nehmend
auf die 3–6 beschrieben.
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3 ist
ein Blockdiagramm, das Hauptkomponenten eines Bildsensors 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung darstellt. Bei einem Ausführungsbeispiel
ist der Bildsensor 300 ein Aktivpixelsensor- (APS-) Bildsensor,
der hierin auch als ein CMOS-Bildsensor bezeichnet wird. Bei einem
Ausführungsbeispiel
ist der Bildsensor 300 mit einer einzelnen integrierten
Schaltung implementiert, die eine integrierte Analog-Digital-Umwandlung
und Zeitgebungssteuerung bereitstellt.
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Der
Bildsensor 300 umfasst ein Pixelarray 302, Zeilendecodierer 304,
Spaltenverstärker 306, Spaltendecodierer 308,
eine Steuerung 310, einen Verstärker mit programmierbarem Gewinn
(PGA) 312 und einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 314. Das
Pixelarray 302 umfasst eine Mehrzahl von Pixelschaltungen
(Pixeln) 303, wobei jede Pixelschaltung 303 ein
Pixel Bildinformationen bereitstellt. Die Pixelschaltungen 303 in
dem Pixelarray 302 sind in eine Mehrzahl von Zeilen und
eine Mehrzahl von Spalten (z. B. 480 × 640) organisiert.
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Die
Steuerung 310 ist mit dem Pixelarray 302, den
Zeilendecodierern 304, den Spaltenverstärkern 306, dem Spaltendeco dierer 308,
dem Verstärker
mit programmierbarem Gewinn 312 und dem Analog-Digital-Wandler 314 verbunden.
Die Steuerung 310 erzeugt Steuersignale zum Steuern der Operation
des Sensors 300, einschließlich Signale zum Einleiten,
Beibehalten und Anhalten von Bilderfassungsvorgängen.
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Bei
einer Form der Erfindung umfassen die Spaltenverstärker 306 einen
Spaltenverstärker
für jede
Spalte von Pixeln 303 in dem Array 302 und Pixelinformationen
aus dem Pixelarray 302 werden in Zeilen abgetastet. Die
Abtastzeit für
jede Zeile von Pixeln wird als ein Zeilenabtastintervall bezeichnet. Eine
Zeile von Pixeln 303 in dem Pixelarray 302 wird durch
Zeilendecodierer 304 ausgewählt. Zur Auswahl einer Zeile
von Pixeln beaufschlagen die Zeilendecodierer 304 eine
ZEILE-Leitung für
die Pixelschaltungen 303 in der erwünschten Zeile mit einem Hochzustand.
Zum Rücksetzen
einer Zeile von Pixeln beaufschlagen die Zeilendecodierer 304 eine RÜCKSETZEN-Leitung
für eine
ausgewählte
Zeile von Pixelschaltungen 303 mit einem Hochzustand. Die
Zeilendecodierer 304 werden durch die Steuerung 310 gesteuert,
die den Zeilendecodierern 304 anzeigt, wann die ZEILE-Leitung
und die RÜCKSETZEN-Leitung
in einen Hochzustand oder Niedrigzustand zu setzen sind.
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Während einer
Integrationsphase integrieren die Pixelschaltungen 303 die
Menge von Licht, die auf ihre Photodioden gerichtet wird, und geben
integrierte Spannungen (Vs) aus. Die Spaltenverstärker 306 wirken
als analoger Zwischenspeicher, der die Ausgangssignale einer ausgewählten Zeile
von Pixeln 303 abtastet und hält. Am Ende der Integrationsphase
und während
einer Auslesephase tasten die Spaltenverstärker 306 die integrierten
Signalpegel (Vs) von einer ausgewählten Zeile von Pixeln 303 ab und
tasten einen Rücksetzpegel
(Vr), der durch die ausgewählte
Zeile von Pixeln 303 ausgegeben wird, ab.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist das durch jede Pixelschaltung 303 erzeugte Bildsignal
die Differenz zwischen dem abgetasteten Rücksetzspannungspegel (Vr) und
dem abgetasteten Integrationsspannungspegel (Vs), der nach der Integrationsperiode
erhalten wird. Am Ende eines Zeilenabtastintervalls wird die Differenz
zwischen den Rücksetzsignalpegeln
(Vr) und den integrierten Signalpegeln (Vs) an den Ausgängen der
Spaltenverstärker 306 gehalten. Während eines
Spaltenverarbeitungsintervalls werden die Spaltenverstärker 306 sequentiell
durch den Spaltendecodierer 308 ausgewählt, um den entsprechenden
gehaltenen Pegel auszugeben.
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Der
Verstärker
mit programmierbarem Gewinn 312 verstärkt die durch die Spaltenverstärker 306 ausgegebenen
analogen Signale und gibt die verstärkten Signale an den Analog-Digital-Wandler 314 aus.
Die Steuerung 310 steuert den Gewinn des Verstärkers 312.
Der Analog-Digital-Wandler 314 digitalisiert die von dem
Verstärker 312 empfangenen analogen
Signale und gibt digitale Pixeldaten aus.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
umfasst jede Pixelschaltung 303 einen Source-Folger-Transistor, der
konfiguriert ist, um zwischen einem Akkumulationsmodus und einem
Starkinversionsmodus basierend auf durch die Steuerung 310 erzeugten
Steuersignalen umgeschaltet zu werden, wie unten detaillierter Bezug
nehmend auf die 4–6 beschrieben
ist.
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4 ist
ein schematisches Diagramm, das eine Vier-Transistor- (4T-) Pixelschaltung 400 mit
reduziertem 1/f-Rauschen
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Pixelschaltung 400 stellt
eines der Pixel 303 in dem Bildsensor 300 (3)
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
dar. Die Pixelschaltung 400 umfasst vier Transistoren 102, 106, 108 und 202,
die auf die gleiche Art und Weise, die in 2 gezeigt
ist, konfiguriert sind, mit der Ausnahme, dass der Körper (Substrat)
des Transistors 106 in der Pixelschaltung 400 an
eine KÖRPER-Leitung 109 und
nicht an Masse gebunden ist, wie in 2 gezeigt
ist. Bei einem Ausführungsbeispiel
sind die Tran sistoren 102, 106, 108 und 202 NMOS-FETs.
Bei einer Form der Erfindung ist die Photodiode 104 eine
festgelegte („pinned") Photodiode, eine
vergrabene Photodiode oder eine Standardphotodiode.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist der Source-Folger-Transistor 106 in der Pixelschaltung 400 ein
NMOS-Oberflächenkanaltransistor.
Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der Source-Folger-Transistor 106 in der Pixelschaltung 400 konfiguriert,
um zwischen einem Akkumulationsmodus und einem Starkinversionsmodus
basierend auf von der Steuerung 310 (3)
empfangenen Steuersignalen umgeschaltet zu werden. Die Funktionsweise
der Pixelschaltung 400 aus 4 ist unten Bezug
nehmend auf 5 detaillierter beschrieben.
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5 ist
ein Zeitdiagramm, das die Zeitgebung von Steuersignalen 502 für die Pixelschaltung 400 aus 4 gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung darstellt. Die Steuersignale umfassen ein
RÜCKSETZEN-Signal 502A,
ein TX- (ÜBERTRAGUNG-)
Signal 502B, ein ZEILE-Signal 502C, ein KÖRPER-Signal 502D und
ein VDD-Signal 502E (kollektiv
als Steuersignale 502 bezeichnet). Bei einem Ausführungsbeispiel
ist die Steuerung 310 (3) konfiguriert,
um die Steuersignale 502 zur Steuerung der Operation der
Pixelschaltung 400 zu erzeugen. Das RÜCKSETZEN-Signal 502A stellt
die Spannung über
die Zeit auf der RÜCKSETZEN-Leitung 103 dar.
Das TX-Signal 502B stellt die Spannung über die Zeit auf der TX-Leitung 201 dar. Das
ZEILE-Signal 502C stellt die Spannung über die Zeit auf der ZEILE-Leitung 105 dar.
Das KÖRPER-Signal 502D stellt
die Spannung über
die Zeit auf der KÖRPER-Leitung 109 dar.
Das VDD-Signal 502E stellt die
Spannung über
die Zeit auf der VDD-Leistungsversorgungsleitung 101 dar.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
verwendet die Pixelschaltung 400 die gleichen drei Phasen
wie die Pixelschaltungen 100 und 200 (d. h. Rücksetzen, Integration
und Auslesen). Vier unterschiedliche Zeitpunkte 504–510 sind
in 5 dargestellt. Zur Zeit 504, die der
Rücksetzphase
entspricht, sind das RÜCKSETZEN-Signal 502A und
das TX-Signal 502B in einem Hochzustand (z. B. über VDD) und das ZEILE-Signal 502C und
das KÖRPER-Signal 502D sind
in einem Niedrigzustand (z. B. Masse). So sind zur Zeit 504 die
Transistoren 102, 106 und 202 an und
der Transistor 108 ist aus. Während der Rücksetzphase ist die Spannung über die
Photodiode 104 auf einen festen Anfangswert gesetzt.
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Am
Ende der Rücksetzphase
wird VDD 502E in einen Niedrigzustand
gepulst, das RÜCKSETZEN-Signal 502A und
das TX-Signal 502B werden in einen Niedrigzustand gesetzt,
das KÖRPER-Signal 502D wird
in einen Hochzustand gesetzt und die Integrationsphase beginnt.
VDD 502E wird in einen Niedrigzustand
gepulst, um die Spannung an dem Gate des Transistors 106,
der als schwebender bzw. floatender Diffusionsknoten bezeichnet
wird, auf Masse zu ziehen. Zur Zeit 506, die der Integrationsphase
entspricht, sind die Transistoren 102, 106, 108 und 202 aus
und die Photodiode 104 entlädt sich von dem Rücksetzpegel
nach unten. Der Transistor 106 ist aus, da das Hochsignal
auf der KÖRPER-Leitung 109,
die mit dem Körper
des Transistors 106 gekoppelt ist, bewirkt, dass der Transistor 106 in
einen Akkumulationsmodus getrieben wird. Bei einem Ausführungsbeispiel
wird die KÖRPER-Leitung 109 auf VDD gesetzt, um den Transistor 106 in
den Akkumulationsmodus zu treiben. Der Zeitraum, in dem der Transistor 106 aus
ist sowie in dem Akkumulationsmodus ist, wird in 5 durch
das Bezugszeichen 512 angezeigt, was dem Zeitraum entspricht,
in dem die KÖRPER-Leitung 109 in
einem Hochzustand ist. Die Länge
der Integrationsphase kann variiert werden, was in 5 durch
die Unterbrechung oder den Zwischenraum bei den Signalen 502A–502E angezeigt
ist.
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Am
Ende der Integrationsphase wird die KÖRPER-Leitung 109 in
einen Niedrigzustand (z. B. Masse) gesetzt und die ZEILE-Leitung 105 wird
in einen Hochzustand gesetzt, wo durch die Transistoren 106 und 108 eingeschaltet
werden und bewirkt wird, dass der Transistor 106 in dem
Starkinversionsmodus arbeitet. Der Zeitraum, in dem der Transistor 106 an
ist und in dem Starkinversionsmodus arbeitet, ist in 5 durch
das Bezugszeichen 514 angezeigt, was dem Zeitraum entspricht,
in dem die KÖRPER-Leitung 109 in
einem Niedrigzustand ist. Der Anfangsabschnitt des Zeitraums 514 entspricht
der Auslesephase. Während
der Auslesephase wird das RÜCKSETZEN-Signal 502A in
einen Hochzustand gepulst, was den Transistor 102 einschaltet
und bewirkt, dass eine Rücksetzspannung
an die SPALTE-Leitung 107 ausgegeben wird, wo dieselbe
durch Spaltenverstärker 306 (3)
zur Zeit 508 abgetastet wird. Das TX-Signal 502B wird
dann in einen Hochzustand gepulst, was den Transistor 202 einschaltet
und bewirkt, dass die Integrationsspannung an die SPALTE-Leitung 107 ausgegeben
wird, wo dieselbe durch Spaltenverstärker 306 zur Zeit 510 abgetastet
wird. Am Ende der Auslesephase werden das RÜCKSETZEN-Signal 502A und
das TX-Signal 502B in einen Hochzustand gesetzt und das
ZEILE-Signal 502C wird in einen Niedrigzustand gesetzt, wodurch
eine weitere Rücksetzphase
beginnt, und der Vorgang wird wiederholt.
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So
wird, wie oben beschrieben ist, bei einer Form der Erfindung der
Source-Folger-Transistor 106 zwischen einem Akkumulationsmodus
und einem Starkinversionsmodus umgeschaltet. Bei einem Ausführungsbeispiel
wird der Transistor 106 während der Rücksetz- und der Integrationsphase
in dem Akkumulationsmodus betrieben und während der Auslesephase in dem
Starkinversionsmodus betrieben. Durch ein Betreiben des Transistors 106 vor
der Auslesephase in dem Akkumulationsmodus und ein darauffolgendes
Umschalten des Transistors 106 für die Auslesephase in den Starkinversionsmodus
wird das 1/f-Rauschen der Pixelschaltung 400 während der Auslesephase
reduziert.
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Die
oben beschriebenen Techniken zum Umschalten des Source-Folger-Transistors 106 zwischen
einem Akkumulationsmodus und einem Starkinversionsmodus sind ebenso
auf eine 3T- Pixelschaltung 100,
wie z. B. die in 1 gezeigte, anwendbar. Der Körper des
Transistors 106 in der Pixelschaltung 100 z. B.
kann auch an die KÖRPER-Leitung 109 gebunden
sein und nicht an Masse gebunden sein. Bei anderen Ausführungsbeispielen
könnten
die hierin beschriebenen Techniken auf Pixelschaltungen mit einer
beliebigen Anzahl von Transistoren angewendet werden, einschließlich auf
Pixelschaltungen mit mehr als vier Transistoren.
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6 ist
ein schematisches Diagramm, das eine Vier-Transistor- (4T-) Pixelschaltung 600 mit
reduziertem 1/f-Rauschen gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Pixelschaltung 600 stellt
eines der Pixel 303 in dem Bildsensor 300 (3)
gemäß einem Ausführungsbeispiel
dar. Die Pixelschaltung 600 umfasst vier Transistoren 102, 606, 108 und 202,
die auf die gleiche Art und Weise, wie in 2 gezeigt
ist, konfiguriert sind, mit der Ausnahme, dass der Transistor 106 in 2 durch
den Transistor 606 ersetzt wurde. Bei einem Ausführungsbeispiel
sind die Transistoren 102, 606, 108 und 202 NMOS-FETs.
Bei einer Form der Erfindung ist die Photodiode 104 eine festgelegte
Photodiode, eine vergrabene Photodiode oder eine Standardphotodiode.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist der Source-Folger-Transistor 606 in der Pixelschaltung 600 ein
NMOS-Oberflächenkanaltransistor
mit einem Polysilizium-P+-Gate. Ein P+-Gate ist ein Gate, das stark p-Typ-dotiert
ist (angezeigt durch das Plus-Zeichen). In herkömmlichen Pixelschaltungen,
wie z. B. denjenigen, die in den 1 und 2 gezeigt
sind, weisen die NMOS-Transistoren 102, 106, 108 und 202 üblicherweise
alle N+-Gates auf, die stark dotierte n-Typ-Gates sind. In herkömmlichen
Schaltungen mit PMOS-Transistoren umfassen die PMOS-Transistoren üblicherweise
P+-Gates.
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Das
P+-Gate des NMOS-Transistors 606 in der Pixelschaltung 600 bewirkt,
dass der Transistor 606 basierend auf von der Steuerung 310 (3) empfangenen
Steuersignalen zwischen einem Akkumulationsmodus und einem Starkinversionsmodus umschaltet.
Bei einem Ausführungsbeispiel
verwendet die Pixelschaltung 600 die gleichen Steuersignale 502 (5)
wie die Pixelschaltung 400 (4), das
KÖRPER-Signal 502D wird
jedoch nicht für
die Pixelschaltung 600 verwendet. Vielmehr ist bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
der Pixelschaltung 600 der Körper des Transistors 606 an
Masse gebunden, wie dies auch bei den Körpern der Transistoren 102, 108 und 202 der
Fall ist. Das KÖRPER-Signal 502D wird
bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
der Pixelschaltung 600 nicht benötigt, da die Verwendung des
P+-Gates in dem NMOS-Source-Folger-Transistor 606 das erwünschte Umschalten
zwischen dem Akkumulationsmodus und dem Starkinversionsmodus zur
Reduzierung des 1/f-Rauschens liefert.
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Obwohl
spezifische Ausführungsbeispiele
zu Zwecken einer Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
dargestellt und beschrieben wurden, wird für Fachleute auf diesem Gebiet
zu erkennen sein, dass eine breite Vielzahl alternativer und/oder äquivalenter
Implementierungen anstelle der gezeigten und beschriebenen spezifischen
Ausführungsbeispiele
eingesetzt werden könnte,
ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Fachleute auf dem Gebiet der Mechanik, Elektromechanik, Elektrik
und Computertechnik werden ohne weiteres erkennen, dass die vorliegende
Erfindung in einer sehr breiten Vielzahl von Ausführungsbeispielen
implementiert werden könnte. Diese
Anmeldung soll alle Anpassungen oder Variationen der hierin erläuterten
bevorzugten Ausführungsbeispiele
abdecken. Deshalb ist explizit beabsichtigt, dass diese Erfindung
nur durch die Ansprüche
und die Äquivalente
derselben eingeschränkt sein
soll.