具有恒定電壓偏置的光電二極管的像素電路和相關(guān)的成像方法
【專利說明】具有恒定電壓偏置的光電二極管的像素電路和相關(guān)的成像方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2013年9月11日提交的美國臨時(shí)申請?zhí)?1/876，226(代理人案號124-0015-US-PR0)的權(quán)益，其通過引用并入本文。
【背景技術(shù)】
[0003]除非在本文中另外指出，否則不應(yīng)該認(rèn)為在本部分中所描述的途徑是本申請的權(quán)利要求的現(xiàn)有技術(shù)，并且不因?yàn)槠浒ㄔ谠摬糠种卸J(rèn)為是現(xiàn)有技術(shù)。
[0004]常規(guī)成像器使用是將入射光轉(zhuǎn)換成電流或電壓的光敏電子元件的光電二極管。來自這樣的光電二極管元件或像素的矩陣的信號產(chǎn)生圖像。光電二極管通常以“電荷耗盡”模式操作。在這種模式下，在曝光或圖像采集之前，與每個(gè)像素電路中的光電二極管相關(guān)聯(lián)的電容器被預(yù)先充電到1V-6V反向偏置(或電壓)。比如，陰極處于比陽極更高的電壓電平(陰極和陽極是光電二極管中的兩個(gè)帶有相反電荷的電極)。非常低的漏電流流動(dòng)可能在這些兩個(gè)終端之間。漏電流是電荷在設(shè)備的“斷開”狀態(tài)下的流動(dòng)，并且是不期望的效果。在電荷耗盡模式下，由圖像信息生成的光電流會被動(dòng)地耗盡或移除存儲在反向偏置中的電荷，以使光電二極管兩端的電壓在其吸收由輸入圖像投影的光時(shí)逐漸下降。
[0005]在一些現(xiàn)有技術(shù)的無源像素電路中，讀出動(dòng)作可以將光電二極管反向偏置恢復(fù)至曝光前的水平，并且測量恢復(fù)該偏置所需的電荷的數(shù)量。在一些現(xiàn)有技術(shù)的有源像素電路中，在曝光結(jié)束時(shí)測量留在光電二極管上的電壓。然后，光電二極管反向偏置由單獨(dú)的重置動(dòng)作恢復(fù)。
[0006]上文所提及的現(xiàn)有技術(shù)的途徑至少具有下列限制:(I)光電二極管漏電流還可能耗盡所存儲的反向偏置，從而引入被稱為散粒噪聲的噪聲類型和動(dòng)態(tài)范圍限制；(2)光電二極管響應(yīng)度可能隨其偏置電壓而改變，其可能隨信號積分增加而被耗盡，從而引入不期望的非線性度；(3)在許多有源像素設(shè)計(jì)中，所累積的信號電荷由是電壓的函數(shù)的光電二極管電容兩端的電壓表示，從而引入不期望的非線性度;和(4)光電二極管電容的偏置恢復(fù)動(dòng)作可以引入kTC噪聲(還稱為重置噪聲)。
【附圖說明】
[0007]圖1是成像系統(tǒng)中的一個(gè)示例像素電路的示意圖；
[0008]圖2是成像系統(tǒng)中的另一示例像素電路的示意圖；
[0009]圖3是成像系統(tǒng)中的另一示例像素電路的示意圖；
[0010]圖4是成像系統(tǒng)中的又一示例像素電路的示意圖；
[0011]圖5是用圖1中所圖示的像素電路實(shí)現(xiàn)的成像系統(tǒng)的示意圖；和
[0012]圖6是圖示了圖5的成像系統(tǒng)的操作的時(shí)序圖，所有操作按照本公開的至少一些實(shí)施例進(jìn)行布置。
【具體實(shí)施方式】
[0013]在以下的【具體實(shí)施方式】中，參照形成其一部分的附圖。在附圖中，類似的符號通常標(biāo)識類似的部件，除非上下文另外指示。在【具體實(shí)施方式】、附圖和權(quán)利要求書中所描述的說明性實(shí)施例并不意味著是限制性的。可以利用其它實(shí)施例，并且可以在不脫離這里所提出的主題的精神或范圍的情況下做出其它改變。應(yīng)當(dāng)容易理解，如本文中通常所描述的并且在附圖中所圖示的，本公開的方面可以以廣泛多種不同的構(gòu)造進(jìn)行布置、取代、組合并且設(shè)計(jì)，所有這些都在本文中進(jìn)行明確設(shè)想。
[0014]貫穿本描述，應(yīng)當(dāng)注意光電二極管兩端的偏置電壓(S卩，在光電二極管陰極和陽極端子兩端預(yù)先設(shè)定或維持的電位差)和在像素電路中操作的偏置電流之間的區(qū)別。偏置電壓被施加到光電二極管，以使它們能夠通過電荷耗盡來積分光學(xué)信號。偏置電流被施加在像素電路的有源單元中，以確保像素電路的最佳的、線性的和低噪聲操作。
[0015]圖1、圖2、圖3和圖4分別是根據(jù)本公開的至少一些實(shí)施例的成像系統(tǒng)中的像素電路101，102，103和104的示意圖。每個(gè)像素電路101，102，103和104包括光電二極管PD、偏置電路10、電荷-電壓轉(zhuǎn)換器Cl、以及開關(guān)SWl和SW2。像素電路101，102，103和104可以被配置成基于將在隨后的段落中詳細(xì)地進(jìn)行解釋的控制信號RESET，BIAS和SELECT來操作。VCC和VSS表示供應(yīng)到偏置電路10以確保適當(dāng)?shù)牟僮鞯钠秒妷骸?br>[0016]像素電路101，102，103和104的操作可以包括至少三個(gè)階段:圖像采集周期、讀出周期、和重置周期。偏置電路10被配置成在整個(gè)操作期間提供光電二極管ro兩端的恒定偏置電壓，以使像素電路101，102，103和104可以以“電荷生成”模式操作。在圖像采集周期期間，光電二極管ro可以被配置成響應(yīng)于輸入光或輻射來生成電荷。在“電荷生成”模式下，響應(yīng)于光或福射由光電二極管F1D所生成的電荷由偏置電壓電路10排出(drain)并且在電荷-電壓轉(zhuǎn)換器Cl中進(jìn)行累積。如先前所陳述的，現(xiàn)有技術(shù)的像素電路被配置成以其中光電二極管響應(yīng)度可以隨偏置電壓而改變的“電荷耗盡”模式來操作，從而引入不期望的非線性度。在本公開中，由于光電二極管H)兩端的偏置電壓不被允許通過輸入光或輻射進(jìn)行調(diào)制，所以光電二極管響應(yīng)度不是已經(jīng)所捕獲的信號的數(shù)量的函數(shù)，并且因此可以維持信號響應(yīng)的線性度。
[0017]在圖1，圖2，圖3和圖4中所圖示的實(shí)施例中，電荷-電壓轉(zhuǎn)換器Cl可以是但不限于線性平行板電容器或具有類似功能的另一類型的設(shè)備。在圖像采集周期期間，電荷-電壓轉(zhuǎn)換器Cl可以被配置成在第一端接收從光電二極管PD排出的電荷、累積所接收的電荷、并且在第二端將所累積的電荷轉(zhuǎn)換成輸出電壓Vo。在讀出周期期間，輸出電壓Vo可以經(jīng)由開關(guān)SWl被傳送給成像系統(tǒng)中的對應(yīng)的數(shù)據(jù)線用于獲取對應(yīng)的視頻信號，其將在隨后的段落中詳細(xì)地進(jìn)行說明。在重置周期期間，電荷-電壓轉(zhuǎn)換器Cl可以使用開關(guān)SW2進(jìn)行重置用于清除所累積的電荷，從而準(zhǔn)備用于隨后的圖像獲取周期。
[0018]如先前所陳述的，在現(xiàn)有技術(shù)的有源像素電路由于光或輻射而生成的電荷被累積在光電二極管電容中，其是變化的偏置電壓的函數(shù)，從而引入不期望的非線性度。在本公開中，由于光或福射而生成的電荷被積累在電荷-電壓轉(zhuǎn)換器Cl而非在光電二極管電容中累積。由于電荷-電壓轉(zhuǎn)換器Cl (輸入電荷與輸出電壓的比例)的增益是與任何輸入光或福射無關(guān)的恒定值，輸入光或輻射的線性表示可以通過在電荷-電壓轉(zhuǎn)換器Cl的第二端直接讀出輸出電壓Vo來提供。
[0019]應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)以“電荷生成”模式操作時(shí)，不需以切換方式對光電二極管PD執(zhí)行偏置恢復(fù)動(dòng)作。因此，如同常規(guī)像素電路的缺點(diǎn)一樣，根據(jù)本公開的至少一些實(shí)施例的像素電路101，102，103和104不生成太多的kTC噪聲。
[0020]在如圖1和圖3所圖示的實(shí)施例中，像素電路101或103的偏置電路10包括運(yùn)算放大器20和電壓源40。電壓源40被耦合在運(yùn)算放大器20的非反相端和光電二極管PD的陽極之間。電荷-電壓轉(zhuǎn)換器Cl被耦合在運(yùn)算放大器20的反相端和輸出端之間。在光電二極管H)兩端所提供的恒定的偏置電壓由電壓源40確定。運(yùn)算放大器20可以在其反相輸入將虛擬接地節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)給光電二極管ro，從而將該虛擬接地節(jié)點(diǎn)保持在與非反相輸入相同的電壓。所有的光生電荷被拉過到電荷-電壓轉(zhuǎn)換器Cl，其中，它可能產(chǎn)生與光電二極管ro從輸入光信號生成的電荷的所積分的數(shù)量成線性比例的輸出電壓Vo。然而，如同常規(guī)像素電路的非線性度的原因一樣，這些光感應(yīng)電荷不改變光電二極管ro兩端的電壓。
[0021]在圖2和圖4中所圖示的實(shí)施例中，像素電路102或104的偏置電路10包括電流整流電路30和電壓源40。電流整流電路30包括晶體管以，02，03，04和05，其可以是金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、雙極結(jié)型晶體管(BJT)或者具有類似功能的其它設(shè)備。光電二極管H)的陰極被耦合到電流整流電路30的第一端。電壓源40被耦合在電流整流電路30的第二端和光電二極管PD的陽極之間。電荷-電壓轉(zhuǎn)換器Cl被耦合在電流整流電路30的第三端和光電二極管ro的陽極之間。在光電二極管ro兩端所提供的恒定偏置電壓由電