图像传感器的像素单元、成像系统及读取图像信号的方法与流程

技术特征：
1.一种图像传感器的像素单元，包括：光电二极管，适于响应于入射光而累积图像电荷；转移晶体管，耦合在所述光电二极管与浮动扩散之间，以将所述图像电荷从所述光电二极管转移到所述浮动扩散，其中转移栅极电压控制所述图像电荷从所述光电二极管到所述浮动扩散的传输；复位晶体管，耦合在复位驱动输入与所述浮动扩散之间，以将复位驱动电压供应到所述浮动扩散，其中复位栅极电压控制所述复位晶体管；第一源极跟随器晶体管，耦合成从第一源极跟随器栅极端接收浮动扩散电压且将放大信号电压提供到第一源极跟随器源极端；采样保持电路，耦合在第二源极跟随器晶体管的所述第一源极跟随器源极端与第二源极跟随器栅极端之间；读出晶体管，耦合在所述第二源极跟随器晶体管的第二源极跟随器源极端与像素信号输出之间，其中读出栅极电压控制放大采样保持信号电压从所述第二源极跟随器源极端到所述像素信号输出的传输；以及有源复位晶体管，耦合在所述第一源极跟随器源极端与像素位线反馈输出之间，其中有源复位栅极电压控制作为所述放大信号电压的像素位线电压从所述第一源极跟随器源极端到所述像素位线反馈输出的传输。2.根据权利要求1所述的图像传感器的像素单元，其中所述光电二极管、所述转移晶体管、所述复位晶体管以及所述第一源极跟随器晶体管集成在像素管芯中。3.根据权利要求1所述的图像传感器的像素单元，更包括耦合在所述第一源极跟随器源极端与接地之间的偏置晶体管。4.根据权利要求3所述的图像传感器的像素单元，其中所述偏置晶体管集成在专用集成电路管芯中。5.根据权利要求1所述的图像传感器的像素单元，其中所述采样保持电路包括采样保持晶体管，耦合在所述第一源极跟随器源极端与所述第二源极跟随器栅极端之间；以及存储电容器，耦合在所述第二源极跟随器栅极端与接地之间。6.根据权利要求5所述的图像传感器的像素单元，其中所述采样保持晶体管、所述存储电容器、所述第二源极跟随器晶体管、所述读出晶体管以及所述有源复位晶体管集成在专用集成电路管芯中。7.一种成像系统，包括：像素阵列，具有布置成多个行和多个列的多个像素单元，其中所述多个像素单元中的每一个包括：光电二极管，适于响应于入射光而累积图像电荷；转移晶体管，耦合在所述光电二极管与浮动扩散之间，以将所述图像电荷从所述光电二极管转移到所述浮动扩散，其中转移栅极电压控制所述图像电荷从所述光电二极管到所述浮动扩散的传输；复位晶体管，耦合在复位驱动输入与所述浮动扩散之间，以将列复位驱动电压供应到所述浮动扩散，其中复位栅极电压控制所述复位晶体管；
第一源极跟随器晶体管，耦合成从第一源极跟随器栅极端接收浮动扩散电压且将放大信号电压提供到第一源极跟随器源极端；采样保持电路，耦合在第二源极跟随器晶体管的所述第一源极跟随器源极端与第二源极跟随器栅极端之间；读出晶体管，耦合在所述第二源极跟随器晶体管的第二源极跟随器源极端与像素信号输出之间，其中读出栅极电压控制放大采样保持信号电压从所述第二源极跟随器源极端到所述像素信号输出的传输；以及有源复位晶体管，耦合在所述第一源极跟随器源极端与像素位线反馈输出之间，其中有源复位栅极电压控制作为所述放大信号电压的像素位线电压从所述第一源极跟随器源极端到所述像素位线反馈输出的传输；控制电路，耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作，其中所述控制电路控制所述转移栅极电压、所述复位栅极电压、所述采样保持电路的操作、所述读出栅极电压以及所述有源复位栅极电压；读出电路，通过多个读出列耦合到所述像素阵列以从多个像素单元列读出图像数据，且将多个复位驱动电压供应到所述多个像素单元列中的每一对应列；以及功能逻辑，耦合成从所述读出电路接收所述多个像素单元中的每一个的图像数据且存储接收的所述图像数据。8.根据权利要求7所述的成像系统，其中所述光电二极管、所述转移晶体管、所述复位晶体管以及所述第一源极跟随器晶体管集成在像素管芯中。9.根据权利要求7所述的成像系统，所述多个像素单元中的每一像素单元更包括耦合在所述第一源极跟随器源极端与接地之间的偏置晶体管，其中偏置栅极电压控制所述第一源极跟随器晶体管的偏置电流。10.根据权利要求9所述的成像系统，其中所述偏置晶体管由所述控制电路控制且集成在专用集成电路管芯中。11.根据权利要求7所述的成像系统，其中所述多个像素单元中的每一个的所述采样保持电路包括存储电容器，耦合在所述第二源极跟随器栅极端与接地之间；以及采样保持晶体管，耦合在所述第一源极跟随器源极端与所述第二源极跟随器栅极端之间，其中采样保持栅极电压控制作为所述放大信号电压的所述像素位线电压从所述第一源极跟随器源极端到所述存储电容器的传输。12.根据权利要求11所述的成像系统，其中所述采样保持晶体管、所述存储电容器、所述第二源极跟随器晶体管、所述读出晶体管以及所述有源复位晶体管集成在专用集成电路管芯中。13.根据权利要求7所述的成像系统，其中所述功能逻辑向所述控制电路提供指令。14.根据权利要求7所述的成像系统，其中所述多个读出列中的每一读出列包括像素信号导体，耦合到与对应读出列相关联的多个像素信号输出中的每一像素信号输出；位线反馈导体，耦合到与对应读出列相关联的多个像素位线反馈输出中的每一像素位线反馈输出；以及
复位驱动导体，耦合到与对应读出列相关联的多个复位驱动输入中的每一复位驱动输入。15.根据权利要求7所述的成像系统，所述读出电路更包括多个列放大器，其中所述多个列放大器中的每一列放大器耦合在多个像素反馈导体中的对应像素反馈导体与多个复位驱动导体中的对应复位驱动导体之间。16.根据权利要求15所述的成像系统，其中所述多个列放大器的每一列放大器是运算放大器，且其中所述运算放大器的反相输入耦合到所述对应列的像素位线反馈导体，且所述运算放大器的非反相输入耦合到参考电压。17.根据权利要求15所述的成像系统，其中所述列放大器集成在专用集成电路管芯中。18.根据权利要求7所述的成像系统，其中所述读出电路更包括：多个预模数转换器电路；以及多个模数转换器，其中所述多个预模数转换器电路中的每一预模数转换器电路耦合在多个像素信号导体中的每一像素信号导体与所述多个模数转换器中的每一模数转换器之间。19.一种读取图像信号的方法，包括：维持多个转移栅极端的低电压以断开多个转移晶体管；维持多个复位栅极端的高电压以接通多个复位晶体管，从而利用多个列复位驱动电压中的对应列复位驱动电压复位多个浮动扩散；维持多个有源复位栅极端的高电压以接通多个有源复位晶体管，从而将所述多个列复位驱动电压中的所述对应列复位驱动电压馈送回所述多个复位晶体管的多个复位漏极端；维持多个采样保持栅极电压的低电压以断开多个采样保持晶体管；维持多个读出栅极端的低电压以断开多个读出晶体管；通过对多个复位栅极端设置低电压以断开所述多个复位晶体管来断开所述多个浮动扩散与所述多个列复位驱动电压的连接；通过对所述多个有源复位栅极端设置低电压以断开所述多个有源复位晶体管来断开多个列放大器与多个像素位线反馈输出的连接；通过将所述多个转移栅极端的电压切换为高和低以接通和断开所述多个转移晶体管来将多个电荷从多个光电二极管转移到所述多个浮动扩散；以及通过将多个采样保持栅极端的电压切换为高和低以接通和断开所述多个采样保持晶体管来采样和保持从多个第一源极跟随器到多个存储电容器的多个第一像素位线电压。20.根据权利要求19所述的读取图像信号的方法，更包括：通过对所述多个复位栅极端设置高电压以接通所述多个复位晶体管来将所述多个浮动扩散连接到耦合到所述多个列放大器的对应输出的多个复位驱动输入；以及通过对所述多个有源复位栅极端设置高电压以接通所述多个有源复位晶体管来将所述多个列放大器连接到所述多个像素位线反馈输出。21.根据权利要求20所述的读取图像信号的方法，更包括：通过对所述多个读出栅极端设置高电压以接通所述多个读出晶体管来将多个放大第一像素位线电压读取到多个像素信号输出，其中所述多个放大第一像素位线电压由多个第二源极跟随器晶体管从保持在所述多个存储电容器中的所述多个第一像素位线电压放大。
22.根据权利要求21所述的读取图像信号的方法，更包括：通过将所述多个转移栅极端的电压切换成高和低以接通和断开所述多个转移晶体管来复位所述多个光电二极管和所述多个浮动扩散，从而开始新入射光集成。23.根据权利要求22所述的读取图像信号的方法，更包括：通过将所述多个采样保持栅极端的电压切换为高和低以接通和断开所述多个采样保持晶体管来将多个第二像素位线电压采样和保持到所述多个存储电容器；通过所述多个第二源极跟随器晶体管将多个放大第二像素位线电压从所述多个存储电容器读取到所述多个像素信号输出；以及对所述多个读出栅极端设置低电压以断开所述多个读出晶体管。24.根据权利要求19所述的读取图像信号的方法，更包括：通过对所述多个复位栅极端设置高电压以接通所述多个复位晶体管来将所述多个浮动扩散连接到耦合到所述多个列放大器的对应输出的多个复位驱动输入。25.根据权利要求24所述的读取图像信号的方法，更包括：通过对所述多个读出栅极端设置高电压以接通所述多个读出晶体管来将多个放大第一像素位线电压读取到多个像素信号输出，其中所述多个放大第一像素位线电压由多个第二源极跟随器晶体管从保持在所述多个存储电容器中的多个第一像素位线电压放大。26.根据权利要求25所述的读取图像信号的方法，更包括：多个行操作，以在多个像素单元列的像素单元列的第一行中开始且在最后一行中结束的顺序进行，其中所述多个行操作的第n个行操作包括：通过对多个第n个有源复位栅极端中的每一个设置高电压以接通多个第n个有源复位晶体管来将所述多个列放大器连接到多个第n个像素位线反馈电压中的每一个；通过将多个第n个采样保持栅极端的电压切换为高和低以接通和断开多个第n个采样保持晶体管来将多个第n个第二像素位线电压采样和保持到多个第n个存储电容器；通过对所述多个第n个有源复位栅极端设置低电压以断开所述多个第n个有源复位晶体管来断开所述多个列放大器与所述多个第n个像素位线反馈电压的连接；通过多个第n个第二源极跟随器晶体管将多个第n个放大第二像素位线电压从多个第n个存储电容器读取到多个第n个像素信号输出；以及对多个第n个读出栅极端设置低电压以断开多个第n个读出晶体管。27.根据权利要求26所述的读取图像信号的方法，更包括：通过对所述多个有源复位栅极端设置高电压以接通所述多个有源复位晶体管来将所述多个列放大器连接到多个像素位线反馈电压；以及通过将所述多个转移栅极端的电压切换成高和低以接通和断开所述多个转移晶体管来复位所述多个光电二极管，从而开始新入射光集成。

技术总结
一种图像传感器的像素单元、成像系统以及读取图像信号的方法。像素单元包括光电二极管、复位晶体管、转移晶体管、至少一个源极跟随器晶体管、采样保持电路、有源复位晶体管以及读出晶体管。读出电路从像素单元的每一列读出图像数据。读出电路中的列差分放大器将列复位驱动电压馈送回布置在同一列中的每一像素单元。当所有有源复位晶体管断开时，全局地读出同一列中的每一像素单元的信号数据。通过切换同一列中的像素单元的每一有源复位晶体管的配置而判定，全局地或逐行地读出同一列中的每一像素单元的噪声数据。最终图像数据是通过应用相关双采样(CDS)方法来实现的。用相关双采样(CDS)方法来实现的。用相关双采样(CDS)方法来实现的。


技术研发人员：朴根淑 熊志伟
受保护的技术使用者：豪威科技股份有限公司
技术研发日：2021.09.28
技术公布日：2022/4/8