DE102015003134A1 - Global shutter pixel and correction method - Google Patents
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Abstract
Ein Bildsensor mit Global Shutter beinhaltet auf einem Halbleitersubstrat (SUB) ein Pixelfeld (201) und eine Zeitsteuerschaltung (210). Jedes Pixel (200) enthält ein fotoempfindliches Element (PPD) und einen Sensorknoten (FDN). Ein erstes Transfergate (TG) ist zwischen dem fotoempfindlichen Element (PPD) und dem Sensorknoten (FDN) angeordnet. Ein Pufferverstärker (N1) ist mit dem Sensorknoten verbunden. Der Ausgang (IMN) des Pufferverstärkers kann mit einer Spaltenleitung (COL) über einen Ausgangsschalter (N2) verbunden werden. Eine Abtaststufe (SST) ist mit dem Ausgang (IMN) des Pufferverstärker (N1) verbunden. Der Ausgang (STN) der Abtaststufe (SST) kann mit dem Sensorknoten (FDN) über einen Rückkopplungsschalter (N3) verbunden werden. Vorteilhafte weitere Ausführungsbeispiele von Pixeln werden offenbart. Weiterhin werden Verfahren beschrieben, um das Pixelfeld zu betreiben und dabei ein korrigiertes Signal auszugeben.An image sensor with global shutter includes a pixel array (201) and a timing circuit (210) on a semiconductor substrate (SUB). Each pixel (200) contains a photosensitive element (PPD) and a sensor node (FDN). A first transfer gate (TG) is disposed between the photosensitive member (PPD) and the sensor node (FDN). A buffer amplifier (N1) is connected to the sensor node. The output (IMN) of the buffer amplifier can be connected to a column line (COL) via an output switch (N2). A sampling stage (SST) is connected to the output (IMN) of the buffer amplifier (N1). The output (STN) of the sampling stage (SST) can be connected to the sensor node (FDN) via a feedback switch (N3). Advantageous further embodiments of pixels are disclosed. Furthermore, methods are described for operating the pixel array and thereby outputting a corrected signal.
Description
ANWENDUNGSGEBIETFIELD OF USE
Die vorliegenden Veröffentlichung bezieht sich auf ein Pixel und ein Feld von Pixeln für Halbleiterbildsensoren. Insbesondere bezieht sie sich auf ein Pixel mit Global-Shutter, das zwei interne Speicherknoten für eine echte Correlated-Double-Sampling Funktion aufweist.The present disclosure relates to a pixel and an array of pixels for semiconductor image sensors. In particular, it relates to a global shutter pixel having two internal storage nodes for a true correlated double sampling function.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Elektronische Kamerafunktionen, die ursprüngliche für Video- oder Fotokameraprodukte eingesetzt wurden, sind inzwischen allgegenwärtig und auch in praktisch jedem tragbaren elektronischen Gerät, wie einem Mobiltelefon, einem Organizer und anderen zu finden.Electronic camera functions originally used for video or photo camera products are now ubiquitous and can be found in virtually every portable electronic device such as a mobile phone, an organizer and others.
In der Vergangenheit waren Halbleiterbildsensoren spezielle Bauelemente, die mit einem CCD Herstellungsprozess produziert wurden. Heute werden Bildsensoren üblicherweise mit einem CMOS Standardprozess hergestellt, der um einige bildsensorspezifische Optionen erweitert ist. Deshalb können solche Sensoren an dem kontinuierlichen Fortschritt der CMOS Prozesse partizipieren, was die kritischen Abmessungen und die Verlustleistung reduziert. Dagegen nehmen die Geschwindigkeit der Schaltungselemente und die Komplexität einer Schaltung immer weiter zu. Auf diese Weise sind Sensoren mit sehr hoher Auflösung bei geringen Kosten möglich geworden und fast jeder Sensor kann schnelle Videosignale erfassen.In the past, solid-state image sensors were special devices produced by a CCD manufacturing process. Today, image sensors are typically manufactured using a standard CMOS process, with some image sensor-specific options added. Therefore, such sensors can participate in the continuous progress of CMOS processes, reducing critical dimensions and power dissipation. In contrast, the speed of the circuit elements and the complexity of a circuit continue to increase. In this way, very high resolution sensors have become possible at a low cost and almost every sensor can detect fast video signals.
Die große Mehrzahl von CMOS Bildsensoren verwendet die sogenannte Auslesetechnik nach dem Rolling-Shutter Verfahren. Die Zeilen eines Pixelfeldes werden dabei sequentiell ausgelesen. Bei der maximalen Bildrate erfolgen die Vorgänge der Signalauslesung, deren Analog-Digital-Umsetzung und des Datentransports über die digitalen Schnittstellen ununterbrochen. Mit einer einfachen Pixelschaltung endet die Periode der Lichtintegration mit der Auslesung der zugehörigen Zeile. Die Periode der Lichtintegration wird im Weiteren als Integrationsperiode oder Integrationszeit bezeichnet.The vast majority of CMOS image sensors use the so-called rolling-out reading technique. The lines of a pixel field are read sequentially. At the maximum frame rate, signal read operations, their analog-to-digital conversion, and data transport through the digital interfaces are uninterrupted. With a simple pixel circuit, the period of light integration ends with the reading of the associated line. The period of the light integration will be referred to as integration period or integration time hereinafter.
Auf diese Weise ergibt sich mit einfachen Pixeln das Rolling-Shutter Verfahren. Die Integrationszeiten der Zeilen sind relativ zueinander zeitlich verschoben. Zum Beispiel ist die Integrationszeit der letzten Zeile eines Bildes nur wenig unterschiedlich von der Integrationszeit der ersten Zeile des folgenden Bildes.In this way, the rolling shutter method results with simple pixels. The integration times of the lines are shifted in time relative to each other. For example, the integration time of the last line of an image is only slightly different from the integration time of the first line of the following image.
Das Rolling-Shutter Verfahren führt zu Artefakten mit jeder Art von Bewegung, seien es bewegte Objekte in der Szene, eine Bewegung der Kamera, z. B. ein Kameraschwenk, oder eine Beleuchtung mit zeitlich moduliertem Licht, z. B. mit einer Leuchtstofflampe, die mit Wechselstrom betrieben wird.The rolling-shutter method leads to artifacts with any kind of movement, be it moving objects in the scene, a movement of the camera, z. As a camera swing, or lighting with temporally modulated light, z. B. with a fluorescent lamp, which is operated with alternating current.
Ein Bildsensor nach dem ”Global-Shutter Verfahren” vermeidet diese Nachteile. Es ist sogar möglich, eine helle Blitzlichtquelle einzusetzen, um störendes Hintergrundlicht zu unterdrücken. Mit dem Global-Shutter Verfahren ist ein Verfahren gemeint, das auch als ”gepipelinetes” Global-Shutter Verfahren bezeichnet wird. Damit ist gemeint, dass die Auslesung eines vorherigen Bildes während der Integrationszeit des derzeit aktuellen Bildes erfolgt.An image sensor according to the "global shutter method" avoids these disadvantages. It is even possible to use a bright flash light source to suppress disturbing background light. With the global shutter method is meant a method which is also referred to as a "pipelined" global shutter method. By this it is meant that the reading of a previous image occurs during the integration time of the currently current image.
Diese Eigenschaft ist für eine schnelle Videobilderfassung erforderlich.This feature is required for fast video capture.
In vielen Anwendungsbereichen, wie in der Industrie, in Fernsehstudios, für wissenschaftliche Instrumente, usw. besteht seit langem Interesse an Sensoren mit Global-Shutter. Allerdings bedingt das Global-Shutter Verfahren prinzipiell ein komplexeres Pixel, was wiederum Kompromisse zwischen verschiedenen technischen und wirtschaftlichen Eigenschaften erzwingt.In many applications, such as in the industry, in television studios, for scientific instruments, etc., there has long been interest in sensors with global shutter. However, the global shutter method basically requires a more complex pixel, which in turn enforces trade-offs between different technical and economic characteristics.
Zuerst muss ein Pixel, das für das Global-Shutter Verfahren eingesetzt werden soll, in der Lage sein, einen Signalwert für eine gewisse Zeit zu speichern. Die Zeit beginnt mit dem Kommando an alle Pixel, die Integrationszeit zu beenden, und die Zeit endet mit dem Auslesen des Signalwertes, was zeilensequentiell erfolgt. Diese Speicherung erfolgt auf einem Knoten einer elektronischen Schaltung, der entweder eine Spannung oder eine Ladung speichert. Im Weiteren wird der Begriff Speicherknoten verwendet.First, a pixel to be used for the global shutter method must be able to store a signal value for a certain time. The time begins with the command to all pixels to end the integration time, and the time ends with the reading of the signal value, which is line sequential. This storage occurs on a node of an electronic circuit that stores either a voltage or a charge. In the following, the term storage node is used.
Ein Effekt, der von Pixeln in Bildsensoren bekannt ist, ist das sogenannte kTC-Rauschen. Dieses kTC-Rauschen findet man überall, wo eine Kapazität über einen Schalter aufgeladen wird. Der Effekt wird relativ stärker mit kleineren Kapazitäten. Nun werden fotoempfindliche Elemente und Sensorknoten von Pixeln üblicherweise durch Schalter zur Initialisierung zurückgesetzt. Ein solcher Knoten hat eine kleine Kapazität, typisch etwa ein femto-Farad. Der Effekt des kTC-Rauschens würde die Realisierung kleiner Pixel unmöglich machen, wenn man zur Kompensation nicht das CDS-Verfahren einsetzten würde. CDS bedeutet „Correlated-Double-Sampling”. Beim CDS Verfahren wird direkt nach dem Reset der Resetwert eines Pixels gespeichert. Nach der Integrationszeit wird der Signalwert mit der Belichtung genommen und der Resetwert davon subtrahiert, sodass der erwähnte Rauschanteil herausfällt. Der Resetwert wird oft auch Referenzwert genannt.An effect known by pixels in image sensors is the so-called kTC noise. This kTC noise can be found everywhere, where a capacity is charged via a switch. The effect will be relatively stronger with smaller capacities. Now, photosensitive elements and sensor nodes of pixels are usually reset by switches for initialization. Such a node has a small capacity, typically about a femto-farad. The effect of kTC noise would make the realization of small pixels impossible, if one did not use the CDS method for compensation. CDS means Correlated Double Sampling. The CDS method stores the reset value of a pixel directly after the reset. After the integration time, the signal value is taken with the exposure and the reset value subtracted therefrom, so that the mentioned noise component falls out. The reset value is often called the reference value.
Gespeichert werden kann der Resetwert in einem Bildspeicher, welcher üblicherweise digital ist und sich außerhalb des Bildsensor-Chips befindet. Auf diese Art kann das Global-Shutter Verfahren mit einem Speicherknoten im Pixel (abgesehen von dem fotoempfindlichen Element selbst) realisiert werden. Man kann einen Chip auch als Halbleitersubstrat oder Substrat bezeichnen.The reset value can be stored in an image memory, which is usually digital and located outside the image sensor chip. In this way, the global shutter method can be realized with a storage node in the pixel (apart from the photosensitive element itself). One can also refer to a chip as a semiconductor substrate or substrate.
Alternativ kann der Resetwert auch im Pixel selbst gespeichert werden. Das bedeutet dann, dass neben dem fotoempfindlichen Element dann zwei Speicherknoten vorhanden sein müssen. Beim Auslesen einer Zeile von Pixeln werden aus jedem Pixel sein Resetwert und sein belichteter Wert direkt aufeinanderfolgend ausgelesen. Die Subtraktion der zwei Werte kann mit analogen Schaltungsmitteln erfolgen. Es gibt eine Reihe von Aspekten, die bei der Spezifikation eines Pixels für das Global-Shutter Verfahren beachtet werden müssen:
- – Ein Pixel soll klein sein, um eine hohe Auflösung, geringere Abmessungen des Chips und geringe Systemkosten zu ermöglichen.
- – Ein kleines Pixel ist möglich, wenn die Anzahl der darin vorhandenen Bauelemente klein ist.
- – Spezielle nicht-standard Bauelemente sollten vermieden werden. Ein CMOS Prozess mit üblichen Bildsensoroptionen ist oft wünschenswert.
- – Speicherknoten sollten unempfindlich gegenüber Lichteinwirkung sein. Sonst kann die gespeicherte Information zerstört werden.
- – Externes Correlated-Double-Sampling sollte vermieden werden, weil dies eine höhere Arbeitsgeschwindigkeit und einen Bildspeicher erfordert.
- – Für den Speicherknoten ist eine große Kapazität wünschenswert, damit dieser nur geringe Beiträge zum kTC-Rauschen leistet.
- – Eine Belichtungszeiteinstellung sollte möglich sein, das heißt, der Sensor kann mit einer einstellbaren Dauer der Integrationszeit betrieben werden, die kleiner ist als die Bilddauer.
- – Der Einfluss von Leckströmen der Sperrschichten sollte gering sein.
- One pixel should be small to allow high resolution, smaller chip size, and low system cost.
- A small pixel is possible if the number of components present therein is small.
- - Special non-standard components should be avoided. A CMOS process with common image sensor options is often desirable.
- - Storage nodes should be insensitive to light. Otherwise the stored information can be destroyed.
- - External Correlated Double Sampling should be avoided because this requires a higher operating speed and image memory.
- - For the storage node, a large capacity is desirable so that it makes only small contributions to the kTC noise.
- - An exposure time setting should be possible, that is, the sensor can be operated with an adjustable duration of the integration time, which is smaller than the image duration.
- - The influence of leakage currents of the barrier layers should be low.
In ”
Diese Pixel benutzen den Sensorknoten zur Signalspeicherung. Dementsprechend können solche Pixel in Verbindung mit einem externen Bildspeicher benutzt werden, um das Global-Shutter Verfahren und CDS zu realisieren.These pixels use the sensor node for signal storage. Accordingly, such pixels can be used in conjunction with an external image memory to realize the global shutter method and CDS.
AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION
Es besteht Bedarf an Pixeln geringer Komplexität, die gleichzeitig das Global-Shutter Verfahren realisieren und das Correlated-Double-Sampling im Pixel unterstützen.There is a need for low complexity pixels that simultaneously implement the global shutter method and support the pixel's Correlated Double Sampling.
LÖSUNG DER AUFGABESOLUTION OF THE TASK
In dieser Veröffentlichung ist ein Pixelfeld beschrieben, welches aus einer Vielzahl von Pixeln besteht, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind. Das Pixelfeld und eine Zeitsteuerschaltung sind auf einem Halbleitersubstrat angeordnet. Die Zeitsteuerschaltung steuert die Vielzahl von Pixeln so an, dass diese Pixel identische Integrationszeiten haben. Jedes der Vielzahl von Pixeln enthält ein fotoempfindliches Element und einen Sensorknoten. Zwischen dem fotoempfindlichen Element und dem Sensorknoten ist ein erstes Transfergate angeordnet. Ein Eingang eines Pufferverstärkers ist mit dem Sensorknoten verbunden. Eine Abtaststufe bestehend aus einem Abtastschalter und einem Speicherkondensator ist mit einem Ausgang des Pufferverstärkers verbunden. Ein Ausgangsschalter ist zwischen dem Ausgang des Pufferverstärker und einer Spaltenleitung angeordnet. Weiterhin ist ein Rückkopplungsschalter zwischen einem Ausgang der Abtaststufe und dem Sensorknoten angeordnet.In this publication, a pixel array is described which consists of a plurality of pixels arranged in rows and columns. The pixel array and a timing circuit are arranged on a semiconductor substrate. The timing circuit drives the plurality of pixels so that these pixels have identical integration times. Each of the plurality of pixels includes a photosensitive element and a sensor node. Between the photosensitive element and the sensor node, a first transfer gate is arranged. An input of a buffer amplifier is connected to the sensor node. A sampling stage consisting of a sampling switch and a storage capacitor is connected to an output of the buffer amplifier. An output switch is disposed between the output of the buffer amplifier and a column line. Furthermore, a feedback switch is arranged between an output of the sampling stage and the sensor node.
Optional ist ein Entladungsschalter vorgesehen, der mit dem Ausgang der Abtaststufe verbunden ist.Optionally, a discharge switch is provided which is connected to the output of the sampling stage.
Weiterhin gibt es einen Resetschalter mit einem ersten und einem zweiten Anschluss. Der erste Anschluss des Resetschalters ist mit einer zweiten Versorgungsspannung verbunden.There is also a reset switch with a first and a second connection. The first connection of the reset switch is connected to a second supply voltage.
Nach dem ersten Ausführungsbeispiel eines Pixels ist der zweite Anschluss des Resetschalters mit dem Sensorknoten verbunden.According to the first exemplary embodiment of a pixel, the second terminal of the reset switch is connected to the sensor node.
Nach dem zweiten Ausführungsbeispiel eines Pixels ist der zweite Anschluss des Resetschalters mit dem Ausgang der Abtaststufe verbunden. According to the second embodiment of a pixel, the second terminal of the reset switch is connected to the output of the sampling stage.
Andere Aspekte der Erfindung sind vorteilhafte Ausführungsbeispiele, die MOS Feldeffekttransistoren verwenden.Other aspects of the invention are advantageous embodiments using MOS field effect transistors.
Varianten des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels eines Pixels sind als drittes bzw. viertes Ausführungsbeispiel beschrieben.Variants of the first and second embodiments of a pixel are described as third and fourth embodiments, respectively.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf Betriebsverfahren zum Betrieb eines Pixels und eines Pixelfeldes nach der Erfindung.Another aspect of the invention relates to operating methods for operating a pixel and a pixel array according to the invention.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung sind vorteilhafte Betriebsverfahren, die Signale von einem Pixel und einem Pixelfeld korrigieren.Another aspect of the invention are advantageous operating methods that correct signals from a pixel and a pixel array.
VORTEILE DER ERFINDUNGADVANTAGES OF THE INVENTION
Ein Pixelfeld nach der Erfindung ermöglicht einen Betrieb nach dem Global-Shutter Verfahren und gleichzeitig wird Correlated-Double-Sampling auf dem Chip unterstützt, das heißt, ohne das ein Bildspeicher erforderlich ist.A pixel array according to the invention enables operation according to the global shutter method and at the same time supports correlated double sampling on the chip, that is to say without the need of an image memory.
Die Realisierung des Correlated-Double-Sampling Verfahren impliziert die Unterdrückung des gesamten Fixed-Pattern-Rauschen vom Pixel, welches insbesondere auf das Mismatching von Schwellenspannungen der Sourcefolgerstufen zurückzuführen ist. Vorteilhafterweise ist in einem Pixel nur ein Speicherkondensator vorhanden. Darüber hinaus sind nur fünf oder sechs MOS-Transistoren gleichen Typs vorhanden, abgesehen von den Transfergates. Die geringe Bauelementeanzahl stellt einen Hauptvorteil eines Pixels nach der Erfindung dar, wenn man es mit Pixeln nach dem Stand der Technik vergleicht. Die geringe Anzahl von Bauelementen ermöglicht die Realisierung von kleinen Pixeln mit guter Quanteneffizienz.The realization of the Correlated Double Sampling method implies the suppression of the entire fixed pattern noise from the pixel, which is due in particular to the mismatching of threshold voltages of the source follower stages. Advantageously, only one storage capacitor is present in a pixel. In addition, only five or six MOS transistors of the same type are present except for the transfer gates. The small number of devices is a major advantage of a pixel of the invention when compared to prior art pixels. The small number of components enables the realization of small pixels with good quantum efficiency.
Vorteilhafterweise benutzt ein Pixel nach der Erfindung nur einen Pufferverstärker zwischen dem Sensorknoten und der Spaltenleitung. Deshalb wird die Spannung des Sensorknotens nur um eine Transistor-Schwellenspannung abgesenkt. Dies hilft, den Dynamikbereich des Pixels soweit wie möglich zu erhalten. Wenn die Spaltenleitung mit einer sehr niedrigen Spannung angesteuert wird, tritt ein Clipping auf, das heißt eine Abschneidung des Signals, und damit verbunden eine Verfälschung des Signals. Bei Lösungen mit zwei Pufferverstärkern tritt das Clipping entsprechend eher auf, da zwei Schwellenspannungen involviert sind.Advantageously, a pixel according to the invention uses only one buffer amplifier between the sensor node and the column line. Therefore, the voltage of the sensor node is lowered only by a transistor threshold voltage. This helps to keep the dynamic range of the pixel as much as possible. When the column line is driven at a very low voltage, clipping occurs, that is, truncation of the signal, and associated distortion of the signal. In solutions with two buffer amplifiers, clipping is more likely to occur because two threshold voltages are involved.
Vorteilhafterweise, weist ein Pixel nach der Erfindung nur ein geringes zeitliches Rauschen auf, weil nur ein Pufferverstärker Transistorrauschen beiträgt.Advantageously, a pixel according to the invention has only a low temporal noise, because only one buffer amplifier contributes transistor noise.
Vorteilhafterweise basiert ein Pixel auf einer üblichen Vier-Transistor oder Fünf-Transistor Konfiguration. Nicht-Standard Prozessschritte der Fertigungstechnologie oder spezielle Bauelemente werden vermieden. Das Pixelfeld nach der Erfindung kann daher direkt mit Hilfe eines industrieüblichen Herstellungsprozesses hergestellt werden.Advantageously, a pixel is based on a common four-transistor or five-transistor configuration. Non-standard process steps of the production technology or special components are avoided. The pixel array according to the invention can therefore be produced directly by means of an industry-standard manufacturing process.
Ausführungsbeispiele von Pixeln nach der Erfindung unterstützen eine Belichtungszeiteinstellung durch einen elektronischen Shutter.Embodiments of pixels according to the invention support an exposure time adjustment by an electronic shutter.
Das zweite Ausführungsbeispiel einer Methode zur Korrektur von Offsetkomponenten hat den zusätzlichen Vorteil, dass Fixed-Pattern-Rauschen mit Spaltenstruktur unterdrückt wird.The second embodiment of a method for correcting offset components has the additional advantage of suppressing fixed pattern noise with column structure.
Rauschkomponenten des Pufferverstärkers mit einer 1/f-Charakteristik werden durch die aufeinanderfolgende Auslesung von Hell- und Referenzwerten weitgehend unterdrückt.Noise components of the buffer amplifier with a 1 / f characteristic are largely suppressed by the successive reading of light and reference values.
Alle Ausführungsbeispiele von Pixeln nach der Erfindung beinhalten Mittel, um einen Überlauf von Pixeln und Blooming-Effekte zu vermeiden, was mittels einer Anti-Blooming Funktion erfolgt.All embodiments of pixels according to the invention include means to avoid overflow of pixels and blooming effects, which is done by means of an anti-blooming function.
Vorteilhafterweise verwenden die Ausführungsbeispiele von Pixeln gepinnte Fotodioden, die zum heutigen Zeitpunkt die bevorzugte Wahl für fotoempfindliche Elemente darstellen.Advantageously, the embodiments of pixels use pinned photodiodes, which at present represent the preferred choice for photosensitive elements.
Vorteilhafterweise ist es möglich, rauschreduzierte Sätze von Kalibrierwerten zu erzeugen.Advantageously, it is possible to generate noise-reduced sets of calibration values.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Die folgenden Zeichnungen beziehen sich auf den Stand der Technik und die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung.The following drawings relate to the prior art and the preferred embodiments of the invention.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELENDESCRIPTION OF EMBODIMENTS
Das Blockschaltbild
Die Zeitsteuerschaltung
Die formatierten Signale
In
Vorzugsweise, wird eine sogenannte ”pinned” Fotodiode als fotoempfindliches Element PPD eingesetzt, aber auch andere Typen von fotoempfindlichen Elementen können verwendet werden, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen.Preferably, a so-called "pinned" photodiode is used as the photosensitive member PPD, but other types of photosensitive members may be used without departing from the spirit of the invention.
Durch Belichtung werden Elektron-Loch-Paare im Halbleitersubstrat erzeugt. Ladungen eines Typs werden im fotoempfindlichen Element PPD gesammelt. Wenn das erste Transfergate TG leitend gemacht wird, fließen Ladungen, die in dem fotoempfindlichen Element PPD gesammelt wurden, zu dem Sensorknoten FDN. Hier erzeugen sie einen Hellzustand des Sensorknoten FDN. Den Hellzustand kann man als eine Spannung betrachten, die sich entsprechend der Menge der hinübergeflossenen Ladungen ergibt.Exposure generates electron-hole pairs in the semiconductor substrate. Charges of one type are collected in the photosensitive member PPD. When the first transfer gate TG is made conductive, charges collected in the photosensitive member PPD flow to the sensor node FDN. Here they generate a bright state of the sensor node FDN. The bright state can be considered as a voltage that results according to the amount of overflowed charges.
Als Teil des Pixels
In der Figur sind die Komponenten N1, N2, N3, N4, N5 und N6 als MOS Feldeffekttransistoren vom N-Kanal Typ gezeichnet. In vielen Fällen arbeitet ein MOS Feldeffekttransistor als Schalter. In anderen Fällen arbeitet ein MOS Feldeffekttransistor als Pufferverstärker. Zur Vereinfachung der Beschreibung kann ein MOS Feldeffekttransistor im Folgenden als „Schalter” oder „Pufferverstärker” bezeichnet werden.In the figure, the components N1, N2, N3, N4, N5 and N6 are drawn as N-channel type MOS field-effect transistors. In many cases, a MOS field effect transistor works as a switch. In other cases, a MOS field effect transistor operates as a buffer amplifier. For ease of description, a MOS field effect transistor may be referred to hereinafter as a "switch" or "buffer amplifier".
In der Funktion als Schalter entspricht einer der Anschlüsse Source und Drain des MOS Feldeffekttransistors dem ersten Anschluss des Schalters. Ein anderer der Anschlüsse Source und Drain entspricht dem zweiten Anschluss des Schalters. Das Gate des MOS Feldeffekttransistors entspricht dem Eingang des Schalters.In the function as a switch corresponds to one of the terminals source and drain of the MOS field effect transistor to the first terminal of the switch. Another of the source and drain terminals corresponds to the second terminal of the switch. The gate of the MOS field-effect transistor corresponds to the input of the switch.
In der Funktion als Pufferverstärker stellt einer der Anschlüsse Source und Drain des MOS Feldeffekttransistors den Ausgang des Pufferverstärkers dar und ein anderer der Anschlüsse Source und Drain stellt einen Versorgungsanschluss dar. Das Gate des MOS Feldeffekttransistor bildet den Eingang des Pufferverstärkers.In function as a buffer amplifier, one of the source and drain terminals of the MOS field effect transistor represents the output of the buffer amplifier and another of the source and drain terminals constitutes a supply terminal. The gate of the MOS field effect transistor forms the input of the buffer amplifier.
Der Eingang des Pufferverstärker N1 ist mit dem Sensorknoten FDN verbunden. Der Versorgungsanschluss des Pufferverstärker N1 ist verbunden mit einer ersten Versorgungsspannung Vds. Der Ausgang des Pufferverstärkers ist mit einem Zwischenknoten INN verbunden. Der Pufferverstärker N1 ist ein Sourcefolger, was bedeutet, dass sein Ausgangsignal an dem Knoten IMN die Spannung am Sensorknoten FDN wiedergibt, aber dass zusätzlich eine systematische Signalabweichung hinzugefügt wird.The input of the buffer amplifier N1 is connected to the sensor node FDN. The supply terminal of the buffer amplifier N1 is connected to a first supply voltage Vds. The output of the buffer amplifier is connected to an intermediate node INN. The buffer amplifier N1 is a source follower, which means that its output signal at the node IMN represents the voltage at the sensor node FDN, but that in addition a systematic signal deviation is added.
Der Eingang eines Ausgangsschalters N2 ist mit einem zweiten Steuersignal Sel verbunden. Der Ausgangsschalter N2 liegt zwischen dem Zwischenknoten IMN und der Spaltenleitung COL. Der letzte Satz soll bedeuten, dass der erste Anschluss des Ausgangsschalters N2 mit dem Zwischenknoten IMN verbunden ist und dass der zweite Anschluss des Ausgangsschalters N2 mit der Spaltenleitung COL verbunden ist.The input of an output switch N2 is connected to a second control signal Sel. The output switch N2 is located between the intermediate node IMN and the column line COL. The last sentence is intended to mean that the first terminal of the output switch N2 is connected to the intermediate node IMN and that the second terminal of the output switch N2 is connected to the column line COL.
Wenn der Ausgangsschalter N2 leitet, wird die durch den Pufferverstärker N1 erzeugte Ausgangsspannung vom Pixel
Ein Abtastschalter N4 und ein Speicherkondensator CS bilden eine Abtaststufe SST, deren Ausgang mit dem Speicherknoten STN verbunden ist. Der Eingang des Abtastschalters N4 ist mit einem vierten Steuersignal Mem verbunden. Der Abtastschalter N4 ist zwischen dem Zwischenknoten IMN und dem Speicherknoten STN angeordnet. Der Speicherkondensator CS ist zwischen dem Speicherknoten STN und einem Referenzpotential angeordnet. Wenn der Abtastschalter N4 leitend wird, dann läd der mit dem Zwischenknoten IMN verbundene Ausgang des Pufferverstärker N1 den Speicherknoten STN. Die Ladung des Speicherkondensators CS, der mit dem Speicherknoten STN verbunden ist, ändert sich dann dementsprechend. Wenn der Abtastschalter N4 zum Isolieren gebracht wird, dann kann sich die Spannung am Speicherknoten STN nicht mehr ändern und die Spannung aus der Vergangenheit wird beibehalten.A sampling switch N4 and a storage capacitor CS form a sampling stage SST whose output is connected to the storage node STN. The input of the sampling switch N4 is connected to a fourth control signal Mem. The sampling switch N4 is arranged between the intermediate node IMN and the storage node STN. The storage capacitor CS is arranged between the storage node STN and a reference potential. When the sampling switch N4 becomes conductive, the output of the buffer amplifier N1 connected to the intermediate node IMN charges the storage node STN. The charge of the storage capacitor CS, which is connected to the storage node STN, then changes accordingly. If the sampling switch N4 is made to isolate, then the voltage at the storage node STN can not change and the voltage from the past is maintained.
Der Eingang eines Entladungsschalters N5 ist mit einem fünften Steuersignal Rlo verbunden. Der Entladungsschalter N5 ist zwischen dem Speicherknoten STN und dem Referenzpotential angeordnet. Der Entladungsschalter N5 hat die Funktion, den Speicherknoten STN zu entladen, sodass dieser für das nächste zu speichernde Spannung vorbereitet ist. Der Pufferverstärker N1 kann nur einen elektrischen Strom liefern, somit ist er nicht in der Lage, die Spannung am Speicherknoten STN herunterzuziehen.The input of a discharge switch N5 is connected to a fifth control signal Rlo. The discharge switch N5 is arranged between the storage node STN and the reference potential. The discharge switch N5 has the function of discharging the storage node STN so that it is prepared for the next voltage to be stored. The buffer amplifier N1 can only supply one electric current, thus it is not able to pull down the voltage at the storage node STN.
Der Eingang eines Rückkopplungsschalters N3 ist mit einem dritten Steuersignal Pas verbunden. Der Rückkopplungsschalters N3 ist zwischen dem Speicherknoten STN und dem Sensorknoten FDN angeordnet. Der Rückkopplungsschalter N3 dient dazu, das von der Abtaststufe SST gespeicherte Signal zum Sensorknoten FDN zurückzuführen, sodass dieses auch über die Spaltenleitung COL ausgelesen werden kann.The input of a feedback switch N3 is connected to a third control signal Pas. The feedback switch N3 is arranged between the storage node STN and the sensor node FDN. The feedback switch N3 serves to return the signal stored by the sampling stage SST to the sensor node FDN, so that it can also be read out via the column line COL.
Der Eingang eines Resetschalters N6 ist mit einem sechsten Steuersignal Rhi verbunden. Der erste Anschluss des Resetschalters N6 ist mit einer zweiten Versorgungsspannung VDH verbunden. Der zweite Anschluss des Resetschalters N6 ist mit dem Sensorknoten FDN verbunden. Wenn der Resetschalter N6 leitend gemacht wird, dann wird der Sensorknoten FDN in einen Resetzustand initialisiert. Eventuell vorhandene Fotoladungen auf dem Sensorknoten FDN werden entfernt.The input of a reset switch N6 is connected to a sixth control signal Rhi. The first terminal of the reset switch N6 is connected to a second supply voltage VDH. The second terminal of the reset switch N6 is connected to the sensor node FDN. When the reset switch N6 is made conductive, the sensor node FDN is initialized to a reset state. Any existing photo charges on the sensor node FDN are removed.
Anderen Typen von Transistoren sind verwendbar, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel weiß ein Fachmann, dass eine Schaltung weiterhin funktioniert, wenn man MOS Feldeffekttransistoren vom N-Kanal Typ durch Feldeffekttransistoren vom P-Kanal Typ – und umgekehrt – ersetzt sowie die Polarität von Spannungen und Strömen umkehrt.Other types of transistors may be used without departing from the spirit of the invention. For example, one skilled in the art will understand that a circuit will continue to operate by replacing MOSFETs of the N-channel type with P-channel type field effect transistors, and vice versa, as well as reversing the polarity of voltages and currents.
Um im ersten Ausführungsbeispiel des Pixels
Ein Ausführungsbeispiel eines ersten Betriebsverfahrens für ein Pixelfeld
Im Folgenden ist die erste Sequenz
Jeder ”Puls” eines Signals bewirkt, das dieses für eine Zeit einen High-Pegel und danach einen Low-Pegel annimmt. Ein High-Pegel soll bewirken dass ein Schalter leitet, wogegen ein Low-Pegel diesen nichtleitend machen soll. Hier werden diese Konventionen zugrunde gelegt. Andere Ausführungsbeispiele könnten aber andere Typen von Bauelementen einsetzen, sodass sich Abweichungen von dieser obigen Konvention ergäben, dies aber ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen.Each "pulse" of a signal causes it to go high for a while and then go low. A high level should cause a switch to conduct, whereas a low level should make it non-conductive. Here these conventions are used. Other embodiments could use other types of devices, however, so that deviations from this the above convention, but without departing from the spirit of the invention.
Die nächsten Pulse werden zeilensequentiell an das Pixelfeld
Im Weiteren wird nun eine zufällig gewählte Zeile und ein Pixel
Am Zwischenknoten IMN liegt entsprechend dem Hellzustand des Sensorknoten FDN ein Hellsignal S41 an. Mit einem Puls des zweiten Steuersignals Sel wird der Ausgangsschalter N2 leitend und das Hellsignal S41 wird zur Spaltenleitung COL gesendet. Dadurch wird das Hellsignal S41 aus dem Pixelfeld
Bedingt durch vorhergehende Operationen soll eine erste Referenzspannung am Speicherknoten STN anliegen. Ein Puls des dritten Steuersignals Pas schließt den Rückkopplungsschalter N3. Dies führt zu einer Ladungsumverteilung zwischen dem Speicherkondensator CS und dem Sensorknoten FDN. Ein modifizierter erster Referenzzustand bildet sich am Sensorknoten FDN. Der Pufferverstärker N1 liefert dementsprechend ein modifiziertes erstes Referenzsignal S42 am Zwischenknoten IMN. Ein Puls des zweiten Steuersignals Sel aktiviert den Ausgangsschalter N2. Das modifizierte erste Referenzsignal S42 wird zur Spaltenleitung COL gesendet.Due to previous operations, a first reference voltage should be applied to the storage node STN. A pulse of the third control signal Pas closes the feedback switch N3. This leads to a charge redistribution between the storage capacitor CS and the sensor node FDN. A modified first reference state forms at the sensor node FDN. The buffer amplifier N1 accordingly supplies a modified first reference signal S42 at the intermediate node IMN. A pulse of the second control signal Sel activates the output switch N2. The modified first reference signal S42 is sent to the column line COL.
Wie im Diagramm angedeutet kann der Puls des dritten Steuersignals Pas auch mit dem Puls des zweiten Steuersignal Sel überlappen. Alternativ können auch die zwei Pulse des zweiten Steuersignals Sel verschmelzen, sodass sich ein einzelner, langer Puls ergibt.As indicated in the diagram, the pulse of the third control signal Pas may also overlap with the pulse of the second control signal Sel. Alternatively, the two pulses of the second control signal Sel may merge, resulting in a single, long pulse.
Um eine Reset-Operation durchzuführen, schließt ein Puls des sechsten Steuersignals Rhi den Resetschalter N6. Dadurch wird der Sensorknoten FDN in einen zweiten Resetzustand initialisiert.To perform a reset operation, a pulse of the sixth control signal Rhi closes the reset switch N6. As a result, the sensor node FDN is initialized into a second reset state.
Als nächstes schließt ein Puls des fünften Steuersignals Rio den Entladungsschalter N5, sodass der Speicherknoten STN entladen wird.Next, a pulse of the fifth control signal Rio closes the discharge switch N5, so that the storage node STN is discharged.
Zu erwähnen ist, dass die Pulse des sechsten Steuersignals Rhi und des fünften Steuersignals Rio in ihrer zeitlichen Aufeinanderfolge umgekehrt werden können. Auch die relative Dauer aller Pulse kann man ändern, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen.It should be noted that the pulses of the sixth control signal Rhi and the fifth control signal Rio can be reversed in their temporal succession. Also, the relative duration of all pulses can be changed without departing from the spirit of the invention.
Der auf dem Sensorknoten FDN gebildete zweite Resetzustand pflanzt sich durch den Pufferverstärker N1 fort und ein zweites Referenzsignals bildet sich auf dem Zwischenknoten INN entsprechend dem zweiten Resetzustand des Sensorknotens FDN. Ein Puls des vierten Steuersignals Mem macht den Abtastschalter N4 leitend. Der Speicherknoten STN wird durch den Pufferverstärker auf eine zweite Referenzspannung aufgeladen, entsprechend dem zweiten Resetzustand.The second reset state formed on the sensor node FDN propagates through the buffer amplifier N1, and a second reference signal is formed on the intermediate node INN in accordance with the second reset state of the sensor node FDN. A pulse of the fourth control signal Mem makes the sampling switch N4 conductive. The storage node STN is charged by the buffer amplifier to a second reference voltage, corresponding to the second reset state.
Zu diesem Zeitpunkt ist die erste Sequenz abgeschlossen und das Pixel ist initialisiert. Die beschriebene erste Sequenz kann wiederholt werden. Für die zufällig gewählte Zeile erfolgt die nächste Wiederholung eine Bilddauer später.At this time, the first sequence is completed and the pixel is initialized. The described first sequence can be repeated. For the random line, the next repeat will be one frame later.
In einem einfachen Ausführungsbeispiel wird das modifizierte erste Referenzsignal S42 von dem Hellsignal S41 subtrahiert, um eine Rohsignal zu bilden, welches hinsichtlich kTC-Rauschen kompensiert ist.In a simple embodiment, the modified first reference signal S42 is subtracted from the bright signal S41 to form a raw signal which is compensated for kTC noise.
Grundsätzlich aber repräsentiert das modifizierte erste Referenzsignal S42 den ersten Resetzustand des Sensorknoten FDN nicht auf die gleiche Weise, wie das Hellsignal S41 den Hellzustand des Sensorknoten FDN repräsentiert. Durch das erste Durchlaufen des Pufferverstärkers N1 würde korrekt das erste Referenzsignal bilden, welches den ersten Resetzustand des Sensorknotens FDN repräsentiert. Zusätzlich aber durchläuft das erste Referenzsignal den Rückkopplungspfad. Eine entsprechende Spannung wird auf dem Speicherknoten STN gespeichert und durch die Ladungsumverteilung zwischen dem Speicherknoten STN und dem Sensorknoten FDN beeinflusst. Weiterhin wird der Pufferverstärker N1 ein zweites Mal durchlaufen, sodass schließlich das modifizierte erste Referenzsignal S42 vorliegt, welches an die Spaltenleitung COL gesendet wird.In principle, however, the modified first reference signal S42 does not represent the first reset state of the sensor node FDN in the same way as the bright signal S41 represents the bright state of the sensor node FDN. The first pass through the buffer amplifier N1 would correctly form the first reference signal, which represents the first reset state of the sensor node FDN. In addition, however, the first reference signal passes through the feedback path. A corresponding voltage is stored on the storage node STN and influenced by the charge redistribution between the storage node STN and the sensor node FDN. Furthermore, the buffer amplifier N1 is passed through a second time, so that finally the modified first reference signal S42 is present, which is sent to the column line COL.
Vorzugsweise sollte die Kapazität des Speicherkondensators CS groß gegenüber der Kapazität des Sensorknoten FDN sein. In diesem Fall wird das modifizierte erste Referenzsignal S42 sich vom ersten Referenzsignal hauptsächlich durch eine Offsetkomponente unterscheiden. Die Offsetkomponente ist typischerweise auf eine Schwellenspannung des Pufferverstärker N1 zurückzuführen. Zweitens hat der oben erwähnte Rückkopplungspfad eine Schleifenverstärkung, die typischerweise etwas kleiner als Eins ist.Preferably, the capacitance of the storage capacitor CS should be large compared to the capacitance of the sensor node FDN. In this case, the modified first reference signal S42 will differ from the first reference signal mainly by an offset component. The offset component is typically due to a threshold voltage of the buffer amplifier N1. Second, the above-mentioned feedback path has a loop gain that is typically slightly less than one.
In
Beim Auslesen des Pixels wird ein zweites Referenzsignal S43 entsprechend dem zweiten Resetzustand des Sensorknotens FDN an die Spaltenleitung COL gesendet. Darauffolgend wird ein modifiziertes zweites Referenzsignal S44 entsprechend dem zweiten Referenzsignal S43 und dem zweiten Resetzustand des Sensorknotens FDN an die Spaltenleitung COL gesendet.When the pixel is read out, a second reference signal S43 is sent to the column line COL in accordance with the second reset state of the sensor node FDN. Subsequently, a modified second reference signal S44 corresponding to the second reference signal S43 and the second reset state of the sensor node FDN is sent to the column line COL.
Auf Basis dieser zwei Werte können die Offsetkomponenten bestimmt werden. Das modifizierte zweite Referenzsignal S44 wird vom zweiten Referenzsignal S43 subtrahiert um die Offsetkomponenten zu erzeugen. Die Offsetkomponenten sind unterschiedlich für jedes Pixel und leicht variabel z. B mit der Temperatur.Based on these two values, the offset components can be determined. The modified second reference signal S44 is subtracted from the second reference signal S43 to produce the offset components. The offset components are different for each pixel and slightly variable z. B with the temperature.
Der Eingang des Resetschalter N6 ist nach wie vor mit dem sechsten Steuersignal Rhi verbunden. Der erste Anschluss des Resetschalter N6 ist nach wie vor mit der zweiten Versorgungsspannung VDH verbunden. Allerdings ist hier der zweite Anschluss des Resetschalters N6 mit dem Speicherknoten STN verbunden.The input of the reset switch N6 is still connected to the sixth control signal Rhi. The first terminal of the reset switch N6 is still connected to the second supply voltage VDH. However, here the second terminal of the reset switch N6 is connected to the storage node STN.
Weiterhin ist hier eine andere Art der fotoempfindlichen Anordnung vorgesehen. Zusätzlich weist das fotoempfindliche Element PPD ein zweites Transfergate TA auf. Das zweite Transfergate TA wird benutzt, um die Belichtungszeit zu steuern, insbesondere in dem Sinn, dass die Belichtungszeit kleiner gemacht werden kann als die Bilddauer.Furthermore, another type of photosensitive device is provided here. In addition, the photosensitive member PPD has a second transfer gate TA. The second transfer gate TA is used to control the exposure time, particularly in the sense that the exposure time can be made smaller than the image duration.
Ein besonderer Vorteil des zweiten Ausführungsbeispiels eines Pixels ist, dass nur ein Schalter mit dem Sensorknoten FDN verbunden ist. Dies reduziert die parasitären Kapazitäten und Leckströme am Sensorknoten FDN.A particular advantage of the second embodiment of a pixel is that only one switch is connected to the sensor node FDN. This reduces the parasitic capacitances and leakage currents at the sensor node FDN.
Ein Ausführungsbeispiel eines zweiten Betriebsverfahrens für ein Pixelfeld
Verglichen mit dem ersten Betriebsverfahren in
Diese modifizierte Reset-Operation findet man zwei Mal, in der ersten Sequenz
Weitere Ausführungsbeispiele von Betriebsverfahren für ein Pixelfeld
Ein Pixelfeld
- – ein Hellsignal S41,
- – ein modifiziertes erstes Referenzsignal S42,
- – ein zweites Referenzsignal S42, und
- – ein modifiziertes zweites Referenzsignal S44.
- - a bright signal S41,
- A modified first reference signal S42,
- A second reference signal S42, and
- A modified second reference signal S44.
Aus dem Betrieb des Pixels ist klar, dass das Paar aus dem Hellsignal S41 und dem modifizierten ersten Referenzsignal S42 hinsichtlich des kTC-Rauschen korreliert ist. Ebenso ist das Paar aus dem zweiten Referenzsignal S43 und dem modifizierten zweiten Referenzsignal S44 hinsichtlich des kTC-Rauschen korreliert.From the operation of the pixel, it is clear that the pair of the bright signal S41 and the modified first reference signal S42 is correlated with respect to the kTC noise. Likewise, the pair of the second reference signal S43 and the modified second reference signal S44 is correlated with respect to the kTC noise.
Ein Ausführungsbeispiel eines dritten Betriebsverfahrens ist in
-
901 :Das Pixel 200 stellt während jedes Bildes ein Hellsignal S41 bereit. -
902 :Das Pixel 200 stellt während jedes Bildes ein modifiziertes erstes Referenzsignal S42 bereit. -
911 :Das Pixel 200 stellt während jedes Bildes ein zweites Referenzsignal S42 bereit. -
912 :Das Pixel 200 stellt während jedes Bildes ein modifiziertes zweites Referenzsignal S43 bereit. -
913 :Für das Pixel 200 wird ein korrigiertes Signal SCC erzeugt.
-
901 : Thepixel 200 provides a bright signal S41 during each picture. -
902 : Thepixel 200 provides a modified first reference signal S42 during each frame. -
911 : Thepixel 200 provides a second reference signal S42 during each frame. -
912 : Thepixel 200 provides a modified second reference signal S43 during each frame. -
913 : For the pixel200 a corrected signal SCC is generated.
Die vier Signale, die während dieser kombinierten Sequenz von dem Pixel bereitgestellt werden, werden über eine Spaltenleitung COL an eine der Vielzahl von Spaltenschaltungen
Jede der Spaltenschaltungen
Dabei sind G1 ein erster Verstärkungsfaktor und G2 ein zweiter Verstärkungsfaktor. Der erste Verstärkungsfaktor G1 und der zweite Verstärkungsfaktor G2 sind programmierbar und sie werden typischerweise gleich und entsprechend der Schleifenverstärkung gewählt.Here, G1 is a first gain factor and G2 is a second gain factor. The first gain G1 and the second gain G2 are programmable and are typically selected equal and in accordance with the loop gain.
Vorzugsweise ist der erste Verstärkungsfaktor G1 gleich für alle Spaltenschaltungen
Das korrigierte Signal SCC ist kompensiert hinsichtlich des kTC-Rauschens und korrigiert mit Blick auf Offsetkomponenten und Schleifenverstärkung.The corrected signal SCC is compensated for the kTC noise and corrected for offset components and loop gain.
Ein Ausführungsbeispiel eines vierten Betriebsverfahrens ist in
-
921 :Ein Pixel 200 stellt ein zweites Referenzsignal S43 bereit. -
922 :Das Pixel 200 stellt zugehörig ein zweites modifiziertes Referenzsignal S44 bereit. -
923 : Das zweite Referenzsignal S43 und das zweite modifizierte Referenzsignal S44 werden verwendet um einen Satz von Kalibrierwerten zu erzeugen. -
924 : Jeder Satz von Kalibrierwerten wird ineinem Kalibrationswertspeicher 232 gespeichert.
-
921 : Onepixel 200 provides a second reference signal S43. -
922 : Thepixel 200 in addition, provides a second modified reference signal S44. -
923 The second reference signal S43 and the second modified reference signal S44 are used to generate a set of calibration values. -
924 Each set of calibration values is stored in acalibration value memory 232 saved.
Während des regulären Betriebs wird nur die erste Sequenz
-
901 :Das Pixel 200 stellt während jeder Bilddauer ein Hellsignal S41 bereit. -
902 :Das Pixel 200 stellt während jeder Bilddauer ein modifiziertes erstes Referenzsignal S42 bereit. -
932 : Ein zugehöriger der genannten Sätze von Kalibrierwerten wird ausdem Kalibrationswertspeicher 232 während jeder Bilddauer ausgelesen. -
932 : Während jeder Bilddauer wird ein korrigiertes Signal SCC erzeugt, welches auf dem Satz von Kalibrierwerten, dem Hellsignal S41 und dem modifizierten erste Referenzsignal S42 basiert.
-
901 : Thepixel 200 provides a bright signal S41 during each frame duration. -
902 : Thepixel 200 provides a modified first reference signal S42 during each frame duration. -
932 : An associated one of said sets of calibration values is taken from thecalibration value memory 232 read out during each frame duration. -
932 During each frame period, a corrected signal SCC is generated which is based on the set of calibration values, the bright signal S41 and the modified first reference signal S42.
Die Korrekturrechnung wird von dem Verarbeitungsblock
Ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen, kann die Erzeugung des Satzes von Kalibrierwerten zusätzliche Signale einbeziehen. So kann es ratsam sein, eine längere zeitliche Folge von zweiten Referenzsignalen S43 und von modifizierten zweiten Referenzsignalen S44 zu verwenden. Der durch den Satz von Kalibrierwerten eingebrachte Beitrag an zeitlichem Rauschen wird hierdurch vorteilhaft reduziert. Auch andere Arten von Korrekturformeln sind anwendbar.Without departing from the spirit of the invention, the generation of the set of calibration values may involve additional signals. Thus, it may be advisable to use a longer time series of second reference signals S43 and modified second reference signals S44. The contribution of temporal noise introduced by the set of calibration values is thereby advantageously reduced. Other types of correction formulas are applicable.
Erstens ist der Entladungsschalter N5 hier zwischen dem Speicherknoten STN und der Spaltenleitung COL angeordnet. Bei dieser Konfiguration wird der Speicherknoten STN entladen, wenn der Entladungsschalter N5 leitend gemacht wird und wenn gleichzeitig die Spaltenleitung COL auf Referenzpotential gezogen wird. Ein vom Referenzpotential unterschiedliches und hinreichend niedriges Potential ist ebenso verwendbar.First, the discharge switch N5 is arranged here between the storage node STN and the column line COL. With this configuration, the storage node STN is discharged when the discharge switch N5 is turned on and at the same time the column line COL is pulled to reference potential. A different potential from the reference potential and sufficiently low potential is also usable.
Zweitens ist der Speicherkondensator CS hier zwischen dem Speicherknoten STN und der ersten Versorgungsspannung Vds angeordnet.Second, the storage capacitor CS is arranged here between the storage node STN and the first supply voltage Vds.
Das dritte Ausführungsbeispiel eines Pixels
Erstens wurde der Entladungsschalter N5 entfernt. Um alle benötigten Pixeloperationen durchzuführen, ist die zweite Versorgungsspannung VDH als eine variable Versorgungsspannung ausgeführt. First, the discharge switch N5 has been removed. To perform all required pixel operations, the second supply voltage VDH is implemented as a variable supply voltage.
Zum Entladen des Speicherknotens STN wird die zweite Versorgungsspannung VDH auf Referenzpotential gelegt und der Resetschalter N6 wird leitend gemacht. Während dieser Operation kann die zweite Versorgungsspannung VDH auch verschieden vom Referenzpotential sein, allerdings sollte sie hinreichend niedrig sein um den Speicherknoten STN entladen zu können.To discharge the storage node STN, the second supply voltage VDH is set to reference potential and the reset switch N6 is made conductive. During this operation, the second supply voltage VDH may also be different from the reference potential, but it should be sufficiently low to discharge the storage node STN.
Zur Initialisierung des Sensorknotens FDN wird die zweite Versorgungsspannung VDH auf eine vorgegebene positive Spannung gelegt, wie sie beim zweiten Ausführungsbeispiel des Pixels
Zweitens ist der Speicherkondensator CS hier zwischen dem Speicherknoten STN und der ersten Versorgungsspannung Vds angeordnet.Second, the storage capacitor CS is arranged here between the storage node STN and the first supply voltage Vds.
Das vierte Ausführungsbeispiel eines Pixels
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 200200
- Pixelpixel
- 201201
- Pixelfeldpixel field
- 210210
- ZeitsteuerschaltungTiming circuit
- 220220
- Spaltenschaltungcolumn circuit
- 221221
- Spaltenblockcolumn block
- 230230
- formatierte Signaleformatted signals
- 231231
- Verarbeitungsblockprocessing block
- 232232
- KalibrationswertspeicherKalibrationswertspeicher
- 233233
- digitale Signaledigital signals
- 401401
- erste Sequenz eines ersten Betriebsverfahrens für ein Pixelfeldfirst sequence of a first operating method for a pixel field
- 402402
- zweite Sequenz eines ersten Betriebsverfahrens für ein Pixelfeldsecond sequence of a first operating method for a pixel field
- 601601
- erste Sequenz eines zweiten Betriebsverfahrens für ein Pixelfeldfirst sequence of a second operating method for a pixel field
- 602602
- zweite Sequenz eines zweiten Betriebsverfahrens für ein Pixelfeldsecond sequence of a second operating method for a pixel field
- 901–924901-924
- Referenzsignale in einem Flussdiagramm, die sich auf Ausführungsbeispiele von Betriebsverfahren für Pixel beziehen.Reference signals in a flowchart relating to embodiments of operating methods for pixels.
- COLCOL
- Spaltenleitungcolumn line
- CSCS
- Speicherkondensatorstorage capacitor
- FDNFDN
- Sensorknotensensor nodes
- G1G1
- erster Verstärkungsfaktorfirst gain factor
- G2G2
- zweiter Verstärkungsfaktorsecond amplification factor
- IMNIMN
- Zwischenknotenbetween nodes
- N1N1
- Pufferverstärkerbuffer amplifier
- N2N2
- Ausgangsschalteroutput switch
- N3N3
- RückkopplungsschalterFeedback switch
- N4N4
- Abtastschaltersampling
- N5N5
- Entladungsschalterdischarge switch
- N6N6
- Resetschalterreset switch
- PPDPPD
- fotoempfindliches ElementPhotosensitive element
- PasPas
- drittes Steuersignalthird control signal
- RhiRhi
- sechstes Steuersignalsixth control signal
- RloRlo
- fünftes Steuersignalfifth control signal
- S41S41
- Hellsignallight signal
- S42S42
- modifiziertes erstes Referenzsignalmodified first reference signal
- S43S43
- zweites Referenzsignalsecond reference signal
- S44S44
- modifiziertes zweites Referenzsignalmodified second reference signal
- SCCSCC
- korrigiertes Signalcorrected signal
- SSTSST
- Abtaststufesampling stage
- STNSTN
- Speicherknotenstorage nodes
- SUBSUB
- Substratsubstratum
- SelSel
- zweites Steuersignalsecond control signal
- TATA
- zweites Transfergatesecond transfer gate
- TGTG
- erstes Transfergatefirst transfer gate
- TxTx
- siebtes Steuersignalseventh control signal
- VDHVDH
- zweite Versorgungsspannungsecond supply voltage
- Vdsds
- erste Versorgungsspannungfirst supply voltage
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 7045753 B1 [0015] US 7045753 B1 [0015]
- US 7045754 B2 [0017] US 7045754 B2 [0017]
- EP 2587794 A2 [0018] EP 2587794 A2 [0018]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- Yang, G.; A Snap-Shot CMOS Active Pixel Imager for Low-Noise, High-Speed Imaging; IEEE; IEDM; 1998 [0014] Yang, G .; A Snap-Shot CMOS Active Pixel Imager for Low Noise, High-Speed Imaging; IEEE; IEDM; 1998 [0014]
Claims (10)
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|---|---|---|---|
| DE102015003134.1A DE102015003134B4 (en) | 2014-04-01 | 2015-03-13 | Global shutter pixel and correction method |
Applications Claiming Priority (3)
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|---|---|---|---|
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| DE102015003134.1A Active DE102015003134B4 (en) | 2014-04-01 | 2015-03-13 | Global shutter pixel and correction method |
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