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DE102015003134A1 - Global shutter pixel and correction method - Google Patents

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DE102015003134A1
DE102015003134A1 DE102015003134.1A DE102015003134A DE102015003134A1 DE 102015003134 A1 DE102015003134 A1 DE 102015003134A1 DE 102015003134 A DE102015003134 A DE 102015003134A DE 102015003134 A1 DE102015003134 A1 DE 102015003134A1
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pixel
pixels
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switch
fdn
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Rainer Schweer
Heinrich Schemmann
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VIIMAGIC GESELLSCHAFT MIT BESCHRAENKTER HAFTUN, DE
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VIIMAGIC GmbH
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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.
Alternatively, the reset value can also be stored in the pixel itself. This then means that in addition to the photosensitive element then two storage nodes must be present. When a line of pixels is read out, each reset value and its exposed value are read directly out of each pixel. The subtraction of the two values can be done with analog circuit means. There are a number of aspects to consider when specifying a global-shutter pixel:
  • 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 ” Yang, G.; A Snap-Shot CMOS Active Pixel Imager for Low-Noise, High-Speed Imaging; IEEE; IEDM; 1998 ” ist ein CMOS Bildsensor mit ”snap-shot shutter” beschrieben. Ein Pixel besteht aus einem Fotogate, zwei Transfergates, einem Resetgate, einem metallgeschirmten Sensorknoten, einem Sourcefolger und einem Zeilenauswahltransistor.In " Yang, G .; A Snap-Shot CMOS Active Pixel Imager for Low Noise, High-Speed Imaging; IEEE; IEDM; 1998 "Is a CMOS image sensor with" snap-shot shutter "described. A pixel consists of a photo-gate, two transfer gates, a reset gate, a metal-shielded sensor node, a source follower, and a row select transistor.

US7045753B1 offenbart ein CMOS Pixel mit fünf Transistoren, das Artefakte des Rolling-Shutter Verfahrens vermeidet und eine Einstellung der Belichtungszeit ermöglichen will. US7045753B1 discloses a CMOS pixel with five transistors that avoids artifacts of the rolling shutter method and wants to allow adjustment of the exposure time.

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.

US7045754B2 offenbart die Benutzung eines CCD ähnlichen Signalspeicherknotens als Teil eines CMOS Bildsensors. US7045754B2 discloses the use of a CCD-like signal storage node as part of a CMOS image sensor.

EP2587794A2 beschreibt Ausführungsbeispiele von Global-Shutter Pixeln, die zwei Speicherknoten im Pixel selbst aufweisen. Deshalb ist kein externer Bildspeicher erforderlich. Eines der Ausführungsbeispiele ist in 1 wiedergegeben. Das Pixel basiert auf einem fotoempfindlichen Element mit einem Transfer-Gate TG. Die zwei Speichereinrichtungen sind als Kapazitäten realisiert. Der Transistor M4 und der Kondensator C1 bilden eine erste Abtaststufe, die das Referenzsignal speichern soll. Der Transistor M3 und der Kondensator C2 bilden eine zweite Abtaststufe zur Speicherung des Hellsignals. EP2587794A2 describes embodiments of global shutter pixels having two storage nodes in the pixel itself. Therefore, no external image memory is required. One of the embodiments is in 1 played. The pixel is based on a photosensitive element with a transfer gate TG. The two memory devices are realized as capacitors. The transistor M4 and the capacitor C1 form a first sampling stage which is intended to store the reference signal. The transistor M3 and the capacitor C2 form a second sampling stage for storing the bright signal.

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.

1 zeigt ein Global-Shutter Pixel nach dem Stand der Technik; 1 shows a global shutter pixel according to the prior art;

2 ist ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels von einem Bildsensorsystem mit einem Pixelfeld und Pixeln nach der Erfindung; 2 Fig. 12 is a block diagram of one embodiment of an image sensor system having a pixel array and pixels according to the invention;

3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Pixels nach der Erfindung; 3 shows a first embodiment of a pixel according to the invention;

4 ist ein Zeitablaufdiagramm für ein Ausführungsbeispiel eines ersten Betriebsverfahrens für ein Pixel nach dem ersten Ausführungsbeispiel; 4 Fig. 10 is a timing chart for an embodiment of a first operation method for a pixel according to the first embodiment;

5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Pixels nach der Erfindung; 5 shows a second embodiment of a pixel according to the invention;

6 ist ein Zeitablaufdiagramm mit Pulsen für ein Ausführungsbeispiel eines zweiten Betriebsverfahrens für ein Pixel nach dem zweiten Ausführungsbeispiel; 6 Fig. 10 is a timing chart showing pulses for an embodiment of a second operation method for a pixel according to the second embodiment;

7 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Pixels nach der Erfindung; 7 shows a third embodiment of a pixel according to the invention;

8 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines Pixels nach der Erfindung; 8th shows a fourth embodiment of a pixel according to the invention;

9 zeigt ein Flussdiagramm zu einem Ausführungsbeispiel eines dritten Betriebsverfahrens eines Pixel; und 9 shows a flowchart for an embodiment of a third method of operation of a pixel; and

10 zeigt ein Flussdiagramm zu einem Ausführungsbeispiels eines vierten Betriebsverfahrens eines Pixels. 10 shows a flowchart for an embodiment of a fourth method of operation of a pixel.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELENDESCRIPTION OF EMBODIMENTS

Das Blockschaltbild 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Bildsensorsystems, das auf einem Substrat SUB angeordnet ist und ein Pixelfeld 201 mit Pixeln 200 nach der Erfindung beinhaltet. Die Pixel 200 sind in Zeilen und Spalten angeordnet. Auf demselben Halbleitersubstrat SUB sind auch eine Zeitsteuerschaltung 210 und ein Spaltenblock 221 angeordnet. Der Spaltenblock 221 besteht aus einer Vielzahl von Spaltenschaltungen 220. Während des Auslesevorgangs wird jedes der Pixel 200, das in einer ausgewählten Zeile angeordnet ist, über eine Spaltenleitung COL mit einer zugeordneten Spaltenschaltung 220 verbunden. So werden von den Pixeln 200 erzeugte Signale an den Spaltenblock 221 gesendet und in formatierte Signale 230 umgewandelt.The block diagram 2 shows an embodiment of an image sensor system disposed on a substrate SUB and a pixel array 201 with pixels 200 includes according to the invention. The pixels 200 are arranged in rows and columns. On the same semiconductor substrate SUB are also a timing circuit 210 and a column block 221 arranged. The column block 221 consists of a large number of column circuits 220 , During the read operation, each of the pixels becomes 200 located in a selected row over a column line COL with an associated column circuit 220 connected. So are the pixels 200 generated signals to the column block 221 sent and in formatted signals 230 transformed.

Die Zeitsteuerschaltung 210 hat die Aufgabe Pulse an das Pixelfeld 201 zu senden und das Pixelfeld 201 in einem Global-Shutter Verfahren zu betreiben. Das heißt, alle Pixel 200 sollen identische Integrationszeiten haben.The timing circuit 210 has the task pulses to the pixel field 201 to send and the pixel field 201 operate in a global shutter method. That is, all pixels 200 should have identical integration times.

Die formatierten Signale 230 verlassen den Spaltenblock 221 sowie das Halbleitersubstrat SUB und werden an den Verarbeitungsblock 231 gesendet. Verbunden mit dem Verarbeitungsblock 231 ist ein Kalibrationswertspeicher 232. Der Verarbeitungsblock liefert digitale Signale 233, die ausgehend von den formatierten Signalen 230 und von Signalen, die im Kalibrationswertspeicher 232 gespeichert sind, gebildet werden.The formatted signals 230 leave the column block 221 and the semiconductor substrate SUB and to the processing block 231 Posted. Connected to the processing block 231 is a calibration value memory 232 , The processing block provides digital signals 233 starting from the formatted signals 230 and of signals stored in the calibration value memory 232 are stored.

In 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Pixels 200 nach der Erfindung abgebildet. Ein fotoempfindliches Element PPD, ein erstes Transfergate TG und ein Sensorknoten FDN sind auf dem Halbleitersubstrat SUB angeordnet. Das erste Transfergate TG ist mit seinem Eingang verbunden mit einem siebten Steuersignal Tx.In 3 is a first embodiment of a pixel 200 imaged according to the invention. A photosensitive member PPD, a first transfer gate TG, and a sensor node FDN are disposed on the semiconductor substrate SUB. The first transfer gate TG has its input connected to a seventh control signal Tx.

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 200 sind auch die anderen Komponenten in 3 auf dem gleichen Halbleitersubstrat SUB angeordnet.As part of the pixel 200 are also the other components in 3 arranged on the same semiconductor substrate SUB.

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 200 zu der Spaltenleitung COL gesendet.When the output switch N2 conducts, the output voltage generated by the buffer amplifier N1 becomes the pixel 200 sent to the column line COL.

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 200 die Belichtungszeit zu steuern, kann das fotoempfindliche Element PPD zusätzlich mit einem zweiten Transfergate TA versehen werden, wie in 5 dargestellt, und dies ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen.In the first embodiment of the pixel 200 In order to control the exposure time, the photosensitive member PPD may be additionally provided with a second transfer gate TA as shown in FIG 5 illustrated, and without departing from the spirit of the invention.

Ein Ausführungsbeispiel eines ersten Betriebsverfahrens für ein Pixelfeld 201 aus Pixeln 200 entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel wird in 4 gezeigt. Eine erste Sequenz 401 von Pulsen wird benutzt, um aus dem Pixelfeld 201 Signale auszulesen, welche reale Bildinformationen repräsentieren. Eine zweite Sequenz 402 von Pulsen wird benutzt, um aus dem Pixelfeld 201 Signale auszulesen, die Kalibrationsinformationen darstellen.An embodiment of a first method of operation for a pixel field 201 from pixels 200 according to the first embodiment is in 4 shown. A first sequence 401 Pulse is used to get out of the pixel field 201 Read out signals representing real image information. A second sequence 402 Pulse is used to get out of the pixel field 201 Read out signals representing calibration information.

Im Folgenden ist die erste Sequenz 401 entsprechend der zeitlichen Reihenfolge der Vorgänge beschrieben. Für jedes der Pixel 200 werden kontinuierlich Fotoladungen in dem fotoempfindlichen Element PPD durch einfallendes Licht erzeugt. Das erste wichtige Ereignis der ersten Sequenz ist ein Puls des siebten Steuersignals Tx für alle Pixel 200 des Pixelfelds 201. Dies ist der eigentliche Global-Shutter Vorgang. In jedem Pixel werden die Fotoladungen über das leitendende erste Transfergate TG auf den korrespondierenden Sensorknoten FDN transportiert. Auf diese Weise wird jeder der Sensorknotens FDN in einen Hellzustand gebracht.The following is the first sequence 401 described according to the chronological order of the operations. For each of the pixels 200 For example, photo charges in the photosensitive member PPD are continuously generated by incident light. The first important event of the first sequence is a pulse of the seventh control signal Tx for all pixels 200 of the pixel field 201 , This is the actual global shutter process. In each pixel, the photo-charges are transported via the conductive first transfer gate TG to the corresponding sensor node FDN. In this way, each of the sensor nodes FDN is brought into a bright state.

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 201 angelegt. Deshalb ergibt sich eine variable Pausenzeit wie in der Zeichnung angedeutet.The next pulses are line sequential to the pixel field 201 created. Therefore, there is a variable pause time as indicated in the drawing.

Im Weiteren wird nun eine zufällig gewählte Zeile und ein Pixel 200 in der zufällig gewählten Zeile betrachtet. Die folgenden Operationen werden mit dem genannten Pixel durchgeführt, wenn die zufällig gewählte Zeile angesprochen wird.Below is now a random line and a pixel 200 considered in the randomly chosen line. The following operations are performed on the named pixel when the randomly selected line is addressed.

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 201 ausgegeben.At the intermediate node IMN, a bright signal S41 is present in accordance with the bright state of the sensor node FDN. With a pulse of the second control signal Sel, the output switch N2 becomes conductive and the bright signal S41 is sent to the column line COL. As a result, the bright signal S41 becomes out of the pixel field 201 output.

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 4 ist auch eine zweite Sequenz 402 abgebildet. Die zweite Sequenz 402 unterscheidet sich von der ersten Sequenz 401, die oben detailliert beschrieben wurde, durch das Weglassen des Pulses des siebten Steuersignals Tx. Das Weglassen des Pulses und damit dass der Ladungstransport über das Transfergate nicht vorgenommen wird, bewirkt, dass der Sensorknoten FDN in einem zweiten Resetzustand verbleibt.In 4 is also a second sequence 402 displayed. The second sequence 402 is different from the first sequence 401 described in detail above by omitting the pulse of the seventh control signal Tx. The omission of the pulse and thus that the charge transport via the transfer gate is not carried out, causes the sensor node FDN remains in a second reset state.

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.

5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Pixels 200 nach der vorliegenden Erfindung. Die im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel nach 3 eines Pixels 200 gemachten Aussagen sind zutreffend – mit zwei Ausnahmen. 5 shows a second embodiment of a pixel 200 according to the present invention. The in connection with the first embodiment according to 3 of a pixel 200 statements made are true - with two exceptions.

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 201 bestehend aus Pixeln 200 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel ist 6 angegeben.An embodiment of a second method of operation for a pixel field 201 consisting of pixels 200 according to the second embodiment 6 specified.

Verglichen mit dem ersten Betriebsverfahren in 4 ist hier die Reset-Operation anders gestaltet. Für die Reset-Operation werden ein kurzer Puls des dritten Steuersignals Pas und ein langer Puls des sechsten Steuersignals Rhi angelegt. Der lange Puls beginnt bevor der kurze Puls beginnt. Und der lange Puls endet nach dem Ende des kurzen Pulses. Dieses Überlappen ist notwendig, da der Resetschalter N6 und der Rückkopplungsschalter N3 hier in Reihe verbunden sind. Im Ergebnis sind der Resetschalter N6 und der Rückkopplungsschalter N3 gleichzeitig geschlossen, sodass der Sensorknoten FDN initialisiert wird.Compared with the first operating method in 4 Here is the reset operation designed differently. For the reset operation, a short pulse of the third control signal Pas and a long pulse of the sixth control signal Rhi are applied. The long pulse begins before the short pulse begins. And the long pulse ends after the end of the short pulse. This overlap is necessary because the reset switch N6 and the feedback switch N3 are connected in series here. As a result, the reset switch N6 and the feedback switch N3 are simultaneously closed so that the sensor node FDN is initialized.

Diese modifizierte Reset-Operation findet man zwei Mal, in der ersten Sequenz 601 und in der zweiten Sequenz 602.This modified reset operation can be found twice, in the first sequence 601 and in the second sequence 602 ,

Weitere Ausführungsbeispiele von Betriebsverfahren für ein Pixelfeld 201 und ein Pixel 200 nach der Erfindung werden im Folgenden beschrieben. Ziel ist, die oben genannten Offsetkomponenten zu kompensieren, die in der Abweichung zwischen dem Referenzsignal und dem modifizierten Referenzsignal sichtbar sind. Die Verfahren müssen für jedes der Vielzahl von Pixeln 200 gleichermaßen angewandt werden. In der folgenden Beschreibung wird aber nur auf „ein Pixel” oder „das Pixel” Bezug genommen.Further embodiments of operating methods for a pixel field 201 and a pixel 200 according to the invention will be described below. The aim is to compensate for the above-mentioned offset components, which are visible in the deviation between the reference signal and the modified reference signal. The methods must be for each of the plurality of pixels 200 applied equally. However, in the following description, only "one pixel" or "the pixel" will be referred to.

Ein Pixelfeld 201 und Pixel 200 nach dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung – wie gezeigt in 3 – und das Ausführungsbeispiel des ersten Betriebsverfahrens werden für die Erklärung betrachtet, was aber keine Einschränkung bedeuten soll. Ebenso wird eine erste Sequenz 401 von Pulsen und/oder eine zweite Sequenz 402 von Pulsen benutzt – wie dargestellt in 4. Eine kombinierte Sequenz besteht aus der ersten Sequenz 401 und der zweiten Sequenz 402 – in dieser Reihenfolge. Von einem Pixel 200 werden vier Signale während einer kombinierten Sequenz geliefert. Wie abgebildet in 4 und oben beschrieben sind dies die Signale:

  • – ein Hellsignal S41,
  • – ein modifiziertes erstes Referenzsignal S42,
  • – ein zweites Referenzsignal S42, und
  • – ein modifiziertes zweites Referenzsignal S44.
A pixel field 201 and pixels 200 according to the first embodiment of the invention - as shown in FIG 3 - And the embodiment of the first operating method are considered for the explanation, but this is not limiting. Likewise, a first sequence 401 of pulses and / or a second sequence 402 used by pulses - as shown in 4 , A combined sequence consists of the first sequence 401 and the second sequence 402 - in this order. From a pixel 200 Four signals are delivered during a combined sequence. As shown in 4 and above these are the signals:
  • - 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 9 beschrieben. Es wird dabei immer die kombinierte Sequenz ausgeführt.

  • 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.
An embodiment of a third method of operation is in 9 described. It always runs the combined sequence.
  • 901 : The pixel 200 provides a bright signal S41 during each picture.
  • 902 : The pixel 200 provides a modified first reference signal S42 during each frame.
  • 911 : The pixel 200 provides a second reference signal S42 during each frame.
  • 912 : The pixel 200 provides a modified second reference signal S43 during each frame.
  • 913 : For the pixel 200 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 220 gesendet.The four signals provided by the pixel during this combined sequence are applied to one of the plurality of column circuits via a column line COL 220 Posted.

Jede der Spaltenschaltungen 220 ist ausgebildet, um diese vier Signale zu kombinieren und ein korrigiertes Signal SCC zu bilden. Eine vorteilhafte, in jeder Spaltenschaltung implementierte Korrekturformel ist wie folgt: SCC = (S41 – G1·S42) – (S43 – G2·S44) Each of the column circuits 220 is configured to combine these four signals and form a corrected signal SCC. An advantageous correction formula implemented in each column circuit is as follows: SCC = (S41 - G1 * S42) - (S43 - G2 * S44)

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 220 im Spaltenblock 221. Auch der zweite Verstärkungsfaktor G2 ist vorzugsweise gleich für alle Spaltenschaltungen 220 im Spaltenblock 221.Preferably, the first gain G1 is the same for all column circuits 220 in the column block 221 , Also, the second gain G2 is preferably the same for all column circuits 220 in the column block 221 ,

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 10 beschrieben. Hier wird die zweite Sequenz 402 nur zu bestimmten Zeiten ausgeführt, aber nicht während jeder Bilddauer.

  • 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 in einem Kalibrationswertspeicher 232 gespeichert.
An embodiment of a fourth method of operation is in 10 described. Here is the second sequence 402 run only at certain times, but not during each frame duration.
  • 921 : One pixel 200 provides a second reference signal S43.
  • 922 : The pixel 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 a calibration value memory 232 saved.

Während des regulären Betriebs wird nur die erste Sequenz 401 ausgeführt.

  • 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 aus dem 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.
During regular operation will be only the first sequence 401 executed.
  • 901 : The pixel 200 provides a bright signal S41 during each frame duration.
  • 902 : The pixel 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 the calibration 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 231 in 2 durchgeführt. Vorzugsweise wird die Korrekturrechnung entsprechend der Formel vorgenommen, die im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel für das dritte Betriebsverfahren oben angegeben wurde.The correction calculation is made by the processing block 231 in 2 carried out. Preferably, the correction calculation is made according to the formula given above in connection with the embodiment for the third method of operation.

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.

7 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Pixels 200 nach der vorliegenden Erfindung. Die im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel nach 3 eines Pixels 200 gemachten Aussagen sind zutreffend. Aber, es gibt zwei Unterschiede. 7 shows a third embodiment of a pixel 200 according to the present invention. The in connection with the first embodiment according to 3 of a pixel 200 statements made are true. But, there are two differences.

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 200 hat den Vorteil, dass das Referenzpotential nicht innerhalb des Pixels verwendet wird. Ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen können die beiden technischen Merkmale, die hier im Zusammenhang mit dem dritten Ausführungsbeispiel eines Pixel 200 beschrieben wurden, auch unabhängig voneinander angewandt werden.The third embodiment of a pixel 200 has the advantage that the reference potential is not used within the pixel. Without deviating from the idea of the invention, the two technical features described herein in connection with the third embodiment of a pixel 200 be applied independently.

8 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines Pixels 200 nach der vorliegenden Erfindung. Die im Zusammenhang mit dem zweiten Ausführungsbeispiel nach 5 eines Pixels 200 gemachten Aussagen sind hier zutreffend. Allerdings gibt es zwei Unterschiede. 8th shows a fourth embodiment of a pixel 200 according to the present invention. The in connection with the second embodiment according to 5 of a pixel 200 statements made here are correct. However, there are two differences.

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 200 verwendet wurde. Die Operation, wie Ladungen auf dem Sensorknoten FDN entfernt werden, ist auch so wie mit dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben.For initializing the sensor node FDN, the second supply voltage VDH is set to a predetermined positive voltage, as in the second exemplary embodiment of the pixel 200 has been used. The operation of removing charges on the sensor node FDN is also as described with the second embodiment.

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 200 hat die Vorteile, dass das Referenzpotential innerhalb des Pixels nicht verwendet wird und dass der Entladungsschalter N5 nicht benötigt wird. Ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen, können die im Zusammenhang mit dem vierten Ausführungsbeispiel eines Pixels 200 beschriebenen technischen Merkmale auch unabhängig voneinander angewandt werden.The fourth embodiment of a pixel 200 has the advantages that the reference potential within the pixel is not used and that the discharge switch N5 is not needed. Without deviating from the idea of the invention, those in connection with the fourth embodiment of a pixel 200 described technical features are also applied independently.

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

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Claims (10)

Ein Pixelfeld (201) bestehend aus einer Vielzahl von Pixeln (200), die in Zeilen und Spalten angeordnet sind, wobei das Pixelfeld (201) auf einem Halbleitersubstrat (SUB) angeordnet ist und wobei eine auch auf dem Halbleitersubstrat (SUB) angeordnete Zeitsteuerschaltung (210) die Vielzahl von Pixeln (200) so ansteuert, dass diese identische Integrationszeiten haben und wobei jedes der Vielzahl von Pixeln (200) enthält: – ein fotoempfindliches Element (PPD), – einen Sensorknoten (FDN), – ein erstes Transfergate (TG), welches zwischen dem fotoempfindlichen Element (PPD) und dem Sensorknoten (FDN) angeordnet ist, – einen Pufferverstärker (N1), welcher mit seinem Eingang mit dem Sensorknoten (FDN) verbunden ist und welcher mit seinem Ausgang mit einem Zwischenknoten (IMN) verbunden ist, – eine Abtaststufe (SST), die einen Abtastschalter (N4) und einen Speicherkondensator (CS) enthält und die mit ihrem Eingang mit dem Zwischenknoten (IMN) verbunden ist und deren Ausgang mit einem Speicherknoten (STN) verbunden ist, – einen Ausgangsschalter (N2), welcher zwischen dem Zwischenknoten (IMN) und einer Spaltenleitung (COL) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Vielzahl von Pixeln (200) weiterhin enthält: – einen Rückkopplungsschalter (N3), welcher zwischen dem Speicherknoten (STN) und dem Sensorknoten (FDN) angeordnet ist, – einen Resetschalter (N6) mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss, welcher erste Anschluss des Resetschalters (N6) mit einer zweiten Versorgungsspannung (VDH) verbunden ist.A pixel field ( 201 ) consisting of a plurality of pixels ( 200 ) arranged in rows and columns, the pixel field ( 201 ) is arranged on a semiconductor substrate (SUB) and wherein a timing control circuit (SUB) also arranged on the semiconductor substrate (SUB) is arranged (FIG. 210 ) the plurality of pixels ( 200 ) are driven so that they have identical integration times and wherein each of the plurality of pixels ( 200 ) comprises: - a photosensitive element (PPD), - a sensor node (FDN), - a first transfer gate (TG) which is arranged between the photosensitive element (PPD) and the sensor node (FDN), - a buffer amplifier (N1), which is connected at its input to the sensor node (FDN) and which is connected at its output to an intermediate node (IMN), - a sampling stage (SST) which contains a sampling switch (N4) and a storage capacitor (CS) and which Input connected to the intermediate node (IMN) and whose output is connected to a storage node (STN), - an output switch (N2), which is arranged between the intermediate node (IMN) and a column line (COL), characterized in that each of Variety of pixels ( 200 ) further comprises: - a feedback switch (N3), which is arranged between the storage node (STN) and the sensor node (FDN), - a reset switch (N6) with a first connection and a second connection, which first connection of the reset switch (N6) is connected to a second supply voltage (VDH). Ein Pixelfeld (201) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Vielzahl von Pixeln (200) weiterhin enthält: einen Entladungsschalter (N5) mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss, welcher erste Anschluss des Entladungsschalter (N5) mit dem Speicherknoten (STN) verbunden ist.A pixel field ( 201 ) according to claim 1, characterized in that each of said plurality of pixels ( 200 ) further includes: a discharge switch (N5) having a first terminal and a second terminal, which first terminal of the discharge switch (N5) is connected to the storage node (STN). Ein Pixelfeld (201) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Anschluss des Resetschalter (N6) mit dem Sensorknoten (FDN) verbunden ist.A pixel field ( 201 ) according to claim 1, characterized in that the second terminal of the reset switch (N6) is connected to the sensor node (FDN). Ein Pixelfeld (201) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Anschluss des Resetschalters (N6) mit dem Speicherknoten (STN) verbunden ist.A pixel field ( 201 ) according to claim 1, characterized in that the second terminal of the reset switch (N6) is connected to the storage node (STN). Ein Pixelfeld (201) nach den Ansprüchen 1 oder 2 oder 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das fotoempfindliche Element (PPD) als eine ”pinned” Fotodiode mit einem ersten Transfergate (TG) und optional einem zweiten Transfergate (TA) ausgeführt ist.A pixel field ( 201 ) according to claims 1 or 2 or 3 or 4, characterized in that the photosensitive element (PPD) is designed as a "pinned" photodiode having a first transfer gate (TG) and optionally a second transfer gate (TA). Ein Pixelfeld (201) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Vielzahl von Pixeln (200) weiterhin enthält: einen Entladungsschalter (N5) mit einem ersten und einem zweiten Anschluss, welcher erste Anschluss des Entladungsschalters (N5) mit dem Speicherknoten (STN) verbunden ist.A pixel field ( 201 ) according to claim 3, characterized in that each of said plurality of pixels ( 200 ) further comprises: a discharge switch (N5) having a first and a second terminal, which first terminal of the discharge switch (N5) is connected to the storage node (STN). Ein Pixelfeld (201) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Vielzahl von Pixeln (200) weiterhin enthält: einen Entladungsschalter (N5) mit einem ersten und einem zweiten Anschluss, welcher erste Anschluss des Entladungsschalters (N5) mit dem Speicherknoten (STN) verbunden ist.A pixel field ( 201 ) according to claim 4, characterized in that each of said plurality of pixels ( 200 ) further comprises: a discharge switch (N5) having a first and a second terminal, which first terminal of the discharge switch (N5) is connected to the storage node (STN). Verfahren zum Betrieb eines Pixelfeldes (201) nach Anspruch 1, wobei für jedes der Vielzahl von Pixeln (200) eine Referenzspannung auf dem Speicherknoten (STN) gespeichert wird und ein Hellzustand auf dem Sensorknoten (FDN) gespeichert wird und welches Verfahren für jedes der Vielzahl von Pixeln (200) beinhaltet: – Bereitstellen eines Hellsignals (S41) durch das Pixel (200) während jeder Bilddauer, – Bereitstellen eines modifizierten ersten Referenzsignals (S42) durch das Pixel (200) während jeder Bilddauer, – Bereitstellen eines zweiten Referenzsignals (S43) durch das Pixel (200), – Bereitstellen eines modifizierten zweiten Referenzsignals (S44) durch das Pixel (200) zugehörig zum zweiten Referenzsignal (S43).Method for operating a pixel field ( 201 ) according to claim 1, wherein for each of the plurality of pixels ( 200 a reference voltage is stored on the storage node (STN) and a bright state is stored on the sensor node (FDN) and which method is used for each of the plurality of pixels (FIG. 200 ) includes: - providing a bright signal (S41) through the pixel ( 200 during each frame duration, - providing a modified first reference signal (S42) through the pixel ( 200 ) during each frame period, - providing a second reference signal (S43) through the pixel ( 200 ), - providing a modified second reference signal (S44) through the pixel ( 200 ) associated with the second reference signal (S43). Verfahren nach Anspruch 8, das für jedes der Vielzahl von Pixeln (200) weiterhin enthält: – Erzeugen eines korrigierten Signals (SCC) während jeder Bilddauer basierend auf dem Hellsignal (S41) und dem modifizierten ersten Referenzsignal (S42) und dem zweiten Referenzsignal (S43) und dem modifizierten zweiten Referenzsignal (S44) und dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Referenzsignal (S43) und das modifizierte zweite Referenzsignal (S44) während jeder Bilddauer bereitgestellt werden.The method of claim 8, which is for each of the plurality of pixels ( 200 ) further comprises: generating a corrected signal (SCC) during each frame period based on the bright signal (S41) and the modified first reference signal (S42) and the second reference signal (S43) and the modified second reference signal (S44) and characterized in that the second reference signal (S43) and the modified second reference signal (S44) are provided during each frame period. Verfahren nach Anspruch 8, das für jedes der Vielzahl von Pixeln (200) weiterhin enthält: – Erzeugen eines Satzes von Kalibrierwerten basierend auf dem zweiten Referenzsignal (S43) und dem modifizierten zweiten Referenzsignal (S44), – Speichern des Satzes von Kalibrierwerten in einem Kalibrationswertspeicher (232), – Erzeugen eines korrigierten Signals (SCC) für das Pixel (200) während jeder Bilddauer basierend auf dem Hellsignal (S41) und dem modifizierten ersten Referenzsignal (S42) und dem zugehörigen genannten Satz von Kalibrierwerten, welcher aus dem Kalibrationswertspeicher (232) ausgelesen wird.The method of claim 8, which is for each of the plurality of pixels ( 200 ) further comprises: - generating a set of calibration values based on the second reference signal (S43) and the modified second reference signal (S44), - storing the set of calibration values in a calibration value memory ( 232 ), - generating a corrected signal (SCC) for the pixel ( 200 ) during each frame period based on the bright signal (S41) and the modified first reference signal (S42) and the associated one called set of calibration values, which from the calibration value memory ( 232 ) is read out.
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