[发明专利]具有恒定电压偏置的光电二极管的像素电路和相关的成像方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年9月11日提交的美国临时申请号 61/876,226(代理人案号124-0015-US-PRO)的权益，其通过引用并 入本文。

背景技术

除非在本文中另外指出，否则不应该认为在本部分中所描述的 途径是本申请的权利要求的现有技术，并且不因为其包括在该部分 中而认为是现有技术。

常规成像器使用是将入射光转换成电流或电压的光敏电子元件 的光电二极管。来自这样的光电二极管元件或像素的矩阵的信号产 生图像。光电二极管通常以“电荷耗尽”模式操作。在这种模式下， 在曝光或图像采集之前，与每个像素电路中的光电二极管相关联的 电容器被预先充电到1V-6V反向偏置(或电压)。比如，阴极处于 比阳极更高的电压电平(阴极和阳极是光电二极管中的两个带有相 反电荷的电极)。非常低的漏电流流动可能在这些两个终端之间。 漏电流是电荷在设备的“断开”状态下的流动，并且是不期望的效 果。在电荷耗尽模式下，由图像信息生成的光电流会被动地耗尽或 移除存储在反向偏置中的电荷，以使光电二极管两端的电压在其吸 收由输入图像投影的光时逐渐下降。

在一些现有技术的无源像素电路中，读出动作可以将光电二极 管反向偏置恢复至曝光前的水平，并且测量恢复该偏置所需的电荷 的数量。在一些现有技术的有源像素电路中，在曝光结束时测量留 在光电二极管上的电压。然后，光电二极管反向偏置由单独的重置 动作恢复。

上文所提及的现有技术的途径至少具有下列限制：(1)光电二 极管漏电流还可能耗尽所存储的反向偏置，从而引入被称为散粒噪 声的噪声类型和动态范围限制；(2)光电二极管响应度可能随其偏 置电压而改变，其可能随信号积分增加而被耗尽，从而引入不期望 的非线性度；(3)在许多有源像素设计中，所累积的信号电荷由是 电压的函数的光电二极管电容两端的电压表示，从而引入不期望的 非线性度；和(4)光电二极管电容的偏置恢复动作可以引入kTC噪 声(还称为重置噪声)。

附图说明

图1是成像系统中的一个示例像素电路的示意图；

图2是成像系统中的另一示例像素电路的示意图；

图3是成像系统中的另一示例像素电路的示意图；

图4是成像系统中的又一示例像素电路的示意图；

图5是用图1中所图示的像素电路实现的成像系统的示意图； 和

图6是图示了图5的成像系统的操作的时序图，所有操作按照 本公开的至少一些实施例进行布置。

具体实施方式

在以下的具体实施方式中，参照形成其一部分的附图。在附图 中，类似的符号通常标识类似的部件，除非上下文另外指示。在具 体实施方式、附图和权利要求书中所描述的说明性实施例并不意味 着是限制性的。可以利用其它实施例，并且可以在不脱离这里所提 出的主题的精神或范围的情况下做出其它改变。应当容易理解，如 本文中通常所描述的并且在附图中所图示的，本公开的方面可以以 广泛多种不同的构造进行布置、取代、组合并且设计，所有这些都 在本文中进行明确设想。

贯穿本描述，应当注意光电二极管两端的偏置电压(即，在光 电二极管阴极和阳极端子两端预先设定或维持的电位差)和在像素 电路中操作的偏置电流之间的区别。偏置电压被施加到光电二极管， 以使它们能够通过电荷耗尽来积分光学信号。偏置电流被施加在像 素电路的有源单元中，以确保像素电路的最佳的、线性的和低噪声 操作。

图1、图2、图3和图4分别是根据本公开的至少一些实施例的 成像系统中的像素电路101，102，103和104的示意图。每个像素 电路101，102，103和104包括光电二极管PD、偏置电路10、电荷 -电压转换器C1、以及开关SW1和SW2。像素电路101，102，103 和104可以被配置成基于将在随后的段落中详细地进行解释的控制 信号RESET，BIAS和SELECT来操作。VCC和VSS表示供应到偏 置电路10以确保适当的操作的偏置电压。