[发明专利]具有改进的列数据移位读取的CMOS图像传感器

说明书

一种具有像素阵列的图像传感器，该像素阵列具有在输入侧耦合到每条列线并且在输出侧耦合到独立的M位宽数字存储电路的单独的模数转换(ADC)电路，以及包括N个M位数据移位器的列数据读出电路。每个M位数据移位器都有一个M位宽的输出，以及单刀双掷(SPDT)开关，其公共端子为M位数据移位器提供输入，其中SPDT开关的第一开关状态将关联的M位数据移位器的输入连接到其关联的M位宽数字存储电路，其中SPDT的第二开关状态开关将其关联的M位数据移位器的输入连接到相邻的M位数据移位器的M位宽的输出总线。

技术领域

本发明涉及一种图像传感器，尤其涉及一种CMOS图像传感器。本发明提供了一种图像传感器阵列和电路设计，以提高采用大像素阵列时列存储器的读出速率，并减少相关的电磁干扰(EMI)。本发明图像传感器包括的电路可以被集成在数码相机中。

背景技术

图像捕获装置包括图像传感器和成像透镜。成像透镜将光聚焦到图像传感器上以形成图像，图像传感器将光信号转换成电信号。图像捕获装置输出电信号给主机系统的其他组件。图像捕获装置和主机系统的其他组件形成图像传感器系统或成像系统。图像传感器的应用已经非常普遍，可以应用在各种电子系统中，例如移动设备，数码相机，医疗设备或计算机。

典型的图像传感器包括以二维阵列排列的若干光敏像素(“像素”)。这样的图像传感器可以被配置为产生图像。图像传感器可以被配置为通过在像素上形成滤色器阵列(CFA)来产生彩色图像。用于制造图像传感器的技术，特别是制造互补型金属氧化物半导体(“CMOS”)图像传感器的技术持续高速的发展。比如，高分辨率和低功耗的要求促进了这种图像传感器的进一步小型化和集成化。然而，小型化导致像素阵列的像素数量增多，但由于在像素、读出和控制电路中使用了较窄的互连线和较小的电子组件，总面积并没有增大多少。除了对高分辨率的要求外，还伴随有对更高图像数据读出率的要求。随着像素行和列的增加，典型的列读出电路对电源提出了越来越大的要求，导致电流越来越大，从而图像读出数据流中产生不必要的EMI。组成CMOS图像传感器的组件极易受到电源引起的瞬变的影响。嘈杂的电源会影响像素正确捕获光的能力，从而导致图像质量差。常见的噪声源是电源纹波和波动，电磁干扰(EMI)和基板噪声耦合。越来越大的电源需求也导致功耗增加，这与降低移动设备电池功耗的需求相反。需要一种图像传感器电路设计的新方法来减轻这种影响。

用于读出在图像传感器芯片上生成的图像信号的最常用的两种方式为滚动曝光模式和全局曝光模式。滚动曝光模式包括在不同的时间曝光传感器阵列不同行，并按照选定的时序读出这些行。全局曝光模式包括同时曝光所有像素，并持续相同的时间长度。类似于在以前的“快照”相机上操作机械快门。现有的数字成像系统已经实现了滚动曝光或全局曝光的读出模式。然而，能够具有两种读取模式的成像系统将是有利的，且其中读取模式可由操作者选择操作。

滚动快门(RS)模式在不同时间曝光和读出阵列的相邻行，也就是说，每行将适时开始和结束其与相邻行稍微偏移的曝光。在曝光完成之后每行被跟随着读出，并将电荷从每行传送到像素的读取节点。尽管每行都经历相同的曝光时间，但是顶行将在优先于传感器底行曝光结束之前的某个时间结束其曝光。这个时间取决于行数和相邻行之间的时间偏移。滚动快门读取模式的潜在缺点是由上述原因引起的空间失真。当较大物体的移动速度比读出速率快的情况下，失真变得更加明显。另一个缺点是曝光图像的不同区域在及时性方面不会很精确，表现为图像失真。为了改善图像信号最终读出时的信噪比，特别是减少短暂性的暗噪声，在通过放大器晶体管将每个像素电荷转换为输出信号之前执行称为关联双采样(CDS)的参考读取方式。放大器晶体管通常可以是源极跟随(SF)配置的晶体管。