CN100379256C - 影像传感器以及影像感测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种影像传感器，采用四晶体管结构以及变动参考电压，包括一感光组件，以及第一到第四晶体管。该感光组件接受一光源并产生一转换电流。第一晶体管耦接于一定电压源及该感光组件之间，用以根据一更新讯号呈开启或关闭的状态。第二晶体管耦接于一参考电压、一第二节点及一第一节点之间。第三晶体管耦接于该定电压源与第四晶体管之间，用以根据该第二节点的电压以决定其输出端的电压。第四晶体管耦接于该第三晶体管的输出端以及该影像传感器的输出端间，用以接收一选择讯号以呈开启或关闭状态。

Description

影像传感器以及影像感测方法
技术领域
本发明涉及一种影像传感器，特别是涉及一种应用于金属氧化半导体型式的影像传感器。
背景技术
影像传感器用来将一提供至光传感器的光学影像转换成对应的电性讯号。典型的影像传感器包括以阵列排列的光感组件，当有一影像施加在该影像传感器上时，影像传感器中的每一光感组件会产生对应于光强度的电性讯号，藉以将影像显示于一屏幕上。
互补式金属氧半导体(CMOS)影像传感器与已知传感器相比较，具有成本和体积上的优势。将半导体集成电路放入相机的影像面板中作为影像传感器，大大的简化了静态与动态影像的录制，增加了便携式相机的设计弹性。CMOS影像传感器广受欢迎的原因，包含：一、操作于低电压。二、耗电量低。三、可随机存取影像数据。四、与CMOS逻辑设计兼容。五、实现集成单芯片相机的可行性。影像的光线射在每一主动式像素传感器上，被转换为数据。主动式像素传感器(APS)包含多个晶体管、一光电二极管(Photodiode)以及一电流产生器。举例来说，一个三晶体管主动式像素传感器基本上包含一重置晶体管、一源极随动晶体管、一列选择晶体管以及光电二极管和电流产生器。
一般而言，影像传感器可辨识的最大光强度以及最小光强度之间的比例，称为影像传感器的动态范围，通常以分贝(db)表示。比较大的动态范围，便表示可以提供比较好的讯号品质。
理想的摄影机所产生的影像，应该和人眼所见尽量相似。事实上人眼能适应很广的光线亮度范围，因此在于极高亮度时，对些微变化不甚敏感。然而已知的主动式像素传感器的运作与此不同。已知的主动式像素传感器对于光线亮度具有线性反应，在亮度到达一定程度时会突然饱和。这种操作特性被称为机械式反应(machine mode)。当发生饱和时，光线亮度驱动了该光电二极管，使之被满载电流给淹没，这种突然饱和现象限制了传感器的动态范围。所以具有范围限制的传感器一直无法突破瓶颈捕捉到接近人眼感受的画面。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种影像传感器，其包括一感光组件、一第一晶体管、一第二晶体管、一第三晶体管以及一第四晶体管。其中，耦接一第一节点，感光组件接受一光源并产生一转换电流于该第一节点上。第一晶体管耦接于一定电压源与第一节点之间，根据一更新讯号而开启或关闭，该定电压源具有一第一电压。第二晶体管耦耦接于一第二节点及第一节点之间，接收一参考电压。第三晶体管耦接于定电压源与第三节点之间，并根据第二节点的电压以决定第三节点的电压。第四晶体管耦接于第三节点以及影像传感器的输出端间，并接收一选择讯号以呈开启或关闭状态；以及一二极管，具有一P端以及一N端；其中该P端耦接该第二节点，为该第二晶体管提供寄生接面，而该N端耦接该定电压源以产生一逆向偏压。
在这种结构之下，在受光强度低的时候，输出电压呈现线性反应，随着受光强度增加，输出电压的上升趋势则渐缓，避免饱和。因此增加了影像感测的动态范围。
根据本发明的另一方面，提供了一种影像感测方法，适用于一影像传感器，其中该影像传感器包含：一感光组件，耦接一第一节点，接受一光源并产生一转换电流于该第一节点上；一第一晶体管，耦接于一定电压源及该第一节点之间，并根据一更新讯号呈开启或关闭的状态，其中该定电压源具有一第一电压；一第二晶体管，耦接于一第二节点及该第一节点之间，接收一参考电压；一第三晶体管，耦接于该定电压源与一第三节点之间，根据该第二节点的电压以决定该第三节点的电压；一第四晶体管，耦接于该第三节点以及该影像传感器的输出端间，并接收一选择讯号以呈开启或关闭状态；其中该第一至第四晶体管为N型金属氧化物半导体晶体管；以及一二极管，具有一P端以及一N端；其中该P端耦接该第二节点，为该第二晶体管提供寄生接面，而该N端耦接该定电压源以产生一逆向偏压；该影像感测方法包括：在一更新阶段，通过该更新讯号开启该第一晶体管，藉此该第一节点的电压拉至该第一电压，使该参考电压维持于一第二电压，其中该第二电压低于该第一电压；在一反应阶段，通过该更新讯号关闭该第一晶体管，使该第一节点的电压随着该感光组件所接收的光源强度而变化，使该参考电压由该第二电压开始随时间上升，以及记录该第二节点的电压变化，藉此得到一输出值，正比于该感光元件所接收到的对应该光源强度。
根据本发明的另一方面，提供了一种影像感测方法，适用于一影像传感器，其中该影像传感器包含：一感光组件，耦接一第一节点，接受一光源并产生一转换电流于该第一节点上；一第一晶体管，耦接于一定电压源及该第一节点之间，并根据一更新讯号呈开启或关闭的状态，其中该定电压源具有一第一电压；一第二晶体管，耦接于一第二节点及该第一节点之间，接收一参考电压；一第三晶体管，耦接于该定电压源与一第三节点之间，根据该第二节点的电压以决定该第三节点的电压；一第四晶体管，耦接于该第三节点以及该影像传感器的输出端间，并接收一选择讯号以呈开启或关闭状态；其中该第一晶体管及该第二晶体管为P型金属氧化物半导体晶体管，该第三晶体管及该第四晶体管为N型金属氧化物半导体晶体管，其中该第二晶体管的栅极接收该参考电压，该第二晶体管的源、漏极则分别耦接该第一节点以及该第二节点；以及一二极管，具有一P端以及一N端；其中该P端耦接该第二节点，为该第二晶体管提供寄生接面，而该N端耦接该定电压源以产生一逆向偏压；该影像感测方法包括：在一更新阶段，通过该更新讯号开启该第一晶体管，藉此该第一节点以及该第二节点的电压拉至该第一电压，以及将该参考电压维持一第二电压，其中该第二电压低于该第一电压；以及在一第二反应阶段，关闭该第一以及第二晶体管，藉此该第一以及该第二节点的电压随着该感光组件所接收的光源强度而变化，使该参考电压由该第二电压开始随时间上升，以及记录该第二节点的电压变化，藉此得到一输出值，正比于该感光组件所接收的光源强度。
为了使本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并结合附图详细说明如下
附图说明
图1为本发明影像传感器一实施例的电路图；
图2为图1中影像传感器的操作时序图；
图3为输出端的电压与光照电流的关系曲线示意图；
图4为本发明影像传感器另一实施例的电路图；
图5为图4的影像传感器的操作时序图；
图6为本发明实施例的一的影像传感器实验数据图；
图7显示图4影像传感器的另一操作时序图；以及
图8为本发明实施例的一的影像传感器输出曲线。
附图符号说明
2～影像传感器               20～感光组件
M1～第一晶体管              M2～第二晶体管
M3～第三晶体管              M4～第四晶体管
Vdd～定电压源               Vrst～更新讯号
Vsec～选择讯号              A～节点
Vref～参考电压              B～节点
Vdd～定电压源               M1’～P型金属氧化物半导体晶体管
M2’～P型金属氧化物半导体晶体管
PD1、PD2～二极管            Vcap～电压
具体实施方式
图1显示本发明影像传感器一较佳实施例的电路示意图。此影像传感器2具有一感光组件20、一第一晶体管M1、一第二晶体管M2、一第三晶体管M3及一第四晶体管M4。其中，第一晶体管M1为一NMOS晶体管，耦接于定电压源Vdd及感光组件20之间，其栅极则接受一更新讯号Vrst以控制此第一晶体管M1开启或关闭，在第一晶体管M1与感光组件20之间具有一节点A。感光组件20可以是一光二极管(Photo diode)或一光敏晶体管(Phototransistor)，用以接收一光源并转换成对应的转换电流。当该感光组件20暴露在光线下，产生所谓的光电流(photocurrent)，将电荷从节点A传导至地端。此光电流随着光线亮度增强而增加。该感光组件20的光电流大致上是随着光线亮度线性增加。这使得节点A的电位降低。因该节点A的电位决定第二晶体管M2的源极电压，所以最后的输出讯号VOUT将随着光线亮度而改变。
在本实施例中，第二晶体管M2可以是一NMOS晶体管，其漏极耦接至参考电压Vref，栅极耦接至节点A，源极耦接至一节点B。第三晶体管M3可以是一NMOS晶体管，其漏极耦接至一定电压源Vdd，栅极耦接至节点B，源极耦接至第四晶体管M4。第四晶体管M4可以是一NMOS晶体管，其耦接于第三晶体管M3与输出端VOUT之间，其栅极耦接至一行选择讯号(row selectsignal)Vsec，并依据行选择讯号Vsec的控制而开启或关闭。
图2为图1中影像传感器2的操作时序示意图，分别表示更新讯号Vrst，参考电压Vref，节点A的电压VA，其中该参考电压Vref为一由低至高的斜向电压(ramp voltage)，节点A的电压下降速度随光电流强度而变化，若光强度越强，电压降的越快。
实际操作时，请一并参阅图1及图2，开始时是属于一更新阶段，该更新讯号Vrst为高电位，节点A的电压为Vdd-Vth，Vref为0伏。接着进入一反应阶段，该更新讯号Vrst切换至低电位，参考电压Vref随时间线性递增。因为此时Vgs大于Vth，晶体管M2是导通的。随着照光，节点A的电压开始下降，参考电压Vref则随时间持续上升。当VA-Vref＜＝Vth时，晶体管M2关闭，节点B维持在当时电位。此电位随着光强度越大而越小，藉以使晶体管M3对输出端VOUT充电。随着输出端VOUT的电压渐渐上升，最后使晶体管M3关闭。充电完毕的输出端VOUT的电压与节点B的电压呈现正相关。
图3中为输出端VOUT的电压与光照电流的关系。其中特性曲线A为传统影像传感器的输出端电压，而特性曲线B为本发明实施例的影像传感器输出曲线。如图可见，本发明影像传感器的特性曲线较平滑，在光线强度增高的时候，输出电压并不会达到饱和而失真。因此可感测到最大光强度及最小光强度的比例较特性曲线A大，即具较佳的动态范围。
图4显示本发明影像传感器另一较佳实施例的电路示意图。与图1实施例不同处在于，将N型金属氧化物半导体晶体管M1及M2换掉，以P型金属氧化物半导体晶体管M1’及M2’取代。M2’的栅极耦接至参考电压Vref，源、漏极则分别耦接于节点A及节点C(即晶体管M3的栅极)。此外，节点C更进一步耦接一个二极管PD2，做为M2’的寄生的PN接面，逆偏于电压Vdd。在光线强度高的时候，该二极管PD2更可以进一步微调输出曲线。
图5显示藉由图4的影像传感器的时序操作图，分别表示更新讯号Vrst、参考电压Vref、以及节点C的电压Vcap。在图5中，参考电压Vref为一方波讯号，且参考电压Vref的上升边缘与更新讯号Vrst的上升边缘10有一时间差Te，与更新讯号Vrst的下降边缘11有一时间差Th。首先，在一更新阶段，更新讯号Vrst为低电位，节点A的电压为Vdd，此时参考电压Vref为低电位，晶体管M2’为开启，二极管PD1(感光组件)的电压等于节点C的电压Vcap。接着，在一反应阶段，更新讯号Vrst由低电位切换至高电位，而参考电压Vref保持低电位，晶体管M1’关闭，晶体管M2’仍为开启状态。随着照光，节点C电压由V1降至V2。经过时间Te后，进入第二反应阶段，参考电压Vref切换成高电位，晶体管M2’关闭。因为照光会使二极管PD2累积电子电洞对，所以会使Vcap上升。因为二极管PD1的面积远大于二极管PD2的面积，所以电压V1-V2的量远大于电压V2-V3的量。即使在时间Te中，V1-V2的电压值达到饱和，但是藉由时间Th中的V2-V3电压上升，抵消了输出电降压的饱和现象，所以可以延伸影像传感器的动态范围。图6是本发明实施例的一的影像传感器实验数据图，横轴为光照电流的强度，纵轴为影像传感器的输出电压降。由图中可知藉由本发明的操作方式，较传统操作方式的动态范围更佳，且藉由调整时间Te及Th的长短，可改变光线强度与输出电压降的线性范围，有效避免输出电压降因光线过强而饱和。
图7显示图4影像传感器的另一时序操作图，请一并参阅图4及图7。开始运作初期，称为更新阶段，此时更新讯号Vrst为高电位，晶体管M1’为关闭状态。当更新讯号Vrst由高电位转至低电位时，晶体管M1’开启，二极管PD1电压VPD等于电压Vcap重置至电压Vp，且低于3.3伏。接着时序进入反应阶段，参考电压Vref以及更新讯号Vrst拉至高电位，晶体管M1’、M2’关闭。电压Vcap会随着电洞的累积而上升。电压VPD则随着电子的累积而下降。当参考电压Vref由低电位转为高电位时，在二极管PD1的电压VPD为电压V4，电压Vcap的电压则为电压V5。最后，将电压V5减去电压V4，所得到的电压降，即为该影像传感器对应光线亮度的输出结果。如此，敏感度较佳，且动态范围亦较广。
图8为本发明实施例之一的影像传感器输出曲线，显示光强度与电压降的关系图，其中，光强度较弱时的点A的电压降可由二极管PD1的敏感度所决定，光强度较强时的点B的电压降可由二极管PD2的敏感度所决定。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，可作若干的更动与润饰，因此本发明的保护范围以本发明的权利要求为准。

Claims (7)

1.一影像传感器，包括：
一感光组件，耦接一第一节点，接受一光源并产生一转换电流于该第一节点上；
一第一晶体管，耦接于一定电压源及该第一节点之间，根据一更新讯号而开启或关闭，其中该定电压源具有一第一电压；
一第二晶体管，耦接于一第二节点及该第一节点之间，接收一参考电压；
一第三晶体管，耦接于该定电压源与一第三节点之间，根据该第二节点的电压以决定第三节点的电压；以及
一第四晶体管，耦接于该第三节点以及该影像传感器的输出端间，并接收一选择讯号以呈开启或关闭状态；以及
一二极管，具有一P端以及一N端；其中该P端耦接该第二节点，为该第二晶体管提供寄生接面，而该N端耦接该定电压源以产生一逆向偏压。
2.如权利要求1所述的影像传感器，其中该第一至第四晶体管为N型金属氧化物半导体晶体管。
3.如权利要求1所述的影像传感器，其中该第一晶体管及该第二晶体管为P型金属氧化物半导体晶体管，该第三晶体管及该第四晶体管为N型金属氧化物半导体晶体管，其中该第二晶体管是由栅极接收该参考电压，该第二晶体管的源、漏极则分别耦接该第一节点以及该第二节点。
4.一种影像感测方法，适用于一影像传感器，其中该影像传感器包含：
一感光组件，耦接一第一节点，接受一光源并产生一转换电流于该第一节点上；
一第一晶体管，耦接于一定电压源及该第一节点之间，并根据一更新讯号呈开启或关闭的状态，其中该定电压源具有一第一电压；
一第二晶体管，耦接于一第二节点及该第一节点之间，接收一参考电压；
一第三晶体管，耦接于该定电压源与一第三节点之间，根据该第二节点的电压以决定该第三节点的电压；
一第四晶体管，耦接于该第三节点以及该影像传感器的输出端间，并接收一选择讯号以呈开启或关闭状态；其中该第一至第四晶体管为N型金属氧化物半导体晶体管；以及
一二极管，具有一P端以及一N端；其中该P端耦接该第二节点，为该第二晶体管提供寄生接面，而该N端耦接该定电压源以产生一逆向偏压；
该影像感测方法包括：
在一更新阶段：
通过该更新讯号开启该第一晶体管，藉此该第一节点的电压拉至该第一电压；
使该参考电压维持于一第二电压；
其中该第二电压低于该第一电压；
在一反应阶段：
通过该更新讯号关闭该第一晶体管，使该第一节点的电压随着该感光组件所接收的光源强度而变化；
使该参考电压由该第二电压开始随时间上升；以及
记录该第二节点的电压变化，藉此得到一输出值，正比于该感光组件所接收到的对应该光源强度。
5.一种影像感测方法，适用于一影像传感器，其中该影像传感器包含：
一感光组件，耦接一第一节点，接受一光源并产生一转换电流于该第一节点上；
一第一晶体管，耦接于一定电压源及该第一节点之间，并根据一更新讯号呈开启或关闭的状态，其中该定电压源具有一第一电压；
一第二晶体管，耦接于一第二节点及该第一节点之间，接收一参考电压；
一第三晶体管，耦接于该定电压源与一第三节点之间，根据该第二节点的电压以决定该第三节点的电压；
一第四晶体管，耦接于该第三节点以及该影像传感器的输出端间，并接收一选择讯号以呈开启或关闭状态；其中该第一晶体管及该第二晶体管为P型金属氧化物半导体晶体管，该第三晶体管及该第四晶体管为N型金属氧化物半导体晶体管，其中该第二晶体管的栅极接收该参考电压，该第二晶体管的源、漏极则分别耦接该第一节点以及该第二节点；以及
一二极管，具有一P端以及一N端；其中该P端耦接该第二节点，为该第二晶体管提供寄生接面，而该N端耦接该定电压源以产生一逆向偏压；
该影像感测方法包括：
在一更新阶段：
通过该更新讯号开启该第一晶体管，藉此该第一节点以及该第二节点的电压拉至该第一电压；以及
将该参考电压维持一第二电压；
其中该第二电压低于该第一电压；以及
在一第二反应阶段：
关闭该第一以及第二晶体管，藉此该第一以及该第二节点的电压随着该感光组件所接收的光源强度而变化；
使该参考电压由该第二电压开始随时间上升；以及
记录该第二节点的电压变化，藉此得到一输出值，正比于该感光组件所接收的光源强度。
6.权利要求5所述的影像感测方法，该影像感测方法进一步包含在一第一反应阶段，关闭该第一晶体管，开启该第二晶体管；
其中该第一反应阶段在该更新阶段以及该第二反应阶段之间。
7.如权利要求5所述的影像感测方法，该影像感测方法进一步包含在该第一反应阶段结束时，读出该第一节点与该第二节点之间的电压差。
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