CN104639852A - 影像传感器 - Google Patents

Abstract

影像传感器包括一被动像素传感器阵列以及一读出电路。所述被动像素传感器阵列具有多个像素列，每一像素列具有至少一列线。所述读出电路包括一斜波信号产生电路、一斜波信号线及一比较电路。所述斜波信号产生电路用以产生一斜波信号，且所述斜波信号线用以接收所述斜波信号。所述比较电路对应于所述列线，在所述读出电路的操作循环期间，所述被动像素传感器阵列的一像素传感器输出一充电信号至所述列线，以及所述比较电路系用以根据所述斜波信号及所述充电信号来产生所述像素传感器之一输出信号。

Description

影像传感器

技术领域

本发明涉及影像感测，尤其涉及一种在输出级使用比较器而非运算放大器的影像传感器，以针对被动像素结构提供低读出噪声的信号。

背景技术

参考图1，图1为应用于被动像素传感器阵列（passive pixel sensor array）10的现有读出电路100的示意图。如图1所示，读出电路100包括多个列电路（column circuit）110、120，且列电路110、120各包括运算放大器及电容，例如，列电路110包括运算放大器112及电容114，而列电路120包括运算放大器122及电容124。像素传感器阵列10包括多个像素传感器P11～P24，且像素传感器P11～P24中每一像素传感器通过信号线116、126耦接于读出电路100。信号线116及信号线126皆包括一个小的寄生电容。对于每一列电路来说，耦合的寄生电容可用等效电容值Cp来表示。

由于高分辨率影像传感器的需求，像素会被设计得更小，因此电容114的电容值必须与电容值Cp一样小，以产生足够的输出摆幅来克服运算放大器112所造成的读出噪声（readout noise），然而，这样的作法将会提高生产成本，且读出噪声依然存在。

因此，有需要提供一种用在被动像素传感器并能提供低读出噪声的信号的读出电路。

发明内容

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种用于被动像素结构的读出电路，其输出级使用比较器以提供低读出噪声的信号。

本发明的实施例提供了一种影像传感器。影像传感器包括被动像素传感器阵列以及读出电路。被动像素传感器阵列具有多个像素列，所述多个像素列中的每一像素列具有至少一列线。所述读出电路包括斜波信号产生电路、斜波信号线及比较电路。所述斜波信号产生电路用以产生斜波信号，所述斜波信号线用以接收所述斜波信号，其中所述斜波信号线以非电连接的方式与所述列线交错，以在所述斜波信号与所述列线之间形成寄生电容。所述比较电路对应于所述列线，在所述读出电路的所述操作循环期间，所述被动像素传感器阵列的像素传感器输出充电信号至所述列线，以及所述比较电路用以根据所述斜波信号及所述充电信号来产生所述像素传感器的输出信号。

针对被动像素架构，本发明通过在输出级采用比较器而非采用运算放大器，因而可提供具有低读出噪声的信号。

附图说明

图1为应用在被动像素传感器阵列的现有读出电路的示意图。

图2为本发明影像传感器的第一实施例的示意图。

图3为本发明影像传感器的第二实施例的示意图。

图4为图2所示的影像传感器的操作时序图。

图5为图3所示的影像传感器的操作时序图。

【符号说明】

10、240、340  被动像素传感器阵列

100、210    读出电路

110、120    列电路

112、122    运算放大器

114、124    电容

116、126    信号线

200、300    影像传感器

212         斜波信号产生电路

214         斜波信号线

220_1～220_M、320_1～320_M  比较电路

230_1～230_M  计数器

324_1～324_M  开关

P11～PNM  像素传感器

Cp       等效电容值

Cr       寄生电容

C1～CM   像素列

L1～LM   列线

S_TX1～S_TXN  控制信号

S_CHG    充电信号

S_RAMP   斜波信号

S_OUT    输出信号

S_RST    重置信号

S_SWT    选择信号

V_OUT    读出值

T时间

具体实施方式

在说明书及权利要求书中使用了某些词汇来指称特定的元件。所属领域中普通技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同样的元件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求书的权项中所提及的「包括」为开放式的用语，应解释成「包括但不限定于」。另外，「耦接」一词在此包括任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述第一装置耦接于第二装置，则代表第一装置可直接电气连接于第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电气连接至第二装置。

参阅图2，图2为本发明影像传感器的第一实施例的示意图。影像传感器200包括被动像素传感器阵列240以及读出电路210。在本实施例中，被动像素传感器阵列240为M×N像素传感器矩阵（matrix），其具有多条列线（column line）L1～LM，且列线L1～LM中每一条列线耦接于多个像素传感器，也就是说，像素传感器阵列240中的每一像素传感器通过其浮动扩散（floating diffusion）而耦接于列线，且每一像素传感器的浮动扩散形成寄生电容。举例来说，像素传感器P11～P1N通过浮动扩散而耦接于列线L1，且在列线L1上的像素传感器P11～P14的浮动扩散所造成的寄生电容可经累加后以等效电容值Cp来表示。在被动像素传感器阵列240的同一像素行（pixel row）中的每一像素传感器（例如像素传感器P11～PM1）藉由同一控制信号来控制，譬如像素传感器P11、P21、…、PM1的栅极端通过控制信号（例如S_TX1）来控制。此外，当控制信号S_TX1开启像素传感器P11的传输栅（transfer gate）时，像素传感器P11会传送充电信号S_CHG至像素传感器P11的浮动扩散。

读出电路210可包括（但不局限于）斜波信号（ramp signal）产生电路212、斜波信号线214、多个比较电路220_1～220_M，以及多个计数器（counter）230_1～230_M。斜波信号产生电路212用以在读取电路210的操作循环（operating cycle）的期间产生斜波信号S_RAMP。斜波信号线214用以接收斜波信号S_RAMP，并以非电连接的方式与列线交错（intersect），以在斜波信号线214与列线L1～LM之间形成寄生电容。斜波信号产生电路212通过斜波信号线214来传送斜波信号S_RAMP，以列线L1为例，斜波信号线214覆盖/交错于列线L1，但不与列线L1电连接，并在斜波信号线214与列线L1的交错处形成寄生电容Cr。

比较电路220_1～220_M分别耦接于列线L1～LM，比较电路220_1～220_M通过寄生电容Cr而接收来自斜波信号产生电路212的斜波信号S_RAMP，且在读出电路210的操作循环的期间，被动像素传感器阵列240的像素传感器会输出充电信号S_CHG至列线L1～LM中的一条列线，且比较电路220_1～220_M中的每一比较电路用以根据斜波信号S_RAMP及相对应列线的充电信号S_CHG，来产生像素传感器的输出信号S_OUT。举例而言，在读出电路210的操作循环期间，比较电路220_1负责根据列线L1的充电信号S_CHG以及斜波信号S_RAMP，来将对应像素传感器P11的输出信号S_OUT输出至列线L1。更明确来说，一旦斜波信号S_RAMP超过列线L1的充电信号S_CHG，则输出信号S_OUT的状态便会改变。此外，多个计数器230_1～230_M分别耦接于比较电路220_1～220_M，且计数器230_1～230_M中的每一计数器用以计数输出信号S_OUT改变其状态所需的时间T，并据以产生读出值V_OUT。

简言之，举例来说（但本发明并不以此为限），读出电路210的操作可归纳为以下步骤。首先，在读出电路210的操作循环的期间，比较电路220_1及计数器230_1会被重置（reset）。接着，控制信号S_TX1被拉高（asserted）以使像素传感器P11将光电二极管（photodiode）的充电信号S_CHG传至像素传感器11的浮动扩散。再来，在像素传感器11传送充电信号S_CHG之后，斜波信号产生电路212产生斜波信号S_RAMP。之后，比较电路220_1将斜波信号S_RAMP的电位（由感测电容Cr提供）与被传送的电荷的电位（由电容值Cp提供）作比较，当斜波信号S_RAMP达到被传送的电荷的电位时，输出信号S_OUT的电位会下降。计数器230_1在斜波信号S_RAMP达到被传送的电荷的电位之前输出所计数的时间T，以作为像素传感器P11的读出值V_OUT。

另外，由于电容值Cp由多个像素传感器的浮动扩散所造成，因此若要使对应每一列线的电容值Cp有相同的值，则每一像素传感器的输出信号S_OUT便需通过相同的斜波信号S_RAMP来产生，也就是说，具有相同波形的斜波信号S_RAMP可被分配给像素传感器阵列240的多个行，例如，若电容值Cp由像素传感器P11～P14的浮动扩散提供，则用来产生像素传感器P11的输出信号S_OUT的斜波信号S_RAMP也会被用来产生像素传感器P12、P13及P14的输出信号S_OUT。为何需要藉由数个施体（donor）来提供电容值Cp的理由在于电容值Cp应所述被控制在与电容Cr相同的数量级（order），以使整体读出电路架构能最佳地运作，若电容值Cp远小于电容Cr的电容值，则读出电路210的输出波形的振幅将有可能被截掉（truncate）太多，另一方面，若电容值Cp远大于电容Cr的电容值，则读出电路210的读出速度会因此减慢，而此问题将可藉由分割（partition）像素传感器阵列240来解决。

举例来说（但本发明并不以此为限），请参考图3，图3为本发明影像传感器的第二实施例的示意图。在此实施例中，影像传感器300中的被动像素传感器阵列340为M×N像素传感器矩阵，其具有多个列C1～CM，且每列会具有两条列线L1、L2。列线L1、L2中每一列线分别耦接于同一列中一半的像素传感器，例如在像素传感器阵列340的奇数行上的像素传感器（例如P11、P13）耦接于列C1的列线L1，而在像素传感器阵列340的偶数行上的像素传感器（例如P12、P14）耦接于列C1的列线L2。如此一来，因为像素传感器阵列340中每一列线仅耦接一半的像素传感器，故像素传感器阵列340的电容值Cp可被减至像素传感器阵列140的电容值Cp的一半。

影像传感器300的结构大致上相同于影像传感器200，而主要差异在于比较电路320_1～320_M中每一比较电路还包括开关，用以选择性地将相对应列线（其选取自相对应的像素列（pixel column）的多条列线）耦接至相对应的比较器。举例来说，比较电路320_1包括开关324_1，用以选择性地将列C1的列线L1或列线L2耦接至比较器322_1。在斜波信号产生电路310产生斜波信号S_RAMP之前，开关324_1会先将列C1的列线L1、L2的其中一条列线耦接至比较器322_1。由于本领域技术人员可在阅读以上针对影像传感器200的段落后轻易了解影像传感器300的操作步骤，为简洁起见，于此不再赘述。

请参考图4，图4为图2所示的影像传感器200的操作时序图。举例来说（但本发明并不以此为限），图4绘示影像传感器200自影像传感器P11读出数据的操作，重置信号S_RST用以重置比较电路220_1，控制信号S_TX1用以控制像素传感器P11的传输栅的开启与关闭，以及斜波信号S_RAMP用以上拉（pull up）感测电容Cr的电位。由于本领域技术人员当可在阅读以上针对影像传感器200的段落后轻易得知图4所示的信号间的关系，为简洁起见，于此便不再赘述。

请参考图5，图5为图3所示的影像传感器300的操作时序图。举例来说（但本发明并不以此为限），图5绘示影像传感器300自影像传感器P11读出数据的操作，重置信号S_RST用以重置比较电路220_1，选择信号S_SWT用以选择性地将比较器322_1耦接至行C1的列线L1或L2，控制信号S_TX1用以控制像素传感器P11的传输栅的开启与关闭，以及斜波信号S_RAMP用以上拉感测电容Cr的电位。由于本领域技术人员当在阅读以上针对影像传感器300的段落后轻易得知图5的信号间的关系，为简洁起见，于此不再赘述。

总之，本发明通过在输出级采用比较器而非采用运算放大器，可据以针对被动像素架构而提供具有低读出噪声的信号。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的等同变化与修饰，皆应属本发明的覆盖范围。

Claims (9)

1.一种影像传感器，包括：

被动像素传感器阵列，具有多个像素列，所述多个像素列中的每一像素列具有至少一列线；以及

读出电路，包括：

斜波信号产生电路，用以在所述读出电路的操作循环的期间产生斜波信号；

斜波信号线，用以接收所述斜波信号，其中所述斜波信号线以非电连接的方式与所述列线交错，以在所述斜波信号与所述列线之间形成寄生电容；以及

比较电路，对应于所述列线，其中在所述读出电路的所述操作循环的期间，所述被动像素传感器阵列的像素传感器输出充电信号至所述列线，且所述比较电路用以根据所述斜波信号及所述充电信号来产生所述像素传感器的输出信号。

2.根据权利要求1所述的影像传感器，其中所述斜波信号产生电路藉由所述斜波信号线来传送所述斜波信号。

3.根据权利要求1所述的影像传感器，其中所述像素传感器阵列中的每一像素传感器藉由所述像素传感器的浮动扩散而耦接于列线。

4.根据权利要求3所述的影像传感器，其中所述像素传感器阵列中的每一像素传感器的所述浮动扩散形成寄生电容。

5.根据权利要求4所述的影像传感器，其中在所述读出电路的所述操作循环的期间，所述比较电路在所述像素传感器输出所述充电信号至所述列线的浮动扩散之前被重置。

6.根据权利要求5所述的影像传感器，其中在所述读出电路的每一操作循环的期间，所述像素传感器在所述斜波信号产生电路产生所述斜波信号之前将所述充电信号传至其浮动扩散。

7.根据权利要求1所述的影像传感器，其中所述多个像素列中每一像素列具有多条列线，以及所述比较电路包括：

比较器，用以产生耦接于相对应的所述列线的所述像素传感器的所述输出信号；以及

开关，用以选择性地将相对应的所述列线耦接至所述比较器，其中相对应的所述列线选取自相对应的像素列的多条列线。

8.根据权利要求1所述的影像传感器，其中具有相同波形的所述斜波信号被分配至所述像素传感器阵列的多个像素行。

9.根据权利要求1所述的影像传感器，还包括：

计数器，耦接于所述比较电路，其中所述计数器用以计数所述斜波信号的时间，并根据所述输出信号及所计数的所述时间来产生所述像素传感器的读出值。