CN104767946A - 影像传感器 - Google Patents

Abstract

一种影像传感器，包含有M像素共享电路、N像素共享电路以及切换单元。其中M是不小于2的整数，N是不小于2的整数。该切换单元耦接于该M像素共享电路的浮动扩散节点和该N像素共享电路的浮动扩散节点之间。

Description

影像传感器

技术领域

本发明所揭露的实施例涉及影像传感器，尤指一种具有双重读出通道（dual readout path）的多像素共享电路。

背景技术

随着数字电子装置的发展，像素的整体数目的需求逐渐增加，但单一像素的尺寸却必须缩小，使得像素的读取在设计上成为一个难题。改善图框率的其中一个方法是藉由使用高速电路来降低读出时间。然而，传统的高速电路设计较为复杂且有实现上的难度，且造成成本和晶片面积的上升。有鉴于此，亟需一种新颖的影像传感器来改善上述问题。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种多像素共享电路，例如具有双重读出通道的8像素共享电路。

根据本发明的示范性实施例，提出一种影像传感器，包含有M像素共享电路（M-shared pixel architecture）、N像素共享电路以及切换单元。其中M是不小于2的整数，N是不小于2的整数。以及该切换单元耦接于该M像素共享电路的浮动扩散节点和该N像素共享电路的浮动扩散节点之间。

本发明能够克服K像素共享电路架构（其中K为任意数）的速度限制，并且藉由增加切换器（例如晶体管）以及额外的操作控制来使像素电路的吞吐率（throughput）大约增加为两倍。

附图说明

图1为本发明一影像传感器的示范性实施例的示意图。

图2为影像传感器的双倍速读出操作模式的时序图。

图3为在时段T1中影像传感器的不同节点的能量位准的示意图。

图4为在时段T2中影像传感器的不同节点的能量位准的示意图。

图5为影像传感器的双倍转换增益操作模式的时序图。

具体实施方式

在说明书及后续的权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的元件。本领域技术人员应可理解，制造商可能会用不同的名词来称呼同样的元件。本说明书及后续的权利要求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。在通篇说明书及后续的权利要求当中所提及的“包含”为开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。另外，“耦接”一词在此包含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，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或透过其他装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。

请参考图1，图1为本发明的影像传感器的示范性实施例的示意图。影像传感器100包含有第一4像素共享电路102、第二4像素共享电路104以及切换单元106。请注意，在此所采用的两个4像素共享电路旨在用于说明本发明，实际上任何多像素共享电路或是非共享电路均可用来实现本发明。举例来说，第一4像素共享电路102可以替换为M像素共享电路，以及第二4像素共享电路104可以替换为N像素共享电路，其中M和N均为不小于1的整数，且视实际设计考量或是需求，M可以相同或是不相同于N。

在此实施例中，第一4像素共享电路102包含有四组像素感光单元。在一般操作下，可关闭切换单元106以分隔第一浮动扩散区域FD1和第二浮动扩散区域FD2。第一光电二极管（photodiode）1022用来执行一曝光程序，所产生的电荷会经由第一晶体管1030被传送到第一浮动扩散区域FD1。第一源极跟随器（source follower）1040会将第一浮动扩散区域FD1中的该电荷转换为电压，且该电压会经由第一选择晶体管1042A被传送到后续电路。应注意的是，在其它实施例中，亦可不使用选择晶体管。相同地，第二光电二极管1024用来执行曝光程序，所产生的电荷会经由第二晶体管1032被传送到第一浮动扩散区域FD1。第一源极跟随器1040会将第一浮动扩散区域FD1中的该电荷转换为电压，且该电压会经由第一选择晶体管1042A被传送到后续电路。第三光电二极管1025用来执行一曝光程序，所产生的电荷会经由第三晶体管1034被传送到第一浮动扩散区域FD1。第一源极跟随器1040会将第一浮动扩散区域FD1中的该电荷转换为电压，且该电压会经由第一选择晶体管1042A被传送到后续电路。最后，第四光电二极管1028用来执行一曝光程序，所产生的电荷会经由第四晶体管1036被传送到第一浮动扩散区域FD1。第一源极跟随器1040会将第一浮动扩散区域FD1中的该电荷转换为电压，且该电压会经由第一选择晶体管1042A被传送到后续电路。请注意，在此实施例中，第一晶体管1030、第二晶体管1032、第三晶体管1034、第四晶体管1036以及第一选择晶体管1042A用来当作切换器（开关）使用，可使用任何其它具有同样作用或是功能的电路来将其置换。

相同地，第二4像素共享电路104亦包含有四组像素感光单元。第五光电二极管1042用来执行一曝光程序，所产生的电荷会经由第六晶体管1050被传送到第二浮动扩散区域FD2。第二源极跟随器1060会将第二浮动扩散区域FD2中的该电荷转换为电压，且该电压会经由第二选择晶体管1062被传送到后续电路。接着，第六光电二极管1044用来执行一曝光程序，所产生的电荷会经由第七晶体管1052被传送到第二浮动扩散区域FD1。第二源极跟随器1060会将第二浮动扩散区域FD2中的该电荷转换为电压，且该电压会经由第二选择晶体管1062被传送到后续电路。第七光电二极管1046用来执行一曝光程序，所产生的电荷会经由第八晶体管1054被传送到第二浮动扩散区域FD1。第二源极跟随器1060会将第二浮动扩散区域FD2中的该电荷转换为电压，且该电压会经由第二选择晶体管1062被传送到后续电路。最后，第八光电二极管1048用来执行一曝光程序，所产生的电荷会经由第九晶体管1056被传送到第二浮动扩散区域FD1。第二源极跟随器1060会将第二浮动扩散区域FD2中的该电荷转换为电压，且该电压会经由第二选择晶体管1062被传送到后续电路。请注意，在此实施例中，第六晶体管1050、第七晶体管1052、第八晶体管1054、第九晶体管1056以及第二选择晶体管1044用来当作切换器（开关）使用，可使用任何其它具有同样作用或是功能的电路来将其置换。

在此实施例中，另支援一双倍速读出操作模式（dual readout speedoperation mode）。对滚动快门（rolling shutter）影像传感器来说，每一像素列的曝光操作系依序开始，并且一列一列地被读出。举例来说，第一4像素共享电路102和第二4像素共享电路104属于不同列，且不会在同一时间被读出。因此，当欲读取第一4像素共享电路102时，可以从第二4像素共享电路104借用其中的第二浮动扩散区域FD2、第二源极跟随器1060和第二选择晶体管1062。相对地，当欲读取第二4像素共享电路104时，可以从第一4像素共享电路102借用其中的第一浮动扩散区域FD1、第一源极跟随器1040和第一选择晶体管1042A。为了更具体地说明本实施例，请同时参考图2和图1，图2为影像传感器100的双倍速读出操作模式的时序图。图2的时序图基于启动并准备读取第一4像素共享电路102且关闭第二4像素共享电路104的情况。首先，在重置期间，分别藉由第一重置信号RST1和第二重置信号RST2来导通重置晶体管1038以及重置晶体管1058；以及分别藉由第一信号TX1、第二信号TX2、第三信号TX3以及第四信号TX4来分别导通第一晶体管1030、第二晶体管1032、第三晶体管1034以及第四晶体管1036，以重置第一光电二极管1022、第二光电二极管1024、第三光电二极管1026以及第四光电二极管1028。接着，在一曝光期间，该些光电二极管开始接收光线以产生电荷。

接着，在一读出期间，该些光电二极管会被读出。在图2中的时段T1中，第一信号TX1以及切换信号TX皆会转换为高电位以将第一光电二极管1022的感光结果传送至源极跟随器1060。请注意，电位VDD1刻意地被拉至更高电位，且电压位准VDD2刻意地被拉至较低电位，好让电荷能够更顺利地跨过切换单元106而被传送至源极跟随器1060。请参考图3，图3为在时段T1中影像传感器100的不同节点的能量位准的示意图。由图3可得知，相较于第一浮动扩散区域FD1的能量位准和第二浮动扩散区域FD2的能量位准，第一光电二极管1022的节点PD1的能量位准为最高，且第二浮动扩散区域FD2的能量位准为最低。因此，第一光电二极管1022所产生的电荷便得以顺利地从节点PD1转移到第二浮动扩散区域FD2。当转移结束后，会利用第一重置信号RST1来重置第一浮动扩散区域FD1，且切换信号TX会落下。

在图2中的时段T2中，第二信号TX2会被拉起以将第二光电二极管1024的感光结果传送至源极跟随器1040。请注意，相较于前一个时段中的状况，电位VDD1的电位会较低，且电压位准VDD2的电位会较高。请参考图4，图4为在时段T2中影像传感器100的不同节点的能量位准的示意图。由图4可得知，相较于节点PD2的能量位准和第二浮动扩散区域FD2的能量位准，第一浮动扩散区域FD1的能量位准为最低，切换单元106会形成一屏障以防止第二光电二极管104所产生的电荷进入第二浮动扩散区域FD2。因此，第二光电二极管1024所产生的电荷便得以顺利地从节点PD2转移到第一浮动扩散区域FD1。

在第一光电二极管1022和第二光电二极管1024的电荷分别转移到源极跟随器1040和源极跟随器1060之后，电荷会被转换为电压，并且被传送到后续的电路，例如一读出电路。由于后续电路相较于光感测电路会需要花费更多时间，从第二4像素共享电路104借用源极跟随器1060和读出电路可以让整体的操作加速，其速度大约为一般操作模式下的速度的两倍。第三光电二极管106和第四光电二极管108亦使用类似的方法运作。

在另一实施例中，提出另一双倍转换增益操作模式。请参考图5，图5为影像传感器100的双倍转换增益操作模式（dual conversion gainoperation mode）的时序图。对于双倍转换增益操作模式来说，每一像素的曝光操作会执行两次，一次是在切换单元106开启时执行，一次是在切换单元106关闭时执行，当切换单元106开启时，浮动扩散电容会增加为大约一般操作模式下的两倍。这表示新的转换增益将会减少为一般操作模式下的一半。藉由利用一般操作模式和双倍转换增益操作模式所得到的两种不同转换增益，可以得到一较高动态范围（dynamic range）影像。

本发明能够克服K像素共享电路架构（其中K为任意数）的速度限制，并且藉由增加切换器（例如晶体管）以及额外的操作控制来使像素电路的吞吐率（throughput）大约增加为两倍。

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改，皆应属于本发明的涵盖范围。

【符号说明】

100                           影像传感器

102、1044                 像素共享电路

1022～1028、1042～1048        光电二极管

1030～1036、1050～1056、106   切换晶体管

1038、1058                 重置晶体管

1040、1060                 源极跟随器

1042A、1062                选择晶体管

Claims (11)

1.一种影像传感器，包含有：

M像素共享电路，其中M是不小于2的整数；

N像素共享电路，其中N是不小于2的整数；以及

切换单元，耦接于所述M像素共享电路的浮动扩散节点和所述N像素共享电路的浮动扩散节点之间。

2.如权利要求1所述的影像传感器，其中所述切换单元用来将所述M像素共享电路的感测结果传送至所述N像素共享电路，并且藉由所述N像素共享电路输出所述M像素共享电路的所述感测结果。

3.如权利要求2所述的影像传感器，其中所述切换单元还用来将所述N像素共享电路的感测结果传送至所述M像素共享电路，并且藉由所述M像素共享电路输出所述N像素共享电路的所述感测结果。

4.如权利要求2所述的影像传感器，其中所述切换单元交替地传送所述M像素共享电路的所述感测结果和所述N像素共享电路的所述感测结果。

5.如权利要求2所述的影像传感器，其中所述切换单元用来交替地将所述M像素共享电路的所述感测结果传送至所述N像素共享电路，以及防止所述M像素共享电路的所述感测结果被传送至所述N像素共享电路。

6.如权利要求1所述的影像传感器，其中所述M像素共享电路包含有：

第一光电二极管；

第二光电二极管；

第一晶体管，其源极耦接至所述第一光电二极管；

第二晶体管，其源极耦接至所述第二光电二极管；

第三晶体管，其源极耦接至所述第一晶体管的漏极和所述第二晶体管的漏极；以及

源极跟随器，耦接至所述第三晶体管的所述源极、所述第一晶体管的所述漏极以及所述第二晶体管的所述漏极。

7.如权利要求6所述的影像传感器，其中所述M像素共享电路还包含有：

第四晶体管，其漏极耦接至所述源极跟随器。

8.如权利要求6所述的影像传感器，其中所述M像素共享电路还包含有：

第三光电二极管；

第四光电二极管；

第四晶体管，其源极耦接至所述第三光电二极管；以及

第一选择晶体管，其源极耦接至所述第四光电二极管；

其中所述第三晶体管的源极耦接至所述第一晶体管的漏极、所述第二晶体管的漏极、所述第三晶体管的漏极以及所述第四晶体管的漏极；以及所述源极跟随器耦接至所述第三晶体管的所述源极、所述第一晶体管的所述漏极、所述第二晶体管的所述漏极、所述第三晶体管的所述漏极以及所述第四晶体管的所述漏极。

9.如权利要求1所述的影像传感器，其中所述N像素共享电路包含有：

第一光电二极管；

第二光电二极管；

第一晶体管，其源极耦接至所述第一光电二极管；

第二晶体管，其源极耦接至所述第二光电二极管；

第三晶体管，其源极耦接至所述第一晶体管的漏极和所述第二晶体管的漏极；以及

源极跟随器，耦接至所述第三晶体管的所述源极、所述第一晶体管的所述漏极以及所述第二晶体管的所述漏极。

10.如权利要求9所述的影像传感器，其中所述N像素共享电路还包含有：

第四晶体管，其漏极耦接至所述源极跟随器。

11.如权利要求9所述的影像传感器，其中所述N像素共享电路还包含有：

第三光电二极管；

第四光电二极管；

第四晶体管，其源极耦接至所述第三光电二极管；以及

第一选择晶体管，其源极耦接至所述第四光电二极管；

其中所述第三晶体管的源极耦接至所述第一晶体管的漏极、所述第二晶体管的漏极、所述第三晶体管的漏极以及所述第四晶体管的漏极；以及所述源极跟随器系耦接至所述第三晶体管的所述源极、所述第一晶体管的所述漏极、所述第二晶体管的所述漏极、所述第三晶体管的所述漏极以及所述第四晶体管的所述漏极。