CN104811633A - 像素电路和影像传感器 - Google Patents

Abstract

一种像素电路包括：光检测器、信号调整电路以及切换电路。所述光检测器用来因应射入的光线以产生输出信号。所述信号调整电路耦接至所述光检测器，用来选择性地调整所述输出信号，以使所述输出信号对所述光线的强度有多个不同的对数函数。所述切换电路耦接至所述信号调整电路以及所述光检测器，用来将所述光检测器耦接至所述信号调整电路。

Description

像素电路和影像传感器

技术领域

本发明涉及影像传感器，尤其涉及包含像素电路的影像传感器，其中像素电路可进行对数线性对数（logarithmic-linear-logarithmic）操作，且具高动态范围。

背景技术

互补式金属氧化半导体影像传感器（complementarymetal–oxide–semiconductor,CMOS）被广泛地应用在不同的产品中。互补式金属氧化半导体影像传感器最大的优点是易于整合、低操作电压以及低生产成本。然而，相较于电荷耦合装置（charge-coupled device,CCD）影像传感器，互补式金属氧化半导体影像传感器通常受限于较差的动态范围。

改善互补式金属氧化半导体影像传感器的其中一种方式是对数像素，对数像素被广泛地使用在三颗晶体管的光二极管（three-transistor(3T)photodiode）像素。一般来说，主动式像素或是被动式像素会对照射进所述像素的光线强度有线性反应。当光电流太小时，晶体管会进入次临界（sub-threshold）区域，对数像素会基于互补式金属氧化半导体晶体管的次临界操作模式来提供对数电子至光二极管。然而此操作会导致下列缺点：

1.低光感性（photosensitivity），特别是在低亮度环境；

2.归因于次临界操作的低反应速度；以及

3.归因于次临界操作的相对高元件变异性。

因此，此领域需要一种像素电路以及一种影像传感器以解决上述问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供具有高动态范围的像素电路以及影像传感器。像素电路可在不同亮度条件下进行对数线性对数（logarithmic-linear-logarithmic）操作。

依据本发明的示范性实施例，提出一种像素电路，包括光检测器、信号调整电路以及切换电路。其中所述种光检测器用来因应射入的光线以产生输出信号。所述信号调整电路耦接至所述光检测器，用来选择性地调整所述输出信号，以使所述输出信号对所述光线的强度有多个不同的对数函数。所述切换电路耦接至所述信号调整电路以及所述光检测器，用来将所述光检测器耦接至所述信号调整电路。

依据本发明的示范性实施例，提出一种影像传感器，包括像素电路阵列，其中每一像素电路包括光检测器、信号调整电路以及切换电路。其中所述光检测器用来因应射入的光线以产生输出信号。所述信号调整电路耦接至所述光检测器，用来选择性地调整所述输出信号，以使所述输出信号对所述光线的强度有多个不同的对数函数。所述切换电路耦接至所述信号调整电路以及所述光检测器，用来将所述光检测器耦接至所述信号调整电路。

上述实施例提供像素电路以及影像传感器，能够在低亮度或是高亮度条件下进行对数操作。此外，所述像素电路以及所述影像传感器能够在中亮度条件下进行对数操作，如此一来，所述像素电路以及所述影像传感器相较于对数像素或是线性像素具有更高的动态范围以及更低的反应时间。

附图说明

图1为依据本发明示范性实施例的像素电路的简要示意图。

图2为依据本发明示范性实施例的像素电路的详细电路图。

图3为依据本发明另一示范性实施例的像素电路的详细电路图。

图4为依据本发明又一示范性实施例的像素电路的详细电路图。

图5为依据本发明再一示范性实施例的像素电路的详细电路图。

图6为依据本发明示范性实施例的读出部分的示意图。

【符号说明】

120            信号调整电路

130            切换电路

140            光检测器

100、200、300、400像素电路

110            光检测器

122、124        信号调整元件

500            读出部分

具体实施方式

参考图1，图1为依据本发明示范性实施例的像素电路的简要示意图。像素电路包括光检测器110、信号调整电路120以及切换电路130。在优选实施例中可以使用光二极管（但不限于此，亦可以为光敏晶体管）来实现光检测器110，以因应射入的光线以产生输出信号V_PHOTO。信号调整电路120耦接至光检测器110，用来选择性地调整输出信号V_PHOTO，以使输出信号V_PHOTO对光线的强度有多个不同的对数函数。信号调整电路120可以操作在一此临界区（sub-threshold region），可以使输出信号V_PHOTO在切换电路130导通的情况下对光线强度为对数函数关系。切换电路130耦接至信号调整电路120以及光检测器110，用来将光检测器110耦接至信号调整电路120。当控制切换电路130将信号调整电路120耦接至光检测器110时，输出信号V_PHOTO对光线强度会为对数函数关系。当控制切换电路130不将信号调整电路120耦接至光检测器110时，输出信号V_PHOTO对光线的强度会为线性函数关系。

图2为依据本发明示范性实施例的像素电路100的详细电路图。信号调整电路120包括第一信号调整元件122，在优选实施例中，第一信号调整元件122包括二极管接法晶体管（diode-connected transistor）M1经由切换电路130耦接至光检测器110（包括光二极管PD），其中切换电路130包括第一切换元件M2受控制信号x1控制。当控制信号x1使第一切换元件M2导通时，第一信号调整元件122会调整输出信号V_PHOTO，使输出信号V_PHOTO对光线强度会为对数函数关系。预定电压Vlog1耦接至特定电极以及二极管接法晶体管M1的控制电极。预定电压Vlog1会判断二极管接法晶体管M1所产生的输出信号V_PHOTO的第一对数函数的特征，并且当二极管接法晶体管M1操作在一次临界区域时，使输出信号V_PHOTO具有第一对数函数。当切换电路130将二极管接法晶体管M1耦接至光检测器110时，且二极管接法晶体管M1开始操作在次临界区域时，二极管接法晶体管M1会供应电荷来增加流入节点A的电流，此时像素电路100作为对数像素，输出信号V_PHOTO会较线性像素更大幅地下降以提供更强的亮度信息。当节点A的电压掉到特定电平之下时，二极管接法晶体管M1将会被关闭，而输出信号V_PHOTO对光线强度为线性函数。同时，藉由将控制信号x1下拉以使第一切换元件M2不导通，且像素电路100作为线性像素。

藉由适当地设定预定电压Vlog1，亦可以让二极管接法晶体管M1操作来抑制输出信号V_PHOTO以防止饱和。在高亮度条件下，输出信号V_PHOTO可能会饱和。在此情形下，第一切换元件M2会将二极管接法晶体管M1耦接至光检测器110，二极管接法晶体管M1会操作在次临界区，并产生次临界电流，其中由于高亮度使得输出信号V_PHOTO的降幅得以被抑制，因此次临界电流较光二极管PD所产生的高光电流小得多。故输出信号V_PHOTO不会饱和。

切换电路130可包括选用元件以及控制信号x2所控制的第二切换元件M3。第二切换元件M3会使输出信号V_PHOTO可被像素电路100的读出部分读出。第二切换元件M3能够在像素电路100的整合期间避免输出信号V_PHOTO受到噪声干扰。当整合期间结束，第二切换元件M3会导通，且读出部分可得到输出信号V_PHOTO。

图3为依据本发明另一示范性实施例的像素电路的详细电路图。在此实施例中，信号调整电路120包括第一信号调整元件122以及第二信号调整元件124。在一优选设计中，第一信号调整元件122包括一二极管接法晶体管M1，而第二信号调整元件124包括晶体管M4。晶体管M1和晶体管M4都经由切换电路130耦接至光检测器110（包括光二极管PD），其中切换电路130包括由控制信号x1所控制的第一切换元件M2。当控制信号x1使第一切换元件M2导通时，第一信号调整元件122以及第一信号调整元件124会调整输出信号V_PHOTO，使输出信号V_PHOTO针对光线强度具有一个或是多个对数函数。

晶体管M1和晶体管M4各自具有电极，并分别耦接至预定电压Vlog1以及预定电压Vlog2，为预防预定电压Vlog1和预定电压Vlog2完全相同，晶体管M1和晶体管M4能够提供电荷来增加流进节点A的电流，进而增强输出信号V_PHOTO的压降。预定电压Vlog1和预定电压Vlog2会判断输出信号V_PHOTO的第一对数函数的特征，并且当二极管接法晶体管M1和晶体管M4操作在次临界区域时，使输出信号V_PHOTO具有第一对数函数。如果预定电压Vlog1和预定电压Vlog2不同，晶体管M1和晶体管M4的其中之一可以被用来增强输出信号V_PHOTO的压降，而其中另一个可以被用来抑制输出信号V_PHOTO的压降。这样的设计可以改善像素电路200的动态范围。晶体管M1可以使输出信号V_PHOTO针对光线强度有第一对数函数，而晶体管M4可以使输出信号V_PHOTO针对光线强度有第二对数函数。预定电压Vlog2可以决定第二对数函数的特性，在光源复杂的场合相当实用。由于输出信号V_PHOTO的第一对数函数和第二对数函数在低亮度和高亮度的情况下，因此像素电路200相较于线性像素具有优选反应。如果在适中亮度的情况下，像素电路200可阻隔第一切换元件M2的控制信号x1而具有线性函数。视预定电压Vlog1和预定电压Vlog2的选择，晶体管M1操作在次临界区域的期间和晶体管M4操作在次临界区域的期间可能会部分地重叠。

相似地，切换电路130可以包括选用元件以及控制信号x2所控制的第二切换元件M3。第二切换元件M3会使输出信号V_PHOTO可被像素电路100的读出部分读出。第二切换元件M3能够在像素电路100的整合期间避免输出信号V_PHOTO受到噪声干扰。当整合期间结束，第二切换元件M3会导通，且读出部分可得到输出信号V_PHOTO。

在示范性实施例中，切换电路130还包括第三切换元件M5，绘示于图4中的像素电路300中。第三切换元件M5耦接于光检测器110以及信号调整电路120之间，信号调整电路120受到控制信号x3所控制。当控制信号x3使第三切换元件M5导通时，第二信号调整元件124会调整输出信号V_PHOTO，以使输出信号V_PHOTO对光线的强度呈对数函数。在此示范性实施例中，第一信号调整元件122和第二信号调整元件124经由不同切换元件耦接至光检测器110。

为了进一步改善复杂光线环境下的像素电路反应，信号调整电路120可包括多个信号调整元件以改善输出信号V_PHOTO的压降的增强或是抑制效果。请参考图5，图5为依据本发明示范性实施例的像素电路400的详细电路图。在此示范性实施例中，像素电路400具有第一信号调整元件M1以及两个第二信号调整元件M2和M3。如此一来，可以调整输出信号V_PHOTO以分别依据预定电压Vlog1、Vlog2和Vlog3来针对光线强度产生多个对数函数。第一信号调整元件M1经由信号x1所控制的切换元件M4耦接至光检测器110，第二信号调整元件M2经由信号x2所控制的切换元件M5耦接至光检测器110，以及第三信号调整元件M3经由信号x3所控制的切换元件M6耦接至光检测器110。视预定电压Vlog1、预定电压Vlog2和预定电压Vlog3的值，输出信号V_PHOTO会在不同亮度条件下有不同的对数函数，以增强低光源情况下的输出信号V_PHOTO的压降，以及抑制高光源情况下的输出信号V_PHOTO的压降。因此，像素电路400具有相当高的动态范围。

为读出输出信号V_PHOTO，上述像素电路还包括读出部分，读出部分可包括重置晶体管以及源极随耦器。请参考图6，图6为依据本发明示范性实施例的读出部分的示意图。如图6所示，读出部分500包括重置晶体管M_rst以及源极随耦器M_sf。重置晶体管M_rst具有第一电极耦接至光检测器110、第二电极耦接至供应电压Vdd，以及控制电极耦接至重置控制信号RST。源极随耦器M_sf具有控制电极耦接至光检测器110，用来依据输出信号V_PHOTO产生像素数据输出V_Dara。因此，读出部分500可进一步包括选择电路M_sel，选择电路M_sel耦接至源极随耦器M_sf，用来在像素电路（例如像素电路100～400）的读出周期传递像素数据输出V_Dara。请注意，选择电路M_sel和第二切换元件（例如像素电路100、200、300的M3，或是像素电路400的M7）中仅需要其中一个，视不同需求，本发明实施例中可同时包含选择电路M_sel以及第二切换元件，或是仅包含其中一个。本领域技术人员应能清楚地了解其中的操作和原理，为简明起见，在此省略关于上述元件的详细说明。

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均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (26)

1.一种像素电路，包括：

光检测器，用来因应射入的光线以产生输出信号；

信号调整电路，耦接至所述光检测器，用来选择性地调整所述输出信号，以使所述输出信号对所述光线的强度有多个不同的对数函数：以及

切换电路，耦接至所述信号调整电路以及所述光检测器，用来将所述光检测器耦接至所述信号调整电路。

2.如权利要求1所述的像素电路，其中所述信号调整电路包括：

第一信号调整元件，经由所述切换电路耦接至所述光检测器，当所述第一信号调整元件耦接至所述光检测器时，用来依据所耦接的第一预定电压来调整所述输出信号，以使所述输出信号对所述光线的所述强度具有所述多个对数函数中的第一函数；以及

所述切换电路包括：

第一切换元件，用来将所述第一信号调整元件耦接至所述光检测器。

3.如权利要求2所述的像素电路，其中所述第一电路调整元件包括：

第一晶体管，为二极管接法晶体管（diode-connected transistor），具有耦接至所述第一切换元件的第一电极，以及一同耦接至所述第一预定电压的第二电极以及控制电极。

4.如权利要求2所述的像素电路，其中所述信号调整电路还包括：

第二信号调整元件，经由所述切换电路耦接至所述光检测器，当所述切换电路使所述第二信号调整元件耦接至所述光检测器时，用来依据第二预定电压来调整所述输出信号。

5.如权利要求4所述的像素电路，其中所述第二预定电压相同于所述第一预定电压，以及所述第一信号调整元件和所述第二信号调整元件会使所述输出信号对所述光线的所述强度具有所述多个对数函数中的所述第一函数。

6.如权利要求4所述的像素电路，其中所述第二预定电压不同于所述第一预定电压，以及所述第一信号调整元件会使所述输出信号对所述光线的所述强度具有所述多个对数函数中的所述第一函数，以及所述第二信号调整元件会使所述输出信号对所述光线的所述强度具有所述多个对数函数中的第二函数。

7.如权利要求4所述的像素电路，其中所述第二信号调整元件包括：

第二晶体管，具有一同耦接至所述第一切换元件的第一电极以及控制电极，和耦接至所述第二预定电压的第二电极。

8.如权利要求2所述的像素电路，其中所述切换电路还包括：

第二切换元件，耦接于所述光检测器以及所述信号调整电路之间，用来将所述第二信号调整元件耦接至所述光检测器。

9.如权利要求2所述的像素电路，其中所述信号调整电路还包括：

多个第二调整元件，经由所述切换电路耦接至所述光检测器，用来分别依据多个第二预定电压来调整所述输出信号，以对所述光线的所述强度具有所述多个对数函数中的多个第二函数；以及

所述切换电路包括：

多个第二切换元件，分别耦接于所述多个第二信号调整元件以及所述光检测器之间。

10.如权利要求9所述的像素电路，其中每一所述第二电路调整元件包括：

第二晶体管，具有一同耦接至所述第二切换元件的第一电极以及控制电极，以及耦接至所述第二预定电压的第二电极。

11.如权利要求1所述的像素电路，其中所述像素电路还包括：

重置晶体管，具有耦接至所述光检测器的第一电极，耦接至供应电压的第二电极，耦接至重置控制信号的控制电极：以及

源极随耦器，具有耦接至所述光检测器的控制电极，用来依据所述输出信号产生像素数据输出。

12.如权利要求11所述的像素电路，其中所述切换电路包括：

第三切换元件，耦接于所述光检测器以及所述源极随耦器之间，用来在所述像素电路的读出周期将所述光检测器耦接至所述源极随耦器。

13.如权利要求11所述的像素电路，其中像素电路包括：

选择电路，耦接至所述源极随耦器，用来在所述像素电路的读出周期传递所述像素数据输出。

14.一种影像传感器，包括：

像素电路阵列，其中每一像素电路包括：

光检测器，用来因应射入的光线以产生输出信号；

信号调整电路，耦接至所述光检测器，用来选择性地调整所述输出信号，以使所述输出信号对所述光线的强度有多个不同的对数函数：以及

切换电路，耦接至所述信号调整电路以及所述光检测器，用来将所述光检测器耦接至所述信号调整电路。

15.如权利要求14所述的影像传感器，其中所述信号调整电路包括：

第一信号调整元件，经由所述切换电路耦接至所述光检测器，当所述第一信号调整元件耦接至所述光检测器时，用来依据所耦接的第一预定电压来调整所述输出信号，以使所述输出信号对所述光线的所述强度具有所述多个对数函数中的第一函数；以及

所述切换电路包括：

第一切换元件，用来将所述第一信号调整元件耦接至所述光检测器。

16.如权利要求15所述的影像传感器，其中所述第一电路调整元件包括：

第一晶体管，为二极管接法晶体管（diode-connected transistor），具有耦接至所述第一切换元件的第一电极，以及一同耦接至所述第一预定电压的第二电极以及控制电极。

17.如权利要求15所述的影像传感器，其中所述信号调整电路还包括：

第二信号调整元件，经由所述切换电路耦接至所述光检测器，当所述切换电路使所述第二信号调整元件耦接至所述光检测器时，用来依据第二预定电压来调整所述输出信号。

18.如权利要求17所述的影像传感器，其中所述第二预定电压相同于所述第一预定电压，以及所述第一信号调整元件和所述第二信号调整元件会在低照度的条件下，使所述输出信号对所述光线的所述强度具有所述多个对数函数中的所述第一函数。

19.如权利要求17所述的影像传感器，其中所述第二预定电压不同于所述第一预定电压，以及所述第一信号调整元件会在高照度的条件下，使所述输出信号对所述光线的所述强度具有所述多个对数函数中的所述第一函数，以及所述第二信号调整元件会在低照度的条件下，使所述输出信号对所述光线的所述强度具有所述多个对数函数中的第二函数。

20.如权利要求17所述的影像传感器，其中所述第二信号调整元件包括：

第二晶体管，具有一同耦接至所述第一切换元件的第一电极以及控制电极，和耦接至所述第二预定电压的第二电极。

21.如权利要求15所述的影像传感器，其中所述切换电路还包括：

第二切换元件，耦接于所述光检测器以及所述信号调整电路之间，用来将所述第二信号调整元件耦接至所述光检测器。

22.如权利要求15所述的影像传感器，其中所述信号调整电路还包括：

多个第二调整元件，经由所述切换电路耦接至所述光检测器，用来分别依据多个第二预定电压来调整所述输出信号，以对所述光线的所述强度具有所述多个对数函数中的多个第二函数；以及

所述切换电路包括：

多个第二切换元件，分别耦接于所述多个第二信号调整元件以及所述光检测器之间。

23.如权利要求22所述的影像传感器，其中每一所述第二电路调整元件包括：

第二晶体管，具有一同耦接至所述第二切换元件的第一电极以及控制电极，以及耦接至所述第二预定电压的第二电极。

24.如权利要求14所述的影像传感器，其中所述像素电路还包括：

重置晶体管，具有耦接至所述光检测器的第一电极，耦接至供应电压的第二电极，耦接至重置控制信号的控制电极：以及

源极随耦器，具有耦接至所述光检测器的控制电极，用来依据所述输出信号产生像素数据输出。

25.如权利要求24所述的影像传感器，其中所述切换电路包括：

第三切换元件，耦接于所述光检测器以及所述源极随耦器之间，用来在所述像素电路的读出周期将所述光检测器耦接至所述源极随耦器。

26.如权利要求24所述的影像传感器，其中像素电路包括：

选择电路，耦接至所述源极随耦器，用来在所述像素电路的读出周期传递所述像素数据输出。