CN106357995A - 图像传感器 - Google Patents

Abstract

一种图像传感器，包含多个像素，排列为1x2共享方式，其中同行的相邻二像素形成一像素群。像素群内的二像素共用一输出线，用以输出集成光信号，且同行的这些像素群的多个输出线连接在一起，成为一位线。相邻二行的二位线连接至一多工器，其输出连接至读出电路。同列的相邻传送晶体管受控于不同传送信号。

Description

图像传感器

技术领域

本发明有关一种图像传感器，特别是关于一种具高转换增益(conversiongain)的小型低功率图像传感器。

背景技术

图像传感器(例如互补金属氧化物半导体图像传感器)可用以将光学图像转换为电子信号。图像传感器普遍使用于各种应用，例如移动电话与相机。

当图像传感器的分辨率增加时，需要更多的读出(readout)电路用以从像素读出光信号，因此会消耗更多的功率，增加更多的热。图像传感器的多个光二极管(photodiode)之间，可借由共享电路以缩小电路面积，然而却会降低转换增益与噪声效能。

因此亟需提出一种新颖的图像传感器，其具较小电路面积与功耗，而又不会牺牲效能。

发明内容

鉴于上述，本发明实施例的目的之一在于提出一种具高转换增益与简单驱动器设计的小型低功率图像传感器。在一实施例中，像素排列为1x2共享方式。二相邻行的二条位线(bit line)连接至一多工器，其输出则连接至一读出电路。

根据本发明实施例，图像传感器包含多个像素、多个多工器及多个读出电路。像素排列为1x2共享方式，其中同行的相邻二像素形成一像素群。像素群内的二像素共用一输出线，用以输出集成光信号，且同行的这些像素群的多个输出线连接在一起，成为一位线。相邻二行的二条位线连接至这些多工器之一，用以选择二相邻位线的其中之一。这些读出电路分别连接至这些多工器的输出。同列的相邻传送晶体管受控于不同传送信号。

附图说明

图1显示图像传感器的方块图。

图2A的示意图显示部分的像素，排列为非共享方式。图2B显示图2A的一些像素的像素电路。

图3A的示意图显示部分的像素，排列为2x1共享方式。

图3B显示图3A的一些像素的像素电路。

图4A的示意图显示部分的像素，排列为2x2共享方式。

图4B显示图4A的一些像素的像素电路。

图5A的示意图显示本发明第一实施例的部分像素，排列为1x2共享方式。

图5B显示图5A的一些像素的像素电路。

图5C显示相关于图5B的时序图。

图6A的示意图显示本发明第二实施例的部分像素，排列为1x2共享方式。

图6B显示图6A的一些像素的像素电路。

图6C显示相关于图6B的时序图。

符号说明

100 图像传感器

11 像素

111 像素群

112 像素群

113 像素群

114 像素群

12 读出电路

13 多工器

BL 位线

RST 重置晶体管

SF 源极跟随晶体管

SEL 选择晶体管

TG 传送晶体管

D 光二极管

FD 浮动扩散点

Vdd 电源

rst 重置信号

rst<0> 重置信号

rst<1> 重置信号

tg0 传送信号

tg1 传送信号

tg2 传送信号

tg3 传送信号

sel 选择信号

sel<0> 选择信号

sel<1> 选择信号

t1 时间

t2 时间

t3 时间

t4 时间

具体实施方式

图1显示图像传感器100(例如互补金属氧化物半导体图像传感器)的方块图。图像传感器100主要包含像素11，其排列为列与行形式；以及读出电路12，用以读出像素11所集成(或累积)的光信号。

图2A的示意图显示部分的像素11，排列为非共享方式，其中每个像素11可独立操作。图2B显示图2A的一些(例如四个)像素11的像素电路。如图2B所示，每个像素11包含光二极管D、重置晶体管RST、源极跟随晶体管SF、选择晶体管SEL及传送晶体管TG。当重置晶体管RST被重置信号(例如rst<0>)打开时，光二极管D被重置至参考电压，例如电源Vdd。当传送晶体管TG被传送信号(例如tg0)打开时，光二极管D的集成光信号则可被传送。源极跟随晶体管SF可被启动以缓冲或放大光二极管D的集成光信号。当选择晶体管SEL被选择(或字线(word line))信号(例如sel<0>)打开时，集成光信号可借由选择晶体管SEL而输出。根据图2A/2B的架构，每条位线BL连接至一相应读出电路12。由于读出电路占用相当的面积，图像传感器的像素间距因此无法有效降低，且功耗也无法减少。

图3A的示意图显示部分的像素11，排列为2x1共享方式，其中同列的相邻像素11形成一像素群(pixel group)111。图3B显示图3A的一些(例如四个)像素11的像素电路。如图3B所示，重置晶体管RST、源极跟随晶体管SF及选择晶体管SEL被像素群111的二个光二极管D所共享。根据图3A/3B的架构，相邻二像素群111分别使用不同的重置信号rst<0>与rst<1>，且分别使用不同的选择信号sel<0>与sel<1>。借此，用以产生重置信号与选择信号的驱动电路(未显示)无法降低其复杂度。

图4A的示意图显示部分的像素11，排列为2x2共享方式，其中相邻四个像素11形成一像素群112。图4B显示图4A的一些(例如四个)像素11的像素电路。如图4B所示，重置晶体管RST、源极跟随晶体管SF及选择晶体管SEL被像素群112的四个光二极管D所共享。借此，浮动扩散(floating diffusion)点FD的电容值较大，且图像传感器100的转换增益较小。

图5A的示意图显示本发明第一实施例的部分像素11，排列为1x2共享方式，其中同行的相邻二像素11形成一像素群113。像素群113内的二像素11共用一输出线，用以输出集成光信号。同行的这些像素群113的多个输出线连接在一起，成为一条位线BL。图5B显示图5A的一些(例如四个)像素11的像素电路。如图5B所示，重置晶体管RST、源极跟随晶体管SF及选择晶体管SEL被像素群113的二个光二极管D所共享。

重置晶体管RST的第一端连接至电源Vdd，重置晶体管RST的第二端连接至浮动扩散点FD，且重置晶体管RST的控制端接收重置信号rst。源极跟随晶体管SF的第一端连接至电源Vdd，源极跟随晶体管SF的第二端连接至选择晶体管SEL的第一端，且源极跟随晶体管SF的控制端连接至浮动扩散点FD。选择晶体管SEL的第二端作为输出线，且选择晶体管SEL的控制端接收选择信号sel。传送晶体管TG的二端分别连接至浮动扩散点FD与相应光二极管D，且传送晶体管TG的控制端接收相应传送信号(例如tg0、tg2)。

相较于图4B，由于像素群113的光二极管D数目小于图4B的像素群112的光二极管D数目，因此浮动扩散点FD的电容值较小，且图像传感器100的转换增益较大。相较于图3B，由于相邻像素群113使用相同的重置信号rst及相同的选择信号sel，因此用以产生重置信号与选择信号的驱动电路(未显示)将较为简化。

根据本实施例的特征之一，相邻二行的二条位线BL连接至一多工器13，其于某一时间选择二条位线BL的其中之一。多工器13的输出连接至一读出电路12。相较于图2B，由于使用较少的读出电路12，可以节省相当的面积，图像传感器100的像素间距因而可以有效降低，且功耗也可减少。

根据本实施例的另一特征，同列的相邻传送晶体管TG受控于不同的传送信号(例如tg0与tg1)。

图5C显示相关于图5B的时序图。于时间t1与时间t2之间，重置信号rst间歇地变为主动，且四个传送信号tg0、tg1、tg2、tg3依序变为主动以分别执行像素重置，接着分别进行光信号的集成。于时间t3与时间t4之间，当选择信号sel变为主动，重置信号rst间歇地变为主动以执行相关性双重取样(CDS)重置，且四个传送信号tg0、tg1、tg2、tg3依序变为主动以分别执行相关性双重取样(CDS)读出，接着分别进行光信号的输出。

图6A的示意图显示本发明第二实施例的部分像素11，排列为1x2共享方式，其中同行的相邻二像素11形成一像素群114。像素群114内的二像素11共用一输出线，用以输出集成光信号。同行的这些像素群114的多个输出线连接在一起，成为一位线BL。图6B显示图6A的一些(例如四个)像素11的像素电路。第二实施例类似于第一实施例，不同的地方在于第二实施例不需使用选择晶体管，因而可以减少电路面积。如图6B所示，重置晶体管RST与源极跟随晶体管SF被像素群114的二个光二极管D所共享。

重置晶体管RST的第一端连接至选择信号sel，重置晶体管RST的第二端连接至浮动扩散点FD，且重置晶体管RST的控制端接收重置信号rst。源极跟随晶体管SF的第一端连接至电源Vdd，源极跟随晶体管SF的第二端作为输出线BL，且源极跟随晶体管SF的控制端连接至浮动扩散点FD。传送晶体管TG的二端分别连接至浮动扩散点FD与相应光二极管D，且传送晶体管TG的控制端接收相应传送信号(例如tg0、tg2)。

图6C显示相关于图6B的时序图。于时间t1与时间t2之间，选择信号sel变为主动，亦即，升至高电平。重置信号rst间歇地变为主动，且四个传送信号tg0、tg1、tg2、tg3依序变为主动以分别执行像素重置，接着分别进行光信号的集成。于时间t3与时间t4之间，当选择信号sel变为主动，重置信号rst间歇地变为主动以执行相关性双重取样(CDS)重置，且四个传送信号tg0、tg1、tg2、tg3依序变为主动以分别执行相关性双重取样(CDS)读出，接着分别进行光信号的输出。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的申请专利范围。凡其它未脱离发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在所附权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种图像传感器，包含：

多个像素，排列为1x2共享方式，其中同行的相邻二像素形成一像素群，该像素群内的二像素共用一输出线，用以输出集成光信号，且同行的这些像素群的多个输出线连接在一起，成为一位线；

多个多工器，相邻二行的二位线连接至这些多工器之一，用以选择该二相邻位线的其中之一；以及

多个读出电路，分别连接至这些多工器的输出；

其中同列的相邻传送晶体管受控于不同传送信号。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中重置晶体管、源极跟随晶体管及选择晶体管被该像素群的二个光二极管所共享。

3.根据权利要求2项所述的图像传感器，对于该像素群，该重置晶体管的第一端连接至电源，该重置晶体管的第二端连接至浮动扩散点，且该重置晶体管的控制端接收重置信号；该源极跟随晶体管的第一端连接至电源，该源极跟随晶体管的第二端连接至该选择晶体管的第一端，且该源极跟随晶体管的控制端连接至浮动扩散点；该选择晶体管的第二端作为输出线，且该选择晶体管的控制端接收选择信号；及传送晶体管的二端分别连接至浮动扩散点与相应光二极管，且该传送晶体管的控制端接收相应传送信号。

4.根据权利要求3所述的图像传感器，执行以下步骤：

于第一时间与第二时间之间，重置信号间歇地变为主动，且四个传送信号依序变为主动以分别执行像素重置，接着分别进行光信号的集成；及

于第三时间与第四时间之间，当选择信号变为主动，重置信号间歇地变为主动以执行相关性双重取样(CDS)重置，且四个传送信号依序变为主动以分别执行相关性双重取样(CDS)读出，接着分别进行光信号的输出。

5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中这些像素的至少一部分不包含选择晶体管。

6.根据权利要求5所述的图像传感器，其中重置晶体管及源极跟随晶体管被该像素群的二个光二极管所共享。

7.根据权利要求6所述的图像传感器，对于该像素群，该重置晶体管的第一端连接至选择信号，该重置晶体管的第二端连接至浮动扩散点，且该重置晶体管的控制端接收重置信号；该源极跟随晶体管的第一端连接至电源，该源极跟随晶体管的第二端作为输出线，且该源极跟随晶体管的控制端连接至浮动扩散点；及传送晶体管的二端分别连接至浮动扩散点与相应光二极管，且该传送晶体管的控制端接收相应传送信号。

8.根据权利要求7所述的图像传感器，执行以下步骤：

于第一时间与第二时间之间，选择信号变为主动，重置信号间歇地变为主动，且四个传送信号依序变为主动以分别执行像素重置，接着分别进行光信号的集成；及

于第三时间与第四时间之间，当选择信号变为主动，重置信号间歇地变为主动以执行相关性双重取样(CDS)重置，且四个传送信号依序变为主动以分别执行相关性双重取样(CDS)读出，接着分别进行光信号的输出。

9.根据权利要求1所述的图像传感器，包含互补金属氧化物半导体图像传感器。

10.根据权利要求1所述的图像传感器，其中这些像素排列为列与行形式。