CN110519534A - 电流驱动的像素电路以及相关的图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电流驱动的像素电路以及相关的图像传感器，其中图像传感器包含一像素电路阵列以及一电流参考电路。该像素电路阵列包含复数个像素电路。其中，每一像素电路包含：一感光元件以及一电源元件。该感光元件针对光照改变其阻抗。该电源元件用于选择性地提供一驱动电流给该感光元件。该电流参考电路包含一电流源，其中，该电源元件分别依据该电流源上的一参考电流，提供该驱动电流。

Description

电流驱动的像素电路以及相关的图像传感器
技术领域
本发明涉及光学传感领域，尤其涉及一种通过电流驱动感光元件的像素电路，以及相关的图像传感器。
背景技术
图像传感器是一种撷取光线并将其转换成电子信号，从而形成图像或视频的半导体元件。这种装置广泛地使用在各种应用中。
图像传感器通常通过由复数个像素电路组成的阵列来撷取图像。现有的像素电路结构如图1所示，像素电路10包含感光元件20、开关元件SW1(重置开关)、开关元件SW2(读取开关)、以及寄生电容CPD。像素电路10的运作主要分作三个阶段，一是重置阶段，二是感光阶段、三是读出阶段。在重置阶段中，开关元件SW1导通，电源电压对感光元件20供电，从而将寄生电容CPD与感光元件20的端点充电至电源电压的准位。接着，在感光阶段，开关元件SW1断开，此时寄生电容CPD会通过感光元件20对地放电，感光元件20开始曝光，待曝光完成后，进入读出阶段，开关元件SW2导通。外部的读出电路从感光元件20的端点，读出感光信号Vsensed。
然而，在这种架构中，感光信号Vsensed正比于感光元件20的阻抗值(如感光电阻R0的电阻值)以及寄生电容CPD的电容值的乘积的指数。因此，感光信号Vsensed与光照变化(即感光电阻R0的阻抗变化)并非线性关系。如此使得像素电路10仅在特定光强区间对光照敏感。另一方面，这个架构是通过电源电压对寄生电容CPD充电，从而驱动像素电路10，而且在感光时，必须让寄生电容CPD通过感光元件20对地放电，才能反映出光照变化，因此需要一定的充放电时间，才能准确地掌握光照变化。这也造成了像素电路10反应时间的限制。
为了解决以上的问题，本发明提出一种改良的像素电路。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种创新的像素电路架构，以及相关图像传感器。其中，本发明通过在图像传感器中设置电流镜，从而以电流的形式驱动像素电路中的感光元件。有别于现有技术通过重置开关来驱动感光元件，本发明中像素电路的感光信号与感光元件的阻抗成线性关系，这可让图像传感器对所有的光强区间敏感，拥有较好的感光效果。
本发明的一个实施例公开了一种图像传感器，该图像传感器包含：一像素电路阵列以及一电流参考电路。该像素电路阵列包含复数个像素电路，其中每一像素电路包含：一感光元件以及一电源元件。该感光元件针对光照改变其阻抗。该电源元件用于选择性地提供一驱动电流给该感光元件。该电流参考电路包一电流源，其中，该电源元件分别依据该电流源上的一参考电流，提供该驱动电流。其中，该一个或多个像素电路中的该电源元件分别依据该电流源上的一参考电流，提供该驱动电流。
本发明的一个实施例公开了一种像素电路。该像素电路含：一感光元件以及一电源元件。该感光元件针对光照改变其阻抗。该电源元件用于选择性地提供一驱动电流给该感光元件。其中，该电源元件辅助外部的一电流参考电路形成一电流镜。该电源元件根据该电流参考电路中一电流源上的一参考电流来产生该驱动电流。
附图说明
图1为现有像素电路的电路架构图。
图2为根据本发明实施例一的像素电路示意图。
图3为基于图2中实施例一的像素电路所实现的图像传感器示意图。
图4为根据本发明实施例二的图像传感器示意图。
图5为根据本发明实施例三的图像传感器示意图。
图6为根据本发明实施例四的图像传感器示意图。
其中，附图标记说明如下：
10、100、212_1_1、212_1_2、 像素电路
212_Y_X、312_1_1～312_Y_X、
412_1_1～412_Y_X、
512_1_1～512_Y_X
20、130、214_1_1～214_Y_X、 感光元件
314_1_1～314_Y_X、
200、300、400、500 图像传感器
SW、SW1、SW2、SW21、SW22、 开关元件
SW2Y
S11、S11’、S21、S21’ 开关
210、310、410、510 像素电路阵列
220、420 电流参考电路
120 电源元件
222、422 共享电流源
PS、N2、P11～P1X、P21～P2X、N11、 晶体管
N12、N21、N22、N1、N2、NX、NS
CPD 寄生电容
R0 感光电阻
ID 驱动电流
IC 参考电流
Vsensed 感光信号
240_1～240_X、340、440、540 读出电路
350 多工器
360_1、360_2 缓冲器
具体实施方式
在说明书及后续的申请专利范围当中使用了某些词汇来指称特定的元件。本领域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一个元件。本说明书及后续的申请专利范围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中所提及的「包含」均为一开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于」。此外，「耦接」一词在此是包含任何直接及间接的电性连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表该第一装置可直接电性连接于该第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地电性连接至该第二装置。
本发明的概念将搭配不同实施例与相关图示来进行说明。其中，在不同图示中具有相同标号的元件或装置代表着其有相似的操作原理与技术功效。故，以下说明书将会省略重复性的叙述。再者，文中所提及的「一实施例」代表针对该实施例所描述的特定特征、结构或者是特性是包含于本发明的至少一实施方式中。因此，文中不同段落中所出现的「一实施例」并非代表相同的实施例。因此，尽管以上对于不同实施例描述时，分别提及了不同的结构特征或是方法性的动作，但应当注意的是，这些不同特征可通过适当的修改而同时实现于同一特定实施方式中。
请参考图2，该图为根据本发明实施例一的像素电路示意图。如图2所示，像素电路100包含一电源元件(power element)120、一感光元件130、一开关元件SW(读出开关)以及一寄生电容CPD。感光元件130对光照敏感，其阻抗随着光照的强度有所变化。在一实施例中，感光元件130可为一感光电阻(photoresistor)R0。然而，此非本发明的限制，在本发明其他实施例中，感光元件130可为任何对光照敏感，且基于光照变化改变其阻抗值的元件，如一光电二极管(photodiode)。当电源元件120提供驱动电流ID至感光元件130且当开关元件SW导通时，像素电路100可输出等于感光元件130当前阻抗值Z以及驱动电流ID的电流值乘积的感光信号Vsensed，亦即，Vsensed＝ID*Z。
图3所示为基于图2中所示的像素电路所实现的图像传感器的实施例。如图3所示，图像传感器200包含由X*Y(本实施例中X为3，Y为2)个像素电路212_1_1～212_Y_X组成的像素电路阵列210、电流参考电路220、开关S11～SY1、开关S11’～SY1’及读出电路240_1～240_X。在一实施例中，每一个像素电路212_1_1～212_Y_X包含个别对应的感光元件214_1_1～214_Y_X(例如，感光电阻R0)、个别的开关元件SW21～SW2Y、以及个别的电源元件(亦即，晶体管P11～PYX)。
像素电路212_1_1～212_Y_X主要基于电流参考电路220中的一个共享电流源222而被驱动，其中电流参考电路220还包含一个晶体管PS。在一预充电阶段中，开关S11～SY1任一者导通，使电流参考电路220耦接至像素电路阵列210中对应的一列像素电路，例如，在一实施例中，开关S11导通，电流参考电路220因而耦接至第一列的像素电路212_1_1～212_1_X。此时，电流参考电路220中的晶体管PS，与像素电路212_1_1～212_1_X中个别的电源元件(亦即，晶体管P11～P1X)，分别形成电流镜架构。晶体管P11～P1X从而根据共享电流源222上的参考电流IC，产生驱动电流ID，分别提供给每一个像素电路212_1_1～212_1_X中的感光元件214_1_1～214_1_X。基于晶体管PS与晶体管P11～P1X之间的比例关系，参考电流IC与驱动电流ID的大小也呈现相同的比例关系。在一实施例中，参考电流IC于驱动电流ID。
在之后的一感光阶段中，感光元件214_1_1～214_1_X的端点电压上升，并且该端点电压等于驱动电流ID的电流值以及感光元件的阻抗值Z的乘积。接着，在读出阶段中，像素电路212_1_1～212_1_X中的开关元件SW21将被导通，使得像素电路212_1_1～212_1_X分别耦接至对应的栏线DL_1～DL_X，而每一条栏线DL_1～DL_X分别耦接至对应的读出电路240_1～240_X。当像素电路212_1_1～212_1_X分别耦接至对应的栏线DL_1～DL_X之后，读出电路240_1～240_X便可通过栏线DL_1～DL_X，将像素电路212_1_1～212_1_X上的端点电压读出为感光信号。
完成一列像素电路212_1_1～212_1_X的感光及读出之后，开关S11断开，并导通开关S11’，使得像素电路212_1_1～212_1_X中的电源元件P11～P1X(亦即，晶体管P11～P1X)关闭，不再提供驱动电流ID给感光元件214_1_1～214_1_X。同时，图像传感器200对下一列的像素电路进行预充电、感光与读出操作。此时，开关S21导通，使得电流参考电路220中的晶体管PS与像素电路212_2_1～212_2_X中个别的电源元件P21～P2X(亦即晶体管P21～P2X)，分别形成电流镜架构。晶体管P21～P2X开始提供驱动电流ID给感光元件214_2_1～214_2_X，从而开始像素电路212_2_1～212_2_X的预充电、感光以及读出操作。待像素电路212_2_1～212_2_X的感光及读出完成之后，开关S21断开，并导通开关S21’，且继续进行像素电路阵列210中下一列像素电路的预充电、感光以及读出操作。
另外，尽管在上述的实施例中，每一列像素电路的预充电、感光以及读出操作时序是彼此不重叠的，但在本发明的其他实施例中，这些操作的时序可能会视实际需求而有所重叠。举例来说，在进行第一列的像素电路212_1_1～212_1_X的感光与读出操作时，开关S21可能会导通，提前对第二列的像素电路212_2_1～212_2_X进行预充电操作。换言之，开关S11与S21可能在某些时候会同时导通，同理，图中未示出的其他开关也有相同操作亦然。然而，由于不同列的像素电路会共享相同的读出电路240_1～240_X，因此开关元件SW21～SW2Y便不会在相同的时序导通。
在一个实施例中，参考电流IC的大小可能在不同的操作阶段中有所不同，例如在预充电阶段，参考电流IC的大小可能相对于其他阶段更大，如此一来可以产生更大的驱动电流ID，从而更快地将寄生电容CPD预充电至较高的位准，以缩短后续的感光阶段与读出阶段的时长。
图4所示为根据本发明实施例二的图像传感器300的架构示意图。在此实施例中(本实施例中，X为2，Y为2)，像素电路阵列310中每个像素电路312_1_1～312_Y_X的感光信号是通过一个共享读出电路340而读出。通过多工器350的控制，逐列地将像素电路312_1_1～312_Y_X中的感光元件314_1_1～314_Y_X的端点电压读出。
其中，像素电路阵列310中的像素电路312_1_1～312_1_X会通过开关元件SW21～SW2Y的控制，在适当的时序耦接至对应的栏线DL_1～DL_X。每一条栏线DL_1～DL_X又分别耦接至对应的缓冲器360_1～360_X。在读出阶段中，缓冲器360_1～360_X将每一栏线DL_1～DL_X所连接的像素电路上的感光信号传送给多工器350。而多工器350依序地将像素电路的感光信号传送给读出电路340进行读出操作。
图5所示的实施例，公开了一种基于图3所示的实施例变化的实施例三的图像传感器400的电路架构。与图3的区别之处在于，在本实施例中(本实施例中，X为2，Y为2)，提供驱动电流的电流镜架构中的晶体管的导通类型与图3所示的实施例不同。在本实施例的图像传感器400中，电流参考电路420的共享电流源422耦接于一N型晶体管NS，并且通过开关S11～SY1的控制，分别选择性地耦接至像素电路阵列410中不同列的像素电路412_1_1～412_Y_X，从而分别与像素电路412_1_1～412_Y_X中的N型晶体管N11～NYX，逐列形成电流镜架构。
图6所示的实施例三图像传感器500进一步缩小了单个像素电路的面积。其中，在本实施例中(本实施例中，X为2，Y为2)，像素电路阵列510中的像素电路512_1_1～512_Y_X中的电源元件由开关元件SW21～SW2Y取代了前述三个实施例所采用的晶体管。电流参考电路420通过耦接至设置于每一栏的晶体管N1～NX，从而分别形成电流镜架构。
首先，由于电流参考电路420已经耦接至设置于每一栏的晶体管N1～NX，并且与其形成电流镜架构，因此晶体管N1～NX上已分别产生相应的驱动电流ID。当开关元件SW21导通时，第一列的像素电路512_1_1～512_1_X会分别从晶体管N1～NX取得驱动电流ID，驱动其中的感光电阻R0。经过一定时间的预充电以及感光电阻R0适当的感光后，像素电路512_1_1～512_1_X的端点电压将由读出电路340所读出为感光信号。在第一列的像素电路512_1_1～512_1_X的感光信号被读出之后，开关元件SW21将被断开。接着，开关元件SW22导通，此时第二列的像素电路512_2_1～512_2_X同样从晶体管N1～NX取得驱动电流ID，驱动其中的感光电阻R0，并继续进行预充电，感光与读出操作。在本实施例中，由于减少了像素电路512_1_1～512_Y_X内设置的晶体管数目，因此有效地降低了单个像素电路的面积，且进一步降低图像传感器500的整体电路面积。
总结来说，本发明中的像素电路的感光元件是由电流所驱动，因此感光信号与感光元件的阻抗之间具有一线性关系，从而让像素电路阵列对所有光强区间敏感。相较于此，现有架构使用重置开关的架构，将因为其是通过电压予以驱动感光元件，导致感光信号与感光元件的阻抗之间不具线性关系，因此像素电路阵列并非对所有光强区间敏感。另一方面，由于本发明是通过电流驱动感光元件，因此仅需通过改变电流参考电路中的参考电流大小，便可直接调节驱动电流的大小，所以具有可控制且较短的充电时间。相较于此，在现有架构中，由于像素电路由电源电压所驱动，因此像素电路的反应时间，受限于寄生电容CPD的充放电时间，所以像素电路对光照的反应将不如本发明采用电流驱动那么直接且迅速。由此可知，本发明的图像传感器相较于现有技术的图像传感器，拥有更好的感光效果。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种图像传感器，其特征在于，包含：
一像素电路阵列，包含复数个像素电路，其中每一像素电路包含：
一感光元件，针对光照改变其阻抗；以及
一电源元件，用于选择性地提供一驱动电流给该感光元件；以及
一电流参考电路，包含一电流源，其中，该电源元件分别依据该电流源上的一参考电流，提供该驱动电流。
2.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，还包含有：
复数个第一开关元件，每一该第一开关元件分别将该电流参考电路耦接至该像素电路阵列中对应一列的像素电路；
其中当该复数个第一开关元件中的一个或多个将该电流参考电路耦接至一列或多列的像素电路时，该一列或多列的像素电路中的该电源元件与该电流参考电路分别形成电流镜，从而依据该参考电流提供该驱动电流给对应的该感光元件。
3.如权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，该电源元件为一晶体管。
4.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，还包含有：
复数个第二开关元件，每一该第二开关元件分别将一参考电压耦接至该像素电路阵列中的对应一列的像素电路；
其中当该复数个第二开关元件中的一个或多个将该参考电压耦接于一列或多列的像素电路时，该一列或多列的像素电路中的该电源元件被关闭，不再提供该驱动电流给该感光元件。
5.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，还包含有：
复数个晶体管，分别对应于该像素电路阵列中的复数栏，耦接至该复数个像素电路；
其中，该复数个晶体管中的每一个，分别与该电流参考电路形成电流镜，
而每一该电源元件为一开关元件，当该开关元件将该感光元件耦接至对应的该晶体管时，该开关元件由该晶体管得到该驱动电流，从而提供该驱动电流给该感光元件。
6.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，还包含有：
至少一个读出电路，用以读出该图像传感器中的信号。
7.如权利要求6所述的图像传感器，其特征在于，该图像传感器还包含：
一缓冲装置，包含复数个缓冲电路分别耦接于该像素电路阵列中的复数条栏线，从而输出复数个输出信号；
一多工器，耦接于该读出电路以及该缓冲装置，用于从该复数个输出信号中选择一者，输出给该读出电路。
8.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，该电流源上的参考电流的大小，在该图像传感器的不同操作期间中有所不同。
9.一种像素电路，其特征在于，包含：
一感光元件，针对光照改变其阻抗；以及
一电源元件，用于选择性地提供一驱动电流给该感光元件；
其中该电源元件用以辅助外部的一电流参考电路形成一电流镜，并且该电源元件根据该电流参考电路中一电流源上的一参考电流来提供该驱动电流。
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