CN111757025A - 电子装置 - Google Patents

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Abstract

一种电子装置，包括重置电路及第一像素传感电路。重置电路具有第一节点及第二节点，第一节点接收重置信号。第一像素传感电路耦接于重置电路，且包括光电二极管、第一晶体管及第二晶体管。光电二极管具有第一端及第二端，光电二极管的第一端耦接于第二节点。第一晶体管具有控制端、第一端及第二端，第一晶体管的控制端经由第三节点耦接于光电二极管的第二端。第二晶体管具有控制端和第一端，第二晶体管的控制端接收选行信号，第二晶体管的第一端耦接于第一晶体管的第二端。

Description

电子装置
技术领域
本发明是有关于一种电子装置，特别是一种具有可在被侦测光线光强度微弱的情况下侦测影像的光感测元件的电子装置。
背景技术
主动式像素传感器(Active Pixel Sensor)是一种具有光电二极管及主动式放大器的影像传感器，其已广泛应用于影像感测上，例如数字相机、数字扫描和指纹辨识。主动式像素传感器使用光电二极管侦测光强度以转换为相应大小的电流，在被侦测光线光强度微弱的情况下光强度微弱，在相关技术中会增加光电二极管的面积以增加光电二极管的电流，然而增加光电二极管的面积会同时增加光电二极管的寄生电容而使得光电二极管电流产生的电压变化减低，无法有效侦测弱光并提供清楚的影像质量。
为了加强影像质量，需要一种可在被侦测光线光强度微弱的情况下侦测影像的像素传感器。
发明内容
本发明的实施例提供一种电子装置，包括重置电路及第一像素传感电路。重置电路具有第一节点及第二节点，第一节点接收重置信号。第一像素传感电路耦接于重置电路，且包括光电二极管、第一晶体管及第二晶体管。光电二极管具有第一端及第二端，光电二极管的第一端耦接于第二节点。第一晶体管具有控制端、第一端及第二端，第一晶体管的控制端经由第三节点耦接于光电二极管的第二端。第二晶体管具有控制端和第一端，第二晶体管的控制端接收选行信号，第二晶体管的第一端耦接于第一晶体管的第二端。
附图说明
图1是本发明实施例的电子装置的示意图。
图2是图1电子装置的在重置模式下运作的示意图。
图3是图1电子装置的在感测模式下运作的示意图。
图4是图1电子装置的在扫描模式下运作的示意图。
图5是图1电子装置的控制方式的时序图。
图6是图1电子装置的另一控制方式的时序图。
图7是本发明实施例的另一电子装置的示意图。
附图标记说明：1、7-电子装置；10-像素传感电路；11-重置电路；12-重置驱动器；14-扫描驱动器；16-数据驱动器；70-像素阵列；Cp-电容；D-光电二极管；ID1,f、ID1,r-顺向偏压电流、逆向偏压电流；Id-漏极电流；M1-第一晶体管；M2-第二晶体管；M3-第三晶体管；M4-第四晶体管；N1、N2、N3-第一节点、第二节点、第三节点；Srst、Srst[n]、Srst[n+1]-重置信号；Srow、Srow[n]、Srow[n+1]-选行信号；Scol-输出信号；Treset-重置期间；Tscan-扫描期间；Tsense-感测期间；VA、VB-电压；V0、V1、V2、Vdd-偏压。
具体实施方式
图1是本发明实施例的电子装置1的示意图，包括像素传感电路10、重置电路11、重置驱动器12、扫描驱动器14及数据驱动器16。重置驱动器12经由重置电路11耦接于像素传感电路10，且扫描驱动器14及数据驱动器16耦接于像素传感电路10。
重置电路11包括互相串联的第三晶体管M3及第四晶体管M4，且具有第一节点N1及第二节点N2，重置电路11经由第一节点N1耦接于重置驱动器12以接收重置信号Srst。第三晶体管M3具有控制端、第一端及第二端，第三晶体管M3的控制端经由第一节点N1耦接于重置驱动器12，第三晶体管M3的第一端耦接于偏压V2，且第三晶体管M3的第二端耦接于第二节点N2。第四晶体管M4具有控制端、第一端及第二端，第四晶体管M4的控制端经由第一节点N1耦接于重置驱动器12，第四晶体管M4的第一端耦接于第二节点N2，且第四晶体管M4的第二端耦接于偏压V0。像素传感电路10包括光电二极管D、第一晶体管M1、第二晶体管M2及电容Cp。光电二极管D具有第一端及第二端，光电二极管D的第一端耦接于第二节点N2，光电二极管D的第一端可以是阴极，光电二极管D的第二端可以是阳极。电容Cp具有第一端及第二端，电容Cp的第一端经由第三节点N3耦接于光电二极管D的第二端，电容Cp的第二端耦接于偏压V1。第一晶体管M1具有控制端、第一端及第二端，第一晶体管M1的控制端耦接于第三节点N3，且第一晶体管M1的第一端耦接于偏压Vdd。第二晶体管M2具有控制端、第一端及第二端，第二晶体管M2的控制端耦接于扫描驱动器14以接收选行信号Srow，第二晶体管M2的第一端耦接于第一晶体管M1的第二端，且第二晶体管M2的第二端耦接于数据驱动器16以输出输出信号Scol。偏压V2大于偏压V1，偏压V1大于偏压V0，且偏压Vdd可以是可变电压。第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3可为N型金属氧化物半导体(NMOS)晶体管，第四晶体管M4可为P型金属氧化物半导体(PMOS)晶体管。第二晶体管M2可具有双闸构造(dual gatesor double gates)，用以降低漏电流。第一晶体管M1可放大光电二极管D的逆向偏压电流ID,r，第二晶体管M2可选择要读取的输出信号Scol，第三晶体管M3可使电容Cp放电而重置第三节点N3的电压VB，且第四晶体管M4可将第二节点N2的电压VA设于偏压V2而使光电二极管D处于逆偏压状态。
像素传感电路10可在重置模式、感测模式或扫描模式下运作。图2、图3及图4分别是电子装置1的在重置模式、感测模式及扫描模式下运作的示意图。如图2所示，在重置模式下，重置电路11接收重置信号Srst使第三晶体管M3截止及第四晶体管M4导通，以将第二节点N2的电压VA设于偏压V0，使光电二极管D处于顺向偏压状态，因此光电二极管D的顺向偏压电流ID,f对电容Cp放电并使第三节点N3的电压VB重置于偏压V1。由于偏压V1大于偏压V0，所以在重置模式下第三节点N3的电压VB大于第二节点N2的电压VA。在重置模式下选行信号Srow使第二晶体管M2截止。如图3所示，在感测模式下，重置信号Srst使第三晶体管M3导通及第四晶体管M4截止，以将第二节点N2的电压VA设于偏压V2，使光电二极管D处于逆向偏压状态以将入射光转换为逆向偏压电流ID,r，逆向偏压电流ID,r对电容Cp持续充电一段时间使第三节点N3的电压VB上升至(V1+Vd)，电压Vd为电流ID,r对电容Cp充电而产生的电压。由于偏压V2大于偏压V1，所以感测模式下，第二节点N2的电压VA大于第三节点N3的电压VB。在感测模式下选行信号Srow使第二晶体管M2截止。如图4所示，在扫描模式下，第二晶体管M2接收选行信号Srow而导通，第三节点N3的电压VB上升至(V1+Vd)而导通第一晶体管M1，第一晶体管M1工作于饱和区以将电压VB转换为电流Id而输出输出电压Vout做为输出信号Scol，然后处理器(未图式)通过数据驱动器16接收输出信号Scol进行处理及分析以获得光强度信息。电压Vout以公式(1)表示:
Figure BDA0002010866760000041
其中：
V1是偏压；
ID,r是光电二极管D的逆向偏压电流；
t是电容Cp的充电时间；
C是电容Cp的电容值；
Vth是第一晶体管M1的临界电压；
Id是第一晶体管M1的漏极电流；
L、W、μ、Cox分别是第一晶体管M1的信道长度、信道宽度、迁移率及单位面积的氧化层电容值。
如公式(1)所示，输出电压Vout和光电二极管D的逆向偏压电流ID,r及电容Cp充电时间t成正相关，和电容Cp的电容值C成负相关。当电容值C越小，或是逆向偏压电流ID,r或充电时间t越大时，输出电压Vout便越大，更容易由屏下辨识低亮度的光线。在某些实施例中，为了增加光电二极管D的面积以增加逆向偏压电流ID,r而增加输出电压Vout，同时由于电容Cp串接于光电二极管D且电容Cp具有固定电容值C，所以可将光电二极管D的寄生电容和电容Cp的等效电容值限制在电容值C而不受到增加的寄生电容的电容值影响而降低输出电压Vout。电容Cp可具有介于1.2fF和10fF之间的固定电容值C。
虽然图1仅显示一个像素传感电路10，电子装置1也可以包括多个像素传感电路10，可设置为阵列且用于感测不同位置的光，如图7所示。
图5和图6显示电子装置1的两种信号控制方式的时序图，包括重置信号Srst[n]，Srst[n+1]及选行信号Srow[n]，Srow[n+1]，分别代表传送给像素传感电路10的第n行和第n+1行的重置信号和选行信号。图5和图6的两种信号控制方式都可采用依序逐行感测和扫描的方式来感测光。重置信号Srst[n]，Srst[n+1]可于重置期间Treset内将第n行和第n+1行的像素传感电路10设置于重置模式，且于感测期间Tsense内将像素传感电路10的第n行和第n+1行设置于感测模式。选行信号Srow[n]，Srow[n+1]可于扫描期间Tscan内将像素传感电路10的第n行和第n+1行设置于扫描模式。图5显示重置信号Srst[n]，Srst[n+1]和选行信号Srow[n]，Srow[n+1]同步的控制方式，感测模式和扫描模式同时进行，可缩短侦测时间；图6显示重置信号Srst[n]，Srst[n+1]和选行信号Srow[n]，Srow[n+1]不同步的控制方式，感测模式先执行一段时间后才开始扫描模式，可产生较清楚的信号。重置模式、感测模式及扫描模式的运作方式已于图2、3、4的描述中提供，在此不再重述。
在图5中，首先重置信号Srst[n]位于低电位VL以设置电压VA至偏压V0及重置电压VB至偏压V1，接着重置信号Srst[n]和选行信号Srow[n]同时位于高电位VH以感测电压VB的变化及读取第n行的输出信号Scol[n]。在进行第n行的感测模式及扫描模式时第n+1行的重置信号Srst[n+1]位于低电位VL，而在第n行的感测模式及扫描模式结束后，重置信号Srst[n+1]和选行信号Srow[n+1]同时位于高电位VH以同时感测电压VB的变化及读取第n+1行的输出信号Scol[n+1]。藉由图5的控制方式电子装置1可逐行感测光强度和读取相应的输出信号Scol[n]，Scol[n+1]。
图6和图5的信号控制方式类似，但是第n行的感测期间Tsense拉长且在第n行的感测期间Tsense快结束时第n行的扫描期间Tscan及第n行的感测期间Tsense才同时进行，第n+1行的操作方式亦同。和图5相比由于图6的感测期间Tsense较长，电容Cp可充电较长时间，产生较高的电压VB，所以相应的输出信号Scol也较大。
图7是本发明实施例的另一电子装置的示意图，包括像素阵列70、重置电路11、重置驱动器12、扫描驱动器14及数据驱动器16。重置驱动器12经由重置电路11耦接于像素阵列70，且扫描驱动器14及数据驱动器16耦接于像素阵列70，藉以控制像素阵列70在重置模式、感测模式或扫描模式下运作。像素阵列70包括多个像素传感电路10(1,1)到10(M,N)，以阵列方式排列。重置驱动器12和扫描驱动器14可分别设置于像素阵列70的两边，且数据驱动器16可设置于电子装置7的底部。重置信号Srst[1]重置第1行的第一像素传感电路10[1,1]及第二像素传感电路10[1,N]，重置信号Srst[2]重置第2行的像素传感电路10，选行信号Srow[1]选择第1行的像素传感电路10，选行信号Srow[2]选择第2行的像素传感电路10以读取感测到的光强度。
图1的像素传感电路10及图7的像素阵列70可以藉由增加光电二极管D的照光面积来增加逆向偏压电流ID,r，同时将电容Cp串接于光电二极管D以将光电二极管D和电容Cp的等效电容值限制在电容值C，藉以增加输出电压Vout，当应用于指纹扫描仪等低光环境时可更容易由屏下辨识低亮度的光线。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明的各实施例可以有各种更改、变化或混合使用。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 (10)

1.一种电子装置，其特征在于，包括：
重置电路，具有第一节点及第二节点，其中所述第一节点接收重置信号；及
第一像素传感电路，耦接于所述重置电路，且所述第一像素传感电路包括：
光电二极管，具有第一端及第二端，其中所述光电二极管的所述第一端耦接于所述第二节点；
第一晶体管，具有控制端、第一端及第二端，其中所述第一晶体管的所述控制端经由第三节点耦接于所述光电二极管的所述第二端；及
第二晶体管，具有控制端和第一端，其中所述第二晶体管的所述控制端接收选行信号，所述第二晶体管的所述第一端耦接于所述第一晶体管的所述第二端。
2.如权利要求1所述的电子装置，其特征在于，其中所述第一像素晶体管传感电路还包括电容，且所述电容耦接于所述光电二极管。
3.如权利要求2所述的电子装置，其特征在于，其中所述电容的电容值介于1.2fF和10fF之间。
4.如权利要求1所述的电子装置，其特征在于，更包括第二像素传感电路，耦接于所述重置电路。
5.如权利要求1所述的电子装置，其特征在于，其中所述第二晶体管具有双闸构造。
6.如权利要求1所述的电子装置，其特征在于，其中所述重置电路包括互相串联的第三晶体管及第四晶体管。
7.如权利要求1所述的电子装置，其特征在于，其中所述重置信号和所述选行信号同步。
8.如权利要求1所述的电子装置，其特征在于，其中所述重置信号和所述选行信号不同步。
9.如权利要求1所述的电子装置，其特征在于，其中在重置模式下，所述第三节点的电压大于所述第二节点的电压。
10.如权利要求1所述的电子装置，其特征在于，其中在感测模式下，所述第二节点的电压大于所述第三节点的电压。
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