TW200301965A - Zero DC current readout circuit for CMOS image sensor - Google Patents

Description

200301965 五、發明說明（1) 發明所屬之技術領域： 本發明與一種用於掃描器之互補式金氧半電晶體（CMOS)影 像感應器有關，特別是有關於一種於讀出過程裏不會產生 任何直流電流之互補式金氧半電晶體（CMOS)影像感應器中 之讀出電路。 先前技術： 人們常常用掃描器與個人電腦（PC) —起對文件進行數 位化。文件可以是文字檔案，也可以是其它類型的文件， 例如照片。掃描器的一個重要元件是成像裝置。在許多現 代掃描器中，上述成像裝置是電荷耦合元件（CCD)影像 感應器。最近，互補式金氧半電晶體（CMOS)影像感應器已 經闖入了以前主要以電荷耦合元件（CCD)影像感應器為主 的應用領域。這部分地是因？互補式金氧半電晶體（CMOS)影 像感應器成本較低，功耗較小。在個人電腦（PC)照相應 用、安全應用、蜂窩電話（ce 1 1 phοne)應用之類領域中， 這些優點特別重要。 根據具體應用的情況，互補式金氧半電晶體（CMOS)影像感 應器有各種陣列大小。具有一百萬圖素的高解析度影像感 應器被用於數位照相機，而低解析度的CIF、VGA或SVGA格 式則被用於安全照相機或個人電腦（PC)照相機。在許多

第5頁 200301965 五、發明說明（2) 應用中，圖素陣列大小在每列3 5 2〜1 2 8 0圖素，每列2 8 8〜 102 4圖素的數量級上。

對於掃描器，上述圖素陣列具有完全不同的大小。一般 情況下，每一列大約1 0 0 0 0個圖素。具體而言，多數掃描 器都被製造成掃描8 . 5英寸寬的文件。在1 2 0 0點每英寸 (dp i)的解析度下，需要略多於1 0 0 0 0個圖素。此外，黑 白掃描器只需要一列圖素。但是對於彩色掃描器，需要 三個1 0 0 0 0個圖素的列，一列用.於紅色，一列用於綠色，一 列用於藍色。 從陣列中的每個圖素讀出信號的時候，讀出過程中通常都 有一^個電流。如果要同時f買大s的圖素’需要很大的電流。 需要的大電流會同時導致電源線出現電壓下降，同時影響 影像感應器的接地線。這樣就會導致非均勻性，並縮短了 影像感應器的信號距離。

儘管這是許多影像感應器的問題，但是這個問題因為掃 描器中彩色影像感應器需要同時讀出3 0 0 0 0圖素以上而 更加複雜。此外，因為一列中有大量的圖素，所以實際 的圖素陣列大小在2釐米的數量級上。因此，與其它應用 中使用的影像感應器相比，用作電源與接地的金屬線實際 上很長。因此，電源與接地線上的電壓降是一個問題。

第6頁 充啟電調段 預段電所階。 一 階充號出，電 在電預信讀放 一充之出一器 :預壓輸在容 括一電一體電 包在定之晶述 ，一預件電上 路；述元出將 電器上應輸地 出容到感素性 讀電充光圖擇 種之器一述選 一壓容到上便 供電電受，以 提定述極體， 於預上閘晶接 在一將一電連 的$»地，出器 目電性及輸容 之充擇以素電 明段選；圖述 發階以體之上 本電動晶製與 200301965 五、發明說明（3) 發明内容： 本發明亦提供一種讀出電路，包括：一電容器；一在一放 電階段？動以選擇性地將上述電容器放電之放電電晶體； 以及，一閘極受到一光感應元件之一輸出信號所調製之圖 素輸出電晶體，上述圖素輸出電晶體在一讀出階段與上述 電容器連接，以便選擇性地將上述電容器充電。 本發明之再一目的在於提供一種從一圖素讀出一光信號 之方法，包括：在一預充電階段充電一電容器；透過一圖 素輸出電晶體放電上述電容器’上述圖素輸出電晶體係由 上述光信號所調製；以及，決定上述電容器所保持之電壓 以作為一輸出信號。 本發明亦提供一種從一圖素讀出一光信號之方法，包括： 在一預充電階段充電一電容器到一預定電壓；在一段預定 長度之時間透過一圖素輸出電晶體放電上述電容器，上述

第7頁 200301965 五、發明說明（4) 光信號調製上述圖素輸出電晶體係透過施加上述光信號到 上述圖素輸出電晶體之閘極上；以及，決定上述電容器所 保持之電壓以作為一輸出信號。 本發明又提供一種從一圖素讀出一光信號之方法，包括： 放電一電容器；在一段預定長度之時間透過一圖素輸出電 晶體充電上述電容器，上述光信號調製上述圖素輸出電晶 體係透過施加該光信號到上述圖素輸出電晶體之閘極上； 以及，決定上述電容器所保持之電壓以作為一輸出信號。 實施方法： 在接下來的描述中，提供了許多的具體的詳細說明以提供 對於本發明之實施例的一個完整的了解。然而，對於一個 熟知習知技術的人而言，沒有一個或更多個具體的詳細說 明，或者是有其它方法、構成要素等，本發明都可以被實 施。在其它例子中，熟知的結構或運作不加以顯示或詳細 描述以避免模糊了本發明不同實施例的觀點。 整個說明書中所提及到的"一個實施例（one embodiment) ”或 π— 實施例（an embodiment) π是意謂 著：關聯著一實施例中所描述的一個特殊的特徵、結構或 特性是包括在至少一個本發明之實施例中。因此，在整個 說明書不同地方中所出現的”在一個實施例中（i n one

200301965 五、發明說明（5) embodiment) ’’或 π 在一實施例中（in an embodiment) π 之句子不必然是指向相同的實施例。此外，上述之特殊的 特徵、結構或特性也可能以任何的方式而結合在一個或多 個實施例中。 如上所提，一互補式金氧半電晶體（CMOS)影像感應器包括 一形成於行與列中的圖素陣列。對於一彩色掃描器應用， 上述陣列包括三列圖素，每個主要色彩一列。這些圖素中 的每一個都必須用某種方式讀出來。典型情況下，每一行 圖素都與一讀出電路相關，它是本發明的主要内容。在以 下描述中，一單一圖素都關聯著一讀出電路來描述。顯然， 整個上述影像感應器需要多個讀出電路。 請回到圖一，一主動圖素（active pixel) 101與一讀出 電路10 3相連。上述主動圖素101包括一光電二極體105、一 重定（reset)電晶體107、一圖素輸出電晶體109與一列選 擇電晶體1 1 1。上述讀出電路1 0 3包括一預充電電晶體1 1 3、 一保持（hold)電晶體115、一電容器117與一放大輸出電 晶體1 1 9。因為在某些解釋中，不將上述列選擇電晶體111 明確地看作是上述主動圖素1 0 1的一部分，因此，列選擇電 晶體1 1 1也可以被看作上述讀出電路1 0 3的一部分。類似地， 上述圖素讀出電晶體1 0 9也可以被看作上述讀出電路1 0 3的 一部分。

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上述光笔極體1 〇 5連接在地（g r 〇 u n d)與節點A處之重定 ，晶體1 0 7之源極之間。上述重定電晶體1 〇 7之汲極與一設 疋值為VR — rese t之一電壓（v〇itage rail)連接。上述 VR —reset疋一個茶考電壓，在一實施例中它可以是v⑽， 了以=比的另外一個值。上述重定電晶體i 〇7之閘極 =由一重疋k號線所控制。上述重定電晶體i 〇 7之操 重定信號線的控制下可以成為一個開關。 在 晶體107之源極（對應於光電二極體1〇5 則出）/、上述圖素輸出電晶體1 0 9之閘極連接。在這種 带121二i ί圖素輸出電晶體10 9之設計，將使得上述光 區；作：下ί : ί ΐ導致上述圖素輸出電晶體109在線性 之幅ί大小。在s ί到，這種方式將會調製一要輸出信號 H Λ Λ體（PMGS)>，但是，如同下面的另-實施ΐ中 、7 ，也可以採用—Ν型金氧半電晶體（NM〇s)。 ΐϊ圖素輸出電晶體109連接在地與列選擇電晶體111之诉 。(2RS'f 。i述列選擇電晶體111之閘極與-列選擇、 2 ;;線連接。上述列選擇電晶體"1之操作 選擇化號線之控制下可以成為-個開關。 丨在上述列 上述列選擇電晶體丨丨丨之源極 之源極或汲極連接。上述伴捭’述保持電晶體1 1 5 保持u體115之閘極與-保持信

第1〇頁 200301965 發明說明（7) 線連接、。上述保持電晶體11 5之操作在保姓丄 可以成為一個開關。 ’、持k號線之控制 此外，上述預充電電晶體113之源極盥 源極或汲極連接。上述預充電帝曰.、j k擇電日日體1 1 i之 信號線連接。上述預充電+ :日日體u 3之閘極與一預充電 線之控制下可以體113之操作在上述充電信號 上ΠΪ ; Tld5之：ί與上述電容器1 1 7之-端連接。 上玫屯令為1 1 7之另一端與地連接。此， 1 1 5之汲極與上述輸出電晶丨 上述保持電日日體 的放大結構中，上述放大輸體出=極連接。在這種傳統 备出電晶體11 9被用作一放大元件 在這實施例中，上述讀出雷敗 θ #^ ^ -^tp,i 上述列選擇信號是低電平，導：： 述預充电ρ“又中’ = 述/充電信號與保持信號是高電平，將 (⑽）3ΐ 3與保持電晶體115是開的狀態 述電容哭1 ^進'使/雪上述^電容器117的電壓是VDD，從而上 .§ ^ ^ σσ ~進仃充電。在上述電容器充電完成之後，上述 號J皮置f低電平，而導致上述預充電 1 1 3”保持私日日體1 1 5是關的狀態（〇f f)。 在上述讀出階段期間’上述列選擇信號與保持信號是高 200301965 五、發明說明（8) 電平，將打開上述預充電電晶體1 1 3與保持電晶體1 1 5。這 就導致上述電容器1 1 7透過流經上述圖素讀出電晶體1 0 9之 一電流而放電。放電電流隨著時間迅速減小。在一預定與 持續的一段時間以後，上述列選擇信號與保持信號被隨後 置成低電平，關閉這些電晶體1 1 1和1 1 5，並結束這一放 電過程。 "

上述電容器1 1 7之放電速度受到上述圖素輸出電晶體1 0 9之 閘極上之信號的控制。如果上述光電二極體1 0 5輸出一高 信號，那？對於上述P型金氧半電晶體（PM0S) 109，上述圖素 輸出電晶體1 0 9允許最小的放電電流’從而使上述電容器 1 1 7保持一南電平。如果上述光電二極體10 5輸出一個低電 平，那？對於上述P型金氧半電晶體（PMOS)電晶體109，上述 圖素輸出電晶體10 9允許最大的放電電流，從而使上述電 容器11 7保持一低電平。通過這種方式，上述光電二極體 1 0 5之輸出對上述電容器1 1 7中保存的電荷進行調製。儲存 在上述電容器1 1 7中的電壓被隨後用來控制放大輸出電晶 體1 1 9。要注意的是，只要它一直作用，並且在讀出階段期 間的時間是連續的，上述讀出結果對上述電容器C之預充電 電壓值是不敏感的。 在上述信號被讀出以後，上述光電二極體1 0 5即利用上述重 定電晶體1 0 7來重定。上述圖素1 0 1透過上述重定電晶體1 0 7 之重定可以在或大約上述預充電操作時之相同時間來進行。

第12頁 200301965 五、發明說明（9) 要注意的是，上述重定電晶體1 0 7之操作常常用於讀出信號 以後對上述光電二極體1 0 5進行重定。在主動圖素之習知技 術中，這一過程是大家都瞭解的。在重定過程中，節點A上 的電壓被設定為¥1^_“361:。上述光電二極體1()5經歷了一段 累積時間以後，上述光電二極體1 0 5聚集了光線，節點A上 的電壓是正比於上述光聚集量而降低。 本發明有幾個優點。首先，因為在讀出過程中沒有任何直 流電流被引出，所以功耗較小。事實上，計算指出，只需 要大約習知讀出電路之功率的1 0 %。 其次，有很好的均勻性（u n i f 〇 r m i t y)與很大的信號範圍。 在讀出過程中，放電電流流到讀出電路裡面。因為外部電源 與接地線上沒有任何電流，因此在電源與接地線之間沒有 電壓降。 一般而言，本發明利用一電容器在一預充電的時候儲存一 預定量的電荷。接下來，在一讀出階段，一光電二極體上 之信號被隨後用來調整電容器釋放的電荷的電量。在讀出 階段之放電以後，上述電容器上剩餘之電荷被隨後放大成 為一信號並輸出。 圖一顯示了一能夠實現這一技術之一種讀出電路之可能結 構。然而，應該明白，上述讀出電路還可以有其它結構。

第13頁 200301965 五、發明說明（ίο) 例如，圖二顯示了另一實施例。 在這個實施例中，藉由讓列選擇電晶體1 1 1在關的狀態，而 預充電電晶體1 1 3與接地電晶體S1在開的狀態，上述電容器 1 1 7即被充電。這樣就將電容器1 1 7充到一 VDD電壓。上述 電晶體1 1 7充完電以後，預放電電晶體1 1 3與接地電晶體S 1 被關閉。這就使得上述電容器1 1 7上帶有一初始電壓VDD， 但是仍然允許上述電容器1 1 7在一讀出的過程中放電。 具體而言，在讀出的過程中，上述列選擇電晶體1 1 1、預充 電電晶體1 1 3與電晶體SO是開的。這樣就允許上述電容器1 1 7 在光電二極體1 0 5節點A上信號之控制下透過上述圖素輸出 電晶體1 0 9放電。雖然說的是π放電π，但是電荷實際上是被 放到（透過上述圖素輸出電晶體1 0 9，列選擇電晶體1 1 1與 電晶體SO)電容器1 1 7的一個極板上，以均衡（或”放電π) 電容器1 1 7上之電壓。 在一些情況下，不可能在讀出電路中形成一個放電電流 路徑。圖三顯示了一補救上述情況之實施例。具體而言， 圖三基本上與圖二類似，除了節點Β不是與節點C連接這一 點以外。在這種情況下的讀出過程中，外部電源與接地線 上有一放電電流。雖然上述放電電流迅速地隨著時間減小， 但是在讀出過程結束時電源與接地線之間仍然有一個很小 的電壓降。因此，這個實施例不如圖一與圖二所示的方案

200301965 五、發明說明（π) 那麼理想，但是仍然比習知技術之方案好。 在所有這些實施例中，上述讀出電路中之電容器都能夠同 時充電或單獨充電。對於同時充電情形，會導致電源線中 出現一相當大的電流與相對的電壓降。因此，在這個時候 不應該t買出資料。 圖四說明另一個實施例。在這個實施例中，電容器首先放 電，然後執行一讀出步驟。儘管大部分的個別元件類似於 圖一〜三所示的那些，但是佈局與操作方式不同。具體而 言，上述光電二極體105、重定電晶體107、圖素輸出電晶體 1 0 9與列選擇電晶體1 1 1基本上與前面的實施例中的相同。 但是在第一個放電階段，列選擇電晶體1 1 1是關的，而一放 電電晶體1 2 1與保持（ho 1 d)電晶體1 1 5是開的狀態。這樣 就會導致電容器1 1 7放電，而使得陽極與陰極之間沒有電 壓差（都是同樣的電位VDD)。放電循環完成以後，上述放 電電晶體1 2 1與保持電晶體1 1 5成為關閉狀態。 在讀出過程中，上述列選擇電晶體111與保持電晶體11 5是 開的狀態。這就使得上述電容器係透過電流流經上述保持 電晶體1 1 5、列選擇電晶體1 1 1與圖素讀出電晶體1 0 9到達地， 而充電。換句話說，電流流過的時候，與放大輸出電晶體 1 1 9之閘極連接之電容器極板上的電壓從VDD穩定地下降到 接地電壓。這樣就給電容器1 1 7π充電”。

第15頁 200301965 電流大小受到圖去^山Λ ^ 信號所調製。因^ 晶體109之間極上施加的節點Α之 壓差取決於上述圖去^述電容器117之陽極與陰極之間的電 晶體109受到節點出電晶體109，而上述圖素輸出電 個信號就這樣儲在，土電二極體1〇5輸出之信號所調製。這 電晶體119輪出存电容器11 7中，然後透過上述放大輸出 圖五所示 而言，在 而放電電 放電上述 壓差（都 放電電晶 在讀出階 的狀態。 晶體11 5， 換句話說 極連接之 這樣就給

的電 5^ 丁 A/c B 第_ “乍疋以大約類似的方式來進行。具體 s曰二放。電階段’上述列選擇電晶體111是關的狀態 之带六i與保持電晶體115是開的狀態。這樣就會 B =谷為1 1 7 ’而導致陽極與陰極之間沒有任何雷 電位）。在放電循環過程完成以後，上述-_ 2 1舁保持電晶體1 1 5是處於關的狀態。 S就= Yf、，持電晶體115是開 . k包谷态通過電流從VDD流經保持電 曰體Ul與圖素讀出電晶體109,而充電 在電流流過的眛砬，命#丄^ ^ ^ 電容器極板上之電壓浐二：出電晶體11 9之閘 電容器117充電。思疋地攸地電平增加到V⑽。 電/从大小又到施加在上述 銪點Α匕之产咕 圖素輸出電日日體1 0 9之閘極上， 即點A上之號所調製。 』《上， 口此，上述電容器丨丨7之陽極與陰

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出電晶體109，而上述圖素 二極體1 0 5之輸出信號所調 器11 7上，然後透過上述放 極之間的電壓取決於上述圖素輸 輸出電晶體1 0 9受到節點A上光電 製。這個信號就這樣儲存在電容 大輸出電晶體11 9輸出。 在讀出階段結束的時候，圖四與圖五所示之實施例中，在 電源與接地線之間都？生一很小的電流與電壓降。然而，圖 四與圖五所示之實施例都能夠很容易地在讀出電路内部構 成放電路徑。此外’這些實施例中的放電時間都很短。 對熟悉此領域技藝者，本發明雖以一些較佳實彳列闡明如上， 然其並非用以限定本發明精神。例如，雖然描述本發明的 時候採用了光電二極體，但是也可以採用其它類型的光感 應元件，例如一光閘（photogate)等。此外，描述以上實 例的時候利用了 P型基底與光電二極體。對於一 η型基底或 一光閘感應器，本發明同樣能給熟悉此領域技藝者所應用。 在不脫離本發明之精神與範圍内所作之修改與類似的安排’ 均應包含在下述之申請專利範圍内，這樣的範圍應該與覆 蓋在所有修改與類似結構的最寬廣的詮釋一致。因此’闡 明如上的本發明一些較佳實例’可用來嚴別不脫離本發明 之精神與範圍内所作之各種改變。

200301965 圖式簡單說明 圖式簡單說明： 本發明的目的、特徵、優點與較佳實施例將於往後之說明 文字中輔以下列圖形做更詳細的闡述： 圖一所顯示為根據本發明之形成一讀出電路之一示意圖。 圖二所顯示為根據本發明之一實施例形成一讀出電路之一 示意圖。 圖三所顯示為根據本發明之另一實施例形成一讀出電路之 • - 一示意圖。 圖四所顯示為根據本發明之再一實施例形成一讀出電路之 一示意圖。 圖五所顯示為根據本發明之又一實施例形成一讀出電路之 一示意圖。 圖示符號對照表： 主動圖素（active pixel) 101 讀出電路1 0 3 光電二極體1 0 5 重定（reset)電晶體107 圖素輸出電晶體1 0 9 列選擇電晶體111 預充電電晶體11 3

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Claims (1)

1. 200301965 六、申請專利範圍 申請專利範圍： 1· 一種讀出電路，包括： 一在一預充電階段充電到一預定電壓之電容器； 一在一預充電階段啟動以選擇性地將該電容器充到該預定 電壓之預充電電晶體；以及 一閘極受到一光感應元件之一輸出信號所調製之圖素輸出 電晶體，該圖素輸出電晶體在一讀出階段與該電容器連接， 以便選擇性地將該電容器放電。 2·如申請專利範圍第1項之讀出電路，更包括一閘極與該 電容器耦接之放大輸出電晶體，以使得一讀出階段完成之 後，該電容器上儲存的電壓調製該放大輸出電晶體上之電 流。 3·如申請專利範圍第1項之讀出電路，更包括一該電容器 與該圖素輸出電晶體之間之列選擇電晶體。 4· 一種讀出電路，包括： 一電容器； 一在一放電階段啟動以選擇性地將該電容器放電之放電 電晶體，以及 一閘極受到一光感應元件之一輸出信號所調製之圖素輸出 電晶體，該圖素輸出電晶體在一讀出階段與該電容器連接，

   第20頁 200301965 六、申請專利範圍 以便選擇性地將該電容器充電。 5·如申請專利範圍第4項之讀出電路，更包括一閘極與該 電容器耦接之放大輸出電晶體，以使得一讀出階段完成 之後，該電容器上儲存的電壓調製該放大輸出電晶體上 之電流。 6 ·如申請專利範圍第4項之讀出電路，更包括一該電容器 與該圖素輸出電晶體之間之列選擇電晶體。

   7 · —種從一圖素讀出一光信號之方法，包括： 在一預充電階段充電一電容器； 透過一圖素輸出電晶體放電該電容器，該圖素輸出電晶體 係由該光信號所調製；以及 決定該電容器所保持之電壓以作為一輸出信號。 8·如申請專利範圍第7項之從一圖素讀出一光信號之方法， 更包括藉由將該輸出信號加到一放大輸出電晶體之閘極來 放大該輸出信號。

   9·如申請專利範圍第7項之從一圖素讀出一光信號之方法， 其中該電容器的充電過程係將該電容器充到一預定電壓。 1 0 ·如申請專利範圍第7項之從一圖素讀出一光信號之方法，

   第21頁 200301965 六、申請專利範圍其中該電容器之放電過程要經歷一段預定長度之時間。 出 讀 圖 1 從 之 法 方 之 Jgu # 信 光 號 信 光 該 加 施 過 透 係 體 晶 電 〇 出上 輸極 9素閘 圖之 圍該體 範製晶 利調電 專號出 請信輸 申光素 如該圖 1·中該 1 其到 括； 包壓 ，電 法定 方預 之一 號到 信器 光容 一 電 出一 讀電 素充 圖段 一階 從電 種充 一預• 1 2 1在 電光 亥亥 古口=口 電加 放施 體過 晶透 電係 出體 輸晶 素電 圖出 一輸 過素 透圖 間該 時製 之調 度號 長信 定光 預該 段， 一 器 在容 # 信 及出 以輸 ·， 一 上為 極作 閘以 之壓 體電 晶之 電持 出保 輸所 素器 圖容 該電 到該 號定 信決 之 之體 號晶 信電 出 輸 出大 讀放 素一 圖到 一加 從號 之信 項出 2 1 輸。 第該號 圍將信 範由出 ^>藉輸 專括該 請包大 申更放 如，來 •法極 3 1方閘 圖·，度 一 器長 從容定 種電預 一一段 • 電 一 14放在 括 包 法 方 之 K\L # 信 光 一 出 讀 素 電 該 電 充 體 晶 電 出 輸 素 圖 - 過 透 間 時 之 圖之 該體 製晶 調電 號出 信輸 光素 該圖電 ，該該 器到定 容號決 電 之 持 保 所 器 容 信 光 該 加 施 。 過 號 透 信 係 出 體及輸 晶以一 電·，為 出上作 輸極以 素BglyJ壓

   第22頁 200301965 六、申請專利範圍 1 5 ·如申請專利範圍第1 4項之從一圖素讀出一光信號之 方法，更包括藉由將該輸出信號加到一放大輸出電晶體之 閘極來放大該輸出信號。

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