TW201519655A

TW201519655A - 影像感測器

Info

Publication number: TW201519655A
Application number: TW102139833A
Authority: TW
Inventors: Ping-Hung Yin
Original assignee: Himax Imaging Inc
Priority date: 2013-11-01
Filing date: 2013-11-01
Publication date: 2015-05-16
Also published as: US20150124130A1

Abstract

影像感測器包含一被動像素感測器陣列以及一讀出電路。該被動像素感測器陣列具有複數個像素行，每一像素行具有至少一行線。該讀出電路包含一斜波訊號產生電路、一斜波訊號線及一比較電路。該斜波訊號產生電路用以產生一斜波訊號，且該斜波訊號線用以接收該斜波訊號。該比較電路對應於該行線，在該讀出電路的操作循環期間，該被動像素感測器陣列的一像素感測器輸出一充電訊號至該行線，以及該比較電路係用以根據該斜波訊號及該充電訊號來產生該像素感測器之一輸出訊號。

Description

影像感測器

本發明係關於影像感測，尤指一種在輸出級使用比較器而非運算放大器之影像感測器，以針對被動像素結構提供低讀出雜訊之訊號。

請參考第1圖，第1圖係為應用於被動像素感測器陣列(passive pixel sensor array)10的習知讀出電路100之示意圖。如第1圖所示，讀出電路100包含複數個行電路(column circuit)110、120，且行電路110、120各包含一運算放大器及一電容，例如，行電路110包含一運算放大器112及一電容114，而行電路120包含一運算放大器122及一電容124。像素感測器陣列10包含複數個像素感測器P11~P24，且像素感測器P11~P24中每一像素感測器係透過訊號線116、126耦接於讀出電路100。訊號線116及訊號線126皆包含一個小的寄生電容。對於每一行電路來說，耦合之寄生電容可用一等效電容值Cp來表示。

由於高解析度影像感測器的需求，故像素會被設計得更小，因此電容114的電容值必須與電容值Cp一樣小，以產生足夠的輸出擺幅來克服運算放大器112所造成的讀出雜訊(readout noise)，然而，這樣的作法將會提高生產成本，且讀出雜訊依然存在。

因此，有需要提供一種用在被動像素感測器並能提供低讀出雜訊之訊號的讀出電路。

為了解決上述問題，本發明實施例提供了一種用於被動像素結構的讀出電路，其輸出級使用比較器以提供低讀出雜訊的訊號。

本發明之一實施例提供了一種影像感測器。該影像感測器包含一被動像素感測器陣列以及一讀出電路。該被動像素感測器陣列具有複數個像素行，該複數個像素行中的每一像素行具有至少一行線。該讀出電路包含一斜波訊號產生電路、一斜波訊號線及一比較電路。該斜波訊號產生電路用以產生一斜波訊號，該斜波訊號線用以接收該斜波訊號，其中該斜波訊號線以非電連接的方式與該行線交錯，以在該斜波訊號與該行線之間形成一寄生電容。該比較電路對應於該行線，在該讀出電路的該操作循環期間，該被動像素感測器陣列的一像素感測器輸出一充電訊號至該行線，以及該比較電路係用以根據該斜波訊號及該充電訊號來產生該像素感測器之一輸出訊號。

針對被動像素架構，本發明透過在輸出級採用比較器而非採用運算放大器，因而可提供具有低讀出雜訊的訊號。

10、240、340‧‧‧被動像素感測器陣列

100、210‧‧‧讀出電路

110、120‧‧‧行電路

112、122‧‧‧運算放大器

114、124‧‧‧電容

116、126‧‧‧訊號線

200、300‧‧‧影像感測器

212‧‧‧斜波訊號產生電路

214‧‧‧斜波訊號線

220_1~220_M、320_1~320_M‧‧‧比較電路

230_1~230_M‧‧‧計數器

324_1~324_M‧‧‧開關

P11~PNM‧‧‧像素感測器

Cp‧‧‧等效電容值

Cr‧‧‧寄生電容

C1~CM‧‧‧像素行

L1~LM‧‧‧行線

S_TX1~S_TXN‧‧‧控制訊號

S_CHG‧‧‧充電訊號

S_RAMP‧‧‧斜波訊號

S_OUT‧‧‧輸出訊號

S_RST‧‧‧重置訊號

S_SWT‧‧‧選擇訊號

V_OUT‧‧‧讀出值

T‧‧‧時間

第1圖係為應用在被動像素感測器陣列之習知讀出電路的示意圖。

第2圖係為本發明影像感測器之第一實施例的示意圖。

第3圖係為本發明影像感測器之第二實施例的示意圖。

第4圖係為第2圖所示之影像感測器的操作時序圖。

第5圖係為第3圖所示之影像感測器的操作時序圖。

在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同樣的元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。另外，「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接於該第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。

請參閱第2圖，第2圖係為本發明影像感測器之第一實施例的示意圖。影像感測器200包含一被動像素感測器陣列240以及一讀出電路210。在本實施例中，被動像素感測器陣列240係為一M×N像素感測器矩陣(matrix)，其具有複數條行線(column line)L1~LM，且行線L1~LM中每一條行線係耦接於複數個像素感測器，也就是說，像素感測器陣列240中的每一像素感測器係透過其浮動擴散(floating diffusion)而耦接於行線，且每一像素感測器之浮動擴散形成一寄生電容。舉例來說，像素感測器P11~P1N係透過浮動擴散而耦接於行線L1，且在行線L1上的像素感測器P11~P14的浮動擴散所造成的寄生電容可經累加後以一等效電容值Cp來表示。在被動像素感測器陣列240的同一像素列(pixel row)中的每一像素感測器(例如像素感測器P11~PM1)係藉由同一控制訊號來控制，譬如像素感測器P11、P21、...、PM1的閘極端係透過一控制訊號(例如S_TX1)來控制。此外，當控制訊號S_TX1開啟像素感測器P11的傳輸閘(transfer gate)時，像素感測器P11會傳送一充電訊號S_CHG至像素感測器P11的浮動擴散。

讀出電路210可包含(但不侷限於)一斜波訊號(ramp signal)產生電路212、一斜波訊號線214、複數個比較電路220_1~220_M，以及複數個計數器(counter)230_1~230_M。斜波訊號產生電路212係用以在讀取電路210之一操作循環(operating cycle)的期間產生一斜波訊號S_RAMP。斜波訊號線214係用以接收斜波訊號S_RAMP，並以非電連接的方式與行線交錯(intersect)，以在斜波訊號線214與行線L1~LM之間形成一寄生電容。斜波訊號產生電路212係透過斜波訊號線214來傳送斜波訊號S_RAMP，以行線L1為例，斜波訊號線214係覆蓋/交錯於行線L1，但不與行線L1電連接，並在斜波訊號線214與行線L1的交錯處形成一寄生電容Cr。

比較電路220_1~220_M係分別耦接於行線L1~LM，比較電路220_1~220_M係透過寄生電容Cr而接收來自斜波訊號產生電路212的斜波訊號S_RAMP，且在讀出電路210的操作循環的期間，被動像素感測器陣列240的一像素感測器會輸出充電訊號S_CHG至行線L1~LM中的一條行線，且比較電路220_1~220_M中的每一比較電路係用以根據斜波訊號S_RAMP及相對應行線的充電訊號S_CHG，來產生像素感測器之一輸出訊號S_OUT。舉例而言，在讀出電路210的操作循環期間，比較電路220_1係負責根據行線L1的充電訊號S_CHG以及斜波訊號S_RAMP，來將對應像素感測器P11的輸出訊號S_OUT輸出至行線L1。更明確來說，一旦斜波訊號S_RAMP超過行線L1的充電訊號S_CHG，則輸出訊號S_OUT的狀態便會改變。此外，複數個計數器230_1~230_M係分別耦接於比較電路220_1~220_M，且計數器230_1~230_M中的每一計數器係用以計數輸出訊號S_OUT改變其狀態所需的時間T，並據以產生一讀出值V_OUT。

簡言之，舉例來說(但本發明並不以此為限)，讀出電路210的操作可歸納為以下步驟。首先，在讀出電路210的操作循環的期間，比較電路220_1及計數器230_1會被重置(reset)。接著，控制訊號S_TX1被拉高(asserted)以使像素感測器P11將光二極體(photodiode)的充電訊號S_CHG 傳至像素感測器11的浮動擴散。再來，於像素感測器11傳送充電訊號S_CHG之後，斜波訊號產生電路212便產生斜波訊號S_RAMP。之後，比較電路220_1將斜波訊號S_RAMP的電位(由感測電容Cr提供)與被傳送的電荷的電位(由電容值Cp提供)作比較，當斜波訊號S_RAMP達到被傳送的電荷的電位時，輸出訊號S_OUT的電位會下降。計數器230_1係在斜波訊號S_RAMP達到被傳送的電荷的電位之前輸出所計數的時間T，以作為像素感測器P11的讀出值V_OUT。

另外，由於電容值Cp係由多個像素感測器的浮動擴散所造成，因此若要使對應每一行線的電容值Cp有相同的值，則每一像素感測器的輸出訊號S_OUT便需透過相同的斜波訊號S_RAMP來產生，也就是說，具有相同波形的斜波訊號S_RAMP可被分配給像素感測器陣列240的複數個列，例如，若電容值Cp係由像素感測器P11~P14的浮動擴散提供，則用來產生像素感測器P11之輸出訊號S_OUT的斜波訊號S_RAMP也會被用來產生像素感測器P12、P13及P14的輸出訊號S_OUT。為何需要藉由數個施體(donor)來提供電容值Cp的理由在於電容值Cp應該被控制在與電容Cr相同的數量級(order)，以使整體讀出電路架構能最佳地運作，若電容值Cp係遠小於電容Cr的電容值，則讀出電路210的輸出波形的振幅將有可能被截掉(truncate)太多，另一方面，若電容值Cp係遠大於電容Cr的電容值，則讀出電路210的讀出速度會因此減慢，而此問題將可藉由分割(partition)像素感測器陣列240來解決。

舉例來說(但本發明並不以此為限)，請參考第3圖，第3圖係為本發明影像感測器之第二實施例的示意圖。在此實施例中，影像感測器300中的被動像素感測器陣列340係為一M×N像素感測器矩陣，其具有複數個行C1~CM，且每行會具有兩條行線L1、L2。行線L1、L2中每一行線係分別耦接於同一行中一半的像素感測器，例如在像素感測器陣列340的奇數列上的像素感測器(例如P11、P13)係耦接於行C1的行線L1，而在像素感測器陣列340的偶數列上的像素感測器(例如P12、P14)係耦接於行C1的行線L2。如此一來，因為像素感測器陣列340中每一行線僅耦接一半的像素感測器，故像素感測器陣列340的電容值Cp可被減至像素感測器陣列140的電容值Cp的一半。

影像感測器300的結構係大致上相同於影像感測器200，而主要差異在於比較電路320_1~320_M中每一比較電路另包含一開關，用以選擇性地將一相對應行線(其係選取自一相對應的像素行(pixel column)的複數條行線)耦接至一相對應的比較器。舉例來說，比較電路320_1包含一開關324_1，用以選擇性地將行C1的行線L1或行線L2耦接至比較器322_1。在斜波訊號產生電路310產生斜波訊號S_RAMP之前，開關324_1會先將行C1的行線L1、L2的其中一條行線耦接至比較器322_1。由於熟習此技藝者可於閱讀以上針對影像感測器200的段落後輕易瞭解影像感測器300的操作步驟，為簡潔起見，於此便不再贅述。

請參考第4圖，第4圖係為第2圖所示之影像感測器200的操作時序圖。舉例來說(但本發明並不以此為限)，第4圖係繪示影像感測器200自影像感測器P11讀出資料的操作，重置訊號S_RST係用以重置比較電路220_1，控制訊號S_TX1係用以控制像素感測器P11之傳輸閘的開啟與關閉，以及斜波訊號S_RAMP係用以上拉(pull up)感測電容Cr的電位。由於熟習此技藝者當可於閱讀以上針對影像感測器200的段落後輕易得知第4圖所示之訊號間的關係，為簡潔起見，於此便不再贅述。

請參考第5圖，第5圖係為第3圖所示之影像感測器300的操作時序圖。舉例來說(但本發明並不以此為限)，第5圖係繪示影像感測器300自影像感測器P11讀出資料的操作，重置訊號S_RST係用以重置比較電路220_1，選擇訊號S_SWT係用以選擇性地將比較器322_1耦接至行C1的行線L1或L2，控制訊號S_TX1係用以控制像素感測器P11之傳輸閘的開啟與關閉，以及斜波訊號S_RAMP係用以上拉感測電容Cr的電位。由於熟習此技藝者當可於閱讀以上針對影像感測器300的段落後輕易得知第5圖之訊號間的關係，為簡潔起見，於此便不再贅述。

總言之，本發明透過在輸出級採用比較器而非採用運算放大器，可據以針對被動像素架構而提供具有低讀出雜訊的訊號。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

240‧‧‧被動像素感測器陣列

210‧‧‧讀出電路

200‧‧‧影像感測器