TW201532442A - 具有改良讀取動態範圍之矽基影像感測器 - Google Patents
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Abstract
在影像感測器中，像素之儲存節點(NS)的有效電容係借助於其影響連接至該儲存節點之隨動電晶體(T3)的供應電壓(VREFP)的反饋迴路(100)以該儲存節點的外顯電容相依於該迴路之增益(GL)的此種方式修改，該儲存節點儲存由該像素的光敏元件所收集的電荷(電子)。藉由修改該增益，修改該儲存節點的該電容，且因此修改反比例於此電容的電荷/電壓轉換因子。
Description
本發明的領域係矽基影像感測器，矩陣式感測器及線性感測器二者的領域，意圖改良其動態範圍。
感測器的動態範圍係以分貝(dB)表示，並藉由可在輸出觀察到之對應於高照度的最強訊號對決定對應於低照度之最弱訊號的感測器之背景雜訊位準的比率界定。此背景雜訊位準取決於感測器的技術及用於讀取像素之電子系統的特徵。術語具有大場景動態範圍的感測器通常係指其動態範圍大於80dB的感測器。
感測器的動態範圍取決於像素及其結構固有的特徵，特別係其之將光子轉換為電子的能力，亦即，量子效應、及其之將所收集之電子轉換為電壓的能力，亦即，電荷/電壓轉換增益、及像素下游之讀取電路固有的特徵：讀取電路的增益及可由讀取電路之類比/數位轉換器接收之電壓的偏移。此動態範圍也受技術因子所約束：在像素形成於其中之光敏區域中的技術因子，此顯然相關於像素的填
充因子，亦即，像素之光敏區域對像素的總表面積的比率；在光敏區域周圍之周遭區域中的技術因子，此相關於可用於讀取電路之矽的表面積。轉換率及功率消耗也應列入考慮。
當探索製造提供80、84、90dB或更高之大場景動態範圍的感測器時，必需具有使在該感測器的積集週期期間儲存大量電荷變得可能的像素結構，沒有該結構，會有使量測系統在受高照明像素之位準飽和的風險。然而，電荷至電壓的轉換增益必需相對低，沒有該條件，將使讀取及類比/數位轉換電路飽和。
本發明的目的係提供用於調整像素之電荷/電壓轉換增益以得到能順應所接收之照度的增益，以避免在高照度情形中的飽和並在低照度情形中維持足夠高的電荷/電壓轉換增益的解決方案。
具有主動式矽基像素的感測器之像素的基本結構包含：-儲存由像素的光敏元件所收集之電荷(電子)的電容儲存節點，其可藉由光敏元件的本質電容形成，或在具有中間儲存節點的主動式像素結構(具有四或更多個電晶體的像素)中，其可藉由電荷轉移電晶體連接至該光敏元件的分離電容器形成；及-連接至此儲存節點的隨動電晶體，其在其輸出提供代表在該儲存節點上之電荷量的電壓位準。
本發明基於其的技術解決方案主要包含藉由使用反饋
迴路修改該像素之儲存節點的有效電容，該反饋迴路以儲存節點的外顯電容取決於該迴路之增益的方式影響連接至該儲存節點之隨動電晶體的供應。藉由修改該增益，修改該儲存節點的該電容，且因此修改反比例於此電容的電荷/電壓轉換因子。
儲存節點之有效電容的此修改主要產生自該有效電容係儲存節點之本質電容、連接至儲存節點之該隨動電晶體的閘極/源極及閘極/汲極電容的和，藉由米勒效應(Miller effect)使後二電容各者以個別加權係數與儲存節點並聯，用於閘極/汲極的加權係數取決於隨動電晶體的增益及反饋迴路的增益。
因此，本發明提供一種影像感測器，包含像素及讀取電路，各像素具有至少一光敏元件、用於由該光敏元件所產生的電荷之儲存的節點、及隨動電晶體，其閘極連接至該儲存節點、其源極連接至行導體，該行導體連接至讀取電路、且其汲極接收供應電壓，其中設有反饋迴路，此迴路具有連接至該行導體的輸入及連接至該隨動電晶體之該汲極的輸出，以提供後者的供應電壓，且其中設置用於將該反饋迴路的行為修改為所接收之照度的函數。
該反饋迴路的行為可藉由將該迴路致能或除能為所接收之該照度的函數而修改。或者，其可藉由將該迴路的增益修改為所接收之該照度的函數而修改。
在二種情形中，所接收的該照度可係由該感測器接收的全部照度，或其可係由該像素自身接收的該照度。
若該照度係該感測器的全部照度，可能提供該全部照度的自動偵測及如此偵測的函數之在該迴路之行為上的行動，或可能由使用者提供手動行動，其決定他是否希望進入高照度模式或低照度模式，且其隨後修變該增益或致能或除能該迴路。
另一方面，若該照度係與其他像素無關地由該像素自身接收的照度，將迴路的行為修改為在讀取該儲存節點之電荷時存在於該行導電上之電壓的函數為佳，因為此電壓代表由該像素所接收的照度：例如，將根據存在於該行上的電壓位準採用不同的迴路增益。
特別係該迴路增益可係正或負的。若其係負的，其增加儲存節點的有效電容並因此減少電荷/電壓轉換因子。若其係正的，其減少儲存節點的有效電容並顯著增加電荷/電壓轉換因子。因此可提供使其如所接收之照度的函數為正或負的該迴路增益為佳。
該反饋迴路在重初始化儲存節點的相位期間，在電荷從光敏元件轉移至儲存節點之前除能為佳。
較佳地，該反饋迴路包含具有負增益的第一放大器，其輸入連接至該行導體、具有負增益的第二放大器，其輸入連接至該第一放大器的輸出、具有分別連接至該二放大器的輸出之二輸入的比較器、及由該比較器控制用於將該第一放大器的該輸出或該第二放大器之該輸出的任一者導至該隨動電晶體之該汲極的路由機構。
較佳地，該第一放大器包含連接至第一基準電壓的第
一輸入、連接至輸入電容器的第二輸入、反饋電容器、及用於在初始化該儲存節點的相位期間短路該反饋電容器的開關；且該第二放大器包含連接至第二基準電壓的第一輸入、連接至輸入電容器的第二輸入、反饋電容器、及用於在初始化該儲存節點的相位期間短路該反饋電容器的開關。
所揭示的解決方案不影響像素的填充因子，其係額外優點。
100‧‧‧反饋迴路
101、e1、e'1、e2、e'2‧‧‧輸入
102、S1、S2‧‧‧輸出
ADC‧‧‧讀取電路
AMP1‧‧‧第一放大器
AMP2‧‧‧第二放大器
C11、C21‧‧‧輸入電容器
C12、C22‧‧‧反饋電容器
CC‧‧‧電流源
Cgd、Cgs、CNS、CS‧‧‧電容
COL‧‧‧行導體
COMP‧‧‧比較器
d‧‧‧汲極
Dph‧‧‧光二極體
g‧‧‧閘極
G1、G2‧‧‧負增益
Gf‧‧‧增益
GL‧‧‧迴路增益
LI‧‧‧導體線
NS‧‧‧電容儲存節點
PIX、PIXi、PIXi+1‧‧‧像素
RSAMP1、RSAMP2‧‧‧初始化訊號
RSNS‧‧‧訊號
s‧‧‧源極
SC‧‧‧控制訊號
SEL、SELi、SELi+1‧‧‧選擇訊號
SW‧‧‧路由機構
TRA‧‧‧相位
T1‧‧‧電晶體
T2‧‧‧重初始化電晶體
T3‧‧‧隨動電晶體
T4‧‧‧選擇電晶體
VB‧‧‧反轉值
Vcol‧‧‧電壓位準
VREF‧‧‧基準電壓
VREF1‧‧‧第一基準電壓
VREF2‧‧‧第二基準電壓
VREFP‧‧‧供應電壓
Vth‧‧‧臨限電壓
本發明的其他特徵及優點將參考隨附圖式並經由指示且沒有隱含限制的方式提供的以下實施方式中提供，其中：-圖1a及1b根據先前技術分別描繪具有四個電晶體之CMOS感測器像素的基本結構，及用於讀取此種像素的關聯循序訊號；-圖2根據本發明描繪在像素行的導體及此等像素之隨動電晶體的汲極之間的反饋迴路；-圖3根據本發明描繪具有負增益之放大器的反饋迴路的第一實施例；及-圖4描繪顯示電荷轉移相位期間該反饋迴路之效果的時間圖；-圖5描繪根據本發明之具有二放大器，各放大器具有負增益、及比較器之反饋迴路的第二實施例，使迴路增
益固定在如讀取儲存在儲存節點中之電荷期間由行導體提供之電壓的函數的正值或負值變得可能；-圖6及7係在讀取具有二放大器之此種反饋迴路的像素之序列中的各種訊號的時間圖，在行電壓的情形中，前者(圖6)對應於像素的低照度位準，且後者(圖7)對應於像素的高照度位準。
本發明將以應用至具有四個電晶體之CMOS感測器的主動式像素結構的範例描述。然而，本發明的應用領域更廣泛地應用在具有耦接至隨動電晶體之電荷儲存節點的像素的各種結構；應用至使用更多電晶體具有更複雜結構的像素；或應用至具有三個電晶體之結構的像素，其中其係直接構成電容儲存節點之光敏元件的電容。
圖1a及1b描繪具有CMOS感測器矩陣的四個電晶體之像素PIX的結構及其讀取訊號的序列。該矩陣以具有等同結構之像素的行列組織。
各像素PIX連接至連接指定像素行之所有像素的行導體。各行導體連接至電流源CC，其通常共用於該矩陣的所有行且其提供讀取該行之針對讀取而選擇的像素所需的電流，且共用於用於讀取該行之像素的電路ADC，其將藉由針對讀取而選擇之像素PIX應用至該行導體的電壓位準Vcol轉換為數位形式。此電壓位準Vcol代表由像素所接收的照度。
在該範例中，像素的光敏元件係光二極體Dph。可使用其他光敏元件，例如，MOS電容器。
此光二極體藉由電晶體T1連接至電容儲存節點NS，在相位TRA期間，將由該光二極體收集的電荷轉移至儲存節點NS的電容CS。
隨動電晶體T3在供應有藉由電流源CC提供之固定電流的其源極s上提供代表轉移至電容儲存節點上之電荷量的輸出電壓。其閘極g連接至儲存節點NS，且其汲極d接收足以將電晶體T3偏壓在隨動器模式中(偏壓在飽和模式中)的供應電壓VREFP，當針對讀取選擇該像素時，使複製該儲存節點的電壓至行導體上變得可能。
選擇電晶體T4連接在隨動電晶體T3之源極s及連接指定行之像素的行導體COL之間。其閘極連接至藉由其施加用於該像素之選擇訊號(SEL)的導體線LI。當針對讀取選擇該像素時，電晶體T3如隨動電晶體般地操作並以該像素的輸出電壓建立行導體上的電壓Vcol。
提供用於重初始化儲存節點NS的重初始化電晶體T2。在範例中，其連接在供應電壓VREFP及儲存節點NS之間，使節點成為電壓VREFP。
當針對讀取選擇該像素時(訊號SEL活動)時，藉由訊號RSNS實行初始化儲存節點NS的相位，在該相位期間建立該節點的電壓並穩定在重初始化位準VREFP，並藉由訊號TRA實行將由光敏元件Dph收集的電荷轉移至儲存節點NS的相位，在該相位期間該儲存節點的電壓將建立在
代表由節點NS所儲存的電荷量之如像素的電荷/電壓轉換因子之函數的工作位準。在此時間期間，因此將行COL上的電壓Vcol建立在對應重初始化位準，然後建立在對應工作位準，該電壓係儲存節點之電壓的複製，在隨動電晶體的臨限電壓內。
藉由讀取電路ADC的像素讀取通常包含在初始化相位(RSNS)及轉移相位(TRA)間所實行的電壓Vcol的第一類比/數位轉換，以得到代表重初始化位準的第一數位值、及在轉移相位之後實行之電壓Vcol的第二轉換，以得到代表工作位準的第二數位值、然後在所得到之二數位值間相減。得到其係代表由該像素所接收的照度之量測且免於與電容儲存節點關聯之相關聯雜訊的數位結果。
已討論像素結構及對應的讀取序列，現在將解釋如何能藉由本發明影響像素之電容儲存節點的電荷/電壓轉換因子，以改良像素的可用動態範圍。
以每電子伏特表示之像素的電荷/電壓轉換因子對該像素界定對由該像素之光敏元件所收集的一電子將在讀取電路ADC的輸入得到的電壓位準。
圖2詳述包含在該轉換因子之定義中的像素的元件或參數：像素之儲存節點NS的電容CNS及隨動電晶體的增益及本質電容。隨動電晶體之表示為Gf的增益接近1，通常為0.8或0.9的級數。隨動電晶體的本質電容係在電晶體T3的閘極及源極之間的電容Cgs，及在隨動電晶體T3的閘極及汲極之間的電容Cgd。此隨動電晶體具有本質增
益。
由儲存節點NS看見的總電容因此包含電容CNS及Cgd的作用，及電容Cgs的作用，但後者藉由米勒效應依比例降低至(1-Gf)Cgs。
然後將此像素結構的電荷/電壓轉換因子描寫如下：
其中q係電子的電荷。
根據先前技術(圖1a)，此定義應用於具有電容儲存節點的像素結構，該電容儲存節點連接至以固定基準電壓VREFP偏壓的隨動電晶體，該基準電壓藉由至感測器之所有像素的電源提供。
在本發明中，且如圖2所描繪的，電壓VREFP在藉由具有迴路增益GL之反饋迴路100讀取像素的期間提供，該反饋迴路插入在該行導體及該行的像素之隨動電晶體的源極之間。
更精準地說，反饋迴路100具有連接至行導體COL的輸入101。其輸出102連接至供應導體，其供應行COL之各像素的隨動電晶體T3的汲極。
實際上，每行因此將有一個反饋迴路。
然後在該行之像素讀取期間施加的汲極電壓取決於在此像素讀取期間由行導體提供的電壓Vcol。以此方式，從儲存節點NS看來，電晶體之閘極/汲極電容Cgd對轉換因
子CVF的作用也變成比例於藉由根據本發明之反饋迴路所加入的米勒效應。此比例取決於隨動電晶體的增益及迴路的增益。
更精準地說，針對具有增益GL之反饋迴路的此像素結構，將電荷/電壓轉換因子撰寫如下：
反饋迴路100因此使使用隨動電晶體的閘極/汲極電容以修改電荷/電壓轉換因子的值變得可能。使用負迴路增益GL，增加此閘極/汲極電容對儲存節點之有效電容的作用。電荷/電壓轉換因子CVF因此降低。改良感測器之朝向高照度位準的動態範圍。相反地，使用正迴路增益，此閘極/汲極電容的作用變得更「負向」，其使增加因子CVF變得可能，其在低照度位準係有利的。
反饋迴路100因此使改良用於指定像素結構及讀取電子系統之像素的可用動態範圍變得可能。其可實際實作以針對高照度位準及/或低照度位準改良動態範圍。
現在將參考圖3及4描述允許更佳地理解本發明及其應用的各種實際範例實施例。為促進理解，共用於各種圖式的元件具有相同參考符號。
具有預定負迴路增益GL之反饋迴路的第一範例實施例描繪於圖3中。將相同像素行COL的二個連續像素PIXi及PIXi+1表示於其中。此等二像素藉由彼等個別的選
擇電晶體連接至行導體COL，用於像素PIXi的選擇電晶體由用於矩陣的i級列之選擇的訊號SELi控制，且用於像素PIXi+1的選擇電晶體由用於次一i+1級列之選擇的訊號SELi+1控制。選擇訊號係循序的，使得每次針對讀取而選擇該行的單一像素。當針對讀取選擇該行的像素時，該像素的電晶體T3具有連接至電流源CC的源極且其如隨動電晶體般地操作。
具有增益GL的反饋迴路100係藉由具有負增益G1的放大器AMP1形成。此處，GL=G1。該放大器具有連接至行導體COL的輸入e1。另一輸入e2接收基準電壓VREF。此基準電壓VREF共用於該矩陣的所有像素。該放大器的輸出形成該迴路的輸出102。其連接至該行之所有像素的隨動電晶體T3的汲極供應導體。
較佳地，藉由輸入電容器C11將輸入e1連接至行導體COL，並將反饋電容器C12連接在此輸入及放大器的輸出之間。將由初始化訊號RSAMP1控制的開關放置成與此電容器C12並聯。由訊號RSAMP1控制的此開關及二個電容器使根據隨動器模式配置實行該放大器的初始化變得可能，使在輸出複製輸入基準電壓變得可能(放大器的輸出S1改變至二輸入e1及e2之間的電壓差取消)。基準電壓位準VREF因此施加在放大器的輸出S1上。實際上，迴路放大器的此初始化係在重初始化該儲存節點的相位中實行：電壓VREF用於重初始化儲存節點NS，並再度在行導體COL上發現對應電壓位準Vcol。在此相位中，反饋迴
路受除能，沒有增益效應。該行之電壓位準中的變化對施加至隨動電晶體之汲極的電壓位準沒有影響；後者係固定的且等於Vref。在儲存節點NS及放大器AMP1的重初始化之後，釋放訊號RSAMP1，致能反饋迴路：然後藉由放大器AMP1放大行電壓Vcol及基準電壓VREF之間的任何電壓差，該放大器的負增益係G1=-C11/C12。
此反饋效應描繪於圖4中，其顯示在藉由反饋迴路施加至像素之汲極的電壓VREFP中的變化。此在將電荷(電子)轉移至儲存節點的相位(TRA)期間或之後發生。在此相位中(TRA)，轉移至儲存節點NS之光二極體的電荷使此節點的電壓改變(減少)，且因此根據電荷/電壓轉換因子該行上的電壓Vcol也減少。
因為迴路增益GL在此範例中係負的，其使在該像素之儲存節點的電荷/電壓轉換因子減少：在儲存節點的電壓位準，且因此在該行上之電壓Vcol的位準較不迅速地減少，且在該轉移結束時，到達比不使用該反饋迴路轉移相同電荷量所得到的位準更高的位準。具有及不具有該迴路在電壓Vcol中的變化在圖4中分別由實線及虛線表示。此組態在高照度位準係有利的，使避免讀取電子系統飽和變得可能。若感測器的全部照度較低，可實行特定行動，例如，甚至在重初始化相位外側，藉由短路電容器C12，以在讀取儲存節點之電荷的相位期間除能反饋迴路。此行動可由使用者決定，或作為感測器之全部照度的自動偵測的功能。可替代地提供由使用者或由自動偵測決定的行動，
以修改放大器的增益；此可，例如，藉由選擇為照度之函數的不同值的另一電容器C11或C12而完成。
在相同的原理上，具有預定正迴路增益GL的反饋迴路係藉由使用二個放大器製造，各者具有可與圖3之放大器的結構相媲美的結構，該等放大器彼此串聯連接。正迴路增益GL使在像素之儲存節點的電荷/電壓轉換因子增加：針對指定的轉移電流量，在儲存節點的電壓位準更迅速地減少，且在該轉移結束時，到達比不使用該反饋迴路轉移相同電荷量所得到的位準更低的位準。此組態在低照度位準係有利的。若感測器的全部照度較高，可實行特定行動，例如，甚至在重初始化相位外側，藉由短路電容器C12，以在讀取儲存節點之電荷的相位期間除能反饋迴路。此行動可由使用者決定，或作為感測器之全部照度的自動偵測的功能。可替代地提供由使用者或由自動偵測決定的行動，以修改該等放大器之一者的增益；此可，例如，藉由將與該等放大器各者關聯之電容器選擇為照度之函數的其他值而完成。
此除能或致能或此增益修改係，例如，藉由感測器的外部組態機構(編程、控制鈕等)，或替代地在感測器中得到之場景的平均發光之量測的基礎上得到。
也可提供能以如照度之函數的正迴路增益或負迴路增益G致能的反饋迴路。正或負增益的此選擇可藉由感測器的外部組態機構(編程、控制鈕等)，或在由該感測器實行之該場景的平均發光之量測的基礎上得到。
然後此種感測器使使用者以最適於企圖拾取之該場景的照度的增益致能該反饋迴路變得可能；若照度高則係負的，若相反地照度低則係正的。
圖5描繪根據本發明之實施例的反饋迴路的改良實施例，迴路增益GL藉由其建立在其係在轉移儲存在儲存節點中之電荷的相位期間由該行導體提供之電壓位準的函數的值。換言之，迴路增益GL從屬於由像素接收的照度。然後改良像素之朝向二端的可用動態範圍。
在圖5的實施例中，所提供之對反饋迴路之行為的修改包含在正迴路增益及負迴路增益之間選擇，雖然從屬為該行電壓的函數也能包含在具有不同值的二正增益或二負增益之間選擇，或替代地在致能或除能該迴路之間選擇。
在圖5中，反饋迴路100包含具有相同結構之具有負增益的二個串聯放大器：
-具有負增益G1的第一放大器AMP1，具有輸入e1、輸入電容器C11、反饋電容器C12、及開關，該開關由初始化訊號RSAMP1控制，並在輸入e2上接收第一基準電壓VREF1；該負增益係G1=-C11/C12。
-具有負增益G2的第二放大器AMP2，具有輸入e'1、輸入電容器C21、反饋電容器C22、及開關，該開關由初始化訊號RSAMP2控制，並在輸入e'2上接收第二基準電壓VREF2；其增益係G2=-C21/C22。
行導體COL藉由第一放大器的輸入電容器C11連接至其輸入e1；第一放大器的輸出S1藉由其輸入電容器
C21連接至第二放大器的輸入。將放大器的輸出S1及S2施加至比較器COMP的輸入，其輸出控制用於將一輸出或另一輸出S1或S2路由至反饋迴路之輸出102的電路SW。取決於針對讀取而選擇之像素而受控制的路由，因此將輸出電壓S1或S2得到為像素之隨動電晶體T3的汲極電壓VREFP。事實上，此電壓施加至該行之所有像素的隨動電晶體的汲極，針對讀取而選擇的像素及未針對讀取選擇的像素。
因此根據該比較器是否在一方向上或另一方向反轉而有不同的迴路增益：負增益G1或正增益G1×G2。因為該比較器的狀態取決於該行導體上的電壓位準，此反轉取決此位準；該比較器將訊號S1路由至用於高照度之隨動電晶體的汲極且迴路增益G1係負的；然後電荷/電壓轉換因子變低。相反地，其將訊號S2路由至用於低照度之隨動電晶體的汲極且迴路增益係G1G2；然後電荷/電壓轉換因子變高。在重初始化像素的相位期間沒有迴路增益，將電壓Vref2施加在隨動電晶體的汲極上。
將放大器AMP2的基準電壓VREF2選擇成高於放大器AMP1的電壓VREF1。在一範例中，VREF2建立在3.3伏特，且電壓VREF1在3伏特。組態比較器COMP以在初始化儲存節點的相位期間經由路由機構SW將電壓VREF2施加在反饋迴路的輸出102。
然後輸出S1及S2彼此相反地變化，此電壓如在該輸入接收之行電壓Vcol的函數般地在將電荷從光二極體轉移
至儲存節點的期間減少：S2從VREF2開始，然後以係增益G1及G2的乘積之函數的斜率減少；S1開始自VREF1<VREF2，並以係增益G1之函數的斜率增加。
輸出S2在初始化相位期間施加，並持續對低照度位準施加。若電壓Vcol到達臨限電壓，施加輸出S1，使得輸出S1及S2對值VB交越。比較器的此反轉值VB係藉由基準電壓及放大器AMP1及AMP2的個別增益所固定。實際上其等於(VREF2-VREF1)/(G1+G1×G2)。
也選擇此等基準電壓及增益G1、G2，使得迴路輸出102提供確保將隨動電晶體T3始終偏壓至飽和(隨動器模式)的汲極電壓VREFP。
實際上，選擇G1及G2，使得Gf×G1接近-1，並使得Gf×G1×G2大於1，且少於3為佳。理想上為2至2.5的級數。具有習知使用之MOS電晶體技術的隨動電晶體增益Gf通常係0.8或0.9的級數。
現在將參考圖6及7之時間圖解釋使用具有如照度之函數般地修改之迴路增益的此種迴路讀取像素的方式。圖6描繪讀取已收集小量電荷之像素的情形，對應於低照度位準，且圖7描繪讀取已收集大量電荷之像素的情形，對應於高照度位準。
如能在此等時間圖中看出的，該反饋迴路在將電荷轉移至收集儲存節點中的期間及之後作用。
在此之前，首先有藉由訊號RSNS實行重初始化該像素之儲存節點NS的相位。在此相位期間，如參考圖3之上文所述地將二放大器AMP1及AMP2各者初始化，使得在輸出S1發現基準電壓VREF1並在輸出S2發現基準電壓VREF2。實際上，且如所描繪的，界定初始化訊號RSNS、RSAMP1、RSAMP2的個別持續期間，以在儲存節點得到穩定電壓，然後在輸出S1得到穩定電壓，然後在輸出S2得到穩定電壓。如上文解釋的，在此相位期間，將輸出S2交換至迴路輸出102：因此將儲存節點的重初始化位準建立在電壓VREF2。將係行導體上之複本的電壓Vcol實質地建立在相同位準(在隨動電晶體的臨限電壓Vth內)。
將注意到重初始化電壓Vref2能在重初始化相位期間施加至儲存節點而不通過放大器。也將注意到重初始化電晶體T2能以其閘極不由重初始化訊號控制的方式連接為二極體，該重初始化由於將電壓Vref2施加至連接為二極體之此電晶體的汲極而發生。
其次，在藉由訊號TRA實行之將電荷轉移至儲存節點的相位期間，(負)電荷在儲存節點上產生電壓，且因此電壓Vcol減少。當迴路增益係正的時，輸出電壓S2且因此汲極電壓VREFP比儲存節點NS上的電壓更迅速地減少，且因此比行導體上的電壓Vcol更迅速地減少；增加轉換因子。
針對低照度位準，轉移小量電子：甚至使用增加的轉換因子，電壓Vcol不能到達比較器COMP的反轉臨限
VB：在轉移相位全程將電壓S2施加為汲極電壓VREFP。在此轉移相位結束時，電壓Vcol穩定在比不使用該反饋迴路轉移相同電荷量而穩定之位準顯著更低的位準。其呈現在圖6中：在代表像素讀取期間在電壓Vcol中之變化的時間圖中，虛線代表沒有根據本發明之反饋迴路所會成為的電壓位準Vcol，然而實線顯示在具有迴路之電壓位準Vcol中的變化。
因為轉移的電荷量甚小，輸出S1及S2不交越：也未到達比較器的跳脫臨限VB：在讀取像素的序列全程，電壓VREFP藉由比較器的輸出S2保持固定，且當其變化時變化。
圖7描繪當收集的電荷量甚高時什麼相反地發生：如參考圖3及4所解釋的，行電壓將比沒有反饋更不迅速地減少，但因為轉移電荷量甚高，輸出S1及S2在此情形中將交越並使比較器反轉：然後在轉移相位開始時最初由輸出S2固定的電壓VREFP跟隨輸出S1，並增加。轉換因子減少，防止電壓Vcol到達太高的電壓位準。
實際上，已看出像素的讀取通常包含二個類比/數位轉換及隨後之所得到的二個數位值的相減。第一轉換係在電荷轉移相位之前；沒有迴路增益：電壓Vcol對應於基準電壓VREF2之初始化位準的轉換。第二轉換係在電荷轉移之後，該迴路增益如照度之函數般地變化：在轉移相位結束時所得到的電壓Vcol將取決於在儲存節點的實際轉換因子，且因此如G1及G2的函數，或替代地單獨地如G1之
工作位準的轉換。
因此將用於使該二轉換均質的機構設置在讀取電路中。顯然地，將提供來自該比較器傳輸至該讀取電路的訊號。
在以上描述中，假設感測器使用電荷/電壓轉換因子的二個值之間的自動反轉操作，一值用於最高照度且另一值用於最低照度，此反轉產生自二個不同迴路增益的使用。能替代地提供從三或更多個不同之增益的使用所產生之三或更多個轉換因子值間的反轉的自動化。
100‧‧‧反饋迴路
101、e1、e2‧‧‧輸入
102‧‧‧輸出
AMP1‧‧‧第一放大器
C11‧‧‧輸入電容器
C12‧‧‧反饋電容器
COL‧‧‧行導體
d‧‧‧汲極
G1‧‧‧負增益
GL‧‧‧迴路增益
NS‧‧‧電容儲存節點
PIXi、PIXi+1‧‧‧像素
RSAMP1‧‧‧初始化訊號
RSNS‧‧‧訊號
SELi、SELi+1‧‧‧選擇訊號
TRA‧‧‧相位
T2‧‧‧重初始化電晶體
T3‧‧‧隨動電晶體
VREF‧‧‧基準電壓
VREFP‧‧‧供應電壓
Claims (10)
- 一種具有主動像素的影像感測器，包含像素及讀取電路，各像素具有至少一光敏元件、用於由該光敏元件所產生之電荷的儲存的電容節點(NS)、及隨動電晶體(Tf)，其閘極(g)連接至該儲存節點、其源極(s)連接至行導體(Coli)，該行導體連接至讀取電路(ADC)、且其汲極(d)接收供應電壓(VREFP)，其中設有反饋迴路(100)，此迴路具有連接至該行導體(COL)的輸入(101)及連接至該隨動電晶體之該汲極的輸出(102)，以提供後者的該供應電壓，且其中設置用於將該反饋迴路的行為修改為所接收之照度的函數的機構。
- 如申請專利範圍第1項的影像感測器，其中該迴路的行為係藉由致能或除能該迴路而修改為所接收之該照度的函數。
- 如申請專利範圍第2項的影像感測器，其中該迴路的操作係藉由修改該迴路的增益(GL)而修改為所接收之該照度的函數。
- 如申請專利範圍第3項的影像感測器，其中該迴路的該增益係在正值及負值之間修改。
- 如申請專利範圍第1至4項之一者的影像感測器，其中用於修改該迴路之行為的所接收之該照度係由該感測器接收的全部照度。
- 如申請專利範圍第1至4項之一者的影像感測器，其中用於修改該迴路之行為的所接收之該照度係由該 像素接收的照度。
- 如申請專利範圍第6項的影像感測器，其中將該迴路的行為修改為在讀取該儲存節點之電荷時存在於該行導體上之該電壓的函數，此電壓代表由該像素所接收的該照度。
- 如申請專利範圍第1至4項之一者的影像感測器，各像素包含轉移電晶體(T1)，其用於在重初始化該儲存節點之相位(RS-NS)之後的電荷轉移相位(TRA)期間將由該像素之該光敏元件收集的該等電荷轉移至該電容儲存節點(NS)，其中該反饋迴路在重初始化該儲存節點的該相位期間除能。
- 如申請專利範圍第1項的影像感測器，其中該反饋迴路(100)包含具有負增益(G1)的第一放大器(AMP1)，其輸入(e1)連接至該行導體、具有負增益(G2)的第二放大器(AMP2)，其輸入(e'1)連接至該第一放大器的輸出(S1)、接收該二放大器之輸出(S1，S2)並在其輸出提供用於路由機構(SW)之控制訊號(Sc)的比較器(COMP)，該路由機構用於將該第一放大器的該輸出(S1)或該第二放大器之該輸出(S2)的任一者導至該隨動電晶體的該汲極(d)。
- 如申請專利範圍第9項的影像感測器，其中該第一放大器包含藉由輸入電容器(C11)連接至該行導體的第一輸入(e1)、連接至第一基準電壓(VREF1)的第二輸入(e2)、反饋電容器(C12)、及用於在初始化該儲存節點的相位期間短路該反饋電容器的開關；且該第二放大器包含藉 由輸入電容器(C21)連接至該行導體的第一輸入(e'1)、連接至第二基準電壓(VREF2)的第二輸入(e'2)、反饋電容器(C22)、及用於在初始化該儲存節點的相位期間短路該反饋電容器的開關。
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