TW201719869A - 影像感測電路、影像感測裝置與其驅動方法 - Google Patents

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Abstract

影像感測電路包含感測單元、第一切換單元群組以及第二切換單元群組。感測單元用以接收光線並響應於光線而於感測節點上產生感測電壓。第一切換單元群組耦接至該感測節點，並用以產生第一轉移電壓至第一節點，並產生第一輔助電壓至第二節點，其中第一轉移電壓以及第一輔助電壓中至少一者設置以被讀取電路讀取。第二切換單元群組耦接至該感測節點，並用以產生第二轉移電壓至第三節點，並產生第二輔助電壓至第四節點，其中第二轉移電壓以及第二輔助電壓中至少一者設置以被讀取電路讀取。

Description

影像感測電路、影像感測裝置與其驅動 方法
本案是有關於一種半導體裝置，且特別是有關於一種影像感測裝置與其驅動方法。
主動像素感測器為包含積體電路的影像感測器，其中前述的積體電路包含像素感測器陣列，每一像素包含光偵測器以及主動放大器。互補式金屬氧化物半導體(CMOS)式的主動像素感測器常用於手機鏡頭、視訊相機以及數位單眼反光鏡相機。此種影像感測器可經由CMOS製程製作，故亦稱為CMOS式的影像感測器。於一些應用中，為了能夠擷取影像的更多資訊，高動態範圍的技術被應用於影像感測器中。
本揭示內容之一態樣為提供影像感測電路，其包含感測單元、第一切換單元群組以及第二切換單元群組。 感測單元用以接收光線並響應於光線而於感測節點上產生感測電壓。第一切換單元群組耦接至該感測節點，並用以產生第一轉移電壓至第一節點，並產生第一輔助電壓至第二節點，其中第一轉移電壓以及第一輔助電壓中至少一者設置以被讀取電路讀取。第二切換單元群組耦接至該感測節點，並用以產生第二轉移電壓至第三節點，並產生第二輔助電壓至第四節點，其中第二轉移電壓以及第二輔助電壓中至少一者設置以被讀取電路讀取。
本揭示內容之另一態樣為提供影像感測裝置，其包含複數個像素、驅動器與讀取電路。多個像素中每一者包含感測單元、第一切換單元群組以及第二切換單元群組。感測單元用以響應於光線而於感測節點累積複數個電荷。第一切換單元群組用以根據該些電荷產生第一轉移電壓至第一節點，並產生第一輔助電壓至第二節點。第二切換單元群組用以根據該些電荷產生第二轉移電壓至第三節點，並產生第二輔助電壓至第四節點。驅動器用以驅動第一切換單元群組與第二切換單元群組。讀取電路用以讀取複數個資料信號，其中該些資料信號代表第一轉移電壓與第一輔助電壓中至少一者，或第二轉移電壓與第二輔助電壓中至少一者。
本揭示內容之又一態樣為提供一種驅動方法，其包含下列多個操作。經由感測單元響應於光線而於感測節點產生感測電壓。經由第一切換單元群組產生第一轉移電壓至第一節點並產生第一輔助電壓至第二節點，其中第一切換單元群組耦接至感測節點。經由第二切換單元群組產生第二 移電壓至第三節點並產生第二輔助電壓至第四節點，其中第二切換單元群組耦接至感測節點。
100‧‧‧電子裝置
120‧‧‧振盪器
140‧‧‧影像感測器
160‧‧‧列驅動器
180‧‧‧行讀取電路
OS0~OS3‧‧‧振盪信號
141‧‧‧像素
DA1~DA4‧‧‧資料信號
VC1~VC6‧‧‧控制信號
RST1、RST2‧‧‧重置信號
VC13~VC14‧‧‧控制信號
161‧‧‧反相器
SE1~SE2‧‧‧選擇信號
TOF、GS1、GS2‧‧‧模式信號
162、163‧‧‧驅動電路
182‧‧‧計數器
181‧‧‧比較器
183‧‧‧資料排列電路
184‧‧‧計算電路
VR‧‧‧斜坡電壓
TC‧‧‧計數信號
122‧‧‧緩衝器
1831‧‧‧行間距
MO‧‧‧開關
190‧‧‧紅外線發光二極體
M1~M12‧‧‧開關
1410‧‧‧感測單元
1411~1414‧‧‧輸出級
C1~C3‧‧‧電容
VS‧‧‧感測電壓
N1~N4‧‧‧節點
VT1~VT2‧‧‧轉移電壓
NS‧‧‧感測節點
VDD‧‧‧電壓
VA1~VA2‧‧‧輔助電壓
300、400‧‧‧方法
T1~T4‧‧‧電晶體
S410~S4100‧‧‧操作
S310~S390‧‧‧操作
TR1~TR3‧‧‧觸發信號
1831~1836‧‧‧閂鎖器
P1~P8‧‧‧脈波
1~16‧‧‧時間
IP‧‧‧全局積分期間
V1~V4‧‧‧電壓位準
為讓本揭示內容下述的實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖為根據本揭示內容的各實施例所繪示的一種電子裝置的示意圖；第2圖為根據本揭示內容的各個實施例所繪示的第1圖中的像素的示意圖；第3A圖與第3B圖為根據本揭示內容的各實施例所繪示用以說明第1圖中的電子裝置操作於第一模式時與第2圖的像素的多個操作的方法的流程圖；第3C圖為根據本揭示內容的各實施例所繪示用以說明第3A圖與第3B圖的多個操作的時序圖；4A圖與第4B圖為根據本揭示內容的各實施例所繪示用以說明第1圖中的電子裝置操作於第二模式時與第2圖的像素的多個操作的方法的流程圖；第4C圖為根據本揭示內容的各實施例所繪示用以說明第4A圖與第4B圖的多個操作的時序圖；第5圖為根據本揭示內容的各實施例所繪示的一種如第1圖中的像素的示意圖；第6圖為根據本揭示內容的各實施例所繪示第1圖中的像素的示意圖； 第7圖為根據本揭示內容的各實施例所繪示第1圖中的像素的示意圖；第8圖為根據本揭示內容的各實施例所繪示第1圖中的像素的示意圖；以及第9圖為根據本揭示內容的各實施例所繪示第1圖中的資料排列電路的示意圖。
以下將以圖式及詳細敘述清楚說明本揭示內容之精神，任何所屬技術領域中具有通常知識者在瞭解本揭示內容之較佳實施例後，當可由本案所教示之技術，加以改變及修飾，其並不脫離本案之精神與範圍。在本文中，熟知的實現方式或操作並不加以詳述，以避免模糊本揭示內容中的各實施例的態樣。
於本揭示內容中通篇所使用之詞彙一般代表其通常的意涵。關於本揭示內容中內所討論的任何例證只用來作解說的用途，並不會以任何方式限制的本揭示內容或其例證之範圍和意義。同樣地，本揭示內容並不受限於本文中所提出的各種實施例。
關於本文中所使用之『第一』、『第二』、…等，並非特別指稱次序或順位的意思，亦非用以限定本發明，其僅僅是為了區別以相同技術用語描述的元件或操作而已。例如，在不違背各實施例的範圍內，第一元件可被命名為第二元件，同樣地，第二元件可被命名為第一元件。本文 中所使用之『與/或』包含一或多個相關聯的項目中的任一者以及所有組合。
第1圖為根據本揭示內容的各實施例所繪示的一種電子裝置100的示意圖。
如第1圖示例性地所示，電子裝置100包含振盪器120、影像感測器140、列驅動器160以及行讀取電路180。振盪器120用以產生振盪信號OS0至行讀取電路180，並產生振盪信號OS1至列驅動器160。於一些實施例中，振盪器120可由至少一鎖相迴路、至少一除頻器以及至少一延遲元件實現。
於一些實施例中，影像感測器140用以擷取多個影像。於另一些實施例中，影像感測器140用以偵測物件。於一些實施例中，影像感測器140包含多個像素141，其中多個像素141以行列方式排列。為了易於說明，第1圖僅示出一個像素141為例說明。多個像素141用以接收光線並響應於光線累積電荷，以產生感測電壓(例如為如後第2圖中的感測電壓VS)。於一些實施例中，多個像素141可根據感測電壓輸出多個資料信號DA1~DA2至行讀取電路180。
列驅動器160用以接收振盪信號OS1，並產生多個控制信號至多個像素141，以執行擷取操作或讀取操作。例如，前述的多個控制信號包含如後第2圖中的多個控制信號VC1~VC6、多個重置信號RST1、RST2以及多個選擇信號SE1~SE2。於一些實施例中，列驅動器160用以 多個像素141，以操作於不同模式。以第1圖的示例而言，列驅動器160包含反相器161、驅動電路162以及驅動電路163。反相器161用以接收振盪信號OS1，並據此輸出振盪信號OS2。換句話說，振盪信號OS1與振盪信號OS2之間的相位差設置為相差約180度。驅動電路162用以根據多個模式信號TOF、GS1以及振盪信、號OS2產生多個控制信號VC1、VC2、VC5與VC13、選擇信號SE1、重置信號RST1。驅動電路163用以根據多個模式信號TOF、GS2以及振盪信號OS1產生多個控制信號VC3、VC4、VC6與VC14、選擇信號SE2、重置信號RST2。於一些實施例中，電子裝置100設置以根據多個模式信號TOF、GS1~GS2操作於如後第3A~3B圖所示的第一模式，或操作於如後第4A~4B圖所示的第二模式。詳細的操作說明將於後述說明。
於一些實施例中，驅動電路162與驅動電路163可由各種類型的多個數位電路實現。例如，於更進一步的一些實施例中，多個數位電路包含至少一及閘、至少一多工器與/或至少一緩衝器。上述關於列驅動器160的設置方式僅為示例。各種列驅動器160的設置方式皆為本揭示內容所涵蓋之範圍。
行讀取電路180設置以自多個像素141中之被選中者讀取多個資料信號DA1~DA2。於一些實施例中，行讀取電路180包含多個比較器181、計數器182、多個資料排列電路183以及計算電路184。多個比較器181耦接至影像感測器140的多個行，以接收資料信號DA1或DA2，並 用以將資料信號DA1或DA2與斜坡電壓VR比較，以產生多個資料信號DA3。計數器182用以根據振盪信號OS0輸出多個計數信號TC至多個資料排列電路183。於一些實施例中，計數器182可由至少一漣波計數器、至少一延遲電路以及至少一編碼器實現。於一些實施例中，多個資料排列電路183設置於行間距1831中。於一些實施例中，每一像素141耦接至行間距1831。於一些替代的實施例中，每一像素141耦接至少兩個行間距1831。多個資料排列電路183用以依序地在不同時間擷取多個資料信號DA3的多個值，並同時地將所擷取到的資料信號DA3的多個值作為多個資料信號DA4傳輸至計算電路184。計算電路184用以對自多個資料排列電路183傳送的多個資料信號DA4解碼，以獲得所擷取的影像的資訊。於一些實施例中，計算電路184可由至少一感測放大器以及至少一解碼器實現。
行讀取電路180的設置方式僅為示例。各種行讀取電路180的設置方式皆為本揭示內容所涵蓋的範圍。
第2圖為根據本揭示內容的各個實施例所繪示的第1圖中的像素141的示意圖。
如第2圖示例性地所示，像素141包含感測單元1410、多個開關M1~M10，多個電容C1~C2以及多個輸出級1411~1412。感測單元1410耦接於感測節點NS以及地之間。感測單元1410用以響應於光線累積電荷，以於感測節點NS上產生感測電壓VS。於一些實施例中，如第2圖所示，感測單元1410包含光電二極體。
於一些實施例中，多個開關M1~M10被分為群組A與群組B。示例而言，多個開關M1、M2、M5、M7以及M9設置為群組A，且多個開關M3、M4、M6、M8以及M10設置為群組B。
開關M1的第一端耦接至感測節點NS，且開關M1的第二端耦接至節點N1。開關M1的控制端耦接至第1圖中的驅動電路162，以接收控制信號VC1。開關M1用以根據感測電壓VS而於節點N1上產生轉移電壓VT1。換句話說，當開關M1被控制信號VC1導通時，開關M1能夠轉移感測單元1410所累積的部分電荷至耦接於節點N1上的多個寄生電容(未繪示)。據此，轉移電壓VT1可由儲存於耦接於節點N1上的多個寄生電容的多個電荷產生。開關M2的第一端耦接至感測節點NS，且開關M2的第二端耦接至節點N2。開關M2的控制端耦接至第1圖中的驅動電路162，以接收控制信號VC2。電容C1耦接於節點N2以及地之間。開關M2用以根據感測電壓VS而於節點N2上產生輔助電壓VA1。換句話說，當開關M2被控制信號VC2導通時，開關M2能夠轉移感測單元1410所累積的部分電荷至電容C1。據此。輔助電壓VA1可由儲存於電容C1的多個電荷產生。
相應於開關M1，開關M3的第一端耦接至感測節點NS，且開關M3的第二端耦接至節點N3。開關M3的控制端耦接至第1圖中的驅動電路163，以接收控制信號VC3。開關M3用以根據感測電壓VS而於節點N3上產生轉移電壓VT2。換句話說，當開關M3被控制信號VC3導通時， 開關M3能夠轉移感測單元1410所累積的部分電荷至耦接於節點N3上的多個寄生電容(未繪示)。據此，轉移電壓VT2可由儲存在耦接於節點N3上的多個寄生電容的多個電荷產生。相應於開關M2，開關M4的第一端耦接至感測節點NS，且開關M4的第二端耦接至節點N4。開關M4的控制端耦接至第1圖中的驅動電路163，以接收控制信號VC4。電容C2耦接於節點N4以及地之間。開關M4用以根據感測電壓VS而於節點N4上產生輔助電壓VA2。換句話說，當開關M2被控制信號VC4導通時，開關M4能夠轉移感測單元1410所累積的部分電荷至電容C2。據此。輔助電壓VA2可由儲存於電容C2的多個電荷產生。
再者，開關M5的第一端耦接至節點N1，且開關M5的第二端耦接至節點N2。開關M5的控制端耦接至第1圖中的驅動電路162，以接收控制信號VC5。開關M5用以被控制信號VC5導通，以轉移儲存於節點N1上的多個電荷至電容C1。據此，儲存於電容C1的電荷量將會增加。如此一來，當開關M5為導通時，節點N1的電壓位準(亦即轉移電壓VT1)將會等效地增加。
相應於開關M5，開關M6的第一端耦接至節點N3，且開關M6的第二端耦接至節點N4。開關M6的控制端耦接至第1圖中的驅動電路163，以接收控制信號VC6。開關M6用以被控制信號VC6導通，以轉移儲存於節點N3的多個電荷至電容C2。據此，儲存於電容C2的電荷量將會增 加。如此一來，當開關M6為導通時，節點N3的電壓位準(亦即轉移電壓VT2)將會等效地增加。
開關M7的第一端耦接至一電源以接收電壓VDD，且開關M7的第二端耦接至節點N1。開關M7的控制端耦接至第1圖中的驅動電路162，以接收重置信號RST1。開關M7用以根據重置信號RST1被導通，以拉升節點N1的電壓位準至電壓VDD。於一些實施例中，在重置操作中，開關M7與開關M5為導通。電壓VDD因此被傳送至節點N1以及節點N2。據此，儲存於節點N1的多個電荷以及儲存於電容C1的多個電荷被電壓VDD吸引。等效而言，像素141被重置。
相應於開關M7，開關M8的第一端耦接至電源以接收電壓VDD，且開關M8的第二端耦接至節點N3。開關M8的控制端耦接至驅動電路163以接收重置信號RST2。開關M8用以根據重置信號RST2被導通，以拉升節點N3的電壓位準至電壓VDD。於一些實施例中，於重置操作中，開關M8以及開關M6被導通。電壓VDD因此被傳送至節點N3以及節點N4。據此，儲存於節點N3的多個電荷以及儲存於電容C2的多個電荷被電壓VDD吸引。等效而言，像素141被重置。
於一些實施例中，輸出級1411用以根據節點N1的電壓位準產生資料信號DA1。以第2圖的示例而言，於一些實施例中，輸出級1411為源極追隨器，其包含電晶體T1。電晶體T1的第一端耦接至電源以接收電壓VDD，電晶體T1 的第二端用以產生資料信號DA1，且電晶體T1的控制端耦接至節點N1。當開關M5未導通時，電晶體T1根據轉移電壓VT1產生資料信號DA1。於此條件下，資料信號DA1用以代表儲存於節點N1的電荷量。或者，當開關M5導通時，電晶體T1根據節點N1的電壓位準產生資料信號DA1。於此條件下，如先前所述，資料信號DA1可用以代表儲存於節點N1的電荷量以及儲存於電容C1的電荷量。
相應於輸出級1411，於一些實施例中，輸出級1412用以根據節點N3的電壓位準產生資料信號DA2。以第2圖的示例而言，輸出級1412為源極追隨器，其包含電晶體T2。電晶體T2的第一端耦接至電源以接收電壓VDD，電晶體T2的第二端用以產生資料信號DA2，且電晶體T2的控制端耦接至節點N3。當開關M6未導通時，電晶體T2根據轉移電壓VT2產生資料信號DA2。於此條件下，資料信號DA2可用以代表儲存於節點N3的電荷量。或者，當開關M6導通時，電晶體T2根據節點N3的電壓位準產生資料信號DA2。於此條件下，資料信號DA2可用以代表儲存於節點N3的電荷量以及儲存於電容C2的電荷量。
開關M9的第一端耦接至電晶體T1的第二端以接收資料信號DA1，且開關M9的第二端耦接至第1圖中的多個比較器181中之一者。開關M9的控制端耦接至驅動電路162，以接收選擇信號SE1。開關M9用以根據選擇信號SE1導通，以傳送資料信號DA1至第1圖中的比較器181。開關M10的第一端耦接至電晶體T2的第二端以接收資料信 號DA2，且開關M10的第二端耦接至第1圖中的多個比較器181中之一者。開關M10的控制端耦接至驅動電路163，以接收選擇信號SE2。開關M10用以選擇信號SE2導通，以傳送資料信號DA2至第1圖中的比較器181。
於一些實施例中，多個開關M1~M4以及感測單元1410可實現於相同晶圓上。於另一些實施例中，多個開關M1~M4以及感測單元1410可利用立體CMOS影像晶片(CMOS image chip,CIS)半導體結構而實現在不同晶圓上。於一些實施例中，感測單元1410可利用半導體結構實現，且多個開關M1~M4可實現在感測單元1410上的四個角落。於又一些實施利中，多個開關M1~M4堆疊在感測單元1410上的兩側。於一些實施例中，多個開關M1~M4堆疊在感測單元1410上的四個邊緣。
上述關於像素141的多個設置方式僅為示例。像素141的各種設置方式皆為本揭示內容所涵蓋的範圍。
第3A圖與第3B圖為根據本揭示內容的各實施例所繪示用以說明第1圖中的電子裝置100操作於第一模式時與第2圖的像素141的多個操作的方法300的流程圖。第3C圖為根據本揭示內容的各實施例所繪示用以說明第3A圖與第3B圖的多個操作的時序圖。
示例而言，第1圖中的裝置100的多個操作將參照第1、2、3A與3B圖而由方法300說明。於一些實施例中，方法300包含多個操作S310~S390。
於操作S310中，在所有像素141內的多個開關M3、M4與M8被導通，以重置儲存於節點N3以及電容C2上的多個電荷。等效而言，影像感測器140的多個像素141被重置。
於操作S320中，當所有像素141內的感測單元1410於積分期間IP內接收光線以產生多個感測電壓VS，多個像素141內的開關M3接收到具有電壓位準V1的控制信號VC3，且多個像素141的開關M4接收到具有電壓位準V2的控制信號VC4。
以第3C圖的示例而言，於時間1，控制信號VC3轉態以具有脈波P1，以代表第1圖的裝置100進入全局積分(global integration)事件。於全局積分事件中，影像感測器140的多個像素141用以接收光線，以擷取影像。於一些實施例中，於全局積分事件的積分期間IP內，多個控制信號VC3全局地轉態至電壓位準V1(例如為第3C圖中的低位準)，以關斷第1圖中的影像感測器140的多個開關M3。同時，多個控制信號VC4全局地轉態至電壓位準V2(例如為高於第3C圖中的電壓位準V1)，以稍微關斷第1圖中的影像感測器140的多個開關M4。藉由此種設置方式，於全局積分期間IP，開關M4的等效阻抗阻足以讓由感測單元1410所累積的多個電荷被轉移至電容C2，以產生輔助電壓VA2。例如，於全局積分期間IP，若像素141處於強照光的情況下，累積於感測單元1410的多個電荷將會飽和，多餘的電荷因此由感測單元1410經開關M4洩流至電容C2。等效而言， 被擷取的影像的額外光線資訊可由多個像素141的電容C2內。
請參照第3B圖。於操作S350中，被選中的像素141的開關M10被選擇信號SE4導通，以傳送資料信號DA2至行讀取電路180。於操作S360中，被選中的像素141的開關M6導通，以傳送儲存於被選中的像素141內的節點N3至電容C2，且節點N3的電壓位準被改變。於操作S370中，被選中的像素141的電晶體T2更根據節點N3的電壓位準產生資料信號DA2至行讀取電路180。於操作S380中，被選中的開關M8被導通，以拉升節點N3的電壓位準至電壓VDD。於操作S390中，被選中的像素141的電晶體T2根據節點N3的電壓位準產生資料信號DA2至行讀取電路180。
示例而言，如第3C圖所示，在積分期間IP後，裝置100進入逐列讀取事件，且多個開關M3與M4被關斷。於時間3，被選中的像素141的選擇信號SE2轉態以具有脈波P3，以執行讀取操作。於逐列讀取事件中，多個像素141的資料信號DA1或DA2設置以被行讀取電路180依序讀取。於時間4，行讀取電路180讀取用以代表儲存於節點N2的電荷量的資料信號DA2。於一些實施例中，於時間4所讀取的資料信號DA2對應於被擷取的影像於低光源或正常光元的影像資訊。於時間5，控制信號VC6轉態以具有脈波P4，以導通開關M6。儲存於節點N3的多個電荷經由開關M6被轉移至電容C2。換句話說，電容C2於此時儲存了原儲存於節點N3的電荷以及於操作S320中自感測單元1410洩 流過來的多個電荷。因此，節點N3以及節點N4的電壓位準皆為增加。然後，電晶體T2根據節點N3當前的電壓位準產生資料信號DA2。等效而言，資料信號DA2為同時根據轉移電壓VT2與輔助電壓VA2產生。於時間6，行讀取電路180讀取用以代表儲存於電容C2的電荷量的資料信號DA2。於一些實施例中，於時間6所讀取的資料信號DA2對應於所擷取的影像中於強照光下的資訊。
於時間7，重置信號RST2轉態以具有脈波P5，以導通開關M8。電壓VDD因此被傳送至節點N3。於節點N3上的多個電荷因此被電壓VDD吸引。等效地，節點N3的電壓位準重置到重置位準。電晶體T2響應於重置位準產生資料信號DA2。於時間8，行讀取電路180讀取代表重置位準的資料信號DA2。於一些實施例中，此種資料信號DA2可用於執行誤差消除的操作。示例而言，於第1圖中的計算電路184更用以利用於時間8所讀取的資料信號DA2執行誤差消除。
於一些實施例中，當群組B的多個開關執行操作S350~S390時，於群組A的多個開關執行操作S310~S340。示例而言，當群組B中的多個開關M3、M4、M6、M8、M10以及電晶體T2進入如前述第3A圖中的多個操作S310~S320所描述的全局積分事件時，於群組A的多個開關M1、M2、M7、M9以及電晶體T1進入如先前的第3A圖所描述的多個操作S330~S390所描述的逐列讀取事件，且反之亦然。換句話說，當群組A與群組B中之一者處於全局 積分事件中，群組A與群組B中之另一者處於逐列讀取事件中。例如，當群組B的多個開關處於逐列讀取事件中，開關M7與開關M5被導通以重置多個節點N1、N2，其相關操作類似於先前說明的操作S310。然後，群組A執行操作S320以擷取影像。
於一些實施例中，裝置100的第一模式(亦即方法300)被稱為全局快門模式。藉由電容C2以及方法300的設置方式，所擷取影像的額外光線資訊能夠被儲存。如此一來，裝置100可達成高動態範圍的應用。
於一些實施例中，如第1圖所示，裝置100更包含緩衝器122以及紅外線發光二極體(LED)190。緩衝器122用以根據振盪信號OS1產生振盪信號OS3。紅外線發光二極體190被振盪信號OS3驅動。於一些實施例中，振盪信號OS3以及振盪信號OS1設置為同相。於一些實施例中，紅外線發光二極體190用以發射紅外光至一物件，以計算裝置100與前述物件之間的距離。於一些更進一步的實施例中，當操作於第二模式時，影像感測器140用以感測由前述物件反射的紅外光，並據此產生多個資料信號DA1與DA2。
第4A圖與第4B圖為根據本揭示內容的各實施例所繪示用以說明第1圖中的電子裝置100操作於第二模式時與第2圖的像素141的多個操作的方法400的流程圖。第4C圖為根據本揭示內容的各實施例所繪示用以說明第4A圖與第4B圖的多個操作的時序圖。
示例而言，第1圖中的裝置100的多個操作將參照第1、2、4A~4C圖而由方法400說明。於一些實施例中，方法400包含多個操作S410~S4100。
請參照第4A圖。於操作S410中，多個開關M5~M8導通以重置所有的像素141。於操作S420中，第1圖中的振盪器120產生振盪信號OS3以驅動紅外線發光二極體190，且群組A的多個開關M1以及M2與群組B的多個開關M3與M4交替地導通。
示例而言，在全局積分事件中，於第2圖中的多個像素141的感測單元1410響應於物件反射回的紅外光而累積多個電荷。如第4C圖所示，於全局積分事件中，在群組A中的多個控制信號VC1與VC2為同相，且群組B的多個控制信號VC3與VC4兩者之間的相位差約180度。藉由此設置方式，於第2圖中的多個開關M1與M2以及多個開關M3與M4於全局積分事件中將會交替地導通。因此，在第2圖中的每一開關M1~M2或M3~M4的導通時間內，被第2圖中的感測單元1410所累積的多個電荷被選擇性地傳送至第2圖中多個節點N1~N2或多個節點N3~N4。據此，多個轉移電壓VT1~VT2以及多個輔助電壓VA1~VA2可在全局積分事件中被產生。
於一些實施例中，當多個開關M1與M2導通時，開關M1接收具有電壓位準V3的控制信號VC1，且開關M2接收到具有電壓位準V4的控制信號C2，其中電壓位準V3相異於電壓位準V4。以第4C圖的示例而言，電壓位準 V4低於電壓位準V3。藉由此設置方式，在全局積分事件中，開關M1被導通，且開關M2稍微地被導通。換句話說，於全局積分事件中，開關M1的等效阻抗低於開關M2的等效阻抗。於一些實施例中，於全局積分事件中的每一開關的導通時間能夠被延長，以增加物件與裝置100之間可偵測的距離範圍。在全局積分事件中，若物件離裝置100過近，儲存於節點N1的電荷會飽和。藉由上述不同電壓位準V3~V4的設置方式，過多的電荷可經由開關M2洩漏至節點N2，並儲存於電容C1。如此一來，可偵測的距離範圍可在預防輝散(Blooming)電荷現象下得以增加。
相應於多個控制信號VC1~VC2，於第4C圖的一些實施例中，不同的電壓位準的設置方式亦應用於多個控制信號VC3~VC4。多個控制信號VC3~VC4的設置方式以及第2圖中的多個開關M3~M4的相關操作與前述操作類似。因此，於此不再重複贅述。
請繼續參照第4A圖，於操作S430中，在全局積分事件結束後，於第2圖中的多個開關M1~M2以及M3~M4被關斷。於操作S440中，於第2圖中被選中的像素141的電晶體T1根據轉移電壓VT1產生資料信號DA1，且被選中的像素141的電晶體T2根據轉移電壓VT2產生資料信號DA2。於操作S450中，於第2圖中被選中的像素141的多個開關M9~M10被導通，以傳送多個資料信號DA1~DA2至行讀取電路180。
示例而言，在全局積分事件結束後，裝置100進入逐列讀取事件。如第4C圖所示，於時間11，多個選擇信號SE1~SEL2轉態以具有脈波P6，以導通第2圖中的多個開關M9~M10。於時間12，行讀取電路180讀取多個資料信號DA1~DA2，其中多個資料信號DA1~DA2分別代表儲存於節點N1的電荷量以及儲存於節點N3的電荷量。於一些實施例中，於時間12所讀取的多個資料信號DA1~DA2對應至物件與第1圖中的裝置100之間的中間距離的資訊。
請繼續參照第4A圖，於操作S460中，多個開關M5與M6被導通，儲存於節點N1的多個電荷被轉移至電容C1，且儲存於節點N3的多個電荷被轉移至電容C2。於操作S470中，電晶體T1更根據節點N1的電壓位準產生資料信號DA1至行讀取電路180，且電晶體T2更根據節點N3的電壓位準產生資料信號DA1至第1圖中的行讀取電路180。
以第4C圖的示例而言，於時間13，多個控制信號VC5~VC6轉態以具有脈波P7，以導通第2圖中的多個開關M5~M6。據此，儲存於節點N1的多個電荷被轉移至節點N2，並儲存於第2圖中的電容C2。換句話說，第2圖中的電容C1現已儲存原儲存於節點N1的多個電荷以及在操作S420中由感測單元1410洩漏過來的多個電荷。第2圖中的電容C2現已儲存原儲存於節點N3的多個電荷以及在操作S420中由感測單元1410洩漏過來的多個電荷。因此，第2圖中的節點N1的電壓位準以及節點N2的電壓位準皆被提 升。第2圖中的電晶體T1根據節點N1的目前電壓位準產生資料信號DA1，且第2圖中的電晶體T2根據節點N2的目前電壓位準產生資料信號DA2。等效而言，電晶體T1根據轉移電壓VT1以及輔助電壓VA1兩者而產生資料信號DA1，且第2圖中的電晶體T2根據轉移電壓VT2以及輔助電壓VA2兩者而產生資料信號DA2。於時間14，行讀取電路180讀取多個資料信號DA1~DA2，以延長可偵測的距離。
請繼續參照第4A圖，於操作S480中，被選中的像素141的多個開關M7~M8被導通以拉升節點N1與節點N3的電壓位準至電壓VDD。於操作S490，第2圖的電晶體T1更根據節點N1的電壓位準產生資料信號DA1至行讀取電路180，且電晶體T2更根據節點N3的電壓位準產生資料信號DA2至行讀取電路180。於操作S4100中，第1圖的計算電路180根據先前所讀取的多個資料信號DA1~DA2計算物件與第1圖的裝置100之間的距離。
以第4C圖的示例而言，於時間15，多個重置信號RST1~RST2轉態以具有脈波P8，以導通多個開關M7~M8。電壓VDD因此被傳送至節點N1與節點N3。位於節點N3的多個電荷因此被電壓VDD吸引。等效而言，節點N1與節點N3的電壓位準備重置到重置位準。第2圖中的多個電晶體T1~T2響應於前述的重置位準產生多個資料信號DA1~DA2。於時間16，行讀取電路180讀取代表重置位準的多個資料信號DA1~DA2。於一些實施例中，用以代表重置位準的多個資料信號DA1~DA2可用來被第1圖中 的計算電路184執行誤差消除。計算電路184根據於時間12、14與16時所讀取的多個資料信號DA1~DA2計算物件與裝置100之間的距離。
於一些實施例中，裝置100的第二模式(亦即方法400)被稱為時差測距(time-of-flight,TOF)模式。如先前所述，藉由第2圖中的多個電容C1~C2以及方法400的設置方式，可偵測的距離能夠被增加。
第5圖為根據本揭示內容的各實施例所繪示的一種如第1圖中的像素141的示意圖。為易於理解，於第5圖中的類似元件將參照第2圖指定相同參考編號。相較於第2圖中的像素141，於第5圖所示的一些實施例中，像素141更包含多個輸出級1413與1414以及多個開關M11~M12。於一些實施例中，輸出級1413與輸出級1411協同操作，以根據節點N2的電壓位準產生資料信號DA1，且輸出級1414與輸出級1412協同操作，以根據節點N4的電壓位準產生資料信號DA2。示例而言，輸出級1413包含電晶體T3，且輸出級141包含電晶體T4。開關M11與電晶體T3的連接關係以及多個操作與開關M9與電晶體T1的連接關係以及多個操作相類似。開關M12與電晶體T4的連接關係以及多個操作與開關M10與電晶體T2的連接關係以及多個操作相類似。因此，於此不再重複贅述。相較於第2圖的像素141，第2圖中的多個電容C1~C2可由多個電晶體的T3~T4的多個控制端的寄生電容(未繪示)等效替代。藉由在像素141中使用更多的輸出級，像素141的雜訊可被降低。
第6圖為根據本揭示內容的各實施例所繪示第1圖中的像素141的示意圖。為易於理解，於第6圖中的類似元件將參照第2圖指定相同參考編號。如先前所述，像素141可由立體CIS技術實現。相較於第2圖中的像素141，於第6圖所示的一些實施例中，電容C1以及電容C2由金屬-氧化物-金屬(metal-oxide-metal,MOM)電容結構實現，並經由立體CIS技術而擺放於感測單元1410上。於一些實施例中，MOM電容結構等效地形成衍射光柵結構，其可濾除光線中不需要的波長。因此，於一些實施例中，於第6圖的像素141可被用於近紅外線的應用中。
第7圖為根據本揭示內容的各實施例所繪示第1圖中的像素141的示意圖。為易於理解，於第7圖中的類似元件將參照第2圖指定相同參考編號。相較於第2圖中的像素141，於第7圖所示的一些實施例中，開關M1與開關M2兩者的位置互相交換，且開關M3與開關M4兩者的位置互相交換。示例而言，開關M7的第二端、電晶體T1的控制端以及開關M5的第一端耦接至節點N2，而非節點N1。開關M8的第二端、電晶體T2的控制端以及開關M6的第一端耦接至節點N4，而非節點N3。
再者，藉由第7圖的像素141的設置方式，於第3C圖中的積分期間IP內，電荷經由感測單元1410洩漏至節點N1或N2，且用以代表從感測單元1410洩漏的電荷的資料信號DA1或DA2被第1圖的行讀取電路180第一次讀出。之後，開關M7或M8被導通以重置節點N2與/或節點N3，且用 以代表節點N3或N4的電壓位準的資料信號DA1或DA2被行讀取電路180讀出。然後，開關M5與/或開關M6被導通，以自節點N1或N4轉移電荷至節點N2或N3。用以代表儲存於節點N1或N4的電荷的資料信號DA1或DA2接著被第1圖中的行讀取電路180讀取。
示例而言，請參照第3C圖與第7圖，藉由如前述的第7圖中的設置方式與多個操作，於時間4，行讀取電路180可讀取代表自感測單元1410洩漏的電荷量的資料信號DA2。於時間6，行讀取電路180讀取代表重置位準的資料信號DA2。於時間8，行讀取電路180讀取自節點N1或N4轉移的電荷量的資料信號DA2。換句話說，相較於前述第2圖的像素141以及於第3A~3C圖的多個操作，於第7圖的多個節點N2與N3在儲存於節點N1、N4的電荷被轉移至節點N2~N3之前被重置到重置位準。
第8圖為根據本揭示內容的各實施例所繪示第1圖中的像素141的示意圖。為易於理解，於第8圖中的類似元件將參照第2圖指定相同參考編號。相較於第7圖的像素141，於第8圖所示的一些實施例中，像素141更包含多個開關M13~M14與電容C3。開關M13的第一端耦接至開關M7的第二端，且開關M13的第二端耦接至節點N2。開關M13的控制端耦接至驅動電路162，以接收控制信號VC13。開關M14的第一端耦接至開關M8的第二端，且開關M14的第二端耦接至節點N4。開關M14的控制端耦接至驅動電路163，以接收控制信號VC14。電容C3耦接於開關M13的第 端與開關M14的第一端之間，並用以藉由共同地端而操作為先前所述的多個電容C1~C2。第8圖的像素141於第一模式以及第二模式下的多個操作與先前說明之操作類似。因此，於此不再重複贅述。
於一些實施例中，如第8圖所示，電容C3可由MOM電容結構實現。如先前所述，MOM電容結構可形成衍射光柵結構，以濾除光線中不需要的波長。於另一些實施例中，電容C3可由群組A與群組B共享，相較於前述的各實施例，像素141的面積可被降低。
再者，請參照第1圖，於一些實施例中，行讀取電路180更包含開關MO。開關MO耦接於第2圖中的開關M9與開關M10的多個第二端之間。於一些實施例中，開關MO設置以在裝置100操作於全局快門模式時被導通。如先前方法300所述，當第2圖中群組A與群組B中之一者處於全局積分事件中，群組A與群組B中之另一者處於逐列讀取事件。據此，藉由設置開關MO，在相同期間內，多個像素141的資料信號DA1或DA2可傳送至兩個比較器181以進行讀取操作。相較於第4A~4B中的TOF模式，等效而言，多個資料信號DA1與DA2可被行讀取電路180超取樣。如此一來，全局快門模式的操作能夠更有效率地被執行。
第9圖為根據本揭示內容的各實施例所繪示第1圖中的資料排列電路183的示意圖。為易於理解，於第9圖中的類似元件將參照第1圖指定相同參考編號。
於第9圖所示的一些實施例中，資料排列電路183包含多個閂鎖器1831~1836。多個閂鎖器1831~1833串疊耦接。閂鎖器1831用以根據對應的計數信號TC擷取資料信號DA3。閂鎖器1832用以根據觸發信號TR1擷取自閂鎖器1831輸出的資料。閂鎖器1833用以根據觸發信號TR2擷取自閂鎖器1832輸出的資料。閂鎖器1834用以根據發信號TR3自閂鎖器1831輸出的資料，並將所擷取的資料輸出為資料信號DA4至計算電路184。閂鎖器1835用以根據發信號TR3自閂鎖器1832輸出的資料，並將所擷取的資料輸出為資料信號DA4至計算電路184。閂鎖器1836用以根據發信號TR3自閂鎖器1833輸出的資料，並將所擷取的資料輸出為資料信號DA4至計算電路184。藉由此種設置方式，資料排列電路183能夠同時地轉移具有不同值的多個資料信號DA4至計算電路184，以計算被擷取影像的資訊，其中上述具有不同值的多個資料信號DA4在不同時間被讀取。
例如，藉由第9圖的資料排列電路183，於第3C圖中時間4、6、8所讀取的資料信號DA2可等效地被傳送至計算電路184。同樣地，藉由第9圖的資料排列電路183，於時間12、14、16所讀取的多個資料信號DA1~DA2可等效地被傳送至計算電路184。
於本文中，『耦接』可被視為『電性耦接』，且『連接』可被視為『電性連接』。『耦接』與『連接』亦可用來視為兩個或兩個以上的元件彼此之間的操作或互相連動。
於一些實施例中，一種影像感測電路在此揭露，其包含感測單元、第一切換單元群組以及第二切換單元群組。感測單元用以接收光線並響應於光線而於感測節點上產生感測電壓。第一切換單元群組耦接至該感測節點，並用以產生第一轉移電壓至第一節點，並產生第一輔助電壓至第二節點，其中第一轉移電壓以及第一輔助電壓中至少一者設置以被讀取電路讀取。第二切換單元群組耦接至該感測節點，並用以產生第二轉移電壓至第三節點，並產生第二輔助電壓至第四節點，其中第二轉移電壓以及第二輔助電壓中至少一者設置以被讀取電路讀取。
一種影像感測裝置亦在此揭露，其包含複數個像素、驅動器與讀取電路。多個像素中每一者包含感測單元、第一切換單元群組以及第二切換單元群組。感測單元用以響應於光線而於感測節點累積複數個電荷。第一切換單元群組用以根據該些電荷產生第一轉移電壓至第一節點，並產生第一輔助電壓至第二節點。第二切換單元群組用以根據該些電荷產生第二轉移電壓至第三節點，並產生第二輔助電壓至第四節點。驅動器用以驅動第一切換單元群組與第二切換單元群組。讀取電路用以讀取複數個資料信號，其中該些資料信號代表第一轉移電壓與第一輔助電壓中至少一者，或第二轉移電壓與第二輔助電壓中至少一者。
一種驅動方法亦在此揭露，其包含下列多個操作。經由感測單元響應於光線而於感測節點產生感測電壓。經由第一切換單元群組產生第一轉移電壓至第一節點並產 生第一輔助電壓至第二節點，其中第一切換單元群組耦接至感測節點。經由第二切換單元群組產生第二移電壓至第三節點並產生第二輔助電壓至第四節點，其中第二切換單元群組耦接至感測節點。
本領域具有通常知識者應當瞭解，本揭示內容中前述的多個實施例僅為示例，而並非用以限定本揭示內容。各種的更動或類似的設置方式應當涵蓋於後附之申請專利範圍，且申請專利範圍所界定者應當解讀為最大範圍，以涵蓋任何各種更動或類似的設置方式。
100‧‧‧電子裝置
120‧‧‧振盪器
140‧‧‧影像感測器
160‧‧‧列驅動器
180‧‧‧行讀取電路
OS0~OS3‧‧‧振盪信號
141‧‧‧像素
DA1~DA4‧‧‧資料信號
VC1~VC6‧‧‧控制信號
RST1、RST2‧‧‧重置信號
VC13~VC14‧‧‧控制信號
161‧‧‧反相器
SE1~SE2‧‧‧選擇信號
TOF、GS1、GS2‧‧‧模式信號
162、163‧‧‧驅動電路
182‧‧‧計數器
181‧‧‧比較器
183‧‧‧資料排列電路
184‧‧‧計算電路
VR‧‧‧斜坡電壓
TC‧‧‧計數信號
122‧‧‧緩衝器
1831‧‧‧行間距
MO‧‧‧開關
190‧‧‧紅外線發光二極體

Claims (10)

  1. 一種影像感測電路，包含：一感測單元，用以接收光線並響應於該光線而於一感測節點上產生一感測電壓；一第一切換單元群組，耦接至該感測節點，並用以產生一第一轉移電壓至一第一節點，並產生一第一輔助電壓至一第二節點，其中該第一轉移電壓以及該第一輔助電壓中至少一者設置以被一讀取電路讀取；以及一第二切換單元群組，耦接至該感測節點，並用以產生一第二轉移電壓至一第三節點，並產生一第二輔助電壓至一第四節點，其中該第二轉移電壓以及該第二輔助電壓中至少一者設置以被該讀取電路讀取。
  2. 如申請專利範圍第1項之影像感測電路，其中該第一切換單元群組包含一第一切換單元與一第二切換單元，該第二切換單元群組包含一第三切換單元與一第四切換單元，該第一切換單元耦接於該感測節點與該第一節點之間，該第二切換單元耦接於該感測節點與該第二節點之間，該第三切換單元耦接於該感測節點與該第三節點之間，且該第四切換單元耦接於該感測節點與該第四節點之間，其中該影像感測電路更包含：一第一電容性單元，耦接至該第二節點；一第二電容性單元，耦接至該第四節點； 一第五切換單元，耦接於該第一節點與該第二節點之間；一第六切換單元，耦接於該第三節點與該第四節點之間；一第七切換單元，耦接於一電源與該第三節點之間；一第八切換單元，耦接於該電源與該第三節點之間；一第一輸出級，用以響應於該第一節點之電壓位準產生一第一資料信號：一第九切換單元，用以根據一第一選擇信號傳送該第一資料信號至該讀取電路；一第二輸出級，用以根據該第三節點之電壓位準產生一第二資料信號；以及一第十切換單元，用以根據一第二選擇信號傳送該第二資料信號至該讀取電路。
  3. 如申請專利範圍第2項之影像感測電路，其中當該感測單元接收到該光線時，該第一切換單元、該第二切換單元與該第三切換單元用以接收具有一第一電壓位準的複數個第一控制信號，該第四切換單元用以接收具有一第二電壓位準的一第二控制信號，且該第一電壓位準相異於該第二電壓位準。
  4. 如申請專利範圍第2項之影像感測電路，其中當該感測單元接收到該光線時，該第一切換單元群組與該第二切換單元群組用以交替地被導通， 其中當該第一切換單元群組被導通時，該第一切換單元用以接收具有一第一電壓位準的一第一控制信號，該第二切換單元用以接收具有一第二電壓位準的一第二控制信號，且該第一電壓位準相異於該第二電壓位準。
  5. 如申請專利範圍第2項之影像感測電路，更包含：一第三輸出級，用以協同該第一輸出級操作而根據該第二節點之電壓位準產生該第一資料信號；一第十一切換單元，用以根據該第一選擇信號產傳送該第一資料信號至該感測單元；一第四輸出級，耦接至該第四節點，並用以協同該第二輸出級操作而根據該第四節點之電壓位準而產生該第二資料信號；以及一第十二切換單元，用以根據該第二選擇信號產生該第二資料信號至該讀取電路。
  6. 如申請專利範圍第1項之影像感測電路，其中該第一切換單元群組包含一第一切換單元與一第二切換單元，該第二切換單元群組包含一第三切換單元與一第四切換單元，該第一切換單元耦接於該感測節點與該第一節點之間，該第二切換單元耦接於該感測節點與該第二節點之間，該第三切換單元耦接於該感測節點與該第三節點之間，且該第四切換單元耦接於該感測節點與該第四節點之間，且該影像感測電路更包含： 一第五切換單元，耦接於該第一節點與該第二節點之間；一第六切換單元，耦接於該第三節點與該第四節點之間；一第七切換單元，耦接於一電源與該第二節點；以及一第八切換單元，耦接於該電源與該第四節點之間；一第一輸出級，用以根據該第二節點之電壓位準產生一第一資料信號；一第九切換單元，用以根據一第一選擇信號傳送該第一資料信號至該感測單元；一第二輸出級，用以根據該第四節點的電壓位準產生一第二資料信號；一第十切換單元，用以根據一第二選擇信號傳送該第二資料信號至該讀取電路；一電容性單元；一第十一切換單元，與該電容性單元耦接於一第五節點，並耦接於該第五節點與該第二節點之間；以及一第十二切換單元，與該電容性單元耦接於一第六節點，並耦接於該第六節點與該第四節點之間，其中該第七切換單元經由該第十一切換單元耦接至該第二節點，且該第八十二切換單元經由該第十二切換單元耦接至該第四節點。
  7. 一種影像感測裝置，包含：複數個像素，該些像素每一者包含：一感測單元，用以響應於光線而於一感測節點累積複數個電荷； 一第一切換單元群組，用以根據該些電荷產生一第一轉移電壓至一第一節點，並產生一第一輔助電壓至一第二節點；以及一第二切換單元群組，用以根據該些電荷產生一第二轉移電壓至一第三節點，並產生一第二輔助電壓至一第四節點；以及一驅動器，用以驅動該第一切換單元群組與該第二切換單元群組；以及一讀取電路，用以讀取複數個資料信號，其中該些資料信號代表該第一轉移電壓與該第一輔助電壓中至少一者，或該第二轉移電壓與該第二輔助電壓中至少一者。
  8. 一種驅動方法，包含：經由一感測單元響應於光線而於一感測節點產生一感測電壓；經由一第一切換單元群組產生一第一轉移電壓至一第一節點並產生一第一輔助電壓至一第二節點，其中該第一切換單元群組耦接至該感測節點；以及經由一第二切換單元群組產生一第二移電壓至一第三節點並產生一第二輔助電壓至一第四節點，其中該第二切換單元群組耦接至該感測節點。
  9. 如申請專利範圍第8項之驅動方法，其中產生該感測電壓包含： 經由該感測單元響應於該光線而累積多個電荷，以產生該感測電壓；當該感測單元累積該些電荷時，經由一驅動器產生具有一第一電壓位準的複數個第一控制信號，以驅動該第一切換單元群組中之一第一切換單元、該第一切換單元群組中之一第二切換單元以及、該第一切換單元群組中之一第三切換單元；以及當該感測單元累積該些電荷時，經由該驅動器產生具有一第二電壓位準的一第二控制信號，以驅動該第一切換單元群組中之一第四切換單元，其中該第一電壓位準相異於該第二電壓位準；其中該第一切換單元耦接於該感測節點與該第一節點之間，該第二切換單元耦接於該感測節點與該第二節點之間，該第三切換單元耦接於該感測節點與該第三節點之間，且該第四切換單元耦接於該感測節點與該第四節點之間。
  10. 如申請專利範圍第8項之驅動方法，其中產生該感測電壓包含：經由該感測單元響應於該光線而累積多個電荷，以產生該感測電壓；以及經由一驅動器交替地導通該第一切換單元群組與該第二切換單元群組；其中交替地導通該第一切換單元群組與該第二切換單元群組包含： 當該第一切換單元群組導通時，經由該驅動器產生具有一第一電壓位準的一第一控制信號，以驅動該第一切換單元群組中之一第一切換單元；以及當該第一切換單元群組導通時，經由該驅動器產生具有一第二電壓位準的一第二控制信號，以驅動該第一切換單元群組中之一第二切換單元，其中該第一電壓位準相異於該第二電壓位準；其中該第一切換單元耦接於該感測單元與該第一節點之間，且該第二切換單元耦接於該感測單元與該第二節點之間。
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