TW202135518A - 用於緩衝感光訊號的緩衝電路及其圖像感測器 - Google Patents

用於緩衝感光訊號的緩衝電路及其圖像感測器 Download PDF

Info

Publication number
TW202135518A
TW202135518A TW109127458A TW109127458A TW202135518A TW 202135518 A TW202135518 A TW 202135518A TW 109127458 A TW109127458 A TW 109127458A TW 109127458 A TW109127458 A TW 109127458A TW 202135518 A TW202135518 A TW 202135518A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
circuit
amplifying circuit
coupled
terminal
amplifying
Prior art date
Application number
TW109127458A
Other languages
English (en)
Other versions
TWI764234B (zh
Inventor
王仲益
林郁軒
彭子洋
Original Assignee
神盾股份有限公司
神亞科技股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 神盾股份有限公司, 神亞科技股份有限公司 filed Critical 神盾股份有限公司
Publication of TW202135518A publication Critical patent/TW202135518A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI764234B publication Critical patent/TWI764234B/zh

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/26—Modifications of amplifiers to reduce influence of noise generated by amplifying elements
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/32—Modifications of amplifiers to reduce non-linear distortion

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)

Abstract

一種用於緩衝感光訊號的緩衝電路，該緩衝電路包含：一放大電路、一第一開關元件以及一電阻性元件。該放大電路的控制端耦接於像素電路的輸出端，該放大電路的第一端用以輸出緩衝後感光訊號，以及該放大電路的第二端耦接於一參考電壓。該第一開關元件具有第一端耦接於該放大電路的控制端，以及其第二端耦接於該放大電路的第一端。該電阻性元件具有第一端耦接於該放大電路的控制端，以及其第二端耦接於該放大電路的第一端。其中，該第一開關元件在第一階段中導通以及在第二階段不導通；該放大電路在該第二階段中產生該緩衝後感光訊號。

Description

用於緩衝感光訊號的緩衝電路及其圖像感測器
本發明涉及圖像感測，尤指一種用於緩衝像素電路的感光訊號的緩衝電路以及相關的圖像感測器。
一般來說，像素電路產生的感光訊號會透過讀取電路所讀出。而在讀取電路將感光訊號讀出之前，會利用緩衝電路對感光訊號進行訊號緩衝。請參考圖1，該圖繪示習知的緩衝電路的架構與應用示意圖。在圖1之中，像素電路10的端點VX上的感光訊號V_sensed透過緩衝電路20被緩衝，並在端點VXS上產生緩衝後感光訊號V_buffered，之後才由讀取電路30讀出。其中，在重置階段中，端點VX會透過開關元件SW2被連接至一個重置電壓準位VDD，從而令感光訊號V_sensed的電壓準位上升至重置電壓準位VDD。之後的感光階段中，開關元件SW2被斷開，電容C_S透過感光元件12放電，因此讓端點VX的電壓準位逐漸偏離重置電壓準位VSS。最後，在讀取階段中，開關SW1導通，讀取電路30讀出緩衝後之感光訊號V_buffered。然而，在某些光照情況不理想的情況下(例如，受光微弱或曝光時間很短)，感光訊號V_sensed與重置電壓準位VSS之間的變化不大，導致讀取電路30所讀出的緩衝後之感光訊號V_buffered，無法確切地反映出像素電路10的受光情況。
為了解決以上的問題，本發明提供一種用於緩衝像素電路的感光訊號的緩衝電路。在本發明緩衝電路之中，包含一個設置為共源極組態的放大器，以及跨接於該放大器輸入端與輸出端之一電阻性元件。該電阻性元件結合共源極組態放大器，可放大感光訊號的變化，更好地反映出光照情況。因此，本發明實質上提升了像素電路的感光效果。
本發明之一實施例提供一種緩衝電路，該緩衝電路用於緩衝一像素電路的一感光訊號，並且包含：一放大電路、一第一開關元件以及一電阻性元件。該放大電路的一控制端耦接於該像素電路的輸出端，該放大電路的一第一端用以輸出緩衝後感光訊號，以及該放大電路的一第二端耦接於一參考電壓。該第一開關元件具有一第一端耦接於該放大電路的控制端，以及一第二端耦接於該放大電路的第一端。該電阻性元件具有一第一端耦接於該放大電路的控制端，以及一第二端耦接於該放大電路的第一端。其中，該第一開關元件在一第一階段中導通，以及在一第二階段不導通；該放大電路在該第二階段中產生該緩衝後感光訊號。
本發明之一實施例提供一種圖像感測器，該圖像感測器包含有：一像素電路陣列以及至少一個緩衝電路。該像素電路陣列包含有複數個像素電路。該緩衝電路，用以緩衝該複數個像素電路中至少一個像素電路上的感光訊號。該緩衝電路包含：一放大電路、一第一開關元件以及一電阻性元件。該放大電路的一控制端耦接於該像素電路的輸出端，該放大電路的一第一端用以輸出緩衝後感光訊號，以及該放大電路的一第二端耦接於一參考電壓。該第一開關元件具有一第一端耦接於該放大電路的控制端，以及一第二端耦接於該放大電路的第一端。該電阻性元件具有一第一端耦接於該放大電路的控制端，以及一第二端耦接於該放大電路的第一端。其中，該第一開關元件在一第一階段中導通，以及在一第二階段不導通；該放大電路在該第二階段中產生該緩衝後感光訊號。
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一個元件。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」。此外，「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接的電性連接手段。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性連接於該第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地電性連接至該第二裝置。
本發明之概念將搭配不同實施例與相關圖示來進行說明。其中，於不同圖示中具有相同標號的元件或裝置代表著其有相似的操作原理與技術功效。故，以下內文將會省略重複性的敘述。再者，文中所提及之「一實施例」代表針對該實施例所描述之特定特徵、結構或者是特性係包含於本發明之至少一實施方式中。因此，文中不同段落中所出現之「一實施例」並非代表相同的實施例。因此，儘管以上對於不同實施例描述時，分別提及了不同的結構特徵或是方法性的動作，但應當注意的是，這些不同特徵可透過適當的修改而同時實現於同一特定實施方式中。
請參考圖2，該圖為根據本發明一實施例之緩衝電路示意圖。如圖2所示，像素電路100包含有感光元件120以及寄生電容C_S。感光元件120對光照敏感，其阻抗隨著光照的強度有所變化。在本發明的不同實施例中，感光元件120可為光敏電阻(photoresistor)或者是光電二極體(photodiode)，又或者是任何對光照敏感，且基於光照變化改變其阻抗值的元件，但本發明並不以此為限。像素電路100耦接至緩衝電路110。緩衝電路110用以緩衝像素電路100之輸出端VX上的感光訊號V_sensed，從而在端點VXS上輸出緩衝後之感光訊號V_buffered。緩衝電路110包含放大電路121、開關元件SW12、電流源122以及電阻性元件123。在本發明中，放大電路121可能包含一個或多個電晶體，或者還包含一個或多個被動元件(如：電阻、電容或電感)。放大電路121包含一控制端C、一第一端E1以及一第二端E2。其中，放大電路121的控制端C耦接開關SW12以及電阻性元件123的第一端。放大電路121的第一端E1耦接至電流源122以及開關SW12與電阻性元件123的第二端。放大電路121的第二端E2耦接於一接地端(或是一參考電壓)。在本實施例中，放大電路121包含設置為共源極(common source)放大器的電晶體M1。其中，電晶體M1的閘極耦接放大電路121的控制端C，電晶體M1的汲極耦接放大電路121的第一端E1，而電晶體M1的源極則放大電路121的第二端E2。再者，緩衝電路110透過開關元件SW11耦接至讀取電路130。當開關元件SW11導通時，讀取電路130讀取端點VXS上之緩衝後之感光訊號V_buffered。
請參考圖3~5，關於緩衝電路110操作狀態的進一步說明。首先，在圖3所示的一個重置階段中，緩衝電路110中的開關元件SW12導通，這讓端點VX與端點VXS短路，此時電流源122將對像素電路100提供電流，並對像素電路100中的寄生電容C_S充電，使得端點VX與端點VXS的電壓準位達到一致。接著，在圖4所示的一個感光階段中，緩衝電路110中的開關元件SW12斷開，像素電路100中的感光元件120會隨著光照而釋放出電流I_Sense。其中，寄生電容C_S透過感光元件120開始放電，這讓端點VX的電壓準位下降。由於端點VX的電壓準位下降，使得電晶體M1的導通程度降低，導致端點VXS的電壓準位上升。在一實施例中，透過以上的操作，端點VXS上的電壓準位會形成一個電壓變化ΔV：
ΔV=I_Sense*r_eq
其中，r_eq為電阻性元件123的等校電阻值。最後，在圖5所示的讀取階段中，開關元件SW11導通，讀取電路130從端點VXS上讀取出緩衝後感光訊號V_buffered。透過適當地選擇電阻性元件123的等校電阻值r_eq，可以讓緩衝後之感光訊號V_buffered反映出很大的電壓變化ΔV，從而更有效地反映出光照情況。因此，本發明的緩衝電路110對像素電路100基於光照的反應，進行了有效的放大，提升了像素電路100的感光效果。
為了更大程度地放大電壓變化ΔV，放大電路121可由多個電晶體實現。在圖6所示的實施例中，放大電路121由電晶體M1與M2所實現，其中，電晶體M2透過電壓VB進行偏壓。由於放大電路121由兩個疊接(cascode)的電晶體所實現，因此訊號放大能力被進一步地提升。請注意，圖6僅是本發明放大電路121的一個變化實施例，在本發明的其他實施例中，放大電路121可能還額外包含一個或多個主/被動元件(如：電晶體、電容或者是電阻)。
在本發明的多個實施例中，電阻性元件123可通過不同類型的電子元件來實現。如圖7所示的實施例中，電阻性元件123單純地用被動式電阻器R來實現。而在圖8所示的實施例中，電阻性元件123亦可由電晶體實現，藉由以固定電壓VB對電晶體M3進行偏壓，從而形成主動式電阻。另外，若是需要保證電阻性元件123的線性度，則可如圖9一般，由被動式電阻器R加上主動式電阻(例如，圖8所示之電晶體M3)的組合，來實現電阻性元件123。在圖10所實施例的實施例中，則是透過對於電晶體M3的偏壓控制，固定電晶體M3的閘極與源極電壓，使得電阻性元件123同時具備高阻抗與良好的線性度。
另一方面，如果要降低雜訊，則可在緩衝電路110中設計濾波網路來濾除雜訊。如圖11所示的一個實施例中，緩衝電路110還包含了並聯於開關元件SW12以及電阻性元件123的濾波電容C_F。其中，濾波電容C_F可與電阻性元件123形成濾波網路，濾除雜訊，且提供一定的穩壓效果。
在圖12所示的實施例中，緩衝電路110還包含了一校準電流源125。校準電流源125可以提供一校準電流I_can，用以於抵消像素電路100的電流I_Sense中的一部分，如此一來，可以適當地抵銷像素電路100的基礎值(baseline)對於感光訊號V_sensed的影響，讓緩衝後感光訊號V_buffered的變化可以直接地反映出光照情況。
圖13則繪示了根據本發明一實施例之圖像感測器300。如圖所示，圖像感測器300包含有一像素電路陣列310，像素電路陣列310由如圖2所示的像素電路100所組成。圖像感測器300中還包含有一個或多個緩衝電路110，用以對像素電路100的感光訊號進行訊號放大。並且，透過一個或多個讀取電路130，讀出由緩衝電路110緩衝後的感光訊號。本發明透過緩衝電路110對感光訊號進行了訊號放大，因此圖像感測器300可以擁有更好的感光效果。
本發明的優勢在於，緩衝電路中的放大電路係由共源極組態放大器取代了習知架構採用的共汲極組態放大器。由於共源極組態放大器相對於共汲極組態放大器有更好的電壓增益，因此，本發明的緩衝電路可以更有效地放大像素電路所輸出的感光訊號。另一方面，本發明還設置了在共源極組態放大器的端點上跨接了電阻性元件，如此一來，因光照所導致的電壓變化便可由電阻性元件的等校電阻值來主導，透過適當地選擇電阻性元件的等校電阻值，即可有效地放大像素電路電壓變化，因此，本發明的緩衝電路實質上提升了像素電路以及圖像傳感器的感光性能。 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。
10、100:像素電路 12、120:感光元件 20、110:緩衝電路 30、130:讀取電路 121:放大電路 122、125:電流源 123 電阻性元件 SW1、SW2、SW11、SW12:開關元件 M1、M2、M3:電晶體 R:電阻 C_S、C_F:電容 300:圖像感測器 310:像素電路陣列
圖1為習知緩衝電路的架構與應用示意圖。 圖2為根據本發明一實施例的緩衝電路的架構與應用示意圖。 圖3~5為本發明緩衝電路在不同階段下的操作狀態示意圖。 圖6~12為根據本發不同實施例中的緩衝電路的架構與應用示意圖。 圖13為根據本發明一實施例的圖像感測器的架構示意圖。
100:像素電路
110:緩衝電路
120:感光元件
130:讀取電路
121:放大電路
122:電流源
123:電阻性元件
SW11、SW12:開關元件
M1:電晶體
C_S:電容

Claims (9)

  1. 一種緩衝電路，用於緩衝一像素電路的一感光訊號，包含： 一放大電路，該放大電路的一控制端耦接於該像素電路的輸出端，該放大電路的一第一端用以輸出緩衝後感光訊號，以及該放大電路的一第二端耦接於一參考電壓； 一第一開關元件，具有一第一端耦接於該放大電路的控制端，以及一第二端耦接於該放大電路的第一端；以及 一電阻性元件，具有一第一端耦接於該放大電路的控制端，以及一第二端耦接於該放大電路的第一端； 其中，該第一開關元件在一第一階段中導通，以及在一第二階段不導通；該放大電路在該第二階段中產生該緩衝後感光訊號。
  2. 如請求項1所述的緩衝電路，其中該放大電路為共源極組態。
  3. 如請求項1所述的緩衝電路，其中該放大電路包含有個電晶體，且該些電晶體形成一疊接放大器。
  4. 如請求項1所述的緩衝電路，其中該緩衝電路包含一電流源，該電流源耦接於該放大電路之第二端，且該電流源在該第一階段中提供一電流給該像素電路。
  5. 如請求項1所述的緩衝電路，其中該電阻性元件包含一主動式電阻或一被動式電阻中之至少一者。
  6. 如請求項1所述的緩衝電路，另包含： 一電容，具有一第一端耦接於該放大電路的控制端，以及一第二端耦接於該放大電路的第一端，用於與該電阻性元件形成一濾波網路。
  7. 如請求項1所述的緩衝電路，另包含： 一校正電流源，具有一第一端耦接於該像素電路的輸出端，用以提供一校正電流至該像素電路，從而消除該像素電路的基礎值對該感光訊號的影響。
  8. 如請求項1所述的緩衝電路，其中該緩衝電路透過一第二開關元件耦接於一讀取電路；當該第二開關元件導通時，該讀取電路耦接於該放大電路的第一端，用以讀取該緩衝後感光訊號。
  9. 一種圖像感測器，包含有： 一像素電路陣列，包含複數個像素電路；以及 至少一個緩衝電路，用以緩衝該些像素電路中至少一個像素電路的感光訊號，包含： 一放大電路，其中該放大電路的一控制端耦接於該像素電路的輸出端，該放大電路的一第一端用以輸出緩衝後感光訊號，以及該放大電路的一第二端耦接於一參考電壓； 一第一開關元件，具有一第一端耦接於該放大電路的控制端，以及一第二端耦接於該放大電路的第一端；以及 一電阻性元件，具有一第一端耦接於該放大電路的控制端，以及一第二端耦接於該放大電路的第一端； 其中，該第一開關元件在一第一階段中導通，以及在一第二階段不導通；該放大電路在該第二階段中產生該緩衝後感光訊號。
TW109127458A 2020-03-02 2020-08-13 用於緩衝感光訊號的緩衝電路及其圖像感測器 TWI764234B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202062983770P 2020-03-02 2020-03-02
US62/983,770 2020-03-02

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW202135518A true TW202135518A (zh) 2021-09-16
TWI764234B TWI764234B (zh) 2022-05-11

Family

ID=72834591

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW109210470U TWM605430U (zh) 2020-03-02 2020-08-13 用於緩衝感光訊號的緩衝電路及其圖像感測器
TW109127458A TWI764234B (zh) 2020-03-02 2020-08-13 用於緩衝感光訊號的緩衝電路及其圖像感測器

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW109210470U TWM605430U (zh) 2020-03-02 2020-08-13 用於緩衝感光訊號的緩衝電路及其圖像感測器

Country Status (3)

Country Link
CN (2) CN111800095A (zh)
TW (2) TWM605430U (zh)
WO (1) WO2021174766A1 (zh)

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI266166B (en) * 2004-12-16 2006-11-11 Realtek Semiconductor Corp Source follower and stabilizing current feedback circuit thereof
CN107426513B (zh) * 2017-07-25 2019-11-12 京东方科技集团股份有限公司 有源像素传感器及其驱动方法
CN109688353B (zh) * 2019-01-08 2022-10-14 京东方科技集团股份有限公司 光检测单元、图像传感器、电子设备和检测方法
CN110661989A (zh) * 2019-03-12 2020-01-07 神盾股份有限公司 用于缓冲感光信号的缓冲电路及其图像感测器
CN109872689A (zh) * 2019-03-21 2019-06-11 京东方科技集团股份有限公司 像素电路、触控显示面板和显示装置
CN110806228A (zh) * 2019-04-24 2020-02-18 神盾股份有限公司 用于感测器的校正电路与相关感测器

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021174766A1 (zh) 2021-09-10
CN212850427U (zh) 2021-03-30
CN111800095A (zh) 2020-10-20
TWM605430U (zh) 2020-12-11
TWI764234B (zh) 2022-05-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7110560B2 (en) Electret condensor microphone preamplifier that is insensitive to leakage currents at the input
US7262665B1 (en) Active bias circuit for low-noise amplifiers
US4814648A (en) Low 1/f noise amplifier for CCD imagers
US7336460B2 (en) Protection of an integrated circuit against electrostatic discharges
US20060017506A1 (en) Programmable low noise amplifier and method
US20090167364A1 (en) Current sampling method and circuit
TWI728406B (zh) 源極驅動器
TW201903553A (zh) 放大器及使用放大器的半導體裝置
EP0331695A1 (en) Read-out amplifier for photovoltaic detector
US4629910A (en) High input impedance circuit
JP5588413B2 (ja) 広帯域低雑音センサ増幅回路
US7586081B2 (en) Output impedance varying circuit
WO2021174766A1 (zh) 用于缓冲感光信号的缓冲电路及其图像感测器
US6295240B1 (en) Controlling a sense amplifier
JP3877360B2 (ja) 固体撮像装置
US20200296312A1 (en) Buffering circuit for sensed signal and related image sensor
US7411460B2 (en) Elimination of dummy detector on optical detectors using input common mode feedback
US8026759B2 (en) Multistage amplifying circuit
US10972063B2 (en) Amplifier systems for measuring a wide range of current
US10291186B2 (en) Amplifier for contorlling output range and multi-stage amplification device using the same
JP3644445B2 (ja) 画像読取信号処理装置
US20120019290A1 (en) Input circuit
US20210352237A1 (en) Readout circuit
US11073493B2 (en) Sensor device
JP2006129107A (ja) 信号増幅装置

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees