TW420942B - Compact low-noise active pixel sensor with progressive row reset - Google Patents
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經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 420942 at __ B7___ 五、發明説明(丨) 發明背景 本發明係有關於一種電子影像儀器,特別是,本發明 係爲每個像素中具有數量最少之類比式元件之互補式金氧 半導體(以下簡稱CMOS)顯像器。 相關先前技藝之描述 .............目前有許多用·來產生視訊或是靜態影像之電荷耦合儀 器(以下簡稱CCD)感測器的替代方案。各種不同的設計可 以分爲兩個基本的種類,分類的標準是依據是否信號放大 的功能是在每個像素網點上執行的,抑或是於像素陣列外 之支援電路上執行的。被動式像素感應器會於像素陣列之 外執行放大功能。被動像素感應器顯現出像素簡單性以及 最大化之光學塡滿係數。主動式像素感應器則包括位於每 個像素網點的一個放大器。主動式像素感應器會將信號轉 換以及感光度最佳化。 最簡單之被動像素是包含一個光電二極管以及一個存 取電晶體。光激勵電荷由每個像素被動地轉換至下游電路 D但是,積體電荷必須要有效率地以低雜訊與非一致性轉 換。因爲每一列的像素通常會共享一個公用列或是公用匯 流排來讀取信號’所以雜訊與非一致性之消除通常會於服 務每個匯流排之"行”緩衝區中進行會有更有幫肋° 一個被 動式像素之實施例顯示於圖一中。其使用一個緩衝區,此 緩衝區是由一個具有電容回饋之轉移阻抗放大器所組成’ 以產生適當之感光度其考慮到大量的匯流排谷直。运樣的 (請先《讀背面之注$項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中®困家揉準(CNS ) A4規格(210X297公釐) 420942 A7 B7_ 五、發明説明(> ) 電荷-放大於較早之金氧半導體(以下簡稱MOS)影像感測器 中,對於晶片上之實施通常並不實用。因此,便應用與N 型MOS(以下簡稱NMOS)技術相容之替代設計方案。顯示 於圖二之基本設計爲由日立公司大量生產凸輪時之設計》 對於圖一設計之改變包括抗暴發控制以及用於減少固定形 態雜訊之電子電路。雖然這些影像器的品質比起於當時可 二‘得之電荷耦合儀器(Charge Coupled Device,CCD)影像器爲 差,但是相似之MOS影像器於今日仍然於市場上銷售。 於改進被動式像素影像器效能之後續努力亦著重於行 緩衝區之增強。此行緩衝區藉由使用一個增強型/消耗型反 向換流器放大器來提升效能,藉此提供於少量之區域中適 當大的放大效用。其40勒克斯之感光度仍然是較互相競爭 之CCD類之感測器於強度上將近低了一個等級的大小。其 他的則嘗試增加感光度,並且藉由於行緩衝區之電荷放大 便利自動增強之控制。直至最近,圖一中之電容回饋轉移 阻抗放大器(Capacitance Trans-Impedance Amplifier,CTIA ) 的槪念已經成爲進一步發展的基礎,例如美國專利第 5,043,820號以及第5,345,266號可作爲範例。若能夠充分地 處理暫時性的雜訊激勵以及固定形式之雜訊,則CTIA對 於被動式像素解讀近乎爲理想。 雖然於發展被動式像素影像器上已經有長足的進步, 但其暫時性的S/N(Signal to Noise Ratio訊雜比)表現仍然爲 其略遜於相競爭之CCD影像器最根本的因素。其匯流排電 容會轉移以讀取大約100電子伏特之雜訊。另一方面, ___ ____4__ 尺度適用中國國家標準(cns)a4規^Γ( 2ΐαχ29:?公釐) -----------r.------訂 {請先M讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局R工消费合作社印製 420942 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明(巧) CCD通常僅會於視訊框之速率上讀到20至40電子伏特之 雜訊《以傳統之MOS製造技術,而非深奧之CCD製造過 程(其通常需要許多注入步驟以及複雜的介面電路)所產生 影像之魅力,鼓勵了主動式像素感測器之發展。爲了減少 伴隨著匯流排電容產生之雜訊,放大的作用係經由光電晶 體增加於像素上。其中一個上述的方法稱之爲一個基底儲 存影像感測器(Base-Stored Image Sensor ’以下簡稱BASIS) 之方法,其使用一個處於射極偶隨器組態中之雙極電晶體 ,連同一個下游相關雙重樣本,以抑制隨機與暫時性的雜 訊。藉由將光學激勵信號儲存於光電晶體之基底以提供電 荷放大,最小的場景明亮度於一個線性感測器陣列中,已 經降低到mooo勒克斯。但是,於一個具有310,000個像 素之二維之中,BASIS影像器中之最小的場景明亮度仍然 偏高(1/100勒克斯),這是因爲本反應非一致性相當的高 (<=2%)。這些M0S影像器具有足夠的感光度,但其像素之 間距太大了,大約爲13 um。此情形產生了一個問題,即 縮小像素間距的同時,也會降低光反應之非一致性。 因爲加入雙極光電晶體並非嚴格地與主流CMOS處理 程序相容,所以有些方法已經將光偵測與信號放大分離。 舉例說明,美國專利第5,2%,696號與第5,083,016號描述 了主要由一個三電晶體像素與光二集體組成之主動式像素 感測器。這些實施例的效能仍然有些缺陷。例如,第 5,296,696號專利於第5,083,016號專利之基本源極耦隨器組 態上增加了一個行緩衝區,其消除了固定形式雜訊,但卻 ________5______ 本紙張尺度適用中國國家橾準(CNS ) A4規格(210X297公釐) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 420942 A7 B7 五、發明説明(今) 增加了一個第四個電晶體,其創造了一個對於用於電荷-傾 注與相伴之電荷重新分配之隨機偏移量之產生容易受影響 的浮動節點。第5,083,016號專利提供了一個用於降低偏移 量錯誤之方法,但並不具足夠之正確性與解析度可以與 CCD競爭。此外’這些與其他相似的方法需要於像素中除 了光二極體之外’另外具有3到4個電晶體(至少其中一個 -電晶體相當地大,以減少Uf .雜訊)。這些實施例亦需要於 晶片外(off-chip)信號處理以提供最佳的S/N性能,因爲其 並沒有針對暫時性的雜訊的主要來源。爲了要消除,或是 大大地降低因重置偵測器電容而產生之重置雜訊(kTC),不 論是於晶片上(on-chip)或於晶片外(off-chip)的處理,通常需 要一個專用的記憶體元件用來儲存重置電壓以施加關聯雙 重取樣,並且於光激勵之電壓被讀取時,一致地去除關聯 性重置雜訊。 經濟部智蒽財產局員工消費合作社印製 ^^1* an— n^i n Γ— : i^p If )*J (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 此基本的缺陷於美國專利第5,471,515號中有所著墨, 其發展一個使用內部像素(intra-pixel)電荷轉換器之主動式 像素感測器(Active Pixel Sensor,APS)以將重置電何儲存於 每個影像訊框起始點之每個像素處。浮動閘極APS藉由增 加一些電晶體以及依賴一個用於信號偵測之光閘極以高效 率讓相千之雙重取樣更爲容易。但隨之而來的缺點卻是難 以操作的,因爲其增加了影像器之成本。前者於每個像素 上增加了一些電晶體,並於每個影像器上增加數百萬計的 電晶體,藉此減少產品之生產。後者與標準的CM〇S閑極 製程並不相容,所以必須發展一個非標準程序。這些缺陷 本紙張尺度適用中國國家橾準(CNS ) A4规格(2丨0X297公釐) 420942 A7 B7 五、發明説明(<) (諳先聞讀背面之注項再填寫本頁) 於Ackland等人之美國專利第5,576,763號與第5,541,402號 中,以及Chi等人之美國專利第5,587,596號與第5,608,243 號中,已經著手處理。Ackland提出了與內部像素電荷轉換 器方式相關之影像延遲的議題。但是此方案仍需要一個非 標準CMOS程序。而Chi則藉由使用僅由一個光電晶體與 重置金氧半導體場效電晶體(以下簡稱M0SFET)所構成之最 •簡單可能的.主勸式像素來降低像素複雜性。Chi之實施例 ,因爲光二極體處於一個η-井中,仍然會受到重置雜訊的 影響並且於較長波長損害到光譜反應。 發明目的與槪要 本發明的一個目的爲提供一個主動式低雜訊影像系統,用 於CMOS之實施中,或是其他半導體製程技術中。 本發明的另一個目的爲提供一個使用於一個影像系統之低 雜訊放大器,其有效率的降低重置雜訊。 經濟部智慧財產局8工消費合作社印製 本發明的另一個目的爲提供一個使用於一個影像系統之整 合型低雜訊放大器,當顯示出低暫時性與固定形式雜訊時,其 具有低成本與低功率消耗量。 本發明這些目的與優點是藉著由一個光偵測器與三個電晶 體組成之每個像素上的電路系統達成的。其中第一個電晶體之 作用爲於信號讀取時當作一個源極耦隨器之驅動器,以及於信 號重置期間作爲一個轉移阻抗放大器之驅動器,於不需要實施 不論是採用於晶片上或是於晶片外記憶體之相干性雙重取樣時 仍然可以抑制重置雜訊。上述第二個電晶體是一個存取 本紙張尺度適用中國國家梂準(CNS ) A4规格(2! 0 X 297公釐) A7 B7 “20942 五、發明説明(k) MOSFET,其使用於由每個像素讀取信號,並且將由一個像素 陣列輸出之信號多工。第三個電晶體爲一個MOSFET,其於整 合信號已經謓取之後,並且藉由轉移阻抗放大器使得偵測器感 應節點已經有效率地"釘住"之後,重置偵測器。 圖示簡單說明 在參等以下詳細的描述後,當配合附圖一起考慮將可 以很快的了解到本發明其他目的以及許多隨之產生的優點 ,於附圖中相同的參考數値標明於所有附圖相同的部份, 於其中: 圖1爲一個描述使用於一個習知技藝之被動式像素 MOS光電二極體陣列之放大系統之示意電子電路圖; 圖2爲一個描述使用於一個習知技藝之被動式像素影 像感測器之放大系統之示意電子電路圖; 圖3爲一個描述使用於一個習知技藝之主動式像素影 像感測器之放大系統之示意電子電路圖; 圖4爲一個描述本發明一個低雜訊主動式像素較佳實 施例之示意電子電路圖; 圖5爲一個描述本發明較佳低雜訊主動式像素實施例 於信號重置期間的操作情形之示意電子電路圖; 圖6爲一個描述本發明於信號讀取期間的操作情形之 示意電子電路圖; 圖7爲一個描述較佳之行基礎源極供應電路實施例之 示意電子電路圖; {請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁)
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準(CMS ) Α4規格(210Χ297公釐) 420942 A7 B7 五、發明説明(1) 圖8爲一個描述較佳之列基礎存取供應電路實施例之 示意電子電路圖; (請先《讀背面之注意事項再填寫本頁) 圇9爲一個描述本發明使用於主動式像素感測器之小 信號等效電路之示意電子電路圖: 圖10爲一個顯示逐漸減少的-重置波形之代表時序之 信號圖; ..............圖·41爲一個顯示對於雜訊本發明之效能之二維圖; 圖12爲一個顯示對於雜訊本發明之效能之三度空間圖 〇 較佳實施例之詳細說明 經濟部智慧財產局貞工消費合作社印製 採用CMOS之可視影像系統對於大幅降低成本以及於 減少一些元件,例如影像感測器、驅動電子電機,以及信 號調整電子電機之電力需求等,.極具潛力。舉例說明,一 個視訊攝影機可以被想像爲僅由一個振盪器與一顆電池支 援之單一CMOS整合電路》這樣的一個CMOS攝像系統需 要低的電壓,並且較一個以CCD爲基礎發展之系統損溢較 少的功率。這些改良成就了較小的攝影機尺寸、較長的電 池壽命,並且適用於許多新的產品。 因爲CMOS可視設像器所提供的種種優點,因此已經 有許多的努力致力於發展主動式像素感測器(Active-Pixel Sensor,APS)儀器。主動式像素感測器可以提供足以與技 術等級之CCD系統競爭,或是更優良之低讀取雜訊。但是 ,一個APS中每一個像素上的主動電路應用了細胞”不動 本紙張尺度適用中國面家標率(CNS > A4规格(210X297公釐) 42094242094Z 47 A7 __ B7 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 五、發明説明(多) 產”(cell “real estate”)的技術,此技術可以操作應用於使得 具有相容於標準透鏡之光學格式的影像器,並且/或是將感 測器光學塡滿參數最大化以使用於高敏感度的應用中β主 動式像素電路相較於其他被動式像素之方法,亦可能會增 加功率損溢’增大固定樣式雜訊(可能需要額外的電子電路 來抑制雜訊),並且限制了可賣性。 本發明之低雜訊放大系統是由位於每個像素中之聚集 電路’以及協助行或列像素之波形產生電路所形成的。來 自於主動像素之信號是由一個由主動像素、波形產生器, 以及一個標準的行緩衝器構成的低雜訊信號放大系統所讀 取出來的。除了用於抑制偵測器重置雜訊之裝置外,於下 游電子電機中之行緩衝器通常會執行相干性雙重取樣、取 樣並固定、選擇性之視訊流水線操作,以及行放大器偏移 量消除等功能,以降低行緩衝器可能會產生之暫時性與空 間性雜訊。 本發明之低雜訊系統提供了以下的功能:(1)不需要提 供用於類比式記憶體之情況下抑制重置雜訊的程度,以及 使用於每個像素以便利執行相干性雙重取樣之信號篩檢;_ (2)經源極耦隨器放大之高靈敏度;(3)足夠的放大器頻寬以 避免因爲放大器時間常數與迴路電容之改變而產生的固定 樣式雜訊;(4)足夠的電力供應抵制,可使得不需要精心製 作之支援電子電機之晶片上攝影機(cameras-on-a-chip)能夠 發展;以及(5)相容於具有像素間隔不大於5 microns之影像 陣列之應用。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、·=*
本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(2丨OX 297公釐) 420942 A7 B7 經濟部智葸財產局員工消費合作社印製 五、發明説明(f) 本發明具有與標準的矽化物超微CMOS完全相容的優 點。此將助益產能最大化,並且將需要之成本最小化,這 是因爲電路複雜度是分散於主動是像素與週邊電路中,並 且利用CMOS本身之信號處理能力所致。本發明光譜反應 之範圍由近紫外線(near-ultraviolet,400 nm)到近紅外線 (near-IR,>800 nm)之間。 因爲本發明之低雜訊系統於每個像素上僅有·四個 M0SFET ’故本發明於7 um的像素間隔上,利用CMOS之 0.5 um設計規則,提供了大於25%之光學塡滿係數。而實 際上的光學係數會因爲橫向聚集以及商用CMOS處理程序 中大的擴散長度而顯得較大些。最後的一個優點爲佈置數 位式邏輯與信號處理電路之彈性,以提供對於電磁干擾之 高抵抗性。 當完全地以一個晶片上攝影撵之架構實施時,則低雜 訊APS可以提供低至15電子伏特之暫時性讀取雜訊(於讀 取速率相容於經電子裝置取得知視訊影像或是靜態攝影), 且固定樣式雜訊大大地降低到最大信號之〇·1%(於一個可與 CCD攝像器相競爭之標準上),小於0.5%之非線性性,3.3 伏特電源供應時,大於或等於1伏特之信號振盪,大量的 電荷傳遞電容,以及使用經數位界面至一個主微處理機以 訊框接訊框之基礎更新之簡單串列界面可變性之靈敏度等 〇 低雜訊APS發明之一個原型實施例形成了一個由 1032(行)乘776(列)之可視性光偵測器(光電偵測器)陣列所 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家樣準€ CNS ) A4規格(2 10X297公釐) 420942 Α7 Β7 五、發明説明)' 構成之可視性攝像器。行與列上之像素’中心對中心的距 離爲7 microns,其使用標準的〇·5 um設計規則。接著使用 0,25 um設計規則之配置圖顯示出於一個高度需求之5 um 間隙處,本發明提供了較小之塡滿係數β偵測器之四個行 與列於高感度區域的邊緣是以金屬覆蓋著’並且被應用以 建立離晶片外信號處理之黑暗程度。除此之外’每—列上 的偵測器是以色彩濾波器覆蓋住以產生彩色影像。舉例說 明,奇數列可能由左邊開始是紅色、綠色’之後是藍色爐 波器,而偶數列則可能從左邊開始是藍色、紅色’之後爲 綠色濾波器,以這樣的樣式佈滿所有的列° 一個依據本發明發展之低雜訊主動式像素感測器10描 述於圖4。每個位於感測器陣列(爲顯示於圖上)的像素10 ,是由一個光電偵測器12,例如一個光電二極體’連接至 —個雙驅動器MOSFET Η之閘痺,以及一個重置M0SFET 16的一支接腳所構成的。一個列選擇M0SFET 18有一支接 腳連接至M0SFET 14。行匯流排20藉由上述列選擇 M0SFET 18以將光電偵測器陣列之行上的所有像素連接至 一個源極供應器30。列匯流排22則將一個列上之像素重 置連接至一個存取供應器40上。逐漸減少的重置供應50 供應一個最佳化之主動式像素重置波形(圖10)給M0SFET 16之閘極。光電二極體π,舉例說明,可能包含一個矽化 物已經淸理過的基底二極體。於此實施例,必須要淸潔矽 化物的原因,是因爲其對於可見光是不透明的。像素10被 設計地盡量地簡單以獲得最大可得之光偵測區域,同時提 ( CNS ) Α4ίΙ^~( 210X297^^ ) — (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 420942 Α7 Β7 五、發明説明Ui ) 供寬廣的光譜反應,對於信號整合時間與觸發之控制,以 及對CMOS產製過程之相容性。 爲了要與標準之超微CMOS製程有最大的相容度,光 電二極體12可於η型態MOSFET之輕微地摻雜的渠極 (LDD)注入的同時形成;此舉會於-型態基底上,創造出一 個η型於ρ型(η-οη-ρ)光電二極體之接合點。既然沒有額外 的鐵離子注入是必要的,則主動式像素電路10之處理過程 以及晶片花費將會與那些標準、高容量數位式電子產品相 同。 圖5描述圖4中之電路於像素重置時之操作情形。圖 6則描述於信號讀取時圖4中電路之操作情況。於較佳的 實施例中,光電偵測器12首先於一個陣列中,由底部至頂 部,一次重置一列。於每一列中,光電偵測器12會由左至 右重置。 . 重置的動作是由完全地使於選擇列上的像素之列選擇 MOSFET 18能夠運作開始的,藉此將一個低阻抗電壓滬(位 於源供應器30處),爲了選擇列上支所有像素連接至 MOSFET 14的一支接腳。當於攝像陣列的每一行隨後接著 被啓動以將信號多工成爲一個相似於視訊的一個鑑定線之 格式時,一個位於存取供應器40中之電流源是與MOSFET Μ之渠極接腳相連接的。上述電流源可能是由偏壓電壓, 驅動,並且由L供應電源的一個η型態MOSFET 56。拓 撲上地來說,於選擇列上之像素放大器現在被建構爲分佈 的轉移阻抗放大器,其具有於轉移阻抗放大器之電流源位 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁> 訂 經濟部智慧財產局員Η消費合作社印製 本紙張疋度適用中國國家標準(CNS ) A4规格(公釐) 420942 A7 ______ B7_____ 五、發明説明(丨,) 於行緩衝器中時,由MOSFET 14的Miller電容提供之電容 性回饋》MOSFET 14因此作爲一個轉移電導來運作,而重 置MOSFET 16則作爲一個由逐漸減弱的重置供應器50控 制之電阻。MOSFET 16藉由對MOSFET 16之閘極應用一個 減少斜率波形(圖10)逐漸地增加其串聯電阻,以提供 MOSFET 14之回饋轉移電導機會以經由反餽消除重置雜訊 (kTC)。此主動式像素實施例於一個具數十微秒之光圏中使 用標準的0.5超微CMOS技術來進行重置。 圖6顯示於讀取模式時相同之像素電路組態。來自於 光電偵測器12之信號於規定之整合時間之後陸續地由陣列 的底部至頂部,一次一列地讀取出來。讀取的動作是由啓 動於選擇列上所有光電偵測器之存取M0SFET 18之後開始 的。爲了要達到高光感度之讀取,M0SFET 14的一支接腳 現在藉由完全地啓動M0SFET 5卩支1^,經由列匯流排22 連接至低阻抗電壓源。M0SFET 14的另一支接腳亦經由 行匯流排20連接到一個週邊之電流源。因此,M0SFET 14 現在爲一個源極耦隨驅動器,所以來自於每個選擇列上光 電二極體12之放大信號便可以有效率地傳遞至行匯流排 20 〇 圖7顯示一個用於源極供應器30之較佳實施例。供應 電壓7sifc是藉由一個單倍放大器55緩衝者。爲了要便利將 主動式像素佈建爲用於低雜訊重置之轉移阻抗放大器,電 晶體46之閘極犯是由上述供應電壓送出脈衝以完全地啓 動電晶體46,並且將連接至匯流排20之輸出。而爲了 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
'1T 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家樣準(CNS) A4规格(2!〇χ297公楚) 420942 A7 ______B7_ 五、發明説明( 要便利主動式像素之讀取,閘極42脈衝到低電壓至開路電 路電晶體46。電流源48現在供應主動式像素供應電流/SfiC ’其是由一個定値電壓匕建立。 圖8顯示〜個使用於存取供應器40之較佳實施例。供 應電壓匕是藉由一個單倍放大器52緩衝著。爲了要便利將 主動式像素佈建爲用於低雜訊重置之轉移阻抗放大器,電 …晶體54之閘極50是由上述供應電壓送出脈衝以完全地關 閉電晶體54,並且讓電流源56供應主動式像素供應電流 其是由一個定値電壓^^.建立。而爲了要便利主動式 像素之讀取,閘極50脈衝低電壓以將G連接至匯流排22 之輸出。 將逐漸減少的重置波形(圖10)應用到轉移阻抗放大器 上’可以使得重置雜訊(kTC雜訊)波封包於重置開關16(圖 4)完全地開啓前衰減。本發明.亦減少了每個像素中之 MOSFET 14的固定樣式偏移量,因爲光電二極體節點會充 電到一個可消除MOSFET 14由像素至像素之變動的電壓。 藉由使用一個逐漸減少的重置,一個列對於完全抑制雜訊 ,可以重置到數十微秒的範圍內,或是對於適度的雜訊降 低,可以重置到較短的時間內。 圖9顯示於重置期間使用於像素10之一般化小信號等 效電路模型。此電路允許於重置端點根據重置開關電阻, t,來計算穩態雜訊波封包。若重置電壓下降地太慢,則 會需要太多時間來重置每一列,且以視訊訊框速率操作會 變得有些問題。但是,對於數位式靜態攝影機的應用而言 (讀先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智祛財產局員工消費合作社印製 本紙張$度適用中國國家樣準(CNS ) A4規格(21〇'〆297公釐) 420942 A7 B7 五、發明説明(、令) ’仍然是相當地可行的。若逐漸減少的·重置波形下降地太 快’則kTC雜訊波封包將不會衰減足夠的程度以於重置開 關完全地開啓時抑制重置雜訊。 圖9顯示當具有一個電壓與電容ς接地時之光電二 極體12之端點。放大器14輸出端點具有電壓&,輸出電 阻C。以及輸出電導G。接地。電容C。與整個重置存取匯流排 結合,其中大部分來自於所有列之MOSFET 14至MOSFET 16功能。MOSFET 14之轉移電導,可能是由MOSFET 18 所產生的,顯示出其可作爲一個控制之電流源gj。回饋 電容’ Q,爲MOSFET 14之寄生Miller電容。來自於 MOSFET 14之雜訊以電流源in來表示。而來自於MOSFET 16之雜訊(MOSFET 16操作於歐姆區域)則是由電壓源匕表 示。沒有包含於此簡化模型中的爲來自於逐漸減少的-重置 波形之電容性餽送的雜訊。 <請先閲讀背面之注意事項再填寫本I) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 備w 使用小信號等效電路之後 方程式,因爲: 假設放大器的直流放大》 重置雜訊爲: 可以導出一個簡化的雜訊. 遠大於1,則均方根(rms)
Qn=^camr^cJ; + JicTcfi
Q kTC' 於其中弋 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS〉A4说格(21〇Χ 297公釐) 420942 經濟部智站財產局8工消費合作杜印製 A7 _________B7_ 五、發明説明“ς) 逐漸減少的-時鐘波形的時間常數因此可以適當地加以 選擇’以使得不具空間性量相當地大於1。則重置 雜訊因此可以降低到由轉移電導放大器之回饋電容產生之 相當小的量。於此發明中,此回餽電容即爲MOSFET 14之 寄生Miller電容。 本發明一個較佳的實施例具有以下近似的設計値: 1000*700 格式 ’ 7 um * 7 um 像素,^ = 20 umho ; = 0.08 umho ’ 4 = 300 ; ς = 15 fp ; c。= 3.0 pF,以及 Q 二 0.3 fF 。完全與視訊訊框速率相容之所需逐漸減弱的-時鐘頻率, 25 kHz ’因此需要t = 50 gq,以及一個最佳的逐漸減少 的-時鐘時間常數25 us。此會使得對於較佳實施例而言, = 58,以及一個L8fF之等效雜訊電容。既然微不足 道之偵測器電容爲15fF,且kTC雜訊正比於相關電容之平 方根’則重置雜訊已經由55電于伏特抑制到大約僅有i4 電子伏特的大小。 L必須要精心設計到足以支持線速度上任何的變動。 線速度的增加因此需要較低的開關電阻下表以數字描述當 逐漸減少的•時鐘時間常數適當地縮短時,對於重置雜訊之 影響。於一個2,7微秒之時間常數上,重置雜訊將會降低 到55電子伏特。 行匯流排20最好是由一個標準的行緩衝區監視者’以 便當可獲得視訊信號時讀取視訊信號。行緩衝區上主要的 需求與需要掌控電壓模式信號之傳統的設計相似,並且已 經是已知的技術了。 _T7 ____ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(2IOX297公釐) (祷先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財1局員X消費合作社印製
五、發明説明(\U 爲了要便利主動式像素重置與讀取,用於重置電路10 之計時信號(圖10),源極供應器30與存取供應器40之時 序,是使用標準CMOS數位式邏輯於晶片上產生的。此數 位式邏輯結構因此使得”取視窗丫windowing”)能夠作用,於 其中一個使用者可以以不同的格式讀取出影像,僅需要藉 由使得合適的支援邏輯會計時合適的副格式即可。以取視 .. .窗運作,原型實施例之1032*776格式可以被讀取出來成爲 一個或多個任意大小尺寸並且定位之M*N陣列,而不需要 讀取出整個陣列。舉例說明,一個使用者可能希望改變一 個與電腦相容2nVGAM格式(意即,大約爲640*480)爲共通 界面格式(Common Interface Format,CIF ;通常爲 352*240) ,或是四分之一共通界面格式(Quarter Common Interface Format ’ QCIF ;通常爲176*120),而不需要讀取出整個陣 列上的所有像素。此功能簡化了支援電子電機以降低成本 ,並且符合特殊通訊媒介之需要。舉例說明,一個個人電 信會議連接至一個僅有QCIF解析能力之遠端使用者的鏈 路,可以被最佳化而足以提供QCIF解析度,並且因此降 低電信會議鏈路上之頻寬需求。更進一步的例子爲,一個 以共通界面格式(Common Interface Format,CIF)建構之攝像 益*虽供應視窗資訊給具有伯?虎處理與資料壓縮最大影響 度之部分影像時,可以提供全CIF影像=於電信會議時, 位於一個人的嘴(舉例說明)附近的視窗,可以較整個CIF 影像更頻繁地提供給使用者。此機制將降低整個會議鏈路 時之頻寬需求。 又度適用中國囤家標牟(CNS ) A4規格(ίΙΟχϋ公釐)' ~ — (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 420942 A7 B7 五、發明説明(^) 圖11與圖12描述了本發明之雜訊表現機率。圖Η顯 示出以電子伏特表示之重置雜訊α,與重置阻抗(心J的變 動之間的關係。圖12顯示出回饋電容對雜訊之影響。 本發明雖然已經以特別的實施例加以描述,但精通於 此領域者可以在不脫離本發明原理之範疇內對本發明進行 變動與修改D因此,可以預期本發明包含了落在以下申請 k 專利範圍中之變動輿修正。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(2SOX 297公釐)
Claims (1)
- 42D942 Λ 8 Β8 C8 D8 六、申請專利範圍 經·-部智慧財€局貨工消f合作社印製 1. 一種主動式像素感測器,包括一個輻射偵測器於將 一群主動式管狀感測器組織於一個感測器陣列之中,上述 主動式像素感測器包含: 一個電晶體放大器,其具有一個輸入與輸出端,其輸入端 連接到上述之輻射偵測器以產生一個電子信號輸出,其具有一 個爲藉由輻射偵測器產生之電荷輸入之函數的振幅; 一個連接到上述電晶體放大器之開關,用於將來自於上述 電晶體放大器之電子信號輸入至一個輸出線上;以及 一個連接於上述電晶體放大器與上述輻射偵測器之間的可 變電阻,用於重置電荷輸入至上述電晶體放大器到一個預先決 定之信號位準α 2. 如申請專利範圍第I項之主動式像素感測器,於其 中,上述可變電阻包含一個電晶體,其具有第一支與第二 支接腳,以及一個藉由其第一支與第二支接腳連接於上述 上述電晶體放大器與上述輻射偵測器之間之閘極,以及一個供 應其閘極電壓之逐漸減少的重置供應電壓源。 3. 如申請專利範圍第1項之主動式像素感測器,於其 中,上述開關包含一個電晶體,其具有第一支與第二支接 腳,以及一個藉由其第一支與第二支接腳連接於上述電晶 體放大器輸出與輸出線之間之閘極,一個位於閘極之上的列選 擇信號,其會啓動電晶體。 4. 如申請專利範圍第2項之主動式像素感測器,於其 中,供應電晶體閘極之逐漸減少的重置供應電壓包含一個 降低斜率波型,其等量地增加電晶體之串聯電阻,藉此重 · - - - - t -! -- I - I I -- n-n^i ! - (請先閱讀背而之注意事項再填寫本頁) 本纸張尺度適用中國國家標率(CNS ) A4規格(2!0X297公嫠) Μ.濟部智.¾財4局员工消骨合作社印製 420942 a« D& cs D8 六、申請專利範圍 置感測器中之雜訊爲零。 5. 如申請專利範圍第1項之主動式像素感測器,於其 中,上述電晶體放大器爲一個MOSFET。 6. 如申請專利範圍第5項之主動式像素感測器,於其 中,上述開關爲一個MOSFET。 7. 如申請專利範圍第6項之主動式像素感測器,於其 中,上述可變電阻爲一個MOSFET。 8. 如申請專利範圍第7項之主動式像素感測器,於其 中,上述輻射偵測器爲一個MOSFET。 9. 一種主動式像素感測器,其包括一個位於一個主動 式像素感測器組織爲列與行感測器之二維陣列中之輻射偵 測器;其包含: 一個電晶體放大器,其具有一個輸入與輸出端,其輸入端 連接到上述之輻射偵測器以產生一個電子信號輸出,其具有一 個爲藉由輻射偵測器產生之電荷輸入之函數的振幅; 一個連接到上述電晶體放大器之開關,用於將來自於上述 電晶體放大器之電子信號輸入至一個行輸出線上;以及 一個連接於上述電晶體放大器與上述輻射偵測器之間的可 變電阻,用於重置上述電晶體輸出端電荷到一個預先決定之信 號位準。 10. 如申請專利範圍第9項之主動式像素感測器,於其 中,上述可變電阻包括一個電晶體,其具有第一支與第二 支接腳,以及一個藉由其第一支與第二支接腳連接於上述 上述電晶體放大器與上述輻射偵測器之間之閘極,以及一個供 _ 2_ ^纸張尺度適^中國國家椟ί ( CNS ) A4現格(210X297公釐) ---1 I ----- -- - : I - I___ - {諸先閱諸背而之注意事項再填舄本買) 4 2-0 9 4 2 'Λ- 8 8 8 ABCD Μ濟部智总財凌局si工消费合作社印製 六、申請專利範圍 應其閘極電壓之逐漸減少的重置供應電壓源。 Π.如申請專利範圍第9項之主動式像素感測器,於其 中,上述開關包括一個電晶體,其具有第一支與第二支接 腳'以及一個藉由其第一支與第二支接腳連接於上述電晶 體放大器輸出與行輸出線之間之閘極,一個位於閘極之上的列 選擇信號,其會啓動電晶體。 12. 如申請專利範圍第10項之主動式像素感測器,於 其中,供應電晶體閘極之逐漸減少的重置供應電壓包含一 個降低斜率波型,其等量地增加電晶體之串聯電阻,藉此 重置感測器中之雜訊爲零。 13. 如申請專利範圍第9項之主動式像素感測器,於其 中,上述可變電阻會於重置期間逐漸地增加阻抗値,藉此 重置感測器中之雜訊爲零。 14. 如申請專利範圍第13項之主動式像素感測器,更 包含一個連接於一個主動式像素感測器組織爲列與行感測 器之二維陣列中的一個行輸出線之源極供應器。 15. 如申請專利範圍第14項之主動式像素感測器,於 其中,上述源極供應器包含: 一個電壓源〜:.; —個電流源;以及 一個於感測器重置期間將電壓源fv:連接至上述行輸出 線的裝置,以及一個將上述電流源於感測器讀取期間連 接至上述行輸出線的裝置。 16. 如申請專利範圍第13項之主動式像素感測器,更 _ 3_______ 表紙張尺度適用中國國家榡準(CNS ) A4規格(210X297公釐} (請先閱讀背面之注意事項再填寫本瓦) 420942 鉍 C8 D8 六、申請專利範圍 包含一個連接於一個主動式像素感測器組織爲列與行感測 器之二維陣列中的一個列輸出線上的一個存取供應器。 17. 如申請專利範圍第16項之主動式像素感測器,於 其中,上述源極供應器包含: —個供應電壓匕; —個供應電流L ;以及 —個於感測器重置期間將供應電壓L連接至上述列輸 出線的裝置且將上述供應電流/^.於感測器讀取期間連接至 上述列輸出線的裝置。 18. 如申請專利範圍第14項之主動式像素感測器,更 包含一個連接於一個主動式像素感測器組織爲列與行感測 器之二維陣列中的一個列輸出線上的一個源極供應器。 19. 如申請專利範圍第18項之主動式像素感測器,於 其中,上述源極供應器包含: 一個電壓源匕c ; 一個電流源Lc;;以及 於感測器重置期間將電壓源匕(:連接至上述行輸出線的 裝置,以及一個將上述電流源/m,於感測器讀取期間連接至 上述彳丁輸出線的裝置。 20. 如申請專利範圍第18項之主動式像素感測器,於 其中’上述源極供應器包含: 一個供應電壓G; 一個供應電流/_ ;以及 於感測器重置期間將供應電壓匕連接至上述列輸出線 ^^^1 - » - -. * - - ....... —^ϋ. 1- - -^- 1--1 —i- - I _ - ^^^1 一eJ • - (請先閱讀背而之:^意事項再4{'"本頁) 本紙張尺度適用中關(CNS )八4驗(21()><297公筹 420942 六、申請專利範圍 的裝置,以及一個將上述供應電流於感測器讀取期間連 接至上述列輸出線的裝置。 經濟部智慧財產忌員工消費合作社印製 -------------%--------訂 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用t國國家棣準(CNS M4規格(210X 297公釐)
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