TW506217B - CMOS image sensor outputting signal data before reset data and method for driving the same - Google Patents

Description

506217 五、發明說明（l) 發明背景 1 ·發明領域 本發明之發明領域係有關於圖像感測器，尤其是具有 互補式金氧半導體（CMOS)像素的圖像感測器，及驅動^感 測器的方法。 " 2·相關技術說明 一圖像感測器’使用一半導體材料的能量響應特性以 偵測能量（如光）的方法，而攝入圖像。該圖像感測器一般 可以分類成CMOS圖像感測器及電荷耦合裝置（CCD)圖像 =。與_像感測器比較下，該⑽8圖像感測器的優 感=的功損及小的尺寸’因此’―般使用_圖像 “I ΐ ^顯一示二·種傳統的圖像感測11。傳統的CM0S圖像 '的Ξ:威測哭:、ΐ測器101及一雙取樣電路10 3。依據傳 將導；i =二§將—重置信#uRS拉到邏輯高位準時， ^通-重置电晶體101aJ_ 後，經由一驅動電晶妒〗ηι 、旧电匕上开然 乎是VDD的重置資料被傳=^一選擇電晶體101d ’電壓幾 然後，當重置信號RS成^ ,貝料輸入輸出（1/〇)線1)10。 輯高位準時，重置電低邏輯位準且控制信號^成為邏 通。經由驅動電晶體Γ〇1體1〇la關斷，且傳送電晶體101b導 HHa中的信號資料被^、c =選擇電晶體101d，在光二極體 到資料1/〇線DH)的重資料1/0線DI0。然後，將傳送 51貝料及信號資料由雙取樣電路1 〇 3

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予以取樣’其中該電路連接到資料丨/ 〇線])丨〇。 在傳統上圖像感測器中，在取樣及輸出該重置資料 後，取樣及輸出該信號資料。因此，大部份的信號資料 持在該資料I/O線DI〇中。 / 依據傳統上使用的CMOS爵像感測器，該雙取樣電路 103包含一取樣電晶體103a，一輔助電容器1〇31)，一耦合 電容器103c及一先行充電電晶體1 〇3d。該取樣電晶體丨〇3a 從資料I/O線DIO中切斷該取樣的信號資料，而具有穩定之 輸出位準的輸出信號V0UT可以由一輸出端Dq產生。該辅助 電谷态1 0 3 b防止節點N1 0 3漂移。如果沒有配置輔助電容器 10 3b時，則當取樣電晶體103a關斷時，節點N1〇3將會漂 移。由輔助電容器l〇3b及耦合電容器i〇3c所產生的虛擬電 容器的電容幾乎等於在輸出電路1〇5處之輸出電容器1〇5& 的電容。一先行充電電晶體l〇3d應用一參考電壓VR(此電 壓低於VDD-Vth)而將耦合電容器i〇3c的一側端先行充電。 但是’傳統的CMOS圖像感測器有一項問題即需要一非常大 的佈局區。即傳統的CMOS圖像感測器所需要的佈局區必需 可以安裝該取樣電晶體1 〇3a，該輔助電容器1 〇3b及一用於 產生該參考電壓VR的參考電壓產生電路（圖中沒有顯示）。 發明概述 為了解決上述問題，本發明之一其他為提供一可以減 少佈局區的CMOS圖像感測器。 本發明的另一目的為提供一種用於C Μ 0 S圖像感測器的

\\.€)M-HOST\USERS\lika\DAE11243.ptd 第6頁 506217 五、發明說明（3) 方法。

種在輪出重置 及其驅動方 資料I/O —因^，為了達到上述的目的，本發明 育料之前輸出信號資料的CM〇s :。該CMOS圖像感挪器包含一像 ； 線，一雙取樣電路及一輸出電路。該像貝料I/O 資料及重置資料。當接收到外部的能量時感生信號 働準隨著所產生之光電荷量而變。在重2 J資料的 重置貧料。1亥資料ί/0、線傳送所產生的 γ下產生 料。該雙取樣電路取樣該信號資料且然後以及= 中取樣该重m且驅動—輸出端1上在此例子^ 該雙取樣電路纟重置資料《前取樣該@號資_。 二 路輸出與該輸出端的電壓位準有關的資料。 /,¾ 、為了達到上述目的，本發明提供一種用於驅動一 感測器的方法，包含提供CM〇s圖 、 圖像 多個以行及列方式排列的像素感：;:測二感測器具有 期間產生重置資料，當接收到外部：处^在-重置模式 生之光電荷的多寡產生信號資料，^此置日寸，並依據所產 (a)產生一讀取信號’且動作一列禮^方法包含下列步驟： 的一列；（b)動作一資料輸出信楚、擇號以選擇數列中 信號時，輸出該信號資料；（d)在來(C將作用該資料輸出 置模式；以及(〇輸出該重置資料：驟(C)之後’驅動該重 較佳實施例之詳細說明·· 圖2的電路圖表示依據本發明 乃車又佳實施例之CMOS圖像

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感測器。現在請參考圖2，c Μ 〇 S圖像感測斋包含一像素感 測器20 1，一資料I /〇線D I 〇，/雙取樣電路203及一輸出電 路205。 圖像感測器2 0 1包含一重爹電晶體2 0 1 a，一光二極體 201b ’ 一驅動電晶體2qic，〆邊擇電晶體201d及共接點節 點201e。當由外部提供能量，该光二極體201b產生一光電 荷（例如，如光之類的電磁能量）且依據所產生之光電荷的 多寡產生信號資料。當動作重置電晶體RS時，則制止該重 置電晶體2 0 1 a，且驅動該，共接點節點2 01 e的電壓位準至一 等於（VDD-Vta)的電壓位準。在此，該VDD及Vta分別表示 外部電源電壓及臨界電壓。重置電晶體2 〇 1 a的源極及汲極 分別連接到該外部電源電壓VDD及該共接點節點2〇le。最 好是重置電晶體2〇 i a為一 n通道金氧半導體（NM0S)電晶 體。 、、驅動電晶體2〇lc為一 NM0S電晶體，此電晶體的閘極及 汲極分別連接到該共接點節點2〇丨e及外部電源電壓1^⑽。 口此驅動笔03體2 〇 1 c的源極節點2 〇 1 f的電壓位準將妓 點節點201e的電壓減少一vtc的電壓大小。 ^ 動電晶體201c的臨界電壓。 a為驅 源極節點201f的電壓位準由選擇電晶體2〇id連接 =0線DI0。當動作一低選擇信號Rm時，則管制選擇電 曰曰肢201d。列選擇信號RSEL選擇一列的像素陣列（圖中、、支 有顯示）。即配置在該由於列選擇信號“阢選擇之之 像素感測器201的該信號及重置資料被傳送到將進行取樣

506217 、發明說明（5) =每一行的資料I / 〇線D I 0。然後，像素感測器2 〇 i的信號 貧料被傳送到將進行取樣的雙取樣電路2 〇3。在較佳實施 例中’選擇電晶體20 Id為一NM0S電晶體。此後，像素感測 為2 0 1的重置資料被傳送到該雙取樣電路丨〇 1且由該雙取樣 電路進行取樣。即，依據本發明，在重置資料之前，取樣 該信號資料。 該雙取樣電路203包含一第一電晶體2〇3a，一電流源 2^3b，耦合電容器203c，一第二電晶體2〇3(1，及一第三電 晶體2 0 3e。當產生一讀取命令時，導通該第一電晶體 2〇3a，以回應一讀取命令信號—⑽。驅動資料到 一第一參考電壓（例如，接地電壓vss)。應用一讀取命 令，控制CMOS圖像感測器以傳送一與第二在像素感測器 1中之信號資料相關的數值。耦合電容器2〇3c係形成於 該資料I/O線DI0及一儲存節點NST〇之間，以耦合該儲存節 點NST0及該資料I/O線!)1〇。在本實施例中，辆合電容器 2〇3c的終端直接連接到資料1/〇線1)1〇。因此，對於本發 明，有必要配置取樣電晶體1〇3a及傳統cm〇s圖像感測器之 輔助電容器l 〇3b中的任何一項。 當動作一第一控制信號{^1時，則管制第二電晶體 2 0 3d，且驅動儲存節點“了〇的電壓到一第二參考電壓（例 =接地電壓VSS)。當輸入讀取命令時，以脈波的型式產生 第一控制信號PC1。動作行選擇信號⑵讥管制第三電晶體 2 0 3^，且將儲存節點NST〇的電壓傳送到輪出端㈧。經由輸 出编DQ輸出一輸出電壓ν〇υτ。行選擇信號csel選擇像素陣

\\ADM-HOST\USERS\lika\DAE11243.ptd 第9頁 506217 五、發明說明（6) 即，由行選擇作二二上fCSEL選擇該像素陣列中的一列。 到該輪出端DQ。〜 廷擇之輸出信號及重置資料被傳送

在輪出端DQ處，逵M 擇電晶體。因此，由=拉ί素感測器之行數相同的行選 203e所產生的電容可由 午，出端DQ之行選擇電晶體 ，苐二控制信號pc2:〜容器2 05=以模擬。 輸q端DQ的電星驅 ‘弟四宅日日體205a，且將 GSU之前，動作】動壓VSS。在動作行選擇信號. 電。 動作弟-控制信號代2以對輸出端DQ先行充 當行選擇信號CSEL的 儲存節點NST0中的電荷 :f 兩位準時，儲存在 容器20 5 b中，皇比座ί二f f輕合電容器203c，及儲存電 205b的+ — t· 、. 電容器203c與第二電容哭 端DQ的=。然後’在儲存節點NST。處的電皇成為“ Ο二的士定時圖用於解釋在本發明中用於驅動CM0S圖像

感測态的主信號及節點。 口 L 准士百先，當在時間U時，第一控制信號PC1在邏輯高位 午日才丄以接地電壓VSS對儲存節點NST0預先充電。在時間 11之鈾已里置的光二極體2 〇 1 b在累積光充電的狀態。 f後，當時間t2低選擇信號rsel且讀取命令信號READ 在邏輯高位準時，可驅動包含第一電晶體2〇3a，一驅動電 晶體201c及選擇電晶體2 Old的源極隨偶器。然後，在光信 號電壓位準Vsig及重置資料之電壓位準vrst之間的電壓差 \\ADM-HOST\USERS\lika\DAE11243.ptd 第10頁 506217 五、發明說明（7) ------------ 資:Γ/0線DI0。在此例”，因為已導通第二電 曰曰體203d，將儲存節點NST0維持在接地電壓vss處。因 此在柄合電谷斋203c的兩側儲存電屢差w。 當在時㈣’第-控制信航〗在邏輯低位準時 ^卽，5在浮動狀態。此後’當重置信號Rs在時間以時 成為邈輯尚位準high，驅動資料I/O線DI0到重置資料 Vrst。然後，驅動由耦合電容器2〇3c儲存節點nst〇的電= 位準到光信號位準Vsig(其中Vsig = Vrst _V1 =矸Μ 一 Vrst + Vs ig)。 田在日守間t5 5貝取命令化號READ時，關斷電流源203b。 在此狀態下，與單一列相關之所有行的資料儲存在節點 NSTO。然後，該行的資料均串列讀出。 在此狀態下，用於此行之資料的讀取程序將於下 詳細地說明。在時間t6第二控制信號PC2成為邏輯高位 準’應用接地電壓VSS對輸出端Dq預先充電。缺後該第二 控制信號PC2進入邏輯低位準。然後，如果用於選擇—二 的行選擇信號CSEL及讀取命令信號心汕在時間t7時以 的方式產生，則讀取在各行中的資料。 收 依據用於驅動CMOS圖像感測器的方法，在信號資 輸出重置資料。因此’資料1/0線DI〇及輸出糊係:維持J 重置資料的電壓輸出。因此，依據本發明2CM〇s圖像 器及其驅動方法具有下列各項優點： ^ 1·毋須如習知技術的取樣電晶體103&(參見圖丨）。 2·本發明不需要習知技術中使用的輔助電容器1〇3匕。

五、發明說明（8) %容不會減少到習知技術中之耦 術中的參考電壓VR，本發明不需 而且，耦合電容器203c的 合電容器103c的約1/4。 3·因為不需要習知技 要用於產生參考電壓的電 把夕如^戶f述，因為本發明中的CM0S圖像感測器在重置資 ==號資料，心減少用於維持信號資料之^ 下、:所以，與習知技術中的CMOS圖像感測器比 較下，本卷月中的佈局區域明顯地減少。 一 中已應用特疋的貫施例顯示及說明本發明，熟習大 技術f須了解可以進行多種不同的改變及對等的應兩，而 :偏離本發日;的精神及觀點。例如，在上述說明的實施例 ，第一電晶體2〇3d及第四電晶體2〇5d的源極均連接到接 地電壓VSS ° ^旦是依據另一實施例，第二電晶體203d及第

四電晶體2〇5d的源極均連接到一預定電壓（如電源電JSVDD 的1/2)的源極’其中此電源電壓與接地電壓vss不同。因 此’下文的申請專利範圍中明確地指示出本發明的觀點。

506217 圖式簡單說明"~' - ------— 由下文中的說明可更進一步了解本發明之特徵及優 點，閱讀時並請參考附圖，各附圖中相同的標示表示相同 的組件。 圖1中顯示一傳統中的CM0S圖像感測器； 圖2中顯示依據本發明較佳實施例之CM〇s圖像感測器 的電路圖； σ ^ΐ 3之疋日守圖係用於解釋當依據本發明驅動CMOS圖像 感測器時，所提供或產生的主信號及節點電壓。 圖號說明： 2 〇 1圖像感測器 201a重置電晶體 201b光二極體 2 0 1 c驅動電晶體 2 0 1 d選擇電晶體 20 le共接點節點 2 0 1 f源極節點 203雙取樣電路 20 3a第一電晶體 2 0 3b電流源 203c |禺合電容器 20 3d第二電晶體 20 5輸出電路 20 5b第二電容器

506217 圖式簡單說明 20 5d第四電晶體 第14頁 \V4DM-HOST\USERS\lika\DAE11243.ptd

Claims (1)

1. 506217 六、申請專利範圍 --- 1· 一種CMOS圖像感測器，包含： 一具有一重置模式的像素感測器，在該重置模式中， 該像素感測器產生重置資料，該像素感剛器尚產生^號資 料’當接收到外部能量時，該像素感測器產生該信號資 料，，著所接收能量的大小，該像素感測器產生對應量的 光電荷’且將該產生的光電荷轉換為信號資料，依據所產 生的光電荷，該信號資料產生對應的電壓位準； 一資料I/O線，攜帶在該像素感測器中產生^像素感 測器及重置資料； ' 一 一耦合該資料I /0線以取樣該信號資料及重置資料， 且驅動一輸出端的雙取樣電路；以及 一輸出電路，係用於輸出與輸出端之電壓位準相關的 資料； ' 其中在取樣該重置資料之前’該雙取樣電路取樣該信 號資料。 ’ 2·如申請專利範圍第1項之CMOS圖像感測器，其中該 像素感測器包含： '^共接點節點； 一重置電晶體，此電晶體具有一連接到共接點節點的 源極’及一接收外部電源電壓的 >及極’將作周一重置信號 時，該重置電晶體將受其管制； 一產生該信號資料的光二極體； 一驅動電晶體，此電晶體有一連接到共接點節點的閘

   \\ADM-HOST\USERS\lika\DAE11243.ptd 第15頁 506217 六、申請專利範圍 " " ---- 極及一接收該外部能源電壓的汲極；以及 恭f擇電晶體，作用一第一選擇信號時，此電晶體將驅動 笔晶體的源極電壓向該資料I/0線傳送。 3·如申請專利範圍第2項之CMOS圖像感測器，其中該 重置電晶體，驅動電晶體及選擇電晶體均為N通道金氧半 導體（NM0S)電晶體。 4·如申請專利範圍第2項之CMOS圖像感測器，其中該 第一選擇信號為用於選擇一陣列中之一列的列選擇信號。 5· —種CMOS圖像感測器，包含·· 一產生信號資料的像素感測器，且在一重置模式中產 生重置資料，該像素感測器包含： 一共接點節點； 一重置電晶體，此電晶體有一連接到共接點節點的源 極及一接收外部電源電壓的汲極，當作用一重置信號時， 該重置電晶體受到管制； 一接收像素感測器之外部能量的光二極體，且此光二 極體隨著所接收的能量產生對應的光電荷量，該光二極體 將所產生的光電荷轉換成信號資料，該信號資料的電壓位 準係依據所產生之光電荷量而定； 一驅動電晶體，此電晶體有一連接到共接點節點的間 極及一驅動外部電源電壓的汲極；以及

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   六、申請專利範圍 一選擇電晶體，當作用一第一選擇信號時，該電晶體 將驅動電晶體的源極電壓傳送到該資料丨/〇線； 一攜帶該產生之信號資料及重置資料的資料丨/ 0線； 一雙取樣電路，此電路耦合到該資料I /0線，以取样 該信號資料及該重置資料，且驅動該輸出端；以及 私 一輸出電路，係輪出與該輸出端之電壓位準相關次 料； π 貝 其中在取樣該重置資料之前，該雙取樣電路取樣 號資料。 - ^ 6·如申請專利範圍第5項之CM〇s圖像感測器，其中 重置電晶體，驅動電晶體及選擇電晶體均為N通道金^ 導體（NM0S)電晶體。 ^ + 7·如申請專利範圍第5項之CM〇s圖像感測器， 第一選擇信號為用於選擇一陣列中之一列的列選擇信號^ 8.如申請專利範圍第！項之CM〇s圖像感測器，苴 雙取樣電路包含： 〃 T 5¾ 一弟一電晶體，當作用一括 ^ - ^Τ/Π ^ ,ϊ & 5貝取〒令時，此電晶體驅動 遠貝枓I/O線到-弟一參考電壓， 動 相關的數值； 1口就貝枓 資料I/O線； ，此電晶體驅動 耦合電容器，耦合該儲存節點與該 第二電晶體，當作用一控制信號時

   六、申請專利範_ 该儲存節机 一第：^Γΐ二參考電壓；以及 將儲存筋I電晶體，當作用一第二選擇信號時，此電晶體 即點的電壓傳送到該輸出端。 該 第一失# :凊專利範圍第8項之CMOS圖像感測器，其中 多考電壓為一接地電壓（VSS)。 m -姿〇玉如申請專利範圍第8項之cmos圖像感測器，其中該 夕 笔壓為一接地電壓（vss)。 第二電晶體為N通道金氧半導體（NM0S)電 楚2·曰如申請專利範圍第8項之CMOS圖像感測1，其中該 第一電晶體及 曰曰 體。 一感二;:電該 二如:二=第該8 =線圖_ 14· 一種甩於驅動一圖像感測器的方法，包含： (a)提供CMOS圖像感測器，此感測器具有多〜 列方式排列的像素感測器，且該在一重置模 乂行及 、八朋間產生重

   \\ADM-HOST\USERS\1i ka\DAEl1243.ptd 第18頁 506217 六、申請專利範圍 置資料，當接收到外部的能量時，並依據所產生之光電荷 的多募產生信號資料，該方法包含下列步驟： (b )產生一讀取信號，且動作一列選擇信號以選擇數 列中的一列； (c )動作一資料输出信號； (d )將作用該資料輸出信號時，輸出該信號資料； (e)在步驟（d)之後，驅動該重置模式；以及 (f )輸出該重置資料。

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