TW564635B - Circuit apparatus of video sensor chips - Google Patents

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Description

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 564635 A7 _________ B7 五、發明說明（I ) [詳細說明] 本發明關於一種申請專利範圍第1項的引文的一種視 訊感測器晶片的切換裝置。 [發明的背景] 上述種類的視訊感測器晶片係習知者。它們包含設在 一矩陣中的光敏影像元件[圖元(Pixel)]，這些光敏影像元件 定出該視訊感測器晶片的一個光敏區域。各影像元件包含 一個光電晶體，該光電晶體光電晶體依作用到各光電晶體上 的光強度而定放出一光電流。亮度改變，則光電流成比例改 變。 習知技術係將影像元件的輸出的光電流用對數方式放 大，並呈電壓信號的形式送到一評定電路。這種視訊感測器 晶片的一個例子見於德專利DE 42 09 563 C2。其缺點爲: 在這種具有視訊感測器晶片對數特性線的習知視訊感測器 晶片需要較大的光敏面。這種大的光敏面造成一種寄生電 容，且當照明強度弱時及在亮/暗-過渡區的場合由於寄生電 容放電使電壓輸出端的調整時間太長，而在其反向操作中光 電晶體的電流較小。 如此造成一種所謂的「拖尾效應」（Nachzieheffekt，英 :smearing effect)，它特別是在影像重複頻度高時很不利。 [本發明的優點] 與之相較，具有申請專利範圍第1項中所述特點的本發 明的電路裝置則有一優點··可用簡單的方式提供一種視訊感 測器晶片，該視訊感測器晶片具有較小的光敏面，因此寄生電 3 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -—--------訂---------^ AW (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 564635 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（y) 容很小，且可用高的影像重複頻度頻度操作而無拖尾效應。 把影像元件和一個與各影像元件配合的放大器用單晶方式 整合在一個共同構件中（做成單晶片積體電路)，其中該放大 器設在該視訊感測器晶片的一個光敏面外，如此可很有利地 把對於該光敏面積所需要的面積需求限制到該整合的光敏 影像構件的裝置上，而該相關的放大器則可做在該單晶方式 整合的構件的另一個…位於該光敏區域外的…部段中。 如果在本發明的一種較佳設計中，該放大器經由切換手 段(它們可成列及/或成行地接到該影像元件矩陣)與該影像 元件連接，則特別可以有利地把該設在保持較小的光敏區域 中的影像元件不作選擇地定位址。在讀出光敏影像元件的 輸出信號時，相關的放大器各依設計而定，成行及/成列地切 換。由於放大器位在影像元件場(矩陣)外，且可成列及/或成 行地切換，因此它們可以用一度空間的方式做到該單晶方式 整合的構件中。如此使晶片面積大大節省。 此外，宜對於影像元件矩陣的每列及或每行有一個放大 器以供該列及或該行的所有影像元件之用。如此可有利地 使整個視訊感測器晶片的電流消耗減少因爲該光敏影像元 件本身不需額外的電流供應，且每一列及/或行只需各一個 放大器，一個電源。 在本發明另一較佳設計中，該放大器配接成電晶體阻抗 放大器（Transimpedanz_Verstarker)形式。利用這種放大器 的設計，可利用電晶體阻抗放大器的習知電壓轉換作用，其中 該輸出阻抗由該電晶體阻抗放大器的回耦（回授）路徑特 4 表紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 丨衣--------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 564635 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（》） 別是其回耦電阻而決定。 利用此種設計，可以將光敏區域的影像元件的光電流轉 變成一種成比例的電壓，而不會使該光電流經由此感測器面 (此處爲小小的感測器面)的寄生性電容而積分。 此外在本發明一較佳光敏設計中，該電晶體阻抗放大器 由一個弱反向工作的電晶體構成，其中宜有一個此種反向工 作的電晶體與各影像元件配合，且該反向工作的電晶體可隨 該各光敏影像元件一同接到該放大器。如此，在該放大器的 輸入信號（亦即該光電流或該與光電流成比例的亮度）和該 放大器的輸出信號（亦即放大器輸出端的電壓升高）之間達 成一種對數式轉換。因此，這種接成回親電阻形式的電晶體 並不作線性的電流-電壓轉換，而係作一種對數式轉換，且因 此可涵蓋較大的亮度範圍。此外，可藉此確保有很大的輸出 強度範圍及對比敏感度，而不必放棄該影像元件的短的建立 時間（Einschwingzeit，英：build-up time)的優點。如此可以 有特別高的影像重複頻度而無後吸引效應° 本發明的其他有利的設計見於其餘在申請專利範圍附 屬項中所述的特點。 [圖式的說明] 本發明在以下利用圖式詳細說明其實施例。圖式中： 第1圖係第一實施變更例的一影像元件的電路圖； 第2圖係第二實施變更例的一影像元件的電路圖； 第3圖係第2圖的電路裝置的一特性線； 5 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） ---------------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 564635 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Α7 Β7 五、發明說明（、） 第4圖係第1及第2圖的電路裝置的其他特性線； 第5圖係第三實施變更例的一影像元件的電路圖。 [圖號說明] (10)電路裝置 (12)影像元件 (14)部分面 (16)光電晶體 (18)切換切點 (20)切換手段 (22)電晶體阻抗放大器 (24)回耦(回授)分路 (26)電晶體阻抗放大器(22)的輸出端 (28)切換接點 (30)切換手段 (32)(34)(36)(38)電晶體 . (37)光 (40)在光電流Ι—=0·1ρΑ時的輸出電壓， (42)放大器(22)的輸出端 (44)回耦路徑 (48)切換接點 (50)電晶體 [實施例的說明] 第1圖顯示一個視訊感測器晶片(整體未作圖示)的一 個光敏影像構件（圖元)(像素）(12)的一電路裝置（10)。此視 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） --------訂---------線 (請先閱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 564635 A7 B7 五、發明說明（<) 訊感測器晶片包含多數設在一矩陣中的影像元件（12)。 這些影像元件（12)整體定出該視訊感測器晶片的一個 光敏面，其中，其各個影像元件（12)構成一個本身的部分面 (14)(位在用虛線表示的區域中）。 影像元件（12)包含一個光電晶體（16)。光電晶體（16)的 源極端子經一切換手段(20)的一第一切換切點（18)與一個電 晶體阻抗放大器(22)的反相輸入端連接。在一電晶體阻抗 放大器(22)的非反相輸入端上有一參考電壓。此外該光 電晶體（16)的源極端子經一回耦（回授)分路(24)與該電晶體 阻抗放大器(22)的輸出端(26)連接。在該回耦路徑(24)中設 有該切換手段(20)的一切換接點(28)以及一個當作電阻配接 的電晶體(30)。光電晶體（16)的一個流極端子與電晶體(32) 與(34)連接。此外，該影像元件（12)包含電晶體(36)與(38)的 一個電流位面電路，該電流位面電路與光電晶體（16)的一閘 極端子連接。 < 第1圖中所示的電路裝置(10)顯示如下的功能： 當光(37)照到電晶體(16)上時，產生一股光電流ΙΡ_。。這 股光電流IP_。與光(37)的亮度成正比。經由一個列解碼器 及/或f了解碼§5將切換手段(20)動作。舉例而言，利用一^相關 的控制脈波將該視訊感測器晶片的圖元（12)的總矩陣在一 列中所設的圖元（12)的所有切換元件作控制。如此，切換接 點（18)(28)就閉路。此時，在閉路的回耦分路(24)中的電晶體 (30)接受該電流IP_。並且將之轉換成電晶體阻抗放大器(22) 的輸出端(26)的輸出電壓。電晶體在此弱反向作用的操 7 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公f ) --------^--------- (請先閱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 564635 A7 _—______ B7 五、發明說明（b) 作狀態中工作，因此造成光電流ΙΡ_。和輸出電壓之間的 一種對數轉換。這種反耦合的放大效應…利用同時閉路的 切換接點（18)(28)…只影響該光電流]W。，因爲光電晶體（16) 的源極電壓並不改變。此處係虛擬接地(vituelle Masse)原理 的作用。總之很明顯地，電晶體阻抗放大器(22)呈電流·電 壓轉換器的方式工作，其中該放大器(22)的輸出阻抗利用該 具有電晶體(30)(它被接設當作電阻用）的回耦分路(24)決定 且該被接設當作電阻用的電晶體(30)造成該電晶體阻抗。 藉著改變光(37)的亮度使光電流IPh_成比例地改變，因此在 輸出端(26)的輸出電壓11_的Uw的電壓上升度對應地改變， 其反應時間很短。在圖元（12)內不會有寄生電容受到光電 流IP_3作用因此，這種寄生性電容的充電-或放電過程對於 該電流-電壓轉換沒有影響。利用這種設在回耦分路(24)中 的電晶體造成一種對數轉換，因此造成的輸出的高低範圍很 大，且因此該電路裝置（10)有很高的對比敏感度。 經由電晶體(32)與(34)可調整光電晶體（16)的工作點。 此工作點調整成使光電晶體（16)經常保持在此弱反向的操 作狀態。利用電晶體(36)使電路裝置（10)的電壓穩定化。在 此，該電流位面的電晶體（36)(38)的度量設計成使光電晶體 (16)經常保持在此弱反向的操作狀態，即使電晶體(38)受到電 流Iw的流過而處在強反向的一種操作狀態亦然。利用這種 度量設計在光電晶體（16)的閘極端子調設一個固定電位，因 此經由光電晶體(16)與電晶體(32)的回耦係爲不活動者。 第2圖顯示一個相對於第1圖作了改變的電路裝置的 8 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ί --------^---------線 0^- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 564635 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（rj ) 實施例，其中相同部分用相同圖號表示，且不再說明。由於藉 電晶體(36)和(38)的電流位面電路的度量設計可調設光電晶 體（16)閘極端子上的恒定電壓，因此…如第2圖所示…可將 電晶體（36)與(38)的電流位面電路利用一種位在光電晶體 (16)的閘極端子上的參考電壓取代。在此處該參考電壓 選設成使該光電晶體（16)經常保持在弱反向的操作狀態 。如此，就不需將電晶體(32)(36)(38)構造化。如此，電路裝置 (10)的構造，特別是在影像元件(12)的區域中者，可以簡化。 第3圖顯示該電路裝置(10)的一特性線，其中，輸出電壓 Uw對於光電流Uw的對數値作圖。可明顯看出輸出電壓 11_的大致呈線性的特性線走勢。 第4圖中顯示光電流IPh()t。和輸出電壓U_的變化和時 間t的關係。利用在高對比時的跳躍反應(對於「亮後隨即 暗」的反應）以及在弱照明強度的區域的對比時的反應（對 於「暗後跟著較不暗」的反應）可明顯看出，跟箸一個不延 遲的跳躍反應。在不利的情形，跳躍反應的延遲時間約 0.4ms。虛線(40)對應於在光電流IPh_=〇.lpA時的輸出電壓， 此處爲1.6V。由此恒定的電流ΙΡ“=〇·1ρΑ開始，如此所對應 的亮度表示所產生的成比例的光電流(具有對應的跳躍 反應）。由於這是該電晶體阻抗放大器(22)的一種差動輸入， 因此較高的光電流的輸入造成輸出電壓。。^的較小的 絕對値，它相當於對該參考電壓R^i很大另外一個電路的變 更例，其中和第1及第2圖相同的部分再用相同的圖號表 示且不再說明。在此處所示的電路的變更例中，光電晶體 9 適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） - * --------^---------^__w] (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 564635 A7 五、發明說明（又） (16)的閘極端子經一個回耦路徑(44)與一放大輸出端(44)連 接。該切換手段（20)的另一切換接點(46)接入該回耦路徑 (44)中，因此同時利用此回耦路徑(44)經由該電晶體(30)(它被 接設作爲電阻)使該回耦路徑(44)閉路，且經由放大器(22)的 輸出端(42)在光電晶體（16)的閘極端子上施加一股與光電流 有關的電壓電位。在此該電壓電位取決於光電流IPh_，因此， 光電晶體（16)的操作保持在弱反向的操作狀態。如此使電 路裝置(10)的穩定性更爲提高，且減少所謂的後吸引效應。 第5圖中用虛線表示另一實施變更例的部分。依此，可 不用該在弱反向的操作狀態工作的電晶體(30)，而將在強反 向的操作狀態工作的電晶體(50)接到該回耦路徑(44)中。此 電晶體(50)可經由該切換手段(20)的一個切換接點(48)控制 。利用這種電路裝置可實現所想要的線性轉換。 I—--------^--------- (請先閱讀背面之注音心事項再填寫本頁) 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（210 X 297公釐）

Claims (1)

  1. 564635 蔻 C8 D8 六、申請專利範圍 該光電晶體（16)的閘極端子與一個固定的參考電壓源 (Uw2)連接。 8. 如申請專利範圍第5項的電路裝置，其中： 該光電晶體（16)的閘極端子經一個回耦分路(44)與該放 大器(22)的一輸出端(42)連接，因此該光電晶體（16)的閘極電 壓與該光電流有關。 9. 如申請專利範圍第8項的電路裝置，其中： 該回耦分路(44)包含切換手段(20)的一個切換接點(46) (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐)
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