TWI227997B - Solid-state image pickup device and control method thereof - Google Patents

Description

1227997 坎、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本申請案係優先於2002年6月11曰於曰本提出之曰本專 利申請案第P20〇2-169862號，該案係以提及方式併入本文 中0 一般而言’本發明係關於諸如C Μ Ο S影像感測器之類固熊 影像拾取裝置領域。更明確地說，本發明係針對採用所^ 行系統之固態影像拾取裝置以及控制該裝置之方法，使得 藉由光電轉換區域單元所獲得之像素信號係順序儲存於為 各像素行所提供之行區域單元中，且行區域單元係順序選 擇以順序輸出各像素信號。 【先前技術】 圖12為採用一行系統之一 〇%〇3影像感測器之一組態範 例的私路圖。在一半導體基板（未顯示）上之該影像感 測器包含：藉由一二維像素陣列所形成之一光電轉換區域 單元1 ;用以於水平方向上作出一選擇之一水平掃描電路9 ; 用以於垂直方向上作出一選擇之一垂直掃描電路用以 產生各種時序信號之一時序產生器單元u;用以放大一像 素信號之一輸出放大器12 ; 一 PGA (pr〇grammaMe gain control amplifier ;可程式增益控制放大器）電路13 ;以及一 AD (analog-to_digital conversion ;類比至數位轉換）電路 14 等。 该CMOS影像感測器利用一行系統，其中在位於光電轉換 區域單元1之一輸出側上的一稱作行區域之部分中的各像 85006 1227997 素仃皆具有一電容器6，且自各像素讀取之信號係順序儲存 於孩電容器中且順序輸出至輸出放大器12。因對各像素信 號的信號處理係於讀取像素行之單元中的像素信號之後執 行故與在各單位像素中執行同樣信號處理的裝置相比， 各早位像素中之組態得到簡化，此即為影像感測器之像素 數目的增加、尺寸的減小、成本的降低等創造了條件。 接下來將簡述此種電路之操作。用以接收光信號之光電 轉換區域單元i包含沿列與行方向排列的複數個單位 P (1 -1 -1、1 -1_2、1 1 q ， 、 卜1-3、…）。於此種單位像素中至少包含 、個光包轉換裝置。通常使用的光電轉換裝置係光二極體 或光間。 & 對於需自光電轉換區域單 '早兀1知出（像素信號，垂直掃插 电路10經由一控制線3 (3 ^ 3"2 、…）按順序選擇一預 疋列。 ’、 ::提’雖然圖12之各像素列中僅顯示-條控制線3, ^吊:像素列中皆具有複數條互相平行的控制線3,使垂 = 可按婦選擇各像相以讀取像素信號。 …、後’經由控制線3所選摆々 、睪〈列的^號順序儲存於平行置 於光電轉換區域單元1之於 (一、 中：广則上的行區域單元之電容器6 行。 存來自列的信號之操作係同時執 儲存於仃區域單元之電容器6中的像素 掃描電路9自最左邊一 ’、u i係精由水平 樓, 開按順序掃描行之操作順序選 擇。即，水平掃描電路9按 丁〈峰|員序延 、序延擇且驅動行選擇電晶體7 85006 1227997 1 7 2 7 3、···）。故像素p之各像素的像素信號係按順 序讀取。 輸出放大器12順序放大像素信號並輸出至—水平信號線 8,然後將其結果作為—電壓信號輸出。pGA電㈣於小增 益階放大該電壓信號之電壓。該電壓放大之像素信號輸二 土 AD“|14 ’然後作為一數位信號15輸出至半導體

外部。 J 附帶-提，-偏壓電路2經由負載電晶體5 (5]、、 5-3、..·）將—固定偏壓供給—垂直信號線。目前開發的用於 上述傳統固態影像拾取裝置中之AD電路14通常具有⑵立 儿或Μ位7C之位元精度。^㈣賴之位元數目增加時， 功率消耗亦隨之增加’並且電路自身的雜訊使得提高位元 精度特別困難。 因此’傳統的利用行系統之影像感測器的問題在於難以 ^心’且不能在將S/N比㈣在—良好位準的同時 擴展動態範圍。 7 U時 、附f提’當在逐像素的基礎上控制光電轉換區域 :各像素中的像素信號之增益時’光電轉換區域單 :位元精度且擴展輸出信號的動態範圍。然而，在此情； 各像素（組態會變得複雜起來，故不 Η 統所提供的成本降低及尺寸減小的優點。 仃系 因此’本發明之—項目的係提供一固態影像拾取 其控制方法，使得即便在利用行系統的電路紅態中:及 逐像素的基礎上抄制德本 ’、可在 疋&制像素ϋ之增益，且擴展動態範園， 85006 1227997 、：職比保持在良好的位準。透過以下的發明内容及對 目則較佳具體實施例的詳細說明，本發明的其他目的及優 點將變得顯而易見。 又 【發明内容】 為達成上逑目的，依據本發明提供一固態影像拾取裝 置，其包含：一光電轉換區域單元，其具有複數個以 =列安置之單位像素，各單位像素至少包含一光電轉換 =置’―為該光電轉換區域單元之各像素行所配置之垂直 =唬線：用以順序讀取於該光電轉換區域單元之各單位像 二:所產生的-像素信號；_ $於該光電轉換區域單元之 辱，出側上的行區域單元’用以順序儲存該垂直信號線所 5貝〈各單位像素的該像素信號；以及一輸出單元，用以 ^讀取鍺存於該行區域單元中的該像素信號並且輸出該 、’、“虎’其中於該行區域單元中具有像素控制構件，用 =在逐像素的基礎上偵測該垂直信號線所讀取之該像素戶 就的-位準，且在逐像素的基礎上控制該像素信號的一增 盈以供輸出。 中另外’依據本發明亦提供一包含一固態影像拾取裝置之 包子裝置，該固態影像拾取裝置包含：一光電轉換區域單 兀，其具有複數個以一二維陣列安置之單位像素，各單位 ^ y已口光兒轉換裝置；一為該光電轉換區域單元 口像素订所配置〈垂直信號線’用以順序讀取於該光電 =區域單元之各單位像素中所產生的—像素信號；一置 万、邊光包轉換區域單元之一輸出側上的行區域單元，用以 85006 -9 - 1227997 :序儲存該^直㈣線所讀取之各單位像素的該像素信 5: ’以及一輻出早70 ’用以順序讀取儲存於該行區域單元 :像素信號並且輸出該像素信號，該電子裝置之特徵 在万^於該關影像拾取裝置之該_域單元中具有像素 咖件，用以在逐像素的基礎上伯測該垂直信號線所讀 又=像素㈣的-位準，且在逐像素的基礙上控制該像 素仏唬的一增益以供輸出。 、另外’依據本發明亦提供-種控制-關影像拾取裝置 =’該固態影像拾取裝置包含:-光電轉換區域單元， 复數個以—二轉列安置之單位像素，各單位像素 一光電轉換裝置；一為該光電轉換區域單元之各 所配置之垂直信號線，用以順序讀取於該光電轉換 2早Κ各單位像素中所產生的一像素信號；一置於該 :轉：域單元之一輸出側上的行區域單元，用以順序 及;;號線所讀取之各單位像素的該像素信號；以 傻:出早70 ’用以順序讀取儲存於該行區域單元中的該 乂號並且輸出該像素信號，該方法之特徵包含：於該 仃£域早兀中在逐像素的基礎上侦測該垂直信號線所讀取 =像素^號的位準’且在逐像素的基礎上控制該像素信 唬的一增益以供輸出。 外，依據本發明亦提供一種固態影像拾取裝置，其特 2含：—光電轉換區域單S，其具有以-二維陣列的一 :式安置之複數個單位像素，各單位像素至少包含一光電 轉換裝置；—為該光電轉換區域單元之各像素行所配置之 85006 -10· 1227997 垂直化號線，用以順庠每、 ..^ ^ . /、序續取於孩光電轉換區域單元之各單 心像素中所產生的一像辛 士、 A 备荼1 口琥，一置於孩光電轉換區域單 凡 < 一輸出侧上的杆F 士、时一 ㈣〜 域早70，用以順序儲存該垂直信號 、、桌所續取之各單位傻丢 早位像素的孩像素信號；以及一輸出 用以順序讀取儲存於該杆 — 出該像中的該像㈣號並且輸 、 號，其中崎區域單元中具有像素控制構件， 用:在逐像素行的m㈣該垂直信號線所讀取之該 素信號的位準且處理該像素信號以供輸出。 ^ 利用依據本發明之固態影像拾取裝置及其控制方法，行 區域單μ在逐像素的基礎上偵測垂直信號線所讀取之像 素信號的位準，且在逐像素的基礎上控制像素信號之增益 、4秦υ出因此，即便為利用行系統之一電路組態，像素 的增盈亦可在逐像素的基礎上進行控制，故動態範圍 可得以擴展，同時信號雜訊比（S/Nrati。）可保持在—良好的 仏準。因此即可容易地改善圖像品質，降低成本且減小尺 寸’同時增加固態影像拾取裝置的像素數目等。 另外，在具有此種固態影像拾取裝置之電子裝置中，圖 像品質的改善、成本的降低、尺寸的減小及影像拾取裝置 <像素數目的增加等可容易實現，從而有助於增強該電子 裝置的功能。 【實施方式】 下文將描述依據本發明之固態影像拾取裝置的較佳具體 實施例及其控制方法。 依據該等具體實施例，為各像素行皆提供有位於上述具 85006 -11 - 1227997 有一行系統之一 C Μ 0 S影像感測器中的一行區域單元。此單 几執行獨互偵測各像素信號之位準以及獨立設定該信號之 該位準的增益之錢。故制簡單的f路組態及微小的。像 素，該等具體實施例即可改善各像素的S/N比且擴展其動態 範圍。明確地說，利用該行系統可獲得丨6位元精度。 圖1為顯示一CMOS影像感測器之一組態的第一項示範性 具體實施例之電路圖，其有助於解釋本發明之具體實施例 的原理”付帶一提，與圖12所示的傳統範例有共同之處的 組悲係利用相同的參考數字來描述。 該CMOS影像感測器包含：一光電轉換區域單元丨（單位 像素1-1-1、1_1-2、···）； 一垂直掃描電路1〇 ; 一水平掃描電 路9，一連接至垂直掃描電路1〇之控制線3 ()_1、、弘3); T垂直㈣線4(4]、4_2、4_3、4_4、...）；_負載囊電 、（5 1 5 2 5_3、5-4、…）；一用以偵測一輸入信號 之信號位準之偵測電路（比較器）17 、i7_2、m 17-4、···）； 一可程式增益控制（PGA)電路18 (18_丨、i8_2、 18·3、·.·）； 一取樣與保留（S/H)電路 ΐ9 、μ。、 3 ···)，一控制仏號產生電路20 ; 一比較器輸出線25 ; -輸出信號線22; 一輸出緩衝器26; _AD轉換器(adc) 27，以及一雜訊消除器加增益失配修正電路3〇。 二接下來將描述此種CM0S影像感測器的操作原理。自垂直 、目=、泉4 (4-1、4_2、4-3、…）主要輸出一信號電壓Vsig。偵 測電路C17將信號電壓㈣與預定參考電壓相比。 例如，該等參考電壓為500 mV、25〇mV以及i25mv。該 85006 -12- 1227997 等值對應於垂直信號線4的一 1 V之飽和信號。即將1 V劃分 為8個125 mV之區域。 偵測電路C 1 7的一比較輸出係基於下列規則之一碼輸出 (分割信號）：

Vsig < 125 mV···碼 _ 125 mV =< Vsig< 250 mV··.碼 〇〇1 250 mV=<Vsig< 375 mV···碼 002 375 mV =< Vsig< 500 mV···碼 003 500 mV=<Vsig< 625 mV···碼 004 625 mV =< Vsig< 750 mV··.碼 005 750 mV =< Vsig< 875mV···碼 006 875 mV =< Vsig< 1000 mV···碼 007 明確地說，例如當Vsig = 3 00 mv時，一碼”002”之一 3位 元數位信號即自線路25輸出至該行區域單元的外部。當 Vsig = 100 mV時，一碼”〇〇〇”之一 3位元數位信號即自線路 25輸出至該行區域單元的外部。 偵測電路C 17亦將該比較輸出輸出至Pga電路1 8 (1 8-1、 18-2、18-3、…）。 例如，當Vsig = 3 00 mV時，藉由控制來自偵測電路〔！ 7 之碼信號”002”，使PGA電路丨8之一增益倍增二倍。當Vsig二 1〇0 mV時，PGA電路18之增益倍增八倍。故在此範例中， PGA電路18將輸入信號電壓”匕轉換為一高電壓。 因此，傳統上利用一小電壓（在此情形中為1〇〇 mv)，會 導致低S/N比及具有很多雜訊的影像。另一方面，在該第〜 85006 -13 - 1227997 具體實施例中，該輸入信號等效地變為8〇〇 mV，故導致具 有高S/N比之影像品質。 另外，當（例如）ADC電路27之位元數目為1〇且Vsig = 1〇〇 mV時，僅能實現6位元至7位元的精度。在該第一具體實施 例中，可貫現9位元至1 〇位元的精度。此等效於將ADC電路 27之10位元性旎提咼至13位元。另外，因可為各像素信號 汉疋咸PGA增盈，故可非常方便地獲得很大數目的ad位元。 此外，當偵測電路C17的參考電壓之數目增加至四倍時，可 獲得4位元精度，且可獲得具有高S/N比的類比信號。 從圖1之電路組態可瞭解，用以偵測各垂直信號線4之信 唬位的偵測包路c i 7係置於各行中，故PGA電路U之增益 可應用於各像素。 取後推Λ消除為加增益失配修正電路3〇在偵測電路ci7 如此輸出之偵測信號(在此範例中為一州立元的數位信號) 與=像素信號輸出（在此範例中為—NM的數位信號）的 基礎上提供— M+N位元的數位輸出信號。雜訊消除器加增 盈失配修正電路3〇還執行數位雜訊消除及增益失配修正處 理。稍後將詳細描述該處理。 圖2為顯示—c刪影像感測器之第二項具體實施罐 路圖。在前述第-項具體實施例中，顯示了於各像辛僅』 生類比輸出之CMOS影像感測器的―範例，而在第二且" ㈣中料描述於行區域單元中包含AD電路之—數^ 出頦型固怨影像拾取裝置的一範例。 該CMOS影像感測器包含：1電轉換區域單u㈤ 85006 -14- 1227997 像素 、. , ^1-2、···），一垂直信號線4 (4-1 ' 4-2、…）； 垂直知插電路丨〇 ; 一水平掃描電路9 ; 一控制信號產生電 路2〇; —偵測電路、17_2、.·.）； 一放大電路 18-2、...）； —AD 電路 32 (η]、32_2、…）；一偏壓電路2 ; 以及一增益修正電路3 0。 在此範例中，對應於各像素行之各行區域單元皆具有偵 測電路17、放大電路18以及AD電路32，使各行區域單元皆 可形成一數位信號。 在此範例中，偵測電路17偵測垂直信號線#之一信號位 準。該備測之結果係供應給放大電路18，以將放大電㈣ 之增碰设疋為一最佳值。放大電路丨8放大一信號，且將 遠仏號在後繼階段供應給AD電路32。 在各行中，AD電路32將該類比信號轉換為一數位信號。 該結果輸出至該行區域的外部。在此範例中，_電路η 具有N位元之資訊’且…電路輸出具有之资訊。因 此，利用此方法即可獲得_位元之資訊。增益修正電路 3 〇執行此方法。 圖3為顯示-CM0S影像感測器之第三項示範性具體會施 例的電路圖。在此範例中，形成—光電轉換區域單元·;之久 單位像素皆包含(例如)一光二極體單元34、—傳娜3;、 -重設閘極36、-放大閉極38、一選擇間極37等。 各單位像素皆係藉由一選擇信號線SV3_m、— 線R3 -丨-2以及一傳送信號線τχ3 _丨 汉5饥 & ^ ^ 制—垂直信號線4 與一貝載電晶體5連接’故可用作— 於I思動咨（source 85006 -15- 1227997 follower)電路。垂直信號線4亦連接至一偵測電路i7，且經 由一開關5〇(藉由，2控制）及一電容39連接至一放大電路4〇。 藉由控制開關43至45可將連接至一〇P_amp(放大器）4〇之 私合的電容值自C改變至8C。因此，放大電路丨8即形成 一可程式增益放大器，其增益可在一比率的一至八倍之間 又化’邊比率係電容39之電容值8(：：與電容46至49之電容值 C至8C之間的比率（其值取決於其連接狀態）。 偵測電路（在此範例中係比較器）17偵測垂直信號線4之一 仏唬位卞。偵測電路丨7決定該增益之該位準，使4〇 (一輸出信號41的值為低於一飽和信號位準之一範圍内的 最大值。 此種方法可使出現於放大電路52中的轉換雜訊之輸入信 號的位準降至最低。輸出信號41的位準亦可得到提高，從 而接近於各像素中之飽和信號，因此即具有防止隨後出現 雜訊之優勢。 附帶一提，雖然在此範例中，放大電路52之增益係藉由 一電谷分割比改變，但放大電路52之增益亦可藉由電阻分 割改變。 圖4為解釋依據本發明之第四項具體實施例，放大電路u 的一增益設定方法之第一範例的圖示。在此範例中，當垂 直信號線4之-輸出信號為”125mV時， il25 mV，OP-amp 40 之輸出化5虎為1 v。即當該輪出信號輸出至該行區域單元 的外部時，其係輸出。雖然在本範例中該輸出信號為 85006 ~ 16 - 1227997 1 v ’但1κ電壓係依據該固態影像拾取裝置之規格任意設 定。 - 當125 mV<輸入信號=< 250 mV時，放大電路52之增益係 設疋為四。同樣地，當25〇 mV<輸入信號=< 500 mV時，放 大電路52之增益係設定為二。當5〇〇 mv<輸入信號1 v 時，放大電路52之增益仍為一。 藉由如此u又足放大電路52之增益，即可能使放大電路52 :出現的信號對雜訊之比達到最大。要實現高度敏感的固 悲影像拾取裝置，此點至關重要。 圖5為解釋依據本發明之第五項具體實施例，放大電㈣ 的增益設定方法之第二範例的圖示。 在此粑例中，雖然飽和信號位準為1 V，但該增益之最大 值係设定為能產生800 mV的一值。因與前述圖4之範例相同 的㈣’在此實例中，當信號位準係低值時，_比亦可達 到取大。對放大電路52之影響即可較小。 應注意，雖然圖4及圖5之範例中 、一 四個增益，但增益可以更小的步階設定，且;設= 的K準。即增盈可根據特定應用等適當地決定。、、、门 明之第六^範性具打_， 口仃£域早兀中又一偵測電路17 …、 含開關57、58、59、60及63、 ^巳丨。偵測電路17包 正反器電路7。、71及7二電容器62、比較器一 組態中，經由開關57自垂直信號線4輪入、

Vm53係儲存於比較器64之_輸人 號 ’、、'中。藉由操作開關 85006 ' 17- 1227997 58、59及60，該一度儲存之信號與比較電壓Vrcl (5句、Vrc2 (55)及Vrc3 (56)比較。 然後，在同步時脈66、…及…/”⑻至/”：⑼的基礎上， 忒一 /入比較之一結果69寫入至正反器電路7〇、7丨及72中。 因此即知悉該垂直信號線之該信號位準所在的一範圍， 且可對該電壓之位準分級。該結果（分割信號）即作為正反器 電路70、71及72之輸出74至79⑹、/G1、G2、/(}2、G4及 /G4)在一輸出脈衝以的基礎上與一輸出電壓一起輸出至該 行區域單元的外部。 圖7為顯示採用本發明之第七項具體實施例之一 影 像感測器在其一水平期間的時序操作之時序圖。首先，在 一時脈，，1之一 ’Ή”期間重設一放大電路18。在，，丨”之期 間，藉由R⑴重设孩像素之一浮動擴散放大器（^〇以叩 diffusion amplifier)。然後設定τχ⑴= ΠΗ，，，將該光二極體之 一信號輸出至該該浮動擴散放大器。此時，，，2 = "l"，故放 大電路1 8仍為重設狀態。 然後田”1— H且，，2 = ’fLn時，藉由設定，，^丨丨]^”來操作一 偵測電路17，且順序選擇，加至，加以蚊對應於該信號之 位準的一增益。 當，，—比較結束時，放大電路18之增益即得以決定 (圖7之82)。在決定該增益之操作結束後，將，，1設定為"l，， 且將”2設足為”H”，以使放大電路18放大垂直信號線4之信 號。該放大之信號輸出至該行區域單元的外部。附帶一提， 該放大之信號可直接輸出至外部，或可先取樣且保留，然 85006 -18- 1227997 後才輪j出。因Λ，在孩類比域中小信號可放大很大，從而 才疋供具有高S/Ν比之信號。 作為本發明<第八項具體實施例，圖8為顯示構成圖6所 丁之偵以兒路丨7的比較器64之一差動放大器之一範例的電 圖士目8所#，遠差動放大器係冑由將執行差動放大器 操作之-對電晶魏與87之源極共同連接至形成—怪定電 流源之—電晶體88,且藉由級聯連接將一對電晶體料與以 連接至電晶體86與87之汲極而形成。 因該㈣器可藉由(例如)此種簡單的差動放大器形成，故 具有少里組件以及小行面積之一電路即可實現。附帶一 k圖8之各種仏唬89至94、電源供應82及83等並非本發明 的獨特之處，故對其不作說明。 圖9為頌不繼各行區域單元之放大電路1 8之後的階段中 形成之取樣與保留電路之一範例的方塊圖。 C:該取樣與保留電路中形成有用以儲存—信號之一電容 (97 1 97-2、···、97-η)以及一讀取電路 1〇〇 〇〇〇]、 100-2 、…、ι〇〇-η)。 來自水平堤擇暫存器1〇4之一選擇信號CH(i) 103 ⑼3 1 1G3_2' ···Λ 103_n)選擇希望讀取之一行，且來自電 容97之s U藉由頌取電路i⑽及—外部放大電路⑻自一 輸出信號線1 0 1輸出。 作為本4月之第九項具體實施例，圖10為顯示圖2所示之 曰里L正見路J 〇之組態的一範例之方塊圖。藉由AD轉換， 圖所π之外#放大電路1〇5之該輸出信號⑴UPUT) 1〇6轉 85006 -19- 1227997 換為一 N位元的數位信號，且然後作為一輸入數位信號114 輸入至圖10所示之電路。 上述比較器64之一 Μ位元的數位信號107輸入至一增益 修正單元1 0 8，以轉換為一增益修正值。 藉由一 1Η記憶體109及一加法器110所消除雜訊之該Ν位 元數位信號通過一乘法器111，以藉由該增益修正值修正， 且再通過一加法器112，以轉換為一 Ν位元與Μ位元的數位 信號以供輸出（113)。 於該固態影像拾取裝置之同一晶片上形成圖10所示之電 路的情形對應於該AD電路包含於圖2所示之該行中的情 形，或對應於該AD電路包含於該同一晶片上該行以外的一 區域中之情形。來自放大電路18之輸出信號106係藉由晶片 上AD電路轉換為一 Ν位元的數位信號。 因此，藉由將該信號與上述比較器64之該Μ位元數位信 號107組合，即可容易地獲得該Ν+Μ位元之數位信號。增益 修正電路30將該Ν位元信號乘以Μ位元以獲得一增益一，且 輸出該Ν位元信號以獲得一增益八。 此種電路架構即可建造一 CMOS影像感測器，其在輸出一 小信號時會改善其S/Ν比且具有N+M位元的寬動態範圍。 圖11為顯示一 CMOS影像感測器之第十項具體實施例的 電路圖。在以上範例中，信號位準係於行區域單元中逐像 素獨立地偵測，且該結果係回饋至置於各行區域單元中之 增益放大器，從而改變該增益放大器之一增益。然而，當 不需要如此複雜的組態時，可簡化為圖11所示之一組態。 85006 -20- 1227997 在圖11所示之範例中，各行區域 . 干70白具有一放大電路 18以及具有資料保留功能之_AD電路32。作為另—方法， 該行區域單元可僅由_放大電路及—sm電路構成。:種構 成方式亦包含於本發明之範W壽中。 各放大電路18之放大因數係藉由置於外部的-增益控制 電路115控制。即不同於前述具體實施例，該放大電路並未 為各像素Μ獨自最佳化之—放大係數’而是為—列之像 素信號位準提供同一增益設定。 附帶-提，在實際的固態影像拾取裝置中，增益係以一 訊框為單位改變。當作為—整體之-勞幕的信號位準低於 木 I界值時，增碰將在垂直遮沒期間改變。 如此簡化之該第十項具體實施例使置於行區域單元中的 嫩數目得以減少。故第十項具體實施例可減小晶片面 積，或對減小晶片面積具有很大作用。 根據上述具體實施例，主要可獲得下列效果： 1)即便利用行統’各像素之信號亦可以最佳增益獨立 地放大，然後作為一輸出提供。 2) 在輸出小信號時，像素的S/N比實質上可得到改善，因 此即可貫現咼度敏感的固態影像拾取裝置。 3) — 12位元AD電路以及在一行中分三步階或三步階以上 設定放大係數可提供15位元或以上的寬動態範圍。 4) 即便在數位域中執行ae、閃爍修正（flicker c〇rrecti〇n)、 伽瑪‘正（gamma c〇rrecti〇n)、明暗修正（shading 85006 -21 - 1227997 correction)、色彩平衡及其他處理，S/Ν比亦未降級，故可 容易地實現高品質的影像。 應注意，在上文的說明中，雖然已描述將本發明應用於 作為一分離單元的一 CMOS影像感測器之情形的組態，但本 發明亦可應用於各種包含上述固態影像拾取裝置之電子裝 置，諸如照相機裝置、可攜式終端、個人電腦等，從而有 助於提高該等裝置之影像拾取單元的性能等，因此該等裝 置係包括於本發明之範疇中。 另外，本發明亦可應用於其他組態之高度敏感的CMOS 影像感測器以及與CCD組合之複合CCD-CMOS感測器。 另外，對於其他具體組態，可進行各種更改，而不會偏 離本發明之精神。 【圖式簡單說明】 圖1為第一項示範性具體實施例的電路圖，其顯示本發明 之一 CMOS影像感測器之一組態； 圖2為顯示依據本發明之第二項示範性具體實施例之一 CMOS影像感測器的電路圖； 圖3為顯示依據本發明之第三項示範性具體實施例之一 CMOS影像感測器的電路圖； 圖4為顯示依據本發明之第四項示範性具體實施例之一 放大電路的一增益設定方法之圖示； 圖5顯示依據本發明之第五項示範性具體實施例與一放 大電路一起使用之一增益設定方法的第二範例； 圖6為顯示依據本發明之第六項示範性具體實施例，形成 85006 -22- 1227997 於一行區域單元中μ ^ τ的一偵測電路之一 r 圖7為顯示依據本發明之第七項—:例的方塊圖； CMOS影像感測器名 項不範性具體實施例之一 圖δ為顯示依據本發明之^ #序鉍作之時序圖’· 一偵測電路之一比參—抑、罘乂員不範性具體實施例，構成 圖； H差動放大器的-範例之電路 7 丁 < 一伃區域單元 後的階段中形成—銘々丨K r Ί放i 成乾例取樣與保留電路的方 圖10為顯示依據本發明 ^回 r μ ^ τ ^ 罘九項不範性具體實施例之一 耗例增益修正電路的方塊圖； 圖11為顯示依據本發明 ΓΜ〇ς^/^ ^ r <罘十頁不範性具體實施例之一 S〜像感測器的電路圖；以及 圖12為顯示採用一 心此u卜 丁乐、、死< 一傳統CMOS影像感測器之 、、且毖的一範例之電路圖。 【圖式代表符號說明】 光笔轉換區域單元 偏壓電路 控制線 垂直信號線 負載電晶體 電容器 行選擇電晶體 水平信號線 水平掃描電路 85006 -23 - 1227997 10 垂直掃描電路 11 ^ 時序產生器單元 12 輸出放大器 13 可程式增益控制放大器電路 14 類比至數位轉換電路 15 數位信號 17 偵測電路 18 可程式增益控制電路 19 取樣與保留電路 20 控制信號產生電路 22 輸出信號線 25 比較器輸出線 26 輸出緩衝器 27 類比至數位轉換器 30 雜訊消除器加增益失配修正電路 32 類比至數位轉換電路 34 光二極體單元 35 傳送閘極 36 重設閘極 37 選擇閘極 38 放大閘極 39 電容 40 放大電路 41 輸出信號 24- 85006 1227997 43-45 開關 46-49 電容 50 開關 52 放大電路 53 輸入信號 54-56 比較電壓 57-60 開關 62 電容器 63 開關 64、65 比較器 66-68 同步時脈 69 結果 70-72 正反益電路 74-79 輸出 80 輸入節點 82-83 電源供應 84-88 電晶體 89-94 信號 97 電容 100 讀取電路 101 輸出信號線 103 選擇信號 104 水平選擇暫存器 105 外部放大電路 -25- 85006 1227997 106 輸出信號 107 數位信號 108 增益修正單元 109 1H記憶體 110 加法器 111 乘法器 112 加法器 113 輸出 114 輸入數位信號 115 增益控制電路 85006 -26

Claims (1)

1227997 拾、申請專利範園： 1. 一種固態影像拾取裝置，其包含： —光電轉換單元，其具有複數個以—二維陣列安置之像 素，各像素至少包含一光電轉換裝置； 一為該光電轉換單元之各像素行所配置之垂直偉號 線，用以順序讀取該光電轉換單元之各像素中所產生的一。 像素信號； —置於該光電轉換單元之—輸出上的行單元，用以順序 储：孩垂直信號線所讀取之各像素的該像素信號；以及 i出單元’用以順序讀取儲存於該行單元中之該等像 素信號並且輸出該等像素信號； 其中該行單元具有-像素控制構件，用以在逐像素的基 礎上偵測該垂直信號線所讀取之該像素信號的一位準，且 在逐像素的基礎上控制該像素信號的一增益，從而提供一 輸出。 2·如申請專利範圍第丄項之固態影像拾取裝置，且進一步其 中骑單元包含一偵測電路，用以偵測自該垂直信號線輸 出I及像素仏號的孩位準，然後將該位準劃分為一預定位 準範圍；以及一放女雷敗 兒各’用以放大自該垂直信號線輸出 之該像素信號。 3.如申請專利範圍第2項之固態影像拾取裝置，且進一步其 中孩行單元包含增益設定構件，用以根據來自該侦測電路 <一結果設定該放大電路之—增益。 85006 1227997 4. 如申請專利範圍第3項之固態影像拾取裝置，且進一步其 中該增益設定構件將該放大電路之該增益控制在一固定 功率位準。 5. 如申請專利範圍第2項之固態影像拾取裝置，且進一步其 中為該光電轉換單元之各像素行至少提供—對該放大電 路與該偵測電路。 6·如申請專利範圍第2項之固態影像拾取裝置，且進一步其 中自该行單元輸出來自該偵測電路之一分割信號。 7·如申請專利範圍第2項之固態影像拾取裝置，且進一步包 含連接至該放大電路之一 S/Η電路。 8.如申請專利範圍第2項之固態影像拾取裝置，且進一步其 中該偵測電路之一分割信號與該放大電路之一放大之信 號係於同一時間期間自該行單元輸出。 9·如申請專利範圍第2項之固態影像拾取裝置，且進一步其 中來自孩放大電路之一放大之信號係轉換為一 元的數 位信號，且該偵測電路之一分割信號係轉換為一M位元的 數位信號，並且轉換之後的該等二信號係用以獲得—n+m 位元之數位信號。 10·如申請專利範圍第3項之固態影像拾取裝置，且進一步其 中琢增益設定構件將該放大電路之該增益設定在不超過 該垂直信號線之一飽和信號位準的一範圍之内。 11·如申請專利範圍第3項之固態影像拾取裝置，且進一步其 中π亥增ϋ $又足構件對该放大電路之該增益的該設定係藉 由位於該行單元外部之一控制電路執行。 85006 -2 - 1227997 12·如_請專利範圍第1項之固態影像拾取裝置，Α 含： /、k 一步包 的：二!路’用以偵測自該垂直信號線輸出之該像素信 唬的孩位準，然後將該位準劃分為一預定位準範園… 大電路’用以放大自該垂直信號線輸出之該像素信號 及 ϋ ’用以對來自該放大電路之—輸出進行類比 至數位轉換。 13.如申請專利範圍第12項之固態影像拾取裝置，且進—乎其 中該行單元包含一增益設定構件，用以根據該偵測電= 一結果設定該放大電路之一增益。 14·如申請專利範圍第12項之固態影像拾取裝置，且進—步其 中該偵測電路之一分割信號與該AD電路之一輸出信號;句 係作為遠行單元之輸出提供。 15.如申請專利範圍第12項之固態影像拾取裝置，且進—步其 。中來自該偵測電路之一分割信號係一 Μ位元的數二信 號，該AD電路之一輸出信號係—Ν位元的數位信號，並且 提供-增益修正電路’用以至少將該等二信號轉換為一 Μ+Ν位元之信號。 16·如申請專利範圍第丨項之固態影像拾取裝置，其中該行單 元進一步包含： 一放大電路，用以放大自該垂直信號線輸出之該像素信 號； 85006 1227997 一取樣與保留電路，用以取樣及保留自該放大電路輸出 足放大 < 彳3唬；以及一控制電路，用以控制該放大電路 之一放大因數。 17. 一種包含一固態影像拾取裝置之電子裝置，該固態影 取裝置包含： " -光電轉換單元，其具有複數個以一二維阵列安置之像 素，各像素至少包含一光電轉換裝置； 一用於該光電轉換區域單元之各像素行的垂直信號 線’用以順序讀取該光電轉換區域單元之各像素中所產生 的一像素信號； -位於該光電轉換單元外部之行單元，用以順序儲存該 垂直信號線所讀取之來自各像素的該像素信號；以及一輸 出單凡’用以順序讀取儲存於該行單元中之該像素信號且 輸出該像素信號； 邊订早7G包含—像素控制構件，用以在逐像素的基礎上 债測該垂4信號線所讀取之該像素信號的-位準且在逐 像素的基礎上控制該像素信號的一增益。 1 8.如申請專利範圍第1 7項之電子奘 術#罢、、、/ 芡私子衣置，且其中該固態影像拾 取裝置《孩行單元進一步包含·· -债測電路’用則貞測自該垂直信號線輸出之該像素作 號的孩位準，然後將該位準劃分為一預定位準範圍.以及 —大f路’用以放大自該垂直信號線輸出之該像抑 號。 ’ 85006 1227997 .請專利範圍第18項之電子裝置’且進—步其中該固態 :拾取裝置之該行單元包含增益設定構件，用以根據該 /、'貝1電路之一結果設定該放大電路之一增益。 2 〇 令口 、 • “請專利範圍第19項之電子裝置，且進—步其中該增益 21 P夂構件將該放大電路之該增益控制在一固定功率位準。 .如2請專利範圍第18項之電子裝置，且進一步其中對於該 光電轉換單元之各像素行，該固態影像拾取裝置皆包含一 ί π亥放大電路與該偵測電路。 2·=申請專利範圍第18項之電子裝置，且進一步其中該固態 以像拾取裝置自該行單元輸出該偵測電路之一 23·:申請專利範圍第18項之電子裝置，且進—步綱固態 2影像拾取裝置具有連接至該放大電路之一 S/H電路。 24.=申請專利範圍第18項之電子裝置，且進-步其中該固態 Μ拾取裝置於同—時間期間自該行單元輸出該偵測電 各之分割仏號與該放大電路之一放大信號。 25·如申請專利範圍第18項之電子裝置，且進—步其中該固態 影像拾取裝置將該放大電路之一放大之信號轉換為一雜 疋的數位信號，將該偵測電路之一分割信號轉換為一麻 元的數位#號，並且利用轉換之後的該等二信號以獲得一 Ν+Μ位元之數位信號。 26·如申請專利範圍第19項之電子裝置，且進一步其中該增益 設定構件將該放大電路之該增益設定在不超過該垂直信 號線之一飽和位準的一範圍之内。 85006 1227997 27·如申清專利範圍第19項之電子裝置，且進一步其中該增益 设疋構件對孩放大電路之該增益的該設定係藉由位於該 行單元外邵之一控制電路執行。 28. 如申請專利範圍第17項之電子裝置，且進一步其中該固態 影像拾取裝置之該行單元進一步包含： 一偵測電路，用以偵測自該垂直信號線輸出之該像素信 唬的孩位準，接著將該位準劃分為一預定位準範圍； 一放大電路，用以放大自該垂直信號線輸出之該像素信 號；以及 一 AD電路，用以對來自該放大電路之一輸出進行類比 至數位轉換。 29. 如申請專利範圍第28項之電子裝置，且進一步其中該固態 影像拾取裝置之該行單元包含一增益設定構件，用以根據 孩偵測電路之一結果設定該放大電路之一增益。 30. 如申請專利範圍第28項之電子裝置，其中該固態影像拾取 衣置將忒偵測電路之一分割信號與該AD電路之一輸出信 號均作為該行單元之輸出提供。 3 L如申請專利範圍第28項之電子裝置，且進一步其中該偵測 電路之一分割信號係一 Μ位元的數位信號，該A D電路之一 輸出信號係一 N位元的數位信號，並且該固態影像拾取裝 置具有一增益修正電路，用以至少將該等二信號轉換為一 M+N位元之信號。 32·如申請專利範圍第17項之電子裝置，且其中該固態影像拾 取裝置之該行區域單元進一步包含： 85006 1227997 一放大電路，用以放大自該垂直信號線輸出之該像素信 號； ° 一取樣與保留電路，用以取樣且保留自該放大電路輸出 之一放大信號；以及一控制電路，用以控制該放大電路之 /放大因數。 33· 34. 35. /種控制一固態影像拾取裝置之方法，該固態影像拾取裝 置包含：一光電轉換單元，其具有複數個以一二維陣列安 置<像素，各像素至少包含一光電轉換裝置； 一用於孩光電轉換單元之各像素行的垂直信號線，用以 順序讀取該光電轉換單元之各像素中所產生的—像素信 5虎’置於孩光電轉換區域單元之一幸命出侧上的行單元 用以順序儲存該垂直信號線所讀取之各像素的該像素作 號’以m單元’用以順序讀取儲存於該行單元中之 該像素信號且輸出該像素信號，該方法包含： 素像素：基礎上偵測該垂直信號線所讀取之該偉 :口虮、^準，且在該逐像素的基礎上控 的-增益，以提供該行單元的-輸出。 號 之·万决，且進一步並中一从 ^ /、中放大电路中該像素信號之該辦只 係根據在逐像素的基礎上自 q ^ -種如申請專利範圍第33:'=準的結果設定。 之方法，且進固態影像拾取裝置 益控制在-固定功率位準而設^。 之-增 85006 1227997 36. 了種如申請專利範圍第33項之控制一固態影像拾取 之方法’其進-步包含將該增益設定在不超過該垂^ 線之一飽和信號位準的一範圍之内。 "狁 37. 了種如巾請專利範圍第33項之控制—固態影像拾 之方法，其進一步包含利用輸入至該行單元之— 設定該增益。 卜#輻入 3 8· —種固態影像拾取裝置，其包含； -光電轉換單元，其具有複數個以_二維降列安置 素，各像素至少包含一光電轉換裝置； -用於該光電轉換單元之各像素行的垂直信號線，用以 :序讀取該光電轉換單元之各像素中所產生的—像素信 、了置於該光電轉換單元之_輸出側上的行單元，用以順 序错存該垂直信號線所讀取之各像素的該像素信號；以及 、—輸出單元’用以順序讀取儲存料行單元中之 仏號且輸出該像素信號； “ 〜其中於該行單元中具有—像素控制構件，用以在逐像素 二的基礎上偵測該垂直信號線所讀取之該像素信號的— 包準且處理該像素信號。 衫〇〇6