TWI398164B - 影像感測器及具高轉換增益之低雜訊像素讀出電路 - Google Patents

影像感測器及具高轉換增益之低雜訊像素讀出電路 Download PDF

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Description

影像感測器及具高轉換增益之低雜訊像素讀出電路
本發明係有關互補金屬氧化半導體(CMOS)影像感測器，特別是一種具較小面積之CMOS影像感測器的像素讀出電路(pixel readout circuit)，以及一種具迴授(或切換)電容之像素讀出電路。
CMOS影像感測器係一種擷取影像的電子裝置，例如用於照相機中，將光強度轉換為電荷，再將其轉換為電壓並讀取出來。第一A圖顯示被動式像素感測器(passive pixel sensor,PPS)，其為傳統CMOS影像感測器之一種。為了便於說明，於圖式中僅顯示像素陣列當中的二個像素。每一像素含有一個光電二極體(photodiode)D及一存取電晶體(或開關)Macc 。字元線(例如WL1 )連接至同一列的像素，而位元線(例如BL)則連接至同一行的像素。位於每一位元線BL的末端有一放大器10。
第一B圖顯示主動式像素感測器(active pixel sensor,APS)的像素電路。每一個像素包含一個光電二極體D及三個電晶體-Mrst 、Msf 、Mse1 ，因此這類感測器一般稱為CMOS影像感測器之3T像素電路。當電晶體Mrst 被重置信號RST開啟(turn on)時，會將光電二極體D重置為一重置參考電壓(例如電源VDD )。電晶體Msf 係作為源極追隨器(source follower)，其可用以緩衝或放大光電二極體D的累積(integrated)光信號。當電晶體Mse1 被字元線信號WL開啟時，則允許像素信號的讀取。由於3T像素電路中的各個源極追隨器Msf 及電晶體Mrst 會將雜訊隨機分散，因此可以減輕被動式像素感測器之條紋缺陷。然而，3T像素電路之光電二極體D卻具有高漏電流。再者，即使條紋缺陷減輕了，然而電晶體Mrst 會產生KT/Cp 雜訊，其中，雜散電容值Cp 非常小，因此KT/Cp 雜訊的值會很大。
第一C圖例示主動式像素感測器的另一種像素電路。每一像素包含一個光電二極體D及四個電晶體(Mtx 、Mrst 、Msf 、Mse1 )，因此這類感測器一般稱為CMOS影像感測器之4T像素電路。4T像素電路之配置及功能類似於3T像素電路，然而當額外的電晶體Mtx 被傳送信號TX開啟時，可用以傳送光電二極體D的累積光信號。此4T像素電路可用於執行關聯雙重取樣(correlated double sampling,CDS)以避免像素之間因製程變動差異所產生的差異特性。此外，當浮動擴散(floating diffusion,FD)區域的容量夠大時，光電二極體可充分地將累積電荷傳送出去。藉此，關聯雙重取樣(CDS)可將KT/Cp 雜訊完全去除，使得時間相關(temporal)雜訊位準變得很低，且光電二極體所造成的暗(dark)電流也很少。
第一C圖之像素電路會佔用相當的晶片面積，因此，並不適於現代的高密度CMOS影像感測器。鑑於此，因此亟需提出一種CMOS影像感測器之像素讀出電路，用以有效降低CMOS影像感測器之像素陣列的面積。
鑑於上述，本發明的目的之一係實質地降低CMOS影像感測器之像素陣列的面積。
本發明的另一目的在於提出一種CMOS影像感測器之像素電路，用以減低雜散電容，且不會犧牲其效能及共用於CMOS影像感測器的像素數目。
根據本發明實施例之一，使用至少二傳送電晶體以分別傳送相對應光檢器之累積光信號至第一節點。浮動擴散區域連接至第一節點。使用一重置電晶體以重置第一節點使其為第二節點之預設重置電壓；且使用一源極追隨器以緩衝累積光信號。其中，重置電晶體及源極追隨器共用於該至少二光檢器。根據本發明另一實施例，一電容連接於第一節點與第二節點之間，用以減小有效電容的影響。
第二A圖顯示本發明實施例之互補金屬氧化半導體(CMOS)影像感測器的四電晶體(4T)像素電路，其被四個像素所共用(shared)(4S)。本實施例可降低CMOS影像感測器的像素陣列之整體面積，或者可挪出較多的空間給光電二極體。於本實施例(及本說明書中的其他實施例)中，像素電路係被四個像素所共用，但不限定於四個；再者，本發明之像素電路也不限定於含有四個電晶體(4T)，例如也可以為5T或更多的電晶體。於例示的4T 4S像素電路中，四像素所對應的四個光檢器(photodetector)(例如釘扎光電二極體(pinned photodiode))D1 -D4 分別連接至傳送電晶體Mtx1 -Mtx4 。於本實施例中，傳送電晶體Mtx1 -Mtx4 係為n型金屬氧化半導體(NMOS)電晶體。光電二極體D1 -D4 被反向偏壓，亦即，將其陽極接地而陰極則連接至傳送電晶體Mtx1 -Mtx4 的源/汲極之一。傳送電晶體Mtx1 -Mtx4 的另一源/汲極係連接在一起，再連接至浮動擴散(floating diffusion)區域FD(或第一節點)及源極追隨器Msf (例如為NMOS電晶體)的閘極。
雖然4T4S像素電路中光電二極體D1 -D4 所累積電荷Q可大幅增加，但是，位元線BL所讀出之電壓(Q/Cp xAsf ，其中Cp 為節點P的雜散電容，Asf 為源極追隨器Msf 的增益，一般值為0.8-0.9)則會受到共用像素所產生之雜散電容所影響。為了讓像素電壓最大化，Cp 的有效電容值必須保持於最小，但又必須大到足以容納光電二極體D1 -D4 所傳送來的電荷。此種設計上的矛盾使得於最佳化電容Cp 的同時卻也限制了共用於一個電路的像素數目。為了解決此問題，因而提出以下的實施例。
第二B圖顯示本發明另一實施例之互補金屬氧化半導體(CMOS)影像感測器的4T 4S像素電路，其包含四個電晶體(4T)，且被四個像素所共用(shared)(4S)。於本實施例中，傳送電晶體Mtx1 -Mtx4 連接在一起，再連接至浮動擴散區域FD(或第一節點)及源極追隨器Msf (例如為NMOS電晶體)的閘極。電容Cf 連接於浮動擴散區域FD與節點S(第二節點)之間。電容Cp 為有效電容，其至少包含浮動擴散區域FD的擴散電容、源極追隨器Msf 的閘極電容及各像素的雜散電容。於節點S與地之間，源極追隨器Msf 串聯於列選擇電晶體Mse1 (例如NMOS電晶體)。熟悉本技術領域者可以知道串聯之源極追隨器Msf 、列選擇電晶體Mse1 的順序調換後並不會影響其功能。重置電晶體Mrst 位於節點S與浮動擴散區域FD之間。一電源電路或電流源20連接於電源VDD 與節點S之間。於本實施例中，電流源20係由二串聯p型金屬氧化半導體(PMOS)電晶體P1-2 所組成。PMOS電晶體P1-2 的閘極給予適當的偏壓(未顯示於圖式中)。
第二B圖之4T 4S像素電路的操作共分為下列三個階段。首先，於重置階段，重置電晶體Mrst 被重置信號RST開啟，傳送電晶體Mtx1 -Mtx4 也分別被傳送信號TX1-4開啟。藉此，光電二極體D1 -D4 被重置為”釘扎(pinning)電壓”，其值小於節點S之預設參考電壓，其又小於電源VDD ，因此光電二極體D1 -D4 被完全空乏(depleted)。於本實施例中，電流源20將電源VDD 下拉至一預設值，用以提供所需的重置參考電壓給光電二極體D1 -D4 。接下來，於累積(integration或accumulation)階段，重置電晶體Mrst 及傳送電晶體Mtx1 -Mtx4 關閉(turned off)，接著照射光線於光電二極體D1 -D4 。光電二極體D1 -D4 的跨壓將隨著照射光線強度的增加而降低(放電)。於第三階段，重置電晶體Mrst 重被開啟一段時間，於這段時間內浮動擴散區域FD被重置為上述的預設電壓，接著開啟列選擇電晶體Mse1 以讀取重置(或暗(dark))電壓。接下來，傳送電晶體Mtx1 -Mtx4 其中一個被開啟(並保持列選擇電晶體Mse1 的開啟)，用以讀取FD的光電二極體D1 -D4 之累積光信號。重置電壓與累積光信號之差值(該差值係由一外部電路所產生，未顯示於本圖式中，但將於以下討論)將被用於執行關聯雙重取樣(correlated double sampling, CDS)。熟悉本技術領域者可以知道，如果不需要執行關聯雙重取樣(CDS)，則上述第三步驟中浮動擴散區域FD的重置就可以省略。
光電二極體D1 -D4 可以依據特別目的而予以作特殊的配置。例如，在一個實施例中，光電二極體D1 、D2 、D3 、D4 分別用以偵測紅光(R)、綠光(G)、紅光(R)、綠光(G)。於操作時，傳送信號TX1、TX3同時開啟傳送電晶體Mtx1 、Mtx3 ，而傳送信號TX2、TX4則同時開啟傳送電晶體Mtx2 、Mtx4 。此操作一般稱為像素階層的”電荷重合(binning)”。藉此，可以有效增加(倍增)紅光及綠光的偵測面積，因而得以增強低亮度環境下的工作效能。若於像素內使用迴授電容，則可讓更多像素來進行電荷重合，更為增強低亮度環境下的工作效能。
第三A圖顯示本發明又一實施例之互補金屬氧化半導體(CMOS)影像感測器的四電晶體(4T)像素電路，其被四個像素所共用(shared)(4S)。於本實施例中，光電二極體D1 -D4 、傳送電晶體Mtx1 -Mtx4 、電容Cp 和第二B圖相同，因此省略其相關說明。於電源VDD 與地之間，源極追隨器Msf 串聯於列選擇電晶體Mse1 (例如NMOS電晶體)。
涵蓋源極追隨器Msf 之放大器3O於浮動擴散區域FD(或第一節點)接收輸入電壓。放大器3O的輸出節點Vo 迴授連接至迴授電容Cf 的第二端。重置電晶體Mrst 位於FD與放大器30的輸出之間。於本實施例中，放大器30為標準差動放大器。放大器30也可以採用其他組成形式，只要其提供反相信號及具足夠之開回路增益，以符合所需之閉回路增益精確度。
第三A圖之像素電路的操作共分為下列三階段。第三B圖顯示相關時序圖，第三C圖顯示放大器30的簡化等效方塊圖、迴授電容Cf 及關聯雙重取樣(CDS)電路32。首先，於重置階段，重置電晶體Mrst 於時間t1 被重置信號RST開啟，傳送電晶體Mtx1 -Mtx4 也分別被傳送信號TX開啟。藉此，光電二極體D1 -D4 被重置為”釘扎(pinning)電壓”，其值小於參考電壓VRST 。第三D圖顯示第三A圖於重置階段的簡化等效方塊圖。此階段的總電荷Q1 等於電容Cp 的電荷(亦即，(VRST -0)‧Cp )。總電荷Q1 可表示為：
Q1 =(VRST -0)‧Cp
接下來，於累積(integration或accumulation)階段，重置電晶體Mrst 及傳送電晶體Mtx1 -Mtx4 關閉(turned off)，接著照射光線於光電二極體D1 -D4 。光電二極體D1 -D4 的跨壓將隨著照射光線強度的增加而降低(放電)。第三E圖顯示第三A圖之放大器30、迴授電容Cf 於累積階段的簡化等效方塊圖。此階段的總電荷Q2 等於電容Cp 的電荷(亦即，(VRST -0)‧Cp )加上電容Cf 的電荷(亦即，(VRST -Vo )‧Cf )。總電荷Q2 可表示為：
Q2 =VRST ‧Cp +(VRST -Vo )‧Cf
於第三階段，重置電晶體Mrst 重被開啟一段時間(時間t3 與t4 之間)，於這段時間內浮動擴散區域FD被重置為上述的預設電壓，接著開啟列選擇電晶體Mse1 以取樣(sample)及保持(hold)該重置(或暗(dark))電壓，該取樣/保持係藉由控制信號SHR閉合(close)開關SW1 來完成的。接下來，傳送電晶體Mtx1 -Mtx4 其中一個於時間t5 被開啟(並保持列選擇電晶體Mse1 的開啟)，用以取樣(sample)及保持(hold)浮動擴散區域FD的光電二極體D1 -D4 之累積光信號(累積電荷為Qimg )，該取樣/保持係藉由控制信號SHS閉合(close)開關SW2 來完成的。輸出電壓Vo 可以下式表示：
藉此，轉換增益(conversion gain)可以由本實施例的迴授電容Cf 來控制，此可避免受到浮動擴散區域FD電容及共用像素之雜散電容的影響。迴授電容Cf 可以根據需求加以設計調整，用以增加輸出電壓Vo 範圍以及像素敏感度。
根據上述實施例，輸出電壓Vo 主要係由迴授電容Cf 來控制，幾乎不會受到雜散電容的影響。因而，導體繞線幾乎不會影響到輸出電壓。在一實施例中，此發明優點可用以增加共用像素之數目而不會影響輸出電壓。在另一實施例中，可利用此發明優點以增加列(row)的數目而不會影響輸出電壓，使得於一圖框(frame)當中進行不同時間之曝光，用以增加其動態範圍(dynamic range)。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
10．．．放大器
20．．．電流源
30．．．放大器
32．．．關聯雙重取樣(CDS)電路
D．．．光電二極體
Macc ．．．存取電晶體
BL．．．位元線
WL．．．字元線
VDD ．．．電源
RST．．．重置信號
Mrst ．．．重置電晶體
Msf ．．．源極追隨器電晶體
Mse1 ．．．列選擇電晶體
TX．．．傳送信號
Mtx ．．．傳送電晶體
FD．．．浮動擴散區域
S．．．節點
Cp ．．．有效點容
Cf ．．．迴授電容
Vi ．．．輸入節點(電壓)
Vo ．．．輸出節點(電壓)
SW1 、SW2 ．．．開關
第一A圖顯示傳統被動式像素感測器。
第一B圖顯示傳統主動式像素感測器的3T像素電路。
第一C圖顯示傳統主動式像素感測器的4T像素電路。
第二A圖顯示本發明實施例之互補金屬氧化半導體(CMOS)影像感測器的四電晶體(4T)像素電路，其被四個像素所共用(shared)(4S)。
第二B圖顯示本發明另一實施例之CMOS影像感測器的四電晶體(4T)像素電路，其被四個像素所共用(4S)。
第三A圖顯示本發明又一實施例之CMOS影像感測器的四電晶體(4T)像素電路，其被四個像素所共用(4S)。
第三B圖顯示第三A圖的相關時序圖。
第三C圖顯示第三A圖的放大器的簡化等效方塊圖、迴授電容及關聯雙重取樣(CDS)電路。
第三D圖顯示第三A圖於重置階段的簡化等效方塊圖。
第三E圖顯示第三A圖之放大器、迴授電容於累積階段的簡化等效方塊圖。
20．．．電流源
D．．．光電二極體
BL．．．位元線
WL．．．字元線
VDD ．．．電源
RST．．．重置信號
Mrst ．．．重置電晶體
Msf ．．．源極追隨器電晶體
Mse1 ．．．列選擇電晶體
TX．．．傳送信號
Mtx ．．．傳送電晶體
FD．．．浮動擴散區域
S．．．節點
Cp ．．．有效點容
Cf ．．．迴授電容

Claims (11)

  1. 一種影像感測器，包含：至少二光檢器；至少二傳送電晶體，用以分別傳送相對應光檢器之累積光信號至第一節點；一浮動擴散區域，連接至該第一節點；一重置電晶體，用以重置該第一節點使其為第二節點之預設重置電壓；一電容，連接於該第一節點與該第二節點之間，用以減小有效電容的影響；一源極追隨器，用以緩衝傳送自傳送電晶體的累積光信號；及一放大器，用以接收該第一節點的電壓，並輸出電壓於該第二節點；其中上述之重置電晶體及源極追隨器共用於該至少二光檢器。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中上述之光檢器包含釘扎光電二極體(pinned photodiode)。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，更包含一列選擇電晶體，用以驅動一被選擇列的源極追隨器。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，更包含一電源電路，連接於該第二節點與一電源之間。
  5. 一種具高轉換增益之低雜訊像素讀出電路，包含：複數光電二極體，其為反向偏壓；複數傳送電晶體，其一端分別連接至相對應光電二極體，另一端則連接一起至第一節點；一浮動擴散區域連接至該第一節點，其中位於該第一節點之有效電容包含該浮動擴散區域之電容及該光電二極體、傳送電晶體之雜散電容；一重置電晶體，位於該第一節點與一第二節點之間，用以重置該第一節點使其為該第二節點之預設重置電壓；一源極追隨器，其閘極連接至該第一節點；一列選擇電晶體，於該第二節點與地之間，與該源極追隨器相串聯；一電源電路，連接於一電源與該第二節點之間；一電容，連接於該第一節點與該第二節點之間，用以減小該有效電容的影響；及 一放大器，用以接收該第一節點的電壓，並輸出電壓於該第二節點。
  6. 如申請專利範圍第5項所述具高轉換增益之低雜訊像素讀出電路，其中上述每一個光電二極體之陽極接地，而陰極則連接至相對應傳送電晶體的源/汲極之一。
  7. 如申請專利範圍第6項所述具高轉換增益之低雜訊像素讀出電路，其中上述傳送電晶體的另一源/汲極連接一起，並接至該第一節點。
  8. 如申請專利範圍第5項所述具高轉換增益之低雜訊像素讀出電路，其中上述之電源電路包含二串聯之PMOS電晶體。
  9. 一種具高轉換增益之低雜訊像素讀出電路，包含：複數光電二極體，其為反向偏壓；複數傳送電晶體，其一端分別連接至相對應光電二極體，另一端則連接一起至第一節點；一浮動擴散區域連接至該第一節點，其中位於該第一節點之有效電容包含該浮動擴散區域之電容及該光電二極體、傳送電晶體之雜散電容； 一重置電晶體，位於該第一節點與一第二節點之間，用以重置該第一節點使其為該第二節點之預設重置電壓；一源極追隨器，其閘極連接至該第一節點；一列選擇電晶體，於電源與地之間，與該源極追隨器相串聯；一放大器，連接至該源極追隨器以接收該第一接點之電壓，並輸出於該第二節點；及一電容，連接於該第一節點與該第二節點之間，用以減小該有效電容的影響。
  10. 如申請專利範圍第9項所述具高轉換增益之低雜訊像素讀出電路，其中上述每一個光電二極體之陽極接地，而陰極則連接至相對應傳送電晶體的源/汲極之一。
  11. 如申請專利範圍第10項所述具高轉換增益之低雜訊像素讀出電路，其中上述傳送電晶體的另一源/汲極連接一起，並接至該第一節點。
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