TWI430659B - 影像感測器之組合電路及方法 - Google Patents
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Description
本發明係有關影像感測器，特別是關於一種複合垂直像素共享(multiple-vertical-pixels-sharing)影像感測器的組合(binning)電路及方法。
半導體影像感測器(例如電荷耦合元件(CCD)或互補金屬氧化半導體(CMOS)感測器)普遍使用於照相機或攝影機中，用以將可見光之影像轉換為電子信號，便於後續之儲存、傳輸或顯示。
影像感測器的部分像素(或光二級體)可以共享一電路，以減少整體電路的大小。共享架構可以採用垂直方式(亦即，位於同一行的像素共享一電路)，也可以採用水平方式(亦即，位於同一列的像素共享一電路)。第一圖顯示一傳統複合垂直像素共享(multiple-vertical-pixels-
sharing)影像感測器10，其具有多組別(亦即，A組別、B組別等)採用垂直共享方式之像素共享電路。
當影像感測器內製作愈來愈多的像素(或光二級體)時，每一像素的面積及其影像強度會相對的變小。為了增強影像強度以得到更佳的信號雜訊比(SNR)，通常需要將多個像素的信號予以相加(或稱為像素組合(binning))。
然而，對於前述傳統垂直共享之影像感測器，若要跨越不同組別以進行像素組合(binning)時將會遭遇困難，除非增加一些額外的電路來解決。例如，於第一圖中，若要於A組別內進行像素組合，只要將該組的相關傳輸閘(transfer gate)(tx_A_n,n=1,2…)同時打開即可。然而，如果同打開A組別和B組別的傳輸閘(tx_A_n,tx_B_n,n=1,2…)，則在行(column)節點(col)處將會造成信號之間的衝突。因此，對於傳統複合垂直像素共享(multiple-vertical-pixels-sharing)影像感測器10，其像素組合數目會受到很大的限制。
鑑於傳統影像感測器，例如第一圖所示的複合垂直像素共享(multiple-vertical-pixels-sharing)影像感測器10，無法有效地進行信號的組合，因此亟需提出一種可適用於影像感測器(特別是複合垂直像素共享(multiple-vertical-pixels-sharing)影像感測器)的新穎組合(binning)電路及方法，用於跨越不同組別以進行信號的組合。
鑑於上述，本發明的目的之一在於提出一種可適用於影像感測器(特別是複合垂直像素共享(multiple-vertical-pixels-sharing)影像感測器)的組合(binning)電路及方法，用於跨越不同組別以有效進行信號的組合。
根據本發明特徵之一，首先，重置行放大器(CA)，因而產生一CA重置信號。耦接一電容及切換裝置於影像感測器之輸出和行放大器之輸入間。控制關聯雙重取樣(CDS)電路，以接收行放大器之輸出。其中，控制切換裝置使得影像感測器之第一組別影像信號被傳送而儲存於CDS電路，且第二組別的影像信號則被加到所儲存之第一組別影像信號。
根據本發明另一特徵，首先，重置一行放大器(CA)，用以產生一CA重置信號。接收第一組別的重置信號，接著使用行放大器以放大第一組別的影像信號，並儲存第一組別的影像信號。接下來，接收第二組別的重置信號，接著使用行放大器以放大第二組別的影像信號，並將其加到所儲存之第一組別影像信號。
10‧‧‧複合垂直像素共享影像感測器
20‧‧‧組合(binning)電路
22‧‧‧影像感測器
22A、22B‧‧‧影像感測器的各組別
50-53‧‧‧實施例流程步驟
100-115‧‧‧相關信號的時間點
col‧‧‧行節點
rst_A(B)‧‧‧重置電晶體
sf_A(B)‧‧‧源極隨耦器
sel_A(B)‧‧‧選擇電晶體
tx_A(B)_n‧‧‧傳輸電晶體(傳輸閘)
D_A(B)_n‧‧‧光二級體
CA‧‧‧行放大器
Cf‧‧‧迴授電容
C‧‧‧電容
CA_rst‧‧‧CA重置開關
phi1‧‧‧第一開關
phi2‧‧‧第二開關
SHR‧‧‧取樣-保持-重置信號開關
SHS‧‧‧取樣-保持-影像信號開關
CSHR‧‧‧SHR電容
CSHS‧‧‧SHS電容
SW‧‧‧開關
第一圖顯示一傳統複合垂直像素共(multiple-vertical-pixels-sharing)影像感測器。
第二圖顯示本發明實施例之組合(binning)電路，其適用於複合垂直
像素共享(multiple-vertical-pixels-sharing)影像感測器。
第三A圖至第三D圖顯示本發明實施例於進行組合操作時各步驟的等效電路。
第四圖顯示第二圖、第三A至三D圖的相關信號時序圖。第五圖顯示本發明實施例組合操作的流程圖。
第二圖顯示本發明實施例之組合(binning)電路20，其適用於複合垂直像素共享(multiple-vertical-pixels-sharing)影像感測器22。該複合垂直像素共享影像感測器22包含多個組別，例如A組別(22A)、B組別(22B)，而各個組別則依垂直共享方式個別共享一相關電路。影像感測器22可以是(但不限定為)電荷耦合元件(CCD)或互補金屬氧化半導體(CMOS)感測器，用以將可見光之影像轉換為電子信號。組合電路20的輸出可饋至一放大器(未顯示於圖式中)，例如可程式增益放大器(programmable gain amplifier,PGA)。上述之影像感測器22及組合電路20可應用於數位影像處理裝置中，例如(但不限定為)照相機或攝影機。
以A組別為例，影像感測器22的每一組別包含一重置電晶體rst_A、一源極隨耦器sf_A、一選擇電晶體sel_A及多個傳輸電晶體(或傳輸閘)(tx_A_1、tx_A_2等)。為簡化起見，圖式中的電晶體(或開關)及其控制信號則使用相同的符號。於圖式中，當重置電晶體rst_A被開啟時，
可用以將光二級體(D_A_1、D_A_2等)重置到一個重置參考電壓。當源極隨耦器sf_A被開啟時，可用以緩衝光二級體(D_A_1、D_A_2等)的影像信號。當選擇電晶體sel_A被字元線(word line)開啟時，則允許像素影像訊號的讀出。當傳輸電晶體(tx_A_1、tx_A_2等)被開啟時，可用以分別傳送光二級體(D_A_1、D_A_2等)的像素影像信號。重置電晶體rst_A、源極隨耦器sf_A和選擇電晶體sel_A共享於光二級體(D_A_1、D_A_2等)。各組別(A、B等)的輸出則共同電性耦接於行節點(col)。
組合電路20係用於跨越不同組別(例如A組別、B組別)以有效進行信號的組合。組合電路20由各個組別所共享。組合電路20主要包含一行放大器CA。迴授電容Cf則耦接於行放大器CA的輸出和輸入之間。CA重置開關CA_rst也是耦接於行放大器CA的輸出和輸入之間。行節點(col)藉由電容C及一切換裝置而耦接至行放大器CA的輸入。該切換裝置包含第一開關phi1及第二開關phi2。電容C的第一極板耦接至行節點(col)，第一開關phi1耦接於行放大器CA輸入和電容C第二極板之間，而第二開關phi2則耦接於電容C第二極板和地之間。
組合電路20更包含一關聯雙重取樣(correlated double sampling,CDS)電路，其包含一取樣-保持-重置信號(sample-and-hold-reset_signal,SHR)開關及一取樣-保持-影像信號(sample-and-hold-image_signal,SHS)開關。SHR開關及SHS開關分別耦接至SHR電容CSHR及SHS電容CSHS。其中，當SHR開關閉合(close)時，重置信號即可被取樣並儲存保持於SHR電容CSHR。當SHS開關閉合(close)時，影像
信號即可被取樣並儲存保持於SHS電容CSHS。再者，CDS電路還包含一開關SW；當完成組合(binning)操作後，欲將SHR電容CSHR和SHS電容CSHS內的信號饋至下一放大器(例如PGA)時，此時將會開關SW予以閉合(close)。
第三A圖至第三D圖顯示本發明實施例於進行組合操作時各步驟的等效電路。第四圖顯示第二圖、第三A至三D圖的相關信號時序圖。第五圖則顯示本發明實施例組合操作的流程圖。雖然本實施例以A組別和B組別進行組合(binning)操作為例，然而，本發明也可適用於其他組別的組合操作。
於進行組合操作時，首先，閉合CA重置開關CA_rst(100)，用以將行放大器CA予以重置(步驟50)，如第三A圖所示。SHR開關為閉合(101)，使得CA重置信號被儲存於SHR電容CSHR。於此階段，SHS開關也是閉合的(102)。實務上，主動SHR信號和主動SHS信號會有一段重疊，其係為了防止耦合效應(coupling effect)。在另一實施例中，此階段的SHS開關係為開斷的。於此同時，(A組別)重置電晶體rst_A被開啟(103)，且選擇電晶體sel_A也被開啟(104)。接著，藉由閉合第二開關phi2(105)(但開斷第一開關phi1)，使得A組別的輸出重置信號被接收並儲存於電容C(步驟50)。
接下來，如第三B圖所示，A組別的傳輸電晶體tx_A_n(n=1,2…)被開啟(106)，且第一開關phi1被閉合(107)，但是第二開關phi2則為開斷的(108)。藉此，行放大器CA的輸入電壓相當於(A組
別)影像信號減去所儲存的(A組別)重置信號，此輸入電壓接著受到行放大器CA的放大(步驟51)，此時的SHS開關持續閉合著，但開斷SHR開關(109)。藉此，A組別的影像信號因而儲存於SHS電容CSHS內。
接著，如第三C圖所示，(B組別)重置電晶體rst_B被開啟(110)，且選擇電晶體sel_B也被開啟(111)。接著，藉由閉合第二開關phi2(112)(但開斷第一開關phi1)，使得B組別的輸出重置信號被接收並儲存於電容C(步驟52)。
接下來，如第三D圖所示，B組別的傳輸電晶體tx_B_n(n=1,2…)被開啟(113)，且第一開關phi1被閉合(114)，但是第二開關phi2則為開斷的(115)。藉此，行放大器CA的輸入電壓相當於(B組別)影像信號減去所儲存的(B組別)重置信號，此輸入電壓接著受到行放大器CA的放大，此時的SHS開關持續閉合著，但開斷SHR開關。由於SHS開關持續閉合著，因而使得B組別的影像信號得以加(或組合(binning))到儲存於SHS電容CSHS的先前(A組合)電壓(步驟53)，因而完成信號組合之操作。
根據本發明實施例，於複合垂直像素共享(multiple-vertical-pixels-sharing)影像感測器中，可以跨越不同組別(例如圖式中的A組別及B組別)而有效地進行信號的組合，不會產生信號之間的衝突。
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。
20‧‧‧組合(binning)電路
22‧‧‧影像感測器
22A、22B‧‧‧影像感測器的各組別
col‧‧‧行節點
rst_A(B)‧‧‧重置電晶體
sf_A(B)‧‧‧源極隨耦器
sel_A(B)‧‧‧選擇電晶體
tx_A(B)_n‧‧‧傳輸電晶體(傳輸閘)
D_A(B)_n‧‧‧光二級體
CA‧‧‧行放大器
Cf‧‧‧迴授電容
C‧‧‧電容
CA_rst‧‧‧CA重置開關
phi1‧‧‧第一開關
phi2‧‧‧第二開關
SHR‧‧‧取樣-保持-重置信號開關
SHS‧‧‧取樣-保持-影像信號開關
CSHR‧‧‧SHR電容
CSHS‧‧‧SHS電容
SW‧‧‧開關
Claims (5)
- 一種影像感測器之組合(binning)電路，包含：一行放大器(CA)，當其被重置時則產生一CA重置信號；一電容及一切換裝置，耦接於該影像感測器之輸出和該行放大器之輸入間；及一關聯雙重取樣(CDS)電路，被控制以接收該行放大器之輸出；其中，控制該切換裝置使得該影像感測器之第一組別影像信號被傳送而儲存於該CDS電路，且第二組別的影像信號則被加到所儲存之該第一組別影像信號；其中上述電容之第一極板耦接至該影像感測器之輸出，且該切換裝置包含：一第一開關，耦接於該行放大器之輸入和該電容之第二極板之間；及一第二開關，耦接於該電容之第二極板和地之間。
- 如申請專利範圍第1項所述影像感測器之組合電路，其中上述之影像感測器為複合垂直像素共享(multiple-vertical-pixels-sharing)影像感測器。
- 如申請專利範圍第1項所述影像感測器之組合電路，更包含一迴授電容，耦接於該行放大器之輸出和輸入之間。
- 如申請專利範圍第3項所述影像感測器之組合電路，更包含一CA重置開關，耦接於該行放大器之輸出和輸入之間。
- 如申請專利範圍第4項所述影像感測器之組合電路，其中上述之CDS電路包含：一取樣-保持-重置信號(SHR)開關，用以取樣該CA重置信號；一SHR電容，耦接至該SHR開關，用以保持該CA重置信號；一取樣-保持-影像信號(SHS)開關，用以取樣該影像感測器之影像信號；及一SHS電容，耦接至該SHS開關，用以保持該影像信號。
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|---|---|---|---|---|
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