TWI463869B - 感測畫素陣列及感測裝置 - Google Patents

Description

感測畫素陣列及感測裝置

本發明係有關於一種感測畫素陣列，特別是有關於一種感測裝置，其中的感測畫素陣列具有感測功能與記憶功能。

一般而言，CMOS影像感測器(CMOS image sensor，CIS)比起CCD影像感測器具有較高的整合度。因此，CIS可與影像感測處理器一起埋置在一晶片上，以執行較佳的影像處理。影像品質一般是取決於線緩衝器的數量。因此，具有較高影像品質的CIS需要較多數量的線緩衝器。然而，大量的線緩衝器導致CIS具有較高的成本並在CIS中佔有較大的面積。

因此，期望提供一種感測裝置，其感測畫素陣列具有感測與記憶功能，以減少感測裝置中線緩衝器的數量。

本發明提供一種感測畫素陣列，其包括複數畫素。該些畫素配置在一陣列中。每一畫素在一曝光期間與一讀出期間中操作並產生一讀出信號。每一畫素包括一感測單元以及一取樣單元。感測單元在曝光期間內感測光線以產生一感測信號。取樣單元在讀出期間內取樣感測信號以產生感測輸出信號來作為讀出信號。在曝光期間中，取樣單元作為一記憶單元，以儲存一輸入信號並輸出一存取輸出信號來作為讀出信號。

本發明提供一種感測裝置，其包括複數畫素、一第一解碼電路、以及一第二解碼電路。該些畫素配置在一陣列中。每一畫素在一曝光期間與一讀出期間中操作並產生一讀出信號。每一畫素包括一感測單元以及一取樣單元。感測單元在曝光期間內感測光線以產生一感測信號。取樣單元在讀出期間內取樣感測信號以產生一感測輸出信號來作為讀出信號。在曝光期間中，取樣單元作為一記憶單元，以儲存一輸入信號並輸出一存取輸出信號來作為讀出信號。第一解碼電路在讀出期間中控制取樣單元，以使取樣單元取樣該感測信號且產生感測輸出信號。第二解碼電路在曝光期間中控制取樣單元，以使取樣單元儲存輸入信號且輸出存取輸出信號。

在一些實施例中，感測裝置更包括一讀出電路，用以讀出來自取樣單元之讀出信號並處理讀出信號。

為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

第1圖係表示根據本發明實施例之感測裝置。參閱第1圖，感測裝置1包括感測畫素陣列10、列解碼電路11與12、讀出電路13、以及切換電路14。感測畫素陣列10包括複數畫素(顯示於第2圖中)，這些畫素配置在一陣列的複數列與複數行上。每一畫素可操作在曝光期間與讀出期間，並產生一讀出信號SR。解碼電路11及12用來控制感測畫素陣列10之該些畫素以產生複數讀出信號SR。讀出電路13用來讀取來自感測畫素陣列10之該些讀出信號SR。切換電路14耦接複數電壓源。在此實施例中，以五個電壓源VS1~VS5為例來說明。電壓源VS1~VS5分別提供電壓AVDD、AVDD*3/4、AVDD*2/4、AVDD*1/4、以及AGND(接地)。切換電路14用來選擇信到將電壓源VS1~VS5中一者的電壓提供至感測畫素陣列10。

第2圖係表示根據本發明實施例，感測畫素陣列10中每一畫素。在第2圖中，以感測畫素陣列10中一個畫素做為例子來說明，其他的畫素則具有與第2圖相同之架構。為了清楚說明，第2圖也表示切換電路14。切換電路14包括開關14a~14e，分別耦接電壓源VS1~VS5與畫素2之間。參閱第2圖，畫素2包括感測單元20與取樣單元21。感測單元20在曝光期間感測光線以產生一感測信號SS。在此實施例中，感測單元20包括光二極體PD，其陰極耦接節點N20，且其陽極耦接接地(例如電壓源VS5)。在曝光期間，光二極體PD感測光線以產生感測信號SS。在讀出期間，取樣單元21用來取樣該感測信號SS以產生一感測輸出信號，作為讀出信號SR。在曝光期間，取樣單元21的操作就如同一記憶體單元，用以儲存一輸入信號且輸出一存取輸出信號作為讀出信號SR。

參閱第2圖，取樣單元21包括轉移元件21a、重置元件21b、以及源極隨耦器21c。在此實施例中，轉移元件21a包括電晶體T20，其控制端接收一控制信號SC，其輸入端耦接感測單元20於節點N20，且其輸出端耦接浮動擴散節點FN。重置元件21b包括電晶體T21，其控制端接收一重置信號SRE，其輸入端耦接切換電路14，且其輸出端耦接浮動擴散節點FN。源極隨耦器21c包括電晶體T22。電晶體T22之控制端耦接浮動擴散節點FN，其輸入端耦接電壓源VS1(AVDD)，且其輸出端耦接讀出節點NR。在此實施例中，浮動擴散節點FN可以儲存電荷。在其他實施例中，具有一儲存元件耦接於浮動擴散節點FN與接地之間，且該儲存元件取代浮動擴散節點FN來儲存電荷。該儲存元件可以是實質上的電容器或是源極隨耦器32c中電晶體T22的寄生電容。

第3圖係表示在第2圖中控制信號SC與重置信號SRE之時序圖。在下文中，畫素2之操作將參閱第1至3圖來說明。曝光期間P_EXP 開始於時間點T1並結束於時間點T2，而讀出期間P_RED 開始於時間點T2並結束於時間點T3。在曝光期間P_EXP 之前，切換電路14之開關14a~14c中一者導通，例如開關14d導通，且對應的電壓AVDD*1/4被提供至電晶體T21之輸出端。同時，解碼單元11致能(assert)重置信號SRE以導通電晶體T21，也致能控制信號SC以導通電晶體T20。藉此，電晶體T21將接收之電壓VDD*1/4傳送至其輸出端以重置浮動擴散節點FN之位準。因此，浮動擴散節點FN在讀出期間P_RED 中的接續操作中係處於一基礎位準。此外，由於電晶體T20導通，光二極體PD之陰極上的電荷被刷新(refresh)。

在時間點T1，解碼單元11反致能(de-assert)重置信號SRE以關閉電晶體T21，解碼單元11也反致能控制信號 SC以關閉電晶體T20。在曝光期間P_EXP ，光二極體PD感測光線並根據所感測之光線強度在其陰極累積電荷。在光二極體PD之陰極上的電壓則稱為感測信號SS。

在一實施例中，假使要求畫素2作為一記憶胞時，將執行以下操作。在曝光期間P_EXP ，解碼電路12控制切換電路14之複數開關14a~14c中一者導通，例如開關14b導通，且對應之電壓AVDD*3/4被提供至電晶體T21之輸入端以作為輸入信號。同時，解碼電路12致能重置信號SRE以導通電晶體T21。電晶體T21將此輸入信號傳送至其輸出端(即浮動擴散節點FN)，以將輸入信號之電壓儲存在浮動擴散節點FN。因此，畫素2作為一記憶胞以記憶該輸入信號。此外，源極隨耦器21c之電晶體T22根據輸入信號之電壓(即在浮動擴散節點FN上之電壓)而導通或關閉。藉此，存取輸出信號根據電晶體T22之導通或關閉狀態而產生於輸出節點NR，以作為讀出信號SR。需注意，在讀出期間P_RED 之前，讀出電路13必須讀取來自取樣單元21之讀出節點NR上的讀出信號SR，並處理該讀出信號SR。

接者，將敘述在讀出期間P_RED 的操作。在時間點T2，解碼單元11再次致能重置信號SRE以導通電晶體T21，且電晶體T21再次將接收的電壓ACDD*1/4傳送至其輸出端以重置浮動擴散節點FN之位準。接著，解碼單元11在時間點T2a上反致能重置信號SRE以關閉電晶體T21。在時間點T2b，解碼單元11致能控制信號SC以導通電晶體T20。因此，電晶體T20將產生於曝光期間P_EXP 的感測信號SS轉移至浮動擴散節點FN。換句話說，感測信號SS被取樣單元21來取樣。感測信號SS之電壓儲存在浮動擴散節點FN。在時間點T2c，解碼單元11反致能控制信號SC以關閉電晶體T20。源極隨耦器21c之電晶體T22根據感測信號SS之電壓(即浮動擴散節點FN上之電壓)而導通或關閉。藉此，感測輸出信號根據電晶體T22之導通或關閉狀態而產生於讀出節點NR，以作為讀出信號SR，此時的讀出信號SR表示光二極體PD所感測到的光線強度。在時間點T2d，讀出電路13讀取/取樣來自取樣單元21之讀出節點NR上的讀出信號SR，並處理該讀出信號SR。

根據上述實施例，畫素2可作為一感測胞以感測光線，或者作為一記憶胞以儲存輸入信號，其中，該輸入信號係指示感測操作所需之資料，例如參考資訊或校正資訊。在曝光期間P_EXP ，由於電晶體T20關閉，因此浮動擴散節點FN不或受到節點N20上的感測信號SS所影響。因此，在曝光期間P_EXP ，畫素2作為一記憶胞以傳送上述輸入信號至浮動擴散節點FN做儲存，畫素2並根據該輸入信號來輸出存取輸出信號以作為讀出信號SR。感測裝置1則需要較少的線緩衝器，藉此降低感測裝置1的成本並減少其面積。

如第2圖所示，每一畫素之源極隨耦器21c包括一電晶體T22。在一些實施例中，配置在相同行之複數畫素的源極隨耦器21c共用一個電流源，且該電流源耦接於配置在相同行之該些畫素的各自讀出節點NR與接地之間。

在第3圖之實施例中，在讀出期間P_RED ，讀出電路14讀取一次來自取樣單元21c之讀出節點NR上的讀出信號SR。即是，讀出單元14在時間點T2d上讀取來自取樣單元21c之讀出節點NR上的讀出信號SR。然而，在其他實施例中，相關雙重取樣(correction double sampling，CDS)操作可在讀出期間P_RED 內執行。在此情況下，讀出電路14在介於時間點T2a與T2b之間的一時間點上讀取或取樣來自取樣單元21c之讀出節點NR上的讀出信號SR，已獲得一讀出電壓，然後讀出電路14在時間點T2d上取樣讀出信號SR以獲得另一讀出電壓。接著，讀出電路14計算此兩讀出電壓之間的差，而該電壓差則表示由光二極體PD所感測之光線強度。

本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

第1圖：

1．．．感測裝置

10．．．感測畫素陣列

11．．．列解碼電路

11、12．．．列解碼電路

13．．．讀出電路

14．．．切換電路

SR．．．讀出信號

VS1...VS5．．．電壓源

AVDD、AVDD*3/4、AVDD*2/4、AVDD*1/4、AGND．．．電壓

第2圖：

2．．．畫素

14a~14e．．．開關

20．．．感測單元

21．．．取樣單元

21a．．．轉移元件

21b．．．重置元件

21c．．．源極隨耦器

FN．．．浮動擴散節點

N20．．．節點

NR．．．讀出節點

PD．．．光二極體

SC．．．控制信號

SRE．．．重置信號

SS．．．感測信號

T20、T21、T22．．．電晶體

第3圖：

P_EXP ．．．曝光期間

P_RED ．．．讀出期間

T1、T2、T2a、T2b、T2c、T2d．．．時間點

第1圖表示根據本發明實施例之感測裝置；

第2圖表示根據本發明實施例之畫素；以及

第3圖表示在第2圖中控制信號與重置信號的時序圖。

2．．．畫素

14．．．切換電路

14a~14e．．．開關

20．．．感測單元

21．．．取樣單元

21a．．．轉移元件

21b．．．重置元件

21c．．．源極隨耦器

FN．．．浮動擴散節點

N20．．．節點

NR．．．讀出節點

PD．．．光二極體

SC．．．控制信號

SR．．．讀出信號

SRE．．．重置信號

SS．．．感測信號

T20、T21、T22．．．電晶體

VS1...VS5．．．電壓源

Claims (15)

1. 一種感測畫素陣列，包括：複數畫素，配置在一陣列中，其中，每一該畫素在一曝光期間與一讀出期間中操作並產生一讀出信號，且每一該畫素包括：一感測單元，用以在該曝光期間內感測光線以產生一感測信號；以及一取樣單元，用以接收一重置信號，其中該取樣單元根據該重置信號的一第一脈波對一浮動擴散節點重置後，該畫素操作於該曝光期間與該讀出期間，在該曝光期間中，該取樣單元作為一記憶單元，並根據該重置信號的一第二脈波對該浮動擴散節點儲存一輸入信號並輸出一存取輸出信號來作為該讀出信號；在該讀取期間中，該取樣單元根據該重置信號的一第三脈波對該浮動擴散節點再次重置，並且取樣該感測信號以產生一感測輸出信號來作為該讀出信號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之感測畫素陣列，其中，該取樣單元包括：一轉移元件，耦接該感測單元，用以在該讀出期間中將該感測信號轉移至該浮動擴散節點；一重置元件，耦接該浮動擴散節點，用以在該曝光期間之前根據該重置信號的該第一脈波來重置該浮動擴散節點之位準；以及 一源極隨耦器，耦接該浮動擴散節點，用以在該讀出期間中根據該感測信號之電壓來產生該感測輸出信號以作為該讀出信號；其中，在該曝光期間中，該轉移元件不將該感測信號轉移至該浮動擴散節點，且該重置元件根據該重置信號的該第二脈波來傳送該輸入信號至該浮動擴散節點。
3. 如申請專利範圍第2項所述之感測畫素陣列，其中，在該曝光期間中，該源極隨耦器根據該輸入信號之電壓來產生該存取輸出信號，以作為該讀出信號。
4. 如申請專利範圍第2項所述之感測畫素陣列，其中，該重置元件包括：一電晶體，具有接收該重置信號之一控制端、耦接複數電壓源之一輸入端以及耦接該浮動擴散節點之一輸出端；其中，在該曝光期間之前，該輸入端接收來自該等電壓源中一者之一電壓，且該接收之電壓根據該重置信號的該第一脈波而傳送至該輸出端以重置該浮動擴散節點之位準；以及其中，在該曝光期間中，該輸入端接收來自該等電壓源中一者之一電壓以作為該輸入信號，且該輸入信號根據該重置信號的該第二脈波而傳送至該輸出端。
5. 如申請專利範圍第2項所述之感測畫素陣列，其中，該取樣單元更包括一儲存元件，耦接該浮動擴散節點。
6. 如申請專利範圍第5項所述之感測畫素陣列，其中，該儲存元件為一電容器或是該源極隨耦器之一寄生電容。
7. 如申請專利範圍第1項所述之感測畫素陣列，其中，該感測單元包括一光二極體，用以在該曝光期間中感測光線以產生該感測信號。
8. 一種感測裝置，包括：複數畫素，配置在一陣列中，其中，每一該畫素在一曝光期間與一讀出期間中操作並產生一讀出信號，且每一該畫素包括：一感測單元，用以在該曝光期間內感測光線以產生一感測信號；以及一取樣單元，用以接收一重置信號，其中該取樣單元根據該重置信號的一第一脈波對一浮動擴散節點重置後，該畫素操作於該曝光期間與該讀出期間，在該曝光期間中，該取樣單元作為一記憶單元，並根據該重置信號的一第二脈波對該浮動擴散節點以儲存一輸入信號並輸出一存取輸出信號來作為該讀出信號；在該讀出期間中，該取樣單元根據該重置信號的一第三脈波對該浮動擴散節點再次重置，並且取樣該感測信號以產生一感測輸出信號來作為該讀出信號；一第一解碼電路，用以在該讀出期間中透過該重置信號的該第三脈波來控制該取樣單元，以使該取樣單元取樣該感測信號且產生該感測輸出信號；以及一第二解碼電路，用以在該曝光期間中透過該重置信號的該第二脈波來控制該取樣單元，以使該取樣單元儲存該輸入信號且輸出該存取輸出信號。
9. 如申請專利範圍第8項所述之感測裝置，更包括一讀出電路，用以讀出來自該取樣單元之該讀出信號並處理該讀出信號。
10. 如申請專利範圍第8項所述之感測裝置，其中，該取樣單元包括：一轉移元件，耦接該感測單元，且在該讀出期間中受控於該第一解碼電路以將該感測信號轉移至該浮動擴散節點；一重置元件，耦接該轉移元件於該浮動擴散節點，且在該曝光期間之前受控於根據該重置信號的該第一脈波以重置該浮動擴散節點之位準；以及一源極隨耦器，耦接該浮動擴散節點，用以在該讀出期間中根據該感測信號之電壓來產生該感測輸出信號以作為該讀出信號；其中，在該曝光期間中，該第一解碼電路控制該轉移元件不將該感測信號轉移至該浮動擴散節點，且該第二解碼電路透過該重置信號的該第二脈波控制該重置元件傳送該輸入信號至該浮動擴散節點。
11. 如申請專利範圍第10項所述之感測裝置，其中，在該曝光期間中，該源極隨耦器根據該輸入信號之電壓來產生該存取輸出信號，以作為該讀出信號。
12. 如申請專利範圍第10項所述之感測裝置，其中，該重置元件包括：一電晶體，具有接收該重置信號之一控制端，耦接複數電壓源之一輸入端，以及耦接該浮動擴散節點之一輸出 端；其中，在該曝光期間之前，該輸入端接收來自該等電壓源中一者之一電壓，且該第一解碼電路致能該重置信號產生該第一脈波以控制該電晶體將該接收之電壓傳送至該輸出端，以重置該浮動擴散節點之位準；以及其中，在該曝光期間中，該輸入端接收來自該等電壓源中一者之一電壓以作為該輸入信號，且該第二解碼電路致能該重置信號產生該第二脈波以控制該電晶體將該輸入信號傳送至該輸出端。
13. 如申請專利範圍第10項所述之感測裝置，其中，該取樣單元更包括一儲存元件，耦接該浮動擴散節點。
14. 如申請專利範圍第13項所述之感測裝置，其中，該儲存元件為一電容器或是該源極隨耦器之一寄生電容。
15. 如申請專利範圍第8項所述之感測裝置，其中，該感測單元包括一光二極體，用以在該曝光期間中感測光線以產生該感測信號。