TWI504259B - 暗陽補償電路 - Google Patents

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TWI504259B TW102124863A TW102124863A TWI504259B TW I504259 B TWI504259 B TW I504259B TW 102124863 A TW102124863 A TW 102124863A TW 102124863 A TW102124863 A TW 102124863A TW I504259 B TWI504259 B TW I504259B
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Ching Fong Chen
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暗陽補償電路
本發明係有關一種影像感測器，特別是關於一種暗陽補償電路。
互補式金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器係一種擷取影像的電子裝置，其將光強度轉換為電荷，再將其轉換為電壓並讀取出來。第一圖顯示一種傳統四電晶體(4T)影像感測器的像素單元，其包含一個光二極體D及四個電晶體一Mtx、Mrst、Msf、Msel。當重置電晶體Mrst被重置信號R導通時，可進行電壓重置。源極隨耦器Msf可用以緩衝或放大光二極體D的累積(integrated)光信號。當傳送電晶體Mtx被傳送信號T開啟時，可用以傳送光二極體D的累積光信號。當選擇電晶體Msel被字元線信號WL開啟時，則可從位元線BL讀取光信號。
像素單元於檢測強光(例如太陽光)時，在傳送電晶體Mtx未導通之前，浮動擴散區FD即可能發生放電現象，造成後續讀取的誤差，使得原本極亮區域會局部變暗，一般稱為暗陽(dark sun或black sun)效應。
雖然有一些方法被提出以改進暗陽效應，然而部分方法會產生其他的缺點，有些方法則會造成電路的複雜，因而增加電路面積及功率消耗。因此，亟需提出一種有效且簡化的電路，以補償暗陽效應。
鑑於上述，本發明實施例的目的之一在於提出一種暗陽補償電路，用以補償像素單元因暗陽效應造成輸出位元線的錯誤壓降。
根據本發明實施例，暗陽補償電路包含臨界值檢知電路、電壓拉高電路及開關。臨界值檢知電路接收像素單元之輸出位元線的影像信號，且電壓拉高電路接收臨界值檢知電路的輸出。當暗陽效應造成位元線之影像信號的電壓值小於一預設臨界值時，開關會斷開原始路徑而切換至新路徑，且臨界值檢知電路驅動電壓拉高電路，使得輸出節點之電壓被拉高至電源電壓。
根據本發明第一實施例，臨界值檢知電路包含一或閘，其具二輸入端，分別接收位元線之影像信號及致能控制信號，且具一輸出端，耦接至電壓拉高電路。電壓拉高電路包含反閘及電壓拉高電晶體。其中，反閘的輸入端接收或閘的輸出，且電壓拉高電晶體之閘極耦接至反閘的輸出端，汲極耦接至電源電壓，源極耦接至輸出節點。
根據本發明第二實施例，臨界值檢知電路包含致能電晶體、箝制電晶體、重置電晶體、電容與及閘。其中，致能電晶體、箝制電晶體及重置電晶體串聯於位元線與電源電壓之間。電容併聯於重置電晶體的源極、汲極之間。及閘具二輸入端，分別接收重置信號及該電容未與電源電 壓連接的一端。電壓拉高電路包含電壓拉高電晶體，其閘極接收及閘的輸出，其源極、汲極分別耦接至電源電壓、輸出節點。
根據本發明第三實施例，臨界值檢知電路包含電流鏡電路、致能電晶體、箝制電晶體與及閘。其中，致能電晶體及箝制電晶體串聯於電流鏡電路之輸入支路與位元線之間。反閘的輸入端耦接至電流鏡電路的輸出端。電壓拉高電路包含電壓拉高電晶體，其閘極接收反閘的輸出。
2‧‧‧暗陽補償電路
3‧‧‧暗陽補償電路
4‧‧‧暗陽補償電路
10‧‧‧像素單元
20‧‧‧臨界值檢知電路
201‧‧‧或閘
202‧‧‧及閘
203‧‧‧反閘
204‧‧‧電流鏡電路
205‧‧‧反閘
22‧‧‧電壓拉高電路
221‧‧‧反閘
222‧‧‧反閘
Mrst‧‧‧重置電晶體
Msf‧‧‧源極隨耦器
Mtx‧‧‧傳送電晶體
Msel‧‧‧選擇電晶體
D‧‧‧光二極體
R‧‧‧重置信號
T‧‧‧傳送信號
WL‧‧‧字元線
FD‧‧‧浮動擴散區
PD‧‧‧光二極體
AVDD‧‧‧電源電壓
BL‧‧‧位元線
C‧‧‧電容
N1‧‧‧電壓拉高電晶體
N2‧‧‧致能電晶體
N3‧‧‧箝制電晶體
P1‧‧‧重置電晶體
P2‧‧‧電壓拉高電晶體
P‧‧‧輸出節點
SW‧‧‧開關
a‧‧‧原始路徑
b‧‧‧新路徑
bs_en‧‧‧致能控制信號
第一圖顯示一種傳統四電晶體(4T)影像感測器的像素單元。
第二圖顯示本發明第一實施例的暗陽(dark sun)補償電路。
第三圖顯示本發明第二實施例的暗陽補償電路。
第四圖顯示本發明第三實施例的暗陽補償電路。
第二圖顯示本發明第一實施例的暗陽(dark sun)補償電路2，用以補償像素單元10因暗陽效應造成輸出位元線BL的錯誤壓降。本發明各實施例之像素單元10可使用各式的像素結構，例如四電晶體(4T)像素單元或三電晶體(3T)像素單元。
暗陽補償電路2主要包含臨界值檢知電路20、電壓拉高電路22及開關SW。臨界值檢知電路20接收像素單元10之輸出位元線BL的影像信號。此外，臨界值檢知電路20還可接收一致能控制信號bs_en，當其為主動時，則開啟臨界值檢知電路20的功能，否則即關閉臨界值檢知電路20的 功能。當暗陽效應造成位元線BL之影像信號的電壓值小於一預設臨界值時，開關SW會斷開原始路徑a而切換至新路徑b，且驅動電壓拉高電路22，使得輸出至後續取樣電路(例如關聯雙重取樣電路(CDS))的輸出節點P之電壓被拉高至電源電壓AVDD。
在本實施例中，臨界值檢知電路20包含或閘201，其具二輸入端，分別接收位元線BL之影像信號及致能控制信號bs_en；或閘201的輸出則饋至電壓拉高電路22。在本實施例中，或閘201除了用以執行邏輯運算之外，還同時提供所需的信號延遲功能以及信號放大功能。本實施例之電壓拉高電路22包含反閘221與電壓拉高電晶體N1，其可使用N型金屬氧化物半導體(NMOS)電晶體。反閘221的輸入端接收或閘201的輸出，反閘221的輸出端耦接至NMOS電晶體N1的閘極；NMOS電晶體N1的汲極耦接至電源電壓AVDD，源極耦接至輸出節點P。在本實施例中，反閘221除了用以執行邏輯運算之外，還同時提供所需的信號延遲功能。
根據第二圖所示之暗陽補償電路2，當致能控制信號bs_en為邏輯”0”時可開啟臨界值檢知電路20的功能。當暗陽效應造成位元線BL之影像信號的電壓值小於大約1伏特時，或閘201的輸出會從邏輯”1”變為”0”。接著，或閘201的輸出使反閘221的輸出從邏輯”0”變為”1”，因而導通NMOS電晶體N1，使得輸出節點P被拉高至電源電壓AVDD。藉此，即可補償因暗陽效應所造成的錯誤壓降。根據本實施例，僅需使用簡單的邏輯電路即可達到暗陽效應的補償，既可減小電路面積也可減少功率消耗。
第三圖顯示本發明第二實施例的暗陽補償電路3，其架構類似於第二圖所示第一實施例之暗陽補償電路2，亦即，主要包含臨界值檢知電 路20、電壓拉高電路22及開關SW。
在本實施例中，臨界值檢知電路20包含串聯於位元線BL與電源電壓AVDD之間的致能電晶體N2、箝制電晶體N3及重置電晶體P1，其中致能電晶體N2靠近位元線BL而重置電晶體P1靠近電源電壓AVDD。此外，電容C併聯於重置電晶體P1的源極、汲極之間。其中，致能電晶體N2與箝制電晶體N3可使用NMOS電晶體，而重置電晶體P1可使用P型金屬氧化物半導體(PMOS)電晶體。臨界值檢知電路20還包含及閘202，其二輸入端分別接收重置信號及電容C未與電源電壓AVDD連接的一端。本實施例之電壓拉高電路22包含電壓拉高電晶體P2，其閘極接收及閘202的輸出，其源極、汲極分別耦接至電源電壓AVDD、輸出節點P，其中，電壓拉高電晶體P2可使用PMOS電晶體。此外，於及閘202與電壓拉高電晶體P2之間還可串接二反閘203及222，用以提供信號延遲功能。
當致能控制信號bs_en為邏輯”1”時可開啟臨界值檢知電路20的功能；反之，當為邏輯”0”時，則關閉臨界值檢知電路20的功能。當重置電晶體P1接收到邏輯”0”之重置信號時，可將電容C予以放電。當暗陽效應造成位元線BL之影像信號的電壓值小於箝制電壓CLAMP時，電流會流過致能電晶體N2、箝制電晶體N3並對電容C充電。當電容C充電至一預設值時，該電容C輸入至及閘202的輸入小於預設臨界值而變成邏輯”0”，使得及閘202的輸出從邏輯”1”變為”0”，因而導通電壓拉高電晶體P2，使得輸出節點P被拉高至電源電壓AVDD。藉此，即可補償因暗陽效應所造成的錯誤壓降。
第四圖顯示本發明第三實施例的暗陽補償電路4，其架構類似 於第二圖所示第一實施例之暗陽補償電路2，亦即，主要包含臨界值檢知電路20、電壓拉高電路22及開關SW。
在本實施例中，臨界值檢知電路20包含電流鏡(current mirror)電路204，其輸入支路與位元線BL之間串聯有致能電晶體N2與箝制電晶體N3，類似於第三圖所示的第二實施例。於電流鏡電路204的輸出支路，其輸出端耦接一反閘205。在本實施例中，電流鏡電路204之輸出支路的電流(例如I/4)經設計使其小於輸入支路的電流(例如I)。本實施例之電壓拉高電路22包含電壓拉高電晶體P2，類似於第三圖所示的第二實施例，其閘極接收反閘205的輸出。此外，於反閘205與電壓拉高電晶體P2之間還可串接二反閘203及222，用以提供信號延遲功能，類似於第三圖所示的第二實施例。
當致能控制信號bs_en為邏輯”1”時可開啟臨界值檢知電路20的功能；反之，當為邏輯”0”時，則關閉臨界值檢知電路20的功能。當暗陽效應造成位元線BL之影像信號的電壓值小於箝制電壓CLAMP時，電流會流過致能電晶體N2、箝制電晶體N3。此電流會鏡射至電流鏡電路204之輸出支路，使得輸出端被拉至電源電壓AVDD，並使得反閘205的輸出從邏輯”1”變為”0”，因而導通電壓拉高電晶體P2，使得輸出節點P被拉高至電源電壓AVDD。藉此，即可補償因暗陽效應所造成的錯誤壓降。
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。
2‧‧‧暗陽補償電路
10‧‧‧像素單元
20‧‧‧臨界值檢知電路
201‧‧‧或閘
22‧‧‧電壓拉高電路
221‧‧‧反閘
AVDD‧‧‧電源電壓
BL‧‧‧位元線
N1‧‧‧電壓拉高電晶體
P‧‧‧輸出節點
SW‧‧‧開關
a‧‧‧原始路徑
b‧‧‧新路徑
bs_en‧‧‧致能控制信號

Claims (5)

  1. 一種暗陽(dark sun)補償電路，包含：一臨界值檢知電路，接收一像素單元之輸出位元線的影像信號以及接收一致能控制信號，當其為主動時，則開啟該臨界值檢知電路的功能，否則即關閉該臨界值檢知電路的功能，其中該臨界值檢知電路包含：一電流鏡電路；一致能電晶體、一箝制電晶體，串聯於該電流鏡電路之一輸入支路與該位元線之間；及一反閘，其輸入端耦接至該電流鏡電路的輸出端；一電壓拉高電路，接收該臨界值檢知電路的輸出，該電壓拉高電路包含一電壓拉高電晶體，其閘極接收該反閘的輸出；及一開關，當暗陽效應造成該位元線之影像信號的電壓值小於一預設臨界值時，該開關會斷開原始路徑而切換至新路徑，且該臨界值檢知電路驅動該電壓拉高電路，使得一輸出節點之電壓被拉高至一電源電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之暗陽補償電路，其中上述之臨界值檢知電路包含一或閘，其具二輸入端，分別接收該位元線之影像信號及該致能控制信號，且具一輸出端，耦接至該電壓拉高電路。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之暗陽補償電路，其中上述之電壓拉高電路包含：一反閘，其輸入端接收該或閘的輸出；及 一電壓拉高電晶體，其閘極耦接至該反閘的輸出端，汲極耦接至該電源電壓，源極耦接至該輸出節點。
  4. 一種暗陽(dark sun)補償電路，包含：一臨界值檢知電路，接收一像素單元之輸出位元線的影像信號以及接收一致能控制信號，當其為主動時，則開啟該臨界值檢知電路的功能，否則即關閉該臨界值檢知電路的功能，其中該臨界值檢知電路包含：一電流鏡電路；一致能電晶體、一箝制電晶體，串聯於該電流鏡電路之一輸入支路與該位元線之間；及一反閘，其輸入端耦接至該電流鏡電路的輸出端；一電壓拉高電路，接收該臨界值檢知電路的輸出；及一開關，當暗陽效應造成該位元線之影像信號的電壓值小於一預設臨界值時，該開關會斷開原始路徑而切換至新路徑，且該臨界值檢知電路驅動該電壓拉高電路，使得一輸出節點之電壓被拉高至一電源電壓；其中上述電流鏡電路之輸出支路的電流小於該電流鏡電路之輸入支路的電流。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之暗陽補償電路，更包含二額外反閘，串接於該反閘與該電壓拉高電晶體之間。
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