TWI539816B - 影像感測器 - Google Patents

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Description

影像感測器
本發明所揭露的實施例係相關於影像感測器，尤指一種具有雙重讀出通道(dual readout path)的多像素共享電路。
隨著數位電子裝置的發展，像素的整體數目的需求逐漸增加，但單一像素的尺寸卻必須縮小，使得像素的讀取在設計上成為一個難題。改善圖框率的其中一個方法乃係藉由使用高速電路來降低讀出時間。然而，傳統的高速電路設計較為複雜且有實現上的難度，且造成成本和晶片面積的上升。有鑑於此，亟需一種新穎的影像感測器來改善上述問題。
本發明的目的之一係在於提供一多像素共享電路，例如具有一雙重讀出通道的一8像素共享電路。
根據本發明的示範性實施例，提出一種影像感測器，包含有一M像素共享電路(M-shared pixel architecture)、一N像素共享電路以及一切換單元。其中M係不小於2的一整數，N係不小於2的一整數。以及該切換單元係耦接於該M像素共享電路的一浮動擴散節點和該N像素共享電路的一浮動擴散節點之間。
本發明能夠克服K像素共享電路架構(其中K為任意數)的速度限制，並且藉由增加一切換器(例如一電晶體)以及額外的操作控制來使像 素電路的吞吐率(throughput)大約增加為兩倍。
100‧‧‧影像感測器
102、104 4‧‧‧像素共享電路
1022~1028、1042~1048‧‧‧光二極體
1030~1036、1050~1056、106‧‧‧切換電晶體
1038、1058‧‧‧重置電晶體
1040、1060‧‧‧源極隨耦器
1042A、1062‧‧‧選擇電晶體
第1圖為本發明一影像感測器的一示範性實施例的示意圖。
第2圖為影像感測器的雙倍速讀出操作模式的時序圖。
第3圖為在時段T1中影像感測器的不同節點的能量位準的示意圖。
第4圖為在時段T2中影像感測器的不同節點的能量位準的示意圖。
第5圖為影像感測器的雙倍轉換增益操作模式的時序圖。
在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，製造商可能會用不同的名詞來稱呼同樣的元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。另外，「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接於該第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。
請參考第1圖，第1圖為本發明一影像感測器的一示範性實施例的示意圖。影像感測器100包含有一第一4像素共享電路102、一第二4像素共享電路104以及一切換單元106。請注意，在此所採用的兩個4像素共享電路旨在用於說明本發明，實際上任何多像素共享電路或是費共享電路均可用來實現本發明。舉例來說，第一4像素共享電路102可以替換為一M像素共享電路，以及第二4像素共享電路104可以替換為一N像素共享電路， 其中M和N均為不小於1的一整數，且視實際設計考量或是需求，M可以相同或是不相同於N。
在此實施例中，第一4像素共享電路102包含有四組像素感光單元。在一般操作下，可關閉切換單元106以分隔一第一浮動擴散區域FD1和一第二浮動擴散區域FD2。一第一光二極體(photodiode)1022係用來執行一曝光程序，所產生的電荷會經由一第一電晶體1030被傳送到第一浮動擴散區域FD1。一第一源極隨耦器(source follower)1040會將第一浮動擴散區域FD1中之該電荷轉換為電壓，且該電壓會經由一第一選擇電晶體1042A被傳送到後續電路。應注意的是，在其它實施例中，亦可不使用選擇電晶體。相同地，一第二光二極體1024係用來執行一曝光程序，所產生的電荷會經由一第二電晶體1032被傳送到第一浮動擴散區域FD1。第一源極隨耦器1040會將第一浮動擴散區域FD1中之該電荷轉換為電壓，且該電壓會經由一第一選擇電晶體1042A被傳送到後續電路。一第三光二極體1026係用來執行一曝光程序，所產生的電荷會經由一第三電晶體1034被傳送到第一浮動擴散區域FD1。第一源極隨耦器1040會將第一浮動擴散區域FD1中之該電荷轉換為電壓，且該電壓會經由一第一選擇電晶體1042A被傳送到後續電路。最後，一第四光二極體1028係用來執行一曝光程序，所產生的電荷會經由一第四電晶體1036被傳送到第一浮動擴散區域FD1。第一源極隨耦器1040會將第一浮動擴散區域FD1中之該電荷轉換為電壓，且該電壓會經由一第一選擇電晶體1042A被傳送到後續電路。請注意，在此實施例中，第一電晶體1030、第二電晶體1032、第三電晶體1034、第四電晶體1036以及第一選擇電晶體1042A係用來當作切換器(開關)使用，可使用任何其它具有同樣作用或是功能的電路來將其置換。
相同地，第二4像素共享電路104亦包含有四組像素感光單元。 一第五光二極體1042係用來執行一曝光程序，所產生的電荷會經由一第六電晶體1050被傳送到第二浮動擴散區域FD2。一第二源極隨耦器1060會將第二浮動擴散區域FD2中之該電荷轉換為電壓，且該電壓會經由一第二選擇電晶體1062被傳送到後續電路。接著，一第六光二極體1044係用來執行一曝光程序，所產生的電荷會經由一第七電晶體1052被傳送到第二浮動擴散區域FD2。第二源極隨耦器1060會將第二浮動擴散區域FD2中之該電荷轉換為電壓，且該電壓會經由第二選擇電晶體1062被傳送到後續電路。一第七光二極體1046係用來執行一曝光程序，所產生的電荷會經由一第八電晶體1054被傳送到第二浮動擴散區域FD2。第二源極隨耦器1060會將第二浮動擴散區域FD2中之該電荷轉換為電壓，且該電壓會經由第二選擇電晶體1062被傳送到後續電路。最後，一第八光二極體1048係用來執行一曝光程序，所產生的電荷會經由一第九電晶體1056被傳送到第二浮動擴散區域FD2。第二源極隨耦器1060會將第二浮動擴散區域FD2中之該電荷轉換為電壓，且該電壓會經由第二選擇電晶體1062被傳送到後續電路。請注意，在此實施例中，第六電晶體1050、第七電晶體1052、第八電晶體1054、第九電晶體1056以及第二選擇電晶體1044係用來當作切換器(開關)使用，可使用任何其它具有同樣作用或是功能的電路來將其置換。
在此實施例中，另支援一雙倍速讀出操作模式(dual readout speed operation mode)。對一滾動快門(rolling shutter)影像感測器來說，每一像素列的曝光操作係依序開始，並且一列一列地被讀出。舉例來說，第一4像素共享電路102和第二4像素共享電路104屬於不同列，且不會在同一時間被讀出。因此，當欲讀取第一4像素共享電路102時，可以從第二4像素共享電路104借用其中的第二浮動擴散區域FD2、第二源極隨耦器1060和第二選擇電晶體1062。相對地，當欲讀取第二4像素共享電路104時，可以從第一4像素共享電路102借用其中的第一浮動擴散區域FD1、第一源極隨耦器1040 和第一選擇電晶體1042A。為了更具體地說明本實施例，請同時參考第2圖和第1圖，第2圖為影像感測器100的雙倍速讀出操作模式的時序圖。第2圖的時序圖係基於啟動並準備讀取第一4像素共享電路102且關閉第二4像素共享電路104的情況。首先，在一重置期間，分別藉由一第一重置訊號RST1和一第二重置訊號RST2來導通一重置電晶體1038以及一重置電晶體1058；以及分別藉由一第一訊號TX1、一第二訊號TX2、一第三訊號TX3以及一第四訊號TX4來分別導通第一電晶體1030、第二電晶體1032、第三電晶體1034以及第四電晶體1036，以重置第一光二極體1022、第二光二極體1024、第三光二極體1026以及第四光二極體1028。接著，在一曝光期間，該些光二極體開始接收光線以產生電荷。
接著，在一讀出期間，該些光二極體會被讀出。在第2圖中的一時段T1中，第一訊號TX1以及切換訊號TX皆會轉換為高電位以將第一光二極體1022的感光結果傳送至源極隨耦器1060。請注意，一電位VDD1刻意地被拉至更高電位，且一電壓位準VDD2刻意地被拉至較低電位，好讓電荷能夠更順利地跨過切換單元106而被傳送至源極隨耦器1060。請參考第3圖，第3圖為在時段T1中影像感測器100的不同節點的能量位準的示意圖。由第3圖可得知，相較於第一浮動擴散區域FD1的能量位準和第二浮動擴散區域FD2的能量位準，第一光二極體1022的一節點PD1的能量位準為最高，且第二浮動擴散區域FD2的能量位準為最低。因此，第一光二極體1022所產生的電荷便得以順利地從節點PD1轉移到第二浮動擴散區域FD2。當轉移結束後，會利用第一重置訊號RST1來重置第一浮動擴散區域FD1，且切換訊號TX會落下。
在第2圖中的一時段T2中，第二訊號TX2會被拉起以將第二光二極體1024的感光結果傳送至源極隨耦器1040。請注意，相較於前一個時 段中的狀況，電位VDD1的電位會較低，且電壓位準VDD2的電位會較高。請參考第4圖，第4圖為在時段T2中影像感測器100的不同節點的能量位準的示意圖。由第4圖可得知，相較於一節點PD2的能量位準和第二浮動擴散區域FD2的能量位準，第一浮動擴散區域FD1的能量位準為最低，切換單元106會形成一屏障以防止第二光二極體104所產生的電荷進入第二浮動擴散區域FD2。因此，第二光二極體1024所產生的電荷便得以順利地從節點PD2轉移到第一浮動擴散區域FD1。
在第一光二極體1022和第二光二極體1024的電荷分別轉移到源極隨耦器1040和源極隨耦器1060之後，電荷會被轉換為電壓，並且被傳送到後續的電路，例如一讀出電路。由於後續電路相較於光感測電路會需要花費更多時間，從第二4像素共享電路104借用源極隨耦器1060和讀出電路可以讓整體的操作加速，其速度大約為一般操作模式下的速度的兩倍。第三光二極體106和第四光二極體108亦使用類似的方法運作。
在另一實施例中，提出另一雙倍轉換增益操作模式。請參考第5圖，第5圖為影像感測器100的雙倍轉換增益操作模式(dual conversion gain operation mode)的時序圖。對於雙倍轉換增益操作模式來說，每一像素的曝光操作會執行兩次，一次是在切換單元106開啟時執行，一次是在切換單元106關閉時執行，當切換單元106開啟時，浮動擴散電容會增加為大約一般操作模式下的兩倍。這表示新的轉換增益將會減少為一般操作模式下的一半。藉由利用一般操作模式和雙倍轉換增益操作模式所得到的兩種不同轉換增益，可以得到一較高動態範圍(dynamic range)影像。
本發明能夠克服K像素共享電路架構(其中K為任意數)的速度限制，並且藉由增加一切換器(例如一電晶體)以及額外的操作控制來使像 素電路的吞吐率(throughput)大約增加為兩倍。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100‧‧‧影像感測器
102、104 4‧‧‧像素共享電路
1022~1028、1042~1048‧‧‧光二極體
1030~1036、1050~1056、106‧‧‧切換電晶體
1038、1058‧‧‧重置電晶體
1040、1060‧‧‧源極隨耦器
1042A、1062‧‧‧選擇電晶體

Claims (11)

  1. 一種影像感測器，包含有：一M像素共享電路(M-shared pixel architecture)，其中M係不小於2的一整數；一N像素共享電路，其中N係不小於2的一整數；以及一切換單元，外接於該M像素共享電路以及外接於該N像素共享電路，其中該切換單元耦接於該M像素共享電路的一浮動擴散節點和該N像素共享電路的一浮動擴散節點之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中該切換單元係用來將該M像素共享電路的一感測結果傳送至該N像素共享電路，並且藉由該N像素共享電路輸出該M像素共享電路之該感測結果。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的影像感測器，其中該切換單元另用來將該N像素共享電路的一感測結果傳送至該M像素共享電路，並且藉由該M像素共享電路輸出該N像素共享電路之該感測結果。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的影像感測器，其中該切換單元交替地傳送該M像素共享電路之該感測結果和該N像素共享電路之該感測結果。
  5. 如申請專利範圍第2項所述的影像感測器，其中該切換單元係用來交替地將該M像素共享電路之該感測結果傳送至該N像素共享電路，以及防止該M像素共享電路之該感測結果被傳送至該N像素共享電路。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中該M像素共享電路包含有： 一第一光二極體；一第二光二極體；一第一電晶體，具有一源極耦接至該第一光二極體；一第二電晶體，具有一源極耦接至該第二光二極體；一第三電晶體，具有一源極耦接至該第一電晶體的一汲極和該第二電晶體的一汲極；以及一源極隨耦器，耦接至該第三電晶體之該源極、該第一電晶體之該汲極以及該第二電晶體之該汲極。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的影像感測器，其中該M像素共享電路另包含有：一第四電晶體，具有一汲極耦接至該源極隨耦器。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的影像感測器，其中該M像素共享電路另包含有：一第三光二極體；一第四光二極體；一第四電晶體，具有一源極耦接至該第三光二極體；以及一第一選擇電晶體，具有一源極耦接至該第四光二極體；其中該第三電晶體具有一源極耦接至該第一電晶體的一汲極、該第二電晶體的一汲極、該第三電晶體的一汲極以及該第四電晶體的一汲極；以及該源極隨耦器係耦接至該第三電晶體之該源極、該第一電晶體之該汲極、該第二電晶體之該汲極、該第三電晶體之該汲極以及該第四電晶體之該汲極。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中該N像素共享電路包含 有：一第一光二極體；一第二光二極體；一第一電晶體，具有一源極耦接至該第一光二極體；一第二電晶體，具有一源極耦接至該第二光二極體；一第三電晶體，具有一源極耦接至該第一電晶體的一汲極和該第二電晶體的一汲極；以及一源極隨耦器，耦接至該第三電晶體之該源極、該第一電晶體之該汲極以及該第二電晶體之該汲極。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的影像感測器，其中該N像素共享電路另包含有：一第四電晶體，具有一汲極耦接至該源極隨耦器。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的影像感測器，其中該N像素共享電路另包含有：一第三光二極體；一第四光二極體；一第四電晶體，具有一源極耦接至該第三光二極體；以及一第一選擇電晶體，具有一源極耦接至該第四光二極體；其中該第三電晶體具有一源極耦接至該第一電晶體的一汲極、該第二電晶體的一汲極、該第三電晶體的一汲極以及該第四電晶體的一汲極；以及該源極隨耦器係耦接至該第三電晶體之該源極、該第一電晶體之該汲極、該第二電晶體之該汲極、該第三電晶體之該汲極以及該第四電晶體之該汲極。
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