TWI547170B - 影像感測器 - Google Patents

Description

影像感測器

本發明係有關一種影像感測器，特別是關於一種具高轉換增益（conversion gain）的小型低功率影像感測器。

影像感測器（例如互補金屬氧化物半導體影像感測器）可用以將光學影像轉換為電子信號。影像感測器普遍使用於各種應用，例如行動電話與相機。

當影像感測器的解析度增加時，需要更多的讀出（readout）電路用以從像素讀出光信號，因此會消耗更多的功率，增加更多的熱。影像感測器的多個光二極體（photodiode）之間，可藉由共享電路以縮小電路面積，然而卻會降低轉換增益與雜訊效能。

因此亟需提出一種新穎的影像感測器，其具較小電路面積與功耗，而又不會犧牲效能。

鑑於上述，本發明實施例的目的之一在於提出一種具高轉換增益與簡單驅動器設計的小型低功率影像感測器。在一實施例中，像素排列為1x2共享方式。二相鄰行的二位元線（bit line）連接至一多工器，其輸出則連接至一讀出電路。

根據本發明實施例，影像感測器包含複數像素、複數多工器及複數讀出電路。像素排列為1x2共享方式，其中同行的相鄰二像素形成一像素群。像素群內的二像素共用一輸出線，用以輸出集成光信號，且同行之該些像素群的複數輸出線連接在一起，成為一位元線。相鄰二行的二位元線連接至該些多工器之一，用以選擇二相鄰位元線的其中之一。該些讀出電路分別連接至該些多工器的輸出。同列的相鄰傳送電晶體受控於不同傳送信號。

第一圖顯示影像感測器100（例如互補金屬氧化物半導體影像感測器）的方塊圖。影像感測器100主要包含像素11，其排列為列與行型式；及讀出電路12，用以讀出像素11所集成（或累積）的光信號。

第二A圖的示意圖顯示部分的像素11，排列為非共享方式，其中每ㄧ像素11可獨立操作。第二B圖顯示第二A圖的一些（例如四個）像素11的像素電路。如第二B圖所示，每ㄧ像素11包含光二極體D、重置電晶體RST、源極隨耦電晶體SF、選擇電晶體SEL及傳送電晶體TG。當重置電晶體RST被重置信號（例如rst＜0＞）打開時，光二極體D被重置至參考電壓，例如電源Vdd。當傳送電晶體TG被傳送信號（例如tg0）打開時，光二極體D的集成光信號則可被傳送。源極隨耦電晶體SF可被啟動以緩衝或放大光二極體D的集成光信號。當選擇電晶體SEL被選擇（或字線（word line））信號（例如sel＜0＞）打開時，集成光信號可藉由選擇電晶體SEL而輸出。根據第二A/二B圖的架構，每ㄧ位元線BL連接至一相應讀出電路12。由於讀出電路佔用相當的面積，影像感測器的像素間距因此無法有效降低，且功耗也無法減少。

第三A圖的示意圖顯示部分的像素11，排列為2x1共享方式，其中同列的相鄰像素11形成一像素群（pixel group）111。第三B圖顯示第三A圖的一些（例如四個）像素11的像素電路。如第三B圖所示，重置電晶體RST、源極隨耦電晶體SF及選擇電晶體SEL被像素群111的二個光二極體D所共享。根據第三A/三B圖的架構，相鄰二像素群111分別使用不同的重置信號rst＜0＞與rst＜1＞，且分別使用不同的選擇信號sel＜0＞與sel＜1＞。藉此，用以產生重置信號與選擇信號的驅動電路（未顯示）無法降低其複雜度。

第四A圖的示意圖顯示部分的像素11，排列為2x2共享方式，其中相鄰四像素11形成一像素群112。第四B圖顯示第四A圖的一些（例如四個）像素11的像素電路。如第四B圖所示，重置電晶體RST、源極隨耦電晶體SF及選擇電晶體SEL被像素群112的四個光二極體D所共享。藉此，浮動擴散（floating diffusion）點FD的電容值較大，且影像感測器100的轉換增益較小。

第五A圖的示意圖顯示本發明第一實施例的部分像素11，排列為1x2共享方式，其中同行的相鄰二像素11形成一像素群113。像素群113內的二像素11共用一輸出線，用以輸出集成光信號。同行之該些像素群113的複數輸出線連接在一起，成為一位元線BL。第五B圖顯示第五A圖的一些（例如四個）像素11的像素電路。如第五B圖所示，重置電晶體RST、源極隨耦電晶體SF及選擇電晶體SEL被像素群113的二個光二極體D所共享。

重置電晶體RST的第一端連接至電源Vdd，重置電晶體RST的第二端連接至浮動擴散點FD，且重置電晶體RST的控制端接收重置信號rst。源極隨耦電晶體SF的第一端連接至電源Vdd，源極隨耦電晶體SF的第二端連接至選擇電晶體SEL的第一端，且源極隨耦電晶體SF的控制端連接至浮動擴散點FD。選擇電晶體SEL的第二端作為輸出線，且選擇電晶體SEL的控制端接收選擇信號sel。傳送電晶體TG的二端分別連接至浮動擴散點FD與相應光二極體D，且傳送電晶體TG的控制端接收相應傳送信號（例如tg0、tg2）。

相較於第四B圖，由於像素群113的光二極體D數目小於第四B圖之像素群112的光二極體D數目，因此浮動擴散點FD的電容值較小，且影像感測器100的轉換增益較大。相較於第三B圖，由於相鄰像素群113使用相同的重置信號rst及相同的選擇信號sel，因此用以產生重置信號與選擇信號的驅動電路（未顯示）將較為簡化。

根據本實施例的特徵之一，相鄰二行的二位元線BL連接至一多工器13，其於某一時間選擇二位元線BL的其中之一。多工器13的輸出連接至一讀出電路12。相較於第二B圖，由於使用較少的讀出電路12，可以節省相當的面積，影像感測器100的像素間距因而可以有效降低，且功耗也可減少。

根據本實施例的另一特徵，同列的相鄰傳送電晶體TG受控於不同的傳送信號（例如tg0與tg1）。

第五C圖顯示相關於第五B圖的時序圖。於時間t1與時間t2之間，重置信號rst間歇地變為主動，且四傳送信號tg0、tg1、tg2、tg3依序變為主動以分別執行像素重置，接著分別進行光信號的集成。於時間t3與時間t4之間，當選擇信號sel變為主動，重置信號rst間歇地變為主動以執行相關性雙重取樣（CDS）重置，且四傳送信號tg0、tg1、tg2、tg3依序變為主動以分別執行相關性雙重取樣（CDS）讀出，接著分別進行光信號的輸出。

第六A圖的示意圖顯示本發明第二實施例的部分像素11，排列為1x2共享方式，其中同行的相鄰二像素11形成一像素群114。像素群114內的二像素11共用一輸出線，用以輸出集成光信號。同行之該些像素群114的複數輸出線連接在一起，成為一位元線BL。第六B圖顯示第六A圖的一些（例如四個）像素11的像素電路。第二實施例類似於第一實施例，不同的地方在於第二實施例不需使用選擇電晶體，因而可以減少電路面積。如第六B圖所示，重置電晶體RST與源極隨耦電晶體SF被像素群114的二個光二極體D所共享。

重置電晶體RST的第一端連接至選擇信號sel，重置電晶體RST的第二端連接至浮動擴散點FD，且重置電晶體RST的控制端接收重置信號rst。源極隨耦電晶體SF的第一端連接至電源Vdd，源極隨耦電晶體SF的第二端作為輸出線BL，且源極隨耦電晶體SF的控制端連接至浮動擴散點FD。傳送電晶體TG的二端分別連接至浮動擴散點FD與相應光二極體D，且傳送電晶體TG的控制端接收相應傳送信號（例如tg0、tg2）。

第六C圖顯示相關於第六B圖的時序圖。於時間t1與時間t2之間，選擇信號sel變為主動，亦即，升至高位準。重置信號rst間歇地變為主動，且四傳送信號tg0、tg1、tg2、tg3依序變為主動以分別執行像素重置，接著分別進行光信號的集成。於時間t3與時間t4之間，當選擇信號sel變為主動，重置信號rst間歇地變為主動以執行相關性雙重取樣（CDS）重置，且四傳送信號tg0、tg1、tg2、tg3依序變為主動以分別執行相關性雙重取樣（CDS）讀出，接著分別進行光信號的輸出。

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。

100‧‧‧影像感測器
11‧‧‧像素
111‧‧‧像素群
112‧‧‧像素群
113‧‧‧像素群
114‧‧‧像素群
12‧‧‧讀出電路
13‧‧‧多工器
BL‧‧‧位元線
RST‧‧‧重置電晶體
SF‧‧‧源極隨耦電晶體
SEL‧‧‧選擇電晶體
TG‧‧‧傳送電晶體
D‧‧‧光二極體
FD‧‧‧浮動擴散點
Vdd‧‧‧電源
rst‧‧‧重置信號
rst＜0＞‧‧‧重置信號
rst＜1＞‧‧‧重置信號
tg0‧‧‧傳送信號
tg1‧‧‧傳送信號
tg2‧‧‧傳送信號
tg3‧‧‧傳送信號
sel‧‧‧選擇信號
sel＜0＞‧‧‧選擇信號
sel＜1＞‧‧‧選擇信號
t1‧‧‧時間
t2‧‧‧時間
t3‧‧‧時間
t4‧‧‧時間

第一圖顯示影像感測器的方塊圖。 第二A圖的示意圖顯示部分的像素，排列為非共享方式。 第二B圖顯示第二A圖的一些像素的像素電路。 第三A圖的示意圖顯示部分的像素，排列為2x1共享方式。 第三B圖顯示第三A圖的一些像素的像素電路。 第四A圖的示意圖顯示部分的像素，排列為2x2共享方式。 第四B圖顯示第四A圖的一些像素的像素電路。 第五A圖的示意圖顯示本發明第一實施例的部分像素，排列為1x2共享方式。 第五B圖顯示第五A圖的一些像素的像素電路。 第五C圖顯示相關於第五B圖的時序圖。 第六A圖的示意圖顯示本發明第二實施例的部分像素，排列為1x2共享方式。 第六B圖顯示第六A圖的一些像素的像素電路。 第六C圖顯示相關於第六B圖的時序圖。

11‧‧‧像素

113‧‧‧像素群

12‧‧‧讀出電路

13‧‧‧多工器

BL‧‧‧位元線

Claims (5)

1. 一種影像感測器，包含：複數像素，排列為1x2共享方式，其中同行的相鄰二像素形成一像素群，該像素群內的二像素共用一輸出線，用以輸出集成光信號，且同行之該些像素群的複數輸出線連接在一起，成為一位元線；複數多工器，相鄰二行的二位元線連接至該些多工器之一，用以選擇該二相鄰位元線的其中之一；及複數讀出電路，分別連接至該些多工器的輸出；其中同列的相鄰傳送電晶體受控於不同傳送信號；其中重置電晶體、源極隨耦電晶體及選擇電晶體被該像素群的二個光二極體所共享；對於該像素群，該重置電晶體的第一端連接至電源，該重置電晶體的第二端連接至浮動擴散點，且該重置電晶體的控制端接收重置信號；該源極隨耦電晶體的第一端連接至電源，該源極隨耦電晶體的第二端連接至該選擇電晶體的第一端，且該源極隨耦電晶體的控制端連接至浮動擴散點；該選擇電晶體的第二端作為輸出線，且該選擇電晶體的控制端接收選擇信號；及傳送電晶體的二端分別連接至浮動擴散點與相應光二極體，且該傳送電晶體的控制端接收相應傳送信號；所述之影像感測器，執行以下步驟：於第一時間與第二時間之間，重置信號間歇地變為主動，且四傳送信號依序變為主動以分別執行像素重置，接著分別進行光信號的集成；及 於第三時間與第四時間之間，當選擇信號變為主動，重置信號間歇地變為主動以執行相關性雙重取樣(CDS)重置，且四傳送信號依序變為主動以分別執行相關性雙重取樣(CDS)讀出，接著分別進行光信號的輸出。
2. 一種影像感測器，包含：複數像素，排列為1x2共享方式，其中同行的相鄰二像素形成一像素群，該像素群內的二像素共用一輸出線，用以輸出集成光信號，且同行之該些像素群的複數輸出線連接在一起，成為一位元線；複數多工器，相鄰二行的二位元線連接至該些多工器之一，用以選擇該二相鄰位元線的其中之一；及複數讀出電路，分別連接至該些多工器的輸出；其中同列的相鄰傳送電晶體受控於不同傳送信號；其中該些像素的至少一部分不包含選擇電晶體；其中重置電晶體及源極隨耦電晶體被該像素群的二個光二極體所共享；對於該像素群，該重置電晶體的第一端連接至選擇信號，該重置電晶體的第二端連接至浮動擴散點，且該重置電晶體的控制端接收重置信號；該源極隨耦電晶體的第一端連接至電源，該源極隨耦電晶體的第二端作為輸出線，且該源極隨耦電晶體的控制端連接至浮動擴散點；及傳送電晶體的二端分別連接至浮動擴散點與相應光二極體，且該傳送電晶體的控制端接收相應傳送信號。
3. 根據申請專利範圍第2項所述之影像感測器，執行以下步驟： 於第一時間與第二時間之間，選擇信號變為主動，重置信號間歇地變為主動，且四傳送信號依序變為主動以分別執行像素重置，接著分別進行光信號的集成；及於第三時間與第四時間之間，當選擇信號變為主動，重置信號間歇地變為主動以執行相關性雙重取樣(CDS)重置，且四傳送信號依序變為主動以分別執行相關性雙重取樣(CDS)讀出，接著分別進行光信號的輸出。
4. 根據申請專利範圍第2項所述之影像感測器，包含互補金屬氧化物半導體影像感測器。
5. 根據申請專利範圍第2項所述之影像感測器，其中該些像素排列為列與行型式。