TWI566521B - 用於光感測器之延伸動態範圍電荷跨阻抗放大器輸入胞元 - Google Patents
用於光感測器之延伸動態範圍電荷跨阻抗放大器輸入胞元 Download PDFInfo
- Publication number
- TWI566521B TWI566521B TW104118912A TW104118912A TWI566521B TW I566521 B TWI566521 B TW I566521B TW 104118912 A TW104118912 A TW 104118912A TW 104118912 A TW104118912 A TW 104118912A TW I566521 B TWI566521 B TW I566521B
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- voltage
- capacitor
- gain capacitor
- high gain
- low
- Prior art date
Links
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 131
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 32
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 6
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 4
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 4
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 2
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
- H03F3/005—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements using switched capacitors, e.g. dynamic amplifiers; using switched capacitors as resistors in differential amplifiers
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
- H04N25/71—Charge-coupled device [CCD] sensors; Charge-transfer registers specially adapted for CCD sensors
- H04N25/75—Circuitry for providing, modifying or processing image signals from the pixel array
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
- H03F3/04—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements with semiconductor devices only
- H03F3/08—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements with semiconductor devices only controlled by light
- H03F3/082—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements with semiconductor devices only controlled by light with FET's
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
- H03F3/04—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements with semiconductor devices only
- H03F3/08—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements with semiconductor devices only controlled by light
- H03F3/087—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements with semiconductor devices only controlled by light with IC amplifier blocks
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
- H03F3/45—Differential amplifiers
- H03F3/45071—Differential amplifiers with semiconductor devices only
- H03F3/45076—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier
- H03F3/45475—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier using IC blocks as the active amplifying circuit
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
- H03F3/68—Combinations of amplifiers, e.g. multi-channel amplifiers for stereophonics
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
- H03F3/70—Charge amplifiers
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03G—CONTROL OF AMPLIFICATION
- H03G1/00—Details of arrangements for controlling amplification
- H03G1/0005—Circuits characterised by the type of controlling devices operated by a controlling current or voltage signal
- H03G1/0088—Circuits characterised by the type of controlling devices operated by a controlling current or voltage signal using discontinuously variable devices, e.g. switch-operated
- H03G1/0094—Circuits characterised by the type of controlling devices operated by a controlling current or voltage signal using discontinuously variable devices, e.g. switch-operated using switched capacitors
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03G—CONTROL OF AMPLIFICATION
- H03G3/00—Gain control in amplifiers or frequency changers
- H03G3/008—Control by switched capacitors
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03G—CONTROL OF AMPLIFICATION
- H03G3/00—Gain control in amplifiers or frequency changers
- H03G3/20—Automatic control
- H03G3/30—Automatic control in amplifiers having semiconductor devices
- H03G3/3084—Automatic control in amplifiers having semiconductor devices in receivers or transmitters for electromagnetic waves other than radiowaves, e.g. lightwaves
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
- H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
- H04N25/77—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
- H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
- H04N25/78—Readout circuits for addressed sensors, e.g. output amplifiers or A/D converters
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F2200/00—Indexing scheme relating to amplifiers
- H03F2200/129—Indexing scheme relating to amplifiers there being a feedback over the complete amplifier
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F2200/00—Indexing scheme relating to amplifiers
- H03F2200/156—One or more switches are realised in the feedback circuit of the amplifier stage
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F2200/00—Indexing scheme relating to amplifiers
- H03F2200/264—An operational amplifier based integrator or transistor based integrator being used in an amplifying circuit
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F2200/00—Indexing scheme relating to amplifiers
- H03F2200/297—Indexing scheme relating to amplifiers the loading circuit of an amplifying stage comprising a capacitor
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F2200/00—Indexing scheme relating to amplifiers
- H03F2200/312—Indexing scheme relating to amplifiers the loading circuit of an amplifying stage comprising one or more switches
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F2200/00—Indexing scheme relating to amplifiers
- H03F2200/408—Indexing scheme relating to amplifiers the output amplifying stage of an amplifier comprising three power stages
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F2200/00—Indexing scheme relating to amplifiers
- H03F2200/45—Indexing scheme relating to amplifiers the load of the amplifier being a capacitive element, e.g. CRT
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
- H03F2203/45—Indexing scheme relating to differential amplifiers
- H03F2203/45512—Indexing scheme relating to differential amplifiers the FBC comprising one or more capacitors, not being switched capacitors, and being coupled between the LC and the IC
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
- H03F2203/45—Indexing scheme relating to differential amplifiers
- H03F2203/45514—Indexing scheme relating to differential amplifiers the FBC comprising one or more switched capacitors, and being coupled between the LC and the IC
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
- H03F2203/45—Indexing scheme relating to differential amplifiers
- H03F2203/45534—Indexing scheme relating to differential amplifiers the FBC comprising multiple switches and being coupled between the LC and the IC
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
- H03F2203/45—Indexing scheme relating to differential amplifiers
- H03F2203/45536—Indexing scheme relating to differential amplifiers the FBC comprising a switch and being coupled between the LC and the IC
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
- H03F2203/45—Indexing scheme relating to differential amplifiers
- H03F2203/45631—Indexing scheme relating to differential amplifiers the LC comprising one or more capacitors, e.g. coupling capacitors
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
- H03F2203/45—Indexing scheme relating to differential amplifiers
- H03F2203/45634—Indexing scheme relating to differential amplifiers the LC comprising one or more switched capacitors
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
- H03F2203/45—Indexing scheme relating to differential amplifiers
- H03F2203/45641—Indexing scheme relating to differential amplifiers the LC being controlled, e.g. by a signal derived from a non specified place in the dif amp circuit
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
- H03F2203/45—Indexing scheme relating to differential amplifiers
- H03F2203/45726—Indexing scheme relating to differential amplifiers the LC comprising more than one switch, which are not cross coupled
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
- H03F2203/45—Indexing scheme relating to differential amplifiers
- H03F2203/45728—Indexing scheme relating to differential amplifiers the LC comprising one switch
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
Description
範例係關於用於一光感測器之一電荷跨阻抗放大器(CTIA)單位胞元,該光感測器能夠自動地,且有效地,包容相對低和相對高的光位準。
用於一光感測器之電路時常被設計以有效地包容一相對低的光位準或一相對高的光位準,但不能同時是二者。當使用在一相對高的光位準時,設計以供用於一相對低光位準之一電路可能飽和。當使用在一相對低的光位準時,設計以供用於一相對高光位準的一電路可能具有覆蓋信號之雜訊。
因此,需要可以自動地,以及有效地,包容相對地低和高光位準兩者之一光感測器的電路。
一電荷跨阻抗放大器(CTIA)輸入胞元包含一高增益電容器(其係組態以集成自光電流發生之電荷)、一低增
益電容器、以及一切換元件,該切換元件可以切入該低增益電容器而並聯地電氣耦合至該高增益電容器。在一些範例中,該切換元件是一低增益開關,其可以是手動地致動以切入低增益電容器。在這些範例中,該低增益開關可以是電氣地配置在低增益電容器和光電流的一來源之間。在其他範例中,該切換元件是一低增益電晶體,當跨越高增益電容器之一電壓達到一指定臨界值時,其可以自動地致動以切入低增益電容器。在這些範例中,低增益電容器可以電氣地配置在低增益電晶體和光電流來源之間。CTIA可以是單面的或可以是獨特的。
100‧‧‧影像捕獲裝置
102‧‧‧影像感測器
104‧‧‧感測器像素
106‧‧‧讀出積體電路(ROIC)
108‧‧‧電荷跨阻抗放大器(CTIA)輸入胞元
110‧‧‧影像處理單元
200‧‧‧CTIA輸入胞元
202‧‧‧感測器像素
204‧‧‧放大器
206‧‧‧集成電容器
208‧‧‧重置開關
302‧‧‧像素重置信號
304‧‧‧像素不飽和之VOUT
306‧‧‧像素飽和之VOUT
308‧‧‧關閉時間
310‧‧‧打開時間
314‧‧‧關閉時間
316‧‧‧打開時間
400‧‧‧CTIA輸入胞元
402‧‧‧感測器像素
404‧‧‧放大器
406‧‧‧高增益電容器
408‧‧‧低增益電容器
410‧‧‧低增益開關
412‧‧‧重置開關
500‧‧‧CTIA輸入胞元
502‧‧‧感測器像素
504‧‧‧放大器
506‧‧‧高增益電容器
508‧‧‧低增益電容器
510‧‧‧低增益電晶體
512‧‧‧重置開關
602‧‧‧像素重置信號
604‧‧‧像素不飽和之VOUT
606‧‧‧像素飽和之VOUT
608‧‧‧關閉時間
610‧‧‧打開時間
612‧‧‧VOUT下降至VLG下之臨界值電壓VTH時間
614‧‧‧高增益電壓取樣時間
616‧‧‧關閉時間
618‧‧‧打開時間
700‧‧‧供使用於捲動快門之CTIA輸入胞元
800‧‧‧供使用於串列快照之CTIA輸入胞元
900‧‧‧供使用於一輸出並列快照之CTIA輸入胞元
1000‧‧‧供使用於二輸出並列快照之CTIA輸入胞元
1100‧‧‧CTIA輸入胞元操作方法
1102-1112‧‧‧CTIA輸入胞元操作步驟
1200‧‧‧CTIA輸入胞元操作方法
1202-1212‧‧‧CTIA輸入胞元操作步驟
圖1是依據一些實施例之影像捕獲裝置範例的功能圖。
圖2是依據一些實施例之CTIA輸入胞元範例的電氣分解圖。
圖3是依據一些實施例,包含用於圖2之CTIA輸入胞元的重置信號和輸出電壓範例之平面圖。
圖4是依據一些實施例之CTIA輸入胞元範例的電氣分解圖,於其中一相加電容可以手動地變化。
圖5是依據一些實施例之CTIA輸入胞元範例的電氣分解圖,於其中一相加電容可以自動地變化。
圖6是依據一些實施例而包含用於圖5之CTIA輸入胞元的重置信號和輸出電壓範例之平面圖。
圖7是依據一些實施例而供使用於影像捕獲裝置
之捲動快門組態的CTIA輸入胞元範例之電氣分解圖。
圖8是依據一些實施例而供使用於影像捕獲裝置之一串列快照組態的CTIA輸入胞元範例之電氣分解圖。
圖9是依據一些實施例而供使用於影像捕獲裝置之一輸出並列快照組態的CTIA輸入胞元範例之電氣分解圖。
圖10是依據一些實施例而供使用於影像捕獲裝置之一個二輸出並列快照組態的CTIA輸入胞元範例之電氣分解圖。
圖11是依據一些實施例之用於CTIA輸入胞元的操作方法之範例流程圖。
圖12是依據一些實施例之用於CTIA輸入胞元的操作方法之另一範例的流程圖。
下面的說明和圖形充分地例示特定實施例以致能那些熟習本技術者可實施它們。其他實施例可以包含結構、邏輯、電氣、處理程序、以及其他變化。一些實施例之部份和特點可以包含於其他實施例中對應者,或為其所替代。申請專利範圍中所提及之實施例包含那些申請專利範圍之所有可能等效者。
有許多型式之影像捕獲裝置,例如,數位攝影機、視訊攝影機、以及其他攝影用及/或影像捕獲裝置。這些影像捕獲裝置可使用影像感測器,例如,主動像素感
測器(APS)、光二極體陣列、或其他適當的光感測裝置,以便捕獲一影像。例如,一APS可以包含接收來自一鏡頭之光線的單位胞元陣列。陣列中之各個單位胞元通常對應至一數位影像的最小部份,習知為一像素。光線導致各個單位胞元在那位置聚積成比例於光強度之電荷。影像捕獲裝置中之電路及/或軟體接著釋義聚積在單位胞元中之電荷以產生最後影像之對應像素。
通常,陣列中之各單位胞元包含一構件,其儲存電荷直至其可以被讀取以及被分析。在一些單位胞元中,這構件可以是一集成電容器。該集成電容器之大小可以依據成像裝置之特定應用而變化,並且通常會選擇以包容預期該應用將遭遇到之最多數量的電荷。
影像捕獲裝置是經常地曝露至低光環境和高光環境之兩情況。因而,需要具有一高動態範圍之一影像捕獲裝置,例如,具有在低光環境和高光環境兩情況中良好地進行之能力。在一低光環境情況中,例如,在晚上、室內、陰影中、或相對低數量的光環境之其他情況拍照,聚積在單位胞元中之電荷將是相對地低。因而,需要有儲存低光環境情況中相對小數量的電荷之電容並且因此一相對小的集成電容器可能是所需的。相反地,在高光環境情況中,例如,陽光充足的天氣、採光良好的房間、或相對大數量的光環境之其他情況,由於藉由影像捕獲裝置所捕獲之較大的光強度,聚積在單位胞元中之電荷將是相對高的。因而,需要有儲存高光環境情況中的電荷之一相對大
數量的電容並且因此一相對大的集成電容器可能是所需的。
如上所述地,多數集成電容器被選擇而可包容預期一特定應用將遭遇到之最多數量的電荷。正因為如此,集成電容器是傾向於相對大之尺寸,因而它們將不會飽和並且也不導致資訊之損失。這適合於產生較大數量的電荷之高光環境情況,但是較不適合於儲存相對小數量的電荷之低光環境情況之所需。在低光環境情況中,由於較低的電荷,將有一相對低之信號-至-雜訊比。為防禦這些情況中之低信號-至-雜訊比,更需要一相對小的集成電容器。這對於單位胞元設計者將產生二分法:選擇一小的集成電容器,其將於低光環境情況中良好地進行,但是可能在高光環境情況中容易飽和,或選擇一較大的集成電容器,其在高光環境情況中將不飽和,但是在低光環境情況中將較差地進行。
另外地,為了捕獲一影像,多數具有一集成電容器之影像捕獲裝置必須在捕獲影像之前透過一開關而重置集成電容器。這重置包含施加一電壓V至集成電容器之兩端,因而跨越集成電容器之電壓被設定為零伏特。但是,實際上,在這重置之後跨越集成電容器所量測之電壓將不會是確切地為零伏特,但將是零伏特加減少量誤差。這誤差是習知為kTC雜訊,或重置雜訊。在相對低的光位準時,在其中信號是相對小,kTC雜訊之影響成為主要。
因此,將需要於低光環境和高光環境兩情況中
(例如,以具有一高動態範圍)最佳地進行而提供一低kTC重置雜訊之一單位胞元。
圖1是例示影像捕獲裝置100之方塊圖,其可以使用以捕獲影像。例如,裝置100可以是一數位攝影機、視訊攝影機、或任何其他攝影及/或影像捕獲裝置。影像捕獲裝置100包含影像感測器102、讀出積體電路(ROIC)106、以及影像處理單元110。
影像感測器102可以是一APS、光二極體陣列、或可以捕獲影像之任何其他適當的光感測裝置。影像感測器102可以包含,例如,一個二極體、一電荷-耦合裝置(CCD)、或任何其他光伏檢測器或轉換器。影像感測器102感測一景象而如一像素陣列104,其中各像素接收來自一成像景象之一對應部份的光,並且響應於接收之光而產生電流。
一讀出積體電路(ROIC)106包含複數個電荷跨阻抗放大器(CTIA)輸入胞元108,而各CTIA輸入胞元對應至一感測器像素104。各CTIA輸入胞元108接收藉由對應的感測器像素104所產生之一光電流、集成該光電流經一特定訊框持續而作為一儲存電荷、並且輸出在訊框結束之一特定電壓,該電壓對應至儲存電荷。藉由ROIC 106組合和關聯來自CTIA輸入胞元108的輸出電壓,所有的CTIA輸入胞元108都並列地作用。其他型式的輸入胞元也可以供使用,其包含源極/追蹤器、直接注入、緩衝直接注入、以及其他者。
一影像處理單元110可以轉換來自ROIC 106之所組合和關聯的資訊成為入射於影像感測器102上之影像的一電子表示。
影像處理單元110可以是硬體、軟體、或韌體之一組合,該單元110是可操作以接收來自ROIC 106之信號資訊並且轉換該信號資訊成為一電子影像。範例也可以實行作為儲存於一電腦可讀取儲存裝置上之指令,其可以藉由至少一處理器而讀取且執行以進行此處所述之操作。一電腦可讀取儲存裝置可以包含用以藉由一機器(例如,一電腦)可讀取之形式而儲存資訊的任何非暫態機構。例如,一電腦可讀取儲存裝置可以包含唯讀記憶體(ROM)、隨機存取記憶體(RAM)、磁碟片儲存媒體、光學儲存媒體、快閃-記憶體裝置、以及其他儲存裝置與媒體。在一些範例中,電腦系統可以包含選擇地連接到一網路之一個或多個處理器,並且係可以藉由儲存於一電腦可讀取儲存部裝置上之指令而組態。
圖2是CTIA輸入胞元200範例之電氣分解圖。CTIA輸入胞元200接收藉由感測器像素202而產生之光電流。自感測器像素202之輸出是電氣地耦合至放大器204之一輸入、耦合至具有電容CINT之集成電容器206的一第一端、以及耦合至重置開關208之一第一端。放大器204具有一固定電壓VREF作為其之另一輸入,以及一可變電壓VOUT作為其之輸出。放大器輸出是電氣地耦合至集成電容器206之一第二端,以及耦合至重置開關208之一第二端。放
大器輸出VOUT也自已知的CTIA輸入胞元200而形成輸出電壓。ROIC週期性地打開重置開關208以開始各視訊訊框,並且短暫地關閉重置開關208以結束各視訊訊框。關閉重置開關208而重置跨越集成電容器206之電壓為零伏特加上或減去kTC雜訊。
圖3包含用於圖2之CTIA輸入胞元、用於一特定感測器之像素重置信號302和輸出電壓範例的平面圖。重置開關在時間308關閉、在時間310打開、在時間314關閉、以及在時間316打開。
平面圖304展示當照在感測器像素之光強度是相對低時之輸出電壓VOUT。當重置開關關閉時,電容器被設定至一重置電壓VREF。當重置開關打開時,電容器開始自光電流接收電荷。該電荷可以集成於電容器上(圖2之206)。當集成於電容器上之電荷增加時,跨越電容器之電壓自其之啟始電壓VOUT而下降。在下降電壓達到零之前,訊框在時間314結束。一取樣及保持元件(未於圖2中展示)可以記錄剛好在訊框結束之前的輸出電壓。輸出電壓對應至在感測器像素在一訊框上之平均的一特定光強度。
平面圖306展示當照在感測器像素之光強度是相對高時之輸出電壓VOUT。照在感測器像素之相對地高的強度光比相對地低的強度產生更多的光電流。因而,當開關在時間310打開時,電荷更快速地集成於電容器上,並且輸出電壓VOUT更快速地下降。對於相對地高的光強度,電容器在時間312達到飽和,隨後輸出電壓VOUT保持在一最
小數值VMIN。當飽和發生時,影像處理單元對於飽和像素返回一最大光位準。實際上,飽和不是所需的,因為影像中之高強度細節被洗掉;具有大於一飽和強度之一強度的所有像素都具有最小電壓VMIN。
圖4是CTIA輸入胞元400範例之電氣分解圖,於其中一相加電容可以手動地變化。不同的相加電容數值可以包容一低增益組態(其對應至一相對高的光強度和一相對高的電容數值)、以及一高增益組態(其對應至一相對低的光強度和一相對低的電容數值)。但是,圖4之組態只是一範例;也可以使用其他組態。
一感測器像素402響應於入射在其上之光而產生光電流。感測器像素402輸出電氣地耦合至一放大器404之一第一輸入、耦合至具有電容CHG之一高增益電容器406的一第一端、耦合至一低增益開關410之一第一端、以及耦合至一重置開關412之一第一端。放大器404具有一固定電壓VREF作為其之第二輸入,以及一可變電壓VOUT作為其之輸出。放大器輸出電氣地耦合至高增益電容器406之第二端、耦合至具有電容CLG(其中CLG可以是大於CHG)之一低增益電容器408的一第一端、以及耦合至重置開關412之一第二端。低增益開關410之第二端電氣地耦合至低增益電容器408之第二端。ROIC週期性地打開重置開關412以開始各視訊訊框,並且短暫地關閉該重置開關412以結束各視訊訊框。
圖4之組態可以稱為一傳統之整體雙重增益輸入
胞元。以這組態,ROIC主動地,以及手動地,藉由打開或關閉低增益開關410而在高增益和低增益之間切換。當增益是高時,低增益開關410是打開的,並且電荷僅集成於高增益電容器406上。ROIC藉由關閉低增益開關410而主動地將增益自高改變至低,因而並聯地連接低增益電容器408與高增益電容器並且相加它們的電容。當增益是低時,電荷集成在高增益電容器406和低增益電容器408兩者上。
在多數情況中,ROIC切換在高增益和低增益之間以一起供用於所有的像素,並且以一視訊訊框-接著-訊框為基礎而如此進行。對於一特定訊框,ROIC設定所有的像素至高增益,或所有的像素至低增益。在一訊框期間ROIC通常不切換增益,而且通常僅在訊框之間切換增益。
圖5是CTIA輸入胞元500範例之電氣分解圖,於其中一相加電容可以自動地變化。這組態,其中切換是自動的,改進於圖4之組態,於其中切換是手動地進行。不同的相加電容數值可以包容一低增益組態(其對應至一相對高的光強度和一相對高電容數值)、以及一高增益組態(其對應至一相對低的光強度和一相對低的電容數值)。但是,圖5之組態僅是一範例;也可以使用其他組態。
感測器像素502、放大器504、高增益電容器506、以及重置開關512在結構和功能上是相似於圖4中相同地標號之元件4xx。比較於圖4,圖5之組態以一低增益
電晶體510而取代低增益開關410,並且移動低增益電容器至切換/電晶體的相對端。低增益電晶體510可以是一NFET元件。
對於輸出電壓VOUT較大於VLG之下的一臨界值電壓,低增益電晶體510作用如一打開電路。對於輸出電壓VOUT較小於VLG之下的一臨界值電壓,低增益電晶體510作用如一導體。在一訊框之啟始部份的期間,輸出電壓是相對地高,低增益電晶體510保持打開,低增益電容器508自電路被移除,並且電荷集成於高增益電容器506上。如果輸出電壓VOUT降低至VLG之下的臨界值電壓,低增益電晶體510將低增益電容器508嵌入該電路中,並且對於訊框之其餘部分,任何進一步的電荷集成於高增益電容器506和低增益電容器508兩者上。
對於低增益電晶體510之自動切入的可能優點包含允許每個像素有雙重增益,以及維持雙重增益經常地致動(如相對於在一訊框啟始選擇一高增益或一低增益)。
圖6包含用於圖5之CTIA輸入胞元、用於一特定感測器像素之重置信號602和輸出電壓範例的平面圖。重置開關在時間608關閉、在時間610打開、在時間616關閉、以及在時間618打開。在時間612,輸出電壓VOUT下降至VLG之下的一臨界值電壓VTH,因而觸發低增益電晶體(圖5之510)以嵌入低增益電容器(圖5之508)。剛好在時間614之前,高增益電壓被取樣。在時間614,CTIA輸入胞元切換至一低增益組態,其中總集成之電容增加,因而減
低在時間614以及在時間616的訊框結束之間的曲線606之斜率。低增益電壓剛好在時間616之前被取樣。對於各像素之高增益電壓和低增益電壓兩者皆被讀取。
為清楚起見,展示於圖2、圖4、以及圖5中之電路被簡化。實際上,影像捕獲裝置之組態可以支配CTIA輸入胞元電路之組態。對於四個裝置組態之四個電路範例展示於圖7-圖10中;其他電路和組態也是可能的。
圖7是供使用於影像捕獲裝置之一捲動快門組態的CTIA輸入胞元700範例之電氣分解圖。
圖8是供使用於影像捕獲裝置之一串列快照組態的CTIA輸入胞元800範例之電氣分解圖。
圖9是供使用於影像捕獲裝置之一輸出並列快照組態的CTIA輸入胞元900範例之電氣分解圖。
圖10是供使用於影像捕獲裝置之二輸出並列快照組態的CTIA輸入胞元1000範例之電氣分解圖。
圖11是用於CTIA輸入胞元之操作1100的方法範例之流程圖。此一方法1100係可以執行於圖5之CTIA輸入胞元500上,或於其他適當的CTIA輸入胞元上。但是,方法1100僅是一操作方法之一範例;也可以使用其他適當的操作方法。
在1102,方法1100重置於CTIA輸入胞元中之所有的集成電容器。此等電容器之範例可以包含高增益電容器506(圖5)和低增益電容器508(圖5)。在1104,一高增益電容器,例如,506(圖5),集成發生自光電流之電荷。在
1106,方法1100取樣高增益電容器。如果高增益電容器是飽和的,則一低增益電容器可以在飽和時自動地致動,其可以吸收超出之電荷。在1108,方法1100切入低增益電容器。如果低增益電容器是飽和的,則低增益電容器被致動。低增益電容器可以無視於高增益電容器是否飽和而被切換。在1110,方法1100取樣低增益電容器。在1112,方法1100讀取低增益電容器和高增益電容器。
圖12是操作一CTIA輸入胞元(例如,圖5之CTIA輸入胞元500)之方法1200的另一範例之流程圖。這流程圖假定在高增益電容器是飽和的,並且省略判定步驟。
在1202,方法1200自具有光線入射在其上之感測器像素而產生光電流。在1204,方法1200重置一高增益電容器和一低增益電容器至在一視訊訊框的一啟始處之個別的指定重置電壓。在一些範例中,指定的重置電壓是相同的;在其他範例中,它們可以是不同的。在1206,方法1200集成發生自光電流之電荷於高增益電容器上。方法1200感測跨越高增益電容器之一電壓。如果感測電壓下降至一指定臨界值電壓,則在1208,方法1200自動地致動與高增益電容器並聯地電氣耦合之低增益電容器。方法1200切入低增益電容器。切入低增益電容器允許電容器總和上之電壓被讀取。直至低增益電容器切入高增益電容器時,在CTIA之輸出的電壓正好是高增益電容器所導致者。在1210,方法1200集成自光電流發生之電荷於低增益電容器和高增益電容器兩者上。方法1200取樣跨越低增益電容器
和高增益電容器兩者之一第二電壓。在1212,方法1200返回在視訊訊框之結束的第一和第二電壓。該第一和該第二電壓對應至經視訊訊框時間所集成之入射於感測器像素上之光強度。
圖12之方法1200係組態以感測視訊之一訊框。該方法可以依需要而重複以感測一序列之視訊訊框。
在一替代組態中,CTIA輸入胞元可以包含三個電容器,其而不是二個。當三個電容器之第一個達到飽和時,第一電晶體切入並聯於第一電容器之第二電容器。當三個電容器之第二個達到飽和時,一第二電晶體切入並聯於第一和第二電容器之第三電容器。此一組態可以自動地切換於三個增益位準之中,使對於各像素之增益位準自動地切換而無關於其他像素。
於進一步的替換組態中,CTIA輸入胞元可以包含四個、五個、六個、或六個以上的電容器。這些替代組態也可以包含三個、四個、五個、或多於五個以上的電晶體以如所需要地切入個別的電容器。
將了解,此處呈現的電壓之絕對符號可以是任意的。例如,放大器204、404、504上之正的和負的輸入端係可以切換,因而可以切換正的電壓至負的電壓,並且反之亦然。如果電壓的絕對符號自上面那些所討論者被切換,則所有參考詞語“較大於”和“較小於”,“在上面”和“在下面,以及其類似者,同樣地也應切換。
摘要被提供以遵循於37 C.F.R.條款1.72(b)要
求,一摘要將允許讀者確定技術性揭示之性質和主旨。應理解到,其之提交將不是使用以限制或解釋申請專利範圍之範疇或涵義。下面之申請專利範圍將於此處配合詳細說明,而各個申請專利範圍主張其之本身作為一各自的實施例。
400‧‧‧CTIA輸入胞元
402‧‧‧感測器像素
404‧‧‧放大器
406‧‧‧高增益電容器
408‧‧‧低增益電容器
410‧‧‧低增益開關
412‧‧‧重置開關
Claims (5)
- 一種操作電荷跨阻抗放大器(CTIA)輸入胞元之方法,該方法包括下列步驟:自具有光入射在其上之一感測器像素產生光電流;於一視訊訊框之一啟始處重置一高增益電容器和一低增益電容器至個別之指定重置電壓;集成自該光電流發生之電荷於該高增益電容器上;感測跨於該高增益電容器上之一電壓;如果該經感測電壓在該視訊訊框之一終端未下降至一指定臨界電壓,則:取樣跨於該高增益電容器上之一第一電壓;及擷取入射於該感測器像素上及在該視訊訊框期間所集成之光強度的一值,該值等於該第一電壓及一第一定標因數的乘積;如果該經感測電壓已下降至一指定臨界電壓,則:自動地致動該低增益電容器成與該高增益電容器並聯地電氣耦合:集成自該光電流發生之該電荷於該低增益電容器和該高增益電容器兩者上;取樣跨於該低增益電容器和該高增益電容器兩者上之一第二電壓;以及擷取入射於該感測器像素上及在該視訊訊框期間所集成之光強度的一值,該值等於該第二電壓及 一第二定標因數的乘積。
- 如請求項1之方法,進一步地包括,擷取光強度的該值後,進行下列步驟:於一第二視訊訊框之一啟始處重置該高增益電容器和該低增益電容器至該等個別之指定重置電壓;集成自該光電流發生之電荷於該高增益電容器上;感測跨於該高增益電容器上之一電壓;如果該經感測電壓已下降至該指定臨界電壓,則自動地致動該低增益電容器成與該高增益電容器並聯地電氣耦合;取樣跨於該高增益電容器上之一第三電壓;切入該低增益電容器;集成自該光電流發生之該電荷於該低增益電容器和該高增益電容器兩者上;取樣跨於該低增益電容器和該高增益電容器二者上之一第四電壓;以及在該第二視訊訊框之一終端送回該第三和該第四電壓,該第三和該第四電壓對應於在該第二視訊訊框期間所集成之入射於該感測器像素上的一光強度。
- 如請求項1之方法,進一步地包括:組合和關聯自多個電荷跨阻抗放大器輸入胞元所送回的電壓,各電荷跨阻抗放大器輸入胞元對應於一影像感測器中的一感測器像素。
- 如請求項3之方法,進一步地包括: 轉換該等組合和關聯之送回電壓成為入射於該影像感測器上之一影像的一電子表示型態。
- 如請求項1之方法,其中:該第一定標因數對應於該高增益電容器的一電容;及該第二定標因數對應於該低增益電容器與該高增益電容器並聯之一結合的電容。
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US14/325,744 US20160014366A1 (en) | 2014-07-08 | 2014-07-08 | Extended dynamic range charge transimpedance amplifier input cell for light sensor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
TW201607243A TW201607243A (zh) | 2016-02-16 |
TWI566521B true TWI566521B (zh) | 2017-01-11 |
Family
ID=53682857
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
TW104118912A TWI566521B (zh) | 2014-07-08 | 2015-06-11 | 用於光感測器之延伸動態範圍電荷跨阻抗放大器輸入胞元 |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20160014366A1 (zh) |
IL (1) | IL249564A0 (zh) |
TW (1) | TWI566521B (zh) |
WO (1) | WO2016007470A1 (zh) |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9661251B1 (en) * | 2015-10-30 | 2017-05-23 | Sony Semiconductor Solutions Corporation | Adaptive gain control using sample-and-hold circuit for analog CDS |
US10263636B2 (en) * | 2017-06-07 | 2019-04-16 | Motorola Solutions, Inc. | Scalable dynamic range analog-to-digital converter system |
US10574913B2 (en) | 2017-09-07 | 2020-02-25 | Teledyne Scientific & Imaging, Llc | High dynamic range CTIA pixel |
FR3085571B1 (fr) | 2018-09-03 | 2021-06-25 | First Light Imaging | Dispositif imageur a grande vitesse d'acquisition et a gamme dynamique etendue |
US11356622B1 (en) * | 2021-03-26 | 2022-06-07 | Raytheon Company | Single-ended capacitive trans-impedance amplifier (CTIA) unit cell for two-color applications |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5602511A (en) * | 1995-06-07 | 1997-02-11 | Santa Barbara Research Center | Capacitive transimpedance amplifier having dynamic compression |
US20020066848A1 (en) * | 2000-12-04 | 2002-06-06 | Boyd Fowler | Image sensor utilizing a low FPN high gain capacitive transimpedance amplifier |
US20020134918A1 (en) * | 2001-02-19 | 2002-09-26 | Takashi Miida | Changeable gain amplifier, solid-state imaging device and optical signal reading method |
US20140027639A1 (en) * | 2012-07-24 | 2014-01-30 | Forza Silicon Corporation | CTIA for IR Readout Integrated Circuits Using Single Ended OPAMP With In-Pixel Voltage Regulator |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3146502B2 (ja) * | 1990-08-30 | 2001-03-19 | 富士電機株式会社 | フォトセンサ回路 |
US5892540A (en) * | 1996-06-13 | 1999-04-06 | Rockwell International Corporation | Low noise amplifier for passive pixel CMOS imager |
US6246284B1 (en) * | 2000-02-15 | 2001-06-12 | Oki Electric Industry Co., Ltd. | Negative feedback amplifier with automatic gain control function |
US6614286B1 (en) * | 2001-06-12 | 2003-09-02 | Analog Devices, Inc. | Auto-ranging current integration circuit |
JP5106052B2 (ja) * | 2007-11-08 | 2012-12-26 | キヤノン株式会社 | 固体撮像素子、撮像システム、及び固体撮像素子の駆動方法 |
US8987647B2 (en) * | 2012-10-04 | 2015-03-24 | Sri International | Low power wide dynamic range CMOS imager output circuit having a threshold detector to set a gain to be applied by a readout circuitry |
-
2014
- 2014-07-08 US US14/325,744 patent/US20160014366A1/en not_active Abandoned
-
2015
- 2015-06-11 TW TW104118912A patent/TWI566521B/zh not_active IP Right Cessation
- 2015-07-07 WO PCT/US2015/039318 patent/WO2016007470A1/en active Application Filing
-
2016
- 2016-12-14 IL IL249564A patent/IL249564A0/en unknown
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5602511A (en) * | 1995-06-07 | 1997-02-11 | Santa Barbara Research Center | Capacitive transimpedance amplifier having dynamic compression |
US20020066848A1 (en) * | 2000-12-04 | 2002-06-06 | Boyd Fowler | Image sensor utilizing a low FPN high gain capacitive transimpedance amplifier |
US20020134918A1 (en) * | 2001-02-19 | 2002-09-26 | Takashi Miida | Changeable gain amplifier, solid-state imaging device and optical signal reading method |
US20140027639A1 (en) * | 2012-07-24 | 2014-01-30 | Forza Silicon Corporation | CTIA for IR Readout Integrated Circuits Using Single Ended OPAMP With In-Pixel Voltage Regulator |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US20160014366A1 (en) | 2016-01-14 |
WO2016007470A1 (en) | 2016-01-14 |
IL249564A0 (en) | 2017-02-28 |
TW201607243A (zh) | 2016-02-16 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
TWI566521B (zh) | 用於光感測器之延伸動態範圍電荷跨阻抗放大器輸入胞元 | |
US9100605B2 (en) | Global shutter with dual storage | |
US6882367B1 (en) | High-sensitivity storage pixel sensor having auto-exposure detection | |
US9363450B2 (en) | Imaging systems and methods for image signal gain adjustment | |
TWI625972B (zh) | 具有類比計數器元件的數位單位胞元 | |
EP1362475A1 (en) | Photodiode cmos imager with column-feedback soft-reset | |
US9225919B2 (en) | Image sensor systems and methods for multiple exposure imaging | |
JP6469224B2 (ja) | ピクセル感度及びダイナミックレンジを高める方法及び装置 | |
US20150237275A1 (en) | Image sensors with anti-eclipse circuitry | |
KR102691724B1 (ko) | 울트라-하이 동적 범위 cmos 센서 | |
WO2010083080A1 (en) | Multipurpose photodetector amplifier and control methods | |
US8084730B2 (en) | Dual mode source follower for low and high sensitivity applications | |
US9826178B2 (en) | Logarithmic pixels with correlated double sampling | |
KR102106745B1 (ko) | 이미징 애플리케이션을 위한 확장된 높은 동적 범위 직접 주입 회로 | |
US8174602B2 (en) | Image sensing system and method utilizing a MOSFET | |
US8692915B2 (en) | Correlated double sampling device of image sensor and method thereof | |
US10623670B1 (en) | Simultaneous multiple well size integration | |
EP2387847A1 (en) | Multipurpose photodetector amplifier and control methods |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees |