TWI625972B - 具有類比計數器元件的數位單位胞元 - Google Patents

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Abstract

根據一個態樣，本文中之實施例提供一數位單位胞元，該數位單位胞元包含：一光二極體；一積分電容器；一比較器，其經組配來將該積分電容器兩端之一電壓與一臨限電壓進行比較，且經組配來在每次該積分電容器兩端電壓大於該臨限電壓時在一第一電平處產生一控制信號；一電荷減法電路，其經組配來接收該第一電平處之該控制信號，且經組配來在每次該第一電平處之該控制信號被接收時使該積分電容器上之聚積電荷放電；至少一個類比計數器，其經組配來自該比較器接收該第一電平處之該控制信號，且經組配來在每次該第一電平處之該控制信號自該比較器接收時以一固定量減小一計數電壓；以及一計數器讀出電路，其經組配來將該計數電壓提供至一影像處理電路。

Description

具有類比計數器元件的數位單位胞元
本揭示係有關於具有類比計數器元件的數位單位胞元。
發明背景 存在許多不同類型的影像擷取裝置，諸如數位攝影機、視訊攝影機或其他照及/或影像擷取器材。此等影像擷取裝置可使用影像感測器以自所要場景擷取影像。例如，影像感測器可包括經由透鏡接收光之單位胞元陣列(亦即，焦平面陣列)。所接收之光使陣列中之每一單位胞元聚積與其位置處的光強度成比例的電荷。
焦平面陣列通常包括由行及列組織而成的二維單位胞元陣列。對於單位胞元內之電路或成像器而言常見的為自光二極體聚積電荷，該電荷對應於入射至光二極體上之各種波長之光的通量。通常，電荷聚積在對電荷進行有效地積分之電容元件上，從而產生電壓，該電壓對應於稱作積分間隔或積分週期之給定時間間隔上的通量之強度。
焦平面陣列中之每一單位胞元通常對應於所要場景之最終影像中的圖像元素或像素。像素被視為數位影像之最小部分。數位影像通常由像素之陣列組成。耦接至影像擷取裝置之電路系統可進行後光擷取處理步驟，以將來自每一單位胞元之聚積電荷轉換成像素資訊。此資訊可包括顏色、飽和度、亮度或數位影像儲存格式可需要的其他資訊。數位影像可以諸如.JPG、.GIF、.TIFF的格式，或任何其他適合的格式儲存。
在傳統類比單位胞元中，阱電容器耦接至檢測器二極體。阱電容器在積分間隔(例如10 µs)上對來自檢測器二極體之光電流進行積分。每幀一次，阱電容器上之電壓傳送至取樣保持電容器且然後逐行傳送出至將電壓轉換為二進制值之類比至數位轉換器(ADC)。然而，因為單位胞元大小已減小，所以阱電容器儲存有效電荷量之能力已減弱。
傳統「數位」單位胞元提供用於聚積電荷之類比至數位轉換(ADC)。單位胞元內類比至數位轉換(ADC)成像提供改良光電荷容量，即使在單位胞元之所要大小繼續縮小(例如至不到15微米)時亦如此。例如，傳統數位單位胞元設計包括量化模擬前端電路，該量化模擬前端電路將電荷聚積在相對小的電容器上，且在每次臨限電荷儲存在電容器上時重置(亦即，被放電)。充電及重置之模式在更多光電流進行積分時重複。每一重置事件藉由數位計數器電路「聚積」(亦即計數)。每一幀地，藉由將數位計數器內容拷貝至快照暫存器且然後將該快照暫存器逐行讀出以獲取全域快照。效果為指數地增大成像器之阱容量而同時保持相對小的單位胞元大小。
發明概要 所提供之數位單位胞元包括新類比計數器元件，該新類比計數器元件能夠計數對應積分電容器之電荷重置事件(亦即，放電事件)。類比計數器元件經設定具有最初計數器電壓，且該計數器電壓在每次數位單位胞元之積分電容器重置時減小。聚積在數位單位胞元中之總電荷可基於類比計數器之計數電壓減小之次數及儲存在積分電容器上之任何殘餘電壓來計算。與傳統數位計數器元件相比，類比計數器在實體上更小，藉由更小功率來操作，且注入更小串擾。類比計數器亦能夠保持等於傳統數位計數器之最大計數器值，而不管其較小大小。
態樣及實施例係關於數位單位胞元，該數位單位胞元包含：光二極體；積分電容器，其耦接至光二極體，且經組配來聚積響應於在積分週期上入射至光二極體上之輸入光信號由光二極體產生的電荷；比較器，其耦接至積分電容器，且經組配來將積分電容器兩端電壓與臨限電壓進行比較，且經組配來在每次作出積分電容器兩端電壓大於臨限電壓之判定時在第一電平處產生控制信號；電荷減法電路，其耦接至積分電容器及至比較器，且經組配來自比較器接收第一電平處之控制信號，且經組配來在每次第一電平處之控制信號自比較器接收時使積分電容器上之聚積電荷放電；至少一個類比計數器，其耦接至比較器，且經組配來自比較器接收第一電平處之控制信號，且經組配來在每次第一電平處之控制信號自比較器接收時以固定量減小計數電壓；以及計數器讀出電路，其耦接至至少一個類比計數器，且經組配來在積分週期之結尾處將計數電壓提供至影像處理電路。
根據一個實施例，至少一個類比計數器包含計數電容器，該計數電容器耦接至計數器讀出電路，且經組配來保持計數電壓。在另一實施例中，至少一個類比計數器進一步包含電晶體電路，該電晶體電路耦接至計數電容器，且經組配來在每次至少一個類比計數器自比較器接收第一電平處之控制信號時自計數電容器移除電荷之固定部分。在一個實施例中，至少一個類比計數器進一步包含重置電路，該重置電路耦接至計數電容器，且經組配來在積分週期之開始處將計數電壓設定為初始值。
根據另一實施例，數位單位胞元進一步包含採樣保持電容器，該採樣保持電容器耦接至積分電容器，且經組配來在積分週期之結尾處自積分電容器接收殘餘電壓。在一個實施例中，數位單位胞元進一步包含殘餘讀出電路，該殘餘讀出電路耦接至採樣保持電容器，且經組配來在積分週期之結尾處自採樣保持電容器輸出殘餘電壓。在另一實施例中，數位單位胞元進一步包含影像處理電路，該影像處理電路耦接至計數器讀出電路及殘餘讀出電路，且經組配來自計數器讀出電路接收計數電壓，自殘餘讀出電路接收殘餘電壓，以及基於計數電壓及殘餘電壓計算由數位單位胞元聚積之總電荷。在一個實施例中，影像處理電路進一步經組配來藉由以下方式計算由數位單位胞元聚積之總電荷：至少基於計數電壓來計算電荷減法電路使積分電容器上之聚積電荷放電的總次數；以及藉由將電荷減法電路使積分電容器上之聚積電荷放電的總次數與電荷之固定部分相乘且加上殘餘電壓，來計算由數位單位胞元聚積之總電荷。
根據一個實施例，電荷減法電路包含電晶體電路，該電晶體電路經組配來在每次電荷減法電路自比較器接收第一電平處之控制信號時移除積分電容器上之聚積電荷。在一個實施例中，至少一個類比計數器包括：第一類比計數器，其經由第一計數器選擇開關選擇性耦接至計數器讀出電路；以及第二類比計數器，其經由第二計數器選擇開關選擇性耦接至計數器讀出電路。
至少一個態樣係關於用於操作包含光二極體及積分電容器之數位單位胞元的方法，該方法包含：響應於在積分週期上入射至光二極體上之輸入光信號產生電荷；將電荷聚積在積分電容器上；將積分電容器兩端電壓與臨限電壓進行比較；在每次積分電容器兩端電壓超過臨限電壓時移除積分電容器上之聚積電荷；在每次積分電容器兩端電壓超過臨限電壓時以固定量減小類比計數器之計數電壓；以及在積分週期之結尾處將類比計數器之計數電壓讀出至影像處理器。
根據一個實施例，移除積分電容器上之聚積電荷包括：將積分電容器耦接至接地。在另一實施例中，以固定量減小類比計數器之計數電壓包括：自類比計數器中之計數電容器移除電荷之固定部分。在一個實施例中，該方法進一步包含：在積分週期之開始處將類比計數器之計數電壓設定為初始值。在另一實施例中，該方法進一步包含：在積分週期之結尾處將積分電容器兩端殘餘電壓讀出至影像處理器。
根據另一實施例，該方法進一步包含：基於計數電壓及殘餘電壓藉由影像處理器計算由數位單位胞元聚積之總電荷。在一個實施例中，計算由數位單位胞元聚積之總電荷包括：至少基於計數電壓、積分電容器上之聚積電荷被放電的總次數來計算；以及藉由將積分電容器上之聚積電荷被放電的總次數與電荷之固定部分相乘且加上殘餘電壓，來計算由數位單位胞元聚積之總電荷。
另一態樣係關於影像感測器，該影像感測器包含：影像處理電路；單位胞元陣列，其耦接至影像處理電路，每一單位胞元包含：光二極體，其耦接至積分電容器，積分電容器經組配來聚積由在積分週期上入射至光二極體上之輸入光信號產生的電荷；比較器，其耦接至積分電容器，且經組配來將積分電容器兩端電壓與臨限電壓進行比較，且在每次作出積分電容器兩端電壓大於臨限電壓之判定時在第一電平處產生控制信號；電荷減法電路，其耦接至積分電容器及比較器，且經組配來在每次第一電平處之控制信號自比較器接收時使積分電容器上之聚積電荷放電；用於保持類比計數器之計數電壓的構件，該計數電壓對應於積分電容器上之聚積電荷已被放電之次數；以及讀數電路，其耦接至類比計數器，且經組配來在積分週期之結尾處將計數電壓提供至影像處理電路。
根據一個實施例，每一單位胞元進一步包含用於在積分週期之結尾處讀出積分電容器兩端殘餘電壓之構件。在另一實施例中，影像處理電路經組配來基於自每一單位胞元接收之計數電壓及殘餘電壓計算由每一單位胞元聚積之總電荷。
較佳實施例之詳細說明 如上所論述，影像擷取裝置之影像感測器可包括經組配來自所要場景接收光之類比或數位單位胞元陣列。所接收之光使陣列中之每一單位胞元聚積與其位置處之光強度成比例之電荷，且耦接至每一單位胞元之影像處理電路系統將聚積電荷轉換為對應於所要場景之影像資訊。
數位單位胞元類似於類比單位胞元地對電荷進行積分；然而，當數位單位胞元之所積分之電荷超過最大電平時，數位單位胞元內側的額外電路系統移除所積分之電荷而同時增量單獨計數器值。在積分電荷移除(且計數器增量)之後，數位單位胞元中之電荷之積分再次開始。因此，數位單位胞元需要計數元件，該計數元件經組配來在每次積分節點重置時(亦即，在每次電荷自單位胞元移除時)增量。
數位計數器元件通常在數位單位胞元內用來計數儲存在單位胞元上之電荷已重置之次數；然而，此類數位計數器通常又大又複雜。因此，態樣及實施例係關於此種數位單位胞元，其包括類比計數器元件，該類比計數器元件與傳統數位計數器元件相比，在實體上更小，藉由更小功率來操作，且注入更小串擾。本文所述之類比計數器元件利用僅少量電晶體允許約100之最大計數器值。傳統數位計數器元件在每位元上包括至少二十六各電晶體(例如182個電晶體對應相等的最大計數器值128)。
應瞭解，本文所論述的方法及設備之實施例在應用中不限於以下描述中所闡述或隨附圖式中所例示的構造之細節及組件之佈置。該等方法及設備能夠在其他實施例中實行，且能夠以各種方式實踐或執行。特定實行方案之實例在本文中僅出於例示性目的而提供，而不意欲為限制。此外，本文所使用的用語及術語用於描述之目的，且不應被視為限制。本文使用的「包括」、「包含」「具有」、「含有」、「涉及」及其變化在本文中之使用意味涵蓋在該等術語之後所表列的項目及該等項目之等效物以及額外項目。對「或」之引用可理解為包括在內的，使得使用「或」描述的任何術語可指示所描述的術語中的單個、多於一個及全部中的任一個。
圖1為例示根據本文所述之態樣之可用來擷取影像的影像擷取裝置10之方塊圖。例如裝置10可為數位攝影機、視訊攝影機或其他照相及/或影像擷取器材。影像擷取裝置10包含影像感測器120及影像處理單元106。影像感測器120可為主動像素感測器(APS)或可擷取影像的其他適合光感測裝置。影像處理單元106可為可操作來自影像感測器120接收信號資訊且將信號資訊轉換成數位影像的硬體、軟體及/或韌體之組合。
影像感測器120包括單位胞元160之陣列170。每一單位胞元160聚積視野領域中與該位置處的光強度成比例之電荷，且將該位置處之光強度之指示提供至影像處理單元106。每一單位胞元160可對應於所擷取電子影像中之像素。
用於使用影像擷取裝置10的影像擷取之特定方法可為漣波擷取。漣波擷取為按順序擷取來自影像感測器120的單位胞元之每一列的方法。例如，漣波擷取可使影像感測器120之單位胞元之頂列暴露於光，接著為第二列，接著為第三列，等等，直至影像感測器120之單位胞元之末列暴露於光為止。影像處理單元106用以接收由影像感測器120擷取的像素資訊之另一特定方法可為漣波讀取。漣波讀取為按順序處理來自影像感測器120的單位胞元之每一列的方法。與漣波擷取類似，漣波讀取可處理影像感測器120之單位胞元之頂列，接著為第二列，接著為第三列，等等，直至處理影像感測器120之單位胞元之末列為止。可類似地進行用來重置影像感測器120之單位胞元之列的漣波重置操作。
可在連續列上進行此等方法。例如，漣波擷取操作可自影像感測器120之第一列開始。當漣波擷取操作移動至第二列時，漣波讀取操作可在影像感測器120之第一列上開始。在漣波擷取操作移動至第三列之後，漣波讀取操作可在第二列上開始，且漣波重置操作可在第一列上開始。此可繼續直至末列經處理為止。一旦末列經處理，影像可由處理單元106處理、儲存及/或傳輸。
圖2為例示根據本文所述之態樣之數位單位胞元200的方塊圖。數位單位胞元200被包括在單位胞元160中之至少一者中，且包括動態比較器202、光二極體203、電荷減法電路204、積分電容器206、CDS電容器207、緩衝器208、殘餘讀出電路210、類比計數器212及採樣保持電容器211。類比計數器212包括第一開關(pSubA)、第二開關(pSubAN)、計數電容器220、電晶體222、計數器讀出電路213及重置電路215。電荷減法電路包括第一開關(pSub)、第二開關(pSubN)及電晶體205。
動態比較器202、光二極體203及電荷減法電路204耦接至積分電容器206。CDS電容器207耦接在積分電容器206與緩衝器208之間。殘餘讀出電路210耦接至緩衝器208且亦經組配來耦接至影像處理單元106。採樣保持電容器耦接至殘餘讀出電路210。電荷減法電路204之第一開關(pSub)耦接在偏置電壓(vBiasN1)與電晶體205之門控之間。電荷減法電路204之第二開關(pSubN)耦接在電晶體之門控與接地之間。
類比計數器212及電荷減法電路204與動態比較器202通訊。類比計數器212之第一開關(pSubA)選擇性耦接在偏置電壓(VBiasN2)與電晶體222之門控之間。第二開關(pSubAN)選擇性耦接在電晶體222之門控與接地之間。電晶體222之源極耦接至接地，且電晶體222之汲極耦接至計數電容器220。計數電容器220亦耦接至重置電路215及計數器讀出電路213。計數器讀取電路213經組配來耦接至影像處理單元106。
數位單位胞元200之操作相對於圖3描述如下。圖3包括例示根據至少一個實施例之在數位單位胞元之操作期間的數位單位胞元200中之不同電壓的曲線圖。圖3包括第一曲線圖300，第一曲線圖300包括表示在時間上之積分電容器兩端電壓之第一跡線302及表示臨限電壓(vHigh)之第二跡線304。圖3亦包括第二曲線圖310，第二曲線圖310包括表示在時間上之計數電容器220兩端計數電壓之跡線312。
在積分週期之開始(亦即時間=0)處，積分電容器206兩端電壓302為零伏特，且重置電路215將計數電容器220兩端計數電壓312設定為所要最初計數電壓。例如，在積分週期之開始處，重置信號(pRst)經提供(例如藉由影像處理單元106或另一控制器)提供至重置電路215。在接收重置信號(pRst)後，重置電路215將計數電容器220耦接至所要最初計數電壓。在一個實施例中，最初計數電壓為3.4 V；然而，在其他實施例中，最初計數電壓得以不同地組配。計數電容器220兩端最初計數電壓3.4V經理解(例如藉由影像處理單元106)來表示零之計數值。
在來自場景之光學輻射(例如輸入光信號)入射至光二極體203上時，來自光二極體203之所得光電流經提供至積分電容器206，且對應於入射至光二極體203上之光學輻射之通量的電荷聚積在積分電容器206上。在電荷聚積在積分電容器206上時，積分電容器206兩端電壓302以等於光電流之電平除以積分電容器206之電容(Cint)之比率增大(亦即，跡線302之斜率取決於入射至光二極體203上之光學輻射之通量的強度)。積分電容器兩端電壓302由動態比較器202監測。更確切而言，積分電容器兩端電壓302藉由動態比較器202與臨限電壓(vHigh)304進行比較。
響應於積分電容器206兩端電壓302小於臨限電壓(vHigh)304之判定，動態比較器輸出低pSub*控制信號。低pSub*控制信號經提供至電荷減法電路204之第一開關(pSub)及第二開關(pSubN)，且經提供至類比計數器212之第一開關(pSubA)及第二開關(pSubAN)。低pSub*控制信號操作電荷減法電路204之第一開關(pSub)以保持打開，且操作電荷減法電路204之第二開關(pSubN)以保持關閉。因而，電晶體505之門控耦接至接地，且電荷減法電路204不影響積分電容器206兩端電壓(亦即，電壓302在光學輻射入射至光二極體203上時繼續增大)。低pSub*控制信號操作類比計數器212之第一開關(pSubA)以保持打開，且操作類比計數器212之第二開關(pSubAN)以保持關閉。因而，電晶體222之門控耦接至接地，且計數電容器220兩端計數電壓312不變。
響應於積分電容器206兩端電壓302大於臨限電壓(vHigh)304之判定，動態比較器202輸出高pSub*控制信號。高pSub*控制信號經提供至電荷減法電路204之第一開關(pSub)及第二開關(pSubN)，且經提供至類比計數器212之第一開關(pSubA)及第二開關(pSubAN)。高pSub*控制信號操作電荷減法電路204之第一開關(pSub)以關閉，且操作電荷減法電路204之第二開關(pSubN)以打開，進而將偏置信號vBiasN1提供至電晶體205之門控。電晶體205之門控處的偏置信號vBiasN1操作電晶體205以將積分電容器206耦接至接地，且積分電容器206經放電至接地(亦即，積分電容器206兩端電壓302變為零)。在一個實施例中，偏置信號vBiasN1藉由影像處理單元106提供至電晶體205之門控；然而，在其他實施例中，偏置信號vBiasN1藉由與數位單位胞元200通訊之另一控制器提供至電晶體205之門控。
高pSub*控制信號亦操作類比計數器212之第一開關(pSubA)以關閉，且操作類比計數器212之第二開關(pSubAN)以打開，進而將偏置信號vBiasN2提供至電晶體222之門控。在一個實施例中，偏置信號vBiasN2藉由影像處理單元106提供至電晶體222之門控；然而，在其他實施例中，偏置信號vBiasN2藉由與數位單位胞元200通訊之另一控制器提供至電晶體222之門控。
提供至電晶體222之門控的偏置信號vBiasN2經組配以使得其操作電晶體222以便自計數電容器220移除固定電荷量。根據至少一個實施例，自計數電容器220移除之固定電荷量係由偏置信號vBiasN2之脈衝寬度與電流量值限定。在固定電荷量自計數電容器220移除時，計數電容器220兩端計數電壓312亦以固定量減小。根據一個實施例，計數電容器兩端計數電壓312以約.075V減小；然而，在其他實施例中，計數電容器兩端電壓312減小之量(亦即，及對應固定移除電荷量)可經設定為一些其他適當值。
一旦積分電容器206兩端電壓302降至零，動態比較器202則再次輸出低pSub*控制信號，該低pSub*控制信號操作電荷減法電路204之第一開關(pSub)以打開，操作電荷減法電路204之第二開關(pSubN)以關閉，操作類比計數器212之第一開關(pSubA)以打開，且操作類比計數器212之第二開關(pSubAN)以關閉。一旦電荷減法電路204之第二開關(pSubN)關閉，積分電容器206則再次聚積來自響應於入射至光二極體203上之輻射由光二極體203產生之光電流的電荷(亦即，積分電容器206兩端電壓302增大)。
響應於積分電容器206兩端電壓302再次大於臨限電壓(vHigh)304之判定，動態比較器202輸出高pSub*控制信號。高pSub*控制信號操作電荷減法電路204之第一開關(pSub)以關閉，且操作電荷減法電路204之第二開關(pSubN)以打開，進而將偏置信號vBiasN1提供至電晶體205之門控。電晶體205之門控處的偏置信號vBiasN1操作電晶體205以將積分電容器206耦接至接地，且積分電容器206經放電至接地(亦即，積分電容器206兩端電壓302再次變為零)。
高pSub*控制信號亦操作類比計數器212之第一開關(pSubA)以關閉，且操作類比計數器212之第二開關(pSubAN)以打開，進而將偏置信號vBiasN2提供至電晶體222之門控。提供至電晶體222之門控的偏置信號vBiasN2經組配以使得其操作電晶體222，以便自計數電容器220再次移除固定電荷量，且以固定量減小計數電容器220兩端計數電壓312。一旦積分電容器206兩端電壓302降至零，動態比較器202則再次輸出低pSub*控制信號，該低pSub*控制信號操作電路200以使得電荷再次聚積在積分電容器206上。
將電荷聚積在積分電容器206上，在積分電容器206兩端電壓302超過臨限電壓(vHigh)304時積分電容器206放電，以及在每次積分電容器206上之電荷重置時減小計數電容器220兩端計數電壓312，此等上述製程連續重複直至積分週期結束為止。在積分週期之結尾處(例如在時間=50 mS處，如圖3所示)，積分電容器兩端殘餘電壓提供至採樣保持電容器211。影像處理單元106操作殘餘讀出電路210以將儲存在採樣保持電容器211上之殘餘電壓提供至影像處理單元106。影像處理單元106亦操作計數讀出電路213以將計數電容器220上之電流電壓312提供至影像處理單元106。
在並行地讀出殘餘電壓及類比計數器電壓電平後，影像處理單元106分析電壓來判定在整個積分週期期間聚積的總電荷量。例如，藉由已知計數電容器220經設定的初始值(例如3.4 V)、積分週期結尾處的計數電容器220兩端電壓(例如2.6 V，如圖3所示)及計數電容器220之在每一重置事件處的電壓變化(例如.075 V)，影像處理單元106可鑑別電荷減法電路204已重置積分電容器206上之電荷的次數。藉由將積分電容器206重置次數與在每一重置事件處自積分電容器206移除之固定電荷量相乘(vHigh * Cint=q)且加上積分電容器206兩端殘餘電壓，影像處理單元106可計算在積分週期期間聚積的總電荷。藉由計算由影像感測器120之每一單位胞元160聚積的總電荷，影像處理單元106可基於入射至每一單位胞元160上之輻射產生數位影像。
如上所述，數位單位胞元200包括單個類比計數器212；然而，在其他實施例中，數位單位胞元200可包括第二類比計數器214。第二類比計數器214經組配為與第一類比計數器212大體相同，且與第一類比計數器212大體相同地操作。在其中數位單位胞元200包括多個類比計數器之實施例中，第一類比計數器212之計數電容器220經由計數器選擇開關224選擇性耦接至計數器讀出電路213，且第二類比計數器212之計數電容器220經由計數器選擇開關226選擇性耦接至計數器讀出電路213。影像處理單元106(或與數位單位胞元200通訊之另一控制器)操作每一計數器選擇開關224、226來交替哪一類比計數器212、214將計數電壓提供至計數器讀出電路系統213。
例如，在一個實施例中，在第一積分週期期間，如上所述，積分電容器206聚積電荷，且類比計數器212計數重置事件(亦即，藉由在每次積分電容器206重置時以固定量減小計數電壓)。在第一積分週期結尾處，影像處理單元106或與數位單位胞元200通訊之控制器操作計數器選擇開關224以關閉，且操作計數器選擇開關226以打開，進而將類比計數器212之計數電容器220上之計數電壓提供至計數器讀出電路系統213。
在第二積分週期期間，及在讀出電路系統213自類比計數器212之計數電容器220讀出計數電壓之同時，如上所述，積分電容器206繼續來聚積電荷，且類比計數器214計數重置事件(亦即，藉由在每次積分電容器206重置時以固定量減小計數電壓)。在第二積分週期之結尾處，影像處理單元106或與數位單位胞元200通訊之控制器操作計數器選擇開關226以關閉，且操作計數器選擇開關224以打開，進而將類比計數器214之計數電容器220上之計數電壓提供至計數器讀出電路系統213。藉由連續交替，在其中類比計數器212、214計數重置事件且其中藉由計數器讀出電路系統213被讀出之多個積分週期上，入射至光檢測器203上之輻射之積分可連續進行(亦即，不需要停工時期來自數位單位胞元讀出資訊)。根據其他實施例，數位單位胞元200可包括任何數量的類比計數器。
如上所述，類比計數器之計數電壓在每次積分電容器重置時減小。然而，在其他實施例中，類比計數器之計數電壓可在每次積分電容器重置時增大。
如亦在上文描述的，積分電容器206經由CDS電容器207耦接至緩衝器208；然而，在其他實施例中，CDS電容器207可移除，且積分電容器206可經由採樣保持開關(pSH)直接耦接至緩衝器208或至採樣保持電容器211。
如上所述，所提供之數位單位胞元包括類比計數器元件。類比計數器元件經設定具有最初計數器電壓，且該計數器電壓在每次數位單位胞元之積分電容器重置時減小。聚積在數位單位胞元中之總電荷可基於類比計數器之計數電壓減小之次數及儲存在積分電容器上之任何殘餘電壓來計算。與傳統數位計數器元件相比，類比計數器在實體上更小，藉由更小功率來操作，且注入更小串擾。類比計數器亦能夠保持等於傳統數位計數器之最大計數器值，而不管其較小大小。
已在上文描述至少一個實施例之若干態樣，應理解，各種變化、修改及改良將對熟習此項技術者顯而易見。此類變化、修改及改良旨在成為本揭示內容之部分且旨在落入本發明範疇內。因此，先前描述及圖式僅藉由實例之方式，且本發明之範疇應根據隨附申請專利範圍及其等效物之適當構造來判定。
10‧‧‧影像擷取裝置/裝置
106‧‧‧影像處理單元/處理單元
120‧‧‧影像感測器
160‧‧‧單位胞元
170‧‧‧陣列
200‧‧‧數位單位胞元/電路
202‧‧‧動態比較器
203‧‧‧光二極體/光檢測器
204‧‧‧電荷減法電路
205、222‧‧‧電晶體
206‧‧‧積分電容器
207‧‧‧CDS電容器
208‧‧‧緩衝器
210‧‧‧殘餘讀出電路
211‧‧‧採樣保持電容器
212‧‧‧類比計數器/第一類比計數器
213‧‧‧計數器讀出電路/計數器讀取電路/計數器讀出電路系統/計數讀出電路
214‧‧‧類比計數器/第二類比計數器
215‧‧‧重置電路
220‧‧‧計數電容器
224、226‧‧‧計數器選擇開關
300‧‧‧第一曲線圖
302‧‧‧第一跡線/跡線/電壓
304‧‧‧臨限電壓(vHigh)/第二跡線
310‧‧‧第二曲線圖
312‧‧‧跡線/電壓
以下參考並非意欲按比例繪製的隨附圖式論述至少一個實施例之各種態樣。各圖被包括來提供例示及對各種態樣及實施例之進一步理解，且併入本說明書中並構成本說明書之一部分，但是不意欲作為本發明之限制的定義。在各圖中，各種圖式中例示的每一相同或幾乎相同組件藉由類似數字表示。出於清晰性之目的，並未在每一圖中標記每一組件。在諸圖中： 圖1為例示根據本發明之態樣之影像擷取裝置的方塊圖； 圖2為例示根據本發明之數位單位胞元的方塊圖；並且 圖3包括例示根據本發明之態樣的數位單位胞元電路之操作的曲線圖。

Claims (20)

  1. 一種數位單位胞元，其包含：一光二極體；一積分電容器，其耦接至該光二極體，且經組配來聚積響應於在一積分週期上入射至該光二極體上之一輸入光信號由該光二極體產生的電荷；一比較器，其耦接至該積分電容器，且經組配來將該積分電容器兩端之一電壓與一臨限電壓進行比較，且經組配來在每次作出該積分電容器兩端電壓大於該臨限電壓之一判定時產生處在一第一電平之一控制信號；一電荷減法電路，其耦接至該積分電容器及至該比較器，且經組配來自該比較器接收處在該第一電平之該控制信號，且經組配來在每次自該比較器接收到處在該第一電平之該控制信號時使該積分電容器上之該聚積電荷放電；至少一個類比計數器，其耦接至該比較器，且經組配來自該比較器接收處在該第一電平之該控制信號，且經組配來在每次自該比較器接收到處在該第一電平之該控制信號時以一固定量減小一計數電壓；以及一計數器讀數電路，其耦接至該至少一個類比計數器，且經組配來在該積分週期之一結尾處將該計數電壓提供至一影像處理電路。
  2. 如請求項1之數位單位胞元，其中該至少一個類比計數器包含一計數電容器，該計數電容器耦接至該計數器讀出電路，且經組配來保持該計數電壓。
  3. 如請求項2之數位單位胞元，其中該至少一個類比計數器進一步包含一電晶體電路，該電晶體電路耦接至該計數電容器，且經組配來在每次該至少一個類比計數器自該比較器接收到處在該第一電平之該控制信號時自該計數電容器移除電荷之一固定部分。
  4. 如請求項3之數位單位胞元，其中該至少一個類比計數器進一步包含一重置電路，該重置電路耦接至該計數電容器，且經組配來在該積分週期之一開始處將該計數電壓設定為一初始值。
  5. 如請求項3之數位單位胞元，其進一步包含一採樣保持電容器，該採樣保持電容器耦接至該積分電容器，且經組配來在該積分週期之該結尾處自該積分電容器接收一殘餘電壓。
  6. 如請求項5之數位單位胞元，其進一步包含一殘餘讀出電路，該殘餘讀出電路耦接至該採樣保持電容器，且經組配來在該積分週期之該結尾處自該採樣保持電容器輸出該殘餘電壓。
  7. 如請求項6之數位單位胞元，其進一步包含一影像處理電路，該影像處理電路耦接至該計數器讀出電路及該殘餘讀出電路，且經組配來自該計數器讀出電路接收該計數電壓，自該殘餘讀出電路接收該殘餘電壓，以及基於該計數電壓及該殘餘電壓計算由該數位單位胞元聚積之一總電荷。
  8. 如請求項7之數位單位胞元，其中該影像 處理電路進一步經組配來藉由以下方式計算由該數位單位胞元聚積之該總電荷：至少基於該計數電壓來計算該電荷減法電路使該積分電容器上之該聚積電荷放電的一總次數；以及藉由將該電荷減法電路使該積分電容器上之該聚積電荷放電的該總次數與電荷之該固定部分相乘且加上該殘餘電壓，來計算由該數位單位胞元聚積之該總電荷。
  9. 如請求項1之數位單位胞元，其中該電荷減法電路包含一電晶體電路，該電晶體電路經組配來在每次該電荷減法電路自該比較器接收到處在該第一電平之該控制信號時移除該積分電容器上之該聚積電荷。
  10. 如請求項1之數位單位胞元，其中該至少一個類比計數器包括：一第一類比計數器，其經由一第一計數器選擇開關選擇性耦接至該計數器讀出電路；以及一第二類比計數器，其經由一第二計數器選擇開關選擇性耦接至該計數器讀出電路。
  11. 一種用於操作包含一光二極體及一積分電容器之一數位單位胞元的方法，該方法包含：響應於在一積分週期上入射至該光二極體上之一輸入光信號產生電荷；將該電荷聚積在該積分電容器上；將該積分電容器兩端之一電壓與一臨限電壓進行比較；在每次該積分電容器兩端電壓超過該臨限電壓時移 除該積分電容器上之該聚積電荷；在每次該積分電容器兩端電壓超過該臨限電壓時以一固定量減小一類比計數器之一計數電壓；以及在該積分週期之一結尾處將該類比計數器之該計數電壓讀出至一影像處理器。
  12. 如請求項11之方法，其中移除該積分電容器上之該聚積電荷包括：將該積分電容器耦接至接地。
  13. 如請求項11之方法，其中以該固定量減小該類比計數器之該計數電壓包括：自該類比計數器中之一計數電容器移除電荷之一固定部分。
  14. 如請求項13之方法，其進一步包含：在該積分週期之一開始處將該類比計數器之該計數電壓設定為一初始值。
  15. 如請求項13之方法，其進一步包含：在該積分週期之一結尾處將該積分電容器兩端之一殘餘電壓讀出至該影像處理器。
  16. 如請求項15之方法，其進一步包含：基於該計數電壓及該殘餘電壓藉由該影像處理器計算由該數位單位胞元聚積之一總電荷。
  17. 如請求項16之方法，其中計算由該數位單位胞元聚積之一總電荷包括：至少基於該計數電壓來計算該積分電容器上之該聚積電荷被放電的一總次數；以及藉由將該積分電容器上之該聚積電荷被放電的該總 次數與電荷之該固定部分相乘且加上該殘餘電壓，來計算由該數位單位胞元聚積之該總電荷。
  18. 一種影像感測器，其包含：一影像處理電路；一單位胞元陣列，其耦接至該影像處理電路，每一單位胞元包含：一光二極體，其耦接至一積分電容器，該積分電容器經組配來聚積由在一積分週期上入射至該光二極體上之一輸入光信號產生的電荷；一比較器，其耦接至該積分電容器，且經組配來將該積分電容器兩端之一電壓與一臨限電壓進行比較，且經組配來在每次作出該積分電容器兩端電壓大於該臨限電壓之一判定時產生處在一第一電平之一控制信號；一電荷減法電路，其耦接至該積分電容器及該比較器，且經組配來在每次自該比較器接收到處在該第一電平之該控制信號時使該積分電容器上之該聚積電荷放電；用於保持一類比計數器之一計數電壓的構件，該計數電壓對應於該積分電容器上之該聚積電荷已被放電之一次數；以及一讀數電路，其耦接至該類比計數器，且經組配來在該積分週期之一結尾處將該計數電壓提供至該影像處理電路。
  19. 如請求項18之影像感測器，其中每一單位胞元進一步包含用於在該積分週期之該結尾處讀出該積分 電容器兩端之一殘餘電壓之構件。
  20. 如請求項19之影像感測器，其中該影像處理電路經組配來基於自每一單位胞元接收之該計數電壓及該殘餘電壓計算由每一單位胞元聚積之一總電荷。
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