TWI710125B - 影像感測器及其像素陣列電路 - Google Patents

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Abstract

一種影像感測器及其像素陣列電路。影像感測器包括像素陣列電路及讀出電路。像素陣列電路包括多個像素單元。各像素單元包括光感測器、傳輸電路、源極追隨電路以及電壓調整電路。傳輸電路耦接在光感測器與浮動擴散節點之間，且受控於傳輸控制信號以控制光感測器與浮動擴散節點之間的電荷傳輸。源極追隨電路耦接浮動擴散節點，用以將浮動擴散節點的電壓轉換為輸出電壓信號。電壓調整電路耦接浮動擴散節點，用以調整浮動擴散節點的電壓的直流位準，以增加輸出電壓信號的可擺動範圍。讀出電路耦接各像素單元的源極追隨電路以接收輸出電壓信號，且對輸出電壓信號進行處理以取得對應的數位像素值。

Description

影像感測器及其像素陣列電路
本發明是有關於一種影像感測器，且特別是有關於一種可調整浮動擴散節點之直流偏移的影像感測器及其像素陣列電路。
一般來說，暗電流(dark current)是影像感測器的主要雜訊來源之一。詳細來說，在影像感測器的像素陣列電路中的光感測元件未進行曝光的情況下，光感測元件仍能產生的電流即是所謂的暗電流。暗電流會導致像素陣列電路所產生的輸出電壓信號具有直流偏移(DC offset)。在直流偏移很大的情況下，會大大地限制輸出電壓信號的可擺動範圍，使得影像感測器的讀出電路在對輸出電壓信號進行處理的過程中發生信號飽和或是無法取得正確的數位像素值。
有鑑於此，本發明提供一種影像感測器及其像素陣列電路，藉由調整像素陣列電路中的各浮動擴散節點的電壓的直流位準(或直流偏移)，可有效地增加像素陣列電路所產生的輸出電壓信號的可擺動範圍。
本發明的影像感測器包括像素陣列電路以及讀出電路。像素陣列電路包括多個像素單元，其中各像素單元包括光感測器、傳輸電路、源極追隨電路以及電壓調整電路。傳輸電路耦接在光感測器與浮動擴散節點之間，且受控於傳輸控制信號以控制光感測器與浮動擴散節點之間的電荷傳輸。源極追隨電路耦接浮動擴散節點，用以將浮動擴散節點的電壓轉換為輸出電壓信號。電壓調整電路耦接浮動擴散節點，用以調整浮動擴散節點的電壓的直流位準，以增加輸出電壓信號的可擺動範圍。讀出電路耦接各像素單元的源極追隨電路以接收輸出電壓信號，且對輸出電壓信號進行處理以取得對應的數位像素值。
在本發明的一實施例中，上述的電壓調整電路包括電容器。電容器的第一端用以接收調整電壓信號，且電容器的第二端耦接浮動擴散節點。
在本發明的一實施例中，傳輸電路包括傳輸開關以及重置開關。傳輸開關的第一端耦接光感測器，傳輸開關的第二端耦接浮動擴散節點，且傳輸開關的控制端接收傳輸控制信號。重置開關的第一端耦接重置電源，重置開關的第二端耦接浮動擴散節點，且重置開關的控制端接收重置控制信號。
在本發明的一實施例中，源極追隨電路包括電晶體以及電流源。電晶體的第一端耦接重置電源，電晶體的控制端耦接浮動擴散節點，且電晶體的第二端用以提供輸出電壓信號。電流源耦接在電晶體的第二端與接地電壓端之間。
在本發明的一實施例中，輸出電壓信號的可擺動範圍介於重置電源的電壓值與光感測器的釘扎電壓值之間。
本發明的像素陣列電路包括多個像素單元。各像素單元包括光感測器、傳輸電路、源極追隨電路以及電壓調整電路。傳輸電路耦接在光感測器與浮動擴散節點之間，且受控於傳輸控制信號以控制光感測器與浮動擴散節點之間的電荷傳輸。源極追隨電路耦接浮動擴散節點，用以將浮動擴散節點的電壓轉換為輸出電壓信號。電壓調整電路耦接浮動擴散節點，用以調整浮動擴散節點的電壓的直流位準，以增加輸出電壓信號的可擺動範圍。
基於上述，本發明實施例所提出的影像感測器及其像素陣列電路，可透過各像素單元中的電壓調整電路來調整浮動擴散節點的電壓的直流位準。如此一來，可有效地增加各像素單元所產生的輸出電壓信號的可擺動範圍，以利於讀出電路取得正確的數位像素值。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
現將詳細參考本發明示範性實施例，在附圖中說明所述示範性實施例的實例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件代表相同或類似部分。
圖1是依照本發明一實施例所繪示的影像感測器的電路方塊示意圖，圖2是依照本發明一實施例所繪示的像素單元的電路方塊示意圖。請合併參照圖1及圖2，影像感測器100可包括像素陣列電路120以及讀出電路140。像素陣列電路120可包括以陣列形式排列的多個像素單元PXU。各像素單元PXU可包括光感測器PD、傳輸電路222、源極追隨電路224以及電壓調整電路226，但本發明不限於此。
光感測器PD的陽極耦接至接地電壓端GND。傳輸電路222耦接在光感測器PD的陰極與像素單元PXU的浮動擴散節點FD之間，且受控於傳輸控制信號ST以控制光感測器PD與浮動擴散節點FD之間的電荷傳輸。源極追隨電路224耦接浮動擴散節點FD，用以將浮動擴散節點FD的電壓轉換為輸出電壓信號VO。電壓調整電路226耦接浮動擴散節點FD。特別的是，電壓調整電路226可用來調整浮動擴散節點FD的電壓的直流位準，從而增加輸出電壓信號VO的可擺動範圍。
另外，讀出電路140耦接各像素單元PXU中的源極追隨電路224以接收輸出電壓信號VO，且對輸出電壓信號VO進行處理以取得對應的數位像素值。
更進一步來說，在浮動擴散節點FD的電壓的直流位準過高的情況下，透過電壓調整電路226降低浮動擴散節點FD的電壓的直流位準，可增加輸出電壓信號VO的可擺動範圍。如此一來，在讀出電路140對輸出電壓信號VO進行處理(例如信號放大處理)的過程，可避免處理後(放大後)的輸出電壓信號發生信號飽和而無法取得正確的數位像素值。
在本發明的一實施例中，讀出電路140可採用現有的讀出電路來實現。舉例來說，讀出電路140可採用具有相關雙重取樣(correlated double sampling circuit，CDS)電路以及類比至數位轉換器(analog-to-digital converter，ADC)的讀出電路來實現，但本發明不限於此，本發明並不對讀出電路140的電路架構加以限制。由於讀出電路的實施方式及運作為本技術領域具有通常知識者所熟悉，故在此不再贅述。
圖3是依照本發明一實施例所繪示的圖2的像素單元的電路架構示意圖。請參照圖3，傳輸電路222可包括傳輸開關TX以及重置開關TR。傳輸開關TX的第一端耦接光感測器PD的陰極。傳輸開關TX的第二端耦接浮動擴散節點FD。傳輸開關TX的控制端接收傳輸控制信號ST。重置開關TR的第一端耦接重置電源VA。重置開關TR的第二端耦接浮動擴散節點FD。重置開關TR的控制端接收重置控制信號SR。另外，圖3亦繪示出存在於浮動擴散節點FD與接地電壓端GND之間的浮動擴散電容Cfd。
源極追隨電路224可包括電晶體M1以及電流源CSR。電晶體M1的第一端耦接重置電源VA。電晶體M1的控制端耦接浮動擴散節點FD。電晶體M1的第二端用以提供輸出電壓信號VO。電流源CSR耦接在電晶體M1的第二端與接地電壓端GND之間。電壓調整電路226可包括電容器C1。電容器C1的第一端用以接收調整電壓信號VX。電容器C1的第二端耦接浮動擴散節點FD。
在本發明的一實施例中，重置開關TR以及傳輸開關TX可採用金氧半場效電晶體來實現，但本發明不限於此。在本發明的一實施例中，電晶體M1可採用N型金氧半場效電晶體來實現，但本發明不限於此。
以下說明圖3的像素單元PXU的運作。首先，可藉由將重置控制信號SR以及傳輸控制信號ST驅動至第一位準(例如邏輯高位準)，以導通像素單元PXU的重置開關TR以及傳輸開關TX，從而重置像素單元PXU的光感測器PD以及浮動擴散節點FD。此時，浮動擴散節點FD的電壓值為重置電源VA的電壓值。接著，可將重置控制信號SR以及傳輸控制信號ST驅動至第二位準(例如邏輯低位準)，以關斷重置開關TR以及傳輸開關TX，並讓光感測器PD曝露於光線中達一段曝光時間而被積分。在光感測器PD完成曝光之後，可將傳輸控制信號ST驅動至第一位準(例如邏輯高位準)以導通傳輸開關TX，從而將光感測器PD的電荷傳輸至浮動擴散節點FD，致使浮動擴散節點FD的電壓降低，其中浮動擴散節點FD的電壓值介於重置電源VA的電壓值與光感測器PD的釘扎電壓(pinning voltage)值之間。而電晶體M1可將浮動擴散節點FD的電壓轉換為輸出電壓信號VO。
另外，透過電壓調整電路226來調整浮動擴散節點FD的電壓的直流位準，可讓輸出電壓信號VO的電壓值介於重置電源VA的電壓值與光感測器PD的釘扎電壓值之間，亦即輸出電壓信號VO的可擺動範圍介於重置電源VA的電壓值與光感測器PD的釘扎電壓值之間。
更進一步來說，若浮動擴散節點FD的電壓值過低，例如低於電晶體M1的臨界電壓(threshold voltage)值，則源極追隨電路224中的電晶體M1為截止狀態而無法將浮動擴散節點FD的電壓轉換為對應的輸出電壓信號VO，導致讀出電路140無法取得正確的數位像素值。於此情況下，可透過電壓調整電路226調高浮動擴散節點FD的電壓的直流位準，以讓源極追隨電路224可正常運作。
另一方面，若浮動擴散節點FD的電壓值過高而導致輸出電壓信號VO的電壓值過高，則可能會高於讀出電路140的可接受輸入範圍，導致讀出電路140無法取得正確的數位像素值。於此情況下，可透過電壓調整電路226調降浮動擴散節點FD的電壓的直流位準，從而降低輸出電壓信號VO的電壓值，以避免讀出電路140無法取得正確的數位像素值。
綜上所述，本發明實施例所提出的影像感測器及其像素陣列電路，可透過各像素單元中的電壓調整電路來調整浮動擴散節點的電壓的直流位準。如此一來，可有效地增加各像素單元所產生的輸出電壓信號的可擺動範圍，以利於讀出電路取得正確的數位像素值。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100:影像感測器 120:像素陣列電路 140:讀出電路 222:傳輸電路 224:源極追隨電路 226:電壓調整電路 C1:電容器 Cfd:浮動擴散電容 CSR:電流源 FD:浮動擴散節點 GND:接地電壓端 M1:電晶體 PD:光感測器 PXU:像素單元 SR:重置控制信號 ST:傳輸控制信號 TR:重置開關 TX:傳輸開關 VA:重置電源 VO:輸出電壓信號 VX:調整電壓信號
圖1是依照本發明一實施例所繪示的影像感測器的電路方塊示意圖。 圖2是依照本發明一實施例所繪示的像素單元的電路方塊示意圖。 圖3是依照本發明一實施例所繪示的圖2的像素單元的電路架構示意圖。
222:傳輸電路
224:源極追隨電路
226:電壓調整電路
FD:浮動擴散節點
GND:接地電壓端
PD:光感測器
PXU:像素單元
ST:傳輸控制信號
VO:輸出電壓信號

Claims (10)

  1. 一種影像感測器，包括：一像素陣列電路，包括多個像素單元，其中該些像素單元中的每一者包括：一光感測器；一傳輸電路，耦接在該光感測器與一浮動擴散節點之間，且受控於一傳輸控制信號以控制該光感測器與該浮動擴散節點之間的電荷傳輸；一源極追隨電路，耦接該浮動擴散節點，用以將該浮動擴散節點的電壓轉換為一輸出電壓信號；以及一電壓調整電路，耦接該浮動擴散節點，其中該電壓調整電路僅使用一電容器來調整該浮動擴散節點的該電壓的一直流偏移，以增加該輸出電壓信號的一可擺動範圍，其中該直流偏移由該光感測器產生的一暗電流所造成；以及一讀出電路，耦接該些像素單元中的每一者的該源極追隨電路以接收該輸出電壓信號，且對該輸出電壓信號進行處理以取得對應的一數位像素值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中該電容器的第一端用以接收一調整電壓信號，且該電容器的第二端耦接該浮動擴散節點。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中該傳輸電路包括： 一傳輸開關，該傳輸開關的第一端耦接該光感測器，該傳輸開關的第二端耦接該浮動擴散節點，且該傳輸開關的控制端接收該傳輸控制信號；以及一重置開關，該重置開關的第一端耦接一重置電源，該重置開關的第二端耦接該浮動擴散節點，且該重置開關的控制端接收一重置控制信號。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的影像感測器，其中該源極追隨電路包括：一電晶體，該電晶體的第一端耦接該重置電源，該電晶體的控制端耦接該浮動擴散節點，且該電晶體的第二端用以提供該輸出電壓信號；以及一電流源，耦接在該電晶體的該第二端與一接地電壓端之間。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的影像感測器，其中該輸出電壓信號的該可擺動範圍介於該重置電源的電壓值與該光感測器的一釘扎電壓值之間。
  6. 一種像素陣列電路，包括：多個像素單元，其中該些像素單元中的每一者包括：一光感測器；一傳輸電路，耦接在該光感測器與一浮動擴散節點之間，且受控於一傳輸控制信號以控制該光感測器與該浮動擴散節點之間的電荷傳輸；一源極追隨電路，耦接該浮動擴散節點，用以將該浮動 擴散節點的電壓轉換為一輸出電壓信號；以及一電壓調整電路，耦接該浮動擴散節點，其中該電壓調整電路僅使用一電容器來調整該浮動擴散節點的該電壓的一直流偏移，以增加該輸出電壓信號的一可擺動範圍，其中該直流偏移由該光感測器產生的一暗電流所造成。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的像素陣列電路，其中該電容器的第一端用以接收一調整電壓信號，且該電容器的第二端耦接該浮動擴散節點。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的像素陣列電路，其中該傳輸電路包括：一傳輸開關，該傳輸開關的第一端耦接該光感測器，該傳輸開關的第二端耦接該浮動擴散節點，且該傳輸開關的控制端接收該傳輸控制信號；以及一重置開關，該重置開關的第一端耦接一重置電源，該重置開關的第二端耦接該浮動擴散節點，且該重置開關的控制端接收一重置控制信號。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的像素陣列電路，其中該源極追隨電路包括：一電晶體，該電晶體的第一端耦接該重置電源，該電晶體的控制端耦接該浮動擴散節點，且該電晶體的第二端用以提供該輸出電壓信號；以及一電流源，耦接在該電晶體的該第二端與一接地電壓端之間。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的像素陣列電路，其中該輸出電壓信號的該可擺動範圍介於該重置電源的電壓值與該光感測器的一釘扎電壓值之間。
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TW201904269A (zh) * 2017-04-12 2019-01-16 美商豪威科技股份有限公司 堆疊架構之低雜訊互補式金氧半影像感測器

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