TWI768647B - 影像感測裝置 - Google Patents

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TWI768647B TW110100755A TW110100755A TWI768647B TW I768647 B TWI768647 B TW I768647B TW 110100755 A TW110100755 A TW 110100755A TW 110100755 A TW110100755 A TW 110100755A TW I768647 B TWI768647 B TW I768647B
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Abstract

一種影像感測裝置。控制電路依據估測期間內光感測單元所產生的感測信號的電壓值確定感測信號的電壓變化速率，並依據電壓變化速率於曝光期間控制輸入調整電路提供輸入調整信號至運算放大器的負輸入端，以使放大信號的信號值於曝光期間落於預設範圍內。

Description

影像感測裝置
本發明是有關於一種感測裝置，且特別是有關於一種影像感測裝置。
常見的影像感測裝置可包括由多個感測像素構成的感測像素陣列，各個感測像素將入射光轉換為感測信號，藉由分析各個感測像素所提供的感測信號，即可獲得影像感測裝置所感測到的影像。進一步來說，各個感測像素可包括光電二極體，其將光轉換為電信號，光電二極體的持續曝光將造成感測像素輸出的感測信號的電壓值持續下降，藉由讀取各個感測像素所提供的感測信號的電壓值即可獲得影像感測裝置所感測到的影像。
一般而言，為了提高影像感測裝置的靈敏度，會盡量提高感測像素的尺寸，以增加感測像素感光後所產生的電荷，如此在低照度下仍會有一定的電荷數。如此雖可有效提高影像感測裝置的靈敏度，然由於增加感測像素的尺寸將使得感測像素上的寄生電容也隨之變大，而使得後級電路中的電容元件也必須對應地提高其電容量，以避免後級電路依據感測信號輸出的信號超出可 接受的動態範圍。增大後級電路中的電容元件的電容量雖可解決輸出信號超出可接受的動態範圍的問題，然在感測像素處於低照度的環境時，又會產生後級電路所輸出的電壓值過小不利於信號解析的問題。
本發明提供一種影像感測裝置，可有效提高影像感測品質。
本發明的影像感測裝置包括光感測單元、放大電路、類比數位轉換電路、輸入調整電路以及控制電路。光感測單元接收包括影像資訊的光信號，而產生感測信號。放大電路耦接光感測單元，放大感測信號以產生放大信號。放大電路包括電容以及運算放大器。運算放大器的負輸入端耦接光感測單元，運算放大器的正輸入端耦接第一參考電壓，電容耦接於運算放大器的負輸入端與輸出端之間。類比數位轉換電路耦接運算放大器的輸出端，將感測信號轉換為數位信號。輸入調整電路耦接運算放大器的負輸入端。控制電路耦接類比數位轉換電路與輸入調整電路，依據估測期間內的感測信號的電壓值確定感測信號的電壓變化速率，依據電壓變化速率於曝光期間控制輸入調整電路提供輸入調整信號至運算放大器的負輸入端，使放大信號的信號值於該曝光期間落於預設範圍內。
基于上述，本發明實施例依據一估測期間內光感測單元 所產生的感測信號的電壓值確定感測信號的電壓變化速率，並依據電壓變化速率於曝光期間控制輸入調整電路提供輸入調整信號至運算放大器的負輸入端，以使放大信號的信號值於曝光期間落於預設範圍內。如此可避免感測信號的信號值過大，使得類比數位轉換電路因動態範圍不足而無法正確讀取感測信號，因此可有效大幅地提高影像感測品質。
102:光感測單元
104:放大電路
106:類比數位轉換電路
108:輸入調整電路
110:控制電路
A1:運算放大器
C1、C2:電容
VCM:參考電壓
M1:選擇開關
D1:光電轉換單元
CS:寄生電容
VBIAS:電壓
T1:重置期間
SW1、SW4:重置開關
SELX:選擇控制信號
RST:重置信號
VX:電壓
T2:曝光期間
T3:輸出期間
dV、dV’:電壓差值
TE:估測期間
I1、I2:電流源
SW2、SW3:開關
VDAC:參考電壓
ck1、ck2:切換控制信號
M2:電晶體
圖1是依照本發明的實施例的一種影像感測裝置的示意圖。
圖2是依照本發明另一實施例的一種影像感測裝置的示意圖。
圖3是依照本發明的實施例的選擇控制信號、重置信號與感測信號的波形示意圖。
圖4是依照本發明另一實施例的一種影像感測裝置的示意。
圖5是依照本發明另一實施例的一種影像感測裝置的示意圖。
圖6是依照本發明另一實施例的一種影像感測裝置的示意圖。
圖7是依照本發明另一實施例的選擇控制信號、重置信號與感測信號的波形示意圖。
圖1是依照本發明的實施例的一種影像感測裝置的示意圖，請參照圖1。影像感測裝置可包括光感測單元102、放大電路104、類比數位轉換電路(Analog to Digital Converter,ADC)106、輸入調整電路108以及控制電路110，放大電路104耦接光感測單元102、類比數位轉換電路106以及輸入調整電路108，控制電路110耦接類比數位轉換電路106與輸入調整電路108。在一實施例中，影像感測裝置可例如為指紋感測器或X光平板感測器，然不以此為限。進一步來說，放大電路104包括運算放大器A1與電容C1，運算放大器A1的負輸入端耦接光感測單元102與輸入調整電路108，運算放大器A1的正輸入端耦接參考電壓VCM，運算放大器A1的輸出端耦接類比數位轉換電路106，電容C1耦接於運算放大器A1的負輸入端與輸出端之間。
光感測單元102可接收包括影像資訊的光信號而產生感測信號，其中，隨著光感測單元102的曝光期間變長，感測信號的電壓值將對應地下降。放大電路104可放大感測信號而產生一放大信號至類比數位轉換電路106，類比數位轉換電路106則可將放大信號轉換為數位信號後輸出給控制電路110以進行影像分析處理。在一實施例中，控制電路110可例如數位信號處理電路，然不以此為限。此外，控制電路110可依據數位信號得知感測信號的信號值，例如感測信號的電壓值，在光感測單元102的曝光期間的變化情形。其中光感測單元102的曝光期間可包括估測期 間，控制電路110可依據估測期間內感測信號的電壓值確定感測信號的電壓變化速率，進而估測在曝光期間結束時感測信號的電壓值的下降程度。
當控制電路110判斷在曝光期間結束時感測信號的電壓值將使得放大電路104所提供的放大信號的信號值超出類比數位轉換電路106的動態範圍時，控制電路110可依據感測信號的電壓變化速率，於光感測單元102的曝光期間內控制輸入調整電路108提供輸入調整信號至運算放大器A1的負輸入端，以改變運算放大器A1的正輸入端與負輸入端間的差值，進而在光感測單元102的曝光期間內，使放大電路104提供的放大信號的信號值被調整至落於預設範圍內，而不超出類比數位轉換電路106的動態範圍，其中預設範圍小於等於類比數位轉換電路106的動態範圍。如此可避免感測信號的信號值過大，使得類比數位轉換電路106因動態範圍不足，而無法正確讀取感測信號，因此可有效大幅地提高影像感測品質。
圖2是依照本發明另一實施例的一種影像感測裝置的示意圖。在本實施例中，光感測單元102可包括選擇開關M1、光電轉換單元D1以及寄生電容CS，其中選擇開關M1的一端耦接預算放大器A1的負輸入端，光電轉換單元D1耦接於選擇開關M1的另一端與電壓VBIAS之間，而寄生電容CS產生於光電轉換單元D1與選擇開關M1的共同接點與電壓VBIAS之間，其中電壓VBIAS可例如為接地電壓，光電轉換單元D1可例如為光電二極 體，而選擇開關M1可例如以電晶體實施，然不以此為限。此外，本實施例的影像感測裝置還包括重置開關SW1，重置開關SW1與電容C1並聯於運算放大器A1的負輸入端與輸出端之間。
光電轉換單元D1可將光信號轉換為電信號(感測信號)。如圖3所示，在光感測單元102被選擇而輸出感測信號前，選擇開關M1在重置期間T1與重置開關SW1分別受控於選擇控制信號SELX與重置信號RST而進入導通狀態，此時電壓VX將被重置為與參考電壓VCM具有相同的電壓值。而後，在曝光期間T2，選擇開關M1與重置開關SW1分別受控於選擇控制信號SELX與重置信號RST而進入斷開狀態。在曝光期間T2，光電轉換單元D1上的電壓VX將隨著光電轉換單元D1的曝光時間拉長而逐漸下降。在輸出期間T3，選擇開關M1受控於選擇控制信號SELX進入導通狀態，此時運算放大器A1的輸出電壓將等於參考電壓VCM與電壓VX的電壓差值dV乘以運算放大器A1的增益值。
為避免運算放大器A1的輸出電壓超出後級之類比數位轉換電路106的動態範圍，在一實施例中，選擇開關M1於估測期間TE先藉由控制信號SELX進入導通狀態，其中估測期間TE可例如與輸出期間T3具有相同的時間長度，然不以此為限。在估測期間TE，放大電路104可依據參考電壓VCM與電壓VX輸出電壓給類比數位轉換電路106進行類比數位轉換，而使控制電路110得知電壓VX在估測期間TE的電壓變化速率。如此，控制電路110可依據電壓VX在估測期間TE的電壓變化速率估測出電壓VX在 曝光期間T2結束時的下降程度(例如電壓差值dV)。
若控制電路110判斷電壓差值dV經由放大電路104放大後將超出類比數位轉換電路106的動態範圍，控制電路110可依據電壓VX在估測期間TE的電壓變化速率，在曝光期間T2內控制輸入調整電路108提供輸入調整信號至運算放大器A1的負輸入端，以調整電壓VX的電壓值，使電壓VX在曝光期間T2結束時可符合類比數位轉換電路106的動態範圍需求。如圖3所示，經由輸入調整電路108的調整，電壓VX在曝光期間T2結束時的下降程度由電壓差值dV減小為dV’(如虛線所示)，可有效避免運算放大器A1的輸出電壓超出類比數位轉換電路106的動態範圍。值得注意的是，估測期間TE被包含於曝光期間T2內，然估測期間TE的時間長度、起點以及終點並不限定於圖3實施例，而可依據實際情形設計。
圖4是依照本發明另一實施例的一種影像感測裝置的示意圖。在本實施例中，輸入調整電路108可由電流源I1來實施，控制電路110可依據電壓VX在估測期間TE的電壓變化速率，在曝光期間T2內，控制輸入調整電路108提供輸入調整電流I1至運算放大器A1的負輸入端，以調整電壓VX的電壓值。
值得注意的是，輸入調整信號並不以電流信號為限，如圖5所示，在圖5實施例中，輸入調整電路108可包括開關SW2、SW3以及電容C2，其中電容C2的一端耦接運算放大器A1的負輸入端，開關SW2耦接於參考電壓VDAC與電容C2的另一端之 間，開關SW3耦接於開關SW2與電容C2的共同接點與接地之間。控制電路110可依據電壓VX在估測期間TE的電壓變化速率，在曝光期間T2內，輸出切換控制信號ck1與ck2使開關SW2與SW3交替地導通，亦即，當開關SW2處於導通狀態時，開關SW3將處於斷開狀態，而當開關SW2處於斷開狀態時，開關SW3將處於導通狀態。如此交替地導通開關SW2與SW3，可使輸入調整電路108產生輸入調整電壓至運算放大器A1的負輸入端，進而調整電壓VX的電壓值。
圖6是依照本發明另一實施例的一種影像感測裝置的示意圖。在本實施例中，光感測單元102可包括重置開關SW4、選擇開關M1、電晶體M2、光電轉換單元D1、寄生電容CS以及電流源I2，其中重置開關SW4的一端耦接重置電壓VRST，光電轉換單元D1耦接於重置開關SW4與接地之間，寄生電容CS產生於光電轉換單元D1與重置開關SW4的共同接點與接地之間。選擇開關M1耦接於光電轉換單元D1與重置開關SW4的共同接點與電晶體M2的閘極之間，電晶體M2的一端耦接電源電壓VDD，電流源I2耦接電晶體M2的另一端與接地之間。
如圖7所示，在重置期間T1，重置開關SW4受控於重置信號SR1而處於導通狀態，而選擇開關M1則受控於選擇控制信號SELX而處於斷開的狀態，此時電壓VX將被重置為與重置電壓VRST具有相同的電壓值。在曝光期間T2，重置開關SW1受控於重置信號RST而進入斷開狀態。在曝光期間T2，光電轉換單元 D1上的電壓VX將隨著光電轉換單元D1的曝光時間拉長而下降。在輸出期間T3，選擇開關M1受控於選擇控制信號SELX進入導通狀態，電晶體M2與電流源I2組成的源極隨耦器可依據電壓VX輸出電壓VS至運算放大器A1的負輸入端。運算放大器A1的輸出電壓等於參考電壓VCM與電壓VS的電壓差值dV乘以運算放大器A1的增益值。
類似於圖2實施例，為避免運算放大器A1的輸出電壓超出後級之類比數位轉換電路106的動態範圍，可於估測期間TE先藉由控制信號SELX使選擇開關M1進入導通狀態，在估測期間TE，放大電路104可依據參考電壓VCM與電壓VS輸出電壓給類比數位轉換電路106進行類比數位轉換，而使控制電路110得知電壓VS在估測期間TE的電壓變化速率。如此，控制電路110可依據電壓VS在估測期間TE的電壓變化速率估測出電壓VS在曝光期間T2結束時的下降程度(例如電壓差值dV)。
若控制電路110判斷電壓差值dV經由放大電路104放大後將超出類比數位轉換電路106的動態範圍，控制電路110可依據電壓VS在估測期間TE的電壓變化速率，在曝光期間T2內，控制輸入調整電路108提供輸入調整信號至運算放大器A1的負輸入端，以調整電壓VS的電壓值，使電壓VS在曝光期間T2結束時可符合類比數位轉換電路106的動態範圍需求。如圖7所示，經由輸入調整電路108的調整，電壓VS在曝光期間T2結束時的下降程度由電壓差值dV減小為dV’(如虛線所示)，而可有效避免 運算放大器A1的輸出電壓超出類比數位轉換電路106的動態範圍。
綜上所述，本發明實施例依據一估測期間內光感測單元所產生的感測信號的電壓值確定感測信號的電壓變化速率，並依據電壓變化速率，於曝光期間內控制輸入調整電路提供輸入調整信號至運算放大器的負輸入端，以使放大信號的信號值於曝光期間落於預設範圍內。如此可避免感測信號的信號值過大，使得類比數位轉換電路因動態範圍不足而無法正確讀取感測信號，因此可有效大幅地提高影像感測品質。
102:光感測單元
104:放大電路
106:類比數位轉換電路
108:輸入調整電路
110:控制電路
A1:運算放大器
C1:電容
VCM:參考電壓

Claims (9)

  1. 一種影像感測裝置，包括：一光感測單元，接收包括一影像資訊的光信號，而產生一感測信號；一放大電路，耦接該光感測單元，放大該感測信號以產生一放大信號，包括：一電容；以及一運算放大器，其負輸入端耦接該光感測單元，該運算放大器的正輸入端耦接一第一參考電壓，該電容耦接於該運算放大器的負輸入端與輸出端之間；一類比數位轉換電路，耦接該運算放大器的輸出端，將該感測信號轉換為一數位信號；一輸入調整電路，耦接該運算放大器的負輸入端；以及一控制電路，耦接該類比數位轉換電路與該輸入調整電路，依據一估測期間內的該感測信號的電壓值確定該感測信號的電壓變化速率，依據該電壓變化速率於一曝光期間控制該輸入調整電路提供一輸入調整信號至該運算放大器的負輸入端，使該放大信號的信號值於該曝光期間落於一預設範圍內，其中該輸入調整電路包括：一第一電流源，耦接該控制電路與該運算放大器的負輸入端，該控制電路依據該感測信號的電壓變化速率於該曝光期間控制該第一電流源提供一輸入調整電流至該運算放大器的負輸入 端。
  2. 如請求項1所述的影像感測裝置，其中該光感測單元包括：一選擇開關，其一端耦接該運算放大器的負輸入端；一光電轉換單元，耦接於該選擇開關的另一端與接地之間，將該光信號轉換為電信號而產生該感測信號；以及一寄生電容，產生於該光電轉換單元與該選擇開關的共同接點與該接地之間，該光感測單元於該共同接點上產生該感測信號。
  3. 如請求項2所述的影像感測裝置，還包括：一重置開關，與該電容並聯於該運算放大器的負輸入端與輸出端之間，於一重置期間，該選擇開關與該重置開關為導通狀態，於該曝光期間，該選擇開關與該重置開關為斷開狀態，於該估測期間以及一輸出期間，該選擇開關為導通狀態，該重置開關為斷開狀態。
  4. 如請求項3所述的影像感測裝置，其中該估測期間與該輸出期間具有相同的時間長度。
  5. 如請求項1所述的影像感測裝置，其中該光感測單元包括：一重置開關，其第一端耦接一重置電壓；一選擇開關，其第一端耦接該重置開關的第二端；一光電轉換單元，耦接於該選擇開關的第一端與接地之間，將該光信號轉換為電信號而產生該感測信號； 一寄生電容，產生於該光電轉換單元與該選擇開關的共同接點與該接地之間，該光感測單元於該光電轉換單元與該選擇開關的共同接點上產生該感測信號；一電晶體，其第一端耦接一電源電壓，該電晶體的第二端耦接該運算放大器的負輸入端，該電晶體的控制端耦接該選擇開關的第二端；以及一第二電流源，耦接於該電晶體的第二端與接地之間，於一重置期間，該重置開關為導通狀態，該選擇開關為斷開狀態，於該曝光期間，該重置開關與該選擇開關為斷開狀態，於該估測期間以及一輸出期間，該選擇開關為導通狀態，該重置開關為斷開狀態。
  6. 如請求項5所述的影像感測裝置，其中該估測期間與該輸出期間具有相同的時間長度。
  7. 如請求項1所述的影像感測裝置，其中該曝光期間包括該估測期間。
  8. 如請求項1所述的影像感測裝置，其中該預設範圍小於等於該類比數位轉換電路的動態範圍。
  9. 一種影像感測裝置，包括：一光感測單元，接收包括一影像資訊的光信號，而產生一感測信號；一放大電路，耦接該光感測單元，放大該感測信號以產生一放大信號，包括： 一第一電容；以及一運算放大器，其負輸入端耦接該光感測單元，該運算放大器的正輸入端耦接一第一參考電壓，該第一電容耦接於該運算放大器的負輸入端與輸出端之間；一類比數位轉換電路，耦接該運算放大器的輸出端，將該感測信號轉換為一數位信號；一輸入調整電路，耦接該運算放大器的負輸入端；以及一控制電路，耦接該類比數位轉換電路與該輸入調整電路，依據一估測期間內的該感測信號的電壓值確定該感測信號的電壓變化速率，依據該電壓變化速率於一曝光期間控制該輸入調整電路提供一輸入調整信號至該運算放大器的負輸入端，使該放大信號的信號值於該曝光期間落於一預設範圍內，其中該輸入調整電路包括：一第二電容，其一端耦接該運算放大器的負輸入端；一第一開關，耦接於該第二電容的另一端與一第二參考電壓之間；以及一第二開關，耦接於該第二電容的另一端與接地之間，該控制電路依據該感測信號的電壓變化速率於該曝光期間控制該第一開關與該第二開關交替地導通，以提供一輸入調整電壓至該運算放大器的負輸入端。
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