TWI786955B - 主動畫素感測電路 - Google Patents

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吳貞儀
林仕偉
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Abstract

主動畫素感測電路包括：一光感應器；一驅動補償電路，電性連接至該光感應器，用以驅動該光感應器，並補償一第一節點的一電壓，其中，於照射X光之後，該驅動補償電路之一電晶體臨界電壓為正值，或者，該驅動補償電路之一參考電流補償一電晶體臨界電壓變動；一讀取電路，電性連接至該驅動補償電路，該讀取電路讀取流經該驅動補償電路之一讀取電流；以及一電流電壓轉換電路，電性連接至該讀取電路，該電流電壓轉換電路用以將該讀取電路所讀取之該讀取電流轉換成一輸出電壓。

Description

主動畫素感測電路
本發明是有關於一種主動畫素感測電路。
主動畫素感測電路(active pixel sensor (APS))常用於互補式金氧半導體光感測器(CMOS Sensor)中，做為光感測器(Photo Detector, PD)的驅動電路。APS主要作用是將光感測器所偵測到的光強度轉換為電壓值。APS有增加解析度與降低外來雜訊的優點。
然而，對現有的APS而言，當受到X光照射時，APS的內部電晶體的臨界電壓容易有變動，導致APS的輸出電流與輸出電壓隨之變動。連帶使得APS的準確性與穩定性受到影響。
故而，如何設計新的APS電路，即便是受到X光照射，APS的輸出電流與輸出電壓仍不會隨之變動，提高APS準確性與穩定性。
本發明係有關於一種主動畫素感測電路，包括：一光感應器，當X光照射時，該光感應器為導通；一驅動補償電路，電性連接至該光感應器，用以驅動該光感應器，並補償一第一節點的一電壓，其中，於照射X光之後，該驅動補償電路之一電晶體臨界電壓為正值，或者，該驅動補償電路之一參考電流補償一電晶體臨界電壓變動；一讀取電路，電性連接至該驅動補償電路，當X光照射時，該讀取電路讀取流經該驅動補償電路之一讀取電流；以及一電流電壓轉換電路，電性連接至該讀取電路，該電流電壓轉換電路用以將該讀取電路所讀取之該讀取電流轉換成一輸出電壓。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：
本說明書的技術用語係參照本技術領域之習慣用語，如本說明書對部分用語有加以說明或定義，該部分用語之解釋係以本說明書之說明或定義為準。本揭露之各個實施例分別具有一或多個技術特徵。在可能實施的前提下，本技術領域具有通常知識者可選擇性地實施任一實施例中部分或全部的技術特徵，或者選擇性地將這些實施例中部分或全部的技術特徵加以組合。
第一實施例
第1圖顯示根據本案第一實施例的主動畫素感測電路(active pixel sensor (APS))的電路圖。如第1圖所示，根據本案第一實施例的主動畫素感測電路100包括：驅動補償電路110、光感應器(photo sensor)120、讀取電路130、電流電壓轉換電路140與耦合電路150。
驅動補償電路110包括放大電路111與補償電路113。在此，放大電路111與補償電路113分別以第一電晶體T1與第二電晶體T2實現之，但知本案並不受限於此。
第一電晶體T1是雙閘極電晶體(dual gate transistor)，包括：一第一閘極(例如是頂閘極(top gate))，電性連接至第一節點S；一第二閘極(例如是底閘極(bottom gate))，電性連接至本身汲極與第一參考電壓VREF1；一汲極，電性連接至本身第二閘極與第一參考電壓VREF1；以及，一源極，電性連接至第二節點B。在本案第一實施例中，將第一電晶體T1的第二閘極連接到本身汲極與第一參考電壓VREF1(其為負電壓)，則可以確保，即便在照射X光之後，第一電晶體T1的臨界電壓仍為正值。此外，第一電晶體T1可以放大第一節點S的變異量，故而稱為放大電路。驅動補償電路110可以驅動光感應器120，並補償第一節點S的電壓。
第二電晶體T2包括：一閘極，接收第一掃描信號SCAN1；一汲極，電性連接至第一節點S；以及，一源極，電性連接至第二節點B。
光感應器120電性連接至驅動補償電路110。光感應器120包括並聯的光二極體D1與輸入電容CPIN1。光二極體D1與輸入電容CPIN1電性連接於第一偏壓源VBIAS與第一節點S之間。當X光照射時，光感應器120為導通。在此以光二極體為例做說明，但在本案其他實施例中，也可以其他光電轉換元件來取代。
讀取電路130電性連接至驅動補償電路110。讀取電路130讀取流經驅動補償電路110之一讀取電流。讀取電路130包括，例如但不受限於，第三電晶體T3。第三電晶體T3包括：一閘極，接收讀取信號READ；一汲極，電性連接至電流電壓轉換電路140；以及，一源極，電性連接至第二節點B。
電流電壓轉換電路140電性連接至讀取電路130。電流電壓轉換電路140用以將讀取電路130所讀取之該讀取電流轉換成一輸出電壓VO。電流電壓轉換電路140包括：操作放大器141、電容C1與開關S1。操作放大器141包括：一第一端電性連接至第二參考電壓VREF2；一第二端，電性連接至第三電晶體T3之汲極；一輸出端，產生輸出電壓VO。電容C1並聯於開關S1。電容C1與開關S1電性連接於操作放大器141之第二端與輸出端之間。開關S1受控於控制信號CLR。
耦合電路150電性連接至驅動補償電路110。耦合電路150對該第一節點S造成耦合效應。耦合電路150包括，例如但不受限於，耦合電容CCP。耦合電容CCP包括：一第一端接收第二掃描信號SCAN2；一第二端，電性連接至第一節點S。
第2A圖至第2D圖顯示根據本案第一實施例的主動畫素感測電路100的操作示意圖。第2A圖顯示於初始階段P1的操作示意圖。第2B圖顯示於補償階段P2的操作示意圖。第2C圖顯示於照光階段P3的操作示意圖。第2D圖顯示於讀取階段P4的操作示意圖。
如第2A圖所示，於初始階段P1內，第一掃描信號SCAN1與讀取信號READ使得第二電晶體T2與第三電晶體T3為導通。由於第二電晶體T2與第三電晶體T3為導通，第一節點S與第二節點B之電位等於第二參考電壓VREF2。
如第2B圖所示，於補償階段P2內，第二電晶體T2仍導通但第三電晶體T3關閉。第二電晶體T2的閘極電壓(亦即第一節點S的電壓)與第二電晶體T2的源極電壓(亦即第二節點B的電壓)透過第一電晶體T1而放電至第一參考電壓VREF1(因為第一參考電壓VREF1為負電壓，低於第二參考電壓VREF2)，直到第一電晶體T1關閉為止。當第一電晶體T1關閉時，第一節點S的電壓等於VREF1+VTH，其中，VTH代表第一電晶體T1的臨界電壓。
如第2C圖，於照光階段P3內，主動畫素感測電路100受到X光照射。由於第二掃描電壓SCAN2轉態至邏輯高，透過耦合電容CCP的耦合效應，此時的第一節點S的電壓被提高至S=VREF1+VTH+VCOUPLE，VCOUPLE代表因耦合效應所導致的電壓變化量，VCOUPLE=(VGH-VGL)*CCP/(CCP+CPIN)，其中，VGH與VGL分別代表第二掃描信號SCAN2的邏輯高位準與邏輯低位準。當被X光照射時，第一節點S的電壓將透過光二極體D1而放電至第一偏壓源VBIAS。假設照光階段P3結束後，第一節點S的電壓下降變化量為ΔV，則照光階段P3結束後，第一節點S的電壓可表示為：S=VREF1+VTH+VCOUPLE-ΔV。
如第2D圖，於讀取階段P4內，讀取電流I的方向如第2D圖所示。讀取電流I由操作放大器141透過第三電晶體T3、第一電晶體T1而流向第一參考電壓VREF1。
讀取電流I乃是第一電晶體T1的導通電流。第一電晶體T1的導通電流有關於第一電晶體T1的頂閘極電壓與臨界電壓間之差值，亦即，第一電晶體T1的導通電流有關於第一節點S的電壓與臨界電壓間之差值。由於照光階段P3結束後，第一節點S的電壓可表示為：S=VREF1+VTH+VCOUPLE-ΔV。所以，S-VTH= VREF1+VCOUPLE-ΔV，亦即，第一電晶體T1的導通電流將無關乎第一電晶體T1的本身臨界電壓。所以，即便是因為受到X光照射使得第一電晶體T1的本身臨界電壓有所變動，此臨界電壓變動將無法影響到第一電晶體T1的導通電流，亦即無法影響到讀取電流I。所以，當電流電壓轉換電路140將讀取電流轉換成輸出電壓VO時，輸出電壓VO也不受第一電晶體T1的本身臨界電壓的變動。
第3圖顯示根據本案第一實施例的轉換曲線(transfer curve)與臨界電壓變動示意圖。如第3圖的轉換曲線所示，L31代表補償前的轉換曲線，而L32代表補償後的轉換曲線。比較L31與L32可看出本案第一實施例可以改善轉換曲線。此外，如第3圖的臨界電壓變動量曲線圖所示，本案第一實施例可以有效減少輸出電壓變動比例。
在本案第一實施例中，電晶體T1~T3可為NMOS電晶體或PMOS電晶體，皆在本案範圍內。此外，第一電晶體T1不論是增強型或是空乏型元件皆具有臨界電壓補償功能。
由上述可知，在本案第一實施例中，透過補償，可使得輸出電壓VO不受到雙閘極電晶體臨界電壓變動的影響(由X光照射所導致)，故而，本案第一實施例的主動畫素感測電路100具有較佳的準確性與穩定度。
第二實施例
第4圖顯示根據本案第二實施例的主動畫素感測電路的電路圖。如第4圖所示，根據本案第二實施例的主動畫素感測電路400包括：驅動補償電路410、光感應器420、讀取電路430與電流電壓轉換電路440。
驅動補償電路410包括放大電路411與補償電路413。在此，放大電路411包括第一電晶體T4；補償電路413包括：第二電晶體T5、第三電晶體T6與參考電流源IREF，但知本案並不受限於此。
第一電晶體T4包括：一閘極，電性連接至第一節點S；一汲極，電性連接至第二節點B；以及，一源極，至第二偏壓源VSS。
第二電晶體T5包括：一閘極，接收第一掃描信號SCAN1；一汲極，電性連接至第一節點S；以及，一源極，電性連接至第二節點B。
第三電晶體T6包括：一閘極，接收第二掃描信號SCAN2；一汲極，電性連接至第二節點B；以及，一源極，電性連接至參考電流源IREF。
光感應器420電性連接至驅動補償電路410。光感應器420包括並聯的光二極體D2與輸入電容CPIN2。光二極體D2與輸入電容CPIN2電性連接於第一偏壓源VBIAS與第一節點S之間。在此以光二極體為例做說明，但在本案其他實施例中，也可以其他光電轉換元件來取代。
讀取電路430電性連接至驅動補償電路410。讀取電路430包括，例如但不受限於，第四電晶體T7。第四電晶體T7包括：一閘極，接收讀取信號READ；一汲極，電性連接至電流電壓轉換電路440；以及，一源極，電性連接至第二節點B。
電流電壓轉換電路440電性連接至讀取電路430。電流電壓轉換電路440包括：操作放大器441、電容C2與開關S2。操作放大器441包括：一第一端電性連接至第二參考電壓VREF2；一第二端，電性連接至第四電晶體T7之汲極；一輸出端，產生輸出電壓VO。電容C2並聯於開關S2。電容C2與開關S2電性連接於操作放大器441之第二端與輸出端之間。電流電壓轉換電路440用以將讀取電流轉換成輸出電壓VO。
第5A圖至第5D圖顯示根據本案第二實施例的主動畫素感測電路400的操作示意圖。第5A圖顯示於初始階段P1的操作示意圖。第5B圖顯示於補償階段P2的操作示意圖。第5C圖顯示於照光階段P3的操作示意圖。第5D圖顯示於讀取階段P4的操作示意圖。
如第5A圖所示，於初始階段P1內，第一掃描信號SCAN1與讀取信號READ使得第二電晶體T5與第四電晶體T7為導通。由於第二電晶體T5與第四電晶體T7為導通，第一節點S與第二節點B之電位等於第二參考電壓VREF2。由於第一節點S之電位等於第二參考電壓VREF2，第一電晶體T4為導通。
如第5B圖所示，於補償階段P2內，第一電晶體T4、第二電晶體T5與第三電晶體T6導通但第四電晶體T7關閉。此外，第一節點S的電壓透過第一電晶體T4與第二電晶體T5而放電至第二偏壓源VSS，直到第一電晶體T4的電流等於參考電流源IREF之電流為止。第一節點S的電壓等於VSS+V(I)，其中，V(I)有關於參考電流源IREF的電流值。
如第5C圖，於照光階段P3內，主動畫素感測電路400受到X光照射。當被X光照射時，第一節點S的電壓將透過光二極體D2而放電至第一偏壓源VBIAS。假設照光階段P3結束後，第一節點S的電壓下降變化量為ΔV，則照光階段P3結束後，第一節點S的電壓可表示為：S=VSS+V(I)-ΔV。
如第5D圖，於讀取階段P4內，讀取電流I的方向如第5D圖所示，由操作放大器441透過第四電晶體T7與第一電晶體T4而流向第二偏壓源VSS。
在本案第二實施例中，於讀取階段P4內，讀取電流I乃是第一電晶體T4的導通電流，而第一電晶體T4的導通電流取決於第一電晶體T4的閘極電壓與臨界電壓之差值。所以，第一電晶體T4的導通電流取決於第一電晶體T4的閘極電壓=S=VSS+V(I)-ΔV。由於V(I)(或者說參考電流源IREF)在設計時已將第一電晶體T4的臨界電壓變動納入考量，也就是說，當因X光照射導致第一電晶體T4的臨界電壓有變動時，V(I)(或者說參考電流源IREF)可補償此第一電晶體T4的臨界電壓變動。第一節點S的電壓值無關於第一電晶體T4的臨界電壓變動。所以，即便第一電晶體T4的臨界電壓因為X光照射而有所變動，讀取電流I不受第一電晶體T4的臨界電壓變動之影響，也無法影響輸出電壓VO。
第6圖顯示根據本案第二實施例的臨界電壓變動示意圖。如第6圖的臨界電壓變動量曲線圖所示，本案第二實施例可以有效減少輸出電壓變動比例。
在本案第二實施例中，電晶體T4~T7可為NMOS電晶體或PMOS電晶體，皆在本案範圍內。此外，第一電晶體T4不論是增強型或是空乏型元件皆具有臨界電壓補償功能。
在本案第二實施例中，由於沒有耦合電路，故而，無耦合過程，即使是輸入電容CPIN2有大電容仍不影響補償結果。
由上述可知，在本案第二實施例中，透過補償，可使得輸出電壓VO不受到第二電晶體T5的臨界電壓變動的影響(由X光照射所導致)，故而，本案第二實施例的主動畫素感測電路400具有較佳的準確性與穩定度。
綜上所述，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。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、400:主動畫素感測電路 110、410:驅動補償電路 120、420:光感應器 130、430:讀取電路 140、440:電流電壓轉換電路 150:耦合電路 111、411:放大電路 113、413:補償電路 T1~T7:電晶體 D1、D2:光二極體 CPIN1、CPIN2:輸入電容 141、441:操作放大器 C1、C2:電容 S1、S2:開關 CCP:耦合電容 S、B:節點 P1~P4:階段 L31、L32:曲線 I:讀取電流
第1圖顯示根據本案第一實施例的主動畫素感測電路(active pixel sensor (APS))的電路圖。 第2A圖至第2D圖顯示根據本案第一實施例的主動畫素感測電路的操作示意圖。 第3圖顯示根據本案第一實施例的轉換曲線(transfer curve)與臨界電壓變動示意圖。 第4圖顯示根據本案第二實施例的主動畫素感測電路的電路圖。 第5A圖至第5D圖顯示根據本案第二實施例的主動畫素感測電路的操作示意圖。 第6圖顯示根據本案第二實施例的臨界電壓變動示意圖。
100:主動畫素感測電路
110:驅動補償電路
120:光感應器
130:讀取電路
140:電流電壓轉換電路
150:耦合電路
111:放大電路
113:補償電路
T1~T3:電晶體
D1:光二極體
CPIN1:輸入電容
141:操作放大器
C1:電容
S1:開關
CCP:耦合電容
S、B:節點

Claims (6)

  1. 一種主動畫素感測電路，包括： 一光感應器，當X光照射時，該光感應器為導通； 一驅動補償電路，電性連接至該光感應器，用以驅動該光感應器，並補償一第一節點的一電壓，其中，於照射X光之後，該驅動補償電路之一電晶體臨界電壓為正值，或者，該驅動補償電路之一參考電流補償一電晶體臨界電壓變動； 一讀取電路，電性連接至該驅動補償電路，當X光照射時，該讀取電路讀取流經該驅動補償電路之一讀取電流；以及 一電流電壓轉換電路，電性連接至該讀取電路，該電流電壓轉換電路用以將該讀取電路所讀取之該讀取電流轉換成一輸出電壓。
  2. 如請求項1所述之主動畫素感測電路，更包括：一耦合電路，電性連接至該驅動補償電路，對該第一節點造成耦合效應。
  3. 如請求項2所述之主動畫素感測電路，其中， 該驅動補償電路包括：一第一電晶體與一第二電晶體，該第一電晶體包括：一第一閘極，電性連接至該第一節點；一第二閘極，電性連接至一第一參考電壓；一汲極，電性連接至該第二閘極與該第一參考電壓；以及，一源極，電性連接至一第二節點，其中，於照射X光之後，該第一電晶體的一臨界電壓為正值；該第二電晶體包括：一閘極，接收一第一掃描信號；一汲極，電性連接至該第一節點；以及，一源極，電性連接至該第二節點； 該讀取電路包括一第三電晶體，該第三電晶體包括：一閘極，接收一讀取信號；一汲極，電性連接至該電流電壓轉換電路；以及，一源極，電性連接至該第二節點；以及 該電流電壓轉換電路包括一操作放大器、一第一電容與一第一開關，該操作放大器包括：一第一端電性連接至一第二參考電壓；一第二端，電性連接至該第三電晶體之該汲極；一輸出端，產生該輸出電壓，該第一電容並聯於該第一開關，該第一電容與該第一開關電性連接於該操作放大器之該第二端與該輸出端之間。
  4. 如請求項3所述之主動畫素感測電路，其中， 於一初始階段內，該第一掃描信號與該讀取信號使得該第二電晶體與該第三電晶體為導通，該第一節點與該第二節點之電位等於該第二參考電壓； 於一補償階段內，該第二電晶體導通但該第三電晶體關閉，該第一節點的該電壓與該第二節點的該電壓透過該第一電晶體而放電至該第一參考電壓，直到該第一電晶體關閉為止，當該第一電晶體關閉時，該第一節點的該電壓相關於該第一參考電壓與該第一電晶體的該臨界電壓； 透過該耦合電路的耦合效應，該第一節點的該電壓被提高至相關於該第一參考電壓、該第一電晶體的該臨界電壓與一耦合電壓變化量，於X光照射後，該第一節點的該電壓透過該光感應器而放電至一第一偏壓源，於照光階段結束後，該第一節點的該電壓相關於該第一參考電壓、該第一電晶體的該臨界電壓、該耦合電壓變化量與一電壓下降變化量；以及 於該讀取階段內，該讀取電流與該輸出電壓無關乎該第一電晶體的該臨界電壓。
  5. 如請求項1所述之主動畫素感測電路，其中，該驅動補償電路包括一第一電晶體、一第二電晶體、一第三電晶體與一參考電流源，該第一電晶體包括：一閘極，電性連接至該第一節點；一汲極，電性連接至一第二節點；以及，一源極，電性連接至一第二偏壓源；該第二電晶體包括：一閘極，接收一第一掃描信號；一汲極，電性連接至該第一節點；以及，一源極，電性連接至該第二節點；該第三電晶體包括：一閘極，接收一第二掃描信號；一汲極，電性連接至該第二節點；以及，一源極，電性連接至該參考電流源； 該讀取電路包括一第四電晶體，該第四電晶體包括：一閘極，接收一讀取信號；一汲極，電性連接至該電流電壓轉換電路；以及，一源極，電性連接至該第二節點； 該電流電壓轉換電路包括一操作放大器、一第二電容與一第二開關，該操作放大器包括：一第一端電性連接至一第二參考電壓；一第二端，電性連接至該第四電晶體之該汲極；一輸出端，產生該輸出電壓，該第二電容並聯於該第二開關，該第二電容與該第二開關電性連接於該操作放大器之該第二端與該輸出端之間。
  6. 如請求項5所述之主動畫素感測電路，其中， 於一初始階段內，該第二電晶體與該第四電晶體為導通，該第一節點與該第二節點之電位等於該第二參考電壓且令該第一電晶體為導通； 於該補償階段內，該第一電晶體、該第二電晶體與該第三電晶體導通但該第四電晶體關閉，該第一節點的該電壓透過該第一電晶體與該第二電晶體而放電至該第二偏壓源，直到該第一電晶體之一電流等於該參考電流源之一電流，該第一節點的該電壓有關於該參考電流源的一電流值； 於一照光階段內，被X光照射時，該第一節點的該電壓透過該光感應器而放電至一第一偏壓源，於該照光階段結束後，該第一節點的該電壓有關於該參考電流源的該電流值與一電壓下降變化量；以及 於一讀取階段內，該讀取電流與該輸出電壓無關於該第一電晶體的一臨界電壓變動。
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