TWI792556B - 用於橫向溢流整合電容器(lofic)讀出影像感測器的自動歸零技術 - Google Patents

用於橫向溢流整合電容器(lofic)讀出影像感測器的自動歸零技術 Download PDF

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Abstract

本發明闡述用於在影像感測器中進行快速電壓穩定之切換技術。在一項實施例中，一影像感測器包含以一像素陣列之列及行配置之複數個橫向溢流整合電容器(LOFIC)像素。該複數個像素包含經組態以用於曝光之一作用像素以及至少部分地受到保護而免於曝光之一虛設像素。一共同位元線(BL)可耦合至該作用像素及該虛設像素。一比較器(OA1)耦合至該位元線。該比較器經組態以在一個輸入上接收來自該作用像素之一像素電壓(Vx)且在另一輸入上接收一斜變電壓(Vy)。由該作用像素累積之電荷至少部分地由該斜變電壓與該像素電壓之間的一相交點判定。

Description

用於橫向溢流整合電容器(LOFIC)讀出影像感測器的自動歸零技術
本發明一般而言係關於影像感測器，且特定而言係關於橫向溢流整合電容器(LOFIC)影像感測器中資料傳輸期間之電壓偏移消除。
影像感測器已變得無所不在。影像感測器廣泛用於數位靜態相機、蜂巢式電話及安全攝像機以及醫療、汽車及其他應用中。製造影像感測器之技術繼續飛速發展。舉例而言，對更高影像感測器解析度及更低功耗之需求促使影像感測器進一步小型化並整合至數位裝置中。
一典型影像感測器回應於來自一外部場景被入射於影像感測器上之影像光而操作。影像感測器包含具有光敏元件(例如，光電二極體)之一像素陣列，該光敏元件吸收入射影像光之一部分且在吸收影像光之後旋即產生影像電荷。可將像素中之每一者之影像電荷作為每一光敏元件的依據入射影像光而發生變化之一輸出電壓來量測。換言之，所產生之影像電荷量與影像光之強度成比例，該影像光用於產生表示外部場景之一數位影像(亦即，影像資料)。
用於影像感測器之積體電路(IC)技術不斷得到改良，尤其在提高解析度並且降低功耗方面。此等改良通常涉及按比例縮小裝置幾何形狀以達成更低製作成本、更高裝置整合密度、更高速度及更佳效能。
高動態範圍(HDR)影像感測器表徵為其在一經增加強度範圍中儲存傳入光之電荷之能力。此等HDR影像感測器可包含用於額外儲存由光電二極體產生之電荷之LOFIC。然而，在某些情景中，可能難以精確讀取此等光電二極體之電壓值，此乃因在電壓讀出之前重設光電二極體之電壓值之方式相對複雜。因此，需要系統及方法來改良基於LOFIC之影像感測器之讀出。
本發明揭示具有經改良光電二極體讀出因此導致對影像感測器之像素電壓之一更精確類比轉數位(ADC)轉換之影像感測器。在以下闡述中，陳述眾多具體細節以提供對實施例之一透徹理解。然而，熟習此項技術者將認識到，本文中所闡述之技術可在不具有特定細節中之一或多者的情況下實踐或者可利用其他方法、組件、材料等來實踐。在其他例項中，未詳細展示或闡述眾所周知之結構、材料或操作以避免使某些態樣模糊。
貫穿本說明書對「一項實例」或「一項實施例」之提及意指結該實例闡述之一特定特徵、結構或特性包含於本發明之至少一項實例中。因此，片語「在一項實例中」或「在一項實施例中」在本說明書通篇之各個位置中之出現未必全部係指同一實例。此外，在一或多個實例中可以任何適合方式組合該等特定特徵、結構或特性。
可在本文中為易於闡述而使用空間相對術語(諸如「下面」、「下方」、「下部」、「之下」、「上方」、「上部」及諸如此類)來闡述一個元件或特徵與另一元件或特徵之關係，如各圖中所圖解說明。將理解，除各圖中所繪示之定向之外，空間相對術語亦意欲涵蓋裝置在使用或操作中之不同定向。舉例而言，若翻轉各圖中之裝置，則闡述為在其他元件或特徵「下方」或「下面」或「之下」之元件將定向為在其他元件或特徵「上方」。因此，例示性術語「下方」及「之下」可涵蓋上方及下方兩者之一定向。裝置可以其他方式定向(旋轉90度或以其他定向)且相應地解釋本文中所使用之空間相對闡述語。另外，亦將理解，當一層被稱為介於兩個層「之間」時，其可係兩個層之間的唯一層，或者亦可存在一或多個介入層。
在本說明書通篇中，使用數個技術術語。此等術語將呈現其在此項技術中之普通含義，除非本文中另外具體定義或其使用之內容脈絡將另外清晰地暗示。應注意，在本文件通篇中，元件名稱及符號可互換地使用(例如，Si與矽)；然而，此兩者具有等同含義。
簡言之，根據本發明技術之教示之實例係針對感測並記錄來自光電二極體之電壓值，該等光電二極體可包含用於額外儲存藉由互補金屬氧化物半導體(CMOS)光電二極體而產生之電荷之LOFIC。在某些實施例中，使用一相關雙取樣(CDS)技術來讀取光電二極體之電荷。然而，在諸多LOFIC設計中，在第一(信號)讀出之後執行一重設(RST)信號，因此將一像素電壓Vx升高至一相對高電壓值並防止CDS技術所需之後續第二比較器翻轉。在LOFIC設計中，在讀取光電二極體電荷(信號)之前，RST信號之一假設執行會消耗或至少干擾溢流電容器之一電荷。因此，一RST光電二極體位準後續接著一信號(SIG)光電二極體位準之一通常所使用之順序讀出對於LOFIC設計可能係不切實際的，因此需要CDS讀出之一典型四電晶體(4T)次序之一反轉。在LOFIC光電二極體中，重設(RST)信號發生在信號讀出程序已開始之後，此又導致在整個讀出程序中一比較器電壓(Vy)保持低於光電二極體之電壓(Vx)。因此，由於Vy與Vx之相交點(亦稱為比較器翻轉)不會發生在ADC之所分配時間內，因此光電二極體之電壓之值可能永遠不會被正確記錄。
在某些實施例中，虛設像素用於改良讀出程序。像素之一虛設列提供一相對高位準之Vy，此確保所關注光電二極體之Vx與虛設光電二極體之Vy相交。熟習此項技術者將知曉，虛設像素通常表徵為其對入射光之低曝光( 例如，阻擋虛設像素免於曝光)，此致使此等像素獲取一相對高電壓，該相對高電壓提供一適當位準之Vy以確保與作用光電二極體之Vx相交。然而，在某些實施例中，舉例而言，由於時脈饋通失配、電荷注入失配、位元線電阻及源極隨耦器(SF)失配(尤其對於小大小之一SF，其中在一相對意義上，大小上之小差異變得顯著)，因此即使在名義上相同之RST位準下並且甚至在相同位元線下，虛設像素及作用像素可能產生不同電壓。在RST信號之後存在之此等電壓差最終減小了ADC (亦稱為AD轉換)讀出之準確度。因此，在某些實施例中，像素之虛設列及作用列之RST電晶體汲極可連接至一行級回饋放大器之一輸出，該行級回饋放大器迫使虛設位元線與作用位元線處之電壓值係相同值，因此減小電壓偏移並改良ADC讀出之準確度。在某些實施例中，此一行級回饋放大器亦用於至少部分地減小來自讀出之熱雜訊(kTC)，此乃因當在相同環境中同時使用時，虛設光電二極體及作用光電二極體之熱雜訊趨向於類似。
圖1圖解說明根據本發明之一實施例之一實例性成像系統100。成像系統100包含像素陣列102、控制電路系統104、讀出電路系統106及功能邏輯110。在一項實例中，像素陣列102係光電二極體或影像感測器像素112 ( 例如，像素P1、P2、……、Pn)之一個二維(2D)陣列。如所圖解說明，將光電二極體配置成列( 例如，列R1至Ry)及行( 例如，行C1至Cx)。在操作中，光電二極體獲取一人、地點、物件等之影像資料，此接著可用以再現該人、地點、物件等之一個2D影像 。然而，光電二極體不必配置成列及行且可採用其他組態。
在一實施例中，在像素陣列102中之每一像素112已獲取其影像資料或影像電荷之後，影像資料經由位元線118由一讀出電路系統106讀出，且接著傳送至一功能邏輯110。在各種實施例中，讀出電路系統106可包含信號放大器、類比轉數位(ADC)轉換電路系統及資料傳輸電路系統。功能邏輯110可儲存影像資料或者甚至藉由應用影像後效應(例如，裁剪、旋轉、移除紅眼、調整亮度、調整對比度或其他)來操縱影像資料。在某些實施例中，控制電路系統104及功能邏輯110可組合至一單個功能區塊中，以控制像素112對影像之擷取以及影像資料自讀出電路系統106之讀出。舉例而言，功能邏輯110可係一數位處理器。在一項實施例中，讀出電路系統106可沿著讀出行線一次讀出一列影像資料(如所圖解說明)或者可使用多種其他技術(未經圖解說明)讀出影像資料，諸如一串行讀出或同時對所有像素之一完全並行讀出。
在一項實施例中，控制電路系統104耦合至像素陣列102以控制像素陣列102中複數個光電二極體之操作。舉例而言，控制電路系統104可產生用於控制影像獲取之一快門信號。在一項實施例中，快門信號係用於同時啟用像素陣列102內之所有像素以在一單個獲取窗期間同時擷取其各別影像資料之一全域快門信號。在另一實施例中，快門信號係一滾動快門信號，使得在連續獲取窗期間依序啟用每一行、每一列或每一群組像素。在另一實施例中，影像獲取與諸如一閃光之照明效應同步。
在一項實施例中，資料傳輸電路系統108可自類比轉數位轉換器(ADC)接收影像資料，因此將類比影像資料轉換成其數位表示。將影像資料之數位表示提供至功能邏輯110。在某些實施例中，資料傳輸電路系統108可自ADC並行地接收影像資料之數位表示並將其串行地提供至功能邏輯110。
在一項實例中，成像系統100可包含於一數位相機、行動電話、膝上型電腦及諸如此類中。另外，成像系統100可耦合至其他件硬體，諸如一處理器(通用或其他)、記憶體元件、輸出(USB埠、無線傳輸器、HDMI埠等)、照明/閃光燈、電輸入(鍵盤、觸控顯示器、追蹤墊、滑鼠、麥克風等)及/或顯示器。其他件硬體可將指令遞送至成像系統100、自成像系統100提取影像資料或者操縱由成像系統100供應之影像資料。
圖2係根據本發明技術之一實施例的一樣本四電晶體(4T)像素單元之一電路圖。應瞭解， 圖 2之像素單元210可係 圖 1之一像素單元110之一實例，並且下文所引用之經類似命名及編號之元件可類似地被耦合並起作用。舉例而言，像素單元210可耦合至一位元線118， 例如 ，讀出行，該位元線可將影像資料提供至讀出電路系統，諸如讀出電路系統106。像素單元210可自控制電路系統(諸如控制電路系統104)接收控制信號，以控制像素單元210之各種電晶體之操作。舉例而言，控制電路系統可用相對時序以所期望順序控制電晶體之操作，以便將像素重設至一暗狀態並在一整合之後讀出影像資料。
像素單元210之所圖解說明實例包含一光敏或光電轉換元件，諸如一光電二極體PD。在操作中，光電二極體PD回應於入射光而光生一影像電荷。
像素單元210亦包含一傳送閘TX及浮動擴散FD。在操作中，一傳送閘TX回應於一傳送閘信號而將影像電荷自光電二極體PD傳送至浮動擴散FD。一重設電晶體RST將一電力供應器電壓PIXVD (亦稱為VDD)耦合至浮動擴散FD以回應於一重設信號而重設像素單元210 ( 例如，將光電二極體及浮動擴散放電或充電至一預設定電壓)。一放大器電晶體SF (亦稱為源極隨耦器)之閘極端子亦耦合至浮動擴散FD以回應於浮動擴散FD中之影像電荷而產生一影像資料信號。一列選擇電晶體SEL (亦稱為RS)耦合至源極隨耦器SF以將影像資料信號輸出至一輸出位元線118。
進一步將影像資料信號路由至一比較器( 例如 ，一運算放大器) OA1之一電容器C1。比較器OA1在此輸入下感測之電壓係Vx。比較器OA1之另一輸入係一斜變電壓Vy。在操作中，比較器OA1首先經由對應傳輸閘在像素PD之RST位準下進行自行重設(自動歸零或AZ)，傳輸閘係回應於AZ信號而切換之自動歸零開關。該等開關將OA1之輸入及輸出重設為相同電壓。隨後，進行一AD轉換以數位化像素RST電壓。之後，傳送閘TX接通，從而允許光電二極體PD中所累積之電子被向外傳送至浮動擴散FD節點上。接著使用下文進一步所闡述之一電壓斜變，進行另一AD轉換以數位化像素之信號電壓位準。接下來，數位化信號可被傳送至讀出電路之下一級。
圖3係 圖 2之樣本像素單元之一實例性時序圖。展示了四個信號：自動歸零(AZ)、傳送(TX)、Vy (斜變電壓)及Vx (像素電壓)。在操作中，比較器首先在像素之RST位準下自行重設(自動歸零或AZ)。在所圖解說明實施例中，進行一次AD轉換以數位化像素RST電壓(時序圖上之第一「比較器翻轉」)。之後，傳送閘TX接通，從而允許光電二極體中所累積之電子被向外傳送至浮動擴散(FD)節點。隨著電子在FD節點處累積，Vx下降至其穩定值，並且AD轉換藉由降低Vy開始，直至兩個電壓相交(時序圖中之第二「比較器翻轉」)。此兩次AD轉換構成一相關雙取樣(CDS)技術。此時，像素之信號電壓位準被判定，並且可由例如讀出電路系統106或功能邏輯110進一步處理。
圖4係根據本發明技術之一實施例的一樣本LOFIC像素單元之一電路圖。為了簡短及簡單起見，不再闡述已關於 圖 2闡述之 圖 4之彼等部件。所圖解說明像素電路410包含一光電二極體PD及一溢流電容器LOFIC。在所繪示實例中，溢流電容器係一橫向溢流整合電容器並且在圖式中所繪示之實例中標記為「LOFIC」。在各種實例中，溢流電容器可利用一金屬-絕緣體-金屬(MIM)、一金屬氧化物半導體電容器(MOSCAP)或另一適合溢流電容器結構來實施。如所繪示實例中所展示，溢流電容器LOFIC具有耦合至接地之一第一端子以及經耦合以經由傳送閘TX及一雙浮動擴散閘DFD接收來自光電二極體PD之溢流電荷之一第二端子。在不同實施例中，LOFIC之第一端子可耦合至一預定電壓而不是接地。LOFIC之電容提供對由光電二極體PD產生之電荷之一額外儲存。因此，像素410之動態範圍增加，此意指像素410可擷取更高強度之傳入光及/或可在一更長時間週期內如此做。然而，經由重設閘RST執行之一重設信號將有必要將由LOFIC累積之電荷放電。因此，參考 圖 3所闡述的充分地與 圖 2中所圖解說明之4T像素電路一起工作之一信號順序會導致下文參考 圖 5及 圖 6所闡述之讀出問題。
圖5係根據本發明技術之實施例的一個4T像素單元與一LOFIC像素單元之一比較時序圖。圖表之左手側對應於4T讀出，其中像素單元可被稱為高轉換增益(HCG)像素單元。圖表之右手側對應於LOFIC讀出，其中像素單元可被稱為低轉換增益(LCG)像素單元。
對於4T讀出，已在標明一高轉換增益(HCG) RST位準之垂直線之前執行RST信號。TX信號發生於高HCG RST位準與HCG信號(SIG)位準之間。在TX信號之後，光電二極體電荷準備好讀出。然而，對於LOFIC讀出，在DFD及TX信號之後但在第二比較器翻轉之前執行RST會使Vx升高至一相對高電壓。信號之此一順序可防止一比較器翻轉，如下文參考 圖 6所闡述。
圖6係 圖 4之樣本像素單元之一實例性LOFIC時序圖。在比較器自動歸零(AZ)階段期間，比較器在LOFIC像素之信號(SIG)位準下重設，且第一AD轉換發生在重設(RST)信號之後。然而，由於RST電壓位準幾乎一直高於彼SIG電壓位準，因此比較器之輸入(展示為Vx)會突然上升。因此，在RST信號之後，將Vx設定為一高值( 例如，接近VDD)。由於Vx現高於Vy，因此Vx無法與一斜降比較器之Vy相交。因此，一第二比較器翻轉事件不會發生，並且由光電二極體產生之電荷之CDS值無法判定，從而導致AD轉換之一失效。在某些實施例中，比較器可能夠既斜升又斜降，因此能夠產生第二比較器翻轉事件，但此等比較器通常需要更多電路資源(區域、功耗 等)及額外設計努力。
圖7係根據本發明技術之一實施例之樣本LOFIC像素單元之一電路圖。在某些實施例中，虛設列位於作用感測區域與光學黑(OB)區域之間，光學黑區域用作一隔離區域且對影像讀出沒有貢獻。將一特定處理應用於虛設像素以降低光敏度。在某些實施例中，虛設列中一像素之電路系統等同於作用列中一像素之電路系統，並且一虛設像素之RST電壓與作用列中一像素之RST電壓相同或接近。因此，在一虛設像素711上執行之RST信號用於建立比較器自動歸零(AZ)。在比較器自動歸零階段之後，共同位元線(BL)藉由SEL信號耦合回一作用像素710，且信號電壓位準Vx被數位化。下文關於 圖 8及 圖 9闡述上文程序之時序。
圖8係根據本發明技術之實施例的像素單元之一作用列與一虛設列之一比較時序圖。 圖 9係根據本發明技術之一實施例的一樣本LOFIC像素單元之一實例性時序圖。在操作中，當作用像素之SEL信號為低時虛設像素之SEL信號為高，因此並發RST信號僅在彼時應用於虛設像素。對虛設像素執行之RST信號設定行自動歸零(AZ)之一參考點，因此將Vy設定為對應於虛設像素之一相對高值。在藉由SEL信號選擇一所指定作用像素之後，經由 圖 9中所展示之一第一比較器翻轉來判定作用像素之信號位準Vx。隨後，對作用像素執行RST信號，從而導致Vx增加。然而，由於Vy係相對高的(基於虛設像素)，所以仍可獲得第二比較器翻轉，因此完成了CDS程序。
圖10係根據本發明技術之一實施例的一樣本LOFIC像素單元之一電壓偏移圖表。水平軸線指示時間，且垂直軸線指示位元線處之電壓(VBL)。垂直虛線指示位元線處之電壓分別對應於虛設RST位準、LOFIC信號位準及LOFIC RST位準之各別時間。
在虛設像素之操作中，在RST信號之後，自PIXVD至位元線之電壓降係ΔVD。類似地，對於作用像素，自PIXVD至位元線之電壓降係ΔVA。因此，在位元線處，一虛設像素可具有電壓PIXVD－ΔVD，且一作用像素可具有電壓PIXVD－ΔVA。在不同實施例中，此電壓差(ΔVD－ΔVA)可由時脈饋通失配、電荷注入失配、位元線電阻及源極隨耦器(SF)失配引起。因此，RST信號(圖表中之DUM RST)之後虛設像素之位元線處之電壓可與RST信號(圖表中之LOFIC RST)之後作用像素之電壓不同。此電壓差(VOFFSET)會影響AD轉換之準確度並且在某些情形中可能導致AD轉換之一失效。
圖11係根據本發明技術之一實施例的一樣本LOFIC像素單元之一電路圖。所圖解說明電路圖類似於 圖 7中所展示之電路圖，惟一回饋運算放大器OA3被添加至電路。在所圖解說明實施例中，運算放大器OA3藉由具有一非反相輸入VREF及耦合至AD轉換電路系統( 例如，運算放大器OA1，此處未展示)之一反相輸入來充當一放大器以放大該差並將其回饋至RST之汲極。運算放大器OA3用於迫使重設電晶體RST之汲極端子處之汲極電壓確保源極隨耦器輸出與VREF對準。因此，電壓差(VOFFSET)被消除或至少減小，因此減小或消除由VOFFSET產生之上文所闡述問題。提供至AD轉換之所得電壓展示於 圖 12之圖表中。
圖12係根據本發明技術之一實施例的一樣本LOFIC像素單元之一電壓偏移圖表。水平軸線指示時間，且垂直軸線指示位元線處之電壓(VBL)。虛線指示電路中包含回饋運算放大器OA3時之電壓。歸因於回饋運算放大器OA3，對於虛設像素及作用像素兩者，迫使RST位準為相同VREF值。因此，在「無回饋」情景中用實線圖解說明之VOFFSET顯著減小。
另外，回饋迴路之一附帶益處係，歸因於LOFIC之偽相關雙取樣(非CDS)操作，作用回饋方案降低了熱雜訊(亦稱為「kTC雜訊」)。一般而言，對於導致不相關雜訊樣本之「首先SIG，稍後RST」讀出，相關雙取樣(CDS)技術不能消除熱雜訊。用回饋迴路消除熱雜訊可進一步改良LOFIC讀出之雜訊效能。
上文所闡述技術之諸多實施例可採用電腦或控制器可執行指令之形式，包含由一可程式化電腦或控制器執行之常式。熟習此項技術者將瞭解，該技術可在除上文所展示及所闡述之彼等技術之外的電腦/控制器系統上實踐。該技術可在一專用電腦、特殊應用積體電路(ASIC)、控制器或資料處理器中達成，該專用電腦、應用專用積體電路、控制器或資料處理器經特定程式化、組態或構造以執行上文所闡述電腦可執行指令中之一或多者。當然，本文中所闡述之任何邏輯或演算法皆可用軟體或硬體或者軟體與硬體之一組合來實施。
包含發明摘要中所闡述內容的本發明之所圖解說明實例之上文闡述並非意欲係窮盡性或將本發明限制於所揭示之精確形式。如本文中所使用，術語「約」指示標的值可被修改正負5%並且仍歸屬於所揭示實施例內。雖然出於說明性目的而在本文中闡述了本發明之特定實例，但如熟習此項技術者將認識到，可在本發明之範疇內做出各種修改。可鑒於上文詳細闡述對本發明做出此等修改。在以下申請專利範圍中使用之術語不應被解釋為將本發明限制於本說明書中所揭示之特定實例，而是本發明之範疇完全由以下申請項判定，該等申請項將如申請專利範圍詮釋之所制定原則來解釋。
100:成像系統/實例性成像系統 102:像素陣列 104:控制電路系統 106:讀出電路系統 110:功能邏輯/像素單元 112:像素/光電二極體或影像感測器像素 118:位元線/輸出位元線 210:像素單元 410:像素/所圖解說明像素電路 710:作用像素 711:虛設像素 AZ:自動歸零 BL:共同位元線 C1:行/電容器 C2-Cx:行 DFD:雙浮動擴散閘 FD:浮動擴散 LOFIC:橫向溢流整合電容器 OA1:比較器/運算放大器 OA3:運算放大器/回饋運算放大器 P1-Pn:像素 PD:像素/光電二極體 PIXVD:電力供應器電壓 RAMP:斜變 R1-Ry:列 RST:重設/重設閘/重設電晶體 SEL:選擇電晶體/列選擇電晶體 SF:源極隨耦器/放大器電晶體 TX:傳送/傳送閘 V BL:位元線處之電壓 VOFFSET:電壓差 VREF:參考電壓/非反相輸入 Vx:像素電壓/信號位準/信號電壓位準/光電二極體之電壓 Vy:斜變電壓/比較器電壓
參考以下各圖闡述本發明之非限制性及非窮盡性實施例，其中除非另有規定，否則貫穿各個視圖，相似元件符號係指相似部件。
圖1係根據本發明技術之一實施例之一實例性影像感測器。
圖2係根據本發明技術之一實施例的一樣本四電晶體(4T)像素單元之一電路圖。
圖3係 圖 2之樣本像素單元之一實例性時序圖。
圖4係根據本發明技術之一實施例的一樣本LOFIC像素單元之一電路圖。
圖5係根據本發明技術之實施例的一個4T像素單元與一LOFIC像素單元之一比較時序圖。
圖6係 圖 4之樣本像素單元之一實例性時序圖。
圖7係根據本發明技術之一實施例的樣本LOFIC像素單元之一電路圖。
圖8係根據本發明技術之實施例的像素單元之一作用列與一虛設列之一比較時序圖。
圖9係根據本發明技術之一實施例的一樣本LOFIC像素單元之一實例性時序圖。
圖10係根據本發明技術之一實施例的一樣本LOFIC像素單元之一電壓偏移圖表。
圖11係根據本發明技術之一實施例的一樣本LOFIC像素單元之一電路圖。
圖12係根據本發明技術之一實施例的一樣本LOFIC像素單元之一電壓偏移圖表。
貫穿各圖式之數個視圖，對應參考字符指示對應組件。熟習此項技術者將瞭解，各圖中之元件係為簡單及清晰起見而圖解說明的，且未必按比例繪製。舉例而言，為幫助改良對本發明之各種實施例之理解，各圖中之元件中之某些元件之尺寸可相對於其他元件而被放大。而且，通常不繪示一商業上可行之實施例中有用或必需的常見而眾所周知之元件，以便促進對本發明之此等各種實施例之一較不受阻礙之觀看。
118:位元線/輸出位元線
410:像素/所圖解說明像素電路
AZ:自動歸零
C1:行/電容器
C2:行
DFD:雙浮動擴散閘
LOFIC:橫向溢流整合電容器
OA1:比較器/運算放大器
PD:像素/光電二極體
PIXVD:電力供應器電壓
RAMP:斜變
RST:重設/重設閘/重設電晶體
SEL:選擇電晶體/列選擇電晶體
SF:源極隨耦器/放大器電晶體
TX:傳送/傳送閘
Vx:像素電壓/信號位準/信號電壓位準/光電二極體之電壓
Vy:斜變電壓/比較器電壓

Claims (19)

  1. 一種影像感測器，其包括：複數個橫向溢流整合電容器(LOFIC)像素，其以一像素陣列之列及行配置，其中該複數個像素包含：一作用像素，其經組態用於曝光，及一虛設像素，其至少部分地受到保護而免於曝光；一共同位元線(BL)，其可耦合至該作用像素及該虛設像素；以及一比較器(OA1)，其耦合至該共同位元線，其中該比較器經組態用於在一個輸入上接收來自該作用像素之一像素電壓(Vx)且在另一輸入上接收一斜變電壓(Vy)，並且其中由該作用像素累積之一電荷至少部分地由該斜變電壓與該像素電壓之間的一相交點判定。
  2. 如請求項1之影像感測器，其進一步包括具有以下各項之一回饋運算放大器(OA3)：一第一輸入，其耦合至一參考電壓(VREF)；一第二輸入，其耦合至該共同位元線；及一輸出，其耦合至該虛設像素及該作用像素之各別重設電晶體(RST)之汲極端子。
  3. 如請求項2之影像感測器，其中該第一輸入係一非反相輸入，且該第二輸入係一反相輸入。
  4. 如請求項2之影像感測器，其中該第二輸入耦合至該比較器。
  5. 如請求項2之影像感測器，其中該比較器經組態以偵測指示由該作用像素累積之該電荷之一第一比較器翻轉以及指示在一重設信號之後該作用像素之一電壓之一第二比較器翻轉。
  6. 如請求項5之影像感測器，其中該第一比較器翻轉及該第二比較器翻轉共同包括該作用像素之該電荷之一相關雙取樣(CDS)值。
  7. 如請求項2之影像感測器，其中首先重設該虛設像素以在該回饋運算放大器之該第二輸入處提供一虛設重設電壓，且其次重設該作用像素以在該回饋運算放大器之該第二輸入處提供一作用重設電壓。
  8. 如請求項7之影像感測器，其中該回饋運算放大器之該第二輸入處之該虛設重設電壓與該回饋運算放大器之該第二輸入處之該作用重設電壓之間的一差係在一子毫伏範圍內。
  9. 一種對具有一像素陣列之複數個橫向溢流整合電容器(LOFIC)像素之一影像感測器進行一相關雙取樣(CDS)讀出之方法，該方法包括：將一作用像素曝光，及至少部分地保護一虛設像素免於曝光；將一第一重設信號提供至該虛設像素之一重設電晶體(RST)，其中該 虛設像素及該作用像素可經由其對應之選擇電晶體(SEL)耦合至一共同位元線(BL)；經由該作用像素之該選擇電晶體(SEL)將該作用像素耦合至該共同位元線；且藉由找出一斜變電壓(Vy)與來自該作用像素之一像素電壓(Vx)之間的一相交點來判定一第一比較器翻轉。
  10. 如請求項9之方法，其進一步包括：將一第二重設信號提供至該作用像素之一重設電晶體(RST)；及在該第二重設信號之後，藉由找出該斜變電壓(Vy)與來自該作用像素之該像素電壓(Vx)之間的一相交點來判定一第二比較器翻轉。
  11. 如請求項10之方法，其進一步包括：在將該第一重設信號提供至該虛設像素之該重設電晶體(RST)之後，經由該虛設像素之該選擇電晶體(SEL)將該虛設像素與該共同位元線解耦。
  12. 如請求項11之方法，其中在經由該虛設像素之該選擇電晶體(SEL)將該虛設像素與該共同位元線解耦之後，執行經由該作用像素之該選擇電晶體(SEL)將該作用像素耦合至該共同位元線。
  13. 如請求項9之方法，其中該影像感測器進一步包括一回饋運算放大器(OA3)，該方法進一步包括： 將一參考電壓(VREF)耦合至該回饋運算放大器(OA3)之一第一輸入；將一位元線電壓耦合至該回饋運算放大器(OA3)之一第二輸入；及將該回饋運算放大器(OA3)之一輸出耦合至該虛設像素及該作用像素之各別重設電晶體(RST)之汲極端子。
  14. 如請求項13之方法，其進一步包括：將該回饋運算放大器(OA3)之該第二輸入耦合至一比較器(OA1)之一輸入。
  15. 如請求項13之方法，其該第一輸入係一非反相輸入，且該第二輸入係一反相輸入。
  16. 如請求項13之方法，其中將該回饋運算放大器(OA3)之一輸出耦合至該虛設像素及該作用像素之各別重設電晶體(RST)之汲極端子會迫使該共同位元線之電壓成為該參考電壓(VREF)。
  17. 如請求項12之方法，其中至該虛設像素之該第一重設信號在該共同位元線處產生一虛設重設電壓，且其中至該作用像素之該第二重設信號在該共同位元線處產生一作用重設電壓，且其中該虛設重設電壓與該作用重設電壓之間的一差係在一子毫伏範圍內。
  18. 如請求項13之方法，其中在不具有該回饋運算放大器(OA3)的情況 下，該參考電壓(VREF)低於該共同位元線之一電壓。
  19. 如請求項14之方法，其中該比較器(OA1)係一斜降比較器。
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