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TW201528817A - 像素電路和影像感測器 - Google Patents

像素電路和影像感測器 Download PDF

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TW201528817A
TW201528817A TW103101062A TW103101062A TW201528817A TW 201528817 A TW201528817 A TW 201528817A TW 103101062 A TW103101062 A TW 103101062A TW 103101062 A TW103101062 A TW 103101062A TW 201528817 A TW201528817 A TW 201528817A
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coupled
signal
circuit
photodetector
switching
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TW103101062A
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Inventor
Dong-Long Lin
Chung-Ren Li
Chung-Wei Chang
Original Assignee
Himax Imaging Ltd
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Publication date
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Priority to TW103101062A priority Critical patent/TWI556644B/zh
Priority to US14/207,669 priority patent/US9466635B2/en
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Abstract

一像素電路包含有：一光偵測器、一訊號調整電路以及一切換電路。該光偵測器係用來因應射入的光線以產生一輸出訊號。該訊號調整電路係耦接至該光偵測器，用來選擇性地調整該輸出訊號，以使該輸出訊號對該光線的一強度有複數個不同的對數函數。該切換電路係耦接至該訊號調整電路以及該光偵測器，用來將該光偵測器耦接至該訊號調整電路。

Description

像素電路和影像感測器
本發明係相關於一影像感測器，尤指一種包含一像素電路的一影像感測器，其中該像素電路可進行對數線性對數(logarithmic-linear-logarithmic)操作，且具高動態範圍。
互補式金屬氧化半導體影像感測器(complementary metal-oxide-semiconductor,CMOS)被廣泛地應用在不同的產品中。互補式金屬氧化半導體影像感測器最大的優點是易於整合、低操作電壓以及低生產成本。然而，相較於電荷耦合裝置(charge-coupled device,CCD)影像感測器，互補式金屬氧化半導體影像感測器通常受限於較差的動態範圍。
改善互補式金屬氧化半導體影像感測器的其中一種方式係對數像素，對數像素被廣泛地使用在三顆電晶體的光二極體(three-transistor(3T)photodiode)像素。一般來說，主動式像素或是被動式像素會對照射進該像素的光線強度有線性反應。當光電流太小時，電晶體會進入次臨界(sub-threshold)區域，對數像素會基於互補式金屬氧化半導體電晶體的次臨界操作模式來提供對數電子至光二極體。然而此操作會導致下列缺點：1.低光感性(photosensitivity)，特別是在低亮度環境；2.導因於次臨界操作的低反應速度；以及3.導因於次臨界操作的相對高元件變異性。
因此，此領域需要一種像素電路以及一種影像感測器以解決上述問題。
有鑑於此，本發明的目的之一在於提供具有高動態範圍的一像素電路以及一影像感測器。該像素電路可在不同亮度條件下進行對數線性對數(logarithmic-linear-logarithmic)操作。
依據本發明的示範性實施例，提出一種像素電路，包含有一光偵測器、一訊號調整電路以及一切換電路。其中該種光偵測器係用來因應射入的光線以產生一輸出訊號。該訊號調整電路係耦接至該光偵測器，用來選擇性地調整該輸出訊號，以使該輸出訊號對該光線的一強度有複數個不同的對數函數。該切換電路係耦接至該訊號調整電路以及該光偵測器，用來將該光偵測器耦接至該訊號調整電路。
依據本發明的示範性實施例，提出一種影像感測器，包含有一像素電路陣列，其中每一像素電路包含有一光偵測器、一訊號調整電路以及一切換電路。其中該種光偵測器係用來因應射入的光線以產生一輸出訊號。該訊號調整電路係耦接至該光偵測器，用來選擇性地調整該輸出訊號，以使該輸出訊號對該光線的一強度有複數個不同的對數函數。該切換電路係耦接至該訊號調整電路以及該光偵測器，用來將該光偵測器耦接至該訊號調整電路。
上述實施例提供一像素電路以及一影像感測器，能夠在低亮度或是高亮度條件下進行對數操作。此外，該像素電路以及該影像感測器能夠在中亮度條件下進行對數操作，如此一來，該像素電路以及該影像感測器相較於對數像素或是線性像素具有更高的動態範圍以及更低的反應時間。
120‧‧‧訊號調整電路
130‧‧‧切換電路
140‧‧‧光偵測器
100、200、300、400‧‧‧像素電路
110‧‧‧光偵測器
122、124‧‧‧訊號調整元件
500‧‧‧讀出部分
第1圖為依據本發明示範性實施例的一像素電路的簡要示意圖。
第2圖為依據本發明示範性實施例的一像素電路的詳細電路圖。
第3圖為依據本發明另一示範性實施例的一像素電路的詳細電路圖。
第4圖為依據本發明又另一示範性實施例的一像素電路的詳細電路圖。
第5圖為依據本發明再另一示範性實施例的一像素電路的詳細電路圖。
第6圖為依據本發明一示範性實施例的一讀出部分的示意圖。
請參考第1圖，第1圖為依據本發明示範性實施例的一像素電路的簡要示意圖。該像素電路包含有一光偵測器110、一訊號調整電路120以及一切換電路130。在較佳實施例中可以使用一光二極體(但以此為限，亦可以係一光電晶體)來實現光偵測器110，以因應射入的光線以產生一輸出訊號VPHOTO。訊號調整電路120係耦接至光偵測器110，用來選擇性地調整該輸出訊號VPHOTO，以使輸出訊號VPHOTO對光線的強度有複數個不同的對數函數。訊號調整電路120可以操作在一此臨界區(sub-threshold region)，可以使輸出訊號VPHOTO在切換電路130導通的情況下對光線強度為對數函數關係。切換電路130係耦接至訊號調整電路120以及光偵測器110，用來將光偵測器110耦接至訊號調整電路120。當控制切換電路130將訊號調整電路120耦接至光偵測器110時，輸出訊號VPHOTO對光線強度會係對數函數關係。當控制切換電路130不將訊號調整電路120耦接至光偵測器110時，輸出訊號VPHOTO對光線之強度會係線性函數關係。
第2圖為依據本發明示範性實施例的一像素電路100的詳細電路圖。訊號調整電路120包含有一第一訊號調整元件122，在一較佳實施例中，第一訊號調整元件122包含有一二極體接法電晶體(diode-connected transistor)M1經由切換電路130耦接至光偵測器110(包含有一光二極體PD)，其中切 換電路130包含有一第一切換元件M2受一控制訊號x1控制。當控制訊號x1使第一切換元件M2導通時，第一訊號調整元件122會調整輸出訊號VPHOTO，使輸出訊號VPHOTO對光線強度會係對數函數關係。一預定電壓Vlog1係耦接至一特定電極以及二極體接法電晶體M1的一控制電極。預定電壓Vlog1會判斷二極體接法電晶體M1所產生的輸出訊號VPHOTO之該第一對數函數的特徵，並且當二極體接法電晶體M1操作在一次臨界區域時，使輸出訊號VPHOTO具有該第一對數函數。當切換電路130將二極體接法電晶體M1耦接至光偵測器110時，且二極體接法電晶體M1開始操作在該次臨界區域時，二極體接法電晶體M1會供應電荷來增加流入節點A的電流，此時像素電路100係作為對數像素，輸出訊號VPHOTO會較線性像素更大幅地下降以提供更強的亮度資訊。當節點A的電壓掉到一特定位準之下時，二極體接法電晶體M1將會被關閉，而輸出訊號VPHOTO對光線強度為一線性函數。同時，藉由將控制訊號x1下拉以使第一切換元件M2不導通，且像素電路100係作為一線性像素。
藉由適當地設定預定電壓Vlog1，亦可以讓二極體接法電晶體M1操作來抑制輸出訊號VPHOTO以防止飽和。在一高亮度條件下，輸出訊號VPHOTO可能會飽和。在此情形下，第一切換元件M2會將二極體接法電晶體M1耦接至光偵測器110，二極體接法電晶體M1會操作在該次臨界區，並產生一次臨界電流，其中由於高亮度使得輸出訊號VPHOTO的降幅得以被抑制，因此該次臨界電流較光二極體PD所產生的一高光電流小得多。故輸出訊號VPHOTO不會飽和。
切換電路130可包含有一選用元件以及一控制訊號x2所控制的一第二切換元件M3。第二切換元件M3會使輸出訊號VPHOTO可被像素電路100的一讀出部分讀出。第二切換元件M3能夠在像素電路100的一整合期間避 免輸出訊號VPHOTO受到雜訊干擾。當該整合期間結束，第二切換元件M3會導通，且該讀出部分可得到輸出訊號VPHOTO。
第3圖為依據本發明另一示範性實施例的像素電路的詳細電路圖。在此實施例中，訊號調整電路120包含有一第一訊號調整元件122以及一第二訊號調整元件124。在一較佳設計中，第一訊號調整元件122包含有一二極體接法電晶體M1，而第二訊號調整元件124包含有一電晶體M4。電晶體M1和電晶體M4都係經由切換電路130耦接至光偵測器110(包含有一光二極體PD)，其中切換電路130包含有由一控制訊號x1所控制的一第一切換元件M2。當控制訊號x1使第一切換元件M2導通時，第一訊號調整元件122以及第一訊號調整元件124會調整輸出訊號VPHOTO，使輸出訊號VPHOTO針對光線強度具有一個或是多個對數函數。
電晶體M1和電晶體M4各自具有一電極，並分別耦接至預定電壓Vlog1以及預定電壓Vlog2，為預防預定電壓Vlog1和預定電壓Vlog2完全相同，電晶體M1和電晶體M4能夠提供電荷來增加流進節點A的電流，進而增強輸出訊號VPHOTO的壓降。預定電壓Vlog1和預定電壓Vlog2會判斷輸出訊號VPHOTO之該第一對數函數的特徵，並且當二極體接法電晶體M1和電晶體M4操作在一次臨界區域時，使輸出訊號VPHOTO具有該第一對數函數。若是預定電壓Vlog1和預定電壓Vlog2不同，電晶體M1和電晶體M4的其中之一可以被用來增強輸出訊號VPHOTO的壓降，而其中另一個可以被用來抑制輸出訊號VPHOTO的壓降。這樣的設計可以改善像素電路200的動態範圍。電晶體M1可以使輸出訊號VPHOTO針對光線強度有一第一對數函數，而電晶體M4可以使輸出訊號VPHOTO針對光線強度有一第二對數函數。預定電壓Vlog2可以決定一第二對數函數的特性，在光源複雜的場合相當實用。由於輸出訊號VPHOTO之該第一對數函數和該第二對數函數在低亮度和高亮度的情 況下，因此像素電路200相較於線性像素具有較佳反應。若是在適中亮度的情況下，像素電路200可阻隔第一切換元件M2的控制訊號x1而具有一線性函數。視預定電壓Vlog1和預定電壓Vlog2的選擇，電晶體M1操作在次臨界區域的期間和電晶體M4操作在次臨界區域的期間可能會部分地重疊。
相似地，切換電路130可以包含有一選用元件以及一控制訊號x2所控制的一第二切換元件M3。第二切換元件M3會使輸出訊號VPHOTO可被像素電路100的一讀出部分讀出。第二切換元件M3能夠在像素電路100的一整合期間避免輸出訊號VPHOTO受到雜訊干擾。當該整合期間結束，第二切換元件M3會導通，且該讀出部分可得到輸出訊號VPHOTO。
在一示範性實施例中，切換電路130另包含有一第三切換元件M5，繪示於第4圖中的一像素電路300中。第三切換元件M5係耦接於光偵測器110以及訊號調整電路120之間，訊號調整電路120係受到一控制訊號x3所控制。當控制訊號x3使第三切換元件M5導通時，第二訊號調整元件124會調整輸出訊號VPHOTO，以使輸出訊號VPHOTO對光線的強度呈對數函數。在此示範性實施例中，第一訊號調整元件122和第二訊號調整元件124係經由不同切換元件耦接至光偵測器110。
為了進一步改善複雜光線環境下的像素電路反應，訊號調整電路120可包含有複數個訊號調整元件以改善輸出訊號VPHOTO的壓降的增強或是抑制效果。請參考第5圖，第5圖為依據本發明一示範性實施例的一像素電路400的詳細電路圖。在此示範性實施例中，像素電路400具有一第一訊號調整元件M1以及兩第二訊號調整元件M2和M3。如此一來，可以調整輸出訊號VPHOTO以分別依據預定電壓Vlog1、Vlog2和Vlog3來針對光線強度產生複數個對數函數。第一訊號調整元件M1係經由訊號x1所控制的切換元件 M4耦接至光偵測器110，第二訊號調整元件M2係經由訊號x2所控制的切換元件M5耦接至光偵測器110，以及第三訊號調整元件M3係經由訊號x3所控制的切換元件M6耦接至光偵測器110。視預定電壓Vlog1、預定電壓Vlog2和預定電壓Vlog3的值，輸出訊號VPHOTO會在不同亮度條件下有不同的對數函數，以增強低光源情況下的輸出訊號VPHOTO的壓降，以及抑制高光源情況下的輸出訊號VPHOTO的壓降。因此，像素電路400具有相當高的動態範圍。
為讀出輸出訊號VPHOTO，上述該些像素電路另包含有一讀出部分，該讀出部分可包含有一重置電晶體以及一，具有一源極隨耦器。請參考第6圖，第6圖為依據本發明一示範性實施例的一讀出部分的示意圖。如第6圖所示，一讀出部分500包含有一重置電晶體Mrst以及一源極隨耦器Msf。重置電晶體Mrst具有一第一電極耦接至光偵測器110、一第二電極耦接至一供應電壓Vdd，以及一控制電極耦接至一重置控制訊號RST。源極隨耦器Msf具有一控制電極耦接至光偵測器110，用來依據輸出訊號VPHOTO產生一像素資料輸出VDara。因此，讀出部分500可進一步包含有一選擇電路Msel，選擇電路Msel係耦接至源極隨耦器Msf，用來在該像素電路(例如像素電路100~400)的一讀出週期傳遞像素資料輸出VDara。請注意，選擇電路Msel和第二切換元件(例如像素電路100、200、300的M3，或是像素電路400的M7)中僅需要其中一個，視不同需求，本發明實施例中可同時包含選擇電路Msel以及該第二切換元件，或是僅包含其中一個。熟係此技藝者應能清楚地瞭解其中的操作和原理，為簡明起見，在此省略關於上述元件的詳細說明。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
120‧‧‧訊號調整電路
130‧‧‧切換電路
140‧‧‧光偵測器

Claims (26)

  1. 一種像素電路，包含有：一光偵測器，用來因應射入的光線以產生一輸出訊號；一訊號調整電路，耦接至該光偵測器，用來選擇性地調整該輸出訊號，以使該輸出訊號對該光線的一強度有複數個不同的對數函數：以及一切換電路，耦接至該訊號調整電路以及該光偵測器，用來將該光偵測器耦接至該訊號調整電路。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的像素電路，其中該訊號調整電路包含有：一第一訊號調整元件，經由該切換電路耦接至該光偵測器，當該第一訊號調整元件係耦接至該光偵測器時，用來依據所耦接的一第一預定電壓來調整該輸出訊號，以使該輸出訊號對該光線之該強度具有該複數個對數函數中的一第一函數；以及該切換電路包含有：一第一切換元件，用來將該第一訊號調整元件耦接至該光偵測器。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的像素電路，其中該第一電路調整元件包含有：一第一電晶體，係一二極體接法電晶體(diode-connected transistor)，具有一第一電極耦接至該第一切換元件，以及一第二電極以及一控制電極一同耦接至該第一預定電壓。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的像素電路，其中該訊號調整電路另包含有：一第二訊號調整元件，經由該切換電路耦接至該光偵測器，當該切換電路使該第二訊號調整元件耦接至該光偵測器時，用來依據一第二預定電壓來調整該輸出訊號。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的像素電路，其中該第二預定電壓係相同於該第一預定電壓，以及該第一訊號調整元件和該第二訊號調整元件會使該輸出訊號對該光線之該強度具有該複數個對數函數中之該第一函數。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的像素電路，其中該第二預定電壓係不同於該第一預定電壓，以及該第一訊號調整元件會使該輸出訊號對該光線之該強度具有該複數個對數函數中之該第一函數，以及該第二訊號調整元件會使該輸出訊號對該光線之該強度具有該複數個對數函數中的一第二函數。
  7. 如申請專利範圍第4項所述的像素電路，其中該第二訊號調整元件包含有：一第二電晶體，具有一第一電極以及一控制電極一同耦接至該第一切換元件，和一第二電極耦接至該第二預定電壓。
  8. 如申請專利範圍第2項所述的像素電路，其中該切換電路另包含有：一第二切換元件，耦接於該光偵測器以及該訊號調整電路之間，用來將該第二訊號調整元件耦接至該光偵測器。
  9. 如申請專利範圍第2項所述的像素電路，其中該訊號調整電路另包含有：複數個第二調整元件，經由該切換電路耦接至該光偵測器，用來分別依據複數個第二預定電壓來調整該輸出訊號，以對該光線之該強度具有該複數個對數函數中複數個第二函數；以及該切換電路包含有：複數個第二切換元件，分別耦接於該複數個第二訊號調整元件以及該光偵測器之間。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的像素電路，其中每一該第二電路調整元件包含有：一第二電晶體，具有一第一電極以及一控制電極一同耦接至該第二切換元件，以及一第二電極耦接至該第二預定電壓。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的像素電路，其中該像素電路另包含有：一重置電晶體，具有一第一電極耦接至該光偵測器，一第二電極耦接至一供應電壓，一控制電極耦接至一重置控制訊號：以及一源極隨耦器，具有一控制電極耦接至該光偵測器，用來依據該輸出訊號產生一像素資料輸出。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的像素電路，其中該切換電路包含有：一第三切換元件，耦接於該光偵測器以及該源極隨耦器之間，用來在該像素電路的一讀出週期將該光偵測器耦接至該源極隨耦器。
  13. 如申請專利範圍第11項所述的像素電路，其中像素電路包含有：一選擇電路，耦接至該源極隨耦器，用來在該像素電路的一讀出週期傳遞該像素資料輸出。
  14. 一種影像感測器，包含有：一像素電路陣列，其中每一像素電路包含有：一光偵測器，用來因應射入的光線以產生一輸出訊號；一訊號調整電路，耦接至該光偵測器，用來選擇性地調整該輸出訊號，以使該輸出訊號對該光線的一強度有複數個不同的對數函數：以及一切換電路，耦接至該訊號調整電路以及該光偵測器，用來將該光偵測器耦接至該訊號調整電路。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的影像感測器，其中該訊號調整電路包含有：一第一訊號調整元件，經由該切換電路耦接至該光偵測器，當該第一訊號調整元件係耦接至該光偵測器時，用來依據所耦接的一第一預定電壓來調整該輸出訊號，以使該輸出訊號對該光線之該強度具有該複數個對數函數中的一第一函數；以及該切換電路包含有：一第一切換元件，用來將該第一訊號調整元件耦接至該光偵測器。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的影像感測器，其中該第一電路調整元件包含有：一第一電晶體，係一二極體接法電晶體(diode-connected transistor)，具有一第一電極耦接至該第一切換元件，以及一第二電極以及一控制電極一同耦接至該第一預定電壓。
  17. 如申請專利範圍第15項所述的影像感測器，其中該訊號調整電路另包含有：一第二訊號調整元件，經由該切換電路耦接至該光偵測器，當該切換電路使該第二訊號調整元件耦接至該光偵測器時，用來依據一第二預定電壓來調整該輸出訊號。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的影像感測器，其中該第二預定電壓係相同於該第一預定電壓，以及該第一訊號調整元件和該第二訊號調整元件會在一低照度的條件下，使該輸出訊號對該光線之該強度具有該複數個對數函數中之該第一函數。
  19. 如申請專利範圍第17項所述的影像感測器，其中該第二預定電壓係不同於該第一預定電壓，以及該第一訊號調整元件會在一高照度的條件下，使該輸出訊號對該光線之該強度具有該複數個對數函數中之該第一函數，以及該第二訊號調整元件會在一低照度的條件下，使該輸出訊號對該光線之該強度具有該複數個對數函數中的一第二函數。
  20. 如申請專利範圍第17項所述的影像感測器，其中該第二訊號調整元件包含有：一第二電晶體，具有一第一電極以及一控制電極一同耦接至該第一切換元件，和一第二電極耦接至該第二預定電壓。
  21. 如申請專利範圍第15項所述的影像感測器，其中該切換電路另包含有：一第二切換元件，耦接於該光偵測器以及該訊號調整電路之間，用來將該第二訊號調整元件耦接至該光偵測器。
  22. 如申請專利範圍第15項所述的影像感測器，其中該訊號調整電路另包含有：複數個第二調整元件，經由該切換電路耦接至該光偵測器，用來分別依據複數個第二預定電壓來調整該輸出訊號，以對該光線之該強度具有該複數個對數函數中複數個第二函數；以及該切換電路包含有：複數個第二切換元件，分別耦接於該複數個第二訊號調整元件以及該光偵測器之間。
  23. 如申請專利範圍第22項所述的影像感測器，其中每一該第二電路調整元 件包含有：一第二電晶體，具有一第一電極以及一控制電極一同耦接至該第二切換元件，以及一第二電極耦接至該第二預定電壓。
  24. 如申請專利範圍第14項所述的影像感測器，其中該像素電路另包含有：一重置電晶體，具有一第一電極耦接至該光偵測器，一第二電極耦接至一供應電壓，一控制電極耦接至一重置控制訊號：以及一源極隨耦器，具有一控制電極耦接至該光偵測器，用來依據該輸出訊號產生一像素資料輸出。
  25. 如申請專利範圍第24項所述的影像感測器，其中該切換電路包含有：一第三切換元件，耦接於該光偵測器以及該源極隨耦器之間，用來在該像素電路的一讀出週期將該光偵測器耦接至該源極隨耦器。
  26. 如申請專利範圍第24項所述的影像感測器，其中像素電路包含有：一選擇電路，耦接至該源極隨耦器，用來在該像素電路的一讀出週期傳遞該像素資料輸出。
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