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WO2019196089A1 - 图像传感电路及其控制方法 - Google Patents

图像传感电路及其控制方法 Download PDF

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WO2019196089A1
WO2019196089A1 PCT/CN2018/082949 CN2018082949W WO2019196089A1 WO 2019196089 A1 WO2019196089 A1 WO 2019196089A1 CN 2018082949 W CN2018082949 W CN 2018082949W WO 2019196089 A1 WO2019196089 A1 WO 2019196089A1
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signal
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transistor
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曾千鉴
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Shenzhen Goodix Technology Co Ltd
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Definitions

  • MT, MT A , MT R , MT C1 , MT C2 pass transistor
  • the column-related double-sampling and double-triangular sampling circuit 622 includes a first reset capacitor CR P2 , a first signal capacitor CS P2 , a second reset capacitor CR D2 , a second signal capacitor CS D2 , and a first buffer amplifier (buffer amplifier 623 and second buffer amplifier 624, and a plurality of switches SR P3 , SR D3 , SS P3 , SS D3 , SK1 - SK4 , SQ1 , SQ2 , SL7 and SL8 .
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing an embodiment of an operation sequence involved in the pixel 301 shown in FIG. 3 and the processing circuit 620 shown in FIG. 6.
  • the first selection transistor MS P and the second selection transistor MS D are turned on according to the selection signal SEL at the time point t1.
  • a reset phase PH R2 (between time point t2 and time point t3), similar to the embodiment shown in FIG.
  • the photoelectric conversion unit may include a photodiode PD A and a transfer transistor MT A for photoelectrically converting the optical signal LS, wherein the transfer transistor MT A may selectively be selected according to a transmission signal TX A Turning on, and the transmission signal TX A can be provided by the control circuit 110 shown in FIG. Since the pixel 801 and the pixel 301 share six transistors, each pixel has an average of four transistors.

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Abstract

本发明公开了一种图像传感电路和图像传感电路的控制方法。所述图像传感电路包含像素阵列以及处理电路。所述像素阵列包括一像素，所述像素包括光电转换单元、第一处理单元及第二处理单元。所述第一处理单元耦接于所述光电转换单元，用于接收所述电信号，并产生像素输出。所述第二处理单元用于接收参考信号，并产生参考输出，其中所述参考输出携带有噪声干扰信息。所述处理电路耦接于所述像素，用以根据所述像素输出和所述参考输出产生一传感输出。所述图像传感电路具有良好降噪质量和高占比的有效像素区。

Description

图像传感电路及其控制方法 技术领域
本发明涉及图像传感，尤其涉及一种可减少行噪声干扰的图像传感电路及其相关的图像传感电路的控制方法。
背景技术
为了减少像素阵列中的行噪声(row noise)干扰，现有的图像传感器会利用主动降噪(active noise cancellation，ANC)来提升成像质量。然而，由于主动降噪需要大量的伪像素(dummy pixel)才能得到良好的降噪质量，从而降低了有效像素(effective pixel)在像素阵列中所占的比例。此外，主动降噪需要复杂的后续数字信号处理，以将有源像素(active pixel)的输出扣除伪像素的输出，导致系统耗电量增加。再者，受到工艺波动的影响，主动降噪仅止于尝试扣除一行伪像素(a row of dummy pixels)中的平均噪声，并无法针对个别像素所受到的噪声进行降噪处理。
因此，需要一种创新的图像传感结构，其可针对个别像素所受到的噪声进行降噪，并且具有高占比的有效像素区以及简化运算复杂度。
发明内容
本发明的目的之一在于公开一种可减少行噪声干扰的图像传感电路及其相关的图像传感电路的控制方法，来解决上述问题。
本发明的一实施例公开了一种图像传感电路。所述图像传感电路包含像素阵列以及处理电路。所述像素阵列包括一像素，所述像 素包括光电转换单元、第一处理单元及第二处理单元。所述第一处理单元耦接于所述光电转换单元，用于接收所述电信号，并产生像素输出。所述第二处理单元用于接收参考信号，并产生参考输出，其中所述参考输出携带有噪声干扰信息。所述处理电路耦接于所述像素，用以根据所述像素输出和所述参考输出产生一传感输出。
本发明的一实施例公开了一种图像传感电路。所述图像传感电路包含像素阵列以及处理电路。所述像素阵列具有排列为多行与多列的多个像素。所述多个像素包含第一像素以及第二像素。所述第一像素所述第一像素包括第一光电转换单元、第一处理单元及第二处理单元。所述第一光电转换单元用以将光信号转换为第一电信号。所述第一处理单元耦接于所述第一光电转换单元，用于接收所述第一电信号，并产生第一像素输出。所述第二处理单元用于接收参考信号，并产生第一参考输出，其中所述第一参考输出携带有噪声干扰信息。所述第二像素与所述第一像素设置在相邻行或相邻列。所述第二像素包括第二光电转换单元，用以将所述光信号转换为第二电信号；其中，所述第二像素与所述第一像素共享所述第一处理单元和所述第二处理单元中的至少部分元件，以产生第二像素输出和第二参考输出。所述处理电路耦接于所述多个像素，用以依据所述第一像素输出和所述第一参考输出产生第一传感输出，以及依据所述第二像素输出和所述第二参考输出产生第二传感输出。
本发明的一实施例公开了一种图像传感电路的控制方法。所述控制方法包含以下步骤：在浮动扩散节点接收电信号之前，复位所述浮动扩散节点，并同时复位参考节点；放大所述浮动扩散节点上的像素信号以产生像素输出；放大所述参考节点上的参考信号以产生参考输出；以及利用一处理电路依据所述像素输出和所述参考输出产生一传感输出。
附图说明
图1是本发明一图像传感器的一实施例的功能方框示意图。
图2绘示了图1所示的多个像素中的至少一像素的一实施例的示意图。
图3绘示了图1所示的多个像素中的至少一像素的一实施例的示意图。
图4绘示了图1所示的处理电路的至少一部份的一实施例的示意图。
图5绘示了图3所示的像素和图4所示的处理电路所涉及的操作时序的一实施例的示意图。
图6绘示了图1所示的处理电路的至少一部份的另一实施例的示意图。
图7绘示了图3所示的像素和图6所示的处理电路所涉及的操作时序的一实施例的示意图。
图8绘示了与图3所示的像素相邻的一像素的一实施例的示意图。
图9绘示了与图3所示的像素相邻的多个像素的一实施例的示意图。
图10是本发明图像传感电路的控制方法的一实施例的流程图。
其中，附图标记说明如下：
100                               图像传感电路
102                               像素阵列
110                               控制电路
120、420、620                     处理电路
201、301、801、P 11-P MK            像素
230                               光电转换单元
240                               第一处理单元
250                               第二处理单元
422、628                          差分放大器
622                               列相关双采样及双三角
                                  采样电路
623                                       第一缓冲放大器
624                                       第二缓冲放大器
626                                       可编程增益放大及数模
                                          转换电路
1002、1004、1006、1008、1010              步骤
PD、PD A、PD R、PD C1、PD C2                   光电二极管
MT、MT A、MT R、MT C1、MT C2                   传输晶体管
MR P                                        第一复位晶体管
MR D                                        第二复位晶体管
MF P                                        第一放大晶体管
MF D                                        第二放大晶体管
MS P                                        第一选择晶体管
MS D                                        第二选择晶体管
FN                                         浮动扩散节点
RN                                         参考节点
OUT P                                       像素信号输出端
OUT D                                       参考信号输出端
SR P1-SR P3、SR D1-SR D3、SS P1-SS P3、SS D1-SS D3、 开关
SL1-SL8、SK1-SK6、SQ1、SQ2
CR P1、CR P2                                  第一复位电容
CR D1、CR D2                                  第二复位电容
CS P1、CS P2                                  第一信号电容
CS D1、CS D2                                  第二信号电容
IT1、IT3                                   第一放大输入端
IT2、IT4                                   第二放大输入端
OT1、OT3                                   第一放大输出端
OT2、OT4                                   第二放大输出端
C S1                                        第一可变电容
C S2                                        第二可变电容
C F1                                        第三可变电容
C F2                                  第四可变电容
TX、TX A、TX R、TX C1、TX C2             传输信号
RST                                  复位信号
PO P                                  像素输出
PO D                                  参考输出
LS                                   光信号
ES                                   电信号
FS                                   像素信号
RS                                   参考信号
SEL                                  选择信号
VP R                                  像素处理信号
VD R                                  参考处理信号
VP S                                  像素采样信号
VD S                                  参考采样信号
Vnr                                  第一噪声信号成分
Vns                                  第二噪声信号成分
Vrst                                 第一像素信号成分
Vsig                                 第二像素信号成分
Vd                                   参考信号成分
VC                                   参考电压
CK R                                  第一控制信号
CK S                                  第二控制信号
CL                                   第三控制信号
CK1                                  第四控制信号
CK2                                  第五控制信号
T1、T2、T3、T4、T5、t1、t2、t3、t4、 时间点
t5、t6
PH R1、PH R2                           复位阶段
PH S1、PH S2                           采样阶段
PH P1、PH P2                           处理阶段
Vout                              传感输出
R1、R2                            行
C1、C2                            列
具体实施方式
在说明书及之前的权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的组件。本领域的技术人员应可理解，制造商可能会用不同的名词来称呼同样的组件。本说明书及之前的权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的基准。在通篇说明书及之前的权利要求书当中所提及的“包含”为一开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。此外，“耦接”一词在此包含任何直接和间接的电连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电连接于所述第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电连接到所述第二装置。
图1是本发明一图像传感器的一实施例的功能方框示意图。图像传感器100可包含(但不限于)一像素阵列102、一控制电路110以及一处理电路120，其中像素阵列102包含排列成M行与N列的多个像素(或像素单元/电路)P 11-P MN，M和N均为大于1的正整数。控制电路110耦接于像素阵列102，用以控制像素阵列102中各像素相关的传感操作，诸如电荷转移、信号复位、信号放大和/或读出操作。在此实施例中，各像素用以进行一图像传感操作，从而产生挟带光电转换信息的一像素输出以及产生(或同时产生)携带噪声干扰信息的参考输出，其中所述参考输出所携带的噪声干扰信息是所述像素输出受到的噪声干扰的复制品。接下来，耦接于多个像素P 11-P MN的处理电路120可依据各像素所产生的多个像素输出(诸如携带光电转换信息的像素输出以及携带噪声干扰信息的参考输出)产生一传感输出。
请连同图1参阅图2。图2绘示了图1所示的多个像素P 11-P MN 中的至少一像素的一实施例的示意图。在此实施例中，像素201可包含一光电转换单元230、一第一处理单元240和一第二处理单元250。第一处理单元240和第二处理单元250的电路结构彼此相同/相似，两者之间主要的差别在于第一处理单元240可直接连接到光电转换单元230，而第二处理单元250则是未与光电转换单元230连接。
光电转换单元230用以将一光信号LS转换为一电信号ES(诸如光电流或电荷)。光电转换单元230可包含(但不限于)一光电二极管PD和一传输晶体管MT。光电二极管PD用以传感光信号LS以产生电信号ES。传输晶体管MT耦接于光电二极管PD，用以选择性地将电信号ES从光电转换单元230输出到第一处理单元240。在此实施例中，传输晶体管MT可由控制电路110所产生的一传输信号TX来控制。
第一处理单元240包含一浮动扩散节点(floating diffusion node)FN、一第一复位晶体管MR P及一第一放大晶体管MF P。浮动扩散节点FN耦接于光电转换单元230(诸如耦接到传输晶体管MT)，用以接收电信号ES。第一复位晶体管MR P耦接于浮动扩散节点FN，用以依据控制电路110所产生的一复位信号RST，复位信号RST用以选择性地复位浮动扩散节点FN。举例来说，第一复位晶体管MR P可在浮动扩散节点FN接收电信号ES之前，复位浮动扩散节点FN。在浮动扩散节点FN被复位之后，浮动扩散节点FN可接收电信号ES，使光电转换所产生的电荷可累积在浮动扩散节点FN上，并于浮动扩散节点FN上产生一像素信号FS(电压信号或电荷累积结果)。此外，第一放大晶体管MF P耦接于浮动扩散节点FN，用以放大浮动扩散节点FN上的像素信号FS以产生一像素输出PO P。在此实施例中，第一放大晶体管MF P可由一源极跟随器(source follower)来实施。然而，本发明并不以此为限。
第二处理单元250包含一参考节点RN、一第二复位晶体管MR D及一第二放大晶体管MF D。参考节点RN未耦接于光电转换单元230； 比如，参考节点RN可以与光电转换单元230电性隔离，这样，参考节点RN不会接收到传输晶体管MT所传输的电信号ES。第二复位晶体管MR D耦接于浮动扩散节点RN，用以在第一复位晶体管MR P复位浮动扩散节点FN时，复位未耦接于光电转换单元230的参考节点RN。举例来说，第一复位晶体管MR D和第二复位晶体管MR P可共同由复位信号RST所控制，因此，当第一复位晶体管MR P复位耦接于光电转换单元230的浮动扩散节点FN时，第二复位晶体管MR D可同步复位未耦接于光电转换单元230的参考节点RN。此外，第二放大晶体管MF D耦接于参考节点RN，用以放大参考节点RN上的一参考信号RS以产生一参考输出PO D。在此实施例中，第二放大晶体管MF D在第二处理单元250中的实施方式可以和第一放大晶体管MF P在第一处理单元240中的实施方式大致相同/相似(例如，放大晶体管MF D可由一源极跟随器来实施)。然而，本发明并不以此为限。
值得注意的是，除了未与光电转换单元230耦接之外，参考节点RN连接的电路结构(或信号传输路径)与浮动扩散节点FN连接的电路结构(或信号传输路径)大致相同/相似，因此，参考节点RN上的参考信号RS携带了同一像素中浮动扩散节点FN上的电信号ES受到的噪声干扰的复制品。也就是说，参考输出PO D挟带了像素输出PO P受到的噪声干扰的复制品。
接下来，耦接于多个像素P 11-P MN的处理电路120可依据像素输出PO P和参考输出PO D产生一传感输出Vout，其中处理电路120可直接或间接连接到第一放大晶体管MF P和第二放大晶体管MF D，以直接或间接接收像素输出PO P和参考输出PO D。在某些实施例中，处理电路120可根据像素输出PO P和参考输出PO D的相减结果产生传感输出Vout。由于参考输出PO D包含了像素输出PO P受到的噪声干扰的复制品，传感输出Vout之中的噪声成分便可大幅减少。
与现有的主动降噪技术(扣除一行伪像素的平均噪声)相比，由于本发明所公开的图像传感电路是针对在同一像素中产生的光电转换结果和噪声信息进行处理，本发明所公开的图像传感电路可针 对个别像素所受到的噪声进行降噪，不仅具有良好的降噪质量，且无需设置大量的伪像素而可具有高占比的有效像素区。
以上所述只是用来方便说明而已，并非用来限制本发明。举例来说，图1所示的处理电路120并不限于针对像素输出PO P和参考输出PO D进行信号相减以产生传感输出Vout。只要是通过适当的信号处理(诸如根据参考输出PO D来决定/扣除像素输出PO P之中的噪声成分，或其他运算处理)来产生传感输出Vout，设计上相关的变化均遵循本发明而落入本发明的范畴。
此外，图2所示的光电转换单元230、第一处理单元240和/或第二处理单元250的电路结构/控制机制可具有多种不同的实施方式。在某些实施例中，光电转换单元230中的光电二极管PD也可直接连接到第一处理单元240(或浮动扩散节点FN)，也就是说，省略传输晶体管MT也是可行的。在某些实施例中，第一复位晶体管MR P和第二复位晶体管MR D可分别由两个同步(或几乎同步)的复位信号来控制。在某些实施例中，第一处理单元240和/或第二处理单元250还可包含一个或多个电子元件(诸如晶体管和/或电容器)。例如，第一处理单元240/第二处理单元250可采用互补式金属氧化物半导体图像传感器(CMOS image sensor)的四个晶体管像素结构；又例如，第一处理单元240/第二处理单元250可采用三个晶体管、五个、六个或七个晶体管像素结构。只要第二处理单元250可通过未与光电转换单元230的参考节点RN来模拟/复制浮动扩散节点FN受到的噪声干扰，设计上相关的变化均遵循本发明的精神而落入本发明的范畴。
为了方便说明，以下采用CMOS图像传感器的四个晶体管像素结构来进一步说明本发明所公开的图像传感机制(即，图1所示的图像传感器100可用来实施一CMOS图像传感器)，然而，本发明并不以此为限。请一并参阅图3和图4。图3绘示了图1所示的多个像素P 11-P MN中的至少一像素的一实施例的示意图。图4绘示了图1所示的处理电路120的至少一部份的一实施例的示意图。像素301的 结构和图2所示的像素201的结构之间主要的差别在于像素301还包含一像素信号输出端OUT P、一参考信号输出端OUT D、一第一选择晶体管MS P和一第二选择晶体管MS D。像素信号输出端OUT P耦接于处理电路420，用以将像素输出PO P输出至处理电路420。参考信号输出端OUT D耦接于处理电路420，用以将参考输出PO D输出至处理电路420。第一选择晶体管MS P耦接于第一放大晶体管MF P与像素信号输出端OUT P之间，用以依据一选择信号SEL将像素输出PO P选择性地耦接到像素信号输出端OUT P，其中选择信号SEL可由图1所示的控制电路110所产生。第二选择晶体管MS D耦接于第二放大晶体管MF D与参考信号输出端OUT D之间，用以在第一选择晶体管MS P将像素输出OUT P耦接到像素信号输出端OUT P时，将参考输出PO D耦接到参考信号输出端OUT D。
举例来说，第一选择晶体管MS P和第二选择晶体管MS D可共同由选择信号SEL所控制，因此，当第一选择晶体管MS P将像素输出OUT P耦接到像素信号输出端OUT P时，第二选择晶体管MS D可同步将参考输出PO D耦接到参考信号输出端OUT D。然而，本发明并不以此为限。例如，在某些实施例中，采用两个同步(或几乎同步)的选择信号来控制第一选择晶体管MS P和第二选择晶体管MS D也是可行的。
在图4所示的实施例中，处理电路420可包含(但不限于)一差分放大器422、一第一复位电容CR P1、一第一信号电容CS P1、一第二复位电容CR D1、一第二信号电容CS D1以及多个开关SR P1、SR P2、SR D1、SR D2、SS P1、SS P2、SS D1、SS D2和SL1-SL6。差分放大器422具有一第一放大输入端IT1、一第二放大输入端IT2、一第一放大输出端OT1以及一第二放大输出端OT2，其中第一放大输出端OT1和第二放大输出端OT2用以输出传感输出Vout。多个开关SR P1、SR P2、SR D1和SR D2均依据一第一控制信号CK R选择性地导通，多个开关SS P1、SS P2、SS D1和SS D2均依据一第二控制信号CK S选择性地导通，以及多个开关SL1-SL6均依据一第三控制信号CL选择性地导通，其中第一控制信号CK R、第二控制信号CK S和第三控制信号CL可由图1所示的控制电路110所产生。
请连同图3和图4来参阅图5。图5绘示了图3所示的像素301和图4所示的处理电路420所涉及的操作时序的一实施例的示意图。在此实施例中，第一选择晶体管MS P和第二选择晶体管MS D在时间点T1根据选择信号SEL导通。接下来，在一复位阶段PH R1(时间点T2与时间点T3之间；即，图1所示的图像传感电路100操作在复位阶段PH R1)，第一复位晶体管MR P复位浮动扩散节点FN，以及第一放大晶体管MF P放大像素信号FS以产生作为像素输出PO P的一第一部份的一像素处理信号VP R。此外，在复位阶段PH R1，第二复位晶体管MR D复位参考节点RN，以及第二放大晶体管MF D放大参考信号RS以产生作为参考输出PO D的一第一部份的一参考处理信号VD R。值得注意的是，除了浮动扩散节点FN耦接于传输晶体管MT和光电二极管PD，而参考节点RN未耦接于传输晶体管MT和光电二极管PD之外，浮动扩散节点FN连接的电路结构(或信号传输路径)与参考节点RN连接的电路结构(或信号传输路径)大致相同/相似，因此，像素处理信号VP R与参考处理信号VD R均包含一第一噪声信号成分Vnr，其可代表像素处理信号VP R与参考处理信号VD R之中挟带的噪声成分。此外，像素处理信号VP R还包含一第一像素信号成分Vrst，其可代表处理信号VP R之中不是来自噪声干扰的成分，而参考处理信号VD R还包含一参考信号成分Vd，其可代表参考处理信号VD R之中不是来自噪声干扰的成分。
此外，在浮动扩散节点FN和参考节点RN被复位之后，多个开关SR P1、SR P2、SR D1和SR D2可依据第一控制信号CK R导通，使第一复位电容CR P1耦接于像素信号输出端OUT P与一参考电压VC之间，以及使第二复位电容CR D1耦接于参考信号输出端OUT D与参考电压VC之间。
接下来，在一采样阶段PH S1(时间点T3与时间点T4之间；即，图1所示的图像传感电路100操作在采样阶段PH S1)，浮动扩散节点FN接收电信号ES(传输晶体管MT依据传输信号TX导通)，第一放大晶体管MF P放大像素信号FS以产生作为像素输出PO P的一第二部份的一像素采样信号VP S，以及第二放大晶体管MF D放大参考信号RS 以产生作为参考输出PO D的一第二部份的一参考采样信号VD S。相似地，像素采样信号VP S与参考采样信号VD S均包含一第二噪声信号成分Vns，其可代表像素采样信号VP S与参考采样信号VD S之中挟带的噪声成分。此外，像素采样信号VP S还包含一第二像素信号成分Vsig，其可代表像素采样信号VP S之中不是来自噪声干扰的成分(对应于光电转换结果)。值得注意的是，由于参考节点RN未耦接于传输晶体管MT和光电二极管PD，因此，参考采样信号VD S之中不是来自噪声干扰的成分与参考处理信号VD R之中不是来自噪声干扰的成分(即参考信号成分Vd)相同(或大致相同)。
此外，在电信号ES停止传送到浮动扩散节点FN之后(传输晶体管MT依据传输信号TX关闭)，多个开关SS P1、SS P2、SS D1和SS D2可依据第二控制信号CK S导通，使第一信号电容CS P1耦接于像素信号输出端OUT P与参考电压VC之间，以及使第二信号电容CS D1耦接于参考信号输出端OUT D与参考电压VC之间。
在第一选择晶体管MS P和第二选择晶体管MS D根据选择信号SEL关闭(时间点T4)之后，处理电路420(或包含处理电路420的图像传感电路，诸如图1所示的图像传感电路100)可进入一处理阶段PH P1(时间点T5之后)，并且根据像素处理信号VP R与参考处理信号VD R的相减结果以及像素采样信号VP S与参考采样信号VD S的相减结果产生传感输出Vout。举例来说，在时间点T5，多个开关SL1-SL6依据第三控制信号CL导通，使得第一复位电容CR P1耦接于第一放大输入端IT1与第一放大输出端OT1之间、第一信号电容CS P1耦接于第二放大输入端IT2与第二放大输出端OT2之间、第二信号电容CS D1耦接于第一放大输入端IT1与第一放大输出端OT1之间，以及第二复位电容CR D1耦接于第二放大输入端IT2与第二放大输出端OT2之间。在第一复位电容CR P1、第一信号电容CS P1、第二复位电容CR D1及第二信号电容CS D1的电容值彼此相等的情形下，传感输出Vout可由下列计算式来表示：
Vout＝((Vrst+Vnr)-(Vsig+Vns)+(Vd+Vns)-(Vd+Vnr))/2
＝(Vrst-Vsig)/2；
其中因为在放大输出端OT1/OT2的电荷分享(charge sharing)的缘故，传感输出Vout等于将第一像素信号成分Vrst减去第二像素信号成分Vsig之后的二分之一。值得注意的是，即使在第一复位电容CR P1、第一信号电容CS P1、第二复位电容CR D1及第二信号电容CS D1的电容值并未彼此相等的情形下，处理电路420仍可通过将像素处理信号VP R与参考处理信号VD R相减(扣除或大致扣除第一噪声信号成分Vnr)，以及将像素采样信号VP S与参考采样信号VD S相减(扣除或大致扣除第二噪声信号成分Vns)，得到低噪声成分的传感输出Vout。
图6绘示了图1所示的处理电路120的至少一部份的另一实施例的示意图。在此实施例中，处理电路620可包含(但不限于)一列相关双采样及双三角采样电路(column correlated double sampling and double delta sampling circuit，column CDS and DDS circuit)622和一可编程增益放大及数模转换电路(programmable gain amplifier and analog-to-digital converter circuit，PGA and ADC circuit)626。列相关双采样及双三角采样电路622包含一第一复位电容CR P2、一第一信号电容CS P2、一第二复位电容CR D2、一第二信号电容CS D2、第一缓冲放大器(buffer amplifier)623和第二缓冲放大器624，以及多个开关SR P3、SR D3、SS P3、SS D3、SK1-SK4、SQ1、SQ2、SL7和SL8。多个开关SR P3和SR D3均依据第一控制信号CK R选择性地导通，多个开关SS P3和SS D3均依据第二控制信号CK S选择性地导通，多个开关SL7-SL8均依据第三控制信号CL选择性地导通，以及多个开关SK1-SK4均依据一第四控制信号CK1选择性地导通，多个开关SQ1-SQ2均依据一第五控制信号CK2选择性地导通，其中第一控制信号CK R、第二控制信号CK S、第三控制信号CL、第四控制信号CK1和第五控制信号CK2可由图1所示的控制电路110所产生。
可编程增益放大及数模转换电路626包含一差分放大器628、 多个开关SK5-SK6以及多个可变电容C S1、C S2、C F1和C F2。差分放大器628具有一第一放大输入端IT3、一第一放大输入端IT4、一第二放大输出端OT3以及一第二放大输出端OT4，其中第一放大输出端OT3和第二放大输出端OT4用以输出传感输出Vout。多个开关SK5-SK6均依据第四控制信号CK1选择性地导通。第一可变电容C S1耦接于开关SL7与第一放大输入端IT3之间，第二可变电容C S2耦接于开关SL8与第二放大输入端IT4之间，第三可变电容C F1耦接于第一放大输入端IT3与第一放大输出端OT3之间，以及第四可变电容C F2耦接于第二放大输入端IT4与第二放大输出端OT4之间。
请连同图3和图6来参阅图7。图7绘示了图3所示的像素301和图6所示的处理电路620所涉及的操作时序的一实施例的示意图。在此实施例中，第一选择晶体管MS P和第二选择晶体管MS D在时间点t1根据选择信号SEL导通。接下来，在一复位阶段PH R2(时间点t2与时间点t3之间)，与图6所示的实施例相似，第一复位晶体管MR P复位浮动扩散节点FN，第一放大晶体管MF P放大像素信号FS以产生作为像素输出PO P的一部份的像素处理信号VP R(包含第一像素信号成分Vrst和第一噪声信号成分Vnr)；第二复位晶体管MR D复位参考节点RN，以及第二放大晶体管MF D放大参考信号RS以产生作为参考输出PO D的一部份的参考处理信号VD R(包含参考信号成分Vd和第一噪声信号成分Vnr)。此外，在浮动扩散节点FN和参考节点RN被复位之后，多个开关SR P3和SR D3可依据第一控制信号CK R导通，使第一复位电容CR P2耦接于像素信号输出端OUT P与参考电压VC(诸如一接地电压)之间，以及使第二复位电容CR D2耦接于参考信号输出端OUT D与参考电压VC之间。
在一采样阶段PH S2(时间点t3与时间点t4之间)，与图6所示的实施例相似，浮动扩散节点FN接收电信号ES(传输晶体管MT依据传输信号TX导通)，第一放大晶体管MF P放大像素信号FS以产生作为像素输出PO P的另一部份的像素采样信号VP S(包含第二像素信号成分Vsig和第二噪声信号成分Vns)，以及第二放大晶体管MF D放大参考信号RS以产生作为像素输出PO D的另一部份的参考采样信 号VD S(包含参考信号成分Vd和第二噪声信号成分Vns)。此外，在传输晶体管MT依据传输信号TX关闭之后，多个开关SS P3和SS D3可依据第二控制信号CK S导通，使第一信号电容CS P2耦接于像素信号输出端OUT P与参考电压VC之间，以及使第二信号电容CS D2耦接于参考信号输出端OUT D与参考电压VC之间。
在处理电路620(或包含处理电路620的图像传感电路，诸如图1所示的图像传感电路100)进入一处理阶段PH P2(时间点t5之后)，处理电路620可根据像素处理信号VP R与参考处理信号VD R的相减结果以及像素采样信号VP S与参考采样信号VD S的相减结果产生传感输出Vout。举例来说，在时间点T5，多个开关SK1-SK6依据第四控制信号CK1导通，以及多个开关SL7-SL8依据第三控制信号CL导通，使得像素处理信号VP R与参考采样信号VD S可通过第一缓冲放大器623输出到第一可变电容C S1，像素采样信号VP s与参考处理信号VD R可通过第二缓冲放大器624输出到第二可变电容C S2，以及第二放大输入端IT4与第二放大输出端OT4的信号可被复位。
在时间点T6，多个开关SK1-SK6依据第四控制信号CK1关闭，多个开关SQ1-SQ2则是依据第五控制信号CK2导通，以减少列之间工艺波动的影响，并产生传感输出Vout。在第一复位电容CR P2、第一信号电容CS P2、第二复位电容CR D2及第二信号电容CS D2的电容值彼此相等、第一可变电容C S1与第二可变电容C S2的电容值为C S，以及第三可变电容C F1与第四可变电容C F2的电容值为C F的情形下，传感输出Vout可由下列计算式来表示：
Vout＝((Vrst+Vnr)-(Vsig+Vns)+(Vd+Vns)-(Vd+Vnr))C F/2C S
＝(Vrst-Vsig)C F/2C S；
值得注意的是，即使在第一复位电容CR P1、第一信号电容CS P1、第二复位电容CR D1及第二信号电容CS D1的电容值并未彼此相等、第一可变电容C S1与第二可变电容C S2的电容值并未彼此相等，和/或第三可变电容C F1与第四可变电容C F2的电容值并未彼此相等的情形下，处理电路620仍可通过将像素处理信号VP R与参考处理信号VD R相减 (扣除或大致扣除第一噪声信号成分Vnr)，以及将像素采样信号VP S与参考采样信号VD S相减(扣除或大致扣除第二噪声信号成分Vns)，得到低噪声成分的传感输出Vout。
在某些实施例中，本发明所公开的图像传感机制可用于包含共享像素结构(shared pixel architecture)的图像传感电路。图8绘示了与图3所示的像素301相邻的一像素的一实施例的示意图。在此实施例中，像素801(诸如图1所示的多个像素P 11-P MN中的一像素)与像素301彼此相邻。举例来说，像素801与像素301可设置在相邻行(诸如图1所示的像素阵列102中的一行)。像素801与像素301共享浮动扩散节点FN、参考节点RN，第一复位晶体管MR P、第二复位晶体管MR D、第一放大晶体管MF P、第二放大晶体管MF D、第一选择晶体管MS P、第二选择晶体管MS D、像素信号输出端OUT P以及参考信号输出端OUT D，并且包含一光电转换单元。在此实施例中，所述光电转换单元可包含一光电二极管PD A与一传输晶体管MT A，用以将光信号LS进行光电转换，其中传输晶体管MT A可根据一传输信号TX A选择性地导通，而传输信号TX A可由图1所示的控制电路110来提供。由于像素801与像素301共享了六个晶体管，因此，各像素平均具有四个晶体管。
图9绘示了与图3所示的像素301相邻的多个像素的一实施例的示意图。在此实施例中，像素301是设置在行R1与列C1的一像素。设置在行R2(与行R1相邻)与列C1的一像素(包含由一光电二极管PD R与一传输晶体管MT R来实施的一光电转换单元)、设置在行R1与列C2(与列C1相邻)的一像素(包含由一光电二极管PD C1与一传输晶体管MT C1来实施的一光电转换单元)，以及设置在行R2(与行R1相邻)与列C2(与列C1相邻)的一像素(包含由一光电二极管PD C2与一传输晶体管MT C2来实施的一光电转换单元)均可与像素301共享浮动扩散节点FN、参考节点RN，第一复位晶体管MR P、第二复位晶体管MR D、第一放大晶体管MF P、第二放大晶体管MF D、第一选择晶体管MS P、第二选择晶体管MS D、像素信号输出端OUT P以及参考信号输出端OUT D，其中传输晶体管MT R、传输晶体管MT C1 和传输晶体管MT C2可分别根据一传输信号TX R、一传输信号TX C1和一传输信号TX C2(例如，由图1所示的控制电路110所产生)选择性地导通。像素301与相邻的三个像素分别共享六个晶体管，因此，各像素平均具有2.5个晶体管。
由上可知，本发明所公开的图像传感电路不仅无需设置大量的伪像素而可具有较高占比的有效像素区，还可用于共享像素结构而具有较小的电路面积。值得注意的是，图8和图9所示的实施例只是用来方便说明而已，并非用来限制本发明。举例来说，图2所示的像素201也可与其相邻的一像素共享电路(诸如共享浮动扩散节点FN、参考节点RN，第一复位晶体管MR P、第二复位晶体管MR D、第一放大晶体管MF P以及第二放大晶体管MF D中的至少一个)，其中与像素201相邻的所述像素，可通过所述像素包含的光电转换单元将电信号传输到共享的浮动扩散节点FN，并且产生多个输出(诸如携带光电转换信息的像素输出以及携带噪声干扰信息的参考输出)。相对应的处理电路(诸如图1所示的处理电路120)可通过共享的信号输出端(诸如图3所示的像素信号输出端OUT P以及参考信号输出端OUT D)接收所述多个输出，据以输出所述像素对应的传感输出。也就是说，在某些实施例中，像素201与相邻的像素可以共享第一处理单元240和第二处理单元250中的至少部分元件，以产生相对应的像素输出和参考输出。
本发明所公开的图像传感机制可简单归纳为图10所示的流程图。图10是本发明图像传感电路的控制方法的一实施例的流程图。假若所得到的结果实质上大致相同，则步骤不一定要按照图10所示的顺序来进行。举例来说，某些步骤可安插于其中。为了方便说明，以下搭配图3、图4和图5来说明图10所示的控制方法。然而，将图10所示的控制方法应用于图1所示的图像传感电路100和/或图2所示的像素201也是可行的。图10所示的控制方法可简单归纳如下。
步骤1002：在一像素的一浮动扩散节点接收一电信号之前，复位所述浮动扩散节点。例如，在图5所示的复位阶段PH R1，依据复位信号RST来复位浮动扩散节点FN。
步骤1004：在复位所述浮动扩散节点的同时，复位所述像素之中未耦接于一光电转换单元的一参考节点。例如，在图5所示的复位阶段PH R1，依据复位信号RST来复位参考节点RN。
步骤1006：放大所述浮动扩散节点上的一像素信号以产生一像素输出。例如，在图5所示的复位阶段PH R1，产生作为像素输出PO P的一部份的像素处理信号VP R，以及在图5所示的采样阶段PH S1，产生作为像素输出PO P的另一部份的像素采样信号VP S。
步骤1008：放大所述参考节点上的一参考信号以产生一参考输出。例如，在图5所示的复位阶段PH R1，产生作为参考输出PO D的一部份的参考处理信号VD R，以及在图5所示的采样阶段PH S1，产生作为参考输出PO D的另一部份的参考采样信号VD S。
步骤1010：利用一处理电路依据所述像素输出和所述参考输出产生一传感输出。例如，利用图4所示的处理电路420来对像素处理信号VP R、像素采样信号VP S、参考处理信号VD R以及参考采样信号VD S进行处理，以产生传感输出Vout。
在某些实施例中，可将所产生的所述像素输出和所述参考像素输出同时传送至所述处理电路。例如，通过图4所示的多个开关SL1-SL6，可将像素处理信号VP R、像素采样信号VP S、参考处理信号VD R以及参考采样信号VD S同时传送至处理电路420。由于本领域的技术人员通过阅读图1到图9相关的段落说明之后，应可了解图10所示的方法中每一步骤的细节，因此进一步的说明在此便不再赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (20)

  1. 一种图像传感电路，其特征在于，包含：
    像素阵列，包括一像素，所述像素包括：
    光电转换单元，用以将光信号转换为电信号；
    第一处理单元，耦接于所述光电转换单元，用于接收所述电信号，并产生像素输出；以及
    第二处理单元，用于接收参考信号，并产生参考输出，其中所述参考输出携带有噪声干扰信息；以及
    处理电路，耦接于所述像素，用以根据所述像素输出和所述参考输出产生一传感输出。
  2. 如权利要求1所述的图像传感电路，其特征在于，所述参考输出携带的噪声干扰信息是所述像素输出受到的噪声干扰的复制品。
  3. 如权利要求1所述的图像传感电路，其特征在于，所述处理电路根据所述像素输出和所述参考输出的相减结果产生所述传感输出。
  4. 如权利要求1所述的图像传感电路，其特征在于，所述第一处理单元包括：
    浮动扩散节点，耦接于所述光电转换单元，用以接收所述电信号；
    第一复位晶体管，耦接于所述浮动扩散节点，用以在所述浮动扩散节点接收所述电信号之前，复位所述浮动扩散节点；以及
    第一放大晶体管，耦接于所述浮动扩散节点，用以放大所述浮动扩散节点上的像素信号以产生所述像素输出。
  5. 如权利要求4所述的图像传感电路，其特征在于，所述第二处理单元包括：
    参考节点，用以接收所述参考信号，所述参考节点未耦接于所述光电转换单元；
    第二复位晶体管，耦接于所述参考节点，用以在所述第一复位晶体管复位所述浮动扩散节点时，复位所述参考节点；以及
    第二放大晶体管，耦接于所述参考节点，用以放大所述参考节点上的参考信号以产生所述参考输出。
  6. 如权利要求5所述的图像传感电路，其特征在于，所述第一复位晶体管和所述第二复位晶体管共同由一复位信号所控制。
  7. 如权利要求5所述的图像传感电路，其特征在于，所述第一处理单元还包括：
    像素信号输出端，耦接于所述处理电路，用以将所述像素输出提供至所述处理电路；以及
    第一选择晶体管，耦接于所述第一放大晶体管与所述像素信号输出端之间，用以将所述像素输出选择性地耦接到所述像素信号输出端；以及
    所述第二处理单元还包括：
    参考信号输出端，耦接于所述处理电路，用以将所述参考输出提供至所述处理电路；以及
    第二选择晶体管，耦接于所述第二放大晶体管与所述参考信号 输出端之间，用以在所述第一选择晶体管将所述像素输出耦接到所述像素信号输出端时，将所述参考输出耦接到所述参考信号输出端。
  8. 如权利要求7所述的图像传感电路，其特征在于，所述第一选择晶体管和所述第二选择晶体管共同由一选择信号所控制。
  9. 如权利要求5所述的图像传感电路，其特征在于，当所述图像传感电路操作在一复位阶段时，所述第一复位晶体管复位所述浮动扩散节点，所述第一放大晶体管放大所述像素信号以产生作为所述像素输出的第一部份的像素处理信号，所述第二复位晶体管复位所述参考节点，所述第二放大晶体管放大所述参考信号以产生作为所述参考输出的第一部份的参考处理信号；
    当所述图像传感电路操作在一采样阶段时，所述浮动扩散节点接收所述电信号，所述第一放大晶体管放大所述像素信号以产生作为所述像素输出的第二部份的像素采样信号，所述第二放大晶体管放大所述参考信号以产生作为所述参考输出的第二部份的参考采样信号；
    所述处理电路在一处理阶段根据所述像素处理信号与所述参考处理信号的相减结果以及所述像素采样信号与所述参考采样信号的相减结果，产生所述传感输出。
  10. 如权利要求9所述的图像传感电路，其特征在于，所述处理电路包含：
    差分放大器，具有第一放大输入端、第二放大输入端、第一放大输出端以及第二放大输出端；
    第一复位电容，用以在所述复位阶段耦接于所述像素信号输出 端与参考电压之间，以及在所述处理阶段耦接于所述第一放大输入端与所述第一放大输出端之间；
    第一信号电容，用以在所述采样阶段耦接于所述像素信号输出端与所述参考电压之间，以及在所述处理阶段耦接于所述第二放大输入端与所述第二放大输出端之间；
    第二复位电容，用以在所述复位阶段耦接于所述参考信号输出端与所述参考电压之间，以及在所述处理阶段耦接于所述第二放大输入端与所述第二放大输出端之间；以及
    第二信号电容，用以在所述采样阶段耦接于所述参考信号输出端与所述参考电压之间，以及在所述处理阶段耦接于所述第一放大输入端与所述第一放大输出端之间。
  11. 如权利要求5所述的图像传感电路，其特征在于，还包含：
    与所述像素相邻的至少另一像素，所述至少另一像素与所述像素共享所述浮动扩散节点、所述参考节点，所述第一复位晶体管、所述第二复位晶体管、所述第一放大晶体管以及所述第二放大晶体管中的至少一个。
  12. 如权利要求1所述的图像传感电路，其特征在于，所述光电转换单元包含：
    光电二极管，用以传感所述光信号以产生所述电信号；以及
    传输晶体管，耦接于所述光电二极管与所述浮动扩散节点之间，用以选择性地将所述电信号传输到所述浮动扩散节点。
  13. 一种图像传感电路，其特征在于，包含：
    像素阵列，具有排列为多行与多列的多个像素，所述多个像素 包含：
    第一像素，所述第一像素包括第一光电转换单元，用以将光信号转换为第一电信号；第一处理单元，耦接于所述第一光电转换单元，用于接收所述第一电信号，并产生第一像素输出；第二处理单元，用于接收参考信号，并产生第一参考输出，其中所述第一参考输出携带有噪声干扰信息；以及
    第二像素，所述第二像素与所述第一像素设置在相邻行或相邻列，所述第二像素包括第二光电转换单元，用以将所述光信号转换为第二电信号；其中，所述第二像素与所述第一像素共享所述第一处理单元和所述第二处理单元中的至少部分元件，以产生第二像素输出和第二参考输出；以及
    处理电路，耦接于所述多个像素，用以依据所述第一像素输出和所述第一参考输出产生第一传感输出，以及依据所述第二像素输出和所述第二参考输出产生第二传感输出。
  14. 如权利要求13所述的图像传感电路，其特征在于，所述第一处理单元包括：
    浮动扩散节点，耦接于所述第一光电转换单元，用以接收所述第一电信号；
    第一复位晶体管，耦接于所述浮动扩散节点，用以在所述浮动扩散节点接收所述第一电信号之前，复位所述浮动扩散节点；以及
    第一放大晶体管，耦接于所述浮动扩散节点，用以放大所述浮动扩散节点上的像素信号以产生所述第一像素输出；以及
    所述第二处理单元包括：
    参考节点，用于接收所述参考信号，所述参考节点未耦接于所述第一光电转换单元；
    第二复位晶体管，耦接于所述参考节点，用以在所述第一复位晶体管复位所述浮动扩散节点时，复位所述参考节点；以及
    第二放大晶体管，耦接于所述参考节点，用以放大所述参考节点上的参考信号以产生所述第一参考输出。
  15. 如权利要求14所述的图像传感电路，其特征在于，所述第二像素和所述第一像素共享所述浮动扩散节点、所述参考节点，所述第一复位晶体管、所述第二复位晶体管、所述第一放大晶体管及所述第二放大晶体管，以进行图像传感操作并产生所述第二像素输出和所述第二参考输出。
  16. 如权利要求15所述的图像传感电路，其特征在于，所述第一像素还包含：
    像素信号输出端，耦接于所述处理电路，其中所述第一像素和所述第二像素共享所述像素信号输出端，所述像素信号输出端用以将所述第一像素输出和所述第二像素输出提供至所述处理电路；以及
    参考信号输出端，耦接于所述处理电路，其中所述第一像素和所述第二像素共享所述参考信号输出端，所述参考信号输出端用以将所述第一参考输出和所述第二参考输出提供至所述处理电路。
  17. 如权利要求16所述的图像传感电路，其特征在于，所述第一像素还包含：
    第一选择晶体管，耦接于所述第一放大晶体管与所述像素信号 输出端之间，用以将所述第一像素输出选择性地耦接到所述像素信号输出端；以及
    第二选择晶体管，耦接于所述第二放大晶体管与所述参考信号输出端之间，用以在所述第一选择晶体管将所述第一像素输出耦接到所述像素信号输出端时，将所述第一参考输出耦接到所述参考信号输出端；
    其中所述第一像素和所述第二像素共享所述第一选择晶体管及所述第二选择晶体管。
  18. 一种图像传感电路的控制方法，包括：
    在浮动扩散节点接收电信号之前，复位所述浮动扩散节点，并同时复位参考节点；
    放大所述浮动扩散节点上的像素信号以产生像素输出；
    放大所述参考节点上的参考信号以产生参考输出；以及
    利用一处理电路依据所述像素输出和所述参考输出产生一传感输出。
  19. 如权利要求18所述的控制方法，其特征在于，依据所述像素输出和所述参考输出产生所述传感输出的步骤包含：
    将所述像素输出和所述参考输出进行相减；
    根据所述像素输出和所述参考输出的相减结果，产生所述传感输出。
  20. 如权利要求19所述的控制方法，其特征在于，复位所述浮动扩散节点的步骤和复位所述参考节点的步骤是在所述图像传感电 路操作在一复位阶段时所进行；
    放大所述浮动扩散节点上的所述像素信号以产生所述像素输出的步骤包含：
    当所述图像传感电路操作在所述复位阶段时，放大所述浮动扩散节点上的所述像素信号以产生作为所述像素输出的第一部份的像素处理信号；以及
    当所述图像传感电路操作在一采样阶段时，在所述浮动扩散节点接收所述电信号，并且放大所述浮动扩散节点上的所述像素信号以产生作为所述像素输出的第二部份的像素采样信号；
    放大所述参考节点上的所述参考信号以产生所述参考输出的步骤包含：
    当所述图像传感电路操作在所述复位阶段时，放大所述参考信号以产生作为所述参考输出的第一部份的参考处理信号；以及
    当所述图像传感电路操作在所述采样阶段时，放大所述参考信号以产生作为所述参考输出的第二部份的参考采样信号；
    依据所述像素输出和所述参考输出产生所述传感输出步骤包含：
    根据所述像素处理信号与所述参考处理信号的相减结果以及所述像素采样信号与所述参考采样信号的相减结果，产生所述传感输出。
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