專利名稱：影像傳感器以及影像感測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種影像傳感器，特別是涉及一種應(yīng)用于金屬氧化半導(dǎo)體型式的影像傳感器。
背景技術(shù)：
影像傳感器用來將一提供至光傳感器的光學(xué)影像轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電性訊號(hào)。典型的影像傳感器包括以陣列排列的光感組件，當(dāng)有一影像施加在該影像傳感器上時(shí)，影像傳感器中的每一光感組件會(huì)產(chǎn)生對應(yīng)于光強(qiáng)度的電性訊號(hào)，藉以將影像顯示于一屏幕上。
互補(bǔ)式金屬氧半導(dǎo)體(CMOS)影像傳感器與已知傳感器相比較，具有成本和體積上的優(yōu)勢。將半導(dǎo)體集成電路放入相機(jī)的影像面板中作為影像傳感器，大大的簡化了靜態(tài)與動(dòng)態(tài)影像的錄制，增加了便攜式相機(jī)的設(shè)計(jì)彈性。CMOS影像傳感器廣受歡迎的原因，包含一、操作于低電壓。二、耗電量低。三、可隨機(jī)存取影像數(shù)據(jù)。四、與CMOS邏輯設(shè)計(jì)兼容。五、實(shí)現(xiàn)集成單芯片相機(jī)的可行性。影像的光線射在每一主動(dòng)式像素傳感器上，被轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)。主動(dòng)式像素傳感器(APS)包含多個(gè)晶體管、一光電二極管(Photodiode)以及一電流產(chǎn)生器。舉例來說，一個(gè)三晶體管主動(dòng)式像素傳感器基本上包含一重置晶體管、一源極隨動(dòng)晶體管、一列選擇晶體管以及光電二極管和電流產(chǎn)生器。
一般而言，影像傳感器可辨識(shí)的最大光強(qiáng)度以及最小光強(qiáng)度之間的比例，稱為影像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍，通常以分貝(db)表示。比較大的動(dòng)態(tài)范圍，便表示可以提供比較好的訊號(hào)品質(zhì)。
理想的攝影機(jī)所產(chǎn)生的影像，應(yīng)該和人眼所見盡量相似。事實(shí)上人眼能適應(yīng)很廣的光線亮度范圍，因此在于極高亮度時(shí)，對些微變化不甚敏感。然而已知的主動(dòng)式像素傳感器的運(yùn)作與此不同。已知的主動(dòng)式像素傳感器對于光線亮度具有線性反應(yīng)，在亮度到達(dá)一定程度時(shí)會(huì)突然飽和。這種操作特性被稱為機(jī)械式反應(yīng)(machine mode)。當(dāng)發(fā)生飽和時(shí)，光線亮度驅(qū)動(dòng)了該光電二極管，使之被滿載電流給淹沒，這種突然飽和現(xiàn)象限制了傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。所以具有范圍限制的傳感器一直無法突破瓶頸捕捉到接近人眼感受的畫面。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供一種影像傳感器，其包括一感光組件、一第一晶體管、一第二晶體管、一第三晶體管以及一第四晶體管。其中，感光組件接受一光源并產(chǎn)生一轉(zhuǎn)換電流。第一晶體管耦接于一定電壓源與光組件之間，并根據(jù)一更新訊號(hào)呈開啟或關(guān)閉的狀態(tài)。第一晶體管至感光組件間具有一第一節(jié)點(diǎn)，該定電壓源具有一第一電壓。第二晶體管耦接于一參考電壓、一第二節(jié)點(diǎn)及第一節(jié)點(diǎn)之間。第三晶體管耦接于定電壓源與第四晶體管之間，并根據(jù)第二節(jié)點(diǎn)的電壓以決定其輸出端的電壓。第四晶體管耦接于第三晶體管的輸出端以及影像傳感器的輸出端間，并接收一選擇訊號(hào)以呈開啟或關(guān)閉狀態(tài)。
在這種結(jié)構(gòu)之下，在受光強(qiáng)度低的時(shí)候，輸出電壓呈現(xiàn)線性反應(yīng)，隨著受光強(qiáng)度增加，輸出電壓的上升趨勢則漸緩，避免飽和。因此增加了影像感測的動(dòng)態(tài)范圍。
為了使本發(fā)明的上述和其它目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉一較佳實(shí)施例，并結(jié)合附圖詳細(xì)說明如下


圖1為本發(fā)明影像傳感器一實(shí)施例的電路圖；圖2為圖1中影像傳感器的操作時(shí)序圖；圖3為輸出端的電壓與光照電流的關(guān)系曲線示意圖；圖4為本發(fā)明影像傳感器另一實(shí)施例的電路圖；圖5為圖4的影像傳感器的操作時(shí)序圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例的一的影像傳感器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖；圖7顯示圖4影像傳感器的另一操作時(shí)序圖；以及圖8為本發(fā)明實(shí)施例的一的影像傳感器輸出曲線。
附圖符號(hào)說明2～影像傳感器 20～感光組件M1～第一晶體管 M2～第二晶體管M3～第三晶體管 M4～第四晶體管Vdd～定電壓源 Vrst～更新訊號(hào)Vsec～選擇訊號(hào) A～節(jié)點(diǎn)Vref～參考電壓 B～節(jié)點(diǎn)Vdd～定電壓源 M1’～P型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管M2’～P型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管PD1、PD2～二極管Vcap～電壓具體實(shí)施方式
圖1顯示本發(fā)明影像傳感器一較佳實(shí)施例的電路示意圖。此影像傳感器2具有一感光組件20、一第一晶體管M1、一第二晶體管M2、一第三晶體管M3及一第四晶體管M4。其中，第一晶體管M1為一NMOS晶體管，耦接于定電壓源Vdd及感光組件20之間，其柵極則接受一更新訊號(hào)Vrst以控制此第一晶體管M1開啟或關(guān)閉，在第一晶體管M1與感光組件20之間具有一節(jié)點(diǎn)A。感光組件20可以是一光二極管(Photo diode)或一光敏晶體管(Phototransistor)，用以接收一光源并轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的轉(zhuǎn)換電流。當(dāng)該感光組件20暴露在光線下，產(chǎn)生所謂的光電流(photocurrent)，將電荷從節(jié)點(diǎn)A傳導(dǎo)至地端。此光電流隨著光線亮度增強(qiáng)而增加。該感光組件20的光電流大致上是隨著光線亮度線性增加。這使得節(jié)點(diǎn)A的電位降低。因該節(jié)點(diǎn)A的電位決定第二晶體管M2的源極電壓，所以最后的輸出訊號(hào)VOUT將隨著光線亮度而改變。
在本實(shí)施例中，第二晶體管M2可以是一NMOS晶體管，其漏極耦接至參考電壓Vref，柵極耦接至節(jié)點(diǎn)A，源極耦接至一節(jié)點(diǎn)B。第三晶體管M3可以是一NMOS晶體管，其漏極耦接至一定電壓源Vdd，柵極耦接至節(jié)點(diǎn)B，源極耦接至第四晶體管M4。第四晶體管M4可以是一NMOS晶體管，其耦接于第三晶體管M3與輸出端VOUT之間，其柵極耦接至一行選擇訊號(hào)(row selectsignal)Vsec，并依據(jù)行選擇訊號(hào)Vsec的控制而開啟或關(guān)閉。
圖2為圖1中影像傳感器2的操作時(shí)序示意圖，分別表示更新訊號(hào)Vrst，參考電壓Vref，節(jié)點(diǎn)A的電壓VA，其中該參考電壓Vref為一由低至高的斜向電壓(ramp voltage)，節(jié)點(diǎn)A的電壓下降速度隨光電流強(qiáng)度而變化，若光強(qiáng)度越強(qiáng)，電壓降的越快。
實(shí)際操作時(shí)，請一并參閱圖1及圖2，開始時(shí)是屬于一更新階段，該更新訊號(hào)Vrst為高電位，節(jié)點(diǎn)A的電壓為Vdd-Vth，Vref為0伏。接著進(jìn)入一反應(yīng)階段，該更新訊號(hào)Vrst切換至低電位，參考電壓Vref隨時(shí)間線性遞增。因?yàn)榇藭r(shí)Vgs大于Vth，晶體管M2是導(dǎo)通的。隨著照光，節(jié)點(diǎn)A的電壓開始下降，參考電壓Vref則隨時(shí)間持續(xù)上升。當(dāng)VA-Vref＜＝Vth時(shí)，晶體管M2關(guān)閉，節(jié)點(diǎn)B維持在當(dāng)時(shí)電位。此電位隨著光強(qiáng)度越大而越小，藉以使晶體管M3對輸出端VOUT充電。隨著輸出端VOUT的電壓漸漸上升，最后使晶體管M3關(guān)閉。充電完畢的輸出端VOUT的電壓與節(jié)點(diǎn)B的電壓呈現(xiàn)正相關(guān)。
圖3中為輸出端VOUT的電壓與光照電流的關(guān)系。其中特性曲線A為傳統(tǒng)影像傳感器的輸出端電壓，而特性曲線B為本發(fā)明實(shí)施例的影像傳感器輸出曲線。如圖可見，本發(fā)明影像傳感器的特性曲線較平滑，在光線強(qiáng)度增高的時(shí)候，輸出電壓并不會(huì)達(dá)到飽和而失真。因此可感測到最大光強(qiáng)度及最小光強(qiáng)度的比例較特性曲線A大，即具較佳的動(dòng)態(tài)范圍。
圖4顯示本發(fā)明影像傳感器另一較佳實(shí)施例的電路示意圖。與圖1實(shí)施例不同處在于，將N型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管M1及M2換掉，以P型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管M1’及M2’取代。M2’的柵極耦接至參考電壓Vref，源、漏極則分別耦接于節(jié)點(diǎn)A及節(jié)點(diǎn)C(即晶體管M3的柵極)。此外，節(jié)點(diǎn)C更進(jìn)一步耦接一個(gè)二極管PD2，做為M2’的寄生的PN接面，逆偏于電壓Vdd。在光線強(qiáng)度高的時(shí)候，該二極管PD2更可以進(jìn)一步微調(diào)輸出曲線。
圖5顯示藉由圖4的影像傳感器的時(shí)序操作圖，分別表示更新訊號(hào)Vrst、參考電壓Vref、以及節(jié)點(diǎn)C的電壓Vcap。在圖5中，參考電壓Vref為一方波訊號(hào)，且參考電壓Vref的上升邊緣與更新訊號(hào)Vrst的上升邊緣10有一時(shí)間差Te，與更新訊號(hào)Vrst的下降邊緣11有一時(shí)間差Th。首先，在一更新階段，更新訊號(hào)Vrst為低電位，節(jié)點(diǎn)A的電壓為Vdd，此時(shí)參考電壓Vref為低電位，晶體管M2’為開啟，二極管PD1(感光組件)的電壓等于節(jié)點(diǎn)C的電壓Vcap。接著，在一反應(yīng)階段，更新訊號(hào)Vrst由低電位切換至高電位，而參考電壓Vref保持低電位，晶體管M1’關(guān)閉，晶體管M2’仍為開啟狀態(tài)。隨著照光，節(jié)點(diǎn)C電壓由V1降至V2。經(jīng)過時(shí)間Te后，進(jìn)入第二反應(yīng)階段，參考電壓Vref切換成高電位，晶體管M2’關(guān)閉。因?yàn)檎展鈺?huì)使二極管PD2累積電子電洞對，所以會(huì)使Vcap上升。因?yàn)槎O管PD1的面積遠(yuǎn)大于二極管PD2的面積，所以電壓V1-V2的量遠(yuǎn)大于電壓V2-V3的量。即使在時(shí)間Te中，V1-V2的電壓值達(dá)到飽和，但是藉由時(shí)間Th中的V2-V3電壓上升，抵消了輸出電降壓的飽和現(xiàn)象，所以可以延伸影像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。圖6是本發(fā)明實(shí)施例的一的影像傳感器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖，橫軸為光照電流的強(qiáng)度，縱軸為影像傳感器的輸出電壓降。由圖中可知藉由本發(fā)明的操作方式，較傳統(tǒng)操作方式的動(dòng)態(tài)范圍更佳，且藉由調(diào)整時(shí)間Te及Th的長短，可改變光線強(qiáng)度與輸出電壓降的線性范圍，有效避免輸出電壓降因光線過強(qiáng)而飽和。
圖7顯示圖4影像傳感器的另一時(shí)序操作圖，請一并參閱圖4及圖7。開始運(yùn)作初期，稱為更新階段，此時(shí)更新訊號(hào)Vrst為高電位，晶體管M1’為關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)更新訊號(hào)Vrst由高電位轉(zhuǎn)至低電位時(shí)，晶體管M1’開啟，二極管PD1電壓VPD等于電壓Vcap重置至電壓Vp，且低于3.3伏。接著時(shí)序進(jìn)入反應(yīng)階段，參考電壓Vref以及更新訊號(hào)Vrst拉至高電位，晶體管M1’、M2’關(guān)閉。電壓Vcap會(huì)隨著電洞的累積而上升。電壓VPD則隨著電子的累積而下降。當(dāng)參考電壓Vref由低電位轉(zhuǎn)為高電位時(shí)，在二極管PD1的電壓VPD為電壓V4，電壓Vcap的電壓則為電壓V5。最后，將電壓V5減去電壓V4，所得到的電壓降，即為該影像傳感器對應(yīng)光線亮度的輸出結(jié)果。如此，敏感度較佳，且動(dòng)態(tài)范圍亦較廣。
圖8為本發(fā)明實(shí)施例之一的影像傳感器輸出曲線，顯示光強(qiáng)度與電壓降的關(guān)系圖，其中，光強(qiáng)度較弱時(shí)的點(diǎn)A的電壓降可由二極管PD1的敏感度所決定，光強(qiáng)度較強(qiáng)時(shí)的點(diǎn)B的電壓降可由二極管PD2的敏感度所決定。
雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例披露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可作若干的更動(dòng)與潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍以本發(fā)明的權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一影像傳感器，包括一感光組件，接受一光源并產(chǎn)生一轉(zhuǎn)換電流；一第一晶體管，耦接于一定電壓源及該感光組件之間，并根據(jù)一更新訊號(hào)呈開啟或關(guān)閉的狀態(tài)，該第一晶體管至該感光組件間具有一第一節(jié)點(diǎn)，該定電壓源具有一第一電壓；一第二晶體管，耦接于一第二節(jié)點(diǎn)及該第一節(jié)點(diǎn)之間，接收一參考電壓；一第三晶體管，耦接于該定電壓源與一第四晶體管之間，根據(jù)該第二節(jié)點(diǎn)的電壓以決定其輸出端的電壓；以及一第四晶體管，耦接于該第三晶體管的輸出端以及該影像傳感器的輸出端間，并接收一選擇訊號(hào)以呈開啟或關(guān)閉狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的影像傳感器，其中該第一至第四晶體管為N型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管。
3.如權(quán)利要求1所述的影像傳感器，其中該第一晶體管及該第二晶體管為P型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，該第三晶體管及該第四晶體管為N型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，其中該第二晶體管的柵極接收該參考電壓，該第二晶體管的源、漏極則分別耦接該第一節(jié)點(diǎn)以及該第二節(jié)點(diǎn)。
4.一種影像感測方法，適用于一影像傳感器，其中該影像傳感器包含一感光組件，接受一光源并產(chǎn)生一轉(zhuǎn)換電流；一第一晶體管，耦接于一定電壓源及該感光組件之間，并根據(jù)一更新訊號(hào)呈開啟或關(guān)閉的狀態(tài)，該第一晶體管至該感光組件間具有一第一節(jié)點(diǎn)，該定電壓源具有一第一電壓；一第二晶體管，耦接于一第二節(jié)點(diǎn)及該第一節(jié)點(diǎn)之間，接收一參考電壓；一第三晶體管，耦接于該定電壓源與一第四晶體管之間，根據(jù)該第二節(jié)點(diǎn)的電壓以決定其輸出端的電壓；以及一第四晶體管，耦接于該第三晶體管的輸出端以及該影像傳感器的輸出端間，并接收一選擇訊號(hào)以呈開啟或關(guān)閉狀態(tài)；其中該第一至第四晶體管為N型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管；該影像感測方法包括在一更新階段通過該更新訊號(hào)開啟該第一晶體管，藉此該第一節(jié)點(diǎn)拉至該第一電壓；使該參考電壓維持于一第二電壓；其中該第二電壓低于該第一電壓；在一反應(yīng)階段通過該更新訊號(hào)關(guān)閉該第一晶體管，使該第一節(jié)點(diǎn)的電壓隨著該光源強(qiáng)度而變化；使該參考訊號(hào)由該第二電壓開始隨時(shí)間上升；以及紀(jì)錄該第二節(jié)點(diǎn)的電壓變化，藉此得到對應(yīng)該光源強(qiáng)度的輸出值。
5.一種影像感測方法，適用于一影像傳感器，其中該影像傳感器包含一感光組件，接受一光源并產(chǎn)生一轉(zhuǎn)換電流；一第一晶體管，耦接于一定電壓源及該感光組件之間，并根據(jù)一更新訊號(hào)呈開啟或關(guān)閉的狀態(tài)，該第一晶體管至該感光組件間具有一第一節(jié)點(diǎn)，該定電壓源具有一第一電壓；一第二晶體管，耦接于一第二節(jié)點(diǎn)及該第一節(jié)點(diǎn)之間，接收一參考電壓；一第三晶體管，耦接于該定電壓源與一第四晶體管之間，根據(jù)該第二節(jié)點(diǎn)的電壓以決定其輸出端的電壓；以及一第四晶體管，耦接于該第三晶體管的輸出端以及該影像傳感器的輸出端間，并接收一選擇訊號(hào)以呈開啟或關(guān)閉狀態(tài)；其中該第一晶體管及該第二晶體管為P型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，該第三晶體管及該第四晶體管為N型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，其中該第二晶體管的柵極接收該參考電壓，該第二晶體管的源、漏極則分別耦接該第一節(jié)點(diǎn)以及該第二節(jié)點(diǎn)；該影像感測方法包括在一更新階段通過該更新訊號(hào)開啟該第一晶體管，藉此該第一節(jié)點(diǎn)以及該第二節(jié)點(diǎn)拉至該第一電壓；以及將該參考電壓維持一第二電壓；其中該第二電壓低于該第一電壓；以及在一第二反應(yīng)階段關(guān)閉該第一以及第二晶體管，藉此該第一以及該第二節(jié)點(diǎn)的電壓隨著該光源強(qiáng)度而變化；使該參考訊號(hào)由該第二電壓開始隨時(shí)間上升；以及紀(jì)錄該第二節(jié)點(diǎn)的電壓變化，藉此得到對應(yīng)該光源強(qiáng)度的輸出值。
6.權(quán)利要求5所述的影像感測方法，該影像感測方法進(jìn)一步包含在一第一反應(yīng)階段，關(guān)閉該第一晶體管，開啟該第二晶體管；其中該第一反應(yīng)階段在該更新階段以及該第二反應(yīng)階段之間。
7.如權(quán)利要求5所述的影像感測方法，該影像感測方法進(jìn)一步包含在該反應(yīng)階段結(jié)束時(shí)，讀出該第一節(jié)點(diǎn)與該第二節(jié)點(diǎn)之間的電壓差。
全文摘要
本發(fā)明提供一種影像傳感器，采用四晶體管結(jié)構(gòu)以及變動(dòng)參考電壓，包括一感光組件，以及第一到第四晶體管。該感光組件接受一光源并產(chǎn)生一轉(zhuǎn)換電流。第一晶體管耦接于一定電壓源及該感光組件之間，用以根據(jù)一更新訊號(hào)呈開啟或關(guān)閉的狀態(tài)。第二晶體管耦接于一參考電壓、一第二節(jié)點(diǎn)及一第一節(jié)點(diǎn)之間。第三晶體管耦接于該定電壓源與第四晶體管之間，用以根據(jù)該第二節(jié)點(diǎn)的電壓以決定其輸出端的電壓。第四晶體管耦接于該第三晶體管的輸出端以及該影像傳感器的輸出端間，用以接收一選擇訊號(hào)以呈開啟或關(guān)閉狀態(tài)。
文檔編號(hào)H01J40/14GK1694513SQ20051007479
公開日2005年11月9日 申請日期2005年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月4日
發(fā)明者金雅琴, 賴成孝, 林哲毅 申請人:威盛電子股份有限公司