自动电压放大装置及自动电压放大方法与流程

本发明与影像感测器有关，尤其是关于一种应用于影像感测器的自动电压放大装置及自动电压放大方法。

背景技术：

近年来，互补式金属氧化半导体(complementarymetaloxidesemiconductor,cmos)影像感测器已被广泛应用于众多的电子产品中，例如智能手机、数码相机、摄录影机等。

一般而言，cmos影像感测器主要可分成两大类：如图1所示的被动式像素感测器(passivepixelsensor,pps)以及如图2所示的主动式像素感测器(activepixelsensor,aps)。虽然图1中的被动式像素感测器pps仅包含一个晶体管m1而具有高填充率，但由于无法满足现今对于影像输出速率及品质的高要求，故已很少使用。取而代之的图2中的主动式像素感测器aps可有效提升读取速度及信号噪音比，但由于其包含三个晶体管m1～m3，亦导致填充率因而降低。

在实际应用中，无论是图1中的被动式像素感测器pps或图2中的主动式像素感测器aps，均需在其外部设置有如同图3所示的放大电路3或图4所示的放大电路4来实现放大电压的功能，不仅导致成本的增加，亦无法提供较高的元件敏感度与较大的电压范围。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出一种自动电压放大装置及自动电压放大方法，以有效解决先前技术所遭遇到的上述种种问题。

根据本发明的一具体实施例为一种自动电压放大装置。于此实施例中，自动电压放大装置包含输出端、感测器、第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管及第四晶体管。感测器用以接收一输入电压并输出一直流输出电压。第一晶体管耦接感测器并接收直流输出电压。第二晶体管分别与感测器及第一晶体管耦接于第一接点及第二接点。第三晶体管耦接于第一接点与接地端之间。第四晶体管耦接于第二接点与输出端之间。输入电压随时间而增加且直流输出电压根据输入电压同步抬升。

于一实施例中，于第一时间区间内，第二晶体管与第三晶体管为开启且第四晶体管为关闭，输入电压由初始准位增加至第一准位。于第二时间区间内，第二晶体管、第三晶体管及第四晶体管均为关闭，输入电压由第一准位增加至第二准位。于第三时间区间内，第二晶体管为开启且第三晶体管及第四晶体管为关闭，输入电压由第二准位增加至第三准位。

于一实施例中，直流输出电压于第一时间区间与第二时间区间内以第一速率线性增加，并且直流输出电压于第三时间区间内以第二速率线性增加，其中第二速率大于第一速率。

于一实施例中，于第四时间区间内，第二晶体管及第三晶体管为关闭且第四晶体管为开启，输入电压由第三准位增加至第四准位，直流输出电压以第三速率线性增加，第三速率大于第二速率。

于一实施例中，于第四时间区间内，输出端所输出的输出电压等于第四时间区间的输入电压加上第三时间区间的输入电压再减去两倍的第一晶体管的临界电压。

于一实施例中，自动电压放大装置进一步包含第五晶体管，耦接于第一接点与第二晶体管之间，第五晶体管于第四时间区间内为开启。

于一实施例中，于第一时间区间与第二时间区间内，第一接点的第一接点电压与第二接点的第二接点电压均为零。

于一实施例中，于第三时间区间内，第一接点的第一接点电压与第二接点的第二接点电压均等于输入电压减去第一晶体管的临界电压。

根据本发明的另一具体实施例为一种自动电压放大方法。于此实施例中，自动电压放大方法应用于一自动电压放大装置。自动电压放大装置包含一感测器、一第一晶体管、一第二晶体管、一第三晶体管、一第四晶体管及一输出端。感测器分别耦接第一晶体管及第三晶体管。第二晶体管分别耦接位于感测器与第三晶体管之间的一第一接点以及位于第一晶体管、第二晶体管与第四晶体管之间的一第二接点。第四晶体管耦接于第二接点与输出端之间。感测器接收一输入电压并输出一直流输出电压至第一晶体管。

自动电压放大方法包含下列步骤：(a)于第一时间区间内开启第二晶体管与第三晶体管并关闭第四晶体管；(b)于第二时间区间内关闭第二晶体管、第三晶体管及第四晶体管；以及(c)于第三时间区间内开启第二晶体管并关闭第三晶体管及第四晶体管。其中，输入电压随时间而增加且直流输出电压根据输入电压同步抬升。

相较于先前技术，根据本发明的自动电压放大装置及自动电压放大方法提供能够提高电压准位的充电电路给主动式像素感测器(aps)，不需在其外部额外设置放大电路即能实现自动电压放大的功能，故可有效节省成本并提高其元件敏感度与电压范围。

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统的被动式像素感测器的示意图。

图2为传统的主动式像素感测器的示意图。

图3及图4为传统的主动式像素感测器外部需设置的放大电路的示意图。

图5为根据本发明的一较佳具体实施例的自动电压放大装置的示意图。

图6a至图6d分别绘示图5中的自动电压放大装置于第一时间区间～第四时间区间内的运作情形。

图7为于第一时间区间～第四时间区间内的信号时序图。

图8为于第一接点与第二晶体管之间额外设置受控于第三时脉信号的另一第四晶体管的示意图。

图9为自动电压放大装置的另一实施例。

图10为根据本发明的另一较佳具体实施例的自动电压放大方法的流程图。

附图标号：

rst：重置信号

sel：选择信号

vrst：重置电压

vin：输入电压

vout：输出电压

amp：放大器

rin、rf、r：电阻

c：电容

5：自动电压放大装置

sen：感测器

m1：第一晶体管

m2：第二晶体管

m3：第三晶体管

m4：第四晶体管

m4’：另一第四晶体管m5：第五晶体管

clk1：第一时脉信号

clk2：第二时脉信号

clk3：第三时脉信号

clk4：第三时脉信号

n1：第一接点

n2：第二接点

n3：第三接点

in：输入端

out：输出端

vdd：工作电压

c1：电容

cout：输出电容

vc1：第一接点电压

vc2：第二接点电压

dcout：直流输出电压

t0～t4：时间

△t1～△t4：第一时间区间～第四时间区间

vin1～vin4：第一时间区间的输入电压～第四时间区间的输入电压

v0～v4：初始准位、第一准位～第四准位

s10～s16：步骤

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域相关技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护的范围。

根据本发明的一较佳具体实施例为一种自动电压放大装置。于此实施例中，自动电压放大装置提供可提高电压准位的充电电路给主动式像素感测器(aps)，藉以实现自动电压放大的功能并有效提高其元件敏感度与电压范围。

请参照图5，图5为此实施例中的自动电压放大装置的示意图。

如图5所示，自动电压放大装置5可包含输入端in、输出端out、感测器sen、第一晶体管m1、第二晶体管m2、第三晶体管m3、第四晶体管m4、电容c1、输出电容cout、第一接点n1及第二接点n2。感测器sen分别耦接输入端in、第一接点n1及第一晶体管m1的栅极；第一晶体管m1耦接于工作电压vdd与第二接点n2之间且其栅极耦接感测器sen；第二晶体管m2耦接于第一接点n1与第二接点n2之间；第三晶体管m3耦接于第一接点n1与接地端之间；第四晶体管m4耦接于第二接点n2与输出端out之间；电容c1的一端耦接于第二晶体管m2与第一接点n1之间且另一端耦接至接地端；输出电容cout的一端耦接于第四晶体管m4与输出端out之间且另一端耦接至接地端。

于此实施例中，耦接输入端in的感测器sen接收一输入电压vin并输出一直流输出电压dcout至第一晶体管m1的栅极。因此，第一晶体管m1的开启或关闭受控于直流输出电压dcout。实际上，感测器sen可以是一影像感测器，但不以此为限。

第二晶体管m2的栅极接收第二时脉信号clk2，亦即第二晶体管m2的开启或关闭受控于第二时脉信号clk2；第三晶体管m3的栅极接收第一时脉信号clk1，亦即第三晶体管m3的开启或关闭受控于第一时脉信号clk1；第四晶体管m4的栅极接收第三时脉信号clk3，亦即第四晶体管m4的开启或关闭受控于第三时脉信号clk3。位于感测器sen、第二晶体管m2及第三晶体管m3之间的第一接点n1具有第一接点电压vc1；位于第一晶体管m1、第二晶体管m2及第四晶体管m4之间的第二接点n2具有第二接点电压vc2；输出端out具有输出电压vout。

接着，请同时参照图6a至图6d及图7，图6a至图6d分别绘示图5中的自动电压放大装置5于第一时间区间△t1～第四时间区间△t4内的运作情形；图7为于第一时间区间△t1～第四时间区间△t4内的信号时序图。

需说明的是，图7中的初始准位v0、第一准位v1、第二准位v2、第三准位v3及第四准位v4分别为输入电压vin在时间t0、t1、t2、t3及t4时的准位，由于第四准位v4高于第三准位v3、第三准位v3高于第二准位v2、第二准位v2高于第一准位v1且第一准位v1高于初始准位v0，所以输入电压vin从时间t0开始至时间t4随时间而增加。至于第一时间区间△t1从时间t0开始至时间t1为止，可称之为“读取阶段”；第二时间区间△t2从时间t1开始至时间t2为止，可称之为“重置阶段”；第三时间区间△t3从时间t2开始至时间t3为止，可称之为“反馈输入阶段”；第四时间区间△t4从时间t3开始至时间t4为止，可称之为“输出阶段”。

由图6a及图7可知：于第一时间区间△t1(亦即从时间t0开始至时间t1为止的“读取阶段”)内，由于第一时脉信号clk1与第二时脉信号clk2处于高准位且第三时脉信号clk3处于低准位，因此，分别受控于第一时脉信号clk1与第二时脉信号clk2的第三晶体管m3与第二晶体管m2为开启(on)且受控于第三时脉信号clk3的第四晶体管m4为关闭(off)。此时，第一接点n1的第一接点电压vc1与第二接点n2的第二接点电压vc2均为0；假设第一时间区间△t1的输入电压vin为vin1，则vin1会由时间t0时的初始准位v0线性增加至时间t1时的第一准位v1，其中第一准位v1高于初始准位v0；由于第四晶体管m4于第一时间区间△t1内处于关闭状态，故输出电压vout为0。

由图6b及图7可知：于第二时间区间△t2(亦即从时间t1开始至时间t2为止的“重置阶段”)内，由于第一时脉信号clk1、第二时脉信号clk2及第三时脉信号clk3均处于低准位，因此，分别受控于第一时脉信号clk1、第二时脉信号clk2及第三时脉信号clk3的第三晶体管m3、第二晶体管m2及第四晶体管m4均为关闭(off)。此时，第一接点n1的第一接点电压vc1与第二接点n2的第二接点电压vc2均为0；假设第二时间区间△t2的输入电压vin为vin2，则vin2会由时间t1时的第一准位v1线性增加至时间t2时的第二准位v2，其中第二准位v2高于第一准位v1；由于第四晶体管m4于第二时间区间△t2内仍处于关闭状态，故输出电压vout亦维持为0。

需说明的是，于第一时间区间△t1与该第二时间区间△t2内，输入电压vin会先从时间t0时的初始准位vo线性增加至时间t1时的第一准位v1，再继续从时间t1时的第一准位v1线性增加至时间t2时的第二准位v2，而直流输出电压dcout于第一时间区间△t1内会等于第一时间区间△t1的输入电压vin1且于第二时间区间△t2内会等于第二时间区间△t2的输入电压vin2，故直流输出电压dcout亦会随之以第一速率线性增加，亦即图7中的直流输出电压dcout曲线于时间t0至t2之间具有第一斜率。

接着，由图6c及图7可知：于第三时间区间△t3(亦即从时间t2开始至时间t3为止的“反馈输入阶段”)内，由于第二时脉信号clk2从低准位转变为高准位，而第一时脉信号clk1及第三时脉信号clk3仍维持于低准位，因此，第二晶体管m2为开启(on)且第三晶体管m3及第四晶体管m4为关闭(off)。此时，第一接点n1的第一接点电压vc1与第二接点n2的第二接点电压vc2均会等于第二时间区间△t2的输入电压vin减去第一晶体管m1的临界电压(vth)；由于第四晶体管m4于第三时间区间△t3内仍处于关闭状态，故输出电压vout亦维持为0。

需说明的是，假设第三时间区间△t3的输入电压vin为vin3，则第三时间区间△t3内的直流输出电压dcout会等于第三时间区间△t3的输入电压vin3，由于第三时间区间△t3的输入电压vin3会由第二准位v2线性增加至第三准位v3，其中第三准位v3高于第二准位v2，因此，第三时间区间△t3内的直流输出电压dcout会根据第三时间区间△t3的输入电压vin3的增加而同步抬升。于此实施例中，第三时间区间△t3内的直流输出电压dcout以第二速率线性增加，并且第二速率会大于第一速率，亦即图7中的直流输出电压dcout曲线于时间t2至t3之间具有第二斜率，并且第二斜率的绝对值会大于第一斜率的绝对值。

由图6d及图7可知：于第四时间区间△t4(亦即从时间t3开始至时间t4为止的“输出阶段”)内，第一时脉信号clk1、第二时脉信号clk2均处于低准位而第三时脉信号clk3处于高准位，亦即第二晶体管m2及第三晶体管m3为关闭(off)而第四晶体管m4为开启(on)。假设第四时间区间△t4的输入电压vin为vin4，则第四时间区间△t4内的直流输出电压dcout会等于第四时间区间△t4的输入电压vin4加上第一接点电压vc1，亦即等于第四时间区间△t4的输入电压vin4加上第三时间区间△t3的输入电压vin3减去第一晶体管m1的临界电压(vth)，由于第四时间区间△t4的输入电压vin4会由第三准位v3增加至第四准位v4，其中第四准位v4高于第三准位v3，再加上第三时间区间△t3的输入电压vin3由第二准位v2线性增加至第三准位v3，因此，第四时间区间△t4内的直流输出电压dcout会根据第三时间区间△t3的输入电压vin3与第四时间区间△t4的输入电压vin4的增加而同步抬升。于此实施例中，第四时间区间△t4内的直流输出电压dcout会以第三速率线性增加，并且第三速率会大于第二速率，亦即图7中的直流输出电压dcout曲线于时间t3至t4之间具有第三斜率，并且第三斜率的绝对值会大于第二斜率的绝对值。

需说明的是，由于第四晶体管m4于第四时间区间△t4内处于开启(on)状态，使得第四时间区间△t4的输出电压vout不为0，而是会等于第四时间区间△t4的直流输出电压dcout减去第一晶体管m1的临界电压(vth)，而由上述可知：第四时间区间△t4的直流输出电压dcout又等于第四时间区间△t4的输入电压vin4加上第三时间区间△t3的输入电压vin3减去第一晶体管m1的临界电压(vth)，因此，第四时间区间△t4的输出电压vout会等于第四时间区间△t4的输入电压vin4加上第三时间区间△t3的输入电压vin3再减去两倍的第一晶体管m1的临界电压(vth)。

更进一步来说，由于第四时间区间△t4的输入电压vin4会由第三准位v3线性增加至第四准位v4且第三时间区间△t3的输入电压vin3会由第二准位v2线性增加至第三准位v3，所以自动电压放大装置5的输出端out于第四时间区间△t4所输出的输出电压vout即可通过将线性增加的第四时间区间△t4的输入电压vin4与第三时间区间△t3的输入电压vin3相加的迭加效果自动达到电压放大的功效与目的。

于另一实施例中，如图8所示，自动电压放大装置5亦可进一步包含耦接于第一接点n1与第二晶体管m2之间的另一第四晶体管m4’，并且此另一第四晶体管m4’受控于第三时脉信号clk3，亦即此另一第四晶体管m4’于第一时间区间△t1至第三时间区间△t3内均为关闭(off)，但于第四时间区间△t4内为开启(on)，藉以防止在第四时间区间△t4内的直流输出电压dcout及输出电压vout过大，以避免由于电压过大而导致电路故障的现象发生。

于另一实施例中，如图9所示，感测器sen亦可设置于第一接点n1与第三接点n3之间，并且第一晶体管m1的栅极耦接第三接点n3。自动电压放大装置可进一步包含第五晶体管m5，耦接于工作电压vdd与第三接点n3之间并且受控于第四时脉信号clk4，但不以此为限。

根据本发明的另一具体实施例为一种自动电压放大方法。于此实施例中，自动电压放大方法应用于自动电压放大装置。自动电压放大装置包含感测器、第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管及输出端。感测器分别耦接第一晶体管及第三晶体管。第二晶体管分别耦接位于感测器与第三晶体管之间的第一接点以及位于第一晶体管、第二晶体管与第四晶体管之间的第二接点。第四晶体管耦接于第二接点与输出端之间。感测器接收输入电压并输出直流输出电压至第一晶体管。第一晶体管受控于感测器所输出的直流输出电压；第二晶体管受控于第二时脉信号；第三晶体管受控于第一时脉信号；第四晶体管受控于第三时脉信号。其中，输入电压会随时间而增加，并且直流输出电压会根据输入电压同步抬升。

请参照图10，图10为此实施例中的自动电压放大方法的流程图。如图10所示，首先，于第一时间区间内，该方法执行步骤s10：开启第二晶体管与第三晶体管并关闭第四晶体管。此时，输入电压会由初始准位增加至第一准位，其中第一准位高于初始准位。

接着，于第二时间区间内，该方法执行步骤s12：关闭第二晶体管、第三晶体管及第四晶体管。此时，输入电压会由第一准位增加至第二准位，其中第二准位高于第一准位。

需说明的是，于第一时间区间与第二时间区间内，第一接点的第一接点电压与第二接点的第二接点电压均为零。由于输入电压于第一时间区间与第二时间区间内会由初始准位增加至第一准位，使得由感测器输出至第一晶体管的直流输出电压(dcout)于第一时间区间与第二时间区间内会根据输入电压而同步增加。于此实施例中，直流输出电压于第一时间区间与第二时间区间内以第一速率线性增加。

然后，于第三时间区间内，该方法执行步骤s14：开启第二晶体管并关闭第三晶体管及第四晶体管。此时，输入电压会由第二准位增加至第三准位，其中第三准位高于第二准位。

需说明的是，于第三时间区间内，由于第一接点的第一接点电压与第二接点的第二接点电压均等于输入电压减去第一晶体管的临界电压，并且输入电压于第三时间区间内会由第二准位增加至第三准位，使得由感测器输出至第一晶体管的直流输出电压(dcout)于第三时间区间内会根据输入电压而同步抬升。于此实施例中，直流输出电压于第三时间区间内以第二速率线性增加，其中第二速率大于第一速率。也就是说，直流输出电压(dcout)线性增加的速率会由第一时间区间与第二时间区间内的第一速率增加至第三时间区间内的第二速率。

之后，于第四时间区间内，该方法执行步骤s16：关闭第二晶体管及第三晶体管并开启第四晶体管。此时，输入电压由第三准位增加至第四准位，其中第四准位高于第三准位。

需说明的是，于第四时间区间内，自动电压放大装置的输出端所输出的输出电压(vout)等于第四时间区间内的输入电压(vin)加上第三时间区间内的输入电压(vin)再减去两倍的第一晶体管的临界电压。由于第三时间区间内的输入电压会由第二准位增加至第三准位且第四时间区间内的输入电压会由第三准位增加至第四准位，使得直流输出电压(dcout)于第四时间区间内会根据输入电压的增加而同步抬升。于此实施例中，直流输出电压于第四时间区间内以第三速率线性增加，其中第三速率大于第二速率。也就是说，直流输出电压(dcout)线性增加的速率会由第三时间区间内的第二速率再进一步增加至第四时间区间内的第三速率。

于实际应用中，自动电压放大装置亦可进一步包含耦接于第一接点与第二晶体管之间的第五晶体管，并且第五晶体管受控于第三时脉信号。因此，第五晶体管于第一时间区间至第三时间区间内均为关闭，并且第五晶体管于第四时间区间内为开启。

相较于先前技术，根据本发明的自动电压放大装置及自动电压放大方法提供能够提高电压准位的充电电路给主动式像素感测器(aps)，不需在其外部额外设置放大电路即能实现自动电压放大的功能，故可有效节省成本并提高其元件敏感度与电压范围。

由以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。通过以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。