技术领域
本发明涉及一种感应电路，尤其涉及一种光感应像素电路以及一种影像传感器。
背景技术：
一般而言，互补式金氧半导体影像传感器(CMOS image sensor)通常制作于硅、砷化镓、碳化硅或硅锗基板上。为了进行影像感应，CMOS影像传感器通常包括光感应部位、信号转换电路及输出电路(output circuit)。光感应部位用以感应光源，并将所感应到的光信号传递至传输电路。接着，光信号再由信号转换电路转换为电信号，并将其传递至输出电路。
在上述操作模式中，CMOS影像传感器的转换增益是由信号转换电路内部节点的等效电容值来决定。若光感应部位的最大储存量(full well capacity，FWC)高于CMOS影像传感器的转换增益，光感应部位所产生的电子经由信号转换电路转换为电信号后，可能导致电信号输入至输出电路的电压过低，进而导致CMOS影像传感器的电路整体无法操作。或者，过低的电信号电压可能导致光感应部位所产生的电子无法在信号转换电路内部顺利地传输，进而导致影像延迟(image lag)。
此种情况发生时，一般是采取调降光感应部位的最大储存量的措施来解决此一问题。然而，由于CMOS影像传感器的动态范围与最大储存量及读取噪音(read noise)有关，因此一旦调降光感应部位的最大储存量，在相同的读取噪音的条件下，为了得到信号转换电路内部信号的高灵敏度，势必需要牺牲动态范围。换句话说，现有高转换增益的CMOS影像传感器虽然具有高灵敏度的优点，但其信号范围过大时将限制后端电路的操作，除了无法得到大的动态范围以外，也容易造成影像延迟。
另一种解决方式是设计转换增益较低的CMOS影像传感器。此种方式虽可满足光感应部位较高的最大储存量的需求并取得高动态范围，但是信号转换电路内部信号的灵敏度较低。若CMOS影像传感器操作在低亮度的环境时，需要以较高的增益进行调整，容易使得后方的电路导入额外的噪音，进而降低信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)。换句话说，现有低转换增益的CMOS影像传感器虽然具有高动态范围，但在低亮度操作时需要较大的后端增益，将导致电路的信噪比下降。
技术实现要素：
本发明提供一种光感应像素电路，采用此光感应像素电路的影像传感器可兼顾高灵敏度与高动态范围。
本发明的光感应像素电路包括光感应部位、信号转换单元、转换增益调整单元、输出电路以及控制单元。光感应部位感应光源，并产生对应数量的电子。信号转换单元耦接至光感应部位。信号转换单元具有浮动节点(floating node)。信号转换单元根据转换增益(conversion gain)将所产生的电子转换为电压信号。信号转换单元包括行控制晶体管(row select transistor)。行控制晶体管耦接至源极跟随器(source follower)及输出电路。行控制晶体管将放大后电压信号传输至输出电路。输出电路经由源极跟随器及行控制晶体管耦接至传输晶体管(transfer transistor)。转换增益调整单元经由浮动节点耦接至信号转换单元，并调整转换增益。输出电路耦接至信号转换单元。输出电路根据电压信号输出感应信号。感应信号对应所感应的光源的亮度。转换增益调整单元包括至少两操作模式。两操作模式其中之一的转换增益大于其中的另一者。转换增益调整单元具有第一端及第二端，第一端耦接至第一电源，第二端耦接至浮动节点。转换增益调整单元包括多个调整晶体管。调整晶体管耦接在第一端及第二端之间。在不同的操作模式下，调整晶体管被开启的数目不同。信号转换单元的转换增益是根据调整晶体管被开启的数目来调整。控制单元耦接输出电路。控制单元根据感应信号所对应的光源亮度来调整调整晶体管被开启的数目。
在本发明一实施例中，上述的调整晶体管被开启的数目愈多，信号转换单元的转换增益愈低。
在本发明一实施例中，上述的调整晶体管全部被开启时，第一电源重置浮动节点。
在本发明一实施例中，上述的调整晶体管是串联耦接在第一端及第二端之间。
在本发明一实施例中，上述的信号转换单元包括传输晶体管以及源极跟随器。传输晶体管耦接至光感应部位。传输晶体管传输光电流信号至浮动节点。源极跟随器耦接至浮动节点与第二电源。源极跟随器放大电压信号。
在本发明一实施例中，上述的感应信号所对应的光源的亮度愈高时，转换增益调整单元所调整的转换增益愈低。
在本发明一实施例中，上述的感应信号所对应的光源的亮度愈低时，转换增益调整单元所调整的转换增益愈高。
在本发明一实施例中，上述的调整晶体管的数目是三个或三个以上。
在本发明一实施例中，上述的控制单元直接控制转换增益调整单元以调整转换增益。
本发明的影像传感器，包括多个如上所述的光感应像素电路。
本发明的光感应像素电路包括光感应部位、传输晶体管、多个调整晶体管、输出电路、行控制晶体管以及控制单元。光感应部位感应光源，并产生对应数量的电子。传输晶体管耦接至光感应部位。传输晶体管具有浮动节点，将光感应部位所产生的电子转换为电压信号。调整晶体管具有第一端及第二端。第一端耦接至第一电源，第二端经由浮动节点耦接至传输晶体管。输出电路耦接至传输晶体管。输出电路根据电压信号输出感应信号。感应信号对应所感应的光源的亮度。行控制晶体管耦接至源极跟随器与输出电路。行控制晶体管将放大后电压信号传输至输出电路。输出电路经由源极跟随器及行控制晶体管耦接至传输晶体管。调整晶体管包括至少两操作模式。在不同的操作模式下，调整晶体管被开启的数目不同。调整晶体管是串联耦接在第一端及第二端之间。控制单元耦接至输出电路。控制单元根据感应信号对应的光亮度来调整调整晶体管被开启的数目。
在本发明一实施例中，上述的调整晶体管全部被开启时，第一电源重置浮动节点。
在本发明一实施例中，上述的光感应像素电路还包括源极跟随器。源极跟随器耦接至浮动节点、第二电源与输出电路。源极跟随器放大电压信号。输出电路经由源极跟随器耦接至传输晶体管。
在本发明一实施例中，上述的感应信号所对应的光源的亮度愈高时，调整晶体管被开启的数目愈多。
在本发明一实施例中，上述的感应信号所对应的光源的亮度愈低时，调整晶体管被开启的数目愈少。
在本发明一实施例中，上述的调整晶体管的数目是三个或三个以上。
在本发明一实施例中，上述的控制单元直接控制转换增益调整单元以调整转换增益。
本发明的影像传感器，包括多个如上所述的光感应像素电路。
基于上述，在本发明的示范实施例中，光感应像素电路的转换增益调整单元具有可调变转换增益的功能，使采用此光感应像素电路的影像传感器可兼顾高灵敏度与高动态范围。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。
附图说明
图1示出本发明一实施例的光感应像素电路的方块示意图；
图2示出图1的实施例的光感应像素电路的各方块的内部电路示意图；
图3A示出图1的实施例的光感应像素电路操作在第一操作模式时，调整晶体管的控制信号S1、S2的信号波形图；
图3B示出图1的实施例的光感应像素电路操作在第一操作模式时，其信号转换单元的转换增益；
图4A示出图1的实施例的光感应像素电路操作在第二操作模式时，调整晶体管的控制信号S1、S2的信号波形图；
图4B示出图1的实施例的光感应像素电路操作在第二操作模式时，其信号转换单元的转换增益；
图5示出本发明另一实施例的光感应像素电路的各方块的内部电路示意图；
图6A、图7A、图8A分别示出图5的实施例的光感应像素电路操作在不同操作模式时，调整晶体管的控制信号S1’、S2’、S3’的信号波形图；
图6B、图7B、图8B分别示出图5的实施例的光感应像素电路操作在不同操作模式时，其信号转换单元的转换增益；
图9为本发明一实施例的转换增益调整方法的步骤流程图。
【主要元件符号说明】
100、500：光感应像素电路；
110、510：光感应部位；
120、520：信号转换单元；
130、530：转换增益调整单元；
140、540：控制单元；
150、550：输出电路；
e-：光感应像素电路所产生的电子；
VC：电压信号；
VS：感应信号；
VDD1、VDD2：电源；
NF：浮动节点；
QT：传输晶体管；
QS：源极跟随器；
Q1、Q2、Q1’、Q2’、Q3’：调整晶体管；
S1、S2、S1’、S2’、S3’：控制信号；
CG1、CG2、CG1’、CG2’、CG3’：转换增益；
t1：各操作模式的重置期间；
t2：各操作模式的转换读取期间；
S900、S902、S904、S906、S908：转换增益调整方法的步骤。
具体实施方式
在本发明的示范实施例中，影像传感器的光感应像素电路具有随光源亮度而可调变转换增益的功能。举例而言，当光感应像素电路侦测到高光源亮度时，其可操作在低转换增益模式，以提高动态范围；当光感应像素电路侦测到低光源亮度时，其可操作在高转换增益模式。因此，影像传感器可具备高灵敏度，并保持高信噪比。为更清楚地了解本发明，以下将配合附图，以至少一示范实施例来作详细说明。在本发明的示范实施例中，影像传感器是以CMOS影像传感器为例示说明，但本发明并不限于此。此外，以下实施例中所提到的连接用语，例如：耦接或连接等，仅是参考附加附图用以例示说明，并非用来限制实际上两个元件之间的连接关系是直接耦接或间接耦接。
图1示出本发明一实施例的光感应像素电路的方块示意图。请参考图1，本实施例的光感应像素电路100包括光感应部位110、信号转换单元120、转换增益调整单元130、控制单元140以及输出电路150。光感应部位110用以感应光源(未示出)，并产生对应数量的电子e-传输至信号转换单元120。信号转换单元120耦接至光感应部位110，并根据转换增益将所产生的电子e-转换为电压信号VC，并将电压信号VC传输至输出电路150。输出电路150耦接至信号转换单元120，并根据电压信号VC输出感应信号VS，其对应所感应的光源的亮度。转换增益调整单元130经由信号转换单元120内部的浮动节点耦接至信号转换单元120，并用以调整信号转换单元120的转换增益。控制单元140耦接至输出电路150，并根据输出电路所产生的感应信号VS所对应的光亮度来调整转换增益调整单元130内部的调整晶体管被开启的数目。因此，转换增益调整单元130包括至少两操作模式，在不同的操作模式下，其调整晶体管被开启的数目不同，以让其中的一操作模式下的转换增益大于其中的另一者。
值得一提的是，本实施例的CMOS影像传感器包括多个如图1所示的光感应像素电路100，而控制单元140可依据实际设计需求，选择性地配置在各光感应像素电路中。也就是说，每一光感应像素电路包括控制单元。或者，在其他实施例中，也可由多个光感应像素电路共用一个控制单元，本发明并不加以限制。另外，光感应部位110不限于并产生对应数量的电子，于其他实施例中，亦可产生空穴。
图2示出图1的实施例的光感应像素电路的各方块的内部电路示意图。请参考图1及图2，在本实施例中，信号转换单元120包括传输晶体管QT以及源极跟随器QS。传输晶体管QT耦接至光感应部位110，将光感应部位产生的电子e-传输至浮动节点NF。在此，传输晶体管QT以开闭的方式来控制光感应部位110所产生的电子e-是否传输至浮动节点NF，而浮动节点NF用来将电子e-转换为电压信号VC。当电子e-通过传输晶体管QT时，会在浮动节点NF转换为电压信号VC。因此，信号转换单元120的转换增益是由浮动节点NF处的等效电容C来决定。一般而言，转换增益定义为等效电容C值的倒数，即1/C。源极跟随器QS的三个端点分别耦接至浮动节点NF、电源VDD2与输出电路150，并用以放大电压信号VC。在本实施例中，源极跟随器QS是以晶体管为例示说明，本发明并不限于此。源极跟随器QS的闸极为电压信号VC的输入端。一般而言，源极跟随器QS在硅制程中通常透过金属或多晶硅(poly silicon)与浮动节点NF连接。
因此，本实施例的信号转换单元120是以浮动节点电压调变的方式来使输出电路150根据电压信号VC输出感应信号VS。在其他实施例中，信号转换单元120可还包括控制晶体管(未示出)，其耦接至源极跟随器QS，并将放大后电压信号VC传输至输出电路150。行控制晶体管以开闭的方式来控制电压信号VC是否传输至输出电路150。换句话说，行控制晶体管并非必需，在本实施例中，信号转换单元120是省略行控制晶体管，而改以浮动节点电压调变的方式取代。
另一方面，在本实施例中，转换增益调整单元130具有第一端及第二端。第一端耦接至电源VDD1，第二端耦接至浮动节点NF。此外，转换增益调整单元130包括多个调整晶体管Q1、Q2。在此，调整晶体管Q1、Q2是串联耦接在转换增益调整单元130的第一端及第二端之间。在不同的操作模式下，调整晶体管Q1、Q2被开启的数目不同。由于调整晶体管的导通数量可影响浮动节点NF的等效电容，而等效电容大则增益小(V＝Q/C)，故调整晶体管Q1、Q2被开启的数目可用来调整信号转换单元120的转换增益。
具体而言，图3A示出图1的实施例的光感应像素电路操作在第一操作模式时，调整晶体管的控制信号S1、S2的信号波形图。图3B示出图1的实施例的光感应像素电路操作在第一操作模式时，其信号转换单元的转换增益。请参考图2、图3A及图3B，本实施例的控制单元140分别利用控制信号S1、S2来控制调整晶体管Q1、Q2的导通状态，以调整浮动节点NF处的等效电容C的值。
在本实施例中，第一操作模式是指在低亮度环境时，光感应像素电路100具高灵敏度的操作模式。在第一操作模式的t1期间，控制信号S1、S2均为高准位，调整晶体管Q1、Q2均被开启。此时，浮动节点NF被电源VDD1重置(reset)。接着，在第一操作模式的t2期间，控制信号S1、S2均为低准位，调整晶体管Q1、Q2均被关闭。此时，浮动节点NF处的等效电容C值是由传输晶体管QT、调整晶体管Q2、源极跟随器QS以及浮动节点NF处的电容共同来决定。因此，该等电容共同决定的等效电容C，其所对应的转换增益CG1如图3B所示。其中，图3B的横轴代表光感应单元的所产生的电子数量；纵轴代表浮动节点NF处于电子传输时的造成的电压值变化，因此两者的斜率即代表转换增益CG1。
另一方面，图4A示出图1的实施例的光感应像素电路操作在第二操作模式时，调整晶体管的控制信号S1、S2的信号波形图。图4B示出图1的实施例的光感应像素电路操作在第二操作模式时，其信号转换单元的转换增益。
请参考图2、图4A及图4B，在本实施例中，第二操作模式是指在高亮度环境时，光感应像素电路100具高动态范围的操作模式。类似地，在第二操作模式的t1期间，控制信号S1、S2均为高准位，调整晶体管Q1、Q2均被开启，此时电源VDD1重置浮动节点NF。与第一操作模式不同的是，在第二操作模式的t2期间，控制信号S1为低准位，控制信号S2为高准位，因此调整晶体管Q1、Q2分别被关闭及开启。此时，浮动节点NF处的等效电容C值是由传输晶体管QT、调整晶体管Q1、Q2、源极跟随器QS以及浮动节点NF处的电容共同来决定。因此，该等电容共同决定的等效电容C，其所对应的转换增益CG2如图4B所示。
相较于第一操作模式，在第二操作模式中，决定浮动节点NF处的等效电容C值还包括调整晶体管Q1。此际，由于等效电容C值变大，因此转换增益CG2被调降。也就是说，在本实施例中，调整晶体管Q1、Q2被开启的数目愈多，信号转换单元120的转换增益愈低。在此，第一操作模式的转换增益CG1大于第二操作模式的转换增益CG2。此外，本实施例的第一及第二操作模式分别适用于低亮度及高亮度的环境。因此，当输出电路的感应信号VS对应的光亮度愈高时，转换增益调整单元130所调整的转换增益愈低。相反地，当输出电路的感应信号VS对应的光亮度愈低时，转换增益调整单元130所调整的转换增益愈高。
图5示出本发明另一实施例的光感应像素电路的各方块的内部电路示意图。请参考图5，本实施例的光感应像素电路500包括光感应部位510。光感应像素电路500类似于图2的光感应像素电路100，但两者之间主要的差异例如在于转换增益调整单元530内部的调整晶体管的数目。
具体而言，本实施例的转换增益调整单元530包括三个串联耦接在电源VDD1与浮动节点NF之间的调整晶体管Q1’、Q2’、Q3’。控制单元540分别利用控制信号S1’、S2’、S3’来控制调整晶体管Q1’、Q2’、Q3’的导通状态，以调整浮动节点NF处的等效电容C的值。
图6A、图7A、图8A分别示出图5的实施例的光感应像素电路操作在不同操作模式时，调整晶体管的控制信号S1’、S2’、S3’的信号波形图。图6B、图7B、图8B分别示出图5的实施例的光感应像素电路操作在不同操作模式时，其信号转换单元的转换增益。请参考图5至图8B，在本实施例中，无论是在第一、第二或第三操作模式，调整晶体管在t1期间均因控制信号S1’、S2’、S3’处于高准位而全部被开启。此时，电源VDD1重置信号转换单元520的浮动节点NF。接着，在第一、第二及第三操作模式的t2期间，调整晶体管Q1’、Q2’、Q3’的导通状态分别是：在第一操作模式中，调整晶体管Q1’、Q2’、Q3’全部被控制信号S1’、S2’、S3’关闭，如图6A所示；在第二操作模式中，调整晶体管Q3’被控制信号S3’开启，调整晶体管Q2’、Q3’被控制信号S1’、S2’关闭，如图7A所示；在第三操作模式中，调整晶体管Q2’、Q3’被控制信号S2’、S3’开启，调整晶体管Q1’被控制信号S1’关闭，如图8A所示。
因此，根据上述第一、第二及第三操作模式的调整晶体管Q1’、Q2’、Q3’的导通状态，信号转换单元520的转换增益在第一、第二及第三操作模式的大小关系依序是CG1’>CG2’>CG3’，其中CG1’代表第一操作模式时，信号转换单元520的转换增益，如图6B所示；CG2’代表第二操作模式时，信号转换单元520的转换增益，如图7B所示；CG3’代表第三操作模式时，信号转换单元520的转换增益，如图8B所示。也就是说，调整晶体管被开启的数目愈多，信号转换单元520的转换增益愈低。
换句话说，本实施例的光感应像素电路500，其信号转换单元520的转换增益可随光感应像素电路500所感应到的光源亮度进行适应性的调整。当光感应像素电路500侦测到高光源亮度时，其可操作在低转换增益模式，以提高动态范围；当光感应像素电路500侦测到低光源亮度时，其可操作在高转换增益模式，以具备高灵敏度，并保持高信噪比。
值得一提的是，在不同的操作模式中，本发明的示范实施例对调整晶体管Q1’、Q2’、Q3’被开启的顺序并不加以限制。举例而言，只要在各操作模式的t1期间保持调整晶体管Q1’、Q2’、Q3’为开启，让电源VDD1可重置信号转换单元520的浮动节点NF即可。或者，在各操作模式的t2期间，当输出电路550在读取浮动节点NF的电压信号VC时，保持调整晶体管Q1’为关闭，让电源VDD1无法重置信号转换单元520的浮动节点NF即可。简言之，上述调整晶体管的导通或关闭的组合仅作示范，实际可以有不同的组合，只要能改变浮动节点所看到的等效电容值，均可加以采用。
此外，在本发明的示范实施例中，各控制单元是以高准位的控制信号来开启各调整晶体管，以低准位的控制信号来关闭各调整晶体管，但本发明并不加以限制。在其他实施例中，根据调整晶体管的种类不同，其导通状态时的控制信号的准位可作适应性地调整。
另外，在本发明的示范实施例中，转换增益调整单元的各调整晶体管是以串联耦接为实施态样作为例示说明，但本发明并不加以限制。在其他实施例中，只要能根据输出电路的感应信号所对应的光亮度来调整或改变浮动节点处的等效电容，其电路布局皆为本发明所欲保护的范畴。
图9为本发明一实施例的转换增益调整方法的步骤流程图。请同时参照图2及图9，本实施例的转换增益调整方法例如适用于图2的光感应像素电路，其包括如下步骤。首先，在步骤S900中，接收光感应像素电路100的光感应部位110所产生的电子e-。接着，在步骤S902中，在重置期间，以电源VDD1重置信号转换单元120的浮动节点NF。其中，重置期间例如是各操作模式的t1期间。之后，在步骤S904中，在转换读取期间，根据输出电路150的感应信号VS所对应的光源亮度来决定转换增益调整单元130中，调整晶体管开启的数目，以调整信号转换单元120的转换增益。其中，输出电路150的感应信号VS的大小代表所感应的光源的亮暗程度，而转换读取期间例如是各操作模式的t2期间。在本实施例中，输出电路150的感应信号VS所对应的光源的亮度愈高时，所调整的转换增益愈低，调整调整晶体管被开启的数目愈多；输出电路150的感应信号VS所对应的光源的亮度愈低时，所调整的转换增益愈高，调整晶体管被开启的数目愈少。继之，在步骤S906中，根据调整后的转换增益，将光感应部位所产生的电子e-转换为电压信号VC。接着，在步骤S908中，读取转换所得的电压信号VC来产生感应信号VS。
另外，本发明的实施例的转换增益调整方法可以由图1至图8B实施例的叙述中获致足够的教示、建议与实施说明，因此不再赘述。
综上所述，在本发明的上述示范实施例中，影像传感器的光感应像素电路具有可调变转换增益的功能。当光感应像素电路侦测到高光源亮度时，其可操作在低转换增益模式，以提高动态范围；当光感应像素电路侦测到低光源亮度时，其可操作在高转换增益模式，以具备高灵敏度，并保持高信噪比。因此，影像传感器采用本发明的示范实施例的光感应像素电路，可兼顾高灵敏度与高动态范围。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。