图像传感器及其像素阵列电路的制作方法

本发明涉及一种图像传感器，尤其涉及一种可调整浮动扩散节点的直流偏移的图像传感器及其像素阵列电路。

背景技术：

一般来说，暗电流(darkcurrent)是图像传感器的主要噪声来源之一。详细来说，在图像传感器的像素阵列电路中的光感测元件未进行曝光的情况下，光感测元件仍能产生的电流即是所谓的暗电流。暗电流会导致像素阵列电路所产生的输出电压信号具有直流偏移(dcoffset)。在直流偏移很大的情况下，会大大地限制输出电压信号的可摆动范围，使得图像传感器的读出电路在对输出电压信号进行处理的过程中发生信号饱和或是无法取得正确的数字像素值。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种图像传感器及其像素阵列电路，通过调整像素阵列电路中的各浮动扩散节点的电压的直流位准(或直流偏移)，可有效地增加像素阵列电路所产生的输出电压信号的可摆动范围。

本发明的图像传感器包括像素阵列电路以及读出电路。像素阵列电路包括多个像素单元，其中各像素单元包括光传感器、传输电路、源极追随电路以及电压调整电路。传输电路耦接在光传感器与浮动扩散节点之间，且受控于传输控制信号以控制光传感器与浮动扩散节点之间的电荷传输。源极追随电路耦接浮动扩散节点，用以将浮动扩散节点的电压转换为输出电压信号。电压调整电路耦接浮动扩散节点，用以调整浮动扩散节点的电压的直流位准，以增加输出电压信号的可摆动范围。读出电路耦接各像素单元的源极追随电路以接收输出电压信号，且对输出电压信号进行处理以取得对应的数字像素值。

在本发明的一实施例中，上述的电压调整电路包括电容器。电容器的第一端用以接收调整电压信号，且电容器的第二端耦接浮动扩散节点。

在本发明的一实施例中，传输电路包括传输开关以及重置开关。传输开关的第一端耦接光传感器，传输开关的第二端耦接浮动扩散节点，且传输开关的控制端接收传输控制信号。重置开关的第一端耦接重置电源，重置开关的第二端耦接浮动扩散节点，且重置开关的控制端接收重置控制信号。

在本发明的一实施例中，源极追随电路包括晶体管以及电流源。晶体管的第一端耦接重置电源，晶体管的控制端耦接浮动扩散节点，且晶体管的第二端用以提供输出电压信号。电流源耦接在晶体管的第二端与接地电压端之间。

在本发明的一实施例中，输出电压信号的可摆动范围介于重置电源的电压值与光传感器的钉扎电压值之间。

本发明的像素阵列电路包括多个像素单元。各像素单元包括光传感器、传输电路、源极追随电路以及电压调整电路。传输电路耦接在光传感器与浮动扩散节点之间，且受控于传输控制信号以控制光传感器与浮动扩散节点之间的电荷传输。源极追随电路耦接浮动扩散节点，用以将浮动扩散节点的电压转换为输出电压信号。电压调整电路耦接浮动扩散节点，用以调整浮动扩散节点的电压的直流位准，以增加输出电压信号的可摆动范围。

基于上述，本发明实施例所提出的图像传感器及其像素阵列电路，可通过各像素单元中的电压调整电路来调整浮动扩散节点的电压的直流位准。如此一来，可有效地增加各像素单元所产生的输出电压信号的可摆动范围，以利于读出电路取得正确的数字像素值。

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，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1是依照本发明一实施例所示出的图像传感器的电路方块示意图。

图2是依照本发明一实施例所示出的像素单元的电路方块示意图。

图3是依照本发明一实施例所示出的图2的像素单元的电路架构示意图。

附图标记说明

100：图像传感器

120：像素阵列电路

140：读出电路

222：传输电路

224：源极追随电路

226：电压调整电路

c1：电容器

cfd：浮动扩散电容

csr：电流源

fd：浮动扩散节点

gnd：接地电压端

m1：晶体管

pd：光传感器

pxu：像素单元

sr：重置控制信号

st：传输控制信号

tr：重置开关

tx：传输开关

va：重置电源

vo：输出电压信号

vx：调整电压信号

具体实施方式

现将详细参考本发明示范性实施例，在附图中说明所述示范性实施例的实例。另外，凡可能之处，在附图及实施方式中使用相同标号的元件/构件代表相同或类似部分。

图1是依照本发明一实施例所示出的图像传感器的电路方块示意图，图2是依照本发明一实施例所示出的像素单元的电路方块示意图。请合并参照图1及图2，图像传感器100可包括像素阵列电路120以及读出电路140。像素阵列电路120可包括以阵列形式排列的多个像素单元pxu。各像素单元pxu可包括光传感器pd、传输电路222、源极追随电路224以及电压调整电路226，但本发明不限于此。

光传感器pd的阳极耦接至接地电压端gnd。传输电路222耦接在光传感器pd的阴极与像素单元pxu的浮动扩散节点fd之间，且受控于传输控制信号st以控制光传感器pd与浮动扩散节点fd之间的电荷传输。源极追随电路224耦接浮动扩散节点fd，用以将浮动扩散节点fd的电压转换为输出电压信号vo。电压调整电路226耦接浮动扩散节点fd。特别的是，电压调整电路226可用来调整浮动扩散节点fd的电压的直流位准，从而增加输出电压信号vo的可摆动范围。

另外，读出电路140耦接各像素单元pxu中的源极追随电路224以接收输出电压信号vo，且对输出电压信号vo进行处理以取得对应的数字像素值。

更进一步来说，在浮动扩散节点fd的电压的直流位准过高的情况下，通过电压调整电路226降低浮动扩散节点fd的电压的直流位准，可增加输出电压信号vo的可摆动范围。如此一来，在读出电路140对输出电压信号vo进行处理(例如信号放大处理)的过程，可避免处理后(放大后)的输出电压信号发生信号饱和而无法取得正确的数字像素值。

在本发明的一实施例中，读出电路140可采用现有的读出电路来实现。举例来说，读出电路140可采用具有相关双重取样(correlateddoublesamplingcircuit，cds)电路以及类比至数位转换器(analog-to-digitalconverter，adc)的读出电路来实现，但本发明不限于此，本发明并不对读出电路140的电路架构加以限制。由于读出电路的实施方式及运作为本技术领域技术人员所熟悉，故在此不再赘述。

图3是依照本发明一实施例所示出的图2的像素单元的电路架构示意图。请参照图3，传输电路222可包括传输开关tx以及重置开关tr。传输开关tx的第一端耦接光传感器pd的阴极。传输开关tx的第二端耦接浮动扩散节点fd。传输开关tx的控制端接收传输控制信号st。重置开关tr的第一端耦接重置电源va。重置开关tr的第二端耦接浮动扩散节点fd。重置开关tr的控制端接收重置控制信号sr。另外，图3亦示出出存在于浮动扩散节点fd与接地电压端gnd之间的浮动扩散电容cfd。

源极追随电路224可包括晶体管m1以及电流源csr。晶体管m1的第一端耦接重置电源va。晶体管m1的控制端耦接浮动扩散节点fd。晶体管m1的第二端用以提供输出电压信号vo。电流源csr耦接在晶体管m1的第二端与接地电压端gnd之间。电压调整电路226可包括电容器c1。电容器c1的第一端用以接收调整电压信号vx。电容器c1的第二端耦接浮动扩散节点fd。

在本发明的一实施例中，重置开关tr以及传输开关tx可采用金氧半场效晶体管来实现，但本发明不限于此。在本发明的一实施例中，晶体管m1可采用n型金氧半场效晶体管来实现，但本发明不限于此。

以下说明图3的像素单元pxu的运作。首先，可通过将重置控制信号sr以及传输控制信号st驱动至第一位准(例如逻辑高位准)，以导通像素单元pxu的重置开关tr以及传输开关tx，从而重置像素单元pxu的光传感器pd以及浮动扩散节点fd。此时，浮动扩散节点fd的电压值为重置电源va的电压值。接着，可将重置控制信号sr以及传输控制信号st驱动至第二位准(例如逻辑低位准)，以关断重置开关tr以及传输开关tx，并让光传感器pd曝露于光线中达一段曝光时间而被积分。在光传感器pd完成曝光之后，可将传输控制信号st驱动至第一位准(例如逻辑高位准)以导通传输开关tx，从而将光传感器pd的电荷传输至浮动扩散节点fd，致使浮动扩散节点fd的电压降低，其中浮动扩散节点fd的电压值介于重置电源va的电压值与光传感器pd的钉扎电压(pinningvoltage)值之间。而晶体管m1可将浮动扩散节点fd的电压转换为输出电压信号vo。

另外，通过电压调整电路226来调整浮动扩散节点fd的电压的直流位准，可让输出电压信号vo的电压值介于重置电源va的电压值与光传感器pd的钉扎电压值之间，亦即输出电压信号vo的可摆动范围介于重置电源va的电压值与光传感器pd的钉扎电压值之间。

更进一步来说，若浮动扩散节点fd的电压值过低，例如低于晶体管m1的临界电压(thresholdvoltage)值，则源极追随电路224中的晶体管m1为截止状态而无法将浮动扩散节点fd的电压转换为对应的输出电压信号vo，导致读出电路140无法取得正确的数字像素值。于此情况下，可通过电压调整电路226调高浮动扩散节点fd的电压的直流位准，以让源极追随电路224可正常运作。

另一方面，若浮动扩散节点fd的电压值过高而导致输出电压信号vo的电压值过高，则可能会高于读出电路140的可接受输入范围，导致读出电路140无法取得正确的数字像素值。于此情况下，可通过电压调整电路226调降浮动扩散节点fd的电压的直流位准，从而降低输出电压信号vo的电压值，以避免读出电路140无法取得正确的数字像素值。

综上所述，本发明实施例所提出的图像传感器及其像素阵列电路，可通过各像素单元中的电压调整电路来调整浮动扩散节点的电压的直流位准。如此一来，可有效地增加各像素单元所产生的输出电压信号的可摆动范围，以利于读出电路取得正确的数字像素值。

虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。