像素电路和影像传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及影像传感器，尤其涉及包含像素电路的影像传感器，其中像素电路可进行对数线性对数(logarithmic-linear-logarithmic)操作,且具高动态范围。
【背景技术】
[0002]互补式金属氧化半导体影像传感器(complementary metal - oxide -semiconductor, CMOS)被广泛地应用在不同的产品中。互补式金属氧化半导体影像传感器最大的优点是易于整合、低操作电压以及低生产成本。然而，相较于电荷耦合装置(charge-coupled device, CCD)影像传感器,互补式金属氧化半导体影像传感器通常受限于较差的动态范围。
[0003]改善互补式金属氧化半导体影像传感器的其中一种方式是对数像素，对数像素被广泛地使用在三颗晶体管的光二极管(three-transistor (3T)photod1de)像素。一般来说，主动式像素或是被动式像素会对照射进所述像素的光线强度有线性反应。当光电流太小时，晶体管会进入次临界(sub-threshold)区域,对数像素会基于互补式金属氧化半导体晶体管的次临界操作模式来提供对数电子至光二极管。然而此操作会导致下列缺点:
[0004]1.低光感性(photosensitivity),特别是在低亮度环境；
[0005]2.归因于次临界操作的低反应速度；以及
[0006]3.归因于次临界操作的相对高元件变异性。
[0007]因此，此领域需要一种像素电路以及一种影像传感器以解决上述问题。
【发明内容】
[0008]有鉴于此，本发明的目的之一在于提供具有高动态范围的像素电路以及影像传感器。像素电路可在不同亮度条件下进行对数线性对数(logarithmic-linear-logarithmic)操作。
[0009]依据本发明的示范性实施例，提出一种像素电路，包括光检测器、信号调整电路以及切换电路。其中所述种光检测器用来因应射入的光线以产生输出信号。所述信号调整电路耦接至所述光检测器，用来选择性地调整所述输出信号，以使所述输出信号对所述光线的强度有多个不同的对数函数。所述切换电路耦接至所述信号调整电路以及所述光检测器，用来将所述光检测器耦接至所述信号调整电路。
[0010]依据本发明的示范性实施例，提出一种影像传感器，包括像素电路阵列，其中每一像素电路包括光检测器、信号调整电路以及切换电路。其中所述光检测器用来因应射入的光线以产生输出信号。所述信号调整电路耦接至所述光检测器，用来选择性地调整所述输出信号，以使所述输出信号对所述光线的强度有多个不同的对数函数。所述切换电路耦接至所述信号调整电路以及所述光检测器，用来将所述光检测器耦接至所述信号调整电路。
[0011]上述实施例提供像素电路以及影像传感器，能够在低亮度或是高亮度条件下进行对数操作。此外，所述像素电路以及所述影像传感器能够在中亮度条件下进行对数操作，如此一来，所述像素电路以及所述影像传感器相较于对数像素或是线性像素具有更高的动态范围以及更低的反应时间。
【附图说明】
[0012]图1为依据本发明示范性实施例的像素电路的简要示意图。
[0013]图2为依据本发明示范性实施例的像素电路的详细电路图。
[0014]图3为依据本发明另一示范性实施例的像素电路的详细电路图。
[0015]图4为依据本发明又一示范性实施例的像素电路的详细电路图。
[0016]图5为依据本发明再一示范性实施例的像素电路的详细电路图。
[0017]图6为依据本发明示范性实施例的读出部分的示意图。
[0018]【符号说明】
[0019]120信号调整电路
[0020]130切换电路
[0021]140光检测器
[0022]100、200、300、400 像素电路
[0023]110光检测器
[0024]122、124信号调整元件
[0025]500读出部分
【具体实施方式】
[0026]参考图1，图1为依据本发明示范性实施例的像素电路的简要示意图。像素电路包括光检测器110、信号调整电路120以及切换电路130。在优选实施例中可以使用光二极管(但不限于此，亦可以为光敏晶体管)来实现光检测器110，以因应射入的光线以产生输出信号VPH_。信号调整电路120耦接至光检测器110，用来选择性地调整输出信号VPH_，以使输出信号VPH_对光线的强度有多个不同的对数函数。信号调整电路120可以操作在一此临界区(sub-threshold reg1n),可以使输出信号VP_在切换电路130导通的情况下对光线强度为对数函数关系。切换电路130耦接至信号调整电路120以及光检测器110，用来将光检测器110耦接至信号调整电路120。当控制切换电路130将信号调整电路120耦接至光检测器110时，输出信号VPH_对光线强度会为对数函数关系。当控制切换电路130不将信号调整电路120耦接至光检测器110时，输出信号VPH_对光线的强度会为线性函数关系。
[0027]图2为依据本发明示范性实施例的像素电路100的详细电路图。信号调整电路120包括第一信号调整元件122，在优选实施例中，第一信号调整元件122包括二极管接法晶体管(d1de-connected transistor)M1经由切换电路130稱接至光检测器110 (包括光二极管H))，其中切换电路130包括第一切换元件M2受控制信号xl控制。当控制信号Xl使第一切换兀件M2导通时,第一信号调整兀件122会调整输出信号Vphqtq,使输出信号Vphqtq对光线强度会为对数函数关系。预定电压Vlogl耦接至特定电极以及二极管接法晶体管Ml的控制电极。预定电压Vlogl会判断二极管接法晶体管Ml所产生的输出信号VPH_的第一对数函数的特征，并且当二极管接法晶体管Ml操作在一次临界区域时，使输出信号VPH_具有第一对数函数。当切换电路130将二极管接法晶体管Ml耦接至光检测器110时，且二极管接法晶体管Ml开始操作在次临界区域时，二极管接法晶体管Ml会供应电荷来增加流入节点A的电流，此时像素电路100作为对数像素，输出信号VPH_会较线性像素更大幅地下降以提供更强的亮度信息。当节点A的电压掉到特定电平之下时，二极管接法晶体管Ml将会被关闭，而输出信号VPH_对光线强度为线性函数。同时，藉由将控制信号xl下拉以使第一切换元件M2不导通，且像素电路100作为线性像素。
[0028]藉由适当地设定预定电压Vlogl，亦可以让二极管接法晶体管Ml操作来抑制输出信号Vprora以防止饱和。在高亮度条件下，输出信号vPH_可能会饱和。在此情形下，第一切换元件M2会将二极管接法晶体管Ml耦接至光检测器110，二极管接法晶体管Ml会操作在次临界区，并产生次临界电流，其中由于高亮度使得输出信号VP_的降幅得以被抑制，因此次临界电流较光二极管ro所产生的高光电流小得多。故输出信号Vprora不会饱和。
[0029]切换电路130可包括选用元件以及控制信号x2所控制的第二切换元件M3。第二切换元件M3会使输出信号Vphqtq可被像素电路100的读出部分读出。第二切换元件M3能够在像素电路100的整合期间避免输出信号VPH_受到噪声干扰。当整合期间结束，第二切换元件M3会导通，且读出部分可得到输出信号VPH_。
[0030]图3为依据本发明另一示范性实施例的像素电路的详细电路图。在此实施例中，信号调整电路120包括第一信号调整元件122以及第二信号调整元件124。在一优选设计中，第一信号调整元件122包括一二极管接法晶体管M1，而第二信号调整元件124包括晶体管M4。晶体管Ml和晶体管M4都经由切换电路130耦接至光检测器110 (包括光二极管H))，其中切换电路130包括由控制信号xl所控制的第一切换元件M2。当控制信号xl使第一切换元件M2导通时，第一信号调整元件122以及第一信号调整元件124会调整输出信号Vphotoj使输出信号VPH_针对光线强度具有一个或是多个对数函数。
[0031]晶体管Ml和晶体管M4各自具有电极，并分别耦接至预定电压Vlogl以及预定电压Vlog2，为预防预定电压Vlogl和预定电压Vlog2完全相同，晶体管Ml和晶体管M4能够提供电荷来增加流进节点A的电流，进而增强输出信号VPH_的压降。预定电压Vlogl和预定电压Vlog2会判断输出信号VProTd^第一对数函数的特征，并且当二极管接法晶体管Ml和晶体管M4操作在次临界区域时，使输出信号VPH_具有第一对数函数。如果预定电压Vlogl和预定电压Vlog2不同，晶体管Ml和晶体管M4的其中之一可以被用来增强输出信号VP_的压降，而其中另一个可以被用来抑制输出信号^^_的压降。这样的设计可以改善像素电路200的动态范围。晶体管Ml可以使输出信号Vphqtq针对光线强度有第一对数函数，而晶体管M4可以使输出信号VPH_针对光线强度有第二对数函数。预定电压Vlog2可以决定第二对数函数的特性，在光源复杂的场合相当实用。由于输出信号VPH_的第一对数函数和第二对数函数在低亮度和高亮度的情况下，因此像素电路200相较于线性像素具有优选反应。如果在适中亮度的情况下，像素电路200可阻隔第一切换元件M2的控制信号xl而具有线性函数。视预定电压Vlogl和预定电压Vlog2的选择，晶体管Ml操作在次临界区域的期间和晶体管M4操作在次临界区域的期间可能会部分地重叠。
[0032]相似地，切换电路130可以包括选用元件以及控制信号x2所控制的第二切换元件M3。第二切换元件M3会使输出信号Vphqtq可被像素电路100的读出部分读出。第二切换元件M3能够在像素电路100的整合期间避免输出信号￥^_受到噪声干扰。当整合期间结束，第二切换元件M3会导通，且读出部分可得到输出信号VPH_。
[0033]在示范性实施例中，切换电路130还包括第三切换元件M5，绘示于图4中的像素电路300中。第三切换元件M5耦接于光检测器110以及信号调整电路120之间，信号调整电路120受到控制信号x3所控制。当控制信号x3使第三切换元件M5导通时，第二信号调整兀件124会调整输出信号Vphqtq,以使输出信号Vphqtq对光线的强度呈对数函数。在此不范性实施例中，第一信号调整元件122和第二信号调整元件124经由不同切换元件耦接至光检测器110。
[0034]为了进一步改善复杂光线环境下的像素电路反应，信号调整电路120可