像素感測單元的製作方法
2023-12-12 13:27:57 2
像素感測單元的製作方法
【專利摘要】一種像素感測單元包含有一光傳感器以及一像素放大器。該像素放大器包含有一浮動擴散區、一重置閘、一源極隨耦器以及一偏壓控制單元。該浮動擴散區耦接至該光傳感器。該重置閘具有一控制端點、一第一連接端點與一第二連接端點，並且根據該重置閘的該控制端點所接收的一重置訊號來對該重置閘的該第二連接端點上的該浮動擴散區進行一重置操作。該源極隨耦器耦接於該浮動擴散區，用來根據該浮動擴散區的位準來產生一輸出電壓訊號。該偏壓控制單元，耦接於該源極隨耦器，於該重置操作時，提供一第一偏壓，重置操作結束後，則提供一第二偏壓。
【專利說明】像素感測單元
【技術領域】
[0001]本發明系有關於一種像素感測單元，尤指一種可補償電荷注入效應以增加輸出擺幅的像素感測單元。
【背景技術】
[0002]隨著科技的發展與進步，液晶顯示器上的像素與像素之間的距離也越來越小，在小像素的設計中，由於像素放大器允許更多像素共享浮動節點(floating node),因此可以提高集光有效面積比(fill factor)並且同時保持有高轉換增益。然而，由於電路中會具有寄生電容來對增益進行回饋，因此像素放大器的輸出擺幅(output swing)會受到頻率饋入(clock feedthrough)及電荷注入(charge inject1n)效應的影響。
[0003]對於一般影像像素感測來說，耦接於重置電晶體的柵極與源極之間的電容會導致重置電荷注入。在加給重置電晶體的柵極的重置頻率的下緣，這個耦接的電容會將像素的浮動節點的電壓往下拉。這個浮動節點的電壓被拉的越低，像素可以有的電壓擺幅就越小。因為這個現象，一般影像像素感測的動態範圍會縮小。
[0004]因此，如何避免頻率饋入效應對像素感測單元的輸出擺幅所造成的影響仍是此一領域的一大課題。
【發明內容】
[0005]因此，本發明的目的之一在於提出一種可補償電荷注入效應以增加輸出擺幅的像素感測單元，以解決上述之問題。
[0006]依據本發明的一實施例，其揭示一種本發明系揭露一種像素感測單元。該種像素感測單元包含有一光傳感器以及一像素放大器。該像素放大器包含有一浮動擴散區、一重置閘、一源極隨耦器以及一偏壓控制單元。該浮動擴散區耦接至該光傳感器。該重置閘具有一控制端點、一第一連接端點與一第二連接端點，其中該重置閘用來根據該重置閘的該控制端點所接收的一重置訊號來對該重置閘的該第二連接端點上的該浮動擴散區進行一重置操作。該源極隨耦器耦接於該浮動擴散區，用來根據該浮動擴散區的位準來產生一輸出電壓訊號。該偏壓控制單元，耦接於該源極隨耦器，於該重置操作時，提供一第一偏壓，重置操作結束後，則提供一第二偏壓。
[0007]由上可知，本發明提供一種像素感測單元，其可通過補償電荷注入效應所產生的影響，以增加像素放大器的輸出擺幅，並且提升像素讀取的質量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1為本發明像素感測單元的一實施例的示意圖。
[0009]圖2為本發明像素感測單元的控制訊號的時序圖。
【具體實施方式】
[0010]在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的組件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同樣的組件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分組件的方式，而是以組件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。另外，「耦接」一詞在此系包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接於該第二裝置，或通過其它裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。
[0011]一個影像傳感器包括複數個像素感測單元排列而成的矩陣，在此以一個像素感測單元為例作說明。請參考圖1，圖1為本發明一個像素感測單元100的一個實施例。像素感測單元100包括一光傳感器102、一像素放大器110以及一偏壓控制單元120。
[0012]像素放大器110包含有一浮動擴散區(floating diffus1n) FD、一重置閘112、一選取閘114、一傳輸閘115、一源極隨稱器116以及一電容組件118。在其它實施例中,選取閘114並非必要，也可以用其它方式達成選取一個像素感測單元的目的，電容組件118可以是寄生電容。重置閘112具有一控制端Cl、一第一連接端Nll與一第二連接端N12，並且重置閘112用來根據控制端Cl所接收的一重置訊號S_RST來對第二連接端N12上的浮動擴散區FD進行一重置操作。選取閘114系用以選擇一像素感測單元進行輸出，但在其它實施例中，選擇閘114可以省略，而用其它的操作達成相同的目的。選取閘114具有一控制端C2、一第一連接端N21與一第二連接端N22，並且選取閘114用來根據控制端C2所接收的一選取訊號S_SEL來於第一連接端N21輸出一電壓訊號S_V。源極隨稱器116稱接於重置閘112的第二連接端N12與選取閘114的第二連接端N22，並且源極隨耦器116用來根據電荷訊號S_CHG以產生電壓訊號S_V。電容組件118例如是寄生電容或實際的電容，耦接於重置閘112的第二連接端N12與選取閘114的第一連接端N21之間。此外，傳輸閘115耦接於重置閘112的第一連接端Nll與源極隨稱器116,以用來根據一傳輸訊號S_TX來將電荷訊號S_CHG傳遞至源極隨耦器116。
[0013]偏壓控制單元120耦接於像素感測單元110，並且偏壓偏壓控制單元120用來根據重置訊號S_RST來控制選取閘114的第一連接端N21的一電壓準位V。偏壓控制單元120可以是多個像素放大器110共享，或一整行或列的像素放大器110共享。對於偏壓控制單元120來說，其包含有一電流源122、一運算放大器124以及一參考電壓發生器126。電流源122耦接於源極隨耦器116，並且電流源122用來依據一控制訊號S_CTRL來提供一偏壓電流I給像素感測單元110。運算放大器124耦接於電流源122與源極隨耦器116，並且運算放大器124用來依據偏壓電流I所產生的一分壓V_DVI與一參考電壓V_REF來產生控制訊號S_CTRL。參考電壓發生器126耦接於運算放大器124，並且參考電壓發生器126用來依據重置訊號S_RST以調整參考電&V_REF。在其它實施例中，運算放大器124可以同時控制多個電流源122。
[0014]在本實施例中，像素感測單元110會先進行一像素感測操作，使光傳感器111接收光訊號以產生電荷訊號S_CHG,此時傳輸閘115尚未將電荷訊號S_CHG傳遞至源極隨稱器116。接著像素感測單元110會進行一像素讀出操作:首先重置閘112會根據控制端Cl所接收的一重置訊號S_RST，例如為第一位準，來對浮動擴散區FD進行重置操作。在重置閘112對浮動擴散區FD進行重置操作後，源極隨耦器116依據被重置的浮動擴散區FD而輸出。值得注意的是，在重置操作後，重置訊號S_RST會改變為第二位準以結束重置操作，此時容易產生電荷注入效應而影響浮動擴散區FD的位準，進而影響源極隨耦器116的輸出值，在本實施例中系以第一位準大於第二位準為例。
[0015]參考電壓發生器126會調整參考電壓V_REF的準位來對像素感測單元100中所產生的電荷注入效應進行補償。在重置操作中，參考電壓V_REF係為一較高的第一參考位準，使得偏壓電流I所產生的分壓V_DVI的準位為一較高的第一偏壓；在重置操作後一小段時間，參考電壓V_REF才調降為一較低的第二參考位準，使得偏壓電流I所產生的分壓V_DVI的準位為一較低的第二偏壓。當參考電壓V_REF的準位被調降時，偏壓電流I所產生的分壓V_DVI的準位也會隨之下降，此時傳輸閘115才會打開/導通來將電荷訊號S_CHG傳遞至浮動擴散區FD，再由源極隨耦器116輸出。由於分壓V_DVI的準位下降至一第二偏壓，選取閘114的第一連接端點N21的電壓準位V也會下降，因此電壓準位V可以通過電容組件118來影響浮動擴散區FD。
[0016]由於當傳輸閘115將電荷訊號S_CHG傳遞至源極隨f禹器116時會產生電荷注入效應以導致電荷訊號S_CHG的準位稍微下降，因此源極隨耦器116根據電荷訊號S_CHG所產生的電壓訊號S_V亦會稍微下降，造成像素感測單元100的輸出擺幅的減小，所以，當電壓準位V通過電容組件118來對電荷訊號S_CHG進行充電時，則可以將電荷訊號S_CHG的準位再次拉高，以補償電荷注入效應所造成的影響，進而恢復像素感測單元100原本應有的輸出擺幅。請注意，電容組件118可以為一電容器或是一寄生電容，只要電壓準位V可以通過電容組件118來對電荷訊號S_CHG進行充電即可達到補償電荷注入效應的效果。舉例來說，當重置閘112的第一連接端點Nll直接連接於選取閘114的第一連接端點N21時，重置閘112的第二連接端N12與選取閘114的第一連接端N21之間所產生的寄生電容即可作為電容組件118來使用，然而，此僅作為範例說明之用，並非作為本發明的限制條件。
[0017]請參考圖2，圖2為本發明像素感測單元100的控制訊號的時序圖。在圖2中，一開始像素感測單元100會進入一曝光階段，在這個階段下重置訊號S_RST會先對浮動擴散區FD進行重置操作，並且在進行重置操作的周期中傳輸訊號S_TX會被開啟，使得傳輸閘115將電荷訊號S_CHG傳遞至源極隨耦器116，如此來進行曝光。當像素感測單元110進行像素讀出操作時，重置訊號S_RST與選取訊號S_SEL於時間點Tl?T2的時段中會同時開啟，使得重置閘112對電荷訊號S_CHG來進行重置操作。當重置閘112完成對電荷訊號5_0?的重置操作後，重置訊號S_RST於時間點T2會被關閉，此時選取訊號S_SEL繼續保持開啟。當重置訊號S_RST被關閉後，參考電壓發生器126於時間點T3會開始調低參考電壓V_REF的準位以再次拉高電荷訊號S_CHG的準位。接著，傳輸訊號S_TX於時間點T4會被開啟，使得傳輸閘115將電荷訊號S_CHG傳遞至源極隨稱器116。當傳輸閘115將電荷訊號S_CHG傳遞至源極隨耦器116後，傳輸訊號S_TX於時間點T5會被關閉，此時選取訊號S_SEL繼續保持開啟，並且參考電壓發生器126控制參考電壓V_REF維持在低準位，使像素感測單元110可繼續完成像素讀出的操作(亦即，將電荷訊號S_CHG通過源極隨耦器116來轉換成電壓訊號S_V,並且通過選取閘114來輸出)。當電壓訊號S_V被順利讀出後,選取訊號S_SEL於時間點T6會被關閉，同時參考電壓發生器126調整參考電壓V_REF恢復至高準位，以完成像素感測單元110像素讀出的操作。
[0018]熟習此技藝者當可於閱讀以上段落後輕易了解圖2所示各訊號的操作，詳細說明及變化可參考前述，為簡潔起見，故於此便不再贅述。
[0019]【符號說明】
[0020]110像素放大器
[0021]100像素感測單元
[0022]102光傳感器
[0023]112重置閘
[0024]114選取閘
[0025]116源極隨耦器
[0026]118電容組件
[0027]115傳輸閘
[0028]120偏壓控制單元
[0029]122電流源
[0030]124運算放大器
[0031]126參考電壓發生器
【權利要求】
1.一種像素感測單元，包含有: 一光傳感器；以及 一像素放大器，包含有: 一浮動擴散區，耦接至該光傳感器； 一重置閘，具有一控制端點、一第一連接端點與一第二連接端點，其中該重置閘用來根據該重置閘的該控制端點所接收的一重置訊號來對該重置閘的該第二連接端點上的該浮動擴散區進行一重置操作； 一源極隨耦器，耦接於該浮動擴散區，用來根據該浮動擴散區的位準來產生一輸出電壓訊號；以及 一偏壓控制單元，耦接於該源極隨耦器，於該重置操作時，提供一第一偏壓，重置操作結束後，則提供一第二偏壓。
2.如權利要求1所述的像素感測單元，其中該偏壓控制單元包含有: 一電流源，耦接於該源極隨耦器，用來依據一控制訊號來提供一偏壓電流予對該像素感測單元； 一運算放大器，耦接於該電流源與該源極隨耦器，用來依據該偏壓電流所產生的一分壓與一參考電壓，來產生該控制訊號；以及 一參考電壓發生器，耦接於該運算放大器，用來依據該重置訊號以調整該參考電壓。
3.如權利要求1所述的像素感測單元，其中於該像素感測單元的一像素讀出操作中，該控制單元於該重置閘對該電荷訊號進行該重置操作後，才控制該選取閘的該第一連接端點的該電壓準位。
4.如權利要求4所述的像素感測單元，其中該偏壓控制單元會降低該重置閘的該第一連接端點的該電壓準位。
5.如權利要求1所述的像素感測單元，其中該像素感測單元另包含有: 一傳輸閘，耦接於該重置閘與該源極隨耦器，其中於該控制單元控制該選取閘的該第一連接端點的該電壓準位的期間，該傳輸閘才會將該電荷訊號傳遞至該源極隨耦器。
【文檔編號】H04N5/369GK104427266SQ201310394985
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年9月3日 優先權日:2013年9月3日
【發明者】印秉宏 申請人:英屬開曼群島商恆景科技股份有限公司