TW202005357A - 改善像素感測效率的電路 - Google Patents
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Abstract
本發明是關於一種改善像素感測效率的電路，藉由電容的感應效果來複製多餘電子造成的電壓差異，最後將其消除，藉此來改善感測效率。
Description
本發明是關於一種改善像素感測效率的電路，藉由電容的感應效果來複製多餘電子造成的電壓差異，最後將其消除，藉此來改善感測效率。本發明特別適合用於光感測器，前照式感測器與背照式感測器，亦可用於全域快門感測器。
習知的感測器，都會受到環境雜訊的影響，而使感測效率降低。以光感測器為例，例如全域快門感測器，由於其全域快門的特性，感測器的所有感光像素會同時完成曝光，但暫存後再分批讀出。由於讀出會有時間差異，同時在讀出過程中，感光元件仍然可能受到外界光線的持續刺激而產生非預期的感光雜訊，因此越晚讀出的曝光資料越容易受到此類感光雜訊的影響。由於感光雜訊的成份與曝光資料的成份相同，都是電荷，因此一旦電荷形式的曝光資料被感光雜訊污染，就無法將其分離，造成最終影像訊號的失真，亦即快門效率會降低。
類似的狀況也可能出現在滾動快門感測器，只是其等待時間較短，受到外界光線的影響程度可能會略小。
為了解決此類問題，本發明提供了電路上的改良，藉由電容的感應效果來複製多餘電子造成的電壓差異，最後將其消除，藉此來改善感測效率。
本發明係關於一種改善像素感測效率的電路，藉由電容的浮動效應，將電容設置在訊號路徑上，與浮動擴散節點儲存的電荷產生感應，或者設置複數相同的電容。藉由前述方式，使電容在等待感光信號被讀出的階段時，能夠感應同步感應感光雜訊所造成的電荷改變，進而在讀取信號的時候，將感光雜訊所引起的影響抵銷。
本發明係關於一種改善像素感測效率的電路，藉由設置兩級浮動擴散節點，其中一級儲存重置訊號強度(Vrst)，另外一級儲存感光訊號(Vsig)，並同時各配置至少一個對應的電容，其具有相同的物理特性，例如面積與形狀、例如參雜雜質的濃度分佈與製造程序等，藉此讓來到浮動擴散節點區域的電荷能夠轉換成電壓儲存在電容當中，而後當感光雜訊所產生的電荷引起反應時，會同時在這些電容形成相同的影響，最終就可以互相抵銷，藉此改善快門效率。
本發明係關於一種改善像素感測效率的電路，藉由在浮動擴散節點的位置耦合一個電容，該電容的二電極其中之一耦合到浮動擴散節點，另外之一耦合到後級，該電容的兩電極具有相同的物理特性，例如面積與形狀、例如參雜雜質的濃度分佈與製造程序等，藉此當感光雜訊所產生的電荷引起反應時，會同時在該電容的兩端形成相同的影響，最終就可以互相抵銷，藉此改善快門效率。
根據上述說明，本發明所提供的技術手段亦可適用到其他能夠使用本發明的感測電路當中，藉此改善快門效率。本發明特別適用在全域快門感測器，因為其全部像素是在同一時間完成曝光，而後再分批讀出，越後讀出的訊號越可能受到影響。本發明除可適用於前照式感測器以外，也特別適合用在背照式感測器，因為其受光面積比例較大，有更多環境光可能會引起雜訊。
本發明的目的在於利用電路上的改良，藉由電容的感應效果來複製多餘電子造成的電壓差異，最後將其消除，藉此來改善快門效率。由於在光學感測器電路中，在常規曝光時間內產生而尚未被讀取的電荷會暫時被存放在浮動擴散節點當中，這些電荷一旦被感光雜訊影響，就無法正確解析出常規曝光的數值，因此如何避免感光雜訊影響這些電荷是最重要的課題之一。以下本發明所提出的實施例，在其他實施例當中，可以彼此搭配使用，都能發揮效果。
本發明的技術在於利用電容會受到電荷影響而產生電壓的特性，搭配可控制製造的電容參數，當外界的感光雜訊進入感光像素電路時，會在同一電容的兩個電極，或者在複數個電容上，感應出相同的雜訊電壓，如此一來，就可以透過電路設計的方法，將雜訊電壓扣除，改善快門效率。
第1圖繪示本發明的一個實施例，其利用了兩個相同的電容101、102分別儲存重置訊號與感光訊號，而後當感光雜訊產生時，會同時影響兩個電容，意即重置訊號與感光訊號會受到相同程度的影響，而後在讀出的時候就能將雜訊電壓扣除，改善快門效率。進一步說明操作時序如下。
首先，重置電晶體15、電荷轉移控制電晶體11、電荷轉移控制電晶體12導通(turn-on)，此時重置訊號將會儲存在第二浮動擴散節點FD2的電容102，接著，將重置電晶體15、電荷轉移控制電晶體12關閉(turn-off)，只保持電荷轉移控制電晶體11導通，此時開始曝光程序，光二極體17感應的電荷會透過電荷轉移控制電晶體11移動到第一浮動擴散節點FD1，儲存在電容101。在曝光結束後，關閉重置電晶體15、電荷轉移控制電晶體11、電荷轉移控制電晶體12，此時VFD1=Vsig，即感光訊號造成的電壓強度，VFD2=Vrst，即重置訊號造成的電壓強度。在等待訊號被讀出的時間裡，FD1與FD2可能會受到環境光的影響，而產生雜訊電荷，由於電容101與102係完全相同的電容，因此雜訊電荷對於Vsig的影響以及對於Vrst的影響會相同，在雜訊電荷造成電壓下降的情況下，VFD1會變成Vsig-
v，而VFD2會變成Vrst-v。接著，讀出VFD2電壓，即Vrst-v，然後再讀出VFD1電壓，即Vsig-v，再將二者相減，即可獲得Vsig-Vrst數值，而將雜訊電壓扣除。在本實施例中，電晶體13、14與16通常是作為一個簡單的驅動電路，例如源極隨偶器，並不會改變電路的特徵，因此使用者亦可以做等效的置換而不會影響本發明的效果。
第2圖繪示本發明的另一個實施例，藉由在浮動擴散節點的位置耦合一個電容201，該電容201的二電極其中之一FD-in耦合到浮動擴散節點，另外之一FD耦合到後級，該電容的兩電極具有相同的物理特性，例如面積與形狀、例如參雜雜質的濃度分佈與製造程序等，藉此當感光雜訊所產生的電荷引起反應時，會同時在該電容的兩端形成相同的影響，最終就可以互相抵銷，藉此改善快門效率。進一步說明操作時序如下。
首先，重置電晶體25、電荷轉移控制電晶體21、後端重置電晶體24導通(turn-on)，此時重置訊號將會使得FD的電位被設定於重置準位Vay，而FD-in的電位為Vrst，接著，將重置電晶體25關閉(turn-off)，只保持電荷轉移控制電晶體21與後端重置電晶體24導通，此時開始曝光程序，FD-in電壓與光二極體27的電壓連動，感應的電荷會透過電荷轉移控制電晶體21累積在FD-in，使得FD-in電壓由Vrst改變為Vsig，而FD電壓仍然維持在Vay。在曝光結束後，關閉重置電晶體25、電荷轉移控制電晶體21、後端重置電晶體24，此時FD-in電壓=Vsig，FD電壓仍然維持在Vay。在等待訊號被讀出的時間裡，FD-in電壓與FD電壓可能會受到環境光的影響而改變，而雜訊電荷對於FD-in電壓與FD電壓的影響會相同，在雜訊電荷造成電壓下降的情況下，FD-in電壓會變成Vsig-v，而FD電壓會變成Vay-v。接著，導通重置電晶體25與電荷轉移控制電晶體21，此時因為FD為浮動狀態(floating)，電容兩端跨壓會一致，故FD電壓變化量會與FD-in電壓變化量相同，由Vay-v改變為Vay+（Vrst-Vsig），此時就可以讀出FD的電壓值，即Vay+（Vrst-Vsig）。然後再將FD電壓重置回Vay，再讀出FD的電壓，即Vay，將兩個電壓訊號相減，即可獲得Vrst-Vsig數值，而將雜訊電壓扣除。在本實施例中，電晶體23與26通常是作為一個簡單的驅動電路，例如源極隨偶器，並不會改變電路的特徵，因此使用者亦可以做等效的置換而不會影響本發明的效果。
第3圖繪示本發明的另一個實施例，藉由在浮動擴散節點的位置耦合一個電容301，該電容301的二電極其中之一FD-in耦合到浮動擴散節點，另外之一FD耦合到後級，該電容的兩電極具有相同的物理特性，例如面積與形狀、例如參雜雜質的濃度分佈與製造程序等，藉此當感光雜訊所產生的電荷引起反應時，會同時在該電容的兩端形成相同的影響，最終就可以互相抵銷，藉此改善快門效率。這個實施例與前一實施例有所不同，最主要是在FD-in 節點上耦合了一個dump電晶體341，進一步說明操作時序如下。
首先，重置電晶體35、電荷轉移控制電晶體31、dump電晶體341、後端重置電晶體34導通(turn-on)，此時重置訊號將會使得FD的電位被設定於重置準位Vref2，而FD-in的電位為Vref1，接著，將重置電晶體35與dump電晶體341關閉(turn-off)，只保持電荷轉移控制電晶體31與後端重置電晶體34導通，此時開始曝光程序，FD-in電壓與光二極體37的電壓連動，感應的電荷會透過電荷轉移控制電晶體31累積在FD-in，使得FD-in電壓由Vref1改變為Vsig，而FD電壓仍然維持在Vref2。在曝光結束後，關閉重置電晶體35、電荷轉移控制電晶體31、dump電晶體341、後端重置電晶體34，此時FD-in電壓=Vsig，FD電壓仍然維持在Vref2。。在等待訊號被讀出的時間裡，FD-in電壓與FD電壓可能會受到環境光的影響而改變，而雜訊電荷對於FD-in電壓與FD電壓的影響會相同，在雜訊電荷造成電壓下降的情況下，FD-in電壓會變成Vsig-v，而FD電壓會變成Vref2-v。接著，導通dump電晶體341，此時因為FD為浮動狀態(floating)，電容兩端跨壓會一致，故FD電壓變化量會與FD-in電壓變化量相同，由Vref2-v改變為Vref2+（Vref1-Vsig），此時就可以讀出FD的電壓值，即Vref2+（Vref1-Vsig）。然後再關閉dump電晶體341，同時開啟重置電晶體35、電荷轉移控制電晶體31、後端重置電晶體34，將FD電壓重置回Vref2。下一步驟，開啟重置電晶體35與dump電晶體341，同時關閉電荷轉移控制電晶體31、後端重置電晶體34，在這個狀態下，因為FD為浮動狀態(floating)，電容兩端跨壓會一致，故FD電壓變化量會與FD-in電壓變化量相同，由Vref2-v改變為Vref2+（Vref1-Vrst），此時就可以讀出FD的電壓值，即Vref2+（Vref1-Vrst），將兩個電壓訊號相減，即可獲得Vrst-Vsig數值，而將雜訊電壓扣除。在本實施例中，電晶體33與36通常是作為一個簡單的驅動電路，例如源極隨偶器，並不會改變電路的特徵，因此使用者亦可以做等效的置換而不會影響本發明的效果。
第4圖繪示本發明的另一個實施例，藉由在浮動擴散節點的位置耦合一個電容401，該電容401的二電極其中之一FD耦合到浮動擴散節點，另外之一FD-neg耦合到一支援電晶體的源/汲極，該電容的兩電極具有相同的物理特性，例如面積與形狀、例如參雜雜質的濃度分佈與製造程序等，藉此當感光雜訊所產生的電荷引起反應時，會同時在該電容的兩端形成相同的影響，最終就可以互相抵銷，藉此改善快門效率。進一步說明操作時序如下。
首先，重置電晶體45、電荷轉移控制電晶體41、支援電晶體44導通(turn-on)，此時重置訊號將會使得FD的電位被設定於重置準位Vrst，而FD的電位為Vref，接著，將重置電晶體45關閉(turn-off)，只保持電荷轉移控制電晶體41與支援電晶體44導通，此時開始曝光程序，FD電壓與光二極體47的電壓連動，感應的電荷會透過電荷轉移控制電晶體41累積在FD，使得FD電壓在曝光剛開始的時候，由Vrst改變為Vrst-Va，這裡的Va是重置電晶體45所耦合而產生的電壓。而FD-neg電壓仍然維持在Vref。在曝光結束後，關閉重置電晶體25、電荷轉移控制電晶體21、支援電晶體24，此時FD電壓=Vsig-Va，FD-neg電壓仍然維持在Vref。在等待訊號被讀出的時間裡，FD電壓與FD-neg電壓可能會受到環境光的影響而改變，而雜訊電荷對於FD電壓與FD-neg電壓的影響會相同，在雜訊電荷造成電壓下降的情況下，FD電壓會變成Vsig-Va-v，而FD電壓會變成Vref-v。接著，在維持重置電晶體45與電荷轉移控制電晶體41關閉的情下，導通支援電晶體44，在支援電晶體44導通的瞬間，FD-neg電壓由Vref-v改變為Vref，此時因為電容兩端的跨壓不能瞬間變化，因此FD電壓的變化量會與FD-neg的變化量相同，由Vsig-Va-v改變為Vsig-Va，此時就可以讀出FD的電壓值，即Vsig-Va。然後再將FD電壓重置回Vrst，再讀出FD的電壓，即Vrst-Va，將兩個電壓訊號相減，即可獲得Vrst-Vsig數值，而將雜訊電壓扣除。在本實施例中，電晶體43與46通常是作為一個簡單的驅動電路，例如源極隨偶器，並不會改變電路的特徵，因此使用者亦可以做等效的置換而不會影響本發明的效果。
根據上述說明，可知道本發明所提供的技術手段能利用在需要透過節點暫時儲存電荷的感測電路上，雖然前述實施例是以接收光線產生電荷的光二極體感光電路說明，但在其他感應電路上亦可適用，藉此改善節點受到雜訊電壓污染的狀況。
11、12、21、31、41‧‧‧電荷轉移控制電晶體
13、14、23、33、43‧‧‧電晶體
24、34‧‧‧後端重置電晶體
15、25、35、45‧‧‧重置電晶體
16、26、36、46‧‧‧電晶體
17、27、37、47‧‧‧光二極體
101、102、201、301‧‧‧電容
341‧‧‧dump電晶體
44‧‧‧支援電晶體
第1圖繪示本發明的第一實施例；
第2圖繪示本發明的第二實施例；
第3圖繪示本發明的第三實施例；
第4圖繪示本發明的第四實施例。
11、12‧‧‧電荷轉移控制電晶體
13、14‧‧‧電晶體
15‧‧‧重置電晶體
16‧‧‧電晶體
17‧‧‧光二極體
101、102‧‧‧電容
Claims (1)
- 一種改善像素感測效率的電路，其利用了兩個相同的電容分別儲存重置訊號與感光訊號，而後當感光雜訊產生時，會同時影響兩個電容，意即重置訊號與感光訊號會受到相同程度的影響，而後在讀出的時候就能將雜訊電壓扣除，改善快門效率，其中 重置電晶體、電荷轉移控制電晶體、電荷轉移控制電晶體導通(turn-on)，此時重置訊號將會儲存在第二浮動擴散節點FD2的電容，接著，將重置電晶體、電荷轉移控制電晶體關閉(turn-off)，只保持電荷轉移控制電晶體導通，此時開始曝光程序，光二極體感應的電荷會透過電荷轉移控制電晶體移動到浮動擴散節點，儲存在電容。在曝光結束後，關閉重置電晶體、電荷轉移控制電晶體、電荷轉移控制電晶體。接著，讀出VFD2電壓，然後再讀出VFD1電壓，再將二者相減，即可獲得Vsig-Vrst數值。
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