像素電路和影像傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及影像傳感器，尤其涉及包含像素電路的影像傳感器，其中像素電路可進行對數線性對數(logarithmic-linear-logarithmic)操作,且具高動態范圍。
【背景技術】
[0002]互補式金屬氧化半導體影像傳感器(complementary metal - oxide -semiconductor, CMOS)被廣泛地應用在不同的產品中。互補式金屬氧化半導體影像傳感器最大的優點是易于整合、低操作電壓以及低生產成本。然而，相較于電荷耦合裝置(charge-coupled device, CCD)影像傳感器,互補式金屬氧化半導體影像傳感器通常受限于較差的動態范圍。
[0003]改善互補式金屬氧化半導體影像傳感器的其中一種方式是對數像素，對數像素被廣泛地使用在三顆晶體管的光二極管(three-transistor (3T)photod1de)像素。一般來說，主動式像素或是被動式像素會對照射進所述像素的光線強度有線性反應。當光電流太小時，晶體管會進入次臨界(sub-threshold)區域,對數像素會基于互補式金屬氧化半導體晶體管的次臨界操作模式來提供對數電子至光二極管。然而此操作會導致下列缺點:
[0004]1.低光感性(photosensitivity),特別是在低亮度環境；
[0005]2.歸因于次臨界操作的低反應速度；以及
[0006]3.歸因于次臨界操作的相對高元件變異性。
[0007]因此，此領域需要一種像素電路以及一種影像傳感器以解決上述問題。
【發明內容】
[0008]有鑒于此，本發明的目的之一在于提供具有高動態范圍的像素電路以及影像傳感器。像素電路可在不同亮度條件下進行對數線性對數(logarithmic-linear-logarithmic)操作。
[0009]依據本發明的示范性實施例，提出一種像素電路，包括光檢測器、信號調整電路以及切換電路。其中所述種光檢測器用來因應射入的光線以產生輸出信號。所述信號調整電路耦接至所述光檢測器，用來選擇性地調整所述輸出信號，以使所述輸出信號對所述光線的強度有多個不同的對數函數。所述切換電路耦接至所述信號調整電路以及所述光檢測器，用來將所述光檢測器耦接至所述信號調整電路。
[0010]依據本發明的示范性實施例，提出一種影像傳感器，包括像素電路陣列，其中每一像素電路包括光檢測器、信號調整電路以及切換電路。其中所述光檢測器用來因應射入的光線以產生輸出信號。所述信號調整電路耦接至所述光檢測器，用來選擇性地調整所述輸出信號，以使所述輸出信號對所述光線的強度有多個不同的對數函數。所述切換電路耦接至所述信號調整電路以及所述光檢測器，用來將所述光檢測器耦接至所述信號調整電路。
[0011]上述實施例提供像素電路以及影像傳感器，能夠在低亮度或是高亮度條件下進行對數操作。此外，所述像素電路以及所述影像傳感器能夠在中亮度條件下進行對數操作，如此一來，所述像素電路以及所述影像傳感器相較于對數像素或是線性像素具有更高的動態范圍以及更低的反應時間。
【附圖說明】
[0012]圖1為依據本發明示范性實施例的像素電路的簡要示意圖。
[0013]圖2為依據本發明示范性實施例的像素電路的詳細電路圖。
[0014]圖3為依據本發明另一示范性實施例的像素電路的詳細電路圖。
[0015]圖4為依據本發明又一示范性實施例的像素電路的詳細電路圖。
[0016]圖5為依據本發明再一示范性實施例的像素電路的詳細電路圖。
[0017]圖6為依據本發明示范性實施例的讀出部分的示意圖。
[0018]【符號說明】
[0019]120信號調整電路
[0020]130切換電路
[0021]140光檢測器
[0022]100、200、300、400 像素電路
[0023]110光檢測器
[0024]122、124信號調整元件
[0025]500讀出部分
【具體實施方式】
[0026]參考圖1，圖1為依據本發明示范性實施例的像素電路的簡要示意圖。像素電路包括光檢測器110、信號調整電路120以及切換電路130。在優選實施例中可以使用光二極管(但不限于此，亦可以為光敏晶體管)來實現光檢測器110，以因應射入的光線以產生輸出信號VPH_。信號調整電路120耦接至光檢測器110，用來選擇性地調整輸出信號VPH_，以使輸出信號VPH_對光線的強度有多個不同的對數函數。信號調整電路120可以操作在一此臨界區(sub-threshold reg1n),可以使輸出信號VP_在切換電路130導通的情況下對光線強度為對數函數關系。切換電路130耦接至信號調整電路120以及光檢測器110，用來將光檢測器110耦接至信號調整電路120。當控制切換電路130將信號調整電路120耦接至光檢測器110時，輸出信號VPH_對光線強度會為對數函數關系。當控制切換電路130不將信號調整電路120耦接至光檢測器110時，輸出信號VPH_對光線的強度會為線性函數關系。
[0027]圖2為依據本發明示范性實施例的像素電路100的詳細電路圖。信號調整電路120包括第一信號調整元件122，在優選實施例中，第一信號調整元件122包括二極管接法晶體管(d1de-connected transistor)M1經由切換電路130稱接至光檢測器110 (包括光二極管H))，其中切換電路130包括第一切換元件M2受控制信號xl控制。當控制信號Xl使第一切換兀件M2導通時,第一信號調整兀件122會調整輸出信號Vphqtq,使輸出信號Vphqtq對光線強度會為對數函數關系。預定電壓Vlogl耦接至特定電極以及二極管接法晶體管Ml的控制電極。預定電壓Vlogl會判斷二極管接法晶體管Ml所產生的輸出信號VPH_的第一對數函數的特征，并且當二極管接法晶體管Ml操作在一次臨界區域時，使輸出信號VPH_具有第一對數函數。當切換電路130將二極管接法晶體管Ml耦接至光檢測器110時，且二極管接法晶體管Ml開始操作在次臨界區域時，二極管接法晶體管Ml會供應電荷來增加流入節點A的電流，此時像素電路100作為對數像素，輸出信號VPH_會較線性像素更大幅地下降以提供更強的亮度信息。當節點A的電壓掉到特定電平之下時，二極管接法晶體管Ml將會被關閉，而輸出信號VPH_對光線強度為線性函數。同時，藉由將控制信號xl下拉以使第一切換元件M2不導通，且像素電路100作為線性像素。
[0028]藉由適當地設定預定電壓Vlogl，亦可以讓二極管接法晶體管Ml操作來抑制輸出信號Vprora以防止飽和。在高亮度條件下，輸出信號vPH_可能會飽和。在此情形下，第一切換元件M2會將二極管接法晶體管Ml耦接至光檢測器110，二極管接法晶體管Ml會操作在次臨界區，并產生次臨界電流，其中由于高亮度使得輸出信號VP_的降幅得以被抑制，因此次臨界電流較光二極管ro所產生的高光電流小得多。故輸出信號Vprora不會飽和。
[0029]切換電路130可包括選用元件以及控制信號x2所控制的第二切換元件M3。第二切換元件M3會使輸出信號Vphqtq可被像素電路100的讀出部分讀出。第二切換元件M3能夠在像素電路100的整合期間避免輸出信號VPH_受到噪聲干擾。當整合期間結束，第二切換元件M3會導通，且讀出部分可得到輸出信號VPH_。
[0030]圖3為依據本發明另一示范性實施例的像素電路的詳細電路圖。在此實施例中，信號調整電路120包括第一信號調整元件122以及第二信號調整元件124。在一優選設計中，第一信號調整元件122包括一二極管接法晶體管M1，而第二信號調整元件124包括晶體管M4。晶體管Ml和晶體管M4都經由切換電路130耦接至光檢測器110 (包括光二極管H))，其中切換電路130包括由控制信號xl所控制的第一切換元件M2。當控制信號xl使第一切換元件M2導通時，第一信號調整元件122以及第一信號調整元件124會調整輸出信號Vphotoj使輸出信號VPH_針對光線強度具有一個或是多個對數函數。
[0031]晶體管Ml和晶體管M4各自具有電極，并分別耦接至預定電壓Vlogl以及預定電壓Vlog2，為預防預定電壓Vlogl和預定電壓Vlog2完全相同，晶體管Ml和晶體管M4能夠提供電荷來增加流進節點A的電流，進而增強輸出信號VPH_的壓降。預定電壓Vlogl和預定電壓Vlog2會判斷輸出信號VProTd^第一對數函數的特征，并且當二極管接法晶體管Ml和晶體管M4操作在次臨界區域時，使輸出信號VPH_具有第一對數函數。如果預定電壓Vlogl和預定電壓Vlog2不同，晶體管Ml和晶體管M4的其中之一可以被用來增強輸出信號VP_的壓降，而其中另一個可以被用來抑制輸出信號^^_的壓降。這樣的設計可以改善像素電路200的動態范圍。晶體管Ml可以使輸出信號Vphqtq針對光線強度有第一對數函數，而晶體管M4可以使輸出信號VPH_針對光線強度有第二對數函數。預定電壓Vlog2可以決定第二對數函數的特性，在光源復雜的場合相當實用。由于輸出信號VPH_的第一對數函數和第二對數函數在低亮度和高亮度的情況下，因此像素電路200相較于線性像素具有優選反應。如果在適中亮度的情況下，像素電路200可阻隔第一切換元件M2的控制信號xl而具有線性函數。視預定電壓Vlogl和預定電壓Vlog2的選擇，晶體管Ml操作在次臨界區域的期間和晶體管M4操作在次臨界區域的期間可能會部分地重疊。
[0032]相似地，切換電路130可以包括選用元件以及控制信號x2所控制的第二切換元件M3。第二切換元件M3會使輸出信號Vphqtq可被像素電路100的讀出部分讀出。第二切換元件M3能夠在像素電路100的整合期間避免輸出信號￥^_受到噪聲干擾。當整合期間結束，第二切換元件M3會導通，且讀出部分可得到輸出信號VPH_。
[0033]在示范性實施例中，切換電路130還包括第三切換元件M5，繪示于圖4中的像素電路300中。第三切換元件M5耦接于光檢測器110以及信號調整電路120之間，信號調整電路120受到控制信號x3所控制。當控制信號x3使第三切換元件M5導通時，第二信號調整兀件124會調整輸出信號Vphqtq,以使輸出信號Vphqtq對光線的強度呈對數函數。在此不范性實施例中，第一信號調整元件122和第二信號調整元件124經由不同切換元件耦接至光檢測器110。
[0034]為了進一步改善復雜光線環境下的像素電路反應，信號調整電路120可