[发明专利]光感测像素电路与影像感测器

说明书

技术领域

本发明是有关于一种感测电路，且特别是有关于一种光感测像素电路以及一种影像感测器。

背景技术

一般而言，互补式金氧半导体影像感测器(CMOS image sensor)通常制作于硅、砷化镓、碳化硅或硅锗基板上。为了进行影像感测，CMOS影像感测器通常包括光感测部位、信号转换电路及输出电路(output circuit)。光感测部位用以感测光源，并将所感测到的光信号传递至传输电路。接着，光信号再由信号转换电路转换为电信号，并将其传递至输出电路。

在上述操作模式中，CMOS影像感测器的转换增益是由信号转换电路内部节点的一等效电容值来决定。若光感测部位的最大储存量(full well capacity，FWC)高于CMOS影像感测器的转换增益大，光感测部位所产生的电子经由信号转换电路转换为电信号后，可能导致电信号输入至输出电路的电压过低，进而导致CMOS影像感测器的电路整体无法操作。或者，过低的电信号电压可能导致光感测部位所产生的电子无法在信号转换电路内部顺利地传输，进而导致影像延迟(image lag)。

此种情况发生时，一般是采取调降光感测部位的最大储存量的措施来解决此一问题。然而，由于CMOS影像感测器的动态范围与最大储存量及读取噪音(read noise)有关，因此一旦调降光感测部位的最大储存量，在相同的读取噪音的条件下，为了得到信号转换电路内部信号的高灵敏度，势必需要牺牲动态范围。换句话说，习知高转换增益的CMOS影像感测器虽然具有高灵敏度的优点，但其信号范围过大时将限制后端电路的操作，除了无法得到大的动态范围以外，也容易造成影像延迟。

另一种解决方式是设计转换增益较低的CMOS影像感测器。此种方式虽可满足光感测部位较高的最大储存量的需求并取得高动态范围，但是信号转换电路内部信号的灵敏度较低。若CMOS影像感测器操作在低亮度的环境时，需要以较高的增益进行调整，容易使得后方的电路导入额外的噪音，进而降低信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)。换句话说，习知低转换增益的CMOS影像感测器虽然具有高动态范围，但在低亮度操作时需要较大的后端增益，将导致电路的信噪比下降。

发明内容

本发明提供一种光感测像素电路，采用此光感测像素电路的影像感测器可兼顾高灵敏度与高动态范围。

根据一方面，本发明提供一种光感测像素电路，包括一光感测部位、一信号转换单元、一转换增益调整单元以及一输出电路(output circuit)。光感测部位感测一光源，并产生一对应数量的电子。信号转换单元耦接至光感测部位，具有一浮动节点(floating node)，根据一转换增益(conversion gain)将所产生的电子转换为一电压信号。转换增益调整单元经由浮动节点耦接至信号转换单元，并调整转换增益。输出电路耦接至信号转换单元，根据电压信号输出一感测信号，其对应所感测的光源的亮度。转换增益调整单元包括至少两操作模式，其中之一操作模式的转换增益大于其中的另一者。

在本发明的一实施例中，上述的转换增益调整单元具有一第一端及一第二端。第一端耦接至一第一电源，第二端耦接至浮动节点。

在本发明的一实施例中，上述的转换增益调整单元包括多个调整电晶体。调整电晶体耦接在第一端及第二端之间。在不同的操作模式下，调整电晶体被开启的数目不同。信号转换单元的转换增益是根据调整电晶体被开启的数目来调整。

在本发明的一实施例中，上述的调整电晶体被开启的数目愈多，信号转换单元的转换增益愈低。

在本发明的一实施例中，上述的调整电晶体全部被开启时，第一电源重置浮动节点。

在本发明的一实施例中，上述的调整电晶体是串联耦接在第一端及第二端之间。

在本发明的一实施例中，上述的光感测像素电路还包括一控制单元。控制单元耦接输出电路，根据感测信号所对应的光源亮度来调整所述调整电晶体被开启的数目。

在本发明的一实施例中，上述的信号转换单元包括一传输电晶体(transfer transistor)以及一源极随耦器(source follower)。传输电晶体耦接至光感测部位，并传输光电流信号至浮动节点。源极随耦器耦接至浮动节点与一第二电源，并放大电压信号。

在本发明的一实施例中，上述的信号转换单元还包括一列控制电晶体(row select transistor)。列控制电晶体耦接至源极随耦器，并将放大后电压信号传输至输出电路。