CN100484182C

CN100484182C - 信号处理电路、图像传感器ic和信号处理方法

Info

Publication number: CN100484182C
Application number: CNB2004100684958A
Authority: CN
Inventors: 町田聪
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Ablic Inc
Priority date: 2003-02-26
Filing date: 2004-02-26
Publication date: 2009-04-29
Anticipated expiration: 2024-02-26
Also published as: US20040195491A1; JP2005012752A; US7189953B2; CN1571167A

Abstract

本发明提供了一种固定图形噪声小的图像传感器IC。本发明包括：一采样/保持电路，用于在上半时段和下半时段分别接收作为其输入的光信号和将成为光电转换单元基准的信号，所述的光信号通过由对入射到光电转换单元上的光产生的电荷进行存储获得，以便在上半时段对这些信号进行采样，在下半时段对这些信号进行保持；一减法器用于获得采样保持信号与输入信号之间的差；和一电路用于在上半时段钳位来自减法器的信号。

Description

信号处理电路、图像传感器IC和信号处理方法

技术领域

本发明总的涉及一种用于处理模拟信号的信号处理电路，例如图像传感器。此外，本发明还涉及一种线性图像传感器和一种面图像传感器，这两种传感器种的每一种都装载有信号处理电路。另外，本发明还涉及一种紧密接触型图像传感器，该传感器中安装了多个线性图像传感器IC。

背景技术

图19所示为一个相关技术例1的图像传感器的电路图，图20所示为相关技术例1的图像传感器的时序图(例如参考JP11-112015A(第4页和第5页以及图1))。

相关技术例1的目的在于提出了一种高性能的紧密接触型图像传感器，该图像传感器不须通过除去由芯片中的电平差异造成的FPN(固定图形噪声)来进行暗校正。

根据相关技术例1，它提供了一种紧密接触型图像传感器，该图像传感器这样构成，在相同半导体基片上包括以下各部分的半导体器件：传感器模块，其中在装配基片上安装了多个半导体光学芯片，它们中的每个都具有信号保持电路，该电路用于读出并且保持多个光电转换器的光信号和噪声信号，公用输出线，通过它分别输出信号保持电路的光信号和噪声信号，复位装置用于分别复位公用输出线，读取装置，分别读出并且输出来自公用输出线的光信号和噪声信号；光信号输入缓冲装置，用于接收传感器模块中的传感器芯片的噪声信号和光信号作为其输入；差分装置，用于取噪声信号输入缓冲放大器的信号和光信号输入缓冲放大器的信号之间的差；以及电压钳位装置，用于固定差分装置的输出信号。所述的紧密接触型图像传感器的特征在于，电压钳位装置固定其中光信号公用输出线和噪声信号公用输出线被复位的状态。

此外，放大器芯片200和传感器芯片100可以用不同的芯片组成。

此外，图21所示的是相关技术例2中的图像传感器IC的电路图，图22所示为相关技术例2中的图像传感器IC的时序图(例如参考JP11-239245A(第3页和第4页，以及图1))。

光电二极管101的N型区连接到正电源电压端VDD，光电二极管101的P型区连接到复位开关102的漏极和源极跟随器放大器103的栅极。复位开关102的源极使用了一个基准电压VREF1。作为源极跟随器放大器103的一个输出端的源极连接到读取开关105和恒流电源104。恒流电源104的栅极使用一个作为基准电压VREFA的恒压。如图8所示的一个光电转换块An的框架内组成元件的套数与像素数目相同，并且每个块的读取开关105连接到公用信号线106。注意，光电转换块An表示第n位的光电转换块。

公用信号线106通过电阻器110连接到运算放大器109的倒相输入端。运算放大器109的输出端通过芯片选择开关112和电容器113连接到输出端116。公用信号线106连接到信号线复位开关107，且信号线复位开关107的源极施加了一个基准电压VREF2。电阻器111连接在运算放大器109的输出端和倒相输入端之间，运算放大器109的非倒相输入端的电压固定为恒压VREF3。运算放大器109、电阻器110和电阻器111构成了一个倒相放大器D。

图像传感器的输出端116连接到MOS晶体管114的漏极，MOS晶体管114的源极施加了一个基准电压VREF4。此外，包括寄生电容等的电容器115也连接到图像传感器的输出端116。电容器113、电容器115和MOS晶体管114组成一个电压钳位电路C。

然而，相关技术例1的图像传感器具有一个缺点，即放大器芯片200和传感器芯片100需要彼此分开地提供，由此增加了组成元件的数目。也就是说，放大器芯片用于放大基准信号和光信号之间的差的时候，如果放大器201、202和203自备在传感器芯片中，那么因为放大器201、202和203的偏移在这些传感器芯片中将出现偏移差，这将导致问题。此外，还产生了如下问题，放大器芯片的电路不能应付这种类型的传感器芯片，这类传感器芯片应适合于顺次将基准信号和光信号输出到相同的公用信号线。此外，还产生了如下问题，如果图像传感器具有放大功能，则放大器的偏移也将被放大。

此外，相关技术例2中的图像传感器还存在这样一个问题，如果VREF3的电压和出现在端106上的电压之间的差很大，那么倒相放大器D的输出信号电平很容易超过输出范围。也就是说，VREF3的电压和出现在端106上的电压之间的差，以倒相放大器D的增益的放大因数被放大。因此，如果倒相放大器D的增益大，那么倒相放大器D的输出信号电平将超过输出范围。此外，当源极跟随器电路103的偏移影响到每位的时候，VREF3的电压是一个常数。因此，很难对全部位的输出保证具有宽光电转换特征的线性区域。

此外，在相关技术例2的图像传感器中，在存储了光电电荷之后进行读出光信号之后复位光电二极管，然后读出基准信号，获得光信号和基准信号之间的差。因此，包括在基准信号中的复位噪声与包括在光信号中的复位噪声不同。也就是说，产生了这样一个问题，因为时序的不同复位噪声彼此进行比较，随机噪声将变大。尤其是，复位电压VREF1通常来自于一个基准电压电路，该基准电压电路提供在多个图像传感器IC中相应的一个中。因此，热噪声也包括在复位电压中。通常，可以通过一个与基准电压端相连的具有大电容的电容器来减少热噪声。然而，事实上，在IC内不能提供具有大电容的电容器，所以很难减少这些热噪声。因此，只要执行复位，光电二极管的复位电平就会产生波动。随之则产生了这样一个问题，对每个读取信号线信号电平都会改变，因此在读出图像中形成了条纹。此外，还产生了这样一个问题，因为图像传感器IC上的复位电压彼此不同，因此对每个IC，光电二极管的反向偏压也不同，IC中的灵敏度也在改变。

发明内容

如上所述，本发明是为了解决上述与相关技术相关的问题。根据本发明的一个方面，提供了一种信号处理电路，包括：采样/保持电路，用于在上半时段和下半时段分别接收作为其输入的光信号和将成为光电转换器基准的信号，所述的光信号由入射到光电转换器上的光线产生的电荷进行存储获得，以在上半时段对这些信号进行采样，并在下半时段对这些信号进行保持；一减法器，用于获得输入的信号与采样和保持的信号之间的差；以及一电压钳位电路，用于接收来自减法器的信号作为其输入，其中所述的电压钳位电路将来自减法器的信号在部分或全部上半时段钳位在第一基准电压。

根据此信号处理电路，相同的偏移电压包含在上半时段的减法器的输出信号中和下半时段的减法器输出信号中，在电压钳位电路中获得上半时段减法器的输出信号与下半时段减法器的输出信号之间的差。结果，可以取出这样一个信号，其中具有基准电压作为基准的减法器的偏移量互相抵消。因此，可以获得一个固定图形噪声很小的光电转换器。

此外，因为分别输入到减法器两个输入端的信号是通过对一个输入信号进行划分而获得的，则可以减少这些信号之间的电平差。因此，即使减法器的增益大，也可以加宽输出信号的有效范围。

此外，如果安装多个图像传感器IC，其中每个传感器IC都在一个半导体基片上形成有光电转换器和信号处理电路，并且将被提供给相应的图像传感器IC的基准电压是公用的，则可以减少全部图像传感器IC的输出信号在芯片中产生的电平的暗输出差。

此外，根据本发明的另一个方面，提供了一种图像传感器IC，包括：一光电转换器；一信号处理电路，用于接收光电转换器的信号作为其输入；一信号输出端，连接到信号处理电路的输出端；一基准电压端，连接到信号处理电路的基准电压出现的一端；一基准电压电路；和在基准电压电路和基准电压端之间提供的一电阻器，

所述信号处理电路具有：采样/保持功能，用于在上半时段和下半时段分别接收作为其输入的光信号和成为光电转换器基准的信号，所述的光信号由对入射到光电转换器的光电转换器的光电转换区上的光产生的电荷进行存储而获得，以便在上半时段对输入信号进行采样，并在下半场时段对采样信号进行保持；减法功能，用于获得并放大该采样和保持信号与输入信号之间的差；以及电压钳位功能，用于在上半时段钳位已放大信号，其中电压钳位功能的基准电压连接到基准电压端。

此外，根据本发明的另一方面，提供了一种紧密接触型图像传感器，该图像传感器包括多个图像传感器IC，该图像传感器IC的基准电压端彼此相互电连接。

根据此信号处理电路，相同的偏移电压包含在上半时段的减法器的输出信号中和下半时段的减法器输出信号中，在电压钳位电路中获得上半时段减法器的输出信号与下半时段减法器的输出信号之间的差。结果，可以取出这样一个信号，其中具有基准电压作为基准值的减法器的偏移量互相抵消。因此，可以获得一个固定图形噪声小的图像传感器IC。此外，安装了多个图像传感器IC，并且将被提供给相应的图像传感器IC的基准电压是公用的，以便可以减少全部图像传感器IC的输出信号在芯片中的电平的暗输出差。

此外，因为此基准电压具有在相应的图像传感器IC中的基准电压电路中产生的基准电压平均值，所以无需从外部提供基准电压。因此，可以提供一个紧密接触型图像传感器，该图像传感器具有结构简单和图像噪声很小的特点。

此外，根据本发明的另一方面，提供了一种图像传感器IC，包括：多个光电二极管，作为多个光电转换器；和连接到该多个光电转换器的多个复位开关，用于分别初始化多个光电转换器，其中多个复位开关中每个的一端都电连接到基准电压端。

此外，根据本发明的另一方面，提供了一个自包括信号处理电路的图像传感器IC，用于接收多个光电转换单元的输出信号作为它的输入，其中，信号处理电路的基准电压所出现的端被电连接到基准电压端。

此外，根据本发明的另一方面，提供的一种图像传感器IC，还包括：一内嵌的基准电压电路；和在基准电压电路和基准电压端之间提供的电阻器。

此外，根据本发明的另一方面，提供了一个图像传感器，该图像传感器包括多个图像传感器IC，图像传感器IC的基准电压端彼此相互电连接。

根据此图像传感器，因为全部图像传感器IC的光电二极管的复位电压彼此相等，所以可以减少IC之间的灵敏度离差。此外，图象传感器IC公用的基准电压端和GND端等之间插入了具有大电容的电容器，用于减少基准电压的热噪声，这有可能解决读出图像中形成条纹的问题。

如上所述，根据本发明，可以获得固定图形噪声很小的光电转换器。因此，可以提供具有简单配置和小暗输出信号离差的图像传感器IC。

此外，在制造紧密接触型图像传感器的情况下，如上所述的多个图像传感器IC被线性地安装，可以减少芯片之间的电平差。

此外，IC之间的灵敏度离差可以通过简单的配置而减少。此外，可以解决读出图像中形成的条纹的问题。

附图说明

在附图中：

图1是根据本发明的第一实施例的信号处理电路的方框图；

图2是根据本发明的第一实施例的采样/保持电路的电路图；

图3是根据本发明的第一实施例的缓冲电路的电路图；

图4是根据本发明的第一实施例的放大电路的电路图；

图5是根据本发明的第一实施例的减法器的电路图；

图6是根据本发明的第一个实施例的电压钳位电路的电路图；

图7是根据本发明的第一实施例的光电转换器的电路图；

图8是根据本发明的第一和第二实施例的光电转换器的整体结构的电路图，其中部分为方框图；

图9是本发明的第一实施例的光电转换器和信号处理电路的时序图；

图10是根据本发明的第二实施例的光电转换器的示意电路图；

图11是根据本发明的第二实施例的光电转换器和信号处理电路的时序图；

图12是根据本发明的第三实施例的紧密接触型图像传感器的示意图；

图13是根据本发明的第四实施例的紧密接触型图像传感器的示意图；

图14是根据本发明的第四实施例的光电转换器的示意电路图；

图15是根据本发明的第四实施例的光电转换器的整体结构的电路图，其中部分为方框图；

图16是根据本发明的第四实施例的光电转换器和信号处理电路的时序图；

图17是根据本发明的第五实施例的紧密接触型图像传感器的示意图；

图18是根据本发明的第六实施例的紧密接触型图像传感器的示意图；

图19是相关技术例1的图像传感器的电路图；

图20是相关技术例1的图像传感器的时序图；

图21是相关技术例2的图像传感器的电路图；和

图22是相关技术例2的图像传感器的时序图。

具体实施方式

现在，将参考附图对本发明的优选实施例进行详细说明。

第一实施例

图1是根据本发明的第一实施例的信号处理电路的方框图。通过输入端VIN将信号输入到采样/保持电路21和缓冲放大器23。将采样/保持电路21的输出信号输入到缓冲放大器22。将缓冲放大器22的输出信号和缓冲放大器23的输出信号输入到减法器24，减法器24的输出信号又被输入到电压钳位电路25。减法器24的基准电压和电压钳位电路25的基准电压彼此公用。然后，减法器24和电压钳位电路25的相应端都连接到端VREF。电压钳位电路25的输出信号输入到缓冲放大器26。注意缓冲放大器26可以用放大电路替换。此外，出现放大电路基准电压的端与端VREF是公用的。缓冲放大器26的输出信号被输入到采样/保持电路27。采样/保持电路27的输出信号被输入到缓冲放大器28。将缓冲放大器28的输出信号输入到选通门29。选通门29的输出端连接到输出端VOUT2。注意，根据应用，选通门29可以是不必要的。

图2是根据本发明的第一个实施例的采样/保持电路的电路图。图2所示的该采样/保持电路可用作采样/保持电路21和采样/保持电路27。这个采样/保持电路包括选通门30、伪开关31和电容器C1。在这个采样/保持电路中，为了消除脉冲信号ΦSH的噪声和脉冲信号ΦSHX的噪声，脉冲信号ΦSH和脉冲信号ΦSHX互为反极性脉冲信号，选通门30的NMOS和PMOS的晶体管大小是相等的，而且此伪开关31的一NMOS和一PMOS晶体管的栅区是选通门晶体管栅区的一半。

图3是根据本发明的第一个实施例的缓冲放大器的电路图。这个缓冲放大器由运算放大器32组成。这个电路可以用作缓冲放大器22、23、26和28中的每一个。注意，缓冲放大器可以由源极跟随器放大器组成。

图4是根据本发明的第一实施例的一个放大电路的电路图。这个放大电路包括一个运算放大器32和一个电阻器。如果用这个放大电路代替缓冲放大器26，那么有可能增加信号处理电路的放大系数。此外，出现此放大电路的基准电压VREF的端可以与图1所示的端VREF公用。

图5是根据本发明的第一实施例的减法器的电路图。这个减法器包括一个运算放大器32和一个电阻器。这个减法器将通过由输入端INP的电压减去输入端INM的电压所获得的电压放大增益倍数，所述的增益是由反馈电阻器的电阻值和输入电阻器的电阻值的比确定的，从而以端电压VREF作为基准输出一个合成信号。如果输入端INP和INM在相反的位置，那么以端电压VREF作为基准输出信号可被反相。

图6是根据本发明的第一实施例的电压钳位电路的电路图。图6所示的这个电压钳位电路可以作为电压钳位电路25使用。这个电压钳位电路包括一选通门30、一伪开关31和一电容器C1。在此电压钳位电路中，为了消除脉冲信号ΦCLAMP的噪声和脉冲信号ΦCLAMPX的噪声，脉冲信号ΦCLAMPX和ΦSH互为反极性脉冲信号，选通门30的NMOS和PMOS的晶体管大小彼此相等，而且此伪开关31的一NMOS和一PMOS晶体管的栅区是选通门晶体管栅区的一半。

图7是根据本发明的第一实施例的光电转换器的电路图。图7所示的光电转换块An的框架内组成元件的套数与像素的数目相等。每块的沟道选择开关7连接到公用信号线11。注意，光电转换块An示出第n位的光电转换块。图8是根据本发明的第一实施例的整个光电转换器的结构图。

所述的光电转换块An的电路包括：光电二极管1，作为光电转换单元；转移开关4作为电荷转移单元；一个复位开关2，作为复位单元；一个放大单元3；一个电容器5；一个MOS晶体管6，构成一个MOS源极跟随器；一个沟道选择开关7，作为一个沟道选择单元；公用信号线11；和第一电流源8。

放大单元3可以由MOS源极跟随器、电压跟随放大器等等组成，并且还可以提供有一个放大器使能端10，用于选择一个操作状态。此外，一个寄生电容9位于MOS晶体管6的栅极和源极之间。此外，第二电流源51连接到MOS晶体管6的源极。此第二电流源51根据使能信号ΦRR被接通和关断。然后，在接通状态下，基本上与第一电流源8相同的电流流经第二电流源51。

经由这个光电转换器的输出端VOUT输出的输出信号被输入到图1所示的信号处理电路的输入端VIN。所述的光电转换器和所述的信号处理电路可形成在一个半导体基片上。

图9是根据本发明第一实施例的光电转换器和信号处理电路根据时序图。以下将参考图9所示的时序图描述第一实施例的操作。

首先，将描述第n位的光电转换块的操作。

当复位开关2根据ΦR(n)被接通时，在光电二极管1的输出端Vdi上出现的电压被固定在基准电压Vreset。另一方面，当复位开关2被关断时，输出端Vdi上出现的电压为将基准电压Vreset加上关断-噪声获得的值。无论何时执行复位，由于电势波动，此关断噪音为一随机噪声。因此，为了避免随机噪声的产生，获取复位之后的放大器3的输出电压和光电二极管中的光电电荷的随后存储之后放大器3的输出电压之间的差。

然后，如图9所示，在复位开关2根据ΦR(n)被关断之后，转移开关4根据ΦT1(n)被接通，以在时间间隔TR将基准信号读出到电容器5。在这时候，根据使能信号ΦRR(n)，第二电流源51被接通，从而当ΦSCH(n)保持接通状态时，MOS晶体管6的源极电势与在读操作中基本上相同。所述的基准信号在一个时间间隔保持在电容器5中。在这个时间间隔，光电电荷积聚在光电二极管1中，因此，出现在端Vdi的电势对应于光电电荷量波动。在这个时候，当沟道选择开关7根据下一个时间间隔的ΦSCH(n)被接通时，在时间间隔REF，保持在电容器5中的基准信号被读出到公用信号线11。然后，在当ΦT1(n)被接通以将光信号读出到电容器5时，这个光信号被读出到公用信号线11。这时候，第二电流源51被关断。这使得以下两个时间间隔MOS晶体管6的源极电势基本相同，即在时间间隔TR当基准信号被读出到电容器5时以及在时间间隔TS当对应于聚集在光电二极管的电荷量的光信号被读出到电容器5时。因此，可以减少寄生电容9对积聚在电容器5上的电荷的影响。因此，可以减少暗输出电压偏移。

根据上述操作，如果获取在ΦSCH(n)的时间间隔REF的公用信号线11上的输出电压VOUT和在ΦSCH(n)的时间间隔SIG的公用信号线11上的输出电压VOUT之间的不同，则可以消除由复位开关2所引起的固定图形噪声和随机噪声。然后，在ΦT1(n)被关断之后，ΦSCH(n)被关断，且ΦR(n)被接通，以便执行光电二极管的下一个复位。然后，在时间间隔TR，ΦT1(n)被再次接通从而将基准信号读出到电容器5。

在ΦSCH(n)被关断之后，根据ΦSCH(n+1)，下一位的沟道选择开关7被接通，从而开始读出下一位的基准信号的操作。当ΦSCH保持在ON状态的时候，第(n+1)位的全部其它脉冲从第n位的脉冲向后移位一个时间间隔。

上述说明中，可以去除第二电流源51。在这种情况下，使能脉冲信号ΦRR也相应地变成不是必需的。

如上所述，第n位的基准信号、第n位的光信号，第(n+1)位的基准信号和第(n+1)位的光信号以这个顺序通过输出端VOUT输出。在下文的说明中，为了方便起见，基准信号被输出的时间间隔指定为上半时段，光信号被输出的时间间隔指定为下半时段。

然后，现在将描述信号处理电路的操作。

通过输出端VOUT输出的输出信号被输入到输入端VIN。当基准信号开始被读出的时候，采样/保持脉冲信号ΦSH1被接通，且在基准信号的读出结束之前被关断。因此，基准信号被采样并且保持。在输入端VIN的信号和被采样并保持的信号被输入到减法器。在上半时段，彼此相等的基准信号被输入到减法器，在下半时段，已经被采样并保持的基准信号和光信号被输入到减法器。因此，减法器的输出信号在上半时段处于电平VREF，在下半时段是这样一个电平，该电平是通过将电平VREF添加到一个通过将基准信号和光信号之差放大增益倍数获得的电平上而获得的。此外，缓冲放大器22和23、和减法器24的偏移量在上半时段包括在输出信号中，缓冲放大器22和23和减法器24的偏移量、和采样/保持电路21的偏移量在下半时段包括在输出信号中。

增加了一个箝位脉冲信号ΦCLAMP，使得箝位脉冲信号ΦCLAMP在采样/保持脉冲信号ΦSH1被接通之前被接通，并且箝位脉冲信号ΦCLAMP在采样/保持脉冲信号ΦSH1被关断之前被关断。因此，电压钳位电路25的输出信号在上半时段固定在电平VREF，在下半时段是这样一个电平，该电平是通过将电平VREF添加到一个通过在从下半时段的减法器的输出信号中减去上半时段的减法器的输出信号所获得的电平而获得的。因此，缓冲放大器22和23和减法器24的偏移量在下半时段不包括在电压钳位电路的输出信号中。此外，因为所述的电路是这样被配置的，采样/保持脉冲信号ΦSH的噪声和作为采样/保持脉冲信号ΦSH的反相脉冲信号的脉冲信号ΦSHX的噪声互相抵消了，所以采样/保持电路21的偏移量很小。从上述可知，电压钳位电路的输出信号在下半时段是这样一个电平，该电平是通过将作为基准的电平VREF增加通过将基准信号和光信号之差放大增益倍数获得的电平而得到的。

光信号开始被读出前后，采样/保持脉冲信号ΦSH2被接通，并在光信号的读出结束之前被关断。因此，输出信号在被嵌位的输出信号的下半时段被采样，然后在下一位的上半时段被保持。因此，可以在很长时间间隔内保持输出电平。

第二实施例

图10是根据本发明的第二实施例的光电转换器的示意电路图。图10所示的提供在光电转换块An的框架内的组成元件的套数与像素的数目相等。每块的沟道选择开关7连接到公用信号线11。注意，光电转换块An示出第n位的光电转换块。整个光电转换器的结构图如图8所示。其结构与本发明的第一实施例相同。

所述的光电转换块An的电路包括：

一光电二极管1，作为一光电转换单元；转移开关14、15、16和17，作为一电荷转移单元；一复位开关2，作为复位单元；一放大单元3；一电容器13，用于保持一光信号；一电容器12，用于保持光电转换单元的基准的一基准信号；组成一MOS源极跟随器的MOS晶体管6，作为一个信号读出单元；一个沟道选择开关7，作为一个沟道选择单元；公用信号线11；和一第一电流源8。

放大单元3可以由MOS源极跟随器、电压跟随放大器等等组成，并且还可以提供有一放大器使能端10，用于选择工作状态。

图11是根据本发明实施例的一个实施例的光电转换器2和信号处理电路的时序图。

将参考图11所示的时序图描述光电转换器的操作。

图11中的ΦR、ΦRIN、ΦSIN和ΦSEL对全部位同时操作。因为ΦS0、ΦR0和ΦSCH的操作定时的改变取决于位，所以ΦS0、ΦR0和ΦSCH以增加了“(n)”的形式表示。

首先，将描述第n位的光电转换块的操作。根据ΦSIN的脉冲S1，转移开关15被接通，从而将通过存储光入射到光电二极管1所产生的电荷获得的光信号读出到电容器13中。然后，当复位开关2根据ΦR的脉冲R2被接通的时候，在光电二极管1的输出端Vdi上出现的输出电压被固定为基准电压Vreset。另一方面，当复位开关2被关断的时候，输出端Vdi上出现的输出电压取如下这样一个值，该值是通过将关闭噪声加上基准电压Vreset而得到的。然后，复位开关2刚刚被关断之后，转移开关14根据脉冲ΦRIN的R2被接通，从而在将光电二极管1复位之后将基准信号读出到电容器12。其后，光电电荷积聚在光电二极管1中，以及因此出现在输出端Vdi上的电压相应于光电电荷的量产生波动。因为用于存储的时间间隔的范围从脉冲ΦR的R2的读出结束的时间点开始直到下一个时间间隔的ΦSIN的脉冲S2读出结束的时间点，这个用于存储的时间间隔相当于图11所示的时间间隔TS2。因此，此用于存储的时间间隔对全部位保持。

然后，读出基准信号和光信号的操作将在下文进行说明。

在图11所示的用于存储的时间间隔TS2中，如果转移开关17根据ΦS0(n)的脉冲被接通，同时沟道选择开关7也根据ΦSCH(n)的脉冲被接通，则保存在电容器13中的光信号被读出到公用信号线11。这个时间间隔相当于ΦSCH(n)的脉冲S1的脉冲宽度。这个光信号是在时间间隔TS1上积聚的信号。然后，在转移开关16根据ΦR0(n)的脉冲被接通的时候，保存在电容器12中的基准信号被读出到公用信号线11。这个基准信号是根据ΦR的脉冲R2被复位的信号。

然后，如果下一位的沟道选择开关17根据ΦSCH(n+1)被接通，下一位的转移开关17根据ΦS0(n+1)的脉冲在ΦSCH(n)被关断之后被接通，则开始读出下一位的光信号的操作。当ΦSCH保持在接通状态的时候，第(n+1)位的全部其它脉冲从第n位的脉冲向后移位一个时间间隔。

在这个实施例中，当光电二极管在时间间隔TS2进行存储操作的时候，可以将在时间间隔TS1为在前存储积聚的光信号读出。因此，三原色R、G、B的LED可被接通，以便读出彩色图像数据。例如，在时间间隔TS1，红色的LED可被接通，以读出红色分量，在时间间隔TS2，绿色的LED可被接通，以读出绿色分量，在时间间隔TS2之后的时间间隔，蓝色的LED可被接通，以读出蓝色分量。在这种情况下，在时间间隔TS2之内，红色的光信号被读出。

如上所述，第n位的光信号、第n位的基准信号；第(n+1)位的光信号的和第(n+1)位的基准信号以这个顺序通过公用信号线11的输出端VOUT输出。那么，光信号和基准信号的顺序与在光电转换器1中的顺序是相反的。然而，与根据本发明第一个实施例的光电转换器相类似，光信号和基准信号之间的差可以在图1的信号处理电路中利用图11所示的脉冲信号ΦSH1、ΦCLAMP和ΦSH2将电平VREF作为基准进行放大。

在上述说明中，可以采用任意电路作为光电转换器，只要它适于按顺序输出基准信号和光信号。可以使用线性传感器或面传感器执行信号处理。此外可以通过反相连接减法器的输入端INP和INM来处理基准信号和光信号的输出顺序相反的情况。此外，如果减法器的输入端INP和INM是反相连接的，则减法器的输出信号的电平用电平VREF作为基准进行反相。因此，不管光信号的灵敏度是正的还是负的，信号处理电路的灵敏度可以为正。

如上所述，根据本发明，在上半时段和下半时段中，相同的偏移电压包括在减法器的输出信号中，在上半时段减法器的输出信号和下半时段减法器的输出信号之间的差通过电压钳位电路获取。因此，可以获得这样一个信号，其中具有基准电压作为基准值的减法器的偏移量互相抵消。因此，可以获得一个仅具有小的固定图形噪声的光电转换器。此外，可以形成一个线性图像传感器IC或一个区域图像传感器IC，其中光电转换单元和信号处理电路形成在一个半导体基片上。此外，如果安装了多个线性图像传感器IC，并且提供给这些相应的图像传感器IC的基准电压彼此之间是公用的，则可以减少图像传感器IC的输出信号在芯片中的暗输出电平差。在这时候，因为信号处理电路具有选通门29，图像传感器IC的输出信号可以读出到公用信号线。

第三实施例

图12是根据本发明的第三实施例的紧密接触型图像传感器的示意图。这个紧密接触型图像传感器包括三个图像传感器IC 41。每个图像传感器IC 41都包括一信号处理电路42、一光电转换器43、一基准电压电路44、一个电阻器45、一基准电压端46和一信号输出端47。光电转换器43的公用信号线连接到信号处理电路42，并且信号处理电路42的一个输出端连接到信号输出端47。此外，信号处理电路42的基准电压出现在基准电压端46上，且一电阻器45提供在基准电压电路44和基准电压端46之间。

全部图像传感器IC 41的信号输出端47在外部彼此相互连接，全部图像传感器IC 41的输出信号通过输出端VOUT2被输出到外部。全部图像传感器IC 41的基准电压端46也在外部彼此相互连接。必要时，在基准电压端46和GND之间提供一个电容器48，用于稳定基准电压VREF。

相应的图像传感器IC 41的基准电压电路44的输出电压由于处理不同等等而不同。然而，因为这些基准电压电路44通过相应的电阻器45彼此是短路的，电容器48的电位VREF取这三个芯片的基准电压电路44的输出电压的平均值。将电压VREF提供给全部图像传感器IC 41的信号处理电路42。

注意图1的信号处理电路可以被用作信号处理电路42，图7或图10的光电转换器可以被用作光电转换器43。信号处理电路42和光电转换器43的操作与第一和第二实施例中描述的相同。

如上所述，根据本发明，在上半时段和下半时段中，相同的偏移电压包括在减法器的输出信号中，在上半时段减法器的输出信号和下半时段减法器的输出信号之间的差通过电压钳位电路获取。因此，可以获得这样一个信号，其中以基准电压作为基准值减法器的偏移量互相抵消。

将被提供给电压钳位电路的基准电压相对于全部图像传感器IC来讲处于相同的电平，因此可以减少图像传感器IC的输出信号的芯片之间的暗输出电平差。因此，可以获得一个仅具有小的固定图形噪声的紧密接触型光电转换器。在这时候，因为信号处理电路具有选通门29，图像传感器IC的输出信号可被读出到公用信号线。

第四实施例

图13是根据本发明的第四实施例的紧密接触型图像传感器的示意图。这个紧密接触型图像传感器包括三个图像传感器IC 41。每个图像传感器IC 41包括一信号处理电路42、一光电转换器43、一基准电压端46和一信号输出端47。光电转换器23的公用信号线连接到信号处理电路42，并且信号处理电路42的一个输出端连接到信号输出端47。

全部图像传感器IC 41的信号输出端47在外部彼此相互连接，全部图像传感器IC 41的输出信号通过输出端VOUT2被输出到外部。全部图像传感器IC 41的基准电压端46也在外部彼此相互连接。必要时，在基准电压端46和GND之间提供一个电容器48，用于稳定基准电压VREF。为每个图像传感器IC 41的光电转换器43的端Vreset提供电压VREF。

图1的信号处理电路可以用作信号处理电路42。

图14是根据本发明的第四实施例的光电转换器的示意性电路图。本实施例的光电转换器与图10所示的第二实施例的光电转换器的不同点在于，端Vreset提供在光电转换器的区域外部。图14所示的光电转换块An的框架内组成元件的套数与像素的数目相等。每块的沟道选择开关7连接到公用信号线11。注意，光电转换块An示出第n位的光电转换块。

图15是根据本发明第四实施例的光电转换器的结构的电路图。

所述的电路包括：一光电二极管1，作为一个光电转换单元；转移开关14、15、16和17，作为一电荷转移单元；一复位开关2，作为复位单元，一放大单元3，一电容器13，用于保持一光信号；一电容器12，用于保持作为光电转换单元的基准的基准信号；一MOS晶体管6，组成作为一信号读出单元的MOS源极跟随器；一沟道选择开关7作为一个沟道选择单元；公用信号线11；和一第一电流源8。

复位开关2的一个端连接到端Vreset。如图15所示，端vreset是对全部光电转换器都公用的。

图16是根据本发明第四实施例的光电转换器和信号处理电路根据时序图。

在下文中将参考图11所示的时序图描述光电转换器的操作。

图16中的ΦR、ΦRIN、ΦSIN和ΦSEL对全部位同时操作。因为ΦS0、ΦR0和ΦSCH的操作时间的改变取决于位，所以ΦS0、ΦR0和ΦSCH以增加了“(n)”的形式表示。

首先，将描述第n位的光电转换块的操作。

根据ΦSIN的脉冲S1，转移开关15被接通，从而将通过存储由于光入射到光电二极管1所产生的电荷获得的光信号读出到电容器13中。然后，当复位开关2根据ΦR的脉冲R2被接通的时候，在光电二极管1的输出端Vdi上出现的输出电压被固定为基准电压Vreset。另一方面，当复位开关2被关断的时候，输出端Vdi上出现的输出电压具有如下这样一个值，该值是关闭噪声加基准输出电压Vreset得到的。在此，基准电压Vreset等于基准电压VREF并且具有一个小的热噪声，因此每当进行复位的时候，端Vdi的电压的波动量变小。

然后，复位开关2刚刚被关断之后，转移开关14根据ΦRIN的脉冲R2被接通，从而在光电二极管1复位之后的基准信号读出到电容器12。其后，光电电荷积聚在光电二极管1中，以及因此出现在输出端Vdi上的电位对应于一些光电电荷产生波动。因为用于存储的时间间隔的范围从脉冲ΦR的R2读出结束的时间点开始直到下一个时间间隔的ΦSIN的脉冲S2读出结束的时间点，这个用于存储的时间间隔相当于图6所示的时间间隔TS2。因此，全部位均保持此用于存储的时间间隔。

然后，读出基准信号和光信号的操作将在下文进行说明。

在图16所示的用于存储的时间间隔TS2中，如果转移开关17根据ΦS0(n)的脉冲被接通，同时沟道选择开关7也根据ΦSCH(n)的脉冲被接通，则保持在电容器13中的光信号被读出到公用信号线11。这个时间间隔相当于ΦSCH(n)的脉冲S1的脉冲宽度。

这个光信号是在时间间隔TS1积聚的信号，并且具有ΦR的脉冲R1复位的复位电压作为一基准。

然后，在转移开关16根据ΦR0(n)的脉冲被接通时候，保存在电容器12中的基准信号被读出到公用信号线11。这个基准信号是根据ΦR的脉冲R2被复位的信号。

当光信号和基准信号之间的差在信号处理电路中的后期被获取，将导致ΦR的不同脉冲的复位电平之间的差被获取。然而，因为电压Vreset的热噪声小，可以仅获得由于光入射而导致的电压差。

然后，如果在ΦSCH(n)被关断后，下一位的沟道选择开关7根据ΦSCH(n+1)被接通，且下一位的转移开关17根据ΦS0(n+1)的脉冲被接通，则开始将下一位的光信号读出的操作。当ΦSCH保持在接通状态的时候，第(n+1)位的全部其它脉冲从第n位的脉冲向后移位一时间间隔。

在这个实施例中，当光电二极管在时间间隔TS2进行存储操作的时候，可以将在先前存储的时间间隔TS1积聚的光信号读出。因此，三原色R、G、B的LED可被接通，以便读出彩色图像数据。例如，在时间间隔TS1，红色的LED可被接通，读出红色分量，在时间间隔TS2，绿色的LED可被接通，读出绿色分量，在时间间隔TS2之后的时间间隔，蓝色的LED可被接通，读出蓝色分量。在这种情况下，在时间间隔TS2之内，红色的光信号被读出。

如上所述，第n位的光信号、第n位的基准信号；第(n+1)位的光信号的和第(n+1)位的基准信号以这个顺序通过公用信号线11的输出端VOUT输出。然后，光信号和基准信号的顺序与在光电转换器1中的顺序反序。然而，与根据本发明第一个实施例的光电转换器相类似，光信号和基准信号之间的差可以在图1的信号处理电路中利用图16所示的脉冲信号ΦSH1、ΦCLAMP和ΦSH2将电平VREF作为基准进行放大。

在上述说明中，可以采用任意电路作为光电转换器，只要它可以顺序输出基准信号和光信号。可以使用线性传感器或面传感器执行信号处理。此外可以通过反相连接减法器的输入端INP和INM来处理基准信号和光信号的输出顺序相反的情况。此外，如果减法器的输入端INP和INM是反相连接的，则减法器的输出信号的电平用电平VREF基准被反相。因此，不管光信号的灵敏度是正的还是负的，信号处理电路的灵敏度可以是正的。

如上所述，根据本发明，在上半时段和下半时段中，相同的偏移电压包括在减法器的输出信号中，在上半时段减法器的输出信号和下半时段减法器的输出信号之间的差通过电压钳位电路获取。因此，可以获得这样一个信号，其中以基准电压作为基准值减法器的偏移量互相抵消。因此，可以获得仅具有小的固定图形噪声的光电转换器。此外，可以形成一个线性图像传感器IC或一个区域图像传感器IC，它们中的光电转换单元和信号处理电路形成在一个半导体基片上。

此外，如果如图13所示安装了多个线性图像传感器IC，并且提供给相应的图像传感器IC的复位电压是公用的，则全部图像传感器IC的光电二极管的复位电压彼此相等。因此，可以减少IC之间灵敏度的波动。此外，根据这个实施例，因为光接收元件的复位电压可以由端VREF从外部提供，可以在热噪声中提供一个稳定电压。因此，可以解决读出图像中形成条纹的上述问题。

此外，在公用基准电压端和GND等之间提供具有大电容的电容器48，以便进一步减少复位噪声的热噪声，从而获得一个更稳定的读出图像。

优选电容器48的电容设置为等于或大于0.011F，通过端VREF提供的复位电压设置在1V至低于供电电压约1V的一个电压。

在上述根据本发明第四实施例的紧密接触型图像传感器的说明中，信号处理电路42在IC中可以不是自含式的。

第五实施例

图17是根据本发明的第五实施例的紧密接触型图像传感器的示意图。这个实施例与第四实施例的不同点在于，信号处理电路42的基准电压VREF与光接收元件的复位电压是公用的。在这时候，当光接收元件的复位电压不能自由设置时，由于信号处理电路42的基准电压VREF通常是1V左右，所以这在实际使用中也是没有问题的。

因此，从IC外部提供的基准电压的类型数目可以是一个，而且信号处理电路42的基准电压的热噪声同样可以被减少，同时提高信号处理电路42的基准电压的稳定性。因此，还可以减少包括在信号处理电路42中的噪声。

第六实施例

图18是根据本发明的第六实施例的紧密接触型图像传感器的示意图。这个实施例与第四实施例的不同点在于，在每个图像传感器IC41中提供基准电压电路44，并且在基准电压电路44的输出端和基准电压端46之间提供电阻器45。电阻器45的电阻值设置为大约1kΩ。

在如图18所示的图像传感器中，基准电压VREF为由提供在图像传感器IC41内部的基准电压电路44产生的基准电压的平均值。因此，全部图像传感器IC41的复位电压可以彼此相等，由此可以获得与根据本发明第四实施例的紧密接触型图像传感器所固有的效果相同的效果。此外，因为不必从外部提供基准电压，这个实施例的图像传感器很容易使用。

此外，在图18的结构中没有示出，信号处理电路42的基准电压VREF还可以与光接收元件的复位电压公用。在这种情况下，可以获得与根据本发明第五实施例的紧密接触型图像传感器中固有效果相同的效果。此外，因为不必从外部提供基准电压，这个实施例的图像传感器很容易使用。

在上述说明中，本发明并不仅限于以上优选实施例，在不脱离本发明的主题的情况下，可以进行各种改变来实现本发明。

Claims

1.一种图像传感器IC，包括；

多个光电转换器，所述光电转换器包括光电转换单元、复位开关、放大器、转移开关、电容器和输出电路；

连接到所述多个光电转换器中的每一个的输出电路的公用信号线；

连接到所述公用信号线的第一采样/保持电路，用于保持所述光电转换器的基准电压；

连接到所述公用信号线和所述多个光电转换器中的每一个的输出电路的减法器，用于得到从所述采样/保持电路输出的所述基准电压和由于入射到所述光电转换单元上的光而从所述光电转换器产生的电压之间的差；以及

连接到所述减法器的电压钳位电路，用于钳位所述减法器的输出信号，

其中由于入射到所述光电转换单元上的光而从所述基准电压产生所述电压，和

其中所述电压钳位电路在所述光电转换器输出所述基准电压期间执行钳位。

2.一种图像传感器，包括多个如权利要求1所述的图像传感器IC。

3.如权利要求2所述的图像传感器，其中所述多个图像传感器IC的基准电压端彼此电连接。