CN100573547C - 用于目标成像的单芯片抗噪声一维cmos传感器 - Google Patents

用于目标成像的单芯片抗噪声一维cmos传感器 Download PDF

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Abstract

用于成像编码的标记的直线传感器包括被集成在单片CMOS芯片上的模拟前端和数字后端。实时的、相关的双采样电路被使用于噪声抑制。

Description

用于目标成像的单芯片抗噪声一维CMOS传感器
本发明总的涉及用于读出诸如条形码符号那样的标记的电光读出器，更具体地，涉及在单个半导体芯片上作为线性阵列制造的并可操作以成像一维符号的抗噪声图像传感器。
电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器在数码照相机中被使用来成像目标。每个这样的二维固态传感器具有多个或一阵列单元或像素，用于把入射的光变换成电子。在CCD传感器中，每个单元的累积的电荷在阵列上被输送和被读出。在CMOS传感器中，在每个像素处的一个晶体管或几个晶体管通过使用传统线放大和移动电荷。CCD传感器具有优良的光灵敏度和产生高质量图像，而CMOS传感器具有较低的灵敏度，但制造成本非常便宜和具有很长的电池寿命。
诸如光学代码，典型地一维或二维条形码符号的目标，也可以由使用固态CCD传感器的读出器被电光地读出。使用CCD技术的传统的线性的或一维传感器阵列需要非标准制造过程和多个半导体芯片，例如用于模拟前端的一个芯片、用于数字后端的另一个芯片、用于定时和控制电路的另一个芯片、用于噪声抑制的另一个芯片等等。几个支持芯片的使用导致用于CCD传感器的更多的总的功耗和大的总的尺寸。这些方面往往妨碍在条形码符号读出器，特别是在希望小型化和功率消耗最小的手持的便携式读出器中使用CCD传感器。
因此，本发明的总的目的是减小在用于读出一维条形码符号的电光读出器中使用的图像传感器的功耗和降低成本和体积。
更具体地，本发明的目的是使用通过标准CMOS制造技术制造的CMOS传感器。
本发明的另一个目的是在多片半导体芯片上制造CMOS传感器和全支持图像获取和处理电路。
本发明的又一个目的是使得手持读出器不太受短的读出寿命和体积庞大的困扰。
本发明的再一个目的是抑制当所有的支持电路被集成到单片基于CMOS芯片时生成的电噪声。
以上的目的和与此后将明白其它目的相一致，概略地说，本发明的一个特性在于用于成像诸如一维符号的目标的系统，系统包括单片固态互补金属氧化物半导体(CMOS)芯片；被集成在单片芯片上的模拟前端；和被集成在同一个芯片上的数字后端。前端包括单元或像素的线性阵列，每个像素具有光电二极管，用于把入射光变换成电模拟信号；和对于每个光电二极管的模拟-数字转换器(ADC)，操作以把模拟信号变换成电的数字信号。数字后端包括数字处理器，用于把数字信号处理成具有与成像的符号有关的信息的数字化的输出信号。数字后端可以产生目标的原始图像，或可以确定编码在目标中的信息。
CMOS技术的使用允许集成模拟前端、数字后端、以及其它电路，如在下面描述的，以及达到减小的总的系统尺寸和成本；快速的信息读出速度；和低功率消耗的优点。然而，这些优点是以高的系统噪声为代价得到的，它是CMOS技术为什么至今没有使用于成像符号(具体地条形码符号)的主要的因素。总的系统噪声可来自于许多的源，诸如白色噪声暗电流和固定模式的噪声，所有这些都是在传感器选择时固有的；以及在电元件内生成的器件电子噪声，包括由随机的热引起的电子运动生成的热噪声和由电元件中的晶体制造缺陷和污染物质造成的闪烁噪声；从环境生成的干扰噪声和包括电源电压噪声；串扰噪声和基片噪声，尤其是通过在模拟前端与数字后端之间的耦合造成的噪声；在传感器复位期间生成的复位噪声；和与光子随机到达任何传感器有关的散弹噪声。固定模式噪声是由系统变化和像素中的非均匀性造成的。
按照本发明，每个像素具有噪声抑制电路，包括用于给各个光电二极管加脉冲以便在曝光时间段期间把入射光变换成模拟信号；和采样保持电路，用于在曝光时间段已经开始后采样模拟信号以生成参考信号和用于在在曝光时间段结束前再次采样模拟信号以生成数据信号。
时钟被集成在单片芯片上，以及在系统工作期间生成时钟周期。采样保持电路优选地在曝光时间段开始后一个时钟周期，或实际上紧接地，生成参考信号。因此，参考信号实际上都是噪声，因为光电二极管还没有足够的时间获取符号。采样保持电路优选地在曝光时间段结束之前一个时钟周期，或实际上紧接地，生成数据信号。因此，数据信号具有足够的时间获取符号以及噪声。如下所述，数据和参考信号在也被集成在单片芯片上的减法器中互相相减，以便得到噪声抑制的、数字化的输出信号。
用于抑制噪声的其它措施包括选择和设计具有高的量子效率和低的暗电流的光电二极管，在紧接在光电二极管后的每个像素中放置高增益放大器，以及使用用于每个光电二极管的ADC，以便在信号处理中尽可能早地把模拟信号变换成数字信号。
附图说明
图1是按照本发明的、具有电子电路的芯片的框图；
图2是描绘图1的电路的模拟前端的电路；
图3是用于描述图2的电路中的噪声抑制元件的工作的波形；
图4是描绘在图1的电路中使用的模拟-数字变换器的框图；以及
图5是描绘图4的比较器的电路。
具体实施方式
参照图1，标号10总的表示具有模拟前端12和数字后端14的单片固态互补金属氧化物半导体(CMOS)芯片，前端和后端被集成在同一个单片CMOS芯片10上。芯片被使用于成像目标，尤其是诸如通用产品码(UPC)符号那样的一维编码的符号。
前端12包括像素的线性阵列，优选地总共512到4096像素。每个像素包括光电二极管16、采样保持(S/H)电路18、高增益放大器20、和模拟数字转换器(ADC)22，它们被详细地显示于图2。图1的所有的其它的元件是数字后端的一部分。
光电二极管16把入射光变换成电模拟信号。光电二极管与光电晶体管相比较，具有较低的白色噪声、暗电流和固定模式噪声。光电二极管通常具有4μm与8μm之间的宽度，以及具有宽度的1到16倍的高度。光电二极管生成光电流并收集在积分时间上的电荷，电荷由代表光电二极管加上任何连接的元件的自电容值的电容器CP变换成电压。光电二极管被复位和被加脉冲，以便在曝光时间段内接收入射光(见图3)。
光电流由具有三个堆叠的晶体管和反馈电容器CF的、被安排成运算放大器结构的反馈电荷放大器20放大。复位开关24与反馈电容器并联连接。MOSFET保持开关26与反馈电容器串联连接。保持电容器CH被串联连接在保持开关26与ADC 22之间。保持开关26与保持电容器构成采样保持电路，用于在把模拟信号送到用于数字变换的ADC之前进行噪声抑制。
正如可以藉助于图3看到的，采样保持电路工作如下：具有高状态和低状态的复位脉冲被加到复位开关24。反向复位脉冲通过电容器被加到光电二极管。具有高状态和低状态的保持脉冲被加到保持开关26的一侧。反向保持脉冲被施加到保持开关26的另一侧。当复位脉冲变低，并且光电二极管被驱动以在曝光时间段开始时接收光时，在CP上开始积累电荷，并且该电荷被传送到反馈电容器CF，因为复位开关是开路的。同时，保持脉冲为低，保持开关开路，以及没有电荷传送到保持电容器CH。
实际上紧接在曝光时间开始后，例如在一个时钟周期后，保持脉冲变高并且保持开关被闭合，由此允许在反馈电容器上的电荷被传送到保持电容器。电荷在保持脉冲变低之前再在保持电容器上积累几个周期，由此隔离保持电容器。正如下面说明的，ADC把在保持电容器上的积累的电荷变换成代表系统的复位噪声的4比特参考信号。光电二极管还没有足够的时间获取来自目标符号的光。
此后，在曝光时间段的结尾前，例如在到期之前一个时钟周期，保持脉冲变高，保持开关被闭合，由此再次允许被存储在电容器CP上的所有的电荷被传送到反馈电容器，然后又被传送到保持电容器CH。这时，光电二极管具有足够的时间获取来自目标符号的光。ADC把这个累积的电荷变换成代表符号中的信息以及复位噪声的8比特数据信号。正如下面说明的，从数据信号中减去参考信号，以便得到噪声抑制的数字化输出信号。
最后，在曝光时间结束时，复位脉冲变高，以及复位开关被闭合。这短路反馈电容器，以及实际上，复位或使它准备好当复位脉冲再次变低时接收电荷。
时钟周期由也被集成在芯片上的时钟28从芯片外的主时钟被生成。在优选实施例中，时钟以500kHz工作；曝光时间段从30μs变化到10ms；以及保持脉冲在约2μs的采样时间段内保持为高电平。
如图3所示，在曝光时间段期间进行两次采样。这个实时相关的双采样(CDS)技术抑制复位或KTC噪声。这是与已知的CDS技术不同的，其中来自CCD阵列的模拟信号被加到两个分开的保持开关和两个分开的保持电容器。
如图4所示的ADC 22是单斜率器件，它包括比较器30，该电容器具有被连接到保持电容器以接收参考信号或数据信号的正端和被连接到被集成在芯片上的线性斜坡生成器32(见图1)的负端。8比特计数器34被连接到寄存器36的数据输入端，该寄存器被连接到比较器的输出端。比较器的输出控制寄存器的使能端。
在工作时，线性斜坡生成器32与计数器34同时被启动。斜坡生成器32输出线性单斜率斜坡信号。当比较器30检测到斜坡信号达到输入信号时，寄存器36锁存作为模拟输入信号的数字表示的计数器的计数值。对于参考信号只使用4比特(16个计数)，以及对于数据信号使用8比特(256个计数)。优选地，斜坡生成器是Gm-C积分器，以及计数器34是T触发式、同步计数器。
图5是比较器30的电路实现，包括二级比较器，具有差分输入级和具有交叉耦合双稳态结构的单端增益级，用于消除抖动。
数字后端14，对于每个像素，包括存储器38、行选择器40、和控制器48。12比特贮存寄存器42、12比特缓存器44、和减法器46也被集成在芯片上，以及被所有的像素共享。
存储器38优选地是工作在12MHz的12比特寄存器，用于存储8比特信号和4比特参考信号。行选择器40包括都工作在1MHz的1比特移位寄存器和复用器。移位寄存器从来自全部像素的512寄存器中一次选择一个寄存器，然后把该数据移出所选择的像素。替换地，像素存储器可被连接到公共总线以及在总线上被复用。从第一选择的像素被移位的数据被存储在12比特贮存寄存器42，然后被转发到缓存器44，以及最后被转发到减法器46，实施CDS减法。同时，下一个像素被选择用于数据读出、贮存和处理。控制器48操作地被连接到芯片上的电路，以便控制在各个装置之间的时序。
在所附权利要求中阐述作为新的和想要由专利证保护的所主张的权利的内容。

Claims (7)

1.一种用于成像一维编码符号的系统，包括：
单片固态互补金属氧化物半导体芯片；
被集成在单片芯片上的模拟前端，其包括像素的线性阵列，每个像素具有用于把入射光变换成电模拟信号的光电二极管；和用于每个光电二极管的模拟-数字转换器，操作用于把模拟信号变换成电的数字信号，其中所述模拟前端包括对于每个像素的噪声抑制电路，噪声抑制电路包括用于给相应的光电二极管加脉冲以便在曝光时间段期间把入射光变换成模拟信号的装置；和用于在曝光时间段已经开始后采样模拟信号以生成参考信号并用于在曝光时间段结束前再次采样模拟信号以生成数据信号的装置；和
被集成在所述单片芯片上的数字后端，包括数字处理器，该数字处理器用于把数字信号处理成具有与成像的符号有关的信息的数字化的输出信号。
2.权利要求1的系统，还包括用于在系统操作期间生成时钟周期的时钟，其中采样装置在曝光时间段开始后一个时钟周期生成参考信号，以及在曝光时间段结束前一个时钟周期生成数据信号。
3.权利要求1的系统，其中采样装置包括与反馈电容器并联的复位开关，以及其中反馈电容器被连接到光电二极管，以及其中复位开关是在其中来自光电二极管的模拟信号对反馈电容器充电的开路状态与其中复位开关将反馈电容器短路的闭合状态之间可切换的。
4.权利要求3的系统，其中采样装置包括保持电容器和与反馈电容器串联的保持开关，以及其中保持开关是在其中充电的反馈电容器对保持电容器充电的闭合状态与其中充电的反馈电容器与保持电容器阻断的开路状态之间可切换的。
5.权利要求4的系统，其中模拟-数字转换器用来把参考信号与数据信号变换成相应的多比特信号，以及被集成在单片芯片上的减法器用来从数据信号中减去参考信号，以得到数字化的输出信号。
6.权利要求1的系统，其中模拟前端包括高增益放大器，用于放大到达模拟-数字转换器之前的模拟信号，
7.权利要求1的系统，其中模拟-数字转换器包括比较器，其具有用于接收参考信号或数据信号的一个输入端；用于接收斜坡信号的另一个输入端；和被连接到寄存器的输出端，该寄存器被连接到计数器。
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