CN100579184C

CN100579184C - 光电转换设备和图像传感器

Info

Publication number: CN100579184C
Application number: CN200610051516A
Authority: CN
Inventors: 町田聪
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Ablic Inc
Priority date: 2005-02-28
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2010-01-06
Anticipated expiration: 2026-02-28
Also published as: JP4412547B2; US7378639B2; US20060193016A1; US20080006765A1; CN101388960A; CN1829293A; US7378640B2; US20070295890A1; US7297925B2; JP2006245636A

Abstract

为了以低成本提供一种具有低噪声的光电转换设备，使光电转换设备包括：多个光电转换电路，这些光电转换电路的输出电位根据入射光的量而变化；多个复位电路，其每一个连接到每个光电转换电路的输出；多个非反相放大电路，用于放大光电转换电路的输出电位，每一个非反相放大电路都连接到每个光电转换电路的输出；多个信号读取电路，用于读取来自放大电路的输出；和多个保持电路，用于暂时保持来自非反相放大电路的读输出。

Description

光电转换设备和图像传感器

技术领域

本发明涉及一种光电转换设备，用于将光信号转换成电信号，并且更具体地涉及一种图像传感器IC，其是被应用到诸如传真机或图像扫描仪的图像阅读器的光电转换设备；并且接触图像传感器具有一个或多个图像传感器IC。

背景技术

目前，已经通过增强灵敏度和降低随机噪声来对光电转换设备做了改进。

为了借助如图15所示的电路来消除复位噪声，试图通过布置一个噪声信号保持电路来抵消复位噪声。

但是，根据这种传统光电转换设备，必须为噪声信号保持电路提供尽可能多的光接收元件，如此增加了芯片面积。并且，为了增强光接收元件的灵敏度，需要增加下游信号处理器电路的放大因子。但是，复位电路之外的电路的热噪声也被同时放大。因此，难以获得高的灵敏度/噪声比。特别地，信号处理器电路必须在高频读出频率上工作，通常为5MHz或更高的频率。在该情况下，高频带噪声也被放大，使得难以得到高的灵敏度/噪声比。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供光电转换设备，包括：多个光电转换电路，这些光电转换电路的输出电位根据入射光的量而变化；多个复位电路，其每一个连接到每个光电转换电路的输出；多个放大电路，用于放大光电转换电路的输出电位，每一个放大电路都连接到每个光电转换电路的输出；多个信号读取电路，用于读取来自放大电路的输出；和多个保持电路，用于暂时保持来自放大电路的读输出，其中所述多个放大电路是非反相放大电路。

此外，每个非反相放大电路包括：运算放大器；放置在运算放大器的输入端和固定电位之间的电容器；放置在运算放大器的输入端和运算放大器的输出端之间的电容器；和放置在运算放大器的输入端和运算放大器的输出端之间的开关电路，其中所述信号读取电路在开关元件切断时接通。

并且，在用于顺序地读取从多个光电转换电路到公共信号线的输出信号的光电转换设备中，公共信号线被复位到一个给定电位，预定电位对于参考电压端的电位来说是公共的，光电转换设备合并了一个信号处理器电路，该信号处理器电路具有输入到其中的公共信号线，并且信号处理器电路的参考电压电连接到参考电压端。

并且，图像传感器包括多个光电转换设备，其中参考电压端彼此电连接。

并且，用于顺序地读取从多个光电转换电路到公共信号线的输出信号的光电转换设备，其中在从相应的光接收元件读取信号的后半周期期间，公共信号线被复位到一个给定电位，光电转换设备合并了一个信号处理电路，该信号处理电路具有输入到其中的公共信号线，该信号处理电路包括一个箝位电路，并且该箝位电路在从相应的光接收元件读取信号的后半周期期间被固定到所述给定电位。

根据本发明的光电转换设备，信号由多个放大器电路放大，这些放大器电路连接到光电转换电路的输出并放大所述光电转换电路的输出电位，而放大器电路的工作速度仍然较低。由此，可切断高频带的噪声，并且放大具有低噪声的信号。此外，要求高速工作的信号处理器电路的放大因子被设置得较低，因为信号在上流被放大，这使得有减少输出信号的噪声的可能。根据以上事实，有可能以低成本获得具有高的灵敏度/噪声比的光电转换设备，而不需要使用噪声信号保持电路。

附图说明

在附图中：

图1是示出根据本发明的一个实施例的图像传感器IC的示意图；

图2是示出根据本发明的一个实施例的接触图像传感器的示意图；

图3是示出根据本发明的第一实施例的光电转换块的示意电路图；

图4是示出根据本发明的第二实施例的光电转换块的示意电路图；

图5是示出根据本发明的一个实施例的光电转换块和信号处理器电路的结构图；

图6是示出根据本发明的一个实施例的信号处理器电路的方框图；

图7是示出根据本发明的一个实施例的采样与保持电路的电路图；

图8是示出根据本发明的一个实施例的缓冲电路的电路图；

图9是示出根据本发明的一个实施例的放大器电路的电路图；

图10是示出根据本发明的一个实施例的减法器的电路图；

图11是示出根据本发明的一个实施例的箝位电路的电路图；

图12是示出根据本发明的第一实施例的光电转换块和信号处理器电路的操作方法的时序图；

图13是示出根据本发明的第二实施例的光电转换块和信号处理器电路的操作方法的时序图；

图14是示出根据本发明的第三实施例的光电转换块和信号处理器电路的操作方法的时序图；和

图15是根据传统光电转换设备的电路图和时序图。

具体实施方式

现在，将参考附图更详细地描述本发明的优选实施例。

【第一实施例】

图1是示出构成本发明的光电转换设备的图像传感器IC的示意图。图像传感器IC 41由信号处理器电路42、光电转换块43、参考电压端46、和信号输出端47构成。光电转换块43的两条公共信号线被输入到信号处理器电路42，信号处理器电路42的输出连接到信号输出端47。这两条公共信号线被两个复位开关9和10复位到参考电压端46的电压。参考电压端46连接到两个复位开关9和10的源、信号处理器电路42的参考电压VREF和光电转换块43的复位电压Vreset。光电转换块43的复位电压Vreset可以是IC内的电压源。

图2是示出构成如图1所示的图像传感器IC 41的接触图像传感器的示意图。接触图像传感器由三个图像传感器IC 41构成。所有图像传感器IC 41的信号输出端47在外部彼此连接。并且，所有图像传感器IC 41的参考电压端46在外部彼此连接，并且电容器48连接在参考电压端46和地(GND)之间。电容器48如此放置是为了稳定参考电压端46的电位，并具有大约1μF到100μF的电容。并且可从连接到图2的VREF端的外部电压源向参考电压端46提供电压，或者可从图像传感器IC内的电压源提供电压。

相应的参考电压端46的电位由电容器48稳定，电容器48还使得所有芯片的电位相等。结果，可稳定公共信号线的的复位和信号处理器电路42的工作。

图6是示出根据本发明的一个实施例的信号处理器电路42的方框图。输入到输入端VIN1和VIN2的信号分别通过缓冲放大器22和23被输入到减法器24。减法器24的输出被输入到箝位电路25。减法器24和箝位电路25可具有彼此公共的参考电压，并且连接到VREF端。箝位电路25的输出被输入到缓冲放大器26。缓冲放大器26可用放大器电路来替换。此外，放大器电路的参考电压可变得是VREF端的公共参考电压。缓冲放大器26的输出被输入到采样与保持电路27。采样与保持电路27的输出被输入到缓冲放大器28。缓冲放大器28的输出被输入到选通门29。选通门29的输出连接到输出端VOUT2。根据使用的目的，选通门29可以是不必要的。

图7是示出根据本发明的一个实施例的采样与保持电路的电路图，该实施例可用于采样与保持电路27。采样与保持电路是由选通门30、虚拟开关31、和电容器C1构成。在采样与保持电路中，选通门30的NMOS和PMOS晶体管尺寸可彼此相等，并且虚拟开关31的NMOS和PMOS晶体管的栅极面积可以是选通门的晶体管的栅极面积的一半，由此抵消

SH和

SHX的脉冲噪声，

SHX和

SH彼此反相。

图8是示出根据本发明的一个实施例的缓冲放大器的电路图，缓冲放大器由运算放大器32构成。该电路可应用于缓冲放大器22、23、26和28。缓冲放大器可由源跟随器放大器形成。

图9是示出根据本发明的一个实施例的放大器电路的电路图，该放大器电路由运算放大器32和电阻器构成。代替缓冲放大器26而使用该电路，使得有可能增加信号处理器电路的放大因子。

图10是示出根据本发明的一个实施例的减法器的电路图，该减法器由运算放大器32和电阻器构成。在这个电路中，通过从INP的电压中减去INM的电压而获得的电压被乘以一个由电阻率确定的增益，并接着参考VREF的电压被输出。当要输入到INP和INM的端被反转时，可参考VREF的电压将输出反相。

图11是示出根据本发明的一个实施例的箝位电路的电路图，该实施例可用于箝位电路25。箝位电路由选通门30、虚拟开关31、和电容器33构成。对于箝位电路，选通门30的NMOS和PMOS晶体管尺寸可彼此相等，并且虚拟开关31的NMOS和PMOS晶体管的栅极面积可以是选通门的晶体管的栅极面积的一半，由此抵消

CLAMP和

CLAMPX的脉冲的噪声，

CLAMP和CLAMPX彼此反相。

图3是示出根据本发明的第一实施例的光电转换块43中所包括的其中一个光电转换块An的示意电路图。根据本发明的本实施例的光电转换块43具有如图5所示的光电转换块An(在方框内的块)，块的数量对应于像素的数量，并且由N表示。每一个光电转换块An包括连接到公共信号线BITS和BITR的读数开关16和17。光电转换块An表示第n比特的光电转换块。图5是示出光电转换块43和信号处理器电路42的结构图。

这个电路包括作为光电转换电路的光电二极管1；形成信号读取电路的转接开关14、15、16和17；作为复位电路的复位开关2；由电阻器4、5和运算放大器3构成的非反相放大器；保持光信号的电容器12、保持作为光电转换电路基准的参考信号的电容器13；公共信号线BITS和BITR；公共信号线复位开关9和10；和信号处理器电路42。电容器12和13的电容通常被设置成相同的大小。

如图5中所示，复位开关2的一端连接到Vreset端，该Vreset端对于所有光电转换块An是公共的。

在半导体衬底上形成光电转换块和信号处理器电路。

图12是示出根据本发明的一个实施例的光电转换块43和信号处理器电路42的操作方法的时序图。在根据本发明的图像传感器IC41的工作中，所有光电转换块An和光电电荷存储操作的初始化在某些定时上同时进行。通过在第一定时TS1的光电电荷存储操作而存储的第n比特的光生成载体Qp被设定为Qp1n。在第二定时TS2，所有光电转换块An存储新的光生成载体Qp2n，并且与此同时，在第一定时TS1存储的从第一比特到最后比特的光生成载体Qp1n被一个接一个地从图像传感器IC41通过信号处理器电路42而顺序输出。换句话说，图12中的

R、RIN、和

SIN相对于所有光电转换块An被同时操作(此后光电转换块被称为“比特”)。另一方面，

SCH不同于由比特操作的定时，并且用(n)表示。

首先，将描述第n比特的光电转换块的操作。

当初始化开关2由

R的脉冲R1接通时，光电二极管1的输出端Vdi固定到参考电压Vreset，当初始化开关2被切断时，输出端Vdi变为通过将切断噪声(off noise)Voff加到Vdi的电压Vreset而获得的值。在初始化开关2被切断之后，转接开关15立刻通过

RIN的R1的位置的脉冲接通，并且初始化光电二极管1之后的参考信号被读到电容器13。当忽略运算放大器3的偏移，并且复位电压被设置为Vreset时，电压V(REF)被表示为如下：

V(REF)＝VRESET-Voff(R1+R2)/R2

其中电阻器4和5的电阻分别是R1和R2。

接下来，在第一定时TS1处的光电电荷存储操作中，存储已经由光电二极管1捕获的光电电荷。光电电荷被存储在光电二极管1中，并且Vdi的电位根据光电电荷的量而变化。存储周期从

R的脉冲R1的结束到后继循环中

SIN的脉冲S1的结束，该周期对应于如图12中所示的第一定时TS1的周期，并且为所有比特设置相同的周期。

转接开关14由SIN的脉冲S1接通，以读取对应于光生成载体Qp的输出电压，该光生成载体Qp是在存储了由光电二极管1捕获的光电电荷之后而获得的。将输出电压读到电容器12。

当假定了在TS1期间的Vdi的电位的变量是ΔVdi时，读到电容器12的电压V(SIG)被表示为如下：

V(SIG)＝VRESET-Voff(R1+R2)/R1-ΔVdi(R1+R2)/R1

＝V(REF)-ΔVdi(R1+R2)/R1

即是，可在定时(R1+R2)/R1之前获得光电二极管1的电位中的变化。非反相放大器的放大因子通常被设置成大约2倍到20倍。

并且，可以被设置为相对较长周期的

R、

RIN、和

SIN的较高电平周期允许非反相放大器的通过速率被设置得较小。对于这个原因，非反相放大器的噪声的高频段的分量不影响输出。由此，可减小噪声。

之后，在第二定时TS2处的光电电荷存储操作之前，在重复初始化之后重复后继的存储操作。

接着，将描述读取参考信号和光信号的操作。在图12中的TS2的存储周期期间，转接开关16和17同时由SCH(n)的脉冲接通，以将已经由电容器12和13保持的光信号和参考信号分别读到公共信号线BITS和公共信号线BITR。

光信号和参考信号之差被接收到如下所述的信号处理器电路42，因此得到由光引起的电压差。

接着，在

SCH(n)的脉冲的后一半期间，公共信号线复位开关9和10由

SR的脉冲接通，以将公共信号线BITS和公共信号线BITR初始化为Vreset2的电压。如图2所示，当Vreset2连接到VREF时，将公共信号线BITS和公共信号线BITR初始化为VREF的电压。此时，VREF由外部较大的电容器48来稳定，这允许保证将公共信号线BITS和公共信号线BITR初始化为VREF的恒定电压。

之后，当在

SCH(n)切断第n比特的接通开关16和17之后，后续比特的转接开关16和17由

SCH(n+1)接通时，将开始读取后续比特的光信号和参考信号。

在以下的描述中，为了方便，

SCH(n)的高电平周期前一半被称为前半周期，期间，光信号和参考信号被读到公共信号线BITS和公共信号线BITR。以及

SCH(n)的高电平周期后一半被称为后半周期，期间，将公共信号线BITS和公共信号线BITR初始化为VREF的电压。

接着，将描述信号处理器电路42的操作。VIN1端和VIN2端分别与公共信号线BITS和公共信号线BITR连接。在前半周期期间，光信号和参考信号通过缓冲放大器22和23被输入到减法器。在后半周期期间，VREF的电压通过缓冲放大器22和23被输入到减法器。由此，在前半周期中，减法器的输出变为通过将VREF电平加上一个电平而获得的电平，被加的电平是通过将光信号和参考信号之差乘以增益倍数而得到的。在后半周期中，减法器的输出变为VREF的电平。并且，在前半周期和后半周期中的电平都受缓冲放大器22、23和减法器24的偏移的影响。

箝位脉冲CLAMP如此被加上以便在后半周期接通而在前半周期切断。结果，箝位电路25的输出在每个后半周期中被箝位到VREF电平。由此，在前半周期中的箝位电路25的输出变为通过将VREF电平加上一个电平而获得的电平，被加的电平是通过减去某个比特的后半个输出而获得的，这个比特是在减法器的前半个输出之前的一个比特。结果，前半周期中的箝位电路的输出变为通过将VREF加上一个电平而获得的电平，被加的电平是通过将光信号和参考信号之差乘以增益而得到的。这些电平不受缓冲放大器22、23和减法器24的偏移的影响。

采样与保持脉冲

SH如此被加上以便在前半周期接通而在后半周期切断。由此，在后半周期中采样和保持在箝位之后输出的后半周期中的输出。因此，可能维持输出电平较长一段时间。

【第二实施例】

图4是示出根据本发明的另一个实施例的光电转换块An的示意电路图。与图3中所示的光电转换块An不同，电阻器4和5用电容器6和7来替换，并且开关8插入在运算放大器3的输入和输出之前。电容器6的一端被设置成地(GND)，但如果电位固定，则可设置成另一个电位。其它结构与图3中的结构相同。

在第一实施例中，为了降低电流消耗，需要将电阻R1和R2设置得较高。为此，需要高阻多晶硅，这增加了处理的成本。但是，在第二实施例中，高的电阻器用电容器来替换以降低处理的成本。

图13是示出根据本发明的第二实施例的光电转换块43和信号处理器电路42的操作方法的时序图。

首先，将描述第n比特的光电转换块的操作。

初始化开关2和开关8由R和

SW的脉冲R1和S接通，以构造如电压跟随器放大器那样的运算放大器3。由此，光电二极管1的输出端Vdi固定到参考电压Vreset，并且运算放大器3的输出也变为参考电压Vreset。

随后，当初始化开关2被切断时，电压变为通过将切断噪声Voff加到Vdi的电压Vreset而得到的值。接着，开关8被切断。

在开关8被切断之后，转接开关15立刻通过

RIN的R1的位置的脉冲接通，以读取在已经初始化光电二极管1之后的参考信号到电容器13。当忽略运算放大器3的偏移的影响和开关8的切断噪声的影响，并且复位电压被设置为Vreset时，电压V(REF)被表示为如下：

V(REF)＝VRESET-Voff(C1+C2)/C2

其中电容器6和7的电容分别是C1和C2。

接下来，在第一定时TS1处的光电电荷存储操作中，存储已经由光电二极管1捕获的光电电荷。光电电荷存储在光电二极管1中，并且Vdi的电位根据光电电荷的量而变化。存储周期从

R的脉冲R1的结束到后继循环中的

转接开关14由

SIN的脉冲S1接通，以根据光生成载体Qp读取输出电压，该光生成载体Qp是在存储了由光电二极管1捕获的光电电荷之后而获得的。将输出电压读到电容器12。

当假定了在TS1期间的Vdi的电位的变量是ΔVdi时，读到电容器12的电压V(SIG)被如下表示为：

V(SIG)＝VRESET-Voff(C1+C2)/C1-ΔVdi(C1+C2)/C1

＝V(REF)-ΔVdi(C1+C2)/C1

参考信号和光信号的读取操作与第一实施例中的相同，并且省略了对其的描述。

【第三实施例】

图14是示出根据第二实施例的另一个操作方法的时序图。与第二实施例不同，当开关8由于

SW而切断时，开关15通过

RIN而处于接通的状态。

当开关8切断时，开关8的噪声和运算放大器3的噪声被采样，并被保持到电容器6和8之间的端上，从而引起输出中的噪声。但是，当开关8切断时，增加了图4中的VO端的负载电容器，从而使得可能降低那些噪声的影响。其它操作与第二实施例中的操作相同。

在上述实施例中，当光电二极管在TS2周期中进行存储操作的同时，有可能读取已经在前一存储周期TS1中存储的光信号。由此，RGB三种颜色的LED可顺序被点亮，从而读取彩色图像数据。例如，红色LED有可能在TS1周期中被点亮以读取红色分量，绿色LED有可能在TS2周期中被点亮以读取绿色分量，并且蓝色LED有可能在下一个TS2周期中被点亮以读取蓝色分量。在这一情况下，在TS2周期内读取红色光信号。

在根据本发明的图像传感器的上面描述中，信号处理器电路42可不被合并到IC中。

以上描述主要给出了线性图像传感器IC，但是图3和图4的结构可应用于矩阵式图像传感器IC。

在上述描述中，本发明不仅限于上述实施例，而是可以在不偏离本发明精神的范围内进行各种修改。

Claims

1.一种光电转换设备，包括：

多个光电转换电路，所述光电转换电路的输出电位根据入射光的量而变化；

多个复位电路，所述多个复位电路中的每一个复位电路连接到每个光电转换电路的输出；

多个非反相放大电路，用于放大光电转换电路的输出电位，每一个非反相放大电路都连接到每个光电转换电路的输出；

多个信号读取电路，用于读取来自非反相放大电路的输出；和

多个保持电路，用于暂时保持非反相放大电路的读取的输出。

2.根据权利要求1的光电转换设备，其中每个非反相放大电路包括：

一运算放大器；

一放置在运算放大器的输入端和固定电位之间的电容器；

一放置在运算放大器的输入端和运算放大器的输出之间的电容器；和

一放置在运算放大器的输入端和运算放大器的输出之间的开关电路。

3.根据权利要求2的光电转换设备，其中所述信号读取电路在开关电路切断时接通。