CN101478644A

CN101478644A - Cmos图像传感器电荷泵的控制电路及方法

Info

Publication number: CN101478644A
Application number: CNA2008101792977A
Authority: CN
Inventors: 罗文哲
Original assignee: Brigates Microelectronic Co Ltd
Current assignee: Rockchip Electronics Co Ltd
Priority date: 2008-12-16
Filing date: 2008-12-16
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2028-12-16
Also published as: CN101478644B

Abstract

一种CMOS图像传感器电荷泵控制电路及方法。所述CMOS图像传感器电荷泵控制电路包括：电压高限值比较单元，比较电荷泵的输出电压与电压高限值；行同步信号提供单元，根据行读出时序产生行同步信号，所述行同步信号先于相应行选择信号而达至高电平，且在行选择信号的上升沿变为低电平；电荷泵控制单元，在行同步信号为高电平时，当电荷泵的输出电压低于电压高限值，开启电荷泵；当电荷泵的输出电压大于电压高限值时，关闭电荷泵。所述CMOS图像传感器电荷泵控制电路及方法能避免产生读出行噪声。

Description

CMOS图像传感器电荷泵的控制电路及方法

技术领域

本发明涉及互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，特别涉及互补金属氧化物半导体图像传感器电荷泵的控制电路及方法。

背景技术

图像传感器是用于将光学图像转换成电信号的半导体器件，包括电荷耦合器件(CCD，Charge Coupled Device)图像传感器和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。

其中，CMOS图像传感器读出图像的过程是以行为单元，逐行读出图像的数字信号的。下面以4管像素单元结构的CMOS图像传感器为例，对读出图像过程作简单说明。

图1为一种4管像素单元的结构图。参照图1所示，所述4管像素单元包括光敏二极管PD、第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3和第四晶体管T4。光敏二极管正极接地、负极与第四晶体管T4的源极相连；第一晶体管T1的源极与第四晶体管T4的漏极相连、第一晶体管T1的栅极接收复位信号(RESET)、漏极与第二晶体管T2的漏极相连且与外围电源电路相连以提供电源电压VDD；第二晶体管T2的栅极与第一晶体管T1的源极相连、源极与第三晶体管T3的漏极相连；第三晶体管T3的栅极接收行选择信号(ROW_SEL)、源极与电压采样电路1相连；第四晶体管T4的栅极接收电荷转移驱动信号(TX)。

其中，第一晶体管T1的作用是提供复位功能。第二晶体管T2的作用是作为跟随器。第三晶体管T3的作用是接收行选择信号，以实现像素单元的信号读出。第四晶体管T4的作用是作为传输管。第一晶体管T1和第四晶体管T4导通时将电源电压VDD转移给光敏二极管PD，第三晶体管T3和第四晶体管T4导通时将光敏二极管PD上的电荷读出至电压采样电路1。

图2为例如上述4管像素单元结构的CMOS图像传感器的行读出时序图。参照图2所示，其中行选择信号的第一个高电平可以表示例如CMOS图像传感器中第N行像素单元的读出起始位置，而第二个高电平表示第N+1行像素单元的读出起始位置。

在CMOS图像传感器的行读出过程中，需要用到比电源电压更高的电压，用以驱动复位端(例如图1中第一晶体管T1的栅极)或转移端(例如图1中第四晶体管T4的栅极)。而这一电压需要由电荷泵产生。通常CMOS图像传感器所需高压小于1.5倍的VDD。例如VDD为2.8V，CMOS图像传感器所需高压一般低于4.2V。

图3为CMOS图像传感器电荷泵及其控制电路构成的电荷泵回路图。参照图3所示，所述电荷泵回路包括：带使能端的电荷泵3，由电阻R1、R2组成的电阻分压器以及滞回比较器2构成的电荷泵控制电路，以及外接电容COUT和电流源4。

所述电阻分压器和滞回比较器2通过控制电荷泵使能来控制电荷泵的工作，当电荷泵使能为高电平(电荷泵使能为“1”)时，电荷泵工作，而当电荷泵使能为低电平(电荷泵使能为“0”)时，电荷泵停止工作。所述电荷泵使能由滞回比较器2输出。

所述电阻分压器和滞回比较器2的控制过程简述如下：

电荷泵输出电压VOUT经电阻分压器分压后的电压为，VA＝VOUT×R2/(R1+R2)。所述滞回比较器2通过比较电压VA和标准电压V0来输出相应的电荷泵使能。

如果VA>V0，则所述滞回比较器2输出低电平的电荷泵使能，使得电荷泵3停止工作，从而停止升压；如果VA<V0，则所述滞回比较器2输出高电平的电荷泵使能，维持电荷泵3工作，继续升压。因此，电荷泵输出电压VOUT的目标值为：VM＝V0×(R1+R2)/R2。

并且，为了避免所述电荷泵控制电路产生震荡，其中采用的比较器是滞回比较器，即带有一定的滞回效应。所述滞回效应是指，当VA向上超出V0一定的量，例如VA>V0+Δ1时，所述比较器输出的电荷泵使能的电平才会变为低；而当VA向下超出V0一定的量，例如VA<V0-Δ2时，所述比较器输出的电荷泵使能的电平才会变为高。所述滞回效应保证了回路不会产生震荡。

图4为所述控制电路的电荷泵输出电压时序图。参照图4所示，由于采用了滞回比较器，因而电荷泵的输出电压具有纹波波形。而纹波的幅度(向上幅度a+向下幅度b)取决于滞回比较器中设计的滞回量，一般常采用纹波幅度有例如10-50mv。

结合图3和图4所示，当电荷泵输出电压VOUT经电阻分压器分压后的电压VA小于标准电压V0时，根据上述的滞回比较器原理，所述滞回比较器2输出高电平的电荷泵使能，使得电荷泵3工作，以升高电荷泵输出电压VOUT。当VA随着VOUT的升高而超过标准电压V0，且达到电压高限值(电压目标值+向上幅度a)时，所述滞回比较器2输出低电平的电荷泵使能，使得电荷泵3停止工作。此时，电荷泵输出电压VOUT就会由于例如驱动用电或各种漏电而下降。当所述电荷泵输出电压VOUT回落至电压低限值(电压目标值-向下幅度b)时，所述滞回比较器2输出高电平的电荷泵使能，使得电荷泵3重新开始工作，以升高电荷泵输出电压VOUT。

上述过程周而复始，例如图4中t1至t2、t3至t4、t5至t6、t7至t8，为电荷泵3工作，电荷泵输出电压VOUT上升的过程；而t2至t3、t4至t5、t6至t7、t8至t9，为电荷泵3停止工作，电荷泵输出电压VOUT下降的过程。

然而，无论是电荷泵输出电压上升过程或是下降过程，其都受很多因素的影响，例如电源电压的高低，驱动负载的大小，漏电流的大小等。所以，上升时间或下降时间都是不确定的，即例如图4中的t1至t2的时间，或t2至t3的时间等，都是无法预测的。

根据前述的，例如驱动复位端或转移端的电压由电荷泵提供。而由于上述的上升或下降时间无法预测的原因，继续参照图4所示，第N行像素单元读出至第N+3行像素单元读出的起始位置所对应的电荷泵输出电压各不相同。而由于这种差异，将会形成读出行噪声，从而影响CMOS图像传感器的图像质量。

发明内容

本发明要解决的问题是，现有技术CMOS图像传感器在行读出过程中产生噪声的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种CMOS图像传感器电荷泵的控制电路，至少包括：

电压高限值比较单元，比较电荷泵的输出电压与电压高限值；

行同步信号提供单元，根据行读出时序产生行同步信号，所述行同步信号先于相应行选择信号而达至高电平，且在行选择信号的上升沿变为低电平；

电荷泵控制单元，在行同步信号为高电平时，且电荷泵的输出电压低于电压高限值，开启电荷泵；当电荷泵的输出电压大于电压高限值时，关闭电荷泵。

相应地，本发明还提供一种CMOS图像传感器电荷泵的控制方法，至少包括：

根据行读出时序产生行同步信号，所述行同步信号先于相应行选择信号而达至高电平，且在行选择信号的上升沿变为低电平；

在行同步信号为高电平时，当电荷泵的输出电压低于电压高限值，开启电荷泵；

当电荷泵的输出电压大于电压高限值时，输出低电平的电荷泵使能。

相应地，本发明还提供一种CMOS图像传感器电荷泵的控制方法，至少包括：在各行像素单元的行选择信号为高电平之前，对相应电荷泵输出电压进行控制，使得各行像素单元的行选择信号为高电平时，相应电荷泵输出电压一致。

与现有技术相比，上述方案具有以下优点：在CMOS图像传感器的每一行像素单元的行选择信号为高电平而开始行读出之前，先将电荷泵的输出电压升高至电压高限值，使得CMOS图像传感器中各行像素单元行读出时的电荷泵输出电压相同，从而避免了各行像素单元由于行读出时电荷泵输出电压不同而形成的读出行噪声，改善了CMOS图像传感器的图像质量。

附图说明

图1是现有技术CMOS图像传感器的4管像素单元的一种结构图；

图2是图1所示4管像素单元结构的CMOS图像传感器的行读出时序图；

图3是现有技术的一种电荷泵及其控制电路图；

图4是图3所示控制电路的电荷泵输出电压时序图；

图5是本发明CMOS图像传感器电荷泵的控制电路的一种实施方式图；

图6是本发明CMOS图像传感器电荷泵的控制方法的一种实施方式图；

图7是图6所示方法中行同步信号与行选择信号时序关系图；

图8是本发明CMOS图像传感器电荷泵的控制电路的一种实施例图；

图9是图8所示电荷泵的控制电路对应电荷泵输出电压时序图；

具体实施方式

通过对读出行噪声的研究可以发现，造成读出行噪声的原因在于CMOS图像传感器中各行像素单元在行读出时，其对应的电荷泵输出电压不一致。因而，若能使得每一行像素单元读出时，相应电荷泵的输出电压都保持相同，就可以解决读出行噪声的问题。

基于此，本发明提供了一种CMOS图像传感器电荷泵的控制电路。参照图5所示，所述CMOS图像传感器电荷泵控制电路用于控制电荷泵40，所述电荷泵控制电路的一种实施方式包括：

电压高限值比较单元10，比较电荷泵的输出电压与电压高限值；

行同步信号提供单元20，根据行读出时序产生行同步信号，所述行同步信号先于相应行选择信号而达至高电平，且在行选择信号的上升沿变为低电平；

电荷泵控制单元30，在行同步信号为高电平时，且电荷泵的输出电压低于电压高限值，开启电荷泵40；当电荷泵的输出电压大于电压高限值时，关闭电荷泵40。

所述实施方式的电荷泵控制电路的工作过程包括：在CMOS图像传感器的每一行像素单元的行选择信号为高电平而开始行读出之前，行同步信号提供单元20根据行读出时序提供行同步信号，使得在行读出开始之前，先进行电荷泵输出电压的控制。

具体地，通过电压高限值比较单元10来比较电荷泵的输出电压与电压高限值。在行同步信号为高电平时，当电荷泵的输出电压低于电压高限值，通过电荷泵控制单元30输出高电平的电荷泵使能作为电荷泵控制信号，使得电荷泵40工作，升高电荷泵输出电压。而当电荷泵输出电压升高至超过电压高限值时，通过电荷泵控制单元30输出低电平的电荷泵使能作为电荷泵控制信号，使得电荷泵40停止工作。

从而，在每一行像素单元的行选择信号为高电平而开始行读出之前，提供给该行的电荷泵输出电压已被升高至电压高限值。由于提供给每一行像素单元的电荷泵输出电压都是电压高限值，因而可以避免各行像素单元对应的电荷泵输出电压不同而形成的读出行噪声。

相应地，本发明还提供了一种CMOS图像传感器电荷泵的控制方法。参照图6所示，所述CMOS图像传感器电荷泵的控制方法的一种实施方式，包括：

步骤s1，根据行读出时序产生行同步信号，所述行同步信号先于相应行选择信号而达至高电平，且在行选择信号的上升沿变为低电平；

步骤s2，在行同步信号为高电平时，当电荷泵的输出电压低于电压高限值，开启电荷泵；

步骤s3，当电荷泵的输出电压大于电压高限值时，关闭电荷泵。

上述实施方式中，在CMOS图像传感器的每一行像素单元的行选择信号为高电平而开始行读出之前，通过提供行同步信号，先进行电荷泵输出电压的控制。

通过比较获得电荷泵的输出电压与电压高限值的比较结果。在行同步信号为高电平时，当电荷泵的输出电压低于电压高限值，开启电荷泵，升高电荷泵输出电压。而当电荷泵输出电压升高至超过电压高限值时，关闭电荷泵，使得电荷泵停止工作。

其中，所述行同步信号的控制是为了保证，在每一行像素单元的行选择信号为高电平而开始行读出之前，相应的电荷泵输出电压已被升高至电压高限值。例如参照图7所示，第N行像素单元对应的行同步信号相对于第N行像素单元对应的行选择信号提前8-32个电荷泵时钟周期达至高电平。第N+1行像素单元对应的行同步信号相对于第N+1行像素单元对应的行选择信号提前8-32个电荷泵时钟周期达至高电平。

上述行同步信号相对于行选择信号的提前量，可以通过仿真获得。例如设置一合适的电压低限值，仿真获得电荷泵将电压从电压低限值升高至电压高限值所需的电荷泵时钟周期，然后以大于或等于该获得的电荷泵周期数作为行同步信号相对于行选择信号的提前量。所述内容会在下面的具体实例中进行进一步说明。

下面结合一些具体的电荷泵输出电压的控制实例对于上述的CMOS图像传感器电荷泵的控制电路及方法进行进一步说明。并且为了叙述方便，令高电平为“1”，低电平为“0”。

图8所示为本发明CMOS图像传感器电荷泵的控制电路以及电荷泵的一种实例图。参照图8所示，所述控制电路用于控制电荷泵40，包括：由电阻R1和R2组成的电阻分压器；作为电压低限值比较单元的滞回比较器12；由滞回比较器13以及反相器14组成的电压高限值比较单元；由与门32、或门33以及SR触发器31组成的电荷泵控制单元；行同步信号提供单元20。另外，所述电荷泵40的输出还外接电容COUT以及电流源50。

为描述方便，令所述滞回比较器12的低限值参考电压为VL，提供每一行像素单元的电荷泵输出电压VOUT经电阻分压器分压后形成分压VA，VA＝VOUT×R2/(R1+R2)。则当VA＝VL时，VOUT＝VL×(R1+R2)/R2，令此时VOUT的值为V0，定义V0为电压低限值。

令所述滞回比较器13的高限值参考电压为VH，提供每一行像素单元的电荷泵输出电压VOUT经电阻分压器分压后形成分压VA，VA＝VOUT×R2/(R1+R2)。则当VA＝VH时，VOUT＝VH×(R1+R2)/R2，令此时VOUT的值为V1，定义V1为电压高限值。

显然，VH>VL，VH和VL的差一般可以控制在5-20mV，例如10mV，使得VOUT的纹波控制在10-50mV。

所述滞回比较器12在VA<VL时，输出高电平的第一超限信号(detLo)；VA>VL时，输出低电平的第一超限信号。所述滞回比较器13在VA<VH时，输出高电平的第二超限信号(～detHi)，并经反相器14形成低电平的第三超限信号(detHi)；在VA>VH时，输出低电平的第二超限信号，并经反相器14形成高电平的第三超限信号。

而与门32将行同步信号和第二超限信号相与，并输出至所述或门33。所述或门33将与门32的输出和第一超限信号相或，并输出至所述SR触发器31。所述SR触发器31的s端接收所述或门33的输出，r端接收第三超限信号。当s端为高电平，r端为低电平时，所述SR触发器31输出高电平的电荷泵使能。

所述控制电路对电荷泵40的输出电压的控制过程如下：

图9为本例电荷泵的控制电路对应电荷泵输出电压时序图。结合图8和图9所示，在第N行像素单元对应的行选择信号变为高电平，即第N行像素单元被选中而开始行读出之前，例如行选择信号变为高电平前的8-32个电荷泵时钟周期，第N行像素单元对应的行同步信号先变为高电平，即所述行同步信号提供单元20根据该行读出时序向与门32的一端提供高电平的行同步信号。

当VA<VL，即VOUT<V0时，所述滞回比较器12输出高电平的第一超限信号。而显然VA<VH，即VOUT<V1，所述滞回比较器13输出高电平的第二超限信号，并经反相器14形成低电平的第三超限信号。

所述与门32分别接收高电平的行同步信号和高电平的第二超限信号，向所述或门33输出“1”。所述或门33分别接收所述与门32的输出“1”以及高电平的第一超限信号，向所述SR触发器31的s端输出“1”。所述SR触发器31分别接收所述或门33的输出“1”以及低电平的第三超限信号，s端为“1”，r端为“0”，所述SR触发器被置位，输出高电平的电荷泵使能(电荷泵使能为“1”)，使得所述电荷泵40工作，以升高VOUT。

随着VOUT的升高，当VA>VL，即VOUT>V0时，所述滞回比较器12输出低电平的第一超限信号。假设此时VA<VH，即VOUT<V1，所述滞回比较器13输出高电平的第二超限信号，并经反相器14形成低电平的第三超限信号。

所述与门32分别接收高电平的行同步信号和高电平的第二超限信号，向所述或门33输出“1”。所述或门33分别接收所述与门32的输出“1”以及低电平的第一超限信号，向所述SR触发器31的s端输出“1”。所述SR触发器31分别接收所述或门33的输出“1”以及低电平的第三超限信号，s端为“1”，r端为“0”，所述SR触发器被置位，输出高电平的电荷泵使能(电荷泵使能为“1”)，使得所述电荷泵40继续工作，以继续升高VOUT。

随着VOUT的进一步升高，当VA>VH，即VOUT>V1时，所述滞回比较器13输出低电平的第二超限信号，并经反相器14形成高电平的第三超限信号。而显然VA>VL，即VOUT>V0，所述滞回比较器12输出低电平的第一超限信号。

所述与门32分别接收高电平的行同步信号和低电平的第二超限信号，向所述或门33输出“0”。所述或门33分别接收所述与门32的输出“0”以及低电平的第一超限信号，向所述SR触发器31的s端输出“0”。所述SR触发器31分别接收所述或门33的输出“0”以及高电平的第三超限信号，s端为“0”，r端为“1”，所述SR触发器被复位，输出低电平的电荷泵使能(电荷泵使能为“0”)，使得所述电荷泵40停止工作，则VOUT也停止被升高，并将开始下降。

而之后，当所述第N行像素单元被选中读出时，即第N行像素单元对应的行选择信号变为高电平时，根据行读出时序，所述第N行像素单元对应的行同步信号，在所述行选择信号的高电平上升沿变为低电平，以避免电荷泵产生噪声。

此时，提供该行像素单元的电荷泵40的输出电压VOUT已被升高至V1，所述第N行像素单元被读出时对应的电荷泵输出电压就为V1。这是由于在行同步信号为高电平时，一旦VOUT<V1，电荷泵40就会由于高电平的电荷泵使能而开始工作，以升高VOUT至V1才停止。

而在第N行像素单元被读出之后，若VOUT下降较快，至VOUT<V0时，所述电荷泵控制单元也会开启电荷泵40，升高VOUT，以避免在下一行的行同步信号阶段，VOUT无法升至V1，而产生读出行噪声。因此，上述对电荷泵40的控制过程是将电荷泵输出电压VOUT定在V0和V1的区间内，并使得VOUT在行选择信号为高电平时达到V1。

同理，在第N+1行像素单元对应的行选择信号变为高电平，即第N+1行像素单元被选中而开始行读出之前，第N+1行像素单元对应的行同步信号先变为高电平，即所述行同步信号提供单元20根据该行读出时序向所述SR触发器31提供高电平的行同步信号。

接下来，与上述第N行像素单元的电荷泵输出电压控制过程相同，当提供第N+1行像素单元的电荷泵输出电压VOUT<V1时，所述SR触发器被置位，输出高电平的电荷泵使能(电荷泵使能为“1”)，使得所述电荷泵40工作，以升高VOUT。

直至VOUT>V1时，所述SR触发器被复位，输出低电平的电荷泵使能(电荷泵使能为“0”)，使得所述电荷泵40停止工作，则VOUT也停止被升高，并将开始下降。

而当所述第N+1行像素单元被选中读出时，即第N+1行像素单元对应的行选择信号变为高电平时，提供该行像素单元的电荷泵输出电压VOUT已被升高至V1，所述第N+1行像素单元被读出时对应的电荷泵输出电压就为V1。

以此类推，第N+2行像素单元、第N+3行像素单元...也将经过相同的电荷泵输出电压控制过程，从而每一行像素单元被读出时对应的电荷泵输出电压值都是V1。由于CMOS图像传感器中各行像素单元对应的电荷泵输出电压相同，因而可以避免读出行噪声。

本发明还提供一种CMOS图像传感器电荷泵的控制方法，至少包括：在各行像素单元的行选择信号为高电平之前，对相应电荷泵输出电压进行控制，使得各行像素单元的行选择信号为高电平时，相应电荷泵输出电压一致。

其中，所述在各行像素单元的行选择信号为高电平之前是指在各行像素单元的行选择信号为高电平之前的8-32个电荷泵时钟周期。

所述相应电荷泵输出电压一致是指相应电荷泵输出电压为电压高限值。

所述对电荷泵输出电压的的控制过程可以参照上述举例说明，此处就不再累述了。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims

1.一种CMOS图像传感器电荷泵的控制电路，其特征在于，所述电荷泵控制电路至少包括：

2.如权利要求1所述的CMOS图像传感器电荷泵的控制电路，其特征在于，还包括：电压低限值比较单元，比较电荷泵的输出电压与电压低限值；所述电荷泵控制单元当电荷泵的输出电压低于电压低限值时，开启电荷泵。

3.如权利要求2所述的CMOS图像传感器电荷泵的控制电路，其特征在于，所述电压低限值比较单元包括：比较电荷泵输出电压与低限值参考电压，并输出第一超限信号的滞回比较器。

4.如权利要求3所述的CMOS图像传感器电荷泵的控制电路，其特征在于，所述电压高限值比较单元包括：比较电荷泵输出电压与高限值参考电压，输出第二超限信号的滞回比较器，以及对滞回比较器输出取反，并输出第三超限信号的反相器。

5.如权利要求4所述的CMOS图像传感器电荷泵的控制电路，其特征在于，所述电荷泵控制单元包括：

接收行同步信号和第二超限信号，并相与的与门；

接收与门输出以及第一超限信号，并相或的或门；

s端接收或门输出，r端接收第三超限信号的SR触发器。

6.一种CMOS图像传感器电荷泵的控制方法，其特征在于，至少包括：

当电荷泵的输出电压大于电压高限值时，关闭电荷泵。

7.如权利要求6所述的CMOS图像传感器电荷泵的控制方法，其特征在于，还包括：

当电荷泵的输出电压低于电压低限值，开启电荷泵。

8.如权利要求6所述的CMOS图像传感器电荷泵的控制方法，其特征在于，所述行同步信号先于相应选择信号8-32个电荷泵时钟周期而达至高电平。

9.一种CMOS图像传感器电荷泵的控制方法，其特征在于，至少包括：在各行像素单元的行选择信号为高电平之前，对相应电荷泵输出电压进行控制，使得各行像素单元的行选择信号为高电平时，相应电荷泵输出电压一致。

10.如权利要求9所述的CMOS图像传感器电荷泵的控制方法，其特征在于，所述在各行像素单元的行选择信号为高电平之前是指在各行像素单元的行选择信号为高电平之前的8-32个电荷泵时钟周期。

11.如权利要求9所述的CMOS图像传感器电荷泵的控制方法，其特征在于，所述相应电荷泵输出电压一致是指相应电荷泵输出电压为电压高限值。