CN101931737A - 黑电平补偿电路 - Google Patents

Abstract

一种黑电平补偿电路，其包含开关电容式积分器，用以补偿影像传感器的读出放大器。因此，读出放大器的输出被箝制在参考电压，其定义为影像传感器的黑电平。根据本发明特征之一，使用坏像素检测器以检测坏像素，并在检测到坏像素后，断开黑电平补偿回路。

Description

黑电平补偿电路

技术领域

本发明涉及影像传感器的黑电平补偿(black level compensation，BLC)，特别涉及一种影像传感器的模拟黑电平补偿电路。

背景技术

半导体影像传感器(例如电荷耦合元件(CCD)或互补金属氧化半导体(CMOS)传感器)普遍使用于照相机或摄影机中，用以将可见光的影像转换为电子信号，便于后续的储存、传输或示出。

由于电子电路的非完美性质，使得影像传感器在未接收任何光线的情形下仍然会具有漏电流。为了克服此问题，通常会读取多列的光学黑(optical black)像素(或光遮(light-shielded)像素)，经平均后作为黑色的参考基准。然而，由于可编程增益放大器(programmable gain amplifier，PGA)的不同增益设定，将使得参考基准产生改变。

图1示出了传统黑电平补偿(BLC)系统，其数字回路由模数转换器(ADC)1、数字电路2及数模转换器(DAC)3组成。其中，模数转换器(ADC)1自可编程增益放大器(PGA)4接收光学黑信号，以输出相应的数字信号。光学黑信号接着经数字电路2进行比较及平均。平均信号再转换回相应模拟信号后，用以补偿可编程增益放大器(PGA)4。然而，模数转换器(ADC)1及数字电路2会产生时间延迟，且数模转换器(DAC)3则产生量化误差，因此，传统的黑电平补偿(BLC)系统的速度及准确度都无法提高。

鉴于传统黑电平补偿(BLC)系统，特别是具有数字回路的黑电平补偿(BLC)系统，无法快速及准确地进行影像传感器的黑电平补偿，因此亟需提出一种新颖机制，用以快速且准确地执行黑电平补偿。

发明内容

鉴于上述，本发明的目的之一在于提出一种模拟黑电平补偿(BLC)电路，用以快速且准确地执行黑电平补偿。本发明的另一目的在于实质地节省芯片面积及功率消耗。

根据本发明实施例，黑电平补偿(BLC)电路包含开关电容式(SC)积分器，其包含放大器(例如差分放大器)、回授电容器、输入电容器及一些第一/第二相位开关。其中，放大器的输入连接至读出放大器的输出。回授电容器连接在放大器的输入与输出之间，且输入电容器经控制而连接在黑电平补偿电路的输入及放大器的输入之间。第一/第二相位开关经配置而使得来自参考电压及读出放大器的输出所储存的电荷差得以被积分。放大器的另一输出提供补偿电压，用以补偿读出放大器。因此，读出放大器的输出被箝制于参考电压，其定义为影像传感器的黑电平。根据本发明特征之一，还使用坏像素检测器以检测光学黑像素当中的坏像素。被检测到的坏像素则与黑电平补偿回路的积分器阻隔开来。

附图说明

图1示出了传统黑电平补偿(BLC)系统。

图2示出了本发明第一实施例的黑电平补偿(BLC)电路。

图3示出了非重迭的相位信号P1和P2及图2信号的时序图。

图4示出了本发明第二实施例的黑电平补偿(BLC)电路。

图5示出了第二实施例(图4)的变型实施例。

图6示出了第二实施例(图4)的另一变型实施例。

图7示出了本发明特征之一的坏像素检测器。

具体实施方式

图2示出了本发明第一实施例的黑电平补偿(BLC)电路10。黑电平补偿电路10用以补偿读出放大器12，例如可编程增益放大器(PGA)，其可放大影像传感器(图中未示出)的信号。(开回路)模数转换器(ADC)14则接收可编程增益放大器(PGA)12的输出。在本实施例中，可编程增益放大器(PGA)12的输出OUTP连接至黑电平补偿电路10的输入，且黑电平补偿电路10的(正)输出DACN经控制而连接至可编程增益放大器(PGA)12并向其回授电容器CF1或输入电容器CS1充电，因而形成黑电平补偿回路。此回路为一种模拟回路，而非传统黑电平补偿系统(图1)的数字回路。

在本实施例中，黑电平补偿电路10为开关电容式(switched-capacitor，SC)积分器，其包含差分放大器A2、回授电容器CF2、输入电容器CS2及一些(相位1/相位2)开关P1/P2。回授电容器CF2连接在差分放大器A2的正输入及负输出之间。输入电容器CS2经由开关P1/P2而连接在黑电平补偿电路10的输入及差分放大器A2的正输入之间。差分放大器A2的正输出提供补偿电压DACN给可编程增益放大器(PGA)12。

图3示出了非重迭的相位信号P1和P2及图2信号的时序图。在第一相位P1，来自负参考电压REFN的电荷储存在输入电容器CS2。负参考电压REFN为模数转换器(ADC)14的零位准，也是光学黑位准的定义所在。在第二相位P2，来自可编程增益放大器(PGA)12的输出电压OUTP的电荷储存在输入电容器CS2。因此，电压REFN及电压OUTP的电荷差即传送至回授电容器CF2，换句话说，电压REFN及电压OUTP的差值将受到开关电容式(SC)积分器10的积分。因此，可编程增益放大器(PGA)12的输出电压OUTP被箝制(clamp)在负参考电压REFN，因而完成黑电平补偿。在其他实施例中，可编程增益放大器(PGA)12的输出电压OUTP也可箝制在非零位准的黑电平。例如，如果光学黑位准定义于模数转换器(ADC)14的位准，则可编程增益放大器(PGA)12的输出电压OUTP可箝制在90％的REFN。

实际上，回授电容器CF2的电容值经设计使其和输入电容器CS2的电容值大致相等，因而在读取光学黑(或光遮)像素时(此时的开关ACT为闭合的)，黑电平补偿回路得以快速地达到稳定(通常仅要几个周期时间)。接下来，通过并联耦接另一电容器(CF2increase)(如图3所示)，使得回授电容器的电容值大量地增加。增大的回授电容值使得黑电平补偿电路10更能抵抗热(或坏)像素的影响。因此，可以得到快速且准确的黑电平补偿电路10。在完成黑电平补偿后，开关ACT即断开。开关ACT也可以在检测到一个或多个热(或坏)像素时予以断开，用以消除热像素所造成的效应。

与图1的传统黑电平补偿系统相比，本发明实施例(图4)使用模拟回授回路以实现黑电平的补偿，因此，不再需要数字电路2及数模转换器(DAC)3，因而可以避免时间延迟及量化误差。再者，还可以节省相当的芯片面积及相关的功率消耗。

图4示出了本发明第二实施例的黑电平补偿(BLC)电路10A/10B。本实施例使用多级(例如二级)的可编程增益放大器(PGA)12A/12B。每一级可编程增益放大器对应至一个黑电平补偿电路。例如，在实施例中，黑电平补偿电路10A用以箝制可编程增益放大器(PGA)12A的输出，而黑电平补偿电路10B则用以箝制可编程增益放大器(PGA)12B的输出。在另一实施例中，仅有最后一级可编程增益放大器(PGA)被箝制，而其他级则未予以箝制。

在本实施例(图4)中，第二级可编程增益放大器(PGA)12B的输出电压OUTP3被箝制在负参考电压REFN，而第一级可编程增益放大器(PGA)12A的输出电压OUTP则被箝制在电压REFN/A3(其中A3＝CS3/CF3)。一般来说，每一级的目标箝制电压依下一级可编程增益放大器(PGA)的增益而比例缩小。例如，如图4所示，第二级的可编程增益放大器(PGA)的增益A3等于CS3/CF3，因此第一级的目标箝制电压即为REFN/A3。

在图4的多级实施例中，相邻级的相位开关P1/P2的排列互为颠倒的。由于每一放大器(A2或A4)仅工作半个周期，因此，相邻级即可以共享一放大器，如图5所示第二实施例(图4)的变型实施例，其可以较图4节省更多的芯片面积。根据图式，放大器A2在第一相位P1时连接至第一级黑电平补偿电路10A，同一放大器A2则在第二相位P2时连接至第二级黑电平补偿电路10B。类似的情形，对于可编程增益放大器(PGA)12A/12B而言，放大器A1在第一相位P1时连接至第二级可编程增益放大器(PGA)12B，同一放大器A1则在第二相位P2时连接至第一级可编程增益放大器(PGA)12A。

图6示出了第二实施例(图4)的另一变型实施例。在此实施例中，使用二级的可编程增益放大器(PGA)，然而仅使用一级的黑电平补偿电路10B，因此可以较图4节省更多的芯片面积。单级黑电平补偿电路10B属于反相(inverting)配置，其负输出DACN连接以补偿第一级可编程增益放大器(PGA)12A，而第二级可编程增益放大器(PGA)12B的输出OUTP3则连接至单级黑电平补偿电路10B的输入。

在光学黑像素进行信号积分期间，由于工艺的非理想性，可能会受到一些坏像素的影响。因此，可以使用坏像素检测器以控制黑电平补偿电路中的开关ACT，从而断开黑电平补偿回路，因而将坏像素信息予以旁路。图7示出了本发明特征之一的坏像素检测器。反向器CMP1及电容器C1作为比较器，用以比较(如图2所示)可编程增益放大器(PGA)12的输出电压OUTP和坏像素参考电压BAD REFP。当输出电压OUTP大于坏像素参考电压BAD REFP时，比较器的输出Pixel OK变为“0”且检测器输出ACT也变为“0”，其即被用以旁路坏像素信息。上述检测器的电路可作等效的修改或以其他等效电路来取代。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并非用以限定本发明；凡其它未脱离发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修改，均应包含在所附权利要求以内。

Claims (24)

1.一种黑电平补偿电路，包含：

开关电容式积分器，用以补偿影像传感器的读出放大器，使得所述读出放大器的输出被箝制在参考电压，其定义为所述影像传感器的黑电平。

2.如权利要求1所述的黑电平补偿电路，其中，所述读出放大器为可编程增益放大器。

3.如权利要求1所述的黑电平补偿电路，其中，所述黑电平定义为模数转换器的负参考电压，所述模数转换器连接至所述读出放大器的输出。

4.如权利要求1所述的黑电平补偿电路，其中，所述读出放大器的输出连接至所述黑电平补偿电路的输入，且所述黑电平补偿电路的输出经控制而连接至所述读出放大器，并向其回授电容器或输入电容器充电。

5.如权利要求1所述的黑电平补偿电路，其中，所述开关电容式积分器包含：

差分放大器；

回授电容器，连接在所述差分放大器的正输入与负输出之间；

输入电容器，经控制而连接在所述黑电平补偿电路的输入及所述差分放大器的正输入之间；以及

多个第一相位开关及第二相位开关，其经配置而使得来自所述参考电压及所述读出放大器的输出所储存的电荷差得以传送至所述黑电平补偿电路的回授电容器；

其中，所述差分放大器的正输出提供补偿电压，用以补偿所述读出放大器。

6.如权利要求5所述的黑电平补偿电路，在第一相位时，来自所述参考电压的电荷储存在所述黑电平补偿电路的输入电容器，在第二相位时，来自所述读出放大器的输出的电荷储存在所述黑电平补偿电路的输入电容器。

7.如权利要求5所述的黑电平补偿电路，其中，所述回授电容器的电容值大致相同于所述输入电容器的电容值，并在后续增大所述回授电容器的电容值。

8.如权利要求7所述的黑电平补偿电路，其中，所述回授电容器的电容值的增大通过并联耦接另一电容器而达成。

9.如权利要求1所述的黑电平补偿电路，其中，所述读出放大器包含多个级，且所述黑电平补偿电路包含多个级，其中所述黑电平补偿电路的每一级对应至所述读出放大器的每一级。

10.如权利要求9所述的黑电平补偿电路，其中，所述黑电平补偿电路的每一级用以箝制所述读出放大器的对应级。

11.如权利要求10所述的黑电平补偿电路，其中，所述黑电平补偿电路每一级的目标箝制电压依下一级读出放大器的增益而比例缩小。

12.如权利要求9所述的黑电平补偿电路，其中，放大器共享于所述黑电平补偿电路的相邻级，使得所述共享放大器在第一相位时连接至其中一级，而在第二相位时连接至另一级。

13.如权利要求5所述的黑电平补偿电路，其中，所述读出放大器包含二级，且所述黑电平补偿电路包含反向配置的单级，其中所述单级黑电平补偿电路的负输出经连接以补偿所述第一级读出放大器，而所述第二级读出放大器的输出则连接至所述单级黑电平补偿电路的输入。

14.如权利要求1所述的黑电平补偿电路，还包含开关，当其断开时，可在检测到坏像素时，将坏像素信息予以旁路。

15.如权利要求14所述的黑电平补偿电路，还包含坏像素检测器，用以检测所述坏像素，所述坏像素检测器包含：

比较器，用以比较所述读出放大器的输出与坏像素参考电压，当所述读出放大器的输出大于所述坏像素参考电压时，则旁路所述坏像素。

16.一种黑电平补偿电路，包含：

放大器，其输入连接至读出放大器的输出；

回授电容器，连接在所述放大器的正输入与负输出之间；

输入电容器，经控制而连接在所述黑电平补偿电路的输入及所述放大器的输入之间；

多个第一相位开关及第二相位开关，其经配置而使得来自参考电压及所述读出放大器的输出所储存的电荷差得以被积分；

其中，所述放大器的另一输出提供补偿电压，用以补偿所述读出放大器，因此所述读出放大器的输出被箝制在所述参考电压，其定义为影像传感器的黑电平。

17.如权利要求16所述的黑电平补偿电路，其中，所述放大器为差分放大器。

18.如权利要求17所述的黑电平补偿电路，其中，所述回授电容器连接在所述差分放大器的正输入与负输出之间。

19.如权利要求18所述的黑电平补偿电路，其中，所述补偿电压由所述差分放大器的正输出所提供。

20.如权利要求19所述的黑电平补偿电路，其中，所述补偿电压经控制而连接至所述读出放大器，并向其回授电容器充电。

21.如权利要求16所述的黑电平补偿电路，其中，所述读出放大器为可编程增益放大器。

22.如权利要求16所述的黑电平补偿电路，其中，所述黑电平定义为模数转换器的负参考电压，所述模数转换器连接至所述读出放大器的输出。

23.如权利要求16所述的黑电平补偿电路，还包含开关，当其断开时，可在检测到坏像素时，将坏像素信息予以旁路。

24.如权利要求23所述的黑电平补偿电路，还包含坏像素检测器，用以检测所述坏像素，所述坏像素检测器包含：

比较器，用以比较所述读出放大器的输出与坏像素参考电压，当所述读出放大器的输出大于所述坏像素参考电压时，则旁路所述坏像素。

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