CN1577854A - 图像传感器集成电路 - Google Patents

Abstract

提供一种图像传感器，用于解决读出图像上产生横向条纹的问题。该图像传感器集成电路包括：多个光电转换元件；多个复位单元，用于初始化所述光电转换元件，分别与所述光电转换元件连接；参考电压电路，用于产生供应给所述复位装置的复位电压；和低通滤波器，设置在所述复位单元和参考电压电路之间。

Description

图像传感器集成电路

技术领域

本发明涉及一种光电转换装置，该光电转换装置接收照射原稿上的光的反射光，并将收到的反射光转换成电信号。尤其是，本发明涉及一种适用于诸如传真机或图像扫描仪这样的图像读取设备的线性图像传感器集成电路(IC)，和其上安装有大量图像传感器IC的接触型图像传感器。此外，本发明还涉及一种面型图像传感器IC。

背景技术

图16是表示常规图像读取设备中使用的图像传感器IC的电路图，图17是图像该传感器IC的时序图(例如参见JP 11-239245 A)。

光电二极管101的N型区与正电源电压端VDD连接，其P型区与复位开关102的漏极和源极跟随放大器103的栅极连接。参考电压VREF1提供给复位开关102的源极。用作输出的源极跟随放大器103的源极与读开关105和恒流源104连接。参考电压VREFA作为恒定电压施加给恒流源104的栅极。在图16所示的光电转换模块An内的所有构成一个像素。各个光电转换模块的读开关105与公共信号线106连接。注意，光电转换模块An表示n比特(bit)的光电转换模块。

公共信号线106经过电阻器110接至运算放大器109的倒相端连接。运算放大器109的输出端经过芯片(chip)选择开关112和电容器113与输出端116连接。公共信号线106与信号线复位开关107连接。参考电压VREF2提供给信号线复位开关107的源极。电阻器111连接在运算放大器109的输出端和倒相端之间。运算放大器109的非倒相端固定连接到恒定电压VREF3。运算放大器109、电阻器110、以及电阻器111一起组成倒相放大器D。

图像传感器IC的输出端116与MOS晶体管114的漏极连接。参考电压VREF4提供给MOS晶体管114的源极。图像传感器IC的输出端116还与诸如寄生电容器的电容器115连接。电容器113、电容器115、以及MOS晶体管114一起组成箝位电路C。

但是，在这种图像传感器IC中，在光电荷存储之后读出光信号，然后光电二极管复位。而后，读出参考信号，并从光信号中减去参考信号。因此，就有参考信号的复位电平不同于光信号的复位电平的问题。也就是说，因为在不同时刻得到的复位电平彼此相互比较时，有读取线之间的噪声很大的问题。

一般由包含在每个图像传感器IC内的参考电压电路供给复位电压VREF1。尤其，当噪声是基于电源电压时，复位电压也改变，所以每次复位，光电二极管的复位电平就产生波动。因此，每个读取线上的信号电平改变，结果读出图像上产生横向条纹。

尤其，当采用低成本的开关电源时，复位电压因开关电源的尖峰噪声严重变化，结果每个读出线上信号电平的变化变得更大。

发明内容

为解决上述问题，依据本发明的一方面，提供一种图像传感器IC，包括：多个光电转换元件；多个复位装置，用于初始化光电转换元件，复位装置分别与光电转换元件连接；参考电压电路，用于产生供给复位装置的复位电压；和低通滤波器，设置在复位装置和参考电压电路之间。

此外，根据本发明的另一方面，低通滤波器包括：电阻器元件，其电阻值为1kΩ或更大，设置在用于参考电压的输出端和复位装置之间；和电容器元件，其电容量为10pF或更大，设置在复位装置和恒定电压端之间。

此外，根据本发明的再一方面，每个复位装置包括开关元件。

此外，根据本发明的又一方面，提供一种图像传感器，包括：基底；和多个根据上述任一方面的图像传感器IC，其形成在基底上并彼此电连接。

根据该图像传感器IC，即使输出端的电源电压和参考电压上的尖峰噪声改变，也可通过后续级的低通滤波器抑制复位电压的变化。因此，总能够供应恒定复位电压，所以光电转换元件总是初始化到一恒定初始电压。因而，能够解决这样的问题，即，每个读出线上的信号电平改变因而在读出图像上产生横向条纹的问题。

当采用结构简单的由多个图像传感器IC构成的接触型图像传感器时，能够解决在读出图像上产生横向条纹的问题。

附图说明

附图中：

图1是表示根据本发明一实施例的图像传感器IC示意图；

图2是表示根据本发明第一实施例的光电转换装置的示意图；

图3是表示根据本发明实施例的光电转换装置的整体结构框图；

图4是根据本发明第一实施例的光电转换装置和信号处理电路的时序图；

图5是表示根据本发明第二实施例的光电转换装置的示意图；

图6是关于根据本发明第二实施例的光电转换装置和信号处理电路的时序图；

图7是表示根据本发明实施例的信号处理电路的模块图；

图8是表示根据本发明实施例的采样-保持电路的电路图；

图9是表示根据本发明实施例的缓冲电路的电路图；

图10是表示根据本发明实施例的放大电路的电路图；

图11是表示根据本发明实施例的减法器的电路图；

图12是表示根据本发明实施例的箝位电路的电路图；

图13是表示根据本发明实施例的参考电压电路和低通滤波器的电路图；

图14是表示根据本发明实施例的参考电压电路和低通滤波器的电路图；

图15是表示根据本发明实施例的接触型图像传感器的示意图；

图16表示常规图像传感器IC的电路图；

图17是常规图像传感器IC的时序图。

具体实施方式

以下将参考附图描述本发明。

<第一实施例>

图1是表示根据本发明一实施例的图像传感器IC的示意图。图像传感器IC41包括信号处理电路42，光电转换装置43，参考电压电路44，低通滤波器45，和信号输出端47。光电转换装置43的公共信号线与信号处理电路42连接。信号处理电路42的输出接至信号输出端47。

图15是表示使用图1所示图像传感器IC 41的接触型图像传感器的示意图。该接触型图像传感器由三个图像传感器IC 41构成。图像传感器IC 41的信号输出端47在外部彼此连接。图像传感器IC 41的输出从VOUT2端输出到外部。

图13和14是表示图像传感器IC 41内的参考电压电路44和低通滤波器示例45的电路图。图13中，由电阻器分压电源电VDD产生参考电压。因此，当电源电压变化时，参考电压的输出电压VR根据电源电压的变化量的电阻分压值变化。

对于图14中的参考电压，输出电压VR的变化量小于电源电压的变化量。但是，输出电压VR的变化量不能减小到0。

在任何电路中，VR变化的高频成分都被后级的低通滤波器45去除，所以抑制了Vreset的变化。尤其，当电源电压的变化为尖峰噪声时，变化基本上都是高频成分，所以Vreset的变化变得更小。低通滤波器45包括电阻元件53和电容元件54。低通滤波器45的截止频率根据电源电压的噪声频率分布确定。实验中使用开关电源，当电阻值为1kΩ或更大，电容量为10pF或更大时，达到上述效果。注意，电容元件的一端可与除接地端GND外的接线端连接，只要该接线端保持恒定电压。

低通滤波器的结构不局限于上述构成。

图7是表示根据本发明该实施例的信号处理电路42的模块图。输入到输入端VIN的信号被输入到采样-保持电路21和缓冲放大器23。采样-保持电路21的输出输入到缓冲放大器22。缓冲放大器22的输出和缓冲放大器23的输出被输入到减法器24。减法器24的输出输入到箝位电路25。减法器24和箝位电路25具有公共参考电压，与VREF端连接。箝位电路25的输出输入到缓冲电路26。注意缓冲电路26可以用放大电路替代。放大电路可以与VREF端连接以使用公共参考电压。缓冲电路26的输出输入到采样-保持电路27。采样-保持电路27的输出又输入到缓冲放大器28。缓冲放大器28的输出输入到传输门电路29。传输门电路29的输出与输出端VOUT2连接。注意根据使用情况可以省略传输门电路29。

图8是表示根据本发明该实施例的采样-保持电路的电路图，可用作采样-保持电路21和采样-保持电路27。该采样-保持电路包括传输门电路30，虚拟开关31和电容器C1。在该采样-保持电路中，为了使脉冲fSH的噪声与倒相脉冲fSHX的噪声抵消，则组成传输门电路30的NMOS和PMOS晶体管设定成相同的尺寸。此外，组成模拟开关31的NMOS和PMOS晶体管的栅极区设定为组成传输门电路的晶体管的栅极区的一半。

图9根据本发明该实施例的缓冲放大器的电路图，是一运算放大器32。这个电路用于缓冲放大器22，23，26和28。注意缓冲放大器可以是源极跟随放大器。

图10是表示根据本发明该实施例的放大电路的电路图，放大电路包括运算放大器32和电阻器。当将缓冲放大器26用该电路替代时，可以提高信号处理电路的增益。放大电路可与图1所示的VREF端连接以使用公共参考电压VREF。

图11是表示根据本发明该实施例的减法器的电路图，该减法器包括运算放大器32和电阻器。在该电路中，将由INP端电压减去INM端电压所得电压乘以由电阻比确定的增益，并用参考端VREF的电压作参考输出。当将INP端和INM端互反过来与运算放大器32连接，在作参考的VREF端的电压基础上，输出也反相。

图12是表示根据本发明该实施例的箝位电路的电路图，可用于箝位电路25。该箝位电路包括传输门电路30，虚拟开关31和电容器33。在箝位电路中，为了使脉冲fCLAMP的噪声与反相脉冲fCLAMPX的噪声抵消，将组成传输门电路30的NMOS和PMOS晶体管设置成相同的尺寸。此外，将组成虚拟开关31的NMOS和PMOS晶体管的栅极区设置成组成传输门电路的晶体管的栅极区的一半。

正如图3表示，图1中所示光电转换装置43是由多个光电转换模块A1，A2，…，An组成。图2示出光电转换模块A1，A2，…，An之一的例子，表示根据本发明该实施例的光电转换装置的电路示意图。图2中所示光电转换模块An中包含的所有元件构成一个像素。每个模块的通道选择开关7接至公共信号线11。注意光电转换模块An表示n比特(bit)的光电转换模块。这个模块包括用作光电转换部分的光电二极管1，用作电荷转移部分的转移开关4，用作复位部分的复位开关2，放大器部分3，电容器5，组成MOS源极跟随器的MOS晶体管6，用作通道选择部分的通道选择开关7，公共信号线11和第一电流源8。

复位开关2的一端接至Vreset端。所有光电转换装置的Vreset端都彼此相连，如图3所示。

放大器部分3可以由MOS源极跟随器，电压跟随放大器等等构成，其中设有用于选择它的操作状态的放大器使能端10。在MOS晶体管6的栅极和源极之间有寄生电容9。MOS晶体管6的源极接至第二电流源51。电流源51响应使能信号fRR接通或断开。在接通状态，流过的电流电位与第一电流源8相同。

光电转换模块的输出端VOUT接至图7所示信号处理电路的输入端VIN。光电转换装置和信号处理电路可以形成在单片半导体基片上。

图4是关于根据本发明该实施例的光电转换装置和信号处理电路的时序图。

接下来，将参考该时序图描述该实施例的动作。

首先，将描述n比特光电转换模块的操作。

当复位开关2响应fR(n)接通时，光电二极管1的输出端固定在参考电压Vreset。当复位开关2断开时，输出端Vdi的电压变成参考电压Vreset加上断开噪声(off noise)所得和。

如前所述，即使尖峰噪声基于电源电压，参考电压的输出电压VR变化，也通过后级的低通滤波器45抑止复位电压Vreset的变化。因此，每次复位，输出端Vdi的电压不会改变，以便保持恒量。

在复位开关2响应fr(n)而断开之后，转移开关响应fT1(n)接通，在周期TR内将参考信号读入电容器5。这时，电流源51响应使能信号fRR(n)接通，所以MOS晶体管6的源极电势设置成和在fSCH(n)接通状态读出时相同的电位。参考信号在电容器5中保持一个周期。在该周期期间，光电荷存储在光电二极管1中，输出端Vdi的电势随光电荷量而变化。当在下一周期期间，通道选择开关7响应fSCH(n)接通时，保持在电容器5中的参考信号在周期REF期间读出到公共信号线11。接着，当fT1(n)设置为接通状态以便将光信号读入电容器5时，光信号读出到公共信号线11。这时，电流源51断开。因此，在参考信号在周期TR期间读入电容器5时MOS晶体管6的源极电势可以设置成与在与光电二极管中存储的电荷相应的光信号在周期TS期间读入电容器5中时的相同。因而，能够抑止寄生电容器9对电容器5中存储的电荷的影响，所以减少断开输出电压的偏差。

根据上述操作，当在fSCH(n)的周期REF和周期SIG中来自公共信号线11的输出电压VOUT相减时，能够去除由复位开关2引起的固定模式噪声和随机噪声。接着，在fT1(n)设置为断开状态后，fSCH(n)设置为断开状态，fR(n)设置为接通状态使光电二极管1复位准备下一动作。然后，fT1(n)再设置成接通状态以在周期TR期间将参考信号读入电容器5。

在fSCH(n)设置成断开状态后，用于下一比特的通道选择开关7响应fSCH(n+1)接通，开始读取下一比特的参考信号。与第n比特的脉冲相比，所有第(n+1)比特的其它脉冲延迟fSCH的接通周期。

在上述描述中，可以省略第二电流源51。在这种情况下，不需要脉冲fRR。

如前所述，从输出端VOUT按顺序输出第n比特的参考信号，第n比特的光学信号，第(n+1)比特的参考信号，和第(n+1)比特的光学信号。下文，为简便起见，假设参考信号的输出周期为第一个半周期，光学信号的输出周期为第二个半周期。

接下来，描述信号处理电路的操作。

自输出端VOUT的输出输入到VIN端。采样-保持脉冲fSH1在参考信号开始之后设置在接通状态，在参考信号结束之前设置在断开状态。因此，采样和保持该参考信号。将VIN端的信号与采样和保持的信号输入到减法器。在第一个半周期，相同的参考信号输入到减法器。在第二个半周期，参考信号和采样和保持的光学信号输入到减法器。在第一个半周期，减法器的输出变成电平VREF。第二个半周期，减法器的输出变成将电平VREF和由参考信号和光学信号之间的差乘以增益得到的电平相加所得的电平和。在第一个半周期，缓冲放大器22和23及减法器24的偏差叠加至输出上。在第二个半周期，缓冲放大器22和23及减法器24的偏差和采样-保持电路的偏差叠加至输出上。

箝位脉冲fCLAMP在fSH1变成接通(on)状态前设置成接通(on)状态，在fSH1变成断开(off)状态前设置成断开(off)状态。因此，在第一个半周期，箝位电路25的输出箝位在电平VREF。在第二个半周期，箝位电路25的输出变成将电平VREF和由减法器的第二个半输出减去第一个半输出得到的电平进行相加所得的电平。因此，在第二个半周期，缓冲放大器22和23及减法器24的偏差不叠加至箝位电路的输出。此外，采样-保持电路21的偏差很小，因为这个电路用于使脉冲fSH的噪声与倒相脉冲fSHX的噪声抵消。因而，在第二个半周期的箝位电路的输出，变成将用作参考的电平VREF和由参考信号和光学信号之间的差乘以增益得到的积相加所得的电平。

采样-保持脉冲fSH2在光学信号开始之前或后设置在接通状态，而在光学信号结束之前设置在断开状态。因此，在第二个半周期采样箝位的输出，而后在下一比特的第一个半周期保持。因而，输出电平可以保持一个长的时间。

<第二实施例>

图5表示根据本发明第二实施例的光电转换装置的电路示意图。在图5所示光电转换模块An中包含的元件构成一个像素。每个模块的通道选择开关7接至公共信号线11。注意光电转换模块An表示n比特的光电转换模块。图3表示光电转换装置43的整体结构框图。

该模块包括用作光电转换部分的光电二极管1，用作电荷转移部分的转移开关14，15，16和17，用作复位部分的复位开关2，放大器部分3，用于保持光学信号的电容器13，用于保持作为光电转换部分中的基准的参考信号的电容器12，组成MOS源跟踪器的用作信号读出部分的MOS晶体管6，用作通道选择部分的通道选择开关7，公共信号线11，和第一电流源8。

复位开关2的一端接到Vreset端。一般所有光电转换装置的Vreset端都彼此相连，如图3所示。

放大器部分3可以由MOS源跟随器，电压跟随放大器等等构成，其中可以设置用于选择其操作状态的放大器使能端10。

光电转换模块的输出端VOUT接至图7所示信号处理电路的输入端VIN。光电转换装置和信号处理电路可以形成在单片半导体基底上。

图6是根据本发明第二实施例的关于光电转换装置和信号处理电路的时序图。

下面，将参考时序图描述光电转换装置的操作。

图6中，fR，fRIN，fSIN和fSEL同时用于所有比特。由fSO，fRO和fSCH的使用时间根据比特改变，因此它们用(n)表示。

首先，将描述第n比特的光电转换模块的操作。

转移开关15响应位置S1的脉冲fSIN接通，使由入射在光电二极管1上的光产生的电荷存储之后得到的光信号读入电容器13。接着，当复位开关2响应位置R2的脉冲fR接通时，光电二极管1的输出端Vdi固定为参考电压Vreset。当复位开关2断开时，输出端Vdi的电压变成暗噪声(off noise)与参考电压Vreset相加所得的和。

如上所述，即使当尖峰噪声基于电源电压，参考电压的输出电压VR变化，也通过后级的低通滤波器45抑止复位电压Vreset的变化。因此，每次复位，输出端Vdi的电压不改变，而是保持恒定。

紧接在复位开关2断开之后，转移开关14响应位置2的fRIN接通，将光电二极管1复位后的参考信号读入电容器12。之后，光电荷存储在光电二极管1中。输出端Vdi的电势随光电荷量而变。存储周期是R2处脉冲fR的末端到下一周期的S2处脉冲fSIN的末端，所以变成图6所示的周期TS2。因此，所有比特的存储周期都相等。

接下来，将描述参考信号和光信号的读操作。

在图6所示存储周期TS2中，当通道选择开关7响应脉冲fSCH(n)打开(opened)，同时转移开关17响应脉冲fSO(n)打开时，电容器3中保持的光信号读到公共信号线11。这个周期对应于fSCH(n)的S1。

光信号是在周期TS1中存储的信号，基于在位置R1由脉冲fR复位的复位电压。

接着，当转移开关16响应脉冲fRO(n)打开时，保持在电容器12中的参考信号读到公共信号线11。参考信号是在位置R2由脉冲fR复位的信号。

当通过后级的信号处理电路得到光信号和参考信号的差值时，得到不同脉冲fR的复位电平的差。然而，参考电压Vreset的热噪声很小，所以只能得到因光产生的电压差。

接着，在fSCH(n)设置在断开状态后，用于下一比特的通道选择开关7响应fSCH(n+1)接通。然后，当用于下一比特的转移开关17响应脉冲fSO(n+1)接通时，读出下一比特的光信号。与第n比特的脉冲相比，第(n+1)比特的所有其它脉冲都延迟fSCH的接通周期。

在这个实施例中，在周期TS2光电二极管的存储操作中，读取在预存储周期TS1存储的光电荷。因此，R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)三种颜色的LED(发光二极管)接通，相继读取彩色图像数据。例如，在周期TS1中，红色LED接通读取红色成分。在周期TS2中，绿色LED接通读取绿色成分。在周期TS1的下一周期中，蓝色LED接通读取蓝色成分。在这样情况下，在周期TS2读取红色光信号。

如上所述，从公共信号线11上的输出端VOUT按顺序输出第n比特的光信号，第n比特的参考信号，第(n+1)比特的光信号和第(n+1)比特的参考信号。这个顺序与第一实施例光电转换装置中光信号和参考信号的输出顺序相反。可是，当使用如图6所示的脉冲fSH1，fCLAMP和fSH2时，使用参考电压VREF作为参考，通过图7所示的如第一实施例的光电转换装置中的信号处理电路，将光信号和参考信号的差值进行放大。

在以上描述中，光电转换装置可以是按顺序输出参考信号和光信号的任意电路。可对线性传感器和面传感器进行信号处理。即使当光信号和参考信号的输出顺序相反，减法器的INP端和INM端相反连接时，也能够进行处理。当减法器的INP端和INM端相反连接时，基于VREF电平的减法器的输出也反过来。因此，不管光信号的灵敏度为正或负，信号处理电路的灵敏度都可以设置为正。

以上描述了本发明的图像传感器器IC，在IC中可以不包括信号处理电路42。

以上主要描述了线性图像传感器IC。图1所示结构还适用于面型图像传感器IC。

本发明不局限于上述各个实施例，包括各种修改，只要不脱离本发明的精神。

本发明可用于适用于诸如传真机或图像扫描仪的图像读取设备的线性图像传感器IC，和其上安装有大量图像传感器IC的接触型图像传感器。此外，本发明还适用于面型图像传感器IC。

Claims (5)

1.一种图像传感器集成电路，包括：

多个光电转换元件；

多个复位装置，用于初始化所述光电转换元件，其分别与所述光电转换元件连接；

参考电压电路，用于产生供应给所述复位装置的复位电压；和

低通滤波器，设置在所述复位装置和参考电压电路之间。

2.根据权利要求1的图像传感器集成电路，其中所述低通滤波器包括设置在所述参考电压的输出端和所述复位装置之间的电阻元件，和设置在所述复位装置和恒定电压端之间的电容元件。

3.根据权利要求2的图像传感器集成电路，其中所述电阻元件具有的电阻值为1kΩ或更大，所述电容元件具有的电容量为10pF或更大。

4.根据权利要求1的图像传感器集成电路，其中每个所述复位装置包括开关元件。

5.一种图像传感器，包括：

基底；和

多个根据权利要求1-4中任意一项的图像传感器集成电路，它们形成在基底上并互相电连接。

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