CN1652566A - 图像传感设备中的相关双采样放大器 - Google Patents

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CN1652566A CN 200510006434 CN200510006434A CN1652566A CN 1652566 A CN1652566 A CN 1652566A CN 200510006434 CN200510006434 CN 200510006434 CN 200510006434 A CN200510006434 A CN 200510006434A CN 1652566 A CN1652566 A CN 1652566A
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Abstract

一种用于图像传感设备的相关双采样(CDS)放大器包括:多个电容器以及耦合至图像传感设备的所述多个电容器和一个像素的一开关网络。该开关网络被配置成,当产生初始CDS电压差时并行耦合所述电容器,然后被配置用于串行耦合所述电容器,以产生为初始CDS电压差的一个倍数的最终CDS电压差。

Description

图像传感设备中的 相关双采样放大器

本申请要求享有于2004年2月3日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第2004-6981号的优先权,其公开的全部内容在此包含引作参考。

技术领域

本发明通常涉及图像传感器,具体而言,本发明涉及一种用于互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器以提高信噪(S/N)比的相关双采样(CDS)放大器。

背景技术

互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)相对于电荷耦合器件(CCD)来说具备诸多的优点,包括低的驱动电压、低功耗、由标准CMOS工艺制造、以及高集成度。所以,在将来,CIS有可能取代CCD。

但是,与CCD所不同的是,CIS需要用于将从有源像素传感器(APS)接收的模拟信号转换为数字信号的高分辨率模数转换器(ADC)。

使用单个ADC或列ADC来完成模拟信号到数字信号的转换。在前一种情况下,在预定的时间内通过高速驱动的单个ADC将从所有列的APS接收的模拟信号转换为数字信号。所以,最小化了ADC芯片的面积。但是,由于ADC以高速来驱动,因此不利的是增加了CIS的功耗。另一方面,在后一种情况下,结构简单的ADC被以列的方式安排并且功耗较小,但是增加了芯片的面积。

为了获得高性能,期望最大化CIS的信噪比(S/N比)。在这一方面,几乎所有的CIS都使用一种相关双采样(CDS)方法。在CDS方法中,从APS阵列的一个像素产生复位电压和信号电压,并且复位电压和信号电压之差指示像素所检测到的光的强度。利用这样一种CDS方法,CIS消除了固定图案噪声或低频噪声,籍此提高了S/N比。这里,“复位电压”指示由APS在复位采样期间所产生的电压,“信号电压”指示由APS在信号采样期间所产生的电压。

根据CDS方法将模拟信号转换为数字信号的ADC还确定CIS的S/N比。例如,对于CIS的增强S/N比来说,期望由ADC所转换的模拟信号的范围较高一些。

发明内容

因此,一种图像传感设备包括一个用于产生复位电压和图像信号电压的像素。另外,相关双采样(CDS)放大器产生一个初始CDS电压差作为复位电压和图像信号电压之间的差,它还产生一个最终CDS电压差,该电压差是初始CDS电压差的一个倍数。一个模数转换器转换模拟信号的该最终CDS电压差成为数字信号。

在本发明的一个示例性实施例中,CDS放大器包括多个电容器和耦合至多个电容器以及所述像素的开关网络。而且,当产生初始CDS电压差时,图像传感设备的控制器配置该开关网络以并行耦合电容器,然后串行耦合电容器,以产生最终CDS电压差。

在本发明的一个实施例中,最终CDS电压差是初始CDS电压差的N倍,其中N是一个整数。在这种情况下,多个电容器包括耦合至斜坡信号发生器和所述像素的第一组N个电容器,并包括耦合至所述像素和一个输出节点的第二组N个电容器,该输出节点产生用于模数转换器的输入电压。另外,所述开关网络包括一个在像素和第一和第二组N个电容器中的每组电容器之间相耦合的像素采样开关。

在本发明的另一个实施例中,在产生最终CDS电压差之前,斜坡信号发生器产生一个初始的斜坡电压。在本例中,模数转换器包括一个用于比较输出节点的输入电压和所述初始斜坡电压的比较器。

另外,在本例中,控制器还控制开关网络,以并行耦合第一组N个电容器并且并行耦合第二组N个电容器,以在信号采样周期中产生输入电压,该输入电压是与初始的斜坡电压偏移的初始CDS电压差。另外,控制器控制该开关网络,以串行耦合第一组N个电容器并且串行耦合第二组N个电容器,以在经过信号采样周期之后产生输入电压,该输入电压是与初始的斜坡电压偏移的最终CDS电压差。

当图象传感装置是CIS(CMOS图像传感器)类型时,可特别有利地使用本发明。但是,本发明还可以用于任何其他类型的图像传感设备中具有放大的相关双采样。

通过这种方式,通过放大而执行相关双采样,以产生最终CDS电压差。当这种最终CDS电压差被输入到模数转换器时,字对于已经放大了的最终CDS电压差的模数转换提高了S/N比。

附图说明

当参考附图详细描述本发明的示意性实施例时,本发明的上述和其他特征以及优点将变得更加显而易见,其中:图1示例了根据现有技术将单个像素信号转换为数字信号的互补金属氧化物半导体(CMOS)类型图像传感器的单元方块;图2是根据现有技术的图1中CMOS图像传感器单元方块的操作定时图;图3示例了根据现有技术的包括有前置放大器的CMOS类型图像传感器的单元方块;图4示例了根据本发明一个实施例的包括有相关双采样(CDS)放大器的CMOS图像传感器的单元方块的部分视图;图5是根据本发明一个实施例的图4中CMOS图像传感器的单元方块的操作定时图;图6所示为根据本发明一个实施例的CDS放大器,它通过一个通用因子N以放大CDS电压差;以及图7所示为根据本发明一个实施例的包括有图4组件的图像传感设备的方框图。

这里所参考的附图仅仅为了清楚示例起见而绘制,而不必按照比例绘制。在图1、2、3、4、5、6和7中具有相同附图标记的单元指具有相似结构和/或功能的单元。

具体实施方式

图1示例了互补金属氧化物半导体(CMOS)类型图像传感器的单元方块100。参考图1,CMOS图像传感器的单元方块100使用一种列模数转换器(ADC)技术并且包括一个单元有源像素传感器(APS)像素110、斜坡信号发生器120、和模数转换器(ADC)130。

在本领域中所众所周知的是,单元APS像素110包括一个光电二极管PD、多个晶体管Tx、Rx、Dx和Sx,以及电流源IN。光电二极管PD响应于自外部接收的光而积聚电荷载流子。传输晶体管Tx传输从该光电二极管PD积聚的电荷载流子到源极跟随晶体管Dx的栅极。

复位晶体管Rx传输复位电压(VDD)到源极跟随晶体管Dx的栅极,选择晶体管Sx传输从源极跟随晶体管Dx所产生的电压给节点112,电流源IN用作节点112处的偏置负载。像素电压信号VAPS产生于节点112上。

斜坡信号发生器120产生模拟斜坡电压,即Vramp。ADC 130包括比较器133、反相器134、多个开关S1、S2和S3,以及多个电容器C0、C1和C2。ADC 130从APS像素110接收像素电压信号VAPS,该像素电压信号VAPS包括一个复位电压Vres和一个图像信号电压Vsig,以根据这些电压执行相关双采样(CDS),并根据与参考电压Vref的比较结果而产生数字信号Dout。在这方面,ADC 130起着相关双采样器和模数转换器两者的作用。

图2是图1的CMOS图像传感器的单元方块的操作定时图。参考图1和2,单元APS像素110在复位采样周期TRS之前产生复位电压Vres。

在执行复位采样的复位采样周期TRS中,接通开关S1、S2和S3。所以,比较器133的输出电压,即参考电压Vref被施加到节点132,并且在电容器C0中存储对应于复位电压Vres和节点132的输入电压Vin之差的电荷。

在信号采样周期TSS之前的周期中,通过一个来自该复位电压Vres的图像信号电压Vsig减少像素电压信号VAPS。图像信号电压Vsig与光电二极管PD所接收的光强成比例。复位电压Vres和图像信号电压Vsig之间的这种电压差是CDS(相关双采样)电压差(Vres-Vsig)。

在执行信号采样的信号采样周期TSS中,节点132的输入电压Vin是与参考电压Vref相偏移的CDS电压差。之后,比较器133比较第一输入端的电压Vin和第二输入端的电压Vref,并输出与比较结果相对应的逻辑“低”或“高”信号。

在完成CDS之后从时间tRS时起,节点132的电压Vin与来自斜坡信号发生器120的斜坡电压Vramp输出同时地增加。当节点132的电压Vin大于参考电压Vref时,比较器132的输出电压是逻辑“高”,以及当节点132的电压Vin小于参考电压Vref时,比较器132的输出电压是逻辑“低”。

当节点132的电压Vin斜坡向上时,如果ADC130的输出电压Dout被以时间采样,那么来自这种采样的逻辑高或低电平就会产生来自ADC 130的数字信号。注意到对于数字信号中的较大数量的逻辑低比特来说,图像信号电压Vsig越大,Vin保持小于Vref时间就越长。

通过使用CDS电压差(Vres-Vsig),CMOS图像传感器的单元方块100消除了在复位电压Vres和图像信号电压Vsig中都共有的噪声,籍此提高了CMOS图像传感器的S/N比。CMOS图像传感器的单元方块100还具备其他的优点,诸如结构简单和低功耗。但是,当单元APS像素110的大小减小时,CDS电压差(Vres-Vsig)的范围也在减小,这将恶化ADC 130的S/N比。

也就是说,当ADC 130是N位ADC时,当施加作为节点132的输入电压Vin的CDS电压差(Vres-Vsig)减小时,(Vres-Vsig)被2N相除的增量电压步长减小。所以,ADC 130对于外部噪声更为敏感,这将使它难以实现高分辨率。

图3示例了包括有前置放大器320的典型CMOS图像传感器的单元方块。图3的CMOS图像传感器的单元方块是针对图1中CMOS图像传感器的单元方块100的问题而设置的。参考图1和3,图3的CMOS图像传感器的单元方块还包括有放大来自单元APS像素110的像素电压信号VAPS的前置放大器320。

前置放大器320放大像素电压信号VAPS,以产生放大的被施加作为比较器133的输入信号Vin的CDS电压差,(Vres-Vsig)。所以,图3的CMOS图像传感器的单元方块具有更高的信号转换分辨率。但是,由于存在前置放大器320,增加了图3的CMOS图像传感器的单元方块的面积和功耗。

本发明就是针对图1和3中CMOS图像传感器的单元方块的这些问题而提出的。图4示例根据本发明一个实施例的包括有CDS(相关双采样)放大器410的CMOS图像传感器的单元方块。参考图4,该CMOS图像传感器的单元方块包括有一个斜坡信号发生器120、CDS放大器410和一个ADC(模数转换器)430。

图7所示为包括图4的这些元件120、410和430的图像传感设备400的方框图。图像传感设备400还包括一个APS像素110,它类似于图1的这样一个产生像素电压信号VAPS的像素110。该像素电压信号VAPS被施加到CDS放大器410。CDS放大器410具有一个用于产生被施加作为ADC430的输入电压Vin的最终CDS电压差的输出节点417。另外,图像传感设备400包括控制器450,该控制器用于产生控制CDS放大器410内每个开关接通或断开的开关控制信号。

斜坡信号发生器120产生被施加于CDS放大器410的节点413上的斜坡信号Vramp。CDS放大器410包括多个电容器C11、C12、C01和C02,以及形成一个开关网络的多个开关S1、SW1和SW2。电容器C11和C12形成了在斜坡信号发生器120和APS像素110之间通过像素采样开关S1相耦合的第一组电容器。电容器C01和C02形成了在ADC 430和APS像素110之间通过像素采样开关S1相耦合的第二组电容器。

开关SW1耦合在第一组电容器C11和C12之间,以便当闭合所述开关SW1时,并行地耦合这些电容器C11和C12。同理,开关SW1耦合在第二组电容器C01和C02之间,以便当闭合所述开关SW1时,并行地耦合这些电容器C01和C02。

相比之下,开关SW2耦合在第一组电容器C11和C12之间,以便当闭合所述开关SW2时,串行地耦合这些电容器C11和C12。同理,开关SW2耦合在第二组电容器C01和C02之间,以便当闭合这种开关SW2时,串行地耦合这些电容器C01和C02。

ADC 430包括比较器、反相器433、电容器432以及两个开关S2和S3。比较器431从CDS放大器410的输出节点417接收一个电压输出和一个参考电压Vramp0,比较这两个电压,并输出比较结果给电容器432。反相器433将通过432接收的比较器431的输出信号反相并输出其结果。这里,反相器433的输出Dout是逻辑“高”或“低”。

图5是图4的CMOS图像传感器的单元方块的操作定时图。现在将参考图5描述图4的CMOS图像传感器的操作。

在这些复位采样的复位采样周期TRS中,接通开关S1、S2、S3和SW1,并断开开关SW2。参考图4、5和7,图7的控制器450产生图5的开关控制信号S1、S2、S3、SW1和SW2,这些信号用于控制图4的每个开关S1、S2、S3、SW1和SW2的接通或断开配置。

同时,由于电容器C01和C02是串联的,因此对应于参考电压Vramp0和复位电压Vres之间电压差(Vramp0-Vres)的电荷被存储在每个电容器C01和C02中。这里,参考电压Vramp0与斜坡信号发生器120的输出电压Vramp相关,并指示斜坡信号发生器120的一个初始斜坡电压Vramp0。

在执行信号采样的信号采样周期TSS中,接通开关S1和SW1并断开开关S2、S3和SW2。此时,由于电容器C11和C12是并联的,因此对应于信号电压Vsig和参考电压Vramp0之间的电压差(Vsig-Vramp0)的电荷被存储在每个电容器C11和C12中。

在信号采样期间在节点417产生的电压Vin包括一个初始CDS电压差(Vres-Vsig),如以下方程1所示:Vin=Vramp0+(Vsig-Vramp0)+(Vramp0-Vres)=Vramp0-(Vres-Vsig)  ...(1)在信号采样之后,断开开关S1和SW1并接通开关SW2。所以,电容器C11、C12、C01和C02被串行连接。此时,在节点417产生的电压Vin包括一个最终CDS电压差2(Vres-Vsig),如以下方程2所示:Vin=Vramp0+2(Vsig-Vramp0)+2(Vramp0-Vres)=Vramp0-2(Vres-Vsig)  ...(2)参考方程1和2,指示在APS像素110接收的光强并且由ADC430进行转换的最终CDS电压差2(Vres-Vsig)是由初始CDS电压差(Vres-Vsig)通过因子2放大而得到的。因此,CDS放大器41 0有利地产生了较高的信号转换分辨率。而且,利用该CDS放大器410,将不使用放大像素电压信号VAPS的前置放大器,以便图像传感设备400具有较小的布局面积和较低的功耗。

图6所示为根据本发明另一个实施例用于通过一个通用因子N放大CDS电压差的CDS放大器410。在这种情况下,第一组电容器C11、C12、C13、...、和C1N由N个电容器组成,以及第二组电容器C01、C02、C03、...、C0n由N个电容器组成。

在信号采样期间,闭合开关SW1(断开开关SW2)以并行连接第一电容器C11、C12、C13、...、C1N,以及并行连接第二组电容器C01、C02、C03、...、和C0n。另外,在信号采样之后,闭合开关SW2(断开开关SW1)以串行连接第一组电容器C11、C12、C13、...、C1N,以及串行连接第二组电容器C01、C02、C03、...、和C0n。

因此,在信号采样之后,在节点417产生的电压Vin如以下方程3所表达:Vin=Vramp0+N(Vsig-Vramp0)+N(Vramp0-Vres)=Vramp0-N(Vres-Vsig)  ...(3)通过这种方式,CDS放大器410执行相关双采样以及放大这种相关双采样。当最终CDS电压差N(Vres-Vsig)输入到ADC 430时,在被放大了N倍的最终CDS电压差N(Vres-Vsig)的模数转换中提高了S/N比。因此,对于图像电压信号来说,CDS放大器410利用小布局面积和低功耗的图像传感设备400产生了较高的信号转换分辨率。

尽管已经参考本发明的示意性实施例具体示出并描述了本发明,但是本领域的普通技术人员将会理解,可以对本发明在形式和细节方面进行各种变化,而不背离以下权利要求所定义的本发明的精神和范围。

因此,上述仅仅是作为实例并且无任何意图作为限制。例如,这里所示例和描述的任何数量的元件或电路拓扑结构都只是作为实例。另外,已经就CIS(CMOS图像传感器)类型的图像传感设备描述了本发明。但是,本发明还可以被用于任何其他类型的图像传感设备中具有放大的相关双采样。本发明受如以下权利要求及其等同物所限定范围的限制。

Claims (20)

1.一种相关双采样(CDS)放大器,包括:多个电容器;以及一开关网络,耦合至图像传感设备的所述多个电容器和一个像素;其中,所述开关网络被配置成,当产生初始CDS电压差时并行耦合所述电容器,然后被配置成串行耦合所述电容器,以产生作为初始CDS电压差的一个倍数的最终CDS电压差。
2.根据权利要求1所述的CDS放大器,其中所述初始CDS电压差是用于所述像素的复位电压和图像信号电压之间的差值。
3.根据权利要求1所述的CDS放大器,其中,所述最终CDS电压差是初始CDS电压差的N倍,其中N是一个整数。
4.根据权利要求3所述的CDS放大器,其中所述多个电容器包括:第一组N个电容器,耦合至一个斜坡信号发生器和所述像素;以及第二组N个电容器,耦合至所述像素和一个输出节点,该输出节点产生一个输入电压到一个模数转换器;并且,其中所述开关网络包括:一像素采样开关,耦合在所述像素和第一和第二组N个电容器中的每组电容器之间。
5.根据权利要求4所述的CDS放大器,其中所述斜坡信号发生器产生一个初始斜坡电压,直到产生最终CDS电压差。
6.根据权利要求5所述的CDS放大器,其中控制器控制所述开关网络,以并行耦合所述第一组N个电容器以及并行耦合所述第二组N个电容器,以在信号采样周期中在输出节点产生与初始斜坡电压相偏移的所述初始CDS电压差。
7.根据权利要求6所述的CDS放大器,其中控制器控制所述开关网络以串行耦合所述第一组N个电容器以及串行耦合所述第二组N个电容器,以在经过信号采样周期之后在输出节点产生与初始斜坡电压相偏移的所述最终CDS电压差。
8.根据权利要求1所述的CDS放大器,其中所述图像传感设备是CIS(CMOS图像传感器)类型的图像传感设备。
9.一种图像传感设备,包括:一像素,用于产生复位电压和图像信号电压;一相关双采样(CDS)放大器,用于根据所述复位电压和图像信号电压产生一个初始CDS电压差,并产生一个最终CDS电压差,该最终CDS电压差是初始CDS电压差的一个倍数;和一模数转换器,用于将作为模拟信号的所述最终CDS电压差转换为数字信号。
10.根据权利要求9所述的图像传感设备,其中所述CDS放大器包括:多个电容器;以及一开关网络,耦合至所述多个电容器和所述像素;其中,所述图像传感设备还包括:一控制器,用于配置所述开关网络,以当产生初始CDS电压差时并行耦合所述电容器,然后串行耦合电容器,以产生所述最终CDS电压差。
11.根据权利要求10所述的图像传感设备,其中最终CDS电压差是初始CDS电压差的N倍,这里N是一个整数。
12.根据权利要求11所述的图像传感设备,其中所述多个电容器包括:第一组N个电容器,耦合至一个斜坡信号发生器和所述像素;以及第二组N个电容器,耦合至所述像素和一个输出节点,该输出节点产生一个输入电压到一个模数转换器;并且,其中所述开关网络包括:一像素采样开关,耦合在所述像素和第一和第二组N个电容器中的每组电容器之间。
13.根据权利要求12所述的图像传感设备,其中在产生所述最终CDS电压差之前,所述斜坡信号发生器产生一个初始斜坡电压,并且,其中所述模数转换器包括一个比较器,用于比较所述输出节点的输入电压和所述初始斜坡电压。
14.根据权利要求12所述的图像传感设备,其中,所述控制器控制所述开关网络,以并行耦合所述第一组N个电容器以及并行耦合所述第二组N个电容器,以在信号采样周期中产生所述输入电压,该电压是与初始斜坡电压相偏移的所述初始CDS电压差;并且,其中所述控制器控制所述开关网络,以串行耦合所述第一组N个电容器以及串行耦合所述第二组N个电容器,以在经过信号采样周期之后产生所述输入电压,该电压是与初始斜坡电压相偏移的所述最终CDS电压差。
15.根据权利要求9所述的图像传感设备,其中所述图像传感设备是CIS(CMOS图像传感器)类型的图像传感设备。
16.一种在图像传感设备中的相关双采样(CDS)方法,包括:配置一个开关网络,以当针对一个像素产生一个初始CDS电压差时,并行耦合多个组中每一组内的各个电容器;以及配置所述开关网络,以串行耦合多个组中每一组内的各个电容器,以产生一个最终CDS电压差,该最终CDS电压差是初始CDS电压差的一个倍数。
17.根据权利要求16所述的方法,其中所述初始CDS电压差是用于所述像素的复位电压和图像信号电压之间的电压差。
18.根据权利要求16所述的方法,其中多个组包括耦合至一斜坡信号发生器和所述像素的第一组N个电容器,并且包括耦合至所述像素和一输出节点的第二组N个电容器,所述输出节点产生输入电压到一模数转换器,其中,所述开关网络包括一个在所述像素和第一和第二组N个电容器中的每组电容器之间耦合的一个像素采样开关。
19.根据权利要求18所述的方法,其中所述斜坡信号发生器产生一个初始斜坡电压直到产生所述最终CDS电压差,所述方法还包括:配置所述开关网络,以并行耦合所述第一组N个电容器以及并行耦合所述第二组N个电容器,以在信号采样周期中在所述输出节点产生与初始斜坡电压相偏移的所述初始CDS电压差;以及配置所述开关网络,以串行耦合所述第一组N个电容器以及串行耦合所述第二组N个电容器,以在经过信号采样周期之后在所述输出节点产生所述与初始斜坡电压相偏移的所述最终CDS电压差。
20.根据权利要求16所述的方法,其中图像传感设备是CIS(CMOS图像传感器)类型的图像传感设备。
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