CN1697480A - 影像传感器及其可偏移补偿的参考电压产生电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种影像传感器及其可偏移补偿的参考电压产生电路。其中影像传感器包括像素、可偏移补偿的参考电压产生电路以及像素取样电路。像素感测影像的光线并产生影像讯号。可偏移补偿的参考电压产生电路产生具有电压偏移量的参考电压。像素取样电路偶接至像素以及可偏移补偿的参考电压产生电路，用以依据参考电压取样影像讯号，以产生像素讯号。其中，利用参考电压具有的电压偏移量补偿像素讯号产生过程中的电压偏移。

Description

影像传感器及其可偏移补偿的参考电压产生电路

技术领域

本发明涉及一种偏移补偿电路，且特别涉及影像传感器及其可偏移补偿的参考电压产生电路。

背景技术

越来越多的电子产品内建摄影功能，例如移动电话、个人数字助理(PDA)及玩具等。为适应各种不同需求，尤其是针对移动装置的需求，我们需要低耗电及高画质的影像传感器(image sensor)。图1A是典型影像传感器的方框图。请参照图1A，典型影像传感器包括像素阵列(pixel array)110、列驱动器及电压产生器(row driver & voltagereference)120、像素取样电路(sample & hold column circuit)130、讯号增益放大器(gain stage)140以及模拟/数字转换器(pipeline A/Dconverter)150。列驱动器及电压产生器120提供各列驱动讯号121以及各种参考电压122及参考电压VCL。像素阵列110中各列电极(未绘示)分别接收对应的列驱动讯号121，像素阵列感测影像后依列驱动讯号121的时序输出各行(column)的像素讯号(pixel signal)111。像素取样电路130同时接收、取样(sample)并保持(hold)各行像素讯号111，然后依序将保持其中的各像素讯号以串行形式(cascade)输出像素讯号131。讯号增益放大器140接收并放大像素讯号131后产生像素讯号141。模拟/数字转换器150通常为管线式模拟/数字转换器，依参考电压122将模拟形式的像素讯号141转换为数字形式的像素讯号151，以利后续电路(图中仅以控制逻辑电路160代表)处理及运用。

在影像传感器读出电路中，产生模拟参考电压的过程为影像传感器读出电路的主要电力消耗原因。在此以互补式金氧半场效晶体管(CMOS)影像传感器中像素取样电路130为例说明。图1B是CMOS影像传感器的像素取样电路示意图。请参照图1B，为方便说明，像素阵列110仅以像素112代表阵列中各像素。另外，像素取样电路130中具有多组取样/保持电路，图中亦以其中一组代表说明。CMOS影像传感器通常需取样像素电压(pixel signal value)以及重置电压(pixelreset value)，而于取样过程即需要参考电压VCL。于取样像素电压期间，感控开关clamp及samp_sig导通，而使感控开关samp_rst、cb及col_addr断路，此时将像素电压与参考电压VCL所形成的电位差储存于电容CS1。于取样重置电压期间，感控开关clamp及samp_rst导通，而使感控开关samp_sig、cb及col_addr断路，此时将重置电压与参考电压VCL所形成的电位差储存于电容CS2。当完成取样后，使感控开关clamp、samp_sig及samp_rst断路，然后将感控开关cb导通，此期间即为保持期间。于保持期间各行的像素讯号111分别被保存于对应的取样/保持电路其中一组，各组取样/保持电路依时序轮流导通感控开关col_addr，以串行形式输出像素讯号131至讯号增益放大器140。

实作上，因为像素阵列110中各个像素的光二极管(photo diode)的漏电现象导致取样重置电压不准确。另一方面，通常会因为工艺偏移因素、电路负载与取样电容的布局面积等因素而造成画面上出现垂直各行间的固定模式噪声(fixed pattern)。为克服前述缺点，公知技术是于像素取样电路130的各组取样/保持电路中分别安置一个偏移修正电路170。图1C是图1B的讯号时序图。请同时参照图1B与图1C。于取样讯号期间，感控开关clamp导通(为方便说明，时序图中以高电位代表该感控开关导通，反之则代表断路)，并且偏移修正电路170选择输出B点电压(例如参考电压VCL)。取样像素电压与重置电压的过程以于前段叙及，故在此不再赘述。当欲偏移修正像素讯号时，需于感控开关samp_rst断路后(时间点C)并且感控开关clamp断路前(时间点D)，使偏移修正电路170由B点切换至A点。换句话说，从时间点C至时间点D的期间，使偏移修正电路170从输出参考电压VCL改为输出偏移电压Voffset，因此偏移补偿电容171的端电压即偏移Voffset-VCL的电压，此时像素讯号即具有Voffset-VCL的电压偏移量。

因为每一行像素对应到的取样/保持电路中必须有一组偏移修正电路，随着像素阵列越来越大，便需要更多组取样/保持电路，亦即代表需要更多组偏移修正电路(通常一组偏移修正电路就包含有偏移补偿电容与运算放大器)。也就是说，随者像素数目增多，相对的芯片面积亦随之增大(成本增加)。另外，偏移修正电路中用以驱动电容的运算放大器，其驱动能力亦随着像素增多而增大，以符合时序要求，所以必然增加运算放大器的输出级耗电量。再者，每组取样/保持电路中电容及其寄生电容因工艺偏移因素，造成不匹配效应。相对的造成影像每行间的固定模式噪声。

发明内容

本发明的目的就是在提供一种影像传感器，先行将像素取样电路所需的参考电压施以修正(补偿一偏移电压)，因而省去各组取样/保持电路中的偏移修正电路，进而节省芯片面积(降低成本)。另外，因减少运算放大器的数量，所以降低耗电量。再者，偏移补偿电容未配置于每组取样/保持电路中，故避免因工艺偏移因素造成不匹配效应，相对的造成影像每行间的固定模式噪声。

本发明的另一目的就是在提供一种可偏移补偿的参考电压产生电路，除前述诸目的外，更可使任何需要参考电压的电路先行修正(补偿一偏移电压)其输出，降低固定模式噪声。

本发明提出一种影像传感器，包括像素、可偏移补偿的参考电压产生电路以及像素取样电路。像素感测影像的光线并产生影像讯号。可偏移补偿的参考电压产生电路产生具有电压偏移量的参考电压。像素取样电路偶接至像素以及可偏移补偿的参考电压产生电路，用以依据参考电压取样影像讯号，以产生像素讯号。其中，利用电压偏移量补偿像素讯号产生过程中的电压偏移。

本发明另提出一种可偏移补偿的参考电压产生电路，此参考电压产生电路包括第一感控开关、第一电容器、电压选择装置以及第一运算放大器。第一感控开关的第一端耦接原始参考电压，第一感控开关的第二端则耦接至第一电容器的第一端。电压选择装置耦接至第一电容器的第二端，此电压选择装置用以选择并输出第一偏移电压或是第二偏移电压。第一运算放大器的第一输入端耦接参考电压，第一运算放大器的第二输入端耦接至第一感控开关的第二端，第一运算放大器的输出端则输出参考电压。其中，参考电压产生电路于第一期间内使第一感控开关短路并且电压选择装置选择并输出第一偏移电压，此时将原始参考电压取样于第一电容器中。另外，参考电压产生电路于第二期间内使第一感控开关断路，此时将原始参考电压保持于第一电容器中。

本发明的所述可偏移补偿的参考电压产生电路，上述的电压选择装置于第二期间内并且在第一感控开关断路后选择并输出第二偏移电压，以使第一运算放大器的第二输入端的电压具有电压偏移量。此电压偏移量为第一偏移电压与第二偏移电压的电位差。

本发明所述可偏移补偿的参考电压产生电路，更包括第二电容器。此第二电容器的第一端耦接至第一感控开关的第二端，而第二电容器的第二端则耦接至第一电压(例如为接地电压)。其中，此电压选择装置于第二期间内并且在第一感控开关断路后选择并输出第二偏移电压，以使第一运算放大器的第二输入端的电压具有电压偏移量。此电压偏移量等于(C1×ΔV)/(C1+C2)，其中C1表示第一电容器的电容量，C2表示第二电容器之电容量，ΔV表示第一偏移电压与该第二偏移电压的电位差。

本发明所述可偏移补偿的参考电压产生电路，上述的电压选择装置包括第二感控开关、第三感控开关、第四感控开关、第五感控开关、第三电容器、第四电容器以及第二运算放大器。第二感控开关的第一端耦接至第一偏移电压，第二感控开关的第二端耦接至第三感控开关的第一端。第四感控开关的第一端耦接至第二偏移电压，第四感控开关的第二端耦接至第五感控开关的第一端。第三电容器的第一端耦接至第二感控开关的第二端，第三电容器的第二端耦接至第二电压。第四电容器的第一端耦接至第四感控开关的第二端，第四电容器的第二端耦接至第三电压。所述第二电压与第三电压譬如为接地电压。第二运算放大器的输出端耦接至第二运算放大器之第一输入端以及第一电容器的第二端，第二运算放大器的第二输入端耦接至第三感控开关的第二端以及第五感控开关的第二端。

本发明因先行将影像传感器所需的参考电压施以修正(补偿一偏移电压)，因而省去各组取样/保持电路中的偏移修正电路，进而节省芯片面积(降低成本)。另外，因减少运算放大器的数量，所以降低耗电量。再者，偏移补偿电容未配置于每组取样/保持电路中，故避免因工艺偏移因素造成不匹配效应，相对的造成影像每行间的固定模式噪声。

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文举较佳实施例，配合附图，作详细说明。

附图说明

图1A是典型影像传感器的方框图；

图1B是公知技术的CMOS影像传感器的像素取样电路示意图；

图1C是图1B的讯号时序图；

图2A是本发明较佳实施例绘示的一种CMOS影像传感器的像素取样电路方框图；

图2B是本发明的较佳实施例绘示的一种可偏移补偿的参考电压产生电路；

图3是图2A暨图2B中的开关启闭时序图；

图4是本发明另一实施例绘示的一种可偏移补偿的参考电压产生电路。

110：像素阵列

111：行(column)像素讯号

112：像素

120：列驱动器与电压产生器

121：列驱动讯号

122、VCL：参考电压

130：公知像素取样电路

131、141：像素讯号

140：讯号增益放大器

150：模拟/数字转换器

151：数字像素讯号

160：控制逻辑电路

170：偏移修正电路

171：偏移补偿电容

200：可偏移补偿的参考电压产生电路

220、420：参考电压

230：像素取样电路

430：偏移电压

CAP1～CAP4：电容

OP1～OP2：运算放大器

SW1～SW5：感控开关

具体实施方式

以下为方便说明，仍然以互补式金氧半场效晶体管(CMOS)影像传感器为说明范例。公知技术于每一行像素(column pixel)对应到的取样/保持电路中必须有一组偏移修正电路，随着像素阵列越来越大，需要更多组偏移修正电路(一组偏移修正电路通常包含有偏移补偿电容与运算放大器)。另外，用以驱动偏移补偿电容的运算放大器，亦因其数量需对应于像素阵列的行数而增加耗电量。再者，每组取样/保持电路中电容及其寄生电容因工艺偏移因素，造成不匹配效应。相对的造成影像每行间的固定模式噪声。因此，以下依照本发明的精神提出实施例，以改善公知技术的缺点。

图2A是本发明较佳实施例绘示的CMOS影像传感器的像素取样电路方框图。请参照图2A，为方便说明，像素阵列110仅以像素112代表阵列中各像素。另外，像素取样电路230中具有多组取样/保持电路，图中亦以其中一组代表说明。CMOS影像传感器通常需取样像素电压(pixel signal value)以及重置电压(pixel reset value)，而于取样过程需要参考电压VCL。参考电压VCL由可偏移补偿的参考电压产生电路200所提供。此可偏移补偿的参考电压产生电路200除了产生稳定的参考电压外，更使参考电压具有电压偏移量，利用电压偏移量补偿像素讯号产生过程中的电压偏移。

于取样像素电压期间，感控开关clamp及samp_sig导通，而使感控开关samp_rst、cb及col_addr断路，此时将像素电压与参考电压VCL所形成的电位差储存于电容CS1。于取样重置电压期间，感控开关clamp及samp_rst导通，而使感控开关samp_sig、cb及col_addr断路，此时将重置电压与参考电压VCL所形成的电位差储存于电容CS2。当完成取样后，使感控开关clamp、samp_sig及samp_rst断路，然后将感控开关cb导通，此期间即为保持期间。于保持期间各行的像素讯号分别被保存于对应的取样/保持电路其中一组，各组取样/保持电路依时序轮流导通感控开关col_addr，以串行形式输出像素讯号至讯号增益放大器140。

前述实施例中可偏移补偿的参考电压产生电路200可参照以下实施例施作。图2B是依照本发明的较佳实施例绘示的一种可偏移补偿的参考电压产生电路。图3是图2A暨图2B的开关启闭时序图。请同时参照图2A、图2B以及图3。感控开关SW1的一端耦接至原始参考电压VCL_ref，用以依照开关clamp控制讯号的反相讯号以决定是否导接原始参考电压VCL_ref至另一端。也就是说，图3的控制讯号clamp为高电位时表示感控开关SW1形成断路(同时开关clamp为导通)，反之则为开路(开关clamp为断路)。运算放大器OP1的输出端输出像素取样电路所需的参考电压VCL，此参考电压VCL同时回授至运算放大器OP1的其中一输入端。运算放大器OP1的另一输入端则耦接至感控开关SW1、电容CAP1以及电容CAP2。电容CAP1另耦接至电压选择装置210。

当于非取样期间(图3中控制讯号clamp为低电位时)，感控开关SW1导通而使原始参考电压VCL_ref分别对电容CAP1以及电容CAP2充电(取样原始参考电压VCL_ref)。此时电压选择装置210中的选择开关set_offset切至A点，于本实施例中譬如A点耦接至参考电压Vref(固定电压)，另外B点譬如耦接至偏移电压Vdac。本实施例中譬如使偏移电压Vdac可视所需偏移电压的大小而随意调整。凡熟悉此技术者均知，若是改将A点耦接此可设定电位的偏移电压Vdac而使B点耦接固定的参考电压Vref，或是A、B点分别耦接二个电位不同的固定电压，抑或A、B点分别耦接二个可随意设定电位的偏移电压，其结果皆可达到本发明的功效，当然亦属于本发明的范畴。

当于取样期间(控制讯号clamp为高电位时)，感控开关SW1断路而使原始参考电压VCL_ref的取样结果(参考电压220)被保持于电容CAP1以及电容CAP2中。运算放大器OP1接收并放大参考电压220以输出参考电压VCL。当于取样像素电压(即控制讯号samp_sig为高电位时)结束后，并且在取样重置电压(即控制讯号samp_rst为高电位时)开始前，将电压选择装置210中的选择开关set_offset切至B点，此时参考电压220的电位因而上升(或下降)一电压偏移量，因而参考电压VCL亦获得相对的偏移量。此电压偏移量为(C1×ΔV)/(C1+C2)，其中C1表示为电容CAP1的电容量，C2表示电容CAP2的电容量，ΔV表示A点电压与B点电压的电压差。本实施例中C1例如是350fF，而C2例如是8×350fF，因此可以将由电容CAP1引入的噪声将被衰减为1/9。当取样重置电压结束(即图3中时间点E)后，并且在取样期间结束(即图3中时间点F)前，将电压选择装置210中的选择开关set_offset切回A点，此时参考电压220的电位因而回复至偏移前的电压。

重置电压取样电容CS2因于取样重置电压期间的参考电压VCL以具有一偏移量，因此虽然欲取样的重置电压未施以偏移补偿，取样后依然具有偏移补偿的效果。由本实施例可以很清楚了解本发明参考电压产生电路，其因为具有产生偏移电压的功能，因此在本实施例中可以省去像素取样电路130中多个偏移修正电路170，而达到前述本发明的诸多优点。

为了能更清楚地说明本发明，在此另举一较佳实施例。图4是依照本发明另一实施例绘示的一种可偏移补偿的参考电压产生电路。请同时参照图3以及图4，本实施例与前一实施例相似，二者不同之处在于将电压选择装置210置换成电压选择装置410。电压选择装置410包括运算放大器OP2、感控开关SW2～SW5、电容CAP3以及电容CAP4。电容CAP3以及电容CAP4的电容量于本实施例中例如皆为3pF。

感控开关SW2依照反相的控制讯号clamp以决定将偏移电压Vdac耦接B点与否，另外，感控开关SW4亦依照反相的控制讯号clamp以决定将参考电压Vref耦接B点与否。于本实施例中，参考电压Vref例如是一固定电压，而偏移电压Vdac例如是可视所需而调整大小的电压。凡熟悉此技术者均知，若是改将感控开关SW4耦接此可设定电位的偏移电压Vdac而使感控开关SW2耦接固定的参考电压Vref，或是感控开关SW2、SW4分别耦接二个电位不同的固定电压，抑或感控开关SW2、SW4分别耦接二个可随意设定电位的偏移电压，其结果皆可达到本发明的功效，当然亦属于本发明的范畴。

当于非取样期间(控制讯号clamp为低电位时)，感控开关SW2与SW4导通而使偏移电压Vdac与参考电压Vref分别对电容CAP3与电容CAP4充电。当于取样期间(控制讯号clamp为高电位时)，感控开关SW2与SW4断路，此时偏移电压Vdac与参考电压Vref分别被保持于B点与A点。感控开关SW3依照控制讯号set_off而决定其导通与否，而感控开关SW5则依照反相的控制讯号set_off而决定其导通与否。换句话说，例如，当控制讯号set_off为低电位时，则感控开关SW3断路并且感控开关SW5导通，此时将A点电压耦接至运算放大器OP2。反之，当控制讯号set_off为高电位时，则感控开关SW3导通并且感控开关SW5断路，此时将B点电压耦接至运算放大器OP2。其余未说明的部分与前一实施例相同，故不在此赘述。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内所作些许更动与润饰，均属于本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种影像传感器，包括：

一像素，用以感测一影像的光线并产生一影像讯号；

一可偏移补偿的参考电压产生电路，用以产生具有一电压偏移量的一参考电压；

一像素取样电路，偶接至该像素以及该可偏移补偿的参考电压产生电路，用以依据该参考电压取样该影像讯号，以产生一像素讯号，

其中，利用该电压偏移量补偿该像素讯号产生过程中的电压偏移。

2.根据权利要求1所述的影像传感器，其特征在于：该可偏移补偿的参考电压产生电路包括：

一第一感控开关，该第一感控开关的第一端耦接一原始参考电压；

一第一电容器，该第一电容器的第一端耦接至该第一感控开关的第二端；

一电压选择装置，耦接至该第一电容器的第二端，用以选择并输出一第一偏移电压以及一第二偏移电压二者之一；

一第一运算放大器，该第一运算放大器的第一输入端接收该参考电压，该第一运算放大器的第二输入端耦接至该第一感控开关的第二端，该第一运算放大器的输出端输出该参考电压，

其中该参考电压产生电路于一第一期间内使该第一感控开关短路并且该电压选择装置选择并输出该第一偏移电压，此时将该原始参考电压取样于该第一电容器中，另外该参考电压产生电路于一第二期间内使该第一感控开关断路，此时将该原始参考电压保持于该第一电容器中。

3.根据权利要求2所述的影像传感器，其特征在于：该电压选择装置于该第二期间内并且在该第一感控开关断路后选择并输出该第二偏移电压，以使该第一运算放大器的第二输入端的电压具有该电压偏移量，该电压偏移量为该第一偏移电压与该第二偏移电压的电位差。

4.根据权利要求2所述的影像传感器，其特征在于：更包括：

一第二电容器，该第二电容器的第一端耦接至该第一感控开关的第二端，该第二电容器的第二端耦接至一第一电压，

其中该电压选择装置于该第二期间内并且在该第一感控开关断路后选择并输出该第二偏移电压，以使该第一运算放大器的第二输入端的电压具有该电压偏移量，该电压偏移量等于(C1×ΔV)/(C1+C2)，其中C1表示为该第一电容器的电容量，C2表示为该第二电容器的电容量，ΔV表示为该第一偏移电压与该第二偏移电压的电位差。

5.根据权利要求4所述的影像传感器，其特征在于：该第一电压为接地电位。

6.根据权利要求2所述的影像传感器，其特征在于：该电压选择装置包括：

一第二感控开关，该第二感控开关的第一端耦接至该第一偏移电压；

一第三感控开关，该第三感控开关的第一端耦接至该第二感控开关的第二端；

一第四感控开关，该第四感控开关的第一端耦接至该第二偏移电压；

一第五感控开关，该第五感控开关的第一端耦接至该第四感控开关之第二端；

一第三电容器，该第三电容器的第一端耦接至该第二感控开关的第二端，该第三电容器的第二端耦接至一第二电压；

一第四电容器，该第四电容器的第一端耦接至该第四感控开关的第二端，该第四电容器的第二端耦接至一第三电压；

一第二运算放大器，该第二运算放大器的输出端耦接至该第二运算放大器的第一输入端以及该第一电容器的第二端，该第二运算放大器的第二输入端耦接至该第三感控开关的第二端以及该第五感控开关的第二端。

7.根据权利要求6所述的影像传感器，其特征在于：该第二电压以及该第三电压为接地电位。

8.根据权利要求1所述的影像传感器，其特征在于：该影像传感器是一互补式金氧半场效晶体管(CMOS)影像传感器。

9.一种可偏移补偿的参考电压产生电路，包括：

一第一感控开关，该第一感控开关的第一端耦接一原始参考电压；

一第一电容器，该第一电容器的第一端耦接至该第一感控开关的第二端；

一电压选择装置，耦接至该第一电容器的第二端，用以选择并输出一第一偏移电压以及一第二偏移电压二者之一；

一第一运算放大器，该第一运算放大器的第一输入端耦接该参考电压，该第一运算放大器的第二输入端耦接至该第一感控开关的第二端，该第一运算放大器的输出端输出该参考电压，

其中该参考电压产生电路于一第一期间内使该第一感控开关短路并且该电压选择装置选择并输出该第一偏移电压，此时将该原始参考电压取样于该第一电容器中，另外该参考电压产生电路于一第二期间内使该第一感控开关断路，此时将该原始参考电压保持于该第一电容器中。

10.根据权利要求9所述的可偏移补偿的参考电压产生电路，其特正在于：该电压选择装置于该第二期间内并且在该第一感控开关断路后选择并输出该第二偏移电压，以使该第一运算放大器的第二输入端的电压具有一电压偏移量，该电压偏移量为该第一偏移电压与该第二偏移电压的电位差。

11.根据权利要求9所述的可偏移补偿的参考电压产生电路，其特正在于：更包括：

一第二电容器，该第二电容器的第一端耦接至该第一感控开关的第二端，该第二电容器的第二端耦接至一第一电压，

其中该电压选择装置于该第二期间内并且在该第一感控开关断路后选择并输出该第二偏移电压，以使该第一运算放大器的第二输入端的电压具有一电压偏移量，该电压偏移量等于(C1×ΔV)/(C1+C2)，其中C1表示为该第一电容器的电容量，C2表示为该第二电容器的电容量，ΔV表示为该第一偏移电压与该第二偏移电压的电位差。

12.根据权利要求11所述的可偏移补偿的参考电压产生电路，其特正在于：该第一电压为接地电位。

13.根据权利要求9所述的可偏移补偿的参考电压产生电路，其特正在于：该电压选择装置包括：

一第二感控开关，该第二感控开关的第一端耦接至该第一偏移电压；

一第三感控开关，该第三感控开关的第一端耦接至该第二感控开关的第二端；

一第四感控开关，该第四感控开关的第一端耦接至该第二偏移电压；

一第五感控开关，该第五感控开关的第一端耦接至该第四感控开关的第二端；

一第三电容器，该第三电容器的第一端耦接至该第二感控开关的第二端，该第三电容器的第二端耦接至一第二电压；

一第四电容器，该第四电容器的第一端耦接至该第四感控开关的第二端，该第四电容器的第二端耦接至一第三电压；

一第二运算放大器，该第二运算放大器的输出端耦接至该第二运算放大器的第一输入端以及该第一电容器的第二端，该第二运算放大器的第二输入端耦接至该第三感控开关的第二端以及该第五感控开关的第二端。

14.根据权利要求13所述的可偏移补偿的参考电压产生电路，其特正在于：该第二电压以及该第三电压为接地电位。

15.根据权利要求9所述的可偏移补偿的参考电压产生电路，其特正在于：用于提供一影像传感器所需的该参考电压。

16.根据权利要求15所述的可偏移补偿的参考电压产生电路，其特正在于：该影像传感器是一互补式金氧半场效晶体管(CMOS)影像传感器。

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