CN1717002A - 减少由电荷泵操作引起的噪声的cmos图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于减少由电荷泵操作引起的噪声的CMOS图像传感器。本发明的CMOS图像传感器包括图像元素电路阵列、对阵列的一个图像元素行进行相关双采样的单元、向形成阵列的图像元素电路提供预定的被提升的电压的电荷泵型升压单元以及阻止由电荷泵型升压单元的泵浦操作引起的噪声的阻止单元。阻止单元可以是禁止电荷泵型升压单元的泵浦操作的禁止单元。在电荷泵型升压单元包括用于根据所分配的时钟分配升压输出的升压电路以及用于以升压输出与预定的被提升的电压相一致的方式生成时钟的时钟发生电路的情形中，禁止泵浦操作的禁止单元可以包括不向升压电路分配时钟发生电路的输出的不分配单元。

Description

减少由电荷泵操作引起的噪声的CMOS图像传感器
技术领域
本发明涉及使用其中由电荷泵(charge pump)来引起电压升高的电路的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。更具体地说，本发明涉及在这样的CMOS图像传感器中减少由电荷泵操作引起的噪声的技术。
背景技术
为了保证CMOS传感器中一定程度的图像质量，一般需要大于传感器电源电压的高电压。因此，经常使用易于小型化并易于使用集成电路(IC)实现的电荷泵来获得所需的高电压。但是，在这种情况下，由泵浦操作(pumping operation)引起的噪声成为问题。因此，本发明涉及用于减少使用电荷泵提升电压的CMOS图像传感器中由泵浦操作引起的噪声的技术。
已经公开了一种在使用高电压的CCD图像元件中通过向成像信号中输入升压时钟来避免噪声的技术(专利文献1)，该高电压是通过使用电荷泵型升压电路生成的。在该文献中，定时发生单元的定时以这样的方式设定：使用当来自CCD图像传感器的成像信号输出被停止时的周期(即，水平消隐(horizontal blanking)期等)，来自定时发生电路的升压时钟被应用到控制单元(即，进行泵浦操作)。
【专利文献1】
日本申请早期公开公报No.2001-218119(第7页，图3)
当专利文献1的技术被应用到CMOS图像传感器时，即使在消隐期期间，也执行电荷泵操作，消隐期是读出图像元素操作中的相关双采样(CDS)操作的最重要的周期。因此，该技术是不便的。
无论怎样，认为还没有公开在使用由电荷泵导致升压的电路的CMOS图像传感器中减少由泵浦操作引起的噪声的技术。
发明内容
本发明旨在提供一种用于减少由使用电荷泵型升压电路的电荷泵操作引起的噪声的CMOS图像传感器。
另外，本发明旨在提供一种用于在使用电荷泵型升压电路的CMOS图像传感器中减少由电荷泵操作引起的噪声的方法。
一方面，本发明提供了一种CMOS图像传感器，其包括：图像元素电路阵列；对阵列的一个图像元素行进行相关双采样的相关双采样单元；电荷泵型升压单元，向形成阵列的图像元素电路提供预定的被提升的电压；和阻止单元，阻止由电荷泵型升压电路的泵浦操作引起的噪声对相关双采样的影响。
阻止单元可以是阻止电荷泵型升压电路的泵浦操作的单元。
电荷泵型升压电路包括用于根据所分配的时钟来分配升压输出的升压电路，和用于以如下方式生成时钟的时钟发生电路：其中升压输出与预定的被提升的电压相一致。另外，阻止泵浦操作的阻止单元包括不向升压电路分配时钟发生单元的输出的不分配(not-assignment)单元，。
CMOS图像传感器还包括在阻止时期期间生成具有逻辑“0”值的控制信号的单元。不分配单元可以是分配来自时钟发生电路的时钟与控制信号之间的与操作的单元。
优选地，阻止时期至少包括在读出相关双采样的结束时间N和读出相关双采样的结束时间S之间的时期。阻止时期可以是水平消隐期。
另一方面，本发明提供了一种用于减少由泵浦操作引起的噪声的方法，包括：在CMOS图像传感器中阻止由电荷泵型升压电路的泵浦操作引起的噪声对相关双采样的影响的步骤，该CMOS图像传感器包括图像元素电路阵列、对该阵列的一个图像元素行进行相关双采样的相关双采用单元，以及向形成阵列的图像元素电路提供预定的被提升的电压的电荷泵型升压单元。
根据本发明，在使用电荷泵型升压电路的CMOS图像传感器中可以减少由电荷泵操作引起的噪声。
附图说明
图1是概念性地示出了本发明一个优选实施例的CMOS图像传感器的配置的框图；
图2A是示出了图1的图像元素电路100的配置的电路图；
图2B是示出了用于生成被提升电压VD的电荷泵型升压电路的配置的电路图；
图2C示出了在图2B的升压电路250中，HTC信号发生电路210的输出是逻辑“0”的情形中，输出电压VD的波形。
图3A示出了对于每一水平扫描行(1H)的图像元素加载和水平扫描的处理。
图3B是解释图像元素电路100和行控制电路200的操作的时序图；以及
图4示出了优选水平定时控制(HTC)信号的示例。
具体实施方式
下面是参考本发明的优选实施例和附图的对本发明的详细解释。其间，在多个附图中，相似的标号指示相似的元素。
图1是概念性地示出了根据本发明一个优选实施例的使用电荷泵型升压电路并减少由泵浦操作生成的噪声的CMOS图像传感器的配置的框图。在图1中，CMOS图像传感器1一般包括：用于控制并驱动形成有源像素传感器(APS)阵列10的有源像素传感器的像素控制电路20、APS阵列10、用于存储列地址的垂直移位寄存器30、用于为每一行向相关双采样(CDS)电路50加载APS阵列10的相应行的行加载电路40，以及用于存储行地址的水平移位寄存器60。APS阵列10包括M行×N列APS 100的阵列。在图1中，只示出了i(i＝1，2...，M)列和j(j＝1，2...，N)行的图像元素电路作为APS 100的代表。另外，只示出了第j行的行控制电路作为形成像素控制电路20的每一行行控制电路200的代表。
图2A是仅示出了用于解释一个APS 100以及驱动该APS 100的行控制电路200所必须的部分的配置的电路图。在图2A中，APS 100包括用于检测光并将该光转换为电的诸如光电二极管之类的光电转换元件101，以及四个CMOS场效应晶体管(CMOSFET)。光电转换元件101的正极被接地，负极被连接到晶体管102的一个沟道电极。晶体管102的另一沟道被连接到复位晶体管103的一个沟道电极和放大晶体管104的栅极。复位晶体管103的另一沟道电极被连接到高电压VD的导线，该高电压是如稍后所述的在行控制电路200处被提升的电压。放大晶体管104在一个沟道电极处被连接到分配高电压VD的导线，同时该晶体管在另一沟道电极处被连接到晶体管105的一个沟道电极。然后，从行控制电路200提供的行选择信号SLCT控制栅极。晶体管105的另一沟道电极被连接到行加载电路40的读出线路VS。晶体管102的栅极由行控制电路200的传输栅(transfer gate，TG)控制信号控制。复位晶体管103的栅极由来自行控制电路200的复位控制信号RST控制。这样，形成APS阵列的每个APS是相当典型的图像元素电路，但是图像元素电路不限于这种配置。也就是说，任何图像元素电路如果是由被提升的电压VD驱动，就是可用的。换言之，本发明可以被应用到任何CMOS传感器，只要它包括含有由被提升的电压VD驱动的图像元素100的APS阵列10。
另一方面，行控制电路200具有生成TG控制信号、行选择控制信号SLCT和复位信号RST的功能，稍后将对它们进行描述。如图2B所示，升压电路包括电荷泵型升压电路，该升压电路包括：用于根据所提供的泵时钟信号分配输出电压VD的升压电路201、用于按照升压电路201输出电平与目标提升电压相一致的方式生成要被提供给升压电路201的泵时钟的目标电压检测器202、用于使升压电路201的输出电压VD平滑的电容器203、用于生成水平定时控制(HTC)信号以基于本发明控制升压电路201的泵浦操作的HTC信号发生电路210，以及用于使用来自HTC信号发生电路210的HTC信号来门控来自目标电压检测器202的泵浦时钟的与(AND)电路220。其间，含有升压电路201和目标电压检测器202的任何电荷泵型升压电路，只要该电路正确发挥作用，就是可用的。
图2C示出了在图2B的升压电路250中，HTC信号发生电路210的输出具有逻辑“1”值的情形中，输出电压VD的波形。从图2C可以清楚地看出，被提升的电压VD是与来自目标电压检测器202的泵浦时钟同步的锯齿波形。
图3A是解释在图1的电荷泵型升压电路中一个水平扫描行(1H)期间的操作的图。图3A示出了对于每一1H和水平传输输出(水平扫描)的APS阵列10与CDS电路50之间的加载操作。当APS阵列10的每个图像元素行被行选择信号SLCT选中时，该行就在水平消隐操作期间(图3中的画斜线的部分)，经由行加载电路40被加载进CDS电路50。同时，执行CDS处理，随后在水平扫描期，该行被传输到水平方向以输出。
图3B是解释在水平扫描期(画点的部分)和水平消隐期(画斜线的部分)期间，在图像元素电路100和行控制电路200中执行的操作的时序图。在图3B中，请注意水平方向(时间方向)中的大小比例并不总是表示实际的大小比例。例如，水平方向扫描期实际上大大长于水平消隐期，但是为了解释水平消隐期操作，两个时期被图示为差不多相同。
首先，在图3B的中间描述了没有泵暂缓(pump suspension)控制(传统技术)的操作。该操作对应于在图2A的行控制电路200中，HTC信号发生电路210的输出总是被固定为具有逻辑“1”值的情形中的操作。在图3B中，首先，在水平方向扫描情形中，控制信号RST在公知且正确的定时处被设置为逻辑“1”值，并且在RST信号为逻辑1时，控制信号TG被设置为逻辑1。这样，光电转换元件101被充电至预定电压。
在水平消隐期中，通过仅在预定时期期间将RST信号设置在逻辑“1”值处，在晶体管105的读出线路VS上出现N电平，同时通过保持当前图像元素(j)的SLCT信号处在逻辑“1”值，选中当前图像元素行(j)。此外，通过仅在预定时期期间将控制信号TG设置到逻辑“1”值，在晶体管105的读出线路VS上出现N+S电平。由此，通过将CDS_SH(采样和保持)在适当的定时处，即，在CDS_SH信号的N和N+S定时处，设置到逻辑“1”值，对这些N和N+S电平执行采样操作。以这种方式，通过计算读出线路VS在N和N+S定时处所采样的两个信号电平之间的差异，获得信号分量S(相关双采样)。
但是，如图3B所示，如果在定时N的结束时间和定时N+S的结束时间之间的时期期间，泵浦时钟被输入到升压电路201，则在输出电压VD上出现锯齿波形，并且这种波在读出线路VS上作为噪声出现(也就是说，N+S电平由于噪声而不能保持恒定)，从而CDS处理的结果不是反映了曝光量的值。
然后，根据本发明，至少在获取光电转换元件101的负极的电位以执行CDS处理的时期期间，即在采样定时N(N读出)的结束时间和采样定时N+S(S读出)的结束时间之间的时期期间，禁止电压升高电路201的泵浦操作。这样，至少在读出的结束时间N和读出的结束时间S之间的时期期间，CDS处理不受由泵浦操作引起的噪声的影响，从而本发明能够减少由泵浦操作引起的噪声的影响。
图4示出了优选的水平定时控制(HTC)信号的示例。如图4所示，如果在水平消隐期期间HTC信号被设置到逻辑“0”值，并且禁止泵浦操作，则不会对CDS处理带来影响。另外，HTC信号发生电路210的配置变得更加容易，从而该示例是优选的。
如上所述，本发明能够减少由泵浦操作引起的噪声的影响。
如上所述，优选实施例只是被描述用来解释本发明。因此，本领域的普通技术人员可以基于本发明的技术思想和技术原理，容易地对上述优选实施例做出各种变更、修改和改进。
例如，如果HTC信号的逻辑“0”值的时期包括在读出的结束时间N和读出的结束时间S之间的时期，并且还包括APS 100的操作被平稳完成的时期，则该时期不限于图4所示的示例。因此，该时期可以被自由地确定。
另外，APS 100的电路配置不限于图2A所示的电路，因此，使用在电荷泵型升压电路处被提升的电压的任何图像元素电路都是可用的。
升高的电压可以适当地被用作诸如RTS信号、SLCT信号、TG信号等的信号。

Claims (8)

1.一种互补金属氧化物半导体图像传感器，包括：
图像元素电路阵列；
对所述阵列的一个图像元素行进行相关双采样的相关双采样单元；
电荷泵型升压单元，所述电荷泵型升压单元向形成所述阵列的所述图像元素电路提供预定的被提升的电压；和
阻止单元，所述阻止单元阻止由所述电荷泵型升压电路的泵浦操作引起的噪声对所述相关双采样的影响。
2.根据权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中
所述阻止单元包括禁止单元，所述禁止单元禁止所述电荷泵型升压单元的泵浦操作。
3.根据权利要求2所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中：
所述电荷泵型升压单元包括升压电路和时钟发生电路，所述升压电路用于根据所分配的时钟来分配升压输出，所述时钟发生电路以如下方式生成所述时钟：所述升压输出与所述预定的被提升的电压相一致；以及
禁止所述泵浦操作的所述禁止单元包括不分配单元，所述不分配单元不向所述升压电路分配所述时钟发生电路的输出。
4.根据权利要求3所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，还包括建立单元，所述建立单元在所述阻止时期期间建立具有逻辑“0”值的控制信号，其中
所述不分配单元包括分配单元，所述分配单元向所述升压电路分配由所述时钟发生电路生成的所述时钟与所述控制信号间的与操作。
5.根据权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中
所述阻止时期至少包括在读出所述相关双采样的结束时间N和读出所述相关双采样的结束时间S之间的时期。
6.根据权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中
所述阻止时期是水平消隐期。
7.一种用于减少由泵浦操作引起的噪声的方法，包括
在互补金属氧化物半导体图像传感器中，其中所述互补金属氧化物半导体图像传感器包括图像元素电路阵列、对所述阵列的一个图像元素行进行相关双采样的相关双采样单元、以及向形成所述阵列的图像元素电路提供预定的被提升的电压的电荷泵型升压单元，
阻止由所述电荷泵型升压电路的泵浦操作引起的噪声对所述相关双采样的影响。
8.根据权利要求7所述的用于减少由泵浦操作引起的噪声的方法，其由
所述阻止步骤包括禁止所述电荷泵型升压单元的泵浦操作。
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