CN1909378A - 互补金属氧化物半导体图像传感器的噪声补偿模数转换器 - Google Patents

Abstract

一种模拟－数字转换器，包括放大单元和噪声补偿单元。放大单元放大跳闸点电压和修改信号电压之间的差。跳闸点电压具有第一功率噪声分量，噪声补偿单元将第二功率噪声分量合并到原始信号电压以产生修改信号电压。由此，功率噪声分量在所述差中被消除。

Description

互补金属氧化物半导体图像传感器的噪声补偿模数转换器

技术领域

本发明总体上涉及一种CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器中的模拟-数字转换器，更具体地说，涉及在这种模拟-数字转换期间对于功率噪声的补偿。

背景技术

图像传感器使用光转换(photo-conversion)将图像转换成电信号。根据产生和传送电荷载流子的机制，图像传感器总体上被分类为电荷耦合器件(CCD)型或者互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)型。

CCD图像传感器使用选通脉冲(gate pulse)将由入射光产生的电子传送到输出端口，然后将这种被传送的电子转换成电压。CCD图像传感器具有相对高的光灵敏度和降低的噪声，这是因为光电流在积累时间之后被提取出。但是，CCD图像传感器不利地具有用于连续传送电荷载流子的复杂的驱动机制。另外，CCD图像传感器具有相对高的功耗。

CMOS图像传感器将由入射光产生的电子转换成像素电路中的电压。这种电压通过多个CMOS开关输出。CMOS图像传感器在电-光特性上总体上劣于CCD图像传感器。但是，CMOS图像传感器具有比CCD图像传感器低的功耗和高的集成密度。

在CMOS图像传感器中，在被转换成每个像素电路内的电压之前，电荷载流子在相对短的时间周期积累。因此，随着电压信号产生和传输，这种电压对于诸如来自功率电压源的噪声更为灵敏。

CMOS图像传感器的例子包括带有单端反相放大器(single-ended invertingamplifier)而不是差动比较器的模拟-数字(ADC)转换器，用于使功耗最小化。这种CMOS图像传感器尤其适合于用在便携式电子装置中。但是，单端反相放大器具有跳闸点电压(trip point voltage)，其易于引起功率噪声。跳闸点电压的这种噪声引起图像失真。因此，期望一种使由这种功率噪声引起的图像失真最小化的带有单端放大器的CMOS图像传感器。

发明内容

因此，本发明的实施例提供消除模拟-数字转换器中单端反相放大器的跳闸点电压的功率噪声。

根据本发明一个方面的模拟-数字转换器包括第一放大单元和噪声补偿单元。第一放大单元用于放大跳闸点电压和修改信号电压之间的差以产生第一放大电压。跳闸点电压具有第一功率噪声分量。

噪声补偿单元将第二功率噪声分量合并到原始信号电压以产生修改信号电压。模拟-数字转换器还包括转换单元，用于产生表示在跳闸点电压和修改信号电压之间的差的数字信号。

在本发明的一个实施例中，第二功率噪声分量实质上等于第一功率噪声分量，使得第一和第二功率噪声分量在所述差中被完全消除。

在本发明的另一个实施例中，噪声补偿单元包括第一和第二功率电容器。第一功率电容器被耦合在高功率电压源和公共节点之间，第二功率电容器被耦合在低功率电压源和公共节点之间。

在本发明的另一个实施例中，第一放大单元包括第一反相放大器、第一放大器开关和第一放大器电容器。第一放大器开关被耦合在第一反相放大器的输入和输出之间。第一放大器电容器被耦合在公共节点和第一反相放大器的输入之间。

在本发明的另一个实施例中，模拟-数字转换器还包括第二放大单元，其用于进一步放大第一放大电压以产生第二放大电压。第二放大单元包括第二反相放大器、第二放大器开关和第二放大器电容器。第二放大器开关被耦合在第二反相放大器的输入和输出之间。第二放大器电容器被耦合在第一反相放大器的输出和第二反相放大器的输入之间。

在本发明的另一个实施例中，模拟-数字转换器还包括具有第一开关、开关电容器和第二开关的开关单元。第一开关被耦合在模拟电压源和公共节点之间。模拟电压源产生原始信号电压和用于产生跳闸点电压的复位信号电压。开关电容器具有被耦合到公共节点的第一端子。第二开关被耦合在开关电容器的第二端子和产生斜坡电压的斜坡信号发生器之间。

借助这种开关单元，转换单元包括计数器，其从斜坡电压被施加至开关电容器的第二端子开始到第二放大电压的过渡为止进行计数，用于产生数字信号。

用这种方式，消除了第一反相放大器的跳闸点电压中的功率噪声分量。这种模拟-数字转换器可以具体有利地用于CMOS图像传感器中。在这种情况下，模拟电压源是像素电路，其产生图像信号电压作为原始信号电压。但是，该模拟-数字转换器还可以被用于具有模拟-数字转换的任何其它应用或者电子装置。

附图说明

通过结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，本发明的上述和其它目的、特性、优点将变得更加清楚，附图中：

图1是根据本发明实施例的CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器的方框图。

图2是根据本发明实施例的图1的像素电路和CDS(相关双精度采样)ADC(模拟-数字转换器)的电路图。

图3是根据本发明实施例的图2的电路在操作期间信号的时序图。

图4表示根据本发明实施例用于说明消除图2电路中功率噪声分量的跳闸点电压和修改信号电压的例子。

这里提及的附图是为了进行清楚说明而并不是限定性的。图1、2、3和4中具有相同附图标记的元件是指具有类似结构和/或功能的元件。

具体实施方式

图1是根据本发明实施例的CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器10的方框图。CMOS图像传感器(CIS)10包括像素阵列100、相关双精度采样(CDS)ADC(模拟-数字转换器)200、CIS控制器300和斜坡(ramp)信号发生器400。

像素阵列100由多个单元像素电路组成，其根据图像产生电信号。每个单元像素电路包括光电二极管，用于将这种图像的入射光转换成模拟图像信号，并用于输出这种图像信号。CDS ADC 200包括CDS(相关双精度采样)和比较器单元210和转换单元220，在本发明的一个实施例中，所述转换单元220用计数器和锁存器(latch)来实现。CDS ADC 200还包括CIS控制器300和斜坡信号发生器400。

CIS控制器300产生用于操作像素阵列100的控制信号R、T和S，并且产生用于控制CDS ADC 200和斜坡信号发生器400的操作的信号。响应于来自CIS控制器300的控制信号，斜坡信号发生器400产生模拟斜坡信号Vramp。

图2示出图1中像素阵列100的示例像素电路和CDS ADC 200的电路示意图。像素阵列100由许多像素电路的阵列构成。但是，为了简化和清楚地进行说明，图2示出了一个像素电路100的例子。

图2的像素电路100的例子包括：光电二极管PD；传送晶体管TX；驱动晶体管DX；复位晶体管RX；选择晶体管SX；和电流源1b。光电二极管PD将图像的入射光转换成电荷载流子。光电二极管PD被耦合在传送晶体管TX和接地节点之间。

当通过T控制信号导通时，传送晶体管TX将由光电二极管PD产生的电荷载流子传送到浮置扩散节点FD。驱动晶体管DX产生源-漏电流，其正比于在驱动晶体管DX栅极上的这种被传送的电荷载流子。当通过R控制信号导通时，复位晶体管RX将复位电压Vres施加在浮置扩散节点FD上。

当通过用于选择像素电路100的S控制信号导通时，选择晶体管SX将驱动晶体管DX的电流传送到CDS和比较器单元210。分别被施加在传送晶体管TX、复位晶体管RX和选择晶体管SX的栅极上的T、R和S控制信号由图1的CIS控制器300产生。

CDS和比较器单元210包括开关单元211、噪声补偿单元212、第一放大单元213和第二放大单元214。

开关单元211被耦合在像素电路100和噪声补偿单元212之间。开关单元211包括第一和第二开关SW1和SW2以及开关电容器C1。第一开关SW1被耦合在像素电路100和噪声补偿单元212的公共节点Vx之间。开关电容器C1被耦合在公共节点Vx和第二开关SW2的一个端子之间，所述第二开关SW2具有被耦合到斜坡信号发生器400的另一个端子。

噪声补偿单元212被耦合在开关单元211和第一放大单元213之间。噪声补偿单元212包括第一功率电容器Cvdd和第二功率电容器Cvss。第一功率电容器Cvdd被耦合在高功率电压源VDD和公共节点Vx之间。第二功率电容器Cvss被耦合在低功率电压源VSS和公共节点Vx之间。

在本发明的一个实施例中，低功率电压源VSS是接地节点。但是，本发明可以采用任何其它提供比高功率电压源VDD低的电压电平的低功率电压源VSS。

第一放大单元213包括第一放大器电容器C2、第一反相放大器AP1和第一放大器开关SW3。第一放大器电容器C2被耦合在噪声补偿单元212的公共节点Vx和第一反相放大器AP1的输入之间。第一放大器开关SW3被耦合在第一反相放大器AP1的输入和输出OUT1之间。

第二放大单元214包括第二放大器电容器C3、第二反相放大器AP2和第二放大器开关SW4。第二放大器电容器C3被耦合在第一反相放大器AP1的输出和第二反相放大器AP2的输入之间。第二放大器开关SW4被耦合在第二反相放大器AP2的输入和输出之间。第二反相放大器AP2的输出OUT2被耦合到转换单元220。

控制信号S1，S2，S3和S4确定开关SW1，SW2，SW3和SW4分别是打开还是关闭。这种控制信号S1，S2，S3和S4由图1的CIS控制器300产生。

图3示出图2电路在操作期间信号的时序。参考图2和3，在复位采样周期期间，复位控制信号R被激活成逻辑高状态，同时，传送控制信号T保持在逻辑低状态。因此，复位晶体管RX被导通，同时，传送晶体管TX被截止，使得复位电压Vres＝VDD被施加在浮置扩散节点FD上。

而且，在复位采样周期期间，响应于开关控制信号S1，S2，S3和S4，开关SW1，SW2，SW3和SW4被导通，使得复位电压Vres＝VDD被施加在公共节点Vx上。斜坡电压Vramp由斜坡信号发生器400产生，在复位采样周期期间具有大约VDD/2的电平。

此外，在复位采样周期期间，第一反相放大器AP1的输入节点N1和第二反相放大器AP2的输入节点N2被分别设置到第一跳闸点电压Vtp1和第二跳闸点电压Vtp2。在本发明的一个示例实施例中，Vtp1＝Vtp2。

反相放大器AP1或者AP2的跳闸点电压是阈值电压，在该电压，放大器的输入电压实质上与放大器的输出电压相同。随着放大器开关S3和S4关闭，第一和第二反相放大器AP1和AP2的每一个具有输出被反馈到输入的反馈结构。因此，在节点N1和N2形成的跳闸点电压Vtp1和Vtp2的每一个都是大约VDD/2。这种跳闸点电压Vtp1和Vtp2的每个分别被存储在放大器电容器C2和C3中。

随后，在信号采样周期期间，传送控制信号T被设置到逻辑高状态以便导通传送晶体管TX。因此，从光电二极管PD产生的电荷载流子被传送到浮置扩散节点FD。

随后，第一开关SW1被导通，使得公共节点Vx被驱动到具有在复位电压Vres和修改信号电压Vxc之间的电压差(Vres-Vxc)。修改信号电压Vxc部分地由光电二极管PD产生并且被传送到产生原始信号电压Vsig的浮置扩散节点FD的电荷载流子的量来确定。

因此，第一反相放大器AP1的输入节点N1被设置到在跳闸点电压Vtp1和修改信号电压Vxc之间的电压差(Vtp1-Vxc)。第一反相放大器AP1将这种输入电压(Vtp1-Vxc)放大为A1*(Vtp1-Vxc)以产生输出OUT1，这里A1为第一反相放大器AP1的第一放大因子。

然后第一反相放大器AP1的输出OUT1＝A1*(Vtp1-Vxc)进一步被第二反相放大器AP2放大为A2*A1*(Vtp1-Vxc)以产生输出OUT2，这里A2为第二反相放大器AP2的第二放大因子。

此后，斜坡信号发生器400被控制为使斜坡信号Vramp斜线上升。从斜坡信号Vramp开始斜线上升的时间点开始，节点Vx和N1的电压以与斜坡信号Vramp相同的速率上升。而且，转换单元220由CIS控制器300控制以便从斜坡信号Vramp开始斜线上升的时间点开始计数，直到第二反相放大器AP2的输出OUT2进行过渡(即图3的计数器工作周期)为止。

当第一反相放大器AP1的输入节点N1上的电压从斜坡信号Vramp的稳定斜线上升到达跳闸点电压Vtp1时，第二反相放大器AP2的输出OUT2进行过渡。因此，从斜坡信号Vramp开始斜线上升时到第二反相放大器的输出OUT2进行过渡时的时间周期表示原始信号电压Vsig的电平。

转换单元220计数这种时间周期，并且这种计数的结果是表示模拟信号电压Vsig的电平的数字信号。这种数字信号被锁存在转换单元220中，用于表示由光电二极管PD接收的光的灰度等级。

在本发明的一个方面中，通过调节来自像素电路100的原始信号电压Vsig以产生修改信号电压Vxc来补偿跳闸点电压Vtp1的第一功率噪声分量。图4示出跳闸点电压Vtp1例子和修改信号电压Vxc例子的波形图。

跳闸点电压Vtp1具有第一功率噪声分量Vnoise1，其加到图4例子中大约VDD/2的理想低电平上。由于电源VDD和VSS噪声而产生的跳闸点电压的第一功率噪声分量Vnoise1由下述公式1表示：

[公式1]

$V_{\mathrm{noise}1}=\frac{V_{\mathrm{DDN}}+V_{\mathrm{SSN}}}{2}$

在公式1中，V_DDN和V_SSN分别表示电源VDD和VSS的噪声分量。

仍然参考图4，假设信号电压Vsig是从像素电路100产生的原始信号电压。在这种情况下，噪声补偿电路212在公共节点Vx上产生修改信号电压Vxc，其由下述公式2表示：

[公式2]

$V_{\mathrm{XC}}=V_{\mathrm{sig}}+V_{\mathrm{noise}2}=V_{\mathrm{sig}}+[(V_{\mathrm{DDN}}+V_{\mathrm{SSN}})*\frac{C_{\mathrm{vdd}}}{C_{\mathrm{vdd}}+C_{\mathrm{vss}}}]$

因此，噪声补偿电路212将功率噪声分量Vnoise2引入到原始信号电压Vsig以在公共节点Vx上产生修改信号电压Vxc。正如图4右边部分所示，例如，功率噪声分量Vnoise2被加在较低的原始信号电压Vsig上以产生修改信号电压Vxc。

如果每一个功率电容器Cvdd和Cvss都具有实质上相同的电容，则第二功率噪声分量Vnoise2实质上等于第一功率噪声分量Vnoise1。因此，通过使用差(Vtp1-Vxc)，这种功率噪声分量在相关双精度采样处理中被完全抵消了。

这种有利的特征在图4中示出为在跳闸点电压Vtp1中没有功率噪声的理想情况和原始信号电压Vsig之间以及在具有功率噪声分量Vnoise1的跳闸点电压Vtp1和具有功率噪声分量Vnoise2的修改信号电压Vxc之间具有相同的差A。恒定的差A表示原始信号电压Vsig的电平。这种功率噪声分量的消除使由像素阵列100捕获的图像的失真最小化。

前述的仅仅是例子而不是限制性的。例如，这里描述和说明的元件数目或任何数目也仅仅是例子。另外，针对用于CMOS图像传感器10中的CDS ADC210说明了本发明。但是，CDS ADC 210也可以有利地被应用于其它电子装置或者应用中。在这种情况下，除了像素电路100例子之外，任何模拟电压源都可产生用于产生修改信号电压Vxc的原始信号电压，以及产生用于产生跳闸点电压Vtp1的复位电压。

仅仅权利要求和其等同物限定本发明。

本申请要求2005年8月3日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.2005-71139的优先权，其公开全部包含于此作为参考。

Claims (20)

1.一种模拟-数字转换器，包括：

第一放大单元，用于放大跳闸点电压和修改信号电压之间的差以产生第一放大电压，所述跳闸点电压具有第一功率噪声分量；

噪声补偿单元，其将第二功率噪声分量合并到原始信号电压以产生修改信号电压；以及

转换单元，用于产生表示所述差的数字信号。

2.根据权利要求1的模拟-数字转换器，其中，第二功率噪声分量实质上等于第一功率噪声分量，使得第一和第二功率噪声分量在所述差中被抵消。

3.根据权利要求1的模拟-数字转换器，其中，噪声补偿单元包括：

第一功率电容器，其被耦合在高功率电压源和公共节点之间；以及

第二功率电容器，其被耦合在低功率电压源和公共节点之间。

4.根据权利要求3的模拟-数字转换器，其中，第一放大单元包括：

第一反相放大器；

第一放大器开关，被耦合在第一反相放大器的输入和输出之间；以及

第一放大器电容器，被耦合在公共节点和第一反相放大器的输入之间。

5.根据权利要求4的模拟-数字转换器，还包括：

第二放大单元，其用于进一步放大第一放大电压以产生第二放大电压，所述第二放大单元包括：

第二反相放大器；

第二放大器开关，被耦合在第二反相放大器的输入和输出之间；以及

第二放大器电容器，被耦合在第一反相放大器的输出和第二反相放大器的输入之间。

6.根据权利要求5的模拟-数字转换器，还包括：

开关单元，包括：

第一开关，耦合在模拟电压源和公共节点之间，其中，模拟电压源产生原始信号电压和用于产生跳闸点电压的复位信号电压；

开关电容器，其具有被耦合到公共节点的第一端子；以及

第二开关，其被耦合在开关电容器的第二端子和产生斜坡电压的斜坡信号发生器之间。

7.根据权利要求6的模拟-数字转换器，其中，转换单元包括计数器，所述计数器从斜坡电压被施加至开关电容器的第二端子时开始计数，到第二放大电压的过渡时为止，以产生数字信号。

8.根据权利要求6的模拟-数字转换器，其中，模拟电压源是CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器的像素电路，所述像素电路产生图像信号电压作为原始信号电压。

9.一种CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器，包括：

像素电路阵列，每个像素电路从图像中产生图像信号电压；

模拟-数字转换器，用于产生代表图像信号电压的数字信号；以及

控制器，用于产生用来控制像素电路和模拟-数字转换器的控制信号；

其中，模拟-数字转换器包括：

第一放大单元，用于放大跳闸点电压和修改信号电压之间的差以产生第一放大电压，所述跳闸点电压具有第一功率噪声分量；

噪声补偿单元，其将第二功率噪声分量合并到图像信号电压以产生修改信号电压；以及

转换单元，用于产生表示所述差的数字信号。

10.根据权利要求9的CMOS图像传感器，其中，第二功率噪声分量实质上等于第一功率噪声分量，使得第一和第二功率噪声分量在所述差中被抵消。

11.根据权利要求9的CMOS图像传感器，其中，噪声补偿单元包括：

第一功率电容器，其被耦合在高功率电压源和公共节点之间；以及

第二功率电容器，其被耦合在低功率电压源和公共节点之间。

12.根据权利要求11的CMOS图像传感器，其中，第一放大单元包括：

第一反相放大器；

第一放大器开关，被耦合在第一反相放大器的输入和输出之间；以及

第一放大器电容器，被耦合在公共节点和第一反相放大器的输入之间。

13.根据权利要求12的CMOS图像传感器，其中，模拟-数字转换器还包括：

第二放大单元，其用于进一步放大第一放大电压以产生第二放大电压，所述第二放大单元包括：

第二反相放大器；

第二放大器开关，被耦合在第二反相放大器的输入和输出之间；以及

第二放大器电容器，被耦合在第一反相放大器的输出和第二反相放大器的输入之间。

14.根据权利要求13的CMOS图像传感器，其中，模拟-数字转换器还包括：

开关单元，包括：

第一开关，耦合在模拟电压源和公共节点之间，其中，模拟电压源产生原始信号电压和用于产生跳闸点电压的复位信号电压；

开关电容器，其具有被耦合到公共节点的第一端子；以及

第二开关，其被耦合在开关电容器的第二端子和产生斜坡电压的斜坡信号发生器之间。

15.根据权利要求14的CMOS图像传感器，其中，转换单元包括计数器，所述计数器从斜坡电压被施加至开关电容器的第二端子时开始进行计数，到第二放大电压的过渡时为止，用于产生数字信号。

16.一种在CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器内执行CDS(相关双精度采样)模拟-数字转换的方法，包括：

从复位信号电压产生跳闸点电压，所述跳闸点电压具有第一功率噪声分量；

从图像中产生图像信号电压；

通过将第二功率噪声分量合并到图像信号电压来产生修改信号电压；

放大在跳闸点电压和修改信号电压之间的差以产生第一放大电压；以及

产生表示所述差的数字信号。

17.根据权利要求16的方法，其中，第二功率噪声分量实质上等于第一功率噪声分量，使得第一和第二功率噪声分量在所述差中被抵消。

18.根据权利要求16的方法，其中，在图像信号电压产生之前，从复位信号电压中产生跳闸点电压。

19.根据权利要求16的方法，还包括：

放大第一放大电压以产生第二放大电压。

20.根据权利要求19的方法，还包括：

产生将补偿提供给第一放大电压的斜坡电压；以及

从斜坡电压开始补偿第一放大电压时开始进行计数，到第二放大电压的过渡时为止，用于产生数字信号。

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