DE19908858A1

DE19908858A1 - CMOS-Bildsensor mit Prüfschaltung für das Verifizieren seiner Funktion

Info

Publication number: DE19908858A1
Application number: DE19908858A
Authority: DE
Inventors: Bong Kwon Oh; Yang Woodward; Joong Lee Suk; Tae Hwang Gyu
Original assignee: Hyundai Electronics Industries Co Ltd
Current assignee: Intellectual Ventures II LLC
Priority date: 1998-02-28
Filing date: 1999-03-01
Publication date: 1999-09-16
Anticipated expiration: 2019-03-02
Also published as: JP4455686B2; KR100324592B1; NL1011406A1; GB9904591D0; FR2778049B1; KR19990073016A; TW414922B; FR2778049A1; US6633335B1; DE19908858B4; GB2334848B; NL1011406C2; GB2334848A; JPH11331883A

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Bildanzeigevorrichtung, die einen CMOS-(Komplementärer Metalloxyd-Halbleiter)-Bildsensor verwendet, und insbesondere auf einen CMOS-Bildsensor, der eine eingebaute Prüfschaltung aufweist, und auf ein Verfahren für die Verifizierung der Funktion des CMOS-Bildsensors unter Verwendung der Prüfschaltung. Der CMOS-Bildsensor gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Steuer- und Schnittstelleneinheit für das Steuern der Operation des Sensors unter Verwendung einer Zustandsmaschine und für das Ausbilden einer Schnittstelle zwischen dem CMOS-Bildsensor und einem externen System; eine Bildpunktanordnung, die eine Vielzahl von Bildpunkten umfaßt, die Bilder von einem Objekt messen und analoge Signale gemäß der Menge des einfallenden Lichts ausbilden; einen Wandler für das Umwandeln der analogen Signale in digitale Signale, die in einer digitalen Logikschaltung verarbeitet werden sollen, und eine Prüfschaltung für das Verifizieren der Funktionen des Wandlers und der Steuer- und Schnittstelleneinheit durch das Steuern des Wandlers.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Bildanzeige vorrichtung, die einen CMOS-(Komplementärer Metalloxyd-Halb leiter)-Bildsensor verwendet, und insbesondere auf einen CMOS-Bildsensor, der eine darin eingefügte Prüfschaltung auf weist, und auf ein Verfahren zur Bestätigung der Funktion des CMOS-Bildsensors unter Verwendung der Prüfschaltung.

BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK

Im allgemeinen ist ein Bildsensor eine Vorrichtung, um Bilder unter Verwendung von Licht messenden Halbleitermaterialien aufzunehmen. Da die Helligkeit und die Wellenlänge des Lich tes von einem Objekt gemäß dem Reflexionsgebiet verschiedene Größen aufweist, unterscheiden sich die elektrischen Signale der Bildpunkte voneinander. Diese elektrischen Signale werden durch einen Analog-Digital-Wandler in digitale Signale umge wandelt, die in einer digitalen Schaltung verarbeitet werden können.

Konventionelle Anzeigevorrichtungen, die Ladungsspeicherele mente (nachfolgend als CCDs bezeichnet) verwenden, benötigen eine relativ hohe Spannung, und es werden viele Verarbei tungsschritte benötigt, um eine solche Ladungsspeichervor richtung zu implementieren. Ein Bildsensor, der durch die La dungsspeichervorrichtungen implementiert wird, sollte ge trennte logische Schaltungen für das Umwandeln der analogen Signale in digitale Signale aufweisen. Darüberhinaus ist es in einem konventionellen CCD-Bildsensor sehr schwierig, die Sensoren und die logischen Schaltungen in einem Chip zu inte grieren

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einen CMOS-Bildsensor zu schaffen, der mit niedriger Leistung unter Verwendung einer CMOS-Technologie betrieben werden kann.

Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen CMOS-Bildsensor zu schaffen, in dem die Sensoren und alle logischen Schaltungen in einem Chip integriert sind, mit einer schnellen Datenverarbeitung und einer großen Integra tion.

Eine weitere andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung be steht darin, einen CMOS-Bildsensor mit einer Prüflogikschal tung für das Verifizieren seiner Funktion und ein Verfahren für das Verifizieren des CMOS-Bildsensors zu schaffen.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein CMOS-Bildsensor bereitgestellt, der folgendes umfaßt: eine Steuer- und Schnittstellenvorrichtung für das Steuern des CMOS-Bild sensors unter Verwendung einer Zustandsmaschine und für das Ausbilden einer Schnittstelle zwischen dem CMOS-Bildsensor und einem externen System;
eine Bildpunktanordnung, die eine Vielzahl von Bildpunk ten einschließt, die Bilder von einem Objekt messen und ana loge Signale gemäß der Menge des einfallenden Lichts ausbil den;
eine Umwandlungsvorrichtung für das Umwandeln der analo gen Signale in digitale Signale, die in einer digitale Logik schaltung verarbeitet werden sollen;
und eine Logikschaltung für Prüfoperationen der Umwand lungsvorrichtung und der Steuer- und Schnittstellenvorrich tungen durch das Steuern der Umwandlungsvorrichtung.

Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein CMOS-Bildsensor bereitgestellt, der eine Bildpunktanord nung aufweist, um analoge Signale auszugeben, die von einem Objekt gemessen wurden, wobei der CMOS-Bildsensor folgendes umfaßt: einen Analog-Digital-Wandler, umfassend: a) einen Spannungsgenerator für das Erzeugen einer ersten Referenz spannung; b) eine Vergleichsvorrichtung für das Vergleichen der analogen Signale mit der Referenzspannung; und c) eine Speichervorrichtung für das Speichern der digitalen Signale in Erwiderung auf die Ausgangssignale von der Vergleichsvor richtung; und eine logische Schaltung für das Detektieren, ob der Analog-Digital-Wandler fehlerhaft arbeitet oder nicht, wobei die Logikschaltung in Erwiderung auf eine Prüfbetriebs artinformation arbeitet, die in einem Betriebsartregister, das der CMOS-Bildsensor aufweist, gespeichert ist, den Span nungsgenerator für die Vergleichsvorrichtung steuert, um eine zweite Referenzspannung und eine Testspannung zu empfangen, und in der Speichervorrichtung digitale Signale speichert, die in Erwiderung auf ein Steuersignal von der Vergleichsvor richtung erzeugt wurden, wobei die Speichervorrichtung die gespeicherten digitalen Signale an einen Ausgangsanschluß des CMOS-Bildsensors ausgibt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die obigen Aufgaben und andere Aufgaben und Merkmale der vor liegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung be vorzugter Ausführungsformen, die in Verbindung mit den be gleitenden Zeichnungen erfolgen, deutlich:

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das einen CMOS-Bildsensor gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, das eine Steuer- und System schnittstelleneinheit der Fig. 1 zeigt;

Fig. 3 ist ein Schaltungsdiagramm, das einen CMOS-Bildsensor kern gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 4 ist ein Schaubild, das den Betrieb eines Vergleichers und eine Doppelpuffers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 5 ist ein Zeitdiagramm, das das Entfernen eines Zeitver satzes, der im CMOS-Bildsensor erzeugt wird, zeigt;

Fig. 6 ist ein Blockdiagramm, das eine Schreiboperation im Doppelpuffer zeigt;

Fig. 7 ist eine Blockdiagramm, das eine Verriegelungszellen anordnung des Doppelpuffers zeigt;

Fig. 8 ist ein Speicherblockdiagramm, das ein Prüfbetriebsar tenregister gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 9 ist ein Blockdiagramm, das den Vergleicher in der nor malen Betriebsart und der Prüfbetriebsart gemäß der vorlie genden Erfindung zeigt;

Fig. 10 ist ein Zustandsdiagramm, das eine Prüfbetriebsart gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und

Fig. 11 ist ein Zustandsdiagramm, das den Vergleicher und den Doppelpuffer in einer Prüfbetriebsart zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung im Detail unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.

Zuerst umfaßt gemäß Fig. 1 ein CMOS-Bildsensor gemäß der vorliegenden Erfindung eine Steuer- und Schnittstelleneinheit 10, eine Bildpunktanordnung 20, die eine Vielzahl von CMOS-Bildmeßelementen aufweist, einen Single-Slope-AD-Wandler 30 und eine Prüflogikschaltung 50 für das Verifizieren eines Be triebs des CMOS-Bildsensors. Der Single-Slope-AD-Wandler 30 umfaßt auch einen Rampenspannungsgenerator 31 für das Erzeu gen einer Referenzspannung und einer Prüfspannung, einen Ver gleicher (Operationsverstärker) 32 für das Vergleichen der Rampenspannung mit einem analogen Signal von der Bildpunktan ordnung 20, und einen Doppelpuffer 40.

Die Steuer- und Schnittstelleneinheit 10 steuert den CMOS-Bildsensor in Fig. 1 durch das Steuern einer Integrations zeit, von Abtastadressen, Betriebsarten, einer Rahmenrate, einer Bank und einer Taktteilung unter Verwendung einer FSM (Finite Zustandsmaschine) und sie dient als eine Schnitt stelle zu einem externen System. Die Steuer- und Schnittstel leneinheit 10 wird im Detail in der nachfolgenden Fig. 2 be schrieben.

Die Bildpunktanordnung 20 besteht aus N×M einzelnen Bildpunk ten, die eine ausgezeichnete Lichtempfindlichkeit aufweisen und ein Bild von einem Objekt messen. Jeder Bildpunkt der Bildpunktanordnung 20 umfaßt einen Übertragungstransistor, einen Rücksetztransistor und einen Auswahltransistor.

Der Single-Slope-AD-Wandler 30 wandelt analoge Signale der Bildpunktanordnung 20 in digitale Signale um. In der vorlie genden Erfindung wird diese AD-Umwandlung durch das Verglei chen der Rampenspannung mit den analogen Signalen durchge führt. Der Vergleicher 32 sucht nach einem Punkt, an welchem die analogen Signale denselben Wert aufweisen, wie die fal lenden Rampenspannung mit einer vorbestimmten Neigung. Wenn die Rampenspannung erzeugt wird und zu fallen beginnt, so er zeugt die Steuer- und Schnittstelleneinheit 10 Zählsignale, um den Grad des Spannungsabfalls zu zählen. Beispielsweise kann, wenn die Rampenspannung mit dem Spannungsabfall be ginnt, der umgewandelte digitale Wert "20" betragen, wenn die analogen Signale denselben Wert aufweisen, wie die fallenden Rampenspannung nach 20 Takten der Steuer- und Schnittstellen einheit 10. Der umgewandelte Digitalwert wird im Doppelpuffer 40 in Form von digitalen Daten-gespeichert. Die Errichtung des Digitalwertes wird im Detail in der folgenden Fig. 4 be schrieben.

Die vorliegende Erfindung enthält im Chip die Prüflogikschal tung 50 für das wirksame Verifizieren eines Fehlers, der durch diese digitale Umwandlung verursacht werden kann.

Bezieht man sich auf Fig. 2, die die Steuer- und System schnittstelleneinheit 10 der Fig. 1 zeigt, so ist es möglich, da die Steuer- und Systemschnittstelleneinheit eine Vielzahl von Konfigurationsregister (oder für den Benutzer sichtbare Register) 60, die durch die Benutzer programmiert werden kön nen, umfaßt, verschiedene Operationen gemäß der Anforderung der Benutzer zu steuern. Die Operationen des CMOS-Bildsensors gemäß der vorliegenden Erfindung werden durch eine IIC-(Inter-Integrated-Circuit)-Busschnittstelleneinheit program miert. Wenn ein Bildsensortreiber 70 Programminformation zu einer IIC-Steuereinheit 90 durch eine Steuerschnittstellen einheit 80, beispielsweise eine FPGA (Field Programmable Gate Array) sendet, so empfängt die IIC-Steuereinheit 90, die mit den Systemtaktsignalen synchronisiert ist, die Programminfor mation über einen Bus und interpretiert die Programminforma tion gemäß den IIC-Busprotokollen, um somit die Konfigurati onsregister 60 zu steuern.

Die Programmierung zwischen dem Bildsensortreiber 70 und dem CMOS-Bildsensor wird durch die Konfigurationsregister 60, in denen Lese- und Schreiboperation immer verfügbar sind, durch geführt. Im CMOS-Bildsensor gemäß der vorliegenden Erfindung kann die programmierte Information auf der Basis eines Rah mens aktualisiert werden, und die Aktualisierung wird durch ein spezielles Register, beispielsweise ein Schattenregister 100, durchgeführt. Das Schattenregister 100 dupliziert die Information, die in den Konfigurationsregistern 60 gespei chert ist, und macht es möglich, die Konfigurationsregister 60 auf der Basis einer Szene zu ändern, nur dann, wenn ein Sensorfreigabesignal (das von einer externen Schaltung gelie fert wird) sich auf einem hohen Pegel befindet, oder es zu aktualisierende Information in den Konfigurationsregistern 60 am Anfang jedes Rahmens gibt. Diese Schattenregister 100 ver hindert, daß ein Bild durch eine Unterbrechung der Anweisun gen des Benutzers unterbrochen oder gestört wird.

Um den CMOS-Bildsensor zu steuern, umfaßt das Schattenregi ster 100 eine Basisinformationsregister, um die Größe und die Version des CMOS-Bildsensors zu speichern, ein Operationsbe triebsartregister, um die Operationsbetriebsarten zu spei chern, ein Fenstersteuerregister, um Information bezüglich der Zeilen- und Spaltenstartadressen und der Größe und dem Gebiet des Fensters zu speichern, ein Rahmenrateneinstellre gister, um die Größe von HSYNC (horizontales Synchronisiersi gnal) und VSYNC (vertikales Synchronisiersignal) einzustel len, und ein Taktteilraten- und Einstellregister, um einen Reset-Pegel und eine Farbverstärkung (rot, grün und blau) einzustellen.

Eine Hauptsteuerung 110 steuert jedes Element des CMOS-Bild sensors gemäß der Information, die im Schattenregister 100 gespeichert ist, und ein Adressengenerator 120 erzeugt die Adressen für die Bildpunktanordnung 20 und den Doppelpuffer 40.

Betrachtet man Fig. 3, so umfaßt ein CMOS-Bildsensorkern ge mäß der vorliegenden Erfindung eine Bildpunkteinheit 200, ei nen Vergleicher 320 und eine Verriegelungsschaltungseinheit 400. Die Bildpunkteinheit 200 umfaßt eine Photodiode 21, die Elektronen-Löcher-Paare erzeugt, und vier NMOS-Transistoren M1 bis M4. Die Ladungen, die in der Photodiode 21 erzeugt werden, werden zu einem PN-Übergang ohne Anschluß (FD) über tragen, wenn der Transfertransistor M1 angeschaltet wird, und es findet eine Spannungsänderung am PN-Übergang ohne Anschluß statt, als eine Funktion der erzeugten Ladungen, basierend auf der Gleichung V=Q/C. Die Zeit, zu der der Transfertran sistor M1 abgeschaltet wird, ist eine Integrationszeit, die der Zeit der Belichtung in einem optischen Gerät entspricht.

Der Rücksetztransistor M2 betrifft die korrelierte Doppelab tastung (nachfolgend als CDS bezeichnet). Wenn der Rücksetz transistor M2 angeschaltet wird, und der Transfertransistor M1 ausgeschaltet ist, so kann der PN-Übergang ohne Anschluß auf eine Restspannung geladen werden. Somit kann die Span nung, die dem Rücksetzpegel entspricht, durch das Detektieren der Spannung am PN-Übergang ohne Anschluß bei den obigen Be dingungen detektiert werden. Wenn der Rücksetztransistor M2 abgeschaltet wird, und der Transfertransistor M1 angeschaltet wird, so werden die Ladungen, die in der Photodiode 21 er zeugt werden, zum PN-Übergang ohne Anschluß übertragen, und dann weist die Spannung am PN-Übergang ohne Anschluß den Da tenpegel auf. Ein Versatz, der durch die Bildpunkteinheit 200 und den Vergleicher 32 verursacht wird, kann durch das Sub trahieren des Datenpegels vom Rücksetzpegel beseitigt werden. Dieses Entfernen des Versatzes ist in der CDS wichtig. Das heißt, durch das Entfernen einer unerwarteten Spannung in der Bildpunkteinheit 200 ist es möglich, einen Nettobilddatenwert zu erhalten.

Betrachtet man Fig. 4, so erhält man den digitalen Wert durch das Vergleichen der Rampenspannung vom Rampenspannungsgenera tor 31 mit dem analogen Signal vom Bildpunkt. Es ist Fachleu ten wohl bekannt, daß es verschiedenen Verfahren für die Ana log-Digital-Umwandlung gibt. In der vorliegenden Erfindung wird eine Single-Slope-AD-Umwandlung verwendet, und die end gültigen digitalen Werte werden durch den Vergleicher 32 und den Doppelpuffer 40 erzeugt. Der Rampenspannungsgenerator 31 erzeugt eine Spannung, deren Größe mit einer vorbestimmten Neigung zu jedem Taktzyklus fällt, und diese fallende Rampen spannung wird als Referenzspannung mit dem analogen Signal (oder der Bildpunktspannung) vom Bildpunkt verglichen. Der Anfangswert der Rampenspannung kann auf einen passenden Pegel gesetzt werden, der größer ist als der erwartete maximale Wert des analogen Signals, oder er kann durch die Benutzer eingestellt werden. Die Steuer- und Schnittstelleneinheit 10 zählt mit der Taktsynchronisation, bis der Wert der analogen Signale der gleiche ist, wie der Wert der fallenden Rampen spannung. Wenn ein solcher Bildpunktspannungsmeßpunkt erkannt wird, so schreibt die Steuer- und Schnittstelleneinheit 10 ein entsprechendes Zählsignal (digitaler Wert) in den Doppel puffer 40.

Betrachtet man nochmals Fig. 3, so umfaßt die Verriegelungs schaltungseinheit 400 vier NMOS-Transistoren M5 bis M8. Der Transistor M5 wird angeschaltet in Erwiderung auf das Aus gangssignal vom Vergleicher 32 (so wird das Ausgangssignal vom Vergleicher 32 als "Freigabesignal für das Schreiben" be zeichnet), und der Transistor M6 wird angeschaltet in Erwide rung auf ein Bankauswahlsignal, das einer der Puffergruppen innerhalb des Doppelpuffers 40 in Fig. 7 auswählt. Wenn die entsprechende Puffergruppe ausgewählt ist, und dann der Tran sistor M6 angeschaltet wird, so wird der Transistor M5 ange schaltet, wenn die Referenzspannung größer als die Bild punktspannung ist. Wenn die Transistoren M5 und M6 angeschal tet werden, so wird das Zählsignal an einen Gate-Anschluß des kapazitiven Transistors M7 angelegt, um die Daten zu spei chern. Wenn der Transistor M8 in Erwiderung auf ein Spalten auswahlsignal von der Steuer- und Schnittstelleneinheit 10 angeschaltet wird, so werden die Daten (Zählsignal), die im kapazitiven Transistor M7 gespeichert sind, durch eine einpo lige Bitleitung, die einen Vorladungsmittelwert aufweist, ausgelesen.

Andererseits wird, wenn die Referenzspannung kleiner als die Bildpunktspannung ist, das Zählsignal nicht in der Verriege lungsschaltungseinheit 400 gespeichert, da der Transistor M5 abgeschaltet wird, wobei das endgültige Zählsignal als digi taler Wert gespeichert wird. Der Zähler ist innerhalb der Steuer- und Schnittstelleneinheit 10 angeordnet, und das Zählsignal weist die Form digitaler Daten von einem Kodewand ler, wie einem Gray-Kode-Wandler auf.

Betrachtet man Fig. 5, so wird ein Versatz, der im CMOS-Bild sensor erzeugt wird, entfernt. In Fig. 5 wird die erste Rampe für das Auslesen einer Spannung (die als Rücksetzspan nung bezeichnet wird), die erzeugt wird, wenn der Rücksetz transistor M2 in der Bildpunkteinheit 200 angeschaltet wird, verwendet. Die zweite Rampe wird auch für das Auslesen einer Spannung (die als Datenspannung bezeichnet wird) verwendet, wenn das analoge Signal aus dem Bildpunkt ausgegeben wird. So umfaßt der Doppelpuffer 40 gemäß der vorliegenden Erfindung zwei Puffer, von denen jeder zwei Speicherbänke (oder Grup pen) aufweist. Eine erste Speicherbank wird für das Speichern der Versatzwerte verwendet, und eine zweite Speicherbank wird für das Speichern der digitalen Werte verwendet. Wenn bei spielsweise die Rücksetzspannung als ein digitaler Wert 110 gezählt wird, und die Datenspannung als ein digitaler Wert 440 gezählt wird, so beträgt der Nettodigitalwert, der durch ein Bild bewirkt wird "330 (440-110)". Fig. 6 zeigt eine Struktur eines solchen Doppelpuffers. Bei konventionellen CDS-Verfahren ist es notwendig, zusätzliche Schaltungen zu den Bildsensoren hinzuzufügen. Da jedoch eine solche zusätz liche Schaltung auch einen neuen Versatz verursacht, ist es sehr schwierig, Schaltungen zu gestalten, um ein vollständi ges Entfernen des Versatzes herbeizuführen. In der vorliegen den Erfindung kann, da der Nettodigitalwert, der durch ein Bild verursacht wird, erhalten wird, nachdem die Rücksetz spannung in einen digitalen Wert umgewandelt wurde, wie das in Fig. 5 gezeigt ist, die Schaltungsgestaltung für die CDS leicht durchgeführt werden.

Wie in Fig. 7 gezeigt ist, umfaßt der Doppelpuffer 40 gemäß der vorliegenden Erfindung zwei Puffer, von denen jeder zwei Speicherbänke hat, um eine Pipelinestruktur zu implementie ren, in welcher die Schreib- und Leseoperationen gleichzeitig ausgeführt werden. Die Schreiboperation kann im ersten Puffer ausgeführt werden, währen die Leseoperation im zweiten Puffer ausgeführt wird. Zellen in den Puffern haben 8 Verriegelungs schaltungseinheiten (im Falle einer 8 Bit Datenverarbeitung, wobei der Bildsensor N×M Bildpunkte aufweist. Somit beträgt die Gesamtzahl der Zellen N×8×4.

Der Doppelpuffer mit der Pipelinestruktur macht es möglich, Daten asynchron auszulesen, was zu Verbesserungen bei der Schnittstelle und der Übertragungsrate führt. Insbesondere ist die asynchrone Schnittstelle für hohe Übertragungsraten notwendig. Durch Verwendung des doppelten Puffers im CMOS-Bild sensor können verschiedene Unterabtastungen leicht er reicht werden, durch das Auswählen von geraden und ungeraden Zellen und durch das Auswählen von einer Zelle der drei oder vier Zellen. Weiterhin ist es mit der steigenden Anzahl von Leitungspuffern möglich, zweidimensionale Bilddatenblöcke auf den CMOS-Bildsensor ohne zusätzliche Puffer anzulegen. Im Falle der parallelen AD-Wandler wird der Doppelpuffer gemäß der vorliegenden Erfindung sehr notwendig.

Die logische Prüfschaltung 50 wird für das Erhöhen der Veri fikation durch ein leichtes Messen der Fehlfunktion des CMOS-Bildsensors verwendet, obwohl sie kein notwendiges Element bei der Konstruktion des Bildsensors darstellt.

Die Konfigurationsregister 60 der Steuer- und Schnittstellen einheit 10 umfassen ein Betriebsarteinstellregister, das durch eine Programmierschnittstelle gesteuert wird, und eine Prüfbetriebsart wird gemäß der vorliegenden Erfindung mittels eines solchen Betriebsarteinstellregisters eingestellt. Im Falle der Änderung der Betriebsart arbeitet die logische Prüfschaltung 50 auf der Basis der geänderten Betriebsart.

Betrachtet man Fig. 8, so initialisiert das Betriebsartein stellregister den CMOS-Bildsensor in einer normalen Betriebs art, und es ist programmierbar, so daß es einen Wechseln in drei Prüfbetriebsarten in Abhängigkeit von der Art der Prü fungen durchführt. Die drei Prüfbetriebsarten gemäß der fol genden Erfindung sehen so aus: 1) Prüfbetriebsart_A wird ver wendet bei der Überwachung des Betriebszustandes der FSM der Steuer- und Schnittstelleneinheit und es wird beim Erkennen der Fehlfunktion der logischen Steuerschaltungen und der Pro grammierschnittstelle verwendet; 2) Prüfbetriebsart_B wird verwendet bei der Erkennung von Fehlern, die vom Vergleicher erzeugt werden, wobei aber der Rampenspannungsgenerator ver wendet wird; und 3) Prüfbetriebsart_C wird bei der Erkennung von Haftfehlern für die Verriegelungszellen im Doppelpuffer 40 verwendet, indem wiederholt vorbestimmte digitale Datenmu ster geschrieben und gelesen werden.

Die Testergebnisse werden durch den Datenbus (DATA [7 : 0]) der Fig. 1 ausgegeben. Alle digitalen Daten, die von den mes senden Bildpunkten ausgelesen werden, werden zu demselben Da tenbus in der normalen Betriebsart ausgegeben, aber es ist nicht notwendig, einen zusätzlichen Anschlußstift für das Aus lesen der Testergebnisse der Prüfbetriebsarten hinzu zu fügen, da die Ergebnisse der Prüfbetriebsarten und die Daten von den Bildpunkten durch einen Multiplexer ausgewählt ausge geben werden können.

Die Prüfbetriebsart_A dient zum Testen der Fehlfunktion der Steuer- und Schnittstelleneinheit und gibt die Werte der FSM aus, die eine wichtige Rolle in den darin befindlichen Steue rungen spielen, statt die digitalen Werte von den Bildpunkten durch den Datenbus auszugeben. Die Werte der FSM werden gemäß den Zuständen einer inneren logischen Steuerschaltung und den Zuständen eines externen Steueranschlußstiftes unterschied lich geändert. Somit ist es möglich, die Fehlfunktion der Steuer- und Schnittstelleneinheit zu prüfen, indem nur die Änderungen der Werte der FSM überwacht werden.

Die Prüfbetriebsart_B dient hauptsächlich zur Prüfung des Spannungsvergleichers. Wie in Fig. 9 gezeigt ist, ist der Vergleicher ein Teil, der eine wichtige Rolle bei der Umwand lung analoger Signale, die an den Bildpunkten gemessen wer den, in digitale Signale spielt.

Diese Erfindung erzeugt, wie es in Fig. 9 gezeigt ist, aus dem Rampenspannungsgenerator zwei vorgegebene Eingangsspan nungen, die in der Prüfbetriebsart_B statt der unbekannten Spannung vom Bildpunkt eingegeben werden. An diesem Punkt ist die Referenzspannung eine lineare Rampenspannung, die gemäß demselben Takt wie in der normalen Betriebsart erniedrigt wird, und die Prüfspannung ist eine vorgegebene und erwart bare feste Spannung, um die Funktion des Vergleichers zu prü fen.

Betrachtet man Fig. 10, die die FSM für die Prüfbetriebs art_B und die Prüfbetriebsart_C zeigt, stellen sich die Zu stände wie folgt dar:
IDLE: Zustand, in dem die Prüfbetriebsart_B und die Prüfbetriebsart_C nicht eingestellt sind;
READY: Zustand, in dem die Prüfspannung eingestellt ist, und die Zahl der Prüfung durch den Ausgabeanschlußstift (DATA [7 : 0]) ausgegeben wird, der jede Prüfung in der Prüfbetriebs art_B und der Prüfbetriebsart_C vorbereitet;
COMP: Zustand, in dem die Prüfspannung, die im READY-Zu stand vorbereitet wurde, mit der Referenzspannung verglichen wird, wobei die Vergleichsergebnisse in die Verriegelungszel len des Doppelpuffers geschrieben werden, und die digitalen Werte, die in der Verriegelungszelle gespeichert sind, am Ausgabestift (DATA [7 : 0]) ausgegeben werden;
WAIT1: Zustand, in dem "00H" ausgegeben wird, was an zeigt, daß der Vergleich der rückgesetzten Verriegelungszel len ausgegeben wird, was eine Vorbereitung bedeutet, um Daten aus dem Rücksetzverriegelungszellenfeld auszulesen, um die CDS zu unterstützen;
TEST1: Zustand, der die digitalen Werte, die in den Rücksetzverriegelungszellen gespeichert sind, durch den Ausga bestift ausgibt (DATA [7 : 0]), wobei es dieselben sein müssen, wie die, die im Zustand COMP ausgegeben wurden;
WAIT2: Zustand, in dem "ffH", was anzeigt, daß die digi talen Werte, die den Datenverriegelungszellen entsprechen, als nächstes ausgegeben werden, durch den Ausgabeanschluß stift ausgegeben wird;
TEST2: Zustand, der die digitalen Werte ausgibt, die den Datenverriegelungszellen entsprechen, wobei diese die glei chen sein müssen wie die, die im Zustand COMP ausgegeben wur den;
LOOPB: Zustand, der folgende Schritte umfaßt: wiederhol tes Ausführen der obigen Zustände für einen anderen Puffer; Ändern der Prüfspannung nach Beendigung der Prüfung für zwei Puffer; und Wechseln in den Zustand READY und wiederholtes Ausführen der Prüfung; und
LOOPC: Zustand für die Prüfbetriebsart_C. Ähnlich der Prüfbetriebsart_C beendet die Prüfbetriebsart_C die Prüfung für zwei Puffer und ändert die vorbestimmten digitalen Daten muster, wie das nachfolgend beschrieben wird.

Die Prüfspannung dient zum Prüfen der Funktion des Verglei chers. Die Prüfspannung weist einen Unterschied von einem Viertel der Auflösung des Vergleichers auf; das heißt, bei einer Auflösung von 6 Bit ist sie, wenn man die Komplexität und die Eigenschaften der für sie ausgebildeten Schaltungen betrachtet, effektiver.

Die Prüfbetriebsart_C dient hauptsächlich zur Untersuchung der Verriegelungszellen im Doppelpuffer. Wie in Fig. 7 ge zeigt ist, umfaßt im Fall, bei dem eine Pufferleitung aus N Verriegelungszellen pro Leitung zusammengesetzt ist, der Dop pelpuffer 8×2×2×N Verriegelungszellen, da er einen 8 Bit Wert hat, und je mehr N Werte erhöht werden, desto größer wird die Wahrscheinlichkeit, daß hier Fehler erzeugt werden.

In der normalen Betriebsart, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist, werden die Zählerwerte des Ergebnisses des Vergleichs des analogen Signals mit dem Referenzsignal im Vergleicher im Doppelpuffer gespeichert. Somit können, sofern irgendwelche Fehler im Doppelpuffer erzeugt werden, außergewöhnliche Er gebnisse erhalten werden, sogar wenn die Bildpunkte, der Ver gleicher und der Zähler gut funktionieren.

Die Prüfbetriebsart_C, die sich von der Prüfbetriebsart_B un terscheidet, dient zur Suche nach Fehlern, die in den Verrie gelungszellen erzeugt werden können. Somit wird eine Le se/Schreib-Schnittstelle für das ausschließliche Testen des Doppelpuffers zusätzliche Kosten ergeben. Somit wird in der vorliegenden Erfindung die Prüfbetriebsart_C unter Verwendung der normalen Betriebsart oder der Prüfbetriebsart_B selbst ausgeführt.

Wie in Fig. 11 gezeigt ist, wird eine beliebige Spannung, die höher als der niedrigste Punkt und niedriger als der höchste Punkt einer Referenzrampenspannung ist, als Prüfspan nung aufgebaut, um das Schreibfreigabesignal für den Doppel puffer zu liefern. Bis die Prüfspannung höher als die Refe renzspannung ist, wird das Schreibfreigabesignal erzeugt.

Die Zählwerte werden in der normalen Betriebsart und der Prüfbetriebsart_B gespeichert, wobei sie mit der Rampenspan nung synchronisiert sind. In der Prüfbetriebsart_C werden je doch vorbestimmte digitale Datenmuster statt der Zählwerte wiederholt verwendet, bis das Schreibfreigabesignal AUS ist, um eine Haftfehler leicht zu finden. Die vorbestimmten digi talen Datenmuster sind gemäß der folgenden Erfindung folgen de:

11111111
00000000
10101010
01010101.

Die obigen Muster werden in dieser Reihenfolge geändert, wenn die FSM der Fig. 10 den Zustand "LOOPC" für die beiden Puf fer beendet.

Wie aus obigem deutlich wird, wird der CMOS-Bildsensor gemäß der vorliegenden Erfindung wirksam auf einem Chip implemen tiert, auf dem alle notwendigen Schaltungen mit einem gerin geren Leistungsverbrauch ausgebildet werden, und die Funktion jeder Schaltung leicht getestet werden kann.

Während die vorliegende Erfindung nur bezüglich gewisser be vorzugter Ausführungsformen beschrieben wurde, können andere Modifikationen und Variationen vorgenommen werden, ohne von der Idee und dem Umfang der vorliegenden Erfindung, wie sie in den folgenden Ansprüchen definiert werden, abzuweichen.

Claims

1. CMOS-Bildsensor umfassend:
eine Steuer- und Schnittstellenvorrichtung für das Steu ern des CMOS-Bildsensors unter Verwendung einer Zustandsma schine und für das Ausbilden einer Schnittstelle zwischen dem CMOS-Bildsensor und einem externen- System;
eine Bildpunktanordnung, die eine- Vielzahl von Bildpunk ten umfaßt, die Bilder eines Objektes messen und analoge Si gnale gemäß der Menge des einfallenden Lichts erzeugen;
eine Umwandlungsvorrichtung für das Umwandeln der analo gen Signale in digitale Signale, die in einer digitalen Lo gikschaltung verarbeitet werden sollen; und
eine Logikschaltung für Prüfoperationen der Umwandlungs vorrichtung und der Steuer- und Schnittstellenvorrichtung, durch das Steuern der Umwandlungsvorrichtung.

2. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 1, wobei die Steuer- und Schnittstellenvorrichtung ein für den Benutzer unsichtbares Register umfaßt.

3. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 2, wobei die Steuer- und Schnittstellenvorrichtung eine Vielzahl von Konfigurationsre gister umfaßt, die für den Benutzer sichtbare Register dar stellen, und wobei die Konfigurationsregister ein Prüfbe triebsartregister umfassen.

4. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 3, wobei die Umwandlungsvor richtung folgendes umfaßt:
einen Spannungsgenerator für das Erzeugen erster und zweiter Referenzspannungen und für das Erzeugen der Prüfspan nung in Erwiderung auf ein Steuersignal von der Logikschal tung;
eine Vergleichsvorrichtung für das Vergleichen der ana logen Signale mit der ersten Referenzspannung in einer norma len Betriebsart und für das Vergleichen der zweiten Referenz spannung mit der Prüfspannung in einer Prüfbetriebsart, wobei die normale Betriebsart und die Prüfbetriebsart durch das Prüfbetriebsartregister der Konfigurationsregister bestimmt wird; und
eine Speichervorrichtung für das Speichern von Zählsi gnalen der Steuer- und Schnittstellenvorrichtung in Erwide rung auf Ausgangssignale der Vergleichsvorrichtung.

5. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 4, wobei die Speichervor richtung eine Pipeline-Struktur aufweist, die erste und zwei te Puffer umfaßt, wobei jeder erste und zweite Speicherbänke aufweist, wobei die erste Speicherbank Versatzwerte spei chert, die im CMOS-Bildsensor erzeugt werden, und die zweite Speicherbank Datenwerte von der Bildpunktanordnung speichert.

6. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 4, wobei die Logikschaltung den Spannungsgenerator steuert, um die Vergleichsvorrichtung mit der ersten Referenzspannung in der normalen Betriebsart zu beliefern, und um die Vergleichsvorrichtung mit der Prüf spannung und der zweiten Referenzspannung in der Prüfbe triebsart zu beliefern.

7. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 4, wobei das Prüfbetriebsar tregister eine erste Information für das Prüfen der Zustands maschine der Steuer- und Schnittstellenvorrichtung, eine zweite Information für das Prüfen der Vergleichsvorrichtung und eine dritte Information für das Prüfen der Speichervor richtung speichert.

8. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 4, wobei die Zählsignale di gitale Signale sind, die in einem Kodewandler erzeugt werden.

9. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 4, wobei die Speichervor richtung eine asynchrone Schnittstelle mit der Steuer- und Schnittstellenvorrichtung bildet.

10. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 5, wobei die Speichervor richtung eine Vielzahl von Verriegelungsschaltungen umfaßt, wobei die Verriegelungsschaltung folgendes umfaßt:
einen ersten Transistor, der Zählsignale in Erwiderung auf ein Steuersignal von der Vergleichsvorrichtung empfängt;
einen zweiten Transistor für das Übertragen eines Aus gangssignals des ersten Transistors in Erwiderung auf ein Bankauswahlsignal, das die erste oder die zweite Speicherbank auswählt;
einen dritten Transistor für das Speichern der Zählsi gnale in Erwiderung auf ein Ausgangssignal des zweiten Tran sistors; und
einen vierten Transistor für das übertragen der im drit ten Transistor gespeicherten Signale zu einer Bitleitung in Erwiderung auf ein Spaltensignal von der Steuer- und Schnitt stellenvorrichtung.

11. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 6, wobei der CMOS-Bildsen sor weiter einen Multiplexer für das Auswählen der Ausgangs signale der Speichervorrichtung in der normalen Betriebsart oder in der Prüfbetriebsart umfaßt.

12. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 10, wobei die Bildpunktan ordnung N×M Bildpunkte aufweist, wobei die Vergleichsvorrich tung N Operationsverstärker aufweist, und wobei die Speicher vorrichtung 4× (die Zahl der zu verarbeitenden Bits) ×N Ver riegelungsschaltungen aufweist.

13. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 3, wobei das für den Benut zer unsichtbare Register die Inhalte des Konfigurationsregi sters, das verarbeitet wird, speichert.

14. CMOS-Bildsensor, der einen Bildpunktanordnung hat, um analoge Signale auszugeben, die von einem Objekt gemessen werden, wobei der CMOS-Bildsensor folgendes umfaßt:
einen Analog-Digital-Wandler, umfassend:

a) einen Spannungsgenerator für das Erzeugen einer ersten Referenzspannung;
b) eine Vergleichsvorrichtung für das Vergleichen der analogen Signale mit der Referenzspannung; und
c) eine Speichervorrichtung für das Speichern von digitalen Signalen in Erwiderung auf die Ausgangssignale von der Vergleichsvorrichtung; und

eine Logikschaltung für das Erkennen, ob der Analog-Di gital-Wandler fehlerhaft arbeitet oder nicht, wobei die Lo gikschaltung in Erwiderung auf die Prüfbetriebsartinforma tion, die in einem Betriebsartregister gespeichert ist, das der CMOS-Bildsensor aufweist, arbeitet, den Spannungsgenera tor für die Vergleichsvorrichtung steuert, um eine zweite Re ferenzspannung zu empfangen und eine Testspannung und in der Speichervorrichtung digitale Signale speichert, die in Erwi derung auf ein Steuersignal von der Vergleichsvorrichtung er zeugt werden, und wobei die Speichervorrichtung die gespei cherten digitalen Signale an einen Ausgangsanschluß des CMOS-Bildsensors ausgibt.

15. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 14, wobei der CMOS-Bildsen sor ein für einen Benutzer nicht sichtbares Register umfaßt.

16. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 15, wobei der CMOS-Bildsen sor eine Vielzahl von Konfigurationsregistern umfaßt, bei de nen es sich um für den Benutzer sichtbare Register handelt, und wobei die Konfigurationsregister ein Prüfbetriebsartregi ster umfassen.

17. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 16, wobei das für den Be nutzer unsichtbare Register die Inhalte des Konfigurationsre gisters, das bearbeitet wird, speichert.

18. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 14, wobei der CMOS-Bildsen sor weiter einen Multiplexer umfaßt, für das Auswählen der Ausgangssignale der Speichervorrichtung in einer normalen Be triebsart oder einer Prüfbetriebsart.

19. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 14, wobei die Speichervor richtung eine Pipeline-Struktur aufweist, wobei die Speicher vorrichtung erste und zweite Puffer einschließt, von denen jeder erste und zweite Speicherbänke aufweist, wobei die er ste Speicherbank Versatzwerte speichert, die im CMOS-Bildsen sor erzeugt werden, und die zweite Speicherbank Datenwerte von der Bildpunktanordnung speichert.

20. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 14, wobei die digitalen Si gnale Zählsignale sind, die durch einen Kodewandler erzeugt werden.

21. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 19, wobei die Speichervor richtung eine Vielzahl von Verriegelungsschaltungen umfaßt, wobei die Verriegelungsschaltung folgendes einschließt:
einen ersten Transistor, der Zählsignale in Erwiderung auf das Steuersignal von der Vergleichsvorrichtung empfängt;
einen zweiten Transistor für das übertragen eines Aus gangssignals des ersten Transistors in Erwiderung auf ein Bankauswahlsignal, das die erste oder zweite Speicherbank auswählt;
einen dritten Transistor für das Speichern der Zählsi gnale in Erwiderung auf ein Ausgangssignal des zweiten Tran sistors; und
einen vierten Transistor für das übertragen des im drit ten Transistor gespeicherten Signals zu einer Bitleitung in Erwiderung auf ein Spaltensignal.

22. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 14, wobei die Bildpunktan ordnung N×M Bildpunkte hat, wobei die Vergleichsvorrichtung N Operationsverstärker hat, und wobei die Speichervorrichtung 4× (Zahl der zu verarbeitenden Bit) ×N Verriegelungsschaltun gen aufweist.

23. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 14, wobei die Speichervor richtung eine asynchrone Schnittstelle mit den sich außerhalb von ihr befindlichen externen Schaltungen bildet.