TW201639353A - 具有功率雜訊過濾功能的影像感測電路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提出一種具有功率雜訊過濾功能的影像感測電路及其控制方法。具有功率雜訊過濾功能的影像感測電路，包含：影像感測單元，用以感測影像，以產生影像感測訊號；功率雜訊感測單元，用以感測功率雜訊，以產生功率雜訊訊號；差分放大電路，分別與影像感測單元及功率雜訊感測單元耦接，以接收影像感測訊號及功率雜訊訊號，並以差分放大方式而產生差分過濾訊號；以及類比數位轉換電路(analog-to-digital converter circuit, ADC)，與差分放大電路耦接，以接收差分過濾訊號，而產生數位影像訊號。

Description

具有功率雜訊過濾功能的影像感測電路及其控制方法
本發明係有關一種具有功率雜訊過濾功能的影像感測電路及其控制方法，特別是指一種以差分放大方式過濾功率雜訊之具有功率雜訊過濾功能的影像感測電路及其控制方法。
第1圖顯示一種典型的互補式金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS) 影像感測陣列電路1，包含影像感測陣列2、列(row) 電路3、與行(column) 電路4；其中，影像感測陣列2包括複數影像感測單元10。如圖所示，複數影像感測單元10排列成矩陣，以類似數位記憶電路的讀取方式操作，即利用列電路3解碼影像感測單元10的位置；並利用行電路4解碼影像感測單元10位置並進行放大訊號操作，而產生類比影像訊號，並以其中的類比數位轉換電路(未示出)轉換類比影像訊號為數位影像訊號DIS1。在行電路4中，每行會有類比數位轉換電路(analog-to-digital converter circuit, ADC)，以將類比影像訊號轉換為數位影像訊號DIS1。
在習知的技術中，計數訊號經由類比數位轉換電路 (ADC)，轉換為數位影像訊號DIS1之後，才會以數位方式進行放大操作，這使得解析度受到限制；另外，電路中的功率雜訊與暗電流也是以數位影像訊號DIS1運算處理，這使得影像播放電路(未示出)，根據數位影像訊號DIS1播放後的影像，品質受到限制。
有鑑於此，本發明即針對上述先前技術之不足，提出一種具有功率雜訊過濾功能的影像感測電路及其控制方法，並以差分放大方式對類比影像感測訊號進行運算，以於數位影像訊號DIS1產生之前過濾功率雜訊。
就其中一個觀點言，本發明提供了一種具有功率雜訊過濾功能的影像感測電路，包含：一影像感測單元，用以感測影像，以產生一影像感測訊號；一功率雜訊感測單元，用以感測功率雜訊，以產生一功率雜訊訊號；一差分放大電路，分別與該影像感測單元及該功率雜訊感測單元耦接，以接收該影像感測訊號及該功率雜訊訊號，並以差分放大方式而產生一差分過濾訊號；以及一類比數位轉換電路，與該差分放大電路耦接，以接收該差分過濾訊號，而產生一數位影像訊號，該類比數位轉換電路包括：一比較器，與該差分放大電路耦接，以接收該差分過濾訊號，而產生一計數訊號；以及一計數電路，與該比較器耦接，以將該計數訊號轉換為一數位影像訊號。
在其中一種較佳的實施型態中，該差分放大電路包括：一第一取樣保持電路，與該影像感測單元耦接，用以取樣並儲存該影像感測訊號；一第二取樣保持電路，與該功率雜訊感測單元耦接，用以取樣並儲存該功率雜訊訊號；一差分放大器，具有：兩差分輸入端，分別用以接收該影像感測訊號與該功率雜訊訊號；以及兩差分輸出端，該兩差分輸出端間之壓差ΔV作為該差分過濾訊號；一第三取樣保持電路，連接於接收該影像感測訊號之該差分輸入端與其中一該差分輸出端之間；以及一第四取樣保持電路，連接於接收該功率雜訊訊號之該差分輸入端與另一該差分輸出端之間。
在前述實施型態中，該第一取樣保持電路與該第二取樣保持電路較佳地分別具有一第一電容，其具有第一電容值C1，該第三取樣保持電路與該第四取樣保持電路分別具有一第二電容，其具有第二容值C2，該壓差ΔV之值為：其中該影像感測訊號具有電壓Vin，且該功率雜訊訊號具有電壓Vip。
在其中一種較佳的實施型態中，該類比數位轉換電路較佳地包括一磁滯比較器，具有兩磁滯輸入端，分別耦接於該兩差分輸出端，並根據該壓差ΔV與一斜坡電壓及一參考電壓，產生該計數訊號。
在其中一種較佳的實施型態中，該功率雜訊感測單元利用遮光方式或不導通其中一轉移開關方式，以產生該功率雜訊訊號。
就另一個觀點言，本發明提供了一種有功率雜訊過濾功能的影像感測電路之控制方法，包含：感測影像，以產生一影像感測訊號；感測功率雜訊，以產生一功率雜訊訊號；接收該影像感測訊號及該功率雜訊訊號，以差分放大方式而產生一差分過濾訊號；接收該差分過濾訊號，而產生一計數訊號；以及將該計數訊號轉換為一數位影像訊號。
在前述實施型態中，該接收該影像感測訊號及該功率雜訊訊號，以差分放大方式而產生該差分過濾訊號之步驟較佳地包括：利用一第一電容，具有第一電容值C1，取樣並儲存該影像感測訊號；利用另一第一電容，具有第一電容值C1，取樣並儲存該功率雜訊訊號；利用一差分放大器之兩差分輸入端，分別接收該影像感測訊號與該功率雜訊訊號；以及利用該差分放大器之兩差分輸出端間之壓差ΔV作為該差分過濾訊號；其中，一第二電容，其具有第二容值C2，耦接於接收該影像取樣訊號之該差分輸入端與其中一該差分輸出端之間；其中，另一第二電容，其具有第二容值C2，連接於接收該功率雜訊訊號之該差分輸入端與另一該差分輸出端之間；其中，該壓差ΔV之值為：其中該影像感測訊號具有電壓Vin，且該功率雜訊訊號具有電壓Vip。
在其中一種較佳的實施型態中，該接收該差分過濾訊號，而產生一計數訊號之步驟包括利用一磁滯比較器，具有兩磁滯輸入端，分別耦接於該兩差分輸出端，並根據該壓差ΔV與一斜坡電壓及一參考電壓，產生該計數訊號。
在其中一種較佳的實施型態中，該感測功率雜訊，以產生該功率雜訊訊號之步驟包括：利用遮光方式或不導通一轉移開關方式，以產生該功率雜訊訊號。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
請參閱第2圖，顯示本發明的第一個實施例。如第2圖所示，具有功率雜訊過濾功能的影像感測電路100包含影像感測單元10、功率雜訊感測單元20、差分放大電路30、以及類比數位轉換電路40；其中數位轉換電路40包括比較器41以及計數電路43。影像感測單元10用以接收影像，以產生影像感測訊號ISS。功率雜訊感測單元20用以感測功率雜訊，以產生功率雜訊訊號PNS。差分放大電路30分別與影像感測單元10及功率雜訊感測單元20耦接，以接收影像感測訊號ISS及功率雜訊訊號PNS，並以差分放大方式而產生差分過濾訊號。類比數位轉換電路40與差分放大電路30耦接，以接收差分過濾訊號，而產生數位影像訊號DIS2。比較器41與差分放大電路30耦接，以接收差分過濾訊號，而產生計數訊號。計數電路43與比較器41耦接，以將計數訊號轉換為數位影像訊號DIS2。
在本實施例中，差分放大電路30與類比數位轉換電路40例如可以應用於典型的CMOS 影像感測陣列電路1中的行電路4，而影像感測單元10與功率雜訊感測單元20例如可以應用於典型的CMOS 影像感測陣列電路1中的影像感測陣列2。其中，功率雜訊感測單元20例如在影像感測陣列2中的每一行設置一個即可。與先前技術不同的是，在應用本發明的實施例中，影像感測訊號ISS先經過差分放大電路30，再轉換為數位影像訊號DIS2。此種架構優於先前技術之處，其中之一在於影像感測訊號ISS在轉換為數位影像訊號DIS2之前，先經過差分放大電路30與比較器41，也就是在轉換為數位影像訊號DIS2之前，先藉由差分放大方式過濾功率雜訊並放大訊號。如此一來，可以降低後續電路在設計上，例如精密度、解析度的限制。也就是說，將影像感測訊號ISS去除至少部分的功率雜訊PNS之後放大，可使訊號在固定的預設範圍內，解析度增加，降低後續處理數位訊號之電路在設計上的複雜度，提高訊號的解析度。此外，根據本發明，功率雜訊感測單元20例如但不限於為利用遮光方式將影像遮蔽，或是將影像感測單元中的轉移切換開關不導通，只傳遞功率雜訊的影像感測單元。以4-開關(4T)影像感測元件為例，例如將其影像感測單元遮光，或使其中的轉移切換開關恆不導通即可。將此功率雜訊感測單元20所產生的代表功率雜訊的功率雜訊訊號PNS與前述影像感測訊號ISS執行差分放大的運算。另外，將影像感測單元遮光的方式可以進一步在差分放大方式的處理程序中，使功率雜訊包含至少部分的暗電流，以於影像感測訊號ISS轉換為數位影像訊號DIS2之前，過濾包含至少部分的暗電流之功率雜訊。
第3圖顯示本發明的第二個實施例。本實施例顯示具有功率雜訊過濾功能的影像感測電路100一種較具體的實施例。如第3圖所示，影像感測單元10包括：影像感測元件pd，其例如但不限於為光二極體、光閘極、或光導體，用以接收影像以產生感測電荷；轉移切換開關TG，耦接於影像感測元件pd與浮動擴散節點fd之間，以轉移上述感測電荷為浮動擴散電荷，並將浮動擴散電荷儲存於浮動擴散節點fd；重置開關RST，在本實施例中，重置開關RST與浮動擴散節點fd耦接，重置開關RST用以重置浮動擴散節點fd之位準至預設電位，例如但不限於為內部電壓Vdd；源極隨耦器SF，耦接至浮動擴散節點fd，以將浮動擴散電荷轉換為一像素訊號，以代表該影像感測元件所感測之影像；以及列選擇開關RSEL，耦接於源極隨耦器SF，列選擇開關RSEL由列選擇訊號控制，以致能該列選擇開關RSEL並接收訊號，而將前述像素訊號轉換為影像感測訊號ISS。
如第3圖所示，功率雜訊感測單元20例如具有與影像感測單元10相同的結構，但其中之轉移切換開關TG在操作時保持不導通的狀態；或是以遮罩的方式，為影像感測元件pd遮光，例如在半導體製程中，以金屬或遮光的材料覆蓋影像感測元件pd，使影像不會被影像感測元件pd接收。另一種實施方式，即轉移切換開關TG於操作時保持不導通，如此一來，功率雜訊感測單元20所產生的功率雜訊訊號PNS只有功率雜訊。另一種實施方式，即轉移切換開關TG在操作時保持導通，但是以遮罩方式，使影像不會被影像感測元件pd接收，如此一來，功率雜訊進一步包含暗電流(dark current)，使影像感測訊號ISS可以連暗電流所產生的雜訊一起扣除。
如第3圖所示，差分放大電路30包括差分放大器A1與取樣保持電路SH1、SH2、SH3、及SH4。取樣保持電路SH1與影像感測單元10耦接，用以取樣並儲存影像感測訊號ISS。取樣保持電路SH2與功率雜訊感測單元20耦接，用以取樣並儲存功率雜訊訊號PNS。差分放大器A1具有兩差分輸入端及兩差分輸出端。其中兩差分輸入端分別用以接收影像感測訊號ISS與功率雜訊訊號PNS。兩差分輸出端間之壓差ΔV作為差分過濾訊號。取樣保持電路SH3連接於接收影像感測訊號ISS之差分輸入端與其中一差分輸出端之間。取樣保持電路SH4連接於接收功率雜訊訊號PNS之差分輸入端與另一差分輸出端之間。
其中，取樣保持電路SH1、SH2、SH3、及SH4例如但不限於包含如圖所示之電容。在取樣保持電路SH1、SH2、SH3、及SH4中，除了電容之外，亦可以包括重置開關與重置電容等，以作為重置暫存訊號之用，此為本領域中，具有通常知識者所熟知，在此不予贅述。簡言之，取樣保持電路的操作，在於取樣並保持影像感測訊號ISS或功率雜訊訊號PNS，使差分放大器A1可藉以對影像感測訊號ISS及功率雜訊訊號PNS操作運算。 【第1項】 詳言之，請參閱第4圖，說明本實施例中差分放大器A1對影像感測訊號ISS及功率雜訊訊號PNS操作運算的方式。如圖所示，取樣保持電路SH1與取樣保持電路SH2分別具有電容，例如具有電容值C1，取樣保持電路SH3與取樣保持電路SH4分別具有電容，例如具有電容值C2，則壓差ΔV之值為：其中影像感測訊號ISS具有電壓Vin，且功率雜訊訊號PNS具有電壓Vip。在此差分放大器A1用意在於以負回授的控制方式，建立偏壓點，使差分過濾訊號(在此為ΔV)為影像感測訊號ISS與功率雜訊訊號PNS的差值以電容值C1與C2比例放大。影像感測訊號ISS與功率雜訊訊號PNS初始的相位的訊號值可視為儲存於輸入側電容中，等到影像感測訊號ISS與功率雜訊訊號PNS下一個的相位的訊號值產生時，初始的訊號值儲存於輸出側的電容中；因此，利用電容值C1與C2的比例，造成影像感測訊號ISS與功率雜訊訊號PNS差分放大的比例。須說明的是，在本實施例中，差分放大器A1的雙輸入端與雙輸出端的正負號可以互換，但需要保持對應的關係，也就是說，要保持如圖中所示之壓差ΔV=Vop-Von，並符合前述壓差ΔV之值的計算式。其中，差分放大器A1的正輸出端與負輸出端的電壓值分別為電壓Vop與Von；而差分放大器A1的正輸入端與負輸入端的電壓值分別為取樣保持後的電壓Vip與Vin。
如第5圖所示，差分過濾訊號(在本實施例中為壓差ΔV)為雙端的訊號，由比較器41所接收。其中，比較器41例如但不限於包括磁滯比較器A2，其具有兩磁滯輸入端，分別耦接於兩差分輸出端，並根據壓差ΔV與斜坡電壓VDAC及參考電壓VREF，產生計數訊號CS。其中，比較器41例如還包括如圖所示的電容與開關，其中的電容分別用以作為磁滯比較器A2兩輸入端的並聯分壓關係之應用元件；而開關用以決定負回授操作的時間點，使得於磁滯比較器A2可將雙端的輸入點之壓差，根據斜坡電壓VDAC及參考電壓VREF，計量操作算出計數訊號AIS。
詳言之，考慮電壓Vop與Von分別為： 其中電壓Vaz為相對位準，可視為零電位校正(auto-zero)電位，也就是平衡時磁滯比較器A2兩輸入端的位準。由於在本實施例中，電壓電壓Vaz僅用於方便說明運算，其實際的值並不需要加以特別的說明。因此主要的重點在於，比較器41需要將壓差ΔV所代表的雙端差分過濾訊號，量化並轉換為單端計數訊號CS。利用斜坡電壓VDAC及參考電壓VREF分別與電壓Vop與Von比較，例如在磁滯比較器A2的正輸入端，由斜坡電壓VDAC往下計數至電壓Vop，也就是電壓()；而在在磁滯比較器A2的負輸入端，由參考電壓VREF往上計數至電壓Von也就是電壓()。舉例而言，參考電壓VREF為固定的位準，而斜坡電壓VDAC具有單斜率之逐漸改變(例如逐漸下降)的位準，如此一來，利用兩輸入端電容分壓的關係，磁滯比較器A2單輸出端所產生之計數訊號CS即可代表壓差ΔV所代表的雙端差分過濾訊號之計量值。計數訊號CS經過第2圖所示之計數電路43即可轉換為數位影像訊號DIS2。其中，計數電路43於磁滯比較器A2根據斜坡電壓VDAC與參考電壓VREF在上下數的程序中，計算其時間或上下計數之相關訊號，而得到計數訊號CS，此為本領域中具有通常知識者所熟知，在此不予贅述。
第6圖顯示本發明的第三個實施例。本實施例舉例說明功率雜訊感測單元20的上視示意圖。如第6圖所示，影像感測元件pd例如但不限於為光二極體，由上視圖示之，例如但不限於為矩形。而轉移切換開關TG、擴散節點fd、重置開關RST、源極隨耦器SF、列選擇開關RSEL例如但不限於以第6圖所示之上視示意圖的佈局方式安排。影像感測元件pd以灰色實心填滿，示意利用遮光方式遮蔽影像感測元件pd，以產生功率雜訊訊號。或是將轉移切換開關TG於操作期間保持電連接於不導通電壓，使轉移切換開關TG不導通，以產生功率雜訊訊號。
以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化。例如，在所示各實施例電路中，可插入不影響訊號主要意義的元件，如其他開關等；又如，由上視圖視之，影像感測單元不限於如圖所示之形狀，亦可以為其他任意形狀與其他數量。因此，本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。
1‧‧‧CMOS影像感測陣列電路
2‧‧‧影像感測陣列
3‧‧‧列(row)電路
4‧‧‧行(column)電路
10‧‧‧影像感測單元
20‧‧‧功率雜訊感測單元
30‧‧‧差分放大電路
40‧‧‧類比數位轉換電路
41‧‧‧比較器
43‧‧‧計數電路
100‧‧‧具有功率雜訊過濾功能的影像感測電路
A1‧‧‧差分放大器
A2‧‧‧磁滯比較器
C1, C2‧‧‧電容值
CS‧‧‧計數訊號
DIS1, DIS2‧‧‧數位影像訊號
fd‧‧‧浮動擴散節點
ISS‧‧‧影像感測訊號
pd‧‧‧光偵測單元
PNS‧‧‧功率雜訊訊號
RSEL‧‧‧列選擇開關
RST‧‧‧重置開關
SF‧‧‧源極隨耦器
SH1, SH2, SH3, SH4‧‧‧取樣保持電路
TG‧‧‧轉移開關
VDAC‧‧‧斜坡電壓
Vdd‧‧‧內部電壓
Vin, Vip, Von, Vop‧‧‧電壓
VREF‧‧‧參考電壓
ΔV‧‧‧壓差
第1圖顯示一種典型的 CMOS 影像感測陣列電路1示意圖。 第2圖顯示本發明的第一個實施例。 第3圖顯示本發明的第二個實施例。 第4圖說明第二個實施例中差分放大器A1對影像感測訊號ISS及功率雜訊訊號PNS操作運算的方式。 第5圖說明第二個實施例中比較器41操作運算的方式。 第6圖顯示本發明的第三個實施例。
10‧‧‧影像感測單元
20‧‧‧功率雜訊感測單元
30‧‧‧差分放大電路
40‧‧‧類比數位轉換電路
41‧‧‧比較器
43‧‧‧計數電路
100‧‧‧具有功率雜訊過濾功能的影像感測電路
DIS2‧‧‧數位影像訊號
ISS‧‧‧影像感測訊號
PNS‧‧‧功率雜訊訊號

Claims (9)

  1. 一種具有功率雜訊過濾功能的影像感測電路，包含： 一影像感測單元，用以感測影像，以產生一影像感測訊號； 一功率雜訊感測單元，用以感測功率雜訊，以產生一功率雜訊訊號； 一差分放大電路，分別與該影像感測單元及該功率雜訊感測單元耦接，以接收該影像感測訊號及該功率雜訊訊號，並以差分放大方式而產生一差分過濾訊號；以及 一類比數位轉換電路，與該差分放大電路耦接，以接收該差分過濾訊號，而產生一數位影像訊號，該類比數位轉換電路包括： 一比較器，與該差分放大電路耦接，以接收該差分過濾訊號，而產生一計數訊號；以及 一計數電路，與該比較器耦接，以將該計數訊號轉換為該數位影像訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之具有功率雜訊過濾功能的影像感測電路，其中該差分放大電路包括： 一第一取樣保持電路，與該影像感測單元耦接，用以取樣並儲存該影像感測訊號； 一第二取樣保持電路，與該功率雜訊感測單元耦接，用以取樣並儲存該功率雜訊訊號； 一差分放大器，具有： 兩差分輸入端，分別用以接收該影像感測訊號與該功率雜訊訊號；以及 兩差分輸出端，該兩差分輸出端間之壓差ΔV作為該差分過濾訊號； 一第三取樣保持電路，連接於接收該影像感測訊號之該差分輸入端與其中一該差分輸出端之間；以及 一第四取樣保持電路，連接於接收該功率雜訊訊號之該差分輸入端與另一該差分輸出端之間。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之具有功率雜訊過濾功能的影像感測電路，其中該第一取樣保持電路與該第二取樣保持電路分別具有一第一電容，其具有第一電容值C1，該第三取樣保持電路與該第四取樣保持電路分別具有一第二電容，其具有第二容值C2，該壓差ΔV之值為：其中該影像感測訊號具有電壓Vin，且該功率雜訊訊號具有電壓Vip。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之具有功率雜訊過濾功能的影像感測電路，其中該類比數位轉換電路包括一磁滯比較器，具有兩磁滯輸入端，分別耦接於該兩差分輸出端，並根據該壓差ΔV與一斜坡電壓及一參考電壓，產生該計數訊號。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之具有功率雜訊過濾功能的影像感測電路，其中該功率雜訊感測單元利用遮光方式或不導通其中一轉移開關方式，以產生該功率雜訊訊號。
  6. 一種具有功率雜訊過濾功能的影像感測電路之控制方法，包含： 感測影像，以產生一影像感測訊號； 感測功率雜訊，以產生一功率雜訊訊號； 接收該影像感測訊號及該功率雜訊訊號，以差分放大方式而產生一差分過濾訊號； 接收該差分過濾訊號，而產生一計數訊號；以及 將該計數訊號轉換為一數位影像訊號。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之具有功率雜訊過濾功能的影像感測電路之控制方法，其中該接收該影像感測訊號及該功率雜訊訊號，以差分放大方式而產生該差分過濾訊號之步驟包括： 利用一第一電容，具有第一電容值C1，取樣並儲存該影像感測訊號； 利用另一第一電容，具有第一電容值C1，取樣並儲存該功率雜訊訊號； 利用一差分放大器之兩差分輸入端，分別接收該影像感測訊號與該功率雜訊訊號；以及 利用該差分放大器之兩差分輸出端間之壓差ΔV作為該差分過濾訊號； 其中，一第二電容，其具有第二容值C2，耦接於接收該影像取樣訊號之該差分輸入端與其中一該差分輸出端之間； 其中，另一第二電容，其具有第二容值C2，連接於接收該功率雜訊訊號之該差分輸入端與另一該差分輸出端之間； 其中，該壓差ΔV之值為：其中該影像感測訊號具有電壓Vin，且該功率雜訊訊號具有電壓Vip。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之具有功率雜訊過濾功能的影像感測電路之控制方法，其中該接收該差分過濾訊號，而產生一計數訊號之步驟包括利用一磁滯比較器，具有兩磁滯輸入端，分別耦接於該兩差分輸出端，並根據該壓差ΔV與一斜坡電壓及一參考電壓，產生該計數訊號。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之具有功率雜訊過濾功能的影像感測電路之控制方法，其中該感測功率雜訊，以產生該功率雜訊訊號之步驟包括：利用遮光方式或不導通一轉移開關方式，以產生該功率雜訊訊號。
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