TW202209816A - 信號轉換電路及信號讀出電路架構 - Google Patents
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Abstract
一種信號轉換電路以及信號讀出電路架構，該信號轉換電路包括：輸入開關電容，一端接收該感測陣列輸出的電信號，另一端與該運算放大器的輸入端電連接；反饋開關電容，一端與述運算放大器的輸入端電連接，另一端與運算放大器的輸入輸出端電連接；輸入開關，適於控制輸入開關電容的接入與否；反饋開關，適於控制反饋開關電容的接入與否；其中，該感測陣列輸出的電信號包括電荷、電流或電壓，該輸入開關電容和反饋開關電容的等效阻抗與該感測陣列的輸出特性相關。根據該感測陣列輸出的不同信號，該信號轉換電路可以採用不同的轉換模式，以使該信號讀出電路架構可應用於不同的感測陣列。
Description
本發明是有關於一種電子電路領域，具體地，涉及一種信號轉換電路以及信號讀出電路架構。
現有圖像傳感器是組成數位攝像頭的重要組成部分，主要用於數碼相機和工業、媒體、醫療、消費電子中應用的大量成像設備。隨著照相機、攝像機、多媒體手機需求的日益增長，圖像傳感器市場正在快速增長。其中，信號讀出電路是圖像傳感器的重要組成部分。CMOS集成電路由於其低功耗、低工作電壓和集成度高等特點，逐漸成為信號讀出電路的主流工藝。
圖像傳感器中的感測陣列用於將光信號轉化成電信號，目前，感測陣列以被動式像素結構為主，所感測到的電荷或電流信號，未經放大即由外部信號讀出電路加以讀取。近年來，主動式像素結構的感測陣列也逐漸增多，所感測到的電荷或電流信號，經過圖像傳感器中的像素電路加以處理，以放大的電壓或電流作為輸出信號，不同的感測陣列的輸出信號，有著不同的形式或範圍。因此，需要一種新的信號讀出電路架構，能夠讀取不同的感測陣列的輸出信號。參考圖1，圖1是現有技術中的一種信號讀出電路架構的結構示意圖。圖1所示的信號讀出電路架構包括多個讀出支路，適於讀出感測陣列輸出的信號。每個讀出支路均包括信號轉換模組（圖1虛線框中結構），所述信號轉換模組包括運算放大器以及可變電容，所述信號轉換模組通過可變電容讀取感測陣列中所輸出的電荷信號，以及一定時間內的電流信號，並將上述信號轉變為電壓，以供後續進行相關雙取樣以及模數轉換。但是，對於不同感測陣列輸出的信號，需要設計對應的外部信號讀出電路來處理，各信號讀出電路用途單一，無法通用。若感測陣列的輸出信號為電壓，則圖1所示的信號讀出電路無法讀取。此外，在此設計中，雖然可以調節信號轉換模組中電容器的電容值，但當電流範圍相差大至數十倍以上時，便無法使用同一個信號讀出電路來處理，需要針對不同的感測陣列開發不同的信號讀出電路，增加設計、製作以及管理上的成本。
因此，本發明的一目的，即在提供一種信號轉換電路，包括：運算放大器，適於將感測陣列輸出的電信號進行放大；還包括：輸入開關電容，一端接收該感測陣列輸出的電信號，另一端與該運算放大器的輸入端電連接；反饋開關電容，一端與該運算放大器的輸入端電連接，另一端與該運算放大器的輸出端電連接；輸入開關，適於控制該輸入開關電容的接入與否；反饋開關，適於控制該反饋開關電容的接入與否；其中，該感測陣列輸出的電信號包括電荷、電流、電壓的其中之一，該輸入開關電容和反饋開關電容的等效阻抗與該感測陣列的輸出特性相關。
較佳的，該輸入開關電容包括串聯的第一開關和第一電容器。
較佳的，該反饋開關電容包括並聯的第二電容器和第二開關以及與並聯的第二電容器和第二開關串聯的第三開關。
較佳的，該感測陣列為被動像素結構，且輸出電荷信號，該輸入開關控制該輸入開關電容被短路，該反饋開關斷開，該第二開關斷開，以及該第三開關閉合。
較佳的，該感測陣列為被動像素結構，且輸出電流信號，該輸入開關控制該輸入開關電容被短路；該反饋開關斷開，該反饋開關電容的第二開關和第三開關受到頻率為第一頻率的時鐘脈衝信號控制，且該第二開關和第三開關的時鐘脈衝信號的相位相反。
較佳的，該感測陣列為主動像素結構，且輸出電流信號，該輸入開關控制該輸入開關電容被短路；該反饋開關斷開，該反饋開關電容的第二開關和第三開關受到頻率為第二頻率的時鐘脈衝信號控制，且該第二開關和第三開關的時鐘脈衝信號的相位相反，該第二頻率大於第一頻率。
較佳的，該感測陣列為主動像素結構，輸出的電信號為電壓，該輸入開關斷開，該輸入開關電容的第一開關受到時鐘脈衝信號控制；該反饋開關斷開，該反饋開關電容的第二開關和第三開關受到時鐘脈衝信號控制，且該第二開關和第三開關的時鐘脈衝信號的相位相反。
較佳的，該時鐘脈衝信號經由脈衝信號模組產生。
本發明實施例提供了一種信號讀出電路架構，包括多條讀出支路，該讀出支路包括信號轉換電路；多個複製器模組，適於將感測陣列的多個輸出信號進行複製輸出；取樣模組，適於對該信號轉換電路的輸出信號進行相關雙取樣，並輸出一類比信號；以及類比數位轉換模組，適於將所述取樣模組的輸出的類比信號轉換為數位信號；該信號讀出電路架構還包括：脈衝信號模組，適於向該信號轉換電路輸出不同頻率的時鐘脈衝信號，以調節該信號轉換電路的等效阻抗。
較佳的，該感測陣列內置於TFT圖像傳感器。
與現有技術相比，本發明實施例的技術方案具有以下優點：
本發明實施例提供了一種信號轉換電路，包括：輸入開關電容，一端接收該感測陣列輸出的電信號，另一端與該運算放大器的輸入端電連接；反饋開關電容，一端與該運算放大器的輸入端電連接，另一端與運算放大器的輸入輸出端電連接；輸入開關，適於控制該輸入開關電容的接入與否；反饋開關，適於控制該反饋開關電容的接入與否；其中，該感測陣列輸出的電信號包括電荷、電流或電壓，該輸入開關電容和反饋開關電容的等效阻抗與該感測陣列的輸出特性相關。該信號轉換電路引入開關電容以實現電阻元件，並根據該感測陣列輸出的不同信號，該信號轉換電路可以採用不同的轉換模式，以使該信號讀出電路架構可應用於不同的感測陣列。因此，在系統應用中更換或開發不同的感測陣列時，該信號讀出電路可使用同一種運算放大器，僅需根據不同的感測陣列調整其他的電路元件組成，無需重新設計製造信號讀出電路，大幅減少系統產品的開發時間以及成本。
進一步，該信號讀出電路架構包括脈衝信號模組，向該信號轉換電路輸出不同頻率的脈衝信號，以調節該信號轉換電路的等效阻抗。。
本發明之功效在於：該信號讀出電路架構可以在相同的面積成本下，大範圍地改變元件值，從而可以處理較大範圍的感測陣列輸出信號。
在本發明被詳細描述前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參考圖2，圖2是本發明實施例提供的一種信號讀出電路架構的結構示意圖。
如圖2所示，本發明信號讀出電路架構200之實施例用於讀出感測陣列100輸出的電信號，該信號讀出電路架構200包括多個讀出支路，分別讀出感測陣列100各行或各列的信號。每個讀出支路均包括：多個複製器模組（11-1n），信號轉換電路（21-2n），取樣模組（31-3n）以及類比數位轉換模組（41-4n）。在一些實施例中，該信號讀出電路架構200還包括脈衝信號模組20。
在具體實施中，所述多個複製器模組（11~1n）用於將感測陣列100的多個輸出信號進行複製輸出，從而減少晶片的引腳數量，降低晶片的設計複雜度。該信號轉換電路（21~2n）用於將該感測陣列輸出的電荷、電流或電壓信號轉換成電壓信號輸出。該取樣模組（31~3n），對該信號轉換電路21~2n的輸出信號進行相關雙取樣，並將採樣信號輸出。通過對感測陣列100的信號進行相關雙取樣，可以消除複位噪聲的干擾，對低頻噪聲也有抑制作用，因此可以顯著改善信噪比，提高信號檢測精度，從而提升圖像傳感器所採集的圖像的質量。所述類比數位轉換模組（41-4n）適於將類比信號轉換成數位信號，以便於後續圖像處理。
在一些實施例中，該脈衝信號模組20適於向該信號轉換電路（21~2n）輸出不同頻率的時鐘脈衝信號，以調節該信號轉換電路的等效阻抗。在具體實施中，該脈衝信號模組20輸出的不同信號，向該信號轉換電路（21~2n）輸出不同頻率的時鐘脈衝信號。
在具體實施中，所述多個複製器模組（11-1n）、取樣模組（31-3n）、類比數位轉換模組（41-4n）以及該脈衝信號模組20可以採用不同的具體結構，本發明實施例不做任何限定。
需要注意的是，圖2所示的信號讀出電路架構的示意圖，並不意味著本發明實施例所提供的信號讀出電路架構200僅包含上述各個模組，例如，在一些實施例中，該信號讀出電路架構200還可以包括移位暫存器等模組單元，以進行相應的數據和信號處理。
在一些實施例中，該感測陣列內置於薄膜晶體管（Thin Film Transistor，TFT）傳感器，所述TFT傳感器可以製作在玻璃或者軟板上，從而可以獲得較大的製作面積。
以下以圖3為例，具體說明該信號轉換電路的結構。
該信號轉換電路21~2n包括運算放大器AMP，適於將感測陣列輸出的電信號進行放大；輸入開關電容211的一端接收該感測陣列100輸出的電信號，其另一端與該運算放大器AMP的輸入端電連接；反饋開關電容212的一端與該運算放大器AMP的輸入端電連接，其另一端與該運算放大器AMP的輸入輸出端電連接；輸入開關S1用於控制該輸入開關電容211的接入與否；以及反饋開關S3用於控制該反饋開關電容212的接入與否。該感測陣列輸出的電信號包括電荷、電流或電壓，該輸入開關電容211和反饋開關電容212的等效阻抗與該感測陣列100的輸出特性相關。
在一些實施例中，該輸入開關S1與該輸入開關電容211並聯；該反饋開關S3與該反饋開關電容212並聯。
在一些實施例中，該輸入開關電容211包括串聯的第一開關S2和第一電容器C1。在具體實施中，該第一開關S2接收時鐘脈衝信號。該脈衝信號模組20通過輸出不同頻率的脈衝信號，以調節該輸入開關電容211的等效阻抗。
在一些實施例中，該反饋開關電容212包括並聯的第二電容器C2和第二開關S5以及與並聯的第二電容器C2和第二開關S5串聯的第三開關S4。在具體實施中，與該第一開關S2類似，該第二開關S5與該第三開關S4接收時鐘脈衝信號。該脈衝信號模組20通過輸出不同頻率的脈衝信號，以調節該反饋開關電容212的等效阻抗。
以下結合參考圖3至圖6，說明該信號轉換電路在不同模式下的結構與狀態。
參考圖3，圖3是本發明實施例中處於第一轉換模式的信號轉換電路的示意圖。
在一些實施例中，該感測陣列100為被動像素結構，且輸出電荷信號，此時，該信號轉換電路21~2n為第一轉換模式：該輸入開關S1閉合，控制該輸入開關電容211被短路；該反饋開關S3斷開，該第二開關S5斷開，以及該第三開關S4閉合。
當處於第一轉換模式時，該信號轉換電路21~2n等效為積分電路，該第二電容器C2為飛法（fF）至皮法（pF）級別的電容。在具體實施中，該第二電容器C2接收電荷信號，並輸出電壓信號。
參考圖4，圖4是本發明實施例中處於第二轉換模式的信號轉換電路的示意圖。
在一些實施例中，該感測陣列為被動像素結構，且輸出電流信號，此時，該信號轉換電路為第二轉換模式：該輸入開關S1閉合，控制該輸入開關電容211被短路；該反饋開關S3斷開，該反饋開關電容212的第二開關S5和第三開關S4受到頻率為第一頻率f1的時鐘脈衝信號CLK控制，且該第二開關S5和該第三開關S4的時鐘脈衝信號CLK的相位相反。
當處於第二轉換模式時，該反饋開關電容212等效為電阻，其等效阻值與該第一頻率f1與該第二電容器C2的電容值的乘積成反比，在具體實施中，其等效阻值的範圍為1kΩ至100MΩ。該第二電容器C2接收電流信號，並輸出電壓信號。
參考圖5，圖5是本發明實施例中處於第三轉換模式的信號轉換電路的示意圖。
在一些實施例中，該感測陣列為主動像素結構，且輸出電流信號，此時，該信號轉換電路為第三轉換模式：該輸入開關S1閉合，控制該輸入開關電容211被短路；該反饋開關S3斷開，該反饋開關電容212的第二開關S5和第三開關S4受到頻率為第二頻率f2的時鐘脈衝信號CLK控制，且該第二開關S5和該第三開關S4的時鐘脈衝信號CLK的相位相反。
當處於第三轉換模式時，該反饋開關電容212等效為電阻，其等效阻值與該第二頻率f2與該第二電容器C2的電容值的乘積成反比，在具體實施中，其等效阻值的範圍為1kΩ至100MΩ。該第二電容器C2接收電流信號，並輸出電壓信號。
與所述第二轉換模式的不同之處在於，在該第三轉換模式中，感測陣列為主動像素結構，通常來說，主動像素結構的感測陣列會將輸出的電流信號放大，因此，相比第二轉換模式下的信號轉換電路，第三轉換模式下的信號轉換電路接收的電流信號的幅值更大，因此，該第二頻率f2大於所述第一頻率f1，第三轉換模式下的反饋開關電容212可以獲得較高的等效電阻值，從而可以處理幅度更大的電流信號。
參考圖6，圖6是本發明實施例中處於第四轉換模式的信號轉換電路的示意圖。
在一些實施例中，該感測陣列包含源極追隨器，因此，輸出的電信號為電壓信號，此時，該輸入開關S1端開，該輸入開關電容211的第一開關S2受到時鐘脈衝信號CLK控制；該反饋開關斷開S3，該反饋開關電容212的第二開關S5和第三開關S4受到時鐘脈衝信號CLK控制，且該第二開關S5和第三開關S4的時鐘脈衝信號CLK的相位相反。在具體實施中，施加在該第一開關S2的時鐘脈衝信號頻率為第三頻率f3，施加在該第二開關S5和第三開關S4的時鐘脈衝信號頻率為第四頻率f4。
當處於第四轉換模式時，該輸入開關電容211以及該反饋開關電容212均等效為電阻，該輸入開關電容211的等效阻值R1與該第三頻率f3與所述第一電容器C1的電容值的乘積；該反饋開關電容212的等效阻值R2與該第四頻率f4與該第二電容器C2的電容值的乘積成反比，在具體實施中，其等效阻值的範圍均為1kΩ至100MΩ。在第四模式下，該信號轉換電路等效為反相放大器，接收電壓信號，並輸出電壓信號。
在具體實施中，可以以一個高頻時鐘脈衝信號作為基頻，並通過除頻或其他方式產生其他頻率的脈衝信號。通過控制該第三頻率f3與第四頻率f4，以調節該第一等效阻值R1與該第二等效阻值R2，從而可以調節該信號轉換電路的增益。
因此，通過控制該輸入開關S1和該反饋開關S3的通斷，以及該脈衝信號模組輸出的時鐘脈衝信號的頻率，從而可以調整該信號轉換電路的轉換模式，以使該信號讀出電路架構可應用於不同的感測陣列。此外，不同的時鐘脈衝信號的頻率可以調節該輸入開關電容211和該反饋開關電容212的等效阻抗，由此，該信號讀出電路架構可以在相同的面積成本下，大範圍地改變元件值，從而可以處理較大範圍的感測陣列輸出信號。
雖然本發明披露如上，但本發明並非限定於此。任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護範圍應當以權利要求所限定的範圍為准。
綜上所述，本發明裝置，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
100:感測陣列
200:信號讀出電路架構
20:脈衝信號模組
21~2n:信號轉換電路
211:輸入開關電容
212:反饋開關電容
S1:輸入開關
S2:第一開關
C1:第一電容器
S3:反饋開關
S4:第三開關
S5:第二開關
C2:第二電容器
CLK:時鐘脈衝信號
AMP:運算放大器
本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：
圖1是現有技術中的一種信號讀出電路架構的結構示意圖；
圖2是本發明實施例提供的一種信號讀出電路架構的結構示意圖；
圖3是本發明實施例中處於第一轉換模式的信號轉換電路的示意圖；
圖4是本發明實施例中處於第二轉換模式的信號轉換電路的示意圖；
圖5是本發明實施例中處於第三轉換模式的信號轉換電路的示意圖；
圖6是本發明實施例中處於第四轉換模式的信號轉換電路的示意圖。
100:感測陣列
200:信號讀出電路架構
20:脈衝信號模組
21~2n:信號轉換電路
211:輸入開關電容
212:反饋開關電容
S1:輸入開關
S2:第一開關
C1:第一電容器
S3:反饋開關
S4:第三開關
S5:第二開關
C2:第二電容器
CLK:時鐘脈衝信號
AMP:運算放大器
Claims (14)
- 一種信號轉換電路，包含： 一運算放大器，用於將一感測陣列輸出的一電信號進行放大； 一輸入開關電容，具有接收該感測陣列輸出的該電信號的一端、與該該運算放大器的一輸入端電連接的另一端； 一反饋開關電容，具有與該運算放大器的該輸入端電連接的一端、與該運算放大器的一輸出端電連接的另一端。
- 如請求項1所述的信號轉換電路，更包括 一輸入開關，用於控制該輸入開關電容的接入與否；以及 一反饋開關，用於控制該反饋開關電容的接入與否。
- 如請求項2所述的信號轉換電路，其中，該輸入開關電容和該反饋開關電容的等效阻抗與該感測陣列的輸出特性相關。
- 如請求項2所述的信號轉換電路，其中，該感測陣列輸出的該電信號包括電荷、電流、電壓的其中之一。
- 如請求項2所述的信號轉換電路，該輸入開關電容包括串聯的一第一開關和一第一電容器。
- 如請求項5所述的信號轉換電路，該反饋開關電容包括並聯的一第二電容器和一第二開關，以及與並聯的該第二電容器和該第二開關串聯的一第三開關。
- 如請求項6所述的信號轉換電路，該輸入開關控制該輸入開關電容被短路，該反饋開關斷開，該第二開關斷開，以及該第三開關閉合。
- 如請求項7所述的信號轉換電路，該感測陣列為被動像素結構，且輸出電荷信號。
- 如請求項6所述的信號轉換電路，該感測陣列為被動像素結構，且輸出電流信號，該輸入開關控制該輸入開關電容被短路；該反饋開關斷開，該反饋開關電容的該第二開關和該第三開關受到一頻率為第一頻率的時鐘脈衝信號控制。
- 如請求項6所述的信號轉換電路，該感測陣列為主動像素結構，且輸出電流信號，該輸入開關控制該輸入開關電容被短路；該反饋開關斷開，該反饋開關電容的該第二開關和該第三開關受到一頻率為第二頻率的時鐘脈衝信號控制。
- 如請求項6所述的信號轉換電路，該感測陣列為主動像素結構，輸出的電信號為電壓，該輸入開關斷開，該輸入開關電容的一第一開關受到一時鐘脈衝信號控制；該反饋開關斷開，該反饋開關電容的該第二開關和該第三開關受到一時鐘脈衝信號控制。
- 如請求項9至11中任一項的信號轉換電路，該時鐘脈衝信號經由一脈衝信號模組產生，且該第二開關和該第三開關的該時鐘脈衝信號的相位相反，且該第二頻率大於該第一頻率。
- 一種信號讀出電路架構，包含： 多個讀出支路，每一讀出支路包括請求項1至12中任一項的信號轉換電路； 多個複製器模組，適於將一感測陣列的多個輸出信號進行複製輸出； 一取樣模組，適於對該信號轉換電路的該輸出信號進行相關雙取樣，並將輸出一類比信號；以及 一類比數位轉換模組，適於將該取樣模組的輸出的該類比信號轉換為一數位信號； 一脈衝信號模組，適於向該信號轉換電路輸出不同頻率的時鐘脈衝信號，以調節該信號轉換電路的等效阻抗。
- 如請求項13所述的信號讀出電路架構，該感測陣列內置於薄膜電晶體圖像傳感器。
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