TWI404407B - 黑階補償電路 - Google Patents

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黑階補償電路
本發明係有關影像感測器的黑階補償(black level compensatipo,BLC)，特別是關於一種影像感測器的類比黑階補償電路。
半導體影像感測器(例如電荷耦合元件(CCD)或互補金屬氧化半導體(CMOS)感測器)普遍使用於照相機或攝影機中，用以將可見光之影像轉換為電子信號，便於後續之儲存、傳輸或顯示。
由於電子電路的非完美性質，使得影像感測器在未接收任何光線的情形下仍然會具有漏電流。為了克服此問題，通常會讀取多行的光學黑(optical black)像素(或光遮(light-shielded)像素)，經平均後作為黑色的參考基準。然而，由於可程式增益放大器(programmable gain amplifier,PGA)的不同增益設定，將使得參考基準產生改變。
第一圖顯示傳統黑階補償(BLC)系統，其數位迴路係由類比至數位轉換器(ADC)1、數位電路2及數位至類比轉換器(DAC)3所組成。其中，類比至數位轉換器(ADC)1自可程式增益放大器(PGA)4接收光學黑信號，以輸出相應之數位信號。光學黑信號接著經數位電路2進行比較及平均。平均信號再轉換回相應類比信號後，用以補償可程式增益放大器(PGA)4。然而，類比至數位轉換器(ADC)1及數位電路2會產生時間延遲，且數位至類比轉換器(DAC)3則產生量化誤差，因此，傳統的黑階補償(BLC)系統的速度及準確度都無法提高。
鑑於傳統黑階補償(BLC)系統，特別是具數位迴路的黑階補償(BLC)系統，無法快速及準確地進行影像感測器的黑階補償，因此亟需提出一種新穎機制，用以快速且準確地執行黑階補償。
鑑於上述，本發明的目的之一在於提出一種類比黑階補償(BLC)電路，用以快速且準確地執行黑階補償。本發明的另一目的在於實質地節省晶片面積及功率消耗。
根據本發明實施例，黑階補償(BLC)電路包含一開關電容式(SC)積分器，其包含放大器(例如差動放大器)、迴授電容器、輸入電容器及一些第一/第二相位開關。其中，放大器的輸入連接至讀出放大器的輸出。迴授電容器連接於放大器的輸入與輸出之間，且輸入電容器經控制而連接於黑階補償電路的輸入及放大器的輸入之間。第一/第二相位開關經配置而使得來自一參考電壓及讀出放大器之輸出所儲存的電荷差得以被積分。放大器的另一輸出提供一補償電壓，用以補償讀出放大器。藉此，讀出放大器的輸出被箝制於參考電壓，其係定義為影像感測器的黑階。根據本發明特徵之一，更使用壞像素偵測器以偵測光學黑像素當中的壞像素。被偵測到的壞像素則與黑階補償迴路之積分器阻隔開來。
第二圖顯示本發明第一實施例之黑階補償(BLC)電路10。黑階補償電路10係用以補償一讀出放大器12，例如可程式增益放大器(PGA)，其可放大影像感測器(未圖示)之信號。(開迴路)類比至數位轉換器(ADC)14則接收可程式增益放大器(PGA)12的輸出。在本實施例中，可程式增益放大器(PGA)12的輸出OUTP連接至黑階補償電路10的輸入，且黑階補償電路10的(正)輸出DACN經控制而連接至可程式增益放大器(PGA)12並向其迴授電容器CF1或輸入電容器CS1充電，因而形成黑階補償迴路。此迴路為一種類比迴路，而非傳統黑階補償系統(第一圖)之數位迴路。
在本實施例中，黑階補償電路10為切換電容式(switched-capacitor，SC)積分器，其包含一差動放大器A2、迴授電容器CF2、輸入電容器CS2及一些(相位1/相位2)開關P1/P2。迴授電容器CF2連接於差動放大器A2的正輸入及負輸出之間。輸入電容器CS2經由開關P1/P2而連接於黑階補償電路10的輸入及差動放大器A2的正輸入之間。差動放大器A2的正輸出提供補償電壓DACN給可程式增益放大器(PGA)12。
第三圖顯示非重疊之相位信號P1和P2及第二圖信號的時序圖。於第一相位P1，來自負參考電壓REFN的電荷儲存於輸入電容器CS2。負參考電壓REFN為類比至數位轉換器(ADC)14的零位準，也是光學黑位準之定義所在。於第二相位P2，來自可程式增益放大器(PGA)12之輸出電壓OUTP的電荷儲存於輸入電容器CS2。藉此，電壓REFN及電壓OUTP的電荷差即傳送至迴授電容器CF2，換句話說，電壓REFN及電壓OUTP的差值將受到切換電容式(SC)積分器10的積分。因此，可程式增益放大器(PGA)12之輸出電壓OUTP被箝制(clamp)於負參考電壓REFN，因而完成黑階補償。在其他實施例中，可程式增益放大器(PGA)12之輸出電壓OUTP也可箝制於非零位準之黑階。例如，如果光學黑位準係定義於類比至數位轉換器(ADC)14的位準，則可程式增益放大器(PGA)12之輸出電壓OUTP可箝制於90%的REFN。
實務上，迴授電容器CF2的電容值經設計使其和輸入電容器CS2的電容值大致相等，因而於讀取光學黑(或光遮)像素時(此時的開關ACT係為閉合的)，黑階補償迴路得以快速地達到穩定(通常僅要幾個週期時間)。接下來，藉由併聯耦接另一電容器(CF2 increase)(如第三圖所示)，使得迴授電容器的電容值大量地增加。增大之迴授電容值使得黑階補償電路10更能抵抗熱(或壞)像素的影響。藉此，可以得到快速且準確的黑階補償電路10。於完成黑階補償後，開關ACT即斷開。開關ACT也可以在偵測到一或多個熱(或壞)像素時予以斷開，用以消除熱像素所造成的效應。
與第一圖之傳統黑階補償系統作比較，本發明實施例(第四圖)使用類比迴授迴路以實現黑階之補償，因此，不再需要數位電路2及數位至類比轉換器(DAC)3，因而可以避免時間延遲及量化誤差。再者，還可以節省相當的晶片面積及相關的功率消耗。
第四圖顯示本發明第二實施例之黑階補償(BLC)電路10A/10B。本實施例使用多級(例如二級)的可程式增益放大器(PGA)12A/12B。每一級可程式增益放大器對應至一個黑階補償電路。例如，在一實施例中，黑階補償電路10A係用以箝制可程式增益放大器(PGA)12A的輸出，而黑階補償電路10B則用以箝制可程式增益放大器(PGA)12B的輸出。在另一實施例中，僅有最後一級可程式增益放大器(PGA)被箝制，而其他級則未予以箝制。
在本實施例(第四圖)中，第二級可程式增益放大器(PGA)12B的輸出電壓OUTP3被箝制於負參考電壓REFN，而第一級可程式增益放大器(PGA)12A的輸出電壓OUTP則被箝制於電壓REFN/A3(其中A3=CS3/CF3)。一般來說，每一級的目標箝制電壓係依下一級可程式增益放大器(PGA)的增益而比例縮小。例如，如第四圖所示，第二級的可程式增益放大器(PGA)之增益A3等於CS3/CF3，因此第一級的目標箝制電壓即為REFN/A3。
於第四圖之多級實施例中，相鄰級之相位開關P1/P2的排列係互為顛倒的。由於每一放大器(A2或A4)僅工作半個週期，因此，相鄰級即可以共享一放大器，如第五圖所示第二實施例(第四圖)之變形實施例，其可以較第四圖節省更多的晶片面積。根據圖式，放大器A2於第一相位P1時連接至第一級黑階補償電路10A，同一放大器A2則於第二相位P2時連接至第二級黑階補償電路10B。類似的情形，對於可程式增益放大器(PGA)12A/12B而言，放大器A1於第一相位P1時連接至第二級可程式增益放大器(PGA)12B，同一放大器A1則於第二相位P2時連接至第一級可程式增益放大器(PGA)12A。
第六圖顯示第二實施例(第四圖)之另一變形實施例。在此實施例中，使用二級的可程式增益放大器(PGA)，然而僅使用一級的黑階補償電路10B，因此可以較第四圖節省更多的晶片面積。單級黑階補償電路10B係屬於反相(inverting)配置，其負輸出DACN連接以補償第一級可程式增益放大器(PGA)12A，而第二級可程式增益放大器(PGA)12B的輸出OUTP3則連接至單級黑階補償電路10B的輸入。
於光學黑像素進行信號積分期間，由於製程的非理想性，可能會受到一些壞像素的影響。因此，可以使用壞像素偵測器以控制黑階補償電路中的開關ACT，藉由斷開黑階補償迴路，因而將壞像素資訊予以旁路。第七圖例示本發明特徵之一的壞像素偵測器。反向器CMP1及電容器C1係作為比較器，用以比較(如第二圖所示)可程式增益放大器(PGA)12的輸出電壓OUTP和一壞像素參考電壓BAD_REFP。當輸出電壓OUTP大於壞像素參考電壓BAD_REFP時，比較器的輸出Pixel_OK變為”0”且偵測器輸出ACT也變為”0”，其即被用以旁路壞像素資訊。上述偵測器之電路可作等效的修飾或以其他等效電路來取代。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
1．．．類比至數位轉換器(ADC)
2．．．數位電路
3．．．數位至類比轉換器(DAC)
4．．．可程式增益放大器(PGA)
10．．．黑階補償(BLC)電路
10A/10B．．．黑階補償(BLC)電路
12．．．讀出放大器
12A/12B．．．讀出放大器
14．．．類比至數位轉換器(ADC)
OUTP．．．(可程式增益放大器)輸出
OUTP3．．．(可程式增益放大器)輸出
A1/A3．．．(可程式增益放大器)差動放大器
CF1．．．(可程式增益放大器)迴授電容器
CS1．．．(可程式增益放大器)輸入電容器
DACN．．．(黑階補償電路)補償輸出電壓
A2/A4．．．(黑階補償電路)差動放大器
CF2．．．(黑階補償電路)迴授電容器
CS2．．．(黑階補償電路)輸入電容器
CF3．．．(黑階補償電路)迴授電容器
CS3．．．(黑階補償電路)輸入電容器
P1/P2．．．(相位1/相位2)開關
REFN．．．負參考電壓
ACT．．．開關
CF2．．．increase併聯之迴授電容器
CMP1．．．反向器
C1．．．電容器
BAD_REFP．．．壞像素參考電壓
Pixel_OK．．．比較器的輸出
第一圖顯示傳統黑階補償(BLC)系統。
第二圖顯示本發明第一實施例之黑階補償(BLC)電路。
第三圖顯示非重疊之相位信號P1和P2及第二圖信號的時序圖。
第四圖本發明第二實施例之黑階補償(BLC)電路。
第五圖顯示第二實施例(第四圖)之變形實施例。
第六圖顯示第二實施例(第四圖)之另一變形實施例。
第七圖例示本發明特徵之一的壞像素偵測器。
10．．．黑階補償(BLC)電路
12．．．讀出放大器
14．．．類比至數位轉換器(ADC)
OUTP．．．(可程式增益放大器)輸出
CF1．．．(可程式增益放大器)電容器
DACN．．．(黑階補償電路)補償輸出電壓
A2．．．(黑階補償電路)差動放大器
CF2．．．(黑階補償電路)迴授電容器
CS2．．．(黑階補償電路)輸入電容器
CF3．．．(黑階補償電路)迴授電容器
CS3．．．(黑階補償電路)輸入電容器
P1/P2．．．(相位1/相位2)開關
REFN．．．負參考電壓
ACT．．．開關
CF2．．．increase併聯之迴授電容器

Claims (20)

  1. 一種黑階補償(BLC)電路，包含：一開關電容式(SC)積分器，用以補償一影像感測器的讀出放大器，使得該讀出放大器的輸出被箝制於一參考電壓，其係定義為該影像感測器的黑階；一開關，係於偵測到壞像素時，斷開該黑階補償電路予以阻隔該壞像素資訊；以及一壞像素偵測器，用以偵測該壞像素，該壞像素偵測器包含：一比較器，用以比較該讀出放大器的輸出與一壞像素參考電壓，當該讀出放大器的輸出大於該壞像素參考電壓時，則旁路該壞像素。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之黑階補償電路，其中上述之讀出放大器為可程式增益放大器(PGA)。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之黑階補償電路，其中上述之黑階係定義為一類比至數位轉換器(ADC)的負參考電壓，該類比至數位轉換器(ADC)連接至該讀出放大器的輸出。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之黑階補償電路，其中上述讀出放大器的輸出連接至該黑階補償電路的輸入，且該黑階補償電路的一輸出經控制而連接至該讀出放大器，並向其迴授電容器或輸入電容器充電。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之黑階補償電路，其中上述之開關電容式(SC)積分器包含：一差動放大器；一迴授電容器，連接於該差動放大器的正輸入與負輸出之間；一輸入電容器，經控制而連接於該黑階補償電路的輸入及該差動放大器的正輸入之間；及複數個第一相位開關及第二相位開關，其經配置而使得來自該參考電壓及該讀出放大器之輸出所儲存的電荷差，得以傳送至該黑階補償電路的迴授電容器；其中該差動放大器的正輸出提供一補償電壓，用以補償該讀出放大器。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之黑階補償電路，於第一相位時，來自該參考電壓的電荷儲存於該黑階補償電路的輸入電容器，於第二相位時，來自該讀出放大器之輸出的電荷儲存於該黑階補償電路的輸入電容器。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之黑階補償電路，其中上述迴授電容器之電容值大致相同於該輸入電容器之電容值，並於後續增大該迴授電容器之電容值。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之黑階補償電路，其中上述迴授電容器之電容值的增大係藉由併聯耦接另一電容器而達成。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之黑階補償電路，其中上述之讀出放大器包含複數級，且該黑階補償電路包含複數級，其中該黑階補償電路的每一級對應至該讀出放大器的每一級。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之黑階補償電路，其中上述黑階補償電路的每一級係用以箝制該讀出放大器的對應級。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之黑階補償電路，其中上述黑階補償電路每一級的目標箝制電壓係依下一級讀出放大器的增益而比例縮小。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之黑階補償電路，其中一放大器共享於該黑階補償電路的相鄰級，使得該共享放大器於第一相位時連接至其中一級，而於第二相位時連接至另一級。
  13. 如申請專利範圍第5項所述之黑階補償電路，其中上述之讀出放大器包含二級，且該黑階補償電路包含一反向配置之單級，其中該單級黑階補償電路的負輸出經連接以補償該第一級讀出放大器，而該第二級讀出放大器的輸出則連接至該單級黑階補償電路的輸入。
  14. 一種黑階補償(BLC)電路，包含：一放大器，其輸入連接至一讀出放大器的一輸出；一迴授電容器，連接於該放大器的正輸入與負輸出之間；一輸入電容器，經控制而連接於該黑階補償電路的輸入及該放大器的輸入之間；複數個第一相位開關及第二相位開關，其經配置而使得來自一參考電壓及該讀出放大器之輸出所儲存的電荷差得以被積分；一開關，係於偵測到壞像素時，斷開該黑階補償電路予以阻隔該壞像素資訊；以及 一壞像素偵測器，用以偵測該壞像素，該壞像素偵測器包含：一比較器，用以比較該讀出放大器的輸出與一壞像素參考電壓，當該讀出放大器的輸出大於該壞像素參考電壓時，則旁路該壞像素；其中該放大器的另一輸出提供一補償電壓，用以補償該讀出放大器，藉此該讀出放大器的輸出被箝制於該參考電壓，其係定義為一影像感測器的黑階。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之黑階補償電路，其中上述之放大器為差動放大器。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之黑階補償電路，其中上述之迴授電容器連接於該差動放大器的正輸入與負輸出之間。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之黑階補償電路，其中上述之補償電壓係由該差動放大器的正輸出所提供。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之黑階補償電路，其中上述之補償電壓經控制而連接至該讀出放大器，並向其迴授電容器充電。
  19. 如申請專利範圍第14項所述之黑階補償電路，其中上述之讀出放大器為可程式增益放大器(PGA)。
  20. 如申請專利範圍第14項所述之黑階補償電路，其中上述之黑階係定義為一類比至數位轉換器(ADC)的負參考電壓，該類比至數位轉換器(ADC)連接至該讀出放大器的輸出。
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