TWI410045B - 影像感測系統及其相關放大／數位化電路 - Google Patents

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影像感測系統及其相關放大/數位化電路
本發明係有關於影像感測器，尤指一種影像感測系統及其相關放大/數位化電路。
在影像處理系統中，類比數位轉換器(ADC)扮演了不可或缺的重要角色，且被廣泛地使用於各種不同的應用領域之中，例如：在互補金氧半導體(CMOS)影像感測系統(CIS)中，類比數位轉換器被應用來將所接收的感測訊號由一類比形式轉換為數位形式，而類比數位轉換器根據其內部的電路結構，可更進一步被細分為快閃式(flash)類比數位轉換器、斜坡式(ramp)類比數位轉換器、(pipelined)管線式類比數位轉換器以及連續漸進式(successive approximation)類比數位轉換器等等。
請參閱第1圖。第1圖所示為一習知影像感測系統100之示意圖，影像感測系統100包含有一感測器陣列(sensor array)110、一行放大器(column amplifier)120、一類比數位轉換器130，以及一影像處理器140；經由感測器陣列110所產生的感測訊號會先經由行放大器120進行訊號放大，爾後由類比數位轉換器130將該訊號由類比形式轉為數位格式。在傳統技術中，影像感測系統100內的類比數位轉換器130一般係採用斜坡式類比數位轉換器。
然而，由於現有的類比數位轉換器結構缺乏訊號放大之功能，這使得傳統的影像感測系統100必須額外使用一組訊號放大電路來當作行放大器120，以改善訊雜比(Signal to Noise Ratio,SNR)並提升影像感測系統100的影像品質。
因此，提出嶄新的電路結構以及方法來提供具有更小的電路面積以及更好的性能的方案是大眾所引頸期盼的。
因此本發明之一目的即在於藉由使用一單一功率放大器來提供一放大/數位化電路，在節省功率消耗與節省所需電路面積的同時，更提升整體效能，以及其相關之影像感測系統。
根據本發明之一實施例，其係揭露一放大/數位化電路。該放大/數位化電路係包含有一具有一輸入端以及一輸出端之一放大器，以及一控制電路。該控制電路係耦接於該放大器之該輸入端以及該輸出端。當該放大/數位化電路係操作於一放大模式時，該控制電路係具有一第一組態以接收一第一輸入訊號，並控制該放大器依據該第一輸入訊號以及一放大係數來產生一輸出電壓。當該係放大/數位化電路操作於一類比數位轉換模式下，該控制電路係具有一第二組態以接收一第二輸入訊號，以控制該放大器依據該第二輸入訊號以及該輸出電壓來產生一比較結果。
根據本發明之另一實施例，其係揭露一種放大/數位化電路。該放大/數位化電路包含有具有一輸入端以及一輸出端之放大器，一第一電容、一第二電容、一第一開關、一第二開關、一第三開關，以及一第四開關。該第一電容包含有耦接於一第一輸入訊號之一第一節點，以及耦接於該放大器之該輸入端之一第二節點。該第二電容包含有耦接於該放大器之該輸入端的一第一節點，以及一第二節點。該第一開關係耦接於該第一電容之該第二節點以及該放大器之該輸入端；該第二開關係耦接於該放大器之該輸入端以及該放大器之該輸出端；該第三開關係耦接於該放大器之該輸出端以及該第二電容之該第二節點，且該第四開關係耦接於該第二電容之該第二節點以及該第二輸入訊號。
根據本發明之另一實施例，其係揭露一種影像感測系統。該影像感測系統係包含有一陣列式感測器以及一放大/數位化電路，其中該陣列式感測器係用以感測光子以據此輸出一電子訊號，以及放大並數位化該電子訊號以產生一數位訊號。該放大/數位化電路係包含有一放大器、一第一電容、一第二電容、一第一開關，以及一第二開關。其中該放大器係具有一輸入端以及一輸出端；該第一電容係具有一第一節點以及一耦接於該放大器之該輸入端之一第二節點；該第一開關係選擇性地將該電子訊號由該感測器連接至該放大器之該輸入端；以及該第二開關係選擇性地將該第二電容之該第二節點連接至該放大器之該輸出端或一斜坡電壓。
在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。以外，「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接於該第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。
因此本發明之一實施例即提供了一種放大/數位化電路，其使用了單一功率放大器來提供訊號放大功能以及類比數位轉換功能，另外，本發明另提供了採用本發明之放大/數位化電路的影像感測系統。藉由控制放大/數位化電路中各個開關的導通(開/關)狀態，本發明之放大/數位化電路得以在放大模式以及類比數位轉換模式中分別執行訊號放大功能以及類比數位轉換功能。換言之，本發明所揭露之放大/數位化電路同時提供了低功率消耗以及小尺寸面積的優勢。
請參閱第2圖，第2圖所示為根據本發明之一實施例一影像感測系統200之方塊示意圖。如圖所示，影像感測系統200係包含有一陣列式感測器(sensor array)210，以感測光子並將所感測之光子轉換為對應的電子訊號；而放大/數位化電路220用以對電子訊號進行訊號放大之運作，以及對放大後的電子訊號進行類比/數位轉換以據此產生一數位訊號；影像處理器230係處理數位訊號並產生一輸出資料。由於陣列式感測器與影像處理器之結構及其運作原理係為熟習本項技藝之人士所熟知，在此便為了簡明起見，不再贅述。
請同時參照第2圖以及第3圖，第3圖所示為本發明之放大/數位化電路(如第2圖中之放大/數位化電路220)之一實施例的方塊示意圖。如圖所示，放大/數位化電路300包含有放大器310、控制電路320以及一計數器330。放大/數位化電路300可依照控制電路320的控制而分別操作在重置模式、放大模式，或是類比數位轉換模式之中。在本發明之一實施例中，放大器310可選擇使用一運算放大器(operational amplifier)；如此一來，放大器310在放大模式下得以對經由陣列式感測器210輸出之感測訊號進行放大，之後，在類比數位轉換模式下使用放大器310來執行比較運作。
在本實施例中，控制電路320包含有，但不限定於，一第一電容C1、一第二電容C2、第一開關SW1、一第二開關SW2、一第三開關SW3，以及一第四開關SW4。第一電容C1具有一第一節點321以及一第二節點322，第一電容C1之第一節點321係耦接於一第一輸入訊號Sin ，而第二節點322係透過第一開關SW1而耦接於放大器310之一輸入端312。第二電容C2具有一第一節點331以及一第二節點332，其中第二電容C2之第一節點331係耦接於放大器310的輸入端312。第一開關SW1係耦接於第一電容C1的第二節點322以及放大器310的輸入端312之間。第二開關SW2則耦接於放大器310的輸入端312及其輸出端314之間。第三開關SW3耦接於放大器310的輸出端314以及第二電容C2的第二節點332。第四開關SW4耦接於第二電容C2的第二節點332以及一第二輸入訊號Vramp 。
每次在放大/數位化電路300開始對第一輸入訊號Sin 進行處理之前，放大/數位化電路300會先進入重置模式，以分別對放大器310及/或第一電容C1、第二電容C2進行重置。此外，如同熟習此項技藝之人士所知，影像感測器所測得之感測訊號每次係以列(row)為單位進行處理，且本發明的放大/數位化電路300可被使用來做為一斜坡式類比數位轉換器的一部份。在每次的訊號處理程序中，放大/數位化電路300將循序操作在下列三個模式之中：重置模式、放大模式，以及類比數位轉換模式。然而，經由適當的設計調整，本發明之放大/數位化電路300亦可被應用在其他種類的類比數位轉換器結構之中以提供類比數位轉換功能，前述相關設計變化亦隸屬於本發明的保護範疇之中。
詳細來說，放大/數位化電路300可在每次開機以及/或每次向對應到一列的感測訊號進行處理之前，先進入重置模式以進行重置。接著，放大/數位化電路300即進入放大模式以根據一放大係數來對經由第一電容C1之第一節點321所接收之第一輸入訊號Sin 進行放大處理，以達到提升感測訊號之訊雜比的目的。之後，放大/數位化電路300進入到類比數位轉換模式來對放大後的感測訊號進行數位化(digitize)運作。
在類比數位轉換模式下，放大/數位化電路300的放大器310可看做為一比較器，放大器310經由第四開關SW4接收一斜坡電壓(亦即第二輸入訊號Vramp )。相關之詳細敘述將於後續說明揭露之。
請同時參照第2圖至第4圖，第4圖所示為第3圖之放大/數位化電路300於重置模式下的組態之一實施例的示意圖。在重置模式下，控制電路310係具有一第一組態，其中第一開關SW1、第二開關SW2，以及第四開關SW4係處於導通(連接)狀態，而第三開關SW3則為非導通(不連接)狀態，以對放大器310、第一電容C1，以及第二電容C2進行重置。請注意到，為了說明舉例之用，在後續的說明之中，放大器310係採用一單端(single-ended)放大器，然而，前述之架構僅為說明之用，而不為本發明的限制條件之一。事實上，隨著不同的設計需求，放大器310亦可採用一差動放大器來加以實施。此外，只要能達到相同的運作條件，亦可使用不同的電路架構來實現控制電路310；任何可提供不同的組態設定已分別操作於重置模式、放大模式，以及類比模式之控制電路以及放大/數位化電路之設計變化係遵守本發明之精神且隸屬於本發明的保護範疇之中。
在重置運作完成之後，放大/數位化電路300隨即進入了放大模式來對感測訊號進行放大處理。請參照第2圖～第4圖來看第5圖，第5圖所示為第3圖之放大/數位化電路300於放大模式下之組態之一實施例的示意圖。在放大模式中，控制電路320具有一第二組態，其使得第一開關SW1與第三開關SW3操作於導通狀態，而第二開關SW2和第四開關SW4操作於非導通狀態，這樣一來，感測訊號(亦即第一輸入訊號Sin )可經由第一電容C1而輸入至放大/數位化電路300，而進而讓放大器310之輸出端314處所產生的訊號具有等同於之電壓準位，其中”C1”表示第一電容C1的電容值，而”C2”表示第二電容C2之電容值，”Sin ”代表了第一輸入訊號Sin 的電壓準位。換言之，經由適當的選用第一電容C1和第二電容C2的電容值，即可產生適當的輸出訊號以提升金氧半導體影像感測系統(CIS)的訊雜比。
請同時參照第2圖～第5圖來看第6圖，第6圖所示為第3圖之放大/數位化電路300於類比數位轉換模式下之組態之一實施例的示意圖。於本發明之一實施例中，放大/數位化電路300係整合於一斜坡式類比數位轉換器之中，此斜坡式類比數位轉換器包含有一斜坡電壓源(亦即第二輸入訊號Vramp )，此電壓源耦接於第四開關SW4。在類比數位轉換模式中，斜坡電壓為一時變訊號，一旦時變斜坡訊號Vramp 之電壓值達到電壓準位(亦即放大模式下輸出端314產生的電壓值)時放大器310將輸出一比較結果Sout ，此時比較結果Sout ，具有一準位轉換而由一第一邏輯準位(如邏輯準位“1”)轉換至一第二邏輯準位(如邏輯準位”0”)。
為了更詳細說明本發明之運作，請參照第2圖至第6圖來看第7圖，第7圖所示為採用了本發明之放大/數位化電路來實施之一斜坡式類比數位轉換器具運作之時序示意圖。如圖所示，斜坡電壓Vramp 之電壓會隨著一計數器的計數而逐漸增加，而當斜坡電壓Vramp 之電壓準位達到了(亦即放大模式下放大/數位化電路300之輸出端所產生之電壓大小)時，放大器310將等同於一比較器，其基於本實施例之設定將產生一準位轉換而由第一邏輯準位(如邏輯準位”1”)轉換至第二邏輯準位(如邏輯準位”0”)。然而請注意到，前述之第一邏輯準位以及第二邏輯準位的準位值(大小)並不為本發明的限制條件之一；當放大器310之輸出端314所輸出的比較結果產生了準位變化，則計數器330將輸出對應的類比數位轉換器輸出碼。由於斜坡式類比數位轉換器之結構及其運作細節係為此項技藝之人士所熟知，在此便省略而不再贅述。
請參照第2圖～第7圖來看第8圖，第8圖所示為本發明之放大/數位化電路300接連操作於重置模式、放大模式，以及類比數位轉換模式下之時序訊號示意圖。在重置模式中，第一開關SW1、第二開關SW2以及第四開關SW4導通，而其中第二開關SW2將會在第三開關SW3導通之前先行切換至非導通狀態。在放大模式中，第四開關SW4切換至非導通狀態而第三開關SW3則轉換到導通模式；此時第一開關SW1維持在導通狀態而第二開關SW2則不導通(關閉)。此外，在放大模式中，當第一電容C1之第一節點321處所接收的輸入訊號為Sin 時，放大器310之輸出端314所輸出之訊號其電壓準位係為。當電路運作在類比數位轉換模式下時，斜坡電壓Vramp 之電壓準位會隨著計數器的計數而隨之增加，一直到斜坡電壓Vramp 的電壓值達到了於稍前放大模式中所產生之放大後訊號之電壓準位為止。在本實施例中，在類比數位轉換模式中，當斜坡電壓Vramp 的電壓準位低於放大後訊號之電壓準位時，放大器310之輸出端314持續輸出邏輯準位“1”，而當斜坡電壓Vramp 的電壓值達到時，放大器310之輸出端314所產生的比較結果即產生準位轉換而切換到邏輯準位“0”。
簡而言之，本發明提供了一種至少可被切換於一放大模式以及一類比數位轉換模式之中的放大/數位化電路，以在進行一比較運作之前先對接收訊號進行放大處理，及採用本發明之放大/數位化電路的相關影像感測系統。在一實例中，所揭露之放大/數位化電路可應用在一斜坡式類比數位轉換器中；然而，如同熟知本項技藝之人士所可輕易推知得的，經由輕微的設計調整，本發明的放大/數位化電路亦可被應用在其他種類的類比數位轉換器架構之中以藉由使用一單一運算放大器來提供訊號放大功能以及比較運作之功能。此外，任何使用本發明之放大/數位化電路的應用亦隸屬於本發明的保護範疇之中。採用本發明之具有訊號放大功能以及數位化功能之放大/數位化電路的影像感測系統亦同樣隸屬於本發明的保護範疇之中。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100、200‧‧‧影像感測系統
110、210‧‧‧陣列式感測器
120‧‧‧行放大器
130、230‧‧‧類比數位轉換器
140‧‧‧影像處理器
220、300‧‧‧放大/數位化電路
310‧‧‧放大器
320‧‧‧控制電路
330‧‧‧計數器
第1圖所示為一習知影像感測系統100之示意圖。
第2圖所示為根據本發明之一實施例一影像感測系統之方塊示意圖。
第3圖所示為本發明之放大/數位化電路之一實施例的方塊示意圖。
第4圖所示為第3圖之放大/數位化電路300於重置模式下的組態之一實施例的示意圖。
第5圖所示為第3圖之放大/數位化電路300於放大模式下之組態之一實施例的示意圖。
第6圖所示為第3圖之放大/數位化電路300於類比數位轉換模式下之組態之一實施例的示意圖。
第7圖所示為採用了本發明之放大/數位化電路來實施之一斜坡式類比數位轉換器其運作之時序示意圖。
第8圖所示為本發明之放大/數位化電路300接連操作於重置模式、放大模式，以及類比數位轉換模式下之時序訊號示意圖。
300．．．放大/數位化電路
310．．．放大器
312．．．輸入端
314．．．輸出端
320．．．控制電路
330．．．計數器

Claims (18)

  1. 一種放大/數位化電路，其包含有：一放大器，其具有一輸入端以及一輸出端；以及一控制電路，耦接於該放大器之該輸入端以及該輸出端，其中當該放大/數位化電路操作於一放大模式時，該控制電路係具有一第一組態以接收一第一輸入訊號並控制該放大器依據該第一輸入訊號與一放大係數於該輸出端產生一輸出電壓；以及當該放大/數位化電路操作於一類比數位轉換模式時，該控制電路係具有一第二組態，用以接收一第二輸入訊號並控制該放大器依據該第二輸入訊號及該輸出電壓以產生一比較結果；其中該控制電路包含有：一第一電容，其包含有：一第一節點，耦接於該第一輸入訊號；以及一第二節點，耦接於該放大器之該輸入端；一第二電容，其包含有：一第一節點，耦接於該放大器之該輸入端；以及一第二節點；一第一開關，耦接該第一電容之該第二節點以及該放大器之該輸入端；一第二開關，耦接於該放大器之該輸入端以及該放大器之該輸出端； 一第三開關，耦接於該放大器之該輸出端以及該第二電容之該第二節點；以及一第四開關，耦接於該第二電容之該第二節點以及該第二輸入訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之放大/數位化電路，其中於該放大模式下，該第一開關以及該第三開關為導通(連接)狀態而該第二開關以及該第四開關為非導通(不連接)狀態，以及於該類比數位轉換模式下，該第四開關為導通狀態，而該第一開關、該第二開關與該第三開關係為非導通狀態。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之放大/數位化電路，其中該放大係數係有關於該第一電容與該第二電容之一電容值比(capacitive ratio)。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之放大/數位化電路，其中該第二輸入訊號係一時變斜坡訊號(ramp signal)；以及當該時變斜坡訊號上升至該輸出電壓時，該放大器係控制該比較結果產生一準位轉換以由一第一邏輯準位轉換至一第二邏輯準位。
  5. 如申請專利第1項所述之放大/數位化電路，其中當該放大/數位化電路操作於一重置模式時，該控制電路係具有一第三組態以重置該放大器。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之放大/數位化電路，其中該控制電路係包含有：一第一電容，其包含有：一第一節點，耦接於第一輸入訊號；以及一第二節點，耦接於該放大器之該輸入端；一第二電容，其包含有：一第一節點，耦接於該放大器之該輸入端；以及一第二節點；一第一開關，耦接於該第一電容之該第二節點，以及該放大器之該之該輸入端；一第二開關，耦接於該放大器之該輸入端以及該放大器之該輸出端；一第三開關，耦接於該放大器之該輸出端以及該第二電容之該第二節點；以及一第四開關，耦接於該第二電容之該第二節點以及該第二輸入訊號；其中於該放大模式下，該第一開關以及該第三開關為導通(連接)狀態而該第二開關以及該第四開關為非導通(不連接)狀態；於該類比數位轉換模式下，該第四開關為導通狀態，而該第一開關、該第二開關與該第三開關係為非導通狀態；以及於該重置模式下，該第一開關、該第三開關以及該第四開關係為導通狀態且該第三開關為不導通狀態。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之放大/數位化電路，其中該放大/數位化電路係循序進入該重置模式、該放大模式，以及該類比數位轉換模式。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之放大/數位化電路其中該放大器係一單端輸入放大器(single-ended amplifier)。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之放大/數位化電路，其係以一斜坡式類比數位轉換器(ramp ADC)實施之。
  10. 一放大/數位化電路，其包含有：一放大器，其具有一輸入端以及一輸出端；一第一電容，其包含有：一第一節點，耦接於該第一輸入訊號；以及一第二節點，耦接於該放大器之該輸入端；一第二電容，其包含有：一第一節點，耦接於該放大器之該輸入端；以及一第二節點；一第一開關，耦接於該第一電容之該第二節點以及該放大器之該輸入端；一第二開關，耦接於該放大器之該輸入端以及該放大器之該輸出端； 一第三開關，耦接於該放大器之該輸出端以及該第二電容之該第二節點；以及一第四開關，耦接於該第二電容之該第二節點以及該第二輸入訊號。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之放大/數位化電路，其中該放大器係為一單端輸入放大器。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之放大/數位化電路，其係使用於一斜坡式類比數位轉換器中。
  13. 一影像感測系統，其包含有：一陣列式感測器，用以感測光子並輸出一電子訊號；以及一放大/數位化電路，用以放大並數位化該電子訊號以據此輸出一數位訊號，該放大/數位化電路包含有：一放大器，其具有一輸入端以及一輸出端；一第一電容，其包含有一第一節點以及一第二節點，其中該第二節點係耦接於該放大器之該輸入端；一第二電容，其包含有一第一節點以及一第二節點，其中該第二電容之該第一節點係耦接於該放大器之該輸入端；一第一開關，用以將該電子訊號選擇性地由該陣列式感測器(sensor array)傳送至該該放大器之該輸入端；以及一第二開關，選擇性地將該第二電容之該第二節點連接至該放 大器之該輸出端或一斜坡電壓。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之影像感測系統，其中於一放大模式下，該第一開關係將該電子訊號連接至該放大器之該輸入端，且該第二開關將該第二電容之該第二端連接至該放大器之該輸出端，使得該放大器輸出一放大後訊號。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之影像感測系統，其中於一類比數位轉換模式下，該第一開關係將該電子訊號與該放大器之該輸出端之間斷開(disconnect)，且該第二開關將該第二電容之該第二節點連接至該斜坡電壓。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之影像感測系統，其中該放大/數位化電路另包含有一計數器；以及於該類比數位轉換模式下，該斜坡電壓係持續增加，且當該斜坡電壓恰達到該放大後訊號之電壓值時，該放大器係輸出一邏輯訊號；其中該計數器係依據該邏輯訊號來輸出該數位訊號。
  17. 如申請專利範圍第13項所述之影像感測系統，其中該放大/數位化電路另包含有一第三開關，其係耦接於該放大器之該輸入端以及該放大器之該輸出端之間，該第三開關於該放大模式以及該類比數位轉換模式下不導通(disconnect)，而於一重置模式下導通(connected)以重置該放大器。
  18. 如申請專利範圍第13項所述之影像感測系統，其中該放大器係為一單端輸入放大器。
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