專利名稱：產(chǎn)生信號(hào)中噪聲降低的信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于產(chǎn)生可以被圖像傳感器使用的信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器和方法。特別是，本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面涉及互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器和操作具有改進(jìn)噪聲降低和/或抑制特性以及改進(jìn)圖像質(zhì)量的CMOS圖像傳感器的方法。
背景技術(shù)：
圖像傳感器可以使用于例如機(jī)器人、運(yùn)輸、汽車、基于衛(wèi)星的儀器和導(dǎo)航等各個(gè)領(lǐng)域。圖像傳感器可以包括在半導(dǎo)體基板上形成的兩維像素陣列，這種像素陣列可以對(duì)應(yīng)于圖像幀的圖像場(chǎng)。
圖像傳感器可以包括能夠累計(jì)與例如可視光等被檢測(cè)能量的量對(duì)應(yīng)的電荷量的光電轉(zhuǎn)換元件。例如，像素陣列的每個(gè)像素都可以包括這種光電轉(zhuǎn)換元件，并且當(dāng)光子撞擊所述光電轉(zhuǎn)換元件的表面時(shí)，可以產(chǎn)生自由電荷載流子。這種自由電荷載流子然后被各光電轉(zhuǎn)換元件所收集。所收集的電荷載流子然后被轉(zhuǎn)換為與所收集的自由載流子的各自量相對(duì)應(yīng)的例如電壓或電流的輸出信號(hào)。所述像素陣列的每個(gè)可以輸出各自的輸出信號(hào)，并且每個(gè)輸出信號(hào)可以被提供給輸出電路并被用于產(chǎn)生與所檢測(cè)到的能量的量相對(duì)應(yīng)的圖像。
已經(jīng)知道了各種類型的圖像傳感器，例如，電荷耦合的器件(CCD)圖像傳感器和CMOS圖像傳感器。與CCD圖像傳感器相比，CMOS圖像傳感器更加優(yōu)越，這是因?yàn)榭梢允褂美鐦?biāo)準(zhǔn)的CMOS處理來(lái)構(gòu)造CMOS傳感器并將其與在使能最小化器件的單芯片上的其它CMOS器件和電路集成到一起，還可以使用相對(duì)低的操作電壓以及消耗相對(duì)少的功率量。但是，與CCD圖像傳感器相比，CMOS圖像傳感器通常需要使用高分辨率的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)以將從有源(active)像素傳感器(APS)接收的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。
由圖像傳感器產(chǎn)生的圖像的質(zhì)量直接與該圖像傳感器的信噪比(S/N)相關(guān)，例如，圖像傳感器的S/N比越高，則由該圖像傳感器產(chǎn)生的圖像的質(zhì)量(例如，分辨率)就越高。為了降低噪聲和增加S/N比，CMOS圖像傳感器可以使用例如執(zhí)行關(guān)聯(lián)雙取樣(CDS)的ADC。執(zhí)行CDS的這種ADC可以降低與該ADC本身各方面對(duì)應(yīng)的噪聲特征。但是，執(zhí)行CDS的這種ADC不可能降低和/或抑制其它類型的噪聲，例如，由除各ADC以外的部分像素所產(chǎn)生的電源噪聲。
對(duì)能夠產(chǎn)生高分辨率圖像的圖像傳感器的需求正在增加。這種需求增加的一個(gè)原因是隨著芯片尺寸的減小，噪聲對(duì)圖像質(zhì)量的負(fù)面影響增加。因此，希望設(shè)計(jì)和構(gòu)造具有改進(jìn)的噪聲降低和改進(jìn)的圖像質(zhì)量的圖像傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面旨在產(chǎn)生信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器和方法，其可被圖像傳感器所使用并能夠克服一個(gè)或多個(gè)由于現(xiàn)有技術(shù)的限制和缺點(diǎn)所帶來(lái)的問(wèn)題。
因此，本發(fā)明的實(shí)施例的特征提供CMOS圖像傳感器和操作具有改進(jìn)的噪聲降低和/或抑制特性以及改進(jìn)的圖像質(zhì)量的CMOS圖像傳感器的方法。
因此，本發(fā)明實(shí)施例的個(gè)別特性是降低和/或抑制CMOS圖像傳感器中的電源噪聲。
因此，本發(fā)明實(shí)施例的個(gè)別特性是降低和/或抑制CMOS圖像傳感器中的轉(zhuǎn)換噪聲。
因此，本發(fā)明實(shí)施例的個(gè)別特性是降低和/或抑制CMOS圖像傳感器中的轉(zhuǎn)換噪聲和電源噪聲。
因此，本發(fā)明實(shí)施例的個(gè)別特性是可利用和/或使用公知CMOS圖像傳感器的元件提供用于降低轉(zhuǎn)換和電源噪聲裝置和方法。
通過(guò)提供用于操作包括有源(active)像素傳感器陣列和與該有源傳感器陣列對(duì)應(yīng)的噪聲消除器陣列的CMOS圖像傳感器的方法，可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明上述和其它特性和優(yōu)點(diǎn)當(dāng)中的至少一個(gè)，所述方法包括產(chǎn)生用于將外部噪聲鏡像到有源像素陣列的可變參考信號(hào)(generating a varying reference signal thatmirrors noise external to the active pixel sensor array)；將所述可變參考信號(hào)輸出給所述噪聲消除器陣列；和使用在噪聲消除器陣列中的可變參考信號(hào)消除所述有源像素傳感器陣列內(nèi)部和外部的噪聲。
產(chǎn)生可變參考信號(hào)可以包括將用于提供功率的電源中的噪聲鏡像到所述有源像素傳感器陣列。鏡像電源中的噪聲可以包括根據(jù)所述有源像素傳感器陣列中的像素的像素功能和來(lái)自電源的功率建立所復(fù)制的信號(hào)。產(chǎn)生所述可變參考信號(hào)可以包括將被復(fù)制的信號(hào)加到恒定的參考信號(hào)上。建立被復(fù)制的信號(hào)可以包括提供具有與所述有源像素傳感器陣列中的像素結(jié)構(gòu)等效的像素結(jié)構(gòu)的光學(xué)黑像素并將來(lái)自電源的功率提供給所述光學(xué)黑像素。
建立被復(fù)制的信號(hào)可以包括提供對(duì)與有源像素傳感器陣列中像素的功率等效的輸入功率做出響應(yīng)的等效電路并將來(lái)自電源的功率提供給該等效電路。產(chǎn)生可變參考信號(hào)可以包括鏡像轉(zhuǎn)換噪聲消除器陣列中的偏移噪聲。產(chǎn)生所述可變參考信號(hào)可以包括將被復(fù)制的信號(hào)提供給具有與所述噪聲消除器陣列的噪聲消除器的結(jié)構(gòu)等效結(jié)構(gòu)的偽噪聲消除器。產(chǎn)生所述可變參考信號(hào)可以包括鏡像轉(zhuǎn)換所述噪聲消除器陣列內(nèi)的偏移噪聲。產(chǎn)生所述可變參考信號(hào)可以包括將恒定的參考信號(hào)提供給具有與所述噪聲消除器陣列的噪聲消除器的結(jié)構(gòu)等效結(jié)構(gòu)的偽噪聲消除器。
通過(guò)提供與包括有源像素傳感器陣列和與該有源像素傳感器陣列對(duì)應(yīng)的噪聲消除器陣列的CMOS圖像傳感器一起使用的裝置，可以獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明上述和其它特性和優(yōu)點(diǎn)中的至少一個(gè)。所述裝置包括用于產(chǎn)生將外部噪聲鏡像到有源像素傳感器陣列的可變參考信號(hào)并將該可變參考信號(hào)輸出給所述噪聲消除器陣列的可變參考信號(hào)發(fā)生器。
所述可變參考信號(hào)可以將用于提供功率的電源中的噪聲鏡像到所述有源像素傳感器陳列。該裝置可以包括用于根據(jù)所述有源像素傳感器陣列中像素的像素功能和來(lái)自所述電源的功率建立復(fù)制信號(hào)的復(fù)制單元。所述可變參考信號(hào)發(fā)生器可以包括用于將被復(fù)制的信號(hào)和不變參考信號(hào)相加的比較器。所述復(fù)制單元可以包括其像素結(jié)構(gòu)等效于所述有源像素傳感器陣列中的像素結(jié)構(gòu)的光學(xué)黑像素，所述光學(xué)黑像素從所述電源接收功率。所述復(fù)制單元可以包括對(duì)等于所述有源像素傳感器陣列中的像素功率的輸入功率做出響應(yīng)的等效電路。所述等效電路從所述電源接收功率。
所述可變參考信號(hào)可以包括鏡像所述噪聲消除器陣列中的轉(zhuǎn)換偏移噪聲。所述可變參考信號(hào)發(fā)生器可以包括其結(jié)構(gòu)等效于所述噪聲消除器陣列的噪聲消除器的結(jié)構(gòu)的偽噪聲消除器，所述偽噪聲消除器可以接收被復(fù)制的信號(hào)。所述可變參考信號(hào)鏡像噪聲消除器陣列中的轉(zhuǎn)換偏移噪聲。所述可變參考信號(hào)發(fā)生器可以包括其結(jié)構(gòu)等效于所述噪聲消除器陣列的噪聲消除器的結(jié)構(gòu)的偽噪聲消除器。可變參考信號(hào)發(fā)生器可以包括多個(gè)偽噪聲消除器。


對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)講，通過(guò)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明范例性實(shí)施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述和其它特性和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更加明顯，其中圖1的一般性框圖示出了可使用本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面的范例性CMOS圖像傳感器圖2示意性示出了可使用本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面的CMOS圖像傳感器的范例性像素圖3示意性示出了可使用本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面的范例性CDS陣列；圖4示出了傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器的時(shí)序圖；圖5的框圖示出了可使用本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面的CMOS圖像傳感器的第一范例性實(shí)施例；圖6示意性示出了根據(jù)具有范例性參考電壓發(fā)生器的本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面使用的圖3所示的范例性CDS陣列；圖7示出了使用本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面的范例性CMOS圖像的范例性時(shí)序圖；圖8示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面的參考電壓發(fā)生器的另一個(gè)范例性實(shí)施例；圖9的框圖示出了使用本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面的CMOS圖像傳感器的第二范例性實(shí)施例；和圖10示意性示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面的像素噪聲復(fù)制單元的范例性實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合示出了本發(fā)明范例性實(shí)施例的附圖詳細(xì)描述本發(fā)明。但是，本發(fā)明可以不同的形式實(shí)施而不局限于這里所述的實(shí)施例。相反，提供這些實(shí)施例以使得該描述更加徹底和完整，并向本領(lǐng)域的技術(shù)人員傳達(dá)本發(fā)明的范圍。在上述范例性實(shí)施例的描述中，術(shù)語(yǔ)“低”和“高”分別表示邏輯相反的信號(hào)值或電平，例如，分別是“0”和“1”的邏輯值。術(shù)語(yǔ)“低”和“高”并不對(duì)應(yīng)于任一特定的電壓值。在整個(gè)申請(qǐng)文本中，相同的參考數(shù)字指代相同的元件。
圖1的一般性框圖示出了可使用本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面的范例性CMOS圖像傳感器，以及圖2示意性示出了可使用本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面的CMOS圖像傳感器的范例性像素22。
如圖1所示，CMOS圖像傳感器5可以包括行驅(qū)動(dòng)器10、APS(有源像素傳感器)陣列20、CDS(關(guān)聯(lián)雙取樣)陣列30、數(shù)字代碼輸出單元40和參考電壓發(fā)生器50。
行驅(qū)動(dòng)器10可以從控制器(未示出)接收定時(shí)信號(hào)和/或一個(gè)以上的控制信號(hào)，并可以將多個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)提供給APS陣列20。驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以控制讀出操作，即，讀出APS陣列20的像素的被吸收的電荷。所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以包括例如復(fù)位信號(hào)RX、傳輸信號(hào)TX和/或像素選擇信號(hào)SEL。在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以按行的方式提供給APS陣列20，從而例如可以依次提供與APS陣列20的各行相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
APS陣列20可以包括多個(gè)像素22，像素22中的每一個(gè)可以具有圖2所示的范例性結(jié)構(gòu)。像素22可以行與列(row-by-column)矩陣的形式排列并可以包括n行和m列，因此，所述APS陣列包括n×m個(gè)像素22，其中，n和m都是整數(shù)。像素22中的每一個(gè)可以吸收從圖像幀中的目標(biāo)反射的光，并可以將所吸收光的功率轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。如上所述，APS陣列20可以從行驅(qū)動(dòng)器10接收多個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。由APS陣列20的像素22中的每一個(gè)所產(chǎn)生的電信號(hào)可以提供給CDS陣列30。
如圖2所示，像素22中的每一個(gè)都可以包括光電轉(zhuǎn)換元件PD、復(fù)位元件TRX、傳輸元件TTX、電荷檢測(cè)元件N、放大單元TAMP和選擇元件TSEL。
所述光電轉(zhuǎn)換元件PD可以是例如光電二極管、光電晶體管、光電門(photogate)和Pinned Photo Diode(PPD)等。所述光電轉(zhuǎn)換元件PD可以收集通過(guò)吸收從目標(biāo)反射的光而產(chǎn)生的電荷。
傳輸元件TTX可以是例如用于將由所述光電轉(zhuǎn)換元件PD收集的電荷傳輸給電荷檢測(cè)元件N的開(kāi)關(guān)或晶體管。所述傳輸元件TTX可以包括例如一個(gè)或多個(gè)晶體管。在所示的例子中，傳輸元件TTX可由傳輸信號(hào)TX控制。
復(fù)位元件TRX可以是例如用于傳輸所述復(fù)位信號(hào)RX的開(kāi)關(guān)或晶體管。在所示的例子中，所述復(fù)位元件TRX由復(fù)位信號(hào)RX控制。復(fù)位元件TRX可以周期地復(fù)位電荷檢測(cè)元件N。如實(shí)施例所示，復(fù)位元件TRX可以具有連接到外部電源VDD_P的漏極。
電荷檢測(cè)元件N可以是例如浮動(dòng)擴(kuò)散(FD)區(qū)域。該電荷檢測(cè)元件N可以對(duì)應(yīng)于傳輸元件TTX和放大單元TAMP之間的電節(jié)點(diǎn)，以及可以經(jīng)過(guò)傳輸元件TTX分別接收由光點(diǎn)轉(zhuǎn)換元件PD所收集的電荷。如圖2所示范例性像素結(jié)構(gòu)所示，電荷檢測(cè)元件N被連接到復(fù)位元件TRX的源極、放大單元TAMP的柵極和/或傳輸元件TTX。所述電荷檢測(cè)單元可以具有寄生電容，從而可以累積地收集電荷。在圖2所示的范例性像素結(jié)構(gòu)中，示出了電容Cp，其可以對(duì)應(yīng)于寄生電容而不對(duì)應(yīng)于離散的附加組件。
放大器TAMP可以是例如與可以位于像素22外部的恒流發(fā)生器(未示出)相結(jié)合的源極跟隨放大器。放大器TAMP可以輸出一輸出信號(hào)OUT，該輸出信號(hào)OUT例如可以是與電荷檢測(cè)元件N所接收的電壓相對(duì)應(yīng)的可變電壓。如該實(shí)施例所示，放大器TAMP的源極可以被連接到選擇元件TSEL的漏極以及選擇元件TSEL的漏極可以被連接到外部電源VDD_P。
選擇元件TSEL可以使能將按行的方式讀出的各像素22的選擇。當(dāng)通過(guò)各像素選擇信號(hào)SEL選擇各像素22時(shí)，各像素22可以輸出像素輸出信號(hào)APS_O。如圖2中的例子所示，選擇元件TSEL的柵極可以接收各像素選擇信號(hào)SEL，選擇元件TSEL的源極可以被連接到偏流源IBIAS，其可以被連接到地電壓源VSS_P。
回過(guò)來(lái)看圖1，下面將提供對(duì)范例性CMOS圖像傳感器5的操作的總體描述。復(fù)位信號(hào)RX可以控制APS陣列20的像素22的復(fù)位操作。例如，可以施加與APS陣列20的第k行相對(duì)應(yīng)的復(fù)位信號(hào)RXK以復(fù)位在APS陣列20的第k行中安排的一個(gè)或多個(gè)像素22?？梢越?jīng)過(guò)連接行驅(qū)動(dòng)器10和APS20的電路徑(未示出)提供各復(fù)位信號(hào)RX。所述傳輸信號(hào)TX可以控制傳輸元件TTX。
像素選擇信號(hào)SEL可以控制APS陣列20中像素22的選擇。例如，與APS陣列20的第k行對(duì)應(yīng)的像素選擇信號(hào)SELk可以選擇排列在APS陣列20第k行中的一個(gè)或多個(gè)像素。各像素選擇信號(hào)SEL可以經(jīng)過(guò)連接行驅(qū)動(dòng)器10的相應(yīng)電路徑提供給APS陣列20的相應(yīng)行。
如上面所討論的，在范例性CMOS圖像傳感器5的工作期間，APS陣列20的n個(gè)行可以基于例如像素選擇信號(hào)SEL被例如順序選擇，在例如APS陣列20的被選擇行中的每個(gè)像素22可以輸出各自的輸出信號(hào)APS_O給CDS陣列30。例如，在具有n行和m列的范例性APS陣列20中，如上所述，在與APS陣列20的n個(gè)行中的一個(gè)所選行對(duì)應(yīng)的時(shí)間周期內(nèi)，m個(gè)APS輸出信號(hào)APS_O_1到APS_O_m的被輸出給CDS30。由像素22之一提供的輸出信號(hào)的例如電壓的特征可以變化。例如，在復(fù)位信號(hào)取樣期間，各APS輸出信號(hào)的電壓可以對(duì)應(yīng)于與提供給像素22的各復(fù)位信號(hào)RX相關(guān)的復(fù)位電壓Vres。另外，例如，在圖像信號(hào)取樣周期內(nèi)，正在由同一像素22提供給CDS陣列30的各APS輸出信號(hào)的電壓可以對(duì)應(yīng)于圖像信號(hào)電壓Vsig。
各APS輸出信號(hào)APS_O_1到APS_O_m中的每一個(gè)都可以對(duì)應(yīng)于可以各自的包括復(fù)位電壓Vres和圖像信號(hào)電壓Vsig的輸出電壓Vout。如圖4所示，所述復(fù)位電壓Vres和圖像信號(hào)電壓Vsig都可以由APS陣列20的各像素22順序提供給CDS陣列30。CDS30可以基于所接收的例如各復(fù)位電壓Vres和各圖像信號(hào)電壓Vsig的電壓執(zhí)行所關(guān)聯(lián)的雙取樣。
圖3示意性示出了使用本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面的范例性CDS陣列30。如圖3所示，CDS30可以包括多個(gè)CDS電路32、34和36。雖然示出3個(gè)CDS電路32、34和36，但是，CDS陣列30可以包括任一數(shù)量的CDS電路32、34和36。CDS電路32、34和36中的每一個(gè)都可以包括一個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)、一個(gè)或多個(gè)電容器和一個(gè)或多個(gè)比較器和/或放大器。如在該例中所示，CDS電路32、34和36中的每一個(gè)都可以包括例如S1、S2、S3和S4的4個(gè)開(kāi)關(guān)、阻塞電容器C1、信號(hào)存儲(chǔ)電容器C2、信號(hào)傳輸電容器C3、比較器A1和放大器A2。
CDS陣列30可以包括例如m個(gè)CDS電路，即，一個(gè)CDS電路，用于該范例性APS陣列20的m列中的每一列，和m個(gè)CDS電路中的每一個(gè)分別接收包括各復(fù)位電壓Vres和各圖像信號(hào)電壓Vsig的各APS輸出信號(hào)APS_O_1到APS_O_m，并可以分別輸出CDS輸出信號(hào)CDS_O_1到CDS_O_m。例如32、34和36中的每個(gè)CDS電路還可以接收參考信號(hào)REF和例如電壓斜波信號(hào)的斜波信號(hào)RAMP，如圖3所示。
如圖1所示，參考電壓發(fā)生器50可產(chǎn)生參考信號(hào)REF并將其提供給CDS陣列30。例如可以利用斜率信號(hào)發(fā)生器(未示出)將所述斜率信號(hào)PAMP提供給CDS陣列30。
如上所述以及如圖3所示，例如APS_O_1的包括各復(fù)位電壓Vres和各圖像信號(hào)電壓Vsig的各APS輸出信號(hào)可以被經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)S1提供給各CDS電路32，以及斜率信號(hào)RAMP可以經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)S2被提供給CDS電路32。阻塞電容器C1可以被連接在開(kāi)關(guān)S1和信號(hào)存儲(chǔ)電容器C2以及開(kāi)關(guān)S2之間。開(kāi)關(guān)S3可以與比較器A1的輸入端IN和比較器A1的輸出端并連。參考信號(hào)REF可以提供給比較器A1的另一輸入端。信號(hào)傳輸電容器C3可以被連接在比較器A1的輸出端DIFF和放大器A2的輸入端之間。開(kāi)關(guān)S4可以與放大器A2的輸入端和放大器A2的輸出端并連，其可以對(duì)應(yīng)于CDS輸出信號(hào)CDS_O_1到CDS_O_m的各自一個(gè)。
圖4示出了傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器的時(shí)序圖。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，在圖4所示的時(shí)序圖中省略了復(fù)位信號(hào)RX、傳輸信號(hào)TX和像素選擇信號(hào)SEL。
如圖4所示，在執(zhí)行復(fù)位信號(hào)取樣的時(shí)間周期內(nèi)，即，在時(shí)間(1)和時(shí)間(3)之間，各輸出電壓Vout可以相對(duì)高。特別是，在執(zhí)行復(fù)位信號(hào)取樣的時(shí)間周期內(nèi)，與各像素22相關(guān)的各復(fù)位電壓RX可以是高的，即，由各像素22輸出的復(fù)位電壓Vres可以是高的。在執(zhí)行所述復(fù)位信號(hào)取樣時(shí)，開(kāi)關(guān)S1、S2、S3和S4可以被導(dǎo)通。在圖4所示的例子中，開(kāi)關(guān)S3在時(shí)間(2)關(guān)斷，而開(kāi)關(guān)S1、S2和S4在時(shí)間(3)關(guān)斷。
這樣，如圖4所示，在執(zhí)行圖像信號(hào)取樣之前，即，在時(shí)間(3)和時(shí)間(4)之間，所述APS輸出信號(hào)APS_O_1到APS_O_m的各電壓Vout被從所述復(fù)位電壓Vres減少由所述APS陣列20的相同的各像素22輸出的圖像信號(hào)電壓Vsig。在時(shí)間(4)和時(shí)間(5)之間的隨后圖像信號(hào)取樣的時(shí)間周期內(nèi)，比較器A1輸入端處的電壓反映各APS輸出信號(hào)APS_O_1到APS_O_m的各電壓Vout的壓降。從圖4所示的范例性時(shí)序圖可以看到，由所述電源(即，電源電壓VDD_P)所導(dǎo)致的噪聲被包括在各APS輸出信號(hào)APS_O_1到APS_O_m的各電壓Vout中。例如，開(kāi)關(guān)S3截止的時(shí)間(2)反映在正在被提供給比較器A1的各輸入電壓Vin中。
如圖4的時(shí)序圖所示，可以由參考電壓發(fā)生器50提供的參考信號(hào)REF的參考電壓Vref反映不可忽略或可忽略的噪聲量。
下面的關(guān)系示出了包括在各APS輸出信號(hào)APS_O_1到APS_O_m的各輸出信號(hào)Vout中的噪聲對(duì)由CDS陣列30所輸出的生成信號(hào)的影響。
在復(fù)位信號(hào)取樣期間，例如，在時(shí)間(1)到時(shí)間(3)期間，噪聲對(duì)VIN_1、對(duì)VIN_1噪聲影響的Vref、Vref和Vdififf_res的影響可以表示如下
VIN_1＝Vref+ΔVS3+ΔVPOWERVref＝Vref∴Vdif_res＝VIN_1-Vref＝ΔVS3+ΔVPOWER如上所述，在時(shí)間(3)，開(kāi)關(guān)S3可以截止并可以是在復(fù)位信號(hào)取樣周期內(nèi)信號(hào)噪聲的主要原因。
在圖像信號(hào)取樣期間，例如，從時(shí)間(4)到時(shí)間(5)，噪聲對(duì)VIN_2、Vref和Vdiff_sig的影響可以表示如下VIN_2＝Vref+ΔVS3+ΔVPOWer-VsigVref＝Vref∴Vdiff_sig＝VIN_2-Vref＝ΔVS3+ΔVPOWER-Vsig在圖像取樣之后，例如，在時(shí)間(5)之后，噪聲對(duì)VIN_3、Vref和Vdiff_res_sig的影響可以表示如下VIN-2＝Vref+ΔVS3+ΔVPOWER-VsigVIN_3＝VIN-2+VRAMP+ΔVS1＝Vrfe+ΔVS3+ΔVPOWER-Vsig+VRAMP+ΔVS1Vref＝Vref∴Vdiff_res_sig＝VIN_3-Vref＝ΔVS3+ΔVPOWER-Vsig+VRAMP+ΔVS1如上所述，在時(shí)間(5)處，開(kāi)關(guān)S1可以被截止并且可以是在圖像信號(hào)取樣周期內(nèi)信號(hào)噪聲的主要原因。如能夠從反映噪聲對(duì)Vdiff_res_sig影響的最后等式所看出的，除了例如Vsig和VRAMP需要傳輸?shù)姆至恳酝猓€存在ΔVS3、VPOWER和ΔVS1多種噪聲源。
如上所述，可以得到能夠減少和/或消除由例如電源和/或APS陣列20外部的源所導(dǎo)致的噪聲的CMOS圖像傳感器以及操作這種CMOS圖像傳感器的方法。
圖5的框圖示出了使用本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面的CMOS圖像傳感器105的第一范例性實(shí)施例。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，只說(shuō)明圖5所示的CMOS圖像傳感器105示例和與上述圖1-3描述相關(guān)的CMOS圖像傳感器之間的差異，。
與上述CMOS圖像傳感器5類似，CMOS圖像傳感器105可以包括行驅(qū)動(dòng)器110、APS陣列120、CDS陣列130和數(shù)字代碼輸出單元140。本發(fā)明的多個(gè)方面可以使用參考電壓發(fā)生器150。CMOS圖像傳感器105也可以包括光學(xué)黑(OB)像素陣列122。
OB像素陣列122通?？梢蕴峁┰趫D像傳感器中，以執(zhí)行自動(dòng)電平補(bǔ)償(ADLC)，即，用于像素的電壓電平偏移的補(bǔ)償。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，參考電壓發(fā)生器150可以使用OB像素陣列122來(lái)復(fù)制電源噪聲并將包括由位于CMOS圖像傳感器105的CDS陣列130外部的例如電源等導(dǎo)致噪聲的輸出信號(hào)OB_O提供給參考電壓發(fā)生器150。
如圖5所示，在本發(fā)明的實(shí)施例中，OB像素陣列122可以包括以一列或多列和一行或多行排列的多個(gè)OB像素。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，OB像素陣列122的行數(shù)可以對(duì)應(yīng)于APS陣列120的行數(shù)，例如，OB像素陣列122可以具有n行。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，可以各種方式利用OB像素陣列122。所述OB像素陣列122中的一個(gè)、一些或所有列可以對(duì)應(yīng)于APS陣列120的m列中的一列，以便復(fù)制例如電源噪聲的噪聲。
在本發(fā)明的OB像素陣列122包括多個(gè)與APS陣列120的多列對(duì)應(yīng)的多列的實(shí)施例中，一些或所有的各輸出信號(hào)OB_O可以被作為到參考電壓發(fā)生器150的單一信號(hào)連接到一起。在本發(fā)明的OB像素陣列122包括與APS陣列120的多列對(duì)應(yīng)的多列的另一些實(shí)施例中，可以分別使用所述OB像素陣列122的多列的各輸出信號(hào)OB_O中的每一個(gè)。在本發(fā)明所述OB像素陣列122包括與APS陣列122的多列對(duì)應(yīng)的多列的其它實(shí)施例中，OB像素陣列122的輸出信號(hào)OB_O可以被分離成多個(gè)組，相應(yīng)的多個(gè)各輸出信號(hào)OB_O可以被輸出給參考電壓發(fā)生器150。在本發(fā)明的實(shí)施例中，OB像素陣列120的每列的每個(gè)輸出信號(hào)OB_O可以基于OB像素陣列120的各列的一個(gè)、一些或所有的OB像素。
如圖5所示，范例性實(shí)施例的參考電壓發(fā)生器105可以從OB像素陣列122接收輸出信號(hào)OB_O，斜率信號(hào)RAMP_R和REF_OB，并經(jīng)過(guò)放大器A3(在圖6中示出的)將REF_C信號(hào)提供給CDS陣列130。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，CDS陣列130、APS陣列120、數(shù)字代碼輸出單元140和行驅(qū)動(dòng)器110可以具有例如與圖1-3所示的CMOS圖像傳感器的CDS陣列30、APS陣列20、數(shù)字代碼輸出單元40和行驅(qū)動(dòng)器10相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，斜率信號(hào)發(fā)生器(未示出)可以產(chǎn)生多個(gè)斜率信號(hào)，例如，RAMP_R和RAMP_C等。如圖5所示，RAMP_R信號(hào)可以提供給參考電壓發(fā)生器150以及RAMP_C信號(hào)可以提供給CDS陣列130。所述RAMP_R信號(hào)可以提供給參考電壓發(fā)生器150且不可以具有任何變化。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，在RAMP_C信號(hào)能夠開(kāi)始增加的時(shí)間(6)之前、當(dāng)時(shí)和之后，提供給參考電壓發(fā)生器105的RAMP_R信號(hào)可以是基本不變或完全不變的電壓信號(hào)。
在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，REF_OB信號(hào)可以對(duì)應(yīng)于由例如圖1中50所示的已知參考電壓發(fā)生器產(chǎn)生的無(wú)噪聲參考信號(hào)。
REF_C信號(hào)可以包括由例如CDS陣列130外部的因素所導(dǎo)致的噪聲。這些噪聲因素可以是例如由于接通/關(guān)斷開(kāi)關(guān)操作所引起的和時(shí)鐘饋送噪聲和電源噪聲。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，參考電壓150可以使用OB像素陣列122從產(chǎn)生具有與CMOS圖像傳感器105的信號(hào)相同的或基本相同噪聲特性的信號(hào)，因此，輸出REF_C信號(hào)可以全部消除或基本全部消除CMOS圖像傳感器105內(nèi)降低信號(hào)質(zhì)量的噪聲。通過(guò)在CMOS圖像傳感器內(nèi)提供例如包括所有或基本所有影響信號(hào)的噪聲衰減的REF_C信號(hào)的參考電壓信號(hào)，可以降低和/或抑制噪聲對(duì)圖像質(zhì)量的影響。
為了減少和/或抑制可能由CDS陣列外部的源所導(dǎo)致的噪聲，參考電壓發(fā)生器150可以包括與CDS陣列130中的CDS電路對(duì)應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，參考電壓發(fā)生器150可以包括和相應(yīng)CDS陣列130相同結(jié)構(gòu)的CDS電路，因此，由于例如接通/關(guān)斷操作所引起的時(shí)鐘饋送噪聲可以被復(fù)制到所產(chǎn)生的參考電壓信號(hào)REF_C上。
圖6示意性示出了根據(jù)具有范例性參考電壓發(fā)生器150的本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面而使用的圖3所示的范例性CDS陣列130。下面將只說(shuō)明圖6所示的CDS陣列130和圖3所示CDS陣列30之間的區(qū)別。
當(dāng)圖6所示的CDS陣列130對(duì)應(yīng)于圖3所示的CDS陣列30時(shí)，以上圖3所示的CDS陣列30可以使用本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面。特別是，除了例如電壓發(fā)生器50以外，本發(fā)明的某些實(shí)施例可以使用例如電壓發(fā)生器150的噪聲消除器代替例如電壓發(fā)生器50來(lái)消除可能由CDS陣列130以外(beyond theCDS array130)的因素所導(dǎo)致的噪聲。如參考圖6所討論的，參考電壓發(fā)生器150可以使用來(lái)自O(shè)B像素陣列122的輸出信號(hào)OB_O、RAMP_R信號(hào)、REF_OB信號(hào)和與相應(yīng)CDS陣列130的CDS電路132、134和136的結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)152以產(chǎn)生包括基本或完全對(duì)應(yīng)于上述由例如電源和/或時(shí)鐘饋送、例如ΔVS3、ΔVPOWER和ΔVS1所導(dǎo)致的噪聲項(xiàng)的噪聲的參考電壓信號(hào)REF_C。
圖7示出了使用本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面的范例性CMOS圖像的時(shí)序圖。開(kāi)關(guān)S1、S2、S3和S4的操作可以對(duì)應(yīng)于圖4所示的時(shí)序圖中的開(kāi)關(guān)S1、S2、S3和S4的操作。RAMP_C信號(hào)可以對(duì)應(yīng)于圖4所示的RAMP信號(hào)。如圖7所示，輸出電壓Vout信號(hào)可以基本或完全對(duì)應(yīng)于圖4所示的Vout信號(hào)。
如上所述，在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，提供給參考電壓發(fā)生器150的RAMP_R信號(hào)在RAMP_C信號(hào)可以開(kāi)始增加的時(shí)間(6)之前、當(dāng)時(shí)和之后可以基本上不變或完全不變的電壓信號(hào)。
另外，如上所述，在本發(fā)明的實(shí)施例中，可以基于來(lái)自O(shè)B像素陣列122的各輸出信號(hào)OB_O產(chǎn)生提供給CDS陣列130的參考電壓信號(hào)REF_C，其可以將例如電源噪聲復(fù)制到無(wú)噪聲參考電壓REF_OB上。由此，如圖7所示，在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，比較器A1的輸出信號(hào)Vdiff可以不包括例如電源噪聲。特別是，在本發(fā)明的實(shí)施例中，REF_C信號(hào)的電壓信號(hào)Vref_c可以消除存在于Vout信號(hào)中的噪聲，從而使所生成的輸出電壓Vdiff不包括任何或基本上是所有的噪聲，例如電源噪聲。因此，本發(fā)明的實(shí)施例使能圖像信號(hào)的質(zhì)量，因此，可以改進(jìn)圖像信號(hào)的質(zhì)量。
特別是，下面將描述噪聲對(duì)使用本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面的CMOS圖像傳感器的信號(hào)的影響。下面的關(guān)系示出了包括在各APS輸出信號(hào)APS_O_1到APS_O_m的各輸出電壓Vout中的噪聲對(duì)由CDS陣列130輸出的生成信號(hào)的影響。
在例如從時(shí)間(1)到時(shí)間(3)的復(fù)位信號(hào)取樣期間，噪聲對(duì)VIN_1、對(duì)VIN_1噪聲影響的Vref、Vref和Vdiff_res的影響可以表示如下VIN-1＝Vref+ΔVS3+ΔVPOPOWERVIN_OB_1＝Vref+ΔVS3+ΔVPOWER∴Vdiff_res＝VIN-1-VIN_OB_1＝0如上所述，在時(shí)間(3)，開(kāi)關(guān)S3截止并且是復(fù)位信號(hào)取樣期間信號(hào)噪聲的主要原因。
在圖像信號(hào)取樣期間，例如，在從時(shí)間(4)到時(shí)間(5)期間，噪聲對(duì)VIN_2、VIN_OB_2和Vdiff_sig的影響如下
VI-N2＝Vref+ΔVS3+ΔVPOWER-VsigVIN_OB_2＝Vref+VS3+ΔVPWER∴Vdiff_sig＝VIN_2-VIN_OB_2＝-Vsig在圖像信號(hào)取樣之后，例如在時(shí)間(5)之后，噪聲對(duì)VIN_3、VIN_OB_3和Vdiff_res_sig的影響如下VIN_3＝VIN_2+VRAMP+ΔVS1＝Vref+VS1+ΔVPOWER-Vsig+VRAMP+VS1VIN_OB_3＝VIN_OB_2+ΔVS1＝Vref+ΔVS3+ΔVPOWR+ΔVS1∴Vdiff_ref_sig＝VIN-3-VIN_OB_3＝VRAMP-Vsig如上所述，在時(shí)間(5)處，開(kāi)關(guān)S1可以關(guān)斷并且可以是在圖像信號(hào)取樣周期期間信號(hào)噪聲的主要原因.因此，與上述的CMOS圖像傳感器5相反，如能夠從反映噪聲對(duì)Vdiff_refs_sig信號(hào)的影響的最后等式看到的，可以消除例如ΔΔVS3、ΔVPOWER和ΔVS1的多源噪聲和例如Vsig、VRAMP等需要被傳輸?shù)姆至靠梢栽跊](méi)有噪聲或基本沒(méi)有噪聲的情況下傳輸。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面參考電壓發(fā)生器的另一個(gè)范例性實(shí)施例。圖8中示出的參考電壓發(fā)生器150’的第二實(shí)施例對(duì)應(yīng)于圖1所示的參考電壓發(fā)生器150的范例性實(shí)施例，但是，包括例如152、154的一個(gè)以上的相應(yīng)CDS電路結(jié)構(gòu)。由于放大器A3可以被連接到例如多個(gè)比較器A1上，所以，本發(fā)明的實(shí)施例可以使用例如152、154的多個(gè)這種相應(yīng)的CDC電路結(jié)構(gòu)，以便降低輸入電容對(duì)放大器A3的影響。雖然只示出了例如152和154的兩個(gè)相應(yīng)的CDS電路結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的實(shí)施例可以使用兩個(gè)以上的相應(yīng)CDS電路結(jié)構(gòu)。所使用的相應(yīng)CDS電路結(jié)構(gòu)的數(shù)量可以對(duì)應(yīng)于由各參考電壓發(fā)生器150所驅(qū)動(dòng)的相應(yīng)CDS陣列130的例如比較器A1的器件的數(shù)量。
圖9的框圖示出了使用本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面的CMOS圖像傳感器的第二范例性實(shí)施例，圖10示意性示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面像素噪聲復(fù)制單元的范例性實(shí)施例。下面將只描述不同于上述圖5-8所述范例性實(shí)施例的本范例性實(shí)施例的幾個(gè)方面。
在圖9所示的范例性施例中，可以使用像素噪聲復(fù)制單元160來(lái)代替CMOS圖像傳感器105的OB像素陣列122。像素噪聲復(fù)制單元160可以將例如電源噪聲的像素噪聲復(fù)制到將被提供給參考電壓發(fā)生器150的輸出信號(hào)PNR_O。
如圖110所示，范例性的像素噪聲復(fù)制單元160可以包括例如電阻和開(kāi)關(guān)的用于標(biāo)度例如電源噪聲的像素噪聲電壓電平的器件。所述電源電壓VDD_P和地電源電壓VSS_P由向例如APS陣列120供電的同一電源提供。
陣列，已經(jīng)描述了本發(fā)明的范例性實(shí)施例，盡管在這里使用了特定術(shù)語(yǔ)，但它們?cè)谶@里的使用僅僅是為了解釋而不是試圖作為限制。在結(jié)合硬件方式描述了本發(fā)明的同時(shí)，也可以利用軟件的方式執(zhí)行本發(fā)明，例如，可以由具有包括數(shù)據(jù)在內(nèi)的機(jī)械可訪問(wèn)介質(zhì)的人造制品加以執(zhí)行，當(dāng)被所述機(jī)械訪問(wèn)時(shí)，所述數(shù)據(jù)能夠使得該機(jī)械產(chǎn)生降低噪聲的信號(hào)。因此，本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離由本發(fā)明權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)可以做出各種改變。
權(quán)利要求
1.一種操作包括有源像素傳感器陣列和與該有源像素傳感器陣列對(duì)應(yīng)的噪聲消除器陣列的CMOS圖像傳感器的方法，該方法包括產(chǎn)生可變參考信號(hào)，用于將外部的噪聲鏡像到所述有源像素傳感器陣列上；將所述可變參考信號(hào)輸出給所述噪聲消除器陣列；和使用在所述噪聲消除器陣列中的該可變參考信號(hào)消除所述有源像素傳感器陣列內(nèi)外的噪聲。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，產(chǎn)生所述可變參考信號(hào)包括將提供功率的電源中的噪聲鏡像到所述有源像素傳感器陣列。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，鏡像電源中的噪聲包括根據(jù)所述有源像素傳感器陣列中像素的像素功能和來(lái)自所述電源的功率建立復(fù)制信號(hào)。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，產(chǎn)生所述可變參考信號(hào)還包括將所述復(fù)制信號(hào)加到恒定的參考信號(hào)上。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，建立復(fù)制信號(hào)包括提供具有與所述有源像素傳感器陣列中的像素的像素結(jié)構(gòu)等效的像素結(jié)構(gòu)的光學(xué)黑像素并將來(lái)自電源的功率提供給該光學(xué)黑像素。
6.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，建立復(fù)制信號(hào)包括提供等于所述有源像素傳感器陣列中像素的輸入功率的輸入功率做出響應(yīng)的等效電路并將來(lái)自所述電源的功率提供給該等效電路。
7.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，產(chǎn)生所述可變參考信號(hào)還包括鏡像所述噪聲消除器陣列中的轉(zhuǎn)換偏移噪聲。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，產(chǎn)生所述可變參考信號(hào)還包括將所述復(fù)制信號(hào)提供給具有與噪聲消除器陣列的噪聲消除器結(jié)構(gòu)等效結(jié)構(gòu)的偽噪聲消除器。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，產(chǎn)生所述可變參考信號(hào)包括鏡像所述噪聲消除器陣列內(nèi)的轉(zhuǎn)換偏移噪聲。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，產(chǎn)生所述可變參考信號(hào)還包括將恒定的參考信號(hào)提供給具有與所述噪聲消除器陣列的噪聲消除器等效結(jié)構(gòu)的偽噪聲消除器。
11.一種和包括有源像素傳感器陣列和與該有源像素傳感器陣列對(duì)應(yīng)的噪聲消除器陣列的CMOS圖像傳感器一起使用的裝置，該裝置包括可變參考信號(hào)發(fā)生器，用于產(chǎn)生可變參考信號(hào)，該可變參考信號(hào)將外部的噪聲鏡像到所述有源像素傳感器陣列并將該可變參考信號(hào)輸出給所述噪聲消除器陣列。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其中，所述可變參考信號(hào)將提供功率的電源中的噪聲鏡像到所述有源像素傳感器陣列。
13.如權(quán)利要求12所述的裝置，還包括復(fù)制單元，用于根據(jù)所述有源像素傳感器陣列中像素的像素功能和來(lái)自電源的功率建立復(fù)制信號(hào)。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述可變參考信號(hào)發(fā)生器包括比較器，用于將所述復(fù)制信號(hào)和恒定的參考信號(hào)相加。
15.如權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述復(fù)制單元包括其像素結(jié)構(gòu)等效于所述有源像素傳感器陣列中的像素結(jié)構(gòu)的光學(xué)黑像素，所述光學(xué)黑像素從所述電源接收功率。
16.如權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述復(fù)制單元包括對(duì)等于所述有源像素傳感器陣列中的像素的輸入功率的輸入功率做出響應(yīng)的等效電路，該等效電路從所述電源接收功率。
17.如權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述可變參考信號(hào)還鏡像所述噪聲消除器陣列內(nèi)的轉(zhuǎn)換偏移噪聲。
18.如權(quán)利要求17所述的裝置，其中，所述可變參考信號(hào)發(fā)生器包括具有與所述噪聲消除器陣列的噪聲消除器結(jié)構(gòu)等效結(jié)構(gòu)的偽噪聲消除器，所述偽噪聲消除器接收所述復(fù)制信號(hào)。
19.如權(quán)利要求11所述的裝置，其中，所述可變參考信號(hào)鏡像所述噪聲消除器陣列內(nèi)的轉(zhuǎn)換偏移噪聲。
20.如權(quán)利要求19所述的裝置，其中，所述可變參考信號(hào)發(fā)生器包括具有與所述噪聲消除器陣列內(nèi)的噪聲消除器的結(jié)構(gòu)等效結(jié)構(gòu)的偽噪聲消除器。
21.如權(quán)利要求20所述的裝置，其中，所述可變參考信號(hào)發(fā)生器包括多個(gè)偽噪聲消除器。
全文摘要
CMOS圖像傳感器可以包括有源像素傳感器陣列以及與該有源像素傳感器陣列對(duì)應(yīng)的噪聲消除器陣列。操作這種CMOS圖像傳感器的方法可以包括產(chǎn)生將外部噪聲鏡像到所述有源像素傳感器陣列的可變參考信號(hào)，輸出該可變參考信號(hào)給噪聲消除器陣列，和使用在噪聲消除器陣列中的可變參考信號(hào)來(lái)消除有源像素查陣列內(nèi)外的噪聲。
文檔編號(hào)H01L27/146GK1980335SQ20061013558
公開(kāi)日2007年6月13日 申請(qǐng)日期2006年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月8日
發(fā)明者李明洙, 韓準(zhǔn)秀 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社