專利名稱：低噪聲積分式電流轉(zhuǎn)電壓的影像傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種影像傳感器，尤其指一種低噪聲積分式電流轉(zhuǎn)電壓的影像傳感器，在互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)影像芯片高速操作時(shí)，會(huì)有改善敏感度(sensitivity)不足，及隨機(jī)噪聲(random noise)偏高等問題。
背景技術(shù)：
由于USB2.0的出現(xiàn)，使得硬件間的接口傳輸速度加快，因此我們也需要操作速度更快的CMOS影像芯片。在美國專利號(hào)US6，445，022所揭示的一種影像傳感器，請(qǐng)參照?qǐng)D1，其輸出端112所得到的信號(hào)是由一光二極管(photodiode)102，一放大器104，一電容108與一開關(guān)114所組成的積分器電路110將光電流信號(hào)轉(zhuǎn)變而成的電壓信號(hào)，但是這種架構(gòu)在電路110中，并未改善電路特性受制程變異影響的現(xiàn)象及電路本身所產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲(random noise)的問題。因其無法在高速操作的要求下，消除隨機(jī)噪聲以提高信號(hào)噪聲比(S/N；signal and noise ratio)。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型提出一改良的低噪聲積分式電流轉(zhuǎn)電壓的影像傳感器，消除電路所產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲，提高信號(hào)噪聲比，最后藉由輸出電路做調(diào)整后再輸出。
為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型提供了一種低噪聲積分式電流轉(zhuǎn)電壓的影像傳感器，適用于CMOS制程，包括一光感測組件，用來感測光變量并輸出感測信號(hào)；一積分器電路，接收該光感測組件的感測信號(hào)；一相關(guān)二次取樣電路(Correlated Double Sampling)，連接于該積分器電路之后，并在特定時(shí)間時(shí)，對(duì)該積分器的輸出作取樣，并將兩次取樣結(jié)果運(yùn)算后，得出一低噪聲信號(hào)并將該低噪聲信號(hào)輸出；一輸出電路，接收該相關(guān)二次取樣電路所輸出的該低噪聲信號(hào)經(jīng)處理后輸出多個(gè)信號(hào)。
也就是說，本實(shí)用新型為一種低噪聲積分式電流轉(zhuǎn)電壓的影像傳感器，包括一光感測組件，一積分器電路，一相關(guān)二次取樣電路(Correlated DoubleSampling)，及一輸出電路。將該感測組件的輸出信號(hào)，經(jīng)由該積分器電路與該相關(guān)兩次取樣電路處理后，可將感測組件的輸出信號(hào)的噪聲信號(hào)部分濾除，大幅改進(jìn)信號(hào)噪聲比(signal noise ratio)。


圖1是已知技術(shù)電路圖。
圖2是本實(shí)用新型的第一實(shí)施例電路圖。
圖3是本實(shí)用新型的第二實(shí)施例電路圖。
圖4是本實(shí)用新型的第二實(shí)施例的波形圖。
圖5是本實(shí)用新型的第三實(shí)施例電路圖。
圖6是本實(shí)用新型的第三實(shí)施例的波形圖。
其中，附圖標(biāo)記說明如下102光二極管 104放大器108電容 114開關(guān)110積分器電路112輸出端200光感測組件210積分器電路211放大器211’放大器211”放大器 213電容215CMOS開關(guān) 215’NMOS開關(guān)215”PMOS開關(guān)217反相器219參考電壓 220積分器輸出端信號(hào)230相關(guān)二次取樣電路 231電容232電容右端電壓信號(hào) 233單級(jí)緩沖器235CMOS開關(guān) 235’NMOS開關(guān)235”PMOS開關(guān)237反相器238開關(guān)信號(hào) 238’開關(guān)信號(hào)239參考電壓 240輸出端
250輸出電路 251取樣保持電路裝置253單增益緩沖器 253’單級(jí)緩沖器255單增益緩沖器 255’單級(jí)緩沖器S1消除噪聲信號(hào)的第一步驟S1’消除噪聲信號(hào)的第一步驟S2消除噪聲信號(hào)的第二步驟S2’消除噪聲信號(hào)的第二步驟S3消除噪聲信號(hào)的第三步驟S3’消除噪聲信號(hào)的第三步驟S4消除噪聲信號(hào)的第四步驟S4’消除噪聲信號(hào)的第四步驟具體實(shí)施方式
請(qǐng)參照?qǐng)D2，為本實(shí)用新型低噪聲積分式電流轉(zhuǎn)電壓的影像傳感器的一實(shí)施例。其中包括一光感測組件200，該光感測組件200可為一光二極管，一積分器電路210，一相關(guān)二次取樣電路(Correlated Double Sampling)230以及一輸出電路250所串接而成。其中該積分器電路210更包括一放大器211，一電容213，一開關(guān)215以及一反相器217，和一參考電壓219。當(dāng)該光感測組件200將感測的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)后，所輸出的電流信號(hào)會(huì)輸入到該放大器211的負(fù)輸入端。該電容213跨接于該放大器211的負(fù)輸入端與輸出端之間。該開關(guān)215與該反相器217并聯(lián)，并亦跨接在該放大器211的負(fù)輸入端與輸出端之間，且是由一開關(guān)信號(hào)218控制。
該相關(guān)二次取樣電路230，由一電容231連接上述積分器電路210的輸出端，其后接著一個(gè)單級(jí)緩沖器233，為該相關(guān)二次取樣電路230的輸出級(jí)緩沖器。在該電容231與該單級(jí)緩沖器233之間，接出一個(gè)開關(guān)235與一個(gè)和連接該開關(guān)信號(hào)238的反相器237，該開關(guān)連接一個(gè)參考電壓239，并且由一開關(guān)信號(hào)238控制。如此的開關(guān)裝置由電容231的右端接出，以提供該電容231所需的參考電壓。
最后，該輸出電路250包括一取樣保持(sample and hold)電路裝置251，連結(jié)于上述的相關(guān)二次取樣電路230的單級(jí)緩沖器233的輸出端240，其后再分別連接兩個(gè)放大器253與255，作為單增益緩沖器。
請(qǐng)參照?qǐng)D3及圖4，此圖為本實(shí)用新型另一個(gè)實(shí)施例。該光感測組件200將所接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)后，將該電流信號(hào)輸入該放大器211’，而該輸出信號(hào)會(huì)因噪聲影響而有高低起伏，本實(shí)用新型即用來將該噪聲信號(hào)消除。主要?jiǎng)幼鞣譃?個(gè)步驟步驟一(S1)開關(guān)信號(hào)238激活(ON)使得開關(guān)235’短路(short)，則光感測組件200的輸出信號(hào)VSH會(huì)直接耦合到積分器輸出端信號(hào)220。此時(shí)電容231左右兩端電壓分別為VSH和VREF2，因此電容會(huì)儲(chǔ)存(VSH-VREF2)的值。
步驟二(S2)積分器輸出端信號(hào)220保持為VSH，所以電容右端會(huì)得到VSH-(VSH-VREF2)的值，即為VREF2。
步驟三(S3)開關(guān)信號(hào)218激活(ON)使得開關(guān)215’短路(short)，則光感測組件200的輸出信號(hào)會(huì)由原先的VSH變成VSL且直接耦合到積分器輸出端信號(hào)220，因此電容右端會(huì)得到VSL-(VSH-VREF2)的值，即(VSL-VSH)+VREF2。
步驟四(S4)積分器輸出信號(hào)220變?yōu)閂SH，因此電容右端會(huì)得到VSH-(VSH-VREF2)的值，即VREF2。
在步驟一、二和四時(shí)，該電容231右端的輸出信號(hào)皆為VREF2，而在步驟三時(shí)，其值為(VSL-VSH)+VREF2。因?yàn)橹瞥痰恼`差會(huì)同時(shí)影響VSL及VSH，而最后取兩者相減的結(jié)果，必定能把制程誤差所導(dǎo)致電路特性的變異性降至最低；另一方面由于取VSH與VSL相減的緣故，也因此把光二極管或是電路本身產(chǎn)生的噪聲信號(hào)抵消，而得到噪聲最小的信號(hào)。
接著該電容右端電壓信號(hào)232通過取樣保持電路裝置251處理后，輸入單級(jí)緩沖器253’與255’以輸出最后的感測信號(hào)，由此方法產(chǎn)生的信號(hào)可以得到最大的信號(hào)噪聲比(signal noise ratio)。
本實(shí)施例為P型基底的CMOS制程，在符合低成本的需求下開關(guān)215’和235’為N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOS)晶體管，且其開關(guān)信號(hào)218與238的導(dǎo)通電壓值為高電位。另外單增益緩沖器253和255也被簡化成單級(jí)緩沖器253’和255’。
請(qǐng)參照?qǐng)D5及圖6，此圖為本實(shí)用新型另一個(gè)實(shí)施例。該光感測組件200將所接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)后，將該電流信號(hào)輸入該放大器211”，而該輸出信號(hào)會(huì)因噪聲影響而有高低起伏，本實(shí)用新型即用來將該噪聲信號(hào)消除。主要?jiǎng)幼鞣譃?個(gè)步驟步驟一(S1’)開關(guān)信號(hào)238’激活(ON)使得開關(guān)235”短路(short)，則光感測組件200的輸出信號(hào)VSL會(huì)直接耦合到積分器輸出端信號(hào)220。此時(shí)電容231左右兩端電壓分別為VSL和VREF2，因此電容會(huì)儲(chǔ)存(VSL-VREF2)的值。
步驟二(S2’)積分器輸出端信號(hào)220保持為VSL，所以電容231右端會(huì)得到VSL-(VSL-VREF2)的值，即VREF2。
步驟三(S3’)開關(guān)信號(hào)218’激活(ON)使得開關(guān)215”短路(short)，則光感測組件200的輸出信號(hào)會(huì)由原先的VSL變成VSH且直接耦合到積分器輸出端信號(hào)220，因此電容231右端會(huì)得到VSH-(VSL-VREF2)的值，即(VSH-VSL)+VREF2。
步驟四(S4’)積分器輸出信號(hào)220變?yōu)閂SL，因此電容231右端會(huì)得到VSL-(VSL-VREF2)的值，即VREF2。
在步驟一、二和四時(shí)，該電容231右端的輸出信號(hào)皆為VREF2，而在步驟三時(shí)，其值為(VSH-VSL)+VREF2。因?yàn)橹瞥痰恼`差會(huì)同時(shí)影向VSL及VSH，而最后取兩者相減的結(jié)果，必定能把制程誤差所導(dǎo)致電路特性的變異性降至最低；另一方面由于取VSH與VSL相減的緣故，也因此把光感測組件200或是電路本身產(chǎn)生的噪聲信號(hào)抵消，而得到噪聲最小的信號(hào)。
接著該電容231右端電壓信號(hào)232通過取樣保持電路裝置251處理后，輸入單級(jí)緩沖器253’與255’作為最后的感測信號(hào)，由此方法產(chǎn)生的信號(hào)可以得到最大的信號(hào)噪聲比(signal noise ratio)。
本實(shí)施例為N型基底的CMOS制程，在符合低成本的需求下開關(guān)215”和235”為P溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(PMOS)晶體管，且其開關(guān)信號(hào)218’與238’的導(dǎo)通電壓值為低電位。另外單增益緩沖器253和255也被簡化成單級(jí)緩沖器253’和255’。
以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳可行實(shí)施例，并非因此限定本實(shí)用新型的專利范圍，故，凡運(yùn)用本實(shí)用新型說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)變化，皆應(yīng)屬于本實(shí)用新型的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種低噪聲積分式電流轉(zhuǎn)電壓的影像傳感器，適用于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體制程，其特征在于包括一用來感測光變量并輸出感測信號(hào)的光感測組件；一接收該光感測組件的感測信號(hào)的積分器電路；一相關(guān)二次取樣電路，連接于該積分器電路之后，并在特定時(shí)間時(shí)，對(duì)該積分器的輸出作取樣，并將兩次取樣結(jié)果運(yùn)算后，得出一低噪聲信號(hào)并將該低噪聲信號(hào)輸出；一輸出電路，接收該相關(guān)二次取樣電路所輸出的該低噪聲信號(hào)經(jīng)處理后輸出多個(gè)信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的低噪聲積分式電流轉(zhuǎn)電壓的影像傳感器，其特征在于該光感測組件為一種能將光信號(hào)換成電流信號(hào)的光電組件且適用于N型基底或P型基底的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體制程。
3.如權(quán)利要求1所述的低噪聲積分式電流轉(zhuǎn)電壓的影像傳感器，其特征在于該積分器電路由一放大器，一電荷儲(chǔ)存裝置，與一互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體開關(guān)以及一反向器所組成。
4.如權(quán)利要求1所述的低噪聲積分式電流轉(zhuǎn)電壓的影像傳感器，其特征在于該相關(guān)二次取樣電路由一電容，一互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體開關(guān)以及一緩沖放大器所組成。
5.如權(quán)利要求3所述的低噪聲積分式電流轉(zhuǎn)電壓的影像傳感器，其特征在于該開關(guān)可為N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體或是P溝道金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管所組成。
6.如權(quán)利要求1所述的低噪聲積分式電流轉(zhuǎn)電壓的影像傳感器，其特征在于該相關(guān)二次取樣電路，由一電荷儲(chǔ)存裝置、一互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體開關(guān)以及一輸出級(jí)緩沖器組成。
7.如權(quán)利要求1所述的低噪聲積分式電流轉(zhuǎn)電壓的影像傳感器，其特征在于該輸出電路由一取樣保持電路和多個(gè)放大器所組成；該多個(gè)放大器皆連接于該取樣保持電路之后并輸出。
8.如權(quán)利要求4所述的低噪聲積分式電流轉(zhuǎn)電壓的影像傳感器，其特征在于該開關(guān)由互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管組成，亦可為一P溝道金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管或一N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管所組成。
9.如權(quán)利要求7所述的低噪聲積分式電流轉(zhuǎn)電壓的影像傳感器，其特征在于該多個(gè)放大器是由單增益緩沖器或是單級(jí)緩沖器所組成。
10.如權(quán)利要求1所述的低噪聲積分式電流轉(zhuǎn)電壓的影像傳感器，其特征在于該光感測組件可為一光二極管。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種低噪聲積分式電流轉(zhuǎn)電壓的影像傳感器隸屬CMOS制程，包含一光感測組件，用來感測光變量并輸出感測信號(hào)；一積分器電路，接收該光感測組件的感測信號(hào)；一相關(guān)二次取樣電路，連接于該積分器電路之后，并在特定時(shí)間時(shí)，對(duì)該積分器的輸出作取樣，并將兩次取樣結(jié)果運(yùn)算后，得出一低噪聲信號(hào)并將該低噪聲信號(hào)輸出；以及一輸出電路，接收該相關(guān)二次取樣電路所輸出的該低噪聲信號(hào)經(jīng)處理后輸出多個(gè)信號(hào)，串接而成。此組合針對(duì)不同的CMOS影像技術(shù)應(yīng)用的系統(tǒng)所設(shè)計(jì)。本實(shí)用新型不但保有CMOS低功率消耗及整合性佳的優(yōu)點(diǎn)，更能消除因制程上的誤差所導(dǎo)致電路特性飄移的現(xiàn)象。
文檔編號(hào)H04N5/225GK2681353SQ20042000182
公開日2005年2月23日 申請(qǐng)日期2004年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月5日
發(fā)明者蘇文鴻, 許均銘, 林鴻文, 蕭開明 申請(qǐng)人:敦南科技股份有限公司