高效率的大範圍及高解析度的黑電平及偏移校準系統的製作方法

2023-06-12 03:58:31 1

專利名稱：：高效率的大範圍及高解析度的黑電平及偏移校準系統的製作方法
技術領域：
：本發明涉及圖像傳感器，特別是圖像傳感器的黑電平校準(blacklevelcalibration,BLC)。本發明也涉及偏移(offset)校準的模擬信號處理系統。
背景技術：
：半導體圖像傳感器(例如電荷耦合組件(CCD)或互補金屬氧化物半導體(CMOS)傳感器)普遍使用於照相機或攝影機中，用於將可見光的圖像轉換為電子信號，便於後續的儲存、傳輸或顯示。由於電子電路的非完美性質，使得圖像傳感器在未接收任何光線的情形下仍然會具有漏電流(或暗信號(darksignal))。此有害的暗信號會結合於有用的數據信號中，更糟的是，此暗信號無法區別於數據信號。此結合的暗信號會犧牲圖像動態範圍，且會降低圖像對比度，因而降低圖像質量。為了避免或校正此暗信號，通常會施以黑電平校準(BLC)。在黑電平校準程序中，需要收集一或多個光屏蔽(light-shielded)像素的暗信號，用於作為黑電平參考(blacklevelreference)。於黑電平校準程序中，通常還需針對模擬讀取電路(readoutchain,亦即，一種接收、放大圖像傳感器的讀取信號並輸出相應的數位訊號的電路)執行偏移校準。甚至，為了於固定區域內可以容納更多的像素，需要將像素製作得更小，因而伴隨高增益的放大需求，此將造成校準範圍(range)的增大。另一方面，為了避免校準時產生不穩定的振蕩，黑電平校準的解析度(resolution)需要足夠高，使得校準步距(step)得以小於一數位化(或量化)單位(例如模擬數字轉換器(ADC)的最低有效位(LSB))。因此，黑電平校準的設計通常需要面對解析度與範圍之間的選擇。為了同時達到高解析度及大範圍，傳統的電路需佔用相當大的電路面積及耗費相當大的電源。鑑於此，亟需提出一種有效率的黑電平校準電路，其具小電路面積及電源消耗，且能達到高解析度及大範圍的校準。
發明內容本發明的目的之一是以多個步距來執行校準電平的積分運算，因而可以達到大校準範圍。另外，積分步距的大小可以通過積分增益(integratorgain)來增大，由此得以使用較小位數及電源消耗的數字模擬轉換器(DAC)來完成積分運算。根據本發明實施例之一，讀取電路接收、放大來自光檢測器的暗信號，並產生相對應的數字輸出。電平積分器則根據該數字輸出，使用多步距以執行校準電平的積分，用於獲得大校準範圍。在本實施例中，使用數字模擬轉換器(DAC)，其針對該多個步距，產生相對應校準電壓給電平積分器。圖l顯示本發明實施例之一的黑電平校準(BLC)系統的功能框圖；圖2顯示本發明實施例圖1的電平積分器；圖3顯示電平積分器的示例時序圖。具體實施例方式以下將詳細描述本發明的實施例，然而本發明範圍並不限定於這些實施例，而可以適用於其它的應用中。除了明文限定外，附圖中所示組件的數量並不受限於附圖所顯示者。圖1顯示本發明實施例之一的黑電平校準(BLC)系統1的功能框圖。光檢測器(photodetector)10為圖像傳感器的一部份，例如(但不限定為)電荷耦合組件或互補金屬氧化物半導體傳感器。光檢測器10將光子轉換為相應的電子信號。光檢測器10的暗信號V&的大小會隨不同像素而改變，且通常至少為積分時間及溫度的函數。於黑電平校準期間，需收集一或多個光屏蔽像素的暗信號，用於作為黑電平參考。通常，會將多個像素加以平均，用於減低時域(temporal)噪聲。於黑電平校準期間，自光檢測器10讀取的信號(特別是其暗信號)被第一放大器(Ampl)ll所接收及放大。於本實施例中，第一放大器11具有線性增益Gp其代表位於黑電平校準注入節點(injectionnode)12之前的模擬增益(其中的黑電平校準注入節點12將於以下描述)。另外，第一放大器11具有偏移電壓V。sl，其代表涵蓋至第一放大器11(含)的偏移電壓總和。位於黑電平校準注入節點12之後的校準信號(特別是黑電平校準期間的校準暗信號)被第二放大器(Amp2)13所接收及放大。於本實施例中，第二放大器13具有線性增益G2，其代表位於黑電平校準注入節點12之後的模擬增益。另外，第二放大器13具有偏移電壓V。s2，其代表位於黑電平校準注入節點12之後的模擬讀取電路(readoutchain)的偏移電壓總和。在本說明書中，"模擬讀取電路"是指一種接收、放大光檢測器10的讀取信號並輸出相應的數位訊號的電路。在本實施例中，第一放大器11和第二放大器13為具完全差分(fullydifferential)型態的運算放大器。換句話說，每一個運算放大器具有兩個差分輸入及兩個差分輸出。然而，本發明實施例也可以使用非完全差分型態的放大器。自第二放大器13的校準信號及放大暗信號通過模擬數字轉換器(ADC)14予以數位化。來自模擬數字轉換器(ADC)14的數字輸出饋至黑電平校準(BLC)控制器15，其用於將數字轉換器(ADC)14的數字輸出與目標黑電平(targetblacklevel)作比較(其中，該目標黑電平可以是由使用者所定義)。於黑電平校準期間，黑電平校準控制器15將控制黑電平校準系統1的其它部分，使其達到目標黑電平。黑電平校準控制器15的實施例電路可以參閱其它文獻，例如美國專利7,259,787號的相關描述。另外，根據本發明實施例，黑電平校準控制器15可以使用一或多種方案以控制數字模擬轉換器(DAC)16及電平積分器(levelintegrator)17，以提供負反饋給模擬讀取電路，用於校準黑電平。電平積分器17的差分輸出分別輸入至相加器12A、12B。其中，相加器12A接收第一放大器11的一個輸出及電平積分器17的一個輸出，而相加器12B則接收第一放大器11的另一個輸出及電平積分器17的另一個輸出。在本實施例中，電平積分器17的兩個輸出加至相加器12A、12B;在另一實施例中，電平積分器17的兩個輸出則是由相加器12A、12B予以減除。在本實施例中，相加器12A、12B介於第一放大器11及第二放大器13之間。然而，相加器12A、12B(亦即，黑電平校準注入節點12)的位置並不限定於此。再者，模擬讀取電路所使用的放大器數目可以為一個或者多個。在說明各種方案及電平積分器17之前，先結合下表一來描述一個例子，以了解解析度與範圍之間的選擇，以及增益G,、G2之間的選擇。表一tableseeoriginaldocumentpage9其中，V^一e^GbVds，代表將進行校準的暗信號；V。s—ca,-G卜V。s—d+V。sl+V。s2/G2，代表將進行校準的信號偏移。對於已知總體增益(亦即，G,.G2)，如果使用較大增益G,及較小增益G2，則黑電平校準系統所需的校準範圍會較大(但其對於解析度的要求則較寬鬆，或者其較能容忍噪聲)；相反的，如果使用較小增益Gi及較大增益G2，則黑電平校準系統需要較精確或較高的解析度(但其對於校準範圍的要求則較寬鬆)。在表一所示的例子中，校準範圍的最差情形為-72.5mV至132.5mV(=60mV+72.5mV)，當模擬數字轉換(ADC)的輸入數位化範圍為2V時，該範圍大約相當於420個數字數(digitalnumber,DN)。因此，一個9-位的數字模擬轉換器(DAC)可以符合此校準範圍及解析度的要求。不過，如果校準步距小於模擬數字轉換(ADC)的最低有效位(LSB)(大約為490pV)，則使用10-位的數字模擬轉換器(DAC)會較為適當。圖2顯示本發明實施例圖1的電平積分器17，而圖3顯示電平積分器17的示例時序圖。於本實施例中，電平積分器17包含完全差分(fullydifferential)型態的運算放大器170。換句話說，運算放大器170具有兩個差分輸入及兩個差分輸出。然而，本發明實施例也可以使用非完全差分型態的放大器。第一反饋電容器Cfp連接於非反相輸出V^p與反相輸入之間；第二反饋電容器Clm連接於反相輸出Vbkm與非反相輸入之間。重置開關oprst分別連接於反饋電容器Cfp、C^的兩端之間。重置開關oprst於另一積分開始之前會關閉(close),用於清除反饋電容器Cfp、Cfm的電荷。繼續參照圖2，校準電壓由數字模擬轉換器(DAC)16(圖1)所提供，其受控於黑電平校準控制器15(圖1)的控制信號。校準電壓V^的一端通過第一分支路徑連接至運算放大器170的反相輸入端，其中該第一分支路徑包含串聯的校準開關cal、第一輸入電容器C,p及輸入開關con—in。校準電壓Veal的另一端通過第二分支路徑連接至運算放大器170的非反相輸入端，其中該第二分支路徑包含串聯的另一校準開關cal、第二輸入電容器C,m及另一？俞入開關con—in。共模(common-mode)電壓V，通過共模開關con一cm連接至第一輸入電容器dp與輸入開關con一in的相交接處；共模電壓Vem也通過另一共模開關con一cm連接至第二輸入電容器dm與另一輸入開關con—in的相交接處。估算(evaluation)開關eva連接於第一分支路徑與第二分支路徑之間。積分運算操作主要包含兩步驟。於第一步驟中，校準開關cal及共模幵關con—cm為關閉(close),而其它開關則為開啟(open),此將使得校準電壓V^被取樣(sampled)並將相對應電荷分別儲存於第一輸入電容器Gp與第二輸入電容器Clm。接著，於第二步驟中，輸入開關con—in及估算開關eva為關閉，而其它開關則為開啟，這將使得儲存於第一輸入電容器Cip與第二輸入電容器Clm的電荷分別轉移至反饋電容器Cfp、Cfm，因而產生積分輸出。根據本發明實施例，黑電平校準控制器15決定一適當方案以控制數字模擬轉換器(DAC)16及電平積分器17。例如，可以使用10-位的數字模擬轉換器(DAC)16於一個步距中，以黑電平校準控制器15來控制電平積分器17的積分，如表二的方案1所示。表二方tableseeoriginaldocumentpage11於另一方案中，可以使用8-位的數字模擬轉換器(DAC)16於四個歩距中，以黑電平校準控制器15來控制電平積分器17的積分，如表二的方案2所示。相較於方案1，方案2以多個(四個)步距來完成積分，其每一個步距的範圍則小於總範圍的大小；且方案2使用較小的數字模擬轉換器(DAC)16，因而耗費較少的電源。一般來說，電平積分器17的差分輸出可以表示為其中，Vd(i)代表數字模擬轉換器(DAC)16所產生第i個步距的校準電壓，該數字模擬轉換器(DAC)16則受控於黑電平校準控制器15;vblmp=vcm+,*^x,(/)其中，d代表dp或C,m，而Cf則代表Cfp或Cfm。根據本發明實施例另一特徵，步距的大小不但可以受控於數字模擬轉換器(DAC)16，也可以受控於電平積分器17的積分增益Gb,c。例如，如表二方案3所示，電平積分器17以四個步距來完成積分，同方案2。然而，其積分步距大小則受到積分增益Gblc(=2)而增加，因此可以使用一個較小(7-位)的數字模擬轉換器(DAC)16來完成積分。由此，本發明實施例提供校準的彈性度黑電平校準控制器15在尚離目標一段距離時，可選擇較大的校準步距以加速操作；而於接近目標時，可降低步距大小以獲得較佳解析度及穩定度。根據本發明實施例，校準電平的積分操作可以使用多個步距來進行，以獲得大校準範圍(widecalibrationrange)。由於校準電路不需於單一步距中來達到目標範圍，因此可以使用較小步距及較小電源消耗，而仍能維持其解析度(resolution)。以上所述僅為本發明的優選實施例而己，並非用於限定本發明的權利要求範圍；凡其它未脫離發明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含在下述的權利要求範圍內。權利要求1、一種模擬信號處理系統，包含讀取電路，用於接收、放大暗信號，且產生相對應數字輸出；及電平積分器，根據所述數字輸出，使用多個步距以執行校準電平的積分，用於獲得大校準範圍。2、如權利要求1所述的模擬信號處理系統，還包含數字模擬轉換器，其針對所述多個步距，產生並提供相對應校準電壓至所述電平積分器。3、如權利要求2所述的模擬信號處理系統，其中上述的讀取電路包含第一放大器，用於接收及放大所述暗信號；至少一相加器，其接收所述第一放大器的輸出及所述電平積分器的輸出；及第二放大器，用於接收及放大所述相加器的輸出。4、如權利要求3所述的模擬信號處理系統，其中上述的讀取電路還包含模擬數字轉換器，用於將所述第二放大器的輸出予以數位化。5、如權利要求4所述的模擬信號處理系統，還包含黑電平校準控制器，其根據所述模擬數字轉換器的輸出以控制所述數字模擬轉換器及所述電平積分器。6、如權利要求1所述的模擬信號處理系統，其中上述的電平積分器包含放大器；至少一反饋電容器，連接於所述放大器的輸出端與輸入端之間；至少一輸入電容器，其經由輸入開關連接於所述放大器的輸入端；及至少一校準開關，連接於所述校準電壓與所述輸入電容器之間；其中上述的輸入電容器通過關閉的所述校準開關而受到所述校準電壓的充電，且所述充電的電荷則通過關閉的所述輸入開關而轉移至所述反饋電容器。7、一種圖像傳感器的黑電平校準系統，包含讀取電路，用於接收、放大來自光檢測器的暗信號，且產生相對應數字輸出；及電平積分器，根據所述數字輸出，使用多個步距以執行校準電平的積分，用於獲得大校準範圍。8、如權利要求7所述的圖像傳感器的黑電平校準系統，還包含數字模擬轉換器，其針對所述多個步距，產生並提供相對應校準電壓至所述電平積分器。9、如權利要求8所述的圖像傳感器的黑電平校準系統，其中上述的讀取電路包含第一放大器，用於接收及放大所述光檢測器的所述暗信號；至少一相加器，其接收所述第一放大器的輸出及所述電平積分器的輸出；及第二放大器，用於接收及放大所述相加器的輸出。10、如權利要求9所述的圖像傳感器的黑電平校準系統，其中上述的讀取電路還包含-模擬數字轉換器，用於將所述第二放大器的輸出予以數位化。11、如權利要求10所述的圖像傳感器的黑電平校準系統，還包含黑電平校準控制器，其根據所述模擬數字轉換器的輸出以控制所述數字模擬轉換器及所述電平積分器。12、如權利要求7所述的圖像傳感器的黑電平校準系統，其中上述的電平積分器包含放大器；至少一反饋電容器，連接於所述放大器的輸出端與輸入端之間；至少一輸入電容器，其經由輸入開關連接於所述放大器的輸入端；及至少一校準開關，連接於所述校準電壓與所述輸入電容器之間；其中上述的輸入電容器通過關閉的所述校準開關而受到所述校準電壓的充電，且所述充電的電荷則通過關閉的所述輸入開關而轉移至所述反饋電容器。13、一種圖像傳感器的黑電平校準系統，包含光檢測器；第一放大器，用於接收及放大所述光檢測器的暗信號；至少一相加器，其一端接收所述第一放大器的輸出；第二放大器，用於接收及放大所述相加器的輸出；模擬數字轉換器，用於將所述第二放大器的輸出予以數位化；黑電平校準控制器，其根據所述模擬數字轉換器的輸出及目標的比較結果，以產生控制信號；數字模擬轉換器，其受控於所述黑電平校準控制器，針對多個步距產生相對應校準電壓；及電平積分器，其接收所述數字模擬轉換器的校準電壓，使用所述多個步距以執行校準電平的積分，用於獲得大校準範圍，其中上述電平積分器的輸出饋至所述相加器的另一輸入端。14、如權利要求13所述的圖像傳感器的黑電平校準系統，其中上述的電平積分器包含-放大器；至少一反饋電容器，連接於所述放大器的輸出端與輸入端之間；至少一輸入電容器，其經由輸入開關連接於所述放大器的輸入端；及至少一校準開關，連接於所述校準電壓與所述輸入電容器之間；其中上述的輸入電容器通過關閉的所述校準開關而受到所述校準電壓的充電，且所述充電的電荷則通過關閉的所述輸入開關而轉移至所述反饋電容器。15、如權利要求14所述的圖像傳感器的黑電平校準系統，還包含至少一重置開關，連接於所述反饋開關的兩端。16、如權利要求15所述的圖像傳感器的黑電平校準系統，還包含至少一共模開關，連接於共模電壓及所述輸入電容器、所述輸入開關的相交接處。17、如權利要求14所述的圖像傳感器的黑電平校準系統，其中上述電平積分器的放大器具完全差分型態。18、如權利要求13所述的圖像傳感器的黑電平校準系統，其中上述的電平積分器具大於一的增益。19、如權利要求13所述的圖像傳感器的黑電平校準系統，其中上述的光檢測器為半導體圖像傳感器。20、如權利要求19所述圖像傳感器的黑電平校準系統，其中上述的半導體圖像傳感器為電荷耦合組件或互補金屬氧化物半導體傳感器。全文摘要一種黑電平校準系統。讀取電路(readoutchain)接收、放大暗信號，並產生相對應的數字輸出。電平積分器(levelintegrator)則根據所述數字輸出，使用多步距以執行校準電平的積分，用於獲得大校準範圍。文檔編號H04N5/361GK101557462SQ20091012971公開日2009年10月14日申請日期2009年3月24日優先權日2008年4月2日發明者史妙紅申請人:英屬開曼群島商恆景科技股份有限公司