驅動圖像傳感器的方法
2023-04-30 01:01:31 1
專利名稱：驅動圖像傳感器的方法
技術領域：
本發明涉及一種驅動圖像傳感器(例如直線接觸式圖像傳感器)的方法，用於讀出在傳真機，圖像掃描器，數字複製機，X射線成像裝置，或其他類似裝置中的圖像，更具體地說，涉及消去在接觸式圖像傳感器中由晶片間差別或偏差而引起的固定圖形噪聲(FPN)，其中在接觸式圖像傳感器中在一個安裝基片上安裝多個半導體光傳感器晶片。
近年來，在直線光電轉換裝置的領域中，除使用減小的鏡片的CCD外，還廣泛提出了其中安裝多個半導體光傳感器的等放大率(放大率=1)接觸式圖像傳感器。
圖1A是表示在Journal of Television Society Vol.47,No.9(1993),pp.1180中公開的具有一個放大器元件的常規接觸式圖像傳感器的部分方塊圖。在這種接觸式圖像傳感器中，安裝多個放大器式半導體光傳感器晶片，它們具有以像素為單位的放大器元件。特別是，圖1A表示單傳感器晶片的布置。
一個傳感器微型組件的輸出通過一個模擬開關37向外輸出。圖1B表示其中多個傳感器晶片連接的狀態。為了起動一個特定晶片的輸出，使該晶片的模擬開關37激發。
如圖1A所示，一個傳感器晶片包括多個傳感器元件(光電電晶體9)，共同接收這些電晶體9的輸出的輸出線3(4)，差動放大器33，箝位電路204，以及緩衝放大器36，上述模擬開關37等等。
在該圖像傳感器中，由於產生因用於多個像素的放大器元件的變化而引起的固定圖形噪聲(FPN)，所以在圖1A所示現有技術中通過計算暗狀態下光信號(S信號)與噪聲信號(N信號)之間的差(為簡單起見，在下文稱為「S-N法」)，來消去晶片中產生的FPN。
以下將參考圖1A和圖2(定時圖)，敘述圖1A所示圖像傳感器中使用S-N法的FPN消去。
在圖1A中，雙極電晶體9構成光電轉換元件的傳感器部分。各電晶體9連接到MOS電晶體27(28),MOS電晶體31(32)，電容CTS1和CTN2，以及MOS電晶體25(26)，並且各個位的MOS電晶體25和26連接到共輸出線3和4。參考符號CHS和CHN表示輸出線3和4的電容。輸出線3和4通過電壓跟隨放大器13和14連接到差動放大器33。
在光照射到該光電轉換元件的傳感器9上時，在發射極跟隨電晶體9的PN結上累積與其光量hv(h是普朗克常數，v是光的頻率)相對應的光信號(即電荷)。在累積完成時，使電晶體9設置在浮接狀態(通過斷開φERS)，並且接通φTS以把PN結上累積的電荷轉移到光信號保持電容CTS1。隨後，接通復位脈衝φERS以使傳感器(電晶體9)復位。此時，轉移到電容CTS1的電荷包含噪聲分量。其後，接通φTN以把傳感器的噪聲(N)信號轉移到噪聲信號保持電容CTN2。再一次，接通復位脈衝φBRS以起動MOS電晶體29，並且接通復位脈衝φERS以起動MOS電晶體30。由於MOS電晶體29和30接通，所以使傳感器電晶體9復位，然後開始下一次累積。
在CTS1和CTN2上累積的電荷的有些分量在下一次累積期間分別移到輸出線電容CHS和CHN。為簡單起見，這個操作稱為「電容性劃分」，因為在CTS1和CTN2上累積的原始電荷由於電荷在兩個電容之間移動的結果而被劃分。「電容性劃分」由MOS電晶體25和26在控制定時信號φN接通時起動。以下將說明「電容性劃分」。
為了復位保持電容CHS7和CHN8，由信號φHC接通MOS電晶體5和6。在這些電容復位之後，由一個移位寄存器(未示出)輸出的定時信號φN來接通MOS電晶體25和26。當MOS電晶體25和26接通時，光信號保持電容CTS1和噪聲信號保持電容CTN2中的數據(電荷的某些分量)分別轉移到與共輸出線3和4連接的電容CHS7和CHN8。因此，在輸出線3(4)上呈現的電位由電容CHS7與CTS1之間的比(電容CHN8與CTN2之間的比)來確定。輸出線3(4)上的電位通過放大器13(14)由差動放大器33放大。
如上所述，雖然在圖1A中未示出，但是一個傳感器晶片具有用於多個位的多個傳感器元件9。為了讀出下一個位的傳感器輸出，接通MOS電晶體5和6以使電容CHS7和CHN8復位，然後供給該位的驅動信號φN，以把電容CTS和CTN上累積的數據讀出到共電容CHS7和CHN8。
通過重複這樣的移位操作，在各個位的傳感器(電晶體9)上累積的電荷被讀出到電容CHS7和CHN8。在電容CHS7和CHN8上感應的電壓通過電壓跟隨放大器13和14輸入到差動放大器33。
傳感器IC中的固定圖形噪聲FPN主要由各個像素(位)的雙極電晶體9的hFE變化或其他類似變化而引起。這樣的變化反映在保持電容CTS和CTN上累積的電荷中。使用S-N法的FPN消去在把保持電容CTS和CTN上累積的電荷讀出到共信號線3和4時，通過用差動放大器33檢測信號線之間的任何電平差，來消去因以像素為單位的雙極電晶體9的hFE變化而引起的噪聲。
使用差動放大器33的S-N法對消去傳感器晶片中產生的FPN來說是有效的。
然而，如圖1B所示，由於其是接觸式，所以在其中安裝多個光傳感器的等放大率接觸式圖像傳感器情況下，級聯多個直線行式傳感器晶片，因此以晶片為單位安排差動放大器33和緩衝放大器36。在不同晶片的差動放大器33(或緩衝放大器36)之間，輸出電壓的DC分量因偏置電位的變化而引起變化。晶片之間DC偏置電壓的這樣變化將稱為「由於晶片之間差別而引起的FPN(晶片間FPN)」，與本說明書中「晶片中產生的FPN(晶片中FPN)」對比。
上述S-N法對晶片間FPN來說無效。
在圖1A所示圖像傳感器中，箝位電路204處理由差動放大器33而引起的晶片間FPN。亦即，箝位電路204由一個截斷放大器33輸出的DC分量的電容34，以及一個把這個電容34與放大器36的輸入部分之間的電位固定到地電平的MOS電晶體35構成，放大器36移到負側。應用這種布置，箝位電路204能防止由於差動放大器33引起的晶片間FPN。
然而，本發明人發現，即使應用圖1A所示的現有技術，也難以消去由輸出緩衝放大器36的偏置而引起的晶片間FPN。
特別是，當輸出緩衝放大器36的初始級採用MOS前置布置時(其中MOS電晶體安排在輸入側)，由於該MOS的閾值不平衡影響偏置，所以在不同晶片的輸出緩衝放大器之間產生例如約10mV的偏置變化。即使如圖1B所示在安裝多個傳感器晶片之後，也產生約10mV的FPN。
因此，當要用常規圖像傳感器獲得高灰度等級圖像時，要求以晶片為單位進行暗校正，以保證其動態範圍，並且系統設計和製造所需費用增加。
在現有技術中，各傳感器晶片包括一個大規模模擬電路，例如一個傳感器，幾個保持電容，以及其他類似元件，並且安裝10到20個晶片。為此，使模擬電路部分的晶片面積增加，並且難以降低費用。
此外，各傳感器晶片既包括用於光信號讀出和復位的數字電路，例如MOS電晶體，又包括上述模擬電路，並且傳感器輸出容易受到數字電路產生的噪聲的影響。
本發明的一個目的是提供一種高性能圖像傳感器，它能消去由晶片間變化而引起的FPN，並且不要求任何暗校正。
本發明的另一個目的是提供一種便宜的圖像傳感器，它不需要任何暗校正裝置，並且能避免現有技術中不可避免的由晶片面積增加而引起的費用增加。
本發明的又一個目的是提供一種驅動方法，它能消去圖像傳感器中的晶片間FPN。
本發明的又一個目的是提供一種圖像傳感器及其驅動方法，其能同時消去晶片內FPN和晶片間FPN。
本發明的又一個目的是提供一種圖像傳感器，其中在一個單安裝基片上安裝多個傳感器晶片，並且在一個與該多個傳感器晶片的基片不同的半導體基片上安裝一個用於消去晶片間FPN的電路。
本發明的又一個目的是提供一種圖像傳感器，其中使多個傳感器晶片的電源與半導體基片上的電路的電源隔離。
本發明的又一個目的是提供一種圖像傳感器，其中使多個傳感器晶片的地線與半導體基片上的電路的地線隔離。
本發明的又一個目的是提供一種圖像傳感器，其中從個別傳感器晶片中消去差動放大器。
本發明的又一個目的是提供一種圖像傳感器及其驅動方法，該圖像傳感器能調節增益，並能消去圖像傳感器組件的個別差別。
圖1A是常規圖像傳感器的等效電路圖；圖1B是說明圖1A所示常規圖像傳感器中個別傳感器晶片之間的連接的示意圖；圖2是說明圖1A所示常規圖像傳感器的操作的定時圖；圖3是表示按照本發明的第一實施例的圖像傳感器組件的示意圖；圖4A是第一實施例的圖像傳感器的等效電路圖；圖4B是說明第一實施例的圖像傳感器的主要部分的連接的示意圖；圖5是表示第一實施例的圖像傳感器的一個操作例子的定時圖；圖6是表示第一實施例的圖像傳感器的另一個操作例子的定時圖；圖7是按照本發明的第二實施例的圖像傳感器的等效電路圖；圖8是表示第二實施例的圖像傳感器的一個操作離子的定時圖；圖9是按照本發明的第三實施例的圖像傳感器的等效電路圖；以及圖10是表示第三實施例的圖像傳感器的一個操作例子的定時圖。
下文將參考附圖，說明按照本發明的優選實施例的圖像傳感器的布置、操作和驅動方法。
第一實施例圖3表示按照第一實施例的接觸式圖像傳感器的組件300的布置。在圖3中，組件300有多個傳感器晶片100,100』,100」,…,100n，一對從這些晶片引出的共輸出線101和102，以及一個放大器晶片200。原理上，各傳感器晶片100,…有兩個輸出端，它們分別連接到共輸出線101和102。放大器晶片200的兩個輸入端分別連接到共輸出線101和102。放大器晶片200有一個單輸出端VOUT。從這個端VOUT的輸出就是組件300的輸出。
注意在圖3所示的組件300上還安裝各種部件，例如電容，電阻器，以及其他類似部件(未示出)。
在圖3中，傳感器晶片100,100』和100」及放大器晶片200安裝在一個單安裝基片300上，但是放大器晶片200可以安裝在另一個安裝基片上。然而，由於傳感器晶片100,…和放大器晶片200一起安裝在一個單安裝基片上，所以能減小組件300的尺寸，並且能減小可能在傳感器晶片100,…的輸出中產生的外部噪聲，因此使輸出穩定。注意封裝在一個陶瓷外殼中的放大器晶片200可以通過焊接而安裝在安裝基片300上，或其支持晶片可以通過染色接合而安裝在安裝基片300上。當通過染色接合安裝支持晶片時，如果各傳感器晶片的短側長度設置為大致等於放大器晶片的短側長度，則能對傳感器和放大器晶片使用共夾頭，因此減少安裝過程中的工序數。
圖4A表示按照第一實施例的各傳感器晶片(100,100』,100」,…)的等效電路圖和放大器晶片200的等效電路圖。
在圖4A中，按照第一實施例的傳感器晶片有多個光電轉換器10,10』,10」,…，用於從這些光電轉換器中讀出噪聲信號(下文縮寫為「N信號」)並保持N信號的噪聲信號保持器2,2』,2」,…，用於從光電轉換器中讀出光信號(下文稱為「S信號」)並保持S信號的S信號保持器1,1』,1」,…，用於共同輸出N信號的N信號輸出線4，用於共同輸出S信號的S信號輸出線3，用於復位N和S信號輸出線4和3的復位電路5和6，以及通過N和S信號輸出線4和3的電容CHN8和CHS7之間的電容或電容性劃分，用於讀出由N信號保持器2,2』,2」,…所保持的信號和S信號保持器1,1』,1」,…所保持的信號的讀出電路。後文將敘述電容性劃分。
注意光電轉換器10,10』,10」,…優選地使用雙極元件，例如BASIS，或各包括一個光電二極體和MOS電晶體的放大器。
如圖4A所示，信號保持器優選地包括一個電容器，並且復位電路優選地包括一個電晶體電路。
各光電轉換器10,10』,10」,…連接到一對MOS電晶體27和28。MOS電晶體27的陣列共同接收一個控制信號φTS。MOS電晶體28的陣列共同接收一個控制信號φTN。當轉移脈衝φTS接通時，使S信號存儲在S信號保持器(電容)CTS1,1』,1」,…中；當轉移脈衝φTN接通時，使N信號存儲在N信號保持器(電容)CTN2,2』,2」,…中。亦即，當轉移脈衝φTS和φTN接通時，由光電轉換器10,10』,10」,…檢測的S和N信號分別存儲在保持器CTS1,1』,1」,…和CTN2,2』,2」,…中。
為了把光電轉換器10,10』,10」,…的輸出提供到共輸出線3和4上，在此之前必須復位共輸出線3和4。接通MOS電晶體5和6，以使S和N信號輸出線3和4復位。在這樣復位下，線3和4準備好把數據轉移到電容CHS7和CHN8。然後用移位寄存器SR的移位脈衝φ1來起動MOS電晶體25和26，以通過電容劃分依次把電容CTS和CTN中的數據(電荷)輸出到共輸出線3和4上。電容CTS和CTN上累積的電荷的有些分量分別轉移到電容CHS7和CHN8。結果，在CTS上累積的電荷被分到CTS1和CHS7，並且在CTN上累積的電荷被分到CTN2和CHN8。當電荷被分到兩個電容時，這兩個電容之間的電位在本說明書中將稱為電容性劃分輸出。
電容性劃分的輸出由放大器11和12阻抗轉換，然後通過模擬開關14和15輸出到安裝基片上的S和N信號線101和102。在圖4A中，各放大器11和12使用一個包括兩個電晶體的源極跟隨電路。但是例如可以使用一個常規電壓跟隨電路。
如上所述，由傳感器元件10檢測的數據響應移位脈衝φ1而輸出到S和N信號線101和102。其次，類似地由傳感器元件10』檢測的數據響應移位脈衝φ2而輸出到S和N信號線101和102。此外，由傳感器元件10」檢測的數據響應移位脈衝φ3而輸出到S和N信號線101和102。
作為一個半導體光傳感器的傳感器微型組件(100,100』,100」,…)通過安裝在相同安裝基片上的端99，應用引線接合連接到安裝在一個單基片上的S和N信號線101和102及一個放大器晶片200。即，來自傳感器微型組件(100,100』,100」,…)的S和N信號輸入到放大器晶片200。
如圖4A所示，由多個傳感器微型組件(100,100』,100」,…)共用的放大器晶片200具有一個用於接收N信號的緩衝放大器201，一個用於接收S信號的緩衝放大器202，一個用於計算放大器201和202的輸出之間差值的差動放大器203，一個連接到差動放大器203的輸出側的電壓箝位電路204，以及一個輸出緩衝放大器205。
注意電壓箝位電路204包括一個箝位電容206和一個MOS開關207，並且具有使輸入信號向箝位復位電壓VCD箝位的功能。
圖4A所示的第一實施例的特徵如下Ⅰ在多個傳感器晶片100,…之外，但是在放大器晶片200之內，安裝用於消去晶片間FPN的箝位電路204，作為這些傳感器晶片共有的電路。為此，能省略常規圖像傳感器中(圖1A)所要求的以傳感器晶片為單位的箝位電路(圖1A中204)。
Ⅱ為了有效地消去晶片間FPN，適當地設置用於控制輸出線3和4的復位定時的信號φCHR的發生定時，以及用於控制箝位電路204的信號φCD的發生定時。後文將敘述φCHR和φCD的發生定時的兩個例子。
Ⅲ由於在放大器晶片200之內安裝差動放大器203，用於差動放大共輸出線對3和4的輸出，所以能把現有技術中(圖1A)所要求的以晶片為單位的差動放大器的數目減少到一個，並且能大大減少電路元件的數目。
Ⅳ作為特徵Ⅰ至Ⅲ的組合效果，在Ⅱ中設置的定時不僅能消去「晶片間FPN」，而且同時能消去「晶片內FPN」。
按照圖4A所示布置，由於能從各傳感器晶片中省略緩衝放大器36，所以與圖1A比較，能減小晶片間FPN的發生。然而，由於代替緩衝放大器36而要求源極跟隨放大器11和12，所以由源極跟隨放大器11(或12)的晶片間變化而引起的「晶片間FPN」仍未解決。
以下將參考圖5，說明用於第一實施例的圖像傳感器的驅動控制方法，特別是用於消去晶片間FPN的驅動控制方法。
圖5表示用於確定轉換器10的電荷轉移定時的信號φTN和φTS，來自移位寄存器SR的移位脈衝φ1,φ2和φ3，用於復位共信號線3和4的復位脈衝φCHR，以及用於復位放大器晶片200中箝位電路204的復位脈衝φCD。
圖4B表示第一實施例的圖像傳感器(圖4A)的主要元件。參考圖4B，在共輸出線3,3』,3」(和輸出線4,4』,4」)上的電容CHS7,7』,7」,…(電容CHN8,8』,8」,…)與放大器200的輸出VOUT之間，存在接收φCHR的復位電路和接收φCD的箝位電路204。在輸入各脈衝φ1,φ2,φ3,…之前，必須在各移位定時(φ1,φ2,φ3,…)用φCHR來復位MOS電晶體5和6，以便消除單晶片中各傳感器轉換器10的變化(晶片內FPN)。通過驅動圖4B中的箝位電路204，能消去由源極跟隨放大器11和12引起的DC偏置變化。更具體地說，參考圖4A，把從LOW→「H」→LOW變化的箝位脈衝φCD輸入到MOS電晶體207的柵極。在φCD的LOW時限期間，差動放大器203輸出一個反映由源極跟隨放大器11和12所引起的DC偏置變化的輸出信號。這個電壓輸入到DC截止電容器(箝位電容)206。當φCD從LOW變為HIGH時，MOS電晶體207的源極側箝位到電位VCD。於是，在DC截止電容器206兩端之間的電位差反映由源極跟隨放大器11和12所引起的DC偏置變化。在這個狀態下，當φCD從HIGH變為LOW時，由於MOS電晶體207截止，所以電容器206上累積的電荷保持在用於消除晶片間FPN的電荷值。其時，當從移位寄存器SR向MOS電晶體25和26施加移位脈衝φN時，則在電壓跟隨放大器205的輸出側呈現一個不僅消除了「晶片內FPN」，而且消除了「晶片間FPN」的輸出信號。亦即，對於圖5定時來說，重要的是Ⅴ在各移位脈衝φN(φ1,φ2,φ3,…中之一)之前，輸出箝位脈衝φCD；並且Ⅵ在輸出箝位脈衝φCD之前，復位MOS電晶體5和6。
在圖5所示控制定時例子中，復位脈衝φCHR變為HIGH，然後在箝位脈衝φCD變為HIGH之前變為LOW。
以下將藉助於圖5更詳細地敘述圖4A所示電路的操作。
在輸入信號φTN和φTS之後，S信號已經讀出到電容CTS1,1』,1」,…，並且N信號已經讀出到保持電容CTN2,2』,2」,…。從移位寄存器SR依次輸出讀出信號(移位脈衝)φ1,φ2,φ3,…，並且如上所述，通過電容CTS與CHS之間及CTN與CHN之間的電容劃分，把傳感器檢測信號讀出到信號線3和4。
在圖4A中，箝位電路204中的MOS電晶體207由控制信號φCD控制。按照圖5所示定時，在起動φCHR之後起動φCD，因此，在從φCHR起動到φCD起動的時限期間，電容CHS7和CHN8在φCHR之後緊靠讀出信號線3和4上的信號之前，由φCHR復位到希望電壓。此外，電容CHS7和CHN8經復位之後的狀態由φCD箝位，並且用作參考狀態。因此，電容劃分之後的輸出包含以晶片為單位的源極跟隨放大器11和12的Vth變化。然而，由於這些輸出是在用上述操作校正Vth變化之後獲得的，因此能不用任何暗校正來消去常規提出問題的晶片間FPN。
控制定時的變更第一實施例的箝位電路204的控制定時不限於圖5所示控制定時。
圖6表示能應用於第一實施例的圖像傳感器(圖4A)的另一個定時例子。在圖6所示例子中，復位脈衝φCHR保持為HIGH，然後在箝位脈衝φCD變為LOW之後，並且在移位脈衝φN接通之前，變為LOW。按照圖6所示定時例子，由於由復位脈衝φCHR所復位的電容CHS7和CHN8的復位狀態由箝位脈衝φCD來箝位，所以能獲得與圖5所示定時例子相同的效果。
按照第一實施例，由於與圖1A所示圖像傳感器比較，不再需要各傳感器晶片中的差動放大器，所以能簡化各傳感器晶片的輸出部分，並且能使各傳感器晶片中模擬部分的晶片面積最小。此外，由於能用共信號線101和102來結合所有傳感器晶片中的模擬部分，所以能使各微型組件的晶片面積最小，因此實現費用降低。
第一實施例的變更在第一實施例的圖像傳感器組件300中，當獨立地設置傳感器晶片100,100』,100」,…的電源和放大器晶片200的電源時，即使傳感器電源電壓降低時，也能保持輸出的寬動態範圍。
在第一實施例中，舉例說明了使用多個行式傳感器晶片的接觸式圖像傳感器，然而，本發明不限於這樣的特定傳感器，而可以對包括大量傳感器晶片的二維面積傳感器有效。特別是，當小區域中的多個面積晶片有不同的光電轉換靈敏度時，FPN變化變得比1行接觸式傳感器更為顯著，因此，應用本發明非常有效。
作為另一個變更，當對放大器晶片200增加放大功能時，例如可以把放大功能加到差動放大器203上，或可以在差動放大器203的輸出側插入一個增益放大器。
在圖4A所示布置中，傳感器晶片100和放大器晶片200使用一個共電源。可選擇地，當傳感器晶片100和放大器晶片200的電源在安裝基片上隔離時，傳感器晶片和放大器晶片可以使用不同的電源電壓，或可以在安裝基片上使用獨立的地端，以減小模擬輸出中的噪聲。
第二實施例圖7是按照本發明的第二實施例的圖像傳感器的電路圖。在第二實施例中，用光電二極體20,20』,20」,…，復位開關21,21』,21」,…,NMOS源極跟隨電晶體22,22』,22」,…，轉移開關23,23』,23」,…，來分別構成第一實施例的各傳感器晶片100,100』,100」,…的光電轉換器。
至於第二實施例的其他構造元件，與第一實施例(圖1A)那樣，各傳感器晶片具有N信號保持器2,2』,2」,…,S信號保持器1,1』,1」,…,N信號輸出線4,S信號輸出線3，以及復位開關5和6。
第二實施例的特徵在於，能通過對放大器晶片200』增加一個增益放大器208，來調節傳感器組件300的最終輸出VOUT的電平。然而，當增加增益放大器208時，組件300的輸出VOUT遭受由於增益放大器208中個別偏置變化而引起的個別差別。為簡單起見，這樣個別差別在下文將稱為「組件間FPN」。
在第二實施例的圖像傳感器中，增加一個箝位電路209來消去這種「組件間FPN」。
以下將更詳細地敘述第二實施例的圖像傳感器的布置。
在N和S信號輸出線4和3上呈現的電容性劃分輸出被各包括兩個電晶體的源極跟隨放大器11和12阻抗轉換，然後通過模擬開關14和15輸出到S和N信號線101和102。S和N信號線101和102上的S和N信號輸入到安裝在與傳感器晶片相同的晶片上的放大器晶片200』。
第二實施例的放大器晶片200』包括N信號輸入緩衝放大器201,S信號輸入緩衝放大器202，差動放大器203，電壓箝位電路204，增益放大器208(增益=A)，電壓箝位電路209，以及輸出緩衝放大器205。電壓箝位電路204的箝位控制信號與第一實施例那樣為φCD，並且用於控制電壓箝位電路209的箝位信號為φCL。
圖8是第二實施例中的控制信號的定時圖。
箝位電路204的箝位信號φCD與第一實施例那樣，必須在各位的電荷轉移定時(圖8中φ1,φ2和φ3)發生，因為其目的在於消去每一位的FPN。另一方面，由於箝位電路209消去各組件中產生的偏置FPN，所以箝位電路209的箝位信號φCL僅需對起動信號SP(與圖2中信號SP等效)發生一次，起動信號SP在圖像讀出開始時對組件300發生一次，如圖8所示。
在第二實施例中，電壓箝位電路209減小了包括傳感器晶片100,100』,100」,…和放大器晶片200』的各微型組件的偏置變化(「組件間FPN」)，並且能保持微型組件(即組件)的幾乎均勻的參考電平。由於能減小微型組件(即組件)的變化，所以能減小以產品為單位的變化，並且能實現高質量產品的製造。
在第二實施例中，傳感器晶片100,100』,100」,…和放大器晶片200』的電源和地端在安裝基片上相互隔離，並且傳感器晶片和放大器晶片的電源電壓分別為3.3V和5.0V。
以下將參考圖8定時圖，敘述第二實施例的操作。
圖8表示來自移位寄存器SR的讀出信號φ1,φ2和φ3，共輸出線3和4的復位脈衝φCHR，以及放大器晶片200』中的復位脈衝φCD和φCL之間的驅動定時關係。
在把信號讀出到S信號保持電容(保持器)CTS1,1』,1」,…和N信號保持電容(保持器)CTN2,2』,2」,…之後，從移位寄存器SR依次輸出讀出信號φ1,φ2和φ3，並且通過CTS與CHS之間及CTN與CHN之間的電容劃分來讀出由光傳感器檢測的信號。緊靠讀出這些信號之前，通過響應復位脈衝φCHR而接通MOS電晶體(開關)5和6，使電容CHS7和CHN8復位到希望電壓。在CHS7和CHN8復位之後，則由箝位信號φCD和φCL所起動的箝位電路204和209產生參考信號。因此，電容劃分之後的輸出包含由以晶片為單位的源極跟隨放大器11和12的閾電壓Vth所引起的變化。然而，由於輸出是在由上述復位脈衝操作及其他類似操作校正Vth變化之後獲得的，所以能消去現有技術中提出問題的晶片間FPN。亦即，在第二實施例中，也能解決「晶片間FPN」的問題。
這樣，第二實施例能消去所有「晶片內FPN」，「晶片間FPN」和「組件間FPN」。
更具體地說，在常規微型組件中晶片間差別約為10mV，而在第二實施例中為3mV或更小。
注意在第二實施例中，用於控制箝位電路204的箝位定時的φCD是在第一位發生，但是可以與其他位的發生定時相同步地發生。
第三實施例圖9是表示本發明的第三實施例的電路圖。在這個實施例中，按時間序列(即通過時間劃分)讀出N和S信號，並且N信號的輸出狀態被箝位，且用作參考信號。
在第三實施例中，除按時間序列(時間劃分)把N和S信號讀出到單共輸出線55外，各傳感器晶片100,100』,100」,…的布置實質上與第二實施例中布置相同，即包括光電二極體20,20』,20」,…，復位開關21,21』,21」,…,NMOS源極跟隨電晶體22,22』,22」,…,轉移開關23,23』,23」,…,N信號保持器2,2』,2」,…，以及S信號保持器1,1』,1」,…。亦即，由一個復位MOS電晶體56來順序復位單共輸出線55。由於進行時間劃分驅動，所以與第二實施例比較，用於放大N和S信號的包括兩個電晶體的源極跟隨放大器11的數目能減少到一個。
與第二實施例那樣，第三實施例的放大器晶片200』包括輸入緩衝放大器201，電壓箝位電路204，增益放大器208，電壓箝位電路209，以及輸出緩衝放大器205。亦即，與第二實施例那樣，在第三實施例中增加電壓箝位電路209的原因是消去「組件間FPN」。
圖10表示第三實施例的操作，即來自移位寄存器SR的讀出信號φ1S,φ1N,φ2S,φ2N,φ3S和φ3N，共信號線55的復位脈衝φCHR，以及放大器晶片200』中的復位脈衝φCD和φCL之間的驅動定時關係。
在把信號讀出到S信號保持電容(保持器)CTS1,1』,1」,…和N信號保持電容(保持器)CTN2,2』,2」,…之後，由φCHR復位共輸出線，並且第一位的N信號響應φ1N而由電容劃分讀出到共輸出線55。N信號的讀出狀態響應φCD而箝位，並且用作第一位的參考信號。隨後，共輸出線55由φCHR復位，並且第一位的S信號響應φ1S而由電容劃分讀出到共輸出線55。第一位的S信號與箝位到N信號的電壓之間的差通過信號輸入緩衝放大器201，輸入到增益放大器208，並且通過這種箝位功能，能消去以像素為單位的變化。此外，能消去傳感器晶片100,100』,100」,…的變化。同樣地，讀出第二和第三位的信號，並且在讀出傳感器晶片的所有位像素信號之後，使該傳感器晶片的開關14斷開，並且讀出下一個傳感器晶片的第一位的信號。
在第三實施例的布置中，晶片間FPN為2.9mV或更小；FPN消去效果能得到改進。
注意在第三實施例中，用於控制箝位電路204的箝位定時的φCD是在第一位發生，但是可以與其他位的發生定時相同步地發生。
按照本發明，能提供一種驅動高性能接觸式圖像傳感器的方法，該方法能消去晶片間FPN，而不要求任何暗校正。更具體地說，由於在把信號從各傳感器微型組件輸出到放大器晶片之後，用復位共輸出線所獲得的電平作為參考信號來使輸出箝位，所以能在光電轉換的最後狀態下獲得參考電位，因此可靠地消去FPN。當然，由於能使動態範圍最大，所以能消去對暗電平校正裝置的需要。並且，由於把緊接共輸出線復位之後的狀態用作箝位電路的參考電位，所以箝位電路能箝位在與穩定復位電平相對應的可靠電平上，因此消去各晶片的FPN。
此外，由於在各光電轉換晶片的電容性劃分輸出中，以輸出線為單位的變化能以晶片為單位得到校正，所以能整個地消去FPN。
按照本發明，能提供一種驅動高性能接觸式圖像傳感器的方法，該方法能消去晶片間FPN，而不要求任何暗校正。更具體地說，由於在把信號從各傳感器微型組件輸出到放大器晶片之後，把復位共輸出線所獲得的電平作為參考信號箝位，所以能在光電轉換的最後狀態下獲得參考電位，因此可靠地消去FPN。當然，由於能使動態範圍最大，所以能消去對暗電平校正的需要。並且，由於把緊接共輸出線復位之後的狀態用作箝位電路的參考電位，所以箝位電路能箝位在與穩定復位電平相對應的可靠電平上，因此消去各晶片的FPN。
如上所述，按照第一至第三實施例的每一個的圖像傳感器組件300能由分立電路部件構成。然而，當微型組件晶片100和放大器晶片200結合到單微型組件中時，本發明更為有效。換句話說，第一至第三實施例的每一個的圖像傳感器強烈地具有半導體器件的形態。一般地，當結合多個形成一個微型組件，並且具有相同功能的半導體晶片的輸出時，與本發明的圖像傳感器那樣產生晶片間FPN。因此，本發明的FPN消去方法能應用於這樣的半導體器件。
由於能在不違反其精神和範圍下實現本發明的許多明顯大不相同的實施例，所以不用說，除附加權利要求所限定那樣，本發明不限於其特定實施例。
權利要求
1．一種驅動一個圖像傳感器的方法，所述圖像傳感器包括(a)一個傳感器微型組件，具有多個安裝在一個安裝基片上的半導體光傳感器晶片，其中各半導體光傳感器晶片具有信號保持裝置，用於保持從多個光電轉換元件讀出的光信號和噪聲信號；共輸出線，用於分別輸出所述信號保持裝置中的光信號和噪聲信號；復位裝置，用於復位所述共輸出線；以及讀出裝置，用於從所述共輸出線輸出信號；以及(b)一個半導體器件，包括噪聲和光信號輸入緩衝裝置，用於從各傳感器晶片接收噪聲信號和光信號；差動裝置，用於計算從所述噪聲和光信號輸入緩衝裝置的輸出之間的差；以及電壓箝位裝置，用於箝位所述差動裝置的輸出，所述噪聲和光信號輸入緩衝裝置，差動裝置，以及電壓箝位裝置形成在一個單個半導體基片上，所述方法包括步驟用所述復位裝置復位所述共輸出線；並且用所述電壓箝位裝置箝位所述共輸出線的復位狀態。
2．一種驅動一個圖像傳感器的方法，所述圖像傳感器包括(b)一個傳感器微型組件，具有多個安裝在一個安裝基片上的半導體光傳感器晶片，其中各半導體光傳感器晶片具有多個光電轉換裝置；噪聲信號保持裝置，用於保持從所述光電轉換裝置讀出的噪聲信號；光信號保持裝置，用於保持從所述光電轉換裝置讀出的光信號；噪聲信號共輸出線，用於輸出由所述噪聲信號保持裝置所保持的噪聲信號；光信號共輸出線，用於輸出由所述光信號保持裝置所保持的光信號；復位裝置，用於復位所述噪聲和光信號共輸出線；以及讀出裝置，通過所述噪聲和光信號共輸出線之間的電容劃分，用於從所述噪聲和光信號保持裝置讀出信號；以及(b)一個半導體器件，包括噪聲信號輸入緩衝裝置，用於接收噪聲信號；光信號輸入緩衝裝置，用於接收光信號；差動裝置，用於計算所述噪聲和光信號輸入緩衝裝置的輸出之間的差；以及電壓箝位裝置，用於箝位所述差動裝置的輸出，所述噪聲和光信號輸入緩衝裝置，差動裝置，以及電壓箝位裝置形成在一個單個半導體基片上，所述方法包括步驟用所述復位裝置復位所述共輸出線；並且用所述電壓箝位裝置箝位所述共輸出線的復位狀態。
3．一種驅動一個圖像傳感器的方法，所述圖像傳感器包括(c)一個傳感器微型組件，具有多個安裝在一個安裝基片上的半導體光傳感器晶片，其中各半導體光傳感器晶片具有多個光電轉換裝置；噪聲信號保持裝置，用於保持從所述光電轉換裝置讀出的噪聲信號；光信號保持裝置，用於保持從所述光電轉換裝置讀出的光信號；噪聲信號共輸出線，用於輸出由所述噪聲信號保持裝置所保持的噪聲信號；光信號共輸出線，用於輸出由所述光信號保持裝置所保持的光信號；復位裝置，用於復位所述噪聲和光信號共輸出線；以及讀出裝置，通過所述噪聲和光信號共輸出線之間的電容劃分，用於從所述噪聲和光信號保持裝置讀出信號；以及(b)一個半導體器件，包括噪聲信號輸入緩衝裝置，用於接收噪聲信號；光信號輸入緩衝裝置，用於接收光信號；差動裝置，用於計算所述噪聲和光信號輸入緩衝裝置的輸出之間的差；以及電壓箝位裝置，用於箝位所述差動裝置的輸出，所述噪聲和光信號輸入緩衝裝置，差動裝置，以及電壓箝位裝置形成在一個單個半導體基片上，所述方法包括步驟用所述復位裝置復位所述共輸出線；並且用所述電壓箝位裝置箝位緊接復位所述共輸出線之後的狀態。
4．一種驅動一個圖像傳感器的方法，所述圖像傳感器包括(d)一個傳感器微型組件，具有多個安裝在一個安裝基片上的半導體光傳感器晶片，其中各半導體光傳感器晶片具有多個光電轉換裝置；噪聲信號保持裝置，用於保持從所述光電轉換裝置讀出的噪聲信號；光信號保持裝置，用於保持從所述光電轉換裝置讀出的光信號；共輸出線，用於按時間序列輸出由所述噪聲和光信號保持裝置所保持的信號；復位裝置，用於復位所述共輸出線；以及讀出裝置，通過用所述共輸出線的電容劃分，用於從所述噪聲和光信號保持裝置順序讀出信號；以及(b)一個半導體器件，包括信號輸入緩衝裝置；增益放大器，用於放大所述信號輸入緩衝裝置的輸出；輸出緩衝放大器，用於輸出所述增益放大器的輸出；以及電壓箝位裝置，插入在所述增益放大器與所述輸出緩衝放大器之間，所述信號輸入緩衝裝置，增益放大器，輸出緩衝放大器，以及電壓箝位裝置形成在一個單個半導體基片上，所述方法包括步驟用所述復位裝置復位所述共輸出線；並且用所述電壓箝位裝置箝位通過用所述共輸出線的電容劃分而從所述噪聲信號保持裝置輸出的信號的讀出狀態。
5．一種半導體器件，包括(e)一個傳感器微型組件，具有多個安裝在一個安裝基片上的半導體光傳感器晶片，其中各半導體光傳感器晶片具有信號保持裝置，用於保持從多個光電轉換元件讀出的光信號和噪聲信號；共輸出線，用於分別輸出所述信號保持裝置中的光信號和噪聲信號；復位裝置，用於復位所述共輸出線；以及讀出裝置，用於從所述共輸出線輸出信號；(b)噪聲和光信號輸入緩衝裝置，用於從各半導體光傳感器晶片接收噪聲信號和光信號；(c)差動裝置，用於計算所述噪聲和光信號輸入緩衝裝置的輸出之間的差；以及(d)電壓箝位裝置，用於箝位所述差動裝置的輸出，所述傳感器微型組件，光和噪聲信號輸入緩衝裝置，差動裝置，以及電壓箝位裝置形成在一個半導體基片上。
6．一種圖像傳感器，包括(f)一個傳感器微型組件，具有多個安裝在一個安裝基片上的半導體光傳感器晶片，其中各半導體光傳感器晶片具有多個光電轉換裝置；噪聲信號保持裝置，用於保持從所述光電轉換裝置讀出的噪聲信號；光信號保持裝置，用於保持從所述光電轉換裝置讀出的光信號；噪聲信號共輸出線，用於從各所述光電轉換保持裝置輸出噪聲信號；光信號共輸出線，用於從各所述光電轉換裝置輸出光信號；復位裝置，用於復位所述噪聲和光信號共輸出線；以及讀出裝置，通過所述噪聲和光信號共輸出線之間的電容劃分，用於從所述噪聲和光信號保持裝置讀出信號；以及(b)一個半導體器件，包括噪聲信號輸入緩衝裝置，用於接收噪聲信號；光信號輸入緩衝裝置，用於接收光信號；差動裝置，用於計算所述噪聲和光信號輸入緩衝裝置的輸出之間的差；以及電壓箝位裝置，用於箝位所述差動裝置的輸出，所述噪聲和光信號輸入緩衝裝置，差動裝置，以及電壓箝位裝置形成在一個單個半導體基片上。
7．按照權利要求6的傳感器，其中所述半導體光傳感器晶片和所述半導體器件安裝在一個單個安裝基片上。
8．按照權利要求5的半導體器件，其中所述半導體器件的電源電壓高於所述半導體光傳感器晶片的電源電壓。
9．按照權利要求6的傳感器，其中所述半導體器件的電源電壓高於所述半導體光傳感器晶片的電源電壓。
10．按照權利要求7的傳感器，其中所述半導體器件的電源電壓高於所述半導體光傳感器晶片的電源電壓。
11．按照權利要求5的半導體器件，其中所述半導體器件的地線和所述半導體光傳感器晶片的地線在所述安裝基片上相互隔離。
12．按照權利要求6的傳感器，其中所述半導體器件的地線和所述半導體光傳感器晶片的地線在所述安裝基片上相互隔離。
13．按照權利要求7的傳感器，其中所述半導體器件的地線和所述半導體光傳感器晶片的地線在所述安裝基片上相互隔離。
14．按照權利要求8的半導體器件，其中所述半導體器件的地線和所述半導體光傳感器晶片的地線在所述安裝基片上相互隔離。
15．一種圖像傳感器，包括(g)一個傳感器微型組件，具有多個安裝在一個安裝基片上的半導體光傳感器晶片，其中各半導體光傳感器晶片具有多個光電轉換裝置；噪聲信號保持裝置，用於保持從所述光電轉換裝置讀出的噪聲信號；光信號保持裝置，用於保持從所述光電轉換裝置讀出的光信號；共輸出線，用於輸出噪聲和光信號；復位裝置，用於復位所述共輸出線；以及讀出裝置，通過用所述共輸出線的電容劃分，用於從所述噪聲和光信號保持裝置順序讀出信號；以及(b)一個半導體器件，包括信號輸入緩衝裝置；增益放大器，用於放大所述信號輸入緩衝裝置的輸出；輸出緩衝裝置，用於輸出所述增益放大器的輸出；以及電壓箝位裝置，插入在所述增益放大器與所述輸出緩衝裝置之間，所述信號輸入緩衝裝置，增益放大器，輸出緩衝裝置，以及電壓箝位裝置形成在一個單個半導體基片上，
16．按照權利要求15的傳感器，其中所述半導體光傳感器晶片和所述半導體器件安裝在一個單個安裝基片上。
17．按照權利要求15的傳感器，其中所述半導體器件的電源電壓高於所述半導體光傳感器晶片的電源電壓。
18．按照權利要求16的傳感器，其中所述半導體器件的電源電壓高於所述半導體光傳感器晶片的電源電壓。
19．按照權利要求15的傳感器，其中所述半導體器件的地線和所述半導體光傳感器晶片的地線在所述安裝基片上相互隔離。
20．按照權利要求16的傳感器，其中所述半導體器件的地線和所述半導體光傳感器晶片的地線在所述安裝基片上相互隔離。
21．按照權利要求17的傳感器，其中所述半導體器件的地線和所述半導體光傳感器晶片的地線在所述安裝基片上相互隔離。
22．一種圖像傳感器，包括多個分立光傳感器晶片，各所述光傳感器晶片包括多個光傳感器，用於輸出光電轉換信號；一個晶片內共輸出總線，用於連接所述多個光傳感器的輸出端；以及一個輸出電路，連接到所述晶片內共輸出總線；一個晶片間共輸出總線，連接到所述多個光傳感器晶片的輸出端；以及一個放大器電路，連接到所述晶片間共輸出總線，所述放大器電路包括一個接收電路，用於接收所述晶片間共輸出總線上的信號；一個箝位電路，連接到所述接收電路的輸出線，所述箝位電路把所述輸出線箝位到第一電源電位，然後把所述輸出線從第一電源電位變為浮置狀態；以及一個輸出電路，用於接收所述箝位電路的輸出，並且輸出所述圖像傳感器的輸出信號，其中當轉換所要讀出的光傳感器晶片，通過起動所述箝位電路來校正晶片間偏置變化。
23．按照權利要求22的傳感器，其中所述多個光傳感器晶片按一維或二維安裝在一個單個安裝基片上。
24．按照權利要求22的傳感器，其中所述放大器電路在一個半導體基片上形成。
25．按照權利要求22的傳感器，其中所述多個光傳感器晶片按一維或二維安裝在一個單個安裝基片上，所述放大器電路在一個半導體基片上形成，並且所述安裝基片和半導體基片形成在一個單板上。
26．按照權利要求22的傳感器，進一步包括一個定時電路，其產生使指定光傳感器晶片變為另一個光傳感器晶片的定時；設置所改變的光傳感器晶片中的一個光傳感器的定時；把所述一個光傳感器的電荷轉移到所述晶片內共輸出總線上的定時；以及起動和禁止所述箝位電路的定時。
27．按照權利要求22的傳感器，其中所述放大器電路包括一個增益電路，連接到所述箝位電路的輸出側；以及第二箝位電路，連接到所述增益電路的輸出側，並且其中所述第二箝位電路通過接收所述圖像傳感器每次開始圖像輸入時只產生一次的箝位信號，來消去以圖像傳感器為單位的所述第二箝位電路的個別差別。
28．按照權利要求22的傳感器，其中所述晶片間共輸出總線包括連接到所述光傳感器的光和暗電流共信號線，所述輸出電路具有一個源極跟隨電路，連接到所述光和暗電流共信號線，並且所述放大器電路的所述接收電路具有一個差動電路，用於差動放大所述光和暗電流共信號線上的信號，從而所述差動電路由所述多個光傳感器晶片所共用。
29．按照權利要求28的傳感器，進一步包括一個復位電路，用於在共定時處復位所述光和暗電流共信號線，並且其中所述箝位電路起動箝位，並且在所述光傳感器晶片中的各光傳感器俘獲光和暗電流信號的定時之前，取消箝位，從而同時消去晶片內和晶片間變化。
30．按照權利要求29的傳感器，其中所述復位電路的復位時限由所述箝位電路從箝位信號的接通定時之前開始，繼續到箝位信號的斷開定時之後，並且在光傳感器起動電荷轉移之前結束。
31．按照權利要求29的傳感器，其中所述箝位電路的箝位時限由所述復位電路從箝位信號脈衝的後沿之後開始，並且在光傳感器起動電荷轉移之前結束。
32．一種電子電路器件，包括多個分立晶片電路，各所述晶片電路包括一個單元陣列，包括多個用於輸出離散信號的單元；一個電路，用於起動一個特定單元的輸出；一個晶片內共輸出總線，用於連接所述多個單元的輸出端；以及一個輸出電路，連接到所述晶片內共輸出總線；一個晶片間共輸出總線，連接到所述多個晶片電路的輸出；以及一個放大器電路，連接到所述晶片間共輸出總線，所述放大器電路包括一個接收電路，用於接收所述晶片間共輸出總線上的信號；一個箝位電路，連接到所述接收電路的輸出線，所述箝位電路把所述輸出線箝位到第一電源電位，然後把所述輸出線從第一電源電位變為浮置狀態；以及一個輸出電路，用於接收所述箝位電路的輸出，並且輸出所述電子電路器件的輸出信號。
全文摘要
一種驅動圖像傳感器的方法,其能消去由於晶片間變化所引起的FPN,而不要求任何暗校正。一種半導體光傳感器晶片具有多個安裝在一個安裝基片上的傳感器微型組件,以及一個半導體器件,其中在一個單半導體基片上至少形成一個用於接收N信號的N信號輸入緩衝電路,一個用於接收S信號的S信號輸入緩衝電路,一個用於計算N和S信號輸入緩衝電路的輸出之間的任何差的差動電路,以及一個用於箝位差動電路的輸出的電壓箝位電路。
文檔編號H04N5/365GK1213862SQ9812086
公開日1999年4月14日 申請日期1998年9月30日 優先權日1997年10月6日
發明者小塚開 申請人:佳能株式會社