通過連續時間讀出電路中的斜坡產生器改善圖像傳感器電源抑制比的製作方法

2023-10-24 06:18:17

本發明大體上涉及圖像傳感器。更特定來說，本發明的實例與從圖像傳感器像素單元讀出圖像數據的電路有關。

背景技術：

圖像傳感器已經變得無處不在。它們廣泛使用於數位照相機、蜂窩式電話、安全攝像機中，還廣泛使用於醫學、汽車及其它應用中。用以製造圖像傳感器的技術，且特定來說，用以製造互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器的技術繼續大幅進步。舉例來說，針對更高解析度及更低電力消耗的要求已經促進CMOS圖像傳感器的進一步微型化及集成。

在常規CMOS有源像素傳感器中，圖像電荷從光敏裝置(例如，光電二極體)轉移且被轉換成浮動擴散節點上的像素單元內的電壓信號。在常規CMOS圖像傳感器中，在像素單元中使用放大器(例如源極跟隨器電路)以放大浮動擴散節點上的信號以將圖像數據輸出到位線，由列讀出電路讀取所述圖像數據。受像素單元的設計及布局約束限制，源極跟隨器電路可遭受不令人滿意的電源抑制比(例如-20dB)。不令人滿意的電源抑制比可呈現許多挑戰，其包含來自電源的可進入到輸出信號路徑中的噪聲。源極跟隨器電路及位線電路可遭受耦合自電源(例如AVDD(像素單元中使用的VDD)、HVDD(正電壓泵)及NVDD(負電壓泵))的噪聲。此外，從每一電源到讀出信號路徑的耦合比及電源的漣波可引起所捕獲圖像中的非所要的水平漣波。

技術實現要素：

本發明提供一種用於圖像傳感器的讀出電路中的斜坡產生器，其包括：積分器電路，其具有經耦合以接收斜坡產生器輸入參考信號的第一輸入及經耦合以接收恆定輸入信號的第二輸入，其中所述積分器電路經耦合以產生經耦合以由模/數轉換器接收的參考斜坡信號；及電源補償電路，其經耦合以產生所述斜坡產生器輸入參考信號，其中所述電 源補償電路包含：延遲電路，其包含：可變電阻器，其經耦合以接收電源信號，所述電源信號表示經耦合以將電力供應到所述圖像傳感器的像素單元的電源；及濾波器電容器，其耦合到所述可變電阻器，其中所述可變電阻器經耦合以調諧成使從所述電源到所述像素單元的位線輸出的延遲漣波與從所述電源信號到所述斜坡產生器輸入參考信號的延遲漣波匹配；及電容分壓器，其耦合到所述延遲電路以產生所述斜坡產生器輸入參考信號，其中所述電容分壓器包含耦合到第二可變電容器的第一可變電容器，其中所述第一可變電容器及所述第二可變電容器經耦合以調諧成提供與從所述電源到所述像素單元的所述位線輸出的耦合比匹配的所述電容分壓器的電容比。

本發明還提供一種成像系統，其包括：像素陣列，其包含被組織到多個行及列中以用於捕獲圖像數據的多個像素單元；控制電路，其耦合到所述像素陣列以控制所述像素陣列的操作；及讀出電路，其耦合到所述像素陣列以從所述像素單元讀出所述圖像數據，所述讀出電路包含：感測放大器電路，其耦合到與所述像素陣列的所述多個列中的一者耦合的位線以取樣圖像數據；模/數轉換器，其耦合到所述感測放大器電路以轉換由所述感測放大器電路感測到的所述圖像數據；及斜坡產生器，其經耦合以產生經耦合以由所述模/數轉換器接收的參考斜坡信號，所述斜坡產生器包含：積分器電路，其具有經耦合以接收斜坡產生器輸入參考信號的第一輸入及經耦合以接收恆定輸入信號的第二輸入，其中所述積分器電路經耦合以產生經耦合以由所述模/數轉換器接收的所述參考斜坡信號；及電源補償電路，其經耦合以產生所述斜坡產生器輸入參考信號，其中所述電源補償電路包含：延遲電路，其包含：可變電阻器，其經耦合以接收電源信號，所述電源信號表示經耦合以將電力供應到所述像素陣列的所述多個像素單元的電源；及濾波器電容器，其耦合到所述可變電阻器，其中所述可變電阻器經耦合以調諧成使從所述電源到所述像素陣列的位線輸出的延遲漣波與從所述電源信號到所述斜坡產生器輸入參考信號的延遲漣波匹配；及電容分壓器，其耦合到所述延遲電路以產生所述斜坡產生器輸入參考信號，其中所述電容分壓器包含耦合到第二可變電容器的第一可變電容器，其中所述第一可變電容器及所述第二可變電容器經耦合以調諧成提供與從所述電源到所述像素陣列的所述位線輸出的耦合比匹配的所述電容分壓器的電容比。

附圖說明

參考以下圖式描述本發明的非限制及非詳盡實施例，其中貫穿各種視圖相似的元件符號指代相似部件，除非另有說明。

圖1是說明根據本發明的教示的實例成像系統的框圖，所述實例成像系統包含具有 像素單元的像素陣列及讀出電路以改進晶片上的電源抑制比。

圖2是說明根據本發明的教示的像素單元的一個實例的示意圖，其耦合到包含具有耦合到模/數轉換器的改進像素單元的電源抑制比的電源補償電路的斜坡產生器的讀出電路。

圖3是說明根據本發明的教示的斜坡產生器的一個實例的示意圖，所述斜坡產生器包含於具有改進電源抑制比的電源補償電路的圖像感測系統的讀出電路中。

對應的參考字符指示貫穿諸圖中若干視圖的對應組件。所屬領域的技術人員應了解，出於簡單且清楚的目的說明圖中的元件，且並不一定按比例繪製元件。舉例來說，圖中一些元件的尺寸可相對於其它元件而被誇大以幫助改善對本發明的各種實施例的理解。並且，為了更方面地了解本發明的這些各種實施例，通常不描繪在商業可行的實施例中有用或必要的常見但好理解的元件。

具體實施方式

在以下描述中，陳述眾多特定細節以便提供對本發明的詳盡理解。然而，對所屬領域的技術人員來說，將為顯而易見的是，無需運用所述特定細節來實踐本發明。在其它實例中，未詳細描述眾所周知的材料或方法以避免使本發明模糊。

貫穿此說明書對「一個實施例」、「實施例」、「一個實例」或「實例」的參考意味著與實施例或實例相結合而描述的特定特徵、結構或特性包含於本發明的至少一個實施例中。因此，貫穿此說明書在多個地方出現短語「在一個實施例中」、「在實施例中」、「一個實例」或「實例」並不一定都指代相同的實施例或實例。此外，特定的特徵、結構或特性可以任何合適的組合及/或子組合形式被組合於一或多個實施例或實例中。特定的特徵、結構或特性可包含於集成電路、電子電路、組合邏輯電路或提供所描述的功能性的其它合適的組件中。另外，應了解，本文所提供的圖是用於向所屬領域的一般技術人員解釋的目的，且並不一定按比例繪製所述圖。

如將論述，根據本發明的教示的實例描述經調適用於圖像傳感器的讀出電路中的斜坡產生器。在各種實例中，可將斜坡產生器實施為雙斜坡產生器且其包含電源補償電路。模/數轉換器經耦合以從圖像傳感器的像素陣列接收模擬圖像數據及從斜坡產生器接收斜坡參考信號。模/數轉換器經耦合以從圖像傳感器的像素單元的位線輸出接收模擬圖像數據且將所述模擬圖像數據轉換成數字圖像數據信號。斜坡產生器包含產生斜坡參考信號的積分器電路。斜坡產生器包含電源補償電路，其經耦合以產生經耦合以由積分器電路的輸入接收的斜坡產生器輸入參考信號。

電源補償電路包含延遲電路，其包含經耦合以接收電源信號的可變電阻器。電源信號表示經耦合以將電力供應到圖像傳感器的像素單元的電源。延遲電路還包含耦合到可變電阻器的濾波器電容器。可變電阻器經耦合經調諧以使從電源到像素單元的位線輸出的延遲漣波與從電源信號到斜坡產生器輸入參考信號的延遲漣波匹配。電容分壓器耦合到延遲電路以產生斜坡產生器輸入參考信號。電容分壓器包含耦合到第二可變電容器的第一可變電容器。第一可變電容器及第二可變電容器經耦合以調諧成提供與從電源到像素陣列的位線輸出的耦合比匹配的電容分壓器的電容比。在各種實例中，積分器電路還包含經耦合以接收恆定輸入信號的第二輸入。

在從圖像傳感器的讀出期間，電源補償電路連續地追蹤來自圖像傳感器的位線輸出的特性，使得電源漣波對位線輸出的比率及延遲匹配從電源到經耦合以由模/數轉換器接收的參考斜坡信號的延遲。因此，根據本發明的教示，在模/數轉換器的輸入處將抵消兩個單獨路徑上的任何電源變化。

為說明，圖1是說明根據本發明的教示的實例成像系統的框圖，所述實例成像系統包含使用具有像素單元的像素陣列實施的圖像傳感器及讀出電路以改進電源抑制比。如所展示，圖1描繪根據本發明的教示的圖像感測系統100的一個實例，圖像感測系統100包含具有斜坡產生器的讀出電路104，所述斜坡產生器包含改進位線輸出中的電源抑制比的電源補償電路。如所描繪的實例中展示，成像系統100包含耦合到控制電路108的像素陣列102及耦合到功能邏輯106的讀出電路104。

在一個實例中，像素陣列102是成像傳感器或像素單元(例如，像素單元P1、P2、P3、……、Pn)的二維(2D)陣列。在一個實例中，每一像素單元是CMOS成像像素。如所說明，每一像素被布置到行(例如，行R1到Ry)及列(例如，列C1到Cx)中以獲得個人、位置、對象等等的圖像數據，接著可使用所述圖像數據以再現所述個人、位置、對象等等的2D圖像。

在一個實例中，在每一像素單元已積累其圖像數據或圖像電荷之後，所述圖像數據經耦合以由讀出電路104通過列位線110接收且接著將其轉移到功能邏輯106。在各種實例中，讀出電路104還可包含額外放大電路、取樣電路、額外模/數(ADC)轉換電路或其它電路。功能邏輯106可簡單存儲所述圖像數據或甚至通過應用後圖像效果(例如，剪裁、旋轉、消除紅眼、調整亮度、調整對比度或其它)操縱所述圖像數據。在一個實例中，讀出電路104可沿著讀出列位線110一次讀出一行圖像數據(已說明)，或可使用例如串行讀出或同時全並行讀出所有像素的多種其它技術(未說明)來讀出所述圖像數據。

在一個實例中，控制電路108耦合到像素陣列102以控制像素陣列102的操作特性。 舉例來說，控制電路108可產生用於控制圖像採集的快門信號。在一個實例中，所述快門信號為全局快門信號，其用於同時啟用像素陣列102內的所有像素以在單採集窗期間同時捕獲其相應的圖像數據。在另一個實例中，所述快門信號為滾動快門信號，使得在連續採集窗期間循序地啟用像素的每一行、列或群組。

圖2是說明根據本發明的教示的像素單元的一個實例的示意圖，其耦合到包含斜坡產生器的讀出電路，所述斜坡產生器具有改進耦合到模/數轉換器的位線輸出中的電源抑制比的電源補償電路。特定來說，圖2展示根據本發明的教示的像素陣列202的像素單元212的一個實例的示意圖，所述像素陣列耦合到具有補償像素陣列202的像素單元212的電源中的漣波或變化的讀出架構的一列讀出電路204。應注意，圖2的像素單元212、像素陣列202及讀出電路204可為圖1的像素單元P1、P2、……Pn、像素陣列102及讀出電路104的實例，且下文所引用的經類似地命名及編號的元件類似於如上文所描述般耦合及起作用。

在圖2中所描繪的實例中，將像素單元212說明為四電晶體(4T)像素單元。應了解，像素單元212是用於在像素陣列202內實施每一像素單元的像素電路架構的一個可能實例。然而，應了解，根據本發明的教示的其它實例不一定限制為4T像素架構。受益於本發明的所屬領域的一般技術人員應理解，根據本發明的教示，本發明教示也適用於3T設計、5T設計及各種其它像素單元架構。

在圖2中所描繪的實例中，像素單元212包含光敏元件(其也可稱為積累圖像電荷的光電二極體(PD)214)、轉移電晶體T1 216、復位電晶體T2 218、浮動擴散(FD)節點222、放大器電晶體(其被說明為源極跟隨器(SF)電晶體T3 224)及行選擇電晶體T4 226。在操作期間，轉移電晶體T1 216接收轉移信號TX，其將光敏元件PD 214中所積累的圖像電荷選擇性地轉移到浮動擴散FD節點222。

如所說明的實例中展示，復位電晶體T2 218耦合於電源電壓(VRFD)與浮動擴散節點FD 222之間以響應於復位信號RST而復位像素單元212中的電平(例如，將浮動擴散節點FD 222及光敏元件PD 214放電或充電到預設電壓)。浮動擴散節點FD 222經耦合以控制放大器電晶體SF T3 224的柵極。此外，放大器電晶體SF T3 224耦合於電源電壓(AVDD)與行選擇電晶體RS T4 226之間。放大器電晶體SF T3 224作為源極跟隨器放大器操作以提供到浮動擴散節點FD 222的高阻抗連接。另外，圖2中所描繪的實例還說明可沿著圖像數據信號輸出路徑存在的各種寄生電容。各種寄生電容性地耦合到各種電源電壓，其包含(例如)正電壓泵(HVDD)及負電壓泵(NVDD)。行選擇電晶體RS T4 226響應於行選擇信號RS而將像素單元212的圖像數據輸出選擇性地耦合到讀出列位線輸 出210。在所說明的實例中，位線輸出210經耦合以從像素陣列202的列選擇性地讀出圖像數據。

圖2中所描繪的實例還說明一列讀出電路204，其包含感測放大器電路228，其耦合到位線輸出210以從像素陣列202的像素單元212讀出圖像數據。在一個實例中，可取樣使用感測放大器電路228所感測的圖像數據，且接著將其輸出到模/數轉換器230，所述模/數轉換器轉換從感測放大器電路228所接收到的感測的模擬圖像數據。

在一個實例中，模/數轉換器230還經耦合以從斜坡產生器232接收參考斜坡信號Vramp 234。在模/數轉換器230的轉換過程期間，參考斜坡信號Vramp 234從初值減小(或增大)。在一個實例中，模/數轉換器230在轉換過程完成之後響應於參考斜坡信號Vramp234及從感測放大器電路228接收到的模擬圖像數據信號而輸出數字圖像數據238。在一個實例中，接著可由(例如)如圖1中所展示的功能邏輯106接收數字圖像數據238。

如下文將詳細論述，在一個實例中，斜坡產生器232經耦合以接收電源信號220，其表示將電力(例如，AVDD/HVDD/NVDD)提供到圖像傳感器的像素單元212所使用的電源。包含於斜坡產生器232內的電源補償電路經耦合以連續地追蹤電源以補償發生於電源中的變化或漣波。斜坡產生器232可根據本發明的教示通過調整經耦合以由模/數轉換器230接收的參考斜坡信號Vramp 234的初值來補償所述變化或漣波，以改進電源抑制比。因此，根據本發明的教示，將抵消模/數轉換器230的輸入處的兩個單獨路徑(來自位線輸出210及來自斜坡產生器232)中的任何電源變化。

為說明，圖3是說明根據本發明的教示的包含於改進位線輸出中的電源抑制比的圖像感測系統的讀出電路中的斜坡產生器332的一個實例的示意圖。應注意，圖3的像素單元312、模/數轉換器330及斜坡產生器332可為圖2的像素單元212、模/數轉換器230及斜坡產生器232的實例，且因此下文所引用的經類似地命名及編號的元件類似於如上文所描述般耦合及起作用。

如圖3中所描繪的實例中展示，模/數轉換器330的輸入部分包含比較器336，其具有經電容性地耦合以從來自像素電路312的位線輸出310接收圖像數據的第一輸入。比較器336的第二輸入經電容性地耦合以從斜坡產生器332接收參考斜坡信號Vramp 334。在一個實例中，復位開關RST_1及RST_2經耦合以選擇性地復位如所展示的比較器336的第一及第二輸入。

如所說明的實例中展示，斜坡產生器332經耦合以產生參考斜坡信號Vramp 334。在一個實例中，將斜坡產生器332實施為雙斜坡產生器且其包含積分器電路366，其具有積分器耦合的運算放大器342，其具有經耦合以從電源補償電路340接收斜坡產生器 輸入參考信號372的第一輸入(其被展示為非反相輸入(+))。在實例中，運算放大器342的非反相輸入還經耦合以通過Samp_ref參考取樣開關350選擇性地取樣參考信號VREF 352。在一個實例中，參考信號VREF 352可為2伏特。

積分器電路366的運算放大器342還包含經耦合以接收恆定輸入信號的第二輸入(其被說明為反相輸入(-))。在一個實例中，恆定輸入信號經耦合以從恆定電流源348接收。運算放大器342的輸出經耦合以產生經耦合以由模/數轉換器330接收的參考斜坡信號Vramp 334。運算放大器342的反相輸入通過電容器Cint 344也電容性地耦合到運算放大器342的輸出。另外，Integ均衡開關346耦合於運算放大器342的反相輸入與輸出之間。在一個實例中，Integ均衡開關346經調適為接通或閉合以均衡運算放大器342的反相輸入及輸出。在一個實例中，Integ均衡開關346被斷開以開始積分過程或開始參考斜坡信號Vramp 334的下一斜坡。

如所說明的實例中展示，電源補償電路340位於斜坡產生器332內部。電源補償電路340經耦合以產生斜坡產生器輸入參考信號372，其經耦合以由積分器電路366的運算放大器342的非反相輸入接收。在圖3中所描繪的實例中，電源補償電路340包含延遲電路368，其包含經耦合以接收電源信號320的可變電阻器R 354，所述電源信號表示將電力(例如，AVDD/HVDD/NVDD)提供到圖像傳感器的像素單元312所使用的電源。在實例中，延遲電路368還包含耦合到可變電阻器R 354的濾波器電容器Cfilter 356。在一個實例中，根據本發明的教示，可變電阻器R 354經耦合以調諧成使從電源(AVDD/HVDD/NVDD)到像素單元的位線輸出310的延遲漣波與從電源信號320到斜坡產生器輸入參考信號Vramp 334的延遲漣波匹配。

圖3中所描繪的實例還說明電源補償電路340進一步包含電容分壓器370，其耦合到延遲電路368以產生斜坡產生器輸入參考信號372。在實例中，電容分壓器370包含耦合到第二可變電容器C2 360的第一可變電容器C1 358，如所展示。在實例中，根據本發明的教示，第一可變電容器C1 358及第二可變電容器C2 360經耦合以調諧成提供與從電源(AVDD/HVDD/NVDD)到像素單元的位線輸出310的耦合比匹配的電容分壓器370的電容比。

在所描繪的實例中，電源補償電路340進一步包含耦合於延遲電路368與電容分壓器370之間的PSRR_en開關362。在實例中，PSRR_en開關362經耦合以選擇性地啟用電容分壓器370以通過延遲電路368接收電源信號320。圖3中所描繪的實例還說明電源補償電路340還包含耦合於電容分壓器370與接地之間的PSRR_enb開關364，如所展示。在實例中，根據本發明的教示，PSRR_enb開關364經耦合以選擇性地將電容分 壓器370放電，如所展示。

在一個實例中，在操作期間在每一讀出發生之前，通過Samp_ref參考取樣開關350將參考信號VREF 352選擇性地取樣到運算放大器342的非反相輸入上。在取樣參考信號VREF 352之後，切斷Samp-ref參考取樣開關350。在讀出期間，電源補償電路332使用電源信號320連續地追蹤位線輸出310的特性，使得電源漣波對輸出位線310的比率及延遲與電源漣波到參考斜坡信號Vramp 334的延遲匹配。因此，將抵消模/數轉換器330的運算放大器366的輸入處的兩個單獨路徑上的任何電源變化或漣波。使用電容器C1及C2調諧比率，而使用電阻器R調諧延遲以匹配從電源(AVDD/HVDD/NVDD)到位線輸出310的路徑。

本發明所說明的實例的上文描述(包含說明書摘要中所描述的內容)不希望為詳盡的或被限制為所揭示的精確形式。雖然出於說明的目的，本文描述本發明的特定實施例及實例，但在不背離本發明的更廣泛精神及範圍的情況下，各種等效修改為可能的。

鑑於上文詳細的描述，可對本發明的實例做出這些修改。所附權利要求書中所使用的術語不應被解釋為將本發明限制於說明書及權利要求書中揭示的特定實施例。實情是，所述範圍將完全由所附權利要求書確定，所述權利要求書將根據已經確定的權利要求解釋的公認原則來解釋。因此，本說明書及圖被認為是說明性的而不是限制性的。