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DE102015009916A1 - Image sensor arrangement with digital calibration - Google Patents

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DE102015009916A1
DE102015009916A1 DE102015009916.7A DE102015009916A DE102015009916A1 DE 102015009916 A1 DE102015009916 A1 DE 102015009916A1 DE 102015009916 A DE102015009916 A DE 102015009916A DE 102015009916 A1 DE102015009916 A1 DE 102015009916A1
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DE
Germany
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digital
calibration
output
signal
transistor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102015009916.7A
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German (de)
Inventor
Heinrich Schemmann
Rainer Schweer
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Viimagic De GmbH
Original Assignee
VIIMAGIC GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by VIIMAGIC GmbH filed Critical VIIMAGIC GmbH
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Abstract

Eine Bildsensoranordnung wird beschrieben, welche eine Vielzahl von Detektorschaltungen beinhaltet, die auf einem Halbleitersubstrat in Zeilen und Spalten angeordnet sind. Eine Fotodiode (PD) ist jeder Detektorschaltung zugeordnet. Jede Detektorschaltung beinhaltet einen Sense-Knoten (NID), der mit einem ersten Anschluss der zugeordneten Fotodiode (PD) verbunden ist. Jede Detektorschaltung beinhaltet einen Puffertransistor (M2) mit einem Gate-Anschluss, der mit dem Sense-Knoten (NID) verbunden ist. Jede Detektorschaltung beinhaltet eine Halteschaltung (HC), enthaltend einen Haltekondensator (Ch) und einen Halteschalter (Sh), wobei die Halteschaltung (HC) einen Steuereingang und einen Kalibriereingang (NCI) aufweist. Weiterhin befinden sich auf dem Halbleitersubstrat auch ein oder mehrere Digital-Analog-Umsetzer (DAC), die eine Vielzahl von Kalibriersignalen erzeugen. Genau ein Kalibriersignal ist einer Detektorschaltung zugeordnet, und das Kalibriersignal wird in der Detektorschaltung gespeichert. Weiterhin ist auch ein Verfahren zum Betrieb der Bildsensoranordnung angegeben.An image sensor array is described which includes a plurality of detector circuits arranged on a semiconductor substrate in rows and columns. A photodiode (PD) is associated with each detector circuit. Each detector circuit includes a sense node (NID) connected to a first terminal of the associated photodiode (PD). Each detector circuit includes a buffer transistor (M2) having a gate connected to the sense node (NID). Each detector circuit includes a hold circuit (HC) including a hold capacitor (Ch) and a hold switch (Sh), the hold circuit (HC) having a control input and a calibration input (NCI). Furthermore, one or more digital-to-analog converters (DAC), which generate a multiplicity of calibration signals, are also located on the semiconductor substrate. Exactly one calibration signal is associated with a detector circuit, and the calibration signal is stored in the detector circuit. Furthermore, a method for operating the image sensor arrangement is also specified.

Description

Anwendungsgebietfield of use

Die vorliegende Schrift bezieht sich auf eine Bildsensoranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present document relates to an image sensor arrangement according to the preamble of claim 1.

Weiterhin bezieht sie sich auf eine Bildsensoranordnung mit einer Matrix von Detektorschaltungen, die auf einem Halbleitersubstrat angeordnet ist. Genauer bezieht sie sich auf die Kalibrierung solcher Detektorschaltungen.Furthermore, it relates to an image sensor arrangement with a matrix of detector circuits, which is arranged on a semiconductor substrate. More specifically, it relates to the calibration of such detector circuits.

Stand der TechnikState of the art

Elektronische Kamerafunktionen, die ursprünglich nur Einzelgeräte für Videoaufzeichnung oder Fotografie waren, sind inzwischen allgegenwärtig und in praktisch jedem tragbaren elektronischen Gerät zu finden, wie in Mobiltelefonen, Organizern, Tablet Computern, usw. Solche Großstückzahlprodukte enthalten Bildsensoren, die in Silizium-CMOS-Technologien gefertigt werden.Electronic camera functions, which were originally just single devices for video recording or photography, are now ubiquitous and can be found in virtually every portable electronic device, such as cell phones, organizers, tablet computers, etc. Such bulk products include image sensors fabricated in silicon CMOS technologies become.

Solche CMOS-Bildsensoren enthalten typischerweise eine Vielzahl von Pixeln, die in Zeilen und Spalten – als Pixelmatrix – angeordnet sind. Jedes Pixel beinhaltet

  • • ein lichtempfindliches Element – meist eine Fotodiode,
  • • andere Schaltungsteile, die im Folgenden „Detektorschaltung” genannt werden. Die Detektorschaltung ist für das Zurücksetzendes Pixels in den anfänglichen Dunkelzustand und das Auslesen der Helligkeitsinformation aus dem Pixel zuständig.
Such CMOS image sensors typically include a plurality of pixels arranged in rows and columns as a pixel matrix. Each pixel contains
  • A photosensitive element, usually a photodiode,
  • • other parts of the circuit, referred to below as the "detector circuit". The detector circuitry is responsible for resetting the pixel to the initial dark state and reading out the brightness information from the pixel.

Das Prinzip des ”aktiven Pixels” als auch die in 1 abgebildete Schaltung wurden zuerst in „ Noble, P; Self-Scanned Silicon Image Detector Arrays; IEEE; TrED; 1968 ” veröffentlicht.The principle of the "active pixel" as well as the in 1 pictured circuit were first in " Noble, P; Self-Scanned Silicon Image Detector Arrays; IEEE; Tred; 1968 " released.

Zum Verständnis des Betriebs muss man sich vergegenwärtigen, dass der Sense-Knoten NID in 1 eine Knotenkapazität aufweist. Diese setzt sich aus der Sperrschichtkapazität der in Sperrrichtung vorgespannten Fotodiode PD, der Gate-Kapazität des Puffertransistors M2 und verschiedenen parasitären Kapazitäten zusammen.To understand the operation, it must be remembered that the sense node NID in 1 has a node capacity. This is composed of the junction capacitance of the reverse-biased photodiode PD, the gate capacitance of the buffer transistor M2, and various parasitic capacitances.

Während des Betriebs wird ein Resettransistor M3 kurzzeitig leitend gemacht, sodass die Kapazität des Sense-Knotens NID auf eine hohe Spannung aufgeladen wird. ”Vdd” in der Abbildung soll bedeuten, dass hier eine Versorgungsspannung angeschlossen ist. Ein Fotostrom wird durch einfallendes Licht in der Fotodiode PD generiert, sodass die Knotenkapazität entladen wird. Dieses erfolgt mehr oder weniger schnell, je nach Lichtintensität. Nach einer durch den Benutzer vorgegebenen festen Integrationszeit resultiert dann dementsprechend ein Sense-Knoten-Potential des Sense-Knotens NID. Das Sense-Knoten-Potential spiegelt also die Intensität des auf die Fotodiode PD einfallenden Lichts wieder.During operation, a reset transistor M3 is made conductive for a short time, so that the capacitance of the sense node NID is charged to a high voltage. "Vdd" in the figure should mean that a supply voltage is connected here. A photocurrent is generated by incident light in the photodiode PD, so that the node capacity is discharged. This is done more or less quickly, depending on the light intensity. After a fixed integration time specified by the user, a sense node potential of the sense node NID accordingly results accordingly. The sense node potential thus reflects the intensity of the light incident on the photodiode PD.

Weiterhin sind ein Puffertransistor M2 und ein Auswahltransistor M4 vorhanden, wobei der letztere als Auswahlschalter arbeitet. Mittels dieser Elemente kann eine Spannung, die dem Sense-Knoten-Potential entspricht, an die Spaltenleitung Col angelegt werden und wird auf diese Weise dann außerhalb der Pixelmatrix zugänglich. Der ganze beschriebene Vorgang wird üblicherweise zeilensequentiell wiederholt. Für eine gegebene Zeile wiederholt er sich wiederum entsprechend der gewünschten Bildrate.Furthermore, a buffer transistor M2 and a selection transistor M4 are provided, the latter acting as a selector switch. By means of these elements, a voltage corresponding to the sense node potential can be applied to the column line Col and in this way becomes accessible outside the pixel matrix. The whole process described is usually repeated line-sequentially. Again, for a given line, it repeats according to the desired frame rate.

Bei der Konstruktion eines guten Pixels und zum Erreichen einer immer besseren Bildqualität steht man vor verschiedenen Herausforderungen. Einige Probleme resultieren aus der Halbleiterphysik und der nicht-perfekten Präzision der Halbleiterfertigung.There are a number of challenges in designing a good pixel and achieving better and better image quality. Some problems result from semiconductor physics and the imperfect precision of semiconductor fabrication.

Fotodioden haben Dunkelströme, andere Komponenten weisen Leckströme auf. Diese Effekte sind temperaturabhängig und auch unterschiedlich von Individuum zu Individuum. Weiterhin ist die Fertigung einer Reihe von identischen Elementen auf einem selben Chip nicht möglich. Grundsätzlich sind Parameter zweier angestrebt gleicher Elemente leicht unterschiedlich. Diesen Effekt nennt man ”Mismatch”. Beispielsweise ist der Unterschied der Schwellenspannung bei Puffertransistoren M2 von Pixel zu Pixel wichtig und von praktischer Bedeutung. Wenn man ihn nicht korrigieren könnte, wiesen Bilder eine störende Inhomogenität auf. Mismatch ist verwandt mit den Begriffen Toleranz und Streuung.Photodiodes have dark currents, other components have leakage currents. These effects are temperature dependent and also different from individual to individual. Furthermore, the production of a number of identical elements on a same chip is not possible. In principle, parameters of two desired identical elements are slightly different. This effect is called "Mismatch". For example, the difference in threshold voltage in buffer transistors M2 from pixel to pixel is important and of practical importance. If you could not correct it, pictures showed a disturbing inhomogeneity. Mismatch is related to the terms tolerance and scatter.

Man überwindet die genannten Effekte meist durch Kompensationsschemata, und es wurden Kalibriertechniken entwickelt.The above effects are usually overcome by compensation schemes, and calibration techniques have been developed.

2 zeigt eine bekannte Schaltung, die bestimmte Verfahren zur Kalibrierung jedes Pixels verwendet. Ziel ist die Korrektur des Mismatches der Bauelemente zwischen Pixeln. Die Schaltung findet man als 4 in US6355965B1 . 2 Figure 4 shows a known circuit using certain methods for calibrating each pixel. The goal is to correct the mismatch of the components between pixels. The circuit can be found as 4 in US6355965B1 ,

Die gestrichelt gezeichneten Schaltungen auf der rechten Seite mit dem Spaltenverstärker AMPD und der Stromquelle JS existieren nur einmal für jede Spalte. Der Schaltungsteil auf der linken Seite stellt ein Pixel der Pixelmatrix dar.The dashed lines on the right side with the column amplifier AMPD and the current source JS exist only once for each column. The circuit part on the left represents a pixel of the pixel matrix.

Eine in Sperrrichtung vorgespannte Fotodiode PD ist vorhanden. Im regulären Betrieb ist sie über einen Signalschalter S12 mit dem Sense-Knoten NID verbunden. Das Gate eines Puffertransistors M2 ist auch mit dem Sense-Knoten verbunden. Ein Sense-Knoten-Potential des Sense-Knotens NID kann so über den Puffertransistor M2 und den Ausleseschalter S4 auf die Spaltenleitung Col gesendet werden.A reverse biased photodiode PD is present. In regular operation, it is connected via a signal switch S12 to the sense node NID. The gate of a buffer transistor M2 is also connected to the sense node. A sense node potential of the sense node NID can thus be sent to the column line Col via the buffer transistor M2 and the readout switch S4.

Der Strom der Fotodiode PD fließt auch durch einen ersten Transistor M1 und einen Lasttransistor M3. Diese Transistoren bilden eine Lastschaltung mit einer logarithmischen U/I-Charakteristik. Die Schwierigkeit mit dieser Lastschaltung ist, dass die Transistoren mit sehr geringen Strömen betrieben werden und dabei signifikant unterschiedliche Charakteristiken aufweisen. Dies führt zu einer sehr großen Streuung der Sense-Knoten-Potentiale von Pixel zu Pixel für den gleichen Fotostrom.The current of the photodiode PD also flows through a first transistor M1 and a load transistor M3. These transistors form a load circuit with a logarithmic U / I characteristic. The difficulty with this load circuit is that the transistors are operated at very low currents and have significantly different characteristics. This results in a very large scatter of the sense node potentials from pixel to pixel for the same photocurrent.

Zur Kalibrierung werden der Signalschalter S12, ein Halteschalter Sh und ein Schalter S5 betätigt. Es ergibt sich eine Regelschleife, die erzwingt, dass eine Spannung Vout1 gleich einer Referenzspannung Vrf wird. Dabei fließt aus dem Sense-Knoten NID ein Referenzstrom Iref. Nach einiger Zeit hat sich das Gate des Lasttransistors M3 auf ein bestimmtes Potential eingeschwungen. Ein Haltekondensator Ch und eine Halteschalter Sh bilden eine Halteschaltung. Wenn die Kalibrierung beendet wurde, ist der Halteschalter Sh nichtleitend und die Spannung auf dem Haltekondensator Ch ist gespeichert. Das Potential am Gate des Lasttransistors M3 wird so festgehalten.For calibration, the signal switch S12, a hold switch Sh and a switch S5 are operated. The result is a control loop which forces a voltage Vout1 to become equal to a reference voltage Vrf. In the process, a reference current Iref flows from the sense node NID. After some time, the gate of the load transistor M3 has settled to a certain potential. A hold capacitor Ch and a hold switch Sh form a hold circuit. When the calibration has ended, the hold switch Sh is nonconductive and the voltage on the hold capacitor Ch is stored. The potential at the gate of the load transistor M3 is thus held.

Bei einem konventionellen CMOS Bildsensor ist die Fotodiode PD auf demselben Halbleitersubstrat realisiert wie die Detektorschaltung. Auch Peripherieschaltungen wie Analog-Digital-Umsetzer oder digitale Signalverarbeitungsfunktionen sind auch dem gleichen Halbleitersubstrat angeordnet, wobei es sich um ein Siliziumsubstrat handelt.In a conventional CMOS image sensor, the photodiode PD is realized on the same semiconductor substrate as the detector circuit. Peripheral circuits such as analog-to-digital converters or digital signal processing functions are also arranged on the same semiconductor substrate, which is a silicon substrate.

Fotodioden auf der Basis von Silizium sind zur Erfassung von sichtbarem Licht sehr geeignet. Um Licht anderer Wellenlängen beispielsweise von NIR („Near Infra Red”) zu detektieren, sind andere Halbleitermaterialien, wie die Verbindungshalbleiter GaAs, InGaAs oder HgCdTe vorzuziehen.Silicon based photodiodes are very suitable for detecting visible light. In order to detect light of other wavelengths, for example, NIR ("Near Infra Red"), other semiconductor materials such as the compound semiconductors GaAs, InGaAs or HgCdTe are preferable.

Es ist bekannt, dass sich eine Matrix von Fotodioden auf Substraten aus Verbindungshalbleitern fertigen lässt, und dass sich eine Matrix der Detektorschaltungen mitsamt weiteren Funktionsblöcken auf einem Siliziumsubstrat herstellen lässt. Die letztere Schaltung wird üblicherweise als ”ROIC – Read Out Integrated Circuit” bezeichnet. Beide Substrate kann man am Ende der Fertigung durch ”Bumping-Technologien” kombinieren. Als Referenzen siehe US5665959 oder US7551059B2 .It is known that a matrix of photodiodes can be produced on substrates made of compound semiconductors, and that a matrix of the detector circuits together with further functional blocks can be produced on a silicon substrate. The latter circuit is commonly referred to as "ROIC - Read Out Integrated Circuit". Both substrates can be combined at the end of production with "bumping technologies". As references see US5665959 or US7551059B2 ,

Aufgabenstellungtask

Es besteht Bedarf an Bildsensoranordnungen, mit denen sich eine genaue Korrektur der Dunkelströme, der Bauelementetoleranzen und der Hintergrundbeleuchtung erzielen lässt.There is a need for image sensor assemblies that can achieve accurate dark current correction, device tolerances, and backlighting.

Lösung der AufgabeSolution of the task

Die Lösung ist gegeben durch eine Bildsensoranordnung nach Anspruch 1.The solution is given by an image sensor arrangement according to claim 1.

Die Bildsensoranordnung beinhaltet eine Vielzahl von Detektorschaltungen, welche auf einem Halbleitersubstrat in Zeilen und Spalten angeordnet sind. Jeder der Vielzahl von Detektorschaltungen ist eine Fotodiode PD zugeordnet. Jede der Vielzahl von Detektorschaltungen beinhaltet:

  • • einen Sense-Knoten NID, welcher mit einem ersten Anschluss der zugeordneten Fotodiode PD verbunden ist;
  • • einen Puffertransistor M2 mit einem Gate-Anschluss, welcher mit dem Sense-Knoten NID verbunden ist;
  • • eine Halteschaltung HC, bestehend aus einem Haltekondensator Ch und einem Halteschalter Sh, wobei die Halteschaltung HC einen Steuereingang und einen Kalibriereingang NCI aufweist.
Auch sind einer oder mehrere Digital-Analog-Umsetzer DAC auf dem Halbleitersubstrat angeordnet. Die Digital-Analog-Umsetzer DAC erzeugen eine Vielzahl von Kalibriersignalen. Jedes der Vielzahl von Kalibriersignalen ist genau einer der Vielzahl von Detektorschaltungen zugeordnet und wird in dieser gespeichert.The image sensor array includes a plurality of detector circuits arranged on a semiconductor substrate in rows and columns. Each of the plurality of detector circuits is associated with a photodiode PD. Each of the plurality of detector circuits includes:
  • A sense node NID which is connected to a first terminal of the associated photodiode PD;
  • A buffer transistor M2 having a gate terminal connected to the sense node NID;
  • A holding circuit HC, comprising a holding capacitor Ch and a holding switch Sh, the holding circuit HC having a control input and a calibration input NCI.
Also, one or more digital-to-analog converters DAC are disposed on the semiconductor substrate. The digital-to-analog converters DAC generate a large number of calibration signals. Each of the plurality of calibration signals is associated with and stored in exactly one of the plurality of detector circuits.

Weitere Vorteile und Verbesserungen lassen sich erzielen durch Maßnahmen, die in den abhängigen Ansprüchen beschrieben sind.Further advantages and improvements can be achieved by measures that are described in the dependent claims.

Weiterhin ist ein Verfahren zum Betrieb einer oben beschriebenen Bildsensoranordnung angegeben.Furthermore, a method for operating an image sensor arrangement described above is specified.

Anwendbarkeit und Vorteile der ErfindungApplicability and Advantages of the Invention

Vorteilhaft ist, dass ein Kalibrierwert für eine Detektorschaltung in der Detektorschaltung selbst gespeichert wird, genauer gesagt in einer Halteschaltung. Dies ermöglicht einen individuellen Kalibrierwert für jede Detektorschaltung, und dass dieser nur mit einer niedrigen Refresh-Rate aufgefrischt werden muss, oder nur wenn dies notwendig ist.It is advantageous that a calibration value for a detector circuit is stored in the detector circuit itself, more precisely in a holding circuit. This allows for an individual calibration value for each detector circuit and that it only needs to be refreshed at a low refresh rate, or only when necessary.

Die Kalibrierinformation wird von der digitalen Signalverarbeitung vorbereitet, mittels eines Digital-Analog-Umsetzers in einen Analogwert umgewandelt, dann an eine Detektorschaltung gesandt und dort gespeichert.The calibration information is prepared by the digital signal processing, converted into an analog value by means of a digital-to-analog converter, then sent to a detector circuit and stored there.

Eine Bildsensoranordnung nach der Erfindung erzeugt Kalibriersignale ausgehend von digitalen Kalibrierwörtern. Digitale Kalibrierwörter kann ein Algorithmus mit praktisch unbeschränkter Genauigkeit berechnen. An image sensor arrangement according to the invention generates calibration signals from digital calibration words. Digital calibration words can compute an algorithm with virtually unlimited accuracy.

Vorteilhafterweise lassen sich digitale Kalibrier-Zustandswörter in einem digitalen Speicher auf demselben Halbleitersubstrat speichern. Dies ermöglicht eine verlustlose Speicherung.Advantageously, digital calibration status words can be stored in a digital memory on the same semiconductor substrate. This allows for lossless storage.

Der Algorithmus zur Berechnung der Kalibrierwerte kann sehr komplex sein. Es ist möglich Digitalfilter mit sehr großen Zeitkonstanten als auch adaptive Algorithmen zu realisieren.The algorithm for calculating the calibration values can be very complex. It is possible to realize digital filters with very large time constants as well as adaptive algorithms.

Die drei zuletzt genannten Eigenschaften lassen sich mittels einer rein analogen Realisierung nicht erzielen.The three last mentioned properties can not be achieved by means of a purely analogue realization.

Der Algorithmus zur Berechnung der Kalibrierwerte lässt sich auch mittels eines programmierbaren Prozessors realisieren, woraus die Flexibilitätsvorteile von Softwarelösungen resultieren.The algorithm for calculating the calibration values can also be realized by means of a programmable processor, which results in the flexibility advantages of software solutions.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind besonders geeignet zur Realisierung von Regelkreisen mit sehr großen Zeitkonstanten. Dies ermöglicht die Kompensation von Temperaturdrift-Effekten und die Unterdrückung von Hintergrundlicht. Die Eliminierung solcher irrelevanter Informationen wirkt sich positiv auf den nutzbaren Dynamikbereich aus.Preferred embodiments are particularly suitable for the realization of control loops with very large time constants. This allows the compensation of temperature drift effects and the suppression of background light. The elimination of such irrelevant information has a positive effect on the usable dynamic range.

Eine alternative Realisierung großer Zeitkonstanten mit analogen Mitteln kann insbesondere sehr große Kondensatoren und andere große Komponenten erfordern, die sich wegen der bloßen Abmessungen nicht innerhalb eines Pixels unterbringen lassen.An alternative realization of large time constants with analog means may in particular require very large capacitors and other large components which, because of the mere dimensions, can not be accommodated within a single pixel.

Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel lassen sich digitale Elemente für solche langsamen Regelschleifen außerhalb der Matrix von Pixelschaltungen anordnen, sodass kleine Pixelschaltungen möglich sind.According to a preferred embodiment, digital elements for such slow control loops can be arranged outside the matrix of pixel circuits, so that small pixel circuits are possible.

Erzeugt man die Kalibrier-Zustandswörter nicht auf dem Halbleitersubstrat sondern außerhalb mittels komplexer Vorrichtungen aus dem Signaldatenstrom der Detektoranordnung, gewinnt man weitere Flexibilität. Die Kalibrier-Zustandswörter werden dann an die Sensoranordnung zurückgeschickt und in einem digitalen Speicher auf dem Halbleitersubstrat gespeichert.Producing the calibration state words not on the semiconductor substrate but outside by means of complex devices from the signal data stream of the detector assembly, one gains further flexibility. The calibration status words are then sent back to the sensor array and stored in digital memory on the semiconductor substrate.

Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Kalibrier-Zustandswörter rein auf Basis der Signalwörter erzeugt, die von dem Analog-Digital-Umsetzer geliefert werden. Dies vermeidet zusätzliche Schaltungskomplexität und auch DC Offsetfehler der Bildinformation.According to a preferred embodiment, the calibration status words are generated purely on the basis of the signal words supplied by the analog-to-digital converter. This avoids additional circuit complexity and also DC offset error of the image information.

Zeichnungendrawings

Die folgenden Zeichnungen beziehen sich auf den Stand der Technik und auf bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung.The following drawings relate to the prior art and to preferred embodiments of the invention.

1 ist ein Schaltbild eines Pixels nach dem Stand der Technik. 1 is a circuit diagram of a pixel according to the prior art.

2 ist ein Prinzipschaltbild für eine analoge Kalibrierung eines Pixels nach dem Stand der Technik. 2 is a schematic diagram for an analog calibration of a pixel according to the prior art.

3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, das ein Pixel und verschiedene Funktionsblöcke im Detail darstellt. 3 shows a first embodiment illustrating a pixel and various functional blocks in detail.

4 ist das Schaltbild eines Pixels nach einem zweiten Ausführungsbeispiel. 4 is the circuit diagram of a pixel according to a second embodiment.

5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, wobei die wichtigsten Funktionsblöcke einer vollständigen Bildsensoranordnung gezeigt sind. 5 shows a third embodiment, wherein the main functional blocks of a complete image sensor arrangement are shown.

6 zeigt als ein viertes Ausführungsbeispiel die Detailstruktur des digitalen Signalverarbeitungsblocks und des digitalen Speichers. 6 shows as a fourth embodiment, the detail structure of the digital signal processing block and the digital memory.

7 zeigt als fünftes Ausführungsbeispiel das Flussdiagramm eines Betriebsverfahren für eine Detektoranordnung nach der Erfindung. 7 shows as a fifth embodiment, the flowchart of an operating method for a detector arrangement according to the invention.

Ausführungsbeispieleembodiments

In den Figuren werden Transistoren M1, M2, ... gezeigt, die als MOB Feldeffekt-Transistoren gezeichnet sind und die im Weiteren „MOSFETs” oder „Transistoren” genannt werden. Die gezeichneten MOSFETs sind vom n-Kanal Typ oder vom p-Kanal Typ. Letzterer weist einen Kreis im Symbol auf.In the figures, transistors M1, M2, ... are shown, which are drawn as MOB field-effect transistors and which are referred to below as "MOSFETs" or "transistors". The drawn MOSFETs are of the n-channel type or of the p-channel type. The latter has a circle in the symbol.

Die Transistoren können aber auch andere Typen von Feldeffekttransistoren sein. Ebenso könnte der Kanaltyp der Transistoren als auch die Polarität der Dioden, Fotodioden, Spannungen und Ströme anders sein, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.The transistors may also be other types of field effect transistors. Similarly, the channel type of the transistors as well as the polarity of the diodes, photodiodes, voltages and currents could be different without departing from the spirit of the invention.

Ein MOSFET hat einen Gate-Anschluss, einen Drain-Anschluss und einen Source-Anschluss. Der Gate-Anschluss wird auch „Gate” oder „Steuereingang” genannt. Einer der Drain- und der Source-Anschlüsse wird im Weiteren auch „erster Ausgang” genannt. Der andere der Drain- und der Source-Anschlüsse wird im Weiteren auch „zweiter Ausgang” genannt.A MOSFET has a gate terminal, a drain terminal and a source terminal. The gate terminal is also called "gate" or "control input". One of the drain and the source connections is also called "first output" below. The other of the drain and the source connections is also called "second output" below.

Transistoren werden oft als Schalter benutzt. Ein Schalter soll einen ersten Ausgang und einen zweiten Ausgang und einen Steuereingang aufweisen. Dabei wird der erste Ausgang mit dem zweiten Ausgang leitend verbunden, wenn ein geeignetes Signal an den Steuereingang angelegt wird.Transistors are often used as switches. A switch should have a first output and a second output and a control input exhibit. In this case, the first output is conductively connected to the second output when a suitable signal is applied to the control input.

Die Formulierung „ein Transistor bzw. Schalter ist zwischen dem Knoten A und dem Knoten B angeordnet” soll bedeuten, dass bei einem Transistor bzw. Schalter sein erster Ausgang mit dem Knoten A und sein zweiter Ausgang mit dem Knoten B verbunden ist.The phrase "a transistor or switch is located between node A and node B" is intended to mean that in a transistor or switch, its first output is connected to node A and its second output is connected to node B.

3 ist ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels. Zur Verdeutlichung zeigt das Schaltbild nur ein Pixel CDP aus einer Vielzahl von Pixeln und einen Satz von Elementen, der nicht zu dem oder den Pixeln gehört. Der Satz von Elementen ist auf dem Halbleitersubstrat angeordnet und beinhaltet einen Analog-Digital-Umsetzer ADC, einen digitalen Signalverarbeitungsblock DSP, einen digitalen Speicher MEM und einen Digital-Analog-Umsetzer DAC. 3 is a circuit diagram of a first embodiment. For clarity, the circuit diagram shows only one pixel CDP of a plurality of pixels and a set of elements that does not belong to the pixel or pixels. The set of elements is disposed on the semiconductor substrate and includes an analog-to-digital converter ADC, a digital signal processing block DSP, a digital memory MEM, and a digital-to-analog converter DAC.

Das Pixel CDP beinhaltet eine Fotodiode PD und eine Detektorschaltung. Die Detektorschaltung beinhaltet nicht die Fotodiode PD, aber die anderen Komponenten im Pixel CDP. Die Detektorschaltung und andere gleichartige Detektorschaltungen bilden eine Vielzahl von Detektorschaltungen, die auf einem Halbleitersubstrat in Zeilen und Spalten angeordnet sind. Vorzugsweise ist das Halbleitersubstrat ein Siliziumsubstrat.The pixel CDP includes a photodiode PD and a detector circuit. The detector circuit does not include the photodiode PD but the other components in the pixel CDP. The detector circuit and other similar detector circuits form a plurality of detector circuits arranged on a semiconductor substrate in rows and columns. Preferably, the semiconductor substrate is a silicon substrate.

Ein erster Anschluss der Fotodiode PD ist mit einem Sense-Knoten NID verbunden. Ein zweiter Anschluss der Fotodiode PD ist mit einem Referenzpotential verbunden. Mit dem Sense-Knoten NID ist auch ein Eingang eines Pufferverstärker BUF verbunden. Ein Pufferausgang NOB des Pufferverstärkers BUF ist mit einem Eingang eines Lesetiefpasses LPFR und mit einem Eingang einer Komparatorschaltung CMP verbunden. Die Komparatorschaltung CMP hat einen Komparatorausgang OTP. Ein Ausgang des Lesetiefpasses LPFR ist mit dem ersten Ausgang eines Auswahlschalters S4 verbunden. Ein Auswahlsignal Tss wird an den Steuereingang des Auswahlschalters S4 angelegt. Der zweite Ausgang des Auswahlschalters S4 ist mit einer Lese-Spaltenleitung ColR verbunden.A first terminal of the photodiode PD is connected to a sense node NID. A second terminal of the photodiode PD is connected to a reference potential. An input of a buffer amplifier BUF is also connected to the sense node NID. A buffer output NOB of the buffer amplifier BUF is connected to an input of a read low pass LPFR and to an input of a comparator circuit CMP. The comparator circuit CMP has a comparator output OTP. An output of the read low pass LPFR is connected to the first output of a select switch S4. A selection signal Tss is applied to the control input of the selector switch S4. The second output of the selection switch S4 is connected to a read column line ColR.

Dem Fachmann sind Spaltenleitungen geläufig, und so ist ihm klar, dass die Lese-Spaltenleitung ColR mit zweiten Ausgängen von Auswahlschaltern in anderen Detektorschaltungen verbunden ist, die sich in der gleichen Spalte von Detektorschaltungen befinden.The person skilled in the art is aware of column lines, and thus it is clear that the read column line ColR is connected to second outputs of selectors in other detector circuits located in the same column of detector circuits.

Entsprechendes gilt sinngemäß für eine Schreib-Spaltenleitung ColW. Ein Kalibriereingang NCI der Detektorschaltung ist mit der Schreib-Spaltenleitung ColW verbunden. Die Detektorschaltung enthält auch eine Halteschaltung HC. Die Halteschaltung HC beinhaltet einen Halteschalter Sh, dessen erster Ausgang mit dem Kalibriereingang NCI verbunden ist und dessen zweiter Ausgang mit einem Halteausgang NOH der Halteschaltung HC verbunden ist. Ein Haltesignal Tsh wird an einen Steuereingang des Halteschalters Sh angelegt. Ein erster Anschluss eines Haltekondensators Ch ist auch mit dem Halteausgang NOH verbunden. Ein zweiter Anschluss des Haltekondensators Ch ist mit dem Referenzpotential verbunden. Der Halteausgang NOH ist mit einem Eingang eines Schreibtiefpasses LPFW verbunden. Ein Ausgang des Schreibtiefpass LPFW ist mit dem Gate eines Lasttransistors M3 verbunden. Der erste Ausgang des Lasttransistors M3 ist mit einer Versorgungsspannung Vdd verbunden. Es ist auch ein erster Transistor M1 in der Detektorschaltung vorhanden. Der erste Ausgang und das Gate des ersten Transistors M1 sind mit dem zweiten Ausgang des Lasttransistors M3 verbunden. Der zweite Ausgang des ersten Transistors M1 ist mit dem Sense-Knoten NID verbunden.The same applies mutatis mutandis to a write column line ColW. A calibration input NCI of the detector circuit is connected to the write column line ColW. The detector circuit also includes a latch circuit HC. The holding circuit HC includes a holding switch Sh whose first output is connected to the calibration input NCI and whose second output is connected to a holding output NOH of the holding circuit HC. A hold signal Tsh is applied to a control input of the hold switch Sh. A first terminal of a hold capacitor Ch is also connected to the hold output NOH. A second terminal of the holding capacitor Ch is connected to the reference potential. The hold output NOH is connected to an input of a write low pass LPFW. An output of the write low pass LPFW is connected to the gate of a load transistor M3. The first output of the load transistor M3 is connected to a supply voltage Vdd. There is also a first transistor M1 in the detector circuit. The first output and the gate of the first transistor M1 are connected to the second output of the load transistor M3. The second output of the first transistor M1 is connected to the sense node NID.

Weiterhin wird die Lese-Spaltenleitung ColR an einen Eingang des Analog-Digital-Umsetzers ADC geführt. Der Ausgang des Analog-Digital-Umsetzers ADC ist mit einem Signaleingang WFA des digitalen Signalverarbeitungsblocks DSP verbunden. Der digitale Signalverarbeitungsblock DSP ist mit dem digitalen Speicher MEM verbunden. Vorzugsweise wird der digitale Speicher MEM mittels eines oder mehrerer Schreib-Lese-Speicher, sogenannter RAMs, realisiert. Der digitale Signalverarbeitungsblock DSP hat auch einen Signalausgang OTX und einen Kalibrierausgang WTD. Der Kalibrierausgang WTD ist mit einem Eingang des Digital-Analog-Umsetzers DAC verbunden. Ein Ausgang des Digital-Analog-Umsetzers DAC wird an die Schreib-Spaltenleitung ColW geführt.Furthermore, the read column line ColR is fed to an input of the analog-to-digital converter ADC. The output of the analog-to-digital converter ADC is connected to a signal input WFA of the digital signal processing block DSP. The digital signal processing block DSP is connected to the digital memory MEM. Preferably, the digital memory MEM is realized by means of one or more read-write memories, so-called RAMs. The digital signal processing block DSP also has a signal output OTX and a calibration output WTD. The calibration output WTD is connected to an input of the digital-to-analog converter DAC. An output of the digital-to-analog converter DAC is fed to the write column line ColW.

In der Praxis befinden sich zwischen der Lese-Spaltenleitung ColR und dem Eingang des Analog-Digital-Umsetzers ADC meist noch analoge Schaltungsfunktionen, wie Verstärker, Multiplexer, usw., die hier aber zur Vereinfachung nicht dargestellt sind.In practice, between the read column line ColR and the input of the analog-to-digital converter ADC are usually still analog circuit functions, such as amplifiers, multiplexers, etc., which are not shown here for simplicity.

Im Folgenden wird die Funktion der Schaltung in 3 erklärt. Der Lasttransistor M3 ist ein n-Kanal MOSFET und er arbeitet als Sourcefolger. Der erste Transistor M1 ist wie eine Diode konfiguriert. Gemeinsam bilden der erste Transistor M1 und der Lasttransistor M3 eine Last mit einer nichtlinearen Spannungs-Strom-Charakteristik, welche von den Parametern der zwei Transistoren und auch vom Gatepotential des Lasttransistors M3 abhängt. Diese Lastschaltung ist mit dem Sense-Knoten verbunden, an den auch der erste Anschluss der Fotodiode PD angeschlossen ist.The following is the function of the circuit in 3 explained. The load transistor M3 is an n-channel MOSFET and it works as a source follower. The first transistor M1 is configured as a diode. Together, the first transistor M1 and the load transistor M3 form a load with a non-linear voltage-current characteristic, which depends on the parameters of the two transistors and also on the gate potential of the load transistor M3. This load circuit is connected to the sense node, to which the first terminal of the photodiode PD is connected.

Auf die Fotodiode PD einfallendes Licht lässt einen Fotostrom fließen. Am Sense-Knoten NID bildet sich ein Sense-Knoten-Potential aus, das von der Lichtintensität und von der Charakteristik der Lastschaltung abhängt. Der Pufferverstärker BUF leitet das Sense-Knoten-Potential an seinen Pufferausgang NOB weiter – vereinfachend nehmen wir hier an, dass dieses Potential unverändert bleibt. Anschließend wird das Potential mittels des Lesetiefpasses LPFR gefiltert und es ergibt sich ein Sensorsignal. Dieses wird auf die Lese-Spaltenleitung ColR gesendet, wenn das Auswahlsignal Tss den Auswahlschalter S4 aktiviert. On the photodiode PD incident light can flow a photocurrent. At the sense node NID, a sense node potential is formed, which depends on the light intensity and the characteristics of the load circuit. The buffer amplifier BUF forwards the sense node potential to its buffer output NOB - for simplification we assume here that this potential remains unchanged. Subsequently, the potential is filtered by means of the read low pass LPFR and a sensor signal results. This is sent to the read column line ColR when the selection signal Tss activates the selection switch S4.

Der Analog-Digital-Umsetzer ADC empfängt das Sensorsignal an seinem Eingang und liefert ein Sensorwort in digitalem Format an seinem Ausgang. Das Sensorwort wird an den Signaleingang WFA des digitalen Signalverarbeitungsblock DSP ausgegeben. Innerhalb des digitalen Signalverarbeitungsblocks DSP werden Berechnungen durchgeführt und ein Kalibrierwort wird an dem Kalibrierausgang WTD ausgegeben. Der digitale Signalverarbeitungsblock DSP liefert auch Bildinformationen an dem Signalausgang OTX und die Bildinformationen werden von der Bildsensoranordnung ausgegeben.The analog-to-digital converter ADC receives the sensor signal at its input and provides a sensor word in digital format at its output. The sensor word is output to the signal input WFA of the digital signal processing block DSP. Within the digital signal processing block DSP, calculations are performed and a calibration word is output at the calibration output WTD. The digital signal processing block DSP also provides image information at the signal output OTX and the image information is output from the image sensor array.

Vorzugsweise realisiert der digitale Signalverarbeitungsblock den Algorithmus eines zeitlichen Tiefpassfilters. Der interne Zustand oder die internen Zustände des Filters werden im digitalen Speicher MEM gespeichert und bei Bedarf wird darauf zugegriffen.Preferably, the digital signal processing block realizes the algorithm of a temporal low-pass filter. The internal state or states of the filter are stored in the digital memory MEM and accessed as needed.

Das Kalibrierwort wird an den Digital-Analog-Umsetzer DAC gesendet. Dieser konvertiert es in ein analoges Kalibriersignal, welches an den Kalibriereingang NCI der Detektorschaltung geführt wird. Wenn der Halteschalter Sh durch einen Puls das Haltesignals Tsh betätigt wird, lässt er das Kalibriersignal zum Haltekondensator Ch passieren, wo es gespeichert wird. Das Potential an dem Halteausgang NOH wird anschließend durch den Schreibtiefpass LPFW tiefpassgefiltert, und erreicht schließlich das Gate des Lasttransistors M3. Der Schreibtiefpass LPFW dient auch dazu, vorhandene Stufen und Transienten am Halteausgang NOH zu unterdrücken. Der Schreibtiefpass LPFW arbeitet als Rekonstruktionstiefpass, der Abtastspektren höherer Ordnung unterdrücken soll.The calibration word is sent to the digital-to-analog converter DAC. This converts it to an analog calibration signal, which is fed to the calibration input NCI of the detector circuit. When the hold switch Sh is operated by a pulse of the hold signal Tsh, it passes the calibration signal to the hold capacitor Ch where it is stored. The potential at the hold output NOH is then low-pass filtered by the write low pass LPFW, and finally reaches the gate of the load transistor M3. The write low pass LPFW also serves to suppress existing stages and transients at the hold output NOH. The low-pass writer LPFW operates as a reconstruction low-pass filter intended to suppress higher-order sampling spectra.

Die Charakteristik des Lasttransistors M3 wird mittels seiner Gatespannung eingestellt. Wenn das Potential des Sense-Knotens NID sinkt, pflanzt sich diese Information über den oben beschriebenen Pfad fort und führt dann zu einem Potentialanstieg am Gate des Lasttransistors M3. Dies bewirkt einen erhöhten Strom durch den Lasttransistor M3, sodass das Potential des Sense-Knotens NID steigt.The characteristic of the load transistor M3 is adjusted by means of its gate voltage. When the potential of the sense node NID decreases, this information propagates through the path described above and then leads to a potential increase at the gate of the load transistor M3. This causes an increased current through the load transistor M3, so that the potential of the sense node NID increases.

Insgesamt funktioniert das beschriebene Ausführungsbeispiel als Regelschleife, die konstante Signalanteile unterdrückt und niederfrequente Signalanteile des Sense-Knoten NID abschwächt. In der Anwendung werden damit Komponenten unterdrückt, die auf Mismatch von Bauelementen, Temperaturdrift und Hintergrundlicht beruhen.Overall, the embodiment described functions as a control loop which suppresses constant signal components and attenuates low-frequency signal components of the sense node NID. In the application, components are suppressed based on mismatch of components, temperature drift and background light.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird für eine korrekte Funktion eine Multiplikation mit einem Faktor ”–1” in der Rückkopplungsschleife benötigt. Der Faktor lässt sich gut im digitalen Signalverarbeitungsblock DSP realisieren, aber eine Signalinversion an einer anderen Stelle innerhalb der Schleife ist ebenso auch möglich.In this embodiment, a multiplication by a factor "-1" in the feedback loop is needed for a correct function. The factor can be well realized in the DSP digital signal processing block, but signal inversion elsewhere in the loop is also possible.

In diesem Ausführungsbeispiel sind separate Spaltenleitungen vorhanden: eine Lese-Spaltenleitung ColR und eine Schreib-Spaltenleitung ColW. Als Variante des Ausführungsbeispiels ist es ebenso möglich, gedanklich die Lese-Spaltenleitung ColR und die Schreib-Spaltenleitung ColW zu verbinden, sodass eine Lösung mit nur einer Spaltenleitung resultiert. Der Digital-Analog-Umsetzer DAC schickt dann sein Ausgangssignal auf diese eine Spaltenleitung. Und der Analog-Digital-Umsetzer ADC empfängt dann sein Sensorsignal von dieser einen Spaltenleitung. Offensichtlich müssen hier Kollisionen vermieden werden, die Schreib- und Lesevorgänge erfolgen deshalb zeitsequentiell. Dieses alternative Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, Platz im Pixel zu sparen – auf Kosten einer etwas verlangsamten Arbeitsgeschwindigkeit.In this embodiment, there are separate column lines: a read column line ColR and a write column line ColW. As a variant of the embodiment, it is also possible to mentally connect the read column line ColR and the write column line ColW, so that a solution results with only one column line. The digital-to-analog converter DAC then sends its output signal to this one column line. And the analog-to-digital converter ADC then receives its sensor signal from this one column line. Obviously, collisions must be avoided here, the writing and reading operations are therefore time-sequential. This alternative embodiment has the advantage of saving space in the pixel at the cost of a somewhat slower operating speed.

Ein detailliertes Schaltbild eines Pixels zeigt 4 als zweites Ausführungsbeispiel. Wiederum beinhaltet das Pixel CDP die Detektorschaltung und die Fotodiode PD. Verglichen mit dem ersten Ausführungsbeispiel in 3 sind hier detailliertere Darstellungen oder alternative Realisierungen für einige Funktionsblöcke angegeben.A detailed circuit diagram of a pixel shows 4 as a second embodiment. Again, the pixel CDP includes the detector circuit and the photodiode PD. Compared with the first embodiment in FIG 3 Here are more detailed representations or alternative implementations for some function blocks.

Mit dem Sense-Knoten NID ist das Gate eines Puffertransistors M2 verbunden. Der erste Ausgang des Puffertransistors M2 ist mit dem Referenzpotential verbunden. Es ist auch ein fünfter Transistor M5 vorhanden. Der erste Ausgang des fünften Transistors M5 ist mit der Versorgungsspannung Vdd verbunden. Das Gate des fünften Transistors M5 ist mit einer zweiten Bias-Spannung Vbias2 verbunden. Der zweite Ausgang des fünften Transistors M5 und der erste Ausgang des Puffertransistors M2 sind verbunden und bilden den Pufferausgang NOB. In dieser Konfiguration sind beide Transistoren als p-Kanal MOSFETs gezeichnet. Der Puffertransistor M2 arbeitet als Sourcefolger. Der fünfte Transistor M5 arbeitet als Stromquelle, die als Lastelement für den Sourcefolger dient.Connected to the sense node NID is the gate of a buffer transistor M2. The first output of the buffer transistor M2 is connected to the reference potential. There is also a fifth transistor M5 available. The first output of the fifth transistor M5 is connected to the supply voltage Vdd. The gate of the fifth transistor M5 is connected to a second bias voltage Vbias2. The second output of the fifth transistor M5 and the first output of the buffer transistor M2 are connected and form the buffer output NOB. In this configuration, both transistors are plotted as p-channel MOSFETs. The buffer transistor M2 operates as a source follower. The fifth transistor M5 operates as a current source serving as a load element for the source follower.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Lesetiefpass LPFR nicht mehr vorhanden. Die Größe der Detektorschaltung reduziert sich, wenn man ihn weglassen kann, was wiederum möglich ist, wenn der Hochfrequenzanteil des Potentials am Sense-Knoten NID niedrig ist und nicht zu störenden Aliaseffekten führt. In this embodiment, the read low pass LPFR is no longer present. The size of the detector circuit is reduced if it can be omitted, which in turn is possible when the high frequency component of the potential at the sense node NID is low and does not lead to disturbing aliasing effects.

Der Pufferausgang NOB ist mit dem ersten Ausgang eines Auswahltransistors M4 verbunden. Der zweite Ausgang des Auswahltransistors M4 ist verbunden mit der Lese-Spaltenleitung ColR. Das Auswahlsignal Tss wird an das Gate des Auswahltransistors M4 angelegt. Dadurch wird das Potential des Pufferausgangs NOB an die Lese-Spaltenleitung ColR geführt, wenn der Auswahltransistor M4 leitend gemacht wird. Der Pufferausgang NOB ist auch mit dem Eingang des Komparator CMP verbunden.The buffer output NOB is connected to the first output of a selection transistor M4. The second output of the selection transistor M4 is connected to the read column line ColR. The selection signal Tss is applied to the gate of the selection transistor M4. Thereby, the potential of the buffer output NOB is supplied to the read column line ColR when the selection transistor M4 is rendered conductive. The buffer output NOB is also connected to the input of the comparator CMP.

Die Halteschaltung HC beinhaltet wiederum den Haltekondensator Ch. Der Halteschalter ist hier mittels eines Haltetransistors M6 realisiert. Der Haltetransistor M6 ist zwischen dem Kalibriereingang NCI und dem Halteausgang NOH angeordnet. Das Haltesignal Tsh wird an das Gate des Haltetransistors M6 angelegt.The holding circuit HC in turn includes the holding capacitor Ch. The holding switch is realized here by means of a holding transistor M6. The hold transistor M6 is arranged between the calibration input NCI and the hold output NOH. The hold signal Tsh is applied to the gate of the hold transistor M6.

Ein anderer Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel bezieht sich auf den Schreibtiefpass LPFW. Er ist mittels eines Filterwiderstands Rw und eines Filterkondensators Cw realisiert. Beide Bauelemente bilden ein RC-Tiefpassfilter erster Ordnung. Ein erster Anschluss des Filterwiderstands Rw ist mit dem Halteausgang NOH verbunden. Ein zweiter Anschluss des Filterwiderstands Rw ist mit dem Gate des Lasttransistors M3 verbunden. Ein erster Anschluss des Filterkondensator Cw ist auch mit dem Gate des Lasttransistors M3 verbunden. Ein zweiter Anschluss des Filterkondensator Cw ist mit der Versorgungsspannung Vdd verbunden.Another difference from the first embodiment relates to the write low pass LPFW. It is realized by means of a filter resistor Rw and a filter capacitor Cw. Both components form a first-order RC low-pass filter. A first terminal of the filter resistor Rw is connected to the hold output NOH. A second terminal of the filter resistor Rw is connected to the gate of the load transistor M3. A first terminal of the filter capacitor Cw is also connected to the gate of the load transistor M3. A second terminal of the filter capacitor Cw is connected to the supply voltage Vdd.

Ein weiterer Unterschied verglichen mit dem ersten Ausführungsbeispiel betrifft die Lastschaltung der Fotodiode PD. Der Lasttransistor M3 und der erste Transistor M1 sind hier beide als p-Kanal MOSFETs ausgeführt. Diese Lastschaltung hat ein anderes Verhalten. Das Gate des Lasttransistors M3 ist mit dem ersten Anschluss des Filterkondensator Cw verbunden. Der Lasttransistor M3 arbeitet als spannungsgesteuerte Stromquelle. Der erste Transistor M1 macht aus der Lastschaltung eine Cascode-Anordnung, die eine größere Ausgangsimpedanz aufweist. Das Gate des ersten Transistors M1 ist mit einer ersten Bias-Spannung Vbias1 verbunden. Der erste Ausgang des Lasttransistors M3 ist mit der Versorgungsspannung Vdd verbunden. Die Versorgungsspannung Vdd ist positiv gegenüber Bezugspotential. Der zweite Ausgang des Lasttransistors M3 ist mit dem ersten Ausgang des ersten Transistors M1 verbunden. Der zweite Ausgang des ersten Transistors M1 ist mit dem Sense-Knoten NID verbunden. Das vorliegende Ausführungsbeispiel hat eine lineare Charakteristik zum Ziel. Ohne die Grundidee der Erfindung zu verlassen, kann der erste Transistor M1 weggelassen werden, das heißt durch eine leitende Verbindung zwischen seinem ersten Ausgang und seinem zweiten Ausgang ersetzt werden, wenn eine hohe Ausgangsimpedanz nicht benötigt wird. Alternative Anordnungen hochohmiger spannungsgesteuerter Stromquellen sind dem Fachmann auch geläufig.Another difference compared to the first embodiment relates to the load circuit of the photodiode PD. The load transistor M3 and the first transistor M1 are here both designed as p-channel MOSFETs. This load circuit has a different behavior. The gate of the load transistor M3 is connected to the first terminal of the filter capacitor Cw. The load transistor M3 operates as a voltage-controlled current source. The first transistor M1 turns the load circuit into a cascode arrangement having a larger output impedance. The gate of the first transistor M1 is connected to a first bias voltage Vbias1. The first output of the load transistor M3 is connected to the supply voltage Vdd. The supply voltage Vdd is positive with respect to the reference potential. The second output of the load transistor M3 is connected to the first output of the first transistor M1. The second output of the first transistor M1 is connected to the sense node NID. The present embodiment aims for a linear characteristic. Without departing from the basic idea of the invention, the first transistor M1 can be omitted, that is, replaced by a conductive connection between its first output and its second output when a high output impedance is not required. Alternative arrangements of high-voltage voltage-controlled current sources are also familiar to the person skilled in the art.

Wegen der Stromquellencharakteristik des Lasttransistors liegt am Sense-Knoten NID hier eine konstante Impedanz. Beim ersten Ausführungsbeispiel werden die Impedanz und damit auch die Kleinsignalverstärkung mit zunehmendem Fotostrom geringer. Dies kompliziert die Dimensionierung des Regelkreises und beinhaltet die Gefahr instabiler Betriebszustände.Because of the current source characteristic of the load transistor, the sense node NID has a constant impedance here. In the first embodiment, the impedance and thus the small signal gain with increasing photocurrent are lower. This complicates the dimensioning of the control loop and involves the risk of unstable operating conditions.

5 stellt ein viertes Ausführungsbeispiel vor. Dargestellt ist eine Bildsensoranordnung mitsamt einer Pixelmatrix DCA, welche eine Vielzahl von Pixeln CDP als auch andere Funktionsblöcke beinhaltet, die unten erklärt werden. 5 presents a fourth embodiment. Shown is an image sensor arrangement including a pixel matrix DCA, which includes a plurality of pixels CDP as well as other functional blocks, which will be explained below.

Alle in 5 dargestellten Elemente sind auf dem Halbleitersubstrat angeordnet, wobei optional die Fotodioden PD der Pixel CDP extern sein können und nicht auf dem Halbleitersubstrat angeordnet sind.Alone 5 The elements shown are arranged on the semiconductor substrate, wherein optionally the photodiodes PD of the pixels CDP may be external and are not arranged on the semiconductor substrate.

Einer Spalte von Pixeln CDP sind eine Schreib-Spaltenleitung ColW und eine Lese-Spaltenleitung ColR zugeordnet. Die Lese-Spaltenleitung ColR ist mit einem Eingang eines Spaltenverstärker AMP verbunden. Pro Spalte von Pixeln gibt es einen Spaltenverstärker AMP. Die Ausgänge der Spaltenverstärkers AMP sind mit einem Multiplexer MUX verbunden. Ein Ausgang des Multiplexers MUX ist mit einem Eingang eines Analog-Digital-Umsetzers ADC verbunden. Ein Ausgang des Analog-Digital-Umsetzer ADC ist verbunden mit einem Signaleingang WFA eines Signalverarbeitungsblocks DSP. Der digitale Signalverarbeitungsblock DSP hat auch einen Signalausgang OTX, einen Kalibrierausgang WTD und der Block ist verbunden mit einem digitalen Speicher MEM.One column of pixels CDP are associated with a write column line ColW and a read column line ColR. The read column line ColR is connected to an input of a column amplifier AMP. There is one column amplifier AMP per column of pixels. The outputs of the column amplifier AMP are connected to a multiplexer MUX. An output of the multiplexer MUX is connected to an input of an analog-to-digital converter ADC. An output of the analog-to-digital converter ADC is connected to a signal input WFA of a signal processing block DSP. The digital signal processing block DSP also has a signal output OTX, a calibration output WTD, and the block is connected to a digital memory MEM.

Der Kalibrierausgang WTD ist mit einem Eingang eines Schieberegisters verbunden, welches aus einer Kette von Registerstufen REG besteht. Am Ausgang jeder Registerstufe REG ist ein Digital-Analog-Umsetzer DAC angeschlossen, der mit seinem Ausgang an einer der Schreib-Spaltenleitungen ColW angeschlossen ist.The calibration output WTD is connected to an input of a shift register, which consists of a chain of register stages REG. At the output of each register stage REG, a digital-to-analog converter DAC is connected, which is connected with its output to one of the write column lines ColW.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind ein Analog-Digital-Umsetzer ADC und ein digitaler Signalverarbeitungsblock DSP vorhanden. Aber, es gibt einen Digital-Analog-Umsetzer DAC pro Spalte von Pixeln. Deshalb müssen der Analog-Digital-Umsetzer und der digitale Signalverarbeitungsblock schnell genug sein, um mit der Pixelrate der Bildsensoranordnung arbeiten zu können. Ein Digital-Analog-Umsetzer DAC arbeitet nur mit einer Zeilenfrequenz der Bildsensoranordnung.In this embodiment, there are an analog-to-digital converter ADC and a digital signal processing block DSP. But it gives a digital-to-analog converter DAC per column of pixels. Therefore, the analog-to-digital converter and the digital signal processing block must be fast enough to operate at the pixel rate of the image sensor array. A digital-to-analog converter DAC operates only with a line frequency of the image sensor arrangement.

Ohne von der Idee der Erfindung abzuweichen, kann auch eine größere Anzahl von Analog-Digital-Umsetzern ADC vorgesehen werden. Ebenso könnte eine vollständig unterschiedliche Anzahl von digitalen Signalverarbeitungsblöcken DSP vorhanden sein. Ebenso ist es im Rahmen der Erfindung möglich, dass eine andere Anzahl von Digital-Analog-Umsetzern DAC verwendet wird, einschließlich des Falls, dass man nur einen einzigen Digital-Analog-Umsetzer DAC von hoher Geschwindigkeit verwendet.Without deviating from the idea of the invention, a larger number of analog-to-digital converters ADC can be provided. Likewise, a completely different number of digital signal processing blocks DSP could be present. Also, within the scope of the invention, it is possible to use a different number of digital-to-analog converters DAC, including the case of using only a single high-speed digital-to-analog converter DAC.

Diese Fälle bedingen, dass man Multiplexer oder Pufferspeicher an den Eingängen und Ausgängen eines oder mehrerer Signalverarbeitungsblöcke DSP vorsehen muss oder dass die Ausgangssignale der Digital-Analog-Umsetzers DAC in Sample&Hold Stufen für die Schreib-Spaltenleitungen gespeichert werden müssen. Abhängig von der Verfügbarkeit solcher Funktionsblöcke in einem gegebenen Silizium-Herstellungsprozess, lässt sich eine optimale Konfiguration wählen.These cases require that one must provide multiplexers or buffers at the inputs and outputs of one or more signal processing blocks DSP, or that the outputs of the DAC must be stored in Sample & Hold stages for the write column lines. Depending on the availability of such functional blocks in a given silicon manufacturing process, an optimal configuration can be chosen.

Alternativ kann der digitale Signalverarbeitungsblock DSP mittels eines eingebetteten Prozessors realisiert werden. Ebenso ist es möglich auf den digitalen Speicher MEM von einem externen System aus zuzugreifen und auf diese Weise Kalibrier-Zustandswörter zu schreiben oder auszulesen.Alternatively, the digital signal processing block DSP can be realized by means of an embedded processor. It is also possible to access the digital memory MEM from an external system and in this way to write or read out calibration status words.

Der Betrieb des vorliegenden Ausführungsbeispiels erfolgt wiederum zeilenweise. Zu einem Zeitpunkt wird eine erste Zeile von Pixeln CDP selektiert. Jedes der ausgewählten Pixel CDP liefert ein Sensorsignal über die Lese-Spaltenleitung ColR an den Spaltenverstärker AMP seiner Spalte. Der Multiplexer MUX überträgt einen Satz von Sensorsignalen für die erste Zeile – zeitsequentiell – an den Analog-Digital-Umsetzer ADC. Der Analog-Digital-Umsetzer ADC liefert einen entsprechenden Satz von Sensorwörtern an den digitalen Signalverarbeitungsblock DSP. Letzterer wiederum liefert einen entsprechenden Satz von Kalibrierwörtern, die in das Schieberegister eingeschoben werden. Jedes aus diesem Satz von Kalibrierwörtern wird in einen der Digital-Analog-Umsetzer DAC eingegeben, jeder DAC liefert ein Kalibriersignal ab. Jedes der Kalibriersignale wird über eine Schreib-Spaltenleitung ColW an eines der Pixel in der ersten Zeile weitergeleitet und dann in demselben Pixel gespeichert. Das beschriebene Verfahren wird zeilenweise wiederholt und wenn alle Zeilen eines Bildes verarbeitet sind, wird das Bild dann wiederholt.The operation of the present embodiment is again line by line. At a time, a first row of pixels CDP is selected. Each of the selected pixels CDP provides a sensor signal over the read column line ColR to the column amplifier AMP of its column. The multiplexer MUX transmits a set of sensor signals for the first line - time sequential - to the analog-to-digital converter ADC. The analog-to-digital converter ADC supplies a corresponding set of sensor words to the digital signal processing block DSP. The latter in turn provides a corresponding set of calibration words which are inserted into the shift register. Each of this set of calibration words is input to one of the digital-to-analog converters DAC, each DAC providing a calibration signal. Each of the calibration signals is forwarded via a write column line ColW to one of the pixels in the first row and then stored in the same pixel. The described method is repeated line by line, and when all lines of an image are processed, the image is then repeated.

6 zeigt als viertes Ausführungsbeispiel die Detailstruktur des digitalen Signalverarbeitungsblocks DSP und des digitalen Speichers MEM. Der digitale Speicher MEM beinhaltet eine Vielzahl von Zellen, die jeweils ein Kalibrier-Zustandswort speichern. Jede der Vielzahl von Detektorschaltungen ist genau einem Kalibrier-Zustandswort zugeordnet. 6 shows as fourth embodiment, the detail structure of the digital signal processing block DSP and the digital memory MEM. The digital memory MEM includes a plurality of cells each storing a calibration status word. Each of the plurality of detector circuits is associated with exactly one calibration status word.

Ohne von der Idee der Erfindung abzuweichen, kann das Kalibrier-Zustandswort aus einer beliebigen Anzahl von Bits und auch aus verschiedenen Werten mit unterschiedlicher technischer Bedeutung bestehen.Without deviating from the idea of the invention, the calibration status word can consist of an arbitrary number of bits and also of different values with different technical meaning.

Weiterhin ist eine Anzahl logischer Funktionen dargestellt, unter diesen ein Addierer ADD, ein Subtrahierer SUB, ein Koeffizientenmultiplizierer COF und ein Ausgangsmultiplexer SOL. Es sind auch der Signaleingang WFA, der Kalibrierausgang WTD und der Signalausgang OTX abgebildet.Furthermore, a number of logical functions are shown, among them an adder ADD, a subtracter SUB, a coefficient multiplier COF and an output multiplexer SOL. The signal input WFA, the calibration output WTD and the signal output OTX are also shown.

Immer wenn ein Sensorwort am Signaleingang WFA empfangen wird, wird ein Kalibrier-Zustandswort aus einer Wortzelle MWxy des digitalen Speicher MEM ausgelesen. Dieser Lesevorgang ist durch das ”RX” in der Abbildung verdeutlicht. Hier nicht gezeigte Kontrollschaltungen stellen sicher, dass die Wortzelle MWxy immer einem bestimmten Pixel zugeordnet ist und dass dieses auch mit dem Sensorwort korrespondiert, das sich gerade am Signaleingang WFA befindet.Whenever a sensor word is received at the signal input WFA, a calibration status word is read from a word cell MWxy of the digital memory MEM. This reading process is illustrated by the "RX" in the figure. Control circuits not shown here ensure that the word cell MWxy is always associated with a specific pixel and that this also corresponds to the sensor word that is currently at the signal input WFA.

Mit dem Subtrahierer SUB wird das Kalibrier-Zustandswort von dem Sensorwort subtrahiert und als Hochpasssignal OT2 ausgegeben. Weiterhin multipliziert der Koeffizientenmultiplizierer COF das Kalibrier-Zustandswort mit einer vom Benutzer vorgegebenen digitalen Zahl und gibt das Ergebnis an den Addierer ADD weiter, der das Sensorwort hinzuaddiert und ein Kalibrierwort an dem Kalibrierausgang WTD bereitstellt. Die vorgegebene digitale Zahl wird auch als Koeffizientenwert bezeichnet.With the subtracter SUB, the calibration status word is subtracted from the sensor word and output as a high-pass signal OT2. Further, the coefficient multiplier COF multiplies the calibration status word by a user-specified digital number and passes the result to the adder ADD, which adds the sensor word and provides a calibration word at the calibration output WTD. The predetermined digital number is also called the coefficient value.

Die Struktur mit der Wortzelle MWxy des digitalen Speichers MEM, mit dem Koeffizientenmultiplizierer COF und dem Addierer ADD bildet ein rekursives Tiefpassfilter erster Ordnung. Wenn man zum Beispiel einen Koeffizientenwert von +0.94 wählt, dann ergibt sich eine 3 dB Grenzfrequenz von einigen kilo-Hertz unter der Annahme, dass das Pixel mit einer Rate von 50 kHz gelesen wird. Letzter Wert ist als Abtastfrequenz des Filters anzusehen.The structure with the word cell MWxy of the digital memory MEM, with the coefficient multiplier COF and the adder ADD forms a first-order recursive low-pass filter. For example, choosing a coefficient value of +0.94 results in a 3 dB cutoff frequency of a few kilohertz, assuming that the pixel is read at a rate of 50 kHz. Last value is to be regarded as sampling frequency of the filter.

Deshalb kann man das Kalibrierwort auch als Datenwort eines Tiefpasssignal OT3 bezeichnen. Das Kalibrierwort wird zum Schluss in die Wortzelle MWxy eingeschrieben, effektiv wird damit das vorherige Kalibrier-Zustandswort ersetzt. Der Schreibvorgang ist in der Abbildung durch das „WX” angedeutet.Therefore, you can also call the calibration word as a data word of a low-pass signal OT3. The calibration word is finally written into the word cell MWxy, thus effectively the replaced previous calibration status word. The writing process is indicated in the figure by the "WX".

Das Sensorwort am Signaleingang WFA ist identisch mit OT1. Man kann also OT1 als digitales Sensorsignal auffassen. Mittels des Ausgangsmultiplexers SOL kann der Benutzer das digitale Sensorsignal OT1 oder das Hochpasssignal OT2 oder das Tiefpasssignal OT3 auswählen. Ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Bildsensoranordnung könnte auch zwei oder alle Signale gleichzeitig ausgeben.The sensor word at the signal input WFA is identical to OT1. So you can take OT1 as a digital sensor signal. By means of the output multiplexer SOL, the user can select the digital sensor signal OT1 or the high-pass signal OT2 or the low-pass signal OT3. An alternative embodiment of an image sensor arrangement could also output two or all signals simultaneously.

Der Ausgang OTX liefert sequentiell eine Vielzahl von Signalwörtern, jedes entspricht einem der Vielzahl von Pixeln. Durch die Wiederholung mit der Bildrate steht am Ausgang OTX dann ein Videosignal an.The output OTX sequentially supplies a plurality of signal words, each corresponding to one of the plurality of pixels. By repeating with the frame rate, a video signal is output at the OTX output.

7 zeigt als fünftes Ausführungsbeispiel das Flussdiagramm eines Betriebsverfahren für eine Detektoranordnung nach der Erfindung. Das beschriebene Verfahren wird für jedes der Vielzahl von Pixeln und Detektorschaltungen durchgeführt. 7 shows as a fifth embodiment, the flowchart of an operating method for a detector arrangement according to the invention. The described method is performed for each of the plurality of pixel and detector circuits.

Das Pixel CDP beinhaltet eine Fotodiode PD und eine Detektorschaltung. Anfangs wird das Pixel CDP selektiert. Dies bewirkt ein Senden 10 eines Sensorsignals von der Detektorschaltung auf die Lese-Spaltenleitung ColR. Das Sensorsignal wird in den Analog-Digital-Umsetzer ADC eingegeben 11. Der Analog-Digital-Umsetzer ADC digitalisiert das Sensorsignal und liefert ein Sensorwort in digitalem Format. Das Sensorwort wird für einen digitalen Signalverarbeitungsblock DSP bereitgestellt 12. Der digitale Signalverarbeitungsblock DSP erzeugt 13 ein Kalibrierwort und gibt es an seinem Kalibrierausgang WTD aus. Die Erzeugung des Kalibrierwortes bedingt digitale Berechnungen und ein Zugreifen auf Daten des digitalen Speichers MEM. Das Kalibrierwort wird in den Digital-Analog-Umsetzer DAC eingegeben 14, welcher entsprechend ein Kalibriersignal erzeugt 15. Das Kalibriersignal ist ein analoges Signal, beispielsweise kann es eine Spannung oder ein elektrischer Strom sein. Das Kalibriersignal wird an die Detektorschaltung ausgegeben 16. In der Detektorschaltung wird das Kalibriersignal gespeichert 17. Das gespeicherte Kalibriersignal beeinflusst den Betrieb der Detektorschaltung. Wie oben beschrieben wird dadurch die Charakteristik einer Lastschaltung im Pixel verändert.The pixel CDP includes a photodiode PD and a detector circuit. Initially, the pixel CDP is selected. This causes a transmission 10 a sensor signal from the detector circuit to the read column line ColR. The sensor signal is input to the analog-to-digital converter ADC 11 , The analog-to-digital converter ADC digitizes the sensor signal and provides a sensor word in digital format. The sensor word is provided for a digital signal processing block DSP 12 , The digital signal processing block DSP generates 13 a calibration word and outputs it at its calibration output WTD. The generation of the calibration word involves digital computations and accessing data of the digital memory MEM. The calibration word is input to the digital-to-analog converter DAC 14 , which generates a calibration signal accordingly 15 , The calibration signal is an analog signal, for example, it may be a voltage or an electric current. The calibration signal is output to the detector circuit 16 , The calibration signal is stored in the detector circuit 17 , The stored calibration signal influences the operation of the detector circuit. As described above, this changes the characteristics of a load circuit in the pixel.

Die Sequenz der beschriebenen Vorgänge wird periodisch wiederholt. Vorzugsweise entspricht die Wiederholrate der Bildrate. Die Abtastfrequenz des rekursiven Filters und anderer Elemente der Regelschleife sind dann gleich der Bildrate.The sequence of the operations described is repeated periodically. Preferably, the repetition rate corresponds to the frame rate. The sampling frequency of the recursive filter and other elements of the control loop are then equal to the frame rate.

Vorzugsweise wird der oben beschriebene Prozess ununterbrochen durchgeführt. In dem Fall unterdrückt die Regelschleife alle elektrischen Offsets und Temperaturddrifteffekte, und – auch vorteilhaft – es wird Hintergrundlicht unterdrückt. Mit Hintergrundlicht soll Licht konstanter Intensität auf den Pixeln gemeint sein.Preferably, the process described above is carried out continuously. In that case, the control loop suppresses all electrical offsets and temperature drift effects, and - also advantageous - background light is suppressed. Background light is intended to mean light of constant intensity on the pixels.

Auch sollen langsam sich ändernde Lichtintensitäten gemeint sein, sodass die Regelschleife in der Lage ist, zu folgen und solche Variationen auszuregeln. Für die Komparatorschaltung CMP, die das Sensorsignal an seinem Eingang empfängt, sind solche Komponenten dann nicht mehr sichtbar.Also, slowly changing light intensities should be meant so that the control loop is able to follow and correct such variations. For the comparator circuit CMP, which receives the sensor signal at its input, such components are then no longer visible.

Alternativ mag man den Prozess nur während einer Kalibrierungszeit von beschränkter Dauer durchführen. während der Kalibrierungszeit befindet sich die Sensoranordnung in einem Dunkelzustand. Nach Ende der Kalibrierungszeit wird mit dem Einschreiben von Kalibrier-Zustandswörtern in den Speicher aufgehört. Dadurch bleibt das an die Detektorschaltung geschickte Kalibriersignal dann unverändert während des nachfolgenden regulären Betriebs. Diese Betriebsart kompensiert nur statische elektrische Offsets.Alternatively, one may perform the process only during a calibration time of limited duration. during the calibration time, the sensor assembly is in a dark condition. At the end of the calibration time, the writing of calibration status words to memory is stopped. As a result, the calibration signal sent to the detector circuit then remains unchanged during the subsequent regular operation. This mode only compensates for static electrical offsets.

Für die Erfindung ist die Existenz des digitalen Speichers MEM auf dem Halbleitersubstrat kein notwendiges Element, ebenso wenig die Benutzung des digitalen Speichers MEM. Auch ist es möglich, den digitalen Speicher MEM mittels einer Vorrichtung, die sich nicht auf dem Halbleitersubstrat befindet, zu laden und die Kalibrier-Zustandswörter aus dem digitalen Speicher MEM zur Verwendung auf dem Halbleitersubstrat auszulesen.For the invention, the existence of the digital memory MEM on the semiconductor substrate is not a necessary element, nor is the use of the digital memory MEM. It is also possible to load the digital memory MEM by means of a device that is not located on the semiconductor substrate and to read out the calibration status words from the digital memory MEM for use on the semiconductor substrate.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele beinhalten verschiedene Merkmale, die sich auch anders als dargestellt miteinander kombinieren lassen, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen.The described embodiments include various features that can be combined with each other differently than shown, without departing from the spirit of the invention.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

  • ADCADC
    Analog-Digital-UmsetzerAnalog-to-digital converter
    ADDADD
    Addiereradder
    AMPAMP
    Spaltenverstärkercolumn amplifiers
    BUFBUF
    Pufferverstärkerbuffer amplifier
    CDPCDP
    Pixelpixel
    CMPCMP
    Komparatorcomparator
    COFCOF
    Koeffizientenmultiplizierercoefficient
    Chch
    Haltekondensatorhold capacitor
    ColCol
    Spaltenleitungcolumn line
    ColRCOLR
    Lese-SpaltenleitungRead column line
    ColWCOLW
    Schreib-SpaltenleitungWrite-column line
    Cwcw
    Filterkondensatorfilter capacitor
    DACDAC
    Digital-Analog-UmsetzerDigital-to-analog converter
    DCADCA
    Pixelmatrixpixel matrix
    DSPDSP
    digitaler Signalverarbeitungsblockdigital signal processing block
    HCHC
    Halteschaltunghold circuit
    JSJS
    Stromquellepower source
    LPFRLPFR
    LesetiefpassReading lowpass
    LPFWLPFW
    SchreibtiefpassWrite lowpass
    M1 M1
    erster Transistorfirst transistor
    M2M2
    Puffertransistorbuffer transistor
    M3M3
    Lasttransistorload transistor
    M4M4
    Auswahltransistorselection transistor
    M5M5
    fünfter Transistorfifth transistor
    M6M6
    Haltetransistorholding transistor
    MEMMEM
    digitaler Speicherdigital memory
    MUXMUX
    Multiplexer multiplexer
    MWxyMWxy
    eine Wortzelle des digitalen Speichers MEMa word cell of the digital memory MEM
    N3N3
    Resettransistorreset transistor
    NCINCI
    Kalibriereingangcalibration input
    NIDNID
    Sense-KnotenSense nodes
    NOBNOB
    Pufferausgangbuffer output
    NOHNOH
    Halteausganghold output
    OT1OT1
    digitales Sensorsignaldigital sensor signal
    OT2OT2
    HochpasssignalHigh-pass signal
    OT3OT 3
    TiefpasssignalLowpass signal
    OTPOTP
    Komparatorausgangcomparator output
    OTXOTX
    Signalausgangsignal output
    PDPD
    Fotodiodephotodiode
    REGREG
    Registerstuferegister stage
    Rwrw
    Filterwiderstandfilter resistance
    RXRX
    Lesevorgang des digitalen SpeichersReading the digital memory
    S12S12
    Signalschaltersignal switches
    S4S4
    Auswahlschalterselector switch
    S5S5
    fünfter Schalterfifth switch
    SOLSOL
    Ausgangsmultiplexeroutput multiplexer
    ShSh
    Halteschalterhold switch
    SUBSUB
    Subtrahierersubtractor
    TshTsh
    Haltesignalstop signal
    Tsstss
    Auswahlsignalselect signal
    Vbias1Vbias1
    erste Bias-Spannungfirst bias voltage
    Vbias2Vbias2
    zweite Bias-Spannungsecond bias voltage
    VddVdd
    Versorgungsspannungsupply voltage
    WFAWFA
    Signaleingangsignal input
    WTDWTD
    Kalibrierausgangcalibration output
    WXWX
    Schreibvorgang des digitalen Speichers MEMWrite operation of the digital memory MEM

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • US 5665959 [0019] US 5665959 [0019]
  • US 7551059 B2 [0019] US 7551059 B2 [0019]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Noble, P; Self-Scanned Silicon Image Detector Arrays; IEEE; TrED; 1968 [0005] Noble, P; Self-Scanned Silicon Image Detector Arrays; IEEE; Tred; 1968 [0005]

Claims (10)

Bildsensoranordnung beinhaltend eine Vielzahl von Detektorschaltungen, welche auf einem Halbleitersubstrat in Zeilen und Spalten angeordnet sind, wobei eine Fotodiode (PD) jeder der Vielzahl von Detektorschaltungen zugeordnet ist, und wobei jede der Vielzahl von Detektorschaltungen beinhaltet: – einen Sense-Knoten (NID), mit dem ein erster Anschluss der zugeordneten Fotodiode (PD) verbunden ist, – einen Puffertransistor (M2) mit einem Gate-Anschluss, welcher Gate-Anschluss mit dem Sense-Knoten (NID) verbunden ist, – eine Halteschaltung ausgebildet zum Speichern eines Kalibriersignals, wobei die Halteschaltung einen Haltekondensator (Ch) und einen Halteschalter (Sh) beinhaltet und wobei die Halteschaltung (HC) einen Steuereingang und einen Kalibriereingang (NCI) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass einer oder mehrere Digital-Analog-Umsetzer (DAC) auf dem Halbleitersubstrat angeordnet sind, wobei der eine oder die mehreren Digital-Analog-Umsetzer (DAC) eine Vielzahl von Kalibriersignalen erzeugen und wobei jedes einzelne der Vielzahl von Kalibriersignalen an genau eine der Vielzahl von Detektorschaltungen geführt und mittels der Halteschaltung derselben Detektorschaltung gespeichert wird.An image sensor array including a plurality of detector circuits arranged on a semiconductor substrate in rows and columns, wherein a photodiode (PD) is associated with each of the plurality of detector circuits, and wherein each of the plurality of detector circuits includes: - a sense node (NID), a buffer transistor (M2) having a gate terminal, which gate terminal is connected to the sense node (NID), wherein the hold circuit includes a hold capacitor (Ch) and a hold switch (Sh), and wherein the hold circuit (HC) has a control input and a calibration input (NCI), characterized in that one or more digital-to-analog converters (DAC) on the semiconductor substrate are arranged, wherein the one or more digital-to-analog converter (DAC) a plurality of calibration generate and each of the plurality of calibration signals to exactly one of the plurality of detector circuits out and stored by means of the holding circuit of the same detector circuit. Bildsensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Vielzahl von Detektorschaltungen weiterhin einen Lasttransistor (M3) mit einem ersten Ausgang und einem zweiten Ausgang beinhaltet, wobei der Lasttransistor (M3) als MOS-Feldeffekttransistor vom P-Kanal Typ ausgeführt ist und wobei der erste Ausgang des Lasttransistors (M3) mit einer gegenüber einem Bezugspotential positiven Versorgungsspannung verbunden ist und wobei der zweite Ausgang des Lasttransistors (M3) mit dem Sense-Knoten (NID) verbunden ist.An image sensor device according to claim 1, characterized in that each of said plurality of detector circuits further includes a load transistor (M3) having a first output and a second output, said load transistor (M3) being a P-channel type MOS field-effect transistor, and wherein first output of the load transistor (M3) is connected to a positive supply voltage relative to a reference potential, and wherein the second output of the load transistor (M3) is connected to the sense node (NID). Bildsensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Vielzahl von Detektorschaltungen weiterhin einen ersten Transistor (M1) sowie einen Lasttransistor (M3) mit einem ersten Ausgang und einem zweiten Ausgang beinhaltet, wobei der Lasttransistor (M3) als MOS-Feldeffekttransistor vom P-Kanal Typ ausgeführt ist und wobei der erste Ausgang des Lasttransistors (M3) mit einer gegenüber einem Bezugspotential positiven Versorgungsspannung verbunden ist und wobei der erste Transistor (M1) zwischen dem Sense-Knoten (NID) und dem zweiten Ausgang des Lasttransistors (M3) angeordnet ist.An image sensor arrangement according to claim 1, characterized in that each of the plurality of detector circuits further includes a first transistor (M1) and a load transistor (M3) having a first output and a second output, the load transistor (M3) being a MOS field-effect transistor from the P-type. Channel type is carried out and wherein the first output of the load transistor (M3) is connected to a reference potential positive supply voltage and wherein the first transistor (M1) between the sense node (NID) and the second output of the load transistor (M3) is arranged , Bildsensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Vielzahl von Detektorschaltungen auf einem Halbleitersubstrat aus Silizium angeordnet ist und dass die Fotodioden (PD) auf einem Halbleitersubstrat aus einem Verbindungshalbleiter angeordnet sind.An image sensor device according to claim 1, characterized in that each of the plurality of detector circuits is disposed on a semiconductor substrate made of silicon and that the photodiodes (PD) are disposed on a semiconductor substrate made of a compound semiconductor. Bildsensoranordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Vielzahl von Detektorschaltungen ein Sensorsignal bereitstellt, und dass auf dem Halbleitersubstrat einer oder mehrere Analog-Digital-Umsetzer (ADC) angeordnet sind, die Sensorsignale empfangen und Sensorwörter ausgeben, welche diese Sensorsignale repräsentieren.An image sensor arrangement according to claim 2 or 3, characterized in that each of the plurality of detector circuits provides a sensor signal, and that on the semiconductor substrate one or more analog-to-digital converters (ADC) are arranged which receive sensor signals and output sensor words representing these sensor signals , Bildsensoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass einer oder mehrere digitale Signalverarbeitungsblöcke (DSP) auf dem Halbleitersubstrat angeordnet sind, wobei die digitalen Signalverarbeitungsblöcke (DSP) die Sensorwörter empfangen und Kalibrierwörter liefern, die an die Digital-Analog-Umsetzer (DAC) gesendet werden.Image sensor arrangement according to claim 5, characterized in that one or more digital signal processing blocks (DSP) are arranged on the semiconductor substrate, wherein the digital signal processing blocks (DSP) receive the sensor words and supply calibration words which are sent to the digital-to-analog converter (DAC) , Bildsensoranordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein digitaler Speicher (MEM) auf dem Halbleitersubstrat angeordnet ist, wobei der digitale Speicher (MEM) eine Vielzahl von Kalibrier-Zustandswörtern speichert, die in separaten Speicherzellen gespeichert sind und wobei jeder der Vielzahl von Detektorschaltungen ein Kalibrier-Zustandswort zugeordnet ist.An image sensor arrangement according to claim 2 or 3, characterized in that a digital memory (MEM) is arranged on the semiconductor substrate, wherein the digital memory (MEM) stores a plurality of calibration state words which are stored in separate memory cells and wherein each of the plurality of Detector circuits is associated with a calibration status word. Bildsensoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildsensoranordnung einen Signalausgang (OTX) aufweist und der Signalausgang (OTX) gleichzeitig oder wahlweise bereitstellt: • ein digitales Sensorsignal (OT1), • ein Hochpasssignal (OT2), • ein Tiefpasssignal (OT3).Image sensor arrangement according to claim 6, characterized in that the image sensor arrangement has a signal output (OTX) and the signal output (OTX) simultaneously or optionally provides: • a digital sensor signal (OT1), • a high-pass signal (OT2), • a low-pass signal (OT3). Verfahren zum Betrieb einer Bildsensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es für jede der Vielzahl von Detektorschaltungen beinhaltet: – Eingeben (14) eines Kalibrierworts, welches der Detektorschaltung zugeordnet ist, in einen der Digital-Analog-Umsetzer (DAC), – Generieren (15) eines Kalibriersignals durch den einen der Digital-Analog-Umsetzer (DAC), – Ausgeben (16) des Kalibriersignals an den Kalibriereingang (NCI) der Detektorschaltung, – Speichern (17) des Kalibriersignals in der Detektorschaltung.A method of operating an image sensor array according to claim 1, characterized in that it includes for each of the plurality of detector circuits: - inputting ( 14 ) of a calibration word, which is associated with the detector circuit, in one of the digital-to-analog converter (DAC), - Generate ( 15 ) of a calibration signal by the one of the digital-to-analog converters (DAC), - output ( 16 ) of the calibration signal to the calibration input (NCI) of the detector circuit, - Save ( 17 ) of the calibration signal in the detector circuit. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin beinhaltet: – Senden (10) eines Sensorsignals von der Detektorschaltung an eine Lese-Spaltenleitung (ColR); – Eingeben (11) des Sensorsignals in den Analog-Digital-Umsetzer (ADC); und – Bereitstellen (12) eines Sensorworts für den digitalen Signalverarbeitungsblock (DSP). – Generieren (13) eines Kalibrierworts durch den digitalen Signalverarbeitungsblock (DSP). Method according to claim 9, characterized in that it further comprises: - sending ( 10 ) a sensor signal from the detector circuit to a read column line (ColR); - Enter ( 11 ) of the sensor signal into the analog-to-digital converter (ADC); and - providing ( 12 ) of a sensor word for the digital signal processing block (DSP). - To generate ( 13 ) of a calibration word by the digital signal processing block (DSP).
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