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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf CMOS-Bildsensoren.
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Hintergrund
der Erfindung
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Im
Prinzip liefern CMOS-Bildsensoren eine Reihe von Vorteilen im Vergleich
zu CCD-Bildsensoren. Die CMOS-Erträge sind wesentlich besser als diejenigen
des CCD-Herstellungsprozesses.
Außerdem
sind die minimalen Rauschpegel, die mit CMOS-basierten Sensoren
erreichbar sind, wesentlich niedriger als diejenigen, die mit CCDs
erhalten werden können.
Schließlich
kann das Bild, das in einem CMOS-basierten Bildsensor gespeichert
ist, ausgelesen werden, ohne das Bild zu zerstören.
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CMOS-Sensoren
leiden an Zeitrauschen. Schemen zum Reduzieren von Zeitrauschen
sind in der Technik bekannt. Beispielsweise beschreibt das U.S.-Patent
6,424,375, das hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist, ein aktives
Pixelrücksetzsystem,
das die Effekte von Zeitrauschen reduziert. Der Pixelentwurf, der
in diesem Patent erörtert
wird, erfordert jedoch ein CMOS-Pixel, das eine Anzahl von zusätzlichen
Komponenten aufweist, die verwendet werden, um die Spannung auf
einer Photodiode vor dem Akkumulieren eines Bildes verwendet werden. Diese
zusätzliche
Schaltungsanordnung erhöht
die Größe des Pixels
und erhöht
somit die Kosten eines Bilderfassungsarrays, das diesen Entwurf
verwendet.
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Außerdem gibt
es einen Kompromiss zwischen dem Grad der Rauschreduktion und der
Zeit, die benötigt
wird, um das Pixel zurückzusetzen.
Um eine hohe Rauschreduktion zu liefern, muss die Bandbreite der
Rücksetzschaltung
begrenzt sein. Dies erhöht
die Zeit, die von der Photodiode benötigt wird, um sich bei dem
Rücksetzpotential
zu stabilisieren. Falls die Bandbreite erhöht wird, um eine kürzere Rücksetzzeit
zu liefern, erhöht
sich der Rauschpegel. Somit kann dieser Entwurf nicht sowohl kurze
Rücksetzzeiten
als auch hohe Rauschreduktion liefern.
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Die
US 2003/146993 offenbart einen CMOS-Bildsensor, der eine Photodiode
zum Ausführen
einer photoelektrischen Umwandlung von einfallendem Licht, einen
Rücksetztransistor
zum Rücksetzen
der Spannung bei einer Kathode der Photodiode und eine Spannungssteuerschaltung
zum Steuern des Potentials eines Gatters des Rücksetztransistors während eines
Rücksetzzyklus
umfasst, um dadurch den Ein-Zustand-Widerstand des Rücksetztransistors zu variieren,
um das kTC-Rauschen zu reduzieren, während eine hohe Bandbreite
erreicht wird.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bilderfassungsarray
zu schaffen, das ein reduziertes Rauschen und eine weiter erhöhte Bandbreite
aufweist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Bilderfassungsarray gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung umfasst ein Bilderfassungsarray mit einer
oder mehreren Spalten von Pixeln. Jedes Pixel umfasst eine Photodiode,
die einen ersten und einen zweiten Anschluss, eine lokale Rücksetzschaltung
zum Verbinden des ersten Anschlusses zu einer Spaltenrücksetzleitung
und eine Pufferschaltung zum selektiven Verbinden des ersten Anschlusses
mit einer Spaltenbitleitung ansprechend auf ein Wortauswahlsignal
umfasst. Jede Spalte umfasst auch eine Spaltenrücksetzschaltung mit einem Operationsverstärker und einem
Tiefpassfilter. Der Operationsverstärker weist einen ersten Eingang
auf, der mit der Spaltenbitleitung für diese Spalte verbunden ist,
und einen zweiten Eingang, der mit einem Rücksetzsignalgenerator verbunden
ist, der während eines
Rücksetzzyklus
ein Rücksetzsignal
erzeugt. Der Ausgang des Operationsverstärkers ist während des Rücksetzzyklus mit der Spaltenrücksetzleitung verbunden.
Bei einem Ausführungsbeispiel
weist der Operationsverstärker
einen Gewinn auf, der durch ein Gewinnsteuersignal bestimmt wird.
Der Gewinn des Betriebsverstärkers
wird bei diesem Ausführungsbeispiel
während
des Rücksetzzyklus
variiert. Bei diesem Ausführungsbeispiel
wird das Durchlassband des Tiefpassfilters ebenfalls über den
Rücksetzzyklus
variiert. Das bevorzugte Tiefpassfilter umfasst einen oder mehrere
Kondensatoren, die während
des Rücksetzzyklus
mit der Spaltenrücksetzleitung
verbunden sind.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Zeichnung einer Spalte 100 von Pixeln
in einem zweidimensionalen Bilderfassungsarray.
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2 ist
ein Blockdiagramm eines zweidimensionalen Bilderfassungsarrays 300 zusammen mit
der Rücksetz-
und Decodierschaltungsanordnung, die verwendet wird, um die Pixel
des Bilderfassungsarrays zu betreiben.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele
der Erfindung
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Die
Art und Weise, wie die vorliegende Erfindung ihre Vorteile liefert,
ist mit Bezugnahme auf 1 leichter verständlich. 1 ist
eine schematische Zeichnung einer Spalte 100 von Pixeln
in einem zweidimensionalen Bilderfassungsarray.
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Mit
Bezugnahme auf 1 ist ein Bilderfassungsarray
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung aus einer Mehrzahl von Pixeln aufgebaut,
die in einem rechteckigen Array mit M Spalten und N Zeilen organisiert
sind. 1 zeigt eine Spalte von Pixeln. Beispielhafte
Pixel sind bei 131 und 134 gezeigt. Jedes Pixel
hat drei Komponenten, eine Photodiode 112, eine lokale
Rücksetzschaltung 101 und
einen Ausgangsverstärker.
Der Ausgangsverstärker
besteht aus Transistoren 114 und 116. Der Transistor 116 wird
verwendet, um den Ausgang von dem Transistor 114 selektiv
mit einer Spaltenausgangsleitung 118 zu koppeln, die verwendet wird,
um ein Signal, das dieses Potential auf der Photodiode 112 darstellt,
mit einem Spaltenausgangsverstärker 61 zu
koppeln. Das ausgewählte
Pixel ist durch ein Signal auf der entsprechenden Wortleitung 121 mit
der Ausgangsleitung 118 verbunden.
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Die
lokale Rücksetzschaltung 101 besteht aus
Transistoren 122 und 108 und einem Kondensator 111.
Obwohl der Kondensator 111 als eine getrennte Schaltungskomponente
gezeigt ist, sollte angemerkt werden, dass der Kondensator 111 bei
einigen Ausführungsbeispielen
durch die parasitäre
Kapazität
des Transistors 122 ersetzt werden kann. Der Transistor 122 koppelt
das Gate des Transistors 108 mit einer Spaltenrücksetzleitung 158 ansprechend auf
ein Signal auf der entsprechenden Rücksetzleitung. Beispielhafte
Wortrücksetzleitungen
sind bei 141 und 151 gezeigt. Zu jedem Zeitpunkt
ist nur ein Pixel in jeder Spalte mit der Spaltenrücksetzleitung 158 gekoppelt.
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Jede
Spalte von Pixeln umfasst auch eine Spaltenrücksetzschaltung 60,
die einen Verstärker 40 und
einen Kondensator 30 umfasst. Bei dem in 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung umfasst der Verstärker 40 eine Mehrzahl
von Operationsverstärkern,
die parallel geschaltet sind. Beispielhafte Verstärker sind
bei 41 und 42 gezeigt. Jeder Verstärker umfasst
eine Gatterschaltung, die bestimmt, ob der Verstärker EIN oder AUS ist. Die
Gatterschaltungen für
die Verstärker 41 und 42 werden
durch geeignete Signale auf den Steuerleitungen 44 bzw. 45 gesteuert.
Gleichartig dazu ist bei diesem Ausführungsbeispiel der Kondensator 30 aus
einer Mehrzahl von Kondensatoren aufgebaut, die parallel geschaltet
sind. Beispielhafte Kondensatoren sind bei 31 und 32 gezeigt.
Jeder Kondensator hat einen entsprechenden Schalter, der bestimmt,
ob der Kondensator mit der Spaltenrücksetzleitung 158 verbunden
ist oder nicht. Die Schalter, die den Kondensatoren 31 und 32 entsprechen,
sind bei 33 bzw. 34 gezeigt.
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Um
den grundlegenden Rücksetzzyklus
besser zu verstehen, nehme man an, dass nur einer der Komponentenverstärker und
Kondensatoren mit der Spaltenrücksetzleitung 158 verbunden
ist, z.B. der Verstärker 41 und
der Kondensator 31. Man nehme an, dass das Pixel 134 zurückzusetzen
ist. Der Rücksetzzyklus
kann in zwei Zeitperioden unterteilt werden. Am Anfang des Rücksetzzyklus
ist die Spaltenrücksetzleitung 158 durch
Schließen
des Schalters 50 mit dem Rücksetzverstärker verbunden. Außerdem wird
die Rücksetzleitung 151 angehoben,
um das Gate des Transistors 108 mit der Rücksetzleitung 158 zu
verbinden, und der Transistor 108 wird über die Rücksetzleitung 152 mit
Vdd verbunden. Der Ausgang des Verstärkers 41 wird dann
kurz geerdet. Der Verstärker 41 wird
dann über
eine Anschlussleitung 43 mit dem Signalgenerator verbunden.
Während
der ersten Zeitperiode wird der negative Eingang des Operationsverstärkers, Vr,
linear auf ein maximales Potential erhöht. Wenn Vr das Potential auf
der Photodiode 112 plus die Schwellenwertspannungen der
Transistoren 108 und 114 überschreitet, erhöht sich
das Potential auf der Photodiode gleichermaßen auf einen maximalen Wert.
Während
der zweiten Zeitperiode wird Vr bei seinem maximalen Wert konstant
gehalten. Das Potential auf der Photodiode 112 erhöht sich
während
dieser Zeitperiode aufgrund des Transistors 108. Dies bewirkt,
dass der Aus gang des Verstärkers 41,
der mit der Rücksetzleitung 158 verbunden
ist, fällt,
bis seine unterschiedlichen Eingänge
bei etwa dem gleichen Potential sind. Der Potentialabfall auf der
Rücksetzleitung 158 schaltet
den Transistor 108 ab und das Potential auf der Photodiode 112 kann
sich dann während
der zweiten Zeitperiode einschwingen. Während dieser zweiten Zeitperiode
ist die Photodiode kapazitiv mit der Rücksetzleitung 158 gekoppelt, über das
Gate zu der Source-Kapazität
des Transistors 108. Die kapazitive Kopplung mit der Photodiode 112 bildet
eine Rückkopplungsschleife
um den Verstärker 41.
Diese Rückkopplungsschleife
wird verwendet, um das Rücksetzrauschen
auf der Photodiode 112 zu reduzieren. Das Einschwingen
der Rückkopplungsschleife
folgt einer typischen RC-Zeitkurve und somit ist die Einschwingzeit
umso länger,
je größer die
Kapazität.
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Der
Rauschpegel, d. h. die Schwankungen bei dem Rücksetzpotential auf der Photodiode
hängt auch
von dem Wert des Kondensators 31 ab. Es kann gezeigt werden,
dass das Rauschen in dem Rücksetzwert
etwa gegeben ist durch: Rauschen = kTC/(1 + Aβ)2 + f(Bandbreite),wobei kT die Boltzmannsche
Konstante mal absolute Temperatur ist, C die Kapazität der Photodiode 112 ist,
A der Verstärkungsfaktor
des Verstärkers 41 ist, β der Rückkopplungsschleifengewinn
ist und f eine Funktion der Bandbreite der Rücksetzschleife ist, die sich
mit erhöhender
Bandbreite erhöht.
Um somit das geringste Rauschen zu liefern, sollte der Verstärkungsfaktor
maximiert werden, während
die Bandbreite der Rücksetzschleife
minimiert wird. Die Bandbreite der Rücksetzschleife wird bei diesem
Beispiel durch die Kapazität
des Kondensators 31 gesteuert. Je größer die Ausgabekapazität des Verstärkers 40, umso
kleiner ist die Verstärkerbandbreite.
Außerdem muss
eine kleine Bandbreite verwendet werden, falls ein großer Verstärkungsfaktor
verwendet wird, um das Rauschen zu minimieren, das sich aus dem
ersten Term in der obigen Gleichung ergibt. Leider, wie es oben
angemerkt ist, wird die Zeit, die die Photodiode zum Einschwingen
auf das Rücksetzpotential benötigt, ebenfalls
durch die Bandbreite der Rücksetzschleife
bestimmt, daher führen
kleinere Bandbreiten zu erhöhten
Einschwingzeiten. Somit können ein
einzelner Verstärker
und ein Kapazitätswert
nicht sowohl niedriges Rauschen als auch schnelle Rücksetzzeiten
liefern.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
Erfindung wird dieses Problem überwunden durch
Verwenden eines Verstärkers
mit einem Verstärkungsfaktor,
der im Lauf der Zeit über
dem Rücksetzzyklus
variiert. Gleichartig dazu wird die Bandbreitenbegrenzungskapazität ebenfalls
im Lauf der Zeit variiert. Am Anfang des Rücksetzzyklus werden ein kleiner
Verstärkungsfaktor
und eine große
Bandbreite verwendet, um das Potential auf der Photodiode 112 zu
einem Wert nahe dem gewünschten
Rücksetzpotential
zu bewegen. Sobald das Rücksetzpotential
nah an seinem Endwert ist, werden ein größerer Verstärkungsfaktor und eine kleinere
Bandbreite verwendet, um den Rauschpegel zu reduzieren. Da das Rücksetzpotential
nah an seinem Endwert ist, wenn der Wechsel auftritt, wird die Einschwenkzeit nicht
wesentlich erhöht,
da die Spannungsänderung, die
bei der reduzierten Bandbreite aufgenommen werden muss, relativ
klein ist.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
wird die Änderung
bei der Verstärkung
und der bandbreitenbegrenzenden Kapazität durch Wechseln des ausgewählten Verstärkers und
Kondensators implementiert. Wie es oben angemerkt wurde, umfasst
der Verstärker 40 eine
Mehrzahl von Operationsverstärkern. Jeder
Operationsverstärker
hat bei diesem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung einen anderen Gewinn. Somit kann durch
Wechseln des ausgewählten
Verstärkers
während
des Rücksetzzyklus der
Verstärkungsfaktor
effektiv variiert werden. Gleichartig dazu wird der Kondensator 30 als
eine Mehrzahl von Kondensatoren implementiert, die an vorbestimmten
Punkten in einem Rücksetzzyklus
in die oder aus der Rücksetzschleife
geschaltet werden können.
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Nachfolgend
wird auf 2 Bezug genommen, die ein Blockdiagramm
eines zweidimensionalen Bilderfassungsarrays 300 zusammen
mit der Rücksetz-
und Decodierschaltungsanordnung ist, die verwendet wird, um die
Pixel des Bilderfassungsarrays zu betreiben. Das Bilderfassungsarray 300 ist aus
einer Mehrzahl von Spalten von Pixeln aufgebaut, die so aufgebaut
sind, wie es oben mit Bezugnahme auf 1 erörtert ist.
Die Pixel sind in ein rechteckiges Array 301 organisiert,
das N Spalten und M Zeilen aufweist. Alle Pixel auf einer bestimmten
Zeile sind mit der gleichen Wortleitung und Wortrücksetzleitung
verbunden. Jede Spalte von Pixeln hat eine Rücksetzschaltung, wie diejenige,
die mit Bezugnahme auf 1 erörtert ist. Die N Spaltenrücksetzschaltungen
sind bei 302 gezeigt. Eine beispielhafte Spalte von Pixeln
ist bei 310 gezeigt und die entsprechende Spaltenrücksetzschaltung
ist bei 311 gezeigt. Eine beispielhafte Zeile ist bei 312 gezeigt.
Ein einzelner Rücksetzsignalgenerator 303 liefert
das Rücksetzsignal
für alle
Spalten.
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Alle
Pixel in einer Zeile können
parallel gelesen und zurückgesetzt
werden. Die fragliche Zeile wird durch eine Adresse bestimmt, die
in die Wortdecodierschaltung 305 eingegeben wird. Wenn
eine Zeile zum Lesen ausgewählt
wird, sind N analoge Signale zum Lesen verfügbar, eines von jeder Spalte. Falls
ein einzelner Pixelwert auszugeben ist, kann eine Spaltendecodierschaltung 304 verwendet
werden, um die gewünschte
Spalte auszuwählen.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung umfasst die Ausleseschaltungsanordnung einen Analog/Digital-Wandler
(RDC), der den analogen Wert in einen digitalen Wert wandelt, der
von dem Bilderfassungsarray ausgegeben wird. Ausführungsbeispiele,
die die analoge Spannung ausgeben, die von dem Bilderfassungsarray
konvertiert ausgegeben wird, können
ebenfalls praktiziert werden.
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Alternativ
kann die Ausleseschaltung einen ADC pro Spalte umfassen. In diesem
Fall speichern die ADC-Latch-Speicher vorzugsweise die umgewandelten
Ergebnisse. Die Ergebnisse können
dann in einer Reihenfolge ausgelesen werden, die durch die Spaltenauswahlschaltung 304 spezifiziert
ist.
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Es
sollte angemerkt werden, dass die vorliegende Erfindung gut geeignet
ist für
Anwendungen, bei denen nur ein Teilsatz aller Pixel in dem Array
verwendet werden. Beispielsweise stellt bei automatischen Digitalkameras
die Kamera den Fokus und die Belichtung ein durch Untersuchen eines
Teilsatzes der Pixel in einem Bild. Der Fokus wird typischerweise
mit Bezugnahme auf eines einer vorbestimmten Mehrzahl von Unterfeldern
in dem Sichtfeld eingestellt. Die Belichtung wird typischerweise
eingestellt durch Messen der Lichtintensität einer vorbestimmten Menge
an Pixeln, die mehr oder weniger zufällig in dem Sichtfeld platziert
sind.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
es, dass alle oder ein Teilsatz der Pixel in jeder Zeile ausgelesen
werden. Gleichartig dazu kann jeder Teilsatz der Pixel in jeder
gegebenen Zeile zurückgesetzt werden.
Wenn somit eine Messsequenz, die nur einen Teilsatz der Gesamtpixel
umfasst, benötigt
wird, müssen
nur diese Pixel gelesen und zurückgesetzt werden.
Da das Lesen und Rücksetzen
des gesamten Bildes eine beträchtliche
Zeitdauer erfordern kann, kann dieses Zufallszugriffsmerkmal die
Zeit wesentlich verkürzen,
die benötigt
wird, um die korrekte Belichtung und Fokus zu berechnen.
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Außerdem ist
die Leistung, die bei solchen Teilauslese- und -rücksetzoperationen
verbraucht wird, wesentlich geringer als diejenige, die bei Systemen
verwendet wird, bei denen das gesamte Bild gelesen und zurückgesetzt
werden muss. Digitalkameras werden im Allgemeinen durch Batterien
betrieben. Somit liefert die vorliegende Erfindung eine Einrichtung
zum Erhöhen
der Anzahl von Bildern, die aufgenommen werden kann, bevor die Batterie
ersetzt werden muss.
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Verschiedene
Modifikationen der vorliegenden Erfindung werden für Fachleute
auf diesem Gebiet anhand der vorhergehenden Beschreibung und der
beiliegenden Zeichnungen offensichtlich werden. Folglich ist die
vorliegende Erfindung nur durch den Schutzbereich der folgenden
Ansprüche
begrenzt.