TWI322577B - Lossless nonlinear analog gain controller in image sensor and manufacturing method thereof - Google Patents

Description

1322577 21734pif.doc 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於一種影像感測器，且更特定言之，是關 於CMOS影像感測器（CIS)型影像感測器 恳 線性類比增益控制器。 …、秩^貝非 【先前技術】 CMOS影像感測器通相於鮮型相機、數位 網路相機及其類似物中以將影像轉換為數位作號、 CMOS—影像制器輸出之數位影像錢含抄、^ = 影像貢料。處理數位影像信號以驅動諸如液示哭: 示裝置。 負 CMOS影像麵器使射目關雙重取樣（咖）方 使用斜坡錢以自轉CDS方絲樣之重設信號鱼 信號之_差異產生數位信號。亦即，CM〇s影像感:哭 檢取基於照贿件㈣的重設信號與f彡像錢之^ 異，且產生對應於差異之數位碼。數位碼視在相同照 件下斜坡鎌之斜率而定地變化。為在相同 件= 持惺定光度或亮度，當在顯示裝置上顯示由c 測器獲取之影像時，斜坡信號必須是蚊的。知像感 然而，當景物之動態範園等於感測器之動態 一藉由使斜坡信號保持恆定來护 捭只 Q守， 資料耗損，例如’當增加類比；益以導致 亮區（highlight)。 〜^餘和化高 許多CMOS影像感測以有―展示對光之線性回應 1322577 21734pif.doc 的像素陣列。近來，已引入包含非線性類比像素或智慧型 像素（smart pixel)之感測器以增加感測器之動態範圍。 然而’當像素陣列中之電晶體失配時，對數感測器（1〇g sensor)受過量固定圖案雜訊（FPN)之損害。歸因於對數 感測器之持續操作，由於不可使用CDS方法，雜訊敏感性 及影像品質可退化。另外，歸因於像素陣列中之電晶體之 數目’像素尺寸變大。 【發明内容】 根據本發明之示範性實施例，影像感測器包括一主動 像素感測器（AP S )陣列、一第一類比至數位轉換器（AD c ) 及一斜坡信號產生器。APS陣列包含排列於二維矩陣中之 多個像素，其中APS陣列產生用於選定行之每一像素的重 設信號及影像信號。第一 ADC包含用於APS陣列之每一 行的相關雙重取樣（CDS)電路，其中第一 ADC使用施加 至用於每一行之CDS電路的輸出斜坡信號而產生對應於 重设k號與影像信號之間之差異的數位碼。斜坡信號產生 器產生輸出斜坡信號’其中低照明部分與高照明部分具有 不同斜率。 斜坡信號產生器可減小低照明部分中的輸出斜坡信號 之斜率且可增加光照明部分中的輸出斜坡信號之斜率。 根據本發明之示範性實施例，斜坡信號產生器藉由參 考另一經校準斜坡信號及一對應於經校準斜坡信號之半振 幅的中值電壓而分別產生用於高於中值電壓之電壓及低於 中值電屋之電壓的折$電流（folding current)，且基於產 1322577 21734pif.doc # .. 生之折疊電流產生輸出斜坡信號。 根據本發明之示範性實施例，一斜坡信號產生器包 • 括：一使用經校準斜坡信號之反饋產生參考碼之第二 ADC ; —作為數位目標碼與參考碼之比較結果而產生類比 斜坡彳s號的追縱單元（tracking unit); 一基於斜坡輸入信 號而產生經校準斜坡信號之第一斜坡產生器；一非線性卖貝 比增益控制器，其基於第一斜坡信號及等於第一斜坡信鱿 鲁 之中值振幅的中值電壓而分別產生用於高於中值電壓之^ ，及低於中值電壓之電壓的折疊電流；以及一基於折疊電 流及斜坡輸入信號產生輸出斜坡信號的第二斜坡產生器。 筝考CDS輸入電壓可包括一第一電壓及一第二電 ^ /、中第笔壓與第二電壓之至少一者等於中值電壓。 ^可自藉由單電阻器串分壓之電壓而供應用於產生斜坡 信號之基，電壓（base v〇ltage)、第一及第二電壓、中值 電壓以及每一色彩通道所需之輸入電壓。 、、根據本發明之示範性實施例，一驅動影像感測器之方 ·=包括二產生用於主動像素感測器（APS)陣列中之-選 疋1Γ之每一像素的重設信號及影像信號，所述主動像素感 測裔（APS)陣列包含排列於二維矩陣中之多個像素；使 用APS陣列之每一行之相關雙重取樣（CDS)電路中的輸 出斜坡信號產生-對應於重設信號與影像信號之間之差異 2脈波I度彳° 7虎，及產生對應於脈波寬度信號之數位資 2，藉▲由接收經校準斜坡信號之反饋而產生一為對應於參 通比輸人電叙數位碼的參考媽；作為雜於數位碼範 8

(C 21734pif.doc 圍内的中位值之數位目標碼與參考碼之比較結果而產生一 經校準斜坡信號；使用經校準斜坡信號及非雜類比增益 控制器產生-折疊電流；以及藉由施加折疊電流至斜坡產 生器來產生輸出斜坡信號。 輸出斜坡信號可在低照明部分具有較小斜率而在高照 明部分具有較大斜率。 根據本發明之示範性實施例，產生輸出斜坡信號包 括：藉由接收經校準斜坡信號之反饋來產生一對應於參考 CDS類比輸入電壓之參考碼；作為數位目標碼與參考碼之 比較結果而產生一類比斜坡輸入信號；基於斜坡輸入信號 產生經校準斜坡信號；基於第一斜坡信號及對應於第一斜 坡^5號之半振幅的中值電壓而分別產生用於一高於中值電 壓之電壓及一低於中值電壓之電壓的折疊電流；以及基於 折疊電流及斜坡輸入信號產生輸出斜坡信號。 根據本發明之示範性實施例，產生折疊電流包括：產 生一偏壓電壓（bias voltage);使用第一斜坡信號之預定加 權值而產生中值電壓之一校準輸入；基於第一斜坡信號、 权準輪入及偏壓電壓產生一第一電流；基於第一斜坡信 號、校準輪入及偏壓電壓產生一第二電流；藉由自第一電 流減去第二電流來產生折疊電流。 【實施方式】 下文中，將參看所附圖式詳細描述本發明之示範性實 施例。在圖之說明中’相同參考數字指相似或相同元件。 圖1展示根據本發明之示範性實施例之CMOS影像感 1322577 21734pif.doc

測器100。參看圖1，影像感測器100 &含主動像素感測器 (APS)陣列110、列驅動器12〇、斜坡信號產生器⑽以 及第一類比至數位轉換器（ADC)】.5〇。第一 adc 15〇勺 含相關雙重取樣（CDS)電路陣列13〇。 I —列驅動益120自列解碼器（未圖示）接收控制信號。 行解碼為（未圖不）控制儲存於鎖存電路陣列中的 素資料之輸出。影像感測器削可包含—控制單元（未圖 不）’其產生用於包含具有CDS電路陣列13〇之第一 adc 制斜坡L號產生益14◦的影像感測器之總時序控 圖2展示根據本發明之示範性實施例，圖丨之Aps陣 感3 ^ ° ⑽可為色彩影像 ij 1^。_在圖2中所示’色彩過遽器安裝於形成APS陣 丄接階矩陣型像素上，以便僅透過具有預定色彩之 排列種類型之色彩過渡器。色彩過渡器陣列可 紅R及蜂r圖木（BayerPattem)中，其中在交替行中使用 之二声:安過濾器之二色圖案以及綠Gb及藍B過濾器 G 二為了增強亮度解析率，可在每一行中使用綠 濾器/ 過渡裔，且在交替行中使用紅11及藍6過 ，具有《 2之像素結構的影像感測器中，必陣 生号光電二極體偵測光，且將光轉換為電信號以產 綠i H。自心陣列110輸出之影像信號包括紅R、 及Gb、以及監B類比信號。包含cds電路陣列13〇 1322577 21734pif.doc 之第- ADC 15〇根據CDS方法將自Aps陣列⑽ 類比信號轉換為數位信號。 ’j出之 圖3展示根據本發明之示範性實施例，用於 電路_ 130之每-行的單元⑽電路·。參看圖 3，單兀CDS電路300包含開關S1至料 一第-放大器誦及-第二放大器着2 APS陣列11〇包含用於每—像素之—光電二極體 ==驅動器120產生之行選擇信號sel而被順序選 ΓΓί:之母一者，APS陣列110輸出-重設信號侧 及一由光電二極體偵測之影像信號VSIG至-單元CDS雷

t 3電藉由使用-斜坡信號VRAMP ’二於影像信號VSK}與重設信號VRES之間之 差異的脈波寬度作號y Cm Μ / 1 i L 舉例而言，當重設信號v㈣ S4全部打門^入至單元CDS電路300時，開關S1至 電二極=於娜陣歹110之每一像素中的光 ± 版、'、丨之衫像彳§號VSIG輸入至CDS電路300 %，僅開關S1及S2 h 旦1 / 號娜之資簡^。感號腦相對於重設信 貝。孔儲存於電容器C1及C2中。 nil 5據本發明之示範性實施例，產生用於圖1 之類比至數位轉換哭 口 S1、S3以及S4關門:數位碼的方法。參看圖4，在開關 VRAMP。自啟動^開關幻打開的情況下啟動斜坡信號 VRAMP t 从碰時起，隨著斜坡信號 一放大器撕1之比較操作而増加，第 私入歸因於電容器（^與口之耦合效應 1322577 21734pif.doc 而增加。，第一放大器ΑΜρι之輸入變得大於第一放大器 AMP1之邏輯臨限電壓（VTH)時，圖3之輸出電壓乂加 自遴輯低位準觸發至“高”位準。產生於APS陣列 110中之重没信號VR£S與影像信號VSIG之間的差異愈 大，CDS電路300之輸出信號VCDS之觸發愈慢。

社尽敛月之示範性實施例中，第一 ADC ]5〇使用單斜 率架構。第-ADC 15G使用計數器丨5i之數位輪出碼作為 一對應於自啟動斜坡信號VRAMp時起，用於觸發cds 電路300之輸出電壓VDS之時序的參考時脈計數 (reference clock count)。 蒼看圖1及3 ’第一 ADC 150包含計數器151及鎖存

=路陣列152。鎖存電路㈣152接收用於每—行之CDS :路3GG之輸出。當啟動且增加第二斜坡信號娜2 ¥，計數ϋ 151㈣計數時脈脈波之數目直至cds電路陣 歹J13〇之輸出信號VCDS自邏輯‘‘低，，觸發至“高”。 ，電路陣列152之每—行電路儲存計數器151之二位^ 每—水平掃描週期執行此操作，在每—水平掃描 =:列驅動器120產生之行選擇信號狐選擇Μ 财/々之母—行。在T—階段可在處理器中處理儲存於 f = _ 152中的數位信號以驅動諸如液晶顯示器 UXJ))之顯示設備。 應於=本發明之示範性實施例，斜坡信號產生器⑽回 :斜線性方式校準用於CDS電路陣列130中的第 —斜坡㈣VRAMP2之斜率。為了防止感·之最大

12 以 2/yn φ 21734pif.doc # 範圍減小（其當線性斜坡信號之斜率由使用第- ADC 150 舰妓料發生），舰增益須在 父大而在高照明下較小，以即使在景物動態範圍 =取士感.動態範圍時也可防止資料耗損。根據本發 2=實施例’在以類比方式自動校準斜坡信號之斜 ^ '中’對於陰影資料（低照明）可減小增益，而對 於高亮區資料（highlightdata)(高照明）無資料耗損。

，5是根據本發明之示範性實施例，圖〗之斜坡信號 產生器M0之方塊圖。參看圖5,斜坡信號產生器⑽°包° 含第二ADC 142'追縱單元143、第一斜坡產生器144、 非線性類比增益控制器145以及第二斜坡產生器146。在 本發明之7F範性實施例中，第二ADC 142使用單斜率架 構0 第二ADC 142包含CDS電路142-1、鎖存電路142_2 以及共同計數器151。CDS電路142-卜鎖存電路142_2以 及共同計數器151 ▼具有實質上與圖3中展示之CDS電路 相同之結構。鎖存電路142·2可具有實質上與圖丨之鎖存 黾路陣列I52之鎖存電路相同之結構。CDS電路142-1取 樣參考CDS類比輪入電壓DELTA或VL〇w及VmGH。 在每一校準過程中，待反饋之經校準第—斜坡信號 VRAMP1之斜率進行變化直至其收斂於目標斜率上。藉由 自啟動第一斜坡信號VRAMP1時起使用校準第—斜坡信 號VRAMP1 ’自啟動第一斜坡信號VRAMpi時起當c〇s 電路142-1之輸出電壓變化時，第二ADC 142儲存計數器

13 1322577 21734pif.doc (例如共同計數器151)之數位輪出碼於鎖存電路 142-2 中。 追蹤單元143包含目標追蹤單元143-1及DAC 143_2。目標追蹤單元Mil將一數位目標碼TGT與參考 碼SCD比較以基於比較結果產生一數位值。DAC 143_2將 產生之數位值轉換為一類比值以產生一斜坡輸入信號 RAMPIN以供應至第-斜坡產生器144及第二斜坡產生哭 146。第一斜坡產生器144產生第—斜坡信號VRAMpi以 供應至非線性類比增益控制器145及第二斜坡產生器146。 輸入至目標追縱單元143-1之數位目標碼TGT可具有 在數位資料範圍之中間雜定值。—下—階段處理器由輸 入至圖5之非線性類比增益控㈣145的職控制信號 GC1、GC2、.......GCN控制。當使用一使用圖1之單斜 τ ADC的景〉像感測裔時，由於第—斜坡信號乂以邊工是 線性的，第-斜坡信號VRAMpi具有一怪定斜率，但第二 斜坡信號VRAMP 2之斜率視_條件而定地進行變化。回 應於輸人至CDS電路之參考類比電壓赃从 及VHIGH而產生的參考碼SCD收敛於數位目標碼 GT上。目標追蹤單元icq設定由第二AD(：l42產生的 等於數位目科TGT之參考碼SCD。參考咖電塵 delta或VMID及VHIGH可具有在數位範圍之中間的ς 且可由CDS電路142-1取樣。 圖6展示包含圖5之第二ADC142、非線性類比择兴 控制器145以及斜坡產生器的類比輸入電路6〇〇。參^ = 14 21734pif.doc 電路600包括—能帶隙參考（臓）電路以 避免末自電源雜訊之干擾。容伽带咖。。丄 接地之門讀個為在bgr輸出端與 串 由電阻器分壓之電壓可用作輸入至 CDS電路142-1的參考類比電壓败从或v_及 vmGH、-用於非線性類比增益控制器145之操作中的中 值電，VMIDf及—祕第—斜坡產生器144及第二斜坡 產生器146之操作中的基準電壓仰細。巾值電壓種d 對應於電壓VHIGi^VBASE之幢鱗，麟於第一斜 坡信號yRAMPl之中值振幅，如在圖1G中所示。在本發 明之示範性實關巾，由電阻料分壓之某些電壓被用以 滿足用於每一色彩通道之第一斜坡信號VRAMP1之目標 斜率。當使BGR電路及單電阻器串電路供應各種類比 輸入電壓時，輸入電壓變得對電源雜訊及溫度變化較不敏 感。 參看圖5，第一斜坡產生器144產生基於斜坡輸入信 號RAMPIN來校準的第一斜坡信號VRAMpi以供應至非 線性類比增益控制器145及自動校準第二ADC142。非線 性類比增益控制器145藉由參考第一斜坡信號VRAMP1 及寺於弟一斜坡信號VRAMP1之中值振幅的中值電廢 VMID來產生一折疊電流Icon。第二產生器146基於折叠 電流Icon及斜坡輸入信號RAMPIN產生第二斜坡信號 VRAMP2，且輪出第二斜坡信號VRAMP2至cos電路陣 列 130。 圖7是根據本發明之示範性實施例，圖5之非線性類 丄322577 21734pif.doc = 電路。非線性類比增益控制請包 但F·、—電机產生益Μ4以及電流減法電路145‘5。 =電路145-2包含電流源Iref&M〇SFETMi，

^參考偏壓電壓VB以維持電源取與接地vss之間 的怪定電流Iref。輸人校準單a 145]包含第—放大器 AMP1、第二放大器AMP2以及電阻器ri至似。輸入^ ^單元145-i _電阻器R1至R4而指派一預定加權值至 第一斜坡產生器144之第一斜坡信號VRAMpi，且產生反 映中值電壓VMID周圍之加權值的校準輸入VWRAMp。 輸入校準單元145-1之輸出VWRAMp可用作不具有 加權值之中值電壓VMID。由輸入校準單元145-1產^之 才父準輸入VWRAMP被輸出至第一電流產生器145_3及第 二電流產生器145-4。

第一電流產生器145-3包含M0SFETM12及M22,且 基於第一斜坡信號VRAMP1、校準輸入vwRAMP以及偏 壓電壓VB而產生第一電流I!。第二電流產生器145-4包含 MOSFET M23及M13，且基於第一斜坡信號VRAMP1、 校準輸入VWRAMP以及偏壓電壓VB而產生第二電流12。 如在圖7中所示，用於產生第一電流LiMOSFETMU及 M22與用於產生第二電流12之MOSFET M23及M13是電 性連接的。接收偏壓電壓VB之MOSFET Mil及M21可 具有相等尺寸，且M0SFETM12及M13與MOSFETM22 及M23可具有相等尺寸。根據本發明之一示範性實施例， 1322577 21734pif.doc 0 MOSFET M22及M23大於MOSFET M12及M13且使用第 ·' 一電流&與第二電流之間的差異產生折疊電流ICON。為 • 了使用M0SFET之間的電導（gm)差異，當產生第一電 流Ιι時’接收校準輸入VWRAMP之MOSFETM22須大於 接收第一斜坡信號VRAMP1之MOSFET M12，且當產生 第二電流la時’接收第一斜坡信號VR^MPl之MOSFET M23須大於接收校準輸入VWRAMP之M0SFETM13。 ^ 電流減法電路145-5自第一電流I]減去第二電流ι2以 產生折疊電流IC0N。根據第一斜坡信號VRAMP卜自輸入 校準單元145-1輸出之校準輸入VWRAMp、以及基於與中 值電壓VMID之比較的減法結果之極性及大小，折疊輸出 電流Icon。當第一斜坡信號VRAMP1與校準輸入 VWRAMP之間的差異倒轉時，第一電流l與第二電流工2 之間的減法結果之極性倒轉。 圖8是根據本發明之示範性實施例，圖5之第二斜坡 產生益146之電路圖。參看圖8，第二斜坡產生器146包 _ 含放大器i46」、電容器146-2、電阻器146-3以及重設開 關。放大器146-1回應於基準類比電壓VBASE之輸入及 來自追蹤單元143之斜坡輸入信號raMPIN而操作以輸出 第二斜坡信號VRAMP2。電容器146-2及重設開關在放大 器146-1之輸入與輸出節點之間連接。電阻器146_3產生 一積分電流1^且連捿在斜坡輸入信號RAMPIN節點與放 大器146-1輸入節點之間。開關146_4控制每一邏輯低情 況下的斜坡信號VRAMP之啟用時間。 _ 17 21734pif.doc 在本發明之示範性實施例中，為了產生一非線性斜破 信號以實施一非線性類比增益，將自電流減法電路1454 獲知之折®電流Icon施加至第二斜坡產生器146。 圖9是根據本發明之示範性實施例，相對於圖5之第 一斜坡產生器之輸出的非線性類比增益控制器之輸出電流 特徵之圖表。糊而言，在其巾輸人至非雜類比增益控L 制器145之第一斜坡信號VRAMpi是正的（如在圖9中戶= 示）但小於中值電壓VMID的區中，當將來自電流減法電 路145-5之折疊電流ic〇N施加至第二斜坡產生器時， 第二斜坡信號VRAMP2之斜率變小，如在圖1〇中所示。 在其中第一斜坡信號VRAMpi是負的（如在圖9中所示） 但大=中值電塵VMID的區卜當來自電流減法電路145·5 之折豐電流ICON自第二斜坡產生器146輸出時，第二斜坡 尨號VRAMP2之斜率變大，如在圖1〇中所示。亦即，第 二斜坡信號VRAMP2之斜率可在低照明部分較小而在高 照明部分較大，且可將由圖丨之第一 ADC丨5〇產生之數位 碼分為寬灰階之低照明資料及窄灰階之高照明資料。根據 本發明之示齡實_，即使在增益增加以強調低照明部 分之資料時，景物動態範圍仍可保持在最大動態範圍内， 而在高照明部分無資料耗損。 如上文所述，根據本發明之示範性實施例的影像感測 态100藉由參考由第一斜坡產生器144校準之第一斜坡信 號VRAMP1及等於經校準第一斜坡信號VRAMpi之中值 振幅的中值電壓VMID而分別產生用於高於中值電壓之電 1322577 21734pif.doc % 壓及低於中值電壓VMID之電壓的折疊電流Ic〇N。 第二斜坡產生器146回應於折疊電流ICON而產生非線 性第二斜坡信號VRAMP2以供應至第一 ADC 150。

根據本發明之示範性實施例的影像感測器可使用一非 線性類比增益控制器之折疊電流Icon來增亮陰影（低照明） 而在咼売區（高照明）中無資料耗損，且在任何螢幕組態 中可達成具有最佳壳度之高品質顯示影像，以使得感測器 之最大動態範圍在任何增益控制條件下不受影響，藉此容 許類比伽瑪（gamma)補償而無品質退化。 根據本發明之不範性實施例的影像感測器容許較高圖 框速率（frame rate)。若需要，經由習知斜坡斜率控制之 增益控制亦是可能的。 儘管已為說明之目的參看所_式詳細描述本發明之 示範性實施例，但應瞭解，發明性過程及設備不應^ 示範性實酬所限定。熟習此項技術者„於_易見， 在不脫離本發日狀範如情灯，可對#騎範性 作出各種修改’因此’本發明之健範圍當視附加之 ^利範圍（其中包含中請專利範圍之等效物）所界定者= 圖式簡單說明】 當參看所附圖式閱讀本發明之示範性每 時，本發明對於-般熟習此項技術者而言將’變；易於;: 易見。 、 實施例之影像感測 圖1展示一根據本發明之示範性 1322577 « 21734pif.doc 鲁 器。 - 圖2展示根據本發明之示範性實施例，圖1之主動像 • 素感測器陣列之色彩過濾器圖案。 圖3展示根據本發明之示範性實施例，用於圖1之 CDS電路陣列之每一行的單元相關雙重取樣（CDS)電路。 圖4說明根據本發明之示範性實施例，產生用於圖1 之類比至數位轉換器之數位瑪的方法。 圖5是根據本發明之示範性實施例，圖1之斜坡信號 •產生器之方塊圖。 圖6展示根據本發明之示範性實施例，由圖5之單斜 率（single-slope ) ADC、非線性類比增益控制器以及斜坡 產生器組成的類比輸入電路。 圖7是根據本發明之示範性實施例，圖5之非線性類 比增益控制器之電路圖。 圖8是根據本發明之示範性實施例，圖5之第二斜坡 產生器之電路圖。 • 圖9是根據本發明之示範性實施例，相對於圖5之第 一斜坡產生器之輸出的非線性類比增益控制器之輸出電流 特徵之圖表。 圖10是展示根據本發明之示範性實施例，相對於圖5 之非線性類比增益控制器之輸出電流而變化的斜坡信號斜 率之圖表。 【主要元件符號說明】 100 :影像感測器 20 1322577 21734pif.doc 110:主動像素感測器（APS)陣列 120:列驅動器 . 130 :相關雙重取樣（CDS)電路陣列 140 :斜坡信號產生器 142 :第二 ADC 142-1:CDS 電路 142- 2:鎖存電路 143 :追蹤單元 • 143-1:目標追縱單元

143- 2:DAC 144 :第一斜坡產生器 145 :非線性類比增益控制器 145-1 :輸入校準單元 145-2 :偏壓電路 145-3 :第一電流產生器 145- 4 :第二電流產生器 φ 145-5:電流減法電路 146 :第二斜坡產生器 146- 1 :放大器 146-2 :電容器 146-3 :電阻器 150:第一類比至數位轉換器（ADC) 151 :計數器 152 :鎖存電路陣列 1322577 21734pif.doc Η 300 :單元CDS電路 600 :類比輸入電路 AMP1 :第一放大器 AMP2 :第二放大器 C1 :電容器 C2 :電容器 C3 :電容器 DELTA :參考類比電壓 I!:第一電流 工2 .第二電流

Icon :折豐電流

Iref :電流源/丨互定電流

Mil ： MOSFET

M12 ： MOSFET

Ml3 ： MOSFET

M21 : MOSFET

M22 ： MOSFET

M23 ： MOSFET R1 :電阻器 R2 :電阻器 R3 :電阻器 R4 :電阻器 RAMPIN :斜坡輸入信號 S1 :開關 22 1322577 21734pif.doc 4 S2 :開關 ‘ S3 :開關 . S4 :開關 SCD :參考碼 SEL :行選擇信號 TGT :數位目標碼 VBASE:基準類比電壓/基準電壓 VCC :電源 • VCDS:輸出信號 VHIGH :參考類比電壓 VMID:中值電壓/參考類比電壓 VRAMP :斜坡信號 VRAMP1 :第一斜坡信號 VRAMP2 :第二斜坡信號 VRES/VSIG :重設信號/影像信號 VSS :接地 VWRAMP :校準輸入 23

Claims (1)

1322577 21734pif.doc 爲第95130962號中文專 99年月Θ日修正本 圔無劃線修正本修正日期:98年1〇月29曰 十、申請專利範圍： 1.一種影像感測器’包括： 主動像素感測器（APS)陣列，其包含排列於二維 矩陣中之多個像素，其中所述APS陣列產生用於選定行 之每一像素的重設信號及影像信號； 第一類比至數位轉換器（ADC)，其包含用於所述 APS陣列之每一行的相關雙重取樣（CDS)電路，其中 所述第一 ADC使用施加至用於每一行之所述CDS電路 的輸出斜坡信號而產生對應於所述重設信號與所述影像 信號之間之差異的數位碼；以及 斜坡信號產生器，其產生所述輸出斜坡信號，其中 低照明部分與高照明部分具有不同斜率，且所述斜坡信 號產生器基於折疊電流以產生所述輸出斜坡信號。 2. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中所 述APS陣列排列於拜耳圖案中。 3. 如申請專利範圍第丨項所述之影像感測器，其中所 述斜坡信號產生器減小所述低照明部分中的所述輸出斜坡 信號之斜率且增加所述高照明部分中的所述輸出斜坡信號 之斜率。 、4·如申請專利範圍第3項所述之影像感測器，其中所 述輸出斜坡信號表示不考慮增益控制條件之最大感測器動 態範圍。 、5.如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中所 述斜坡信號產藉由參考經校準的斜坡信號及對應於所 24 isziyn 21734pif.doc ，經校準的斜坡信號之半振幅的巾值電壓而分別產生用於 同於所述中值電壓之電壓及低於所述中值電壓之電壓的折 疊電流。 6. 如申請專利範圍第5項所述之影像感卿，其中所 述斜坡信號產生器藉由使用第二CDS電路以接收所述經 ^準的斜坡信號之反饋來產生為對應於參考 CDS輸入電 之數位碼的參考喝，且產生所賴鮮的斜坡信號以作 ‘、、、數位目標碼與所述參考碼之比較結果。 7. 如申請專利範圍第6項所狀影像制器，其中所 二位目標碼是指出所述數位碼之最大範圍之中值的資 8. 如巾請專聰圍第6項所述之影像制器，其中所 以電壓由產㈣述參考碼之獨減能帶隙 9. 如f5f專概圍第6項所述之影像制[其中所 ^考CDS輸人電壓包括第—電壓及第二電壓’且其中所 壓第-電壓與所述第二電壓之至少—者等於所述中值電 藉由=申圍第9項所述之影像感刺器，其中自 之電壓以供應用於產生所述斜坡信號 基準電壓、所述第—電纽所述第二電壓、所述中值電 壓以及每-色彩通道所需之輸入電墨。 述斜第1項所述之影像感㈣，其中所 25 1322577 21734pif.doc 第二ADC ’其使用經校準的斜坡信號之反饋以產生參 考碼； * 追蹤單元’其產生類比斜坡輸入信號以作為數位目標 碼與所述參考碼之比較結果； 第一斜坡產生器，其基於所述斜坡輸入信號以產生所 述經校準的斜坡信號； 非線性類比增益控制器，其基於第一斜坡信號及等於 ^ 所述第一斜坡信號之中值振幅的中值電壓以分別產生用於 高於所述中值電壓之電壓及低於所述中值電壓之電壓的折 疊電流；以及 第二斜坡產生器’其基於所述折疊電流及所述斜坡輸 入信號以產生所述輸出斜坡信號。 12·如申請專利範圍第u項所述之影像感測器，其中 所述第二斜坡產生器包括放大器、連接在所述放大器之輸 入端及輸出端之間的電容器、以及輸出所述斜坡輸入信號 及放大器輸入端之間的實質上恒定之電流之電阻器，且其 鲁 中所述第二斜坡產生器藉由接收所述基準電壓及所述斜坡 輸入信號之輸入來操作。 13.如申請專利範圍第η項所述之影像感測器，其中 所述非線性類比增益控制器當所述第一斜坡信號小於所述 中值電壓時藉由供應所述折疊電流至所述第二斜坡產生器 來減小所述輸出斜坡信號之斜率，且其中所述非線性類比 增益控制器當所述第一斜坡信號大於所述中值電壓時藉由 自所述第二斜坡產生器提取所述折疊電流來增加所述輪出 26 ^22577 2l734pif.doc 斜玻信號之斜率。 14. 如申請專利範圍第11項所述之影像感測器，其中 所述非線性類比增益控制器包括： 偏壓電路，其產生偏壓電壓； 輸入校準單元，其使用所述第一斜坡信號之預定加權 值而產生中值電壓之校準輸入； 第一電流產生器，其基於所述第一斜坡信號、所述校 準輸入以及所述偏壓電壓以產生第一電流； 第二電流產生器’其基於所述第一斜坡信號、所述校 準輸入以及所述偏壓電壓以產生第二電流；以及 電流減法電路，其藉由自所述第一電流減去所述第二 電流來產生所述折疊電流。 15. 如申請專利範圍第μ項所述之影像感測器，其中 當所述校準輸入信號與所述第一斜坡信號之間的差異之極 性倒轉時’則折疊所述折疊電流。 16·如申請專利範圍第μ項所述之影像感測器，其中 接收所述校準輸入之第一多個電晶體用於產生所述第一電 流及所述第二電流，且其中接收所述第一斜坡信號之第二 多個電晶體用於產生所述第一電流及所述第二電流。 17.如申請專利範圍第16項所述之影像感測器，其中 當產生所述第一電流時，接收所述校準輸入之所述電晶體 大於接收所述第一斜坡信號之所述電晶體，且其中當库生 所述第二電流時，接收所述第一斜坡信號之所述電晶體大 於接枚所述校竿輸入之所述電晶體。 27 1322577 21734pif.doc 18·如t請專職圍第11項所述之景彡像細器，其中 所述非線性類比增益控制器使用開關以控制用於產生^斤述 • 第一電流及所述第二電流之電晶體的電流驅動能力，其^ 所述開關可操作以控制由所述電流減法電路所產生之^最 電流之大小。 且 19, 一種影像感測器之驅動方法，包括： 產生用於包含多個排列於二維矩陣中之像素的主動像 φ 素感測器（APS)陣列中之選定行之每一像素的重設信號 及影像信號； ° ~ 使用所述APS陣列之每一行之相關雙重取樣（CDS) 電路中的輸出斜坡信號以產生對應於所述重設信號與所述 影像彳§號之間之差異的脈波寬度信號，且產生對應於所述 脈波寬度信號之數位資料； 藉由接收經校準之斜坡信號之反饋來產生對應於參考 類比輸入電壓之數位碼的參考碼； 作為數位目標碼與所述參考碼之比較結果而產生所述 經校準之斜坡信號，所述數位目標碼等於在所述數位碼範 圍内的中值； 使用所述經校準之斜坡信號及非線性類比增益控制器 以產生折受電流，以及 藉由施加所述折疊電流至斜坡產生器來產生所述輸出 斜坡信號。 20. 如申請專利範圍第19項所述之影像感測器之驅動 方法’其中所述APS陣列排列成拜耳圖案。 28 21734pif.doc 21·如申請專職圍第19項所述之景彡像朗器之驅動 方法’其巾顺輸出斜坡信號之斜率在健明部分較小， 且所述輸出斜坡信號之斜率在光照明部分較大。 泣如申請專利範圍第19項所述之影像感测器之驅動 方法，其更包括： 藉由參考經校準之斜坡信號及對應於所述經校準之斜 坡信號之半振幅的中值電壓而分別產生用於高於所述中值 籲 電壓之電壓及低於所述中值電壓之電壓的折疊電流；以及 基於所述折疊電流以產生所述輸出斜坡信號。 23·如申請專利範圍第19項所述之影像感測器之 方法，其更包括： 〇藉由使用另一 CDS電路來接收所述經校準之斜坡俨 號之反饋以產生參考碼，其對應於參考相關雙 ^ (CDS)輸入電壓之數位碼；以及 7 作為數位目標碼與所述參考碼之比較結果 經校準之斜坡信號。 屋生所述 、24·如申請專利範圍第23項所述之影像感測器之驅動 方法，其中所述數位目標碼是指示所述數位碼之最 之中值的資料。 祀固 25. 如申請專利範圍第23項所述之影像感測器之驅動 方法，其中藉由產生所述參考碼之獨佔式能帶隙參 以產生所述參考CDS輸入電壓。 26. 如申請專利範圍第23項所述之影像感測器之驅動 方法，其中所述參考CDS輸入電壓包括第一電壓及第二電 29 1322577 21734pif.doc 壓，且所述第一電壓與所述第二電壓之任何一者等於所述 中值電壓。 ' 27·如申明專利範圍第23項所述之影像感測器之驅動 方法，其中自藉由單電阻器串分壓之電壓來供應用於產生 所述斜坡信號之基準電壓、所述第一電壓及所述第二電 壓、所述中值電壓以及每一色彩通道所需之輸入電壓。

28.如申請專利範圍第19項所述之影像感測器之驅動 方法，其中產生所述輸出斜坡信號包括： 猎由接收經校準之斜坡信號之反饋來產生對應於參考 CDS類比輸入電壓之參考碼； 作為數位目標碼與所述參考瑪之比較結果而產生類比 斜坡輸入信號； 基於所述斜坡輸入信號以產生所述經校準之斜坡信 號；

基於所述第一斜坡信號及對應於所述第一斜坡信號之 半振幅的中值電壓而分別產生用於高於所述中值電壓之電 壓及低於所述中值電壓之電壓的折疊電流；以及 基於所述折疊電流及所述斜坡輸入信號以產生所述輸 出斜坡信號。 29.如申請專利範圍第28項所述之影像感測器之驅動 方法’其中當所述第一斜坡信號小於所述中值電壓時，所 述輸出斜坡信號之斜率回應於所述折疊電流而減小，且當 所述第一斜坡信號大於所述中值電壓時，所述輸出斜坡信 號之斜率藉由提取所述折疊電流而增加。 30 1322577 21734pif.doc 30. 如申請專利範圍第28項所述之影像感測器之驅動 方法，其中當所述第一斜坡信號小於所述中值電壓時，用 於產生所述輸出斜坡信號之ADC之增益增加，且當所述 第一斜坡信號大於所述中值電壓時，用於產生所述輸出斜 坡信號之ADC之增益減小。 31. 如申請專利範圍第28項所述之影像感測器之驅動 方法，其中產生所述折疊電流包括： 產生偏壓電壓； 使用所述第一斜坡信號之預定加權值而產生中值電壓 之校準輸入； 基於所述第一斜坡信號、所述校準輸入以及所述偏壓 電壓以產生第一電流； 基於所述第一斜坡信號、所述校準輸入以及所述偏壓 電壓以產生第二電流；以及 藉由自所述第一電流減去所述第二電流來產生折疊電 流。 32·如申請專利範圍第31項所述之影像感測器之驅動 方法，其中當所述校準輸入信號與所述第一斜坡信號之間 的差異之極性倒轉時，折疊所述折疊電流。 33.如申請專利範圍第31項所述之影像感測器之驅動 方法，其中將接收所述校準輸入之第一多個電晶體用來產 生所述第一電流及所述第二電流’且將接收所述第一斜坡 信號之第二多個電晶體用來產生所述第一電流及所述第二 電流。 31 1322577 21734pif.doc 34. 如申請專利範圍第33項所述之影像感測器之驅動 方法’其中當產生所述第一電流時，接收所述校準輸入之 ‘所述電晶體大於接收所述第一斜坡信號之所述電晶體，且 其中當產生所述第二電流時，接收所述第一斜坡信號之所 述電晶體大於接收所述校準輸入之所述電晶體。 35. 如申請專利範圍第28項所述之影像感測器之驅動 方法，其中在所述折疊電流之產生中，使用開關以控制用 φ 於產生所述第一電流及所述第二電流之電晶體的電流驅動 能力，其中所述開關可操作以控制由所述電流減法電路戶 產生之折疊電流之大小。 斤

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