专利名称：驱动图像传感器的方法
本申请是申请号为98120864.9、申请日为1998年9月30日、发明名称为“驱动图像传感器的方法”的专利申请的分案申请。
本发明涉及一种驱动图像传感器(例如直线接触式图像传感器)的方法，用于读出在传真机，图像扫描器，数字复制机，X射线成像装置，或其他类似装置中的图像，更具体地说，涉及消去在接触式图像传感器中由芯片间差别或偏差而引起的固定图形噪声(FPN)，其中在接触式图像传感器中在一个安装基片上安装多个半导体光传感器芯片。
近年来，在直线光电转换装置的领域中，除使用减小的镜片的CCD外，还广泛提出了其中安装多个半导体光传感器的等放大率(放大率＝1)接触式图像传感器。
图1A是表示在Journal of Television Society Vol.47，No.9(1993)，pp.1180中公开的具有一个放大器元件的常规接触式图像传感器的部分方块图。在这种接触式图像传感器中，安装多个放大器式半导体光传感器芯片，它们具有以像素为单位的放大器元件。特别是，图1A表示单传感器芯片的布置。
一个传感器微型组件的输出通过一个模拟开关37向外输出。图1B表示其中多个传感器芯片连接的状态。为了起动一个特定芯片的输出，使该芯片的模拟开关37激发。
如图1A所示，一个传感器芯片包括多个传感器元件(光电晶体管9)，共同接收这些晶体管9的输出的输出线3(4)，差动放大器33，箝位电路204，以及缓冲放大器36，上述模拟开关37等等。
在该图像传感器中，由于产生因用于多个像素的放大器元件的变化而引起的固定图形噪声(FPN)，所以在图1A所示现有技术中通过计算暗状态下光信号(S信号)与噪声信号(N信号)之间的差(为简单起见，在下文称为“S-N法”)，来消去芯片中产生的FPN。
以下将参考图1A和图2(定时图)，叙述图1A所示图像传感器中使用S-N法的FPN消去。
在图1A中，双极晶体管9构成光电转换元件的传感器部分。各晶体管9连接到MOS晶体管27(28)，MOS晶体管31(32)，电容CTS1和CTN2，以及MOS晶体管25(26)，并且各个位的MOS晶体管25和26连接到共输出线3和4。参考符号CHS和CHN表示输出线3和4的电容。输出线3和4通过电压跟随放大器13和14连接到差动放大器33。
在光照射到该光电转换元件的传感器9上时，在发射极跟随晶体管9的PN结上累积与其光量hv(h是普朗克常数，v是光的频率)相对应的光信号(即电荷)。在累积完成时，使晶体管9设置在浮接状态(通过断开φERS)，并且接通φTS以把PN结上累积的电荷转移到光信号保持电容CTS1。随后，接通复位脉冲φERS以使传感器(晶体管9)复位。此时，转移到电容CTS1的电荷包含噪声分量。其后，接通φTN以把传感器的噪声(N)信号转移到噪声信号保持电容CTN2。再一次，接通复位脉冲φBRS以起动MOS晶体管29，并且接通复位脉冲φERS以起动MOS晶体管30。由于MOS晶体管29和30接通，所以使传感器晶体管9复位，然后开始下一次累积。
在CTS1和CTN2上累积的电荷的有些分量在下一次累积期间分别移到输出线电容CHS和CHN。为简单起见，这个操作称为“电容性划分”，因为在CTS1和CTN2上累积的原始电荷由于电荷在两个电容之间移动的结果而被划分。“电容性划分”由MOS晶体管25和26在控制定时信号φN接通时起动。以下将说明“电容性划分”。
为了复位保持电容CHS7和CHN8，由信号φHC接通MOS晶体管5和6。在这些电容复位之后，由一个移位寄存器(未示出)输出的定时信号φN来接通MOS晶体管25和26。当MOS晶体管25和26接通时，光信号保持电容CTS1和噪声信号保持电容CTN2中的数据(电荷的某些分量)分别转移到与共输出线3和4连接的电容CHS7和CHN8。因此，在输出线3(4)上呈现的电位由电容CHS7与CTS1之间的比(电容CHN8与CTN2之间的比)来确定。输出线3(4)上的电位通过放大器13(14)由差动放大器33放大。
如上所述，虽然在图1A中未示出，但是一个传感器芯片具有用于多个位的多个传感器元件9。为了读出下一个位的传感器输出，接通MOS晶体管5和6以使电容CHS7和CHN8复位，然后供给该位的驱动信号φN，以把电容CTS和CTN上累积的数据读出到共电容CHS7和CHN8。
通过重复这样的移位操作，在各个位的传感器(晶体管9)上累积的电荷被读出到电容CHS7和CHN8。在电容CHS7和CHN8上感应的电压通过电压跟随放大器13和14输入到差动放大器33。
传感器IC中的固定图形噪声FPN主要由各个像素(位)的双极晶体管9的hFE变化或其他类似变化而引起。这样的变化反映在保持电容CTS和CTN上累积的电荷中。使用S-N法的FPN消去在把保持电容CTS和CTN上累积的电荷读出到共信号线3和4时，通过用差动放大器33检测信号线之间的任何电平差，来消去因以像素为单位的双极晶体管9的hFE变化而引起的噪声。
使用差动放大器33的S-N法对消去传感器芯片中产生的FPN来说是有效的。
然而，如图1B所示，由于其是接触式，所以在其中安装多个光传感器的等放大率接触式图像传感器情况下，级联多个直线行式传感器芯片，因此以芯片为单位安排差动放大器33和缓冲放大器36。在不同芯片的差动放大器33(或缓冲放大器36)之间，输出电压的DC分量因偏置电位的变化而引起变化。芯片之间DC偏置电压的这样变化将称为“由于芯片之间差别而引起的FPN(芯片间FPN)”，与本说明书中“芯片中产生的FPN(芯片中FPN)”对比。
上述S-N法对芯片间FPN来说无效。
在图1A所示图像传感器中，箝位电路204处理由差动放大器33而引起的芯片间FPN。亦即，箝位电路204由一个截断放大器33输出的DC分量的电容34，以及一个把这个电容34与放大器36的输入部分之间的电位固定到地电平的MOS晶体管35构成，放大器36移到负侧。应用这种布置，箝位电路204能防止由于差动放大器33引起的芯片间FPN。
然而，本发明人发现，即使应用图1A所示的现有技术，也难以消去由输出缓冲放大器36的偏置而引起的芯片间FPN。
特别是，当输出缓冲放大器36的初始级采用MOS前置布置时(其中MOS晶体管安排在输入侧)，由于该MOS的阈值不平衡影响偏置，所以在不同芯片的输出缓冲放大器之间产生例如约10mV的偏置变化。即使如图1B所示在安装多个传感器芯片之后，也产生约10mV的FPN。
因此，当要用常规图像传感器获得高灰度等级图像时，要求以芯片为单位进行暗校正，以保证其动态范围，并且系统设计和制造所需费用增加。
在现有技术中，各传感器芯片包括一个大规模模拟电路，例如一个传感器，几个保持电容，以及其他类似元件，并且安装10到20个芯片。为此，使模拟电路部分的芯片面积增加，并且难以降低费用。
此外，各传感器芯片既包括用于光信号读出和复位的数字电路，例如MOS晶体管，又包括上述模拟电路，并且传感器输出容易受到数字电路产生的噪声的影响。
本发明的一个目的是提供一种高性能图像传感器，它能消去由芯片间变化而引起的FPN，并且不要求任何暗校正。
本发明的另一个目的是提供一种便宜的图像传感器，它不需要任何暗校正装置，并且能避免现有技术中不可避免的由芯片面积增加而引起的费用增加。
本发明的又一个目的是提供一种驱动方法，它能消去图像传感器中的芯片间FPN。
本发明的又一个目的是提供一种图像传感器及其驱动方法，其能同时消去芯片内FPN和芯片间FPN。
本发明的又一个目的是提供一种图像传感器，其中在一个单安装基片上安装多个传感器芯片，并且在一个与该多个传感器芯片的基片不同的半导体基片上安装一个用于消去芯片间FPN的电路。
本发明的又一个目的是提供一种图像传感器，其中使多个传感器芯片的电源与半导体基片上的电路的电源隔离。
本发明的又一个目的是提供一种图像传感器，其中使多个传感器芯片的地线与半导体基片上的电路的地线隔离。
本发明的又一个目的是提供一种图像传感器，其中从个别传感器芯片中消去差动放大器。
本发明的又一个目的是提供一种图像传感器及其驱动方法，该图像传感器能调节增益，并能消去图像传感器组件的个别差别。
图1A是常规图像传感器的等效电路图；图1B是说明图1A所示常规图像传感器中个别传感器芯片之间的连接的示意图；图2是说明图1A所示常规图像传感器的操作的定时图；图3是表示按照本发明的第一实施例的图像传感器组件的示意图；图4A是第一实施例的图像传感器的等效电路图；图4B是说明第一实施例的图像传感器的主要部分的连接的示意图；图5是表示第一实施例的图像传感器的一个操作例子的定时图；图6是表示第一实施例的图像传感器的另一个操作例子的定时图；图7是按照本发明的第二实施例的图像传感器的等效电路图；图8是表示第二实施例的图像传感器的一个操作例子的定时图；图9是按照本发明的第三实施例的图像传感器的等效电路图；以及图10是表示第三实施例的图像传感器的一个操作例子的定时图。
下文将参考附图，说明按照本发明的优选实施例的图像传感器的布置、操作和驱动方法。
第一实施例图3表示按照第一实施例的接触式图像传感器的组件300的布置。在图3中，组件300有多个传感器芯片100，100’，100”，...，100n，一对从这些芯片引出的共输出线101和102，以及一个放大器芯片200。原理上，各传感器芯片100，...有两个输出端，它们分别连接到共输出线101和102。放大器芯片200的两个输入端分别连接到共输出线101和102。放大器芯片200有一个单输出端VOUT。从这个端VOUT的输出就是组件300的输出。
注意在图3所示的组件300上还安装各种部件，例如电容，电阻器，以及其他类似部件(未示出)。
在图3中，传感器芯片100，100’和100”及放大器芯片200安装在一个单安装基片300上，但是放大器芯片200可以安装在另一个安装基片上。然而，由于传感器芯片100，...和放大器芯片200一起安装在一个单安装基片上，所以能减小组件300的尺寸，并且能减小可能在传感器芯片100，...的输出中产生的外部噪声，因此使输出稳定。注意封装在一个陶瓷外壳中的放大器芯片200可以通过焊接而安装在安装基片300上，或其支持芯片可以通过染色接合而安装在安装基片300上。当通过染色接合安装支持芯片时，如果各传感器芯片的短侧长度设置为大致等于放大器芯片的短侧长度，则能对传感器和放大器芯片使用共夹头，因此减少安装过程中的工序数。
图4A表示按照第一实施例的各传感器芯片(100，100’，100”...)的等效电路图和放大器芯片200的等效电路图。
在图4A中，按照第一实施例的传感器芯片有多个光电转换器10，10’，10”，...，用于从这些光电转换器中读出噪声信号(下文缩写为“N信号”)并保持N信号的噪声信号保持器2，2’，2”，...，用于从光电转换器中读出光信号(下文称为“S信号”)并保持S信号的S信号保持器1，1’，1”，...，用于共同输出N信号的N信号输出线4，用于共同输出S信号的S信号输出线3，用于复位N和S信号输出线4和3的复位电路5和6，以及通过N和S信号输出线4和3的电容CHN8和CHS7之间的电容或电容性划分，用于读出由N信号保持器2，2’，2”，...所保持的信号和S信号保持器1，1’，1”，...所保持的信号的读出电路。后文将叙述电容性划分。
注意光电转换器10，10’，10”，...优选地使用双极元件，例如BASIS，或各包括一个光电二极管和MOS晶体管的放大器。
如图4A所示，信号保持器优选地包括一个电容器，并且复位电路优选地包括一个晶体管电路。
各光电转换器10，10’，10”，...连接到一对MOS晶体管27和28。MOS晶体管27的阵列共同接收一个控制信号φTS。MOS晶体管28的阵列共同接收一个控制信号φTN。当转移脉冲φTS接通时，使S信号存储在S信号保持器(电容)CTS1，1’，1”，...中；当转移脉冲φTN接通时，使N信号存储在N信号保持器(电容)CTN2，2’，2”，...中。亦即，当转移脉冲φTS和φTN接通时，由光电转换器10，10’，10”，...检测的S和N信号分别存储在保持器CTS1，1’，1”，...和CTN2，2’，2”，...中。
为了把光电转换器10，10’，10”，...的输出提供到共输出线3和4上，在此之前必须复位共输出线3和4。接通MOS晶体管5和6，以使S和N信号输出线3和4复位。在这样复位下，线3和4准备好把数据转移到电容CHS7和CHN8。然后用移位寄存器SR的移位脉冲φ1来起动MOS晶体管25和26，以通过电容划分依次把电容CTS和CTN中的数据(电荷)输出到共输出线3和4上。电容CTS和CTN上累积的电荷的有些分量分别转移到电容CHS7和CHN8。结果，在CTS上累积的电荷被分到CTS1和CHS7，并且在CTN上累积的电荷被分到CTN2和CHN8。当电荷被分到两个电容时，这两个电容之间的电位在本说明书中将称为电容性划分输出。
电容性划分的输出由放大器11和12阻抗转换，然后通过模拟开关14和15输出到安装基片上的S和N信号线101和102。在图4A中，各放大器11和12使用一个包括两个晶体管的源极跟随电路。但是例如可以使用一个常规电压跟随电路。
如上所述，由传感器元件10检测的数据响应移位脉冲φ1而输出到S和N信号线101和102。其次，类似地由传感器元件10’检测的数据响应移位脉冲φ2而输出到S和N信号线101和102。此外，由传感器元件10”检测的数据响应移位脉冲φ3而输出到S和N信号线101和102。
作为一个半导体光传感器的传感器微型组件(100，100’，100”，...)通过安装在相同安装基片上的端99，应用引线接合连接到安装在一个单基片上的S和N信号线101和102及一个放大器芯片200。即，来自传感器微型组件(100，100’，100”，...)的S和N信号输入到放大器芯片200。
如图4A所示，由多个传感器微型组件(100，100’，100”，...)共用的放大器芯片200具有一个用于接收N信号的缓冲放大器201，一个用于接收S信号的缓冲放大器202，一个用于计算放大器201和202的输出之间差值的差动放大器203，一个连接到差动放大器203的输出侧的电压箝位电路204，以及一个输出缓冲放大器205。
注意电压箝位电路204包括一个箝位电容206和一个MOS开关207，并且具有使输入信号向箝位复位电压VCD箝位的功能。
图4A所示的第一实施例的特征如下I在多个传感器芯片100，...之外，但是在放大器芯片200之内，安装用于消去芯片间FPN的箝位电路204，作为这些传感器芯片共有的电路。为此，能省略常规图像传感器中(图1A)所要求的以传感器芯片为单位的箝位电路(图1A中204)。
II为了有效地消去芯片间FPN，适当地设置用于控制输出线3和4的复位定时的信号φCHR的发生定时，以及用于控制箝位电路204的信号φCD的发生定时。后文将叙述φCHR和φCD的发生定时的两个例子。
III由于在放大器芯片200之内安装差动放大器203，用于差动放大共输出线对3和4的输出，所以能把现有技术中(图1A)所要求的以芯片为单位的差动放大器的数目减少到一个，并且能大大减少电路元件的数目。
IV作为特征I至III的组合效果，在II中设置的定时不仅能消去“芯片间FPN”，而且同时能消去“芯片内FPN”。
按照图4A所示布置，由于能从各传感器芯片中省略缓冲放大器36，所以与图1A比较，能减小芯片间FPN的发生。然而，由于代替缓冲放大器36而要求源极跟随放大器11和12，所以由源极跟随放大器11(或12)的芯片间变化而引起的“芯片间FPN”仍未解决。
以下将参考图5，说明用于第一实施例的图像传感器的驱动控制方法，特别是用于消去芯片间FPN的驱动控制方法。
图5表示用于确定转换器10的电荷转移定时的信号φTN和φTS，来自移位寄存器SR的移位脉冲φ1，φ2和φ3，用于复位共信号线3和4的复位脉冲φCHR，以及用于复位放大器芯片200中箝位电路204的复位脉冲φCD。
图4B表示第一实施例的图像传感器(图4A)的主要元件。参考图4B，在共输出线3，3’，3”(和输出线4，4’，4”)上的电容CHS7，7’，7”，...(电容CHN8，8’，8”，...)与放大器200的输出VOUT之间，存在接收φCHR的复位电路和接收φCD的箝位电路204。在输入各脉冲φ1，φ2，φ3，...之前，必须在各移位定时(φ1，φ2，φ3，...)用φCHR来复位MOS晶体管5和6，以便消除单芯片中各传感器转换器10的变化(芯片内FPN)。通过驱动图4B中的箝位电路204，能消去由源极跟随放大器11和12引起的DC偏置变化。更具体地说，参考图4A，把从LOW→“H”→LOW变化的箝位脉冲φCD输入到MOS晶体管207的栅极。在φCD的LOW时限期间，差动放大器203输出一个反映由源极跟随放大器11和12所引起的DC偏置变化的输出信号。这个电压输入到DC截止电容器(箝位电容)206。当φCD从LOW变为HIGH时，MOS晶体管207的源极侧箝位到电位VCD。于是，在DC截止电容器206两端之间的电位差反映由源极跟随放大器11和12所引起的DC偏置变化。在这个状态下，当φCD从HIGH变为LOW时，由于MOS晶体管207截止，所以电容器206上累积的电荷保持在用于消除芯片间FPN的电荷值。其时，当从移位寄存器SR向MOS晶体管25和26施加移位脉冲φN时，则在电压跟随放大器205的输出侧呈现一个不仅消除了“芯片内FPN”，而且消除了“芯片间FPN”的输出信号。亦即，对于图5定时来说，重要的是V在各移位脉冲φN(φ1，φ2，φ3，...中之一)之前，输出箝位脉冲φCD；并且VI在输出箝位脉冲φCD之前，复位MOS晶体管5和6。
在图5所示控制定时例子中，复位脉冲φCHR变为HIGH，然后在箝位脉冲φCD变为HIGH之前变为LOW。
以下将借助于图5更详细地叙述图4A所示电路的操作。
在输入信号φTN和φTS之后，S信号已经读出到电容CTS1，1’，1”...，并且N信号已经读出到保持电容CTN2，2’，2”，...。从移位寄存器SR依次输出读出信号(移位脉冲)φ1，φ2，φ3，...，并且如上所述，通过电容CTS与CHS之间及CTN与CHN之间的电容划分，把传感器检测信号读出到信号线3和4。
在图4A中，箝位电路204中的MOS晶体管207由控制信号φCD控制。按照图5所示定时，在起动φCHR之后起动φCD，因此，在从φCHR起动到φCD起动的时限期间，电容CHS7和CHN8在φCHR之后紧靠读出信号线3和4上的信号之前，由φCHR复位到希望电压。此外，电容CHS7和CHN8经复位之后的状态由φCD箝位，并且用作参考状态。因此，电容划分之后的输出包含以芯片为单位的源极跟随放大器11和12的Vth变化。然而，由于这些输出是在用上述操作校正Vth变化之后获得的，因此能不用任何暗校正来消去常规提出问题的芯片间FPN。
控制定时的变更第一实施例的箝位电路204的控制定时不限于图5所示控制定时。
图6表示能应用于第一实施例的图像传感器(图4A)的另一个定时例子。在图6所示例子中，复位脉冲φCHR保持为HIGH，然后在箝位脉冲φCD变为LOW之后，并且在移位脉冲φN接通之前，变为LOW。按照图6所示定时例子，由于由复位脉冲φCHR所复位的电容CHS7和CHN8的复位状态由箝位脉冲φCD来箝位，所以能获得与图5所示定时例子相同的效果。
按照第一实施例，由于与图1A所示图像传感器比较，不再需要各传感器芯片中的差动放大器，所以能简化各传感器芯片的输出部分，并且能使各传感器芯片中模拟部分的芯片面积最小。此外，由于能用共信号线101和102来结合所有传感器芯片中的模拟部分，所以能使各微型组件的芯片面积最小，因此实现费用降低。
第一实施例的变更在第一实施例的图像传感器组件300中，当独立地设置传感器芯片100，100’，100”，...的电源和放大器芯片200的电源时，即使传感器电源电压降低时，也能保持输出的宽动态范围。
在第一实施例中，举例说明了使用多个行式传感器芯片的接触式图像传感器，然而，本发明不限于这样的特定传感器，而可以对包括大量传感器芯片的二维面积传感器有效。特别是，当小区域中的多个面积芯片有不同的光电转换灵敏度时，FPN变化变得比1行接触式传感器更为显著，因此，应用本发明非常有效。
作为另一个变更，当对放大器芯片200增加放大功能时，例如可以把放大功能加到差动放大器203上，或可以在差动放大器203的输出侧插入一个增益放大器。
在图4A所示布置中，传感器芯片100和放大器芯片200使用一个共电源。可选择地，当传感器芯片100和放大器芯片200的电源在安装基片上隔离时，传感器芯片和放大器芯片可以使用不同的电源电压，或可以在安装基片上使用独立的地端，以减小模拟输出中的噪声。
第二实施例图7是按照本发明的第二实施例的图像传感器的电路图。在第二实施例中，用光电二极管20，20’，20”，...，复位开关21，21’，21”，...，NMOS源极跟随晶体管22，22’，22”，...，转移开关23，23’，23”，...，来分别构成第一实施例的各传感器芯片100，100’，100”，...的光电转换器。
至于第二实施例的其他构造元件，与第一实施例(图1A)那样，各传感器芯片具有N信号保持器2，2’，2”，...，S信号保持器1，1’，1”，...，N信号输出线4，S信号输出线3，以及复位开关5和6。
第二实施例的特征在于，能通过对放大器芯片200’增加一个增益放大器208，来调节传感器组件300的最终输出VOUT的电平。然而，当增加增益放大器208时，组件300的输出VOUT遭受由于增益放大器208中个别偏置变化而引起的个别差别。为简单起见，这样个别差别在下文将称为“组件间FPN”。
在第二实施例的图像传感器中，增加一个箝位电路209来消去这种“组件间FPN”。
以下将更详细地叙述第二实施例的图像传感器的布置。
在N和S信号输出线4和3上呈现的电容性划分输出被各包括两个晶体管的源极跟随放大器11和12阻抗转换，然后通过模拟开关14和15输出到S和N信号线101和102。S和N信号线101和102上的S和N信号输入到安装在与传感器芯片相同的芯片上的放大器芯片200’。
第二实施例的放大器芯片200’包括N信号输入缓冲放大器201，S信号输入缓冲放大器202，差动放大器203，电压箝位电路204，增益放大器208(增益＝A)，电压箝位电路209，以及输出缓冲放大器205。电压箝位电路204的箝位控制信号与第一实施例那样为φCD，并且用于控制电压箝位电路209的箝位信号为φCL。
图8是第二实施例中的控制信号的定时图。
箝位电路204的箝位信号φCD与第一实施例那样，必须在各位的电荷转移定时(图8中φ1，φ2和φ3)发生，因为其目的在于消去每一位的FPN。另一方面，由于箝位电路209消去各组件中产生的偏置FPN，所以箝位电路209的箝位信号φCL仅需对起动信号SP(与图2中信号SP等效)发生一次，起动信号SP在图像读出开始时对组件300发生一次，如图8所示。
在第二实施例中，电压箝位电路209减小了包括传感器芯片100，100’，100”，...和放大器芯片200’的各微型组件的偏置变化(“组件间FPN”)，并且能保持微型组件(即组件)的几乎均匀的参考电平。由于能减小微型组件(即组件)的变化，所以能减小以产品为单位的变化，并且能实现高质量产品的制造。
在第二实施例中，传感器芯片100，100’，100”，...和放大器芯片200’的电源和地端在安装基片上相互隔离，并且传感器芯片和放大器芯片的电源电压分别为3.3V和5.0V。
以下将参考图8定时图，叙述第二实施例的操作。
图8表示来自移位寄存器SR的读出信号φ1，φ2和φ3，共输出线3和4的复位脉冲φCHR，以及放大器芯片200’中的复位脉冲φCD和φCL之间的驱动定时关系。
在把信号读出到S信号保持电容(保持器)CTS1，1’，1”，...和N信号保持电容(保持器)CTN2，2’，2”，...之后，从移位寄存器SR依次输出读出信号φ1，φ2和φ3，并且通过CTS与CHS之间及CTN与CHN之间的电容划分来读出由光传感器检测的信号。紧靠读出这些信号之前，通过响应复位脉冲φCHR而接通MOS晶体管(开关)5和6，使电容CHS7和CHN8复位到希望电压。在CHS7和CHN8复位之后，则由箝位信号φCD和φCL所起动的箝位电路204和209产生参考信号。因此，电容划分之后的输出包含由以芯片为单位的源极跟随放大器11和12的阈电压Vth所引起的变化。然而，由于输出是在由上述复位脉冲操作及其他类似操作校正Vth变化之后获得的，所以能消去现有技术中提出问题的芯片间FPN。亦即，在第二实施例中，也能解决“芯片间FPN”的问题。
这样，第二实施例能消去所有“芯片内FPN”，“芯片间FPN”和“组件间FPN”。
更具体地说，在常规微型组件中芯片间差别约为10mV，而在第二实施例中为3mV或更小。
注意在第二实施例中，用于控制箝位电路204的箝位定时的φCD是在第一位发生，但是可以与其他位的发生定时相同步地发生。
第三实施例图9是表示本发明的第三实施例的电路图。在这个实施例中，按时间序列(即通过时间划分)读出N和S信号，并且N信号的输出状态被箝位，且用作参考信号。
在第三实施例中，除按时间序列(时间划分)把N和S信号读出到单共输出线55外，各传感器芯片100，100’，100”，...的布置实质上与第二实施例中布置相同，即包括光电二极管20，20’，20”，...，复位开关21，21’，21”，...，NMOS源极跟随晶体管22，22’，22”，...，转移开关23，23’，23”，...，N信号保持器2，2’，2”，...，以及S信号保持器1，1’，1”，...。亦即，由一个复位MOS晶体管56来顺序复位单共输出线55。由于进行时间划分驱动，所以与第二实施例比较，用于放大N和S信号的包括两个晶体管的源极跟随放大器11的数目能减少到一个。
与第二实施例那样，第三实施例的放大器芯片200’包括输入缓冲放大器201，电压箝位电路204，增益放大器208，电压箝位电路209，以及输出缓冲放大器205。亦即，与第二实施例那样，在第三实施例中增加电压箝位电路209的原因是消去“组件间FPN”。
图10表示第三实施例的操作，即来自移位寄存器SR的读出信号φ1S，φ1N，φ2S，φ2N，φ3S和φ3N，共信号线55的复位脉冲φCHR，以及放大器芯片200’中的复位脉冲φCD和φCL之间的驱动定时关系。
在把信号读出到S信号保持电容(保持器)CTS1，1’，1”，...和N信号保持电容(保持器)CTN2，2’，2”，...之后，由φCHR复位共输出线，并且第一位的N信号响应φ1N而由电容划分读出到共输出线55。N信号的读出状态响应φCD而箝位，并且用作第一位的参考信号。随后，共输出线55由φCHR复位，并且第一位的S信号响应φ1S而由电容划分读出到共输出线55。第一位的S信号与箝位到N信号的电压之间的差通过信号输入缓冲放大器201，输入到增益放大器208，并且通过这种箝位功能，能消去以像素为单位的变化。此外，能消去传感器芯片100，100’，100”，...的变化。同样地，读出第二和第三位的信号，并且在读出传感器芯片的所有位像素信号之后，使该传感器芯片的开关14断开，并且读出下一个传感器芯片的第一位的信号。
在第三实施例的布置中，芯片间FPN为2.9mV或更小；FPN消去效果能得到改进。
注意在第三实施例中，用于控制箝位电路204的箝位定时的φCD是在第一位发生，但是可以与其他位的发生定时相同步地发生。
按照本发明，能提供一种驱动高性能接触式图像传感器的方法，该方法能消去芯片间FPN，而不要求任何暗校正。更具体地说，由于在把信号从各传感器微型组件输出到放大器芯片之后，用复位共输出线所获得的电平作为参考信号来使输出箝位，所以能在光电转换的最后状态下获得参考电位，因此可靠地消去FPN。当然，由于能使动态范围最大，所以能消去对暗电平校正装置的需要。并且，由于把紧接共输出线复位之后的状态用作箝位电路的参考电位，所以箝位电路能箝位在与稳定复位电平相对应的可靠电平上，因此消去各芯片的FPN。
此外，由于在各光电转换芯片的电容性划分输出中，以输出线为单位的变化能以芯片为单位得到校正，所以能整个地消去FPN。
按照本发明，能提供一种驱动高性能接触式图像传感器的方法，该方法能消去芯片间FPN，而不要求任何暗校正。更具体地说，由于在把信号从各传感器微型组件输出到放大器芯片之后，把复位共输出线所获得的电平作为参考信号箝位，所以能在光电转换的最后状态下获得参考电位，因此可靠地消去FPN。当然，由于能使动态范围最大，所以能消去对暗电平校正的需要。并且，由于把紧接共输出线复位之后的状态用作箝位电路的参考电位，所以箝位电路能箝位在与稳定复位电平相对应的可靠电平上，因此消去各芯片的FPN。
如上所述，按照第一至第三实施例的每一个的图像传感器组件300能由分立电路部件构成。然而，当微型组件芯片100和放大器芯片200结合到单微型组件中时，本发明更为有效。换句话说，第一至第三实施例的每一个的图像传感器强烈地具有半导体器件的形态。一般地，当结合多个形成一个微型组件，并且具有相同功能的半导体芯片的输出时，与本发明的图像传感器那样产生芯片间FPN。因此，本发明的FPN消去方法能应用于这样的半导体器件。
由于能在不违反其精神和范围下实现本发明的许多明显大不相同的实施例，所以不用说，除附加权利要求所限定那样，本发明不限于其特定实施例。
权利要求
1.一种驱动一个图像传感器的方法，所述图像传感器包括(a)一个传感器微型组件，具有多个安装在一个安装基片上的半导体光传感器芯片，其中各半导体光传感器芯片具有信号保持装置，用于保持从多个光电转换元件读出的光信号和噪声信号；共输出线，用于分别输出所述信号保持装置中的光信号和噪声信号；复位装置，用于复位所述共输出线；以及读出装置，用于从所述共输出线输出信号；以及(b)一个半导体器件，包括噪声和光信号输入缓冲装置，用于从各传感器芯片接收噪声信号和光信号；差动装置，用于计算从所述噪声和光信号输入缓冲装置的输出之间的差；以及电压箝位装置，用于箝位所述差动装置的输出，所述噪声和光信号输入缓冲装置，差动装置，以及电压箝位装置形成在一个单个半导体基片上，所述方法包括步骤用所述复位装置复位所述共输出线；并且用所述电压箝位装置箝位所述共输出线的复位状态。
2.一种驱动一个图像传感器的方法，所述图像传感器包括(a)一个传感器微型组件，具有多个安装在一个安装基片上的半导体光传感器芯片，其中各半导体光传感器芯片具有多个光电转换装置；噪声信号保持装置，用于保持从所述光电转换装置读出的噪声信号；光信号保持装置，用于保持从所述光电转换装置读出的光信号；噪声信号共输出线，用于输出由所述噪声信号保持装置所保持的噪声信号；光信号共输出线，用于输出由所述光信号保持装置所保持的光信号；复位装置，用于复位所述噪声和光信号共输出线；以及读出装置，通过所述噪声和光信号共输出线之间的电容划分，用于从所述噪声和光信号保持装置读出信号；以及(b)一个半导体器件，包括噪声信号输入缓冲装置，用于接收噪声信号；光信号输入缓冲装置，用于接收光信号；差动装置，用于计算所述噪声和光信号输入缓冲装置的输出之间的差；以及电压箝位装置，用于箝位所述差动装置的输出，所述噪声和光信号输入缓冲装置，差动装置，以及电压箝位装置形成在一个单个半导体基片上，所述方法包括步骤用所述复位装置复位所述共输出线；并且用所述电压箝位装置箝位所述共输出线的复位状态。
3.一种驱动一个图像传感器的方法，所述图像传感器包括(a)一个传感器微型组件，具有多个安装在一个安装基片上的半导体光传感器芯片，其中各半导体光传感器芯片具有多个光电转换装置；噪声信号保持装置，用于保持从所述光电转换装置读出的噪声信号；光信号保持装置，用于保持从所述光电转换装置读出的光信号；噪声信号共输出线，用于输出由所述噪声信号保持装置所保持的噪声信号；光信号共输出线，用于输出由所述光信号保持装置所保持的光信号；复位装置，用于复位所述噪声和光信号共输出线；以及读出装置，通过所述噪声和光信号共输出线之间的电容划分，用于从所述噪声和光信号保持装置读出信号；以及(b)一个半导体器件，包括噪声信号输入缓冲装置，用于接收噪声信号；光信号输入缓冲装置，用于接收光信号；差动装置，用于计算所述噪声和光信号输入缓冲装置的输出之间的差；以及电压箝位装置，用于箝位所述差动装置的输出，所述噪声和光信号输入缓冲装置，差动装置，以及电压箝位装置形成在一个单个半导体基片上，所述方法包括步骤用所述复位装置复位所述共输出线；并且用所述电压箝位装置箝位紧接复位所述共输出线之后的状态。
4.一种驱动一个图像传感器的方法，所述图像传感器包括(a)一个传感器微型组件，具有多个安装在一个安装基片上的半导体光传感器芯片，其中各半导体光传感器芯片具有多个光电转换装置；噪声信号保持装置，用于保持从所述光电转换装置读出的噪声信号；光信号保持装置，用于保持从所述光电转换装置读出的光信号；共输出线，用于按时间序列输出由所述噪声和光信号保持装置所保持的信号；复位装置，用于复位所述共输出线；以及读出装置，通过用所述共输出线的电容划分，用于从所述噪声和光信号保持装置顺序读出信号；以及(b)一个半导体器件，包括信号输入缓冲装置；增益放大器，用于放大所述信号输入缓冲装置的输出；输出缓冲放大器，用于输出所述增益放大器的输出；以及电压箝位装置，插入在所述增益放大器与所述输出缓冲放大器之间，所述信号输入缓冲装置，增益放大器，输出缓冲放大器，以及电压箝位装置形成在一个单个半导体基片上，所述方法包括步骤用所述复位装置复位所述共输出线；并且用所述电压箝位装置箝位通过用所述共输出线的电容划分而从所述噪声信号保持装置输出的信号的读出状态。
5.一种半导体器件，包括(a)一个传感器微型组件，具有多个安装在一个安装基片上的半导体光传感器芯片，其中各半导体光传感器芯片具有信号保持装置，用于保持从多个光电转换元件读出的光信号和噪声信号；共输出线，用于分别输出所述信号保持装置中的光信号和噪声信号；复位装置，用于复位所述共输出线；以及读出装置，用于从所述共输出线输出信号；(b)噪声和光信号输入缓冲装置，用于从各半导体光传感器芯片接收噪声信号和光信号；(c)差动装置，用于计算所述噪声和光信号输入缓冲装置的输出之间的差；以及(d)电压箝位装置，用于箝位所述差动装置的输出，所述传感器微型组件，光和噪声信号输入缓冲装置，差动装置，以及电压箝位装置形成在一个半导体基片上。
6.一种图像传感器，包括(a)一个传感器微型组件，具有多个安装在一个安装基片上的半导体光传感器芯片，其中各半导体光传感器芯片具有多个光电转换装置；噪声信号保持装置，用于保持从所述光电转换装置读出的噪声信号；光信号保持装置，用于保持从所述光电转换装置读出的光信号；噪声信号共输出线，用于从各所述光电转换保持装置输出噪声信号；光信号共输出线，用于从各所述光电转换装置输出光信号；复位装置，用于复位所述噪声和光信号共输出线；以及读出装置，通过所述噪声和光信号共输出线之间的电容划分，用于从所述噪声和光信号保持装置读出信号；以及(b)一个半导体器件，包括噪声信号输入缓冲装置，用于接收噪声信号；光信号输入缓冲装置，用于接收光信号；差动装置，用于计算所述噪声和光信号输入缓冲装置的输出之间的差；以及电压箝位装置，用于箝位所述差动装置的输出，所述噪声和光信号输入缓冲装置，差动装置，以及电压箝位装置形成在一个单个半导体基片上。
7.按照权利要求6的传感器，其中所述半导体光传感器芯片和所述半导体器件安装在一个单个安装基片上。
8.按照权利要求5的半导体器件，其中所述半导体器件的电源电压高于所述半导体光传感器芯片的电源电压。
9.按照权利要求6的传感器，其中所述半导体器件的电源电压高于所述半导体光传感器芯片的电源电压。
10.按照权利要求7的传感器，其中所述半导体器件的电源电压高于所述半导体光传感器芯片的电源电压。
11.按照权利要求5的半导体器件，其中所述半导体器件的地线和所述半导体光传感器芯片的地线在所述安装基片上相互隔离。
12.按照权利要求6的传感器，其中所述半导体器件的地线和所述半导体光传感器芯片的地线在所述安装基片上相互隔离。
13.按照权利要求7的传感器，其中所述半导体器件的地线和所述半导体光传感器芯片的地线在所述安装基片上相互隔离。
14.按照权利要求8的半导体器件，其中所述半导体器件的地线和所述半导体光传感器芯片的地线在所述安装基片上相互隔离。
15.一种图像传感器，包括(a)一个传感器微型组件，具有多个安装在一个安装基片上的半导体光传感器芯片，其中各半导体光传感器芯片具有多个光电转换装置；噪声信号保持装置，用于保持从所述光电转换装置读出的噪声信号；光信号保持装置，用于保持从所述光电转换装置读出的光信号；共输出线，用于输出噪声和光信号；复位装置，用于复位所述共输出线；以及读出装置，通过用所述共输出线的电容划分，用于从所述噪声和光信号保持装置顺序读出信号；以及(b)一个半导体器件，包括信号输入缓冲装置；增益放大器，用于放大所述信号输入缓冲装置的输出；输出缓冲装置，用于输出所述增益放大器的输出；以及电压箝位装置，插入在所述增益放大器与所述输出缓冲装置之间，所述信号输入缓冲装置，增益放大器，输出缓冲装置，以及电压箝位装置形成在一个单个半导体基片上，
16.按照权利要求15的传感器，其中所述半导体光传感器芯片和所述半导体器件安装在一个单个安装基片上。
17.按照权利要求15的传感器，其中所述半导体器件的电源电压高于所述半导体光传感器芯片的电源电压。
18.按照权利要求16的传感器，其中所述半导体器件的电源电压高于所述半导体光传感器芯片的电源电压。
19.按照权利要求15的传感器，其中所述半导体器件的地线和所述半导体光传感器芯片的地线在所述安装基片上相互隔离。
20.按照权利要求16的传感器，其中所述半导体器件的地线和所述半导体光传感器芯片的地线在所述安装基片上相互隔离。
21.按照权利要求17的传感器，其中所述半导体器件的地线和所述半导体光传感器芯片的地线在所述安装基片上相互隔离。
22.一种图像传感器，包括多个分立光传感器芯片，各所述光传感器芯片包括多个光传感器，用于输出光电转换信号；一个芯片内共输出总线，用于连接所述多个光传感器的输出端；以及一个输出电路，连接到所述芯片内共输出总线；一个芯片间共输出总线，连接到所述多个光传感器芯片的输出端；以及一个放大器电路，连接到所述芯片间共输出总线，所述放大器电路包括一个接收电路，用于接收所述芯片间共输出总线上的信号；一个箝位电路，连接到所述接收电路的输出线，所述箝位电路把所述输出线箝位到第一电源电位，然后把所述输出线从第一电源电位变为浮置状态；以及一个输出电路，用于接收所述箝位电路的输出，并且输出所述图像传感器的输出信号，其中当转换所要读出的光传感器芯片，通过起动所述箝位电路来校正芯片间偏置变化。
23.按照权利要求22的传感器，其中所述多个光传感器芯片按一维或二维安装在一个单个安装基片上。
24.按照权利要求22的传感器，其中所述放大器电路在一个半导体基片上形成。
25.按照权利要求22的传感器，其中所述多个光传感器芯片按一维或二维安装在一个单个安装基片上，所述放大器电路在一个半导体基片上形成，并且所述安装基片和半导体基片形成在一个单板上。
26.按照权利要求22的传感器，进一步包括一个定时电路，其产生使指定光传感器芯片变为另一个光传感器芯片的定时；设置所改变的光传感器芯片中的一个光传感器的定时；把所述一个光传感器的电荷转移到所述芯片内共输出总线上的定时；以及起动和禁止所述箝位电路的定时。
27.按照权利要求22的传感器，其中所述放大器电路包括一个增益电路，连接到所述箝位电路的输出侧；以及第二箝位电路，连接到所述增益电路的输出侧，并且其中所述第二箝位电路通过接收所述图像传感器每次开始图像输入时只产生一次的箝位信号，来消去以图像传感器为单位的所述第二箝位电路的个别差别。
28.按照权利要求22的传感器，其中所述芯片间共输出总线包括连接到所述光传感器的光和暗电流共信号线，所述输出电路具有一个源极跟随电路，连接到所述光和暗电流共信号线，并且所述放大器电路的所述接收电路具有一个差动电路，用于差动放大所述光和暗电流共信号线上的信号，从而所述差动电路由所述多个光传感器芯片所共用。
29.按照权利要求28的传感器，进一步包括一个复位电路，用于在共定时处复位所述光和暗电流共信号线，并且其中所述箝位电路起动箝位，并且在所述光传感器芯片中的各光传感器俘获光和暗电流信号的定时之前，取消箝位，从而同时消去芯片内和芯片间变化。
30.按照权利要求29的传感器，其中所述复位电路的复位时限由所述箝位电路从箝位信号的接通定时之前开始，继续到箝位信号的断开定时之后，并且在光传感器起动电荷转移之前结束。
31.按照权利要求29的传感器，其中所述箝位电路的箝位时限由所述复位电路从箝位信号脉冲的后沿之后开始，并且在光传感器起动电荷转移之前结束。
32.一种电子电路器件，包括多个分立芯片电路，各所述芯片电路包括一个单元阵列，包括多个用于输出离散信号的单元；一个电路，用于起动一个特定单元的输出；一个芯片内共输出总线，用于连接所述多个单元的输出端；以及一个输出电路，连接到所述芯片内共输出总线；一个芯片间共输出总线，连接到所述多个芯片电路的输出；以及一个放大器电路，连接到所述芯片间共输出总线，所述放大器电路包括一个接收电路，用于接收所述芯片间共输出总线上的信号；一个箝位电路，连接到所述接收电路的输出线，所述箝位电路把所述输出线箝位到第一电源电位，然后把所述输出线从第一电源电位变为浮置状态；以及一个输出电路，用于接收所述箝位电路的输出，并且输出所述电子电路器件的输出信号。
全文摘要
一种驱动图像传感器的方法，其能消去由于芯片间变化所引起的FPN，而不要求任何暗校正。一种半导体光传感器芯片具有多个安装在一个安装基片上的传感器微型组件，以及一个半导体器件，其中在一个单半导体基片上至少形成一个用于接收N信号的N信号输入缓冲电路，一个用于接收S信号的S信号输入缓冲电路，一个用于计算N和S信号输入缓冲电路的输出之间的任何差的差动电路，以及一个用于箝位差动电路的输出的电压箝位电路。
文档编号H04N5/335GK1812491SQ20061000661
公开日2006年8月2日 申请日期1998年9月30日 优先权日1997年10月6日
发明者小塚开 申请人:佳能株式会社