专利名称：成像前端的开关电容器输入级的制作方法
成像前端的开关电容器输入级背景信息本发明涉及成像前端的开关电容器输入级。具体地，本发明涉及能够放大来自图像传感器的信号并且将放大的信号输入至模拟前端电路的电路。成像系统的模拟前端(AFE)需要与图像传感器进行接口连接。在很多应用中，图像传感器输出被电容性地耦合至AFE输入。耦合电容器能够提供传感器和AFE之间的电压电平转换。这在耦合如CCD传感器的特定图像传感器时特别有用，所述传感器可能具有与 AFE所允许的输入规范不同的DC输出电压。耦合电容器上的期望电荷必须通过AFE执行有时所称的“DC恢复”来建立。DC恢复电路通常包括对耦合电容器进行充电的开关和电源。根据图像传感器，可以在各种时候出现DC恢复功能。DC恢复电路可以仅针对特定像素活动，例如，图像传感器像素阵列的 10，000个或者更多个像素中的10-20个像素。当DC恢复电路不活动时，耦合电容器的漏电流可以改变电容器的电压。漏电流常常流入AFE的输入，并且可能导致图像伪像。通常，在来自图像传感器的输出信号保持在已知的值并且输出信号不携带图像信息时执行DC恢复操作。在像素读出操作期间，图像传感器通常执行预充电操作和其它处理，期间传感器输出稳定在某一固定重置或者基准电平，并且AFE电路常常使用该固定基准电平来执行DC恢复操作。如今的图像传感器被设计成不在每个像素期间提供固定基准电平，因此，需要图像传感器和AFE电路之间的新接口。
图1例示了根据本发明示例性实施例的系统操作的框图。图2例示了根据本发明实施例的示例性设备的进一步细节。图3例示了根据本发明实施例的电荷耦合器件(CCD)传感器的示例性波形和用于控制开关的控制信号。图4例示了根据本发明另一实施例的另一个电路。
具体实施例方式本发明的实施例提供用于模拟前端(AFE)放大器控制DC恢复操作的控制方法。根据示例性实施例，从成像电路接收输入信号。确定所接收的输入信号是第一输入信号还是第二输入信号。第一输入信号不同于第二输入信号。当确定所接收的输入信号包括第一输入信号时，将放大电路配置成第一配置以提供第一放大模式。否则，将放大电路配置成第二配置以提供第二放大模式。 根据另一实施例是对从成像电路读出的信号的放大进行控制的方法。在输入处接收输入信号。确定输入处接收的信号是第一输入信号还是第二输入信号。第一输入信号表示成像电路的像素值中的变化而第二输入信号表示来自成像电路的固定像素值。基于所接收的信号是第一输入信号的确定，响应于一组第一控制信号驱动多个开关至第一配置。 通过第一元件从第一状态到第二状态的改变，将表示第一输入信号的信号传送至放大器输入，其中放大器的输出是连续时间放大信号。一组第二控制信号的输出是基于接收的信号是第二输入信号的确定，并且响应于一组第二控制信号，使多个开关处于第二配置。当一组第二控制信号使多个开关处于第二配置时在第一元件处保持第二输入信号。所公开的是提供从成像电路读出的数据信号的放大的设备。该设备包括在输入处接收表示成像电路的像素值中的变化的第一输入信号和表示成像电路的固定像素值的第二输入信号的装置。设备的实施例包括确定所接收的信号是第一输入信号还是第二输入信号的装置。该设备进一步包括基于确定接收的信号是第一输入信号而输出第一控制信号的装置，其中响应于第一控制信号将多个开关导向第一配置。该设备还包括通过从第一元件初始状态的改变将表示第一输入信号的信号传送至放大器输入的装置。进一步包括的是响应于第二控制信号使多个开关处于第二配置的装置，其中第二控制信号的输出是基于接收的信号是第二输入信号的确定。该设备还包括当第二控制信号使多个开关处于第二配置时在第一元件处保持第二输入信号的装置。该设备中还包括的是将第一元件重置返回到其初始状态的装置。图1例示了根据本发明示例性实施例的系统操作的框图。系统100包含如电荷耦合器件(CXD)的成像传感器芯片110 ；和经由耦合电容器C耦合至成像芯片110的输出的模拟前端(AFE) 120。AFE 120可以包括输入级130、( 一个或更多个)第二级140和控制器150。成像传感器110可以包括像素阵列，所述像素阵列包含主像素阵列112和伪像素阵列114。主像素阵列112由暴露至光线以捕获图像的多个像素组成。伪像素阵列140也由多个像素构成但这些像素不包含图像信息。例如，伪像素阵列114可以包括黑色等级像素或者在操作期间变暗并且不接收入射光的其它像素。图像传感器110可以依照针对主图像阵列112和伪阵列114而在像素上执行的读出操作来向耦合电容器C输出模拟信号。例如，可以按照光栅扫描顺序(逐行)从图像阵列读出图像数据，其中输出信号交替地包括来自主图像阵列112和伪图像阵列114的分量。在本申请中，这些分量分别被称为“主图像数据”和“伪图像数据”。AFE控制器150被配置成确定接收的输入信号是表示主图像数据还是表示伪图像数据。可以基于数据、数据的时序、时钟信号和其它已知方法来做出该确定。当控制器150 确定输入信号表示主图像数据时，控制器150将控制信号输出至输入级130。响应于控制信号，输入级130作为连续时间放大器来操作，放大通过电容器向其提供的输入信号并且提供所放大的信号给(一个或更多个)第二级140。当作为连续时间放大器 来操作时，输入级 130具有高输入阻抗。因此，没有从耦合电容器C拉出的漏电流，或者从成像电路110输入的漏电流。相反，当控制器150确定输入信号表示伪图像数据时，控制器150输出导致输入级130中的开关改变至第二配置的控制信号。在第二配置中，输入级130作为采样和保持放大器来操作并且还执行DC恢复操作。在作为采样和保持放大器来操作时，输入级130可以从其输入中拉出电流。因为DC恢复电路在该时间段期间处于操作中，所以没有从耦合电容器C拉出的输入电流，而替代地由DC恢复电路提供输入电流。因此，将不会存在由耦合电容器C的漏电流或者来自成像电路110的漏电流所引起的图像伪像。图2例示了根据本发明实施例的示例性输入级200。输入级200能够从如CXD传感器的图像传感器210接收由外部电容器Cext传递的输入信号。输入级200还可以输出信号至(一个或更多个)第二级220。输入级200由控制器230根据图3所示的示例性波形来控制。参考回图2，输入级200包括全部是开关控制的DC恢复电压源Vkes 204、输入电容器Cin 205、运算放大器209和反馈电容器Cfb 207。反馈电容器Cfb 207的一端连接至运算放大器209的反相输入。输入电容器Cin 205的第一端耦接至运算放大器209的第一输入。 开关SlA将运算放大器209的输入端耦接在一起。另一个开关(标为开关Si)在 运算放大器209的输出将基准电压源Vkef 206耦接至反馈电容器Cfb 207的另一端。开关S2将输入电容器Cin 205的第二端耦接至接地。另一个开关(标为S2A)将输入电容器Cin 205的第二端耦接至外部电容器Cext。优选地响应于共同控制信号以相反的方式操作开关S2和S2A。 尽管每一个可以具有专用来驱动每个开关的控制信号。开关S3将DC恢复电压源Vkes 204 耦接至开关S2A和外部电容器Cext之间的电路路径中的节点。运算放大器209与电容器Cin 205和Cfb207的配置根据Cin 205的值与Cfb 207的值的比率提供增益。输入级200可以按照以下两种模式中的一种来操作连续时间放大模式或者采样和保持模式(还被用作DC恢复模式)。在连续时间放大模式中，开关S1、S1A、S2和S3全部断开而开关S2A闭合。一旦控制器230确定图像数据(即，主图像数据)是从图像传感器210输出时，控制器230输出连续时间放大波形Φ1、Φ2、￥；和Φ3(如图3所示的那些)以分别控制开关S1、S1A、S2、S2A 和S3的操作。具体地，开关Sl和SlA响应于波形Φ 1，开关S2响应于波形Φ 2，开关S2A响应于波形巧,而开关S3响应于波形Φ 3。将外部电容器Cext预充电至固定电位。来自CCD 传感器的输出中的AC变化通过外部电容器Cext从图像传感器210传送至输入级200，以及到电容器Cin 205。随着在Cin 205处接收AC信号变化，电容器Cin 205上的电荷从电荷的第一状态改变为电荷的第二状态。运算放大器209根据电容器Cin 205的值与电容器Cfb 207 的值的比率所确定的增益将Cin 205处的AC信号驱动至运算放大器209的输出。在该配置中，输入级200具有高输入阻抗并且没有有效地拉出实质的输入电流。在图像传感器从主像素阵列以外的像素位置(如伪像素阵列114)输出数据时可能出现采样和保持模式。采样和保持模式优选地在信号具有图3中波形Φ3的DC恢复期间所示的形式时出现。可以根据图3所示的波形ΦΙ、Φ 和Φ3来控制示例性实施例的开关。例如，图2和4中，波形Φ 1控制开关Sl和SlA的操作，波形Φ2控制开关S2，波形^控制开关S2A，而波形Φ 3控制开关S3。更详细地，在采样和保持周期内，图像传感器210中电容器Cext上的部分电荷将在由控制波形Φ 1驱动开关SlA时被传递至电容器Cin 205，并且接着在由控制波形Φ 2驱动开关S2时被传输至接地。作为波形周期，必须对Cin 205再次充电，导致从电容器Cext拉出净输入电流。如图3所示，波形Φ 1的时序对应于开关S2的开合，开关S2的驱动对应于波形 Φ2。在伪像素阵列114中，所有像素将稳定在与例如黑像素(如果被遮光)对应的某一已知电平。因为所有像素处于基本恒定的电平，所以DC恢复电路被激活。当其发生时，在该示例中，Φ 3时钟(DC恢复活动)优选地具有与Φ 1时钟相同的波形。当然，也可以将任何时钟信号用来作为Φ3时钟信号，只要其导致DC恢复活动。由于CCD传感器输出的净电流，开关S2和SlA以及电容器Cin 205可以被认为是复合开关电容电阻器。由于具有电阻，通过其的净电流将与其两侧施加的电压(在此情况下，Cext的电压)有关。等效电阻是Cin 205与开关S2及SlA的操作频率的乘积。依此，输入级200可以被认为具有从Cext拉出非零电流的有限开关电容器输入阻抗。在采样和保持操作的初始状态，来自CXD传感器的电荷存在于图像传感器210的电容器Cext上。电荷不存在于输入级200的电容器Cin上。当开关S2A和Sl闭合时，将图像传感器210中Cext上的电荷传输给输入级200中的Cin 205。当开关Sl和S2A断开而开关S2闭合时，Cin 205上的电荷被传输至CFB 207，并且运算放大器209基于Cin 205和Cfb 207的比率放大输入信号。 随着CXD读出操作的执行重复上述连续时间放大和DC恢复的循环。由于从像素阵列读出像素行，所以当从主像素阵列读出图像数据或者主图像数据时不执行DC恢复功能。图3显示了示例性控制波形。当从主像素阵列读出图像传感器的像素数据时，CXD 输出波形可能不具有平稳状态。在从主像素阵列之外的像素位置(或者，换言之，从伪像素阵列)读出像素的期间，CCD输出波形可能具有恒定的像素数据电平。(参见图1)。替代地，当系统从主像素阵列读出像素数据时像素数据电平可能变化。控制波形ΦΙ、Φ2、5^: 和Φ3在连续时间放大模式中可以具有一致的信号电平，其对应于从主像素阵列112读出的像素。当控制波形ΦΙ、Φ2、￥；和Φ3在DC恢复期间更快地改变时，其对应于从伪像素阵列114读出的像素。为了易于理解而提供了控制波形Φ 2和的描述，应当认识到可以输出单个控制波形并且各开关S2和S2A可以被配置成相应地进行操作。替代地，还可以实现差分实施例来为差分输入提供相同增益。图4例示了根据本发明另一实施例的成像系统400。图4的成像系统400包含图像传感器410、输入级420、模拟前端430和控制器440。类似于以上关于图2所述的操作，输入级400的差分或者双端实施例也按照两种模式来操作连续时间放大模式以及采样和保持模式。装置400和装置200之间的区别包括附加输出、输入电容器Cind 405、反馈电容器Cfb 409Α和409Β、以及Vkef 405Α和405Β的增加。在连续时间放大模式中，开关S1、S1A、S2和S3全部断开而开关S2A闭合。根据图 3所示的针对连续时间放大模式而标记的各波形控制开关S1、S1A、S2、S2A和S3的操作。已将外部电容器Cext预充电至固定电位。一旦控制器440确定图像数据(或者主图像数据) 是从图像传感器410输出时，控制器440输出连续时间放大波形(如图3中所示的那些) 来控制开关S1、S2、S2A和S3的操作。来自C⑶传感器的输出中的AC变化通过外部电容器 Cext传送至输入级420内并到电容器Cin 407。运算放大器408具有两个输入和两个输出。两个输入中，第一输入从Cin 407接收信号而第二输入从电容器Cind 405接收信号。电容器Cind 405能够提供从施加给节点406 的基准信号源获得的基准输入信号。运算放大器408将在第一输入处从Cin 407接收的AC 信号和在第二输入处从Cind 405接收的AC信号之间的差根据增益驱动至运算放大器408的输出。增益通过电容器Cin 407和Cind 405的值与电容器Cfb 409B和Cfb 409A的值的比率中的差来确定。来自运算放大器408的输出是两个输出之间的差分模式输出并且可以被传递至第二级430。在采样和保持模式中，控制器440根据图3所示的示例性DC恢复期间波形控制开关S1、S2、S2A和S3的操作。由于外部电容器Cext通过采样操作和保持操作充电，波形还影响与图像传感器410相关联的外部电容器Cext上的电荷量。更详细地，通过闭合开关SlA可以开始重置操作，开关SlA将运算放大器408的输入短路，其将运算放大器408的输出拉高至基准电位Vkef+405A和Vkef_405B (优选地基本为零(0)伏特)之间的差。 根据图3的波形，开关S2断开，开关S2A闭合而开关S3闭合。这通过重置电容器 Cext上的电荷至电压源Vkes 403所确定的预定电位来执行DC恢复操作。DC恢复操作的时序与CXD的伪像素阵列的读出操作一致。本领域技术人员能够从以上描述中认识到，可以以各种形式来实施本发明。因此， 尽管已经结合本发明的特定示例描述了本发明，但本发明实施例的真正范围不限于此，因为通过对附图、说明书以及后附权利要求的研究，其它修改对于本领域技术人员而言将变
得明显。
权利要求
1.一种对从成像电路读出的信号的放大进行控制的方法，包含接收来自所述成像电路的输入信号；确定所接收的输入信号是第一输入信号还是第二输入信号，其中所述第一输入信号不同于所述第二输入信号；当所接收的输入信号包括第一输入信号时，将放大电路配置成第一配置以提供第一放大模式；以及否则，将所述放大电路配置成第二配置以提供第二放大模式。
2.如权利要求1所述的方法，还包含发布采用所述第一配置的一组第一控制信号，其中所述第一配置提供高输入阻抗并且不从所述成像电路拉出实质的输入电流。
3.如权利要求1所述的方法，其中在输入处所述第一输入信号表示来自所述成像电路的像素值的变化而所述第二输入信号表示来自所述成像电路的固定像素值。
4.如权利要求1所述的方法，还包含发布采用所述第二配置的一组第二控制信号，其中所述第二配置提供DC恢复电路。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述第二配置提供开关电容器输入阻抗。
6.一种对从成像电路读出的信号的放大进行控制的方法，包含在输入处接收表示来自所述成像电路的像素值的变化的第一输入信号和表示来自所述成像电路的固定像素值的第二输入信号；确定所接收的信号是所述第一输入信号还是所述第二输入信号；基于所接收的信号是所述第一输入信号的确定，响应于一组第一控制信号将多个开关驱动至第一配置；通过第一元件从第一状态到第二状态的改变将表示所述第一输入信号的信号传送至放大器输入，其中所述放大器的输出是连续时间放大信号；响应于一组第二控制信号使所述多个开关处于第二配置，其中所述一组第二控制信号的输出是基于所接收的信号是所述第二输入信号的确定；当所述一组第二控制信号使所述多个开关处于所述第二配置时在所述第一元件处保持所述第二输入信号。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述第一输入信号表示从主像素阵列读出的主图像数据。
8.如权利要求6所述的方法，其中所述第二输入信号表示来自伪阵列的伪图像数据。
9.如权利要求6所述的方法，其中所述第一元件是电容器。
10.如权利要求9所述的方法，其中基于外部电容器上的电荷将所述电容器充电至电荷的第一状态。
11.如权利要求6所述的方法，其中所述放大器的第二输入连接至反馈电容器，所述反馈电容器连接至所述放大器的输出。
12.如权利要求6所述的方法，其中所述开关的第二配置包括所述放大器的输入之间的闭合的开关，从而最小化所述放大器输出。
13.如权利要求6所述的方法，其中所述开关的第二配置包括连接电压源以恢复外部电容器上的电荷的开关。
14.一种系统，包含在输入处接收表示成像电路的像素值的变化的第一输入信号和表示成像电路的固定像素值的第二输入信号的装置；确定所接收的信号是所述第一输入信号还是所述第二输入信号的装置； 基于所接收的信号是所述第一输入信号的确定输出第一控制信号的装置，其中响应于所述第一控制信号将多个开关导向第一配置；通过第一元件从第一状态到第二状态的改变将表示所述第一输入信号的信号传送至放大器输入的装置，其中所述放大器的输出是连续放大信号；响应于第二控制信号使所述多个开关处于第二配置的装置，其中所述第二控制信号的输出基于所接收的信号是所述第二输入信号的确定；当所述第二控制信号使所述多个开关处于第二配置时在所述第一元件处保持所述第二输入信号的装置。
15.如权利要求14所述的系统，其中所述第一输入信号表示从主像素阵列读出的主图像数据。
16.如权利要求14所述的系统，其中所述第二输入信号表示来自伪阵列的伪图像数据。
17.如权利要求14所述的系统，其中所述第一元件是电容器。
18.如权利要求17所述的系统，其中基于外部电容器上的电荷将所述电容器充电至电荷的第一状态。
19.如权利要求14所述的系统，其中所述放大器的第二输入连接至反馈电容器，所述反馈电容器连接至所述放大器的输出。
20.如权利要求14所述的系统，其中所述开关的第二配置包括所述放大器的输入之间的闭合的开关，从而最小化所述放大器输出。
21.如权利要求14所述的系统，其中所述开关的第二配置包括连接电压源以恢复外部电容器上的电荷的开关。
全文摘要
本发明的实施例提供用于模拟前端(AFE)放大器控制DC恢复操作的设备和控制方法。根据示例性方法，控制AFE的第一输入级以作为具有高输入阻抗并且基本上没有针对成像传感器图像阵列的第一预定区域的输入漏电流拉出的连续时间放大器来操作。控制第一输入级以作为具有针对成像传感器图像阵列的第二预定区域的DC恢复功能的采样和保持放大器来操作。根据实施例，AFE输入级在从传感器的活动图像阵列读出像素时作为连续时间放大器来操作，但在从与所谓的“黑色等级”像素或者落入在传感器的活动图像范围之外的像素对应图像阵列读出像素时作为具有DC恢复的采样和保持放大器来操作。
文档编号H04N5/372GK102224729SQ200980146672
公开日2011年10月19日 申请日期2009年11月24日 优先权日2008年11月25日
发明者R·卡普斯塔, 中村胜 申请人:美国亚德诺半导体公司