減少圖像傳感器中的噪聲的諧波音調(diào)的方法及圖像感測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般來(lái)說(shuō)涉及圖像傳感器。更具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明的實(shí)例涉及從具有電荷泵的圖像傳感器像素單元讀出圖像數(shù)據(jù)的電路。
【背景技術(shù)】
[0002]圖像傳感器已變得普遍存在。其廣泛用于數(shù)碼相機(jī)、蜂窩式電話、安全相機(jī)以及醫(yī)學(xué)、汽車及其它應(yīng)用中。用以制造圖像傳感器且特定來(lái)說(shuō)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器的技術(shù)已不斷快速地發(fā)展。舉例來(lái)說(shuō)，對(duì)較高分辨率及較低電力消耗的需求已促進(jìn)了這些圖像傳感器的進(jìn)一步小型化及集成。
[0003]在常規(guī)CMOS像素單元中，從光敏裝置(例如，光電二極管)轉(zhuǎn)移圖像電荷并在所述像素單元內(nèi)部在浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)上將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)?？蓪D像電荷從像素單元讀出到讀出電路中且接著處理所述圖像電荷。在圖像傳感器應(yīng)用中，電荷泵將經(jīng)升壓電壓(即，高于正常Vdd電平)提供到像素單元陣列以便從像素單元中的光電二極管讀出圖像電荷且通過(guò)讀出路徑將電壓信號(hào)傳遞到讀出電路。
[0004]電荷泵可由系統(tǒng)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。電荷泵的充電及放電階段連同系統(tǒng)時(shí)鐘一起操作，此可產(chǎn)生顯著量的噪聲。所產(chǎn)生噪聲的諧波音調(diào)的功率頻譜與系統(tǒng)時(shí)鐘的功率頻譜對(duì)準(zhǔn)。換句話說(shuō)，噪聲的諧波音調(diào)與系統(tǒng)時(shí)鐘的諧波音調(diào)對(duì)準(zhǔn)，其可貫穿成像系統(tǒng)傳播且降低動(dòng)態(tài)范圍及因此降低用成像系統(tǒng)獲取的圖像的圖像質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例涉及一種減少圖像傳感器中的噪聲的諧波音調(diào)的方法。所述方法包括:產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘；響應(yīng)于所述系統(tǒng)時(shí)鐘而產(chǎn)生隨機(jī)時(shí)鐘；借助所述隨機(jī)時(shí)鐘對(duì)電荷泵進(jìn)行時(shí)控以產(chǎn)生經(jīng)升壓電壓；將所述經(jīng)升壓電壓提供到所述圖像傳感器的像素陣列；及使用來(lái)自所述電荷泵的所述經(jīng)升壓電壓從所述像素陣列的像素單元讀出圖像電荷。
[0006]本發(fā)明的另一實(shí)施例涉及一種圖像感測(cè)系統(tǒng)。所述圖像感測(cè)系統(tǒng)包括:像素單元陣列，其布置成多個(gè)行及多個(gè)列；電荷泵，其經(jīng)耦合以將經(jīng)升壓電壓提供到所述像素單元陣列；隨機(jī)時(shí)鐘產(chǎn)生器，其經(jīng)耦合以對(duì)所述電荷泵進(jìn)行時(shí)控；及讀出電路，其耦合到所述像素單元陣列以使用從所述電荷泵提供的所述經(jīng)升壓電壓從所述像素單元陣列讀出圖像電荷。
【附圖說(shuō)明】
[0007]參考以下各圖描述本發(fā)明的非限制性及非詳盡實(shí)施例，其中在所有各視圖中相似參考編號(hào)指代相似部件，除非另有規(guī)定。
[0008]圖1是圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的教示包含電荷泵的成像系統(tǒng)的一部分的實(shí)例的框圖，所述電荷泵具有用以減少系統(tǒng)時(shí)鐘的諧波音調(diào)的隨機(jī)時(shí)鐘。
[0009]圖2A是圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的教示的圖像傳感器中經(jīng)耦合以借助隨機(jī)時(shí)鐘進(jìn)行時(shí)控的電荷泵的一個(gè)實(shí)例的示意圖。
[0010]圖2B是圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的教示的圖像傳感器中經(jīng)耦合以對(duì)電荷泵進(jìn)行時(shí)控的經(jīng)同步兩相不重疊時(shí)鐘產(chǎn)生器的一個(gè)實(shí)例的示意圖。
[0011]圖3A是圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的教示的圖像傳感器中耦合到隨機(jī)時(shí)鐘產(chǎn)生器的系統(tǒng)時(shí)鐘的一個(gè)實(shí)例的框圖，所述隨機(jī)時(shí)鐘產(chǎn)生器經(jīng)耦合以產(chǎn)生隨機(jī)時(shí)鐘，所述隨機(jī)時(shí)鐘經(jīng)耦合以對(duì)電荷泵進(jìn)行時(shí)控。
[0012]圖3B是圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的教示經(jīng)耦合以產(chǎn)生隨機(jī)時(shí)鐘的隨機(jī)時(shí)鐘產(chǎn)生器的一個(gè)實(shí)例的框圖。
[0013]圖3C是具有圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的教示的圖像傳感器中的隨機(jī)時(shí)鐘產(chǎn)生器的一個(gè)實(shí)例的操作的時(shí)序圖的狀態(tài)圖，所述隨機(jī)時(shí)鐘產(chǎn)生器經(jīng)耦合以產(chǎn)生用以對(duì)電荷泵進(jìn)行時(shí)控的隨機(jī)時(shí)鐘。
[0014]圖4是圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的教示經(jīng)耦合以產(chǎn)生隨機(jī)時(shí)鐘的隨機(jī)時(shí)鐘產(chǎn)生器的另一實(shí)例的框圖。
[0015]在圖式的所有數(shù)個(gè)視圖中，對(duì)應(yīng)參考字符指示對(duì)應(yīng)組件。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，圖中的元件是為簡(jiǎn)單及清晰起見(jiàn)而圖解說(shuō)明的，且未必按比例繪制。舉例來(lái)說(shuō)，為了有助于改進(jìn)對(duì)本發(fā)明的各種實(shí)施例的理解，圖中的元件中的一些元件的尺寸可能相對(duì)于其它元件放大。此外，通常未描繪在商業(yè)上可行的實(shí)施例中有用或必需的常見(jiàn)而眾所周知的元件以便促進(jìn)對(duì)本發(fā)明的這各種實(shí)施例的較不受阻擋的觀察。
【具體實(shí)施方式】
[0016]在以下描述中，陳述眾多特定細(xì)節(jié)以便提供對(duì)本發(fā)明的透徹理解。然而，所屬領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將明了，不需要采用特定細(xì)節(jié)來(lái)實(shí)踐本發(fā)明。在其它實(shí)例中，未詳細(xì)描述眾所周知的材料或方法以避免使本發(fā)明模糊。
[0017]在本說(shuō)明書通篇中對(duì)“一個(gè)實(shí)施例”、“一實(shí)施例”、“一個(gè)實(shí)例”或“一實(shí)例”的提及意指結(jié)合所述實(shí)施例或?qū)嵗枋龅奶囟ㄌ卣鳌⒔Y(jié)構(gòu)或特性包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中。因此，在本說(shuō)明書通篇的各個(gè)位置中短語(yǔ)“在一個(gè)實(shí)施例中”、“在一實(shí)施例中”、“一個(gè)實(shí)例”或“一實(shí)例”的出現(xiàn)未必全部指代同一實(shí)施例或?qū)嵗?。此外，在一個(gè)或一個(gè)以上實(shí)施例或?qū)嵗?，可以任何適合組合及/或子組合來(lái)組合所述特定特征、結(jié)構(gòu)或特性。特定特征、結(jié)構(gòu)或特性可包含于集成電路、電子電路、組合邏輯電路或提供所描述的功能性的其它適合組件中。另外，應(yīng)了解，隨本文一起提供的各圖是出于向所屬領(lǐng)域的一般技術(shù)人員解釋的目的且圖式未必按比例繪制。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的教示的實(shí)例描述一種經(jīng)耦合以借助根據(jù)本發(fā)明的教示的圖像傳感器中的隨機(jī)時(shí)鐘操作的電荷泵。如先前所提及，在圖像傳感器應(yīng)用中，電荷泵將經(jīng)升壓電壓(即，高于正常Vdd電平)提供到像素單元陣列以便從光電二極管讀出圖像電荷且通過(guò)讀出路徑將電壓信號(hào)傳遞到讀出電路。電荷泵可由時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，此可產(chǎn)生顯著量的不合意噪聲，所述噪聲具有與系統(tǒng)時(shí)鐘的諧波音調(diào)對(duì)準(zhǔn)的諧波音調(diào)。這些諧波音調(diào)可貫穿圖像傳感器的電力線以及整個(gè)半導(dǎo)體襯底傳播。因此，這些諧波音調(diào)將被添加于噪聲本底上，此可負(fù)面地影響圖像傳感器的圖像質(zhì)量。
[0019]如將論述，根據(jù)本發(fā)明的教示，為了改進(jìn)圖像質(zhì)量，在圖像傳感器中借助經(jīng)耦合以借助隨機(jī)時(shí)鐘操作的電荷泵來(lái)減少諧波音調(diào)的電平。為了減少由電荷泵產(chǎn)生的諧波音調(diào)，使充電及放電操作隨機(jī)化。然而，為了減少?gòu)碾姾杀玫拿恳患?jí)的反向電荷泄漏，在電荷泵的所述級(jí)中使經(jīng)隨機(jī)化的充電及放電操作同步。在一個(gè)實(shí)例中，借助響應(yīng)于經(jīng)隨機(jī)化系統(tǒng)時(shí)鐘而產(chǎn)生的經(jīng)同步的兩個(gè)不重疊時(shí)鐘相位來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)隨機(jī)化操作的此同步。
[0020]為了圖解說(shuō)明，圖1是圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的教示包含電荷泵的成像系統(tǒng)的一部分的實(shí)例的框圖，所述電荷泵具有用以減少系統(tǒng)時(shí)鐘的諧波音調(diào)的隨機(jī)時(shí)鐘。如在所描繪的實(shí)例中所展示，成像系統(tǒng)100的一部分包含耦合到垂直掃描電路110及讀出電路(在所圖解說(shuō)明的實(shí)例中，其被展示為垂直掃描電路104)的像素單元陣列102。在所述實(shí)例中，電荷泵112經(jīng)耦合以接收電壓Vdd及來(lái)自隨機(jī)時(shí)鐘產(chǎn)生器114的隨機(jī)時(shí)鐘信號(hào)156。電荷泵112經(jīng)耦合以將經(jīng)升壓電壓VBQQsT140提供到垂直掃描電路110，垂直掃描電路110將經(jīng)升壓電壓VbqqstHO提供到像素單元陣列102。
[0021]如在所述實(shí)例中所展示，像素陣列102為成像傳感器或像素單元(例如，像素單元Ρ1、Ρ2...、Ρη)的二維(2D)陣列。在一個(gè)實(shí)例中，每一像素單元為CMOS成像像素。如所圖解說(shuō)明，每一像素單元被布置到一行(例如，行Rl到Ry)及一列(例如，列Cl到Cx)中以獲取人、地點(diǎn)、物體等的圖像數(shù)據(jù)，接著可使用所述圖像數(shù)據(jù)再現(xiàn)所述人、地點(diǎn)、物體等的2D圖像。
[0022]在一個(gè)實(shí)例中，在每一像素單元已積累其圖像數(shù)據(jù)或圖像電荷之后，通過(guò)垂直掃描電路I1將經(jīng)升壓電壓VbqqstHO提供到像素單元陣列102以從包含于像素陣列102的像素單元中的光電二極管讀出圖像電荷且還通過(guò)位線116沿著讀出路徑將信號(hào)傳遞到水平掃描電路104。在一個(gè)實(shí)例中，邏輯電路108可控制水平掃描電路104并將圖像數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)處理單元106。在各種實(shí)例中，包含水平掃描電路104的讀出電路還可包含額外放大電路、額外模/數(shù)(ADC)轉(zhuǎn)換電路或其它。數(shù)據(jù)處理單元106可僅存儲(chǔ)所述圖像數(shù)據(jù)或甚至通過(guò)應(yīng)用圖像后效果(例如，剪裁、旋轉(zhuǎn)、移除紅眼、調(diào)整亮度、調(diào)整對(duì)比度或其它)來(lái)操縱所述圖像數(shù)據(jù)。在一個(gè)實(shí)例中，水平掃描電路104可沿著讀出列位線116 —次讀出一行圖像數(shù)據(jù)(所圖解說(shuō)明)或可使用多種其它技術(shù)(未圖解說(shuō)明)讀出所述圖像數(shù)據(jù)，例如串行讀出或同時(shí)全并行讀出所有像素。
[0023]在一個(gè)實(shí)例中，包含垂直掃描電路110的控制電路可經(jīng)耦合以控制像素陣列102的操作特性。舉例來(lái)說(shuō)，所述控制電路可產(chǎn)生用于控制圖像獲取的快門信號(hào)。在一個(gè)實(shí)例中，所述快門信號(hào)為用于同時(shí)啟用像素陣列102內(nèi)的所有像素以在單一獲取窗期間同時(shí)捕獲其相應(yīng)圖像數(shù)據(jù)的全局快門信號(hào)。在另一實(shí)例中，所述快門信號(hào)為滾動(dòng)快門信號(hào)，使得在連續(xù)獲取窗期間依序啟用每一像素行、每