专利名称：低噪声积分式电流转电压的影像传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种影像传感器，尤其指一种低噪声积分式电流转电压的影像传感器，在互补金属氧化物半导体(CMOS)影像芯片高速操作时，会有改善敏感度(sensitivity)不足，及随机噪声(random noise)偏高等问题。
背景技术：
由于USB2.0的出现，使得硬件间的接口传输速度加快，因此我们也需要操作速度更快的CMOS影像芯片。在美国专利号US6，445，022所揭示的一种影像传感器，请参照图1，其输出端112所得到的信号是由一光二极管(photodiode)102，一放大器104，一电容108与一开关114所组成的积分器电路110将光电流信号转变而成的电压信号，但是这种架构在电路110中，并未改善电路特性受制程变异影响的现象及电路本身所产生的随机噪声(random noise)的问题。因其无法在高速操作的要求下，消除随机噪声以提高信号噪声比(S/N；signal and noise ratio)。
实用新型内容本实用新型提出一改良的低噪声积分式电流转电压的影像传感器，消除电路所产生的随机噪声，提高信号噪声比，最后藉由输出电路做调整后再输出。
为了达到上述目的，本实用新型提供了一种低噪声积分式电流转电压的影像传感器，适用于CMOS制程，包括一光感测组件，用来感测光变量并输出感测信号；一积分器电路，接收该光感测组件的感测信号；一相关二次取样电路(Correlated Double Sampling)，连接于该积分器电路之后，并在特定时间时，对该积分器的输出作取样，并将两次取样结果运算后，得出一低噪声信号并将该低噪声信号输出；一输出电路，接收该相关二次取样电路所输出的该低噪声信号经处理后输出多个信号。
也就是说，本实用新型为一种低噪声积分式电流转电压的影像传感器，包括一光感测组件，一积分器电路，一相关二次取样电路(Correlated DoubleSampling)，及一输出电路。将该感测组件的输出信号，经由该积分器电路与该相关两次取样电路处理后，可将感测组件的输出信号的噪声信号部分滤除，大幅改进信号噪声比(signal noise ratio)。
图1是已知技术电路图。
图2是本实用新型的第一实施例电路图。
图3是本实用新型的第二实施例电路图。
图4是本实用新型的第二实施例的波形图。
图5是本实用新型的第三实施例电路图。
图6是本实用新型的第三实施例的波形图。
其中，附图标记说明如下102光二极管 104放大器108电容 114开关110积分器电路112输出端200光感测组件210积分器电路211放大器211’放大器211”放大器 213电容215CMOS开关 215’NMOS开关215”PMOS开关217反相器219参考电压 220积分器输出端信号230相关二次取样电路 231电容232电容右端电压信号 233单级缓冲器235CMOS开关 235’NMOS开关235”PMOS开关237反相器238开关信号 238’开关信号239参考电压 240输出端
250输出电路 251取样保持电路装置253单增益缓冲器 253’单级缓冲器255单增益缓冲器 255’单级缓冲器S1消除噪声信号的第一步骤S1’消除噪声信号的第一步骤S2消除噪声信号的第二步骤S2’消除噪声信号的第二步骤S3消除噪声信号的第三步骤S3’消除噪声信号的第三步骤S4消除噪声信号的第四步骤S4’消除噪声信号的第四步骤具体实施方式
请参照图2，为本实用新型低噪声积分式电流转电压的影像传感器的一实施例。其中包括一光感测组件200，该光感测组件200可为一光二极管，一积分器电路210，一相关二次取样电路(Correlated Double Sampling)230以及一输出电路250所串接而成。其中该积分器电路210更包括一放大器211，一电容213，一开关215以及一反相器217，和一参考电压219。当该光感测组件200将感测的光信号转换为电流信号后，所输出的电流信号会输入到该放大器211的负输入端。该电容213跨接于该放大器211的负输入端与输出端之间。该开关215与该反相器217并联，并亦跨接在该放大器211的负输入端与输出端之间，且是由一开关信号218控制。
该相关二次取样电路230，由一电容231连接上述积分器电路210的输出端，其后接着一个单级缓冲器233，为该相关二次取样电路230的输出级缓冲器。在该电容231与该单级缓冲器233之间，接出一个开关235与一个和连接该开关信号238的反相器237，该开关连接一个参考电压239，并且由一开关信号238控制。如此的开关装置由电容231的右端接出，以提供该电容231所需的参考电压。
最后，该输出电路250包括一取样保持(sample and hold)电路装置251，连结于上述的相关二次取样电路230的单级缓冲器233的输出端240，其后再分别连接两个放大器253与255，作为单增益缓冲器。
请参照图3及图4，此图为本实用新型另一个实施例。该光感测组件200将所接收的光信号转换为电流信号后，将该电流信号输入该放大器211’，而该输出信号会因噪声影响而有高低起伏，本实用新型即用来将该噪声信号消除。主要动作分为4个步骤步骤一(S1)开关信号238激活(ON)使得开关235’短路(short)，则光感测组件200的输出信号VSH会直接耦合到积分器输出端信号220。此时电容231左右两端电压分别为VSH和VREF2，因此电容会储存(VSH-VREF2)的值。
步骤二(S2)积分器输出端信号220保持为VSH，所以电容右端会得到VSH-(VSH-VREF2)的值，即为VREF2。
步骤三(S3)开关信号218激活(ON)使得开关215’短路(short)，则光感测组件200的输出信号会由原先的VSH变成VSL且直接耦合到积分器输出端信号220，因此电容右端会得到VSL-(VSH-VREF2)的值，即(VSL-VSH)+VREF2。
步骤四(S4)积分器输出信号220变为VSH，因此电容右端会得到VSH-(VSH-VREF2)的值，即VREF2。
在步骤一、二和四时，该电容231右端的输出信号皆为VREF2，而在步骤三时，其值为(VSL-VSH)+VREF2。因为制程的误差会同时影响VSL及VSH，而最后取两者相减的结果，必定能把制程误差所导致电路特性的变异性降至最低；另一方面由于取VSH与VSL相减的缘故，也因此把光二极管或是电路本身产生的噪声信号抵消，而得到噪声最小的信号。
接着该电容右端电压信号232通过取样保持电路装置251处理后，输入单级缓冲器253’与255’以输出最后的感测信号，由此方法产生的信号可以得到最大的信号噪声比(signal noise ratio)。
本实施例为P型基底的CMOS制程，在符合低成本的需求下开关215’和235’为N沟道金属氧化物半导体(NMOS)晶体管，且其开关信号218与238的导通电压值为高电位。另外单增益缓冲器253和255也被简化成单级缓冲器253’和255’。
请参照图5及图6，此图为本实用新型另一个实施例。该光感测组件200将所接收的光信号转换为电流信号后，将该电流信号输入该放大器211”，而该输出信号会因噪声影响而有高低起伏，本实用新型即用来将该噪声信号消除。主要动作分为4个步骤步骤一(S1’)开关信号238’激活(ON)使得开关235”短路(short)，则光感测组件200的输出信号VSL会直接耦合到积分器输出端信号220。此时电容231左右两端电压分别为VSL和VREF2，因此电容会储存(VSL-VREF2)的值。
步骤二(S2’)积分器输出端信号220保持为VSL，所以电容231右端会得到VSL-(VSL-VREF2)的值，即VREF2。
步骤三(S3’)开关信号218’激活(ON)使得开关215”短路(short)，则光感测组件200的输出信号会由原先的VSL变成VSH且直接耦合到积分器输出端信号220，因此电容231右端会得到VSH-(VSL-VREF2)的值，即(VSH-VSL)+VREF2。
步骤四(S4’)积分器输出信号220变为VSL，因此电容231右端会得到VSL-(VSL-VREF2)的值，即VREF2。
在步骤一、二和四时，该电容231右端的输出信号皆为VREF2，而在步骤三时，其值为(VSH-VSL)+VREF2。因为制程的误差会同时影向VSL及VSH，而最后取两者相减的结果，必定能把制程误差所导致电路特性的变异性降至最低；另一方面由于取VSH与VSL相减的缘故，也因此把光感测组件200或是电路本身产生的噪声信号抵消，而得到噪声最小的信号。
接着该电容231右端电压信号232通过取样保持电路装置251处理后，输入单级缓冲器253’与255’作为最后的感测信号，由此方法产生的信号可以得到最大的信号噪声比(signal noise ratio)。
本实施例为N型基底的CMOS制程，在符合低成本的需求下开关215”和235”为P沟道金属氧化物半导体(PMOS)晶体管，且其开关信号218’与238’的导通电压值为低电位。另外单增益缓冲器253和255也被简化成单级缓冲器253’和255’。
以上所述仅为本实用新型的较佳可行实施例，并非因此限定本实用新型的专利范围，故，凡运用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变化，皆应属于本实用新型的范围内。
权利要求1.一种低噪声积分式电流转电压的影像传感器，适用于互补金属氧化物半导体制程，其特征在于包括一用来感测光变量并输出感测信号的光感测组件；一接收该光感测组件的感测信号的积分器电路；一相关二次取样电路，连接于该积分器电路之后，并在特定时间时，对该积分器的输出作取样，并将两次取样结果运算后，得出一低噪声信号并将该低噪声信号输出；一输出电路，接收该相关二次取样电路所输出的该低噪声信号经处理后输出多个信号。
2.如权利要求1所述的低噪声积分式电流转电压的影像传感器，其特征在于该光感测组件为一种能将光信号换成电流信号的光电组件且适用于N型基底或P型基底的互补金属氧化物半导体制程。
3.如权利要求1所述的低噪声积分式电流转电压的影像传感器，其特征在于该积分器电路由一放大器，一电荷储存装置，与一互补金属氧化物半导体开关以及一反向器所组成。
4.如权利要求1所述的低噪声积分式电流转电压的影像传感器，其特征在于该相关二次取样电路由一电容，一互补金属氧化物半导体开关以及一缓冲放大器所组成。
5.如权利要求3所述的低噪声积分式电流转电压的影像传感器，其特征在于该开关可为N沟道金属氧化物半导体或是P沟道金属氧化物半导体晶体管所组成。
6.如权利要求1所述的低噪声积分式电流转电压的影像传感器，其特征在于该相关二次取样电路，由一电荷储存装置、一互补金属氧化物半导体开关以及一输出级缓冲器组成。
7.如权利要求1所述的低噪声积分式电流转电压的影像传感器，其特征在于该输出电路由一取样保持电路和多个放大器所组成；该多个放大器皆连接于该取样保持电路之后并输出。
8.如权利要求4所述的低噪声积分式电流转电压的影像传感器，其特征在于该开关由互补金属氧化物半导体晶体管组成，亦可为一P沟道金属氧化物半导体晶体管或一N沟道金属氧化物半导体晶体管所组成。
9.如权利要求7所述的低噪声积分式电流转电压的影像传感器，其特征在于该多个放大器是由单增益缓冲器或是单级缓冲器所组成。
10.如权利要求1所述的低噪声积分式电流转电压的影像传感器，其特征在于该光感测组件可为一光二极管。
专利摘要本实用新型公开了一种低噪声积分式电流转电压的影像传感器隶属CMOS制程，包含一光感测组件，用来感测光变量并输出感测信号；一积分器电路，接收该光感测组件的感测信号；一相关二次取样电路，连接于该积分器电路之后，并在特定时间时，对该积分器的输出作取样，并将两次取样结果运算后，得出一低噪声信号并将该低噪声信号输出；以及一输出电路，接收该相关二次取样电路所输出的该低噪声信号经处理后输出多个信号，串接而成。此组合针对不同的CMOS影像技术应用的系统所设计。本实用新型不但保有CMOS低功率消耗及整合性佳的优点，更能消除因制程上的误差所导致电路特性飘移的现象。
文档编号H04N5/225GK2681353SQ20042000182
公开日2005年2月23日 申请日期2004年1月5日 优先权日2004年1月5日
发明者苏文鸿, 许均铭, 林鸿文, 萧开明 申请人:敦南科技股份有限公司