专利名称：：高效率的大范围及高分辨率的黑电平及偏移校准系统的制作方法
技术领域：
：本发明涉及图像传感器，特别是图像传感器的黑电平校准(blacklevelcalibration,BLC)。本发明也涉及偏移(offset)校准的模拟信号处理系统。
背景技术：
：半导体图像传感器(例如电荷耦合组件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器)普遍使用于照相机或摄影机中，用于将可见光的图像转换为电子信号，便于后续的储存、传输或显示。由于电子电路的非完美性质，使得图像传感器在未接收任何光线的情形下仍然会具有漏电流(或暗信号(darksignal))。此有害的暗信号会结合于有用的数据信号中，更糟的是，此暗信号无法区别于数据信号。此结合的暗信号会牺牲图像动态范围，且会降低图像对比度，因而降低图像质量。为了避免或校正此暗信号，通常会施以黑电平校准(BLC)。在黑电平校准程序中，需要收集一或多个光屏蔽(light-shielded)像素的暗信号，用于作为黑电平参考(blacklevelreference)。于黑电平校准程序中，通常还需针对模拟读取电路(readoutchain,亦即，一种接收、放大图像传感器的读取信号并输出相应的数字信号的电路)执行偏移校准。甚至，为了于固定区域内可以容纳更多的像素，需要将像素制作得更小，因而伴随高增益的放大需求，此将造成校准范围(range)的增大。另一方面，为了避免校准时产生不稳定的振荡，黑电平校准的分辨率(resolution)需要足够高，使得校准步距(step)得以小于一数字化(或量化)单位(例如模拟数字转换器(ADC)的最低有效位(LSB))。因此，黑电平校准的设计通常需要面对分辨率与范围之间的选择。为了同时达到高分辨率及大范围，传统的电路需占用相当大的电路面积及耗费相当大的电源。鉴于此，亟需提出一种有效率的黑电平校准电路，其具小电路面积及电源消耗，且能达到高分辨率及大范围的校准。
发明内容本发明的目的之一是以多个步距来执行校准电平的积分运算，因而可以达到大校准范围。另外，积分步距的大小可以通过积分增益(integratorgain)来增大，由此得以使用较小位数及电源消耗的数字模拟转换器(DAC)来完成积分运算。根据本发明实施例之一，读取电路接收、放大来自光检测器的暗信号，并产生相对应的数字输出。电平积分器则根据该数字输出，使用多步距以执行校准电平的积分，用于获得大校准范围。在本实施例中，使用数字模拟转换器(DAC)，其针对该多个步距，产生相对应校准电压给电平积分器。图l显示本发明实施例之一的黑电平校准(BLC)系统的功能框图；图2显示本发明实施例图1的电平积分器；图3显示电平积分器的示例时序图。具体实施例方式以下将详细描述本发明的实施例，然而本发明范围并不限定于这些实施例，而可以适用于其它的应用中。除了明文限定外，附图中所示组件的数量并不受限于附图所显示者。图1显示本发明实施例之一的黑电平校准(BLC)系统1的功能框图。光检测器(photodetector)10为图像传感器的一部份，例如(但不限定为)电荷耦合组件或互补金属氧化物半导体传感器。光检测器10将光子转换为相应的电子信号。光检测器10的暗信号V&的大小会随不同像素而改变，且通常至少为积分时间及温度的函数。于黑电平校准期间，需收集一或多个光屏蔽像素的暗信号，用于作为黑电平参考。通常，会将多个像素加以平均，用于减低时域(temporal)噪声。于黑电平校准期间，自光检测器10读取的信号(特别是其暗信号)被第一放大器(Ampl)ll所接收及放大。于本实施例中，第一放大器11具有线性增益Gp其代表位于黑电平校准注入节点(injectionnode)12之前的模拟增益(其中的黑电平校准注入节点12将于以下描述)。另外，第一放大器11具有偏移电压V。sl，其代表涵盖至第一放大器11(含)的偏移电压总和。位于黑电平校准注入节点12之后的校准信号(特别是黑电平校准期间的校准暗信号)被第二放大器(Amp2)13所接收及放大。于本实施例中，第二放大器13具有线性增益G2，其代表位于黑电平校准注入节点12之后的模拟增益。另外，第二放大器13具有偏移电压V。s2，其代表位于黑电平校准注入节点12之后的模拟读取电路(readoutchain)的偏移电压总和。在本说明书中，"模拟读取电路"是指一种接收、放大光检测器10的读取信号并输出相应的数字信号的电路。在本实施例中，第一放大器11和第二放大器13为具完全差分(fullydifferential)型态的运算放大器。换句话说，每一个运算放大器具有两个差分输入及两个差分输出。然而，本发明实施例也可以使用非完全差分型态的放大器。自第二放大器13的校准信号及放大暗信号通过模拟数字转换器(ADC)14予以数字化。来自模拟数字转换器(ADC)14的数字输出馈至黑电平校准(BLC)控制器15，其用于将数字转换器(ADC)14的数字输出与目标黑电平(targetblacklevel)作比较(其中，该目标黑电平可以是由使用者所定义)。于黑电平校准期间，黑电平校准控制器15将控制黑电平校准系统1的其它部分，使其达到目标黑电平。黑电平校准控制器15的实施例电路可以参阅其它文献，例如美国专利7,259,787号的相关描述。另外，根据本发明实施例，黑电平校准控制器15可以使用一或多种方案以控制数字模拟转换器(DAC)16及电平积分器(levelintegrator)17，以提供负反馈给模拟读取电路，用于校准黑电平。电平积分器17的差分输出分别输入至相加器12A、12B。其中，相加器12A接收第一放大器11的一个输出及电平积分器17的一个输出，而相加器12B则接收第一放大器11的另一个输出及电平积分器17的另一个输出。在本实施例中，电平积分器17的两个输出加至相加器12A、12B;在另一实施例中，电平积分器17的两个输出则是由相加器12A、12B予以减除。在本实施例中，相加器12A、12B介于第一放大器11及第二放大器13之间。然而，相加器12A、12B(亦即，黑电平校准注入节点12)的位置并不限定于此。再者，模拟读取电路所使用的放大器数目可以为一个或者多个。在说明各种方案及电平积分器17之前，先结合下表一来描述一个例子，以了解分辨率与范围之间的选择，以及增益G,、G2之间的选择。表一<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>其中，V^一e^GbVds，代表将进行校准的暗信号；V。s—ca,-G卜V。s—d+V。sl+V。s2/G2，代表将进行校准的信号偏移。对于已知总体增益(亦即，G,.G2)，如果使用较大增益G,及较小增益G2，则黑电平校准系统所需的校准范围会较大(但其对于分辨率的要求则较宽松，或者其较能容忍噪声)；相反的，如果使用较小增益Gi及较大增益G2，则黑电平校准系统需要较精确或较高的分辨率(但其对于校准范围的要求则较宽松)。在表一所示的例子中，校准范围的最差情形为-72.5mV至132.5mV(=60mV+72.5mV)，当模拟数字转换(ADC)的输入数字化范围为2V时，该范围大约相当于420个数字数(digitalnumber,DN)。因此，一个9-位的数字模拟转换器(DAC)可以符合此校准范围及分辨率的要求。不过，如果校准步距小于模拟数字转换(ADC)的最低有效位(LSB)(大约为490pV)，则使用10-位的数字模拟转换器(DAC)会较为适当。图2显示本发明实施例图1的电平积分器17，而图3显示电平积分器17的示例时序图。于本实施例中，电平积分器17包含完全差分(fullydifferential)型态的运算放大器170。换句话说，运算放大器170具有两个差分输入及两个差分输出。然而，本发明实施例也可以使用非完全差分型态的放大器。第一反馈电容器Cfp连接于非反相输出V^p与反相输入之间；第二反馈电容器Clm连接于反相输出Vbkm与非反相输入之间。重置开关oprst分别连接于反馈电容器Cfp、C^的两端之间。重置开关oprst于另一积分开始之前会关闭(close),用于清除反馈电容器Cfp、Cfm的电荷。继续参照图2，校准电压由数字模拟转换器(DAC)16(图1)所提供，其受控于黑电平校准控制器15(图1)的控制信号。校准电压V^的一端通过第一分支路径连接至运算放大器170的反相输入端，其中该第一分支路径包含串联的校准开关cal、第一输入电容器C,p及输入开关con—in。校准电压Veal的另一端通过第二分支路径连接至运算放大器170的非反相输入端，其中该第二分支路径包含串联的另一校准开关cal、第二输入电容器C,m及另一？俞入开关con—in。共模(common-mode)电压V，通过共模开关con一cm连接至第一输入电容器dp与输入开关con一in的相交接处；共模电压Vem也通过另一共模开关con一cm连接至第二输入电容器dm与另一输入开关con—in的相交接处。估算(evaluation)开关eva连接于第一分支路径与第二分支路径之间。积分运算操作主要包含两步骤。于第一步骤中，校准开关cal及共模幵关con—cm为关闭(close),而其它开关则为开启(open),此将使得校准电压V^被取样(sampled)并将相对应电荷分别储存于第一输入电容器Gp与第二输入电容器Clm。接着，于第二步骤中，输入开关con—in及估算开关eva为关闭，而其它开关则为开启，这将使得储存于第一输入电容器Cip与第二输入电容器Clm的电荷分别转移至反馈电容器Cfp、Cfm，因而产生积分输出。根据本发明实施例，黑电平校准控制器15决定一适当方案以控制数字模拟转换器(DAC)16及电平积分器17。例如，可以使用10-位的数字模拟转换器(DAC)16于一个步距中，以黑电平校准控制器15来控制电平积分器17的积分，如表二的方案1所示。表二方<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>于另一方案中，可以使用8-位的数字模拟转换器(DAC)16于四个歩距中，以黑电平校准控制器15来控制电平积分器17的积分，如表二的方案2所示。相较于方案1，方案2以多个(四个)步距来完成积分，其每一个步距的范围则小于总范围的大小；且方案2使用较小的数字模拟转换器(DAC)16，因而耗费较少的电源。一般来说，电平积分器17的差分输出可以表示为其中，Vd(i)代表数字模拟转换器(DAC)16所产生第i个步距的校准电压，该数字模拟转换器(DAC)16则受控于黑电平校准控制器15;vblmp=vcm+,*^x,(/)其中，d代表dp或C,m，而Cf则代表Cfp或Cfm。根据本发明实施例另一特征，步距的大小不但可以受控于数字模拟转换器(DAC)16，也可以受控于电平积分器17的积分增益Gb,c。例如，如表二方案3所示，电平积分器17以四个步距来完成积分，同方案2。然而，其积分步距大小则受到积分增益Gblc(=2)而增加，因此可以使用一个较小(7-位)的数字模拟转换器(DAC)16来完成积分。由此，本发明实施例提供校准的弹性度黑电平校准控制器15在尚离目标一段距离时，可选择较大的校准步距以加速操作；而于接近目标时，可降低步距大小以获得较佳分辨率及稳定度。根据本发明实施例，校准电平的积分操作可以使用多个步距来进行，以获得大校准范围(widecalibrationrange)。由于校准电路不需于单一步距中来达到目标范围，因此可以使用较小步距及较小电源消耗，而仍能维持其分辨率(resolution)。以上所述仅为本发明的优选实施例而己，并非用于限定本发明的权利要求范围；凡其它未脱离发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在下述的权利要求范围内。权利要求1、一种模拟信号处理系统，包含读取电路，用于接收、放大暗信号，且产生相对应数字输出；及电平积分器，根据所述数字输出，使用多个步距以执行校准电平的积分，用于获得大校准范围。2、如权利要求1所述的模拟信号处理系统，还包含数字模拟转换器，其针对所述多个步距，产生并提供相对应校准电压至所述电平积分器。3、如权利要求2所述的模拟信号处理系统，其中上述的读取电路包含第一放大器，用于接收及放大所述暗信号；至少一相加器，其接收所述第一放大器的输出及所述电平积分器的输出；及第二放大器，用于接收及放大所述相加器的输出。4、如权利要求3所述的模拟信号处理系统，其中上述的读取电路还包含模拟数字转换器，用于将所述第二放大器的输出予以数字化。5、如权利要求4所述的模拟信号处理系统，还包含黑电平校准控制器，其根据所述模拟数字转换器的输出以控制所述数字模拟转换器及所述电平积分器。6、如权利要求1所述的模拟信号处理系统，其中上述的电平积分器包含放大器；至少一反馈电容器，连接于所述放大器的输出端与输入端之间；至少一输入电容器，其经由输入开关连接于所述放大器的输入端；及至少一校准开关，连接于所述校准电压与所述输入电容器之间；其中上述的输入电容器通过关闭的所述校准开关而受到所述校准电压的充电，且所述充电的电荷则通过关闭的所述输入开关而转移至所述反馈电容器。7、一种图像传感器的黑电平校准系统，包含读取电路，用于接收、放大来自光检测器的暗信号，且产生相对应数字输出；及电平积分器，根据所述数字输出，使用多个步距以执行校准电平的积分，用于获得大校准范围。8、如权利要求7所述的图像传感器的黑电平校准系统，还包含数字模拟转换器，其针对所述多个步距，产生并提供相对应校准电压至所述电平积分器。9、如权利要求8所述的图像传感器的黑电平校准系统，其中上述的读取电路包含第一放大器，用于接收及放大所述光检测器的所述暗信号；至少一相加器，其接收所述第一放大器的输出及所述电平积分器的输出；及第二放大器，用于接收及放大所述相加器的输出。10、如权利要求9所述的图像传感器的黑电平校准系统，其中上述的读取电路还包含-模拟数字转换器，用于将所述第二放大器的输出予以数字化。11、如权利要求10所述的图像传感器的黑电平校准系统，还包含黑电平校准控制器，其根据所述模拟数字转换器的输出以控制所述数字模拟转换器及所述电平积分器。12、如权利要求7所述的图像传感器的黑电平校准系统，其中上述的电平积分器包含放大器；至少一反馈电容器，连接于所述放大器的输出端与输入端之间；至少一输入电容器，其经由输入开关连接于所述放大器的输入端；及至少一校准开关，连接于所述校准电压与所述输入电容器之间；其中上述的输入电容器通过关闭的所述校准开关而受到所述校准电压的充电，且所述充电的电荷则通过关闭的所述输入开关而转移至所述反馈电容器。13、一种图像传感器的黑电平校准系统，包含光检测器；第一放大器，用于接收及放大所述光检测器的暗信号；至少一相加器，其一端接收所述第一放大器的输出；第二放大器，用于接收及放大所述相加器的输出；模拟数字转换器，用于将所述第二放大器的输出予以数字化；黑电平校准控制器，其根据所述模拟数字转换器的输出及目标的比较结果，以产生控制信号；数字模拟转换器，其受控于所述黑电平校准控制器，针对多个步距产生相对应校准电压；及电平积分器，其接收所述数字模拟转换器的校准电压，使用所述多个步距以执行校准电平的积分，用于获得大校准范围，其中上述电平积分器的输出馈至所述相加器的另一输入端。14、如权利要求13所述的图像传感器的黑电平校准系统，其中上述的电平积分器包含-放大器；至少一反馈电容器，连接于所述放大器的输出端与输入端之间；至少一输入电容器，其经由输入开关连接于所述放大器的输入端；及至少一校准开关，连接于所述校准电压与所述输入电容器之间；其中上述的输入电容器通过关闭的所述校准开关而受到所述校准电压的充电，且所述充电的电荷则通过关闭的所述输入开关而转移至所述反馈电容器。15、如权利要求14所述的图像传感器的黑电平校准系统，还包含至少一重置开关，连接于所述反馈开关的两端。16、如权利要求15所述的图像传感器的黑电平校准系统，还包含至少一共模开关，连接于共模电压及所述输入电容器、所述输入开关的相交接处。17、如权利要求14所述的图像传感器的黑电平校准系统，其中上述电平积分器的放大器具完全差分型态。18、如权利要求13所述的图像传感器的黑电平校准系统，其中上述的电平积分器具大于一的增益。19、如权利要求13所述的图像传感器的黑电平校准系统，其中上述的光检测器为半导体图像传感器。20、如权利要求19所述图像传感器的黑电平校准系统，其中上述的半导体图像传感器为电荷耦合组件或互补金属氧化物半导体传感器。全文摘要一种黑电平校准系统。读取电路(readoutchain)接收、放大暗信号，并产生相对应的数字输出。电平积分器(levelintegrator)则根据所述数字输出，使用多步距以执行校准电平的积分，用于获得大校准范围。文档编号H04N5/361GK101557462SQ20091012971公开日2009年10月14日申请日期2009年3月24日优先权日2008年4月2日发明者史妙红申请人:英属开曼群岛商恒景科技股份有限公司