減少圖像傳感器中的噪聲的諧波音調的方法及圖像感測系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明一般來說涉及圖像傳感器。更具體來說，本發明的實例涉及從具有電荷泵的圖像傳感器像素單元讀出圖像數據的電路。
【背景技術】
[0002]圖像傳感器已變得普遍存在。其廣泛用于數碼相機、蜂窩式電話、安全相機以及醫學、汽車及其它應用中。用以制造圖像傳感器且特定來說互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器的技術已不斷快速地發展。舉例來說，對較高分辨率及較低電力消耗的需求已促進了這些圖像傳感器的進一步小型化及集成。
[0003]在常規CMOS像素單元中，從光敏裝置(例如，光電二極管)轉移圖像電荷并在所述像素單元內部在浮動擴散節點上將其轉換為電壓信號。可將圖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。在圖像傳感器應用中，電荷泵將經升壓電壓(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讀出路徑將電壓信號傳遞到讀出電路。
[0004]電荷泵可由系統時鐘驅動。電荷泵的充電及放電階段連同系統時鐘一起操作，此可產生顯著量的噪聲。所產生噪聲的諧波音調的功率頻譜與系統時鐘的功率頻譜對準。換句話說，噪聲的諧波音調與系統時鐘的諧波音調對準，其可貫穿成像系統傳播且降低動態范圍及因此降低用成像系統獲取的圖像的圖像質量。
【發明內容】
[0005]本發明的一個實施例涉及一種減少圖像傳感器中的噪聲的諧波音調的方法。所述方法包括:產生系統時鐘；響應于所述系統時鐘而產生隨機時鐘；借助所述隨機時鐘對電荷泵進行時控以產生經升壓電壓；將所述經升壓電壓提供到所述圖像傳感器的像素陣列；及使用來自所述電荷泵的所述經升壓電壓從所述像素陣列的像素單元讀出圖像電荷。
[0006]本發明的另一實施例涉及一種圖像感測系統。所述圖像感測系統包括:像素單元陣列，其布置成多個行及多個列；電荷泵，其經耦合以將經升壓電壓提供到所述像素單元陣列；隨機時鐘產生器，其經耦合以對所述電荷泵進行時控；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升壓電壓從所述像素單元陣列讀出圖像電荷。
【附圖說明】
[0007]參考以下各圖描述本發明的非限制性及非詳盡實施例，其中在所有各視圖中相似參考編號指代相似部件，除非另有規定。
[0008]圖1是圖解說明根據本發明的教示包含電荷泵的成像系統的一部分的實例的框圖，所述電荷泵具有用以減少系統時鐘的諧波音調的隨機時鐘。
[0009]圖2A是圖解說明根據本發明的教示的圖像傳感器中經耦合以借助隨機時鐘進行時控的電荷泵的一個實例的示意圖。
[0010]圖2B是圖解說明根據本發明的教示的圖像傳感器中經耦合以對電荷泵進行時控的經同步兩相不重疊時鐘產生器的一個實例的示意圖。
[0011]圖3A是圖解說明根據本發明的教示的圖像傳感器中耦合到隨機時鐘產生器的系統時鐘的一個實例的框圖，所述隨機時鐘產生器經耦合以產生隨機時鐘，所述隨機時鐘經耦合以對電荷泵進行時控。
[0012]圖3B是圖解說明根據本發明的教示經耦合以產生隨機時鐘的隨機時鐘產生器的一個實例的框圖。
[0013]圖3C是具有圖解說明根據本發明的教示的圖像傳感器中的隨機時鐘產生器的一個實例的操作的時序圖的狀態圖，所述隨機時鐘產生器經耦合以產生用以對電荷泵進行時控的隨機時鐘。
[0014]圖4是圖解說明根據本發明的教示經耦合以產生隨機時鐘的隨機時鐘產生器的另一實例的框圖。
[0015]在圖式的所有數個視圖中，對應參考字符指示對應組件。所屬領域的技術人員將了解，圖中的元件是為簡單及清晰起見而圖解說明的，且未必按比例繪制。舉例來說，為了有助于改進對本發明的各種實施例的理解，圖中的元件中的一些元件的尺寸可能相對于其它元件放大。此外，通常未描繪在商業上可行的實施例中有用或必需的常見而眾所周知的元件以便促進對本發明的這各種實施例的較不受阻擋的觀察。
【具體實施方式】
[0016]在以下描述中，陳述眾多特定細節以便提供對本發明的透徹理解。然而，所屬領域的一般技術人員將明了，不需要采用特定細節來實踐本發明。在其它實例中，未詳細描述眾所周知的材料或方法以避免使本發明模糊。
[0017]在本說明書通篇中對“一個實施例”、“一實施例”、“一個實例”或“一實例”的提及意指結合所述實施例或實例所描述的特定特征、結構或特性包含于本發明的至少一個實施例中。因此，在本說明書通篇的各個位置中短語“在一個實施例中”、“在一實施例中”、“一個實例”或“一實例”的出現未必全部指代同一實施例或實例。此外，在一個或一個以上實施例或實例中，可以任何適合組合及/或子組合來組合所述特定特征、結構或特性。特定特征、結構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，應了解，隨本文一起提供的各圖是出于向所屬領域的一般技術人員解釋的目的且圖式未必按比例繪制。
[0018]根據本發明的教示的實例描述一種經耦合以借助根據本發明的教示的圖像傳感器中的隨機時鐘操作的電荷泵。如先前所提及，在圖像傳感器應用中，電荷泵將經升壓電壓(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讀出路徑將電壓信號傳遞到讀出電路。電荷泵可由時鐘驅動，此可產生顯著量的不合意噪聲，所述噪聲具有與系統時鐘的諧波音調對準的諧波音調。這些諧波音調可貫穿圖像傳感器的電力線以及整個半導體襯底傳播。因此，這些諧波音調將被添加于噪聲本底上，此可負面地影響圖像傳感器的圖像質量。
[0019]如將論述，根據本發明的教示，為了改進圖像質量，在圖像傳感器中借助經耦合以借助隨機時鐘操作的電荷泵來減少諧波音調的電平。為了減少由電荷泵產生的諧波音調，使充電及放電操作隨機化。然而，為了減少從電荷泵的每一級的反向電荷泄漏，在電荷泵的所述級中使經隨機化的充電及放電操作同步。在一個實例中，借助響應于經隨機化系統時鐘而產生的經同步的兩個不重疊時鐘相位來實現對經隨機化操作的此同步。
[0020]為了圖解說明，圖1是圖解說明根據本發明的教示包含電荷泵的成像系統的一部分的實例的框圖，所述電荷泵具有用以減少系統時鐘的諧波音調的隨機時鐘。如在所描繪的實例中所展示，成像系統100的一部分包含耦合到垂直掃描電路110及讀出電路(在所圖解說明的實例中，其被展示為垂直掃描電路104)的像素單元陣列102。在所述實例中，電荷泵112經耦合以接收電壓Vdd及來自隨機時鐘產生器114的隨機時鐘信號156。電荷泵112經耦合以將經升壓電壓VBQQsT140提供到垂直掃描電路110，垂直掃描電路110將經升壓電壓VbqqstHO提供到像素單元陣列102。
[0021]如在所述實例中所展示，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。在一個實例中，每一像素單元為CMOS成像像素。如所圖解說明，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、物體等的圖像數據，接著可使用所述圖像數據再現所述人、地點、物體等的2D圖像。
[0022]在一個實例中，在每一像素單元已積累其圖像數據或圖像電荷之后，通過垂直掃描電路I1將經升壓電壓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位線116沿著讀出路徑將信號傳遞到水平掃描電路104。在一個實例中，邏輯電路108可控制水平掃描電路104并將圖像數據輸出到數據處理單元106。在各種實例中，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(ADC)轉換電路或其它。數據處理單元106可僅存儲所述圖像數據或甚至通過應用圖像后效果(例如，剪裁、旋轉、移除紅眼、調整亮度、調整對比度或其它)來操縱所述圖像數據。在一個實例中，水平掃描電路104可沿著讀出列位線116 —次讀出一行圖像數據(所圖解說明)或可使用多種其它技術(未圖解說明)讀出所述圖像數據，例如串行讀出或同時全并行讀出所有像素。
[0023]在一個實例中，包含垂直掃描電路110的控制電路可經耦合以控制像素陣列102的操作特性。舉例來說，所述控制電路可產生用于控制圖像獲取的快門信號。在一個實例中，所述快門信號為用于同時啟用像素陣列102內的所有像素以在單一獲取窗期間同時捕獲其相應圖像數據的全局快門信號。在另一實例中，所述快門信號為滾動快門信號，使得在連續獲取窗期間依序啟用每一像素行、每