用于CMOS图像传感器的模拟行黑色电平校准

摘要

一种CMOS图像传感器包含图像像素阵列、暗像素阵列、数据位线、参考位线、驱动器、比较器和模/数转换器ADC电路。所述图像像素阵列响应于入射光产生模拟图像信号。所述暗像素阵列产生模拟黑色参考信号以用于对所述模拟图像信号的模拟黑色电平校准。在一个实施例中，所述数据位线每一者耦合到所述图像像素阵列内的不同列的图像像素，且所述参考位线每一者耦合到所述暗像素阵列内的不同列的黑色参考像素。所述驱动器耦合到所述参考位线以驱动模拟黑色参考信号。所述比较器每一者耦合到所述数据位线中的一者且每一者耦合到所述驱动器的输出，且在模拟域中使所述模拟图像信号与所述模拟黑色参考信号偏移。所述ADC电路每一者耦合到比较器的输出。

说明书

技术领域

本发明大体涉及图像传感器，且特定来说(但非排他地)涉及用于CMOS图像传感 器的黑色电平校准(black level calibration)。

背景技术

互补金属氧化物半导体(“CMOS”)图像传感器(“CIS”)可归因于像素本身中的暗 电流和像素间的暗电流电平而产生不准确的图像数据。CIS阵列的每一像素提供随入射 在像素上的光而变化的输出电压。不幸的是，暗电流增加输出电压且使成像系统提供的 图片降级。为了产生准确的图像数据，需要估计暗电流且对其进行电平校正。

大多数图像传感器在使用之前需要某一形式的校准使得从图像传感器获得的数据 可用于产生忠实地再现所俘获场景或物体的光学特性(强度、颜色等)的数字图像。一 些校准可实行一次且保持对于图像传感器的每次后续使用有效，但其它校准必须针对图 像传感器的每一单次使用实行。黑色电平校准是通常针对图像传感器的每一单次使用执 行的校准之一。正如其名称所暗示，黑色电平校准的目的是确定图像传感器的黑色电平。 黑色电平校准有效地设定阈值，在所述阈值之下，从图像传感器获得的数字数据值将被 认为表示颜色黑色，或换句话说，表示不存在或大体不存在光。所述阈值接着用于调整 从阵列中的其它像素获得的值。准确的黑色电平校准有助于实现具有暗阴影区中的完全 对比度和精细细节的数字图片。如果黑色电平过低，那么暗区域中的信息可能丢失；如 果黑色电平过高，那么可能牺牲单一范围。

黑色电平校准传统上以当前帧进行逐帧减法到全局暗行信号而进行。此方法移除暗 电流以及读出的信道偏移，从而仅留下图像数据。然而，在暗电流在整个像素阵列上不 均匀的情形中，此方法在实现黑色电平校准方面不太有效。

在帧曝光模式中，在整个像素阵列上同时进行像素阵列的遮光和积分。然而，读出 一次进行一行，因此像素阵列的顶部到底部存在积分时间差。帧曝光模式中的暗电流的 不均匀性可导致垂直阴影。垂直阴影的其它原因包含温度梯度、工艺梯度和像素输出稳 定。

常规黑色电平校准技术在数字域执行。数字黑色电平校正的一个缺点是，图像数据 在数字减法操作之后损失其动态范围。

发明内容

本发明的一个实施例涉及一种图像传感器。所述图像传感器包括以下组件：图像像 素阵列，其用以响应于入射光产生模拟图像信号；暗像素阵列，其用以产生模拟黑色参 考信号以用于对所述模拟图像信号的模拟黑色电平校准；数据位线，其耦合到所述图像 像素阵列内的一排图像像素以从所述排图像像素中转移出所述模拟图像信号；参考位 线，其耦合到所述暗像素阵列内的一排黑色参考像素以从所述排黑色参考像素中转移出 所述模拟黑色参考信号；驱动器，其耦合到所述参考位线以接收所述模拟黑色参考信号； 比较器，其经耦合以从所述数据位线接收所述模拟图像信号，且经耦合以从所述驱动器 接收所述模拟黑色参考信号，所述比较器经耦合以在模拟域中使所述模拟图像信号与所 述模拟黑色参考信号偏移；以及模/数转换器(“ADC”)电路，其耦合到所述比较器的输 出。

本发明的另一实施例涉及一种CMOS图像传感器。所述传感器包括以下组件：图像 像素阵列，其用以响应于入射光产生模拟图像信号；暗像素阵列，其安置在邻近于所述 图像像素阵列处以产生模拟黑色参考信号以用于对所述模拟图像信号的模拟黑色电平 校准；多条数据位线，其每一者耦合到所述图像像素阵列内的不同列的图像像素以转移 出所述模拟图像信号；多条参考位线，其每一者耦合到所述暗像素阵列内的不同列的黑 色参考像素以转移出所述模拟黑色参考信号，其中所述参考位线短路在一起；驱动器， 其耦合到所述参考位线以产生平均模拟黑色参考信号；多个比较器，其每一者耦合到所 述数据位线中的一者且每一者耦合到所述驱动器的输出，所述比较器经耦合以在模拟域 中使所述模拟图像信号与所述平均模拟黑色参考信号偏移；以及多个模/数转换器 (“ADC”)电路，其每一者耦合到所述比较器中的对应一者的输出。

附图说明

参看以下图式描述本发明的非限制性和非详尽实施例，图式中，除非另外规定，否 则相同参考数字在各图中表示相同零件。

图1是说明根据本发明的一实施例的图像传感器的功能框图。

图2是说明像素阵列的一实施例内的两个四晶体管(“4T”)像素的像素电路的电路 图。

图3是说明根据本发明的一实施例的执行模拟黑色电平校准的读出电路的功能框 图。

图4是说明根据本发明的一实施例的执行模拟黑色电平校准同时省略列放大器的读 出电路的功能框图。

图5是说明根据本发明的实施例的执行模拟黑色电平校准且包含芯片外黑色参考读 出电路的读出电路的功能框图。

图6是说明根据本发明的一实施例的执行模拟黑色电平校准且具有减少数目的列放 大器的读出电路的功能框图。

图7是说明根据本发明的一实施例的执行模拟黑色电平校准且具有减少数目的列放 大器和芯片外黑色参考读出电路的读出电路的功能框图。

图8是说明根据本发明的一实施例的斜坡比较器(ramp comparator)的功能框图。

具体实施方式

本文描述用于图像传感器的模拟黑色电平校准的系统和方法的实施例。在以下描述 中，陈述众多特定细节以提供对实施例的彻底理解。然而，相关领域的技术人员将认识 到，本文描述的技术可在无特定细节中的一者或一者以上的情况下实践，或以其它方法、 组件、材料等来实践。在其它例子中，未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作 以避免混淆某些方面。

整个本说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的参考意味着结合实施例描述的 特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例 中”或“在一实施例中”在整个本说明书中各个地方的出现不一定全部指代同一实施例。 此外，所述特定特征、结构或特性可以任何适宜的方式在一个或一个以上实施例中组合。

图1是说明根据本发明的一实施例的互补金属氧化物半导体(“CMOS”)图像传感 器100的功能框图。CMOS图像传感器100的所说明的实施例包含像素阵列105、读出 电路110、功能逻辑115和控制电路120。

像素阵列105的所说明的实施例包含二维(“2D”)图像像素阵列106和暗像素阵列 107。图像像素阵列106包含用于俘获图像信号的像素单元(AP1、AP2、…、APn)，且 暗像素阵列107包含用于俘获黑色电平信号的黑色参考像素单元(例如，BP0、BP1、…、 BPn)。在一个实施例中，每一像素单元为一有源像素传感器(“APS”)，例如CMOS成 像像素。在一个实施例中，黑色参考像素包含与其有源像素对等物类似或相同的结构， 至少一个例外是其被光阻挡层(例如，以金属覆盖的光敏区)遮蔽而不能接收光。当然， 黑色参考像素可使用其它技术实施。

如所说明，每一有源像素以行(例如，行R1到Ry)和列(例如，列C1到Cx)布 置以获取人、地点或物体的图像数据，所述图像数据可接着用于渲染所述人、地点或物 体的图像。像素阵列105包含用于输出模拟黑色参考信号的(暗像素阵列107的)一个 或一个以上黑色参考像素，所述模拟黑色参考信号可用于校准图像像素阵列106的像素 的黑色电平设定点。

在所说明的实施例中，像素阵列105包含在图像像素阵列106的边缘处布置在两列 中的黑色参考像素BP0到BPn。当然，暗像素阵列107可包含显著更大数目的列。图像 像素阵列106与暗像素阵列107可共享共同的行。在当前实施例中，暗像素阵列107包 含沿着图像像素阵列106的一侧形成的两列黑色参考像素。在其它实施例中，暗像素阵 列107可形成在像素阵列105的其它区中，例如像素阵列105的中心，或甚至沿着图像 像素阵列106的两个相对侧延伸。

读出电路110可包含放大电路、模/数转换(“ADC”)电路、黑色电平校准电路、图 像缓冲器或其它。功能逻辑115可简单地存储图像数据或甚至通过应用图像后效应(例 如，裁剪、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或其它效应)而操纵图像数据。控 制电路120耦合到像素阵列105以控制图像像素阵列106乃至暗像素阵列107的操作特 性。

图2是说明根据本发明的一实施例的两个四晶体管(“4T”)像素单元的像素电路200 的一实施例的电路图。像素电路200是用于实施图1的像素阵列105内的每一像素的一 种可能的像素电路架构，但应了解，本发明的实施例不限于4T像素架构；事实上，得 到本发明的益处的所属领域的一般技术人员将理解，本发明教示也可适用于3T设计、 5T设计，和各种其它像素架构。

在图2中，像素单元Pa和Pb以两行和一列布置。每一像素电路200的所说明的实 施例包含光电二极管PD、转移晶体管T1、复位晶体管T2、源极跟随器(“SF”)晶体管 T3和选择晶体管T4。在操作期间，转移晶体管T1接收转移信号TX，其响应于入射光 将光电二极管PD中累积的电荷转移到浮动扩散节点FD。在一个实施例中，浮动扩散节 点FD可耦合到用于临时存储图像电荷的存储电容器(未说明)。复位晶体管T2耦合在 电力轨VDD与浮动扩散节点FD之间以在复位信号RST的控制下复位(例如，使FD 放电或充电到预先设定的电压)。浮动扩散节点FD经耦合以控制SF晶体管T3的栅极。 SF晶体管T3耦合在电力轨VDD与选择晶体管T4之间。SF晶体管T3作为源极跟随器 操作，从而从像素单元提供高阻抗输出。最后，选择晶体管T4在选择信号SEL的控制 下选择性地将像素电路200的输出耦合到列读出线(也称为位线或数据位线)。从像素 单元读出到位线上的数据是模拟信号。在一个实施例中，TX信号、RST信号和SEL信 号由控制电路120产生。

图3是说明根据本发明的一实施例的执行模拟黑色电平校准的读出电路300的功能 框图。读出电路300的所说明的实施例包含数据位线308、参考位线309、多路复用器 340、列放大器350和355、斜坡比较器360、斜坡信号产生器365、驱动器370、计数 器380以及存储器390。

图像像素阵列106中的图像像素的每一排(或所说明的图式中的列)耦合到列读出 线或数据位线308以读出所俘获的模拟图像信号。类似地，暗像素阵列107中的黑色参 考像素的每一排(或所说明的图式中的列)耦合到列读出线或参考位线309以读出模拟 黑色参考信号。像素阵列105的每一位线可通过断言到列复位晶体管(未图示)的复位 信号来复位。在所说明的实施例中，两个数据位线308可使用多路复用器340多路复用 到单一列放大器350中。在其它实施例中，每一数据位线308可耦合到其自身的列放大 器350(未说明)，或者两个以上数据位线308可一起多路复用(未说明)。

在所说明的实施例中，从暗像素阵列107输出的参考位线309短路在一起。在常规 黑色电平校准电路中，使用单一黑色参考像素来校准图像像素阵列的整个行。如此，暗 像素行中的单一有缺陷像素或热像素可致使整个行与像素阵列的其余部分相比具有偏 移，从而导致行固定型式噪声。为了减少此噪声的发生，本发明的实施例使暗像素阵列 的参考位线309短路在一起。这形成过滤热像素和有缺陷像素的最小选择器电路。由于 一次读出整个行的黑色参考像素，且这些模拟黑色参考信号短路在一起，所以作为驱动 器370的非反相输入处的平均化而实现过滤。在一个实施例中，暗像素阵列107的每一 行对应于图像像素阵列106的一行。在一个实施例中，暗像素阵列107的每一行的位置 与图像像素阵列106的对应行对准。因此，当从图像像素阵列106读出模拟图像信号的 每一行时，其偏移从暗像素阵列107的对应行输出的模拟黑色参考信号的平均值(或经 过滤版本)。

由于参考位线309短路在一起，所以这些线可称为暗像素阵列107的共同输出。在 图3的实施例中，共同输出耦合到驱动器370的非反相输入。驱动器370经提供以驱动 与列放大器355相关联的电容性负载。在一个实施例中，驱动器370实施为单位增益缓 冲器，其具有耦合到暗像素阵列107的共同输出的非反相输入和经由反馈路径耦合到其 输出的反相输入。驱动器370的大小由图像像素阵列106中的列数目和每一列像素(或 列驱动器355)的电容性负载确定，以确保驱动器370的输出信号371在指定时间内(例 如，200ns内)稳定。

从数据位线308多路复用到相应的列放大器350的模拟图像信号经放大并耦合到斜 坡比较器360的非反相输入。类似地，模拟黑色参考信号由驱动器370驱动作为输出信 号371，由列放大器355放大作为模拟黑色参考信号356，所述模拟黑色参考信号356 耦合到斜坡比较器360的反相输入。在一个实施例中，用于放大模拟图像信号的列放大 器350与用于放大模拟黑色参考信号(输出信号371)的列放大器355相同。

在操作期间，斜坡比较器360操作以在模拟域中使模拟图像信号351与模拟黑色参 考信号356偏移，且接着将经偏移的模拟图像信号与从斜坡信号产生器365输出的斜坡 信号366进行比较。斜坡信号产生器365产生耦合到斜坡比较器360的斜坡信号366。 在每一斜坡比较器360的操作期间，当斜坡信号366的电压与经偏移的模拟图像信号匹 配时，斜坡比较器360的输出双态切换借此通知对应的计数器380。在一个实施例中， 计数器380在斜坡信号366开始从其复位值上升(或下降)的同时从复位值进行计数。 因此，每一计数器380对斜坡信号366花费多长时间来匹配每一经偏移的模拟图像信号 进行计数。此计数接着存储到存储器390中作为数字偏移图像值。因此，计数器380与 斜坡信号产生器365和斜坡比较器360的输出级协作共同地作为列模/数转换器(“ADC”) 操作。计数器380经耦合以接收一个或一个以上控制信号381(例如，时钟信号、复位)， 所述控制信号381可在控制电路120中产生。

斜坡比较器360操作以从模拟图像信号减掉暗电流以及如模拟黑色参考信号所传达 的行噪声。由于模拟黑色参考信号类似于模拟图像信号的读出以逐行方式读出，所以减 掉暗电流的垂直阴影。可接着在计数器380处执行数字相关双取样(“CDS”)以消除剩 余噪声。计数器380的输出耦合到存储器390(例如，静态随机存取存储器)。列解码器 可接着经由读取信号391和写入信号392耦合到存储器390以用于从图像传感器在芯片 外最终读出。

在所说明的实施例中，暗像素阵列107包含沿着像素阵列106的一侧形成的四列黑 色参考像素。在其它实施例中，暗像素阵列107可包含更多或更少列的黑色参考像素， 且可在像素阵列305的其它区(例如，像素阵列106的中心)中形成或沿着像素阵列106 的两侧形成。

图4是说明根据本发明的一实施例的执行模拟黑色电平校准同时省略列放大器的读 出电路400的功能框图。读出电路400的所说明的实施例类似于读出电路300，只是省 略了列放大器350和355。在所说明的实施例中，多路复用器340的输出直接耦合到斜 坡比较器360的非反相输入，且驱动器370的输出耦合到斜坡比较器360的反相输入。 可出于多种原因而移除列放大器350和355，包含低端应用以节省空间和功率消耗。

图5是说明根据本发明的实施例的执行模拟黑色电平校准且包含芯片外黑色参考读 出电路的读出电路500的功能框图。读出电路500类似于读出电路300，但具有至少以 下差异。读出电路500包含芯片外黑色参考读出电路505，其耦合到参考位线309以在 芯片外读出个别黑色参考信号。所述个别黑色参考信号可用于在芯片外数字信号处理 (“DSP”)中对所获取的图像应用数字校正算法的应用。

芯片外黑色参考读出电路505可以用于实施耦合到图像像素阵列106的读出电路的 相同电路实施，只是参考位线309在到多路复用器340的输入处短路在一起。当然，在 其它实施例中，芯片外黑色参考读出电路505内的列放大器350和355也可以与如图4 中说明的方式类似的方式省略。此读出架构相对于图3和4的实施例需要较多空间且增 加功率消耗，因为多路复用器340、列放大器350和355、斜坡比较器360、计数器380 和存储器390的数目增加。然而，此实施例促进数字黑色参考信号的芯片外读出。

图6是说明根据本发明的一实施例的执行模拟黑色电平校准且具有减少数目的列放 大器的读出电路600的功能框图。读出电路600类似于读出电路300，但具有至少以下 例外。省略列放大器355，且改为将驱动器370的输出直接耦合到斜坡比较器360的反 相输入。省略列放大器355节省了空间和功率。在所说明的实施例中，参考位线309短 路在一起且使用多路复用器640多路复用。从多路复用器640输出的模拟黑色参考信号 也在耦合到列放大器650中之前短路在一起。在一个实施例中，列放大器650使用称为 “装箱(binning)”的技术耦合在一起。装箱将列放大器650上的共同节点链接在一起或 使其短路在一起。举例来说，输入、输出以及一个或一个以上内部节点分别在列放大器 650间互相链接。装箱操作以将列放大器较紧密地联系在一起使得其共同产生一致且平 均的输出，所述一致且平均的输出耦合到驱动器370的非反相输入。尽管图6说明六条 数据位线和四条参考位线，但应了解，在实践中，可使用数百条数据位线和更多的参考 位线。

图7是说明根据本发明的一实施例的执行模拟黑色电平校准且具有减少数目的列放 大器和芯片外黑色参考读出电路的读出电路700的功能框图。读出电路700类似于读出 电路600，但添加了芯片外黑色参考读出电路705。芯片外黑色参考读出电路705以与 芯片外黑色参考读出电路505类似的方式操作，但具有以下例外。省略列放大器355， 且改为使用上文结合图6描述的装箱技术将列放大器650联系在一起。此外，驱动器370 的非反相输入耦合到列放大器650的输出，而不是直接耦合到参考位线309。

图8是说明根据本发明的一实施例的斜坡比较器800的功能框图。斜坡比较器800 是图3-7中说明的斜坡比较器360的一个可能的实施方案。斜坡比较器800的所说明的 实施例包含模拟差分比较器805、数字输出比较器810、输入电容器C1-C4以及开关SW1 和SW2。模拟差分比较器805的所说明的实施例包含第一级差分放大器815和第二级差 分放大器820。

斜坡比较器800是具有完全差分模拟输入(差分放大器815)和单端数字输出电平 移位器(数字输出比较器810)的多级比较器。第一级差分放大器815的非反相输入经 由电容器C1耦合以从图像像素阵列106接收模拟图像信号，且经由电容器C2耦合以从 电压源825接收电压参考。第一级差分放大器815的反相输入经由电容器C3耦合以从 斜坡信号产生器365接收斜坡信号366，且经由电容器C4耦合以从暗像素阵列107接 收模拟黑色参考信号

到第一级(包含电容器C1-C4)的输入提供自动调零功能以消除输入偏移。由于模 拟数据信号和模拟黑色参考信号分别连接到第一级的正和负输入，所以在模拟域中在两 个输入信号之间执行减法操作。此减法操作在模拟域中经由第一级的输入处的电容性耦 合而进行，且对模拟差分比较器805的共模输入和输出电压具有极少影响或无影响。因 此，对斜坡比较器800的输出摆幅(output swing)以及因此图像传感器的动态范围存在 极少影响或无影响。此外，完全差分放大器815和820的使用抑制了共同节点噪声，这 防止减法操作期间的额外噪声注入。从电压源825输出的参考电压提供一种也使用第一 级的差分特性消除电压源噪声的机制。

从斜坡信号产生器365输出的斜坡信号V_RAMP与V_IMAGE-V_BLK REF的偏移组合进行 比较，且当其交叉时，模拟差分比较器805的输出改变符号，从而致使数字输出比较器 双态切换或进行电平移位。在电平移位时存储在计数器380中的值用作对应于模拟图像 信号的数字值。在常规操作期间，控制信号Ctrl1操作以使开关SW1和SW2形成断路。 在数/模转换之间，通过在Ctrl1的控制下临时使开关SW1和SW2形成闭合电路而针对 下一循环将模拟差分比较器805复位。类似地，在信号Ctrl2的控制下将计数器380复 位。

虽然图8说明差分放大器的两个级，但模拟差分比较器805的其它实施例可包含差 分放大器的仅单一级或者三个或三个以上级以实现所要增益水平。

本发明的实施例以逐行方式自动消除来自模拟图像数据的暗电流分量。此消除在模 拟差分比较器805内的增益级之前发生。这些特性可产生若干优点，包含：预先增益校 正提供非常广的校正范围(例如，甚至可能高于完全ADC范围)，数字反馈并非必需， 且逐行校正促进垂直阴影(例如，由帧曝光模式、裸片内的温度梯度等引起)的校正。 应用于参考位线的以上过滤技术还有助于减小对黑色像素噪声的易感性。

本发明的所说明的实施例的以上描述(包含说明书摘要中所描述的内容)不希望为 详尽的或将本发明限于所揭示的精确形式。虽然本文出于说明性目的而描述本发明的特 定实施例和实例，但如相关领域的技术人员将认识到，在本发明的范围内各种修改是可 能的。

可鉴于以上详细描述对本发明作出这些修改。所附权利要求书中使用的术语不应解 释为将本发明限于说明书中揭示的特定实施例。事实上，本发明的范围应完全由所附权 利要求书确定，应根据权利要求解释的所确立的原则来理解所附权利要求书。