專利名稱：改進的數(shù)字成像電路和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到數(shù)字成像電路，尤其是該電路中測試和/或一般模式操作的有效處理。
不同類型的數(shù)組成像電路在已有技術(shù)中是已知的，它們包括基于電容耦合器件(CCD)和基于有源像素傳感器(APS)的電路。電容耦合器件與有源像素傳感器之間的一個區(qū)別是，有源像素傳感器的每一像素單元包括諸如晶體管的有源器件，有源像素傳感器電路也因此而得名。一個典型的有源像素傳感器單元包括一個光電二極管和若干晶體管以及具有一個復(fù)位、行及列節(jié)點(見圖2)。盡管本發(fā)明特別地適用于有源像素傳感器，本發(fā)明的延時連續(xù)信號的傳播及其它方面也適用于其它數(shù)字成像電路個和存儲單元陣列。
有源像素傳感器一般在半導(dǎo)體介質(zhì)中生成。晶片中的每一有源像素傳感器都必須進行專門的操作測試且有一定的舍棄率。很多導(dǎo)致舍棄或失效的問題與金屬導(dǎo)電材料的完整性有關(guān)。完整性問題通常來自三個方面(1)導(dǎo)致開路的導(dǎo)電材料中的空隙；(2)導(dǎo)致短路的外部的導(dǎo)電材料；(3)縱向?qū)拥母g，比如，由于絕緣層內(nèi)的針孔等。
目前各種金屬完整性測試在有源像素傳感器的導(dǎo)體中進行。這些測試一般包括逐個并按順序選擇陣列中的每一行，以及對復(fù)位導(dǎo)體和列導(dǎo)體重復(fù)進行相同的步驟。這種測試方案需要大量的時間來處理所有測試信號以及需要大量的邏輯去處理信號。可以理解，在有源像素傳感器電路中大約2/3-3/4的芯片構(gòu)成有源像素傳感器，余下很少的空間給譯碼、測試和其它處理電路。另外，一些常規(guī)的測試用模擬信號來做，這還要求有模數(shù)轉(zhuǎn)換器和可編程的信號處理放大器。
對一般模式操作，特別是對復(fù)位信號，本發(fā)明提供了比現(xiàn)有技術(shù)有源像素傳感器更快的信號處理方法。當照“像”時，基本上同時給定所有元件的復(fù)位信號(為減少整個圖像的梯度)以及要求這一信號給定不會造成不能接受的電流尖峰是必要的。一個現(xiàn)有技術(shù)的實施方案順序使能或禁止元件的每一行。由于每行至少需要三個時鐘周期，每行要120ns，(在25mHz時)對1280行的像素陣列需要154us。這不滿足相機銷售說明書的50us或更少。另一個現(xiàn)有技術(shù)實施方案發(fā)出全局復(fù)位(或使能/禁止)信號。盡管這樣滿足了時間要求，但寄生電容造成了5mA的電流尖峰，陣列的每一行就有6.4A的尖峰電流，這是不可接受的。
因此，需要以不帶來EMI的快速方式給定像素單元陣列的復(fù)位信號。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種提供有效測試的帶有源像素傳感器的成像電路。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種提供有效測試行、復(fù)位和列導(dǎo)體帶有源像素傳感器的成像電路。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種提供快速使能/禁止并不產(chǎn)生不期望的EMI電平的方式的帶有源像素傳感器的成像電路。
本發(fā)明的這些目的及相關(guān)的目的將通過應(yīng)用這里描述的改進的數(shù)字成像電路和方法來達到。
本發(fā)明可以在很多實施方案中實現(xiàn)。在至少一個實施方案中，本發(fā)明包括多個在每個特殊形式的導(dǎo)體，比如行、列、復(fù)位導(dǎo)體之間提供的選擇使能的耦合導(dǎo)體。耦合導(dǎo)體可以被使能，因此信號在一導(dǎo)體上的傳播就是在另一類似(或可能不相似)導(dǎo)體上的傳播。比如在測試模式中，這種結(jié)構(gòu)可以檢測金屬完整性故障。再比如在操作模式中這種結(jié)構(gòu)可以以不導(dǎo)致不希望的電流尖峰(電磁干擾)的快速方式提供全局信號。最好在導(dǎo)體的附近或端部提供耦合導(dǎo)體，以有效的生成連續(xù)的暫時的通過有源像素傳感器陣列形成蛇形方式的通用串行信號導(dǎo)體。這種可選的耦合結(jié)構(gòu)可提供給主導(dǎo)體類型的所有、部分或其中之一。
再閱讀隨后的附圖的詳細描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以更清楚的獲得本發(fā)明如前所述及相關(guān)的優(yōu)越性和特點。


圖1是按照本發(fā)明的具有有效測試和操作的有源像素傳感器(APS)的示意圖。
圖2是圖1的有源像素傳感器中使用的典型像素單元示意圖。
圖3是按照本發(fā)明的具有列導(dǎo)體測試電路的有源像素傳感器的示意圖。
圖4是按照本發(fā)明的另一種行和/或復(fù)位導(dǎo)體的選擇使能的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的示意圖。
參見圖1，示出按照本發(fā)明的具有高效測試和操作的有源像素傳感器的示意圖。傳感器最好構(gòu)造成矩陣10，包括多個排列成M行N列的有源像素單元12。每一行與列的交點是一像素單元。盡管符合本發(fā)明的有源像素傳感器可以是任何規(guī)格，但兩種典型的規(guī)格是2M即1280×1600和1.3M即1024×1280。每一像素最好小于5um×5um。
圖1及圖3，圖4圖示了按照本發(fā)明的蛇形或類似信號的傳播方案。蛇形或類似信號的連接方案特點可用于測試模式和正常操作模式。下面首先討論測試模式操作，緊跟著討論正常模式操作。
測試模式在一個實施方案中，本發(fā)明提供連接行信號導(dǎo)體與復(fù)位信號導(dǎo)體的可選擇連續(xù)信號導(dǎo)體。列信號導(dǎo)體最好是相同的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)分別測試行、復(fù)位及列導(dǎo)體的金屬完整性。測試最好將測試信號的給定傳到行、復(fù)位及列的第一導(dǎo)體上。測試信號通過余下的(那種類型的)導(dǎo)體傳播，并讀出最后一個導(dǎo)體上的輸出。在輸出端收到正確的測試信號表明該類型(行、復(fù)位或列)導(dǎo)體在測試時的金屬完整性。現(xiàn)在進一步詳細討論這些測試實施的方式。
對行導(dǎo)體，初始測試信號最好傳送到第0行選擇邏輯20，包括與門21、異或門22和反相器23。與門21接收測試使能(TE)信號和測試數(shù)據(jù)(TD)信號。測試數(shù)據(jù)信號通過與門21到異或門22。異或門22的另一輸入是測試模式中保持為低電平的第0行地址信號。測試數(shù)據(jù)信號繼續(xù)通過反相器到第1行選擇邏輯30。與門31和異或門32提供象第0行選擇邏輯20一樣同樣的功能。測試數(shù)據(jù)信號通過異或門32，反相器33到第1行。
第1行上的測試數(shù)據(jù)信號通過反相器第2行選擇邏輯40，包括與門41、異或門42和反相器43。測試數(shù)據(jù)信號通過第2行選擇邏輯40到第2行。這種測試數(shù)據(jù)的蛇形傳播分別在奇行和偶行來回，最好直到第(M-1)行才停止重復(fù)。第(M-1)行選擇邏輯60最好包括與門61、異或門62和反相器63。與其它行選擇電路一樣，測試信號通過行(M-1)選擇邏輯到行(M-1)。
測試使能信號最好由測試信號發(fā)生器和比較邏輯(信號發(fā)生器和測試邏輯)80產(chǎn)生，并傳送到每一行選擇邏輯電路(和下面要討論的對應(yīng)的復(fù)位選擇邏輯電路)。測試使能信號使能測試模式操作。測試數(shù)據(jù)信號最好同時提供邏輯高電平和邏輯低電平信號以及包括不同邏輯組態(tài)的串行數(shù)據(jù)。在測試中，數(shù)據(jù)輸入0行選擇邏輯20并與同過測試邏輯80從行(M-1)收到的數(shù)據(jù)比較。
行信號導(dǎo)體(和每個端頭的蛇形連接線)的線寬約0.5um，這些線具有與之相關(guān)的寄生電容和電阻。這些寄生參數(shù)導(dǎo)致固有的延時。邏輯元件也有延時，但比信號線帶來的延時小得多(比如幾百皮秒)。由圖1的有源像素傳感器中的行導(dǎo)體帶來的延時，假如是1600列，約為5ns。對一個1280行的有源像素傳感器，信號從頂?shù)降椎膫鞑r間達6.4us。
圖1也示出了蛇形復(fù)位線91的結(jié)構(gòu)。該排列用虛線畫出使之與行線區(qū)別開并使圖不至太擁擠。可以理解的與提供給行導(dǎo)體測試的同樣的邏輯和信號導(dǎo)體最好提供給復(fù)位導(dǎo)體測試(和正常模式復(fù)位操作)。因此，每行之間的復(fù)位選擇邏輯包括與門、異或門和反相器(和測試啟動及單獨地址信號等)。測試邏輯80為復(fù)位導(dǎo)體單獨提供測試啟動和測試數(shù)據(jù)信號。這些信號分別命名為TE’和TD’。
在最佳的測試模式中，行信號導(dǎo)體和復(fù)位信號導(dǎo)體的測試是同步進行的。但TD和TD’信號最好是互補的，以增加檢測比如橋接等的短路或開路電路的可能性。
參見圖2，它是本發(fā)明中使用的典型的有源像素單元示意圖。單元12最好包括三個晶體管13-15(一般是N型場效應(yīng)晶體管)和一個光敏或光電二極管11。晶體管13和14連接到VDD’晶體管15連接到晶體管14的源極。復(fù)位信號作用于晶體管13的門極，行選擇信號作用于晶體管15的門極。
在典型模式操作中，復(fù)位線被施加高電位，將反偏光電二極管的寄生電容充電到復(fù)位電平。二極管輸出節(jié)點17的電位穩(wěn)定后，復(fù)位電平被拉低，允許光感應(yīng)電荷載流子以與入射光強度成比例的速度讓光電二極管放電。一定的曝光時間后，行選擇線被施加高電位，允許節(jié)點17的電壓通過源極跟隨隔離晶體管14，從單元輸出節(jié)點19(列導(dǎo)體從此處連接)采樣。復(fù)位信號再次給定為高電位和低電位，第二次復(fù)位節(jié)點17。復(fù)位電平在輸出節(jié)點19采樣。入射光曝光后的輸出19的電位與復(fù)位電位的差值和入射光的強度成比例。
圖2圖示了任一像素單元12的行、復(fù)位及列的耦合。
參見圖3，它是按照本發(fā)明具有連續(xù)列測試導(dǎo)體的有源像素傳感器110的示意圖。為了圖示清晰，行和復(fù)位導(dǎo)體都沒有示出，盡管我們知道最好還是提供。
有源像素傳感器110包括多個最好構(gòu)造和排列成圖1中的有源像素傳感器10的有源像素傳感器單元12那樣的有源像素傳感器單元112。圖3圖示了有源像素傳感器陣列中有代表性的前四列。
在列模式中，測試信號即有效測試使能和測試數(shù)據(jù)，叫做列測試(CT)信號，在輸入節(jié)點108提供。列測試信號提供給多個N型場效應(yīng)晶體管135、155等，以及通過反相器115提供給多個P型場效應(yīng)晶體管125、145、165。晶體管125、135、145、155和165等，在測試模式中相當于短路。晶體管137、147、157、167等，允許一列上的信號被下一列讀出。
晶體管125連接在VDD與列0(co10)之間。晶體管135、137連接在0列與1列間。晶體管145、147連接在1列與2列間。晶體管155、157連接在列2與3列間。晶體管165、167連接在3列與下一列(未示出)之間。從晶體管165輸出的測試信號繼續(xù)傳播通過其余列。
在優(yōu)選的列測試模式中，測試信號在節(jié)點108以邏輯高電平輸入。通過反相器115變?yōu)檫壿嫷碗娢?，結(jié)果邏輯高電位在0列上端，由晶體管125認定。這一邏輯高電位在列的底端由晶體管137測試以及1列的底端被施加邏輯低電位。在1列的頂端為邏輯低電位，在2列的頂端為邏輯高電位。以這樣的方式通過有源像素傳感器的其余列，在輸出節(jié)點107以邏輯高電位結(jié)束。測試輸出(CTO)信號最好傳播到接觸衰減器102即列測試邏輯105的入口。在優(yōu)選的實施方案中，如本領(lǐng)域所熟悉的多路連接，接觸衰減器102是行、復(fù)位和列測試隔離及選擇公用的。
圖3也圖示了每一列的頂部和底部的電流源。電流源最好作為電流反射鏡實現(xiàn)，允許列電壓電位變低。
在其它特點中，圖3圖示了數(shù)字列導(dǎo)體測試結(jié)構(gòu)。由于不需要模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和可編程增益放大器，數(shù)字測試比模擬測試快得多。同時芯片的固有損耗也小。
參見圖4，按照本發(fā)明的有源像素傳感器的可選擇使能的耦合導(dǎo)體示意圖。圖4圖示了有代表性的有源像素傳感器210的前三行。可選的三態(tài)元件連接在每行或復(fù)位導(dǎo)體之間(只示出了行導(dǎo)體)。TE、TD和ADR信號如前面所描述的那樣給出，比如TE使有源像素傳感器置于測試模式以及TD是測試數(shù)據(jù)即通過連續(xù)導(dǎo)體傳播。
三態(tài)元件230在有源像素傳感器的右邊(只示出了其中一個)，它接收測試信號，連接到前面的導(dǎo)體(圖示實施方案中的偶數(shù)號導(dǎo)體)的端部。右邊的三態(tài)元件230最好是CMOS三態(tài)元件，連接到奇數(shù)行的右端，比如圖1中的1行。奇數(shù)行(1行)的左端連接到左邊的三態(tài)元件240。每一左邊的三態(tài)元件最好接收測試信號和與奇數(shù)行相應(yīng)的地址信號。左邊的元件240也最好是CMOS三態(tài)元件。
如圖示，奇數(shù)行的左邊也連接到下一行(2行)的測試和地址信號輸入。這樣的方式最好在有源像素傳感器的行和復(fù)位導(dǎo)體的其余行中連續(xù)。
在測試模式操作中，左邊的元件240是三態(tài)元件，因此奇數(shù)行左邊的信號傳播到下一行，比如通過1行和2行之間的導(dǎo)體245。右邊的元件230使能通過前一偶數(shù)行的信號送到下一奇數(shù)行，比如從0行到1行。
在正常操作模式中，配置了相反的結(jié)構(gòu)。右邊的元件230是三態(tài)元件，它們就象開路，允許單獨的行信號從有源像素傳感器的左邊傳播到行導(dǎo)體上。
正常操作模式在正常操作模式中，可選擇的連續(xù)復(fù)位信號導(dǎo)體提供何時每一單元接收到復(fù)位信號和完整圖像輸入信號的時間的高級控制。
比如，在有機械快門的照相機實施方案中，使能復(fù)位信號開始“曝光”，機械快門關(guān)閉時結(jié)束曝光過程。對每一行順序?qū)ぶ返默F(xiàn)有技術(shù)方法，從首行到末行要太長的開通過程，因而，在圖像中造成了梯度?，F(xiàn)有技術(shù)的另一實施方案給定全局(也就是同時的)復(fù)位信號給所有單元，產(chǎn)生不可接受的電磁干擾電流尖峰(如發(fā)明背景一節(jié)中討論過的)。復(fù)位信號使能邏輯90達到復(fù)位信號的標稱值，以開始圖像數(shù)據(jù)集成，如上面描述的通過復(fù)位導(dǎo)體的傳播，在每一復(fù)位導(dǎo)體(即每行)上約延時5ns，復(fù)位信號在整個陣列的所有像素單元中傳播需要6.4us(5ns×1280行)。
這種結(jié)構(gòu)在足夠短的時間內(nèi)提供復(fù)位信號，卻不會產(chǎn)生不利的巨大的電磁干擾(即電流尖峰等)。
盡管本發(fā)明是在關(guān)于特定的實施方案中描述的，可以理解，本發(fā)明能夠進一步改進，和本申請力圖涵蓋本發(fā)明的任何變更、使用或改變和采用上文陳述的本質(zhì)特點的，及在本發(fā)明的和附后權(quán)利要求的限制范圍內(nèi)的本發(fā)明內(nèi)容。
權(quán)利要求
1．有源像素傳感器電路，包括基片；該基片上至少排列成多行的多個像素單元；多個第一信號導(dǎo)體，每一導(dǎo)體與特定行相關(guān)并連接到該行的像素單元；和多個可選擇使能的耦合導(dǎo)體，在每個所述的多個第一信號導(dǎo)體之間提供一個，并提供一行的第一信號導(dǎo)體至另一行的另一個的可選擇耦合。
2．如權(quán)利要求1的電路，其中可選擇使能的耦合導(dǎo)體在所述多個第一信號導(dǎo)體的另一端提供，因而耦合導(dǎo)體被使能導(dǎo)通時輸入到第一信號導(dǎo)體的第一個的信號在其余的多個第一信號導(dǎo)體中以通常的蛇形方式傳播。
3．如權(quán)利要求1的電路，其中可選擇使能耦合導(dǎo)體在多個第一信號導(dǎo)體的另一端提供，因而輸入到第一信號導(dǎo)體的第一個的信號以第一方向傳播，在第一信號導(dǎo)體的第二個中以與第一方向相反的第二方向傳播，在第一信號導(dǎo)體的第三個又以第一方向傳播。
4．如權(quán)利要求1的電路，其中至少部分可選擇使能的耦合導(dǎo)體的每個導(dǎo)體包括組合的邏輯和測試使能輸入，測試信號輸入收到正確的極性信號使得在前述的第一信號導(dǎo)體上的信號通過隨后的第一信號導(dǎo)體的組合邏輯。
5．如權(quán)利要求1的電路，其中至少部分可選擇使能耦合導(dǎo)體包括三態(tài)邏輯和測試使能輸入，測試信號輸入收到正確的極性信號使得在前述的第一信號導(dǎo)體上的信號通過隨后的第一信號導(dǎo)體的三態(tài)邏輯。
6．如權(quán)利要求1的電路，其中所述的第一信號導(dǎo)體是包括復(fù)位信號導(dǎo)體和行信號導(dǎo)體的信號導(dǎo)體組中的一組。
7．如權(quán)利要求1的電路，包括多個第二信號導(dǎo)體，每一導(dǎo)體與特定行相關(guān)并連接到該行的像素單元；和多個第二可選擇使能耦合導(dǎo)體，在每個所述的多個第二信號導(dǎo)體之間提供，并提供一行的第二信號導(dǎo)體至另一行的另一個的可選擇耦合。
8．如權(quán)利要求7的電路，其中所述的第一信號導(dǎo)體是包括復(fù)位信號導(dǎo)體和行信號導(dǎo)體的信號導(dǎo)體組中的一組，第二信號導(dǎo)體是另一組。
9．如權(quán)利要求8的電路，還包括連接到所述復(fù)位信號導(dǎo)體和所述行信號導(dǎo)體的測試邏輯，該測試邏輯生成復(fù)位和行信號導(dǎo)體其中之一的測試信號即其余復(fù)位和行導(dǎo)體另一個的補充。
10．如權(quán)利要求1的電路，其中的第一信號導(dǎo)體是復(fù)位信號導(dǎo)體，該電路還包括連接到該復(fù)位信號導(dǎo)體的復(fù)位信號使能邏輯，它使能可選擇使能耦合導(dǎo)體并初始復(fù)位信號以開始輸入圖像數(shù)據(jù)集成。
11．如權(quán)利要求1的電路，其中的第一信號導(dǎo)體和可選擇使能耦合導(dǎo)體被排列成這樣，即當信號輸入到第一信號導(dǎo)體的第一個及耦合導(dǎo)體被使能時，輸入信號在第一信號導(dǎo)體的其余導(dǎo)體上順序傳播，在接收所述第一信號導(dǎo)體的每個下一個的輸入信號前實現(xiàn)延時。
12．如權(quán)利要求11的電路，其中的延時主要是由第一信號導(dǎo)體的寄生特性的函數(shù)。
13．如權(quán)利要求11的電路，其中的延時每行小于大約25ns。
14．如權(quán)利要求11的電路，其中的延時是類似的。
15．如權(quán)利要求1的電路，其中的多個像素單元還排列成多列，該電路還包括多個列導(dǎo)體，每一列導(dǎo)體與像素列之一相關(guān)并連接到該像素列的像素單元；和多個可選擇使能的耦合電路，至少有一個在每個列導(dǎo)體之間，當其間的耦合電路被使能時，一個列導(dǎo)體上的信號可在隨后的列導(dǎo)體上檢測。
16．如權(quán)利要求15的電路，其中當多個可選擇使能導(dǎo)體使能時，在所述列導(dǎo)體的第一個上的信號按順序地以蛇形方式在其余列導(dǎo)體上傳播。
17．一種有源像素傳感器電路，包括基片；基片上提供的至少排列成多行的多個像素單元；可選擇使能連續(xù)導(dǎo)體耦合至每一像素單元和排列成這樣，即當可選擇使能連續(xù)導(dǎo)體被使能時，輸入信號在多個像素單元基本上以蛇形方式傳播。
18．如權(quán)利要求17的電路，其中所述的第一信號導(dǎo)體是包括復(fù)位信號導(dǎo)體和行信號導(dǎo)體的信號導(dǎo)體組中的一組。
19．有源像素傳感器(有源像素傳感器)電路，包括基片；基片上提供的至少排列成多列的多個像素單元；多個列導(dǎo)體，每一列導(dǎo)體與像素列之一相關(guān)并連接到該像素列的像素單元；和多個可選擇使能耦合電路，至少有一個在每個列導(dǎo)體之間，當其間的耦合電路被使能時，一個列導(dǎo)體上的信號可在隨后的列導(dǎo)體上檢測。
20．如權(quán)利要求19的有源像素傳感器電路，其中當多個可選擇使能的導(dǎo)體使能時，在列導(dǎo)體的第一個上的信號按順序地以蛇形方式在其余列導(dǎo)體上檢測。
21．如權(quán)利要求19的有源像素傳感器電路，其中每個可選擇使能耦合電路包括一個有源器件。
22．如權(quán)利要求19的有源像素傳感器電路，還包括連接到每一列導(dǎo)體的電流源。
23．一種有源像素傳感器電路的處理方法，包括步驟在一個基片上提供至少排列成多行的多個像素單元；提供多個第一信號導(dǎo)體，每一導(dǎo)體與給定行相關(guān)并連接到該行的像素單元；和選擇使能在每個所述多個第一導(dǎo)體之間的導(dǎo)體，因而在一個第一信號導(dǎo)體上的信號傳播到隨后的第一信號導(dǎo)體。
24．如權(quán)利要求23的方法，還包括步驟在所述多個第一信號導(dǎo)體的另一端提供可選擇使能的耦合導(dǎo)體；使能該可選擇使能的偶合導(dǎo)體；和通過第一信號導(dǎo)體和所述被使能耦合導(dǎo)體以順序的蛇形方式傳播信號。
全文摘要
有源像素敏感元件(APS)電路提供了增強的測試和信號處理能力。有源像素敏感元件包括排列在行列陣列中的像素單元。陣列中主導(dǎo)體之間提供的可選擇使能耦合導(dǎo)體允許在一個主導(dǎo)體上的信號傳播到其它主導(dǎo)體。主導(dǎo)體包括行復(fù)位導(dǎo)體和列導(dǎo)體。公開了測試目的和正常模式操作的信號傳播。
文檔編號H01L27/14GK1297305SQ0012265
公開日2001年5月30日 申請日期2000年8月10日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月10日
發(fā)明者R·A·門策爾 申請人:安捷倫科技有限公司