CN1249977C

CN1249977C - 光电装置

Info

Publication number: CN1249977C
Application number: CN02118028.8A
Authority: CN
Inventors: 町田聪
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Ablic Inc
Priority date: 2001-04-19
Filing date: 2002-04-19
Publication date: 2006-04-05
Anticipated expiration: 2022-04-19
Also published as: JP2003023523A; JP3933972B2; US6730898B2; US20020166949A1; CN1381987A

Abstract

提供有一个随机噪声被降低的光电转换器。在一个光电转换器中，一个光电转换器的一个输出端子被连接到一个复位装置和一个放大装置的输入端子上；一个电荷转移装置被连接到所述放大装置的一个输出端子上；所述电荷转换装置的另一个端子被连接到一个电容器和一个源跟随放大器的一个栅上；所述源跟随放大器的一个源被连接到一个通道选择装置上；所述通道选择装置的另一个端子被连接到一个公用信号线上；并且所述公用信号线被连接到一个电流源上。

Description

光电装置

发明领域

本发明涉及一种光电转换器，其接收由一个光被照射其上的原物所反射的光，并将这个光转换成一个电信号，并且更具体地涉及到一个适用于一个图象读取装置如一个传真机或一个图象扫描仪的线性图象传感器。

发明背景

一个用在传统图象读取装置的图象传感器的电路图被显示在图4中，并且其时序表被显示在图5中。图象传感器在日本专利申请公开号Hei 10-051164中被公开。

一个光电二极管101的一个n型区域被连接到一个正电源电压端子VDD，且一个p型区域被连接到一个复位开关102的漏极和一个源跟随放大器103的栅上。复位开关102的源被赋予一个参考电压VRFE1。为所述源跟随放大器103的一个输出端子的一个源被连接到一个读取开关105和一个恒定电流源104上。所述恒定电流源104的栅被赋予参考电压VRFEA的一个恒定电压。被放置在如图5所示的光电转换器块An框内的元件数量与象素数量相同，并且相应块的读取开关105被连接到公用信号线106上。注意光电转换块An表示的是一个第n位的光电转换块。

通过一个电阻110公用信号线106被输入到一个运算放大器109的一个反相端子上，并且通过一个芯片选择开关112和一个电容器113，运算放大器109的一个输出端子被连接到一个输出端子116上。公用信号线106被连接到一个信号线复位开关107，并且信号线复位开关107的一个源被赋予一个参考电压VREF2。一个电阻111被连接在运算放大器的输出端子与反向端子之间，并且运算放大器109的一个非反相端子被固定到一个恒定电压VREF3。一个反相放大器D由运算放大器109、电阻110和电阻111组成。

图象传感器的一个输出端子116被连接到MOS晶体管114的一个漏极上，并且该MOS晶体管114的一个源被赋予一个参考电压VRER4。同样，图象传感器的输出端子116也被连接到一个电容器115如一个寄生电容上。一个箝位电路C由电容器113、电容器115和MOS晶体管114组成。

但是，在上述类型的图象传感器中，当继完成光电荷的存储、一个光信号电压被读取、及随后参考电压被读取后，光电二极管被复位，并且光信号电压与参考电压之差被获取。这导致这样的一个问题，即加在参考电压和光信号电压上的复位噪声彼此不同。即，因为不同时序的复位噪声被相互比较，因此引起随机噪声大这样的一个问题。

发明概述

为了解决在现有技术中固有的上述问题，根据本发明，提供有一个光电转换器，其中：一个光电转换器装置的一个输出端子被连接到一个复位装置和一个放大装置的输出端子上；一个电荷转移装置被连接到所述放大装置的一个输出端子上；所述电荷转移装置的另一个端子被连接到一个电容器和一个源跟随放大器的一个栅上；所述源跟随放大器的一个源被连接到一个通道选择装置；所述通道选择装置的另一个端子被连接到一个公用信号线；并且所述公用信号线被连接到一个电流源，以及所述光电转换器的特征在于：所述通道选择装置被打开以读取在公用信号线上的参考电压；所述电荷转移装置被打开以读取在电容器中的信号电荷；当通道选择装置被闭合后电荷转移装置被闭合；并且通道选择装置被打开以读取在公用信号线上的一个信号电压；所述复位装置被打开以将光电转换装置初始化；在复位装置被闭合之后，电荷转移装置被打开以读取电容器内的参考电荷；以及在通道选择装置被闭合后，电荷转移装置被闭合。

作为另一选择地，根据本发明的光电转换器的特征在于：通道选择装置被打开以读取在公用信号线上的一个参考电压；电荷转移装置被打开以读取在电容器中的信号电荷；电荷转移装置被闭合以读取在公用信号线上的一个信号电压；复位装置被打开以将光电转换装置初始化；当复位装置被闭合后，电荷转移装置被打开以读取在电容器内的参考电荷；以及当电荷转移装置被闭合后，通道选择装置被闭合。

同样，提供一种光电转换器，其中：一个光电转换器装置的一个输出端子被连接到一个复位装置和一个第一放大装置的输入端子；一个第一电荷转移装置被连接到所述第一放大装置的一输出端子；所述第一电荷转移装置的另一个端子被连接到一个第一电容器和一个第二放大装置的输入端子上；一个第二电荷转移装置被连接到所述第二放大装置的一个输出端子上；所述第二电荷转移装置的另一个端子被连接到一个第二电容器和一个第三放大装置的输入端于上；一个第三电荷转移装置被连接到所述第三放大装置的一个输出端子上；所述第三电荷转移装置的另一个端子被连接到一个第三电容器和一个源跟随放大器的一个栅上；所述源跟随放大器的一个源被连接到一个通道选择装置；所述通道选择装置的另一个端子被连接到一个公用信号线上；并且所述公用信号线被连接到一个电流源，特征在于：下述工作系列被重复，其中：第二电荷转移装置工作；其后，第一电荷转移装置和第三电荷转移装置工作；其后，复位装置和第二电荷转移装置工作；其后，第一电荷转移装置工作；其后，通道选择装置工作；其后，第三电荷转移装置工作；并且随后，通道选择装置工作。

根据这个读取方式，因为包含复位开关相同的关断噪声的参考电压和信号电压被按照顺序读取，所以若通过一个相关双取样等而获得了一个电压差，则固定模式噪声(fixed pattern noise)及随机噪声小的一个光电转换器可以被获得。

附图的简要说明

从下述详细的说明以及附图中，本发明的这些以及其它的目的和优点将变得更加十分明显，其中

图1是一个显示根据本发明的一个光电转换器的电路图；

图2是一个根据本发明的第一实施例的一个光电转换器的时序图；

图3是一个根据本发明的第二实施例的一个光电转换器的时序图；

图4是一个用在传统图象读取装置中的一个图象传感器IC的电路图；

图5是一个用在传统图象读取装置中的一个图象传感器IC的时序图；

图6是一个显示根据本发明第三实施例的一个光电转换器的电路图；

图7是一个根据本发明第三实施例的一个光电转换器的时序图；

图8是一个根据本发明第四实施例的一个光电转换器的时序图；以及

图9是一个根据本发明的一个光电转换器的电路图。

所优选实施例的详细说明

现在，参考附图将详细说明本发明所优选的实施例。

图1是一个显示根据本发明的一个光电转换器的电路图。

一被放置在如图1所示的光电转换块An的框内的单元对应于一象素，并且相应块的通道选择开关7被连接到一个公用信号线11上。注意光电转换块An表示的是一个第n位的光电转换块。图9显示此光电转换器的一个整个结构。

如图1所示的电路由下述装置组成：起一个光电转换装置作用的一个光电二极管1；起一个电荷转移装置作用的一个转换开关4；起一个复位装置作用的一个复位开关2；一个放大装置3；一个电容器5；构成一个MOS源跟随器的一个MOS晶体管6；起一个通道选择装置作用的通道选择开关7；公用信号线11和一个电流源8。所述放大装置3由一个MOS源跟随器、一个电压跟随放大器等构成。可选择任何一个工作状态的放大使能端子10可以被放置在放大装置3里。同样，一个寄生电容器9存在于MOS晶体管6的栅和源之间。

图2是一个根据本发明的第一实施例的一个光电转换器的时序图。以下根据这个实施例的光电转换器的工作和结构将参考图2的时序图被加以说明。首先，第n位的光电转换块的工作将被加以说明。

通过ΦR(n)开启复位开关后，光电二极管1的一个输出端子Vdi被固定到一个参考电压Vreset，并且关断复位开关2后，Vdi的一个电压变成因将一个关断噪声(off-noise)添加到Vreset而产生的一个值。因为每当进行复位时电势便波动，所以关断噪声变成一个随机噪声。因此，为了防止随机噪声，复位后放大器3的输出电压与继复位后光电二极管将其中的光电荷存储之后的放大器3的输出电压之差可以被获取。

为了满足上述条件，如图2所示，在复位开关2被关断后，转换开关4因ΦT1(n)而被开启，在TR周期中参考电荷在电容器5中被读取，并且参考电荷在电容器5中被存储一个周期。在这个周期期间，光电荷被存储在光电二极管1中，并且Vdi的电势根据光电荷的量而变化。在随后的一个循环中，当由于ΦSCH(n)而导致通道选择开关7被打开时，在一个REF周期中对应于参考电荷的参考电压在公用信号线11中被读取。随后，ΦT1(n)被开启，并且在一个TS周期中，对应于存储在光电二极管中的电荷的一个信号电荷在电容器中被读取。在这个情况下，由于下面将加以说明的原因，当ΦSCH(n)被关断后ΦT1(n)被关断。

随后，当ΦSCH(n)再次被开启时，在一个SIG周期中对应于信号电荷的一个信号电压在公用信号线11上被读取。利用REF周期和SIG周期之间公用信号线11的输出电压VOUT之差，由复位开关2引起的固定模式噪声和随机噪声可以被除去。另一方面，当ΦT1(n)被关断后，ΦR(n)被开启，并且用于下一次的光电二极管被复位。然后，ΦT1(n)被开启，并且在TR周期中参考电荷在电容器5上被读取。在这个情况下，由于下面将加以说明的原因，当ΦSCH(n)被关断后ΦT1(n)被关断。

在上述读取方式中，满足下述条件是必要的。因为如图1所示寄生电容器9存在，所以当参考电荷被转移到电容器5时MOS晶体管6的源的电势必须与当信号电荷被转移到电容器5时MOS晶体管6的源的电势相同。因为参考电荷和信号电荷被存储在C1和C2中，所以当参考电荷和信号电荷被转移到电容器5时，如果MOS晶体管6的源的电势彼此互不相同，甚至即使V1的电势相同，则所存储的电荷量不同。当参考电压和信号电压在公用信号线上被读取时，这个差值引起一个电压差。MOS晶体管6的源的电势在很大程度上在通道选择开关7的开启状态(on-state)和关断状态(off-state)之间变化。因此，在图2的实例中，通道选择开关在TS和TR周期中处于关断状态。尤其地，当电荷转移被完成之际ΦT1(n)被关断时，有必要关断ΦSCH(n)。

与图2相反，图3显示在TS和TR周期中当通道选择开关7处于开启状态的一个状态。在这个方法中，即使当在SIG周期中对信号电压的读取被完成后，也有必要保持ΦSCH(n)的开启状态直到ΦT1(n)被关断。

在图2和图3中，在SIG周期后，ΦSCH(n)被关断，由ΦSCH(n+1)将随后一位的通道选择开关7打开，并且所述随后一位的参考电压开始被读取。

通过利用相关双取样电路，参考电压和信号电压之差被取得。这可以通过例如图4中传统实例的块C电路而获得。

图6是一个显示根据本发明第三实施例的一个光电转换器的电路图。

一被放置在如图6所示的光电转换块An的框内的单元对应于一象素，并且相应块的通道选择开关7被连接到一个公用信号线11上。注意光电转换块An表示的是一个第n位的光电转换块。图9显示此光电转换器的一个整个结构。

如图6所示的电路由下述装置组成：起一个光电转换器装置作用的一个光电二极管1；起电荷转移装置作用的转换开关18，19和20；起一个复位装置作用的一个复位开关2；放大装置15、16和17；电容器21、22和23；构成一个MOS源跟随器的一个MOS晶体管6；起一个通道选择装置作用的通道选择开关7；公用信号线11和一个电流源8。所述放大装置15、16和17由一个MOS源跟随器、一个电压跟随放大器等构成。可选择任何一个工作状态的放大使能端子12、13和14可以被放置在放大装置15、16和17里。同样，一个寄生电容器9存在于MOS晶体管6的栅和源之间。

图7是一个根据本发明的第三实施例的光电转换器的时序图。

此后，根据这个实施例的光电转换器的工作和结构将参考图7中的时序图加以说明。

在图6和图7中的ΦR、ΦT1、ΦT2、ΦSEL1和ΦSEL2针对每一位同时工作。取决于位，ΦSCH和ΦT3在每个工作中的时序有所不同，由此，通过添加“(n)”来表示。

现在将对第n位的一个光电转换器块的一个工作进行解释。

首先，一个电压转移工作将被加以说明。

当复位开关2由于在ΦR的R1上一个脉冲而被开启时，光电二极管1的一个输出端子Vdi被固定到一个参考电压Vreset。当复位开关2被关断时，Vdi的一个电压变成因将一个关断噪声添加到Vreset而产生的一个值。因为每当进行复位时电势便波动，所以关断噪声变成一个随机噪声。因此，为了防止随机噪声，复位后第一放大器15的输出电压与继复位后光电二极管将其中的光电荷存储之后第一放大器15的输出电压之差可以被获取。

为了满足上述条件，如图7所示，当复位开关2被关断后，第一转换开关12由于在ΦT1的R1上的一个脉冲而被开启，参考电荷在第一电容器21上被读取，并且参考电荷在电容器5中被存储一个周期。在这个周期期间，光电荷被存储在光电二极管1中，并且Vdi的电势根据光电荷的量而变化。这个存储周期变成如图7所示的一个TS1周期。

随后，第二转换开关19因在ΦT2的R1上的一个脉冲而被开启，并且参考电压在第二电容器22上被读取。

随后，第一转换开关18因在ΦT1的S1上的一个脉冲而被开启，并且对应于存储在光电二极管中电荷的一个信号电荷在第一电容器21中被读取。此外，在每一位的ΦT3(n)被开启并且参考电荷在第二电容器22中被读取。

随后，光电二极管1再次由于在ΦR的R2上的一个脉冲而被复位。当复位开关2被关断时，Vdi的电压被变成因将一个关断噪声添加到Vreset而产生的一个值。此外，第二转换开关19因在ΦT2的S1上的一个脉冲而被开启，并且对应于TS1的一个存储周期的一个信号电荷在第二电容器22中被读取。

随后，第一转换开关18由于在ΦT1的S2上的一个脉冲而被开启，并且参考电荷在第一电容器21上被读取。

其次，将对电压读取工作加以说明。

在如图7所示的TS2的一个存储周期期间，当通道选择开关7由于在ΦSCH(n)的R1上的一个脉冲而被打开时，存储在第三电容器23中的一个参考电荷在公用信号线11上被读取。这个参考电荷是由在ΦR的R1上的脉冲所产生的一个参考电压。其次，对应于在TS1周期内存储在光电二极管内电荷的信号电荷由于在ΦT3(n)的S1上的一个脉冲在电容器23中被读取。在这个情况下，因为下面将加以说明的原因，ΦSCH(n)被关断并且然后ΦT3(n)被关断。

随后，当ΦSCH(n)再次被开启时，一个信号电压在公用信号线11上被读取。利用从前在公用信号线11上所读取的参考电压与这个信号电压之差，由复位开关2引起的固定模式噪声和随机噪声可以被除去。这是因为一个复位脉冲ΦR的相同关断噪声被施加到采用相同输出路径的这两个电压上。

在上述读取方式中，有必要满足下面的条件。因为如图6所示的寄生电容器9存在，所以当参考电荷被转移到电容器23时MOS晶体管6的源的电势必须与当信号电荷被转移到电容器23时MOS晶体管6的源的电势相同。因为参考电荷和信号电荷被存储在第三电容器23和寄生电容器9中，所以若MOS晶体管6的源的电势彼此互不相同，甚至即使V3的电势相同，则所存储的电荷量不同。当参考电压和信号电压在公用信号线上被读取时，这个差值引起一个电压差。MOS晶体管6的源的电势在很大程度上在通道选择开关7的开启状态和关断状态之间变化。因此，在图7的实例中，在T3(n)的R1和S1脉冲周期期间通道选择开关7处于关断状态。尤其地，当电荷转移被完成之际ΦT3(n)被关断时，有必要使ΦSCH(n)处于关断状态。

与图7相反，图8显示其中在T3(n)的R1和S1脉冲周期期间通道选择开关7处于开启状态的一个状态。在这个方法中，有必要保持ΦSCH(n)的开启状态直到ΦT3(n)被关断。

在图7和图8中，在电压读取工作期间，ΦSCH(n)被关断并且，然后，随后位的通道选择开关7由于ΦSCH(n+1)而被打开，借此对随后位的一个参考电压的读取被启动。

通过利用一个相关双取样电路，参考电压和信号电压之差被获得。这可以通过，例如如图4所示的作为传统实例的块C的电路而获得。

在图6、图7和图8所示的实施例中，在TS2的周期中存储操作期间，光电二极管可以读取在从前的TS1存储周期期间存储的信号电压。因此，有可能通过相继开启RGB的三个颜色的LED来读取彩色图象。例如，通过在TS1周期内开启红色LED一个红色成分可以被读取，通过在TS2周期内开启绿色LED一个绿色成分可以被读取，并且通过在TS2的随后周期内开启蓝色LED一个蓝色成分可以被读取。在这个情况下，一个红色的信号电压在TS2周期内可以被读取。

本发明的实施例已经在上面被加以说明。但是，本发明并不局限于上述相应的实施例，而是在本发明的主题范围内本发明经过各种修改后可以被实施。

上述电路可以作为一个线性图象传感器被构成在一个半导体基片上。同样，多个线性图象传感器IC被线性地安装以便于提供一个紧密接触型的图象传感器。

正如上面已经说明的那样，根据本发明，因为包含复位开关的相同关断噪声的信号电压和参考电压被读取，所以可以获得一种固定模式噪声和随机噪声小的光电转换器。

因此，可以提供有一种具有一个简单结构、暗输出变化小的图象传感器IC。同样，可以提供有一种紧密接触型的图象传感器，其中多个图象传感器IC被线性地安装。

上述对本发明所优选的实施例的说明已经被呈现用于举例说明及描述的目的。它并不旨在无遗漏地将本发明包括在所公开的精密形式中或将本发明限制在所公开的精密形式，并且根据上述学说可能有修改和变更或者从本发明的实践角度可能要求修改和变更。所述的实施例被加以选择及说明，是为了解释本发明的原理及其实际应用以保证本领域的一般工作人员能够采用本发明的各种实施例以及适合于所期望的特殊应用对本发明所进行的各种修改。它旨在本发明的范围由随后所附的权利要求及其同等物来限定。

Claims

1.一种光电装置，包括：

光电传感器，用于将光转换成电信号；

复位装置，用于复位该光电传感器，其输入端子连接到该光电传感器的输出端子；

放大器；其输入端子连接到该光电传感器的输出端子；

电荷转移开关，其具有一个连接到放大器输出端子的第一端子和一个第二端子；

电容器，其连接到电荷转移开关的第二端子；

源跟随放大器，其栅极连接到电荷转移开关的第二端子；

通道选择装置，用于选择一个给定的通道，并且具有一个连接到源跟随放大器的源极的第一端子和一个第二端子；

公用信号线，其连接到通道选择装置的第二端子和多个其他光电装置中每个光电装置的通道选择装置的第二端子；以及

电流源，其连接到该公用信号线。

2.如权利要求1所述的光电装置，

其中打开通道选择装置以读取公用信号线上的参考电压，打开电荷转移开关以读取电容器中的信号电荷，在关闭通道选择装置以后关闭电荷转移开关，打开通道选择装置以读取公用信号线上的信号电压，打开复位装置从而初始化光电转换装置，在关闭复位装置之后打开电荷转移开关以读取电容器中的参考电荷，并且在关闭通道选择装置之后关闭电荷转移开关。

3.如权利要求1所述的光电装置，

其中打开通道选择装置以读取公用信号线上的参考电压，打开电荷转移开关以读取电容器中的信号电荷，关闭电荷转移开关以读取公用信号线上的信号电压，打开复位装置从而初始化光电转换装置，在关闭复位装置之后打开电荷转移开关以读取电容器中的参考电荷，并且在关闭电荷转移开关之后关闭通道选择装置。

4.一种光电装置，包括：

光电传感器，用于将光转换成电信号；

复位装置，用于复位该光电转换装置，其输入端子连接到该光电转换装置的输出端子；

第一放大器；其输入端子连接到该光电转换装置的输出端子；

第一电荷转移开关，其具有一个连接到第一放大器的输出端子的第一端子和一个第二端子；

第一电容器，其连接到第一电荷转移开关的第二端子；

第二放大器；其输入端子连接到第一电荷转移开关的第二端子；

第二电荷转移开关，其具有一个连接到第二放大器的输出端子的第一端子和一个第二端子；

第二电容器，其连接到第二电荷转移装置的第二端子；

第三放大器；其输入端子连接到第二电荷转移开关的第二端子；

第三电荷转移开关，其具有一个连接到第三放大器的输出端子的第一端子和一个第二端子；

第三电容器，其连接到第三电荷转移开关的第二端子；

源跟随放大器，其栅极连接到第三电荷转移开关的第二端子；

通道选择装置，用于选择一个给定的通道，并且具有一个连接到源跟随放大器的源极的第一端子；

公用信号线，其连接到通道选择装置的第二端子；

电流源，其连接到该公用信号线。