столбцовый усилитель для матрицы кмоп датчиков видеосигналов

Формула изобретения

Столбцовый усилитель для матрицы КМОП датчиков видеосигналов, расположенный в каждом столбце матрицы, содержащий усилительный элемент, потребляющий ток своего источника тока, запоминающие элементы и ключи, в том числе выходной ключ, подключающий усилитель к выходной шине, и схему, формирующую сигнал управления для этого ключа, отличающийся тем, что в усилитель введены дополнительный источник тока, питающий усилительный элемент, и ключ, подключающий усилительный элемент к этому источнику тока, причем цепь управления упомянутого ключа связана со схемой, формирующей сигнал управления для выходного ключа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области приемников изображения, построенных на КМОП транзисторах, и может быть использовано в матрицах фотоприемников, предназначенных для фотоаппаратов, web - камер, мобильных телефонов и других устройств.

Известен столбцовый усилитель, осуществляющий двойную коррелированную выборку (ДКВ), расположенный в каждом столбце матрицы, содержащий усилительный элемент, запоминающие элементы в виде емкостей, ключи и источник тока и содержащий схему, задающую его рабочий режим в зависимости от напряжения, приложенного к управляющему входу. См.,например: IEEE Jomalof solid-state circuits, V.31.N0 12. December 1998, R.Н.Nixon и др.

Недостатком такого усилителя является сложность схемы изменения рабочего режима и параллельность задаваемого изменения во всех усилителях устройства.

Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является схема, описанная в US Patent 6,248,991 B1, Jun.19, 2001, Zhitiang Julian Chen и др. «Sequential correlated double sampling technique for CMOS area array sensors». Приведенный в этом источнике столбцовый усилитель (рис.1), расположен в каждом столбце матрицы, содержит усилительный элемент (МОП-транзистор 1), запоминающие элементы в виде емкостей, ключи и источник тока. В такой конструкции информационные сигналы со всех усилителей столбцов через ключи поступают на одну, общую для всех, выходную шину. При включении одного из ключей столбцовый усилитель перезаряжает емкость выходной шины. Емкость этой шины образованна паразитной емкостью всех ключей, подключенных к ней. Таким образом, емкостная нагрузка на каждый усилитель пропорциональна количеству столбцов N в матрице. При большом количестве столбцов для осуществления требуемого быстродействия приходится увеличивать ток Icol1 источника. Так как источник Icol1 находится в каждом столбцовом усилителе, и так как во время строчного бланка все столбцовые усилители работают одновременно (число таких усилителей в современных матрицах может достигать нескольких тысяч единиц), ток, потребляемый матрицей, становится недопустимо большим.

Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение максимального тока, потребляемого столбцовыми усилителями, осуществляющими ДКВ. Указанный результат достигается за счет того, что в схему известного устройства столбцового усилителя, содержащую усилительный элемент (МОП-транзистор), запоминающие элементы, ключи и источник тока, введены дополнительный источник тока и ключ, позволяющий по сигналу со схемы управления подключать дополнительный источник тока к усилительному элементу.

Перечень чертежей, иллюстрирующих устройство, реализующее заявляемое изобретение:

На фиг.1 показано известное устройство столбцового усилителя для матрицы КМОП датчиков видеосигналов, выполненное согласно патенту No: US 6,248,991 B1.

На фиг.2 показано устройство столбцового усилителя для матрицы КМОП датчиков видеосигналов, выполненное согласно предлагаемому изобретению.

Заявляемый столбцовый усилитель состоит из усилительного элемента, выполненного на транзисторе 1, запоминающих элементов, выполненных на емкостях 2 и 3, ключей 4, 5, 6, 7 и двух источников тока 8, 9, создающих токи Icol и Icol1. Указанные элементы образуют схему усилителя, способного осуществлять ДКВ входных сигналов REF и SIG, поступающих на вход 10. Элементы соединены между собой следующим образом:

входной узел 10 образован левой обкладкой емкости 3;

узел 11 образован правой обкладкой емкости 3 и левым выводом ключа 4;

узел 12 образован затвором транзистора 1, верхней обкладкой емкости 2, правым выводом ключа 4 и левым выводом ключа 5;

узел 13 образован стоком транзистора 1, нижним концом источника тока 8, нижним выводом ключа 7, левым выводом ключа 6, правым выводом ключа 5 и нижней обкладкой емкости 2;

выходной узел 14 образован правыми выводами ключей 6 всех столбцовых усилителей и входом следующего блока, к этому узлу подключена паразитная емкость 16, образованная емкостями р-n переходов выводов ключей 6 (число этих ключей N равно числу столбцов матрицы);

узел 15 образован выводом источника тока 9 и верхним выводом ключа 7.

Устройство работает в два этапа.

На первом этапе, во время строчного бланка, информация со всех N пикселей одной строки матрицы одновременно считывается с применением ДКВ в соответствующие столбцовые усилители, при этом ключи 6 и 7, управляемые сигналом SKi, разомкнуты. Каждый столбцовый усилитель потребляет ток Icol от своего источника тока 8, источники тока 9 на этом этапе отключены. Ток, потребляемый всеми столбцовыми усилителями, равен N*Icol. Так как ключ 6 разомкнут, то каждый усилитель нагружен на входную емкость лишь одного, соединенного с ним, ключа 6. Это позволяет выбрать ток Icol источника 8 небольшим, достаточным для зарядки емкости только одного ключа. На втором этапе информация, считанная на первом этапе и хранящаяся в усилителях на емкостях 2, считывается поочередно из каждого столбцового усилителя и передается на выходную шину 14, общую для всех столбцов. При этом последовательно по сигналу Ski столбцовые усилители через шину 14 подключаются к нагрузке и одновременно с этим по тому же сигналу Ski подключаются соответствующие генераторы тока 9, задающие ток Icol2. На этом этапе каждый усилитель нагружен на входную емкость 16 шины 14, образованную емкостью всех ключей 6. Число этих ключей N равно числу пикселей в строке матрицы. Для зарядки такой емкости ток Icol2 должен в N раз превышать ток Icol. Однако каждый i-ый усилитель работает в режиме потребления тока Icol2 только при считывании информации i-го пикселя. В любой момент времени, во время второго этапа, из всех столбцовых усилителей только один работает в режиме потребления тока Icol2. Таким образом, во время второго этапа средний ток, потребляемый всеми столбцовыми усилителями, практически равен току одного усилителя Icol2.

Таким образом, ток, потребляемый всеми столбцовыми усилителями на первом этапе работы, равен Icol*N Icol2; ток, потребляемый всеми усилителями на втором этапе работы, равен Icol2, и следовательно, средний, за время двух этапов, ток, потребляемый всеми столбцовыми усилителями, равен Icol2. Где Icol2 - ток, необходимый для зарядки емкости 16 выходной шины 14.

По сравнению с прототипом, где ток, потребляемый столбцовыми усилителями, равен Icol2*N, ток в предлагаемой конструкции уменьшен в N раз.