專利名稱：用于目標(biāo)成像的單芯片抗噪聲一維cmos傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及用于讀出諸如條形碼符號那樣的標(biāo)記的電光讀出器，更具體地，涉及在單個半導(dǎo)體芯片上作為線性陣列制造的并可操作以成像一維符號的抗噪聲圖像傳感器。
電荷耦合器件(CCD)和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器在數(shù)碼照相機(jī)中被使用來成像目標(biāo)。每個這樣的二維固態(tài)傳感器具有多個或一陣列單元或像素，用于把入射的光變換成電子。在CCD傳感器中，每個單元的累積的電荷在陣列上被輸送和被讀出。在CMOS傳感器中，在每個像素處的一個晶體管或幾個晶體管通過使用傳統(tǒng)線放大和移動電荷。CCD傳感器具有優(yōu)良的光靈敏度和產(chǎn)生高質(zhì)量圖像，而CMOS傳感器具有較低的靈敏度，但制造成本非常便宜和具有很長的電池壽命。
諸如光學(xué)代碼，典型地一維或二維條形碼符號的目標(biāo)，也可以由使用固態(tài)CCD傳感器的讀出器被電光地讀出。使用CCD技術(shù)的傳統(tǒng)的線性的或一維傳感器陣列需要非標(biāo)準(zhǔn)制造過程和多個半導(dǎo)體芯片，例如用于模擬前端的一個芯片、用于數(shù)字后端的另一個芯片、用于定時和控制電路的另一個芯片、用于噪聲抑制的另一個芯片等等。幾個支持芯片的使用導(dǎo)致用于CCD傳感器的更多的總的功耗和大的總的尺寸。這些方面往往妨礙在條形碼符號讀出器，特別是在希望小型化和功率消耗最小的手持的便攜式讀出器中使用CCD傳感器。
因此，本發(fā)明的總的目的是減小在用于讀出一維條形碼符號的電光讀出器中使用的圖像傳感器的功耗和降低成本和體積。
更具體地，本發(fā)明的目的是使用通過標(biāo)準(zhǔn)CMOS制造技術(shù)制造的CMOS傳感器。
本發(fā)明的另一個目的是在多片半導(dǎo)體芯片上制造CMOS傳感器和全支持圖像獲取和處理電路。
本發(fā)明的又一個目的是使得手持讀出器不太受短的讀出壽命和體積龐大的困擾。
本發(fā)明的再一個目的是抑制當(dāng)所有的支持電路被集成到單片基于CMOS芯片時生成的電噪聲。
以上的目的和與此后將明白其它目的相一致，概略地說，本發(fā)明的一個特性在于用于成像諸如一維符號的目標(biāo)的系統(tǒng)，系統(tǒng)包括單片固態(tài)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)芯片；被集成在單片芯片上的模擬前端；和被集成在同一個芯片上的數(shù)字后端。前端包括單元或像素的線性陣列，每個像素具有光電二極管，用于把入射光變換成電模擬信號；和對于每個光電二極管的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，操作以把模擬信號變換成電的數(shù)字信號。數(shù)字后端包括數(shù)字處理器，用于把數(shù)字信號處理成具有與成像的符號有關(guān)的信息的數(shù)字化的輸出信號。數(shù)字后端可以產(chǎn)生目標(biāo)的原始圖像，或可以確定編碼在目標(biāo)中的信息。
CMOS技術(shù)的使用允許集成模擬前端、數(shù)字后端、以及其它電路，如在下面描述的，以及達(dá)到減小的總的系統(tǒng)尺寸和成本；快速的信息讀出速度；和低功率消耗的優(yōu)點。然而，這些優(yōu)點是以高的系統(tǒng)噪聲為代價得到的，它是CMOS技術(shù)為什么至今沒有使用于成像符號(具體地條形碼符號)的主要的因素。總的系統(tǒng)噪聲可來自于許多的源，諸如白色噪聲暗電流和固定模式的噪聲，所有這些都是在傳感器選擇時固有的；以及在電元件內(nèi)生成的器件電子噪聲，包括由隨機(jī)的熱引起的電子運(yùn)動生成的熱噪聲和由電元件中的晶體制造缺陷和污染物質(zhì)造成的閃爍噪聲；從環(huán)境生成的干擾噪聲和包括電源電壓噪聲；串?dāng)_噪聲和基片噪聲，尤其是通過在模擬前端與數(shù)字后端之間的耦合造成的噪聲；在傳感器復(fù)位期間生成的復(fù)位噪聲；和與光子隨機(jī)到達(dá)任何傳感器有關(guān)的散彈噪聲。固定模式噪聲是由系統(tǒng)變化和像素中的非均勻性造成的。
按照本發(fā)明，每個像素具有噪聲抑制電路，包括用于給各個光電二極管加脈沖以便在曝光時間段期間把入射光變換成模擬信號；和采樣保持電路，用于在曝光時間段已經(jīng)開始后采樣模擬信號以生成參考信號和用于在在曝光時間段結(jié)束前再次采樣模擬信號以生成數(shù)據(jù)信號。
時鐘被集成在單片芯片上，以及在系統(tǒng)工作期間生成時鐘周期。采樣保持電路優(yōu)選地在曝光時間段開始后一個時鐘周期，或?qū)嶋H上緊接地，生成參考信號。因此，參考信號實際上都是噪聲，因為光電二極管還沒有足夠的時間獲取符號。采樣保持電路優(yōu)選地在曝光時間段結(jié)束之前一個時鐘周期，或?qū)嶋H上緊接地，生成數(shù)據(jù)信號。因此，數(shù)據(jù)信號具有足夠的時間獲取符號以及噪聲。如下所述，數(shù)據(jù)和參考信號在也被集成在單片芯片上的減法器中互相相減，以便得到噪聲抑制的、數(shù)字化的輸出信號。
用于抑制噪聲的其它措施包括選擇和設(shè)計具有高的量子效率和低的暗電流的光電二極管，在緊接在光電二極管后的每個像素中放置高增益放大器，以及使用用于每個光電二極管的ADC，以便在信號處理中盡可能早地把模擬信號變換成數(shù)字信號。


圖1是按照本發(fā)明的、具有電子電路的芯片的框圖；圖2是描繪圖1的電路的模擬前端的電路；圖3是用于描述圖2的電路中的噪聲抑制元件的工作的波形；圖4是描繪在圖1的電路中使用的模擬-數(shù)字變換器的框圖；以及圖5是描繪圖4的比較器的電路。
具體實施例方式
參照圖1，標(biāo)號10總的表示具有模擬前端12和數(shù)字后端14的單片固態(tài)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)芯片，前端和后端被集成在同一個單片CMOS芯片10上。芯片被使用于成像目標(biāo)，尤其是諸如通用產(chǎn)品碼(UPC)符號那樣的一維編碼的符號。
前端12包括像素的線性陣列，優(yōu)選地總共512到4096像素。每個像素包括光電二極管16、采樣保持(S/H)電路18、高增益放大器20、和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)22，它們被詳細(xì)地顯示于圖2。圖1的所有的其它的元件是數(shù)字后端的一部分。
光電二極管16把入射光變換成電模擬信號。光電二極管與光電晶體管相比較，具有較低的白色噪聲、暗電流和固定模式噪聲。光電二極管通常具有4μm與8μm之間的寬度，以及具有寬度的1到16倍的高度。光電二極管生成光電流并收集在積分時間上的電荷，電荷由代表光電二極管加上任何連接的元件的自電容值的電容器CP變換成電壓。光電二極管被復(fù)位和被加脈沖，以便在曝光時間段內(nèi)接收入射光(見圖3)。
光電流由具有三個堆疊的晶體管和反饋電容器CF的、被安排成運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)的反饋電荷放大器20放大。復(fù)位開關(guān)24與反饋電容器并聯(lián)連接。MOSFET保持開關(guān)26與反饋電容器串聯(lián)連接。保持電容器CH被串聯(lián)連接在保持開關(guān)26與ADC22之間。保持開關(guān)26與保持電容器構(gòu)成采樣保持電路，用于在把模擬信號送到用于數(shù)字變換的ADC之前進(jìn)行噪聲抑制。
正如可以藉助于圖3看到的，采樣保持電路工作如下具有高狀態(tài)和低狀態(tài)的復(fù)位脈沖被加到復(fù)位開關(guān)24。反向復(fù)位脈沖通過電容器被加到光電二極管。具有高狀態(tài)和低狀態(tài)的保持脈沖被加到保持開關(guān)26的一側(cè)。反向保持脈沖被施加到保持開關(guān)26的另一側(cè)。當(dāng)復(fù)位脈沖變低，并且光電二極管被驅(qū)動以在曝光時間段開始時接收光時，在CP上開始積累電荷，并且該電荷被傳送到反饋電容器CF，因為復(fù)位開關(guān)是打開的。同時，保持脈沖為低，保持開關(guān)被打開，以及沒有電荷傳送到保持電容器CH。
實際上緊接在曝光時間開始后，例如在一個時鐘周期后，保持脈沖變高并且保持開關(guān)被閉合，由此允許在反饋電容器上的電荷被傳送到保持電容器。電荷在保持脈沖變低之前再在保持電容器上積累幾個周期，由此隔離保持電容器。正如下面說明的，ADC把在保持電容器上的積累的電荷變換成代表系統(tǒng)的復(fù)位噪聲的4比特參考信號。光電二極管還沒有足夠的時間獲取來自目標(biāo)符號的光。
此后，在曝光時間段的結(jié)尾前，例如在到期之前一個時鐘周期，保持脈沖變高，保持開關(guān)被閉合，由此再次允許被存儲在電容器CP上的所有的電荷被傳送到反饋電容器，然后又被傳送到保持電容器CH。這時，光電二極管具有足夠的時間獲取來自目標(biāo)符號的光。ADC把這個累積的電荷變換成代表符號中的信息以及復(fù)位噪聲的8比特數(shù)據(jù)信號。正如下面說明的，從數(shù)據(jù)信號中減去參考信號，以便得到噪聲抑制的數(shù)字化輸出信號。
最后，在曝光時間結(jié)束時，復(fù)位脈沖變高，以及復(fù)位開關(guān)被閉合。這短路反饋電容器，以及實際上，復(fù)位或使它準(zhǔn)備好當(dāng)復(fù)位脈沖再次變低時接收電荷。
時鐘周期由也被集成在芯片上的時鐘28從芯片外的主時鐘被生成。在優(yōu)選實施例中，時鐘以500kHz工作；曝光時間段從30μs變化到10ms；以及保持脈沖在約2μs的采樣時間段內(nèi)保持為高電平。
如圖3所示，在曝光時間段期間進(jìn)行兩次采樣。這個實時相關(guān)的雙采樣(CDS)技術(shù)抑制復(fù)位或KTC噪聲。這是與已知的CDS技術(shù)不同的，其中來自CCD陣列的模擬信號被加到兩個分開的保持開關(guān)和兩個分開的保持電容器。
如圖4所示的ADC22是單斜率器件，它包括電容器30，該電容器具有被連接到保持電容器以接收參考信號或數(shù)據(jù)信號的正端和被連接到被集成在芯片上的線性斜坡生成器32(見圖1)的負(fù)端。8比特計數(shù)器34被連接到寄存器36的數(shù)據(jù)輸入端，該寄存器被連接到比較器的輸出端。比較器的輸出控制寄存器的使能端。
在工作時，線性斜坡生成器32與計數(shù)器34同時被啟動。斜坡生成器32輸出線性單斜率斜坡信號。當(dāng)比較器30檢測到斜坡信號達(dá)到輸入信號時，寄存器36鎖存作為模擬輸入信號的數(shù)字表示的計數(shù)器的計數(shù)值。對于參考信號只使用4比特(16個計數(shù))，以及對于數(shù)據(jù)信號使用8比特(256個計數(shù))。優(yōu)選地，斜坡生成器是Gm-C積分器，以及計數(shù)器34是T觸發(fā)式、同步計數(shù)器。
圖5是比較器30的電路實現(xiàn)，包括二級比較器，具有差分輸入級和具有交叉耦合雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的單端增益級，用于消除抖動。
數(shù)字后端14，對于每個像素，包括存儲器38、行選擇器40、和控制器48。12比特貯存寄存器42、12比特緩存器44、和減法器46也被集成在芯片上，以及被所有的像素共享。
存儲器38優(yōu)選地是工作在12MHz的12比特寄存器，用于存儲8比特信號和4比特參考信號。行選擇器40包括都工作在1MHz的1比特移位寄存器和復(fù)用器。移位寄存器從來自全部像素的512寄存器中一次選擇一個寄存器，然后把該數(shù)據(jù)移出所選擇的像素。替換地，像素存儲器可被連接到公共總線以及在總線上被復(fù)用。從第一選擇的像素被移位的數(shù)據(jù)被存儲在12比特貯存寄存器42，然后被轉(zhuǎn)發(fā)到緩存器44，以及最后被轉(zhuǎn)發(fā)到減法器46，實施CDS減法。同時，下一個像素被選擇用于數(shù)據(jù)讀出、貯存和處理?？刂破?8操作地被連接到芯片上的電路，以便控制在各個裝置之間的時序。
在所附權(quán)利要求中闡述作為新的和想要由專利證保護(hù)的所主張的權(quán)利的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種用于成像一維編碼符號的系統(tǒng)，包括a)單片固態(tài)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)芯片；b)被集成在單片芯片上的模擬前端，其包括像素的線性陣列，每個像素具有用于把入射光變換成電模擬信號的光電二極管；和用于每個光電二極管的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，操作用于把模擬信號變換成電的數(shù)字信號；和c)被集成在同一個芯片上的數(shù)字后端，包括數(shù)字處理器，該數(shù)字處理器用于把數(shù)字信號處理成具有與成像的符號有關(guān)的信息的數(shù)字化的輸出信號。
2.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中前端包括對于每個像素的噪聲抑制電路，噪聲抑制電路包括用于給各個光電二極管加脈沖以便在曝光時間段期間把入射光變換成模擬信號；和用于在曝光時間段已經(jīng)開始后采樣模擬信號以生成參考信號并用于在在曝光時間段結(jié)束前再次采樣模擬信號以生成數(shù)據(jù)信號的裝置。
3.權(quán)利要求2的系統(tǒng)，和用于在系統(tǒng)操作期間生成時鐘周期的時鐘，其中采樣裝置在曝光時間段開始后一個時鐘周期生成參考信號，以及在曝光時間段結(jié)束前一個時鐘周期生成數(shù)據(jù)信號。
4.權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中采樣裝置包括與反饋電容器并聯(lián)的復(fù)位開關(guān)，以及其中反饋電容器被連接到光電二極管，以及其中復(fù)位開關(guān)是在其中來自光電二極管的模擬信號對反饋電容器充電的打開狀態(tài)與其中復(fù)位開關(guān)將反饋電容器短路的閉合狀態(tài)之間可切換的。
5.權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中采樣裝置包括與反饋電容器串聯(lián)的保持開關(guān)和保持電容器，以及其中保持開關(guān)是在其中充電的反饋電容器對保持電容充電的閉合狀態(tài)與其中充電的反饋電容器被從保持電容器阻塞的開放狀態(tài)之間可切換的。
6.權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其中ADC用來把參考信號與數(shù)據(jù)信號變換成各個多比特信號，以及被集成在單片芯片上的減法器用來從數(shù)據(jù)信號中減去參考信號，以得到數(shù)字化的輸出信號。
7.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中模擬前端包括高增益放大器，用于放大到達(dá)ADC之前的模擬信號，
8.權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中ADC包括比較器，具有用于接收參考信號和數(shù)據(jù)信號的一個輸入端；用于接收斜坡信號的另一個輸入端；和被連接到寄存器的輸出端，該寄存器被連接到計數(shù)器。
全文摘要
用于成像編碼的標(biāo)記的直線傳感器包括被集成在單片CMOS芯片上的模擬前端和數(shù)字后端。實時的、相關(guān)的雙采樣電路被使用于噪聲抑制。
文檔編號H04N5/378GK101014964SQ200480037860
公開日2007年8月8日 申請日期2004年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月19日
發(fā)明者布蘭德利·卡爾森, 梅·嚴(yán) 申請人:訊寶科技公司