DE19908858B4

DE19908858B4 - CMOS-Bildsensor mit Prüfschaltung für das Verifizieren seiner Funktion

Info

Publication number: DE19908858B4
Application number: DE19908858A
Authority: DE
Inventors: Kwon Oh Bong; Yang Woodward; Lee Suk Joong; Hwang Gyu Tae
Original assignee: Intellectual Ventures II LLC
Current assignee: Intellectual Ventures II LLC
Priority date: 1998-02-28
Filing date: 1999-03-01
Publication date: 2013-07-11
Anticipated expiration: 2019-03-02
Also published as: GB9904591D0; KR19990073016A; JP4455686B2; DE19908858A1; FR2778049A1; GB2334848B; US6633335B1; JPH11331883A; FR2778049B1; NL1011406A1; GB2334848A; NL1011406C2; KR100324592B1; TW414922B

Abstract

CMOS-Bildsensor umfassend: eine Steuer- und Schnittstellenvorrichtung für das Steuern des CMOS-Bildsensors unter Verwendung einer Zustandsmaschine und für das Ausbilden einer Schnittstelle zwischen dem CMOS-Bildsensor und einem externen System; eine Bildpunktanordnung, die eine Vielzahl von Bildpunkten umfaßt, die Bilder eines Objektes messen und analoge Signale gemäß der Menge des einfallenden Lichts erzeugen; eine Umwandlungsvorrichtung für das Umwandeln der analogen Signale in digitale Signale, die in einer digitalen Logikschaltung verarbeitet werden sollen, wobei die Umwandlungsvorrichtung eine Vergleichsvorrichtung für das Vergleichen der analogen Signale mit einer Referenzspannung aufweist; eine Logikschaltung für Prüfoperationen der Umwandlungsvorrichtung und der Steuer- und Schnittstellenvorrichtung, durch das Steuern der Umwandlungsvorrichtung, wobei die Prüfoperationen das Prüfen der Zustandsmaschine der Steuer- und Schnittstellenvorrichtung in einer ersten Prüfbetriebsart, und das Prüfen der Vergleichsvorrichtung in einer zweiten Prüfbetriebsart umfassen; und ein Prüfbetriebsartregister zum Einstellen einer der Prüfbetriebsarten.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Bildanzeigevorrichtung, die einen CMOS-(Komplementärer Metalloxyd-Halbleiter)-Bildsensor verwendet, und insbesondere auf einen CMOS-Bildsensor, der eine darin eingefügte Prüfschaltung aufweist, und auf ein Verfahren zur Bestätigung der Funktion des CMOS-Bildsensors unter Verwendung der Prüfschaltung.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Im allgemeinen ist ein Bildsensor eine Vorrichtung, um Bilder unter Verwendung von Licht messenden Halbleitermaterialien aufzunehmen. Da die Helligkeit und die Wellenlänge des Lichtes von einem Objekt gemäß dem Reflektionsgebiet verschiedene Größen aufweist, unterscheiden sich die elektrischen Signale der Bildpunkte voneinander. Diese elektrischen Signale werden durch einen Analog-Digital-Wandler in digitale Signale umgewandelt, die in einer digitalen Schaltung verarbeitet werden können.
Konventionelle Anzeigevorrichtungen, die Ladungsspeicherelemente (nachfolgend als CCDs bezeichnet) verwenden, benötigen eine relativ hohe Spannung, und es werden viele Verarbeitungsschritte benötigt, um eine solche Ladungsspeichervorrichtung zu implementieren. Ein Bildsensor, der durch die Ladungsspeichervorrichtungen implementiert wird, sollte getrennte logische Schaltungen für das Umwandeln der analogen Signale in digitale Signale aufweisen. Darüberhinaus ist es in einem konventionellen CCD-Bildsensor sehr schwierig, die Sensoren und die logischen Schaltungen in einem Chip zu integrieren.
Das Dokument ”A photosensor array for spectrophotometry” in: Sensors and actuators A 46–47 (1995), Seiten 449 bis 452, 1995, Elsevier Science S. A., XP 027220186, beschreibt einen Fotosensor, der Kalibrierfunktionalität umfasst. Es wird eine monolitische intelligente CMOS Fotosensormatrix präsentiert, in der eine lineare Fotodiodenmatrix integriert ist mit einem Ladungsverstärker, einem AD-Wandler und einem digitalen, programmierbaren Polynomlöser für Pixel-Niveau-Kalibrierung. Es wird ein Kalibrieren im Hinblick auf Quellen-, Übertragungsmediums- und Sensor-Nichtlinearitäten beschrieben. Es wird ferner beschrieben, dass ein Kalibrieren durch Auswerten eines Polynoms erfolgt.
EP 0447117 A2 offenbart eine eingebaute Selbsttestschaltungsanordnung für einen integrierten Schaltkreis, der einen A/D-Wandler umfasst. EP 0447117 A2 offenbart den Einsatz einer Zustandsmaschine zum Durchführen eines Prüfens eines A/D-Wandlers.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einen CMOS-Bildsensor zu schaffen, der mit niedriger Leistung unter Verwendung einer CMOS-Technologie betrieben werden kann.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen CMOS-Bildsensor zu schaffen, in dem die Sensoren und alle logischen Schaltungen in einem Chip integriert sind, mit einer schnellen Datenverarbeitung und einer großen Integration.
Eine weitere andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen CMOS-Bildsensor mit einer Prüflogikschaltung für das Verifizieren seiner Funktion und ein Verfahren für das Verifizieren des CMOS-Bildsensors zu schaffen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein CMOS-Bildsensor bereitgestellt, der folgendes umfaßt: eine Steuer- und Schnittstellenvorrichtung für das Steuern des CMOS-Bildsensors unter Verwendung einer Zustandsmaschine und für das Ausbilden einer Schnittstelle zwischen dem CMOS-Bildsensor und einem externen System;
eine Bildpunktanordnung, die eine Vielzahl von Bildpunkten einschließt, die Bilder von einem Objekt messen und analoge Signale gemäß der Menge des einfallenden Lichts ausbilden;
eine Umwandlungsvorrichtung für das Umwandeln der analogen Signale in digitale Signale, die in einer digitalen Logikschaltung verarbeitet werden sollen, wobei die Umwandlungsvorrichtung eine Vergleichsvorrichtung für das Vergleichen der analogen Signale mit einer Referenzspannung aufweist;
eine Logikschaltung für Prüfoperationen der Umwandlungsvorrichtung und der Steuer- und Schnittstellenvorrichtungen durch das Steuern der Umwandlungsvorrichtung, wobei die Prüfoperationen das Prüfen der Zustandsmaschine der Steuer- und Schnittstellenvorrichtung in einer ersten Prüfbetriebsart und das Prüfen der Vergleichsvorrichtung in einer zweiten Prüfbetriebsart umfassen und
ein Prüfbetriebsartregister zum Einstellen einer der Prüfbetriebsarten.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein CMOS-Bildsensor bereitgestellt, der eine Bildpunktanordnung aufweist, um analoge Signale auszugeben, die von einem Objekt gemessen wurden, wobei der CMOS-Bildsensor folgendes umfaßt: einen Analog-Digital-Wandler, umfassend: a) einen Spannungsgenerator für das Erzeugen einer ersten Referenzspannung; b) eine Vergleichsvorrichtung für das Vergleichen der analogen Signale mit der ersten Referenzspannung; und c) eine Speichervorrichtung für das Speichern der digitalen Signale in Erwiderung auf die Ausgangssignale von der Vergleichsvorrichtung, ein Prüfbetriebsartregister; und eine Logikschaltung für Prüfoperation des Analog-Digital-Wandlers und einer Steuer- und Schnittstellenvorrichtung des CMOS-Bildsensors, wobei die Prüfoperationen das Prüfen einer Zustandsmaschine der Steuer- und Schnittstellenvorrichtung in einer ersten Prüfbetriebsart und das Prüfen der Vergleichsvorrichtung in einer zweiten Prüfbetriebsart umfassen, wobei die Logikschaltung in Erwiderung auf in dem Prüfbetriebsartregister gespeicherte Prüfbetriebsartinformation in einer ausgewählten Prüfbetriebsart arbeitet, und wobei die Logikschaltung in der zweiten Prüfbetriebsart den Spannungsgenerator für die Vergleichsvorrichtung steuert, um eine zweite Referenzspannung und eine Testspannung zu empfangen, und in der Speichervorrichtung digitale Signale speichert, die in Erwiderung auf ein Steuersignal von der Vergleichsvorrichtung erzeugt wurden, wobei die Speichervorrichtung die gespeicherten digitalen Signale an einen Ausgangsanschluß des CMOS-Bildsensors ausgibt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen Aufgaben und andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen erfolgen, deutlich:
1 ist ein Blockdiagramm, das einen CMOS-Bildsensor gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist ein Blockdiagramm, das eine Steuer- und Systemschnittstelleneinheit der 1 zeigt;
3 ist ein Schaltungsdiagramm, das einen CMOS-Bildsensorkern gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 ist ein Schaubild, das den Betrieb eines Vergleichers und eine Doppelpuffers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 ist ein Zeitdiagramm, das das Entfernen eines Zeitversatzes, der im CMOS-Bildsensor erzeugt wird, zeigt;
6 ist ein Blockdiagramm, das eine Schreiboperation im Doppelpuffer zeigt;
7 ist eine Blockdiagramm, das eine Verriegelungszellenanordnung des Doppelpuffers zeigt;
8 ist ein Speicherblockdiagramm, das ein Prüfbetriebsartenregister gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
9 ist ein Blockdiagramm, das den Vergleicher in der normalen Betriebsart und der Prüfbetriebsart gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
10 ist ein Zustandsdiagramm, das eine Prüfbetriebsart gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und
11 ist ein Zustandsdiagramm, das den Vergleicher und den Doppelpuffer in einer Prüfbetriebsart zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung im Detail unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Zuerst umfaßt gemäß 1 ein CMOS-Bildsensor gemäß der vorliegenden Erfindung eine Steuer- und Schnittstelleneinheit 10, eine Bildpunktanordnung 20, die eine Vielzahl von CMOS-Bildmeßelementen aufweist, einen Single-Slope-AD-Wandler 30 und eine Prüflogikschaltung 50 für das Verifizieren eines Betriebs des CMOS-Bildsensors. Der Single-Slope-AD-Wandler 30 umfaßt auch einen Rampenspannungsgenerator 31 für das Erzeugen einer Referenzspannung und einer Prüfspannung, einen Vergleicher (Operationsverstärker) 32 für das Vergleichen der Rampenspannung mit einem analogen Signal von der Bildpunktanordnung 20, und einen Doppelpuffer 40.
Die Steuer- und Schnittstelleneinheit 10 steuert den CMOS-Bildsensor in 1 durch das Steuern einer Integrationszeit, von Abtastadressen, Betriebsarten, einer Rahmenrate, einer Bank und einer Taktteilung unter Verwendung einer FSM (Finite Zustandsmaschine) und sie dient als eine Schnittstelle zu einem externen System. Die Steuer- und Schnittstelleneinheit 10 wird im Detail in der nachfolgenden 2 beschrieben.
Die Bildpunktanordnung 20 besteht aus N × M einzelnen Bildpunkten, die eine ausgezeichnete Lichtempfindlichkeit aufweisen und ein Bild von einem Objekt messen. Jeder Bildpunkt der Bildpunktanordnung 20 umfaßt einen Übertragungstransistor, einen Rücksetztransistor und einen Auswahltransistor.
Der Single-Slope-AD-Wandler 30 wandelt analoge Signale der Bildpunktanordnung 20 in digitale Signale um. In der vorliegenden Erfindung wird diese AD-Umwandlung durch das Vergleichen der Rampenspannung mit den analogen Signalen durchgeführt. Der Vergleicher 32 sucht nach einem Punkt, an welchem die analogen Signale denselben Wert aufweisen, wie die fallenden Rampenspannung mit einer vorbestimmten Neigung. Wenn die Rampenspannung erzeugt wird und zu fallen beginnt, so erzeugt die Steuer- und Schnittstelleneinheit 10 Zählsignale, um den Grad des Spannungsabfalls zu zählen. Beispielsweise kann, wenn die Rampenspannung mit dem Spannungsabfall beginnt, der umgewandelte digitale Wert ”20” betragen, wenn die analogen Signale denselben Wert aufweisen, wie die fallenden Rampenspannung nach 20 Takten der Steuer- und Schnittstelleneinheit 10. Der umgewandelte Digitalwert wird im Doppelpuffer 40 in Form von digitalen Daten gespeichert. Die Errichtung des Digitalwertes wird im Detail in der folgenden 4 beschrieben.
Die vorliegende Erfindung enthält im Chip die Prüflogikschaltung 50 für das wirksame Verifizieren eines Fehlers, der durch diese digitale Umwandlung verursacht werden kann.
Bezieht man sich auf 2, die die Steuer- und Systemschnittstelleneinheit 10 der 1 zeigt, so ist es möglich, da die Steuer- und Systemschnittstelleneinheit eine Vielzahl von Konfigurationsregister (oder für den Benutzer sichtbare Register) 60, die durch die Benutzer programmiert werden können, umfaßt, verschiedene Operationen gemäß der Anforderung der Benutzer zu steuern. Die Operationen des CMOS-Bildsensors gemäß der vorliegenden Erfindung werden durch eine IIC-(Inter-Integrated-Circuit)-Busschnittstelleneinheit programmiert. Wenn ein Bildsensortreiber 70 Programminformation zu einer IIC-Steuereinheit 90 durch eine Steuerschnittstelleneinheit 80, beispielsweise eine FPGA (Field Programmable Gate Array) sendet, so empfängt die IIC-Steuereinheit 90, die mit den Systemtaktsignalen synchronisiert ist, die Programminformation über einen Bus und interpretiert die Programminformation gemäß den IIC-Busprotokollen, um somit die Konfigurationsregister 60 zu steuern.
Die Programmierung zwischen dem Bildsensortreiber 70 und dem CMOS-Bildsensor wird durch die Konfigurationsregister 60, in denen Lese- und Schreiboperation immer verfügbar sind, durchgeführt. Im CMOS-Bildsensor gemäß der vorliegenden Erfindung kann die programmierte Information auf der Basis eines Rahmens aktualisiert werden, und die Aktualisierung wird durch ein spezielles Register, beispielsweise ein Schattenregister 100, durchgeführt. Das Schattenregister 100 dupliziert die Information, die in den Konfigurationsregistern 60 gespeichert ist, und macht es möglich, die Konfigurationsregister 60 auf der Basis einer Szene zu ändern, nur dann, wenn ein Sensorfreigabesignal (das von einer externen Schaltung geliefert wird) sich auf einem hohen Pegel befindet, oder es zu aktualisierende Information in den Konfigurationsregistern 60 am Anfang jedes Rahmens gibt. Diese Schattenregister 100 verhindert, daß ein Bild durch eine Unterbrechung der Anweisungen des Benutzers unterbrochen oder gestört wird.
Um den CMOS-Bildsensor zu steuern, umfaßt das Schattenregister 100 ein Basisinformationsregister, um die Größe und die Version des CMOS-Bildsensors zu speichern, ein Operationsbetriebsartregister, um die Operationsbetriebsarten zu speichern, ein Fenstersteuerregister, um Information bezüglich der Zeilen- und Spaltenstartadressen und der Größe und dem Gebiet des Fensters zu speichern, ein Rahmenrateneinstellregister, um die Größe von HSYNC (horizontales Synchronisiersignal) und VSYNC (vertikales Synchronisiersignal) einzustellen, und ein Taktteilraten- und Einstellregister, um einen Reset-Pegel und eine Farbverstärkung (rot, grün und blau) einzustellen.
Eine Hauptsteuerung 110 steuert jedes Element des CMOS-Bildsensors gemäß der Information, die im Schattenregister 100 gespeichert ist, und ein Adressengenerator 120 erzeugt die Adressen für die Bildpunktanordnung 20 und den Doppelpuffer 40.
Betrachtet man 3, so umfaßt ein CMOS-Bildsensorkern gemäß der vorliegenden Erfindung eine Bildpunkteinheit 200, einen Vergleicher 320 und eine Verriegelungsschaltungseinheit 400. Die Bildpunkteinheit 200 umfaßt eine Photodiode 21, die Elektronen-Löcher-Paare erzeugt, und vier NMOS-Transistoren M1 bis M4. Die Ladungen, die in der Photodiode 21 erzeugt werden, werden zu einem PN-Übergang ohne Anschluß (FD) übertragen, wenn der Transfertransistor M1 angeschaltet wird, und es findet eine Spannungsänderung am PN-Übergang ohne Anschluß statt, als eine Funktion der erzeugten Ladungen, basierend auf der Gleichung V = Q/C. Die Zeit, zu der der Transfertransistor M1 abgeschaltet wird, ist eine Integrationszeit, die der Zeit der Belichtung in einem optischen Gerät entspricht.
Der Rücksetztransistor M2 betrifft die korrelierte Doppelabtastung (nachfolgend als CDS bezeichnet). Wenn der Rücksetztransistor M2 angeschaltet wird, und der Transfertransistor M1 ausgeschaltet ist, so kann der PN-Übergang ohne Anschluß auf eine Restspannung geladen werden. Somit kann die Spannung, die dem Rücksetzpegel entspricht, durch das Detektieren der Spannung am PN-Übergang ohne Anschluß bei den obigen Bedingungen detektiert werden. Wenn der Rücksetztransistor M2 abgeschaltet wird, und der Transfertransistor M1 angeschaltet wird, so werden die Ladungen, die in der Photodiode 21 erzeugt werden, zum PN-Übergang ohne Anschluß übertragen, und dann weist die Spannung am PN-Übergang ohne Anschluß den Datenpegel auf. Ein Versatz, der durch die Bildpunkteinheit 200 und den Vergleicher 32 verursacht wird, kann durch das Subtrahieren des Datenpegels vom Rücksetzpegel beseitigt werden. Dieses Entfernen des Versatzes ist in der CDS wichtig. Das heißt, durch das Entfernen einer unerwarteten Spannung in der Bildpunkteinheit 200 ist es möglich, einen Nettobilddatenwert zu erhalten.
Betrachtet man 4, so erhält man den digitalen Wert durch das Vergleichen der Rampenspannung vom Rampenspannungsgenerator 31 mit dem analogen Signal vom Bildpunkt. Es ist Fachleuten wohl bekannt, daß es verschiedenen Verfahren für die Analog-Digital-Umwandlung gibt. In der vorliegenden Erfindung wird eine Single-Slope-AD-Umwandlung verwendet, und die endgültigen digitalen Werte werden durch den Vergleicher 32 und den Doppelpuffer 40 erzeugt. Der Rampenspannungsgenerator 31 erzeugt eine Spannung, deren Größe mit einer vorbestimmten Neigung zu jedem Taktzyklus fällt, und diese fallende Rampenspannung wird als Referenzspannung mit dem analogen Signal (oder der Bildpunktspannung) vom Bildpunkt verglichen. Der Anfangswert der Rampenspannung kann auf einen passenden Pegel gesetzt werden, der größer ist als der erwartete maximale Wert des analogen Signals, oder er kann durch die Benutzer eingestellt werden. Die Steuer- und Schnittstelleneinheit 10 zählt mit der Taktsynchronisation, bis der Wert der analogen Signale der gleiche ist, wie der Wert der fallenden Rampenspannung. Wenn ein solcher Bildpunktspannungsmeßpunkt erkannt wird, so schreibt die Steuer- und Schnittstelleneinheit 10 ein entsprechendes Zählsignal (digitaler Wert) in den Doppelpuffer 40.
Betrachtet man nochmals 3, so umfaßt die Verriegelungsschaltungseinheit 400 vier NMOS-Transistoren M5 bis M8. Der Transistor M5 wird angeschaltet in Erwiderung auf das Ausgangssignal vom Vergleicher 32 (so wird das Ausgangssignal vom Vergleicher 32 als ”Freigabesignal für das Schreiben” bezeichnet), und der Transistor M6 wird angeschaltet in Erwiderung auf ein Bankauswahlsignal, das einer der Puffergruppen innerhalb des Doppelpuffers 40 in 7 auswählt. Wenn die entsprechende Puffergruppe ausgewählt ist, und dann der Transistor M6 angeschaltet wird, so wird der Transistor M5 angeschaltet, wenn die Referenzspannung größer als die Bildpunktspannung ist. Wenn die Transistoren M5 und M6 angeschaltet werden, so wird das Zählsignal an einen Gate-Anschluß des kapazitiven Transistors M7 angelegt, um die Daten zu speichern. Wenn der Transistor M8 in Erwiderung auf ein Spaltenauswahlsignal von der Steuer- und Schnittstelleneinheit 10 angeschaltet wird, so werden die Daten (Zählsignal), die im kapazitiven Transistor M7 gespeichert sind, durch eine einpolige Bitleitung, die einen Vorladungsmittelwert aufweist, ausgelesen.
Andererseits wird, wenn die Referenzspannung kleiner als die Bildpunktspannung ist, das Zählsignal nicht in der Verriegelungsschaltungseinheit 400 gespeichert, da der Transistor M5 abgeschaltet wird, wobei das endgültige Zählsignal als digitaler Wert gespeichert wird. Der Zähler ist innerhalb der Steuer- und Schnittstelleneinheit 10 angeordnet, und das Zählsignal weist die Form digitaler Daten von einem Kodewandler, wie einem Gray-Kode-Wandler auf.
Betrachtet man 5, so wird ein Versatz, der im CMOS-Bildsensor erzeugt wird, entfernt. In 5 wird die erste Rampe für das Auslesen einer Spannung (die als Rücksetzspannung bezeichnet wird), die erzeugt wird, wenn der Rücksetztransistor M2 in der Bildpunkteinheit 200 angeschaltet wird, verwendet. Die zweite Rampe wird auch für das Auslesen einer Spannung (die als Datenspannung bezeichnet wird) verwendet, wenn das analoge Signal aus dem Bildpunkt ausgegeben wird. So umfaßt der Doppelpuffer 40 gemäß der vorliegenden Erfindung zwei Puffer, von denen jeder zwei Speicherbänke (oder Gruppen) aufweist. Eine erste Speicherbank wird für das Speichern der Versatzwerte verwendet, und eine zweite Speicherbank wird für das Speichern der digitalen Werte verwendet. Wenn beispielsweise die Rücksetzspannung als ein digitaler Wert 110 gezählt wird, und die Datenspannung als ein digitaler Wert 440 gezählt wird, so beträgt der Nettodigitalwert, der durch ein Bild bewirkt wird ”330 (440–110)”. 6 zeigt eine Struktur eines solchen Doppelpuffers. Bei konventionellen CDS-Verfahren ist es notwendig, zusätzliche Schaltungen zu den Bildsensoren hinzuzufügen. Da jedoch eine solche zusätzliche Schaltung auch einen neuen Versatz verursacht, ist es sehr schwierig, Schaltungen zu gestalten, um ein vollständiges Entfernen des Versatzes herbeizuführen. In der vorliegenden Erfindung kann, da der Nettodigitalwert, der durch ein Bild verursacht wird, erhalten wird, nachdem die Rücksetzspannung in einen digitalen Wert umgewandelt wurde, wie das in 5 gezeigt ist, die Schaltungsgestaltung für die CDS leicht durchgeführt werden.
Wie in 7 gezeigt ist, umfaßt der Doppelpuffer 40 gemäß der vorliegenden Erfindung zwei Puffer, von denen jeder zwei Speicherbänke hat, um eine Pipelinestruktur zu implementieren, in welcher die Schreib- und Leseoperationen gleichzeitig ausgeführt werden. Die Schreiboperation kann im ersten Puffer ausgeführt werden, währen die Leseoperation im zweiten Puffer ausgeführt wird. Zellen in den Puffern haben 8 Verriegelungsschaltungseinheiten (im Falle einer 8 Bit Datenverarbeitung, wobei der Bildsensor N × M Bildpunkte aufweist. Somit beträgt die Gesamtzahl der Zellen N × 8 × 4.
Der Doppelpuffer mit der Pipelinestruktur macht es möglich, Daten asynchron auszulesen, was zu Verbesserungen bei der Schnittstelle und der Übertragungsrate führt. Insbesondere ist die asynchrone Schnittstelle für hohe Übertragungsraten notwendig. Durch Verwendung des doppelten Puffers im CMOS-Bildsensor können verschiedene Unterabtastungen leicht erreicht werden, durch das Auswählen von geraden und ungeraden Zellen und durch das Auswählen von einer Zelle der drei oder vier Zellen. Weiterhin ist es mit der steigenden Anzahl von Leitungspuffern möglich, zweidimensionale Bilddatenblöcke auf den CMOS-Bildsensor ohne zusätzliche Puffer anzulegen. Im Falle der parallelen AD-Wandler wird der Doppelpuffer gemäß der vorliegenden Erfindung sehr notwendig.
Die logische Prüfschaltung 50 wird für das Erhöhen der Verifikation durch ein leichtes Messen der Fehlfunktion des CMOS-Bildsensors verwendet, obwohl sie kein notwendiges Element bei der Konstruktion des Bildsensors darstellt.
Die Konfigurationsregister 60 der Steuer- und Schnittstelleneinheit 10 umfassen ein Betriebsarteinstellregister, das durch eine Programmierschnittstelle gesteuert wird, und eine Prüfbetriebsart wird gemäß der vorliegenden Erfindung mittels eines solchen Betriebsarteinstellregisters eingestellt. Im Falle der Änderung der Betriebsart arbeitet die logische Prüfschaltung 50 auf der Basis der geänderten Betriebsart.
Betrachtet man 8, so initialisiert das Betriebsarteinstellregister den CMOS-Bildsensor in einer normalen Betriebsart, und es ist programmierbar, so daß es einen Wechseln in drei Prüfbetriebsarten in Abhängigkeit von der Art der Prüfungen durchführt. Die drei Prüfbetriebsarten gemäß der folgenden Erfindung sehen so aus: 1) Prüfbetriebsart A wird verwendet bei der Überwachung des Betriebszustandes der FSM der Steuer- und Schnittstelleneinheit und es wird beim Erkennen der Fehlfunktion der logischen Steuerschaltungen und der Programmierschnittstelle verwendet; 2) Prüfbetriebsart_B wird verwendet bei der Erkennung von Fehlern, die vom Vergleicher erzeugt werden, wobei aber der Rampenspannungsgenerator verwendet wird; und 3) Prüfbetriebsart_C wird bei der Erkennung von Haftfehlern für die Verriegelungszellen im Doppelpuffer 40 verwendet, indem wiederholt vorbestimmte digitale Datenmuster geschrieben und gelesen werden.
Die Testergebnisse werden durch den Datenbus (DATA [7:0]) der 1 ausgegeben. Alle digitalen Daten, die von den messenden Bildpunkten ausgelesen werden, werden zu demselben Datenbus in der normalen Betriebsart ausgegeben, aber es ist nicht notwendig, einen zusätzlichen Anschlußstift für das Auslesen der Testergebnisse der Prüfbetriebsarten hinzu zu fügen, da die Ergebnisse der Prüfbetriebsarten und die Daten von den Bildpunkten durch einen Multiplexer ausgewählt ausgegeben werden können.
Die Prüfbetriebsart A dient zum Testen der Fehlfunktion der Steuer- und Schnittstelleneinheit und gibt die Werte der FSM aus, die eine wichtige Rolle in den darin befindlichen Steuerungen spielen, statt die digitalen Werte von den Bildpunkten durch den Datenbus auszugeben. Die Werte der FSM werden gemäß den Zuständen einer inneren logischen Steuerschaltung und den Zuständen eines externen Steueranschlußstiftes unterschiedlich geändert. Somit ist es möglich, die Fehlfunktion der Steuer- und Schnittstelleneinheit zu prüfen, indem nur die Änderungen der Werte der FSM überwacht werden.
Die Prüfbetriebsart_B dient hauptsächlich zur Prüfung des Spannungsvergleichers. Wie in 9 gezeigt ist, ist der Vergleicher ein Teil, der eine wichtige Rolle bei der Umwandlung analoger Signale, die an den Bildpunkten gemessen werden, in digitale Signale spielt.
Diese Erfindung erzeugt, wie es in 9 gezeigt ist, aus dem Rampenspannungsgenerator zwei vorgegebene Eingangsspannungen, die in der Prüfbetriebsart_B statt der unbekannten Spannung vom Bildpunkt eingegeben werden. An diesem Punkt ist die Referenzspannung eine lineare Rampenspannung, die gemäß demselben Takt wie in der normalen Betriebsart erniedrigt wird, und die Prüfspannung ist eine vorgegebene und erwartbare feste Spannung, um die Funktion des Vergleichers zu prüfen.
Betrachtet man 10, die die FSM für die Prüfbetriebsart_B und die Prüfbetriebsart_C zeigt, stellen sich die Zustände wie folgt dar:
IDLE: Zustand, in dem die Prüfbetriebsart_B und die Prüfbetriebsart_C nicht eingestellt sind;
READY: Zustand, in dem die Prüfspannung eingestellt ist, und die Zahl der Prüfung durch den Ausgabeanschlußstift (DATA [7:0]) ausgegeben wird, der jede Prüfung in der Prüfbetriebsart_B und der Prüfbetriebsart_C vorbereitet;
COMP: Zustand, in dem die Prüfspannung, die im READY-Zustand vorbereitet wurde, mit der Referenzspannung verglichen wird, wobei die Vergleichsergebnisse in die Verriegelungszellen des Doppelpuffers geschrieben werden, und die digitalen Werte, die in der Verriegelungszelle gespeichert sind, am Ausgabestift (DATA [7:0]) ausgegeben werden;
WAIT1: Zustand, in dem ”00H” ausgegeben wird, was anzeigt, daß der Vergleich der rückgesetzten Verriegelungszellen ausgegeben wird, was eine Vorbereitung bedeutet, um Daten aus dem Rücksetzverriegelungszellenfeld auszulesen, um die CDS zu unterstützen;
TEST1: Zustand, der die digitalen Werte, die in den Rücksetzverriegelunszellen gespeichert sind, durch den Ausgabestift ausgibt (DATA [7:01), wobei es dieselben sein müssen, wie die, die im Zustand COMP ausgegeben wurden;
WAIT2: Zustand, in dem ”ffH”, was anzeigt, daß die digitalen Werte, die den Datenverriegelungszellen entsprechen, als nächstes ausgegeben werden, durch den Ausgabeanschlußstift ausgegeben wird;
TEST2: Zustand, der die digitalen Werte ausgibt, die den Datenverriegelungszellen entsprechen, wobei diese die gleichen sein müssen wie die, die im Zustand COMP ausgegeben wurden;
LOOPB: Zustand, der folgende Schritte umfaßt: wiederholtes Ausführen der obigen Zustande für einen anderen Puffer; Ändern der Prüfspannung nach Beendigung der Prüfung für zwei Puffer; und Wechseln in den Zustand READY und wiederholtes Ausführen der Prüfung; und
LOOPC: Zustand für die Prüfbetriebsart_C. Ähnlich der Prüfbetriebsart_C beendet die Prüfbetriebsart_C die Prüfung für zwei Puffer und ändert die vorbestimmten digitalen Datenmuster, wie das nachfolgend beschrieben wird.
Die Prüfspannung dient zum Prüfen der Funktion des Vergleichers. Die Prüfspannung weist einen Unterschied von einem Viertel der Auflösung des Vergleichers auf; das heißt, bei einer Auflösung von 6 Bit ist sie, wenn man die Komplexität und die Eigenschaften der für sie ausgebildeten Schaltungen betrachtet, effektiver.
Die Prüfbetriebsart_C dient hauptsächlich zur Untersuchung der Verriegelungszellen im Doppelpuffer. Wie in 7 gezeigt ist, umfaßt im Fall, bei dem eine Pufferleitung aus N Verriegelungszellen pro Leitung zusammengesetzt ist, der Doppelpuffer 8 × 2 × 2 × N Verriegelungszellen, da er einen 8 Bit Wert hat, und je mehr N Werte erhöht werden, desto größer wird die Wahrscheinlichkeit, daß hier Fehler erzeugt werden.
In der normalen Betriebsart, wie sie in 4 gezeigt ist, werden die Zählerwerte des Ergebnisses des Vergleichs des analogen Signals mit dem Referenzsignal im Vergleicher im Doppelpuffer gespeichert. Somit können, sofern irgendwelche Fehler im Doppelpuffer erzeugt werden, außergewöhnliche Ergebnisse erhalten werden, sogar wenn die Bildpunkte, der Vergleicher und der Zähler gut funktionieren.
Die Prüfbetriebsart_C, die sich von der Prüfbetriebsart_B unterscheidet, dient zur Suche nach Fehlern, die in den Verriegelungszellen erzeugt werden können. Somit wird eine Lese/Schreib-Schnittstelle für das ausschließliche Testen des Doppelpuffers zusätzliche Kosten ergeben. Somit wird in der vorliegenden Erfindung die Prüfbetriebsart_C unter Verwendung der normalen Betriebsart oder der Prüfbetriebsart_B selbst ausgeführt.
Wie in 11 gezeigt ist, wird eine beliebige Spannung, die höher als der niedrigste Punkt und niedriger als der höchste Punkt einer Referenzrampenspannung ist, als Prüfspannung aufgebaut, um das Schreibfreigabesignal für den Doppelpuffer zu liefern. Bis die Prüfspannung höher als die Referenzspannung ist, wird das Schreibfreigabesignal erzeugt.
Die Zählwerte werden in der normalen Betriebsart und der Prüfbetriebsart_B gespeichert, wobei sie mit der Rampenspannung synchronisiert sind. In der Prüfbetriebsart_C werden jedoch vorbestimmte digitale Datenmuster statt der Zählwerte wiederholt verwendet, bis das Schreibfreigabesignal AUS ist, um eine Haftfehler leicht zu finden. Die vorbestimmten digitalen Datenmuster sind gemäß der folgenden Erfindung folgende:
11111111
00000000
10101010
01010101
Die obigen Muster werden in dieser Reihenfolge geändert, wenn die FSM der 10 den Zustand ”LOOPC” für die beiden Puffer beendet.
Wie aus obigem deutlich wird, wird der CMOS-Bildsensor gemäß der vorliegenden Erfindung wirksam auf einem Chip implementiert, auf dem alle notwendigen Schaltungen mit einem geringeren Leistungsverbrauch ausgebildet werden, und die Funktion jeder Schaltung leicht getestet werden kann.
Während die vorliegende Erfindung nur bezüglich gewisser bevorzugter Ausführungsformen beschrieben wurde, können andere Modifikationen und Variationen vorgenommen werden, ohne von der Idee und dem Umfang der vorliegenden Erfindung, wie sie in den folgenden Ansprüchen definiert werden, abzuweichen.

Claims

CMOS-Bildsensor umfassend: eine Steuer- und Schnittstellenvorrichtung für das Steuern des CMOS-Bildsensors unter Verwendung einer Zustandsmaschine und für das Ausbilden einer Schnittstelle zwischen dem CMOS-Bildsensor und einem externen System; eine Bildpunktanordnung, die eine Vielzahl von Bildpunkten umfaßt, die Bilder eines Objektes messen und analoge Signale gemäß der Menge des einfallenden Lichts erzeugen; eine Umwandlungsvorrichtung für das Umwandeln der analogen Signale in digitale Signale, die in einer digitalen Logikschaltung verarbeitet werden sollen, wobei die Umwandlungsvorrichtung eine Vergleichsvorrichtung für das Vergleichen der analogen Signale mit einer Referenzspannung aufweist; eine Logikschaltung für Prüfoperationen der Umwandlungsvorrichtung und der Steuer- und Schnittstellenvorrichtung, durch das Steuern der Umwandlungsvorrichtung, wobei die Prüfoperationen das Prüfen der Zustandsmaschine der Steuer- und Schnittstellenvorrichtung in einer ersten Prüfbetriebsart, und das Prüfen der Vergleichsvorrichtung in einer zweiten Prüfbetriebsart umfassen; und ein Prüfbetriebsartregister zum Einstellen einer der Prüfbetriebsarten.
CMOS-Bildsensor nach Anspruch 1, wobei die Steuer- und Schnittstellenvorrichtung ein für den Benutzer unsichtbares Register umfaßt.
CMOS-Bildsensor nach Anspruch 2, wobei die Steuer- und Schnittstellenvorrichtung eine Vielzahl von Konfigurationsregister umfaßt, die für den Benutzer sichtbare Register darstellen, und wobei die Konfigurationsregister das Prüfbetriebsartregister umfassen.
CMOS-Bildsensor nach Anspruch 3, wobei die Umwandlungsvorrichtung folgendes umfaßt: einen Spannungsgenerator für das Erzeugen erster und zweiter Referenzspannungen und für das Erzeugen der Prüfspannung in Erwiderung auf ein Steuersignal von der Logikschaltung; die Vergleichsvorrichtung für das Vergleichen der analogen Signale mit der ersten Referenzspannung in einer normalen Betriebsart und für das Vergleichen der zweiten Referenzspannung mit der Prüfspannung in einer Prüfbetriebsart, wobei die normale Betriebsart und die Prüfbetriebsart durch das Prüfbetriebsartregister der Konfigurationsregister bestimmt wird; und eine Speichervorrichtung für das Speichern von Zählsignalen der Steuer- und Schnittstellenvorrichtung in Erwiderung auf Ausgangssignale der Vergleichsvorrichtung.
CMOS-Bildsensor nach Anspruch 4, wobei die Speichervorrichtung eine Pipeline-Struktur aufweist, die erste und zweite Puffer umfaßt, wobei jeder erste und zweite Speicherbänke aufweist, wobei die erste Speicherbank Versatzwerte speichert, die im CMOS-Bildsensor erzeugt werden, und die zweite Speicherbank Datenwerte von der Bildpunktanordnung speichert.
CMOS-Bildsensor nach Anspruch 4, wobei die Logikschaltung den Spannungsgenerator steuert, um die Vergleichsvorrichtung mit der ersten Referenzspannung in der normalen Betriebsart zu beliefern, und um die Vergleichsvorrichtung mit der Prüfspannung und der zweiten Referenzspannung in der Prüfbetriebsart zu beliefern.
CMOS-Bildsensor nach Anspruch 4, wobei die Prüfoperationen das Prüfen der Speichervorrichtung in einer dritten Prüfbetriebsart umfassen.
CMOS-Bildsensor nach Anspruch 4, wobei die Zählsignale digitale Signale sind, die in einem Kodewandler erzeugt werden.
CMOS-Bildsensor nach Anspruch 4, wobei die Speichervorrichtung eine asynchrone Schnittstelle mit der Steuer- und Schnittstellenvorrichtung bildet.
CMOS-Bildsensor nach Anspruch 5, wobei die Speichervorrichtung eine Vielzahl von Verriegelungsschaltungen umfaßt, wobei die Verriegelungsschaltung folgendes umfaßt: einen ersten Transistor, der Zählsignale in Erwiderung auf ein Steuersignal von der Vergleichsvorrichtung empfängt; einen zweiten Transistor für das Übertragen eines Ausgangssignals des ersten Transistors in Erwiderung auf ein Bankauswahlsignal, das die erste oder die zweite Speicherbank auswählt; einen dritten Transistor für das Speichern der Zählsignale in Erwiderung auf ein Ausgangssignal des zweiten Transistors; und einen vierten Transistor für das Übertragen der im dritten Transistor gespeicherten Signale zu einer Bitleitung in Erwiderung auf ein Spaltensignal von der Steuer- und Schnittstellenvorrichtung.
CMOS-Bildsensor nach Anspruch 6, wobei der CMOS-Bildsensor weiter einen Multiplexer für das Auswählen der Ausgangssignale der Speichervorrichtung in der normalen Betriebsart oder in der Prüfbetriebsart umfaßt.
CMOS-Bildsensor nach Anspruch 10, wobei die Bildpunktanordnung N × M Bildpunkte aufweist, wobei die Vergleichsvorrichtung N Operationsverstärker aufweist, und wobei die Speichervorrichtung 4 × (die Zahl der zu verarbeitenden Bits) × N Verriegelungsschaltungen aufweist.
CMOS-Bildsensor nach Anspruch 3, wobei das für den Benutzer unsichtbare Register die Inhalte des Konfigurationsregisters, das verarbeitet wird, speichert.
CMOS-Bildsensor, der eine Bildpunktanordnung hat, um analoge Signale auszugeben, die von einem Objekt gemessen werden, wobei der CMOS-Bildsensor folgendes umfaßt: einen Analog-Digital-Wandler, umfassend: a) einen Spannungsgenerator für das Erzeugen einer ersten Referenzspannung; b) eine Vergleichsvorrichtung für das vergleichen der analogen Signale mit der ersten Referenzspannung; und c) eine Speichervorrichtung für das Speichern von digitalen Signalen in Erwiderung auf die Ausgangssignale von der Vergleichsvorrichtung; ein Prüfbetriebsartregister; und eine Logikschaltung für Prüfoperationen des Analog-Digital-Wandlers und einer Steuer- und Schnittstellenvorrichtung des CMOS-Bildsensors, wobei die Prüfoperationen das Prüfen einer Zustandsmaschine der Steuer- und Schnittstellenvorrichtung in einer ersten Prüfbetriebsart, und das Prüfen der Vergleichsvorrichtung in einer zweiten Prüfbetriebsart umfassen, wobei die Logikschaltung in Erwiderung auf in dem Prüfbetriebsartregister gespeicherten Prüfbetriebsartinformation in einer ausgewählten Prüfbetriebsart arbeitet, und wobei die Logikschaltung in der zweiten Prüfbetriebsart den Spannungsgenerator für die Vergleichsvorrichtung steuert, um eine zweite Referenzspannung zu empfangen und eine Testspannung und in der Speichervorrichtung digitale Signale speichert, die in Erwiderung auf ein Steuersignal von der Vergleichsvorrichtung erzeugt werden, und wobei die Speichervorrichtung die gespeicherten digitalen Signale an einen Ausgangsanschluß des CMOS-Bildsensors ausgibt.
CMOS-Bildsensor nach Anspruch 14, wobei der CMOS-Bildsensor ein für einen Benutzer nicht sichtbares Register umfaßt.
CMOS-Bildsensor nach Anspruch 15, wobei der CMOS-Bildsensor eine Vielzahl von Konfigurationsregistern umfaßt, bei denen es sich um für den Benutzer sichtbare Register handelt, und wobei die Konfigurationsregister das Prüfbetriebsartregister umfassen.
CMOS-Bildsensor nach Anspruch 16, wobei das für den Benutzer unsichtbare Register die Inhalte des Konfigurationsregisters, das bearbeitet wird, speichert.
CMOS-Bildsensor nach Anspruch 14, wobei der CMOS-Bildsensor weiter einen Multiplexer umfaßt, für das Auswählen der Ausgangssignale der Speichervorrichtung in einer normalen Betriebsart oder einer Prüfbetriebsart.
CMOS-Bildsensor nach Anspruch 14, wobei die Speichervorrichtung eine Pipeline-Struktur aufweist, wobei die Speichervorrichtung erste und zweite Puffer einschließt, von denen jeder erste und zweite Speicherbänke aufweist, wobei die erste Speicherbank Versatzwerte speichert, die im CMOS-Bildsensor erzeugt werden, und die zweite Speicherbank Datenwerte von der Bildpunktanordnung speichert.
CMOS-Bildsensor nach Anspruch 14, wobei die digitalen Signale Zählsignale sind, die durch einen Kodewandler erzeugt werden.
CMOS-Bildsensor nach Anspruch 19, wobei die Speichervorrichtung eine Vielzahl von Verriegelungsschaltungen umfaßt, wobei die Verriegelungsschaltung folgendes einschließt: einen ersten Transistor, der zählsignale in Erwiderung auf das Steuersignal von der Vergleichsvorrichtung empfängt; einen zweiten Transistor für das Übertragen eines Ausgangssignals des ersten Transistors in Erwiderung auf ein Bankauswahlsignal, das die erste oder zweite Speicherbank auswählt; einen dritten Transistor für das Speichern der Zählsignale in Erwiderung auf ein Ausgangssignal des zweiten Transistors; und einen vierten Transistor für das Übertragen des im dritten Transistor gespeicherten Signals zu einer Bitleitung in Erwiderung auf ein Spaltensignal.
CMOS-Bildsensor nach Anspruch 14, wobei die Bildpunktanordnung N × M Bildpunkte hat, wobei die Vergleichsvorrichtung N Operationsverstärker hat, und wobei die Speichervorrichtung 4 × (Zahl der zu verarbeitenden Bit) × N Verriegelungsschaltungen aufweist.
CMOS-Bildsensor nach Anspruch 14, wobei die Speichervorrichtung eine asynchrone Schnittstelle mit den sich außerhalb von ihr befindlichen externen Schaltungen bildet.