專利名稱：計(jì)數(shù)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換方法和轉(zhuǎn)換器、半導(dǎo)體器件及電子裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及異步計(jì)數(shù)器電路、模數(shù)(AD)轉(zhuǎn)換方法以及用于使用該計(jì)數(shù)器電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的AD轉(zhuǎn)換器、用于通過多個(gè)單位元件的陣列檢測物理量分布的半導(dǎo)體器件、以及電子裝置。
更具體地，本發(fā)明涉及一種適合在電子裝置中使用的異步計(jì)數(shù)器和AD轉(zhuǎn)換技術(shù)，該電子裝置是例如用于檢測物理量分布的半導(dǎo)體器件諸如固態(tài)成像器件，該半導(dǎo)體器件允許讀取表示物理量分布的電信號(hào)，通過對(duì)從外部輸入的電磁波諸如光或輻射敏感的多個(gè)單位元件的陣列獲得該物理量。
背景技術(shù)：
在各種領(lǐng)域中使用了用于檢測物理量的半導(dǎo)體器件，該半導(dǎo)體器件包括對(duì)從外部輸入的電磁波諸如光或輻射敏感的單位元件的線或矩陣。
例如，在視頻裝置領(lǐng)域，使用用于檢測光(電磁波的例子)作為物理量的電荷耦合器件(CCD)、金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)以及互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)固態(tài)成像器件。這些器件以單位元件(在固態(tài)成像器件中的像素)獲得的電信號(hào)形式讀取物理量分布。
在被稱作有源像素傳感器(APS)或者增益單元的固態(tài)成像器件的類型中，在產(chǎn)生了與電荷發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)電荷對(duì)應(yīng)的像素信號(hào)的像素信號(hào)發(fā)生器中提供用于放大的驅(qū)動(dòng)晶體管。許多COMS固態(tài)成像器件是上述類型。
在這種有源像素傳感器中，為了讀取像素信號(hào)到外部，對(duì)包括單元像素陣列的像素單元執(zhí)行尋址控制，因此能從任意選擇的單獨(dú)的單元像素中讀取信號(hào)。即，有源像素傳感器是尋址控制的固態(tài)成像器件的例子。
例如，在有源像素傳感器中，其是包括單元像素矩陣的X-Y尋址的固態(tài)成像器件類型，使用MOS結(jié)構(gòu)(MOS晶體管)的有源元件或類似物實(shí)現(xiàn)每一個(gè)像素，因此每個(gè)像素自身能夠放大。即，有源元件放大在用作光電轉(zhuǎn)換器的光電二極管中累積的信號(hào)電荷(光電子)，并且讀取該放大的信號(hào)作為圖像信息。
在這種X-Y尋址固態(tài)圖像器件中，例如像素單元包括大量像素晶體管的二維數(shù)組。在逐行基礎(chǔ)上或逐個(gè)像素基礎(chǔ)上開始對(duì)應(yīng)于入射線的信號(hào)電荷的累積。通過尋址連續(xù)地從各自的像素讀取基于累積的信號(hào)電荷的電流信號(hào)或電壓信號(hào)。在該MOS(包括CMOS)固態(tài)成像器件中，作為尋址控制的實(shí)例，根據(jù)經(jīng)常使用的方法，同時(shí)訪問一行像素以從逐行基礎(chǔ)上的像素單元中讀取像素信號(hào)。
必須通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將從像素單元中讀取的模擬像素信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。因?yàn)橄袼匦盘?hào)與附加有復(fù)位分量的信號(hào)分量一起輸出，所以必須通過獲得對(duì)應(yīng)于復(fù)位分量的信號(hào)電壓和對(duì)應(yīng)于信號(hào)分量的信號(hào)電壓之間的差來提取真實(shí)的有效信號(hào)分量。
這也適用于將模擬像素信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的情況。最后，需要將表示對(duì)應(yīng)于復(fù)位分量的信號(hào)電壓和對(duì)應(yīng)于信號(hào)分量的信號(hào)電壓之間的差的差信號(hào)分量轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。為此，已經(jīng)提出了用于AD轉(zhuǎn)換的各種方案。例如，如W.Yang等，“AnIntegrated 800×600 CMOS Image System”，ISSCC Digest of Technical Papers，pp.304-305，1999年2月(下文中稱作第一非專利文獻(xiàn))；YONEMOTOkazuya，“CCD/CMOS Imeeji Sensa no kiso to ouyou”，CQ Publishing Co.，Ltd.，firstedition pp.201-203，2003年8月10日(下文中稱作第二非專利文獻(xiàn))；IMAMURAToshifumi和YAMAMOTO Yoshiko，“3.kosoku kinou CMOS Imeeji Sensa nokenkyuu”，2004年3月15日在因特網(wǎng)搜索的鏈接<URLhttp//www.sanken.gr.jp/project/iwataPJ/report/h12/h12index.html>，(下文中稱作第三非專利文獻(xiàn))；IMAMURA Toshifumi、YAMAMOTO Yoshiko和HASEGAWA Naoya，“3.Koshoku kinou CMOS Imeeji Sensa no kenkyuu”，因特網(wǎng)<URLhttp//www.sanken.gr.jp/project/iwataPJ/report/h14/h14index.html>，2004年3月15日在線搜索(下文中稱作第四非專利文獻(xiàn))；Oh-Bong Kwonet.al.，“ANovel DoubleSlope Analog-to-Digital Converter for a High-Quality 640×480 CMOS Imaging System”1999年VL3-03，IEEE，335-338頁(下文中稱作第五非專利文獻(xiàn))；以及日本未審查專利申請(qǐng)公開NO.11-331883(下文中稱作第一專利文獻(xiàn))。
根據(jù)在第一到第五非專利文獻(xiàn)和第一專利文獻(xiàn)中描述的AD轉(zhuǎn)換方案，通過使用計(jì)數(shù)器電路執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換。使用的計(jì)數(shù)器電路通常是同步計(jì)數(shù)器，其中觸發(fā)器(計(jì)數(shù)器的基本元件)與計(jì)數(shù)器時(shí)鐘同步輸出計(jì)數(shù)值。
然而，在同步計(jì)數(shù)器中，計(jì)數(shù)時(shí)鐘限制了所有觸發(fā)器的操作，當(dāng)需要更高頻率的操作時(shí)這是有問題的。
像例如在第四和第五非專利文獻(xiàn)中所描述的，還可能使用異步計(jì)數(shù)器作為計(jì)數(shù)器電路。因?yàn)槠渲械南拗撇僮黝l率僅僅通過第一觸發(fā)器的限制頻率確定，所以異步計(jì)數(shù)器適合于高速操作。因此，當(dāng)需要在更高頻率操作時(shí)優(yōu)選使用異步計(jì)數(shù)器作為計(jì)數(shù)器電路。
圖18是表示根據(jù)相關(guān)技術(shù)能切換模式的異步計(jì)數(shù)器的圖。計(jì)數(shù)器電路900能用作4位異步計(jì)數(shù)器。例如通過多個(gè)負(fù)沿D觸發(fā)器912、914、916以及918(全體稱為910)的級(jí)聯(lián)連接來實(shí)施計(jì)數(shù)器電路900。每一個(gè)觸發(fā)器910具有連接到其D輸入端的反相輸出NQ(以Q上的橫杠表示)。第一觸發(fā)器910的時(shí)鐘端子CK接收計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0的輸入。
而且，計(jì)數(shù)器電路900包括雙輸入單輸出開關(guān)922、924以及926(全體稱為920)，用于在相鄰的一對(duì)觸發(fā)器910之間分別切換觸發(fā)器910的非反相輸出Q和反相輸出NQ。每一個(gè)開關(guān)920根據(jù)來自控制器(未示出)的控制信號(hào)SW切換這兩個(gè)輸入信號(hào)并且將選擇的信號(hào)輸入到后面的觸發(fā)器910的時(shí)鐘端子CK。
該控制信號(hào)SW用來在向上計(jì)數(shù)和向下計(jì)數(shù)之間切換計(jì)數(shù)器電路900的計(jì)數(shù)操作。當(dāng)控制信號(hào)處于高(H)電平時(shí)，選擇非反相輸出Q，因此計(jì)數(shù)器電路900進(jìn)入向上計(jì)數(shù)模式，另一方面，當(dāng)控制信號(hào)SW處于低(L)電平時(shí)，選擇反相輸出NQ，因此計(jì)數(shù)電路900進(jìn)入向下計(jì)數(shù)模式。
然而，在圖18中所示的傳統(tǒng)異步計(jì)數(shù)器中，在切換上/下計(jì)數(shù)器的處理模式的同時(shí)，一般使用不考慮操作模式的上/下計(jì)數(shù)器執(zhí)行計(jì)數(shù)。因此，盡管允許電路的緊湊設(shè)計(jì)，但是例如當(dāng)計(jì)數(shù)器向上計(jì)數(shù)到達(dá)預(yù)定值ad時(shí)，然后從該值開始向下計(jì)數(shù)，在計(jì)數(shù)模式切換的時(shí)不能維持計(jì)數(shù)值的連續(xù)性。因此，該計(jì)數(shù)器不適合于在切換計(jì)數(shù)模式的同時(shí)連續(xù)執(zhí)行計(jì)數(shù)(下文中稱作第一問題)。這將在下面描述。
圖19是用于說明圖18中示出的計(jì)數(shù)器電路900的操作的時(shí)序圖；在該實(shí)例中，一種4位異步計(jì)數(shù)器根據(jù)控制信號(hào)SW在非反相輸出Q和反相輸出NQ之間切換，因此首先執(zhí)行向上計(jì)數(shù)，然后執(zhí)行向下計(jì)數(shù)。然而，當(dāng)產(chǎn)生從向上計(jì)數(shù)到向下計(jì)數(shù)的切換時(shí)，計(jì)數(shù)值從6變到10。因此，在使用高頻率脈沖序列的計(jì)數(shù)模式的切換之前和之后維持該計(jì)數(shù)值時(shí)，不可能執(zhí)行向上計(jì)數(shù)和向下計(jì)數(shù)。
例如在日本未審專利申請(qǐng)公開No.6-216762(下文中稱為第二專利文獻(xiàn))中提出了用于克服該問題的方案。根據(jù)第二專利文獻(xiàn)，在每一個(gè)偶數(shù)脈沖序列上提供了用于使每一個(gè)觸發(fā)器的狀態(tài)反相的器件和用于初始化全部觸發(fā)器的器件。
下面將描述在第二專利文獻(xiàn)中描述的計(jì)數(shù)方法。假設(shè)異步計(jì)數(shù)器能向上計(jì)數(shù)到最大數(shù)值n，第一脈沖序列包括i個(gè)脈沖，并且第二脈沖序列包括j個(gè)脈沖。
預(yù)先復(fù)位計(jì)數(shù)器，并且該計(jì)數(shù)器為第一脈沖序列從0計(jì)數(shù)到i。然后當(dāng)使計(jì)數(shù)器的觸發(fā)器的狀態(tài)反相時(shí)，獲得該值i相對(duì)于n的補(bǔ)數(shù)，因此計(jì)數(shù)器的值變成了n-i。
然后計(jì)數(shù)器從n-i計(jì)數(shù)到n-i+j。i-j的差是n-i+j相對(duì)于n的補(bǔ)數(shù)，通過再次反相觸發(fā)器的狀態(tài)而獲得它。因此，使用高頻率的連續(xù)脈沖序列實(shí)現(xiàn)了用于執(zhí)行向上計(jì)數(shù)和向下計(jì)數(shù)的異步計(jì)數(shù)器。
然而，根據(jù)第二專利文獻(xiàn)中描述的方案，因?yàn)橥ㄟ^包括補(bǔ)數(shù)值的計(jì)算來執(zhí)行向上計(jì)數(shù)和向下計(jì)數(shù)，所以這不是直接的(下文中稱為第二問題)。
此外，在第一到第五非專利文獻(xiàn)和第一專利文獻(xiàn)中描述的AD轉(zhuǎn)換的方案具有涉及電路規(guī)模、電路面積、功耗、用于與其它功能單元連接的引線數(shù)、與引線相關(guān)的噪音或消耗電流的缺點(diǎn)。這將在下面描述。
根據(jù)相關(guān)技術(shù)的固態(tài)成像器件的結(jié)構(gòu)圖21是根據(jù)相關(guān)技術(shù)的CMOS固態(tài)成像器件(CMOS圖像傳感器)的示意性結(jié)構(gòu)圖，其中在相同的半導(dǎo)體襯底上安裝AD轉(zhuǎn)換器和像素單元。如圖21中所示，固態(tài)成像器件1包括像素單元(成像單元)10，其中以行和列排列多個(gè)單位像素3；從外部提供給像素單元10的驅(qū)動(dòng)控制器7；計(jì)數(shù)器(CNT)24；列處理器26，包括為各自列提供的列AD電路25；參考信號(hào)發(fā)生器27，包括用于將AD轉(zhuǎn)換用的參考電壓提供給列處理器26中的列AD電路25的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)；以及包括減法器電路29的輸出電路28。
驅(qū)動(dòng)器7包括控制列尋址或列掃描的水平掃描電路(列掃描電路)12；控制行尋址或行掃描的垂直掃描電路(行掃描電路)14；以及定時(shí)控制器21，經(jīng)由端子5a接收主時(shí)鐘CLK0并產(chǎn)生多種內(nèi)部時(shí)鐘以控制水平掃描電路12、垂直掃描電路14以及類似電路。
將單元像素3連接到由垂直掃描電路14控制的行控制線15和將像素信號(hào)傳輸?shù)搅刑幚砥?6的垂直信號(hào)線19。
每一個(gè)列AD電路25包括電壓比較器252和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元(鎖存器)255，并且它具有n位AD轉(zhuǎn)換器的功能。電壓比較器252比較通過參考信號(hào)發(fā)生器27產(chǎn)生的參考信號(hào)RAMP和經(jīng)由垂直控制線19(V0、V1、...)從單元像素3中獲得的用于每行控制線15(H0、H1、...)的模擬信號(hào)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元255是用于保存電壓比較器252花費(fèi)時(shí)間的計(jì)數(shù)結(jié)果的存儲(chǔ)器，以通過計(jì)數(shù)器24完成比較。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元255包括存儲(chǔ)區(qū)域彼此獨(dú)立的n位鎖存器1和2。
電壓比較器252的一個(gè)輸入端RAMP通常與其它電壓比較器252的輸入端RAMP一起接收參考信號(hào)發(fā)生器27產(chǎn)生的梯狀參考信號(hào)RAMP的輸入。將該電壓比較器252的其它輸入端連接到各自的相關(guān)列的垂直信號(hào)線，因此單獨(dú)地輸入來自像素單元10的像素信號(hào)。將來自電壓比較器252的信號(hào)輸出供應(yīng)給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元255?；趯?duì)應(yīng)于從固態(tài)成像器件1的外部提供的主時(shí)鐘CLK0的計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0(例如這些時(shí)鐘的時(shí)鐘頻率相等)，通過執(zhí)行計(jì)數(shù)來數(shù)字化地產(chǎn)生參考信號(hào)RAMP，并將該計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)。
計(jì)數(shù)器24根據(jù)基于主時(shí)鐘CLK0的計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0(例如這些時(shí)鐘的時(shí)鐘頻率相等)執(zhí)行計(jì)數(shù)，并且通常將計(jì)數(shù)輸出CK1，CK2，...，CKn與計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0一起提供給列處理器26的列AD電路25。
即，通過把來自計(jì)數(shù)器24的用于計(jì)數(shù)輸出CK1，CK2，...，CKn的線(lines)提供給為各自列提供的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器單元255的鎖存器，各自列的列AD電路25共用單一的計(jì)數(shù)器24。
將列AD電路25的輸出連接到水平信號(hào)線18。水平信號(hào)線18具有用于2n位的信號(hào)線，并且其經(jīng)由與各自輸出線相關(guān)的2n讀出電路(未示出)連接到輸出電路28的減法器電路29。
定時(shí)控制器21經(jīng)由控制線12c指示水平掃描電路12來讀取像素?cái)?shù)據(jù)。響應(yīng)于該指示，通過連續(xù)地變換水平選擇信號(hào)CH(i)，水平掃描電路12連續(xù)地將存儲(chǔ)在鎖存器1和2中的像素?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)捷敵鲭娐?8的減法器電路29。即，水平掃描電路12在水平(行)方向上執(zhí)行讀取掃描。
基于從固態(tài)成像器件1的外部提供的與計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0相似的主時(shí)鐘CLK0，水平掃描電路12產(chǎn)生水平選擇信號(hào)CH(i)以用于在水平(行)方向上執(zhí)行讀取掃描。
圖22是用于說明根據(jù)圖21中示出的相關(guān)技術(shù)的固態(tài)成像單元1的操作的時(shí)序圖。
例如，對(duì)于第一讀取操作，首先將計(jì)數(shù)器254的計(jì)數(shù)值復(fù)位到初始值“0”。然后，在從任意行Hx上的單元像素3讀取像素信號(hào)到垂直信號(hào)線19(V0、V1、...)的第一讀取操作變得穩(wěn)定之后，輸入?yún)⒖夹盘?hào)產(chǎn)生器27產(chǎn)生的參考信號(hào)RAMP，該參考信號(hào)RAMP臨時(shí)改變從而基本形成斜坡波形，通過電壓比較器252比較參考信號(hào)RAMP和在任意垂直信號(hào)線19(列數(shù)為Vx)上的像素信號(hào)電壓。
此時(shí)，為了通過計(jì)數(shù)器24測量電壓比較器252的比較時(shí)間，在將參考信號(hào)RAMP輸入到電壓比較器252的一個(gè)輸入端RAMP的同時(shí)，計(jì)數(shù)器24與參考信號(hào)發(fā)生器27產(chǎn)生斜坡波形電壓同步地(t10)、如第一計(jì)數(shù)操作一樣從初始值“0”開始向下計(jì)數(shù)。
電壓比較器252將來自參考信號(hào)發(fā)生器27的隨機(jī)參考信號(hào)RAMP與經(jīng)由垂直信號(hào)線19輸入的像素信號(hào)電壓Vx比較。當(dāng)這些電壓相等時(shí)，電壓比較器252將其輸出從H電平切換成L電平(t12)。
基本上在反相電壓比較器252的輸出的同時(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元255根據(jù)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元255的鎖存器1中的比較周期與計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0同步地鎖存計(jì)數(shù)器24的計(jì)數(shù)輸出CK1、CK2、...CKn，從而完成AD轉(zhuǎn)換的第一迭代操作(t12)。
當(dāng)預(yù)定的向下計(jì)數(shù)周期消逝時(shí)(t14)，定時(shí)控制器21停止提供控制數(shù)據(jù)給電壓比較器252，并且停止提供計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0給計(jì)數(shù)器254。因此，電壓比較器252停止產(chǎn)生斜坡參考信號(hào)RAMP。
在第一讀取操作中，讀取單元像素3的復(fù)位分量ΔV，并且該復(fù)位分量ΔV包括在單元像素3中變化的偏置噪聲。然而，通常在復(fù)位分量ΔV中的變化是小的，并且在所有像素中復(fù)位電平是相同的，因此基本上知道任意垂直信號(hào)線19(Vx)的輸出。
因此，當(dāng)在第一讀取操作中讀取復(fù)位分量ΔV時(shí)，可能通過校正參考信號(hào)RAMP縮短比較周期。根據(jù)該相關(guān)技術(shù)，在對(duì)應(yīng)于7位(128時(shí)鐘周期)的計(jì)數(shù)周期中比較該復(fù)位分量ΔV。
在第二讀取操作中，除了復(fù)位分量ΔV，讀取對(duì)應(yīng)于入射在各自的單元像素3上的光量的信號(hào)分量Vsig，并且執(zhí)行與第一操作相似的操作。
更具體地，對(duì)于第二讀取操作，首先將計(jì)數(shù)器254的計(jì)數(shù)值復(fù)位到初始值“0”。然后，當(dāng)從任意行Hx上的單元像素3到垂直信號(hào)線19(V0、V1、...)讀取的像素信號(hào)的第二讀取操作變得穩(wěn)定時(shí)，輸入?yún)⒖夹盘?hào)發(fā)生器27產(chǎn)生的參考信號(hào)RAMP從而臨時(shí)以梯狀的方式改變，并且從而基本地具有斜坡波形，然后電壓比較器252比較參考信號(hào)RAMP和在任意垂直信號(hào)線19(列數(shù)為Vx)上的像素信號(hào)電壓。
此時(shí)，為了使用計(jì)數(shù)器24測量電壓比較器252的比較時(shí)間，在將參考信號(hào)RAMP輸入到電壓比較器252的一個(gè)輸入端RAMP的同時(shí)，計(jì)數(shù)器24與參考信號(hào)發(fā)生器27產(chǎn)生斜坡波形電壓同步地(t20)、如第二計(jì)數(shù)操作一樣從初始值“0”開始向下計(jì)數(shù)。
電壓比較器252比較來自參考信號(hào)發(fā)生器27的斜坡參考信號(hào)RAMP和經(jīng)由垂直信號(hào)線19輸入的像素信號(hào)電壓Vx。當(dāng)這些電壓變得相等時(shí)，電壓比較器252將其輸出從H電平切換成L電平(t22)。
基本上在反相電壓比較器252的輸出的同時(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元255根據(jù)比較周期與計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0同步地鎖存來自計(jì)數(shù)器24的計(jì)數(shù)輸出CK1、CK2、...CKn，由此完成AD轉(zhuǎn)換的第二迭代(t22)。
此時(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元255在其不同位置保存第一計(jì)數(shù)操作中的計(jì)數(shù)值和第二計(jì)數(shù)操作中的計(jì)數(shù)值，即在鎖存器2中。在第二讀取操作中，讀取單元像素3的復(fù)位分量ΔV和信號(hào)分量Vsig的組合。
當(dāng)預(yù)定的向下計(jì)數(shù)周期消逝時(shí)(t24)，定時(shí)控制器21停止提供控制數(shù)據(jù)給電壓比較器252，并且停止提供計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0給計(jì)數(shù)器254。因此，電壓比較器252停止產(chǎn)生斜坡參考信號(hào)RAMP。
在完成第二計(jì)數(shù)操作后的特定時(shí)間(t28)，定時(shí)控制器21指示水平掃描電路12來讀取像素?cái)?shù)據(jù)。響應(yīng)于該指示，水平掃描電路12連續(xù)地經(jīng)由控制線12c變換提供給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元255的水平選擇信號(hào)CH(i)。
因此，在該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元鎖存的計(jì)數(shù)值，也就是，將每一個(gè)通過n位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)表示的在第一迭代和第二迭代中的像素?cái)?shù)據(jù)經(jīng)由n條(總計(jì)2n條)水平信號(hào)線18連續(xù)地輸出到列處理器26的外部，并且輸入到輸出電路28的減法器電路29。
對(duì)于每一個(gè)像素位置，n位減法器電路29從第二迭代的像素?cái)?shù)據(jù)中減去表示單元像素3的復(fù)位分量ΔV的第一迭代的像素?cái)?shù)據(jù)以計(jì)算單元像素3的信號(hào)分量Vsig，該第二迭代數(shù)據(jù)表示單元像素3的復(fù)位分量ΔV和信號(hào)分量Vsig的組合。
然后，以逐行為基礎(chǔ)連續(xù)執(zhí)行相似的操作，由此在輸出電路28中獲得表示兩維圖像的圖像信號(hào)。
然而，在圖21中的排列中，各個(gè)列的列AD電路共用單一的計(jì)數(shù)器24，并且必須將第一和第二計(jì)數(shù)操作的結(jié)果保持在用作存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元255中。因此，對(duì)于n位信號(hào)需要兩個(gè)n位鎖存器(每一位需要2n個(gè)鎖存器)，這導(dǎo)致了電路面積的增加(下文中稱為第三問題)。
此外，需要用于將計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0和n個(gè)計(jì)數(shù)輸出CK1、CK2、...、CKn從計(jì)數(shù)器24輸入到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元255的線。這將增加噪聲和功耗(下文中稱為第四問題)。
此外，為了在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元255中的不同位置保持第一和第二計(jì)數(shù)操作的計(jì)數(shù)值，需要用于傳送第一和第二計(jì)數(shù)操作結(jié)果的2n條信號(hào)線，這導(dǎo)致了電流量的增加。(下文中稱為第五問題)。
此外，在將信號(hào)輸出到該器件外部之前，為了從第二計(jì)數(shù)操作的計(jì)數(shù)值中減去第一計(jì)數(shù)操作的計(jì)數(shù)值，需要將計(jì)數(shù)值通向輸出電路28的n位減法器電路29的2n條信號(hào)線。為了傳輸數(shù)據(jù)這將增加噪音或功耗(下文中稱為第六問題)。
就是說，必須單獨(dú)地分別地從計(jì)數(shù)器提供用于保存第一讀取操作結(jié)果的存儲(chǔ)器和用于保存第二讀取操作結(jié)果的存儲(chǔ)器(即需要兩個(gè)存儲(chǔ)器)。此外，需要用于從這些存儲(chǔ)器將n位計(jì)數(shù)值傳送到計(jì)數(shù)器的信號(hào)線。此外，為了將第一和第二計(jì)數(shù)操作的n位計(jì)數(shù)值傳輸?shù)綔p法器，需要2n位(雙倍)的信號(hào)。這增加了電路規(guī)模和電路面積，并且還增加了噪音、電流消耗或功耗。
此外，當(dāng)同時(shí)執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換和讀取操作時(shí)，也就是，通過流水線作業(yè)，把用于保持計(jì)數(shù)結(jié)果的存儲(chǔ)器與需要用于保持通過AD轉(zhuǎn)換獲得的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器分開。類似于第三個(gè)問題，為此需要兩個(gè)存儲(chǔ)器，這導(dǎo)致了電路面積的增加(下文中稱為第七問題)。
作為用于克服第三問題的測量，在提出的列AD轉(zhuǎn)換器電路中，通過級(jí)聯(lián)地提供在列之間共同使用的計(jì)數(shù)器來實(shí)施相關(guān)復(fù)式取樣(CDS)功能和AD轉(zhuǎn)換功能，為每一列提供CDS處理單元和用于保持該計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值的鎖存器。例如這在第二非專利文獻(xiàn)中描述了。
此外，在提出的用于克服第二問題的方案中，例如通過在列處理器26中為每列提供計(jì)數(shù)器來實(shí)施AD轉(zhuǎn)換功能。例如這在第三和第四非專利文獻(xiàn)中描述了。
在第二非專利文獻(xiàn)中描述的列AD電路中，AD轉(zhuǎn)換器包括計(jì)數(shù)器和鎖存器，其對(duì)垂直信號(hào)線(列)執(zhí)行并行處理，在抑制像素的固定圖案噪音的同時(shí)，通過獲取復(fù)位分量和信號(hào)分量之差來將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。因此，不需要減法，并且單一的計(jì)數(shù)操作足夠。此外，能通過鎖存器實(shí)現(xiàn)用于保持通過AD轉(zhuǎn)換獲得的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器。這足以用來避免電路面積的增加。即，克服了第三、第五、第六和第七問題。
然而，需要用于將計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0和n個(gè)計(jì)數(shù)輸出從計(jì)數(shù)器輸入到鎖存器的線(line)，因此，沒有克服第四問題。
根據(jù)在第三和第四非專利文獻(xiàn)中描述的技術(shù)，同時(shí)將用于檢測光的多個(gè)像素的電流輸出到輸出總線，并且根據(jù)輸出總線上的電流執(zhí)行加法和減法。然后，將信號(hào)轉(zhuǎn)化成在時(shí)間方向上具有振幅的脈沖寬度信號(hào)，并且通過為各自列提供的計(jì)數(shù)器電路來計(jì)數(shù)脈沖寬度信號(hào)的脈沖寬度的時(shí)鐘周期，從而執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換。因此，不需要用于計(jì)數(shù)輸出的引線，即克服了第四問題。
然而，沒有描述復(fù)位分量和信號(hào)分量的處理，因此不必克服第三、第五、第六和第七問題。在第一和第五非專利文獻(xiàn)中也沒有描述復(fù)位分量和信號(hào)分量的處理。
另一方面，第一專利文獻(xiàn)描述了對(duì)復(fù)位分量和信號(hào)分量的處理。為了從復(fù)位分量和信號(hào)分量提取純圖像的電壓數(shù)據(jù)，例如通過相關(guān)復(fù)式取樣從相對(duì)于每列的信號(hào)分量的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)中提取復(fù)位分量的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，因此避免了第六問題。
然而，根據(jù)在第一專利文獻(xiàn)中描述的技術(shù)，在外部系統(tǒng)接口執(zhí)行計(jì)數(shù)以產(chǎn)生計(jì)數(shù)信號(hào)，并且在為每列提供的一對(duì)緩沖器中保存當(dāng)復(fù)位分量或信號(hào)分量的電壓與用于比較的參考電壓匹配時(shí)那一刻的計(jì)數(shù)值。因此，AD轉(zhuǎn)換的方案通過列共同使用單一的計(jì)數(shù)器這一點(diǎn)上與在第一非專利文獻(xiàn)中的方案相同。因此，不能避免第三到第五以及第七問題。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述情況已做出了本發(fā)明，并且本發(fā)明的目的是提供用于克服第一和第二問題的方案。更優(yōu)選地，本發(fā)明的目的是提供克服第三到第七問題的至少一個(gè)的方案。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種異步計(jì)數(shù)器電路，該異步計(jì)數(shù)器電路允許可選擇地以向上計(jì)數(shù)模式執(zhí)行計(jì)數(shù)或以向下計(jì)數(shù)模式執(zhí)行計(jì)數(shù)。該計(jì)數(shù)器電路包括初始值設(shè)定處理器，其在切換該計(jì)數(shù)模式后開始計(jì)數(shù)之前、將計(jì)數(shù)模式切換之前瞬時(shí)(immediately before)的計(jì)數(shù)值設(shè)定為計(jì)數(shù)模式切換時(shí)的初始值。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于將差信號(hào)分量轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，該差信號(hào)分量表示在經(jīng)受處理的模擬信號(hào)中包括的參考分量和信號(hào)分量之差。對(duì)應(yīng)于參考分量的信號(hào)和對(duì)應(yīng)于信號(hào)分量的信號(hào)與用于轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的參考信號(hào)比較，同時(shí)根據(jù)該比較，以向下計(jì)數(shù)模式或向上計(jì)數(shù)模式執(zhí)行計(jì)數(shù)，在比較完成時(shí)保持計(jì)數(shù)值。此時(shí)，根據(jù)是對(duì)參考分量還是對(duì)信號(hào)分量執(zhí)行比較來切換計(jì)數(shù)模式。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種適于執(zhí)行上述AD轉(zhuǎn)換方法的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該AD轉(zhuǎn)換器包括比較器，將對(duì)應(yīng)于參考分量的信號(hào)和對(duì)應(yīng)于信號(hào)分量的信號(hào)與用于轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的參考信號(hào)比較；以及異步計(jì)數(shù)器，以向下計(jì)數(shù)模式或向上計(jì)數(shù)模式執(zhí)行計(jì)數(shù)，同時(shí)根據(jù)比較器中的比較，計(jì)數(shù)器保存比較器中的比較完成時(shí)的計(jì)數(shù)值。
根據(jù)依照本發(fā)明這些方面的AD轉(zhuǎn)換方法、AD轉(zhuǎn)換器、半導(dǎo)體器件以及電子裝置，將包括參考分量和信號(hào)分量的經(jīng)受處理的信號(hào)與用于AD轉(zhuǎn)換的參考信號(hào)比較，并且同時(shí)根據(jù)該比較，使用異步計(jì)數(shù)器以向下計(jì)數(shù)模式或向上計(jì)數(shù)模式執(zhí)行計(jì)數(shù)，保存比較完成時(shí)的計(jì)數(shù)值。此時(shí)，根據(jù)是對(duì)參考分量還是對(duì)信號(hào)分量執(zhí)行比較來切換計(jì)數(shù)模式。


圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的異步計(jì)數(shù)器的第一實(shí)施例的基本結(jié)構(gòu)的塊電路圖；圖2是表示根據(jù)第一實(shí)施例的基本結(jié)構(gòu)的具體實(shí)施的塊電路圖；圖3A和3B是表示二進(jìn)制開關(guān)的一個(gè)實(shí)例電路結(jié)構(gòu)的圖；圖4是用于說明根據(jù)圖2中示出的第一實(shí)施例的計(jì)數(shù)電路操作的時(shí)序圖；圖5A和5B是表示在第一實(shí)施例中的觸發(fā)器的輸出變化的圖；圖6是表示根據(jù)本發(fā)明異步計(jì)數(shù)器的第二實(shí)施例結(jié)構(gòu)的塊電路圖；圖7是用于說明根據(jù)圖6中示出的第二實(shí)施例的計(jì)數(shù)器電路操作的時(shí)序圖；圖8A和8B是表示第二實(shí)施例中的觸發(fā)器的輸出變化的圖；圖9是表示根據(jù)本發(fā)明的異步計(jì)數(shù)器的第三實(shí)施例結(jié)構(gòu)的塊電路圖；圖10是用于說明根據(jù)圖9中示出的第三實(shí)施例的計(jì)數(shù)器電路操作的時(shí)序圖；圖11是表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的CMOS固態(tài)成像器件構(gòu)造的示意圖；圖12是表示計(jì)數(shù)器的第一實(shí)例結(jié)構(gòu)的塊電路圖；圖13A是表示計(jì)數(shù)器的第二實(shí)例結(jié)構(gòu)的塊電路圖；圖13B是用于說明其操作的時(shí)序圖；圖14是用于說明根據(jù)圖11中示出的第一實(shí)施例的固態(tài)成像器件的列AD電路操作的時(shí)序圖；圖15是表示根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的CMOS固態(tài)成像器件構(gòu)造的示意圖；圖16是用于說明根據(jù)圖15中示出的第二實(shí)施例的固態(tài)成像器件的列AD電路操作的時(shí)序圖；圖17是表示用于在切換計(jì)數(shù)模式時(shí)恢復(fù)計(jì)數(shù)值的排列的另一實(shí)例圖；圖18是表示根據(jù)相關(guān)技術(shù)的使能切換模式的異步計(jì)數(shù)器的一種實(shí)例圖；圖19是用于說明圖18中示出的計(jì)數(shù)器電路操作的時(shí)序圖；圖20是表示在第二專利文獻(xiàn)中提出的布置圖；圖21是表示根據(jù)相關(guān)技術(shù)的CMOS固態(tài)成像器件的示意圖，其中在相同的半導(dǎo)體襯底上安裝AD轉(zhuǎn)換器和像素單元；圖22是用于說明根據(jù)圖21中示出的相關(guān)技術(shù)的固態(tài)成像器件操作的時(shí)序圖；圖23是本發(fā)明模塊類型的成像件的方框圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在，將參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例。將首先直接描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的異步計(jì)數(shù)器電路，然后描述異步計(jì)數(shù)器電路應(yīng)用于電子裝置和半導(dǎo)體器件的實(shí)例。
計(jì)數(shù)器電路結(jié)構(gòu)的第一實(shí)施例圖1是表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的異步計(jì)數(shù)器基本結(jié)構(gòu)的塊電路圖。圖2是表示根據(jù)第一實(shí)施例的基本結(jié)構(gòu)具體實(shí)施的塊電路圖；如圖1中所示，通過多個(gè)負(fù)沿D觸發(fā)器412、414、416以及418(全體稱為410)的級(jí)聯(lián)連接實(shí)施根據(jù)第一實(shí)施例的計(jì)數(shù)器電路400。每一個(gè)觸發(fā)器410具有連接到其D輸入端的反相輸出NQ(在圖1中通過Q上的橫杠表示)。因此，計(jì)數(shù)器電路400能用作4位異步計(jì)數(shù)器。盡管在圖1中示出了觸發(fā)器412、414、416和418的四級(jí)(對(duì)應(yīng)于4位)，但是實(shí)際上，提供對(duì)應(yīng)于位數(shù)的若干觸發(fā)器。
此外，在各個(gè)觸發(fā)器410的相鄰對(duì)之間，計(jì)數(shù)器電路400包括三輸入單輸出三值開關(guān)422、424和426(全體稱為420)，這些三值開關(guān)在三個(gè)值之間切換，即，非反相輸出Q、反相輸出NQ以及電源(Vdd)電平。每一個(gè)三值開關(guān)420根據(jù)從控制器(未示出)提供的2位控制信號(hào)SW1和SW2在這三個(gè)輸入信號(hào)之間切換，并且將選擇的信號(hào)輸入到隨后的觸發(fā)器410的時(shí)鐘端子。
每一個(gè)三值開關(guān)420起到初始值設(shè)定處理器的作用，該初始值設(shè)定處理器在計(jì)數(shù)模式切換時(shí)促成將被設(shè)定為初始值的、模式轉(zhuǎn)換之前瞬時(shí)的計(jì)數(shù)值，因此在模式轉(zhuǎn)換后從該值開始計(jì)數(shù)。
也就是說，關(guān)于作為計(jì)數(shù)器基本元件的多個(gè)觸發(fā)器的級(jí)聯(lián)連接，在各自的觸發(fā)器410的相鄰對(duì)之間安裝三值開關(guān)420。在前的觸發(fā)器410的非反相輸出NQ和反相輸出Q的一個(gè)被選擇作為計(jì)數(shù)器時(shí)鐘并且被提供給隨后的觸發(fā)器410的時(shí)鐘端子CK，因此可以切換計(jì)數(shù)模式，并且在模式切換前瞬時(shí)將前面的觸發(fā)器410的計(jì)數(shù)值設(shè)定到隨后的觸發(fā)器410以作為初始值。
更具體地，如圖2中所示，通過一對(duì)兩輸入單輸出二進(jìn)制開關(guān)432和433、一對(duì)兩輸入單輸出二進(jìn)制開關(guān)434和435、以及一對(duì)兩輸入單輸出二進(jìn)制開關(guān)436和437能分別實(shí)現(xiàn)該三值開關(guān)420。將這些二進(jìn)制開關(guān)全體稱為二進(jìn)制開關(guān)430。
在該實(shí)例中，根據(jù)在不同時(shí)產(chǎn)生的切換控制信號(hào)SL和FL切換每一個(gè)二進(jìn)制開關(guān)430作為從控制器(未示出)提供的兩位切換控制信號(hào)SW1和SW2。
在前階段的二進(jìn)制開關(guān)432、434和436根據(jù)切換控制信號(hào)SL切換各自相關(guān)的觸發(fā)器410的非反相輸出Q和反相輸出NQ，并且傳遞該結(jié)果至后階段的相關(guān)二進(jìn)制開關(guān)433、435和437的輸入端之一。后階段的二進(jìn)制開關(guān)433、435和437根據(jù)切換控制信號(hào)FL在從前階段的二進(jìn)制開關(guān)432、434和436傳遞的數(shù)據(jù)與輸入到其上的其它輸入端的電源電平之間切換，并將該結(jié)果輸入到隨后的觸發(fā)器410的時(shí)鐘端子CK。
例如，在前的二進(jìn)制開關(guān)430(432、434和436)根據(jù)切換控制信號(hào)SL選擇在前的觸發(fā)器430的非反相輸出NQ和反相輸出Q，并且將其提供給隨后的二進(jìn)制開關(guān)430(433、435和437)的一個(gè)輸入端。切換控制信號(hào)SL控制在前的二進(jìn)制開關(guān)430(432、434和436)，因此，在向上計(jì)數(shù)和向下計(jì)數(shù)之間切換計(jì)數(shù)器電路400的計(jì)數(shù)操作。
隨后的二進(jìn)制開關(guān)430(433、435和437)調(diào)整前面的觸發(fā)器410的輸出源(非反相輸出NQ或反相輸出Q)，該輸出源根據(jù)切換控制信號(hào)FL從在前的二進(jìn)制開關(guān)430(432、434和436)輸出到后面的觸發(fā)器410的時(shí)鐘端子。
切換控制信號(hào)FL控制隨后的二進(jìn)制開關(guān)430(433、435和437)，從而在計(jì)數(shù)模式切換之后的預(yù)定周期，將前面的觸發(fā)器410的輸出(非反相輸出NQ或反相輸出Q)提供給后面的觸發(fā)器410的時(shí)鐘端子，從而當(dāng)恢復(fù)非反相輸出NQ和反相輸出Q的供應(yīng)時(shí)，將對(duì)應(yīng)于時(shí)鐘的信號(hào)提供給后面的觸發(fā)器410的時(shí)鐘端子。因此，當(dāng)在向上計(jì)數(shù)模式和向下計(jì)數(shù)模式之間切換計(jì)數(shù)模式時(shí)，維持計(jì)數(shù)值的連續(xù)性。后面將詳細(xì)描述切換控制信號(hào)FL的功能。
依據(jù)“維持計(jì)數(shù)值的連續(xù)性”，盡管當(dāng)切換計(jì)數(shù)模式時(shí)該計(jì)數(shù)值變成中斷，但是在開始模式切換之后的計(jì)數(shù)之前，恢復(fù)在前模式中的最終計(jì)數(shù)值，因此在模式切換后的計(jì)數(shù)操作從在前模式的最終計(jì)數(shù)值開始。
圖3A和3B是表示二進(jìn)制開關(guān)430的實(shí)例電路結(jié)構(gòu)的圖。圖3A表示通過傳輸門實(shí)施每個(gè)開關(guān)的實(shí)例。使用CMOS技術(shù)來實(shí)施所有電路元件。
與前面的二進(jìn)制開關(guān)432、434和436聯(lián)合，提供傳輸門442和443。與隨后的二進(jìn)制開關(guān)433、435和437聯(lián)合，提供傳輸門446和447。將這些傳輸門全體稱為傳輸門440。
傳輸門442的輸入接收前面的觸發(fā)器410的反相輸出NQ。傳輸門443的輸入接收前面的觸發(fā)器410的非反相輸出Q。通常將傳輸門442和443的輸出連接到傳輸門446的輸入。將傳輸門447的輸入連接到電源電平。通常將傳輸門446和447的輸出連接到后面的觸發(fā)器410的時(shí)鐘端子CK。
通過包括N溝道晶體管n1和P溝道晶體管p1的CMOS開關(guān)實(shí)施每一個(gè)傳輸門440。晶體管n1和p1的門(控制輸入端)對(duì)應(yīng)切換控制信號(hào)SL和FL的輸入端或者對(duì)應(yīng)反相的切換控制信號(hào)NSL和NFL。通過用于反相該切換控制信號(hào)SL的反向器444而產(chǎn)生反相的信號(hào)NSL，并且通過用于反相該切換控制信號(hào)FL的反向器448而產(chǎn)生反相的信號(hào)NFL。
包括晶體管n1和p1的CMOS開關(guān)通過當(dāng)晶體管n1的門為高并且晶體管p1的門為低時(shí)開啟來可選擇地輸出前面的觸發(fā)器410的非反相輸出Q或反相輸出NQ?？梢杂没虬ňw管n1或包括晶體管p1的N溝道MOS晶體管開關(guān)或P溝道MOS晶體管開關(guān)代替CMOS開關(guān)。然而在此情況下，產(chǎn)生了關(guān)于閾值電壓Vth的問題。因此，在該實(shí)施例中，使用由晶體管n1和p1形成的CMOS開關(guān)。
圖3B表示其中通過邏輯門實(shí)施每個(gè)開關(guān)的實(shí)例。與前面的二進(jìn)制開關(guān)432、434和436聯(lián)合，提供三個(gè)兩輸入“與非”門452、453和454。與后面的二進(jìn)制開關(guān)433、435和437聯(lián)合，提供通過兩輸入“或非”門456和反相器457形成的OD門。
“與非”門452的一個(gè)輸入接收通過用反相器455反相切換控制信號(hào)SL獲得的反相信號(hào)NSL，并且“與非”門453的一個(gè)輸入接收切換控制信號(hào)SL?！芭c非”門452的另一輸入接收前面的觸發(fā)器410的反相輸出NQ，并且“與非”門453的另一輸入接收前面的觸發(fā)器410的非反相輸出Q。將“與非”門452和453的輸出連接到“與非”門454的輸入。
“或非”門456的一個(gè)輸入端接收“與非”門454的輸出，并且其另一個(gè)輸入端接收切換控制信號(hào)。將“或非”門456的輸出通過反相器457反相，然后將“或非”門456的輸出引導(dǎo)到后面的觸發(fā)器410的時(shí)鐘端子CK。
在圖3A或圖3B中，每一個(gè)前面的二進(jìn)制開關(guān)432、434和436當(dāng)切換控制信號(hào)SL位于高電平時(shí)可選擇地輸出非反相輸出Q，而當(dāng)切換控制信號(hào)SL位于低電平時(shí)可選擇地輸出反相輸出NQ。
每一個(gè)隨后的二進(jìn)制開關(guān)433、435和437當(dāng)切換控制信號(hào)FL位于低電平時(shí)可選擇地輸出與前面二進(jìn)制開關(guān)432、434或436聯(lián)合的該輸出，而當(dāng)切換控制信號(hào)FL位于高電平時(shí)可選擇地輸出電源電平(高電平)。
計(jì)數(shù)器電路操作的第一實(shí)施例圖4是用于說明根據(jù)圖2中示出的第一實(shí)施例的計(jì)數(shù)器電路操作的時(shí)序圖。圖5A和5B是用于說明第一實(shí)施例中觸發(fā)器410的輸出變化的圖。
如早前所述，當(dāng)切換控制信號(hào)SL位于高電平并且切換控制信號(hào)FL位于低電平時(shí)，每一個(gè)前面的二進(jìn)制開關(guān)432、434和436可選擇地輸出非反相輸出Q，并且每一個(gè)隨后的二進(jìn)制開關(guān)433、435和437可選擇地輸出前面二進(jìn)制開關(guān)432、434或436的該輸出。因此，在觸發(fā)器410的每一相鄰對(duì)之間，將前面的觸發(fā)器410的非反相輸出Q輸入后面的觸發(fā)器410的時(shí)鐘端子CK。
在該布置中，當(dāng)將時(shí)鐘CK0輸入到第一觸發(fā)器410的時(shí)鐘端子CK時(shí)，對(duì)于非反相輸出Q的負(fù)沿，在觸發(fā)器410之間發(fā)生狀態(tài)切換，因此計(jì)數(shù)器電路400執(zhí)行向上計(jì)數(shù)操作(計(jì)數(shù)值0到6的周期)。
在執(zhí)行了向上計(jì)數(shù)操作一定周期之后，當(dāng)停止時(shí)鐘CK0并且將切換控制信號(hào)SL從高電平反相成低電平(t30)時(shí)，計(jì)數(shù)器電路400從向上計(jì)數(shù)模式切換為向下計(jì)數(shù)模式，并且當(dāng)恢復(fù)時(shí)鐘CK0時(shí)開始向下計(jì)數(shù)。在該實(shí)施例中，在從計(jì)數(shù)值0執(zhí)行向上計(jì)數(shù)到計(jì)數(shù)值6之后，將切換控制信號(hào)SL從高電平切換為低電平。
通過依照t30處的切換控制信號(hào)切換計(jì)數(shù)模式，該對(duì)二進(jìn)制開關(guān)430選擇前面的觸發(fā)器410的反相輸出NQ并且將它輸入到后面的觸發(fā)器410的時(shí)鐘端子CK。
此時(shí)，當(dāng)前面的觸發(fā)器410的非反相輸出Q位于高電平時(shí)，即，當(dāng)反相輸出NQ位于低電平時(shí)，通過切換控制信號(hào)SL的切換，將負(fù)沿(從H到L切換)施加到后面的觸發(fā)器410的時(shí)鐘端子CK，因此反相后面的觸發(fā)器410的輸出(t30+)。
在圖5A中，將第二觸發(fā)器410的輸出從低電平反相為高電平，并且同樣反相第三觸發(fā)器410的輸出(t30+)。在圖5B中，將第二觸發(fā)器410的輸出從高電平反相為低電平(t30+)。
也就是，該計(jì)數(shù)值僅在觸發(fā)器410的隨后階段開始被中斷，其中非反相輸出Q位于高電平，即，在計(jì)數(shù)模式切換時(shí)反相輸出NQ位于低電平。
此外，當(dāng)使后面的觸發(fā)器410的輸出反相時(shí)，如果將其反相輸出NQ從低電平反相為高電平，那么將更后面的觸發(fā)器410的時(shí)鐘端子CK拉到高電平，因此沒有反相該輸出(t30++，圖5A中的第三階段)。
另一方面，當(dāng)將反相輸出NQ從高電平反相為低電平時(shí)，將負(fù)沿施加到更后面的觸發(fā)器410的時(shí)鐘端子CK，因此將后面的觸發(fā)器410的輸出反相(t30++，圖5B中的第三狀態(tài))。
相似地，將反相輸出NQ的反相數(shù)據(jù)(從H到L)的影響向上傳播到觸發(fā)器410，在觸發(fā)器410中將反相輸出NQ從低電平反相為高電平。在該實(shí)施例中，如圖4中所示計(jì)數(shù)值從“6”變化到“10”。
也就是，不要采取任何測量，當(dāng)發(fā)生從向上計(jì)數(shù)到向下計(jì)數(shù)的切換時(shí)，該計(jì)數(shù)值中斷并且不能維持計(jì)數(shù)值的連續(xù)性，因此在切換之前和之后維持該計(jì)數(shù)值的同時(shí)不可能執(zhí)行向上計(jì)數(shù)和向下計(jì)數(shù)。
因此，在該實(shí)施例中，在切換用于切換計(jì)數(shù)模式的切換控制信號(hào)SL之后，在將用于向下計(jì)數(shù)的時(shí)鐘CK0的負(fù)沿輸入到第一觸發(fā)器410之前，將有效高電平單步脈沖施加到隨后的二進(jìn)制開關(guān)433、435和437以作為切換控制信號(hào)FL(t32到t34)。
因此，將電源電平(高電平)輸入到所有負(fù)沿觸發(fā)器410的時(shí)鐘端子CK。然而，在切換控制信號(hào)FL的單步脈沖輸入之前和之后不能改變負(fù)沿觸發(fā)器410的輸出。
然后，當(dāng)單步脈沖周期消逝(t34)時(shí)，再次將前面的觸發(fā)器410的反相輸出NQ輸入到時(shí)鐘端子CK。此時(shí)，當(dāng)前面的觸發(fā)器410的反相輸出NQ處于低電平時(shí)，將負(fù)沿施加到后面的觸發(fā)器410的時(shí)鐘端子CK，因此使后面的觸發(fā)器410的輸出反相。
在圖5A中，將第二觸發(fā)器410的輸出從高電平反相為低電平(t34+)。在圖5B中，將第二觸發(fā)器410的輸出從低電平反相為高電平，并且同樣反相第三觸發(fā)器410的輸出(t34+)。
此外，當(dāng)將觸發(fā)器410的輸出反相時(shí)，如果將反相輸出NQ從低電平反相為高電平，那么將后面的觸發(fā)器410的時(shí)鐘端子CK拉到高電平，因此沒有反相該輸出(t34++，圖5B中的第三階段)。
另一方面，當(dāng)將反相輸出NQ從高電平反相為低電平時(shí)，將負(fù)沿施加到更后面的觸發(fā)器410的時(shí)鐘端子CK，因此將后面的觸發(fā)器410的輸出反相(t34++，圖5A中的第三狀態(tài))。相似地，將反相輸出NQ的反相(從H到L)的影響傳播到觸發(fā)器410，在觸發(fā)器410中將反相輸出NQ從低電平反相為高電平。
這樣，在觸發(fā)器410中響應(yīng)根據(jù)切換控制信號(hào)SL的計(jì)數(shù)模式的改變來反相該輸出，在每一個(gè)觸發(fā)器410中再次反相該輸出，因此恢復(fù)了該計(jì)數(shù)值。
當(dāng)在上述操作之后再次輸入時(shí)鐘CK0時(shí)，對(duì)于反相輸出NQ的每一個(gè)負(fù)沿，即，對(duì)于非反相輸出Q的每一個(gè)正沿，在觸發(fā)器410之間發(fā)生狀態(tài)切換，因此計(jì)數(shù)器電路400執(zhí)行向下計(jì)數(shù)操作(計(jì)數(shù)值從6到1的周期)。
如上所述，根據(jù)依照第一實(shí)施例的計(jì)數(shù)器電路400，在一次強(qiáng)行通過施加有效高電平單步脈沖作為切換控制信號(hào)FL來將觸發(fā)器410的時(shí)鐘端子拉到高電平后，將在從向上計(jì)數(shù)切換為向下計(jì)數(shù)時(shí)改變的計(jì)數(shù)值恢復(fù)為模式切換后的狀態(tài)。當(dāng)恢復(fù)模式切換后的狀態(tài)時(shí)，如果前面的觸發(fā)器410的反相輸出NQ處于低電平，那么反相后面的觸發(fā)器410的輸出，因此恢復(fù)了初始計(jì)數(shù)值。
從而，本質(zhì)上，維持了計(jì)數(shù)模式切換之前的計(jì)數(shù)值。從而，在維持計(jì)數(shù)值的連續(xù)性的同時(shí)可能在向上計(jì)數(shù)之后執(zhí)行向下計(jì)數(shù)。
在與向上計(jì)數(shù)相比的反方向執(zhí)行向下計(jì)數(shù)。因此，通過執(zhí)行向上計(jì)數(shù)i次，然后執(zhí)行向下計(jì)數(shù)j次，能獲得減法i-j的結(jié)果作為計(jì)數(shù)器電路400的計(jì)數(shù)結(jié)果。優(yōu)選地，通過在向上計(jì)數(shù)和向下計(jì)數(shù)之間的模式切換獲得的該計(jì)數(shù)值不包括補(bǔ)數(shù)值，并且能直接獲得減法的結(jié)果。
根據(jù)異步計(jì)數(shù)器電路400，可能通過異步計(jì)數(shù)器直接連續(xù)執(zhí)行向上計(jì)數(shù)和向下計(jì)數(shù)，而通過增加簡單的開關(guān)，這至今是困難的。因?yàn)樵谙蛏嫌?jì)數(shù)和向下計(jì)數(shù)之間切換時(shí)維持切換前的值，所以可能連續(xù)地執(zhí)行向上計(jì)數(shù)和向下計(jì)數(shù)或向下計(jì)數(shù)和向上計(jì)數(shù)，并能獲得向上計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)值與向下計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)值之間的減法結(jié)果。
已經(jīng)在實(shí)例的范圍中描述了第一實(shí)施例，在該實(shí)施例中發(fā)生從向上計(jì)數(shù)到向下計(jì)數(shù)的切換。如果簡單地切換該計(jì)數(shù)模式，那么當(dāng)從向下計(jì)數(shù)切換為向上計(jì)數(shù)時(shí)也不能維持計(jì)數(shù)值的連續(xù)性。在恢復(fù)上述模式切換后的初始計(jì)數(shù)值之前，通過使用切換控制信號(hào)FL，一次將觸發(fā)器410的時(shí)鐘端子強(qiáng)行拉到高電平，實(shí)質(zhì)上，在計(jì)數(shù)模式切換前可能維持該計(jì)數(shù)值，在維持計(jì)數(shù)值的連續(xù)性的同時(shí)，可能在向下計(jì)數(shù)后連續(xù)執(zhí)行向上計(jì)數(shù)。
此外，甚至當(dāng)任意組合執(zhí)行向上計(jì)數(shù)和向下計(jì)數(shù)時(shí)，可能實(shí)行控制，因此在模式切換時(shí)恢復(fù)初始計(jì)數(shù)值。
盡管在第一實(shí)施例中不檢測計(jì)數(shù)的溢出，但是，使用已知的技術(shù)，例如通過增加用于溢出的附加位或通過使用用于進(jìn)位或借位的位，能容易地實(shí)施防溢出測量。
計(jì)數(shù)器電路結(jié)構(gòu)的第二實(shí)施例圖6是表示根據(jù)本發(fā)明的異步計(jì)數(shù)器的第二實(shí)施例結(jié)構(gòu)的塊電路圖，與圖2中示出的第一實(shí)施例的具體塊電路圖對(duì)應(yīng)。
在第二實(shí)施例中，與第一實(shí)施例類似，分別在觸發(fā)器510的相鄰對(duì)之間提供三輸入單輸出三值開關(guān)522、524和526(全體稱為520)，每一個(gè)開關(guān)根據(jù)從控制器(未示出)來的兩位控制信號(hào)SW1和SW2在三個(gè)輸入信號(hào)之間切換，并且將選擇的信號(hào)輸入到后面的觸發(fā)器510的時(shí)鐘端子CK。
每一個(gè)三輸入單輸出三值開關(guān)520起到初始值設(shè)定處理器的作用，該初始值設(shè)定處理器沒定模式切換前瞬時(shí)的計(jì)數(shù)值作為初始值，因此模式切換后的計(jì)數(shù)從初始值開始。
基于正沿而不是負(fù)沿來操作每一個(gè)觸發(fā)器510，為了處理沿操作的反相，在觸發(fā)器510之間提供的每一個(gè)三值開關(guān)520在三個(gè)值之間切換，即，在與觸發(fā)器510聯(lián)合的非反相輸出Q和反相輸出NQ以及接地電平(GND)之間切換。
更具體地，如圖6中所示，在根據(jù)第二實(shí)施例的計(jì)數(shù)器電路500中，三輸入單輸出三值開關(guān)520分別包括一對(duì)兩輸入單輸出二進(jìn)制開關(guān)532和533、一對(duì)兩輸入單輸出二進(jìn)制開關(guān)534和535、以及一對(duì)兩輸入單輸出二進(jìn)制開關(guān)536和537。將這些二進(jìn)制開關(guān)全體稱為二進(jìn)制開關(guān)530。
與第一實(shí)施例中的前面的二進(jìn)制開關(guān)432、434和436相似的每一個(gè)在前的二進(jìn)制開關(guān)532、534和536，根據(jù)切換控制信號(hào)SL，在與觸發(fā)器510聯(lián)合的非反相輸出Q和反相輸NQ之間切換，并且將結(jié)果傳遞與后面的二進(jìn)制開關(guān)533、535或537聯(lián)合的一個(gè)輸入端。
每一個(gè)隨后的二進(jìn)制開關(guān)533、535和537根據(jù)切換控制信號(hào)FL在從前面的二進(jìn)制開關(guān)532、534或536傳遞的數(shù)據(jù)和輸入到其它輸入端的接地電平之間切換，并且將該結(jié)果輸入到后面的觸發(fā)器510的時(shí)鐘端子CK。就是說，第二實(shí)施例與第一實(shí)施例不同在于在三值開關(guān)520中隨后的二進(jìn)制開關(guān)的輸入之一從電源電平改變?yōu)榻拥仉娖健?br> 每一個(gè)前面的二進(jìn)制開關(guān)532、534和536當(dāng)切換控制信號(hào)SL處于高電平時(shí)可選擇地輸出非反相輸出Q，而當(dāng)切換控制信號(hào)SL處于低電平時(shí)可選擇地輸出反相輸NQ。每一個(gè)隨后的二進(jìn)制開關(guān)533、535和537當(dāng)切換控制信號(hào)FL處于低電平時(shí)可選擇地輸出與前面二進(jìn)制開關(guān)532、534或536聯(lián)合的輸出，而當(dāng)切換控制信號(hào)FL處于高電平時(shí)輸出接地電平(低電平)。
計(jì)數(shù)器電路操作的第二實(shí)施例圖7是用于說明根據(jù)如圖6中所示第二實(shí)施例的計(jì)數(shù)器電路500的操作的時(shí)序圖。圖8A和8B是用于說明第二實(shí)施例中觸發(fā)器510的輸出變化的圖。
與第一實(shí)施例的基于負(fù)沿向上計(jì)數(shù)或向下計(jì)數(shù)相反，修改了第二實(shí)施例，因此基于正沿向上計(jì)數(shù)或向下計(jì)數(shù)?；舅悸放c第一實(shí)施例中相同，并且實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)也相同。
例如，當(dāng)切換控制信號(hào)SL位于低電平并且切換控制信號(hào)FL位于低電平時(shí)，每一個(gè)前面的二進(jìn)制開關(guān)532、534和536可選擇地輸出反相輸出NQ，并且每一個(gè)隨后的二進(jìn)制開關(guān)533、535和537可選擇地輸出前面二進(jìn)制開關(guān)532、534或536的輸出。從而，在觸發(fā)器510的每一相鄰對(duì)之間，將前面的觸發(fā)器510的反相輸出NQ輸入到后面的觸發(fā)器510的時(shí)鐘端子CK。
在該布置中，當(dāng)將時(shí)鐘CK0輸入到第一觸發(fā)器510的時(shí)鐘端子時(shí)，對(duì)于非反相輸出Q的每一個(gè)負(fù)沿，即對(duì)于反相輸出NQ的每一個(gè)正沿，在觸發(fā)器510之間發(fā)生狀態(tài)切換，因此計(jì)數(shù)器電路500執(zhí)行向上計(jì)數(shù)操作(計(jì)數(shù)值從0到6的周期)。
在某一周期執(zhí)行向上計(jì)數(shù)操作之后，當(dāng)停止時(shí)鐘CK0并且將切換控制信號(hào)SL從低電平反相成高電平(t40)時(shí)，計(jì)數(shù)器電路500從向上計(jì)數(shù)模式切換為向下計(jì)數(shù)模式，并且當(dāng)恢復(fù)時(shí)鐘CK0時(shí)開始向下計(jì)數(shù)。在該實(shí)施例中，在從計(jì)數(shù)值0執(zhí)行向上計(jì)數(shù)到計(jì)數(shù)值6之后，將切換控制信號(hào)SL從低電平切換為高電平。
通過依照t40處的切換控制信號(hào)SL切換計(jì)數(shù)模式，該對(duì)二進(jìn)制開關(guān)530選擇前面的觸發(fā)器510的非反相輸出Q并且將它輸入到后面的觸發(fā)器510的時(shí)鐘端子CK。
此時(shí)，當(dāng)前面的觸發(fā)器510的反相輸出NQ位于高電平時(shí)，通過切換控制信號(hào)SL的切換，將正沿(從L到H)施加在后面的觸發(fā)器510的時(shí)鐘端子CK，因此反相后面的觸發(fā)器510的輸出(t40+)。
在圖8A中，將第二觸發(fā)器510的輸出從低電平反相為高電平，并且同樣反相第三觸發(fā)器510的輸出(t30+)。在圖8B中，將第二觸發(fā)器510的輸出從高電平反相為低電平(t30+)。
就是說，該計(jì)數(shù)值僅在觸發(fā)器510的隨后階段開始被中斷，其中反相輸出NQ位于低電平，即，在計(jì)數(shù)模式切換時(shí)非反相輸出Q位于高電平。
當(dāng)反相后面的觸發(fā)器510的輸出時(shí)，如果將其非反相輸出Q從高電平反相為低電平，那么將更后面的觸發(fā)器510的時(shí)鐘端子CK拉到低電平，因此沒有反相該輸出(t40++，圖8A中的第三階段)。
另一方面，當(dāng)將非反相輸出Q從低電平反相為高電平時(shí)，將正沿施加到更后面的觸發(fā)器510的時(shí)鐘端子CK，因此將觸發(fā)器510的輸出反相(t40++，圖8B中的第三階段)。
相似地，將非反相輸出Q的反相數(shù)據(jù)(從L到H)的影響傳播到觸發(fā)器510，在觸發(fā)器510中將非反相輸出Q從高電平反相為低電平。在該實(shí)例中，如圖7中所示計(jì)數(shù)值從“6”變化到“10”。
就是說，與第一實(shí)施例類似，不要采取任何測量，當(dāng)發(fā)生從向上計(jì)數(shù)到向下計(jì)數(shù)的切換時(shí)，該計(jì)數(shù)值變中斷并且不能維持計(jì)數(shù)值的連續(xù)性。從而，在切換之前和之后維持該計(jì)數(shù)值的同時(shí)不可能連續(xù)地執(zhí)行向上計(jì)數(shù)和向下計(jì)數(shù)。
因此，在第二實(shí)施例中，在切換用于切換計(jì)數(shù)模式的切換控制信號(hào)SL之后，在將用于向下計(jì)數(shù)的時(shí)鐘CK0的正沿輸入到第一觸發(fā)器510之前，將有效高電平單步脈沖施加到隨后的二進(jìn)制開關(guān)533、535和537以作為切換控制信號(hào)FL(t42到t44)。
因此，將接地電平(低電平)輸入到所有正沿觸發(fā)器510的時(shí)鐘端子CK。然而，在切換控制信號(hào)FL的單步脈沖輸入之前和之后不能改變正沿觸發(fā)器510的輸出。
然后，當(dāng)單步脈沖周期消逝(t44)時(shí)，再次將前面的觸發(fā)器510的非反相輸出Q輸入到時(shí)鐘端子CK。此時(shí)，如果前面的觸發(fā)器510的非反相輸出Q處于高電平，那么將正沿施加到后面的觸發(fā)器510的時(shí)鐘端子CK，因此反相了后面的觸發(fā)器510的輸出。
在圖8A中，將第二觸發(fā)器510的輸出從低電平反相為高電平(t44+)。在圖8B中，將第二觸發(fā)器510的輸出從高電平反相為低電平，并且同樣反相第三觸發(fā)器510的輸出(t44+)。
此外，當(dāng)將觸發(fā)器510的輸出反相時(shí)，如果將其反相輸出NQ從高電平反相為低電平，那么將后面的觸發(fā)器510的時(shí)鐘端子CK拉到低電平，因此沒有反相其輸出(t44++，圖8B中的第三階段)。
另一方面，將反相輸出NQ從低電平反相為高電平時(shí)，將正沿施加到更后面的觸發(fā)器510的時(shí)鐘端子CK，因此將后面的觸發(fā)器510的輸出反相(t44++，圖8A中的第三狀態(tài))。
相似地，將非反相輸出Q的反相數(shù)據(jù)(從L到H)的影響傳播到觸發(fā)器510，在觸發(fā)器510中將非反相輸出Q從高電平反相為低電平。
因此，同樣在根據(jù)第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)中，在觸發(fā)器510中響應(yīng)根據(jù)切換控制信號(hào)SL的計(jì)數(shù)模式的切換來反相該輸出，在每一個(gè)觸發(fā)器510中再次反相該輸出，因此恢復(fù)了原始的計(jì)數(shù)值。
當(dāng)在上述操作之后再次輸入時(shí)鐘CK0時(shí)，對(duì)于反相輸出NQ的每一個(gè)負(fù)沿，即，對(duì)于非反相輸出Q的每一個(gè)正沿，在觸發(fā)器510之間發(fā)生狀態(tài)切換，因此計(jì)數(shù)器電路500執(zhí)行向下計(jì)數(shù)操作(計(jì)數(shù)值6到計(jì)數(shù)值0的周期)。
如上所述，根據(jù)依照第二實(shí)施例的計(jì)數(shù)器電路500，在模式切換后的恢復(fù)階段之前，通過施加有效高電平單步脈沖作為切換控制信號(hào)FL，在從向上計(jì)數(shù)切換為向下計(jì)數(shù)時(shí)改變的計(jì)數(shù)值將觸發(fā)器510的時(shí)鐘端子一次強(qiáng)行拉到低電平。當(dāng)恢復(fù)模式切換后的狀態(tài)時(shí)，如果前面的觸發(fā)器510的非反相輸出Q處于高電平，那么反相后面的觸發(fā)器510的輸出，因此恢復(fù)了初始計(jì)數(shù)值。
因此，本質(zhì)上，維持了切換計(jì)數(shù)模式之前的計(jì)數(shù)值。因此，在維持計(jì)數(shù)值的連續(xù)性的同時(shí)可能在向上計(jì)數(shù)之后執(zhí)行向下計(jì)數(shù)。
在與向上計(jì)數(shù)相比的反方向執(zhí)行向下計(jì)數(shù)。因此，通過執(zhí)行向上計(jì)數(shù)i次，然后執(zhí)行向下計(jì)數(shù)j次，能獲得減法i-j的結(jié)果作為計(jì)數(shù)器電路400的計(jì)數(shù)結(jié)果。
已經(jīng)在實(shí)施例的范圍中描述了第二實(shí)施例，在第二實(shí)施例中發(fā)生從向上計(jì)數(shù)到向下計(jì)數(shù)的切換。如果簡單地切換該計(jì)數(shù)模式，那么當(dāng)從向下計(jì)數(shù)切換為向上計(jì)數(shù)時(shí)也不能維持計(jì)數(shù)值的連續(xù)性。在恢復(fù)上述模式切換后的初始計(jì)數(shù)值之前，通過使用切換控制信號(hào)FL，一次將觸發(fā)器510的時(shí)鐘端子強(qiáng)行拉到低電平，實(shí)質(zhì)上，在計(jì)數(shù)模式切換前可能維持該計(jì)數(shù)值，在維持計(jì)數(shù)值的連續(xù)性的同時(shí)，可能在向下計(jì)數(shù)后連續(xù)執(zhí)行向上計(jì)數(shù)。
此外，甚至當(dāng)任意組合執(zhí)行向上計(jì)數(shù)和向下計(jì)數(shù)時(shí)，可能實(shí)行控制，因此在模式切換時(shí)恢復(fù)初始計(jì)數(shù)值。
盡管在第二實(shí)施例中不檢測計(jì)數(shù)的溢出，但是使用已知的技術(shù)，例如通過增加用于溢出的附加位或通過使用用于進(jìn)位或借位的位，能容易地實(shí)施防溢出測量。
計(jì)數(shù)器電路結(jié)構(gòu)的第三實(shí)施例圖9是表示根據(jù)本發(fā)明的異步計(jì)數(shù)器的第三實(shí)施例結(jié)構(gòu)的塊電路圖，與圖2中示出的第一實(shí)施例的具體電路方框圖對(duì)應(yīng)。
在根據(jù)第三實(shí)施例的計(jì)數(shù)器電路400中，附加地提供了一種布置以用于在根據(jù)圖2中示出的第一實(shí)施例的計(jì)數(shù)器電路400中切換輸入到第一觸發(fā)器412的時(shí)鐘端子CK的時(shí)鐘信號(hào)。此外，在作為整體的計(jì)數(shù)器電路400中，使用時(shí)鐘CK0作為最小的有效位Q0，并且將作為其它位Qx(在該實(shí)施例中Q1到Q4)的觸發(fā)器410的計(jì)數(shù)輸出移動(dòng)到比第一實(shí)施例高出一位。
更具體地，第三實(shí)施例中的計(jì)數(shù)器電路400包括將時(shí)鐘CK0反相的反相器462；以及兩輸入單輸出二進(jìn)制開關(guān)464，其選擇時(shí)鐘CK0或通過反相器462反相的反相時(shí)鐘NCK0，并且將其輸入到第一觸發(fā)器412的時(shí)鐘端子CK，即，其切換而不管是否反相時(shí)鐘CK0。
二進(jìn)制開關(guān)464當(dāng)切換控制信號(hào)SL處于高電平時(shí)可選擇地輸出時(shí)鐘CK0，而當(dāng)切換控制信號(hào)SL處于低電平時(shí)可選擇地輸出反相時(shí)鐘NCK0。
計(jì)數(shù)器電路操作的第三實(shí)施例圖10是用于說明根據(jù)圖9中示出的第三實(shí)施例的計(jì)數(shù)器電路400的操作的時(shí)序圖。
與第一實(shí)施例的基于負(fù)沿向上計(jì)數(shù)或向下計(jì)數(shù)相反，在第三實(shí)施例中，將時(shí)鐘CK0用作最低有效位Q0。盡管將省略對(duì)應(yīng)于涉及圖5A和5B部分的描述，但是基本思路與第一實(shí)施例中相同，并且實(shí)現(xiàn)相同的優(yōu)點(diǎn)。
此外，通過使用時(shí)鐘CK0作為最低有效位Q0，計(jì)數(shù)位數(shù)增加一位，即與第一實(shí)施例相比為兩倍。此外，因?yàn)闀r(shí)鐘CK0的高電平和低電平有助于計(jì)數(shù)值，所以基于時(shí)鐘CK0的兩沿執(zhí)行計(jì)數(shù)操作，因此計(jì)數(shù)操作的速度被加倍。
類似于第二實(shí)施例應(yīng)用到第一實(shí)施例，同樣通過以觸發(fā)器510的正沿代替觸發(fā)器410的負(fù)沿也能修改第三實(shí)施例，從而基于正沿執(zhí)行向上計(jì)數(shù)或者向下計(jì)數(shù)。
異步計(jì)數(shù)器的應(yīng)用現(xiàn)在，將描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的異步計(jì)數(shù)器應(yīng)用于電子裝置和半導(dǎo)體器件的實(shí)例。在實(shí)例的范圍中將給出下面的描述，在實(shí)例中使用CMOS成像器件，該CMOS成像器件是X-Y尋址固態(tài)成像器件的實(shí)例。假設(shè)通過NMOS晶體管來實(shí)施CMOS成像器件的全部像素。
然而，這僅僅是例子，這些實(shí)施例的應(yīng)用不限于MOS成像器件。能將下面描述的所有實(shí)施例應(yīng)用于包括單位元件的線或矩陣的用于檢測物理量分布的任何半導(dǎo)體器件，其中單位元件對(duì)從外部輸入的電磁波諸如光或輻射敏感。
固態(tài)成像器件結(jié)構(gòu)的第一實(shí)施例圖11是表示CMOS固態(tài)成像器件(CMOS圖像傳感器)的結(jié)構(gòu)的示意圖，該CMOS固態(tài)成像器件是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件。該CMOS固態(tài)成像器件也是根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施例的電子裝置。
固態(tài)成像器件1包括像素單元，像素單元中以行和列排列了多個(gè)像素(即以兩維矩陣形狀)，該多個(gè)像素中的每個(gè)包括輸出對(duì)應(yīng)于入射光量的電壓信號(hào)的感光器元件(其是電荷發(fā)生器的例子)。在固態(tài)成像器件1中，與各自列聯(lián)合提供相關(guān)復(fù)式取樣(CDS)處理單元和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。
“與各自列聯(lián)合提供CDS處理單元和ADC”，它表示基本上平行于這些列的垂直信號(hào)線19提供多個(gè)CDS處理單元和ADC。當(dāng)在平面圖中看時(shí)，可以在像素單元10的一端上關(guān)于列方向(在輸出側(cè)上，即圖11中看在下側(cè)上)提供多個(gè)CDS處理單元和ADC兩者，或者分別關(guān)于該列方向單獨(dú)地在像素單元的一端(在輸出側(cè)上，即在圖11中看到的下側(cè))和另一端(如圖11中看到的上側(cè))提供。在后者的情況中，優(yōu)選地，在兩端上單獨(dú)地提供關(guān)于水平方向執(zhí)行水平掃描的水平掃描單元，因此水平掃描單元彼此獨(dú)立操作。
在典型的實(shí)例中，其中與各自列聯(lián)合提供CDS處理單元和ADC，在成像單元的輸出側(cè)提供的被稱為列區(qū)域的區(qū)域內(nèi)，與各自列聯(lián)合提供CDS處理單元和ADC，并且連續(xù)地將信號(hào)讀出到輸出側(cè)。就是說，該排列是基于列的排列。不限于基于列的排列，可以與每組(比如兩條)相鄰垂直信號(hào)線19(列)聯(lián)合提供CDS處理單元和ADC，或者可以與各組每N(N是正整數(shù)，有(N-1)條插入線)條垂直信號(hào)線19(列)聯(lián)合提供CDS處理單元和ADC。
根據(jù)除了基于列排列的上述排列，多條垂直信號(hào)線19(列)共用CDS處理單元和ADC，因此提供一種切換電路，該切換電路為多列將像素單元10提供的像素信號(hào)提供給CDS處理單元和ADC。依據(jù)下游執(zhí)行的處理，例如必須提供保存輸出信號(hào)的存儲(chǔ)器。
在任何情況中，通過為多條垂直信號(hào)線19(列)提供CDS處理單元和ADC，因此在讀取像素信號(hào)后以逐列為基礎(chǔ)執(zhí)行像素信號(hào)處理，與其中在單獨(dú)的單元像素里執(zhí)行類似像素處理的排列相比，簡化了每個(gè)單元像素的構(gòu)造。這使得圖像傳感器具有數(shù)量增加的像素，能以減小的尺寸實(shí)施，并且以更低的成本制造。
此外，可能通過與各自列聯(lián)合提供的多個(gè)信號(hào)處理器同時(shí)處理一條線的像素信號(hào)。這使得信號(hào)處理器以比通過CDS處理單元和ADC在該器件的輸出電路或外部執(zhí)行處理更低的速度操作。這在功耗、帶寬特性、噪音等方面是有利的。換言之，當(dāng)功耗和帶寬特性相等時(shí)，允許該傳感器整體高速操作。
在基于列排列的情況中，可以低速操作。這在功耗、帶寬特性、噪音等方面是有利的。同樣有利地，不需要切換電路。除非另有指定，將在下面基于列排列的范圍描述這些實(shí)施例。
如圖11中所示，根據(jù)第一實(shí)施例的固態(tài)成像器件1包括像素單元(成像單元)10，其中以行和列排列多個(gè)單元像素3；外部提供給像素單元10的驅(qū)動(dòng)控制器7；列處理器26；參考信號(hào)發(fā)生器27，用于將AD轉(zhuǎn)換用的參考電壓提供給列處理器26；以及輸出電路28。
如需要時(shí)，列處理器26的上游或下游可以在其中提供有列處理器26的相同半導(dǎo)體區(qū)域中提供用于放大信號(hào)的自動(dòng)增益控制(AGC)電路。當(dāng)在列處理器26上游運(yùn)用AGC時(shí)，執(zhí)行模擬放大。當(dāng)在列處理器26下游運(yùn)用AGC時(shí)，執(zhí)行數(shù)字放大。因?yàn)楫?dāng)簡單放大n位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)將損壞信號(hào)電平，因此優(yōu)選地，在轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之前執(zhí)行模擬放大。
驅(qū)動(dòng)控制器7實(shí)行控制以用于連續(xù)讀取像素單元10的信號(hào)。例如，驅(qū)動(dòng)控制器7包括水平掃描電路(列掃描電路)12，控制列尋址和列掃描；垂直掃描電路(行掃描電路)14，控制行尋址和行掃描；以及通信與定時(shí)控制器20，其產(chǎn)生內(nèi)部時(shí)鐘。
固態(tài)成像器件1可包括時(shí)鐘轉(zhuǎn)換器23，其是產(chǎn)生比輸入時(shí)鐘更高頻率的時(shí)鐘脈沖的高速時(shí)鐘發(fā)生器的實(shí)例，如鄰近通信與定時(shí)控制器20用虛線表示。固態(tài)成像器件1的端子5a接收主時(shí)鐘CLK0的輸入。主時(shí)鐘CLK0具有作為各種驅(qū)動(dòng)脈沖的基礎(chǔ)的脈沖，用于從像素單元10到列處理器26捕獲將處理的模擬像素信號(hào)。
通過使用發(fā)源于時(shí)鐘轉(zhuǎn)換器23產(chǎn)生的高速時(shí)鐘的信號(hào)，能快速執(zhí)行操作諸如AD轉(zhuǎn)換。此外，使用高速時(shí)鐘能執(zhí)行需要高速計(jì)算的運(yùn)動(dòng)選取或壓縮。而且，可能使得從列處理器26輸出的并行數(shù)據(jù)連續(xù)并將連續(xù)的視頻數(shù)據(jù)D1輸出到該器件的外部。因此，該排列使得以小于AD轉(zhuǎn)換獲得的數(shù)據(jù)位數(shù)的多個(gè)端子高速輸出。
時(shí)鐘轉(zhuǎn)換器23包括乘法器電路23a，該乘法電路23a產(chǎn)生具有比輸入時(shí)鐘頻率快的時(shí)鐘頻率的脈沖。時(shí)鐘轉(zhuǎn)換器23從通信與定時(shí)控制器20接收低速時(shí)鐘CLK2，并從中產(chǎn)生兩倍頻率或更高頻率的時(shí)鐘。時(shí)鐘轉(zhuǎn)換器的乘法器電路23a是k1乘法器電路，其中k1表示低速時(shí)鐘CLK2的頻率的倍數(shù)，并且能通過使用各種已知的電路實(shí)施它。
盡管在圖11中為了簡化省略了一些行和列，但實(shí)際上在每行和每列上排列了數(shù)十到數(shù)千個(gè)單元像素3。通常每一個(gè)單元像素3包括作為感光器元件(電荷發(fā)生器)的光電二極管、和具有放大半導(dǎo)體器件(例如晶體管)的內(nèi)部像素放大器(intra-pixelamp)。
例如通過浮點(diǎn)擴(kuò)散放大(amp)實(shí)施該內(nèi)部像素放大。例如，可以使用包括與電荷發(fā)生器有關(guān)的四個(gè)晶體管的放大器，即讀選擇晶體管，其是電荷讀取器(傳輸門/讀邏輯門)的例子；復(fù)位晶體管，其是復(fù)位門的例子；垂直選擇晶體管；以及源跟隨器放大晶體管，其是用于檢測浮點(diǎn)擴(kuò)散的電勢變化的檢測器例子。該布置在CMOS傳感器中是典型的。
可替換地，如日本專利No.2708455中描述的，可以使用包括三個(gè)晶體管的布置，即，放大晶體管，用于放大對(duì)應(yīng)于電荷發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)電荷的信號(hào)電壓，連接到漏極線(DRN)；復(fù)位晶體管，用于復(fù)位電荷發(fā)生器；經(jīng)由傳輸線(TRF)由縱向移動(dòng)寄存器掃描的讀取選擇晶體管(傳輸門)。
與驅(qū)動(dòng)控制器7的其它元件一樣，提供水平掃描電路12、垂直掃描電路14以及通信與定時(shí)控制器20。水平掃描電路12起到用于從列處理器26讀取計(jì)數(shù)值的讀取掃描器的作用。驅(qū)動(dòng)控制器7的這些元件與像素單元10一起通過使用用于制造半導(dǎo)體集成電路的技術(shù)在單晶硅或類似物的半導(dǎo)體區(qū)域里形成，形成固態(tài)成像器件，這是半導(dǎo)體系統(tǒng)的實(shí)例。
將單元像素3經(jīng)由用于行選擇的行控制線15連接到垂直掃描電路14，并且將單元像素3經(jīng)由垂直信號(hào)線19連接到列處理器26，在列處理器26中為各自列提供列AD電路25。行控制線15通常指從垂直掃描電路14進(jìn)入像素的線。
水平掃描電路12和垂直掃描電路14分別包括解碼器，因此響應(yīng)從通信與定時(shí)控制器20提供的控制信號(hào)CN1和CN2以開始移動(dòng)操作(掃描)。這樣，行控制線15包括用于傳輸各種脈沖信號(hào)的線以驅(qū)動(dòng)單元像素3(例如，復(fù)位脈沖RST、傳輸脈沖TRF和DRN控制脈沖DRN)。
盡管未示出，但是通信與定時(shí)控制器20包括對(duì)應(yīng)于時(shí)間發(fā)生器(讀尋址控制器的實(shí)例)的功能塊，其在特定定時(shí)提供用于這些元件操作所需的時(shí)鐘和脈沖信號(hào)；以及對(duì)應(yīng)于通信接口的功能塊，其經(jīng)由端子5a接收主時(shí)鐘CLK0，并且經(jīng)由端子5b接收指示操作模式和類似物的數(shù)據(jù)DATA，其還輸出包括固態(tài)成像器件1的信息的數(shù)據(jù)。
例如，通信與定時(shí)控制器20將水平尋址信號(hào)輸出到水平解碼器12a，并將垂直尋址信號(hào)輸出到垂直解碼器14a，因此各自的解碼器12a和14a選擇相應(yīng)的行和列。
因?yàn)橐詢删S矩陣形狀排列單元像素3，所以以逐行為基礎(chǔ)(以列并行方式)訪問并捕獲通過像素信號(hào)發(fā)生器5產(chǎn)生的并且經(jīng)由垂直信號(hào)線在列方向上輸出的模擬象素信號(hào)，即，執(zhí)行垂直掃描讀取。然后在行方向上，即這些列的陣列方向上，執(zhí)行訪問以將像素信號(hào)(在該實(shí)施例中為數(shù)字化的像素?cái)?shù)據(jù))讀到輸出側(cè)，即執(zhí)行了水平掃描讀取。這用于提高讀取像素信號(hào)或像素?cái)?shù)據(jù)的速度。顯然，不限于掃描讀取，僅通過隨機(jī)訪問，即通過直接指定將讀取的單元像素3的地址，就可以讀取需要的單元像素3的信息。
此外，在該實(shí)施例中，通信與定時(shí)控制器20將與經(jīng)由端子5a輸入的主時(shí)鐘CLK0相同頻率的時(shí)鐘CLK1、具有一半頻率的時(shí)鐘或者具有進(jìn)一步被分割的頻率的低速時(shí)鐘提供給器件中的這些元件，例如水平掃描電路12、垂直掃描電路14或者列處理器26。下文中，一般將具有一半頻率的時(shí)鐘以及具有甚至更低頻率的時(shí)鐘稱為低速時(shí)鐘CLK2。
垂直掃描電路14選擇一行像素單元10并且為該行提供需要的脈沖。例如，垂直掃描電路14包括垂直解碼器14a，用于在垂直方向上定義將被讀取的行(即用于選擇一行像素單元10)；以及垂直驅(qū)動(dòng)電路14，其用于在垂直解碼器14a定義的讀取行地址上、通過提供脈沖于此來驅(qū)動(dòng)單元像素3的行控制線15。除了用于讀取信號(hào)的行，垂直解碼器14a同樣選擇用于電子快門或類似物的行。
與低速時(shí)鐘CLK2同步的水平掃描電路12連續(xù)選擇列處理器26的列AD電路25，將列AD電路25的信號(hào)引導(dǎo)到水平信號(hào)線(水平輸出線)18。例如，水平掃描電路12包括水平解碼器12a，用于在水平方向上定義將被讀取的列(用于在列處理器26中選擇單獨(dú)的列AD電路25)；以及水平驅(qū)動(dòng)電路12b，其用于根據(jù)水平解碼器12a定義的讀取地址將列處理器26的信號(hào)引導(dǎo)到水平信號(hào)線18。水平信號(hào)線18的數(shù)量對(duì)應(yīng)于列AD電路25處理的信號(hào)位數(shù)n(n是正整數(shù))。例如，如果n是十，那么相應(yīng)位數(shù)n提供十條水平信號(hào)線18。
在如上構(gòu)成的固態(tài)成像器件1中，將從單元像素3輸出的像素信號(hào)經(jīng)由垂直信號(hào)線19以逐列為基出提供給列處理器26的列AD電路25。
列處理器26的每一個(gè)列AD電路25接收一條線的像素信號(hào)并且處理這些信號(hào)。例如每一個(gè)列AD電路25包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)基于低速時(shí)鐘CLK2將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成例如10位的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。
盡管將在后面詳細(xì)描述ADC的構(gòu)造，但是當(dāng)將斜坡參考信號(hào)(參考電壓)RAMP提供給電壓比較器時(shí)，開始基于時(shí)鐘信號(hào)的計(jì)數(shù)，并且直到獲得脈沖信號(hào)為止，才比較經(jīng)由垂直信號(hào)線19輸入的模擬像素信號(hào)和參考信號(hào)RAMP以執(zhí)行計(jì)數(shù)，從而執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換。
此時(shí)，通過合適地配置該電路，能與AD轉(zhuǎn)換一起計(jì)算關(guān)于經(jīng)由垂直信號(hào)線19輸入的電壓模式像素信號(hào)、在復(fù)位像素之前瞬時(shí)的信號(hào)電平之差(噪音電平)和對(duì)應(yīng)接收光量的真信號(hào)電平Vsig。這樣，可能去除稱為固定圖案噪音(FPN)的噪音分量或復(fù)位噪音。
把被列AD電路25數(shù)字化的像素?cái)?shù)據(jù)經(jīng)由水平選擇開關(guān)(未示出)傳輸?shù)剿叫盘?hào)線18，其中根據(jù)從水平掃描電路12提供的水平選擇信號(hào)驅(qū)動(dòng)該水平選擇開關(guān)，然后將該像素?cái)?shù)據(jù)輸入到輸出電路28。位數(shù)不限于10，可以小于10(例如8)或大于10(例如14)。
根據(jù)上述構(gòu)造，包括作為電荷發(fā)生器的感光器元件矩陣的像素單元10以逐行為基礎(chǔ)連續(xù)輸出各自列的像素信號(hào)。然后，對(duì)于整個(gè)像素單元10，呈現(xiàn)幀圖像比如對(duì)應(yīng)于像素單元10中的感光器矩陣的圖像作為一組像素信號(hào)。
參考信號(hào)發(fā)生器和列AD電路的詳述參考信號(hào)發(fā)生器27包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)27。與計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0同步，參考信號(hào)發(fā)生器27基于從通信與定時(shí)控制器20來的控制數(shù)據(jù)CN4產(chǎn)生梯狀斜坡波形，并且將作為用于AD轉(zhuǎn)換(ADC參考信號(hào))的參考電壓的斜坡波形提供給列處理器26的單獨(dú)的列AD電路25。盡管未示出，但優(yōu)選提供用于去除噪音的濾波器。
通過基于從時(shí)鐘轉(zhuǎn)換器23提供的高速時(shí)鐘產(chǎn)生鋸齒形梯狀波，例如通過乘法器電路產(chǎn)生的增倍時(shí)鐘，可能引起該波變化快于基于經(jīng)由端子5a輸入的主時(shí)鐘CLK0產(chǎn)生該波的情況。
從通信與定時(shí)控制器提供給參考信號(hào)發(fā)生器27的DAC 27a的控制數(shù)據(jù)CN4導(dǎo)致數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)關(guān)于時(shí)間的變化率為常數(shù)，因此斜坡電壓關(guān)于每一個(gè)比較操作具有相同的梯度(變化率)。例如在每一單位時(shí)間計(jì)數(shù)值變化1。
每一個(gè)列AD電路25包括電壓比較器252，其比較參考信號(hào)發(fā)生器27的DAC 27a產(chǎn)生的參考信號(hào)RAMP和經(jīng)由用于每一條行控制線15(H0、H1、...)的垂直信號(hào)線19(V0、V1、...)從單元像素3獲得的模擬像素信號(hào)；以及計(jì)數(shù)器254，其為完成電壓比較器252的比較操作計(jì)算時(shí)間并且保持該結(jié)果。因此列AD電路25具有n位AD轉(zhuǎn)換功能。
通信與定時(shí)控制器20起到控制器的作用，該控制器根據(jù)電壓比較器252是與像素信號(hào)的復(fù)位分量ΔV還是與像素信號(hào)的信號(hào)分量Vsig進(jìn)行比較操作來通過計(jì)數(shù)器254切換計(jì)數(shù)模式。將用于指示計(jì)數(shù)器254是以向上計(jì)數(shù)模式操作還是以向下計(jì)數(shù)模式操作的控制信號(hào)CN5從通信與定時(shí)控制器20輸入到每一個(gè)列AD電路25的計(jì)數(shù)器254。
除了時(shí)鐘CK0，將用于指示計(jì)數(shù)器254是以向下計(jì)數(shù)模式還是以向上計(jì)數(shù)模式操作的切換控制信號(hào)SL和用于在計(jì)數(shù)模式切換時(shí)維持計(jì)數(shù)值的連續(xù)性的切換控制信號(hào)FL從通信與定時(shí)控制器20輸入到每一個(gè)列AD電路的計(jì)數(shù)器254。
電壓比較器252的一個(gè)輸入端RAMP通常與其它電壓比較器252的輸入端RAMP一起接收參考信號(hào)發(fā)生器27產(chǎn)生的梯狀參考信號(hào)RAMP的輸入。將電壓比較器的其它輸入端分別連接到聯(lián)合的列的垂直信號(hào)線19，因此能單獨(dú)地從像素單元10輸入像素信號(hào)。將從電壓比較器252輸出的信號(hào)提供給計(jì)數(shù)器254。
通常與其它計(jì)數(shù)器254的時(shí)鐘端子CK一起，將計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0從通信與定時(shí)控制器20輸入到該計(jì)數(shù)器254的時(shí)鐘端子CK。
盡管計(jì)數(shù)器254的構(gòu)造沒有示出，但是如圖21中所示能通過將由鎖存器形成的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元255的布線改變成用于異步計(jì)數(shù)器的布線來實(shí)施計(jì)數(shù)器254，并且該計(jì)數(shù)器254基于單一的計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0的輸入在內(nèi)部執(zhí)行計(jì)數(shù)。類似于梯狀電壓波形，基于從時(shí)鐘轉(zhuǎn)換器23提供的高速時(shí)鐘(例如增倍時(shí)鐘)產(chǎn)生計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0，因此該計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0能快于經(jīng)由端子5a輸入的主時(shí)鐘CLK0。
通過n個(gè)鎖存器的組合能實(shí)施n位計(jì)數(shù)器254，因此與圖21中所示的由n個(gè)鎖存器的2條線形成的數(shù)字存儲(chǔ)單元255相比電路規(guī)模減到一半。此外，不需要計(jì)數(shù)器24，因此與圖21中示出的排列相比總體尺寸變得相當(dāng)緊湊。
如將在后面詳細(xì)描述的，在第一實(shí)施例中的計(jì)數(shù)器254使用不考慮計(jì)數(shù)模式的公共上/下計(jì)數(shù)器(U/D CNT)，并且其能在向下計(jì)數(shù)操作和向上計(jì)數(shù)模式操作之間切換(即交替地)。
此外，在第一實(shí)施例中的計(jì)數(shù)器254使用用于根據(jù)計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0異步地輸出計(jì)數(shù)值的異步計(jì)數(shù)器。更具體地，將根據(jù)參考圖1至圖4描述的第一實(shí)施例的計(jì)數(shù)器電路400用作基本元件。
在異步計(jì)數(shù)器的情況中，通過計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0限制所有觸發(fā)器(計(jì)數(shù)器的元件)的操作。另一方面，在異步計(jì)數(shù)器的情況中，僅僅由第一觸發(fā)器(計(jì)數(shù)器的元件)的限制頻率確定操作限制頻率。因此，當(dāng)需要在高頻率下操作時(shí)，優(yōu)選使用異步計(jì)數(shù)器作為計(jì)數(shù)器254。
該計(jì)數(shù)器254經(jīng)由控制線12c從水平掃描電路12接收控制信號(hào)。計(jì)數(shù)器254具有用于保持計(jì)數(shù)結(jié)果的鎖存器功能，并且它保持計(jì)數(shù)輸出值直到經(jīng)由控制線12c接收控制脈沖的指示。
如早前所述，為各自垂直信號(hào)線19(V0、V1、...)提供如上所述構(gòu)造的列AD電路25，以形成列處理器26，其是列并行ADC塊。
將單獨(dú)的列AD電路25的輸出連接到水平信號(hào)線18。如早前所述，水平信號(hào)線18包括對(duì)應(yīng)于列AD電路25的位寬的n信號(hào)線。將水平信號(hào)線18經(jīng)由與各自輸出線關(guān)聯(lián)的n個(gè)讀出電路(未示出)連接到輸出電路28。
在上述結(jié)構(gòu)中，列AD電路25在像素信號(hào)讀取期間執(zhí)行計(jì)數(shù)，在特定時(shí)間輸出計(jì)數(shù)結(jié)果。就是說，首先，電壓比較器252比較從參考信號(hào)發(fā)生器27提供的斜坡波形電壓和經(jīng)由垂直信號(hào)線19輸入的像素信號(hào)電壓。當(dāng)這些電壓相等時(shí)，反相電壓比較器252的輸出(在該實(shí)施例中從H電平變化為L電平)。
計(jì)數(shù)器254與參考信號(hào)發(fā)生器27產(chǎn)生的斜坡波形電壓同步地開始以向下計(jì)數(shù)模式或向上計(jì)數(shù)模式計(jì)數(shù)。當(dāng)通知計(jì)數(shù)器254反相比較器252的輸出時(shí)，計(jì)數(shù)器254停止計(jì)數(shù)，并且鎖存當(dāng)前計(jì)數(shù)值作為像素?cái)?shù)據(jù)，從而完成AD轉(zhuǎn)換。
然后，根據(jù)在特定時(shí)間經(jīng)由控制線12c從水平掃描電路12輸入的水平選擇信號(hào)CH(i)，計(jì)數(shù)器254通過移動(dòng)操作經(jīng)由輸出端子5c輸出連續(xù)存儲(chǔ)到列處理器26外部、或像素單元10的芯片外部的像素?cái)?shù)據(jù)。
盡管由于這些電路與本實(shí)施例的描述不直接相關(guān)而未示出它們，但固態(tài)成像器件1可包括其它各種信號(hào)處理電路。
計(jì)數(shù)器的第一實(shí)例結(jié)構(gòu)圖12是表示計(jì)數(shù)器254的第一實(shí)例結(jié)構(gòu)的塊電路圖。在第一實(shí)例中，異步計(jì)數(shù)器的基本結(jié)構(gòu)與根據(jù)參考圖1到4描述的第一實(shí)施例的計(jì)數(shù)器電路400相同。然而，另外提供一種門電路，該門電路基于電壓比較器252的比較結(jié)果控制時(shí)鐘信號(hào)輸入到依據(jù)圖2中示出的第一實(shí)施例的計(jì)數(shù)器電路400中的第一觸發(fā)器412的時(shí)鐘端子CK。
更具體地，第一實(shí)例中的計(jì)數(shù)器254包括兩輸入“與”門472，該兩輸入“與”門472的輸出連接到第一觸發(fā)器412的時(shí)鐘端子。該“與”門472的一個(gè)輸入端接收電壓比較器252的比較結(jié)果的輸入，并且另一輸入端從通信與定時(shí)控制器20接收計(jì)數(shù)器時(shí)鐘CK0的輸入。
因此，輸入到第一觸發(fā)器412的時(shí)鐘端子的時(shí)鐘是電壓比較器252的輸出與計(jì)數(shù)器時(shí)鐘CK0的邏輯積(“與”)。因此，可能依照電壓比較器252的比較周期執(zhí)行計(jì)數(shù)。
更具體地，為了激活參考信號(hào)發(fā)生器27產(chǎn)生參考信號(hào)RAMP，通信與定時(shí)控制器20將控制數(shù)據(jù)CN4和計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0提供給參考信號(hào)發(fā)生器27。參考信號(hào)發(fā)生器27依照控制數(shù)據(jù)CN4與計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0同步地從初始值開始計(jì)數(shù)，并且通過在每一個(gè)時(shí)鐘周期中減少預(yù)定步長的電壓來產(chǎn)生梯狀斜坡波形，將結(jié)果參考信號(hào)RAMP提供給電壓比校器252。
電壓比較器252搜索下述點(diǎn)斜坡波形參考信號(hào)RAMP匹配對(duì)應(yīng)于單元像素3的像素信號(hào)的參考分量或信號(hào)分量的電壓，并且當(dāng)找到該匹配點(diǎn)時(shí)將其輸出拉到低電平。
計(jì)數(shù)器254通常接收提供給參考信號(hào)發(fā)生器27的計(jì)數(shù)器時(shí)鐘CK0?！芭c”門262通過從電壓比較器252提供的比較輸出來門控計(jì)數(shù)器時(shí)鐘CK0。
因此，當(dāng)用于比較的參考信號(hào)RAMP變得小于對(duì)應(yīng)于像素信號(hào)的參考分量或信號(hào)分量的電壓時(shí)，停止給異步計(jì)數(shù)器400的第一觸發(fā)器412提供計(jì)數(shù)時(shí)鐘，因此進(jìn)一步停止執(zhí)行計(jì)數(shù)。這樣，最終寫入每一個(gè)觸發(fā)器410的值是表示對(duì)應(yīng)于像素信號(hào)的參考分量或信號(hào)分量的電壓的數(shù)字值。
就是說，從產(chǎn)生用于電壓比較器252比較的斜坡波形參考信號(hào)RAMP到參考信號(hào)RAMP匹配像素信號(hào)的參考分量或信號(hào)分量時(shí)為止，計(jì)數(shù)器254基于計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0執(zhí)行計(jì)數(shù)，因此獲得對(duì)應(yīng)于參考分量或信號(hào)分量振幅的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。
計(jì)數(shù)器第二實(shí)例結(jié)構(gòu)圖13A是表示計(jì)數(shù)器254的第二實(shí)例結(jié)構(gòu)的塊電路圖，以及圖13B是用于說明其操作的時(shí)序圖。在第二實(shí)例中，類似于第一實(shí)例，異步計(jì)數(shù)器的基本結(jié)構(gòu)與依據(jù)圖2中示出的第一實(shí)施例的計(jì)數(shù)器電路400相同。然而，另外在“與”門472的前面階段提供正沿D觸發(fā)器474和延遲電路476，其中“與”門472控制時(shí)鐘信號(hào)輸入到第一觸發(fā)器412的時(shí)鐘端子CK。
如圖13B中所示，對(duì)于延遲電路476來說，足夠延遲從通信與定時(shí)控制器20提供的計(jì)數(shù)器時(shí)鐘CK0預(yù)定周期(例如一個(gè)時(shí)鐘周期)。能通過各種已知的電路結(jié)構(gòu)例如通過使用門延遲實(shí)施該延遲電路476。
D觸發(fā)器474的D輸入端接收電壓比較器252的比較結(jié)果。D觸發(fā)器474的時(shí)鐘端子CK接收從通信與定時(shí)控制器20來的計(jì)數(shù)器時(shí)鐘CK0。將D觸發(fā)器474的非反相輸出Q輸入到“與”門472的一個(gè)輸入端。因此D觸發(fā)器474與計(jì)數(shù)器時(shí)鐘CK0的上升沿同步地輸出電壓比較器252的輸出。
“與”門472的另一輸入端經(jīng)由延遲電路476從通信與定時(shí)控制器20接收計(jì)數(shù)器時(shí)鐘CK0。將“與”門472的輸出連接到第一觸發(fā)器412的時(shí)鐘端子。
在第一實(shí)例結(jié)構(gòu)中，使用“與”門472作為控制時(shí)鐘信號(hào)輸入到第一觸發(fā)器412的時(shí)鐘端子CK的功能元件。然而，當(dāng)使用這種簡單的“與”門時(shí)，將產(chǎn)生由于時(shí)間偏移引起的低頻干擾(glitch)或其它噪音、或類似物。
相反，如在第二實(shí)例中，在使比較器與計(jì)數(shù)器時(shí)鐘CK0的沿(在該實(shí)例中為上升沿)同步輸出的同時(shí)，取得邏輯積(“與”)，能通過第一觸發(fā)器412的時(shí)鐘端子與計(jì)數(shù)器時(shí)鐘CK0同步地捕獲電壓比較器252的比較結(jié)果。因?yàn)闇p輕了低頻干擾(glitch)的影響或類似物，所以這是有利的。
盡管使用依據(jù)圖2中示出的第一實(shí)施例的計(jì)數(shù)器電路400作為圖12和圖13中示出的計(jì)數(shù)器254中的異步計(jì)數(shù)器的基本結(jié)構(gòu)，但是，根據(jù)第二和第三實(shí)施例能通過使用計(jì)數(shù)器電路400和500容易地實(shí)施類似的向上/向下計(jì)數(shù)器。
操作固態(tài)成像器件的第一實(shí)施例圖14是用于說明根據(jù)圖11中示出的第一實(shí)施例的固態(tài)成像器件1中的列AD電路25的操作的圖。作為用于將像素單元10的單元像素3讀出的模擬像素信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的機(jī)構(gòu)，例如，在以特定斜率下降的斜坡波形參考信號(hào)RAMP匹配從單元像素3來的像素信號(hào)中的參考分量或信號(hào)分量的電壓的點(diǎn)處。然后，在產(chǎn)生用于比較的參考信號(hào)RAMP的時(shí)和對(duì)應(yīng)于像素信號(hào)中的參考分量或信號(hào)分量匹配該參考信號(hào)的時(shí)之間，基于計(jì)數(shù)時(shí)鐘執(zhí)行計(jì)數(shù)，因此獲得對(duì)應(yīng)于參考分量或信號(hào)分量振幅的計(jì)數(shù)值。
在從垂直信號(hào)線19輸出的像素信號(hào)中，包括像素信號(hào)噪音的信號(hào)分量Vsig在用作參考分量的復(fù)位分量ΔV之后出現(xiàn)。當(dāng)對(duì)于參考分量(復(fù)位分量ΔV)執(zhí)行第一迭代時(shí)，對(duì)于包括信號(hào)分量Vsig外加參考分量(復(fù)位分量ΔV)的信號(hào)執(zhí)行第二迭代。現(xiàn)在，將更具體地描述該操作。
對(duì)于讀取的第一迭代，通信與定時(shí)控制器20復(fù)位計(jì)數(shù)器254的計(jì)數(shù)值為初始值“0”，并且通過將切換控制信號(hào)SL拉到低電平使得計(jì)數(shù)器254進(jìn)入向下計(jì)數(shù)模式。當(dāng)從任意行Hx上的單元像素3讀取到垂直信號(hào)線19(V0，V1，...)的第一迭代變得穩(wěn)定時(shí)，通信與定時(shí)控制器20將用于產(chǎn)生參考信號(hào)RAMP的控制數(shù)據(jù)CN4提供給參考信號(hào)發(fā)生器27。
響應(yīng)于控制數(shù)據(jù)CN4，參考信號(hào)發(fā)生器27將臨時(shí)以斜坡狀方式變化的斜坡波形作為比較電壓輸入到電壓比較器252的一個(gè)輸入端RAMP。電壓比較器252比較該RAMP波形比較電壓與從像素單元10提供的垂直信號(hào)線19(Vx)的像素信號(hào)電壓。
為了通過每行提供的計(jì)數(shù)器254測量電壓比較器252的比較時(shí)間，輸入?yún)⒖夹盘?hào)RAMP到電壓比較器252的輸入端RAMP的同時(shí)，與參考信號(hào)發(fā)生器27產(chǎn)生的斜坡波形電壓(t10)同步，將計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0從通信與定時(shí)控制器20輸入到計(jì)數(shù)器254的時(shí)鐘端子，并且從初始值“0”開始向下計(jì)數(shù)以作為第一計(jì)數(shù)操作。即朝著負(fù)方向開始計(jì)數(shù)。
電壓比較器252比較從參考信號(hào)發(fā)生器27提供的斜坡參考信號(hào)RAMP和經(jīng)由垂直信號(hào)線19輸入的像素信號(hào)電壓Vx。并且當(dāng)這些電壓變得相等時(shí)(t12)，將其輸出從H電平切換成L電平。即電壓比較器252比較對(duì)應(yīng)于復(fù)位分量Vrst的信號(hào)電壓和參考信號(hào)RAMP，并且在對(duì)應(yīng)于復(fù)位分量Vrst振幅的時(shí)間消逝之后產(chǎn)生有效低(L)脈沖信號(hào)，輸出該脈沖信號(hào)到計(jì)數(shù)器254。
響應(yīng)于該脈沖信號(hào)，在電壓比較器252輸出反相的同時(shí)計(jì)數(shù)器254基本上停止計(jì)數(shù)，并且鎖存當(dāng)前計(jì)數(shù)值作為像素?cái)?shù)據(jù)，從而完成AD轉(zhuǎn)換(t12)。就是說，在提供給電壓比較器252的斜坡參考信號(hào)RAMP的產(chǎn)生時(shí)間處，計(jì)數(shù)器254開始向下計(jì)數(shù)，并且基于時(shí)鐘CK0繼續(xù)計(jì)數(shù)直到通過比較獲得有效的低(L)脈沖信號(hào)，從而獲得對(duì)應(yīng)于復(fù)位分量Vrst的振幅的計(jì)數(shù)值。
當(dāng)預(yù)定的向下計(jì)數(shù)周期消逝時(shí)(t14)，通信與定時(shí)控制器20停止給電壓比較器252提供控制數(shù)據(jù)并且停止給計(jì)數(shù)器254提供計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0。因此，電壓比較器252停止產(chǎn)生斜坡參考信號(hào)RAMP。
在讀取的第一迭代中，通過電壓比較器檢測在像素信號(hào)電壓Vx中的復(fù)位電平Vrst來執(zhí)行計(jì)數(shù)，即讀取單元像素3的復(fù)位分量ΔV。
在復(fù)位分量ΔV中，包括作為偏移的在電壓像素3之中變化的噪音。然而通常復(fù)位分量ΔV的變化是小的，并且復(fù)位電平Vrst對(duì)于所有的像素來說基本上是相同的，因此在任意垂直信號(hào)線19上的復(fù)位分量ΔV的輸出值基本上是已知的。
因此，在讀取復(fù)位分量ΔV的第一操作中，可能通過調(diào)整斜坡電壓縮短向下計(jì)數(shù)周期(t10到t14的比較周期)。在該實(shí)施例中，用于比較復(fù)位分量ΔV的最大周期是對(duì)應(yīng)于7位(128時(shí)鐘周期)的計(jì)數(shù)周期。
在第二讀取操作中，除了復(fù)位分量ΔV，還為每一個(gè)單元像素3讀取對(duì)應(yīng)于入射光量的信號(hào)分量Vsig，并且執(zhí)行如第一讀取操作的相同操作。更具體地，通信與定時(shí)控制器2首先將切換控制信號(hào)SL拉到高電平，從而計(jì)數(shù)器254進(jìn)入向上計(jì)數(shù)模式(t16)。
如早前所述，當(dāng)在向下計(jì)數(shù)模式到向下計(jì)數(shù)模式之間的切換發(fā)生時(shí)，計(jì)數(shù)值中斷，不能維持計(jì)數(shù)值的連續(xù)性。就是說，在該切換之前和之后維持計(jì)數(shù)值的同時(shí)不可能執(zhí)行向下計(jì)數(shù)和向上計(jì)數(shù)。
因此，在提供用于開始比較的計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0和以向上計(jì)數(shù)模式計(jì)數(shù)之前，將有效高電平單步脈沖提供給計(jì)數(shù)器254作為切換控制信號(hào)FL(t17到t18)。因此，一次強(qiáng)行將構(gòu)成異步計(jì)數(shù)器254的觸發(fā)器410的時(shí)鐘端子用脈沖輸送到高電平，然后將該時(shí)鐘端子返回到模式切換后的狀態(tài)。因此，如早前所述，在從向下計(jì)數(shù)切換為向上計(jì)數(shù)的同時(shí)改變的計(jì)數(shù)值被恢復(fù)為初始計(jì)數(shù)值。
然后，當(dāng)從任意線Hx的單元像素3讀取到垂直信號(hào)線19(V0、V1、...)的第二操作變得穩(wěn)定時(shí)，通信與定時(shí)控制器20將用于產(chǎn)生參考信號(hào)RAMP的控制數(shù)據(jù)CN4與時(shí)鐘CK0一起提供給參考信號(hào)發(fā)生器27。
響應(yīng)于控制數(shù)據(jù)CN4，參考信號(hào)發(fā)生器27將臨時(shí)以斜坡狀方式變化的斜坡波形作為比較電壓輸入到電壓比較器252的一個(gè)輸入端RAMP。電壓比較器252比較該斜坡波形比較電壓(參考信號(hào)RAMP)和從像素單元10提供的任意垂直信號(hào)線19(Vx)的像素信號(hào)電壓。
為了通過每行提供的計(jì)數(shù)器254測量電壓比較器252的比較時(shí)間，輸入?yún)⒖夹盘?hào)RAMP到電壓比較器252的輸入端RAMP的同時(shí)，與參考信號(hào)發(fā)生器27產(chǎn)生的斜坡波形電壓(t20)同步，通信與定時(shí)控制器20將計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0輸入到計(jì)數(shù)器254的時(shí)鐘端子。然后，如第二計(jì)數(shù)操作，與第一計(jì)數(shù)操作相反，并且從對(duì)應(yīng)于第一讀取操作中獲得的單元像素3的復(fù)位分量ΔV的計(jì)數(shù)值開始向上計(jì)數(shù)，即朝著正方向開始計(jì)數(shù)。
電壓比較器252比較經(jīng)由垂直信號(hào)線19輸入的像素信號(hào)電壓Vx和從參考信號(hào)發(fā)生器27提供的斜坡參考信號(hào)RAMP。當(dāng)這些電壓變得相等時(shí)，電壓比較器252將其輸出從H電平反相成L電平(t22)。即電壓比較器252比較對(duì)應(yīng)于信號(hào)分量Vsig的電壓信號(hào)和參考信號(hào)RAMP，在對(duì)應(yīng)于信號(hào)分量Vsig振幅的時(shí)間消逝之后產(chǎn)生有效低(L)脈沖信號(hào)，并將該脈沖信號(hào)提供給計(jì)數(shù)器254。
在電壓比較器252輸出反相的同時(shí)計(jì)數(shù)器254基本上停止計(jì)數(shù)，并且鎖存當(dāng)前計(jì)數(shù)值作為像素?cái)?shù)據(jù)，從而完成AD轉(zhuǎn)換(t22)。即，當(dāng)開始產(chǎn)生提供給電壓比較器252的斜坡參考信號(hào)RAMP時(shí)，計(jì)數(shù)器254開始向下計(jì)數(shù)，并且基于時(shí)鐘CK0繼續(xù)計(jì)數(shù)直到通過比較獲得有效的低(L)脈沖信號(hào)，因此獲得對(duì)應(yīng)于信號(hào)分量Vsig的振幅的計(jì)數(shù)值。
當(dāng)預(yù)定的向下計(jì)數(shù)周期消逝時(shí)(t24)，通信與定時(shí)控制器20停止給電壓比較器252提供控制數(shù)據(jù)并且停止給計(jì)數(shù)器254提供計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0。因此，電壓比較器252停止產(chǎn)生斜坡參考信號(hào)RAMP。
在第二讀取操作中，在通過電壓比較器252檢測像素信號(hào)電壓Vx的信號(hào)分量Vsig的同時(shí)執(zhí)行計(jì)數(shù)，從而讀取單元像素3的信號(hào)分量Vsig。
在該實(shí)施例中，計(jì)數(shù)器254在第一讀取操作中執(zhí)行向下計(jì)數(shù)并且在第二讀取操作中執(zhí)行向上計(jì)數(shù)。因此計(jì)數(shù)器254根據(jù)下面的表達(dá)式(1)自動(dòng)執(zhí)行減法，并依照減法結(jié)果保持計(jì)數(shù)值。
(第二比較周期中的計(jì)數(shù)值)-(第一比較周期中的計(jì)數(shù)值) (1)表達(dá)式(1)能被重新整理為表達(dá)式(2)，因此計(jì)數(shù)器254保持的計(jì)數(shù)值對(duì)應(yīng)于信號(hào)分量Vsig。
(第二比較周期)-(第一比較周期)＝(信號(hào)分量Vsig+復(fù)位分量ΔV+列AD電路25的偏置分量)-(復(fù)位分量ΔV+列AD電路25的偏置分量)＝(信號(hào)分量Vsig)(2)即如上所述，通過在計(jì)數(shù)器254中的經(jīng)由這兩次讀取和計(jì)數(shù)操作的減法，即在第一讀取操作中向下計(jì)數(shù)和在第二讀取操作中向上計(jì)數(shù)，能為每一個(gè)單元像素3去除包括變化的復(fù)位分量ΔV，并能為每一個(gè)列AD電路25去除偏移分量。因此，通過簡單的結(jié)構(gòu)僅能為每一個(gè)單元像素3提取對(duì)應(yīng)于入射光量的信號(hào)分量Vsig。此時(shí)，有利地還能去除復(fù)位噪音。
因此，該實(shí)施例中的列AD電路25作為相關(guān)復(fù)式取樣(CDS)處理單元，也作為將模擬像素信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字像素?cái)?shù)據(jù)的AD轉(zhuǎn)換器。
此外，因?yàn)橥ㄟ^根據(jù)表達(dá)式(2)的計(jì)數(shù)值表示的像素?cái)?shù)據(jù)代表正信號(hào)電壓，所以不需要求求補(bǔ)操作，因此與現(xiàn)有系統(tǒng)的兼容性高。
在第二讀取操作中，讀取對(duì)應(yīng)于入射光量的信號(hào)分量Vsig。這樣，為了可以在大范圍中確定光量，考慮到改變提供給電壓比較器252的斜坡電壓，必須提供長周期的的向上計(jì)數(shù)周期(t20到t24，比較)。
因此，在該實(shí)施例中，選擇用于比較信號(hào)分量Vsig的最大周期為對(duì)應(yīng)于10位(1024時(shí)鐘周期)的計(jì)數(shù)周期。即，用于比較復(fù)位分量ΔV(參考分量)的最大周期被選擇為短于用于比較信號(hào)分量Vsig的最大周期。而不是選擇比較的相同最大周期，即AD轉(zhuǎn)換的最大周期，對(duì)于復(fù)位分量ΔV(參考分量)和信號(hào)分量Vsig，用于復(fù)位分量ΔV(參考分量)的AD轉(zhuǎn)換的最大周期被選擇為短于用于信號(hào)分量Vsig的最大周期，因此，越過兩次迭代的總AD轉(zhuǎn)換周期變得更短。
在這種情況下，在第一迭代和第二迭代之間比較位數(shù)不同。然而，通過將控制數(shù)據(jù)從通信與定時(shí)控制器20提供給參考信號(hào)發(fā)生器并使得參考信號(hào)發(fā)生器27基于該控制數(shù)據(jù)產(chǎn)生斜坡電壓，維持該斜坡電壓的斜率，即參考信號(hào)RAMP的變化率，在第一迭代和第二迭代之間相同。因?yàn)橥ㄟ^數(shù)字控制產(chǎn)生斜坡電壓，所以容易在第一迭代和第二迭代之間維持斜坡電壓的相同斜率。因此，可能平衡AD轉(zhuǎn)換的精度，使得通過向上/向下計(jì)數(shù)器獲得根據(jù)表達(dá)式(1)的減法的正確結(jié)果。
在完成第二計(jì)數(shù)操作后的特定時(shí)間(t28)處，通信與定時(shí)控制器20指示生平掃描電路12讀取像素?cái)?shù)據(jù)，響應(yīng)于該指示，水平掃描電路12連續(xù)地移動(dòng)經(jīng)由控制線12c提供給計(jì)數(shù)器254的水平選擇信號(hào)CH(i)。
因此，將計(jì)數(shù)器254根據(jù)表達(dá)式(2)保持的計(jì)數(shù)值，即通過n位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)表示的像素?cái)?shù)據(jù)，經(jīng)由n條水平信號(hào)線18連續(xù)地從輸出端5c輸出到列處理器26的外部或輸出到包括像素單元10的芯片的外部。然后，為每一行重復(fù)類似操作，因此獲得表示二維圖像的視頻數(shù)據(jù)D1。
如上所述，根據(jù)第一實(shí)施例的固態(tài)成像器件，在向上/向下計(jì)數(shù)器的切換處理模式的同時(shí)使用異步向上/向下計(jì)數(shù)器來執(zhí)行兩個(gè)計(jì)數(shù)操作。此外，在包括單元像素3的矩陣的排列中，提供列并行AD電路，即為各自列提供列AD電路25。
因?yàn)槭褂卯惒接?jì)數(shù)器，所以限制操作頻率僅僅通過第一觸發(fā)器的限制頻率確定，所以可以高速操作。甚至當(dāng)通過在兩次迭代中執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換將參考分量和信號(hào)分量之間的差信號(hào)分量轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)，總體上能快速地執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換。并且能縮短該AD轉(zhuǎn)換周期。
此外，可能為每一列直接從信號(hào)分量中減去參考分量(復(fù)位分量)以作為第二計(jì)數(shù)操作的結(jié)果。因此，能通過該計(jì)數(shù)器的鎖存功能實(shí)施用于保持與該參考分量和該信號(hào)分量關(guān)聯(lián)的計(jì)數(shù)結(jié)果的存儲(chǔ)器。因此，不需要分離于該計(jì)數(shù)器提供用于保持通過AD轉(zhuǎn)換獲得的數(shù)據(jù)的專用存儲(chǔ)器。
此外，不需要用于從信號(hào)分量減去參考分量的專用減法器。因此，與相關(guān)技術(shù)相比，能減小電路規(guī)?；螂娐访娣e。而且，能避免噪音增加、電流增加或功耗增加。
此外，因?yàn)榱蠥D電路包括比較器和計(jì)數(shù)器，不考慮位數(shù)，所以能通過用于計(jì)數(shù)器操作的單一計(jì)數(shù)時(shí)鐘和用于切換計(jì)數(shù)模式的控制線控制計(jì)數(shù)。因此，不需要在相關(guān)技術(shù)中需要的用于將計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值引導(dǎo)到存儲(chǔ)器的信號(hào)線。這用作避免噪音增加或功耗增加。
即，在相同芯片上具有AD轉(zhuǎn)換器的固態(tài)成像器件1中，通過一對(duì)電壓比較器252和計(jì)數(shù)器254實(shí)施用作AD轉(zhuǎn)換器的列AD電路25，該計(jì)數(shù)器254組合執(zhí)行向下計(jì)數(shù)和向上計(jì)數(shù)，將經(jīng)受處理的信號(hào)的基本分量(在該實(shí)施例中為復(fù)位分量)和信號(hào)分量之差轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。這用作避免關(guān)于電路規(guī)模、電路面積、功耗、用于與其它功能單元連接的引線數(shù)、或與這些引線關(guān)聯(lián)的噪聲或電流消耗的問題。
固態(tài)成像器構(gòu)造的第二實(shí)施例圖15是表示根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的CMOS固態(tài)成像器件(CMOS圖像傳感器)的構(gòu)造的示意圖。在根據(jù)第二實(shí)施例的固態(tài)成像器件1中，與根據(jù)第一實(shí)施例的固態(tài)成像器件1相比，修改了列AD電路25的構(gòu)造。
在第二實(shí)施例中的列AD電路25中，在計(jì)數(shù)器254的后面階段，提供了起到用于保持計(jì)數(shù)器254的計(jì)數(shù)結(jié)果的n位存儲(chǔ)器作用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元256，以及在計(jì)數(shù)器254和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元256之間安裝的開關(guān)258。
通常與其它列的開關(guān)258一起，該開關(guān)258在特定時(shí)間從通信與定時(shí)控制器20接收存儲(chǔ)器傳輸指示脈沖CN8作為控制脈沖。一旦接收存儲(chǔ)器傳輸指示脈沖CN8，開關(guān)258把聯(lián)合的計(jì)數(shù)器254的計(jì)數(shù)值傳輸給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元256。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元256存儲(chǔ)傳輸?shù)脑撚?jì)數(shù)值。
于特定時(shí)間在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元256中存儲(chǔ)計(jì)數(shù)器254的該計(jì)數(shù)值的方案不限于在它們之間提供開關(guān)258。例如，在通過存儲(chǔ)器傳輸指脈沖CN8控制計(jì)數(shù)器254的輸出使能端的同時(shí)，可以將計(jì)數(shù)器254和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元256直接互相連接?？商鎿Q地，可以使用存儲(chǔ)器傳輸指脈沖CN8作為鎖存時(shí)鐘，該鎖存時(shí)鐘為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元256確定時(shí)間以捕獲數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元256經(jīng)由控制線12c從水平掃描電路接收控制脈沖。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元256存儲(chǔ)從計(jì)數(shù)器254接收的計(jì)數(shù)值直到經(jīng)由控制線12c接收控制脈沖的指示。
水平掃描電路12具有讀取掃描器的功能，該讀取掃描器與各自的電壓比較器252和執(zhí)行它們各自操作的列處理器26的計(jì)數(shù)器254同步地讀取各自的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元256保持的計(jì)數(shù)值。
根據(jù)上述第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，可能將計(jì)數(shù)器254保持的計(jì)數(shù)結(jié)果傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲(chǔ)單元256。因此，可能通過計(jì)數(shù)器254(即AD轉(zhuǎn)換)控制計(jì)數(shù)，并且讀取該計(jì)數(shù)結(jié)果到水平信號(hào)線18的操作彼此獨(dú)立。這使得AD轉(zhuǎn)換和讀取信號(hào)到外部的操作同時(shí)通過流水線操作執(zhí)行。
操作固態(tài)成像器件的操作的第二實(shí)施例圖16是用于說明根據(jù)圖15中示出的第二實(shí)施例的固態(tài)成像器件1中的列AD電路25的操作時(shí)序圖。以與第一實(shí)施例中相同的方式執(zhí)行列AD電路25中的AD轉(zhuǎn)換，因此將省略其詳細(xì)描述。
在第二實(shí)施例中，給第一實(shí)施例的構(gòu)造增加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元256。包括AD轉(zhuǎn)換的基本操作與第一實(shí)施例中的基本操作相同。然而，在計(jì)數(shù)器254的操作(t30)之前，基于從通信與定時(shí)控制器20來的存儲(chǔ)器傳輸指示脈沖CN8，將與前面行Hx-1關(guān)聯(lián)的計(jì)數(shù)結(jié)果傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲(chǔ)單元256。
根據(jù)第一實(shí)施例，可能僅在完成第二讀取操作(即，AD轉(zhuǎn)換)之后輸出像素?cái)?shù)據(jù)到列處理器26外部，因此限制了讀取操作。相反，根據(jù)第二實(shí)施例，將表示前面的減法結(jié)果的計(jì)數(shù)值在第一讀取操作(AD轉(zhuǎn)換)之前傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲(chǔ)單元256，因此不限制讀取操作。
因此，能同時(shí)執(zhí)行經(jīng)由水平信號(hào)線18從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元256輸出信號(hào)到外部的操作和從當(dāng)前行Hx讀取并通過計(jì)數(shù)器254計(jì)數(shù)的操作，這允許更有效的信號(hào)輸出。
盡管已經(jīng)在上面描述了本發(fā)明的這些實(shí)施例，但是本發(fā)明的范圍不限于這些實(shí)施例。在不脫離本發(fā)明的精神范圍內(nèi)，這些實(shí)施例的各種修改或改進(jìn)是可能的，并且這些修改和改進(jìn)包括在本發(fā)明的范圍里。
上述的這些實(shí)施例不意圖限制這些權(quán)利要求，并且不需要這些實(shí)施例的全部特征。上述的這些實(shí)施例包括發(fā)明的各種階段，并且能通過適當(dāng)組合所述的這些特征來提取本發(fā)明的各方面。即使去掉這些實(shí)施例的一些特征，只要還能實(shí)現(xiàn)類似優(yōu)點(diǎn)，就能提取包括剩下特征的裝置來作為本發(fā)明的一方面。
例如，在上述這些實(shí)施例中，為了將在切換計(jì)數(shù)模式時(shí)改變的計(jì)數(shù)值恢復(fù)到初始計(jì)數(shù)值，一次強(qiáng)迫地將作為計(jì)數(shù)器基本元件的觸發(fā)器(鎖存器)的時(shí)鐘端子拉到高電平(在負(fù)沿的情況下)或低電平(在正沿的情況下)，然后返回到模式切換后的狀態(tài)。然而，將在切換計(jì)數(shù)模式時(shí)改變的計(jì)數(shù)值恢復(fù)到初始計(jì)數(shù)值的設(shè)計(jì)不限于上述設(shè)計(jì)。
圖17表示用于將在切換計(jì)數(shù)模式時(shí)中斷的計(jì)數(shù)值恢復(fù)到初始計(jì)數(shù)值的另一實(shí)例排列。作為異步計(jì)數(shù)器的基本結(jié)構(gòu)，配置計(jì)數(shù)器電路600，因此使用已知的技術(shù)能裝載任意的初始值。
例如，計(jì)數(shù)器電路600包括觸發(fā)器610和鎖存器620。圖17中示出的該實(shí)例處理4位數(shù)據(jù)。
將構(gòu)成異步計(jì)數(shù)器電路600的觸發(fā)器610的反相輸出NQn連接到觸發(fā)器610的D端(D0到D3)。此外，將構(gòu)成異步計(jì)數(shù)器電路600的觸發(fā)器610的非反相輸出Qn輸入到鎖存器620(圖17中的四個(gè)鎖存器)的D端(D0到D3)。將鎖存器620的非反相輸出輸入到聯(lián)合的觸發(fā)器610的數(shù)據(jù)設(shè)定端Dm0到Din3。
基于關(guān)聯(lián)的時(shí)鐘CKx，通過鎖存器620(圖17中的四個(gè)鎖存器)鎖存構(gòu)成異步計(jì)數(shù)器的觸發(fā)器610的非反相輸出Qn，因此存儲(chǔ)前面一個(gè)時(shí)鐘周期的狀態(tài)。關(guān)聯(lián)的時(shí)鐘CKx指輸入到單獨(dú)的觸發(fā)器610的時(shí)鐘端子的時(shí)鐘。依據(jù)計(jì)數(shù)模式，使用前面的觸發(fā)器的非反相輸出或反相輸出。
由切換控制信號(hào)SL切換計(jì)數(shù)模式后，通過將切換控制信號(hào)FL輸入到觸發(fā)器610的載入端LD，將鎖存器620保持的數(shù)據(jù)寫入觸發(fā)器610，即設(shè)置初始值。因此，將在改變該計(jì)數(shù)值之前的瞬時(shí)計(jì)數(shù)值在切換計(jì)數(shù)模式時(shí)設(shè)定到觸發(fā)器610。即在切換計(jì)數(shù)模式時(shí)將在改變該計(jì)數(shù)值之前的瞬時(shí)計(jì)數(shù)值恢復(fù)。因此，能維持在切換計(jì)數(shù)模式之前的計(jì)數(shù)值，因此在模式切換后維持計(jì)數(shù)值的連續(xù)性的同時(shí)，可能繼續(xù)計(jì)數(shù)。
因此，可能直接從信號(hào)分量中減去參考分量，因此不需要用于從信號(hào)分量中減去參考分量的專用減法器電路。此外，不需要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綔p法器。這用作避免噪音增加、電流增加、或功耗增加。
此外，盡管在上述這些實(shí)施例中使用沿觸發(fā)的觸發(fā)器，但可替換地，可以使用電平觸發(fā)的觸發(fā)器。
此外，盡管在上述實(shí)施例中為每一列提供包括電壓比較器252和計(jì)數(shù)器254的列AD電路25并且以逐列為基礎(chǔ)將信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，但是不限于上述排列，對(duì)于多個(gè)列，可以將用于在這些列中切換的切換電路提供給單一的列AD電路25。
此外，盡管在像素單元10的讀取側(cè)上提供的列區(qū)域里實(shí)施AD轉(zhuǎn)換功能，但是也可以在其它區(qū)域?qū)嵤〢D轉(zhuǎn)換功能。例如輸出模擬形式的像素信號(hào)到水平信號(hào)線18，然后在傳遞到輸出電路28之前AD轉(zhuǎn)換這些像素信號(hào)。
即使在這種情況下，當(dāng)將經(jīng)受處理的包括參考分量和信號(hào)分量的信號(hào)與用于AD轉(zhuǎn)換的參考信號(hào)相比時(shí)，與該比較同步地以向下計(jì)數(shù)模式或向上計(jì)數(shù)模式執(zhí)行計(jì)數(shù)，在完成比較時(shí)保持計(jì)數(shù)值，通過根據(jù)是對(duì)參考分量還是對(duì)信號(hào)分量執(zhí)行比較來切換計(jì)數(shù)模式，可能獲得表示參考分量與信號(hào)分量之差的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)以作為以向下計(jì)數(shù)模式和以向上計(jì)數(shù)模式執(zhí)行計(jì)數(shù)的結(jié)果。
因此能通過計(jì)數(shù)器的鎖存功能實(shí)施用于保持與該參考分量和該信號(hào)分量關(guān)聯(lián)的計(jì)數(shù)結(jié)果的存儲(chǔ)器，因此不需要分離于該計(jì)數(shù)器提供用于保持通過AD轉(zhuǎn)換獲得的數(shù)據(jù)的專用存儲(chǔ)器。為所有列提供單一的AD轉(zhuǎn)換器足夠了。盡管需要高速轉(zhuǎn)換，但是與上述這些實(shí)施例相比減小了電路規(guī)模。
此外，在上述這些實(shí)施例中，在像素的像素信號(hào)中，信號(hào)分量Vsig在復(fù)位分量ΔV(參考分量)之后臨時(shí)出現(xiàn)，并且在后階段的處理器處理正極生的信號(hào)(當(dāng)信號(hào)電平變得更大時(shí)正值變得更大)。在第一處理迭代時(shí)，為復(fù)位分量ΔV(參考分量)執(zhí)行比較和向下計(jì)數(shù)，并且在第二處理迭代時(shí)，對(duì)信號(hào)分量Vsig執(zhí)行比較和向上計(jì)數(shù)。然而，不考慮參考分量和信號(hào)分量的臨時(shí)順序，分量和計(jì)數(shù)模式的組合和處理順序是任意的。依據(jù)處理順序，在第二迭代中獲得的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)變成負(fù)值，在這種情況下執(zhí)行修正或采取其它合適測量。
顯然，當(dāng)像素單元10的器件結(jié)構(gòu)是如此必須在信號(hào)分量Vsig之后讀取復(fù)位分量ΔV(參考分量)并且在后階段的處理器處理正極性信號(hào)時(shí)，在第一處理迭代中對(duì)于信號(hào)分量Vsig執(zhí)行比較和向下計(jì)數(shù)是有效的，并且在第二處理迭代中對(duì)于復(fù)位分量ΔV(參考分量)執(zhí)行比較和向上計(jì)數(shù)是有效的。
此外，盡管在作為實(shí)例的包括NMOS單元像素的傳感器上下文中已經(jīng)描述了這些實(shí)施例，但是不限于這些實(shí)施例，對(duì)于包括PMOS單元像素的傳感器，通過考慮如反向的電勢關(guān)系(考慮反向的電勢極性)，能實(shí)現(xiàn)如上述這些實(shí)施例中的相同操作和優(yōu)點(diǎn)。
此外，盡管在作為固態(tài)成像器件的實(shí)例的包括像素單元的CMOS傳感器的上下文中已經(jīng)描述了這些實(shí)施例，該像素單元響應(yīng)于接收的入射光量產(chǎn)生信號(hào)電荷，該固態(tài)成像器件能通過尋址控制從單獨(dú)的單元像素任意選擇和讀取信號(hào)，但是不限于光，通常也可以響應(yīng)于電磁波(比如紅外線、紫外線或X射線)產(chǎn)生信號(hào)電荷。能將上述這些實(shí)施例的這些特征實(shí)施于包括大量單元像素的半導(dǎo)體器件，該大量單元像素輸出對(duì)應(yīng)于接收的電磁波的模擬信號(hào)。
已經(jīng)在一種實(shí)例的上下文中描述了這些實(shí)施例，其中AD轉(zhuǎn)換器(在上述實(shí)例中為列AD電路)包括比較器，用于將對(duì)應(yīng)于參考分量的信號(hào)和對(duì)應(yīng)于信號(hào)分量的信號(hào)與用于AD轉(zhuǎn)換的參考信號(hào)相比；以及計(jì)數(shù)器，其使用異步計(jì)數(shù)器以向下計(jì)數(shù)模式或向上計(jì)數(shù)模式執(zhí)行計(jì)數(shù)并且在該比較器中保持完成比較時(shí)的計(jì)數(shù)值。然而，上述這些實(shí)施例中的AD轉(zhuǎn)換方案可以應(yīng)用到使用AD轉(zhuǎn)換以用于轉(zhuǎn)換兩個(gè)信號(hào)分量之間的差信號(hào)分量的任何電子裝置，而不限于固態(tài)成像器件。
例如，通過使用比較器和計(jì)數(shù)器基于從固態(tài)成像器件1捕獲的模擬像素信號(hào)在固態(tài)成像器件1的外部執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換，能構(gòu)造一種電子裝置，該電子裝置獲得真信號(hào)分量的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)(像素?cái)?shù)據(jù))并且基于該像素?cái)?shù)據(jù)執(zhí)行期望的數(shù)字信號(hào)處理。
此外，不必將涉及這些實(shí)施例所描述的AD轉(zhuǎn)換器提供為包括在固態(tài)成像器件或電子裝置中，而可以以集成電路(IC)或AD轉(zhuǎn)換模塊的形式提供為獨(dú)立的器件。
在這種情況下，盡管可以提供包括該比較器和異步計(jì)數(shù)器的AD轉(zhuǎn)換器，但也可以提供一種IC，在該IC中，在相同的半導(dǎo)體襯底或包括分立芯片組合的模塊上提供參考信號(hào)發(fā)生器和控制器，該參考信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生用于AD轉(zhuǎn)換的參考信號(hào)并將其提供給該比較器，該控制器根據(jù)該比較器是對(duì)參考分量還是對(duì)信號(hào)分量執(zhí)行比較來切換該計(jì)數(shù)器中的計(jì)數(shù)模式。
除了圖11中示出的這些結(jié)構(gòu)外，本發(fā)明的成像器件還可以具有其它結(jié)構(gòu)。圖23是本發(fā)明的模塊類型成像器件的方框圖，其包括處理輸出信號(hào)的信號(hào)處理單元71和光學(xué)系統(tǒng)72。
因此，能以集成的方式處理需要控制比較器和異步計(jì)數(shù)器的操作的功能單元，使得容易處理和部分管理。此外，因?yàn)閷D轉(zhuǎn)換所需的元件以IC或模塊的形式集成，所以使得容易制造固態(tài)成像器件或電子裝置的成品。
權(quán)利要求
1.一種異步計(jì)數(shù)器電路，其被允許可選擇地以向上計(jì)數(shù)模式或向下計(jì)數(shù)模式執(zhí)行計(jì)數(shù)，該計(jì)數(shù)器電路包括初始值設(shè)定處理器，該初始值設(shè)定處理器在計(jì)數(shù)模式切換后開始計(jì)數(shù)之前，將計(jì)數(shù)模式切換前瞬時(shí)的計(jì)數(shù)值設(shè)定為計(jì)數(shù)模式切換時(shí)的初始值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的計(jì)數(shù)器電路，其中作為該計(jì)數(shù)器的基本元件的多個(gè)觸發(fā)器彼此級(jí)聯(lián)，并且該初始值設(shè)定處理器包括在彼此級(jí)聯(lián)的觸發(fā)器之間提供的切換處理器，該切換處理器通過選擇前面的觸發(fā)器的非反相輸出或反相輸出作為計(jì)數(shù)器時(shí)鐘，并且將該計(jì)數(shù)器時(shí)鐘提供給后面的觸發(fā)器的時(shí)鐘端子來允許切換計(jì)數(shù)模式，并且該切換處理器執(zhí)行切換以將該計(jì)數(shù)模式切換前瞬時(shí)的計(jì)數(shù)值設(shè)定到后面的觸發(fā)器作為初始值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的計(jì)數(shù)器電路，其中該切換處理器包括第一開關(guān)，可選擇地輸出前面的觸發(fā)器的非反相輸出或反相輸出；和第二開關(guān)，在計(jì)數(shù)模式切換后停止將從第一開關(guān)輸出的前面的觸發(fā)器的輸出提供給后面的觸發(fā)器的時(shí)鐘端子達(dá)預(yù)定的周期，并且當(dāng)恢復(fù)提供前面的觸發(fā)器的輸出時(shí)將對(duì)應(yīng)于時(shí)鐘的信號(hào)提供給后面的觸發(fā)器的時(shí)鐘端子。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的計(jì)數(shù)器電路，還包括初級(jí)時(shí)鐘開關(guān)，該初級(jí)時(shí)鐘開關(guān)根據(jù)該計(jì)數(shù)模式切換提供至初級(jí)觸發(fā)器的時(shí)鐘端子的計(jì)數(shù)器時(shí)鐘的極性，其中用輸入到該初級(jí)時(shí)鐘開關(guān)的計(jì)數(shù)器時(shí)鐘作為計(jì)數(shù)值的最低有效位。
5.一種模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，用于將差信號(hào)分量轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，該差信號(hào)分量表示包括在經(jīng)受處理的模擬信號(hào)中的參考分量和信號(hào)分量之間的差，該方法通過使用異步計(jì)數(shù)器電路實(shí)施，該異步計(jì)數(shù)器電路允許可選擇地以向上計(jì)數(shù)模式或以向下計(jì)數(shù)模式執(zhí)行計(jì)數(shù)。其中，在第一處理迭代中，將對(duì)應(yīng)于該參考分量和信號(hào)分量之一的信號(hào)與用于轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的參考信號(hào)比較，并且與該比較同時(shí)地，基于計(jì)數(shù)器時(shí)鐘以向下計(jì)數(shù)模式和向上計(jì)數(shù)模式之一執(zhí)行計(jì)數(shù)，在完成該比較時(shí)保持計(jì)數(shù)值，以及在第二處理迭代中，將參考分量和信號(hào)分量中的另一個(gè)與參考信號(hào)比較，并且與該比較同時(shí)地以向下計(jì)數(shù)模式和向上計(jì)數(shù)模式中的另一個(gè)執(zhí)行計(jì)數(shù)，在完成該比較時(shí)保持計(jì)數(shù)值。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其中在切換向上/向下計(jì)數(shù)器處理模式的同時(shí)，使用公共向上/向下計(jì)數(shù)器以向下計(jì)數(shù)模式和向上計(jì)數(shù)模式執(zhí)行計(jì)數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其中第二處理迭代中的計(jì)數(shù)從在第一處理迭代中保持的計(jì)數(shù)值開始。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其中使得參考信號(hào)在第一處理迭代和第二處理迭代之間具有相同的變化特性。
9.根據(jù)權(quán)利要求5的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其中在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)第二處理迭代中為經(jīng)受處理的前面的信號(hào)保持的計(jì)數(shù)值，并且當(dāng)對(duì)于經(jīng)受處理的當(dāng)前信號(hào)執(zhí)行第一處理迭代和第二處理迭代時(shí)，同時(shí)地從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元讀取該計(jì)數(shù)值。
10.根據(jù)權(quán)利要求5的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其中經(jīng)受處理的信號(hào)是模擬單位信號(hào)，該模擬單位信號(hào)由單位信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，并在用于檢測物理量分布的半導(dǎo)體器件的列方向上輸出，該半導(dǎo)體器件包括單位元件矩陣，每個(gè)單位元件包括產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于入射電磁波的電荷的電荷發(fā)生器；以及產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于電荷發(fā)生器產(chǎn)生的電荷的單位信號(hào)發(fā)生器。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其中由單位信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生并且在列方向上輸出的模擬單位信號(hào)被以逐行為基礎(chǔ)捕獲，并且對(duì)于每一個(gè)單位元件，以逐行為基準(zhǔn)執(zhí)行第一處理迭代和第二處理迭代。
12.一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于將差信號(hào)分量轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，差信號(hào)分量表示包括經(jīng)受處理的模擬信號(hào)中的參考分量和信號(hào)分量之間的差，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括比較器，將對(duì)應(yīng)于參考分量的信號(hào)和對(duì)應(yīng)于信號(hào)分量的信號(hào)與用于轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的參考信號(hào)比較；以及異步計(jì)數(shù)器，其基于計(jì)數(shù)器時(shí)鐘以向下計(jì)數(shù)模式或向上計(jì)數(shù)模式執(zhí)行計(jì)數(shù)，與該比較器中的比較同時(shí)地，該計(jì)數(shù)器在比較器中的比較完成時(shí)保持計(jì)數(shù)值。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中該計(jì)數(shù)器包括門電路，該門電路基于從比較器提供的比較輸出控制計(jì)數(shù)時(shí)鐘的輸入。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，還包括參考信號(hào)發(fā)生器，其產(chǎn)生用于轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的參考信號(hào)，并且將該參考信號(hào)提供給比較器。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，還包括定時(shí)控制器，該定時(shí)控制器根據(jù)該比較器是對(duì)參考分量還是對(duì)信號(hào)分量執(zhí)行比較來切換計(jì)數(shù)器中的計(jì)數(shù)模式。
16.根據(jù)權(quán)利要求12的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中由允許在向上計(jì)數(shù)模式和向下計(jì)數(shù)模式之間切換的公共計(jì)數(shù)器電路實(shí)施該計(jì)數(shù)器。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中該計(jì)數(shù)器包括初始值設(shè)定處理器，其在切換該計(jì)數(shù)模式后開始計(jì)數(shù)之前將計(jì)數(shù)模式切換之前瞬時(shí)的計(jì)數(shù)值設(shè)定為計(jì)數(shù)模式切換時(shí)的初始值，并且該定時(shí)控制器控制初始值設(shè)定處理器，使得第二處理迭代中的計(jì)數(shù)從第一處理迭代中保持的計(jì)數(shù)值開始。
18.根據(jù)權(quán)利要求14的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中參考信號(hào)發(fā)生器使得參考信號(hào)在第一處理迭代和第二處理迭代之間具有相同的變化特性。
19.根據(jù)權(quán)利要求12的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，還包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，保持由用于經(jīng)受處理的前面的信號(hào)的計(jì)數(shù)器保持的計(jì)數(shù)值；和讀取掃描器，其與對(duì)經(jīng)受處理的當(dāng)前信號(hào)執(zhí)行各自操作的比較器和計(jì)數(shù)器同時(shí)地，從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元讀取該計(jì)數(shù)值。
20.一種用于檢測物理量分布的半導(dǎo)體器件，該半導(dǎo)體器件包括單位元件矩陣，每一個(gè)單位元件包括產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于入射電磁波的電荷的電荷發(fā)生器、和產(chǎn)生包括參考分量和信號(hào)分量的模擬單位信號(hào)的單位信號(hào)發(fā)生器，該半導(dǎo)體器件包括比較器，其將對(duì)應(yīng)于參考分量的信號(hào)和對(duì)應(yīng)于信號(hào)分量的信號(hào)與用于產(chǎn)生信號(hào)分量的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的參考信號(hào)比較；以及異步計(jì)數(shù)器，其基于計(jì)數(shù)器時(shí)鐘以向下計(jì)數(shù)模式或向上計(jì)數(shù)模式執(zhí)行計(jì)數(shù)，與該比較器中的比較同時(shí)地，該計(jì)數(shù)器保持比較器中比較完成時(shí)的計(jì)數(shù)值。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的半導(dǎo)體器件，還包括參考信號(hào)發(fā)生器，該參考信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生用于產(chǎn)生數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的參考信號(hào)，并且提供該參考信號(hào)給比較器。
22.根據(jù)權(quán)利要求20的半導(dǎo)體器件，還包括定時(shí)控制器，該定時(shí)控制器根據(jù)該比較器是對(duì)參考分量還是對(duì)信號(hào)分量執(zhí)行比較來切換計(jì)數(shù)器中的計(jì)數(shù)模式。
23.根據(jù)權(quán)利要求20的半導(dǎo)體器件，其中該計(jì)數(shù)器由允許在向上計(jì)數(shù)模式和向下計(jì)數(shù)模式之間切換的共同計(jì)數(shù)器電路實(shí)施。
24.根據(jù)權(quán)利要求22的半導(dǎo)體器件，其中該計(jì)數(shù)器包括初始值設(shè)定處理器，該初始值設(shè)定處理器在切換該計(jì)數(shù)模式后開始計(jì)數(shù)之前，將計(jì)數(shù)模式切換之前瞬時(shí)的計(jì)數(shù)值設(shè)定為計(jì)數(shù)模式切換時(shí)的初始值，并且該定時(shí)控制器控制初始值設(shè)定處理器，使得第二處理迭代中的計(jì)數(shù)從第一處理迭代中保持的的計(jì)數(shù)值開始。
25.根據(jù)權(quán)利要求20的半導(dǎo)體器件，包括多個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，每一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括比較器和計(jì)數(shù)器，該多個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器沿排列多列單位元件的行方向排列。
26.根據(jù)權(quán)利要求20的半導(dǎo)體器件，還包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，保持由用于前面的單位信號(hào)的計(jì)數(shù)器保持的計(jì)數(shù)值；以及讀取掃描器，其與對(duì)當(dāng)前單位信號(hào)執(zhí)行相應(yīng)操作的比較器和計(jì)數(shù)器同時(shí)地，從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元讀取該計(jì)數(shù)值。
27.一種電子裝置，包括參考信號(hào)發(fā)生器，其產(chǎn)生用于將差信號(hào)分量轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的參考信號(hào)，該差信號(hào)分量表示包括在經(jīng)受處理的模擬信號(hào)中的參考分量和信號(hào)分量之間的差；比較器，用于將對(duì)應(yīng)于參考分量的信號(hào)和對(duì)應(yīng)于信號(hào)分量的信號(hào)與由參考信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的參考信號(hào)比較；異步計(jì)數(shù)器，與該比較器中的比較同時(shí)地，以向下計(jì)數(shù)模式或向上計(jì)數(shù)模式執(zhí)行計(jì)數(shù)，該計(jì)數(shù)器保持比較器中的比較完成時(shí)的計(jì)數(shù)值；以及定時(shí)控制器，根據(jù)該比較器是對(duì)參考分量還是對(duì)信號(hào)分量執(zhí)行比較來切換計(jì)數(shù)器中的計(jì)數(shù)模式。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的電子裝置，其中該計(jì)數(shù)器包括初始值設(shè)定處理器，該初始值設(shè)定處理器在切換該計(jì)數(shù)模式后開始計(jì)數(shù)之前、將計(jì)數(shù)模式切換之前瞬時(shí)的計(jì)數(shù)值設(shè)定為計(jì)數(shù)模式切換時(shí)的初始值，并且該定時(shí)控制器控制初始值設(shè)定處理器，使得第二處理迭代中的計(jì)數(shù)從第一處理迭代中保持的計(jì)數(shù)值開始。
29.根據(jù)權(quán)利要求27的電子裝置，還包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，保持由用于經(jīng)受處理的前面的信號(hào)的計(jì)數(shù)器保持的計(jì)數(shù)值；和讀取掃描器，其與對(duì)當(dāng)前單位信號(hào)執(zhí)行相應(yīng)操作的比較器和計(jì)數(shù)器同時(shí)地，從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元讀取該計(jì)數(shù)值。
30.一種固態(tài)成像器件，包括像素陣列，包括二維排列的像素，每一個(gè)像素具有光電轉(zhuǎn)換元件；參考信號(hào)發(fā)生器，其產(chǎn)生參考信號(hào)；比較器，其將來自所述像素陣列的復(fù)位信號(hào)與該參考信號(hào)比較，并且還將來自所述像素陣列的圖像信號(hào)與該參考信號(hào)比較；以及異步計(jì)數(shù)器，其以向下計(jì)數(shù)模式和向上計(jì)數(shù)模式這兩種模式執(zhí)行計(jì)數(shù)；其中，在所述比較器比較復(fù)位信號(hào)和參考信號(hào)的同時(shí)，所述異步計(jì)數(shù)器以這兩種模式之一執(zhí)行計(jì)數(shù)，而在所述比較器比較圖像信號(hào)和參考信號(hào)的同時(shí)，所述異步計(jì)數(shù)器以這兩種模式中的另一個(gè)執(zhí)行計(jì)數(shù)。
31.根據(jù)權(quán)利要求30的固態(tài)成像器件，還包括處理輸出信號(hào)的信號(hào)處理單元，該信號(hào)處理單元形成在與在其上形成了所述像素陣列的襯底不同的襯底上。
全文摘要
一種能切換計(jì)數(shù)模式的異步計(jì)數(shù)器包括觸發(fā)器、和在觸發(fā)器的相鄰對(duì)之間分別提供的三輸入單輸出的三值開關(guān)。該三值開關(guān)在三個(gè)值中切換，即觸發(fā)器的非反相輸出和反相輸出以及電源電平。每一個(gè)三值開關(guān)根據(jù)二位控制信號(hào)在三個(gè)輸入信號(hào)間切換，并且將選擇的信號(hào)輸入到隨后的觸發(fā)器的時(shí)鐘端子。當(dāng)根據(jù)控制信號(hào)切換計(jì)數(shù)模式時(shí)，在模式切換前瞬時(shí)的計(jì)數(shù)值設(shè)定為初始值，并且在模式切換后的計(jì)數(shù)從該初始值開始。
文檔編號(hào)H04N5/374GK1697323SQ20051007921
公開日2005年11月16日 申請(qǐng)日期2005年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月26日
發(fā)明者村松良德, 福島范之, 新田嘉一, 安井幸弘 申請(qǐng)人:索尼株式會(huì)社