專利名稱：用于檢測(cè)物理量分布的半導(dǎo)體設(shè)備及電子裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換方法及A/D轉(zhuǎn)換器、具有多個(gè)用于檢測(cè)物理量分布的單位元件的半導(dǎo)體設(shè)備以及電子裝置。更具體地說，本發(fā)明涉及將模擬輸出電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的技術(shù)，該技術(shù)適用于例如用于檢測(cè)物理量分布的半導(dǎo)體設(shè)備的電子設(shè)備中，諸如包含多個(gè)對(duì)諸如光線或射線之類的、從外部輸入的電磁輻射敏感的單位元件的陣列的固態(tài)成像設(shè)備，其中通過地址控制有選擇地將通過所述單位元件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的物理量讀取為電信號(hào)，背景技術(shù)用于檢測(cè)物理量分布的半導(dǎo)體設(shè)備在各種領(lǐng)域中被廣泛地使用。在這種半導(dǎo)體設(shè)備中，多個(gè)對(duì)諸如光線或射線之類的、從外部輸入的電磁輻射敏感的單位元件(例如像素)按照線性或矩陣陣列排列。
例如，在視頻裝置、電荷耦合裝置(CCD)、金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)領(lǐng)域中，使用用于檢測(cè)物理量，如光線(電磁輻射的例子)的固態(tài)成像設(shè)備。將通過單位元件(或固態(tài)成像設(shè)備中的像素)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的物理量的分布讀取為電信號(hào)。
一種類型的固態(tài)成像設(shè)備是包含具有有源像素傳感器(APS)(也稱為增益單元)結(jié)構(gòu)的像素的放大器型固態(tài)成像設(shè)備。在APS結(jié)構(gòu)中，像素信號(hào)發(fā)生器包括用于放大的驅(qū)動(dòng)晶體管，該像素信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生相應(yīng)于電荷發(fā)生器所產(chǎn)生的信號(hào)電荷的像素信號(hào)。許多CMOS固態(tài)成像設(shè)備都屬于上述類型。
在這種放大器型固態(tài)成像設(shè)備中，為了將像素信號(hào)讀出到外部，對(duì)具有單位像素陣列的像素單元進(jìn)行地址控制，以有選擇地從單個(gè)單位像素中讀取信號(hào)。因此，放大器型固態(tài)成像設(shè)備是地址受控型固態(tài)成像設(shè)備的一種例子。
例如，在作為一種包括單位像素矩陣的XY尋址固態(tài)成像設(shè)備的放大器型固態(tài)成像設(shè)備中，使用MOS結(jié)構(gòu)(MOS晶體管)等的有源元件來配置每個(gè)像素，以使像素本身可以具有放大性能。通過有源元件，放大聚集在用作光電轉(zhuǎn)換元件的光電二極管中的信號(hào)電荷(光電子)，并將經(jīng)放大的信號(hào)讀取為圖像信息。
例如，在這種類型的XY尋址固態(tài)成像設(shè)備中，大量像素晶體管按二維矩陣排列以形成像素單元。逐行(逐排)或逐個(gè)像素地開始聚集相應(yīng)于入射光的信號(hào)電荷。通過尋址，從像素中順序讀出基于所聚集的信號(hào)電荷的電流或電壓信號(hào)。在MOS(包括CMOS)型中，常使用一種典型的地址控制方法來同時(shí)訪問一行中的像素，從而逐行地從像素單元中讀取像素信號(hào)。
根據(jù)需要，通過模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器將從像素單元讀取的模擬像素信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。由于像素信號(hào)以將信號(hào)分量添加到復(fù)位分量的形式輸出，因此有必要獲取相應(yīng)于復(fù)位分量的信號(hào)電壓和相應(yīng)于信號(hào)分量的信號(hào)電壓之間的差值，以提取真正的有效信號(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。在這種情況下，表示相應(yīng)于復(fù)位分量的信號(hào)電壓和相應(yīng)于信號(hào)分量的信號(hào)電壓之差的差值信號(hào)分量最終被轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。因此，在日本未審查的專利申請(qǐng)公開物No.11-331883以及以下文件中已經(jīng)提出了多種用于A/D轉(zhuǎn)換的配置，所述文件為W.Yang等的“An Integrated 800×600 CMOS Image System”，ISSCC DigestofTechnical Papers，304-305頁，1999年2月。(此后稱為第一非專利文件)Kazuya Yonemoto的“CCD/CMOS Image Sensor no Kiso to Oyo(fundamentals and applications of CCD/CMOS image sensors)”，CQ出版有限公司，第一版，201-203頁，2003年8月10日(此后稱為第二非專利文件)。
Toshifumi Imamura和Yoshiko Yamamoto的“3.Kosoku/kinou CMOS ImageSensor no Kenkyu(study on high-speed-and-performance CMOS image sensors)”。(該文件可以通過互聯(lián)網(wǎng)從<URLhttp//www.sankaken.gr.jp/project/iwataPJ/report/h12/h12index.html>在線獲得)(于2004年3月15日訪問)(此后稱為第三非專利文件)。
Toshifumi Imamura、Yoshiko Yamamoto和Naoya Hasegawa的“3.Kosoku/kinou CMOS Image Sensor no Kenkyu(study on high-speed-and-performance CMOS image sensors)”。(該文件可以通過互聯(lián)網(wǎng)從<URLhttp//www.sankaken.gr.jp/project/iwataPJ/report/h14/h14index.html>在線獲得)(于2004年3月15日訪問)(此后稱為第四非專利文件)。
Imamura等人的“3.Kosoku/kinou CMOS Image Sensor no Kenkyu(study onhigh-speed-and-performance CMOS image sensors)”。(該文件可以通過互聯(lián)網(wǎng)從URLhttp//www.sankaken.gr.jp/project/iwataPJ/report/h14/h14index.html在線獲得)(于2004年3月15日訪問)(此后稱為第五非專利文件)。
Oh-Bong Kwon等的“A Novel Double Slope Analog-to-Digital Converter fora High-Quality 640×480CMOS Imaging System”，VL3-03，IEEE，335-338頁，1999年(此后稱為第六非專利文件)。
然而，公開在以上列出的文獻(xiàn)中的相關(guān)技術(shù)的A/D轉(zhuǎn)換配置在電路尺寸、電路面積、功率消耗、用于與其它功能單元對(duì)接的線路數(shù)量、噪音以及由于這些線路造成的電流消耗等方面存在不利。
圖9是相關(guān)技術(shù)的CMOS固態(tài)成像設(shè)備(CMOS圖像傳感器)的示意性構(gòu)造圖，其中A/D轉(zhuǎn)換器和像素單元裝配在同一半導(dǎo)體基底上。如圖9所示，固態(tài)成像設(shè)備1包括像素單元(成像單元)10，具有多個(gè)按行、列排列的單位像素3；在像素單元10外部提供的驅(qū)動(dòng)控制器7；計(jì)數(shù)器(CNT)24；列處理器26，含有為提供的列A/D電路25；參考信號(hào)發(fā)生器27，含有數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，為列處理器26中的列A/D電路25提供用于A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓；以及含有減法器電路29的輸出電路28。
驅(qū)動(dòng)控制器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、以及響應(yīng)通過終端5a的主時(shí)鐘CLK0產(chǎn)生各種內(nèi)部時(shí)鐘來控制水平掃描電路12、垂直掃描電路14等的定時(shí)控制器21。
單位像素3連接到由垂直掃描電路14控制的行控制線15，以及將像素信號(hào)傳送給列控制器26的垂直信號(hào)線19。
每個(gè)列A/D電路25包括電壓比較器252和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元255，并具有n位A/D轉(zhuǎn)換器的功能。電壓比較器252將由參考信號(hào)發(fā)生器27所產(chǎn)生的參考電壓RAMP與通過垂直信號(hào)線19(H0、H1、……)關(guān)于行控制線15(V0、V1、……)從單位像素3中獲得的模擬像素信號(hào)進(jìn)行比較。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元255包括用作存儲(chǔ)計(jì)數(shù)器24的計(jì)數(shù)值的鎖存器(觸發(fā)器)，其中計(jì)數(shù)器24計(jì)算電壓比較器252完成其比較操作所需的時(shí)間。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元255包括用作內(nèi)部獨(dú)立的存儲(chǔ)區(qū)域的n位鎖存器1和2。
通常將參考信號(hào)發(fā)生器27所產(chǎn)生的斜坡參考電壓(ramp referencevoltage)RAMP提供給電壓比較器252的輸入端RAMP，而將來自像素單元10的單獨(dú)的像素信號(hào)電壓提供給電壓比較器252的、連接到相關(guān)列的垂直信號(hào)線19的其他輸入端。從電壓比較器252輸出的信號(hào)被提供給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元255。
計(jì)數(shù)器24根據(jù)相應(yīng)于主時(shí)鐘CLK0的計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0(例如，這兩個(gè)時(shí)鐘具有相同的時(shí)鐘頻率)進(jìn)行計(jì)數(shù)，通常連同計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0一起將計(jì)數(shù)輸出CK1、CK2、……、CKn提供給列處理器26的列A/D電路25。
來自計(jì)數(shù)器24的計(jì)數(shù)輸出CK1、CK2、……、CKn的線路被路由到為相應(yīng)列提供的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元255的鎖存器，以使關(guān)于相應(yīng)列的列A/D電路25可以共享單個(gè)計(jì)數(shù)器24。
列A/D電路25的輸出連接到水平信號(hào)線18。水平信號(hào)線18包括用于2n位的信號(hào)線，并通過與相應(yīng)輸出線相關(guān)聯(lián)的2n個(gè)傳感電路(未示出)連接到輸出電路28的減法器電路29。通過輸出端5c，將從輸出電路28輸出的視頻數(shù)據(jù)D1從固態(tài)成像設(shè)備1輸出到外部。
圖10是用于解釋圖9中所示相關(guān)技術(shù)的固態(tài)成像設(shè)備1的操作的定時(shí)圖。
例如，對(duì)于第一次讀取操作，首先將計(jì)數(shù)器24的計(jì)數(shù)值復(fù)位到初始值0。接著，在從任意行Hx上的單位像素3讀取像素信號(hào)到垂直信號(hào)線19(H0，H1，……)的第一次讀取操作變穩(wěn)定之后，輸入由參考信號(hào)發(fā)生器27產(chǎn)生的參考電壓RAMP，該參考電壓RAMP隨時(shí)間逐步改變，從而形成實(shí)際上為鋸齒型(斜坡)波形。電壓比較器252將該參考電壓RAMP與任意垂直信號(hào)線19(列號(hào)為Vx)上的像素信號(hào)電壓進(jìn)行比較。
與從參考信號(hào)發(fā)生器27輸出的斜坡型波形電壓同步(時(shí)刻t10)，為了使用計(jì)數(shù)器24測(cè)量電壓比較器252的比較時(shí)間，計(jì)數(shù)器24響應(yīng)輸入到電壓比較器252的輸入端RAMP的參考電壓RAMP，從第一次計(jì)數(shù)操作中的初始值0開始遞減計(jì)數(shù)。
電壓比較器252將來自參考信號(hào)發(fā)生器27的斜坡參考電壓RAMP與通過垂直信號(hào)線19輸入的像素信號(hào)電壓Vx相比較。當(dāng)兩種電壓變?yōu)橄嗟葧r(shí)，電壓比較器252將其輸出從高電平轉(zhuǎn)換為低電平(時(shí)刻t12)。
在幾乎與電壓比較器252的輸出轉(zhuǎn)換的同時(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元255根據(jù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元255的鎖存器1中與計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0同步的時(shí)間的比較周期，鎖存(保持或存儲(chǔ))來自計(jì)數(shù)器24的計(jì)數(shù)輸出CK1、CK2、……、CKn。從而完成A/D轉(zhuǎn)換的第一次迭代(時(shí)刻t12)。
當(dāng)預(yù)定的遞減計(jì)數(shù)周期過去時(shí)(時(shí)刻t14)，定時(shí)控制器21停止向電壓比較器252提供控制數(shù)據(jù)，并停止向計(jì)數(shù)器24提供計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0。電壓比較器252因而停止產(chǎn)生斜坡參考電壓RAMP。
在第一次讀取操作中，讀取每個(gè)單位像素3的復(fù)位分量ΔV。該復(fù)位分量ΔV包括依賴于單位像素3而改變的、作為偏移量的噪聲。復(fù)位分量ΔV中的變化通常很小，復(fù)位電平為全部像素所共有。因此，任何垂直信號(hào)線19(Vx)的輸出是大體上是已知的。
因此，在讀取復(fù)位分量ΔV的第一次讀取操作中，調(diào)整參考電壓RAMP來縮短比較周期。在相關(guān)技術(shù)的這種配置中，在7位的計(jì)數(shù)周期(128個(gè)時(shí)鐘周期)內(nèi)對(duì)復(fù)位分量ΔV執(zhí)行比較。
在第二次讀取操作中，除了復(fù)位分量ΔV以外還讀取相應(yīng)于每個(gè)單位像素3上的入射光量的信號(hào)分量Vsig，并執(zhí)行與第一次讀取操作相似的操作。
更具體地說，對(duì)于第二次讀取操作，首先將計(jì)數(shù)器254的計(jì)數(shù)值復(fù)位到初始值0。接著，在從任意行Hx上的單位像素3讀取像素信號(hào)到垂直信號(hào)線19(H0，H1，……)的第二次讀取操作變穩(wěn)定之后，輸入由參考信號(hào)發(fā)生器27產(chǎn)生的參考電壓RAMP，該參考電壓RAMP隨時(shí)間逐步改變從而形成斜坡型波形。電壓比較器252將參考電壓RAMP與任意垂直信號(hào)線19(列號(hào)為Vx)上的像素信號(hào)電壓進(jìn)行比較。
與從參考信號(hào)發(fā)生器27輸出的斜坡型波形電壓同步(時(shí)刻t20)，為了使用計(jì)數(shù)器24測(cè)量電壓比較器252的比較時(shí)間，計(jì)數(shù)器24響應(yīng)輸入到電壓比較器252的輸入端RAMP的參考電壓，從第二次計(jì)數(shù)操作中的初始值0開始遞減計(jì)數(shù)。
電壓比較器252將來自參考信號(hào)發(fā)生器27的斜坡參考電壓RAMP與通過垂直信號(hào)線19輸入的像素信號(hào)電壓Vx相比較。當(dāng)兩種電壓變?yōu)橄嗟葧r(shí)，電壓比較器252將其輸出從高電平轉(zhuǎn)換為低電平(時(shí)刻t22)。
在幾乎與電壓比較器252的輸出轉(zhuǎn)換的同時(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元255根據(jù)與計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0同步的時(shí)間的比較周期，鎖存(保持或存儲(chǔ))來自計(jì)數(shù)器24的計(jì)數(shù)輸出CK1、CK2、……、CKn。從而完成A/D轉(zhuǎn)換的第二次迭代(時(shí)刻t22)。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元255將在第一次計(jì)數(shù)操作中獲得的計(jì)數(shù)值以及在第二次計(jì)數(shù)操作中獲得的計(jì)數(shù)值存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元255的不同位置，即鎖存器2中。在第二次讀取操作中，讀取每個(gè)單位像素3的復(fù)位分量ΔV和信號(hào)分量Vsig的組合。
當(dāng)預(yù)定的遞減計(jì)數(shù)周期過去時(shí)(時(shí)刻t24)，定時(shí)控制器21停止向電壓比較器252提供控制數(shù)據(jù)，并停止向計(jì)數(shù)器24提供計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0。電壓比較器252因而停止產(chǎn)生斜坡參考電壓RAMP。
在第二次計(jì)數(shù)操作結(jié)束后的預(yù)定定時(shí)(t28)，定時(shí)控制器21指示水平掃描電路12讀取像素?cái)?shù)據(jù)。響應(yīng)該指示，水平掃描電路12對(duì)將要通過控制線12c提供給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元255的水平選擇信號(hào)CH(i)順序移位。
存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元255中的計(jì)數(shù)值，即分別由n位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)表示的第一次迭代中的n位像素?cái)?shù)據(jù)和第二次迭代中的n位像素?cái)?shù)據(jù)，通過n條(總共2n)水平信號(hào)線18順序輸出到列處理器26的外部，并輸入到輸出電路28的減法器電路29。
針對(duì)每個(gè)像素位置，n位減法器電路29從第二次迭代中表示單位像素3的復(fù)位分量ΔV和信號(hào)分量Vsig的組合的像素?cái)?shù)據(jù)中減去第一次迭代中表示單位像素3的復(fù)位分量ΔV的像素?cái)?shù)據(jù)，從而確定單位像素3的信號(hào)分量Vsig。
逐行地依次重復(fù)執(zhí)行相似的操作。因此，在輸出電路28中獲得表示二維圖像的視頻信號(hào)。

發(fā)明內(nèi)容
在所述相關(guān)技術(shù)中，為相應(yīng)列提供的列A/D電路25共享單個(gè)計(jì)數(shù)器24。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元255用作適用于存儲(chǔ)第一和第二計(jì)數(shù)操作結(jié)果的存儲(chǔ)器。因此，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(此后稱為第一問題)。
此外，還需要用于提供同步計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0以及來自計(jì)數(shù)器24的計(jì)數(shù)輸出CK1、CK2、……、CKn到為相應(yīng)列所提供的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元255的鎖存器1和2中的線路，這引起了對(duì)噪聲或功率消耗增加的擔(dān)心(此后稱為第二問題)。
此外，需要2n條信號(hào)線將第一和第二計(jì)數(shù)操作的結(jié)果傳送給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元255，從而將第一和第二計(jì)數(shù)操作的計(jì)數(shù)值存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元255的不同位置，因而導(dǎo)致在電流方面的增加(此后稱為第三問題)。
此外，為了在輸出電路28向外部輸出信號(hào)之前將第一計(jì)數(shù)操作的計(jì)數(shù)值從第二計(jì)數(shù)操作的計(jì)數(shù)值中減去，需要2n條信號(hào)線將計(jì)數(shù)值傳送到輸出電路28的n位減法器電路29中，這引起了對(duì)由于數(shù)據(jù)傳送導(dǎo)致的噪聲或功率消耗的增加的擔(dān)心(此后稱為第四問題)。
具體地說，需要提供獨(dú)立于計(jì)數(shù)器的、用于存儲(chǔ)第一讀取操作的結(jié)果的存儲(chǔ)器，以及用于存儲(chǔ)第二讀取操作的結(jié)果的存儲(chǔ)器(即需要兩個(gè)存儲(chǔ)器)。還需要用于將n位計(jì)數(shù)值從計(jì)數(shù)器傳送到存儲(chǔ)器的信號(hào)線。此外，為了將第一和第二計(jì)數(shù)操作的計(jì)數(shù)值傳送到減法器中，對(duì)于n位需要2n位(兩倍)信號(hào)線。因此，增加了電路尺寸和電路面積，也導(dǎo)致了噪聲、電流消耗或功率消耗方面的增加。
在允許并行執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換和讀取的流水線配置中，需要獨(dú)立于存儲(chǔ)計(jì)數(shù)結(jié)果的存儲(chǔ)器的、用于存儲(chǔ)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器。因此，與第一問題相同，需要兩個(gè)存儲(chǔ)器來存儲(chǔ)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，因而導(dǎo)致了電路面積的增加(此后稱為第五問題)。
如以上所討論的，在第一讀取操作中單位像素3的復(fù)位分量ΔV的變化通常很小。然而，當(dāng)增益增加時(shí)，變化也因增益而成比例倍增，并且如果縮短比較周期，則復(fù)位分量ΔV會(huì)在可比較的范圍之外。因此會(huì)難于進(jìn)行比較(此后稱為第六問題)。
換句話說，為了實(shí)現(xiàn)高精確度的A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng)同時(shí)考慮復(fù)位分量ΔV中的量值和變化時(shí)，需要設(shè)置比較周期。在這種情況下，比較周期較長(zhǎng)。
作為第一問題的解決方案，例如，上述第二非專利文件公開了一種列A/D轉(zhuǎn)換器電路。通過將通常用于具有CDS處理單元的列的計(jì)數(shù)器與用于為每個(gè)列存儲(chǔ)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值的鎖存器級(jí)聯(lián)起來，該列A/D轉(zhuǎn)換器電路同時(shí)實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)雙重采樣(CDS)功能和A/D轉(zhuǎn)換功能。
作為第二問題的解決方案，例如，提出一種裝置，其中列處理器26包括為每列提供的計(jì)數(shù)器，從而實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換功能(例如，參見日本未審查專利申請(qǐng)公開物No.11-331883以及上述第三至第六非專利文件)。
第二非專利文件中所公開的列A/D轉(zhuǎn)換器電路包括對(duì)每條垂直信號(hào)線(列)進(jìn)行并行處理的計(jì)數(shù)器和含有鎖存器的A/D轉(zhuǎn)換器。該列A/D轉(zhuǎn)換器電路通過在復(fù)位分量和信號(hào)分量之間取差同時(shí)抑制像素到像素的固定圖形噪聲而將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。因此，不需要進(jìn)行減法，而僅需要單一的計(jì)數(shù)操作。此外，可通過鎖存器實(shí)現(xiàn)用于存儲(chǔ)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器，從而防止了電路面積的增加。因而克服了第一、第三、第四和第五問題。
然而，如圖9所示的裝置，計(jì)數(shù)器被所有列所通用，并且仍然需要用于將計(jì)數(shù)輸出CK1、CK2、……、CKn從計(jì)數(shù)器提供給為相應(yīng)列所提供的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元255的鎖存器中的n條線路。因此，未克服第二問題。
在上述第三和第四非專利文件中所公開的技術(shù)中，來自多個(gè)像素用來檢測(cè)光的電流被同時(shí)輸出到輸出總線，并根據(jù)輸出總線上的電流執(zhí)行加法和減法。將所得到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成具有時(shí)間域大小的脈沖寬度信號(hào)。通過列并行計(jì)數(shù)器電路對(duì)脈沖寬度信號(hào)的脈沖寬度的時(shí)鐘周期進(jìn)行計(jì)數(shù)。因此執(zhí)行了A/D轉(zhuǎn)換。這種裝置消除了為計(jì)數(shù)輸出的配線。也就是說，克服了第二問題。
然而，并沒有記載對(duì)復(fù)位分量或信號(hào)分量的處理。因此，必定沒有克服第一、第三、第四和第五問題。上述第一和第六非專利文件也沒有記載對(duì)復(fù)位分量或信號(hào)分量的處理。
上述日本未審查專利申請(qǐng)公開物No.11-331883記載了對(duì)復(fù)位分量和信號(hào)分量的處理。為了通過例如關(guān)聯(lián)雙重采樣從復(fù)位分量和信號(hào)分量中提取純圖像的電壓數(shù)據(jù)，從每一列信號(hào)分量的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)中減去復(fù)位分量的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。從而克服了第四問題。
然而，在該公開物所揭示的技術(shù)中，在外部系統(tǒng)接口中進(jìn)行計(jì)數(shù)以產(chǎn)生計(jì)數(shù)信號(hào)。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相匹配時(shí)，提供給每列的一組緩沖器在該時(shí)刻存儲(chǔ)計(jì)數(shù)值。用于A/D轉(zhuǎn)換的裝置類似于上述第一非專利文件中公開的、由列通用單一計(jì)數(shù)器的裝置。因此未克服第一至第三以及第五問題。
對(duì)于第六問題，涉及到圖9所示的相關(guān)技術(shù)中的電壓比較器252，盡管該電路結(jié)構(gòu)沒有清楚說明。在圖9中，假設(shè)例如使用了上述第五非專利文件中公開的已知的差分放大器裝置(參見圖8示出的比較器)。
電壓比較器252的差分對(duì)的第一輸入端連接到列線Vx，而差分對(duì)的第二輸入端連接到參考信號(hào)發(fā)生器27，從而可以將像素信號(hào)Vx與參考電壓RAMP進(jìn)行比較。將A/D轉(zhuǎn)換的輸出數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元255中。然而如上所述，在這種裝置中，如果縮短第一讀取操作的比較周期，會(huì)因?yàn)閺?fù)位分量ΔV在可比較范圍以外而難于進(jìn)行比較。因此，未克服第六問題。
因此，需要提供一種新的配置來克服第一至第六問題中的至少一個(gè)問題。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，用于將要被處理的模擬信號(hào)的差值信號(hào)分量轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，所述模擬信號(hào)包括參考分量和信號(hào)分量，該差值信號(hào)分量表示參考分量和信號(hào)分量之差。該方法包括以下步驟將相應(yīng)于每個(gè)參考分量和信號(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)進(jìn)行比較，在比較的同時(shí)以遞減計(jì)數(shù)模式和遞增計(jì)數(shù)模式之一執(zhí)行計(jì)數(shù)，并在比較結(jié)束時(shí)保持計(jì)數(shù)值。計(jì)數(shù)模式取決于比較是針對(duì)參考分量還是針對(duì)信號(hào)分量進(jìn)行的而切換。
關(guān)于計(jì)數(shù)模式的切換，在第一處理中，相應(yīng)于單個(gè)信號(hào)中具有不同物理特性的參考分量和信號(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)進(jìn)行比較，其中該單個(gè)信號(hào)是從諸如像素之類的相同單位元件輸出的、將要進(jìn)行處理的信號(hào)。在比較的同時(shí)，以遞減計(jì)數(shù)模式和遞增計(jì)數(shù)模式之一執(zhí)行計(jì)數(shù)，并在比較結(jié)束時(shí)保持計(jì)數(shù)值。
在第二處理中，將參考分量和信號(hào)分量中的另外一個(gè)與參考信號(hào)進(jìn)行比較。在比較的同時(shí)以遞減計(jì)數(shù)模式和遞增計(jì)數(shù)模式中的另一種模式執(zhí)行計(jì)數(shù)，并在比較結(jié)束時(shí)保持計(jì)數(shù)值。作為第二處理結(jié)果而保持的計(jì)數(shù)值代表與第一處理的計(jì)數(shù)值的差值。因此，當(dāng)切換計(jì)數(shù)模式時(shí)，通過執(zhí)行兩次計(jì)數(shù)操作，獲得相應(yīng)于參考分量與信號(hào)分量之差的數(shù)字值，作為第二計(jì)數(shù)操作的計(jì)數(shù)值。
第二處理中要進(jìn)行處理的信號(hào)分量可以是任何表示要處理的信號(hào)中的至少一個(gè)真實(shí)信號(hào)分量的信號(hào)分量。該信號(hào)分量不一定僅涉及真實(shí)的信號(hào)分量，實(shí)際上可以包括將要處理的信號(hào)中所包含的噪聲分量或復(fù)位分量。
參考分量和信號(hào)分量是相對(duì)的。也就是說，參考分量與信號(hào)分量之間的差值信號(hào)分量可以是任何表示從諸如像素之類的相同單位元件輸出的將要處理的信號(hào)中具有不同物理特性的兩個(gè)信號(hào)分量間的差值的分量。
在對(duì)參考分量或信號(hào)分量進(jìn)行比較的情況下，可將相應(yīng)于參考分量或信號(hào)分量的信號(hào)與在預(yù)定梯度改變的參考信號(hào)進(jìn)行比較，并且可以檢測(cè)到相應(yīng)于參考分量或信號(hào)分量的信號(hào)與參考信號(hào)相匹配的點(diǎn)。該預(yù)定梯度并不限于固定的梯度，而是可以包括逐步設(shè)定的多個(gè)梯度，使得例如信號(hào)分量越大，梯度越高，從而獲得較寬的動(dòng)態(tài)范圍。
在執(zhí)行計(jì)數(shù)的情況下，可根據(jù)在產(chǎn)生用于比較的參考電壓的時(shí)刻與相應(yīng)于參考分量或信號(hào)分量的信號(hào)匹配于參考信號(hào)的時(shí)刻之間的計(jì)數(shù)時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而確定相應(yīng)于參考分量或信號(hào)分量的數(shù)量級(jí)的計(jì)數(shù)值。
在以遞減計(jì)數(shù)模式或遞增計(jì)數(shù)模式執(zhí)行計(jì)數(shù)的情況下，可使用通用的遞增-遞減計(jì)數(shù)器，并可切換遞增-遞減計(jì)數(shù)器的處理模式。用于計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器電路因此變得緊湊。通過在兩種模式之間進(jìn)行切換時(shí)進(jìn)行計(jì)數(shù)，可直接將參考分量從信號(hào)分量中減去，并且不需要特定的減法器從信號(hào)分量中減去參考分量。
在第二處理中，可以從第一處理中保持的計(jì)數(shù)值開始計(jì)數(shù)。因此作為第二處理結(jié)果保持的計(jì)數(shù)值是表示參考分量和信號(hào)分量之差的數(shù)字值。
通過在第一處理中對(duì)參考分量進(jìn)行比較和計(jì)數(shù)并在第二處理中對(duì)信號(hào)分量進(jìn)行比較和計(jì)數(shù)，作為第二處理結(jié)果保持的計(jì)數(shù)值成為通過將參考分量從信號(hào)分量中減去而獲得的數(shù)字值。
在關(guān)于諸如像素之類的單位元件進(jìn)行處理的信號(hào)是信號(hào)分量時(shí)間上出現(xiàn)在參考分量之后的信號(hào)時(shí)，對(duì)信號(hào)分量被添加到參考分量中的信號(hào)執(zhí)行第二處理，作為第二處理結(jié)果而保持的計(jì)數(shù)值表示該單位元件的信號(hào)分量。
通過以遞減計(jì)數(shù)模式對(duì)參考分量進(jìn)行計(jì)數(shù)并以遞增計(jì)數(shù)模式對(duì)信號(hào)分量進(jìn)行計(jì)數(shù)，獲得作為兩個(gè)處理結(jié)果保持的計(jì)數(shù)值以使得通過從信號(hào)分量中減去參考分量而獲得的數(shù)字值是正值。
通過將對(duì)參考分量進(jìn)行比較和遞減計(jì)數(shù)的第一處理與對(duì)信號(hào)分量進(jìn)行比較和遞增計(jì)數(shù)的第二處理進(jìn)行組合，獲得作為第二處理結(jié)果保持的計(jì)數(shù)值以使得通過從信號(hào)分量中減去參考分量而獲得的數(shù)字值是正值。當(dāng)要為單位元件處理的信號(hào)是信號(hào)分量在時(shí)間上出現(xiàn)在參考分量之后的信號(hào)時(shí)，獲得表示該單位元件的有效信號(hào)分量的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，作為正值數(shù)據(jù)。
參考分量基本上是固定分量，并具有較低的信號(hào)電平，而信號(hào)分量是通過使用諸如像素之類的單位元件檢測(cè)諸如光線之類的電磁輻射獲得的變動(dòng)分量，并具有最大的信號(hào)電平。取代對(duì)參號(hào)分量和信號(hào)分量設(shè)置相同的最大比較周期，即最大A/D轉(zhuǎn)換周期，可將參考分量的最大比較周期設(shè)置成比信號(hào)分量的最大比較周期短，從而減少兩次A/D轉(zhuǎn)換迭代中總的A/D轉(zhuǎn)換周期。
參考分量具有變化量。當(dāng)增益增加時(shí)，變化量也由于增益而成比例倍增，并且如果縮短比較周期，則參考分量會(huì)在可比較范圍之外。因此，難于進(jìn)行準(zhǔn)確的比較。為了避免這種缺點(diǎn)，在對(duì)參考分量進(jìn)行比較和計(jì)數(shù)的情況下，可首先將比較器復(fù)位到用于讀取參考分量的操作參考值，然后可將參考信號(hào)提供給比較器以開始比較和計(jì)數(shù)。
然而，將比較器復(fù)位到操作參考值會(huì)導(dǎo)致對(duì)kTC噪聲的擔(dān)心。因此，在對(duì)信號(hào)分量執(zhí)行比較和計(jì)數(shù)的情況下，可將參考信號(hào)提供給比較器，從而開始比較和計(jì)數(shù)，而不復(fù)位比較器。
可以將第二處理中為前一個(gè)要處理的信號(hào)保持的計(jì)數(shù)值存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元中。當(dāng)對(duì)要處理的當(dāng)前信號(hào)執(zhí)行第一處理和第二處理時(shí)，可從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元中并行讀出計(jì)數(shù)值。
在上述模數(shù)轉(zhuǎn)換方法中，要進(jìn)行處理的信號(hào)可以是模擬單位信號(hào)，該信號(hào)由單位信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，并在用于檢測(cè)物理量分布的半導(dǎo)體設(shè)備中在列方向上輸出，該半導(dǎo)體設(shè)備包括單位元件矩陣，每個(gè)單位元件包括產(chǎn)生相應(yīng)于入射電磁輻射的電荷的電荷發(fā)生器以及單位信號(hào)發(fā)生器，該單位信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生相應(yīng)于由電荷發(fā)生器所產(chǎn)生的電荷的單位信號(hào)。
在其中單位元件以二維矩陣形式排列的裝置中，可以逐行地訪問和獲取單位信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生并在列方向上輸出的模擬單位信號(hào)(垂直掃描)，并可以逐行地對(duì)每個(gè)單位元件進(jìn)行第一處理和第二處理，從而獲得單位信號(hào)的高速讀取和模數(shù)轉(zhuǎn)換。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，提供一種適于執(zhí)行上述模數(shù)轉(zhuǎn)換方法的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括比較器，用于將相應(yīng)于參考分量和信號(hào)分量中每個(gè)分量的信號(hào)與用于模數(shù)轉(zhuǎn)換的參考信號(hào)進(jìn)行比較；以及計(jì)數(shù)器，用于在比較器進(jìn)行比較的同時(shí)，以遞減計(jì)數(shù)模式和遞增計(jì)數(shù)模式之一執(zhí)行計(jì)數(shù)，并在比較器中的比較結(jié)束時(shí)保持計(jì)數(shù)值。
優(yōu)選地，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器還包括參考信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生用于轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的參考信號(hào)，并將該參考信號(hào)提供給比較器；以及控制器，根據(jù)比較器是針對(duì)參考分量還是針對(duì)信號(hào)分量進(jìn)行比較來切換計(jì)數(shù)器中的計(jì)數(shù)模式。
所述計(jì)數(shù)器可包括通用計(jì)數(shù)器電路，并可在遞增計(jì)數(shù)和遞減計(jì)數(shù)之間進(jìn)行切換。作為選擇，計(jì)數(shù)器可包括以遞減計(jì)數(shù)模式執(zhí)行計(jì)數(shù)的遞減計(jì)數(shù)器電路以及以遞增計(jì)數(shù)模式執(zhí)行計(jì)數(shù)的遞增計(jì)數(shù)器電路。在后一種情況中，計(jì)數(shù)器可包括加法器電路，該加法器電路用于根據(jù)電路結(jié)構(gòu)，計(jì)算遞減計(jì)數(shù)器電路中保持的計(jì)數(shù)值與遞增計(jì)數(shù)器電路中保持的計(jì)數(shù)值之和。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體設(shè)備或電子裝置執(zhí)行上述模數(shù)轉(zhuǎn)換方法。該半導(dǎo)體設(shè)備或電子裝置包括與上述模數(shù)轉(zhuǎn)換器相似的部件。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體設(shè)備可包括其中配置有單位元件列的行方向上的多個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，每個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括比較器和計(jì)數(shù)器。
比較器可以逐行地獲取模擬單位信號(hào)，該信號(hào)由單位信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生并在列方向上輸出。比較器和計(jì)數(shù)器可以逐行地對(duì)每個(gè)單位元件進(jìn)行比較和計(jì)數(shù)。單位信號(hào)發(fā)生器可包括用于放大的半導(dǎo)體元件。
電荷發(fā)生器可包括光電轉(zhuǎn)換元件，其產(chǎn)生相應(yīng)于作為電磁輻射接收的光線的電荷。因此可將半導(dǎo)體設(shè)備作為固態(tài)成像設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。
因而，根據(jù)所述A/D轉(zhuǎn)換方法、A/D轉(zhuǎn)換器、半導(dǎo)體設(shè)備以及電子裝置，將用于A/D轉(zhuǎn)換的參考信號(hào)與要進(jìn)行處理的包括參考分量和信號(hào)分量的信號(hào)進(jìn)行比較。在比較的同時(shí)，進(jìn)行遞減計(jì)數(shù)模式和遞增計(jì)數(shù)模式中的一種計(jì)數(shù)。當(dāng)保持在比較結(jié)束時(shí)的計(jì)數(shù)值時(shí)，根據(jù)比較是針對(duì)參考分量還是針對(duì)信號(hào)分量進(jìn)行的來切換計(jì)數(shù)模式。
因此，可以獲得表示參考分量和信號(hào)分量之差的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，作為遞減計(jì)數(shù)模式中的計(jì)數(shù)以及遞增計(jì)數(shù)模式中的計(jì)數(shù)結(jié)果。
從而，可以通過計(jì)數(shù)器的鎖存器功能實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)參考分量的計(jì)數(shù)值和信號(hào)分量的計(jì)數(shù)值的存儲(chǔ)器，而不需要獨(dú)立于計(jì)數(shù)器的用于存儲(chǔ)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)的專用存儲(chǔ)器。這避免了電路尺寸和電路面積的增加。
此外，A/D轉(zhuǎn)換器包括比較器和計(jì)數(shù)器，而不需要考慮是否使用進(jìn)行遞增計(jì)數(shù)和遞減計(jì)數(shù)通用的遞增-遞減計(jì)數(shù)器。因此，不用考慮位數(shù)，可通過用于操作計(jì)數(shù)器的單個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)鐘以及用于切換計(jì)數(shù)模式的控制線來控制計(jì)數(shù)，并且不需要用于將計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值傳送給存儲(chǔ)器的信號(hào)線。
通過共同使用不需要考慮操作模式的遞增-遞減計(jì)數(shù)器，并當(dāng)切換遞增-遞減計(jì)數(shù)器的處理模式時(shí)進(jìn)行計(jì)數(shù)，可直接將參考分量從信號(hào)分量中減去，而不需要將參考分量從信號(hào)分量中減去的特定減法器。此外，由于不需要向減法器傳送數(shù)據(jù)，從而避免了在噪聲或電流或功率消耗方面的增加。
在通過遞減計(jì)數(shù)器電路和遞增計(jì)數(shù)器電路的組合來實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的情況下，通過在第二計(jì)數(shù)操作開始之前，將第一計(jì)數(shù)操作中獲得的計(jì)數(shù)值設(shè)置成初始值，可直接將參考分量從信號(hào)分量中減去，而不需要特定的加法器來計(jì)算參考分量與信號(hào)分量之差。此外，不需要向減法器傳送數(shù)據(jù)。這避免了在噪聲或電流或功率消耗方面的增加。
在通過遞減計(jì)數(shù)器電路和遞增計(jì)數(shù)器電路的組合來實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的情況下，取代將第一計(jì)數(shù)操作中獲得的計(jì)數(shù)值設(shè)置成初始值，計(jì)數(shù)可以從零開始。在這種情況下，需要用于計(jì)算計(jì)數(shù)值之和的加法器電路。即使是在這種情況下，為每個(gè)包括比較器和計(jì)數(shù)器的A/D轉(zhuǎn)換器提供加法器電路，也可以縮短線路的長(zhǎng)度。這避免了由于數(shù)據(jù)傳送產(chǎn)生的噪聲、電流、或功率消耗方面的增加。
此外，由于A/D轉(zhuǎn)換器包括比較器和計(jì)數(shù)器，當(dāng)要處理的信號(hào)是從包括單位元件矩陣的半導(dǎo)體設(shè)備中輸出的單位信號(hào)時(shí)，可在多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器的每一個(gè)中提供一個(gè)計(jì)數(shù)器，所述多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器在其中配置有單位元件列的行方向上配置。因此，與圖9所示的相關(guān)技術(shù)中的配置不同，用于計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)輸出的線路不需要經(jīng)由鎖存器。這避免了在由于線路的選路而產(chǎn)生的噪聲、電流、或功率消耗方面的增加。
此外，在允許并行執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換和讀取操作的流水線配置中，每個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器僅需要一個(gè)用于存儲(chǔ)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器。這在電路面積方面帶來最低限度的增加。
在對(duì)參考分量進(jìn)行比較和計(jì)數(shù)的情況下，通過在將比較器復(fù)位到用于讀取參考分量的操作參考值之后開始比較和計(jì)數(shù)，比較器的工作點(diǎn)被設(shè)置在信號(hào)的讀電位上，使得對(duì)參考分量中的變化具有較低的敏感性。在對(duì)信號(hào)分量執(zhí)行比較和計(jì)數(shù)的情況下，通過無需復(fù)位比較器而開始比較和計(jì)數(shù)，可通過執(zhí)行兩次處理進(jìn)行真正的減法。因此，可消除固定偏移噪聲和kTC噪聲。


圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的CMOS固態(tài)成像設(shè)備的示意性構(gòu)造圖；圖2是用于解釋根據(jù)圖1所示第一實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備中的列A/D電路的操作的定時(shí)圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的CMOS固態(tài)成像設(shè)備的示意性構(gòu)造圖；圖4是用于解釋根據(jù)圖3所示第二實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備中的列A/D電路的操作的定時(shí)圖；圖5是在根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的CMOS固態(tài)成像設(shè)備(CMOS圖像傳感器)中使用的電壓比較器的示意性電路圖；圖6是用于解釋根據(jù)第三實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備中的列A/D電路的操作的定時(shí)圖；圖7是用于解釋根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備中的列A/D電路的操作的定時(shí)圖；圖8A-8C是用于解釋計(jì)數(shù)器的改進(jìn)的電路框圖；圖9是相關(guān)技術(shù)的CMOS固態(tài)成像設(shè)備的示意性構(gòu)造圖，其中像素單元和A/D轉(zhuǎn)換器裝在同一半導(dǎo)體基片上；以及圖10是用于解釋圖9所示的相關(guān)技術(shù)的固態(tài)成像設(shè)備的操作的定時(shí)圖。
具體實(shí)施例方式
下面將參照圍繞CMOS成像設(shè)備的附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述，所述CMOS成像設(shè)備是XY尋址固態(tài)成像設(shè)備的一個(gè)例子。在以下描述中，CMOS成像設(shè)備的所有像素都由n溝道MOS(NMOS)晶體管構(gòu)造而成。
然而，這種成像設(shè)備僅僅是舉例，也可以使用除MOS成像設(shè)備以外的任何設(shè)備。下述實(shí)施例可應(yīng)用于任何用于檢測(cè)物理量分布的半導(dǎo)體設(shè)備中，所述半導(dǎo)體設(shè)備包括多個(gè)按線性或矩陣陣列排列、對(duì)從外部輸入的電磁輻射敏感的單位元件。
第一實(shí)施例圖1是作為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的半導(dǎo)體設(shè)備的實(shí)現(xiàn)的CMOS固態(tài)成像設(shè)備(CMOS圖像傳感器)1的示意性構(gòu)造圖。CMOS固態(tài)成像設(shè)備1也是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電子裝置的實(shí)現(xiàn)。
固態(tài)成像設(shè)備1包括具有多個(gè)按行列(或二維矩陣)排列的像素3的像素單元10。每個(gè)像素3包括輸出相應(yīng)于入射光量的電壓信號(hào)的光電元件(電荷發(fā)生器的一個(gè)例子)。在固態(tài)成像設(shè)備1中，以列平行的方式提供關(guān)聯(lián)雙重采樣(CDS)處理器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。
更具體地說，基本上與列垂直信號(hào)線19平行地提供多個(gè)CDS處理器和ADC。當(dāng)在平面圖中觀察時(shí)，所述多個(gè)CDS處理器和ADC可以提供在列方向上、像素單元10的一端上(即在如圖1中所觀察到的輸出側(cè)或低側(cè))，也可以分別提供在列方向上、像素單元10的一端(即在如圖1中觀察到的輸出側(cè)或低側(cè))和另一端上(即如圖1中所觀察到的高側(cè))。在后一配置中，優(yōu)選地，以允許水平掃描單元獨(dú)立操作的方式，分別在像素單元10的兩端上提供在行方向上執(zhí)行掃描(即水平掃描)的水平掃描單元。
CDS處理器和ADC的一種典型的列平行配置是基于列的配置。在基于列的配置中，在位于成像單元輸出側(cè)的、稱為列區(qū)域的區(qū)域中，為每一列提供CDS處理器和ADC，并將信號(hào)順序讀出到輸出側(cè)。也可以使用除了基于列的配置以外的任何配置。例如，可以與一組多條(例如兩個(gè))相鄰垂直信號(hào)線(列)19相關(guān)聯(lián)地提供一個(gè)CDS處理器和一個(gè)ADC，也可以與一組每隔N-1(N為正整數(shù)，具有N-1條中間線)條垂直信號(hào)線(列)19相關(guān)聯(lián)地提供CDS處理器和ADC。
在任何除基于列的配置之外的配置中，多條垂直信號(hào)線(列)19共享一個(gè)CDS處理器和一個(gè)ADC，并對(duì)多個(gè)列提供切換電路(或開關(guān))來將像素單元10提供的像素信號(hào)輸入到CDS處理器和ADC。取決于下游執(zhí)行的處理，可能需要存儲(chǔ)輸出信號(hào)的存儲(chǔ)器。
在任何情況下，相比于在單獨(dú)的單位像素中執(zhí)行相似的信號(hào)處理的配置，這種為多條垂直信號(hào)線(列)19提供一個(gè)CDS處理器和一個(gè)ADC、從而在逐列地讀取像素信號(hào)之后對(duì)像素信號(hào)執(zhí)行信號(hào)處理的配置，允許每個(gè)單位像素具有更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。因而可實(shí)現(xiàn)圖像傳感器的高密度像素設(shè)計(jì)、緊湊設(shè)計(jì)以及低成本設(shè)計(jì)。
以列平行方式配置的多個(gè)信號(hào)處理器允許一行中的像素信號(hào)同時(shí)并行處理。與由輸出電路或由設(shè)備外部的CDS處理器和ADC來執(zhí)行處理的情形相比，允許信號(hào)處理器低速運(yùn)行。這在功率消耗、帶寬性能、噪聲等方面是有利的。換句話說，對(duì)于相同的功率消耗和頻帶性能，在總體上可實(shí)現(xiàn)傳感器的高速運(yùn)行。
基于列的配置允許低速操作，并在功率消耗、頻帶性能、噪聲等方面是有利的。同時(shí)有利地是，無需切換電路(或開關(guān))。除非另作說明，將圍繞基于列的固態(tài)成像設(shè)備對(duì)以下實(shí)施例進(jìn)行描述。
如圖1所示，根據(jù)第一實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備1包括按行、列排列多個(gè)單位像素3的像素單元(成像單元)10、在像素單元10外部提供的驅(qū)動(dòng)控制器7、列處理器26、向列處理器26提供用于A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓的參考信號(hào)發(fā)生器27以及輸出電路28。
根據(jù)需要，可將具有信號(hào)放大功能的自動(dòng)增益控制(AGC)電路放置在與列處理器26相同的半導(dǎo)體區(qū)域中的列處理器26的上游或下游。當(dāng)將AGC電路放置在列處理器26的上游時(shí)，執(zhí)行模擬放大。當(dāng)將AGC電路放置在列處理器26的下游時(shí)，執(zhí)行數(shù)字放大。優(yōu)選地，如果僅放大n位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，則由于信號(hào)電平可能下降，因此，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具有用于從像素單元10順序讀取信號(hào)的控制電路功能。例如，驅(qū)動(dòng)控制器7包括控制列尋址或列掃描的水平掃描電路12(列掃描電路)、控制行尋址或行掃描的垂直掃描電路(行掃描電路)14以及產(chǎn)生內(nèi)部時(shí)鐘的通信和定時(shí)控制器20。
固態(tài)成像設(shè)備1還可以包括在通信和定時(shí)控制器20附近、由虛線框圍繞的時(shí)鐘轉(zhuǎn)換器23。時(shí)鐘轉(zhuǎn)換器23是一種用于產(chǎn)生具有高于輸入時(shí)鐘頻率的時(shí)鐘頻率的脈沖的示范性高速時(shí)鐘發(fā)生器。通信和定時(shí)控制器20基于通過終端5a輸入的輸入時(shí)鐘(主時(shí)鐘)CLK0，或根據(jù)時(shí)鐘轉(zhuǎn)換器23產(chǎn)生的高速時(shí)鐘來產(chǎn)生內(nèi)部時(shí)鐘。
基于由時(shí)鐘轉(zhuǎn)換器23所產(chǎn)生的高速時(shí)鐘的信號(hào)允許高速A/D轉(zhuǎn)換。高速時(shí)鐘可用于執(zhí)行采用高速計(jì)算的運(yùn)動(dòng)提取或壓縮。列處理器26輸出的并行數(shù)據(jù)可被轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，并且該串行數(shù)據(jù)可作為視頻數(shù)據(jù)D1從成像設(shè)備1中輸出。這允許使用位數(shù)少于A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)位的終端的高速輸出操作。
時(shí)鐘轉(zhuǎn)換器23包括產(chǎn)生脈沖的乘法電路，該脈沖的時(shí)鐘頻率高于輸入時(shí)鐘頻率。時(shí)鐘轉(zhuǎn)換器23從通信和定時(shí)控制器20接收低速時(shí)鐘CLK2，并產(chǎn)生至少是低速時(shí)鐘CLK2兩倍高的時(shí)鐘。時(shí)鐘轉(zhuǎn)換器23的乘法電路可以是k1倍乘法電路，其中k1表示低速時(shí)鐘CLK2的頻率的倍數(shù)，并可以使用任何已知的電路來實(shí)現(xiàn)。
盡管為了簡(jiǎn)單起見，圖1中僅示出了像素的一些行和列，但實(shí)際上每行和每列上可以排列幾十至幾千個(gè)單位像素3。每個(gè)單位像素3通常包括用作感光元件(電荷發(fā)生器)的光電二極管以及含有放大半導(dǎo)體元件(如晶體管)的像素內(nèi)放大器(in-pixel amplifier)。
像素內(nèi)放大器可以是浮點(diǎn)傳播(floating diffusion)放大器結(jié)構(gòu)。對(duì)于電荷發(fā)生器，可以使用四個(gè)晶體管，舉例來說，即，用作示范性電荷讀取器(傳輸門/讀出門)的讀選擇晶體管、用作復(fù)位門的復(fù)位晶體管、垂直選擇晶體管以及用作檢測(cè)浮點(diǎn)傳播中電壓變化的檢測(cè)元件的源跟隨放大晶體管。該四元晶體管通常配置在CMOS傳感器中。
可選擇地，如日本專利公開物No.2708455中所公開的，可使用包括三個(gè)晶體管的配置，即，連接到漏極線(DRN)用于放大相應(yīng)于由電荷發(fā)生器所產(chǎn)生的信號(hào)電荷的信號(hào)電壓的放大晶體管、用于復(fù)位電荷發(fā)生器的復(fù)位晶體管以及由垂直移位寄存器通過傳輸線(TRF)掃描的讀選擇晶體管(傳輸門)。
水平掃描電路12、垂直掃描電路14以及通信和定時(shí)控制器20作為驅(qū)動(dòng)控制器7的其它部分提供。水平掃描電路12用作從列處理器26讀取計(jì)數(shù)值的讀取掃描單元。使用類似于半導(dǎo)體集成電路制造處理的技術(shù)將驅(qū)動(dòng)控制器7的部件與像素單元10一起形成在單晶硅等的半導(dǎo)體區(qū)域中，從而形成作為半導(dǎo)體系統(tǒng)示例的固態(tài)成像設(shè)備。
單位像素3通過用于行選擇的行控制線15連接到垂直掃描電路14，并通過垂直信號(hào)線19連接到處理器26。列處理器26包括為相應(yīng)列配置提供的列A/D電路25。行控制線15通常指的是從垂直掃描電路14路由到像素的線。
如下所述，水平掃描電路12包括水平解碼器12a，垂直掃描電路14包括垂直解碼器14a。水平掃描電路12和垂直掃描電路14響應(yīng)來自通信和定時(shí)控制器20的控制信號(hào)CN2和CN1開始移位(或掃描)。行控制線15包括用于傳送各種脈沖信號(hào)的線，所述脈沖信號(hào)用來驅(qū)動(dòng)單位像素3(例如，復(fù)位脈沖RST、傳輸脈沖TRF以及DRN控制脈沖DRN)。
通信和定時(shí)控制器20包括定時(shí)發(fā)生器(TG)(作為讀地址控制器)功能塊(未示出)和通信接口功能塊(未示出)。TG功能塊提供部件操作所需的時(shí)鐘和具有預(yù)定定時(shí)的脈沖信號(hào)。通信接口功能塊接收通過終端5a的主時(shí)鐘CLK0和通過終端5b指示操作模式等的數(shù)據(jù)DATA，并輸出包含關(guān)于固態(tài)成像設(shè)備1的信息的數(shù)據(jù)。
例如，通信和定時(shí)控制器20將水平地址信號(hào)輸出給水平解碼器12a，并將垂直地址信號(hào)輸出給垂直解碼器14a。響應(yīng)該信號(hào)，解碼器12a和14a分別選擇行和列。
由于單位像素3按二維矩陣排列，因此適于在水平掃描之后執(zhí)行垂直掃描，以高速讀取像素信號(hào)和像素?cái)?shù)據(jù)。在垂直掃描時(shí)，逐行地(以列并行方式)訪問并獲取由像素信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生并通過垂直信號(hào)線19在列方向上輸出的模擬像素信號(hào)。在水平掃描時(shí)，在行方向上，即，列陣列方向上，訪問像素3，從而將像素信號(hào)(在本實(shí)施例中為數(shù)字像素?cái)?shù)據(jù))讀到輸出側(cè)。取代掃描，可通過直接尋址想要的單位像素3、以隨機(jī)訪問的方式讀取僅僅與想要的單位像素3相關(guān)的信息。
根據(jù)第一實(shí)施例的通信和定時(shí)控制器20將時(shí)鐘CLK1或低速時(shí)鐘CLK2提供給成像設(shè)備1中的部件，諸如水平掃描電路12、垂直掃描電路14以及列處理器26，其中時(shí)鐘CLK1具有與通過終端5a輸入的主時(shí)鐘CLK0相同的頻率，低速時(shí)鐘CLK2通過2或以上值將主時(shí)鐘CLK0頻分而獲得。該低速時(shí)鐘CLK2包括具有一半頻率的時(shí)鐘以及具有低頻率的時(shí)鐘。
垂直掃描電路14選擇一行像素單元10，并將必要的脈沖提供給所選擇的行。垂直掃描電路14包括例如垂直解碼器14a和垂直驅(qū)動(dòng)電路14b。垂直解碼器14a在垂直方向上定義要讀取的一行(或選擇一行像素單位10)。垂直驅(qū)動(dòng)電路14b在由垂直解碼器14a所定義的讀地址上(行方向上)向用于單位像素3的行控制線15提供用于驅(qū)動(dòng)的脈沖。除了用于讀取信號(hào)的行之外，垂直解碼器14a還為電子快門等選擇行。
水平掃描電路12與低速時(shí)鐘CLK2同步地順序選擇列處理器26的列A/D電路25，并將所選擇的列A/D電路25的信號(hào)傳送給水平信號(hào)線(水平輸出線)18。水平掃描電路12包括例如水平解碼器12a和水平驅(qū)動(dòng)電路12b。水平解碼器12a在水平方向上定義要讀取的列(或選擇列處理器26中單獨(dú)的列A/D電路25)。水平驅(qū)動(dòng)電路12b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)傳送給水平信號(hào)線18。水平信號(hào)線18的數(shù)量相應(yīng)于由列A/D電路處理的n位信號(hào)的數(shù)量，其中n為正整數(shù)。例如，如果位數(shù)為10(n＝10)，則相應(yīng)提供10條水平信號(hào)線18。
在如此構(gòu)造的固態(tài)成像設(shè)備1中，從單位像素3輸出的像素信號(hào)被逐列地通過垂直信號(hào)線19提供給列處理器26的列A/D電路25。
列處理器26的每個(gè)列A/D電路25接收來自一列的像素的信號(hào)，并處理該信號(hào)。每個(gè)列A/D電路25包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路使用低速時(shí)鐘CLK2將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成例如10位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。
下面詳細(xì)討論ADC電路的配置。當(dāng)將斜坡參考電壓RAMP提供給比較器(電壓比較器252)時(shí)，ADC電路根據(jù)時(shí)鐘信號(hào)開始計(jì)數(shù)。將通過垂直信號(hào)線19輸入的模擬像素信號(hào)與參考電壓RAMP進(jìn)行比較來執(zhí)行計(jì)數(shù)，直到獲得脈沖信號(hào)為止，從而執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換。
可將電路配置設(shè)計(jì)成使得就通過垂直信號(hào)線19輸入的電壓模式像素信號(hào)而言，可以在A/D轉(zhuǎn)換的同時(shí)，計(jì)算緊接著像素復(fù)位之后的信號(hào)電平(噪聲電平)與真實(shí)信號(hào)電平Vsig(相應(yīng)于接收的光的數(shù)量)之差。從而消除被稱為固定圖形噪聲(FPN)或復(fù)位噪聲的噪聲信號(hào)分量。
通過水平選擇開關(guān)(未示出)將由列A/D電路25所產(chǎn)生的數(shù)字像素?cái)?shù)據(jù)傳送到水平信號(hào)線18，然后輸入到輸出電路28，水平選擇開關(guān)由來自水平掃描電路12的水平選擇信號(hào)驅(qū)動(dòng)。所述位數(shù)并不限制為10，而是可小于(例如8)或大于(例如14)10。
因此，相應(yīng)列的像素信號(hào)逐行地被順序從像素單元10中輸出，其中像素單元10包括用作電荷發(fā)生器的感光元件的矩陣。一幀圖像(即相應(yīng)于包括感光元件矩陣的像素單元10的圖像)被表示為整個(gè)像素單元10的像素信號(hào)的集合。
接下來將對(duì)列A/D電路25和參考信號(hào)發(fā)生器27進(jìn)行詳細(xì)描述。
參考信號(hào)發(fā)生器27包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)27a。與計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0同步，參考信號(hào)發(fā)生器27從由來自通信和定時(shí)控制器20的控制數(shù)據(jù)CN4表示的初始值開始產(chǎn)生階躍鋸齒波形(或斜坡型波形)信號(hào)。參考信號(hào)發(fā)生器27接著將斜坡型波形信號(hào)作為A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓(ADC參考信號(hào))提供給列處理器26的單獨(dú)的列A/D電路25?？梢蕴峁┛乖肼暈V波器(未示出)。
根據(jù)時(shí)鐘轉(zhuǎn)換器23提供的高速時(shí)鐘(例如乘法電路產(chǎn)生的多倍時(shí)鐘)所產(chǎn)生的階躍鋸齒波形信號(hào)比基于通過終端5a輸入的主時(shí)鐘CLK0所產(chǎn)生的階躍鋸齒波形信號(hào)變化得更迅速。
從通信和定時(shí)控制器20提供給參考信號(hào)發(fā)生器27的D/A轉(zhuǎn)換器27a的控制數(shù)據(jù)CN4包括提供了數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)相對(duì)于時(shí)間的相同變化率的信息，從而斜坡電壓的梯度(變化率)在比較操作之間是相同的。更具體地說，計(jì)數(shù)值每單位時(shí)間改變1。
每個(gè)列A/D電路25包括電壓比較器252和計(jì)數(shù)器254，并具有n位A/D轉(zhuǎn)換功能。電壓比較器252將由參考信號(hào)發(fā)生器27的DAC 27a產(chǎn)生的參考信號(hào)RAMP與通過用于每條行控制線15(V0、V1、……)的垂直信號(hào)線19(H0、H1、……)從單位像素3獲得的模擬像素信號(hào)進(jìn)行比較。計(jì)數(shù)器254對(duì)電壓比較器252完成其比較操作所需要的時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，并存儲(chǔ)計(jì)數(shù)值。
通信和定時(shí)控制器20具有可以根據(jù)電壓比較器252是否對(duì)像素信號(hào)的復(fù)位分量ΔV或信號(hào)分量Vsig進(jìn)行比較操作來切換計(jì)數(shù)器254中的計(jì)數(shù)模式的控制器功能。將控制數(shù)據(jù)CN5從通信和定時(shí)控制器20提供給列A/D電路25的計(jì)數(shù)器254，該控制數(shù)據(jù)CN5用于指示計(jì)數(shù)器254將操作在遞減計(jì)數(shù)模式還是遞增計(jì)數(shù)模式。
通常將參考信號(hào)發(fā)生器27所產(chǎn)生的斜坡參考電壓RAMP提供給電壓比較器252的輸入端RAMP，將來自像素單元10的單獨(dú)的像素信號(hào)電壓提供給連接到相關(guān)列的垂直信號(hào)線19的電壓比較器252的其它輸入端。將電壓比較器252輸出的信號(hào)提供給計(jì)數(shù)器254。
通常將來自通信和定時(shí)控制器20的計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0提供給計(jì)數(shù)器254的時(shí)鐘端CK。
雖然沒有說明計(jì)數(shù)器254的配置，但可通過將圖9所示的具有鎖存器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元255的電路設(shè)計(jì)改成同步計(jì)數(shù)器的電路設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)每個(gè)計(jì)數(shù)器254。計(jì)數(shù)器254響應(yīng)單個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0執(zhí)行內(nèi)部計(jì)數(shù)。與階躍電壓波形相似，基于從時(shí)鐘轉(zhuǎn)換器23提供的高速時(shí)鐘(例如多倍時(shí)鐘)而產(chǎn)生的計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0比基于通過終端5a輸入的主時(shí)鐘CLK0所產(chǎn)生的計(jì)數(shù)時(shí)鐘變化得更迅速。
通過n個(gè)鎖存器的組合來實(shí)現(xiàn)n位計(jì)數(shù)器254，因而將計(jì)數(shù)器254的電路尺寸減少到圖9所示的由兩組n個(gè)鎖存器構(gòu)成的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元255的電路尺寸的一半。由于不需要圖9所示的計(jì)數(shù)器24，整個(gè)電路的尺寸比圖9所示的電路尺寸小很多。
如以下所詳細(xì)描述的，根據(jù)第一實(shí)施例的每個(gè)計(jì)數(shù)器254是遞增-遞減計(jì)數(shù)器(U/D CNT)，不考慮計(jì)數(shù)模式，可以在遞減計(jì)數(shù)操作和遞增計(jì)數(shù)操作之間進(jìn)行切換(更具體地說是交替執(zhí)行)。根據(jù)第一實(shí)施例的每個(gè)計(jì)數(shù)器254也是一個(gè)同步計(jì)數(shù)器，其與計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0同步輸出計(jì)數(shù)值。
在同步計(jì)數(shù)器中，通過計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0控制所有觸發(fā)器(計(jì)數(shù)器的基礎(chǔ)元件)的操作。因此，為了更高頻率的操作，最好將異步計(jì)數(shù)器用作每個(gè)計(jì)數(shù)器254。由于異步計(jì)數(shù)器的操作極限頻率僅由第一觸發(fā)器(計(jì)數(shù)器的基礎(chǔ)元件)的極限頻率決定，因此異步計(jì)數(shù)器適于高速操作。
通過控制線12c將控制脈沖從水平掃描電路12提供到計(jì)數(shù)器254。每個(gè)計(jì)數(shù)器254具有存儲(chǔ)計(jì)數(shù)結(jié)果的鎖存功能，并存儲(chǔ)計(jì)數(shù)值，直到通過控制線12c提供控制脈沖指令為止。
如上所述，為相應(yīng)垂直信號(hào)線19(H0、H1、……)提供如此構(gòu)造的列A/D電路25，來構(gòu)建作為列并行ADC塊的列處理器26。
單獨(dú)的列A/D電路的輸出連接到水平信號(hào)線18。如上所述，水平信號(hào)線18包括相應(yīng)于列A/D電路25的位寬的n位信號(hào)線。水平信號(hào)線18通過與相應(yīng)輸出線相關(guān)的n個(gè)傳感電路(未示出)連接到輸出電路28。
通過這種結(jié)構(gòu)，列A/D電路25在相應(yīng)于水平消隱周期的像素信號(hào)讀取周期中進(jìn)行計(jì)數(shù)，并在預(yù)定時(shí)刻輸出計(jì)數(shù)值。在每個(gè)列A/D電路25中，電壓比較器252首先將參考信號(hào)發(fā)生器27提供的斜坡型波形電壓與通過垂直信號(hào)線19輸入的像素信號(hào)電壓進(jìn)行比較。當(dāng)兩種電壓變?yōu)橄嗟葧r(shí)，電壓比較器252轉(zhuǎn)換其輸出(在本實(shí)施例中從高電平轉(zhuǎn)換成低電平)。
計(jì)數(shù)器254在遞減計(jì)數(shù)模式或遞增計(jì)數(shù)模式中與從參考信號(hào)發(fā)生器27輸出的斜坡型波形電壓同步地開始計(jì)數(shù)。在接收到電壓比較器252的輸出轉(zhuǎn)換時(shí)，計(jì)數(shù)器254停止計(jì)數(shù)，并鎖存(保持或存儲(chǔ))當(dāng)前的計(jì)數(shù)值作為像素?cái)?shù)據(jù)。從而完成A/D轉(zhuǎn)換。
根據(jù)響應(yīng)在預(yù)定時(shí)刻從水平掃描電路12通過控制線12c輸入的水平選擇信號(hào)CH(i)的移位操作，計(jì)數(shù)器254順序地將存儲(chǔ)的像素?cái)?shù)據(jù)輸出到列處理器26的外部或通過輸出端5c輸出到具有像素單元10的芯片的外部。
固態(tài)成像設(shè)備1可以包括第一實(shí)施例未直接提及的其它各種信號(hào)處理電路(未示出)。
圖2是用于解釋根據(jù)圖1所示的第一實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備1中的列A/D電路25的操作的定時(shí)圖。
如下所述，由像素單元10的單位像素3所感測(cè)到的模擬像素信號(hào)被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。例如，檢測(cè)以預(yù)定梯度減少的斜坡型波形參考電壓RAMP與來自每個(gè)單位像素3的像素信號(hào)中的參考分量或信號(hào)分量的電壓相匹配的點(diǎn)。接著，根據(jù)在產(chǎn)生用于比較的參考電壓RAMP的時(shí)刻和相應(yīng)于像素信號(hào)中的參考分量或信號(hào)分量的信號(hào)與參考信號(hào)匹配的時(shí)刻之間的計(jì)數(shù)時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而確定相應(yīng)于參考分量或信號(hào)分量的數(shù)量級(jí)的計(jì)數(shù)值。
在從垂直信號(hào)線19輸出的像素信號(hào)中，信號(hào)分量Vsig在時(shí)間上出現(xiàn)在包括像素信號(hào)噪聲的作為參考分量的復(fù)位分量ΔV之后。當(dāng)對(duì)參考分量(復(fù)位分量ΔV)進(jìn)行第一處理之后，對(duì)表示參考分量(復(fù)位分量ΔV)和信號(hào)分量Vsig之和的信號(hào)執(zhí)行第二處理。接下來將進(jìn)行詳細(xì)描述。
對(duì)于第一讀取操作，通信和定時(shí)控制器20將計(jì)數(shù)器254的計(jì)數(shù)值復(fù)位為初始值0，并將計(jì)數(shù)器254設(shè)置成遞減計(jì)數(shù)模式。在從任意行Hx的單位像素3讀取像素信號(hào)到垂直信號(hào)線19(H0、H1、……)的第一讀取操作變穩(wěn)定之后，通信和定時(shí)控制器20將用于產(chǎn)生參考電壓RMAP的控制數(shù)據(jù)CN4提供給參考信號(hào)發(fā)生器27。
響應(yīng)該控制數(shù)據(jù)CN4，參考信號(hào)發(fā)生器27將階躍斜坡型波形輸入到電壓比較器252的輸入端RAMP，作為比較電壓。階躍斜坡型波形隨時(shí)間而改變，從而通常形成鋸齒(或斜坡)波形。電壓比較器252將斜坡型波形比較電壓與從像素單元10提供的任意垂直信號(hào)線19(Vx)上的像素信號(hào)電壓相比較。
與從參考信號(hào)發(fā)生器27輸出的斜坡型波形電壓同步(時(shí)刻t10)，為了使用響應(yīng)輸入到電壓比較器252的輸入端RAMP的參考電壓RAMP為每行提供的計(jì)數(shù)器254來測(cè)量電壓比較器252的比較時(shí)間，將計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0從通信和定時(shí)控制器20輸入到計(jì)數(shù)器254的時(shí)鐘端，從而開始執(zhí)行從初始值0開始的遞減計(jì)數(shù)的第一計(jì)數(shù)操作。也就是說，從反方向開始計(jì)數(shù)。
電壓比較器252將來自參考信號(hào)發(fā)生器27的斜坡型波形參考電壓RAMP與通過垂直信號(hào)線19輸入的像素信號(hào)電壓Vx相比較。當(dāng)兩種電壓變?yōu)橄嗟葧r(shí)，電壓比較器252將其輸出從高電平轉(zhuǎn)為低電平(時(shí)刻t12)。特別地，電壓比較器252將相應(yīng)于復(fù)位分量Vrst的電壓信號(hào)與參考電壓RAMP進(jìn)行比較，并產(chǎn)生具有與復(fù)位分量Vrst的幅度相對(duì)應(yīng)的時(shí)域幅度的低電平有效脈沖信號(hào)(active-low pulse signal)。接著將該低電平有效脈沖信號(hào)提供給計(jì)數(shù)器254。
響應(yīng)該脈沖信號(hào)，計(jì)數(shù)器254在與電壓比較器252的輸出轉(zhuǎn)換的同時(shí)停止計(jì)數(shù)，并鎖存(保持或存儲(chǔ))當(dāng)前的計(jì)數(shù)值作為像素?cái)?shù)據(jù)。從而完成A/D轉(zhuǎn)換(時(shí)刻t12)。根據(jù)計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0計(jì)算通過電壓比較器252進(jìn)行比較而獲得的具有時(shí)域幅度的低電平有效脈沖信號(hào)的寬度，從而確定相應(yīng)于復(fù)位分量Vrst的幅度的計(jì)數(shù)值。
當(dāng)預(yù)定的遞減計(jì)數(shù)周期過去時(shí)(t14)，通信和定時(shí)控制器20停止對(duì)電壓比較器252提供控制數(shù)據(jù)以及停止對(duì)計(jì)數(shù)器254提供計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0。電壓比較器252因而停止產(chǎn)生斜坡參考電壓RAMP。
在第一讀取操作中，對(duì)由電壓比較器252檢測(cè)的像素信號(hào)電壓Vx的復(fù)位電平Vrst進(jìn)行計(jì)數(shù)。因此在第一讀取操作中，讀取單位像素3的復(fù)位分量ΔV。
復(fù)位分量ΔV包括取決于單位像素3而改變的、作為偏移量的噪聲。復(fù)位分量ΔV中的變化通常很小，而且復(fù)位電平Vrst幾乎為所有像素所共有。因此任意垂直信號(hào)線19上的像素信號(hào)電壓Vx中的復(fù)位分量ΔV的輸出實(shí)質(zhì)上是已知的。
因此，在讀取復(fù)位分量ΔV的第一讀取操作中，可通過調(diào)整RAMP電壓來縮短遞減計(jì)數(shù)的周期(從t10到t14的比較周期)。在第一實(shí)施例中，復(fù)位分量ΔV的最大比較周期是相應(yīng)于7位的計(jì)數(shù)周期(128個(gè)時(shí)鐘周期)。
在第二讀取操作中，除了復(fù)位分量ΔV之外，還讀取相應(yīng)于在每個(gè)單位像素3上的入射光量的信號(hào)分量Vsig，并執(zhí)行與第一讀取操作相似的操作。通信和定時(shí)控制器20首先將計(jì)數(shù)器254設(shè)置成遞增計(jì)數(shù)模式。接著，在從任意行Hx的單位像素3讀取像素信號(hào)到垂直信號(hào)線19(H0、H1、……)的第二讀取操作變穩(wěn)定之后，通信和定時(shí)控制器20將用于產(chǎn)生參考電壓RMAP的控制數(shù)據(jù)CN4提供給參考信號(hào)發(fā)生器27。
響應(yīng)該控制數(shù)據(jù)CN4，參考信號(hào)發(fā)生器27將階躍斜坡型波形輸入到電壓比較器252的輸入端RAMP，作為比較電壓。該階躍斜坡型波形隨時(shí)間而改變，從而通常形成鋸齒(或斜坡)波形。電壓比較器252將斜坡型波形比較電壓與從像素單元10提供的任意垂直信號(hào)線19(Vx)上的像素信號(hào)電壓相比較。
與從參考信號(hào)發(fā)生器27輸出斜坡型波形電壓同步(時(shí)刻t20)，為了使用響應(yīng)輸入到電壓比較器252的輸入端RAMP的參考電壓RAMP為每行提供的計(jì)數(shù)器254來測(cè)量電壓比較器252的比較時(shí)間，將計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0從通信和定時(shí)控制器20輸入到計(jì)數(shù)器254的時(shí)鐘端，從而開始執(zhí)行從相應(yīng)于第一讀取操作中獲得的單位像素3的復(fù)位分量ΔV的計(jì)數(shù)開始的遞增計(jì)數(shù)的第二計(jì)數(shù)操作。也就是說，在正方向上開始計(jì)數(shù)。
電壓比較器252將來自參考信號(hào)發(fā)生器27的斜坡型波形參考電壓RAMP與通過垂直信號(hào)線19輸入的像素信號(hào)電壓Vx相比較。當(dāng)兩種電壓變?yōu)橄嗟葧r(shí)，電壓比較器252將其輸出從高電平轉(zhuǎn)為低電平(時(shí)刻t22)。特別地，電壓比較器252將相應(yīng)于信號(hào)分量Vsig的電壓信號(hào)與參考電壓RAMP進(jìn)行比較，并產(chǎn)生具有與復(fù)位分量Vsig的幅度相對(duì)應(yīng)的時(shí)域幅度的低電平有效脈沖信號(hào)。接著將該低電平有效脈沖信號(hào)提供給計(jì)數(shù)器254。
響應(yīng)該脈沖信號(hào)，計(jì)數(shù)器254在與電壓比較器252的輸出轉(zhuǎn)換的同時(shí)停止計(jì)數(shù)，并鎖存(保持或存儲(chǔ))當(dāng)前的計(jì)數(shù)值作為像素?cái)?shù)據(jù)。從而完成A/D轉(zhuǎn)換(時(shí)刻t22)。根據(jù)計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0計(jì)算通過電壓比較器252進(jìn)行比較而獲得的具有時(shí)域幅度的低電平有效脈沖信號(hào)的寬度，從而確定相應(yīng)于信號(hào)分量Vsig的幅度的計(jì)數(shù)值。
當(dāng)預(yù)定的遞增計(jì)數(shù)周期過去時(shí)(t24)，通信和定時(shí)控制器20停止對(duì)電壓比較器252提供控制數(shù)據(jù)以及停止對(duì)計(jì)數(shù)器254提供計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0。電壓比較器252因而停止產(chǎn)生斜坡參考電壓RAMP。
在第二讀取操作中，對(duì)由電壓比較器252檢測(cè)的像素信號(hào)電壓Vx的信號(hào)分量Vsig進(jìn)行計(jì)數(shù)。因此在第二讀取操作中，讀取單位像素3的信號(hào)分量Vsig。
在第一實(shí)施例中，計(jì)數(shù)器254在第一讀取操作中進(jìn)行遞減計(jì)數(shù)，在第二讀取操作中進(jìn)行遞增計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器254自動(dòng)執(zhí)行如下的減法，并將該減法所確定的計(jì)數(shù)值存儲(chǔ)在計(jì)數(shù)器254中。
(第二比較周期中獲得的計(jì)數(shù)值)-(第一比較周期中獲得的計(jì)數(shù)值)…(1)上述公式(1)給出的減法可以按下式重新排列(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A/D電路25的偏移量)-(復(fù)位分量ΔV+列A/D電路25的偏移量)＝(信號(hào)分量Vsig) …(2)因此，計(jì)數(shù)器254中存儲(chǔ)的計(jì)數(shù)值是相應(yīng)于信號(hào)分量Vsig的計(jì)數(shù)值。
因此，通過計(jì)數(shù)器254使用兩次讀取和計(jì)數(shù)操作(即第一讀取操作中的遞減計(jì)數(shù)和第二讀取操作中的遞增計(jì)數(shù))來實(shí)現(xiàn)上述減法，從而消除包括每個(gè)單位像素3的變化量的復(fù)位分量ΔV和每個(gè)列A/D電路25的偏移分量。通過簡(jiǎn)單的配置，可以僅提取相應(yīng)于每個(gè)單位向素3上的入射光量的信號(hào)分量Vsig。也可有利地消除復(fù)位噪聲。
因此，根據(jù)第一實(shí)施例的每個(gè)列A/D電路25同時(shí)用作將模擬像素信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字像素?cái)?shù)據(jù)的ADC和CDS處理器。
由上述公式(2)確定的計(jì)數(shù)值所表示的像素?cái)?shù)據(jù)表示正信號(hào)電壓。無需補(bǔ)充操作，就可獲得與現(xiàn)有系統(tǒng)的高兼容性。
在第二讀取操作中，讀取相應(yīng)于入射光量的信號(hào)分量Vsig。為了在較寬范圍的級(jí)別中測(cè)量光量，將遞增計(jì)數(shù)周期(從t20至t24的比較周期)設(shè)置成長(zhǎng)得使將要提供給電壓比較器252的斜坡電壓產(chǎn)生很大變化。
在第一實(shí)施例中，選擇信號(hào)分量Vsig的最大比較周期被選擇成10位計(jì)數(shù)周期(1024個(gè)時(shí)鐘周期)。也就是說，將復(fù)位分量ΔV(參考分量)的最大比較周期設(shè)置成短于信號(hào)分量Vsig的最大比較周期。取代對(duì)復(fù)位分量ΔV(參考分量)和信號(hào)分量Vsig設(shè)置相同的最大比較周期，即最大A/D轉(zhuǎn)換周期，將復(fù)位分量ΔV的最大比較周期設(shè)置成短于信號(hào)分量Vsig的最大比較周期，從而減少在兩次A/D轉(zhuǎn)換迭代上的總的A/D轉(zhuǎn)換周期。
在這種情況下，比較位數(shù)在第一次迭代和第二次迭代之間不同。但通信和定時(shí)控制器20將控制數(shù)據(jù)提供給參考信號(hào)發(fā)生器27，并且參考信號(hào)發(fā)生器27基于該控制數(shù)據(jù)產(chǎn)生斜坡電壓，從而允許斜坡電壓的梯度(即參考電壓RAMP的變化率)在第一次迭代和第二次迭代之間相同。由于通過數(shù)字控制產(chǎn)生斜坡電壓，因此在第一次迭代和第二次迭代之間容易保持相同的斜坡電壓梯度。這提供了具有相同精確度的A/D轉(zhuǎn)換的迭代，并允許遞減計(jì)數(shù)確定正確的計(jì)數(shù)值為上述公式(1)給出的減法結(jié)果。
在完成第二計(jì)數(shù)操作之后的預(yù)定時(shí)刻(t28)，通信和定時(shí)控制器20指示水平掃描電路12讀取像素?cái)?shù)據(jù)。響應(yīng)該指示，水平掃描電路12順序移位將要通過控制線12c提供給計(jì)數(shù)器254的水平選擇信號(hào)CH(i)。
因此，將由上述公式(2)確定的并存儲(chǔ)在計(jì)數(shù)器254中的計(jì)數(shù)值，即n位數(shù)字像素?cái)?shù)據(jù)，從輸出端5c順序輸出到列處理器26的外部或者是通過n條水平信號(hào)線18輸出到具有像素單元10的芯片的外部。對(duì)每一行重復(fù)執(zhí)行相似的操作，從而產(chǎn)生表示二維圖像的視頻數(shù)據(jù)D1。
因此，在根據(jù)第一實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備中，當(dāng)切換遞增-遞減計(jì)數(shù)器的操作模式時(shí)，使用遞增-遞減計(jì)數(shù)器進(jìn)行兩次計(jì)數(shù)操作。在單位像素3按矩陣排列的配置中，列A/D電路25是為相應(yīng)列提供的列并行列A/D電路。
因此，有可能直接將參考分量(復(fù)位分量)從每列的信號(hào)分量中減去，作為第二計(jì)數(shù)操作的結(jié)果。通過計(jì)數(shù)器的鎖存功能實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)參考分量的計(jì)數(shù)值和信號(hào)分量的計(jì)數(shù)值的存儲(chǔ)器，而無需獨(dú)立于計(jì)數(shù)器的用于存儲(chǔ)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)的專用存儲(chǔ)器。
此外，無需專門的減法器來計(jì)算參考分量和信號(hào)分量之差。因此，在相關(guān)技術(shù)之上減少了電路尺寸和電路面積。這避免了在噪聲、電流或功率消耗方面的增加。
由于列A/D電路(A/D轉(zhuǎn)換器)包括比較器和計(jì)數(shù)器，因此不用考慮位數(shù)，通過用于操作計(jì)數(shù)器的單個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)鐘以及用于切換計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)模式的控制線就可以控制計(jì)數(shù)。不需要信號(hào)線來傳送計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值給存儲(chǔ)器，而這在相關(guān)技術(shù)中是需要的。這避免了在噪聲或功率消耗方面的增加。
因此，在具有安裝在相同芯片上的A/D轉(zhuǎn)換器的固態(tài)成像設(shè)備1中，每個(gè)用作A/D轉(zhuǎn)換器的列A/D電路25由一組電壓比較器252和計(jì)數(shù)器254構(gòu)成。計(jì)數(shù)器254組合進(jìn)行遞減計(jì)數(shù)和遞增計(jì)數(shù)。將要進(jìn)行處理的信號(hào)的參考分量(第一實(shí)施例中的復(fù)位分量)和數(shù)字分量之差被轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。因此，克服了尺寸、電路面積、功率消耗、用于與其它功能單元接口的線路的數(shù)量、由線路產(chǎn)生的噪聲或電流消耗等問題。
第二實(shí)施例圖3是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的CMOS固態(tài)成像設(shè)備(CMOS圖像傳感器)1的示意性構(gòu)造圖。在根據(jù)第二實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備1中，對(duì)根據(jù)第一實(shí)施例的每個(gè)列A/D電路25進(jìn)行了修改。
根據(jù)第二實(shí)施例的每個(gè)列A/D電路25包括計(jì)數(shù)器254、用作n位存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元256以及開關(guān)258。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元256位于計(jì)數(shù)器254的下游，并存儲(chǔ)被存儲(chǔ)在計(jì)數(shù)器254中的計(jì)數(shù)值。開關(guān)258位于計(jì)數(shù)器254和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元256之間。
通常在預(yù)定時(shí)刻從通信和定時(shí)控制器20將轉(zhuǎn)儲(chǔ)(memory-transfer)指令脈沖CN8作為控制脈沖提供給為相應(yīng)列提供的開關(guān)258。響應(yīng)該轉(zhuǎn)儲(chǔ)指令脈沖CN8，每個(gè)開關(guān)258將相關(guān)計(jì)數(shù)器254的計(jì)數(shù)值傳送給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元256。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元256存儲(chǔ)輸入的計(jì)數(shù)值。
將計(jì)數(shù)器254的計(jì)數(shù)值在預(yù)定時(shí)刻存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元256的配置并不限于提供位于計(jì)數(shù)器254和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元256之間的開關(guān)258。例如，當(dāng)通過轉(zhuǎn)儲(chǔ)指令脈沖CN8控制計(jì)數(shù)器254的允許輸出時(shí)，計(jì)數(shù)器254和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元256可以直接相互連接?？蛇x擇地，可將轉(zhuǎn)儲(chǔ)指令脈沖CN8用作鎖存時(shí)鐘來確定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元256獲取數(shù)據(jù)的時(shí)刻。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元256通過控制線12c接收來自水平掃描電路12的控制脈沖。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，直到通過控制線12c提供控制脈沖指令為止。
水平掃描電路12用作在列處理器26的電壓比較器252和計(jì)數(shù)器254執(zhí)行各自操作的同時(shí)，讀取存儲(chǔ)在每個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元256中的計(jì)數(shù)值的讀取掃描單元。
根據(jù)第二實(shí)施例，可將存儲(chǔ)在計(jì)數(shù)器254中的計(jì)數(shù)值傳送給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元256。因此，可獨(dú)立控制計(jì)數(shù)器254的計(jì)數(shù)操作，即A/D轉(zhuǎn)換操作，以及將計(jì)數(shù)值讀出到水平信號(hào)線18的操作，從而實(shí)現(xiàn)允許并行執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換操作和信號(hào)讀取操作的流水線配置。
圖4是用于解釋根據(jù)圖3所示的第二實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備1中列A/D電路25的操作的定時(shí)圖。列A/D電路25的A/D轉(zhuǎn)換操作與根據(jù)第一實(shí)施例的列A/D電路25的A/D轉(zhuǎn)換操作相似，因此省略對(duì)其的詳細(xì)描述。
在第二實(shí)施例中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元256被添加到第一實(shí)施例的配置中。除了在計(jì)數(shù)器254的操作(時(shí)刻t30)之前，響應(yīng)來自通信和定時(shí)控制器20的轉(zhuǎn)儲(chǔ)指令脈沖CN8將前一行Hx-1的計(jì)數(shù)值傳送給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元256以外，第二實(shí)施例的諸如A/D轉(zhuǎn)換之類的基本操作與第一實(shí)施例中的操作相似。
由于在第二讀取操作(即A/D轉(zhuǎn)換操作)完成之前，不允許從列處理器26中讀出像素?cái)?shù)據(jù)，因此第一實(shí)施例對(duì)讀取操作加以限制。然而，由于在第一讀取操作(A/D轉(zhuǎn)換操作)之前，已經(jīng)將作為前一個(gè)減法結(jié)果的計(jì)數(shù)值傳送給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元256，因此，第二實(shí)施例不對(duì)讀取操作加以限制。
因此，與當(dāng)前行Hx的讀取操作以及計(jì)數(shù)器254的計(jì)數(shù)操作同時(shí)進(jìn)行從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元256通過水平信號(hào)線18以及輸出電路28向外部輸出信號(hào)的操作，獲得了更有效的信號(hào)輸出處理。
第三實(shí)施例圖5是用在根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的CMOS固態(tài)成像設(shè)備(CMOS圖像傳感器)1中的電壓比較器252的示意性電路圖。在根據(jù)第三實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備1中，對(duì)根據(jù)第一實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備1中的電壓比較器252進(jìn)行了修改，從而可以設(shè)置比較周期，而不用考慮復(fù)位分量ΔV中的變化?，F(xiàn)在將給出詳細(xì)描述。
圖5所示的電壓比較器252具有已知的差分放大器結(jié)構(gòu)，如上述第五非專利文件中所公開的比較器(見圖8)。電壓比較器252包括含有NMOS晶體管302和304的差分晶體管對(duì)300、含有p通道MOS(PMOS)晶體管312和314的負(fù)載晶體管對(duì)310、以及含有NMOS恒流源晶體管322的電流源320。負(fù)載晶體管對(duì)310用作差分晶體管對(duì)300的輸出負(fù)載，位于電源附近。電流源320位于接地點(diǎn)(GND)附近，并將恒定工作電流提供給晶體管對(duì)300和310。
晶體管302和304的源極通常連接到恒流源晶體管322的漏極，晶體管302和304的漏極(輸出端)分別連接到負(fù)載晶體管對(duì)310的晶體管312和314的漏極。DC柵極電壓VG被提供給恒流源晶體管322的柵極。
差分晶體管對(duì)300的輸出(圖5中為晶體管304的漏極)連接到放大器(未示出)以便放大，然后通過緩沖器(未示出)輸出到計(jì)數(shù)器254。
根據(jù)第三實(shí)施例的電壓比較器252還包括對(duì)電壓比較器252的工作點(diǎn)進(jìn)行復(fù)位的工作點(diǎn)復(fù)位裝置330。工作點(diǎn)復(fù)位裝置330包括開關(guān)晶體管332和334、以及信號(hào)耦合電容336和338。
開關(guān)晶體管332連接在晶體管302的柵極(輸入端)和漏極(輸出端)之間，開關(guān)晶體管334連接在晶體管304的柵極(輸入端)和漏極(輸出端)之間。通常將比較器復(fù)位信號(hào)PSET提供給晶體管302和304的柵極。
將像素信號(hào)Vx通過電容器336提供給晶體管302的柵極(輸入端)，并將參考電壓信號(hào)RAMP從參考信號(hào)發(fā)生器27(未示出)提供給晶體管304的柵極(輸入端)。
工作點(diǎn)復(fù)位裝置330相對(duì)于通過電容器336和338輸入的信號(hào)實(shí)現(xiàn)采樣保持功能。工作點(diǎn)復(fù)位裝置330設(shè)置比較器復(fù)位信號(hào)PSET僅在像素信號(hào)Vx和參考電壓RAMP之間開始比較之前有效(本實(shí)施例中為高電平)，并將差分晶體管對(duì)300的工作點(diǎn)復(fù)位到漏極電壓(作為讀取參考分量或信號(hào)分量的操作參考值的讀電位)。然后將像素信號(hào)Vx通過電容器336提供給晶體管302，并通過電容338提供參考電壓RAMP。將像素信號(hào)Vx與參考電壓RAMP進(jìn)行比較，直到它們的電位變?yōu)橄嗟葹橹?。?dāng)像素信號(hào)Vx和參考電壓RAMP具有相同的電位時(shí)，反轉(zhuǎn)電壓比較器252的輸出。
提供比較器復(fù)位信號(hào)PSET使得差分晶體管對(duì)300的晶體管302和304的柵極與漏極暫時(shí)連接起來(短路)作為二極管連接。在將單位像素3中的放大器晶體管的輸入和晶體管304的偏移分量之和存儲(chǔ)到晶體管304的輸入端(柵極)之后，輸入?yún)⒖茧妷篟AMP，從而開始像素信號(hào)Vx和參考電壓RAMP之間的比較。根據(jù)像素信號(hào)Vx的讀電位，設(shè)置電壓比較器252的工作點(diǎn)，使得對(duì)于復(fù)位分量ΔV中的變化有較低的敏感度。
圖6是用于解釋根據(jù)第三實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備1中的列A/D電路25的操作的定時(shí)圖。圖6所示的操作是第一實(shí)施例中的操作的修改。
除了工作點(diǎn)復(fù)位裝置330的操作之外，根據(jù)第三實(shí)施例的列A/D電路25中的A/D轉(zhuǎn)換基本類似于根據(jù)第一實(shí)施例列的A/D電路25中的A/D轉(zhuǎn)換。將主要討論根據(jù)第三實(shí)施例的工作點(diǎn)復(fù)位裝置330的操作。
對(duì)于第一讀取操作，通信和定時(shí)控制器20將計(jì)數(shù)器254的計(jì)數(shù)值復(fù)位到初始值0，并將計(jì)數(shù)器254設(shè)置成遞減計(jì)數(shù)模式。在從任意行Hx的單位像素3讀取像素信號(hào)到垂直信號(hào)線19(H0、H1、……)的第一讀取操作變穩(wěn)定之后，通信和定時(shí)控制器20將比較器復(fù)位信號(hào)PSET設(shè)置成有效(或高電平)，并復(fù)位電壓比較器252(在從t8到t9的時(shí)段期間)。接下來，通信和定時(shí)控制器20將用于產(chǎn)生參考電壓RMAP的控制數(shù)據(jù)CN4提供給參考信號(hào)發(fā)生器27。響應(yīng)該控制數(shù)據(jù)CN4，電壓比較器252開始在RAMP波形比較電壓和從像素單元10提供的任意垂直信號(hào)線19(Vx)上的像素信號(hào)電壓之間進(jìn)行比較。
與第一實(shí)施例中相同，在第一讀取操作中，對(duì)由電壓比較器252檢測(cè)的像素信號(hào)電壓Vx的復(fù)位電平Vrst進(jìn)行計(jì)數(shù)。因此在第一讀取操作中，讀取單位像素3的復(fù)位分量ΔV。
復(fù)位分量ΔV包括取決于單位像素3而改變的、作為偏移量的噪聲。復(fù)位分量ΔV中的變化通常很小，而且復(fù)位電平Vrst幾乎為所有像素所共有。因此任意垂直信號(hào)線19上的像素信號(hào)電壓Vx中的復(fù)位分量ΔV的輸出實(shí)際上是已知的。
在第三實(shí)施例中，當(dāng)響應(yīng)比較器復(fù)位信號(hào)PSET將電壓比較器252復(fù)位時(shí)，由于電壓比較器252的工作點(diǎn)是根據(jù)第一讀取操作中的讀電位設(shè)定的，因此即使當(dāng)增益增加時(shí)，也無需考慮復(fù)位分量ΔV中的變化，而防止復(fù)位分量ΔV在可比較范圍之外。
因此，在讀取復(fù)位分量ΔV的第一讀取操作中，通過調(diào)整RAMP電壓，可將遞減計(jì)數(shù)周期(從t10至t14的比較周期)縮短到比第一實(shí)施例更少。
在第二讀取操作中，除了復(fù)位分量ΔV之外，還讀取相應(yīng)于入射到每個(gè)單位像素3上的光量的信號(hào)分量Vsig，并執(zhí)行與第一讀取操作相似的操作。應(yīng)當(dāng)注意的是，比較器復(fù)位信號(hào)PSET仍然切斷以使得電壓比較器252不響應(yīng)比較器復(fù)位信號(hào)PSET而復(fù)位。
通過計(jì)數(shù)器254使用兩次讀取和計(jì)數(shù)操作來執(zhí)行減法，即第一讀取操作中的遞減計(jì)數(shù)和第二讀取操作中的遞增計(jì)數(shù)，從而消除包括每個(gè)單位像素3的變化量的復(fù)位分量ΔV和每個(gè)列A/D電路25的偏移分量。通過簡(jiǎn)單的配置，可以僅提取相應(yīng)于每個(gè)單位向素3上的入射光量的信號(hào)分量Vsig。也可有利地消除復(fù)位噪聲。
在電壓比較器252中額外提供的具有采樣保持功能的工作點(diǎn)復(fù)位裝置330可能導(dǎo)致對(duì)kTC噪聲的擔(dān)憂。由于當(dāng)切斷比較器復(fù)位信號(hào)PSET時(shí)進(jìn)行第二信號(hào)讀取操作，因此計(jì)數(shù)器254所執(zhí)行的減法可以消除由第一讀取操作中的比較器復(fù)位信號(hào)PSET的采樣保持所引起的噪聲。因此，可以僅提取相應(yīng)于每個(gè)單位像素3上的入射光量的信號(hào)分量Vsig，而沒有kTC噪聲的影響。
根據(jù)第三實(shí)施例，當(dāng)切換計(jì)數(shù)器254的計(jì)數(shù)模式時(shí)，計(jì)數(shù)器254處理第一和第二讀取操作的結(jié)果，從而逐行地執(zhí)行直接減法。在相減的過程中，計(jì)數(shù)器254存儲(chǔ)第一讀取操作的結(jié)果并讀取第二讀取操作的結(jié)果。因此，可有利地消除固定的偏移噪聲和由采樣保持所產(chǎn)生的kTC噪聲。
為了只克服由于復(fù)位分量ΔV中的變化導(dǎo)致復(fù)位分量ΔV在可比較的范圍之外難于進(jìn)行比較的問題，在執(zhí)行比較前，通過具有采樣保持功能的工作點(diǎn)復(fù)位裝置330對(duì)第一和第二操作均接入比較器復(fù)位信號(hào)PSET，便足夠了。當(dāng)切斷比較器復(fù)位信號(hào)PSET時(shí)，并不一定需要執(zhí)行第二信號(hào)讀取操作。然而，在這種情況下，很難消除由采樣保持所產(chǎn)生的kTC噪聲。
第四實(shí)施例圖7是用于解釋根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備1中的列A/D電路25的操作的定時(shí)圖。在根據(jù)第四實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備1中，與在第三實(shí)施例中相同，修改了根據(jù)第二實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備1中的電壓比較器252，從而無需考慮復(fù)位分量ΔV中的變化，便可以設(shè)置比較周期。除了工作點(diǎn)復(fù)位裝置330的操作之外，根據(jù)第四實(shí)施例的列A/D電路25中的A/D轉(zhuǎn)換基本相似于根據(jù)第二實(shí)施例的A/D轉(zhuǎn)換。
在從任意行Hx的單位像素3讀取像素信號(hào)到垂直信號(hào)線19(H0、H1、......)的第一讀取操作變穩(wěn)定之后，通信和定時(shí)控制器20將比較器復(fù)位信號(hào)PSET設(shè)置成有效(或高電平)，并復(fù)位電壓比較器252(從t8到t9的周期)。接下來，通信和定時(shí)控制器20將用于產(chǎn)生參考電壓RMAP的控制數(shù)據(jù)CN4提供給參考信號(hào)發(fā)生器27。在第二讀取操作中，仍然切斷比較器復(fù)位信號(hào)PSET以使得電壓比較器252不響應(yīng)比較器復(fù)位信號(hào)PSET而復(fù)位。
根據(jù)第四實(shí)施例的工作點(diǎn)復(fù)位裝置330的操作相似于第三實(shí)施例中的操作。與在第三實(shí)施例中相同，即使當(dāng)增益增加時(shí)，也無需考慮復(fù)位分量ΔV中的變化，就可以防止復(fù)位分量ΔV在可比較范圍之外。此外，可以僅提取相應(yīng)于每個(gè)單位像素3上的入射光量的信號(hào)分量Vsig，而沒有kTC噪聲的影響。
雖然已經(jīng)描述了本發(fā)明的一些實(shí)施例，但本發(fā)明的技術(shù)范圍并不局限于前述實(shí)施例中所公開的范圍。在不脫離本發(fā)明的范圍下，可以對(duì)前述實(shí)施例進(jìn)行各種修改和改進(jìn)，這種修改和改進(jìn)也可以落在本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)。
將會(huì)注意到，前述實(shí)施例并不打算限制本發(fā)明的范圍。同時(shí)應(yīng)注意到，不必要求結(jié)合上述實(shí)施例描述的所有特征的組合。前述實(shí)施例包括本發(fā)明的各個(gè)方面。實(shí)施例中公開的多個(gè)元件的適當(dāng)組合實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的各個(gè)方面。就實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)而言，即使沒有在所述實(shí)施例中公開的某些元件的結(jié)構(gòu)也可構(gòu)成本發(fā)明的實(shí)施例。
例如，在前述實(shí)施例中，將每個(gè)包含電壓比較器252和計(jì)數(shù)器254的列A/D電路25提供給相應(yīng)列，并為每一列產(chǎn)生數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。可選擇地，通過提供用于切換所述列的切換電路，可為多個(gè)列提供單個(gè)列A/D電路25。
此外，在前述實(shí)施例中，A/D轉(zhuǎn)換功能單元位于像素單元10的輸出側(cè)上的列區(qū)域中。A/D轉(zhuǎn)換功能單元可位于其他任何區(qū)域中。例如，可將模擬像素信號(hào)輸出到水平信號(hào)線18，并將模擬像素信號(hào)轉(zhuǎn)換成的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳送給輸出電路28。
同時(shí)，在這種情況下，將用于A/D轉(zhuǎn)換的參考信號(hào)與將要進(jìn)行處理的、包含參考分量和信號(hào)分量的信號(hào)進(jìn)行比較。在進(jìn)行該比較的同時(shí)，在遞減計(jì)數(shù)模式和遞增計(jì)數(shù)模式中的一種模式下進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)存儲(chǔ)比較完成時(shí)的計(jì)數(shù)值時(shí)，取決于是對(duì)參考分量還是對(duì)信號(hào)分量進(jìn)行的比較，來切換計(jì)數(shù)模式。因此，可獲得代表參考分量和信號(hào)分量之差的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，作為遞減計(jì)數(shù)模式和遞增計(jì)數(shù)模式中的兩次計(jì)數(shù)操作的結(jié)果。
因此，可以通過計(jì)數(shù)器的鎖存功能來實(shí)現(xiàn)對(duì)參考分量的計(jì)數(shù)值以及對(duì)信號(hào)分量的計(jì)數(shù)值進(jìn)行存儲(chǔ)的存儲(chǔ)器，而無需獨(dú)立于計(jì)數(shù)器的用于存儲(chǔ)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)的專用存儲(chǔ)器。單一的A/D轉(zhuǎn)換功能單元對(duì)所有列來說是足夠的。盡管需要高速轉(zhuǎn)換性能，通過前述實(shí)施例也減小了電路的尺寸。
在前述實(shí)施例中，第二計(jì)數(shù)操作從存儲(chǔ)在第一基礎(chǔ)操作中的計(jì)數(shù)值開始。通過使用與計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0同步輸出計(jì)數(shù)值的同步遞增-遞減計(jì)數(shù)器，無需特別的操作來切換所述模式。
然而，當(dāng)使用適于高速操作的異步遞增-遞減計(jì)數(shù)器時(shí)，由于異步遞增-遞減計(jì)數(shù)器的操作極限頻率僅由所使用的第一觸發(fā)器(計(jì)數(shù)器的基礎(chǔ)元件)的極限頻率確定，因此當(dāng)切換計(jì)數(shù)模式時(shí)中斷計(jì)數(shù)值，從而阻止了計(jì)數(shù)的正常進(jìn)行，而在切換的前后保持該計(jì)數(shù)值。優(yōu)選地，提供允許第二計(jì)數(shù)操作從存儲(chǔ)在第一計(jì)數(shù)操作中的計(jì)數(shù)值開始的調(diào)節(jié)器。在此不詳細(xì)論述該調(diào)節(jié)器。
在前述實(shí)施例中，信號(hào)分量Vsig在時(shí)間上出現(xiàn)在相同像素的像素信號(hào)中的復(fù)位分量ΔV(參考分量)之后，位于下游的處理器處理正極性的信號(hào)(信號(hào)電平越高，正值越大)。在第一處理中對(duì)復(fù)位分量ΔV(參考分量)進(jìn)行比較和遞減計(jì)數(shù)，在第二處理中對(duì)信號(hào)分量Vsig進(jìn)行比較操作和遞增計(jì)數(shù)。然而，無需考慮參考分量和信號(hào)分量的出現(xiàn)順序，可使用要進(jìn)行處理的分量與計(jì)數(shù)模式的任意組合以及任何處理順序。取決于處理順序，在第二處理中獲得的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可具有負(fù)值。在這種情況下，可執(zhí)行校正或采取其它適合的措施。
在像素單元10的設(shè)備結(jié)構(gòu)中，復(fù)位分量ΔV(參考分量)需要在信號(hào)分量Vsig之后讀取，位于下游的處理器處理負(fù)極性信號(hào)，在第一處理中有效地對(duì)信號(hào)分量Vsig進(jìn)行比較和遞減計(jì)數(shù)，在第二處理中有效地對(duì)復(fù)位分量ΔV(參考分量)進(jìn)行比較和遞增計(jì)數(shù)。
在前述實(shí)施例中，無需考慮操作模式，通常使用遞增-遞減計(jì)數(shù)器，并當(dāng)切換遞增-遞減計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)模式時(shí)，進(jìn)行計(jì)數(shù)。除了使用可切換模式的遞增-遞減計(jì)數(shù)器以外，可以使用任何能使用遞增計(jì)數(shù)模式和遞減計(jì)數(shù)模式的組合對(duì)參考分量和信號(hào)分量執(zhí)行計(jì)數(shù)的配置。
例如，可通過遞減計(jì)數(shù)器電路和遞增計(jì)數(shù)器電路的組合來實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器，所述遞減計(jì)數(shù)器電路在對(duì)參考分量和信號(hào)分量之一進(jìn)行比較之后進(jìn)行遞減計(jì)數(shù)，所述遞增計(jì)數(shù)電路在對(duì)參考分量和信號(hào)分量中的另一個(gè)進(jìn)行比較之后進(jìn)行遞增計(jì)數(shù)。
在這種情況下，設(shè)計(jì)執(zhí)行第二計(jì)數(shù)器操作的計(jì)數(shù)器電路，從而可以使用已知的技術(shù)加載任意初始值。例如，在遞增計(jì)數(shù)之后執(zhí)行遞減計(jì)數(shù)的情況下，如圖8A所示，在第一計(jì)數(shù)處理中激活遞減計(jì)數(shù)器，在第二計(jì)數(shù)處理中激活遞增計(jì)數(shù)器。
在響應(yīng)用于切換計(jì)數(shù)模式的切換控制信號(hào)CN5對(duì)計(jì)數(shù)模式進(jìn)行切換之后開始遞增計(jì)數(shù)之前，將用于設(shè)置初始值的切換控制信號(hào)CNload提供給遞增計(jì)數(shù)器的加載端LDu，從而將通過遞減計(jì)數(shù)獲得的遞減計(jì)數(shù)值設(shè)置成遞增計(jì)數(shù)器的初始值。
在遞減計(jì)數(shù)之后執(zhí)行遞增計(jì)數(shù)的情況下，如圖8B所示，在第一計(jì)數(shù)處理中激活遞增計(jì)數(shù)器，在第二計(jì)數(shù)處理中激活遞減計(jì)數(shù)器。
在響應(yīng)用于切換計(jì)數(shù)模式的切換控制信號(hào)CN5對(duì)計(jì)數(shù)模式進(jìn)行切換之后開始遞減計(jì)數(shù)之前，將用于設(shè)置初始值的切換控制信號(hào)CNload提供給遞減計(jì)數(shù)器的加載端LDu，從而將通過遞增計(jì)數(shù)獲得的遞增計(jì)數(shù)值設(shè)置成遞減計(jì)數(shù)器的初始值。
在圖8A和圖8B所示的任何配置中，對(duì)于下游計(jì)數(shù)器的輸出，可直接從信號(hào)分量中減去參考分量，不需要計(jì)算參考分量和信號(hào)分量之差的特定加法器。此外，不需要向減法器傳送數(shù)據(jù)，而這在上述第一非專利文件中是需要的。這避免了由于這種數(shù)據(jù)傳送產(chǎn)生的噪聲、電流或功率消耗方面的增加。
在由遞減計(jì)數(shù)器和遞增計(jì)數(shù)器的組合實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的情況下，在第二計(jì)數(shù)操作中，取代將第一計(jì)數(shù)操作中所獲得的計(jì)數(shù)值設(shè)置成初始值，可以從零開始計(jì)數(shù)。在這種情況下，如圖8C所示，需要用于計(jì)算遞增計(jì)數(shù)器電路的輸出Qup和遞減計(jì)數(shù)器電路的輸出Qdown之和的加法器電路。即使是在該例中為每個(gè)含有比較器和計(jì)數(shù)器的A/D轉(zhuǎn)換器提供了加法器電路，也可以減少線路的長(zhǎng)度。這避免由于這種數(shù)據(jù)傳送產(chǎn)生的噪聲、電流或功率消耗方面的增加。
在圖8A至8C所示的任何配置中，與前述實(shí)施例相同，通信和定時(shí)控制器20可以向遞減計(jì)數(shù)器電路和遞增計(jì)數(shù)器電路發(fā)出激活指令。響應(yīng)計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0，可以激活遞減計(jì)數(shù)器電路和遞增計(jì)數(shù)器電路。
在第三和第四實(shí)施例中，電壓比較器252的基本配置相似于圖8所示的上述第五非專利文件中的比較器的配置。然而，可以在根據(jù)第三和第四實(shí)施例的配置中，其中對(duì)參考分量執(zhí)行比較和計(jì)數(shù)，使用任何其他電壓比較器，比較器首先復(fù)位到預(yù)定的操作參考值，隨后將參考信號(hào)提供給比較器，從而開始比較和計(jì)數(shù)。
例如，差分晶體管對(duì)300的像素信號(hào)輸入部分可以直流連接到單位像素3的像素信號(hào)發(fā)生器。提供有參考電壓RAMP的晶體管的輸入和輸出端可暫時(shí)短路，輸入端可復(fù)位到預(yù)定的操作參考值。
雖然已經(jīng)圍繞包括由NMOS晶體管構(gòu)成的單位像素的傳感器對(duì)前述實(shí)施例進(jìn)行了描述，但包括由PMOS晶體管構(gòu)成的單位像素的傳感器也可以實(shí)現(xiàn)與前述實(shí)施例中通過考慮電位關(guān)系從而反轉(zhuǎn)電位極性相似的優(yōu)點(diǎn)。
在前述實(shí)施例中，將響應(yīng)接收的光產(chǎn)生信號(hào)電荷的含有像素單元的CMOS傳感器用作可以通過地址控制從獨(dú)立單位像素中選擇性讀取信號(hào)的典型固態(tài)成像設(shè)備。不僅響應(yīng)光，而且響應(yīng)任何其他電磁輻射，例如紅外線、紫外線或x-射線，也可以產(chǎn)生信號(hào)電荷。前述實(shí)施例的特征可應(yīng)用于包括多元件單位元件的半導(dǎo)體設(shè)備中，所述多元件單位元件輸出相應(yīng)于接收到的電磁輻射量的模擬信號(hào)。
在前述實(shí)施例中，固態(tài)成像設(shè)備包括含有比較器和計(jì)數(shù)器的A/D轉(zhuǎn)換器(前述實(shí)施例中的列A/D電路)。比較器將相應(yīng)于參考分量和信號(hào)分量的每個(gè)分量的信號(hào)與用于A/D轉(zhuǎn)換的參考信號(hào)進(jìn)行比較。在與比較器中的比較同時(shí)，計(jì)數(shù)器執(zhí)行遞減計(jì)數(shù)模式和遞增計(jì)數(shù)模式之一中的計(jì)數(shù)，并在比較器中的比較結(jié)束時(shí)存儲(chǔ)計(jì)數(shù)值。然而，用于根據(jù)前述實(shí)施例的A/D轉(zhuǎn)換的配置并不局限于固態(tài)成像設(shè)備，而是可應(yīng)用于任何使用A/D轉(zhuǎn)換器將兩個(gè)信號(hào)分量之間的差異信號(hào)分量轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的電子設(shè)備中。
對(duì)于前述實(shí)施例所描述的A/D轉(zhuǎn)換器不必包含到固態(tài)成像設(shè)備或任何其它電子裝置中。例如，A/D轉(zhuǎn)換器可以以集成電路(IC)或A/D轉(zhuǎn)換模塊的形式作為獨(dú)立設(shè)備來提供。
在這種情況下，A/D轉(zhuǎn)換器可包括比較器和計(jì)數(shù)器。作為選擇，A/D轉(zhuǎn)換器可包含在IC或包括獨(dú)立芯片組合的模塊中。在IC中，參考信號(hào)發(fā)生器可安置在與比較器及控制器相同的半導(dǎo)體基底上，該參考信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生用于A/D轉(zhuǎn)換的參考信號(hào)，并將該參考信號(hào)提供給比較器和根據(jù)比較器是對(duì)參考分量進(jìn)行比較還是對(duì)信號(hào)分量進(jìn)行比較來切換計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)模式的控制器。
因此，控制比較器和計(jì)數(shù)器操作所需的功能單元可以被整體操作，使得各部件便于操作和管理。由于A/D轉(zhuǎn)換所需的元件以IC或模塊的形式結(jié)合(或集成)在一起，因此可以簡(jiǎn)單地將固態(tài)成像設(shè)備和電子裝置制造成最終產(chǎn)品。
那些本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解到，在附加的權(quán)利要求或其等價(jià)物的范圍內(nèi)，取決于設(shè)計(jì)需求或其它因素，可出現(xiàn)各種修改、組合、二次組合及變動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，用于將要被處理的模擬信號(hào)的差值信號(hào)分量轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，所述模擬信號(hào)包括參考分量和信號(hào)分量，所述差值信號(hào)分量表示參考分量和信號(hào)分量之差，該方法包括以下步驟通過將相應(yīng)于參考分量和信號(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)進(jìn)行比較執(zhí)行第一處理，在比較的同時(shí)以遞減計(jì)數(shù)模式和遞增計(jì)數(shù)模式之一執(zhí)行計(jì)數(shù)，并在比較結(jié)束時(shí)保持計(jì)數(shù)值；以及通過將相應(yīng)于參考分量和信號(hào)分量中的另一個(gè)分量的信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行比較執(zhí)行第二處理，在比較的同時(shí)以遞減計(jì)數(shù)模式和遞增計(jì)數(shù)模式中的另一種模式執(zhí)行計(jì)數(shù)，并在比較結(jié)束時(shí)保持計(jì)數(shù)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其中在切換遞增-遞減計(jì)數(shù)器的操作模式的同時(shí)，使用遞增-遞減計(jì)數(shù)器執(zhí)行遞減計(jì)數(shù)模式的計(jì)數(shù)和遞增計(jì)數(shù)模式的計(jì)數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其中第二處理中的計(jì)數(shù)從第一處理中保持的計(jì)數(shù)值開始。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其中在對(duì)參考分量執(zhí)行比較和計(jì)數(shù)的情況下，將參考分量或信號(hào)分量與參考分量比較的比較器被復(fù)位到預(yù)定的操作參考值，然后將參考信號(hào)提供給比較器，從而開始對(duì)參考分量進(jìn)行比較和計(jì)數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其中在對(duì)信號(hào)分量執(zhí)行比較和計(jì)數(shù)的情況下，不復(fù)位比較器，并將參考信號(hào)提供給比較器，從而開始對(duì)信號(hào)分量進(jìn)行比較和計(jì)數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其中在第一處理中對(duì)參考分量進(jìn)行比較和計(jì)數(shù)，并且在第二處理中對(duì)信號(hào)分量進(jìn)行比較和計(jì)數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其中以遞減計(jì)數(shù)模式對(duì)參考分量進(jìn)行計(jì)數(shù)，并且以遞增計(jì)數(shù)模式對(duì)信號(hào)分量進(jìn)行計(jì)數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其中參考分量的最大比較周期短于信號(hào)分量的最大比較周期。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其中參考信號(hào)在第一處理和第二處理之間具有相同的變化特征。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其中將在第二處理中為前一個(gè)要處理的信號(hào)保持的計(jì)數(shù)值存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元中，并且當(dāng)對(duì)要處理的當(dāng)前信號(hào)進(jìn)行第一處理和第二處理時(shí)，從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元中并行讀出所述計(jì)數(shù)值。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其中在用于檢測(cè)物理量分布的、包括單位元件矩陣的半導(dǎo)體設(shè)備中，每個(gè)單位元件包括產(chǎn)生相應(yīng)于入射電磁輻射的電荷的電荷發(fā)生器以及單位信號(hào)發(fā)生器，該單位信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生相應(yīng)于電荷發(fā)生器所產(chǎn)生的電荷的單位信號(hào)，將要處理的信號(hào)是由單位信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生并在半導(dǎo)體設(shè)備中的列方向上輸出的模擬單位信號(hào)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其中逐行地獲取由單位信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生并在列方向上輸出的模擬單位信號(hào)，并且逐行地對(duì)每個(gè)單位元件進(jìn)行第一處理和第二處理。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其中參考分量是包含單位信號(hào)噪聲的復(fù)位分量。
14.一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括比較器，用于將相應(yīng)于參考分量和信號(hào)分量的每個(gè)分量的信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行比較；以及計(jì)數(shù)器，用于在比較器進(jìn)行比較的同時(shí)，以遞減計(jì)數(shù)模式和遞增計(jì)數(shù)模式之一執(zhí)行計(jì)數(shù)，并在比較器中的比較結(jié)束時(shí)保持計(jì)數(shù)值。
15.根據(jù)權(quán)利要求14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)，并將該參考信號(hào)提供給比較器。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中計(jì)數(shù)器包括通用計(jì)數(shù)器電路，并可在遞增計(jì)數(shù)模式和遞減計(jì)數(shù)模式之間進(jìn)行切換。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，還包括控制器，用于根據(jù)比較器是針對(duì)參考分量還是針對(duì)信號(hào)分量進(jìn)行比較來切換計(jì)數(shù)器中的計(jì)數(shù)模式。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中控制器使第二處理中的計(jì)數(shù)從第一處理中保持的計(jì)數(shù)值開始。
19.根據(jù)權(quán)利要求14的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中在對(duì)參考分量進(jìn)行比較和計(jì)數(shù)的情況下，將比較器復(fù)位到預(yù)定的操作參考值，然后將參考信號(hào)提供給比較器，從而開始對(duì)參考分量進(jìn)行比較和計(jì)數(shù)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中，在對(duì)信號(hào)分量執(zhí)行比較和計(jì)數(shù)的情況下，不復(fù)位比較器，并將參考信號(hào)提供給比較器，從而開始對(duì)信號(hào)分量進(jìn)行比較和計(jì)數(shù)。
21.根據(jù)權(quán)利要求14的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中比較器包括含有第一晶體管和第二晶體管的差分晶體管對(duì)，第一晶體管具有輸入要處理的信號(hào)的輸入端和一個(gè)輸出端，而第二晶體管具有輸入?yún)⒖夹盘?hào)的輸入端和一個(gè)輸出端，其中第一晶體管和第二晶體管被連接成形成差分對(duì)；以及工作點(diǎn)復(fù)位裝置，在對(duì)參考分量進(jìn)行比較和計(jì)數(shù)的情況下，控制該工作點(diǎn)復(fù)位裝置以使得第一晶體管的輸入端和輸出端暫時(shí)連接，并使第二晶體管的輸入端和輸出端暫時(shí)連接。
22.根據(jù)權(quán)利要求17的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中控制器進(jìn)行控制以使得在第一處理中對(duì)參考分量進(jìn)行比較和計(jì)數(shù)，而在第二處理中對(duì)信號(hào)分量進(jìn)行比較和計(jì)數(shù)。
23.根據(jù)權(quán)利要求17的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中控制器切換計(jì)數(shù)器中的計(jì)數(shù)模式以使得當(dāng)比較器對(duì)參考分量進(jìn)行比較時(shí)計(jì)數(shù)器以遞減計(jì)數(shù)模式執(zhí)行計(jì)數(shù)，而當(dāng)比較器對(duì)信號(hào)分量進(jìn)行比較時(shí)計(jì)數(shù)器以遞增計(jì)數(shù)模式執(zhí)行計(jì)數(shù)。
24.根據(jù)權(quán)利要求15的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中參考信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生參考信號(hào)以使得在第一處理和第二處理之間具有相同的變化特征。
25.根據(jù)權(quán)利要求14的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，還包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，存儲(chǔ)在計(jì)數(shù)器中為前一個(gè)要處理的信號(hào)保持的計(jì)數(shù)值；以及讀取掃描單元，在比較器和計(jì)數(shù)器對(duì)要處理的當(dāng)前信號(hào)進(jìn)行比較和計(jì)數(shù)的同時(shí)，從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元中讀取計(jì)數(shù)值。
26.一種半導(dǎo)體設(shè)備，包括多個(gè)單位元件，每個(gè)單位元件都包括產(chǎn)生相應(yīng)于入射電磁輻射的電荷的電荷發(fā)生器以及一個(gè)單位信號(hào)發(fā)生器，該單位信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生包括參考分量和信號(hào)分量的模擬單位信號(hào)；比較器，用于將相應(yīng)于參考分量和信號(hào)分量的每個(gè)分量的信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行比較；以及計(jì)數(shù)器，用于在比較器進(jìn)行比較的同時(shí)，以遞減計(jì)數(shù)模式和遞增計(jì)數(shù)模式之一執(zhí)行計(jì)數(shù)，并在比較器中的比較結(jié)束時(shí)保持計(jì)數(shù)值。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的半導(dǎo)體設(shè)備，還包括參考信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生用于生成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的參考信號(hào)，并將該參考信號(hào)提供給比較器。
28.根據(jù)權(quán)利要求26的半導(dǎo)體設(shè)備，還包括多個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，每個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括比較器和計(jì)數(shù)器，其中所述多個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器配備在排列有單位元件列的行方向上。
29.根據(jù)權(quán)利要求26的半導(dǎo)體設(shè)備，其中比較器逐行地獲取由單位信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的模擬單位信號(hào)，該模擬單位信號(hào)在列方向上輸出，以及比較器和計(jì)數(shù)器逐行地對(duì)每個(gè)單位元件進(jìn)行比較和計(jì)數(shù)。
30.根據(jù)權(quán)利要求26的半導(dǎo)體設(shè)備，還包括控制器，其根據(jù)比較器是針對(duì)參考分量還是針對(duì)信號(hào)分量進(jìn)行的比較，來切換計(jì)數(shù)器中的計(jì)數(shù)模式。
31.根據(jù)權(quán)利要求26的半導(dǎo)體設(shè)備，其中在對(duì)參考分量進(jìn)行比較和計(jì)數(shù)的情況下，將比較器復(fù)位到預(yù)定的用于讀取參考分量的操作參考值，然后將參考信號(hào)提供給比較器，從而開始對(duì)參考分量進(jìn)行比較和計(jì)數(shù)。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的半導(dǎo)體設(shè)備，其中，在對(duì)信號(hào)分量執(zhí)行比較和計(jì)數(shù)的情況下，不復(fù)位比較器，并將參考信號(hào)提供給比較器，從而開始對(duì)信號(hào)分量進(jìn)行比較和計(jì)數(shù)。
33.根據(jù)權(quán)利要求26的半導(dǎo)體設(shè)備，其中比較器包括含有第一晶體管和第二晶體管的差分晶體管對(duì)，第一晶體管具有輸入要處理的信號(hào)的輸入端和一輸出端，第二晶體管具有輸入?yún)⒖夹盘?hào)的輸入端和一輸出端，其中第一晶體管和第二晶體管被連接成形成差分對(duì)；以及工作點(diǎn)復(fù)位裝置，在對(duì)參考分量進(jìn)行比較和計(jì)數(shù)的情況下，控制該工作點(diǎn)復(fù)位裝置以使得第一晶體管的輸入端和輸出端暫時(shí)連接，并使第二晶體管的輸入端和輸出端暫時(shí)連接。
34.根據(jù)權(quán)利要求26的半導(dǎo)體設(shè)備，其中比較器獲取作為參考分量的包含單位信號(hào)噪聲的復(fù)位分量。
35.根據(jù)權(quán)利要求26的半導(dǎo)體設(shè)備，其中電荷發(fā)生器包括光電轉(zhuǎn)換元件，用于產(chǎn)生相應(yīng)于作為電磁輻射接收的光線的電荷。
36.根據(jù)權(quán)利要求26的半導(dǎo)體設(shè)備，其中單位信號(hào)發(fā)生器包括放大半導(dǎo)體元件。
37.一種電子裝置，包括參考信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生用于將要處理的模擬信號(hào)的差值信號(hào)分量轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的參考信號(hào)，該模擬信號(hào)包括參考分量和信號(hào)分量，該差值信號(hào)分量表示參考分量和信號(hào)分量之間的差值；比較器，用于將相應(yīng)于參考分量和信號(hào)分量的每個(gè)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)進(jìn)行比較；計(jì)數(shù)器，用于在比較器進(jìn)行比較的同時(shí)，以遞減計(jì)數(shù)模式和遞增計(jì)數(shù)模式之一執(zhí)行計(jì)數(shù)，并在比較器中的比較結(jié)束時(shí)保持計(jì)數(shù)值；以及控制器，用于根據(jù)比較器是針對(duì)參考分量還是針對(duì)信號(hào)分量進(jìn)行比較來切換計(jì)數(shù)器中的計(jì)數(shù)模式。
全文摘要
一種模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，用于將一種差值信號(hào)分量轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，所述差值信號(hào)分量表示將要被處理的模擬信號(hào)中的參考分量和信號(hào)分量之差，在第一處理中，將相應(yīng)于參考分量和信號(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)進(jìn)行比較。在比較的同時(shí)以遞減計(jì)數(shù)模式和遞增計(jì)數(shù)模式之一執(zhí)行計(jì)數(shù)，并在比較結(jié)束時(shí)保持計(jì)數(shù)值。在第二處理中，將相應(yīng)于參考分量和信號(hào)分量中的另一個(gè)分量的信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行比較。在比較的同時(shí)以遞減計(jì)數(shù)模式和遞增計(jì)數(shù)模式中的另一種模式執(zhí)行計(jì)數(shù)，并在比較結(jié)束時(shí)保持計(jì)數(shù)值。
文檔編號(hào)H04N5/378GK1783958SQ20051013158
公開日2006年6月7日 申請(qǐng)日期2005年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月8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