專利名稱：模數(shù)轉(zhuǎn)換器、固態(tài)圖像傳感器件以及相機(jī)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能在以CMOS圖像傳感器為代表的固態(tài)圖像傳感器件中使用的模數(shù)轉(zhuǎn) 換器，還涉及固態(tài)圖像傳感器件以及相機(jī)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
對(duì)于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器，可以采用與一般CMOS集成電路 相同的制造工藝。CMOS圖像傳感器可以利用單一電源來驅(qū)動(dòng)。再者，利用CMOS工藝可以將 模擬電路和邏輯電路集成到同一個(gè)芯片中。因此，CMOS圖像傳感器具有多種優(yōu)點(diǎn)，包括有助于減少外圍IC的數(shù)量。至于電荷耦合裝置(CCD)輸出電路，主流CCD輸出電路利用具有浮動(dòng)擴(kuò)散層的浮 動(dòng)擴(kuò)散(FD)放大器在單個(gè)通道上提供輸出。相反，主流CMOS圖像傳感器將FD放大器設(shè)置在各個(gè)像素中，通過在像素陣列中選 擇一個(gè)特定行并同時(shí)在列方向上讀出該行中的像素來提供列并行輸出。由于很難從布置在像素中的FD放大器中獲得充分的驅(qū)動(dòng)能力，因而有必要降低 數(shù)據(jù)速率。從這點(diǎn)上來看，并行處理被認(rèn)為是有利的。針對(duì)將在列并行輸出式CMOS圖像傳感器中采用的像素信號(hào)讀出(輸出)電路，已 經(jīng)提出了各種電路。最先進(jìn)的一種是將模數(shù)轉(zhuǎn)換器(以下簡(jiǎn)稱為ADC)布置在各個(gè)列中，像素信號(hào)以數(shù) 字信號(hào)的形式取得。例如W.Yang 等人所著的"An Integrated 800X600 CMOS ImageSystem”(ISSCC 技術(shù)論文摘要，304-305頁，1999年2月)(非專利文件1)和JP-A-2005-278135 (專利文件 1)已經(jīng)披露了包括ADC的列并行輸出式CMOS圖像傳感器。圖1是示出了包括ADC的列并行固態(tài)圖像傳感器件(CMOS圖像傳感器)的配置示 例的框圖。如圖1所示，固態(tài)圖像傳感器件1包括像素陣列2、垂直掃描電路3、水平傳輸掃描 電路4和作為一組ADC的一組列處理電路5。進(jìn)一步地，固態(tài)圖像傳感器件1包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器(以下簡(jiǎn)稱為DAC)6和放大電路 (S/A)7。像素陣列2具有單位像素21，各個(gè)單位像素21包括以矩陣形式排列的光電二極管 (光電轉(zhuǎn)換器)和像素內(nèi)放大器。該組列處理電路5具有按列排列的復(fù)數(shù)個(gè)列處理電路51，各個(gè)列處理電路用作 ADC。
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各個(gè)列處理電路(ADC)51包括比較器51-1，該比較器將從垂直信號(hào)線上各行中的 像素之一中獲得的模擬信號(hào)與參考電壓Vslop進(jìn)行比較，該參考電壓Vslop是通過階躍地 改變由DAC6產(chǎn)生的參考電壓而獲得的斜坡波(RAMP)。進(jìn)一步地，各個(gè)列處理電路51包括計(jì)數(shù)器51-2以及鎖存器(存儲(chǔ)器)51_3，計(jì)數(shù) 器51-2用于進(jìn)行計(jì)數(shù)以測(cè)量比較器51-1所用的比較時(shí)間，鎖存器(存儲(chǔ)器)51-3用于保 存計(jì)數(shù)結(jié)果。列處理電路51具有n位數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換能力，且布置在各個(gè)垂直信號(hào)線(列 線)8-1 8-n上，借此構(gòu)成列并行ADC塊。存儲(chǔ)器51-3的輸出端連接至位寬度例如為2n的水平傳輸線9。
還設(shè)置有與水平傳輸線9對(duì)應(yīng)排列的2n個(gè)放大電路7。圖2是圖1所示電路的時(shí)序圖。在各個(gè)列處理電路(ADC)51中，由布置在各列中的比較器51-1將讀入垂直信號(hào)線 8的模擬信號(hào)(電位Vsl)與參考電壓Vslop(以特定斜率線性變化的波)進(jìn)行比較。此時(shí)，計(jì)數(shù)器51-2進(jìn)行計(jì)數(shù)，一直到模擬電位Vsl的電平與參考電壓Vslop的電 平交叉，并且使比較器51-1的輸出翻轉(zhuǎn)為止。將垂直信號(hào)線上的電位(模擬信號(hào))Vsl轉(zhuǎn) 換為數(shù)字信號(hào)(進(jìn)行A/D (模數(shù))轉(zhuǎn)換)。針對(duì)一次讀出進(jìn)行兩次A/D轉(zhuǎn)換。在第一次A/D轉(zhuǎn)換期間，將在單位像素21中取得的復(fù)位電平(P相電平)讀入垂 直信號(hào)線8 (任一垂直信號(hào)線8-1 8-n)上，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。P相電平或者復(fù)位電平受像素間的差異的影響。在第二次A/D轉(zhuǎn)換期間，將在各個(gè)單位像素21中進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后的信號(hào)的電平(D 相電平)讀入垂直信號(hào)線8 (任一垂直信號(hào)線8-1 8-n)上，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。D相電平也受像素間的差異的影響。從D相電平中減去P相電平以實(shí)現(xiàn)相關(guān)雙采 樣(CDS)。將轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的信號(hào)記錄在各個(gè)存儲(chǔ)器51-3中。數(shù)字信號(hào)由水平(列)傳 輸掃描電路4順序地從存儲(chǔ)器中通過水平傳輸線9上讀入放大電路7，最后輸出。從而，執(zhí)行列并行輸出處理。然而，具有上述構(gòu)造的固態(tài)圖像傳感器件的缺點(diǎn)是由于進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換處理所用的 時(shí)間太多，所以讀出很耗時(shí)。例如，當(dāng)采用10位計(jì)數(shù)器時(shí)，需要21(1 (1024)個(gè)時(shí)鐘脈沖。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率 增加1位時(shí)，需要211 (2048)個(gè)時(shí)鐘脈沖，即，需要雙倍的時(shí)鐘脈沖。時(shí)鐘脈沖的數(shù)量指數(shù)倍 地增加。因此，由于幀時(shí)間有限，隨著像素?cái)?shù)量的增加，提高A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率變得困難。減少計(jì)數(shù)器的功耗已經(jīng)成為必須克服的問題。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明期望提供一種A/D轉(zhuǎn)換器，其能實(shí)現(xiàn)高比特精度的A/D轉(zhuǎn)換，同時(shí)無 需提高時(shí)鐘頻率或者增加讀出時(shí)間，本發(fā)明還提供一種包含該A/D轉(zhuǎn)換器的固態(tài)圖像傳感器件以及相機(jī)系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例，提供一種A/D轉(zhuǎn)換器，其包括第一比較器，其用于將 輸入信號(hào)與作為具有預(yù)定極性的斜坡波的第一參考信號(hào)進(jìn)行比較，并當(dāng)輸入信號(hào)與所述第 一參考信號(hào)一致時(shí)，翻轉(zhuǎn)第一比較器的輸出信號(hào)；第二比較器，其用于將輸入信號(hào)與作為與 所述第一參考信號(hào)具有不同極性的斜坡波的第二參考信號(hào)進(jìn)行比較，并當(dāng)輸入信號(hào)與所述 第二參考信號(hào)一致時(shí)，翻轉(zhuǎn)第二比較器的輸出信號(hào)；以及計(jì)數(shù)器，其用于進(jìn)行計(jì)數(shù)以測(cè)量所 述第一比較器和所述第二比較器所用的比較時(shí)間。當(dāng)所述第一比較器的輸出信號(hào)和所述第 二比較器的輸出信號(hào)中的任何一個(gè)首先翻轉(zhuǎn)時(shí)，所述計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)操作。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，提供一種固態(tài)圖像傳感器件，其包括進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的 像素陣列，其具有多個(gè)以矩陣形式排列的像素；以及像素信號(hào)讀出電路，其用于以多個(gè)像素 為單位從像素陣列中讀出像素信號(hào)。像素信號(hào)讀出電路對(duì)應(yīng)于像素列各自包括第一比較 器，其用于將輸入信號(hào)與作為具有預(yù)定極性的斜坡波的第一參考信號(hào)進(jìn)行比較，并當(dāng)輸入 信號(hào)與所述第一參考信號(hào)一致時(shí)，翻轉(zhuǎn)第一比較器的輸出信號(hào)；第二比較器，其將輸入信號(hào) 與作為與所述第一參考信號(hào)具有不同極性的斜坡波的第二參考信號(hào)進(jìn)行比較，并當(dāng)輸入信 號(hào)與所述第二參考信號(hào)一致時(shí)，翻轉(zhuǎn)第二比較器的輸出信號(hào)；以及計(jì)數(shù)器，其用于進(jìn)行計(jì)數(shù) 以測(cè)量所述第一比較器和所述第二比較器所用的比較時(shí)間。當(dāng)所述第一比較器的輸出信號(hào) 和所述第二比較器的輸出信號(hào)中的任何一個(gè)首先翻轉(zhuǎn)時(shí)，所述計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)操作。根據(jù)本發(fā)明的再一實(shí)施例，提供一種相機(jī)系統(tǒng)，其包括固態(tài)圖像傳感器件，以及 在所述固態(tài)圖像傳感器件上形成拍攝圖像的光學(xué)系統(tǒng)。固態(tài)圖像傳感器件包括進(jìn)行光電 轉(zhuǎn)換的像素陣列，其具有多個(gè)以矩陣形式排列的像素；以及像素信號(hào)讀出電路，其用于以多 個(gè)像素為單位從像素陣列中讀出像素信號(hào)。像素信號(hào)讀出電路對(duì)應(yīng)于像素列各自包括第 一比較器，其用于將輸入信號(hào)與作為具有預(yù)定極性的斜坡波的第一參考信號(hào)進(jìn)行比較，并 當(dāng)輸入信號(hào)與所述第一參考信號(hào)一致時(shí)，翻轉(zhuǎn)所述第一比較器的輸出信號(hào)；第二比較器，其 將輸入信號(hào)與作為與所述第一參考信號(hào)具有不同極性的斜坡波的第二參考信號(hào)進(jìn)行比較， 并當(dāng)輸入信號(hào)與所述第二參考信號(hào)一致時(shí)，翻轉(zhuǎn)第二比較器的輸出信號(hào)；以及計(jì)數(shù)器，其用 于進(jìn)行計(jì)數(shù)以測(cè)量所述第一比較器和所述第二比較器所用的比較時(shí)間。當(dāng)所述第一比較器 的輸出信號(hào)和所述第二比較器的輸出信號(hào)中的任何一個(gè)首先翻轉(zhuǎn)時(shí)，所述計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù) 操作。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，第一比較器和第二比較器將輸入信號(hào)與第一參考電壓和第 二參考電壓進(jìn)行比較。此時(shí)，計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，一直到模擬輸入信號(hào)的電平與第一或者第二 參考信號(hào)的電平相一致，并且將第一比較器的輸出和第二比較器的輸出中的任何一個(gè)進(jìn)行 翻轉(zhuǎn)為止。首先翻轉(zhuǎn)的比較器的輸出用于將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)(對(duì)模擬輸入信 號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在無需提高時(shí)鐘頻率或者增加讀出時(shí)間的情況下，可以實(shí) 現(xiàn)高比特精度A/D轉(zhuǎn)換。這就減少了高功率輸出所耗的翻轉(zhuǎn)時(shí)間。因此，可以比普通構(gòu)造 以更快的速度完成A/D轉(zhuǎn)換。由于縮短了 A/D轉(zhuǎn)換的執(zhí)行時(shí)間，因此可以減少功耗。


圖1是示出了包括ADC的列并行固態(tài)圖像傳感器件(CMOS圖像傳感器)的配置示 例的框圖；圖2是關(guān)于圖1所示電路的時(shí)序圖；圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例的包括ADC的列并行固態(tài)圖像傳感器件 (CMOS圖像傳感器)的配置示例的框圖；圖4是更具體地示出了如圖3所示的包括ADC的列并行固態(tài)圖像傳感器件(CMOS 圖像傳感器)中包括的一組ADC的框圖；圖5是示出了根據(jù)本實(shí)施例的CMOS圖像傳感器中包括的由四個(gè)晶體管組成的像 素示例的示意圖；圖6是示出了根據(jù)本實(shí)施例的用作DAC的參考電壓產(chǎn)生單元的配置示例的示意圖；圖7是示出了根據(jù)本實(shí)施例的用作DAC的參考電壓產(chǎn)生單元的配置示例的示意 圖；圖8是用于說明在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的固態(tài)圖像傳感器件中進(jìn)行的操作的時(shí) 序圖；圖9是示出了應(yīng)用了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的固態(tài)圖像傳感器件的相機(jī)系統(tǒng)的配 置示例的示意圖。
具體實(shí)施例方式以下將參照附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。按照下列主題順序地加以說明1.固態(tài)圖像傳感器件的整體配置示例2.列ADC的配置示例3. DAC的配置示例4.相機(jī)系統(tǒng)的配置示例圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例的包括ADC的列并行固態(tài)圖像傳感器件 (CMOS圖像傳感器)的配置示例的框圖。圖4是更具體地示出了如圖3所示的包括ADC的列并行固態(tài)圖像傳感器件(CMOS 圖像傳感器)中包括的一組ADC的框圖。1.固態(tài)圖像傳感器件的整體配置示例如圖3和圖4所示，固態(tài)圖像傳感器件100包括用作攝像單元的像素陣列110、 垂直掃描電路120、水平傳輸掃描電路130和時(shí)序控制電路140。進(jìn)一步地，固態(tài)圖像傳感器件100包括作為一組ADC并被用作像素信號(hào)讀出電路 的一組列處理電路150、以及包括DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)161的DAC和偏置電路160。固態(tài)圖像傳感器件100進(jìn)一步包括放大電路(S/A) 170、信號(hào)處理電路180和線存 儲(chǔ)器190。上述部件中，像素陣列110、垂直掃描電路120、水平傳輸掃描電路130、一組列處 理電路150、DAC和偏置電路160、以及放大電路(S/A)170以模擬電路形成。時(shí)序控制電路140、信號(hào)處理電路180和線存儲(chǔ)器190以數(shù)字電路形成。像素陣列110具有復(fù)數(shù)個(gè)單位像素110A，各個(gè)單位像素包括光電二極管(光電轉(zhuǎn)換器)和像素內(nèi)放大器，像素陣列110 二維地(以矩陣形式)排列成m行n列。[單位像素的配置示例]圖5是示出了根據(jù)本實(shí)施例的CMOS圖像傳感器中包括的由四個(gè)晶體管組成的像 素示例的示意圖。單位像素110A包括例如用作光電轉(zhuǎn)換器的光電二極管111。單位像素110A包括相對(duì)于光電二極管111作為有源元件的四個(gè)晶體管，即，用作 傳輸元件的傳輸晶體管112、用作復(fù)位元件的復(fù)位晶體管113、放大晶體管114和選擇晶體 管 115。光電二極管111將入射光光電轉(zhuǎn)換為與光量成正比的電荷(此處為電子)量。傳輸晶體管112連接在光電二極管111和用作輸出節(jié)點(diǎn)的浮動(dòng)擴(kuò)散結(jié)FD之間。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)TG通過傳輸控制線LTx施加于傳輸晶體管112的柵極(傳輸柵極) 時(shí)，傳輸晶體管112將由光電二極管111進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的電子傳輸?shù)礁?dòng)擴(kuò)散結(jié)FD。復(fù)位晶體管113連接在電源線LVDD和浮動(dòng)擴(kuò)散結(jié)FD之間。當(dāng)復(fù)位信號(hào)RST通過復(fù)位控制線LRST施加于復(fù)位晶體管113的柵極時(shí)，復(fù)位晶體 管113將浮動(dòng)擴(kuò)散結(jié)FD處的電位復(fù)位為電源線LVDD上的電位。放大晶體管114的柵極與浮動(dòng)擴(kuò)散結(jié)FD相連。放大晶體管114通過選擇晶體管 115連接在信號(hào)線116上，并與布置在像素陣列外部的恒流源一起形成源極跟隨器。當(dāng)控制信號(hào)(地址信號(hào)或者選擇信號(hào))SEL通過選擇控制線LSEL施加于選擇晶體 管115的柵極時(shí)，選擇晶體管115被導(dǎo)通。當(dāng)導(dǎo)通選擇晶體管115時(shí)，放大晶體管114將浮動(dòng)擴(kuò)散結(jié)FD處的電位放大，并輸 出與該電位相對(duì)應(yīng)的電壓至信號(hào)線116。位于信號(hào)線116上的從像素中輸出的電壓被提供 給用作像素信號(hào)讀出電路的列處理電路150。由于例如傳輸晶體管112、復(fù)位晶體管113和選擇晶體管115的柵極在各行中互相 連接，上述操作在一行的像素上并行地同時(shí)進(jìn)行。在像素陣列110中，復(fù)位控制線LRST、傳輸控制線LTx和選擇控制線LSEL作為一 組線鋪設(shè)在像素陣列的各行中。復(fù)位控制線LRST、傳輸控制線LTx和選擇控制線LSEL由用作像素驅(qū)動(dòng)單元的垂直 掃描電路120驅(qū)動(dòng)。在固態(tài)圖像傳感器件100中，設(shè)置有產(chǎn)生內(nèi)部時(shí)鐘并用作從像素陣列110中順序 地讀出信號(hào)的控制電路的時(shí)序控制電路140、控制行地址和行掃描的垂直掃描電路120、以 及控制列地址和列掃描的水平傳輸掃描電路130。時(shí)序控制電路140產(chǎn)生由像素陣列110、垂直掃描電路120、水平傳輸掃描電路 130、列處理電路150、DAC和偏置電路160、信號(hào)處理電路180和線存儲(chǔ)器190進(jìn)行的多種 信號(hào)處理所必需的時(shí)序信號(hào)。在像素陣列110中，通過由使用線快門(line shutter)而實(shí)現(xiàn)的光子累積和釋 放，對(duì)畫面或者屏幕圖像以像素行為單位進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。將模擬信號(hào)VSL輸出至屬于一組 列處理電路150的各個(gè)列處理電路151。2.列ADC的配置示例該組列處理電路150具有作為ADC塊的并列的復(fù)數(shù)個(gè)列處理電路151。
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S卩，該組列處理電路150具有n位數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換能力，且布置在各條垂直信號(hào)線 (列線)116-1 116-n上。因此，形成列并行ADC塊。各個(gè)列處理電路151包括第一比較器152-1和第二比較器152-2，這兩個(gè)比較器用 于將一個(gè)從垂直信號(hào)線116上的像素中獲得的模擬信號(hào)(電位VSL)與極性彼此不同的第 一參考電壓Vslopl和第二參考電壓Vslop2進(jìn)行比較。極性互不相同的第一參考電壓Vslopl和第二參考電壓Vslop2生成為斜坡波，它 們以特定斜率線性變化，并且由DAC161產(chǎn)生。再者，各個(gè)列處理電路151包括進(jìn)行計(jì)數(shù)以測(cè)量第一比較器152-1或者第二比較 器152-2所用的比較時(shí)間的計(jì)數(shù)器153，以及保存計(jì)數(shù)器153的計(jì)數(shù)結(jié)果的鎖存器(存儲(chǔ) 器)154。當(dāng)模擬電位VSL的電平與第一參考電壓Vslopl的電平交叉時(shí)，第一比較器152-1 翻轉(zhuǎn)其輸出信號(hào)SCMP1。當(dāng)模擬電位VSL的電平與第二參考電壓Vslop2的電平交叉時(shí)，第二比較器152-2 翻轉(zhuǎn)其輸出信號(hào)SCMP2。計(jì)數(shù)器153與例如時(shí)鐘CLK同步地進(jìn)行計(jì)數(shù)操作。當(dāng)?shù)谝槐容^器152_1的輸出信 號(hào)SCMP1和第二比較器152-2的輸出信號(hào)SCMP2中的任何一個(gè)被首先翻轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)數(shù)器153 停止計(jì)數(shù)操作。第一參考電壓Vslopl或者第二參考電壓Vslop2的變化被轉(zhuǎn)換為時(shí)間上的變化。 列處理電路151對(duì)特定周期(時(shí)鐘脈沖)被重復(fù)的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，于是將時(shí)間轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。當(dāng)模擬信號(hào)VSL與參考電壓Vslopl或Vslop2交叉時(shí)，比較器的任何一個(gè)輸出首 先翻轉(zhuǎn)。停止向計(jì)數(shù)器153輸入時(shí)鐘，或者向計(jì)數(shù)器153輸入被停止輸入的時(shí)鐘。然后完 成A/D轉(zhuǎn)換。鎖存器154的輸出連接至位寬度為2n位的水平傳輸線LTRF。還設(shè)置有與水平傳輸線LTRF對(duì)應(yīng)設(shè)置的2n個(gè)放大電路170以及信號(hào)處理電路 180。如上所述，在根據(jù)本實(shí)施例的列ADC中，兩個(gè)參考電壓Vslopl和Vslop2用于從像 素輸出的一個(gè)模擬信號(hào)VSL。當(dāng)兩個(gè)比較器152-1和152-2的任何一個(gè)輸出首先翻轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì) 數(shù)操作就終止，并且執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換。因此，在根據(jù)本實(shí)施例的列ADC中，高功率輸出所耗的翻轉(zhuǎn)時(shí)間縮短了。與普通結(jié) 構(gòu)相比，可以高速實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。由于縮短了 A/D轉(zhuǎn)換的執(zhí)行時(shí)間，所以可以減小功耗。此外，在無需提高時(shí)鐘頻率或者增加讀出時(shí)間的情況下，可以實(shí)現(xiàn)高比特精度A/D 轉(zhuǎn)換。 A/D轉(zhuǎn)換時(shí)段結(jié)束之后，保存在鎖存器153中的數(shù)據(jù)項(xiàng)由水平傳輸掃描電路130在 水平傳輸線LTRF上傳輸，并通過放大電路170輸入至信號(hào)處理電路180。通過執(zhí)行預(yù)定的 信號(hào)處理來產(chǎn)生二維圖像。 水平傳輸掃描電路130對(duì)幾個(gè)通道上的信號(hào)執(zhí)行同時(shí)的并行傳輸，以實(shí)現(xiàn)保證傳 輸速率的目的。
時(shí)序控制電路140產(chǎn)生由包括像素陣列110和一組列處理電路150在內(nèi)的各個(gè)單 元所執(zhí)行的多種信號(hào)處理所必需的時(shí)序信號(hào)。信號(hào)處理電路180在隨后的階段利用線存儲(chǔ)器190中存儲(chǔ)的信號(hào)來補(bǔ)償缺失的垂 直線或者缺失的點(diǎn)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行箝位處理，并執(zhí)行比如并串轉(zhuǎn)換、壓縮、編碼、相加、平均或 者間歇操作等數(shù)字信號(hào)處理。在線存儲(chǔ)器190中存儲(chǔ)有以像素行為單位進(jìn)行傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)。在本實(shí)施例的固態(tài)圖像傳感器件100中，信號(hào)處理電路180的數(shù)字輸出被作為ISP 或者基帶LSI的輸入而傳輸。作為用于讀出CMOS圖像傳感器中的像素信號(hào)的技術(shù)，已知一種方法，該方法對(duì)例 如由光電二極管等光電轉(zhuǎn)換器從光信號(hào)中產(chǎn)生的信號(hào)電荷進(jìn)行臨時(shí)采樣，并通過位于附近 的M0S開關(guān)將其讀入電容器。在采樣電路中，產(chǎn)生了與采樣電容器的電容負(fù)相關(guān)的噪聲。在像素中，當(dāng)信號(hào)電荷 被傳輸至該采樣電容器時(shí)，利用電位梯度充分地傳輸該信號(hào)電荷。因此，在采樣過程中不會(huì) 產(chǎn)生噪聲。然而，當(dāng)前述電容器處的電壓電平被復(fù)位為基準(zhǔn)值時(shí)，噪聲出現(xiàn)了。作為消除噪聲的技術(shù)，采用了相關(guān)雙采樣(CDS)方法。這是一種在緊接著上述采樣的狀態(tài)下讀出和存儲(chǔ)信號(hào)電荷(復(fù)位電平)，讀出已 采樣的信號(hào)電平以及執(zhí)行減法以消除噪聲的技術(shù)。3. DAC的配置示例接下來將描述產(chǎn)生極性互不相同的第一參考電壓Vslopl和第二參考電壓Vslop2 的DAC161的配置示例。圖6和圖7是示出了作為本實(shí)施例所采用的DAC的參考電壓產(chǎn)生單元的配置示例 的示意圖。如圖6和圖7所示的參考電壓產(chǎn)生單元200包括復(fù)數(shù)(n)個(gè)單元塊210-1 210-n、第一節(jié)點(diǎn)ND201、第二節(jié)點(diǎn)ND202、第一斜坡波輸出端T01以及第二斜坡波輸出端 T02。而且，參考電壓產(chǎn)生單元200包括第一斜坡波電阻元件R201、第二斜坡波電阻元 件R202和開關(guān)SW201 SW204。參考電壓產(chǎn)生單元200是能產(chǎn)生極性互不相同的第一參考電壓Vslopl和第二參 考電壓Vslop2的電路。第一參考電壓Vslopl和第二參考電壓Vslop2是以特定斜率線性變化的斜坡波。提到第一和第二參考電壓具有互不相同的極性，是指作為斜坡波的第一參考電壓 Vslopl和第二參考電壓Vslop2的斜率為正和負(fù)或者相互相反(翻轉(zhuǎn))(彼此垂直相反)， 并大體上垂直對(duì)稱。換句話說，參考電壓產(chǎn)生單元200產(chǎn)生第二參考電壓Vslop2以及第一參考電壓 Vslopl，該第二參考電壓Vslop2的斜率和作為斜坡波的第一參考電壓Vslopl的基準(zhǔn)電壓 的斜率垂直相反。當(dāng)讀出P相電平時(shí)，參考電壓產(chǎn)生單元200只產(chǎn)生第一參考電壓Vslopl。當(dāng)讀出 D相電平時(shí)，參考電壓產(chǎn)生單元200產(chǎn)生第一參考電壓Vslopl和第二參考電壓Vslop2。參考電壓產(chǎn)生單元200具有與所需比特?cái)?shù)具有相同數(shù)量的并列單元塊，并連接至第一節(jié)點(diǎn)ND201和第二節(jié)點(diǎn)ND202。
單元塊210-1 210-n具有相同的配置。單元塊210包括與電源VDD和斜坡波選擇開關(guān)212相連接的電流源211。斜坡波選擇開關(guān)212包括第一斜坡波選擇開關(guān)213和第二斜坡波選擇開關(guān)214。第一斜坡波選擇開關(guān)213的端子a連接至電流源211，其端子b連接至第一節(jié)點(diǎn) ND201。第二斜坡波選擇開關(guān)214的端子a連接至電流源211，其端子b連接至第二節(jié)點(diǎn) ND202。開關(guān)SW201將其端子a連接至第一斜坡波電阻元件R201的一端，將其端子b連接 至第一節(jié)點(diǎn)ND201。第一斜坡波電阻元件R201的另一端接地。開關(guān)SW202將其端子a連接至第二斜坡波電阻元件R202的一端，將其端子b連接 至第二節(jié)點(diǎn)ND202。第二斜坡波電阻元件R202的另一端接地。開關(guān)SW203將其端子a接地，將其端子b連接至第一節(jié)點(diǎn)ND201。開關(guān)SW204將其端子a接地，將其端子b連接至第二節(jié)點(diǎn)ND202。第一節(jié)點(diǎn)ND201連接至第一斜坡波輸出端T01，第二節(jié)點(diǎn)ND202連接至第二斜坡波 輸出端T02。在參考電壓產(chǎn)生單元200中，當(dāng)輸出第一參考電壓Vslopl時(shí)，如圖6所示，將單元 塊210-1 210-n的第一斜坡波開關(guān)213接通。單元塊210-1 210-n的第一斜坡波開關(guān)213被順序地關(guān)斷，例如，首先與計(jì)數(shù)器 時(shí)鐘同步地使單元塊210-1的第一斜坡波開關(guān)213關(guān)斷。于是，流入第一斜坡波電阻元件 201的電流逐漸減少。由此產(chǎn)生第一參考電壓Vslopl，第一參考電壓Vslopl是一個(gè)大體上例如從電源 電位電平線性地下降到接地電位的斜坡波(ramp wave)。在參考電壓產(chǎn)生單元200中，當(dāng)輸出第二參考電壓Vslop2時(shí)，如圖6所示，將單元 塊210-1 210-n的第二斜坡波開關(guān)214提前關(guān)斷。將單元塊210-1 210-n的第二斜坡波開關(guān)214順序地接通，例如，首先與計(jì)數(shù)器 時(shí)鐘同步地將單元塊210-1的第二斜坡波開關(guān)214接通，以逐漸增加流入第二斜坡波電阻 元件202的電流。由此產(chǎn)生第二參考電壓Vslop2，第二參考電壓Vslop2是一個(gè)大體上例如從接地 電位線性地上升到電源電位電平的斜坡波(ramp wave)。為了在P相電平的讀出期間只產(chǎn)生第一參考電壓Vslopl，如圖7所示，將開關(guān) SW201和SW204接通，而將開關(guān)SW202和SW203關(guān)斷。為了復(fù)位第一參考電壓Vslopl和第二參考電壓Vslop2，將開關(guān)SW201和SW202關(guān) 斷，而將開關(guān)SW203和SW204接通。如上所述，必須準(zhǔn)備從DAC輸出的極性相反的斜坡波。從電路方面來說，DAC輸出 斜坡波是很容易的。接下來，將依照?qǐng)D8所示的時(shí)序圖描述上述部件中執(zhí)行的操作。當(dāng)讀出P相電平時(shí)，由作為DAC161的參考電壓產(chǎn)生單元200只產(chǎn)生第一參考電壓 Vslopl ο
在各個(gè)列處理電路(ADC) 151中，由布置在各列中的第一比較器152-1將讀入垂直 信號(hào)線116上的模擬信號(hào)電位VSL與第一參考電壓Vslopl(以特定斜率線性變化的斜坡 波)進(jìn)行比較。此時(shí)，計(jì)數(shù)器153進(jìn)行計(jì)數(shù)，一直到模擬電位VSL的電平與第一參考電壓Vslopl 的電平交叉，并且比較器152-1的輸出翻轉(zhuǎn)為止。垂直信號(hào)線116上的電位(模擬信號(hào)) VSL被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)(進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換)。針對(duì)一次讀出進(jìn)行兩次A/D轉(zhuǎn)換。在第一次A/D轉(zhuǎn)換期間，將在單位像素110A中取得的復(fù)位電平(P相電平)讀入 垂直信號(hào)線116 (任一垂直信號(hào)線116-1 116-n)上，并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。復(fù)位電平或者P相電平受像素間的差異的影響。在第二次A/D轉(zhuǎn)換期間，將由單位像素110A進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后的信號(hào)(D相電平) 讀入垂直信號(hào)線116 (任一垂直信號(hào)線116-1 116-n)上，并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。當(dāng)讀出D相電平時(shí)，由參考電壓產(chǎn)生單元200產(chǎn)生第二參考電壓Vslop2以及第一 參考電壓Vslopl，該第二參考電壓Vslop2的斜率與作為斜坡波的第一參考電壓Vslopl的 基準(zhǔn)電壓的斜率垂直相反。在各個(gè)列處理電路(ADC) 151中，由布置在各列中的第一比較器152-1和第二比較 器152-2將讀入垂直信號(hào)線116上的模擬信號(hào)電位VSL與第一參考電壓Vslopl和第二參 考電壓Vslop2進(jìn)行比較。此時(shí)，計(jì)數(shù)器153進(jìn)行計(jì)數(shù)，一直到模擬電位VSL的電平與第一參考電壓Vslopl 或者第二參考電壓Vslop2的電平交叉，并且第一比較器152-1和第二比較器152-2的任何 一個(gè)輸出翻轉(zhuǎn)為止。當(dāng)讀出D相電平時(shí)，首先翻轉(zhuǎn)的比較器的輸出用于將垂直信號(hào)線116上的電位 (模擬信號(hào))VSL轉(zhuǎn)換(A/D轉(zhuǎn)換)為數(shù)字信號(hào)。例如，當(dāng)垂直信號(hào)線116上的模擬信號(hào)電位VSL為低功率輸出(來自P相電平的 變化有限)時(shí)，被輸入第一參考電壓Vslopl的第一比較器152-1的輸出信號(hào)用于執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換。當(dāng)模擬信號(hào)電位VSL為高功率輸出(來自P相電平的變化較大)時(shí)，被輸入第二 參考電壓Vslop2的第二比較器152-2的輸出信號(hào)用于執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換。由于上述操作，當(dāng)使用第二參考電壓Vslop2時(shí)，計(jì)數(shù)值被轉(zhuǎn)換為與計(jì)數(shù)值的上限 的差值。與普通電路相比，可以大大縮短翻轉(zhuǎn)時(shí)間。隨著P相電平轉(zhuǎn)換和D相電平轉(zhuǎn)換，通過執(zhí)行從D相電平中減去P相電平來實(shí)現(xiàn) 相關(guān)雙采樣(⑶S)。數(shù)字化信號(hào)被記錄在鎖存器(存儲(chǔ)器)154中，隨后被水平(列)傳輸掃描電路 130通過水平傳輸線LTRF順序地讀入放大電路170，最終被輸出。如上所述，執(zhí)行列并行輸出處理。根據(jù)目前所描述的，本實(shí)施例的固態(tài)圖像傳感器件包括進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的像素陣 列110，其具有多個(gè)以矩陣形式排列的像素；以及像素信號(hào)讀出電路(列處理電路組或ADC 組)150，其以行為單位從像素陣列100中讀出數(shù)據(jù)項(xiàng)。固態(tài)圖像傳感器件100包括參考電壓產(chǎn)生單元200，其是能產(chǎn)生具有不同極性的
12第一參考電壓Vslopl和第二參考電壓Vslop2的電路。每組列處理電路150包括第一比較器152-1和第二比較器152-2，它們用于將一個(gè) 通過垂直信號(hào)線116從各個(gè)像素中獲得的模擬信號(hào)(電位VSL)與具有不同極性的第一參 考電壓Vslopl和第二參考電壓Vslop2中的任何一個(gè)進(jìn)行比較。進(jìn)一步地，各個(gè)列處理電路151包括進(jìn)行計(jì)數(shù)以測(cè)量第一比較器152-1或者第二 比較器152-2所用的比較時(shí)間的計(jì)數(shù)器153，還包括保存計(jì)數(shù)器153的計(jì)數(shù)結(jié)果的鎖存器 (存儲(chǔ)器)154。因此，本實(shí)施例可以提供如下優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)本實(shí)施例，可以縮短高功率輸出所耗的翻轉(zhuǎn)時(shí)間。與普通構(gòu)造相比，可以高速 執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換。由于可以縮短A/D轉(zhuǎn)換的執(zhí)行時(shí)間，所以可以減小功耗。此外，在無需提高時(shí)鐘頻率或者增加讀出時(shí)間的情況下，可以實(shí)現(xiàn)高比特精度A/D 轉(zhuǎn)換。必須準(zhǔn)備從DAC輸出的極性翻轉(zhuǎn)的斜坡波。從電路方面來說，DAC輸出斜坡波是 很容易的。具有上述優(yōu)點(diǎn)的固態(tài)圖像傳感器件可以被用作包含在數(shù)碼相機(jī)或者攝像機(jī)中的 圖像傳感裝置。4.相機(jī)系統(tǒng)的配置示例圖9是示出了應(yīng)用了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的固態(tài)圖像傳感器件的相機(jī)系統(tǒng)的配 置示例的示意圖。如圖9所示，相機(jī)系統(tǒng)300包括采用了根據(jù)本實(shí)施例的固態(tài)圖像傳感器件100的 圖像傳感裝置310。相機(jī)系統(tǒng)300包括將入射光(圖像光)引入到圖像平面的透鏡320，透鏡320是將 入射光引入圖像傳感裝置310的像素區(qū)域的光學(xué)系統(tǒng)(形成拍攝圖像)。進(jìn)一步地，相機(jī)系統(tǒng)300包括驅(qū)動(dòng)圖像傳感裝置310的驅(qū)動(dòng)電路(DRV) 330和處理 圖像傳感裝置310的輸出信號(hào)的信號(hào)處理電路(PRC) 340。驅(qū)動(dòng)電路330包括產(chǎn)生多種時(shí)序信號(hào)并以預(yù)定的時(shí)序信號(hào)驅(qū)動(dòng)圖像傳感裝置310 的時(shí)序發(fā)生器(未標(biāo)示)，該多種時(shí)序信號(hào)包括啟動(dòng)脈沖和時(shí)鐘脈沖，該啟動(dòng)脈沖用于驅(qū)動(dòng) 包括在圖像傳感裝置310中的電路。信號(hào)處理電路340對(duì)圖像傳感裝置310的輸出信號(hào)執(zhí)行預(yù)定的信號(hào)處理。將由信號(hào)處理電路340處理的圖像信號(hào)記錄在例如存儲(chǔ)器等記錄介質(zhì)中。記錄在 記錄介質(zhì)中的圖像信息作為硬拷貝從打印機(jī)等裝置中輸出。將由信號(hào)處理電路340處理的 圖像信號(hào)在由液晶顯示器等實(shí)現(xiàn)的監(jiān)視器上形象化 為運(yùn)動(dòng)圖片。如上所述，上述固態(tài)圖像傳感器件100作為圖像傳感裝置310合并在比如數(shù)字靜 物相機(jī)等攝像設(shè)備中，從而可以實(shí)現(xiàn)高精度相機(jī)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白，在不脫離所附權(quán)利要求及其等同方案的范圍內(nèi)，根 據(jù)設(shè)計(jì)需要和其它因素可出現(xiàn)各種變化、組合、子組合和替代。
權(quán)利要求
一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其包括第一比較器，其用于將輸入信號(hào)與作為具有預(yù)定極性的斜坡波的第一參考信號(hào)進(jìn)行比較，并當(dāng)所述輸入信號(hào)與所述第一參考信號(hào)一致時(shí)，翻轉(zhuǎn)所述第一比較器的輸出信號(hào)；第二比較器，其用于將所述輸入信號(hào)與作為與所述第一參考信號(hào)具有不同極性的斜坡波的第二參考信號(hào)進(jìn)行比較，并當(dāng)所述輸入信號(hào)與所述第二參考信號(hào)一致時(shí)，翻轉(zhuǎn)所述第二比較器的輸出信號(hào)；以及計(jì)數(shù)器，其用于進(jìn)行計(jì)數(shù)以測(cè)量所述第一比較器和所述第二比較器所用的比較時(shí)間，其中，當(dāng)所述第一比較器的輸出信號(hào)和所述第二比較器的輸出信號(hào)中的任何一個(gè)首先翻轉(zhuǎn)時(shí)，所述計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)操作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中，所述第二參考電壓產(chǎn)生為斜率與作為斜 坡波的所述第一參考電壓的基準(zhǔn)電壓的斜率垂直相反的斜坡波。
3.一種固態(tài)圖像傳感器件，其包括用于執(zhí)行光電轉(zhuǎn)換的像素陣列，其具有多個(gè)以矩陣形式排列的像素；以及 像素信號(hào)讀出電路，其用于以多個(gè)像素為單位從所述像素陣列中讀出像素信號(hào)，其中， 所述像素信號(hào)讀出電路對(duì)應(yīng)于像素列各自包括第一比較器，其用于將輸入信號(hào)與作為具有預(yù)定極性的斜坡波的第一參考信號(hào)進(jìn)行比 較，并當(dāng)所述輸入信號(hào)與所述第一參考信號(hào)一致時(shí)，翻轉(zhuǎn)所述第一比較器的輸出信號(hào)；第二比較器，其用于將所述輸入信號(hào)與作為與所述第一參考信號(hào)具有不同極性的斜坡 波的第二參考信號(hào)進(jìn)行比較，并當(dāng)所述輸入信號(hào)與所述第二參考信號(hào)一致時(shí)，翻轉(zhuǎn)所述第 二比較器的輸出信號(hào)；以及計(jì)數(shù)器，其用于進(jìn)行計(jì)數(shù)以測(cè)量所述第一比較器和所述第二比較器所用的比較時(shí)間，并且當(dāng)所述第一比較器的輸出信號(hào)和所述第二比較器的輸出信號(hào)中的任何一個(gè)首先翻轉(zhuǎn) 時(shí)，所述計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)操作。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固態(tài)圖像傳感器件，進(jìn)一步包括參考電壓產(chǎn)生單元，其用于 產(chǎn)生所述第二參考電壓以及所述第一參考電壓，所述第二參考電壓的斜率與作為斜坡波的 第一參考電壓的基準(zhǔn)電壓的斜率垂直相反。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的固態(tài)圖像傳感器件，其中，在對(duì)像素中獲得的復(fù)位電平進(jìn)行 讀出的P相電平處理期間，所述參考電壓產(chǎn)生單元產(chǎn)生所述第一參考電壓；并且在對(duì)光電轉(zhuǎn)換后的信號(hào)電平進(jìn)行讀出的D相電平處理期間，所述參考電壓產(chǎn)生單元產(chǎn) 生所述第一參考電壓和所述第二參考電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求3 5任一項(xiàng)所述的固態(tài)圖像傳感器件，其中，各個(gè)所述像素包括 輸出節(jié)點(diǎn)；光電轉(zhuǎn)換器，其用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并累積信號(hào)電荷； 傳輸元件，其通過驅(qū)動(dòng)信號(hào)被接通或關(guān)斷，當(dāng)其被接通時(shí)，其將所述光電轉(zhuǎn)換器中的電 荷傳輸?shù)剿鲚敵龉?jié)點(diǎn)；以及復(fù)位元件，其通過復(fù)位信號(hào)使所述輸出節(jié)點(diǎn)復(fù)位。
7.一種相機(jī)系統(tǒng)，其包括固態(tài)圖像傳感器件；以及光學(xué)系統(tǒng)，其用于在所述固態(tài)圖像傳感器件上形成拍攝圖像，其中， 所述固態(tài)圖像傳感器件包括進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的像素陣列，其具有多個(gè)以矩陣形式排列的像素；以及 像素信號(hào)讀出電路，其用于以多個(gè)像素為單位從所述像素陣列中讀出像素信號(hào)，其中 所述像素信號(hào)讀出電路對(duì)應(yīng)于像素列各自包括第一比較器，其用于將輸入信號(hào)與作為具有預(yù)定極性的斜坡波的第一參考信號(hào)進(jìn)行比 較，并當(dāng)所述輸入信號(hào)與所述第一參考信號(hào)一致時(shí)，翻轉(zhuǎn)所述第一比較器的輸出信號(hào)；第二比較器，其用于將所述輸入信號(hào)與作為與所述第一參考信號(hào)具有不同極性的斜坡 波的第二參考信號(hào)進(jìn)行比較，并當(dāng)所述輸入信號(hào)與所述第二參考信號(hào)一致時(shí)，翻轉(zhuǎn)所述第 二比較器的輸出信號(hào)；以及計(jì)數(shù)器，其用于進(jìn)行計(jì)數(shù)以測(cè)量所述第一比較器和所述第二比較器所用的比較時(shí)間，并且當(dāng)所述第一比較器的輸出信號(hào)和所述第二比較器的輸出信號(hào)中的任何一個(gè)首先翻轉(zhuǎn) 時(shí)，所述計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)操作。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器、固態(tài)圖像傳感器件以及相機(jī)系統(tǒng)，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括第一比較器，其將輸入信號(hào)與作為具有預(yù)定極性的斜坡波的第一參考信號(hào)進(jìn)行比較，并當(dāng)輸入信號(hào)與第一參考信號(hào)一致時(shí)，翻轉(zhuǎn)其輸出信號(hào)；第二比較器，其將輸入信號(hào)與作為與第一參考信號(hào)具有不同極性的斜坡波的第二參考信號(hào)進(jìn)行比較，并當(dāng)輸入信號(hào)與第二參考信號(hào)一致時(shí)，翻轉(zhuǎn)其輸出信號(hào)；以及計(jì)數(shù)器，其用于進(jìn)行計(jì)數(shù)以測(cè)量第一比較器和第二比較器所用的比較時(shí)間，其中當(dāng)?shù)谝槐容^器的輸出信號(hào)和第二比較器的輸出信號(hào)中的任何一個(gè)首先翻轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)操作。本發(fā)明由于縮短了A/D轉(zhuǎn)換的執(zhí)行時(shí)間，因此可以減少功耗。
文檔編號(hào)H04N5/378GK101867687SQ20101014078
公開日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2010年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月14日
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