CN100594715C - Cmos图像传感器的列模数转换器及二次采样方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于在CMOS图像传感器(CIS)中避免太阳黑效应的模数(ADC)电路。该ADC电路包括：具有信号电压输入端口和参考电压输入端口的比较器，其在重置采样时段将从多个CIS像素中的一个输出的重置电压与参考电压进行比较，并当所述重置电压低于所述参考电压时输出溢出传感信号；以及将所述比较器的输出转换成数字数据的数字比较器，其中该数字比较器包括第一锁存器，当在重置采样时段的第一部分中比较器输出溢出传感信号时，该第一锁存器存储该溢出信号，并响应于该溢出传感信号，在信号采样时段中输出指示溢出的标志信号。

Description

CMOS图像传感器的列模数转换器及二次采样方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2005年1月28日向韩国知识产权局提交的申请号为10-2005-0007983的韩国专利申请的优先权，其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及CMOS图像传感器(CIS)，尤其涉及用于通过使用二次采样技术将从CIS的像素输出的模拟信号转换成数字数据的模数转换器(ADC)。
背景技术
由于CIS工作在低电压下并且比电荷耦合器件(CCD)耗电少，因此在诸如数码相机、可视蜂窝式(cell)电话和手持扫描仪的依赖于电池的便携式应用中得到了越来越多的使用。
然而，当使用CIS产生图像时，有可能发生太阳黑(sun black)效应。太阳黑效应是在拍摄高照度(high illumination)下的人或诸如太阳的物体时由于像素之中的电荷溢出而导致的与太阳黑子类似的现象，在这种现象中，图像中应该被显示为明亮的部分被显示成了黑暗的。
具体来说，当高照度下的辐射强度超过像素的动态范围时发生太阳黑效应。换句话说，当由于重置电平低于正常电平而导致CIS中的主动式像素(active pixel)传感器(APS)的重置电平和信号电平之间的差减少时发生太阳黑效应。
图1示出了用于CIS电路的传统列ADC电路。
如图1所示，该列ADC电路通过二次采样将与从CIS电路中的APS输出的光电荷(photo charge)相对应的模拟电压转换成数字数据。
二次采样由用于对APS的重置电压进行采样的重置采样和用于对APS的信号电压进行采样的信号采样构成。通过二次采样产生的电压差随后被转换成数字数据。
图1的列ADC电路包括：由第一控制信号S1控制的、位于APS的输出端口和第一节点17之间的第一开关SW1；由第二控制信号S2控制的、位于CIS的斜坡(ramp)发生器的输出端口和第二电容器C1之间的第二开关SW2；连接在第一节点17和比较器11的第一输入端口19之间的第一电容器C0；以及连接在第一节点17和第二开关SW2之间的第二电容器C1。
该列ADC电路还包括比较器11、反相器(inverter)13和数字转换器15。比较器11具有用于接收从APS输出的电压的第一输入端口19和用于接收参考电压Vref的第二输入端口，并且比较器11将从第一输入端口19输入的光信号电压与参考电压Vref进行比较，并输出该比较的结果；反相器13用于将从比较器11输出的信号反向放大；而数字转换器15用于将从反相器13输出的模拟信号转换成数字数据。
该列ADC电路还包括连接在比较器11的第一输入端口19和输出端口之间并且由第三控制信号S3控制的第三开关SW3，和与反相器13并行连接并且由第四控制信号S4控制的第四开关SW4。
数字转换器15包括多个串联连接的锁存器，用于对应于在正常操作期间检测的信号电平对时钟进行计数，并基于该计数的值将该信号电平转换成数字数据。
图2示出了用于驱动图1所示的列ADC电路的波形以及图1中的列ADC电路的内部节点的电压电平。
现在参照图1和图2，当列ADC电路工作时，控制信号S1、S2、S3和S4在重置采样时段中变成逻辑高，并且它们对应的开关SW1、SW2、SW3和SW4被接通。
然后，比较器11和反相器13具有反馈结构。从APS输出的重置电压被存储在第一电容器C0中，并且从斜坡发生器输出的斜坡电压被存储在第二电容器C1中。因此，第一节点17的电压Vp变成从APS输出的重置电压的电平。
随后，在信号采样时段中，将与从APS输出的光电荷相对应的信号电压传输到第一节点17。如图2所示，由于该信号电压被降低以便与所述光电荷相对应，因此从第一节点17输出的重置电压和该信号电压之间产生了电压差21。类似地，从第二节点19输出的重置电压与该信号电压之间的电压差23对应于第一节点17的电压差21。
如图2所示，当处于正常照度下时，第一节点17的电压Vp和第二节点19的电压Vin如实线所示的那样工作，从而显示了和入射的辐射强度成比例的电压差。如图2进一步所示，当处于高照度下时，电压Vp和Vin如虚线所示的那样工作，从而显示了小于实际入射的辐射强度的电压差。
换句话说，当电压Vp和Vin是图2所示的虚线时，在重置采样期间，由于APS的溢出导致重置电压输出低于正常的重置电压。因此，由于在信号采样期间的信号电压和重置电压之间的电压差22和24低于正常电平，因此发生了太阳黑效应。
图3示出了用于CIS电路的另一个传统的列ADC电路。
除二极管31外，图3的列ADC电路包括与图1的列ADC电路相同或类似的部件，因此省略对重复的部件的描述。
如图3所示，即使当APS中产生溢出时，也可以通过将二极管31添加到APS的输出端口来维持重置电压，从而避免了太阳黑效应。
然而，在图3的列ADC电路中，由于当二极管31的输入电压Vclamp低时可以产生固定模式噪声(FPN，fixed pattern noise)，因此不应当执行二次采样。此外，当输入电压Vclamp高时可能产生太阳黑效应。而且，由于输入电压Vclamp的变动，可能导致图像传感错误。
因此存在对于一种用于CIS的列ADC电路的需求，所述列ADC电路能够进行二次采样，同时当在CIS的APS中产生溢出时能避免重置电压的降低。
发明内容
本发明提供了一种列ADC电路和一种二次采样方法，其能够在高照度下在CIS中的APS中产生溢出时避免太阳黑效应。
根据本发明的一个方面，提供了一种CIS中的列ADC电路。该列ADC电路包括：具有信号电压输入端口和参考电压输入端口的比较器，其在重置采样时段中将从多个CIS像素之一输出的重置电压与参考电压进行比较，并在该重置电压低于参考电压时输出溢出传感信号；以及数字转换器，其将比较器的输出转换成数字数据，其中该数字转换器包括第一锁存器，当在重置采样时段的第一部分中从比较器输出溢出传感信号时，该第一锁存器存储该溢出传感信号，并且响应于该溢出传感信号，在信号采样时段中输出指示溢出的标志信号。
标志信号可以指示从CIS像素之一检测到的光信号是白色。
列ADC电路可以还包括连接在第一节点和比较器的信号电压输入端口之间的第一电容器，用以存储从CIS像素之一输出的光电荷；连接在第二节点和第一节点之间的第二电容器，用以存储从斜坡发生器输出的斜坡电荷；第一开关，连接在第一节点和接收从CIS像素输出的光电荷信号的光电荷输入端口之间，并在重置采样时段和信号采样时段中被接通；以及第二开关，连接在第二节点和接收从斜坡发生器输出的斜坡电荷信号的斜坡电荷输入端口之间，并在重置采样时段和信号采样时段中被接通。
所述数字转换器可以包括多个第二锁存器，用以对应于在信号采样时段中的光电荷对时钟进行计数，并且将所计数的时钟转换成数字数据。
当在多个第二锁存器之一中检测到黑色时，标志信号指示从CIS像素之一检测到的光信号是白色。
该列ADC电路可以还包括与第一电容器并联的第三开关；以及与比较器并联的第四开关，其中，该第三开关在重置采样时段之前被接通预定的时间，并且将第一节点连接到比较器的信号电压输入端口；而该第四开关在重置采样时段的第二部分中被接通，以使得比较器的信号电压输入端口的电压电平等于参考电压的电平。
该列ADC电路可以还包括反向放大比较器的输出的反相器；和与该反相器并联连接的第五开关，其中，该第五开关在重置采样时段之前和重置采样时段的第二部分中被接通预定的时间，并且维持反相器的箝位电压。
该列ADC电路可以还包括连接在比较器和反相器之间的电容器。
当比较器不输出溢出传感信号时，数字转换器可以输出与光电荷相对应的数字数据；而当比较器输出溢出传感信号时，比较器输出指示白色的标志信号。
所述多个CIS像素可以包括在CIS的APS中。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于将从CIS的像素输出的模拟信号转换成数字信号的二次采样方法，所述方法包括：通过将从CIS像素输出的重置电压与参考电压进行比较并在重置电压低于参考电压时产生和存储溢出传感信号来执行重置采样；执行用于对与从CIS像素输出的光电荷相对应的信号进行采样的信号采样；以及通过在该溢出传感信号被存储时输出指示白色的标志信号并在该溢出传感信号未被存储时输出与光电荷相对应的数字数据来执行数字转换。
该数字转换可以包括当溢出传感信号未被存储时，对用于与光电荷相对应的电压达到预定的电压的时间进行计数，并将该计数的值转换成数字数据。
该二次采样方法可以还包括在执行重置采样之前重置存储光电荷的电容器电子电荷(electric charge)。
在重置采样的第一部分期间输出该溢出传感信号。
重置采样包括将重置电压与参考电压进行比较，并存储溢出传感信号；并且将重置电压的电平设置成与参考电压相等。
在重置采样的第二部分期间，设置重置电压的电平。
附图说明
通过参照附图对本发明的示范实施例进行详细描述，本发明的上述和其它特征将变得更加明显，附图中：
图1是说明用于CIS电路的传统列ADC电路的图；
图2是说明用于驱动图1示出的传统列ADC电路的波形以及图1中的列ADC电路的内部节点的电压电平的图；
图3是说明用于CIS电路的另一个传统列ADC电路的图；
图4是说明根据本发明示范实施例的用于CIS电路的列ADC电路的图；
图5是说明用于驱动图4示出的列ADC电路的波形以及图4中的列ADC电路的内部节点的电压电平的图。
具体实施方式
下面通过参照附图更全面地说明本发明，附图中，示出了本发明的示范实施例。图中相同的附图标记表示相同的元件。
图4示出了根据本发明实施例的用于CIS电路的列ADC电路。
如图4所示，该列ADC电路包括：由第一控制信号S1控制的、位于CIS电路的APS的输出端口和第一节点47之间的第一开关SW1；由第二控制信号S2控制的、位于CIS的斜坡发生器的输出端口和第二节点49之间的第二开关SW2；连接在第一节点47和比较器41的第一输入端口51之间的第一电容器C0；以及连接在第一节点47和第二节点49之间的第二电容器C1。
该列ADC电路还包括比较器41、反相器43和数字转换器45。其中，比较器41具有用于接收从APS输出的电压的第一输入端口51和用于接收参考电压Vref的第二输入端口，并且，比较器41比较从第一输入端口51输入的光信号电压和参考电压Vref，并输出比较结果；反相器43用于反向放大从比较器41输出的信号；数字转换器45用于将从反相器43输出的模拟信号转换成数字数据。
该列ADC电路还包括连接在比较器41的第一输入端口51和输出端口53之间并由第三控制信号S3控制的第三开关SW3、与反相器43并行连接并由第四控制信号S4控制的第四开关SW4、与第一电容器C0并行连接并由第五控制信号S5控制的第五开关SW5以及连接在比较器41和反相器43之间的第三电容器C2。
数字转换器45包括第一锁存器59，用于当在APS中产生溢出时存储溢出传感信号和在信号采样时段中输出指示溢出的发生的标志信号OVFB。而且，数字转换器45包括串联连接的多个第二锁存器61，用于对应于在正常操作期间检测到的信号电平对时钟进行计数，并基于所计数的值将该信号电平转换成数字数据。
换句话说，在图4的列ADC电路中，当在重置采样期间在APS中产生溢出时，在比较器41中检测到溢出并且该检测的结果被存储在第一锁存器59中。第一锁存器59随后在信号采样期间输出指示检测到溢出而不是通常操作状态的标志信号OVFB。
标志信号OVFB指示感测到的图像信号是白色。因此，当光的照度高到足够在APS中产生溢出时，能够通过当在第二锁存器61中检测到黑色时输出白色来避免太阳黑效应。
图5是说明用于驱动图4所示的列ACD电路的波形和图4中的列ADC电路的内部节点的电压电平的图。
现在将参照图4和图5说明图4的列ADC电路的操作。
如图5所示，在根据本发明示范实施例的二次采样方法中，重置采样时段被划分成前半段A和后半段B。
在该二次采样方法中，在重置采样之前，第四控制信号S4和第五控制信号S5达到高电平，并且第一节点47的电压变成等于比较器41的第一输入端口51的电压。此外，反相器43的输出被反馈到反相器43的输入端口，并且输入到反相器43的输入端口的电压变成Vdd/2。
然后，第一控制信号S1在重置采样时段的前半段A中达到高电平，并且对应于APS的重置电压的电子电荷被存储在第一电容器C0中。第二控制信号S2在重置采样时段的前半段A中也达到高电平，并且从斜坡发生器输出的电子电荷被存储在第二电容器C1中。比较器41比较输入到第一输入端口51的重置电压和参考电压Vref，并输出比较的结果。在正常操作中，由于重置电压Vin大于参考电压Vref，因此比较器41的输出Vout达到0伏的低电平。因此，反相器43的输出信号达到高电平Vdd，并且具有高电平Vdd的输出信号被锁存在数字转换器45的第一锁存器59上。
当例如通过在高照度下拍摄一个物体而导致APS溢出时，输入到比较器41的第一输入端口51的重置电压Vin低于参考电压Vref。在这种情况下，比较器41的输出端口53的电压Vout达到高电平，并且反相器43的输出端口57的电压Vcnt达到低电平。当这种情况发生时，反相器43的输出电压Vcnt被锁存在数字转换器45的第一锁存器59上。
随后，在重置采样时段的后半段B中执行传统的重置采样。换句话说，第三控制信号S3和第四控制信号S4变成逻辑高，于是使得比较器41和反相器43能够形成反馈结构。因此，反相器43的输出端口达到电平Vdd/2，并且当第一到第四开关(SW1到SW4)被断开时维持Vdd/2的电平。
如图5进一步所示，在信号采样时段中，第一控制信号S1和第二控制信号S2再次变成逻辑高，从而对与从APS输出的光电荷相对应的电压进行采样。随后从斜坡发生器输出以预定斜率增加的斜坡电压。接着，数字转换器45对斜坡电压达到与重置电压和信号电压之间的电压差相对应的电压所需要的时间进行计数。然后，第二锁存器61锁存该计数的值并且输出被锁存的值。该计数的值随后变成与所感测到的辐射强度相对应的数字数据。
如果确定出在逻辑低电平被存储在第一锁存器59中时在APS中产生了溢出，此时，数字转换器45不执行正常的数字转换，并且第一锁存器59输出指示溢出发生的标志信号OVFB。此处，标志信号OVFB与从数字转换器45输出的白色相对应，并且用于感测在APS中发生溢出的溢出传感信号将被显示为白色。
于是，根据本发明的示范实施例，由于当在APS中产生溢出时白色被显示，因此能够避免太阳黑效应。因此，在拍摄具有高照度的人或对象时，当在APS中产生溢出时，能够避免太阳黑效应
在本发明的另一个示范实施例中，图4的列ADC电路可以包括串联连接的多于一个的反相器(未示出)和开关组(未示出)，其中所述组中的每个开关与相应的那个反相器并行连接。该开关组在重置采样时段之前和重置采样时段的第二部分中被接通预定的时间，并且维持反相器的箝位电压。
此外，该列ADC电路可以包括与反相器13串联连接的一个或多个反相器(未示出)以及连接在每个反相器之间的电容器(未示出)。
虽然参照其示范实施例具体示出并说明了本发明，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离由所附权利要求定义的本发明的主旨和范围的前提下可以对本发明进行形式上和细节上的各种改变。

Claims (14)

1.一种CMOS图像传感器CIS的列模数转换器ADC电路，该列ADC电路包括：
比较器，其具有信号电压输入端口和参考电压输入端口，在重置采样时段的第一部分中，该比较器将从多个CIS像素之一输出的重置电压与参考电压进行比较，并在该重置电压低于参考电压时输出溢出传感信号；和
数字转换器，其将比较器的输出转换成数字数据，
其中，重置采样时段被分成所述第一部分和第二部分，在重置采样时段的第二部分中，执行对重置电压进行采样的重置采样，并且
其中，该数字转换器包括第一锁存器，当在重置采样时段的第一部分期间从比较器输出所述溢出传感信号时，该第一锁存器存储该溢出传感信号，并响应于该溢出传感信号在信号采样时段中输出指示溢出的标志信号以作为数字转换器的输出，当所述比较器不输出溢出传感信号时，所述数字转换器输出与从CIS像素之一输出的光电荷相对应的数字数据。
2.如权利要求1所述的列ADC电路，其中，所述标志信号指示从CIS像素之一检测到的光信号是白色。
3.如权利要求1所述的列ADC电路，还包括：
第一电容器，其连接在第一节点(47)和比较器的信号电压输入端口之间，用以存储从CIS像素之一输出的光电荷；
第二电容器，其连接在第二节点(49)和第一节点(47)之间，用以存储从斜坡发生器输出的斜坡电荷；
第一开关，其连接在第一节点(47)和光电荷输入端口之间，并且在重置采样时段中和信号采样时段中被接通，其中，所述光电荷输入端口接收从所述CIS像素输出的光电荷信号；和
第二开关，其连接在第二节点(49)和斜坡电荷输入端口之间，并且在重置采样时段中和信号采样时段中被接通，其中，所述斜坡电荷输入端口接收从斜坡发生器输出的斜坡电荷信号。
4.如权利要求1所述的列ADC电路，其中，所述数字转换器包括多个第二锁存器，用以对应于信号采样时段中的光电荷对时钟进行计数，并将被计数的时钟转换成数字数据。
5.如权利要求4所述的列ADC电路，其中，当在多个第二锁存器之一中检测到黑色时，所述标志信号指示从CIS像素之一检测到的光信号是白色。
6.如权利要求3所述的列ADC电路，还包括：
第三开关，其与所述第一电容器并行连接；和
第四开关，其与所述比较器并行连接，
其中，该第三开关在重置采样时段之前被接通预定的时间，并且将所述第一节点连接到比较器的信号电压输入端口，并且
该第四开关在重置采样时段的第二部分中被接通，以使比较器的信号电压输入端口的电压电平等于参考电压的电平。
7.如权利要求6所述的列ADC电路，还包括：
反相器，其反向放大所述比较器的输出；和
第五开关，其与该反相器并行连接，
其中，该第五开关在重置采样时段之前和重置采样时段的第二部分中被接通预定的时间，并且维持该反相器的箝位电压。
8.如权利要求7所述的列ADC电路，还包括：
连接在所述比较器和所述反相器之间的电容器。
9.如权利要求1所述的列ADC电路，其中，所述多个CIS像素包括在CIS的主动式像素传感器APS中。
10.一种用于将从CMOS图像传感器CIS的像素输出的模拟信号转换成数字信号的二次采样方法，所述方法包括：
在重置采样时段的第一部分期间，将从CIS像素输出的重置电压与参考电压进行比较并且在该重置电压低于参考电压时产生和存储溢出传感信号，然后在重置采样时段的第二部分期间执行对重置电压进行采样的重置采样；
通过对与从CIS像素输出的光电荷相对应的信号进行采样来执行信号采样；和
通过在溢出传感信号被存储时输出指示白色的标志信号和在溢出传感信号没被存储时输出与光电荷相对应的数字数据来执行数字转换。
11.如权利要求10所述的二次采样方法，其中，所述数字转换包括对用于与光电荷相对应的电压达到预定的电压的时间进行计数和当溢出传感信号未被存储时将该计数的值转换为数字数据。
12.如权利要求10所述的二次采样方法，还包括：
在所述重置采样时段之前重置存储光电荷的电容器的电子电荷。
13.如权利要求10所述的二次采样方法，其中，在所述重置采样时段的第一部分期间输出该溢出传感信号。
14.如权利要求10所述的二次采样方法，还包括在所述重置采样时段的第二部分期间将重置电压的电平设置为与参考电压相等。
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