CN101188700A - 互补金属氧化物半导体图像传感器及其图像信号检测方法 - Google Patents

Abstract

一种互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器包括光电二极管、开关和比较器。所述开关将感测信号传送给来自所述光电二极管的感测节点。所述比较器比较所述感测节点的感测信号与参考信号，其中所述比较器直接连接到所述感测节点。所述比较器输出对应于所述感测信号和所述参考信号之间的电压差的信号。

Description

互补金属氧化物半导体图像传感器及其图像信号检测方法

相关申请的交叉参考

要求2006年11月13日提交的No.10-2006-0111800的韩国专利申请的优先权，其主题通过引用被合并。

技术领域

此处披露的本发明涉及图像传感器，尤其涉及一种将感测信号与参考信号进行比较的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。

背景技术

广泛地应用在数字照相机中的CMOS图像传感器将光信号转换为电信号。这种转换出现在CMOS图像传感器的像素中，每个像素包括光电二极管和读出电路。光电二极管产生通过其吸收的光感应的电荷。所产生的电荷被转换为模拟电压并且被传送到读出电路。所述读出电路将模拟电压转换为数字电压。

使用比较器通过比较像素的模拟电压和斜坡(ramp)电压来执行模拟与数字转换。当斜坡电压达到模拟电压时的计数值被采用作为从模拟电压转换得到的数字数据。

通常，像素被构造成包括四个晶体管。第一NMOS晶体管初始化该像素。第二NMOS晶体管传送像素的图像信息。第三NMOS晶体管运行以选择像素。第四NMOS晶体管形成源极输出放大器作为缓冲器来传送像素的图像信息。

然而，当像素通过源极输出放大器将感测信号(漂移扩散)传送到读出电路时，响应信号被限制在动态范围中，并且增加了噪声。

发明内容

本发明的一方面提供包括光电二极管、开关以及比较器的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。开关将感测信号从光电二极管传送给感测节点。直接连接到感测节点的比较器将感测节点的感测信号与参考信号进行比较。

比较器可以包括配置成直接电连接到感测节点的第一输入晶体管以及配置成接收参考信号的第二输入晶体管。在感测信号与参考信号比较的基础上，比较器可以输出与感测信号和参考信号之间的电压差对应的输出信号。参考信号的电压电平可以随着时间消逝而减小。此外，光电二极管可以接收外部图像信息并且将相应于外部图像信息的感测信号输出到比较器。CMOS图像传感器可以被包括在数字照相机中。

本发明的另一方面提供用于检测CMOS图像传感器中的图像信号的方法。该方法包括：将光信号转换为电信号；将电信号传送给感测节点；以及直接从感测节点接收电信号并且比较电信号和参考信号。该方法可以进一步包括从电信号与参考信号的比较开始的第一时间到参考信号降低到电信号的第二时间计数。

附图说明

参考下面的附图来描述本发明的非限制性和非穷举的实施例，附图中：

图1是示出包括CMOS图像传感器的数字照相机系统的方框图；

图2是示出根据本发明的示例性实施例的CMOS图像传感器的方框图；

图3是说明根据本发明的示例性实施例的图2中所示的像素的电路图；

图4是说明根据本发明的示例性实施例的比较器的电路图；

图5是用于根据本发明的示例性实施例、说明图2中所示的比较器的操作的模拟信号与斜坡信号比较的图表；

图6是示出根据本发明的示例性实施例的CMOS图像传感器的操作的时序图；以及

图7是示出根据本发明的示例性实施例的CMOS图像传感器的数字双取样序列的流程图。

具体实施方式

现在参考显示了本发明的示例性实施例的附图详细的说明本发明。然而，本发明可以包括多种不同的形式，并且不能仅仅将本发明解释成仅仅限定为所说明的实施例。相反的，这些实施例被提供作为例子以向本领域技术人员传达本发明的概念。因此，已知的工艺、元件以及技术并不相对于本发明的一些实施例进行说明。除非有特殊的指定，所有的附图和所写的说明中，类似的附图标记被用于指向类似的或者相似的元件。

本发明的多个实施例提供CMOS图像传感器，其通过直接将感测信号输入到比较器来扩展感测信号的动态范围。同样，CMOS图像传感器通过将感测信号直接输入到比较器中来减小噪声。

图1是示出包括CMOS图像传感器的示例性数字照相机系统的方框图。根据图1，数字照相机系统包括CMOS图像传感器100、处理器200、存储器300、显示器400以及总线500。CMOS图像传感器100响应处理器200的控制而捕获外部图像信息。

处理器200通过总线500将捕获的图像信息存储在存储器300中。处理器200还将图像信息从存储器300输出到显示器400。本发明致力于CMOS图像传感器100的结构特征。

图2是示出根据本发明的示例性实施例的CMOS图像传感器的方框图。参考图2，CMOS图像传感器100包括定时控制器10、像素阵列20、模拟数字转换器(ADC)30以及缓冲器40。ADC30包括比较器31、计数器32以及斜坡电压产生器33。

接收外部模拟图像信息的像素阵列20耦合到比较器31。图4详细地图解说明了像素阵列20和比较器31的电路。

像素阵列20响应于定时控制器10的控制信号Rx、Tx、Sel而输出模拟信号Va(未示出)。比较器31接收模拟信号Va以及来自斜坡电压产生器33的斜坡信号Vr。在描述的实施例中，斜坡信号Vr被设计为随着时间下降。然而，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，斜坡信号Vr可以具有其电压随着时间上升的特性。

响应于时钟信号CLK和控制信号RST，计数器32例如从比较器31开始比较模拟信号Va和斜坡信号Vr的点开始计数。比较器31进行操作以比较模拟信号Va和斜坡信号Vr，然后将与模拟信号Va和斜坡信号Vr之间的电压差距或差对应的锁存信号LATCH传送给定时控制器10。

计数器32响应于从定时控制器10提供的时钟信号CLK而停止计数。存储在计数器32中的计数值为相应于模拟信号Va的数字数据。被转换成数字数据的模拟信号被存储在缓冲器40中。定时控制器10传送控制信号R_Ad，并且接收数字信号R_D。

图3是说明图2中所示的像素的电路图。图3中所示的像素对应于在像素阵列20中布置的N×M像素中的单个像素。参考图2和图3，像素(在下文中，相关的附图标记“20”表示在像素阵列中的示例性像素)包括四个晶体管NTO至NT3以及电流源Ib。在像素20中，第一晶体管NT0连接在电源电压和感测节点FD之间，并且响应于复位信号Rx。第二晶体管NT1连接在感测节点FD和第一节点N1之间，并且响应于传输信号Tx。像素20还包括耦合在第一节点N1和接地电压之间的光电二极管PD。从第一节点N1输出感测信号FD，从而第二晶体管NT1可以作为开关操作以从光电二极管PD传送感测信号到感测节点FD。

此外，在像素20中，第三晶体管NT2连接在电源电压和第二节点N2之间，并且响应于感测节点FD。第四晶体管NT3连接在第二节点N2和电流源Ib之间，并且响应于选择信号Sel。

第一晶体管NT0响应于来自定时控制器10的复位信号Rx运行以初始化像素20。第二晶体管响应于来自定时控制器10的传输信号Tx运行以传递来自光电二极管PD的传感信号。第三晶体管NT2和电流源Ib作为缓冲器。因此，第三晶体管NT2变成限制在耦合到它的栅极的感测节点FD的动态范围中。换句话说，当感测节点FD的电压处于电源电压的电平时，传送到比较器31的模拟信号Va为电源电压和第三晶体管NT2的阈值电压之间的差。

当通过感测节点FD接收的模拟信号Va经由第三晶体管NT2和第四晶体管NT3被传送给比较器31时，由于第三晶体管NT2和第四晶体管NT3，在模拟信号Va上存在噪声。

通过第三晶体管NT2的栅极输入的模拟信号被传送给比较器31。第四晶体管NT3响应于定时控制器10的选择信号Sel运行以选择一个像素。

定时控制器10触发复位和选择信号Rx和Sel以初始化感测节点FD。像素20输出初始化的模拟信号Va到比较器31。

定时控制器10触发传输和选择信号Tx和Sel以将外部图像信息从光电二极管PD传送到感测节点FD。像素20输出对应于外部图像信息的模拟信号Va到比较器31。

ADC 30进行数字双取样(DDS)操作，以便将由像素提供的精确的模拟信号转换成数字信号。

特别地，DDS操作获得复位数字数据Drst和信号数字数据Dsig之间的差，也就是，Dsig-Drst。Drst是从当初始化像素用以将精确的模拟信号转换为数字数据时的模拟信号而来的。Dsig是从与来自输入外部图像信号的像素的图像信号对应的模拟信号转换而来的。

图4是说明根据本发明的实施例的比较器的电路图。根据图2至图4，像素20包括连接在电源电压和感测节点FD之间并且由复位信号Rx控制的第一晶体管NT0、连接在感测节点FD和第一节点N1之间并且由传输信号Tx控制的第二晶体管NT1、以及耦合在第一节点N1和接地电压之间的光电二极管PD。从第一节点N1输出感测信号FD。

像素20还包括连接在第二节点N2和第五节点N5之间并且由感测信号FD控制的第三晶体管NT2、以及连接在第二节点N2和第六节点N6之间并且由控制信号Sel控制的第四晶体管NT3。电流源Ib连接在第六节点N6和接地电压之间。

比较器31包括连接在电源电压和第五节点N5之间并且由第五节点N5控制的第七晶体管PT0、连接在电源电压和第三节点N3之间并且由第五节点N5控制的第八晶体管PT1、连接在第三节点N3和第四节点N4之间并且由斜坡信号Vr控制的第五晶体管NT4、以及连接在第四节点N4和第六节点N6之间并且由电源电压控制的第六晶体管NT5。电流源Ib连接在第六节点N6和接地电压之间。

为了提高比较器31的放大增益，将连接到第三节点N3的输出耦合到串联的反相器INV1和INV2的输入。

电流源Ib、第五晶体管NT4、第六晶体管NT5、第七晶体管PT0以及第八晶体管PT1连同包括在像素20中的第三晶体管NT2和第四晶体管NT3一起构成差分放大器。差分放大器形成具有反相器INV1和INV2的比较器用于提高放大增益。

当定时控制器10激活控制信号Rx和Sel以初始化像素20时，从感测节点FD产生与初始化的像素相应的电压。感测节点FD的电压被施加到第三晶体管NT2的栅极，并且斜坡信号Vr被施加到第五晶体管NT4的栅极。当通过控制信号Sel的激活导通第四晶体管NT3时，比较器31将与感测节点FD的电压和斜坡信号Vr的电压之间的差对应的输出信号LATCH传送到定时控制器10。

当定时控制器10激活控制信号Tx和Sel以将外部图像信息输入到像素20时，从感测节点FD产生对应于外部图像信息的电压。感测节点FD耦合到第三晶体管NT2的栅极，并且斜坡信号Vr被施加到第五晶体管NT4的栅极。当通过控制信号Sel的触发导通第四晶体管NT3时，比较器31向定时控制器10提供与感测节点FD的电压和斜坡信号Vr的电压之间的差对应的输出信号LATCH。

在本实施例中，像素并不使用源极输出放大器。因此，像素的输出、也就是感测信号直接耦合到比较器，因此能够扩展动态范围并且具有较小的噪声。

图5是示出模拟信号Va和斜坡信号Vr之间的比较相对于时间的图表，为了说明根据本发明的示例性实施例的图2中所示的比较器的操作。参考图1至图5，斜坡电压产生器33操作以响应于来自定时控制器10的控制信号Ron而产生斜坡信号Vr。斜坡信号Vr为具有随着时间消逝而从参考电压电平Vref减小的电压电平的电压信号。

比较器31操作以比较模拟信号Va和斜坡信号Vr，其中Vref大于Va。在该比较期间，定时控制器10触发时钟信号CLK以操作计数器32。

在从t1至t4期间，模拟信号Va的电压电平低于斜坡信号Vr的电压电平。在时间t5之后，斜坡信号Vr的电压电平变成低于模拟信号Va的电压电平，并且比较器31触发比较信号LATCH。当比较信号LATCH被触发时，定时控制器10不产生时钟信号CLK。因此，在操作中暂停比较器31和计数器32。当比较器31和计数器32的操作被暂停时，计数器32的计数值变成对应于模拟信号Va的数字数据。

图6是显示根据本发明的示例性实施例的CMOS图像传感器100的操作的时序图，并且图7是示出根据本发明的示例性实施例的CMOS图像传感器100的数字双取样序列的流程图。参考图2到图7，CMOS图像传感器100的操作被粗略地分为初始模式和图像输入模式。初始模式初始化像素20(S1)并且通过ADC 30区分初始化像素电压(S2)。图像输入模式将外部图像信息传送给像素20(S3)，并且通过ADC 30区分对应于外部图像信息的电压(S4)。

在步骤S1中，当定时控制器10触发复位和选择信号Rx和Sel以初始化像素20时，从感测节点FD产生对应于初始化像素20的电压Vrst。在步骤S2中，比较器31运行来比较感测节点FD的电压Vrst和斜坡信号的电压Vr。比较器31将比较信号LATCH输出到定时控制器10。

在步骤S2中，定时控制器10触发时钟信号CLK以将通过像素20的初始化产生的模拟信号转换为数字信号Drst。数字信号Drst被定义为通过像素或者像素阵列20的初始化从模拟信号Vrst转换的数字数据。

在步骤S3中，当定时控制器10触发传输和选择信号Tx和Sel以输入外部图像信息到像素20时，从感测节点FD产生对应于外部图像信息的电压Vsig。在步骤S4中，比较器31运行以比较感测节点FD的电压Vsig和斜坡信号的电压Vr。比较器31将比较信号LATCH输出到定时控制器10。

在步骤S4中，定时控制器10触发时钟信号CLK以从模拟信号Vsig获得数字信号Dsig，该模拟信号Vsig为从像素阵列20的外部图像信息产生的。Dsig被定义为从模拟信号Vsig转换的数字信号，该模拟信号Vsig为从像素阵列20的外部图像信息中产生的。也就是说，DDS操作是用于获得Dsig-Drst的值的过程。

如前所述，像素并不包括源极输出放大器。由于没有源极输出放大器的像素的输出直接连接到比较器，因此动态范围得到扩展并且减小了噪音。

虽然已经参考示例性实施例对本发明进行了说明，但是对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行各种改变和修改是显而易见的。因此，应当理解的是，上述实施例不是限制性的，而是说明性的。因此通过所附权利要求及其等效物的最宽的许可解释来确定本发明的范围，并且本发明的范围不受前述的说明约束和限制。

Claims (13)

1.一种互补金属氧化物半导体图像传感器，其包括：

光电二极管；

开关，用于将感测信号从光电二极管传送给感测节点；以及

比较器，其直接连接到感测节点，用于将感测节点的感测信号与参考信号进行比较。

2.如权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中所述比较器包括：

第一输入晶体管，其被配置成直接电连接到所述感测节点；以及

第二输入晶体管，其被配置成接收所述参考信号。

3.如权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中在将所述感测信号与所述参考信号进行比较的基础上，所述比较器输出与所述感测信号和所述参考信号之间的电压差对应的输出信号。

4.如权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中，所述参考信号的电压电平随着时间消逝而减小。

5.如权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中所述光电二极管接收外部图像信息，并且输出与所述外部图像信息对应的感测信号到所述比较器。

6.一种数字照相机，其包括根据权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器。

7.一种用于检测互补金属氧化物半导体图像感测器中的图像信号的方法，其包括：

将光信号转换为电信号；

将所述电信号传送给感测节点；以及

直接接收来自所述感测节点的所述电信号，并且将所述电信号与参考信号进行比较。

8.如权利要求7所述的方法，进一步包括：

从所述电信号与所述参考信号开始比较的第一时间到所述参考信号下降到所述电信号的第二时间计数。

9.一种图像传感器，其包括：

第一晶体管，其连接于电源电压和感测节点之间，所述第一晶体管由第一信号控制；

第二晶体管，其连接于所述感测节点和第一节点之间，所述第二晶体管由第二信号控制；

光电二极管，其连接于所述第一节点和接地电压之间；

第三晶体管，其连接于第五节点和第二节点之间，所述第三晶体管由所述感测节点控制；

第四晶体管，其连接于所述电源电压和所述第五节点之间，所述第四晶体管由所述第五节点控制；

第五晶体管，其连接于所述电源电压和第三节点之间，所述第五晶体管由所述第五节点控制；

第六晶体管，其连接于所述第三节点和第四节点之间，所述第六晶体管由参考电压信号控制；

第六节点，其连接于所述第四节点和所述第二节点之间；以及

电流源，其连接于所述第六节点和所述接地电压之间。

10.如权利要求8所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中响应于所述第一信号初始化所述感测节点；响应于所述第二信号，将与从所述光电二极管输入的图像信息对应的感测信号输出到所述感测节点；将所述感测信号与所述参考电压信号比较；并且输出与所述感测信号和所述参考电压信号之间的差对应的模拟电压信号。

11.如权利要求9所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，进一步包括：

像素，包括所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述光电二极管以及所述第三晶体管。

12.如权利要求11所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中所述像素进一步包括第七晶体管，其连接在所述第二节点和所述电流源之间并且通过激活所述像素的选择信号控制。

13.如权利要求9所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，进一步包括：

比较器，其包括所述第三晶体管、所述第四晶体管、所述第五晶体管、所述第六晶体管以及所述电流源。

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