CN102291144A - A/d转换器、使用多个a/d转换器的固态图像传感器和a/d转换器的驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模拟-数字转换器、固态图像传感器以及模拟-数字转换器的驱动方法。所述模拟-数字转换器通过测量直到随时间改变的参考信号的电压电平和模拟信号的电压电平之间的大小关系反转为止的时间段，将模拟信号转换成数字信号。转换器包含在通过模拟-数字转换器对基准电压电平进行模拟-数字转换时将模拟-数字转换器的偏移值保存为作为模拟值的电压电平的保存单元，其中，通过将所述模拟信号的电压电平改变由所述保存单元保存的所述偏移值的电压电平来校正模拟-数字转换器的偏移值。
Description
技术领域
本发明涉及A/D转换器、使用多个A/D转换器的固态图像传感器和A/D转换器的驱动方法。更特别地，本发明涉及通过比较随时间进行预定的变化的斜坡参考信号与模拟输入信号并且测量表示比较结果的比较信号改变的定时来执行A/D转换的A/D转换器、使用多个A/D转换器的固态图像传感器和驱动A/D转换器的驱动方法。
背景技术
近年来，在单一芯片上包含分别包含光电转换元件的多个像素和将从像素输出的模拟信号转换成数字信号的多个A/D转换器的固态图像传感器被普遍用于数字照相机和数字视频摄像机中。典型的固态图像传感器包含多个像素、用于寻址的扫描电路和对于各列布置的A/D转换器作为主要电路部件。特别地，在例如在单一芯片上配置A/D转换器和扫描电路时，MOS固态图像传感器具有巨大的优点。
但是，考虑这种应用，由于各个A/D转换器的特性变化构成图像质量的劣化的主要原因，因此已提出用于减少特性变化的提议。例如，根据日本专利公开No.2005-323331，在将A/D转换器安装在单一芯片上的固态图像传感器中，与垂直信号线对应地布置分别具有电压比较电路和计数器的列A/D电路。各电压比较电路比较对于各行控制线通过相应垂直信号线输入的像素模拟信号与斜坡参考信号，并且生成具有与复位成分和信号成分的大小对应的沿时间轴方向的宽度的脉冲信号。各计数器对与脉冲信号的宽度对应的时钟进行计数，直到完成电压比较电路的比较，并且保存(hold)比较完成定时的计数值。通信/定时控制部分在第一动作中控制电压比较电路来执行复位成分的比较 处理并控制计数器来执行降序计数动作，并且，在随后的第二动作中控制电压比较电路来执行信号成分的比较处理并控制计数器来执行升序计数动作。通过该动作，直接执行基准成分和信号成分的减法处理。
在诸如日本专利公开No.2005-323331的现有技术中，数字信号允许基准成分与信号成分的减法处理，并且，可以减少各单个A/D转换器的偏移。但是，作为模拟信号，各A/D转换器的动态范围由于基准成分的大小而受到损害。
发明内容
本发明提供一种在校正各单个A/D转换器的偏移方面有利而不损害A/D转换器的动态范围的技术。
本发明的第一方面提供一种模拟-数字转换器，该模拟-数字转换器通过测量直到随时间改变的参考信号的电压电平与模拟信号的电压电平之间的大小关系反转为止的时间段，将模拟信号转换成数字信号，该转换器包含：保存单元，所述保存单元将在通过所述模拟-数字转换器对基准电压电平进行模拟-数字转换时所述模拟-数字转换器的偏移值保存为作为模拟值的电压电平，其中，通过将所述模拟信号的电压电平改变由所述保存单元保存的所述偏移值的电压电平，校正所述模拟-数字转换器的偏移值。
本发明的第二方面提供一种通过在单一基板上形成按阵列布置的多个像素和多个模拟-数字转换器而配置的固态图像传感器，所述多个模拟-数字转换器中的每一个与所述多个像素中的一列对应地布置，所述多个模拟-数字转换器中的每一个包含在本发明的第一方面中限定的模拟-数字转换器，参考信号被连接为被所述多个模拟-数字转换器共同地使用，并且所述多个模拟-数字转换器中的每一个独立于其它模拟-数字转换器通过使用偏移值来校正模拟-数字转换。
本发明的第三方面提供一种模拟-数字转换器的驱动方法，其中，所述模拟-数字转换器包含保存单元，所述保存单元用于在通过模拟-数字转换器对基准电压电平进行模拟-数字转换时将所述模拟-数 字转换器的偏移值保存为模拟值，并且其中所述驱动方法包含：用于通过所述保存单元保存所述偏移值的步骤，以及用于通过将所述模拟信号的电压电平改变由所述保存单元保存的偏移值来校正所述模拟-数字转换器的偏移值的步骤。
根据本发明，由于可以在模拟信号中校正各单个A/D转换器的偏移变化，因此，可以在不损害A/D转换器的动态范围的情况下校正各单个A/D转换器的偏移。
从(参照附图)对示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清晰。
附图说明
图1是表示使用根据本发明的A/D转换器的固态图像传感器的布置例子的框图；
图2是表示根据本发明的具有偏移校正功能的A/D转换器的第一实施例的电路布置例子的框图；
图3是用于解释图2所示的A/D转换器的电路动作例子的定时图；
图4是表示根据本发明的具有偏移校正功能的A/D转换器的第二实施例的电路布置例子的框图；
图5是用于解释图4所示的A/D转换器的电路动作例子的定时图；
图6是表示根据本发明的具有偏移校正功能的A/D转换器的第三实施例的电路布置例子的框图；
图7是用于解释图6所示的A/D转换器的电路动作例子的定时图；
图8是表示使用根据本发明的A/D转换器的固态图像传感器的另一布置例子的框图。
具体实施方式
<本实施例的固态图像传感器的示例性布置>
以下参照图1描述根据本发明的实施例的使用模拟-数字转换器(以下，称为A/D转换器)的固态图像传感器的示例性布置。参照图 1，通过二维地布置多个像素100以形成多个行和多个列来配置像素阵列。通过垂直扫描电路101选择像素阵列的各像素100，并且，通过对于各列布置的放大器104输出来自关注的行的图像信号。与像素100形成在同一基板上的积分电路106通过开关部分102被开关。在放大器104的输出信号被采样之后，所有列共用并且随时间改变的由斜坡参考信号生成电路103生成的斜坡参考信号被输入。响应于斜坡参考信号的输出的开始，计数器109开始升序计数动作。通过比较电路107比较各积分电路106的输出与事先设定的基准电平。当积分电路106的输出和基准电平之间的大小关系改变时，比较电路107的输出相应地反转。控制电路108检测比较电路107的输出的反转定时，并且在存储器110中存储计数器109的计数器值作为该定时的时间测量值。存储于存储器110中的计数器值被用作A/D转换结果的数字信号。在本实施例中，对于各列布置的A/D转换器包含偏移保存单元105、积分电路106、比较电路107、控制电路108和存储器110。对于各列的多个A/D转换器共用地布置斜坡参考信号生成电路103和计数器109。在这种情况下，各A/D转换器的相应部分基于时钟111和同步信号112相互同步地动作。
各A/D转换器具有偏移保存单元105，偏移保存单元105保存作为电压电平的偏移值，所述电压电平是表示偏移值的模拟值。偏移保存单元105保存当通过由积分电路106采样基准电平102执行A/D转换时获得的偏移值作为表示偏移值的模拟值。A/D转换器被配置为通过使用保存的表示偏移值的模拟值改变模拟信号，由此在下一A/D转换周期中校正各单个A/D转换器的偏移值。注意，图1示出被简化以清楚地表达实现本发明的各A/D转换器的相应功能的相应块以及它们的连接关系。但是，从后面描述的A/D转换器的相应实施例可以看出，一些部件共用于多个块，并且，与图1不同，块之间的连接关系不是单纯的。例如，在第一和第三实施例中，在积分电路106中包含偏移保存单元105。并且，不是所有的开关可集成于开关部分120中。
<A/D转换器的多个实施例>
以下将参照附图描述适于本发明的上述的偏移校正的A/D转换器的几个实施例。
<第一实施例>
首先将参照图2和图3描述第一实施例的可执行偏移校正的A/D转换器的电路例子。
(第一实施例的A/D转换器的电路例子)
参照图2，通过使用具有采样电容(电容器Ci)和反馈电容(电容器Cf)的放大器106a配置A/D转换器的积分电路106。使用偏移电容(电容器Co)作为偏移保存单元105。积分电路106的输出节点ampout与通过串联电容Cs和比较器107a配置的比较电路107连接。控制电路108动作以将比较电路107的输出节点compout的值、图1所示的时钟111和同步信号112作为输入。然后，通过用相应的开关控制信号控制开关φ21～φ27，图1所示的存储器110中的计数器109的计数器值的写入动作被控制。
(第一实施例的A/D转换器的示例性动作)
以下将通过使用图3所示的定时图描述第一实施例的A/D转换器的动作。在以下的描述中，“高电平”被描述为“导通”，“低电平”被描述为“关断”。第一实施例的A/D转换器的动作具有偏移测量序列(sequence)和模拟-数字转换序列，以执行单一模拟-数字转换。在偏移测量序列中，保存偏移值作为表示该偏移值的电压电平。在模拟-数字转换序列中，通过使用偏移值的电压电平校正模拟信号的模拟-数字转换。
在偏移测量序列中，在初始阶段t0处，开关φ22、φ25、φ26和φ27导通，并且开关φ21、φ23和φ24关断(图2所示的状态)。在这种状态下，积分电路106和比较电路107被复位，并且，在偏移电容Co中采样基准电平102。积分电路106的输出ampout是接地电平。随后，当在定时t1开关φ26和φ27关断并且开关φ21导通时，积分电路106开始积分，并且斜坡参考信号201被同时输入到偏移电容Co。此时，如图3所示，积分电路106的输出ampout改变。在积分电路106的 输出ampout上升并且在比较器107a的输出compout中生成脉冲的定时t2，与A/D转换器的偏移对应的电压作为积分电路106的输出ampout被输出。在该定时，当开关φ21关断并且开关φ26导通时，A/D转换器的偏移电压被存储于作为偏移保存单元105的偏移电容Co中。如上所述，完成偏移测量序列中的偏移值测量和保存动作。在偏移测量序列的最后定时t3，所有开关φ21～φ27关断以准备随后的A/D转换序列。
在随后的模拟-数字转换序列(A/D转换序列)中，通过使用保存于偏移电容Co中的偏移电压进行校正。在初始阶段t4，开关φ24、φ26和φ27导通以将比较电路107复位，并且在采样电容Ci中采样模拟输入信号202。此时，开关φ22保持关断以保持偏移电压而不复位偏移电容Co。然后，当开关φ26和φ27在定时t5关断时，积分电路106开始积分动作。如图3所示，模拟输入信号202改变以通过开关φ24和采样电容Ci向积分电路106的输出ampout传送像素信号。然后，当开关φ22在定时t6导通时，偏移电压从偏移电容Co被传送到反馈电容Cf。作为该动作的结果，通过存储于偏移电容Co中的信号在积分电路106的输出ampout上执行偏移校正。随后，当在定时t7开关φ23导通并且斜坡参考信号201同时开始动作时，如图3所示，积分电路106的输出ampout在该定时之后改变。在积分电路106的输出ampout上升并且在比较器107a的输出compout中生成脉冲的定时t8，在存储器110中写入计数器109的计数器值，由此完成A/D转换。在该定时，开关φ22和φ23关断并且开关φ26导通，由此将积分电路106复位。在该A/D转换序列的最后的定时t9，所有的开关φ21～φ27关断以准备随后的偏移测量序列。
在第一实施例中，偏移测量序列和A/D转换序列被重复。因此，在偏移测量序列中存储于偏移电容Co中的各A/D转换器特有的偏移值作为模拟值被保存，并且，被用于A/D转换序列中的偏移校正。因此，可以在不损害A/D转换器的动态范围的情况下独立于其它的A/D转换器校正各单个A/D转换器的偏移。
<第二实施例>
以下将参照图4和图5描述根据本发明的可执行偏移校正的A/D转换器的第二实施例。
(第二实施例的A/D转换器的示例性电路)
在第二实施例中，通过使用反馈电容(电容器Cf)保存偏移信号。在许多的应用中，以预定的周期重复执行A/D转换。本实施例利用当在先前的A/D转换处理中积分电路106的输出ampout上升并且在比较器107a的输出compout中生成脉冲时，积分电路106的输出ampout达到与A/D转换器的偏移值对应的电压的事实(参见图3)。即，先前模拟-数字转换中的偏移值作为电压电平被保存，并且被用于下一模拟-数字转换中。在图4所示的第二实施例的A/D转换器的布置中，从图2所示的第一实施例的布置排除用于存储用于偏移测量序列中的偏移电容Co中的偏移电压的电路。并且，在本例子中不需要的图2中的开关φ21、φ22和φ25被省略，并且，开关φ43被添加以在反馈电容Cf中存储和保存偏移电压。注意，图4中的开关φ41、φ42、φ44和φ45具有与图2中的开关φ23、φ24、φ26和φ27对应的作用。
(第二实施例的A/D转换器的示例性动作)
以下通过使用图5所示的定时图描述第二实施例的A/D转换器的动作。在信号采样定时t10和t20，开关φ42、φ44和φ45导通以将积分电路106和比较电路107复位，并且对采样电容Ci中的信号进行采样。但是，开关φ43关断以不将反馈电容Cf复位。此时，反馈电容Cf保持先前周期结束定时的状态，即，它保存与偏移值对应的电压。然后，在定时t11和t21，开关φ44和φ45关断并且开关φ43导通，由此将积分电路106设定于积分动作状态中。同时，当模拟输入信号202如图5所示的那样改变时，像素信号通过开关φ42和采样电容Ci被传送到积分电路106的输出ampout。随后，在定时t12和t22，当开关φ42关断并且开关φ41导通以开始斜坡参考电压201的动作时，积分电路106的输出ampout如图5所示的那样改变。随后，在积分电路106的输出ampout上升并且在比较器107a的输出compout中生成脉冲的 定时t13和t23，在存储器110(未示出)中写入计数器109的计数器值。同时，当开关φ43关断并且开关φ44导通时，可以重新在反馈电容Cf中保存与偏移值对应的电压。通过重复上述的动作，可以在不损害A/D转换器的动态范围的情况下校正各单个A/D转换器的偏移。
<第三实施例>
以下将参照图6和图7描述根据本发明的可执行偏移校正的A/D转换器的第三实施例。
(第三实施例的A/D转换器的示例性电路)
在图6所示的第三实施例的A/D转换器的布置中，独立于积分电路106布置偏移保存单元105，不像图4所示的第二实施例的布置中那样将偏移值保存在反馈电容Cf中。在本实施例中不需要的图4中的开关φ43被省略，并且，包含偏移电容Co、模拟缓冲器601与开关φ66、φ67和φ68的偏移保存单元105被布置为存储和保存偏移电压。通过偏移保存单元105的模拟缓冲器601驱动的偏移保存单元105的输出bufout与比较电路107中的比较器107a的负(-)端子连接。注意，在图6中，可通过使用运算放大器的源跟随器电路或电压跟随器电路配置模拟缓冲器601。注意，图6中的开关φ61、φ62、φ64和φ65具有与图4中的开关φ41、φ42、φ44和φ45对应的作用，并且，图6中的开关φ63具有与图2中的开关φ25对应的作用。
(第三实施例的A/D转换器的示例性动作)
以下将通过使用图7所示的定时图描述第三实施例的A/D转换器的动作。如第一实施例那样，第三实施例的A/D转换器具有偏移测量序列和模拟-数字转换序列以执行单个模拟-数字转换。
在图7中的偏移测量序列中，在初始阶段t30，开关φ63、φ64、φ65和φ68导通以将积分电路106和比较电路107复位。然后，在定时t31，开关φ66和φ67导通，并且开关φ68关断。因此，积分电路106被设定于积分动作状态，斜坡参考信号201被输入到模拟缓冲器601的输入，并且，其输出bufout被输入到比较电路107中的比较器107a的“-”端子。在这种情况下，斜坡参考信号201同时开始动作。作 为结果，如图7所示，模拟缓冲器601的输出bufout改变。在积分电路106的输出ampout上升并且在比较器107a的输出compout中生成脉冲的定时t32，开关φ66关断以在作为偏移保存单元105的偏移电容Co中存储与偏移值对应的电压。在偏移测量序列中的最后的定时t33，所有的开关φ61～φ68关断以准备随后的A/D转换序列。
在随后的A/D转换序列中，开关φ62、φ64、φ65和φ68在定时t34导通，以将比较电路107复位并且对采样电容Ci中的信号采样。然后，当在定时t35开关φ68关断并且开关φ67导通时，偏移校正信号作为模拟缓冲器601的输出bufout被输出。同时，开关φ64和φ65关断以将积分电路106设定于积分状态。然后，当模拟输入信号202如图7所示的那样改变时，像素信号通过采样电容Ci和放大器106a被传送到比较电路107的比较器107a的“+”端子。并且，当在定时t36开关φ62关断并且开关φ61导通、并且同时开始斜坡参考信号201的动作时，积分电路106的输出ampout如图7所示的那样改变。在积分电路106的输出ampout上升并且在比较器107a的compout中生成脉冲的定时t37，在存储器110中写入计数器109的计数器值，由此完成A/D转换动作。在A/D转换序列中的最后的定时t38，所有的开关φ61～φ68关断，以准备随后的偏移测量序列。由于比较电路107可在A/D转换时与偏移校正信号进行比较，因此，可以在不损害A/D转换器的动态范围的情况下校正各单个A/D转换器的偏移。注意，模拟缓冲器601的偏移也一起被校正。
<本实施例的固态图像传感器的另一示例性布置>
图8是表示使用根据本发明的A/D转换器的固态图像传感器的另一布置例子的框图。在使用图1所描述的布置例子中，对于所有的列共用地布置测量时间所需要的一个计数器109。但是，在本布置例子中，为每列布置计数器109。在该示例性布置中，对于各列布置的所有计数器109同时开始计数。在各列中，比较电路107的输出根据输入的信号在不同的定时反转。各控制电路108在该定时停止关注的列的计数器109的计数动作。如上所述，可以执行A/D转换动作。其它 的部件与图1的布置例子中的那些部件相同，并且，其重复的描述将被省略。其它的部件可变为相当的部件。
虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。
Claims (8)
1.一种模拟-数字转换器，该模拟-数字转换器通过测量直到随时间改变的参考信号的电压电平与模拟信号的电压电平之间的大小关系反转为止的时间段，将模拟信号转换成数字信号，该转换器包含：
保存单元，所述保存单元保存在通过所述模拟-数字转换器对基准电压电平进行模拟-数字转换时所述模拟-数字转换器的偏移值的电压电平，所述偏移值的电压电平是模拟值，
其中，通过将所述模拟信号的电压电平改变由所述保存单元保存的所述偏移值的电压电平，校正所述模拟-数字转换器的偏移值。
2.根据权利要求1的模拟-数字转换器，其中，所述模拟-数字转换器还包含：
积分电路，所述积分电路对所述参考信号的电压电平进行积分，直到所述参考信号的电压电平的积分值达到所述模拟信号的电压电平；和
比较电路，所述比较电路检测所述参考信号的电压电平的积分值达到所述模拟信号的电压电平的定时，
所述保存单元包含于所述积分电路中。
3.根据权利要求2的模拟-数字转换器，其中，所述模拟-数字转换器串行地执行模拟-数字转换，并且，所述保存单元将来自所述模拟-数字转换器的先前模拟-数字转换的偏移值保存为被保存的电压电平，并且在随后的模拟-数字转换中将所述被保存的电压电平用于改变所述模拟信号的电压电平。
4.根据权利要求2的模拟-数字转换器，其中，为了执行单一模拟-数字转换，所述模拟-数字转换器的动作包含：
偏移测量序列，用于在所述保存单元中将偏移值保存为被保存的电压电平；和
模拟-数字转换序列，用于通过使用所述被保存的电压电平来校正对所述模拟信号的模拟-数字转换。
5.根据权利要求1的模拟-数字转换器，其中，所述模拟-数字转换器还包含：
积分电路，所述积分电路对所述参考信号的电压电平进行积分，直到所述参考信号的电压电平的积分值达到所述模拟信号的电压电平；和
比较电路，所述比较电路检测所述参考信号的电压电平的积分值达到所述模拟信号的电压电平的定时，
其中，与所述积分电路独立地布置所述保存单元，并且通过将所述比较电路所使用的参考信号的电压电平改变所述偏移值的电压电平来校正下一模拟-数字转换。
6.根据权利要求1的模拟-数字转换器，其中，所述保存单元包含保存所述偏移值的电压电平的电容器。
7.一种固态图像传感器，所述固态图像传感器在单一基板上包括：
按阵列布置的多个像素，所述阵列包含列，以及
多个模拟-数字转换器，所述多个模拟-数字转换器中的每一个与所述多个像素中的一列对应地布置，
其中，所述多个模拟-数字转换器中的每一个包含根据权利要求1的模拟-数字转换器，
其中，参考信号被连接为被所述多个模拟-数字转换器共同地使用，并且，
其中，所述多个模拟-数字转换器中的每一个通过使用独立于所述多个模拟-数字转换器中的其它模拟-数字转换器所使用的偏移值的偏移值来校正模拟-数字转换。
8.一种包含用于保存的保存单元的模拟-数字转换器的驱动方法，所述驱动方法包含如下步骤：
通过使用所述保存单元保存在通过所述模拟-数字转换器对基准电压电平进行模拟-数字转换时所述模拟-数字转换器的偏移值，所述偏移值是模拟值；和
通过将模拟信号的电压电平改变由所述保存单元保存的所述偏移值来校正所述模拟-数字转换器的偏移值。
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