CN103813113A - 比较器、比较方法、ad转换器、图像拾取器件、电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供比较器、比较方法、AD转换器、图像拾取器件以及电子设备，该比较器将来自一像素的像素信号与参考信号相比较，其中，参考信号的偏移电平以阶梯方式改变。以及根据多个自动调零信号中的一个，执行自动调零以便将像素信号设置在所述参考信号的偏移电平，该多个自动调零信号具有指示自动调零的不同定时。

Description

比较器、比较方法、AD转换器、图像拾取器件、电子设备

相关申请的交叉引用 

本申请要求于2012年11月8日提交的日本在先专利申请JP2012-246536的优先权，其全部内容通过引用结合于此。 

技术领域

本公开涉及比较器，比较方法，AD转换器，固态图像拾取器件，以及电子设备，特别地，涉及用于抑制由于比较器输出的同时反转所引起的噪声的比较器，比较方法，AD转换器，固态图像拾取器件，以及电子设备。 

背景技术

一种用作用于数码相机或类似设备的固态图像拾取器件的CMOS图像传感器（在下文中，将缩写为CIS）已经众所周知。 

图1示出了现有技术中CIS的构造实例。这个CIS10布置有AD转换单元（以下简称ADC），该ADC被配置为执行相关双采样（CDS）作为数字信号处理以去除在像素信号中生成的噪声（例如，参见日本专利第4470700号）。 

CIS10包括像素阵列单元11，行扫描单元12，列扫描单元13，时序控制单元14，为每个列布置的AD转换器（ADC）15，DAC16，以及数据输出单元17。 

像素阵列单元11由以矩阵布置的大量像素111组成。行扫描单元12，列扫描单元13，以及时序控制单元14被配置为连续地读出像素阵列单元11的信号。行扫描单元12控制行地址和行扫描。列扫描单元13控制列地址和列扫描。时序控制单元14生成内部时钟信号。时序控制单元14也生成如下所述的自动调零信号AZ0。 

每个ADC15是由比较器（CMP）151，异步双向计数器（CNT）152，以及开关153组成的积分型ADC。 

由DAC16产生的一个共用参考信号和经由竖直信号线Vn（n=0,1,…，n+1）从一个像素111读出的与光电荷的量相对应的模拟像素信号被输入到每个比较器151。比较器151将参考信号和像素信号互相比较并且将比较结果的信号输出到异步双向计数器（在下文中，将简称为计数器）152。 

图2示出了布置沿行方向的比较器151的电路构造的实例。连同上面提及的共用参考信号和像素信号，经由DAC16和图中未示出的信号线从时序控制单元14提供的共用自动调零信号AZ0被输入到每个比较器151。图3示出了共用自动调零信号，输入到每个比较器151的共用参考信号，以及共用自动调零信号的波形的实例。自动调零信号AZ0根据参考信号被布置于VO电平（即，偏移电平）的定时被布置为低电平。 

每个比较器151跟随自动调零信号在参考信号和像素信号上执行自动调零，以及将比较结果的信号反转（比较器151的输出）。利用这个自动调零，可以在不受来自各个像素111的复位成分中的变化的影响的情况下布置计数器152的比较时期。 

计数器152具有基于比较器151的比较结果和时钟CK执行向上/向下计数（或者向下计数）以保持与比较结果相对应的计数值的功能。开关153将计数器152和数据传输线18彼此连接并且基于来自列扫描单元13的扫描控制执行打开和关闭。包括与数据传输线18相对应的传感电路和减法电路的数据输出单元17被配置在数据传输线18上。 

具有用作保持电路的计数器152被布置在向上计数（或者向下计数）状态中作为初始状态并且执行复位计数。当来自相应比较器151的比较结果被反转时，计数器152停止向上计数操作，并且保持计数值。这时，计数器152的初始值被布置为模数转换的进度（gradation）的任意值，例如，0。在这个复位计数周期过程中，各个像素111的复位成分被读出。此后，计数器152被布置在向下计数（或者向上计数）状态中并且执行与入射光量相对应的数据计数。当相应比较器151的比较结果被反转时，保持根据比较时期的计数值。根据来自列扫描单元13和数据传输线18的扫描，在计数器152中保持的计数值作为数字信号经由已经关闭的开关153被输入到数据输出单元17。 

例如，列扫描单元13在从时序控制单元14提供起动脉冲STR和主时钟MCK时被激活，并且与驱动时钟CLK同步地驱动相应的选择线SEL，在CLK时钟中，主时钟MCK被布置为基准（a reference）以将计数器152的锁存数据（保持的计数值）读出至数据传输线18。 

发明内容

如上所述，共用参考信号和共用自动调零信号AZ0被输入到沿行方向布置的每个比较器151。因此，沿行方向无变化的对象的图像被采集的情形下，例如具有相似值的像素信号被输入到多数个比较器151，并且如图3中所示，多数个比较器151的反转定时分散的宽度（反转定时的变化）变窄。也就是说，多数个比较器151的输出被同时反转。 

如上所述，当多数个比较器151的输出被同时反转时，由于IR降、电流波动等现象会产生有时可能影响其他信号线的噪声。因为在IR降发生前后的特性差被增加，所以在比较器151的后续步骤中也可能出现计数准确度下降以及由各个行之间的干扰引起的AD转换误差，或者图像品质劣化。当同时实现反转的列的数目增加时，上面提及的问题会更加严重。因此，当像素数目增加时，该影响也会增加。 

考虑到上面提及的情况而做出本公开的技术方案，并且希望抑制由比较器输出的同时反转所引起的噪声。 

根据本公开的实施方式，提供一种比较器，该比较器用于将来自一像素的像素信号与参考信号相比较，其中，参考信号的偏移电平以阶梯方式改变，以及根据多个自动调零信号中的一个，执行自动调零以将像素信号布置为所述参考信号的偏移电平，该多个自动调零信号具有用于指示自动调零的不同定时。 

多个比较器可以被布置在与以矩阵布置的像素的行相对应的行方向上，并且多个自动调零信号可以由沿行方向布置的多个比较器选择性地接收。 

沿行方向布置的比较器可以被分成多个组，以及多个不同的自动调零信号以重复的方式连续地被输入到每个由预定数量的所述比较器组成的组。 

多个不同的自动调零信号能够以重复的方式被连续地输入到沿行方向布置的每个所述比较器。 

根据本公开的实施方式的比较器可以包括分散单元，该分散单元用于将所述多个不同的自动调零信号选择性地输出到沿行方向布置的所述多个比较器。 

多个自动调零信号以指示自动调零的定时彼此重叠的方式设置。 

多个自动调零信号以指示自动调零的定时不彼此重叠的方式设置。 

根据本公开的实施方式，提供了一种用于被配置为将来自像素的像素信号与参考信号相比较的比较器的比较方法，其中，参考信号的偏移电平以阶梯方式改变，所述方法包括：使所述比较器根据多个自动调零信号中的一个执行自动调零以将像素信号设置为参考信号的偏移电平，其中，多个自动调零信号具有用于指示自动调零的不同定时。 

根据本公开的另一个实施方式，提供的AD转换器，包括：比较器，用于比较来自像素的像素信号与偏移电平以阶梯方式改变的参考信号，并且根据具有不同的指示自动调零的定时的多个自动调零信号中的一个执行自动调零以便将像素信号设置在所述参考信号的偏移电平；以及计数器，用于在所述比较器的输出被反转之前的时段内在输入时钟信号的两个边缘执行计数，并且输出在先计数值的增加值或者减少值以及在后的计数值。 

根据本公开的另一个实施方式，提供的固态图像拾取器件，包括：像素单元，由被配置为根据入射光输出像素信号的多个像素组成，并且以矩阵布置；以及AD转换单元，包括比较器，用于比较来自所述像素的所述像素信号与偏移电平以阶梯方式改变的参考信号，并且根据具有不同的指示自动调零的定时的多个自动调零信号中的一个执行自动调零以便将所述像素信号设置在所述参考信号的所述偏移电平，以及计数器，用于在所述比较器的输出被反转之前的时段内在输入时钟信号的两个边缘执行计数，并且输出在先计数值的增加值或者减少值以及在后的计数值。 

根据本公开的另一个实施方式，提供的电子设备，包括：使用固态图像拾取器件的图像拾取单元，包括像素单元，由被配置为根据入射光输出像素信号的多个像素组成，并且以矩阵布置；以及AD转换单元，包括比 较器，用于比较来自所述像素的所述像素信号与偏移电平以阶梯方式改变的参考信号，并且根据具有不同的指示自动调零的定时的多个自动调零信号中的一个执行自动调零以便将所述像素信号设置在所述参考信号的所述偏移电平，以及计数器，用于在所述比较器的输出被反转之前的时段内在输入时钟信号的两个边缘执行计数，并且输出在先计数值和在后计数值的增加值或减少值。 

根据本公开的实施方式，像素信号根据多个自动调零信号中的一个在比较器中受到自动调零至参考信号的偏移电平，该多个自动调零信号具有指示自动调零的不同定时。 

根据本公开的实施方式，可以抑制由比较器输出设备的同时反转所引起噪音。 

附图说明

图1是现有技术中的CIS的构造实例的框图； 

图2是图1中示出的比较器的构造实例的电路图； 

图3示出了现有技术中的自动调零信号和参考信号的波形的实例； 

图4是应用本公开的实施方式的CIS的构造实例的框图； 

图5是图4中示出的比较器的构造实例的电路图； 

图6示出被输入到沿行方向布置的比较器的多个自动调零信号和参考信号的波形的第一实例； 

图7是用于描述参考信号的电压不以阶梯方式改变的情况的解释性示图； 

图8示出被输入到沿行方向布置的比较器的多个自动调零信号和参考信号的波形的第二实例； 

图9示出多个不同的自动调零信号被分配到沿行方向布置的比较器的第一实例； 

图10示出多个不同的自动调零信号被分配到沿行方向布置的比较器的第二实例；以及 

图11示出多个不同的自动调零信号被分配到沿行方向布置的比较器的第三实例。 

具体实施方式

将参考以下附图详细地描述用于执行本公开的实施方式（在下文中，将被称为实施方式）。 

像素的构造实例 

图4示出根据本实施方式的CIS200的构造实例。 

通过在图1所示的CIS10的定时控制器14和DAC16之间加入自动调零（AZ）控制单元210，并且用比较器212取代图1的比较器151从而获得CIS200，所以图1的ADC15被ADC211替代。与CIS10中相同的其他组件被赋予相同的参考符号，并且因此将省略对其的描述。 

自动调零控制单元210被用于将从定时控制器14输出的自动调零信号AZ0划分为多个部分，并且通过使各自的波形被设置为低的定时（也就是说，实现自动调零的定时）偏移来生成多个自动调零信号AZ1，AZ2，......。产生的多个自动调零信号AZ1，AZ2，......通过附图中未示出的信号线被提供给沿行方向时序的多个比较器212中的一个。 

自动调零控制单元210还控制DAC16以利用与自动调零信号的数量相同的阶段数阶梯地改变在自动调零信号AZ1，AZ2，......被设置为低至V1，V2，......的期间由DAC16产生的参考信号的偏移电平。 

根据本实施方式，三种类型的自动调零信号AZ1、AZ2、和AZ3基于自动调零信号AZ0产生。因此，参考信号的偏移电平也在V1、V2、和V3的三个阶段中改变。 

然而，要注意的是，自动调零信号AZ1，AZ2，......的数量和与之相同的参考信号的偏移电平的阶段的数量不限于三个并且可以根据行方向上的像素的数量、比较器212的输出的同时反转的影响或类似因素而改变。 

自动调零控制单元210还可以被内置在定时控制单元14中或者DAC16中。 

图5示出了图4的CIS200中的沿行方向布置的多个比较器212的构造实例。 

如图5中示出的，像素信号经由竖直信号线Vn（n=0,1,......,n+1）从像素111被输入到各个比较器212。基于自动调零控制单元210的控制的共用参考信号也被输入到各个比较器212。此外，通过自动调零控制单元210产生的自动调零信号AZ1、AZ2、和AZ3中的一个被输入到每个比较器212。 

图6示出被输入到沿行方向布置的比较器212的多个自动调零信号AZ1、AZ2、和AZ3以及参考信号的波形的第一实例。 

如图6中示出的，参考信号的偏移电平以阶梯形式减少的方式减少到V1、V2、和V3，并且自动调零信号AZ1、AZ2、和AZ3的低定时分别随着参考信号的偏移电平被设置为V1、V2和V3的时段而改变。在这种情况下，提供有自动调零信号AZ1的比较器212在t4被反转，提供有自动 调零信号AZ2的比较器212在t5被反转，并且提供有自动调零信号AZ3的比较器212在t6被反转。也就是说，多个比较器212的同时反转得到抑制，并且反转定时被分散开。 

从图6还可以理解，通过增加自动调零信号的类型的数量（也就是说，参考信号的阶段的数量）可以更宽范围地分散各个比较器212的反转定时。 

参考信号的偏移电平不限于如图6中示出的V1>V2>V3，并且例如，如果使用诸如V1<V2<V3或者V2<V1<V3的相互不同的值也可以获得相似的效果。 

在参考信号的电压不改变的情形中，当然不能从各个比较器212的反转定时的分散中获得效果。 

图7示出自动调零信号AZ1、AZ2、和AZ3以及偏移电平恒定的参考信号被输入到沿行方向布置的多个比较器212的情形。从图7也可以明显看出，除非参考信号的偏移电平以阶梯的方式改变，否则不能从比较器212的输出反转的分散中获得效果。 

下面，图8示出被输入到沿行方向布置的比较器212的多个自动调零信号AZ1、AZ2和AZ3以及参考信号的波形的第二实例； 

根据图8中示出的第二实例，将自动调零信号AZ2和AZ3设置为低的定时与图6中示出的第一实例相比而被提前。 

具体地，自动调零信号AZ2被设置为低的定时提前到t1。利用这个设置，在输入自动调零信号AZ2的比较器212中，在自动调零信号AZ2被设置为低然后受到自动调零至偏移电平V2时，像素信号受到自动调零至参考信号的偏移电平V1。这时，如图6所示，如果V1和V2之间的电压差被设置为小于像素信号被自动调零信号AZ2调零前后的电压差，t2'和t3'可以被提前，并且因此可以缩短自动调零周期。 

相同情况适用于输入自动调零信号AZ3的比较器212。 

自动调零信号AZ1、AZ2、和AZ3的开始定时可以彼此不对齐并且可以任意设置。 

下面，将描述特定的实例，其中自动调零信号AZ1、AZ2、和AZ3被分配到沿行方向布置的多个比较器212。 

图9示出了一实例，其中，自动调零信号AZ1、AZ2、和AZ3被连续地提供给并排布置的比较器212，使得就沿行方向布置的多个比较器212而言，与到邻近比较器212的自动调零信号相同的自动调零信号不会被提供。 

图10示出了一实例，其中，自动调零信号AZ1、AZ2、和AZ3被连续提供给沿行方向布置的多个比较器212的预定数量的每个比较器212（在图10的情况中，全部的四个比较器212）。 

图11示出了一实例，其中，自动调零信号终端开关单元220被设置在沿行方向布置的多个比较器212的前级，并且自动调零信号AZ1、AZ2、和AZ3是通过自动调零信号终端开关单元220被均匀分配到沿行方向布置的多个比较器212。 

将自动调零信号AZ1、AZ2、和AZ3分配到沿行方向布置的多个比较器212的方法不限于上面提及的图9和图10中所示出的实例。然而要注意的是，期望在任意方法中，输入各个自动调零信号AZ1、AZ2、和AZ3的比较器212的数量是相同的。 

如上所述，利用根据本公开的实施方式的CIS200，沿行方向配置的多个比较器212的输出的反转定时是被分散的，并且可以抑制多个比较器212的输出的同时反转。因此，可以避免由同时反转所引起的来自IR降或者电流波动的不良影响。 

此外，因为可以抑制多个比较器212的输出的同时反转，所以本公开的实施方式可以促进CIS的像素数量的增加。 

此外，根据本公开的实施方式的CIS200可以应用于具有图像拾取功能的任何电子设备。 

本领域中的技术人员应当理解，根据设计要求和其他因素，可以进行各种变形、组合、子组合、以及替换，只要它们在所附权利要求或者其等同物的范围内。 

Claims (12)

1.一种比较器，被配置为将来自一像素的像素信号与参考信号相比较，

其中，所述参考信号的偏移电平以阶梯方式改变，以及

根据多个自动调零信号中的一个，执行自动调零以将所述像素信号设置在所述参考信号的所述偏移电平，所述多个自动调零信号具有用于指示所述自动调零的不同定时。

2.根据权利要求1所述的比较器，

其中，所述比较器是沿与以矩阵布置的像素的行相对应的行方向布置的多个比较器中的一个，以及

其中，所述多个自动调零信号由沿所述行方向布置的所述多个比较器选择性地接收。

3.根据权利要求2所述的比较器，

其中，沿所述行方向布置的所述多个比较器被分成多个组，每个组由预定数量的比较器组成，以及

其中，多个不同的所述自动调零信号重复地依次被输入到每个均由所述预定数量的比较器组成的所述多个组中的一个。

4.根据权利要求2所述的比较器，

其中，多个不同的所述自动调零信号重复地依次被输入到沿所述行方向布置的所述多个比较器中的一个。

5.根据权利要求2所述的比较器，包括：

分散单元，被配置为将多个不同的所述自动调零信号选择性地输出到沿所述行方向布置的所述多个比较器。

6.根据权利要求2所述的比较器，

其中，所述多个自动调零信号以用于指示所述自动调零的定时彼此重叠的方式被设置。

7.根据权利要求2所述的比较器，

其中，所述多个自动调零信号以用于指示所述自动调零的定时不彼此重叠的方式被设置。

8.根据权利要求1所述的比较器，其中，所述多个自动调零信号由自动调零控制单元产生。

9.一种用于被配置为将来自像素的像素信号与参考信号相比较的比较器的比较方法，其中，所述参考信号的偏移电平以阶梯方式改变，所述方法包括：

使所述比较器根据多个自动调零信号中的一个执行自动调零以将像素信号设置在所述参考信号的所述偏移电平，其中，所述多个自动调零信号具有用于指示所述自动调零的不同定时。

10.一种AD转换器，包括：

比较器，被配置为比较来自像素的像素信号与偏移电平以阶梯方式改变的参考信号，并且根据具有用于指示自动调零的不同定时的多个自动调零信号中的一个来执行自动调零以将所述像素信号设置在所述参考信号的所述偏移电平；以及

计数器，被配置为在所述比较器的输出被反转之前的时段内在输入时钟信号的两个边缘执行计数，并且输出在先计数值和在后计数值的增加值或减少值。

11.一种固态图像拾取器件，包括：

像素单元，由被配置为根据入射光输出像素信号并以矩阵布置的多个像素组成；以及

AD转换单元，所述AD转换单元包括：

比较器，被配置为比较来自像素的所述像素信号与偏移电平以阶梯方式改变的参考信号，并且根据具有用于指示自动调零的不同定时的多个自动调零信号中的一个来执行自动调零以将所述像素信号布置在所述参考信号的所述偏移电平，以及

计数器，被配置为在所述比较器的输出被反转之前的时段内在输入时钟信号的两个边缘执行计数，并且输出在先计数值和在后计数值的增加值或减少值。

12.一种电子设备，包括：

使用固态图像拾取器件的图像拾取单元，所述图像拾取单元包括：

像素单元，由被配置为根据入射光输出像素信号并以矩阵布置的多个像素组成，以及

AD转换单元，所述AD转换单元包括：

比较器，被配置为比较来自像素的所述像素信号与偏移电平以阶梯方式改变的参考信号，并且根据具有用于指示自动调零的不同定时的多个自动调零信号中的一个来执行自动调零以将所述像素信号设置在所述参考信号的所述偏移电平，以及

计数器，被配置为在所述比较器的输出被反转之前的时段内在输入时钟信号的两个边缘执行计数，并且输出在先计数值和在后计数值的增加值或减少值。

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