CN106257922A - 感测器件、图像感测系统及其方法 - Google Patents

Abstract

一种感测器件包括：采样电路，被布置为响应于具有单调递增波形的采样信号，对感测信号进行采样以用于生成信号；和转换电路，被布置为在信号达到转换电路的预定阈值时，将信号转换为数字输出信号。本发明还提供了图像感测系统及感测方法。

Description

感测器件、图像感测系统及其方法

技术领域

本发明涉及图像感测系统及其方法，更具体地，涉及低随机电报信号(RTS)噪声图像传感器及其方法。

背景技术

电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)通常用于图像拍摄器件，诸如照相机。与CCD传感器相比较，CIS传感器具有更快的读取、更多的功能以及更小的系统尺寸。然而，CIS传感器可以经受由随机电报信号(RTS)感应的噪声。由场氧化物晶体管的栅极氧化物区域中捕获的电荷引起RTS噪声。尤其在规模不断缩小的晶体管尺寸中，RTS噪声已经成为低亮度等级应用的问题。例如，RTS噪声可以很大程度地影响照相机的图像质量。在一些现有的方法中，除了RTS噪声之外，由于CIS像素的高分辨率和高速成像要求，用于读CIS传感器的信号的电路占用相对较大的面积并且消耗了太多的照相机的功率。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的缺陷，根据本发明的一方面，提供了一种感测器件，包括：采样电路，被布置为响应于具有单调递增波形的采样信号，对感测信号进行采样，以用于生成信号；以及转换电路，被布置为在所述信号达到所述转换电路的预定阈值时，将所述信号转换为数字输出信号。

在该感测器件中，所述采样电路包括：偏置电路，被布置为向所述感测信号提供偏置电流；以及分压电路，耦合至所述偏置电路，用于对所述感测信号与所述采样信号之间的电压差进行分压，以生成所述信号。

在该感测器件中，所述偏置电路包括：第一N沟道场效应晶体管，具有用于接收第一控制信号的控制端和用于接收所述感测信号的第一端；以及第二N沟道场效应晶体管，具有用于接收第二控制信号的控制端、耦合至第一场效应晶体管的第二端的第一端和耦合至参考电压的第二端；其中，所述第二N沟道场效应晶体管是本征N沟道场效应晶体管，并且所述第一N沟道场效应晶体管的第一阈值电压大于所述第二N沟道场效应晶体管的第二阈值电压。

在该感测器件中，所述分压电路包括：第一电容器，具有耦合至所述第一N沟道场效应晶体管的第一端的第一端和用于输出所述信号的第二端；以及第二电容器，具有耦合至所述第一电容器的第二端的第一端和用于接收所述采样信号的第二端。

在该感测器件中，所述转换电路包括：充电电路，被布置为响应于所述信号生成充电电流；放电电路，被布置为响应于所述信号生成放电电流；负载电路，被布置为接收所述充电电流和所述放电电流，并且相应地生成负载信号；反相器，被布置为响应于所述负载信号，输出所述数字输出信号；以及开关电路，被布置为响应于第一控制信号，选择性地使所述信号与所述负载信号相等。

在该感测器件中，当所述第一控制信号使所述开关电路闭合以使所述信号与所述负载信号相等时，所述信号和所述负载信号等于所述预定阈值；并且当所述第一控制信号使所述开关电路断开并且所述采样信号的单调递增波形使所述信号达到所述预定阈值时，所述反相器将所述数字输出信号从第一电压电平转换为不同于所述第一电压电平的第二电压电平。

在该感测器件中，所述充电电路包括：第一P沟道场效应晶体管，具有接收所述信号的控制端和耦合至第一参考电压的第一端；和第二P沟道场效应晶体管，具有接收第二控制信号的控制端、耦合至所述第一P沟道场效应晶体管的第二端的第一端和用于输出所述充电电流的第二端；所述放电电路包括：第一N沟道场效应晶体管，具有接收所述信号的控制端和耦合至不同于所述第一参考电压的第二参考电压的第一端；和第二N沟道场效应晶体管，具有接收不同于所述第二控制信号的第三控制信号的控制端、耦合至所述第一N沟道场效应晶体管的第二端的第一端和用于输出所述放电电流的第二端；所述负载电路包括：电容器，具有耦合至所述第二P沟道场效应晶体管的第二端和所述第二N沟道场效应晶体管的第二端的第一端以用于生成所述负载信号，以及耦合至所述第二参考电压的第二端；以及所述开关电路包括：开关，具有用于接收所述第一控制信号的控制端、耦合至所述第一P沟道场效应晶体管的控制端和所述第一N沟道场效应晶体管的控制端的第一端，以及耦合至所述第二P沟道场效应晶体管的第二端和所述第二N沟道场效应晶体管的第二端的第二端。

该感测器件还包括：控制电路，被布置为生成所述采样信号，其中，通过控制端将所述控制电路耦合至所述采样电路，并且所述控制电路包括：电流生成器，被布置为生成至所述控制端的拉电流；第一电容器，具有耦合至所述控制端的第一端和耦合至参考电压的第二端；第二电容器，具有耦合至所述参考电压的第一端；第一开关，被布置为响应于第一控制信号，选择性地将所述第二电容器的第二端耦合至所述控制端；电阻器，具有耦合至所述控制端的第一端和耦合至所述参考电压的第二端；以及第二开关，被布置为响应于第二控制信号，选择性地将所述控制端耦合至所述参考电压。

在该感测器件中，当所述第一控制信号使所述第一开关闭合并且所述第二控制信号使所述第二开关断开时，所述拉电流将所述第二电容器充电至预定电压电平。

在该感测器件中，在第一采样阶段期间，所述第一控制信号使所述第一开关闭合并且所述第二控制信号使所述第二开关断开，然后所述第一控制信号使所述第一开关断开并且所述第二控制信号使所述第二开关闭合，以及然后所述第一控制信号和所述第二控制信号分别使所述第一开关和所述第二开关断开，以响应于所述拉电流，在所述控制端生成所述单调递增波形；并且在所述第一采样阶段之后的第二采样阶段期间，所述第一控制信号使所述第一开关断开并且所述第二控制信号使所述第二开关闭合，并且然后所述第一控制信号和所述第二控制信号分别使所述第一开关和所述第二开关断开，以响应于所述拉电流，在所述控制端生成所述单调递增波形。

根据本发明的另一方面，提供了一种图像感测系统，包括：多个光电单元，被布置为生成多个感测信号；以及多个感测器件，每一个感测器件都耦合至所述多个光电单元中的预定数量的光电单元；其中，每一个感测器件都包括：采样电路，被布置为响应于具有单调递增波形的采样信号，对由从所述多个光电单元的预定数量的光电单元中所选择的光电单元生成的感测信号进行采样，以用于生成信号；和转换电路，被布置为在所述信号达到所述转换电路的预定阈值时，将所述信号转换为数字输出信号。

在该图像感测系统中，所述采样电路包括：偏置电路，被布置为向所述感测信号提供偏置电流；以及分压电路，耦合至所述偏置电路，用于对所述感测信号与所述采样信号之间的电压差进行分压，以生成所述信号。

在该图像感测系统中，所述转换电路包括：充电电路，被布置为响应于所述信号生成充电电流；放电电路，被布置为响应于所述信号生成放电电流；负载电路，被布置为接收所述充电电流和所述放电电流，并且相应地生成负载信号；反相器，被布置为响应于所述负载信号，输出所述数字输出信号；以及开关电路，被布置为响应于第一控制信号，选择性地使所述信号与所述负载信号相等。

在该图像感测系统中，当所述第一控制信号使所述开关电路闭合以使所述信号与所述负载信号相等时，所述信号和所述负载信号等于所述预定阈值；并且当所述第一控制信号使所述开关电路断开并且所述采样信号的单调递增波形使所述信号达到所述预定阈值时，所述反相器将所述数字输出信号从第一电压电平转换为不同于所述第一电压电平的第二电压电平。

该图像感测系统还包括：控制电路，耦合至所述多个感测器件以用于生成所述采样信号，其中，通过控制端将所述控制电路耦合至多个采样电路，并且所述控制电路包括：电流生成器，被布置为生成至所述控制端的拉电流；第一电容器，具有耦合至所述控制端的第一端和耦合至参考电压的第二端；第二电容器，具有耦合至所述参考电压的第一端；第一开关，被布置为响应于第一控制信号，选择性地将所述第二电容器的第二端耦合至所述控制端；电阻器，具有耦合至所述控制端的第一端和耦合至所述参考电压的第二端；以及第二开关，被布置为响应于第二控制信号，选择性地将所述控制端耦合至所述参考电压。

在该图像感测系统中，在第一采样阶段期间，所述第一控制信号使所述第一开关闭合并且所述第二控制信号使所述第二开关断开，然后所述第一控制信号使所述第一开关断开并且所述第二控制信号使所述第二开关闭合，以及然后所述第一控制信号和所述第二控制信号分别使所述第一开关和所述第二开关断开，以响应于所述拉电流，在所述控制端生成所述单调递增波形；并且在所述第一采样阶段之后的第二采样阶段期间，所述第一控制信号使所述第一开关断开并且所述第二控制信号使所述第二开关闭合，然后所述第一控制信号和所述第二控制信号分别使所述第一开关和所述第二开关断开，以响应于所述拉电流，在所述控制端生成所述单调递增波形。

根据本发明的又一方面，提供了一种信号感测方法，包括：生成具有单调递增波形的采样信号；响应于所述采样信号，对感测信号进行采样，以用于生成信号；以及当所述信号达到预定阈值时，将所述信号转换为数字输出信号。

在该信号感测方法中，响应于所述采样信号，对感测信号进行采样以用于生成所述信号包括：为所述感测信号提供偏置电流；以及将所述感测信号与所述采样信号之间的电压差进行分压，以生成所述信号。

在该信号感测方法中，在所述信号达到所述预定阈值时，将所述信号转换为所述数字输出信号包括：响应于所述信号生成充电电流；响应于所述信号生成放电电流；加载所述充电电流和所述放电电流，并且相应地生成负载信号；响应于所述负载信号输出所述数字输出信号；使所述信号和所述负载信号等于所述预定阈值；以及当所述信号达到所述预定阈值时，将所述数字输出信号从第一电压电平转换为不同于所述第一电压电平的第二电压电平。

在该信号感测方法中，生成具有单调递增波形的采样信号包括：在第一采样阶段期间：生成具有预定电压电平的采样信号；生成具有参考电压的采样信号，所述参考电压低于所述预定电压电平；和生成具有所述单调递增波形的采样信号；在第二采样阶段期间：生成具有所述参考电压的采样信号；以及生成具有所述单调递增波形的采样信号。

附图说明

当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以更好地理解本发明的各个方面。应该注意，根据工业中的标准实践，各种部件没有被按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各种部件的尺寸可以被任意增加或减少。

图1是根据一些实施例的图像感测系统；

图2是示出根据一些实施例的图1中的图像感测系统的更详细的电路组的示图；

图3是示出根据一些实施例的用于图2中的电路操作的感测信号、信号、采样信号和数字输出信号的时序图；

图4是示出根据一些实施例的在复位阶段期间图2中的感测器件的等效电路的示图；

图5是示出根据一些实施例的在第一采样阶段中的第一子阶段期间图2中的感测器件的等效电路的示图；

图6是示出根据一些实施例的在第一采样阶段中的第二子阶段期间图2中的感测器件的等效电路的示图；

图7是示出根据一些实施例的图2中的感测器件的上升波形具有两个不同斜率的采样信号的时序图；以及

图8是示出根据一些实施例的信号感测方法的流程图。

具体实施方式

以下公开内容提供了多种不同实施例或实例，用于实现所提供主题的不同特征。以下将描述组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅是实例并且不意欲限制本发明。例如，在以下描述中，在第二部件上方或上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件形成为直接接触的实施例，也可以包括形成在第一部件和第二部件之间的附加部件使得第一部件和第二部件不直接接触的实施例。另外，本发明可以在各个实例中重复参考标号和/或字符。这种重复是为了简化和清楚的目的，并且其本身并不表示所讨论的实施例和/或配置之间的关系。

此外，为了便于描述，本文中可以使用诸如“在...下方”、“在...下面”、“下部”、“在...上面”、“上部”等的空间关系术语，以描述如图所示的一个元件或部件与另一个(多个)元件或部件的关系。除了图中所示的方位外，空间关系术语旨在包括器件在使用或操作过程中的不同方位。装置可以以其他方式定位(旋转90度或在其他方位)，并且在本文中使用的空间关系描述符可以同样地作相应地解释。

图1是根据一些实施例的图像感测系统10。图像感测系统10包括传感器阵列12、多个感测器件14_1-14_M和控制电路16。传感器阵列12包括布置为具有M列和N行的矩阵图案的多个光电单元12_MN，M和N是自然数。多个感测器件14_1-14_M中的每一个都耦合至多个光电单元12_MN中的预定数量的光电单元。多个感测器件14_1-14_M可以被视为传感器阵列12的列电路。在一些实施例中，预定数量是N，因此是传感器阵列12中的列的N个光电单元。换句话说，多个感测器件14_1-14_M中的每一个都耦合至传感器阵列12中的每一列的光电单元。例如，感测器件14_1耦合至第一列的多个光电单元12_11-12_1N。这并不是对实施例的限制。在另一个实施例中，可以将感测器件布置为耦合至传感器阵列12的行中的多个光电单元。此外，M和N可以是大于1的整数。例如，在一些实施例中，M是640并且N是480。

在图像感测系统10的图像感测操作中，多个光电单元12_MN布置为生成多个感测信号。以逐行扫描对感测信号进行采样的传感器阵列12的方式来布置多个感测器件14_1-14_M。例如，布置多个感测器件14_1-14_M，以对由第一行的多个光电单元12_11-12_M1生成的感测信号进行采样，然后，对由第二行的多个光电单元12_12-12_M2生成的感测信号进行采样，等等。然而，这并不是对实施例的限制。例如，可以布置多个感测器件14_1-14_M，以通过预定的行选择顺序对感测信号进行采样。

控制器件(未示出)可以用于控制传感器阵列12的行选择顺序。当选择传感器阵列12的一行时，所选行的多个光电单元分别生成多个感测信号Ss_1-Ss_M。通过耦合至传感器阵列12的多个感测器件14_1-14_M来接收多个感测信号Ss_1-Ss_M。在一些实施例中，传感器阵列12的未被选择的行中的光电单元截止，使得所选行的多个感测信号Ss_1-Ss_M不受未被选择的行的信号干扰。控制电路16耦合至多个感测器件14_1-14_M，以用于生成达到多个感测器件14_1-14_M的采样信号Sp。根据一些实施例，采样信号Sp具有单调递增波形。例如，单调递增波形可以是上升波形(即，具有正斜率的斜坡波形)或递增的阶跃波形。多个感测器件14_1-14_M使用采样信号Sp分别对多个感测信号Ss_1-Ss_M进行采样，以用于生成多个数字输出信号D_1-D_M。换句话说，多个感测器件14_1-14_M使用相同的采样信号Sp来分别对多个感测信号Ss_1-Ss_M进行采样。另外，多个计数器(未示出)分别耦合至多个感测器件14_1-14_M，以用于对多个数字输出信号D_1-D_M进行计数。

图像感测系统10的详细的操作可以参考图2，该图2是示出根据一些实施例的图像感测系统10的一组更详细的电路的示图。如图所示，图2中的感测器件20被示出为包括光电单元12_11、感测器件14_1和控制电路16。由于其他的感测器件14_2-14_M具有类似的操作，所以为了简洁，本文省略详细的描述。

根据一些实施例，光电单元12_11被示出为N沟道场效应晶体管M1。晶体管M1被配置为源极跟随器。具体地，晶体管M1的漏极端耦合至参考电压，即，电源电压Vdd，晶体管M1的栅极端接收与光电二极管(未示出)检测的入射光相对应的输入信号Sin，以及响应于输入信号Sin，晶体管M1的源极端输出感测信号Ss_1。光电单元12_11还可以包括用于将入射光转换为感测信号Ss_1的其他电路，并且为了简洁，本文省略其他电路。感测信号Ss_1可以被视为传感器阵列12的列线上的像素信号。

感测器件14_1包括采样电路22和转换电路24。采样电路22布置为响应于采样信号Sp，对感测信号Ss_1进行采样，以用于生成信号Sr。转换电路24布置为在信号Sr的幅值达到转换电路24的预定的阈值Vpre时，将信号Sr转换为数字输出信号D_1。根据一些实施例，转换电路24可以包括反相器，并且预定阈值Vpre是反相器的阈值电压。随着反相器的阈值电压处于特殊的电压电平，转换电路24的翻转点相应地跟随。结果，预定阈值Vpre不取决于感测信号Ss_1。

根据一些实施例，采样电路22包括偏置电路221和分压电路222。布置偏置电路221，以为感测信号Ss_1提供偏置电流Idc。分压电路222耦合至偏置电路221，并且对感测信号Ss_1与采样信号Sp之间的电压差进行分压，然后生成信号Sr。

偏置电路221包括N沟道场效应晶体管M2和N沟道场效应晶体管M3。晶体管M2具有用于接收控制信号Sc1的控制端(如，栅极端)和用于接收感测信号Ss_1的端子(如，漏极端)。晶体管M3具有用于接收控制信号Sc2的控制端(如，栅极端)、耦合至晶体管M2的端子(如，源极端)的端子(如，漏极端)、以及耦合至参考电压(即，接地电压Vgnd)的端子(如，源极端)。另外，在一些实施例中，晶体管M2的阈值电压大于晶体管M3的阈值电压。根据一些实施例，晶体管M2包括具有非零阈值电压(如，0.7V)的标准N沟道MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)，并且晶体管M3包括具有几乎为零的阈值电压(如，0V)的本征(native)N沟道MOSFET。由于本征N沟道MOSFET形成在轻掺杂的衬底中，所以用于使本征N沟道MOSFET导通的垂直电场小于标准N沟道MOSFET的垂直电场。

当信号Sc2的电压电平高于几乎为零的阈值电压时，晶体管M3导通。同时，当信号Sc1的电压电平高于非零阈值电压时，晶体管M2也导通。因此，当光电单元12_11的晶体管M1导通时，生成偏置电流Idc以流经晶体管M1、M2和M3。当信号Sc1变为接地电压时，晶体管M2截止。换句话说，通过晶体管M2而不是晶体管M3来控制偏置电路221的导通/截止。晶体管M3用于生成偏置电流Idc。有效地，该布置可以减少图像感测系统10的RTS噪声，以用于在以下段落中解释说明的理由。

对于CMOS图像传感器来说，由在场效应晶体管的沟道区域的硅表面处被捕获的电荷引起RTS噪声。捕获的电荷越多，感应RTS噪声就越多。此外，本征N沟道MOSFET的沟道区域中捕获的电荷少于标准N沟道MOSFET的沟道区域中捕获的电荷。换句话说，当通过本征N沟道MOSFET来实施电路时，该电路的RTS噪声低于通过标准N沟道MOSFET所实施的对应电路的RTS噪声。在图2中，通过为本征N沟道MOSFET的晶体管M3来生成偏置电路221的偏置电流Idc。因此，偏置电流Idc中的RTS噪声比由标准N沟道MOSFET所生成的偏置电流中的RTS噪声低得多。因此，大幅降低了偏置电路221的RTS噪声，并且提高了感测信号Ss_1的噪声性能。

此外，与采用标准N沟道MOSFET来生成具有类似噪声性能的偏置电流的对应电路相比较，使用本征N沟道MOSFET生成偏置电流Idc还具有缩小偏置电路221的尺寸的优点。对于MOSFET来说，MOSFET的噪声与MOSFET的尺寸成反比。因此，对于使用标准N沟道MOSFET生成偏置电流的传统电路来说，标准N沟道MOSFET的尺寸应该足够大以生成低噪声电流。相反地，通过使用本征N沟道MOSFET，大幅降低了偏置电路221的噪声，并且不需要增大偏置电路221的尺寸来进一步减少噪声。因此，偏置电路221的尺寸小于传统的对应电路。

分压电路222包括电容器C1和电容器C2。电容器C1具有耦合至晶体管M2的漏极端的端子和用于输出信号Sr的端子。电容器C2具有耦合至电容器C1的端子的端子和用于接收采样信号Sp的端子。由于电容器C1和电容器C2串联连接在感测信号Ss_1与采样信号Sp之间，所以布置电容器C1和电容器C2将感测信号Ss_1与采样信号Sp之间的电压差进行分压，以在端子Nr上生成信号Sr。换句话说，电容器C1产生压降，并且通过电容器C1的压降来降低信号Sr的电压电平。

根据一些实施例，电容器C1和电容器C2是金属氧化物金属(MOM)电容器。由于MOM电容器在制造期间不需要额外的掩模层，所以MOM电容器比较便宜。MOM电容器的制造可以与集成电路(IC)中的连接制造集成。例如，当通过由氧化物电介质分离的两个铜层来形成MOM电容器时，可以通过半导体制造工艺的现有的光掩模来制造两个铜层。因此，不需要额外光掩模。

转换电路24包括充电电路241、放电电路242、负载电路243、反相器244和开关电路245。布置充电电路241，以响应于信号Sr而生成充电电流Ic。布置放电电路242，以响应于信号Sr而生成放电电流Id。布置负载电路243，以接收充电电流Ic和放电电流Id，并且相应地生成负载信号Sl。布置反相器244，以响应于负载信号Sl而输出数字输出信号D_1。布置开关电路245，以响应于控制信号Sc3而选择性地使信号Sr与负载信号Sl相等。另外，由于通过分压电路222降低了信号Sr的电压电平，所以可以通过诸如半导体器件的核心器件的低压(Low-V)器件来实施转换电路24。

当信号Sc3使开关电路245断开时，转换电路24可以被视为具有预定阈值Vpre的反相电路。当信号Sc3使开关电路245闭合时，转换电路24可以被视为负反馈电路，其中转换电路的输入端(即，端Nr)连接至转换电路的输出端Nl。

根据一些实施例，充电电路241包括P沟道场效应晶体管M4和P沟道场效应晶体管M5。晶体管M4具有接收信号Sr的控制端(如，栅极端)和耦合至参考电压(即，电源电压Vdd)的端子(如，源极端)。晶体管M5具有接收控制信号Sc4的控制端(如，栅极端)、耦合至晶体管M4的端子(如，漏极端)的端子(如，源极端)以及用于输出充电电流Ic的端子(如，漏极端)。

晶体管M4和晶体管M5被配置为串联配置，其中晶体管M5用于控制充电电路241的选择。具体地，当信号Sc4处于低电压电平(如，接地电压Vgnd)时，选择并且激活充电电路241。当信号Sc4处于高电压电平(如，电源电压Vdd)时，不选择充电电路241，因此未激活该充电电路。

串联晶体管M4、M5可以被视为充电电路241的跨导(即，gm)支路。尽管仅具有图2中示出的串联晶体管M4、M5的一个支路，但是这仅是为了简明，并不是对实施例的限制。充电电路241可以包括并联连接在电源电压Vdd与输出端Nl之间的多个串联的跨导支路，并且多个串联的跨导支路分别由多个控制信号控制。因此，可以通过多个控制信号的选择来对充电电路241的充电电流Ic进行编程。换句话说，由充电电路241生成的充电电流Ic是可编程的充电电流。

放电电路242包括N沟道场效应晶体管M6和N沟道场效应晶体管M7。晶体管M6具有接收信号Sr的控制端(如，栅极端)和耦合至参考电压(即，接地电压Vgnd)的端子(如，源极端)。晶体管M7具有接收控制信号Sc5的控制端(如，栅极端)、耦合至晶体管M6的端子(如，漏极端)的端子(如，源极端)以及用于输出放电电流Id的端子(如，漏极端)。

晶体管M6和晶体管M7被配置为串联配置，其中晶体管M7用于控制放电电路242的选择。具体地，当信号Sc5处于高电压电平(如，电源电压Vdd)时，选择并且激活放电电路242。当信号Sc5处于低电压电平(如，接地电压Vgnd)时，不选择放电电路242，因此未激活该放电电路。

串联的晶体管M6、M7可以被视为放电电路242的跨导(即，gm)支路。尽管仅具有图2中所示的串联的晶体管M6、M7的一个支路，但是这仅是为了简明，并不是对实施例的限制。放电电路242可以包括并联连接在输出端Nl与接地电压Vgnd之间的多个串联的跨导支路，并且多个串联的跨导支路分别由多个控制信号控制。因此，可以通过多个控制信号的选择来对放电电路242的放电电流Id进行编程。换句话说，由放电电路242生成的放电电流是可编程的放电电流。

另外，根据一些实施例，通过半导体器件的核心器件来实施充电电路241的晶体管(如，晶体管M4、M5)，并且通过半导体器件的I/O(输入/输出)器件来实施放电电路242的晶体管(如，晶体管M6、M7)。具体地，核心器件晶体管具有比I/O器件晶体管更高的跨导，并且核心器件晶体管可以承受比I/O器件晶体管更低的交叉电压。换句话说，核心器件晶体管可以被视为低压(Low-V)器件，并且I/O器件晶体管可以被视为高压(High-V)器件。例如，可以将I/O器件晶体管实施为具有比核心器件晶体管的等效栅极氧化物厚度更厚的等效栅极氧化物厚度。又例如，可以将I/O器件晶体管实施为具有非高k栅极电介质，并且可以将核心器件晶体管实施为具有高k栅极电介质。

负载电路243包括电容器Cl。电容器Cl具有耦合至晶体管M5的漏极端(如，Nl)和晶体管M7的漏极端的的端子，以用于生成负载信号Sl、和耦合至接地电压Vgnd的端子。根据一些实施例，电容器Cl是可调电容器。当输出端Nl上的输出电容可调时，转换电路24的带宽和增益也可调。负载电路243可以是可调电容器、可调电阻器或以上器件的组合。

开关电路245是开关。开关具有用于接收信号Sc3的控制端、耦合至晶体管M4的栅极端(即，Nr)和晶体管M6的栅极端的端子以及耦合至晶体管M5的漏极端(即，Nl)和晶体管M7漏极端的端子。

通过控制端Nc将控制电路16耦合至采样电路14_1。控制电路16包括电流生成器161、电容器162、电容器163、开关164、电阻器165和开关166。布置电流生成器161以生成至控制端Nc的拉电流Is(sourcingcurrent，又称为供给源电流)。电容器162具有耦合至控制端Nc的端子和耦合至接地电压Vgnd的端子。电容器163具有耦合至接地电压Vgnd的端子。布置开关164，以响应于第六控制信号Sc6而选择性地将电容器163的端子耦合至控制端Nc。电阻器165具有耦合至控制端Nc的端子和耦合至接地电压Vgnd的端子。布置开关166，以响应于第七控制信号Sc7而选择性地将控制端Nc耦合至接地电压Vgnd。

根据一些实施例，电流生成器161是P型电流数字模拟转换器(DAC)。布置P型电流DAC，以根据数字控制信号Scd生成拉电流。因此，为了生成需要的拉电流Is，通过数字控制信号Scd来数字调节P型电流DAC。换句话说，电流生成器161是用于生成可调拉电流Is的可调电流生成器。可以控制电流生成器161，以生成拉电流Is或不生成拉电流Is。图2中示出的电流生成器161的示图仅是为了简明。实际上，开关可以用于串联连接至电流生成器161。当开关闭合时，电流生成器161连接至控制端Nc。当开关断开时，电流生成器161与控制端Nc断开连接。

电容器162是具有可调电容的可调电容器。类似地，图2中示出的电容器162的示图仅是为了简明。实际上，开关可以用于串联连接至电容器162。当开关闭合时，电容器162连接至控制端Nc。当开关断开时，电容器162与控制端Nc断开连接。

电阻器165是具有可调电阻的可调电阻器。类似地，图2中示出的电阻器165的示图仅是为了简明。实际上，开关可以用于串联连接至电阻器165。当开关闭合时，电阻器165连接至控制端Nc。当开关断开时，电阻器165与控制端Nc断开连接。

此外，根据一些实施例，电容器163是经由连接端口Np耦合至图像感测系统10的片外电容器。然而，这并不是对实施例的限制。可以将电容器163集成到图像感测系统10的单个芯片中。布置电容器163，以提供预定的电压电平Vbt。可以通过电流生成器161在内部对电容器163的预定电压电平Vbt进行充电。具体地，当通过信号Sc6将开关164闭合时，电流生成器161与电阻器165结合对电容器163进行充电直到电容器163的压降达到预定电压电平Vbt。也可以通过外部电路从外部对电容器163的预定电压电平Vbt进行充电/改变。

图3中示出了感测器件20的感测操作。图3是示出根据一些实施例的感测信号Ss_1、信号Sr、采样信号Sp和数字输出信号D_1的时序图。可以将感测操作划分为三个阶段，即，复位阶段Pr、第一采样阶段P1和第二采样阶段P2。这并不是对实施例的限制。

在复位阶段Pr期间，信号Sc1和信号Sc2是高电压电平，诸如电源电压Vdd。信号Sc4是接地电压Vgnd并且信号Sc5是电源电压Vdd，以用于使能转换电路24。信号Sc3使开关电路245闭合以使信号Sr与负载信号Sl相等，使得信号Sr与负载信号Sl等于预定阈值Vpre。信号Sc6使开关164闭合，以提供为控制端Nc的预定电压电平Vbt。信号Sc7使开关166断开。电流生成器161不提供拉电流Is。控制电容器162和电阻器165，以基本与控制端Nc断开连接。例如，在复位阶段Pr期间，关闭电流生成器161，并且电容器162和电阻器165被调节为具有较大的阻抗。图4是示出根据一些实施例的在复位阶段Pr期间感测器件20的等效电路的示图。

另外，如图3所示，控制感测信号Ss_1的电压电平(与输入信号Sin类似)，以在复位阶段Pr的时间t1处从待机电压电平Vs下降至复位电压电平Vrst，以用于对感测器件14_1复位。在感测器件14_1复位之后，信号Sr的电压电平是预定阈值Vpre。然后，例如，在时间t2处，信号Sc3使开关电路245断开，使转换电路24的输入端(即，Nr)浮置并且使负载信号Sl处于亚稳定(meta-stable)状态。换句话说，在感测器件14复位之后，转换电路24的输入端Nr上的电压电平浮置于阈值电压电平，即，预定阈值Vpre。如果转换电路24的输入端Nr上的电压电平变化为高于预定阈值Vpre，那么将负载信号Sl的电压电平进行放电至接地电压Vgnd并且数字输出信号D_1成为高电压电平。如果转换电路24的输入端Nr上的电压电平变化为低于预定阈值Vpre，那么将负载信号Sl的电压电平充电至电源电压Vdd并且数字输出信号D_1成为低电压电平。由于将转换电路24配置为反相器配置，所以转换电路24的预定阈值Vpre是固定的电压电平，并且预定阈值Vpre不取决于转换电路24的信号Sr。

然后，感测器件20进入阶段P1。信号Sc3不限于在复位阶段Pr断开开关电路245，并且信号Sc3可以在阶段P1断开开关电路245。

在阶段P1期间，将感测器件20的操作划分为两个子阶段P11、P12，其中第一子阶段P11从时间t3到时间t4，并且第二子阶段P12从时间t4到时间t6。在子阶段P11期间，信号Sc6使开关164断开，以使控制端Nc与电容器163断开连接。信号Sc7使开关166闭合，以将采样信号Sp的电压电平改变为接地电压Vgnd。图5是示出根据一些实施例的阶段P1中的子阶段P11期间感测器件20的等效电路的示图。

当采样信号Sp的电压电平下降至接地电压Vgnd时，由于分压电路222，所以端子Nr上的信号Sr的电压电平也下降至对应的电压。采样信号Sp的电压电平的下降确保转换电路24的输入电压(即，信号Sr的电压电平)低于转换电路24的预定阈值Vpre。在阶段P1中的子阶段P11期间，当信号Sr的电压电平低于预定阈值Vpre时，将负载信号Sl的电压电平充电至高电压电平并且保证数字输出信号D_1的电压电平是低电压电平(如，0V)。

在子阶段P12期间，信号Sc6使开关164断开。信号Sc7使开关166断开。布置电流生成器161以在时间t4处通过拉电流Is来对控制端Nc的电容器(即，电容器162和电容器C2)进行充电，使得采样信号Sp的电压电平以正斜率上升。在阶段P1的子阶段P12期间，控制电阻器165与控制端Nc断开连接。图6是示出根据一些实施例的在阶段P1中的子阶段P12期间感测器件20的等效电路的示图。

当采样信号Sp的电压电平以正斜率上升时，信号Sr的电压电平也以与采样信号Sp的正斜率不同的正斜率上升。当信号Sr的电压电平达到转换电路24的预定阈值Vpre时，即，在时间t5处，转换电路24翻转，以将负载信号Sl的电压电平放电至低电压电平。因此，在时间t5处，数字输出信号D_1的电压电平从低电压电平(如，0V)改变为高电压电平(如，Vdd)。

当数字输出信号D_1的电压电平从低电压电平变为高电压电平时，连接至反相器244的输出的计数器(未示出)被布置为对时间t4与时间t5之间的时间间隔Ta进行计数。然后将时间间隔Ta存储在处理器(未示出)中以用于稍后的应用。

在时间t5之后，电流生成器161继续通过拉电流Is对控制端Nc的电容器进行充电，直到时间t6。充电时间间隔(即，从t4至t6)是预定时间间隔。当充电时间间隔结束，电流生成器161停止并且信号Sc7使开关166闭合，使得采样信号Sp的电压电平再次回到接地电压Vgnd。同时，在时间t6处，数字输出信号D_1的电压电平从高电压电平改变为低电压电平。

在时间t6之后，感测器件20进入阶段P2。将阶段P2划分为两个子阶段P21、P22，其中第一子阶段P21从时间t6至时间t8，并且第二子阶段P22从时间t8至时间t10。在子阶段P21期间，布置光电单元12_11，以生成与入射光相对应的感测信号Ss_1。具体地，为了达到与入射光的强度相对应的电压电平Vsig，感测信号Ss_1的电压电平具有降低的电压电平。与此同时，如图3所示，在时间t7处，信号Sr也降低了对应的电压电平。在阶段P2的子阶段P21期间，感测器件20的等效电路与图5中示出的等效电路类似。

在时间t8处，感测器件20进入子阶段P22。在子阶段P22期间，信号Sc6使开关164断开。信号Sc7使开关166断开。电流生成器161被布置为通过拉电流Is对控制端Nc处的电容器(即，电容器162和电容器C2)进行充电，使得采样信号Sp的电压电平以正斜率上升。子阶段P12期间的拉电流Is的幅值基本等于子阶段P22期间的拉电流Is的幅值，使得采样信号Sp可以具有相同的正斜率。此外，在阶段P2的子阶段P22期间，控制电阻器165与控制端Nc断开连接。阶段P2的子阶段P22期间的感测器件20的等效电路与图6中示出的等效电路类似。

当采样信号Sp的电压电平以正斜率上升时，信号Sr的电压电平也以与采样信号Sp的正斜率不同的正斜率上升。当信号Sr的电压电平达到转换电路24的预定阈值Vpre时，即在时间t9处，转换电路24翻转，以将负载信号Sl的电压电平放电至低电压电平。因此，在时间t9处，数字输出信号D_1的电压电平从低电压电平(如，0V)改变为高电压电平(如，Vdd)。

当数字输出信号D_1的电压电平从低电压电平改变为高电压电平时，连接至反相器244的输出的计数器(未示出)被布置为对时间t8与时间t9之间的时间间隔Tb进行计数。为了确定入射光的强度，通过处理器(未示出)来处理时间间隔Tb和先前得到的时间间隔Ta。具体地，处理器从时间间隔Tb中减去时间间隔Ta，以消除感测器件14_1的偏移和噪声，使得与入射光的强度相对应的净化数字值。阶段P1和阶段P2可以被视为感测器件14_1的相关双采样(CDS)工艺。

在时间t9之后，电流生成器161继续通过拉电流Is对控制端Nc的电容器进行充电，直到时间t10。充电时间间隔(即，从t8至t10)是预定时间间隔。当充电时间间隔结束时，电流生成器161停止拉电流Is。与此同时，信号Sc6使开关164闭合并且信号Sc3使开关电路245闭合。然后，在时间t10之后，感测器件20再次进入图3所示的复位阶段Pr。

根据上面提及的感测器件14_1的操作，在阶段P1和阶段P2期间，转换电路24的翻转点保持恒定的电压电平(即，预定阈值Vpre)上，该恒定的电压电平不会被感测信号Ss_1的电压电平改变。由于转换电路24的翻转点不受感测信号Ss_1的影响，所以感测器件14_1可以减少感测信号Ss_1的列固定图案噪声(CFPN)。

此外，转换电路24可以被视为具有预定阈值Vpre的翻转点的反相器型比较器。当充电电路241和放电电路242都导通时，仅转换电路24消耗功率。当转换电路24处于亚稳定状态或处于开关操作中时出现这种情形。如上所述，在阶段P1和阶段P2中，开关操作(即，t5、t6、t9和t10)是非常短的时间。因此，在感测操作期间，转换电路24消耗很少量的功率。另外，由于在阶段P1和阶段P2期间，仅在非常短的时间段内存在充电电流Ic和放电电流Id，所以可以降低转换电路24的RTS噪声。

此外，由于电流生成器161响应于数字控制信号Scd，能够生成不同的拉电流Is，所以可以通过数字控制信号Scd来任意地控制采样信号Sp的上升波形的斜率。例如，为了实现具有高动态范围(HDR)图像的采样，响应于数字控制信号Scd，可以将阶段P2的子阶段P22期间的采样信号Sp的上升波形设计为具有多个斜率。图7是示出根据一些实施例的具有两个不同斜率的上升波形的采样信号Sp的时序图。根据一些实施例，阶段P2的子阶段P22为从时间t11至时间t13的时间间隔。在从时间t11至时间t12的时间间隔中，数字控制信号Scd控制电流生成器161生成较小的拉电流Is，以用于对电容器162进行充电。在从时间t12至时间t13的时间间隔中，数字控制信号Scd控制电流生成器161生成较大的拉电流Is，以用于对电容器162进行充电。因此，从时间t12至时间t13的采样信号Sp的上升波形的斜率大于从时间t11至时间t12的采样信号Sp的上升波形的斜率。

响应于数字控制信号Scd，还可以通过生成拉电流Is的递增的阶跃波形以流经具有固定电阻的电阻器165来得到图7中的采样信号Sp的上升波形。以这种方式，从时间t11至时间t12和从时间t12至时间t13的采样信号Sp的波形是两个递增阶跃波形，其中从时间t12至时间t13的上升波形的等效斜率大于从时间t11至时间t12的上升波形的等效斜率。因此，只要阶段P1和阶段P2中使用的采样波形是从低电压电平递增至高电压电平的单调波形，该采样波形就落入本实施例的范围内。

图8是示出根据一些实施例的信号感测方法800的流程图。信号感测方法800能够感测传感器阵列的像素信号。例如，信号感测方法800可以应用于以上的图像感测系统10，以用于感测传感器阵列12的多个光电单元12_MN所生成的图像信号。为了简洁，结合图像感测系统10来描述信号感测方法800。参考图8，在操作802中，对于感测信号Ss_1提供偏置电流Idc。至少由本征N沟道MOSFET生成偏置电流Idc。

在操作804中，感测信号Ss_1与具有预定电压电平Vbt的采样信号Sp之间的电压差进行分压，以用于生成信号Sr。

在操作806中，控制采样信号Sp，以从预定电压电平Vbt改变为参考电压。根据一些实施例，参考电压是接地电压Vgnd。

在操作808中，控制采样信号Sp，以从接地电压Vgnd单调递增。根据一些实施例，单调递增波形是具有正斜率的斜坡波形。

在操作810中，确定信号Sr的电压电平是否达到预定阈值Vpre。如果信号Sr的电压电平达到预定阈值Vpre，那么信号感测方法800转至操作812。如果信号Sr的电压电平未达到预定阈值Vpre，那么信号感测方法800转至操作808，以继续增大采样信号Sp的电压。可以通过转换电路24来执行操作810。

在操作812中，检测达到预定阈值Vpre的时间间隔Ta(即，从时间t4至时间t5)。当信号Sr的电压电平达到预定阈值Vpre时，数字输出信号D_1的电压电平从低电压电平改变为高电压电平。

在操作814中，响应于入射光的强度，感测信号Ss_1的电压电平具有降低的电压电平，以达到电压电平Vsig。

在操作816中，控制采样信号Sp，以从接地电压Vgnd单调递增。根据一些实施例，单调递增波形是具有正斜率的斜坡波形。

在操作818中，确定信号Sr的电压电平是否达到预定阈值Vpre。如果信号Sr的电压电平达到预定阈值Vpre，那么信号感测方法800转至操作820。如果信号Sr的电压电平未达到预定阈值Vpre，那么信号感测方法800转至操作816，以继续增大采样信号Sp的电压。可以通过转换电路24来执行操作818。

在操作820中，检测达到预定阈值Vpre的时间间隔Tb(即，从时间t8至时间t9)。当信号Sr的电压电平达到预定阈值Vpre时，数字输出信号D_1的电压电平从低电压电平改变为高电压电平。

在操作822中，根据时间间隔Ta与时间间隔Tb之间的时间差值得到与入射光的强度相对应的净化数字值。

简言之，为了对多个感测信号Ss_1-Ss_M进行采样，控制短路16被控制为生成多斜率上升信号。对于多个感测器件14_1-14_M中的每一个感测器件来说，感测器件包括本征N沟道MOSFET，以生成偏置电流。本征N沟道MOSFET偏置电路占用较小的面积并且具有低RTS噪声。感测器件还包括用于对感测信号进行分压的电容器分压电路，以生成信号Sr。电容器分压电路能够对感测信号的高电压进行去耦，以生成低压信号Sr。感测器件还包括具有恒定的翻转点的反相器型比较器，以检测感测信号的电压电平。由于翻转点不取决于感测信号，所以感测器件可以降低感测信号的列固定图案噪声(CFPN)。此外，反相器型比较器还具有低RTS噪声。因此，图像感测系统10是低功率、低噪声、小面积和高性能的CIS(CMOS图像传感器)。

在本发明的一些实施例中，感测器件包括采样电路和转换电路。布置采样电路，响应于具有单调递增波形的采样信号，对用于生成信号的感测信号进行采样。布置转换电路以在信号达到转换电路的预定阈值时将信号转换为数字输出信号。

在本发明的一些实施例中，图像感测系统包括多个光电单元和多个感测器件。布置多个光电单元，以生成多个感测信号。每一个感测器件都耦合至多个光电单元中的预定数量的光电单元。每一个感测器件都包括采样电路和转换电路。布置采样电路，响应于具有单调递增波形的采样信号，对由从多个光电单元的预定数量的光电单元中选择的光电单元生成的感测信号进行采样以用于生成信号。布置转换电路以在信号达到转换电路的预定阈值时将信号转换为数字输出信号。

在本发明的一些实施例中，信号感测方法包括：生成具有单调递增波形的采样信号；响应于采样信号，对感测信号进行采样以用于生成信号；以及当信号达到预定阈值时，将信号转换为数字输出信号。

上面论述了了若干实施例的部件，使得本领域的技术人员可以更好地理解本发明的各个方面。本领域技术人员应该理解，他们可以容易地使用本发明作为基础来设计或修改用于实现与本文所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优势的其他工艺和结构。本领域的技术人员也应该意识到，这种等效构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、更换以及改变。

Claims (10)

1.一种感测器件，包括：

采样电路，被布置为响应于具有单调递增波形的采样信号，对感测信号进行采样，以用于生成信号；以及

转换电路，被布置为在所述信号达到所述转换电路的预定阈值时，将所述信号转换为数字输出信号。

2.根据权利要求1所述的感测器件，其中，所述采样电路包括：

偏置电路，被布置为向所述感测信号提供偏置电流；以及

分压电路，耦合至所述偏置电路，用于对所述感测信号与所述采样信号之间的电压差进行分压，以生成所述信号。

3.根据权利要求2所述的感测器件，其中，所述偏置电路包括：

第一N沟道场效应晶体管，具有用于接收第一控制信号的控制端和用于接收所述感测信号的第一端；以及

第二N沟道场效应晶体管，具有用于接收第二控制信号的控制端、耦合至第一场效应晶体管的第二端的第一端和耦合至参考电压的第二端；

其中，所述第二N沟道场效应晶体管是本征N沟道场效应晶体管，并且所述第一N沟道场效应晶体管的第一阈值电压大于所述第二N沟道场效应晶体管的第二阈值电压。

4.根据权利要求2所述的感测器件，其中，所述分压电路包括：

第一电容器，具有耦合至所述第一N沟道场效应晶体管的第一端的第一端和用于输出所述信号的第二端；以及

第二电容器，具有耦合至所述第一电容器的第二端的第一端和用于接收所述采样信号的第二端。

5.根据权利要求1所述的感测器件，其中，所述转换电路包括：

充电电路，被布置为响应于所述信号生成充电电流；

放电电路，被布置为响应于所述信号生成放电电流；

负载电路，被布置为接收所述充电电流和所述放电电流，并且相应地生成负载信号；

反相器，被布置为响应于所述负载信号，输出所述数字输出信号；以及

开关电路，被布置为响应于第一控制信号，选择性地使所述信号与所述负载信号相等。

6.根据权利要求5所述的感测器件，其中，当所述第一控制信号使所述开关电路闭合以使所述信号与所述负载信号相等时，所述信号和所述负载信号等于所述预定阈值；并且当所述第一控制信号使所述开关电路断开并且所述采样信号的单调递增波形使所述信号达到所述预定阈值时，所述反相器将所述数字输出信号从第一电压电平转换为不同于所述第一电压电平的第二电压电平。

7.根据权利要求5所述的感测器件，其中，所述充电电路包括：

第一P沟道场效应晶体管，具有接收所述信号的控制端和耦合至第一参考电压的第一端；和

第二P沟道场效应晶体管，具有接收第二控制信号的控制端、耦合至所述第一P沟道场效应晶体管的第二端的第一端和用于输出所述充电电流的第二端；

所述放电电路包括：

第一N沟道场效应晶体管，具有接收所述信号的控制端和耦合至不同于所述第一参考电压的第二参考电压的第一端；和

第二N沟道场效应晶体管，具有接收不同于所述第二控制信号的第三控制信号的控制端、耦合至所述第一N沟道场效应晶体管的第二端的第一端和用于输出所述放电电流的第二端；

所述负载电路包括：

电容器，具有耦合至所述第二P沟道场效应晶体管的第二端和所述第二N沟道场效应晶体管的第二端的第一端以用于生成所述负载信号，以及耦合至所述第二参考电压的第二端；以及

所述开关电路包括：

开关，具有用于接收所述第一控制信号的控制端、耦合至所述第一P沟道场效应晶体管的控制端和所述第一N沟道场效应晶体管的控制端的第一端，以及耦合至所述第二P沟道场效应晶体管的第二端和所述第二N沟道场效应晶体管的第二端的第二端。

8.根据权利要求1所述的感测器件，还包括：

控制电路，被布置为生成所述采样信号，其中，通过控制端将所述控制电路耦合至所述采样电路，并且所述控制电路包括：

电流生成器，被布置为生成至所述控制端的拉电流；

第一电容器，具有耦合至所述控制端的第一端和耦合至参考电压的第二端；

第二电容器，具有耦合至所述参考电压的第一端；

第一开关，被布置为响应于第一控制信号，选择性地将所述第二电容器的第二端耦合至所述控制端；

电阻器，具有耦合至所述控制端的第一端和耦合至所述参考电压的第二端；以及

第二开关，被布置为响应于第二控制信号，选择性地将所述控制端耦合至所述参考电压。

9.一种图像感测系统，包括：

多个光电单元，被布置为生成多个感测信号；以及

多个感测器件，每一个感测器件都耦合至所述多个光电单元中的预定数量的光电单元；

其中，每一个感测器件都包括：

采样电路，被布置为响应于具有单调递增波形的采样信号，对由从所述多个光电单元的预定数量的光电单元中所选择的光电单元生成的感测信号进行采样，以用于生成信号；和

转换电路，被布置为在所述信号达到所述转换电路的预定阈值时，将所述信号转换为数字输出信号。

10.一种信号感测方法，包括：

生成具有单调递增波形的采样信号；

响应于所述采样信号，对感测信号进行采样，以用于生成信号；以及

当所述信号达到预定阈值时，将所述信号转换为数字输出信号。