CN107017865B - 斜坡信号发生器及使用其的cmos图像传感器 - Google Patents

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Abstract

一种斜坡信号发生器可以包括参考电流发生单元，其适用于基于增益来产生参考电流；斜坡信号发生单元，其适用于根据参考电流来产生斜坡信号；副本电流供应单元，其适用于使用参考电流发生单元来供应副本电流；以及偏移补偿单元，其适用于使用副本电流来补偿由斜坡信号发生单元产生的斜坡信号的偏移。

Description

斜坡信号发生器及使用其的CMOS图像传感器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年12月30日提交的第10-2015-0189274号韩国专利申请的优先权，通过引用整体合并于此。
技术领域
本发明的示例性实施例总体上涉及一种互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，以及更具体地，涉及一种用来在全码情况下提供恒定的输出电压(或斜坡信号)的斜坡信号发生器以及使用其的CMOS图像传感器(CIS)。
在下面的描述中，将电流数模转换器(IDAC)描述为斜坡信号发生器的示例。然而，本发明并不局限于此示例。
背景技术
通常，CIS的相关双采样(CDS)操作具有根据共模电压而显著变化的特征，并且这种特征变化可以作为降低CIS的图像质量的因素。
例如，用于小面积CIS的具有单端、交流(AC)耦合输入的比较器根据电流数模转换器(IDAC，其为斜坡信号发生器)的输出电压(或斜坡信号)来决定CDS操作的共模电压。
因此，在采用IDAC通过使用参考电流变化来产生斜坡信号的情况下，当斜坡信号根据基于增益的参考电流而改变时，CDS操作的共模电压(即在全码情况下的电压)也可以改变。结果，CIS的图像质量可能降低。
发明内容
本发明的各种实施例针对一种能够提供恒定的输出电压或输出电流的斜坡信号发生器，以及使用其的CIS。该斜坡信号发生器可以通过从产生参考电流的参考电流源所产生副本电流来控制其输出电压，从而提供恒定的输出电压或输出电流。
在本发明的一个实施例中，斜坡信号发生器可以包括：参考电流发生单元，适用于基于增益来产生参考电流；斜坡信号发生单元，适用于根据参考电流来产生斜坡信号；副本电流供应单元，适用于使用参考电流发生单元来供应副本电流；以及偏移补偿单元，适用于使用副本电流来补偿由斜坡信号发生单元产生的斜坡信号的偏移。
在本发明的一个实施例中，CIS可以包括：像素阵列，适用于输出与入射光相对应的像素信号；行解码器，适用于根据控制单元的控制、针对每一行线来选择并控制像素阵列中的像素；斜坡信号发生器，适用于根据控制单元的控制来产生斜坡信号，以及通过供应副本电流至其输出端子来补偿所产生的斜坡信号；比较单元，适用于将由像素阵列输出的像素信号和由斜坡信号发生器输出的斜坡信号相比较；计数单元，适用于根据来自比较单元的输出信号来对从控制单元施加的时钟进行计数；存储单元，适用于根据控制单元的控制来储存从计数单元施加的计数信息；以及列读出电路，适用于在控制单元的控制下来输出存储单元的数据；其中，斜坡信号发生器包括用来供应电流以用于产生斜坡信号的多个电流镜路径，并且副本电流从多个电流镜路径而得到。
附图说明
图1是图示一种现有的CIS的电路图。
图2A至2D是图示位于图1中所示的CIS的一列的比较器的配置和波形的图。
图3是图1中所示的CIS中采用的现有的IDAC的配置图。
图4是根据本发明的一个实施例的IDAC 40的配置图。
图5是图示根据本发明的一个实施例的IDAC的输出电压和偏移补偿值之间的关系的图。
具体实施方式
下文中将参考附图来更详细地描述本发明的各个实施例。然而，本发明可以以不同的形式来实施，并且不应被理解为局限于在本文中阐述的实施例。更确切地说，这些实施例被提供使得本发明的公开内容将是彻底和完整的。在整个公开内容中，在本发明的各个附图和实施例中，相同的附图标记指代相同的部件。
将理解的是，尽管“第一”、“第二”、“第三”等术语可以在此用来描述各种元件，但这些元件不受这些术语的限制。这些术语用来区分一个元件和另外一个元件。因此，下文中描述的第一元件可以被称为为第二元件或者第三元件，而不背离本发明的的精神和范围。
附图并不一定成比例，以及在某些情况下，为了清晰地图示实施例的特征，比例可能已经被放大。
还将理解，当提到元件“连接至”或者“耦接至”另一元件时，其可以直接在另一元件上或连接至、耦接至另一元件，或者可以存在一个或更多个中间元件。此外，还将理解，当提到元件在两个元件“之间”时，其可以是两个元件之间的唯一元件，或者还可以存在一个或更多个中间元件。
本文中使用的术语仅是出于描述特定实施例的目的，并不是旨在对本发明构成限制。如本文中所用，单数形式也意在包括复数形式，除非上下文另有清楚地说明。
还将理解，当在本说明书中使用术语“包含”、“包含有”、“包括”、“包括有”时，专指存在所述元件，而不排除存在或者添加一个或更多个其他元件。如本文中所使用，术语“和/或”包括了一个或更多个的相关所列项的任意组合和全部组合。
除非另有限定，否则本文中使用的全部术语(包括技术术语和科学术语)都具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。还将理解的是，诸如在常用词典中定义的术语应当被解释为具有与相关领域背景中的其含义相一致的含义，而不应以理想化或者过于形式感的意义来解释，除非本文明确地这样定义。
在下面的描述中，为了提供对本发明的充分理解，提供了很多具体细节。本发明可以在不具有这些具体细节的一些或者全部的情况下来实施。在其他情况下，为了不使本发明被不必要的混淆，没有详细地描述公知的工艺结构和/或工艺。
还应注意的是，在某些情况下，对相关领域的技术人员显而易见的是，关于一个实施例描述的特征或者元件可以单独使用，或者与另一实施例的其他特征或者元件组合使用，除非另有特别说明。
在下文中，将参照附图对本发明的各个实施例进行详细描述。
图1是图示一种具有列并行体系结构的现有的CIS的电路图。
参见图1，该CIS包括像素阵列10、行解码器20、电流数模转换器(IDAC)30、比较单元40、计数单元50、存储单元60、控制单元80以及列读出电路70。像素阵列10输出与入射光相对应的像素信号。行解码器20根据控制单元80(例如时序发生器)的控制、针对每一行线来选择像素阵列10中的像素，并控制选中像素的操作。IDAC 30根据控制单元80的控制来产生斜坡信号。在操作中，比较单元40将从像素阵列10输出的像素信号的值和从IDAC 30输出的斜坡信号的值相比较。此外，计数单元50根据比较单元40的输出信号来对从控制单元80输入的时钟进行计数。然后，存储单元60根据控制单元80的控制来储存从计数单元50输入的计数信息。控制单元80能够控制行解码器20、IDAC 30、计数单元50、存储单元60以及列读出电路70的操作。列读出电路70根据控制单元80的控制来顺序地将存储单元60的数据输出为像素数据PXDATA。
为了去除每个像素的偏移值，该CIS将输入光信号之前的像素信号和输入光信号之后的像素信号(像素输出电压)相比较，并仅测定由入射光产生的像素信号。这一技术被称为CDS(相关双采样)。CDS操作由比较单元40来执行。
通常，比较单元40包括多个比较器，计数单元50包括多个计数器，存储单元60包括多个存储器。如图1所示，多个比较器、多个计数器和多个存储器成列布置，每列具有一个比较器、一个计数器和一个存储器。
接下来，比较器、计数器和存储器的操作(数模转换操作)将被描述如下。
首先，第一比较器41通过其一个端子接收由像素阵列10的第一列输出的像素信号，通过其另一端子接收由IDAC 30输入的斜坡信号VRAMP，比较这两种信号的值，以及输出比较信号。
此时，由于斜坡信号VRAMP具有随时间而降低的电压电平，因此被输入每个比较器的两种信号的值在某个时间点彼此相遇。在两种信号的值相遇的时间点之后，从每个比较器输出的比较信号的值被反相。
因此，从斜坡信号下降的时间点到从比较器41输出的比较信号被反相的时间点，第一计数器51对从控制单元80输入的时钟计数，并且输出计数信息。计数器中的每一个根据来自控制单元的重置信号来重置。
然后，第一存储器61根据来自控制单元80的加载信号来储存由计数器51提供的计数信息，以及将储存的计数信息输出至列读出电路70。
图2A至2D是图示图1中的一列的比较器41的配置和波形的图。
图2A和2B图示了当位于一列处的比较器是具有差分交流(AC)耦合输入的比较器时的CDS操作和波形变化。图2C和2D图示了当位于某一列处的比较器是具有单端交流耦合输入的比较器时的CDS操作和波形变化。
如图2A和图2B所示，当比较器具有差分交流耦合输入时，第一级比较器的输入节点VA的输入电压始终保持为同一的CDS操作的共模电压。在这种情况下，即使在低增益或者高增益下，输入节点的输入电压落入稳定的工作范围。
然而，如图2C和图2D所示，当比较器是具有单端交流耦合输入的比较器时，第一级比较器的输入节点VA的输入电压变为CDS操作的共模电压，所述共模电压根据斜坡信号(斜坡电压)而改变，所述斜坡信号根据增益而改变。在这种情况下，在低增益下，输入节点的输入电压极有可能落入稳定的工作范围。然而，在高增益下，输入电压可以具有相当低的电压，因此不能保证稳定的CDS操作。参见图3，描述了迄今为止被用来解决这一问题的现有的IDAC。
图3是现有的IDAC 30的配置图。如图3所示，IDAC 30包括参考电流发生单元31、斜坡信号发生单元32和偏移补偿单元33。参考电流发生单元31可以基于增益来产生参考电流。斜坡信号发生单元32可以根据来自参考电流发生单元31的参考电流来产生斜坡信号。偏移补偿单元33可以补偿由斜坡信号发生单元32产生的斜坡信号的偏移。
参考电流发生单元31可以接收来自外部电流供应单元(未示出)的源电流，产生根据增益而改变的参考电流，以及将产生的参考电流传输至斜坡信号发生单元32。此时，由于参考电流发生单元31能够通过使用常规的1︰N(其中N为自然数)电流镜电路的参考电流转换电路来实施，因此在此省略其详细描述。
斜坡信号发生单元32包括多个IDAC单元，其用于根据来自参考电流发生单元31的参考电流来产生斜坡信号；以及输出电阻器，其用于输出通过多个IDAC单元产生的斜坡信号。此时，例如，多个IDAC单元可以通过调节与其耦接的晶体管的数量而产生斜坡信号。参考电流发生单元31和斜坡信号发生单元32可以以电流镜型彼此连接。由于其他电路组件是众所周知的，因此在此省略其详细描述。
偏移补偿单元33可以耦接至斜坡信号发生单元32的输出端子，以及补偿由斜坡信号发生单元32产生的斜坡信号的偏移。即，偏移补偿单元33可以调节通过斜坡信号发生单元32产生的斜坡信号(斜坡电压)的直流电平。此时，由于偏移补偿单元33能够如同参考电流发生单元31一样通过常规的1︰N电流镜电路来实施，因此在此省略其详细描述。
如上所述，图3的IDAC 30需要独立的电流镜电路以补偿斜坡信号的偏移。因此，必然增加了电路面积。
根据本发明的一个实施例，一种改进的IDAC可以从参考电流发生单元产生副本电流，并且通过使用全码情况下的副本电流来持续保持输出电压(或者输出电流)，而不会通过增加用于补偿斜坡信号的偏移的独立电流镜电路而增加电路面积，该IDAC将参照图4来描述。
如图4的实施例所示，根据本发明的一个实施例，IDAC 40可以包括参考电流发生单元41、斜坡信号发生单元42、副本电流供应单元44和偏移补偿单元43。参考电流发生单元41可以根据增益来产生参考电流。参考电流发生单元41可以包括多个电流镜路径。参考电流发生单元41可以从自多个电流镜路径之中选中的一个或更多个电流镜路径来产生参考电流。斜坡信号发生单元42可以根据来自参考电流发生单元41的参考电流来产生斜坡信号。副本电流供应单元44可以使用参考电流发生单元41来产生副本电流。偏移补偿单元43可以通过使用来自副本电流供应单元44的副本电流来补偿由斜坡信号发生单元42产生的斜坡信号的偏移。
此时，除了被参考电流发生单元41选中以产生参考电流的电流镜路径以外，副本电流供应单元44可以通过使用一个或更多个剩余的电流镜路径来将副本电流(用于偏移补偿的参考电流)供应至偏移补偿单元43。
参考电流发生单元41和副本电流供应单元44中的每一个可以包括用于选择相应电流镜路径的多个开关SW。所述开关SW中的每一个可以根据来自外部控制单元(未示出)的开关控制信号而开关，以选择用于产生参考电流的电流镜路径或者用于供应副本电流的电流镜路径。
副本电流供应单元44可以根据偏移补偿率来选择剩余的电流镜路径中的一些电流镜路径来产生副本电流，并将该副本电流供应至偏移补偿单元43，所述偏移补偿率被预设为与由参考电流发生单元41选中的电流镜路径所产生的参考电流相关。
在图4中，电流镜路径×f可以供应基础电流。此外，电流镜路径×1和×’1可以供应与基础电流相同的电流。电流镜路径×2可以供应2倍的基础电流。电流镜路径×4可以供应4倍的基础电流。电流镜路径×8可以供应8倍的基础电流。电流镜路径×f可以持续供应基础电流。通过接通或断开位于电流镜路径中的开关中的每一个，电流镜路径×’1以及电流镜路径×1至×8可以选择性地供应或者中断电流。电流镜路径×’1可以仅用于产生副本电流，而不用于产生参考电流。参考电流Iref可以是电流镜路径×f上的基础电流与经由被参考电流发生单元41选中的电流镜路径提供的可变电流Iref’之和。
例如，当参考电流发生单元41选择了电流镜路径×1时，根据预设的偏移补偿率，副本电流供应单元44可以选择电流镜路径×’1、×2和×4。因此，由参考电流发生单元41产生的参考电流Iref可以是2倍的基础电流，即路径×f上的基础电流与路径×1上的可变电流Iref’之和。由副本电流供应单元44供应的副本电流可以是7倍的基础电流，即路径×’1、×2和×4上的电流之和。当参考电流发生单元41选择了电流镜路径×2时，根据预设的偏移补偿率，副本电流供应单元44可以选择电流镜路径×’1、×1和×4。因此，由参考电流发生单元41产生的参考电流Iref可以是3倍的基础电流，即路径×f上的基础电流与路径×2上的可变电流Iref’之和，并且由副本电流供应单元44供应的副本电流可以是基础电流的6倍，即路径×’1、×1和×4上的电流之和。当参考电流发生单元41选择了电流镜路径×4时，根据预设的偏移补偿率，副本电流供应单元44可以选择电流镜路径×’1、×1和×2。因此，由参考电流发生单元41产生的参考电流Iref可以是5倍的基础电流，即路径×f上的基础电流与路径×4上的可变电流Iref’之和，并且由副本电流供应单元44供应的副本电流可以是4倍的基础电流，即路径×’1、×1和×2上的电流之和。当参考电流发生单元41选择了电流镜路径×8时，根据预设的偏移补偿率，副本电流供应单元44可以不选择任何电流镜路径。
如此，从副本电流供应单元44供应至偏移补偿单元43的副本电流可以耦接至IDAC的输出端子，并调节(补偿)从IDAC输出的斜坡电压(斜坡电流)的直流(DC)电平。
图5是图示根据本发明的一个实施例的IDAC的输出电压和偏移补偿值之间的关系的图。
在图5中，附图标记501至504表示基于可变电流Iref’(其引起参考电流Iref)的IDAC输出电压的变化，而附图标记505至507表示基于可变电流Iref’的偏移补偿值。
根据本发明的一个实施例，由于IDAC包括PMOS电流源和耦接至接地电压的阻抗，因此IDAC输出电压的最大值可以与参考电流成比例来确定，IDAC输出电压的最小值可以变为0。
在这种情况下，因为在参考电流降低或者增益升高时输入电压电平降低，所以接收IDAC输出电压的模拟电路(执行CDS操作的比较单元)不能正常运行。
此时，当添加根据本发明的一个实施例的副本电流供应单元44来补偿降低的IDAC输出电压值时，补偿电流可以流经添加的副本路径，由此提高IDAC的输出电压电平。
此外，由于副本电流供应单元44被控制以根据偏移补偿率来选择剩余的电流镜路径，所述偏移补偿率被预设为与来自被参考电流发生单元41选中的电流镜路径的参考电流相关，因此IDAC输出电压的最大值可以始终保持恒定。
在本发明的一个实施例中，IDAC的参考电流以1︰N的比例来改变的情况被作为示例。然而，在另外一个实施例中，参考电流可以以N︰1、N︰M等不同比例来改变。
如上所述，IDAC中特定区域(例如，全区域或者全码区域)的电压或者电流(其通过参考电流的变化来改变)可以始终保持恒定。因此，基于来自IDAC的输出电压的模拟电路(执行CDS操作的比较单元)运行的稳定性可以得到提升。
根据本发明的一个实施例，可以使用参考电流发生单元来将副本电流供应至IDAC的输出端子，并且全码情况下的输出电压(或输出电流)可以持续保持，而不会通过增加用于补偿斜坡信号的偏移的独立电流镜电路而增加电路面积。
此外，由于全码情况下的IDAC的电压持续保持并被输出，因此CDS操作的共模电压可以持续保持以提升模拟电路特征的恒久性。
虽然已经为了说明的目的描述了本发明的各个实施例，但对于本领域的技术人员显而易见的是，可以做出各种变化和修改，而不背离权利要求书中限定的本发明的精神和范围。

Claims (17)

1.一种斜坡信号发生器，包括：
参考电流发生单元，适用于基于增益来产生参考电流；
斜坡信号发生单元，适用于根据参考电流来产生斜坡信号；
副本电流供应单元，适用于使用参考电流发生单元来供应副本电流；以及
偏移补偿单元，适用于使用副本电流来补偿由斜坡信号发生单元产生的斜坡信号的偏移。
2.如权利要求1所述的斜坡信号发生器，其中，当参考电流发生单元从自多个电流镜路径中选中的一个或更多个电流镜路径来产生参考电流时，副本电流供应单元从未被参考电流发生单元选中的剩余的电流镜路径来产生副本电流。
3.如权利要求2所述的斜坡信号发生器，其中，副本电流供应单元包括多个开关，所述多个开关适用于选择所述剩余的电流镜路径。
4.如权利要求2所述的斜坡信号发生器，其中，副本电流通过汇集来自所述剩余的电流镜路径中的一个或更多个电流镜路径的电流而得到。
5.如权利要求2所述的斜坡信号发生器，其中，副本电流供应单元还包括仅用于产生副本电流的独立电流镜路径。
6.如权利要求5所述的斜坡信号发生器，其中，独立电流镜路径通过接通或断开位于所述独立电流镜路径中的开关而导通或中断。
7.如权利要求6所述的斜坡信号发生器，其中，副本电流通过汇集来自所述剩余的电流镜路径中的一个或更多个电流镜路径的电流以及来自独立电流镜路径的电流而得到。
8.如权利要求1所述的斜坡信号发生器，其中，副本电流供应单元根据偏移补偿率来产生副本电流，所述偏移补偿率被预设为与来自由参考电流发生单元选中的电流镜路径的参考电流相关。
9.一种CMOS图像传感器，包括：
像素阵列，适用于输出与入射光相对应的像素信号；
行解码器，适用于根据控制单元的控制、针对每一行线来选择和控制像素阵列中的像素；
斜坡信号发生器，适用于根据控制单元的控制来产生斜坡信号，以及通过供应副本电流至其输出端子来补偿所产生的斜坡信号；
比较单元，适用于将从像素阵列输出的像素信号与从斜坡信号发生器输出的斜坡信号相比较；
计数单元，适用于根据来自比较单元的输出信号来对从控制单元施加的时钟进行计数；
存储单元，适用于根据控制单元的控制来储存从计数单元施加的计数信息；以及
列读出电路，适用于在控制单元的控制下，输出存储单元的数据，
其中，斜坡信号发生器包括用来供应电流以用于产生斜坡信号的多个电流镜路径，并且副本电流从所述多个电流镜路径得到。
10.如权利要求9所述的CMOS图像传感器，其中，斜坡信号发生器包括：
参考电流发生单元，适用于基于增益从所述多个电流镜路径来产生参考电流；
斜坡信号发生单元，适用于根据来自参考电流发生单元的参考电流来产生斜坡信号；
副本电流供应单元，适用于使用所述多个电流镜路径来供应副本电流；以及
偏移补偿单元，适用于使用来自副本电流供应单元的副本电流来补偿由斜坡信号发生单元产生的斜坡信号的偏移。
11.如权利要求10所述的CMOS图像传感器，其中，当参考电流发生单元从自所述多个电流镜路径中选中的一个或更多个电流镜路径来产生参考电流时，副本电流供应单元从未被参考电流发生单元选中的剩余的电流镜路径来产生副本电流。
12.如权利要求11所述的CMOS图像传感器，其中，副本电流供应单元包括多个开关，所述多个开关适用于选择所述剩余的电流镜路径。
13.如权利要求11所述的CMOS图像传感器，其中，副本电流通过汇集来自所述剩余的电流镜路径中的一个或更多个电流镜路径的电流而得到。
14.如权利要求11所述的CMOS图像传感器，其中，副本电流供应单元还包括仅用于产生副本电流的独立电流镜路径。
15.如权利要求14所述的CMOS图像传感器，其中，独立电流镜路径通过接通或关断位于所述独立电流镜路径中的开关而导通或中断。
16.如权利要求14所述的CMOS图像传感器，其中，副本电流通过汇集来自所述剩余的电流镜路径中的一个或更多个电流镜路径的电流以及来自独立电流镜路径的电流而得到。
17.如权利要求10所述的CMOS图像传感器，其中，副本电流供应单元根据偏移补偿率来产生副本电流，所述偏移补偿率被预设为与来自由参考电流发生单元选中的电流镜路径的参考电流相关。
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