CN109587415A

CN109587415A - 成像传感器、芯片、成像系统和移动体

Info

Publication number: CN109587415A
Application number: CN201811143640.2A
Authority: CN
Inventors: 吉田大介; 白井誉浩
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2018-09-29
Publication date: 2019-04-05
Also published as: JP2019068267A; US20190104274A1; US10834348B2

Abstract

本公开内容涉及成像传感器、芯片、成像系统和移动体。成像传感器包括像素、放大器和逐次逼近模数(AD)转换器。像素被配置为输出像素信号。放大器被配置为输出通过放大像素信号而获得的放大信号。逐次逼近模数AD转换器检测放大信号是否在预定信号范围内。

Description

成像传感器、芯片、成像系统和移动体

技术领域

实施例的一个公开的方面涉及一种成像传感器、芯片、成像系统和移动体。

背景技术

其中放大器将增益施加于像素产生的像素信号以实现宽动态范围或高速读出的成像传感器已经被提出。日本专利公开No,2017-79464描述了基于像素信号的信号电平和阈值之间的比较结果来改变相对于像素信号的增益。此外，日本专利公开No.2017-79464描述了通过使用斜坡信号的模数(AD)转换器将施加该增益的像素信号转换为数字信号。

发明内容

根据实施例的一方面，成像传感器包括像素、放大器和逐次逼近模数(AD)转换器。像素被配置为输出像素信号。放大器被配置为输出通过放大像素信号而获得的放大信号。逐次逼近模数(AD)转换器被配置为执行放大信号的AD转换。AD转换器检测放大信号是否在预定信号范围内。在检测结果指示放大信号的振幅小于预定值的情况下，放大器把将施加于像素信号的增益设置为第一增益，并且输出放大信号，AD转换器执行以第一增益放大的放大信号的AD转换。在检测结果指示放大信号的振幅大于预定值的情况下，放大器把将施加于像素信号的增益设置为低于第一增益的第二增益，并且输出放大信号，AD转换器执行以第二增益放大的放大信号的AD转换。像素布置在第一芯片中。放大器和AD转换器布置在第二芯片中。第一芯片和第二芯片彼此堆叠。

从以下参照附图对示例性实施例的描述，本公开的进一步的特征将变得清楚。

附图说明

图1例示说明成像传感器的配置。

图2例示说明像素的等效电路。

图3例示说明放大器和AD转换器的配置。

图4例示说明AD转换器的等效电路。

图5是例示说明成像传感器的操作的时序图。

图6例示说明放大器和AD转换器的配置。

图7是例示说明成像传感器的操作的时序图。

图8例示说明放大器和AD转换器的配置。

图9例示说明堆叠式成像传感器的配置。

图10例示说明堆叠式成像传感器的平面图中的布置。

图11例示说明成像传感器的配置。

图12例示说明成像传感器的截面配置。

图13例示说明成像传感器的截面配置。

图14A和14B例示说明成像传感器的操作。

图15例示说明成像传感器的配置。

图16例示说明成像传感器的操作。

图17例示说明成像传感器的配置。

图18例示说明成像系统的配置。

图19A和19B例示说明移动体的配置。

图20例示说明成像系统的处理。

具体实施方式

关于日本专利公开No.2017-79464中描述的成像传感器，描述了使用斜坡信号的AD转换器。然而，基于其他AD转换格式的AD转换器和放大器的组合中的适当的电路配置尚未被讨论。特别地，基于其他AD转换格式的AD转换器和放大器的组合中的电路面积的缩小尚未被讨论。

下面将描述的技术旨在提供适当的电路配置，在该电路配置中，电路面积在逐次逼近AD转换器和放大器的组合中缩小。

下面将参照附图来描述本公开的示例性实施例。相同的编号在各种示例性实施例中自始自终被分配给类似的元件，并且重复的描述将被省略。另外，各示例性实施例可以被适当地修改并且彼此组合。

第一示例性实施例

将参照图1的电路框图来描述根据本实施例的成像传感器的配置。成像传感器包括图1所示的各组件。按行和列布置的多个像素100构成像素阵列102。在图1中，将描述像素阵列102包括例如四行三列的像素的情况。然而，像素阵列102的布置不限于此。每个像素100根据入射在像素100上的光产生像素信号。构成同一行的多个像素100共同连接到单个驱动线。用于控制像素100的操作的控制信号经由驱动线从垂直扫描电路101供应给像素100。另一方面，构成同一列的多个像素100共同连接到单个信号线201。经由信号线201供应给放大器103的电压信号被称为信号Vv1。在像素信号从像素100读出到信号线201的情况下，信号Vv1取根据像素信号的值。

放大器103通过放大信号Vv1来产生放大信号Vamp。

成像传感器包括AD转换器107。AD转换器107是逐次逼近AD转换器。AD转换器(以下，将被称为ADC)107包括数模转换器104(以下，将被称为DAC 104)。ADC 107还包括比较器105和控制电路106。放大信号Vamp被供应给比较器105。如下面将描述的，放大器103通过使用多个增益中的任何一个放大信号Vv1来产生放大信号Vamp。在信号Vv1取根据像素信号的值的情况下，放大器103放大像素信号。

除了来自放大器103的放大信号Vamp之外，来自DAC 104的比较信号也输入到比较器105。比较器105将放大信号Vamp与比较信号进行比较，并且将比较的结果输出到控制电路106。

控制电路106将从比较器105输入的比较结果输出到存储器108。输出到存储器108的比较结果是与放大信号Vamp相对应的数字信号。

比较器105还执行放大信号Vamp和阈值之间的比较。该比较的结果也从比较器105输出到控制电路106。控制电路106基于输出到控制电路106的放大信号Vamp和阈值之间的比较结果来将信号ATT输出到放大器103。信号ATT是用于控制放大器103的增益的信号。

输出到存储器108的数字信号通过水平扫描电路109执行的水平扫描被逐列地从存储器108顺序地读出。

放大器103、DAC 104、比较器105、控制电路106和存储器108针对每个信号线201被布置。

图2是根据本示例性实施例的像素100的等效电路图。像素100包括用作光电转换单元的光电二极管601a和601b。已经通过单个微透镜和滤色器(在图中未例示说明)的光入射在像素100的光电二极管601a和601b上。入射在光电二极管601a上的光的波长与入射在光电二极管601b上的光的波长基本上是相同的。

光电二极管601a经由传输晶体管603a连接到浮置扩散单元(以下，将被称为FD单元)605。传输晶体管603a的栅极经由控制线650连接到垂直扫描电路(在图中未例示说明)。

光电二极管601b经由传输晶体管603b连接到FD单元605。传输晶体管603b的栅极经由控制线655连接到垂直扫描电路(在图中未例示说明)。

FD单元605连接到放大晶体管607的栅极和重置晶体管606。

重置晶体管606和放大晶体管607被供应电源电压Vdd。重置晶体管606的栅极经由控制线660连接到垂直扫描电路(在图中未例示说明)。

放大晶体管607连接到选择晶体管608。选择晶体管608的栅极经由控制线665连接到垂直扫描电路(在图中未例示说明)。

选择晶体管608连接到信号线201。

图3是图1所示的放大器103和ADC 107的等效电路图。放大器103包括放大器amp、与放大器amp的输入电容相对应的电容元件Cin1、与放大器amp的反馈电容相对应的电容元件Cfb1和电容元件Cfb2、以及开关SW1和SW2。电容元件Cin、电容元件Cfb1和电容元件Cfb2的电容值按所陈述的次序分别为4C、1C和3C。开关SW1由从定时发生器(在图中未例示说明)供应的信号PR0控制。开关SW2由OR电路ORC输出的信号控制。OR电路ORC基于从定时发生器(在图中未例示说明)供应的控制信号PR1和从控制电路106供应的信号ATT的逻辑和来输出信号。

信号线201的信号Vv1输入到放大器103。放大器amp将基于电容元件Cin1与连接到放大器amp的输出节点和输入节点这二者的电容的电容比确定的增益施加于信号Vv1。也就是说，当开关SW2处于非导通状态时，增益为X4(四倍)。另一方面，当开关SW2处于导通状态时，增益为X1。

放大器amp连接到与ADC 107的输入电容相对应的电容元件cp6。ADC 107输入到比较器105的输入节点中的一个。DAC 104连接到比较器105的另一输入节点。控制电路106连接到比较器105的输出节点。控制电路106连接到DAC 104和OR电路ORC。

逐次逼近ADC的等效电路

图4例示说明ADC 107的等效电路的细节。

ADC 107包括输入端子IN和输出端子OUT。ADC 107将与从输入端子IN输入的模拟信号相对应的放大信号Vamp转换为将从输出端子OUT输出的数字信号Sout。放大信号Vamp可以被设置为将根据以下示例性实施例描述的N信号和S信号中的一个或两个。ADC 107将放大信号Vamp转换为5位分辨率的数字信号Sout。

ADC 107进一步包括DAC 104，DAC 104产生用于与放大信号Vamp进行比较的比较信号。DAC 104包括具有二进制权重电容值的多个电容元件cp0至cp4以及连接到电容元件cp0至cp4的多个开关sw0至sw4。所述多个开关sw0至sw4构成开关电路，该开关电路被配置为选择电容元件cp0至cp4中的至少一个。二进制权重是指为形成公比为2的等比数列的一组权重(电容值)。在图4的例子中，电容元件cp0至cp4按所陈述的次序具有1C、2C、4C、8C和16C的电容值。电容元件cp0至cp4中的每个的一个电极连接到DAC 104的供应端子SPL，其他电极分别连接到开关sw0至sw4。开关sw0至sw4的一个端子分别连接到电容元件cp0至cp4，其他端子在端子A和端子B之间切换。端子A被供应地电位GND，端子B被供应参考电压VRF。参考电压VRF是从ADC 107的外部供应的恒定电压，并且取高于地电位GND的值。当开关sw0切换到端子A时，电容元件cp0被供应地电位GND。当开关sw0切换到端子B时，电容元件cp0被供应参考电压VRF。同样适用于其他开关sw1至sw4。当开关sw0至sw4被切换时，供应端子SPL和参考电压VRF之间连接的电容元件的组合电容值改变，并且作为结果从供应端子SPL输出的比较信号Vcmp的值改变。

ADC 107进一步包括比较器105。比较器105将放大信号Vamp的值与比较信号Vcmp的值进行比较，并且根据比较结果输出信号。比较器105的非反相端子经由电容元件cp6被供应放大信号Vamp。比较器105的反相端子从DAC 104的供应端子SPL被供应比较信号Vcmp。通过该配置，在放大信号Vamp的值高于或等于比较信号Vcmp的值的情况下，High(高)被输出，在放大信号Vamp的值低于比较信号Vcmp的值的情况下，Low(低)被输出。在该例子中，在放大信号Vamp的值和比较信号Vcmp的值彼此相等的情况下，High被输入，但是相反Low可以被输出。电容元件cp6将放大信号Vamp的值调整到可以执行与比较信号Vcmp的比较的范围中。根据本示例性实施例，为了简化描述，将讨论如下情况：放大信号Vamp的值高于或等于地电位GND且低于或等于参考电压VRF，并且具有与放大信号Vamp相同的幅值的信号被供应给比较器105的非反相端子。

在图4的例子中，放大信号Vamp被供应给比较器105的非反相端子，比较信号Vcmp被供应给比较器105的反相端子。然而，其他配置也可以被采用，只要放大信号Vamp的值和比较信号Vcmp的值之间的幅值关系可以被确定即可。例如，放大信号Vamp和比较信号Vcmp之间的差值可以被供应给比较器105的非反相端子，地电位GND可以被供应给比较器105的反相端子。

ADC 107进一步包括开关sw5和sw6。当开关sw5和sw6被置于导通状态时，比较器105的非反相端子和反相端子被供应地电位GND，并且比较器105被重置。

ADC 107进一步包括控制电路106。控制电路106被供应来自比较器105的比较结果。控制电路106基于该比较结果产生数字信号Sout，并且从输出端子OUT输出数字信号Sout。控制电路106还将控制信号发送到各开关sw0至sw6以切换它们的状态。

成像传感器的操作

在图5中，信号和是垂直扫描电路101输出到像素100的控制信号。在图5中，各控制信号输出到的控制线用括号指示。

在图5中，s0至s4指示从控制电路106供应给开关sw0至sw4的控制信号的值。开关sw0至sw4在供应的控制信号为High的情况下切换到端子B，在控制信号为Low的情况下切换到端子A。信号PR_AD是供应给开关sw5和sw6的控制信号。

接着，将以时间序列的方式来描述AD转换操作。以下，将分别描述情况1和情况2。情况1对应于通过将基于光的像素信号放大X4增益而获得的放大信号Vamp具有小于阈值的振幅的情况。情况2对应于通过将基于光的像素信号放大X4增益而获得的放大信号Vamp具有大于阈值的振幅的情况。

首先，将描述情况1和情况2共同的操作。

垂直扫描电路101将供应给像素信号将被读出的行的信号设置为High电平。通过该配置，放大晶体管607开始源级跟随器操作。定时发生器将信号PR0、控制信号PR1和信号PR_AD中的每个设置为High电平。通过该配置，电容元件Cin1、电容元件Cfb1和Cfb2以及电容元件cp6中的每个被重置。

其后，垂直扫描电路101将信号设置为Low电平。通过该配置，FD单元605的重置被取消。通过该配置，放大晶体管607将与重置被取消的FD单元605的电位相对应的噪声信号输出到信号线201。

然后，定时发生器将控制信号PR1设置为Low电平。通过该配置，放大晶体管607输出的噪声信号被钳位在电容元件Cin1处。

其后，定时发生器将信号PR0和PR_AD设置为Low电平。当信号PR0被设置为Low电平时，放大器amp的增益被设置为X4。当信号PR_AD变为Low电平时，电容元件cp6的重置被取消。

处于重置电平的放大信号Vamp输入到比较器105。ADC 107执行处于重置电平的放大信号Vamp的AD转换。

控制电路106将供应给开关sw4的控制信号变为High。通过该配置，开关sw4切换到端子B，并且参考电压VRF经由具有二进制权重之中的最高电容值的电容元件cp4施加于DAC104的供应端子SPL。结果，比较信号Vcmp的值变为等于VRF/2。控制电路106基于来自比较器105的比较结果确定放大信号Vamp的值低于比较信号Vcmp的值(VRF/2)，并且使供应给开关sw4的控制信号返回到Low。该比较结果意味着，数字信号Sout的值的最高有效位(MSB)(最低有效位(LSB)被设置为第一位的情况下的第五位)为0。

接着，控制电路106将供应给开关sw3的控制信号变为High。通过该配置，参考电压VRF经由具有二进制权重之中的第二高的电容值的电容元件cp3施加于DAC 104的供应端子SPL。结果，比较信号Vcmp的值变为等于VRF/4。控制电路106基于来自比较器105的比较结果确定放大信号Vamp的值低于比较信号Vcmp的值(VRF/4)，并且使供应给开关sw3的控制信号返回到Low。该比较结果意味着，数字信号Sout的值的第四位为0。

接着，控制电路106将供应给开关sw2的控制信号变为High。通过该配置，参考电压VRF经由具有二进制权重之中的第三高的电容值的电容元件cp2施加于DAC 104的供应端子SPL。结果，比较信号Vcmp的值变为等于VRF/8。控制电路106基于来自比较器105的比较结果确定放大信号Vamp的值低于比较信号Vcmp的值(VRF/8)，并且将供应给开关sw2的控制信号设置为Low。该比较结果意味着，数字信号Sout的值的第三位为0。

接着，控制电路106将供应给开关sw1的控制信号变为High。通过该配置，参考电压VRF经由具有二进制权重之中的第四高的电容值的电容元件cp1施加于DAC 104的供应端子SPL。结果，比较信号Vcmp的值变为等于VRF/16。控制电路106基于来自比较器105的比较结果确定放大信号Vamp的值高于比较信号Vcmp的值(VRF/16)，并且使供应给开关sw1的控制信号保持为High。通过该配置，比较信号Vcmp的值保持为VRF/16。该比较结果意味着，数字信号Sout的值的第二位为1。

最后，控制电路106将供应给开关sw0的控制信号变为High。通过该配置，参考电压VRF经由具有二进制权重之中的第五高的电容值的电容元件cp0和电容元件cp1施加于DAC104的供应端子SPL。结果，比较信号Vcmp的值变为等于VRF×3/32。控制电路106基于来自比较器105的比较结果确定放大信号Vamp的值高于比较信号Vcmp的值(VRF×3/32)，并且使供应给开关sw0的控制信号保持为High。该比较结果意味着，数字信号Sout的值的第一位为1。

作为上述逐次逼近的结果，控制电路106确定与处于重置电平的放大信号Vamp相对应的数字信号Sout为00011。

以这种方式，ADC 107可以执行用于产生与输入的模拟信号相对应的数字信号的AD转换。

接着，垂直扫描电路101将信号和这二者都设置为High电平以使之后被设置为Low电平。通过该配置，光电二极管601a和601b累积的电荷经由传输晶体管603a和603b传输到FD单元605。光电二极管601a和601b各自的电荷在FD单元605中彼此相加。通过该配置，FD单元605取与通过将光电二极管601a和601b各自的电荷彼此相加而获得的电荷相对应的电位。假设放大晶体管607基于FD单元605的仅基于光电二极管601a的电荷的电位而输出的信号被设置为A信号。另一方面，假设放大晶体管607基于FD单元605的仅基于光电二极管601b的电荷的电位而输出的信号被设置为B信号。根据该记号，放大晶体管607基于FD单元605的与通过将光电二极管601a和601b各自的电荷彼此相加获得的电荷相对应的电位而输出的信号可以被认为是通过将A信号和B信号彼此相加而获得的A+B信号。像素100的A+B信号输出到每列中的信号线201。

控制电路106将供应给开关sw0至sw4的所有控制信号都设置为High电平。通过该配置，与阈值相对应的电压从DAC 104输入到比较器105。

通过该配置，比较器105将从DAC 104输出的阈值与通过将A+B信号放大X4增益而获得的放大信号Vamp进行比较。这是用于检测放大信号Vamp是否在AD转换器执行的预定范围内的操作。

情况1下的操作

情况1对应于通过将A+B信号放大X4增益而获得的放大信号Vamp的振幅低于阈值的振幅的情况。也就是说，ADC 107的输入节点的电位不溢出的状态被建立。换句话说，也可以说，ADC 107的输入节点的电位在可以执行AD转换的模拟信号的振幅范围内。在这种情况下，比较器105的输出保持为Low电平。已经接收到处于Low电平的比较结果的控制电路106使信号ATT保持为Low电平。然后，ADC 107执行通过将A+B信号放大X4增益而获得的放大信号Vamp的AD转换。

控制电路106将供应给开关sw4的控制信号变为High。通过该配置，开关sw4切换到端子B，并且参考电压VRF经由具有二进制权重之中的最高电容值的电容元件cp4施加于DAC104的供应端子SPL。结果，比较信号Vcmp的值变为等于VRF/2。控制电路106基于来自比较器105的比较结果确定放大信号Vamp的值高于比较信号Vcmp的值(VRF/2)，并且使供应给开关sw4的控制信号保持为High。通过该配置，比较信号Vcmp的值保持为VRF/2。该比较结果意味着，数字信号Sout的值的MSB(LSB被设置为第一位的情况下的第五位)为1。

接着，控制电路106将供应给开关sw3的控制信号变为High。通过该配置，参考电压VRF经由具有二进制权重之中的第二高的电容值的电容元件cp3和电容元件cp4施加于DAC104的供应端子SPL。结果，比较信号Vcmp的值变为等于VRF×3/4。控制电路106基于来自比较器105的比较结果确定放大信号Vamp的值低于比较信号Vcmp的值(VRF×3/4)，并且使供应给开关sw3的控制信号返回到Low。该比较结果意味着，数字信号Sout的值的第四位为0。

接着，控制电路106将供应给开关sw2的控制信号变为High。通过该配置，参考电压VRF经由具有二进制权重之中的第三高的电容值的电容元件cp2和电容元件cp4施加于DAC104的供应端子SPL。结果，比较信号Vcmp的值变为等于VRF×5/8。控制电路106基于来自比较器105的比较结果确定放大信号Vamp的值低于比较信号Vcmp的值(VRF×5/8)，并且将供应给开关sw2的控制信号设置为Low。该比较结果意味着，数字信号Sout的值的第三位为0。

接着，控制电路106将供应给开关sw1的控制信号变为High。通过该配置，参考电压VRF经由具有二进制权重之中的第四高的电容值的电容元件cp1和电容元件cp4施加于DAC104的供应端子SPL。结果，比较信号Vcmp的值变为等于VRF×9/16。控制电路106基于来自比较器105的比较结果确定放大信号Vamp的值低于比较信号Vcmp的值(VRF×9/16)，并且将供应给开关sw1的控制信号设置为Low。该比较结果意味着，数字信号Sout的值的第二位为0。

最后，控制电路106将供应给开关sw0的控制信号变为High。通过该配置，参考电压VRF经由具有二进制权重之中的第五高的电容值的电容元件cp0和电容元件cp4施加于DAC104的供应端子SPL。结果，比较信号Vcmp的值变为等于VRF×17/32。控制电路106基于来自比较器105的比较结果确定放大信号Vamp的值低于比较信号Vcmp的值(VRF×3/32)，并且将供应给开关sw0的控制信号设置为Low。该比较结果意味着，数字信号Sout的值的第一位为0。

作为上述逐次逼近的结果，控制电路106确定与通过将A+B信号放大X4增益而获得的放大信号Vamp相对应的数字信号Sout为10000。

情况2下的操作

情况2对应于通过将A+B信号放大X4增益而获得的放大信号Vamp的振幅高于阈值的振幅的情况。也就是说，ADC 107的输入节点的电位溢出的状态被建立。换句话说，也可以说ADC 107的输入节点的电位超过可以执行AD转换的模拟信号的振幅范围。在这种情况下，比较器105的输出变为High电平。已经接收到处于High电平的比较结果的控制电路106将信号ATT设置为High电平。通过该配置，放大器amp的放大因子从X4变为X1。ADC 107执行通过将A+B信号放大X1增益而获得的放大信号Vamp的AD转换。

控制电路106将供应给开关sw4的控制信号变为High。通过该配置，开关sw4切换到端子B，并且参考电压VRF经由具有二进制权重之中的最高电容值的电容元件cp4施加于DAC104的供应端子SPL。结果，比较信号Vcmp的值变为等于VRF/2。控制电路106基于来自比较器105的比较结果确定放大信号Vamp的值低于比较信号Vcmp的值(VRF/2)，并且将供应给开关sw4的控制信号设置为Low。该比较结果意味着，数字信号Sout的值的MSB(LSB被设置为第一位的情况下的第五位)为0。

接着，控制电路106将供应给开关sw3的控制信号变为High。通过该配置，参考电压VRF经由具有二进制权重之中的第二高的电容值的电容元件cp3施加于DAC 104的供应端子SPL。结果，比较信号Vcmp的值变为等于VRF/4。控制电路106基于来自比较器105的比较结果确定放大信号Vamp的值高于比较信号Vcmp的值(VRF/4)，并且使供应给开关sw3的控制信号保持为High。该比较结果意味着，数字信号Sout的值的第四位为1。

接着，控制电路106将供应给开关sw2的控制信号变为High。通过该配置，参考电压VRF经由电容元件cp3和具有二进制权重之中的第三高的电容值的电容元件cp2施加于DAC104的供应端子SPL。结果，比较信号Vcmp的值变为等于VRF×3/8。控制电路106基于来自比较器105的比较结果确定放大信号Vamp的值高于比较信号Vcmp的值(VRF×3/8)，并且使供应给开关sw2的控制信号保持为High。该比较结果意味着，数字信号Sout的值的第三位为1。

接着，控制电路106将供应给开关sw1的控制信号变为High。通过该配置，参考电压VRF经由电容元件cp3、电容元件cp2和具有二进制权重之中的第四高的电容值的电容元件cp1施加于DAC 104的供应端子SPL。结果，比较信号Vcmp的值变为等于VRF×7/16。控制电路106基于来自比较器105的比较结果确定放大信号Vamp的值高于比较信号Vcmp的值(VRF×7/16)，并且使供应给开关sw1的控制信号保持为High。该比较结果意味着，数字信号Sout的值的第二位为1。

最后，控制电路106将供应给开关sw0的控制信号变为High。通过该配置，参考电压VRF经由电容元件cp3、电容元件cp2和具有二进制权重之中的第五高的电容值的电容元件cp1施加于DAC 104的供应端子SPL。结果，比较信号Vcmp的值变为等于VRF×15/32。控制电路106基于来自比较器105的比较结果确定放大信号Vamp的值低于比较信号Vcmp的值(VRF×15/32)，并且使供应给开关sw0的控制信号保持为Low。该比较结果意味着，数字信号Sout的值的第一位为0。

作为上述逐次逼近的结果，控制电路106确定与通过将A+B信号放大X1增益而获得的放大信号Vamp相对应的数字信号Sout为01110。

本示例性实施例的优点

根据本示例性实施例，根据基于光的像素信号(A+B信号)和阈值之间的比较结果来改变施加于基于光的像素信号的放大器103的增益。通过使用执行逐次逼近AD转换的比较器105来执行用于确定放大器103的增益的、基于光的信号和阈值之间的比较。通过该配置，相对于通过使用不同于比较器105的比较器来执行基于光的信号和阈值之间的比较的情况，可以使电路面积缩小。

此外，因为阈值是通过使用DAC 104产生的，所以可以准确地确定基于光的像素信号是否在ADC 107可以执行AD转换的信号范围内。如果产生阈值的电路是不同于DAC 104的电路，则在一些情况下由于电路的制造误差等，ADC 107可以执行AD转换的信号范围的最大振幅和阈值的振幅可以是不同的。在上述情况下，ADC 107可以执行AD转换的信号范围的最大振幅不对应于阈值，并且误差可能在放大器103的增益改变时发生。另一方面，根据本示例性实施例，阈值是通过使用DAC 104产生的。通过该配置，ADC 107可以执行AD转换的信号范围的最大振幅可以准确地对应于阈值的振幅。因此，根据本示例性实施例的成像传感器可以准确地确定基于光的像素信号是否在ADC 107可以执行AD转换的信号范围内。

应注意到，根据本示例性实施例，已经例示说明了像素100输出A+B信号的例子。作为另一个例子，在信号和这二者都被设置为High电平之前，当信号被设置为High电平、而信号保持为Low电平时，像素100可以输出A信号。A信号可以用作焦点检测信号。同样关于A信号，类似于A+B信号，可以基于阈值和通过放大A信号而获得的放大信号Vamp之间的比较结果来确定放大器103的增益。接着，类似于A+B信号的情况下那样，ADC 107可以执行通过放大A信号而获得的放大信号Vamp的AD转换操作。

应注意到，根据本示例性实施例的控制电路106可以采用例如图6所示的配置。控制电路106包括增益控制单元106-1(其在图中被称为增益控制)和逻辑单元106-2(其在图中被称为SAR逻辑)。比较器105连接到增益控制单元106-1和逻辑单元106-2。增益控制单元106-1连接到OR电路ORC。逻辑单元106-2连接到DAC 104。比较器105执行的阈值和放大信号Vamp之间的比较的结果输入到增益控制单元106-1。在比较结果指示放大信号Vamp高于阈值的情况下，增益控制单元106-1将信号ATT设置为High电平。逻辑单元106-2存储各位的数字信号，并且还接收与比较器105的各位相对应的比较结果，以执行DAC 104的控制。

第二示例性实施例

将主要描述根据本示例性实施例的成像传感器与第一示例性实施例的成像传感器不同的方面。根据本示例性实施例的成像传感器的配置可以与根据第一示例性实施例的成像传感器是相同的。根据本示例性实施例的成像传感器多次执行处于重置电平的放大信号Vamp的AD转换。另外，根据第一示例性实施例，基于阈值和放大信号Vamp之间的比较结果来确定针对基于光的像素信号的放大器103的增益。根据本示例性实施例，基于放大信号Vamp的AD转换的结果来改变放大器103的增益。具体地说，在放大信号Vamp的AD转换的结果高于或等于预定数字信号值的情况下，将放大器103的增益从X4减小到X1，并且再次执行AD转换。也就是说，根据本示例性实施例，控制电路106将通过执行放大信号的AD转换而获得的数字信号与预定数字值进行比较以检测放大信号是否在预定范围内。另一方面，在放大信号Vamp的AD转换的结果低于预定数字信号值的情况下，使放大器103的增益保持为X4。然后，再次执行放大信号Vamp的AD转换。通过该配置，多次执行通过放大基于光的像素信号而获得的放大信号Vamp的AD转换。

图7例示说明根据本示例性实施例的成像传感器的操作。

首先，将描述情况1和情况2共同的操作。

一直到信号PR0和PR_AD变为Low电平的操作与根据第一示例性实施例描述的操作是相同的。

ADC 107执行处于重置电平的放大信号Vmap的AD转换。AD转换的操作与第一示例性实施例的AD转换的操作是相同的。在图7的情况下，产生00011作为与处于重置电平的放大信号Vamp相对应的数字信号。

随后，ADC 107再次执行处于重置电平的放大信号Vmap的AD转换。在图7中，为了简化描述，描述了具有相同值的数字信号通过处于重置电平的放大信号Vamp的第一AD转换和第二AD转换这二者产生的例子。通常，通过第一AD转换和第二AD转换获得的数字信号的值由于随机噪声而变化。当通过这两个AD转换处理获得的数字信号的平均值计算处理被执行时，可以获得其中随机噪声减小的数字信号。该平均值计算处理可以在成像传感器内部执行，或者也可以在成像传感器外部执行。

接着，垂直扫描电路101将信号和这二者设置为High电平并且之后将被设置为Low电平。通过该配置，像素100输出A+B信号。

情况1

情况1对应于通过将A+B信号放大X4而获得的放大信号Vamp在ADC 107可以执行AD转换的信号范围内的例子。具有值10000的数字信号是作为通过与第一示例性实施例的操作相同的操作进行的AD转换的结果产生的。

响应于指示数字信号的值低于11111的结果，控制电路106使信号ATT保持为Low电平。

然后，ADC 107再次执行通过将A+B信号放大X4增益而获得的放大信号Vamp的AD转换。通过该配置，产生具有值10000的数字信号。在图7中，为了简化描述，描述了具有相同值的数字信号通过放大信号Vamp的第一AD转换和第二AD转换产生的例子。通常，通过第一AD转换和第二AD转换获得的数字信号的值由于随机噪声而变化。当通过这两个AD转换处理获得的数字信号的平均值计算处理被执行时，可以获得其中随机噪声减小的数字信号。该平均值计算处理可以在成像传感器内部执行，或者也可以在成像传感器外部执行。特别地，在情况1下，A+B信号的信号振幅小于下面将描述的情况2的A+B信号的信号振幅。由于这个原因，由于随机噪声而导致的信噪(S/N)比的减小可能发生。因此，如第一示例性实施例中那样，通过多次执行通过放大A+B信号而获得的放大信号Vamp的AD转换来产生多个数字信号。那么，对所述多个数字信号进行平均值计算以减小随机噪声的配置是优选采用的。

情况2

情况2对应于通过将A+B信号放大X4而获得的放大信号Vamp超过ADC 107可以执行AD转换的信号范围的例子。作为通过与第一示例性实施例的操作相同的操作进行的AD转换的结果，产生具有值11111的数字信号。当具有值11111的数字信号被产生时，与具有值11111的数字信号相对应的比较信号从DAC 104输入到比较器105。

响应于指示数字信号的值为11111的结果，控制电路106将信号ATT设置为High电平。通过该配置，放大器amp的增益从X4变为X1。

其后，ADC 107类似地如第一示例性实施例的操作中那样执行AD转换。通过该配置，产生具有值01110的数字信号。

在情况2下，A+B信号的信号振幅大于情况1的A+B信号的信号振幅。在上述情况下，因为随机噪声对A+B信号的影响小，所以具有足够的S/N比的数字信号甚至可以通过单次AD转换处理获得。

以这种方式，根据本示例性实施例的成像传感器在A+B信号的信号振幅小的情况下多次执行AD转换。成像传感器在相对于ADC 107的上游级中减小放大器103的增益，并且在A+B信号的信号振幅大的情况下执行AD转换。以这种方式，根据本示例性实施例的成像传感器既可以实现其中随机噪声可以减小的信号的产生，又可以实现放大器103的根据像素信号的信号振幅的增益设置。通过该配置，可以既实现噪声减小，又实现动态范围扩展。

应注意到，在本说明书中已经描述了放大器103的增益为X1和X4的情况，但是配置不限于该例子。其他增益也可以被使用。本说明书中的放大器103的增益可以为例如X1和X8。另外，放大器103的增益可以选自还有的更多的增益。

应注意到，根据本示例性实施例的控制电路106可以采用例如图8所示的配置。控制电路106包括增益控制单元106-3(其在图中被称为增益控制)和逻辑单元106-4(其在图中被称为SAR逻辑)。比较器105连接到逻辑单元106-4。增益控制单元106-3连接到OR电路ORC。逻辑单元106-4连接到DAC 104。指示通过AD转换获得的数字信号的所有位是否都为1(即，饱和电平)的指示信号从逻辑单元106-4输入到增益控制单元106-3。在指示信号指示通过AD转换获得的数字信号的所有位都为1(即，饱和电平)的情况下，增益控制单元106-3将信号ATT设置为High电平。逻辑单元106-4存储各位的数字信号，并且还接收与比较器105的各位相对应的比较结果，以执行DAC 104的控制。

第三示例性实施例

根据第一示例性实施例和第二示例性实施例的成像传感器不限于形成在单个半导体基板上的成像传感器，也可以被应用于堆叠式成像传感器。

下面将描述的示例性实施例涉及堆叠式成像传感器。

成像传感器的总体配置

图9例示说明根据本示例性实施例的成像传感器中包括的第一芯片1和第二芯片5。像素11在第一芯片1中按多行多列布置。信号处理电路21在第二芯片5中按多行多列布置。应注意到，只有像素11和信号处理电路21在此处被例示说明，但是另外，用于控制像素11的控制线和用于发送从像素11输出的信号的信号线也被适当地布置在第一芯片1中。诸如垂直扫描电路和定时发生器的驱动电路被适当地布置在第一芯片1或第二芯片5中。

平面图中的像素和信号处理电路之间的布置关系

图10在平面图中例示说明第一芯片1中包括的像素11和第二芯片5中包括的信号处理电路21的布局。在图10中，像素11中包括的滤色器的颜色也被例示说明。图10所示的R表示像素11包括红色(R)滤色器。类似地，G和B分别表示像素11包括绿色(G)滤色器和像素11包括蓝色(B)滤色器。换句话说，也可以说提供了具有与第一颜色相对应的波长的光入射于其上的像素和具有与第二颜色相对应的波长的光入射于其上的像素。通常，与红色相对应的波长为600至830nm。与绿色相对应的波长为500至600nm。与蓝色相对应的波长为360至500nm。

单个信号处理电路21被布置为与按多行多列布置的像素11重叠。在此处，单个信号处理电路21被布置为与按4行12列布置的像素11重叠。如下面将描述的，信号处理电路21包括复用电路、放大器和AD转换器。因此，可以说单个信号处理电路21的复用电路、放大器和AD转换器中的一部分或全部被布置为与像素11重叠。根据第一示例性实施例和第二示例性实施例描述的放大器103可以被应用于放大器。根据第一示例性实施例和第二示例性实施例描述的ADC 107可以被应用于AD转换器。

另外，如下面将描述的，单个信号处理电路21的AD转换器执行包括第一颜色的滤色器的像素11输出的信号的AD转换，但是不执行包括第二颜色的滤色器的像素11输出的信号的AD转换。因此，在平面图中，单个信号处理电路21的放大器具有如下这种关系：放大器与被设置作为执行AD转换的目标的像素11和被设置作为不执行AD转换的目标的像素11这二者重叠。

应注意到，该布置是例子，并且根据本示例性实施例，可以采用多个像素11相对于单个信号处理电路21布置的模式。

成像传感器的等效电路

图11仅例示说明了图10所示的像素11之中的奇数列的像素11。关于第一芯片1中的像素11，相对于单个列中的像素11布置四个信号线201(A)至201(D)。应注意到，在信号线201(A)至201(D)不相互区分的情况下，信号线201(A)至201(D)在以下将被称为信号线201。第一行中的像素11连接到信号线201(A)。类似地，第二行至第四行中的像素11按所陈述的次序连接到信号线201(B)至201(D)。信号线201(A)至201(D)也如第一列中的像素11中那样布置在其他列中。

信号线201(A)和201(C)中的每个经由连接部分303连接到信号处理电路21(A)。信号线201(B)和201(D)中的每个经由连接部分303连接到信号处理电路21(B)。信号处理电路21(A)和信号处理电路21(B)具有相同的电路配置。由于这个原因，就这两个信号处理电路共同的描述来说，字母被省略。以下，将描述信号处理电路21的配置。

图11还例示说明了信号处理电路21的等效电路。多个信号线201分别经由连接部分303连接到信号处理电路21中包括的复用电路(以下，将被称为MPX电路)350。信号处理电路21包括放大器355和AD转换器(以下，在说明书和附图中将被称为ADC)360。MPX电路350的输出经由放大器355连接到ADC 360。因此，MPX电路350是其中多个信号线201中的一个被选择连接到ADC 360(A)的选择部分。

放大器355是例如运算放大器。放大器355包括反相输入端子和非反相输入端子。这两个输入端子中的一个连接到MPX电路350。这两个输入端子中的另一个被供应参考电压Vref。在图11的例子中，参考电压Vref是经由电容供应的。重置开关连接到该电容。放大器355的两个输出端子分别连接到ADC 360。放大器355的这两个输出端子分别经由反馈电容连接到反相输入端子和非反相输入端子。在每个反馈路线中初始化开关与反馈电容并联连接。放大器355具有大于1的增益。例如，放大器355可以选择X1增益和X4增益。

如图11所示，连接到ADC 360(A)的所有像素11是包括R滤色器的像素11。另一方面，连接到ADC 360(B)的所有像素11是包括G滤色器的像素11。以这种方式，均包括第一颜色(R)的滤色器的多个第一像素11连接到用作第一AD转换器的ADC 360(A)，而不连接到用作第二AD转换器的ADC 360(B)。均包括第二颜色(G)的滤色器的多个第一像素11连接到用作第二AD转换器的ADC 360(B)，而不连接到用作第一AD转换器的ADC 360(A)。

另外，如图11所示，第二芯片5包括电流源310。电流源310经由连接部分303将电流供应给各列中的信号线201。

成像传感器的连接部分周围的截面结构

图12例示说明图11所示的成像传感器的截面结构。图12主要例示说明按四行一列布置的像素11和第一行第十一列中的像素11。图9所示的第一芯片1和第二芯片5在结合平面300上彼此结合。

根据本示例性实施例的成像传感器是背面照射式成像传感器。像素11包括图中未例示说明的光电转换单元。信号线201布置在光电转换单元和结合平面300之间。信号线201在像素11的预定方向(沿着图中的列的方向)上延伸。信号线201经由连接布线401连接到连接部分303。MPX电路350(A)经由连接布线405连接到连接部分303。在平面图中，连接布线401、连接布线405和连接部分303被布置为彼此重叠。可以说信号处理电路21和信号线201之间的连接可以通过在平面图中与连接布线405重叠的位置处形成连接布线401来建立。当在预定方向上延伸的信号线201和连接布线401彼此连接时，信号线201可以连接到MPX电路350。因为信号线201在预定方向上延伸，所以可以便利于连接布线401和信号线201之间的连接。作为另一个例子，如图13所示，可设想的是，在预定方向上延伸的信号线501被布置在第二芯片5、而不是第一芯片1中。同样在这种情况下，像素11可以连接到MPX电路350(A)。然而，与图13的配置相比，图12所示的预定方向上延伸的信号线优选地被布置在第一芯片1中。这源自于包括信号处理电路21的第二芯片5的布线层的数量多于包括像素11的第一芯片1的布线层的数量的状态。这是因为，当将如图12所示的信号线201布置在布线层的数量少的第一芯片1中、而不是将如图13所示的信号线501布置在布线层的数量多的第二芯片5中时，设计自由度高。

成像传感器的操作

图14A和14B例示说明成像传感器的操作。

图14A和14B的信号PRES表示经由图2的控制线660从垂直扫描电路供应给重置晶体管606的栅极的信号。类似地，信号PSEL表示经由控制线665从垂直扫描电路供应给像素11的第N行中的选择晶体管608的栅极的信号。应注意到，信号PSEL是在执行输出的像素11的行位置与后缀匹配时例示说明的。也就是说，信号PSEL(1)表示输出到第一行中的像素11的信号PSEL。信号PTXA表示经由控制线650从垂直扫描电路供应给传输晶体管603a的栅极的信号。信号PTXB表示经由控制线655从垂直扫描电路供应给传输晶体管603b的栅极的信号。

在图14A和14B中，例示说明了与MPX电路350(A)和ADC 360(A)相关的操作。如图11所示，位于第一行和第三行且第一列至第十二列中的奇数列中的、包括R滤色器的像素11的信号输入到MPX电路350(A)和ADC 360(A)。因此，在图14A和14B中，例示说明了与位于第一行和第三行且第一列至第十二列中的奇数列中的像素11的操作相关的操作。

图14A和14B所示的信号MPX表示图中未例示说明的定时发生器输出到MPX电路350(A)的信号。MPX电路350(A)通过信号MPX的信号值的改变从与第一列至第十二列中的奇数列的像素11相对应的信号线201中顺序地改变输出到放大器355(A)和ADC 360(A)的信号。以下，MPX电路350将信号输出到放大器355、放大器355然后将放大的信号输出到ADC 360的状态也将被如下简单地改述。也就是说，MPX电路350将信号输出到ADC 360。

在图14A和14B中，MPX电路350(A)选择作为其中信号输出到ADC 350(A)的列的列被称为Col_nm。将描述nm这个记号。在此处，n表示像素11的列号。另一方面，m表示被布置为与单个列中的像素11相对应的信号线201(A)至201(D)的字母。也就是说，Col_1A表示与第一列中的像素11相对应的信号线201(A)。

在时间t1，垂直扫描电路将输出到第一行和第三行中的像素11的信号PRES设置为High电平。通过该配置，第一行中的像素11的重置晶体管606导通。因此，FD单元605被重置为与电源电压Vdd相对应的电位。另外，在时间t1，垂直扫描电路将信号PSEL(1)设置为High电平。通过该配置，用于第一行中的像素11的选择晶体管608导通。因此，图11所示的电流源310供应的电流经由用于第一行中的像素11的选择晶体管608被供应给放大晶体管607。通过该配置，形成基于电源电压Vdd、放大晶体管607和电流源310的源级跟随器电路。也就是说，放大晶体管607执行用于经由选择晶体管608将与FD单元605的电位相对应的信号输出到信号线210的源级跟随器操作。

操作：与第一行中的像素11相对应的N信号的读出

在时间t2，垂直扫描电路将输出到第一行中的像素11的信号PRES设置为Low电平。通过该配置，第一行中的像素11的重置晶体管606截止。因此，FD单元605的重置被取消。放大晶体管607将基于重置被取消的FD单元605的电位的信号输出到图11所示的信号线201(A)。该信号被称为N信号(噪声信号)。通过该配置，N信号从像素11输出到每列中的信号线201(A)。

操作：与第一行中的像素11相对应的N信号的AD转换

在时间t2和随后的时间，MPX电路350(A)基于从定时发生器供应的信号MPX来将与第一列至第十二列中的奇数列中的像素11相对应的信号线201(A)顺序地连接到ADC 360(A)。

ADC 360(A)执行将从MPX电路350(A)输出的、第一列中的信号线201(A)的噪声信号转换为数字信号的AD转换。其后，顺序地执行将输出到与第一列至第十二列中的奇数列中的像素11相对应的信号线201(A)的噪声信号转换为数字信号的AD转换。

操作：与第三行中的像素11相对应的N信号的读出

在时间t16，垂直扫描电路将输出到第三行中的像素11的信号设置为Low电平。通过该配置，第三行中的像素11的重置晶体管606截止。因此，FD单元605的重置被取消。放大晶体管607将与基于重置被取消的FD单元605的电位的信号相对应的N信号输出到图11所示的信号线201(C)。通过该配置，噪声信号从像素11输出到每列中的信号线201(C)。

操作：与第三行中的像素11相对应的N信号的AD转换

在时间t16和随后的时间，MPX电路350(A)基于从定时发生器供应的信号MPX来将与第一列至第十二列中的奇数列中的像素11相对应的信号线201(C)顺序地连接到ADC 360(A)。

ADC 360(A)执行将从MPX电路350(A)输出的、第一列中的信号线201(C)的N信号转换为数字信号的AD转换。其后，顺序地执行将输出到与第一列至第十二列中的奇数列中的像素11相对应的信号线201(C)的N信号转换为数字信号的AD转换。

操作：与第一行中的像素11相对应的A+B信号的读出

在时间t16，垂直扫描电路将输出到第一行中的像素11的信号PTXA和PTXB设置为High电平。通过该配置，光电二极管601a和601b累积的电荷(根据本示例性实施例为电子)经由传输晶体管603a和603b传输到FD单元605。在FD单元605中，光电二极管601a和601b各自的电荷彼此相加。通过该配置，FD单元605取与通过将光电二极管601a和601b各自的电荷彼此相加而获得的电荷相对应的电位。假设放大晶体管607基于FD单元605的仅基于光电二极管601a的电荷的电位而输出的信号被设置为A信号。另一方面，假设放大晶体管607基于FD单元605的仅基于光电二极管601b的电荷的电位而输出的信号被设置为B信号。根据该记号，放大晶体管607基于FD单元605的与通过将光电二极管601a和601b各自的电荷彼此相加获得的电荷相对应的电位而输出的信号可以被认为是通过将A信号和B信号彼此相加而获得的A+B信号。第一行中的像素11的A+B信号输出到每列中的信号线201(A)。

与第一行中的像素11相对应的A+B信号的AD转换

在时间t30和随后的时间，MPX电路350(A)基于从定时发生器供应的信号MPX来将与第一列至第十二列中的奇数列中的像素11相对应的信号线201(A)顺序地连接到ADC 360(A)。

ADC 360(A)执行将从MPX电路350(A)输出的、第一列中的信号线201(A)的A+B信号转换为数字信号的AD转换。其后，顺序地执行将输出到与第一列至第十二列中的奇数列中的像素11相对应的信号线201(A)的A+B信号转换为数字信号的AD转换。

操作：与第三行中的像素11相对应的A+B信号的读出

在时间t30，垂直扫描电路将输出到第三行中的像素11的信号PTXA和PTXB设置为High电平。通过该配置，第三行中的像素11的A+B信号输出到每列中的信号线201(C)。

操作：与第三行中的像素11相对应的A+B信号的AD转换

在时间t44和随后的时间，MPX电路350(A)基于从定时发生器供应的信号MPX来将与第一列至第十二列中的奇数列中的像素11相对应的信号线201(C)顺序地连接到ADC 360(A)。

ADC 360(A)执行将从MPX电路350(A)输出的、第一列中的信号线201(C)的A+B信号转换为数字信号的AD转换。其后，顺序地执行将输出到与第一列至第十二列中的奇数列中的像素11相对应的信号线201(C)的A+B信号转换为数字信号的AD转换。

成像传感器执行的并行操作

在图14A和14B所示的操作中，多个操作将如下面将描述的那样并行执行。

(1)与第一行中的像素11相对应的N信号的AD转换和与第三行中的像素11相对应的N信号的读出的并行操作

(2)与第三行中的像素11相对应的N信号的AD转换和与第一行中的像素11相对应的A+B信号的读出的并行操作

(3)与第一行中的像素11相对应的A+B信号的AD转换和与第三行中的像素11相对应的A+B信号的读出的并行操作

通过并行操作，可以缩短在单次AD转换结束之后ADC 360(A)执行下一次AD转换之前的待机时间。通过该配置，可以缩短用于从所有像素11输出的信号的AD转换的时间段。因此，可以开发成像传感器的更高的帧速率。

本示例性实施例的优点

在根据本示例性实施例的成像传感器中，信号处理电路21包括放大器355。由于这个原因，信号是在ADC 360产生的噪声被叠加之前放大的。结果，SN比可以得到改进。

其他模式

根据本示例性实施例，描述了包括第一颜色的滤色器的像素11连接、但是包括第二颜色的滤色器的像素11不连接的信号线201连接到ADC 360的例子。在该例子中，采用如下模式：在该模式中，没有布置包括第二颜色的滤色器的像素11和ADC 360彼此连接的连接部分。

第四示例性实施例

将主要描述本示例性实施例与第三示例性实施例的不同方面。在根据本示例性实施例的成像传感器中，信号处理电路21的配置不同于根据第三示例性实施例的信号处理电路21的配置。具体地说，根据本示例性实施例的信号处理电路21包括两个复用电路和并联布置在复用电路之间的多个放大器。其他配置与根据第三示例性实施例的成像传感器的配置可以是相同的。以下，将主要描述与第三示例性实施例的不同方面。

图15是根据本示例性实施例的成像传感器的信号处理电路21的等效电路。信号处理电路21包括MPX电路350和ADC 360的要点类似于第三示例性实施例。应注意到，引用符号sf1至sf8被分配给图15中的MPX电路350的输入。图15中的MPX电路350的输入的数量为八个，但是输入的数量没有特别限制。

MPX电路350包括四个输出节点。放大器355连接到MPX电路350的每个输出节点。信号处理电路21包括四个放大器355a至355d。MPX电路350选择输入sf1和输入sf5中的一个，并且将选择的输入信号输出到放大器355a。MPX电路350选择输入sf2和输入sf5中的一个，并且将选择的输入信号输出到放大器355b。这同样也适用于其他输入。从MPX电路350输出的信号经由电容输入到每个放大器355中的反相输入端子和非反相端子中的一个。参考信号Vref输入到每个放大器355中的反相输入端子和非反相端子中的另一个。公共参考信号Vref可以被供应给多个放大器355。

多个放大器355的输出连接到公共复用电路356(以下，将被称为MPX电路356)。MPX电路356选择多个放大器355的输出中的一个，并且将选择的信号输出到ADC 360。MPX电路356选择来自多个放大器355的反相输出端子的信号中的一个。另外，MPX电路356选择来自多个放大器355的非反相输出端子的信号中的一个。

应注意到，如图15所示，MPX电路356的输入的数量少于MPX电路350的输入的数量。另外，多个放大器355的数量少于MPX电路350的输入的数量。

以这种方式，根据本示例性实施例，多个放大器355并联连接在这两个选择电路(MPX电路350和MPX电路356)之间。通过上述配置，可以提高信号输出的速度。

将参照图16来描述根据本示例性实施例的信号处理电路21的操作。图16示意性地例示说明对于每个信号线201的信号的处理操作。

将描述连接到输入sf1的信号线201的信号处理。首先，当信号开启时，像素信号从像素11的源级跟随器电路输出到连接到输入sf1的信号线201。其后，在定时mux1，MPX电路355a选择输入sf1，然后将输入sf1的信号输出到下游级中的放大器355a。在放大器355a的输出稳定的定时(mux2)，MPX电路356将放大器355a的输出输出到下游级中的ADC360。ADC 360对放大器355a放大的像素信号执行AD转换。图16例示说明N信号的AD转换的例子。

在自从信号开启以后经过了预定时间之后，信号开启。通过该配置，像素信号从像素11的源级跟随器电路输出到连接到输入sf5的信号线201。其后，在定时mux1，MPX电路350选择输入sf5，然后将输入sf5的信号输出到下游级中的放大器355a。以这种方式，因为某个信号在下一个信号输入之前被输入到一个放大器355，所以时间段在放大器355的前一个信号的输出稳定之前流逝。

在此处，根据本示例性实施例，多个放大器355并联连接在MPX电路350的下游级中。由于这个原因，信号在一个放大器355的前一个信号的输出稳定之前流逝的时间段期间可以输入到另一个放大器355。具体地说，在自从信号开启以后、直到信号开启为止的时段期间，信号至SEL4开启。通过该配置，MPX电路350将输入sf2至sf4的信号顺序地输出到放大器355b至355d。结果，可以提高用于输出多个信号的操作的速度。

如图16所示，用于控制选择晶体管的信号至在连接到单个MPX电路350的多个像素11中顺序地开启。使MPX电路350切换一个输出的间隔长于使信号至开启的间隔。例如，关于输入sf1的定时mux1和关于输入sf5的定时mux1之间的间隔长于自从信号开启以后、直到信号开启为止的间隔。通过该配置，使像素信号的传送路径中的各电路的输出足够稳定的时间得到保证。

从另一个角度看，选择电路(MPX电路356)被布置在放大器355的下游级中。通过该配置，可以减小选择电路中产生的噪声的影响。结果，图像质量可以得到改进。

接着，将描述本示例性实施例的修改的例子。图17例示说明成像传感器的信号处理电路和像素之间的连接。图17的成像传感器包括输出参考信号Vref的虚设(dummy)像素12(参考像素)。各虚设像素连接到被表示为虚设的输出线。电流源连接到输出线虚设。类似于像素11中那样，虚设像素12包括放大晶体管607。由于这个原因，放大晶体管607和连接到输出线虚设的电流源形成源级跟随器电路。被配置为供应参考电压的电压供应单元被布置在虚设像素12、而不是光电转换单元中。通过上述配置，虚设像素12可以输出参考电压Vref。

当虚设像素12输出参考电压Vref时，在多个信号线201之间产生的串扰可以被抵消。另外，当虚设像素12按多列布置、此外虚设像素12的输出在该多列中相互短路时，源自于晶体管的、叠加在参考信号Vref上的噪声可以被平均。结果，图像质量可以得到改进。

第五示例性实施例

图18是例示说明根据本示例性实施例的成像系统500的配置的框图。根据本示例性实施例的成像系统500包括成像传感器200，根据上述各示例性实施例描述的成像传感器的配置中的任何一个被应用于成像传感器200。成像系统500的特定例子包括数字静态照相机、数字便携式摄影机、监视照相机等。图18例示说明数字静态照相机的配置例子，在该例子中，根据上述各示例性实施例中的任何一个的成像传感器用作成像传感器200。

图18中举例说明的成像系统500包括成像传感器200、透镜5020、光圈504和挡板506，透镜5020在成像传感器200上形成对象的光学图像，光圈504用于将通过透镜5020的光的量设置为是可变的，挡板506用于保护透镜5020。透镜5020和光圈504对应于使光聚焦于成像传感器200的光学系统。

成像系统500还包括信号处理单元5080，信号处理单元5080对从成像传感器200输出的输出信号执行处理。信号处理单元5080执行用于对输入信号适当地执行各种校正和压缩并且输出信号的信号处理操作。信号处理单元5080也可以设有用于对从成像传感器200输出的输出信号执行AD转换处理的功能。在这种情况下，AD转换器可以设在成像传感器200的外部，但是当没有提供AD转换器时，它也是足够的。

成像系统500进一步包括缓冲存储器单元510和外部接口单元(外部I/F单元)512，缓冲存储器单元510暂时存储图像数据，外部接口单元512被配置为与外部计算机等建立通信。成像系统500进一步包括记录介质514和记录介质控制接口单元(记录介质I/F单元)516，记录介质514被配置为执行成像数据的记录或读出，诸如半导体存储器，记录介质控制接口单元516被配置为对记录介质514执行记录或读出。应注意到，记录介质514可以被构建在成像系统500中，或者也可以是可拆卸的。

成像系统500进一步包括总控制和计算单元518、成像传感器200以及定时发生单元520，总控制和计算单元518被配置为执行各种计算，并且还控制整个数字静态照相机，定时发生单元520被配置为将各种定时信号输出到信号处理单元5080。在此处，定时信号等也可以从外部输入。当成像系统500至少包括成像传感器200和对从成像传感器200输出的输出信号进行处理的信号处理单元5080时，这是足够的。总控制和计算单元518和定时发生单元520可以被配置为执行成像传感器200的控制功能中的一部分或全部。

成像传感器200将图像信号输出到信号处理单元5080。信号处理单元5080对从成像传感器200输出的图像信号执行预定的信号处理，并且输出图像数据。信号处理单元5080还通过使用图像信号来产生图像。

当成像系统是通过使用基于根据上述各示例性实施例的成像传感器的成像传感器构成的时，可以实现可以获得具有更好的图像质量的图像的成像系统。

第六示例性实施例

将参照图19A和19B以及图20来描述根据本示例性实施例的成像系统和移动体。

图19A和19B是例示说明根据本示例性实施例的成像系统和移动体的配置例子的示意图。图20是例示说明根据本示例性实施例的成像系统的操作的流程图。

根据本示例性实施例，例示说明了与车载照相机相关的成像系统的例子。图19A和19B例示说明车辆系统和安装到该车辆系统的成像系统的例子。成像系统701包括成像传感器702、图像预处理单元715、集成电路703和光学系统714。光学系统714使物体的光学图像聚焦于成像传感器702上。成像传感器702将光学系统714聚焦的物体的光学图像转换为电信号。成像传感器702是根据上述各示例性实施例中的任何一个的成像传感器。图像预处理单元715对从成像传感器702输出的信号执行预定的信号处理。图像预处理单元715的功能可以合并在成像传感器702中。光学系统714、成像传感器702和图像预处理单元715中的至少两个集合设在成像系统701中，并且来自每个集合的图像预处理单元715的输出被输入到集成电路703。

集成电路703是用于成像系统使用的集成电路，并且包括图像处理单元704、光学聚焦单元706、视差计算单元707、物体辨识单元708和异常检测单元709，图像处理单元704包括存储器705。图像处理单元704对图像预处理单元715的输出信号执行图像处理，诸如显影处理或缺陷校正。存储器705储存捕获的图像的一次存储和成像像素的缺陷位置。光学聚焦单元706执行物体的聚焦和测距。视差计算单元707从多个成像传感器702获得的多条图像数据计算视差(视差图像的相位差)。物体辨识单元708辨识物体，诸如汽车、道路、路标或人。当成像传感器702的异常被检测到时，异常检测单元709向主控制单元713通知异常。

集成电路703可以由专门设计的硬件或软件模块实现，或者也可以由这些的组合实现。另外，集成电路703可以由现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)等实现，或者也可以由这些的组合实现。

主控制单元713支配和控制成像系统701、车辆传感器710、控制单元720等的操作。应注意到，如下方法(例如，CAN标准)也可以被采用：通过该方法，不提供主控制单元713，成像系统701、车辆传感器710和控制单元720单个地包括通信接口，并且分别经由通信网络(例如，控制器区域网络(CAN)标准)发送和接收控制信号。

集成电路703包括通过它自己的控制单元从主控制单元713接收控制信号或者向成像传感器702发送控制信号或设置值的功能。例如，集成电路703发送用于使成像传感器702中的电压开关13执行脉冲驱动的设置、用于对于每一帧切换电压开关13的设置等。

成像系统701连接到车辆传感器710，并且可以检测它自己的车辆行进状态(诸如车辆速度、横摆速率和舵角)、它自己的车辆外部的环境、以及障碍物和其他车辆的状态。车辆传感器710还是被配置为从视差图像获得到物体的距离信息的距离信息获得单元。成像系统701连接到驱动支持控制单元711，驱动支持控制单元711执行各种驱动支持，诸如自动化转向、自动化巡航和防撞功能。特别地，关于防撞功能，基于成像系统701和车辆传感器710的检测结果来估计与其他车辆和障碍物的碰撞并且确定碰撞的存在或不存在。通过该配置，在估计有碰撞的情况下，执行避碰控制和碰撞时的安全装置启动。

成像系统701还连接到警报装置712，警报装置712基于碰撞确定单元的确定结果向司机发出警报。例如，在作为碰撞确定单元的确定结果，碰撞概率高的情况下，主控制单元713通过例如施加刹车、使加速计返回和抑制引擎输出来执行用于避免碰撞或减轻损坏的车辆控制。警报装置712通过例如发出警报(诸如声音)、在显示单元(诸如汽车导航系统或仪表板)的屏幕上显示警报信息以及向座位安全带或转向器提供振动来向用户发出警报。

根据本示例性实施例，车辆的周围环境(诸如举例来说前方区域或后方区域)被成像系统701成像。图19B例示说明车辆前方区域被成像系统701成像的情况下的成像系统701的布置例子。

两个成像传感器702布置在车辆700的前面的部分中。具体地说，相对于车辆700的进退方向或外部形状(例如，车辆宽度)的中心线被认为是对称轴，两个成像传感器702被布置为具有相对于该对称轴的线对称性。当获得车辆700和将被成像的物体之间的距离信息并且确定碰撞概率时，上述配置是优选采用的。另外，成像传感器702优选地布置在当司机从司机的座位视觉地检查车辆700外部的情形时不干扰司机的视线的位置处。警报装置712优选地布置在警报装置容易被司机看到的位置处。

接着，将参照图20来描述成像系统701中的成像传感器702的故障检测操作。成像传感器702的故障检测操作是在跟随图20所示的步骤S810至S880时执行的。

步骤S810是用于执行成像传感器702启动时的设置的步骤。也就是说，对于成像传感器702的操作的设置是从成像系统701的外部(例如，主控制单元713)或成像系统701的内部发送的，并且成像传感器702的成像操作和故障检测操作被启动。

其后，在步骤820中，从有效像素获得像素信号。在步骤S830中，获得来自被布置为检测故障的故障检测像素的输出值。类似于有效像素中那样，故障检测像素也设有光电转换单元。预定电压被写入到光电转换单元中。故障检测像素输出与写入到光电转换单元中的电压相对应的信号。应注意到，步骤S820和S830也可以反过来。

其后，在步骤S840中，执行来自故障检测像素的输出预期值是否与来自故障检测像素的实际输出值匹配的确定。

作为步骤S840中的匹配确定的结果，在输出预期值与实际输出值匹配的情况下，处理步骤转到步骤S850，并且确定成像操作被正常地执行。然后，处理步骤转到步骤S860。在步骤S860中，将扫描行中的像素信号发送到存储器705，并且一次保存。其后，处理步骤返回到步骤S820，并且故障检测操作继续进行。

另一方面，作为步骤S840中的匹配确定的结果，在输出预期值与实际输出值不匹配的情况下，处理步骤转到步骤S870。在步骤S870中，确定异常在成像操作中发生，并且向主控制单元713或警报装置712发出警报。警报装置712使显示单元显示异常已经被检测到的效果。其后，在步骤S880中，成像传感器702停止，并且成像系统701的操作结束。

应注意到，根据本示例性实施例描述了流程图对于每一行循环的例子，但是流程图可以每多行循环，或者故障检测操作可以每一帧地执行。

应注意到，可以在步骤S870中经由无线网络向车辆外部的部分通知警告的发出。

另外，根据本示例性实施例描述了用于避免与其他车辆的碰撞的控制，但是所述技术可以被应用于跟随其他车辆以执行自动化驾驶的控制、在不离开小巷的情况下自动化驾驶的控制等。此外，成像系统701可以不仅被应用于诸如汽车的车辆，而且还被应用于移动体(移动装置)(诸如举例来说船舶、航空器或工业机器人)。另外，成像系统可以广泛地不仅被应用于移动体，而且还被应用于使用物体辨识的设备(诸如智能运输系统(ITS))。

修改的例子

不仅上述示例性实施例、而且各种修改可以就本公开做出。

例如，本公开的示例性实施例还包括如下例子：根据示例性实施例中的任何一个的配置的一部分被添加到其他示例性实施例的例子、以及配置被替换为根据其他示例性实施例的配置的一部分的例子。

上述示例性实施例全都只是用于实现本公开的指定配置的例子，并且本公开的技术范围不用这些例证来限制性地解释。也就是说，在不脱离本公开的技术构思或者其主要特征的情况下，本公开的示例性实施例可以在各种模式下实现。

优点

根据本公开的示例性实施例，可以提供适当的电路配置，在该电路配置中，逐次逼近AD转换器和放大器的组合中的电路面积缩小。

虽然已经参照示例性实施例描述了本公开，但是要理解本公开不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围要被给与最广泛的解释以便包含所有的这样的修改以及等同的结构和功能。

Claims

1.一种成像传感器，其特征在于，包括：

像素，像素被配置为输出像素信号；

放大器，放大器被配置为输出通过放大像素信号而获得的放大信号；以及

逐次逼近模数(AD)转换器，逐次逼近模数转换器被配置为执行放大信号的AD转换，

其中，AD转换器检测放大信号是否在预定信号范围内，

其中，在检测结果指示放大信号的振幅小于预定值的情况下，放大器把将施加于像素信号的增益设置为第一增益并且输出放大信号，AD转换器执行以第一增益放大的放大信号的AD转换，

其中，在检测结果指示放大信号的振幅大于所述预定值的情况下，放大器把将施加于像素信号的增益设置为低于第一增益的第二增益并且输出放大信号，AD转换器执行以第二增益放大的放大信号的AD转换，并且

其中，像素布置在第一芯片中，放大器和AD转换器布置在第二芯片中，第一芯片和第二芯片彼此堆叠。

2.根据权利要求1所述的成像传感器，其中，所述检测对应于具有预定值的阈值和放大信号之间的比较。

3.根据权利要求2所述的成像传感器，

其中，AD转换器包括数模转换器和比较器，数模转换器被配置为输出比较信号，比较器被配置为将比较信号与放大信号进行比较，并且

其中，阈值是由数模转换器产生的。

4.根据权利要求1所述的成像传感器，

其中，AD转换器产生基于放大信号的数字信号，并且

其中，所述检测对应于所述数字信号和所述预定值之间的比较。

5.根据权利要求1所述的成像传感器，进一步包括：

复用电路；以及

多个放大器，

其中，所述多个放大器连接到复用电路的输入节点，AD转换器连接到复用电路的输出节点。

6.根据权利要求2所述的成像传感器，进一步包括：

复用电路；以及

多个放大器，

7.根据权利要求3所述的成像传感器，进一步包括：

复用电路；以及

多个放大器，

8.根据权利要求4所述的成像传感器，进一步包括：

复用电路；以及

多个放大器，

9.根据权利要求5所述的成像传感器，

其中，所述多个放大器分别放大由相互不同的像素输出的像素信号，

其中，所述多个放大器的放大各自的像素信号的时间段至少部分相互重叠，并且

其中，在复用电路将由所述多个放大器中的一部分放大器输出的信号输出到AD转换器之后，复用电路将由所述多个放大器中的其他部分的放大器输出的信号输出到AD转换器。

10.根据权利要求6所述的成像传感器，

11.根据权利要求1所述的成像传感器，进一步包括：

参考像素，参考像素被配置为输出参考信号，

其中，参考像素连接到多个放大器。

12.根据权利要求11所述的成像传感器，

其中，放大器包括第一输入节点和像素信号输入的第二输入节点，并且

其中，参考信号共同地输入到多个放大器中的每个的第一输入节点。

13.根据权利要求1所述的成像传感器，

其中，第一芯片包括像素阵列，在像素阵列中多个像素按多行多列布置，并且

其中，第二芯片中的放大器和AD转换器中的至少一个在平面图中与所述多个像素中的一个像素重叠。

14.根据权利要求5所述的成像传感器，

其中，第二芯片中的复用电路、放大器和AD转换器中的至少一个在平面图中与所述多个像素中的一个像素重叠。

15.根据权利要求5所述的成像传感器，

其中，第一芯片包括像素阵列和信号线，在像素阵列中多个像素按多行多列布置，所述多个像素中的一列中的像素连接到信号线，并且

其中，信号线和复用电路彼此连接的连接部分布置于平面图中与像素阵列重叠的位置处。

16.根据权利要求9所述的成像传感器，

其中，第一芯片包括与所述多个像素中的一列中的像素连接的信号线，并且

17.一种堆叠在布置有像素的像素芯片上的芯片，其特征在于，该芯片被配置为执行由像素芯片输出的像素信号的模数(AD)转换，该芯片包括：

逐次逼近AD转换器，逐次逼近AD转换器被配置为执行放大信号的AD转换，

其中，AD转换器检测放大信号是否在预定信号范围内，

其中，在检测结果指示放大信号的振幅小于预定值的情况下，放大器把将施加于像素信号的增益设置为第一增益并且输出放大信号，AD转换器执行以第一增益放大的放大信号的AD转换，并且

其中，在检测结果指示放大信号的振幅大于所述预定值的情况下，放大器把将施加于像素信号的增益设置为低于第一增益的第二增益并且输出放大信号，AD转换器执行以第二增益放大的放大信号的AD转换。

18.一种成像系统，其特征在于，包括：

根据权利要求1至16中任一项所述的成像传感器；以及

信号处理单元，信号处理单元被配置为通过对成像传感器输出的信号进行处理来产生图像。

19.一种移动体，其特征在于，包括：

根据权利要求1至16中任一项所述的成像传感器；

距离信息获得单元，距离信息获得单元被配置为根据基于来自成像传感器的信号的视差图像来获得到对象的距离信息；以及

控制单元，控制单元被配置为基于距离信息来控制移动体。