CN109862291A - 固态成像设备、成像系统和固态成像设备的驱动方法 - Google Patents
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Abstract
公开了固态成像设备、成像系统和固态成像设备的驱动方法。在作为实施例的固态成像设备中，模数转换器单元在第一时段中将第一像素信号转换为数字信号，在第一时段之后的确定时段中执行第二像素信号与设置为预定阈值的参考信号的比较，并且在确定时段之后的第二时段中，将第二像素信号以根据在确定时段中执行的比较的结果的增益转换为数字信号。在参考信号从第一时段起达到阈值以前，参考信号生成单元在不改变参考信号相对于时间的推移的改变方向的情况下改变参考信号。
Description
技术领域
本发明涉及固态成像设备、成像系统和固态成像设备的驱动方法。
背景技术
近年来，已经使用了具有模数(AD)转换器电路的CMOS图像传感器。在日本专利申请公开No.2014-131147中公开的光电转换设备基于模拟信号与阈值的比较来设置AD转换中的增益。
然而，在日本专利申请公开No.2014-131147中公开的光电转换设备中，由于在设置增益时参考信号从参考电平改变为阈值，因此需要时间来生成阈值。此外，当为了更快的操作而增加参考信号的斜率时，这将导致阈值的精度不足。
鉴于上述问题做出了本发明，并且本发明旨在实现快速且精确的模数转换。
发明内容
本发明的一个实施例中的固态成像设备包括：像素，包括至少一个光电转换单元；参考信号生成单元，生成至少一个参考信号，所述至少一个参考信号随着时间的推移以预定改变率改变；和模数转换器单元，基于由放大器单元输出的基于像素信号的信号与参考信号的比较，将基于像素信号的信号转换为数字信号。在第一时段中，模数转换器单元将已经解除了复位的放大器单元输出的信号转换为第一数字信号，在第一时段之后的确定时段中，模数转换器单元执行基于像素信号的信号与设置为预定阈值的参考信号的比较，在确定时段之后的第二时段中，放大器单元以根据在确定时段中执行的比较的结果的增益放大基于像素信号的信号，以及在参考信号从第一时段起达到阈值以前，参考信号生成单元在不改变参考信号相对于时间的推移的改变方向的情况下改变参考信号。
本发明另一实施例的固态成像设备的驱动方法是固态成像设备的驱动方法，所述固态成像设备具有：像素，包括光电转换单元；参考信号生成单元，生成参考信号，所述参考信号随着时间的推移以预定改变率改变；和模数转换器单元，基于由放大器单元输出的基于像素信号的信号与参考信号的比较，将基于像素信号的信号转换为数字信号。所述驱动方法包括：在第一时段中，将已经解除了复位的放大器单元输出的信号转换为第一数字信号，在确定时段中，执行基于像素信号的信号与设置为预定阈值的参考信号的比较，在确定时段之后的第二时段中，放大器单元以根据在确定时段中执行的比较的结果的增益放大基于像素信号的信号，以及在参考信号从第一时段起达到阈值以前，在不改变参考信号相对于时间的推移的改变方向的情况下改变参考信号。
参考附图，根据示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清楚。
附图说明
图1是第一实施例中的固态成像设备的框图。
图2是示出了第一实施例中的像素的配置示例的图。
图3是示出了第一实施例中的列放大器单元的配置示例的图。
图4是示出了第一实施例中的列比较器单元的配置示例的图。
图5是示出了第一实施例中的差分放大器的配置示例的图。
图6是示出了第一实施例中的固态成像设备的驱动方法的时序图。
图7是示出了第二实施例中的固态成像设备的驱动方法的时序图。
图8是第三实施例中的固态成像设备的框图。
图9是示出了第三实施例中的列比较器单元的配置示例的图。
图10是示出了第三实施例中的固态成像设备的驱动方法的时序图。
图11是第四实施例中的固态成像设备的框图。
图12是示出了第四实施例中的固态成像设备的驱动方法的时序图。
图13是第五实施例中的成像系统的框图。
图14A是第六实施例中的成像系统的框图。
图14B是第六实施例中的成像系统的框图。
具体实施方式
下面将描述本发明的实施例。第一至第四实施例中的每一个的固态成像设备具有包括光电转换单元的至少一个像素、参考信号生成单元以及模数转换器单元，参考信号生成单元生成随着时间的推移以预定改变率改变的参考信号，模数转换器单元基于像素信号与参考信号的比较结果将像素信号转换为数字信号。模数转换器单元在第一时段中将第一像素信号转换为第一数字信号，并在第二时段中以预定增益将第二像素信号转换为第二数字信号。此外，模数转换器单元在第一时段和第二时段之间的确定时段中将第二像素信号与被设置为预定阈值的参考信号进行比较。在参考信号从第一时段起达到阈值以前，参考信号生成单元在不改变参考信号相对于时间的推移的改变方向的情况下改变参考信号。
在本实施例中，在参考信号从第一时段起达到阈值以前，参考信号在不改变改变方向的情况下被向上改变到阈值。因此，与在第一时段之后参考信号从参考电平改变的情况相比，可以减少设置阈值所需的时间。此外，由于可以在不增加参考信号的斜率的情况下实现快速操作，因此可以以高精度设置阈值。
现在将根据附图详细描述本发明的优选实施例。本发明不限于下面描述的实施例。例如，以下实施例中的任何一个的配置的一部分可以被添加到另一个实施例，或者可以被另一个实施例的配置的一部分替换。
第一实施例
图1是本实施例中的固态成像设备的框图。固态成像设备是例如互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，并且具有像素阵列1、放大器单元2、比较器单元3、存储器单元4、垂直扫描电路5、参考信号生成单元6、计数器7、水平扫描电路8、定时发生器电路9和信号处理单元105。
像素阵列1具有以矩阵排列的多个像素10，并且每个像素10具有光电转换单元，该光电转换单元生成并累积基于照射光的信号电荷。注意，在本说明书中，行方向指的是图中的水平方向，列方向指的是图中的垂直方向。微透镜和滤色器可以被布置在像素10上。滤色器是例如红色、蓝色和绿色的原色滤色器，并且根据拜耳布置被设置在各个像素10上。一些像素10被遮光以作为光学黑像素(OB像素)。在多个像素10中，可以设置其上布置有输出用于焦点检测的像素信号的焦点检测像素的测距行，以及其上布置有输出用于生成图像的像素信号的成像像素的多个成像行。垂直扫描电路5由移位寄存器、门电路、缓冲电路等构成，并根据垂直同步信号、水平同步信号、时钟信号等向像素10输出控制信号，从而以行为基础驱动像素10。为每列像素10设置每列信号线102，并且同一列上的像素10将像素信号VL输出到公共列信号线102。
放大器单元2具有以列为基础的列放大器单元20。每个列放大器单元20具有运算放大器，并且运算放大器能够改变增益。列放大器单元20对输出到列信号线102的像素信号VL执行模拟放大，并输出信号Vamp。
比较器单元3具有以列为基础的列比较器单元30和确定电路35。每个列比较器单元30被输入信号Vamp，将信号Vamp与参考信号Vr进行比较，并输出表示比较结果的比较信号Vcmp。每个确定电路35基于表示稍后描述的确定时段中的比较结果的比较信号Vcmp输出确定信号ATT。确定信号ATT被反馈并输入到列放大器单元20，并且列放大器单元20能够基于确定信号ATT改变放大因子(增益)。参考信号生成单元6具有计数器、数模转换器电路等，并生成参考信号Vr，该参考信号Vr是随时间的推移而改变的斜坡信号。参考信号生成单元6可以通过使用诸如电容充电/放电方案、DAC方案、电流导引方案等的各种方案来生成斜坡信号。参考信号Vr不仅可以是随着时间的推移其电平增加的上升信号，而且还可以是随着时间的推移其电平降低的下降信号。计数器7生成计数器值，该计数器值与参考信号Vr同步地向上计数或向下计数。比较器单元3、参考信号生成单元6和计数器7形成使用参考信号Vr作为比较信号的斜坡型AD转换器单元。
存储器单元4具有以列为基础的列存储器40，并且每个列存储器40具有J存储器401、N存储器402和S存储器403。J存储器401存储从确定电路35输出的确定信号ATT。来自计数器7的计数值和来自列比较器单元30的比较信号Vcmp被输入到N存储器402和S存储器403。N存储器402在比较信号Vcmp的转变的定时处存储在像素10的复位时获得的计数值。此外，S存储器403在比较信号Vcmp的转变的定时处存储在像素10的光电转换时获得的计数值。
水平扫描电路8具有解码器和移位寄存器，顺序地读出保持在存储器单元4中的计数值作为数字信号，并将数字信号输出到信号处理单元105。信号处理单元105具有数字信号处理器并执行数字信号处理，诸如数字增益、数字相关双采样、数字偏移、线性校正等。此外，信号处理单元105具有低压差分信令(LVDS)方案的串行输出电路，并且高速和低功耗地将经信号处理的数字信号输出到固态成像设备的外部。
定时发生器电路9基于时钟、同步信号等生成各种控制信号和驱动信号，以控制比较器单元3、存储器单元4、垂直扫描电路5、参考信号生成单元6、计数器7和水平扫描电路8。
图2是示出了本实施例中的像素10的配置示例的图。像素10包括光电转换单元11、传输晶体管12、浮动扩散区FD、复位晶体管13、放大晶体管14和选择晶体管15。在下面的描述中，将描述形成像素10的每个晶体管是N沟道MOS晶体管的示例。光电转换单元11例如由光电二极管形成，且执行由入射光引起的光电转换和电荷的累积。注意，光电转换单元11不限于光电二极管，而可以是引起光电效应的材料。此外，每个像素10的光电转换单元11的数量不受限制，而是可以设置两个或四个或更多个光电转换单元11以共享单个微透镜。此外，当形成嵌入型光电二极管时，可以减少暗电流噪声。在光电转换单元11上设置微透镜，并且由微透镜收集的光进入光电转换单元11。
传输晶体管12对应于光电转换单元11地设置，并且控制信号PTX从垂直扫描电路5施加到其栅极。当控制信号PTX变为高电平时，传输晶体管12接通(导通状态)，并且在光电转换单元11中累积的信号电荷被传输到在放大晶体管14的栅极处形成的浮动扩散区FD。此外，当控制信号PTX变为低电平时，传输晶体管12被断开(非导通状态)。传输晶体管12的接通或断开允许光电转换单元11的信号电荷被传输到浮动扩散区FD。浮动扩散区FD将信号电荷转换为电压，并且放大晶体管14根据栅极电压将信号电荷从源极经由选择晶体管15输出到列信号线102。放大晶体管14的漏极被连接到电源电压VDD。
复位晶体管13的源极被连接到浮动扩散区FD，漏极被连接到电源电压VDD，并且控制信号PRES从垂直扫描电路5施加到栅极。当控制信号PRES变为高电平时，复位晶体管13接通，并且电源电压VDD被供给浮动扩散区FD。选择晶体管15设置在放大晶体管14和列信号线102之间，并且控制信号PSEL从垂直扫描电路5施加到选择晶体管15的栅极。当控制信号PSEL变为高电平时，放大晶体管14和列信号线102彼此导电。电流源103被电连接到列信号线102，并且电流源103经由列信号线102向放大晶体管14的源极供给恒定的偏置电流。
图3是示出了本实施例中的列放大器单元20的配置示例的图。列放大器单元20包括运算放大器201、输入电容器202、反馈电容器203和204、开关205和206以及OR电路207，并形成切换的电容器放大器电路。运算放大器201由差分放大器电路等形成，并且像素信号VL经由输入电容器202被输入到反相输入端子。预定偏置电压被施加到非反相输入端子(未示出)，并且信号Vamp从输出端子输出。反馈电容器203和204并联连接在运算放大器201的输出端子和反相输入端子之间。反馈电容器204经由用于增益切换的开关206连接到反相输入端子。当反馈电容器203的电容被定义为1C时，反馈电容器204的电容将是3C，并且输入电容器202的电容将是4C。开关206由MOS晶体管形成，开关206的栅极连接到OR电路207的输出端子。来自确定电路35的确定信号ATT和来自定时发生器电路9的控制信号PFB2被输入到OR电路207。
当确定信号ATT和控制信号PFB2中的至少一个变为高电平时，开关206接通，并且反馈电容器204电连接到运算放大器201的反相输入端子。由于反馈电容的和现在为4C，因此列放大器单元20的放大因子为4C/4C＝1。当开关206断开时，由于反馈电容为反馈电容器203的1C，因此列放大器单元20的放大因子为4C/1C＝4。开关205由MOS晶体管形成，控制信号PAMPR从定时发生器电路9输入到开关205的栅极。一旦开关205接通，运算放大器201的反相输入端子和输出端子导通。由此，反馈电容器203和204被复位，并且像素信号VL被钳位在输入电容器202处。
图4是示出了本实施例中的列比较器单元30的配置示例的图。列比较器单元30具有差分放大器301、输入电容器302和303、复位开关304和305以及NAND电路306。信号Vamp经由输入电容器302被输入到差分放大器301的非反相输入端子INP，并且参考信号Vr经由输入电容器303被输入到反相输入端子INN。由MOS晶体管形成的开关304被连接在非反相输入端子INP和非反相输出端子FBP之间，并且由MOS晶体管形成的开关305被连接在反相输入端子INN和反相输出端子FBN之间。来自定时发生器电路9的控制信号PCMPR被输入到开关304和305的相应栅极。当控制信号PCMPR变为高电平时，开关304和305接通，非反相输入端子INP被导通到非反相输出端子FBP，并且反相输入端子INN被导通到反相输出端子FBN。因此，差分放大器301的偏移被反馈到输入电容器302和303，并且执行自动归零操作。差分放大器301将信号Vamp与参考信号Vr进行比较，并输出高电平信号或低电平信号。NAND电路306被输入来自差分放大器301的信号和来自定时发生器电路9的控制信号PCMPEN以输出比较信号Vcmp。
图5是示出了差分放大器301的配置示例的图。差分放大器301具有由差分级和源极接地级形成的两级运算放大器。差分级具有P沟道MOS晶体管311和312、N沟道MOS晶体管313和314以及恒流源315，并且源极接地级具有N沟道MOS晶体管316和恒流源317。在差分级中，晶体管311和312形成差分对，晶体管311的栅极配置反相输入端子INN，并且源极配置反相输出端子FBN。晶体管312的栅极配置非反相输入端子INP，并且源极配置非反相输出端子FBP。晶体管313和314配置电流镜电路，晶体管313连接到晶体管311，并且晶体管314连接到晶体管312。恒流源315连接在晶体管311和312与电源电压VDD之间。在源极接地级中，晶体管316的栅极连接到非反相输出端子FBP。此外，晶体管316的漏极接地，并且源极经由恒流源317连接到电源电压VDD。
接下来，将描述本实施例中的固态成像设备的操作。图6是示出了本实施例中的固态成像设备的驱动方法的时序图。当每个控制信号处于高电平时，对应的晶体管接通，并且当每个控制信号处于低电平时，对应的晶体管断开。
在时间t0，控制信号PRES、PAMPR、PFB2和PCMPR从低电平转变为高电平。在像素10中，一旦控制信号PRES变为高电平，复位晶体管13接通，并且浮动扩散区FD被复位到电源电压VDD。此时，选择晶体管15已经接通，并且放大晶体管14的源极经由选择晶体管15电连接到列信号线102。控制信号PRES从高电平转变为低电平，并且输出复位时的像素信号VL。在复位晶体管13断开之后，复位噪声被包括在浮动扩散区FD的电压中。因此，像素信号VL包括复位噪声。在列放大器单元20中，控制信号PAMPR变为高电平，开关205接通，反馈电容器203和204复位，并且像素信号VL被钳位在输入电容器202处。然后，控制信号PFB2从高电平变为低电平，列放大器单元20的放大因子为4C/1C＝4。随后，控制信号PAMPR从高电平变为低电平，并且列放大器单元20中的复位操作结束。在列比较器单元30中，控制信号PCMPR变为高电平，并且开关304和305接通。因此，差分放大器301的偏移被反馈到输入电容器302和303，并且执行自动归零操作。此时，参考信号生成单元6将参考信号Vr相对于参考电平增加偏移Vr_ofs。此外，控制信号PCMPEN处于低电平，并且来自列比较器单元30的NAND电路306的比较信号Vcmp被保持在高电平。
在时间t1，控制信号PCMPR从高电平变为低电平，并且列比较器单元30中的自动归零操作结束。然后，参考信号生成单元6使参考信号Vr返回到参考电平。因此，差分放大器301的反相输入端子INN的电位减小了偏移量Vr_ofs，并且变得低于在复位时获得的信号Vamp。
时间段t2到t4是在像素10的复位时获得的信号(第一像素信号)Vamp的N_AD转换时段(第一时段)。在N_AD转换时段中，控制信号PCMPEN从低电平改变到高电平，并且可以从列比较器单元30的NAND电路306输出比较信号Vcmp。此外，在N_AD转换时段中，来自计数器7的计数器值被供给列存储器，并且参考信号Vr被输入到列比较器单元30。
在时间t2，参考信号生成单元6相对于时间的推移以恒定的改变率从参考电平增加参考信号Vr。在本实施例中，参考信号Vr的改变率相对于时间的推移是恒定斜率α。在开始增加参考信号Vr的同时，计数器7开始计数操作。如果参考信号Vr小于信号Vamp，则列比较器单元30输出低电平比较信号Vcmp。
在时间t3，响应于参考信号Vr和信号Vamp之间的电平关系的反转，列比较器单元30将比较信号Vcmp从低电平改变为高电平。列存储器40在比较信号Vcmp从低电平转变为高电平时锁存计数器值，并将该计数器值作为第一数字信号存储在N存储器402中。
在时间t4，控制信号PCMPEN从高电平转变为低电平，并且N_AD转换时段结束。在从时间t4到时间t5的时段期间，参考信号生成单元6继续相对于时间的推移以恒定斜率(改变率)α改变参考信号Vr。
在时间t5，参考信号生成单元6停止增加参考信号Vr以将参考信号Vr设置为比偏移Vr_ofs高电位Vj的确定电平(阈值)Vj。优选地，确定电平Vj相对于列放大器单元20输出的信号的饱和电平大于或等于60％且小于或等于100％。
在时间t6，控制信号PTX从低电平变为高电平，并且像素10的传输晶体管12接通。在光电转换单元11中累积的电荷被传输到浮动扩散区FD，并且浮动扩散区FD的电位根据电荷而减小。放大晶体管14经由传输晶体管12根据浮动扩散区FD的电位将像素信号VL输出到列信号线102。然后，控制信号PTX从高电平转变为低电平，并且传输晶体管12断开。
时间段t7到t8是用于将在光电转换时获得的信号(第二像素信号)Vamp与确定电平Vj进行比较的确定时段。在确定时段中，控制信号PCMPEN变为高电平，并且列比较器单元30能够输出比较信号Vcmp。列比较器单元30将在光电转换时获得的信号(第二像素信号)Vamp与确定电平Vj进行比较，并输出比较信号Vcmp。当像素信号VL的电位的改变被定义为ΔV1时，从列放大器单元20输出的信号Vamp将是(ΔV1×4)。如果信号Vamp大于确定电平Vj，即，如果建立了关系式(ΔV1×4>Vj)，则列比较器单元30输出低电平比较信号Vcmp。另一方面，当像素信号VL的电位的改变被定义为ΔV2时，从列放大器单元20输出的信号Vamp将是(ΔV2×4)。如果信号Vamp小于确定电平Vj，即，如果建立了关系式(ΔV2×4<Vj)，则列比较器单元30输出高电平比较信号Vcmp。
在时间t8到t9的时段中，确定电路35基于比较信号Vcmp确定确定信号ATT的电平。当比较信号Vcmp处于低电平时，即，如果信号Vamp大于确定电平Vj，则确定电路35将确定信号ATT设置为高电平。另一方面，当比较信号Vcmp处于高电平时，即，如果信号Vamp小于确定电平Vj，则确定电路35将确定信号ATT保持在低电平。确定电路35将确定信号ATT反馈到列放大器单元20，并且列放大器单元20基于确定信号ATT设置增益。当确定信号ATT处于高电平时，开关206接通，从而反馈电容为4C，因此列放大器单元20的增益从四倍减小到一倍。当确定信号ATT处于低电平时，开关206断开，从而反馈电容为1C，因此列放大器单元20的增益保持在四倍。此外，确定信号ATT被存储在列存储器40的J存储器401中。在从时间t8开始经过预定时间之后，参考信号生成单元6使参考信号Vr从确定电平Vj返回到参考电平。
时间段t9至t11是在光电转换时获得的信号(第二像素信号)Vamp的S_AD转换时段(第二时段)。在S_AD转换时段中，控制信号PCMPEN从低电平变为高电平，并且能够从列比较器单元30的NAND电路306输出比较信号Vcmp。此外，在S_AD转换时段中，来自计数器7的计数器值被供给列存储器40，并且参考信号Vr被输入到列比较器单元30。
在时间t9，参考信号生成单元6开始相对于时间的推移以恒定的改变率(即，相对于时间的推移的恒定斜率α)改变参考信号Vr。在开始增加参考信号Vr的同时，计数器7开始计数操作。如果参考信号Vr小于信号Vamp，则列比较器单元30输出低电平比较信号Vcmp。像素信号VL已经由列放大器单元20根据像素信号VL的幅度以最佳增益放大。也就是说，信号Vamp现在是(ΔV1×1)或(ΔV2×4)。列比较器单元30基于信号Vamp和参考信号Vr之间的电平关系输出比较信号Vcmp。
在时间t10，响应于信号Vamp与参考信号Vr之间的电平关系的反转，列比较器单元30使比较信号Vcmp从低电平转变为高电平。列存储器40在比较信号Vcmp从低电平转变为高电平时锁存计数器值，并将该计数值作为第二数字信号存储在S存储器403中。
在时间t11时以及之后，水平扫描电路8扫描存储在每列上的J存储器401、N存储器402和S存储器403中的数据，并将数据传输到信号处理单元105。信号处理单元105还可以基于从J存储器401传输的数据对从同一列上的S存储器403传输的第二数字信号执行数字增益处理和相关双采样处理。
在上述的本实施例中，参考信号生成单元6仅在增加方向上改变参考信号Vr，直到参考信号Vr从复位时的N_AD转换时段起达到确定电平Vj。也就是说，参考信号Vr在不从N_AD转换时段结束时的电平减小并且在不改变改变方向的情况下增加到确定电平Vj。因此，可以将参考信号Vr设置为确定电平Vj而不引起时间损失，这使得能够实现快速AD转换。此外，还可以改善固态成像设备中的帧速率。
此外，在本实施例中，参考信号Vr在N_AD转换时段结束之后相对于时间的推移的改变率(斜率α)等于N_AD转换时段中的参考信号Vr的改变率。当定时发生器电路9中的驱动频率被定义为fmclk时，参考信号Vr的精度将是(α/fmclk)。因此，可以以与N_AD转换时段中的参考信号Vr的精度(α/fmclk)相同的精度生成确定电平Vj。
此外，由于参考信号生成单元6不需要从参考电平开始参考信号Vr以生成确定电平Vj，因此可以减小参考信号Vr被复位到参考电平时可能发生的电路之间的贯穿电流或串扰。
第二实施例
接下来，将主要针对与第一实施例的配置不同的配置来描述第二实施例的固态成像设备。图7是示出了本实施例中的固态成像设备的驱动方法的时序图。
在时间段t0到t1中，像素10、列放大器单元20和列比较器单元30被复位，并且在时间t2到t4的N_AD转换时段中，参考信号Vr以斜率α从参考电平增加，并且执行N_AD转换。在时间段t4到t4a中，参考信号生成单元6以斜率α增加参考信号Vr。在时间t4a，参考信号生成单元6将参考信号Vr的斜率改变为大于斜率α的斜率β。在时间t5'，参考信号生成单元6停止增加参考信号Vr以设置比偏移Vr_ofs高电位Vj的确定电平Vj。在时间t6，以与第一实施例中相同的方式，执行信号Vamp的电平的确定和在光电转换时获得的信号Vamp的S_AD转换。此外，在时间t9到t11的S_AD转换时段中，基于光电转换中的信号Vamp与参考信号Vr的比较结果，信号Vamp以基于确定信号ATT的增益被转换为数字信号。
在本实施例中，参考信号生成单元6在N_AD转换时段中以斜率α增加参考信号Vr，并且进一步以比斜率α陡的斜率β将参考信号Vr增加到确定电平Vj。这使得参考信号Vr能够以更高的速度达到确定电平Vj。
此外，可以通过组合斜率α处的精度(α/fmclk)和斜率β处的精度(β/fmclk)来调整确定电平Vj的精度。注意，虽然在本实施例中通过使用大于斜率α的斜率β实现了比第一实施例快的操作，但是可以将斜率β设置为小于斜率α以增加确定电平Vj的精度。
第三实施例
接下来，将主要针对与第一实施例的配置不同的配置来描述第三实施例的固态成像设备。图8是本实施例中的固态成像设备的框图。在本实施例中，参考信号生成单元61具有两个斜坡信号生成电路，并且能够生成具有不同改变率的参考信号Vr1和Vr2。例如，参考信号Vr1可以具有斜率α，并且参考信号Vr2具有比斜率α陡的斜率β。参考信号Vr1和Vr2被从参考信号生成单元61输入到列比较器单元31。在本实施例中，来自确定电路35的确定信号ATT被反馈和输入到列比较器单元31。在列放大器单元21中，确定信号ATT被固定为高电平，并且放大因子被设置为一倍(参见图3)。
图9是示出了本实施例中的列比较器单元31的配置示例的图。本实施例中的列比较器单元31还具有选择器307。参考信号Vr1和Vr2以及确定信号ATT被输入到选择器307。当确定信号ATT处于低电平时，选择器307输出参考信号Vr1，并且当确定信号ATT处于高电平时，选择器307输出参考信号Vr2。列比较器单元31根据信号Vamp的电平使用参考信号Vr1和Vr2中的任何一个作为参考信号Vr，并将信号Vamp与参考信号Vr进行比较。
图10是示出了本实施例的固态成像设备的驱动方法的时序图。以与第一实施例中相同的方式，在时间t0到t1的时段中，像素10、列放大器单元21和列比较器单元31被复位。在时间t2到t4的N_AD转换时段中，参考信号生成单元61将参考信号Vr从参考电平增加。此时，由于确定信号ATT处于低电平，所以列比较器单元31中的选择器307选择参考信号Vr1。在时间t3，响应于参考信号Vr和信号Vamp之间的电平关系的反转，列存储器40将作为第一数字信号的计数器值存储在N存储器402中。在时间t4，控制信号PCMPEN从高电平转变为低电平，并且N_AD转换时段结束。
在时间t4到t5的时段中，参考信号生成单元61以斜率α增加参考信号Vr。在时间t5，参考信号生成单元61停止增加参考信号Vr，以将参考信号Vr设置为比偏移Vr_ofs高电位Vj的确定电平Vj。
在时间t6，控制信号PTX从低电平转变为高电平，并且像素10的传输晶体管12接通。在光电转换单元11中累积的电荷被传输到浮动扩散区FD，并且根据浮动扩散区FD的电位的像素信号VL被输出到列信号线102。然后，控制信号PTX从高电平转变到低电平，并且传输晶体管12断开。列放大器单元21从列信号线102读出像素信号VL，并以一倍的放大因子输出信号Vamp。
在时间t7到t8的确定时段中，列比较器单元31确定在光电转换时获得的信号Vamp的电平。也就是说，列比较器单元31将信号Vamp与确定电平Vj进行比较，并输出比较信号Vcmp。当像素信号VL的电位的改变被定义为ΔV3时，从列放大器单元21输出的信号Vamp将是(ΔV3×1)。如果信号Vamp大于确定电平Vj，即，如果建立了关系式(ΔV3>Vj)，则列比较器单元31输出低电平比较器信号Vcmp。另一方面，当像素信号VL的电位的改变被定义为ΔV4时，从列放大器单元21输出的信号Vamp将是(ΔV4×1)。如果信号Vamp小于确定电平Vj，即，如果建立了关系式(ΔV4<Vj)，则列比较器单元31输出高电平比较信号Vcmp。
在时间t8到t9的时段中，确定电路35基于比较信号Vcmp确定确定信号ATT的电平。当比较信号Vcmp处于低电平时，即，如果信号Vamp大于确定电平Vj，则确定电路35将确定信号ATT设置为高电平。另一方面，当比较信号Vcmp处于高电平时，即，如果信号Vamp小于确定电平Vj，则确定电路35将确定信号ATT保持在低电平。确定电路35将确定信号ATT反馈到列比较器单元31，并且比较器单元31基于确定信号ATT选择参考信号Vr1和Vr2中的任何一个。当确定信号ATT处于低电平时，选择器307选择参考信号Vr2，并且当确定信号ATT处于高电平时，选择器307选择参考信号Vr1。此外，确定信号ATT被存储在列存储器40的J存储器401中。
在时间t9到t11的S_AD转换时段中，列比较器单元31和计数器7对在光电转换时获得的信号Vamp执行S_AD转换。参考信号生成单元61使参考信号Vr1和Vr2从参考电平增加。如果信号Vamp小于确定电平Vj，则列比较器单元31将具有斜率α的参考信号Vr1与信号Vamp进行比较。如果信号Vamp大于确定电平Vj，则列比较器单元31将具有斜率β的参考信号Vr2与信号Vamp进行比较。由于斜率β大于斜率α，可以减小斜坡增益。在时间t10，响应于信号Vamp与参考信号Vr1或Vr2之间的电平关系的反转，列比较器单元31使比较器信号Vcmp从低电平转变为高电平。列存储器40在比较器信号Vcmp从低电平转变为高电平时锁存计数器值，并将该计数器值作为第二数字信号存储在S存储器403中。
在时间t11时以及之后，水平扫描电路8扫描存储在每列上的J存储器401、N存储器402和S存储器403中的数据，并将数据传输到信号处理单元105。信号处理单元105还可以基于从J存储器401传输的数据对从同一列上的S存储器403传输的第二数字信号执行数字增益处理和相关双采样处理。
还在本实施例中，参考信号生成单元6通过从N_AD转换时段起仅在增加方向上改变参考信号Vr来将参考信号Vr设置为确定电平Vj。因此，可以允许参考信号Vr达到确定电平Vj而不引起时间损失，这使得能够实现快速AD转换。
此外，在本实施例中，在保持列放大器单元21中的放大因子恒定的同时通过使用具有不同斜率的参考信号Vr1和Vr2来改变斜坡增益。像素信号VL可以输入到列比较器单元31，而来自列放大器单元21的信号Vamp不被输入到列比较器单元31。
第四实施例
接下来，将主要针对与第三实施例的配置不同的配置来描述第四实施例的固态成像设备。图11是本实施例的固态成像设备的框图。在本实施例中，列存储器41具有两个N存储器421和422。N存储器421存储第一N1_AD转换中的计数值，并且N存储器422存储第二N2_AD转换中的计数值。
图12是示出了本实施例中的固态成像设备的驱动方法的时序图。以与第三实施例相同的方式，在时间t20到t21的时段中，像素10、列放大器单元21和列比较器单元31被复位。在时间t22，控制信号PCMPEN从低电平变为高电平，并且N1_AD转换时段开始。在时间t22到t24的N1_AD转换时段(第三时段)中，参考信号生成单元61使参考信号Vr从参考电平增加。此时，定时发生器电路9将确定信号ATT设置为高电平或低电平中的任一电平。在这种情况下，与第三实施例不同，假设当确定信号ATT处于高电平时选择参考信号Vr2。参考信号Vr2是斜坡信号，其以恒定斜率β从参考电平增加。在时间t23，响应于信号Vamp和参考信号Vr2之间的电平关系的反转，列存储器41将计数值作为第三数字信号存储在N存储器421中。在时间24，控制信号PCMPEN从高电平转变为低电平，并且N1_AD转换时段结束。
在时间t25，定时发生器电路9使确定信号ATT反转。在这种情况下，确定信号ATT从高电平转变为低电平，并且选择器307在列比较器单元31中选择参考信号Vr1。在时间t26到t28的N2_AD转换时段(第一时段)中，控制信号PCMPEN变为高电平。参考信号Vr1是以恒定斜率α从参考电平增加的斜坡信号，并且斜率α小于参考信号Vr2的斜率β。在时间t27，响应于信号Vamp和参考信号Vr1之间的电平关系的反转，列存储器41将计数值作为第一数字信号存储在N存储器422中。在时间t28，控制信号PCMPEN从高电平转变为低电平，并且N2_AD转换时段结束。
在时间t28时以及之后的处理与第三实施例的处理基本相同。在时间t28到t30的时段中，参考信号生成单元61继续以恒定斜率α在增加方向上改变参考信号Vr。在时间t29，光电转换时的像素信号VL被输出到列信号线102，并且列放大器单元21从列信号线102读出像素信号VL，并以一倍的放大因子输出信号Vamp。在时间t30，参考信号生成单元61停止增加参考信号Vr，以将参考信号Vr设置为比偏移Vr_ofs高电位Vj的确定电平Vj。
在时间t30到t31的时段中，确定电路35基于比较信号Vcmp来确定确定信号ATT的电平。确定电路35将确定信号ATT反馈到列比较器单元31，并且列比较器单元31基于确定信号ATT选择参考信号Vr1和Vr2中的任何一个。当确定信号ATT处于低电平时，选择器307选择参考信号Vr1，并且当确定信号ATT处于高电平时，选择器307选择参考信号Vr2。此外，确定信号ATT被存储在列存储器40的J存储器401中。
在时间t32到t34的S_AD转换时段(第二时段)中，列比较器单元31和计数器7对在光电转换时获得的信号Vamp执行S_AD转换。列比较器单元31通过使用基于确定信号ATT选择的参考信号Vr1和Vr2中的任何一个来执行与信号Vamp的比较。也就是说，当确定信号ATT处于低电平时，列比较器单元31选择具有斜率α的参考信号Vr1。当确定信号ATT处于高电平时，列比较器单元31选择具有斜率β的参考信号Vr2。
在时间t34时以及之后，水平扫描电路8扫描存储在每列上的J存储器401、N存储器421和422以及S存储器403中的数据，并将数据传输到信号处理单元105。信号处理单元105还可以基于从J存储器401传输的数据对从同一列上的S存储器403传输的第二数字信号执行数字增益处理和相关双采样处理。信号处理单元105可以基于从J存储器401传输的数据在同一列上选择N存储器421和422中的任何一个的数字信号，并利用从同一列上的S存储器402传输的数字信号对所选择的数字信号执行数字相关双采样。也就是说，当通过使用参考信号Vr1执行S_AD转换时，信号处理单元105通过使用第三数字信号来执行相关双采样，该第三数字信号是使用参考信号Vr1进行N_AD转换的。此外，当通过使用参考信号Vr2执行S_AD转换时，信号处理单元105通过使用第三数字信号来执行相关双采样，该第三数字信号是使用参考信号Vr2进行N_AD转换的。以这种方式，通过使用具有相同斜坡增益的两个数字信号，可以提高相关双采样的精度。
还在本实施例中，参考信号生成单元6通过从N_AD转换时段起仅在增加方向上改变参考信号Vr来将参考信号Vr设置为确定电平Vj。因此，可以允许参考信号Vr达到确定电平Vj而不引起时间损失，这使得能够实现快速AD转换。
第五实施例
上述实施例的固态成像设备可以应用于各种成像系统。这种成像系统可以是数字静态照相机、数字便携式摄像机、照相机头、复印机、传真机、移动电话、车载照相机、观察卫星、监视摄像机等。图13示出了作为成像系统的示例的数字静态照相机的框图。
图13中所示的成像系统包括：镜筒1001、透镜1002、光圈1003、成像设备1004、信号处理设备1007、定时发生单元1008、通用控制/操作单元1009、存储器单元1010、存储介质控制I/F单元1011、存储介质1012和外部I/F单元1013。镜筒1001保护透镜1002，并且透镜1002捕获成像设备1004上的对象的光学图像。光圈1003改变通过透镜1002的光量。成像设备1004包括上述实施例的固态成像设备中的任何一个，并将由透镜1002捕获的光学图像转换成图像数据。信号处理设备1007对从成像设备1004输出的图像数据执行各种校正或数据压缩。定时生成单元1008将各种定时信号输出到成像设备1004和信号处理设备1007。通用控制/操作单元1009控制整个数字静态照相机，并且存储器单元1010临时存储图像数据。存储介质控制I/F单元1011是用于将图像数据存储到存储介质1012或从存储介质1012读出图像数据的接口，并且存储介质1012是诸如用于存储或读出所捕获的数据的半导体存储器等的可移动存储介质。外部I/F单元1013是用于与外部计算机等通信的接口。定时信号等可以从成像系统的外部输入，并且成像系统可以至少具有成像设备1004和处理从成像设备1004输出的图像信号的信号处理设备1007。
在本实施例中，已经描述了成像设备1004和AD转换单元被设置在同一半导体基板上的配置。然而，成像设备1004和AD转换单元可以形成在分离的半导体基板上。此外，成像设备1004和信号处理设备1007可以形成在同一半导体基板上。
此外，每个像素可以具有第一光电转换单元和第二光电转换单元。信号处理设备1007可以被配置为处理基于由第一光电转换单元生成的电荷的像素信号和基于由第二光电转换单元生成的电荷的像素信号，并且获取关于从成像设备1004到对象的距离的距离信息。
第六实施例
图14A和图14B示出了与本发明第六实施例的车载照相机有关的成像系统的示例。成像系统2000具有上述任一实施例的成像设备1004。成像系统2000具有图像处理单元2030和视差计算单元2040，图像处理单元2030对由成像设备1004获取的多个图像数据执行图像处理，视差计算单元2040从由成像系统2000获取的多个图像数据计算视差(视差图像的相位差)。此外，成像系统2000具有距离测量单元2050和碰撞确定单元2060，距离测量单元2050基于计算出的视差计算到对象的距离，碰撞确定单元2060基于计算出的距离确定是否存在碰撞可能性。这里，视差计算单元2040和距离测量单元2050是获取关于到对象的距离的距离信息的距离信息获取单元的示例。也就是说，距离信息是关于视差、散焦量、到对象的距离等的信息。碰撞确定单元2060可以使用任何距离信息来确定碰撞可能性。距离信息获取单元可以由专门设计的硬件实现，或者可以由软件模块实现。此外，距离信息获取单元可以由现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)实现，或者可以通过它们的组合来实现。
成像系统2000被连接到车辆信息获取设备2310，并且可以获取诸如车辆速度、横摆率、转向角等的车辆信息。此外，成像系统2000与控制ECU 2410连接，控制ECU 2410是基于碰撞确定单元2060的确定结果输出用于使车辆生成制动力的控制信号的控制设备。此外，成像系统2000被连接到警报设备2420，警报设备2420基于碰撞确定单元2060的确定结果向驾驶员发出警报。例如，当作为碰撞确定单元2060的确定结果的碰撞可能性高时，控制ECU 2410执行车辆控制以通过施加制动、推回加速器、抑制发动机功率等来避免碰撞或减少损坏。警报设备2420通过发出诸如声音之类的警报、在汽车导航系统等的显示器上显示警报信息、向座椅安全带或方向盘等提供振动来警告用户。成像系统2000用作如上所述的控制单元，该控制单元控制车辆的操作。
在本实施例中，通过使用成像系统2000捕获车辆周围的区域，例如，前部区域或后部区域。图14B示出了在捕获车辆的前部区域(捕获区域2510)的情况下的成像系统。作为成像控制单元的车辆信息获取设备2310将指令发送到成像系统2000或成像设备1004，以执行上述第一到第五实施例中描述的操作。由于成像设备1004的操作与第一至第四实施例中的操作相同，因此这里省略其描述。这种配置可以进一步提高测距精度。
尽管在上面的描述中已经示出了用于避免与另一车辆碰撞的控制的示例，但是该实施例可应用于跟随另一车辆的自动驾驶控制，用于不离开行车道的自动驾驶控制，等等。此外，成像系统不限于诸如对象车辆之类的车辆，并且可以应用于诸如船舶、飞机或工业机器人之类的移动单元(移动装置)。另外，成像系统可以广泛应用于利用对象识别的设备，诸如智能交通系统(ITS)，而不限于移动单元。
其它实施方式
本发明不限于上述实施例，并且可以进行各种修改。例如，本发明的实施例包括其中任何实施例的一部分的配置被添加到另一实施例的示例或者其中任何实施例的一部分的配置被替换为另一实施例的一部分的配置的示例。
尽管在上述实施例中已经作为示例描述了参考信号Vr随着时间的推移而增加的配置，但是可以采用参考信号Vr随着时间的推移而减小的配置。在参考信号Vr从N_AD转换时段起达到确定电平Vj以前，参考信号Vr在相对于时间的推移不改变参考信号的改变方向的情况下改变。同样在该示例中，参考信号Vr可以快速且精确地设置为确定电平Vj。因此，除非参考信号的改变方向被反转，否则可以采用任何方向，并且只要保持增大或减小的方向。此外，可以在参考信号Vr从N_AD转换时段起达到确定电平Vj之前包括参考信号Vr恒定的时段。同样在该示例中，由于参考信号Vr的改变方向不反转，因此改变方向不改变，并且可以获得本发明的有利效果。
此外，S_AD转换中的信号Vamp的AD转换的增益不仅可以通过使用放大器而且可以通过使用衰减器来改变。也就是说，可以基于确定信号ATT来实现低于一倍的增益。此外，可以采用模拟放大器的模拟增益或数字放大器的数字增益中的任何一种。
注意，上述每个实施例仅仅示出了实现本发明的实施例，并且本发明的技术范围不应由这些实施例来解释。也就是说，在不脱离本发明的技术概念或其主要特征的情况下，可以以各种形式实现本发明。
有益效果
根据本发明，可以实现快速且精确的模数转换。
尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应该理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最广泛的解释，以包含所有这些修改和等同的结构和功能。
Claims (16)
1.一种固态成像设备，其特征在于，包括：
像素，包括至少一个光电转换单元，并输出对应于入射光的像素信号；
参考信号生成单元，生成参考信号，所述参考信号随着时间的推移以预定改变率改变；
放大器单元，输出通过以预定增益放大所述像素信号而获得的信号作为基于像素信号的信号；和
模数转换器单元，基于由放大器单元输出的基于像素信号的信号与参考信号的比较，将基于像素信号的信号转换为数字信号，
其中，在第一时段中，模数转换器单元将已经解除了复位的放大器单元输出的信号转换为第一数字信号，
在第一时段之后的确定时段中，模数转换器单元执行基于像素信号的信号与设置为预定阈值的参考信号的比较，
在确定时段之后的第二时段中，放大器单元以根据在确定时段中执行的比较的结果的增益放大基于像素信号的信号，以及
在参考信号从第一时段起达到阈值以前，参考信号生成单元在不改变参考信号相对于时间的推移的改变方向的情况下改变参考信号。
2.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中，所述参考信号生成单元改变所述参考信号，使得所述改变率在所述参考信号从第一时段起达到所述阈值以前是恒定的。
3.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中，在所述第一时段已经过去之后，在所述参考信号达到所述阈值之前，所述参考信号生成单元以大于所述第一时段中的改变率的改变率改变所述参考信号。
4.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中，所述预定阈值的信号电平大于或等于由所述放大器单元输出的信号电平的60％且小于或等于由所述放大器单元输出的信号电平的100％。
5.一种固态成像设备，其特征在于，包括：
像素，包括至少一个光电转换单元；
参考信号生成单元，生成至少一个参考信号，所述至少一个参考信号随着时间的推移以预定的改变率改变；和
模数转换器单元，基于从像素输出的像素信号与参考信号的比较，将像素信号转换为数字信号，
其中，在第一时段中，模数转换器单元将第一像素信号转换为第一数字信号，
在第一时段之后的确定时段中，模数转换器单元执行第二像素信号与设置为预定阈值的参考信号的比较，
在确定时段之后的第二时段中，模数转换器单元以根据在确定时段中执行的比较的结果的增益将第二像素信号转换为第二数字信号，并且
在参考信号从第一时段起达到阈值以前，参考信号生成单元在不改变参考信号相对于时间的推移的改变方向的情况下以大于第一时段中的改变率的改变率改变参考信号。
6.根据权利要求5所述的固态成像设备，还包括放大器单元，所述放大器单元对所述第一像素信号和所述第二像素信号执行模拟放大，其中所述增益是所述放大器单元中的模拟增益。
7.根据权利要求5所述的固态成像设备，还包括信号处理单元，所述信号处理单元对所述第一数字信号和所述第二数字信号执行数字放大，其中所述增益是所述信号处理单元中的数字增益。
8.根据权利要求5所述的固态成像设备，其中，基于所述参考信号的改变率来定义所述增益。
9.根据权利要求8所述的固态成像设备，
其中，所述参考信号生成单元能够生成具有不同改变率的多个参考信号，并且
其中，所述模数转换器单元根据确定时段中的比较结果，通过使用所述多个参考信号中的任何一个参考信号来将第二像素信号转换为第二数字信号。
10.根据权利要求8所述的固态成像设备，
其中，参考信号生成单元能够改变参考信号的改变率，并且
其中，模数转换器单元通过使用具有根据确定时段中的比较结果的改变率的参考信号来将第二像素信号转换为第二数字信号。
11.根据权利要求5所述的固态成像设备，其中，所述第一像素信号是所述光电转换单元复位时的像素信号，并且所述第二像素信号是所述光电转换单元光电转换时的像素信号。
12.根据权利要求5所述的固态成像设备，
其中，在第一时段之前的第三时段中，模数转换器单元通过使用具有与第一时段中的改变率不同的改变率的参考信号将第一像素信号转换为第三数字信号，并且
其中，在第二时段中，模数转换器单元根据确定时段中的比较结果，通过使用第一时段中的参考信号和第三时段中的参考信号中的任何一个参考信号来将第二像素信号转换为第二数字信号。
13.根据权利要求12所述的固态成像设备，其中，通过使用具有在所述第二时段中使用的改变率的参考信号进行转换的数字信号是从所述第一数字信号和第三数字信号中选择的，并且所选择的数字信号和第二数字信号用于执行相关双采样。
14.一种固态成像设备的驱动方法，其特征在于，所述固态成像设备具有：像素，包括光电转换单元并输出对应于入射光的像素信号；参考信号生成单元，生成参考信号，所述参考信号随着时间的推移以预定改变率改变；放大器单元，输出通过以预定增益放大所述像素信号而获得的信号作为基于像素信号的信号；和模数转换器单元，基于由放大器单元输出的基于像素信号的信号与参考信号的比较，将基于像素信号的信号转换为数字信号，所述驱动方法包括：
在第一时段中，将已经解除了复位的放大器单元输出的信号转换为第一数字信号，
在确定时段中，执行基于像素信号的信号与设置为预定阈值的参考信号的比较，
在确定时段之后的第二时段中，放大器单元以根据在确定时段中执行的比较的结果的增益放大基于像素信号的信号，以及
在参考信号从第一时段起达到阈值以前，在不改变参考信号相对于时间的推移的改变方向的情况下改变参考信号。
15.一种成像系统，其特征在于，包括：
根据权利要求1至13中任一项所述的固态成像设备，和
信号处理设备，处理从固态成像设备输出的图像信号。
16.根据权利要求15所述的成像系统，
其中，像素包括多个光电转换单元，并且
其中，信号处理设备分别处理由所述多个光电转换单元生成的图像信号，并获取关于从固态成像设备到对象的距离的距离信息。
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