CN110121039A - 斜坡信号发生装置和包括其的cmos图像传感器 - Google Patents

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Abstract

斜坡信号发生装置和包括其的CMOS图像传感器。该斜坡信号发生装置包括：采样电路，该采样电路被设置为对斜坡电流进行采样并且存储与采样的所述斜坡电流对应的电压；电流保持电路，该电流保持电路被设置为保持所述斜坡电流；电流传送电路，该电流传送电路被设置为传送与存储在所述采样电路上的电压对应的电流；以及电流‑电压转换器，该电流‑电压转换器被设置为转换并产生与从所述电流传送电路传送的电流对应的斜坡电压。

Description

斜坡信号发生装置和包括其的CMOS图像传感器
技术领域
本发明的示例性实施方式涉及图像传感器。特别地，本公开的实施方式涉及用于获取与斜坡电流对应的稳定且准确的斜坡电压的斜坡信号发生装置和产生此斜坡电压的方法。
背景技术
近来，已经制造了具有高帧率和高密度的互补型金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。可以在CMOS图像传感器中使用单斜模数转换器件(SS-ADC)。
在使用电流导引数模转换装置实现使用SS-ADC的CMOS图像传感器的斜坡信号发生装置的情况下，可以使用电流量调节技术来调节CMOS图像传感器的增益。
斜坡信号发生装置通过使用晶体管复制斜坡电流并且将复制的斜坡电流传送到斜坡电阻器来生成具有与该斜坡电流对应的斜坡电压的斜坡信号。
在此斜坡信号发生装置的结构中，由于制造工艺分布等而发生晶体管当中的各个特性的不匹配。因此，改变了诸如阈值电压和迁移率这样的基本晶体管特性。
也就是说，虽然晶体管是在相同的环境中进行设计和制造的，但是由于制造过程分布等而出现不匹配。因此，由于多个晶体管不具有相同的特性，因此难以获取与斜坡电流对应的精确斜坡电压，并且斜坡电压的值不稳定。
发明内容
各种实施方式涉及通过对斜坡电流进行采样并且将其传送到斜坡电阻器来获取与该斜坡电流对应的稳定且准确的斜坡电压的斜坡信号发生装置和包括其的CMOS图像传感器。
在实施方式中，一种斜坡信号发生装置可以包括：采样电路，该采样电路被设置为对斜坡电流进行采样并且存储与采样的所述斜坡电流对应的电压；电流保持电路，该电流保持电路被设置为保持所述斜坡电流；电流传送电路，该电流传送电路被设置为传送与存储在所述采样电路上的电压对应的电流；以及电流-电压转换器，该电流-电压转换器被设置为转换并产生与从所述电流传送电路传送的电流对应的斜坡电压。
在实施方式中，一种COMS图像传感器可以包括：像素阵列，该像素阵列包括像素，并且被设置为产生与在每个像素处接收的入射光对应的像素信号；行解码器，该行解码器与所述像素阵列联接并且被设置为逐行地选择并控制所述像素阵列的像素；斜坡信号发生装置，该斜坡信号发生装置被设置为对斜坡电流进行采样，存储与所采样的所述斜坡电流对应的电压，将与所存储的电压对应的所述斜坡电流传送到斜坡电阻器，并且产生斜坡电压；比较电路，该比较电路被设置为将从所述斜坡信号发生装置施加的所述斜坡电压与从所述像素阵列接收的所述像素信号进行比较；计数器，该计数器被设置为基于所述比较信号来执行计数操作；存储器，该存储器被设置为存储从所述计数器输出的信息；列读出电路，该列读出电路被设置为输出存储在所述存储器中的信息；以及控制器，该控制器被设置为控制所述行解码器、所述斜坡信号发生装置、所述比较电路、所述计数器、所述存储器和所述列读出电路。
在实施方式中，一种产生斜坡电压的方法可以包括以下步骤：对斜坡电流进行采样并且存储与所采样的所述斜坡电流对应的电压；保持所述斜坡电流；传送与所存储的所述电压对应的电流；以及转换并产生与所传送的所述电流对应的斜坡电压。
附图说明
图1是例示CMOS图像传感器的示例的示图。
图2是例示图1中示出的斜坡信号发生装置的示例的电路图。
图3A是例示根据本公开的实施方式的斜坡信号发生装置的电路图。
图3B是例示根据本公开的实施方式的斜坡信号发生装置的操作的定时图。
图4是例示根据本公开的实施方式的CMOS图像传感器的示例的示图。
具体实施方式
以下，将参照附图更详细地描述各种实施方式。然而，本公开可以按照不同的形式来实施并且不应该被理解为限于本文中阐述的实施方式。相反，提供这些实施方式，使得本公开将是彻底和完全的，并且将把本公开的范围充分传达给本领域的技术人员。在整个公开内容中，相似的附图标记始终表示本公开的各个附图和实施方式中的相似的部分。另外，在整篇说明书中，对“实施方式”、“另一实施方式”等的引用不一定指相同的实施方式，并且对任何此类短语的不同引用不一定指相同的(一个或多个)实施方式。
应该理解，当元件被称为与另一个元件“联接”时，它可以与该元件直接联接或在其它元件插置在其间的情况下电联接。此外，当元件被称为“包括”或“包含”组件时，并没有排除一个或更多个其它组件，而是还可以包括此类(一个或多个)其它组件，除非上下文另有明确指示。本文中使用的术语是出于描述特定实施方式的目的，而不旨在进行限制。
图1是例示CMOS图像传感器的示例的示图。图1中示出的CMOS图像传感器表示具有使用单斜模数转换装置的列并行结构的CMOS图像传感器。
参照图1，CMOS图像传感器可以包括包含按行和列布置的成像像素的像素阵列10、行解码器20、斜坡信号发生电路30、比较电路40、计数电路50、存储电路60、列读出电路70和控制电路80。
像素阵列10可以响应于各个成像像素处的入射光而输出像素信号。行解码器20可以逐行地选择并控制像素阵列10的像素。斜坡信号发生电路30可以响应于控制电路80的控制信号而生成斜坡信号VRAMP。比较电路40可以将斜坡信号发生电路30的斜坡信号VRAMP与从像素阵列10输出的每个像素信号进行比较。
计数电路50可以根据比较电路40的输出信号对来自控制电路80的时钟脉冲的数目进行计数。存储电路60可以根据控制电路80所提供的指令来存储计数电路50所提供的信息(例如，时钟脉冲的数目)。列读出电路70可以根据控制电路80所提供的指令，将存储在存储电路60中的信息作为像素数据PXDATA依次输出。控制电路80可以控制行解码器20、斜坡信号发生电路30、比较电路40、计数电路50、存储电路60和列读出电路70的操作。
如此，CMOS图像传感器可以包括比较电路40，比较电路40利用相关双采样(CDS)技术来去除像素的偏移值。
比较电路40可以包括多个比较器41，计数电路50可以包括多个计数器51，并且存储电路60可以包括多个存储器61。在示例配置中，像素阵列10的每列都可以包括一个比较器41、一个计数器51和一个存储器61。
以下，将描述示例性的比较器41、计数器51和存储器61的操作。
比较器41具有两个输入端子，这两个输入端子分别接收从像素阵列10的列输出的像素信号和从斜坡信号发生电路30输出的斜坡信号VRAMP。比较器41可以响应于控制电路80所提供的控制信号而将斜坡信号VRAMP与像素信号进行比较并且输出比较信号。
由于斜坡信号VRAMP的电压电平随着时间推移增大或减小，因此斜坡信号VRAMP可以在某个时间点与像素信号相交。在该交点之后，从比较器41输出的比较信号的值可以被反转。
可以使用计数器51在一段时间内(例如，当像素信号的电平高于斜坡信号的电平时)对脉冲进行计数。可以用控制电路80的复位控制信号对计数器51进行初始化。
存储器61可以存储与计数器51所提供的计数(例如，脉冲数)相关的信息，并且根据控制电路80的控制信号将信息输出到列读出电路70。这里，CMOS图像传感器可以对复位信号(或复位电压)执行计数操作，然后对图像信号(或信号电压)执行计数操作。
图2是例示图1中示出的斜坡信号发生装置30的示例的电路图。
参照图2，斜坡信号发生装置30可以包括电流复制电路110、电流保持电路120和电流-电压转换器130。
电流复制电路110可以复制并传送斜坡电流IRAMP。电流保持电路120可以保持在电流复制电路110上流动的斜坡电流IRAMP。电流-电压转换器130可以产生与从电流复制电路110传送的斜坡电流IRAMP对应的斜坡电压VRAMP。
更具体地，电流复制电路110可以包括第一PMOS晶体管MP11和第二PMOS晶体管MP12。第一PMOS晶体管MP11的源极端子与电源电压VDD端子联接。PMOS晶体管MP11具有第一PMOS晶体管MP11的栅极端子与第一PMOS晶体管MP11的漏极端子联接的二极管连接结构。第二PMOS晶体管MP12的源极端子与电源电压VDD端子联接。第二PMOS晶体管MP12的栅极端子与第一PMOS晶体管MP11的栅极端子联接，并且第二PMOS晶体管MP12的漏极端子与输出节点联接。
可以使用电流源来实现电流保持电路120。电流源的第一端子与第一PMOS晶体管MP11的漏极端子联接，并且电流源的第二端子与接地电压VSS端子联接。
可以使用斜坡电阻器来实现电流-电压转换器130。斜坡电阻器的第一端子与输出节点联接，并且斜坡电阻器的第二端子与接地电压VSS端子联接。
如上所述，图2中示出的斜坡信号发生装置使用第一PMOS晶体管MP11和第二PMOS晶体管MP12，以便复制斜坡电流IRAMP并且将其传送到斜坡电阻器。
也就是说，在图2中示出的斜坡信号发生装置中，当斜坡电流IRAMP在具有二极管连接结构的第一PMOS晶体管MP11上流动时，通过施加到第二PMOS晶体管MP12的栅极端子的第一PMOS晶体管MP11的电压将斜坡电流IRAMP复制到第二PMOS晶体管MP12。因此，通过在斜坡电阻器上流动的复制的斜坡电流来生成具有斜坡电压VRAMP的斜坡信号。
本文中，如果第一PMOS晶体管MP11和第二PMOS晶体管MP12具有相同的特性，则可获取与斜坡电流对应的斜坡电压。然而，由于晶体管的制造过程分布等，在第一PMOS晶体管MP11和第二PMOS晶体管MP12之间可能出现不匹配，并且诸如第一PMOS晶体管MP11和第二PMOS晶体管MP12的阈值电压和迁移率这样的基本晶体管特性会是不同的。因此，图2中示出的斜坡信号发生装置不能用在需要高精度的装置中。
也就是说，虽然第一PMOS晶体管MP11和第二PMOS晶体管MP12是在相同的环境中进行设计和制造的，但是由于制造过程分布等可能在晶体管之间出现不匹配。因此，由于第一PMOS晶体管MP11和第二PMOS晶体管MP12不具有相同的特性，因此难以获取与斜坡电流IRAMP对应的精确斜坡电压，并且斜坡电压VRAMP的电平可能是不稳定的。
在本公开的实施方式中，可以通过对斜坡电流进行采样并且将其传送到斜坡电阻器来产生与斜坡电流对应的准确且稳定的斜坡电压。将参照图3A至图4来详细描述该配置和操作。
图3A是例示根据本公开的实施方式的斜坡信号发生装置200的示例的电路图。图3B是例示根据本公开的实施方式的斜坡信号发生装置(例如，图3A中示出的斜坡信号发生装置200)的操作的定时图。
参照图3A，斜坡信号发生装置200可以包括采样电路210、电流保持电路220、电流传送电路230和电流-电压转换器240。
采样电路210可以对斜坡电流IRAMP进行采样并且存储已采样的斜坡电流的电压。电流保持电路220可以恒定地保持斜坡电流IRAMP。电流传送电路230可以传送与存储在采样电路210上的电压对应的电流。电流-电压转换器240可以产生与从电流传送电路230传送的电流对应的斜坡电压VRAMP。斜坡信号发生装置200还可以包括用于稳定并输出斜坡电压的输出端250，该斜坡电压被电流-电压转换器240转换。
采样电路210可以包括电容器211和包括开关212和213的开关电路。
电容器211的第一端子可以与电源电压VDD端子联接。电容器211可以对斜坡电流IRAMP进行采样并且存储已采样的斜坡电流的电压。开关电路可以联接在电流保持电路220和电容器211的第二端子之间，并且可以接通或断开斜坡电流IRAMP。
开关电路可以包括第一开关(S1)212和第二开关(S2)213。第一开关212的第一端子可以与电容器211的第二端子联接，并且第一开关212可以接通或断开斜坡电流IRAMP。第二开关213可以联接在第一开关212的第二端子和电流保持电路220之间，并且接通或断开斜坡电流IRAMP。
可以使用电流源来实现电流保持电路220。电流源的第一端子可以与第二开关213联接，并且电流源的第二端子可以与接地电压VSS端子联接。
电流传送电路230可以包括PMOS晶体管MP21。PMOS晶体管MP21的源极端子可以与电源VDD端子联接。PMOS晶体管MP21的栅极端子可以与采样电路210的电容器211的第二端子联接。PMOS晶体管MP21的漏极端子可以与输出节点260联接。
电流-电压转换器240可以包括第三开关(S3)241和斜坡电阻器242。第三开关241的第一端子可以与输出节点260联接。第三开关241可以接通或断开从电流传送电路230传送的电流。斜坡电阻器242可以联接在第三开关241的第二端子和接地电压VSS端子之间。斜坡电阻器242可以生成与通过第三开关241传送的电流对应的斜坡电压VRAMP。
输出端250可以包括第四开关(S4)251和第二电容器252。第四开关251可以联接在电流-电压转换器240和输出节点260之间。第二电容器252可以联接在输出节点260和接地电压VSS端子之间。
如上所述，图3A中示出的斜坡信号发生装置200的电流传送技术不同于图2中示出的斜坡信号发生装置30的电流传送技术。
也就是说，在本公开的实施方式中，在使用采样电路210中的电容器211以及开关S11和S12对斜坡电流IRAMP进行采样和存储之后，通过传送与所存储的电压对应的电流来产生斜坡电压。因此，可以解决由晶体管的不匹配引起的不稳定斜坡信号的问题。
参照图3A和图3B，当例如在第一时段t1期间第一开关(S1)212和第二开关(S2)213接通而第三开关(S3)241和第四开关(S4)251断开时，PMOS晶体管MP21的栅极端子与PMOS晶体管MP21的源极端子联接。因此，斜坡电流IRAMP在PMOS晶体管MP21上流动，并且PMOS晶体管MP21的栅极-源极电压存储在电容器211上。
随后，当第一开关(S1)212和第二开关(S2)213断开时，保持存储在电容器211上的PMOS晶体管MP21的栅极-源极电压。本文中，如果第三开关(S3)241例如在第二时段t2期间接通，则与所存储的PMOS晶体管MP21的栅极-源极电压的值对应的电流流过斜坡电阻器242，并且产生斜坡电压VRAMP。
接下来，如果第四开关(S4)251接通，则即使当斜坡信号发生装置的晶体管受制造过程分布的影响时，也可以输出与斜坡电阻器242对应的稳定斜坡电压VRAMP。
图4是例示根据本公开的实施方式的CMOS图像传感器的示例的示图。
参照图4，CMOS图像传感器可以包括像素阵列10、行解码器20、斜坡信号发生电路430、比较电路40、计数电路50、存储电路60、列读出电路70和控制器80。
像素阵列10可以输出与入射光对应的像素信号。行解码器20可以逐行地选择并控制像素阵列10的像素。斜坡信号发生装置430可以响应于控制器80的控制信号而生成斜坡信号VRAMP(包括粗斜坡信号和精细斜坡信号)。比较电路40可以将斜坡信号发生电路30的斜坡信号VRAMP与从像素阵列10输出的每个像素信号进行比较。
计数电路50可以根据比较电路40的输出信号对控制器80的时钟脉冲的数目进行计数。存储电路60可以根据控制器80所提供的指令来存储计数电路50所提供的信息(例如，时钟脉冲的数目)。列读出电路70可以根据控制器80所提供的指令，将存储在存储电路60中的信息作为像素数据PXDATA依次输出。控制器80可以控制行解码器20、斜坡信号发生电路30、比较电路40、计数电路50、存储电路60和列读出电路70的操作。
这里，斜坡信号发生装置430可以由图3A中示出的斜坡信号发生装置200来实现。
如上所述，根据本公开的实施方式的斜坡信号发生装置通过对斜坡电流进行采样并且将其传送到斜坡电阻器来获取与斜坡电流对应的稳定且准确的斜坡电压。
虽然已经描述了各种实施方式和具体示例，但是可以基于所描述和例示的内容进行各种改变和修改。因此，本发明涵盖落入权利要求范围内的所有这些改变和修改。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年2月6日提交的韩国专利申请No.10-2018-0014627的优先权，该韩国专利申请的全部内容以引用方式并入本文中。

Claims (15)

1.一种斜坡信号发生装置，该斜坡信号发生装置包括：
采样电路，该采样电路被设置为对斜坡电流进行采样并且存储与所采样的所述斜坡电流对应的电压；
电流保持电路，该电流保持电路被设置为保持所述斜坡电流；
电流传送电路，该电流传送电路被设置为传送与存储在所述采样电路上的电压对应的电流；以及
电流-电压转换器，该电流-电压转换器被设置为转换并产生与从所述电流传送电路传送的电流对应的斜坡电压。
2.根据权利要求1所述的斜坡信号发生装置，该斜坡信号发生装置还包括：
输出端，该输出端被设置为稳定并输出所述斜坡电压。
3.根据权利要求2所述的斜坡信号发生装置，其中，所述输出端包括：
开关，该开关联接在所述电流-电压转换器和输出节点之间；以及
电容器，该电容器联接在所述输出节点和接地电压端子之间。
4.根据权利要求1所述的斜坡信号发生装置，其中，所述采样电路包括：
电容器，该电容器具有与电源电压端子联接的第一端子，并且被设置为对所述斜坡电流进行采样并存储与所采样的所述斜坡电流对应的电压；以及
开关电路，该开关电路联接在所述电容器的第二端子和所述电流保持电路之间，并且被设置为接通或断开所述斜坡电流。
5.根据权利要求4所述的斜坡信号发生装置，其中，所述开关电路包括：
第一开关，该第一开关具有与所述电容器的所述第二端子联接的第一端子，并且被设置为接通或断开所述斜坡电流；以及
第二开关，该第二开关联接在所述第一开关的第二端子和所述电流保持电路之间，并且被设置为接通或断开所述斜坡电流。
6.根据权利要求1所述的斜坡信号发生装置，其中，所述电流传送电路包括晶体管，所述晶体管具有与电源电压端子联接的源极端子、与所述采样电路联接的栅极端子和与输出节点联接的漏极端子。
7.根据权利要求1所述的斜坡信号发生装置，其中，所述电流-电压转换器包括：
第三开关，该第三开关具有与输出节点联接的第一端子，并且被设置为接通或断开从所述电流传送电路传送的电流；以及
斜坡电阻器，该斜坡电阻器联接在所述第三开关的第二端子和接地电压端子之间，并且被设置为产生与通过所述第三开关传送的电流对应的所述斜坡电压。
8.一种互补型金属氧化物半导体CMOS图像传感器，该COMS图像传感器包括：
像素阵列，该像素阵列包括像素，并且被设置为生成与在每个像素处接收的入射光对应的像素信号；
行解码器，该行解码器与所述像素阵列联接，并且被设置为逐行地选择并控制所述像素阵列的像素；
斜坡信号发生装置，该斜坡信号发生装置被设置为对斜坡电流进行采样，存储与所采样的斜坡电流对应的电压，将与所存储的电压对应的所述斜坡电流传送到斜坡电阻器，并且产生斜坡电压；
比较电路，该比较电路被设置为将从所述斜坡信号发生装置施加的所述斜坡电压与从所述像素阵列接收的所述像素信号进行比较；
计数器，该计数器被设置为基于所述比较信号来执行计数操作；
存储器，该存储器被设置为存储从所述计数器输出的信息；
列读出电路，该列读出电路被设置为输出存储在所述存储器中的信息；以及
控制器，该控制器被设置为控制所述行解码器、所述斜坡信号发生装置、所述比较电路、所述计数器、所述存储器和所述列读出电路。
9.根据权利要求8所述的CMOS图像传感器，其中，所述斜坡信号发生装置包括：
采样电路，该采样电路被设置为对所述斜坡电流进行采样并且存储与所采样的所述斜坡电流对应的电压；
电流保持电路，该电流保持电路被设置为保持所述斜坡电流；
电流传送电路，该电流传送电路被设置为传送与所述电压对应的电流；以及
电流-电压转换器，该电流-电压转换器被设置为转换并产生与从所述电流传送电路传送的电流对应的斜坡电压。
10.根据权利要求9所述的CMOS图像传感器，其中，所述斜坡信号发生装置还包括：
输出端，该输出端被设置为稳定并输出由所述电流-电压转换器转换的所述斜坡电压。
11.根据权利要求10所述的CMOS图像传感器，其中，所述输出端包括：
开关，该开关联接在所述电流-电压转换器和输出节点之间；以及
电容器，该电容器联接在所述输出节点和接地电压端子之间。
12.根据权利要求9所述的CMOS图像传感器，其中，所述采样电路包括：
电容器，该电容器具有与电源电压端子联接的第一端子，并且被设置为对所述斜坡电流进行采样并存储与所采样的所述斜坡电流对应的电压；以及
开关电路，该开关电路联接在所述电容器的第二端子和所述电流保持电路之间，并且被设置为接通或断开所述斜坡电流。
13.根据权利要求9所述的CMOS图像传感器，其中，所述开关电路包括：
第一开关，该第一开关具有与所述电容器的所述第二端子联接的第一端子，并且被设置为接通或断开所述斜坡电流；以及
第二开关，该第二开关联接在所述第一开关的第二端子和所述电流保持电路之间，并且被设置为接通或断开所述斜坡电流。
14.根据权利要求9所述的CMOS图像传感器，其中，所述电流传送电路包括晶体管，所述晶体管具有与电源电压端子联接的源极端子、与所述采样电路联接的栅极端子和与输出节点联接的漏极端子。
15.根据权利要求9所述的CMOS图像传感器，其中，所述电流-电压转换器包括：
第三开关，该第三开关具有与输出节点联接的第一端子，并且被设置为接通或断开从所述电流传送电路传送的电流；以及
斜坡电阻器，该斜坡电阻器联接在所述第三开关的第二端子和接地电压端子之间，并且被设置为产生与通过所述第三开关传送的电流对应的所述斜坡电压。
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