CN111629161A - 比较器及包括该比较器的图像感测装置 - Google Patents

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Abstract

比较器及包括该比较器的图像感测装置。提供了一种比较器，该比较器包括：比较电路，其包括被配置为接收斜坡信号的第一晶体管以及被配置为接收像素信号的第二晶体管，该比较电路被配置为将斜坡信号和像素信号进行比较并在输出节点输出比较信号；以及输出摆幅控制电路，其联接至第一晶体管和第二晶体管，并且该输出摆幅控制电路包括电流路径，以减少流过第二晶体管的电流量。

Description

比较器及包括该比较器的图像感测装置
技术领域
示例性实施方式涉及包括比较器的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)。
背景技术
CIS执行将从像素阵列输出的模拟信号(像素信号)转换为数字信号的操作。为了将模拟信号转换为数字信号，CIS使用位于其内的高分辨率模数转换器(ADC)。CIS可以采用使用单ADC的单ADC方案，或者使用列ADC的列ADC方案。
发明内容
所公开技术的各种实施方式涉及比较器和包括该比较器的图像感测装置。在一些实现方式中，比较器的输出电压被控制以改善图像的分辨率。
在一个方面，提供一种比较器，该比较器包括：比较电路，该比较电路包括被配置为接收斜坡信号的第一晶体管以及被配置为接收像素信号的第二晶体管，比较电路被配置为对斜坡信号和像素信号进行比较并在输出节点输出比较信号；以及输出摆幅控制电路，该输出摆幅控制电路包括联接至第一晶体管和第二晶体管的第三晶体管，并且输出摆幅控制电路包括电流路径，以减少流过第二晶体管的电流量。
在另一方面，提供一种图像感测装置，该图像感测装置包括：像素阵列，该像素阵列包括光电转换元件，每个光电转换元件被配置为响应于入射在像素阵列上的光而产生像素信号；斜坡信号发生器，该斜坡信号发生器生成斜坡信号；比较电路，该比较电路联接至像素阵列和斜坡信号发生器，以接收像素信号和斜坡信号，该比较电路被配置为将斜坡信号与像素信号进行比较；以及输出摆幅控制电路，该输出摆幅控制电路联接至比较电路并且被配置为将比较电路的输出电压保持为等于或大于预设电压。
在另一方面，一种比较器可以包括：第一镜像电路，该第一镜像电路联接在电源电压和第二镜像电路之间；第二镜像电路，第二镜像电路被配置为接收斜坡信号和像素信号，将斜坡信号与像素信号进行比较，并在输出节点输出比较信号；以及汇电路(sinkcircuit)，该汇电路联接至第二镜像电路，用于基于公共电压调整电流量，以确保第二镜像电路的操作裕度。
附图说明
图1是例示了用于促进对实施方式的理解的CIS的示例的图。
图2是例示了图1的比较器的示例的图。
图3是例示了用于促进对实施方式的理解的CIS的另一示例的图。
图4A是例示了基于所公开技术的一个实施方式的CIS的配置图。
图4B是图1所示的CIS的模数转换时序图。
图5是例示了基于所公开技术的一个实施方式的比较单元的配置图的示例。
图6是例示了基于所公开技术的一个实施方式的比较器的配置图的示例。
具体实施方式
该专利文献提供了可以在各种电子电器中使用的比较器和包括该比较器的图像感测装置的实现方式和示例。所公开技术的各种实现方式提供比较器以执行A/D转换，该比较器被设计为保持输入晶体管的操作区(例如，饱和区)而不改变到另一区域(例如，三极管区或线性区)。
图像感测装置在广泛领域中应用于各种应用，包括机器视觉、机器人技术、制导与导航、汽车应用以及消费类产品。图像感测装置包括图像感测区(例如，像素阵列)，该图像感测区包括被配置为响应于入射在图像感测区上的光而产生光电荷的一个或更多个光电转换元件。图像感测区可以被布置为包括行和列的元件阵列，例如，该元件阵列可以一次被读出一列。在读出时，驱动每一列，并且将从像素阵列10读出的模拟信号转换成数字信号，以便于后续的图像处理。
图像感测装置能够以各种方式执行模数转换(ADC)。ADC的一个示例是采用高速操作的一个ADC的单ADC方案。单ADC在预定时间内将从像素阵列的所有列输出的模拟信号转换为数字信号。单ADC方案能够减小CIS的芯片面积，但是因为ADC需要高速操作而具有高的功耗。
ADC的另一示例是采用联接至像素阵列的各个列的多个ADC(例如，单斜坡ADC)的列ADC方案。与单ADC方案相比，列ADC方案占用面积更大，但是因为每个ADC不需要像单ADC方案那样高速操作，所以列ADC方案具有小的功耗。
具有列ADC结构的CIS包括相关双采样(CDS)块。CIS中的像素阵列将光转换为例如模拟输出电压的电信号，并且CDS块对模拟输出电压执行采样。CIS还被配置为存储所采样的电压，将在CDS操作期间所存储的电压与由斜坡信号发生器生成的预定斜坡信号进行比较，并提供比较信号以用于生成与来自像素阵列的模拟输出电压相对应的数字代码。
作为示例，将参照图1讨论具有单斜坡ADC的列并行CIS。图1例示了CIS的示例。
如图1所示，用于促进对实施方式的理解的CIS可以包括像素阵列10、行解码器20、斜坡信号发生器30、比较单元40、计数单元50、存储器单元60、控制单元80和列读出电路70。像素阵列10可以输出与入射光相对应的像素信号。行解码器20可以在控制单元80(例如，时序发生器)的控制下，以每个行线来选择像素阵列10中的像素并且控制被选像素的操作。单斜坡ADC可以使用利用五个或更多个晶体管的运算跨导放大器(OPA)或利用两个或更多个晶体管的反相器型比较器。在一些情况下，单斜坡ADC可以使用多达从第一级到第三级的三个比较器。
比较单元40可以包括多个比较器，计数单元50可以包括多个计数器，并且存储器单元60可以包括多个存储器。因此，可以按各个列来提供比较器、计数器和存储器。为了去除每个像素的偏移值，比较单元40可以比较在光入射到像素阵列10上之前从像素阵列10输出的像素信号和光入射到像素阵列10上之后从像素阵列10输出的像素信号，并且仅测量由入射光生成的像素信号。这样的技术可以称为相关双采样(CDS)。将参照图2讨论CDS的详细操作。
图2示出了CIS的比较单元中所包括的比较器的示例。如图2所示，比较器可以包括PMOS晶体管PM11、PMOS晶体管PM12、电容器C11、电容器C12、NMOS晶体管NM11、NMOS晶体管NM12、开关SW11和开关SW12。PMOS晶体管PM11可以具有其中该晶体管的源极端子联接至第一电源电压VDD并且其栅极端子和漏极端子彼此联接的二极管连接结构。PMOS晶体管PM12可以具有联接至第一电源电压VDD的源极端子、与PMOS晶体管PM11的栅极端子联接的栅极端子、以及联接至输出节点Voutp的漏极端子。电容器C11的一个端子可以被配置为接收斜坡信号Vramp(即，斜坡电压)并且另一端子联接至NMOS晶体管NM11的栅极端子。电容器C12的一个端子可以被配置为接收像素信号VPixel(即，像素电压)并且另一端子联接至NMOS晶体管NM12的栅极端子。NMOS晶体管NM11可以具有与PMOS晶体管PM11的漏极端子联接的漏极端子、与电容器C11的另一端子联接的栅极端子、以及通过电流源ITail联接至第二电源电压VGND的源极端子。NMOS晶体管NM12可以具有联接至输出节点Voutp的漏极端子、与电容器C12的另一端子联接的栅极端子、以及通过电流源ITail联接至第二电源电压VGND的源极端子。开关SW11可以联接在NMOS晶体管NM11的漏极端子和栅极端子之间。开关SW12可以联接在NMOS晶体管NM12的漏极端子和栅极端子之间。
从像素阵列输出的像素信号VPixel包括复位电压VReset和信号电压Vsjgnal。为了对像素信号VPixel执行CDS，开关SW11和SW12可以接通以对复位电压VReset和信号电压Vsjgnal进行采样。通过对复位电平和信号电平两者进行采样，可以减少来自像素阵列的各种形式的噪声。
随着开关SW11和SW12接通，NMOS晶体管NM11和NMOS晶体管NM12的栅极端子和漏极端子的电压电平可以变得彼此相等，并且PMOS晶体管PM11和PMOS晶体管PM12的漏极电压也可以变得彼此相等。
在图2所示的比较器中，可以在电容器C11中对斜坡信号VRamp的公共电压进行采样，并且可以在电容器C12中对像素信号VPixel的复位电压进行采样。由于比较器的操作和结构，在斜坡信号VRamp和像素信号VPixel中可能存在偏移信号。在这种情况下，能够在考虑偏移信号的情况下执行斜坡信号VRamp和像素信号VPixel的采样。
输入到比较器的斜坡信号VRamp的公共电压和像素信号VPixel的复位电压可以保持在NMOS晶体管NM11和NM12的栅极端子中，并且斜坡信号VRamp或像素信号VPixel的变化可以通过电容器C11和C12以交流耦合(AC耦合)的形式来感测。
开关SW11和SW12可以断开以便对像素信号VPixel的信号电压Vsjgnal进行采样。此时，由开关引起的开关噪声信号可以存储在电容器C11和C12中。在理想电路中，当开关SW11和SW12断开时，由于NMOS晶体管NM11和NM12具有差分结构，因此开关两端的信号(被认为是偏移信号)可以彼此偏移。然而，在实际电路中，开关噪声信号不是“0”，并且产生影响，降低了图像的分辨率。为了解决图像分辨率的降低，能够引入数字双采样(DDS)操作，该操作通过复位电压采样后的代码值与信号电压采样后的代码值之间的差来抵消开关噪声信号。
如上所述，当开关SW11和SW12被断开并且来自像素的信号电压Vsjgnal通过电容器C12被交流耦合并且施加到NMOS晶体管NM12的栅极端子时，可以在NMOS晶体管NM12的栅极端子中对“复位电压Vreset-信号电压Vsjgnal”的电压电平采样。
斜坡信号VRamp可以通过电容器C11被交流耦合并且施加到NMOS晶体管NM11的栅极端子。随着斜坡信号VRamp的电压电平下降或上升，可能存在NMOS晶体管NM11和NM12的栅极电压值可以彼此重合的某个点。
当施加有斜坡信号的NMOS晶体管NM11的栅极电压与施加有像素信号的CDS值(复位电压-信号电压)的NMOS晶体管NM12的栅极电压相交时，输出节点的输出电压值Voutp可以下降或上升了“NMOS晶体管NM11和NM12之间的电压差×增益”。因此，可能出现误差(例如，反冲误差(kick-back error))，从而降低了图像的分辨率。当输出电压的变化幅度影响到在NMOS晶体管NM12的栅极端子中形成的寄生电容器时，可能会出现反冲误差。
此外，图2所示的比较器还引起带状噪声，该带状噪声导致图像分辨率降低。返回参照图2，在比较器的输入晶体管NM11和NM12中，栅极-源极寄生电容器Cgs和漏极-源极寄生电容器Cds的大小依据比较器的操作区而改变。斜坡信号发生器30将包括比较器的数十至数千个单斜坡ADC视为负载，每个比较器的输入端子具有寄生电容器Cgs和Cds。
在操作过程中，斜坡信号发生器30一步一步地进行驱动。在操作期间，被配置为接收斜坡信号Vramp的输入晶体管NM11的栅极电压可以一步一步地下降。当下降的栅极电压(斜坡信号)变得与被配置为接收像素信号VPixel的输入晶体管NM12的栅极电压(像素信号)相等时，比较器输出比较信号，计数器51执行计数，并且存储器61存储计数值。在比较器41输出比较信号的同时，被配置为接收斜坡信号Vramp的输入晶体管NM11的栅极电压由于输入了一步一步地下降的斜坡信号Vramp而连续下降，直到斜坡信号Vramp达到预设范围为止。
因此，被配置为接收像素信号VPixel的输入晶体管NM12的输出节点的电压连续下降。因此，被配置为接收像素信号的输入晶体管NM12的操作区从饱和区变为三极管区或线性区。换句话说，输入晶体管NM12的输出节点的电压使输入晶体管NM12的漏极-源极电压Vds减小。在这种情况下，被配置为接收像素信号VPixel的输入晶体管NM12可以像电阻器一样操作。
为此，被配置为接收斜坡信号Vramp的输入晶体管NM11和被配置为接收像素信号VPixel的输入晶体管NM12的公共电压Vcm显著改变。因此，被配置为接收斜坡信号Vramp的输入晶体管NM12的栅极和源极之间的寄生电容器Cgs显著改变。
由于斜坡信号发生器30的负载依据各个比较器41的操作区而改变，因此每个比较器41的操作区影响其它比较器41的操作。例如，由于比较器41的操作区改变，导致可能产生被称为带状噪声的非线性现象。此外，由于现有的操作点在各个比较器41的操作期间改变，因此也可能影响CDS操作的性能。
为了减少这种带状噪声，已经建议了在CIS中包括缓冲器。图3示出了被设置为减小斜坡信号发生器的输出端子与比较器的输入端子之间的带状噪声的具有缓冲器的CIS。在图3中，CIS可以进一步包括缓冲单元90，以对从斜坡信号发生器30施加的斜坡信号进行缓冲，并且斜坡信号通过相应缓冲器91被输入至各个比较器41。
当增加缓冲器91以减少带状噪声时，CIS可能需要更大的面积来容纳缓冲器91。另外，由于使用缓冲器91，致使需要更多的功率来操作CIS，并且通过缓冲器的增益误差可以减小输入摆幅。
认识到传统CIS中存在的上述问题，所公开技术提供了一种CIS，该CIS包括比较器以避免输入晶体管的操作区的变化，从而减少带状噪声并提高图像的分辨率。在一些实现方式中，所建议的比较器通过在比较器中提供流动的附加电流路径而具有保持在一定范围内的输出电压。在一些实现方式中，具有所建议的比较器的CIS能够防止引起图像分辨率降低的反冲误差的发生。在一些实现方式中，所建议的比较器能够使比较器的输出电压变化对形成于NMOS晶体管NM12的栅极端子中的寄生电容器的影响最小化。
在一些实现方式中，比较器的输出电压被控制为至少是预设电压。通过控制比较器的输出电压范围，可以减少带状噪声的发生并且防止带状噪声对CDS的操作性能的影响。所建议的针对CIS的设计不包括任何缓冲器，因此与具有缓冲器的CIS相比，可以防止CIS所需面积的增加并且可以降低功耗。另外，能够防止由于缓冲器的增益误差而引起的输入摆幅的减小。将参照图4A至图6进一步描述所建议的配置的示例。
图4A是例示了根据所公开技术的一个实施方式的CIS的配置图的示例。
如图4A所示，根据本实施方式的CIS可以包括像素阵列10、行解码器20、斜坡信号发生器30、比较单元40、计数单元50、存储器单元60、控制单元80和列读出电路70。像素阵列10可以输出与入射光相对应的像素信号。行解码器20可以在控制单元80的控制下以每个行线来选择像素阵列10中的像素，并控制被选像素的操作。斜坡信号发生器30可以在控制单元80的控制下生成斜坡信号。比较单元40可以在控制单元80的控制下将从斜坡信号发生器30施加的斜坡信号的值与从像素阵列10输出的像素信号的值进行比较。计数单元50可以根据比较单元40的输出信号中的每一个，对从控制单元80施加的时钟进行计数。存储器单元60可以在控制单元80的控制下存储来自计数单元50的计数信息。控制单元80可以控制行解码器20、斜坡信号发生器30、比较单元40、计数单元50、存储器单元60和列读出电路70的操作。列读出电路70可以在控制单元80的控制下依次输出存储器单元60的数据，作为像素数据PXDATA。比较单元40可以在每一列包括根据实施方式的比较器42。本实施方式也可以应用于通过将PMOS晶体管和NMOS晶体管彼此互换而实现的比较器。
比较单元40包括多个比较器42。比较器42可以在比较器42的一个端子处接收从像素阵列10的对应列输出的像素信号并且在比较器42的另一端子处接收从斜坡信号发生器30施加的斜坡信号。比较器42可以基于来自控制单元80的控制信号，将接收到的像素信号与接收到的斜坡信号进行比较，并输出作为比较的结果而获得的比较信号。
由于斜坡信号VRamp具有在复位操作开始之后随着时间流逝而增加或减小到预定幅度的电压电平，所以输入到每个比较器的两个信号的值可以在某一时间点处彼此重合。在两个信号的值彼此重合之后，从每个比较器输出的比较信号的值可以反转。
联接至比较器42的计数器51可以从斜坡信号下降时到从比较器41输出的比较信号被反相时对从控制单元80施加的时钟进行计数，并提供计数信息作为输出。计数器51中的每一个可以根据来自控制单元80的复位控制信号来复位。图4B示出了在CIS中执行的计数操作的示例。如图4B所示，CIS可以对复位信号(复位电压)执行初次计数，并且可以对图像信号(信号电压)执行二次计数。
联接至计数器51的存储器61可以接收来自计数器51的计数信息并存储所接收到的计数信息。存储器61可以根据来自控制单元80的负载控制信号，将计数信息输出至列读出电路70。
在实施方式中，比较单元40可以被实现为包括CDS结构的单斜坡ADC。像素阵列10可以包括响应于接收到的光而产生电信号的光电转换元件，其包括例如光电二极管、光电晶体管、光电门或能够将光转换成像素信号(例如，电荷、电压或电流)的其它光敏电路。像素阵列10可以将光学图像信息转换成电图像信号，并且通过相应列线将电图像信号发送至具有CDS结构的比较单元40。在一些实现方式中，CDS结构可以被实现为补偿源极跟随器的不匹配和复位噪声。CDS可以在模拟区或数字区中执行。在实施方式中，可以在模拟区中对像素信号执行初次CDS，然后可以在数字区中对通过ADC转换的数字信号执行二次CDS。
用于在模拟区中执行CDS的方法可以大致分为两种方法。一种方法是使用单独的减法电路来执行CDS，另一种方法是用比较器来实现CDS。
图5例示了比较单元40中所包括的具有CDS结构的比较器的示例。参照图5，比较器用于实现CDS，并且在比较单元40中不包括附加的减法电路。
参照图5，像素信号VPIX和斜坡信号VRAMP可以被分别施加到电容器C1的一个端子和电容器C2的一个端子，并且电容器C1和C2的另一端子可以联接至比较器。比较器的输入电压VIN1和VIN2以及输出电压1st COMP和VOUTP可以通过包括开关φOZ和φOZ的反馈线联接。可以基于像素信号VPIX的图像信号和复位信号被采样的定时来控制开关φOZ和φOZ。由于斜坡电压VRAMP和像素信号VPIX中的每一个通过一条路径传送，因此能够防止由于信号之间的不匹配而导致的性能下降。
图6例示了在CIS的比较单元中使用的比较器的另一示例。图6所示的比较器能够防止单斜坡ADC的性能下降。
图6是例示了根据实施方式的比较器的配置图的示例。例如，如图6所示的比较器可以对应于参照图4A、图4B和图5描述的比较器。
如图6所示，根据本实施方式的比较器可以包括比较电路410和输出摆幅控制电路420。比较电路410可以比较斜坡信号和像素信号并输出比较信号，并且输出摆幅控制电路420可以将比较电路410的输出电压控制为至少预定电压。
图6所示的比较电路410可以包括PMOS晶体管PM11、PMOS晶体管PM12、电容器C11、电容器C12、NMOS晶体管NM11、NMOS晶体管NM12、开关SW11、开关SW12、NMOS晶体管NM13和NMOS晶体管NM14。与图2所示的结构相比，图6中的比较电路410可以进一步包括NMOS晶体管NM13和NMOS晶体管NM14以使反冲误差或反冲噪声的发生最小化。开关SW11的一个端子联接至NMOS晶体管NM13的漏极端子，开关SW12的一个端子联接至NMOS晶体管NM14的漏极端子。也被包括在如图2所示的比较器中的元件的结构和操作可以基于关于图2的描述来理解。
NMOS晶体管NM13和NM14各自可以具有其栅极端子联接至第一电源电压VDD的自偏置结构。NMOS晶体管NM13可以具有与PMOS晶体管PM11的漏极端子联接的漏极端子、联接至第一电源电压VDD的栅极端子、以及与NMOS晶体管NM11的漏极端子联接的源极端子。NMOS晶体管NM14可以具有联接至输出节点Voutp的漏极端子、联接至第一电源电压VDD的栅极端子、以及与NMOS晶体管NM12联接的源极端子。
在图6中，NMOS晶体管NM13和NM14可以被配置为通过其栅极端子接收第一电源电压VDD。在一些其它实现方式中，NMOS晶体管NM13和NM14可以被配置为通过其栅极端子从外部电源单元(未示出)接收第三电源电压VB。
即使在NMOS晶体管NM11的栅极电压与NMOS晶体管NM12的栅极电压相交之后，斜坡信号也可以在一步一步地下降或上升的同时下降或上升到预设的全电压电平。因此，NMOS晶体管NM11的栅极电压可以连续地下降或上升。在这种情况下，输出节点的输出电压值Voutp可以下降或上升了“NMOS晶体管NM11和NM12之间的电压差×增益”，并且NMOS晶体管NM12的操作区可以从饱和区变为三极管区或线性区。因此，NMOS晶体管NM11和NM12的公共电压可以显著改变，并且NMOS晶体管NM11和NM12的栅极-源极寄生电容器Cgs可以显著改变。
输出摆幅控制电路420可以设置为控制输出节点Voutp处的输出电压。在一些实现方式中，输出摆幅控制电路420可以实现为用于钳位电流的钳位电路。
输出摆幅控制电路420可以包括PMOS晶体管PM41和NMOS晶体管NM41，PMOS晶体管PM41具有联接至第一电源电压VDD的源极端子和联接至比较电路410的栅极端子(即，负载晶体管PM11和PM12的栅极端子)，并且NMOS晶体管NM41具有与PMOS晶体管PM41的漏极端子联接的漏极端子、被配置为接收公共电压VCM的栅极端子、以及通过电流源ITail联接至第二电源电压VGND的源极端子。在一些实现方式中，公共电压VCM可以从外部电源单元(未示出)提供。当公共电压VCM被钳位至接地电压VGND时，可能难以控制流过输出摆幅控制电路420的电流。当通过公共电压VCM调整流过输出摆幅控制电路420的电流时，能够确保比较电路410的操作裕度。
如上所述，接收像素信号Vpixel的输入晶体管NM12的操作区的改变(例如，从饱和区到三极管区或线性区)能够引起带状噪声。因此，为了减少在CDS操作期间发生的带状噪声，需要保持接收像素信号Vpixel的NMOS晶体管NM12的操作区(例如，饱和区)而不改变到另一操作区(例如，线性区或三极管区)。另外，用作负载晶体管的PMOS晶体管PM12的操作区可能影响带状噪声的发生，因此需要确保在没有带状噪声的情况下改善图像。
根据所公开技术的一些实现方式的比较器可以使用PMOS晶体管PM41和NMOS晶体管NM41形成附加电流路径，以限制比较电路410的输出电压Voutp，以防止输出下降得太显著而导致输入晶体管(例如，NM12)的操作区发生变化。因此，在一些实现方式中，可以预设比较电路410中的输出电压Voutp的最小值。因此，比较器能够具有使得比较电路410的输出电压不下降到预设电压以下的输出摆幅。
参照图6，输出摆幅控制电路420操作以控制输出电压Voutp，以例如防止输出电压的下降不像没有输出摆幅控制电路420的比较器那样显著地下降。例如，假设NMOS晶体管NM11和NM12的栅极端子处的电压显著改变而导致NMOS晶体管NM12和NM14的操作区从饱和区变为三极管区或线性区。NMOS晶体管NM11和NM12的栅极端子处的电压改变导致NMOS晶体管NM11和NM12的源极端子处的电压改变。由于NMOS晶体管NM41的源极端子联接至NMOS晶体管NM11和NM12的源极端子，所以在NMOS晶体管NM11和NM12的源极端子处的这种电压变化能够影响输出摆幅控制电路420的NMOS晶体管NM41。例如，随着作为“VCM-NMOS晶体管NM11和NM12的源极端子处的电压”获得的栅极-源极电压Vgs变大，流过NMOS晶体管NM41的电流增加。以这种方式，与NMOS晶体管NM11和NM12的栅极端子处的电压差相对应的电流能够流过输出摆幅控制电路420中的晶体管NM41和PM41。
因此，由输出摆幅控制电路420的PMOS晶体管PM41和NMOS晶体管NM41形成的电流路径允许控制比较电路410的输出电压，以使得比较电路410的输出电压保持在这样的值(或在该值的范围内)：该值不导致接收像素信号的输入晶体管NM12的操作区的变化。用于确保比较电路410的操作裕度的输出摆幅控制电路420可以包括两个晶体管(即，PMOS晶体管PM41和NMOS晶体管NM41)，而比较电路410可以包括六个晶体管。晶体管数量的这种差异或它们之间的尺寸差异可以对输出摆幅控制电路420的性能没有影响。由于PMOS晶体管PM41和NMOS晶体管NM41的漏极端子具有高阻抗，因此流过输出摆幅控制电路420的电流量可以不会很大。电流量可以依据比较电路410的电流路径和输出摆幅控制电路420的电流路径中所包括的每个晶体管使用电流源ITail的多少电流来改变。可以根据比较电路410的设计条件和使用环境来决定输出摆幅控制电路420中所包括的PMOS晶体管PM41和NMOS晶体管NM41的尺寸，从而通过输出摆幅控制电路420进一步改善性能。
通过上述配置，能够保持NMOS晶体管NM12和PMOS晶体管PM12的操作区，而不会在不同的操作区之间改变。因此，能够减少可由比较器的操作区的变化(例如，从饱和区到三极管区或线性区)所引起的带状噪声。此外，能够使输出节点的输出电压值Voutp的变化对形成于NMOS晶体管NM12的栅极端子处的寄生电容器的影响最小化，以减少反冲误差(反冲噪声)的发生。另外，由于所建议的结构在斜坡信号发生器和比较器之间不需要缓冲器，因此与通过缓冲器施加斜坡信号的情况相比，可以节省面积和/或功率。
在实施方式中，比较电路410可以包括第一镜像电路和第二镜像电路。包括PMOS晶体管PM11和PMOS晶体管PM12的第一镜像电路联接在电源电压VDD和第二镜像电路之间。第二镜像电路被配置为接收斜坡信号和像素信号，将斜坡信号和像素信号进行比较，并且在输出节点处输出比较信号。第二镜像电路可以包括NMOS晶体管NM13和NMOS晶体管NM14。比较电路410联接至包括NMOS晶体管NM41的汇电路(sink circuit)。汇电路可以联接至第二镜像电路，以基于公共电压来调整电流量，以便确保第二镜像电路的操作裕度。
根据公开技术的各种实施方式，比较器具有输出电压，该输出电压的范围具有不会导致接收像素信号的输入晶体管的操作区改变的预设最小值。因此，可以减少带状噪声的发生并防止带状噪声对CDS的操作性能的影响。
此外，由于不使用缓冲器，所以与具有缓冲器的CIS相比，可以减小CIS所需的面积和功耗。另外，由于所建议的CIS不需要缓冲器，因此输入摆幅不会因缓冲器的增益误差而减小。
尽管该专利文献包含许多细节，但是这些细节不应被解释为对任何发明的范围或所要求保护的内容的限制，而是对可特定于特定发明的特定实施方式的特征的描述。在该专利文献中的单独实施方式的上下文中所描述的一些特征也可以在单个实施方式中组合实现。相反，在单个实施方式的上下文中所描述的各种特征也可以分别在多个实施方式中或者以任何合适的子组合实现。此外，尽管以上可以将特征描述为以一些组合起作用并且甚至最初如此宣称，但是在一些情况下，可以从组合中去除所宣称的组合中的一个或更多个特征，并且所宣称的组合可以涉及子组合或子组合的变型。此外，在该专利文献中所描述的实施方式中的各种系统组件的分离不应被理解为在所有实施方式中都需要这种分离。
仅描述了一些实现方式和示例，基于该专利文献中所描述和例示的内容，能够进行其它实现方式、增强和变型。
相关申请的交叉引用
本专利文献要求于2019年2月28日提交的韩国专利申请No.10-2019-0024006的优先权，该韩国专利申请的全部内容通过引用合并于本文中。

Claims (20)

1.一种比较器，该比较器包括：
比较电路，该比较电路包括被配置为接收斜坡信号的第一晶体管和被配置为接收像素信号的第二晶体管，该比较电路被配置为将所述斜坡信号和所述像素信号进行比较并在输出节点输出比较信号；以及
输出摆幅控制电路，该输出摆幅控制电路联接至所述第一晶体管和所述第二晶体管，并且所述输出摆幅控制电路包括电流路径，以减少流过所述第二晶体管的电流量。
2.根据权利要求1所述的比较器，其中，在所述电流路径中流动的电流具有与所述第一晶体管的端子和所述第二晶体管的端子之间的电压差相对应的值。
3.根据权利要求1所述的比较器，其中，所述第一晶体管的端子和所述第二晶体管的端子联接至电流源。
4.根据权利要求1所述的比较器，其中，所述输出摆幅控制电路被配置为将所述输出节点处的电压保持为等于或大于预定值。
5.根据权利要求1所述的比较器，其中，所述像素信号是从包括光电转换元件的像素阵列接收的，每个光电转换元件响应于入射在所述像素阵列上的光而产生电信号。
6.根据权利要求1所述的比较器，其中，所述输出摆幅控制电路包括联接至所述第一晶体管和所述第二晶体管的第三晶体管以及与所述第三晶体管以串联配置而电联接的第四晶体管。
7.根据权利要求1所述的比较器，其中，与没有所述输出摆幅控制电路的比较器相比，所述输出摆幅控制电路使所述第二晶体管能够针对所述像素信号的更大变化范围而在饱和区中操作。
8.根据权利要求1所述的比较器，该比较器还包括：
第五晶体管，该第五晶体管的源极端子联接至所述第一晶体管或所述第二晶体管的漏极端子，并且该第五晶体管的栅极端子联接至电压源；以及
第六晶体管，该第六晶体管的源极端子联接至所述第五晶体管的漏极端子，并且该第六晶体管的源极端子联接至所述电压源。
9.一种图像感测装置，该图像感测装置包括：
像素阵列，该像素阵列包括光电转换元件，每个光电转换元件被配置为响应于入射在所述像素阵列上的光而产生像素信号；
斜坡信号发生器，该斜坡信号发生器生成斜坡信号；
比较电路，该比较电路联接至所述像素阵列和所述斜坡信号发生器，以接收所述像素信号和所述斜坡信号，该比较电路被配置为将所述斜坡信号与所述像素信号进行比较；以及
输出摆幅控制电路，该输出摆幅控制电路联接至所述比较电路并且被配置为将所述比较电路的输出电压保持为等于或大于预设电压。
10.根据权利要求9所述的图像感测装置，其中，所述输出摆幅控制电路包括：
第一晶体管，该第一晶体管的源极端子联接至电流源；以及
第二晶体管，该第二晶体管的漏极端子联接至所述第一晶体管的漏极端子，并且该第二晶体管的源极端子联接至电压源。
11.根据权利要求10所述的图像感测装置，其中，所述第一晶体管和所述第二晶体管分别是NMOS晶体管和PMOS晶体管。
12.根据权利要求10所述的图像感测装置，其中，所述比较电路包括：
第三晶体管，该第三晶体管的源极端子联接至所述电流源，并且该第三晶体管的栅极端子联接至所述斜坡信号发生器；以及
第四晶体管，该第四晶体管的源极端子联接至所述电流源，并且该第四晶体管的栅极端子联接至所述像素阵列。
13.根据权利要求12所述的图像感测装置，其中，所述第四晶体管被配置为在饱和区中操作。
14.根据权利要求12所述的图像感测装置，其中，所述比较电路还包括：
第五晶体管，该第五晶体管的源极端子联接至电压源，并且该第五晶体管的漏极端子联接至所述第三晶体管；以及
第六晶体管，该第六晶体管的源极端子联接至所述电压源、漏极端子联接至所述第四晶体管并且栅极端子联接至所述第五晶体管的栅极端子。
15.根据权利要求14所述的图像感测装置，其中，所述第二晶体管的栅极端子联接至所述第五晶体管的所述栅极端子和所述第六晶体管的所述栅极端子。
16.根据权利要求9所述的图像感测装置，该图像感测装置还包括：计数电路，该计数电路联接至所述比较电路并且被配置为基于来自所述比较电路的输出信号对时钟进行计数。
17.根据权利要求16所述的图像感测装置，该图像感测装置还包括：存储器，该存储器联接至所述计数电路并且被配置为存储来自所述计数电路的计数信息。
18.根据权利要求9所述的图像感测装置，其中，在所述输出摆幅控制电路中流动的电流量对应于所述斜坡信号与所述像素信号之间的差。
19.根据权利要求9所述的图像感测装置，其中，所述输出摆幅控制电路用作钳位电路，以限制所述比较电路的输出电压。
20.一种比较器，该比较器包括：
第一镜像电路，该第一镜像电路联接在电源电压和第二镜像电路之间；
所述第二镜像电路，所述第二镜像电路被配置为接收斜坡信号和像素信号，将所述斜坡信号和所述像素信号进行比较，并在输出节点输出比较信号；以及
汇电路，该汇电路联接至所述第二镜像电路，用于基于公共电压调整电流量，以确保所述第二镜像电路的操作裕度。
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