CN112243099B - 具有比较器的列放大器复位电路 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及具有比较器的列放大器复位电路。一种用于在图像传感器中使用的具有比较器的列放大器包含放大器，所述放大器被耦接以从所述图像传感器的像素单元接收表示图像电荷的输入信号。放大器自动调零开关耦接在所述放大器的输入与所述放大器的输出之间。反馈电容器耦接到所述放大器的输入。放大器输出开关耦接在所述放大器的所述输出与所述反馈电容器之间。比较器包含耦接到所述放大器输出开关的第一输入。比较器自动调零开关耦接在所述比较器的所述第一输入与所述比较器的输出之间。

Description

具有比较器的列放大器复位电路
技术领域
本公开总体上涉及图像传感器，并且具体地但非排他地涉及用于与图像传感器中的模数转换电路系统一起使用的列放大器电路。
背景技术
图像传感器已经变得普遍存在。其广泛应用于数字静态相机、蜂窝电话、安全相机以及医疗、汽车和其它应用中。用于制造图像传感器的技术持续高速发展。例如，对更高分辨率和更低功耗的需求促进了进一步小型化和集成这些装置。
传感器通常在像素阵列上接收光，所述像素阵列在像素中产生电荷。像素阵列通常被布置成多行和多列。光的强度可能影响在每个像素中产生的电荷量，其中强度越更，产生的电荷量越高。通常通过列位线从像素阵列中读出电荷信息。模数转换器(ADC)通常用于CMOS图像传感器(CIS)中以将通过列放大器接收到的像素的电荷信息转换为图像传感器对电荷的数字表示。一些ADC包含比较器，所述比较器将图像电荷信号与参考电压信号进行比较以生成电荷的数字表示。参考电压信号通常可以是由斜坡发生器提供的斜坡信号，并且比较器提供可以与计数器一起使用以由像素生成对图像电荷的数字表示的输出。
发明内容
一方面，本申请提供了一种用于在图像传感器中使用的具有比较器的列放大器，所述列放大器包括：放大器，所述放大器被耦接以从所述图像传感器的像素单元接收表示图像电荷的输入信号；放大器自动调零开关，所述放大器自动调零开关耦接在所述放大器的输入与所述放大器的输出之间；反馈电容器，所述反馈电容器耦接到所述放大器的输入；放大器输出开关，所述放大器输出开关耦接在所述放大器的所述输出与所述反馈电容器之间；比较器，所述比较器具有耦接到所述放大器输出开关的第一输入；以及比较器自动调零开关，所述比较器自动调零开关耦接在所述比较器的所述第一输入与所述比较器的输出之间。
另一方面，本申请提供了一种成像系统，所述成像系统包括：像素阵列，所述像素阵列包含多个像素单元；具有比较器的列放大器，具有比较器的所述列放大器耦接到所述像素阵列以从所述像素阵列读出图像电荷信息，其中具有比较器的所述列放大器包括：放大器，所述放大器被耦接以从所述像素阵列的所述像素单元之一接收表示图像电荷的输入信号；放大器自动调零开关，所述放大器自动调零开关耦接在所述放大器的输入与所述放大器的输出之间；反馈电容器，所述反馈电容器耦接到所述放大器的输入；放大器输出开关，所述放大器输出开关耦接在所述放大器的所述输出与所述反馈电容器之间；比较器，所述比较器具有耦接到所述放大器输出开关的第一输入；以及比较器自动调零开关，所述比较器自动调零开关耦接在所述比较器的所述第一输入与所述比较器的输出之间。
附图说明
参考以下附图描述了本发明的非限制性和非详尽的实施例，在附图中，除非另有说明，否则贯穿各个附图，相似的附图标记指代相似的部分。
图1展示了根据本发明的教导的成像系统的一个实例。
图2展示了用于在图像传感器中使用的具有比较器的列放大器的示例示意图。
图3展示了根据本发明的教导的用于在图像传感器中使用的具有比较器的列放大器的示例示意图。
图4展示了根据本发明的教导的示出了在自动调零序列期间在用于在图像传感器中使用的具有比较器的示例列放大器中发现的信号的实例的示例时序图。
图5展示了根据本发明的教导的用于在图像传感器中使用的具有比较器的列放大器的另一个示例示意图。
图6A展示了根据本发明的教导的具有电平移位器的列放大器的示例示意图。
图6B展示了根据本发明的教导的具有电平移位器的列放大器的另一个示例示意图。
图7展示了根据本发明的教导的用于在图像传感器中使用的具有比较器的列放大器的另一个示例示意图。
图8展示了根据本发明的教导的具有多个自动调零开关的、具有多个自动调零开关的列放大器的示例示意图。
图9展示了根据本发明的教导的用于在图像传感器中使用的具有比较器的列放大器的示例示意图。
图10展示了根据本发明的教导的示出了在自动调零序列期间在用于在图像传感器中使用的具有比较器、具有多个自动调零开关的示例列放大器中发现的信号的实例的示例时序图。
贯穿附图中的若干个视图，对应的附图标记指示对应的组件。技术人员将了解到，附图中的元件是为了简单和清楚起见而示出的，并且不一定按比例绘制。例如，附图中的元件中的一些元件的尺寸可能相对于其它元件而被放大，以有助于改善对本发明的多个实施例的理解。而且，通常不描绘在商业上可行的实施例中有用或必要的常见但众所周知的元件，以便于较少阻碍地查看本发明的这些各个实施例的视图。
具体实施方式
本文描述了针对具有比较器的列放大器的实例。在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对实例的彻底理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，本文所描述的技术可以在没有具体细节中的一或多个具体细节的情况下实践，或者可以使用其它方法、组件、材料等实践。在其它情况下，未详细示出或描述众所周知的结构、材料或操作以免模糊某些方面。
贯穿本说明书，对“一个实例”或“一个实施例”的引用意味着结合实例描述的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实例中。因此，贯穿本说明书在各个地方出现的短语“在一个实例中”或“在一个实施例中”不一定都是指同一个实例。此外，在一或多个实例中，可以以任何合适的方式组合特定特征、结构或特性。
贯穿本说明书，使用了本领域的若干个术语。这些术语将在其所来自的领域中呈现其普通含义，除非本文中具体定义或这些术语使用的上下文另外清楚地表明。应注意的是，贯穿本文档，元件名称和符号可以互换使用(例如，Si与硅)；然而，两者都具有相同的含义。
图1展示了根据本公开的实施例的成像系统100的一个实例。在一个实例中，成像系统100是互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)，并且包含像素阵列102、列放大器电路系统104和模数转换器(ADC)电路系统106。在一个实例中，ADC电路系统106包含耦接到列放大器104的比较器110。比较器110被耦接以从斜坡发生器114接收斜坡信号116。在实例中，比较器110的输出耦接到计数器112。在一个实例中，像素阵列102是光电二极管或图像传感器像素的二维(2D)阵列。在一个实例中，光电二极管被布置成多行和多列以获取人员、地点、对象等的图像数据，所述图像数据然后可以用于渲染人员、地点、对象等的2D图像。然而，光电二极管不必布置成行和列，并且可以采用其它配置。
在一个实例中，在像素阵列102中的每个图像传感器光电二极管/像素已经获取其图像数据或图像电荷之后，通过列位线108和列放大器电路系统104从像素阵列102读出来自像素的图像电荷信息。ADC电路系统106的比较器110被耦接以通过列放大器电路系统104从像素阵列102的像素接收电荷信息。在所描绘的实例中，ADC电路系统106是用于将来自列放大器104的图像电荷信号的幅度转换为数字图像数据的单斜率斜坡信号比较类型ADC。在斜坡类型ADC电路系统106中，当来自斜坡发生器114的斜坡信号116开始时计数器112开始计数，所述斜坡信号与来自列放大器104的图像电荷信号进行比较。在斜坡信号116和图像电荷信号相等时，将计数器112的值锁存为来自列放大器104的模拟图像电荷信号的数字表示。
在一个实例中，成像系统100可以包含在数字相机、蜂窝电话、膝上型计算机等中。另外，成像系统100可以耦接到硬件的其它部分，如处理器(通用或其它的)、存储器元件、输出(USB端口、无线发射器、HDMI端口等)、照明/闪光、电输入(键盘、触摸显示器、轨迹板、鼠标、麦克风等)和/或显示器。硬件的其它部分可以将指令递送到成像系统100，从成像系统100提取图像数据，或者操纵由成像系统100供应的图像数据。
图2展示了用于在图像传感器中使用的具有比较器210的列放大器204的示例示意图。如所描绘的实例所示，列放大器204包含放大器222，所述放大器被耦接以通过输入电容器Cinamp 220接收输入电压Vin 218。在实例中，将反馈电容器Cfb 224耦接在放大器222的浮动电压Vf输入与来自放大器222的输出的Vamp 228电压之间。在实例中，还将自动调零开关226耦接在放大器222的浮动电压Vf输入与来自放大器222的输出的Vamp 228电压之间。在操作中，列放大器204被耦接以响应于断开或接通自动调零开关226而被复位。
在所描绘的实例中，比较器210是ADC比较器，所述ADC比较器包含具有非反相输入(“+”)的内部比较器232，所述非反相输入被耦接以接收斜坡信号216。在实例中，内部比较器232的反相输入(“-”)被耦接以通过输入电容器Cin 229从放大器222的输出接收Vamp228电压。所描绘的实例还展示了耦接到内部比较器232的反相输入的等效寄生电容Cp230。如所示出的，等效寄生电容Cp 230共同包含Vf上的布线电容组件和内部比较器的等效输入电容组件，所述布线电容组件和所述等效输入电容组件耦接在内部比较器232的反相输入与接地之间。实际上，应理解，在Vf与除了接地以外的许多节点(如Vout、Vramp、电力线、比较器的内部节点等)之间存在许多电容组件，但是在所描绘的实例中，为简单起见，所有电容组件均耦接到接地。在实例中，还将自动调零开关234耦接在内部比较器232的反相输入处的浮动电压Vf与来自内部比较器232的Vout 236电压之间。在操作中，内部比较器232被耦接以响应于断开或接通自动调零开关234而被复位。
在实例中，应注意的是，输入电容器Cin 229的存在使得能够复位(自动调零)ADC比较器210。然而，实际上，输入电容器Cin 229占据很大的面积。进一步地，通过寄生电容Cp耦接到接地的浮动节点Vf使比较器210的输入参考噪声加重，因为从Vamp 228电压到位于内部比较器232的反相输入处的浮动电压Vf的增益被寄生电容Cp 230减小。例如，增益由以下等式给出：
其中Af是从来自放大器222的输出的Vamp 228电压到内部比较器232的反相输入处的浮动电压Vf的增益。如可以观察到的，比较器232的增益根据Cin与Cp之比而减小。如果输入电容器Cin 229的输入电容更大，则可以以面积和速度为代价而增加增益Af。实际上，应理解，在Vf与一些其它节点(如Vout或比较器的一些内部节点)之间可能存在一些寄生电容组件，但是Vf上的大多数寄生电容器会以与接地电容类似的方式减小增益。
图3展示了根据本发明的教导的用于在图像传感器中使用的具有比较器310的列放大器304的示例示意图。应理解，具有比较器310的列放大器304可以包含在图1的图像传感器100中。如所描绘的实例中所示出的，列放大器304包含放大器322，所述放大器被耦接以通过放大器输入电容器Cinamp 320接收输入电压Vin 318。在一个实例中，输入电压318是来自图像传感器(例如图1的图像传感器100)的像素单元的表示图像电荷的输入信号。在实例中，放大器自动调零开关326耦接在放大器322的浮动电压Vf输入与来自放大器322的输出的Vamp 328电压之间。在所描绘的实例中，将放大器输出开关338的一端(例如，输入端)耦接到来自放大器322的输出的Vamp 328电压，并且将反馈电容器Cfb 324耦接在放大器输出开关338的另一端(例如，输出端)与放大器322的浮动电压Vf输入之间。
在图3所示的实例中，比较器310是ADC比较器，所述ADC比较器包含具有非反相输入(“+”)的内部比较器332，所述非反相输入被耦接以接收斜坡信号316。在实例中，内部比较器332的反相输入(“-”)被耦接以从放大器输出开关338的输出端接收Vincmp 340电压。在实例中，反馈电容器Cfb 324耦接在内部比较器332的反相输入处的Vincmp 340电压与放大器322的浮动电压Vf输入之间。另外，放大器输出开关338耦接在来自放大器322的输出的Vamp 328电压与内部比较器332的反相输入处的Vincmp 340电压之间。因此，当放大器输出开关338接通或闭合时，放大器322的Vamp 328电压输出短接到比较器332的Vincmp 340电压输入。在实例中，比较器自动调零开关334还耦接在内部比较器332的反相输入处的Vincmp 340电压与来自内部比较器332的Vout 336电压之间。
在操作中，应理解，使用比较器310的Vout 336输出来复位列放大器304，这使得根据本发明的教导能够去除比较器310的输入电容。换句话说，与图2所描绘的输入电容器Cin229的存在使得能够复位(自动调零)ADC比较器210的实例(如上所述)相比，图3所示的实例不需要比较器310的输入电容。
为了说明，图4展示了根据本发明的教导示出了在自动调零序列期间在用于在图像传感器中使用的具有比较器的示例列放大器中发现的信号的实例的示例时序图442。具体地，图4的时序图442示出了如何复位列放大器和比较器。应注意的是，在图4的时序图442中所指的列放大器和比较器可以是图3的列放大器304和比较器310的实例，并且以下引用的类似命名和编号的元件是耦接的并且功能与以上所描述的类似。
如图4的示例时序图442所示出的，在时间T0处，SW-AZ-AMP 426信号和SW-AZ-CMP434信号接通SW-AZ-AMP 326开关和SW-AZ-CMP 334开关，并且SW-AMPO 438断开图3中的SW-AMPO开关。如此，放大器322的浮动电压Vf输入短接或短路到放大器322的Vamp 328输出，放大器322的反相输入处的Vincmp 340电压短接或短路到比较器332的Vout 336输出电压，并且在时间T0与时间T1之间，放大器322的Vamp 328输出与比较器332的反相输入处的Vincmp340电压解耦。以此方式，复位(自动调零)列放大器304和比较器310。
在时间T1处，SW-AZ-AMP 426信号断开SW-AZ-AMP开关326，这将放大器322的浮动电压Vf输入与放大器322的Vamp 328输出解耦。在时间T2处，SW-AZ-CMP 434信号断开SW-AZ-CMP 334开关，这将比较器332的Vincmp 340非反相输入与比较器332的Vout 336输出解耦。在时间T3处，在具有比较器的列放大器的自动调零或复位操作完成之后，SW-AMPO 438信号接通SW-AMPO 338开关，使得放大器322的Vamp 328输出通过SW-AMPO 338开关短接或短路到比较器332的Vincmp 340反相输入。
在时间T3处接通SW-AMPO 338开关之前，Vincmp 440电压大约等于Vout0，这是自动调零复位期间的Vout 336电压。此时，Vamp 428电压可能与Vout0相差很大。然而，在时间T3处接通SW-AMPO 338开关之后，根据列放大器304的放大器322的所述闭环增益，Vamp 428电压接近Vout0。复位序列后的Vamp 428电压由以下等式给出：
其中
在此，-A是列放大器304的放大器322的开环增益，β是由以上等式给出的反馈因子，并且Vamp0是在放大器复位期间的Vamp 428电压。自动调零后，Vincmp 440的目标电压为Vout0。因此，目标Verror可以表示为：
实际上，目标Verror在实际设计中可以足够小。例如，如果开环栅极A为80dB并且反馈因子β为-18dB，则Vamp 428复位电平的误差将小于Vout0-Vamp0的0.1％。在一个实例中，Vout0-Vamp0可以为大约300mV，并且误差可为大约0.3mV。通常，最低增益处的ADC范围大于100mV，并且因此，0.3mV的误差足够小。
图5展示了根据本发明的教导的用于在图像传感器中使用的具有比较器510的列放大器504的另一个示例示意图。例如，应理解，具有比较器510的列放大器504可以包含在图1的图像传感器100中。应理解，图5的列放大器504和比较器510可以是先前讨论的实例中的图3的列放大器304和比较器310的另一个实例，并且以下引用的类似命名和编号的元件是耦接的并且功能与以上所描述的类似。然而，图5示出了列放大器504和比较器510的示例晶体管电平的示意图。如所描绘的实例所示出的，列放大器504包含NMOS共源极放大器，所述NMOS共源极放大器包含输入装置544。在实例中，输入装置544是NMOS装置，并且在另一个实例中，应理解，输入装置544可以是PMOS装置。输入装置544被耦接以通过放大器输入电容器Cinamp 520接收输入电压Vin 518。在一个实例中，输入电压518是来自图像传感器(例如图1的图像传感器100)的像素单元的表示图像电荷的输入信号。输入装置544耦接到NMOS共源共栅装置546，所述NMOS共源共栅装置耦接到列放大器504的输出Vamp 528电压节点和列放大器电流源556。NMOS共源共栅装置546被耦接以利用偏置信号VBC 542偏置。如所描绘的实例所示出的，放大器自动调零开关526耦接在输入装置544的浮动电压Vf输入与列放大器504的输出Vamp 528电压节点之间。在所描绘的实例中，将放大器输出开关538的一端(例如，输入端)耦接到列放大器504的输出Vamp 528电压节点。将反馈电容器Cfb 524耦接在放大器输出开关538的另一端(例如，输出端)与输入装置544的浮动电压Vf输入之间。
在图5所示的实例中，比较器510包含比较器电流源558，所述比较器电流源耦接到第一比较器输入装置548和第二比较器输入装置550。在所描绘的实例中，第一比较器输入装置548和第二比较器输入装置550是PMOS输入晶体管。在另一个实例中，应理解，输入装置548和550可以是NMOS输入晶体管。输入装置548具有栅极端，所述栅极端被耦接以从放大器输出开关538的输出端接收输入Vincmp 540，并且输入装置550具有栅极端，所述栅极端被耦接以接收斜坡信号516。在实例中，当放大器输出开关538接通或闭合时，列放大器504的Vamp 528电压短接到第一比较器输入装置548的Vincmp 540电压输入。包含晶体管552和554的电流镜分别耦接到输入装置548和550。比较器510的Vout 536电压输出耦接到输入装置548与晶体管552之间的输出节点。在实例中，比较器自动调零开关534还耦接在输入装置548的输入处的Vincmp 540电压与位于输入装置548与晶体管552之间的输出节点处的Vout536电压之间，如所示出的。在操作中，在复位或自动调零操作期间，比较器自动调零开关534接通或闭合。
在图5所描绘的实例中，应注意的是，在复位期间，Vincmp 540电压变得大约等于斜坡信号516电压。由晶体管失配、比较器510的无限增益等引起的偏移可能会造成很小的差异。如此，在比较器复位操作期间，复位序列之后的Vamp 528电压和Vincmp 540电压可以由斜坡516电压控制。根据本发明的教导，可以选择在比较器复位期间的斜坡信号516电压以使所有装置在饱和区域中工作。
图6A展示了根据本发明的教导的具有电平移位器660A的列放大器604A的示例示意图。应理解，图6A的列放大器604A与图5所描绘的列放大器504具有类似之处。因此，为简洁起见，图6A的列放大器604A的类似细节将不再详细描述。另外，应理解，列比较器604A可以包含在模数转换器(ADC)，例如图1的ADC 106中或与其一起利用。如所描绘的实例所示出的，列放大器604A包含电平移位器660A，所述电平移位器耦接在列放大器604A的Vamp 628电压节点与放大器自动调零开关626之间，所述放大器自动调零开关还耦接到输入装置644的浮动电压Vf输入。在实例中，电平移位器660A包含用作电平移位器的源极跟随器662。在实例中，源极跟随器662耦接到如所示出的电平移位器电流源664A。在实例中，源极跟随器662的栅极输入耦接到列放大器604A的Vamp 628电压节点，并且电平移位器660的源极跟随器662的输出耦接到放大器自动调零开关626。
图6B展示了根据本发明的教导的具有电平移位器的列放大器的另一个示例示意图。应理解，图6B的列放大器604B与图5所描绘的列放大器504和/或图6A的列放大器604A具有类似之处。因此，为简洁起见，图6B的列放大器604B的类似细节将不再详细描述。另外，应理解，列比较器604B还可以包含在模数转换器(ADC)，例如图1的ADC 106中或与其一起使用。如所描绘的实例所示出的，列放大器604B包含电平移位器660B，所述电平移位器耦接在列放大器604B的Vamp 628电压节点与放大器自动调零开关626之间，所述放大器自动调零开关还耦接到输入装置644的浮动电压Vf输入。在实例中，电平移位器660B包含用作电平移位器的源极跟随器662。在实例中，源极跟随器662耦接到如所示出的电平移位器电流源664B。在实例中，源极跟随器662的栅极输入耦接到列放大器604A的Vamp 628电压节点，并且电平移位器660的源极跟随器662的输出耦接到放大器自动调零开关626。如所示出的，电平移位器660B中的电平移位器电流源664B示出为被实施为耦接到源极跟随器输入装置662的NMOS电流源。换句话说，图6A所示出的电平移位器电流源664A被图6B中的NMOS装置664B代替。NMOS装置664B的栅极和漏极耦接到源极跟随器662的输出。
关于图6A-6B所展示的实例，在自动调零期间，当放大器输出开关636接通或闭合时，电平移位器电流源664A/664B和输入装置644作为电流镜操作。另外，确定浮动电压Vf输入和Vamp 628电压节点，以使输入装置644的漏极电流与来自电流源656的偏置电流Id相匹配。如此，源极跟随器的偏置电流Id可以由输入装置644和电平移位器660B中的NMOS电平移位器电流源664B的W/L比来确定。例如，如果电平移位器电流源NMOS 664B的W/L是输入装置644的W/L的1/m，则输入装置644的偏置电流Id变为Id/m。
图7展示了根据本发明的教导的用于在图像传感器中使用的具有比较器710的列放大器704的另一个示例示意图。例如，应理解，具有比较器710的列放大器704可以包含在图1的图像传感器100中。另外，应理解，图7的列放大器704和比较器710可以是图5的列放大器504和比较器510和/或先前讨论的图3的列放大器304和比较器310的另一个实例，并且以下引用的类似命名和编号的元件是耦接的并且功能与以上所描述的类似。
如所描绘的实例所示出的，列放大器704包含NMOS共源极放大器，所述NMOS共源极放大器包含输入装置744。在实例中，输入装置744是NMOS装置，并且在另一个实例中，应理解，输入装置744可以是PMOS装置。输入装置744被耦接以通过放大器输入电容器Cinamp720接收输入电压Vin 718。在一个实例中，输入电压718是来自图像传感器(例如图1的图像传感器100)的像素单元的表示图像电荷的输入信号。输入装置744耦接到NMOS共源共栅装置746，所述NMOS共源共栅装置耦接到列放大器704的输出Vamp 728电压节点和列放大器电流源756。NMOS共源共栅装置746被耦接以利用偏置信号VBC 742偏置。如所描绘的实例所示出的，放大器自动调零开关726耦接在输入装置744的浮动电压Vf输入与列放大器704的输出Vamp 728电压节点之间。在所描绘的实例中，将放大器输出开关738的一端(例如，输入端)耦接到列放大器704的输出Vamp 728电压节点。反馈电容器Cfb 724耦接在放大器输出开关738的另一端(例如，输出端)与输入装置744的浮动电压Vf输入之间。
在图7所示的实例中，比较器710包含电流源758，所述电流源耦接到第一输入装置748和第二输入装置750。在所描绘的实例中，第一比较器输入装置748和第二比较器输入装置750是PMOS晶体管。在另一个实例中，应理解，输入装置748和750可以是NMOS装置。输入装置748被耦接以从放大器输出开关738的输出端接收输入Vincmp 740，并且输入装置750被AC耦接以通过电容器768接收斜坡信号716。在实例中，当放大器输出开关738接通或闭合时，列放大器704的Vamp 728电压短接到第一输入装置748的Vincmp 740电压输入。包含晶体管752和754的NMOS电流镜分别耦接到输入装置748和750。比较器710的Vout 736电压输出耦接到输入装置748与晶体管752之间的输出节点。在所描绘的实例中，比较器自动调零开关1，766耦接在输入装置750的输入端或栅极与位于输入装置750与包含如所示出的晶体管752和754的NMOS电流镜的晶体管754之间的节点之间。在实例中，比较器自动调零开关2，734还耦接在输入装置748的输入处的Vincmp 740电压与位于输入装置748与晶体管752之间的输出节点处的Vout 736电压之间，如所示出的。在操作中，在复位或自动调零操作期间，比较器自动调零开关766和734由“SW-AZ-CMP”控制并且被接通或闭合。
如上文所概述的，应理解，第二输入装置750被AC耦接以通过电容器768接收斜坡信号716。以此方式，比较器710可以不依赖于斜坡信号716电压而被复位。在此配置中，在复位序列之后，Vamp 728电压和Vincmp 740可以在比较器710复位期间由NMOS电流镜的晶体管752和754的栅极源极电压Vg确定。如此，在一个实例中，选择晶体管尺寸以使列放大器704中的装置在饱和区域中操作。在另一个实例中，可以在复位序列期间和在此之后改变NMOS电流镜的晶体管752和754的栅极源极电压Vg以改变W/L比。
图8展示了根据本发明的教导的具有多个自动调零开关的列放大器804的示例示意图。应理解，列放大器804可以是先前列放大器实例的另一个实例，并且以下引用的类似命名和编号的元件是耦接的并且功能与以上所描述的类似。例如，如图8所描绘的实例所示出的，列放大器804包含共源极放大器822，所述共源极放大器包含耦接到NMOS共源共栅装置846的输入装置844，所述NMOS共源共栅装置耦接到如所示出的电流源856。输入装置844被耦接以通过放大器输入电容器Cinamp 820接收输入电压Vin 818。在一个实例中，输入电压818是来自图像传感器(例如图1的图像传感器100)的像素单元的表示图像电荷的输入信号。
在实例中，第一放大器自动调零开关826耦接在输入装置844的浮动电压Vf输入与位于输入装置844与NMOS共源共栅装置846之间的节点之间。如此，第一放大器自动调零开关826通过NMOS共源共栅装置846耦接在输入装置844的浮动电压Vf输入与列放大器804的输出Vamp 828电压节点之间。将放大器输出开关838的一端(例如，输入端)耦接到列放大器804的Vamp 828电压节点。将反馈电容器Cfb 824耦接在放大器输出开关838的另一端(例如，输出端)与输入装置844的浮动电压Vf输入之间。另外，将第二放大器自动调零开关827耦接在Vamp 828电压节点与NMOS共源共栅装置846的栅极端之间。将采样和固持电容器Csh870耦接在NMOS共源共栅装置840的栅极端与接地之间。
图9展示了根据本发明的教导的用于在图像传感器中使用的具有比较器910的列放大器904的另一个示例示意图。应理解，具有比较器910的列放大器904可以包含在图1的图像传感器100中。应进一步理解，图9的列放大器904与先前所讨论的列放大器实例，如图8所描绘的列放大器804具有类似之处，并且图9的比较器910与先前所讨论的比较器，如图5所描绘的比较器510具有类似之处。
例如，如图9所描绘的实例所示出的，列放大器904包含共源极放大器，所述共源极放大器包含耦接到NMOS共源共栅装置946的输入装置944，所述NMOS共源共栅装置耦接到如所示出的列放大器904的Vamp 928电压节点和电流源956。输入装置944被耦接以通过放大器输入电容器Cinamp 920接收输入电压Vin 918。将第一放大器自动调零开关926耦接在输入装置944的浮动电压Vf输入与位于输入装置944与NMOS共源共栅装置946之间的节点之间。如此，第一放大器自动调零开关926通过NMOS共源共栅装置946耦接在输入装置944的浮动电压Vf输入与列放大器904的输出Vamp 928电压节点之间。将放大器输出开关938的一端(例如，输入端)耦接到列放大器904的Vamp 928电压节点。将反馈电容器Cfb 924耦接在放大器输出开关938的另一端(例如，输出端)与输入装置944的浮动电压Vf输入之间。另外，将第二放大器自动调零开关927耦接在Vamp 928电压节点与NMOS共源共栅装置946的栅极端之间。将采样和固持电容器Csh 970耦接在NMOS共源共栅装置940的栅极端与接地之间。
继续图9所示出的实例，比较器910包含比较器电流源958，所述比较器电流源耦接到第一比较器输入装置948和第二比较器输入装置950。在所描绘的实例中，第一比较器输入装置948和第二比较器输入装置950是PMOS输入晶体管。在另一个实例中，应理解，输入装置948和950可以是NMOS输入晶体管。输入装置948具有栅极端，所述栅极端被耦接以从放大器输出开关938的输出端接收输入Vincmp 940，并且输入装置950具有栅极端，所述栅极端被耦接以接收斜坡信号916。在实例中，当放大器输出开关938接通或闭合时，列放大器904的Vamp 928电压短接到第一比较器输入装置948的Vincmp 940电压输入。包含晶体管952和954的电流镜分别耦接到输入装置948和950。比较器910的Vout 936电压输出耦接到输入装置948与晶体管952之间的输出节点。在实例中，比较器自动调零开关934还耦接在输入装置948的输入处的Vincmp 940电压与位于输入装置948与晶体管952之间的输出节点处的Vout936电压之间，如所示出的。在操作中，在复位或自动调零操作期间，比较器自动调零开关934接通或闭合。
图10展示了根据本发明的教导示出了在复位序列期间具有比较器、具有多个自动调零开关的示例列放大器中发现的信号的实例的示例时序图1072。应注意的是，在图10的时序图1072中所指的列放大器和比较器信号可以来自图9的列放大器904和比较器910的实例，并且以下引用的类似命名和编号的元件是耦接的并且功能与以上所描述的类似。
如图10的示例时序图1072所示出的，在时间T0处，SW-AZ-AMP1 1026信号、SW-AZ-AMP2 1027信号和SW-AZ-CMP 1034信号接通第一自动调零开关926、第二自动调零开关927和比较器自动调零开关934，并且SW-AMPO 1038信号断开图9中的放大器输出开关938。如此，输入装置944的浮动电压Vf输入短接或短路到输入装置944与NMOS共源共栅装置946之间的节点，并且Vamp 928电压节点短接或短路到NMOS共源共栅装置946的栅极以及采样和固持电容Csh 970。另外，将第一比较器输入装置948处的Vincmp 940电压短接或短路到比较器910的Vout 936输出电压，并且在时间T0与时间T1之间，Vamp 928电压节点与第一比较器输入装置948处的Vincmp 940电压解耦。以此方式，复位(自动调零)列放大器904和比较器910。
在时间T1处，SW-AZ-AMP1 1026信号断开第一自动调零开关926，所述第一自动调零开关将输入装置944的浮动电压Vf输入与位于输入装置944与NMOS共源共栅装置946之间的节点解耦。图10所示出的实例还示出SW-AZ-AMP2 1027信号在时间T1*或时间T1**处断开第二自动调零开关927，这将Vamp 928电压节点与NMOS共源共栅装置946的栅极以及采样和固持电容器Csh 970解耦。应注意的是，断开SW-AZ-AMP2 1027信号的时间T1*和T1**定时与断开SW-AZ-AMP1 1026信号的时间T1定时几乎相同，但是因为偏斜而略有不同。在另一个实例中，应理解，可以使用单个信号SW-AZ-AMP来控制自动调零开关SW-AZ-AMP1 1026和SW-AZ-AMP2 1027两者。
在时间T2处，SW-AZ-CMP 1034信号断开比较器自动调零开关934，这将第一比较器输入装置948的Vincmp 1040输入与比较器910的Vout 1036输出解耦。在时间T3处，在具有比较器的列放大器的自动调零或复位操作完成后，SW-AMPO 1038信号接通放大器输出开关938，使得列放大器904的Vamp 928输出通过放大器输出开关938短接或短路到第一比较器输入装置948的Vincmp 940。
在时间T3处接通放大器输出开关938之前，Vincmp 1040电压大约等于Vout0，这是自动调零复位期间的Vout 936电压。此时，Vamp 1028电压可能与Vout0相差很大。然而，在时间T3处接通放大器输出开关938之后，根据列放大器904的所述闭环增益，Vamp 1028电压接近Vout0。
本发明的所展示实例的以上描述(包含摘要中所描述)并不旨在是详尽的或将本发明限于所公开的精确形式。虽然本文出于说明性目的描述了本发明的具体实例，但是如本领域的技术人员将认识到的，在本发明的范围内各种等效修改是可能的。
鉴于以上详细描述，可以对本发明做出这些修改。在以下权利要求中使用的术语不应被解释为将本发明限于说明书所公开的具体实例。相反，本发明的范围将完全由以下权利要求确定，这些权利要求将根据所确立的权利要求解释原则进行解释。

Claims (37)

1.一种用于在图像传感器中使用的具有比较器的列放大器，所述列放大器包括：
放大器，所述放大器被耦接以从所述图像传感器的像素单元接收表示图像电荷的输入信号；
放大器自动调零开关，所述放大器自动调零开关耦接在所述放大器的输入与所述放大器的输出之间；
反馈电容器，所述反馈电容器耦接到所述放大器的输入；
放大器输出开关，所述放大器输出开关耦接在所述放大器的所述输出与所述反馈电容器之间；
比较器，所述比较器具有耦接到所述放大器输出开关的第一输入，其中所述放大器输出开关经配置以使得当所述放大器输出开关接通时，所述放大器的所述输出短接到所述比较器的所述第一输入；以及
比较器自动调零开关，所述比较器自动调零开关耦接在所述比较器的所述第一输入与所述比较器的输出之间，
其中所述列放大器经配置以使用所述比较器的所述输出处的电压来复位。
2.根据权利要求1所述的具有比较器的列放大器，其中所述放大器被耦接以通过放大器输入电容器接收所述输入信号。
3.根据权利要求1所述的具有比较器的列放大器，
其中在具有所述比较器的所述列放大器的自动调零操作期间，所述放大器自动调零开关和所述比较器自动调零开关被配置成接通并且所述放大器输出开关被配置成断开，并且
其中在具有所述比较器的所述列放大器的所述自动调零操作完成之后，所述放大器自动调零开关和所述比较器自动调零开关被配置成断开并且所述放大器输出开关被配置成接通。
4.根据权利要求3所述的具有比较器的列放大器，其中当所述放大器输出开关接通时，所述比较器的所述第一输入短接到所述放大器的所述输出。
5.根据权利要求1所述的具有比较器的列放大器，其中所述放大器是包含输入装置的共源极放大器。
6.根据权利要求5所述的具有比较器的列放大器，其中所述共源极放大器进一步包括耦接到所述输入装置的共源共栅装置，其中所述共源共栅装置耦接在所述比较器的所述输出与所述输入装置之间。
7.根据权利要求6所述的具有比较器的列放大器，其中所述共源极放大器进一步包括耦接到所述共源共栅装置的列放大器电流源。
8.根据权利要求6所述的具有比较器的列放大器，其中所述放大器自动调零开关是第一放大器自动调零开关；其中所述第一放大器自动调零开关通过所述共源共栅装置耦接在所述共源极放大器的输入与所述共源极放大器的输出之间。
9.根据权利要求8所述的具有比较器的列放大器，所述列放大器进一步包括第二放大器自动调零开关，所述第二放大器自动调零开关耦接在所述共源共栅装置的栅极端子与所述共源极放大器的所述输出之间。
10.根据权利要求9所述的具有比较器的列放大器，
其中在具有所述比较器的所述列放大器的自动调零操作期间，所述第一放大器自动调零开关、所述第二放大器自动调零开关和所述比较器自动调零开关被配置成接通并且所述放大器输出开关被配置成断开，并且
其中在具有所述比较器的所述列放大器的所述自动调零操作完成之后，所述第一放大器自动调零开关、所述第二放大器自动调零开关和所述比较器自动调零开关被配置成断开并且所述放大器输出开关被配置成接通。
11.根据权利要求1所述的具有比较器的列放大器，其中所述比较器具有第二输入，所述第二输入被耦接以接收斜坡信号。
12.根据权利要求11所述的具有比较器的列放大器，其中所述比较器包括：
第一输入晶体管，其中所述第一输入晶体管的栅极是所述比较器的所述第一输入；
第二输入晶体管，其中所述第二输入晶体管的栅极是所述比较器的所述第二输入；以及
电流镜，所述电流镜耦接到所述第一输入晶体管和所述第二输入晶体管，其中所述比较器的所述输出耦接到所述第一输入晶体管与所述电流镜之间的输出节点。
13.根据权利要求12所述的具有比较器的列放大器，其中所述比较器进一步包括比较器电流源，所述比较器电流源耦接到所述第一输入晶体管和所述第二输入晶体管，其中所述第一输入晶体管和所述第二输入晶体管耦接在所述比较器电流源与所述电流镜之间。
14.根据权利要求7所述的具有比较器的列放大器，所述列放大器进一步包括电平移位器，所述电平移位器耦接在所述放大器的所述输出与所述放大器自动调零开关之间。
15.根据权利要求14所述的具有比较器的列放大器，其中所述电平移位器包括：
源极跟随器，所述源极跟随器具有耦接到所述放大器的所述输出的栅极；以及
电平移位器电流源，所述电平移位器电流源耦接到所述源极跟随器。
16.根据权利要求15所述的具有比较器的列放大器，其中所述电平移位器电流源包括NMOS电流源。
17.根据权利要求11所述的具有比较器的列放大器，其中所述比较器的所述第二输入被AC耦接以通过电容器接收所述斜坡信号。
18.根据权利要求13所述的具有比较器的列放大器，其中所述比较器进一步包括开关，所述开关耦接在所述第二输入晶体管的所述栅极与位于所述第二输入晶体管与所述电流镜之间的节点之间。
19.一种成像系统，其包括：
像素阵列，所述像素阵列包含多个像素单元；
具有比较器的列放大器，具有比较器的所述列放大器耦接到所述像素阵列以从所述像素阵列读出图像电荷信息，其中具有比较器的所述列放大器包括：
放大器，所述放大器被耦接以从所述像素阵列的所述像素单元之一接收表示图像电荷的输入信号；
放大器自动调零开关，所述放大器自动调零开关耦接在所述放大器的输入与所述放大器的输出之间；
反馈电容器，所述反馈电容器耦接到所述放大器的输入；
放大器输出开关，所述放大器输出开关耦接在所述放大器的所述输出与所述反馈电容器之间；
比较器，所述比较器具有耦接到所述放大器输出开关的第一输入，其中所述放大器输出开关经配置以使得当所述放大器输出开关接通时，所述放大器的所述输出短接到所述比较器的所述第一输入；以及
比较器自动调零开关，所述比较器自动调零开关耦接在所述比较器的所述第一输入与所述比较器的输出之间，
其中所述列放大器经配置以使用所述比较器的所述输出处的电压来复位。
20.根据权利要求19所述的成像系统，其进一步包括计数器，所述计数器耦接到所述比较器的输出。
21.根据权利要求19所述的成像系统，其进一步包括斜坡发生器，所述斜坡发生器被耦接以生成斜坡信号，所述斜坡信号被耦接以由所述比较器的第二输入接收。
22.根据权利要求19所述的成像系统，其中所述放大器被耦接以通过放大器输入电容器接收所述输入信号。
23.根据权利要求19所述的成像系统，
其中在具有所述比较器的所述列放大器的自动调零操作期间，所述放大器自动调零开关和所述比较器自动调零开关被配置成接通并且所述放大器输出开关被配置成断开，并且
其中在具有所述比较器的所述列放大器的所述自动调零操作完成之后，所述放大器自动调零开关和所述比较器自动调零开关被配置成断开并且所述放大器输出开关被配置成接通。
24.根据权利要求23所述的成像系统，其中当所述放大器输出开关接通时，所述比较器的所述第一输入短接到所述放大器的所述输出。
25.根据权利要求19所述的成像系统，其中所述放大器是包含输入装置的共源极放大器。
26.根据权利要求25所述的成像系统，其中所述共源极放大器进一步包括耦接到所述输入装置的共源共栅装置，其中所述共源共栅装置耦接在所述比较器的所述输出与所述输入装置之间。
27.根据权利要求26所述的成像系统，其中所述共源极放大器进一步包括耦接到所述共源共栅装置的列放大器电流源。
28.根据权利要求26所述的成像系统，其中所述放大器自动调零开关是第一放大器自动调零开关；其中所述第一放大器自动调零开关通过所述共源共栅装置耦接在所述共源极放大器的输入与所述共源极放大器的输出之间。
29.根据权利要求28所述的成像系统，其中具有比较器的所述列放大器进一步包括第二放大器自动调零开关，所述第二放大器自动调零开关耦接在所述共源共栅装置的栅极端子与所述共源极放大器的所述输出之间。
30.根据权利要求29所述的成像系统，
其中在具有所述比较器的所述列放大器的自动调零操作期间，所述第一放大器自动调零开关、所述第二放大器自动调零开关和所述比较器自动调零开关被配置成接通并且所述放大器输出开关被配置成断开，并且
其中在具有所述比较器的所述列放大器的所述自动调零操作完成之后，所述第一放大器自动调零开关、所述第二放大器自动调零开关和所述比较器自动调零开关被配置成断开并且所述放大器输出开关被配置成接通。
31.根据权利要求21所述的成像系统，其中所述比较器包括：
第一输入晶体管，其中所述第一输入晶体管的栅极是所述比较器的所述第一输入；
第二输入晶体管，其中所述第二输入晶体管的栅极是所述比较器的所述第二输入；以及
电流镜，所述电流镜耦接到所述第一输入晶体管和所述第二输入晶体管，其中所述比较器的所述输出耦接到所述第一输入晶体管与所述电流镜之间的输出节点。
32.根据权利要求31所述的成像系统，其中所述比较器进一步包括比较器电流源，所述比较器电流源耦接到所述第一输入晶体管和所述第二输入晶体管，其中所述第一输入晶体管和所述第二输入晶体管耦接在所述比较器电流源与所述电流镜之间。
33.根据权利要求27所述的成像系统，其中所述列放大器进一步包括电平移位器，所述电平移位器耦接在所述放大器的所述输出与所述放大器自动调零开关之间。
34.根据权利要求33所述的成像系统，其中所述电平移位器包括：
源极跟随器，所述源极跟随器具有耦接到所述放大器的所述输出的栅极；以及
电平移位器电流源，所述电平移位器电流源耦接到所述源极跟随器。
35.根据权利要求34所述的成像系统，其中所述电平移位器电流源包括NMOS电流源。
36.根据权利要求21所述的成像系统，其中所述比较器的所述第二输入被AC耦接以通过电容器接收所述斜坡信号。
37.根据权利要求32所述的成像系统，其中所述比较器进一步包括开关，所述开关耦接在所述第二输入晶体管的所述栅极与位于所述第二输入晶体管与所述电流镜之间的节点之间。
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