CN114204921A - 一种适用于图像传感器的带宽限制比较器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种图像传感器用比较器结构，包括P沟道型晶体管MP0、MP1、MP2、MP3、MP4，N沟道型晶体管MN0、MN1、MN2、MN3、MN4，电容C0、C1、C2、C3、C4。该比较器采用双电容结构，实现了对比较器带宽的限制，同时还解决了比较器翻转延迟的问题。

Description

一种适用于图像传感器的带宽限制比较器

技术领域

本发明涉及图像传感器技术领域，具体涉及一种适用于图像传感器的带宽限制比较器。

背景技术

比较器作为图像传感器中必不可少的电子元件，通过比较两个输入端的电流或电压的大小，在输出端输出不同电压结果。然而，噪声（不期望出现的起伏不定的电压或电流）可能会通过输入引线叠加到输入电压上，由此导致比较器的输出状态无规律地来回切换变化，使得电路无法从噪声中区分出电平足够低的有效信号，最终限制了电路的灵敏度。这种噪声干扰在图像传感器中尤为显著。

常规的解决办法是采用带宽限制电容对比较器的带宽进行限制，从而滤除高于比较器带宽的噪声。但为了取得较好的噪声限制效果，带宽限制电容不可能做得太小，而较大的带宽限制电容又增加了比较器的翻转延迟，这就不符合当下高帧率高分辨率的主流产品设计需求。因此解决比较器带宽限制与翻转速度之间的矛盾，是实践中亟需研究的一个重要课题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是在对比较器进行带宽限制的同时，不影响比较器的翻转速度。本发明目的在于提供一种图像传感器用比较器，能够实现比较器较好的噪声限制和翻转速度。

本发明通过下述技术方案实现：

本发明提供一种带宽限制比较器结构，包括P沟道型晶体管MP0、MP1、MP2、MP3、MP4，N沟道型晶体管MN0、MN1、MN2、MN3、MN4，电容C0、C1、C2、C3、C4。

所述MP0的源极接电源，MP0的栅极接MP1的栅极，MP0和MP1的栅极的公共端接MP0的漏极；所述MP1的源极接电源，MP1的漏极接电容C1；电容C1的另一端接MP2的漏极，MP2的源极接电源，MP2的栅极接电容C0，同时MP2的栅极还接电容C1，电容C0的另一端接电源；

自动校零信号AZ同时接入MP3的栅极和MP4的栅极，MP3的源极接接电容C2，MP3的漏极接MN0的漏极，同时MP3的漏极与MN0漏极的公共端接MP0的漏极；MN0的源极接MN1的源极与MN2漏极的公共端，电容C2的另一端接入斜坡信号RAMP；MN2的栅极接入电压偏置信号；MN2的源极接地；

MP4的源极接MP1的漏极与MN1漏极的公共端，MP4的漏极接电容C3与MN1栅极的公共端，电容C3的另一端接入像素信号VPIX，MN1的源极接MN0的源极与MN2漏极的公共端；

自动校零信号AZ接入MN4的栅极，MN4的源极接电容C4，电容C4的另一端接地，MN4的源极同时接MN3的栅极，MN4的漏极接MN3的漏极与MP2漏极的公共端，MN3的源极接地。

其中，MP0、MP1、MN0、MN1构成第一级放大器，MN0与MN1为比较器的差分输入对管，MP0和MP1为第一级放大器的负载管，MP3和MP4为比较器第一级的自动校零开关管；MP2和MN3构成第二级放大器，MN4为第二级放大器的采样开关管，C5为第二级放大器的采样电容；MN2为电流源管，C2和C3为输入耦合电容。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、该比较器既能够实现带宽限制，又能够缩短比较器翻转延迟，保证比较器翻转速度。本发明的图像传感器用比较器采用双电容结构，通过利用跨接电容C1在比较器翻转瞬间附近产生较大的对地电容这一特性，实现了对电源电容C0、跨接电容C1的容值均较小，不影响比较器翻转速度，同时能够进行带宽限制过滤噪声。

2、较好的电源抑制性能。电源变动会通过对电源电容C0传递到MP2的栅级，因此，MP2的Vgs相对恒定，从而保证了该比较器具有较好的电源抑制性能。

3、节约芯片面积。电容容值与芯片面积成正比，本发明虽然采用两个电容，但容值均较小，因此对芯片的占用面积较小。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例1图像传感器用比较器结构图；

图2为本发明实施例1图像传感器用比较器的操作时序；

图3为本发明实施例1跨接电容被放大的原理示意图；

图4为本发明实施例1图像传感器用比较器的功能动作流程图；

图5为比较例1本发明双电容结构与对电源电容结构在比较器翻转速度方面的比较示意图；

图6为比较例1本发明双电容结构与对电源电容结构的容值变化示意图；

图7为本发明双电容结构的比较器与对电源电容结构的比较器在性能方面的对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

实施例1提供一种能够实现带宽限制的图像传感器用比较器。如图1所示，本发明的图像传感器用比较器结构，包括P沟道型晶体管MP0、MP1、MP2、MP3、MP4，N沟道型晶体管MN0、MN1、MN2、MN3、MN4，电容C0、C1、C2、C3、C4。

所述MP0的源极接电源，MP0的栅极接MP1的栅极，MP0和MP1的栅极的公共端接MP0的漏极；所述MP1的源极接电源，MP1的漏极接电容C1；电容C1的另一端接MP2的漏极，MP2的源极接电源，MP2的栅极接电容C0，同时MP2的栅极还接电容C1，电容C0的另一端接电源；

自动校零信号AZ同时接入MP3的栅极和MP4的栅极，MP3的源极接接电容C2，MP3的漏极接MN0的漏极，同时MP3的漏极与MN0漏极的公共端接MP0的漏极；MN0的源极接MN1的源极与MN2漏极的公共端，电容C2的另一端接入斜坡信号RAMP；MN2的栅极接入电压偏置信号；MN2的源极接地；

MP4的源极接MP1的漏极与MN1漏极的公共端，MP4的漏极接电容C3与MN1栅极的公共端，电容C3的另一端接入像素信号VPIX，MN1的源极接MN0的源极与MN2漏极的公共端；

自动校零信号AZ接入MN4的栅极，MN4的源极接电容C4，电容C4的另一端接地，MN4的源极同时接MN3的栅极，MN4的漏极接MN3的漏极与MP2漏极的公共端，MN3的源极接地。

其中，MP0、MP1、MN0、MN1构成第一级放大器，MN0与MN1为比较器的差分输入对管，MP0和MP1为第一级放大器的负载管，MP3和MP4为比较器第一级的自动校零开关管；MP2和MN3构成第二级放大器，MN4为第二级放大器的采样开关管，C5为第二级放大器的采样电容；MN2为电流源管，C2和C3为输入耦合电容。

本发明的控制信号如下：

Vbias_1st：电压偏置信号；

RAMP：斜坡信号，由数模转换器（DAC）生成；

VPIX：像素信号，即待测信号;

AZ：自动校零控制信号，低电平有效;

cmout _1st：第一级放大器输出;

cmout_2nd：第二级放大器输出;

IN_N：RAMP信号经过耦合电容之后的内部节点;

IN_P：VPIX信号经过耦合电容之后的内部节点;

发明人经过研究发现，采用本发明双电容结构的比较器，跨接电容C1被第二级放大器放大了增益倍，由此实现比较器带宽限制，而C0和C1的电容值可以很小，不影响比较器翻转速度。图2示出本发明比较器的操作时序，如图所示，当第一级放大器输出cmout_1st在积分区间下降，此时晶体管MP2由关断状态切换为导通状态，在此积分区间，二级放大器增益A达到其峰值。

图3示出本发明跨接电容被放大的原理，如图所示，比较器第二级放大器可以等效为一个增益为-A倍的放大器。跨接电容C1由于接在放大器的输入和输出之间，假设在输入端(in)有一个向上的振幅为V的信号，由放大器基本工作原理其在输出端(out)会产生一个振幅为-A*V的信号(负号表示方向与输入信号相反)。则在电容两个极板间产生的电压差为(1+A)*V。因此，若跨接电容C1在输入端的电荷量为Q，此时Q=(1+A)*C1*V；若在输入点(in)的等效电容为C_equivalent，则C_equivalent=(1+A)*C1；一般地，二级放大器增益设计值远大于1倍，C_equivalent≈A*C1。

图4示出本发明比较器的工作时序，该比较器的工作流程为：

S1、斜坡信号Ramp和像素信号Pixel Signal同时输入比较器，比较器对两种信号进行校零，使得行周期开始的一段时间内两种信号的电位一致；

S2、计数器设定为两次计数过程，分别为Reset阶段、Signal阶段，当Ramp信号开始产生斜坡时，计数器开始计数，当斜坡信号与像素信号相交时，比较器发生翻转，计数器停止计数；

其中，Reset阶段向下计数，即从0向负数的计数过程，Signal阶段向上计数，即从负数到0或负数到正数的计数过程；

S3、最终输出结果为Signal阶段的计数值减去Reset阶段的计数值。

根据比较器的原理，Reset阶段主要时读出电路系统的噪声信号，而Signal阶段由于既包含了有效信号，也包含了噪声信号，所以当两者相减时，噪声分量被一定程度降低，提高了信噪比。

本发明通过采用双电容的方式（C0、C1电容）实现了对比较器带宽的限制，同时还解决了比较器翻转延迟的问题。本发明电容C0为对电源电容，该电容主要负责改善比较器得电源抑制性能，因此不必采用较大的电容值；C1为跨接电容，该电容主要负责限制比较器的带宽，且C0和C1可设计得较小。

比较例1

与只采用对电源电容的技术方案相比，本发明比较器翻转速度提到提高，实现了在带宽限制前提下，解决比较器翻转时间延迟较长的问题。

如图5所示，与只采用对电源电容的方案相比，本发明采用双电容结构，比较器翻转速度快，翻转延迟时间缩短。

如图6所示，对只采用对电源电容的方案而言，其容值是固定的，当需要对比较器进行带宽限制时，只能提高对电源电容的容值，该电容值一般为几十至几百fF量级，而较大的容值必然导致比较器翻转延迟。与之相比，本发明采用双电容的结构，包括对电源电容和跨接电容，其中，跨接电容的优势在于，其电容值仅在比较器翻转瞬间附近时（比较器小信号近似成立的积分区间）产生较大的对地电容，此时的电容值为增益A与电容C1的乘积，其余时间比较器处于大信号的工作状态，跨接电容均表现为较小的电容值，可见，本发明跨接电容相当于动态电容。本发明的最大电容值的计算公式：

；

其中，C0为对电源电容，主要用于改善电源抑制性能，电容值可以很小（仅几个fF量级），理由是：电源变动会通过对电源电容C0传递到MP2的栅级，因此，MP2的Vgs相对恒定，从而保证了该比较器具有较好的电源抑制性能；

C1为跨接电容，其容值被增益A放大，而增益A仅在比较器翻转瞬间（积分区间）达到最大值，积分区间外体现为极小的容值，这一特性既满足了带宽限制的需求，同时也缩短了比较器翻转延迟时间，提高了比较器翻转速度。

图7示出只采用对电源电容的比较器与本发明采用双电容的比较器在性能方面的比较，可以看出，本发明采用双电容的比较器，在带宽限制、翻转速度、电源抑制方面均表现出较好的性能效果，另外，由于本发明所采用的双电容的容值均较小，因此所占用的芯片面积也相对较小。

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

需要说明的是，如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语（诸如在一般使用的词典中限定的术语）将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

以上所述实施例的各个技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种带宽限制比较器，其特征在于，该比较器包括P沟道型晶体管MP0、MP1、MP2、MP3、MP4，N沟道型晶体管MN0、MN1、MN2、MN3、MN4，电容C0、C1、C2、C3、C4；

所述MP0的源极接电源，MP0的栅极接MP1的栅极，MP0和MP1的栅极的公共端接MP0的漏极；所述MP1的源极接电源，MP1的漏极接电容C1；电容C1的另一端接MP2的漏极，MP2的源极接电源，MP2的栅极接电容C0，同时MP2的栅极还接电容C1，电容C0的另一端接电源；

自动校零信号AZ同时接入MP3的栅极和MP4的栅极，MP3的源极接接电容C2，MP3的漏极接MN0的漏极，同时MP3的漏极与MN0漏极的公共端接MP0的漏极；MN0的源极接MN1的源极与MN2漏极的公共端，电容C2的另一端接入斜坡信号RAMP；MN2的栅极接入电压偏置信号；MN2的源极接地；

MP4的源极接MP1的漏极与MN1漏极的公共端，MP4的漏极接电容C3与MN1栅极的公共端，电容C3的另一端接入像素信号VPIX，MN1的源极接MN0的源极与MN2漏极的公共端；

自动校零信号AZ接入MN4的栅极，MN4的源极接电容C4，电容C4的另一端接地，MN4的源极同时接MN3的栅极，MN4的漏极接MN3的漏极与MP2漏极的公共端，MN3的源极接地。

2.根据权利要求1所述的带宽限制比较器，其特征在于，所述晶体管MP0、MP1、MN0、MN1构成第一级放大器，所述晶体管MP2和MN3构成第二级放大器。

3.根据权利要求2所述的带宽限制比较器，其特征在于，所述第一级放大器与所述第二级放大器之间的电容C1的电容值

，其中A为第二级放大器的增益。

4.根据权利要求1所述的带宽限制比较器，其特征在于，所述晶体管MN0与MN1构成差分输入对管，所述晶体管MP0和MP1为负载管，所述晶体管MP3和MP4为自动校零开关管；

所述晶体管MN4为第二级放大器的采样开关管，所述C5为第二级放大器的采样电容；所述晶体管MN2为电流源管，所述C2和C3为输入耦合电容。

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