CN114363539A - 模数转换器，图像传感器及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种模数转换器，图像传感器及其操作方法。图像传感器包括：第一抽头的像素；第二抽头的像素；运算放大器，运算放大器被配置为在第二抽头的像素的像素信号被施加的情况下执行自动调零操作，并且在第一抽头的像素的像素信号被施加的情况下执行从第一抽头的像素输出的像素信号和斜坡电压之间的比较操作；以及计数电路，计数电路被配置为响应于运算放大器的输出而生成数字代码。

Description

模数转换器，图像传感器及其操作方法
技术领域
本公开涉及一种图像传感器。
背景技术
最近正在开发通过同时测量一定范围的距离来提供3D距离图像的图像传感器。获取这样的距离图像是基于飞行时间(TOF)技术的。该技术通过测量光在图像传感器附近的光源与物体之间来回行进所需的时间来测量距离。
TOF技术大致分为两种方法：直接方法和间接方法。直接方法将脉冲型光的往返所需的时间转换为距离。为了提高精确度，考虑到光速，直接方法需要使脉冲宽度尽可能窄。此外，直接方法需要非常精确的时间测量。
另一方面，间接方法被实现为通过辐射调制光然后接收反射光并且然后检测辐射光和反射光之间的相位差来提取距离，而不是直接测量TOF。具体地，在间接方法中，使用在不同时间激活的抽头(tap)A的像素和抽头B的像素检测反射光，并使用抽头A的像素信号的模数转换与抽头B的像素信号的模数转换之间的差来测量到物体的距离。
间接方法分别需要用于抽头A像素信号的模数转换的模数转换器和用于抽头B像素信号的模数转换的模数转换器，这在图像传感器中要占用的空间的方面构成对于间接方法的负担。
发明内容
本发明的实施方式可以通过对两个抽头的像素信号之间的电压差进行模数转换来减小图像传感器的面积。
根据一个实施方式，图像传感器包括：第一抽头的像素；第二抽头的像素；运算放大器，运算放大器被配置为在第二抽头的像素的像素信号被施加的情况下执行自动调零操作，并且在第一抽头的像素的像素信号被施加的情况下执行从第一抽头的像素输出的像素信号和斜坡电压之间的比较操作；以及计数电路，计数电路被配置为响应于运算放大器的输出而生成数字代码。
根据一个实施方式，模数转换器包括：运算放大器，运算放大器被配置为在第一电压被施加的情况下执行自动调零操作，并且在第二电压被施加的情况下执行第二电压和斜坡电压之间的比较操作；以及计数电路，计数电路被配置为响应于运算放大器的输出而生成数字代码。
根据一个实施方式，图像传感器的操作方法包括以下步骤：通过运算放大器接收来自第一抽头的像素的第一电压；对运算放大器执行自动调零操作；通过运算放大器将斜坡电压与来自第二抽头的像素的第二电压进行比较；以及根据比较的结果，通过计数电路生成表示第一电压和第二电压之间的差的数字代码。
根据本发明的实施方式，可以对两个抽头的像素信号之间的电压差进行模数转换。
附图说明
图1是例示根据本发明的实施方式的图像传感器100的配置的图；
图2是例示根据本发明的一个实施方式的图1的图像传感器100的操作的定时图；
图3是详细例示图2的读出时段RO的定时图；
图4是例示根据本发明的另一实施方式的图1的图像传感器100的操作的定时图；以及
图5是详细例示图4的读出时段RO的定时图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本公开的各个实施方式，以使本领域的普通技术人员能够容易地实践本发明的技术精神。与本公开的主题无关的众所周知的组件或元件可以从描述中省略。在整个说明书和附图中，相同或基本相同的附图标记用于指代相同或基本相同的元件。
图1是例示根据本发明的实施方式的图像传感器100的配置的图。
参照图1，图像传感器100可以包括第一抽头的像素110、第二抽头的像素120、像素信号发生器130、运算放大器140、计数电路150、电容器141和142以及开关143和144。
第一抽头的像素110可以在信号MIXA被激活的时段内检测光。第一抽头的像素110可以包括第一光电探测器111、第一复位晶体管112、第一传输晶体管113、第一电容器114和第一抽头传输晶体管115。第一光电探测器111可以执行光电转换功能。第一光电探测器111可以连接在接地电压端子与节点A之间。第一光电探测器111可以从外部接收光并且基于接收到的光生成光电荷。可以使用光电二极管、光电晶体管、光电门、钉扎光电二极管及其组合中的至少一个来实现第一光电探测器111。第一光电探测器111可以在信号MIXA的控制下在信号MIXA被激活为高电平的时段中被激活。第一复位晶体管112可以响应于复位信号RX而将电源电压发送到节点A。第一传输晶体管113可以响应于传输信号TX而电连接节点A和第一浮置扩散节点FDA。第一浮置扩散节点FDA可以是其中累积有与由第一光电探测器111检测到的光相对应的电荷或与初始化电压相对应的电荷的节点。第一电容器114可以连接到第一浮置扩散节点FDA。第一抽头传输晶体管115可以响应于第一抽头传输信号TXA而电连接第一浮置扩散节点FDA和输出节点COM。
第二抽头的像素120可以在信号MIXB被激活的时段中检测光。由于信号MIXB在与信号MIXA的时段不同的时段中被激活，因此第二抽头的像素120可以在与第一抽头的像素110的时段不同的时段中检测光。第二抽头的像素120可以包括第二光电探测器121、第二复位晶体管122、第二传输晶体管123、第二电容器124和第二抽头传输晶体管125。第二光电探测器121可以执行光电转换功能。第二光电探测器121可以连接在接地电压端子与节点B之间。第二光电探测器121可以从外部接收光并且基于接收到的光生成光电荷。第二光电探测器121可以在信号MIXB的控制下在信号MIXB被激活为高电平的时段中被激活。第二复位晶体管122可以响应于复位信号RX而将电源电压发送到节点B。第二传输晶体管123可以响应于传输信号TX而电连接节点B和第二浮置扩散节点FDB。第二浮置扩散节点FDB可以是其中累积有与由第二光电探测器121检测到的光相对应的电荷或与初始化电压相对应的电荷的节点。第二电容器124可以连接到第二浮置扩散节点FDB。第二抽头传输晶体管125可以响应于第二抽头传输信号TXB而电连接第二浮置扩散节点FDB和输出节点COM。
像素信号发生器130可以使用第一抽头的像素110和第二抽头的像素120的输出节点COM的电压电平来生成像素信号VPX。在第一抽头传输信号TXA被激活的间隔(interval)期间，第一浮置扩散节点FDA的电压被传输到输出节点COM。因此，在这种情况下，由像素信号发生器130生成的像素信号VPX可以是第一抽头的像素110的像素信号。在第二抽头传输信号TXB被激活的间隔期间，第二浮置扩散节点FDB的电压被传输到输出节点COM。因此，在这种情况下，由像素信号发生器130生成的像素信号VPX可以是第二抽头的像素120的像素信号。像素信号发生器130可以包括：驱动晶体管131，该驱动晶体管131响应于输出节点COM的电压电平将电流提供给节点C；选择晶体管132，当选择信号SX被激活时，该选择晶体管132将节点C的电流传输到输出像素信号VPX的节点；以及电流源133，该电流源133从输出像素信号VPX的节点吸收(sink)电流。像素信号发生器130可以在选择信号SX被激活的时段期间生成具有与输出节点COM的电压电平成比例的电平的像素信号VPX。
运算放大器140可以通过第一电容器141将像素信号VPX接收到输入端子INN，并且通过第二电容器142将斜坡电压VRAMP接收到输入端子INP。在运算放大器140的自动调零操作(auto zeroing operation)期间，第一开关143可以导通以使输入端子INN和输出端子OUTP短接，并且第二开关144可以导通以使输入端子INP和输出端子OUTN短接。输入端子INN可以是负(-)输入端子，输入端子INP可以是正(+)输入端子，输出端子OUTP可以是正(+)输出端子并且输出端子OUTN可以是负(-)输出端子。如稍后将描述的，在运算放大器140的自动调零操作期间，可以在将像素120的像素信号VPX施加到运算放大器140的同时执行自动调零操作，并且此后，可以在将像素110的像素信号VPX施加到运算放大器140的同时执行与斜坡电压VRAMP的比较操作，从而可以对与像素110的像素信号VPX和像素120的像素信号VPX之间的电压差相对应的电压执行模数转换操作。
计数电路150可以响应于来自运算放大器140的输出端子OUTP的信号，通过对计数时钟CNT_CLK进行计数来生成数字代码DOUT。
图2是例示根据本发明的一个实施方式的图1的图像传感器100的操作的定时图。
参照图2，“GR”表示全局复位时段。在该时段GR期间，复位信号RX和传输信号TX都可以被激活为高电平，并且第一抽头的像素110和第二抽头的像素120中的复位晶体管112和122以及传输晶体管113和123可以被导通，复位浮置扩散节点FDA和FDB。
“GE”表示全局曝光时段。在时段GE期间，复位信号RX可以被去激活(deactivated)为低电平，从而第一抽头的像素110和第二抽头的像素120中的复位晶体管112和122可以被截止，并且传输信号TX可以被激活为高电平。因此，传输晶体管113和123可以被导通，从而允许将由光电探测器111和121感测到的光电荷传输到浮置扩散节点FDA和FDB。第一抽头的像素110的第一光电探测器111可以在信号MIXA被激活的时段期间检测光并且将光电荷传输到第一浮置扩散节点FDA。第二抽头的像素120的第二光电探测器121可以在信号MIXB被激活的时段期间检测光并且将光电荷传输到第二浮置扩散节点FDB。由于第一光电探测器111在信号MIXA被激活的期间检测光，并且第二光电探测器121在信号MIXB被激活的期间检测光，所以第一光电探测器111和第二光电探测器121可以检测不同量的光。因此，由于在全局曝光时段GE期间的操作，第一浮置扩散节点FDA的电压电平和第二浮置扩散节点FDB的电压电平可以彼此不同。在所例示的示例中，第一浮置扩散节点FDA的电压电平高于第二浮置扩散节点FDB的电压电平。
“RO”表示读出时段。在时段RO期间，可以执行针对通过全局曝光时段GE中的操作生成的浮置扩散节点FDA和FDB的电压电平的模数转换的操作。在读出时段RO期间，复位信号RX可以被激活为高电平，以使得复位晶体管112和122可以被导通，并且传输信号TX可以被去激活为低电平，以使得传输晶体管113和123可以被截止。在读出时段RO中，在全局曝光时段GE中生成的浮置扩散节点FDA和FDB的电压电平可以保持不变。
图3是详细例示图2的读出时段RO的定时图。
参照图3，在读出时段RO中，选择信号SX可以继续保持在高电平。直到时间点303，第二抽头传输信号TXB可以被激活，并且第一抽头传输信号TXA可以被去激活。因此，直到时间点303，像素信号VPX可以具有与第二浮置扩散节点FDB相对应的电压电平。也就是说，直到时间点303，像素信号VPX可以是第二抽头的像素120的像素信号。在附图中，第二抽头的像素120的像素信号VPX的电平由“B_SIG”表示。
从时间点301到时间点303，开关信号SW被激活为高电平，以使得第一开关143和第二开关144可以导通，并且可以执行运算放大器140的自动调零操作。运算放大器140可以在通过第一电容器141经由输入端子INN接收第二抽头的像素120的像素信号(VPX＝B_SIG)并且通过第二电容器142经由输入端子INP接收斜坡电压VRAMP的同时执行自动调零操作。通过自动调零操作，运算放大器140的两个输入端子INN和INP的电压电平可以变为彼此相同。在附图中，该电压电平由“VREF”表示。
从时间点303开始，第一抽头传输信号TXA可以被激活，并且第二抽头传输信号TXB可以被去激活。因此，从时间点303开始，像素信号VPX可以具有与第一浮置扩散节点FDA相对应的电压电平。从时间点303开始，像素信号VPX可以是第一抽头的像素110的像素信号。在附图中，第一抽头的像素110的像素信号VPX的电平由“A_SIG”表示。在附图中，“ΔVPX”可以表示像素信号VPX的电平A_SIG和B_SIG之间的差。
由于像素信号VPX的电平在时间点303增加了差ΔVPX，所以运算放大器140的输入端子INN的电平也可以增加差ΔVPX。从时间点303开始，运算放大器140的输入端子INN的电平可以是“VREF+ΔVPX”。
从时间点305开始，可以执行其中斜坡电压VRAMP的电平上升并且然后下降的斜坡操作。因此，输入端子INP的电压电平可以与斜坡电压VRAMP以相同的形式上升和下降。从输入端子INP的电压开始下降的时间点307到输入端子INP的电压变为等于输入端子INN的电压的时间点309(即，到运算放大器140的输出信号OUTP转变的时间点)，计数电路150可以通过对计数时钟CNT_CLK进行计数来生成数字代码DOUT。该数字代码DOUT是“VREF+ΔVPX”的模数转换，并且由于电压电平VREF是已知值，所以可以获得差ΔVPX的模数转换。
参照图3，与第一抽头的像素110的像素信号电平A_SIG和第二抽头的像素120的像素信号电平B_SIG之间的差ΔVPX相对应的值可以通过一个模数转换操作进行模数转换，并且该值可以用于测量距离。
图4是例示根据本发明的另一实施方式的图1的图像传感器100的操作的定时图。
参照图4，可以以与图2中相同的方式来控制信号RX、TX、MIXA和MIXB，但是可以识别出，只有作为操作的结果的浮置扩散节点FDA和FDB的电压电平与图2的电压电平不同。
在图4中，可以识别出，由于全局曝光时段GE期间的操作，第二浮置扩散节点FDB的电压电平比第一浮置扩散节点FDA的电压电平更高。
图5是详细例示图4的读出时段RO的定时图。
参照图5，可以以与图3中相同的方式来控制信号SX、SW、TXA和TXB，但是可以识别出，作为操作的结果的像素信号VPX和输入端子INN的电压电平与图3的电压电平不同。
直到时间点503，像素信号VPX可以具有与第二浮置扩散节点FDB相对应的电压电平B_SIG，并且从时间点503开始，像素信号VPX可以具有与第一浮置扩散节点FDA相对应的电压电平A_SIG。由于第一浮置扩散节点FDA的电压电平比第二浮置扩散节点FDA的电压电平更低，所以像素信号VPX在时间点503的电压电平可以比之前更低。在附图中，ΔVPX可以表示像素信号VPX的电平A_SIG和B_SIG之间的差。
由于像素信号VPX的电平在时间点503减小了差ΔVPX，所以运算放大器140的输入端子INN的电平也可以减小差ΔVPX。也就是说，从时间点503开始，运算放大器140的输入端子INN的电平可以是“VREF-ΔVPX”。
从时间点505开始，可以执行其中斜坡电压的电平上升并且然后下降的斜坡操作。因此，输入端子INP的电压电平可以与斜坡电压VRAMP以相同的形式上升和下降。从输入端子INP的电压开始下降的时间点507到输入端子INP的电压变为等于输入端子INN的电压的时间点509(即，到运算放大器140的输出信号OUTP转变的时间点)，计数电路150可以通过对计数时钟CNT_CLK进行计数来生成数字代码DOUT。该数字代码DOUT是“VREF-ΔVPX”的模数转换，并且由于VREF是已知值，所以可以获得差ΔVPX的模数转换。
参照图5，可以通过一个模数转换操作对与第一抽头的像素110的像素信号电平A_SIG和第二抽头的像素120的像素信号电平B_SIG之间的电压的差ΔVPX相对应的值进行模数转换，并且该值可以用于测量距离。
在图1的图像传感器100中，除了与像素有关的组件110、120和130以外的组件用于将从像素100输出的模拟电压转换为数字代码。因此，本发明不仅可以应用于图像传感器，而且可以应用于用于将模拟电压转换为数字代码的一般模数转换电路。具体地，本发明可以用于模数转换两个电压之间的差。
应当注意，尽管已经结合本发明的优选实施方式描述了本发明的技术精神，但这仅仅是出于描述的目的，而不应被解释为限制性的。本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离本发明的技术精神的情况下，可以对其进行各种改变。
以上描述的本发明的实施方式旨在说明而非限制本发明。各种替代方案和等效方案是可能的。本发明不限于本文所述的实施方式。本发明也不限于任何特定类型的半导体器件。基于本公开而显而易见的增加、减少或修改旨在落入所附权利要求的范围内。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年10月13日提交的韩国专利申请第10-2020-0131755号的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

Claims (15)

1.一种图像传感器，该图像传感器包括：
第一抽头的像素；
第二抽头的像素；
运算放大器，所述运算放大器在所述第二抽头的像素的像素信号被施加的情况下执行自动调零操作，并且在所述第一抽头的像素的像素信号被施加的情况下执行斜坡电压和从所述第一抽头的像素输出的像素信号之间的比较操作；以及
计数电路，所述计数电路响应于所述运算放大器的输出而生成数字代码。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述第一抽头的像素和所述第二抽头的像素在不同的时段中曝光。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述运算放大器在所述自动调零操作期间通过第一电容器经由第一输入端子接收所述第二抽头的像素的像素信号，并且在所述比较操作期间通过所述第一电容器经由所述第一输入端子接收所述第一抽头的像素的像素信号，并且
通过第二电容器经由第二输入端子接收所述斜坡电压。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述第一抽头的像素包括：
第一光电探测器，所述第一光电探测器连接到第一节点；
第一复位晶体管，所述第一复位晶体管响应于复位信号而使所述第一节点复位；
第一传输晶体管，所述第一传输晶体管响应于传输信号而电连接所述第一节点和第一浮置扩散节点；
第一电容器，所述第一电容器连接到所述第一浮置扩散节点；以及
第一抽头传输晶体管，所述第一抽头传输晶体管响应于第一抽头传输信号而电连接所述第一浮置扩散节点和输出节点。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其中，所述第二抽头的像素包括：
第二光电探测器，所述第二光电探测器连接到第二节点；
第二复位晶体管，所述第二复位晶体管响应于所述复位信号而使所述第二节点复位；
第二传输晶体管，所述第二传输晶体管响应于所述传输信号而电连接所述第二节点和第二浮置扩散节点；
第二电容器，所述第二电容器连接到所述第二浮置扩散节点；以及
第二抽头传输晶体管，所述第二抽头传输晶体管响应于第二抽头传输信号而电连接所述第二浮置扩散节点和所述输出节点。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，该图像传感器还包括像素信号发生器，所述像素信号发生器使用所述输出节点的电压电平生成要施加到所述运算放大器的像素信号。
7.根据权利要求6所述的图像传感器，其中，所述像素信号发生器包括：
驱动晶体管，所述驱动晶体管响应于所述输出节点的电压电平向第三节点提供电流；
选择晶体管，所述选择晶体管响应于选择信号而电连接所述第三节点和输出所述像素信号的像素节点；以及
电流源，所述电流源从所述像素节点吸收电流。
8.根据权利要求7所述的图像传感器，
其中，在全局复位时段期间，所述复位信号被激活并且所述传输信号被激活，
其中，在全局曝光时段期间，所述复位信号被去激活并且所述传输信号被激活，
其中，在所述自动调零操作期间，所述第二抽头传输信号被激活，所述第一抽头传输信号被去激活并且所述选择信号被激活，并且
其中，在所述比较操作期间，所述第一抽头传输信号被激活，所述第二抽头传输信号被去激活并且所述选择信号被激活。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其中，在所述自动调零操作期间，所述运算放大器的正输入端子和负输出端子被短接，并且所述运算放大器的负输入端子和正输出端子被短接。
10.根据权利要求8所述的图像传感器，其中，在所述全局曝光时段中，所述第一光电探测器被激活的时段和所述第二光电探测器被激活的时段彼此不同。
11.一种模数转换器，该模数转换器包括：
运算放大器，所述运算放大器在第一电压被施加的情况下执行自动调零操作，并且在第二电压被施加的情况下执行所述第二电压和斜坡电压之间的比较操作；以及
计数电路，所述计数电路响应于所述运算放大器的输出而生成数字代码。
12.根据权利要求11所述的模数转换器，其中，所述运算放大器：
在所述自动调零操作期间通过第一电容器经由第一输入端子接收所述第一电压，并且在所述比较操作期间通过所述第一电容器经由所述第一输入端子接收所述第二电压，并且
通过第二电容器经由第二输入端子接收所述斜坡电压。
13.根据权利要求12所述的模数转换器，其中，在所述自动调零操作中，所述第一输入端子联接到所述运算放大器的第一输出端子，并且所述第二输入端子联接到所述运算放大器的第二输出端子。
14.根据权利要求11所述的模数转换器，其中，所述数字代码与所述第一电压和所述第二电压之间的电压电平的差相对应。
15.一种图像传感器的操作方法，该操作方法包括以下步骤：
通过运算放大器接收来自第一抽头的像素的第一电压；
对所述运算放大器执行自动调零操作；
通过所述运算放大器将斜坡电压与来自第二抽头的像素的第二电压进行比较；以及
基于比较的结果，通过计数电路生成表示所述第一电压和所述第二电压之间的差的数字代码。
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