CN114640811A - 斜坡电压发生器和图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及斜坡电压发生器和图像传感器。一种斜坡电压发生器包括：斜坡单元阵列，其包括多个斜坡电流单元；校准单元阵列，其包括多个校准电流单元；以及电流‑电压转换器，其适于将从所述斜坡电流单元中的激活的斜坡电流单元和所述校准电流单元中的激活的校准电流单元提供的电流转换为电压以生成斜坡电压。

Description

斜坡电压发生器和图像传感器
技术领域
本发明的各种实施方式涉及斜坡电压发生器和图像传感器。
背景技术
为了通过数字系统处理信号，将模拟信号转换成数字信号是必不可少的。使用模数转换器(ADC)来将模拟信号转换为数字信号。CMOS图像传感器(CIS)通过使用像素将光转换成模拟电信号并将电信号转换成数字信号。
斜坡电压被用于模数转换器的模数转换操作。当斜坡电压的波形不准确时，难以准确地执行模数转换操作。
发明内容
本发明的实施方式涉及能够生成精确波形的斜坡电压的斜坡电压发生器、以及包括该斜坡电压发生器的图像传感器。
根据本发明的实施方式，一种斜坡电压发生器包括：斜坡单元阵列，其包括多个斜坡电流单元；校准单元阵列，其包括多个校准电流单元；以及电流-电压转换器，其适于将从所述斜坡电流单元中的激活的斜坡电流单元和所述校准电流单元中的激活的校准电流单元提供的电流转换为电压以生成斜坡电压。
根据本发明的另一实施方式，一种图像传感器包括：像素阵列，其适于输出对应于入射光的像素信号；行解码器，其适于针对每行选择和控制像素阵列中的像素；斜坡电压发生器，其适于生成斜坡电压；以及模数转换电路，其适于基于斜坡电压对像素信号进行模数转换，其中，斜坡电压发生器包括：斜坡单元阵列，其包括多个斜坡电流单元；校准单元阵列，其包括多个校准电流单元；以及电流-电压转换器，其适于通过将从所述斜坡电流单元中的激活的斜坡电流单元和所述校准电流单元中的激活的校准电流单元提供的电流转换为电压来生成所述斜坡电压。
根据本发明的又一实施方式，一种转换器，其适于在斜坡操作期间从斜坡电流和校准电流生成斜坡电压；斜坡电路，其适于根据增益信息向所述转换器提供斜坡电流，所述斜坡电流在所述斜坡操作期间从其最大值线性减小；以及校准电路，其适于：在斜坡操作开始时向转换器提供具有预设电平的校准电流，在斜坡操作期间根据增益信息将校准电流减小预定量，以及根据指示提供给发生器的电源电压的波动的电源信息来调节所述量。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施方式的图像传感器100的框图。
图2是示出图1所示的斜坡电压发生器130的框图。
图3A和图3B是示出由图2所示的斜坡电压发生器130生成的斜坡电压VRAMP的图。
图4A和图4B是示出由图2所示的斜坡电压发生器130生成的斜坡电压VRAMP的图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的各种实施方式。然而，本发明可以以不同的形式实施，并且不应被解释为限于在此阐述的实施方式。相反，提供这些实施方式是为了使本发明将是彻底的和完整的，并将本发明的范围充分传达给本领域技术人员。在整个公开中，相同的附图标记在本发明的各个附图和实施方式中表示相同的部件。
图1是示出根据本发明的实施方式的图像传感器100的框图。
参照图1，图像传感器100可以包括像素阵列110、行解码器120、斜坡电压发生器130和模数转换电路140。
像素阵列110可以包括以多个行和多个列的阵列形成的多个像素。像素可以从所感测的光输出像素信号。
行解码器120可通过选择像素阵列110中的每一行线的像素来控制像素阵列110的操作。在行解码器120的控制下，一行像素可以将像素信号一次输出到模数转换电路140。
斜坡电压发生器130可以生成斜坡电压VRAMP。斜坡电压VRAMP可以是用于模数转换电路140的模数转换操作的电压。在斜坡操作期间，斜坡电压VRAMP在理想情况下可以线性下降以精确地执行模数转换操作。
基于斜坡电压VRAMP，模数转换电路140可以对从像素阵列输出的像素信号执行模数转换操作。将像素信号转换为数字信号的结果可以作为图像IMG输出。模数转换电路140可以并行地对多列像素信号执行模数转换操作。模数转换电路140可以通过从斜坡电压VRAMP开始下降的时刻开始对数字码进行计数并且在斜坡电压VRAMP和像素信号的电压变为具有相同电平的时刻停止计数，来执行模数转换操作。
图2是示出图1所示的斜坡电压发生器130的框图。
参照图2，斜坡电压发生器130可以包括斜坡单元阵列210、校准单元阵列230和电流-电压转换器250。
斜坡单元阵列210可以向电流-电压转换器250提供用于生成斜坡电压的电流，该斜坡电压在斜坡操作期间以预定或设定的斜率下降。斜坡单元阵列210可以包括多个斜坡电流单元211_0至211_27、行电路213、列电路215和定时发生器217。行电路213可以在定时发生器217的控制下沿行方向控制斜坡电流单元211_0至211_27的激活。此外，列电路215可以在定时发生器217的控制下沿列方向控制斜坡电流单元211_0至211_27的激活。结果，斜坡电流单元211_0至211_27中激活的电流单元的数量可以由行电路213和列电路215的操作确定。斜坡电流单元211_0至211_27中所有激活的电流单元可以输出相同的单位电流。斜坡电流单元211_0至211_27中激活的电流单元的输出电流可以被累加并传送到电流-电压转换器250。该电流在图2中由I_RAMP表示。
在斜坡单元阵列210中，可以在斜坡操作之前激活所有的斜坡电流单元211_0至211_27，然后，当斜坡操作开始时，可以依次减少激活的斜坡电流单元的数量。依次减少的程度可以根据模数转换电路140的增益而变化。例如，当增益为x1并且斜坡操作开始时，激活的斜坡电流单元的数量可以每时钟减少两个。当增益为x2并且斜坡操作开始时，激活的斜坡电流单元的数量可以每时钟减少一个。此外，当斜坡单元阵列210的斜坡电流单元的电流量不同时，在增益为x1的情况下可以减少每时钟的具有大电流量的激活的电流单元的数量，而在增益为x2的情况下可以减少每时钟的具有小电流量的激活的电流单元的数量。在斜坡操作期间斜坡电压VRAMP下降的斜率可以根据增益而变化。换句话说，当增益为x2时，斜坡电压VRAMP可以以增益为x1时的一半的斜率减小。增益信息G可以输入到定时发生器217。
随着模数转换电路140的增益增加，即，随着斜坡电压VRAMP的斜率的绝对值减小，直到斜坡电压VRAMP的电压电平变得等于像素信号的电压电平的时间可以增加。因此，由模数转换电路140计数的数字码的值可以增加。换句话说，可以增加图像传感器100的增益。另外，随着模数转换电路140的增益减小，即，随着斜坡电压的斜率的绝对值增加，直到斜坡电压的电压电平变得等于像素信号的电压电平的时间可以减小。由模数转换电路140计数的数字码的值可以减小。简而言之，可以减小图像传感器100的增益。
校准单元阵列230可以向电流-电压转换器250提供用于校正斜坡电压VRAMP以具有线性的电流。校准单元阵列230可以包括多个校准电流单元231_0至231_23、校准行电路233、校准列电路235和校准定时发生器237。校准行电路233可以在校准定时发生器237的控制下沿行方向控制校准电流单元231_0至231_23的激活。此外，校准列电路235可以在校准定时发生器237的控制下沿列方向控制校准电流单元231_0至231_23的激活。结果，可以通过校准行电路233和校准列电路235的操作来确定校准电流单元231_0至231_23中激活的电流单元的数量。校准电流单元231_0至231_23中激活的电流单元的输出电流可以被累加并传送到电流-电压转换器250。该电流在图2中由I_CAL表示。
由于校准单元阵列230用于将斜坡电压VRAMP校正为具有线性，所以校准电流单元231_0至231_23中的一些校准电流单元231_16至231_23可以输出单位电流，一些校准电流单元231_12至231_15可以输出单位电流/2，一些校准电流单元231_8至231_11可以输出单位电流/4，并且一些校准电流单元231_0至231_7可以输出单位电流/8。由于校准电流单元231_0至231_23具有各种输出电流值，因此可以精密地调节从校准单元阵列230输出的电流I_CAL。
校准定时发生器237可以基于校正信息调节校准单元阵列230的输出电流的量。校正信息可以包括增益信息G和电源信息P_FLUC。尽管这里示出的校正信息包括增益信息G和电源信息P_FLUC，但是校正信息可以包括校正斜坡电压的电平所需的更多信息。稍后将参照图4A和图4B详细描述校准定时发生器237如何基于校正信息调节校准单元阵列230的输出电流量I_CAL。
电流-电压转换器250可以将通过对斜坡单元阵列210的输出电流I_RAMP和校准单元阵列230的输出电流I_CAL求和而获得的总电流I_SUM转换成电压，并将其作为斜坡电压VRAMP输出。电流-电压转换器250可以通过使总电流I_SUM流过电阻器251来生成斜坡电压VRAMP，该斜坡电压VRAMP是与电阻器251处的IR降相对应的电压。因此，斜坡电压VRAMP的电压电平可以与总电流I_SUM的电流量成比例。
图3A和图3B是示出由图2所示的斜坡电压发生器130生成的斜坡电压VRAMP的图。在图3A和图3B中，假设校准单元阵列230在斜坡电压发生器130中不执行校正操作。换言之，假设校准单元阵列230的输出电流I_CAL是恒定的。
图3A是示出当增益为x1时斜坡电压VRAMP的斜坡操作的图。
参照图3A，可以开始斜坡操作，在该斜坡操作中斜坡电压VRAMP的电平在时刻301开始下降。虚线可以表示对应于电流I_SUM的理想斜坡电压VRAMP的电平，并且实线可以表示实际斜坡电压VRAMP的电平。在时刻301，发生其中斜坡电压VRAMP的电平与虚线不同地缓慢降低的失真，这是由斜坡电压VRAMP的输出端子处的负载引起的。如果没有负载，则斜坡电压VRAMP会如虚线所示线性下降。然而，由于在斜坡电压输出端子处实际上存在大量的负载，所以实际的斜坡电压VRAMP不会如斜坡电压VRAMP的虚线那样下降，而是如实线那样下降。
在时刻303，可能发生其中电源POWER下降的电源POWER的波动。这里，电源POWER可以表示提供给斜坡电压发生器130的电源电压。当电源POWER下降时，基于电源POWER生成的斜坡电压VRAMP也可以以相同的方式降低。
换句话说，参照图3A，可以看出，由于斜坡电压输出端子的负载和电源的波动，斜坡电压没有线性下降，这导致斜坡电压的下降曲线的失真。
图3B是示出当增益为x2时斜坡电压VRAMP的斜坡操作的图。
参照图3B，可以开始斜坡操作，在该斜坡操作中斜坡电压VRAMP的电平在时刻311开始下降。虚线可以表示对应于电流I_SUM的理想斜坡电压VRAMP的电平，实线可以表示实际斜坡电压VRAMP的电平。由于图3B示出了增益为x2的情况，因此可以看出图3B中虚线的斜率是图3A中虚线的斜率的一半。在时刻311，可以发生其中斜坡电压VRAMP的电平与虚线不同地缓慢降低的失真，这是由斜坡电压VRAMP输出端子处的负载引起的。如果没有负载，斜坡电压VRAMP可以如虚线所示线性下降。然而，由于在斜坡电压输出端子中实际上存在大量的负载，所以实际的斜坡电压VRAMP可能不会如虚线所示下降，并且斜坡电压VRAMP可能如实线所示下降。当斜坡电压VRAMP由于增益为x2而具有相对小的下降斜率时，与增益为x1时相比，由斜坡电压输出端子的负载引起的失真会显得更小。
在时刻313，可能发生其中电源POWER下降的电源POWER的波动。当电源POWER下降时，基于电源POWER生成的斜坡电压VRAMP也会下降。可以看出，在图3A和图3B中，由电源POWER的波动引起的斜坡电压VRAMP的波动的幅度可以相同，而与增益无关。
图4A和图4B是示出由图2所示的斜坡电压发生器130生成的斜坡电压VRAMP的图。在图4A和图4B中，假设校准单元阵列230在斜坡电压发生器130中执行校正操作。
图4A是示出当增益为x1时斜坡电压VRAMP的斜坡操作的图。
参照图4A，在时刻401之前，斜坡单元阵列210的输出电流I_RAMP可以保持在最大值，并且校准单元阵列230的输出电流I_CAL可以保持在预设值。这里，预设值可以是校准单元阵列230可输出的最大电流值的大约一半。
在时刻401，可以减小校准单元阵列230的输出电流I_CAL。例如，校准单元阵列230的输出电流I_CAL可以减小对应于单位电流的10倍的量。校准单元阵列230的输出电流I_CAL在时刻401减小的量可以被称为校正电流。虚线可以表示对应于电流I_SUM的斜坡电压VRAMP的理想电平。可以看出，在时刻401，校准单元阵列230的输出电流I_CAL减小了校正电流的量，使得虚线在时刻401下降。实线可以表示斜坡电压VRAMP的实际电平，并且可以看出，由于斜坡电压输出端子的负载通过输出电流I_SUM在时刻401处减小了校正电流的量进行了补偿，所以实线在时刻401之后线性下降。校准单元阵列230使输出电流I_CAL减小校正电流的量的校正操作可以持续到斜坡电压VRAMP下降的斜坡操作结束。
在时刻403，可能发生其中电源POWER下降的电源POWER的波动。可以从包括图像传感器100的系统中的诸如电源检测电路(未示出)的电路提供指示电源波动的电源信息P_FLUC。为了补偿电源POWER的下降，校准单元阵列230可以增加输出电流I_CAL的电平。例如，校准单元阵列230可以在时刻403处将输出电流I_CAL的电平增加与单位电流的2.5倍相对应的量。虚线在时刻403的变化可以显示增加。表示基于在时刻403输出电流I_CAL的增加的实际斜坡电压VRAMP的实线可以线性下降而不受电源POWER波动的影响。当在时刻403发生电源POWER上升的波动时，校准单元阵列230可以降低输出电流I_CAL的电平。此外，由校准单元阵列230增加或减小的输出电流I_CAL的量可以根据电源POWER的波动程度而变化。
图4B是示出当增益为x2时斜坡电压VRAMP的斜坡操作的图。
参照图4B，在时刻411之前，斜坡单元阵列210的输出电流I_RAMP可以保持在最大值，并且校准单元阵列230的输出电流I_CAL可以保持在预设值。
在时刻411，可以减小校准单元阵列230的输出电流I_CAL。例如，校准单元阵列230的输出电流I_CAL可以减小对应于单位电流的7倍的量。在时刻411在校准单元阵列230中减小的输出电流I_CAL的量可以被称为校正电流。在图4A中，校正电流的量对应于单位电流的10倍。在图4B中，校正电流的量对应于单位电流的7倍。校正电流的这种差异是因为斜坡电压输出端子的负载对斜坡电压VRAMP的影响取决于模数转换电路140的增益。校正电流的量应该随着增益变小而增加。虚线可表示对应于电流I_SUM的斜坡电压VRAMP的理想电平，并且从校准单元阵列230中的输出电流I_CAL在时刻411处减小了校正电流的量可以看出，虚线在时刻411处下降。实线可以表示斜坡电压VRAMP的实际电平，并且可以看出，由于斜坡电压输出端子的负载通过输出电流I_SUM在时刻411处下降了校正电流的量进行了补偿，因此实线在时刻411之后线性下降。校准单元阵列230将输出电流I_CAL减小校正电流的量的校正操作可以持续到斜坡电压VRAMP下降的斜坡操作结束。
在时刻413，可能发生其中电源POWER下降的电源POWER的波动。为了补偿电源POWER的下降，校准单元阵列230可以增加输出电流I_CAL的电平。例如，校准单元阵列230可以在时刻413处将输出电流I_CAL的电平增加单位电流的2.5倍。虚线在时刻413的变化可以显示增加。随着输出电流I_CAL在时刻413处增加，表示实际斜坡电压VRAMP的实线可以线性下降而不受电源POWER波动的影响。由于因电源POWER的波动引起的斜坡电压VRAMP的波动与增益无关，所以在图4A的时刻403调整的输出电流I_CAL的量和在时刻413调整的输出电流I_CAL的量可以相同。
参照图4A和图4B，可以看出，通过校准单元阵列230根据情况校正输出电流I_CAL的量的操作，斜坡电压VRAMP线性下降。当斜坡电压VRAMP线性下降时，模数转换电路140可以执行精确的模数转换操作。
根据本发明的实施方式，可以生成具有精确波形的斜坡电压。
虽然已经参照特定实施方式描述了本发明，但是对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变和修改。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年11月30日提交的韩国专利申请No.10-2020-0163987的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

Claims (21)

1.一种斜坡电压发生器，该斜坡电压发生器包括：
斜坡单元阵列，所述斜坡单元阵列包括多个斜坡电流单元；
校准单元阵列，所述校准单元阵列包括多个校准电流单元；以及
电流-电压转换器，所述电流-电压转换器将从所述多个斜坡电流单元中的激活的斜坡电流单元和所述多个校准电流单元中的激活的校准电流单元提供的电流转换为电压以生成斜坡电压。
2.根据权利要求1所述的斜坡电压发生器，
其中，所述多个斜坡电流单元中的每一个在被激活时提供相同量的单位电流，并且
其中，所述多个校准电流单元中的至少一个在被激活时提供其量小于所述单位电流的电流。
3.根据权利要求1所述的斜坡电压发生器，
其中，所述多个斜坡电流单元中的每一个在被激活时提供相同量的单位电流，并且
其中，所述多个校准电流单元包括：
在被激活时各自提供电流为单位电流/8的电流单元；
在被激活时各自提供电流为单位电流/4的电流单元；
在被激活时各自提供电流为单位电流/2的电流单元；以及
在被激活时各自提供所述单位电流的电流单元。
4.根据权利要求1所述的斜坡电压发生器，其中，所述校准单元阵列在所述斜坡电压开始下降的斜坡操作之前向所述电流-电压转换器提供预设电流，并且在所述斜坡操作开始之后向所述电流-电压转换器提供从所述预设电流减去校正电流所获得的电流。
5.根据权利要求4所述的斜坡电压发生器，其中，所述校准单元阵列还在所述斜坡操作期间随着所述斜坡电压的斜率的绝对值增加而增加所述校正电流的量。
6.根据权利要求4所述的斜坡电压发生器，其中，所述校准单元阵列还随着包括所述斜坡电压发生器的器件的增益减小而增加所述校正电流的量。
7.根据权利要求4所述的斜坡电压发生器，其中，当在斜坡操作期间检测到提供给所述斜坡电压发生器的电源电压的波动时，所述校准单元阵列还调节提供给所述电流-电压转换器的电流的量。
8.根据权利要求7所述的斜坡电压发生器，其中，当在所述斜坡操作期间检测到所述电源电压的降低时，所述校准单元阵列增加提供给所述电流-电压转换器的电流的量。
9.根据权利要求7所述的斜坡电压发生器，其中，当在所述斜坡操作期间检测到所述电源电压的增加时，所述校准单元阵列减小提供给所述电流-电压转换器的电流的量。
10.根据权利要求4所述的斜坡电压发生器，其中，所述斜坡单元阵列在所述斜坡操作之前向所述电流-电压转换器提供最大电流，并且在所述斜坡操作开始之后减小提供给所述电流-电压转换器的电流的量。
11.根据权利要求1所述的斜坡电压发生器，其中，所述斜坡单元阵列进一步包括：
行电路，所述行电路沿行方向控制以多个行和多个列布置的所述多个斜坡电流单元的激活；
列电路，所述列电路沿列方向控制所述多个斜坡电流单元的激活；以及
定时发生器，所述定时发生器控制所述行电路和所述列电路。
12.根据权利要求1所述的斜坡电压发生器，其中，所述校准单元阵列进一步包括校准电流控制电路，该校准电流控制电路响应于校正信息而选择在所述校准单元阵列中被激活的校准电流单元。
13.根据权利要求12所述的斜坡电压发生器，其中，所述校正信息包括关于包括所述斜坡电压发生器的器件的增益的信息。
14.根据权利要求12所述的斜坡电压发生器，其中，所述校正信息包括关于提供给所述斜坡电压发生器的电源电压的电平的信息。
15.根据权利要求12所述的斜坡电压发生器，其中，所述校准电流控制电路包括：
校准行电路，所述校准行电路沿行方向控制以多个行和多个列布置的所述多个校准电流单元的激活；
校准列电路，所述校准列电路沿列方向控制所述多个校准电流单元的激活；以及
校准定时发生器，所述校准定时发生器控制所述校准行电路和所述校准列电路。
16.一种图像传感器，该图像传感器包括：
像素阵列，所述像素阵列输出与入射光对应的像素信号；
行解码器，所述行解码器针对每行选择和控制所述像素阵列中的像素；
斜坡电压发生器，所述斜坡电压发生器生成斜坡电压；以及
模数转换电路，所述模数转换电路基于所述斜坡电压对所述像素信号进行模数转换；
其中，所述斜坡电压发生器包括：
斜坡单元阵列，所述斜坡单元阵列包括多个斜坡电流单元；
校准单元阵列，所述校准单元阵列包括多个校准电流单元；以及
电流-电压转换器，所述电流-电压转换器通过将从所述多个斜坡电流单元中的激活的斜坡电流单元和所述多个校准电流单元中的激活的校准电流单元提供的电流转换为电压来生成所述斜坡电压。
17.根据权利要求16所述的图像传感器，
其中，所述多个斜坡电流单元中的每一个在被激活时提供相同量的单位电流，并且
其中，所述多个校准电流单元中的至少一个在被激活时提供其量小于所述单位电流的电流。
18.根据权利要求16所述的图像传感器，其中，所述校准单元阵列在所述斜坡电压开始下降的斜坡操作之前向所述电流-电压转换器提供预设电流，并且在所述斜坡操作开始之后向所述电流-电压转换器提供从所述预设电流减去校正电流所获得的电流。
19.根据权利要求18所述的图像传感器，其中，所述校准单元阵列还随着所述模数转换电路的增益减小而增加所述校正电流的量。
20.根据权利要求18所述的图像传感器，其中，当在所述斜坡操作期间检测到供应到所述斜坡电压发生器的电源电压的波动时，所述校准单元阵列进一步调整供应到所述电流-电压转换器的电流的量。
21.一种斜坡电压发生器，该斜坡电压发生器包括：
转换器，所述转换器在斜坡操作期间从斜坡电流和校准电流生成斜坡电压；
斜坡电路，所述斜坡电路根据增益信息向所述转换器提供所述斜坡电流，所述斜坡电流在所述斜坡操作期间从其最大值线性减小；以及
校准电路，所述校准电路：
在所述斜坡操作开始时向所述转换器提供具有预设电平的校准电流，
在所述斜坡操作期间根据所述增益信息将所述校准电流减小预定量，以及
根据指示提供给所述斜坡电压发生器的电源电压的波动的电源信息来调节所述量。
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