CN115209066A - 图像感测装置及其操作方法 - Google Patents

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CN115209066A CN202210263157.8A CN202210263157A CN115209066A CN 115209066 A CN115209066 A CN 115209066A CN 202210263157 A CN202210263157 A CN 202210263157A CN 115209066 A CN115209066 A CN 115209066A
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朴儒珍
徐成旭
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Abstract

本申请涉及图像感测装置及其操作方法。一种图像感测装置包括：第一采样电路，其适于将参考斜坡信号采样为斜坡信号；开关电路，其适于基于第一控制信号和第二控制信号，向公共节点依次输出第一像素信号和第二像素信号；第二采样电路，其适于将通过公共节点依次输出的第一像素信号和第二像素信号采样为测量信号；比较电路，其适于将斜坡信号与测量信号进行比较，并生成与比较结果相对应的比较信号；以及计数电路，其适于基于比较信号和时钟信号生成与测量信号的电压电平相对应的计数信号。

Description

图像感测装置及其操作方法
技术领域
本公开的各种实施方式涉及半导体设计技术，并且更具体地，涉及图像感测装置及其操作方法。
背景技术
图像感测装置是用于利用半导体对光起反应的特性来捕获图像的装置。图像感测装置可以大致分为电荷耦合器件(CCD)图像感测装置和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像感测装置。近来，因为CMOS图像感测装置可以允许模拟控制电路和数字控制电路二者直接实现在单个集成电路(IC)上，所以CMOS图像感测装置被广泛使用。
发明内容
本公开的各种实施方式涉及可以通过单次模数(A/D)转换操作来转换多个像素信号的图像感测装置以及该图像感测装置的操作方法。
根据一个实施方式，一种图像感测装置可以包括：第一采样电路，其适于将参考斜坡信号采样为斜坡信号；开关电路，其适于基于第一控制信号和第二控制信号，向公共节点依次输出第一像素信号和第二像素信号；第二采样电路，其适于将通过公共节点依次输出的第一像素信号和第二像素信号采样为测量信号；比较电路，其适于将斜坡信号与测量信号进行比较，并生成与比较结果相对应的比较信号；以及计数电路，其适于基于比较信号和时钟信号生成与测量信号的电压电平相对应的计数信号。
测量信号可以具有与第一像素信号和第二像素信号之间的电压电平差相对应的电压电平。
根据另一实施方式，一种图像感测装置可以包括：第一采样电路，其适于将第一参考斜坡信号采样为第一斜坡信号；第二采样电路，其适于将第二参考斜坡信号采样为第二斜坡信号；第一开关电路，其适于基于第一控制信号和第二控制信号根据第一次序向第一公共节点输出第一像素信号和第二像素信号；第三采样电路，其适于将通过第一公共节点输出的第一像素信号和第二像素信号采样为第一测量信号；第二开关电路，其适于基于第三控制信号和第四控制信号根据与第一次序相反的第二次序向第二公共节点输出第一像素信号和第二像素信号；第四采样电路，其适于将通过第二公共节点输出的第一像素信号和第二像素信号采样为第二测量信号；比较电路，其适于同时将第一斜坡信号与第一测量信号以及第二斜坡信号与第二测量信号进行比较，并生成与比较结果相对应的比较信号；以及计数电路，其适于基于比较信号和时钟信号生成与第一测量信号的电压电平和第二测量信号的电压电平相对应的计数信号。
第一测量信号可以具有通过从第二像素信号的电压电平减去第一像素信号的电压电平而获得的第一电压电平，并且第二测量信号可以具有通过从第一像素信号的电压电平减去第二像素信号的电压电平而获得的第二电压电平。
根据另一实施方式，一种图像感测装置可以包括：一对像素，其适于生成第一像素信号和第二像素信号；以及信号转换器，其适于通过单次模数转换操作生成深度信息信号，该深度信息信号与第一像素信号和第二像素信号之间的电压电平差相对应。
根据另一实施方式，一种图像感测装置的操作方法可以包括：将参考斜坡信号采样为斜坡信号；依次将指示距对象的深度的一对像素信号采样为测量信号；基于斜坡信号和测量信号生成与一对像素信号之间的电压差相对应的比较信号；以及基于比较信号生成深度信息信号。
附图说明
图1是例示了根据一个实施方式的图像感测装置的框图。
图2是例示了图1所示的像素阵列的一对像素的电路图。
图3是例示了图1所示的信号转换器的示例的框图。
图4是例示了图3所示的第一采样电路、第二采样电路、开关电路和比较电路的电路图。
图5是例示了图1所示的信号转换器的另一示例的框图。
图6是例示了图5所示的第一采样电路、第二采样电路、第三采样电路、第四采样电路、第一开关电路、第二开关电路和比较电路的电路图。
图7至图12是例示了图1所示的图像感测装置的操作的时序图。
具体实施方式
下面参照附图描述本公开的各种实施方式，以详细描述本公开，使得本公开所属领域的普通技术人员可以容易地实施本公开的技术精神。
将理解，当元件被称为“连接至”或“联接至”另一元件时，该元件可以直接连接至或联接至另一元件，或者在一个或更多个元件插置于它们之间的情况下电连接至或联接至另一元件。另外，还将理解，除非另外提及，否则当在本说明书中使用术语“包括”、“包括于”、“包含”和“包含于”时，其不排除存在一个或更多个其它元素，而是可以进一步包括或具有一个或更多个其它元素。在贯穿说明书的描述中，以单数形式描述了一些组件，但是本公开不限于此，并且将理解，这些组件可以形成为多个。
图1是例示了根据一个实施方式的图像感测装置100的框图。
参照图1，图像感测装置100可以使用飞行时间(TOF)方法生成指示距对象200的深度的深度信息信号DOUT。例如，图像感测装置100可以通过检测向对象200输出的第一光信号MS和从对象200反射的第二光信号RS之间的相位差，来生成深度信息信号DOUT。
图像感测装置100可以包括光发射器110、行控制器130、相位控制器140、像素阵列150、斜坡信号发生器160和信号转换器170。
光发射器110可以向对象200输出第一光信号MS。例如，第一光信号MS可以是周期性翻转的周期性信号。第一光信号MS可以从对象200反射，并且作为第二光信号RS被像素阵列150接收。
行控制器130可以生成用于控制每行的像素阵列150的多个行控制信号CTRL。例如，行控制器130可以生成用于控制布置在像素阵列150的第一行中的像素的第一行控制信号，并且生成用于控制布置在像素阵列150的第n行中的像素的第n行控制信号，其中“n”是大于2的自然数。
相位控制器140可以生成具有不同相位的第一控制信号MIXA和第二控制信号MIXB。例如，第一控制信号MIXA和第二控制信号MIXB可以具有180度的相位差。第一控制信号MIXA和第二控制信号MIXB可以具有与第一光信号MS相同的周期，并且第一控制信号MIXA和第二控制信号MIXB中的任意一个可以具有与第一光信号MS相同的相位。
像素阵列150可以接收第二光信号RS、多个行控制信号CTRL以及第一控制信号MIXA和第二控制信号MIXB，并生成多个像素信号VPX。像素阵列150可以接收与第二光信号RS一起的背景光。像素阵列150可以包括用于测量距对象200的深度的至少一对像素。例如，可以基于多个行控制信号CTRL来选择一对像素，并且该对像素基于第一控制信号MIXA和第二控制信号MIXB以及第二光信号RS生成第一像素信号VPXA和第二像素信号VPXB。第一控制信号MIXA和第二控制信号MIXB可以是具有180度的相位差的信号。参照图2更详细地描述该对像素。
斜坡信号发生器160可以生成至少一个参考斜坡信号。根据一个示例，斜坡信号发生器160可以生成参考斜坡信号VRAMPI。根据另一示例，斜坡信号发生器160可以生成第一参考斜坡信号VRAMPI和第二参考斜坡信号VRAMPII。第一参考斜坡信号VRAMPI和第二参考斜坡信号VRAMPII可以在相同的斜坡范围内在彼此相反的方向上成斜坡。
信号转换器170可以基于至少一个参考斜坡信号和多个像素信号VPX生成深度信息信号DOUT。例如，信号转换器170可以通过单个模数(A/D)转换操作生成与第一像素信号VPXA和第二像素信号VPXB之间的电压电平差相对应的深度信息信号DOUT。
图2是例示了在图1的描述中参考的一对像素的电路图。
参照图2，该对像素可以包括第一像素TAPA和第二像素TAPB。接收控制信号MIXA和MIXB的该对像素适用于生成指示距对象的深度的第一像素信号和第二像素信号。
第一像素TAPA可以基于复位信号RX、传输信号TX、选择信号SX和第一控制信号MIXA生成第一像素信号VPXA。复位信号RX、传输信号TX和选择信号SX可以是包括于上述多个行控制信号CTRL中的信号。例如，第一像素TAPA可以包括第一感测电路P1、第一传输电路TT1、第一电荷储存电路PC1、第一复位电路RT1、第一驱动电路DT1和第一选择电路ST1。
第一感测电路P1可以联接在第一传输电路TT1和低压端子之间。第一感测电路P1可以基于第一控制信号MIXA生成与第二光信号RS和背景光相对应的第一电荷。例如，第一感测电路P1可以包括光电二极管。
第一传输电路TT1可以联接在第一浮置扩散节点FD1和第一感测电路P1之间。第一传输电路TT1可以在第一感测电路P1被复位时将第一复位电路RT1联接至第一电荷储存电路PC1，或者基于传输信号TX向第一电荷储存电路PC1传输由第一感测电路P1生成的第一电荷。例如，第一传输电路TT1可以包括NMOS晶体管。
第一电荷储存电路PC1可以联接在第一浮置扩散节点FD1和低压端子之间。例如，第一电荷储存电路PC1可以是寄生电容器。
第一复位电路RT1可以联接在第一高压端子和第一感测电路P1之间。第一复位电路RT1可以基于复位信号RX来复位第一感测电路P1和第一电荷储存电路PC1。例如，第一复位电路RT1可以包括NMOS晶体管。
第一驱动电路DT1可以联接在第二高压端子和第一选择电路ST1之间。第二高压端子可以与第一高压端子相同或不同。第一驱动电路DT1可以基于加载在第一浮置扩散节点FD1上的电压以通过第二高压端子提供的高电压驱动第一列线COL1。例如，第一驱动电路DT1可以包括NMOS晶体管。
第一选择电路ST1可以联接在第一驱动电路DT1和第一列线COL1之间。第一选择电路ST1可以基于选择信号SX选择性地将第一驱动电路DT1联接至第一列线COL1。例如，第一选择电路ST1可以包括NMOS晶体管。
第二像素TAPB可以基于复位信号RX、传输信号TX、选择信号SX和第二控制信号MIXB生成第二像素信号VPXB。例如，第二像素TAPB可以包括第二感测电路P2、第二传输电路TT2、第二电荷储存电路PC2、第二复位电路RT2、第二驱动电路DT2和第二选择电路ST2。
第二感测电路P2可以联接在第二传输电路TT2和低压端子之间。第二感测电路P2可以基于第二控制信号MIXB生成与第二光信号RS和背景光相对应的第二电荷。例如，第二感测电路P2可以包括光电二极管。
第二传输电路TT2可以联接在第二浮置扩散节点FD2和第二感测电路P2之间。第二传输电路TT2可以在第二感测电路P2被复位时将第二复位电路RT2联接至第二电荷储存电路PC2，或者基于传输信号TX向第二电荷储存电路PC2传输由第二感测电路P2生成的第二电荷。例如，第二传输电路TT2可以包括NMOS晶体管。
第二电荷储存电路PC2可以联接在第二浮置扩散节点FD2和低压端子之间。例如，第二电荷储存电路PC2可以是寄生电容器。
第二复位电路RT2可以联接在第一高压端子和第二感测电路P2之间。第二复位电路RT2可以基于复位信号RX来复位第二感测电路P2和第二电荷储存电路PC2。例如，第二复位电路RT2可以包括NMOS晶体管。
第二驱动电路DT2可以联接在第二高压端子和第二选择电路ST2之间。第二驱动电路DT2可以基于加载在第二浮置扩散节点FD2上的电压利用通过第二高压端子提供的高电压来驱动第二列线COL2。例如，第二驱动电路DT2可以包括NMOS晶体管。
第二选择电路ST2可以联接在第二驱动电路DT2和第二列线COL2之间。第二选择电路ST2可以基于选择信号SX选择性地将第二驱动电路DT2联接至第二列线COL2。例如，第二选择电路ST2可以包括NMOS晶体管。
图3是例示了图1中所示的信号转换器170的示例的框图。图3仅例示了与一对像素相对应的配置。
参照图3，信号转换器170可以包括第一采样电路C0、开关电路SC、第二采样电路C1、比较电路171和计数电路173。
第一采样电路C0可以对参考斜坡信号VRAMPI进行采样，并且生成斜坡信号VREFP。例如，第一采样电路C0可以包括电容器。
开关电路SC可以基于第一控制信号SW0_A和第二控制信号SW0_B向公共节点CN依次输出第一像素信号VPXA和第二像素信号VPXB作为像素信号VIN。
第二采样电路C1可以对通过公共节点CN依次输出的像素信号VIN进行采样，并输出采样的像素信号作为测量信号VINN。例如，第二采样电路C1可以包括电容器。
比较电路171可以具有2-输入/2-输出结构。例如，比较电路171可以具有接收斜坡信号VREFP的同相(+)输入端子、接收测量信号VINN的反相(-)输入端子、以及输出比较信号VOUTP的输出端子。本实施方式描述了比较电路171具有第一输出端子和第二输出端子，但是通过第一输出端子和第二输出端子中的第一输出端子输出比较信号VOUTP的示例。
比较电路171可以将斜坡信号VREFP与测量信号VINN进行比较，并输出与比较结果相对应的比较信号VOUTP。例如，比较电路171可以通过单个比较操作生成与第一像素信号VPXA和第二像素信号VPXB之间的电压电平差相对应的比较信号VOUTP。
计数电路173可以基于比较信号VOUTP和时钟信号CLK，生成与第一像素信号VPXA和第二像素信号VPXB之间的电压电平差相对应的计数信号，作为深度信息信号DOUT。
图4是例示了图3所示的第一采样电路C0、开关电路SC、第二采样电路C1和比较电路171的电路图。
参照图4，第一采样电路C0可以在单个滚动读出时段CC期间向比较电路171的同相(+)输入端子输出具有与参考斜坡信号VRAMPI相同波形的斜坡信号VREFP。
开关电路SC可以包括第一开关元件S0和第二开关元件S1。第一开关元件S0可以基于第一控制信号SW_A在单个滚动读出时段CC的转换时段RR期间，向公共节点CN输出第一像素信号VPXA和第二像素信号VPXB中的一个像素信号(即，VPXA)。例如，第一开关元件S0可以在转换时段RR期间向公共节点CN输出第一像素信号VPXA。第二开关元件S1可以基于第二控制信号SW_B，在单个滚动读出时段CC的自动归零时段ZZ期间向公共节点CN输出第一像素信号VPXA和第二像素信号VPXB中的另一个像素信号(即，VPXB)。例如，第二开关元件S1可以在自动归零时段ZZ期间向公共节点CN输出第二像素信号VPXB。
第二采样电路C1可以根据在单次滚动读出时段CC期间依次输入的第一像素信号VPXA和第二像素信号VPXB，生成与第一像素信号VPXA和第二像素信号VPXB之间的电压电平差相对应的测量信号VINN。
比较电路171可以包括电流供应电路CL、输入电路IN、灌电路CS、第三开关元件S2和第四开关元件S3。
电流供应电路CL可以联接在高压端子和一对输出端子NN和PP之间。
输入电路IN可以联接在一对输出端子NN和PP与节点CCN之间。输入电路IN可以接收测量信号VINN和斜坡信号VREFP。例如，输入电路IN可以包括第一输入元件和第二输入元件。第一输入元件可以联接在一对输出端子NN和PP当中的第一输出端子PP与节点CCN之间，并且接收测量信号VINN。第二输入元件可以联接在一对输出端子NN和PP当中的第二输出端子NN与节点CCN之间，并且接收斜坡信号VREFP。
灌电路CS可以联接在节点CCN和低压端子之间。
第三开关元件S2可以联接在同相(+)输入端子和第二输出端子NN之间。第三开关元件S2可以基于第三控制信号SW_AZ在自动归零时段ZZ期间将同相(+)输入端子预充电至预定电压电平VAZ。预定电压电平VAZ可以对应于电流供应电路CL中包括的二极管连接的PMOS晶体管的栅源电压Vgs。
第四开关元件S3可以联接在反相(-)输入端子和第一输出端子PP之间。第四开关元件S3可以基于第三控制信号SW_AZ在自动归零时段ZZ期间将反相(-)输入端子预充电至预定电压电平VAZ。
图5是例示了图1所示的信号转换器170的另一示例的框图。
参照图5，信号转换器170可以包括第一采样电路C0、第一开关电路SC0、第二采样电路C1、第二开关电路SC1、第三采样电路C2、第四采样电路C3、比较电路171和计数电路173。
第一采样电路C0可以对第一参考斜坡信号VRAMPI进行采样，并生成第一斜坡信号VREFP。例如，第一采样电路C0可以包括电容器。
第一开关电路SC0可以基于第一控制信号SW0_A和第二控制信号SW0_B根据第一次序向第一公共节点CN0输出第一像素信号VPXA和第二像素信号VPXB。例如，第一开关电路SC0可以向第一公共节点CN0输出第二像素信号VPXB，并且依次向第一公共节点CN0输出第一像素信号VPXA。
第二采样电路C1可以对通过第一公共节点CN0根据第一次序输出的像素信号VIN<0>进行采样，并输出所采样的像素信号作为第一测量信号VINN。例如，第二采样电路C1可以包括电容器。
第二开关电路SC1可以基于第三控制信号SW1_A和第四控制信号SW1_B根据与第一次序相反的第二次序，向第二公共节点CN1输出第一像素信号VPXA和第二像素信号VPXB。例如，第二开关电路SC1可以向第二公共节点CN1输出第一像素信号VPXA，并且依次向第二公共节点CN1输出第二像素信号VPXB。
第三采样电路C2可以对通过第二公共节点CN1根据第二次序输出的像素信号VIN<1>进行采样，并输出所采样的像素信号作为第二测量信号VINP。例如，第三采样电路C2可以包括电容器。
第四采样电路C3可以对第二参考斜坡信号VRAMPII进行采样，并生成第二斜坡信号VREFN。第二参考斜坡信号VRAMPII可以在与第一参考斜坡信号VRAMPI相反的方向上成斜坡。例如，第四采样电路C3可以包括电容器。
比较电路171可以具有4-输入/2-输出结构。例如，比较电路171可以具有接收第一斜坡信号VREFP的第一同相(+)输入端子、接收第一测量信号VINN的第一反相(-)输入端子、接收第二测量信号VINP的第二同相(+)输入端子、接收第二斜坡信号VREFN的第二反相(-)输入端子、以及输出比较信号VOUTP的输出端子。本实施方式描述了比较电路171具有第一输出端子和第二输出端子，但是通过第一输出端子和第二输出端子当中的第一输出端子输出比较信号VOUTP的示例。
比较电路171可以同时将第一斜坡信号VREFP与第一测量信号VINN以及将第二斜坡信号VREFN与第二测量信号VINP进行比较，并输出与比较结果相对应的比较信号VOUTP。例如，比较电路171可以通过单个比较操作生成与第一像素信号VPXA和第二像素信号VPXB之间的电压电平差相对应的比较信号VOUTP。
计数电路173可以基于比较信号VOUTP和时钟信号CLK生成与第一像素信号VPXA和第二像素信号VPXB之间的电压电平差相对应的计数信号作为深度信息信号DOUT。
图6是例示了图5所示的第一采样电路C0、第二采样电路C1、第三采样电路C2、第四采样电路C3、第一开关电路SC0、第二开关电路SC1和比较电路171的电路图。
参照图6，第一采样电路C0可以在单个滚动读出时段CC期间向比较电路171的第一同相(+)输入端子输出具有与第一参考斜坡信号VRAMPI相同波形的第一斜坡信号VREFP。
第一开关电路SC0可以包括第一开关元件S0和第二开关元件S1。第一开关元件S0可以基于第一控制信号SW0_A，在单个滚动读出时段CC的转换时段RR期间向第一公共节点CN0输出第一像素信号VPXA和第二像素信号VPXB中的任意一个。例如，第一开关元件S0可以在转换时段RR期间向第一公共节点CN0输出第一像素信号VPXA。第二开关元件S1可以基于第二控制信号SW0_B，在单个滚动读出时段CC的自动归零时段ZZ期间向第一公共节点CN0输出第一像素信号VPXA和第二像素信号VPXB中的另一个。例如，第二开关元件S1可以在自动归零时段ZZ期间向第一公共节点CN0输出第二像素信号VPXB。
第二采样电路C1可以在单个滚动读出时段CC期间，根据以第一次序输入的第一像素信号VPXA和第二像素信号VPXB向比较电路171的第一反相(-)输入端子输出与第一像素信号VPXA和第二像素信号VPXB之间的电压电平差相对应的第一测量信号VINN。也就是说，第二采样电路C1可以生成第一测量信号VINN，该第一测量信号VINN具有通过从第二像素信号VPXB的电压电平减去第一像素信号VPXA的电压电平而获得的电压电平。
第二开关电路SC1可以包括第三开关元件S2和第四开关元件S3。第三开关元件S2可以基于第三控制信号SW1_A在单个滚动读出时段CC的自动归零时段ZZ期间向第二公共节点CN1输出第一像素信号VPXA和第二像素信号VPXB中的任意一个。第三控制信号SW1_A可以是与第二控制信号SW0_B相同的信号。例如，第三开关元件S2可以在自动归零时段ZZ期间向第二公共节点CN1输出第一像素信号VPXA。第四开关元件S3可以基于第四控制信号SW1_B在单个滚动读出时段CC的转换时段RR期间向第二公共节点CN1输出第一像素信号VPXA和第二像素信号VPXB中的另一个。第四控制信号SW1_B可以是与第一控制信号SW0_A相同的信号。例如，第四开关元件S3可以在转换时段RR期间向第二公共节点CN1输出第二像素信号VPXB。
第三采样电路C2可以在单个滚动读出时段CC期间，根据以第二次序输入的第一像素信号VPXA和第二像素信号VPXB向比较电路171的第二同相(+)输入端子输出与第一像素信号VPXA和第二像素信号VPXB之间的电压电平差相对应的第二测量信号VINP。也就是说，第三采样电路C2可以生成第二测量信号VINP，该第二测量信号VINP具有通过从第一像素信号VPXA的电压电平减去第二像素信号VPXB的电压电平而获得的电压电平。
第四采样电路C3可以在单个滚动读出时段CC期间向比较电路171的第二反相(-)输入端子输出具有与第二参考斜坡信号VRAMPII相同波形的第二斜坡信号VREFN。
比较电路171可以包括电流供给电路CL、第一输入电路IN0、第一灌电路CS0、第五开关元件S4、第二输入电路IN1、第二灌电路CS1和第六开关元件S5。
电流供应电路CL可以联接在高压端子和一对输出端子NN和PP之间。
第一输入电路IN0可以联接在一对输出端子NN和PP与第一节点CCN0之间。第一输入电路IN0可以接收第一测量信号VINN和第一斜坡信号VREFP。例如，第一输入电路IN0可以包括第一输入元件和第二输入元件。第一输入元件可以联接在一对输出端子NN和PP当中的第一输出端子PP与第一节点之间，并且接收第一测量信号VINN。第二输入元件可以联接在一对输出端子NN和PP当中的第二输出端子NN与第一节点之间，并且接收第一斜坡信号VREFP。
第一灌电路CS0可以联接在第一节点和低电压端子之间。
第五开关元件S4可以联接在第一同相(+)输入端子和第二输出端子NN之间。第五开关元件S4可以基于第五控制信号SW_AZ在自动归零时段ZZ期间将第一同相(+)输入端子预充电至预定电压电平VAZ。预定电压电平VAZ可以对应于电流供应电路CL中所包括的二极管连接的PMOS晶体管的栅源电压Vgs。
第二输入电路IN1可以联接在一对输出端子NN和PP与第二节点CCN1之间。第二输入电路IN1可以接收第二测量信号VINP和第二斜坡信号VREFN。例如，第二输入电路IN1可以包括第三输入元件和第四输入元件。第三输入元件可以联接在一对输出端子NN和PP当中的第一输出端子PP与第二节点之间，并且接收第二斜坡信号VREFN。第四输入元件可以联接在一对输出端子NN和PP当中的第二输出端子NN与第二节点之间，并且接收第二测量信号VINP。
第二灌电路CS1可以联接在第二节点和低电压端子之间。
第六开关元件S5可以联接在第二反相(-)输入端子和第一输出端子PP之间。第六开关元件S5可以基于第五控制信号SW_AZ在自动归零时段ZZ期间将第二反相(-)输入端子预充电至预定电压电平VAZ。
在下文中，参照图7至图12描述具有上述配置的根据本实施方式的图像感测装置100的操作。
首先，参照图7至图9根据示例描述图像感测装置100的操作。
图7是例示了加载在第一浮置扩散节点FD1上的电压(以下称为“第一电压VFD1”)高于加载在第二浮置扩散节点FD2上的电压(以下称为“第二电压VFD2”)的情况的时序图。
参照图7，在复位时段AA期间，第一电压VFD1和第二电压VFD2可以具有复位电平VRST。复位电平VRST可以对应于通过第一高压端子提供的高电压。第一电压VFD1的电压电平可以在积分时间BB期间改变为第一目标电平，并且第二电压VFD2的电压电平可以在积分时间BB期间改变为第二目标电平。在单个滚动读出时段CC期间，第一电压VFD1和第二电压VFD2可以分别被读出为第一像素信号VPXA和第二像素信号VPXB。在这种情况下，第一电压VFD1的电压电平的变化量ΔVFD1可以小于第二电压VFD2的电压电平的变化量ΔVFD2。
图8是例示了图像感测装置100根据图7所示的单个滚动读出时段CC的操作示例的时序图。可以看出，图8是例示了包括图3和图4所示电路的图像感测装置100的操作的时序图。
参照图8，在自动归零时段ZZ期间，开关电路SC可以基于第二控制信号SW_B向公共节点CN输出第二像素信号VPXB。在转换时段RR期间，开关电路SC可以基于第一控制信号SW_A向公共节点CN输出第一像素信号VPXA。通过公共节点CN生成的像素信号VIN可以在自动归零时段ZZ期间具有与第二像素信号VPXB相对应的电压电平，并且在转换时段RR期间具有与第一像素信号VPXA相对应的电压电平。测量信号VINN可以在自动归零时段ZZ期间具有与预定电压VAZ相对应的电压电平，并且在转换时段RR期间具有预定电压VAZ、第二像素信号VPXB的电压电平和第一像素信号VPXA的电压电平被施加至的电压电平，即，VAZ+(VPXA-VPXB)。
比较电路171可以在转换时段RR期间将斜坡信号VREFP与测量信号VINN进行比较，并且允许比较信号VOUTP在斜坡信号VREFP和测量信号VINN具有相同电压电平的时间VT1转变，作为比较结果。
计数电路173可以基于比较信号VOUTP和时钟信号CLK，生成与第一像素信号VPXA和第二像素信号VPXB之间的电压电平差相对应的计数信号，作为深度信息信号DOUT。
图9是例示了图像感测装置100根据图7所示的单个滚动读出时段CC的操作的另一示例的时序图。可以看出，图9是例示了包括图5和图6所示电路的图像感测装置100的操作的时序图。
参照图9，在自动归零时段ZZ期间，第一开关电路SC0可以基于第二控制信号SW0_B向第一公共节点CN0输出第二像素信号VPXB。在转换时段RR期间，第一开关电路SC0可以基于第一控制信号SW0_A向第一公共节点CN0输出第一像素信号VPXA。通过第一公共节点CN0生成的像素信号VIN<0>可以在自动归零时段ZZ期间具有与第二像素信号VPXB相对应的电压电平，并且在转换时段期RR期间具有与第一像素信号VPXA相对应的电压电平。第一测量信号VINN可以在自动归零时段ZZ期间具有与预定电压VAZ相对应的电压电平，并且在转换时段RR期间具有预定电压VAZ、第二像素信号VPXB的电压电平和第一像素信号VPXA的电压电平被施加至的电压电平，即，VAZ+(VPXA-VPXB)。
在自动归零时段ZZ期间，第二开关电路SC1可以基于第三控制信号SW1_A向第二公共节点CN1输出第一像素信号VPXA。在转换时段RR期间，第二开关电路SC1可以基于第四控制信号SW1_B向第二公共节点CN1输出第二像素信号VPXB。通过第二公共节点CN1生成的像素信号VIN<1>可以在自动归零时段ZZ期间具有与第一像素信号VPXA相对应的电压电平，并且在转换时段RR期间具有与第二像素信号VPXB相对应的电压电平。第二测量信号VINP可以在自动归零时段ZZ期间具有与预定电压VAZ相对应的电压电平，并且在转换时段RR期间具有预定电压VAZ、第一像素信号VPXA的电压电平和第二像素信号VPXB的电压电平被施加至的电压电平，即，VAZ+(VPXB-VPXA)。
比较电路171可以在转换时段RR期间基于第一斜坡信号VREFP和第二斜坡信号VREFN以及第一测量信号VINN和第二测量信号VINP，生成比较信号VOUTP。比较信号VOUTP可以在第一斜坡信号VREFP与第一测量信号VINN具有相同电压电平并且第二斜坡信号VREFN与第二测量信号VINP具有相同电压电平的时间VT11转变。例如，比较电路171可以将双斜坡信号(即，VREFP-VREFN)与双测量信号(即，2×(VPXA-VPXB))进行比较，并生成与比较结果相对应的比较信号VOUTP。由于使用双测量信号(即，2×(VPXA-VPXB))来生成比较信号VOUTP，所以与图3和图4所示的比较信号VOUTP相比，可以提高比较信号VOUTP的信噪比(SNR)。
计数电路173可以基于比较信号VOUTP和时钟信号CLK，生成与第一像素信号VPXA和第二像素信号VPXB之间的电压电平差相对应的计数信号，作为深度信息信号DOUT。
接下来，参照图10至图12根据另一示例描述图像感测装置100的操作。
图10是例示了第一电压VFD1的电压电平低于第二电压VFD2的电压电平的情况的时序图。
参照图10，在复位时段AA期间，第一电压VFD1和第二电压VFD2可以具有复位电平VRST。第一电压VFD1的电压电平可以在积分时间BB期间改变为第三目标电平，并且第二电压VFD2的电压电平可以在积分时间BB期间改变为第四目标电平。在单个滚动读出时段CC期间，第一电压VFD1和第二电压VFD2可以分别被读出为第一像素信号VPXA和第二像素信号VPXB。在这种情况下，第一电压VFD1的电压电平的变化量ΔVFD1可以大于第二电压VFD2的电压电平的变化量ΔVFD2。
图11是例示了图像感测装置100根据图10所示的单个滚动读出时段CC的操作示例的时序图。可以看出，图11是例示了包括图3和图4所示电路的图像感测装置100的操作的时序图。
参照图11，在自动归零时段ZZ期间，开关电路SC可以基于第二控制信号SW_B向公共节点CN输出第二像素信号VPXB。在转换时段RR期间，开关电路SC可以基于第一控制信号SW_A向公共节点CN输出第一像素信号VPXA。通过公共节点CN生成的像素信号VIN可以在自动归零时段ZZ期间具有与第二像素信号VPXB相对应的电压电平，并且在转换时段RR期间具有与第一像素信号VPXA相对应的电压电平。因此，通过第二采样电路C1，测量信号VINN可以在自动归零时段ZZ期间具有预定电压VAZ和第二像素信号VPXB的电压电平被施加至的电压电平，例如VAZ-VPXB，并且在转换时段RR期间具有预定电压VAZ、第二像素信号VPXB的电压电平和第一像素信号VPXA的电压电平被施加至的电压电平，例如VAZ-VPXB+VPXA。
比较电路171可以在转换时段RR期间比较斜坡信号VREFP和测量信号VINN，并允许比较信号VOUTP在斜坡信号VREFP和测量信号VINN具有相同电压电平的时间VT2转变，作为比较结果。
计数电路173可以基于比较信号VOUTP和时钟信号CLK，生成与第一像素信号VPXA和第二像素信号VPXB之间的电压电平差相对应的计数信号，作为深度信息信号DOUT。
图12是例示了图像感测装置100根据图10所示的单个滚动读出时段CC的操作的另一示例的时序图。可以看出，图12是例示了包括图5和图6所示电路的图像感测装置100的操作的时序图。
参照图12，在自动归零时段ZZ期间，第一开关电路SC0可以基于第二控制信号SW0_B向第一公共节点CN0输出第二像素信号VPXB。在转换时段RR期间，第一开关电路SC0可以基于第一控制信号SW0_A向第一公共节点CN0输出第一像素信号VPXA。通过第一公共节点CN0生成的像素信号VIN<0>可以在自动归零时段ZZ期间具有与第二像素信号VPXB相对应的电压电平，并且在转换时段RR期间具有与第一像素信号VPXA相对应的电压电平。因此，通过第二采样电路C1，第一测量信号VINN可以在自动归零时段ZZ期间具有预定电压VAZ和第二像素信号VPXB的电压电平被施加至的电压电平，例如，VAZ-VPXB，并且在转换时段RR期间具有预定电压VAZ、第二像素信号VPXB的电压电平和第一像素信号VPXA的电压电平被施加至的电压电平，例如，VAZ-VPXB+VPXA。
在自动归零时段ZZ期间，第二开关电路SC1可以基于第三控制信号SW1_A向第二公共节点CN1输出第一像素信号VPXA。在转换时段RR期间，第二开关电路SC1可以基于第四控制信号SW1_B向第二公共节点CN1输出第二像素信号VPXB。通过第二公共节点CN1生成的像素信号VIN<1>可以在自动归零时段ZZ期间具有与第一像素信号VPXA相对应的电压电平，并且在转换时段RR期间具有与第二像素信号VPXB相对应的电压电平。因此，通过第三采样电路C2，第二测量信号VINP可以在自动归零时段ZZ期间具有预定电压VAZ和第一像素信号VPXA的电压电平被施加至的电压电平，例如，VAZ-VPXA，并且在转换时段RR期间具有预定电压VAZ、第一像素信号VPXA的电压电平和第二像素信号VPXB的电压电平被施加至的电压电平，例如，VAZ-VPXA+VPXB。
比较电路171可以在转换时段RR期间将第一斜坡信号VREFP和第二斜坡信号VREFN分别与第一测量信号VINN和第二测量信号VINP进行比较，并且允许比较信号VOUTP在第一斜坡信号VREFP与第一测量信号VINN具有相同电压电平并且第二斜坡信号VREFN与第二测量信号VINP具有相同电压电平的时间VT22转变，作为比较结果。
计数电路173可以基于比较信号VOUTP和时钟信号CLK生成与第一像素信号VPXA和第二像素信号VPXB之间的电压电平差相对应的计数信号，作为深度信息信号DOUT。
根据本公开的一个实施方式，可以对第一像素信号和第二像素信号执行单次模数(A/D)转换操作，并且作为单次A/D转换操作的结果，可以获得与第一像素信号和第二像素信号之间的电压电平差的深度信息信号。另外，由于在单次A/D转换操作期间使用了第一像素信号和第二像素信号之间的电压电平差，所以可以抵销在第一像素信号和第二像素信号中的每一个中反射的背景光。
根据本公开的一个实施方式，通过单次模数(A/D)转换操作来转换多个像素信号，从而减少与A/D转换操作相关的电路(即，信号转换器)的占用面积，并且减少了A/D转换操作期间的时间和功耗。
虽然已经参照特定实施方式对本公开进行了例示和描述，但所公开的实施方式仅是为了描述而提供的，并非旨在限制性的。此外，应注意，如同本领域技术人员根据本公开将认识到的，本公开可以通过落入所附权利要求的范围内的替换、改变和修改以各种方式实现。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2021年4月13日提交的韩国专利申请No.10-2021-0047962的优先权，该韩国专利申请的公开内容通过引用整体并入本文中。

Claims (22)

1.一种图像感测装置，该图像感测装置包括：
第一采样电路，该第一采样电路将参考斜坡信号采样为斜坡信号；
开关电路，该开关电路基于第一控制信号和第二控制信号，向公共节点依次输出第一像素信号和第二像素信号；
第二采样电路，该第二采样电路将通过所述公共节点依次输出的所述第一像素信号和所述第二像素信号采样为测量信号；
比较电路，该比较电路将所述斜坡信号与所述测量信号进行比较，并生成与比较结果相对应的比较信号；以及
计数电路，该计数电路基于所述比较信号和时钟信号生成与所述测量信号的电压电平相对应的计数信号。
2.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，所述测量信号具有与所述第一像素信号和所述第二像素信号之间的电压电平差相对应的电压电平。
3.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，所述开关电路包括：
第一开关元件，该第一开关元件基于所述第一控制信号在单个滚动读出时段的自动归零时段期间向所述公共节点输出所述第一像素信号和所述第二像素信号中的任意一个；以及
第二开关元件，该第二开关元件基于所述第二控制信号在所述单个滚动读出时段的转换时段期间向所述公共节点输出所述第一像素信号和所述第二像素信号中的另一个。
4.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，所述比较电路包括：
同相输入端子，该同相输入端子接收所述斜坡信号；
反相输入端子，该反相输入端子接收所述测量信号；以及
输出端子，该输出端子输出所述比较信号。
5.根据权利要求1所述的图像感测装置，该图像感测装置还包括一对像素，所述一对像素生成指示距对象的深度的所述第一像素信号和所述第二像素信号。
6.一种图像感测装置，该图像感测装置包括：
第一采样电路，该第一采样电路将第一参考斜坡信号采样为第一斜坡信号；
第二采样电路，该第二采样电路将第二参考斜坡信号采样为第二斜坡信号；
第一开关电路，该第一开关电路基于第一控制信号和第二控制信号根据第一次序向第一公共节点输出第一像素信号和第二像素信号；
第三采样电路，该第三采样电路将通过所述第一公共节点输出的所述第一像素信号和所述第二像素信号采样为第一测量信号；
第二开关电路，该第二开关电路基于第三控制信号和第四控制信号根据与所述第一次序相反的第二次序向第二公共节点输出所述第一像素信号和所述第二像素信号；
第四采样电路，该第四采样电路将通过所述第二公共节点输出的所述第一像素信号和所述第二像素信号采样为第二测量信号；
比较电路，该比较电路同时将所述第一斜坡信号与所述第一测量信号以及所述第二斜坡信号与所述第二测量信号进行比较，并生成与比较结果相对应的比较信号；以及
计数电路，该计数电路基于所述比较信号和时钟信号生成与所述第一测量信号的电压电平和所述第二测量信号的电压电平相对应的计数信号。
7.根据权利要求6所述的图像感测装置，
其中，所述第一测量信号具有通过从所述第二像素信号的电压电平中减去所述第一像素信号的电压电平而获得的第一电压电平，并且
其中，所述第二测量信号具有从所述第一像素信号的电压电平减去所述第二像素信号的电压电平而获得的第二电压电平。
8.根据权利要求6所述的图像感测装置，
其中，所述第一开关电路包括：
第一开关元件，该第一开关元件基于所述第一控制信号，在单个滚动读出时段的自动归零时段期间向所述第一公共节点输出所述第一像素信号和所述第二像素信号中的任意一个；以及
第二开关元件，该第二开关元件基于所述第二控制信号，在所述单个滚动读出时段的转换时段期间向所述第一公共节点输出所述第一像素信号和所述第二像素信号中的另一个，并且
其中，所述第二开关电路包括：
第三开关元件，该第三开关元件基于所述第三控制信号，在所述单个滚动读出时段的自动归零时段期间，向所述第二公共节点输出所述第一像素信号和所述第二像素信号中的另一个；以及
第四开关元件，该第四开关元件基于所述第四控制信号，在所述单个滚动读出时段的转换时段期间向所述第二公共节点输出所述第一像素信号和所述第二像素信号中的所述任意一个。
9.根据权利要求6所述的图像感测装置，其中，所述比较电路包括：
第一同相输入端子，该第一同相输入端子接收所述第一斜坡信号；
第一反相输入端子，该第一反相输入端子接收所述第一测量信号；
第二同相输入端子，该第二同相输入端子接收所述第二测量信号；
第二反相输入端子，该第二反相输入端子接收所述第二斜坡信号；以及
输出端子，该输出端子输出所述比较信号。
10.根据权利要求6所述的图像感测装置，其中，所述第一斜坡信号和所述第二斜坡信号在相同的斜坡范围内以相反方向成斜坡。
11.根据权利要求6所述的图像感测装置，该图像感测装置还包括一对像素，所述一对像素生成指示距对象的深度的所述第一像素信号和所述第二像素信号。
12.一种图像感测装置，该图像感测装置包括：
一对像素，所述一对像素生成第一像素信号和第二像素信号；以及
信号转换器，该信号转换器通过单次模数转换操作生成深度信息信号，该深度信息信号与所述第一像素信号和所述第二像素信号之间的电压电平差相对应。
13.根据权利要求12所述的图像感测装置，其中，所述信号转换器包括：
第一采样电路，该第一采样电路将参考斜坡信号采样为斜坡信号；
开关电路，该开关电路基于第一控制信号和第二控制信号向公共节点依次输出第一像素信号和第二像素信号；
第二采样电路，该第二采样电路将通过所述公共节点依次输出的所述第一像素信号和所述第二像素信号采样为测量信号；
比较电路，该比较电路将所述斜坡信号与所述测量信号进行比较，并生成与比较结果相对应的比较信号；以及
计数电路，该计数电路基于所述比较信号和时钟信号生成与所述测量信号的电压电平相对应的计数信号作为深度信息信号。
14.根据权利要求13所述的图像感测装置，其中，所述测量信号具有与所述第一像素信号和所述第二像素信号之间的电压电平差相对应的电压电平。
15.根据权利要求13所述的图像感测装置，其中，所述开关电路包括：
第一开关元件，该第一开关元件基于所述第一控制信号，在单个滚动读出时段的自动归零时段期间向所述公共节点输出所述第一像素信号和所述第二像素信号中的任意一个；以及
第二开关元件，该第二开关元件基于所述第二控制信号，在所述单个滚动读出时段的转换时段期间向所述公共节点输出所述第一像素信号和所述第二像素信号中的另一个。
16.根据权利要求13所述的图像感测装置，其中，所述比较电路包括：
同相输入端子，该同相输入端子接收所述斜坡信号；
反相输入端子，该反相输入端子接收所述测量信号；以及
输出端子，该输出端子输出所述比较信号。
17.根据权利要求12所述的图像感测装置，其中，所述信号转换器包括：
第一采样电路，该第一采样电路将第一参考斜坡信号采样为第一斜坡信号；
第二采样电路，该第二采样电路将第二参考斜坡信号采样为第二斜坡信号；
第一开关电路，该第一开关电路基于第一控制信号和第二控制信号根据第一次序向第一公共节点输出所述第一像素信号和所述第二像素信号；
第三采样电路，该第三采样电路将通过所述第一公共节点输出的所述第一像素信号和所述第二像素信号采样为第一测量信号；
第二开关电路，该第二开关电路基于第三控制信号和第四控制信号根据与所述第一次序相反的第二次序向第二公共节点输出所述第一像素信号和所述第二像素信号；
第四采样电路，该第四采样电路将通过所述第二公共节点输出的所述第一像素信号和所述第二像素信号采样为第二测量信号；
比较电路，该比较电路同时将所述第一斜坡信号和所述第二斜坡信号与所述第一测量信号和所述第二测量信号进行比较，并生成与比较结果相对应的比较信号；以及
计数电路，该计数电路基于所述比较信号和时钟信号生成与所述第一测量信号的电压电平和所述第二测量信号的电压电平相对应的计数信号作为所述深度信息信号。
18.根据权利要求17所述的图像感测装置，
其中，所述第一测量信号具有通过从所述第二像素信号的电压电平减去所述第一像素信号的电压电平而获得的第一电压电平，并且
其中，所述第二测量信号具有从所述第一像素信号的电压电平减去所述第二像素信号的电压电平而获得的第二电压电平。
19.根据权利要求17所述的图像感测装置，
其中，所述第一开关电路包括：
第一开关元件，该第一开关元件基于所述第一控制信号，在单个滚动读出时段的自动归零时段期间向所述第一公共节点输出所述第一像素信号和所述第二像素信号中的任意一个；以及
第二开关元件，该第二开关元件基于所述第二控制信号，在所述单个滚动读出时段的转换时段期间向所述第一公共节点输出所述第一像素信号和所述第二像素信号中的另一个，并且
其中，所述第二开关电路包括：
第三开关元件，该第三开关元件基于所述第三控制信号，在所述单个滚动读出时段的自动归零时段期间向所述第二公共节点输出所述第一像素信号和所述第二像素信号中的所述另一个；以及
第四开关元件，该第四开关元件基于所述第四控制信号，在所述单个滚动读出时段的转换时段期间向所述第二公共节点输出所述第一像素信号和所述第二像素信号中的所述任意一个。
20.根据权利要求17所述的图像感测装置，其中，所述比较电路包括：
第一同相输入端子，该第一同相输入端子接收所述第一斜坡信号；
第一反相输入端子，该第一反相输入端子接收所述第一测量信号；
第二同相输入端子，该第二同相输入端子接收所述第二测量信号；
第二反相输入端子，该第二反相输入端子接收所述第二斜坡信号；以及
输出端子，该输出端子输出所述比较信号。
21.根据权利要求17所述的图像感测装置，其中，所述第一斜坡信号和所述第二斜坡信号在相同的斜坡范围内以相反方向成斜坡。
22.一种图像感测装置的操作方法，该操作方法包括以下步骤：
将参考斜坡信号采样为斜坡信号；
依次将指示距对象的深度的一对像素信号采样为测量信号；
基于所述斜坡信号和所述测量信号生成与所述一对像素信号之间的电压差相对应的比较信号；以及
基于所述比较信号生成深度信息信号。
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