CN115914866A - 图像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可以通过降噪来提高ISO灵敏度的图像传感器，其包括：具有多个图像捕获元件的像素阵列PXA；以及接收从像素阵列PXA并行供应的像素数据的ADC电路1。ADC电路1包括：根据数字代码DCD来输出参考信号SD_0至SD_m的参考信号生成电路；比较参考信号SD_0至SD_m与像素数据的比较电路CP，ADC电路输出数字代码DCD，参考信号SD_0至SD_m与像素数据在该数字代码DCD处彼此匹配。参考信号生成电路包括：斜坡信号生成电路RAMP_G，其输出相对于数字代码DCD的改变具有斜率的斜坡信号RAMP，在当数字代码DCD处于第一范围时及其处于第二范围时斜率是不同的；接收要供应的斜坡信号RAMP并输出在数字代码处于第一范围时与数字代码处于第二范围时具有相同的斜率的参考信号SD_0至SD_m的衰减器ATT。

Description

图像传感器

相关申请的交叉引用

于2021年7月20日提交的日本专利申请No.2021-119572的公 开内容，包括说明书、附图和摘要在内，通过引用全部并入本文。

技术领域

本发明涉及一种图像传感器(image sensor)，并且涉及例如包括 模拟/数字(以下也称为ADC)电路和像素阵列的图像传感器，该像 素阵列具有以阵列形式布置的多个图像捕获元件，该图像传感器将从 像素阵列输出的像素数据转换为数字信号并且输出数字信号。

背景技术

下面列出了所公开的技术。

[专利文件]日本未审查专利申请公开No.2014-90325

例如，在专利文件1中描述了一种图像传感器(固态图像捕获元 件)，其包括与像素阵列、ADC电路和斜波发生器相对应的成像传 感器(imaging sensor)。

发明内容

将从像素阵列输出的像素数据转换为数字信号的ADC电路例如 是这样的ADC电路，该ADC电路将像素数据与根据数字代码而变化 的斜坡信号进行比较，并输出数字代码的值作为与像素数据相对应的 数字信号，例如斜坡信号和像素数据在该数字代码的值处彼此匹配。 根据本发明人的研究，已经发现，当例如几十μV的噪声(诸如热噪 声和闪光噪声)叠加在斜坡信号上时，由ADC电路转换的数字信号 在被显示在屏幕上时常常被识别为水平线。

人眼对暗光比对亮光更敏感。因此，特别是当在将由暗光的图像 捕获所产生的像素数据转换为数字信号时，在斜坡信号上叠加噪声 时，屏幕上的水平线容易被注意到，并且ISO灵敏度的改进受到限制。

专利文件1没有描述由于噪声叠加在斜坡信号上而使水平线容易 被注意到。

本申请中公开的发明的典型方面的概述将简要描述如下：

一种图像传感器，包括：具有多个图像捕获元件的像素阵列和接 收从像素阵列并行供应的像素数据的ADC电路。ADC电路包括：根 据数字代码来输出参考信号的参考信号生成电路；以及比较参考信号 和像素数据的比较电路，并且该ADC电路输出参考信号和像素数据 在其处具有预定关系的数字代码。在这种情况下，参考信号生成电路 包括：斜坡信号生成电路，其输出相对于数字代码的改变具有斜率的 斜坡信号，该斜率在当数字代码处于第一范围时以及当数字代码处于 与第一范围不同的第二范围时是不同的；以及衰减器，其接收要供应 的斜坡信号并输出参考信号，该参考信号具有在当数字代码处于第一 范围时与当数字代码处于第二范围时相同的斜率。

根据本说明书的描述和附图，其它目的和新颖性特征将是显而易 见的。

根据一个实施例，可以提供一种图像传感器，在该图像从传感器 中可以通过降噪来提高ISO灵敏度。

附图说明

图1是示出根据第一实施例的图像传感器的配置的框图。

图2是用于解释根据第一实施例的图像传感器的操作的图。

图3是用于解释根据第一实施例的图像传感器的操作的图。

图4A是用于解释根据第一实施例的图像传感器的操作的波形 图。

图4B是用于解释根据第一实施例的图像传感器的操作的波形 图。

图4C是用于解释根据第一实施例的图像传感器的操作的波形 图。

图5A是用于解释根据第一实施例的斜坡信号生成电路的图。

图5B是用于解释根据第一实施例的斜坡信号生成电路的图。

图5C是用于解释根据第一实施例的斜坡信号生成电路的图。

图6是用于解释根据第一实施例的修改性示例的图像传感器的示 图。

图7A是用于解释根据第一实施例的修改性示例的图像传感器的 波形图。

图7B是用于解释根据第一实施例的修改性示例的图像传感器的 波形图。

图7C是用于解释根据第一实施例的修改性示例的图像传感器的 波形图。

图8A是用于解释在根据第一实施例的图像传感器中生成的问题 的波形图。

图8B是用于解释在根据第一实施例的图像传感器中生成的问题 的波形图。

图9是示出根据第二实施例的图像传感器的配置的框图。

图10是用于解释根据第二实施例的计算器的图。

图11A是用于解释根据第二实施例的图像传感器的操作的波形 图。

图11B是用于解释根据第二实施例的图像传感器的操作的波形 图。

图11C是用于解释根据第二实施例的图像传感器的操作的波形 图。

图12是示出根据第三实施例的图像传感器的配置的框图。

图13A是用于解释根据第三实施例的图像传感器的操作的波形 图。

图13B是用于解释根据第三实施例的图像传感器的操作的波形 图。

图14是示出根据第四实施例的图像传感器的配置的框图。

图15A是用于解释根据第四实施例的图像传感器的操作的波形 图。

图15B是用于解释根据第四实施例的图像传感器的操作的波形 图。

图16是根据第一实施例的图像传感器的示意性平面图。

具体实施方式

以下是关于本发明的各实施例参考附图的解释。注意，仅公开了 一个示例，并且本领域技术人员容易想到的、保持本发明概念的适当 修改显然在本发明的范围内。

在本说明书和每个附图中，与前面针对已经描述的附图所描述的 元件类似的元件用相同的附图标记来标示，并且在一些情况下适当地 省略其详细描述。

在以下解释中，将解释包括布置在一个半导体芯片上的像素阵列 和ADC电路的图像传感器的示例。然而，本发明不限于此。例如， 像素阵列和ADC电路可以被布置在不同的半导体芯片上。

(第一实施例)

<整体配置>

图16是根据第一实施例的图像传感器的示意性平面图。虽然图 像传感器100由布置在一个半导体芯片上的多个电路块构成，但是在 附图中仅图示了对于解释必要的电路块。在图16中，术语“Pix”表 示捕获图像的图像捕获元件。多个图像捕获元件Pix以阵列形式被布 置以配置像素阵列PXA。

虽然没有特别限制，但是在像素阵列PXA中布置在相同列(像 素列)上的多个图像捕获元件连接到像素数据线，而在读取时同时选 择布置在其中的相同行(像素行)上的多个图像捕获元件。在图16 中，像素行被例示为PIL_0至PIL_n，并且像素数据线被例示为PID_0 至PID_m。

像素阵列PXA的像素数据线PID_0到PID_m连接到ADC电路1。 在像素阵列PXA上读取时，例如如图16中所示，在从像素数据线 PIL_0到像素数据线PIL_n的方向上，从布置在同一像素行上的多个 图像捕获元件Pix、从像素数据线PID_0到PID_m顺序地读出像素数据。所读出的像素数据由ADC电路1转换为对应的数字信号，并作 为数字像素数据DPI从ADC电路1输出。

<ADC电路的配置>

图1是示出根据第一实施例的图像传感器的配置的框图。在图1 中，像素阵列PXA在用作其操作电压的第一电压V1下操作，并且 ADC电路1在用作其操作电压的第二电压V2下操作，第二电压V2 的绝对值低于第一电压V1。第一电压V1例如是5(V)，并且第二 电压V2例如是3.3(V)。

图像捕获元件Pix(图16)被设计为当捕获最暗光的图像时输出 例如2(V)的像素数据，并且当捕获最亮光的图像时输出例如1(V) 的像素数据。换句话说，取决于所捕获的图像光的亮度，像素数据的 值在1(V)与2(V)之间变化。

通过读出，1(V)至2(V)的像素数据通过像素数据线PID_0 至PID_m，而从像素阵列PXA并行供应给ADC电路1。

ADC电路1包括生成斜坡信号RAPM的斜坡信号生成电路(生 成器电路)RAMP_G、衰减器ATT、控制电路CNT、比较电路CP、 偏置电路BSC、锁存电路LTC、以及生成数字代码DCD的代码生成 电路DCD_G。

斜坡信号生成电路RAMP_G包括数字/模拟转换(以下也称为 DAC)电路2和电压跟随器电路3。DAC电路2接收供应给其的数字 代码DCD，并将数字代码DCD的值(数字代码值)转换为模拟信号。 转换后的模拟信号被供应给由计算器构成的电压跟随器电路3。电压 跟随器电路3的输出作为斜坡信号RAMP而被供应给斜坡信号线 RAMP_L。

斜坡信号生成电路RAMP_G在用作其操作电压的第二电压V2下 操作。数字代码DCD由代码生成电路DCD_G生成。在第一实施例 中，代码生成电路DCD_G由12位计数器构成，并且数字代码DCD 由12位的二进制信号构成。由于12位计数器根据时间推移而执行向 上或向下计数，所以数字代码DCD的值根据时间而改变。当数字代 码DCD的值以十进制来表达时，数字代码DCD的值根据时间推移从 例如0到4095而改变。

由于数字代码DCD的值根据时间推移而改变(增大或减小)， 因此从DAC电路2输出的模拟信号的电压也改变，并且斜坡信号 RAMP的电压也根据时间推移而改变。在第一实施例中，DAC电路2 由从控制电路CNT输出的斜坡控制信号RAMP_C控制。虽然稍后参 考附图进行解释，但是DAC电路2的参考电流由斜坡控制信号 RAMP_C切换。通过参考电流的切换，斜坡信号RAMP相对于数字 代码DCD的斜率发生改变。

斜坡信号RAMP作为参考信号SD(SD_0至SD_m)通过衰减器 ATT而被供应给比较电路CP。衰减器ATT的增益由从控制电路CNT 输出的衰减器控制信号ATT_C来切换。换句话说，衰减器ATT是根 据由衰减器控制信号ATT_C所指示的增益来使斜坡信号RAMP衰减 的衰减器。在控制电路CNT中，当斜坡信号RAMP的斜率由斜坡控 制信号RAMP_C切换时，衰减器ATT的增益也由衰减器控制信号 ATT_C切换。

在第一实施例中，衰减器ATT由与像素数据线PID_0至PID_m 相对应的多个单位衰减器AT_0至AT_m构成。比较电路CP还由与 像素数据线PID_0至PID_m相对应的多个比较器CP_0至CP_m构成。 在对示例性像素数据线PID_0的解释中，将斜坡信号RAMP作为参 考信号SD_0而从对应的单位衰减器AT_0供应给对应的比较器 CP_0。比较器CP_0比较所供应的参考信号SD_0和通过对应的像素 数据线PID_0供应的像素数据。其它单位衰减器AT_1至AT_m和比 较器CP_1至CP_m与单位衰减器AT_0和比较器CP_0相同。

从偏置电路BSC向比较器CP_0至CP_m供应预定的偏置电压。 在对示例性比较器CP_0的比较器配置的解释中，比较器包括电容元 件C1至C4、差分放大器A1、比较器A2和施密特触发器电路ST。 参考信号SD_0和像素数据通过电容元件C1和C2而被供应给差分放 大器A1，并被放大。差分放大器A1的输出通过电容元件C3和C4 而被供应给比较器A2，以比较参考信号SD_0的电压和像素数据的电 压。比较器A2的输出被供应给施密特触发器电路ST。如果参考信号 SD_0的电压和像素数据的电压具有预定关系，换言之，彼此匹配， 则锁存触发器(触发器)信号LT_C被从施密特触发器电路ST输出 到锁存电路LTC。

锁存电路LTC也由与像素数据线PID_0至PID_m相对应的多个 单元锁存电路LT_0至LT_m构成。单元锁存电路LT_0至LT_m中 的每个单元锁存电路从配置代码生成电路DCD_G的12位计数器接 收通过12条信号线供应的数字代码DCD，并且响应于从对应的比较 器输出的触发信号LT_C而锁存(保持)数字代码DCD的值。在对 示例性单元锁存电路LT_0的解释中，该单元锁存电路在接收到用作 从对应的比较器CP_0供应的触发器的触发信号LT_C时，锁存所供 应的数字代码DCD的值。其它单元锁存电路LT_1至LT_m与单元锁 存电路LT_0相同。

在上述配置中，将参考信号SD_0至SD_m与像素数据线PID_0 至PID_m的像素数据彼此进行比较。当比较中的这些值彼此匹配时， 此时所供应的数字代码DCD的值由单元锁存电路LT_0至LT_m锁 存。由锁存电路LTC锁存的数字代码DCD的值作为与像素数据相对 应的数字像素数据DPI(图16)而被输出。

在图1中，基于数字代码信号DCD的参考信号SD_0到SD_m 由斜坡信号生成电路RAMP_G、衰减器ATT和控制电路CNT来生成。 因此，生成参考信号的参考信号生成电路可以被认为由斜坡信号生成 电路RAMP_G、衰减器ATT和控制电路CNT构成。并且，比较器 CP_0至CP_m可以被视为1位ADC电路。注意，图1中所示的比较 器CP_0至CP_m的配置是一个示例，并且本发明不限于这些配置。

<参考信号生成电路的操作>

接下来，将参考附图解释参考信号生成电路的操作。图2至图4 中的每一者是用于解释根据第一实施例的图像传感器的操作的图。

图2示出了斜坡信号生成电路RAMP_G、控制电路CNT、以及 与图1中所示的配置中的像素数据线PID_0相对应的单位衰减器 AT_0和比较器CP_0。将在与像素数据线PID_0相对应的示例性单位 衰减器AT_0和比较器CP_0中解释该操作。然而，即使在与其它像 素数据线相对应的单位衰减器和比较器中，操作也是相同的。在图2 中，注意，术语“SD_G”表示当参考信号生成电路被认为由斜坡信 号生成电路RAMP_G、控制电路CNT和衰减器ATT构成时所提供的 参考信号生成电路。

在图2中，单位衰减器AT_0由串联连接在斜坡信号线RAMP_L (图1)与预定电压之间的四个电容元件CD1至CD4构成。四个电 容元件CD1至CD4的值被设计成彼此相同。斜坡信号RAMP的电压 被四个电容元件分压，并且取决于从哪个电容元件提取参考信号 SD_0来确定增益。在这种情况下，作为预定电压，从像素阵列PXA 输出的像素数据的电压等于在最暗光处所提供的电压值(2(V))。 单位衰减器AT_0由电容元件构成，并且可以被认为是对斜坡信号 RAMP与预定电压之间的差分电压进行分压的分压电路。

图2中所示的单位衰减器AT_0的增益可以由衰减器控制信号 ATT_C设置为1倍(一次、原始)或1/4倍。换言之，通过衰减器控 制信号ATT_C，使开关DW1接通能够将增益设置为1倍，并且使开 关DW2接通能够将增益设置为1/4倍。斜坡信号线RAMP_L上的斜 坡信号RAMP的电压与预定电压(2(V))之间的电压差乘以设定 增益，从预定电压中减去通过乘法计算出的分压，并且从衰减器AT_0 输出作为减法结果的电压值。例如，如图2中所示，当增益被设置为1/4倍时，斜坡信号RAMP与预定电压之间的差分电压被乘以1/4， 从2(V)中减去作为乘法结果的电压，从衰减器AT_0输出作为减法 结果的电压值。

在图2中，术语“NZ”表示叠加在从斜坡信号生成电路RAMP_G 输出的斜坡信号RAMP上的噪声。噪声NZ由例如如上所述的热噪声、 闪光噪声或其它噪声生成，并根据如图2中所示的时间推移而相对于 例如地电压上下变化。

在图2中，DAC电路2的参考电流被设计为由斜坡控制信号 RAMP_C切换到1倍或1/4倍。注意，稍后将参考图5解释DAC电 路2及其参考电流的切换的示例。单位衰减器AT_0的增益被设计成 由衰减器控制信号ATT_C切换到1倍或1/4倍。

斜坡信号RAMP的电压在等于暗光的像素数据的电压的2(V) 与等于亮光的像素数据的电压的1(V)之间变化。通过ADC电路1， 将暗光的像素数据设计成转换为0到1023(十进制)范围(第一范围) 内的数字代码DCD的值，而将亮光的像素数据设计成转换为1024到4095(十进制)范围(第二范围)内的数字代码DCD的值。

在第一实施例中，如图3中所示，当数字代码DCD的值在第一 范围中时，控制电路CNT通过使用斜坡控制信号RAMP_C将斜坡信 号生成电路RAMP_G中的参考电流设置为4倍，并且通过使用衰减 器控制信号ATT_C将单位衰减器AT_0的增益设置为1/4倍。另一方 面，当数字代码DCD的值在第二范围中时，控制电路CNT通过使用 斜坡控制信号RAMP_C将斜坡信号生成电路RAMP_G中的参考电流 设置为1倍，并且通过使用衰减器控制信号ATT_C将单位衰减器 AT_0的增益设置为1倍。

当数字代码DCD的值在第一范围中时，斜坡信号生成电路 RAMP_G中的参考电流被设置为4倍，并且因此，取决于数字代码 DCD的最低有效位而变化的斜坡信号RAMP的电压改变是4倍。因 此，如图3中所示，当数字代码DCD的值从0改变到1023时，斜坡 信号RAMP的电压从2(V)改变到1(V)，并且与当参考电流是1 倍时相比，斜坡信号RAMP的电压改变相对于数字代码DCD的值改 变的斜率为4倍。

另一方面，当数字代码DCD的值在第二范围(即从1024到4095 的范围)中时，参考电流被设置为1倍，并且因此，斜坡信号RAMP 的电压改变的斜率是1倍，其小于在4倍的参考电流的情况下的斜率。 在第一范围中，斜坡信号RAMP的电压从2(V)改变到1(V)。在 切换到第二范围之后，斜坡信号RAMP的电压改变到由数字代码DCD 的值“1024”所定义的1.75(V)，并且然后，斜坡信号RAMP的电 压朝向1(V)改变。

当数字代码DCD的值在第一范围中时，单位衰减器AT_0的增 益是1/4倍。因此，在第一范围中，斜坡信号RAMP的电压被衰减以 从2(V)改变为1.75(V)，如图3中的实线参考信号SD_0所示。 换句话说，通过单位衰减器AT_0，具有4倍斜率的斜坡信号RAMP 被转换为1/4倍，并且然后作为参考信号SD_0被输出。在这种情况 下，叠加在斜坡信号RAMP上的噪声NZ也被衰减到1/4倍，并且因 此，噪声NZ可以被控制为具有小的值。

另一方面，当数字代码DCD的值在第二范围中时，单位衰减器 AT_0的增益是1倍。因此，从单位衰减器AT_0输出斜坡信号RAMP 作为参考信号SD_0。

图4(A)至图4(C)中的每个图示出了根据数字代码DCD的 改变的斜坡信号RAMP的电压改变、单位衰减器AT_0的增益改变和 参考信号SD_0的电压改变。如图4(A)中所示，斜坡信号RAMP 的电压改变相对于数字代码DCD的改变的斜率在第一范围中和第二 范围中是不同的。另一方面，如图4(C)中所示，参考信号SD_0 的电压改变相对于数字代码DCD的改变在第一范围中和第二范围中 是相同的。

第一实施例可以减少叠加在参考信号SD_0上的噪声量，因为叠 加在与暗光的像素数据相对应的斜坡信号RAMP上的噪声，即在数 字代码DCD的值在第一范围中的情况下的斜坡信号RAMP，由于单 位衰减器AT_0的增益是1/4倍而被衰减。由于噪声量被抑制，所以不可能降低对人类所观看的水平线的识别，并且可以提高ISO灵敏 度。

作为根据第一实施例的代码生成电路DCD_G的12位计数器根据 时间推移而将数字代码DCD的值从0计数到4059。因此，图4(A) 至图4(C)可以被视为根据时间推移而示出了斜坡信号RAMP的电 压改变、单位衰减器AT_0的增益改变、以及参考信号SD_0的电压 改变。

<斜坡信号生成电路的结构示例>

图5是用于解释根据第一实施例的斜坡信号生成电路的图。图5 (A)是示出斜坡信号生成电路RAMP_G的配置的图，并且图5(B) 是示出在DAC电路2中使用的电流单元和参考电流电路的配置的图。 图5(C)是示出由于参考电流的切换引起的斜坡信号RAMP的电压 改变的波形图。

在图5(A)中，DAC电路2包括：电流单元阵列，具有以矩阵 形式布置的多个电流单元ICL；从电流单元阵列中选择行的行解码器 2_R；从电流单元阵列中选择列的列解码器2_C；以及连接在从电流 单元阵列选择的电流单元与2(V)的电压之间的负载电阻元件R。

数字代码DCD被供应给行解码器2_R和列解码器2_C。行解码 器2_R对数字代码DCD进行解码，并选择0行、1行或多个行。类 似地，列解码器2_C对数字代码DCD进行解码，并选择0列、1列 或多个列。由行解码器2_R和列解码器2_C选择的电流单元ICL通 过负载电阻元件R而连接到电压2(V)，并且斜坡信号RAMP的电 压根据数字代码DCD从布置在负载电阻元件R与电流单元阵列之间 的连接节点VOUT而被输出。

在图5中，为了避免附图变得复杂，例示了包括以8行×8列布置 的电流单元ICL的电流单元阵列。当数字代码DCD在0到4095的范 围中改变时，电流单元阵列包括以64行×64列布置的电流单元ICL。 根据数字代码DCD的值，从电流单元阵列中选择的电流单元的数目增加，并且连接节点VOUT的电压降低。

如图5(B)中所示，电流单元ICL由N沟道型场效应晶体管NT1 和开关SW1构成。由于电流单元ICL由行解码器2_R和列解码器2_C 两者来选择，因此该电流单元ICL的开关SW1被接通。

N沟道型场效应晶体管NT1的栅极连接到偏置电路，该偏置电路 在所有电流单元ICL之间被共享，但是没有特别进行限制。如图5(B) 中所示，该偏压电路包括：被连接以形成二极管连接的N沟道型场效 应晶体管NT2；由斜坡控制信号RAMP_C选择性地接通的开关SW2 和SW3；以及两个恒定电流源RI1和RI2。

恒定电流源RI1输出1倍的参考电流“i”，并且恒定电流源RI12 输出4倍的参考电流“4i”。N沟道型场效应晶体管NT1的栅极和N 沟道型场效应晶体管NT2的栅极共同连接以形成电流镜像电路。当 开关SW2或SW3被斜坡控制信号RAMP_C接通时，4倍的参考电流 4i或1倍的参考电流i被供应给电流镜像电路，并且4倍的参考电流 4i或1倍的参考电流i在电流单元ICL内部的晶体管NT1中流动。

以这种方式，如图5(C)中所示，在4倍的参考电流4i的情况 下，斜坡信号RAMP的电压达到1(V)，而数字代码DCD的值为 1023。在1倍的参考电流i的情况下，斜坡信号RAMP的电压达到1 (V)，而数字代码DCD的值为4095。注意，负载电阻元件R的电 阻值和参考电流i的电流值被设置成使得当所有电流单元ICL的晶体 管NT1导通时，连接节点VOUT具有1(V)。

在该实施例中，具有以矩阵形式布置的电流单元的电流单元矩阵 型DAC电路被解释为能够切换参考电流的DAC电路2。然而，DAC 电路的配置不限于电流单元矩阵型DAC电路。

<修改性示例>

图2示出了衰减器ATT的增益被切换到1/4倍和1倍的示例。本 发明不限于该示例。切换增益的数字可以增加。作为修改性示例，将 解释其中增益被切换到1/4倍、1/2倍、3/4倍和1倍的示例。

图6是示出根据第一实施例的修改性示例的图像传感器的配置的 框图。图7是用于解释根据第一实施例的修改性示例的图像传感器的 波形图。由于图6类似于图2，而图7(A)至图7(C)类似于图4 (A)至图4(C)，因此下面将主要解释不同之处。

图6示出了连接到斜坡信号线RAMP_L的单位衰减器AT_0到 AT_m、对应的比较器CP_0到CP_m、以及斜坡信号生成电路 RAMP_G。如图6中所示，斜坡信号生成电路RAMP_G在多个衰减 器与多个比较器之间被共享。与图2的区别如下：图6中所示的DAC 电路2可以根据斜坡控制信号RAMP_C而将参考电流切换到1倍、 4/3倍、2倍或4倍。此外，由于开关DW1、DW3、DW4或DW2根 据衰减器控制信号ATT_C而被选择性地接通，所以单位衰减器的增 益可以被切换到1倍、4/3倍、1/2倍或1/4倍。

在修改性示例中，作为数字代码DCD的值，0至1023的范围被 设置为第一范围，1024至2047的范围被设置为第二范围，2048至3071 的范围被设置为第三范围，3072至4095的范围被设置为第四范围。 通过斜坡控制信号RAMP_C，第一范围中的DAC电路2的参考电流被设置为4倍，第二范围中的DAC电路2的参考电流被设置为2倍， 第三范围中的DAC电路2的参考电流被设置为4/3倍，并且第四范 围中的DAC电路2的参考电流被设置为1倍。通过衰减器控制信号 ATT_C，第一范围中的单位衰减器的增益被设置为1/4倍，第二范围 中的单位衰减器的增益被设置为1/2倍，第三范围中的单位衰减器的 增益被设置为3/4倍，并且第四范围中的单位衰减器的增益被设置为 1倍。

DAC电路2的参考电流根据数字代码DCD存在于其中的范围而 改变。因此，如图7(A)中所示，第一范围中的斜坡信号RAMP的 电压从2(V)改变到1(V)，第二范围中的电压从1.5(V)改变到 1(V)，第三范围中的电压从1.33(V)改变到1(V)，并且第四 范围中的电压从1.25(V)改变到1(V)。换句话说，斜坡信号的电 压的、相对于数字代码DCD的值的改变的斜率在第一范围中至第四 范围之间是不同的。

如图7(B)中所示，单位衰减器的增益也根据数字代码DCD的 值的改变而改变。换句话说，在第一范围中的单位衰减器的增益被设 置为1/4倍，在第二范围中的单位衰减器的增益被设置为1/2倍，在 第三范围中的单位衰减器的增益被设置为3/4倍，并且在第四范围中 的单位衰减器的增益被设置为1倍。结果，如图7(C)中所示，参 考信号(诸如SD_0)的电势从2(V)改变到1(V)，同时具有相 对于数字代码DCD的值的改变相同的斜率。

根据修改性示例，如图7(C)中所示，在与明光与暗光之间的 中间亮度相对应的第二范围(1024至2047)和第三范围(2048至3071) 中，由于单位衰减器的增益变为1/2倍和3/4倍，所以噪声量减少， 并且可以进一步提高ISO灵敏度。

在第一实施例中，基于数字代码DCD的值存在于其中的范围(第 一范围至第四范围)，从斜坡信号生成电路RAMP_G输出斜坡信号， 该斜坡信号相对于数字代码DCD的值具有不同的电压改变的斜率。 并且，接收所供应的斜坡信号的衰减器的增益被控制为取决于数字代 码DCD的值存在于其中的范围(第一范围至第四范围)而变化，并 且衰减器输出参考信号，该参考信号具有恒定的、电压改变相对于数 字代码DCD的值的改变的斜率。考虑到人眼的特性，衰减器在与包 括中间亮度的暗光的像素数据相对应的第一范围至第三范围中减少 噪声量，并且因此可以提高ISO灵敏度。

(第二实施例)

在第一实施例中，如图1中所示，与像素数据线PID_0至PID_m 相对应的单位衰减器AT_0至AT_m连接到斜坡信号线RAMP_L。因 为像素数据线的数量例如是4000，所以连接到斜坡信号线RAMP_L 的单位衰减器的数量类似地非常大。结果，连接到斜坡信号线 RAMP_L的寄生电容非常大。

在第一实施例中，当数字代码DCD的值从第一范围改变到第二 范围时，而斜坡信号RAMP的电压从1(V)改变到1.75(V)时， 由于斜坡信号线RAMP_L具有非常大的寄生电容，所以该电压改变 花费时间。

图8是用于解释根据第一实施例的图像传感器的问题的波形图。 如图8(A)中所示，当数字代码DCD的值从1023改变到1024时， 斜坡信号RAMP的电压从1(V)改变到1.75(V)，并且该电压改 变需要周期“td”。因此，周期td中的参考信号SD_0的电压也从1 (V)增加到1.75(V)，如图8(B)中所示。此结果导致以下问题： 将参考信号SD_0的电压值从2(V)改变为1(V)花费较长的时间， 将像素阵列PXA(图16)的一个像素行上的数据转换为数字信号花 费较长的时间，并且使帧速率延迟。

图9是示出根据第二实施例的图像传感器的配置的框图。图9类 似于图1，并且因此，下面将主要解释其区别。图9中的不同之处在 于，代码生成电路DCD_G的输出被供应给计算器4，而计算器4的 输出是数字代码DCD，并且控制电路CNT输出用于控制计算器4的 代码控制信号DCD_C。

图10是用于解释根据第二实施例的计算器的图。图11是用于解 释根据第二实施例的图像传感器的操作的波形图。

通过从控制电路CNT输出的代码控制信号DCD_C，计算器4被 通知数字代码DCD的值存在于第一范围(0至1023)或第二范围(1024 至2095)中。

如果计算器被通知该值存在于第一范围中，则计算器4输出由其 自身从代码生成电路DCD_G接收的输入“N”，作为保持不变的输 出“N”。换言之，在第一范围的情况下，代码生成电路DCD_G的 输出被用作数字代码DCD。

另一方面，如果计算器被通知该值存在于第二范围中，则计算器 4从5119(十进制)中减去由其自身从代码生成电路DCD_G接收的 输入N，并输出减法结果(5119-N)。换句话说，在第二范围的情况 下，该减法结果被用作数字代码DCD。

如果从代码生成电路DCD_G输出代码值“1023”，并且然后输 出代码值“1024”，则计算器4输出数字代码DCD的值“1023”， 并且然后输出由减法产生的数字代码DCD的值“4095”。然后，当 作为代码生成电路DCD_G的12位计数器重复地执行向上计数时， 从“4095”改变为“1024”的数字代码DCD的值从计算器4输出。

结果，如图11(A)中所示，在第二范围中，改变为从1(V) 增加到1.75(V)的斜坡信号RAMP从斜坡信号生成电路RAMP_G 输出。换句话说，在第一范围中，斜坡信号生成电路RAMP_G输出1 (V)的斜坡信号RAMP，然后，斜坡信号RAMP的电压从1(V) 连续地改变到1.75(V)。因为斜坡信号RAMP的电压连续地改变， 所以不需要花费周期td来将斜坡信号RAMP的电压从1(V)改变到 1.75(V)，如图8中所解释的。

如图11(B)中的实线所图示，参考电压SD_0达到与数字代码 DCD的值“1023”相对应的电压1.75(V)，并且改变为与数字代码 DCD的值“4095”相对应的1(V)，并且然后增加到与数字代码DCD 的值“1024”相对应的电压。

当数字代码DCD的值在第二范围中时，比较器CP_0根据从与数 字代码DCD的值“4095”相对应的参考电压SD_0到与数字代码DCD 的值“1024”相对应的参考电压SD_0的时间推移，执行与像素数据 的比较。由于当数字代码DCD的值在第二范围中时所提供的数字转 换结果以数字代码DCD的顺序来进行重新布置(排序)，所以如图 11(C)中所示，可以提供ADC电路1的连续的结果。

该实施例已经基于其中DAC电路2的参考电流被切换到1倍或4 倍、同时衰减器ATT的增益被切换到1倍或1/4倍的示例进行了解释。 然而，本发明不限于该示例。例如，如第一实施例的修改性示例中所 述，参考电流的切换倍数和增益的切换倍数可以是四或更多。

计算器4可以提供有递减计数器，并且可以通过递减计数器将值 从“4095”递减到“1024”来形成第二范围中的数字代码DCD。

根据第二实施例，可以减少噪声量以提高ISO灵敏度，并且可以 解决帧速率延迟的问题。

(第三实施例)

图12是示出根据第三实施例的图像传感器的配置的框图。图13 是用于解释根据第三实施例的图像传感器的操作的波形图。

图12类似于图6，并且因此，将主要解释其区别。在图12中， 去除了单位衰减器AT_0到AT_m，并且斜坡信号线RAMP_L连接到 比较器CP_0到CP_m。单位衰减器作为衰减器ATT而被连接在DAC 电路2与电压跟随器电路3之间。换句话说，斜坡信号生成电路 RAMP_G包括DAC电路2、衰减器ATT和电压跟随器电路3。

DAC电路2根据数字代码DCD来输出斜坡信号RAMP_CS。通 过衰减器ATT和电压跟随器电路3将斜坡信号RAMP_CS作为斜坡 信号RAMP而供应给斜坡信号线RAMP_L。比较器CP_0至CP_m取 代参考信号SD_0至SD_m而比较斜坡信号RAMP和像素数据，并输 出触发信号LT_C。

根据第三实施例的衰减器ATT在比较器CP_0至CP_m之间被共 享，并且因此可以将其视为公共衰减器。关于DAC电路2和衰减器 ATT，参考电流和增益由斜坡控制信号RAMP_C和衰减器控制信号 ATT_C切换，如第一实施例所述。

在图12中，术语“Cp”表示由连接到斜坡信号线RAMP_L的比 较器CP_0至CP_m生成的寄生电容。如第二实施例所述，如果像素 数据线的数目是4000，则4000个比较器连接到斜坡信号线RAMP_L， 并且因此寄生电容Cp非常大。

在第三实施例中，DAC电路2的输出仅连接到衰减器ATT。因 此，可以减小连接到DAC电路2的输出的寄生电容。由于寄生电容 较小，所以在斜坡信号RAMP_CS在数字代码值“1023”中达到1(V) 之后，通过数字代码值“1024”的供应，斜坡信号RAMP_CS可以快 速增加到1.75(V)，如图13(A)中所示。同时，寄生电容Cp连 接到电压跟随器电路3的输出，并且斜坡信号RAMP(与SD_0至 SD_m相对应)可以由电压跟随器电路3平滑地改变，如图13(B) 中所示。

根据第三实施例，可以减少噪声量以提高ISO灵敏度，可以抑制 帧速率的延迟，并且可以通过减少组件数量来抑制专有面积的增加。

图13示出了在参考电流切换到1倍和4倍并且增益切换到1倍 和1/4倍的情况下的波形。然而，切换中的倍数不限于此。

(第四实施例)

在第一至第三实施例中，已经解释了以下图像传感器，在用于操 作斜坡信号生成电路RAMP_G的第二电压V2低于用于操作像素阵列 PXA的第一电压V1的情况下，该图像传感器是优选的。在第四实施 例中，将解释以下图像传感器，该图像传感器在用于操作斜坡信号生 成电路RAMP_G的电压高于第二电压V2(例如与第一电压V1相同) 的情况下是优选的。

图14是示出根据第四实施例的图像传感器的配置的框图。图14 类似于图2。换句话说，图14仅示出了与图1所示的ADC电路1中 的像素数据线PID_0相对应的斜坡信号生成电路RAMP_G、单位衰 减器AT_0和比较器CP_0。图14中未示出的其它单位衰减器和比较 器以及其它组件也具有相同的配置。注意，第四实施例不包括图2中 所示的控制电路CNT。

根据第四实施例的斜坡信号生成电路RAMP_G包括：DAC电路 2，用于将数字代码DCD转换为模拟信号的斜坡信号VOUT；以及电 压调节器(分压反馈调节器)VRG。

与像素阵列PXA的电压相同的第一电压V1被供应给电压调节器 VRG，并且电压调节器VRG通过该第一电压V1来操作。另一方面， 与第一至第三实施例类似，第二电压V2被供应给DAC电路2，并且 DAC电路2通过第二电压V2来操作。虽然没有特别限制，但是第二 电压V2由第一电压V1通过未图示的电压降压电路来形成。

电压调节器VRG由比较器6、晶体管PT和电阻元件R1和R2 构成。晶体管PT由P沟道型晶体管构成。晶体管PT和电阻元件R1 和R2串联连接在第一电压V1与1(V)的电压之间。比较器6的一 个输入(+)接收所供应的斜坡信号VOUT，比较器6的另一个输入 (-)连接到电阻器元件R1与R2之间的连接节点，并且比较器6的 输出被供应给晶体管PT的栅极。斜坡信号RAMP从晶体管PT与电 阻元件R2之间的连接节点输出。

DAC电路2通过第二电压V2来操作，并且因此输出根据数字代 码DCD的值而在2(V)与1(V)之间改变的斜坡信号VOUT，如 类似于第一至第三实施例。另一方面，电压调节器VRG通过高于第 二电压V2的第一电压V1来操作，并且因此，将在2(V)与1(V) 之间改变的斜坡信号VOUT转换为在高于2(V)的电压与1(V)之 间改变的斜坡信号RAMP，然后输出转换后的信号。当忽略晶体管 PT的导通电阻时，斜坡信号RAMP的电压被表达为“(R1+R2)/R1×(VOUT–1(V))+1(V)”。下面将解释其中电阻器元件R1与R2之间 的比率被表达为“1：2”、同时第一电压V1为5(V)的示例。在这 种情况下，斜坡信号RAMP的电压根据数字代码DCD的值而在4(V) 与1(V)之间改变。换句话说，电压调节器VRG用作分压调节器， 其扩展了从DAC电路2输出的斜坡信号VOUT的幅值(在2(V) 与1(V)之间改变)，并输出斜坡信号RAMP(在4(V)与1(V) 之间改变)。

单位衰减器AT_0由串联连接在斜坡信号RAMP与电压1(V) 之间的三个电容元件CD1至CD3构成，并且参考信号SD_0从电容 元件CD2与CD3之间的连接节点输出。换句话说，图14中所示的单 位衰减器AT_0的增益被固定为1/3倍。

比较器CP_0例如通过第二电压V2来操作。如上所述，比较器 CP_0操作来比较像素数据和参考信号SD_0。

图15是用于解释根据第四实施例的图像传感器的配置的波形图。 图15(A)示出斜坡信号RAMP的电压波形，并且图15(B)示出参 考信号SD_0的电压波形。注意，图15(A)和图15(B)中的每个 水平轴示出了数字代码DCD。

如图15(A)中所示，从电压调节器VRG输出的斜坡信号RAMP 的电压沿着第一斜率从4(V)降低到1(V)。通过单位衰减器AT_0， 输出参考信号SD_0，同时斜坡信号RAMP被衰减到1/3倍。因此， 如图15(B)中所示，参考信号SD_0沿着例如比第一斜率小的第二 斜率从2(V)降低到1(V)。当噪声NZ如图15(A)中所示叠加 在斜坡信号RAMP上时，噪声NZ被单位衰减器AT_0衰减到1/3倍。

根据第四实施例，可以在整个亮度上使噪声衰减，并且可以提高 ISO灵敏度。并且，由于在第一至第三实施例中描述的控制电路CNT 是不必要的，因此可以抑制控制电路的专有面积的增加。

图14示出了单位衰减器AT_0的增益是1/3倍的情况。然而，本 发明不限于这种情况。并且，如图12中所示，可以不使用单位衰减 器而使用公共衰减器。

在第一至第三实施例中，控制电路CNT基于数字代码DCD而输 出斜坡控制信号RAMP_C、衰减器控制信号ATT_C和代码控制信号 DCD_C，但是没有特别进行限制。例如，控制电路CNT将用于确定 第一至第四范围和其它范围的数字代码的值与从代码生成电路 DCD_G输出的数字代码DCD的值进行比较，并输出与值彼此匹配的 周期相对应的斜坡控制信号RAMP_C、衰减器控制信号ATT_C和代 码控制信号DCD_C。

在上文中，已经基于实施例具体描述了由本发明的发明人做出的 发明。然而，不必说，本发明不限于上述实施例，并且可以在本发明 的范围内进行各种修改。例如，在从公共控制电路CNT输出斜坡控 制信号RAMP_C、衰减器控制信号ATT_C和代码控制信号DCD_C的示例中做出第一至第三实施例。然而，本发明不限于该示例。例如， 斜坡信号生成电路RAMP_G、衰减器ATT和计算器4可以基于代码 生成电路DCD_G的输出来生成相应的控制信号。

附图标记解释

1 ADC电路

2 DAC电路

3 电压跟随器电路

4 计算器

100 图像传感器

ATT 衰减器

BSC 偏置电路

CNT 控制电路

CP 比较电路

DCD_G 代码生成电路

PID_0至PID_m 像素数据线

RAMP 信号

RAMP_G 斜坡信号生成电路

SD_0至SD_m 参考信号。

Claims (9)

1.一种图像传感器，包括：

像素阵列，具有多个图像捕获元件；以及

ADC电路，接收要从所述像素阵列并行供应的像素数据，

所述ADC电路包括：

参考信号生成电路，根据数字代码来输出参考信号；以及

比较电路，比较所述参考信号和所述像素数据，以及

所述ADC电路输出数字代码，所述参考信号和所述像素数据在所述数字代码处具有预定关系，

其中所述参考信号生成电路包括：

斜坡信号生成电路，所述斜坡信号生成电路输出斜坡信号，所述斜坡信号相对于所述数字代码的改变具有斜率，所述斜率在当所述数字代码处于第一范围时以及当所述数字代码处于第二范围时不同，所述第二范围不同于所述第一范围；以及

衰减器，接收要供应的所述斜坡信号并输出所述参考信号，所述参考信号具有在当所述数字代码处于第一范围时以及当所述数字代码处于第二范围时相同的斜率。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，

其中所述比较电路包括与并行供应的所述像素数据相对应的多个比较器，

所述ADC电路包括与所述多个比较器相对应的多个锁存器电路，

所述数字代码被供应给所述多个比较器，以及，

当对应的比较器示出所述像素数据和所述数字代码彼此匹配时，所述锁存电路将所述数字代码保持为与所述像素数据相对应的数字代码。

3.根据权利要求2所述的图像传感器，

其中所述衰减器包括对所述斜坡信号的电压进行分压的分压电路。

4.根据权利要求2所述的图像传感器，

其中所述参考信号生成电路包括：

代码生成电路，生成代码；以及

计算器，所述计算器接收由所述代码生成电路生成的所述代码并输出所述数字代码；

当从所述第一范围改变到所述第二范围时，所述计算器输出使所述斜坡信号连续改变的数字代码值。

5.根据权利要求2所述的图像传感器，

其中所述衰减器包括与所述多个比较器相对应的多个单位衰减器。

6.根据权利要求2所述的图像传感器，

其中从所述衰减器输出的所述参考信号被共同供应给所述多个比较器。

7.根据权利要求1所述的图像传感器，

其中所述像素阵列通过第一电压来操作，并且

所述ADC电路通过第二电压来操作，所述第二电压是比所述第一电压低的电压值。

8.一种图像传感器，包括：

像素阵列，具有多个图像捕获元件并通过第一电压来操作；以及

ADC电路，接收要从所述像素阵列并行供应的像素数据，

所述ADC电路包括：

参考信号生成电路，根据数字代码来输出参考信号；以及

比较电路，比较所述参考信号和所述像素数据，以及

所述ADC电路输出数字代码，所述参考信号和所述像素数据在所述数字代码处具有预定关系，

其中所述参考信号生成电路包括：

生成电路，通过第二电压来操作并且根据所述数字代码值的改变输出具有第一斜率的斜坡信号，所述第二电压具有比所述第一电压低的电压值；

电压转换电路，通过所述第一电压来操作并转换所述斜坡信号的电压；以及

衰减器，接收要供应的且由所述电压转换电路转换的所述斜坡信号，并输出具有第二斜率的斜坡信号作为参考信号，所述第二斜率与所述第一斜率不同。

9.根据权利要求8所述的图像传感器，

其中所述生成电路包括将所述数字代码值转换为模拟信号的DAC电路，

所述电压转换电路包括通过所述第一电压来操作的分压反馈调节器，以及

所述衰减器包括由多个电容元件构成的分压电路。

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