CN1716770A - 斜波生成电路、模数转换电路和成像设备及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种斜波生成电路，所述斜波生成电路包括第一参考电源并且向模数转换电路提供斜波信号，所述斜波生成电路还包括连接电路，所述连接电路用于反映第一参考电源的输出电位中，被安装在噪声消除电路内的第二参考电源的输出电位的波动量，所述噪声消除电路用于消除被输入到模数转换电路中的模拟信号的噪声。

Description

斜波生成电路、模数转换电路和成像设备及其控制方法
技术领域
本发明涉及斜波生成器件、模数转换器件、成像设备和成像设备的控制方法，更具体地说，本发明涉及能够有效地用于成像设备中的光/电转换信号的数字化等的技术，所述成像设备例如为互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器等。
背景技术
由于与电荷耦合器件(CCD)图像传感器相比，CMOS图像传感器在制造工艺和工作电压等方面很好地与外围图像处理电路匹配，并且在CMOS图像传感器中，成像设备、图像处理电路和控制器等可以容易地集成在一个芯片上，所以CMOS图像传感器成为关注的焦点。
因为在CMOS图像传感器中，不仅光/电转换器件而且转换信号也可以在每个像素级被放大，所以CMOS图像传感器具有在光/电转换信号的传输过程中抗噪声的优点。但是，由于在每个像素级的不平坦的放大特性，所以CMOS图像传感器具有固定的模式噪声，这是一个问题。
作为对策，有一种公知的配置，在该配置中对于在正交的行和列方向二维排列的多个像素的列方向的每组像素，与列具有相同数目的相关双采样(CDS)电路和模数转换(ADC)电路被并行排列，即，利用所谓的列ADC方法来降低固定模式噪声的配置。
在这种情况下，由于以下原因而分别提供了用于CDS电路的参考电压生成电路和用于斜波生成电路的参考电压生成电路，其中斜波生成电路用于向ADC电路输入斜波信号。
具体地说，因为用于CDS电路的参考电压生成电路向用于钳位/采样像素的复位噪声和光/电转换信号的电容器件提供参考电位，所以用于CDS电路的参考电压生成电路必须总是输出恒定电压。但是，因为用于斜波生成电路的参考电压生成电路的输出连接到大的外部电容器件以实现斜波，并且当该电容器件输出斜波时，它的电压电平瞬时降低。因此，优选地是，向CDS电路和斜波生成电路中的每一个独立地提供参考电压生成电路。
通过固定CDS电路侧的参考电压生成电路的输出电位并且初始地将斜波生成电路侧的参考电压生成电路的输出电位设置为规定值，可以维持从使用斜波信号的CDS电路输出的光/电转换信号的数字转换精度。
但是，初始设置斜波输出电路侧的参考电压输出电路的输出电位时是假定CDS电路侧的参考电压生成电路的输出电位是固定的。因此，如果CDS电路侧的输出电位由于某种原因而产生波动的话，则AD转换过程中会发生错误，这是另一个问题。
至于斜波生成电路，如专利参考文献1中所公开的那样，有一种补偿由于温度波动而引起的斜波偏差的技术，所述技术通过使用恒电流源并且对电容充电或放电以产生斜波，所述恒电流源由运算放大器、晶体管、具有小的温度系数的外部电阻器和电流镜像电路组成，这些元件合在一起作为参考电源。但是，在该技术中，丝毫没有认识到上述的斜波生成电路被配置为既连接到CDS电路，又连接到ADC电路的问题。
尽管专利参考文献2公开了一种组成DC/DC转换器(转换调节器)的斜波生成电路，但是也没有提及上述问题。
专利参考文献1：日本专利申请No.4-48812
专利参考文献2：日本专利申请No.11-332222
发明内容
本发明的一个目的是提供一种能够在使用斜波信号的模数转换电路中实现高精度模数转换的斜波生成电路。
本发明的另一个目的是提供一种能够实现高精度模数转换的模数转换器件。
本发明的另一个目的是提高将光/电转换信号从模拟转换为数字并输出该信号的成像设备的图像质量。
本发明的第一个方面是一种斜波生成电路，所述斜波生成电路包括第一参考电源并且向模数转换电路提供斜波信号。
该斜波生成电路还包括连接电路，所述连接电路用于反映第一参考电源的输出电位中，被安装在噪声消除电路内的第二参考电源的输出电位的波动量，所述噪声消除电路用于消除被输入到模数转换电路中的模拟信号的噪声。
本发明的第二个方面是一种包括比较器的模数转换器件，其中，从斜波生成电路输入的斜波信号、经过噪声消除电路输入的模拟信号以及时钟信号被输入到比较器中，而且所述比较器基于时钟信号的计数值将模拟信号转换为数字信号，计数过程持续到斜波生成信号的电平与模拟信号的电平重合时为止。
该模数转换器件还包括连接电路，所述连接电路用于反映被安装在斜波生成电路内的第一参考电源的输出电位中，被安装在噪声消除电路内的第二参考电源的输出电位的波动量。
本发明的第三个方面是一种成像设备，所述成像设备包括光/电转换器件以及拥有噪声消除电路和模数转换电路的读取电路，所述噪声消除电路被布置在从光/电转换器件输出的光/电转换信号的输出路径上，并消除光/电转换信号的噪声，所述模数转换电路用于在噪声消除后将光/电转换信号转换为数字信号。
该成像设备还包括连接电路，所述连接电路用于反映被安装在斜波生成电路内的第一参考电源的输出电位中，被安装在噪声消除电路内的第二参考电源的输出电位的波动量，其中，斜波生成电路用于向模数转换电路提供斜波。
本发明的第四个方面是一种成像设备的控制方法，所述成像设备包括光/电转换器件以及拥有噪声消除电路和模数转换电路的读取电路，所述噪声消除电路被布置在从光/电转换器件输出的光/电转换信号的输出路径上，并消除光/电转换信号的噪声，所述模数转换电路用于在噪声消除后将光/电转换信号转换为数字信号。
该控制方法包括以下步骤：暂时地短路连接被安装在斜波生成电路内的第一参考电源的输出线与被安装在噪声消除电路内的第二参考电源的输出线，并积累对应于第一和第二参考电源之间电位差的电荷，其中，所述斜波生成电路用于向模数转换电路提供斜波，所述电荷存储在位于第一参考电源的输出线上的电容器件中；以及通过电容器件，输出由来自第一参考电源的输出电位产生的斜波。
根据上述发明，例如通过补偿斜波生成电路内的第一参考电源与被安装在噪声消除电路内的第二参考电源在输出电位上的差异，其中，所述斜波生成电路用于向模数转换电路提供斜波信号，并且所述噪声消除电路用于消除被输入到模数转换电路中的模拟信号的噪声，作为模数转换参考的斜波信号的电平可以这样的方式改变，即跟随模拟输入信号的电平波动而变化，所述模拟输入信号根据第二参考电源的输出电位的波动而变化，并且可实现通过噪声消除电路输入的模拟信号的高精度的模数转换，而不受被安装在噪声消除电路内的第二参考电源的输出电位波动的影响。
如上所述，通过将本发明应用到成像设备的光/电转换信号读取电路中的模数转换过程，可将光/电转换模拟信号转换为高精度的数字信号，因此，可以提高光/电转换信号的图像质量。
附图说明
图1是示出了作为本发明的一个优选实施例的成像设备的内部配置的电路图；
图2是示出了具有斜波生成电路和模数转换器件的成像设备的整体配置的方框图，其中，斜波生成电路和模数转换器件中每一个都是本发明的一个优选实施例；以及
图3是示出了作为本发明的一个优选实施例的成像设备的每个单元的功能示例的时序图。
具体实施方式
下面参考附图详细描述了本发明的优选实施例。
图1是示出了作为本发明的一个优选实施例的成像设备的内部配置的电路图。图2是示出了具有斜波生成电路和模数转换器件的成像设备的整体配置的方框图，其中，斜波生成电路和模数转换器件中每一个都是本发明的一个优选实施例。图3是示出了作为本发明的一个优选实施例的成像设备的每个单元的功能示例的时序图。该优选实施例使用了本发明被应用到作为成像设备的一个示例的CMOS图像传感器的例子来描述。
如图2中所示，该优选实施例中，成像设备10包括像素阵列20、垂直扫描电路31和水平扫描电路32以及时序生成电路30，其中，在像素阵列20中，每个都由光/电转换器件和放大晶体管组成的多个像素单元21在行和列方向上两维排列；垂直扫描电路31和水平扫描电路32都用于扫描该像素阵列20并读取图象信号；时序生成电路30用于控制垂直扫描电路31、水平扫描电路32和多个开关各自的操作时序，其中，多个开关将在后面描述。
每个像素单元21例如包括作为光/电转换器件的光电二极管和晶体管，所述光电二极管用于将输入光转换为电信号(光/电转换信号)，所述晶体管用于初始化(复位)光电二极管，放大从光电二极管输出的光/电转换信号等。
在像素阵列20中，对于多个像素单元21中的每个列提供了列CDS电路40、列ADC电路50和斜波生成电路60，其中，列CDS电路40用于消除从相关列中像素单元21输出的光/电转换信号VPIX(光/电转换信号45)的噪声；列ADC电路50用于在噪声消除后转换光/电转换信号VCDS；斜波生成电路60用于向列ADC电路50提供斜波VRAMP。
对于每个列CDS电路40和斜波生成电路60，提供了参考电压生成电路41和参考电压生成电路61。
对于列ADC电路50的输出侧，提供了图象信号处理逻辑80，所述图象信号处理逻辑80用于处理在列ADC电路50中被数字化的光/电转换信号45b并以规定规格将该信号作为例如YUV、YcbCr、RGB等等的图象信号输出。
如图1所示，列CDS电路40包括参考电压生成电路41、串联地布置在从像素单元21到光/电转换信号45的路径上的开关SW21、放大器43、采样电容器C22、放大器44、参考电压生成电路41的参考电位输出线42以及插入在开关21和放大器43之间的钳位电容器C21。此外，参考电位输出线42通过开关SW22插入在放大器44和采样电容器C22之间。
列CDS电路40的参考电压生成电路41包括电阻串41a和放大器41b，其中，电阻串41a由串联地排列在具有规定电位差的电源线VDD和VSS之间的多个电阻器件组成，放大器41b用于从电阻串41a的参考电位VREF点提取电压，并将该电压输出到参考电位输出线42。
列CDS电路40通过使用从参考电压生成电路41输出的参考电位VREF作为参考，利用相关双采样消除包含在光/电转换信号45(VPIX)中的复位噪声等，并将该信号作为光/电转换信号45a(VCDS)输出到列ADC电路50。
斜波生成电路60包括放大器63、开关SW4、放大器64以及插入在放大器64和开关SW4之间的斜波电容器C0和恒电流源65，所有这些器件都从参考电压生成电路61开始，以描述的顺序排列在参考电位输出线62上。
参考电压生成电路61包括电阻串61a和多个电位选择开关61b，其中，电阻串61a由串联地插入在具有规定电位差的电源线VDD和VSS之间的多个电阻器件组成，多个电位选择开关61b用于从电阻串61a提取期望的输出电位。在这个例子中，电位选择开关61b包括电位选择开关SW2和电位选择开关SW3，其中，电位选择开关SW2用于提取被设置为与上述列CDS电路40的参考电压生成电路41的参考电位VREF相等的电压值作为参考电位VREF′，并将该值输出到参考电位输出线62，电位选择开关SW3用于提取高于参考电位VREF′的电压值并将该值输出到参考电位输出线62。
在这个优选实施例中，在斜波生成电路60的参考电压生成电路61和列CDS电路40的参考电压生成电路41之间提供了连接电路70。该连接电路70由连接线71、开关72(开关SW1)和电位补偿电容器73(电位补偿电容器C)组成，其中，连接线71用于将斜波生成电路60中参考电位输出线62的放大器63的输入侧连接到列CDS电路40中参考电压生成电路41的参考电位输出线42，开关72(开关SW1)用于控制连接线71的接通/断开，电位补偿电容器73(电位补偿电容器C)排列在参考电位输出线62中连接线71的连接点和参考电压生成电路61之间。
列ADC电路50包括比较器51和计数器52，其中，比较器51用于将从斜波生成电路60的放大器64输出的斜波信号66(斜波电压VRAMP)与从列CDS电路40输出的光/电转换信号45a(VCDS)相比较，并且当两个信号各自的电压电平一致时输出电平“H”作为计数器控制信号VADC，计数器52用于当计数器控制信号VADC保持在电平“L”时，使用计数器控制信号VADC和计数时钟53作为输入并使用像素单元21的复位作为触发器，为计数时钟53计数，并且当计数器控制信号VADC电平变为“H”时，停止计数并将计数器值作为光/电转换数字信号45b输出到图象信号处理逻辑80。
下面参考图3所示的时序图描述该优选实施例的功能。
首先，在初始化成像设备10的时候，参考电压生成电路61的参考电位VREF′被设为与参考电压生成电路41的固定参考电位VREF一致。
然后，垂直扫描电路31的垂直同步信号选择像素阵列20的一行，并且在该行中，相关线的每列位置中的一个像素单元21与水平扫描电路32的水平同步信号(HSYNC)同步地被选择。该像素单元21与水平同步信号同步地输出带有上述光/电转换器件的复位噪声VN的光/电转换信号电平VS。
为了达到同步，首先，通过在复位像素单元21时闭合和断开开关SW21和SW22，列CDS电路40使用参考电位输出线42的参考电位VREF作为参考，与HSYHC同步地将复位噪声VN钳位在钳位电容器C21上。然后，通过在光/电转换信号电平VS到达时只闭合开关SW21，采样电容器C22使用存储在钳位电容器C21中的参考电位VREF作为参考，存储已去除复位噪声VN的光/电转换信号电平VS。开关SW22一断开，光/电转换信号电平VS就被作为光/电转换信号45a通过放大器44输出到列ADC电路50。
但是，在仅仅与列CDS电路40中的开关SW22的断开/闭合时刻同步的过程中，斜波生成电路60首先同时断开和闭合连接电路70的开关SW1和参考电压生成电路61的参考电位VREF′的电位选择开关SW2。
通过这一操作，电位补偿电容器C(73)存储了列CDS电路40的参考电压生成电路41的参考电位VREF和参考电位VREF′之间的电位差(对应于电位的电荷)。
然后，首先通过闭合和断开参考电压生成电路61的电位选择开关SW3和斜波生成电路60中的开关SW4，斜波电容器C0存储对应于规定参考电压的电荷，所述规定参考电压的电位对应于电位补偿电容器C(73)且已被去除。然后，通过闭合开关SW5，斜波电容器C0的电荷流入恒电流源65中，斜波电容器C0的放大器64的输入电压线性下降，且斜波信号66(斜波电压VRAMP)被作为输出信号输出。
然后，在斜波信号66的电平与光/电转换信号45a的电平相交时，列ADC电路50的比较器51输出计数器控制信号VADC。计数器52使用像素单元21的复位作为触发器，停止开始的计数操作(在上述的列CDS电路40中的开关SW21和SW22被同时闭合时)，并在那时将计数器值作为光/电转换数字信号45b输出到图象信号处理逻辑80。
在这个例子中，因为被输入到比较器51的光/电转换信号VCDS的电平是参考电压生成电路41的参考电位VREF与光/电转换信号电平VS的和，所以当参考电压生成电路41的参考电位VREF由于某种原因随时间变化时，斜波电压VRAMP的相交时刻(计数器控制信号VADC的电平变为“H”且计数器52被停止的时刻)产生波动，且同样的光/电转换信号电平VS被转换为不同的数字值。如果对该状态不加任何处理的话，则该状态将变为列ADC电路50中数字转换的错误因素。
如上所述，在该优选实施例中，通过插入在斜波生成电路60和列CDS电路40之间的连接电路70中的电位补偿电容器73(电位补偿电容器C)，可以从斜波生成电路60内用来产生斜波VRAM的参考电位输出线62的输入电压中减去归因于参考电压生成电路41的参考电位输出线42的参考电位VREF的波动量。因而，如图3中虚线所示，斜波信号66的电平以这样的方式漂移，即准确地跟随参考电压生成电路41的参考电位VREF的随时间变化的波动量，并去除相关的波动量。因此，防止了列ADC电路50中光/电转换信号VCDS的数字转换错误，即计数器52的计数错误的发生。
结果，确然地防止了由于在像素阵列20的每个像素单元21中所检测到的亮度的不平坦数字转换电平(光/电转换数字信号45a)等而引起的从图象信号处理逻辑80输出的图像质量的下降。例如具体地说，防止了从图象信号处理逻辑80输出的图像采用条纹模式，防止了不平坦彩色图像的发生等等。从而，可以拍照出高质量的图像。
本发明并不限于上述优选实施例，并且只要不偏离本发明的主题，任何改变和修正都是可能的。
例如，尽管在以上的描述中，本发明被应用于CMOS图像传感器中的列CDS电路、列ADC电路、斜波生成电路等，但是本发明也可应用于执行模数转换的通常器件中。
根据本发明可以提供能够在使用斜波信号的模数转换电路中执行高精度模数转换的斜波生成电路。
还可以提供能够实现高精度模数转换的模数转换器件。
可以提高成像设备的图像质量，所述成像设备用于将光/电转换信号从模拟转换为数字并且输出该信号。

Claims (18)

1.一种斜波生成电路，所述斜波生成电路包括第一参考电源并且向模数转换电路提供斜波信号，所述斜波生成电路还包括
连接电路，所述连接电路用于反映所述第一参考电源的输出电位中，被安装在噪声消除电路内的第二参考电源的输出电位的波动量，所述噪声消除电路用于消除被输入到所述模数转换电路中的模拟信号的噪声。
2.如权利要求1所述的斜波生成电路，其中
所述连接电路包括连接线和电容器件，其中，所述连接线用于通过开关短路连接所述第一参考电源的输出线与所述第二参考电源的输出线，所述电容器件位于所述第一参考电源的所述输出线中所述连接线的连接点上游侧。
3.如权利要求1所述的斜波生成电路，其中
所述模数转换电路包括比较器，其中，从所述斜波生成电路输入的斜波信号、经过所述噪声消除电路输入的模拟信号以及时钟信号被输入到所述比较器中，而且所述比较器基于所述时钟信号的计数值将所述模拟信号转换为数字信号，这一过程需要持续到所述斜波生成信号的电平达到所述模拟信号的电平时为止。
4.如权利要求1所述的斜波生成电路，其中
所述第一参考电源包括用于可变地设置所述输出电位的电阻串。
5.如权利要求1所述的斜波生成电路，其中
所述模拟信号由从成像设备的光/电转换器件输出的光/电转换信号组成，并且
所述噪声消除电路由相关双采样电路组成，所述噪声消除电路用于基于所述第二参考电源的输出电位，消除所述光/电转换信号的噪声。
6.如权利要求1所述的斜波生成电路，其中
对于成像设备中的多个光/电转换器件的每行或每列提供了所述模数转换电路，在所述成像设备中所述多个光/电转换器件在行和列方向上两维地排列，并且所述模数转换电路将从所述光/电转换器件中每一个输出的光/电转换信号数字化。
7.一种包括比较器的模数转换器件，其中，从斜波生成电路输入的斜波信号、经过噪声消除电路输入的模拟信号以及时钟信号被输入到所述比较器中，而且所述比较器基于所述时钟信号的计数值将所述模拟信号转换为数字信号，这一过程需要持续到所述斜波生成信号的电平达到所述模拟信号的电平时为止。
8.如权利要求7所述的模数转换器件，其中
连接电路包括连接线和电容器件，其中，所述连接线用于通过开关短路连接第一参考电源的输出线与第二参考电源的输出线，所述电容器件位于所述第一参考电源的所述输出线中所述连接线的连接点上游侧。
9.如权利要求7所述的模数转换器件，其中
第一参考电源包括用于可变地设置所述输出电位的电阻串。
10.如权利要求7所述的模数转换器件，其中
所述模拟信号由从成像设备的光/电转换器件输出的光/电转换信号组成，并且
所述噪声消除电路由相关双采样电路组成，所述噪声消除电路用于基于第二参考电源的输出电位，消除所述光/电转换信号的噪声。
11.如权利要求7所述的模数转换器件，其中
对于成像设备中的多个光/电转换器件的每行或每列提供了模数转换电路，在所述成像设备中所述多个光/电转换器件在行和列方向上两维地排列，并且所述模数转换电路将从所述光/电转换器件中每一个输出的光/电转换信号数字化。
12.一种包括比较器的成像设备，其中，从斜波生成电路输入的斜波信号、经过噪声消除电路输入的模拟信号以及时钟信号被输入到所述比较器中，而且所述比较器基于所述时钟信号的计数值将所述模拟信号转换为数字信号，这一过程需要持续到所述斜波生成信号的电平达到所述模拟信号的电平时为止，所述成像设备还包括
连接电路，所述连接电路用于反映被安装在所述斜波生成电路内的第一参考电源的输出电位中，被安装在所述噪声消除电路内的第二参考电源的输出电位的波动量。
13.如权利要求12所述的成像设备，其中
所述连接电路包括连接线和电容器件，其中，所述连接线用于通过开关短路连接所述第一参考电源的输出线与所述第二参考电源的输出线，所述电容器件位于所述第一参考电源的所述输出线中所述连接线的连接点上游侧。
14.如权利要求12所述的成像设备，其中
所述噪声消除电路由相关双采样电路组成，所述噪声消除电路用于基于所述第二参考电源的输出电位，消除光/电转换信号的噪声。
15.如权利要求12所述的成像设备，其中
模数转换电路包括比较器，其中，从所述斜波生成电路输入的斜波信号、经过所述噪声消除电路输入的模拟信号以及时钟信号被输入到所述比较器中，而且所述比较器基于所述时钟信号的计数值将所述模拟信号转换为数字信号，这一过程需要持续到所述斜波生成信号的电平达到所述模拟信号的电平时为止。
16.如权利要求12所述的成像设备，其中
所述第一参考电源包括用于可变地设置所述输出电位的电阻串。
17.如权利要求12所述的成像设备，其中
对于多个光/电转换器件中的每行或每列提供了读取电路，所述多个光/电转换器件在行和列方向上两维地排列。
18.一种成像设备的控制方法，所述成像设备包括光/电转换器件以及拥有噪声消除电路和模数转换电路的读取电路，所述噪声消除电路被布置在从所述光/电转换器件输出的光/电转换信号的输出路径上，并消除所述光/电转换信号的噪声，所述模数转换电路用于在噪声消除后将所述光/电转换信号转换为数字信号，所述控制方法包括：
暂时地短路连接被安装在斜波生成电路内的第一参考电源的输出线与被安装在所述噪声消除电路内的第二参考电源的输出线，并位于所述第一参考电源的输出线上的电容器件中积累对应于所述第一和第二参考电源之间电位差的电荷，其中，所述斜波生成电路用于向所述模数转换电路提供斜波；以及
通过所述电容器件，输出由来自所述第一参考电源的输出电位产生的斜波。
CNA2005100074701A 2004-07-02 2005-02-22 斜波生成电路、模数转换电路和成像设备及其控制方法 Pending CN1716770A (zh)

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