CN1716773A - 差分比较器、模数转换装置和成像装置 - Google Patents

差分比较器、模数转换装置和成像装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种差分比较器，所述差分比较器根据分别被输入到第一和第二输入端的第一和第二输入信号电平的一致/不一致，将正的和/或负的逻辑信号输出到输出端，所述差分比较器包括偏移抵消功能，所述偏移抵消功能由偏移电容器件、第一开关和第二开关组成，其中，偏移电容器件位于第一和第二端的差分比较器侧，第一开关用于短路连接第一和第二输入端以使得形成包括偏移电容器件的闭合环路，第二开关用于短路连接偏移电容器件和差分比较器之间的连接点与输出端。

Description

差分比较器、模数转换装置和成像装置
技术领域
本发明涉及差分比较器、模数转换装置和成像装置，更具体地说，本发明涉及有效地应用于互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器等等中的光/电转换信号的读取电路的技术。
背景技术
由于例如与电荷耦合器件(CCD)图像传感器相比，CMOS图像传感器在制造工艺和操作电压等方面很好地与外围图像处理电路匹配，并且成像装置、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CMOS图像传感器在每个像素级不仅放大光电转换器件，而且放大转换信号，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放大器之间不均匀的放大特性，所以CMOS图像传感器具有固定的模式噪声，这是一个问题。
由于这个原因，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)电路被串联排列，即，利用所谓的列ADC方法来降低固定模式噪声的配置。
例如，关于CMOS图像传感器的列ADC，专利对比文献1公开了一种技术，所述技术通过向光的三原色中每种色彩滤波器的像素列ADC选择性地输出不同的模拟比较参考电压，实现了对于每种色彩的良好的色彩控制。具体地说，试图通过使用反相器短路连接斩波(chopper)型比较器的输入/输出，并通过使参考电压偏移与阈值电压的偏移值相等的值，提高数字转换的精度，其中，阈值电压的偏移是由于组成相关的反相器的晶体管的寄生电容引起的。
专利对比文献2公开了一种技术，所述技术通过在斩波型比较器的斜波(ramp)信号输入侧加上电容器，存储像素的复位模式中的偏移电压，并通过该偏移电压修正在计数器模式中输入的斜波信号的电压，消除了可存在于像素内的固定模式噪声以提高图像质量，其中，在所述斩波型比较器中反相器采用双级连接。
专利对比文献3公开了一种技术，所述技术通过偏移组成AD转换器的反相器的参考电压，并通过控制以使得如果相关的参考电压具有线性特性，则可将从像素输出的信号与参考电压相比较，从而实现稳定的模数转换特性。
专利对比文献4公开了一种技术，所述技术通过提供多个模数转换器，一个接一个地选择多个模数转换器的输出，在用于获得数字图象输出的固定成像设备中形成由差分放大器和反相器组成的多个放大器的噪声抵消(比较)单元，并通过在第二级及其后的放大器提供钳位电路，防止了在多个像素读取信号间产生不同的直流电平以提高图像质量。
然而，上述专利对比文献1到4中的任何技术都没有认识到以下当模数转换器的比较器只由反相器组成，或由反相器和差分放大器组成时所引起的技术问题。
具体地说，图1是示出了作为本发明对比技术的斩波型比较器的配置的方框图。图1中所示的使用反相器A100的斩波型比较器当开关S100和S100x闭合时，在C100中存储模拟信号，并当S100和S100x断开且S200闭合时，将模拟信号与参考电压相比较来确定模拟信号。然而，在点B有寄生电容器(C200)，例如组成反相器A100的晶体管的栅极电容器等等。因此，如果输入参考电压用于比较，则点A、点B的电位就试图基于点A的电位，转移到存储在C100中的电荷量的电位。然而，由于存在寄生电容器C200，因此点B以介于C100和C200之间的比率变化，且模数转换精度下降，这是一个技术问题。
具体地说，如图2所示，在CMOS图像传感器的反相器A100中，p型MOS晶体管Q100和n型MOS晶体管Q200(阈值Vth)串联在电源VDD和地之间，而且它们各自的栅极以及它们源极间的电压分别被用作输入和输出(OUT)。然而，Q100和Q200各自的寄生电容器Qp和Qn分别在输入侧影响电容器C100。因此，例如当SW100和SW200分别断开和闭合，并且输入RampV时，Q100和Q200各自的栅极电位以Vth-C100(ADC-RampV)/(C100+Cp+Cn)的比率变化，且模数转换精度下降。
在使用反相器的配置中，反相器的消耗电流较高。更具体地说，在对于每列提供了许多ADC，如CMOS图像传感器中的列ADC的配置中，成像设备的总消耗电流变得非常高。作为对策，可以考虑增大Q100和Q200各自的栅长以抑制消耗电流。然而，因为各自的寄生电容Qp和Qm由于每个栅极面积的增大而变得远大于原值，所以这一措施不是优选的。
专利对比文献1：日本专利申请早期公开No.2000-261602
专利对比文献2：日本专利申请早期公开No.2002-218324
专利对比文献3：日本专利申请早期公开No.2000-286706
专利对比文献4：日本专利申请早期公开No.2000-287137
发明内容
本发明的一个目的是提供一种能够以更少量的消耗电流实现高精度模数转换的差分比较器。
本发明的另一个目的是提供一种能够以更少量的消耗电流实现高精度模数转换的模数转换器装置。
本发明的另一个目的是提供一种能够以更少量的消耗电流输出高质量的图象数据的成像装置。
本发明的第一个方面是一种差分比较器，所述差分比较器根据分别被输入到第一和第二输入端的第一和第二输入信号电平的一致/不一致，将正的和/或负的逻辑信号输出到输出端。
所述差分比较器包括偏移抵消功能，所述偏移抵消功能由偏移电容器件、第一开关和第二开关组成，其中，偏移电容器件位于第一和第二端的差分比较器侧，第一开关用于短路连接第一和第二输入端以使得形成包括偏移电容器件的闭合环路，第二开关用于短路连接偏移电容器件和差分比较器之间的连接点与输出端。
本发明的第二个方面是一种模数转换器装置，所述模数转换器装置包括差分比较器和计数器，其中，所述差分比较器根据分别被输入到第一和第二输入端的模拟信号和参考信号各自的信号电平的一致/不一致，将正的和/或负的逻辑信号输出到输出端，所述计数器的启动和停止由逻辑信号控制。所述模数转换器装置的输出值是从模拟信号被作为触发输入时开始直到模拟信号与参考信号一致时为止的计数器的计数值。
所述差分比较器包括偏移抵消功能，所述偏移抵消功能由偏移电容器件、第一开关和第二开关组成，其中，偏移电容器件位于第一和第二端的差分比较器侧，第一开关用于短路连接第一和第二输入端以使得形成包括偏移电容器件的闭合环路，第二开关用于短路连接偏移电容器件和差分比较器之间的连接点与输出端。
本发明的第三个方面是一种成像装置，所述成像装置包括多个读取电路，其中，每个读取电路由像素阵列和模数转换器组成，在像素阵列中，多个包括光电转换器件的像素单元在行和列方向上二维排列，所述模数转换器用于将从每个像素单元输出的光/电转换信号转换为数字信号。
所述模数转换器包括差分比较器和偏移抵消功能，所述差分比较器根据分别被输入到第一和第二输入端的光电转换信号和参考信号各自的信号电平的一致/不一致，将正的和/或负的逻辑信号输出到输出端，所述偏移抵消功能由偏移电容器件、第一开关和第二开关组成，其中，偏移电容器件位于第一和第二端的差分比较器侧，第一开关用于短路连接第一和第二输入端以使得形成包括偏移电容器件的闭合环路，第二开关用于短路连接输出端和拥有偏移电容器件的第一输入端。
根据本发明的第一和第二个方面，信号的电容器件连接到第一输入端，模拟信号被作为第一输入信号输入到第一输入端中。同时，模拟信号被输入到该第一输入端中，偏移抵消功能的第一和第二开关闭合，且差分比较器的偏移电压被存储在偏移电容器件中。然后，第一和第二开关断开。接着，当输入例如斜波波形信号等等的参考信号到第二输入端中作为第二输入信号，并将第一输入端上的模拟信号与参考信号相比较时，存储在偏移电容器件中的偏移电压使得在第一输入端一侧上的电位恒定，其中，存储在信号的电容器件中的模拟信号被输入到所述的第一输入端一侧。因而，和当使用反相器时的情况不同，输入的模拟信号的电平不受寄生电容等的影响而产生波动，且模拟信号可与斜波波形信号精确地进行比较。因此，可以提高基于相关比较的模拟信号的数字化精度。
在差分比较器中，因为第一和第二输入端各自的比较操作不依赖于电流量，所以可以抑制消耗电流而不增大寄生电容，因此，可以少量的消耗电流执行高精度的模数转换过程。
根据本发明的第三个方面，通过组成模数转换器，并提供偏移抵消功能，可以使用例如斜波波形信号等等的参考信号执行光电转换信号的数字化过程，因此，可以提高所获得的图像质量，其中，模数转换器用于差分比较器的成像装置的光/电转换信号读取电路。
因为差分比较器可抑制消耗电流而不增大寄生电容，所以在放置了许多个模数转换器的配置中，如在对于CMOS图像传感器中多个像素单元的每列都提供了模数转换器的情况下，消耗电流的抑制效果是巨大的，所述情况如在列ADC中的那样。
附图说明
图1是示出了作为本发明对比技术的斩波型比较器的配置的方框图；
图2是示出了作为本发明对比技术的斩波型比较器的内部组成的电路图；
图3是示出了模数转换器装置的一种配置的方框图，该模数转换器装置包括作为本发明一个优选实施例的差分比较器；
图4是详细示出了模数转换器装置的内部配置的电路图，该模数转换器装置包括作为本发明一个优选实施例的差分比较器；
图5是示出了成像装置的一种整体配置的方框图，该成像装置包括模数转换器装置，该模数转换器装置包括作为本发明一个优选实施例的差分比较器；以及
图6是示出了成像装置的一种功能的时序图，该成像装置包括作为本发明一个优选实施例的模数转换器装置。
具体实施方式
下面参考附图描述本发明的优选实施例。
图3是示出了模数转换器装置的一种配置的方框图，该模数转换器装置包括作为本发明一个优选实施例的差分比较器。图4是详细示出了其内部配置的电路图。图5是示出了成像装置的一种整体配置的方框图，该成像装置包括作为本发明一个优选实施例的模数转换器装置。
使用本发明被应用到例如由CMOS图像传感器组成的成像装置10的例子来描述优选实施例。
如图5中所示，这个优选实施例中的成像装置10包括像素阵列20、垂直扫描电路31和水平扫描电路32，在像素阵列20中，多个像素单元23沿每行21和每列22二维排列。
每个像素单元23例如由作为光电转换器件的光电二极管和晶体管等等组成，其中，所述晶体管用于初始化该光电二极管，放大输出信号和控制其时序等等。每个像素单元23覆盖有具有光的三原色其中之一的色彩滤波器，并将具有每种色彩的光从光信号转换为电信号。
垂直扫描电路31控制用于选择像素阵列20中每行的多个像素单元的时序。水平扫描电路32控制用于在行21中个别地选择每列的每个像素单元23的时序。
在这个优选实施例中，对于每个像素单元23的列22，提供了列CDS电路40、列AMP电路50、列ADC电路60(模数转换器装置)和锁存器电路70。
列CDS电路40通过相关双采样技术，从光/电转换信号中消除当复位像素单元中的光电转换器件时产生的噪声。
列AMP电路放大从列CDS电路40输出的光/电转换信号。
列ADC电路60使用从斜波波形生成电路51获得的斜波波形信号RampV，数字化光电转换信号，斜波波形生成电路51将在后面描述。
锁存器电路70为每列22(像素单元23)存储数字化转换后的光电转换信号，并与从水平扫描电路32输出的水平扫描信号同步地将该光电转换信号输出到色彩处理器80，色彩处理器80位于锁存器电路70之后。
色彩处理器80的功能是处理对应于每种颜色的像素单元23的每个光电转换信号的数字值，并进行转换，然后将光电转换信号以任意标准，如YUV、YcbCr、RGB等输入到图像信号中。
如图3所示，作为示例，这个优选实施例中的列ADC电路60包括差分比较器61和62以及反相器69，其中，差分比较器61和62从输入侧到输出侧顺序地采用双级连接，反相器69插入连接在差分比较器62的输出侧和锁存器电路70之间。
差分比较器61的参考信号输入端61a经由开关68(开关S2)连接到斜波波形生成电路51，且输入斜波波形信号RampV。
光电转换信号23a(ADC-in)被从像素单元23经由开关67(开关S1x)输入到差分比较器61的模拟信号输入端61b。对这个模拟信号输入端61b，提供了信号的电容器件63(信号的电容器件C3)以存储光电转换信号23a的电压电平。
放置在前级的差分比较器的输出端61c和61d以同样的正/负极性分别连接到放置在后级的差分比较器62的输入端62a和62b。
在这个优选实施例中，差分比较器61包括偏移抵消功能，所述偏移抵消功能由开关64(开关S1)(第一开关)、开关65(开关S1)(第二开关)和电容器件66(电容器件C1)(偏移电容器件)组成，其中，开关64用于控制差分比较器61的参考信号输入端61a和输入端62b的短路，开关65用于控制模拟信号输入端61b和输出端61d的短路，电容器件66位于模拟信号输入端61b中开关64的短路位置和开关65的短路位置之间。
类似地，放置在后级的差分比较器62包括偏移抵消功能，所述偏移抵消功能由开关64a(开关S1)(第一开关)、开关65a(开关S1)(第二开关)和电容器件66a(电容器件C2)(偏移电容器件)组成。
如图4所示，差分比较器61包括pMOS晶体管Q1、nMOS晶体管Q2、pMOS晶体管Q3、nMOS晶体管Q4和用于将这些系统总地接地的nMOS晶体管Q5。每个系统的pMOS晶体管Q1和pMOS晶体管Q3各自的栅极通过连接到pMOS晶体管Q1的源极侧，组成了负载电阻。模拟信号输入端61b连接到nMOS晶体管Q2的栅极。参考信号输入端61a连接到nMOS晶体管Q4的栅极。nMOS晶体管Q5充当恒电流源。
下面参考如图6中所示的图等描述了这个优选实施例的一个功能。
首先，在像素阵列20中，由来自垂直扫描电路31的垂直同步信号选择每行21，并且相关行21中像素单元23的光电转换器件被复位。然后，相关行21中的每个像素单元23(列22)被来自水平扫描电路32的水平同步信号(列选择输出信号)一个接一个地读取。
然后，复位噪声等被列CDS电路40从自一个像素单元23(列22)输出的光电转换信号23a中消除，且光电转换信号23a被列AMP电路50放大。然后，光电转换信号23a被作为ADC-in输入到列ADC电路60中，且对此信号施加模数转换过程来进行数字化。
具体地说，在列ADC电路60中，开关S1和S1x与列选择输出信号同步地被闭合，其中列选择输出信号是光电转换信号23a的输入触发，且对应于到达的光电转换信号23a的电位电平的电荷被存储在信号的电容器件C3中。同时，因为差分比较器61(或差分比较器62)的输入/输出侧被开关S1短路，所以对应于基于差分比较器61(或差分比较器62)的阈值电压电平(操作点)的光电转换信号23a的电位的电荷被存储在电容器件C1中。从而，如图3所示的点A和E之间的电位变为光电转换信号23a(ADC-in)的电平。
然后，当断开开关S1和S1x，闭合开关S2并将斜波波形信号RampV从斜波波形生成电路输入到参考信号输入端61a时，输出侧点C和D各自的电位在已经使用ADC-in的电平输入光电转换信号23a的情况下，被反转为相反电平，并且由反相器69的反相输出启动计数器71中的计数。然后，当逐渐降低的斜波波形信号RampV与点B处光电转换信号23a的电压值相交叉时，差分比较器61和62输出侧的点C和E之间各自的电位被反转，且计数器71的计数值被锁存器电路70使用反相器69的反相输出锁住。这个计数值通过将光电转换信号23a以规定的比特宽度转换为数字值来获得。
然后，锁存器电路70的数字输出与水平同步信号同步地被输出到色彩处理器中，并在色彩处理器中被处理。
如上所述，根据本发明，当闭合开关S1x并输入光电转换信号23a时，通过闭合开关S1并存储基于组成差分比较器61的晶体管的阈值电压的光电转换信号23a的电压，抵消了差分比较器61的阈值电压、寄生电容等等。因此，电位点A是固定的。当断开开关S1和S1x，闭合开关S2，并输入斜波波形信号RampV以进行比较时，在点B不因电容器件C1的电荷波动而产生电位波动，且光电转换信号23a可与斜波波形信号RampV精确地进行比较。
因此例如，不因光电转换信号23a不均匀的数字转换特性而产生拍照图像的层次、不均匀色彩等等，而且可以提高成像装置10的图像质量。
因为差分比较器61通过具体电流值的分布来操作，其中，具体电流值由nMOS晶体管Q5确定，nMOS晶体管Q5由pMOS晶体管Q1、nMOS晶体管Q2、pMOS晶体管Q3和nMOS晶体管Q4中的每个输入系统共享，所以不必增大由nMOS晶体管Q5控制的电流值，因此，可以抑制消耗电流。同时，既不必增大组成差分比较器61的晶体管的栅长以控制电流，也不会使寄生电容增大。
因为每列22都提供了列ADC电路60，所以例如当增大像素阵列20中像素单元的数目或密度以提高分辨率时，列ADC电路的数目也增大。然而，通过抑制每个列ADC电路的消耗电流，如这个优选实施例中的那样，可以以低消耗电流(功率)实现用于输出高质量的高分辨率图象的高性能成像装置10，其中，高性能成像装置10的列ADC电路60具有很高的数字化精度。
本发明不限于上述的优选实施例，而且只要不偏离本发明的主题，对本发明的变更和修改也是可能的。
根据本发明，可以提供能以更少量的消耗电流实现高精度模数转换的差分比较器。
还可提供能以更少量的消耗电流实现高精度模数转换的模数转换装置。
还可提供能以更少量的消耗电流输出高质量的图象数据的成像装置。

Claims (14)

1.一种差分比较器，所述差分比较器根据分别被输入到第一和第二输入端的第一和第二输入信号电平的一致/不一致，将正的和/或负的逻辑信号输出到输出端，所述差分比较器包括
偏移抵消功能，所述偏移抵消功能由偏移电容器件、第一开关和第二开关组成，其中，偏移电容器件位于所述第一和第二端的差分比较器侧，所述第一开关用于短路连接所述第一和第二输入端以使得形成包括所述偏移电容器件的闭合环路，所述第二开关用于短路连接所述偏移电容器件和所述差分比较器之间的连接点与所述输出端。
2.如权利要求1所述的差分比较器，其中
通过将从被放置在前一级的所述差分比较器输出的正的和负的逻辑信号输入到被放置在后续级的第一和第二输入端，多级连接多个所述差分比较器。
3.如权利要求1所述的差分比较器，所述差分比较器充当模数转换器，所述模数转换器通过将要从模拟转换为数字的模拟信号输入到设有所述偏移电容器件的第一和第二输入端中，将斜波波形信号输入到所述另外的第二或第一输入端中，并通过输出端的逻辑信号控制计数器的开启/关闭，来将模拟信号数字化地转换为所述计数器的计数器值，所述计数器用于对从所述模拟信号被作为触发输入时开始直到所述模拟信号的电平与所述斜波波形信号的电平一致时为止的时间进行计数。
4.一种模数转换装置，所述模数转换装置包括差分比较器和计数器，其中，所述差分比较器根据分别被输入到第一和第二输入端的模拟信号和参考信号各自的信号电平的一致/不一致，将正的和/或负的逻辑信号输出到输出端，所述计数器的启动和停止由所述逻辑信号控制，且所述计数器的输出值是从所述模拟信号被作为触发输入时开始直到所述模拟信号与所述参考信号一致时为止的计数器的计数值，
所述差分比较器包括偏移抵消功能，所述偏移抵消功能由偏移电容器件、第一开关和第二开关组成，其中，偏移电容器件位于所述第一和第二端的差分比较器侧，所述第一开关用于短路连接所述第一和第二输入端以使得形成包括所述偏移电容器件的闭合环路，所述第二开关用于短路连接所述偏移电容器件和所述差分比较器之间的连接点与所述输出端。
5.如权利要求4所述的模数转换装置，其中
通过将从被放置在前一级的所述差分比较器输出的正的和负的逻辑信号输入到被放置在后续级的第一和第二输入端，多级连接多个所述差分比较器。
6.如权利要求4所述的模数转换装置，还包括
信号的电容器件，所述信号的电容器件连接到所述模拟信号所输入的所述第一输入端，用于存储所述模拟信号。
7.如权利要求4所述的模数转换装置，其中
所述参考信号是斜波波形信号。
8.一种成像装置，所述成像装置包括多个读取电路，其中，每个读取电路由像素阵列和模数转换器组成，在像素阵列中，多个包括光电转换器件的像素单元在行和列方向上二维排列，所述模数转换器用于将从每个像素单元输出的光/电转换信号转换为数字信号，
所述模数转换器包括
差分比较器，所述差分比较器根据分别被输入到第一和第二输入端的模拟信号和参考信号各自的信号电平的一致/不一致，将正的和/或负的逻辑信号输出到输出端；以及
偏移抵消功能，所述偏移抵消功能由偏移电容器件、第一开关和第二开关组成，其中，偏移电容器件位于所述第一端，第一开关用于短路连接所述第一和第二输入端以使得形成包括所述偏移电容器件的闭合环路，第二开关用于短路连接所述输出端和设有所述偏移电容器件的所述第一输入端。
9.如权利要求8所述的成像装置，其中
所述模数转换器还包括
计数器，所述计数器通过由所述逻辑信号控制其启动和停止，输出从所述模拟信号被作为触发输入时开始直到所述模拟信号的电平与所述参考信号的电平一致时为止的时间，作为所述模拟信号的数字转换值。
10.如权利要求8所述的成像装置，其中
在所述模数转换器中，通过将来自被放置在前一级的所述差分比较器的正的和负的逻辑信号输入到位于后续级的所述差分比较器的第一和第二输入端，使多个所述差分比较器多级连接。
11.如权利要求8所述的成像装置，其中
所述读取电路还包括被放置在所述模数转换器之前的噪声消除电路，所述噪声消除电路通过相关双采样消除包括在光电转换信号中的噪声。
12.如权利要求8所述的成像装置，其中
对于所述像素单元的每行或每列，都提供了所述读取电路。
13.如权利要求8所述的成像装置，其中
所述参考信号是斜波波形信号。
14.如权利要求8所述的成像装置，所述成像装置是互补金属氧化物半导体图像传感器。
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