CN1909379A - 互补金属氧化物半导体图像传感器中低功耗的模数转换器 - Google Patents
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Abstract
模数转换器包括比较器、锁存器和偏压控制单元。所述比较器由施加的偏压启动，用于比较模拟电压和斜坡电压。所述锁存器在如所述比较器所指示的斜坡电压变得大于模拟电压时激活结束信号。所述偏压控制单元在所述结束信号被激活时从所述比较器断开所述偏压以减少功率消耗。
Description
技术领域
本发明一般涉及一种CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器中的模数转换器，特别涉及在这样的模数转换器中减少功耗。
背景技术
图像传感器利用光电转换(photo-conversion)转换图像为电信号。图像传感器按照生成和传送电荷载体的机制，一般被分类为电荷耦合器件(CCD)类型或互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)类型。
CCD图像传感器利用门脉冲将从入射光生成的电子传送到输出端口，然后这样传送的电子被转换为电压。CCD图像传感器具有相对较高的光敏性和减少的噪声，因为光电流是在一段积聚时间之后被提取的。但是，CCD图像传感器的缺点在于具有复杂的驱动机制用于传送电荷载体。此外，CCD图像传感器消耗相对较高的功率。
CMOS图像传感器将由入射光生成的电子转换为像素电路中的电压。这样的电压被通过多个CMOS开关输出。CMOS图像传感器在电光特性方面稍差于CCD图像传感器。但是，CMOS图像传感器比CCD图像传感器具有更低的功率消耗和更高的集成密度。
在CMOS图像传感器中，电荷载体在被转换为每个像素电路中的电压之前被积聚一个相对较短的时间周期。因此，在电压信号被生成和传输时，这样的电压对于噪声更加的敏感。高质量的CMOS图像传感器在模数转换器中使用差动比较器以减少功率噪声和耦合噪声。
然而，差动比较器与使用单端反相放大器(single ended invertingamplifier)相比具有更高的功率消耗，因为在现有技术中所述差动比较器持续地消耗电流。不过差动比较器的优点在于减少了CMOS图像传感器中的噪声。因此，希望有一种使用具有减少功率消耗的差动比较器的模数转换器用于增强质量的CMOS图像传感器。
发明内容
因而，本发明的实施例提供在具有差动比较器的模数转换器中减少的功率消耗。
根据本发明的一个方面的模数转换器包括比较器、锁存器和偏压控制单元。所述比较器由施加的偏压导通以用于比较模拟电压和斜坡电压。所述锁存器在如所述比较器所指示的斜坡电压变得大于模拟电压时激活结束信号。所述偏压控制单元在所述结束信号被激活时从所述比较器断开所述偏压。在这种情况下，所述比较器在断开偏压时被去激活以减少功率消耗。
在本发明的一个实施例中，所述模数转换器还包括计数器，其从斜坡电压开始上升(ramp up)直到结束信号被激活期间以二进制进行计数，用于生成对应模拟电压的数字信号。
在本发明的另一个实施例中，所述模数转换器包括CDS(相关双重采样)单元，其生成模拟电压作为复位电压和数据电压之间的差。
在本发明的另一个实施例中，所述偏压控制单元包括开关，所述开关具有在其上施加偏压的第一端。这样的开关还具有耦合到比较器的第二端，而该开关被控制由该激活的结束信号来断开(opened)。
在本发明的另一个实施例中，所述比较器包括第一和第二差动比较器。第一差动比较器具有在其上施加模拟和斜坡电压的输入端。第二差动比较器具有耦合到第一差动比较器的输出端的输入端，而第二差动比较器的输出在斜坡电压变得大于模拟电压时发生转变(transition)。
在本发明的另一个实施例中，第一差动比较器包括晶体管的第一差动耦合对和具有耦合到偏压控制单元的栅极的第一偏压晶体管。第二差动比较器包括晶体管的第二差动耦合对和具有耦合到偏压控制单元的栅极的第二偏压晶体管。
在那种情况下，所述第一差动比较器还包括耦合到第一偏压晶体管的第一电荷耗散(dissipation)晶体管，而所述第二差动比较器还包括耦合到第二偏压晶体管的第二电荷耗散晶体管。第一和第二电荷耗散晶体管在结束信号被激活时导通，用于从第一和第二偏压晶体管耗散电荷。
在本发明的另一个实施例中，所述模数转换器还包括输入固定单元，其将预定电压耦合到锁存器的输入端，以便锁存器在偏压被从比较器断开之后维持将被激活的结束信号。
例如，输入固定单元包括具有在其上施加预定电压的第一端的开关。这样的开关还包括耦合到锁存器的输入端的第二端，而该开关被控制由激活的结束信号来闭合(closed)。
本发明在模数转换器被形成在CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器时具有特别的优点，其具有指示由光电二极管感测到的灰度级(gray scalelevel)的模拟电压。在这种情况下，比较器在每个水平扫描时间周期的一部分被接通。
此外，本发明的实施例的模数转换器被用于任何其它的应用或用在具有模数转换的任何其它电子设备中。
附图说明
当结合附图详细描述本发明的示例实施例时，本发明的上述何其它特征和优点将会变得更加清楚，其中：
图1是根据本发明的实施例的具有减少功耗的模数转换器的CMOS图像传感器的框图；
图2是根据本发明的实施例的图1中的像素电路和模数转换器的电路图；和
图3是根据本发明的实施例的图2的电路操作期间的信号的时序图。
这里所参考的附图是为了清楚地图示而不是按照比例绘制的。在图1、2和3种具有相同附图标号的元件指代具有类似结构和/或功能的元件。
具体实施方式
图1是根据本发明的实施例的CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器(CIS)10的框图。CMOS图像传感器10包括像素阵列100、模数转换器200、行缓冲器300、CIS(CMOS图像传感器)控制器400、斜坡信号生成器500和偏压电路600。
像素阵列100由多个单位像素电路形成，用于接收图像以生成电信号。每个单位像素电路包括光电二极管，其转换入射光为数据信号电压Vdata。像素阵列100由偏压VB驱动。
模数转换器200从像素阵列100接收复位电压Vres和数据信号电压Vdata。然后模数转换器200生成模拟信号电压Vsig，作为用于CDS(相关双重采样)的复位和数据电压Vres和Vdata之间的差。
模拟信号电压Vsig表示入射到像素阵列100的光电二极管上的光的灰度级。模数转换器200将这样的模拟信号电压Vsig转换为数字信号。模数转换器200包括CDS(相关双重采样)比较器210、锁存单元220、计数器230和节能单元240。节能单元240包括偏压控制单元241和输入固定单元242。
图2是根据本发明的实施例的图1中的示例像素电路100和模数转换器200的电路图。像素阵列100由更多数量的像素电路的阵列组成。但是，为了图示和描述的简单和清楚，在图2中示出了一个示例的像素电路100。
在图2中的示例像素电路100包括光电二极管PD、传送晶体管Tx、驱动晶体管Dx、复位晶体管Rx、选择晶体管Sx和偏压晶体管Bx。光电二极管PD将图像的入射光转换为电荷载体(charge carrier)，而这样的生成的电荷载体的数量取决于这样的入射光的强度。光电二极管PD耦合在传送晶体管Tx和接地节点之间。偏压电流是通过偏压晶体管Bx从施加到偏压晶体管Bx的栅极的偏压VB生成的。
当传送晶体管Tx由T控制信号导通时，其传送由光电二极管PD生成的电荷载体到浮动扩散(floating diffusion)节点FD。驱动晶体管Dx生成与在驱动晶体管Dx的栅极的这样的传送的电荷载体成比例的源极到漏极(source-to-drain)电流。当复位晶体管Rx由R控制信号开启时，其施加高功率电压VDD到浮动扩散节点FD。
当选择晶体管Sx由S控制信号导通用于选择像素电路100时，其传送驱动晶体管Dx的电流到CDS比较器210。分别施加到传送晶体管Tx、复位晶体管Rx和选择晶体管Sx栅极的T、R和S控制信号是由图1的CIS控制器400生成的。
再参考图2，CDS比较器210包括CDS(相关双重采样)单元211、第一差动比较器212和第二差动比较器213。CDS单元211包括采样电容器C1和采样开关CW3，其受由图1的CIS控制器400生成的开关控制信号S3控制。
采样开关S3的一端耦合到像素电路100，而采样开关S3的另一端耦合到采样电容器C1的一端。采样电容器C1的另一端耦合到第一差动比较器212的一个输入端。CIS控制器400控制采样开关SW3的开关，以便在耦合到第一差动比较器212的开关电容器C1的一端生成作为复位电压Vres和数据电压Vdata的差的模拟信号电压Vsig。
像素电路100在复位晶体管Rx导通以耦合高功率电压VDD到浮动扩散节点FD之后将复位电压Vres输出。像素电路100在传送晶体管Tx导通以传送由光电二极管PD生成的电荷载体到浮动传播节点FD之后将数据电压Vdata输出。
第一差动比较器212还从斜坡信号生成器500接收斜坡电压Vramp作为另一个输入。第一差动比较器212包括源极耦合在一起的第一差动耦合的(differentially coupled)场效应晶体管T1和T2对。晶体管T1和T2的栅极分别具有施加其上的模拟信号电压Vsig和斜坡电压Vramp。晶体管T1的漏极经由第一电阻器R1耦合到高功率电压VDD，而晶体管T2的漏极经由第二电阻器R2耦合到高功率电压VDD。
第一偏压晶体管T3耦合在晶体管T1和T2的源极和接地节点之间。第一电荷耗散晶体管T4耦合在第一偏压晶体管T3的栅极和接地节点之间。第一偏压晶体管T3的栅极耦合到偏压控制单元241，而第一电荷耗散晶体管T4的栅极耦合到锁存器221的输出端。锁存器221是图1的锁存单元220的一部分，并且锁存器221在其输出端生成结束信号Lout。
第一差动比较器212的差动输出形成在晶体管T1和T2的漏极。将第一差动比较器212的这样的输出耦合到第二差动比较器213的输入端。
第二差动比较器213包括具有源极耦合在一起的第二差动耦合的场效应晶体管T11和T12对。晶体管T11和T12的栅极具有耦合到其的第一差动比较器212的输出端。晶体管T11的漏极经由对应的电阻器R11耦合到高功率电压VDD，而晶体管T12的漏极经由对应的电阻器R12耦合到高功率电压VDD。
第二偏压晶体管T13耦合在晶体管T11和T12的源极和接地节点之间。第二电荷耗散晶体管T14耦合在第二偏压晶体管T13的栅极和接地节点之间。第二偏压晶体管T13的栅极耦合到偏压控制单元241，而第二电荷耗散晶体管T14的栅极耦合到锁存器221的输出端。
偏压控制单元241包括控制开关SW2，其一端具有在其上施加的偏压VB。控制开关SW2的另一端耦合到偏压晶体管T3和T13的栅极。用于控制控制开关SW2的控制信号S2是如由反相器(inverter)IN生成的来自锁存器221的结束信号Lout的反相信号(inverse)。
输入固定单元242包括具有其上施加了高功率电压VDD的一端的固定开关SW1。此外，固定开关SW1的另一端耦合到锁存器221的输入端。用于控制固定开关SW1的控制信号S1是来自锁存器221的结束信号Lout。来自锁存器221的结束信号也由计数器230输入。
图3是根据本发明的示例实施例的在图2的电路的操作期间的信号的时序图。水平同步信号Hsync是从图1中的CIS控制器400生成的。Hsync信号的一个水平扫描时间期间用于读取像素阵列100的一行的数据。对于Hsync信号的每一个水平扫描时间周期生成具有逻辑高状态H的水平扫描脉冲。
在这样的脉冲的开始，斜坡电压Vramp还没有上升并且具有相对较低的恒定电平。因此，Vramp低于在T1的栅极施加的Vsig，这样来自锁存器221的结束信号Lout被去激活为逻辑低状态L。这样的去激活的结束信号Lout关断控制开关SW2，以便偏压VB施加到偏压晶体管T3和T13。偏压晶体管T3和T13因此被导通以便使得偏压电流流过差动比较器212和213。
此外，CIS控制器400控制像素电路100和CDS单元211，以便在晶体管T1的栅极生成模拟信号电压Vsig。如这里已经描述的，模拟信号电压Vsig是从像素电路100生成的复位电压Vres和数据电压Vdata的差。
其后，CIS控制器400控制斜坡信号生成器500开始升高斜坡电压Vramp。在本发明的一个实施例中，斜坡电压Vramp随时间线性地上升。而且，CIS控制器400在斜坡电压Vramp随时间开始上升时控制计数器开始计数。
斜坡电压Vramp随时间上升，并在斜坡电压Vramp变得大于模拟信号电压Vsig时最终使得结束信号Lout变成激活为逻辑高状态H。计数器230在结束信号Lout被激活时停止计数。从斜坡电压Vramp开始上升直到结束信号Lout被激活的时间周期对了模拟信号电压Vsig的电平而改变。
因此，这样的时间周期指示了光电二极管PD检测的入射光的灰度级。例如，对于较暗的图像结束信号Lout稍晚被激活。计数器230生成指示这样一个时间周期的持续的二进制计数，并且二进制计数Do1形成了对应模拟信号电压Vsig的数字信号。二进制计数Do1在结束信号Lout被激活时被从计数器230输出，并且被存储在图1的行缓冲器300中。
此外，激活的结束信号Lout去激活控制信号S2为逻辑低状态L，以便控制开关SW2被断开。因此，偏压VB被从偏压晶体管T3和T13断开，所述偏压晶体管T3和T13截止以便去激活第一和第二差动比较器212和213。这样去激活的差动比较器212和213不会耗散电流，从而减少了模数转换器200的功耗。
而且，激活的结束信号Lout初始地导通电荷耗散晶体管T4和T14。这样的耗散晶体管T4和T14在控制开关SW2被断开之后将偏压晶体管T3和T13的栅极的电荷传导到接地节点，直到电荷耗散晶体管T4和T14由于这样的电荷耗散而截止。
此外，激活的结束信号Lout形成了闭合固定开关SW1的控制信号S1。因此，高功率电压VDD被施加到锁存器221的收入端，以便结束信号Lout即使在第一和第二差动比较器212和213被去激活之后仍维持激活为逻辑高状态H。
从而，结束信号Lout对于锁存时间周期和水平消隐时间周期维持激活在逻辑高状态H，并且直到下一个水平扫描时间周期。对于这样的下一个水平扫描时间周期，逻辑高脉冲由CIS控制器400生成，其控制斜坡信号生成器500生成斜坡电压Vramp以再次具有相对较低的恒定电平。因此，结束信号Lout被去激活为逻辑低状态L，然后对这样的下一个水平扫描时间周期重复上述操作。
以这种方式，在本发明的模数转换器200的第一和第二差动比较器212和213只在每个水平扫描时间周期的一部分导通。对于每个水平扫描时间周期的大部分的第一和第二差动比较器212和213的去激活显著地减少了在本发明的模数转换器200中的功耗。
前面的描述仅仅是为了示例的目的而不是为了进行限定。例如，这里描述和图示的任何数量的元件仅仅是为了示例的目的。此外，本发明已经描述了被用在CMOS图像传感器10中的CDS模数转换器200。但是，CDS模数转换器200的优点还在于可以被用于其它电子设备或应用以减少其中的功耗。
本发明只由下面的权利要求书及其等效物所定义的来限定。
Claims (22)
1.一种模数转换器，包括：
比较器，其由施加的偏压启动用于比较模拟电压和斜坡电压；
锁存器，其在斜坡电压变得大于模拟电压时激活结束信号；和
偏压控制单元，其在所述结束信号被激活时从所述比较器断开所述偏压。
2.如权利要求1的模数转换器，其中，所述比较器在断开偏压时被去激活以减少功率消耗。
3.如权利要求1的模数转换器，还包括：
计数器，其从斜坡电压开始上升直到结束信号被激活期间进行计数，用于生成对应模拟电压的数字信号。
4.如权利要求1的模数转换器，还包括：
CDS(相关双重采样)单元，其生成模拟电压作为复位电压和数据电压之间的差。
5.如权利要求1的模数转换器，其中，所述偏压控制单元包括开关，所述开关具有其上被施加偏压的第一端和耦合到所述比较器的第二端，并且，其中所述开关被控制由所述激活的结束信号来断开。
6.如权利要求1的模数转换器，其中所述比较器包括：
第一差动比较器，具有在其上施加模拟和斜坡电压的输入端；以及
第二差动比较器，具有耦合到第一差动比较器的输出端的输入端，并且，其中第二差动比较器的输出在斜坡电压变得大于模拟电压时发生转变。
7.如权利要求6的模数转换器，其中，所述第一差动比较器包括第一差动耦合的晶体管对和具有耦合到偏压控制单元的栅极的第一偏压晶体管，而其中所述第二差动比较器包括第二差动耦合的晶体管对和具有耦合到偏压控制单元的栅极的第二偏压晶体管。
8.如权利要求7的模数转换器，其中，所述第一差动比较器还包括耦合到第一偏压晶体管的第一电荷耗散晶体管，并且，其中所述第二差动比较器还包括耦合到第二偏压晶体管的第二电荷耗散晶体管，并且，其中第一和第二电荷耗散晶体管在结束信号被激活时导通，用于从第一和第二偏压晶体管耗散电荷。
9.如权利要求1的模数转换器，还包括：
输入固定单元，其将预定电压耦合到锁存器的输入端，以便锁存器在偏压被从所述比较器断开之后维持将被激活的结束信号。
10.如权利要求9的模数转换器，其中，所述输入固定单元包括具有其上施加了预定电压的第一端的开关，并且具有耦合到锁存器的输入端的第二端，以及，其中所述开关被控制由激活的结束信号来闭合。
11.如权利要求1的模数转换器，其中，所述模数转换器被形成在CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器中，具有指示由光电二极管感测到的灰度级的模拟电压。
12.如权利要求11的模数转换器，其中，所述比较器在每个水平扫描时间周期的一部分被接通。
13.一种CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器，包括：
像素电路，生成复位电压和数据电压；
斜坡信号生成器，用于生成斜坡电压；和
模数转换器包括：
CDS(相关双重采样)单元，其生成模拟电压作为复位电压和数据电压之间的差；
比较器，其由施加的偏压接通以用于比较模拟电压和斜坡电压；
锁存器，其在斜坡电压变得大于模拟电压时激活结束信号；和
偏压控制单元，其在所述结束信号被激活时从所述比较器断开所述偏压。
14.如权利要求13的CMOS图像传感器，其中，所述模数传感器还包括：
计数器，其从斜坡电压开始上升直到结束信号被激活期间进行计数，用于生成对应模拟电压的数字信号。
15.如权利要求13的CMOS图像传感器，其中，所述模数传感器还包括：
输入固定单元，其将预定电压耦合到锁存器的输入端，以便锁存器在偏压从所述比较器断开之后维持将被激活的结束信号。
16.如权利要求13的CMOS图像传感器，其中，所述比较器在每个水平扫描时间周期的一部分被接通。
17.一种转换模拟电压为数字信号的方法，包括：
将偏压施加到比较模拟电压和斜坡电压的比较器；
在如比较器指示的斜坡电压变得大于模拟电压时激活结束信号；和
在结束信号被激活时从比较器断开所述偏压。
18.如权利要求17的方法，还包括：
从斜坡电压开始上升直到结束信号被激活期间进行计数，用于生成对应模拟电压的数字信号。
19.如权利要求17的方法，还包括：
生成模拟电压作为复位电压和数据电压之间的差。
20.如权利要求17的方法，还包括：
在偏压被从所述比较器断开之后维持将被激活的结束信号。
21.如权利要求17的方法，其中，所述模拟电压指示由在CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器中的光电二极管感测到的灰度级。
22.如权利要求21的方法，还包括：
在每个水平扫描时间周期的一部分去激活所述结束信号。
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