CN204810256U - 模数转换器和具有其的cmos图像传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种模数转换器和具有其的CMOS图像传感器，模数转换器包括：用于输出第一斜坡信号和第二斜坡信号的斜坡发生器；比较单元，其包括第一电容、第二电容、第一复位开关、第二复位开关和比较器，第一复位开关和第二复位开关在斜坡发生器输出第二斜坡信号前先闭合进行复位后打开，比较单元对第一电压和第二斜坡信号电压进行比较，以及对像素单元输出的第二电压和第二斜坡信号电压进行比较；与比较器的第一输出端相连的计数器，计数器在比较单元进行比较时获得第一计数结果和第二计数结果，其中，将第二计数结果减去第一计数结果以对像素单元的输出信号进行转换，从而能够有效消除固定偏差，并且转换结果与像素单元输出的第一个信号无关。

Description

模数转换器和具有其的CMOS图像传感器

技术领域

本实用新型涉及图像传感器技术领域，特别涉及一种模数转换器以及一种具有模数转换器的CMOS图像传感器。

背景技术

模数转换器(Analog-to-DigitalConverter，ADC)是CMOS图像传感器(CMOSimagesensors，CIS)中不可或缺的部分。相关的模数转换器一般可分为三类：芯片级、列并行级和像素级。从速度、噪声和实现难度等方面综合考虑，列并行级ADC越来越流行。

在相关技术中，为消除像素单元引起的固定模式噪声(FixedPatternNoise，FPN)，一般需要采用双采样技术，简单来说要，解析像素单元输出的两个信号，两者之差即是像素单元的真正输出信号。相关技术提出了两种模数转换器电路，以解析像素单元输出的两个信号，一种是差分电路，先将像素单元输出的两个信号相减，再将相减结构与斜坡信号进行比较，其存在的缺点是，无法消除电路中的固定偏差，对比较器等模拟电路的性能要求高；另一种是分时电路，像素单元输出的两个信号分别与斜波信号相比，之后将两次比较结果相减，其存在的缺点是，结果与像素单元输出的第一个信号相关，需要针对第一个信号调节斜坡信号的初始电压，增加了电路难度。因此，相关技术存在改进的需要。

实用新型内容

本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提出一种模数转换器，能够有效消除固定偏差，并且转换结果与像素单元输出的第一个信号无关。

本实用新型还提出了一种具有模数转换器的CMOS图像传感器。

为达到上述目的，本实用新型一方面提出了一种模数转换器，包括：用于输出第一斜坡信号和第二斜坡信号的斜坡发生器；比较单元，所述比较单元包括第一电容、第二电容、第一复位开关、第二复位开关和比较器，所述第一电容连接在所述比较器的负输入端与像素单元的输出端之间，所述第二电容连接在所述比较器的正输入端与所述斜坡发生器的输出端之间，所述第一复位开关连接在所述比较器的负输入端与所述比较器的第一输出端之间，所述第二复位开关连接在所述比较器的正输入端与所述比较器的第二输出端之间，所述第一复位开关和所述第二复位开关在所述斜坡发生器输出所述第二斜坡信号前先闭合进行复位后打开，所述比较单元对所述像素单元输出的第一电压和第一斜坡信号电压进行比较，并对所述第一电压和第二斜坡信号电压进行比较，以及对所述像素单元输出的第二电压和所述第二斜坡信号电压进行比较；计数器，所述计数器与所述比较器的第一输出端相连，所述计数器在所述比较单元对所述第一电压和所述第二斜坡信号电压进行比较时进行第一次计数以获得第一计数结果，并在所述比较单元对所述像素单元输出的第二电压和所述第二斜坡信号电压进行比较时进行第二次计数以获得第二计数结果，其中，将所述第二计数结果减去所述第一计数结果以对所述像素单元的输出信号进行转换。

根据本实用新型提出的模数转换器，比较单元对像素单元输出的第一电压和第一斜坡信号电压进行比较，并对第一电压和第二斜坡信号电压进行比较，以及对像素单元输出的第二电压和第二斜坡信号电压进行比较，计数器在比较单元对第一电压和第二斜坡信号电压进行比较时进行第一次计数以获得第一计数结果，并在比较单元对像素单元输出的第二电压和第二斜坡信号电压进行比较时进行第二次计数以获得第二计数结果，并将第二计数结果减去第一计数结果以对像素单元的输出信号进行转换，从而能够有效消除固定偏差，并且转换结果与像素单元输出的第一个信号无关。

具体地，所述第一计数结果完成对所述第二斜坡信号电压与所述第一斜坡信号电压之间第一压差的转换，所述第二计数结果完成对所述第一压差与第二压差之和的转换，其中，所述第二压差为所述第二电压与所述第一电压之间的差值。

进一步地，所述的模数转换器还包括用于锁存所述计数器的计数结果的锁存器，所述锁存器通过第三开关与所述计数器相连。

具体地，当所述模数转换器为N位模数转换器时，所述计数器为N+1位计数器且第N+1位为符号位，其中，N为大于1的整数。

其中，所述N+1位计数器包括N+2个D触发器。

为达到上述目的，本实用新型另一方面提出了一种CMOS图像传感器，包括：所述的模数转换器。

根据本实用新型提出的CMOS图像传感器，通过上述的模数转换器，能够有效消除固定偏差，并且转换结果与像素单元输出的第一个信号无关。

附图说明

图1是根据本实用新型实施例的模数转换器的结构示意图；

图2是根据本实用新型一个实施例的模数转换器的结构示意图；以及

图3是根据本实用新型一个具体实施例的模数转换器中计数器的电路原理图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

下面参考附图描述本实用新型实施例提出的模数转换器和具有其的CMOS图像传感器。

图1是根据本实用新型实施例的模数转换器的结构示意图。如图1所示，该模数转换器包括：斜坡发生器10、比较单元20和计数器30。

其中，斜坡发生器10用于输出第一斜坡信号和第二斜坡信号；比较单元20包括第一电容C1、第二电容C2、第一复位开关S1、第二复位开关S2和比较器LM，第一电容C1连接在比较器LM的负输入端与像素单元40的输出端之间，第二电容C2连接在比较器LM的正输入端与斜坡发生器10的输出端之间，第一复位开关S1连接在比较器LM的负输入端与比较器LM的第一输出端之间，第二复位开关S2连接在比较器LM的正输入端与比较器LM的第二输出端之间，第一复位开关S1和第二复位开关S2在斜坡发生器10输出第二斜坡信号前先闭合进行复位后打开，比较单元LM对像素单元40输出的第一电压和第一斜坡信号电压进行比较，并对第一电压和第二斜坡信号电压进行比较，以及对像素单元40输出的第二电压和第二斜坡信号电压进行比较。根据本实用新型的一个具体示例，像素单元40可为像素阵列中的一列像素单元，即言，一个比较单元20可对一列像素单元进行处理。这样，当模数转换器对多列像素单元进行转换时，模数转换器可包括多个比较单元20，多个比较单元20对应多列像素单元。另外，多列像素单元可以共用同一个斜坡发生器10，即言，一个斜坡发生器10可与多个比较单元20分别相连。

计数器30与比较器LM的第一输出端相连，计数器30在比较单元20对第一电压和第二斜坡信号电压进行比较时进行第一次计数以获得第一计数结果，并在比较单元20对像素单元40输出的第二电压和第二斜坡信号电压进行比较时进行第二次计数以获得第二计数结果，其中，将第二计数结果减去第一计数结果以对像素单元的输出信号进行转换。也就是说，计数器30用于量化斜坡发生器10的输出信号与像素单元40的输出信号相等所需的下降时间，并将下降时间转化为二进制值。

根据本实用新型的一个具体实施例，第一计数结果完成对第二斜坡信号电压与第一斜坡信号电压之间第一压差的转换，第二计数结果完成对第一压差与第二压差之和的转换，其中，第二压差为第二电压与第一电压之间的差值。

如上所述，本实用新型实施例的模数转换器具体转换过程如下：像素单元40的输出端输出第一电压Vr，斜坡发生器10输出第一斜坡信号电压Vramp(0)，其中，Vramp(0)可为一个固定电平，此时可通过控制器先控制第一复位开关S1和第二复位开关S2闭合，以使比较器LM复位，比较器正向输入端的电压Vp与负向输入端的电压Vn相等且等于复位电压Vref，即Vp＝Vn＝Vref。

在复位完成之后，可通过控制器在控制第一复位开关S1和第二复位开关S2断开，像素单元40的输出端还是输出第一电压Vr，而斜坡发生器10输出第二斜坡信号电压Vramp(ini)，其中，Vramp(ini)>Vramp(0)，其中，Vramp(ini)可为另一个固定电平，且第二斜坡信号可为下降的斜坡信号，即斜坡发生器10输出的电压以预设斜率逐渐下降。由电容电荷守恒原理可知：Vn＝Vref，Vp＝Vref+(Vramp(ini)-Vramp(0))。接着，在斜坡发生器10的输出电压开始下降，计数器30开始计数，随着斜坡发生器10输出电压的下降，Vp相应地下降，当Vp再次与Vn相等时，比较器LM的输出信号发生翻转，计数器30停止计数，进而获得第一计数结果，从而完成对第二斜坡信号电压Vramp(ini)与第一斜坡信号电压之Vramp(0)间第一压差的转换，即完成对固定电压(Vramp(ini)-Vramp(0))的转换。

然后，像素单元40的输出端输出第二电压Vs，斜坡发生器10再次输出第二斜坡信号电压Vramp(ini)，由于第一复位开关S1和第二复位开关S2是断开的，由电荷守恒可知，此时Vn＝Vref-(Vr-Vs)，Vp＝Vref+(Vramp(ini)-Vramp(0))，然后，在斜坡发生器10的输出开始下降时，计数器30开始计数，随着斜坡发生器10输出电压的下降，Vp相应地下降，当Vp再次与Vn相等时，比较器LM的输出信号发生翻转，计数器30停止计数，进而获得第二计数结果，从而第一压差与第二压差之和的转换，即完成对(Vramp(ini)-Vramp(0))+(Vr-Vs)的转换。

最后，将第二计数结果与第一计数结果相减，即可得到(Vr-Vs)的转换结果，从而完成对像素单元40的输出信号的转换。

由此，先对固定电压(Vramp(ini)-Vramp(0))进行转换，转换结果中保留了模数转换器的固定偏差，再对(Vramp(ini)-Vramp(0))+(Vr-Vs)进行转换，最后将两次结果相减，从而基本上消除可模数转换器中的固定偏差，并且转换过程与第一电压Vr的绝对值无关，并且，通过斜坡发生器10引入固定电压(Vramp(ini)-Vramp(0))，可控性较好。

进一步地，根据本实用新型的一个实施例，如图2所示，该模数转换器还包括锁存器50，锁存器50用于锁存计数器30的计数结果，锁存器50通过第三开关S3与计数器30相连。

根据本实用新型的一个实施例，当模数转换器为N位模数转换器时，计数器30为N+1位计数器且第N+1位为符号位，其中，N为大于1的整数。

根据本实用新型的一个具体实施例，N+1位计数器的电路原理图如图3所示，在图3的示例中，N+1位计数器包括N+2个D触发器，并且，计数器的Lock端与比较器LM的第一输出端相连，Lock端作为计数器的控制端，以使计数器根据比较器LM的输出信号进行计数或停止计数；计数器的CNT_clk用于接收计数时钟；计数器的CD端用于接收置零信号以使计数器置零；计数器的invA/invB端用于接收取反信号以使计数器进行取反；计数器DATA<0>-DATA<N+1>端为计数器的输出端以输出计数结果。

需要说明的是，图3实施例的计数器具有取反功能，可实现第二计数结果与第一计数结果的相减，从而在计数器里实现相减，简化了电路。

具体来说，两个二进制数相减等于两个二进制数的补码相加。正数的补码是本身，负数的补码是符号位之外的位取反然后加1。由此第二计数结果与第一计数结果相减可以进行如下操作：在第一电压和第二斜坡信号电压进行比较之前，即在斜坡发生器10输出第二斜坡信号之前，将计数器30所有位置零，具体地，可通过控制器向图3中的CD端输入置零信号。

然后，比较单元20开始对第一电压和第二斜坡信号电压进行比较，计数器30进行计数以获得第一计数结果，在第一次计数结束之后且在对第二电压和第二斜坡信号电压进行比较之前，计数器30处于保持状态，即计数器30停止计数，此时将计数器30的每个位均取反，然后在对第二电压和第二斜坡信号电压进行比较之前计数器先完成一次加1操作，之后开始第二次计数，最终计数结果即是第二计数结果与第一计数结果之差。

结合图3的示例，计数器的取反过程如下：在计数器处于保持状态时，对DATA<0>的取反是输出一个上升沿给最左边的D触发器，对DATA<i>(i＝1，2，……，N+1)的取反是将invA端置1，从而屏蔽掉低位的影响，并将invB端由1变成0经过图3中与非门的反向后产生一个上升沿给连接的D触发器(因为边沿D触发器在工作时遇到时钟的上升沿，输出便会取反)，从而完成对DATA<0>-DATA<N+1>的取反。之后，将invA端置0，并将invB端置1，计数器便可以正常计数。

由此，在转换过程中完成了第二计数结果与第一计数结果相减，并且简化了计数器的电路。

综上所述，根据本实用新型实施例提出的模数转换器，比较单元对像素单元输出的第一电压和第一斜坡信号电压进行比较，并对第一电压和第二斜坡信号电压进行比较，以及对像素单元输出的第二电压和第二斜坡信号电压进行比较，计数器在比较单元对第一电压和第二斜坡信号电压进行比较时进行第一次计数以获得第一计数结果，并在比较单元对像素单元输出的第二电压和第二斜坡信号电压进行比较时进行第二次计数以获得第二计数结果，并将第二计数结果减去第一计数结果以对像素单元的输出信号进行转换，从而能够有效消除固定偏差，并且转换结果与像素单元输出的第一个信号无关。另外，可通过计数器实现相减，简化了电路。

最后，本实用新型实施例还提出了一种CMOS图像传感器，包括：上述实施例的模数转换器。

根据本实用新型实施例提出的CMOS图像传感器，通过上述的模数转换器，能够有效消除固定偏差，并且转换结果与像素单元输出的第一个信号无关。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种模数转换器，其特征在于，包括：

用于输出第一斜坡信号和第二斜坡信号的斜坡发生器；

比较单元，所述比较单元包括第一电容、第二电容、第一复位开关、第二复位开关和比较器，所述第一电容连接在所述比较器的负输入端与像素单元的输出端之间，所述第二电容连接在所述比较器的正输入端与所述斜坡发生器的输出端之间，所述第一复位开关连接在所述比较器的负输入端与所述比较器的第一输出端之间，所述第二复位开关连接在所述比较器的正输入端与所述比较器的第二输出端之间，所述第一复位开关和所述第二复位开关在所述斜坡发生器输出所述第二斜坡信号前先闭合进行复位后打开，所述比较单元对所述像素单元输出的第一电压和第一斜坡信号电压进行比较，并对所述第一电压和第二斜坡信号电压进行比较，以及对所述像素单元输出的第二电压和所述第二斜坡信号电压进行比较；

计数器，所述计数器与所述比较器的第一输出端相连，所述计数器在所述比较单元对所述第一电压和所述第二斜坡信号电压进行比较时进行第一次计数以获得第一计数结果，并在所述比较单元对所述像素单元输出的第二电压和所述第二斜坡信号电压进行比较时进行第二次计数以获得第二计数结果，其中，将所述第二计数结果减去所述第一计数结果以对所述像素单元的输出信号进行转换。

2.如权利要求1所述的模数转换器，其特征在于，所述第一计数结果完成对所述第二斜坡信号电压与所述第一斜坡信号电压之间第一压差的转换，所述第二计数结果完成对所述第一压差与第二压差之和的转换，其中，所述第二压差为所述第二电压与所述第一电压之间的差值。

3.如权利要求1所述的模数转换器，其特征在于，还包括用于锁存所述计数器的计数结果的锁存器，所述锁存器通过第三开关与所述计数器相连。

4.如权利要求1所述的模数转换器，其特征在于，当所述模数转换器为N位模数转换器时，所述计数器为N+1位计数器且第N+1位为符号位，其中，N为大于1的整数。

5.如权利要求4所述的模数转换器，其特征在于，所述N+1位计数器包括N+2个D触发器。

6.一种CMOS图像传感器，其特征在于，包括如权利要求1-5中任一项所述的模数转换器。