DE102019128674A1

DE102019128674A1 - Taktgenerator und bildsensor mit demselben

Info

Publication number: DE102019128674A1
Application number: DE102019128674.3A
Authority: DE
Inventors: Tae Gyu Kim
Original assignee: SK Hynix Inc
Current assignee: SK Hynix Inc
Priority date: 2019-01-03
Filing date: 2019-10-23
Publication date: 2020-07-09
Also published as: KR102622304B1; US20200221046A1; US11252365B2; CN111464720A; CN111464720B; KR20200084511A

Abstract

Es werden ein Taktgenerator und ein Bildsensor mit demselben offenbart, die sich auf eine Technologie zur Verbesserung der Betriebsgeschwindigkeit eines spannungsgesteuerten Oszillators beziehen. Der Taktgenerator schließt einen Phasenfrequenzdetektor (PFD) ein, der konfiguriert ist, um eine Phasendifferenz zwischen einem Taktsignal und einem Referenztaktsignal zu erfassen, einen Spannungswandler, der konfiguriert ist, um einen Strom entsprechend einem Spannungspegel als Reaktion auf ein Ausgangssignal des Phasenfrequenzdetektors (PFD) einzustellen, eine Filterschaltung, die konfiguriert ist, um eine Steuerspannung durch Filtern eines Ausgangssignals des Spannungswandlers zu erzeugen, eine Ladungspumpschaltung, die konfiguriert ist, um eine Ausgangsspannung des Spannungswandlers zu pumpen und die Steuerspannung mit einem Pump-Spannungspegel bereitzustellen, und einen spannungsgesteuerten Oszillator, der konfiguriert ist, um ein Taktsignal zu erzeugen, dessen Schwingungsfrequenz als Reaktion auf die Steuerspannung eingestellt wird.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Dieses Patentdokument beansprucht die Priorität auf der Grundlage der am 03. Januar 2019 eingereichten koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2019-0000508 , deren Offenbarung hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit eingeschlossen ist.
TECHNISCHES ANWENDUNGSGEBIET
Die in dieser Patentschrift offenbarten Technologien und Implementierungen beziehen sich im Allgemeinen auf einen Taktgenerator und einen Bildsensor mit demselben.
HINTERGRUND
Im Allgemeinen wurde ein komplementärer Metalloxid-Halbleiter (CMOS)-Bildsensor (CIS) entwickelt, der durch einen CMOS-Prozess implementiert wird, um einen niedrigeren Stromverbrauch, niedrigere Kosten und kleinere Abmessungen als andere Wettbewerbsprodukte zu erreichen. So wurden CMOS-Bildsensoren (CISs) intensiv erforscht und haben schnell in den breiten Einsatz gefunden. Insbesondere wurden CMOS-Bildsensoren (CISs) entwickelt, um eine höhere Bildqualität als andere Wettbewerbsprodukte zu erzielen, so dass der Anwendungsbereich der CMOS-Bildsensoren (CISs) kürzlich auf Videoanwendungen ausgedehnt wurde, die im Vergleich zu Wettbewerbsprodukten eine höhere Auflösung und Bildrate erfordern.
Im Gegensatz zu einem Festkörper-Bildaufnahmegerät ist es für den CMOS-Bildsensor (CIS) notwendig, analoge Signale (Pixelsignale), die aus einer Pixelanordnung erzeugt werden, in digitale Signale umzuwandeln. Um analoge Signale in digitale Signale umzuwandeln, wurde der CMOS-Bildsensor (CIS) mit einem hochauflösenden Analog-Digital-Wandler (ADC) ausgestattet.
Der Analog-Digital-Wandler (ADC) kann eine korrelierte Doppelabtastung um eine analoge Ausgangsspannung durchführen, die ein Ausgangssignal der Pixelanordnung anzeigt, und kann die resultierende Spannung in einem oder mehreren Leitungsspeichern speichern. Eine digitale Verarbeitungsschaltung kann ein oder mehrere Bildsignale ausgeben, indem sie das aus dem Leitungsspeicher erzeugte digitale Signal verarbeitet.
ZUSAMMENFASSUNG
Verschiedene Implementierungen der offenbarten Technologie sind auf einen Taktgenerator und einen Bildsensor mit demselben gerichtet.
Einige Implementierungen der offenbarten Technologie beziehen sich auf einen Taktgenerator zum Erweitern eines Ausgangsbereichs von einem spannungsgesteuerten Oszillator und einen Bildsensor, der den Taktgenerator einschließt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann ein Taktgenerator einen Phasenfrequenzdetektor (PFD) einschließen, der konfiguriert ist, um ein Taktsignal und ein Referenztaktsignal zu empfangen und eine Phasendifferenz zwischen dem Taktsignal und dem Referenztaktsignal zu erfassen, wobei der Phasenfrequenzdetektor ein erstes Ausgangssignal basierend auf der Phasendifferenz bereitstellt, einen Spannungswandler, der kommunikativ mit dem Phasenfrequenzdetektor gekoppelt ist, um das erste Ausgangssignal vom Phasenfrequenzdetektor zu empfangen und der konfiguriert ist, um ein zweites Ausgangssignal basierend auf dem ersten Ausgangssignal von dem Phasenfrequenzdetektor (PFD) bereitzustellen, eine Filterschaltung, die kommunikativ mit dem Spannungswandler gekoppelt ist, um das zweite Ausgangssignal vom Spannungswandler zu empfangen, und die konfiguriert ist, um eine Steuerspannung durch Filtern des zweiten Ausgangssignals von dem Spannungswandler zu erzeugen, eine Ladungspumpschaltung, die kommunikativ mit dem Spannungswandler gekoppelt ist und konfiguriert ist, um eine Ausgangsspannung des Spannungswandlers zu pumpen, wobei die Ladungspumpschaltung eine Pump-Steuerspannung mit einem Pump-Spannungspegel bereitstellt, und einen spannungsgesteuerten Oszillator, der mit der Filterschaltung und der Ladungspumpschaltung kommunikativ gekoppelt ist und der konfiguriert ist, um ein Taktsignal mit einer Schwingungsfrequenz zu erzeugen, die basierend auf der Steuerspannung oder der Pump-Steuerspannung bestimmt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann ein Taktgenerator eine Filterschaltung einschließen, die konfiguriert ist, um während eines Normalbetriebs eine Steuerspannung bereitzustellen und Ladungen in der Filterschaltung zu speichern, eine Ladungspumpschaltung, die konfiguriert ist, um während eines Pumpvorgangs unter Verwendung der in der Filterschaltung gespeicherten Ladungen eine Pump-Steuerspannung zu erzeugen, wobei die Pump-Steuerspannung höher als die Steuerspannung ist, und einen spannungsgesteuerten Oszillator, der konfiguriert ist, um ein Taktsignal zu erzeugen, mit einer Schwingungsfrequenz, die basierend auf der Steuerspannung während des Normalbetriebs und basierend auf der Pump-Steuerspannung während des Pumpvorgangs bestimmt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann ein Bildsensor eine Analog-Digital-Wandler (ADC) - Schaltung einschließen, die konfiguriert ist, um eine Vielzahl von Pixelsignalen in mindestens ein digitales Signal umzuwandeln, eine Datenausgabeschaltung, die konfiguriert ist, um das mindestens eine digitale Signal von der ADC-Schaltung zu empfangen und Pixeldaten basierend auf dem mindestens einen digitalen Signal auszugeben, eine digitale Verarbeitungsschaltung, die konfiguriert ist, um die Pixeldaten von der Datenausgabeschaltung zu empfangen und eine Signalverarbeitung der Pixeldaten basierend auf einem Taktsignal durchzuführen, und einen Taktgenerator, der konfiguriert ist, um das Taktsignal zu erzeugen. Der Taktgenerator kann eine Filterschaltung einschließen, die konfiguriert ist, um während eines Normalbetriebs eine Steuerspannung bereitzustellen und Ladungen in der Filterschaltung zu speichern, eine Ladungspumpschaltung, die konfiguriert ist, um während eines Pumpvorgangs eine Pump-Steuerspannung unter Verwendung der in der Filterschaltung gespeicherten Ladungen zu erzeugen, wobei die Pump-Steuerspannung gleich oder höher als eine Versorgungsspannung ist, und einen spannungsgesteuerten Oszillator, der konfiguriert ist, um ein Taktsignal mit einer Schwingungsfrequenz zu erzeugen, die basierend auf der Steuerspannung während des Normalbetriebs und basierend auf der Pump-Steuerspannung während des Pumpvorgangs bestimmt wird.
Es ist zu verstehen, dass sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende detaillierte Beschreibung der vorliegenden Offenbarung exemplarisch und erläuternd sind und dazu dienen sollen, eine weitere Erklärung der beanspruchten Offenbarung bereitzustellen.
Figurenliste
Die oben genannten und andere Merkmale und Vorteile der offenbarten Technologie werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Figuren deutlich.

1 ist ein schematisches Diagramm, das eine Darstellung eines Beispiels von einem Bildsensor, der einen Taktgenerator einschließt, veranschaulicht, das auf einigen Implementierungen der offenbarten Technologie basiert.
2 ist ein schematisches Diagramm, das eine Darstellung eines Beispiels des in 1 dargestellten Taktgenerators darstellt, basierend auf einigen Implementierungen der offenbarten Technologie.
3 ist ein schematisches Diagramm, das eine Darstellung eines Beispiels des in 1 dargestellten Taktgenerators darstellt, basierend auf einigen Implementierungen der offenbarten Technologie.
4 ist ein schematisches Diagramm, das eine Darstellung eines Beispiels des in 1 dargestellten Taktgenerators darstellt, basierend auf einigen Implementierungen der offenbarten Technologie.
5 ist ein Diagramm, das die Funktionsweise des Taktgenerators veranschaulicht, basierend auf einigen Implementierungen der offenbarten Technologie.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es wird nun ausführlich auf die Ausführungsformen der offenbarten Technologie Bezug genommen, deren Beispiele in den beigefügten Figuren veranschaulicht sind. In den Figuren werden dieselben Referenznummern verwendet, um sich auf dieselben oder ähnliche Abschnitte zu beziehen.
1 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel für einen Bildsensor darstellt, der auf einigen Implementierungen der offenbarten Technologie basiert.
Unter Bezugnahme auf 1 kann der Bildsensor 10 eine Pixelanordnung 100, eine Zeilendekodierungsschaltung 200, einen Rampensignalgenerator 300, eine Analog-Digital-Wandler (ADC) - Schaltung 400, eine Datenausgabeschaltung 500, eine Steuerung 600, eine digitale Verarbeitungsschaltung 700 und einen Taktgenerator 800 einschließen.
Die Pixelanordnung 100 kann ein einfallendes Lichtsignal in ein elektrisches Signal umwandeln und ein analoges Pixelsignal OUT an die ADC-Schaltung 400 ausgeben. In diesem Fall kann die Pixelanordnung 100 durch verschiedene Antriebssignale angesteuert werden, z.B. ein Rückstellsignal RX, ein Übertragungssignal TX, ein Auswahlsignal SX usw., die von der Zeilendekodierungsschaltung 200 empfangen werden.
Die Zeilendekodierungsschaltung 200 kann kommunikativ mit der Pixelanordnung 100 und der Steuerung 600 gekoppelt werden, mindestens ein Pixel für jede Zeilenreihe aus den in der Pixelanordnung 100 enthaltenen Pixeln auswählen, basierend auf einem von der Steuerung 600 empfangenen Steuersignal CON, und Operationen des ausgewählten Pixels steuern.
Der Rampensignalgenerator 300 kann kommunikativ mit der ADC-Schaltung 400 und der Steuerung 600 gekoppelt werden, ein Rampensignal RAMP als Reaktion auf das von der Steuerung 600 empfangene Steuersignal CON erzeugen und das Rampensignal RAMP an die ADC-Schaltung 400 ausgeben.
Die ADC-Schaltung 400 kann mit der Pixelanordnung 100, dem Rampensignalgenerator 300 und der Datenausgabeschaltung 500 kommunikativ gekoppelt werden. Die ADC-Schaltung 400 kann ein analoges Pixelsignal OUT, das von der Pixelanordnung 100 empfangen wird, in ein digitales Signal umwandeln. Die ADC-Schaltung 400 kann das von der Pixelanordnung 100 empfangene Pixelsignal OUT mit dem vom Rampensignalgenerator 300 empfangenen Rampensignal RAMP vergleichen und kann somit ein Vergleichsergebnis zwischen dem Pixelsignal OUT und dem Rampensignal RAMP an die Datenausgabeschaltung 500 ausgeben. Die ADC-Schaltung 400 kann ein spaltenbasiertes digitales Signal D basierend auf dem Vergleichsergebnis zwischen dem Pixelsignal OUT und dem Rampensignal RAMP ausgeben.
Die Datenausgabeschaltung 500 kann kommunikativ mit der ADC-Schaltung 400, der Steuerung 600 und der digitalen Verarbeitungsschaltung 700 gekoppelt werden. Die Datenausgabeschaltung 500 kann das von der ADC-Schaltung 400 empfangene digitale Signal D speichern oder halten. Die Datenausgabeschaltung 500 kann Zählinformationen speichern oder halten und kann Pixeldaten DOUT als Reaktion auf ein Ausgangssteuersignal OCON sequentiell ausgeben.
Die Steuerung 600 kann kommunikativ mit der Zeilendekodierungsschaltung 200, dem Rampensignalgenerator 300, der ADC-Schaltung 400 und der Datenausgabeschaltung 500 gekoppelt sein und die Zeilendekodierungsschaltung 200, den Rampensignalgenerator 300, die ADC-Schaltung 400 und die Datenausgabeschaltung 500 steuern. In einigen Implementierungen kann die Steuerung 600 einen Zeitgeber einschließen. Somit kann die Steuerung 600 basierend auf Zeitinformationen ein Gesamtverfahren steuern, das das Erfassen von Bilddaten und die Ausgabe der erfassten Bilddaten einschließt.
Die Steuerung 600 kann ein Steuersignal CON erzeugen und das Steuersignal CON an die Zeilendekodierungsschaltung 200 und den Rampensignalgenerator 300 ausgeben. Die Steuerung 600 kann ein Ausgangssteuersignal OCON erzeugen und das Ausgangssteuersignal OCON an die ADC-Schaltung 400 und die Datenausgabeschaltung 500 ausgeben. Die digitale Verarbeitungsschaltung 700 kann kommunikativ mit der Datenausgabeschaltung 500 gekoppelt werden und schließt einen Bildsignalprozessor (ISP) ein. Die digitale Verarbeitungsschaltung 700 kann mindestens ein Bildsignal ausgeben, indem sie Pixeldaten DOUT verarbeitet, die von der Datenausgabeschaltung 500 in einem digitalen Bereich empfangen wurden. In einigen Implementierungen kann die digitale Verarbeitungsschaltung 700 auch mit dem Taktgenerator 800 gekoppelt sein und kann das Bildsignal basierend auf einem vom Taktgenerator 800 empfangenen Taktsignal CLK verarbeiten.
Der Taktgenerator 800 kann ein Taktsignal CLK erzeugen, das zum Synchronieren jedes Blocks verwendet wird, und das erzeugte Taktsignal CLK an die digitale Verarbeitungsschaltung 700 ausgeben. In einigen Implementierungen kann der Taktgenerator 800 eine Phasenregelschaltung (PLL) einschließen.
Der Taktgenerator 800 kann wiederholt einen Rückkopplungsvorgang einer Schleife durchführen, bis das Taktsignal CLK die gleiche Phase wie das eines Referenztaktsignals aufweist. Wenn das Taktsignal CLK die gleiche Phase wie das Referenztaktsignal aufweist, kann das Taktsignal CLK in das Referenztaktsignal gebunden werden.
In einigen Implementierungen der offenbarten Technologie kann der Taktgenerator 800 eine Schwingungsfrequenz des Taktsignals CLK erhöhen und die erhöhte Schwingungsfrequenz an die digitale Verarbeitungsschaltung 700 übertragen. Durch die Einbeziehung des Taktgenerators 800, der konfiguriert ist, um der digitalen Verarbeitungsschaltung 700 die erhöhte Schwingungsfrequenz bereitzustellen, kann der Bildsensor 10 der digitalen Verarbeitungsschaltung 700 ermöglichen, die Bildsignalverarbeitung mit einer höheren Geschwindigkeit durchzuführen.
2 ist ein schematisches Diagramm, das den in 1 dargestellten Taktgenerator 800 veranschaulicht, basierend auf einigen Implementierungen der offenbarten Technologie.
Unter Bezugnahme auf 2 kann der Taktgenerator 800 einen Phasenfrequenzdetektor (PFD) 810, einen Spannungswandler 820, eine Filterschaltung 830, eine Ladungspumpschaltung 840, eine Steuerung 850 und einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 860 einschließen.
Der Phasenfrequenzdetektor (PFD) 810 kann eine Phase des als eine Rückkopplung empfangenen Taktsignals CLK und eine Phase eines Referenztaktsignals FREF erfassen. In einigen Implementierungen kann das Referenztaktsignal FREF eine feste Phase und eine feste Frequenz aufweisen. Der Phasenfrequenzdetektor (PFD) 810 kann das Taktsignal mit dem Referenztaktsignal FREF vergleichen. Der PFD 810 kann ein Aufwärtserkennungssignal UP und ein Abwärtserkennungssignal DOWN an den Spannungswandler 820 ausgeben. Das Aufwärtserkennungssignal UP und das Abwärtserkennungssignal DOWN entsprechen einer Phasendifferenz zwischen dem Taktsignal CLK und dem Referenztaktsignal FREF.
In diesem Fall kann das Referenztaktsignal FREF von einer externen Schaltung oder Vorrichtung über eine drahtgebundene oder drahtlose Kommunikation empfangen werden oder kann ein Schwingungssignal sein, das von einem internen oder externen Oszillator erzeugt wird. So kann beispielsweise das Referenztaktsignal FREF ein festgelegtes Schwingungssignal sein, das von einem Kristalloszillator erzeugt wird (nicht dargestellt).
Der Spannungswandler 820 kann eine Spannungsumwandlung als Reaktion auf oder basierend auf dem Aufwärtserkennungssignal UP oder dem Abwärtserkennungssignal DOWN durchführen, und kann ein Ausgangssignal, zum Beispiel einen Strom, entsprechend dem umgewandelten Spannungspegel, an einen Knoten ND1 bereitstellen. Der Spannungswandler 820 kann eine Ladungspumpschaltung oder einen Spannungs-Strom-Wandler (V-I) einschließen.
In einigen Implementierungen kann die Ladungspumpschaltung das Aufwärtserkennungssignal UP und das Abwärtserkennungssignal DOWN empfangen und dem Knoten ND1 einen Ausgangsstrom zur Verfügung stellen, indem er das Aufwärtserkennungssignal UP und das Abwärtserkennungssignal DOWN verwendet, die von dem PFD 810 empfangen werden. Der V-I-Wandler kann das Aufwärtserkennungssignal UP und das Abwärtserkennungssignal DOWN empfangen und kann einen Ausgangsstrom mit einem Stromwert entsprechend einem Spannungspegel bereitstellen, unter Verwendung des Aufwärtserkennungssignals UP und des Abwärtserkennungssignals DOWN, die von dem PFD 810 empfangen werden.
Die Filterschaltung 830 kann eine Steuerspannung VI erzeugen, indem sie eine an den Knoten ND1 angelegte Spannung filtert. Die Filterschaltung 830 kann zum Aufrechterhalten einer konstanten Steuerspannung VI betrieben werden. Somit kann die konstante Steuerspannung VI an den spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 860 ausgegeben werden. In einigen Implementierungen kann die Filterschaltung 830 einen Tiefpassfilter (LPF) einschließen, zum Beispiel einen Schleifenfilter. Die Filterschaltung 830 kann hochfrequente Störungen entfernen, die im Ausgangsstrom enthalten sind, der aus dem Spannungswandler 820 ausgegeben und an dem Knoten ND1 angelegt wird.
Die Filterschaltung 830 kann die Kondensatoren C1 und C2 und einen Widerstand R1 einschließen. Der Kondensator C1 kann zwischen einem Eingangsanschluss der Steuerspannung VI und einem Knoten ND2 gekoppelt werden. Der Kondensator C2 kann zwischen dem Eingangsanschluss der Steuerspannung (VI) und dem Widerstand R1 gekoppelt werden. Der Widerstand R1 kann zwischen dem Kondensator C2 und dem Knoten ND2 gekoppelt werden.
Die Ladungspumpschaltung 840 kann eine Ausgangsspannung des Spannungswandlers 820 pumpen, die am Knoten ND1 angelegt wird und eine Pump-Steuerspannung VI dem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 860 bereitstellt. Die Ladungspumpschaltung 840 kann eine Vielzahl von Schaltelementen S1 bis S3 einschließen. In einem Normalbetrieb, auf den später in dieser Spezifikation näher eingegangen wird, können die Schaltelemente S1 und S3 der Ladungspumpschaltung 840 eingeschaltet und ein normaler Pfad einschließlich der Kondensatoren C1 und C2 in der Filterschaltung 830 gebildet werden. Bei einem Pumpvorgang, der nach dem Normalbetrieb abläuft, kann das Schaltelement S2 der Ladungspumpschaltung 840 eingeschaltet werden und die Ausgangsspannung des Spannungswandlers 820 wird mit Nutzung einer in der Filterschaltung 830 geladenen Spannung gepumpt.
In einigen Implementierungen kann das Schaltelement S1 zwischen dem Knoten ND1 und dem Steuerspannungs- (VI) Eingangsanschluss gekoppelt sein, und der Schaltvorgang des Schaltelements S1 kann durch ein Schaltsteuersignal SC1 gesteuert werden. Das Schaltelement S2 kann zwischen dem Knoten ND1 und dem Knoten ND2 gekoppelt sein und der Schaltvorgang des Schaltelements S2 kann durch ein Schaltsteuersignal SC2 gesteuert werden. Das Schaltelement S3 kann zwischen dem Knoten ND2 und dem Erdungsspannungs- (VSS) Eingangsanschluss gekoppelt werden und der Schaltvorgang des Schaltelements S3 kann durch ein Schaltsteuersignal SC3 gesteuert werden.
Die Steuerung 850 kann eine Vielzahl von Schaltsteuersignalen SC1 bis SC3 basierend auf der Referenzspannung VREF und der Steuerspannung VI erzeugen. Die Steuerung 850 kann die Referenzspannung VREF mit der Steuerspannung VI vergleichen und die Steuerung 850 kann die Vielzahl der Schaltsteuersignale SC1 bis SC3 selektiv aktivieren. In einigen Implementierungen kann der Referenzspannungs-(VREF) Pegel als ein halber Wert eines Versorgungsspannungs- (VDD) Pegels eingestellt werden.
Der spannungsgesteuerte Oszillator (VCO) 860 kann die Steuerspannung VI von der Filterschaltung 830 und die Pump-Steuerspannung VI von der Ladungspumpschaltung 840 empfangen. Der spannungsgesteuerte Oszillator (VCO) 860 kann somit das Taktsignal CLK aus der empfangenen Steuerspannung VI einschließlich der Steuerspannung VI oder der Pump-Steuerspannung VI erzeugen. Der spannungsgesteuerte Oszillator (VCO) 860 kann ein Taktsignal CLK mit einer Schwingungsfrequenz entsprechend der Steuerspannung VI oder der Pump-Steuerspannung VI erzeugen.
So kann beispielsweise der spannungsgesteuerte Oszillator (VCO) 860 ein Taktsignal CLK mit einer Schwingungsfrequenz erzeugen, die proportional zur Steuerspannung VI ist. Der spannungsgesteuerte Oszillator (VCO) 860 kann eine Schwingungsfrequenz des Taktsignals CLK basierend auf der Steuerspannung VI erhöhen oder verringern.
Der spannungsgesteuerte Oszillator (VCO) 860 kann so ausgelegt sein, um lineare Eigenschaften zur Größe der Steuerspannung VI aufzuweisen. Da eine am Spannungswandler 820 anliegende Spannung nicht höher ist als die Versorgungsspannung, kann die Größe der Steuerspannung VI, die aufgrund des Ausgangssignals des Spannungswandlers 820 erzeugt wird, begrenzt werden, was zur Begrenzung der Schwingungsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) führt. Es kann ein Erhöhen der am Spannungswandler 820 anliegenden Spannung in Betracht gezogen werden, um die Begrenzung der Schwingfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators zu vermeiden. Wenn jedoch die an den Spannungswandler 820 angelegte Spannung auf ein Niveau erhöht wird, das gleich oder höher als die Versorgungsspannung ist, steigt der Stromverbrauch deutlich an.
Daher kann der Taktgenerator 800, basierend auf einigen Implementierungen der offenbarten Technologie, einen Ansatz vorschlagen, um den Steuerspannungs- (VI) Pegel unter Verwendung der Ladungspumpschaltung 840 auf den Versorgungsspannungspegel oder höher zu erhöhen. Auf diese Weise ist es möglich, eine Betriebsgeschwindigkeit des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) 860 zu erhöhen, ohne einen erheblichen Stromverbrauch zu verursachen.
Operationen des oben genannten Taktgenerators 800 werden im Folgenden näher erläutert.
Der Phasenfrequenzdetektor (PFD) 810 kann eine Phase des Taktsignals CLK, das als ein Rückkopplungseingangssignal bereitgestellt wird, und eine Phase des Referenztaktsignals FREF erfassen, und kann das Aufwärtserkennungssignal UP oder das Abwärtserkennungssignal DOWN basierend auf dem Erkennen ausgeben. Wenn beispielsweise die Phase des Referenztaktsignals FREF gegenüber der Phase des Taktsignals CLK vorangehend verläuft, kann der Phasenfrequenzdetektor (PFD) 810 das Aufwärtserkennungssignal UP bereitstellen oder aktivieren. Im Gegensatz dazu, wenn die Phase des Referenztaktsignals FREF gegenüber der Phase des Taktsignals CLK verzögert verläuft, kann der Phasenfrequenzdetektor (PFD) 810 das Abwärtserkennungssignal DOWN bereitstellen oder aktivieren.
Der Spannungswandler 820 kann das Aufwärtserkennungssignal UP oder das Abwärtserkennungssignal DOWN vom Phasenfrequenzdetektor (PFD) 810 empfangen und den Ausgangsstrom an den Knoten ND1 basierend auf dem Aufwärtserkennungssignal UP oder dem Abwärtserkennungssignal DOWN liefern. Wenn beispielsweise das Aufwärtserkennungssignal UP aktiviert ist, kann der Spannungswandler 820 den Ausgangsstrom mit dem erhöhten Wert an den Knoten ND1 ausgeben. Im Gegensatz dazu kann der Spannungswandler 820 bei aktiviertem Abwärtserkennungssignal den Ausgangsstrom mit dem reduzierten Wert an den Knoten ND1 ausgeben.
Wenn das Aufwärtserkennungssignal UP aktiviert ist, kann die Filterschaltung 830 den erhöhten Ausgangsstrom vom Spannungswandler 820 empfangen und die Steuerspannung VI basierend auf dem erhöhten Ausgangsstrom erhöhen. Im Gegensatz dazu kann die Filterschaltung 830 bei aktiviertem Abwärtserkennungssignal den reduzierten Ausgangsstrom vom Spannungswandler 820 empfangen und die Steuerspannung VI basierend auf dem reduzierten Strom reduzieren.
Die Ladungspumpschaltung 840 kann den Steuerspannungs- (VI) Pegel erhöhen, indem er die am Knoten ND1 angelegte Spannung pumpt und die Pump-Steuerspannung (VI) an den spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 860 ausgibt.
Die Operationen der Filterschaltung 830 und der Ladungspumpschaltung 840 wird gemäß der zeitlichen Abfolge weiter erläutert. So kann beispielsweise die Steuerung 850 im Normalbetrieb die Schaltsteuersignale SC1 und SC3 aktivieren, so dass das Schaltelement S1 als Reaktion auf das Schaltsteuersignal SC1 eingeschaltet werden kann und das Schaltelement S3 als Reaktion auf das Schaltsteuersignal SC3 eingeschaltet werden kann. In diesem Fall kann die Filterschaltung 830 einen Filtervorgang durchführen. Während des Normalbetriebs kann die Steuerung 850 das Schaltsteuersignal SC2 deaktivieren, und das Schaltelement S2 kann ausgeschaltet bleiben.
Wenn anschließend die Frequenz des Taktsignals CLK gleich einem vorgegebenen Pegel oder höher als dieser wird, kann der Phasenfrequenzdetektor (PFD) 810 die erhöhte Frequenz des Taktsignals CLK erfassen. Der Phasenfrequenzdetektor (PFD) 810 aktiviert das Aufwärtserkennungssignal UP, wenn die Phase des Referenztaktsignals FREF gegenüber der Phase des Taktsignals CLK vorangehend verläuft. Der Spannungswandler 820 kann den Pegel des Ausgangsstroms, der den Knoten ND1 durchfließt, basierend auf dem Aufwärtserkennungssignal UP erhöhen. Dadurch kann sich ein Pegel der Steuerspannung VI, der an den Knoten ND1 angelegt wird, erhöhen. Wenn der Pegel des Ausgangsstroms vom Spannungswandler 820 gleich dem vorgegebenen Pegel oder höher als dieser ist, kann der Spannungswandler 820 eine Umwandlungsoperation stoppen, so dass der Spannungswandler 820 initialisiert werden kann.
Die Steuerung 850 kann einen Spannungspegel des Knotens ND1 überwachen oder erfassen. Wenn die Steuerspannung VI gleich oder höher als das Referenzspannungssignal VREF ist, kann die Steuerung 850 das Schaltsteuersignal SC2 aktivieren, wodurch der Pumpvorgang fortgesetzt wird. Dementsprechend können die Schaltelemente S1 und S3 ausgeschaltet und das Schaltelement S2 eingeschaltet werden, so dass der Spannungswandler 820 den Umwandlungsvorgang wieder aufnehmen kann.
Bei dem Pumpvorgang werden zwar die Schaltelemente S1 und S3 abgeschaltet, aber jeder der Kondensatoren C1 und C2 der Filterschaltung 830 wurde bereits im Normalbetrieb mit der Steuerspannung VI geladen. Beim Einschalten des Schaltelements S2 und beim Ausschalten der Schaltelemente S1 und S3 wird ein Entladepfad der Massespannungs-Stufe unterbrochen und damit der Pumpvorgang der Ladungspumpschaltung 840 durchgeführt.
Somit kann die Spannung, die bereits in den Kondensatoren C1 und C2 geladen wurde, zu der Spannung hinzugefügt oder gepumpt werden, die am Knoten ND1 angelegt und durch den Betrieb des Spannungswandlers 820 erzeugt wurde. Daher kann dem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 860 die Pump-Steuerspannung (VI), die einen bestimmten Spannungspegel (z.B. einem Spannungspegel, der etwa doppelt so hoch ist wie die Versorgungsspannung) aufweist, bereitgestellt werden.
Daher kann der Taktgenerator 800, basierend auf einigen Implementierungen der offenbarten Technologie, die Betriebsgeschwindigkeit des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) 860 verbessern, indem er die Pump-Spannung, die die erhöhte Steuerspannung VI darstellt, dem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 860 zuführt.
3 ist ein schematisches Diagramm, das ein weiteres Beispiel für den in 1 dargestellten Taktgenerator darstellt. Unter Bezugnahme auf 3 kann der Taktgenerator 800_1 einen Phasenfrequenzdetektor (PFD) 810_1, einen Spannungswandler 820_1, eine Filterschaltung 830_1, eine Ladungspumpschaltung 840_1, eine Steuerung 850_1 und einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 860_1 einschließen.
Anders als der in 2 dargestellte Taktgenerator 800 kann der in 3 dargestellte Taktgenerator 800_1 eine Steuerung 850_1 einschließen, die sich in ihrer Struktur von der in 2 dargestellten Steuerung 850 unterscheidet. Die detaillierten Beschreibungen der Elemente von 4, die mit denen von 2 übereinstimmen, entfallen aus Gründen der Übersichtlichkeit.
Die in 3 dargestellte Steuerung 850_1 kann ein Taktsignal CLK mit einem Referenztaktsignal FREF vergleichen, so dass die Steuerung 850_1 das Schalten der Vielzahl von Schaltelementsteuersignalen SC1 bis SC3 basierend auf dem Vergleichsergebnis zwischen dem Taktsignal CLK und dem Referenztaktsignal FREF steuern kann.
Im Normalbetrieb kann die Steuerung 850_1 die Schaltsteuersignale SC1 und SC2 so aktivieren, dass die Filterschaltung 830_1 einen Filtervorgang durchführen kann. Die Steuerung 850_1 kann das Schaltsteuersignal SC2 aktivieren, wenn das Taktsignal CLK höher ist als das Referenztaktsignal FREF. Beim Einschalten des Schaltelements SC2 geht der Pumpvorgang so vor, dass das Niveau der Steuerspannung (VI) durch elektrische Ladungen, die in den Kondensatoren C1 und C2 gespeichert ist, ansteigt.
4 ist ein schematisches Diagramm, das ein weiteres Beispiel für den in 1 dargestellten Taktgenerator darstellt.
Unter Bezugnahme auf 4 kann der Taktgenerator 800_2 einen Phasenfrequenzdetektor (PFD) 810_2, einen Spannungswandler 820_2, eine Filterschaltung 830_2, eine Ladungspumpschaltung 840_2, eine Steuerung 850_2 und einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 860_2 einschließen.
Anders als der in 2 dargestellte Taktgenerator 800 kann der in 4 dargestellte Taktgenerator 800_2 eine Steuerung 850_2 einschließen, die sich in ihrer Struktur von der in 2 dargestellten Steuerung 850 unterscheidet. Die detaillierten Beschreibungen der Elemente von 4, die mit denen von 2 übereinstimmen, entfallen aus Gründen der Übersichtlichkeit.
Die in 4 dargestellte Steuerung 850_2 kann eine Anfangsspannung des Spannungswandlers 820_2 mit einem Spannungssteuersignal VCON steuern. So kann beispielsweise der Betriebsbereich des Spannungswandlers 820_2 im Bereich zwischen dem Versorgungsspannungs- (VDD) Pegel und dem Massespannungs- (VSS) Pegel begrenzt sein. In dieser Implementierung kann das Spannungssteuersignal VCON dem Spannungswandler 820_2 ermöglichen, eine Versorgungsspannung bereitzustellen, die höher ist als die Versorgungsspannung (VDD) während einer ersten bestimmten Zeitspanne. Daher kann der Spannungswandler 820_2 die Steuerspannung VI erzeugen, die gleich oder höher ist als der Versorgungsspannung- (VDD) Wert.
Im Normalbetrieb kann die Steuerung 850_2 die Schaltsteuersignale SC1 und SC3 so aktivieren, dass die Filterschaltung 830_2 einen Filtervorgang durchführen kann. Die Steuerung 850_2 kann das Schaltsteuersignal SC2 aktivieren, wenn das Taktsignal CLK höher ist als das Referenztaktsignal FREF. Beim Einschalten des Schaltelements SC2 geht der Pumpvorgang so vor, dass der Pegel der Steuerspannung (VI) durch elektrische Ladungen, die in den Kondensatoren C1 und C2 gespeichert sind, ansteigen kann.
5 ist ein Diagramm, das die Funktionsweise des Taktgenerators 800 veranschaulicht, basierend auf einigen Implementierungen der offenbarten Technologie.
Unter Bezugnahme auf 5 kann eine X-Achse das Taktsignal CLK und eine Y-Achse die Steuerspannung VI bezeichnen.
Das Diagramm (A) zeigt die Steuerspannung VI des Bildsensors ohne die Ladungspumpschaltung und das Diagramm (B) zeigt die Steuerspannung VI des Bildsensors basierend auf einigen Implementierungen der offenbarten Technologie. Im Bildsensor ohne die Ladungspumpschaltung steigt die Steuerspannung VI allmählich an und wird dann auf einem Versorgungsspannungs- (VSUPPLY) Pegel gehalten (z.B. eine dem Spannungswandler zugeführte Spannung), wie in (A) von 5 dargestellt. Im Gegensatz dazu kann der Taktgenerator, der auf einigen Implementierungen der offenbarten Technologie basiert, es ermöglichen, dass der Steuerspannungs- (VI) Pegel höher ist als der Versorgungsspannungs- (VSUPPLY) Pegel, wie in (B) von 5 dargestellt. Infolgedessen kann der Taktgenerator, der auf einigen Implementierungen der offenbarten Technologie basiert, es ermöglichen, dass der Steuerspannungs- (VI) Pegel höher ist als der Versorgungsspannungs- (VSUPPLY) Pegel, was zu einer Verbesserung der Betriebsgeschwindigkeit des spannungsgesteuerten Oszillators 860 führt.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, können der Taktgenerator und der Bildsensor, die auf einigen Implementierungen der offenbarten Technologie basieren, Signale mit einer höheren Geschwindigkeit verarbeiten, indem sie einen Ausgangsbereich eines spannungsgesteuerten Oszillators erweitern.
Es werden nur wenige Implementierungen und Beispiele beschrieben und andere Implementierungen, Verbesserungen und Variationen können auf der Grundlage dessen vorgenommen werden, was in diesem Patentdokument beschrieben und veranschaulicht wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

KR 1020190000508 [0001]

Claims

Taktgenerator, umfassend: einen Phasenfrequenzdetektor (PFD), der konfiguriert ist, um ein Taktsignal und ein Referenztaktsignal zu empfangen und eine Phasendifferenz zwischen dem Taktsignal und dem Referenztaktsignal zu erfassen, wobei der Phasenfrequenzdetektor ein erstes Ausgangssignal basierend auf der Phasendifferenz bereitstellt; einen Spannungswandler, der kommunikativ mit dem Phasenfrequenzdetektor gekoppelt ist, um das erste Ausgangssignal vom Phasenfrequenzdetektor zu empfangen, und konfiguriert ist, um ein zweites Ausgangssignal basierend auf dem ersten Ausgangssignal vom Phasenfrequenzdetektor (PFD) bereitzustellen; eine Filterschaltung, die kommunikativ mit dem Spannungswandler gekoppelt ist, um das zweite Ausgangssignal vom Spannungswandler zu empfangen, und die konfiguriert ist, um eine Steuerspannung durch Filtern des zweiten Ausgangssignals vom Spannungswandler zu erzeugen; eine Ladungspumpschaltung, die kommunikativ mit dem Spannungswandler gekoppelt ist und konfiguriert ist, um eine Ausgangsspannung des Spannungswandlers zu pumpen, wobei die Ladungspumpschaltung eine Pump-Steuerspannung mit einem Pump-Spannungspegel bereitstellt; und einen spannungsgesteuerten Oszillator, der kommunikativ mit der Filterschaltung und der Ladungspumpschaltung gekoppelt ist und konfiguriert ist, um ein Taktsignal zu erzeugen, mit einer Schwingungsfrequenz, die basierend auf der Steuerspannung oder der Pump-Steuerspannung bestimmt wird.
Taktgenerator nach Anspruch 1, wobei der Spannungswandler einen Spannungs-Strom-Wandler einschließt.
Taktgenerator nach Anspruch 1, wobei die Filterschaltung einen Tiefpassfilter (LPF) einschließt.
Taktgenerator nach Anspruch 1, wobei die Filterschaltung mindestens zwei Kondensatoren und einen mit einem der mindestens zwei Kondensatoren gekoppelten Widerstand einschließt.
Taktgenerator nach Anspruch 1, ferner umfassend Schaltelemente, die selektiv eingeschaltet sind, um unterschiedliche Strompfade vom Spannungswandler zum spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) bereitzustellen, wobei die verschiedenen Strompfade einen ersten Pfad einschließen, der das Fließen von Strom durch die Filterschaltung ermöglicht, und einen zweiten Pfad, der das Fließen von Strom durch die Ladungspumpschaltung ermöglicht.
Taktgenerator nach Anspruch 1, wobei der Spannungswandler seinen Betrieb stoppt, wenn das zweite Ausgangssignal von dem Spannungswandler höher als ein vorgegebener Pegel ist.
Taktgenerator nach Anspruch 1, wobei die Ladungspumpschaltung umfasst: ein erstes Schaltelement, das zwischen einem Ausgangsknoten des Spannungswandlers und einem Eingangsanschluss der Steuerspannung gekoppelt ist und konfiguriert ist, um durch ein erstes Schaltsteuersignal gesteuert zu werden; ein zweites Schaltelement, das zwischen dem Ausgangsknoten und einem zweiten Knoten gekoppelt ist und konfiguriert ist, um durch ein zweites Schaltsteuersignal gesteuert zu werden; und ein drittes Schaltelement, das zwischen dem zweiten Knoten und einem Erdungsspannungs-Eingangsanschluss gekoppelt ist und konfiguriert ist, um durch ein drittes Schaltsteuersignal gesteuert zu werden.
Taktgenerator nach Anspruch 7, ferner umfassend: eine Steuerung, die konfiguriert ist, um mindestens eines von dem ersten Schaltsteuersignal, dem zweiten Schaltsteuersignal oder dem dritten Schaltsteuersignal selektiv zu aktivieren.
Taktgenerator nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Steuerung, die konfiguriert ist, um zu steuern, ob die Filterschaltung oder die Ladungspumpschaltung basierend auf einem Ergebnis des Vergleichs zwischen der Steuerspannung und einer Referenzspannung betrieben werden soll.
Taktgenerator nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Steuerung, die konfiguriert ist, um zu steuern, ob die Filterschaltung oder die Ladungspumpschaltung basierend auf einem Ergebnis des Vergleichs zwischen dem Taktsignal und dem Referenztaktsignal betrieben werden soll.
Taktgenerator nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Steuerung, die konfiguriert ist, um eine Anfangsspannung des Spannungswandlers so zu steuern, dass die Anfangsspannung des Spannungswandlers höher ist als eine Versorgungsspannung.
Taktgenerator, umfassend: eine Filterschaltung, die konfiguriert ist, um während eines Normalbetriebs eine Steuerspannung bereitzustellen und Ladungen in der Filterschaltung zu speichern; eine Ladungspumpschaltung, die konfiguriert ist, um während eines Pumpvorgangs eine Pump-Steuerspannung unter Verwendung der in der Filterschaltung gespeicherten Ladungen zu erzeugen, wobei die Pump-Steuerspannung höher als die Steuerspannung ist; und einen spannungsgesteuerten Oszillator, der konfiguriert ist, um ein Taktsignal mit einer Schwingungsfrequenz zu erzeugen, die bestimmt wird basierend auf der Steuerspannung während des Normalbetriebs und basierend auf der Pump-Steuerspannung während des Pumpvorgangs.
Taktgenerator nach Anspruch 12, wobei die Filterschaltung mindestens einen Kondensator und einen Widerstand umfasst.
Taktgenerator nach Anspruch 12, wobei die Ladungspumpschaltung umfasst: ein erstes Schaltelement, das zwischen einem ersten Knoten und einem Knoten, an den die Steuerspannung oder die Pump-Steuerspannung angelegt wird, gekoppelt ist, wobei das erste Schaltelement konfiguriert ist, um durch ein erstes Schaltsteuersignal gesteuert zu werden; ein zweites Schaltelement, das zwischen dem ersten Knoten und einem zweiten Knoten gekoppelt ist und konfiguriert ist, um durch ein zweites Schaltsteuersignal gesteuert zu werden; und ein drittes Schaltelement, das zwischen dem zweiten Knoten und der Masse gekoppelt ist und konfiguriert ist, um durch ein drittes Schaltsteuersignal gesteuert zu werden.
Taktgenerator nach Anspruch 14, ferner umfassend: eine Steuerung, die konfiguriert ist, um das erste Schaltsteuersignal und das dritte Schaltsteuersignal im Normalbetrieb zu aktivieren und das zweite Schaltsteuersignal bei dem Pumpvorgang zu aktivieren.
Bildsensor, umfassend: eine Analog-Digital-Wandler- (ADC) Schaltung, die konfiguriert ist, um eine Vielzahl von Pixelsignalen in mindestens ein digitales Signal umzuwandeln; eine Datenausgabeschaltung, die konfiguriert ist, um das mindestens eine digitale Signal von der ADC-Schaltung zu empfangen und Pixeldaten basierend auf dem mindestens einen digitalen Signal auszugeben; eine digitale Verarbeitungsschaltung, die konfiguriert ist, um die Pixeldaten von der Datenausgabeschaltung zu empfangen und eine Signalverarbeitung der Pixeldaten basierend auf einem Taktsignal durchzuführen; und einen Taktgenerator, der konfiguriert ist, um das Taktsignal zu erzeugen, wobei der Taktgenerator umfasst: eine Filterschaltung, die konfiguriert ist, um während eines Normalbetriebs eine Steuerspannung bereitzustellen und Ladungen in der Filterschaltung zu speichern, eine Ladungspumpschaltung, die konfiguriert ist, um während eines Pumpvorgangs eine Pump-Steuerspannung unter Verwendung der in der Filterschaltung gespeicherten Ladungen zu erzeugen, wobei die Pump-Steuerspannung gleich oder höher als eine Versorgungsspannung ist, und einen spannungsgesteuerten Oszillator, der konfiguriert ist, um ein Taktsignal mit einer Schwingungsfrequenz zu erzeugen, die basierend auf der Steuerspannung während des Normalbetriebs bestimmt wird und basierend auf der Pump-Steuerspannung während des Pumpvorgangs bestimmt wird.
Bildsensor nach Anspruch 16, wobei der Taktgenerator ferner umfasst: einen Phasenfrequenzdetektor (PFD), der konfiguriert ist, um eine Phasendifferenz zwischen dem Taktsignal und einem Referenztaktsignal zu erfassen; und einen Spannungswandler, der konfiguriert ist, um ein Ausgangssignal basierend auf der vom Phasenfrequenzdetektor (PFD) erfassten Phasendifferenz bereitzustellen.
Bildsensor nach Anspruch 16, wobei die Ladungspumpschaltung umfasst: ein erstes Schaltelement, das zwischen einem ersten Knoten und einem Knoten, an dem die Steuerspannung oder die Pump-Steuerspannung angelegt wird, gekoppelt ist und konfiguriert ist, um durch ein erstes Schaltsteuersignal gesteuert zu werden; ein zweites Schaltelement, das zwischen dem ersten Knoten und einem zweiten Knoten gekoppelt ist und konfiguriert ist, um durch ein zweites Schaltsteuersignal gesteuert zu werden; und ein drittes Schaltelement, das zwischen dem zweiten Knoten und der Masse gekoppelt ist und konfiguriert ist, um durch ein drittes Schaltsteuersignal gesteuert zu werden.
Bildsensor nach Anspruch 18, ferner umfassend: eine Steuerung, die konfiguriert ist, um das erste Schaltsteuersignal und das dritte Schaltsteuersignal im Normalbetrieb zu aktivieren und das zweite Schaltsteuersignal bei dem Pumpvorgang zu aktivieren.
Bildsensor nach Anspruch 19, wobei die Steuerung konfiguriert ist, um das erste Schaltsteuersignal, das zweite Schaltsteuersignal und das dritte Schaltsteuersignal basierend auf einem Ergebnis eines Vergleichs zwischen der Steuerspannung und einer Referenzspannung zu steuern.