TWI260089B - Method and apparatus for AD conversion, semiconductor device for detecting distribution of physical quantity, and electronic apparatus - Google Patents

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Description

1260089 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明有關―種類比數位（A/D)轉換方法、A/D轉換器、 具：複數個單元元件之供備測物理量分佈的半導體元件、 电子衣置。本發明尤其有關_種將半導體元件及電子穿 :令之類比輸出轉換成數位資料的技術，#中響應自外部 雨入之A磁波（如光線或㈣線）的複數個單元元件將輸入
電磁波轉換成物理量分佈以作為電子信號，然後透過位址 控制來選擇性讀取電子信號。 【先前技術】 用於偵測物理量分佈的半導Μ件已受到廣泛的使用。 此類半導體元件包括配置成直線或矩陣之響應電磁波(如 光線或輻射線）的單元元件（如像素）。 例如，電荷耗合元件（CCD)、金氧半導體_s)元件、及 互補式金氧半導體(CM〇S)元件、用於摘測光線(一種電磁 波類型）作為物理量的各元件通常用於視訊^備領域。在藉 由單元元件（固態影像收集元件中的像素）轉換為電子信號 後，這些元件讀取物理量分佈。 :些固態影像收集元件具有像素，各像素包括放大固態 景“象收集構件(主動像素感測器或又稱為「增益單元」）。主 動像素感測器包括用於產生響應電荷產生器中產生之信號 電荷之像素信號的驅動電晶體。許多CM〇s固態影像收集元 件都具有此類結構。 為了讀取放大固態影像收集元件中的像素信號，將對具 97981 .d〇c .1260089 有複數個像素的像素區域執行位址控制，以便自任何個別 像素讀取信號。放大固態影像收集元件因此是—種位址控 制類型的固態影像收集元件。 工 放大固態影像收集元件，屬於一種具有單元像素之矩陣 之χ-γ定址固恶影像收集元件的類型，係以M〇s為結構， 在各像素中具有M0S電晶體，以提供像素的放大功能。更 明確地說，主動元件放大為光電轉換元件之光二極體中儲 存的信號電荷（光電子），然後再讀取放大的信號。 $此類X-Y定址固態影像收集元件中’按二維矩陣配置 j量像素電晶體以形成像素區域。信號電荷的館存始於每 订（歹J)的像素或個別像素。藉由定址，即可連續讀取響應已 儲存之信號電荷的電流信號或電麼信號。在m〇s類型（包括 CMOS類型）中，在典型的位址控制之一，同時存取一列像 素且逐列讀取像素區域的像素信號。 /需要’利用類比數位（A/D)轉換器將讀取自像素區域的 類比像素信號轉換成數位資料。由於輸出像素信號係混合 仏號成分及重設成分，因此必須藉由分辨對應於重設成分 之仏號電壓及對應於信號成分之信號電壓間的差，來操取 有效的信號成分。 ,在將類比像素信號轉換成數位信號時也是一樣。必須將 =於重新發送成分之信號電壓及對應於信號成分之信號 剩的差異成分轉換成數位資料。為此目的，已於以下 專利文件及非專利文件中提出各種A/D轉換機構： 1文件1 ·未審查之日本專利申請公開案第 97981.doc 1260089 號； 非專利文件 1 : W. Yang 等人，「An Integrated 800x600 CMOS Image System(整合之 800x600 CMOS影像系統）」， ISSCC Digest of Technical Papers，第 304-305 頁，1999年 2 月； 非專利文件2 :米本和也（Kazuya YONEMOTO)， 「CCD/CMO Image Sensor no kiso to ouyo(CCD/CMO影像 感測器之基礎與應用）」，CQ Publishing Co.，Ltd，第一版， 第 201-203 頁，2003年8月 10 日； 非專利文件3 ··今村俊文（Toshifumi IMAMURA)及山本美 子（Yoshiko YAMAMOTO)，「3. Kosoku kinou CMOS image sensor no kenkyu (3 ·高速機能CMOS影像感測器之研究）」， 網際網路 <URL: http://www.sankaken.gr.jp/project/iwataPJ/report/hl 2 /hi2index.html〉線上搜尋，2004年 3 月 1 5 日； 非專利文件4 :今村俊文、山本美子、及長谷川尚哉（Naoya HASEGAWA)，「3. Koshoku kinou CMOS image sensor no kenkyu(3 ·高速機能CMOS影像感測器之研究）」，網際網路 <URL: http://www. sankaken.gr.jp/project/iwataPJ/report/hl 2 /hl4index.html>線上搜尋，2004年3月15日；及 非專利文件 5 : Oh-Bong Kwon 等人，「A Novel Double Slope Analog-to-Digital Converter for a High-Quality 640x480 CMOS Imaging System(用於高品質 640x480 CMOS 成像系統的新型雙斜率類比至數位轉換器）」，VL3-03 1999 97981.doc ⑧ 1260089 IEEE ’第 335-338 頁。 揭露於這些文件中的A/D轉換機構就以下各點而言具有 困難’電路的大小與面積、功率消耗、和其他功能組塊有 關的線路數、線路拾取的雜訊、及電流消耗。 圖6圖解已知的CM〇s固態影像收集元件丨（cm〇s影像感 :)、其具有安裝於相同半導體基板上的A/D轉換器及像 素區域。如圖6所示，固態影像收集元件丨包括：像素陣列（影 像收集區域）1〇，其具有配置成矩陣的複數個單元像素^ ; 驅動器7,其係配置在像素陣列10之外；特器（cnt)24; 仃處理器26,其包括逐行配置的行a/d轉換器25;參考信號 產生器27，其包括DAC(數位至類比轉換器）以供應用於D/A 轉換的參考電壓給行處理口6巾的行A/D轉換及輪出 電路28，其包括減法器29。 ^驅動器7包括：水平（列）掃描電路12，以控财位址及行 掃描；垂i(列)掃描電路14’ U控制列位址及列掃描；及時 序控制器21，以經由終端5a接收主要時脈clk〇，及以產生 各種内部時脈以控制水平掃描電路12及垂直掃描電路Μ。 各單元像素3係連接至列控制線15,其係由垂直掃描電路 14及垂直信號線19進行控制，以傳送像素錢給行處理器 26 〇 行A/D轉換器25包括電壓比較器252及資料記憶體攻。兩 壓比較器252比較由參考信號產生器⑽產生的參考電: RAMP和自每個列控制線15(HQ、m、...）上的單元像素^ 由垂直信號線19(VG、V1、…）所獲得的類比像素信號。； 97981 .doc 1260089 料記憶體255包括鎖存器（正反器）作為儲存計數器24之計數 =記憶體’計數器在電塵比較器252完成比較程序之前計算 時間。行A/D轉換哭γ目士 / - 寻秧的25具有η位兀A/D轉換的功能。資料記 憶體255包括鎖存器1及鎖存器2,各具有峨元容量，'可^ 為獨立的内部記憶體區。 由參考^ #U產生器27所產生的斜坡參考電 RAMP-般 電塵比較器252的輸入ramp終端，像素陣列_固 虎電屋則供應給電璧比較器252連接至對應行線 路之垂直信號線1 9的另一姻炊# +降 供應給資料記憶體255。 以比較器252的輪出係 =器24根據對應於主要時脈⑽的計數時脈咖〇(兩 =均具有相同料脈頻率）執行計數料。計數器以依 式連同計數時脈《。一起輸出計數輪出加、 ···、CKn給行處理器26的各行A/D轉換哭乃。 用於計數器24之計數輪出CK1、CK2、^ 遞送至配置詩料之:㈣記,Μ 255_/Κη的線路經 換哭％ ή 體55的鎖存器。行A/D轉 般依此方式操作以響應單-的計數哭24。 轉換器25的輸出係連接至水平信號線Η。水平Μ 覆蓋h位元寬度的信號線，及經由對應於水；； :至二！似之輸。出線路的2蝎應電路(未顯示)而連 料DJI ^路28的減法器29。自輸出電路28輸出的視訊資 "圖二固罐收集元件1的輸出終端5c輸出至外部。、 於:圖解圖6之固態影像收集元件丨之操作的時序圖。 ;弟—讀取操作之計數器24的計數係重設為初始值 97981.doc 1260089 〇」。在自任何列Hx之單元像素3至垂直信號線19(v〇、 VI、…）的第一讀取穩定後，輸入因參考信號產生器27而在 時軸上成為斜坡的參考電壓RAMP。電壓比較器252比較參 考電壓RAMP和任何垂直信號線丨9(行數Vx)的像素信號電 壓。
計數器24在參考電壓RAMP被輸入各電壓比較器252的一 個終端RAMP時，開始計數電壓比較器252的轉換時間。和 自苓考k唬產生器27(時間tlO)發出的斜坡波形電壓同步， 计數器24從第-計數操作的初始值「Q」開始遞減計數。 私壓比較裔252比較自參考信號產生器27的斜坡參考電 C RAMP和經由垂直信號線19輸入的像素信號電壓。當 :個電壓變成彼此相等時，電壓比較器252將比較器輸出： 高位準反向至低位準（在時間tl2)。 和比較器輸出的反向大約同時，資料記憶體255在其鎖存 器1中鎖存自計數器24響應和計數時脈CK〇同步之比 間的計數輸出 CK1、CK2、 、CKn 乂 $ …CKn。依此方式完成第一轉 換操作（在時間tl2)。 萄預定遞減計數週期消逝（在時間U4)時，時序控制器幻 分止供應控制資料給電壓比較 平乂的及知止供應計數時 CK0給計數器24。電壓比較器 作。 伙此万式铋止其比較操 在第-讀取操作期間，將讀取單元像素3的 八 △V。重設成分Δν含有每個單元像素3都不同的雜訊作為： 移。重設成分Δν的變化通常很小’且所有像素的重設位準 979Sl.doc -12- l26〇〇89 都一樣。任何垂直信號線19(Vx)的輸出多半為已知。 調整參考電壓RAMP，即可縮短在重設成分AV之第一讀 取期間的比較週期。在此已知範例中，係在7位元的計數週 期（128時脈）内調整重設成分Δν。 在第二讀取操作中，除了重設成分AV之外，還讀取響應 每單元像素3之入射光線量的信號成分Vsig，然後執行和第 一讀取操作相同的操作。 . 用於第二讀取操作之計數器24的計數係重設為「〇」。在 自任何列Hx之單元像素3至垂直信號線i9(V0、VI、.··）的第 一讀取穩定後，輸入因參考信號產生器27而在時軸上成為 斜坡的參考電壓RAMP。電壓比較器252比較參考電壓 ramp和任何垂直信號線19(行數Vx)的像素信號電壓。 計數器24在參考電壓RAMP被輸入各電壓比較器252的一 個終端RAMP時，開始計數電壓比較器252的轉換時間。和 自參考信號產生器27(時間t20)發出的斜坡波形電壓同步， • 什數杰24從第二計數操作的初始值「0」開始遞減計數。 電壓比較器252比較自參考信號產生器27的斜坡參考電 壓Ramp和經由垂直信號線19輸入的像素信號電壓; =個電壓變成彼此相等時，電壓比較器252將比較器輸出: 阿位準反向至低位準（在時間t22) 〇 和比較器輸出的反向大約同時，資料記憶體255鎖存自計 數器24響應和計數時脈⑽同步之比較時間的計數輪出 CK1、CK2、…他。依此方式完成第二轉換操作(在時間 9798l.doc 1260089 貝料記憶體255將第一計數及第二計數鎖存在其不同位 置中，即，鎖存裔2。在第二讀取操作期間，將讀取單元像 素3的重設成分AV及信號成分Vsig。 當預定遞減計數週期消逝（時間t24)時，時序控制器21停 止供應控制資料給電壓比較器252及停止供應計數時脈 cko給計數器24。依此方式，電壓比較器252停止其比較操 作。
在第一汁數刼作結束時的預定時序（時間t28)，時序控制 器21將指示水平掃描電路12讀取像素資料。為了塑應，水 平掃描電路12將連續移位要經由控制線12C供應給資料記 憶體255的水平選擇信號cfj(i)。 儲存在資料記憶體255中的計數，即，第一及第二讀取操 作之η位το的數位像素資料，將連續輸出至在行處理器％ 外之輸出電路28中的減法器29。 η位元減法器29從第二像素資料減去代表單元像素3之重 設成分ΔΥ的第—像素資料’作為單元像素3於各像素位置 的總計’藉此決定單元像素3 的“號成分Vsig。 ' 重複相同操作。輸出電路28形成代表二維影像的視訊信 號。 在上述已知技術中，計數器24_般為所有行的行她轉換 ;=。；：記憶體255的各記憶體必須刪-計數及 ΓΓ 體255的n位元信號使用—對讀元鎖存 益（即口位凡使心鎖存器），因而需要报大的電路面積。 97981.doc ⑧ 14 1260089 以下稱此問題為Γ第一問題」。 不只是同步計數時脈CK0的線路，還有自計數器24之 數輸出CK1、CK2、…、CKn的線路，均必須遞送至資料圮 體255的鎖存器1及鎖存器2。由於此遞送，使得雜訊增二 功率消耗增加變成問題。以下稱此問題為「第二問題」。 由於第-計數及第二計數係儲存在資料記憶體255的不 二立置中，因此需要2η信號線將計數結果傳送給資料記憶 ® U 5 ’因而相關雷今左 9 關包"丨Llk之增加。以下稱此問題為「第三問 」。 輪出電路28在信號輪出夕^ 出之刚從第二計數減去第一計數， 而需要將計數傳送至輪屮+ ^ _ 輸出电路28中η位元減法器29的2η 由於資料傳送，使得π ·Λ JL t .θ5 便侍濰汛增加及功率消耗增加變 成問崎。以下稱此問題為「第四問題」。 除了計數器之外，還必 # w 貝刀開配置儲存弟一讀取結果的 口己丨思to及儲存第二讀取社 纪愔f ^ ^ 〇 S 5己丨思體，換言之，需要兩個 .己〖思體。需要從計數哭 此外，還需要傳送；元㈣至記《的信號線。 信號線，各計數為瞻- 二計數至減法器的2n位元 雜訊_ μ 位7^。電路比例及電路面積增加，致使 孔〶流4耗、及功率消耗增加。 在允許平行執行A/D轉 士 儲存計數結果的記情體H 程序的管線配置中，除了 憶體。和第-問題一俨’通需要儲存A/D轉換資料的記 路面_拗4 队都需要兩個記憶體系統，致使電 峪面私、增加。以下稱此 .^ ^ n碭為「第五問題」。 為了克服第一問題，弁_ 則引用的非專利文件2提出一種行 ^8 ；. .doc 1260089 A/D轉換器。行A/D轉換器藉由串聯一般用於垂直行的計數 器和CDS處理單元與鎖存各行配置之計數器之計數的鎖存 器，即可執行相關雙重取樣（CDS)功能與A/D轉換功能。 為了克服第二問題’先前引料專利文件1及非專利文件 Μ提出-種配置如下：在行處理器％中逐行配置計數器， 以執行A/D功能。 非專利文件2中揭露的A/D轉換器包括：在垂直信號線（用 2垂直行）上執行平行程序的計數器，及使用鎖存器的AW 電路，然後計算重設成分及信號成分的差。A/D轉換器依此 方式將輸入信號轉換為數位資料，同時抑制像素的固定圖 形雜訊。使用此配置，不需要任何減法程序，單一計數程 =即已足夠。储存A/D轉換資料的記憶體係以鎖存器構成， 因而不用增加電路面積。換言之，已克服第_、第三 四、及第五問題。 由於計數器-般按照圖6所示的相时式，為所有垂直行 、、泉路所共用，因此需要計數器之計數輸出cki、ck2、，..、 CKn的n個線路。第二問題並未解決。 根據非專利文件3及4揭露的技術，將用於铺 數個像素的電流輸出至輸出匯流排，、 執行加總及減法運算。在時 、、排的電流 信號中轉換所形成的二:=二具有長度的脈衝寬度 應脈衝寬度信號之脈衝寬度”脈Ί十數各 此配置不需要計數器輸出的線路。換^執仃a/d轉換。 題。 谀s之，已解決第二問 979S1. j〇c 1260089 :、、〈、而部未提及有關重設成分及信號成分的處理，且不 確定非專利文件3及4中揭露的技術能夠解決第一、第三、 第四、及第五問題。同樣地，非專利文件1及5也無法說明 如何處理重設成分及信號成分。
相反地’專利文件1揭露了處理重設成分及信號成分的方 式。使用相關雙重取樣單元，每個垂直行均可執行從重設 成分之數位資料減去信號成分之數位資料的減法程序。依 此方式可從重設成分及信號成分擷取純影像的電壓資料。 依此方式即可解決第四問題。 利用專利文件1中揭露的技術，可由外部系統介面在計數 °序中產生5十數號。配置用於各垂直行的一對緩衝哭在 比較程序中重設成分及信號成分中之一的電壓匹配參考電 壓時儲存計數。A/D轉換的配置和非專利文件}中揭露的技 術相同，其中，單一計數器一般為所有垂直行線路所共用。 弟 弟一、弟二、及第五問題尚未解決。 【發明内容】 因此，本發明之目的在於提供一種解決上述問題中至少 一項的機構。 本發明的第一方面有關一種類比數位轉換的方法，其係 將要處理之含有標準成分及信號成分之類比信號之標準成 分及信號成分間的差異信號成分轉換成數位資料。將對應 於標準成分及信號成分之一 參考信號相比。和比較運算 計數模式之一的計數運算， 的信號和用於產生數位資料的 平行執行遞減計數模式及遞增 然後在完成比較運算時儲存所 17 9 Ί l.doc 1260089 形成的計數。y奴π i 八上勃/ ^ k式的切換係根據在標準成分或信號成 刀上執仃比較運算而定。 产^ 70 件輪出及要處理之單-信號的標準成分及信 ..、不冋）之一比較。計數運算係按遞減計數模 式及騎特料之— μ較 運算時健存計數。 dT ^成比較 一=步考信號和標準成分及信號成分中的另 a十數運异係按遞減計數模式及遞增言十數模式中 後儲2執行。在完成比較運算時儲存計數。在第二步驟 後储存的計數是和第一 執行第彳數的差1由㈣換的計數模式 差之：：Γ 可得到對應於標準成分及信號成分之 差之數位值的第二計數。 直㈡:㈣中處理的信號成分代表嫩 要户理二…不一定表示真實信號成分本身。實際上， 受地3有雜矾成分或重設成分的信號係為完全可接 :Γ=成分係為相對值’且標準成分及信號成 單一”之物刀：為自相冋早兀兀件(如相同像素)輪出之 。化之物理特性不同之兩個信號成分的差。 :標準成分及信號成分的比較運算中，對應於八 及“虎成分的各信號將和預定斜率有所不同的參考俨號相 :二偵測對應於標準成分及信號成分之信號匹配 號的點1定斜率不限於固定的斜率。在複數個值中； 97981.doc -18 - 1260089 個值的斜率逐步有所不同，因此，信號成分越大，斜率越 大。在此配置中，將增加動態範圍。 計數從產生比較運算中所用參考信號之點至 標準成分及信號成分之—之點的計數時脈，即可執二 運异。計數係響應標準成分及信號成分之一的強度。 可使用共同的雙向計數器來執行藉由在遞減計 遞增計數模式之間切換的計數運算。依此方式即可製^小 型的計數器電路。以可切換的方式使用兩個計數模式可 =標準成分及信號成分間的減法程序。不需;專用 的減法益，即可決定標準成分及信號成分的差。 *第二步驟的計數運算較佳始於第—步驟中儲存的計數。 的計數變成等於信號成分及標準成分之差 執^乂=及遞減計數運算係在第一步驟中的標準成分上 分Γ執^ 及遞增計數運算係在第二步驟中的信號成 订 此方式，在第二步驟後保留的計數變成因從 #號成分減去標準成分所得的數位值。 文 如果信號成分在得自單开 軸上出現在標準成分之 ;成)的信號中，在時 成的信號上，執行第二步驟:在第及信號成分組 表單元元件的信號成分。 ¥一後保留的計數代 第較二減計數模式中的標準成分上執行第一步驟* 二：個’及在遞增計數模式中的信號成分上執 丁人驟及弟一步驟中的另一個。在兩個步驟後保留的 97981.doc 1260089 計數因從信號成分減去標準成分而為正數位值。 比較運算及遞減計數運算係在第一步驟中的標準成分上 執行，比較運算及遞增 八，# — f數運异係在弟二步驟中的信號成 刀上執行。依此方式， — 在弟—步驟後保留的計數變成因從 ⑼“減去標準成分所得之具有正值的數位值 := ⑽含有標準成分及時轴上出現在標準成分之後 1=:則可得到為正值之代表單元元件之有效信號 成分的數位資料。 在標準成分和信號成分的比 標準成分的量很仏準成刀夕半固定且 如u L唬成刀為在如像素之單元元件偵測 如先線之電磁波時所得到 』支成分。信號成分的最大量 夂传後大。較佳，將用 钟宁^ 知旱成刀之比較運算的最大週期 ^ 丑於&號成分之比較運算的最夬、用#
轉換週期的總數。 取大週期，以縮短兩個A/D I锃，將第二步驟中儲存和一 週期中考饰 弟V ^及弟二步驟之先前 體中，曰^ ^數錯存在另-個資料記憶 且在對目前週期要處理之另一 驟及第二步驟時，從另：〇執仃弟-步 转社π + 貝才十思體平行讀取計數。 土’要處理的信號含有由偵 件的 ’田制物理量分佈之半導體元 口號產生器按行方向產峰 號，罝中m“ 门產生及輪出的類比單元信 括：電^件之矩陣，各單元元件包 生态，用於產生對應 單元信號產生器，用於產生對應於由：：：峨何；及 電荷的類比單元信號。 …兒仃±為所產生之 9798 l.d〇c ⑧ -20- 1260089 田單凡疋件係按二維矩陣配置時，可逐列（在平行的直行 j存取及知描由單元信號產生器在行方向中產生及輪出 的以比單凡信號。第一步驟及第二步驟係逐列在各單元元 件上執仃，藉此加快單元信號的讀取程序及a/d轉換程序。 本發明白为裳一 ^ ^ 乐一乃曲有關一種類比數位轉換的轉換器，其
、:要處理之含有標準成分及信號成分之類比信號之標準 士刀及仏唬成分間的差異信號成分轉換成數位資料。轉換 > σ比車乂為，用於比較對應於各標準成分及信號成分 二用於產生數位資料的參考信號；及計數器，用於 按遞減計數模式及遞增計數模式之—而和由比較器執行之 ㈣比較運算平行執行計數運算，及用於在完成比較運算 4儲存所形成的計數。 平乂狂，轉換器 巴祜控制器 -以根據比較器在標準成分或 5 上執行比較運算來㈣計數器的計數模式。 計數器可包括外+ 模气之η、 σ ^路，以在遞增計數模式及遞減計數 杈式之間以可切換的方 遞減計數器，以按數運异。計數器可包括： 數哭，ν > 〜減计數模式執行計數運算；及遞增計 情況中n 執行計數運算。在遞增計數器的 f月况中，叶數器可進一步十 數哭的計勃 括加法為甩路，以加總遞減計 數為的计數和遞增計數器的計數。 本4月之各半導體裝置及電子裝置均可執行上过A/ 換方法，且在社槿μ、+ 7 J執仃上述A/D轉 口構上和上述A/D轉換器相同。 根據本發明的半導體元件，將包括 數個A/D轉換器 -及计數杰的稷 早凡70件之行及列的方向。 1260089 較佳’比較器逐列擷取由單元信號產生器按行方向產生 及輪出的類比單元信號，且比較器及計數器逐列執行各單 元元件的個別程序。較佳，單元信號產生器包括用於放大 的半導體元件。 較佺，電荷產生器包括光電轉換元件，以接收光線作為 電磁波，然後產生響應已接收光線的電荷。使用此配置， 將半導體元件配置成固態影像收集元件。
σ根據本發明，將a/d轉換的參考信號和含有標準成分及信 號成分之要處理的信號比較，及按遞減計數模式及遞增計 數模式之一和比較運算平行執行計數運算。在比較運算結 ^時儲存計數時，根據比較運算在標準成分或信號成分上 執行以切換計數模式。 模二將因兩個模式（即’遞減計數模式及遞增計奏 數位資料。 f到代表仏準成分及信號成分之差, 屬於計數器的鎖存 信號成分之計數的功 料而在計數器之外配 電路面積增加的問題 器可執行記憶體用於儲存標準成分及 此。此配置不需要為了儲存A/D轉換資 置專用記憶體。因此解決電路尺寸及 由於無論使用i£回从 較器及計數器㈣數器與否，細轉換器均由 制線為何，計數運C:數及切換計數模式的 以控制。因此可去r值、,，异3MU、的單—計數時脈線· 線。此配置克服雜訊位準增加及功率消二:=信: 979Sl.doc 1260089 雙向計數器一般和切 可由計數器直接執行。不 拉式一u吏用。減法運算 準成分及信f虎^ 卩了决仏 ^ &有，此配置由於不需要傳逆 力:科給減法器，因而避免雜訊位準、電流、及功率 如果計數器係由遞 第二計數運算之前設增計數11組成，則可在 ^ ψ ^ ^ 7私達到的計數。標準成分及 “虎成刀間的減法運算可直 及 器，即可決定栌、.隹々、 不而要專用的減法 由於 成5及信號成分間的差。還有，此配詈 由於不需要傳送資料給減法 及功率消耗增加。 而避免位準、電流、 在计數器係由遞減計教哭 算可從零開始， =叶數器組成時，計數運 況下，需要使用1到的計數開始。在此情 及 口法^。由於加法器係配置在含有比較哭 5器的各A/D轉換器中，因此縮短至加法哭 D〇 度。仍可控制雜訊位準、電、及以“之線路的長 私机、及功率消耗的增加。 且有單糸由成對的比較器及計數器組成。當要處理由 7L件陣列之半導體元件輸出的單元信 方向（單元元件行陣列的方 儿、按列 的各個均設有，數$ μ… 數個A/D轉換器中 的輸出線路， 配置不需要遞送計數器至鎖存器 、、、路如圖6所示，因而避免雜％ /住 加的問題。 ㈣义免碟成位準及功率消耗增 A/D在行训轉換程序及讀取程序的管線操作中，各 、為使用儲存A/D轉換資料的單—記憶體即已足 ()79S 1 .doc -23- ⑧ 1260089 夠。因此減少電路面積的增加。 【實施方式】 、下將ί考圖式來說明本發明之C μ 〇 S固態影像收集元 件的具體實施例。CM〇s固態影像收集元件是χ_γ定址固態 衫像收集元件中的一個範例。CM〇s固態影像收集元件的所 有像素係由NMOS構成。 本龟明不限於MOS類型的影像收集元件。稍後說明的所 有具體貫施例適用於任何偵測物理特性的半導體元件，其 包括響應自外部輸入之電磁波(如光線或輻射線)之單元元 件的線路或矩陣。 回圖解本發明第一具體實施例的CMOS固態影像收集元 件（CMOS影像感測器）bC刪固態影像收集元件i係為本 發明之電子裝置的一個範例。
固態影像收集元件i包括：像素段，其具有像素的二維矩 陣:各像素形成輸出響應光線輸入量之電壓信號的光線接 收兀件（如電何產生器的範例）；及按直行平行方式配置的相 關雙重取樣（CDS)單it與類比數位（A/D)轉換器。 杈直订平行方式配置」意思是複數個CDS單元及複數 個A/D轉換器的配置和個別垂直信號線Μ平行。可將複數個 泛些凡件配置在像素陣㈣中像素行的—個邊緣上（即，如 圖1所示像素陣列1〇下侧的輸出側)，或同時配置在像辛障 列10中像素行的一個邊缓Μ如上回 ' 逯、'、彖上（即，如圖1所示像素陣列10下 則的輸出側上）及像素陣列 (即，像素陣_上⑷。在同 )在门日守配置於兩個邊緣上的情況 9798 丨.doc 24 ⑧ l26〇〇89 中，可將用於掃描列方向之像素的水平掃描單元（水平掃插） 配置在像素陣列10的兩個橫向侧 水平掃描單元分開操作。 』置方式允坪兩個 傻=典型的直行平行配置中，各⑽單元及A/D轉換器在影 像收本元件之輸出部分的行區域中，係按每個垂直行進行 :己置j及將信號連續輸出給元件的輸出側。本發明並不限 於行類型。例如，可將單一 CDS罝分 給複數個相鄰# t 早一 A/D轉換器指派 决 ㈣直仏虎線19(例如’-對相鄰的垂直” 、、泉19)或N個垂直信號線19(N為正整數）。 " ，行類型以外的任何類型中，由複數個垂直㈣ 用早一 CDS單元及單一 a/D鏟施奖扯μ /、 轉換益，然後配置切換電路以從 LL複數個行的像素信號之一選擇性饋送給對肩 轉換為。根據後續程序，可能需要使 的記憶體。 Κ 1口號 二：W元及單— A/D轉換器依此方式為複數個垂直 ΪΓΓ 。錢像素㈣取像素㈣後，執行各像 素k號的信號處理。和在夂留-你t 丁口像 況相比，更容易實施P 執行信號處理的情 m型化Μ 像素的簡單結構、多重像素設 冲 d i化、及低成本設計。 :在按直订平仃方式配置的複數個信 平行處理一列的像幸卢哺 处叩中同枯 一 σ Ό唬，因此允許按照低於單— CDS單 兀及單一人/1:>轉換器在 來操作信號處理。這# y K之外之配置的速度 有利。在相同功二二率消耗、頻寬效能、及雜訊很 及頒見的情況下，將允許以更快的 9798i.doc 1260089 速度操作整個感測器。 允許慢速操作的行類型元件不僅有利於功率消耗、頻寬 效能、及雜訊，還有利於免除切換電路的設計。以下說明 除非另外註明，否則固態影像收集元件均為行類型。
如圖1所示，第一具體實施例的固態影像收集元件^包 括：像素陣列10,其具有配置成矩陣的複數個單元像素3 ; 驅動器7，其係配置在像素陣列10之外；行處理器26 ;參考 k號產生器27，用於將A/D轉換的參考電壓饋送給行處理器 26 ;及輸出電路28。 視需要，可在相同的半導體區域中，在行處理器％的前 方或後方配置具有信號放大功能的自動增益控制（agc)電 路。AGC電路經配置在行處理器26之前時，可執行類比: 大功能。AGC電路經配置在行處理器26之後時，可執行數 位放大功能。如果只放大η位元數位資料，則會損壞資料的 灰度。因此較佳在類比放大之後執行A/d轉換。 驅動器7具有連續讀取像素陣列1〇之信號的控制電路功 月匕。驅動器7包括：水平（行）掃描電路12，用於控制行位址 及行掃彳曰，垂直（列）掃描電路丨4，用於控制列位址及列掃 描；及通信及時序控制器2〇,用於產生内部時脈。 如圖1所不，以虛線方塊框起來的時脈轉換器23可配置在 < L及日守序控制為2〇附近。為高速時脈產生器之範例的時 輅換叩23產生的脈衝具有高於輸入其中之信號時脈頻率 的:脈頻帛。通信及時序控制器2G產生的内部時脈響應經 由、、、'鳊5a輪入的輸入時脈（主要時脈）(：1^〖〇或由時脈轉換器 97981.doc 1260089 23所產生的高速時脈。 使用由時脈轉換器23所產生的高速時脈容許快速執行 A/D轉換私序。使用而速時脈，即可執行各需要高速計算的 ' 擷取紅序及壓縮程序。自行處理器26輸出的平行資料可經 轉換成輸出元件之外的串列資料，以作為視訊資料D1。依 此方式，視訊資料在小於和A/D轉換之數位資料之位元數相 等之終端的終端輸出。 呀脈轉換器23包括頻率多工器電路，用於產生具有時脈 擊料高於輸人時脈之時脈頻率的脈衝。在從通信及時序控 制器20接收低速時脈CLKw4，時脈轉換器23產生具有至少 為低速CLK2兩倍之頻率的時脈。時序控制器21的頻率多工 -屯路為k 1多工盗電路，其中k丨代表低速時脈clk2的頻 率。1^多工器電路可以是已知電路中的任何一種。 、 雖然在圖1中局部顯示像素的行與列，但實際上可配置數 十個至數千個單元像素3。單元像素3通常包括：光二極體， • 如光線接收元件（電荷產生器）；及像素放大器，包括放大半 導體元件（如電晶體）。 像素放大器可具有浮動擴散放大器結構。電荷產生器通 不包括：商用的四個電晶體作為CMOS感測器，即，當作電 荷讀取器的讀取及選擇電晶體（傳送閘極段/讀取段）；重設 電::曰體’當作重設閘極；垂直選擇電晶體；及放大源極隨 耦為電晶體’當作偵測浮動擴散之電壓變更的偵測器元件。 象/Γ、放大可由二個電晶體組成，如曰本專利第27⑽455 號所揭露。像素放大器包括：放大電晶體，其係連接至淡 9-981.doc -27- 1260089 極（drn)線，用於放大對應 的信號電壓；重設電晶二：’中產生之信號電荷 s ^用於重设電荷產生器；讀取及 二：晶體(傳送間極)，其係為垂直移位電晶體經由傳送 URF)線所掃描。 14驅動器7:一步包括··水平掃描電路12、垂直掃描電路 χ 制时20。水平掃描電路12具有讀取及 動月匕貝取订處理器26的計數。連同像素陣列10，驅 :#兀件係整體製造於半導體區域（如單晶石夕基板）， ^使料導體㈣電路製造程序之相同技術的固態影像 叹果元件。 :兀像素3係經由列控制線15連接至垂直掃描電路用 '擇幻，及經由垂直信號線19至具有配置在每個垂直行 + D轉換$ 25的仃處理器26。列控制線15代表從垂直 V描電路14遞送至像素的所有線路。 的水平掃描電路12及垂直掃描電路14中的各個，包括解碼 ❿開始私位㈣（掃描）以響應由通信及時序控制器戰供 =制信號CN1及CN2。列控制線15執行各種脈衝信號以驅 早兀像素3(如重設脈衝RST、傳送脈衝挪、麵控制脈 衝DRN等）。 ^口 ^日守序控制器20包括：時序產生器TG(如讀取位址控 制⑽的视例）’用於供應各種具有預定時序之操作及脈衝信 3虎所 的時脈 * ^士 人^ -J-. ra X.* 了脈，通彳5 "面，用於經由終端化接收主要時脈 MO;及資料DATA，用於經由終端5a指示運算模式，及 用於輸出含有固態影像收集元件i相關資訊的資料。時序產 97981.doc -28 1260089 生器TG及通信介面未顯示於圖1中。 水平位址信號係輸出至水平 輪出？希古如.. %馬态12a，垂直位址信號係 垂直解碼态14a 〇為了塑瘫 紘踩口口 u 曰應’水平解碼器12a及垂直 解碼裔14a將選擇個別的列的行。 單元像素3係配置成二維矩束 式)存取單元傻… 猎由逐列(按直行平行方 執仃用於碩取的垂直掃描，以擷 線19^^產生器5所產生及經由行方向上之垂直信號 ⑴^比像素㈣，然後藉由存取行方向上的單元 像素3,即可執行用於讀 位#^、 传描，以讀取像素信號（數 =素_貝料）。像素信號及像„料的讀取均㈣速。讀取 刼作並不限於掃描。直接定 、 疋址目軚早疋像素3，即可執行隨 機存取以僅讀取目標單元像素3的資訊。 弟一具體實施例的通信及時序控制器別可將時脈Cm 及低速時脈供應給元件中的内部元件，其中包括：水平掃 描電路、垂直掃描電路14、及行處理器％;時脈a。且 ^的頻率和經由終端叫共應之主要時脈CLK0的相同，及將 t脈CLK1頻率除以2可獲得低速時脈。以下，將除以2的時 脈及其他具有較低頻率的時脈統稱為「低速時脈Cm」。 +垂直掃描電路14選擇像素陣列10的列，然後供應該列所 而脈衝。垂直掃描電路14包括垂直解碼器14a及垂直驅動電 路14b。垂直解碼器14a定義垂直方向中的讀取列（選擇像素 陣列10的一列）。垂直驅動電路14b供應脈衝給列控制線 15，藉此驅動由垂直解碼器Ma所定義之讀取位址上的單元 像素3。垂直解碼器14a除了讀取信號之外，還選擇電子遮 97981.doc 29 ⑧ 1260089 光器。 . 尺平掃杬ι路12連續選擇和低速時脈CLK2同步之行處 王里器26特A/D轉換器25，以將行a/轉換器25的信號傳送 欠平<口5虎、、泉1 8。水平掃描電路j 2包括··水平解碼器仏， 用於疋義水平方向的讀取行（在行a/d轉換器乃内選擇行 /D轉換杰25)，及水平驅動電路m，用於將行處理器％ 的信號傳送至水平信號線18。水平信號、_包括⑽線路， _ 如果行A/D轉換器25所處理的位元數是_元，例如，如果 位元數是10，則為10個線路。 在依此方式建構的固態影像收集元件1中，自單元像素3 輸出的像素信號係經由每個垂直行的垂直信號線19，供應 至行處理器26的行A/D轉換器25。 行處理器26中的行A/D轉換器25處理一行的像素信號。例 如，行A/D轉換器25包括A/D轉換電路，以使用低速時脈 CLK2將類比信號轉換成丨〇位元數位資料。 # 揭n細5兒明的A/D轉換電路開始計數時脈信號，以響應
=應給其電壓比較器252的參考電壓ramp，然後比較：^ 電壓RAMP和經由垂直信號線19輸入的類比像素信號。A/D 轉換電路在獲得脈衝信號之前，藉由連續計數來執行· 轉換。 、，猎由h用適當的電路，即可決定以下兩個信號位準的 是：緊接按電壓模式對經由垂直信號線19輸入之像素信號 ^重设之像素後的信號位準（雜訊位準），及響應光線量的真 d #u位準VS1g。依此方式’可因此移除雜訊信號成分， 97981.doc ° 1260089 如固定圖形雜訊（FPN)及重設雜訊。 經由水平選擇信號驅動的水平選擇開關(未顯示），可將 由行A/D轉換器25數位化的像素資料傳送至水平信號線 ^8，然後再輸人至輸出電路28。位元數為1()僅為範例。位 凡數可以疋任何在1〇以上（14位元，例如）的數字。 依此方式逐列從具有作為電荷產生器之光線接收元件之 矩陣的像素阵列10連續輸出像素信號。依此方式獲得對應 於具有感光兀件矩陣之像素陣列_圖框影像作為整體像 素陣列10的一組像素信號。 筝考“虎產生器27包括數位至類比(D/A)轉換器27a。和 :數時脈cko同步，參考信號產生器27從通信及時序控制 為20之控制資料CN 4所代表的初始值產生斜坡信號。缺 後’參考信號產生H27將產生的斜坡信號作為參考電麼 (A/D翏考信號）供應給行處理器％中的各行鳩轉換器^， 以用於A/D轉換。亦可配置雜訊抑止濾波器（未顯示）。 使用時脈轉換器23的高速時脈，例如，由時脈轉換器23 多工器所產生的頻率多工時脈’比使用計數時脈 CLK0更旎快速變化斜坡信號。 自通信及時序控制器2〇供應至參考信號產生器27中Da =換器27a的控制資料⑽含有使相對於時間的數位 變更速率相等的資訊，即，使 、” 斜率相等的資訊。更明確地說，每單=序之斜坡電壓的 變化-個計數。^也况母孕位時間中’數位資料 具有瞻元A/D轉換功能的行A/D轉換器Μ包括：電壓比 97981.doc 1260089 又抑W及汁數器254。電壓比較器252比較由參考信號產生 27中的D/A轉換|§ 27a所產生的參考電壓RAMp&經由垂 直信號線19(V0、VI、…）自每列控制線15(H〇、m、…）上 ^元像素3供應的類比像素信號。計數器254計數時間直到 電堡比較器252完成比較運算，然後儲存所形成的計數。
通信及時序控制器20根據電壓比較器252在重設成分 或像素信號的信號成分Vsig上執行比較運算來切換計數器 254的計數模 <。控制信號⑽係從通信〗時序控制器州共 應至中行A/D轉換器25的計數器254，以提供計數器254執行 哪個計數模式（遞減計數模式或遞增計數模式）的指令。 ^參考信號產生器27所i生的參考電壓_係饋送給 也壓比較器252的輸人終端RAMp。電壓比較器⑸的另_個 輸入終端係連接至垂直行的個別垂直信號線，可接收像素 陣列1〇的個別像素信號電壓。電壓比較器252的輸出係饋送 給計數器254。 通信及時序控制器20-般將計數時脈CK0供應給計數器 254的時脈終端CK。 口十數裔254,雖然在此未顯示其中結構，其建構係藉由將 具有如圖6所示鎖存器之資料記憶體255的線路修改成同步 计，态的線路。為響應單一計數時脈ck〇的輸入，將執行 内^片數。至於斜坡信，將根據時脈轉換器Μ的高速時 脈（頻率多工時脈）產生計數時脈ck〇，因此比主要 CLK0 快。 所形成的電路 結合η個鎖存器可形成計數器254。結果 9^98 l.doc 1260089 〃有ο尺寸為具有n個鎖存器之兩條線路之資料記憶俨 255(如圖6所示）之電路的—半。由於已經去除計數器仏電丑 路變得比圖6的配置更精簡。 第一具體實施例的計數器乃4係為雙向計數器（U/D CNm可在遞料數模式及遞料數n之間進行切 換°第-具體實施例的計數器254也是―種同步計數器類 型，其可和計數時脈CK〇同步輸出計數。 品在同步計數器中，利料數時脈CKG控制所有正反器的 知作m要使用較高的頻率運算，較佳使用非同步計 數器作為計數H 254。非同步計數器適於用在高頻範圍，因 其只由初始階段正反器的限制頻率決錢作限制頻率。 經由控制線12c將控制脈衝從水平掃描電路12饋送仏叶 數器W。計數器254,具有鎖存其中計數的鎖存器功能， W存計數直到經由控制線12c以控制脈衝的形式供應指 °无河所述，行A/D轉換器25，各配置用於 _〇、〜...），可形成當作灿轉換器組塊的行處理^61 仃A/D轉換益25的輸出係連接至水平信號線丄8。水平作葡 ,18包括等於行A/D轉換器25之位元寬度之打位元續 信號線職此方式經由對應於水平信號線㈣ 1口感應電路（未顯示）而連接至輸出電路Μ。 、仃A/D轉換器25在對應於水平消隱、週期之像素信號讀^ =期期間執行計數運算，藉此輸出預定時序的計數= 電壓比較器252比較自參考信號產生器27的斜坡電膽
97卯 l.d〇C -33 - 1260089 、。 L號、、泉19輪入的像素信號電壓vx。如果兩個電壓位 準义成相等’則在此具體f施例中，電Μ比較ϋ 252將其比 較器輸出從高位準反向至低位準。 汁數為254和自參专信號產生器27發出的斜坡電壓同 步’已故開始遞減計數運算及遞增計數運算中的一項。在 ，收比較器輸出之反向的資訊後，計數器254停止其計數運 异’及在此時鎖存計數作為像素資料° A/D轉換依此方式結
計數器254經由行處理器26及像㈣賴之日日日>{外的輸 出終We輸出儲存的像素資料，其係根據在預定時序經由 控制線…從水平掃描電路12輸人之水平選擇信號CH⑴所 造成的移位操作。 固恶影像收集元件1可白人甘 午了03其他和本發明第一具體實施 例热關的信號處理電路（未顯示）。 圖2是圖解圖1中本發明第-具體實施例之固態影像收华 元件1之行A/D轉換器25之操作的時序圖。 ' 由像素陣列1 0中久显分伤IV卜 像素3所彳貞測的類比像素信號係 為她轉換如下1測逐_在料斜率的參考電壓讀P 广像素3中像素信號之標準成分及信號成分之一的電 ^目匹配的點。計數自產生用於A/D轉換之參考電歡層 至茶考信號匹配對應於像素信號中標準成分及信號 欣分之一之信號的點的計數砗晰 , ⑽。依此方式獲得響應標準 成分或信號成分之強度的計數。 在自垂直信號線19輸出的像素信號中，信號成简出 97981.doc 1260089 現在含有像素信號之雜訊作為標準成分的重設成分Δν之 後。在標準成分(重設成分Δν)上執行第一程序時後，在標 準成分(重設成分Δν)及信號成分Vsig的總計上執行第二： 序。 為了執行第一讀取，通信及時序控制器2〇將重設計數器 254的汁數為「〇」’同時設定計數器…為遞減計數模式。 在從單元像素3的任何列Hx至垂直信號線19(v〇、Vl、） :第-讀取變為穩定後，通信及時序控制器2〇將產生參考 電壓RAMP的控制資料⑽供應給參考信號產生㈣。 二了 a應麥考“唬產生益27以斜坡的形狀將隨著時間 2的斜坡波形制給電壓時㈣2的斜坡終端作為比 車乂电[⑨壓比較器252比較具有斜坡波形的比較電壓和經 =任何垂直信號線i 9(Vx)自像素陣列i Q供應的像素信號電 在將參考電壓RAMP輸入至各電壓比較器2 反_後’配置在各㈣計數器254開始計數比較時間、。、; :参考信號產生器27發出的斜坡形電壓同步(時間⑽)，通 ,蛉序控制器2〇將計數時脈ck〇輸入計數器2“的時脈 終端。在第—計數運算中，計數器254開始以初始值「〇」 遞減計數，即，執行負值方向的計數運算。 電虔比較器252比較參考信號產生器27的參考電屡Μ· ^輕由垂直信號線19輪人的像素信號電麼νχ，然後在兩個 電士壓變成相等時，將其比較器輸出從高位準反向至低位準 (時間tl2)。更明確地說，電壓比較器加比較響應重設成分
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Vrst的電壓信號和參考電壓RAMp，藉此產生的主動低脈衝 具有在¥軸上對應於重設成分如之強度的長度。然後將主 動低脈衝供應給計數器254。 為了響應，計數哭2 5 4 & A e ^ , u χ ^ 双約在反向比較器輸出的同時停止計 數運异。此時的計數已經鎖存。依此方式完成Am轉換（時 間t⑺。相對於時脈計數⑽，計數具有因電麼比較器况 的比較運算所得之日存勤具@ 、 #長度之主動低脈衝信號的寬度。依 此方式獲得響應重設成分Vrst的計數。 。。在默遞減計數週期消逝（時間tl4)時，通信及時序控制 裔20停止供應控制資料 电&比季乂态252亚停止供應計數 呀脈cko給計數器254。依 依此方式，電壓比較器252停止比 較運异。 的二 =:期間，以㈣比較器252谓測像素信號電壓νχ 來執行計數運算。結果， 重設成分Δν。 平凡像素3的 —重設成分ΔΥ含有每個單元像素3都不同的偏移雜訊。單 元像素3的變化通常很小， -#。在杯…… 像素的重設位準鱗 ^ 可垂直#唬線19的像素信號電厣 ^ 分Δν的輸出值多半為已知。 土 ，重没成 在重σ又成分AV的第一讀取期間， R Δ A/ί D -r 稽由5周整茶考雷jf：
RAMP’W遞減計數週期（從時間 考U 期）。在此具體實施例中，將重HAV_14的比較週
日由 直5又成分Δν之比較運曾沾曰I 、又設定為7·位元計數週期（128時脈）。 I、取 在第二讀取期間，除了重設成分 心外碩取響應各單 97981.doc 1260089 几像素3之輸入光線量的信號成分Vsig，然後執行和第一讀 取相同的程序。通信及時序控㈣2G設定計數器為遞= . 計數模式。當垂直信號線19(νο、νι、…）之任何列Hxu . 二像素3的第二讀取穩定時，通信及時序控制器2〇供應產生 芩考電壓RAMP的控制資料CN4給參考信號產生器27。 μ為了響應，參考信號產生器27以斜坡的形狀將隨著時間 變化的斜坡波形饋送給電壓比較器252的斜坡終端作為比 _ % ° Β I比較252比較具有斜坡波形的比較電壓和經 由任何垂直信號線19(Vx)自像素陣列i 〇供應的像素作妒恭 壓。 ’、口）υ私 在將參考電壓RAMP輸入至各電壓比較器252的輸入終端 ramp後，配置在各列的計數器254開始計數比較時間。和 自芩考信號產生器27發出的斜坡形電壓同步（時間t2〇)，通 信^時序控制器20將計數時脈CK〇輸入計數器⑸的時脈 終如。在第二計數運算中，計數器254以對應於在第一讀取 φ 期間得到之單元像素3之重設成分Λν的計數，開始遞增計 數，即，執行正值方向的計數運算。 電壓比較器252比較參考信號產生器27的參考電壓RAMp 和經由垂直信號線19輸人的像素信號電壓νχΐ後在兩個 電士壓變成相等肖，將其比較器輸出從高位準反向至低位準 〇間t22)。更明確地說’電壓比較器252比較響應信號成分 乂叫的電壓㈣和參考電塵RAMp，藉此產生的主動低脈衝 具有在時軸上對應於信號成分Vsig之強度的長度。然後將 主動低脈衝供應給計數器254。 97981.doc
-37- !26〇〇89 為了響應’計數器254約在反向屮-哭认b .^ L 錢门比較益輪出的同時停止計 數運〆此時的計數已經鎖存。依此方式完成a/d轉換（時 間⑵）。相對於時脈計數⑽，計數具有因電壓比0252 的比較運算所得之時軸長度之主動低脈衝信號的寬度。依 此方式獲得響應信號成分力匕的計數。 在預定遞增計數週期消逝（時間似）時，通信及時序押制 器2〇停止供應控制資料給電壓比較器252並停止供岸計數
時脈CK0給計數器254。依此方式，電廢比較器扣停止比 較運算。 在弟二讀取期間，以電壓比較器说偵測像素信號電壓^ 中的信號成分Vsig來執行計數運算。結果，讀取單元像幻 的信號成分Vsig。 根據本發明的第一具體實施例，計數器254在第一讀取中 執行遞減計數運算’及在第二讀取中執行遞增計數運算。 計數器254依此方式自動執行如等式⑴所示的減法程序，然 後儲存計數作為減法結果： (第一比較中的計數）-(第_比較中的計數）·.· （1) ▲等式⑴亦如等式⑺所示，及因此在計數器中儲存的 5十數為信號成分V s i g如下： (第二比較中的計數Η第—比較中的計數）=(信號成分 Vslg+重設成分Λν+行A/D轉換器25的偏移成分）_(重設成分 △v L +行A/D轉換器25的偏移成分(信號成分Vsig)... (2) 計數器254的兩個讀取運算及減法程序，如第一讀取中的 遞減計數運算及第二讀取中的遞增計數運算，可移除含有 ⑧ -38 - 1260089 每個單7L像素3之變化的重設成分Δν及個別行A/D轉換器 25的偏移成分。使用簡單配置僅擷取每個單元像素之響應 輸入光線量的信號成分Vsig。也會移除重設雜訊。 第一具體貫施例的行A/D轉換器25不只當作將類比像素 仏號轉換成數位資料的D/A轉換器，還可當作CDS單元。 等式（2)所得的計數顯示像素資料具有正的數值，因此不 需要補充運算。本發明的第一具體實施例因此可達到和現 有糸的局相容性。 在第一項取中，讀取響應入射光線量的信號成分Vsig。 為了測里大範圍中入射光線量的位準，必須增加遞增計數 週期（t20至t24的比較週期;)的範圍，致使要供應給電壓比較 器252的斜坡電壓明顯有所不同。 根據第一具體實施例，將信號成分化匕之比較運算的最 大長度設定為10位元計數週期（1〇24時脈）。換言之，將重設 成分Δν之比較程序的最大長度設定為短於信號成分㈣的 比較程序，而不是設定為等於信號成分Vsig的比較程序。 結果，縮短兩個A/D轉換運算的總長度。 雖然第-比較運算和第：比較運算的位元數不同，但第 及第一比較運异之芩考電壓RAMp的斜率（變更率）被設 為彼此相等。從通信及時序控制器轉數位資料供應至參 考信號產生器27，即可勃许卩μ — 订此均寺程序，致使參考信號產 生器27產生基於控制資料的參考電壓RAMp。由於參考電壓 RAMP的產生係、以數位方式進行控制，报容易即可使第一及 第二參考電壓RAMP的斜峯知癸 ^ ^ J計羊相寺。可將A/D轉換的精確性設 979Sl.doc 1260089 定為彼此相等，因而獲得等式⑴所得雙向計數器的正確減 去結果。 乂 在完成第二計數運算後的預定時序（時間叫，通信及日士 序控制器20指示水平掃描電路12讀取像素資料。為了 ： 應L水平掃描電路12將連續移位要經由控制線12C供應” 數裔254的水平選擇信號cH⑴。 在等式⑺中代表且在計數器254中儲存的計數，即 為像素貧料的η位元數位資料，將經由輪出終端5。從行處理 心或容納像素陣㈣的^連續輸出。重複相同程序， 猎此產生代表二維影像的視訊資料Di。 第一具體實施例的固態影像收集㈣以切換的計數 使用雙向計數器，藉此執行兩個計數運算。在單元像素^ 之矩陣的配置中，行A/D轉換器25係以每個垂直行的直行 行A/D電路構成。 „卢=第二特，直接逐行得到標準成分㈢設成分）及信 刀間的減法運算。儲存標準成分及信號成分之計數結 果的記憶體功能係由計數器中的鎖存器來執行。此配置不 需要為了儲存A/D轉換資料而配置專用記憶體。 不需要專用的減法器’即可決定標準成分及信號成分間 的差。和習用的技術相比，可減少電路的比例及面積。得 以避免增加雜訊、電流、及功率消耗。 ^ ;仃處理為26係由電壓比較器252及計數器254組成， 猎由用於運异計數心彳的計數時脈線及控制線，即可控制 計數運算，無論位元數為何。因而不需要習用技術中所需 9798I.doc - 40- 1260089 之攸计數器傳送計數至記憶體的信號線。依此方式得以避 免增加雜訊及功率消耗。 .更明確地說，固態影像收集元件i包括行A/D轉換器乃， - 其係由電壓比較器252及計數器254組成。計數器254可在遞 減計數模式及遞增計數模式之間進行切換，以決定標準成 分（第一具體實施例的重設成分）及信號成分之間的差異數 位資料。此配置防止增加電路比例、電路面積、及功率消 耗、和其他裝置的介面接線線路數、及因連接接線線路所 •造成的雜訊與功率消耗。 圖3圖解本發明第二具體實施例的CMOS固態影像收集元 件。第二具體實施例的固態影像收集元件丨包括對本發明第 一具體實施例之固態影像收集元件1之行A/d轉換器25的修 改。 第二具體實施例的行A/D轉換器25包括：η位元資料記憶 體256，其係配置在計數器254的階段之後，用於儲存在計 φ 數為254中儲存的計數結果；及開關258，其係配置在計數 器254及資料記憶體256之間。 一般由通#及時序控制器20按預定時序將記憶體傳送命 令脈衝CN8作為控制脈衝供應給開關258。在接收記憶體傳 送命令脈衝CN8後，開關258傳送對應計數器254的計數給 資料記憶體256。資料記憶體256儲存傳入的計數。 按預定時序在資料記憶體256中儲存計數器254之計數的 機構並不限於開關258。例如，計數器254可直接連接至資 料記憶體256，然後由記憶體傳送命令脈衝CN8控制計數器 97981.doc 1260089 254的輸出致動終端。或者，可使用記憶體傳送命令脈衝 CN8作為鎖存☆ %脈，以決㈣取資料記憶體…之時 ^ 資料。 - 胃料記憶體256經由控制線12e自水平掃描電路12接收控 制脈衝。資料記憶體256儲存自計數器254取得的計數，直 到k由控制線12c傳入為控制脈衝之形式的指令。 水平掃描電路12，具有讀取及掃描功能，可和行處理器 26巾電壓比較器252及計數器254之料平行讀取各資料: 瞟憶體256中儲存的計數。 根據第二具體實施例，將計數器254中儲 送至資料記._56。此計數運算，即，計數器m 轉換和水平信號線18之計數器254的讀取操作可以獨立的 方式進行控制。可執行平行執行信號之A/D轉換及讀取的管 線操作。 圖4為圖解第二具體實施例之固態影像收集元件1中行 φ A/D轉換态25之操作的時序圖。行A/D轉換器25的A/D轉換 权序和第一具體實施例中的一樣，因而在此省略其詳細說 明。 根據第二具體實施例，在第一具體實施例的配置中加入 資料記憶體256。第二具體實施例的基本運算和第一具體實 %例的相同。在計數器254的運算之前（在時間t3〇)，將先前 列Hx-1的計數傳送至資料記憶體256，以響應通信及時序控 制杰20的記憶體傳送命令脈衝cn8。 根據第一具體實施例，像素資料只有在完成a/d轉換後無 97981 .doc -42- ⑧ 1260089 法從=處理器26傳送。根據第二具體實施例，由於先前減 法運异在第一讀取程序（A/D轉換）之前已經傳送至資料記 憶體256 ’因此對讀取程序並沒有任何限制。 在此配置中’平行執行從資料記憶體256經由水平信號線 18及輸出電路28的信號輸出操作和電流Hx的讀取操作及計 數器254的計數運算。依此方式執行有效的信號輸出。 已經說明本發明的具體實施例。本發明並不受上述具體 實施例的限制。在不脫離本發明的範_下，可進行各種變 化及修改。此種變化及修改屬於本發明的範疇之内。 上述具體實施例的用意不在限制本發明的範疇。並非總 是需要使用和上述具體實施例有關之所述元件的所有組合 來構成本發明。只要±述具體實施例之元件組合的部分即 足以構成本發明。 在上述具體貫施例中，在各垂直行中配置由電壓比較器 252及計數器254組成的行A/D轉換器25以獲得數位資料。或 者，也可以複數個垂直行配置單一的行A/D轉換器乃。 在上述具體實施例中，將A/D轉換器乃配置在像素陣列⑺ 之輸出側上的行區域中。或者’也可將單_行她轉換器h 配置在其他區域中。例#，將類比像素信號輸出至水平信 號線丨8及水平信號線18的下游，將類比信號轉換成要傳^ 至輸出電路28的數位信號。 t此情形下，同樣地，將A/D轉換的參考電壓和含有標準 成分及信號成分的信號相比，按照遞減計數模式及遞增計 數模式之-和轉換運算平行執行計數運算，然後根據崎 9798 l.doc -43 - ⑧ 1260089 運异結束時進行比較運曾 數模式。依此方^ π心刀及信號成分來切換計 〜主 式遞減計數及遞增計數的兩個模式而寐 -代表標準成分及信號成分之差的數位資料广式而獲 分數器中的鎖存器可執行記憶體用於健存標準成 的專用⑭=之找的功能。不f要任何儲存A/D轉換資料 〜虹所有垂直行使用單一 雖然需要轉換哭 锝換JP已足夠。 在上述具體ί施^ 但仍可縮小電路規模。 儲存的計數開始《彳數運异中 步輸出計數，則模式= 器和計數時脈CK°同 、、式刀換守並不需要任何特別運算。 如果使用具有高速優點(有利於僅由第一正反器 頻率決定操作㈣㈣ ^c 1 數模式時合㈣_ 士 則在切換計 a x以數。在梢料切料接替計數的正常 汁數運算將無法執行。因广 數啟用第二計數運曾的心…t 計 說明調整單元。 纟此亚不進-步 I、體貝知例中’信號成分Vsig出現在時序中相同 -之像素仏號中的重設成分Δν(標準成分）之後。在第一 在重設成分AV(標準成分）上執行比較運算及遞減 计數運异，致使後續單元執行正值信號（信號位準越高，其 =值越大）。在第二程序中，在信號成分Mg上執行比較運 异及遞增計數運算。無論標準成分及信號成分連續出現的 順序為何’要處理之成分的组合及程序順序和計數模式均 可隨選。根據程序順序’第二程序中所得的數位資料莽得 1260089 可能是負值。在此情況下，可能要執行校正運曾。 需要像素陣列1G來讀取在信號成分^之後的重設 成为AV，然後可能需要 罟後、戈早兀處理正信號。在此情況 V ::達到有效的處理’將在第-程序中，在信號成分 Vslg上執行比較運算及遞減計數運算，及在第二程序卜 ί重設成“v(標準成幻上執行比較運算及遞增計數運 异。 m述具體實施例般搭配遞增計數模式及遞減計 數松式間的計數模式切換使用雙向計數器。如果在標準成 :及匕虎成分上執行遞減計數模式及遞增計數模式的組 …已經足夠。本發明並不限於使用可切換模式的雙向 計數器。 例如’計數器可由遞減計數電路組成，用於在標準成分 及信號成分之-上執行比較運算後的遞減計數運算；亦可 由遞增計數電路組成，用於對標準成分及信號成分之另一 個執行比較運算後的遞增計數運算。 在此情況下，用於執行第二計數運算的計數電路係為啟 用任何載入之初始值的已知技術中任何一項。如果在遞減 计數運算之後執行遞增計數運算，則在第一程序中操作遞 減计數器，及在第二程序中操作遞增計數器，如圖所示。 在計數模式切換以響應用於計數模式切才奐的控制信號 CN5後開始遞增計數運算之前，將開關控制信號供 應給遞增計數器的載入終端LDu’以設定初始值。依此方 式’可在遞增計數器中設定在遞減計數運算中取得的遞減
Wysi.doi 1260089 計數。 如果在遞增計數運算之後執行遞減計數運算，則在第一 程序中操作遞增計數器，及在第：程序中操作遞減計數 器，如圖5B所示。 在計數模式切換以塑庫用於許金 曰馬用於冲數杈式切換的控制信號 ⑽後開始遞減計數運算之前，將開關控制信號cNi〇ad供 應給遞減計數器的載入終端LDd，以設定初始值。依此方 式，可在遞減計數器中設定在遞增計數運算中取得的遞增 計數。 之=::^之配置中的任一項’因標準成分及信號成分 二而直接獲得第二計數器的輸出。不需要特 器’即可決定標準成分及信號成分間的差。此配 不而要對減法器的資料傳送，但 這二得:避免增加雜訊、電流、及功：中“要 一吁數Γ十數甩路及遞增計數電路組成的計數器中，第 始於零’而非始於在第-計數運算中取得的 數*路的於出“下’如圖5°所示，需要加法器以將遞增計 數屯路的輸出QUp和遞減 加法器係配置在夂A/D^屯路的輸出⑽職相加。由於 短。得以避Ο,/ 器中，因此接線線路的長度报 =避免增加雜訊、電流、及功率消耗。 在圖5A-5C中的各配置中 數電路及遞增計數電路發出運：人：序控制：20對遞減計 例。遞減計數電路及遞增計數I: ’如“的具體實施 脈CK0。 十數电路的操作均可響應計數時 9798i.doc -46 - 1260089 杈據上述具體貫施例，該單元元件係以構成。或 者，該單元元件係以PM0S構成。在此情況下，使用正負關 係相反的電壓’亦可提供相同的好處。 根據上述具體實施例，透過位址控制從個別單元像素讀 ::唬的固恶衫像收集兀件係為藉由接收光線以產生信號 弘仃的CMOS感測器。信號電荷不僅可藉由光線來產生，亦 可藉由其他類型的一般電磁波來產生，如包括紅外線、紫 、卜、泉及X射線等射線。本發明適用於包括許多單元元件的 半導體元件，各單元元件輪出類比信號以響應電磁波的強 度。 根據上述具體實施例’固態影像收集元件包括A/D轉換 益，A/D轉換器包括比較器及計數器。比較器比較用於A/D 轉換的麥考電屋和對應於標準成分及信號成分的各信號。 ^數器按遞減計數模式及遞增計數模式之—和比較運算平 執Γ °十數運异，然後在完成比較運算時儲存計數。a/d 轉換器並不限於固熊影傻W隹- U心心像收集π件。A/D轉換器適用於任何 執行兩個信號成分間之差異信號之A/D轉換的電子裝置。 A/D轉換器不僅適用於固態影像收集元件及電子裝置，也 適用於通常供應為個別㈣的積體電路及A/D轉換模組。 A/D轉換器包括比較器及計數器。或者，積體電路⑽ 可在其相同的半導體基板上進一步包 器，用於產生Λ/D轉換的參考及供庙a 土 。儿座 而、· L號及供應苓考信號給比較 及控制器，用於根據比較器在標準成分及信號成分上 執行比較運算來切換計數器的計數模式。可將此類K及個
1 .doc -47- 1260089 別晶片建構成為模組。 哭模組建構允許控制要成為共同整體之比較器及計數 而的功能單元。依此方式處理及管理模組便很容易。 /二將A/D轉換所需的元件結合在整體的1C或模組中，因而 很容易製造固態影像收集元件及其他電子裝置。 【圖式簡單說明】 圖1疋本發明第一具體實施例之CMOS固態影像收集元件 之電路的方塊圖； 圖2疋圖解圖丨中本發明第一具體實施例之固態影像收集 兀件之行A/D轉換器之操作的時序圖； 圖3是本發明第二具體實施例之CMOS固態影像收集元件 的方塊圖； 圖4為圖解本發明第二具體實施例之固態影像收集元件 中行A/D轉換器之操作的時序圖； 圖5A-5C為圖解計數器的方塊圖； 圖6為具有配置在相同半導體基板上之a/d轉換器及像素 段之已知CMOS固態影像收集元件的方塊圖；及 圖7為圖解圖6之已知固態影像收集元件之操作的時序 圖。 【主要元件符號說明】 1 3 5 5a CMOS固態影像收集元件 單元像素 像素信號產生器 終端 97981.doc -48- 1260089
5c 輸出終端 7 驅動器 10 像素陣列 12 水平掃描電路 12a 水平解碼器 12b 水平驅動電路 12c 控制線 14 垂直掃描電路 14a 垂直解碼器 14b 垂直驅動電路 15 列控制線 18 水平信號線 19 垂直信號線 20 通信及時序控制器 21 時序控制器 23 時脈轉換器 24 、 254 計數器 25 行A/D轉換器 26 行處理器 27 參考信號產生器 27a 數位至類比（D/A)轉換器 28 輸出電路 29 減法器 252 電壓比較器 97981.doc -49- ③ 1260089 255 > 256 資料記憶體 258 開關
97981.doc 50- ⑧

Claims (1)

1260089 式 圖 列方向（行陣列方向） 半導體區域（固態影像收集元件) 15 要脈Ko5am5b 主時CL資
視訊 資料 D1 , 雖酸Εβ
圖 1 97981-fig.doc 1260089 —site.—f 一 I ^9$寸 ycslt§-·^ la_“ —I Q<
i^si埏 f 麵·# di 幽脚^漱 SI® ife §B SI1 CNIl 97981-fig.doc 5 1260089 列方向（行陣列方向） -► 14 15 半導體區域（固態影像收集元件) V0 V1 垂直（列） 掃描電路 -〇 f H0 ^10 雖酸^s『
11
參考信號 產生器
CN2
CLK3 CLKO
12b 12a 12 聶 3 97981-fig.doc 1260089 〇iX φ 链鼷I5:6!s> lsl§i Q<
Ιο--ii (1R赵 z)—ϋ 寸隨 Bli一幽— rgXAi 账趑 svy 53齷黟赃US5i 97981-fig.doc -4- 2541260089 CN5 Qdown 遞減 QOd Q1d 計數器 Q2d Q3d DinO Q0 Din1 遞增 Q1 Din2 計數器 Q2 Din3 LDu Q3 Qup-Qdown =信號成分-重設成分 i 1 i i a CKOd CNIoad ck〇u 画5A 254 CN5 Qup u QOu 1 DinO Q0 、作的 Q1u ——► Din1 、B Q1 遞增 ii !減 計數器 Q2u —► Din2計數器Q2 Q3u Din3 Q3 LDu CKOu a CNIoad a CKOd圓5B 254
Qup - Qdown =信號成分-重設成分 或 =重設成分-信號成分 葡5C Quo-Qdown =重設成分-信號成分 l^9S l-fig.doc 1260089 列方向（行陣列方向）
14 15 半導體區域（固態影像收集元件) vv V1· yo
Μ I I I If 主要 時脈 CLK0 X 雎胡侧Is
H0dH1H2Hh ο 4—
水平（行）掃描電路
圖 6 9798l-fig.doc 1260089 lil —tx iQ<
(1K蟹) —n^ li—^ 个 卜醒 50 sli B si 0^0 li£ B遲雖鎰丑 i# s x> 0$0 o-IAIVy 圖ltft>4 SI® afeH 職 s ssCVJis^si^» ai 97981-fig.doc ⑧
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