TWI403094B - 使用斜面傳輸閘極時脈的類比／數位轉換器 - Google Patents

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Description

使用斜面傳輸閘極時脈的類比/數位轉換器
本發明大體而言係關於影像感測器之領域，且更特定言之，係關於影像信號在自像素陣列輸出後被立即轉換為數位信號的此等CMOS影像感測器。
目前已知之CMOS影像感測器均具有相同或大體上相同之結構。其通常包括：感光裝置(例如，光電二極體或光閘)，其在像素陣列中將光信號轉換為電荷；一浮動擴散電容器，其用於將電荷轉換為電壓；及一像素放大器，其緩衝來自大輸出匯流排電容之浮動擴散電容並將電信號發送出像素陣列。像素輸出信號由一取樣/保持電路陣列(繼之以一類比信號處理鏈及一類比至數位轉換器)儲存。
此現有CMOS影像感測器之缺點為高雜訊、低速及高功率。可藉由將類比至數位轉換移動至較早階段且接著在數位域中處理信號來解決此等問題。在較早階段中在數位域中處理的一種此先前技術揭示於2001年12月，第12期，第36卷之IEEE Journal of Solid－State Circuits中(第2049頁)。此先前技術包括一獨立於像素而施加至一比較器的斜面電壓。此獨立在輸出處可導致像素間之非均一性。
因此，需要解決具有較遲階段類比至數位轉換電路之影像感測器的高雜訊、低速及高功率及具有較早階段類比至數位轉換電路之影像感測器的像素間之非均一性。此像素間之非均一性在本發明中得以解決，其中鄰近於光電二極體之傳輸閘極係斜面的，且參考電壓係來自像素重設。
本發明針對克服上述問題中之一或多個。簡而言之，根據本發明之一態樣，本發明係關於一影像感測器，其包含(a)一感光區，其累積對應於所接收之入射光之電荷；(b)一傳輸閘極，其用於傳輸來自該感光區之電荷；(c)一電壓源，其具有一關於時間之斜面電壓；(d)一浮動擴散，其用於接收來自該感光區之電荷並將該電荷轉換為電壓；(e)一放大器，其用於接收並放大一來自該浮動擴散之信號；(f)一比較器，其用於將一來自該放大器之電壓與一參考電壓進行比較；及(g)一計數器，其對在漸增電壓之起始與自該比較器接收一指示電荷自該感光區傳輸至該浮動擴散之信號之間的時脈循環進行計數。
本發明之上述及其他目標在結合以下描述及圖式而達成時將更顯而易見，在圖式中相同的元件符號在可能時用於表示該等圖式共有之相同元件。
本發明之有利效果
本發明具有高速處理、低功率耗散及低雜訊之優勢。其進一步消除在像素放大器中之非線性及臨限值變化之效應。
參看圖1，展示本發明之一影像感測器10，其具有複數個像素20及用於以預定方式接收並儲存來自該複數個像素20之信號的複數個取樣及保持電路30。複數個比較器40分別連接至每一取樣及保持電路30之輸出，且複數個計數器50分別連接至該複數個比較器40。
為理解之清楚起見，請注意，本發明之上述設備限制類比電路使用(為了達成雜訊減少之目的)並最大限度地使用數位電路之優勢。亦注意，為了理解之清楚起見，為了說明本發明之複數個像素之代表像素，圖2僅說明本發明之一個像素及其相關聯之電路。應理解，本發明包括複數個此等像素，例如，如圖1中所示之像素陣列20。參看圖2，像素20包含一回應於入射光而累積電荷的感光區或光電二極體60。一傳輸閘極70自一電壓源95接收一關於時間之斜面電壓(較佳為關於時間之漸增電壓)，此致使電荷自光電二極體60傳輸至一將電荷轉換為電壓信號之電荷至電壓轉換區或浮動擴散80。該漸增電壓由較佳在晶片上而在像素陣列20之外之電壓源95來供應。在一替代實施例中，電壓源95可視情況地位於晶片外。如在下文中詳細描述，一重設電晶體90設定一用於浮動擴散80以及取樣及保持電路30之參考電壓，該參考電壓(在取樣及保持電路30之情況下)隨後由比較器40使用。一放大器或放大器電晶體100接收且放大來自浮動擴散80之信號。列選擇電晶體110選擇特定之列像素以供輸出至取樣及保持電路30。
圖3包括圖2之較佳時序且包括將應用於圖2中涉及之組件之時序信號的通用時序信號縮寫RS、TG、RG及SHR。現參看圖2及3，在整合期間由複數個光電二極體60截獲一影像，且在整合之後，藉由將一"高"施加至列選擇電晶體110之閘極而選擇像素陣列中之一列像素以用於讀出。接著，將一脈衝電壓施加至重設電晶體90之閘極以清除來自浮動擴散(FD)電容器80之電荷且接著將浮動擴散80重設至參考電壓。FD 80處之電壓由放大器100放大且發送出至行匯流排。以在輸出節點115處之參考信號，時脈SHR自"低"變為"高"以閉合開關S2且斷開開關S1。參考電壓係對電容器(Csh)120進行取樣的。SHR時脈亦重設計數器50。在SHR脈衝以後，將一關於時間的斜面或漸增電壓施加至傳輸閘極70，以在傳輸閘極70下面產生一電位，以將信號自光電二極體60傳輸至浮動擴散80。接著SHR自高變為低，開關S1閉合且S2斷開，進而使比較器40處於比較狀態，且計數器50開始對時脈循環進行計數直到比較器40通知計數器50終止計數。比較器40將像素輸出電壓與每一行中之經取樣之重設電壓進行比較。
當斜面TG電壓在TG閘極70下面產生一足夠電位時，光電二極體60中累積之電荷開始自光電二極體60流動至浮動擴散80。請注意，與如在先前技術中感測光電二極體上之"整體"電荷相反，本發明使用浮動擴散80來感測自光電二極體60傳輸之電荷的"開始"或"起始"。返回至本發明之論述，一電壓改變在電荷傳輸之起始之後即在浮動擴散80處產生，且該電壓改變係經由像素放大器100來發送至行比較器40。此電壓改變觸發比較器40改變輸出狀態。計數器50之"啟用"輸入感測來自比較器40之輸出的改變且接著停止計數。行計數器50之內容為原始的像素數位輸出。
藉由對黑暗中的入射光進行取樣使一數位校正功能包括於A/D轉換操作中，其在儲存於記憶體(晶片上或晶片外)中。將自表示所截獲之影像的數位信號減去此校正信號。移除或極大地減少像素雜訊及像素放大器偏差。
參看圖4a－4c，請注意，為了清楚起見，先前技術偵測電子之數目。相反，本發明之影像感測器偵測光電二極體之電荷電位，或換言之，其偵測光電二極體之未填滿之電位井的深度。在光存在於像素陣列20中之光電二極體60上之情況下，電荷產生且累積於光電二極體60中之電位井121中。在像素中，在光電二極體60與浮動擴散80之間存在一傳輸閘極70，此浮動擴散80用於將電荷轉換為電壓。施加於傳輸閘極70之閘極上之電壓控制在該閘極下面之電位且在該電壓高於傳輸閘極70之臨限電壓時產生一導電通道。藉由傳輸閘極70之此所產生之通道而連接光電二極體60之電位井121與浮動擴散區域80。在此閘極電壓增加之情況下，在該閘極下面之電位降低。當傳輸閘極70下面之電位等於光電二極體60之井121之電位時，累積於光電二極體60中之電荷開始自光電二極體60經由傳輸閘極70而移動至擴散區域80。電荷自光電二極體60移動至浮動擴散80將在浮動擴散區域80處產生一電壓信號，該電壓信號接著被發送至像素放大器100之輸入。行取樣及保持陣列30中之電路將在像素放大器輸出115處之電壓與當施加傳輸閘極電壓時先前產生之參考電壓進行比較。電子自光電二極體60移動至浮動擴散80將觸發在取樣及保持電路30中之比較器40以改變其輸出狀態。比較器40輸出狀態之此改變使計數器50停止且在計數器50輸出處產生一數位碼。此數位碼或數位信號表示由像素產生之影像信號。
參看圖5，展示本發明之影像感測器10經安置以說明本發明之一較佳商用實施例的數位相機125。
10．．．影像感測器
20．．．複數個像素
30．．．取樣及保持電路
40．．．比較器
50．．．計數器
60．．．光電二極體
70．．．傳輸閘極
80．．．浮動擴散
90．．．重設電晶體
95．．．電壓源
100．．．放大器電晶體
110．．．列選擇電晶體
115．．．輸出節點或像素放大器輸出
120．．．電容器(Csh)
121．．．電位井
125．．．數位相機
圖1為本發明之影像感測器之方塊圖；圖2為圖1之示意圖；圖3為圖2之時序圖；圖4a以示意形式來說明本發明之影像感測器；圖4b說明本發明之橫截面；圖4c為了清楚地說明本發明之概念而說明圖4b之井電位圖；及圖5為用於說明本發明之影像感測器之典型商用實施例之本發明的數位相機。
20．．．複數個像素
30．．．取樣及保持電路
40．．．比較器
50．．．計數器
60．．．光電二極體
70．．．傳輸閘極
80．．．浮動擴散
90．．．重設電晶體
95．．．電壓源
100．．．放大器電晶體
110．．．列選擇電晶體
115．．．輸出節點或像素放大器輸出
120．．．電容器(Csh)
RG、RS、SHR、TG．．．時序信號
S1、S2．．．開關

Claims (25)

  1. 一種影像感測器，其包含：(a)一感光區，其累積對應於所接收之入射光之電荷；(b)一傳輸閘極，其用於傳輸來自該感光區之該電荷的全部或一部分；(c)一電壓源，其具有一施加至該傳輸閘極之關於時間的斜面電壓；(d)一浮動擴散，其用於接收來自該感光區之該電荷的全部或一部分並將該電荷轉換為一電壓；(e)一放大器，其用於接收並放大一來自該浮動擴散之信號；(f)一比較器，其用於將一來自該放大器之電壓與一參考電壓進行比較；及(g)一計數器，其用於對在漸增電壓之起始與自該比較器接收一指示電荷自該感光區傳輸至該浮動擴散之起始的信號之間的時脈循環進行計數。
  2. 如請求項1之影像感測器，其中該斜面電壓為一關於時間之漸增電壓。
  3. 如請求項1之影像感測器，其進一步包含一用於產生該參考電壓之重設電晶體。
  4. 如請求項1之影像感測器，其進一步包含一電連接至該比較器以用於保持該參考電壓的電容器。
  5. 如請求項1之影像感測器，其中該感光區為一光電二極體。
  6. 如請求項1之影像感測器，其進一步包含一電連接至該放大器以用於啟用讀出的列選擇電晶體。
  7. 一種成像裝置，其包含：(a)一感光區，其累積對應於所接收之入射光之電荷；(b)一傳輸閘極，其用於傳輸來自該感光區之該電荷的全部或一部分；(c)一電壓源，其具有一施加至該傳輸閘極之關於時間的斜面電壓；(d)一浮動擴散，其用於接收來自該感光區之該電荷的全部或一部分並將該電荷轉換為一電壓；(e)一放大器，其用於接收並放大一來自該浮動擴散之信號；(f)一比較器，其用於將一來自該放大器之電壓與一參考電壓進行比較；及(g)一計數器，其用於對在漸增電壓之起始與自該比較器接收一指示電荷自該感光區傳輸至該浮動擴散之起始的信號之間的時脈循環進行計數。
  8. 如請求項7之成像裝置，其中該斜面電壓為一關於時間之漸增電壓。
  9. 如請求項7之成像裝置，其進一步包含一用於產生該參考電壓之重設電晶體。
  10. 如請求項7之成像裝置，其進一步包含一電連接至該比較器以用於保持該參考電壓之電容器。
  11. 如請求項7之成像裝置，其中該感光區為一光電二極 體。
  12. 如請求項7之成像裝置，其進一步包含一電連接至該放大器以用於啟用讀出之列選擇電晶體。
  13. 一種影像感測器，其包含：(a)一具有一容量之感光區，其中累積對應於所接收之入射光之電荷；(b)一傳輸閘極，其用於傳輸來自該感光區之該電荷的全部或一部分；(c)一電壓源，其具有一施加至該傳輸閘極之關於時間的斜面電壓；(d)一電荷收集部分，其用於接收來自該感光區之該電荷的全部或一部分並將該電荷轉換為一電壓；及(e)一電路，其包含一比較器及一計數器，其中該比較器被耦合以用於將一代表該電壓之信號與一參考信號進行比較，且其中該計數器被耦合以當該斜面電壓開始增加時，開始對時脈循環進行計數，且當接收來自該比較器之一比較器信號時，停止對該等時脈循環進行計數。
  14. 如請求項13之影像感測器，其中該電荷收集區為一浮動擴散。
  15. 如請求項13之影像感測器，其中該感光區為一光電二極體。
  16. 如請求項15之影像感測器，其中該電荷收集區為一浮動擴散。
  17. 一種成像裝置，其包含： (a)一具有一容量之感光區，其中累積對應於所接收之入射光之電荷；(b)一傳輸閘極，其用於傳輸來自該感光區之該電荷的全部或一部分；(c)一電壓源，其具有一施加至該傳輸閘極之關於時間的斜面電壓；(d)一電荷收集部分，其用於接收來自該感光區之該電荷的全部或一部分並將該電荷轉換為一電壓；及(e)一電路，其包含一比較器及一計數器，其中該比較器被耦合以用於將一代表該電壓之信號與一參考信號進行比較，且其中該計數器被耦合以當該斜面電壓開始增加時，開始對時脈循環進行計數，且當接收來自該比較器之一比較器信號時，停止對該時脈循環進行計數。
  18. 如請求項17之成像裝置，其中該電荷收集區為一浮動擴散。
  19. 如請求項17之成像裝置，其中該感光區為一光電二極體。
  20. 如請求項19之成像裝置，其中該電荷收集區為一浮動擴散。
  21. 一種用於操作一影像感測器之方法，該方法包含以下步驟：(a)藉由一具有一容量之感光區來累積對應於所接收之入射光之電荷；(b)藉由一傳輸閘極來傳輸來自該感光區之該電荷的全 部或一部分；(c)將一關於時間之斜面電壓施加至該傳輸閘極；(d)藉由一電荷收集部分來接收來自該感光區之該電荷的全部或一部分並將該電荷轉換為一電壓；(e)基於一代表該電壓之信號與一參考信號之一比較，輸出一比較器信號；(g)當該斜面電壓開始提升且該比較器信號轉換一狀態時，對時脈循環進行計數。
  22. 如請求項21之方法，其中施加該關於時間之斜面電壓包含提供一關於時間之漸增電壓作為該斜面電壓。
  23. 如請求項21之方法，其進一步包含提供該電荷收集區作為一浮動擴散之步驟。
  24. 如請求項21之方法，其進一步包含提供該感光區作為一光電二極體之步驟。
  25. 如請求項24之方法，其進一步包含提供該電荷收集區作為一浮動擴散之步驟。
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