TWI484822B - 固態影像感測器及相機系統 - Google Patents
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Description
本發明係關於由CMOS影像感測器所代表之一種固態影像感測器及一種相機系統。
近年來，CMOS影像感測器用作代替CCD之固態影像感測器已越來越受關注。此關注係歸因於以下之緣由：CCD像素之製造涉及特定化製程，且其等之操作涉及複數個電源電壓。而且，CCD係用於協同複數個周邊IC操作。相反地，CMOS影像感測器克服關於此CCD中顯著增加之系統複雜性的諸多問題。
有可能使用相似於典型CMOS積體電路之製程而製造CMOS影像感測器。亦有可能利用一單一電源驅動CMOS影像感測器。而且，CMOS影像感測器可在同一晶片上使用CMOS製程而與類比或邏輯電路加以組合。由於該等緣由，CMOS影像感測器具有諸多明顯優點：使得周邊IC數量有所縮減。
多數CCD輸出電路使用具有一FD層之一浮動擴散(FD)放大器而產生1通道(1ch)輸出。相反地，多數CMOS影像感測器具有一FD放大器用於每一像素，並產生行平行輸出，其中一單一列係選自像素陣列，且其等之值係以行順序同時讀出。由於難於以配置於像素內之FD放大器中實現足夠驅動效能，故資料速率減低，因此平行處理係有利的。
多種建議已關於此行平行CMOS影像感測器之信號輸出電路加以實現。
在一方法中，使用一光電轉換器(諸如一光電二極體)以自CMOS影像感測器讀取像素信號。構成由光電轉換器產生之光學信號的信號電荷穿過鄰近設置之MOS開關，同時隨後之電容被簡要取樣並讀取。在取樣電路中，存在與正常取樣電容值負相關之雜訊。因為信號電荷係藉由當轉移該等信號電荷至取樣電容器時使用電位梯度而完全轉移，故雜訊並不以像素中之取樣順序產生。然而，當來自最後樣本之電容器的電壓位準被重設至某一參考值時確實存在雜訊。
相關雙取樣(CDS)係一種用於消除此雜訊之典型方法。利用CDS讀取並儲存恰在一信號電荷取樣(即重設位準)之前之狀態。隨後讀取後取樣(post-sampling)信號位準，且雜訊係藉由自信號位準扣除重設位準而消除。存在多種特定CDS方法。
此外，多種提議已關於行平行CMOS影像感測器之信號讀出(即輸出)電路而得以實現。最先進之提議之一涉及增添一類比對數位轉換器(ADC)至每一行，並隨後以像素信號作為數位信號。
舉例而言，在1999年2月「ISSCC Digest of Technical Papers」第304-305頁之W. Yang等人「An Integrated 800×600 CMOS Image System」，及日本未審查專利申請公開案第2005-278135號、2005-295346號及S63-209374號中揭示此類裝配ADC之行平行CMOS影像感測器。
如上所述，在裝配ADC之行平行CMOS影像感測器(亦稱之為行AD CMOS影像感測器)中，一比較器比較來自一DAC之一斜波與一像素信號，且AD轉換係藉由使用一下游計數器來執行數位CDS而進行。
通常，比較器係組態為一二級放大器，用來執行初始級中之一低速信號比較、收縮可操作頻帶，並從而增加第二級放大器中之增益。
同時，隨機雜訊係用於固態影像感測器之一重要效能指標。隨機雜訊之主要源係像素及AD轉換器。
用於縮減隨機雜訊之典型方法係藉由增加電晶體之尺寸來縮減閃爍雜訊，並企圖藉由增加第一級比較器輸出中之電容來濾除CDS感應雜訊。
然而，上述兩種方法皆存在缺點：一方面招致電路面積的增加，另一方面招致因電容增加之比較器中之反相延遲的惡化，這阻止影像感測器之訊框率的增加。
儘管日本未審查專利申請公開案第2005-295346號及第S63-209374號係利用密勒(Miller)效應以縮減像素內之重設雜訊(即在縱向信號線之前)，但仍存在一缺點：未縮減AD轉換器之雜訊。
因此期望提供一種固態影像感測器及一種相機系統，其中可在不增加電路面積之情形下改良訊框率，並且能夠縮減AD轉換器之雜訊。
根據本發明之一第一實施例的固態影像感測器包括：一像素單元，其經組態以使得進行光電轉換之複數個像素係設置為一矩陣；及一像素信號讀出單元，其經組態在一逐像素之基礎上自像素單元讀出複數個像素信號。該像素信號讀出單元包括：複數個比較器，該複數個比較器係相關於像素以行平行設置，且經組態以將一讀出信號電位與一參考電壓進行比較，且基於該比較結果輸出一決定信號；及複數個計數器，其等經組態以將一相應比較器之比較時間進行計數。每一比較器包括：一第一放大器，其包含一差動放大器，該差動放大器經組態以在一電晶體之閘極接收參考電壓，在另一電晶體之閘極接收讀出信號，且將該參考電壓與該讀出信號電位進行比較；一第二放大器，其包含一放大器，該放大器經組態以增加第一放大器之輸出增益並輸出結果；及一電容器，其係連接於第二放大器中之該放大器之輸入與輸出之間，以呈現密勒效應。
根據本發明之一第二實施例的相機系統包括：一固態影像感測器；及光學器件，其等經組態以將一主體影像聚焦至該影像感測器上。該固態影像感測器包括：一像素單元，其經組態以使得進行光電轉換之複數個像素係設置為一矩陣；及一像素信號讀出單元，其經組態以在一逐像素之基礎上自像素單元讀出複數個像素信號。該像素信號讀出單元包括：複數個比較器，其等係相關於像素以行平行設置，且經組態以將一讀出信號電位與一參考電壓進行比較，且基於該比較結果輸出一決定信號；及複數個計數器，其等經組態以將一相應比較器之比較時間進行計數。每一比較器包括：一第一放大器，其包含一差動放大器，該差動放大器經組態以在一電晶體之閘極接收參考電壓，在另一電晶體之閘極接收讀出信號，並將該參考電壓與該讀出信號電位進行比較；一第二放大器，其包含一放大器，該放大器經組態以增加第一放大器之輸出增益，並輸出該結果；及一電容器，其係連接於第二放大器中之該放大器之輸入與輸出之間，以呈現密勒效應。
例如，根據本發明之一實施例，一電容器呈現密勒效應，並因此等效於在共源極輸入處連接一增益倍增電容器。若放大器之增益被視為AV2
，且電容器之電容被視為C，則該電容如在第一放大器之輸出處所見係變為根據{C×(1+AV2
)}而乘以增益。為此緣由，電容器之電容可係較小的。
根據本發明之一實施例，有可能在抑制電路面積增加之情形下增加訊框率，並可縮減AD轉換器之雜訊。
以下，本發明之實施例將協同附圖而加以描述。該描述將進行如下：
1.固態影像感測器之總體例示性組態
2.一比較器之例示性組態
3.CDS考量
4.比較器之操作
5.比較器之修改
6.相機系統之例示性組態
圖1係繪示根據本發明之一實施例的一行平行ADC固態影像感測器(即CMOS影像感測器)之一例示性組態的一方塊圖。圖2係進一步詳盡繪示在圖1所示之行平行ADC固態感測器(即CMOS影像感測器)中之ADC群組的一方塊圖。
如圖1及圖2所示，固態影像感測器100包括構成一成像模組之一像素單元110、一縱向掃描電路120、一橫向讀出掃描電路130及一時序產生器電路140，及構成一像素信號讀取模組之一ADC群組150。
固態影像感測器100亦包括具有一數位至類比轉換器(DAC)161之一DAC及偏壓電路160、一放大器電路(S/A)170、一信號處理電路180及線記憶體190。
在上述元件中，像素單元110、縱向掃描電路120、橫向掃描讀出電路130、ADC群組150、DAC及偏壓電路160及放大器電路(S/A)170係由類比電路加以實現。與此同時，時序產生器電路140，信號處理電路180及線記憶體190係由數位電路加以實現。
像素單元110包括光電二極體及像素內放大器，其中(舉例而言)如圖3所示像素係設置成一矩陣。
圖3繪示根據本實施例使用四個電晶體而組態之一CMOS影像感測器像素的一實例。
像素電路110A包括一光電轉換器(諸如光電二極體111)。在當前實例中，像素電路110A包括充當一光電轉換器之一單一光電二極體111。像素電路110A包括相對於該單一光電二極體111而作為主動元件的四個電晶體：充當一轉移元件之一轉移電晶體112、充當一重設元件之一重設電晶體113、一放大器電晶體114及一選擇電晶體115。
光電二極體111將光經光電轉換為一電荷(本文中係電子)(該電荷之量值取決於光量)。轉移電晶體112係連接至該光電二極體111與充當輸出節點之FD之間。源自光電二極體111中之光電轉換的該等電子係藉由經由一轉移控制線LTx將一驅動信號TG在轉移電晶體之閘(即轉移閘)處提供給轉移電晶體112而轉移至FD。
重設電晶體113係連接至電源線LVDD與FD之間。該FD之電位係藉由經由一重設控制線LRST將一重設RST在重設電晶體之閘處提供給該重設電晶體而重設為電源LVDD之電位。
該FD係連接至放大器電晶體114之閘。該放大器電晶體114係經由選擇電晶體115而連接至一縱向信號線116，並形成一恆定電流源及該像素單元外部之源極隨耦器。
一控制信號SEL(即一位址信號或一選擇信號)係經由一選擇控制線LSEL而提供給選擇電晶體115之閘極，該控制信號SEL啟動該選擇電晶體115。一旦已啟動該選擇電晶體115，則放大器電晶體114放大FD之電位並輸出電壓，其對應於縱向信號線116之電位。因此，該等電壓經由縱向信號線116輸出至ADC群組150而自每一像素輸出，該ADC群組150充當一像素信號讀出電路。由於(例如)轉移電晶體112、重設電晶體113及選擇電晶體115之各閘極係在一逐列之基礎上加以連接，故以上操作被同時進行用於一單一列中之全部像素。
通向像素單元110之重設控制線LRST、傳輸控制線LTx及選擇控制線LSEL係作為一組而連接至像素陣列之每一列。重設控制線LRST、傳輸控制線LTx及選擇控制線LSEL係由縱向掃描電路120(其充當一像素驅動器)加以驅動。
同樣在固態影像感測器100中加以設置的係：一時序產生器電路140，其產生一內部時鐘並充當用於連續讀取來自像素單元110之信號的一控制電路；一縱向掃描電路120，其控制列定址及列掃描；及一橫向讀出掃描電路130，其控制行定址及行掃描。
時序產生器電路140產生由像素單元110、縱向掃描電路120、橫向掃描讀出電路130、ADC群組(即行AGC電路)150、DAC及偏壓電路160、信號處理電路180及線記憶體190使用於信號處理之時序信號。當列操作係由ADC群組之每一比較器啟動時，時序產生器電路140產生屬施加於自動歸零(AZ)開關之一AZ信號形式的一控制脈衝，以決定每一行中之工作點。
在像素單元110中，一視訊或螢幕影像係借助於使用一快門線(line shutter)之光子累積及放電而在一逐像素逐列之基礎上加以光電轉換。所形成之類比信號VSL係輸出至ADC群組。
在ADC群組150之每一ADC群組塊(即每一行單元)中，來自像素單元110之類比輸出受使用來自一DAC 161之一斜坡信號RAMP整合ADC的一APGA及數位CDS之影響。一多位元數位信號被輸出。
在ADC群組150中，ADC被設置為複數個行。每一ADC包括一比較器151，其將一參考電壓Vslop與一類比信號(即一電位VSL)進行比較。該參考電壓Vslop具有由DAC 161所產生之一參考電壓之逐步變動所獲之一斜波。類比信號(即電位VSL)係經由一縱向信號線自每一列線上之像素獲得。
此外，每一ADC亦包括將比較時間進行計數之一計數器152及將計數結果保存之一鎖存器153。
利用設置於每一縱向信號線(即每一行線)上之一行平行ADC塊，該ADC群組150經組態為具有用於n位元數位信號轉換之功能。舉例而言，每一鎖存器153之輸出係連接至位元寬2n之一橫向轉移線LTRF。此外，2n放大器電路170及信號處理電路180係對應於該橫向轉移線LTRF而加以設置。比較器151之具體組態及功能將於隨後加以描述。
在ADC群組150中，於縱向信號線116之上讀出之一類比信號(即電位VSL)係藉由設置於每一行中之比較器151之一者而與參考電壓Vslop(即具有隨一給定斜坡線性變化之一斜坡波形的斜坡信號RAMP)進行比較。
就這一點而言，類似於比較器151設置於每一行中之計數器152亦啟用，其中計數器之值係與具有一斜坡波形之斜坡信號RAMP(即電位Vslop)以一對一關係變化。如此一來，即可將縱向信號線之電位VSL轉換為一數位信號。
ADC將參考電壓Vslop(即斜坡信號RAMP)之電壓變動轉換為時間變動。該變動係藉由將此時間計數一週期循環(即時鐘)而轉換為數位值。
當類比信號VSL與斜坡信號RAMP(即參考電壓Vslop)交叉時，比較器151之輸出係反相，且計數器152之輸入時鐘係中止，或該中止時鐘被輸入至計數器152，藉此完成AD轉換。
在上述AD轉換週期結束後，在鎖存器153中所保存之資料係由橫向讀出掃描電路130轉移至橫向轉移線LTRF，並隨後經由放大器電路170而輸入至信號處理電路180，且一二維影像係由預定信號處理產生。
在橫向讀出掃描電路130中，引導多通道上之同時平行轉移以確保轉移速度。在時序產生器電路140中，適當產生時序以用於各組塊(諸如像素單元110及ADC群組150)中之信號處理。在下游信號處理電路180中，線及點缺陷係由線記憶體190所儲存之一信號校正，該信號被箝位，並進行其他數位信號處理(諸如平行串行轉換、壓縮、編碼、增添、平均化及間斷性操作)。該線記憶體190儲存經傳輸用於每一像素列之數位信號。在本實施例之固態影像感測器100中，信號處理電路180之數位輸出經傳輸作為一ISP或基頻帶LS1之輸入。
隨後，在根據本實施例之ADC群組150(即像素信號讀取單元)中，密勒效應係用在基於放大器之比較器中以高度抑制通帶，以便於縮減像素及比較器之雜訊。本實施例中之每一比較器151係組態如下。
每一行中所設置之比較器151之每一者包括級聯之第一放大器及第二放大器。而且，第二級第二放大器係具有連接於其輸入節點與輸出節點之間之一電容器的一共源極放大器。此電容器呈現密勒效應並等效於在共源極輸入處連接一增益倍增電容器(gain-multiplied capacitor)。結果，每一比較器151之通帶可使用一小電容器而得以明顯收縮。每一比較器151亦包括用於自動歸零(AZ)及取樣之功能，以便於在起始列操作時決定每一行中之工作點。
以下將詳盡描述具有本實施例之特徵組態之ADC群組150(即像素信號讀取單元)中之比較器151的組態及功能。在本實施例中，第一導電類型可係p通道或n通道，而第二導電類型可係n通道或p通道。以下所述之比較器已被給予參考標籤200。
圖4係繪示根據本實施例之一比較器之一例示性組態的電路圖。如圖4所示，比較器200包括一級聯之第一放大器210及第二放大器220，及用於呈現密勒效應之一電容器C230。
第一放大器210包括p通道MOS(PMOS)電晶體PT211至PT214，n通道MOS(NMOS)電晶體NT211至NT213，以及第一電容器C211及第二電容器C212(充當AZ位準取樣電容器)。
PMOS電晶體PT211之源極及PMOS電晶體PT212之源極係連接至一供電電位源VDD。PMOS電晶體PT211之汲極係連接至NMOS電晶體NT211之汲極(且連接點形成一節點ND211)。此外，PMOS電晶體PT211之汲極及閘極係彼此連接，且該連接點係連接至PMOS電晶體PT212之閘極。PMOS電晶體PT212之汲極係連接至NMOS電晶體NT212之汲極(且連接點形成第一放大器210之輸出節點ND212)。NMOS電晶體NT211及NT212之源極係彼此連接，且連接點係連接至NMOS電晶體NT213之汲極。該NMOS電晶體NT213之源極係連接至一參考電位源GND(例如接地電位)。
NMOS電晶體NT211之閘極係連接至電容器C211之第一電極(且連接點形成一節點ND213)。此外，電容器C211之第二電極係連接至一輸入終端TRAMP以接收斜坡信號RAMP。NMOS電晶體NT212之閘極係連接至電容器C212之第一電極(且連接點形成一節點ND214)。此外，電容器C212之第二電極係連接至一輸入終端TVSL以接收類比信號VSL。
同時，NMOS電晶體NT213之閘極係連接至一輸入終端TBIAS以接收一偏壓信號BIAS。PMOS電晶體PT213之源極係連接至節點ND211，而其汲極係連接至節點ND213。PMOS電晶體PT214之源極係連接至節點ND212，而其汲極係連接至節點ND214。此外，PMOS電晶體PT213及PT214之間極皆係連接至一輸入終端TPSEL以接收在低位準啟用之一第一AZ信號PSEL。
在具有上述組態之第一放大器210中，電流鏡電路係由PMOS電晶體PT211及PT212加以實現，而一差動比較器係使用NMOS電晶體NT213作為一電流源而由NMOS電晶體NT211及NT212加以實現。而且，PMOS電晶體PT213及PT214作為AZ開關而運行，而電容器C211及C212作為AZ位準取樣電容器而運行。來自第一放大器210之輸出信號1stcomp係自輸出節點ND212輸出至第二放大器220。
第二放大器220包括一PMOS電晶體PT221，NMOS電晶體NT221及NT222，以及充當一AZ位準取樣電容器之一第三電容器C221。
PMOS電晶體PT221之源極係連接至一供電電位VDD，而其閘極係連接至第一放大器210之輸出節點ND212。PMOS電晶體PT221之汲極係連接至NMOS電晶體NT221之汲極(且連接點形成一輸出節點ND221)。該NMOS電晶體NT221之源極係連接至接地電位GND，而其閘極係連接至電容器C221之第一電極(且連接點形成一節點ND222)。電容C221之第二電極係連接至接地電位GND。NMOS電晶體NT222之汲極係連接至輸出節點ND221，而其源極係連接至節點ND222。此外，該NMOS電晶體NT222之閘極係連接至一輸入終端TNSEL以接收在高位準啟用之一第二AZ信號NSEL。該第二AZ信號NSEL使用與供應給第一放大器210之第一AZ信號PSEL之位準互補的一位準。
在具有上述組態之第二放大器220中，一輸入及放大電路係由PMOS電晶體PT221加以實現。此外，NMOS電晶體NT222作為一AZ開關而運行，而電容器C221作為一AZ位準取樣電容器而運行。第二放大器220之輸出節點ND221係連接至比較器200之輸出終端TOUT。
電容器C230之第一電極係連接至充當共源極放大器之PMOS電晶體PT221的閘極(即輸入)，而該電容器C230之第二電極係連接至該PMOS電晶體PT221之汲極(即輸出)。因此，電容器C230呈現密勒效應並等效於在共源極輸入處連接一增益倍增電容器。
若PMOS電晶體PT221之增益被視為AV2
，且電容器C230之電容被視為C，則該電容如在第一放大器210之輸出處所見係變為根據{C×(1+AV2
)}而乘以增益。為此緣由，電容器C230之電容可係較小的。結果，比較器200之通帶可使用一小電容器而得以明顯收縮。
當前將考慮使用包含如上所組態之比較器200(151)的一ADC而執行之相關雙取樣(CDS)。
圖5繪示CDS之操作流程。如圖5所示，CDS首先涉及AD轉換像素重設位準(ST1)、AD轉換即時信號(ST2)並隨後以其等之間之差異作為最終資料(ST3)。
圖6及圖7繪示CDS轉移函數。圖6顯示用於CDS轉移函數之公式，而圖7繪示相關於頻率而繪製之一CDS增益曲線。此外，圖8概略性繪示基於CDS之濾除。
如圖6及圖7所示，CDS係指一帶通轉移曲線。此外，如圖8所示，像素雜訊及來自比較器本身之雜訊係由CDS濾除。換言之，因為密勒效應，一固態影像感測器中之整體雜訊係由於CDS轉移曲線中比較器之截止頻率ωC
減低而減低。
圖9繪示使用CDS濾除之雜訊縮減。圖9之左邊部分繪示前CDS等效輸入雜訊，中間部分繪示CDS增益，且右邊部分繪示後CDS等效輸入雜訊。在中間部分及右邊部分中，曲線A繪示根據本發明之一實施例的一電路特徵，而曲線B繪示相關技術之一電路特徵。
後CDS雜訊頻譜係藉由將CDS轉移曲線應用於來自像素及AD轉換器(ADS)兩者之經組合雜訊而獲得之雜訊頻譜。圖9之右邊部分證實雜訊頻譜位準係由於使用密勒效應抑制比較器中之通帶而減低。
圖10為了比較圖4所示之電路而繪示一比較器。在圖10所示之比較器200C中，一電容器C240係連接至一第一級第一放大器210(即一差動放大器)之輸出。結果，有可能在未使用密勒效應之情形下抑制通帶。
然而，當通帶被高度抑制於比較器200C中時，電容器之尺寸變為非常大。相關於電容器之放電時間進而變為耗時的，其惡化訊框率並增加比較器自身之反相延遲。
圖11繪示用於圖10所示之相關技術的電路(其中未使用密勒效應)與圖4所示之根據本發明之一實施例的電路(其中使用密勒效應)之間之一同一截止頻率之反相延遲的一比較。如圖11所示，根據本發明之一實施例的電路與相關技術之電路相比具有一較小反相延遲。若增加比較器之反相延遲，則AD轉換時間亦增加，最終導致訊框率之一縮減。
因此，在根據本實施例之比較器200中，通帶經使用密勒效應而得以抑制，藉此在不減低訊框率之情形下縮減隨機雜訊。而且，由於使用一小電容器實現以上之所述，故自電路面積及成本之立場而言，本實施例亦係有利的。
當前將關於圖12所示之時序圖對於根據本實施例之比較器200之操作進行描述。應了解，圖12所示之AZ信號僅係提供給放大器220之第二AZ信號NSEL。如前所述，第一AZ信號PSEL使用與第二AZ信號NSEL之位準互補的一位準。換言之，當第二AZ信號NSEL係高位準時第一AZ信號PSEL係低位準，同樣，當第二AZ信號NSEL係低位準時第一AZ信號PSEL係高位準。
在比較器200中，一低位準第一AZ信號PSEL及一高位準第二AZ信號NSEL係於AZ週期期間被提供。結果，PMOS電晶體PT213及PT214(其等充當第一放大器210之AZ開關)被接通。類似地，NMOS電晶體NT222(其充當第二放大器220之AZ開關)亦被接通。
因此，在ADC群組150中，複數個比較器200係用以取樣DAC偏移位準、像素重設位準及每一行AZ位準，且電荷係累積於AZ位準取樣電容器C211、C212及C221中。
當AZ週期結束時，第一AZ信號PSEL切換至高位準，而第二AZ信號NSEL切換至低位準。結果，PMOS電晶體PT213及PT214(其等充當第一放大器210之AZ開關)被切斷。類似地，NMOS電晶體NT222(其充當第二放大器220之AZ開關)亦被切斷。如此一來，即可啟動像素重設位準(以下簡稱P階段)之整合AD轉換。
在P階段，比較器200之第一放大器210的節點ND213及ND214(形成於在AZ週期期間被充電之取樣電容器C211及C212與NMOS電晶體NT211及NT212之間)變為高阻抗(HiZ)節點。基於此緣由，差動NMOS電晶體NT211及NT212之閘極輸入係根據來自DAC 161之斜坡信號RAMP中呈斜坡之變動而變化，且與VSL位準(即像素信號)之比較被啟動。
一旦斜坡信號RAMP與像素信號交叉，則第一放大器210之輸出信號1stcomp急劇變化。結果，第二放大器220之PMOS電晶體PT221被接通，一電流I1開始流動，且第二放大器之輸出2ndOUT自低位準(L)變為高位準(H)。
同樣地，在D階段，每一行比較器200以與P階段相同之方式操作。因此，kTC雜訊及像素重設雜訊可由於數位CDS而取消(見圖12所示之時序圖中之D階段週期)。
圖13A及圖13B係將根據本發明之一實施例之一電路的比較器輸出與相關技術之一電路的比較器輸出進行比較。
圖13A繪示圖10所示之相關技術之電路中的比較器輸出，而圖13B繪示圖4所示之根據本發明之一實施例之電路中的比較器輸出。
圖13A繪示當通帶係根據相關技術之一方法得以抑制時之情形的一時序圖。如圖13A所示，當反相延遲變大時，在P階段及D階段所耗時間量增加，此導致一縮減之訊框率。在圖13A中，「比較點」係DAC輸出交叉VSL輸出之點。「反相延遲」係自該比較點至比較器輸出之反相的時間。隨著反相延遲增加，時間在P階段及D階段之後增加(時間延長1H)，且訊框率減低。
圖13B繪示通帶係使用圖4所示之根據本實施例之電路而得以抑制的情形。在圖13B之情況中，P階段及D階段與圖13A所示之該兩階段相比係較短的。1H時序亦係較短的，且因而可增加訊框率。在圖13B中，一旦反相延遲變小且1H週期變小，則可增加訊框率。
圖14係繪示根據本實施例之比較器之一修改的一電路圖。圖14所示之比較器200A經組態以使得該等電晶體之極性係與圖4所示之比較器200之極性反相。為此緣由，該電路中經連接之供電電位及接地電位亦係反相的。為簡便起見，圖14中之用於節點及電容之參考數字係與圖4所使用之參考數字相同。
在第一放大器210A中，差動比較器及電流源係使用PMOS電晶體PT214至PT217(代替圖4所示之NMOS電晶體NT211至NT213)加以實現。此外，充當電流源之PMOS電晶體PT217之源極係連接至一供電電位VDD。
此外，電流鏡電路係使用NMOS電晶體NT214及NT215(代替圖4所示之PMOS電晶體PT211及PT212)來實現。此外，NMOS電晶體NT214及NT215之源極係連接至接地電位GND。
此外，AZ開關係使用NMOS電晶體NT216及NT217(代替圖4所示之PMOS電晶體PT213及PT214)來實現。在此情形下，第二AZ信號NSEL被提供給第一放大器210A中之NMOS電晶體NT216及NT217的閘極。
在第二放大器220A中，輸入及放大電路係使用一NMOS電晶體NT223(代替圖4所示之PMOS電晶體PT221)來實現。NMOS電晶體NT223之源極係連接至接地電位GND。
形成該鏡電路之電晶體係使用一PMOS電晶體PT222(代替圖4所示之NMOS電晶體NT221)來實現。PMOS電晶體PT222之源極係連接至供電電位VDD。同時，電容器C221之第一電極係連接至節點ND222(其本身係連接至PMOS電晶體PT222)，而其第二電極係連接至供電電位VDD。
此外，AZ開關係使用一PMOS電晶體PT223(代替圖4所示之NMOS電晶體NT222)來實現。在此情形下，第一AZ信號PSEL被提供給第二放大器220A中之PMOS電晶體PT223的閘極。
一電容器C230A之第一電極係連接至充當一共源極放大器之NMOS電晶體NT223的閘極(即輸入)，其第二電極係連接至NMOS電晶體NT223的汲極(即輸出)。該電容器C230A呈現密勒效應並等效於在共源極輸入處連接一增益倍增電容器。
若NMOS電晶體NT223之增益被視為AV2
，且電容器C230A之電容被視為C，則該電容如在第一放大器210A之輸出處所見係變為根據{C×(1+AV2
)}而乘以增益。為此緣由，電容器C230A之電容可係較小的。結果，比較器200A之通帶可使用一小電容器而得以明顯收縮。
具有上述組態並如圖14中所示之比較器200A之操作基本上與圖4所示之比較器200相似，但其中圖12所示之時序圖中之RAM、1stcomp及2ndAMP信號之波形係反相的。因此，根據圖14所示之比較器200A，優勢係相似於圖4所示之比較器200之優勢而獲得。
如上所述，本實施例包括：一像素單元110，其中進行光電轉換之複數個像素係設置為一矩陣；及一像素信號讀出單元150(即ADC群組)，其在一逐列之基礎上自像素單元110讀出資料。
ADC群組150將根據行平行像素所設置之讀出信號電位與一參考電壓進行比較，且該ADC群組150包括：複數個比較器151，其等基於比較結果而輸出一決定信號；及複數個計數器152，其等將一相應比較器之比較時間進行計數。
每一比較器151包括：一第一放大器210，一第二放大器220，該第二放大器220與該第一放大器210以一級聯方式連接，以作為增加該第一放大器210之輸出增益的一放大器而運行；及一電容器C230，其係連接於該第二放大器之一共源極放大器之輸入與輸出之間，以呈現密勒效應。
因此，根據本實施例，可獲得以下優勢。
由於每一比較器之通帶係藉由使用一電容器之密勒效應而得以高度抑制，故像素雜訊及比較器雜訊皆可被縮減。由於密勒效應係用以抑制比較器之通帶，故有可能縮減雜訊而保持比較器之短反相時間。由於反相時間不被惡化，故訊框率不被縮減。
而且，由於密勒效應係用以抑制比較器之通帶，故通帶可利用一小電容而高度抑制。因此，相較於相關技藝之技術，電路面積及成本得以縮減而仍實現相同之雜訊縮減效應。
具有上述優勢之一固態影像感測器可應用於一數位或視訊相機中之一成像器件。
圖15繪示已應用根據本發明之一實施例之一固態影像感測器的一相機系統之一例示性組態。如圖15所示，相機系統300包括可應用根據本實施例之一CMOS影像感測器(即固態影像感測器100)的一成像器件310。
相機系統300亦包括用於引導入射光(即聚焦一主體影像)至成像器件310之像素區域上的光學器件。該等光學器件可係(例如)聚焦入射光(即影像光)至成像表面上之一透鏡320。
相機系統300亦包括驅動成像器件310的一驅動電路(DRV)330，及處理來自成像器件310之輸出信號的一信號處理電路(PRC)340。
驅動電路330包括產生多種時序信號(包括用於成像器件310內之驅動電路的啟動脈衝及時鐘脈衝)的一時序產生器(未顯示)。該驅動電路330使用預定時序信號驅動成像器件310。
信號處理電路340對應於來自成像器件310之輸出信號執行預定信號處理。
由信號處理電路340處理之一影像信號被記錄至一記錄媒體中(諸如記憶體)。硬複製隨後可由藉由一印表機或其他裝置而記錄至記錄媒體上的影像資訊組成。或者，由信號處理電路340處理之影像信號可作為一動作影像而被輸出至由一液晶顯示器或相似裝置組成之一監控器。
因此，如上所述，上文所述之固態影像感測器100可被機上安裝至一成像裝置(諸如屬成像器件310形式的一數位照相機)，藉此實現一高精度相機。
本申請案包含於2008年10月9日向日本專利局申請之日本優先權專利申請案第JP 2008-262974號中所揭示之相關標的，該案之全文係以引用之方式併入本文中。
熟習此項技術者應瞭解，多種修改、組合、次組合及替代物可視其等所處之所附請求項或該等請求項之等效物之範疇內的設計要求及其他因素而發生。
100．．．固態影像感測器
110．．．像素單元
110A．．．像素電路
111．．．光電二極體
112．．．轉移電晶體
113．．．重設電晶體
114．．．放大器電晶體
115．．．選擇電晶體
120．．．縱向掃描電路
130．．．橫向讀出掃描電路
140．．．時序產生器電路
150．．．ADC群組
151．．．比較器
152．．．計數器
153．．．鎖存器
160．．．DAC及偏壓電路
161．．．數位至類比轉換器(DAC)
170．．．放大器電路(S/A)
180．．．信號處理電路
190．．．線記憶體
200、200A、200C．．．比較器
210、210A．．．第一放大器
220、220A．．．第二放大器
300．．．相機系統
310．．．成像器件
320．．．透鏡
330．．．驅動電路(DRV)
340．．．信號處理電路(PRC)
C211．．．第一電容器
C212．．．第二電容器
C221．．．第三電容器
C230、C230A、C240．．．電容器
ND211-ND214．．．節點
ND221、ND222．．．節點
NT211-NT217．．．NMOS電晶體
NT221-NT223．．．NMOS電晶體
PT211-PT217．．．PMOS電晶體
PT221-PT223．．．PMOS電晶體
ST1 AD．．．轉換像素重設位準
ST2．．．AD轉換即時信號
ST3．．．使用差異(即時信號-重設位準)
圖1係繪示根據本發明之一實施例的一行平行ADC固態影像感測器(即CMOS影像感測器)之一例示性組態的一方塊圖；
圖2係進一步詳盡繪示在圖1所示之行平行ADC固態感測器(即CMOS影像感測器)中之ADC群組的一方塊圖；
圖3繪示根據本發明之一實施例使用四個電晶體而組態之一CMOS影像感測器像素的一實例；
圖4係繪示根據本發明之一實施例之一比較器之一例示性組態的電路圖；
圖5繪示CDS之操作流程；
圖6繪示用於一CDS轉移函數之公式；
圖7繪示對應於頻率之一CDS增益曲線；
圖8概略性繪示CDS中之濾除；
圖9繪示使用CDS濾除之雜訊縮減；
圖10係為了比較圖4所示之電路而繪示一比較器的一實例；
圖11繪示用於圖10所示之相關技術的電路(其中未使用密勒效應)與圖4所示之根據本發明之一實施例的電路(其中使用密勒效應)之間之一同一截止頻率之反相延遲之一比較的結果；
圖12係圖4所示之比較器的一時序圖；
圖13A繪示圖10所示之電路之比較器輸出中的反相延遲；
圖13B繪示圖4所示之根據本發明之一實施例之電路之比較器輸出中的反相延遲；
圖14係繪示根據本發明之一實施例之比較器之一修改的一電路圖；及
圖15繪示已應用根據本發明之一實施例之一固態影像感測器的一相機系統之一例示性組態。
200．．．比較器
210．．．第一放大器
220．．．第二放大器
C211．．．第一電容器
C212．．．第二電容器
C221．．．第三電容器
C230．．．電容器
PT211-PT214．．．PMOS電晶體
PT221．．．PMOS電晶體
ND211-ND214．．．節點
ND221、ND222．．．節點
NT211-NT213．．．NMOS電晶體
NT221-NT222．．．NMOS電晶體
Claims (8)
- 一種固態影像感測器，其包括：一像素單元，其經組態使得進行光電轉換之複數個像素係設置為一矩陣；及一像素信號讀出單元，其經組態以在一逐像素之基礎上自該像素單元讀出複數個像素信號；其中，(a)該像素信號讀出單元包括(1)複數個比較器，其等係相對於該等像素以行平行設置，且經組態以比較一讀出信號電位與一參考電壓，且基於該比較結果輸出一決定信號；及(2)複數個計數器，其等經組態以對一相應比較器之比較時間進行計數，及，(b)每一比較器包括(1)一第一放大器組態，其包含一差動放大器，該差動放大器經組態以在一電晶體之閘極接收該參考電壓，在另一電晶體之閘極接收該讀出信號，且比較該參考電壓與該讀出信號電位，(2)一第二放大器組態，其包含一放大器，該放大器經組態以增加該第一放大器組態之輸出的增益且輸出該結果，及(3)一電容器，其係連接於該第二放大器組態中之該放大器之輸入與該第二放大器組態中之該放大器之輸出 之間，以呈現密勒效應。
- 如請求項1之固態影像感測器，其中連接於該第二放大器組態之輸入與輸出之間之該電容器如在第一放大器組態之輸出處所見係根據{C×(1+AV2 )}而乘以該增益，其中AV2 係該放大器之該增益，且C係該電容器之該電容。
- 如請求項1之固態影像感測器，其中：該第二放大器組態中之該放大器係由在一共源極場效應電晶體之閘極處由該第一放大器組態之輸出所支援之該共源極場效應電晶體形成；及該電容器係連接於該共源極場效應電晶體之該閘極與該汲極之間。
- 如請求項1之固態影像感測器，其中該第一放大器組態包括：差動電晶體，其經組態以在一電晶體之閘極接收該參考電壓，在另一電晶體之閘極接收該讀出信號，並比較該參考電壓與該讀出信號電位，一自動歸零開關，其係連接於該差動電晶體之該閘極與該汲極之間，以在啟動列操作時決定每一行中之工作點，及第一及第二電容器，其等係連接至該差動電晶體之每一閘極，且經組態以取樣自動歸零位準。
- 如請求項4之固態影像感測器，其中該第二放大器組態包括：一自動歸零開關，其經組態以在啟動該列操作時決 定每一行中之該工作點，及一第三電容器，其經組態以取樣該自動歸零位準。
- 如請求項5之固態影像感測器，其中：(a)該第二放大器組態包括一第一導電類型場效應電晶體，其經組態以在其閘極處接收該第一放大器組態之輸出，及一第二導電類型場效應電晶體，其係與該第一導電類型場效應電晶體串聯，該第二導電類型場效應電晶體具有設置於該第二導電類型場效應電晶體之該閘極與該汲極之間之一自動歸零開關，且其中該閘極係連接至該第三電容器，一輸出節點，其係形成於介於該第一導電類型場效應電晶體與該第二導電類型場效應電晶體之間的連接點，且(b)該電容器經組態以呈現密勒效應，且係連接於該第一導電類型場效應電晶體之該閘極與該汲極之間。
- 如請求項2之固態影像感測器，其中：該第二放大器組態中之該放大器係由在一共源極場效應電晶體之閘極處由該第一放大器組態之輸出所支援之該共源極場效應電晶體形成；及該電容器係連接於該共源極場效應電晶體之該閘極與該汲極之間。
- 一種相機系統，其包括：一固態影像感測器；及 光學器件，其等經組態以將一主體影像聚焦至該影像感測器上；其中(a)該固態影像感測器包括(1)一像素單元，其經組態以使得進行光電轉換之複數個像素係設置為一矩陣，及(2)一像素信號讀出單元，其經組態以在一逐像素之基礎上自該像素單元讀出複數個像素信號；(b)該像素信號讀出單元包括(1)複數個比較器，其等係相對於該等像素以行平行設置，且經組態以比較一讀出信號電位與一參考電壓，且基於該比較結果輸出一決定信號；及(2)複數個計數器，其等經組態以對一相應比較器之比較時間進行計數；及，(c)每一比較器包括(1)一第一放大器組態，其包含一差動放大器，該差動放大器經組態以在一電晶體之閘極接收該參考電壓，在另一電晶體之閘極接收該讀出信號，且比較該參考電壓與該讀出信號電位，(2)一第二放大器組態，其包含一放大器，該放大器經組態以增加該第一放大器組態之輸出的增益且輸出該結果，及(3)一電容器，其係連接於該第二放大器組態中之該 放大器之輸入與該第二放大器組態中之該放大器之輸出之間，以呈現密勒效應。
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