(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 109698918 A(43)申请公布日 2019.04.30
(21)申请号 201810946565.7(22)申请日 2018.08.20
(30)优先权数据
10-2017-0136466 2017.10.20 KR(71)申请人 爱思开海力士有限公司
地址 韩国京畿道(72)发明人 金贤俊 金珉圭
(74)专利代理机构 北京三友知识产权代理有限
公司 11127
代理人 刘久亮(51)Int.Cl.
H04N 5/3745(2011.01)H04N 5/378(2011.01)
权利要求书4页 说明书9页 附图7页
(54)发明名称
单斜率比较装置及包括其的模数转换装置和CMOS图像传感器(57)摘要
单斜率比较装置及包括其的模数转换装置和CMOS图像传感器。一种比较装置包括：偏移发生电路，其包括接收偏移控制信号的输入端口并被构造为基于所接收的偏移控制信号来生成偏移；比较电路，其包括联接到偏移发生电路以接收第一输入信号的第一输入端口以及被联接以接收偏移了由偏移发生电路生成的偏移的第二输入信号的第二输入端口，并且能够操作以比较第一输入信号与第二输入信号以生成比较信号；以及控制电路，其联接到比较电路以接收比较信号并且能够操作以根据该比较信号来检测第一输入信号和第二输入信号的交叉并向偏移发生电路输出偏移控制信号。
CN 109698918 ACN 109698918 A
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1.一种比较装置，该比较装置包括：偏移发生电路，该偏移发生电路包括接收偏移控制信号的输入端口并被构造为基于所接收的偏移控制信号来生成偏移；
比较电路，该比较电路包括联接到所述偏移发生电路以接收第一输入信号的第一输入端口以及被联接以接收偏移了由所述偏移发生电路生成的所述偏移的第二输入信号的第二输入端口，并且能够操作以对所述第一输入信号与所述第二输入信号进行比较来生成比较信号；以及
控制电路，该控制电路联接到所述比较电路以接收所述比较信号并且能够操作以根据所述比较信号来检测所述第一输入信号和所述第二输入信号的交叉并向所述偏移发生电路输出所述偏移控制信号。
2.根据权利要求1所述的比较装置，其中，所述比较电路在模数转换期间重复地执行比较处理多次，在初始时间，所述比较处理比较所述第一输入信号与第三输入信号并输出所述比较信号，在所述初始时间之后，所述比较处理比较所述第一输入信号与应用了所述偏移的所述第二输入信号并输出所述比较信号。
3.根据权利要求2所述的比较装置，其中，通过将所述第三输入信号减小或增大从所述偏移发生电路输出的所述偏移来生成所述第二输入信号。
4.根据权利要求1所述的比较装置，其中，所述控制电路包括：交叉检测器，该交叉检测器被构造为根据所述比较电路的所述比较信号来检测所述第一输入信号和所述第二输入信号的交叉以生成指示所述交叉的检测结果的输出并向所述偏移发生电路输出所述偏移控制信号；以及
偏移大小控制器，该偏移大小控制器联接到所述交叉检测器以接收该交叉检测器的输出并且能够操作以根据从所述交叉检测器输出的交叉检测结果向所述偏移发生电路输出偏移大小控制信号，其中，所述偏移发生电路在生成所述偏移时还对所述偏移大小控制信号做出响应。
5.根据权利要求4所述的比较装置，其中，所述偏移发生电路包括：偏移大小调节器，该偏移大小调节器联接到所述控制电路以接收所述偏移大小控制信号并响应于所述偏移大小控制信号来调节所述偏移的偏移大小；
偏移控制器，该偏移控制器联接到所述控制电路以接收所述偏移发生控制信号和所述偏移大小控制信号并且能够操作以根据所述偏移发生控制信号来控制所述偏移的生成；以及
偏移发生器，该偏移发生器联接到所述偏移大小调节器和所述偏移控制器并且能够操作以根据所述偏移控制器的控制来生成大小由所述偏移大小调节器调节的偏移。
6.根据权利要求1所述的比较装置，其中，所述第一输入信号是斜坡信号并且所述第二输入信号是像素信号。
7.根据权利要求1所述的比较装置，其中，所述第一输入信号是像素信号并且所述第二输入信号是斜坡信号。
8.一种模数转换装置，该模数转换装置包括：偏移发生电路，该偏移发生电路被设置为根据偏移控制信号生成偏移；比较电路，该比较电路被设置为比较第一输入信号与应用了所述偏移的第二输入信号
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并输出比较信号；
控制电路，该控制电路被设置为根据从所述比较电路输出的所述比较信号来检测所述第一输入信号和所述第二输入信号的交叉并向所述偏移发生电路输出所述偏移控制信号；以及
计数器，该计数器被设置为基于从所述比较电路输出的所述比较信号来执行计数操作。
9.根据权利要求8所述的模数转换装置，其中，所述比较电路在行模数转换期间重复地执行比较处理多次，在初始时间，所述比较处理比较所述第一输入信号与第三输入信号并输出所述比较信号，在所述初始时间之后，所述比较处理比较所述第一输入信号与应用了所述偏移的所述第二输入信号并输出所述比较信号。
10.根据权利要求9所述的模数转换装置，其中，通过将所述第三输入信号减小或增大从所述偏移发生电路输出的所述偏移来生成所述第二输入信号。
11.根据权利要求8所述的模数转换装置，其中，所述控制电路包括：交叉检测器，该交叉检测器被设置为根据所述比较电路的所述比较信号来检测所述第一输入信号和所述第二输入信号的交叉并向所述偏移发生电路输出偏移发生控制信号；以及
偏移大小控制器，该偏移大小控制器被设置为根据从所述交叉检测器输出的交叉检测结果向所述偏移发生电路输出偏移大小控制信号。
12.根据权利要求11所述的模数转换装置，其中，所述偏移发生电路包括：偏移大小调节器，该偏移大小调节器被设置为根据从所述控制电路输出的所述偏移大小控制信号来调节偏移大小；
偏移控制器，该偏移控制器被设置为根据从所述控制电路输出的所述偏移发生控制信号来控制所述偏移的生成；以及
偏移发生器，该偏移发生器被设置为根据所述偏移控制器的控制来生成大小由所述偏移大小调节器调节的偏移。
13.根据权利要求8所述的模数转换装置，其中，所述第一输入信号是斜坡信号并且所述第二输入信号是像素信号。
14.根据权利要求8所述的模数转换装置，其中，所述第一输入信号是像素信号并且所述第二输入信号是斜坡信号。
15.一种互补金属氧化物半导体CMOS图像传感器，该CMOS图像传感器包括：像素阵列，该像素阵列包括按照行和列布置的像素，其中，各个像素能够操作以生成与各个像素处接收的入射光对应的像素信号；
行解码器，该行解码器联接到所述像素阵列并且能够操作以逐行地选择并控制所述像素阵列的像素；
斜坡信号发生电路，该斜坡信号发生电路被构造为生成斜坡信号；偏移发生电路，该偏移发生电路被设置为根据偏移控制信号来生成偏移；比较电路，该比较电路联接到所述斜坡信号发生电路以接收所述斜坡信号并且能够操作以比较所述斜坡信号与应用了所述偏移的像素信号以输出比较信号；
控制电路，该控制电路联接到所述比较电路以接收所述比较信号并且能够操作以根据
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所述比较信号来检测所述斜坡信号和所述像素信号的交叉以向所述偏移发生电路输出所述偏移控制信号；
计数器，该计数器联接到所述比较电路以接收所述比较信号的版本并且能够操作以基于所述比较信号来执行计数操作；
存储器，该存储器联接到所述计数器并且能够操作以存储从所述计数器输出的信息；列读出电路，该列读出电路联接到所述存储器并且能够操作以输出存储在所述存储器中的信息；以及
控制电路，该控制电路联接到所述行解码器、所述斜坡信号发生电路、所述比较电路、所述计数器、所述存储器和所述列读出电路并且能够操作以控制所述行解码器、所述斜坡信号发生电路、所述比较电路、所述计数器、所述存储器和所述列读出电路。
16.根据权利要求15所述的CMOS图像传感器，其中，所述比较电路在模数转换期间重复地执行比较处理多次，在初始时间，所述比较处理比较所述斜坡信号与所述像素信号并输出所述比较信号，在所述初始时间之后，所述比较处理比较所述斜坡信号与应用了所述偏移的所述像素信号并输出所述比较信号。
17.一种互补金属氧化物半导体CMOS图像传感器，该CMOS图像传感器包括：像素阵列，该像素阵列被设置为输出与入射光对应的像素信号；行解码器，该行解码器被设置为逐行地选择并控制所述像素阵列的像素；斜坡信号发生电路，该斜坡信号发生电路被设置为生成斜坡信号；偏移发生电路，该偏移发生电路被设置为根据偏移控制信号来生成偏移；比较电路，该比较电路被设置为比较所述像素信号与应用了所述偏移的所述斜坡信号并输出比较信号；
控制电路，该控制电路被设置为根据从所述比较电路输出的所述比较信号来检测所述斜坡信号和所述像素信号的交叉，并向所述偏移发生电路输出所述偏移控制信号；
计数器，该计数器被设置为基于从所述比较电路输出的所述比较信号来执行计数操作；
存储器，该存储器被设置为存储从所述计数器输出的信息；列读出电路，该列读出电路被设置为输出存储在所述存储器中的信息；以及控制电路，该控制电路被设置为控制所述行解码器、所述斜坡信号发生电路、所述比较电路、所述计数器、所述存储器和所述列读出电路的操作。
18.根据权利要求17所述的CMOS图像传感器，其中，所述比较电路在行模数转换期间重复地执行比较处理多次，在初始时间，所述比较处理比较所述斜坡信号与所述像素信号并输出所述比较信号，在所述初始时间之后，所述比较处理比较所述像素信号与应用了所述偏移的所述斜坡信号并输出所述比较信号。
19.一种模数转换装置，该模数转换装置包括：比较器，该比较器包括接收待采样的信号的第一输入端子以及接收要与所述待采样的信号进行比较的斜坡信号的第二输入端子；
并联联接的多个电容器，各个电容器包括能够联接到电源电压和接地电压中的一个的一个电极；
并联联接的多个开关电路，各个开关电路联接到所述多个电容器中的一个电容器以将
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所述多个电容器中的所述一个电容器连接到所述第一输入端子；
控制电路，当所述第一输入端子和所述第二输入端子的电压电平变得彼此相同时，该控制电路向所述多个开关电路提供偏移控制信号；以及
计数器，该计数器基于所述第一输入端子和所述第二输入端子之间的电压差来输出数字码，
其中，所述多个电容器和所述多个开关电路被用作电荷泵，该电荷泵在所述斜坡信号具有正斜率时升高所述第一输入端子的电压电平，在所述斜坡信号具有负斜率时降低所述第一输入端子的电压电平。
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单斜率比较装置及包括其的模数转换装置和CMOS图像传感器
技术领域
[0001]本专利文献所公开的技术和实现方式涉及模数转换装置和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。
背景技术
[0002]高速读出和低功耗是设计CMOS图像传感器时要考虑的重要参数。然而，高速读出与低功耗之间存在权衡。对具有越来越多像素的CMOS图像传感器的需求导致读出电路的带宽增加，以便在短时间帧内读出增加数量的像素。因此，为了方便大像素阵列的高速读出而无需消耗太多功率，可使用列并行架构。
[0003]在CMOS图像传感器的列并行模数转换器(ADC)架构中，常常使用单斜率ADC，因为其可使用非常简单的列电路来实现并且需要远小于其它类型的ADC的芯片面积。[0004]最近，已提出了多采样技术以通过对输入信号多次采样并进行模数转换并且通过对采样的输入信号取平均来改进CMOS图像传感器中的噪声消除性能。[0005]然而，单斜率ADC装置常常伴随着时钟数量的增加以对输入信号多次采样并对采样的输入信号进行模数转换。例如，10位模数转换需要1024个时钟，因此10位多采样模数转换可能需要至少2048个时钟。用于处理的时钟周期的这种增加降低了成像装置的图像处理速度，因此是不可取的。
[0006]作为上面所讨论的多采样技术的替代方案，可通过在1024个时钟期间将斜坡信号的斜率增加多倍(例如，从×1至×16)来执行多采样操作，以执行10位模数转换。然而，随着斜坡信号的斜率增加，正确地处理斜坡信号变得更困难。
[0007]由于噪声性能是在低照度下维持令人满意的成像性能的重要因素，所以ADC转换器常常使用不同类型的斜坡信号发生装置，包括用于低照度的斜坡信号发生装置以及用于高照度的另一斜坡信号发生装置。例如，如果输入信号在1024最低有效位(LSB)的整个基准值的300LSB内，则其照度条件被识别为低照度，因此通过以1-300LSB的斜率对斜坡信号多采样三次来执行模数转换。如果输入信号超过1024LSB的整个基准值的300LSB，则其照度条件被识别为高照度，因此通过以1-1024LSB的斜率对斜坡信号采样来执行模数转换。[0008]然而，由于两个不同的斜坡信号发生装置之间的特性差异，上述技术的各种实现方式往往会表现出非线性特性。[0009]作为不同的方法，可通过经由具有不同偏移值的不同缓冲器驱动从两个不同斜坡信号发生装置输出的两个斜坡信号来执行双模数转换。两个斜坡信号与输入信号具有多次交叉，所述多次交叉以预定延迟依次发生。[0010]然而，难以保证各个缓冲器的特性差异(例如，温度变化)和偏移发生。发明内容
[0011]除了别的以外，本专利文献提供了具有单斜率比较装置的图像感测装置的设计，所述单斜率比较装置通过对输入信号应用偏移来允许输入信号和斜坡信号彼此具有多次
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交叉，从而在不增加时钟数量的情况下获取多采样效果，因此提供基于所公开的技术的成像感测装置的期望的处理速度和能量高效操作。[0012]在实施方式中，一种比较装置可包括：偏移发生电路，其包括接收偏移控制信号的输入端口并被构造为基于所接收的偏移控制信号来生成偏移；比较电路，其包括联接到偏移发生电路以接收第一输入信号的第一输入端口以及被联接以接收偏移了由偏移发生电路生成的偏移的第二输入信号的第二输入端口，并且能够操作以比较第一输入信号与第二输入信号以生成比较信号；以及控制电路，其联接到比较电路以接收比较信号并且能够操作以根据该比较信号来检测第一输入信号和第二输入信号的交叉并向偏移发生电路输出偏移控制信号。
[0013]在实施方式中，一种模数转换装置可包括：偏移发生电路，其被设置为根据偏移控制信号生成偏移；比较电路，其被设置为比较第一输入信号与应用了所述偏移的第二输入信号并输出比较信号；控制电路，其被设置为根据从比较电路输出的比较信号来检测第一输入信号和第二输入信号的交叉并向偏移发生电路输出偏移控制信号；以及计数器，其被设置为基于从比较电路输出的比较信号来执行计数操作。[0014]在实施方式中，一种互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器可包括：像素阵列，其包括按照行和列布置的像素，其中，各个像素能够操作以生成与各个像素处接收的入射光对应的像素信号；行解码器，其联接到像素阵列并且能够操作以逐行地选择并控制像素阵列的像素；斜坡信号发生电路，其被构造为生成斜坡信号；偏移发生电路，其被设置为根据偏移控制信号来生成偏移；比较电路，其联接到斜坡信号发生电路以接收斜坡信号并且能够操作以比较斜坡信号与应用了偏移的像素信号以输出比较信号；控制电路，其联接到比较电路以接收比较信号并且能够操作以根据比较信号来检测斜坡信号和像素信号的交叉以向偏移发生电路输出偏移控制信号；计数器，其联接到比较电路以接收比较信号的版本并且能够操作以基于比较信号来执行计数操作；存储器，其联接到计数器并且能够操作以存储从计数器输出的信息；列读出电路，其联接到存储器并且能够操作以输出存储在存储器中的信息；以及控制电路，其联接到行解码器、斜坡信号发生电路、比较电路、计数器、存储器和列读出电路并且能够操作以控制行解码器、斜坡信号发生电路、比较电路、计数器、存储器和列读出电路。[0015]在实施方式中，一种模数转换装置可包括：比较器，其包括接收待采样的信号的第一输入端子以及接收要与待采样的信号进行比较的斜坡信号的第二输入端子；并联联接的多个电容器，各个电容器包括能够联接到电源电压和接地电压中的一个的一个电极；并联联接的多个开关电路，各个开关电路联接到多个电容器中的一个电容器以将多个电容器中的所述一个电容器连接到第一输入端子；控制电路，当第一输入端子和第二输入端子的电压电平变得彼此相同时，该控制电路向多个开关电路提供偏移控制信号；以及计数器，其基于第一输入端子和第二输入端子之间的电压差来输出数字码，其中，多个电容器和多个开关电路用作电荷泵(charge pump)，该电荷泵在斜坡信号具有正斜率时升高第一输入端子的电压电平，在斜坡信号具有负斜率时降低第一输入端子的电压电平。附图说明
[0016]图1是示出CMOS图像传感器的示例的图。
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图2A是示出根据所公开的技术的实施方式的比较装置的示例的图。
[0018]图2B是示出根据所公开的技术的实施方式的包括图2A所示的比较装置的模数转换装置的示例的图。
[0019]图2C是示出图2A所示的比较装置和图2B所示的模数转换装置的模数转换的时序图。
[0020]图2D是示出图2A所示的比较装置和图2B所示的模数转换装置处的斜坡信号和像素信号的交叉定时的时序图。
[0021]图3A是示出图2A和图2B所示的偏移发生电路的示例的图。[0022]图3B是示出图3A所示的偏移发生电路的示例的图。
[0023]图4A是示出根据所公开的技术的另一实施方式的比较装置的示例的图。
[0024]图4B是示出根据所公开的技术的另一实施方式的包括图4A所示的比较装置的模数转换装置的示例的图。
[0025]图4C是示出图4A所示的比较装置和图4B所示的模数转换装置的交叉定时的时序图。
[0026]图5是示出根据所公开的技术的实施方式的CMOS图像传感器的示例的图。具体实施方式
[0027]图1是示出CMOS图像传感器的示例的图。图1所示的CMOS图像传感器表示使用单斜率模数转换装置的列并行结构的CMOS图像传感器。[0028]参照图1，CMOS图像传感器包括按照行和列布置的成像像素的像素阵列10、行解码器20、斜坡信号发生电路30、比较电路40、计数电路50、存储器电路60、列读出电路70和控制电路80。图1中的特定示例示出了彩色成像像素的像素布置方式，其中红色像素标记为“R”，绿色像素标记为“G”，蓝色像素标记为“B”，基于具有50％绿色像素、25％红色像素和25％蓝色像素的熟知拜尔(Bayer)图案的像素标记为“Gr”和“Gb”。
[0029]像素阵列10响应于各个成像像素处的入射光而输出像素信号。行解码器20逐行选择并控制像素阵列的像素。斜坡信号发生电路30响应于控制电路的控制信号而生成斜坡信号VRAMP。比较电路40比较斜坡信号发生电路30的斜坡信号VRAMP与从像素阵列输出的各个像素信号。
[0030]计数电路50根据比较电路40的输出信号对控制电路80的时钟脉冲数进行计数。存储器电路60根据控制电路80所提供的指令存储计数电路50所提供的信息(例如，时钟脉冲数)。列读出电路70根据控制电路80所提供的指令依次输出存储在存储器电路60中的信息作为像素数据PXDATA。控制电路80控制行解码器20、斜坡信号发生电路30、比较电路40、计数电路50、存储器电路60和列读出电路70的操作。[0031]CMOS图像传感器可包括比较电路40，比较电路40利用相关双采样CDS技术来去除像素的偏移值。
[0032]比较电路40包括多个比较器41，计数电路50包括多个计数器51，存储器电路60包括多个存储器61。在示例配置中，像素阵列10的各列包括比较器41、计数器51和存储器61。[0033]将参照图1如下描述比较器41、计数器51和存储器61的操作。[0034]比较器41具有两个输入端子，这两个输入端子分别接收从像素阵列10的列输出的
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像素信号和从斜坡信号发生电路30输出的斜坡信号VRAMP。比较器41比较斜坡信号VRAMP与像素信号并响应于控制电路80所提供的控制信号而输出比较信号。
[0035]由于斜坡信号VRAMP的电压电平随着时间流逝而增大或减小，所以斜坡信号VRAMP在某一时间点与像素信号交叉。在该交叉点之后，从比较器41输出的比较信号的值反转。[0036]在例如像素信号高于斜坡信号时的时间段期间，计数器51用于对脉冲进行计数。计数器51由控制电路80的复位控制信号来初始化。
[0037]存储器61存储计数器51所提供的与计数(例如，脉冲数)有关的信息并根据控制电路80的控制信号将该信息输出到列读出电路70。这里，CMOS图像传感器可对复位信号(或复位电压)执行计数操作，然后对图像信号(信号电压)执行计数操作。
[0038]图2A是示出根据所公开的技术的实施方式的比较装置的示例的图。[0039]参照图2A，根据所公开的技术的实施方式的比较装置200包括偏移发生电路210、比较电路220和控制电路230。
[0040]偏移发生电路210是响应于来自控制电路的偏移控制信号而生成偏移(例如，偏移电压)以将该偏移应用于像素信号以生成经修正的像素信号的电路。比较电路220是被联接以从偏移发生电路210接收经修正的像素信号并比较斜坡信号VRAMP与大小增大或减小了所述偏移的经修正的像素信号，并且输出指示比较结果的比较信号的比较器电路。控制电路230联接到比较电路220和偏移发生电路210二者，并且基于从比较电路220输出的比较信号来检测斜坡信号VRAMP与应用了偏移的经修正的像素信号的交叉并将偏移控制信号(例如，偏移发生控制信号和偏移大小控制信号)输出到偏移发生电路210。[0041]更具体地讲，当对像素阵列的行执行模数转换时，比较电路220首先比较像素信号VPIX与斜坡信号VRAMP并输出第一比较信号，然后比较斜坡信号VRAMP与应用了偏移电压的像素信号并输出第二比较信号，然后比较斜坡信号VRAMP与应用了另一偏移电压的像素信号并输出第三比较信号。这样，比较电路220可在重复地将偏移应用于像素信号的同时重复地执行采样处理多次。这里，偏移电压由偏移发生电路210生成。在所公开的技术的实现方式中，比较电路220将像素信号的电压电平线性地改变偏移电压，并将线性改变的像素信号馈送至第一输入电压VIN1的节点。例如，如果斜坡信号VRAMP具有正斜率，则比较电路220将像素信号的电压电平增大偏移电压，如果斜坡信号VRAMP具有负斜率，则比较电路220将像素信号的电压电平减小偏移电压。[0042]如图2A所示，在一个示例实现方式中，比较电路220可包括单个比较电路。另选地，比较电路220可包括多个比较电路。比较电路220可包括第一电容器C1、第二电容器C2、两个开关SWOZ和比较器(例如，运算放大器比较器)。[0043]控制电路230包括交叉检测器231、偏移大小控制器232。
[0044]交叉检测器231基于从比较电路220输出的比较信号来检测斜坡信号VRAMP与像素信号的交叉，并将偏移发生控制信号输出到偏移发生电路210。偏移大小控制器232将偏移大小控制信号输出到偏移发生电路210。这里，偏移大小控制信号可基于从交叉检测器231输出的交叉检测结果来生成。[0045]另选地，偏移大小控制器232可被实现为基于由诸如定时发生器(图中未示出)的控制电路提供的控制信号来生成偏移大小控制信号。
[0046]图2B是示出根据所公开的技术的实施方式的包括图2A所示的比较装置的模数转
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换装置的示例的图。[0047]参照图2B，根据所公开的技术的实施方式的模数转换装置包括偏移发生电路210、比较电路220、控制电路230和计数器240。[0048]由于图2B所示的偏移发生电路210、比较电路220和控制电路230可按照与图2A所示的偏移发生电路210、比较电路220和控制电路230相同的方式实现，所以偏移发生电路210、比较电路220和控制电路230的详细描述将被省略。
[0049]计数器240根据从比较电路220输出的比较信号对从图1的控制电路80输出的时钟信号的脉冲数进行计数。
[0050]在所公开的技术的示例实现方式中，计数器240可以是对比较信号执行计数并取平均的平均计数器。
[0051]图2C是示出图2A所示的比较装置的模数转换和图2B所示的模数转换装置的模数转换的时序图。例如，图2C所示的模数转换可以是对像素阵列的行执行的模数转换。[0052]像素信号VPIX是从像素读出的信号。在执行模数转换时，相关双采样(CDS)常常用于消除一些不想要的噪声。在CDS中，首先读出复位信号VRST，然后读出信号电压VSIG。
[0053]比较装置200通过CDS操作获取复位信号VRST与信号电压VSIG之间的差值(|VRST-VSIG|)并将所获取的差值确定为像素信号的值。
[0054]模数转换装置将所确定的模拟像素信号转换为数字值。CDS操作常常称为模拟CDS操作。
[0055]CDS操作包括依次执行的两组采样和保持。在第一电容器C1中对复位电压VRST进行采样和保持，然后在第一电容器C1中对信号电压VSIG进行采样和保持。随后，执行模数转换操作以基于复位信号VRST的绝对值获得数字码值，并基于复位信号VRST与信号电压VSIG之间的差值(|VRST-VSIG|)获得数字码值。因此，可通过经由上述CDS操作去除由模数转换导致的不想要的偏移来改进模数转换效率。[0056]更具体地讲，参照图2B和图2C，当从像素读出复位电压VRST时，两个开关SWOZ根据控制电路(未示出)的控制信号而接通，并在第一电容器C1中对复位电压值进行采样和保持。第一输入电压节点VIN1处的电压变为-(VRST-VCO)，第二输入电压节点VIN2处的电压变为VCO，其中VCO表示由比较器中的电路导致的偏移电压。[0057]随后，两个开关SWOZ关断，并且斜坡信号VRAMP通过第二电容器C2被施加到第二输入电压节点VIN2，然后比较器比较第一输入电压VIN1与第二输入电压VIN2并输出比较结果。根据比较信号执行对复位电压VRST的模数转换。[0058]接下来，像素信号的信号电压VSIG通过第一电容器C1被施加到比较器，并且第一输入电压节点VIN1处的电压变为VSIG-VRST+VCO，第二输入电压节点VIN2处的电压变为VCO。第一输入电压节点VIN1与第二输入电压节点VIN2之间的电压差变为VSIG-VRST，并且可通过上述处理执行模拟CDS操作。[0059]随后，通过对复位电压VRST与信号电压VSIG之间的差值(|VRST-VSIG|)执行模数转换，获取对应数字码值，并且通过减去复位电压VRST的模数转换码值，执行数字CDS操作。因此，可通过上述处理改进模数转换性能。
[0060]图2D是示出图2A所示的比较装置和图2B所示的模数转换装置处的斜坡信号VRAMP和像素信号的交叉定时的时序图。更具体地讲，图2D示出应用了偏移电压的像素信号的信
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号形状以及第一输入电压VIN1与第二输入电压VIN2的交叉定时。[0061]在模数转换时段期间，模数转换装置根据定时信号VLSB和偏移发生控制信号VLAT1、VLAT2、VLAT3…VLATn来操作。这里，定时信号VLSB可包括与斜坡信号发生装置将斜坡信号增大偏移电压并将斜坡信号施加到比较器的定时有关的信息。偏移发生控制信号VLATn可包括与响应于当第一输入电压VIN1和第二输入电压VIN2变得彼此相同(交叉)时由交叉检测器231生成的偏移发生控制信号，由偏移发生电路210对第一输入电压VIN1应用偏移的操作定时有关的信息。这里，VLATn的“n”表示第一输入电压VIN1与第二输入电压VIN2的交叉数，其中“n”是自然数。
[0062]更具体地讲，参照图2D，当在比较器处发生第一输入电压VIN1和第二输入电压VIN2的交叉时，交叉检测器231检测该交叉并将偏移发生控制信号发送到偏移发生电路210。因此，偏移发生电路210生成偏移并将其施加到第一输入电压VIN1的节点。如图2D所示，第一输入电压VIN1减小了所施加的偏移。因此，第一输入电压VIN1和第二输入电压VIN2的交叉发生多次。
[0063]通过重复地执行上述处理多次，可获取模数转换码多次。为了噪声平均，由计数器240对模数转换码取平均，经平均的模数转换码被提供给存储器。另外，由于像素信号在低照度下去除噪声是重要的，所以所公开的技术的各种实施方式特别有益于在低照度条件下去除不想要的噪声，并且可在不增加操作时间和功耗的情况下通过经由比较器的多次交叉采用多采样效果而改进所公开的模数转换的去噪性能。
[0064]图3A是示出图2A和图2B所示的偏移发生电路的示例的图。图3B是示出图3A所示的偏移发生电路的示例的图。[0065]参照图3A，偏移发生电路210包括偏移大小调节器213、偏移发生器212和偏移控制器211。
[0066]偏移大小调节器213根据从图2A和图2B的偏移大小控制器232输出的偏移大小控制信号来调节偏移大小。偏移发生器212生成由偏移大小调节器213调节了大小的偏移。偏移控制器211根据从图2A和图2B的控制电路230的交叉检测器231输出的偏移发生控制信号来控制偏移的生成(例如，偏移应用定时)。[0067]更具体地讲，参照图3B，偏移大小调节器213可使用多个开关SW1至SWn来实现。偏移电压的大小由所连接的开关的数量确定。例如，如果第一开关SW1、第二开关SW2和第三开关SW3接通，则包括在偏移发生器212中的第一电容器C1、第二电容器C2和第三电容器C3被操作。在这种情形下，电源电压VDD与接地电压VSS之间的电压范围被分为三个子范围以生成偏移电压。
[0068]如果第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3和第四开关SW4接通，则包括在偏移发生器212中的第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3和第四电容器C4被操作。在这种情形下，电源电压VDD与接地电压VSS之间的电压范围被分为四个子范围以生成偏移电压。[0069]这里，偏移控制器211可包括：多个锁存器Latch[1]至Latch[n]，其用于从图2A和图2B的交叉检测器231接收偏移发生控制信号；以及多个开关，其用于根据多个锁存器Latch[1]至Latch[n]的输出信号在电源电压VDD与接地电压VSS之间切换。电源电压VDD和接地电压VSS可由外部控制电路(未示出)调节。偏移电压的大小可根据偏移控制器211的控制信号来调节。多个锁存器Latch[1]至Latch[n]根据锁存信号VLAT1至VLATn来操作。多个锁存器
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Latch[1]至Latch[n]的数量对应于可用偏移的数量(即，比较器处的斜坡信号和像素信号的交叉数)。偏移的大小和可用偏移的数量可选择性地调节。[0070]基于所公开的技术实现的模数转换装置可包括：比较器，其包括接收待采样的信号的第一输入端子以及接收要与待采样的信号进行比较的斜坡信号的第二输入端子；并联联接的多个电容器，各个电容器包括可联接到电源电压和接地电压中的一个的一个电极；并联联接的多个开关电路，各个开关电路联接到多个电容器中的一个电容器以将多个电容器中的所述一个电容器连接到第一输入端子；控制电路，当第一输入端子和第二输入端子的电压电平变得彼此相同时，控制电路向多个开关电路提供偏移控制信号；以及计数器，其基于第一输入端子和第二输入端子之间的电压差来输出数字码。这里，多个电容器和多个开关电路用作电荷泵，该电荷泵在斜坡信号具有正斜率时升高第一输入端子的电压电平，在斜坡信号具有负斜率时降低第一输入端子的电压电平。
[0071]图4A是示出根据所公开的技术的另一实施方式的比较装置的示例的图。[0072]参照图4A，根据所公开的技术的另一实施方式的比较装置400包括偏移发生电路410、比较电路420和控制电路430。
[0073]偏移发生电路410响应于偏移控制信号而生成偏移以将该偏移应用于像素信号。比较电路420比较像素信号VPIX与应用了偏移的斜坡信号，并输出比较信号。控制电路430根据从比较电路420输出的比较信号来检测像素信号VPIX与斜坡信号的交叉，并向偏移发生电路410输出偏移控制信号(例如，偏移发生控制信号和偏移大小控制信号)。[0074]更具体地讲，当对像素阵列的行执行模数转换时，比较电路420首先比较像素信号VPIX与斜坡信号VRAMP并输出第一比较信号，然后比较像素信号VPIX与应用了偏移电压的斜坡信号并输出第二比较信号，然后比较像素信号VPIX与应用了另一偏移电压的斜坡信号并输出第三比较信号。这样，比较电路420可在重复地将偏移应用于斜坡信号的同时重复地执行采样处理多次。这里，偏移电压由偏移发生电路410生成。在所公开的技术的实现方式中，比较电路420将斜坡信号的电压电平线性地改变偏移电压，并将线性改变的斜坡信号馈送至第二输入电压VIN2的节点。
[0075]在所公开的技术的实施方式中，比较电路420可由单个比较电路组成。另选地，比较电路420可包括多个比较电路。比较电路220可包括第一电容器C1、第二电容器C2、两个开关SWOZ和比较器(例如，运算放大器比较器)。[0076]控制电路430包括交叉检测器431、偏移大小控制器432。
[0077]交叉检测器431基于从比较电路420输出的比较信号来检测斜坡信号VRAMP与像素信号VPIX的交叉，并向偏移发生电路410输出偏移发生控制信号。偏移大小控制器432向偏移发生电路410输出偏移大小控制信号。这里，可基于从交叉检测器431输出的交叉检测结果来生成偏移大小控制信号。[0078]另选地，偏移大小控制器432可被实现为基于诸如定时发生器(图中未示出)的控制电路所提供的控制信号来生成偏移大小控制信号。[0079]在所公开的技术的实施方式中，除了偏移被施加到第二输入电压VIN2的节点之外，偏移发生电路410可按照与图3A和图3B所示的偏移发生电路210相同的方式来实现。
[0080]图4B是示出根据所公开的技术的另一实施方式的包括图4A所示的比较装置的模数转换装置的示例的图。
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参照图4B，根据所公开的技术的另一实施方式的模数转换装置包括偏移发生电路
410、比较电路420、控制电路430和计数器440。[0082]由于图4B所示的偏移发生电路410、比较电路420和控制电路430可按照与图4A所示的偏移发生电路410、比较电路420和控制电路430相同的方式来实现，所以偏移发生电路410、比较电路420和控制电路430的详细描述将被省略。
[0083]计数器440根据从比较电路420输出的比较信号对从图1的控制电路80输出的时钟信号的脉冲数进行计数。
[0084]在所公开的技术的示例实现方式中，计数器440可以是对比较信号执行计数和取平均的平均计数器。
[0085]图4C是示出图4A所示的比较装置和图4B所示的模数转换装置处的斜坡信号VRAMP与像素信号VPIX的交叉定时的时序图。更具体地讲，图4C示出了应用了偏移电压的斜坡信号VRAMP的信号形状以及第一输入电压VIN1与第二输入电压VIN2的交叉定时。[0086]除了第一输入电压VIN1和第二输入电压VIN2的信号变化形状之外，图4C所示的时序图与图2D所示的时序图相似。
[0087]由于图4C所示的第一输入电压VIN1与第二输入电压VIN2的交叉定时与图2D所示的第一输入电压VIN1与第二输入电压VIN2的交叉定时相似，所以第一输入电压VIN1与第二输入电压VIN2的交叉定时的详细描述将被省略。[0088]参照图4C，第一输入电压VIN1具有恒定电压，并且通过从偏移发生电路410输出的偏移电压来调节与斜坡信号VRAMP相同的第二输入电压VIN2的波形。[0089]在所公开的技术的另一实施方式中，通过将电容器添加到输入端子，可增加冗余以减小可能发生的增益误差。这里，可通过将失配值设定为偏移值并在执行操作之后去除所设定的失配值来增加冗余。另外，可通过向不同的输入端子添加大小与所添加的电容相同的虚拟电容来去除该增益误差。
[0090]图5是示出包括根据所公开的技术的实施方式的比较装置的CMOS图像传感器的示例的图。
[0091]参照图5，根据所公开的技术的实施方式的CMOS图像传感器包括像素阵列10、行解码器20、斜坡信号发生电路30、比较电路40、计数电路50、存储器电路60、列读出电路70和控制电路80。
[0092]像素阵列10输出与入射光对应的像素信号。行解码器20逐行地选择并控制像素阵列的像素。斜坡信号发生电路30响应于控制电路的控制信号而生成斜坡信号VRAMP(包括粗略斜坡信号和精细斜坡信号)。比较电路40比较斜坡信号发生电路40的斜坡信号VRAMP与从像素阵列输出的各个像素信号。
[0093]计数电路50根据比较电路40的输出信号对控制电路80的时钟脉冲数进行计数。存储器电路60根据控制电路80所提供的指令存储由计数电路50提供的信息(例如，时钟脉冲数)。列读出电路70根据控制电路80所提供的指令依次输出存储在存储器电路60中的信息作为像素数据PXDATA。控制电路80控制行解码器20、斜坡信号发生电路30、比较电路40、计数电路50、存储器电路60和列读出电路70的操作。[0094]这里，比较电路40包括比较装置42，比较装置42使用根据所公开的技术的实施方式的图2A所示的比较装置200或图4A所示的比较装置400来实现。
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另外，计数电路50包括平均计数器52，平均计数器52使用根据所公开的技术的实
施方式的图2B所示的计数器240或图4B所示的计数器440来实现。
[0096]基于所公开的技术实现的单斜率模数转换技术可采用多采样效果而无需增加时钟数。
[0097]通过经由电容器或电容器阵列对输入信号(例如，像素信号或斜坡信号)应用偏移电压，发生像素信号与斜坡信号的多次交叉，因此单斜坡模数转换器可执行多次采样。[0098]另外，由于像素信号在低照度下去除噪声是重要的，所以所公开的技术的各种实施方式特别有益于在低照度条件下去除不想要的噪声，并且可在不增加操作时间和功耗的情况下改进所公开的模数转换的去噪性能。
[0099]尽管描述了各种实施方式和特定示例，但是可基于所描述和示出的内容进行各种改变和修改。[0100]相关申请的交叉引用
[0101]本专利文献要求2017年10月20日提交的韩国专利申请No.10-2017-0136466的优先权和权益，其整体通过引用并入本文。
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图2A
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