状态机控制的MOS线性电阻器的制作方法

本申请总的来说涉及采样保持电路。更具体地，本申请涉及采用晶体管作为电阻元件的采样保持电路。

背景技术：

图像传感装置通常由图像传感器(通常为像素电路阵列)以及信号处理电路和任何相关的控制或时序电路组成。在图像传感器本身内部，由于光的照射，电荷被收集在像素电路的光电转换器件中。

图1示出了像素电路的一个示例。如图1所示，像素电路100包括光电转换器件101(例如，光电二极管)、浮动扩散FD、转移晶体管102、复位晶体管103、放大晶体管104、选择晶体管105以及垂直信号线106。如图所示，垂直信号线106由同一列内的多个像素电路共用。可选择地，垂直信号线可以由多个列共享。转移晶体管102、复位晶体管103和选择晶体管105的栅电极分别接收信号TRG、RST和SEL。这些信号例如可以由控制或时序电路提供。

虽然图1示出了在特定配置中的具有四个晶体管的像素电路，但是本公开不限于此，并且可以应用于具有更少或更多晶体管以及诸如电容器、电阻器等其他元件的像素电路。另外，本公开可以扩展成在多个光电转换器件之间共享一个或多个晶体管的配置。

累积的电荷然后被转换成数字值。这种转换通常需要几个电路部件，例如采样保持(S/H：sample-and-hold)电路、模数转换器(ADC：analog-to-digital converte)以及时序和控制电路等，其中每个电路部件均用于转换。例如，S/H电路的目的可以是对来自光电二极管操作的不同时间阶段的模拟信号进行采样，然后可以通过ADC将模拟信号转换为数字形式。

然而，在采样保持电路实现中，可能需要调整各种电路部件以例如增加相关双采样(CDS：correlated double sampling)操作中的比较的准确度。因此，需要高准确度调谐的采样保持电路。

技术实现要素：

本公开的各个方面涉及用于改进采样保持电路的操作的采样保持电路和/或栅控电路。

在本公开的一个方面中，采样保持电路包括：采样电容器；第一晶体管；第一开关，其位于所述第一晶体管的栅电极和源电极之间；电流源，其连接至所述第一晶体管的所述源电极；以及电阻元件和第二开关，所述电阻元件和所述第二开关并联连接在所述第一晶体管的漏电极和预定电压之间，其中，所述电阻元件包括第二晶体管，所述第二晶体管根据所述第二晶体管的栅电极处的栅控信号被偏置以在线性区域中操作。

在本公开的另一方面中，采样保持电路包括：采样电容器；第一晶体管；第一开关，其位于所述第一晶体管的栅电极和源电极之间；电流源，其连接至所述第一晶体管的所述源电极；以及电阻元件和第二开关，所述电阻元件和所述第二开关并联连接在所述第一晶体管的漏电极和预定电压之间，其中，所述电阻元件包括并联连接的多个晶体管组，各个晶体管组包括第二晶体管，所述第二晶体管所述第二晶体管的栅电极处的栅控信号被偏置以在线性区域中操作。栅控信号可以源自包括状态机的电路。

在本公开的另外一方面中，晶体管栅控电路被构造成向包括至少一个第一晶体管的晶体管电路提供栅控信号，所述晶体管栅控电路包括：电流源；多个晶体管组，所述多个晶体管组中的各个晶体管组包括第二晶体管，各个所述第二晶体管的栅电极连接至所述第一晶体管电路的栅电极。

在本公开的上述方面中，状态机可以产生至少一个状态改变信号，用以控制电路内各种晶体管的连接或断开。

以这种方式，本公开的上述方面至少在信号处理的技术领域以及相关的成像技术领域中提供了改进。

本公开可以以各种形式来体现，包括：由计算机实现的方法、计算机程序产品、计算机系统和网络、用户接口(user interface)和应用编程接口(application programming interface)控制的硬件或电路；以及硬件实现的方法、信号处理电路、图像传感器电路、专用集成电路、现场可编程门阵列等。前面的概述仅旨在给出本公开的各个方面的一般构思，而不以任何方式限制本公开的范围。

附图说明

在以下参照附图的说明中更全面地公开了各种实施例的这些以及其他更详细和具体的特征，其中：

图1示出了适用于本公开的各个方面的示例性像素电路；

图2示出了根据本公开的各个方面的示例性底极板采样S/H电路；

图3示出了根据图2的示例性S/H电路的示例性信号时序图；

图4示出了在根据图3的信号时序图的特定时序处的示例性S/H电路；

图5示出了根据本公开的各个方面的示例性数字比较器；

图6示出了根据本公开的各个方面的示例性S/H电路和控制器电路；

图7示出了根据本公开的各个方面的示例性电流-电压曲线；

图8示出了根据本公开的各个方面的另一示例性控制器电路；

图9示出了根据本公开的各个方面的另一示例性S/H电路；

图10示出了根据图8的示例性控制器电路的状态图；

图11示出了根据图8的示例性控制器电路的示例性状态表。

具体实施方式

在以下说明中，阐述了许多细节，例如流程图、数据表和系统配置等。对于本领域技术人员来说显而易见的是，这些具体细节仅仅是示例性的，而不旨在限制本申请的范围。

此外，虽然本公开主要聚焦于在图像传感器中使用S/H电路的示例，但应当理解，这仅仅是实现方式的一个示例。将进一步理解的是，所公开的S/H电路可以用于需要对信号进行采样和/或比较两个电压的任何装置中，例如音频信号处理电路、工业测控电路等。

以这种方式，本公开在信号处理的技术领域以及图像传感和图像处理的相关技术领域中提供了改进。

<采样保持电路>

图2示出了底极板采样类型的示例性模拟S/H电路200。该说明性S/H电路包括：放大器205、采样电容器204和开关201～203。在该示例中，V_ref1是参考电压，V_in是待被采样的输入模拟电压(即输入信号)。在图像传感器实现中，V_in表示像素值。开关201～203优选为晶体管，例如CMOS晶体管。

在操作中，由控制信号SW1～SW3根据特定时序来控制开关201～203。也就是说，开关201由控制信号SW1控制，开关202由控制信号SW2控制，开关203由控制信号SW3控制。图3示出了S/H电路200的操作的示例性时序图，并示出了控制信号SW1～SW3各自的波形。在图3中，出于说明目的，“高”信号表示“闭合”(即连接)开关，“低”信号表示“打开”(即断开)开关。

在所示周期的开始，对信号V_in进行采样。在此期间，信号SW1和SW2为高，信号SW3为低。因此，开关201和202闭合，而开关203打开。这导致电容器204被充电到电压V_c＝V_in(t1)-V_ref1，其中t1是电容器被充电的时间。在电容器204被充电之后，信号SW1变低，而信号SW2保持高并且信号SW3保持低。因此，开关201打开，而开关202保持闭合，开关203保持打开。这断开了放大器205的反馈路径。电容器204处的电压保持在前一级的电平，即，V_in(t1)-V_ref1。接着，使信号SW2和SW3反转。也就是说，在开关201保持打开的状态下，开关202变为打开，开关203变为闭合。电容器204上的电压V_c和放大器205上的反馈连接使放大器205的输出电压V_out与V_in相同。也就是说，V_out＝V_c+V_ref1＝V_in(t1)-V_ref1+V_ref1＝V_in(t1)。

除了这种采样操作之外，特定应用可能需要对像素电路的输出和特定阈值进行比较。在上述采样操作中，该比较可以在第二步之后但是第三步之前执行，也就是说，在开关201和203均打开且开关202闭合时执行该比较。图4示出了此时的S/H电路200的状态，其中，用V_ref2表示参考电压。此时，放大器205用作比较器。由于电容器204被充电至V_c＝V_in(t1)-V_ref1，因此放大器205的输入端处的差分电压为V_ref2-V_in(t2)+V_in(t1)-V_ref1。因此，如果V_in(t2)>V_in(t1)+V_ref2-V_ref1，则比较器输出处于高状态。相反地，如果V_in(t2)<V_in(t1)+V_ref2-V_ref1，则比较器输出处于低状态。

为了在图像传感器中加入比较操作以用于诸如黑太阳检测(black sun detection)、模拟增益控制等的特定目的，优选能够改变V_ref1和V_ref2。图5A～C示出了用于在诸如S/H电路200等的S/H电路中使检测阈值偏移的示例性开关电容器电路500。开关电容器电路500包括采样电容器501、输出电流I的电流源502、晶体管503、具有电阻R的电阻器504以及开关505和506。采样电容器501的一个电极连接到晶体管503的栅极。电流源502连接到晶体管503的第一电流端子(例如，源电极)。开关506设置在晶体管503的栅极和第一电流端子之间。电阻器504和开关505并联地设置在晶体管503的第二电流端子(例如，漏电极)和诸如地电位等的预定电压之间。

如图5B所示，在采样阶段的操作期间，开关505打开，并且开关506闭合。在该时刻t1处，采样电容器501被充电至电压V_in(t1)-(I×R+ΔV)，其中，ΔV为晶体管503的栅极-漏极电压。然后，如图5C所示，闭合开关505，并打开开关506。在该时刻t2处，如果V_in(t2)>V_in(t1)-I×R，那么晶体管503接通，并且晶体管输出点处于低电平。然而，如果V_in(t2)<V_in(t1)-I×R，则晶体管503截止，并且晶体管输出点处于高电平。因此，该示例性电路的“跳变点”是V_in(t1)-I×R。

乘积I×R决定了跳变点的偏移，因此I和R的精度决定了比较的准确度。

<跳变点控制>

图6示出了示例性S/H电路，其中用晶体管604替换掉了图5A的电阻器。还示出了开关506和507，并且二者与以上参照图2说明的开关类似地操作。此外，设置了栅控电路600来控制晶体管604的栅极电压V_g。栅控电路600包括放大器601、电流源602和晶体管603。为了提供有效的栅极控制，使电流源502和602匹配，使得二者的电流输出均为I，并且使晶体管603和604匹配，使得它们具有相同的特性。

图7示出了晶体管的用于说明其操作模式的示例性电流-电压曲线。在图7中，纵轴表示电流I，横轴表示晶体管两端的漏极-源极电压V_ds。图7中的不同曲线由栅极电压V_g参数化。对于每个特定曲线(即对于每个V_g值)，当V_ds低时，I与V_ds大致成线性比例关系。因此，这个区域被称为线性区域或欧姆区域。在这个区域中，晶体管的作用像电阻等于V_ds/I的电阻器一样。对于较大的V_ds值，I相对于V_ds的曲线开始弯曲，并且它们的关系不再是线性的。该区域被称为饱和区域。这里，晶体管604被偏置以在线性模式下操作。

例如，在用于黑太阳检测或模拟增益控制的操作中，希望按照特定操作的要求来提供比较器跳变点的偏移。如上所述，该跳变点由V_in(t1)-I×R确定。因此，优选为特定应用提供与所需跳变点相对应的适当电阻值R。

在图6的图示中，晶体管604被控制成作为电阻为R的电阻器操作。这个操作等同于选择一个值V_g，使得图7所示的操作曲线在线性区域中的倾斜度等于1/R。因此，当栅控电路600将V_g提供给晶体管604时，可以动态地控制电阻值R，从而提供更灵活的电路以适应各种应用。

如上所述，因为晶体管603和604匹配且电流源502和602匹配，所以晶体管603和604的相应漏极-源极电压相同。因此，可以通过在放大器601的负输入端处施加适当的控制电压V_s来实现期望的操作电压V_g。因为晶体管604需要在线性区域中操作，所以V_g必须满足两个条件。首先，为了确保V_g在操作期间不被削波，V_g应当小于放大器601的电源电压V_dd。其次，为了确保线性操作，V_g应当被设定为使得V_g>V_th+V_s，其中V_th是可取决于I、硅基板中的晶体管的宽长比、温度等等的阈值电压。

因此，在实际的电路实现中，优选的是，控制晶体管以目标电阻值R操作，同时在线性区域中操作而不进行削波(clipping)。尽管图7示出了单个晶体管的特定操作范围(R的电阻范围和V_g的操作电压范围)，但也可以扩展该范围以确保可以提供所需的电阻值R，同时保持V_ds足够大以使晶体管在线性区域中操作，与此同时保持满足上述条件的V_g。这可以通过并联使用多个晶体管并提供根据V_ds来选择适当晶体管的机制来实现。

图8示出了利用多个晶体管来扩展栅控电路的操作范围的实现方式。具体地，图8示出了例如可以代替图6的栅控电路600的栅控电路800。栅控电路800包括数模转换器(DAC：digital-to-analog converter)801、放大器802、提供电流I的电流源803、状态机804、开关811～812、821～822和831～832、晶体管813、823和833以及比较器841和842。开关和晶体管被分组为三个组：开关811～812和晶体管813形成第一组；开关821～822和晶体管823形成第二组；并且开关831～832和晶体管833形成第三组。这三个组并联连接，并且分别通过由状态机804产生的控制信号S1～S3来接入电路中以及与电路断开。晶体管813、823和833中的各者被设计为具有不同的特性(即，包括硅的不同高宽比和尺寸的不同形状)，使得它们单独地或并行地操作以为R和V_g提供大的操作范围。

在栅控电路800中，漏极-源极电压V_ds被馈送到比较器841和842的正输入端。低开关电压V_low被馈送到比较器841的负输入端，并且高开关电压V_high被馈送到比较器842的负输入端。高开关电压和低开关电压表示用于确定状态和切换三个晶体管的两个截止电压。为了连接晶体管813，在开关812打开的同时闭合开关811。为了断开晶体管813，在开关812闭合的同时打开开关811。分别使用开关821～822和831～832以类似的方式连接或断开晶体管823和833。如上所述，电压V_g被提供给S/H电路中的晶体管。然而，为了保持栅控电路800中与对应的S/H电路中的晶体管之间的特性匹配，优选地，在S/H电路中使用三个晶体管并且以与栅控电路800中的所选晶体管呈镜像的方式选择性地向三个晶体管中的一个或多个提供V_g。这由图9示出。

图9示出了结合栅控电路800的利用多个晶体管来扩展操作范围的示例性S/H电路900。与图6的图示类似，S/H电路900包括采样电容器901、电流源902、晶体管903和开关904～906。然而，在S/H电路900中，用于跳变点控制的晶体管被与开关906并联连接的一套三组晶体管和相关联的开关所代替。具体地，开关911～912和晶体管913形成第一组，开关921～922和晶体管923形成第二组，并且开关931～932和晶体管933形成第三组。以与栅控电路800中的开关呈镜像的方式，分别通过由状态机804产生的控制信号S1～S3来使三组晶体管切入电路或切出电路。为了连接晶体管913，在开关912打开的同时闭合开关911。为了断开晶体管913，在开关912闭合的同时打开开关911。分别使用开关921～922和931～932以类似的方式连接或断开晶体管923和933。电压V_g由栅控电路800提供。S/H电路900中的晶体管与栅控电路800中的相应晶体管匹配，使得晶体管813和913匹配，晶体管823和923匹配，并且晶体管833和933匹配。

虽然图8～9出于说明的目的示出了三个晶体管，但是明确的是可以以相似的逻辑和布局使用仅两个晶体管或多于三个晶体管。当使用三个晶体管时，可以提供七种不同状态。更一般地，当使用n个晶体管时，可以提供2ⁿ-1种状态，这是因为未使用所有晶体管均断开的状态。

在图8中，比较器841和842向状态机提供V_ds高于V_high、处于在V_low和V_high之间、还是低于V_low的信息。使用该信息以及晶体管813、823和833的当前状态(分别对应于晶体管913、923和933的当前状态)，状态机确定晶体管配置应该保持不变还是改变。在图像传感器的特定实现方式中，根据需要，每行都进行一次这种确定，并且晶体管配置每行更新一次。可以为这个电路设计更高或更低的其他更新频率。

图10示出了栅控电路800和S/H电路900的示例性状态转换图。每个圆圈表示由圆圈中的数字标识的状态。图11示出了每种状态下的晶体管连接配置，其中“1”表示连接，“0”表示断开。因此，状态0对应于所有晶体管都断开连接的配置并且未被使用。状态1也对应于“复位”状态，该状态是在系统复位之后系统初始化到的状态。该状态是晶体管813和913连接，同时晶体管823、833、923和933断开的状态。

如图10所示，状态机804基于V_low、V_high和V_ds之间的关系来评估是否应该发生转换。例如，在系统当前处于状态2的情况下(即，晶体管823和923连接，同时晶体管813、833、913和933断开)，状态机804将V_ds与V_low和V_high进行比较以确定是否应该发生转换，如果应该发生转换，应该发生哪种转换。如果V_low<V_ds<V_high，则保持状态2。如果V_ds>V_high，则系统转换至状态3(其中，晶体管813、823、913和923连接，同时晶体管833和933断开)。如果V_ds<V_low，则系统转换至状态1(其中，晶体管813和913连接，同时晶体管823、833、923和933断开)。

<结论>

关于这里说明的过程、系统、方法、启发方法(heuristics)等，应该理解的是，尽管这种过程等的步骤已经被说明为根据某个有序序列发生，但是这种过程可以用按照这里说明的顺序以外的顺序执行的所说明的步骤来实施。还应该理解的是，可以同时执行某些步骤，可以增加其他步骤，或者可以省略在此说明的某些步骤。换句话说，本文中的对过程的说明是为了说明某些实施例的目的而提供的，并且决不应被解释为限制权利要求。

因此，应该理解，以上描述旨在是进行说明而非进行限制。通过阅读上述说明，所提供的示例之外的实施例和应用会变得明显。不应该参照上面的说明来确定范围，而应该参照所附权利要求以及这些权利要求有权享有的等同物的全部范围来确定范围。预见并预期在本文中讨论的技术会发生未来发展，并且所公开的系统和方法将被结合入这种未来实施例中。总之，应该理解的是，应用能够修改和变化。

在权利要求书中使用的所有术语旨在给予它们最广泛的合理解释和它们的普通含义，如本文所述的技术领域中的技术人员所理解的那样，除非在此作出明确相反的说明。具体而言，除非权利要求列举明确相反的限定，否则如“该”、“所述”等词的使用应当叙述为一个或多个所指示的元件。

本公开的摘要提供为允许读者快速地确定技术公开的性质。可以理解的是，摘要不会被用来解释或限制权利要求书的范围或含义。另外，在前面的具体实施方式中，可以看出，出于精简本公开的目的，各种特征在各种实施例中组合在一起。本公开的方法不应被解释为反映以下意图：所要求保护的实施例需要比每个权利要求中明确记载的特征更多的特征。相反，如权利要求所反映的，发明主题取决于比单个公开的实施例的所有特征更少的特征。因此，权利要求在此被并入到具体实施方式中，其中每个权利要求本身作为单独要求保护的主题。