相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年1月29日提交的第10-2016-0011731号韩国专利申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
本发明的示例性的实施例总体而言涉及一种半导体设计技术，更具体地，涉及一种图像感测设备及其驱动方法。
背景技术：
图像感测设备使用半导体的光敏特性来捉取图像。图像感测设备通常分为电荷耦合器件(ccd)图像传感器和互补金属氧化物半导体(cmos)图像传感器。cmos图像传感器可使模拟和数字控制电路二者直接在单个集成电路(ic)上实现，使得cmos图像传感器成为应用最广泛的图像传感器的类型。
图像感测设备包括斜坡信号发生电路，斜坡信号发生电路用于产生在确定像素信号的电压电平时所需的斜坡信号。斜坡信号发生电路通常分为基于可变电流的斜坡信号发生电路和基于可变电阻的斜坡信号发生电路。基于可变电流的斜坡信号发生电路通过在产生斜坡信号时控制电流量来控制斜坡信号的斜率。基于可变电阻的斜坡信号发生电路通过在产生斜坡信号时控制电阻值来控制斜坡信号的斜率。斜坡信号的斜率与模拟增益有关。与基于可变电流的斜坡信号发生电路相比，基于可变电阻的斜坡信号发生电路对器件噪声不敏感。
另外，图像感测设备包括噪声补偿电路，噪声补偿电路用以抵消反映在像素信号内的噪声分量。噪声分量可以是像素功率噪声，像素功率噪声被包括在用于产生像素信号的驱动电压中。噪声补偿电路基于驱动电压而感测噪声分量，以及将感测的噪声分量反映在斜坡信号中。在这种情况下，反映在像素信号中的噪声分量和反映在斜坡信号中的噪声分量经由后方电路相互抵消。
技术实现要素：
本发明的示例性实施例针对一种对像素功率噪声和器件噪声二者均不敏感的图像感测设备。
根据本发明的一个实施例，图像感测设备包括：像素，适用于基于第一驱动电压而产生像素信号；基于可变电阻的斜坡信号发生块，斜坡信号发生块适用于产生斜坡信号，斜坡信号的斜率由根据模拟增益而变化的电阻值来控制；基于固定电阻的噪声补偿块，适用于感测包括在第一驱动电压中的噪声分量以产生噪声信号，以及适用于将噪声信号反映在斜坡信号中；以及数字处理块，适用于基于像素信号和斜坡信号而产生数字信号。
图像感测设备还可以包括采样块，采样块适用于对像素信号、斜坡信号和噪声信号进行采样。
采样块可以包括：第一采样单元，适用于对像素信号进行采样；第二采样单元，适用于对斜坡信号进行采样；以及第三采样单元，适用于对噪声信号进行采样。
第一采样单元至第三采样单元的每个可以包括电容器。
第一采样单元的电容可以等于第二采样单元的电容与第三采样单元的电容之和。
斜坡信号发生块可以包括：斜坡电流发生单元，耦接在第二驱动电压的供应端子和斜坡信号的输出端子之间，且适用于基于具有均一电压电平的偏置信号和时钟信号而产生斜坡电流；以及可变电阻单元，耦接在斜坡信号的输出端子和地电压的供应端子之间，且具有基于与模拟增益相对应的可变控制信号而变化的电阻值。
噪声补偿块可以包括：噪声电流发生单元，耦接在第一驱动电压的供应端子和噪声信号的输出端子之间，且适用于感测来自第一驱动电压的噪声分量，以及产生与噪声分量相对应的噪声电流；以及固定电阻单元，耦接在噪声信号的输出端子和地电压的供应端子之间，且具有均一的电阻值。
根据本发明的另一个实施例，图像感测设备包括：像素，适用于基于第一驱动电压而产生像素信号；斜坡信号发生块，适用于产生斜坡信号，斜坡信号的斜率基于模拟增益来控制；噪声补偿块，适用于感测包括在第一驱动电压内的噪声分量以产生噪声信号；采样块，适用于对像素信号、斜坡信号和噪声信号进行采样，以及将采样的噪声信号反映在采样的斜坡信号中；以及数字处理块，适用于基于采样的像素信号和采样的斜坡信号而产生数字信号。
采样块可以包括：第一采样单元，适用于对像素信号进行采样；第二采样单元，适用于对斜坡信号进行采样；以及第三采样单元，适用于对噪声信号进行采样。
第一采样单元至第三采样单元的每个可以包括电容器。
第一采样单元的电容可以等于第二采样单元的电容与第三采样单元的电容之和。
斜坡信号发生块可以基于可变电阻来设计。
斜坡信号发生块可以包括：斜坡电流发生单元，耦接在第二驱动电压的供应端子和斜坡信号的输出端子之间，且适用于基于具有均一电压电平的偏置信号和时钟信号而产生斜坡电流；以及可变电阻单元，耦接在斜坡信号的输出端子和地电压的供应端子之间，且具有基于与模拟增益相对应的可变控制信号而变化的电阻值。
噪声补偿块可以基于固定电阻来设计。
噪声补偿块可以包括：噪声电流发生单元，耦接在第一驱动电压的供应端子和噪声信号的输出端子之间，且适用于感测来自第一驱动电压的噪声分量，以及产生与噪声分量相对应的噪声电流；以及固定电阻单元，耦接在噪声信号的输出端子和地电压的供应端子之间，且具有均一的电阻值。
根据本发明的另一个实施例，一种用于驱动图像感测设备的方法包括：基于根据模拟增益而变化的电阻值而产生斜坡信号；在同等条件下将包括在像素块的驱动电压中的噪声分量产生为噪声电流，而无论模拟增益如何，以及将与噪声电流相对应的噪声信号反映在斜坡信号中；从像素块中产生像素信号；以及基于像素信号和斜坡信号而产生数字信号。
该方法还可以包括：对像素信号和斜坡信号进行采样，其中，基于采样的像素信号和采样的斜坡信号而产生数字信号。
该方法还可以包括：对噪声信号进行采样，其中，将采样的噪声信号反映在采样的斜坡信号中。
可以基于均一的电阻值而产生噪声分量。
附图说明
图1是图示了根据本发明的实施例的图像感测设备的框图。
图2是图示了根据本发明的实施例的图像感测设备的部分的电路图。
图3是图示了根据本发明的实施例的斜坡信号发生块的电路图。
图4是图示了根据本发明的实施例的噪声补偿块的电路图。
图5是图示了根据本发明的实施例的用于驱动图像感测设备的方法的流程图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。提供这些实施例使本公开彻底而完整。本公开提及的所有“实施例”指的是在本文中公开的本发明的实施例。提出的实施例仅为示例而并非旨在限制本发明。
在本文中使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，而并非旨在对发明构思进行限制。如本文中所用，除非上下文清楚地另外表明，否则单数形式“一”、“一个”和“所述”意在也包括复数形式。还将理解的是，术语“包含”、“包含有”、“包括”和/或“包括有”在本说明书中使用时表示所述特征的存在，但不排除一个或更多的其它特征的存在或附加。如本文中所用，术语“和/或”表示一个或更多的相关的列出项目的任意组合和所有组合。
在某些情况下，正如对于本领域技术人员将显而易见的是，除非另外特别表明，否则关于特定实施例描述的特征可以单独地使用或者与其它实施例结合使用。
为了描述的便利起见，在本发明的实施例中描述了4*4结构的像素阵列，然而，我们注意到本发明不限于此。
根据本发明的一个实施例，根据图1的实施例提供了图像感测设备。
参照图1的实施例，图像感测设备100可以包括像素阵列110、斜坡信号发生块120、噪声补偿块130、第一采样块至第四采样块140以及第一数字处理块至第四数字处理块150。
像素阵列110可以包括排列成行和列的4*4像素。像素阵列110可以以行为单位产生第一像素信号至第四像素信号vpx<1:4>。像素阵列110可以基于施加于像素阵列110的第一驱动电压vddpx(如图2所示)而产生第一像素信号至第x像素信号vpx<1:x>。
斜坡信号发生块120可以产生斜坡信号vramp，斜坡信号vramp的斜率由根据与模拟增益相对应的可变控制信号ctrl_gain而变化的电阻值来控制。例如，斜坡信号发生块120可以包括基于可变电阻的斜坡信号发生电路。
噪声补偿块130可以将包括在第一驱动电压vddpx内的噪声分量产生为噪声信号vnc。具体地，在同等条件下，噪声补偿块130可以产生与噪声分量相对应的噪声信号vnc，而无论模拟增益如何。例如，噪声补偿块130可以包括基于固定电阻的噪声信号补偿电路。
第一采样块至第四采样块140可以对第一像素信号至第x像素信号vpx<1:x>、斜坡信号vramp和噪声信号vnc进行采样。可以以彼此相同的方式来设计第一采样块至第四采样块140。例如，第一采样块至第四采样块140中的每个可以包括稍后将更详细说明的多个电容器。
基于采样的第一像素信号至第x像素信号svpx<1:x>、采样的斜坡信号svramp和采样的噪声信号svnc，第一数字处理块至第四数字处理块150可以产生第一数字信号至第x数字信号dout<1:x>。可以以彼此相同的方式来设计第一数字处理块至第四数字处理块150。例如，第一数字处理块至第四数字处理块150中的每个可以包括稍后将更详细说明的模数转换器(adc)。
图2是图示了图1中所示的图像感测设备100的部分的电路图。
参照图2的实施例，图像感测设备100可以包括第一像素px11、斜坡信号发生块120、噪声补偿块130、第一采样块141以及第一数字处理块151。
基于施加于第一像素px11的第一驱动电压vddpx，第一像素px11可以产生第一像素信号vpx<1>。由于第一像素px11对于本领域技术人员而言是众所周知的，因而在此省略关于其的详细描述。
斜坡信号发生块120可以包括斜坡电流发生单元121和可变电阻单元123。斜坡电流发生单元121可以耦接在第二驱动电压vddramp的供应端子和斜坡信号vramp的输出端子之间。可变电阻单元123可以耦接在斜坡信号vramp的输出端子和地电压vss的供应端子之间。(参考图3)以下将详细地描述斜坡信号发生块120。
噪声补偿块130可以包括噪声电流发生单元131和固定电阻单元133。噪声电流发生单元131可以耦接在第一驱动电压vddpx的供应端子和噪声信号vnc的输出端子之间。固定电阻单元133可以耦接在噪声信号vnc的输出端子和地电压vss的电源端子之间。(参考图4)以下将详细地描述噪声补偿块130。
第一采样块141可以包括第一采样单元c1、第二采样单元c2和第三采样单元c3。第一采样单元c1可以对第一像素信号vpx<1>进行采样，以产生采样的第一像素信号svpx<1>。第二采样单元c2可以对斜坡信号vramp进行采样，以产生采样的斜坡信号svramp。第三采样单元c3可以对噪声信号vnc进行采样，以产生采样的噪声信号svnc，并且可以在采样的斜坡信号svramp中反映采样的噪声信号svnc。例如，第一采样单元至第三采样单元c1、c2和c3的每个可以包括电容器。在这种情况下，期望的是，第一采样单元c1的电容被设计为等于第二采样单元c2的电容和第三采样单元c3的电容之和。
第一数字处理块151可以包括第一比较单元amp1和第一计数单元cnt1。第一比较单元amp1可以将采样的第一像素信号svpx<1>与采样的斜坡信号svramp进行比较，以产生与比较结果相对应的第一比较信号c<1>。例如，第一比较单元amp1可以包括差分放大器。第一计数单元cnt1可以基于第一比较信号c<1>而对计数时钟信号clk_cnt进行计数，以及可以产生与计数结果相对应的第一数字信号dout<1>。例如，第一计数单元cnt1可以包括加减计数器。
参照图3的实施例，斜坡信号发生块120可以包括斜坡电流发生单元121和可变电阻单元123。
基于具有均一电压电平的偏置信号vb和斜坡时钟信号clk_ramp，斜坡电流发生单元121可以产生与斜坡信号vramp相对应的斜坡电流iramp。由于斜坡电流发生单元121对于本领域技术人员而言是众所周知的，因而在此省略关于其的详细描述。
可变电阻单元123可以具有基于可变控制信号ctrl_gain而变化的电阻值。例如，可变电阻单元123可以具有对应于模拟增益而变化的电阻值。电阻值可以是控制斜坡信号vramp的斜率所需的参数。例如，可变电阻单元123可以包括第一可变电阻rr和第二可变电阻rrb。第一可变电阻rr可以耦接至斜坡信号vramp的输出端子。第二可变电阻rrb可以耦接至斜坡互补信号(rampbarsignal)的输出端子，斜坡互补信号与斜坡信号vramp相反地呈斜坡状。由于本发明的实施例中使用了斜坡信号vramp，因而在此不再提及与斜坡互补信号相关的结构。
参照图4的实施例，根据本发明的实施例的噪声补偿块130可以包括噪声电流发生单元131和固定电阻单元133。
噪声电流发生单元131可以感测来自第一驱动电压vddpx的噪声分量，以产生与噪声分量相对应的噪声电流inc。由于噪声电流发生单元131对于本领域技术人员而言是众所周知的，因而在此省略关于其的详细描述。
固定电阻单元133可以具有均一的电阻值。例如，固定电阻单元133可以包括固定电阻rn。
在下文中，描述具有上述结构的图像感测设备100的操作。
为了说明的便利起见，以下典型地描述与第一像素px11相关的结构。
参照图5的实施例，在步骤s100处的第一行时间期间，第一像素px11可以产生第一像素信号vpx<1>。由于第一像素px11基于第一驱动电压vddpx而产生第一像素信号vpx<1>，因而包括在第一驱动电压vddpx中的噪声分量可以反映在第一像素信号vpx<1>中。
在步骤s200处的第一行时间期间，斜坡信号发生块120可以产生具有与预先设置的模拟增益相对应的斜率的斜坡信号vramp。具体地，基于根据模拟增益而变化的电阻值，斜坡信号发生块120可以产生斜坡信号vramp。例如，基于与模拟增益相对应的可变控制信号ctrl_gain，可变电阻单元123可以被控制为具有与斜率相对应的电阻值。在这种条件下，当斜坡电流发生单元121基于斜坡时钟信号clk_ramp和偏置信号vb而向斜坡信号vramp的输出端子产生斜坡电流iramp时，可以产生具有与模拟增益相对应的斜率的斜坡信号vramp。
在步骤s300处，噪声补偿块130可以感测包括在第一驱动电压vddpx中的噪声分量，以产生噪声信号vnc。具体地，在同等条件下，噪声补偿块130可以产生噪声信号vnc，而无论模拟增益如何。例如，在无论模拟增益如何固定电阻单元133都具有均一的电阻值的条件下，当噪声电流发生单元131向噪声信号vnc的输出端子产生与噪声分量相对应的噪声电流inc时，无论模拟增益如何都可以生成噪声信号vnc。
随后，第一采样块141可以对第一像素信号vpx<1>进行采样以产生采样的第一像素信号svpx<1>，以及对斜坡信号vramp进行采样以产生采样的斜坡信号svramp，以及对噪声信号vnc进行采样以产生采样的噪声信号svnc。在步骤s400处，第一采样块141可以将采样的噪声信号svnc反映在采样的斜坡信号svramp中。
在步骤s500处，基于采样的第一像素信号svpx<1>和采样的斜坡信号svramp，第一数字处理块151可以产生第一数字信号dout<1>。例如，第一比较单元amp1可以将采样的第一像素信号svpx<1>与采样的斜坡信号svramp相比较，以产生第一比较信号c<1>，以及第一计数单元cnt1基于第一比较信号c<1>和计数时钟信号clk_cnt而产生第一数字信号dout<1>。由于第一比较单元amp1可以包括差分放大器，因此，反映在采样的第一像素信号svpx<1>中的噪声分量与反映在采样的斜坡信号svramp中的噪声分量可以在第一比较单元amp1的比较操作期间彼此抵消。
根据本发明的一个实施例，与基于可变电流的斜坡信号发生电路相比较，所提供的对器件噪声(例如，热噪声)不敏感的图像感测设备可以通过噪声补偿电路来抵消包括在像素信号内的噪声分量。此外，图像感测设备可以具有用于斜坡信号发生电路和噪声补偿电路的独立操作的优选结构。
根据本发明的一个实施例，由于图像感测设备对像素功率噪声和器件噪声二者均不敏感，因此水平噪声可以最小化。
虽然已经就特定的实施例对本发明进行了描述，但是实施例并非意于是限制性的，而是描述性的。此外，注意到的是，在不脱离以下权利要求所限定的本发明的范围的情况下，本领域技术人员可以通过替换、改变和修改来以各种方式实现本发明。