A/d转换器、固态图像捕捉装置和电子信息设备的制作方法

专利名称：A/d转换器、固态图像捕捉装置和电子信息设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及A/D转换器、固态图像捕捉装置、和电子信息设备，更具体而言，涉及 用于将模拟信号转换成数字数据的A/D转换器、包括该A/D转换器的固态图像捕捉装置、和 包括在其中使用的该固态图像捕捉装置的电子信息设备。本发明基于列并行A/D转换器的 底层技术，其中，为每个列布置了采样保持部和比较部，并且其被用于CCD和CMOS图像传感 器、近红外和远红外图像传感器等，其中，将用于将能量转换成电子的元件(包括光电转换 元件)定义为一个单元像素，并且将多个像素布置成行列。
背景技术：
在包括新近的CMOS图像传感器的固态图像捕捉装置中，由于CMOS逻辑工艺与图 像传感器工艺的合并，可以在CMOS图像传感器芯片上装配复杂模拟电路和数字电路以及 信号处理单元。此外，某些固态图像捕捉装置包括装配在传感器芯片上的A/D转换器。特别是在固态图像捕捉装置中使用的A/D转换器的架构包括列并行A/D转换器的配置。列并行A/D转换器是这样一种A/D转换器，其中，为被布置成行列的固态图像捕捉 元件(在下文中称为“像素”)的每个列提供A/D转换器的实质部分(例如采样保持部和比 较部)。此类A/D转换器的有利之处在于其可以将转换速率降低至用于一行的读出速率以 减少其总功率消耗，并且容易增大读出速率。在此类列并行A/D转换器之中，一般使用具有使用斜坡波信号的系统的那些。在 10位精确度的分辨率的情况下，具有此系统的A/D转换器使用其中以1024步长使斜坡波信 号的电平递增(或递减)，并且同时由计数器电路来执行正数(或倒数)计数以将比较器的 输出被反相时的计数器值作为模拟像素信号的数字像素数据存储在数字存储器中，该比较 器用于将斜坡波信号电平与像素信号电平相比较。图11是参考文献1中描述的诸如CMOS图像传感器的固态图像捕捉装置的系统配置图。图11所示的固态图像捕捉装置200a包括多个像素200，其被布置成行列；垂直 解码器电路201，其用于选择每个像素行；采样保持电路和比较电路部4A (在下文中也缩写 为SHC电路部)，其用于对来自每个像素列的模拟像素信号进行采样保持并将信号与斜坡 波形相比较；以及斜坡波发生电路202，其用于生成斜坡波形。固态图像捕捉装置200a还 包括计数器电路203，其用于生成N位计数值；数字存储器电路(N位)206，其用于接收N 位计数值并依照来自SHC电路部4A的比较输出将N位计数值存储为对应于上述模拟像素 信号的数字像素数据；以及水平解码器电路204，其用于控制数字存储器电路206，以便连 续地输出存储在每个数字存储器电路206中的数字像素数据。
另外，图12是描述具有传统技术的列并行A/D转换器的图示，其被包括在上述固 态图像捕捉装置中。图12示出列并行A/D转换器中的由电容和开关组成的采样保持电路 和比较电路部以及组成像素的像素电路。到SHC电路部4A的输入之一是来自像素的输入信号Vpix，且另一输入是来自斜 坡波发生电路202的输出信号Vr。斜坡波发生电路202是用于生成将被与复位电平Vrst 与信号电平Vsig之间的电压差ΔΥ相比较的斜坡波的电路，所述电压差AV依照光的量而变。另外，像素200由像素电路4Β组成。像素电路4Β包括光电二极管PD，其用于对 入射光进行光电转换；电荷积聚部(浮置扩散)FD，其用于积聚通过光电二极管PD进行的 光电转换获得的信号电荷；转移晶体管Tt，其用于将信号电荷从光电二极管PD转移到电荷 积聚部FD ；复位晶体管Tr，其连接在电源VD与电荷积聚部FD之间，用于使电荷积聚部FD 的电位复位至源电压；放大晶体管Ta，其用于将电荷积聚部FD的电位放大；以及选择晶体 管Ts，其连接在放大晶体管Ta与读出信号线L (在下文中也称为像素信号线)之间，用于选 择像素。复位晶体管Tr的栅极被输入像素复位信号RST，转移晶体管Tt的栅极被输入转移 信号TX，并且选择晶体管Ts的栅极被输入水平线选择信号SEL。读出信号线L被提供给每个像素列，并连接到恒定电流源403。另外，被读出信号 线L读出的模拟像素信号被提供给充当采样保持电路和比较电路的SHC电路部4A。如图12所示，SHC电路部4A包括开关(SWl) 401a，其连接在SHC电路部4A的第 一节点N41与读出信号线L之间；第一电容元件(Cl)402a，其连接在电路部的第一节点N41 与第二节点N42之间；第二开关(SW2)401b和第二电容元件(C2)402b，其串联地连接在第 一节点N41与斜坡波形输入节点Nr之间；比较电路400，其连接在第二节点N42与输出节 点(CPOUT)Ncp之间；以及第三开关(SW3)401c，其与比较电路400并联连接。由控制信号 Sffl至SW3控制第一至第三开关401a至401c接通和关断。本文中的SHC电路部4A包括采样保持电路4A1和比较电路4A2。采样保持电路 4A1由两个开关401a和401b以及两个电容元件402a和402b组成。另外，比较部4A2由比 较电路400和第三开关401c组成。另外，在固态图像捕捉装置200a中，SHC电路部4A、数字存储器电路206、计数器 电路203、以及斜坡波发生电路202组成A/D转换器220a。这里应注意的是出于解释的原因，由控制信号SWl至SW3来控制第一至第三开关 (Sffl至SW3)401a至401c且这些控制信号连同像素驱动信号一起从控制部210供应。接下来，将描述操作。图13是示出用于驱动像素的各驱动信号SEL、RST和TX的电平变化；用于控制SHC 电路部(采样保持电路和比较电路)4A的各控制信号SWl至SW3的电平变化；以及来自像 素的输入信号Vpix的电压变化的图示。首先，在时间tl，水平线选择信号SEL被接通，水平线选择信号SEL是像素驱动信 号，并且同时，像素复位信号RST被接通。结果，像素的浮置扩散FD的电位电平被上拉至像 素电源VD，同时，像素信号Vpix的电压、亦即连接到所选像素的读出信号线L的电压也增 大。接下来，在时间t2，用于控制像素信号Vpix到采样保持电路的输入的开关401a和比较电路的自动调零开关401c被各控制信号SWl和SW3接通。像素信号Vpix的电压电平 由于接通这些开关时的馈通的影响而略有减小。在时间t3，像素复位信号RST被关断，因此像素信号Vpix的电压通过采样保持电 路4A1中的第一采样电容402a(电容值Cl)、读出信号线L的附加电容、和由像素中的恒定 电流源和晶体管组成的源跟随电路的放大运算稳定(settle)至像素的复位电平Vrst。在时间t4，比较电路的自动调零开关401c被关断，因此在第一采样电容402a中保 持用于像素的复位电平Vrst与用于比较电路的反相电平Vth之间的电压差。在这里，比较 电路的反相电平Vth是比较电路的阈值电压。接下来，在时间t5，像素的转移栅极(转移晶体管)Tt被接通，因此电荷从光电二 极管PD转移到浮置扩散FD，并且浮置扩散FD的电压减小。然而，在图13所示的暗周期期 间，浮置扩散FD的电压由于转移栅极(转移晶体管的栅极)和浮置扩散FD的电容耦合而 增大，并且像素信号Vpix的电压同时增大。在时间t6，转移栅极(转移晶体管)Tr被截止，因此像素信号Vpix的电压减小。 在时间t7，开关401b被接通，开关401b是用于控制采样包括电路4A1的斜坡波信号Vr的 输入，因此端子Nb’的电压减小且像素信号Vpix的电压同时减小，端子Nb’是连接到开关 401b的第二采样电容402b的一个端子。在下文中，类似于上述复位采样周期Trs，像素信号Vpix的电压通过第二采样电 容402b的电容值C2、读出信号线L的附加电容、和由像素中的晶体管和恒定电流源组成的 源跟随电路的放大运算而稳定至信号电平Vsig。在时间t8，开关401b被关断，开关401a控制像素信号Vpix到采样保持电路的输 入，因此第二采样电容402b被保持在像素信号电平Vsig与斜坡波的初始电平VrO之间的
电压差。最后，在时间t9，水平线选择信号SEL被关断，水平线选择信号SEL是像素驱动信 号，因此像素信号Vpix被增大而返回初始电压电平。在此阶段，观察到比较电路400 (例如反相器(inverter))的输入电压Vin为Vin =Vrmp+(Vsig-VrO) - (Vrst-Vth)。在这里，Vrmp表示斜坡波形的电压电平，并且VrO表示斜坡波形的初始电压电平。当变换此等式时，可以获得以下等式
Vin = Vth-(Vrst-Vsig) + (Vrmp-VrO)。亦即，比较电路400的输入电压Vin是阈值电压Vth、其中在两个时间点对输入电 压采样的电位差-(Vrst-Vsig)、和参考电压的变化宽度(Vrmp-VrO)的和。当在参考电压的 变化宽度(Vrmp-VrO)与电位差(Vrst-Vsig)之间差是零，建立关系式Vin = Vth(阈值电 压)且可以使比较电路的输出反相。当在斜坡波形电压的变化宽度(Vrmp-VrO)与电位差(Vrst-Vsig)之间差是零时， 意味着(Vrmp-VrO)-(Vrst-Vsig) =0，并且可以将其表示为(Vrst-Vsig) = (Vrmp-VrO)。当比较电路的输出反相时，计数器电路203的计数值被锁存在数字存储器电路 206中。被锁存在数字存储器电路206中的计数器输出被作为模拟像素信号的数字像素数 据从固态图像捕捉装置输出。复位采样周期Trs表示从开关401c被接通至其被关断的时间段。信号采样周期Tss表示从开关401b被接通至开关401a被关断的时间段。在复位采样周期Trs和信号采 样周期Tss足够长的情况下，列并行A/D转换器中的采样保持电路4A1在来自像素的输入 信号(像素信号)Vpix稳定之后对电压电平进行采样。结果，变得可以在准确的暗和亮周 期对复位电压与信号电压的电压差执行A/D转换。相反，如图13的时序图所示，在对于传统技术的A/D转换器中的像素信号Vpix而 言复位采样周期Trs和信号采样周期Tss两者均极短的情况下，在像素信号Vpix未被充分 稳定的同时在采样保持电路4A1中执行像素信号Vpix的采样。参考文献1 日本特许公开No. 2000-28670
发明内容
在如上所述的上述传统技术的情况下，直至来自像素的输入信号Vpix稳定为止 的时间由以下各项来确定由像素中的晶体管和恒定电流源组成的源跟随电路的放大运 算、相对于来自由未选择像素表示的像素的输入信号(Vpix)的寄生电容(负载电容)；以 及列并行A/D转换器中的采样保持电路中的每个采样电容等。因此，为了在短时间段内稳定像素信号Vpix，存在某些选择，诸如增大恒定电流源 的电流，减小像素侧的由未选择像素表示的负载电容，或减小采样保持电路侧的采样电容 的电容值。如图15所示，在增大恒定电流源的电流的情况下，像素信号Vpix的电压电平的绝 对值在发光强度的整个范围内减小，并且电压电平的绝对值未减小至恒定电流源所需的电 压范围以下。这引起缩窄了能够保证像素信号Vpix的采样电平的线性度的电压范围的问题。图15中的图表(a)示出在恒定电流源的小电流的情况下像素信号电压Vpix相对 于亮度的变化，而图15中的图表(b)示出在恒定电流源的大电流的情况下像素信号电压 Vpix相对于亮度的变化。图15中的电位差(d)示出恒定电流源所需的像素信号线的电压 范围。在恒定电流源的大电流的情况下，像素信号电压Vix相对于亮度的实际变化具有如 图15中的虚线图表(c)所示的特征。在发光强度大于某一值的区域中，像素信号电压Vpix 不随着发光强度的变化而变化，所述变化扰乱线性度。日本特许公开No. 2008-211540引入了用于依照各种驱动模式切换恒定电流源的 电流值的技术。此技术用于在快速读出模式下将恒定电流源设置为大的电流量以在短时间段内 稳定像素信号，并用于在慢速读出模式下将恒定电流源设置为小的电流量以在长时间段内 稳定像素信号。然而，在该技术中，不可能以快速的速率读出像素信号并同时使恒定电流源 的电流值保持为低。此外，发生另一问题，其中，热噪声(kT/C噪声)由于因电流消耗的增大导致的热 而增大。在采样电容的电容值在上述采样保持电路侧减小的情况下，也发生问题，其中，kT/ C噪声增大而影响图片质量。同时，作为用于减小上述像素侧的由未选择像素表示的负载电容的方法的示例， 日本特许公开No. 2007-243265引入了一种用于用将一列像素的负载分成两列并提供用于 选择两列中的任何一个的开关的配置使负载电容减半的技术。然而，对于在该公开中披露的技术，需要通过使相邻像素沿行或列方向移位来布置相邻像素。结果，虽然像素信号的读 取速率增大且其帧速率得到改善，但新出现新的弱点，其中，增大了布局面积以便获得所需 的像素数目。除上述问题之外，存在关于以快速的速率读取像素信号的另一问题。来自像素的 输入信号Vpix的复位电平(Vrst)与依照光量改变的其信号电平(Vsig)之间的电压差 (AV)不依照光量准确地达到一个值。更具体而言，根据在前一时刻读出的像素的光量，在图12中第一电容器402a的一 个端子上的端子Na’(内部节点N41)的电压和开关401b到第二电容器402b的连接端子 Nb’的电压被保持处于在已在前一读出中改变的电压级中。因此，在当前读出后，像素信号的初始电压(电容器中的充电开始时的端子之间 的电压)由于电容器中的不同电位之间的电荷共享而改变。因此，其稳定时间(settling time)改变，导致引起当在短时间段内执行采样时不能保持精确的电压电平的问题。在下文中，将详细讨论此问题。图14是示出传统技术中的像素信号Vpix的详细波形的图示。在图14中，波形(A’ )表示前一像素读出在暗周期期间且当前像素读出也在暗周 期期间的情况的波形。此外，图14中的波形(B’ )表示前一像素读出在亮周期期间且当前 像素读出在暗周期期间的情况的波形。当将像素信号Vpix的波形(A’ )和(B’ )相互比 较时，波形(B’ )的电压在复位电平Vrst的采样期间和信号电平Vsig的采样期间均较低， 这意味着稳定在前一像素读出是在亮时间期间的情况下或多或少是更好的。此外，当存在 复位采样周期的稳定与信号采样周期的稳定之间的差别时，电压差(Δν)在波形(Α’ )和 (B’ )的每种情况下是不同的，这由于A/D转换而导致不同的数字值，即使当前像素读出是 在具有相同光量的暗周期期间。类似地，在图14中，波形(C’ )表示前一像素读出是在暗周期期间且当前像素读 出是在亮周期期间的情况的波形。波形(D’ )表示前一像素读出是在亮周期期间且当前像 素读出也在亮周期期间的情况的波形。当将像素信号Vpix的波形(C’)和(D’)相互比较 时，波形(D’ )的电压在复位电平Vrst的采样期间和信号电平Vsig的采样期间均较低，这 意味着稳定在前一像素读出是在亮时间期间的情况下或多或少地更好。此外，当在复位采 样周期的稳定与信号采样周期的稳定之间存在差别时，电压差(Δν)在波形(C’ )和(D’ ) 的每种情况下是不同的，这由于A/D转换而导致不同的数字值，即使当前像素读出是在与 前一像素读出的相同光量的亮周期期间。从图像传感器的最初目的的观点出发，上述问题是要解决的本质问题，图像传感 器通过像素信号Vpix的电压值准确地将光转换成数字值。本发明意图解决上述传统问题。本发明的目的是提供一种固态图像捕捉装置，其 能够缩短复位电平的采样周期和信号电平的采样周期以缩短总像素读出周期，从而以快的 帧速率准确地对光执行A/D转换，而不大幅度地增大相对于传感器芯片的面积并同时保持 低噪声图片质量；以及包括在其中使用的该固态图像捕捉装置的电子信息设备。根据本发明的A/D转换器包括比较部，其用于将模拟输入信号的电压电平与递增 地改变恒定电压范围的斜坡波信号的电压电平相比较，以便基于比较部的比较结果将模拟 输入信号的电压电平转换成数字数据，并且该A/D转换器还包括采样保持部，其包括作为采样电容元件的至少一个电容元件，并被配置为使得当模拟输入信号被施加于采样电容元 件的端子时，由采样电容元件对模拟输入信号的电压电平进行采样保持，其中，所述采样保 持部向采样电容元件的端子施加稳定促进电压以便促进稳定化，其中在向采样电容元件的 端子施加模拟输入信号时使采样电容元件的端子的电位电平朝着预定电压稳定，从而实现 上述目的。优选地，在根据本发明的A/D转换器中，所述采样保持部包括作为第一和第二采 样电容元件的至少两个电容元件，并被配置为使得当向第一采样电容元件的端子施加模拟 输入信号时由第一采样电容元件对模拟输入信号的第一电压电平进行采样保持，并且当向 第二采样电容元件的端子施加模拟输入信号时由第二采样电容元件对模拟输入信号的第 二电压电平进行采样保持；所述比较部被配置为将模拟输入信号的第一电压电平与第二电 压电平之间的差电压电平与斜坡波信号的电压电平相比较；通过对差电压电平执行A/D转 换来获得数字数据；并且当向采样保持部的第一和第二采样电容元件中的至少一个的端子 施加模拟输入信号时，向至少一个采样电容元件的端子施加稳定促进电压，以便促进采样 电容元件的至少一个端子的电位电平变得稳定。更优选地，在根据本发明的A/D转换器中，所述模拟输入信号是来自像素的模拟 像素信号，其组成固态图像捕捉装置并对来自对象的光执行光电转换并输出；以及所述模 拟输入信号的第一电压电平是复位电压电平，其为像素的参考电位，并且所述模拟输入信 号的第二电压电平是通过像素中的光电转换获得的信号电压电平。更优选地，在根据本发明的A/D转换器中，当向采样保持部的第一采样电容元件 的端子施加模拟输入信号时，作为稳定促进电压的第一初始电压被施加于第一采样电容元 件的端子，以便促进第一采样电容元件的端子的电位电平变得稳定至复位电压电平。更优选地，在根据本发明的A/D转换器中，当向采样保持部的第二采样电容元件 的端子施加模拟输入信号时，作为稳定促进电压的第二初始电压被施加于第二采样电容元 件的端子，以便促进第二采样电容元件的端子的电位电平变得稳定至信号电压电平。更优选地，在根据本发明的A/D转换器中，当向采样保持部的第一采样电容元件 的端子施加模拟输入信号时，作为稳定促进电压的第一初始电压被施加于第一采样电容元 件的端子，以便促进第一采样电容元件的端子的电位电平变得稳定至复位电压电平；并且 当向采样保持部的第二采样电容元件的端子施加模拟输入信号时，作为稳定促进电压的第 二初始电压被施加于第二采样电容元件的端子，以便促进第二采样电容元件的端子的电位 电平变得稳定至信号电压电平。更优选地，在根据本发明的A/D转换器中，所述采样保持部是用于保持将被转换 成数字数据的模拟输入信号的电压电平和以对应于数字数据中的位数的步长递增地发生 电平变化的斜坡波信号电压的采样保持电路。更优选地，在根据本发明的A/D转换器中，所述比较部是用于仅取来自采样保持 电路的输出作为输入以将该输入与该部本身的阈值相比较的单输入比较电路。更优选地，在根据本发明的A/D转换器中，所述比较部是用于取来自采样保持电 路的输出和斜坡波信号电压作为输入的双输入比较电路。更优选地，在根据本发明的A/D转换器中，第一采样电容元件的第一端子是比较 部的输入节点，并且所述采样保持部包括连接在向其施加作为稳定促进电压的第一初始电压的第一初始电压端子与第一采样电容元件的第二端子之间的第一开关。更优选地，在根据本发明的A/D转换器中，施加于第一采样电容元件的第二端子 的稳定促进电压具有非常接近于第一电压电平的电压值，模拟输入信号的电压电平朝着所 述第一电压电平过渡地稳定化。更优选地，在根据本发明的A/D转换器中，第一开关的接通周期被控制为使得当 第一采样电容元件的第二端子的电压电平变成非常接近于第一电压电平的电压值时关断 第一开关，模拟输入信号的电压电平朝着所述第一电压电平过渡地稳定化。更优选地，在根据本发明的A/D转换器中，第二采样电容元件的第一端子是斜坡 波信号的输入端子，并且所述采样保持部包括连接在施加有模拟输入信号的输入端子与第 二采样电容元件的第二端子之间的第二开关。更优选地，根据本发明的A/D转换器还包括连接在施加有作为稳定促进电压的第 二初始电压的第二初始电压端子与第二采样电容元件的第二端子之间的第三开关。更优选地，在根据本发明的A/D转换器中，所述第二初始电压被设置为使得当第 二开关被接通时，第二采样电容元件的第二端子的在电荷分布之后稳定的电压电平变成非 常接近于模拟输入信号的过渡地稳定的第一电压电平的电压电平。更优选地，在根据本发明的A/D转换器中，通过关断第三开关来控制第三开关的 接通周期，以便当第二开关被接通时，第二采样电容元件的第二端子的在电荷分布之后稳 定的电压电平变成非常接近于模拟输入信号的过渡地稳定的第一电压电平的电压值。更优选地，在根据本发明的A/D转换器中，用于向第一采样电容元件的第二端子 施加第一初始电压的第一初始电压端子被固定在地电平。更优选地，在根据本发明的A/D转换器中，用于向第一采样电容元件的第二端子 施加第二初始电压的第二初始电压端子被固定在地电平。根据本发明的固态图像捕捉装置包括根据本发明的A/D转换器，从而实现上述目 的。根据本发明的电子信息设备包括用于捕捉对象的图像的图像捕捉部，其中，所述 图像捕捉部包括根据本发明的固态图像捕捉装置，从而实现上述目的。在下文中将描述本发明的功能。在本发明中，仅仅通过向传统技术的列并行A/D转换器新添加两个信号线和三个 开关的元件，就可以在与通过附加电容和源跟随放大运算使其稳定的建立时间(setting time)相比急剧缩短的时间段内执行稳定(settle)。结果，可以缩短用于像素信号的读出 周期，从而在防止由于热噪声而引起的像素质量的降低的同时改善帧速率。也就是说，在本发明中，A/D转换器保持将被转换成数字数据的模拟输入信号电压 和以对应于数字数据中的位数的步长变化的斜坡波信号电压，并基于两个被保持电压的比 较结果将模拟输入信号电压转换成数字数据。该A/D转换器包括用于采样保持模拟输入信 号的电压电平的采样电容元件，以便A/D转换器能够通过向采样电容元件施加预定初始电 压以使其促使采样电容元件中的模拟输入信号的电压电平的稳定来在短时间段内用采样 电容元件执行电压电平的稳定。在本发明中，在组成所述A/D转换器的采样保持电路中，将施加于采样电容元件 的初始电压设置为非常接近于被采样电容元件保持的第一电压电平的电压值，以便通过电容元件中的初始电压的施加，强制地将模拟输入信号的电压电平设置为接近于将被保持的 第一电压电平并随后被稳定。也就是说，以快速的速率对要保持的第一电压电平进行稳定 化。因此，即使采样保持电路在短时间段内对模拟输入信号的电压电平进行采样，也精确地 对第一电压电平进行采样。在本发明中，将第一开关的接通周期设置为可变的，该接通周期用于向第一采样 电容元件施加第一初始电压，并控制第一开关在第一采样电容元件的施加有初始电压的端 子的电压电平处于非常接近于模拟输入信号的过渡地稳定的第一电压电平的电压值时被 关断。由此，实现最优化以在较短时间段内对模拟输入信号的第一电压电平进行采样保持。在本发明中，包括用于采样保持模拟输入信号的第二电压电平的第二采样电容元 件，还包括用于向电容元件施加模拟输入信号的第二开关。由此，可以独立地向第一采样电 容元件和第二采样电容元件施加模拟输入信号。在本发明中，包括用于向第二采样电容电压施加第二初始电压的第三开关。由此， 可以用第二初始电压来促使第二采样电容元件中的第二电压电平的稳定。在本发明中，当第二开关被接通时，第二采样电容元件的施加有模拟输入信号的 端子的电压电平是非常接近于模拟输入信号的过渡地稳定的第一电压电平的电压值，该端 子的电压电平在电荷分布之后稳定。因此，当第二开关被接通时，第二采样电容元件的施加有模拟输入信号的端子的 电压电平被设置为接近于第一电压电平并随后被稳定。也就是说，以快速的速率对第一电 压电平进行稳定化。因此，即使采样保持电路对模拟输入信号的第二电压电平进行采样的 周期是短的，也可以精确地对第二电压电平进行采样。在本文中提及的第二电压电平被定 义为等于或低于第一电压电平的电压电平。在本发明中，将用于接通第三开关的周期设置为是可变的并控制第三开关的接通 周期，以便当第二开关接通时，施加有模拟输入信号的第二采样电容元件的端子的电压变 成非常接近于过渡地稳定的第一电压电平的电压值，并且当第二开关接通时，第二采样电 容元件的端子的电压电平在电荷分布之后稳定。由此，可以进行最优化以在较短的时间段 内对模拟输入信号的第二电压电平进行采样保持。在本发明中，用于相对于第一采样电容元件的施加有模拟输入信号的端子施加第 一初始电压的端子被固定于地，因此不需要从外面施加第一初始电压。结果，不需要用于第 一初始电压的参考电压发生电路，从而实现了减少功率消耗和减小A/D转换器的布局面积 的效果。在本发明中，用于相对于第二采样电容元件的施加有模拟输入信号的端子施加第 二初始电压的端子固定于地，从而使得与以上说明类似，不需要从外面施加第二初始电压。 结果，不需要用于第二初始电压的参考电压发生电路，从而实现了减少功率消耗和减小A/D 转换器的布局面积的效果。根据本发明，可以获得A/D转换器，其能够缩短复位电平和信号电平中的每一个 的采样周期以缩短总像素读出周期并以快速的帧速率精确地对光执行A/D转换，而不大幅 度地增大相对于传统技术的传感器芯片的面积，同时保持低噪声图片质量；由CMOS图像传 感器表示的固态图像捕捉装置，包括在其中使用的A/D转换器；以及电子信息设备，其包括 在其中使用的固态图像捕捉装置。
在参照附图来阅读和理解以下详细说明时，本领域的技术人员将清楚本发明的这 些及其它优点。


图1是示出根据本发明的实施例1的包括A/D转换器的CMOS图像传感器的系统 配置的图示。图2是示出根据本发明的实施例1的A/D转换器中的采样保持电路和比较电路部 以及像素的配置的图示。图3是使用时序图来描述根据本发明的实施例1的像素和A/D转换器的操作的图
7J\ ο图4是描述根据本发明的实施例1的A/D转换器的图示，其示出了从像素输入到 采样保持电路和比较电路部的输入信号的详细波形。图5是描述根据本发明的实施例1的A/D转换器的图示，其示出用于施加用于像 素复位电平的初始电压的控制信号的时序与像素信号的波形之间的关系。图6是描述根据本发明的实施例1的A/D转换器的图示，其示出用于施加用于像 素信号电平的初始电压的控制信号的时序与像素信号的波形之间的关系。图7是示出根据本发明的实施例2的包括A/D转换器的CMOS图像传感器的系统 配置的图示。图8是描述根据本发明的实施例2的固态图像捕捉装置中的A/D转换器的图示， 其示出A/D转换器中的采样保持电路和比较电路部以及像素的配置。图9是使用时序图来描述根据本发明的实施例2的A/D转换器的操作的图示。图10是示意性地示出作为本发明的实施例3的电子信息设备的示例性配置的方 框图，其包括在其图像捕捉部中使用的根据实施例1或2的固态图像捕捉装置。图11是示出包括传统A/D转换器的CMOS图像传感器的系统配置的图示。图12示出传统A/D转换器中的采样保持电路和比较电路部的配置的图示。图13是使用时序图来描述传统A/D转换器的操作的图示。图14是示出传统A/D转换器中的从像素输入到采样保持电路和比较电路部的输 入信号的详细波形的图示。图15是示出光量与信号采样电平之间的典型关系的线性度的图示。
具体实施例方式在下文中，将参照附图来描述本发明的实施例。也就是说，将描述根据本发明的实施例的A/D转换器和包括该A/D转换器的固态 图像捕捉装置。(实施例1)图1是描述根据本发明的实施例1的包括A/D转换器的CMOS图像传感器的系统 配置的图示。图2是示出根据本发明的实施例1的A/D转换器中的采样保持电路和比较电 路部以及像素的配置的图示。请注意，在下文描述的实施例1和其它实施例中，除非需要特别说明，否则开关、比较电路和数字存储器电路将变成图中所示的模型。此外，不用说，本发明的实施例将限于 在下文中说明的CMOS图像传感器的示例性配置。根据实施例1的CMOS图像传感器IOOa包括多个像素100，其被布置成行列；垂 直解码器电路101，其用于选择布置成行列的该多个像素100的像素行；以及斜坡波发生电 路102，其用于生成用于A/D转换的斜坡波信号(Vr)。在这里，示出3行X4列的布置作为 该多个像素的布置；然而，在这种布置中为了说明的原因和简化附图而限制像素的数目。在 实际器件中，依照其使用沿水平方向和沿垂直方向来设置像素的数目。在根据实施例1的CMOS图像传感器IOOa中，每个像素100由像素电路3B组成。 类似于传统CMOS图像传感器200a，像素电路3B包括光电二极管PD，其用于对入射光进 行光电转换；电荷积聚部(浮置扩散)FD，其用于积聚通过光电二极管PD进行的光电转换 获得的信号电荷；转移晶体管Tt，其用于使得信号电荷从光电二极管PD转移到电荷积聚部 FD ；复位晶体管Tr，其连接在电源VD与电荷积聚部FD之间，用于使电荷积聚部FD的电位 复位至源电压；放大晶体管Ta，其用于将电荷积聚部FD的电位放大；以及选择晶体管Ts， 其连接在放大晶体管Ta与读出信号线(像素信号线)L之间，用于选择像素。复位晶体管 Tr的栅极被输入像素复位信号RST，转移晶体管Tt的栅极被输入转移信号TX，且选择晶体 管Ts的栅极被输入水平线选择信号SEL。另外，CMOS图像传感器100a包括采样保持电路3A1，其由开关和电容元件组成； 参考电压发生电路107，其用于生成被采样保持电路3A1用来以快速的速率从像素读出信 号的两个参考电压Vir和Vis ；比较电路300，其用于仅取来自采样保持电路的输出作为输 入；数字存储器电路106，其与N位兼容，用于在从比较电路300输出的信号改变时存储从N 位计数器电路103输出的每个位信号的“高”或“低”的状态；水平解码器电路104，其用于 沿列方向选择数字存储器电路106 ；以及控制部110，其用于控制A/D转换器120a和像素电 路3B。图2是详细地示出根据本发明的实施例1的A/D转换器中的采样保持电路和比较 电路部的图示。图2所示的根据实施例1的A/D转换器中的采样保持电路和比较电路部3A包括 用于采样保持复位电平与信号电平之间的差电压的采样保持电路3A1，和用于将该差电压 与斜坡波信号电平相比较的比较部3A2。在这里，采样保持电路3A1由两个电容元件302a和302b (在下文中，将各电容称 为 Cl 和 C2)和五个开关(SWl) 301a、(SW2)301b、(SW4)301d、(SW5)301e 禾口 (SW6)301f (在 下文中，将各开关的控制信号称为SW1、Sff2, Sff4, SW5和SW6)组成。另外，比较部3A2由 斩波器型单输入比较电路300和用于使单输入比较电路300的输入和输出短路的开关 (SW3) 301c (在下文中，将开关的控制信号称为SW3)组成。也就是说，采样保持电路3A1包括开关(第一开关)301a，其连接在第一内部节 点(Na端子)N31与读出信号线L之间；电容器(第一采样电容元件Cl) 302a，其连接在第 一内部节点N31与第二内部节点N32之间；开关(第二开关)301b，其连接在第一内部节点 N31与第三内部节点(Nb端子)N33之间；电容器(第二采样电容元件C2)302b，其连接在第 三内部节点N33与斜坡波信号输入端子NrO之间；开关(第六开关)301f，其连接在第三内 部节点N33与参考信号(第二参考信号)Vis的输入端子Nr2之间；开关(第五开关)301e，其连接在第一内部节点N31与参考信号(第一参考信号)Vir的输入端子Nrl之间；以及开 关(第四开关)301d，其连接在第三内部节点N33与读出信号线L之间。比较部3A2还包括单输入比较电路300，其连接在第二内部节点N32与比较输出 节点Ncp之间；以及开关(第三开关)301c，其与比较电路300并联地连接。由控制信号SWl至SW6来控制上述开关301a至301f的接通和关断。在本文中的固态图像捕捉装置IOOa中，SHC电路部3A、数字存储器电路106、计数 器电路103、斜坡波发生电路102和参考电压发生电路107组成A/D转换器120a。在这里，出于说明的原因，由控制信号SWl至SW6来控制第一至第六开关(SWl至 SW6) 301a至301f，并且这些控制信号是连同用于像素的驱动信号一起从控制部110提供 的。接下来，将描述操作。将参照图3的时序图来详细描述图2所示的采样保持电路和比较电路部(SHC电 路部)3A的操作。首先，在时间tl，水平线选择信号SEL被接通，水平线选择信号SEL是像素驱动信 号，并且同时，像素复位信号RST被接通。结果，像素的浮置扩散(FD)的电位电平被上拉至 像素电源VD，并且同时，像素信号Vpix的电压也增大。直至这一点，该操作与传统技术的相 同。接下来，在时间t2，采样保持电路3A1的用于控制像素信号Vpix的输入的开关 (Sffl) 30Ia和比较部3A2的自动调零开关(SW3) 301 c被接通。此外，同时，用于施加用于像素 复位电平的初始电压Vir的开关(SW5)301e和用于施加用于像素信号电平的初始电压Vis 的开关(SW6)301f被同时接通。由于该点处的馈通的影响，像素信号Vpix的电压略微减小。 在此点处减小的电压的量比现有电路的大。由于像素电路侧的像素复位信号RST的接通状 态及开关(SWl) 301a和开关(SW5) 301e两者的接通状态，由通过使像素信号Vpix降低至用 于像素复位电平的初始电压Vir的功能和同时发生的由源跟随电路使像素信号Vpix稳定 的功能稳定的电压来确定减小的电压量。接下来，在时间t3，像素的复位信号RST被关断，以便浮置扩散FD变成浮置状态， 浮置扩散FD是像素的源跟随电路的输入。结果，像素信号Vpix经由开关SWl和SW5被急 剧地下拉至用于像素复位电平的初始电压Vir。同时，使浮置扩散FD运行以由于像素信号 Vpix的电位电平和像素信号Vpix与浮置扩散FD之间的寄生电容而迅速地稳定。本文所述 的用于复位电平的初始电压Vir被定义为略低于复位电平Vrst的电压，在该电平下，像素 信号Vpix最终在复位电平读出周期期间稳定。此外，在时间t4，开关(SW5) 30Ie被关断。在这里，用开关控制信号SW5 (A)、SW5⑶ 和SW5(C)如图5所示地改变用于施加用于像素复位电平的初始电压Vir的开关(SW5)301e 的控制，并将用于将它们关断的定时定义为ta、tb和tc。结果，像素信号Vpix在像素信号 Vpix的电平稳定在某一电平之前不久过渡地改变，如在各信号波形(Al)、(Bi)和(Cl)中 那样。然而，当开关SW5在用信号波形(Bi)所示的关断定时处被关断的像素信号电压 VpiX精确地等于像素复位电平Vrst时，开关SW5在比用信号波形(Bi)所示的关断定时早 的定时处在信号波形(Al)中被关断。结果，像素信号电压Vpix逐渐地从较高电压侧变成将被稳定的像素复位电平Vrst。相反，当开关在比用信号波形(Bi)所示的关断定时晚的定 时处在信号波形(Cl)中被关断，像素信号电压Vpix逐渐地从较低电压侧变成将被稳定的 像素复位电平Vrst。在任一种情况下，像素信号电压Vpix被一次设置为接近于像素复位电平Vrst的 初始电压并随后稳定，从而在非常短的时间段内对像素复位电平Vrst进行稳定化。接下来，在时间t5，开关(SW6)301f被关断，该开关用于向第二电容元件302b施加 用于像素信号电平的初始电压Vi s。在图3中，开关(SW6)301f的关断比开关(SW5)301e的关断定时晚，开关 (SW5)301e用于向第一电容302a的端子(Na端子)施加用于像素复位电平的初始电压Vir。 然而，本发明不限于此。在开关(SW6)301f的接通周期期间，开关(SW2) 301b和开关(SW4) 301d处于关断 状态，开关(SW2) 301b用于控制斜坡波输入的输入且开关(SW4)301d用于控制在对像素信 号电平Vsig进行采样的周期期间的像素信号Vpix的输入。结果，其被设置为其中向端子 Nb施加用于像素信号电平的初始电压Vis的状态，端子Nb是第二采样电容(C2)的一个端子。类似于上述开关(SW5)301e，通过用控制信号SW6(A2)、SW6(B2)和SW6 (C2)如图6 所示地进行改变来执行用于施加用于像素信号电平的初始电压Vis的开关(SW6)301f的接 通和关断控制，并将用于由每个信号关断开关(SW6)301f的定时定义为ta、tb和tc。也就 是说，改变以用于信号电平的初始电压Vis对第二采样电容(C2)302b充电的时间。随后， 在时间t9，当开关SW4被接通且第二采样电容的一个端子Nb与读出信号线L短路时，像素 信号线的电位(像素信号)Vpix随着各电压波形(A2)、(B2)和(C2)过渡地改变。也就是说，在第六开关301f在用控制信号SW6(B)所示的定时处被关断的情况下， 当开关(SW4) 301d随后被接通时，将其定义为像素信号电压Vpix精确地等于像素复位电平 Vrst的时间。如果这样，则在比在电压波形(B2)中早的定时处，在电压波形(A2)中将该开 关关断。因此，当开关(SW4)301d随后被接通时，像素信号电压Vpix从较高的电压侧稳定 至像素复位电平Vrst。相反，开关在比信号波形(B2)中的关断定时晚的定时在信号波形 (C2)中被关断，当开关(SW4)301d随后被接通时，像素信号电压Vpix逐渐地从较低电压侧 稳定至像素复位电平Vrst。在任一种情况下，像素信号电压Vpix被一次设置为接近于像素复位电平Vrst的 初始电压并随后稳定，从而在非常短的时间段内对像素复位电平Vrst进行稳定化。稍后将 描述用于像素信号电平的上述初始电压(Vis)的理想电压值。接下来，在时间t6，开关SWl被关断，随后，比较电路的自动调零开关(SW3)301c 被关断。结果，比较电路的反相电平(阈值)Vth与像素复位电平Vrst之间的电压差 (Vrst-Vth)被保持在第一采样电容(Cl) 302a中。另外，在时间t7，像素的转移栅极(TX)被接通，使得电荷从光电二极管(PD)转移 到浮置扩散(FD)且浮置扩散(FD)的电压减小。然而，在图3所示的暗周期的情况下，浮置 扩散(FD)的电压由于转移栅极(TX)与浮置扩散(FD)的电容耦合而增大，并且像素信号 Vpix的电压同时增大。在时间t8，转移栅极(TX)被关断，使得像素信号Vpix的电压减小。在时间t9，开关(SW4)301d被接通以便控制像素信号Vpix的输入以对采样保持电路的像素信号电平 Vsig进行采样，使得作为连接到第四开关(SW4)301d的一个端子的端子Nb的电压变成以下 等式(1)中所阐述的电压(Vd)。 其中Vrst表示像素复位电平电压；Vir表示用于像素复位电平的参考初始电压(Vir ^ Vrst)；Vis表示用于像素信号电平的参考初始电压；Vpix (t9)表示时间 t9 时的电压 Vpix ( > Vrst)；Cpix表示开关SW4的像素输入端子(Vpix)侧的总负载电容；Cad表示开关SW4的端子Nb侧的总负载电容；以及Vb表示紧接在开关SW4被接通之后的端子Nb的电压。在上述等式(1)中，用Vrst取代Vb以便对用于像素信号电平的初始电压Vis的等 式求解。当所确定的电压值被定义为用于像素信号电平的初始电压Vis时，像素信号Vpix 在开关(SW4)301d被接通时被设置为接近于像素复位电平Vrst的电压。通常，由于像素侧 的附加电容Cpix大于A/D转换器侧的附加电容，所以期望的是用于像素信号电平的初始电 压Vis是接近于地(OV)的低电压。请注意，严格地说，以上等式(1)中的初始电压Vis是时间t9时的端子(Nb)处的 电压。接下来，在时间tlO，在用于对像素信号电平Vsig进行采样的周期期间，开关 (SW4) 301d被关断，该开关用于控制像素信号Vpix的输入。结果，斜坡波的初始电平VrO与 像素信号电平Vsig之间的电压差(Vsig-VrO)被保持在第二采样电容(C2)302b处。接下来，在时间tll，作为像素驱动信号的水平线选择信号SEL被关断，使得像素 信号Vpix返回其初始电压电平。最后，在时间tl2，开关(SW2) 301b被接通，该开关用于控 制斜坡波信号的输入，使得斜坡波信号Vr被经由A/D转换器中的采样保持电路3A1输入到 比较部3A2，并且开始A/D转换。请注意，与在传统固态图像捕捉装置中类似地执行比较部3A2和存储器电路中的
A/D转换。在复位采样周期Trs和信号采样周期Tss是极短的时间的情况下，当将图11所示 的传统技术的A/D转换器的时序图与图3所示的本发明的A/D转换器的时序图相比较时， 应理解的是，在本发明中，像素信号(Vpix)在极短的时间段内稳定。也就是说，在图13所示的传统技术的A/D转换器的时序图中，在复位采样周期Trs 和信号采样周期Tss均是极短的时间段的情况下，像素信号Vpix未充分稳定。与此相比， 在图3所示的本发明的A/D转换器的时序图中，像素信号(Vpix)在极短的时间段内稳定。另外，在本发明的A/D转换器的前述时序图中(图3)，由于在每个水平周期中重复 相同的操作，所以A/D转换器的采样保持电路3A1中的端子Na和端子Nb在每个像素读出 周期中分别被设置为用于复位电平的初始电压Vir和用于信号电平的初始电压Vis。
因此，像素信号Vpix的变化不取决于在前一时刻读出的像素的光量，但是该变化 准确地反映在当前时刻读出的像素的光量。图4是示出本发明的A/D转换器的像素信号(Vpix)的详细波形的图示。在图4中，波形(A)表示示出前一像素读出是在暗周期期间且当前像素读出也是 在暗周期期间的情况下的像素信号Vpix的变化的波形。此外，波形(B)表示前一像素读出 是在亮周期期间且当前像素读出是在暗周期期间的情况的波形。当将像素信号Vpix的波 形(A)和(B)相互比较时，其在复位电平Vrst的采样和信号电平Vsig的采样两者中相互 对应。类似地，图4中的波形(C)是示出前一像素读出是在暗周期期间且当前像素读出 是在亮周期期间的情况下的像素信号Vpix的变化的波形。此外，图4中的波形(D)是示出 前一像素读出是在暗周期期间且当前像素读出是在亮周期期间的情况下的像素信号Vpix 的变化的波形。图4中的波形(D)是示出前一像素读出是在亮周期期间且当前像素读出也 是在亮周期期间的情况下的像素信号Vpix的变化的波形。当将像素信号Vpix的波形(C)和⑶相互比较时，其在复位电平Vrst的采样和 信号电平Vsig的采样两者中相互对应。更进一步地，开关(SW4) 301d在图2所示的本发明的A/D转换器的采样保持电路 中的端子Nb被设置为用于信号电平的初始电位Vis的状态下被接通，该初始电位Vis是非 常低的电压，使得与传统技术相比，即使在亮周期期间的操作中，稳定是适当的，并在短时 间段内对信号电平Vsig进行稳定化。因此，根据包括本发明的A/D转换器的由CMOS图像传感器表示的固态图像捕捉装 置，可以实现一种图像传感器，其不仅能够在短时间段内读出像素信号Vpix，而且经由像素 信号Vpix的电压值准确地以低噪声将光转换成数字值。在具有上述配置的实施例1中可以获得以下效果。根据实施例1的A/D转换器120a包括采样保持部3A1，其用于保持将被转换成数 字数据的模拟输入信号电压和以对应于数字数据中的位数的步长改变的斜坡波信号电压； 比较部3A2，其用于仅取来自采样保持部的输出作为输入以将其与其本身的反相电平(阈 值)比较；以及对应于位数的数字存储器电路106，其用于取比较部的输出作为输入并在该 比较部的比较结果改变时存储A/D转换结果。该采样保持电路包括用于对模拟输入信号的 第一电压电平进行采样保持的第一电容元件302a，并且该电容元件的一个端子是比较部的 输入端子N32。对于另一端子(Na)N31而言，提供了用于控制用于施加第一初始电压的端子 Nrl与端子(Na)N31之间的连接的开关(SW5)301e。因此，可以执行用于端子(Na)N31的第 一初始电压设定。另外，在包括在根据实施例1的A/D转换器120a中的采样保持部3A1中，被施加于 端子(Na)N31的用于复位电平的初始电压Vir具有非常接近于第一电压电平(复位电平) 的电压值，模拟输入信号的电压电平过渡地稳定到该第一电压电平。结果，通过向端子N31 施加初始电压，端子的电压被强制地设置为接近于第一电压电平并随后被稳定。也就是说， 当从像素信号线向端子(Na)N31施加模拟输入信号时，端子(Na)N31的电位以快速的速率 稳定至第一电压电平。因此，即使用于采样保持部3A1对模拟输入信号的第一电压电平进 行采样的周期Trs是短的，也精确地对第一电压电平进行采样。
另外，在包括在根据实施例1的A/D转换器120a中的采样保持部3A1中，开关 (SW5)301e被接通的周期被设定为是可变的，开关(SW5)301e用于控制用于向端子(Na)N31 施加电压的周期。此外，控制开关(SW5)301e的接通周期使得开关(SW5)301e在端子(Na) N31的电压变成非常接近于模拟输入信号的第一电压电平(复位电平)过渡地稳定的电压 电平的电压值时被关断。由此，实现最优化以在较短的时间段内对模拟输入信号的第一电 压电平进行采样保持。另外，在包括在根据实施例1的A/D转换器120a中的采样保持部3A1中，还包 括用于对模拟输入信号的第二电压电平(像素信号电平)进行采样保持的第二电容元 件(C2) 302b，并且电容元件的一个端子NrO是斜坡波信号Vr的输入端子。对于另一端子 (Nb)N33而言，提供了用于控制模拟输入信号的输入端子与端子(Nb)之间的连接的开关 (SW4)301d。由此，可以独立地对前述端子(Na)N31和端子(Nb)N33执行电压设定。另外，在包括在根据实施例1的A/D转换器120a中的采样保持部3A1中，对于端 子(Nb)N33而言，提供了用于控制用于施加第二初始电压Vis的端子Nr2与端子(Nb)N33 之间的连接的开关SW6。由此，可以对端子(Nb)N33执行第二初始电压设定。另外，在包括在根据实施例1的A/D转换器120a中的采样保持部3A1中，向端子 (Nb)N33施加用于信号电平的初始电压Vis以便当开关SW4被接通时端子(Nb)N33的电压 电平变成非常接近于模拟输入信号的过渡地稳定的第一电压电平的电压值，端子(Nb)N33 的电压电平在电荷分布之后稳定。结果，端子(Nb)N33的电压电平被设置为接近于第一电 压电平并随后在开关(SW4)301d被接通时稳定。也就是说，当开关(SW4)301d被接通时，端 子(Nb)N33的电压电平以快速的速率稳定至第一电压电平。因此，即使用于采样保持部3A1 对模拟输入信号的第二电压电平进行采样的周期Tss是短的，也可以精确地对第二电压电 平进行采样。本文所述的第二电压电平被定义为等于或低于第一电压电平的电压电平。此外，在包括在根据实施例1的A/D转换器120a中的采样保持部3A1中，开关 (SW6)301f被接通的周期被设置为是可变的，开关(SW6)301f控制用于向端子(Nb)N33施加 电压的周期。此外，控制开关(SW6)301f的接通周期使得当开关(SW4)301d在时间t9被接 通时，在电荷分布之后稳定的端子(Nb)N33的电压电平变成非常接近于过渡地稳定的第一 电压电平的电压值。由此，可以实现最优化以在较短的时间段内对模拟输入信号的第二电 压电平进行采样保持。(实施例2)图7是描述根据本发明的实施例2的固态图像捕捉装置的图示，示出了组成固态 图像捕捉装置中的A/D转换器的采样保持电路和比较电路部的特定元件。图8是描述根据 本发明的实施例2的固态图像捕捉装置中的A/D转换器的图示，示出了 A/D转换器中的采 样保持电路和比较电路部以及像素的配置。在根据实施例2的A/D转换器中，以及进一步地在其中的采样保持电路和比较电 路部(SHC电路部)12A中，采样保持电路12A1包括两个电容元件1202a和1202b (在下文 中，将其中的每一个称为Cl和C2)；以及五个开关1201a、1201b、1201d、1201e和1201f (在 下文中，将各开关称为SffU Sff2, Sff4, SW5和SW6)。另外，SHC电路部12A中的比较部12A2 包括斩波器型单输入比较电路1200 ；以及开关1201c(在下文中称为SW3)，其用于使单输 入比较电路1200的输入端和输出端短路。
根据实施例2的A/D转换器的采样保持电路和比较电路部12A与采样保持电路和 比较电路部3A(图3)的不同之处在于被采样保持电路用来快速地从像素读出信号的两个 参考电压Vir和Vis在根据实施例2的A/D转换器的情况下均被接地。这种配置带来减小用于布置列并行A/D转换器的面积的效果和减小芯片面积并 降低功率消耗的效果，因为不再需要使用生成图1中的两个参考电压(Vir和Vis)的参考 电压发生电路107，其中，示出了用于包括根据实施例1的A/D转换器的CMOS图像传感器的 系统配置。作为根据实施例1的固态图像捕捉装置中的采样保持电路和比较电路部3A的替 代，根据实施例2的固态图像捕捉装置使用采样保持电路和比较电路部12A，其使用参考电 压Vir和Vis作为地电压。因此，根据实施例2的固态图像捕捉装置中的像素电路12B具有与根据实施例1 的固态图像捕捉装置IOOa中的像素电路3B相同的配置。另外，根据实施例2的固态图像捕捉装置中的采样保持电路和比较电路部12A包 括开关1201a，其连接在第一内部节点附21与读出信号线L之间；电容器(Cl) 1202a，其 连接在第一内部节点附21与第二内部节点附22之间；开关1201b，其连接在第一内部节点 附21与第三内部节点附23之间；电容器1202b，其连接在第三内部节点附23与斜坡波信号 输入端子NrO之间；开关1201f，其连接在第三内部节点附23与地电位之间；开关1201e，其 连接在第一内部节点W21与地电位之间；以及开关1201d，其连接在第三内部节点W23与 读出信号线L之间。另外，所述比较部包括单输入比较电路1200，其连接在第二内部节点附22与比 较输出节点Ncp之间；以及开关1201c，其与比较电路1200并联连接。在本文中的固态图像捕捉装置IOOb中，A/D转换器120b由SHC电路部12A、数字 存储器电路106、计数器电路103、和斜坡波发生电路102组成。在这里，出于说明的原因，由控制信号SWl至SW6来控制第一至第六开关(SWl至 SW6) 1201a至1201f，并且这些控制信号是连同像素驱动信号一起从控制部110提供的。接下来，将参照图9中的时序图来详细描述图8所示的电路的操作。请注意，将仅关于与图3所示的根据本发明实施例1的A/D转换器的时序图的不 同之处提供说明。在图3所示的根据本发明的实施例1的A/D转换器的时序图中，用于控制采样保 持电路的像素信号Vpix的输入的开关(SWl)和比较电路的自动调零开关(SW3)在时间t2 被接通。另一方面，在图9所示的根据本发明的实施例2的A/D转换器120b的时序图中， 开关(Sffl) 1201a和开关(SW3) 1201c在时间t4被接通。以上操作的原因是如果开关(SWl) 1201a在开关(SW5) 1201a被接通以便施加用于 复位电平的初始电压Vir的周期期间被接通，则用于像素复位电平的初始电位Vir被接地 且像素信号Vpix将被设置为远远低于像素复位电平Vrst的电压。也就是说，由于需要在开关(SW5)1201e被关断之后接通开关(SWl) 1201a，所以用 于关断开关1201a的定时被延迟到时间t4。由于像素的复位电平采样周期在时间t4开始， 所以实际的时间段被缩短。在图3所示的根据本发明的实施例1的A/D转换器的时序图中，由于像素信号Vpix与浮置扩散(FD)之间的寄生电容，不可能获得快速地使浮置扩散(FD)稳定的功能和 由该功能提供的效果。另外，当用于控制像素信号Vpix的输入的开关(SWl) 1201a在用于在时间t4对采 样保持电路的像素复位电平Vir进行采样的周期期间被接通时，第一采样电容(Cl) 1202a 的一个端子(Na)N121的电压变成如以下等式(2)所阐述的电压(Va)，该端子被连接到开关 (Sffl)1201a。
” Cpix “.…、 CadVa = P 'VpixitA)^ .'Vir ... (2)
Cpix + CadCptx + CadVa ^ Vrst其中 Vrst表示像素复位电平电压；Vir表示用于像素复位电平的参考初始电压(Vir ^ Vrst)；Vis表示用于像素信号电平的参考初始电压；Vpix (t4)表示时间 t4 时的 Vpix 的电压(> Vrst)；Cpix表示开关SWl的像素输入端子(Vpix)侧的总负载电容；Cad表示开关SWl的端子Na侧的总负载电容；以及Va表示紧接在开关SWl被接通之后的端子Na的电压。在上述等式⑵中，用Vrst取代Va以对用于像素复位电平的初始电压Vir的等式 求解。因此，在确定的电压被定义为用于复位的初始电压Vir的情况下，当开关(SWl) 1201a 被接通时，像素信号Vpix被设置为像素复位电平Vrst附近的电压。通常，如前所述，由于像素侧的附加电容Cpix大于A/D转换器侧的附加电容，所以 期望的是用于像素复位电平的初始电压Vir是接近于地(OV)的低电压，与用于像素信号电 平的初始电压Vis类似。请注意，严格地说，以上等式(2)中的初始电压Vir是时间t4时 的端子(Na)处的电压。在具有上述配置的实施例2中，除实施例1的效果之外，还可以获得以下效果。在包括在根据实施例2的A/D转换器120b中的采样保持电路12A1中，用于向端 子Na施加第一初始电压的端子被固定于地。因此，不需要从外面施加第一初始电压。结果， 不需要用于第一初始电压的参考电压发生电路，从而实现减少功率消耗并减小A/D转换器 的布局面积的效果。另外，在包括在根据实施例2的A/D转换器120b中的采样保持电路12A1中，用于 向端子Nb施加第二初始电压的端子被接地。因此，与以上说明类似，不需要从外面施加第 二初始电压。结果，不需要用于第二初始电压的参考电压发生电路，从而实现减少功率消耗 和减小A/D转换器的布局面积的效果。在实施例1和2中，虽然组成比较部的比较电路是用于仅取来自采样保持电路的 输出作为输入以将其与其本身的反相电平(阈值)相比较的单输入比较电路，但比较电路 不限于此。例如，组成比较部的比较电路可以是用于取来自采样保持电路的输出和斜坡波 信号作为输入的双输入比较电路。另外，在实施例1和2中，虽然向第一和第二采样电容元件提供初始电压，但是可 以仅向第一和第二采样电容元件中的任何一个提供初始电压。也就是说，可以向第一采样
20电容元件提供初始电压(稳定促进电压)Vir而不向第二采样电容元件提供初始电压(稳 定促进电压)Vis。或者，还可以不向第一采样电容元件提供初始电压(稳定促进电压)Vir， 但向第二采样电容元件提供初始电压(稳定促进电压)Vis。此外，虽然在上述实施例1和2中未特别描述，但在下文中将描述具有图像输入设 备的电子信息设备。诸如数字照相机(例如数字摄像机和数字静止照相机)、图像输入照相 机、扫描仪、传真机和装配有照相机的蜂窝电话设备等电子信息设备包括使用根据上述实 施例1和2的固态图像捕捉装置中的至少一个的图像捕捉部。(实施例3)图10是示意性地示出作为本发明的实施例3的电子信息设备的示例性配置的方 框图，包括在其图像捕捉部中使用的根据实施例1或2的固态图像捕捉装置。如图10所示的根据本发明的实施例3的电子信息设备90包括根据本发明的实施 例1和2的固态图像捕捉装置中的任何一个作为用于捕捉对象的图像捕捉部91。电子信 息设备90还至少包括以下各项中的任何一个存储器部92 (例如记录介质)，其用于在为 了进行记录对通过图像捕捉部捕捉获得的高质量图像数据执行预定信号处理之后对图像 数据进行数据记录；显示部93 (例如液晶显示设备)，其用于在为了进行显示执行预定信号 处理之后在显示屏(例如液晶显示屏)上显示此图像数据；通信部94 (例如发送和接收设 备)，其用于在为了进行通信对图像数据执行预定信号处理之后传送此图像数据；以及图 像输出部95，其用于打印(打出)并输出(打印出)此图像数据。如上所述，通过本发明的优选实施例的使用举例说明了本发明。然而，不应仅仅基 于上述实施例解释本发明。应理解的是应仅仅基于权利要求来解释本发明的范围。还应理 解的是本领域的技术人员能够基于本发明的说明和来自本发明的详述优选实施例的说明 的一般知识实现等效的技术范围。此外，应理解的是在本说明书中引用的任何专利申请和 任何参考文献应通过弓丨用以与在其中具体描述该内容相同的方式结合到本说明书中。工业实用性本发明可以应用于用于将模拟信号转换成数字数据的A/D转换器、包括该A/D转 换器的固态图像捕捉装置、以及在其中使用该固态图像捕捉装置的电子信息设备的领域。 根据本发明，可以获得由CMOS图像传感器表示的固态图像捕捉装置，其能够缩短复位电 平和信号电平中的每一个的采样周期以缩短总像素读出周期并以快速的帧速率准确地对 光执行A/D转换，而不大幅度增大其占用面积并同时保持低噪声图片质量；以及电子信息 设备，其包括在其中使用的固态图像捕捉装置。在不脱离本发明的范围和精神的情况下本领域的技术人员将清楚并很容易实现 各种其它修改。因此，随附权利要求的范围并不意图局限于本文所阐述的说明，而是应广泛 地解释权利要求。元件列表100,200像素100a, IOOb固态图像捕捉装置101,201垂直解码器电路102,202斜坡波发生电路103,203计数器电路
104,204水平解码器电路
105,205比较电路
106,206数字存储器电路
107参考电压发生电路
303,403,1203恒定电流源
3A，4A，12A采样保持电路和比较电路部
300，400，1200比较电路
301a,301b,301c,
301d，301e，301f，
401a,401b,401c,
1201a,1201b,1201c,
1201d,1201e,1201f开关
302a,302b,402a,
402b,1202a,1202b电容元件
3A1,12A1采样保持电路
3A2,12A2比较部
3B,12B像素电路
权利要求
一种A/D转换器，包括用于将模拟输入信号的电压电平与递增地改变恒定电压范围的斜坡波信号的电压电平相比较的比较部，用于基于所述比较部的比较结果将模拟输入信号的电压电平转换成数字数据，所述A/D转换器还包括采样保持部，其包括作为采样电容元件的至少一个电容元件，并被配置为使得当模拟输入信号被施加于采样电容元件的端子时，由采样电容元件对模拟输入信号的电压电平进行采样保持，其中，所述采样保持部向所述采样电容元件的端子施加稳定促进电压以便促进稳定化，在稳定化中，当模拟输入信号被施加于采样电容元件的端子时，采样电容元件的端子的电位电平朝着预定电压稳定。
2.如权利要求1所述的A/D转换器， 其中所述采样保持部包括作为第一和第二采样电容元件的至少两个电容元件，并被配置为 使得当向第一采样电容元件的端子施加模拟输入信号时由第一采样电容元件对模拟输入 信号的第一电压电平进行采样保持，并且当向第二采样电容元件的端子施加模拟输入信号 时由第二采样电容元件对模拟输入信号的第二电压电平进行采样保持；所述比较部被配置为将模拟输入信号的第一电压电平和第二电压电平之间的差电压 电平与斜坡波信号的电压电平相比较；通过对所述差电压电平执行A/D转换来获得数字数据；以及当向所述采样保持部的第一和第二采样电容元件中的至少一个的端子施加模拟输入 信号时，向该至少一个采样电容元件的端子施加稳定促进电压，以便促进采样电容元件的 该至少一个端子的电位电平变得稳定。
3.如权利要求2所述的A/D转换器， 其中所述模拟输入信号是来自像素的模拟像素信号，所述像素组成固态图像捕捉装置且其 对来自对象的光执行光电转换并进行输出；以及所述模拟输入信号的第一电压电平是复位电压电平，其为像素的参考电位，并且所述 模拟输入信号的第二电压电平是通过像素中的光电转换获得的信号电压电平。
4.如权利要求3所述的A/D转换器，其中，当向所述采样保持部的第一采样电容元件的 端子施加模拟输入信号时，作为稳定促进电压的第一初始电压被施加于第一采样电容元件 的端子，以便促进第一采样电容元件的端子的电位电平变得稳定至复位电压电平。
5.如权利要求3所述的A/D转换器，其中，当向所述采样保持部的第二采样电容元件的 端子施加模拟输入信号时，作为稳定促进电压的第二初始电压被施加于第二采样电容元件 的端子，以便促进第二采样电容元件的端子的电位电平变得稳定至信号电压电平。
6.如权利要求3所述的A/D转换器，其中当向所述采样保持部的第一采样电容元件施加模拟输入信号时，作为稳定促进电压的 第一初始电压被施加于第一采样电容元件的端子以便促进第一采样电容元件的端子的电 位电平变得稳定至复位电压电平；以及当向所述采样保持部的第二采样电容元件的端子施加模拟输入信号时，作为稳定促进 电压的第二初始电压被施加于第二采样电容元件的端子，以便促进第二采样电容元件的端子的电位电平变得稳定至信号电压电平。
7.如权利要求2所述的A/D转换器，其中，所述采样保持部是用于保持要转换成数字数 据的模拟输入信号的电压电平和以对应于数字数据中的位数的步长递增地发生电平变化 的斜坡波信号电压的采样保持电路。
8.如权利要求7所述的A/D转换器，其中，所述比较部是用于仅取来自所述采样保持电 路的输出作为输入以将该输入与该部本身的阈值相比较的单输入比较电路。
9.如权利要求7所述的A/D转换器，其中，所述比较部是用于取来自所述采样保持电路 的输出和所述斜坡波信号电压作为输入的双输入比较电路。
10.如权利要求7所述的A/D转换器，其中，所述第一采样电容元件的第一端子是所述 比较部的输入节点，并且所述采样保持部包括连接在将向其施加作为稳定促进电压的第一 初始电压的第一初始电压端子与第一采样电容元件的第二端子之间的第一开关。
11.如权利要求10所述的A/D转换器，其中，施加于第一采样电容元件的第二端子的稳 定促进电压具有非常接近于第一电压电平的电压值，所述模拟输入信号的电压电平朝着该 第一电压电平过渡地稳定。
12.如权利要求10所述的A/D转换器，其中，所述第一开关的接通周期被控制为使得当 第一采样电容元件的第二端子的电压电平变成非常接近于第一电压电平的电压值时第一 开关被关断，所述模拟输入信号的电压电平朝着该第一电压电平过渡地稳定。
13.如权利要求7所述的A/D转换器，其中，第二采样电容元件的第一端子是斜坡波信 号的输入端子，并且所述采样保持部包括连接在施加有模拟输入信号的输入端子与第二采 样电容元件的第二端子之间的第二开关。
14.如权利要求13所述的A/D转换器，还包括连接在施加有作为稳定促进电压的第二 初始电压的第二初始电压端子与第二采样电容元件的第二端子之间的第三开关。
15.如权利要求14所述的A/D转换器，其中，所述第二初始电压被设置为使得当第二开 关被接通时，第二采样电容元件的第二端子的在电荷分布之后稳定的电压电平变成非常接 近于模拟输入信号的过渡地稳定的第一电压电平的电压电平。
16.如权利要求14所述的A/D转换器，其中，通过关断第三开关来控制第三开关的接通 周期，以便当第二开关被接通时，第二采样电容元件的第二端子的在电荷分布之后稳定的 电压电平变成非常接近于模拟输入信号的过渡地稳定的第一电压电平的电压值。
17.如权利要求2所述的A/D转换器，其中，用于向第一采样电容元件的第二端子施加 第一初始电压的第一初始电压端子被固定于地电平。
18.如权利要求2所述的A/D转换器，其中，用于向第二采样电容元件的第二端子施加 第二初始电压的第二初始电压端子被固定于地电平。
19.一种包括如权利要求1所述的A/D转换器的固态图像捕捉装置。
20.一种包括用于捕捉对象的图像的图像捕捉部的电子信息设备，其中，所述图像捕捉 部包括如权利要求19所述的固态图像捕捉装置。
全文摘要
本发明涉及A/D转换器、固态图像捕捉装置和电子信息设备。根据本发明的CMOS图像传感器包括采样保持部(3A1)，其用于保持模拟输入信号电压和斜坡波信号电压；以及比较部(3A2)，其用于取来自采样保持部(3A1)的输出作为输入以将其与其本身的反相电平相比较，其中，当向采样电容元件的端子施加模拟输入信号时，采样保持部(3A1)向采样电容元件的端子施加稳定促进电压，以便促进采样电容元件的端子的电位电平变得稳定在预定电压。
文档编号H03M1/12GK101924555SQ20101020728
公开日2010年12月22日 申请日期2010年6月17日 优先权日2009年6月15日
发明者星野幸三 申请人:夏普株式会社