固态成像装置、模数转换器及其控制方法

专利名称：固态成像装置、模数转换器及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种固态成像装置、A/D (模/数)转换器及其控制方法。
背景技术：
为了提高合并有A/D转换器的CMOS图像传感器的操作速度，提出了一种用于并行地执行对来自像素的模拟信号的读出处理以及对读出的模拟信号的A/D转换的技术。例如，日本专利公开No. 2008-067358描述了向斜坡A/D转换器提供两个电容器，给定行的像素信号被保持在一个电容器中，所保持的像素信号被A/D转换，以及下一行的像素信号被写入另一个电容器中。在每一个电容器中，一个电极被固定至基准电压，而另一个电极连接至像素。然后，连接至像素的电极被重新连接至比较器，从而对保持在电容器中的像素信号 进行A/D转换。

发明内容
使用在日本专利公开No. 2008-067358中公开的技术，由于电容器之间的串扰，在A/D转换之后的数字信号中混入了噪声，导致图像质量劣化。例如，由于当第η行的像素信号被A/D转换的同时第η+1行的像素信号被写入另一个电容器中,所以由于电容器之间的串扰导致第η+1行的像素信号作为噪声被混入正被A/D转换的第η行的像素信号中。这些串扰的原因包括通过在像素信号被提供到的电极之间的寄生电容产生的串扰，和通过连接至基准电源的电极之间的公共阻抗产生的串扰。因此，本发明的一个方面提供一种用于降低包括分别保持模拟信号的电容器的A/D转换器中的两个电容器之间的串扰的技术。本发明的第一方面提供一种用于分别把第一模拟信号和第二模拟信号转换成数字数据的A/D转换器，包括用于依次输入第一模拟信号和第二模拟信号的输入端子；第一电容器和第二电容器；用于连接至基准电压源的基准电压线；用于连接至生成时变的基准信号的信号源的基准信号线；比较器，具有第一输入端子和第二输入端子，并输出根据提供至第一输入端子的输入电压和提供至第二输入端子的阈值电压之间的比较结果的输出信号；输出电路，输出与从提供至比较器的第一输入端子的输入电压开始改变时直到比较器的输出信号改变为止的时间相对应的数字数据，其中，当在基准信号线和比较器的第一输入端子通过第一电容器连接的状态下基准信号被提供至基准信号线时，在输入端子和基准电压线经由第一电容器连接的状态下被输入至输入端子的第一模拟信号被转换成数字数据，而在基准信号线和比较器的第一输入端子经由第二电容器连接的状态下基准信号被提供至基准信号线时，在输入端子和基准电压线经由第二电容器连接的状态下被输入至输入端子的第二模拟信号被转换成数字数据。本发明的第二方面提供一种A/D转换器,包括输入端子；第一电容器和第二电容器；基准电压线；斜坡信号线；具有正相输入端子和反相输入端子的差分输入比较器；被提供计数值并且输出当比较器的输出信号变化时被提供的计数值的锁存电路；对第一电容器连接在输入端子和基准电压线之间的状态和第一电容器连接在斜坡信号线和比较器的正相输入端子之间的状态进行切换的开关组；以及对第二电容器连接在输入端子和基准电压线之间的状态和第二电容器连接在斜坡信号线和比较器的正相输入端子之间的状态进行切换的开关组。本发明的第三方面提供一种控制A/D转换器的方法，该A/D转换器包括用于依次输入第一模拟信号和第二模拟信号的输入端子,第一电容器和第二电容器，用于连接至基准电压源的基准电压线，用于连接至生成时变基准信号的信号源的基准信号线，具有第一输入端子和第二输入端子并输出根据提供至第一输入端子的输入电压和提供至第二输入端子的阈值电压之间的比较结果的输出信号的比较器，输出与从提供至比较器的第一输入端子的输入电压开始变化时直到比较器的输出信号变化为止的时间相对应的数字数据的输出电路，以及切换第一电容器和第二电容器的连接目的地的开关组，该方法包括在输入端子和基准电压线经由第一电容器连接的状态下把第一模拟信号输入至输入端子，并且随后在基准信号线和比较器的第一输入端子经由第一电容器连接的状态下把基准信号提供至基准信号线；以及在输入端子和基准电压线经由第二电容器连接的状态下把第二模拟信号输入至输入端子，并且随后在基准信号线和比较器的第一输入端子经由第二电容器连接的状态下把基准信号提供至基准信号线。根据(参照附图)对示例实施例的以下描述，本发明的更多特征将变得清楚。


并入说明书中并且构成说明书的一部分的附图，阐释了发明的实施例，并且和说明书一起用于解释发明的原理。图1是用于说明根据本发明的实施例的固态成像装置100的布置的示例的框图；图2是用于说明根据本发明的实施例的像素111和放大器电路120的布置的示例的电路图；图3是用于说明根据本发明的实施例的A/D转换器300的布置的示例的电路图；图4是用于说明根据本发明的实施例的固态成像装置100的操作的示例的定时图；图5是用于说明根据本发明的实施例的固态成像装置100的操作的另一示例的定时图；图6是用于说明根据本发明的实施例的A/D转换器600的布置的示例的电路图；图7是用于说明根据本发明的实施例的固态成像装置100的操作的又一示例的定时图；图8是用于说明根据本发明的实施例的A/D转换器800的布置的示例的电路图；图9用于说明根据本发明的实施例的固态成像装置100的操作的又一示例的定时图。
具体实施例下文中将参照附图描述本发明的一个实施例。在整个附图中，相同的附图标记表示相同的组件，从而避免其重复描述。下面将参照图1描述根据本发明的一个实施例的固态成像装置100的示意性布置的示例。固态成像装置100例如是CMOS图像传感器，其对表示对象图像的输入光进行光电转换并且将通过光电转换获得的电信号作为数字数据向外输出。固态成像装置100可包括模拟信号生成器110，模拟信号生成器110包括通过把多个像素111布置为矩阵而形成的像素阵列。为了简化，图1示出了 4个像素111，但像素111的数目不限于此。每一个像素111把固态成像装置100的输入光光电转换成模拟信号。固态成像装置100可进一步包括垂直扫描电路140。垂直扫描电路140依次提供驱动脉冲信号至与各个像素行相对应地布置的行选择线112。当驱动脉冲信号被提供至每一个行选择线112时，模拟信号被从包括在对应的像素行中的各个像素111读出到列信号线113上。该实施例处理其中像素111的复位电平信号和通过把根据通过光电转换产生的电荷的信号叠加到复位电平信号而获得的信号从像素111被读出的情况。这些信号之间的差表示有效像素值。模拟信号生成器110基于这些信号来输出在复位定时处的噪声信号和取决于对每一个像素111的光电转换获得的电荷的像素信号。模拟信号生成器110可进一步包括用于各个列信号线113的放大器电路120。每一个放大器电路120对经由列信号线113从各个对应的像素111输入的模拟信号进行放大，并且将放大的模拟信号提供至对应的A/D转换器130。固态成像装置100可进一步包括与各个列信号线113对应的A/D转换器130。每一个A/D转换器把输入的模拟信号转换成数字数据，并且输出数字数据。固态成像装置100可进一步包括基准电压源160、斜坡信号生成器170和计数器180。基准电压源160经由基准电压线161把基准电压Vref提供至各个A/D转换器130。斜坡信号生成器170产生随时间逝去以斜坡图案变化的斜坡信号Vramp，并且经由斜坡信号线171把产生的斜坡信号Vramp提供至各个A/D转换器130。计数器180经由计数数据线181将计数值Cnt提供至各个A/D转换器130。作为计数器180，例如，可使用格雷计数器或二进制计数器，并且计数器180可具有可逆功能(up-down function) 0该实施例将处理以下示例其中多个A/D转换器130共享基准电压源160、斜坡信号生成器170和计数器180。或者，每一个A/D转换器130可具有这些组件。固态成像装置100可进一步包括水平扫描电路150和信号处理器190。水平扫描电路150将来自A/D转换器130的数字数据输出转移至用于各个列的数字信号线191上。转移至数字信号线191上的数字数据被提供至信号处理器190。在该实施例中，对应于噪声信号的数字数据和对应于像素信号的数字数据在数字信号线191上被依次读出。信号处理器190从对应于像素信号的数字数据减去对应于噪声信号的数字数据，从而向外输出有效的像素值。固态成像装置100可进一步包括定时控制器195，其将脉冲信号提供至前述组件以控制固态成像装置100的操作。图1没有示出用于将脉冲信号从定时控制器195传送至各个组件的任何信号线。提供自定时控制器195的脉冲信号将使用后面描述的定时图在后文详细描述。在该实施例中，由于固态成像装置100包括放大器电路120，因此由A/D转换器130产生的噪声分量的影响可被降低。然而，固态成像装置100的修改可以不包括任何放大器电路120，并且来自像素111的模拟信号可经由列信号线113直接提供至A/D转换器130。固态成像装置100的另一个修改可包括取代放大器电路120的⑶S电路，并且每一个CDS电路可把从根据由像素产生的电荷的信号减去复位电平信号而获得的模拟信号提供至A/D转换器130。每一个A/D转换器将该模拟信号转换成数字数据，并且水平扫描电路150把与每一个像素111的像素值相对应的数字数据转移至信号处理器190。在图1中示出的示例中，放大器电路120、A/D转换器130和水平扫描电路150被布置在像素阵列的一侧。或者，这些组件可布置在像素阵列的两侧，并且数据可被分布到位于各个像素列的任一侧的组件。下面将参照图2的等效电路图来描述包括在固态成像装置100中的像素111和放大器电路120的示意布置的示例。像素111和放大器电路120可具有任意布置，只要用于计算该像素111的像素值所需的模拟信号可被提供至A/D转换器即可。像素111包括执行光电转换所需的光电二极管ro和多个晶体管。光电二极管ro通过转移晶体管Ttx连接至浮置扩散区FD。浮置扩散区H)还通过复位晶体管Tres连接至电压源VDD，并且连接至放大器晶体管Tamp的栅电极。放大器晶体管Tamp的第一主电极连接至电压源VDD，而放大器晶体管Tamp的第二主电极通过选择晶体管Tsel连接至列信号线113。选择晶体管Tsel的栅电极连接至行选择线112。当选择晶体管Tsel导通时，放大器晶体管Tamp和插入在列信号线113中的恒流源Icnst —起操作为源极跟随器电路。放大器电路120包括所示出的电路元件，并构成反相放大器。放大器AMP的反相输入端子经由箝位电容器Co连接至列信号线113，而Vcor被提供至放大器AMP的正相输入端子。放大器AMP的输出端子连接至A/D转换器130。反馈电容器Cf和开关Scor的并联电路连接在放大器AMP的反相输入端子和输出端子之间。通过以这样的方式配置箝位电路，放大器电路120不仅按照箝位电容器Co和反馈电容器Cf之间的比率对经由列信号线113输入的信号进行放大和输出，而且还操作为CDS电路。结果，作为在像素复位定时处的噪声信号，放大器电路120的偏移从模拟信号生成器11输出。此外，作为取决于由光电转换获得的电荷的像素信号，从中去除复位电平信号的信号被从模拟信号生成器110输出。在放大器电路120被省略的实施例中，模拟信号生成器110输出作为噪声信号的像素的复位电平信号、以及作为像素信号的把根据由像素产生的电荷的信号叠加在复位电平信号上而获得的信号。在该实施例中，作为浮置扩散区FD的复位的结果而产生的噪声分量可被降低。下面将参照图3中示出的等效电路图来描述作为图1中示出的A/D转换器130的一个示例的A/D转换器300的示意性布置。A/D转换器300可包括输入端子IN、输出端子OUTn和OUTs、保持电路310、比较电路320和输出电路330。保持电路310保持从输入端子IN输入的模拟信号Vin。多个模拟信号(例如，第一模拟信号和第二模拟信号)被依次输入至输入端子IN。比较电路320对基于保持在保持电路310中的模拟信号而被提供至比较电路320自身的输入电压和待比较的阈值电压进行比较，并且输出根据该比较结果的电平的输出信号Vout。输出电路330基于来自比较电路320的输出信号Vout和提供自计数器180的计数值Cnt从输出端子OUTn或OUTs输出数字数据。保持电路310可包括分别保持模拟信号的电容器Cn(第一电容器)和电容器Cs (第二电容器)，以及用于切换这些电容器Cn和Cs的连接目的地的一个或更多个开关(开关组)。电容器Cn的第一电极(图3中的左电极)经由开关Snpl连接至输入端子IN，并且经由开关Sntl连接至斜坡信号线171。电容器Cn的第二电极(图3中的右电极)经由开关Snp2连接至基准电压线161并且经由开关Snt2连接至比较电路320。类似地，电容器Cs的第一电极(图3中的左电极)经由开关Sspl连接至输入端子IN，并且经由开关Sstl连接至斜坡信号线171。电容器Cs的第二电极(图3中的右电极)经由开关Ssp2连接至基准电压线161并且经由开关Sst2连接至比较电路320。比较电路320可包括具有正相输入端子(第一输入端子)和反相输入端子(第二输入端子)的差分输入比较器CMP。比较器CMP的正相输入端子(图3中的“ + ”端子)连接至保持电路310的输出线，而比较器CMP的反相输入端子(图3中的端子)连接至基准电压线161。比较器CMP的一个输出端子连接至输出电路330。输出电路330可包括存储数字数据的4个锁存电 路Lnl、Ln2、Lsl和Ls2。锁存电路Lnl的D端子和锁存电路Lsl的D端子二者均连接至计数数据线181。锁存电路Lnl的G端子经由开关Snl连接至比较电路320的输出线，而锁存电路Lsl的G端子经由开关Ssl连接至比较电路320的输出线。锁存电路Lnl的Q端子连接至锁存电路Ln2的D端子，而锁存电路Lsl的Q端子连接至锁存电路Ls2的D端子。锁存电路Ln2的G端子和锁存电路Ls2的G端子二者均连接至信号线331。锁存电路Ln2的Q端子连接至输出端子OUTn，而锁存电路Ls2的Q端子连接至输出端子OUTs。下面参照图4中的定时图描述具有A/D转换器300的固态成像装置100的操作的一个示例。图4中示出的各个脉冲信号通过定时控制器195生成并且被提供至固态成像装置100中的各个电路元件。在图4中，相同的脉冲信号被提供至一些开关组，但脉冲信号可被单独提供至各个开关。这也适于对于其它定时图。图4将解释第η行的像素111 (第一像素)的操作和第η+1行的像素111 (第二像素)的操作，数据从这些行被连续地读出。第η行的像素111的数字数据在时段T期间被读出至信号处理器190，而第η+1行的像素111的数字数据在时段Τ’期间被读出至信号处理器190。如图4所示，由于时段T和Τ’相互部分重叠，所以可缩短A/D转换所需的时间。首先将描述第η行的像素111的读出操作。在时段Tl期间，作为模拟信号的噪声信号Vn被保持在电容器Cn中。在时段Tl开始时，脉冲信号Pres、Psel和Pcor分别变H(高电平)，从而使复位晶体管Tres、选择晶体管Tsel导通和开关Scor闭合。因此,浮置扩散区FD被复位。在这种状态下，放大器晶体管Tamp操作为源极跟随器，而浮置扩散区FD的复位电平信号被读出至列信号线113上。当脉冲信号Pcor变L(低电平)时，嵌位电容器Co保持Vcor和像素输出之间的电势差。在这一时刻的放大器电路120的输出作为噪声信号Vn被提供至A/D转换器300的输入端子IN。噪声信号Vn包含放大器电路120的偏移。噪声信号Vn被连续提供直到脉冲信号Ptx变H。在时段Tl开始时，脉冲信号Pnp变H，从而使开关Snpl和Snp2闭合。结果，输入端子IN和基准电压线161通过电容器Cn连接，并且电容器Cn保持基准电压Vref和噪声信号Vn之间的差值。更具体地，电容器Cn的第一电极的电势变成等于噪声信号Vn,而电容器Cn的第二电极的电势变成等于基准电压Vref。在时段Tl结束之后，脉冲信号Pnp变L(低电平)，从而断开开关Snpl和Snp2ο接下来，在时段T2期间，噪声信号Vn被A/D转换。在时段T2开始时，脉冲信号Pen变H。随后，斜坡信号生成器170开始改变将被提供到斜坡信号线171上的斜坡信号Vramp，而计数器180开始计数并且将计数值Cnt提供至计数数据线181上。在该实施例中，当脉冲信号Pen变H时，斜坡信号生成器170将斜坡信号Vramp提供至斜坡信号线171上，斜坡信号Vramp开始于Vref并且随时间逝去而线性地增加。在时段T2开始时，脉冲信号Pnt变H，从而闭合开关Sntl和Snt2。结果，斜坡信号线171和比较器CMP的正相输入端子通过电容器Cn连接。而且，由于脉冲信号Pnl变H，因此开关Snl也闭合。结果，比较器CMP的输出端子连接至锁存电路Lnl的G端子。当斜坡信号Vramp开始增加时，电容器Cn的第一电极的电势也增加，并且电容器Cn的第二电极的电势和比较器CMP的正相输入端子的电压也相应地增加。更具体地，在斜坡信号Vramp的提供开始定时处，电容器Cn的第一电极的电势变成等于Vref,而电容器Cn的第二电极的电势变成等于(2*Vref-Vn)。因此，比较器CMP的正相输入端子的电压变成等于(2*Vref-Vn)。随后，当比较器CMP的正相输入端子的电压超过反相输入端子的电压Vref时，来自比较器CMP的输出电压Vout从L反转成H。结果，H电平的信号被提供至锁存电路Lnl的G端子，而在当时被提供至D端子的计数值Cnt被存储在锁存电路Lnl中并且从Q端子输出。当比较器CMP的正相输入端子的电压变成等于Vref时，比较器CMP的输出信号Vout被反转。为此，锁存电路Lnl存储与比较器CMP的正相输入端子的电压从(2*Vref_Vn)变化成Vref时所需的时间相对应的计数值，S卩，对应于(Vn-Vref)的计数值。因此，存储在锁存电路Lnl中的计数值是与作为模拟信号的噪声信号Vn相对应的数字数据。接下来，在时段T3期间，作为模拟信号的像素信号Vs被电容器Cn保持。在时段T3开始时，脉冲信号Ptx变H，从而转移晶体管Ttx导通。因此，在光电二极管ro上累积的电荷被转移至浮置扩散区FD。在该状态下，放大器晶体管Tamp操作为源极跟随器，并且把根据在光电二极管ro上累积的电荷的信号叠加在浮置扩散区FD的复位电平信号上而获得的信号被读出至列信号线113上。读出的信号被放大器电路120放大，并且作为像素信号Vs被提供至A/D转换器300的输入端子IN。由于嵌位电容器Co保持在Tl时段期间的像素输出和Vcor之间的电势差，所以来自放大器电路120的信号输出不包含由浮置扩散区FD的复位产生的任何噪声分量。由于在时段T3期间A/D转换器300的操作和在时段Tl期间A/D转换器300的操作相同，所以避免其重复描述。在时段T3结束时，电容器Cn的第一电极的电势变成等于像素信号Vs，并且电容器Cn的第二电极的电势变成等于基准电压Vref。接下来，在时段T4期间，像素信号Vs被A/D转换。由于时段T4和时段T2相同，下面将主要描述区别。在时段T4期间，脉冲信号Psl变H，从而闭合开关Ssl。结果，比较器CMP的输出端子连接至锁存电路Lsl的G端子。当斜坡信号Vramp增加并且比较器CMP的正相输入端子的电压超过反相输入端子的电压Vref时，来自比较器CMP的输出信号Vout从L反转成H。结果，在当时提供至D端子的计数值Cnt被存储在锁存电路Lsl中并且从Q端子输出。锁存电路Lsl存储与比较器CMP的正相输入端子的电压从(2*Vref-Vs)变化成Vref所需的时间相对应的计数值，S卩，对应于(Vs-Vref)的计数值。因此，存储在锁存电路Lsl中的计数值是对应于作为模拟信号的像素信号Vs的数字数据。在时段T4之后，脉冲信号mtx (图4中未示出)被提供至锁存电路Ln2和Ls2的G端子。因此，锁存电路Ln2存储来自锁存电路Lnl的输出并且将其从输出端子OUTn输出。此外，锁存电路Ls2存储来自锁存电路Lsl的输出并且将其从输出端子OUTs输出。随后，水平扫描电路150把从输出端子OUTn和OUTs输出的数字数据顺次地读出至数 字信号线191上。下面将描述与第η+1行的像素111有关的数字数据的读出操作。与第η行的像素111中不同,输入至A/D转换器300的模拟信号(噪声信号Vn’，像素信号Vs’)被保持在电容器Cs中。即，在时段Tl’期间，噪声信号Vn’被保持在电容器Cs中。接下来，在时段T2’期间，噪声信号Vn’被A/D转换。接下来，在时段T3’期间，像素信号Vs’被保持在电容器Cs中。最终，在时段T4’期间，像素信号Vs’被A/D转换。由于提供至第η+1行的像素111的读出操作中的各个电路元件的脉冲信号的定时与第η行的像素111的读出操作中的各个电路元件的脉冲信号的定时相同，所以避免其重复描述。如图4的定时图所示，第η行的像素111的像素信号Vs的A/D转换时段Τ4与第η+1行的像素111的噪声信号Vn’的保持时段Tl’交叠。因此，可缩短固态成像装置100的像素111所需的整个A/D转换时段。通过控制A/D转换器300以便不会同时将电容器Cn和Cs连接至公共电路布置，可降低由 公共阻抗产生的串扰。由于当斜坡信号Vramp被提供至电容器Cn的同时基准电压Vref被提供至电容器Cs，所以也可降低由电容耦合产生的串扰。因此，具有A/D转换器300的固态成像装置100可获得可降低行间串扰的高帧速率的成像操作。使用图4的定时图描述的实施例使用Vref作为斜坡信号Vramp的初始值，但可使用其它电压。此外，基准电压Vref被提供至比较器CMP的反相输入端子，但可提供其它电压。例如，当电压Va用作斜坡信号Vramp的初始值时，电压Vb被提供至比较器CMP的反相输入端子，并且输入信号Vin被输入至输入端子IN，表示(Vin+Vb-Va-Vref)的数字数据从输出电路330输出。由于信号处理器190计算表示(Vn+Vb-Va-Vref)的数字数据和表示(Vs+Vb-Va-Vref)的数字数据之间的差值，所以获得表示(Vn-Vs)的数字数据。产生取代斜坡信号的时变的另一个基准信号的信号源可用作斜坡信号生成器170。在该情况下，该基准信号经由基准信号供应线被提供至每一个A/D转换器130。基准信号可使用任意的信号，只要其随着时间逝去而单调改变即可。除了前述斜坡信号之外，基准信号的一个示例包括随时间逝去而逐步(step by step)改变的信号。在该情况下，“单调改变”表示在例如单调递减的情形中不会增加的电势变化。下面参照图5中示出的定时图来描述具有A/D转换器300的固态成像装置100的操作的另一个示例。避免了与图4中示出的定时图共有的部分的重复描述。在图5中示出的定时图中，脉冲信号Pnp、Pnt、Psp和Pst的波形与图4中示出的定时图不同。由于脉冲信号Psp在时段T3期间变H，所以第η行的像素111的像素信号Vs被保持在电容器Cs中，而不是电容器Cn中。因此，第η行的像素111的噪声信号Vn的A/D转换时段Τ2可与第η行的像素111的像素信号Vs的保持时段Τ3交叠。为此，可进一步缩短固态成像装置100的像素111所需的整个A/D转换时段。下面将参照图6的等效电路图来描述作为图1中示出的A/D转换器130的另一个示例的A/D转换器600的示意性布置。图6中相同的附图标记表示与图3中示出的A/D转换器300相同的元件，将避免其重复描述。A/D转换器600可包括输入端子IN、输出端子OUTn和OUTs、保持电路610、比较电路620和输出电路330。保持电路610保持从输入端子IN输入的模拟信号Vin。比较电路620把基于保持在保持电路610中的模拟信号而被提供至比较电路620自身的输入电压与待比较的阈值电压进行比较，并且输出根据该比较结果的电平的输出信号Vout。保持电路610可包括分别保持模拟信号的两个电容器Cn和Cs，以及用于切换这些电容器Cn和Cs的连接目的地的一个或更多个开关。电容器Cn的第一电极(图6中的上电极)经由开关Snpl连接至输入端子IN，并且经由开关Snt2连接至比较电路620。电容器Cn的第二电极(图6中的下电极)经由开关Snp2连接至基准电压线161并且经由开关Sntl连接至斜坡信号线171。类似地，电容器Cs的第一电极(图6中的上电极)经由开关Sspl连接至输入端子IN，并且经由开关Sst2连接至比较电路620。电容器Cs的第二电极(图6中的下电极)经由开关Ssp2连接至基准电压线161并且经由开关Sstl连接至斜坡信号线171。比较电路620可包括差分输入比较器CMP和反相器INV。比较器CMP的正相输入端子连接至保持电路610的输出线，而比较器CMP的反相输入端子连接至基准电压线161。比较器CMP的输出端子经由反相器INV连接至输出电路330。下面将参照图7中示出的定时图来描述具有A/D转换器600的固态成像装置100的操作的示例。图7中示出的各个脉冲信号通过定时控制器195产生并且被提供至固态成像装置100中的各个电路元件。由于图7中示出的各个脉冲信号的波形与图4中示出的脉冲信号的波形相同，因此将避免其重复描述。在图7中，要在A/D转换时段期间被提供的斜坡信号Vramp的波形与图4不同。下面将以时段Tl和T2为代表进行描述。在时段Tl期间，噪声信号Vn如图4中示出的定时图中那样被输入至A/D转换器600的输入端子。在时段Tl开始时，脉冲信号Pnp变H，从而闭合开关Snpl和Snp。结果，输入端子IN和基准电压线161经由电容器Cn连接，并且基准电压Vref和噪声信号Vn之间的差值被保持在电容器Cn中。更具体地，电容器Cn的第一电极的电势变成等于噪声信号Vn，并且电容器Cn的第二电极的电势变成等于基准电压Vref。在时段Tl结束之后，脉冲信号Pnp变L,从而断开开关Snpl和Snp2。在时段T2期间，噪声信号Vn被A/D转换。在时段T2开始时，脉冲信号Pen变H。斜坡信号生成器170开始改变要被提供到斜坡信号线171上的斜坡信号Vramp，而计数器180开始计数并且将计数值Cnt提供至计数数据线181上。在该实施例中，当脉冲信号Pen变H时，斜坡信号生成器170把开始于Vref并且随时间逝去而线性减小的斜坡信号Vramp提供至斜坡信号线171上。在时段T2开始时，脉冲信号Pnt变H，从而接通开关Sntl和Snt2。结果，斜坡信号线171和比较器CMP的正相输入端子经由电容器Cn连接。当斜坡信号Vramp开始减小时，电容器Cn的第一电极的电势也减小，并且电容器Cn的第二电极的电势和比较器CMP的正相输入端子的电势也相应地减小。更具体地，在斜坡信号Vramp的提供开始定时处，电容器Cn的第一电极的电势变成等于Vref,并且电容器Cn的第二电极的电势变成等于(2*Vref-Vn)。即，比较器CMP的正相输入端子的电压变成等于(2*Vref-Vn)。然后，当比较器CMP的正相输入端子的电压下降至低于反相输入端子的电压Vref时，来自比较器CMP的输出信号从H反转成L，而来自反相器INV的输出信号从L反转成H。结果，H电平信号被提供至锁存电路Lnl的G端子，而在当时被提供至D端子的计数值Cnt被存储在锁存电路Lnl中并且从Q端子输出。当比较器CMP的正相输入端子的电压变成等于Vref时，来自比较器CMP的输出信号被反转。为此，锁存电路Lnl存储与比较器CMP的正相输入端子的电压从(2*Vref-Vn)变成Vref所需的时间相对应的计数值，即，对应于(Vref-Vn)的计数值。因此，存储在锁存电路Lnl中的计数值是与作为模拟信号的噪声信号Vn相对应的数字数据。具有A/D转换器600的固态成像装置100具有与具有A/D转换器300的固态成像装置100相同的效果。与A/D转换器300相关联地描述的修改可类似地应用至A/D转换器600，并且图5的定时图中示出的脉冲信号可提供在具有A/D转换器600的固态成像装置100 中。下面将参照图8中示出的等效电路图来描述作为图1中示出的A/D转换器130的又一个示例的A/D转换器800的示意性布置。图8中的相同附图标记表示与图3中示出的A/D转换器300公用的元件，从而避免其重复描述。A/D转换器800可包括输入端子IN、输出端子OUTn和OUTs、保持电路310、比较电路820和输出电路330。比较电路820把基于保持在保持电路310中的模拟信号而被提供至比较电路820自身的输入电压与要被比较的阈值电压进行比较，并且输出根据该比较结果的电平的输出信号Vout。比较电路820可包括差分输入比较器CMP、偏移电容器Coff和各个开关。比较器CMP的正相输入端子连接至保持电路310的输出线，并且比较器CMP的反相输入端子连接至偏移电容器Coff (第三电容器)。比较器CMP的输出端子连接至输出电路330。比较器CMP的正相输入端子经由开关Soff第一开关)连接至基准电压线161。比较器CMP的输出端子和反相输入端子经由开关Sfb (第二开关)相互连接。前面的实施例是在假设比较器CMP的偏移电压可被忽略的情形下说明的。然而，比较电路820考虑了由于比较器CMP的偏移电压而产生的比较误差。比较电路820使用偏移电容器Coff来调节偏移电压。下面将参照图9中示出的定时图来描述具有A/D转换器800的固态成像装置100的操作的示例。图9中示出的各个脉冲信号通过定时控制器195产生，并且被提供至固态成像装置100中的各个电路元件。由于图9中示出的各个脉冲信号的波形与图4中示出的脉冲信号的波形相同，所以避免其重复描述。图9与图4中不同，包括在时段Tl之后并且在时段T2之前的执行偏移处理的时段Toff。由于除了时段Toff之外的时段与前述操作中的时段相同，所以下面将描述时段Toff。在时段Toff期间，脉冲信号Poff变H，由此闭合开关Soff和Sfb。以这种方式，比较器CMP的反相输入端子和输出端子被短路，从而比较器CMP操作为电压跟随器。由于基准电压Vref被提供至比较器CMP的正相输入端子，所以比较器CMP的输出端子输出通过把偏移电压Voff叠加至Vref而获得的(Vref+Voff)。偏移电容器随后保持(Vref+Voff)。这之后，比较器CMP的反相输入端子的电压在整个T2和T4时段内被维持在(Vref+Voff)。比较器把(Vref+Voff)与从保持电路310提供至其正相输入端子的信号进行比较。因此，可降低偏移电压的影响。通过在时段T2和T4之前设定时段Toff，同一像素的噪声电压Vn和像素信号Vs可通过相同的偏移电压进行调节。具有A/D转换器800的固态成像装置100与具有A/D转换器300的固态成像装置100具有相同的效果。与A/D转换器300相关联地描述的修改可类似地应用至A/D转换器800。例如，图5的定时图中示出的脉冲信号可提供在具有A/D转换器800的固态成像装置100中，并且A/D转换器800的保持电路310可被保持电路610取代。虽然参照示例性实施例描述了本发明，但应理解本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围将被给予最宽的解释以包括所有的此类修改以及等同的结构和功能。
权利要求
1.一种用于把第一模拟信号和第二模拟信号分别转换成数字数据的模数转换器，包括用于依次输入第一模拟信号和第二模拟信号的输入端子；第一电容器和第二电容器；用于连接至基准电压源的基准电压线；用于连接至生成时变的基准信号的信号源的基准信号线；比较器，具有第一输入端子和第二输入端子，并且输出根据提供至第一输入端子的输入电压和提供至第二输入端子的阈值电压之间的比较结果的输出信号；以及输出电路，输出与从提供至所述比较器的第一输入端子的输入电压开始改变时直到比较器的输出信号改变为止的时间相对应的数字数据，其中，当在所述基准信号线和所述比较器的第一输入端子经由所述第一电容器连接的状态下所述基准信号被提供至所述基准信号线时，在所述输入端子和所述基准电压线经由所述第一电容器连接的状态下输入至所述输入端子的第一模拟信号被转换成数字数据，以及当在所述基准信号线和所述比较器的第一输入端子经由所述第二电容器连接的状态下所述基准信号被提供至所述基准信号线时，在所述输入端子和所述基准电压线经由所述第二电容器连接的状态下输入至所述输入端子的第二模拟信号被转换成数字数据。
2.根据权利要求1所述的转换器，其中，在所述基准信号线和所述比较器的第一输入端子经由所述第一电容器连接的状态下，所述输入端子和所述基准电压线经由所述第二电容器连接。
3.根据权利要求1所述的转换器，其中，所述阈值电压是通过把所述比较器的偏移电压加至从所述基准电压源提供的基准电压而获得的电压。
4.根据权利要求1所述的转换器，进一步包括用于连接所述比较器的第一输入端子和所述基准电压线的第一开关；用于连接所述比较器的第二输入端子和所述比较器的输出端子的第二开关；以及连接至所述比较器的第二输入端子的第三电容器。
5.根据权利要求1所述的转换器，其中，所述阈值电压等于从所述基准电压源提供的基准电压。
6.根据权利要求1所述的转换器，其中，所述基准信号是斜坡信号。
7.根据权利要求1所述的转换器，其中，所述比较器的第一输入端子是正相输入端子， 而所述比较器的第二输入端子是反相输入端子。
8.一种固态成像装置，包括如权利要求1所述的模数转换器；模拟信号生成器，具有多个像素并生成各个像素的模拟信号；以及控制器，把模拟信号提供至所述模数转换器并且控制所述模数转换器输出与所述模拟信号相对应的数字数据。
9.根据权利要求8所述的固态成像装置，其中，由所述模拟信号生成器生成的模拟信号包括取决于通过光电转换获得的电荷的像素信号和在像素复位定时的噪声信号，以及所述控制器把多个像素中的第一像素的像素信号作为第一模拟信号提供至所述模数转换器来控制所述模数转换器输出数字数据，并且把多个像素中的第二像素的噪声信号作为第二模拟信号提供至所述模数转换器来控制所述模数转换器输出数字数据。
10.根据权利要求8的固态成像装置，其中，所述模拟信号生成器进一步包括放大来自所述多个像素的信号的放大器电路，以及所述放大器电路基于从所述多个像素提供的像素的复位电平信号来生成噪声信号，并且基于把根据通过光电转换生成的电荷的信号叠加在复位电平信号上而获得的信号来生成像素信号。
11.一种模数转换器，包括输入端子；第一电容器和第二电容器；基准电压线；斜坡信号线；具有正相输入端子和反相输入端子的差分输入比较器；被提供计数值并且输出当所述比较器的输出信号改变时被提供的计数值的锁存电路；对所述第一电容器连接在所述输入端子和所述基准电压线之间的状态和所述第一电容器连接在所述斜坡信号线和所述比较器的正相输入端子之间的状态进行切换的开关组；对所述第二电容器连接在所述输入端子和所述基准电压线之间的状态和所述第二电容器连接在所述斜坡信号线和所述比较器的正相输入端子之间的状态进行切换的开关组。
12.根据权利要求11所述的转换器，其中，在所述斜坡信号线和所述比较器的正相输入端子经由所述第一电容器连接的状态下，所述输入端子和所述基准电压线经由所述第二电容器连接。
13.—种控制模数转换器的方法，该模数转换器包括用于依次输入第一模拟信号和第二模拟信号的输入端子；第一电容器和第二电容器；用于连接至基准电压源的基准电压线；用于连接至生成时变的基准信号的信号源的基准信号线；比较器，具有第一输入端子和第二输入端子，并且输出根据提供至第一输入端子的输入电压和提供至第二输入端子的阈值电压之间的比较结果的输出信号；以及输出电路，输出与从提供至所述比较器的第一输入端子的输入电压开始改变时直到比较器的输出信号改变为止的时间相对应的数字数据；以及切换第一电容器和第二电容器的连接目的地的开关组，该方法包括在所述输入端子和所述基准电压线经由第一电容器连接的状态下把第一模拟信号输入至所述输入端子，并且随后在所述基准信号线和所述比较器的第一输入端子经由第一电容器连接的状态下把所述基准信号提供至所述基准信号线；以及在所述输入端子和所述基准电压线经由第二电容器连接的状态下把第二模拟信号输入至所述输入端子，并且随后在所述基准信号线和所述比较器的第一输入端子经由第二电容器连接的状态下把所述基准信号提供至所述基准信号线。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，在所述基准信号线和所述比较器的第一输入端子经由所述第一电容器连接的状态下，所述输入端子和所述基准电压线经由所述第二电容器连接。
全文摘要
一种固态成像装置、模数转换器及其控制方法。在该模数转换器中，当在基准信号线和比较器的第一输入端子经由第一电容器连接的状态下基准信号被提供至基准信号线时，在输入端子和基准电压线经由第一电容器连接的状态下输入至输入端子的第一模拟信号被转换成数字数据。当在基准信号线和比较器的第一输入端子经由第二电容器连接的状态下基准信号被提供至基准信号线时，在输入端子和基准电压线经由第二电容器连接的状态下输入至输入端子的第二模拟信号被转换成数字数据。
文档编号H03M1/12GK103001637SQ201210334138
公开日2013年3月27日 申请日期2012年9月11日 优先权日2011年9月15日
发明者樋山拓己, 中村恒一, 齐藤和宏, 板野哲也 申请人:佳能株式会社