斜坡信号发生电路和图像传感器的制造方法
【专利摘要】一种斜坡信号发生电路和图像传感器，斜坡信号发生电路包括：运算放大器，第一电容和至少一个第一开关电容单元，第一开关电容单元包括：第一开关、第二开关、第三开关、第四开关和第二电容；第一开关的第一端连接运算放大器的负相输入端和输出端，第二开关的第一端连接运算放大器的正相输入端和第一电容的第一端，第三开关的第二端适于输入第一电压，第四开关的第二端适于输入第二电压，第二电压和第一电压的电压值不相等；在同一个第一开关电容单元中，第一开关的第二端连接第二开关的第二端和第二电容的第一端，第三开关的第一端连接第四开关的第一端和第二电容的第二端；第一电容的第二端接地；第一电容的电容值大于第二电容的电容值。
【专利说明】斜坡信号发生电路和图像传感器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电子领域，尤其涉及一种斜坡信号发生电路和图像传感器。
【背景技术】
[0002] 在图像传感器中，随着像素单元阵列规模的不断扩大，传统的芯片级模数转换器 已经不能满足高帧率的要求，所以高帧率图像传感器采用列级的模数转换器，其中单斜率 模数转换器（single slope analog to digital converter，SS ADC)具有只需小的面积和 功耗就能实现高精度的特点，被广泛应用在高像素高帧率的图像传感器中。在SS ADC中需 要一个斜坡（ramp)信号作为比较器的比较电平，它的精度直接影响到SS ADC的输出精度， 所以如何产生一个高精度的斜坡信号是一个非常重要的研究课题。
[0003] 传统的斜坡信号的产生，一种方法是用电流舵（current steering)结构，通过不 断增加流过固定电阻的电流来产生斜坡信号。另一种方法是积分（integrating)结构，采 用固定的电流不断的给固定电容充电，产生一个连续的斜坡信号。这两种斜坡信号发生器 对于高速和大负载应用时，都存在信号建立时间过长的问题，从而导致精度很难达到应用 要求。
【发明内容】
[0004] 本发明解决的问题是现有斜坡信号发生器对于高速和大负载应用时，存在信号建 立时间过长的问题。
[0005] 为解决上述问题，本发明提供一种斜坡信号发生电路，包括：运算放大器，第一电 容和第一开关电容组，所述第一开关电容组包括至少一个第一开关电容单元，所述第一开 关电容单元包括：第一开关、第二开关、第三开关、第四开关和第二电容；
[0006] 所述第一开关的第一端连接所述运算放大器的负相输入端和输出端，所述第二开 关的第一端连接所述运算放大器的正相输入端和第一电容的第一端，所述第三开关的第二 端适于输入第一电压，所述第四开关的第二端适于输入第二电压，所述第二电压和第一电 压的电压值不相等；
[0007] 在同一个第一开关电容单元中，所述第一开关的第二端连接所述第二开关的第二 端和第二电容的第一端，所述第三开关的第一端连接所述第四开关的第一端和第二电容的 A-Ap -?上山 弟·~-? ；
[0008] 所述第一电容的第二端接地；
[0009] 所述第一电容的电容值大于所述第二电容的电容值。
[0010] 可选的，所述斜坡信号发生电路还包括：开关控制单元，所述开关控制单元适于输 出第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号和第四控制信号至需工作的第一开关电容 单元以启动所述需工作的第一开关电容单元；
[0011] 所述第一控制信号适于控制所述第一开关的闭合和断开，所述第二控制信号适于 控制所述第二开关的闭合和断开，所述第三控制信号适于控制所述第三开关的闭合和断 开，所述第四控制信号适于控制所述第四开关的闭合和断开；
[0012] 所述第二控制信号为所述第一控制信号的反相信号，所述第四控制信号为所述第 三控制信号的反相信号，所述第一控制信号和第三控制信号为同频同相信号。
[0013] 可选的，所述需工作的第一开关电容单元的数量为多个，所述开关控制单元适于 按预定次序依次启动所述需工作的第一开关电容单元。
[0014] 可选的，所述预定次序与所述斜坡信号发生电路输出的斜坡信号斜率相关。
[0015] 可选的，所述开关控制单元适于先输出所述第二控制信号和第四控制信号至全部 需工作的第一开关电容单元，再按所述预定次序依次输出所述第一控制信号和第三控制信 号至所述需工作的第一开关电容单元。
[0016] 可选的，所述第一控制信号和第二控制信号均为脉冲信号，所述脉冲信号的幅度 跟随所述第一电容的第一端电压值增加而增大。
[0017] 可选的，所述的斜坡信号发生电路还包括第二开关电容组，所述第二开关电容组 包括至少一个第二开关电容单元，所述第二开关电容单元包括：第五开关、第六开关、第七 开关、第八开关和第三电容，所述第三电容的电容值与所述第二电容的电容值相等；
[0018] 所述第五开关的第一端连接所述运算放大器的第一输入端和输出端，所述第六开 关的第一端连接所述运算放大器的第二输入端和第一电容的第一端，所述第七开关的第二 端适于输入所述第一电压，所述第八开关的第二端适于输入所述第二电压；
[0019] 在同一个第二开关电容单元中，所述第五开关的第二端连接所述第六开关的第二 端和第三电容的第一端，所述第七开关的第一端连接所述第八开关的第一端和第三电容的 A-Ap -?上山 弟一栖。
[0020] 可选的，所述开关控制单元还适于输出第五控制信号、第六控制信号、第七控制 信号和第八控制信号至需工作的第二开关电容单元以启动所述需工作的第二开关电容单 元；
[0021] 所述第五控制信号适于控制所述第五开关的闭合和断开，所述第六控制信号适于 控制所述第六开关的闭合和断开，所述第七控制信号适于控制所述第七开关的闭合和断 开，所述第八控制信号适于控制所述第八开关的闭合和断开；
[0022] 所述第五控制信号为所述第一控制信号的反相信号，所述第六控制信号为所述第 二控制信号的反相信号，所述第七控制信号为所述第三控制信号的反相信号，所述第八控 制信号为所述第四控制信号的反相信号。
[0023] 本发明实施例还提供一种图像传感器，包括：斜坡信号发生电路和模数转换器，所 述斜坡信号发生电路连接所述模数转换器。
[0024] 可选的，所述模数转换器的所需精度与所述第一电容和第二电容的电容值比值相 关。
[0025] 与现有技术相比，本发明的技术方案提供的斜坡信号发生电路可以采用较小的等 效电容来充放电，减小了斜坡信号建立时间，可以符合高精度要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0026] 图1是本发明实施例的斜坡信号发生电路的一结构示意图；
[0027] 图2是本发明实施例的第一开关电容组结构示意图；
[0028] 图3是本发明实施例的斜坡信号发生电路的一等效结构示意图；
[0029] 图4是本发明实施例的斜坡信号发生电路的另一等效结构示意图；
[0030] 图5是本发明实施例的斜坡信号的波形示意图；
[0031] 图6是本发明实施例的斜坡信号发生电路的另一结构示意图。
【具体实施方式】
[0032] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明 的具体实施例做详细的说明。
[0033] 如图1所示，本发明实施例提供一种斜坡信号发生电路，包括：运算放大器Opamp， 第一电容Cl和第一开关电容组1。
[0034] 结合图2所示，所述第一开关电容组1包括至少一个第一开关电容单元。所述第 一开关电容单元包括：第一开关、第二开关、第三开关、第四开关和第二电容C2。所述第一 开关的第一端连接所述运算放大器Opamp的负相输入端和输出端bufout，所述第二开关的 第一端连接所述运算放大器Opamp的正相输入端和第一电容Cl的第一端Vramp,所述第三 开关的第二端适于输入第一电压，所述第四开关的第二端适于输入第二电压Voft，所述第 二电压Voft的电压值和第一电压的电压值不相等；在同一个第一开关电容单元中，所述第 一开关的第二端连接所述第二开关的第二端和第二电容C2的第一端，所述第三开关的第 一端连接所述第四开关的第一端和第二电容C2的第二端；所述第一电容Cl的第二端接地 GND。所述第一电容的电容值大于所述第二电容的电容值。第二电压Voft的电压值大于第 一电压的值时，斜坡信号发生电路输出的斜坡信号斜率大于〇 ;第二电压Voft的电压值小 于第一电压的值时，斜坡信号发生电路输出的斜坡信号斜率小于0。为了便于理解，以下实 施例均以第一电压为地电压且第二电压Voft的电压值大于第一电压的值为例进行说明。
[0035] 图2中以4个第一开关电容单元为例。第一开关电容组1包括：第1个第一开关 电容单元11、第2个第一开关电容单元12、第3个第一开关电容单元13和第4个第一开关 电容单元14。
[0036] 第1个第一开关电容单元11包括：第一开关Φ 11、第二开关Φ21、第三开关Φ31、 第四开关Φ41和第二电容C2。第2个第一开关电容单元12包括：第一开关Φ 12、第二开 关Φ22、第三开关Φ32、第四开关Φ42和第二电容C2。第3个第一开关电容单元13包括： 第一开关Φ13、第二开关Φ23、第三开关Φ33、第四开关Φ43和第二电容C2。第4个第一 开关电容单元14包括：第一开关Φ 14、第二开关Φ24、第三开关Φ34、第四开关Φ44和第 二电容C2。
[0037] 全部第一开关电容单元中的第一开关，即第一开关Φ11、第一开关Φ12、第一开 关Φ 13和第一开关Φ 14的第一端均连接运算放大器Opamp的负相输入端和运算放大器 Opamp的输出端bufout。全部第一开关电容单元中的第二开关，即第二开关Φ21、第二开 关Φ 22、第二开关Φ 23和第二开关Φ 24的第一端均连接运算放大器Opamp的正相输入端 和第一电容Cl的第一端Vramp。全部第一开关电容单元中的第三开关，即第三开关Φ31、 第三开关Φ 32、第三开关Φ 33和第三开关Φ 34的第二端均适于接地GND。全部第一开关 电容单元中的第四开关，即第四开关Φ41、第四开关Φ42、第四开关Φ43和第四开关Φ44 的第二端均适于输入第二电压Voft。
[0038] 在每个第一开关电容单元中，第一开关、第二开关、第三开关、第四开关和第二电 容的连接关系是相同的，以第1个第一开关电容单元11为例：第一开关Φ11的第二端连 接第二开关Φ21的第二端和第二电容C2的第一端，第三开关Φ31的第一端连接第四开关 Φ41的第一端和第二电容C2的第二端。
[0039] 本实施例所述的斜坡信号发生电路还可以包括：开关控制单元。
[0040] 所述开关控制单元适于输出第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号和第四 控制信号至需工作的第一开关电容单元以启动所述需工作的第一开关电容单元。所述第一 控制信号适于控制所述第一开关的闭合和断开，所述第二控制信号适于控制所述第二开关 的闭合和断开，所述第三控制信号适于控制所述第三开关的闭合和断开，所述第四控制信 号适于控制所述第四开关的闭合和断开。
[0041] 其中，所述第二控制信号为所述第一控制信号的反相信号，所述第四控制信号为 所述第三控制信号的反相信号，所述第一控制信号和第三控制信号为同频同相信号。因此， 第一开关电容单元被启动后，第一开关和第三开关同时闭合或断开，第二开关和第四开关 同时闭合或断开；而第一开关和第三开关则与第二开关和第四开关状态相反，即第一开关 和第三开关闭合时第二开关和第四开关断开，第一开关和第三开关断开时第二开关和第四 开关闭合。
[0042] 第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号和第四控制信号均可以为脉冲信号， 一个周期的脉冲信号具有相位1和相位2两种状态，周期的脉冲信号在相位1和相位2两 种状态间不断切换。例如，相位1时脉冲信号为高电平，相位2时脉冲信号为低电平。
[0043] 以斜坡信号发生电路仅包括一个第一开关电容单元11为例，当第一控制信号和 第三控制信号均为相位1状态、第二控制信号和第四控制信号均为相位2状态时，第一开关 和第三开关闭合而第二开关和第四开关断开，所述斜坡信号发生电路的等效电路如图3所 示。在该情况下，只对第二电容C2充放电。
[0044] 当第一控制信号和第三控制信号均为相位2状态、第二控制信号和第四控制信号 均为相位1时状态，第一开关和第三开关断开而第二开关和第四开关闭合，所述斜坡信号 发生电路的等效电路如图4所示。在该情况下，第一电容Cl和第二电容C2串联连接，等效 电容小于第二电容C2。
[0045] 由上述分析可以看出，本实施例无论在相位1状态还是相位2状态，用于充放电的 等效电容都较小，相应的RC延迟就很小，可以实现信号的快速建立。
[0046] 根据图3所示的等效电路可知，存储在第一电容Cl和第二电容C2上的总电荷Ql 为：
[0047] Ql = Vramp (n) * (C2+C1) (公式 1)
[0048] 公式1中的Vramp (η)代表第一电容Cl的第一端Vramp的电压值，C2代表第二电 容C2的电容值，Cl代表第一电容Cl的电容值。
[0049] 根据图4所示的等效电路可知，存储在第一电容Cl和第二电容C2上的总电荷Q2 为：
[0050] Q2 = (Vramp (n+1)-Voft) *C2+Vramp (n+1) *C1 (公式 2)
[0051] 公式2中的Vramp (n+1)代表第一电容Cl的第一端Vramp的电压值，Voft代表第 二电压Voft的电压值。
[0052] 根据电荷守恒定理可知：
[0053] Ql = Q2 (公式 3)
[0054] 假设：Λ Vramp = Vramp (n+1) -Vramp (η) (公式 4)
[0055] 由公式1至公式4可以得出：
【权利要求】
1. 一种斜坡信号发生电路，其特征在于，包括：运算放大器，第一电容和第一开关电容 组，所述第一开关电容组包括至少一个第一开关电容单元，所述第一开关电容单元包括：第 一开关、第二开关、第三开关、第四开关和第二电容； 所述第一开关的第一端连接所述运算放大器的负相输入端和输出端，所述第二开关的 第一端连接所述运算放大器的正相输入端和第一电容的第一端，所述第三开关的第二端适 于输入第一电压，所述第四开关的第二端适于输入第二电压，所述第二电压和第一电压的 电压值不相等； 在同一个第一开关电容单元中，所述第一开关的第二端连接所述第二开关的第二端和 第二电容的第一端，所述第三开关的第一端连接所述第四开关的第一端和第二电容的第二 端； 所述第一电容的第二端接地； 所述第一电容的电容值大于所述第二电容的电容值。
2. 如权利要求1所述的斜坡信号发生电路，其特征在于，还包括：开关控制单元，所述 开关控制单元适于输出第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号和第四控制信号至需 工作的第一开关电容单元以启动所述需工作的第一开关电容单元； 所述第一控制信号适于控制所述第一开关的闭合和断开，所述第二控制信号适于控制 所述第二开关的闭合和断开，所述第三控制信号适于控制所述第三开关的闭合和断开，所 述第四控制信号适于控制所述第四开关的闭合和断开； 所述第二控制信号为所述第一控制信号的反相信号，所述第四控制信号为所述第三控 制信号的反相信号，所述第一控制信号和第三控制信号为同频同相信号。
3. 如权利要求2所述的斜坡信号发生电路，其特征在于，所述需工作的第一开关电容 单元的数量为多个，所述开关控制单元适于按预定次序依次启动所述需工作的第一开关电 容单元。
4. 如权利要求3所述的斜坡信号发生电路，其特征在于，所述预定次序与所述斜坡信 号发生电路输出的斜坡信号斜率相关。
5. 如权利要求3所述的斜坡信号发生电路，其特征在于，所述开关控制单元适于先输 出所述第二控制信号和第四控制信号至全部需工作的第一开关电容单元，再按所述预定次 序依次输出所述第一控制信号和第三控制信号至所述需工作的第一开关电容单元。
6. 如权利要求2所述的斜坡信号发生电路，其特征在于，所述第一控制信号和第二控 制信号均为脉冲信号，所述脉冲信号的幅度跟随所述第一电容的第一端电压值增加而增 大。
7. 如权利要求2至6任一权利要求所述的斜坡信号发生电路，其特征在于，还包括第二 开关电容组，所述第二开关电容组包括至少一个第二开关电容单元，所述第二开关电容单 元包括：第五开关、第六开关、第七开关、第八开关和第三电容，所述第三电容的电容值与所 述第二电容的电容值相等； 所述第五开关的第一端连接所述运算放大器的第一输入端和输出端，所述第六开关的 第一端连接所述运算放大器的第二输入端和第一电容的第一端，所述第七开关的第二端适 于输入所述第一电压，所述第八开关的第二端适于输入所述第二电压； 在同一个第二开关电容单元中，所述第五开关的第二端连接所述第六开关的第二端和 第三电容的第一端，所述第七开关的第一端连接所述第八开关的第一端和第三电容的第二 端。
8. 如权利要求7所述的斜坡信号发生电路，其特征在于，所述开关控制单元还适于输 出第五控制信号、第六控制信号、第七控制信号和第八控制信号至需工作的第二开关电容 单元以启动所述需工作的第二开关电容单元； 所述第五控制信号适于控制所述第五开关的闭合和断开，所述第六控制信号适于控制 所述第六开关的闭合和断开，所述第七控制信号适于控制所述第七开关的闭合和断开，所 述第八控制信号适于控制所述第八开关的闭合和断开； 所述第五控制信号为所述第一控制信号的反相信号，所述第六控制信号为所述第二控 制信号的反相信号，所述第七控制信号为所述第三控制信号的反相信号，所述第八控制信 号为所述第四控制信号的反相信号。
9. 一种图像传感器，其特征在于，包括：权利要求1至8任一权利要求所述的斜坡信号 发生电路和模数转换器，所述斜坡信号发生电路连接所述模数转换器。
10. 如权利要求9所述的图像传感器，其特征在于，所述模数转换器的所需精度与所述 第一电容和第二电容的电容值比值相关。
【文档编号】H03K4/08GK104333352SQ201410663661
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年11月19日 优先权日:2014年11月19日
【发明者】赵立新, 乔劲轩, 李敏兰 申请人:格科微电子（上海）有限公司