一种高速比较器及其形成的模数转换器和读出电路的制作方法

本发明涉及集成电路领域，具体涉及一种高速比较器及其形成的模数转换器和读出电路。

背景技术：

cmos图像传感器已广泛应用于视频、监控、工业制造、汽车、家电等成像领域。cmos图像传感器的读出电路是以列级单斜模数转换器(ss-adc)为主的读出电路，ss-adc的功能是将待量化信号与一个斜波基准信号进行比较，比较的结果通过计数器进行最终量化，得到一个n位的二进制数字量。在ss-adc中最为核心的电路之一就是比较器，比较器的作用是判断斜波信号电压与待量化信号电压的大小，输出“1”或“0”的信号，作为后续计数器量化的依据。

在图像传感器输出电路进行工作的时候，比较器输出信号会发生从高到低的跳变，由于比较器增益较大，该跳转幅度较大，该信号跳变通过比较器的寄生电容会回馈至比较器输入端，导致斜波信号发生高到低的抖动，从而使得斜波信号发生偏差，最终会使其他列比较器输出发生偏移，导致其单斜模数转换器输出出错。例如，当某些列的信号电位较高时，这些列的比较器先翻转，斜波信号发生了偏差，使得某些信号电位较低的列的比较器在之后翻转时，由于斜波已经发生了偏差，比较器输出结果也就发生了偏差，后翻转的这些列adc的转换结果就会出错。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种高速比较器，在高速比较器中加入钳位mos管，从而降低比较器输出的大信号跳变对斜波信号的影响，进入确保图像传感器电路的输出精度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种高速比较器，包括第一mos管、第二mos管、第三mos管、第四mos管、第五mos管、第六mos管、第七mos管、钳位mos管、第一电容、第二电容和第三电容；

所述第一mos管的栅极连接所述第一电容的第二极板，所述第一电容的第一极板连接至斜波信号ramp，所述第一mos管的源极同时连接所述第三mos管的漏极和第二mos管的源极，所述第一mos管的漏极连接节点a，所述节点a还连接所述钳位mos管的栅极、钳位mos管的漏极、第一开关的一端、第四mos管的漏极、第四mos管的栅极和第五mos管的栅极，所述第三mos管的栅极接比较器电压偏置信号vbn_cmp，所述第一开关的另一端连接第一mos管的栅极，所述第二mos管的栅极连接所述第二电容的第二极板，所述第二电容的第一极板连接像素阵列输出信号pix_out，所述第二mos管的漏极连接节点b，所述节点b还连接所述钳位mos管的源极、第二开关的一端、第五mos管的漏极和第六mos管的栅极，所述第二开关的另一端连接所述第二mos管的栅极，所述第七mos管的栅极连接所述第三开关的一端，所述第三开关的另一端连接所述第三电容的第一极板；

所述第一开关和第二开关受比较器低复位信号rstn_cmp的控制，所述第三开关受比较器高复位信号rst_cmp的控制，且比较器低复位信号rstn_cmp和比较器高复位信号rst_cmp为反向信号；

所述第四mos管、第五mos管和第六mos管的源极接电源，所述第三mos管的源极、第七mos管的源极和第三电容的第二极板接地，所述第六mos管和第七mos管的漏极接高速比较器的输出信号。

进一步地，所述第一mos管、第二mos管、第三mos管、第四mos管、第五mos管、第六mos管、第七mos管和钳位mos管的源极和漏极可以互换。

进一步地，所述第一开关、第二开关和第三开关均为mos管，其中，所述第一开关和第二开关的栅极连接比较器低复位信号rstn_cmp，所述第三开关的栅极连接比较器高复位信号rst_cmp，所述第一开关的源极连接节点a，所述第一开关的漏极连接第一mos管的栅极，所述第二开关的源极连接节点b，所述第二开关的漏极连接第二mos管的栅极，所述第三开关的源极连接第三电容的第一极板，所述第三开关的漏极连接第七mos管的栅极。

进一步地，所述第一开关、第二开关和第三开关的源极和漏极可以互换。

一种模数转换器，包括上述的高速比较器和计数器，其中，所述高速比较器的输出端连接所述计数器的输入端。

一种图像传感器读出电路，包括上述的高速比较器，还包括像素阵列，行选驱动单元、斜波发生器、计数器、时序控制单元和输出信号处理单元，

所述行选驱动单元连接像素阵列，所述像素阵列包括n列像素单元，一列像素单元中的各个像素单元的输出端连接同一个高速比较器，所述斜波发生器同时连接n个高速比较器，所述时序控制单元连接斜波发生器、高速比较器、计数器、行选驱动单元和输出信号处理单元，用于控制读出电路的时序，所述比较器的输出端连接所述计数器的输入端，所述计数器的输出端连接所述输出信号处理单元。

进一步地，所述像素单元为四管像素单元。

进一步地，所述斜波发生器发出斜波信号ramp，连接至高速比较器中第一电容的第一极板；所述像素阵列输出信号pix_out连接至高速比较器中第二电容的第一极板，所述高速比较器的输出端输出信号cmp_out，连接至所述计数器。

本发明的有益效果为：本发明在a节点和b节点之间增加了钳位mos管，使得比较器输出信号发生跳变时，a与b之间电压差不会超过钳位mos管的栅源导通压降，从而使得连接斜波信号的第一mos管的漏端不会出现大的跳变，进而达到稳定斜波信号的作用。

附图说明

附图1为标准四管像素单元的电路结构图。

附图2为标准四管像素单元的工作时序图。

附图3为本发明提供的高速比较器的电路结构图。

附图4为本发明提供的图像传感器的结构示意图。

附图5为本发明提供的图像传感器的的工作时序图。

附图6为现有技术中比较器的电路结构图。

附图7为本发明中高速比较器以及现有技术中比较器在图像传感器读出电路中的工作时序图。

附图8为采用现有技术中比较器形成的模数转换器的积分非线性误差示意图。

附图9为采用本发明中高速比较器形成的模数转换器的积分非线性误差示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

为了便于理解比较器的原理，我们先来介绍一下图像传感器的曝光体系，如附图1所示，为图像传感器中标准四管像素单元的电路结构，该结构普遍应用于行曝光方式的图像传感器中，四管像素单元由感光二极管pd、电荷传输管mtg、复位管mrst、放大管msf、行选通管msel组成。感光二极管pd会感光，并生成与光照强度成正比的光电子。电荷传输管mtg作用是转移pd内的光电子，当控制信号tx为高电压时，电荷传输管mtg导通，会将感光二极管pd内的光电子转移到浮空节点fd上。复位管mrst作用是在复位信号rx为高电位时，对节点fd进行复位。当行选信号sel为高电位时，行选通管msel导通时，放大管msf、行选通管msel与到地的电流源形成通路，此时放大管msf本质上为一个源极跟随器，跟随节点fd电位的变化并最终由附图1中p_out处输出形成像素阵列输出信号pix_out。

图2为四管像素单元的操作时序，分为复位rst、曝光exp、信号读取read。在复位rst阶段，控制信号tx、复位信号rx为高电平，电荷传输管mtg和复位管mrst均导通，节点fd复位且其电位被拉高到vdd。之后，复位信号rx、控制信号tx为低电平，进入曝光exp阶段，感光二极管pd感光并积累电子。进入读取read阶段，行选信号sel为高电平，复位信号rx先为高电平复位节点fd，复位信号rx再为低电平，控制信号tx保持为低电平，此时放大管msf受控于fd电位并通过p_out输出复位电位v1。之后，控制信号tx为高电平将感光二极管pd上的电子转移到fd，此时放大管msf受控于fd电位并通过p_out输出复位电位v2。v1、v2电位由后续读取模数转换器电路转换为数字量并进行减法操作，得到感光二极管pd上光电子实际对应的数字量。若adc为12位，adc参考电压范围为vref，则最终输出为dout＝(v2-v1)×2¹²/vref。

附图3为本发明中比较器的电路图，包括第一mos管n1、第二mos管n2、第三mos管n3、第四mos管n4、第五mos管n5、第六mos管n6、第七mos管n7、第一电容c1、第二电容c2和第三电容c3；第一mos管n1的栅极连接第一电容c1的第二极板，第一电容c1的第一极板连接至斜波信号ramp，第一mos管n1的源极同时连接第三mos管n3的漏极和第二mos管n2的源极，第一mos管n1的漏极连接节点a，节点a还连接钳位mos管nc1的栅极、钳位mos管nc1的漏极、第一开关ns1的一端、第四mos管n4的漏极、第四mos管n4的栅极和第五mos管n5的栅极，第三mos管n3的栅极接比较器电压偏置信号vbn_cmp，第一开关ns1的另一端连接第一mos管n1的栅极，第二mos管n2的栅极连接第二电容c2的第二极板，第二电容c2的第一极板连接像素阵列输出信号pix_out，第二mos管n2的漏极连接节点b，节点b还连接钳位mos管nc1的源极、第二开关ns2的一端、第五mos管n5的漏极和第六mos管n6的栅极，第二开关ns2的另一端连接第二mos管n2的栅极，第七mos管n7的栅极连接第三开关ns3的一端，第三开关ns3的另一端连接第三电容c3的第一极板；第四mos管n4、第五mos管n5和第六mos管n6的源极接电源，第三mos管n3的源极、第七mos管n7的源极和第三电容c3的第二极板接地，第六mos管n6和第七mos管n7的漏极接高速比较器的输出信号。第一开关ns1和第二开关ns2受比较器低复位信号rstn_cmp的控制，第三开关ns3受比较器高复位信号rst_cmp的控制，且比较器低复位信号rstn_cmp和比较器高复位信号rst_cmp为反向信号；附图3中第一开关、第二开关和第三开关为mos管，具体连接方式为：第一开关ns1和第二开关ns2的栅极连接比较器低复位信号rstn_cmp，第三开关ns3的栅极连接比较器高复位信号rst_cmp，第一开关ns1的源极连接节点a，第一开关ns1的漏极连接第一mos管的栅极，第二开关ns2的源极连接节点b，第二开关ns2的漏极连接第二mos管的栅极，第三开关ns3的源极连接第三电容c3的第一极板，第三开关ns3的漏极连接第七mos管n7的栅极；当然上述开关也可以为现有技术中其他形式的开关。

从附图3中可以看出：第一电容c1、第二电容c2为隔直电容。第一mos管n1、第二mos管n2、第三mos管n3、第四mos管n4、第五mos管n5组成高速比较器第一级放大电路，其中第三mos管n3为电流源管，为第一级提供固定的偏置电流ib，第一mos管n1、第二mos管n2为输入放大对管，第四mos管n4、第五mos管n5为有源负载管。第六mos管n6、第七mos管n7组成比较器第二级放大电路，第六mos管n6为共源放大管，第七mos管n7为自偏置管。

请参阅附图4，本发明中比较器用在图像传感器中所形成的图像传感器读出电路，包括像素阵列，行选驱动单元、斜波发生器、计数器、时序控制单元和输出信号处理单元，行选驱动单元连接像素阵列，像素阵列包括n列像素单元，一列像素单元中的各个像素单元的输出端连接同一个高速比较器，斜波发生器同时连接n个高速比较器，时序控制单元连接斜波发生器、高速比较器、计数器、行选驱动单元和输出信号处理单元，用于控制读出电路的时序，比较器的输出端连接所述计数器的输入端，计数器的输出端连接所述输出信号处理单元。斜波发生器发出斜波信号ramp，连接至高速比较器中第一电容的第一极板；像素阵列输出信号pix_out连接至高速比较器中第二电容的第一极板，高速比较器的输出端输出信号cmp_out，连接至计数器，计数器输出结果传输至输出信号处理单元。其中，高速比较器和技术其共同构成模数转换器。

请继续参阅附图4，像素阵列由若干个图1所述的像素单元p组成。像素阵列按逐行的方式读出，具体顺序为row[0]、row[1]、……row[n-1]、row[n]，像素阵列的每一列有一个输出总线，分别为pix_out[0]、pix_out[1]、…pix_out[n-1]、pix_out[n]。pix_out输出接到模数转换器中的高速比较器上。模数转换器由本发明提供的高速比较器和计数器组成，高速比较器将像素输出与斜波信号ramp进行比较，比较结果决定了计数器计数值的大小。模数扎转换器将上述v1、v2电位分别进行判断，并将v2-v1差值转换为数字量输出到系统。

请参阅附图5，为上述图像传感器电路中模数转换器对应的工作时序，即相当于附图3中的读出阶段：进入read阶段之后，行选信号sel信号为高电平，复位信号rx为高电平，对像素单元进行复位。rst_cmp为比较器复位控制信号，rst_cmp也为高电平使所有的比较器进入复位状态。复位信号rx、比较器复位控制比较器高复位信号rst_cmp由高电平变低电平，模数转换器进入正常工作状态。模数转换器工作过程由比较和计数两个过程组成，首先斜波ramp开始下降时计数器cnt开始计数，直到比较器信号发生低电平到高电平翻转时，计数器cnt停止计数并存储当前计数值。要完成像素信号的模数转换，模数转换器需要进行两次上述操作，斜波信号作为模数转换器的基准会产生两次，第一次斜波阶段(也即图5的“vr”阶段)，模数转换器将判断并存储复位电位v1，计数器cnt将在t1时间内计数并存储该t1时间段对应的计数值cn1；第二次斜波阶段(也即图5的“vs”阶段)，模数转换器将判断并存储复位电位v2，计数器cnt将在t2时间内计数并存储该t2时间段对应的计数值cn2。最终计数器cnt将输出计数差值δcn＝cn2-cn1，对应v2-v1的差值量。

请继续参阅附图6，附图6为现有技术中的比较器电路图，包括第一mos管n1’、第二mos管n2’、第三mos管n3’、第四mos管n4’、第五mos管n5’、第六mos管n6’、第七mos管n7’、第一电容c1’、第二电容c2’和第三电容c3’；

可以看出现有的比较器中并没有钳位mos管，也就是说节点a’和节点b’是直接连接的。我们设定节点b’处的电压为信号cm1_out，请参阅附图7，当斜波信号ramp高于像素阵列输出信号pix_out时，cm1_out为高电平，cmp_out为低电平；反之，则cm1_out为低电平，比较器输出信号cmp_out为高电平。比较器高复位信号rst_cmp与比较器低复位信号rstn_cmp为反向信号，比较器高复位信号rst_cmp为高电平，同时比较器低复位信号rstn_cmp为低电平时，第一开关ns1’、第二开关ns2’、第三开关ns3’导通，比较器复位。两次斜波过程均是由高电位到低电位的变化，对比较器来说，斜波信号ramp的电位先是高于像素阵列输出信号pix_out，之后再低于像素阵列输出信号pix_out。所以图7中“vr”、“vs”两次比较过程中，比较器的cm1_out均会出现高电平到低电平电位的跳变，由于比较器第一级增益一般较大(40～60db)，所以该跳变幅度较大。大幅度的跳变将通过cm1_out与第一mos管n1’、第五mos管n5’之间的寄生电容cgd1、cgd5传递到斜波信号ramp，使得斜波信号ramp发生高到低的抖动，由于第一电容c1’上电荷守恒，其两端电位变化将相互跟随，所以在斜波信号ramp发生抖动后，实际斜波与理想斜波会有一个偏差，如图7所示“ramp_r”即为受到影响后的ramp。

尤其对于列级模数转换器来说，每一列第一级比较“vr”阶段发生位置相对一致(由于是对复位值进行比较，复位值每一列相对一致)，而第二次比较“vs”阶段发生位置会有较大差别，某些像素信号小的列会先发生比较器翻转，而信号大的列会后翻转。这样，先翻转的列会影响到斜波信号ramp使其发生偏移，造成后翻转的列第二次计数值比实际数值偏小(如图7，cmp_out输出理想翻转点为tp2，实际翻转点为tp2x，计数器cnt理想计数值为cn2，实际计数值为cn2x)，最终导致信号较大的这些列级模数转换器输出出现误差。请继续参阅附图7，图中vsl[0]、vsl[1]分别为第0列像素单元的像素阵列输出信号pix_out[0]和第1列像素单元的像素阵列输出信号pix_out[1]。

请继续参阅附图3和7，本发明与现有技术中比较器的不同之处在于增加了一个钳位mos管nc1，钳位mos管nc1跨接于cm1_out与第一mos管n1管漏端之间，起到一个二极管钳位的作用，使得cm1_out跳变时，节点a与节点b之间电压差不会超过钳位mos管nc1管的栅源导通压降，第一mos管n1管漏端不会出现大的跳变，进而达到稳定斜波信号ramp的作用。若采用图3中本发明提供的的比较器，则不会使斜波信号ramp发生偏移，实际斜波为图5中的“ramp_i”。

本发明提供的一种模数转换器，包括上述提及的高速比较器和计数器，且高速比较器的输出端连接计数器的输入端，附图8为采用附图6中高速比较器形成的模数转换器的积分非线性误差，附图9为采用附图3中高速比较器形成的模数转换器的积分非线性误差，可以看出，采用本发明提供的高速比较器形成的模数转换器的非线性误差小于现有技术中的模数转化器的非线性误差，这是由于本发明中高速比较器减小了斜波信号的偏差。

以上所述仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用于限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明所附权利要求的保护范围内。