专利名称：A/d转换器和固态成像装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及A/D转换器和固态成像装置。
背景技术：
在固态成像装置中与布置成阵列的像素的列对应地布置A/D转换器并且将来自 各像素的信号转换成数字数据的技术是已知的。但是，由于包含于各A/D转换器中的比 较器的偏移电压不同，因此必须考虑偏移电压的最大值来设定A/D转换时段。美国专利 No. 7671908提出了用于通过将包含于各A/D转换器中的比较器的输出反馈到该比较器的 输入来校正偏移电压的技术。发明内容
美国专利No. 7671908的技术使用控制器以将比较器的输出反馈到其输入。出于 这种原因，A/D转换器的电路布置复杂化，并且由控制器导致的噪声不利地影响各比较器的 输出。由此，本发明的一个方面提供用于通过简单的布置校正各A/D转换器的比较器的偏 移电压的技术。
本发明的一个方面提供一种A/D转换器，该A/D转换器包括用于输入模拟信号的 输入端子；用于与产生随时间改变的基准信号的信号源连接的基准信号线；比较器，包含 非反相输入端子、反相输入端子和输出端子，并且根据被供给到非反相输入端子的电压与 被供给到反相输入端子的电压之间的比较结果从输出端子输出输出信号；与比较器的反相 输入端子连接的校正电容器；和输出与输入到输入端子的模拟信号对应的数字数据的输出 电路，其中，在第一模拟信号和比较器的偏移电压的总电压被保持在校正电容器中的第一 状态中，被输入到输入端子的第二模拟信号被供给到比较器的非反相输入端子，并且被供 给到比较器的非反相输入端子的第二模拟信号或保持于校正电容器中的总电压通过使用 基准信号被改变，由此从输出电路输出依赖于从改变开始到比较器的输出信号改变的时间 的数字数据作为与第二模拟信号对应的数字数据。
(参照附图)从示例性实施例的以下说明，本发明的其它特征将变得显而易见。
包含于说明书中并构成其一部分的附图示出本发明的实施例，并与具体实施方式
一起用于解释本发明的原理。
图1是用于解释根据本发明的实施例的固态成像装置100的布置的例子的框图2是用于解释根据本发明的实施例的像素111和放大器电路120的布置的例子 的电路；
图3是用于解释根据本发明的实施例的A/D转换器300的布置的例子的电路图4是用于解释根据本发明的实施例的固态成像装置100的操作的例子的时序
图5是用于解释根据本发明的实施例的A/D转换器500的布置的例子的电路图6是用于解释根据本发明的实施例的固态成像装置100的操作的另一例子的时 序图7是用于解释根据本发明的实施例的A/D转换器700的布置的例子的电路图； 以及
图8是用于解释根据本发明的实施例的固态成像装置100的操作的又一例子的时 序图。
具体实施方式
以下参照附图描述本发明的实施例。相同的附图标记在所有的附图中表示相同的 部件，并且将避免它们的重复的描述。
以下参照图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 例子。固态成像装置100是例如光电转换表示被照体图像的入射光并且向外面输出通过光 电转换获得的电信号作为数字数据的CMOS图像传感器。固态成像装置100可包括包含通 过按矩阵布置多个像素111而形成的像素阵列的模拟信号产生器110。出于简化的原因，图1示出四个像素111，但是像素111的数量不限于此。各像素111将对于固态成像装置100 的入射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再向与各 像素行对应地布置的行选择线112供给驱动脉冲信号。当向各行选择线112供给驱动脉冲 信号时，模拟信号从包含于相应的像素行中的各像素111被读出到列信号线113上。本实 施例将处理从像素111读出像素111的复位电平信号和通过在复位电平信号上重叠根据通 过光电转换产生的电荷的信号获得的信号的情况。这些信号之间的差值代表有效像素值。 模拟信号产生器110基于这些信号对于各像素111输出复位之时的噪声信号和依赖于通过 光电转换获得的电荷的像素信号。
模拟信号产生器110还可包括用于各列信号线113的放大器电路120。各放大器 电路120放大通过列信号线113从相应的像素111输入的模拟信号，并且将放大的模拟信 号供给到相应的A/D转换器130。固态成像装置100还可与各列信号线113对应地包括A/ D转换器130。各A/D转换器将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还可包括斜坡信号产生器170和计数器180。斜坡信号产生器 170产生随时间的经过按倾斜方式改变的斜坡信号Vramp，并且通过斜坡信号线171将产生 的斜坡信号Vramp供给到各A/D转换器130。作为另一实施例，可以使用用于产生随时间变 化的另一基准信号来代替斜坡信号的信号源作为斜坡信号产生器170。在这种情况下，该基 准信号通过基准信号供给线被供给到各A/D转换器130。只要基准信号单调地随时间的经 过改变，它就可使用任意的信号。除了上述的斜坡信号以外，基准信号的例子包含随着时间 的经过逐步改变的信号。在这种情况下，“单调改变”意味着在例如单调减小的情况下，电势 以没有增加的方式变化。计数器180通过计数数据线181向各A/D转换器130供给计数值 Cnt0作为计数器180，例如，可以使用灰度计数器或二进制计数器，并且计数器180可具有 上下(up-down)功能。本实施例将处理多个A/D转换器130共享斜坡信号产生器170和计 数器180的例子。作为替代方案，A/D转换器130可分别具有这些部件。
固态成像装置100还可包括水平扫描电路150和信号处理器190。水平扫描电路 150对于各列将从A/D转换器130输出的数字数据传送到数字信号线191。传送到数字信 号线191的数字数据被供给到信号处理器190。在本实施例中，在数字信号线191上依次读 出与噪声信号对应的数字数据和与像素信号对应的数字数据。信号处理器190从与像素信 号对应的数字数据减去与噪声信号对应的数字数据，并且向外面输出有效像素值。
固态成像装置100还可包括向上述的部件供给脉冲信号以控制固态成像装置100 的操作的定时控制器195。图1没有示出用于从定时控制器195向各部件传送脉冲信号的 任何信号线。将在后面通过使用要稍后将描述的时序图详细描述从定时控制器195供给的 脉冲信号。
在本实施例中，由于固态成像装置100包括放大器电路120，因此可以减少由A/D 转换器130产生的噪声成分的影响。但是，固态成像装置100的变更例可以不包括任何放 大器电路120，并且来自像素111的模拟信号可通过列信号线113被直接供给到A/D转换器 130。作为放大器电路120的替代，固态成像装置100的另一变更例可包括⑶S电路，并且各 CDS电路可将通过从根据由像素产生的电荷的信号减去复位电平信号获得的模拟信号供给 到A/D转换器130。各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将 与各像素111的像素值对应的数字数据传送到信号处理器190。在图1所示的例子中，放 大器电路120、A/D转换器130和水平扫描电路150被布置于像素阵列的一边。作为替代方 案，这些部件可被布置于像素阵列的两边，并且数据可被分配给各像素列的任一边的部件。
以下参照图2的等效电路图描述包含于固态成像装置100中的像素111和放大器 电路120的示意性布置的例子。像素111和放大器电路120可以是任意的布置，只要可以 向A/D转换器130供给计算该像素111的像素值所需要的模拟信号就可以。像素111包含 执行光电转换所需要的光电二极管ro和多个晶体管。光电二极管ro通过传送晶体管Ttx 与浮动扩散FD连接。浮动扩散FD还通过复位晶体管Tres与电压源VDD连接，并且与放大 器晶体管Tamp的栅电极连接。放大器晶体管Tamp的第一主电极与电压源VDD连接，并且 放大器晶体管Tamp的第二主电极通过选择晶体管Tsel与列信号线113连接。选择晶体管 Tsel的栅电极与行选择线112连接。当选择晶体管Tsel被接通时，放大器晶体管Tamp与 插入列信号线113中的恒流源Icnst —起作为源跟随器电路来操作。
放大器电路120包含示出的电路元件，并且配置有反相放大器。放大器AMP的非反 相输入端子通过箝位电容器Co与列信号线113连接，并且Vcor被供给到放大器AMP的反 相输入端子。放大器AMP的输出端子与A/D转换器130连接。反馈电容器Cf和开关Scor 的并联电路连接于放大器AMP的非反相输入端子与输出端子之间。通过以这种方式配置箝 位电路，放大器电路120不仅以箝位电容器Co和反馈电容器Cf之间的比放大和输出通过 列信号线113输入的信号，而且还操作CDS电路。作为结果，作为像素复位之时的噪声信号， 从模拟信号产生器110输出放大器电路120的偏移。并且，作为依赖于通过光电转换获得 的电荷的像素信号，从模拟信号产生器110输出去除了复位电平信号的信号。在省略放大 器电路120的实施例中，模拟信号产生器110输出像素的复位电平信号作为噪声信号，并输 出通过在复位电平信号上叠加根据像素产生的电荷的信号获得的信号作为像素信号。在本 实施例中，可以减少作为浮动扩散FD的复位的结果产生的噪声成分。
以下参照图3所示的等效电路图，描述作为图1所示的A/D转换器130的例子的A/D转换器300的示意性布置。A/D转换器300可包含输入端子IN、输出端子OUTn和OUTs、 比较电路320和输出电路330。对于输入端子IN，作为模拟信号依次输入各像素的噪声信 号和像素信号。比较电路320基于输入到输入端子IN的模拟信号和从斜坡信号线171供 给的斜坡信号Vramp执行比较，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从输出端子OUTn或OUTs输出基于来自比较电路320的输出信号Vout和从计数器 180供给的计数值Cnt的数字数据。
比较电路320可包括比较器CMP、电容器Coff和开关Sfb。电容器Coff可用作校 正比较器CMP的偏移的校正电容器。比较器CMP可以是具有非反相输入端子和反相输入端 子的差分输入比较器。比较器CMP的非反相输入端子(图3中的“ + ”端子)与输入端子IN 连接，并且比较器CMP的反相输入端子(图3中的端子)与电容器Coff的第一电极(图 3中的上电极)连接。电容器Coff的第二电极(图3中的下电极)与斜坡信号线171连接。 开关Sfb连接比较器CMP的输出端子与反相输入端子。
输出电路330可包含存储数字数据的四个锁存电路Lnl、Ln2、Lsl和Ls2。锁存电 路Lnl的D端子和锁存电路Lsl的D端子均与计数数据线181连接。锁存电路Lnl的G端 子通过开关Snl与比较电路320的输出线连接，并且锁存电路Lsl的G端子通过开关Ssl与 比较电路320的输出线连接。锁存电路Lnl的Q端子与锁存电路Ln2的D端子连接，并且 锁存电路Lsl的Q端子与锁存电路Ls2的D端子连接。锁存电路Ln2的G端子和锁存电路 Ls2的G端子均与信号线331连接。锁存电路Ln2的Q端子与输出端子OUTn连接，并且锁 存电路Ls2的Q端子与输出端子OUTs连接。由于反相电路与锁存电路Lnl和Lsl的G端 子连接，因此当来自比较电路320的输出处于L电平时，从Q端子输出D端子上的数据。
以下参照图4所示的时序图描述具有A/D转换器300的固态成像装置100的操作 的例子。图4所示的各脉冲信号由定时控制器195产生，并且被供给到固态成像装置100 中的各电路元件。即，定时控制器195可控制固态成像装置100的各部件的操作。在图4 中，将解释一行的像素111的操作，但这同样适用于另一行的像素111。在图4中，附图标记 Vpin表示比较器CMP的非反相输入端子的电压；Vnin表示比较器CMP的反相输入端子的电 压。简要解释各时段的操作。来自像素111的噪声信号Vn在时段Tl期间被供给到A/D转 换器300，比较器CMP的偏移电压Voff在时段T2期间保持于电容器Coff中，并且噪声信 号Vn在时段T3期间被A/D转换。随后，来自像素111的像素信号Vs在时段T4期间被供 给到A/D转换器300，并且在时段T5期间被A/D转换。以下详细描述各时段的操作。
在时段Tl的开始，脉冲信号PreS、PSel和Pcor分别变为H(高电平)，由此接通复 位晶体管Tres、选择晶体管Tsel和开关Scor。由此，浮动扩散FD被复位。在这种状态下， 放大器晶体管Tamp作为源跟随器操作，并且浮动扩散FD的复位电平信号被读出到列信号 线113。当脉冲信号Pcor变为L (低电平)时，箝位电容器Co保持Vcor与像素输出之间的 电势差。此时的放大器电路120的输出作为噪声信号Vn (第一模拟信号)被供给到A/D转 换器300的输入端子IN。出于这种原因，比较器CMP的非反相输入端子的电压Vpin也变得 等于Vn。噪声信号Vn包含放大器电路120的偏移。连续地供给噪声信号Vn直到脉冲信号 Ptx变为H。
在时段T2的开始，脉冲信号Pfb变为H，并且开关Sfb被接通。作为结果，比较器 CMP的反相输入端子和输出端子被短路，并且比较器CMP作为电压跟随器操作。由于比较器CMP的非反相输入端子的电压Vpin为Vn，因此输出端子的电压Vout为Vn+Voff，并且反相输入端子的电压Vnin也为Vn+Voff。并且，电容器Coff的第一电极的电势为Vn+Voff。 在时段T2中，由于斜坡信号线171的电压为Vref，因此电容器Coff的第二电极的电势为 Vref。在时段T2的结束处，脉冲信号Pfb变为L，开关Sfb被关断，并且电容器Coff保持 Vn+Voff-Vref作为跨其两个电极的电压。然后，在就绪状态(可与第一状态对应)中设定A/ D转换器130。
在时段T2与T3之间的间隔期间，斜坡信号产生器170根据来自定时控制器 195的脉冲信号(未示出)将要被供给到斜坡信号线171的电压变为Vstn。作为结果，电容器Coff的第二电极的电势变为Vstn，并且电容器Coff的第一电极的电势相应地变为 Vn+Voff-Vref+Vstnο由于Vstn被设为足够小的值，因此比较器CMP的反相输入端子的电压Vnin在时段T3的开始处比非反相输入端子的电压Vpin小。更具体而言，Vstn被设为满足Vnin-VpirKVoff。作为结果，在时段T3的开始，比较器CMP的输出信号Vout变为VH。 在时段T3的开始，脉冲信号Pen变为H，斜坡信号产生器170开始改变要被供给到斜坡信号线171上的斜坡信号Vramp，并且计数器180开始计数计数值Cnt并将其供给到计数数据线 181。在本实施例中，当脉冲信号Pen变为H时，斜坡信号产生器170将从Vstn开始并且随着时间的经过线性增加的斜坡信号Vramp供给到斜坡信号线171。此外，当脉冲信号Pnl变为H时，开关Snl被接通。作为结果，比较器CMP的输出端子和锁存电路Lnl的G端子被连接。
当斜坡信号Vramp开始增加时，电容器Coff的第二电极的电势增加，并且电容器 Coff的第一电极的电势因此增加。然后，当比较器CMP的反相输入端子的电压Vnin变得等于Vn+Voff时，来自比较器CMP的输出信号Vout从VH变为VL。作为结果，L电平信号被供给到锁存电路Lnl的G端子，并且此时供给到D端子的计数值Cnt被存储于锁存电路Lnl中并且从Q端子被输出。当比较器CMP的非反相输入端子的电压Vnin变得等于Vn+Voff时， 比较器CMP的输出信号Vout反转。出于这种原因，锁存电路Lnl存储与比较器CMP的非反相输入端子的电压从Vn+Voff-Vref+Vstn变为Vn+Voff所需要的时间对应的计数值，S卩，与 Vref-Vstn对应的计数值。存储于锁存电路Lnl中的计数值是转换作为模拟信号的噪声信号Vn时的数字数据。
在时段T4的开始，脉冲信号Ptx变为H，并且传送晶体管Ttx被接通。然后，蓄积于光电二极管ro上的电荷被传送到浮动扩散FD。在这种状态下，放大器晶体管Tamp作为源跟随器操作，并且通过在浮动扩散FD的复位电平信号上叠加根据蓄积于光电二极管H) 上的电荷的信号获得的信号被读出到列信号线113上。读出信号通过放大器电路120被放大，并且作为像素信号Vs (第二模拟信号)被供给到A/D转换器300的输入端子IN。出于这种原因，比较器CMP的非反相输入端子的电压Vpin也变为Vs。由于箝位电容器Co保持在时段Tl期间的像素输出与Vcor之间的电势差，因此从放大器电路120输出的信号理想地不包含在浮动扩散FD复位时产生的任何噪声成分。
在时段T4与T5之间的间隔中，斜坡信号产生器170根据来自定时控制器195 的脉冲信号(未示出)将要被供给到斜坡信号线171的电压变为Vsts。作为结果，电容器Coff的第二电极的电势变为Vsts，并且电容器Coff的第一电极的电势相应地变为 Vn+Voff-Vref+Vsts。由于Vsts被设为足够小的值，因此比较器CMP的反相输入端子的电压Vnin在时段T5的开始比非反相输入端子的电压Vpin低。更具体而言，Vsts被设为满足 Vnin-Vpin〈Voff。作为结果，在时段T5的开始，比较器CMP的输出信号Vout变为VH。在 时段T5的开始，脉冲信号Pen变为H，斜坡信号产生器170开始改变要被供给到斜坡信号 线171上的斜坡信号Vramp，并且计数器180开始计数计数值Cnt并将其供给到计数数据线 181。在本实施例中，当脉冲信号Pen变为H时，斜坡信号产生器170将从Vsts开始并且随 着时间的经过线性增加的斜坡信号Vramp供给到斜坡信号线171。此外，当脉冲信号Psl变 为H时，开关Ssl被接通。作为结果，比较器CMP的输出端子和锁存电路Lsl的G端子被连 接。
当斜坡信号Vramp开始增加时，电容器Coff的第二电极的电势增加，并且电容器 Coff的第一电极的电势相应地增加。然后，当比较器CMP的反相输入端子的电压Vnin变得 等于Vs+Voff时，来自比较器CMP的输出信号Vout从VH变为VL。作为结果，L电平信号被 供给到锁存电路Lsl的G端子，并且此时供给到D端子的计数值Cnt被存储于锁存电路Lsl 中并且从Q端子被输出。当比较器CMP的非反相输入端子的电压Vnin变得等于Vs+Voff 时，比较器CMP的输出信号Vout反转。出于这种原因，锁存电路Lsl存储与比较器CMP的 非反相输入端子的电压从Vn+Voff-Vref+Vsts变为Vs+Voff所需要的时间对应的计数值， SP，与Vs-Vn+Vref-Vsts对应的计数值。存储于锁存电路Lsl中的计数值是转换作为模拟 信号的像素信号Vs时的数字数据。
在时段T5之后，脉冲信号mtx (图4中未示出)被供给到锁存电路Ln2和Ls2的G 端子。然后，锁存电路Ln2存储锁存电路Lnl的输出并且从输出端子OUTn输出它。并且， 锁存电路Ls2存储锁存电路Lsl的输出并且从输出端子OUTs输出它。然后，水平扫描电路 150将从输出端子OUTn和OUTs输出的数字数据依次读出到数字信号线191上。信号处理 器190计算代表Vs-Vn+Vref-Vsts的数字数据与代表Vref-Vstn的数字数据之间的差值。 通过该计算，获得代表Vs-Vn+Vstn-Vsts的数字数据。通过设定Vstn=Vsts,信号处理器190 可获取与Vs-Vn对应的数字数据。作为替代方案，通过调整Vstn和Vsts，可给予要由信号 处理器190获取的数字数据偏移。
根据上述的实施例，由于噪声信号Vn和比较器CMP的偏移电压Voff的总电压保 持于电容器Coff中以校正偏移电压，因此可以简化电路布置。由于在噪声信号Vn的A/D 转换时段T3和像素信号Vs的A/D转换时段T5中不存在偏移电压Voff的影响，因此不需 要考虑与各像素列对应地布置的A/D转换器130之间的偏移电压的不同。出于这种原因， 噪声信号Vn和像素信号Vs的A/D转换时段T3和T5可被缩短，由此提高固态成像装置100 的帧速率和A/D转换精度。此外，由于也可在噪声信号Vn的A/D转换时段期间消除噪声信 号Vn的影响，因此可进一步缩短噪声信号Vn的A/D转换时段T3。
以下参照图5的等效电路图描述作为图1所示的A/D转换器130的另一例子的A/ D转换器500的示意性布置。图5中的相同的附图标记表示与图3所示的A/D转换器300 共同的部件，并且避免它们的重复的描述。A/D转换器500可包含输入端子IN、输出端子 OUTn和OUTs、保持电路510、比较电路320和输出电路330。保持电路510采样和保持输入 到输入端子IN的模拟信号Vin。比较电路320基于保持于保持电路510中的模拟信号和从 斜坡信号线171供给的斜坡信号Vramp执行比较，并且输出根据该比较结果的电平的输出 信号Vout。
保持电路510可包含电容器Csp和开关Ssp。电容器Csp可用作将噪声信号Vn和 像素信号Vs采样的采样电容器。开关Ssp连接输入端子IN与比较电路320。电容器Csp 的第一电极(图5中的上电极)与比较电路320连接，并且电容器Csp的第二电极(图5中的 下电极)与斜坡信号线171连接。
与图3所示的A/D转换器300不同，在A/D转换器500中，比较电路320的比较器 CMP的非反相输入端子与保持电路510连接，并且电容器Coff的第二电极(图5中的下电 极)与电压源Vcml连接。
以下参照图6所示的时序图描述具有A/D转换器500的固态成像装置100的操作 的例子。图6所示的各脉冲信号由定时控制器195产生，并且被供给到固态成像装置100中 的各电路元件。在图6中，解释一行的像素111的操作，但这同样适用于另一行的像素111。 在图6中，附图标记Vpin表示比较器CMP的非反相输入端子的电压；Vnin表示比较器CMP 的反相输入端子的电压。图6的时序图中的时段Tl T5与图4的时序图中的时段Tl T5对应。以下详细描述各时段的操作。
在时段Tl中，与图4的时序图中的时段Tl 一样，噪声信号Vn被供给到A/D转换 器500的输入端子IN。连续地供给噪声信号Vn直到脉冲信号Ptx变为H。在时段Tl的开 始，脉冲信号Psp变为H，并且开关Ssp被接通。作为结果，输入端子IN与比较器CMP的非 反相输入端子连接，并且非反相端子的电压Vpin变为Vn。并且，电容器Csp的第一电极的 电势变为Vn。由于斜坡信号线171的电压在时段Tl期间为Vref，电容器Csp的第二电极 的电势变为Vref。在时段Tl结束时，脉冲信号Psp变为L以关断开关Ssp，并且电容器Csp 保持Vn-Vref作为跨其两个电极的电压。
在时段T2的开始，脉冲信号Pfb变为H，并且开关Sfb被接通。作为结果，比较器 CMP的反相输入端子和输出端子被短路，并且比较器CMP作为电压跟随器操作。由于比较器 CMP的非反相输入端子的电压Vpin为Vn，因此输出端子的电压Vout为Vn+Voff，并且反相 输入端子的电压Vnin也为Vn+Voff。并且，电容器Coff的第一电极的电势为Vn+Voff。电 容器Coff的第二电极的电势固定于Vcml。在时段T2结束时，脉冲信号Pfb变为L以关断 开关Sfb，并且电容器Coff保持Vn+Voff-Vcml作为跨其两个电极的电压。比较器CMP的反 相输入端子的电压Vnin保持在Vn+Voff上，直到时段T5结束。
在时段T2与T3之间的间隔期间，斜坡信号产生器170根据来自定时控制器195的 脉冲信号(未示出)将要被供给到斜坡信号线171的电压变为Vstn。作为结果，电容器Csp的 第二电极的电势变为Vstn，并且电容器Csp的第一电极的电势相应地变为Vn-Vref+Vstn。 由于Vstn被设为足够大的值，因此比较器的反相输入端子的电压Vnin在时段T3的开始比 非反相输入端子的电压Vpin小。更具体而言，Vstn被设为满足Vnin-Vpin〈VofT。作为结 果，在时段T3的开始，比较器CMP的输出信号Vout变为VH。在时段T3的开始，脉冲信号 Pen变为H，斜坡信号产生器170开始改变要被供给到斜坡信号线171上的斜坡信号Vramp， 并且计数器180开始计数计数值Cnt并将其供给到计数数据线181。在本实施例中，当脉 冲信号Pen变为H时，斜坡信号产生器170将从Vstn开始并且随着时间的经过线性减小的 斜坡信号Vramp供给到斜坡信号线171。此外，当脉冲信号Pnl变为H时，开关Snl也被接 通。作为结果，比较器CMP的输出端子和锁存电路Lnl的G端子被连接。
当斜坡信号Vramp开始减小时，电容器Csp的第二电极的电势减小，并且电容器Csp的第一电极的电势相应地减小。当比较器CMP的非反相输入端子的电压Vpin变得等 于Vn时，来自比较器CMP的输出信号Vout从VH变为VL。作为结果，L电平信号被供给到 锁存电路Lnl的G端子，并且此时供给到D端子的计数值Cnt被存储于锁存电路Lnl中并 且从Q端子被输出。当比较器CMP的非反相输入端子的电压Vpin变得等于Vn时，比较器 CMP的输出信号Vout反转。出于该原因，锁存电路Lnl存储与比较器CMP的非反相输入端 子的电压从Vn-Vref+Vstn变为Vn所需要的时间对应的计数值，即，与Vref-Vstn对应的计 数值。存储于锁存电路Lnl中的计数值是作为模拟信号的噪声信号Vn被转换时的数字数 据。在时段T3结束时，斜坡信号产生器170使斜坡信号线171的电压返回至Vref。
在时段T4的开始，脉冲信号Ptx变为H，并且像素信号Vs以与图4所示的时序图 的描述相同的方式被供给到A/D转换器500的输入端子IN。在时段T4的中间，脉冲信号 Psp变为H，并且开关Ssp被接通。作为结果，输入端子IN和比较器CMP的非反相输入端子 被连接，并且非反相输入端子的电压Vpin变为Vs。并且，电容器Csp的第一电极的电势变 为Vs。由于斜坡信号线171的电压在时段T4期间为Vref，因此电容器Csp的第二电极的 电势变为Vref。在时段T4的中间，脉冲信号Psp变为L以关断开关Ssp，并且电容器Csp 作为跨其两个电极的电压保持Vs-Vref。
在时段T4与T5之间的间隔期间，斜坡信号产生器170根据来自定时控制器195的 脉冲信号(未示出)将要被供给到斜坡信号线171的电压变为Vsts。作为结果，电容器Csp的 第二电极的电势变为Vsts，并且电容器Csp的第一电极的电势相应地变为Vs-Vref+Vsts。 由于Vsts被设为足够大的值，因此比较器CMP的反相输入端子的电压Vnin在时段T5的开 始比非反相输入端子的电压Vpin低。更具体而言，Vsts被设为满足Vnin-Vpin〈Voff。作 为结果，在时段T5的开始，比较器CMP的输出信号Vout变为VH。在时段T5的开始，脉冲 信号Pen变为H，斜坡信号产生器170开始改变要被供给到斜坡信号线171上的斜坡信号 Vramp,并且计数器180开始计数计数值Cnt并将其供给到计数数据线181。在本实施例中， 当脉冲信号Pen变为H时，斜坡信号产生器170将从Vsts开始并且随着时间的经过线性减 小的斜坡信号Vramp供给到斜坡信号线171。此外，当脉冲信号Psl变为H时，开关Ssl被 接通。作为结果，比较器CMP的输出端子和锁存电路Lsl的G端子被连接。
当斜坡信号Vramp开始减小时，电容器Csp的第二电极的电势减小，并且电容器 Csp的第一电极的电势相应地减小。然后，当比较器CMP的非反相输入端子的电压Vpin变 得等于Vn时，来自比较器CMP的输出信号Vout从VH变为VL。作为结果，L电平信号被供 给到锁存电路Lsl的G端子，并且此时供给到D端子的计数值Cnt被存储于锁存电路Lsl中 并且从Q端子被输出。当比较器CMP的非反相输入端子的电压Vpin变得等于Vn时，比较器 CMP的输出信号Vout被反相。出于这种原因，锁存电路Lsl存储与比较器CMP的非反相输入 端子的电压从Vs-Vref+Vsts变为Vn所需要的时间对应的计数值，即，与Vn_Vs+Vref-Vsts 对应的计数值。存储于锁存电路Lsl中的计数值是作为模拟信号的像素信号Vs被转换时 的数字数据。
在时段T5之后，与图4的时序图的描述同样，信号处理器190计算代表 Vn-Vs+Vref-Vsts的数字数据与代表Vref-Vstn的数字数据之间的差值。通过该计算，获得 代表Vn-Vs+Vstn-Vsts的数字数据。通过设定Vstn=Vsts,信号处理器190可获取与Vs-Vn 对应的数字数据。作为替代方案，通过调整Vstn和Vsts，可给予要由信号处理器190获取的数字数据偏移。当固态成像装置100包含图5所示的A/D转换器500时，可以获得与当固态成像装置100包含图3所示的A/D转换器300时获得的效果相同的效果。
以下参照图7的等效电路图描述作为图1所示的A/D转换器130的又一例子的A/ D转换器700的示意性布置。图7中的相同的附图标记表示与图5所示的A/D转换器500 共同的部件，并且避免它们的重复的描述。A/D转换器700可包含输入端子IN、输出端子 OUTn和OUTs、保持电路710、比较电路320和输出电路330。保持电路710采样和保持输入到输入端子IN的模拟信号Vin。比较电路320基于保持于保持电路710中的模拟信号和从斜坡信号线171供给的斜坡信号Vramp执行比较，并且输出根据该比较结果的电平的输出信号Vout。比较电路320的连接关系与图5所示的A/D转换器500的连接关系相同。
与图5所示的 保持电路510不同，保持电路710可包含两个电容器，即，电容器Cn 和Cs和用于切换这些电容器Cn和Cs的连接目的地的一个或多个开关。一个电容器Cn的第一电极(图7中的上电极)通过开关Snpl与输入端子IN连接并通过开关Snt2与比较电路320连接。电容器Cn的第二电极(图7中的下电极)通过开关Snp2与电压源Vcm2连接并通过开关Sntl与斜坡信号线171连接。类似地，另一电容器Cs的第一电极(图7中的上电极)通过开关Sspl与输入端子IN连接并通过开关Sst2与比较电路320连接。电容器Cs 的第二电极(图7中的下电极)通过开关Ssp2与电压源Vcm2连接并通过开关Sstl与斜坡信号线171连接。要从电压源Vcm2供给的电压可以等于或者不等于Vref或Vcml。
以下参照图8所示的时序图描述具有A/D转换器700的固态成像装置100的操作的例子。图8所示的各脉冲信号由定时控制器195产生，并且被供给到固态成像装置100 中的各电路元件。图8解释从中连续读出数据的第η行的像素111 (第一像素)和第(η+1) 行的像素111 (第二像素)的操作。第η行的像素111的数字数据在时段T期间被读出到信号处理器190，并且第(η+1)行的像素111的数字数据在时段T'期间被读出到信号处理器190。由于时段T和T'中的操作相同，因此只示出时段T'的前半部分。由于时段T和 T'相互部分重叠，因此可以缩短A/D转换所需要的时间。在图8中，附图标记Vpin表示比较器CMP的非反相输入端子的电压；Vnin表示比较器CMP的反相输入端子的电压。图8的时序图中的时段Tl T5与图6的时序图中的时段Tl T5对应。以下详细描述各时段的操作。由于第(η+1)行的像素111的时段Tl' Τ3'与第η行的像素的时段Tl Τ3相同，因此不重复其描述。
在时段Tl中，与图6所不的时序图同样,噪声信号Vn被输入到A/D转换器700的输入端子IN。并且，在时段Tl的开始，脉冲信号Pnpl和Ρηρ2变为H，并且开关Snpl和Snp2 被接通。作为结果，输入端子IN和电压源Vcm2通过电容器Cn被连接，并且电容器Cn保持 Vcm2与噪声信号Vn之间的差值。更具体而言，电容器Cn的第一电极的电势变得等于Vn, 并且电容器Cn的第二电极的电势变得等于Vcm2。在时段Tl结束之后，脉冲信号Pnpl和 Pnp2变为L，并且开关Snpl和Snp2被关断。
在时段T2的开始，脉冲信号Pfb和Pnt2变为H，并且开关Sfb和Pnt2被接通。作为结果，电容器Cn的第一电极与比较器的非反相输入端子连接。并且，比较器CMP的反相输入端子和输出端子被短路，并且比较器CMP作为电压跟随器操作。由于比较器CMP的非反相输入端子的电压Vpin为Vn，因此输出端子的电压Vout变为Vn+Voff，并且反相输入端子的电压Vnin也变为Vn+Voff。电容器Coff的第一电极的电势变为Vn+Voff。电容器Coff的第二电极的电势被固定于Vcml。在时段T2的结束，脉冲信号Pfb变为L以关断开关Sfb， 并且电容器Coff保持Vn+Voff-Vcml作为跨其两个电极的电压。比较器CMP的反相输入端子的电压Vnin保持在Vn+Voff直到时段T5结束。
接着，在时段T3期间，噪声信号Vn被A/D转换。在时段T3期间，脉冲信号Pntl 和Pnt2变为H，并且开关Sntl和Snt2被接通。作为结果，比较器CMP的非反相输入端子与斜坡信号线171通过电容器Cn被连接。以与图6的时序图相同的方式，噪声信号Vn被A/D转换。
接着，在时段T4的开始，脉冲信号Ptx变为H，并且与图6的时序图同样，像素信号Vs被供给到A/D转换器700的输入端子IN。然后，在时段T4的中间，脉冲信号Pspl和 Psp2变为H,并且开关Sspl和Ssp2被接通。作为结果，输入端子IN和电压源Vcm2通过电容器Cs被连接，并且电容器Cs保持Vcm2与像素信号Vs之间的差值。更具体而言，电容器Cs的第一电极的电势变得等于像素信号Vs，并且电容器Cs的第二电极的电势变得等于 Vcm2。在时段T4结束之后，脉冲信号Pspl和Psp2变为L，并且开关Sspl和Ssp2被关断。
接着，在时段T5期间，像素信号Vs被A/D转换。在时段T5期间，脉冲信号Pstl 和Pst2变为H，并且开关Pstl和Pst2被接通。作为结果，比较器CMP的非反相输入端子和斜坡信号线171通过电容器Cs被连接，并且像素信号被与图6所示的时序图同样地A/D转换。
当固态成像装置100具有图7所示的A/D转换器700时，可以获得与当固态成像装置100具有图3所示的A/D转换器300时获得的效果相同的效果。如图8的时序图所示，在本实施例中，第η行的像素111的像素信号Vs的A/D转换时段Τ5与第(η+1)行的像素111的噪声信号Vn'的保持时段Tl'重叠。因此，固态成像装置100的像素111所需要的整体A/D转换时段可被缩短。并且，通过控制A/D转换器700以不同时连接电容器Cn和 Cs到共同的电路配置，可以减少通过共同阻抗的串扰。由于Vcm2被供给到电容器Cs而斜坡信号Vramp被供给到电容器Cn，因此可以减少由于电容耦合导致的串扰。因此，具有A/D 转换器700的固态成像装置100可获得可以消除行间串扰的高帧率下的成像操作。
虽然已参照示例性实施例说明了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有的变更方式和等同的结构和功能。
权利要求
1.一种A/D转换器，包括输入端子，用于输入模拟信号；基准信号线，用于与产生随时间改变的基准信号的信号源连接；比较器，包含非反相输入端子、反相输入端子和输出端子，并且从输出端子输出根据供给到非反相输入端子的电压与供给到反相输入端子的电压之间的比较结果的输出信号；校正电容器，与所述比较器的反相输入端子连接；和输出电路，输出与输入到所述输入端子的模拟信号对应的数字数据，其中，在第一模拟信号和所述比较器的偏移电压的总电压保持在所述校正电容器中的第一状态中，被输入到所述输入端子的第二模拟信号被供给到所述比较器的非反相输入端子，并且供给到所述比较器的非反相输入端子的第二模拟信号或保持于所述校正电容器中的总电压通过使用基准信号被改变，由此从所述输出电路输出依赖于从改变开始到所述比较器的输出信号改变的时间的数字数据作为与第二模拟信号对应的数字数据。
2.根据权利要求1的A/D转换器，其中，在第一状态中，第一模拟信号被供给到所述比较器的非反相输入端子，并且被供给到所述比较器的非反相输入端子的第一模拟信号或保持于所述校正电容器中的总电压通过使用基准信号改变，由此进一步从所述输出电路输出依赖于从改变开始到所述比较器的输出信号改变的时间的数字数据作为与第一模拟信号对应的数字数据。
3.根据权利要求1的A/D转换器，还包括开关，连接所述比较器的反相输入端子和输出端子，其中，第一模拟信号在所述开关为接通的状态中被供给到所述比较器的非反相输入端子，并且所述开关在总电压保持于所述校正电容器中之后被关断，由此设定第一状态。
4.根据权利要求1的A/D转换器，其中，基准信号是斜坡信号。
5.根据权利要求1的A/D转换器，其中，所述校正电容器包含第一电极和第二电极，所述校正电容器的第一电极与所述比较器的反相输入端子连接，并且，在第一状态中基准信号被供给到所述校正电容器的第二电极，由此改变保持于所述校正电容器中的总电压。
6.根据权利要求1的A/D转换器，还包括米样电容器，包含第一电极和第二电极，所述第一电极与所述比较器的非反相输入端子连接，其中，在第二模拟信号进一步保持于所述采样电容器中的第一状态中，基准信号被供给到所述采样电容器的第二电极，由此改变供给到所述比较器的非反相输入端子的第二模拟信号。
7.根据权利要求6的A/D转换器，其中，所述A/D转换器包含与所述采样电容器等同的两个采样电容器，并且，一个米样电容器保持第一模拟信号，而另一米样电容器保持第二模拟信号。
8.一种固态成像装置，包括如权利要求1的A/D转换器；模拟信号产生器，具有多个像素并且对于各像素产生依赖于通过光电转换获得的电荷的像素信号；和控制器，向所述A/D转换器供给像素信号作为第二模拟信号，并且控制所述A/D转换器以输出与像素信号对应的数字数据。
9.根据权利要求8的固态成像装置，其中，多个像素中的每一个进一步在像素复位之时产生噪声信号，并且所述控制器向所述A/D转换器供给噪声信号作为第一模拟信号。
10.根据权利要求8的固态成像装置，其中，所述模拟信号产生器还包含放大来自像素的信号的放大器电路，并且所述放大器电路基于从多个像素供给的像素的复位电平信号产生噪声信号，并且基于通过在复位电平信号上叠加根据通过光电转换产生的电荷的信号而获得的信号产生像素信号。
11.根据权利要求8的固态成像装置，其中，所述A/D转换器被布置为用于像素阵列的各像素列。
全文摘要
本公开涉及A/D转换器和固态成像装置。具体提供了一种A/D转换器，该A/D转换器包括输入端子；用于供给随时间改变的基准信号的基准信号线；比较器；与比较器的反相输入端子连接的校正电容器；和输出与输入到输入端子的模拟信号对应的数字数据的输出电路。在其中在第一模拟信号和比较器的偏移电压的总电压保持在校正电容器中的第一状态中，被输入到输入端子的第二模拟信号被供给到比较器的非反相输入端子，并且第二模拟信号或总电压通过使用基准信号改变，由此从输出电路输出数字数据。
文档编号H04N5/3745GK103001642SQ20121033494
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
发明者中村恒一, 樋山拓己, 板野哲也, 齐藤和宏 申请人:佳能株式会社