比较装置和包括该比较装置的CMOS图像传感器的制作方法

在本专利文档中公开的技术和实现方式涉及模数转换装置和互补金属氧化物半导体(cmos)图像传感器(cis)。

背景技术：

在设计cmos图像传感器(cis)时，在运行速度和功耗之间存在折中。因此，当前的cmos图像传感器技术采用列并行模数转换器(adc)架构，以在提升运行速度的同时减小功耗。然而，具有列并行adc架构的读出电路需要高度集成以匹配光感测像素的小尺寸，而这也正是主要使用具有简单结构的单斜(single-slope)adc的原因。

然而，在具有列并行架构的cmos图像传感器中，相邻的模数转换器由于小的像素尺寸而不可能分开地足够远以防止干扰，因此在相邻的模数转换器之间可能产生耦合噪声。

此外，相邻的模数转换器之间的干扰还会导致条带噪声(bandingnoise)。当多个列并行模数转换器将模拟像素信号转换为数字信号时，模数转换的完成时间可根据模拟像素信号的幅值而不同。结果，执行模数转换的模数转换器通过共同连接至列并行模数转换器的电流/电压偏置线而受到相邻的模数转换器的影响，导致不希望的模数转换值的变化。

因为这种条带噪声在图像提取过程中会由于各种原因而出现，并降低图像品质，因此在电路设计中考虑各种调谐点以便使条带噪声最小化。

然而，因为运行速度或功率的变化会导致整体系统的性能下降，所以很难通过简单地调整晶体管的尺寸或者电流的量来最小化条带噪声。

技术实现要素：

本专利文档提供其中包括基准电压发生器的电路或装置以及它们在电子装置或系统中的应用。本专利文献还提供一种比较装置，该比较装置能够通过生成条带噪声偏移来抵消条带噪声。

本专利文献还提供一种比较装置，该比较装置抵消由于条带噪声而引起的代码延迟。所述代码延迟可以通过利用产生与该代码延迟相反的另一代码延迟的电路来抵消。

在一个实施方式中，一种装置可以包括：比较电路，所述比较电路被配置为将输入信号与斜坡信号进行比较，并输出比较信号；条带噪声调节电路，所述条带噪声调节电路联接至所述比较电路，以调节所述比较电路的电气特性；条带值生成电路，所述条带值生成电路联接至所述条带噪声调节电路，以向所述条带噪声调节电路提供基于设定代码值的条带值；以及条带噪声减小电路，所述条带噪声减小电路联接至所述条带噪声调节电路，并且被配置为基于所述比较电路的电气特性值的调节来减小所述比较电路的条带噪声。

所述条带值生成电路可生成与所述设定代码值对应的条带噪声控制电压，并且将所述条带噪声控制电压施加至每列的所述条带噪声调节电路。所述条带值生成电路可包括：储存电路，所述储存电路被配置为存储所述设定代码值；电压生成电路，所述电压生成电路联接至所述储存电路以接收所述设定代码值；并且被配置为生成与从所述储存电路输出的所述设定代码值相对应的条带噪声控制电压；以及电压传输电路，所述电压传输电路联接至所述电压生成电路，并且被配置为将所述条带噪声控制电压传输至所述条带噪声调节电路。所述电压生成电路可包括：数模转换器(dac)，所述数模转换器(dac)被配置为生成与存储在所述储存电路中的所述设定代码值相对应的条带噪声控制电压。所述电压传输电路可包括：全局缓冲器，所述全局缓冲器被配置为将由所述电压生成电路生成的所述条带噪声控制电压传输至每列的所述条带噪声调节电路。所述条带值生成电路可进一步包括：电压稳定电路，所述电压稳定电路被配置为使由所述电压生成电路所生成的所述条带噪声控制电压稳定，并且将稳定的条带噪声控制电压施加至所述电压传输电路。该比较装置可进一步包括：列缓冲器，所述列缓冲器被设置在每列的所述条带值生成电路与所述条带噪声调节电路之间。所述条带噪声调节电路可基于所述条带噪声调节电路的电阻来调节所述比较电路的条带噪声，所述条带噪声调节电路的电阻基于所述条带值生成电路的所述条带噪声控制电压能调节。所述条带噪声调节电路可包括：多个晶体管，所述多个晶体管被设置在所述比较电路的负载晶体管的漏极端子和栅极端子之间，以经由所述多个晶体管的栅极端子接收所述条带值生成电路的条带噪声控制电压。所述条带噪声调节电路可包括：多个晶体管，所述多个晶体管的漏极端子电连接至所述比较电路的负载网络，其源极端子电连接至所述条带噪声减小电路，并且其栅极端子被构造为接收所述条带值生成电路的条带噪声控制电压。所述条带噪声调节电路可包括：第一晶体管，所述第一晶体管的漏极端子电连接至所述比较电路的第一负载晶体管的漏极端子，其源极端子电连接至所述条带噪声减小电路，并且其栅极端子被构造为接收所述条带值生成电路的条带噪声控制电压；以及第二晶体管，所述第二晶体管的漏极端子电连接至所述比较电路的第二负载晶体管的漏极端子，其源极端子电连接至所述条带噪声减小电路，并且其栅极端子被构造为接收所述条带值生成电路的条带噪声控制电压。所述条带噪声减小电路可包括：加和节点，所述加和节点将所述条带噪声调节电路电连接至所述比较电路的输入网络。所述条带噪声减小电路可包括：第一加和节点，所述第一加和节点将所述条带噪声调节电路的第一晶体管的源极端子电连接至所述比较电路的第一输入晶体管的漏极端子；以及第二加和节点，所述第二加和节点将所述条带噪声调节电路的第二晶体管的源极端子电连接至所述比较电路的第二输入晶体管的漏极端子。所述设定代码值可从外部图像信号处理器isp接收。

在一个实施方式中，一种具有比较装置的互补金属氧化物半导体(cmos)图像传感器可包括：像素阵列，所述像素阵列包括布置成行和列以输出与入射光对应的像素信号的多个成像像素；行解码器，所述行解码器联接至所述像素阵列，以通过选择行线来选择和控制所述像素阵列中的所述多个成像像素；斜坡信号发生器，所述斜坡信号发生器被配置为生成斜坡信号；比较电路，所述比较电路被配置为将所述像素阵列的每个像素信号与所述斜坡信号发生器的所述斜坡信号进行比较；条带噪声调节电路，所述条带噪声调节电路联接至所述比较电路，以调节所述比较电路的电气特性值；条带值生成电路，所述条带值生成电路联接至所述条带噪声调节电路，以向所述条带噪声调节电路提供基于设定代码值而生成的条带值；条带噪声减小电路，所述条带噪声减小电路联接至所述条带噪声调节电路，并且被配置为通过调节所述比较电路的电气特性值来减小所述比较电路的条带噪声；计数电路，所述计数电路联接至所述比较电路，以根据所述比较电路的每个输出信号对时钟脉冲的数目进行计数；存储电路，所述存储电路联接至所述计数电路，以存储由所述计数电路提供的信息；控制电路，所述控制电路被配置为向所述行解码器、所述斜坡信号发生器、所述比较电路、所述计数电路和所述存储电路提供指令；以及列读出电路，所述列读出电路被配置为基于由所述控制电路提供的指令来输出所述存储电路的数据。

所述条带值生成电路可包括：储存电路，所述储存电路被配置为存储所述设定代码值；电压生成电路，所述电压生成电路联接至所述储存电路以接收所述设定代码值，并且被配置为生成与从所述储存电路输出的所述设定代码值相对应的条带噪声控制电压；以及电压传输电路，所述电压传输电路联接至所述电压生成电路，并且被配置为将所述条带噪声控制电压传输至每列的所述条带噪声调节电路。所述条带值生成电路进一步可包括：电压稳定电路，所述电压稳定电路被配置为使由所述电压生成电路所生成的条带噪声控制电压稳定，并且将稳定的条带噪声控制电压施加至所述电压传输电路。该cmos图像传感器进一步可包括：列缓冲器，所述列缓冲器被设置在每列的所述条带值生成电路与所述条带噪声调节电路之间。所述条带噪声调节电路可基于所述条带噪声调节电路的电阻来调节所述比较电路的条带噪声，所述条带噪声调节电路的电阻基于所述条带值生成电路的条带噪声控制电压能调节。所述条带噪声调节电路可包括：多个晶体管，所述多个晶体管被设置在所述比较电路的负载晶体管的漏极端子和栅极端子之间，以经由所述多个晶体管的栅极端子接收所述条带值生成电路的条带噪声控制电压。

根据一个实施方式，能够通过抵消条带噪声来使条带噪声的影响最小化。

此外，根据一个实施方式，为了抵消由于条带噪声引起的代码延迟，提供一种生存与所述代码延迟相反的代码延迟的电路，从而抵消由于条带噪声引起的代码延迟，由此能够使条带噪声的影响最小化。

附图说明

图1a是用于帮助理解所公开技术的各种实施方式的cmos图像传感器的示图。

图1b是图1a中所示的比较器的示例的示图。

图2是基于所公开技术的一个实施方式而实现的比较装置的示例的示图。

图3是图2中所示的比较装置的示例的示图。

图4a是图2和图3中所示的条带值生成电路的示例的示图。

图4b是图2和图3中所示的条带值生成电路的另一示例的示图。

图5是基于所公开技术的一个实施方式而实现的cmos图像传感器的示例的示图。

具体实施方式

图1a是用于帮助理解所公开技术的各种实施方式的cmos图像传感器的示图，并且示出了具有利用示例单斜模数转换器实现的列并行结构的cmos图像传感器。

如图1a所示，cmos图像传感器可以包括布置成行和列以输出与输入光对应的像素信号的成像像素的像素阵列10、行解码器20、斜坡信号发生器30、比较单元40、计数单元50、存储单元60、控制单元80以及列读出电路70。

像素阵列10的每个成像像素可以通过光电二极管、光电晶体管、光栅(photogate)或者能够将光转换为像素信号(例如，电荷、电压或电流)的其它光敏电路来实现。在成像像素的顶部，不同的滤色器被设置为分别覆盖光敏像素，以在不同的像素位置处将入射光过滤为不同的颜色，从而捕获所感测图像中的颜色信息。图1a中的具体示例示出了将红色像素标记为“r”，将绿色像素标记为“g”并且将蓝色像素标记为“b”的彩色成像像素的像素排列。用于布置滤色器的一个示例是众所周知的重复的拜耳滤色器单元图案的拜耳滤色器图案，其中每个单元图案具有两个绿色滤色器像素、一个蓝色滤色器像素和一个红色滤色器像素。

行解码器20通过选择行线来选择像素阵列10中的像素，并且基于控制单元80的指令控制像素的操作。斜坡信号发生器30基于控制单元80的指令生成斜坡信号。比较单元40基于控制单元80的指令，对从斜坡信号发生器30施加的斜坡信号的值和从像素阵列10输出的每个像素信号的值进行比较。计数单元50根据比较单元40的每个输出信号对控制单元80的时钟脉冲的数目进行计数。存储单元60基于控制单元80的指令存储由计数单元50提供的信息(例如，时钟脉冲的数目)。控制单元80控制行解码器20、斜坡信号发生器30、比较单元40、计数单元50、存储单元60和列读出电路70的操作。列读出电路70基于控制单元80的指令，将存储在存储单元60中的数据依次输出为像素数据pxdata。

一些cmos图像传感器利用相关双采样(cds)，通过测量两次像素信号并将两次测量的像素信号相互比较来去除不想要的偏移。例如，在光入射之前和光入射之后测量像素信号(其为从像素阵列10输出的电压)，并且将所测量的像素信号相互比较以便去除像素的偏移值。在所公开技术的示例实施方式中，可以通过比较单元40来执行这种cds操作。

比较单元40包括多个比较器。计数单元50包括多个计数器。存储单元60包括多个存储器。在所开技术的一个实施方式中，每个列包括一个或更多个比较器、一个或更多个计数器以及一个或更多个存储器。

接下来，参照图1a，将描述作为示例的包括一个比较器、一个计数器和一个存储器的示例列架构的操作。

第一比较器41具有分别接收从像素阵列10的列输出的像素信号和从斜坡信号发生器30施加的斜坡信号的两个输入端子，以根据控制单元80的控制信号将这两个信号的值彼此进行比较，并且输出比较信号。

由于斜坡信号vramp是电压电平减小或增大的信号，因此应当存在这样一个时间点，在该时间点处输入至每个比较器的两个信号的值彼此一致。在两个信号的值变得相同之后，每个比较器的输出信号的值反转。

在所公开技术的一些实施方式中，第一计数器51从斜坡信号开始减小的时间点到从比较器41输出的比较信号反转的时间点之间对控制单元80的时钟脉冲的数目进行计数，并且输出指示时钟脉冲的数目的信号。各个计数器根据来自控制单元80的复位控制信号来初始化。

然后，第一存储器61根据控制单元80的负载控制信号来存储从第一比较器51输出的信息，并且将该信息输出至列读出电路70。

在所公开技术的一些实施方式中，cmos图像传感器可以对复位信号(例如，复位电压)执行“时钟计数”，然后对视频信号(例如，信号电压)执行“时钟计数”。

图1b是图1a中所示的比较器41的示例的示图。

cmos图像传感器受到不同类型的噪声的影响。一个示例是在逐行的基础上读出一行成像像素时出现的条带噪声，并且在图像提取过程中，不同行的成像像素在以各种形式读出时受到不同噪声的影响。这种条带噪声能够降低图像品质，因此在电路设计时考虑各种调谐点以便最小化条带噪声。

例如，如图1b所示，为了最小化条带噪声，通过调节pmos晶体管m10的尺寸来调节输入到pmos晶体管m11的栅极端子的偏置电流ibias1。然而，这种方法由于会改变比较器的dc偏置点而受到限制。

就此而言，为了抵消由于条带噪声所引起的代码延迟，基于所公开技术的实施方式实现的图像传感器可以包括创建与由于条带噪声所引起的代码延迟相反的另一代码延迟以抵消所述代码延迟的电路，从而使条带噪声的影响最小化。例如，当出现“+”条带噪声时，生成“-”条带噪声以抵消所述“+”条带噪声，而当出现“-”条带噪声时，生成“+”条带噪声以抵消所述“-”条带噪声。这将参照图2、图3、图4a和图4b以及图5来详细描述。

图2是基于所公开技术的一个实施方式而实现的比较装置的示例的示图。

如图2所示，基于所公开技术的一个实施方式而实现的比较装置包括具有条带值生成块200和条带噪声调节块300的比较块100。在所公开技术的另一实施方式中，比较装置可以包括条带值生成块200、条带噪声调节块300以及与条带值生成块200和条带噪声调节块300分离的比较块100。例如，比较块100可以指在图3中的附图标记200、300和400外部的电路。比较块100可以对像素信号vpix和斜坡信号vramp进行比较，并且输出比较信号。条带值生成块200可以通过使用设定代码值来生成条带值。条带噪声调节块300可以根据由条带值生成块200生成的条带值来调节比较块100的条带噪声。条带噪声减小块400可以基于条带噪声调节块300的调节结果来减小比较块100的条带噪声。

在所公开技术的实现方式中，条带值可以是能够用于调节比较块100的电气特性值的模拟电压值，而设定代码值可以是数字代码，该数字代码将被转换为与数字代码对应的模拟电压值。例如，条带值生成块200生成与设定代码值对应的条带噪声控制电压vbd，并且将该条带噪声控制电压vbd施加至条带噪声调节块300，以调节比较块100的电气特性值。这里，条带噪声控制电压可以指被施加至条带噪声调节块300以通过调节条带噪声调节块300的电气特性值来抵消条带噪声的电压。在所公开技术的实施方式中，条带值生成块200将条带噪声控制电压vbd施加至所有列的所有条带噪声调节块300。随后将参照图4a和图4b来描述条带值生成块200。

条带噪声调节块300可以通过调节条带噪声调节块300的诸如跨导的电气特性值来抵消比较块100的条带噪声。这里，条带噪声调节块300的电阻可以基于条带值生成块200的条带噪声控制电压vbd来调节。

比较块100可被实现为各种形式。在所公开技术的示例实施方式中，比较块100可以包括不止一级。在多级比较电路中，条带噪声调节块300和条带噪声减小块400可被实现在比较块100的第一阶(或者第一级)中，或者可被实现在比较块100的其它阶/级中。

如上所述，图2中所示的比较装置包括条带值生成块200、条带噪声调节块300和条带噪声减小块400。这将参照图3、图4a和图4b以及图5来详细描述。

图3是图2中所示的比较装置的示例的示图。

由于各种类型的比较电路在本领域中是已知的，所以在此省略对于比较块100的进一步讨论。

如图3所示，条带噪声调节块300包括nmos晶体管nmr1和nmos晶体管nmr2，所述nmos晶体管nmr1和nmos晶体管nmr2设置在比较块100的负载晶体管pm11和pm12的漏极端子和栅极端子之间，以通过所述nmos晶体管nmr1和nmos晶体管nmr2的栅极端子接收由条带值生成块200生成的条带噪声控制电压vbd。也就是说，条带噪声调节块300包括这样的nmos晶体管nmr1和nmos晶体管nmr2：其漏极端子电连接至比较块100的负载网络(负载晶体管pm11和pm12的漏极端子)，其源极端子电连接至条带噪声减小块400，并且其栅极端子接收条带值生成块200的条带噪声控制电压vbd。换句话说，条带噪声调节块300包括其漏极端子电连接至比较块100的pmos晶体管pm11(第一负载晶体管)的漏极端子，其源极端子电连接至条带噪声减小块400，并且其栅极端子接收条带值生成块200的条带噪声控制电压vbd的nmos晶体管nmr1。条带噪声调节块300还包括其漏极端子电连接至比较块100的pmos晶体管pm12(第二负载晶体管)的漏极端子，其源极端子电连接至条带噪声减小块400，并且其栅极端子用于接收条带值生成块200的条带噪声控制电压vbd的nmos晶体管nmr2。在所公开技术的另一实施方式中，条带噪声调节块300可以利用pmos晶体管代替nmos晶体管nmr1和nmos晶体管nmr2来实现。

条带噪声减小块400包括加和节点vnm11和vnm12，所述加和节点vnm11和vnm12将条带噪声调节块300连接至比较块100的输入网络(斜坡信号vramp和像素信号vpix的输入端子)。也就是说，条带噪声减小块400包括将条带噪声调节块300的nmos晶体管nmr1的源极端子连接至比较块100的nmos晶体管nm11(第一输入晶体管)的漏极端子的第一加和节点vnm11。条带噪声减小块400还包括将条带噪声调节块300的nmos晶体管nmr2的源极端子连接至比较块100的nmos晶体管nm12(第二输入晶体管)的漏极端子的第二加和节点vnm12。

nmos晶体管nmr1和nmos晶体管nmr2在三极管区域内操作，并且其电阻的量基于施加至其栅极端子的条带值生成块200的条带噪声控制电压vbd而得到调节。通过基于条带值生成块200的条带噪声控制电压vbd来调节电阻的量，能够在比较块100的复位操作(sw11和sw12接通并且确定nmos晶体管nm11和nmos晶体管nm12的栅极电压)中调节输入公共电平(inputcommonlevel)，所述输入公共电平是nmos晶体管nm11和nmos晶体管nm12(输入晶体管)的适用输入信号范围。也就是说，当基于条带值生成块200的条带噪声控制电压vbd调节条带噪声调节块300的nmos晶体管nmr1和nmos晶体管nmr2的电阻时，能够调节输入晶体管的跨导(gm)。在这种情况下，nmos晶体管nmr1和nmos晶体管nmr2的电阻可被调节至这样的程度：即使在成像像素的输出信号处于低幅值范围，输入公共电平也不存在问题。比较块100的增益根据这样的调节结果来改变。另外，比较块100的增益的改变会导致代码延迟。

就此而言，为了抵消在模数转换器(adc)中出现的条带噪声，生成条带噪声控制电压vbd，以使得相反极性的条带噪声被生成并且被施加至条带噪声调节块300的nmos晶体管nmr1和nmos晶体管nmr2，由此抵消由于条带噪声所导致的代码延迟。

图4a是图2和图3中所示的条带值生成块200的示例的示图，而图4b是图2和图3中所示的条带值生成块200的另一示例的示图。

如图4a所示，条带值生成块200包括储存单元210、电压生成单元220和电压传输单元230。储存单元210可以存储用于生成条带噪声控制电压的设定代码值。电压生成单元220可以生成与储存单元210的设定代码值对应的条带噪声控制电压vbd。电压传输单元230可以将在电压生成单元220中所生成的条带噪声控制电压vbd传输至条带噪声调节块300。

储存单元210例如可以利用寄存器电路实现。储存单元210可被实现为存储预设的设定代码值。另选地，储存单元210可以被实现为从外部图像信号处理器(isp)等接收设定代码值并且存储该设定代码值。

电压生成单元220可以利用联接至储存单元210的数模转换器(dac)来实现，并且生成与存储在储存单元210中的设定代码值对应的条带噪声控制电压vbd。在这种情况下，数模转换器(dac)可以利用包括电阻器阵列的电阻式数模转换器(r-dac)或者包括电容器阵列的电容式数模转换器(c-dac)的基本结构来实现。

电压传输单元230可以利用联接至电压生成单元220的全局缓冲器来实现，并且将在电压生成单元220中生成的条带噪声控制电压vbd传输至所有列的条带噪声调节块300。例如，全局缓冲器可以利用简单的源跟随器电路来实现。

由于生成被施加至所有列的所有条带噪声调节块300的条带噪声控制电压vbd的条带值生成块200可能是产生另一条带噪声的噪声源，因此在每列的条带值生成块200和条带噪声调节块300之间设置列缓冲器，以减小/最小化条带噪声。

如图4b所示，条带值生成块200进一步包括电压稳定单元240，以使由电压生成单元220所生成的条带噪声控制电压vbd稳定，并且将稳定的条带噪声控制电压vbd施加至电压传输单元230。在所公开技术的实施方式中，电压稳定单元240可以联接在电压传输单元230和电压生成单元220之间。例如，电压稳定单元240可以利用带隙电压基准(bgr)电路来实现。

图5是基于所公开技术的一个实施方式而实现的cmos图像传感器的示例的示图。

如图5所示，cmos图像传感器包括布置成行和列以输出与输入光对应的像素信号的成像像素的像素阵列10、行解码器20、斜坡信号发生器30、比较单元40、计数单元50、存储单元60、控制单元80以及列读出电路70。行解码器20通过选择行线来选择像素阵列10中的像素，并且基于控制单元80的指令控制像素的操作。斜坡信号发生器30基于控制单元80的指令生成斜坡信号。比较单元40基于控制单元80的指令，对从斜坡信号发生器30施加的斜坡信号的值和从像素阵列10输出的每个像素信号的值进行比较。计数单元50根据比较单元40的每个输出信号，对控制单元80的时钟脉冲的数目进行计数。存储单元60基于控制单元80的指令来存储由计数单元50提供的信息(例如，时钟脉冲的数目)。控制单元80控制行解码器20、斜坡信号发生器30、比较单元40、计数单元50、存储单元60和列读出电路70的操作。列读出电路70基于控制单元80的指令来将存储在存储单元60中的数据依次输出为像素数据pxdata。比较单元40利用基于所公开技术的一些实施方式的比较装置42来实现。

尽管已出于说明的目的而描述了各种实施方式，但是对于本领域技术人员而言显而易见的是，在不脱离如所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可进行各种改变和修改。

相关申请的交叉引用

本专利文档要求于2018年4月30日提交的韩国专利文献no.10-2018-0049940的优先权和权益，该韩国专利文献通过引用全部并入本文中。