斜坡信号发生器以及使用其的CMOS图像传感器的制作方法

本专利文献中所公开的技术和实现方式涉及一种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：

通常，图像感测装置包括用于使用光电二极管(pd)来捕获图像的像素，所述pd将光转换为电流并通过传输晶体管将该电流传输到作为转换晶体管(源极跟随器晶体管)的输入节点(栅极端子)的浮置扩散节点。传输到浮置扩散节点的电流可使转换晶体管的输出端子处的电压移位，该输出电压被称为像素信号。

出于图像感测装置的质量控制的目的，进行曝光线性测试以检查模数转换码的线性，同时增加入射在像素的光电二极管上的光的量。

在将光电二极管所生成的电流传输到浮置扩散节点的处理中出现非线性。

另外，由于斜坡信号(斜坡电压)的斜率具有线性，所以在基于斜坡信号寻找像素信号的位置的处理中发生码错误。

码错误的可接受错误率通常为1％左右，但是那些非线性问题可能导致码错误范围超过可接受错误率。

在像增益误差一样，像素信号的非线性随着像素信号的幅度增加而增加的情况下，当像素信号具有高幅度时，码错误范围可超过可接受错误率。

技术实现要素：

除了别的以外，本专利文献提供了具有斜坡信号发生器的图像感测装置的设计，与单位电流单元的步长固定的另一斜坡信号发生器不同，所述斜坡信号发生器通过调节单位电流单元的电流以调节步长来调节斜坡信号的斜率。该专利文献还提供具有斜坡信号发生器的图像感测装置的设计，所述斜坡信号发生器通过与像素信号的非线性类似非线性地调节斜坡信号的斜率来使码错误最小化。

在所公开的技术的实施方式中，一种斜坡信号发生器可包括：斜率控制电路，其被配置为根据数字设定码值来生成可控模拟基准电压以控制斜坡信号的斜率；以及至少一个单位电流单元，其被配置为通过根据斜率控制电路所生成的可控模拟基准电压调节流过所述至少一个单位电流单元的电流来调节斜坡信号的斜率。

斜率控制电路可包括：码提供电路，其被配置为提供数字设定码值；以及可控基准电压发生电路，其被配置为根据码提供电路所提供的数字设定码值来生成可控模拟基准电压。码提供电路还可包括：缓冲器，其被配置为向所述至少一个单位电流单元施加由可控基准电压发生电路生成的可控模拟基准电压。缓冲器可包括源极跟随器电路。码提供电路可包括：存储器，其被配置为从外部图像信号处理器(isp)接收数字设定码值，存储数字设定码值，并将数字设定码值提供给可控基准电压发生电路。可控基准电压发生电路可包括数模转换器(dac)。可根据斜率控制电路所生成的可控模拟基准电压来调节所述至少一个单位电流单元的导通/截止电压的电平。斜坡信号发生器可通过调节流过所述至少一个单位电流单元的电流来调节斜坡信号的斜率。

在所公开的技术的另一实施方式中，一种cmos图像传感器可包括：像素阵列，其被配置为包括按行和列的感光像素的阵列以输出与入射光对应的像素信号；行解码器，其被配置为根据联接到感光像素的行的行线来选择并控制像素阵列中的像素；斜坡信号发生器，其被配置为通过基于可响应于数字码而调节的模拟电压调节流过模拟开关装置的沟道电流来调节斜坡信号的斜率；比较电路，其被配置为将从斜坡信号发生器施加的斜坡信号与像素阵列的各个像素信号进行比较；计数电路，其被配置为根据比较电路的各个输出信号来对时钟脉冲数进行计数；存储器电路，其被配置为存储包括计数电路所提供的时钟脉冲数的计数电路的计数信息；控制电路，其被配置为控制行解码器、斜坡信号发生器、比较电路、计数电路和存储器电路的操作；以及列读出电路，其被配置为根据控制电路所提供的指令来输出存储在存储器电路中的数据。

斜坡信号发生器可包括：斜率控制电路，其被配置为根据数字设定码值来生成可控模拟基准电压以调节斜坡信号的斜率；以及至少一个单位电流单元，其被配置为根据斜率控制电路所生成的可控模拟基准电压来调节斜坡信号的斜率。斜率控制电路可包括：码提供电路，其被配置为提供数字设定码值；以及可控基准电压发生电路，其被配置为根据码提供电路所提供的数字设定码值来生成可控模拟基准电压。码提供电路还可包括：缓冲器，其被配置为向所述至少一个单位电流单元施加可控基准电压发生电路的可控基准电压。缓冲器包括源极跟随器电路。码提供电路可包括：存储器，其被配置为从外部图像信号处理器(isp)接收数字设定码值，存储数字设定码值，并将数字设定码值提供给可控基准电压发生电路。可控基准电压发生电路可包括数模转换器(dac)。可根据斜率控制电路所生成的可控模拟基准电压来调节所述至少一个单位电流单元的导通/截止电压的电平。斜坡信号发生器可通过调节流过所述至少一个单位电流单元的电流来调节斜坡信号的斜率。

在所公开的技术的另一实施方式中，一种斜坡信号发生器可包括：单位电流单元，其包括允许构成斜坡信号的电流从斜坡电源电压端子流到斜坡电阻器的电流路径，所述电流路径包括联接在斜坡电源电压端子和斜坡电阻器之间的模拟开关装置；以及斜率控制电路，其联接到模拟开关装置并且被配置为接收数字设定码值并响应于所述数字设定码值而生成可控模拟基准电压以将所述可控模拟基准电压施加到模拟开关装置，以控制斜坡信号的斜率。

单位电流单元可通过基于可响应于数字设定码值调节的可控模拟基准电压调节流过模拟开关装置的沟道电流来调节斜坡信号的斜率。斜率控制电路可包括将数字设定码值转换为可控模拟基准电压的数模转换器(dac)

在所公开的技术的另一实施方式中，与单位电流单元的步长固定的另一现有斜坡信号发生器不同，调节单位电流单元的电流以调节步长，从而可调节斜坡信号的斜率。

此外，在所公开的技术的各种实施方式中，与像素信号的非线性类似非线性地调节斜坡信号的斜率，从而可使码错误最小化。

附图说明

图1是用于方便理解所公开的技术的cmos图像传感器的示例图。

图2a和图2b是用于方便理解所公开的技术的斜坡信号发生器的示例图。

图3是用于说明基于所公开的技术的实施方式的斜坡信号发生器的单位电流单元阵列结构的示例的图。

图4a至图4c是用于说明基于所公开的技术的实施方式实现的斜坡信号发生器的单位电流单元的操作的图。

图5是示出基于所公开的技术的实施方式的斜坡电压的示例的图。

图6是基于所公开的技术的实施方式实现的斜坡信号发生器的示例的配置图。

图7是示出基于所公开的技术的实施方式的全局施加导通/截止电压的另一示例斜坡信号发生器的图。

图8是基于所公开的技术的实施方式实现的cmos图像传感器的示例的配置图。

具体实施方式

图1是用于方便理解所公开的技术的cmos图像传感器(cis)的示例图，并且示出具有使用一般单斜率模数转换器实现的列并行结构的cmos图像传感器。

如图1所示，cmos图像传感器包括按行和列布置的感光像素的像素阵列10，以响应入射光输出像素信号。各个感光像素可由光电二极管、光电晶体管、光电门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。在感光像素的顶部，放置不同滤色器的阵列以覆盖感光像素，以在不同的像素位置处过滤不同颜色的入射光以捕获所感测的图像中的颜色信息。图1中的特定示例示出彩色成像像素的像素布置方式，其中红色像素标记为“r”，绿色像素标记为“g”，蓝色像素标记为“b”。cmos图像传感器还包括行解码器20、斜坡信号发生器30、比较单元(比较电路)40、计数单元(计数电路)50、存储器单元(存储器电路)60、控制单元(控制电路)80和列读出电路70。行解码器20根据行线来选择像素阵列10中的像素并根据控制单元80所提供的指令来控制像素的操作。斜坡信号发生器30根据控制单元80所提供的指令来生成斜坡信号。比较单元40根据控制单元80所提供的指令将从斜坡信号发生器30施加的斜坡信号的值与从像素阵列10输出的各个像素信号的值进行比较。计数单元50根据比较单元40的各个输出信号对控制单元80的时钟脉冲数进行计数。存储器单元60在控制单元80的控制下存储包括计数单元50所提供的时钟脉冲数的计数信息。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、存储器单元60和列读出电路70的操作。列读出电路70根据控制单元80所提供的指令来依次输出存储器单元60的数据作为像素数据pxdata。

cmos图像传感器可使用相关双采样(cds)通过对像素信号采样两次以使得这两个样本之间取得差异来去除像素的偏移值。在所公开的技术的实施方式中，相关双采样(cds)可通过将光入射在像素上之前和之后获得的像素信号(像素输出电压)彼此比较来去除像素的偏移值，以使得可实际仅测量基于入射光的像素信号。在所公开的技术的实施方式中，cds可由比较单元40进行。

比较单元40包括多个比较器，计数单元50包括多个计数器，并且存储器单元60包括多个存储器。在示例配置中，像素阵列10的各列包括比较器、计数器和存储器。

接下来，参照图1，下面将作为示例描述一个比较器、一个计数器和一个存储器的操作。

第一比较器41具有两个输入端子，这两个输入端子包括接收从像素阵列10的第一列输出的像素信号的一个端子以及接收从斜坡信号发生器30施加的斜坡信号的另一端子。第一比较器41根据控制单元80的控制信号将两个信号(像素信号和斜坡信号)的值彼此比较，并输出比较信号。

斜坡信号vramp的示例包括电压电平减小或增大的信号、锯齿信号以及其它类型的基准信号。当在特定时间点斜坡信号的电压与像素信号的电压匹配时，从各个比较器输出的比较信号的值反转。

因此，第一比较器51对控制单元80所提供的时钟脉冲进行计数，直至从比较器41输出的比较信号从斜坡信号开始下降的时间点反转，并且输出关于第一比较器51所计数的时钟脉冲数的计数信息。根据来自控制单元80的重置控制信号将相应计数器初始化。

然后，第一存储器61根据控制单元80的加载控制信号来存储关于第一比较器51所计数的时钟脉冲数的计数信息，并将计数信息输出到列读出电路70。

在cmos图像传感器的示例中，对重置信号(重置电压)执行计数，然后对图像信号(信号电压)执行计数。

图2a和图2b是用于方便理解所公开的技术的斜坡信号发生器的示例图。

如图2a和图2b所示，斜坡信号发生器包括单位电流单元阵列以及作为公共电连接到单位电流单元阵列的公共节点的斜坡电阻器rl。这里，由于用于供应斜坡电源电压vddaramp、偏置电压等的技术是公知的，所以将省略其描述。通过依次接通或断开单位电流单元，根据下式1生成斜坡电压vramp。

vramp＝itotal*rl(式1)

在上式1中，“itotal”表示所有单位电流单元中流过的总电流。

例如，在通过依次减少允许电流从斜坡电源电压vddaramp的电压供应端子流到斜坡电阻器rl的单位电流单元的数量来生成斜坡信号，使得斜坡信号的幅度具有负斜率的设定中，斜坡电压的初始状态为pmos晶体管mpr2保持“截止”(例如，开关swrb保持断开并且开关swr保持接通)，以使得电流可通过所有单位电流单元(即，通过所有pmos晶体管mpr1)流到斜坡电阻器rl，如图2a所示。开关swrb和开关swr可设置在斜坡电源电压端子和接地电压端子之间，以响应于图1的控制单元80所提供的控制信号或者通过从图1的控制单元80接收时钟信号来操作的另一控制器(未示出)所提供的控制信号而接通或断开。开关swrb和开关swr可被配置为控制pmos晶体管mpr1和pmos晶体管mpr2的栅极电压。如图2b所示，在上述初始状态之后，单位电流单元开始从pmos晶体管mpr1到pmos晶体管mpr2改变其电流路径。从第一单位电流单元到最后单位电流单元，pmos晶体管mpr1截止并且pmos晶体管mpr2导通(开关swrb接通并且开关swr断开)，并且单位电流单元依次(逐个)允许电流流到pmos晶体管mpr2而非pmos晶体管mpr1。这里，斜坡电压可由下式2表示。

vramp＝(itotal-it_off)*rl(式2)

在上式2中，“it_off”表示通过如图2a和图2b所示，将单位电流单元的电流路径从pmos晶体管mpr1改变为pmos晶体管mpr2，使得单位电流单元的开关swrb从“断开”切换为“接通”并且单位电流单元的开关swr从“接通”切换为“断开”，相对于电流的总和itotal减少的电流量。

在另一示例中，与图2a和图2b所示的示例不同，当斜坡信号具有正斜率时，斜坡电压的初始状态为pmos晶体管mpr2保持“导通”以使得所有单位电流单元的电流可初始流过pmos晶体管mpr2。在初始状态之后，单位电流单元开始将其电流路径从pmos晶体管mpr2改变为pmos晶体管mpr1。从第一单位电流单元到最后单位电流单元，pmos晶体管mpr1导通，并且pmos晶体管mpr2截止，以使得单位电流单元依次(逐个)允许电流流到pmos晶体管mpr1而非pmos晶体管mpr2。

然而，在图2a和图2b所示的斜坡信号发生器中，当在利用斜坡信号寻找像素信号的位置的处理中码错误率超过可接受错误率(例如，1％)时，斜坡信号的斜率的线性可能导致发生码错误。

与图2a和图2b的单位电流单元的步长固定的斜坡信号发生器不同，所公开的技术的实施方式使得可通过调节单位电流单元的电流来调节步长以调节斜坡信号的斜率，这将参照图3、图4a至图4c以及图5至图7来详细描述。

图3是用于说明基于所公开的技术的实施方式的斜坡信号发生器的单位电流单元阵列结构的示例的图。

如图3所示，在构成斜坡信号发生器的单位电流单元阵列当中，与数字码的较低位对应的m(m是自然数)个正常单位电流单元阵列使用与图2a和图2b所示的斜坡信号发生器基本上相同的结构，并且与数字码的较高位对应的n-m(n是大于m的自然数)个正常单位电流单元阵列使用具有附加斜率调节功能的单位电流单元阵列。这里，“n”表示与斜坡信号发生器的步数对应的所有单位电流单元的数量，在具有10位分辨率的斜坡信号的情况下为1024。在所公开的技术的实施方式中，通过根据非线性要求等设定具有附加斜率调节功能的单位电流单元的数量(n-m)来调节斜坡信号的末尾部分(与码的较高位对应的部分)。当斜坡信号发生器操作时，根据vruc[n]和vrucb[n]的定时来依次选择并驱动单位电流单元。

图4a至图4c是用于说明基于所公开的技术的实施方式实现的斜坡信号发生器的单位电流单元的操作的图，图5是示出基于所公开的技术的实施方式的斜坡电压的示例的图。

如图4a所示，当构成斜坡信号发生器的单位电流单元阵列的单位电流单元接通/断开时，导通/截止电压δv被施加到控制电流的pmos晶体管mpr1和mpr2。导通/截止电压δv由下式3表示。

δv＝电源电压-接地电压(式3)

与图4a所示的使用导通/截止电压δv的斜坡信号发生器不同，当生成斜坡电压时，图4b和图4c所示的斜坡信号发生器不使用导通/截止电压δv以便接通/断开单位电流单元。相反，图4b和图4c所示的斜坡信号发生器基于可控基准电压vcrv使用导通/截止电压δvx来调节单位电流单元的电流，从而控制当单位电流单元被驱动时生成的斜坡电压的步长。导通/截止电压δvx由下式4表示。

δv＝vcrv-接地电压(式4)

在上式4中，vcrv表示可控基准电压。

当斜坡信号具有负斜率时，直到第m单位电流单元，pmos晶体管mpr1依次(逐个)允许电流流到pmos晶体管mpr2，从而以图2a和图2b中所描述的形式生成斜坡电压。换言之，pmos晶体管mpr1逐个地依次截止直到第m单位电流单元，pmos晶体管mpr2逐个地依次导通，并且电流流过pmos晶体管mpr2，从而生成如上式2表示的斜坡电压。

如图3中所描述的，从第(n-m)单位电流单元，单位电流单元具有附加斜率调节功能，并且iunit的量被调节为irc的量，如图4b和图4c所示。在总电流被定义为iunit(＝irc+irr)的情况下，当开关swrb从“断开”切换为“接通”并且开关swr从“接通”切换为“断开”(开关swrb和开关swr设置在可控基准电压vcrv和接地电压之间以控制pmos晶体管mpr1和pmos晶体管mpr2的栅极电压)时，irc流过pmos晶体管mpr1并且irr流过pmos晶体管mpr2。通过这样做，生成如下式5表示的斜坡电压，如图5所示。这里，可通过(it(n-m)-irc)*rl调节斜坡电压的斜率。

vramp＝((itm-it-off)+(it(n-m)-irc))*rl(式5)

在上式5中，在流过斜坡电阻器rl的电流的总量包括“itm”和“it(n-m)”的情况下，“itm”表示生成为没有附加斜率调节功能的m个单位电流单元的电流的总和，“it(n-m)”表示具有附加斜率调节功能的(n-m)个单位电流单元的电流的总和。“irc”表示在开关swrb从“断开”切换为“接通”并且开关swr从“接通”切换为“断开”之后，即使在已流过pmos晶体管mpr1的部分电流流过pmos晶体管mpr2之后仍继续流过pmos晶体管mpr1的剩余电流的量。换言之，“irc”表示通过斜率调节功能调节的电流量。

从图5显而易见的是，当从第m单位电流单元至第n单位电流单元，斜率调节功能被添加到单位电流单元时，可根据数模转换器(dac)的图像分辨率精确地调节斜坡信号的斜率。在所公开的技术的实施方式中，与图2a和图2b的斜坡信号发生器不同，(n-m)个单位电流单元在被驱动时部分地接通，以利用数模转换器(dac)来精确地调节流过(n-m)个单位电流单元的电流量。当单位电流单元部分地接通时，与单位电流单元完全接通时相比，斜坡信号的斜率减小。

图6是基于所公开的技术的实施方式实现的斜坡信号发生器的示例的配置图，图7是示出基于所公开的技术的实施方式的全局施加导通/截止电压的另一示例斜坡信号发生器的图。

如图6所示，基于所公开的技术的实施方式实现的斜坡信号发生器包括斜率控制块(斜率控制电路)610和至少一个单位电流单元620。这里，斜率控制块610根据数字设定码值来生成可控模拟基准电压vcrv，并且单位电流单元620根据斜率控制块610所生成的可控模拟基准电压vcrv来调节斜坡信号的斜率。

斜率控制块610包括用于提供设定码值的码提供单元(码提供电路)611以及用于根据码提供单元611的设定码值生成可控基准电压vcrv的可控基准电压发生单元(可控基准电压发生电路)612。

斜率控制块610还可包括模拟缓冲器613，用于向至少一个单位电流单元620供应可控基准电压发生单元612所生成的可控基准电压vcrv。当进一步提供模拟缓冲器613时，可在不受可控基准电压发生单元612的性能的限制太大影响的情况下实现斜坡信号发生器。模拟缓冲器613可使用简单的源极跟随器电路来实现。

码提供单元611可由诸如寄存器的存储器实现，用于从外部图像信号处理器(isp)接收设定码值，存储设定码值，并将设定码值提供给可控基准电压发生单元612。

在示例实现方式中，一旦设定码值被设定，就可连续地使用该设定码值。在另一示例实现方式中，当生成斜坡信号时设定新的设定码值。例如，在生成斜坡信号时，外部isp可将可控基准电压发生单元612的设定码值输入到各行的码提供单元611。

可控基准电压发生单元612可使用数模转换器(dac)来实现。数模转换器(dac)可使用包括电阻器阵列的电阻数模转换器(dac)或者包括电容器阵列的电容数模转换器(dac)的基本结构来实现。

当生成与码的较高位对应的斜坡信号(斜坡电压)时，至少一个单位电流单元620不完全接通/断开。因此，根据斜率控制块610的可控基准电压vcrv来调节至少一个单位电流单元620的导通/截止电压电平，并且调节流过单位电流单元的电流，从而可调节斜坡信号的斜率。

斜率控制块610可被实现为使得分别与第(n-m)单位电流单元对应的斜率控制块610彼此协作。在另一示例实现方式中，一个斜率控制块610可由第(n-m)单位电流单元共享，如图7所示。

图8是基于所公开的技术的实施方式实现的cmos图像传感器的示例的配置图。

如图8所示，基于所公开的技术的实施方式的cmos图像传感器包括用于输出与入射光对应的像素信号的像素阵列10、行解码器20、斜坡信号发生器830、比较单元40、计数单元50、存储器单元60、控制单元80和列读出电路70。行解码器20根据行线来选择像素阵列10中的像素并且在控制单元80的控制下控制像素的操作。斜坡信号发生器830在控制单元80的控制下生成斜坡信号。比较单元40根据控制单元80所提供的指令将从基于所公开的技术的各种实施方式实现的斜坡信号发生器830施加的斜坡信号的值与从像素阵列10输出的各个像素信号的值彼此比较。计数单元50根据比较单元40的各个输出信号对控制单元80的时钟信号进行计数。存储器单元60根据控制单元80所提供的指令来存储计数单元50的计数信息。控制单元80控制行解码器20、基于所公开的技术的各种实施方式实现的斜坡信号发生器830、比较单元40、计数单元50、存储器单元60和列读出电路70的操作。列读出电路70根据控制单元80所提供的指令来依次输出存储器单元60的数据作为像素数据pxdata。基于所公开的技术的实施方式的斜坡信号发生器830可类似于参照图3、图4a至图4c以及图5至图7描述的斜坡信号发生器来实现。

在所公开的技术的实施方式中，斜坡信号发生器包括：单位电流单元，其包括允许构成斜坡信号的电流从斜坡电源电压端子流到斜坡电阻器的电流路径；以及斜率控制电路，其联接到模拟开关装置并且被配置为接收数字设定码值并响应于该数字设定码而生成可控模拟基准电压以将该可控模拟基准电压施加到模拟开关装置，以控制斜坡信号的斜率。这里，电流路径包括联接在斜坡电源电压端子和斜坡电阻器之间的模拟开关装置。单位电流单元通过基于可控模拟基准电压调节流过模拟开关装置的沟道电流来调节斜坡信号的斜率，所述可控模拟基准电压可响应于数字设定码值来调节。斜率控制电路包括将数字设定码值转换为可控模拟基准电压的数模转换器(dac)。

尽管描述了各种实施方式和具体示例，可基于所描述和示出的内容进行各种改变和修改。

相关申请的交叉引用

本专利文献要求2018年4月24日提交的韩国专利申请no.10-2018-0047291的优先权和权益，其整体通过引用并入本文。