固态成像设备、AD转换器电路和电流补偿电路的制作方法

固态成像设备、ad转换器电路和电流补偿电路
1.相关申请的交叉引用
2.于2020年12月24日提交的日本专利申请号2020-215940的公开内容(包括说明书、附图和摘要)通过整体引用并入本文。
技术领域
3.本公开涉及一种固态成像设备，并且本公开例如适用于固态成像设备的模数转换器。


背景技术：

4.固态成像设备具有像素阵列，像素阵列中的多个像素以矩阵布置。像素阵列的每一列设置有竖直信号线。cmos(互补金属氧化物半导体)图像传感器是示例性的固态成像设备。对于cmos图像传感器，每个像素包括至少一个光电转换元件和放大晶体管，放大晶体管将与光电转换元件中累积的电荷相对应的电信号(亮度信号)输出到竖直信号线。
5.在cmos图像传感器中，为像素阵列的每一列设置有附加的列电路。每个列电路设置有用于将对应像素的电信号转换为数字信号的ad转换器电路(以下简称模数转换器)。
6.用于模数转换器的比较器比较和判断经由竖直信号线从像素输出的亮度信号电压和参考电压。通常，比较器由若干级放大器组成，例如在两级放大器配置中，低速信号比较操作在第一级放大器处执行，操作频带变窄，并且增益上调在第二级放大器处执行。此外，放大器设置有电流源晶体管，并且相应电流源晶体管的控制电极设置有来自公共偏置电路的偏置电压。
7.下面列出了公开的技术。
8.[专利文献1]日本未审查专利申请公开2020-120310
[0009]
专利文献1公开了从公共偏置电路向放大器提供偏置电压。


技术实现要素：

[0010]
然而，例如，当大量模数转换器并行操作时，偏置电压可能会由于在向每个模数转换器的第二级放大器提供偏置电压的公共偏置线上的噪声而波动。
[0011]
根据本说明书的描述和附图，其他目的和新颖特征将变得很清楚。
[0012]
下面将简要描述本公开的代表性内容的概要。
[0013]
即，一种模数转换器包括比较器，该比较器包括第一放大器和被输入第一放大器的一个输出的第二放大器。第一放大器是差分型放大器，并且包括用于接收信号的一个输入端子和用于接收以预定斜率变化的参考信号的另一输入端子。第二放大器是单端型放大器。第二放大器基于通过自动调零操作放大第一放大器的电压，来确定自动调零电压，并且包括使用自动调零电压作为偏置电压的自偏置电路。并且比较器是多个，比较器是沿行方向布置的多个比较器，并且比较器基于在并行操作中被输入到另一输入端子的模拟电压来输出数字值。
[0014]
根据本公开，可以减少偏置电压的变化。
附图说明
[0015]
图1是示出根据实施例的固态成像设备的配置图；
[0016]
图2是示出根据实施例的固态成像设备的像素的框图；
[0017]
图3是示出图1所示的比较器的框图；
[0018]
图4是示出图1所示的参考电压生成电路的示例性配置的电路图；
[0019]
图5是示出图4所示的偏置生成电路的配置的示例的电路图；
[0020]
图6是示出图3所示的模数转换器的框图；
[0021]
图7是示出其中第一放大器和第二放大器的az开关接通的状态的图；
[0022]
图8是示出其中第一放大器的az开关关断而第二放大器的az开关接通的状态的图；
[0023]
图9是示出其中第一放大器和第二放大器的az开关关断的状态的图；
[0024]
图10是示出在自动调零操作之后第一放大器和第二放大器的状态的图；
[0025]
图11是示出第二放大器的电流的图；
[0026]
图12是用于说明电流补偿电路的配置和操作的图；
[0027]
图13是示出第二放大器和电流补偿电路的电流的图；
[0028]
图14是示出图1所示的比较器的操作的时序图；
[0029]
图15是示出比较器的配置图；
[0030]
图16是示出积分型模数转换器的操作原理的图；以及
[0031]
图17是用于说明图15所示的比较器中的问题的图。
具体实施方式
[0032]
下面将参考附图描述实施例。为了解释的清楚，以下描述和附图被适当地省略和简化。在以下描述中，相同的组件元件由相同的附图标记表示，并且可以省略其重复描述。应当注意，为了解释清楚起见，附图可以示意性地表示，但是仅是示例，而不限制对本公开的解释。
[0033]
为了使本实施例中的固态成像设备更清楚，首先，参考图15至图17对本发明人发现的固态成像设备的问题进行说明。图15是示出比较器的配置图。图16是示出积分型模数转换器的操作原理的图。图17是用于说明图15所示的比较器的问题的图。
[0034]
如上所述，固态成像设备包括具有比较器的模数转换器。如图15所示，构成积分型模数转换器的比较器50将从像素输出的亮度信号(ls)和作为参考电压的斜坡信号(ramp)进行比较。比较器50包括第一放大器51、第二放大器52和二值化电路54。在图15中，示出了示例性配置，其中第一放大器51配置有全差分放大器并且第二放大器52配置有差分放大器。
[0035]
第一放大器51的输入端子51a连接到端子51e，端子51a经由电容元件c1m被输入从像素输出的亮度信号(ls)。此外，第一放大器51的输入端子51b连接到端子51f，端子51b经由电容元件c1p被输入斜坡信号(ramp)。
[0036]
第一放大器51的输出端子51c和第二放大器52的输入端子52a经由电容元件c2p连
接。此外，第一放大器51的输出端子51d和第二放大器52的输入端子52b经由电容元件c2m连接。
[0037]
第一放大器51和第二放大器52必须首先确定用于比较的判断参考电压。用于确定这一点的操作称为初始化操作或自动调零操作。因此，通过用于关闭(关断开关)在第一放大器51的输入和输出端子之间、以及在第二放大器52的输入和输出端子之间的开关az1、az2的自动调零操作，而独立于外部信号dc电平在相应放大器的最佳操作点操作。电容元件c1p、c1m、c2p、c2m是自动调零电平的采样容量。与亮度信号(ls)相对应的电压由电容元件c1m生成。电容元件c1p生成与斜坡信号(ramp)相对应的电压。电容元件c2p生成与输出端子51c的输出电压相对应的电压。电容元件c2m生成与输出端子51d的输出电压相对应的电压。
[0038]
第二放大器52的输出端子52c连接到二值化电路54。二值化电路54包括p沟道mos(pmos)晶体管mp51、n沟道mos(nmos)晶体管mn51和nmos晶体管mn53。控制信号(rstb)被输入到pmos晶体管的栅极。此外，第二放大器52的输出被输入到nmos晶体管mn51的栅极。此外，控制信号(en)被输入到nmos晶体管mn51的栅极。二值化电路54包括反相电路。注意，在公开的附图中，pmos晶体管在栅极处用圆圈标记，以区别于nmos晶体管。
[0039]
在第一放大器51中，使用nmos晶体管cs1作为电流源的差分比较器由两个nmos晶体管构成，两个输入端子51a、51b连接到栅极。nmos晶体管cs1的源极连接到提供地电位(agnd1)的线。
[0040]
在第二放大器52中，使用pmos晶体管cs2作为电流源的差分比较器由两个pmos晶体管构成，两个输入端子52a、52b连接到栅极。pmos晶体管cs2的源极连接到提供电源电位(avdd2)的线。nmos晶体管的栅极连接到差分比较器的输出节点n2。pmos晶体管cs3和nmos晶体管是用于输入nmos晶体管的栅极的源极接地放大电路。pmos晶体管cs3是作为恒定电流源操作的负载晶体管。pmos晶体管cs3的源极连接到被提供有电源电位(avdd2)的线。
[0041]
在第一级的第一放大器51处放大a1倍，在第二级的第二放大器52处放大a2倍。因此，大电流流过作为第二放大器52的恒定电流源晶体管的pmos晶体管cs2，并且第二放大器52的输出节点n2的输出电压(vout2p)急剧变化。因此，噪声会出现在向pmos晶体管cs2提供偏置电压(biasp)的公共偏置线cbl上。
[0042]
顺便提及，作为第一放大器51的恒定电流源晶体管的nmos晶体管cs1的电流(i11)小于第二放大器52的pmos晶体管cs2的电流(i12)。此外，电流(i11)大于作为恒定电流源晶体管的pmos晶体管cs3的电流(i13)。电流的大小是一个示例，而不限于此。
[0043]
在图15所示的积分型模数转换器中，如图16所示，在斜坡信号(ramp)的电压与来自像素的亮度信号(ls)的电压交叉时，比较器50的输出被反相。因为暗像素的亮度信号(ls)的电压(vdr)高于亮像素的亮度信号(ls)的电压(vbr)，所以暗像素的操作时间较早。即，操作时间根据亮度而不同。因此，亮像素侧的比较器50的第二放大器52通过公共偏置线cbl受到暗像素侧的比较器50的操作的影响。
[0044]
例如，如图17的箭头px1所示，当对像素阵列pa的行方向大部分为暗而中央的一部分为亮的被摄体进行成像时，许多暗像素(黑色像素)比较器将被输入具有相似值的像素信号。因此，许多模数转换器adc的比较器的输出同时被反相。这会经由公共偏置线cbl影响与亮像素(灰色像素)相对应的比较器。亮像素(灰色像素)中出现条纹图案。
[0045]
另一方面，如图17的箭头px2所示，当拍摄对象的行方向大部分为亮而中央的一部
分为暗时，许多亮像素(白色像素)的比较器被输入具有相似值的像素信号。这导致多个比较器的输出同时反相。然而，该同时反相发生在与暗像素(灰色像素)相对应的比较器的反相操作之后。因此，不影响暗与像素(灰色像素)相对应的比较器。
[0046]
当大量比较器的输出以这种方式被同时反相时，由于电流变化等，可能会产生噪声，并且噪声影响公共偏置线cbl。此外，模数转换时段期间的电流波动会导致误差。然后，随着同时反相的列数增加，这样的问题变得更严重，因此随着像素数的增加效果也增加。尽管已经将第二放大器52描述为差分型放大器的示例，但是即使使用公共偏置线的单端型放大器也具有相同的问题。
[0047]
因此，在其中多个模数转换器并行操作的固态图像拾取设备中，发现在构成模数转换器的比较器的第二放大器中使用公共偏置线的情况下，公共偏置线上的噪声是一个问题。这种噪声导致偏置电压波动，并且固态成像设备的性能无法提高。
[0048]
此外，固态成像设备上安装的模数转换器的数目通常为数千个，需要模数转换器的功率降低。因此，我们还提出了降低功耗的固态成像设备。
[0049]
将参考图1描述根据实施例的固态成像设备。图1是示出根据实施例的固态成像设备的配置图。
[0050]
固态成像设备1包括像素阵列(pa)17、控制电路(ctl)10、行选择电路(rsl)11、参考电压生成电路(rvg)12和偏置电路(bis)13。此外，固态成像设备1包括计数器电路(cnt)14、水平传输电路(htr)15、信号处理电路(sip)16和多个模数转换器18。固态成像设备1例如是cmos图像传感器。
[0051]
行选择电路11由控制电路10控制，在像素阵列17中，多个像素19以矩阵布置成多行和多列，多个像素19被逐行依次选择，以启用所选择的行的控制线111。
[0052]
像素阵列17包括多个像素19。在像素阵列17中，多个像素19以矩阵布置，该矩阵由多行和多列组成。相应像素19响应于对应的多个控制线111被激活而被激活。然后，被启用的每个像素19向对应亮度信号线197输出与入射光量相对应的电压的亮度信号电压。像素19的操作由控制电路10控制。
[0053]
在像素阵列17中，针对每个像素线对视频和屏幕图像进行光电转换，并且亮度信号(ls)被输出到模数转换器18。模数转换器18设置有多个，多个模数转换器18与相应竖直信号线197相对应。例如，设置有数千个模数转换器18。模数转换器18在图像传感器中布置成列，并且将输出到竖直信号线197的亮度信号电压进行数模转换。
[0054]
模数转换器18是积分型模数转换器，并且针对每个竖直信号线197布置成多列。模数转换器18包括比较器20和锁存器40。比较器图20比较由参考电压生成电路12生成的斜坡信号(ramp)与通过竖直信号线197从每一行像素获取的亮度信号(ls)。锁存器40保持计数器电路14的计数结果，以用于对比较器20的比较时间进行计数。每个锁存器40的输出经由水平传输电路15传输到信号处理电路16。比较器20的具体配置和功能将在后面详细描述。
[0055]
在模数转换器18中，每一列布置的比较器20将从竖直信号线197读出的亮度信号(ls)与斜坡信号(ramp)进行比较，该斜坡信号是线性变化的斜率波形。此时，计数器电路14操作，具有斜坡波形的斜坡信号(ramp)的电位与计数器值一一对应地变化，将亮度信号(ls)的电位转换为数字信号。斜坡信号(ramp)的变化将电压的变化转换为时间的变化，并且通过对一定周期(时钟)的电压进行计数，电压被转换为数字值。然后，当亮度信号(ls)和
斜坡信号(ramp)交叉时，比较器20的输出被反相，并且将此时计数器电路14的计数值保持在锁存器40中，以完成模数转换。
[0056]
在上述模数转换时段结束之后，保持在锁存器40中的数据通过水平传输电路15被输入到信号处理电路16，并通过预定的信号处理生成二维图像。
[0057]
将参考图2描述构成图1所示的像素阵列17的像素19。图2是示出根据实施例的固态成像设备的像素的框图。
[0058]
像素19包括光电转换元件光电二极管191，例如四个nmos晶体管。四个晶体管例如是复位晶体管192、传输晶体管193、行选择晶体管194、放大晶体管195。
[0059]
复位晶体管192根据复位控制信号(rst)将浮置扩散196复位到预定电压电平。传输晶体管193根据传输控制信号(tx)传输由光电二极管191生成的电信号。行选择晶体管194根据行选择信号(sel)输出亮度信号(ls)，亮度信号(ls)是从放大晶体管195传输到竖直信号线197的模拟信号。放大晶体管195放大浮置扩散196的电位。这里，复位控制信号(rst)、传输控制信号(tx)和行选择信号(sel)经由多个控制线111从行选择电路11提供。
[0060]
光电二极管191对与入射光的光量相对应的电子量进行光电转换。当传输控制信号(tx)处于高电平(以下简称为h电平)时，传输晶体管193处于接通状态，将由光电二极管191光电转换后的电子传输到浮置扩散196。
[0061]
当行选择信号(sel)处于h电平时，放大晶体管195和竖直信号线197连接。浮置扩散196连接到放大晶体管195的栅电极，以构成像素电流源和源极跟随器电路。因此，与浮置扩散196的电位相对应的电压被输出到竖直信号线197。
[0062]
更具体地，通过将像素19设置到h电平并且接通传输晶体管193时，光电二极管191的电荷被转移到浮置扩散196，以初始化光电二极管191。接下来，像素19被设置为低电平(以下简称为l电平)以关断传输晶体管193，在预定时间段内执行光电转换，以累积电荷。
[0063]
在读取时，通过将复位控制信号(rst)设置为h电平，复位晶体管192接通，浮置扩散196被复位。随后，通过行选择信号(sel)为h电平，行选择晶体管194连接到竖直信号线197，以构成源极跟随器电路。当复位控制信号(rst)变为l电平，并且复位晶体管192关断时，竖直信号线197被输出在来自光电二极管191的电荷被传输之前的暗状态(也称为“暗电压”)的电压值。
[0064]
接着，传输控制信号(tx)变为h电平，传输晶体管193接通，所存储的电荷由光电二极管191进行光电转换，被传输到浮置扩散196。浮置扩散196根据所传输的电荷而变化，并且向竖直信号线197输出与像素光量相对应的电压值(也称为“信号电压”)。
[0065]
通过使暗电压与信号电压之间的差异成为图像信号，可以执行所谓的相关双采样(cds：相关双采样)操作，以抵消像素19的dc分量变化和复位噪声的影响。
[0066]
当像素19的读取完成时，行选择信号(sel)变为l电平，行选择晶体管194关断。对于一行像素19，并行执行这些读取操作。通过读取操作并行读取布置在一行中的多个像素19。因此，复位晶体管192、传输晶体管193、行选择晶体管194的每个复位控制信号(rst)、转移控制信号(tx)、行选择信号(sel)在行中共享。
[0067]
将参考图3描述比较器20的概要。图3是示出图1所示的比较器的框图。
[0068]
比较器20包括第一放大器21、第二放大器22和二值化电路24。比较器20将从像素19输出到竖直信号线197的亮度信号(ls)的电压与提供给参考电压信号线121的斜坡信号
(ramp)的电压进行比较。当斜坡信号(ramp)较小时，其输出线241处的输出信号(out)操作以输出h电平。
[0069]
第一放大器21的输出端子21c和第一放大器21的输入端子21a经由开关az11连接。这里，输入端子21a也称为负输入端子或反相输入端子。输出端子21c也称为正输出端子。此外，第一放大器21的输出端子21d和第一放大器21的输入端子21b经由开关az12连接。这里，输入端子21b也称为正输入端子或同相输入端子。输出端子21d也称为负输出端子。因此，通过接通第一放大器21的输入和输出端子之间的开关az11、az12的自动调零操作，第一放大器21可以在不依赖于外部dc电平的情况下在最佳操作点操作。
[0070]
第一放大器21的输入端子21a经由电容元件c11连接到来自像素19的亮度信号线197。因此，生成与竖直信号线197的输入电压相对应的电压。以下，将其称为亮度信号电压。第一放大器21的输入端子21b经由电容元件c12连接到参考电压信号线121。
[0071]
第一放大器21的输出端子21c连接到第二放大器22的输入端子22a而不通过电容元件。第二放大器22的输出端子22b被输入到二值化电路24。
[0072]
将参考图4和图5描述参考电压生成电路12和偏置电路13。图4是示出图1所示的参考电压生成电路的示例性配置的电路图。图5是示出图1所示的偏置生成电路的配置的示例的电路图。
[0073]
如图4所示，参考电压生成电路12包括运算放大器122和电流dac(数模转换器)123。运算放大器122的正输入端子122a短接到输出端子122c，并且正输入端子122a连接到由控制电路10控制的电流dac 123。输出端子122c连接到参考电压信号线121，并且参考电压生成电路12输出斜坡信号(ramp)，如图16所示的。参考电压生成电路12从预定初始电压以预定斜率降低斜坡信号(ramp)的电压。
[0074]
如图5所示，偏置电路13包括恒定电流源133和pmos晶体管132。恒定电流源133连接到pmos晶体管132的源极和栅极，并且向偏置信号线131输出偏置电压(vbias)。
[0075]
图1所示的计数器电路14由控制电路10控制，并且经由计数器信号线141连接到每个模数转换器18的锁存器40。
[0076]
将参考图6描述模数转换器18的比较器20的配置和功能。图6是图3所示的模数转换器的框图。在本实施例中，第一导电类型为p沟道或n沟道，而第二导电类型为n沟道或p沟道。
[0077]
第一放大器21包括pmos晶体管mp11至mp14和nmos晶体管mn11至mn13。第一放大器21用作差分型放大器以放大差分传入电压。
[0078]
pmos晶体管mp11的源极和pmos晶体管mp12的源极连接到电源线31，电源线31被提供有电源电位(avdd)。pmos晶体管mp11的漏极连接到nmos晶体管mn11的漏极，节点n11由连接点形成。此外，pmos晶体管mp11的漏极和栅极被连接，连接点连接到pmos晶体管mp12的栅极。pmos晶体管mp12的漏极连接到nmos晶体管mn12的漏极，第一放大器21的输出节点n12(输出端子21c)通过其连接点被形成。
[0079]
nmos晶体管mn11和nmos晶体管mn12的源极彼此连接，连接点连接到nmos晶体管mn13的漏极。nmos晶体管mn13的源极连接到地线(接地导体)32，该地线(接地导体)32被提供有参考电位或地电位(agnd)。nmos晶体管mn11的栅极连接到电容元件c12的第一电极，节点n13(输入端子21b)由连接点形成。然后，电容元件c12的第二电极连接到参考电压信号线
121以提供斜坡信号(ramp)。nmos晶体管mn12的栅极连接到电容元件c11的第一电极，节点n14(输入端子21a)由连接点形成。然后，电容元件c11的第二电极连接到竖直信号线197以提供亮度信号(ls)。
[0080]
nmos晶体管mn13的栅极还连接到偏置信号线131和电容元件c13的第一电极。然后，电容元件c13的第二电极连接到地线32。
[0081]
pmos晶体管mp13的源极连接到节点n11，并且pmos晶体管mp13的漏极连接到节点n13。pmos晶体管mp14的源极连接到节点n12，并且pmos晶体管mp14的漏极连接到节点n14。pmos晶体管mp13、mp14的栅极共同连接到被提供有第一az信号(az1b)的信号线。第一az信号(az1b)是l电平的有效信号，并且由控制电路10提供。
[0082]
在具有这种配置的第一放大器21中，电流镜电路由pmos晶体管mp11、mp12构成。此外，构成电流源的nmos晶体管mn13的差分比较器由nmos晶体管mn11、mn12构成。此外，pmos晶体管mp13、mp14对应于图3所示的开关az11、az12，并且用作自动调零开关(az开关)。电容元件c11和c12用作az级采样电容。然后，第一放大器21的输出信号(vout1)经由输出端子21c从输出节点n12输出到第二放大器22。
[0083]
第二放大器22包括pmos晶体管mp21、nmos晶体管mn21、mn22、以及作为az级采样电容的电容元件c21。第二放大器22用作用于放大一个输入电压的单端型放大器。然后，自偏置电路221由nmos晶体管mn21、mn22和电容元件c21构成。
[0084]
pmos晶体管mp21的源极连接到电源线31，pmos晶体管mp21的栅极经由输入端子22a连接到第一放大器21的输出端子21c。pmos晶体管mp21的漏极连接到nmos晶体管mn21的漏极，节点n21由连接点形成。
[0085]
nmos晶体管mn21的源极连接到地线32，nmos晶体管mn21的栅极连接到电容元件c21的第一电极，节点n22由连接点形成。电容元件c21的第二电极连接到地线32。
[0086]
nmos晶体管mn22的漏极连接到节点n21，并且nmos晶体管mn22的源极连接到节点n22。nmos晶体管mn22的栅极共同连接到被提供有第二az信号(az2t)的信号线。第二az信号(az2t)是高电平有效的信号，并且由控制电路10提供。
[0087]
在具有这种配置的第二放大器22中，pmos晶体管mp21被配置为用于输入栅极的放大器电路。pmos晶体管mp21也称为放大级晶体管。nmos晶体管mn21也用作恒定电流源。此外，nmos晶体管mn22用作az开关，并且电容元件c21用作az级采样电容。
[0088]
将描述第一放大器21的自动调零操作。为了执行自动调零操作，将复位电平(暗电压)输入到竖直信号线197，并且将参考电压生成电路12的初始电压输入到参考电压信号线121。
[0089]
构成开关az11的pmos晶体管mp14的栅极和构成开关az12的pmos晶体管mp13的栅极被提供有第一az信号(az1b)，以用于共同执行自动调零操作。pmos晶体管mp13、mp14在第一az信号(az1b)的下降定时接通，并且第一放大器21处于自动调零状态。当nmos晶体管mn11和nmos晶体管mn12的栅极电压相等时，操作点被确定并且电路平衡。
[0090]
随后，pmos晶体管mp13、mp14在第一az信号(az1b)的上升定时关断，并且nmos晶体管mn11和nmos晶体管mn12的栅极都浮置。此时，竖直信号线197的电压与nmos晶体管mn12的栅极电压之间的差值被保持在电容元件c11处，参考电压信号线121的电压与nmos晶体管mn11的栅极电压之间的差值被保持在电容元件c12处。
[0091]
将参考图7至图9描述第二放大器22的自动调零操作和自偏置电路。图7是示出其中第一放大器和第二放大器的az开关接通的状态的图。图8是示出其中第一放大器的az开关关断而第二放大器的az开关接通的状态的图。图9是示出其中第一放大器和第二放大器的az开关关断的状态的图。
[0092]
如图7所示，作为第一放大器21的az开关的开关az11和作为第二放大器22的az开关的nmos晶体管mn22接通。当第一放大器21的噪声电压为vn1并且第二放大器22的噪声电压为vn2时，相应噪声电压由图7所示的等式(1)和(2)表示。其中k为玻尔兹曼常数，t为绝对温度，c1为电容元件c11的电容值，c2为电容元件c21的电容值。
[0093]
如图8所示，在时间t1，当开关az11关断并且nmos晶体管mn22保持接通时，第一放大器21的噪声电压vn1存储在电容元件c11中。第一放大器21的输出电压(v1)由图8所示的等式(3)表示。其中a1是第一放大器21的增益。给定第二放大器22的操作点电压vaz，vaz用第一放大器21的噪声进行优化。
[0094]
如图9所示，在定时t2(》t1)，在保持开关az11关断的同时，当nmos晶体管mn22关断时，以下电压被存储并且保持在电容元件c21中。当电容元件c21的电压为vbias时，该电压由图9所示的等式(4)表示。
[0095]
因此，nmos晶体管mn21的栅极被提供有vbias作为预定电压，当第一放大器21的输出信号(out1)为l电平时，恒定电流(i2)流向nmos晶体管mn21。自偏置电路221由nmos晶体管mn21、mn22和电容元件c21构成，电容元件c21提供偏置电压(vbias)。
[0096]
由于由自动调零操作确定的输出电流值由电容元件c21保持直到第二放大器22的输出反相，所以第二放大器22的反相点的电阻和处理变化不会恶化。
[0097]
接下来，将参考图10至图13描述电流补偿电路。图10是示出在自动调零操作之后第一放大器和第二放大器的状态的图。图11是示出第二放大器的电流的图。图12是用于说明电流补偿电路的配置和动作的图。图13是示出第二放大器和电流补偿电路的电流的图。
[0098]
如图10所示，在模数(ad)转换的初始状态下，参考电压信号线121处的斜坡信号(ramp)的电压高于竖直信号线197处的亮度信号(ls)的电压。因此，第一放大器21的输出信号(out1)为h电平，第二放大器22的输入电压为h电平。因此，由于pmos晶体管mp21为关断状态，第二放大器22的输出信号(out2)为l电平。此时，nmos晶体管mn21的漏极源极之间没有电流流动。
[0099]
当参考电压信号线121中的斜坡信号(ramp)的电压变得小于竖直信号线197中的亮度信号(ls)的电压时，第一放大器21的输出信号(out1)被反相为l电平。此时，pmos晶体管mp21接通，pmos晶体管mp21的漏极电流流过nmos晶体管mn21，以稳定该电流。第二放大器22可以将该电流限制为恒定电流(i2)，但不能一直持续流动。因此，第二放大器22的电流变化发生在第一放大器21的输出反相之前和之后。因此，出现其中模拟电源的状态不同的所谓的电源电平差(冲击电流)，这会导致模数转换出错。
[0100]
因此，第二放大器22优选地添加电流补偿电路23。电流补偿电路23具有pmos晶体管mp31、nmos晶体管mn31、mn32。nmos晶体管mn31与放大级晶体管极性相反，并且也称为电流开关晶体管。nmos晶体管mn32也称为电流补偿晶体管。
[0101]
如图12所示，在电流补偿电路23中，nmos晶体管mn31的源极连接到电源线31，nmos晶体管mn31的栅极连接到第一放大器21的输出端子21c。nmos晶体管mn31与pmos晶体管
mp21极性相反。nmos晶体管mn31的漏极连接到pmos晶体管mp31的源极，并且nmos晶体管mn31的栅极连接到第二放大器22的节点n21。nmos晶体管mn31与pmos晶体管mp31串联连接。作为电流开关的pmos晶体管mp31的漏极连接到nmos晶体管mn32的漏极。nmos晶体管mn32的源极连接到地线32，并且nmos晶体管mn32的栅极连接到第二放大器的节点n22。
[0102]
pmos晶体管mp31用作电流开关以接通和关断电流路径。pmos管mp31的栅极电平受第二放大器22的输出信号(out2)控制。当第二放大器22的输出信号(out2)为l电平时，pmos管mp31接通，恒定电流(i3)流入电流补偿电路23。当第二放大器22的输出信号(out2)超过pmos晶体管mp31的阈值电压时，pmos晶体管mp31关断，从而切断流过电流补偿电路23的恒定电流(i3)。
[0103]
如果第一放大器21的输出信号(out1)为h电平，则pmos晶体管mp21关断而nmos晶体管mn31接通。此时，第二放大器22中没有电流流动，第二放大器22的输出信号(out2)为l电平。因此，pmos晶体管mp31接通，并且电流流过电流补偿电路23。
[0104]
另一方面，如果第一放大器21的输出信号(out1)为l电平，则pmos晶体管mp21接通而nmos晶体管mn31关断。此时，电流流过第二放大器22，第二放大器22的输出信号(out2)为h电平。因此，pmos晶体管mp31关断，并且没有电流流过电流补偿电路23。
[0105]
因此，如图13所示，当电流流过第二放大器22时，没有电流流向电流补偿电路23。而当没有电流流向第二放大器22时，电流流向电流补偿电路23。即，在其中在第二放大器22的放大开始之前或放大完成之后第二放大器22的电流停止的时段期间，电流补偿电路23使与流过电流源的电流相同量的补偿电流流向电流补偿晶体管。因此，电流流过第二放大器22和电流补偿电路23中的一个，第二放大器22和电流补偿电路23的电流变得恒定，不会生成电源电平差。第二放大器22的电流与电流补偿电路23的电流量相同。电流补偿电路23的电流也称为补偿电流。
[0106]
如图6所示，二值化电路24包括pmos晶体管mp41、mp42和nmos晶体管mn41、mn42、mn43。然后，反相器电路由pmos晶体管mp42和nmos晶体管mn42构成。
[0107]
pmos晶体管mp41的源极连接到电源线31，并且pmos晶体管mp41的栅极连接到被提供有复位信号(rstb)的信号线103。pmos晶体管mp41的漏极连接到nmos晶体管mn43的漏极，节点n41由连接点形成。
[0108]
nmos晶体管mn43的源极连接到nmos晶体管mn41的漏极，并且nmos晶体管mn43的栅极连接到被提供有使能信号(en)的信号线104。nmos晶体管mn41的源极连接到地线32，并且栅极连接到第二放大器22的输出端子22b。
[0109]
pmos晶体管mp42的源极连接到被提供有电源电位(lvdd)的电源线33，栅极连接到节点n41。pmos晶体管mp42的漏极连接到nmos晶体管mn42的漏极，输出节点n42由连接点形成。nmos晶体管mn42的源极连接到地线32，并且栅极连接到节点n41。
[0110]
当复位信号(rstb)为l电平时，pmos晶体管mp41接通。因此，节点n41变为h电平。当复位信号(rstb)变为h电平时，节点n41通过将电压保持到诸如布线电容等寄生电容元件而保持h电平。
[0111]
在模数转换中，当使能信号(en)为h电平时，二值化电路24被启用。当作为二值化电路24的输入电压的第二放大器22的输出信号(out2)的电压超过nmos晶体管mn41的阈值电压时，nmos晶体管mn41接通并且节点n41被下拉到l电平。因此，二值化电路24的输出信号
(out)变为h电平，从而确认输出。应当注意，输出信号(out)输出具有电源电位lvdd的幅度的输出信号(out)的h电平和l电平。
[0112]
顺便提及，作为第一放大器21的恒定电流源晶体管的nmos晶体管mn13的电流(i1)小于作为第一放大器51的恒定电流源晶体管的nmos晶体管cs1的电流(i11)，如图6所示。例如，在第一放大器51的电流消耗为5μa时，第一放大器21的电流消耗为2.8μa。此外，作为第二放大器22的恒定电流源晶体管的nmos晶体管mn21的电流(i2)远小于作为第二放大器52的恒定电流源晶体管的pmos晶体管cs2的电流(i12)，如图6所示。例如，在第二放大器52的电流消耗为25μa时，第二放大器22的电流消耗为0.7μa。此外，电流补偿电路23的nmos晶体管mn32的电流(i3)与nmos晶体管mn21的电流(i2)相当，小于nmos晶体管mn13的电流(i1)。
[0113]
接下来是模数转换器18的操作。图14是示出图1所示的模数转换器的操作的时序图。
[0114]
首先，描述图14所示的每个信号的细节。图14所示的操作的时段是一次模数转换所需要的时段。这种操作的时段具体根据操作条件可以分为六个阶段：时段i到时段vi。时段i是复位时段(rst)。时段ii是暗电压的设置时段。时段iii是暗电压的模数转换时段。时段iv是用于由传输控制信号(tx)进行控制的时段。时段v是信号电压的设置时段。时段vi是信号电压的模数转换时段。
[0115]
斜坡信号(ramp)在暗电压的模数转换时段(时段iii)和信号电压的模数转换时段(时段vi)被扫描，并且在另一时段保持预定电压(初始电压)。亮度信号(ls)在时段ii和时段iii输出暗电压，在时段v和时段vi输出信号电压。
[0116]
复位控制信号(rst)和传输控制信号(tx)是控制像素19的信号，用于通过在时段i内激活(h电平)复位控制信号(rst)来复位像素19。此外，在时段iv，通过激活传输控制信号(tx)来执行信号电压的读取。
[0117]
时段ii中的第一az信号(az1b)、第二az信号(az2t)执行比较器20的第一放大器21和第二放大器22的自动调零操作。通过激活第一az信号(az1b)和第二az信号(az2t)来初始化第一放大器21和第二放大器22。这里，第一az信号(az1b)在l电平有效，第二az信号(az2t)在h电平有效。第二az信号(az2t)的有效时段比第二az信号(az1b)的有效时段长。
[0118]
复位信号(rstb)、使能信号(en)是用于控制比较器20中的二值化电路24的信号。复位操作在复位信号(rstb)为l电平时执行。使能信号en在h电平被启用。时段i、ii、iv、v设为复位非使能状态，dark电压的模数转换时段(时段iii)、信号电压的模数转换时段(周期vi)设为非复位使能状态。
[0119]
时段i是像素19的复位时段。模数转换器18不需要任何特定操作。
[0120]
时段ii为比较器20的自动调零操作时段。在时段ii的前半段，插入在第一放大器21的输入和输出端子之间的开关az11和az12闭合。即，第一放大器21的输入端子21a和输出端子21c在接通状态下连接，第一放大器21的输入端子21b和输出端子21d在接通状态下连接。此外，第二放大器22的节点n21和节点n22在接通状态下连接。
[0121]
在时段ii的后半段，第一放大器21的输入和输出端子之间的开关az11和az12打开。即，第一放大器21的输入端子21a和输出端子21c在关断状态下连接，第一放大器21的输入端子21b和输出端子21d在关断状态下连接。此外，第二放大器22的节点n21和节点n22在接通状态下连接。
[0122]
同时，暗电压被施加到连接到比较器20的竖直信号线197，作为来自像素19的亮度信号(ls)。作为斜坡信号(ramp)的初始电压被施加到比较器20的参考电压信号线121。
[0123]
下面将对其进行更详细的描述。在比较器20中，在时段ii的前半段，第一az信号(az1b)以l电平被提供，并且第二az信号(az2t)以h电平被提供。因此，作为第一放大器21的az开关的pmos晶体管mp13、mp14接通。类似地，作为第二放大器22的az开关的nmos晶体管mn22接通。这对应于图7所示的状态。
[0124]
在时段ii的后半段，第一az信号(az1b)切换到h电平。因此，作为第一放大器21的az开关的pmos晶体管mp13、mp14被关断。这对应于图8所示的状态。
[0125]
当时段ii结束时，第二az信号(az2t)切换到l电平。因此，作为第二放大器22的az开关的nmos晶体管mn22被关断。这对应于图9所示的状态。
[0126]
以这种方式，模数转换器18使用比较器20首先对参考电压生成电路12的初始电压(偏移电平)、像素19的暗电压(复位电平)和针对每一列的az电平进行采样。这些存储在电容元件c11和c12中，电容元件c11和c12是az电平的采样电容。第一放大器21和第二放大器22的偏移电平在电容元件c21中存储电荷。
[0127]
时段iii是暗电压的模数转换时段。电荷累积在电容元件c21的第二放大器22中，节点n22的电位为能够接通电流补偿电路23的nmos晶体管mn21和nmos晶体管mn32的电平。此时，如图14所示，第一放大器21的输出信号(out1)为h电平，第二放大器22的输出信号(vout2)为l电平。这对应于图10所示的状态。因此，电流补偿电路23的nmos晶体管mn31、mn32和作为电流开关的pmos晶体管mp31保持接通状态。极小的电流流过nmos晶体管mn32。
[0128]
在比较器20的第一放大器21中，在时段iii中，作为在自动调零操作期间累积的采样电容的电容元件c11、c12的nmos晶体管mn11、mn12的栅极侧节点n13、n14处于高阻抗(hiz)。因此，构成差分晶体管的nmos晶体管mn11、mn12的栅极输入，随着参考电压生成电路12对斜坡信号(ramp)的斜坡变化而变化，并且开始比较亮度信号(ls)的电压电平。然后，在斜坡信号(ramp)和亮度信号(ls)交叉之后，第一放大器21的输出信号(out1)从h电平(高电平)急剧变化到l电平(低电平)。斜坡信号(ramp)和亮度信号(ls)的交点也称为比较点。
[0129]
结果，第二放大器22的pmos晶体管mpt21接通，电流开始流动，并且第二放大器22的输出信号out2从l电平变为h电平。此处，nmos晶体管mn21接通，流过极小的电流。通过第二放大器22的输出信号(out2)从l电平变为h电平，作为电流补偿电路23的电流开关的pmos晶体管mp31被切换到关断状态。因此，电流补偿电路23的电流路径被切断，没有电流流向nmos晶体管mn32。
[0130]
时段iv和时段v是从相应像素19读取信号的操作和用于等待信号电压稳定的时段。模数转换器18准备信号电压转换，诸如将参考电压生成电路12的斜坡信号(ramp)的电位恢复到其原始电位。
[0131]
时段vi是用于执行信号电压的模数转换的时段。竖直信号线197继续接收来自像素19的亮度信号电压。在像素19上的时段iv和时段v的移动中，输入信号电压而不是暗电压。在时段vi中，比较器20以与时段iii中相同的方式针对每一列进行操作。
[0132]
根据本实施例，具有以下描述的一种或多种效果。
[0133]
(1)当通过关断第一放大器21中的开关az11而自动调零操作结束时，噪声在电容元件c11中累积。此时，由于执行第二放大器22的自动调零操作，因此可以确保包括第一放
大器21的噪声的正确操作点。即，可以消除第一放大器21的噪声。
[0134]
(2)可以在第二放大器22的自动调零操作中设置自偏置电压。使用自偏置电压，防止了通过公共偏置线的反冲偏置。因此，减少了模数转换误差，可以实现高图像质量。
[0135]
(3)通过在第二放大器22中设置电流补偿电路，可以消除电流的时间变化。因此，即使使用单端放大器，模数转换误差也会降低，并且可以实现与所有差分放大器相当的高图像质量。
[0136]
(4)由于第二放大器22是单端放大器，所以可以减小面积和功耗。
[0137]
(5)由于没有电容元件连接到第一放大器21的输出端子，因此可以降低第一放大器21的功耗。
[0138]
尽管已经基于实施例具体描述了公开人所做出的公开，但是本公开不限于上述实施例，并且不用说可以进行各种修改。
[0139]
例如，对于比较器而言，本实施例中的比较器20的晶体管的极性(导电型)被配置为相反极性(相反的导电型)，连接的电源电位和地电位也可以被配置为电路上的反向。