比较器、模数转换器以及图像传感器的制作方法

1.本发明涉及集成电路设计技术领域，尤其涉及一种比较器、模数转换器以及图像传感器。


背景技术：

2.cmos图像传感器(the cmos image sensor，cis)已广泛应用于视频、监控、工业制造、汽车、家电等成像领域。随着各类应用要求的不断提高，cis分辨率、帧率也不断提高，cis功耗也随之不断升高，温度的升高会带来很多问题，包括cis像素暗电流噪声的升高、封装散热问题等，都会直接影响到最终的成像质量。在保证性能的情况下，尽可能降低cis功耗已成为一个技术难点。当前主流cis读出电路是以列并行adc为主的架构，要降低cis整体功耗，最重要的是降低列adc的功耗，列adc的静态功耗来自于比较器。传统比较器需要在持续的静态电流下才能保证正常工作，其功耗较大。
3.例如，公开号为cn104617930b的一篇中国专利公开了一种比较器和使用比较器的模数转换器，在每一个放大级均设置了一个偏置电压，以使得相应晶体管作为相应放大级中的电流源。该比较器需要在持续的静态电流下才能保证正常工作，其功耗较大。
4.因此，本发明提供了一种比较器、模数转换器以及图像传感器，以降低图像传感器的整体功耗。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种比较器、模数转换器以及图像传感器，以解决现有技术中cis整体功耗较大的问题。
6.第一方面，本发明提供一种比较器，应用于cmos图像传感器，且与计数器连接，包括：放大模块、电位拉高模块、采样模块、第一复位模块和第二复位模块；所述放大模块接收像素信号和斜坡信号，用于将所述像素信号和所述斜坡信号的比较结果放大，且当所述斜坡信号的电位高于第一差值的电位时，所述放大模块上没有电流，所述第一差值为所述像素信号的电位与所述放大模块的阈值电压的差值；所述放大模块连接所述比较器的第一输出端，所述比较器的第一输出端用于输出放大后的所述比较结果；所述第一复位模块也连接所述比较器的第一输出端，用于对所述比较器的第一输出端的电位进行复位；所述第二复位模块连接所述比较器的第二输出端，所述第二复位模块用于对所述比较器的第二输出端的电位进行复位，在所述比较器的第一输出端和所述比较器的第二输出端完成复位之后，所述比较器进入比较状态，所述计数器开始计数；所述电位拉高模块分别连接所述比较器的第二输出端、电源，所述电位拉高模块用于当所述比较器的第一输出端的电位低于第二差值时，拉高所述比较器的第二输出端的电位，所述第二差值为所述电源电压与所述电位拉高模块的阈值电压的差值；所述放大模块、所述比较器的第一输出端均连接所述采样模块，所述采样模块通过所述电源进行充电，且用于在所述放大模块导通时拉低所述比较器的第一输出端的电位；当所述比较器的第二输出端的电位被拉高时，所述计数器停止计
数。
7.其有益效果在于：本发明所提供的比较器不需要偏置电压提供静态电流，当所述斜坡信号的电位高于第一差值的电位时，所述放大模块上没有电流，在比较器的工作过程中不会一直通电。所述斜坡信号高于所述第一差值的时长在所述比较器的工作阶段占据较大比例，所以本发明能够降低cis整体功耗，以解决现有技术功耗较大的问题。
8.可选地，所述放大模块包括第一n型晶体管，所述第一n型晶体管的栅极接收所述像素信号，所述第一n型晶体管的源极接收所述斜坡信号，所述第一n型晶体管的漏极、所述第一复位模块的第一端、所述采样电容的第一端以及所述电位拉高模块的第三端均连接所述比较器的第一输出端，所述第一n型晶体管用于对所述像素信号和所述斜坡信号的比较结果进行放大。其有益效果在于：本发明所提供的放大模块结构简单，可以占据更小的设计空间。
9.可选地，所述电位拉高模块包括第二p型晶体管，所述第一n型晶体管的漏极、所述第一复位模块的第一端、所述采样电容的第一端以及所述第二p型晶体管的栅极均连接所述比较器的第一输出端，所述第二p型晶体管的源极连接所述电源；所述第二p型晶体管的漏极、所述第二复位模块的第一端均连接所述比较器的第二输出端，所述第二p型晶体管用于当所述比较器的第一输出端的电位低于所述第二差值时，拉高所述比较器的第二输出端的电位。其有益效果在于：本发明所提供的电位拉高模块结构简单，可以占据更小的设计空间。
10.可选地，所述第一复位模块包括第一p型晶体管，所述第一n型晶体管的漏极、所述第一p型晶体管的漏极、所述采样模块的第一端以及所述第二p型晶体管的栅极均连接所述比较器的第一输出端，所述第一p型晶体管的栅极接收第一复位控制信号，所述第一p型晶体管的源极连接电源，所述第一p型晶体管用于对所述比较器的第一输出端的电位进行复位。其有益效果在于：本发明所提供的第一复位模块结构简单，可以占据更小的设计空间。
11.可选地，所述第二复位模块包括第二n型晶体管，所述第一n型晶体管的漏极、所述第一p型晶体管的漏极、所述采样模块的第一端以及所述第二p型晶体管的栅极均连接所述比较器的第一输出端，所述第二n型晶体管的源极接地，所述第二p型晶体管的漏极、所述第二n型晶体管的漏极均连接所述比较器的第二输出端，所述第二n型晶体管用于对所述比较器的第二输出端的电位进行复位。其有益效果在于：本发明所提供的第二复位模块结构简单，可以占据更小的设计空间。
12.可选地，所述采样模块包括采样电容，所述第一n型晶体管的漏极、所述第一p型晶体管的漏极、所述采样电容的第一端以及所述第二p型晶体管的栅极均连接所述比较器的第一输出端，所述采样电容的第二端接地，所述采样电容对所述比较结果进行采样，且用于在所述第一n型晶体管导通时拉低所述比较器的第一输出端的电位。其有益效果在于：所述采样电容用于在所述第一n型晶体管导通时拉低所述比较器的第一输出端的电位。
13.第二方面，本发明提供一种模数转换器，包括：计数器和如第一方面中任一项所述的比较器；所述比较器的第一输出端和所述比较器的第二输出端均连接所述计数器，所述计数器用于根据所述比较器的第一输出端和所述比较器的第二输出端的输出结果进行计数。
14.第三方面，本发明提供一种图像传感器，包括：像素阵列、模数转换器、斜坡发生
器；所述像素阵列用于输出像素信号；所述斜坡发生器用于输出斜坡信号；所述模数转换器包括计数器和如第一方面中任一项所述的比较器；所述比较器的第一输出端和所述比较器的第二输出端均连接所述计数器，所述计数器用于根据所述比较器的第一输出端和所述比较器的第二输出端的输出结果进行计数。
15.关于上述第二方面至第三方面的有益效果可以参见上述第一方面中的描述。
附图说明
16.图1为一种现有技术中的传统cis中的比较器的结构示意图；
17.图2为本发明提供的一种比较器实施例示意图；
18.图3为本发明提供的一种比较器电路结构实施例示意图；
19.图4为本发明提供的一种cis读出操作时序示意图。
具体实施方式
20.下面结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行描述。其中，在本技术实施例的描述中，以下实施例中所使用的术语只是为了描述特定实施例的目的，而并非旨在作为对本技术的限制。如在本技术的说明书和所附权利要求书中所使用的那样，单数表达形式“一种”、“该”、“上述”、“该”和“这一”旨在也包括例如“一个或多个”这种表达形式，除非其上下文中明确地有相反指示。还应当理解，在本技术以下各实施例中，“至少一个”、“一个或多个”是指一个或两个以上(包含两个)。术语“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系；例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b的情况，其中a、b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
21.在本说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本技术的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“连接”包括直接连接和间接连接，除非另外说明。“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
22.在本技术实施例中，“示例性地”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本技术实施例中被描述为“示例性地”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性地”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
23.图1示出了一种传统cis中的比较器电路。其中，第一电容c1、第二电容c2的作用为通交流、阻直流。第一晶体管n1、第二晶体管n2、第三晶体管n3、第四晶体管p1、第五晶体管p2组成比较器的第一级放大电路。所述第三晶体管n3为电流源管，为所述第一级放大电路提供固定的偏置电流ib，第一晶体管n1、第二晶体管n2为输入对管，第四晶体管p1、第五晶体管p2为有源负载管。第六晶体管p3、第七晶体管n4组成比较器的第二级放大电路，第六晶
体管p3、第七晶体管n4的源极均接地gnd1。第七晶体管n4为电流源管。第四晶体管p1、第五晶体管p2以及第六晶体管p3的源极均连接电源vdd1。当斜坡信号ramp高于像素信号pix_out时，输出端cm1的电位为高电平，输出端cm2为低电平；反之，则输出端cm1的电位为低电平，输出端cm2为高电平。复位控制信号rs_cm为低电平时，第一开关管ns1、第二开关管ns2、第三开关管ns3导通，比较器复位。偏置电压vbn_cm用于使比较器产生静态电流ia。该传统cis中的比较器需要工作在持续的静态电流的偏置作用下，以实现较小的翻转延迟和较大的增益效果。
24.为了解决现有技术中cis整体功耗较大的问题，本发明提供一种比较器，应用于cmos图像传感器，且与计数器连接，如图1所示，所述比较器包括：放大模块101、电位拉高模块102、采样模块103、第一复位模块104和第二复位模块105。所述放大模块101接收像素信号pix_out和斜坡信号ramp，用于将所述像素信号ramp和所述斜坡信号pix_out的比较结果放大，且当所述斜坡信号ramp的电位高于第一差值的电位时，所述放大模块101上没有电流，所述第一差值为所述像素信号pix_out的电位与所述放大模块101的阈值电压的差值；所述放大模块101连接所述比较器的第一输出端cmo1，所述比较器的第一输出端cmo1用于输出放大后的所述比较结果；所述第一复位模块104也连接所述比较器的第一输出端cmo1，用于对所述比较器的第一输出端cmo1的电位进行复位；所述第二复位模块105连接所述比较器的第二输出端cmo2，所述第二复位模块105用于对所述比较器的第二输出端cmo2的电位进行复位，在所述比较器的第一输出端cmo1和所述比较器的第二输出端cmo2完成复位之后，所述比较器进入比较状态，所述计数器开始计数；所述电位拉高模块102分别连接所述比较器的第二输出端cmo2、电源vdd，所述电位拉高模块102用于当所述比较器的第一输出端cmo1的电位低于第二差值时，拉高所述比较器的第二输出端cmo2的电位，所述第二差值为所述电源电压与所述电位拉高模块102的阈值电压的差值；所述放大模块101、所述比较器的第一输出端cmo1均连接所述采样模块103，所述采样模块103通过所述电源vdd进行充电，且用于在所述放大模块101导通时拉低所述比较器的第一输出端cmo1的电位；当所述比较器的第二输出端cmo2的电位被拉高时，所述计数器停止计数。
25.在一些实施例中，所述放大模块包括第一n型晶体管，所述第一n型晶体管的栅极接收所述像素信号，所述第一n型晶体管的源极接收所述斜坡信号，所述第一n型晶体管的漏极、所述第一复位模块的第一端、所述采样电容的第一端以及所述电位拉高模块的第三端均连接所述比较器的第一输出端，所述第一n型晶体管用于对所述像素信号和所述斜坡信号的比较结果进行放大。
26.在一些实施例中，所述电位拉高模块包括第二p型晶体管，所述第一n型晶体管的漏极、所述第一复位模块的第一端、所述采样电容的第一端以及所述第二p型晶体管的栅极均连接所述比较器的第一输出端，所述第二p型晶体管的源极连接所述电源；所述第二p型晶体管的漏极、所述第二复位模块的第一端均连接所述比较器的第二输出端，所述第二p型晶体管用于当所述比较器的第一输出端的电位低于所述第二差值时，拉高所述比较器的第二输出端的电位。
27.在一些实施例中，所述第一复位模块包括第一p型晶体管，所述第一n型晶体管的漏极、所述第一p型晶体管的漏极、所述采样模块的第一端以及所述第二p型晶体管的栅极均连接所述比较器的第一输出端，所述第一p型晶体管的栅极接收第一复位控制信号，所述
第一p型晶体管的源极连接电源，所述第一p型晶体管用于对所述比较器的第一输出端的电位进行复位。
28.在一些实施例中，所述第二复位模块包括第二n型晶体管，所述第一n型晶体管的漏极、所述第一p型晶体管的漏极、所述采样模块的第一端以及所述第二p型晶体管的栅极均连接所述比较器的第一输出端，所述第二n型晶体管的源极接地，所述第二p型晶体管的漏极、所述第二n型晶体管的漏极均连接所述比较器的第二输出端，所述第二n型晶体管用于对所述比较器的第二输出端的电位进行复位。
29.在一些实施例中，所述采样模块包括采样电容，所述第一n型晶体管的漏极、所述第一p型晶体管的漏极、所述采样电容的第一端以及所述第二p型晶体管的栅极均连接所述比较器的第一输出端，所述采样电容的第二端接地，所述采样电容对所述比较结果进行采样，且用于在所述第一n型晶体管导通时拉低所述比较器的第一输出端的电位。
30.为了更好的说明本技术所提供的比较器，在此进行举例说明：
31.如图3所示，所述比较器包括：第一n型晶体管m1、所述第一p型晶体管m2的漏极、所述第二p型晶体管m3、第二n型晶体管m4以及采样电容c3。
32.所述第一n型晶体管m1的栅极接收像素信号pix_out，所述第一n型晶体管m1的源极接收斜坡信号ramp，所述第一n型晶体管m1的漏极、所述第一p型晶体管m2的漏极、所述采样电容c3的第一端以及所述第二p型晶体管m3的栅极均连接所述比较器的第一输出端cmo1，所述比较器的第一输出端cmo1用于输出第一信号；所述第一p型晶体管m2的栅极接收第一复位控制信号rst1_cm，所述第一p型晶体管m2的源极连接电源vdd2；所述第二p型晶体管m3的源极连接所述电源vdd2，所述第二p型晶体管m3的漏极、所述第二n型晶体管m4的漏极均连接所述比较器的所述比较器的第二输出端cmo2，所述比较器的第二输出端cmo2用于输出第二信号；所述第二n型晶体管m4的栅极接收第二复位控制信号rst2_cm，所述第二n型晶体管m4的源极接地gnd2；所述采样电容c3的第二端接地gnd2。所述采样电容c3为充电电容，由所述电源vdd2对所述采样电容c3的上极板充电。所述比较器的第一输出端cmo1和所述比较器的第二输出端cmo2连接计数器。
33.具体地，结合图4示出的时序展开描述，首先第二复位控制信号rst2_cm为高电平，所述第二n型晶体管m4将所述比较器的第二输出端cmo2的电位复位至地gnd2的电位，所述第一复位控制信号rst1_cm为低电平，所述第一p型晶体管m2将第一输出端cmo1的电位复位至电源vdd2的电位，也即采样电容c3上极板的电位为电源vdd2的电位。之后，第二复位控制信号rst2_cm为低电平，所述第一复位控制信号rst1_cm为高电平，所述比较器进入比较状态。所述比较器的第一输出端cmo1的电位为高电平，所以此时所述第二p型晶体管m3是关闭的，所述第二p型晶体管m3、所述第二n型晶体管m4没有形成通路没有电流流过。斜坡信号ramp先变为高电平，且比像素信号pix_out的电位更高，所以此时所述第一n型晶体管m1漏极的电位高于其栅极的电位，所述所述第一n型晶体管m1也是关闭的。所述第一n型晶体管m1、所述第一p型晶体管m2上也没有电流流过。
34.在图4的vr阶段中，斜坡信号ramp将逐渐降低，当斜坡信号ramp电位低至像素信号pix_out中的复位信号vrst与所述第一n型晶体管m1的阈值电压vthn的差值vrst-vthn时，所述第一n型晶体管m1的栅源电压vgs8大于所述第一n型晶体管m1的阈值电压vthn。所述第一n型晶体管m1导通，采样电容c3上的电荷将通过所述第一n型晶体管m1泄放至所述第一n
型晶体管m1获取斜坡信号ramp的一端，使得所述比较器的第一输出端cmo1的电位降低，当所述比较器的第一输出端cmo1的电位低至电源电压vdd与所述第二p型晶体管m3的阈值电压vthp的差值时，所述第二p型晶体管m3导通并将所述比较器的第二输出端cmo2的电位拉高。所述比较器的第二输出端cmo2的电位由低电平变为高电平，将使得计数器停止计数。
35.在图4的比较器的第一个翻转阶段——vr阶段中，第一计数时间t1’对应第一计数值cn1’，此后斜坡信号ramp跳高到大于像素信号pix_out中的复位信号vrst的电位又使所述第一n型晶体管m1、所述第二p型晶体管m3关闭，比较器停止工作；同理在比较器的第二个翻转阶段——vs阶段，斜坡信号ramp的电位低于积分信号vsig与所述第一n型晶体管m1的阈值电压vthn的差值vsig-vthn时，比较器发生翻转。在vs阶段中，第二计数时间t2’对应第二计数值cn2’，此后斜坡信号ramp跳高到大于积分信号vsig的电位，又使得所述第一n型晶体管m1、所述第二p型晶体管m3关闭，比较器停止工作。最终计数器cnt输出计数差值为δcn’，所述计数差值δcn’为所述第二计数值cn2’与所述第一计数值cn1’的差值，即δcn’＝cn2
’‑
cn1’。由于在vr阶段、vs阶段的比较器的比较延迟都一样，本技术提供的比较器得到的最终输出数据和通过传统比较器得到的计数结果是一样的。但是本技术提供的比较器仅在vr阶段、vs阶段中的斜坡信号ramp的电位分别低于复位信号vrst与所述第一n型晶体管m1的阈值电压vthn的差值vrst-vthn、积分信号vsig与所述第一n型晶体管m1的阈值电压vthn的差值vsig-vthn时才导通。
36.由于本技术提供的比较器并非工作于持续的静态电流下，其产生的电流来源于将采样电容c3采集的电荷进行泄放，所以两个阶段产生的功率均为采样电容c3的电容与电源vdd2电压的乘积。设采样电容c3的电容为100ff，电源vdd2的电压为3v。比较器在两个翻转阶段的导通时间总共约为5μs。那么在该示例中，本技术提供的比较器在两个阶段的总功耗为(2
×
100ff
×
9v2)/5μs＝0.36μw。而采用传统的比较器，静态偏置电流一般在4～10μa，最小功耗为4μa
×
3v＝12μw。可以看出，本技术提供的比较器功耗仅为传统比较器的0.36/12＝3％，功耗得以显著降低。
37.基于上述任一项实施例所提供的比较器，本发明提供还一种模数转换器，包括：计数器和如上述任一项实施例所述的比较器；所述比较器的第一输出端和所述比较器的第二输出端均连接所述计数器，所述计数器用于根据所述比较器的第一输出端和所述比较器的第二输出端的输出结果进行计数。
38.基于上述任一项实施例所提供的比较器，本发明还提供一种图像传感器，包括：像素阵列、模数转换器、斜坡发生器；所述像素阵列用于输出像素信号；所述斜坡发生器用于输出斜坡信号；所述模数转换器包括计数器和如上述任一项所述的比较器；所述比较器的第一输出端和所述比较器的第二输出端均连接所述计数器，所述计数器用于根据所述比较器的第一输出端和所述比较器的第二输出端的输出结果进行计数。
39.以上所述，仅为本技术实施例的具体实施方式，但本技术实施例的保护范围并不局限于此，任何在本技术实施例揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本技术实施例的保护范围之内。因此，本技术实施例的保护范围应以所述的权利要求的保护范围为准。