專利名稱：子采樣模式下支持高幀速的列模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器(CIS)的列模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，更具體地，涉及一種能夠在子采樣模式下支持高幀速的列模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置與方法。
背景技術(shù)：
與電荷耦合設(shè)備(CCD)相比，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器(CIS)以低電壓運(yùn)行，并且具有低功耗。另外，CMOS圖像傳感器可以用于利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的、需要高密度集成的應(yīng)用中。由于這些原因，CMOS圖像傳感器廣泛用于各種領(lǐng)域。人們預(yù)計(jì)CMOS圖像傳感器未來(lái)將在許多領(lǐng)域取代CCD。
與CCD不同，CMOS圖像傳感器將來(lái)自有源像素傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。對(duì)于這一轉(zhuǎn)換，CMOS圖像傳感器利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。
根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換的實(shí)施，可以將CMOS圖像傳感器歸類為單ADC方案或列ADC方案。單ADC方案在給定時(shí)間內(nèi)，通過(guò)利用以高速運(yùn)行的單個(gè)ADC將所有列的APS模擬輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。雖然單ADC方案可以減少芯片面積，但是與列ADC方案相比其具有高功耗，這是因?yàn)槠湟愿咚龠\(yùn)行。列ADC方案包括在每個(gè)列中提供的簡(jiǎn)單ADC電路。與單ADC方案相比，列ADC方案具有大芯片面積與低功耗。列ADC方案利用比較器，其被配置來(lái)對(duì)APS模擬輸出電壓進(jìn)行相關(guān)雙采樣(CDS)并且存儲(chǔ)結(jié)果電壓。從斜坡(ramp)生成器生成的斜坡電壓提供給比較器。比較器比較斜坡電壓與在CDS操作期間所存儲(chǔ)的電壓。
隨著人們?cè)絹?lái)越需要高解晰度圖像，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了高解晰度CMOS圖像傳感器。高解晰度CMOS圖像傳感器利用子采樣模式，以當(dāng)捕獲運(yùn)動(dòng)圖像時(shí)支持高幀速。通過(guò)利用子采樣模式降低解晰度，來(lái)支持高幀頻。
在具有單ADC結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器的情況下，按照行與列方向上的子采樣比，減少子采樣模式下待被模數(shù)轉(zhuǎn)換的像素的數(shù)目。因此，如果CMOS圖像傳感器在全解晰度模式下以相同速度運(yùn)行，則幀速度會(huì)與子采樣模式下行、列方向上的子采樣比成比例地增加。然而，在子采樣模式下，列ADC結(jié)構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)特性而無(wú)法減少X方向上的時(shí)間(參加圖3)。無(wú)法減少進(jìn)行一個(gè)水平線的模數(shù)轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間。因此，幀速按Y方向子采樣比增加。
圖1為顯示具有CDS結(jié)構(gòu)的、列平行型CMOS圖像傳感器的方框圖。
參照?qǐng)D1，列平行型CMOS圖像傳感器包含列驅(qū)動(dòng)器1、APS陣列20、CDS與比較電路30、以及數(shù)字代碼生成器40。
CDS與比較電路30配備有電容器與放大器，用來(lái)對(duì)各個(gè)APS列進(jìn)行獨(dú)立的CDS操作，并且比較CDS結(jié)果。
在子采樣模式下，根據(jù)子采樣比，選擇并輸出一個(gè)相鄰?fù)袼匦盘?hào)作為像素輸出信號(hào)APS_OUT。利用斜坡信號(hào)Vramp與計(jì)數(shù)值C0，將像素輸出信號(hào)APS_OUT轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼。根據(jù)從計(jì)數(shù)器(未顯示)輸出的計(jì)數(shù)值C0，對(duì)于每個(gè)像素輸出信號(hào)，確定從最高有效位(MSB)到最低有效位(LSB)的所有值。例如，如果一個(gè)像素輸出信號(hào)具有10位解晰度，則需要1024個(gè)時(shí)鐘周期來(lái)將最亮飽和狀態(tài)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。
具有列ADC結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器無(wú)法減少水平線時(shí)間，這是因?yàn)槠湓诿總€(gè)列中使用獨(dú)立的ADC電路。
因此，需要一種具有降低的水平線時(shí)間的CMOS圖像傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施方式，列模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置包含相關(guān)雙采樣(CDS)與比較電路的第一CDS與比較單元，用來(lái)響應(yīng)于第一像素輸出信號(hào)與斜坡信號(hào)，生成第一比較結(jié)果信號(hào)；CDS與比較電路的第二CDS與比較單元，用來(lái)在子采樣模式下、響應(yīng)于第一像素輸出信號(hào)與斜坡信號(hào)，生成第二比較結(jié)果信號(hào)；以及數(shù)據(jù)緩沖器，用來(lái)根據(jù)第二比較結(jié)果信號(hào)，確定最高有效位(MSB)的代碼值，根據(jù)從計(jì)數(shù)器輸出的計(jì)數(shù)值，確定其余低位的代碼值，并且生成包含MSB與其余低位的數(shù)字代碼。
根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施方式，列模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置包含相關(guān)雙采樣(CDS)與比較電路的第一CDS與比較單元，用來(lái)響應(yīng)于第一像素輸出信號(hào)與斜坡信號(hào)，生成第一比較結(jié)果信號(hào)；CDS與比較電路的多個(gè)第二CDS與比較單元，用來(lái)在子采樣模式下、響應(yīng)于第一像素輸出信號(hào)與斜坡信號(hào)，生成多個(gè)第二比較結(jié)果信號(hào)；以及數(shù)據(jù)緩沖器，用來(lái)根據(jù)所述多個(gè)第二比較結(jié)果信號(hào)，確定包含最高有效位(MSB)的高位的代碼值，根據(jù)從計(jì)數(shù)器輸出的計(jì)數(shù)值，確定其余低位的代碼值，并且生成包含MSB與其余低位的數(shù)字代碼。
根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施方式，列模數(shù)轉(zhuǎn)換方法包含響應(yīng)于一個(gè)像素輸出信號(hào)，進(jìn)行第一與第二CDS(相關(guān)雙采樣)操作；將斜坡信號(hào)改變?yōu)橹辽僖粋€(gè)預(yù)定電壓電平；響應(yīng)于操作的斜坡信號(hào)，通過(guò)比較第二CDS操作的結(jié)果與被改變的斜坡信號(hào)的電壓變化，生成至少一個(gè)第一比較結(jié)果信號(hào)；根據(jù)該至少一個(gè)第一比較結(jié)果，確定高位代碼值；改變被改變的斜坡信號(hào)的電壓電平；以及響應(yīng)于操作(e)的被改變的斜坡信號(hào)，根據(jù)從計(jì)數(shù)器輸出的計(jì)數(shù)值，確定低位代碼值。


圖1為顯示具有常規(guī)相關(guān)雙采樣(CDS)結(jié)構(gòu)的、列平行型互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器的方框圖；圖2為顯示根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施方式的、包含模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置的、列平行型CMOS圖像傳感器的方框圖；圖3為顯示根據(jù)Bayer模式的像素陣列的圖示；圖4為顯示像素結(jié)構(gòu)的電路圖；圖5A與5B為分別顯示根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施方式的CDS與比較電路的方框圖與電路圖；圖6為顯示根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施方式的數(shù)據(jù)緩沖器的方框圖；圖7為用來(lái)解釋根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施方式的列模數(shù)轉(zhuǎn)換操作的時(shí)序圖；圖8A到8D為用來(lái)解釋根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施方式的、用來(lái)確定高位代碼值的、相關(guān)雙采樣的像素輸出信號(hào)的電壓的電壓比較、以及斜坡信號(hào)電壓變化的圖示；圖9為顯示根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施方式的子采樣模式的列模數(shù)轉(zhuǎn)換方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
圖2為顯示根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施方式的、包含模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置的、列平行型互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器的方框圖。
參照?qǐng)D2，根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施方式的CMOS圖像傳感器包含行驅(qū)動(dòng)器100、APS陣列200、相關(guān)雙采樣(CDS)與比較電路300、數(shù)據(jù)緩沖器400、計(jì)數(shù)器500、以及開(kāi)關(guān)控制器600。
行驅(qū)動(dòng)器100生成控制信號(hào)RX、TX、SEL，用來(lái)控制APS陣列200的像素。APS陣列200通過(guò)列輸出相應(yīng)像素輸出信號(hào)APS_OUT。
CDS與比較電路300對(duì)由APS陣列200輸出的像素輸出信號(hào)APS_OUT進(jìn)行CDS操作，通過(guò)利用斜坡電壓Vramp對(duì)CDS操作的結(jié)果進(jìn)行比較操作，并且通過(guò)列輸出比較結(jié)果信號(hào)ADC_OUT。
CDS操作包含采樣像素輸出信號(hào)APS_OUT的重置信號(hào)，以及采樣圖像信號(hào)。CDS操作的輸出為重置信號(hào)與圖像信號(hào)之間的電壓差(ΔV)。
根據(jù)來(lái)自CDS與比較電路300的比較結(jié)果信號(hào)ADC_OUT，數(shù)據(jù)緩沖器400輸出每列的數(shù)字代碼DS。另外，數(shù)據(jù)緩沖器400輸出根據(jù)數(shù)字代碼DS的MSB代碼值生成的最高有效位(MSB)信號(hào)MSB_S。
響應(yīng)于操作模式信號(hào)OM與計(jì)數(shù)器使能信號(hào)CE，計(jì)數(shù)器500生成計(jì)數(shù)值CO。計(jì)數(shù)值CO被傳送到數(shù)據(jù)緩沖器400。在斜坡信號(hào)電壓Vramp開(kāi)始對(duì)于CDS操作改變的時(shí)間點(diǎn)處，激活計(jì)數(shù)器使能信號(hào)CE。響應(yīng)于計(jì)數(shù)器使能信號(hào)CE的激活，計(jì)數(shù)器500開(kāi)始進(jìn)行計(jì)數(shù)操作。
操作模式信號(hào)OM指定正常模式或子采樣模式。例如，在10位計(jì)數(shù)器的情況下，在正常模式下計(jì)數(shù)器500作為10位計(jì)數(shù)器操作，而在子采樣模式下計(jì)數(shù)器500作為除MSB之外的9位計(jì)數(shù)器操作，其中在子采樣模式下計(jì)數(shù)器500只確定數(shù)字代碼DS的低位代碼值。
響應(yīng)于MSB信號(hào)MSB_S與操作模式信號(hào)OM，開(kāi)關(guān)控制器600生成開(kāi)關(guān)控制信號(hào)SC。開(kāi)關(guān)控制信號(hào)SC輸出到緩沖器400。將開(kāi)關(guān)控制信號(hào)SC用做根據(jù)在確定操作模式與低位代碼值之前所確定的數(shù)字代碼的高位代碼值、切換數(shù)據(jù)緩沖器400數(shù)據(jù)路徑的控制信號(hào)。
圖3為顯示根據(jù)Bayer模式的像素陣列的圖示。
參照?qǐng)D3，根據(jù)Bayer模式，向每個(gè)像素分配一個(gè)RGB顏色。第一行的奇數(shù)列R11、R13、...為紅色像素，并且根據(jù)子采樣比在X方向上子采樣。
例如，假設(shè)子采樣比為1/2，則以如下方式進(jìn)行子采樣操作在第一行中選擇R11與R13中的一個(gè)以及R15(未顯示)與R17(未顯示)中的一個(gè)。以類似方式進(jìn)行Y方向上的子采樣操作。
圖4為顯示像素結(jié)構(gòu)的電路圖。
參照?qǐng)D4，顯示了具有4-TR結(jié)構(gòu)的像素。一個(gè)像素包含光電二極管PD、傳輸門TTX重置晶體管TRX源跟隨器TAMP、以及行選擇晶體管TSEL。
CMOS圖像傳感器配備有如參照?qǐng)D4所述構(gòu)造的多個(gè)像素。另外，通過(guò)利用每列線的偏壓晶體管(未顯示)作為輸出負(fù)載，將行選擇晶體管TSEL的輸出輸入到CDS電路。
每條列線都包含CDS電路。CDS電路對(duì)作為像素輸出信號(hào)的重置電壓與圖像電壓進(jìn)行采樣，并且輸出重置電壓與圖像電壓之間的差異。重置電壓是當(dāng)重置晶體管TRX處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的像素輸出電壓，圖像電壓為傳輸門TTX處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的像素輸出電壓。
圖5A與5B為分別顯示根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施方式的CDS與比較電路300的方框圖與電路圖。
參照?qǐng)D5A，CDS與比較電路300包含CDS與比較單元310、320、330、340、以及轉(zhuǎn)接開(kāi)關(guān)S1_0。為解釋方便，在圖5A中顯示了四列的結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該理解可以實(shí)現(xiàn)不同數(shù)目的列。
在子采樣模式下，每個(gè)轉(zhuǎn)接開(kāi)關(guān)S1_0將一種顏色的像素輸出信號(hào)傳輸?shù)较噜復(fù)械腃DS與比較單元。圖5A與5B顯示當(dāng)子采樣比為1/2時(shí)的結(jié)構(gòu)。對(duì)第一與第三列的R顏色以及第二與第四列的G顏色進(jìn)行子采樣操作。如果子采樣比為1/4，則對(duì)每四個(gè)相鄰?fù)羞M(jìn)行子采樣操作。
參照?qǐng)D5B，每個(gè)CDS與比較單元310、330都包含斜坡開(kāi)關(guān)S2、像素輸出開(kāi)關(guān)S1_E/S1_N、放大器開(kāi)關(guān)(amp switch)S3與S4、電容器C1、C2、C3、以及放大器A1、A2。為解釋方便，顯示了第一與第三列的結(jié)構(gòu)。
放大器A1、A2可以配備有接收參考電壓的反相器或比較器。轉(zhuǎn)接開(kāi)關(guān)S1_0連接到第三列的CDS與比較單元330中電容器C2的終端。
圖6為顯示根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施方式的數(shù)據(jù)緩沖器400的方框圖。
參照?qǐng)D6，數(shù)據(jù)緩沖器400包含高位鎖存器410、多路復(fù)用器(MUX)420、以及低位鎖存器430。MUX 420包含由開(kāi)關(guān)控制信號(hào)SC控制的MUX開(kāi)關(guān)MS1與MS2。為解釋方便，在圖6中顯示計(jì)數(shù)器500以及開(kāi)關(guān)控制器600。另外，圖6顯示在子采樣模式下第一與第三列的子采樣操作的結(jié)構(gòu)。
圖7為用來(lái)解釋根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施方式的列模數(shù)轉(zhuǎn)換操作的時(shí)序圖。圖8A到8D為用來(lái)解釋根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施方式的、用來(lái)確定數(shù)字代碼高位代碼值的、相關(guān)雙采樣的像素輸出信號(hào)的電壓的電壓比較、以及斜坡信號(hào)Vramp電壓變化的圖示。
以下將參照?qǐng)D5A、5B、6、7、8A到8D詳細(xì)解釋根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施方式的子采樣操作。
參照?qǐng)D7，在對(duì)應(yīng)于行選擇信號(hào)SEL1選擇的行的第一與第三像素之間進(jìn)行子采樣比為1/2的子采樣操作。在1/2子采樣操作模式下，兩個(gè)像素中只輸出一個(gè)像素(例如，來(lái)自第一列的第一像素輸出信號(hào)APS_OUT1)作為數(shù)字代碼。
在時(shí)間間隔(1)與(2)，第一像素輸出信號(hào)APS_OUT1的圖像信號(hào)與重置信號(hào)被相關(guān)雙采樣。在時(shí)間間隔(1)與(2)中，第三列的CDS與比較單元330的像素輸出開(kāi)關(guān)S1_N處于關(guān)斷狀態(tài)，并且轉(zhuǎn)接開(kāi)關(guān)S1_0處于關(guān)斷狀態(tài)。第三列的第二像素輸出信號(hào)APS_OUT3被忽略。CDS結(jié)果(即圖像信號(hào)與重置信號(hào)的電壓差)同時(shí)存儲(chǔ)在第一與第二CDS與比較單元310與330的電容器C1與C2中。
在時(shí)間間隔(3)，第二CDS與比較單元330進(jìn)行比較操作，以確定第一像素輸出信號(hào)APS_OUT1的MSB代碼值。在未工作在子采樣模式下的相鄰?fù)獵DS與比較單元(例如第二CDS與比較單元330)中進(jìn)行對(duì)于MSB代碼值的確定。在時(shí)間點(diǎn)T1處，將斜坡信號(hào)Vramp增加像素飽和電壓Vsat的一半(Vsat/2)。飽和電壓Vsat表示當(dāng)入射到像素上的光最亮?xí)r的電壓。
如圖8A所示，如果CDS結(jié)果電壓(即第一像素輸出信號(hào)APS_OUT1中的圖像信號(hào)與重置信號(hào)的電壓差ΔV)大于斜坡信號(hào)Vramp的電壓變化(Vsat/2)，則節(jié)點(diǎn)in10的電壓低于作為放大器A1的邏輯門限電壓的比較電壓(VDD/2)，并且來(lái)自第二CDS與比較單元330的第二比較結(jié)果信號(hào)ADC_OUT3保持低電平狀態(tài)。
電壓差ΔV與電壓Vsat/2的比較結(jié)果表示MSB代碼值，可以將來(lái)自低電平的第二比較結(jié)果信號(hào)ADC_OUT3的MSB代碼值確定為“1”。將低電平的第二比較結(jié)果信號(hào)ADC_OUT3反相并且存儲(chǔ)在MSB鎖存器420相應(yīng)列的鎖存器中，其中MSB代碼值“1”存儲(chǔ)在MSB鎖存器420相應(yīng)列的鎖存器中。第一列第一CDS與比較單元310像素的輸出開(kāi)關(guān)S1_E在時(shí)間間隔(3)中處于導(dǎo)通狀態(tài)，并且第一CDS與比較單元310的節(jié)點(diǎn)in1E的電壓維持在CDS操作之后給定的電壓，如圖8B所示。
如圖8C所示，如果CDS結(jié)果電壓(即第一像素輸出信號(hào)APS_OUT1的圖像信號(hào)與重置信號(hào)的電壓差ΔV)小于斜坡信號(hào)Vramp的電壓變化(Vsat/2)，則節(jié)點(diǎn)in10的電壓高于放大器A1的比較電壓(VDD/2)，并且來(lái)自第二CDS與比較單元330的第二比較結(jié)果信號(hào)ADC_OUT3變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)。
可以將來(lái)自高電平的第二比較結(jié)果信號(hào)ADC_OUT3的MSB代碼值確定為“0”。將高電平的第二比較結(jié)果信號(hào)ADC_OUT3反相并且存儲(chǔ)在高位鎖存器420相應(yīng)列的鎖存器中，并且MSB代碼值“0”存儲(chǔ)在高位鎖存器420相應(yīng)列的鎖存器中。
在時(shí)間間隔(4)，進(jìn)行確定第一像素輸出信號(hào)APS_OUT的其余低位代碼值的操作。利用上升的斜坡信號(hào)Vramp與計(jì)數(shù)器500，確定該其余低位代碼值。
為了生成數(shù)字代碼，斜坡信號(hào)Vramp經(jīng)過(guò)兩個(gè)轉(zhuǎn)換，其中斜坡信號(hào)Vramp在短時(shí)間內(nèi)被改變?yōu)轭A(yù)定電壓電平，然后改變?cè)撾妷弘娖健Ｐ逼滦盘?hào)Vramp包含兩個(gè)轉(zhuǎn)換部分。通過(guò)利用R-C積分器開(kāi)關(guān)(即現(xiàn)有的斜坡電壓生成器)，可以在沒(méi)有任何結(jié)構(gòu)修改的情況下實(shí)現(xiàn)這些轉(zhuǎn)換部分。
斜坡電壓Vramp的電壓電平從時(shí)間點(diǎn)T2增加。從時(shí)間點(diǎn)T2，計(jì)數(shù)器500開(kāi)始進(jìn)行計(jì)數(shù)操作，以確定其余低位代碼值。來(lái)自計(jì)數(shù)器500的計(jì)數(shù)值存儲(chǔ)在低位鎖存器430中。響應(yīng)于作為鎖存器操作停止信號(hào)從第一和二CDS與比較單元310、320提供的第一與第二比較結(jié)果信號(hào)ADC_OUT1、ADC_OUT3，停止計(jì)數(shù)值的存儲(chǔ)操作。
如圖7所示，當(dāng)?shù)谝幌袼剌敵鲂盘?hào)APS_OUT1的圖像信號(hào)與重置信號(hào)之間的電壓差ΔV大于斜坡信號(hào)Vramp的電壓變化(Vsat/2)時(shí)，第二比較結(jié)果信號(hào)ADC_OUT3被用做為鎖存器操作停止信號(hào)。當(dāng)?shù)谝幌袼剌敵鲂盘?hào)APS_OUT1的圖像信號(hào)與重置信號(hào)之間的電壓差ΔV小于斜坡信號(hào)Vramp的電壓變化(Vsat/2)時(shí)，第一比較結(jié)果信號(hào)ADC_OUT1被用做為鎖存器操作停止信號(hào)。
利用MUX 420的MUX開(kāi)關(guān)MS1與MS2，進(jìn)行將第一比較結(jié)果信號(hào)ADC_OUT1或第二比較結(jié)果信號(hào)ADC_OUT3傳輸?shù)降臀绘i存器430的操作。當(dāng)?shù)谌蠱UX開(kāi)關(guān)MS2處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，根據(jù)先前確定的MSB代碼值，第一列MUX開(kāi)關(guān)MS1連接到位置(A)或(B)。在正常模式下，第三列MUX開(kāi)關(guān)MS2處于導(dǎo)通狀態(tài)，第一列MUX開(kāi)關(guān)MS1連接到位置(A)，從而在每列中獨(dú)立地進(jìn)行ADC操作。
響應(yīng)于鎖存器輸出控制信號(hào)LC，由第一比較結(jié)果信號(hào)ADC_OUT1或第二比較結(jié)果信號(hào)ADC_OUT3確定的LSB代碼值被加到MSB代碼值上，并且將結(jié)果值作為子采樣模式下第一像素輸出信號(hào)APS_OUT1的最終數(shù)字代碼DS1(例如，10位數(shù)據(jù))輸出。在其他列中，依次輸出每列的子采樣的數(shù)字代碼。
在子采樣模式下，水平線時(shí)間包含CDS時(shí)間間隔與ADC時(shí)間間隔。
例如，當(dāng)在子采樣模式下、像素輸出信號(hào)的CDS與模數(shù)轉(zhuǎn)換生成10位數(shù)字代碼時(shí)，斜坡信號(hào)的電壓電平通過(guò)兩個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程轉(zhuǎn)換，并且首先在時(shí)間間隔(3)確定10位中的MSB，并且在時(shí)間間隔(4)確定其余9位。
根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施方式，可以對(duì)從時(shí)間點(diǎn)T2開(kāi)始的、對(duì)應(yīng)于9位的512個(gè)時(shí)鐘的周期，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。因此，可以減少子采樣模式下的水平線時(shí)間。
雖然以上描述了1/2子采樣操作，但是本發(fā)明的實(shí)施方式也可以應(yīng)用于各種子采樣比。當(dāng)子采樣比為1/2n(其中n為自然數(shù))時(shí)，通過(guò)利用(2n-1)個(gè)相鄰?fù)獵DS與比較單元，可以在模擬域中確定(2n-1)個(gè)包含MSB的高位代碼值。在這種情況下，斜坡信號(hào)在第一轉(zhuǎn)換期間具有飽和電壓的1/2k(1≤k≤2n-1，k、n為自然數(shù))倍數(shù)的電壓變化，并且隨后改變(2n-1)次。
此后，在第二轉(zhuǎn)換期間，斜坡信號(hào)的電壓電平改變，以確定低位代碼值。因?yàn)楸绢I(lǐng)域技術(shù)人員可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)斜坡信號(hào)的、對(duì)高位代碼值的確定，以及根據(jù)所確定的高位代碼值的、對(duì)比較結(jié)果信號(hào)的控制，所以省略其詳細(xì)描述。
圖9為顯示根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施方式的子采樣模式列模數(shù)轉(zhuǎn)換方法的流程圖。
參照?qǐng)D9，根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施方式的子采樣模式列模數(shù)轉(zhuǎn)換方法包含(方框S901)響應(yīng)于一個(gè)像素輸出信號(hào)，進(jìn)行第一與第二CDS操作；(方框S903)將斜坡信號(hào)改變?yōu)橹辽僖粋€(gè)預(yù)定電壓電平；以及(方框S905)響應(yīng)于(方框S903)操作的斜坡信號(hào)，通過(guò)比較第二CDS操作的結(jié)果與斜坡信號(hào)電壓變化，生成至少一個(gè)第一比較結(jié)果信號(hào)。該方法還包含(方框S907)根據(jù)至少一個(gè)第一比較結(jié)果，確定高位代碼值；(方框S909)在(方框S903)操作之后，逐漸改變斜坡信號(hào)的電壓電平；以及(方框S911)響應(yīng)于(方框S909)操作的斜坡信號(hào)，根據(jù)從計(jì)數(shù)器輸出的計(jì)數(shù)值，確定低位，以確定低位代碼值。
(方框S903)操作中斜坡信號(hào)的電壓變化可以大約為一個(gè)像素輸出信號(hào)的飽和電壓的1/2n(n為自然數(shù))的倍數(shù)。該列模數(shù)轉(zhuǎn)換方法還可以包含響應(yīng)于(方框S909)操作的斜坡信號(hào)，通過(guò)比較第一CDS操作的結(jié)果與預(yù)定比較電壓，生成第二比較結(jié)果信號(hào)。(方框S911)操作的計(jì)數(shù)值由至少一個(gè)第一比較結(jié)果信號(hào)或者第二比較結(jié)果信號(hào)控制。
雖然針對(duì)示范性實(shí)施方式描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解在不脫離本發(fā)明的精神與范圍的前提下可以進(jìn)行各種改變與修改。
權(quán)利要求
1.一種列模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，包含相關(guān)雙采樣(CDS)與比較電路的第一CDS與比較單元，用來(lái)響應(yīng)于第一像素輸出信號(hào)與斜坡信號(hào)，生成第一比較結(jié)果信號(hào)；CDS與比較電路的第二CDS與比較單元，用來(lái)在子采樣模式下、響應(yīng)于第一像素輸出信號(hào)與斜坡信號(hào)，生成第二比較結(jié)果信號(hào)；以及數(shù)據(jù)緩沖器，用來(lái)根據(jù)第二比較結(jié)果信號(hào)，確定最高有效位(MSB)的代碼值，根據(jù)從計(jì)數(shù)器輸出的計(jì)數(shù)值，確定其余低位的代碼值，并且生成包含MSB與其余低位的數(shù)字代碼。
2.如權(quán)利要求1所述的列模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，其中斜坡信號(hào)包含具有預(yù)定電壓電平的第一轉(zhuǎn)換部分以及逐漸改變?cè)擃A(yù)定電壓電平以生成所述數(shù)字代碼的第二轉(zhuǎn)換部分。
3.如權(quán)利要求2所述的列模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，其中在第一轉(zhuǎn)換部分期間，確定MSB的代碼值，在第二轉(zhuǎn)換部分期間，確定其余低位的代碼值。
4.如權(quán)利要求3所述的列模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，其中在第一轉(zhuǎn)換部分期間的斜坡信號(hào)的電壓變化大約為第一像素輸出信號(hào)飽和電壓的1/2。
5.如權(quán)利要求3所述的列模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，還包含轉(zhuǎn)接開(kāi)關(guān)，用來(lái)在子采樣模式下、將第一像素輸出信號(hào)傳輸?shù)降诙﨏DS與比較單元，其中第一CDS與比較單元包含第一斜坡開(kāi)關(guān)與第一像素輸出開(kāi)關(guān)，用來(lái)分別傳輸斜坡信號(hào)與第一像素輸出信號(hào)，并且第二CDS與比較單元包含第二斜坡開(kāi)關(guān)與第二像素輸出開(kāi)關(guān)，用來(lái)分別傳輸斜坡信號(hào)與第二像素輸出信號(hào)。
6.如權(quán)利要求5所述的列模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，其中，在對(duì)第一像素輸出信號(hào)的圖像信號(hào)與重置信號(hào)進(jìn)行采樣之后，當(dāng)?shù)谝幌袼剌敵鲩_(kāi)關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)、并且轉(zhuǎn)接開(kāi)關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，形成斜坡信號(hào)的第一轉(zhuǎn)換部分。
7.如權(quán)利要求2所述的列模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，其中數(shù)據(jù)緩沖器包含串聯(lián)連接的MSB鎖存器、多路復(fù)用器(MUX)、以及低位鎖存器。
8.如權(quán)利要求7所述的列模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，還包含開(kāi)關(guān)控制器，用來(lái)響應(yīng)于來(lái)自MSB鎖存器的MSB以及操作模式信號(hào)，生成開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，以控制MUX的開(kāi)關(guān)。
9.如權(quán)利要求8所述的列模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，其中MUX當(dāng)?shù)谝幌袼剌敵鲂盘?hào)的圖像信號(hào)與重置信號(hào)之間的電壓差大于由于將斜坡信號(hào)改變?yōu)轭A(yù)定電壓電平而造成的電壓變化時(shí)，響應(yīng)于開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，將第二比較結(jié)果信號(hào)作為鎖存器操作停止信號(hào)傳輸?shù)降臀绘i存器，以及當(dāng)?shù)谝幌袼剌敵鲂盘?hào)的圖像信號(hào)與重置信號(hào)之間的電壓差小于由于將斜坡信號(hào)改變?yōu)轭A(yù)定電壓電平而造成的電壓變化時(shí)，響應(yīng)于開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，將第一比較結(jié)果信號(hào)作為鎖存器操作停止信號(hào)傳輸?shù)降臀绘i存器。
10.如權(quán)利要求7所述的列模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，其中在子采樣模式下，響應(yīng)于操作模式信號(hào)與計(jì)數(shù)器使能信號(hào)，計(jì)數(shù)器將計(jì)數(shù)值傳輸?shù)降臀绘i存器，其中計(jì)數(shù)器使能信號(hào)在子采樣模式下、斜坡信號(hào)第二轉(zhuǎn)換部分的開(kāi)始時(shí)間點(diǎn)處被激活。
11.一種列模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，包含相關(guān)雙采樣(CDS)與比較電路的第一CDS與比較單元，用來(lái)響應(yīng)于第一像素輸出信號(hào)與斜坡信號(hào)，生成第一比較結(jié)果信號(hào)；CDS與比較電路的多個(gè)第二CDS與比較單元，用來(lái)在子采樣模式下、響應(yīng)于第一像素輸出信號(hào)與斜坡信號(hào)，生成多個(gè)第二比較結(jié)果信號(hào)；以及數(shù)據(jù)緩沖器，用來(lái)根據(jù)所述多個(gè)第二比較結(jié)果信號(hào)，確定包含最高有效位(MSB)的高位的代碼值，根據(jù)從計(jì)數(shù)器輸出的計(jì)數(shù)值，確定其余低位的代碼值，并且生成包含MSB與其余低位的數(shù)字代碼。
12.如權(quán)利要求11所述的列模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，其中斜坡信號(hào)包含具有多個(gè)預(yù)定電壓電平的第一轉(zhuǎn)換部分以及逐漸改變?cè)擃A(yù)定電壓電平以生成所述數(shù)字代碼的第二轉(zhuǎn)換部分。
13.如權(quán)利要求12所述的列模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，其中在第一轉(zhuǎn)換部分期間，確定高位的代碼值，在第二轉(zhuǎn)換部分期間，確定其余低位的代碼值。
14.如權(quán)利要求13所述的列模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，其中在第一轉(zhuǎn)換部分期間的斜坡信號(hào)的電壓變化大約為第一像素輸出信號(hào)飽和電壓的1/2n的倍數(shù)，n為自然數(shù)。
15.如權(quán)利要求13所述的列模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，還包含多個(gè)轉(zhuǎn)接開(kāi)關(guān)，用來(lái)在子采樣模式下、將第一像素輸出信號(hào)傳輸?shù)降诙﨏DS與比較單元，其中第一CDS與比較單元包含第一斜坡開(kāi)關(guān)與第一像素輸出開(kāi)關(guān)，用來(lái)分別傳輸斜坡信號(hào)與第一像素輸出信號(hào)，并且每個(gè)第二CDS與比較單元包含第二斜坡開(kāi)關(guān)與第二像素輸出開(kāi)關(guān)，用來(lái)分別傳輸斜坡信號(hào)與第二像素輸出信號(hào)。
16.如權(quán)利要求15所述的列模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，其中，在對(duì)第一像素輸出信號(hào)的圖像信號(hào)與重置信號(hào)進(jìn)行采樣之后，當(dāng)?shù)谝幌袼剌敵鲩_(kāi)關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)、并且轉(zhuǎn)接開(kāi)關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，形成斜坡信號(hào)的第一轉(zhuǎn)換部分。
17.如權(quán)利要求12所述的列模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，其中數(shù)據(jù)緩沖器包含串聯(lián)連接的高位鎖存器、多路復(fù)用器(MUX)、以及低位鎖存器。
18.如權(quán)利要求17所述的列模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，還包含開(kāi)關(guān)控制器，用來(lái)響應(yīng)于來(lái)自高位鎖存器的高位信號(hào)以及操作模式信號(hào)，生成開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，以控制MUX的開(kāi)關(guān)。
19.如權(quán)利要求18所述的列模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，其中通過(guò)將第一像素輸出信號(hào)的圖像信號(hào)與重置信號(hào)之間的電壓差與子采樣模式下、由于將斜坡信號(hào)改變?yōu)轭A(yù)定電壓電平而造成的電壓變化進(jìn)行比較，來(lái)確定用于確定高位信號(hào)與高位信號(hào)代碼值的第二比較結(jié)果信號(hào)的邏輯狀態(tài)，并且其中MUX響應(yīng)于開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，將第一比較結(jié)果信號(hào)與第二比較結(jié)果信號(hào)中的一個(gè)作為鎖存器操作停止信號(hào)傳輸?shù)降臀绘i存器。
20.如權(quán)利要求17所述的列模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，其中在子采樣模式下，響應(yīng)于操作模式信號(hào)與計(jì)數(shù)器使能信號(hào)，計(jì)數(shù)器將計(jì)數(shù)值傳輸?shù)降臀绘i存器，其中計(jì)數(shù)器使能信號(hào)在子采樣模式下、斜坡信號(hào)第二轉(zhuǎn)換部分的開(kāi)始時(shí)間點(diǎn)處被激活。
21.一種列模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置的子采樣模式的列模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，包含響應(yīng)于像素輸出信號(hào)，進(jìn)行第一與第二CDS(相關(guān)雙采樣)操作；將斜坡信號(hào)改變?yōu)橹辽僖粋€(gè)預(yù)定電壓電平；通過(guò)比較第二CDS操作的結(jié)果與被改變的斜坡信號(hào)的電壓變化，生成至少一個(gè)第一比較結(jié)果信號(hào)；根據(jù)該至少一個(gè)第一比較結(jié)果，確定高位代碼值；改變被改變的斜坡信號(hào)的電壓電平；以及響應(yīng)于被改變的斜坡信號(hào)，根據(jù)從計(jì)數(shù)器輸出的計(jì)數(shù)值，確定低位代碼值。
22.如權(quán)利要求21所述的列模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其中被改變的斜坡信號(hào)的電壓變化大約為像素輸出信號(hào)飽和電壓的1/2n的倍數(shù)，n為自然數(shù)。
23.如權(quán)利要求22所述的列模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，還包含響應(yīng)于被改變的斜坡信號(hào)，通過(guò)比較第一CDS操作結(jié)果與預(yù)定比較電壓，生成第二比較結(jié)果信號(hào)，其中計(jì)數(shù)值由至少一個(gè)第一比較結(jié)果信號(hào)或第二比較結(jié)果信號(hào)控制。
全文摘要
一種列模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，包含相關(guān)雙采樣(CDS)與比較電路的第一CDS與比較單元，用來(lái)響應(yīng)于第一像素輸出信號(hào)與斜坡信號(hào)，生成第一比較結(jié)果信號(hào)；CDS與比較電路的第二CDS與比較單元，用來(lái)在子采樣模式下、響應(yīng)于第一像素輸出信號(hào)與斜坡信號(hào)，生成第二比較結(jié)果信號(hào)；以及數(shù)據(jù)緩沖器，用來(lái)根據(jù)第二比較結(jié)果信號(hào)，確定最高有效位(MSB)的代碼值，根據(jù)從計(jì)數(shù)器輸出的計(jì)數(shù)值，確定其余低位的代碼值，并且生成包含MSB與其余低位的數(shù)字代碼。
文檔編號(hào)H03M1/34GK1866748SQ20061008181
公開(kāi)日2006年11月22日 申請(qǐng)日期2006年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月18日
發(fā)明者林秀憲 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社