專利名稱：固態(tài)圖像拍攝裝置及其模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換方法和圖像拍攝裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固態(tài)圖像拍攝裝置、用于固態(tài)圖像拍攝裝置的模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換方法以及圖像拍攝裝置。
背景技術(shù)：
作為一種用于固態(tài)圖像拍攝裝置的方式，已知被稱為列AD轉(zhuǎn) 換方式的技術(shù)。根據(jù)列AD轉(zhuǎn)換方式的技術(shù)，在為一種X-Y地址型 固態(tài)圖像拍攝裝置(例如，MOS (包括CMOS)型固態(tài)圖像拍攝裝 置)的放大型固態(tài)圖像拍攝裝置中，對(duì)于具有矩陣狀二維設(shè)置的像 素并且每個(gè)像素均包括光電轉(zhuǎn)換元件的像素陣列單元，例如，在每 個(gè)像素列(即列并行)設(shè)置有模擬/數(shù)字(AD)轉(zhuǎn)換器，并將從像 素陣列單元的各個(gè)像素中讀取的模擬像素信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)并 輸出。
在列并行設(shè)置的AD轉(zhuǎn)換器中，比較器將通過(guò)列信號(hào)線基于行 單位從像素陣列單元的每個(gè)像素讀耳又的每個(gè)才莫擬像素信號(hào)與斜坡
波形的參考信號(hào)進(jìn)行比較，以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于基準(zhǔn)成分和信號(hào)成分的各 自大小并具有在時(shí)間軸方向上的大小(脈沖寬度)的脈沖信號(hào)。計(jì) 數(shù)器單元在脈沖信號(hào)的脈沖寬度期間對(duì)預(yù)定時(shí)鐘計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)器 單元的計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)于像素信號(hào)的振幅的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，由此執(zhí)行
AD轉(zhuǎn)換4喿作。
為了在列AD轉(zhuǎn)換方式的固態(tài)圖像拍攝裝置中實(shí)現(xiàn)高速AD轉(zhuǎn) 換，提供了一種用于產(chǎn)生比主時(shí)鐘快的時(shí)鐘的時(shí)鐘轉(zhuǎn)換單元，并且 將由時(shí)鐘轉(zhuǎn)換單元產(chǎn)生的高速時(shí)鐘用作計(jì)數(shù)器單元的計(jì)數(shù)時(shí)鐘，從
如，參照日本未審查專利申請(qǐng)公開(kāi)第2005-303648號(hào)，專利文獻(xiàn)1 )。
更具體地，計(jì)數(shù)器單元對(duì)脈沖信號(hào)的脈沖寬度以高速時(shí)鐘進(jìn)行 計(jì)數(shù)直到比較器的比較結(jié)束，并保持比較完成時(shí)刻的計(jì)數(shù)值。在第 一次計(jì)凄t處理時(shí)，對(duì)從〗象素中讀取的基準(zhǔn)成分(重置成分)才丸行向 下計(jì)數(shù)，在第二次計(jì)數(shù)處理時(shí)，對(duì)從像素中讀取的信號(hào)成分4丸行向 上計(jì)數(shù)。
通過(guò)兩次執(zhí)行計(jì)數(shù)處理，在第二次計(jì)數(shù)處理后保持的計(jì)數(shù)值與 第一次計(jì)數(shù)處理的計(jì)數(shù)值之間有差異。換言之，在基于高速時(shí)鐘執(zhí) 行計(jì)數(shù)處理時(shí)，4丸行其中改變計(jì)數(shù)才莫式的兩次計(jì)數(shù)處理，由此可獲 得對(duì)應(yīng)于基準(zhǔn)成分與信號(hào)成分之差的數(shù)字值作為第二次計(jì)數(shù)處理 的計(jì)數(shù)值。

發(fā)明內(nèi)容
如上所述，才艮據(jù)相關(guān)領(lǐng)域的沖支術(shù)(專利文獻(xiàn)1)中的通過(guò)兩次 執(zhí)行計(jì)數(shù)處理將基準(zhǔn)成分和信號(hào)成分之間的差異信號(hào)成分轉(zhuǎn)換為 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，為了高速度地操作整個(gè)AD轉(zhuǎn)換處理并縮短AD轉(zhuǎn)換時(shí) 間(AD轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間)，需要更高速度的時(shí)鐘。
因此，希望提供能夠不受計(jì)數(shù)器單元的操作速度限制而實(shí)現(xiàn)更
快的AD轉(zhuǎn)換的固態(tài)圖像拍攝裝置、用于固態(tài)圖像拍攝裝置的AD 轉(zhuǎn)換方法以及圖像拍攝裝置。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了 一種具有矩陣狀排列的單位像素 并且每個(gè)單位像素均包括光電轉(zhuǎn)換元件的像素陣列單元的固態(tài)圖 像拍攝裝置。當(dāng)從單位像素中讀取的模擬像素信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 時(shí)，通過(guò)對(duì)用于轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的參考信號(hào)與模擬像素信號(hào)進(jìn)行比 較來(lái)將像素信號(hào)的大小轉(zhuǎn)換為時(shí)間軸方向上的信息，并且與比較處 理并行的，根據(jù)預(yù)定時(shí)鐘，在從比較處理的起始時(shí)刻到結(jié)束時(shí)刻的 時(shí)間l殳內(nèi)，在計(jì)數(shù)器單元4丸行計(jì)數(shù)處理。另一方面，根據(jù)預(yù)定時(shí)鐘 產(chǎn)生具有恒定相位差的多相時(shí)鐘，并在比較處理完成時(shí)鎖存多相時(shí) 鐘的邏輯狀態(tài)。對(duì)鎖存數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼并將其設(shè)置為低于計(jì)H處理的 計(jì)數(shù)值的值。
在將從單位像素中讀取的才莫擬像素信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的AD
轉(zhuǎn)換處理中，由于作為參考信號(hào)和像素信號(hào)之間的比較輸出的在時(shí) 間軸方向上的信息對(duì)應(yīng)于像素信號(hào)的大小，所以通過(guò)使計(jì)數(shù)器單元 在/^比4交處理(在時(shí)間軸方向上的信息)的起始時(shí)刻到結(jié)束時(shí)刻的 時(shí)期內(nèi)4丸行計(jì)數(shù)處理，可以獲得像素信號(hào)的大小作為計(jì)數(shù)值(數(shù)字 值)。通過(guò)在比較處理結(jié)束時(shí)鎖存多相時(shí)鐘的邏輯狀態(tài)，可以獲得 具有小于計(jì)數(shù)器單元中的計(jì)數(shù)值的最低位的時(shí)間信息的位串。對(duì)該 位串進(jìn)行解碼處理，并將解碼數(shù)據(jù)加入計(jì)數(shù)處理的計(jì)數(shù)值作為低于 計(jì)數(shù)值的值。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在參考信號(hào)和像素信號(hào)之間的比較結(jié)束 時(shí)，鎖存多相時(shí)鐘的邏輯狀態(tài)并對(duì)其進(jìn)行解碼，乂人而作為^f氐于計(jì)數(shù) 器單元的計(jì)數(shù)值的值而加入。因此，可以在執(zhí)行用于相同位寬的 AD轉(zhuǎn)換時(shí)使計(jì)數(shù)器單元的位寬變窄，由此通過(guò)使計(jì)數(shù)器單元的位 寬變窄而獲得比相應(yīng)AD轉(zhuǎn)換更快的AD轉(zhuǎn)換成為可能，并且不受
計(jì)數(shù)器單元的操作速度限制。如果在相同的AD轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)執(zhí)行 AD轉(zhuǎn)換，則可以增加AD轉(zhuǎn)換的位寬。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的列AD轉(zhuǎn)換型CMOS圖像傳 感器的概要結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)構(gòu)造圖2是示出構(gòu)成多相時(shí)鐘發(fā)生器單元的延遲控制電路的結(jié)構(gòu)實(shí) 例的框圖3是示出信號(hào)處理單元的解碼單元的結(jié)構(gòu)實(shí)例的框圖4是示出解碼單元的解碼器的解碼表的示圖5是示出歹'J ADC單元的操作的時(shí)序圖6是示出作為比較輸出Vco反轉(zhuǎn)前后的時(shí)序關(guān)系的放大示圖 的時(shí)序圖7是示出本發(fā)明的圖像拍攝裝置的結(jié)構(gòu)實(shí)例的框圖。
具體實(shí)施例方式
下面將參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。
圖1是示出固態(tài)圖像拍攝設(shè)備(例如，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的列 (列并行)AD轉(zhuǎn)換型CMOS圖像傳感器)的概要結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)構(gòu)造 圖。
如圖1所示，才艮據(jù)本實(shí)施例的CMOS圖像傳感器10具有包括 像素陣列單元12及其外圍電路的系統(tǒng)構(gòu)造，在所述像素陣列單元 中具有光電轉(zhuǎn)換元件的單位l象素11以矩陣狀二維地進(jìn)行配置。外 圍電路包括行掃描電路13、列處理單元14、參考信號(hào)發(fā)生單元15、 列掃描電^^16、水平輸出線17、時(shí)鐘轉(zhuǎn)換單元18、計(jì)時(shí)控制單元 19、多相時(shí)4中發(fā)生單元20、信號(hào)處理單元21等。
在本系統(tǒng)構(gòu)造中，通過(guò)使用類似于半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù)的 技術(shù)，將用于驅(qū)動(dòng)和控制像素陣列單元12的每個(gè)單位像素11的外 圍驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)(即，例如諸如4亍掃描電3各13、列處理 電^各14、參考信號(hào)發(fā)生單元15、列掃描電^各16、水平^T出線17、 時(shí)鐘轉(zhuǎn)換單元18、計(jì)時(shí)控制單元19、多相時(shí)鐘發(fā)生單元20、信號(hào) 處理單元21等的外圍電路)與像素陣列單元12集成在諸如單晶體 硅的半導(dǎo)體區(qū)域中。
才艮據(jù)需要，可以在列處理單元14的前級(jí)或后級(jí)，將具有信號(hào) 放大功能的自動(dòng)增益控制(AGC)電路等設(shè)置在與列處理單元14 相同的半導(dǎo)體區(qū)域內(nèi)。如果在列處理單元14的前級(jí)執(zhí)行AGC，則 執(zhí)行模擬放大，反之如果在列處理單元14的后級(jí)執(zhí)行AGC，則執(zhí) 行數(shù)字放大。但是，如果N位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)以簡(jiǎn)單方式放大，則存在色 調(diào)劣化的可能。因此認(rèn)為，更優(yōu)選的是數(shù)據(jù)在模擬時(shí)被放大之后執(zhí) 行數(shù)字轉(zhuǎn)換。
盡管未示出，^f旦單位像素11典型地由光電轉(zhuǎn)換元件(例如， 光電二極管)和具有放大半導(dǎo)體元件(例如，晶體管)的像素內(nèi)放 大器組成。例如，使用浮置擴(kuò)散放大器結(jié)構(gòu)作為像素內(nèi)放大器。
作為一個(gè)實(shí)例，^f于光電轉(zhuǎn)纟奐元4牛，可以j吏用由以下四種晶體 管構(gòu)成的結(jié)構(gòu)作為電荷讀取單元(轉(zhuǎn)移柵極單元)的實(shí)例的轉(zhuǎn)移
晶體管；作為重置柵極單元的實(shí)例的重置晶體管；選擇晶體管；以 及例如源極跟隨器結(jié)構(gòu)的放大晶體管。
在像素內(nèi)放大器中，讀取晶體管將在光電轉(zhuǎn)換元件進(jìn)行光電轉(zhuǎn) 換的電荷讀取到浮置擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)。重置晶體管將浮置擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)的電位 重置為預(yù)定電位。選擇晶體管在通過(guò)行掃描電路13進(jìn)行的掃描的 同時(shí)選擇單位像素11。放大晶體管檢測(cè)浮置擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)的電位變化。
單位像素11不限于上述4晶體管的結(jié)構(gòu)，也可以使用其他像 素結(jié)構(gòu)，例如通過(guò)使放大晶體管具有選擇晶體管的像素選擇功能， 從而減少一個(gè)晶體管的3晶體管結(jié)構(gòu)。
在像素陣列單元12中，單位像素11以m行和n列二維地進(jìn)行 配置。對(duì)m行和n列的像素陣列，為各個(gè)行配上行控制線121 (121-1 ~ 121-m )，并且為各個(gè)列配上列信號(hào)線122( 122-1 ~ 122-n )。
將行控制線121-1 ~ 121-m的一端連接到對(duì)應(yīng)于行掃描電路13 各行的各個(gè)輸出端。
行掃描電路13由移位寄存器、解碼器等組成，并在驅(qū)動(dòng)像素 陣列單元12的每個(gè)單^f立^象素11時(shí)通過(guò)4亍控制線121-1 ~ 121-m控 制l象素陣列單元12的4于:t也址和4于掃描。
列處理單元14具有為l象素陣列單元12的各個(gè)l象素列(即，各 個(gè)列信號(hào)線122-1 ~ 122-n )設(shè)置的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元(下文中稱為 列ADC單元)22-1 ~ 22-n,并將通過(guò)每個(gè)像素列的列信號(hào)線122-1 ~ 122-n AU象素陣列單元12的各個(gè)單位l象素11讀出的才莫擬^象素信號(hào) 轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)以進(jìn)行輸出。
在本實(shí)例中，采用其中列ADC單元22 ( 22-1 ~ 22-n )被設(shè)置
為與像素陣列單元12的像素列——對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)。但是，本結(jié)構(gòu)僅 是一個(gè)實(shí)例，而并不限于該設(shè)計(jì)。例如，可以采用其中為多個(gè)l象素 列設(shè)置一個(gè)列ADC單元22并且在多個(gè)像素列中分時(shí)使用這一個(gè)列 ADC單元22的結(jié)構(gòu)。
列處理單元14與參考信號(hào)發(fā)生單元15、多相時(shí)鐘發(fā)生單元20、 以及信號(hào)處理單元21的解碼單元210 (后面將描述) 一起構(gòu)成用于 將從〗象素陣列單元11的所選像素行的各個(gè)單位i象素12中讀取的沖莫 擬像素信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字像素?cái)?shù)據(jù)的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置。將在后面對(duì) 列處理單元14，特別是列ADC單元22 ( 22-1 ~ 22-n )進(jìn)行詳細(xì)描 述。
參考信號(hào)發(fā)生單元15由例如積分器151構(gòu)成，并在計(jì)時(shí)控制 單元19的控制下產(chǎn)生電平隨時(shí)間流逝以傾斜狀(在本實(shí)例中，下 降傾斜)變化的所謂斜坡波形的參考電壓RAMP，用于通過(guò)參考信 號(hào)線23將參考電壓RAMP ^是供纟會(huì)列處理單元14的歹'J ADC單元 22-1 ~ 22-n。
用于產(chǎn)生釗d皮波形的參考電壓RAMP的裝置不限于4吏用積分 器151的結(jié)構(gòu)，還可通過(guò)使用數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(DAC )代替積分器 151來(lái)產(chǎn)生釗-i皮波形的參考電壓RAMP。
但是，如果采用了通過(guò)使用積分器151以模擬方式產(chǎn)生斜坡波 形的參考電壓RAMP的結(jié)構(gòu)，則可獲得平滑的參考電壓RAMP。 另一方面，如果采用了通過(guò)使用DAC以數(shù)字方式產(chǎn)生斜i皮波形的 參考電壓RAMP的結(jié)構(gòu)，則參考電壓RAMP具有階梯狀的斜i皮波 形。如果獲取參考電壓RAMP,尤其是具有高分辨率的參考電壓 RAMP,則需要使階梯狀斜坡波形的各個(gè)階梯細(xì)化，因此，產(chǎn)生電 路規(guī)模變大的缺點(diǎn)。
列掃描電路16由移位寄存器、解碼器等組成，并控制列處理
單元14的歹'J ADC單元22-1 ~ 22-n的列地址和列掃描。在列掃描電 路16的控制下，將分別在列ADC單元22-1 ~ 22-n進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換
的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)依次讀取到水平輸出線17。
時(shí)鐘轉(zhuǎn)換單元18 (例如由乘法器電i 各181組成)4妄收外部輸入 的主時(shí)鐘MCK，將主時(shí)鐘轉(zhuǎn)換為具有主時(shí)鐘MCK的頻率的兩倍以 上的高速時(shí)鐘CLK，并將該高速時(shí)鐘CLK提供給計(jì)時(shí)控制單元19。
根據(jù)從鐘轉(zhuǎn)換單元18提供的高速時(shí)鐘CLK，計(jì)時(shí)控制單元19 產(chǎn)生用作^于掃描電^各13、列處理單元14、參考信號(hào)發(fā)生單元15、 列掃描電路16、多相時(shí)鐘發(fā)生單元20等的操作標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)部時(shí)鐘、 控制信號(hào)等，并將內(nèi)部時(shí)鐘、控制信號(hào)等提供給行掃描電路13、列 處理單元14、參考信號(hào)發(fā)生單元15、列掃描電^各16、多相時(shí)鐘發(fā) 生單元20、 ^f言號(hào)處理單元21等。
以這種方式，基于由時(shí)鐘轉(zhuǎn)換單元18產(chǎn)生的高速時(shí)鐘CLK, 產(chǎn)生內(nèi)部時(shí)鐘、控制信號(hào)等，并且通過(guò)使用內(nèi)部時(shí)鐘進(jìn)行電路操作， 可以以比基于主時(shí)鐘MCK的情況更快的速度來(lái)執(zhí)行各種信號(hào)處理 (諸如用于將模擬像素信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的AD轉(zhuǎn)換處理以及用 于向外部輸出視頻數(shù)據(jù)的輸出處理)。
多相時(shí)鐘發(fā)生單元20由例如延遲鎖定環(huán)(DLL ) 201組成，并 通過(guò)將恒定相位差(延遲)賦予在時(shí)鐘轉(zhuǎn)換單元(乘法器電路)18 產(chǎn)生并經(jīng)由計(jì)時(shí)控制電路19提供的高速時(shí)鐘來(lái)輸出多相時(shí)鐘(例 如，四相時(shí)鐘CKO、 CK1、 CK2以及CK3)。將在后面對(duì)延遲鎖定 環(huán)201的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。
在列掃描電i 各16的控制下，信號(hào)處理單元21 4妄收通過(guò)水平輸 出線17從列處理單元14的歹J ADC單元22-1 ~ 22-n讀取的凄丈字凄t
據(jù)，并對(duì)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)執(zhí)行諸如解碼(將在后面描述)的信號(hào)處理并將 其作為一見(jiàn)頻數(shù)據(jù)輸出。
(列ADC單元)
接下來(lái)，將對(duì)列ADC單元(模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元)22-l~22-n 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。
各個(gè)歹'J ADC單元22-1 ~ 22-n通過(guò)列信號(hào)線122-1 ~ 122-n將從
像素陣列單元12的每個(gè)單位像素11讀取的模擬像素信號(hào)與由參考 信號(hào)發(fā)生單元15提供的用于轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的參考信號(hào)進(jìn)行比較， 并產(chǎn)生具有對(duì)應(yīng)于基準(zhǔn)成分和信號(hào)成分的各個(gè)大小的時(shí)間軸方向 上的大小(脈沖寬度)的脈沖信號(hào)。在脈沖信號(hào)的脈沖寬度(時(shí)間 軸方向上的信息)的時(shí)間段內(nèi)對(duì)預(yù)定時(shí)鐘計(jì)H并通過(guò)將計(jì)凄t值作支 設(shè)為對(duì)應(yīng)于像素信號(hào)的大小的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換。
將參照?qǐng)D1對(duì)列ADC單元22-1 ~ 22-n的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)進(jìn)行具體描 述。所有的列ADC單元22-1 ~ 22-n具有相同的結(jié)構(gòu)，下文中將以 列ADC 22-n作為實(shí)例進(jìn)行描述。
歹'J ADC 22-n被配置為包括電壓比較單元(比較器)221、第 一鎖存器單元222、作為計(jì)數(shù)裝置實(shí)例的計(jì)數(shù)器(例如，向上/向下 計(jì)數(shù)器(在圖1中表示為U/D計(jì)數(shù)器)223)以及第二鎖存器單元 224。
作為比較單元實(shí)例的電壓比較單元221將與從像素陣列單元 12的第n列中的單位像素11經(jīng)由列信號(hào)線122-n輸出的模擬像素 信號(hào)相對(duì)應(yīng)的信號(hào)電壓Vx與由參考信號(hào)發(fā)生單元15提供的斜坡波 形的參考電壓RAMP進(jìn)行比較，以將像素信號(hào)的大小轉(zhuǎn)換為時(shí)間軸 方向上的信息(月永沖信號(hào)的月永沖寬度)。例如，當(dāng)參考電壓RAMP
高于信號(hào)電壓Vx時(shí)電壓比較單元221的比較輸出Vco變?yōu)楦唠娖剑?而當(dāng)參考電壓RAMP不高于信號(hào)電壓Vx時(shí)電壓比較單元221的比 較輸出Vco變?yōu)榈碗娖健?br> 第一鎖存器單元222接收電壓比較單元221的比較輸出Vco, 并在比較輸出Vco反轉(zhuǎn)的時(shí)刻，鎖存(保持/儲(chǔ)存)通過(guò)多相時(shí)鐘 發(fā)生單元20產(chǎn)生的四相時(shí)鐘(CK0、 CK1、 CK2以及CK3)的邏 輯狀態(tài)，即，邏輯是"1"(高電平)還是"0"(低電平)。
作為計(jì)凄t器單元的實(shí)例的向上/向下計(jì)^t器223通過(guò)，H殳例如 四相時(shí)鐘CK0、 CK1、 CK2以及CK3中通過(guò)第一鎖存器單元222 沖是供的時(shí)4中CK0 (高速時(shí)鐘CLK)作為計(jì)lt時(shí)鐘，4丸4亍向上/向下 計(jì)數(shù)操作，從而測(cè)量電壓比較單元221從比較處理起始時(shí)刻到比較 處理結(jié)束時(shí)刻的比較時(shí)間段(-計(jì)數(shù)值x計(jì)數(shù)時(shí)鐘周期)。
具體地，在進(jìn)行從一個(gè)單位像素11讀取信號(hào)的操作時(shí)，向上/ 向下計(jì)數(shù)器223在由計(jì)時(shí)控制單元19提供的控制信號(hào)的控制下， 通過(guò)在進(jìn)行第 一 次讀取操作時(shí)執(zhí)行向下計(jì)數(shù)來(lái)測(cè)量第 一 次讀取操 作的比較時(shí)間，通過(guò)在進(jìn)行第二次讀取4喿作時(shí)4丸行向上計(jì)數(shù)來(lái)測(cè)量 第二次讀取操作的比較時(shí)間。
盡管向上/向下計(jì)數(shù)器223在第一次讀取操作期間執(zhí)行向下計(jì) 數(shù)并在第二次讀取操作期間執(zhí)行向上計(jì)數(shù)，但也可以采用在第一次 讀取操作期間執(zhí)行向上計(jì)數(shù)而在第二次讀取操作期間執(zhí)行向下計(jì) 數(shù)的結(jié)構(gòu)。將在后面對(duì)第 一 次和第二次讀取操作的細(xì)節(jié)進(jìn)行描述。
在計(jì)時(shí)控制單元19的控制下，第二鎖存器單元224鎖存向上/ 向下計(jì)數(shù)器223的最終計(jì)數(shù)值?？蓪⒕哂墟i存功能的計(jì)數(shù)器用作向 上/向下計(jì)數(shù)器223。在這種情況下，不需要第二鎖存器單元224。
在列掃描電路16的列掃描控制下，第一鎖存器單元和第二鎖
存器單元222和224的各個(gè)鎖存數(shù)據(jù)作為對(duì)應(yīng)于單位像素11的模 擬像素信號(hào)的數(shù)字像素?cái)?shù)據(jù)，被依次讀取到水平輸出線17,并通過(guò) 水平輸出線17傳送到信號(hào)處理單元21。
第一鎖存器單元222的鎖存數(shù)據(jù)是對(duì)應(yīng)于四相時(shí)鐘CKO ~ CK3 的4位數(shù)據(jù)。第二鎖存器單元224的鎖存數(shù)據(jù)是例如10位數(shù)據(jù)。 10位lt據(jù)僅是一個(gè)實(shí)例，而允許具有比IO位小的位數(shù)(例如，8 位)的數(shù)據(jù)或具有比10位大的位凄t (例如，14位)的數(shù)據(jù)。
(多相時(shí)鐘發(fā)生單元)
接下來(lái)，參照?qǐng)D2，將對(duì)構(gòu)成多相時(shí)鐘發(fā)生單元20的延遲鎖定 環(huán)201的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。圖2是示出延遲鎖定環(huán)201的結(jié)構(gòu)的 一個(gè)實(shí)例的方框圖。
本實(shí)例的延遲鎖定環(huán)(DLL) 201由分頻電^各31、反相器32、 (主)延遲電路33、相位比較器34、電荷泵35、環(huán)路濾波器36、 (A人)延遲電3各37以及時(shí)4"H吏能電3各38-0— 38-3纟且成。
(主)延遲電路33由n階串聯(lián)連接的延遲電路331-1 ~331-n 和(n-l )個(gè)連接到延遲電路331-1 ~331-n-l的各個(gè)輸出端的緩存器 332-1 ~ 332-n畫l構(gòu)成。
延遲電路331-1 ~331-n的階數(shù)n由分頻電路31的分頻比率來(lái) 確定。具體的，4安以下方法確定當(dāng)分頻電^各31的分頻比率為2 時(shí)，階凄史為4;當(dāng)分頻比率為4時(shí)，階#:為8;當(dāng)分頻比率為8時(shí)， 階凄t為16;當(dāng)分頻比率為16時(shí)，階凄t為32等。但是，延遲電路331-1 ~331-n的階數(shù)n由多相時(shí)鐘的相位數(shù)確 定。更具體的，延遲電路331-1 ~331-n的階數(shù)n由以下公式確定
『(多相時(shí)鐘的相位數(shù))x (分頻比率)/2
(乂人)延遲電3各37由五個(gè)串if關(guān)連接的延遲電^各371-1 -371-5 和四個(gè)連接到延遲電3各371-1 - 371-4的各個(gè)輸出端的IC存器 372-1 ~ 372-4組成。
在如上所述構(gòu)造的延遲鎖定環(huán)201中，分頻電^各31只于專lr入時(shí) 鐘進(jìn)行分頻，在相位比4交器34將在(主)延遲電^各33處延遲的延 遲時(shí)鐘與由反相器32對(duì)分頻電路31的輸出進(jìn)行反轉(zhuǎn)而獲得的反轉(zhuǎn) 時(shí)鐘進(jìn)行比較，并通過(guò)電荷泵35和環(huán)路濾波器36執(zhí)行驅(qū)動(dòng)能力控 制以使相位一致。以這種方式，控制(主)延遲電路33的延遲量。
利用驅(qū)動(dòng)能力控制，也對(duì)(從)延遲電路37的延遲量進(jìn)行控 制。由于(從)延遲電路的延遲電路371 (371-1 -371-5)的一階 是(主)延遲電路33的延遲電路331 (331-1 -331-5)的一階的復(fù) 制，所以(從)延遲電路37的一階的延遲與(主)延遲電路33的 一階的延遲一至丈。
通過(guò)(從)延遲電^各37賦予恒定相位差(延遲)的時(shí)鐘根據(jù) 從計(jì)時(shí)控制單元19 (參照?qǐng)D1 )輸入到延遲鎖定環(huán)201的時(shí)鐘控制 -f言號(hào)在時(shí)^H吏能電3各38-0 -38-3處豐#出/4亭止，并作為四相時(shí)4中 CK0、 CK1、 CK2以及CK3llT出。
(信號(hào)處理單元)
接下來(lái)，將描述在信號(hào)處理單元21的一個(gè)功能下(即，在列 掃描電路16的控制下)，對(duì)從歹'J ADC單元22-1 ~ 22-n依次讀出的
數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行解碼的解碼單元。
圖3是示出信號(hào)處理單元21的解碼單元的構(gòu)造實(shí)例的框圖。 如圖3所示，本實(shí)例的解碼單元210由解碼器211和212、差分電 ^各213和4昔^f立i十算電3各(borrow calculation circuit) 214纟且成。
解碼單元210將用于鎖存基于高速時(shí)鐘CLK的四相時(shí)鐘CK0、 CK1、 CK2以及CK3的邏輯狀態(tài)的第一鎖存器單元222的鎖存數(shù) 據(jù)以及用于鎖存向上/向下計(jì)數(shù)器223的計(jì)凌"直的第二鎖存器單元 224的鎖存數(shù)據(jù)解碼到低于向上/向下計(jì)數(shù)器223的計(jì)數(shù)值的最低位 的二進(jìn)制輸出擴(kuò)展位。
將在后面對(duì)用于鎖存四相時(shí)鐘CK0、 CK1、 CK2以及CK3的 邏輯狀態(tài)的第一鎖存器單元222的鎖存數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)進(jìn)行描述，但是鎖 存數(shù)據(jù)由在向上/向下計(jì)數(shù)器223的向下計(jì)數(shù)期間鎖存的鎖存輸出 (向下)和在向上計(jì)數(shù)期間鎖存的鎖存輸出(向上)構(gòu)成。
解碼器211和212根據(jù)圖4所示的解碼表的內(nèi)容對(duì)鎖存輸出(向 下)和鎖存輸出(向上)進(jìn)行解碼。具體地，四位的輸入是在MSB 的鎖存3, 4妄下來(lái)是鎖存2和鎖存1,以及在LSB的鎖存0 (將在 后面描述鎖存0 ~鎖存3的內(nèi)容)。輸入0001被解碼為2位的輸出 00， 00113皮解碼為01, Olll尋皮解碼為10， 1111^皮解碼為11, 1110 尋皮角罕石馬為00， 1100 4皮角竿石馬為01， 1000 ^皮解石馬為10，而oooo^皮角孕
碼為11。
差分電路213計(jì)算在解碼器211和212的各個(gè)解碼輸出之間的 差分(difference,差)，即，在來(lái)自鎖存輸出(向上)的解碼值和 來(lái)自鎖存輸出(向下)的解碼值之間的差分。
當(dāng)來(lái)自鎖存輸出(向下)的解碼值大于來(lái)自鎖存輸出(向上)
的解碼值時(shí)，借位計(jì)算電路214對(duì)作為向上/向下計(jì)數(shù)器223的計(jì)數(shù) 值的鎖存輸出的計(jì)數(shù)輸出(10位)執(zhí)行借位計(jì)算處理，從而在來(lái)自 加上借位的鎖存輸出(向上)的解碼值和來(lái)自鎖存輸出(向下)的 解碼值之間執(zhí)行差分計(jì)算。
這樣獲得的差分計(jì)算結(jié)果作為從向上/向下計(jì)數(shù)器223的輸出 (10位)擴(kuò)展低2位的10位+2位的視頻數(shù)據(jù)而從信號(hào)處理單元21 輸出。
接下來(lái)，將參照?qǐng)D5的時(shí)序圖，對(duì)具有上述結(jié)構(gòu)的CMOS圖像 傳感器的全部纟喿作(特別是列ADC單元22-1 ~ 22-n的操作)進(jìn)行描述。
盡管省略了對(duì)單位像素11的具體操作的描述，但眾所周知的 是，在單位像素11中所執(zhí)行的有由重置晶體管進(jìn)行的重置操作和 由轉(zhuǎn)移晶體管進(jìn)行的轉(zhuǎn)移操作。
在重置操作中，將當(dāng)重置為預(yù)定電位時(shí)的浮置擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)的電位 作為基準(zhǔn)成分(重置成分)從單位像素11中讀取到列信號(hào)線122-1 ~ 122-n。在轉(zhuǎn)移操作中，當(dāng)從光電轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)移由光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電 荷時(shí)，將浮置擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)的電位作為信號(hào)成分從單位像素11讀取到 列4言號(hào)線122-1 ~ 122-n。
歹'J ADC單元22-1 ~ 22-n中的AD轉(zhuǎn)換方式，即，用于將從像 素陣列12的各個(gè)單位像素11輸出的模擬像素信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào) 的方式，采用如下方法。
即，例如，4臾索以預(yù)定傾斜度降^f氐的斜i皮波形的參考電壓
RAMP和由單位1象素4是供的像素信號(hào)的基準(zhǔn)成分和信號(hào)成分的各 個(gè)電壓一致處的點(diǎn)。通過(guò)利用高速時(shí)鐘CLK的計(jì)lt和具有恒定相 位差的多相時(shí)鐘(在本實(shí)例中，四相時(shí)鐘CK0 ~ CK3 )的邏輯狀態(tài)， 測(cè)量從用于比較處理的參考電壓RAMP產(chǎn)生時(shí)到參考電壓RAMP 與對(duì)應(yīng)于像素信號(hào)的基準(zhǔn)成分和信號(hào)成分的信號(hào) 一致時(shí)的時(shí)間段。 以這種方式，獲得對(duì)應(yīng)于基準(zhǔn)成分和信號(hào)成分的各個(gè)大小的數(shù)字?jǐn)?shù) 據(jù)。
在第一次讀取4喿作期間，從像素陣列單元12的所選行的每個(gè) 單位像素11讀取包含像素信號(hào)的噪聲的重置成分(基準(zhǔn)成分)AV 作為模擬像素信號(hào)。接下來(lái)，在第二次讀取操作期間，讀取信號(hào)成 分Vsig。將重置成分AV和信號(hào)成分Vsig通過(guò)列信號(hào)線122-1 ~ 122-n按時(shí)間序列輸入到列ADC單元22-1 ~ 22-n。
在第一次讀耳又的重置成分AV包含作為偏差的在每個(gè)單位-像素 11中不同的固定圖樣的噪聲。在第二次讀取4喿作期間，除了重置成 分AV外，還讀耳又對(duì)應(yīng)于每個(gè)單位像素11的入射光量的信號(hào)成分 Vsig。接下來(lái)，對(duì)重置成分AV^L行第一 AD轉(zhuǎn)換處理，對(duì)其中將 信號(hào)成分Vsig添加到重置成分AV的信號(hào)進(jìn)行第二 AD轉(zhuǎn)換處理。
<第一次讀耳又#喿作>
對(duì)于第一次讀取操作，計(jì)時(shí)控制單元19首先將向上/向下計(jì)數(shù) 器223的計(jì)數(shù)值重置為初始值"0"，并設(shè)置向上/向下計(jì)數(shù)器223為 向下計(jì)數(shù)模式。
在從任意像素行的單位像素11到列信號(hào)線122-1 ~ 122-n的第
一次讀取操作穩(wěn)定后，計(jì)時(shí)控制單元19向參考信號(hào)發(fā)生單元15的 積分器151提供用于產(chǎn)生參考信號(hào)RAMP的控制數(shù)據(jù)。 由于從計(jì)時(shí)控制單元19提供用于產(chǎn)生參考信號(hào)RAMP的控制 數(shù)據(jù)，參考信號(hào)發(fā)生單元15輸入總體上以斜坡?tīng)铍S時(shí)間變化的參 考電壓RAMP，作為提供給電壓比較單元221的一個(gè)輸入端的比較 電壓。電壓比4交單元221將刮-;皮波形的參考電壓RAMP與l象素陣列 單元12的所選行的每個(gè)單位像素11所提供的模擬信號(hào)電壓Vx進(jìn) 行比較。
此時(shí)，在將參考電壓RAMP輸入到電壓比壽交單元221的同時(shí)(時(shí) 刻tl ),為了使在每列中設(shè)置的向上/向下計(jì)數(shù)器223測(cè)量電壓比較 單元221的比較時(shí)間，同步于由參考信號(hào)發(fā)生單元15產(chǎn)生的參考 電壓RAMP的4t入，將計(jì)婆史時(shí)4中CK0 /人延遲鎖定環(huán)(DLL) 201 通過(guò)第一鎖存器單元222輸入到向上/向下計(jì)數(shù)器223的時(shí)鐘端。
作為第一次計(jì)數(shù)操作，向上/向下計(jì)數(shù)器223從初始值"0"開(kāi) 始向下計(jì)凄史。即，向上/向下計(jì)凄丈器223以負(fù)方向開(kāi)始計(jì)凄丈處理。
基于來(lái)自時(shí)鐘轉(zhuǎn)換單元18的高速時(shí)鐘CLK，在延遲鎖定環(huán)201 處產(chǎn)生計(jì)數(shù)時(shí)鐘CKO，因此，計(jì)數(shù)時(shí)鐘的速度快于從外部輸入的主 時(shí)鐘MCK的速度。另外，由于延遲鎖定環(huán)201的影響，計(jì)數(shù)時(shí)鐘 CK0相對(duì)于其他時(shí)鐘(CK1 ~ CK3 )維持恒定相位差。
電壓比較單元221將來(lái)自參考信號(hào)發(fā)生單元15的斜坡?tīng)顓⒖?電壓RAMP與乂人所選^f亍的單位^象素11通過(guò)列4言號(hào)線122-1 ~ 122-n
輸入的信號(hào)電壓Vx進(jìn)行比較，并在這兩個(gè)電壓一致時(shí)，將比較輸 出Vco 乂人高電平反轉(zhuǎn)為j氐電平。
即，在第一次讀取操作期間，電壓比較單元221將對(duì)應(yīng)于單位 像素11的重置成分(基準(zhǔn)成分)AV的信號(hào)電壓與參考電壓RAMP 進(jìn)行比較，在經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)于重置成分AV的大小的時(shí)間后，輸出有源
低脈沖信號(hào)(比較輸出VCO),并將輸出信號(hào)提供給第一鎖存器單
元222。
圖6是示出比較輸出Vco反轉(zhuǎn)前和反轉(zhuǎn)后的時(shí)序關(guān)系的放大示 圖。在與有源低比較輸出Vco反轉(zhuǎn)時(shí)大致相同的時(shí)刻，第一鎖存器 單元222鎖存從延遲鎖定環(huán)201才是供的四相時(shí)鐘CK0 ~ CK3的邏輯 狀志(鎖存0 ~鎖存3 )。鎖存數(shù)據(jù)保持在第一鎖存器單元222中直 到鎖存數(shù)據(jù)被列掃描電路16的列掃描讀出。
一旦接收到第一鎖存器單元222的鎖存結(jié)果，向上/向下計(jì)數(shù)器 223停止向下計(jì)數(shù)操作。更具體地，在第一鎖存器單元222中，鎖 存0變?yōu)楣潭ㄔ谶壿?1"(高電平)的狀態(tài)，并且由于停止了從第 一鎖存器單元222給向上/向下計(jì)數(shù)器223提供計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0，所 以向上/向下計(jì)數(shù)器223在與比4交輸出Vco反轉(zhuǎn)時(shí)大致相同的時(shí)刻 停止計(jì)數(shù)操作(時(shí)刻t2 )。
換言之，在第一鎖存器單元222接收到有源低比較輸出Vco的
反轉(zhuǎn)后鎖存四相時(shí)鐘CK0 CK3的邏輯狀態(tài)時(shí)的同一時(shí)刻，向上/
向下反相器223停止計(jì)數(shù)操作。第一鎖存器單元222獲取比向上/
向下計(jì)數(shù)器223的計(jì)數(shù)值的最低位更詳細(xì)的時(shí)間信息作為鎖存列信信息。
在上述實(shí)例中，鎖存0變?yōu)楣潭ㄔ谶壿?1"(高電平)的狀態(tài)， 并且停止了沖是供計(jì)數(shù)時(shí)鐘CKO, ^f旦是在實(shí)際操作中，即4吏在鎖存0 變?yōu)楣潭ㄔ谶壿?0"(低)的狀態(tài)時(shí)，也停止提供計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0。 即，不4又在鎖存0為邏輯"1"時(shí)，而且還在鎖存0為邏輯"0"時(shí) 都停止纟是供計(jì)凄t時(shí)鐘CK0。
在本實(shí)例中，通過(guò)第一鎖存器單元222將作為計(jì)數(shù)時(shí)鐘的時(shí)鐘 CK0 4是供給用于測(cè)量時(shí)間的向上/向下計(jì)數(shù)器223，并且在第一鎖存
器單元222鎖存的時(shí)刻停止給向上/向下計(jì)數(shù)器223提供時(shí)鐘CK0。 但是，也可以采用這樣的配置，其中例如，時(shí)鐘CKO可直接由多相 時(shí)鐘發(fā)生單元20提供給向上/向下計(jì)數(shù)器223，并且在電壓比較單 元221的比較輸出Vco反轉(zhuǎn)的時(shí)刻停止給向上/向上計(jì)數(shù)器223提 供時(shí)鐘CK0。
在上述結(jié)構(gòu)中，通過(guò)保持具有恒定相位差的四相時(shí)鐘CK0~ CK3的邏輯狀態(tài)的第一鎖存器單元222，將高速時(shí)鐘CLK (在本實(shí) 例中，時(shí)鐘CK0 )提供給向上/向下計(jì)數(shù)器223。根據(jù)上述，喿作顯而 易見(jiàn)的是，由于在第一鎖存器單元222鎖存四相時(shí)鐘CK0 CK3的 邏輯狀態(tài)時(shí)自動(dòng)停止提供時(shí)鐘CKO,所以不需要提供用于停止向計(jì) 數(shù)器223提供計(jì)數(shù)時(shí)鐘的特定裝置，這樣的優(yōu)點(diǎn)在于可以簡(jiǎn)化電路 構(gòu)造。
以這種方式，在參考信號(hào)發(fā)生單元15在時(shí)刻tl時(shí)產(chǎn)生斜坡波 形的參考電壓RAMP時(shí)的相同時(shí)刻，向上/向下計(jì)凄t器223開(kāi)始向 下計(jì)數(shù)。在時(shí)鐘CKO執(zhí)行計(jì)數(shù)，直到通過(guò)電壓比較單元221的比較 處理獲得有源低脈沖信號(hào)(即，直到電壓比較單元221的比較輸出 Vco反轉(zhuǎn))，并且在比較輸出Vco反轉(zhuǎn)的時(shí)刻鎖存具有恒定相位差 并且通過(guò)延遲鎖定環(huán)201獲得的四相時(shí)鐘CKO ~ CK3的邏輯狀態(tài)。 因此可以獲得具有對(duì)應(yīng)于重置成分AV的大小的計(jì)數(shù)值的位列和比 計(jì)數(shù)值的最低位更詳細(xì)的時(shí)間信息。
在經(jīng)過(guò)預(yù)定的向下計(jì)^:時(shí)間-敬后(時(shí)刻t3 )，計(jì)時(shí)控制單元19 停止向參考信號(hào)發(fā)生單元15提供控制數(shù)據(jù)并且停止從多相時(shí)鐘發(fā) 生單元20向第 一鎖存器單元222 ^是供四相時(shí)鐘CKO ~ CK3。因此， 參考信號(hào)發(fā)生單元15停止產(chǎn)生斜坡?tīng)畹膮⒖茧妷篟AMP。
<第二次讀取4乘作>
在接下來(lái)的第二次讀取4喿作時(shí)，除了重置成分AV外，還讀出 對(duì)應(yīng)于每個(gè)單位-像素11的入射光量的信號(hào)成分Vsig，并#^于類似 于第一次讀取操作的操作。即，首先計(jì)時(shí)控制單元19將向上/向下 計(jì)數(shù)器223設(shè)置為向上計(jì)數(shù)模式。
在從任意^f象素行的單位像素11到列信號(hào)線122-1 ~ 122-n的第 二次讀取操作穩(wěn)定后，計(jì)時(shí)控制單元19向參考信號(hào)發(fā)生單元15的 積分器151提供用于產(chǎn)生參考信號(hào)RAMP的控制數(shù)據(jù)。
由于從計(jì)時(shí)控制單元19 ^是供用于產(chǎn)生參考信號(hào)RAMP的控制 數(shù)據(jù)，參考信號(hào)發(fā)生單元15輸入總體上以斜坡?tīng)铍S時(shí)間變化的參 考電壓RAMP，作為提供給電壓比較單元221的一個(gè)輸入端的比較 電壓。電壓比較單元221將斜坡波形的參考電壓RAMP與像素陣列 單元12的所選行的每個(gè)單位像素11所提供的模擬信號(hào)電壓Vx進(jìn) 行比較。
在將參考電壓RAMP輸入到電壓比較單元221時(shí)的相同時(shí)刻 (時(shí)刻t4)，為了使在每列中設(shè)置的向上/向下計(jì)數(shù)器223測(cè)量在電 壓比較單元221的比較時(shí)間，同步于參考信號(hào)發(fā)生單元15產(chǎn)生的 參考電壓RAMP的輸入，將計(jì)凄t時(shí)鐘CK0 乂人延遲鎖定環(huán)201通過(guò) 第一鎖存器單元222輸入到向上/向下計(jì)數(shù)器223的時(shí)鐘端。
作為與第一次讀取操作相反的第二次計(jì)數(shù)操作，向上/向下計(jì)數(shù) 器223從對(duì)應(yīng)于在第一次讀取操作時(shí)獲得的單位像素11的重置成 分AV的計(jì)數(shù)值起開(kāi)始向上計(jì)數(shù)。即，向上/向下計(jì)數(shù)器223以正方 向開(kāi)始計(jì)凄t處理。
電壓比較單元221將從參考信號(hào)發(fā)生單元15提供的斜坡?tīng)顓?考電壓RAMP與從所選行的單位像素11通過(guò)列信號(hào)線122-1 ~
122-n輸入的信號(hào)電壓Vx進(jìn)行比較，并在這兩個(gè)電壓一致時(shí)，將比 較輸出Vco從高電平反轉(zhuǎn)為低電平。
即，將對(duì)應(yīng)于信號(hào)成分Vsig的信號(hào)電壓與參考電壓RAMP進(jìn) 行比較，在經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)于信號(hào)成分Vsig的大小的時(shí)間后，將有源低脈 沖信號(hào)(比較輸出Vco)輸出并提供給第一鎖存器單元222。
一旦接收到有源低比較輸出Vco，第一鎖存器單元222鎖存(鎖 存0 ~鎖存3 )從延遲鎖定環(huán)201沖是供的四相時(shí)鐘CKO ~ CK3的邏 輯狀態(tài)。該鎖存數(shù)據(jù)獨(dú)立于第一次讀取操作期間的鎖存數(shù)據(jù)而保持 在第一鎖存單元222中，直到通過(guò)列掃描電路16的列掃描而讀出。
一旦接收到第一鎖存器單元222的鎖存結(jié)果，向上/向下計(jì)數(shù)器 223停止向上計(jì)數(shù)操作。更具體地，在第一鎖存器單元222中，鎖 存0變?yōu)楣潭ㄔ谶壿?1"(高電平)的狀態(tài)，并且停止從第一鎖存 器單元222給向上/向下計(jì)數(shù)器223 ^是供計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0。因此，向 上/向下計(jì)數(shù)器223在與比較輸出Vco反轉(zhuǎn)時(shí)大致相同的時(shí)刻停止 計(jì)數(shù)操作(時(shí)刻t5 )。
換言之， 一旦接收到有源低比較輸出Vco的反轉(zhuǎn)，第一鎖存器 單元222鎖存四相時(shí)4中CKO ~ CK3的還輯狀態(tài)，并且在相同時(shí)刻， 向上/向下計(jì)數(shù)器223停止計(jì)數(shù)操作。
與上述向下計(jì)數(shù)操作類似，在向上計(jì)數(shù)操作時(shí)，同樣不僅在鎖 存0為邏輯"1"時(shí)停止提供計(jì)數(shù)時(shí)鐘CK0，而且在鎖存0為邏輯 "0"時(shí)也4f止4是供計(jì)數(shù)時(shí)鐘CKO。
如上所述，當(dāng)在時(shí)刻t4在參考信號(hào)發(fā)生單元15產(chǎn)生斜坡波形 的參考電壓RAMP時(shí)的同時(shí)，向上/向下計(jì)lt器223 ,人對(duì)應(yīng)于重置 成分AV的計(jì)數(shù)值起開(kāi)始向上計(jì)數(shù)。在時(shí)鐘CK0執(zhí)行計(jì)數(shù)，直到通
過(guò)電壓比較單元221的比較處理獲得有源低脈沖信號(hào)(即，直到電 壓比較單元221的比較輸出Vco反轉(zhuǎn))，并且在比較輸出Vco反轉(zhuǎn) 的時(shí)刻鎖存具有恒定相位差并且通過(guò)延遲鎖定環(huán)201獲得的四相時(shí) 鐘CK0 ~ CK3的邏輯狀態(tài)。因此能夠獲得具有對(duì)應(yīng)于信號(hào)成分Vsig 的大小的計(jì)數(shù)值的位列和比計(jì)數(shù)值的最低位更詳細(xì)的時(shí)間信息。
在經(jīng)過(guò)預(yù)定的向上計(jì)數(shù)時(shí)間段后(時(shí)刻t6),由計(jì)時(shí)控制單元 19停止向參考信號(hào)發(fā)生單元15提供控制數(shù)據(jù)并且停止從多相時(shí)鐘 發(fā)生單元20向第一鎖存器單元222提供四相時(shí)鐘CK0-CK3。因 此，參考信號(hào)發(fā)生單元15停止產(chǎn)生斜坡?tīng)畹膮⒖茧妷篟AMP。
如上所述，在CMOS圖像傳感器10中，將重置成分AV和信 號(hào)成分Vsig從像素陣列單元12的所選行的每個(gè)單位像素11通過(guò)列 信號(hào)線122-1 ~ 122-n按時(shí)間序列輸入到列ADC單元22-1 ~ 22-n。 在CMOS圖像傳感器10中，向上/向下計(jì)數(shù)器223執(zhí)行作為第一次 計(jì)數(shù)操作的向下計(jì)數(shù)操作以及作為第二次計(jì)數(shù)操作的向上計(jì)數(shù)操 作，由此在向上/向下計(jì)數(shù)器223中自動(dòng)執(zhí)行(第二次的比較時(shí)間) -(第一次的比較時(shí)間)的減法處理，并且在向上/向下計(jì)數(shù)器223 中保持對(duì)應(yīng)于減法運(yùn)算結(jié)果的計(jì)數(shù)值。
(第二次的比較時(shí)間)-(第一次的比較時(shí)間)=(信號(hào)成分 Vsig+重置成分AV+歹'J ADC單元22的偏移成分)-(重置成分A V+ 列ADC單元22的偏移成分)—言號(hào)成分Vsig。因此，兩次讀取才乘 作和在向上/向下計(jì)數(shù)器223的減法處理去不僅消除了包含每個(gè)單 位像素11的變化的重置成分AV,而且消除了各個(gè)列ADC單元22 (22-l~22-n)的偏差成分。因此，可以只揭:耳又對(duì)應(yīng)于每個(gè)單^U象 素11的入射光量的信號(hào)成分Vsig。
消除包含每個(gè)單位-像素11的變化的重置成分AV的處理是所謂 的相關(guān)雙采樣(CDS)處理。盡管在本實(shí)施例中在列ADC單元22
(22-1 ~ 22-n )處執(zhí)行該CDS處理，但是也可以配置為在隨后階段 的信號(hào)處理單元21處執(zhí)行CDS處理。在這種情況下，由于不需要 列ADC單元22 ( 22-1 ~ 22-n) #丸4亍減法處理，所以可4吏用普通的 計(jì)數(shù)器來(lái)取代向上/向下計(jì)數(shù)器223。
在計(jì)時(shí)控制單元19的控制下，通過(guò)第二鎖存器單元224鎖存 作為根據(jù)第二次讀取操作的減法運(yùn)算結(jié)果保持在向上/向上計(jì)數(shù)器 223中的計(jì)數(shù)值。將通過(guò)第二鎖存器單元224鎖存的一行的計(jì)數(shù)值 通過(guò)列掃描電路16的列掃描依次讀取到水平輸出線17，并將其作 為對(duì)應(yīng)于信號(hào)成分Vsig的大小的位列的像素?cái)?shù)據(jù)提供給信號(hào)處理 單元21。
在對(duì)應(yīng)于信號(hào)成分Vsig的大小的像素?cái)?shù)據(jù)的讀取操作期間， 將在第一次讀取操作(向下)期間和在第二次讀取操作(向上)期 間通過(guò)列掃描電3各16的列掃描鎖存在第一鎖存器單元222中的鎖 存數(shù)據(jù)依次地讀取到水平輸出線17，并將其提供給信號(hào)處理單元 21。
由信號(hào)處理單元21中的解碼器211和212對(duì)具有比在第一鎖 存器單元222處獲得的計(jì)數(shù)值的最低位更詳細(xì)的時(shí)間信息的位列 (即，第一次和第二次各自的鎖存數(shù)據(jù))進(jìn)行解碼，并在差分電路 213獲得這兩個(gè)凄t據(jù)之間的差分。
如上所述，通過(guò)產(chǎn)生具有恒定相位差的多相時(shí)鐘并且通過(guò)在才莫 擬像素信號(hào)的信號(hào)電壓Vx和斜坡波形的參考電壓RAMP之間的比 較輸出Vco反轉(zhuǎn)時(shí)鎖存多相時(shí)鐘的邏輯狀態(tài)，可以通過(guò)高速時(shí)鐘 CLK獲得具有比向上/向下計(jì)數(shù)器223的計(jì)數(shù)值的最低位更詳細(xì)的 時(shí)間信息的位列。
在本實(shí)例中，例如，四相時(shí)鐘CKO ~ CK3 #皮用作多相時(shí)鐘，并 且高速時(shí)鐘CLK(在本實(shí)例中，時(shí)鐘CK0)的一個(gè)時(shí)鐘的持續(xù)時(shí)間 可被劃分為四個(gè)時(shí)期。因此可以獲得具有詳細(xì)時(shí)間信息的位列，該 時(shí)間信息為高速時(shí)鐘CLK的一個(gè)時(shí)鐘周期的四分之一單位。通過(guò) 增加多相時(shí)鐘的相位數(shù)，可以獲得具有更詳細(xì)時(shí)間信息的位列。
通過(guò)在隨后階段的信號(hào)處理單元21對(duì)具有比向上/向下計(jì)數(shù)器 223的計(jì)數(shù)值的最低位更詳細(xì)的時(shí)間信息的位列進(jìn)行解碼，可將解 碼數(shù)據(jù)通過(guò)高速時(shí)鐘CLK作為較低位輸出值加入到向上/向下計(jì)數(shù) 器223的計(jì)數(shù)值。因此，當(dāng)對(duì)相同位寬執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換時(shí)，可以減小 向上/向下計(jì)數(shù)器223的位寬。
因此，比減小向上/向下計(jì)數(shù)器223的位寬的相應(yīng)AD轉(zhuǎn)換更快 的AD轉(zhuǎn)換成為可能，而不受向上/向下計(jì)數(shù)器223的操作速度的限 制。如果在相同AD轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換，則可以增寬AD轉(zhuǎn) 換的位寬。
在上述實(shí)施例中，通過(guò)引用將本發(fā)明應(yīng)用于CMOS圖像傳感器 的實(shí)例進(jìn)行描述，該CMOS圖像傳感器具有以矩陣狀排列的單位像 素并將對(duì)應(yīng)于可見(jiàn)光量的電荷量的信號(hào)電荷作為物理量進(jìn)行檢測(cè)。 但是，本發(fā)明不限于應(yīng)用于CMOS圖像傳感器，還可應(yīng)用于具有 ADC單元(對(duì)應(yīng)于像素陣列單元的像素列設(shè)置)的列(歹'J并行) AD轉(zhuǎn)換方式的普通固態(tài)圖像拍攝裝置。
此外，本發(fā)明的應(yīng)用不限于用于通過(guò)4企測(cè)可見(jiàn)光入射量的分布 拍攝圖像的固態(tài)圖像拍攝裝置，還可應(yīng)用于用于拍攝紅外線、X-射 線、粒子等的入射量的分布作為圖像的固態(tài)圖像拍攝裝置，而且廣 義上講，可應(yīng)用于諸如指紋檢測(cè)傳感器的普通固態(tài)圖像拍攝裝置(物理量分布檢測(cè)裝置)，所述裝置用于4企測(cè)并拍攝諸如壓力和靜 電容量的其他物理量的分布作為圖像。
另夕卜，本發(fā)明的應(yīng)用不限于用于通過(guò)基于行單位依次掃描像素 陣列單元的每個(gè)單位像素而從每個(gè)單位像素中讀取像素信號(hào)的固
態(tài)圖像拍攝裝置，還可應(yīng)用于X-Y地址型固態(tài)圖像拍攝裝置，該裝
置用于基于像素單位選擇任意像素并基于像素單位從所選擇的像 素中讀耳又信號(hào)。
固態(tài)圖像拍攝裝置可以是一塊芯片的形式，或是具有圖像拍攝 功能并且將成像單元與信號(hào)處理單元或光學(xué)系統(tǒng)整體組裝在一起 的模塊的形式。
另外，本發(fā)明不限于應(yīng)用于固態(tài)圖像拍攝裝置，還可應(yīng)用于圖 像拍攝設(shè)備。這里描述的圖像拍攝設(shè)備是指諸如數(shù)字靜態(tài)相機(jī)和視 頻攝像機(jī)的攝像系統(tǒng)，以及諸如手機(jī)的具有成像功能的電子設(shè)備。 安裝在電子設(shè)備上的模塊(即，攝像模塊)的形式可用作圖像拍攝 設(shè)備。
圖7是示出根據(jù)本發(fā)明的圖像拍攝設(shè)備的結(jié)構(gòu)實(shí)例的框圖。如 圖7所示，根據(jù)本發(fā)明的圖像拍攝設(shè)備50包括具有透鏡組51的 光學(xué)系統(tǒng)、固態(tài)圖像拍攝裝置52、作為攝像信號(hào)處理電路的DSP 電^各53、幀存4諸器54、顯示裝置55、記錄裝置56、才喿作系統(tǒng)57、 電源系統(tǒng)58等，并配置為通過(guò)總線59使DSP電路53、幀存儲(chǔ)器 54、顯示裝置55、記錄裝置56、操作系統(tǒng)57和電源系統(tǒng)58相互 連接。
透鏡組51接收來(lái)自對(duì)象的入射光(圖像光)并在固態(tài)圖像拍 攝裝置52的成像平面上形成圖像。固態(tài)圖像拍攝裝置52將通過(guò)透 鏡組51在成像平面上形成圖像的入射光的光量轉(zhuǎn)換為基于像素單 位的電信號(hào)，并將該電信號(hào)作為像素信號(hào)輸出。使用上述實(shí)施例的 列AD轉(zhuǎn)換方式的CMOS圖像傳感器10作為固態(tài)圖像拍攝裝置52。
顯示裝置55由T者如液晶顯示單元和有才幾電致發(fā)光(EL)顯示 單元的平板型顯示單元構(gòu)成，并顯示由固態(tài)圖像拍攝裝置52拍攝 的運(yùn)動(dòng)圖像或靜態(tài)圖像。記錄裝置56將固態(tài)圖像拍攝裝置52拍攝 的運(yùn)動(dòng)圖像或靜態(tài)圖像記錄到諸如錄像磁帶和數(shù)字多功能光盤 (DVD)的i己錄介質(zhì)。
操作系統(tǒng)57基于用戶的操作發(fā)出用于圖像拍攝設(shè)備的各種功 能的操作指令。電源系統(tǒng)58提供用作包括DSP電路53、幀存儲(chǔ)器 54、顯示裝置55、記錄裝置56、和操作系統(tǒng)57的目標(biāo)裝置的操作 電源的各種電源。
如上所述，根據(jù)上述實(shí)施例的列AD轉(zhuǎn)換方式的CMOS圖像傳 感器10在諸如視頻攝像機(jī)、數(shù)字靜態(tài)相機(jī)、用于諸如手機(jī)的移動(dòng) 設(shè)備的攝像模塊的圖像拍攝設(shè)備中用作固態(tài)圖像拍攝裝置52。因 此，由于通過(guò)CMOS圖《象傳感器10可以實(shí)現(xiàn)更快速的AD轉(zhuǎn)換處 理，所以可以使圖像拍攝設(shè)備的處理速度更快。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，才艮據(jù)設(shè)計(jì)要求和其他因素，可 以在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)或其等同范圍內(nèi)進(jìn)行各種修改、組合、 子組合以及變化。
權(quán)利要求
1. 一種固態(tài)圖像拍攝裝置，包括像素陣列單元，具有以矩陣狀排列的包括光電轉(zhuǎn)換元件的單位像素；模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置，用于將從所述像素陣列單元的所述單位像素讀取的模擬像素信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，其中，所述模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置包括比較器單元，用于通過(guò)將用于轉(zhuǎn)換為所述數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的參考信號(hào)與所述模擬像素信號(hào)進(jìn)行比較，來(lái)將所述像素信號(hào)的大小轉(zhuǎn)換為在時(shí)間軸方向上的信息；計(jì)數(shù)器單元，用于在從所述比較器單元中的比較處理的起始時(shí)刻到所述比較處理的結(jié)束時(shí)刻的時(shí)間段內(nèi)，基于預(yù)定時(shí)鐘執(zhí)行計(jì)數(shù)處理；多相時(shí)鐘發(fā)生單元，用于基于所述預(yù)定時(shí)鐘產(chǎn)生具有恒定相位差的多相時(shí)鐘；鎖存器單元，用于當(dāng)完成所述比較器單元中的所述比較處理時(shí)，鎖存所述多相時(shí)鐘的邏輯狀態(tài)；以及解碼單元，用于對(duì)所述鎖存器單元的鎖存數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，以獲得低于所述計(jì)數(shù)處理的計(jì)數(shù)值的值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)圖像拍攝裝置，其中，所述像素信號(hào)包括基準(zhǔn)成分和信號(hào)成分；所述比較器單元執(zhí)行將對(duì)應(yīng)于所述基準(zhǔn)成分的信號(hào)與所 述參考信號(hào)進(jìn)行比較的第 一 比較處理以及將對(duì)應(yīng)于所述信號(hào) 成分的信號(hào)與所述參考信號(hào)比較的第二比較處理；以及 所述計(jì)數(shù)器單元在從所述第一比較處理的起始時(shí)刻至結(jié) 束時(shí)刻的時(shí)間段內(nèi)^丸行向下計(jì)數(shù)處理或向上計(jì)數(shù)處理，并且在 從所述第二比較處理的起始時(shí)刻至結(jié)束時(shí)刻的時(shí)間段內(nèi)執(zhí)行 向上計(jì)ft處理或向下計(jì)^t處理。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的固態(tài)圖像拍攝裝置，其中，所述鎖存器單元當(dāng)在所述比較器單元中完成所述第一比 4交處理時(shí)〗呆持所述多相時(shí)鐘的第 一邏輯狀態(tài)，并且當(dāng)在所述比 較器單元中完成所述第二比較處理時(shí)保持所述多相時(shí)鐘的第 二邏輯狀態(tài)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的固態(tài)圖像拍攝裝置，還包括計(jì)算單元，用于計(jì)算所述鎖存器單元的所述第一邏輯狀 態(tài)的鎖存數(shù)據(jù)和所述鎖存器單元的所述第二邏輯狀態(tài)的鎖存 數(shù)據(jù)之間的差分。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)圖像拍攝裝置，其中，所述鎖存器單元將由所述多相時(shí)鐘發(fā)生單元提供的所述 多相時(shí)鐘中的一個(gè)提供給所述計(jì)數(shù)器單元作為計(jì)數(shù)時(shí)鐘。
6. —種用于固態(tài)圖像拍攝裝置的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換方法，其中，像素陣列單元具有以矩陣狀排列的單位像素，并且每個(gè) 單位像素均包括光電轉(zhuǎn)換元件，在將從所述像素陣列單元的所 述單位像素讀取的模擬像素信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的過(guò)程中，所 述模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換方法包括以下步驟通過(guò)將用于轉(zhuǎn)換為所述數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的參考信號(hào)與所述模擬 像素信號(hào)進(jìn)行比較，將所述像素信號(hào)的大小轉(zhuǎn)換為在時(shí)間軸方 向上的信息； 在從所述比較處理的起始時(shí)刻至結(jié)束時(shí)刻的時(shí)間段內(nèi)根據(jù)預(yù)定時(shí)鐘4丸行計(jì)數(shù)處理；以及在所述比較處理完成時(shí)鎖存具有恒定相位差并根據(jù)所述 預(yù)定時(shí)鐘產(chǎn)生的多相時(shí)鐘的邏輯狀態(tài)，并對(duì)鎖存數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼 以獲得低于所述計(jì)數(shù)處理的計(jì)lt值的值。
7. —種圖像拍攝裝置，包括固態(tài)圖像拍攝裝置，包括像素陣列單元，具有以矩陣 狀排列的均包括光電轉(zhuǎn)換元件的單位像素；和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換 裝置，用于將從所述像素陣列單元的所述單位像素讀取的模擬 像素信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)；以及光學(xué)系統(tǒng)，用于將入射光在所述固態(tài)圖像拍攝裝置的成 像平面上形成圖像，其中，所述模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置包括比較器單元，用于通過(guò)將用于轉(zhuǎn)換為所述數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的參 考信號(hào)與所述模擬像素信號(hào)進(jìn)行比較，來(lái)將所述像素信號(hào)的大'J 、轉(zhuǎn)換為時(shí)間軸方向上的信息；計(jì)數(shù)器單元，用于在從所述比較器單元中的比較處理的 起始時(shí)刻到所述比較處理的結(jié)束時(shí)刻的時(shí)間^殳內(nèi)，基于預(yù)定時(shí) 4中4丸4于計(jì)#:處理；多相時(shí)鐘發(fā)生單元，用于基于所述預(yù)定時(shí)鐘產(chǎn)生具有恒 定相位差的多相時(shí)鐘；鎖存器單元，用于當(dāng)完成所述比凈交器單元中的所述比豐交 處理時(shí)，鎖存所述多相時(shí)鐘的邏輯狀態(tài)；和解碼單元，用于對(duì)所述鎖存器單元的鎖存凄t據(jù)進(jìn)行解碼， 以獲得低于所述計(jì)數(shù)處理的計(jì)數(shù)值的值。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種固態(tài)圖像拍攝裝置、用于固態(tài)圖像拍攝裝置的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換方法以及圖像拍攝裝置，該固態(tài)圖像拍攝裝置包括像素陣列單元，具有以矩陣狀排列的包括光電轉(zhuǎn)換元件的單位像素；以及模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置，用于將從像素陣列單元的單位像素讀取的模擬像素信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置包括比較器單元，用于將像素信號(hào)的大小轉(zhuǎn)換為時(shí)間軸方向上的信息；計(jì)數(shù)器單元，用于在比較器單元的比較處理的起始時(shí)刻到比較處理的結(jié)束時(shí)刻的時(shí)間段內(nèi)執(zhí)行計(jì)數(shù)處理；多相時(shí)鐘發(fā)生單元，用于產(chǎn)生具有恒定相位差的多相時(shí)鐘；鎖存器單元，用于鎖存多相時(shí)鐘的邏輯狀態(tài)；以及解碼單元，用于對(duì)鎖存器單元的鎖存數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼以獲得低于計(jì)數(shù)值的值。
文檔編號(hào)H04N5/374GK101365073SQ20081013127
公開(kāi)日2009年2月11日 申請(qǐng)日期2008年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月6日
發(fā)明者川口俊次 申請(qǐng)人:索尼株式會(huì)社