專利名稱：數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路、固態(tài)成像器件以及成像裝置的制作方法
數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路、固態(tài)成像器件以及成像裝置
本發(fā)明涉及生成斜坡信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路、固態(tài)成像器件以及成像裝置。
賴駄
在很多電子設(shè)備中使用了將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器裝置。
例如，在成像裝置中使用了 MOS (金屬氧化物半導體)型和CMOS(互補金屬氧化物半導體)型或者檢測光的CCD (電荷耦合器件)型的半導體器件。成像裝置是利用像素將光分布轉(zhuǎn)換并讀出為電信號的裝置。
此外，在CMOS型成像裝置之中存在放大型成像裝置，該放大型成像裝置包括具有有源像素傳感器(APS)的像素，這些傳感器具有用于像素信號生成部分中的放大的驅(qū)動晶體管，像素信號生成部分根據(jù)電荷生成部分中生成的信號電荷來生成像素信號。
在成像裝置中，對其中布置了多個單元像素的像素單元執(zhí)行地址控制，來自各個單元像素的信號被任意選擇，從而由各個單元像素輸出的像素信號被讀出。
例如，在單位像素以矩陣形式排列的地址型成像器件中，這些像素包括有源元件，這些有源元件具有用于它們自身的放大功能的MOS結(jié)構(gòu)(MOS晶體管)等。也就是說，作為光電轉(zhuǎn)換元件的光電二極管中積累的信號電荷(光電子)被有源元件放大，并且輸出為像素信號。
從像素單元讀出的模擬像素信號一般被模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器裝置轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并且輸出。
考慮到電路尺寸、處理速度、分辨率等，存在像素信號的各種A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。例如，A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)之一是如下的方法將模擬像素信號與參考信號作比較，對比較所必需的時間進行計數(shù)，并且基于比較處理完成時的
計數(shù)值將模擬像素信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。這樣的A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)被稱為單斜
率(single-slope)積分型或斜坡(ramp)信號比較型。
作為使用A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的成像器件，例如，存在JP-A-2000-l52082、 td a一onm o"，oi壬n td—a—onrv7_《oooi出S /入壞的i^"^
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在A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，參考信號是單調(diào)改變的鋸齒信號(斜坡信號)， 并且D/A轉(zhuǎn)換器電路可用于生成斜坡信號。

發(fā)明內(nèi)容
在上述單斜率積分型A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，可以通過改變要被供應至比較 器電路的參考信號的梯度來對模擬像素信號進行增益調(diào)整，其中比較器電 路將模擬像素信號與參考信號作比較。
然而，即使如上所述地通過控制參考信號的梯度來進行增益調(diào)整，生 成參考信號開始電壓的D/A轉(zhuǎn)換器電路的電流源配置也是固定的，并且因 此在具有高增益時段的擴展P階段范圍的設(shè)計中，在低增益時段的P階段 范圍中導致了冗余。
也就是說，在低增益時段中，存在如下缺點電流源的漏-源電壓由于 不必要增加的輸出幅度而未被充分確保，并且參考信號中斜坡波形的模擬 特性變得惡化。
因此，希望提供改善了參考信號中斜坡波形的模擬特性的D/A轉(zhuǎn)換器 電路、固態(tài)成像器件以及成像裝置。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的一種數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路包括第一數(shù)模轉(zhuǎn)換部 分以及第二數(shù)模轉(zhuǎn)換部分，該第一數(shù)模轉(zhuǎn)換部分響應于數(shù)字輸入信號的值 而獲得模擬輸出信號，該第二數(shù)模轉(zhuǎn)換部分響應于外部輸入的數(shù)字增益控 制輸入信號的值而生成控制信號，其中第一數(shù)模轉(zhuǎn)換部分基于用于控制第 二數(shù)模轉(zhuǎn)換部分的數(shù)字增益控制輸入信號，來調(diào)整模擬輸出信號的開始電 壓或結(jié)束電壓。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的一種固態(tài)成像器件包括像素單元，該像
素單元具有多個像素并且輸出模擬像素信號；數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路，該數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路生成具有預定初始電壓和固定梯度的斜坡信號；以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器 單元，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器單元將由像素單元輸出的模擬像素信號與由數(shù)模轉(zhuǎn)換 器電路生成的斜坡信號作比較，并且基于比較時間來數(shù)字地轉(zhuǎn)換模擬像素
信號，其中數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路具有響應于數(shù)字輸入信號的值而獲得模擬輸出
性總66裕一新士貧灶說加ai、1 TP;rn^r^工脅今.袖興扮生il絡(luò)x欄總的估TRT並但措 ir *7 ;jyt'i天"T7];A:口iJ乂j tiA^"n/二 j 3yt丁"-曰皿]工ip'jifl'j/、 i口 7 uj uanu a^vnr'i大
擬增益控制輸出信號的第二數(shù)模轉(zhuǎn)換部分，并且基于控制第二數(shù)模轉(zhuǎn)換部
分的數(shù)字增益控制輸入信號來調(diào)整第一數(shù)模轉(zhuǎn)換部分的開始電壓或結(jié)束電壓。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的一種成像裝置包括固態(tài)成像器件以及光學 系統(tǒng)，該固態(tài)成像器件具有多個像素，該光學系統(tǒng)將來自拍攝對象的光聚 焦到固態(tài)成像器件的像素上，其中固態(tài)成像器件包括像素單元，該像素
單元具有多個像素并且輸出模擬像素信號；數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路，該數(shù)模轉(zhuǎn)換 器電路生成具有預定初始電壓和固定梯度的斜坡信號；以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器單 元，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器單元將由像素單元輸出的模擬像素信號與由數(shù)模轉(zhuǎn)換器 電路生成的斜坡信號作比較，并且基于比較時間來數(shù)字地轉(zhuǎn)換模擬像素信 號，并且數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路具有響應于數(shù)字輸入信號的值而獲得模擬輸出信 號的第一數(shù)模轉(zhuǎn)換部分以及響應于數(shù)字增益控制輸入信號的值而獲得模擬 增益控制輸出信號的第二數(shù)模轉(zhuǎn)換部分，并且基于控制第二數(shù)模轉(zhuǎn)換部分 的數(shù)字增益控制輸入信號來調(diào)整第一數(shù)模轉(zhuǎn)換部分的開始電壓或結(jié)束電 壓。
根據(jù)本發(fā)明的這些實施例，可改善參考信號中斜坡波形的模擬特性。


圖l是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的CMOS傳感器的配置示例的框圖。
圖2A到圖2F是CMOS傳感器的操作的定時圖。
圖3A和圖3B是示出參考信號生成器電路的配置示例的框圖。
圖4A和圖4B示出增益設(shè)置和斜坡信號的波形。
圖5A和圖5B示出D/A轉(zhuǎn)換器電路的配置的示例。圖6A和圖6B示出當斜坡信號的初始電壓被控制電路控制時斜坡波形 的示例。圖7是用于說明控制電路工作時參考信號生成器電路的操作示例的流 程圖。圖8是示出成像裝置的配置的示例的框圖。
具體實施方式
在下文中，將說明根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的CMOS傳感器100。 圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的該實施例的CMOS傳感器100的配置示例的 框圖。如圖l所示，CMOS傳感器100具有定時控制單元1、垂直掃描電路 2、像素陣列3、參考信號生成器電路4、列A/D (模數(shù))轉(zhuǎn)換器單元5和 水平轉(zhuǎn)移掃描(horizontal transfer scan)電路6。像素陣列3與本發(fā)明的一個實施例的像素單元相對應。 參考信號生成器電路4與本發(fā)明的該實施例的數(shù)模連接器電路相對應。列A/D轉(zhuǎn)換器單元5與本發(fā)明的該實施例的模數(shù)轉(zhuǎn)換器單元相對應。 定時控制單元1具有邏輯控制電路、PLL電路(CLK劃分器 (divider))、定時控制電路、通信接口等，并且主時鐘從外部電路(未示出)供應至定時控制單元l。定時控制單元1輸出用于控制CMOS傳感器100的各個組件的控制信號和時鐘信號。垂直掃描電路2包括垂直解碼器21和垂直驅(qū)動電路22，并且根據(jù)來 自定時控制單元1的控制信號利用預定定時來依次控制布置在像素陣列3 的垂直方向的像素，以輸出像素信號。例如，當預定行中的像素從像素陣列3的像素中被抽取(thin)并且 像素信號從剩余行中的像素輸出時，垂直解碼器21生成并且提供用于選 擇向垂直驅(qū)動電路22輸出像素信號的行的信號。垂直驅(qū)動電路22生成并且將用于驅(qū)動像素陣列3的像素的控制信號，即選擇信號、復位信號和觸發(fā)信號供應至像素陣列3。
像素陣列3具有橫縱方向上數(shù)目為mXn的像素31_11到31_mn， n個 行控制線32—1到32—n,以及m個垂直信號線33—1到33—m。注意，m和 n是正整數(shù)。
像素3i_il到3i—mn經(jīng)由行控制線32—1到32—n連接到垂直掃描電路 2，并且經(jīng)由垂直信號線33_1到33—m連接到列A/D轉(zhuǎn)換器單元5。
例如，像素31_11到31_mn被布置成遵循Bayer排列(Bayer arrangement)，以便接收三種顏色(RGB)的光，并且根據(jù)從垂直掃描電 路2經(jīng)由行控制線32一1到32一n供應的控制信號來向垂直信號線33一1到 33_!11輸出像素信號。
在像素陣列3中，不僅作為用于接納圖像的可用區(qū)域的可用圖像區(qū) 域，而且用于提供光學黑體(optical black)的基準像素區(qū)域被設(shè)置在可用 圖像區(qū)域周圍。
作為示例，用于提供光學黑體的幾行(例如一到十行)基準像素被布 置在垂直列方向的上下部分，此外，用于提供光學黑體的基準像素中的幾 個像素到幾十個像素(例如三到四十個像素)被布置在包含可用圖像區(qū)域 的水平行的左右部分。
至于用于提供光學黑體的基準像素，其光接收表面?zhèn)缺黄帘瘟斯?，?而光不可進入具有光電二極管等的電荷生成部分。來自基準像素的像素信 號被用作視頻信號中的黑基準。
參考信號生成器電路4基于從定時控制單元1供應的用于控制增益和 偏移的控制信號和預定頻率的時鐘信號，來生成其中電壓以固定梯度從預 定初始電壓下降的參考信號(斜坡信號)。
稍后將描述參考信號生成器電路4的細節(jié)。
參考信號生成器電路4向列A/D轉(zhuǎn)換器單元5供應所生成的參考信號。
列A/D轉(zhuǎn)換器單元5包括電壓比較部分51、 A/D轉(zhuǎn)換部分52和靈敏 度放大部分53。
電壓比較部分51具有m個比較器51 1到51 m。
8像素信號分別經(jīng)由垂直信號線33—1到33—m從像素31_11到3Lmn供應至比較器51—1到51一m，并且斜坡信號從參考信號生成器電路4供應至比較器51—1到51一m。
比較器51—1到51—m將經(jīng)由垂直信號線33_1到33—m供應的像素信號與從參考信號生成器電路4供應的斜坡信號作比較，并且將表示比較結(jié)果的比較結(jié)果信號供應至A/D轉(zhuǎn)換部分52。
也就是說，比較器51_1將經(jīng)由垂直信號線33_1從第一列的像素31_11到31—ln依次供應的像素信號與從參考信號生成器電路4供應的斜坡信號作比較。然后，比較器將產(chǎn)生的比較結(jié)果信號供應至A/D轉(zhuǎn)換部分52的A/D轉(zhuǎn)換器52一1 。
類似于比較器51_1，比較器51_2將經(jīng)由垂直信號線33一2供應的像素信號與斜坡信號之間的比較所產(chǎn)生的比較結(jié)果信號供應至A/D轉(zhuǎn)換部分52的A/D轉(zhuǎn)換器52_2。
類似地，如下，比較器51_m將經(jīng)由垂直信號線33_m供應的像素信號與斜坡信號之間的比較所產(chǎn)生的比較結(jié)果信號供應至A/D轉(zhuǎn)換部分52的A/D轉(zhuǎn)換器52—m。
A/D轉(zhuǎn)換部分52具有m個A/D轉(zhuǎn)換器52一1到52_m。
比較結(jié)果信號分別從電壓比較部分51的比較器51_1到51—m供應至A/D轉(zhuǎn)換器52一1到52—m。
A/D轉(zhuǎn)換器52—1到52一m中的每一個都包括鎖存器(latch)和多個TFF (反轉(zhuǎn)觸發(fā)器)(例如13個TFF)，并且以依照TFF數(shù)目的比特數(shù)目輸出像素數(shù)據(jù)。
也就是說，比較結(jié)果信號從比較器51—1到51一m供應至A/D轉(zhuǎn)換器52_1到52_m，并且預定頻率的計數(shù)器時鐘信號和預定控制信號從定時控制單元1供應至A/D轉(zhuǎn)換器52_1到52_m。
然后，A/D轉(zhuǎn)換器52一1到52一m根據(jù)從比較器51一1到51—m供應的比較結(jié)果信號和從定時控制單元1供應的控制信號來對從定時控制單元1供應的計數(shù)器時鐘信號進行計數(shù)。從而，轉(zhuǎn)換器對從像素陣列3的像素31 11到31 mn輸出的模擬像素信號進行A/D轉(zhuǎn)換，并且輸出所產(chǎn)生的像l-門
素數(shù)據(jù)。
靈敏度放大部分53具有多個放大器(數(shù)目與TFF的數(shù)目相對應)， 放大從A/D轉(zhuǎn)換部分52輸出的像素數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)輸出至在經(jīng)由定時 控制單元1的下游的圖像處理電路等。
/K丁符々夕:a畑 BiW O只S /J、丁附V^研Ol〗U/J、丁犯^) PBltfl" OZ。 水平轉(zhuǎn)移掃描電路6根據(jù)來自定時控制單元1的控制信號利用預定的
定時依次控制布置在列A/D轉(zhuǎn)換器單元5的水平方向上的多個A/D轉(zhuǎn)換器 52_1到52—m，以輸出像素數(shù)據(jù)。
當預定列中的像素被抽取并且像素數(shù)據(jù)從剩余列中的像素輸出時，水 平解碼器61生成并且提供用于選擇向水平驅(qū)動電路62輸出像素信號的列 的信號。
水平驅(qū)動電路62生成用于驅(qū)動預定列的控制信號。 接下來，參考圖2A到圖2F，將說明CMOS傳感器100的操作示例。 圖2A到圖2F是CMOS傳感器100的操作的定時圖。 圖2A示出從像素陣列3的像素31輸出的像素信號。 圖2B示出由參考信號生成器電路4輸出的斜坡信號。 圖2C示出由電壓比較部分51輸出的比較結(jié)果信號。 圖2D示出在A/D轉(zhuǎn)換部分52的遞增計數(shù)(count-up)和遞減計數(shù) (count-down)之間的信號切換。
圖2E示出由定時控制單元1輸出的計數(shù)器時鐘信號。 圖2F示出由A/D轉(zhuǎn)換部分52輸出的計數(shù)器輸出信號。 如圖2A所示，像素陣列3的像素31響應于從垂直掃描電路2供應的 控制信號、在復位信號A/D轉(zhuǎn)換時段(預充電階段P階段)中根據(jù)預定 基準電位來輸出像素信號(復位成分)。此外，該像素在數(shù)據(jù)信號A/D轉(zhuǎn) 換時段(數(shù)據(jù)階段D階段)中根據(jù)與光探測器(未示出)的收到光i相 對應的電荷來輸出像素信號(數(shù)據(jù)成分)。
如圖2B所示，參考信號生成器電路4輸出其中電壓以固定梯度從預 定初始電壓下降的斜坡信號。在斜坡信號中，電壓相應于復位信號A/D轉(zhuǎn) 換時段下降的時段比電壓相應于數(shù)據(jù)信號A/D轉(zhuǎn)換時段下降的時段更長。
10如圖2C所示，電壓比較部分51比較像素信號和斜坡信號(的電 壓)，并且如果像素信號等于或大于斜坡信號，則高電平比較結(jié)果信號被 輸出，如果像素信號小于斜坡信號，則低電平比較結(jié)果信號被輸出。
也就是說，如果斜坡信號的電壓以固定梯度下降，則當斜坡信號和像
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來輸出比較結(jié)果信號。
如圖2D所示，遞增計數(shù)和遞減計數(shù)之間的信號切換從定時控制單元 1供應至A/D轉(zhuǎn)換部分52。遞增計數(shù)和遞減計數(shù)之間的信號切換當斜坡信 號的電壓在P階段的時段中以固定梯度下降(P階段傾斜)時處于低電 平，并且當斜坡信號的電壓在D階段的時段中以固定梯度下降(D階段傾 斜)時處于高電平。
定時控制單元1將如圖2E所示的預定頻率的計數(shù)器時鐘信號，例如 500 MHz的高速計數(shù)器時鐘信號供應至A/D轉(zhuǎn)換部分52。
如圖2F所示，A/D轉(zhuǎn)換部分52對計數(shù)器時鐘信號進行計數(shù)并且輸出 像素數(shù)據(jù)。
也就是說，如果遞增計數(shù)和遞減計數(shù)之間的信號切換是低電平，則 A/D轉(zhuǎn)換部分52處于遞減模式。A/D轉(zhuǎn)換部分52在斜坡信號的電壓在P 階段中開始下降時開始遞減計數(shù)，并且保持通過計數(shù)獲得的計數(shù)值(復位 信號計數(shù))直到比較結(jié)果信號產(chǎn)生從高電平到低電平的躍遷的時候為止。
隨后，遞增計數(shù)和遞減計數(shù)之間的信號切換產(chǎn)生從低電平到高電平的 躍遷，并且A/D轉(zhuǎn)換部分52轉(zhuǎn)入遞增模式。然后，A/D轉(zhuǎn)換部分52在斜 坡信號的電壓在D階段中開始下降時開始遞增計數(shù)，并且獲取通過計數(shù)獲 得的計數(shù)值(數(shù)據(jù)信號計數(shù))直到比較結(jié)果信號產(chǎn)生從高電平到低電平的 躍遷的時候為止。最后，A/D轉(zhuǎn)換部分52將作為與復位信號計數(shù)的差異的 計數(shù)值輸出為像素數(shù)據(jù)。
接下來，將說明參考信號生成器電路4的細節(jié)。
參考信號生成器電路4根據(jù)形成像素陣列3中的分色濾光器(color separation filter)的濾色器(color filter)的顏色的種類和布置，來生成用 于A/D轉(zhuǎn)換的參考信號。
ii具體地，該電路接收來自定時控制單元1的用于DAC的計數(shù)時鐘 CKdac，與接收同步地生成鋸齒波(斜坡波形)，并且將它作為用于A/D 轉(zhuǎn)換的參考電壓供應至A/D轉(zhuǎn)換部分52。
參考信號生成器電路4基于從定時控制單元1供應的控制信號中所包 含的指示斜坡信號初始值的信息，來確定初始電壓(斜坡信號的輸出開始
時的電壓)。
同時，該電路基于從定時控制單元1供應的控制信號中所包含的指示 斜坡信號梯度(改變率)的信息，來設(shè)置每一個時鐘的電壓改變量。
然后，在計數(shù)器時鐘CKdac每一次計數(shù)時改變了所述電壓改變量的電 壓的斜坡信號被生成。也就是說，計數(shù)器時鐘的周期越短，斜坡信號的梯 度就越大。
因此，在該實施例的CMOS傳感器100中，斜坡信號的梯度被由定時 控制單元供應的計數(shù)時鐘CKdac控制。此外，通過控制斜坡信號的梯度， 可控制A/D轉(zhuǎn)換部分52中圖像信號的A/D轉(zhuǎn)換的模擬增益。
如下，將說明具體配置等。
圖3A和圖3B是示出參考信號生成器電路4的配置示例的框圖。 如圖3A所示，參考信號生成器電路4具有第一D/A轉(zhuǎn)換部分41、第 二D/A轉(zhuǎn)換部分42、增益調(diào)整電流源43和控制電路44。
第一 D/A轉(zhuǎn)換部分41與本發(fā)明的該實施例的第一數(shù)模轉(zhuǎn)換部分相對應。
第二 D/A轉(zhuǎn)換部分42與本發(fā)明的該實施例的第二數(shù)模轉(zhuǎn)換部分相對應。
控制電路44與本發(fā)明的該實施例的控制部分相對應。 此外，圖3B示出參考信號生成器電路4的電路圖。 第一 D/A轉(zhuǎn)換部分41生成具有預定初始電壓值和預定梯度的傾斜的 斜坡信號。
第二 D/A轉(zhuǎn)換部分42控制(增益控制)第一 D/A轉(zhuǎn)換部分41中生成 的斜坡信號的梯度。第二 D/A轉(zhuǎn)換部分42具有控制第一 D/A轉(zhuǎn)換部分41 的可編程增益放大器(PGA)功能。
12第一和第二 D/A轉(zhuǎn)換部分41、 42具有設(shè)置了多個電流源的電流源陣 列411、 421,以及控制電流源的選擇操作的控制部分412、 422，其中多 個電流源生成被分別預定地加權(quán)的輸出電流值。
電流源陣列411、 421分別包含多個電流源。
第一 D/A轉(zhuǎn)換部分41的控制部分412響應于從定時控制單元1供應 的數(shù)字控制信號Din來控制第一 D/A轉(zhuǎn)換部分41中的D/A轉(zhuǎn)換處理。
第二 D/A轉(zhuǎn)換部分42的控制部分422響應于從定時控制單元1供應 的用于增益調(diào)整的數(shù)字控制信號Dgain來控制第二 D/A轉(zhuǎn)換部分42中的 D/A轉(zhuǎn)換處理。
也就是說，第一和第二 D/A轉(zhuǎn)換部分41、 42是通過數(shù)字處理控制多 個電流源的選擇操作并且通過從選中的電流源輸出的電流的相加處理來執(zhí) 行D/A轉(zhuǎn)換的電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器電路。
增益調(diào)整電流源43位于要連接以形成電流鏡的第一 D/A轉(zhuǎn)換部分41 和第二 D/A轉(zhuǎn)換部分42之間。
也就是說，增益調(diào)整電流源43在電流源陣列411內(nèi)的各個電流源和 它自身之間形成了電流鏡。
增益調(diào)整電流源43包括并聯(lián)的預定數(shù)目的(例如k個，k是正整數(shù)) 電流分配晶體管431。 k個電流分配晶體管431之一和第一 D/A轉(zhuǎn)換部分 41的電流源陣列411內(nèi)的電流源連接以形成電流鏡。
此外，從第二 D/A轉(zhuǎn)換部分42的輸出端子DACgain輸出的總和電流 Igain被劃分成k個，并且被供應至第一 D/A轉(zhuǎn)換部分41的電流源?？偤?電流Igain是通過將從第二 D/A轉(zhuǎn)換部分42的電流源陣列421輸出的所有 電流求和而獲得的電流。
形成增益調(diào)整電流源43的k個電流分配晶體管431中的每一個都用作 輸出加權(quán)為Igain/k的電流的電流源。
也就是說，增益調(diào)整電流源43形成了具有高精度的電流分支通路。 此外，通過電流分配晶體管431的數(shù)目的調(diào)整，可調(diào)整用作電流/電壓轉(zhuǎn)換 部分的增益調(diào)整電流源43中電流到電壓的轉(zhuǎn)換比。
.增益調(diào)整電流源43經(jīng)由電流控制線400向形成第一 D/A轉(zhuǎn)換部分41的電流源陣列411的各個電流源供應基于總和電流Igain而生成的增益控 制輸出信號Vbais。
被供應了控制電壓Vbais的電流源陣列411根據(jù)控制電壓Vbais來確 定供使用的(使電流流動的)電流源。
因此；第一 DZA轉(zhuǎn)換部分41利用由控制電壓Vbais指定的操作電流
來操作，并且生成和輸出斜坡信號。
因此，第二 D/A轉(zhuǎn)換部分42響應于用于增益調(diào)整設(shè)置的數(shù)字控制信 號Dgain而輸出總和電流Igain，并且獲得該電流的增益調(diào)整電流源43生 成控制電壓Vbais。
控制電壓Vbais被供應至第一 D/A轉(zhuǎn)換部分41的電流源陣列411，并 且用于使電流流動的電流源被選擇，斜坡信號被生成。
斜坡信號的梯度根據(jù)第一 D/A轉(zhuǎn)換部分41的電流源陣列411的輸出 電壓的幅度來確定，因此，斜坡信號的梯度響應于輸入到第二 D/A轉(zhuǎn)換部 分42的控制信號Dgain而被確定。
改變斜坡信號的梯度意味著對斜坡信號進行增益調(diào)整。
類似A/D轉(zhuǎn)換部分52的單斜率積分型A/D轉(zhuǎn)換器中的A/D轉(zhuǎn)換處理 中，對斜坡信號的增益調(diào)整起到了對作為比較目標的像素信號的增益調(diào)整 的作用。
因此，可以對具有輸入到第二 D/A轉(zhuǎn)換部分42的用于增益設(shè)置的數(shù) 字控制信號Dgain的比特精度的像素信號進行增益調(diào)整，并且在A/D轉(zhuǎn)換 部分52中的A/D轉(zhuǎn)換之后可獲得具有經(jīng)調(diào)整的增益的數(shù)字像素信號。
也就是說，在該實施例的CMOS傳感器中，高精度地、數(shù)字地控制用 于增益設(shè)置的數(shù)字控制信號Dgain，因此，可高精度地對作為A/D轉(zhuǎn)換處 理目標的模擬像素信號進行增益調(diào)整。
接下來，將說明控制電路44。
控制電路44響應于輸入到第二 D/A轉(zhuǎn)換部分42的用于增益設(shè)置的數(shù) 字控制信號Dgain來確定實現(xiàn)黑電平的第一 D/A轉(zhuǎn)換部分41的電流源陣 列411中用于使電流流動的電流源的數(shù)目。
黑電平與斜坡信號的初始電壓(輸出開始時的電壓)相對應。也就是
14說，控制電路44是用于控制斜坡信號的初始電壓的電路。
圖4A和圖4B示出增益設(shè)置和斜坡信號的波形。
圖4A示出當斜坡信號的初始電壓不被控制電路44控制時GND基準 D/A轉(zhuǎn)換器電路中高增益和低增益時的波形示例。
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圖5A示出GND基準D/A轉(zhuǎn)換器電路的配置的示例。
除GND基準D/A轉(zhuǎn)換器電路以外，存在著作為其基準電阻器連接到
電源單元的D/A轉(zhuǎn)換器電路的電源基準D/A轉(zhuǎn)換器電路，并且圖5B示出
此配置的示例。
圖4B示出當斜坡信號的初始電壓不被控制電路44控制時電源基準 D/A轉(zhuǎn)換器電路中高增益和低增益時的波形示例。
一般地，作為用于供應斜坡信號的用在CMOS傳感器中的DAC，圖 5A所示的GND基準D/A轉(zhuǎn)換器電路由于對噪聲的容差(tolerance)故而 是有利的。因此，在該實施例中，將說明第一D/A轉(zhuǎn)換部分4l是GND基 準D/A轉(zhuǎn)換器電路的情況。
如圖4A所示，當斜坡信號的初始電壓不被控制電路44控制時，有必 要特別在低增益時采用大的P階段范圍幅度，用于確保高增益時的幅度和 傾斜時段。由于這個原因，己發(fā)生了如下的情形第一D/A轉(zhuǎn)換部分41 的輸出電壓在低增益時增加，并且第一 D/A轉(zhuǎn)換部分41的模擬特性變得 惡化。
圖6A示出當斜坡信號的初始電壓被控制電路44控制時低增益時的斜 坡波形的示例。
圖6B示出當斜坡信號的初始電壓被控制電路44控制時高增益時的斜 坡波形的示例。
在如圖6A所示的低增益時，執(zhí)行控制，從而通過改變生成斜坡信號 初始電壓的第一 D/A轉(zhuǎn)換部分41的配置，幅度可以不過度地大。通過該 控制，可確保形成電流源的MOS晶體管的飽和操作時充足的漏-源電壓， 并且改善了低增益時的模擬特性。
此外，如圖6A所示，為了穩(wěn)定P階段結(jié)束時的斜坡信號結(jié)束電壓，執(zhí)行屏蔽用于第一 D/A轉(zhuǎn)換部分41的控制部分412的時鐘信號的控制， 從而即使當時鐘信號被輸入時第一 D/A轉(zhuǎn)換部分41也可以不生成斜坡信 號。
此外，如圖6B所示，在高增益時擴展了 P階段范圍并且調(diào)整了 POF 值，從而可在沒有延遲的情況下以更高的速度更穩(wěn)定地執(zhí)行CMOS傳感器 100的CDS (相關(guān)雙采樣)操作。在高增益時，根據(jù)P階段范圍的擴展來 調(diào)整自動歸零(auto-zero)電壓。
如下，將說明控制電路44的操作示例。
圖7是用于說明控制電路44工作時參考信號生成器電路4的操作示例 的流程圖。 步驟ST1:
輸入到第二 D/A轉(zhuǎn)換部分42的用于增益設(shè)置的控制信號Dgain被輸 入到控制電路44。 步驟ST2:
控制電路44響應于在步驟ST1輸入的控制信號Dgain來確定斜坡信 號的初始電壓，并且將它發(fā)送至第一D/A轉(zhuǎn)換部分41的控制部分412。 步驟ST3:
第一 D/A轉(zhuǎn)換部分41根據(jù)在步驟ST2設(shè)置的斜坡信號的初始電壓來
生成斜坡信號。 步驟ST4:
控制電路44屏蔽輸入到第一 D/A轉(zhuǎn)換部分41的時鐘信號，用于穩(wěn)定 低增益操作時的結(jié)束電壓。
根據(jù)需要以必要的次數(shù)重復步驟ST3和ST4。 步驟ST5:
第一 D/A轉(zhuǎn)換部分41輸出在步驟ST3和ST4生成的斜坡信號。 在上述說明中，說明了其基準電阻接地的GND基準D/A轉(zhuǎn)換器電路 被用作第一 D/A轉(zhuǎn)換部分41的情況。然而，本發(fā)明的該實施例不限于 此。本發(fā)明的該實施例可應用于第一D/A轉(zhuǎn)換部分41是如圖5B所示的電 源基準D/A轉(zhuǎn)換器電路的情況，其中電源基準D/A轉(zhuǎn)換器電路的基準電阻連接到電源單元。注意，雖然省略了詳細說明，但是在此情況下控制電路
44控制的不是斜坡信號的初始電壓而是結(jié)束電壓。
如上所說明的，根據(jù)該實施例的CMOS傳感器100，參考信號生成器 電路4具有第一D/A轉(zhuǎn)換部分41、第二 D/A轉(zhuǎn)換部分42、增益調(diào)整電流 源43和控制電路44?？刂齐娐?4響應于輸入到第二 D/A轉(zhuǎn)換部分42的 控制信號Dgain，而控制第一 D/A轉(zhuǎn)換部分41中生成的斜坡信號的初始電 壓。
從而，改善了第一 D/A轉(zhuǎn)換部分41中低增益時的模擬特性。此外， 為了穩(wěn)定P階段結(jié)束時的斜坡信號結(jié)束電壓，執(zhí)行屏蔽用于第一 D/A轉(zhuǎn)換 部分41的控制部分412的時鐘信號的控制，從而即使當時鐘信號被輸入 時第一 D/A轉(zhuǎn)換部分41也可以不生成斜坡信號。此外，在高增益時擴展 了 P階段范圍并且調(diào)整了 POF值，從而可在沒有延遲的情況下以更高的速 度更穩(wěn)定地執(zhí)行CMOS傳感器100的CDS (相關(guān)雙采樣)操作。
例如，上述實施例的CMOS傳感器100可作為固態(tài)成像器件被應用于 諸如數(shù)字相機之類的成像裝置。
如下，將說明應用示例。
圖8是示出成像裝置300的配置的示例的框圖。
如圖8所示，成像裝置300包括包含了透鏡的光學系統(tǒng)71 (與本發(fā)明 的一個實施例的光學系統(tǒng)相對應)、成像部件72、相機信號處理電路 73、系統(tǒng)控制器74等。
光學系統(tǒng)71與本發(fā)明的一個實施例的光學系統(tǒng)相對應。
光學系統(tǒng)71利用透鏡等將來自拍攝對象的圖像光聚焦到成像部件72 的成像面上。成像部件72輸出通過將由光學系統(tǒng)71聚焦到成像面上的圖 像光轉(zhuǎn)換成以像素為單位的電信號而獲得的圖像信號。作為成像部件72， 使用根據(jù)上述實施例的具有列并聯(lián)ADC的CMOS傳感器100。
相機信號處理電路73對從成像部件72輸出的圖像信號執(zhí)行各種信號 處理。系統(tǒng)控制器74執(zhí)行對成像部件72和相機信號處理電路73的控制。
特別地，成像部件72的列并聯(lián)ADC具有讀出所有像素的信息的循序 掃描(progressive scan)系統(tǒng)中的正常幀率模式。此外，成像部件72的列并聯(lián)ADC具有高速幀模式，在該模式中像素的曝光時間被設(shè)置為1/N，并 且?guī)时惶岣咧琳誓Ｊ街袔实腘倍。在此情況下，在成像部件 72的列并聯(lián)ADC中，如果可執(zhí)行與各自操作(respective operation)模式 相對應的A/D轉(zhuǎn)換操作，則可根據(jù)外部指令控制操作模式之間的切換。 本發(fā)明不限于上述實施例。
也就是說，在本發(fā)明的實踐中，在本發(fā)明的技術(shù)范圍及其等同物的范 圍內(nèi)，可對上述實施例中的組成元素進行各種改變和變更。
本申請包含與2008年9月1日遞交日本專利局的日本優(yōu)先專利申請 JP 2008-224165中公開的主題相關(guān)的主題，該申請的全部內(nèi)容由此通過引 用而被結(jié)合。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路，包括第一數(shù)模轉(zhuǎn)換部分，所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換部分響應于數(shù)字輸入信號的值而獲得模擬輸出信號；以及第二數(shù)模轉(zhuǎn)換部分，所述第二數(shù)模轉(zhuǎn)換部分響應于外部輸入的數(shù)字增益控制輸入信號的值而生成控制信號，其中所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換部分基于用于控制所述第二數(shù)模轉(zhuǎn)換部分的所述數(shù)字增益控制輸入信號，來調(diào)整所述模擬輸出信號的開始電壓或結(jié)束電壓。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路，其中所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換部 分具有能夠輸出經(jīng)預定加權(quán)的恒定電流的多個電流源，對所述多個電流源 中的選中的電流源的恒定電流輸出進行相加并輸出，并且響應于所述數(shù)字 輸入信號的值而生成輸出電流作為所述模擬輸出信號，并且所述第二數(shù)模轉(zhuǎn)換部分具有能夠輸出經(jīng)預定加權(quán)的恒定電流的多個電 流源，對多個電流源中的選中的電流源的恒定電流輸出進行相加并輸出， 響應于所述數(shù)字增益控制輸入信號的值而生成輸出電流，并且將基于所生 成的輸出電流的所述控制信號供應至所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換部分。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路，還包括控制部分，所述控 制部分基于由所述第二數(shù)模轉(zhuǎn)換部分生成的所述控制信號，來確定所述第 一數(shù)模轉(zhuǎn)換部分的多個電流源中的所述選中的電流源，其中所述控制部分調(diào)整通過從所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換部分的多個電流源中 選擇用于使電流流動的電流源而生成的所述模擬輸出信號的開始電壓或結(jié) 束電壓。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路，其中所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換部 分響應于輸入的時鐘信號來生成所述模擬輸出信號，并且所述控制部分調(diào)整所述模擬輸出信號的開始電壓或結(jié)束電壓，從而在生成所述模擬輸出信號變得不必要的定時之后控制所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換部分 以使其不響應于所述時鐘信號生成所述模擬輸出信號。
5. —種固態(tài)成像器件，包括像素單元，所述像素單元具有多個像素并且輸出模擬像素信號；數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路生成具有預定初始電壓和固定 梯度的斜坡信號；以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器單元，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器單元將由所述像素單元輸出的所述 模擬像素信號與由所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路生成的所述斜坡信號作比較，并且 基于比較時間來數(shù)字地轉(zhuǎn)換所述模擬像素信號，其中所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路具有響應于數(shù)字輸入信號的值而獲得模擬輸 出信號的第一數(shù)模轉(zhuǎn)換部分以及響應于數(shù)字增益控制輸入信號的值而獲得 模擬增益控制輸出信號的第二數(shù)模轉(zhuǎn)換部分，并且基于由所述第二數(shù)模轉(zhuǎn) 換部分生成的控制信號來調(diào)整所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換部分的開始電壓或結(jié)束電 壓。
6. —種成像裝置，包括固態(tài)成像器件，所述固態(tài)成像器件具有多個像素；以及 光學系統(tǒng)，所述光學系統(tǒng)將來自拍攝對象的光聚焦到所述固態(tài)成像器 件的像素上，其中所述固態(tài)成像器件包括像素單元，所述像素單元具有多個像素并 且輸出模擬像素信號，數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路生成具有預定初始電壓和固定 梯度的斜坡信號，以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器單元，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器單元將由所述像素單元輸出的所述 模擬像素信號與由所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路生成的所述斜坡信號作比較，并且 基于比較時間來數(shù)字地轉(zhuǎn)換所述模擬像素信號，并且所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路具有響應于數(shù)字輸入信號的值而獲得模擬輸出信 號的第一數(shù)模轉(zhuǎn)換部分以及響應于數(shù)字增益控制輸入信號的值而獲得模擬 增益控制輸出信號的第二數(shù)模轉(zhuǎn)換部分，并且基于由所述第二數(shù)模轉(zhuǎn)換部 分生成的控制信號來調(diào)整所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換部分的開始電壓或結(jié)束電壓。
全文摘要
本發(fā)明公開了數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路、固態(tài)成像器件以及成像裝置。該數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路包括第一數(shù)模轉(zhuǎn)換部分，該第一數(shù)模轉(zhuǎn)換部分響應于數(shù)字輸入信號的值而獲得模擬輸出信號；以及第二數(shù)模轉(zhuǎn)換部分，該第二數(shù)模轉(zhuǎn)換部分響應于外部輸入的數(shù)字增益控制輸入信號的值而生成控制信號，其中第一數(shù)模轉(zhuǎn)換部分基于用于控制第二數(shù)模轉(zhuǎn)換部分的數(shù)字增益控制輸入信號，來調(diào)整模擬輸出信號的開始電壓或結(jié)束電壓。
文檔編號H04N5/335GK101667833SQ20091016816
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月1日
發(fā)明者菊地勝, 鬼塚將次 申請人:索尼株式會社