模數(shù)轉(zhuǎn)換器、含其的圖像傳感器及操作圖像傳感器的方法
【專利說明】
[0001] 本申請要求于2013年12月31日提交到韓國知識產(chǎn)權(quán)局化IPO)的第 10-2013-0168048號韓國專利申請的優(yōu)先權(quán)，所述韓國專利申請的公開內(nèi)容通過引用被全 部包含于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的原理的示例性實(shí)施例總體上設(shè)及半導(dǎo)體集成電路，更具體地 說，設(shè)及一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器、包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器的圖像傳感器W及一種操作圖像傳感器的方法。
【背景技術(shù)】
[000引舉例來說，計(jì)數(shù)器可用于諸如模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC)的各種電子電路。相應(yīng)地，ADC可 用在用于將諸如光強(qiáng)、聲強(qiáng)、時(shí)間等的物理量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的裝置中。作為示例，基于響 應(yīng)于入射光的強(qiáng)度的半導(dǎo)體的特性來捕獲圖像的圖像傳感器可包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC)，所 述模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將來自像素陣列的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。ADC可包括基于時(shí)鐘信號 執(zhí)行計(jì)數(shù)操作的一個(gè)或更多個(gè)計(jì)數(shù)器。
[0004] 計(jì)數(shù)器的工作速度和功耗可直接影響包括計(jì)數(shù)器的系統(tǒng)和/或裝置的性能。互補(bǔ) 金屬氧化物半導(dǎo)體（CMO巧圖像傳感器可包括相對大數(shù)量的計(jì)數(shù)器來將從有源像素傳感器 陣列逐列輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。計(jì)數(shù)器的數(shù)量隨著圖像傳感器的分辨率的增加 而增加。遺憾的是，隨著計(jì)數(shù)器的數(shù)量的增加W及隨著圖像傳感器的工作頻率的增加W提 供改善的成像，由于時(shí)鐘信號的傳播延遲造成的失配會使相關(guān)的成像器件的操作劣化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]在根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的原理的示例性實(shí)施例中，一種圖像傳感器，包括：像素陣列，像 素陣列包括被構(gòu)造為通過感測入射光來產(chǎn)生模擬信號的多個(gè)像素；多個(gè)比較器，被構(gòu)造為 通過將模擬信號與參考信號進(jìn)行比較來產(chǎn)生比較信號；多個(gè)計(jì)數(shù)器，被分組為多個(gè)計(jì)數(shù)器 組，每個(gè)計(jì)數(shù)器被構(gòu)造為通過在比較信號和多個(gè)輸入時(shí)鐘信號的控制下計(jì)數(shù)來產(chǎn)生與所述 模擬信號對應(yīng)的數(shù)字信號；多個(gè)同步電路，被構(gòu)造為響應(yīng)于源時(shí)鐘信號同步輸入時(shí)鐘信號， W將同步的輸入時(shí)鐘信號提供給計(jì)數(shù)器組。
[0006] 在根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的原理的示例性實(shí)施例中，所述多個(gè)輸入時(shí)鐘信號具有相同的頻 率，但具有相對于彼此的相位差。
[0007]在根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的原理的示例性實(shí)施例中，每個(gè)計(jì)數(shù)器被構(gòu)造為利用所述多個(gè)輸 入時(shí)鐘信號的相位差在輸入時(shí)鐘信號的每個(gè)循環(huán)周期內(nèi)計(jì)數(shù)四次或更多次。
[000引在根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的原理的示例性實(shí)施例中，源時(shí)鐘信號的頻率比所述多個(gè)輸入時(shí) 鐘信號的相同的頻率高。
[0009] 在根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的原理的示例性實(shí)施例中，同步電路包括多個(gè)重定時(shí)器，所述多 個(gè)重定時(shí)器級聯(lián)地結(jié)合，W響應(yīng)于源時(shí)鐘信號順序地傳輸輸入時(shí)鐘信號。
[0010] 在根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的原理的示例性實(shí)施例中，每個(gè)重定時(shí)器被構(gòu)造為從主時(shí)鐘發(fā)生 器或前一重定時(shí)器接收輸入時(shí)鐘信號，并且被構(gòu)造為響應(yīng)于源時(shí)鐘信號重新調(diào)整接收的輸 入時(shí)鐘信號，W產(chǎn)生同步的輸入時(shí)鐘信號。
[0011] 在根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的原理的示例性實(shí)施例中，同步電路包括多個(gè)本地時(shí)鐘發(fā)生器， 每個(gè)本地時(shí)鐘發(fā)生器被構(gòu)造為響應(yīng)于源時(shí)鐘信號產(chǎn)生輸入時(shí)鐘信號。
[0012] 在根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的原理的示例性實(shí)施例中，圖像傳感器包括源時(shí)鐘傳輸電路，源 時(shí)鐘傳輸電路被構(gòu)造為緩沖源時(shí)鐘信號，W將每個(gè)緩沖的源時(shí)鐘信號提供給每個(gè)同步電 路。
[0013] 在根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的原理的示例性實(shí)施例中，源時(shí)鐘傳輸電路包括W規(guī)則的間隔級 聯(lián)結(jié)合的多個(gè)反相器。
[0014] 在根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的原理的示例性實(shí)施例中，輸入時(shí)鐘信號包括具有相同頻率的第 一輸入時(shí)鐘信號和第二輸入時(shí)鐘信號，其中，第二輸入時(shí)鐘信號的相位比第一輸入時(shí)鐘信 號的相位落后90度。
[001引在根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的原理的示例性實(shí)施例中，每個(gè)同步電路包括：第一觸發(fā)器，包括 接收第一輸入時(shí)鐘信號的數(shù)據(jù)端子、接收源時(shí)鐘信號的時(shí)鐘端子W及產(chǎn)生第一同步的輸入 時(shí)鐘信號的輸出端子；第二觸發(fā)器，包括接收第二輸入時(shí)鐘信號的數(shù)據(jù)端子、接收源時(shí)鐘信 號的反相信號的時(shí)鐘端子W及產(chǎn)生第二同步的輸入時(shí)鐘信號的輸出端子。
[0016] 在根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的原理的示例性實(shí)施例中，圖像傳感器包括同步電路，同步電路 包括；第一翻轉(zhuǎn)觸發(fā)器，被構(gòu)造為與源時(shí)鐘信號的上升沿同步地產(chǎn)生第一輸入時(shí)鐘信號； 第二翻轉(zhuǎn)觸發(fā)器，被構(gòu)造為與源時(shí)鐘信號的下降沿同步地產(chǎn)生第二輸入時(shí)鐘信號。
[0017] 在根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的原理的示例性實(shí)施例中，每個(gè)計(jì)數(shù)器被構(gòu)造為利用第一輸入時(shí) 鐘信號與第二輸入時(shí)鐘信號的相位差來在第一輸入時(shí)鐘信號和第二輸入時(shí)鐘信號的每個(gè) 循環(huán)周期內(nèi)計(jì)數(shù)四次。
[001引在根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的原理的示例性實(shí)施例中，輸入時(shí)鐘信號包括具有相同頻率的第 一輸入時(shí)鐘信號、第二輸入時(shí)鐘信號、第=輸入時(shí)鐘信號、第四輸入時(shí)鐘信號，其中，第二輸 入時(shí)鐘信號的相位比第一輸入時(shí)鐘信號的相位落后45度，第=輸入時(shí)鐘信號的相位比第 二輸入時(shí)鐘信號的相位落后45度，第四輸入時(shí)鐘信號的相位比第=輸入時(shí)鐘信號的相位 落后45度。
[0019] 在根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的原理的示例性實(shí)施例中，每個(gè)同步電路包括：第一翻轉(zhuǎn)觸發(fā)器， 被構(gòu)造為與源時(shí)鐘信號的上升沿同步地產(chǎn)生第一翻轉(zhuǎn)信號；第二翻轉(zhuǎn)觸發(fā)器，被構(gòu)造為與 源時(shí)鐘信號的下降沿同步地產(chǎn)生第二翻轉(zhuǎn)信號；第=翻轉(zhuǎn)觸發(fā)器，被構(gòu)造為與第一翻轉(zhuǎn)信 號的上升沿同步地產(chǎn)生第一輸入時(shí)鐘信號；第四翻轉(zhuǎn)觸發(fā)器，被構(gòu)造為與第二翻轉(zhuǎn)信號的 上升沿同步地產(chǎn)生第二輸入時(shí)鐘信號；第五翻轉(zhuǎn)觸發(fā)器，被構(gòu)造為與第一翻轉(zhuǎn)信號的下降 沿同步地產(chǎn)生第S輸入時(shí)鐘信號；第六翻轉(zhuǎn)觸發(fā)器，被構(gòu)造為與第二翻轉(zhuǎn)信號的下降沿同 步地產(chǎn)生第四輸入時(shí)鐘信號。
[0020] 在根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的原理的示例性實(shí)施例中，每個(gè)計(jì)數(shù)器被構(gòu)造為利用在第一輸入 時(shí)鐘信號到第四輸入時(shí)鐘信號之間的相位差來在第一輸入時(shí)鐘信號到第四輸入時(shí)鐘信號 的每個(gè)循環(huán)周期內(nèi)計(jì)數(shù)八次。
[0021] 在根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的原理的示例性實(shí)施例中，每個(gè)計(jì)數(shù)器包括；緩沖器單元，被構(gòu)造 為通過響應(yīng)于表明計(jì)數(shù)操作的末尾的每個(gè)比較信號鎖存輸入時(shí)鐘信號來產(chǎn)生多個(gè)灰度代 碼位信號；波紋計(jì)數(shù)器，被構(gòu)造為響應(yīng)于鎖存輸出信號產(chǎn)生計(jì)數(shù)值的較高的有效位信號，鎖 存輸出信號對應(yīng)于灰度代碼位信號中的一個(gè)。
[0022] 在根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的原理的示例性實(shí)施例中，每個(gè)計(jì)數(shù)器還包括：代碼轉(zhuǎn)換器，被構(gòu) 造為對灰度代碼位信號執(zhí)行邏輯操作，W產(chǎn)生計(jì)數(shù)值的較低的有效位信號。
[0023] 在根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的原理的示例性實(shí)施例中，每個(gè)計(jì)數(shù)器包括；緩沖器單元，被構(gòu)造 為通過響應(yīng)于表明計(jì)數(shù)操作的末尾的每個(gè)比較信號鎖存輸入時(shí)鐘信號來產(chǎn)生多個(gè)灰度代 碼位信號；波紋計(jì)數(shù)器，被構(gòu)造為響應(yīng)于鎖存輸出信號產(chǎn)生計(jì)數(shù)值的一部分有效位信號，鎖 存輸出信號對應(yīng)于所述多個(gè)灰度代碼位信號中的一個(gè)；代碼轉(zhuǎn)換器，被構(gòu)造為對灰度代碼 位信號執(zhí)行邏輯操作，W產(chǎn)生計(jì)數(shù)值的另一部分有效位信號，其中，在所述計(jì)數(shù)值中，所述 一部分有效位信號處于比所述另一部分有效位信號高的有效位上。
[0024] 在根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的原理的示例性實(shí)施例中，一種緩沖器單元，包括；多個(gè)觸發(fā)器， 各個(gè)觸發(fā)器包括接收各個(gè)輸入時(shí)鐘信號的數(shù)據(jù)端子、接收各個(gè)比較信號的時(shí)鐘端子W及產(chǎn) 生各個(gè)灰度代碼位信號的輸出端子。
[0025] 在根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的原理的示例性實(shí)施例中，輸入時(shí)鐘信號包括具有相同頻率的第 一輸入時(shí)鐘信號和第二輸入時(shí)鐘信號，其中，第二輸入時(shí)鐘信號的相位比第一輸入時(shí)鐘信 號的相位落后90度，其中，各個(gè)計(jì)數(shù)器被構(gòu)造為利用第一輸入時(shí)鐘信號與第二輸入時(shí)鐘信 號的相位差產(chǎn)生與計(jì)數(shù)值的較低的有效位信號對應(yīng)的第一灰度代碼位信號和第二灰度代 碼位信號。
[0026] 在根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的原理的示例性實(shí)施例中，輸入時(shí)鐘信號包括具有相同頻率的第 一輸入時(shí)鐘信號和第二輸入時(shí)鐘信號，其中，第二輸入時(shí)鐘信號的相位比第一輸入時(shí)鐘信 號的相位落后45度，第=輸入時(shí)鐘信號的相位比第二輸入時(shí)鐘信號的相位落后45度，第四 輸入時(shí)鐘信號的相位比第=輸入時(shí)鐘信號的相位落后45度，其中，各個(gè)計(jì)數(shù)器被構(gòu)造為利 用第一輸入時(shí)鐘信號到第四輸入時(shí)鐘信號的相位差產(chǎn)生與計(jì)數(shù)器值的較低的有效位信號 對應(yīng)的第一灰度代碼位信號到第四灰度代碼位信號。
[0027] 在根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的原理的示例性實(shí)施例中，一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括；多個(gè)計(jì)數(shù)器， 被分組為多個(gè)計(jì)數(shù)器組，每個(gè)計(jì)數(shù)器被構(gòu)造為通過在多個(gè)輸入時(shí)鐘信號的控制下計(jì)數(shù)來產(chǎn) 生與模擬信號對應(yīng)的數(shù)字信號；多個(gè)同步電路，被構(gòu)造為響應(yīng)于源時(shí)鐘信號同步輸入時(shí)鐘 信號，W將同步的輸入時(shí)鐘信號提供給計(jì)數(shù)器組。
[0028] 在根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的原理的示例性實(shí)施例中，其中，輸入時(shí)鐘信號具有相同的頻率， 但是具有相對于彼此的相位差。
[0029] 在根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的原理的示例性實(shí)施例中，一種操作圖像傳感器的方法，包括：通 過感測入射光來產(chǎn)生模擬信號；通過將模擬信號與參考信號比較來產(chǎn)生比較信號；利用計(jì) 數(shù)器產(chǎn)生與模擬信號對應(yīng)的數(shù)字信號，每個(gè)計(jì)數(shù)器被構(gòu)造為在比較信號和多個(gè)輸入時(shí)鐘信 號的控制下計(jì)數(shù)；將計(jì)數(shù)器分組為多個(gè)計(jì)數(shù)器庫；利用多個(gè)同步電路來將所述多個(gè)輸入時(shí) 鐘信號與源時(shí)鐘信號進(jìn)行同步，每個(gè)同步電路對應(yīng)于計(jì)數(shù)器庫，W將同步的輸入時(shí)鐘信號 提供給各個(gè)計(jì)數(shù)器庫。
[0030] 在根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的原理的示例性實(shí)施例中，一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC)，包括；成組的 計(jì)數(shù)器，其中的每個(gè)計(jì)數(shù)器被構(gòu)造為進(jìn)行計(jì)數(shù)，直到相應(yīng)的計(jì)數(shù)終止信號被激活為止，其 中，每個(gè)計(jì)數(shù)終止信號響應(yīng)于模擬信號與參考信號之間的比較；時(shí)鐘同步電路，被構(gòu)造為產(chǎn) 生用于計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)信號，其中，所有的計(jì)數(shù)信號具有相同的頻率，但是至少兩個(gè)計(jì)數(shù)信號 具有彼此不同的相位，計(jì)數(shù)信號具有比同步時(shí)鐘信號的頻率低的頻率，時(shí)鐘同步電路將計(jì) 數(shù)信號同步到同步時(shí)鐘信號。
[0031] 在根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的原理的示例性實(shí)施例中，參考信號是斜坡信號。
[0032] 在根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的原理的示例性實(shí)施例中，計(jì)數(shù)器輸出灰度代碼計(jì)數(shù)。
[0033] 在根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的原理的示例性實(shí)施例中，計(jì)數(shù)器是多數(shù)據(jù)率（MDR)計(jì)數(shù)器。
[0034] 在根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的原理的示例性實(shí)施例中，一種成像器，包括：像素陣列，像素陣 列被構(gòu)造為在各個(gè)像素中采集光并針對各個(gè)像素產(chǎn)生代表像素內(nèi)采集到的光的模擬信號； 成組的計(jì)數(shù)器，每個(gè)計(jì)數(shù)器被構(gòu)造為計(jì)數(shù)，直到相應(yīng)的計(jì)數(shù)終止信號被激活為止，其中，每 個(gè)計(jì)數(shù)終止信號響應(yīng)于代表像素內(nèi)采集到的光的模擬信號與參考信號之間的比較；時(shí)鐘 同步電路，被構(gòu)造為產(chǎn)生用于計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)信號，其中，所有的計(jì)數(shù)信號具有相同的頻率， 但是至少兩個(gè)計(jì)數(shù)信號具有彼此不同的相位，計(jì)數(shù)信號具有比同步時(shí)鐘信號的頻率低的頻 率，時(shí)鐘同步電路將計(jì)數(shù)信號同步到同步時(shí)鐘信號。
[0035] 在根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的原理的示例性實(shí)施例中，成像器包括參考信號，參考信號是斜 坡信號。
[0036] 在根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的原理的示例性實(shí)施例中，成像器包括輸出灰度代碼計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù) 器。
[0037] 在根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的原理的示例性實(shí)施例中，成像器包括計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器是多數(shù)據(jù) 率（MDR)計(jì)數(shù)器。
[003引在根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的原理的示例性實(shí)施例中，一種便攜式電子裝置包括成像器，成 像器包括：像素陣列，像素陣列被構(gòu)造為在各個(gè)像素中采集光并針對各個(gè)像素產(chǎn)生代表所 述像素內(nèi)采集到的光的模擬信號；成組的計(jì)數(shù)器，每個(gè)計(jì)數(shù)器被構(gòu)造為計(jì)數(shù)，直到相應(yīng)的計(jì) 數(shù)終止信號被激活為止，其中，每個(gè)計(jì)數(shù)終止信號響應(yīng)于代表像素內(nèi)采集到的光的模擬信 號與參考信號之間的比較；時(shí)鐘同步電路，被構(gòu)造為產(chǎn)生用于計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)信號，其中，所 有的計(jì)數(shù)信號具有相同的頻率，但是至少兩個(gè)計(jì)數(shù)信號具有彼此不同的相位，計(jì)數(shù)信號具 有比同步時(shí)鐘信號的頻率低的頻率，時(shí)鐘同步電路將計(jì)數(shù)信號同步到同步時(shí)鐘信號。
[0039] 在根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的原理的示例性實(shí)施例中，一種智能電話包括成像器，成像器具 有：像素陣列，像素陣列被構(gòu)造為在各個(gè)像素中采集光并針對各個(gè)像素產(chǎn)生代表所述像素 內(nèi)采集到的光的模擬信號；成組的計(jì)數(shù)器，每個(gè)計(jì)數(shù)器被構(gòu)造為計(jì)數(shù)，直到相應(yīng)的計(jì)數(shù)終止 信號被激活為止，其中，每個(gè)計(jì)數(shù)終止信號響應(yīng)于代表像素內(nèi)采集到的光的模擬信號與參 考信號之間的比較；時(shí)鐘同步電路，被構(gòu)造為產(chǎn)生用于計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)信號，其中，所有的計(jì) 數(shù)信號具有相同的頻率，但是至少兩個(gè)計(jì)數(shù)信號具有彼此不同的相位，計(jì)數(shù)信號具有比同 步時(shí)鐘信號的頻率低的頻率，時(shí)鐘同步電路將計(jì)數(shù)信號同步到同步時(shí)鐘信號。
【附圖說明】
[0040] 通過下面結(jié)合附圖進(jìn)行的詳細(xì)描述，本發(fā)明構(gòu)思的示例性實(shí)施例將被更加清楚地 理解。
[0041] 圖1是示出根據(jù)示例性實(shí)施例的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的框圖。
[0042] 圖2是示出在圖1的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中包括的計(jì)數(shù)器的框圖。
[0043] 圖3是在圖1的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中包括的時(shí)鐘供應(yīng)電路的示例性實(shí)施例的框圖。
[0044] 圖4是示出在圖3的時(shí)鐘供應(yīng)電路中包括的重定時(shí)器的示例性實(shí)施例的示圖。
[0045] 圖5是示出圖4的重定時(shí)器的示例性操作的時(shí)序圖。
[0046] 圖6是示出根據(jù)示例性實(shí)施例的相位分割（phase-division)機(jī)制的計(jì)數(shù)器的框 圖。
[0047] 圖7到圖10是示出圖6的計(jì)數(shù)器的鎖存操作的時(shí)序圖。
[0048] 圖11是示出圖6的計(jì)數(shù)器的向上計(jì)數(shù)操作的時(shí)序圖。
[0049] 圖12和圖13是示出執(zhí)行向上計(jì)數(shù)操作的計(jì)數(shù)器的示例性實(shí)施例的電路圖。
[0化0] 圖14是示出在鎖存單元中包括的示例性的鎖存器的電路圖。
[0051] 圖15和圖16是示出執(zhí)行翻轉(zhuǎn)操作（togglingoperation)的觸發(fā)器的示例的電 路圖。
[0化2] 圖17是示出圖6的計(jì)數(shù)器的向下計(jì)數(shù)操作的時(shí)序圖。
[0053] 圖18和圖19是示出執(zhí)行向下計(jì)數(shù)操作的計(jì)數(shù)器的示例性實(shí)施例的電路圖。
[0054] 圖20是示出在圖1的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中包括的時(shí)鐘供應(yīng)電路的示例性實(shí)施例的框圖。 [0化5] 圖21是在圖20的時(shí)鐘供應(yīng)電路中包括的本地時(shí)鐘發(fā)生器的示例性實(shí)施例的示 圖。
[0056] 圖22是示出圖21的本地時(shí)鐘發(fā)生器的示例性操作的時(shí)序圖。
[0057] 圖23是在圖20的時(shí)鐘供應(yīng)電路中包括的本地時(shí)鐘發(fā)生器的另一示例性實(shí)施例的 示圖。
[0化引 圖24是示出圖23的本地時(shí)鐘發(fā)生器的示例性操作的時(shí)序圖。
[0059] 圖25是根據(jù)示例性實(shí)施例的相位分割機(jī)制的計(jì)數(shù)器的框圖。
[0060] 圖26是示出圖25的計(jì)數(shù)器的向上