模拟-数字转换器、固态图像捕获装置以及电子信息设备的利记博彩app

专利名称：模拟-数字转换器、固态图像捕获装置以及电子信息设备的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及模拟数字转换器，其中当将模拟图像信号转换 为数字图像信号并输出该数字图像时，可选择增益(gain);利用所述 模拟数字转换器从对象(subject)捕获图像光的固态图像捕获装置； 以及电子信息设备，例如数字相机(digital camera)(例如数字摄像 才几(digital video camera), l争拍数字相才几(digi tal still camera))、 图像输入扫描仪、传真机、配置有相机的手机(cell phone)设备等， 其使用所述固态图像捕获装置作为图像输入设备用于图像捕获部分。
2.
背景技术：
如参考1中所披露，在固态图像捕获装置，如常规CMOS图 像传感器中，当将模拟图像信号转换为数字图像信号并输出时，如果来 自像素部分的图像数据的电压电平太低，那么模拟数字转换器中的输入 信号放大器会选择高增益以获得明亮的图像。图8示出了这样一种常规 的图像传感器。图8为一框图，示出了常规CMOS图像传感器的示例性基本 结构。尽管实际像素排列具有例如1200行x 1600列，但是为简化起见， 包括像素部分的所述像素排列具有4行4列，如图8所示。在图8种，常规CMOS图像传感器100包括多个像素部分 101，其被排列在二维矩阵中；用于顺序地选择图像排列中的每一行的y 轴解码器102;多个放大器(输入信号放大器)103,用于放大像素排列 中每一列的输出电压；多个比较器104,用于把每个放大器103的输入 电压与模拟斜坡电压(ramp voltage) ARMP (斜坡意味着倾斜(t i 11))相 比较；数字锁存(latch)部分105,用于在输入电压与来自每个放大器 103的模拟斜坡电压ARMP相等时存储数字斜坡信号(ramp signal )DRMP(多位数据)；x轴解码器106,通过顺序地选择锁存部分105来顺序 地选择所述像素排列中的每一列，从而向多个位线输出信号；用于生成 所述才莫拟斜坡电压ARMP的才莫拟斜坡发生器107，所述模拟斜坡电压ARMP 为三角波，顺序地增加电压电平；以及用于生成数字斜坡信号DRMP的 数字斜坡发生器108,其中的数字值与所述模拟斜坡电压ARMP同步顺序 地增加。此外，常规模拟数字转换器还配置有所述放大器103、所述比 较器104、所述锁存部分105、所述模拟斜坡发生器107以及所述数字 斜坡发生器108。在具有上述结构的常规CMOS图像传感器100中，入射光 (incident light)(对象的光)首先被每个像素部分101光电转换，随 后作为图像信号电压输出。在所述y轴解码器102中，根据输入地址信 号YADDR只从所述像素排列中顺序地选择一行。从像素部分101的一行 中选择的输出电压经由相应的放大器103放大并输入到相应的比较器 104中。每个放大器103都是增益选择部分，在那里例如根据选择信号 GSEL选择原始(original)增益和双倍(doubled)增益(gain),从而将 来自每个像素部分101的输出电压进行放大。因此，在每个比较器104中，将模拟斜坡电压ARMP与所述 输入电压相互比较，当两者彼此相等时，所述数字斜坡信号DRMP被存 储在所述锁存部分105中，该数字斜坡信号与所述模拟斜坡电压ARMP 同步地增加电压电平。亦即，当所述模拟斜坡信号DRMP增加并且其电 压电平与所述像素部分101的输入电压的电压电平相同时，与所述模拟 斜坡电压ARMP处于相同的电压电平的该数字斜坡信号DRMP的数字值被 存储在所述锁存部分105中。所以，所述像素部分101的输入电压被认
为是4莫拟-数字转换。以这种方式，在完成一行的模拟-数字转换操作后，根据输 入的地址信号XADDR,在所述X轴解码器106顺序地选择每个锁存部分 105，并且每个锁存数字斜坡信号DRMP作为模拟-数字转换输出信号 DOUT被顺序输出。时钟信号CLOCK和同步信号SYNC被输入至所述才莫拟斜坡发 生器107和所述数字斜坡发生器108。在所述模拟斜坡发生器107,生 成逐步增加电压电平的所述才莫拟斜坡电压ARMP,反之在所述数字斜坡发
8生器108中，生成数字斜坡信号DRMP,所述数字斜坡信号DRMP不断变 化，使得所述数字斜坡信号与所述模拟斜坡电压ARMP同步地增加它的 电压电平。所述像素排列中的每一行都执行上述一系列模拟-数字转换 操作，使得数字图像信息作为图像数据被输出。 参考1:日本公开号2006 - 50231。

发明内容
然而，在以上描述并在图8中示出的常规图像传感器100中 所述像素排列中排列的多个列中的每一列都设置有作为增益选择部分 的放大器103,并且因此需要大量的放大器103。例如，在所述像素排 列为1200行x 1600列的情况下时，需要一千六百个放大器103，其是 非常庞大的。此外，与作为比较部分的所述比较器相比较，由于需要输 出精确的增益，作为增益选择部分的放大器103有复杂的电路，，，在 控制电路中具有许多晶体管。因此，产生一个问题，大量放大器103的 IC芯片所占的面积以及电能损耗将会增加。例如，配置有相机的手机仅 具有4艮小的空间，因此该问题变得特别明显。此外，还会产生由于生产 公差而导致放大器103的增益精确性可能改变的问题。本发明旨在解决上述常规问题。本发明的目的是提供一种 模拟-数字转换器，其中每一列不需要相应的放大器作为增益选择部分 且增益可被精确选择，由此减小所述电路所占面积和降低所述能量损 耗；使用该模拟-数字转换器的固态图像捕获装置；以及使用该固态图 像捕获装置作为用于图像捕获部分的图像输入设备的电子信息设备。
根据本发明的一种模拟-数字转换器包括用于比较输入信号电压 与模拟斜坡电压的比较部分，在模拟斜坡电压中电压电平逐渐增加；以 及当所述模拟斜坡电压或与所述模拟斜坡电压对应的电压和所述输入 信号电压相等时，存储数字斜坡信号的数字值的锁存部分，其中数字斜 坡信号中电压电平的数字值与所述模拟斜坡电压同步地逐渐增加；其中 多个模拟斜坡信号的部分或全部所累加的电压用作所述模拟斜坡电压， ^^而可以选择增益，由此达到上述目的。
优选地，根据本发明的模拟-数字转换器还包括用于产生所述模拟斜坡信号的模拟斜坡发生部分和用于产生所述数字斜坡信号的数字斜 坡发生部分。
仍然优选地，根据本发明的模拟-数字转换器进一 步包括第 一增益 选择部分，用于将来自所述模拟斜坡发生部分的所述模拟斜坡信号的输 出分支成多个输出，以允许至少一个输出切换为固定的电压输出。
仍然优选地，在根据本发明的模拟-数字转换器中，所述第一增益 选择部分为增益选择开关，所述增益选择开关通过所述第一增益选择信
号在多个模拟斜坡信号的至少 一 个与所述固定电压之间切换，这样增益 是可选择的。
仍然优选地，在根据本发明的模拟-数字转换器中，所述模拟斜坡 发生部分包括用于改变所述模拟斜坡信号的倾斜度的第二增益选择部 分。
仍然优选地，在根据本发明的模拟-数字转换器中，所述选择部分
中，将所述输入信号电压的输入通过第三开关连接到第一连接点；将第 一模拟斜坡信号通过笫 一电容器连接到所述笫 一连接点；将第二模拟斜 坡信号通过第二电容器连接到所述第一连接点…以及将第n模拟斜坡信 号通过第n电容器连接到所述第一连接点(n为整数，大于或等于2); 将所述第一连接点通过第四开关和比较电容器的串联电路连接到CMOS 变换器的输入；以及将所述CMOS变换器的所述输出连接到比较器输出 的输出，由此构成采样和比專交部分。
仍然优选地，在根据本发明的模拟-数字转换器中，和在所述比较 部分中，将所述输入信号的输入通过第一开关连接到位于所述第四开关 和所述比较电容器之间的第二连接点，并且位于所述比较电容器和所述 CMOS变换器的输入之间的第三连接点通过第二开关连接到所述CMOS变 换器的输出，由此构成重置(reset)部分。
仍然优选地，在根据本发明的模拟-数字转换器中，和在所述比较 部分中，所述CMOS变换器被连接在高电位电源和低电位电源之间，以 及将所述第一连接点通过附加电容器连接到所述低电位电源的输出。
仍然优选地，在根据本发明的模拟-数字转换器中，当所述第一开 关和第二开关位于导通状态，并且所述第三开关和第四开关处于断开状
态时，所述比较部分处于重置状态并且所述CMOS变换器的输入和输出被重置为同等电压，并且输入重置电压在所述比较电容器中被充电。
仍然优选地，在根据本发明的^t拟-数字转换器中，当所述第三开 关处于导通状态时，所述比较部分处于采样状态和所述输入信号电压被
充电到所述第一电容器、所述第二电容器、…以及所述第n电容器；输 入电压VI是输入重置电压与所述输入信号电压的差值，在重置期间内 所述输入重置电压向所述比较电容器充电；当第三开关处于断开状态且 第四开关处于导通状态时，所述比较部分处于比较状态，且所述电压电 平随着第一模拟斜坡信号、第二模拟斜坡信号…和第n模拟斜坡信号中 的至少一个的固定倾斜度而变化，并且所述比较输出在当第 一模拟斜坡 信号、第二模拟斜坡信号…和第n模拟斜坡信号的累加电压达到预定电 压V2时发生改变。
仍然优选地，在根据本发明的模拟-数字转换器中，当第一开关、 第二开关和第四开关处于断开状态且第三开关处于导通状态时，所述比 较部分处于采样状态且所述输入信号电压向第一电容、第二电容…以及 第n电容充电，并且输入电压VI为输入重置电压与所述输入信号电压 的差，其中在重置期间，输入重置电压向所述比较电容器充电；当所述 第一开关、第二开关和第三开关处于断开状态且第四开关处于导通状态 时，所述比较部分处于比较状态；并且所述电压电平随着所述第一^t拟 斜坡信号和第二模拟斜坡信号中至少 一个的固定倾斜度而变化，且当第 一模拟斜坡信号、第二模拟斜坡信号…和第n模拟斜坡信号的累加电压 达到预定电压V2时，所述比较输出发生改变。
仍然优选地，在根据本发明的模拟-数字转换器中，当第一开关和 第二开关处于导通状态，而第三开关和第四开关处于断开状态时，所述 比较部分处于重置状态并且所述CMOS变换器的输入和输出被重置为相 等电压；并且所述输入重置电压向所述比较电容器充电；当第一开关、 第二开关和第四开关处于断开状态且笫三开关处于导通状态时，所述比 较部分处于采样状态；且所述输入信号电压向第一电容器、第二电容 器…第n电容器和附加电容器充电，并且所述输入电压VI为所述输入 重置电压和输入信号电压的差；当笫一开关、第二开关和第三开关处于 断开状态且第四开关处于导通状态时，所述比较部分处于比较状态；且 所述电压电平随着所述第 一模拟斜坡信号、第二模拟斜坡信号...以及第n模拟斜坡信号中的至少一个的固定倾斜度而变化，且当所述第一模拟 斜坡信号、第二模拟斜坡信号…和第n模拟斜坡信号的累加电压达到预 定电压V2时，所述比较器输出发生变化。
仍然优选地，在根据本发明的模拟-数字转换器中，作为输入电压 VI和预定电压V2的比的增益G,在所述比较部分中这样确定当第一 模拟斜坡信号、第二模拟斜坡信号...第n模拟斜坡信号中的 一个或多个 模拟斜坡信号被改变而其余的模拟斜坡信号是固定的的时候，用第 一 电 容器、第二电容器…第n电容器相应电容的和除以与一个或多个模拟斜 坡信号相对应的各电容器的和。
仍然优选地，在根据本发明的模拟-数字转换器中，作为输入电压 VI与预定电压V2的比的增益G,在比较部分中这样确定当第一才莫拟 斜坡信号、第二模拟斜坡信号...第n模拟斜坡信号中的 一个或多个模拟 斜坡信号被改变而其余的模拟斜坡信号固定的时候，用第一电容器、笫 二电容器…笫n电容器和附加电容相应电容的和除以与一个或多个模拟 斜坡信号相对应的各电容器的和。
仍然优选地，在根据本发明的模拟-数字转换器中，增益G为输入 电压VI与预定电压V2的比，在比较部分中由下列等式(1 )和(2") 至(4")根据第一电容器C1、第二电容器C2…第n电容器Cn、比较电 容器C与附加电容器CT的电容的比而确定 F2 = Gxn 等式(1 )
<formula>formula see original document page 12</formula>等式(2")
如果第一模拟斜坡信号发生变化且第二模拟斜坡信号是固定的； G = (Cl + C2 + Cr)/C2 等式(3")
如果第 一模拟斜坡信号是固定的且第二模拟斜坡信号发生变化；
<formula>formula see original document page 12</formula> 等式(4")
如果笫 一模拟斜坡信号和第二模拟斜坡信号都发生变化。 仍然优选地，在根据本发明的模拟-数字转换器和所述模拟斜坡发 生部分中，差分放大器的输出连接至模拟斜坡发生输出的输出端，并且 所述模拟斜坡发生输出的输出端通过第七电容器和第六开关的并联电
容连接至所述差分放大器的反相输入端(negative input);所述差分放 大器的同相输入端(positive input)连接至模拟接地点，且第六连接点通过第五电容器连接至所述模拟接地点且通过第七开关和第六电容器
的串联电路连接至所述模拟接地点；并且所述第六连接点连接至参考电 压的输入端或通过第五开关连接至所述差分放大器的反相输入端。
仍然优选地，在根据本发明的模拟-数字转换器中，附加串联电路 与所述第七开关和第六电容器的串联电路相同，被设置成这样的方式使 得第7-1开关和第6-1电容器的串联电路…所笫7-m开关和第6-m 电容器的串联电路彼此并联。
仍然优选地，在根据本发明的模拟-数字转换器，所述模拟斜坡发 生部分中，通过同步信号来控制第六开关打开和闭合，并且当所该同步 信号为'T，时，所述模拟斜坡发生输出被重置至0V电压值；通过第二 增益选择信号来控制第七开关打开和闭合，且当第二增益选择信号为 "1"时，所述第五电容器和第六电容器并联连接；通过时钟信号来开 关控制所述第五开关，且当所述同步信号为"0"且所述第二增益选择 信号为"0"时，所述第五电容器的电荷被转移至所述第七电容器；且 当所述同步信号为"0"且所述第二增益选择信号为"1"时，所述第五 电容器和第六电容器的电荷被转移至所述第七电容器。
仍然优选地，在根据本发明的模拟-数字转换器和所述模拟斜坡发 生部分中，在所述^^拟斜坡发生部分中，通过同步信号控制所述第六开 关打开和闭合，且当所述同步信号为"1"时，所述模拟斜坡发生输出 被重置至0V电压值；第二增益选择信号被构造为具有多个增益选择信 号，且通过多个增益选择开关来控制第7-m开关的打开和闭合，且第6 -n电容器中的一个或多个，其对应于多个增益选择信号中的增益选择 信号"1",与第五电容器并联连接，通过所述时钟信号来开关控制所 述笫五开关，且当所述同步信号为"0"且所述第二增益选择信号为"0" 时，所述第五电容器的电荷被转移至所述笫七电容器；且当所述同步信 号为"0"且多个增益选择信号为"1"时，第6-m电容器中的一个或 多个和第五电容器的电荷被转移至所述第七电容器。
根据本发明的固态图像捕获装置包括多个像素部分，排列成矩阵， 用于将入射光光电转换成电子并将其输出作为输入信号电压；y轴解码 器，用于顺序地选择像素排列中的每一列；x轴解码器，用于选择像素 排列中的每一行；以及根据本发明的模拟-数字转换器，由此达到上述目的。
根据本发明的电子信息设备，其使用根据本发明的所述模拟-数字 转换器或根据本发明的所述固态图像捕获装置，由此实现上述目的。在下文中将描述具有上述结构的本发明的功能。
根据本发明。所述模拟-数字转换器包括比较器，用于将所 述输入电压和所述模拟斜坡电压相比较，所述模拟斜坡电压为三角波， 其逐渐增加所述电压电平；以及锁存部分，用于当所述输入电压和;溪拟 斜坡电压两者相等时存储数字斜坡信号，其中的电压电平的数字值与所 述模拟斜坡电压同步地逐渐增加。电压，其为多个模拟斜坡信号的和， 被用作所述模拟-数字转换器中的模拟斜坡电压。作为第一增益选择部 分的增益选择开关通过笫一增益选择信号来切换，从而将多个信号中的
至少 一个从所述^t拟斜坡发生器输出的所述模拟斜坡信号中分支出来， 可#1改变为固定电压，由此实现增益的选择。进一步地，不仅包括该增 益选择或不包括该增益选择，作为第二增益选择部分的第二增益选择信 号改变所述^t拟斜坡信号的三角波的倾斜度，该^t拟斜坡信号是从所述 模拟斜坡发生器产生的，从而进行增益的选择。根据如上描述的本发明，通过所述增益选择信号和所述开关 改变所述模拟斜坡信号和所述固定电压；并且改变所述三角波的倾斜 度，以便于在不使用作为每一列的增益选择部分的多个放大器的情况下 选择增益。因此，由于与现有技术相比不必设置多个放大器，所以芯片 所占据的面积减小且电能损耗降低。此外，用被构造作为比较电路的电 容器的电容比(capacity ratio)可控制增益的精确度，从而使得生成 公差所带来的影响可被降低。
在参照附图阅读和理解如下详细描述的基础上，本发明的这些及其 它优点对于本领域技术人员而言将变得清晰。


图1为一方框图，示出了根据本发明实施例1的图像传感器 的示例性基本结构。
图2为一时序图(timing chart ),示出了图1中示出的图像传感 器10的示例性操作，其中(a)示出了第一增益选择信号GSEL为"0" 的情况，以及(b)示出了第一增益选择信号GSEL为"1"的情况。图3为一电路图，示出了根据本发明的实施例2的比较器示例性基 本结构。
图4为一时序图，示出了图3中示出的比较器的示例性运行。
图5为一电路图，示出了图3中比较器的示例性变形。
图6为一电路图，示出了图1中示出的用于存储l比特的所述锁存
部分的示例性结构。
图7为一电路图，示出了根据本发明的实施例3的所述^t拟斜坡发
生器的示例性基本结构。
图8为一方框图，示出了一常规图像传感器的示例性基本结构。 图9为一方框图，示出了使用一根据本发明的实施例1至3的图像
传感器10作为图像捕获部分的电子信息设备的示例性框图结构。 10:图像传感器
11:像素部分
12: y轴解码器
13， 13A:比较器(比较部分)
14:锁存部分
15: x轴解码器
16:模拟斜坡发生器(模拟斜坡发生部分)
17:增益选择开关(增益选择部分)
18:数字斜坡发生器(数字斜坡发生部分)
20:模拟-数字转换器
21-27:连接点
31:变换器
32:差分放大器
SW1-SW7:开关
C1-C7:电容器
90:电子信息设备
92:存储部分
93:显示部分
94:通信部分
95:图像输出部分
具体实施例方式在下文中，将结合附图详细描述根据本发明的模拟-数字转 换器的实施例1-3,其中所述模拟-数字转换器被应用到图像传感器，其 作为固态图像捕获装置。
(实施例1 )
图1为一方框图，示出了根据本发明实施例1的图像传感器的示例 性基本结构。为了简化起见，在图1中，包含大量像素部分的像素排列
(pixel arrangement )具有四行和四列，尽管实际的像素排列例如具 有1200行x 1600列。在图1中，根据实施例1的图像传感器10包括多个像素 部分ll,其在行和列的方向被设置成二维矩阵；y轴解码器12,用于顺 序地选择像素排列中的每一行；比较器13,作为每一列的比较部分，用 于将输入电压与模拟斜坡电压进行比较，其中所述输入电压是所述像素 排列每一列的输出电压，所述模拟斜坡电压是模拟斜坡信号ARMP1和模 拟斜坡信号ARMP2的和；锁存(latch)部分14,用于当所述输入电压(像 素电压)和每一列的模拟斜坡电压(或对应于模拟斜坡电压的电压)相 等(相同的时序(timing))(当两电压相同时的时序)时，存储数字 斜坡信号DRMP; x轴解码器15,通过顺序地选择锁存部分14来顺序选 择像素排列中的每一列；模拟斜坡发生器16,作为用于产生固定电压(在 这里OV地电压)和;漢拟斜坡信号ARMP1的^^莫拟斜坡发生部分，在^^莫拟 斜坡发生器16中电压电平逐渐增加；作为第一增益选择部分的增益选 择开关17,在增益选择开关17中从模拟斜坡发生器16输出的模拟斜坡 信号ARMP1的输出分支成两个输出(亦即所述输出分支为用于模拟斜坡 信号ARMP1的输出和用于模拟斜坡信号ARMP2的输出，在这种情况下， 模拟斜坡信号ARMP1和ARMP2为相同的信号)，并且根据第一增益选择 信号GSEL对所述两个输出中的一个和固定电压输出来进行切换
(switch);以及数字斜坡发生器18,作为数字斜坡发生部分，用于产 生数字斜坡信号DRMP,在数字斜坡发生器18中电压电平的数字值与所 述模拟斜坡电压同步地逐渐增加。模拟-数字转换器20配置有比较器 13、锁存部分14、模拟斜坡发生器16、增益选择开关17和数字斜坡发生器18。所述模拟-数字转换器使用等于多个模拟斜坡信号的和的电 压作为前述的模拟斜坡电压，并设置有第一增益选择部分，该第一增益 选择部分用于分支来自模拟斜坡发生器16的模拟斜坡信号ARMP1的输 出并将所述分支输出中的至少一个切换为固定电压输出，其中所述。在 这里，所述增益选择开关17被设置作为第一增益选择部分，用于根据 所述第一增益选择信号GSEL,将来自所述模拟斜坡信号的所述两个分支 信号中的一个切换为固定电压。进一步地，设置第二增益选择部分用于 根据第二增益选择信号GRMP,改变所述模拟斜坡信号的倾斜度。具有上述结构的所述图像传感器IO通过大量像素部分11将 入射光光电转换成电子。所述y轴解码器12根据地址信号YADDR从像 素排列中顺序地只选择一行，并将每个像素部分11的被选择的行的输 出电压作为输入电压输入到相应的比较器13中。随后，所述比较器13将所述模拟斜坡电压与所述输入电压 相比较，其中所述模拟斜坡电压是第一模拟斜坡信号ARMP1和第二模拟 斜坡信号ARMP2的和(所述模拟斜坡电压是第一模拟斜坡信号ARMP1的 整倍数，比如l倍或两倍，它为电压且在这里是该电压的两倍的另一电 压)，并且当所述两电压相等时，所述数字斜坡信号DRMP的电压电平 的数字值被存储在锁存部分14中。这时，时钟信号CLOCK和同步信号 SYNC输入至所述模拟斜坡发生器16和所述数字斜坡发生器18。所述模 拟斜坡发生器16产生模拟斜坡信号ARMP,其是逐渐增大的三角波。所 述^^莫拟斜坡发生器16的输出被分支成两个输出，并且它允许所述两个 输出中的一个输出为第一模拟斜坡信号ARMP1,另一个经过所述增益选 择开关17输出作为第二模拟斜坡信号ARMP2。增益选择开关17能够根 据第一增益选择信号GSEL将所述第二模拟斜坡信号ARMP2固定成固定 电压。此外，模拟斜坡发生器16根据第二增益选择信号GRMP为笫一模 拟斜坡信号ARMP1和第二;^莫拟斜坡信号ARMP2选择倾斜度。所述数字斜 坡发生器18产生数字斜坡信号DRMP，其为与所述模拟斜坡电压ARMP同 步改变的三角波。亦即，才艮据所述才莫拟斜坡电压ARMP时序的增加(increasing timing),该才莫拟斜坡电压具有与来自像素部分11的输入信号电压VIN的电压电平相同的电压电平(或相应的电压电平)，与所述;^莫拟斜坡ARMP 的电压电平相对应的数字斜坡信号DRMP的数字值被存储在锁存部分14 中。这允许对来自像素部分ll的输入电压进行模拟-数字转换。如上所述，在对一行完成模拟-数字转换操作后，所述x轴 解码器15根据输入地址信号XADDR顺序地选择锁存部分14。下一步， 所述锁存数字斜坡信号DRMP的数字值顺序地输出至多个位线(此处， 例如8位或10位)作为模拟-数字转换输出信号DOUT。对像素排列中的每一行执行上述一 系列模拟-数字转换操 作，从而使得数字图像信息作为图像数据被输出。图2为时序图，示出了图1中示出的图像传感器10的示例 性操作，其中(a)示出了第一增益选择信号GSEL为"0"的情况，以 及(b)示出了第一增益选择信号GSEL为"1"的情况。此外，图2示 出了第一增益选择信号GSEL、第二增益选择信号GRMP、同步信号SYNC、 第一模拟斜坡信号ARMP1、第二模拟斜坡信号ARMP2以及数字斜坡信号 丽P。如图2 (a)所示，当第一增益选择信号GSEL为"0"时，第 二模拟斜坡信号ARMP2变为增益选择开关17的输出电压。那时，第一 模拟斜坡信号ARMP1和第二^t拟斜坡信号ARMP2具有相同的电压波形， 并且当同步信号SYNC为"1"时，第一模拟斜坡信号ARMP1和第二模拟 斜坡信号ARMP2被重置(reset)为OV,反之，当同步信号SYNC为"0" 时，第一^莫拟斜坡信号ARMP1和笫二^t拟斜坡信号ARMP2以固定的倾斜 度(constant tilt amount)顺序增加。换言之，当同步信号SYNC从T 到"0"时，第一才莫拟斜坡信号ARMP1和第二;f莫拟斜坡信号ARMP2的电 压电平开始增加。设置第一模拟斜坡信号ARMP1和第二模拟斜坡信号 ARMP2的倾斜度使得当第二增益选择信号GRMP为"0"时，模拟斜坡最 大电压为IV,反之设置第一模拟斜坡信号ARMP1和笫二模拟斜坡信号 ARMP2的倾斜度使得当第二增益选择信号GRMP为"1"时，才莫拟斜坡最 大电压为0. 67V。如图2 (b)所示，当第一增益选择信号GSEL为"1"时，第 一模拟斜坡信号ARMP1与图2 ( a )中的那个相同，并且通过增益选择开 关17将第二模拟斜坡信号ARMP2设定成固定值。
根据上述实施例1,第一增益选择信号GSEL和第二增益选择 信号GRMP被组合，从而使得才莫拟斜坡电压的最大值可从0. 67V、 IV、 1.34V和2V中选择，其中模拟斜坡电压的最大值是第一模拟斜坡信号 ARMP1和第二模拟斜坡信号ARMP 2的累加值。所述累加的电压的最大值 为2V的情况下的相对增益分别是3倍、2倍、1. 5倍和1倍。进一步地， 实施实施例1可以通过改变所述固定电压，改变所述倾斜度以及改变所 述模拟斜坡信号的数目，来容易地增加增益选择的组合的数目。进一步 地，只提供第一增益选择部分和第二增益选择部分中的任一个也是可行 的。
(实施例2 )
在实施例2中，将详细描述应用在根据上述实施例1的图像传感器 10中的比较器13。图3为一电路图，示出了根据本发明实施例2的比较器的示 例性基本结构。在图3中，比4支器13包括用于重置的开关SW1和开关SW2; 开关SW3,用于输入输入信号电压VIN的采样；用于起动比较的开关SW4; 用于采样第一模拟斜坡信号ARMP1和第二沖莫拟斜坡信号ARMP2的每一个 模拟值的第一电容器Cl和第二电容器C2;用于比较的电容。；用于明 确(clarify)比较输出的电容器C4;以及用于比较输出的CMOS变换器 (inverter) 31。需被比较的两个数据(输入信号电压VIN和才莫拟值的累 加电压)顺序地被输入至比较器13,且所述两个数据由开关SW4连接， 从而比较两个数据并输出比较结果。在比较器13中，每个像素部分11中的输入电压VIN通过第 一开关SW1连接至第二连接点22并通过第三开关SW3连接至第一连接 点21。此外，第一模拟斜坡信号ARMP1通过第一电容器Cl连接至笫一 连接点21,且第二模拟斜坡信号ARMP2通过第二电容器C2连接至第一 连接点21。另外，笫一连接点21和第二连接点2卩通过第四开关SWA彼 此连接，且第二连接点22和第三连接点23通过第三电容器C3彼此连 接。此外，第三连接点23连接到所述CMOS变换器31的输入端且CMOS 变换器31的输出端连接至所述锁存部分14作为比较器输出VCMP。所述 CMOS变换器31连接在高电位电源VDD的输出端与一低电位电源VSS的输出端之间。此外，比较器输出VCMP的输出端与第三连接点23通过第 二开关SW2彼此连接，且第一连接点21通过第四电容器C4连接至位于 CMOS变换器31与低电位电源VSS的输出端之间的连接部分。亦即，在作为比较部分的比较器13中，输入信号电压VIN 的输入端通过第三开关SW3连接到第一连接点21;第一模拟斜坡信号通 过第一电容器Cl连接到第一连接点21;第二模拟斜坡信号通过笫二电 容器C2连接到第一连接点21;笫一连接点21通过第四开关SW4与第三 电容器C3的串联电路连接至CMOS变换器31的输入端；并且CMOS变换 器31的输出端连接至比较器输出VCMP的输出端，由此构成采样和比较 部分；此外，在比较器13中，输入信号电压VIN的输入端通过第一开 关SW1连接至位于第四开关SW4和第三电容器C 3之间的第二连接点2 2; 第三电容器C3与所述CM0S变换器31输入端的第三连接点23通过第二 开关SW2连接至CMOS变换器31的输出端，由此构成重置部分。此外， 在比较器13中，CMOS变换器31连接至所述低电位电源VSS的输出端， 第 一连接点21通过第四电容器C4连接至所述低电位电源VSS的输出端。 应当注意的是，图3中的重置部分只是一个实例但它并不限制于在那里 示出的该重置部分。图4为时序图，示出了图3中示出的比较器的示例性操作。 此外，图4示出了开关SW1至SW4、来自像素部分11的输入电压VIN、 第 一模拟斜坡信号ARMP1和第二模拟斜坡信号ARMP2的累加电压(V2 ), 以及比较器输出VCMP的导通和断开状态。如图4所示，当第一开关SW1和第二开关SW2处于导通状态 且第三开关SW3和第四开关SW4处于断开状态时，比较器l3首先处于 重置状态。在该重置状态期间，CMOS变换器31的输入和输出被重置为 相同的电压，且来自像素部分11的输入电压VIN的重置电压为电容器 C3充电。接着，当第一开关SW1、第二开关SW2和第四开关SW4处于 断开状态，且第三开关SW3处于导通状态时，比较器13处于采样状态。 在该采样状态期间，像素部分11的输入信号电压VIN被提供给第一连 接点21并向第一电容器Cl、第二电容器C2和第四电容器C4充电。输 入电压VI等于输入重置电压减去输入电压VIN。
顺序地，当笫一开关SW1、第二开关SW2和第三开关SW3处 于断开状态且只有第四开关SW4处于导通状态时，比较器13处于比较 状态。在该比较状态期间，当第一模拟斜坡信号ARMP1和第二模拟斜坡 信号ARMP2中的任一个或两个处于固定(constant )斜度时，电压电平 改变，且当第 一模拟斜坡信号ARMP1和第二模拟斜坡信号ARMP2的累加 电压达到预定电压V2时，所述比较器输出VCMP从"1"变到"0"。此 时，对应于所述才莫拟斜坡电压ARMP的数字斜坡信号DRMP的数字值被存 储在锁存部分14中。增益G,为输入电压VI和电压V2的比值，在比较器13中由
下述等式(1)至(4)根据第一电容器ci、第二电容器a与第三电容
器C3的电容的比来确定。
F2 = GxH 等式(1 )
G《1十C2 + C4)/C1 等式(2) 如果第一模拟斜坡信号ARMP1被改变的而第二模拟斜坡信号ARMP2 是固定的；
G = (C1 + C2 + C4)/C2 等式(3) 如果第一模拟斜坡信号ARMP1是固定的而第二模拟斜坡信号ARMP2 被改变；
G = (C1 + C2 + C4)/(C1 + C2) 等式(4) 如果第一模拟斜坡信号ARMP1和第二模拟斜坡信号ARMP2都被改变。
比较器13的比较器输出VCMP连接至后面部分中的锁存部分14，并 且它由CMOS变换器31转换为数字信号并被用于操作锁存部分14。在实施例2中，尽管两个;t莫拟斜坡信号ARMP1和ARMPZ输入 至比较器13中，但是另外的模拟斜坡信号可进一步加到比较器13并通 过附加电容器连接至第一连接点21。所以，通过多个模拟斜坡信号可简 单地增加增益组合的数目。在这种情况下，增益G,其作为输入电压VI与预定电压V2 的比，在比较器13中由下列等式(1)和(2")至(4，，)根据第一电容 器C1、笫二电容器C2…笫n个电容器Cn、用于比较的电容C(在实施例1中为C3)与附加电容CT (在实施例4中为C4)的电容比来确定。
图9为一方框图，示出了使用根据本发 明的实施例1至3的图像传感器10作为图像捕获部分的电子信息设备 的示例性框图结构。
在图9中，根据本发明的电子信息设备90包括以下中的至少任一 个存储部分92 (例如记录介质)，在对用于记录的图像数据执行完预 定信号处理后，用于数据记录通过使用上述根据本发明实施例1至3的 图像传感器10作为图像捕获部分所获得的高质量图像数据；显示部分 93(例如液晶显示设备)，在对用于显示的图像数据执行预定信号处理 后，将该图像数据显示在显示屏上(例如液晶显示屏)；通信部分94
(例如发送和接收设备)，在对用于通信的图像数据执行预定信号处理 后，用于通信传输该图像数据；以及图像输出部分95，用于印刷
(printing)(打字(type out))和输出(打印出(printout))该 图像数据。如上所述，通过使用优选实施例1至3举例说明了本发明。 然而本发明不应当仅仅基于上述实施例1至3来理解。应当理解的是， 本发明的保护范围应当只在权利要求的基础上进行理解。还应当理解的 是，基于本发明的描述和在对本发明的具体优选实施例1至3描述的基 础上获得的普通知识，本领域技术人员可实施该技术的等同范围。此外， 应当理解，本发明中引用的任何专利申请和参考在此以引用的方式并入 本文中，如同内容^:专门描述的一样。
工业实用性根据本发明，在模拟-数字转换器领域，其中当模拟图像信 号被转换为数字图像信号并输出该数字图像时，可选择增益；固态图像 捕获装置，其使用该模拟-数字转换器从而能够捕获来自对象的图像光； 以及电子信息设备，如数字相机(亦即数字摄像机，静拍数字相机)、 图像输入扫描仪、传真机、配备有相机的手机设备等等，使用该固态图 像捕获装置作为图像捕获部分的图像输入设备，通过增益选择信号和开关来改变模拟斜坡信号和固定电压；亦即在不使用多个放大器作为每一 列的增益选择部分的情况下，通过改变三角波的倾斜度来选择增益。与 现有技术相比，由于不必设置多个放大器，所以芯片所占面积减小，电 能损耗下降。此外，利用构成比较电路的电容器的电容比来控制增益的 精确度，从而降低了由生产公差所造成的影响。
在不偏离本发明的范围及精神的情况下，多种其它的变形对于本领
域技术人员而言是显而易见且容易实现的。因此，有关权利要求的保护 范围不应当局限于此处所表达的描述，而应被广泛地解释。
权利要求
1.一种模拟-数字转换器，包括比较部分，用于比较输入信号电压与模拟斜坡电压，模拟斜坡电压中的电压电平逐渐增加；以及锁存部分，用于当所述模拟斜坡电压或对应于所述模拟斜坡电压的电压与所述输入信号电压相等时存储数字斜坡信号的数字值，数字斜坡信号中的电压电平的数字值与所述模拟斜坡电压同步地逐渐增加；其中多个模拟斜坡信号的部分或全部所累加的电压被用作所述模拟斜坡电压，从而进行增益选择。
2. 根据权利要求1的模拟-数字转换器，进一步包括用于产生模拟 斜坡信号的模拟斜坡发生部分和用于产生数字斜坡信号的数字斜坡发 生部分。
3. 根据权利要求2的模拟-数字转换器，进一步包括第一增益选择 部分，用于将来自模拟斜坡发生部分的模拟斜坡信号的输出分支成多个 输出，以允许至少一个输出^f皮切换为固定电压输出。
4. 根据权利要求3的模拟-数字转换器，其中所述第一增益选择部 分为增益选择开关，通过第一增益选择信号所述增益选择开关在多个模 拟斜坡信号中的至少 一个和固定电压之间切换，从而进行增益选择。
5. 根据权利要求2的模拟-数字转换器，其中所述模拟斜坡发生部 分包括第二增益选择部分，其用于改变所述模拟斜坡信号的倾斜度。
6. 根据权利要求l的模拟-数字转换器，其中在所述比较部分中， 所述输入信号电压的输入端通过第三开关连接至第 一连接点；第 一模拟 斜坡信号通过笫 一 电容器连接至第 一连接点；第二模拟斜坡信号通过第 二电容器连接至第一连接点…以及第n模拟斜坡信号通过第n电容器连 接至第一连接点(n为大于或等于2的整数)；第一连接点通过第四开 关和比较电容器的串联电路连接至CMOS变换器的输入端；以及所述 CMOS变换器的输出端连接至比较器输出的输出端，由此构成采样和比较 部分。
7. 根据权利要求6的模拟-数字转换器，其中，在所述比较部分中， 输入信号电压的输入端通过第一开关连接至位于第四开关和所述比较电容器之间的第二连接点，位于所述比较电容器与所述CMOS变换器的 输入端之间的第三连接点通过第二开关连接至所述CMOS变换器的输出 端，由此构成重置部分。
8. 根据权利要求7的模拟-数字转换器，其中在所述比较部分中， 所述CMOS变换器连接在高电位电源与低电位电源的输出端之间，且第 一连接点通过附加电容器连接至所述低电位电源的输出端。
9. 根据权利要求7的模拟-数字转换器，其中当第一开关和第二开 关处于导通状态且第三开关和第四开关处于断开状态时，所述比较部分 处于重置状态并且所述CMOS变换器的输入和输出被重置为相等的电压， 且输入重置电压向所述比较电容器充电。
10. 根据权利要求6的模拟-数字转换器，其中当第三开关处于导通状态时，所述比较部分处于采样状态且所 述输入信号电压向第一电容器、第二电容器…以及第n电容器充电；以 及输入电压VI为输入重置电压与所述输入信号电压的差，在重置期间， 所述输入重置电压向所述比较电容器充电；以及其中，当第三开关处于断开状态且第四开关处于导通状态时，所述 比较部分处于比较状态，所述电压电平改变时第一模拟斜坡信号、第二 模拟斜坡信号…和第n模拟斜坡信号中的至少一个有固定的倾斜度，并 且在当第一模拟斜坡信号、第二模拟斜坡信号…和第n模拟斜坡信号的 累加电压达到预定电压V2时，所述比较输出发生改变。
11. 根据权利要求7或9的模拟-数字转换器，其中，当第一开关、第二开关和第四开关处于断开状态且第三开关 处于导通状态时，所述比较部分处于釆样状态且所述输入信号电压向第 一电容器、第二电容器…和第n电容器充电；以及输入电压VI为输入 重置电压与所述输入信号电压的差，其中输入重置电压在重置期间向所 述比较电容器充电；其中，当第一开关、第二开关和笫三开关处于断开状态且第四开关 处于导通状态时，所述比较部分处于比较状态且电压电平改变时第一模 拟斜坡信号和第二模拟斜坡信号中至少任一个有固定的倾斜度，并且在 当第 一模拟斜坡信号、第二模拟斜坡信号...和笫n模拟斜坡信号的累加 的电压达到预定电压V2时，所述比较输出发生改变。
12. 根据权利要求8的模拟-数字转换器，其中当第一开关和第二开关处于导通状态且第三开关和第四开关 处于断开状态时，所述比较部分处于重置状态；并且所述CMOS变换器 的输入和输出被重置为相等电压；并且所述输入重置电压向所述比较电 容器充；其中当第一开关、第二开关和第四开关处于断开状态且第三开关处 于导通状态时，所述比较部分处于采样状态；并且所述输入信号电压向 第一电容器、第二电容器…笫n电容器和所述附加电容器充电，并且所 述输入电压VI为输入重置电压与输入信号电压的差；以及其中，当第一开关、第二开关和第三开关处于断开状态且第四开关 处于导通状态时，所述比较部分处于比较状态，并且所述电压电平改变 时第一模拟斜坡信号、第二模拟斜坡信号…和第n模拟斜坡信号中的至 少一个有固定的倾斜度，并且在当第一模拟斜坡信号、第二模拟斜坡信 号…和第n模拟斜坡信号的累加电压达到预定电压V2时，所述比较器 的输出发生改变。
13. 根据权利要求10的模拟-数字转换器，其中作为输入电压VI 和预定电压V2的比的增益G,在所述比较部分中这样确定当第一才莫拟 斜坡信号、第二模拟斜坡信号…第n模拟斜坡信号中的一个或多个模拟 斜坡信号被改变而其余的模拟斜坡信号固定的时候，用第一电容器、第 二电容器...第n电容器各电容的和除以与一个或多个^t拟斜坡信号相对 应的各电容器的和。
14. 根据权利要求11的模拟-数字转换器，其中，作为输入电压V1 与预定电压V2的比的增益G,在比较部分中这样确定当第一模拟斜坡 信号、第二模拟斜坡信号...第n模拟斜坡信号中的一个或多个模拟斜坡 信号被改变而其余的模拟斜坡信号固定的时候，用第一电容器、第二电 容器...第n电容器各电容的和除以与一个或多个模拟斜坡信号相对应的 各电容器的和。
15. 根据权利要求12的模拟-数字转换器，其中作为输入电压VI 与预定电压V2的比的增益G,在比较部分中这样确定当第一模拟斜坡 信号、第二模拟斜坡信号…第n模拟斜坡信号中的一个或多个模拟斜坡 信号被改变而其余的模拟斜坡信号固定的时候，用第一电容器、第二电容器…第n电容器和附加电容各电容的和除以与 一个或多个模拟斜坡信 号相对应的各电容器的和。
16. 根据权利要求2、 3和5中任一个的模拟-数字转换器，其中，在所述^^莫拟斜坡发生部分中，差分放大器的输出端连接至冲莫拟斜坡发生输出的输出端，且所述模拟斜坡发生输出的输出端通过第七 电容器与第六开关的并联电路连接至所述差分放大器的反相输入端；其中所述差分放大器的同相输入端连接至模拟接地点，且第六连接 点通过第五电容器连接至所述模拟接地点并通过第七开关与第六电容 器的串联电路连接至所述;f莫拟接地点；以及其中第六连接点通过第五开关连接至所述差分放大器的反相输入 端或连接至参考电压的输入端。
17. 根据权利要求16的模拟-数字转换器，其中附加串联电路，其 与第七开关与第六电容器的串联电路相同，被设置成这种方式，使得第 7 - 1开关和第6-1电容器的串联电路…笫7 - m开关和第6 - m电容器 的串联电路彼此并联。
18. 根据权利要求16的模拟-数字转换器，其中，在所述模拟斜坡发生部分中，通过同步信号来控制第六开关 的打开和关闭，并且当同步信号为"1"时，所述模拟斜坡发生输出被 重置为0V电压值；其中通过第二增益选择信号来控制第七开关的打开和关闭，且当第 二增益选择信号为"1"时，第五电容器与第六电容器并联连接；其中，通过时钟信号来开关控制笫五开关，当同步信号为"0"且 第二增益选择信号为"0"时，笫五电容器的电荷被转移至笫七电容器； 以及其中当同步信号为"0"且所述第二增益选择信号为"1"时，第五 电容器和笫六电容器的电荷被转移至第七电容器。
19. 根据权利要求17的模拟-数字转换器，其中，在所述模拟斜坡发生部分中，通过同步信号来控制第六开关 的打开和关闭，并且当同步信号为"1"时，所述模拟斜坡发生输出被 重置为0V电压值；其中第二增益选择信号配置有多个增益选择信号，且通过多个增益选择开关控制第7-m开关的打开和关闭，且对应于多个增益选择信号 中的增益选择信号"1"的第6-n电容器中的一个或多个与第五电容器 并联连接；其中，通过时钟信号来开关控制笫五开关，且当同步信号为"0" 且第二增益信号为"0"时，第五电容器的电荷被转移至第七电容器； 以及其中当同步信号为"0"且多个增益选择信号为"1"时，第6-m 电容器的一个或多个以及第五电容器的电荷被转移至笫七电容器。
20. —种固态图像捕获装置，包括排列成矩阵的多个像素部分，用于将入射光光电转换成电子，并将 其输出为输入信号电压；y轴解码器，用于顺序地选择像素排列中的每一列； x轴解码器，用于选择像素排列中的每一行；以及 根据权利要求1的模拟-数字转换器。
21. —种使用根据权利要求1的所述;f莫拟-数字转换器或根据权利 要求20的固态图像捕获装置的电子信息设备。
全文摘要
本发明提供了模拟-数字转换器、固态图像捕获装置以及电子信息设备。所述模拟-数字转换器包括比较部分，用于比较输入信号电压与模拟斜坡电压，其中的电压电平逐渐增加；以及锁存部分，用于当所述模拟斜坡电压或对应于所述模拟斜坡电压的电压与所述输入信号电压相等时存储数字斜坡信号的数字值，其中的电压电平的数字值与所述模拟斜坡电压同步逐渐增加。多个模拟斜坡信号的部分或全部所累加的电压被用作所述模拟斜坡电压，从而进行增益选择。
文档编号H03M1/56GK101309084SQ200810099069
公开日2008年11月19日 申请日期2008年5月16日 优先权日2007年5月16日
发明者服部真司 申请人:夏普株式会社