TWI339528B - - Google Patents

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TWI339528B
TWI339528B TW096135967A TW96135967A TWI339528B TW I339528 B TWI339528 B TW I339528B TW 096135967 A TW096135967 A TW 096135967A TW 96135967 A TW96135967 A TW 96135967A TW I339528 B TWI339528 B TW I339528B
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Description

九、發明說明： 【發明所屬之技·術領域】 ^ 、固體攝像裝置之驅動方法
本發明係關於固體攝像裝置、 【先前技術】 在固體攝像裝置5例如 安裝列並列ADC之CMOS影像 感測器中，曾有下列技術之報告（例如基準曰本特開2〇〇5_ 303648號公報）：即， 號與參考電壓作比較， 藉由在將由單位像素輸出之類比信 依據其比較結果轉換成數位信號之 ADC中，使用升降計數器時，容易執行刪除單位像素之重 設時所輸出之重設位準之偏移值之動作。 圖11係表示以往例之安裝列並列ADC之CM〇s影像感測 器100之構成之區塊圖。 在圖11中，單位像素1〇1具有光電二極體及像素内放大 器，藉由2維配置成行列狀而構成像素陣列部丨〇2，對此像 素陣列部102之η列m行之像素配置，依各列配置列信號線 103(1 03-1〜103-n)，依各行配置行信號線1〇4(1〇41〜1〇4_ m)像素陣列部1 〇2之列位址及列掃描之控制係藉列掃描 電路105經由列信號線lonyoLn進行。 在行信號線104-1〜l〇4-m之各依端側’依各行信號線 122607.doc 1339528 104-1〜104-m配置行處理電路l〇6。行處理電路i〇6呈現具 有比較電路107、.升降計數器1 〇8、轉送開關1 〇9及記憶體 電路110之構成。 在此行處理電路1 〇 6中，比較電路1 〇 7係施行經由行信號 線104-1〜104-m所得之選擇列之單位像素1〇丨之輸出信號、 與數位=類比轉換電路（以下簡稱DAC(Digital-Anal〇g Converter))lll所產生之參考電壓Vref之大小比較， DAC111係依據與主時鐘MCK同步執行動作之時序控制電 路112所供應之控制信號CS 1與時鐘CKS產生參考電壓 Vref。 升降計數器108係被時序控制電路丨12所供應之控制信號 CS2控制動作’與時鐘CK同步地執行計數器之向上計數或 向下計數’並藉比較電路107之輸出Vco而停止計數。轉送 開關109係被時序控制電路112所供應之控制信號CS3控制 ON(閉合）/OFF(打開）’將升降計數器1〇8之計數值轉送至 記憶體電路11 〇。記憶體電路11 〇所保持之計數值被行掃描 電路113之行掃描逐次讀出至水平輸出線i 14而可獲得作為 攝像資料。 其次，利用圖12之時間圖說明上述構成之以往例之 CMOS影像感測器1〇〇之動作。 在第1次之讀出動作中，讀出單位像素i 〇〖之重設成分 △ V，在此重設成分Δν中，含有偏差在各單位像素1〇1之 固定圖案雜訊作為偏移值。但，重設成分Δν之偏差成分 一般較小，且重設位準在所有像素中共通，故行信號線 I22607.doc 1339528 1 04-1-1 04-m之輸出電壓Vx大致為已知。 因此’在第1次之重設成分Δν之讀出時，可藉調整參考 電壓Vref，縮短在比較電路107之比較時間。在重設成八 △ V之讀出中’升降計數器1〇8係與時鐘ck同步地執行向 下計數’持續計數至比較電路1 〇7之輸出Vco變化為止。比 較電路1 07之輸出Vco變化，且停止計數時之計數值為 △ V。 在第2次之讀出十，讀出單位像素1〇1之信號成分Vsig， 但此時，所讀出之值中’除了信號成分Vsig以外，含有偏 差成分Δν。在第2次之讀出時’升降計數器1〇8係與時鐘 ck同步地執行向上計數，持續計數至比較電路1〇7之輸出 Vco變化為止。 向上汁數之計數值為信號成分Vsig與偏差成分△ v之 和，故由第2次之讀出結果減掉第丨次之讀出結果之值為信 號成分Vsig。即，由第丨次之讀出前之計數初始值向上計 數後之值為信號成分Vsig。此相當於刪除偏差成分之相關 雙重抽樣（CDS ; Correlated Double Sample)之動作。 在安裝列並列ADC之CMOS影像感測器loo中，期望^^ 轉換之高解析度化’另一方面，在入射光量較大之單位像 素中，散粒雜訊引起之隨機雜訊較具支配性，高解析度之 AD轉換之必要性較低。高解析度之ad轉換在人射光量較 小，單位像素101之輸出振幅較小之情形特別被要求。 【發明内容】 (發明所欲解決之問題） 122607.doc 1339528 在上述以往例之安声列並列ADC_之CM〇s影像感測器丨〇〇 中使AD轉換之解析度高精細化之情形，升降計數器1 〇8 之計數器動作所需之時鐘數會增加。例如，執行ι〇…之 AD轉換之情形’需要21〇時鐘（=1()24時鐘），再增加2心而 執行12 bit之AD轉換之情形，需要公2時鐘（=4〇96時鐘卜 即’需要之時鐘數變成解析度之指數層級，故高解析度 AD轉換與AD轉換之高速化難以兼顧。
因此’本發明之目的在於提供—種可高速執行高解析度 AD轉換之固體攝像裝置、制體攝像裝置之驅動方法及 攝像裝置。 (解決問題之技術手段）
為達成上述目的，本發明採用以下構成，即在包含有將 包含光電轉換兀件之單位像素2維配置成行列狀並對該單 位像素之行列狀配置，於各行配置行信號線而構成之像素 陣列部、及將前述像素陣列部之各單位像素於各列加以選 擇控制之列掃描機構的固體攝像裝置中，進行如下之AD 轉換動作：將自藉由前制掃描機構所選擇控制之列之單 位像素而經由前述行信號線所輸出之類比信號與相同斜产 之斜坡狀複數^參考電壓中之任—個進行比較；並將斜 坡之斜度異於前述第丨參考電壓之第2參考電I與前述複數 第1參考電壓中之任一個進行比較；以對應於此等比較么士 果之計數量施行計㈣作，μ其計數值作為數位信號。 在上述構成之固體攝像裝置中，使用η個第ι參考電壓作 為斜坡狀之參考電壓，由此等第1參考電壓中，利用適於 122607.doc 1339528 類比信號之信號位準之來考雷
· 電壓進仃位準判定，可將AD 換所需時間縮短至使用單—參考電堡之情形之尤 莖除了 η個第1參考電壓以外，並使用斜坡之斜度異於此 :第1參考電壓之第2參考電壓，且具有第1、第2比較機 ，透過此等比較機構及計數機構之各動作施行AD轉換 動作’即可高速執行高解析度AD轉換而不依存於讀約 參考電壓之偏移精度。
古依據本發明’可縮短AD轉換所需時間，並可高速執行 间解析度AD轉換而不依存於η個第丨參考電壓之偏移精 度’由於可高素執行高解析度AD_，故可以高幢速率 取得高品質之圖像。 【實施方式】 以下，參照圖式，對本發明的實施型態進行詳細說明 [第1實施形態] 圖1係表示本發明之第1實施型態之固體攝像裝置，例如 安裝列並列ADC之CMOS影像感測器之構成之區塊圖。 如圖1所示，本實施型態之CMOS影像感測器1〇係採用下 列構成：即，具有以行列狀（矩陣狀）2維配置含光電轉換元 件之多數單位像素11所構成之像素陣列部12，並具有列掃 描電路13、參考電壓產生電路14、行處理電路15、行掃描 電路16、水平輸出線17及時序控制電路18作為其週邊之驅 動系及信號處理系。 在此係統構成中，時序控制電路18係依據主時鐘MCK產 生作為列掃描電路13、參考電壓產生電路14、行處理電路 122607.doc 1339528 15及行掃描電路16等之㈣之基準之時鐘ck及控制信號 CS卜CS3等’將其供應至列掃描電路13、參考電壓產生電 路14、行處理電路15及行掃描電路16等。 作為單位像素11，在此省略圖示，可❹除了光電轉換 元件（例如光電二極體）以外，例如具有將該光電轉換元件 光電轉換所得之電荷轉送至FD(fl〇ating diffusi〇^浮動擴 散）部之轉送電晶體、控制該？1)部之電位之重設電晶體、 及輸出對應於FD部之電位之信號之放大電晶邀之3電晶體 構成之單位像素、甚至於另外具有施行像素選擇用之選擇 電晶體之4電晶體構成之單位像素等。 在像素陣列部12，對單位像素11之〇列„1行之排列，依 各像素行配置列控制線21(21-1〜21-n)，依各像素行配置行 fs號線22(22-1〜22-m)。列控制線21_1〜21-η之各一端連接 於對應於列掃描電路13之各列之各輸出端。列掃描電路i 3 係由移位暫存器或位址解碼器等所構成，經由列控制線 2 1 -1〜2 1 -η施行像素陣列部1 2之列位址及列掃描之控制。 參考電壓產生電路14係例如使用DAC(數位-類比轉換電 路）作為產生隨著時間之經過而使位準呈階梯狀變化之斜 坡狀（傾斜狀）之波形之參考電壓Vref之機構，在時序控制 電路18所供應之控制信號〇^丨之控制下，依據該時序控制 電路18所供應之時鐘CK’產生具有不同斜度之斜坡之複 數系統，例如2系統之參考電壓Vref之DAC 141、142之構 成。又，作為產生斜坡狀之波形之參考電壓Vrefl〜Vref5 之機構，並不限定於DAC。 122607.doc ^ 10- 1339528 DAC 141產生斜坡之斜度相等而偏移值相異之例如下降 斜坡之複數例如4種參考電壓Vrefl〜Vref4。另一方面， DAC142係產生在時序控制電路18所供應之控制信號CS1之 控制下’使斜坡之斜度異於參考電壓Vrefl〜Vref4，具體 上使斜坡之斜度大於參考電壓Vref丨〜Vref4之例如上升斜 坡之參考電壓Vref5。 行處理電路15例如設在像素陣列部12之各像素行，即設 在各行信號線22-1〜22-m，具有作為將由像素陣列部12之 各單位像素1 1輸出至各行之輸出電壓（類比信號）Vx轉換成 數位彳έ號之AD轉換（類比-數位轉換）機構之功能。設在像 素陣列部12之各像素行之行處理電路丨5分別全部呈現相同 之構成。 又’行處理電路1 5係呈現下列構成：即，可選擇地執行 對應於讀出單位像素Π全部資訊之漸進掃描方式之通常傾 傳輸率模式、及與通常幀傳輸率模式相比，將單位像素】j 之曝光時間設定為1/Ν而將幀傳輸率提高至ν倍，例如2倍 之高速幀傳輸率模式之各動作模式之AD轉換動作。 通常幀傳輸率模式與高速幀傳輸率模式之模式切換係藉 由時序控制電路1 8所供應之控制信號CS2、CS3之控制而 執行。又，對時序控制電路18，由外部之系統控制器（未 圖示），供應切換通常幀傳輸率模式與高速幀傳輸率模式 用之指示資訊（行處理電路）。 茲具體地說明有關行處理電路1 5之構成之詳細。 行處理電路15呈現具有參考電壓選擇電路31、比較電路 122607.doc 1339528 32、33、作為計數機構之升降計數器（圖中，記載為 U/DCNT)34、轉送開關35及記憶體電路36之構成。 參考電壓選擇電路31係以DAC141所產生之例如4種參考 電壓Vrefl〜Vref4為輸入’依據比較電路32之比較輸出 Vcol，從4種參考電壓Vrefl~Vref4中，選擇其中之一種而 將其供應至比較電路32作為其比較參考電壓。 比較電路32係比較由像素陣列部12之各單位像素丨丨而經 由行信號線22-1〜22-m所供應之輸出電壓vx、與參考電壓 選擇電路31所選擇之參考電壓Vrefl〜Vref4中之一種，例 如下降之斜坡波形之參考電愿Vrefl~Vref4超過輸出電壓 Vx時，比較輸出Vcol變成有效（"H”位準）狀態’參考電壓 Vrefl〜Vref4在輸出電壓vx以下時，比較輸出Vc〇1變成非 有效（"L"位準）狀態。 比較電路33係比較參考電壓選擇電路31所選擇之參考電 壓Vrefl〜Vref4中之一種、與DAC142所產生之參考電壓 Vref5，例如下降之斜坡波形之參考電壓Vrefl〜vref4超過 上升之斜坡波形之參考電壓Vref5時，比較輸出vc〇2變成 有效狀態’參考電壓Vrefl〜Vref4在參考電壓Vref5以下 時，比較輸出Vco2變成非有效狀態。 升降計數器34係在時序控制電路18所供應之控制信號 CS2之控制下，與DAC141，142同時被時序控制電路18供 應時鐘CK，並與該時鐘CK同步地施行向下（down)計數 或向上（UP)計數，且依照比較電路32、33之各比較輸出 Vcol、Vco2之邏輯（"H"位準/"L"位準）而切換計數量。此 I22607.doc •12· 1339528 計數量決定於參考電壓Vrefl〜Vref4與參考電壓v的之斜 坡之斜度之比》‘ 如此，在本發明中，其特徵在於：行處理電路15具有複 數比較電路，在本例中具有2個比較電路32、33，且同時 使用斜坡之斜度相異之複數系統之參考電壓，例如參考電 壓Vref^vrw與參考電壓Vref5。而，藉比較電路η 及升降計數器34之各動作，以施行將像素陣列部12之各單 位像素1 1之輸出電壓（類比信號）ν χ轉換成數位信號之A D 轉換。 (AD轉換之原理） 茲利用圖2說明有關本實施型態之入〇轉換之原理。又， 在圖2中，將參考電壓選擇電路刀所選擇之參考電壓 Vrefl〜Vref4中之一種揭示作為參考電壓Vrefa，將DAC i 42 所產生之參考電壓Vref5揭示作為參考電壓vrefb。 如前所述，參考電壓Vrefa與參考電壓Vrefb係斜坡之斜 度相異之信號。在此，假設參考電壓¥“&之斜度為·丨時之 參考電壓Vrefb之斜度為n。參考電壓Vrefa係由偏移電壓 Voa以-1之斜度發生變化，而與單位像素丨丨之輸出電壓Vx 被比較電路32作大小判定。藉此判定獲得比較輸出（比較 結果）Vcol。另一方面，參考電壓vrefb係由偏移電壓v〇b 以η之斜度發生變化，而與另一方參考電壓¥代&被比較電 路33作大小判定。藉此判定獲得比較輸出vc〇2。 在圖2之（A)之例中’係表示比較電路32之比較輸出vcol 先由”Η”位準轉移至”L”位準，接著，比較電路33之比較輸 122607.doc •13· 出Vc〇2由"H”位準轉移至"L,，位 ,, 早之凊形。為了獲得以偏移 電壓Vob為基準之輸出電壓v 尤位準’在期間1及期間2 中’由參考電壓Vrefb之斜度依照期間内之時鐘數計數+n 之計數量’在期間2中’由參考電壓Vrefa之斜度依照期間 内之時鐘數計數+ 1之計數量而獲得。在此，期間工之時鐘 數為N、期間2之時鐘數為M之情形，以偏移電壓—為基 準之輸出電壓Vx之位準之Vx· v〇b成為nN+(n+【。 在圖2之(B)之例中’比較電路33之比較輸出μ先由 ’Ή"位準轉移至m，㈣，比較電路32之比較輸出 Vcol由Η位準轉移至"L"位準。為了獲得以偏移電壓v〇b 為基準之輸出電壓Vx之位準，在期間丨中，由參考電壓
Vrefb之斜度依照期間内之時鐘數計數切之計數量，在期 間3中，由參考電壓Vrefa<斜度依照期間内之時鐘數計 數-1之计數量而獲得。 即，參考電壓Vrefa與輸出電壓¥乂交叉之前，參考電壓 Vrefb先與輸出電壓νχ交又表示計數過量，故需以_i之計 數篁加以計數。在此，期間1之時鐘數為N、期間3之時鐘 數為M之情形，以偏移電壓Vob為基準之輸出電壓Vx之位 準之Vx-Vob成為nN-M。 升降計數器34之計數量（+n/+(n+1)M)之切換係依照比較 電路32之各比較輸出Vcol與比較電路33之各比較輸出 Vco2之邏輯（"H"位準/"L”位準）狀態執行。 具體言之，比較電路32、33之各比較輸出Vc〇l、Vc〇2 均在Η”位準之情形，作為期間1，計數量為+n。僅比較電 122607.doc 路33之比較輸出Vco2在"H"位準之情形，作為期間2，計數 里為+(η+1)。僅比較電路32之比較輸出Vc〇1在"Η，，位準之 隋形，作為期間3，計數量為_ 1。比較電路32、33之各比 較輸出Vcol、VC〇2均在"L"位準之情形，計數量為〇。 以下’具體地說明有關AD轉換動作β首先，試著考慮 在以第1次之讀出取得偏差成分Δν時、與在以第2次之讀 出取號成分Vsig與偏差成分av之和時，使用同一參 考電壓組之情形，即，試著考慮在雙方之讀出中使用圖2 所稱之參考電壓Vrefa與參考電壓Vrefb之情形。 執仃由第2次之讀出結果減去第丨次之讀出結果之偏差成 分AV之所謂相關雙重抽樣（CDS)時，參考電壓之偏移電 壓Voa及偏移電壓v〇b、比較電路32、”之延遲時間等會 〜響AD轉換結果作為偏差成分（原漏）之成分都會被消除。 此It形，在使用相當於在先前技術中之雖高速但解析度 低之斜度大的斜坡之情形之AD轉換之高速之轉換時間， 可獲得在使用4目#於在先前技術中之冑低速但解析度高之 斜度小的斜坡之情形之AD轉換之高的解析度。 其次，考慮在以第丨次之讀出取得偏差成分Δν時、與在 以第2次之讀出取得信號成分Vsig與偏差成分之和時， 對斜度小的參考電壓予以偏移之情形。即，如圖2之（〇所 ^考慮使用對參考電壓Vrefa予以偏移之參考電壓vrefc 之情形。 斜度大的斜坡之參考電壓Vrefb之斜坡電壓範圍滿足單 位像素U之輸出電壓Vx時，升降計數器34之動作即告結 122607.doc 1339528 束’故入射光量大而單位後去夕於·山此丄 • 家京之輸出振幅大之情形，斜度 小的參考電壓Vre’faik輪屮雷厭v > ，、翻出電壓Vx之比較結果Vc〇1不會轉 移。此種輸出電壓Vx之情形，愛钭仝土 &粗 ^ 莴對參考電壓Vrefa予以偏 移而以如圖2之（C)所示之偏移電壓Vc〇而切換至斜坡之斜 度與參考電壓V r e f a相同之參考電壓v r e f e。計數量之判定 等與前述相同。 此情形’斜度小的參考電壓vrefc之偏移值雖未在相關 雙重抽樣（CDS)中被除去，但可在各像素行中被斜度大的 斜坡之參考電壓Vrefb檢測出來，在此之解析度相當於在 先刖技術中之斜度大之參考電壓Vrefb之AD轉換，但因可 利用與前述之高解析度之A D轉換相同之控制加以切換， 故適合於列並列處理。 總括而言，對於在特別被要求高解析度之輸出電壓振幅 小之情形，即對於入射光量小之像素，適用高速且高解析 度之AD轉換。另一方面，對於入射光量大之像素，散粒 雜訊引起之隨機雜訊較具支配性，相對較低之解析度即已 充分足夠，故適用降低解析度之AD轉換。另外，計數量 之切換及升降計數器34之控制可利用列並列方式執行。 在以上之原理說明中，雖列舉將參考電壓Vrefa設定為 下降斜坡（斜度為負值），將參考電壓Vrefb設定為上升斜坡 (斜度為正值）之情形為例加以說明，但斜坡之斜度之符號 既可設定為相反，即，將參考電壓Vrefa設定為上升斜 坡，將參考電壓Vrefb設定為下降斜坡，也可將斜坡之斜 度之符號設定為相同。 122607.doc • 16- 1339528 兹利用圖3說明有關將參考電壓Vrefa、Vrefb之斜坡之斜 度均設定為負值之情形之AD轉換之原理。 在此，假設參考電壓Vrefa之斜度為-1時之參考電壓 Vrefb之斜度為-II。參考電壓Vrefa係由偏移電壓Voa以-1之 斜度發生變化，而與單位像素11之輸出電壓Vx被比較電路 32作大小判定。藉此判定獲得比較輸出vco 1。另一方面， 參考電壓Vrefb係由偏移電壓Vob以之斜度發生變化，而 與另一方參考電壓Vrefa被比較電路33作大小判定。藉此 判定獲得比較輸出Vco2。 決定於比較電路32、33之各比較輸出Vcol、Vco2之邏 輯狀態之升降計數器34之計數量由於僅係將圖2之動作中 之參考電壓Vrefb的斜度n改成斜度-n而已，故如圖3所示， 只要將圖2之斜度η置換成斜度_η，即可與圖2之情形同樣 地實現AD轉換。 但，由於參考電壓Vrefa與參考電壓Vrefb有交叉之必 要，故與參考電壓Vrefa與參考電壓Vrefb2斜度之符號相 異之情形相比’斜度之符號相同之情形由圖3可以明悉： 參考電壓Vrefb有必要由高於參考電壓Vrefa之偏移電壓 Voa之電壓開始變化。因此，參考電壓Vrefb之需要之輸入 範圍會變寬，故斜度之符號相異可以說較為理想。 又，時鐘CK之每1時鐘單位之比較電路33之電壓解析度 在參考電壓Vrefa與參考電壓vrefb之斜坡之斜度之符號相 同之情形被要求較高之精度。例如，參考電壓Vrefa與參 考電壓Vrefb之差分之斜度在斜坡之斜度之符號相同之情 122607.doc 17 1^39528 形為η-1 (小於每i時鐘單位之電壓差），在斜坡之斜度之符 號相異之情形為…以大於每1時鐘單位之電壓差）。 又，在本例之行處理電路15中，作為計數機構，雖揭示 使用針對由單位像素11逐次被輸出之第1類比信號之偏差 成刀△ V與第2類比信號之信號成分Vsig施行向下計數與向 w 上叶數而與計數動作同時執行減算動作之升降計數器34之 例但並不限定於升降計數器34 ’也可使用與同步信號 φ (時鐘CK)同步對由比較電路32、33之比較動作之開始至比 較動作之結束之比較時間施行計數動作之計數器。 將說明移回圖1。轉送開關35係在時序控制電路18所供 應之控制信號CS3之控制下’在通常幀傳輸率模式中，會 在某列之單位像素丨丨之升降計數器34之計數動作結束之時 點變成ON(閉合）狀態而將升降計數器34之計數結果轉送至 記憶體電路3 6。 另一方面，在高速幀傳輸率模式中，會在某列之單位像 Φ 素11之升降汁數器3 4之計數動作結束之時點一直維持 OFFGT開）狀態，繼續在次列之單位像素u之升降計數器 34之。十數動作結束之時點變成〇N狀態而將該升降計數器 34之例如垂直2像素份之計數結果轉送至記憶體電路^。 - 如此’由像素陣列部12之各單位像素Η經由行信號線 22-1〜22-m而依各行所供應之輸出電壓（類比信號）可由 各行處理電路15之比較電路32、33及升降計數器^之㈣ 作而被轉換成數位信號而儲存於記憶體電路3 6。 行掃描電路16係由移位暫存器或位址解碼器等所構成， 122607.doc -18- 1339528 轭行行處理電路1 5之彳于位址及行掃描之控制。在此行掃描 電路16之控制下.，被行處理電路15分別AD轉換之數位信 號依序被讀出至水平輸出線17，經由該水平輸出線17被輸 出作為攝像資料。 • 其次，利用圖4之時間圖，說明有關上述構成之CMOS影 * 像感測器10之動作。在此，假設參考電壓Vrefl〜Vref4之 斜度為-1 ’參考電壓Vref5之斜度為η。 Φ 又，雖省略有關單位像素11之具體的動作，但如眾所周 知，在單位像素11中，可施行重設動作與轉送動作，在重 叹動作中，將被重設成特定電位時之FD部之電位輸出至行 #號線22-1〜22-m作為單位像素n之輸出之偏差成分△▽， 在轉送動作中，將光電轉換元件之光電轉換所產生之電荷 被轉送時之FD部之電位輸出至行信號線22_ 作為信 戒成分Vsig。 在第1次之讀出中，讀出之偏差成分Δν。此時，參考電 • 壓選擇電路31選擇參考電壓Vrefl〜Vref4中之參考電壓
Vrefl。因此，比較電路32比較單位像素u之輸出電壓 與參考電壓Vrefl而獲得比較輸出Vc〇1。同時，比較電路 33比較參考電壓Vrefl與參考電壓¥^[5而獲得比較輸出 Vco2。 在本例中，比較輸出Vcol先由"η"位準轉移至"L"位準， 接著比較輸出Vco2由"H"位準轉移至”l"位準，故在雙方 均為H”位準之期間，計數量為n，僅比較輸出為"η" 位準之期間，計數量為n+1，與時鐘CK同步地施行向上計 122607.doc •19· 1339528 數。在第1次之讀出之結束時點之計數值相當於Vo- △ V。 在此，Vo為參考電壓Vref5之初始電壓。
在比較電路32之位準判定中，以參考電壓Vref4、參考 電壓Vref3、參考電壓Vref2之順序，分別比較各初始電壓 與單位像素11之輸出電壓Vx，初始電壓最初超過輸出電壓 Vx時’選擇該初始電壓之參考電壓。因此，斜坡之斜度小 之參考電壓會在AD轉換期間内與輸出電壓vx交又。在圖4 之例中，會選擇參考電壓Vref3。 第2次之讀出也與第1次之讀出同樣地切換計數量，但在 第2次之讀出中，則執行向下計數。即，在圖4之例中，在 比較輸出Vcol、Vc〇2雙方均為"H"位準之期間，計數量為 η，僅比較輸出VC〇2為"H"位準之期間’計數量為n+1，與 時鐘CK同步地施行向下計數。被向下計數之部份相當於 V〇-(Vsig+ A V) ’故在AD轉換期間之最終的計數值為信號 成分Vsig。
在此，考慮以先前技術獲得12 bit2AD轉換解析度之參 考電壓之斜坡之斜度為-1，由本實施型態之斜度較小之參 考電壓制至Vref4之斜度為-卜卜方之參考電壓Vrj5 之斜度η為4之情形。又，在先前技術中採用斜度4之參考 電壓之情形雖較高速，但其AD轉換解析度為1〇匕“。 述條件下，先前技術中12 bieAD轉換所需之_ 數為侧時鐘，需要先前技術之1G⑹之AD轉換所需之時 鐘數1024時鐘之4倍之轉換時間。 對此，在本實施型態中 單位像素11之入射光量小之情 122607.doc -20- 1339528 形，在第2次之信號成分Vsig之讀出中，即使選擇與第1次 之偏差成分△ V之·讀出相同之參考電壓，也可獲得12 bit之 AD轉換解析度。另一方面，單位像素丨丨之入射光量大之 情形’在位準判定中會對斜度1之參考電壓予以偏移，對 斜度4之參考電壓施以偏移值補正，故可獲得1〇 bit之ad 轉換解析度。 即，在本實施型態中，可在1 〇24時鐘之AD之轉換時 間’對相當於最大振幅之1/4之小振幅之信號適用12 bit之 AD轉換’對大振幅之信號適用1〇 bit之AD轉換。此等之切 換可利用列並列方式執行，第2次之讀出中AD轉換所需之 時間相當於先前技術之1 〇 bit之AD轉換所需之時間，相當 南速。 在單位像素U之輸出之隨機雜訊成分中，具有在每次讀 出中含量相等之讀出雜訊成分、及與入射光量之平方根成 正比之散粒雜訊成分，對入射光量，即單位像素u之輸出 振幅呈現如圖5所示之關係。即，CMOS影像感測器具有入 射光量增加時，隨機雜訊也會增加之特性。因此，對大振 幅之信號適用10 bit之AD轉換，在實用上也無任何問題。 在上述構成之CMOS影像感測器1〇中，斜坡之斜度相異 之複數系統之參考電壓（在圖丨中’參考電壓vrefl~Vref4與 參考電壓Vref5)之斜度之比率可任意設定，可依照在各低 照度區域與尚照度區域之AD轉換之解析度加以設定。 又’斜坡之斜度小之參考電壓需要斜度相同而偏移值相 異之複數電壓。如圖1所示，由行處理電路15之外部供廡 122607.doc -21 - 1339528 等，考電壓之情形’可供應斜度，相同而具有相異之偏移 值之之斜坡狀之複數參考電壓。所供應之數可依單位像素 11之輸出振幅任意加以決定，但斜度相異之參考電壓（在 圖1中，為參考電壓Vrefl〜Vref4、與參考電W，之斜 度之絕對值之比為i : n之情形，斜度小之參考電壓最好以 η種以上之相異之偏移值加以切換。 如上所述，在#裝列並列就之CM〇s影像感測器ι〇
中，作為施行單位像素u之輸出電壓νχ之位準判定用之斜 坡狀之參考電壓’取代單—之參考電壓Vref而使用"個參 考電壓，在本例中使用4個參考電壓Vrefl〜Vref4，由此等 參考電壓Vren〜Vref4中，利用適合於輸出電壓Vx之位準 之參考電壓進行位準判定時，可將AD轉換所需時間縮短 至使用單—參考電壓Vref之情形之l/η，故可謀求AD轉換 動作之面速化。
尤其’除了 4個參考電壓Vrefi〜yref4以外，使用斜坡之 斜度異於此等參考電壓之參考電壓Vref5，並在行處理電 路15具有比較單位像素n之輸出電壓νχ與參考電壓 Vrefl〜Vref4之比較電路32、及比較參考電壓Vrefl〜Vref4 中之一種與參考電壓Vref5之比較電路33，採用藉比較電 路32、33及升降計數器34之各動作執行ad轉換動作之構 成時’由圖2之（C)、圖3之（〇可以明悉，可不必依存於參 考電壓Vrefl〜Vref4之偏移精度，即，縱使參考電壓相互 之偏移電壓之差相等，也可高速執行高解析度之轉 換，故可利用高幀傳輸率取得高品質之圖像。 122607.doc -22- 1339528 而’對於在散粒雜sH*引起之隨機雜訊成分小而被要求高 解析度之AD轉換之入射光量小之單位像素，適用高解析 度之AD轉換。對於入射光量大而隨機雜訊較具支配性之 單位像素之輸出，適用較低解析度之AD轉換。其切換之 判定可在行處理電路1 5並列地被執行，不需要在後段之合 成處理等。 在本實施型態之CΜ0 S影像感測器1 〇之AD轉換所需時間 相當於在以往例之CMOS影像感測器之較低解析度之ad轉 換所需時間，故與利用以往方法取得與適用於入射光量小 之單位像素之高解析度之AD轉換同等之畫質之情形相 比’速度可提高數倍。而，由於AD轉換之動作時間短， 故有助於CMOS影像感測器10全體之耗電力之降低。 [第2實施型態] 圖6係表示本發明之第2實施型態之固體攝像裝置，例如 安裝列並列ADC之CMOS影像感測器之構成之區塊圖，圖 中’與圖1同等之部份附以同一符號予以顯示。 相對於在第1實施型態之CMOS影像感測器1 0中，採用由 行處理電路15之外部供應斜坡之斜度相同而偏移值相異之 複數參考電壓之構成’在本實施型態之CMOS影像感測器 5〇中，採用在行處理電路15A之内部施以偏移之構成，其 他構成基本上與第1實施型態之CMOS影像感測器1〇相同。 具體上’如圖6所示，係呈現下列之構成：即，在 DACM1產生單一參考電壓，另一方面，行處理電路 1 5A具有對該參考電壓Vrefl依各行施以偏移之偏移產生電 I22607.doc -23· 1339528 路37，以取代參考電壓選擇電路31‘。偏移產生電路”係對 由DAC141輸入之.參考電壓Vrefi，產生施&v〇1~v〇4之偏 移之參考電壓Vrefl_0ff。有關偏移產生電路37之具體的構 成及動作留待後述。 圖7係供說明本實施型態iCM0S影像感測器5〇之電路動 作之時間圖。除了位準判定動作以外，與由行處理電路Η 之外部供應斜坡之斜度相同而偏移值相異之複數參考電壓 之第1實施型態之CMOS影像感測器1〇之情形相同。 在位準判定動作中，在偏移產生電路37中，逐次設定來 考電壓Vrefl_〇ff之偏移值，由比較電路32之比較輸出 之結果，將參考電壓Vrefl—〇ff最初超過單位像素Η之輸出 電壓Vx之偏移值保持於各行，並執行第2次之讀出之轉 換。 在圖7之例中’由偏移值v〇4依序與偏移值v〇3、偏移值 V〇2作比較。在此，由於偏移值v〇3超過輸出電壓故 在該時點結束位準狀，移至信號成〇sig與偏差成分 △ V之項出動作。偏移值v〇3不超過輸出電壓νχ之情形， 如圖7之點線所示，與偏移值νσ2作比較，仍不超過之情 形，則以與第1次之讀出相同之偏移值v〇1執行讀出。 輸出電壓心之振幅小之情形，其偏移值與偏差成分 之讀出：同，故與^之構成中之圖4之動作同樣地，可實 現利用南的高解析度之AD轉換。 (偏移產生電路） 圖8係表示偏移產生電路37之構成之一例之區塊圖。如 I22607.doc -24· 1339528 圖7所示’本例之偏移產生電路37係由電容器371、緩衝器 3 72、開關元件373、OR閘374及AND閘35 7所構成。 在電容器371之一端，被輸入參考電壓Vrefl，在開關元 件373之一端’被輸入參考電壓Vref5。電容器371及開關 兀件373之各他端共通被連接至緩衝器372之輸入端而構成 抽樣及保持電路。 圖6之時序控制電路18所產生2個之控制信號swi、SW2 被供應至偏移產生電路37。控制信號sw 1係使本偏移產生 電路37初始化用之信號。控制信號SW2係使在比較電路32 之位準判定成為有效用之信號。 控制k號SW1成為〇R閘374之一方輸入，控制信號sw2 成為AND閘375之一方輸入。AND閘375係以比較電路32之 比較輸出Vco 1作為他方之輸入。〇R閘374係以AND閘375 之輸出作為他方之輸入。〇R閘3 74之輸出成為開關元件 373之控制信號SWo。 接著，利用圖9之時間圖，說明有關上述構成之偏移產 生電路3 7之電路動作。 與第1實施型態之CMOS影像感測器1〇之情形同樣，取得 重設成分（偏差成分）AV後，將信號位準（信號成分）乂34輸 出至行信號線22-1〜22-m ’在比較電路32施行位準判定動 作。在位準判定期間中’控制信號SW成為"η"位準。因 此’比較電路32之比較輸出Vc〇l通過AND閘375，經由0R 閘374被供應至開關元件3 73作為其控制信號sw〇。 其次’參考電壓Vref5超過單位像素u之輸出電壓Vx 122607.doc -25· 1339528 時，比較電路32之比較輸出Vcol由"L”位準轉移至"Η··位 準’並保持當時之參考電壓Vref5。而，依照參考電壓
Vrefl之斜坡，緩衝器372之輸出電壓（參考電壓）vrefl_〇ff 之電壓會由被施加所保持之電壓部份之偏移值之狀態發生 變化。 在圖9之（A)中，輸出電壓Vx &變成高的變壓，故不對斜 坡施加偏移，呈現與取得重設位準時相同之斜坡之動作。 另一方面，在圖9之（B)中，輸出電壓Vx已變成低的變壓， 故可獲得依照在位準判定之被保持之時間施加偏移之參考 電壓 Vrefl —off 9 最後，控制信號SW1變成"Η”位準，將本偏移產生電路 37初始化，並進入其次之重設位準取得動作。 由上述可以明悉：本實施型態之CMOS影像感測器50與 第1實施型態之CMOS影像感測器10相異之點雖在於利用行 處理電路15A内之偏移產生電路37對參考電壓Vrefi施以偏 移’但AD轉換之基本的動作則與第1實施型態之CM〇s影 像感測器10相同。因此，在本實施型態之CMOS影像感測 器50中’也可獲得與第！實施型態之CMOS影像感測器10相 同之作用效果《即，可高速執行高解析度AD轉換，可利 用高速幀傳輸率取得高品質之圖像。 又，在上述第1、第2實施型態中，雖在像素陣列部12之 1像素行中各配置1個行處理電路1 5、15 A，但也可採用在 複數像素行中各配置1個行處理電路1 5、1 5 A，利用切換機 構切換來自複數行之單位像素1 1之輸出電壓Vx而供應至共 122607.doc •26- 通之行處理電路15、1 5 A之系統構成。 [適用例] 以上說明之第1、第2實施型態之安裝列並列AI)C之 CMOS影像感測器1 〇、5〇可在視頻攝像機及數位靜物攝像 機、甚至於手機等適合移動式機器之攝相機模組等之攝像 裝置中’適合使用作為其攝像元件。 在此’所謂攝像裝置’係指作為攝像元件之固體攝像裝 置、含使被攝體之像光在該固體攝像裝置之攝像面（受光 面）上成像之光學系統及該固體攝像裝置之信號處理電路 之攝相機模組（例如可安裝於手機等之電子機器上使用）、 及安裝該攝相機模組之數位靜物攝像機及視頻攝像機等之 攝像機系統。 圖1 〇係表示本發明之攝像裝置之構成之一例之區塊圖。 如圖10所示，本發明之攝像裝置係由含透鏡61之光學系 統、攝像元件62、攝像機信號處理電路63及系統控制器64 等所構成。 透鏡61係使來自被攝體之像光在攝像元件62之攝像面上 成像。攝像元件62係輸出藉透鏡61在攝像面上成像之像光 被以像素單位轉換成電氣信號而得之圖像信號。作為此攝 像元件62 ’可使用上述第！、第2實施型態之安裝列並列 ADC之CMOS影像感測器1〇、50。 攝像機信號處理電路63係對由攝像元件62被輸出之圖像 信號施行種種之信號處理。系統控制器64係施行對攝像元 件62及攝像機信號處理電路63之控制。尤其，攝像元件62 J22607.doc •27- ★列並列ADC右可執行對應於讀出像素全部資訊之漸進掃 描方式之通常傾傳輸率模式、及與通常傾傳輸率模式相 將像素之曝光時間設定為1/N而將幀傳輸率提高至N倍 之南速Ψ貞傳輸率模式之各動作模式之AD轉換動作，即可 依”、、來自外部之指令施行動作模式之切換控制等。 如上所述，在視頻攝像機及電子靜物攝相機、甚至於手 機等適合移動式機器之攝相機模組等之攝像裝置62中，使 用引述第1、第2實施型態之安裝列並列ADC之CMOS影像 感測器10、50時，可利用此等CMOS影像感測器10、5〇高 速執行高解析度八〇轉換，故可施行高速攝像，誘因AD轉 換之動作時間短，故具有可謀求CM〇s影像感測器，進而 謀求攝像裝置全體之耗電力之降低之優點。 【圖式簡單說明】 圖1係表示本發明之第丨實施型態之安裝列並列Adc之 CMOS影像感測器之構成之區塊圖。 圖2(A)-(C)係AD轉換之原理說明圖（其丨）。 圖3(A)-(C)係AD轉換之原理說明圖（其之）。 圖4係供說明第1實施型態之cmos影像感測器之電路動 作之時間圖。 圖5係表示入射光量與雜訊位準之關係之圖。 圖6係表示本發明之第2實施型態之安裝列並列adc之 CMOS影像感測器之構成之區塊圖。 圖7係供說明第2實施型態之CMOS影像感測器之電路動 作之時間圖。 122607.doc -28- 1339528 圖8係表示偏移產生電路之構成之一例之區塊圖。 圖9(A)、9(B)係供說明偏移產生電路之電路動作之時間 圖。 圖1 〇係表示本發明之攝像裝置之構成之一例之區塊圖。 圖11係表示以往例之安裝列並列ADC之CMOS影像感測 器之構成之區塊圖。 圖12係供說明以往例之CMOS影像感測器之電路動作之 時間圖。 【主要元件符號說明】 10 CMOS影像感測器中 11 單位像素 12 像素陣列部 13 列掃描電路 14 參考電壓產生電路 15 行處理電路 15A 行處理電路 16 行掃描電路 17 水平輸出線 18 時序控制電路 21(21-1〜21-n) 列控制線 22(22-l~22-m) 行信號線 31 參考電壓選擇電路 32 比較電路 33 比較電路 122607.doc -29. 1339528
34 35 36 37 50 61 62 63 64 100 101 102 103(103-1〜103-n) 104(104-1〜104-m) 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 升降計數器 轉送開關 記憶體電路 偏移產生電路 CMOS影像感測器 透鏡 攝像元件 攝像機信號處理電路 系統控制器 CMOS影像感測器 單位像素 像素陣列部 列信號線 行信號線 列掃描電路 行處理電路 比較電路 升降計數器 轉送開關 記憶體電路 類比轉換電路 時序控制電路 行掃描電路 水平輸出線 122607.doc -30- 1339528 141 ADC 142 ADC 371 電容器 372 緩衝器 373 開關元件 374 OR閘 375 AND閘 Vref 1 〜Vref5 參考電壓 Vref 1 _off 參考電壓 Vco1 、 Vco2 比較輸出 Vx 輸出電壓 MCK 主時鐘 SW1、SW2、SWo 控制信號
122607.doc -31-

Claims (1)

  1. 十、t請專利範固： 】·一種固體攝像裝.置，其特徵在於包含： 像素陣列部，其係將包含光 維取罢3元電轉換疋件之單位像素2 維配置成行列狀，並對該單位 m像京之仃列狀配置，於各 ff配置行信號線而構成，· 列掃描機構，其係將前述像轉列部之各單位像素於 各列加以選擇控制；及 類比數位轉換機構’其係將自藉由前述列掃描機構所 選擇控制之列之單位像素而經由前述行信號線所輸出之 類比信號轉換成數位信號； 前述類比-數位轉換機構係包含： 第1比較機構，其係將前述類比信號與相同斜度之 斜坡狀之複數第1參考電壓中之任一個進行比較； 第2比較機構，其係將斜坡之斜度異於前述第1參考 電壓之第2參考電壓與於前述第1比較機構所使用之前 述複數第1參考電壓中之任—個進行比較；及 计數機構，其係以對應於前述第1、第2比較機構之 比較結果之計數量施行計數動作，而將其計數值作為 前述數位信號。 2.如請求項1之固體攝像裝置，其中包含： 參考電壓產生機構，其係產生斜坡之斜度相同而具有 相異之偏移的複數參考電壓作為前述複數第丨參考電 壓； 前述類比·數位轉換機構係包含： 122607.doc 參考電壓選擇機構，其係依照前述類比信號之信號 位準選擇前述複數第1參考電壓中之任一個而供應至 前述第1比較機構。 如請求項1之固體攝像裝置，其中包含： 參考電壓產生機構，其係產生斜坡狀之單一參考電 壓； 前述類比-數位轉換機構係包含： 偏移產生機構，其係依照前述類比信號之信號位 準，對前述單-參考電壓給與偏移，偏移電壓而供應 至前述第1比較機構作為前述複數第1參考電壓中之任 一個。 如清求項1之固體攝像裝置，其中 則述第1參考電壓與前述第2參考電壓之斜坡之斜度符 號相異。 5·如請求項1之固體攝像裝置，其中 别述什數機構之計數量係依照前述第】、第2參考電壓 之斜坡之斜度切換。 6·如請求項1之固體攝像裝置，其中 別述。十數機構之計數量係依照前述第】、第2比較機構 之比較結果之邏輯狀態切換。 7. 一種固體攝像裝置之驅動方法，其特徵在於： 該固體攝像裝置係包含： 像素陣列部’其係將包含光電轉換元件之單位像素 2維配置成行列狀，並對該單位像素之行列狀配置，' 122607.doc 及 於各行配置行信號線而構成 列部之各單位像素於 列掃描機構，其係前述像素陣 各列加以選擇控制； 該驅動方法係包含： 第1比較步驟，其係將自藉由前述列掃描機構所選 擇控制之狀單位像素而經由前述行㈣線所輸出之 類比信號與相同斜度之斜坡狀之複數第i參考電壓中 之任一個進行比較； 第2比較步驟，其係將斜坡之斜度異於前述第i參者 電壓之第2參考電壓與於前述第1比較步驟所使用之前 述複數第1參考電壓令之任 計數步驟，其係以對應於前述第二 比較結果之計數量施行計數動作，而將其計 數位信號。 马 8. —種攝像裝置，其特徵在於包含： 固體攝像裝置，其係包含：像素陣列部，其係將包含 光電轉換元件之單位像素2維配置成行列狀，並對該單 位像素之仃列狀配置’於各行配置行信號線而構成；列 掃描機構，其係將前述像素陣列部之各單位像素於各列 加以選擇控制；及類比-數位轉換機構，其係將自藉由前 述列掃描機構所選擇控制之狀單位像素而經由前述行 信號線所輸出之類比信號轉換成數位信號；及 光學系統’其係將來自被攝體之光導引至前述固體攝 像裝置之攝像面上； 122607.doc 1339528 前述類比-數位轉彳奐機構係包含： 第1比較機構，盆作蔣今^ '、，、將則述類比信號與相同斜度之 斜坡狀之複數第丨參考㈣中之任—個進行比較； 第2比較機構，其係將斜坡之斜度異於前述第丨參考 電壓之第2參考電壓與於前述第丨比較機構所使用之前 述複數第1參考電壓中之任一個進行比較；及 計數機構，其係以對應於前述第丨、第2比較機構之比 較結果之計數量施行計數動作，而將其計數值作為前述 數位信號。 I22607.doc
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