斜坡信號發生電路和圖像傳感器的製造方法
2023-10-11 14:56:29 2
斜坡信號發生電路和圖像傳感器的製造方法
【專利摘要】一種斜坡信號發生電路和圖像傳感器，斜坡信號發生電路包括：運算放大器，第一電容和至少一個第一開關電容單元，第一開關電容單元包括：第一開關、第二開關、第三開關、第四開關和第二電容；第一開關的第一端連接運算放大器的負相輸入端和輸出端，第二開關的第一端連接運算放大器的正相輸入端和第一電容的第一端，第三開關的第二端適於輸入第一電壓，第四開關的第二端適於輸入第二電壓，第二電壓和第一電壓的電壓值不相等；在同一個第一開關電容單元中，第一開關的第二端連接第二開關的第二端和第二電容的第一端，第三開關的第一端連接第四開關的第一端和第二電容的第二端；第一電容的第二端接地；第一電容的電容值大於第二電容的電容值。
【專利說明】斜坡信號發生電路和圖像傳感器
【技術領域】
[0001] 本發明涉及電子領域，尤其涉及一種斜坡信號發生電路和圖像傳感器。
【背景技術】
[0002] 在圖像傳感器中，隨著像素單元陣列規模的不斷擴大，傳統的晶片級模數轉換器 已經不能滿足高幀率的要求，所以高幀率圖像傳感器採用列級的模數轉換器，其中單斜率 模數轉換器（single slope analog to digital converter，SS ADC)具有隻需小的面積和 功耗就能實現高精度的特點，被廣泛應用在高像素高幀率的圖像傳感器中。在SS ADC中需 要一個斜坡（ramp)信號作為比較器的比較電平，它的精度直接影響到SS ADC的輸出精度， 所以如何產生一個高精度的斜坡信號是一個非常重要的研究課題。
[0003] 傳統的斜坡信號的產生，一種方法是用電流舵（current steering)結構，通過不 斷增加流過固定電阻的電流來產生斜坡信號。另一種方法是積分（integrating)結構，採 用固定的電流不斷的給固定電容充電，產生一個連續的斜坡信號。這兩種斜坡信號發生器 對於高速和大負載應用時，都存在信號建立時間過長的問題，從而導致精度很難達到應用 要求。
【發明內容】
[0004] 本發明解決的問題是現有斜坡信號發生器對於高速和大負載應用時，存在信號建 立時間過長的問題。
[0005] 為解決上述問題，本發明提供一種斜坡信號發生電路，包括：運算放大器，第一電 容和第一開關電容組，所述第一開關電容組包括至少一個第一開關電容單元，所述第一開 關電容單元包括：第一開關、第二開關、第三開關、第四開關和第二電容；
[0006] 所述第一開關的第一端連接所述運算放大器的負相輸入端和輸出端，所述第二開 關的第一端連接所述運算放大器的正相輸入端和第一電容的第一端，所述第三開關的第二 端適於輸入第一電壓，所述第四開關的第二端適於輸入第二電壓，所述第二電壓和第一電 壓的電壓值不相等；
[0007] 在同一個第一開關電容單元中，所述第一開關的第二端連接所述第二開關的第二 端和第二電容的第一端，所述第三開關的第一端連接所述第四開關的第一端和第二電容的 A-Ap -?上山 弟·~-? ；
[0008] 所述第一電容的第二端接地；
[0009] 所述第一電容的電容值大於所述第二電容的電容值。
[0010] 可選的，所述斜坡信號發生電路還包括：開關控制單元，所述開關控制單元適於輸 出第一控制信號、第二控制信號、第三控制信號和第四控制信號至需工作的第一開關電容 單元以啟動所述需工作的第一開關電容單元；
[0011] 所述第一控制信號適於控制所述第一開關的閉合和斷開，所述第二控制信號適於 控制所述第二開關的閉合和斷開，所述第三控制信號適於控制所述第三開關的閉合和斷 開，所述第四控制信號適於控制所述第四開關的閉合和斷開；
[0012] 所述第二控制信號為所述第一控制信號的反相信號，所述第四控制信號為所述第 三控制信號的反相信號，所述第一控制信號和第三控制信號為同頻同相信號。
[0013] 可選的，所述需工作的第一開關電容單元的數量為多個，所述開關控制單元適於 按預定次序依次啟動所述需工作的第一開關電容單元。
[0014] 可選的，所述預定次序與所述斜坡信號發生電路輸出的斜坡信號斜率相關。
[0015] 可選的，所述開關控制單元適於先輸出所述第二控制信號和第四控制信號至全部 需工作的第一開關電容單元，再按所述預定次序依次輸出所述第一控制信號和第三控制信 號至所述需工作的第一開關電容單元。
[0016] 可選的，所述第一控制信號和第二控制信號均為脈衝信號，所述脈衝信號的幅度 跟隨所述第一電容的第一端電壓值增加而增大。
[0017] 可選的，所述的斜坡信號發生電路還包括第二開關電容組，所述第二開關電容組 包括至少一個第二開關電容單元，所述第二開關電容單元包括：第五開關、第六開關、第七 開關、第八開關和第三電容，所述第三電容的電容值與所述第二電容的電容值相等；
[0018] 所述第五開關的第一端連接所述運算放大器的第一輸入端和輸出端，所述第六開 關的第一端連接所述運算放大器的第二輸入端和第一電容的第一端，所述第七開關的第二 端適於輸入所述第一電壓，所述第八開關的第二端適於輸入所述第二電壓；
[0019] 在同一個第二開關電容單元中，所述第五開關的第二端連接所述第六開關的第二 端和第三電容的第一端，所述第七開關的第一端連接所述第八開關的第一端和第三電容的 A-Ap -?上山 弟一棲。
[0020] 可選的，所述開關控制單元還適於輸出第五控制信號、第六控制信號、第七控制 信號和第八控制信號至需工作的第二開關電容單元以啟動所述需工作的第二開關電容單 元；
[0021] 所述第五控制信號適於控制所述第五開關的閉合和斷開，所述第六控制信號適於 控制所述第六開關的閉合和斷開，所述第七控制信號適於控制所述第七開關的閉合和斷 開，所述第八控制信號適於控制所述第八開關的閉合和斷開；
[0022] 所述第五控制信號為所述第一控制信號的反相信號，所述第六控制信號為所述第 二控制信號的反相信號，所述第七控制信號為所述第三控制信號的反相信號，所述第八控 制信號為所述第四控制信號的反相信號。
[0023] 本發明實施例還提供一種圖像傳感器，包括：斜坡信號發生電路和模數轉換器，所 述斜坡信號發生電路連接所述模數轉換器。
[0024] 可選的，所述模數轉換器的所需精度與所述第一電容和第二電容的電容值比值相 關。
[0025] 與現有技術相比，本發明的技術方案提供的斜坡信號發生電路可以採用較小的等 效電容來充放電，減小了斜坡信號建立時間，可以符合高精度要求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026] 圖1是本發明實施例的斜坡信號發生電路的一結構示意圖；
[0027] 圖2是本發明實施例的第一開關電容組結構示意圖；
[0028] 圖3是本發明實施例的斜坡信號發生電路的一等效結構示意圖；
[0029] 圖4是本發明實施例的斜坡信號發生電路的另一等效結構示意圖；
[0030] 圖5是本發明實施例的斜坡信號的波形示意圖；
[0031] 圖6是本發明實施例的斜坡信號發生電路的另一結構示意圖。
【具體實施方式】
[0032] 為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更為明顯易懂，下面結合附圖對本發明 的具體實施例做詳細的說明。
[0033] 如圖1所示，本發明實施例提供一種斜坡信號發生電路，包括：運算放大器Opamp， 第一電容Cl和第一開關電容組1。
[0034] 結合圖2所示，所述第一開關電容組1包括至少一個第一開關電容單元。所述第 一開關電容單元包括：第一開關、第二開關、第三開關、第四開關和第二電容C2。所述第一 開關的第一端連接所述運算放大器Opamp的負相輸入端和輸出端bufout，所述第二開關的 第一端連接所述運算放大器Opamp的正相輸入端和第一電容Cl的第一端Vramp,所述第三 開關的第二端適於輸入第一電壓，所述第四開關的第二端適於輸入第二電壓Voft，所述第 二電壓Voft的電壓值和第一電壓的電壓值不相等；在同一個第一開關電容單元中，所述第 一開關的第二端連接所述第二開關的第二端和第二電容C2的第一端，所述第三開關的第 一端連接所述第四開關的第一端和第二電容C2的第二端；所述第一電容Cl的第二端接地 GND。所述第一電容的電容值大於所述第二電容的電容值。第二電壓Voft的電壓值大於第 一電壓的值時，斜坡信號發生電路輸出的斜坡信號斜率大於〇 ;第二電壓Voft的電壓值小 於第一電壓的值時，斜坡信號發生電路輸出的斜坡信號斜率小於0。為了便於理解，以下實 施例均以第一電壓為地電壓且第二電壓Voft的電壓值大於第一電壓的值為例進行說明。
[0035] 圖2中以4個第一開關電容單元為例。第一開關電容組1包括：第1個第一開關 電容單元11、第2個第一開關電容單元12、第3個第一開關電容單元13和第4個第一開關 電容單元14。
[0036] 第1個第一開關電容單元11包括：第一開關Φ 11、第二開關Φ21、第三開關Φ31、 第四開關Φ41和第二電容C2。第2個第一開關電容單元12包括：第一開關Φ 12、第二開 關Φ22、第三開關Φ32、第四開關Φ42和第二電容C2。第3個第一開關電容單元13包括： 第一開關Φ13、第二開關Φ23、第三開關Φ33、第四開關Φ43和第二電容C2。第4個第一 開關電容單元14包括：第一開關Φ 14、第二開關Φ24、第三開關Φ34、第四開關Φ44和第 二電容C2。
[0037] 全部第一開關電容單元中的第一開關，即第一開關Φ11、第一開關Φ12、第一開 關Φ 13和第一開關Φ 14的第一端均連接運算放大器Opamp的負相輸入端和運算放大器 Opamp的輸出端bufout。全部第一開關電容單元中的第二開關，即第二開關Φ21、第二開 關Φ 22、第二開關Φ 23和第二開關Φ 24的第一端均連接運算放大器Opamp的正相輸入端 和第一電容Cl的第一端Vramp。全部第一開關電容單元中的第三開關，即第三開關Φ31、 第三開關Φ 32、第三開關Φ 33和第三開關Φ 34的第二端均適於接地GND。全部第一開關 電容單元中的第四開關，即第四開關Φ41、第四開關Φ42、第四開關Φ43和第四開關Φ44 的第二端均適於輸入第二電壓Voft。
[0038] 在每個第一開關電容單元中，第一開關、第二開關、第三開關、第四開關和第二電 容的連接關係是相同的，以第1個第一開關電容單元11為例：第一開關Φ11的第二端連 接第二開關Φ21的第二端和第二電容C2的第一端，第三開關Φ31的第一端連接第四開關 Φ41的第一端和第二電容C2的第二端。
[0039] 本實施例所述的斜坡信號發生電路還可以包括：開關控制單元。
[0040] 所述開關控制單元適於輸出第一控制信號、第二控制信號、第三控制信號和第四 控制信號至需工作的第一開關電容單元以啟動所述需工作的第一開關電容單元。所述第一 控制信號適於控制所述第一開關的閉合和斷開，所述第二控制信號適於控制所述第二開關 的閉合和斷開，所述第三控制信號適於控制所述第三開關的閉合和斷開，所述第四控制信 號適於控制所述第四開關的閉合和斷開。
[0041] 其中，所述第二控制信號為所述第一控制信號的反相信號，所述第四控制信號為 所述第三控制信號的反相信號，所述第一控制信號和第三控制信號為同頻同相信號。因此， 第一開關電容單元被啟動後，第一開關和第三開關同時閉合或斷開，第二開關和第四開關 同時閉合或斷開；而第一開關和第三開關則與第二開關和第四開關狀態相反，即第一開關 和第三開關閉合時第二開關和第四開關斷開，第一開關和第三開關斷開時第二開關和第四 開關閉合。
[0042] 第一控制信號、第二控制信號、第三控制信號和第四控制信號均可以為脈衝信號， 一個周期的脈衝信號具有相位1和相位2兩種狀態，周期的脈衝信號在相位1和相位2兩 種狀態間不斷切換。例如，相位1時脈衝信號為高電平，相位2時脈衝信號為低電平。
[0043] 以斜坡信號發生電路僅包括一個第一開關電容單元11為例，當第一控制信號和 第三控制信號均為相位1狀態、第二控制信號和第四控制信號均為相位2狀態時，第一開關 和第三開關閉合而第二開關和第四開關斷開，所述斜坡信號發生電路的等效電路如圖3所 示。在該情況下，只對第二電容C2充放電。
[0044] 當第一控制信號和第三控制信號均為相位2狀態、第二控制信號和第四控制信號 均為相位1時狀態，第一開關和第三開關斷開而第二開關和第四開關閉合，所述斜坡信號 發生電路的等效電路如圖4所示。在該情況下，第一電容Cl和第二電容C2串聯連接，等效 電容小於第二電容C2。
[0045] 由上述分析可以看出，本實施例無論在相位1狀態還是相位2狀態，用於充放電的 等效電容都較小，相應的RC延遲就很小，可以實現信號的快速建立。
[0046] 根據圖3所示的等效電路可知，存儲在第一電容Cl和第二電容C2上的總電荷Ql 為：
[0047] Ql = Vramp (n) * (C2+C1) (公式 1)
[0048] 公式1中的Vramp (η)代表第一電容Cl的第一端Vramp的電壓值，C2代表第二電 容C2的電容值，Cl代表第一電容Cl的電容值。
[0049] 根據圖4所示的等效電路可知，存儲在第一電容Cl和第二電容C2上的總電荷Q2 為：
[0050] Q2 = (Vramp (n+1)-Voft) *C2+Vramp (n+1) *C1 (公式 2)
[0051] 公式2中的Vramp (n+1)代表第一電容Cl的第一端Vramp的電壓值，Voft代表第 二電壓Voft的電壓值。
[0052] 根據電荷守恆定理可知：
[0053] Ql = Q2 (公式 3)
[0054] 假設：Λ Vramp = Vramp (n+1) -Vramp (η) (公式 4)
[0055] 由公式1至公式4可以得出：
【權利要求】
1. 一種斜坡信號發生電路，其特徵在於，包括：運算放大器，第一電容和第一開關電容 組，所述第一開關電容組包括至少一個第一開關電容單元，所述第一開關電容單元包括：第 一開關、第二開關、第三開關、第四開關和第二電容； 所述第一開關的第一端連接所述運算放大器的負相輸入端和輸出端，所述第二開關的 第一端連接所述運算放大器的正相輸入端和第一電容的第一端，所述第三開關的第二端適 於輸入第一電壓，所述第四開關的第二端適於輸入第二電壓，所述第二電壓和第一電壓的 電壓值不相等； 在同一個第一開關電容單元中，所述第一開關的第二端連接所述第二開關的第二端和 第二電容的第一端，所述第三開關的第一端連接所述第四開關的第一端和第二電容的第二 端； 所述第一電容的第二端接地； 所述第一電容的電容值大於所述第二電容的電容值。
2. 如權利要求1所述的斜坡信號發生電路，其特徵在於，還包括：開關控制單元，所述 開關控制單元適於輸出第一控制信號、第二控制信號、第三控制信號和第四控制信號至需 工作的第一開關電容單元以啟動所述需工作的第一開關電容單元； 所述第一控制信號適於控制所述第一開關的閉合和斷開，所述第二控制信號適於控制 所述第二開關的閉合和斷開，所述第三控制信號適於控制所述第三開關的閉合和斷開，所 述第四控制信號適於控制所述第四開關的閉合和斷開； 所述第二控制信號為所述第一控制信號的反相信號，所述第四控制信號為所述第三控 制信號的反相信號，所述第一控制信號和第三控制信號為同頻同相信號。
3. 如權利要求2所述的斜坡信號發生電路，其特徵在於，所述需工作的第一開關電容 單元的數量為多個，所述開關控制單元適於按預定次序依次啟動所述需工作的第一開關電 容單元。
4. 如權利要求3所述的斜坡信號發生電路，其特徵在於，所述預定次序與所述斜坡信 號發生電路輸出的斜坡信號斜率相關。
5. 如權利要求3所述的斜坡信號發生電路，其特徵在於，所述開關控制單元適於先輸 出所述第二控制信號和第四控制信號至全部需工作的第一開關電容單元，再按所述預定次 序依次輸出所述第一控制信號和第三控制信號至所述需工作的第一開關電容單元。
6. 如權利要求2所述的斜坡信號發生電路，其特徵在於，所述第一控制信號和第二控 制信號均為脈衝信號，所述脈衝信號的幅度跟隨所述第一電容的第一端電壓值增加而增 大。
7. 如權利要求2至6任一權利要求所述的斜坡信號發生電路，其特徵在於，還包括第二 開關電容組，所述第二開關電容組包括至少一個第二開關電容單元，所述第二開關電容單 元包括：第五開關、第六開關、第七開關、第八開關和第三電容，所述第三電容的電容值與所 述第二電容的電容值相等； 所述第五開關的第一端連接所述運算放大器的第一輸入端和輸出端，所述第六開關的 第一端連接所述運算放大器的第二輸入端和第一電容的第一端，所述第七開關的第二端適 於輸入所述第一電壓，所述第八開關的第二端適於輸入所述第二電壓； 在同一個第二開關電容單元中，所述第五開關的第二端連接所述第六開關的第二端和 第三電容的第一端，所述第七開關的第一端連接所述第八開關的第一端和第三電容的第二 端。
8. 如權利要求7所述的斜坡信號發生電路，其特徵在於，所述開關控制單元還適於輸 出第五控制信號、第六控制信號、第七控制信號和第八控制信號至需工作的第二開關電容 單元以啟動所述需工作的第二開關電容單元； 所述第五控制信號適於控制所述第五開關的閉合和斷開，所述第六控制信號適於控制 所述第六開關的閉合和斷開，所述第七控制信號適於控制所述第七開關的閉合和斷開，所 述第八控制信號適於控制所述第八開關的閉合和斷開； 所述第五控制信號為所述第一控制信號的反相信號，所述第六控制信號為所述第二控 制信號的反相信號，所述第七控制信號為所述第三控制信號的反相信號，所述第八控制信 號為所述第四控制信號的反相信號。
9. 一種圖像傳感器，其特徵在於，包括：權利要求1至8任一權利要求所述的斜坡信號 發生電路和模數轉換器，所述斜坡信號發生電路連接所述模數轉換器。
10. 如權利要求9所述的圖像傳感器，其特徵在於，所述模數轉換器的所需精度與所述 第一電容和第二電容的電容值比值相關。
【文檔編號】H03K4/08GK104333352SQ201410663661
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年11月19日 優先權日:2014年11月19日
【發明者】趙立新, 喬勁軒, 李敏蘭 申請人:格科微電子（上海）有限公司