穩流電路、穩流方法以及固態成像裝置的製作方法
2023-09-24 01:45:35
專利名稱：穩流電路、穩流方法以及固態成像裝置的製作方法
技術領域：
本發明一般地涉及穩流電路、穩流方法和固態成像裝置，具體地說，本發明涉及穩流電路、穩流方法和使用這種穩流電路的固態成像裝置，其中所述穩流電路可以提供與電晶體的閾值電壓、電源電壓和操作溫度都無關的穩定的電流。
背景技術：
圖1示出了相關技術的電流放大電路的結構示例的電路圖。圖1的電流放大電路10包括電晶體11到15和電阻器16。電晶體11和電阻器16串聯連接，並且電晶體11和電阻器16之間的連接點連接到電晶體11的柵極和電晶體12的柵極兩者。在這種條件下，電晶體11和12組成了電流鏡像電路。此外，電晶體12和電晶體13串聯連接，並且電晶體12和電晶體13之間的連接點連接到電晶體13的柵極。在圖1的示例中，電晶體12和13具有和電晶體11相同的尺寸，因此流過電晶體12和13的電流i2的量和流過電晶體11的電流i1的量相等。
電晶體13的柵極連接到電晶體14的柵極和電晶體15的柵極兩者，這樣一來，電晶體13到15組成了電流鏡像電路。在圖1的示例中，電晶體14的尺寸是電晶體13的尺寸的兩倍(兩倍的柵極寬度)，因此流過電晶體14的電流i3是流過電晶體13的電流i2的兩倍。另外，電晶體15的尺寸是電晶體13的尺寸的四倍(四倍的柵極寬度)，因此流過電晶體15的電流i4是流過電晶體13的電流i2的四倍。
在這種條件下，圖1的電流放大電路產生的電流i2的量與基本電流(base current)i1的量相等，電流i3的量是基本電流i1的量的兩倍，並且電流i4的量是基本電流i1的量的四倍。使用這些電流i2到i4可以產生與3比特值相對應的8種不同的電流電平(current level)。出於同樣的原因，8種電流的形成可以產生與8比特值相對應的256種不同的電流電平，其中所述8種電流的量分別是與基本電流相等、基本電流的兩倍、四倍、八倍...一百二十八倍。以這種方式所產生的電流可以用在固態成像裝置的模數轉換器中所提供的用於執行積分的電路部分中。在此積分電路中，如圖1所示的電路產生所期望的電流量，並且利用該所期望的電流量使電容放電，從而產生具有所期望斜率的斜坡電壓(ramp voltage)(即以固定比率下降的電壓)。將該斜坡電壓與從固態成像設備中所讀取的電壓進行比較。計數器測量這兩種電壓重合之前所經過的時間段，從而將模擬電壓轉換為數字值。
日本專利申請No.11-161353[專利文件2]日本專利申請No.2002-74997在圖1所示的電路中，操作條件和/或電路條件的改變會導致所產生的電流的波動。如果電源電壓波動，例如，每個電晶體的柵極節點和源極節點之間的電壓改變，則會導致流過每個電晶體的電流產生波動。如果每個電晶體的閾值電壓由於工藝不同而不同，則流過每個電晶體的電流最終也會響應於該閾值電壓而不同。這種情況即使在每個電晶體的柵極節點和源極節點之間的電壓保持在期望值時也會發生。另外，由於漏極電流以一種依賴於溫度的方式與柵極和源極之間的電壓相關，因此如果存在溫度改變，則流過每個電晶體的電流也會改變。
因此，當操作條件、電路條件等等存在波動時，如圖1所示的電路難以提供具有足夠精確度的穩定的電流。如果將圖1所示的電路用在固態成像裝置中，那麼模數轉換器的轉換精確度將會下降。
因此，則需要穩流電路、穩流方法以及使用這種穩流電路的固態成像裝置，其中，即使在電源電壓存在波動、操作溫度發生改變、電晶體的閾值電壓不同等等的情況下，所述穩流電路也可以提供具有足夠穩定性和精確度的所期望的電流量。
發明內容
本發明的一般目的在於，提供充分消除了現有技術的局限和缺點所引起的一個或多個問題的穩流電路、穩流方法和固態成像裝置。
在下面的描述中將介紹本發明的特徵和優點，並且這些特徵和優點中的一部分將從描述和附圖中顯現出來，或者可以在根據描述中所提供的教導實施本發明的過程中得知。利用本說明書中所具體指出的穩流電路、穩流方法和固態成像裝置，將會意識到，並獲得本發明的目的以及其他特徵和優點，在說明書中，以如此全面、清晰、簡練並且準確的術語具體指出了所述穩流電路、穩流方法和固態成像裝置，以使得本領域的普通技術人員能夠實施本發明。
為了根據本發明的目的實現這些和其他優點，本發明提供了用於穩定電流的電路，該電路包括經配置以提供恆定電壓的恆定電壓提供電路，以及電流產生電路，所述電流產生電路耦合到所述恆定電壓提供電路，以基於響應於所述恆定電壓的預定電壓來產生電流，並且基於所述預定電壓與響應於所述電流而出現在預定電阻上的電壓之間的比較關係，利用反饋控制將所述電流的電流量調整到預定的量。
根據本發明的另一方面，固態成像裝置包括經配置以提供恆定電壓的恆定電壓提供電路、電流產生電路、耦合到所述電流產生電路的電容器、固態成像設備和模數轉換電路；其中所述電流產生電路耦合到所述恆定電壓提供電路，以基於響應於所述恆定電壓的預定電壓來產生電流，並且基於所述預定電壓與響應於所述電流的出現在預定電阻上的電壓之間的比較關係，利用反饋控制將所述電流的電流量調整到預定的量；所述模數轉換電路經配置，以將從所述固態成像設備中所讀取的像素電壓與通過放電而下降的所述電容器的電壓進行比較，從而將所述像素電壓從模擬值轉換到數字值，其中所述放電由所述電流產生電路所產生的電流所控制。
根據本發明的另一方面，穩定電流的方法包括以下步驟提供來自恆定電壓提供電路的恆定電壓；基於響應於所述恆定電壓的預定電壓來產生電流；以及基於所述預定電壓與響應於所述電流而出現在預定電阻上的電壓之間的比較關係，利用反饋控制將所述電流的電流量調整到預定量。
根據本發明的至少一個實施例，利用了由恆定電壓提供電路所提供的穩定的、恆定的電壓，並且使用電流產生電路，基於響應於所述恆定電壓的預定電壓來產生電流，並且基於所述預定電壓與響應於所述電流而出現在預定電阻上的電壓之間的比較關係，利用反饋控制將所述電流的電流量調整到預定的量。當以這種方式所產生的電流作為輸入提供給電流鏡像電路時，即使電源電壓存在波動、操作溫度發生改變、電晶體的閾值電壓存在波動等等，電流量也可以保持在恆定的電平上。
根據本發明的至少一個實施例，所述恆定電壓提供電路是帶隙參考電路。由帶隙參考電路所產生的電壓理論上與矽的帶隙電壓相等，並且幾乎不受電源電壓波動、溫度改變、由於工藝不同所引起的閾值電壓波動等等的影響。因此，在這種條件下，電流產生電路所使用的預定電壓可以保持在穩定的、恆定的電壓電平上。
當結合附圖閱讀以下的詳細描述時，本發明的其他目標和特徵將變得更加明顯，在附圖中圖1示出了相關技術的電流放大電路的結構示例的電路圖；圖2示出了根據本發明的穩流電路的結構示例的電路圖；圖3示出了關於電源電壓波動的帶隙參考電路的特徵的解說圖；圖4示出了應用本發明的穩流電路的固態成像裝置的結構示例的框圖；圖5示出了列ADC電路的示意結構示例的電路圖；圖6是用於解釋列ADC電路的操作的圖；以及圖7示出了積分電路的示意結構示例的電路圖。
具體實施例方式
在下文中，將參考附圖描述本發明的實施例。
圖2示出了根據本發明的穩流電路的結構示例的電路圖。圖2所示出的穩流電路20包括電晶體21到25、電阻器26、恆定電壓提供電路27、電阻器28和29、差分放大器30和電晶體31。
串聯連接的電晶體21和電晶體31之間的連接點連接到電晶體21的柵極和電晶體22的柵極兩者。在這種條件下，電晶體21和22組成了電流鏡像電路。電晶體22和電晶體23串聯連接，並且電晶體22和電晶體23之間的連接點連接到電晶體23的柵極。在圖2的示例中，電晶體22和23具有和電晶體21相同的尺寸，因此流過電晶體22和23的電流i2的量和流過電晶體21的電流i1的量相等。
電晶體23的柵極連接到電晶體24的柵極和電晶體25的柵極兩者，這樣一來，電晶體23到25組成了電流鏡像電路。在圖2的示例中，電晶體24的尺寸是電晶體23的尺寸的兩倍(兩倍的柵極寬度)，因此流過電晶體24的電流i3是流過電晶體23的電流i2的兩倍。另外，電晶體25的尺寸是電晶體23的尺寸的四倍(四倍的柵極寬度)，因此流過電晶體25的電流i4是流過電晶體23的電流i2的四倍。
在如圖2所示根據本發明的穩流電路中，恆定電壓提供電路27提供了固定的電壓。如果電源電壓是穩定且恆定的，則可以將恆定電壓提供電路27配置為原封不動地運送所提供的電源電壓。恆定電壓提供電路27可以是這樣的電路，即如果電源電壓顯示出波動，則恆定電壓提供電路27能夠提供與電源電壓的這種波動無關的穩定且恆定的電壓。這種電路的示例包括帶隙參考電路(BGR電路)。帶隙參考電路將具有隨溫度的升高而降低的負溫度相關性的pn結的正向電壓Vbe，添加到由Vbe的微分所產生的具有隨溫度的升高而升高的正溫度相關性的電壓上，從而彼此消除掉正溫度相關性和負溫度相關性，以產生與矽的帶隙電壓(約為1.2V)相等的電壓。由帶隙參考電路所產生的電壓理論上與矽的帶隙電壓相等，從而提供了不受電源電壓波動、溫度變化、由於工藝不同所引起的閾值電壓波動等等所影響的恆定電壓。
圖3示出了關於電源電壓波動的帶隙參考電路的特徵的解說圖。如圖3所示，如果電源電壓高於預定的電平，帶隙參考電路則產生固定的約為1.2V(即矽的帶隙電壓)的輸出電壓。在這種條件下，即使當電源電壓出現波動時，帶隙參考電路的輸出電壓也保持在穩定的、恆定的電平上。
至於溫度變化，可以對帶隙參考電路進行設計，使其輸出電壓響應於-25攝氏度到85攝氏度的溫度變化範圍，只表現出1.4mV左右的變化。也就是說，對於1.2V的輸出電壓，只獲得約1/1000的波動。當考慮應用於固態成像裝置時，為了普通的電路設計，少於幾十mV的波動就足夠了。帶隙參考電路的使用可以獲得比這種目標值小得多的波動。
在圖2的穩流電路20中，由電阻器28和29所組成的分壓器對從恆定電壓提供電路27所提供的固定電壓進行劃分。然後，將節點B處所具有的經劃分的電位施加到差分放大器30的兩個輸入端中的一個上。將差分放大器30的輸出施加到電晶體31的柵極。電晶體31和電阻器26串聯連接，並且將電晶體31和電阻器26之間的節點A耦合到差分放大器30的另一個輸入端。利用這種反饋控制，來調整電晶體31的電阻，從而使節點A處的電壓與節點B處的電壓相等。這樣一來，將節點A處的電位設置為與節點B處的電位相等(例如0.6V)。
如果恆定電壓提供電路27所提供的電位是穩定且恆定的，那麼節點A處的電位也穩定地保持在預定的電平上。例如，作為恆定電壓提供電路27的帶隙參考電路的使用可以在節點A處產生預定的電壓電平，該電壓電平幾乎不受電源電壓波動、溫度改變和由工藝不同所引起的閾值電壓波動等等的影響。
由於節點A的電壓保持在預定的電平上，因此流過電阻器26的電流i1穩定地保持在受節點A的電壓和電阻器26的電阻所影響的預定的電流量上。
由差分放大器30和電晶體31所組成的電路部分，通過利用反饋控制在節點A處產生預定的穩定電位，從而產生具有預定的電流量的電流i1。也就是說，該電路部分具有基於從恆定電壓提供電路27所提供的固定的電位來產生預定的電流量的功能，即將固定的電位轉換為預定的電流量的功能。
供給電晶體21和22的電源電壓VDD可能出現波動，因此這些電晶體的柵極和源極之間的電壓可能發生改變。即使在這種情況下，如上所述的電路部分也調整電晶體31的電阻，以致產生具有預定量的電流i1，因此，分別流過電晶體21和22的電流i1和i2成為恆定的電流。另外，電晶體21和22的閾值電壓可能由於工藝不同而不同，從而導致閾值電壓和柵極與源極之間的電壓之間的差的變化。即使在這種情況下，如上所述的電路部分也調整電晶體31的電阻，以致產生具有預定量的電流i1，因此，分別流過電晶體21和22的電流i1和i2成為恆定的電流。此外，溫度變化可以改變漏極電流和柵極與源極之間的電壓之間的關係。即使在這種情況下，如上所述的電路部分也調整電晶體31的電阻，以致產生具有預定量的電流i1，因此，分別流過電晶體21和22的電流i1和i2成為恆定的電流。這樣一來，電流i2固定在恆定的電流量上，因此由電流鏡像電路所產生的電流i3和i4也保持在穩定的、恆定的電流量上。
上述圖2的穩流電路20利用反饋控制，基於恆定電壓提供電路27所提供的恆定電壓產生了預定的穩定電流量。此外，基於該預定的穩定電流量，電流鏡像電路可以產生具有各自電流量的多種穩定電流。
圖4示出了應用本發明的穩流電路的固態成像裝置的結構示例的框圖。圖4的固態成像裝置40包括像素陣列41、V_SCAN電路42、列CDS電路43、列ADC電路44、鎖存電路45、H_SCAN電路46、積分電路47和色彩處理器48。色彩處理器48可以在相同的晶片上，作為固態成像裝置40的一部分來實現，或者在單獨的晶片上，作為與固態成像裝置40相分離的單元來實現。
像素陣列41是以具有行和列的矩陣形式排列的多個光電二極體，以用作光接收部分。為了成像的目的，光電二極體中的每一個構成一個像素。在逐個像素的基礎上對入射光進行光電轉換。由光電轉換所獲得的電荷被累積在電荷累積部分中，以用於從外部獲取。為了讀取與每個像素相對應的電荷，V_SCAN電路42相繼在垂直的方向(即列的方向)上掃描像素陣列矩陣。例如，列CDS電路43從像素陣列中讀取圖像信號，同時利用相關雙採樣(correlated double sampling)來減小噪聲。然後由列ADC電路44將所獲得的圖像信號從模擬形式轉換為數位訊號。
鎖存電路45存儲由列ADC電路44所獲得的數字圖像信號。H_SCAN電路46產生掃描信號，以用於在水平的方向上相繼讀取鎖存電路45中所存儲的數字圖像數據。這樣，從鎖存電路45中讀取數字圖像數據，以提供到色彩處理器48。
色彩處理器48對已提供的圖像數據應用各種信號處理，並且輸出適合於屏幕顯示的數字圖像數據。這樣的圖像處理包括通過處理圖像信號中所包含的缺陷像素的數據來校正缺陷的缺陷像素校正、基於與RGBBayer陣列相對應的色彩信息來獲得每個像素的色彩數據的色彩插值、基於色彩數據來校正鏡頭失真的著色校正、自動白平衡過程、珈瑪校正過程、邊緣處理過程等等。
列ADC電路44將來自列CDS電路43的模擬信號的電壓電平與來自積分電路47的斜坡信號(即以固定速率遞減的信號)的電壓電平進行比較，並且利用計數器來測量兩種電壓電平變得相等之前所經過的時間段，從而將模擬的電壓電平轉換成數字值。本發明的穩流電路20就用在用於產生斜坡信號的積分電路47中。
圖5示出了列ADC電路44的示意結構示例的電路圖。在圖5中，列ADC電路44包括比較器51和鎖存電路52。鎖存電路52響應於比較器51的輸出信號，該輸出信號用來觸發對計數器53的計數值的讀取。計數器53響應於開始信號進行累加，並且將計數值作為累加信號(count-upsignal)提供給鎖存電路52。
比較器51將從列CDS電路43所提供的指示出像素值的模擬信號電壓「a」與從積分電路47所提供的斜坡信號電壓「b」進行比較，並且在兩種電壓變得相等時斷言(assert)其輸出。響應於比較器51的輸出的斷言，鎖存電路52鎖存由累加信號所指示的計數值，所述累加信號由計數器53所提供。
圖6是用於解釋列ADC電路44的操作的圖。在圖6中，橫軸代表時間，並且縱軸代表電壓。來自列CDS電路43的模擬信號電壓「a」保持在指出了像素值的恆定的電壓電平上。來自積分電路47的斜坡信號電壓「b」以恆定的速率隨時間線性遞減。計數器53在預定的定時T1處開始其計數操作。在定時T2處鎖存計數值，在所述定時T2處，模擬信號電壓「a」和斜坡信號電壓「b」剛好重合。由於斜坡信號電壓「b」隨時間下降的速率是事先已知的，因此與已測量的時間計數值相對應的數字值可以代表模擬信號電壓「a」的電壓電平。
圖7示出了積分電路47的示意結構示例的電路圖。圖7的積分電路47包括開關61、電容器62、開關64和恆定電流源63。首先，在關閉開關61並且打開開關64的情況下，來自電源電壓的電荷累積到電容器62中，從而將斜坡信號電壓「b」設置到預定的電壓電平上。然後，在打開開關61並且關閉開關64的情況下，發生通過恆定電流源63，從電容器62到地的放電過程。當發生這種情況時，流過恆定電流源63的電流是恆定的，使得斜坡信號電壓「b」以預定的速率隨時間線性遞減。
在固態成像裝置40中，當需要改變圖像等的幀速率時，希望提供這樣的功能，即該功能用於控制列ADC電路44中模數轉換所需的時間。由於計數器值的數字表示的精確度會依賴於計數器值的大小而變化，因此最好通過花費一定長度的時間從電容器62緩慢地放電，並且鎖存大的計數器值。但是，當存在時間限制時，必須在短時間內從電容器62放電，並且鎖存計數器值。在這種情況下，需要將流過恆定電流源63的電流量設置到具有足夠精確度的所期望的量上。出於這個目的，使用了如同圖2所示的穩流電路20一樣的電路。
如上所述，電流i2到i4的使用可以產生與3比特值相對應的8種不同的電流電平。出於同樣的原因，8種電流的產生可以產生與8比特值相對應的256種不同的電流電平，其中所述8種電流的量分別是與基本電流相等、基本電流的兩倍、四倍、八倍...一百二十八倍。這樣一來，可以創建具有足夠精確度的所期望的電流量，從而通過電容器62的放電來調整斜坡信號電壓「b」的下降速率。這實現了精確的模數轉換。
此外，本發明並不局限於這些實施例，而是在不脫離本發明的範圍的情況下，可以進行各種變化和修改。
權利要求
1.一種用於穩定電流的電路，包括恆定電壓提供電路，配置成提供恆定電壓；以及電流產生電路，所述電流產生電路耦合到所述恆定電壓提供電路，以基於響應於所述恆定電壓的預定電壓來產生電流，並且基於所述預定電壓與響應於所述電流而出現在預定電阻上的電壓之間的比較關係，利用反饋控制將所述電流的電流量調整到預定的量。
2.如權利要求1所述的電路，其中所述電流產生電路包括差分放大器，其輸入端耦合到所述出現在預定電阻上的電壓，並且耦合到所述預定電壓；以及電晶體，其柵極節點耦合到所述差分放大器的輸出端，其中所述電晶體和所述預定電阻串聯連接。
3.如權利要求1所述的電路，其中所述恆定電壓提供電路經配置，以從外部接收穩定的電源電壓，並且將所接收到的所述電源電壓作為所述恆定電壓輸出。
4.如權利要求1所述的電路，其中所述恆定電壓提供電路是帶隙參考電路。
5.如權利要求1所述的電路，還包括電流鏡像電路，所述電流鏡像電路經配置，以響應於所述預定量的所述電流，產生其電流量是所述預定量的倍數的電流。
6.一種固態成像裝置，包括恆定電壓提供電路，配置成提供恆定電壓；電流產生電路，所述電流產生電路耦合到所述恆定電壓提供電路，以基於響應於所述恆定電壓的預定電壓來產生電流，並且基於所述預定電壓與響應於所述電流而出現在預定電阻上的電壓之間的比較關係，利用反饋控制將所述電流的電流量調整到預定的量；耦合到所述電流產生電路的電容器；固態成像設備；以及模數轉換電路，所述模數轉換電路經配置，以將從所述固態成像設備中所讀取的像素電壓與通過放電而下降的所述電容器的電壓進行比較，從而將所述像素電壓從模擬值轉換到數字值，其中所述放電由所述電流產生電路所產生的電流所控制。
7.如權利要求6所述的固態成像裝置，其中所述恆定電壓提供電路是帶隙參考電路。
8.如權利要求6所述的固態成像裝置，其中所述電流產生電路還包括電流鏡像電路，所述電流鏡像電路經配置，以響應於所述預定量的所述電流，產生其電流量是所述預定量的倍數的電流，該電流用作所述控制所述電容器的放電的電流。
9.一種用於產生恆定電流的電路，該電流是通過將恆定電壓提供電路的電壓提供給電阻器來定義的，所述恆定電壓提供電路包括恆定電壓源；電壓控制單元，所述電壓控制單元經配置，以控制所述提供到所述電阻器的電壓，使得所述提供到所述電阻器的電壓通過反饋控制而與所述恆定電壓源所提供的恆定電壓相等。
10.一種穩定電流的方法，該方法包括以下步驟提供來自恆定電壓提供電路的恆定電壓；基於響應於所述恆定電壓的預定電壓來產生電流；以及基於所述預定電壓與響應於所述電流而出現在預定電阻上的電壓之間的比較關係，利用反饋控制將所述電流的電流量調整到預定量。
全文摘要
本發明公開了一種用於穩定電流的電路，該電路包括經配置以提供恆定電壓的恆定電壓提供電路，以及電流產生電路，所述電流產生電路耦合到所述恆定電壓提供電路，以基於響應於所述恆定電壓的預定電壓來產生電流，並且基於所述預定電壓與響應於所述電流而出現在預定電阻上的電壓之間的比較關係，利用反饋控制將所述電流的電流量調整到預定的量。
文檔編號H04N5/378GK1716143SQ200410095568
公開日2006年1月4日 申請日期2004年11月29日 優先權日2004年7月2日
發明者柳沢誠, 船越純, 山縣誠司, 水口壽孝, 樋口剛 申請人:富士通株式會社