图像传感器

技术领域

本发明涉及一种图像传感器。

背景技术

以往，作为代表性的图像传感器，存在一种CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor：互补金属氧化物半导体)图像传感器。图15是示出以往的CMOS图像传感器的结构的框图。如图15所示，以往的CMOS图像传感器100在像素部101中沿水平方向和垂直方向二维地配置有像素101a，垂直控制电路102通过将行访问线103中的一条访问线设为“H”来选择任意的行的像素101a。

而且，所选择的行的像素101a一齐输出与像素的明亮度相应的电压。该电压经由像素信号线104而被输入到具备多个积分型模拟/数字转换器(以下，将模拟/数字转换称为A/D转换，在图中将A/D转换器表示为ADC。)的A/D转换部105的各积分型A/D转换器。然后，在A/D转换部105中被转换为数字信号，并经过水平控制电路106被从输出端子输出。

通常，利用积分型A/D转换器进行A/D转换，该积分型A/D转换器使用由电流型数字/模拟转换器(以下，将数字/模拟转换称为D/A转换，在图中将D/A转换器表示为DAC。)产生的斜坡波以及计数器来计测时钟的次数。图16是示出CMOS图像传感器中使用的积分型A/D转换器的基本结构的电路图，图17是示出向A/D转换器输入的斜坡波的波形的图。

如图16所示，在利用积分型A/D转换器进行A/D转换的情况下，首先，将比较器111的输入输出之间的开关S闭合。此时，对输入电压V

接着，如图17所示，控制D/A转换器来产生下降的斜坡波。计数器112在最初复位后被施加时钟信号，从而开始进行时钟数的计数。然后，在输入基准电压与输入电压V

另外，图像传感器中使用的积分型A/D转换器需要斜坡波，但该斜坡波大多由D/A转换器形成(例如，参照专利文献1～3以及非专利文献1)。图18是示出以往的CMOS图像传感器中使用的电流型D/A转换器的结构的电路图。如图18所示，在以往的代表性的电流型D/A转换器中设置有多个单位电流源122。

在该电流型D/A转换器中，使用被根据由解码器121解码得到的输入信号进行控制的开关123，将电流流动的方向切换到负载电阻124侧和电源125侧中的某一侧，由此控制流过负载电阻124的电流值，来使负载电阻124产生电压。然后，通过使流过负载电阻124的电流随时间经过逐渐增加，能够得到斜坡波来作为输出。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2013/122221号

专利文献2：日本特开2013-239951号公报

专利文献3：日本特开2018-148541号公报

非专利文献

非专利文献1：S.Yoshihara，et al.、“A 1/1.8-inch 6.4MPixel 60frame s/sCMOS Image Sensor With Seamless Mode Change”，IEEE Journal of Solid-StateCircuits，2006年12月，Vol.41、No.12，pp.2998-3006

发明内容

发明要解决的问题

然而，上述以往的电流型D/A转换器存在以下所示的课题。第一个课题是功耗。图19是示出电流型D/A转换器的单位电流源的结构的电路图。如图19所示，在电流型D/A转换器的单位电流源中设置有决定电流值的晶体管M

在COMS图像传感器的情况下，输出电压V

[数式1]

另外，D/A转换器的功耗P

[数式2]

近年来，由于像素数的增加、要求帧数的增加而负载电容增加，但为了确保恒定的响应时间常数，需要降低负载电阻R

第二个课题是响应速度。如果D/A转换器的时间响应特性不充分，则妨碍图像传感器的动作的高速化。图20是示出多次扫描了微小的电压区间的情况下的斜坡波的波形的图。近年来，提出了如下一种方法：对如图20所示那样的50mV左右的微小的电压区间进行多次扫描并进行A/D转换，通过取所得到的转换值的平均，来降低转换噪声。然而，在该方法中，D/A转换器的时间响应特性不充分，因此难以在一定时间内多次进行A/D转换。

图21是示出使用D/A转换器所形成的斜坡波的理想的波形和实际的波形的图。如图21所示，在以往的D/A转换器中，即使以50ns产生50mV的斜坡波，也会发生波形失真，只能在40ns且40mV的区域内确保直线性。因此，在以往的D/A转换器中，需要产生取更多余量的斜坡波，这会妨碍高速动作。

因此，本发明的目的在于提供一种以低功耗高速且高精度地进行动作的图像传感器。

用于解决问题的方案

本发明人为了解决上述课题，对使得在图像传感器中产生斜坡波的数字-模拟转换器进行了研究，发现将与反相器的输出端连接的电阻并联连接而得到的电阻型数字-模拟转换器相比于以往的使用了电流源的电流型数字-模拟转换器而言在本质上功耗更低，从而完成了本发明。

即，本发明所涉及的图像传感器具有：像素部，其是将多个像素沿行方向和列方向二维地进行配置而成的，各个所述像素具备检测自然界中存在的物理量并将其转换为电信号的传感器元件；电阻型数字-模拟转换器，其是将多个单位电路并联连接而成的，用于生成斜坡波，在所述单位电路中，在CMOS反相器的输出端连接有电阻；以及模拟-数字转换部，其具备多个积分型模拟-数字转换器，用于将来自所述像素的信号与所述斜坡波进行比较而转换为数字信号。

也可以是，所述电阻型数字-模拟转换器具备：高位比特转换部，其是将如下的单位电路并联连接了与高位比特数相应的数量而得到的，在该单位电路中，电阻的一端连接于CMOS反相器的输出端，并且电阻的另一端连接于该单位电路的输出端；以及低位比特转换部，其是将如下的单位电路并联连接了与低位比特数相应的数量而得到的，在该单位电路中，电阻的一端连接于CMOS反相器的输出端，并且电阻的另一端连接于单位电路的端子之间的电阻。

在所述单位电路的CMOS反相器的晶体管中，能够将沟道长度设为90nm以下。

也可以是，所述电阻型数字-模拟转换器设置在用于向所述模拟-数字转换部供给斜坡波的信号线的两端。

另外，本发明人对由数字-模拟转换器产生斜坡波时的时间响应进行了解析，发现了通过对偏移电压的控制来避免发生波形失真的斜坡波的产生方法。

即，本发明的图像传感器也可以是，在所述斜坡波的电压的时间变化率变化时，向所述电阻型数字-模拟转换器输入恒定量的偏移值。

也可以是，在所述斜坡波的电压的时间变化率随着时刻多次变化的情况下，使所述偏移值根据所述时间变化率的变化而变化。

另外，也可以基于第一基准电压、与所述第一基准电压不同的第二基准电压、所述斜坡波的电压成为所述第一基准电压的第一时刻以及所述斜坡波的电压成为所述第二基准电压的第二时刻，来计算所述偏移值。

发明的效果

根据本发明，使用电阻型数字-模拟转换器生成斜坡波，因此相比于输出电阻相同的电流型D/A转换器而言，能够大幅地降低平均功耗，从而能够实现以低功耗高速且高精度地进行动作的图像传感器。

附图说明

图1是示出本发明的第一实施方式所涉及的图像传感器的结构的框图。

图2的A是示出图1所示的电阻型D/A转换器8的结构例的电路图，图8的B是示出电阻型D/A转换器8的反相器电路81的图。

图3是用于求出图1所示的电阻型D/A转换器8的消耗电流和功耗的电路图。

图4是示出从图1所示的电阻型D/A转换器8的输出端来看的等效电路的电路图。

图5是示出与D/A转换器的输出电压相对应的、电流型D/A转换器的消耗电流、电阻型D/A转换器的消耗电流以及平均消耗电流的曲线图。

图6是示出产生斜坡波的D/A转换器和成为负载的分布RC电路的电路图。

图7是示出本发明的第一实施方式的图像传感器中的分布RC电路和从分布RC电路的两侧驱动该分布RC电路的D/A转换器的电路图。

图8是示出考虑了负载的D/A转换器的等效电路的电路图。

图9是示出本发明的第二实施方式所涉及的图像传感器的电阻型D/A转换器的结构的框图。

图10是示出在图9所示的电阻型D/A转换器28中在斜坡波的电压的时间变化率变化时赋予了恒定量的偏移值时的输出电压以及具有电容的负载电路的电压的波形图。

图11是示出在时间变化率变化两次时不施加校正值的情况下的电阻型D/A转换器的输出电压V

图12是示出在斜坡波的时间变化率随着时刻多次变化、且斜坡波的电压的时间变化率与之相应地变化时使偏移值发生了变化时的D/A转换器的输出电压以及具有电容的负载电路的电压的波形图。

图13是示出校准电路的结构的图。

图14是示出图13所示的校准电路中的输出电压、基准电压以及时间之间的关系的图。

图15是示出以往的CMOS图像传感器的结构的框图。

图16是示出CMOS图像传感器中使用的积分型A/D转换器的基本结构的电路图。

图17是示出向积分型A/D转换器输入的斜坡波的波形的图。

图18是示出以往的CMOS图像传感器中使用的电流型D/A转换器的电路图。

图19是示出电流型D/A转换器的单位电流源的结构的电路图。

图20是示出多次扫描了微小的电压区间的情况下的斜坡波的波形的图。

图21是示出使用D/A转换器得到的斜坡波的理想的波形和实际的波形的图。

具体实施方式

下面，参照附图来详细地说明用于实施本发明的方式。此外，本发明不限定于以下说明的实施方式。

(第一实施方式)。

首先，对本发明的第一实施方式所涉及的图像传感器进行说明。图1是示出本实施方式的图像传感器的结构的框图。如图1所示，在本实施方式的图像传感器10中设置有具备多个像素1a的像素部1、将像素信号转换为数字信号的A/D转换部5、向A/D转换部5供给成为参照电压的斜坡波的电阻型D/A转换器8等。即，在本实施方式的图像传感器10中，用于生成向A/D转换部5供给的斜坡波的D/A转换器不是使用电流型D/A转换器，而是使用了电阻型D/A转换器8。

另外，在本实施方式的图像传感器10中，也可以与例如图15所示的CMOS图像传感器同样地设置有控制与像素1a连接的行访问线3的垂直控制电路2、与像素1a连接来向A/D转换部5发送像素信号的像素信号线4、控制A/D转换部5中生成的数字信号的输出的水平控制电路6、整体控制电路7以及时钟电路9等。

[像素部1]

在像素部1中，沿行方向和列方向二维地配置有多个像素1a。像素部1的各像素1a分别具备检测自然界中存在的物理量并将其转换为电信号的传感器元件。在此，自然界中存在的物理量是指可见光、红外光、紫外线、X射线、电磁波、电场、磁场、温度、压力等。

[A/D转换部5]

A/D转换部5通过将来自像素部1的各像素1a的像素信号与来自电阻型D/A转换器8的斜坡波进行比较，来将来自像素部1的各像素1a的像素信号转换为数字信号，A/D转换部5由多个积分型A/C转换器5a构成。

[电阻型D/A转换器8]。

图2的A是示出图1所示的电阻型D/A转换器8的结构例的电路图，图2的B是示出电阻型D/A转换器8的反相器81的电路图。在图2的A所示的电阻型D/A转换器8中，将在反相器81的输出端连接有电阻的单位电路并联连接。另外，设为电阻型D/A转换器8的反相器81的电源使用了参照电压V

关于电阻型D/A转换器8，例如高位2比特由使用了温度计码的分段式D/A转换器构成，低位2比特由使用了R-2R电阻梯的二进制式D/A转换器构成，电阻型D/A转换器8作为4比特的D/A转换器进行动作。构成高位比特转换部的分段式D/A转换器是将如下的单位电路并联连接了与高位比特数相应的数量而得到的，在该单位电路中，电阻的另一端连接于该该单位电路的输出端。

另一方面，进行低位比特的转换的低位比特转换部能够由使用了R-2R电阻梯的二进制式D/A转换器构成。二进制式D/A转换器是将如下的单位电路并联连接了与低位比特数相应的数量而得到的，在该单位电路中，电阻的一端连接于COMS反相器的输出端，并且电阻的另一端连接于设置在单位电路的端子之间的电阻。在该情况下，通过将电阻值设为图2的A所示的比率，能够得到准确的输出电压。能够根据用途或规格适当设定高位比特与低位比特的比特分配，但从精度和面积的观点出发，优选将两者设为大致相等的比特数。

作为反相器81，能够使用例如具备图2的B所示的NMOS和PMOS的COMS反相器。以往的电流D/A转换器中使用的晶体管并不是内部逻辑中用到的使用了细微的栅极的核心晶体管(Core Transistor)，由于最低需要1.8V的耐压，因此使用了3.3V左右的耐压的I/O晶体管。因此，电流D/A转换器不仅面积大，而且电容也大，因此难以进行高速动作，且功耗也大。

与此相对地，本实施方式的图像传感器10中使用的电阻型D/A转换器8的晶体管耐压为1.0V～1.2V左右即可，因此例如能够使用如沟道长度为90nm以下那样能够使沟道长度最小的细微的核心晶体管。这样，电阻型D/A转换器即使使用小晶体管也能够得到足够低的导通电阻，因此能够实现良好的D/A转换器的直线性。其结果，通过使用电阻型D/A转换器，能够减少D/A转换器的专有面积和功耗，并且能够使处理高速化。并且，通过像这样构成D/A转换器，相比于以往的电流型D/A转换器而言，能够大幅地削减功耗。

图3是用于求出电阻型D/A转换器8的消耗电流和功耗的电路图，图4是示出从电阻型D/A转换器8的输出端来看的等效电路的电路图。如图3所示，电阻型D/A转换器8能够将相对于输出端而言处于参照电压V

[数式3]

另外，输出电压V

[数式4]

V

因而，如图4所示，能够在输出电阻R

[数式5]

因而，功耗P

[数式6]

其结果，电阻型D/A转换器8中流动的电流在x＝0.5时为最大，该最大电流为上述的数式2所表示的电流型D/A转换器中流动的电流的1/4。由于图像传感器中使用的D/A转换器产生0至参照电压V

[数式7]

因而，本质上产生斜坡波的电阻型D/A转换器的消耗电流小到电流D/A转换器的消耗电流的1/6。并且，由于电流型D/A转换器的情况下的电源电压V

[数式8]

图5是示出与D/A转换器的输出电压相对应的、电流型D/A转换器的消耗电流、电阻型D/A转换器的消耗电流以及平均消耗电流的曲线图。如图5和数式8所示，如果使用电阻型D/A转换器，则即使是相同的输出电阻，也能够为电流型D/A转换器的功耗的1/9的功耗。

在CMOS图像传感器中，为了提高暗场景的摄像的品质，还有时进行以下处理：如图20所示那样仅对0mV～50mV左右的信号进行转换，根据情况进行多次斜坡波的扫描以降低噪声，在进行多次转换后取其平均值。在该情况下，如果将其振幅设为满刻度的β倍，则电阻型D/A转换器的功耗用下述的数式9表示。

[数式9]

在上述的数式9中，例如如果将β设为0.05，则β/2为0.025，平均电流为上述的数式7所表示的扫描了满刻度时的电流的0.15倍，成为极小的消耗电流。

另一方面，在电流型D/A转换器的情况下，无论扫描电平如何电流都是恒定的，因此无法实现这样的消耗电流的降低。因而，在CMOS图像传感器中使用电阻型D/A转换器，这在降低功耗方面是非常有益的。根据情况，除了设置进行满刻度的扫描的D/A转换器之外，有时还设置进行图20所示的一部分电压的扫描的D/A转换器，但即使设置了这样的D/A转换器，也能够通过使用电阻型D/A转换器来极其有效地抑制功耗的增大。

如图15所示，在COMS图像传感器中，D/A转换器的输出被供给到在空间上分布的多个比较器。图6是示出产生斜坡波的D/A转换器和成为负载的分布RC电路的电路图。负载电路准确地变为电阻和电容如图6所示那样分布的RC分布常数电路。因此，在D/A转换器的驱动端和开放端，信号发生延迟，发生振幅的减少。在此，如果将每单位长度的电阻设为R

[数式10]

该基准时间常数τ越长，则影响越大。图7是示出本实施方式的图像传感器中的分布RC电路和从分布RC电路的两侧驱动该分布RC电路的D/A转换器的电路图。在本实施方式的图像传感器10中，也可以如图7所示那样从两侧向比较器供给斜坡波。由此，与各D/A转换器对应的RC分布常数电路的长度L等效地变为1/2，因此时间常数被缩短为1/4，从而能够降低其影响。其结果，能够实现更高精度的A/D转换、更高速的A/D转换。另外，各D/A转换器的负载电容等效地变为1/2，由于输出电阻也可以是2倍，因此几乎不会发生整体的功耗的增加。

如以上详细叙述的那样，本实施方式的图像传感器具备电阻型D/A转换器和A/D转换部，其中，该电阻型D/A转换器是将在COMS反相器的输出端连接有电阻的单位电路并联连接而成的，用于产生斜坡波，该A/D转换部由将来自像素的信号与斜坡波进行比较而转换为数字值的多个A/D转换器构成，因此，与以往的CMOS图像传感器相比，能够大幅地降低功耗。

(第二实施方式)。

接着，对本发明的第二实施方式所涉及的图像传感器进行说明。图8是示出考虑了负载的D/A转换器的等效电路的电路图。CMOS图像传感器中设置的D/A转换器的一个课题是产生高速的斜坡波。如图21所示，在D/A转换器中，由于波形的失真而导致能够有效地使用的时间范围受限，因此难以进行高速转换。其原因在于，如图8所示那样在电路中存在电容C

[数式11]

V

另外，如果对将上述的数式11所表示的波形作为输入的负载电路中的电压V

[数式12]

然后，如果对上述的数式12施加拉普拉斯逆转换来求出时间响应，则成为下述的数式13。

[数式13]

在上述的数式13中，第一项表示理想的斜坡波，第二项表示电压误差。由于该电压误差表示阶跃波的响应，因此偏移电压V

[数式14]

V

由此可知，如果在D/A转换器的输出电压变化时施加上述的数式14所表示的偏移电压V

图10是示出在图9所示的电阻型D/A转换器28中当斜坡波的电压的时间变化率变化时赋予了恒定量的偏移值时的输出电压V

另外，即使在斜坡波的时间变化率随着时刻多次变化的情况下，也能够通过使偏移值与之相应地变化来产生准确的斜坡波。图11是示出在时间变化率变化两次时不施加校正值的情况下的电阻型D/A转换器的输出电压V

图12是示出在斜坡波的时间变化率随着时刻多次变化、从而斜坡波的电压的时间变化率与之相应地变化时使偏移值发生了变化时的D/A转换器的输出电压V

这样，在CMOS图像传感器中使用了时间变化率随着时刻多次变化的斜坡波的情况下，如果信号强度在某种程度上增强，则增大斜坡波的变化率，由此能够缩短转换时间来提高帧频。由此，具有能够实现高速化或由缩短转换时间带来的低功耗化的优点。

另一方面，在将上述方法应用于实际的图像传感器时，难以预先求出负载的时间常数，因此需要校准电路。图13是示出校准电路的结构的图，图14是示出校准电路的输出电压、基准电压以及时间之间的关系的图。如图13所示，校准电路由在负载电路中表现的电阻型D/A转换器28的输出电压、两种基准电压(第一基准电压、第二基准电压)、校正用A/D转换器23以及校正逻辑电路24构成。

在图14中，用虚线示出理想的斜坡波。如果将时刻为0时的电压设为0，则如在图14中用实线所示那样，实际的响应根据RC时间常数而偏移。电压是正的，负的部分的虚线表示辅助线。在这样的状态下，如果将时刻T

[数式15]

因而，在本实施方式的图像传感器中，将通过上述的数式15计算出的偏移电压V

此外，向输出电阻型D/A转换器28的输入值的加减法运算器20供给由校正逻辑电路24求出的校正值，再次将电阻型D/A转换器28的输出与基准电压V

这样，本实施方式的图像传感器中的电阻型电阻型D/A转换器通过在斜坡波的电压的时间变化率变化时赋予恒定量的偏移值，由此能够减轻斜坡波的波形失真，来实现高精度且高速的A/D转换。此外，本实施方式的图像传感器中的上述以外的结构及效果与上述的第一实施方式相同。

另外，在上述的第一实施方式和第二实施方式中，以AMOS图像传感器为例进行了说明，但本发明不限定于此，还能够应用于其它用途的二维图像传感器。并且，本发明的图像传感器包括红外传感器、太赫传感器、磁传感器以及压力传感器等。

附图标记说明

1、101：像素部；1a、101a：像素；2、102：垂直控制电路；3、103：行访问线；4、104：像素信号线；5、105：A/D转换部；5a：积分型A/D转换部；6、106：水平控制电路；7：整体控制电路；8、28：电阻型D/A转换器；9：时钟电路；10、100：CMOS图像传感器；20：加减法运算器；21、111：比较器；22、112：计数器；23：校正用A/D转换器；24：校正逻辑电路；81：反相器；82：解码器电路；121：解码器；122：电流源；123：开关；124：负载电阻；125：电源。