图像感测装置及其操作方法

技术领域

本发明的示例性实施方式涉及一种半导体设计技术，并且更具体地，涉及一种图像感测装置和用于操作图像感测装置的方法。

背景技术

图像感测装置是利用半导体对光作出反应的特性来捕捉图像的装置。图像感测装置通常被划分为采用电荷耦合装置(CCD)的图像感测装置和采用互补金属氧化物半导体(CMOS)装置的图像感测装置。近来，使用CMOS装置的图像感测装置由于其可以在集成电路(IC)上直接实现模拟和数字控制电路的优点而被广泛使用。

发明内容

本发明的实施方式针对一种能够通过基于读出像素信号设置用于模/数(A/D)转换的偏移电压来减小噪声的图像感测装置，以及用于操作图像感测装置的方法。

根据本发明的实施方式，一种图像感测装置可以包括：像素阵列，其包括单位像素，单位像素适用于响应于转移信号而转移并存储电荷，并且响应于提供到单位像素的选择信号而读出与所存储的电荷相对应的像素信号；信号转换器，其适用于基于开关信号将像素信号与斜坡信号进行比较以生成距离信息信号；以及信号控制器，其适用于在读出像素信号的时间区间中生成用于初始化信号转换器的开关信号。

根据本发明的另一实施方式，一种用于操作图像感测装置的方法可以包括以下步骤：响应于选择信号，读出分别与存储在单位像素中的第一电荷和第二电荷相对应的第一像素信号和第二像素信号；响应于开关信号，设置在读出的第一像素信号和第二像素信号与斜坡信号之间的偏移电压；响应于转移信号来将第一像素信号和第二像素信号复位；以及响应于斜坡信号而生成与复位的第一像素信号和复位的第二像素信号之间的电压改变差相对应的距离信息信号。

根据本发明的另一实施方式，一种用于操作具有包括单位像素的像素阵列的图像感测装置的方法，单位像素包括第一像素和第二像素，该方法可以包括以下步骤：基于第一光电二极管输出而在第一像素中存储第一电荷，第一电荷a)基于从对象返回到图像感测装置的反射信号，并且b)响应于与从图像感测装置输出的光学信号同相的第一相位信号而产生；基于第二光电二极管输出而在第二像素中存储第二电荷，第二电荷a)基于反射信号，并且b)响应于与从图像感测装置输出的光学信号具有相位差的第二相位信号而产生；从第一像素读出与第一电荷相对应的第一像素信号；从第二像素读出与第二电荷相对应的第二像素信号；以及比较第一像素信号和第二像素信号与斜坡上升的参考信号以生成与电压改变差相对应的距离信息信号。

附图说明

图1是例示根据本发明的实施方式的图像感测装置的框图。

图2是例示包括在图1所示的像素阵列中的单位像素的电路图。

图3是例示图1所示的信号转换器的框图。

图4是例示图1所示的图像感测装置的操作的定时图。

图5是描述根据本发明的一个实施方式的图像感测装置的操作的流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。然而，本发明可以以不同的形式实施，并且不应该被解释为限于本文阐述的实施方式。相反，提供这些实施方式使得本公开将是透彻和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。贯穿本公开，在本发明的各个附图和实施方式中，相同的附图标记指代相同的部件。

应该理解，当元件被称为“联接”或“连接”到另一元件时，其可以直接联接或连接到另一元件或者其间可以存在中间元件。相反，应当理解，当元件被称为“直接联接”或“直接连接”到另一元件时，不存在中间元件。解释元件之间的关系的诸如“之间”、“直接在……之间”、“相邻”或“直接相邻”的其它表达应当以相同的方式解释。

本文使用的术语仅用于描述特定实施方式的目的，而不旨在进行限制。在本公开中，除非上下文另有明确指示，否则单数形式也旨在包括复数形式。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”、“包含”、“具有”等指定所述的特征、数量、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合的存在，但不排除一个或更多个其它特征、数量、步骤、操作、元件、组件和/或其组合的存在或添加。

图1是例示根据本发明的实施方式的图像感测装置100的框图。

参照图1，图像感测装置100可以通过使用飞行时间(TOF)方法来生成指示距对象200的深度的距离信息信号DOUT。例如，图像感测装置100可以检测输出到对象200的第一光学信号MS与从对象200反射的第二光学信号RS之间的相位差以生成距离信息信号DOUT。图像感测装置100可以包括光学发送器110、光学接收器120、信号控制器130、像素阵列140和信号转换器150。

光学发送器110可以将第一光学信号MS输出到对象200。在本文中，第一光学信号MS可以是周期性切换的周期性信号。

光学接收器120可以接收从对象200反射的第二光学信号RS。光学接收器120可以从第二光学信号RS去除源自环境光的噪声，并且向像素阵列140提供与第一光学信号MS相对应的第三光学信号RS’。

信号控制器130可以生成用于控制像素阵列140和信号转换器150的控制信号MIXA、MIXB、ROW、SW和VRAMP。参照图1，信号控制器130可以包括相位信号发生器132、控制信号发生器134和斜坡信号发生器136。

相位信号发生器132可以生成具有不同相位的第一相位信号MIXA和第二相位信号MIXB。例如，第一相位信号MIXA和第二相位信号MIXB可以具有例如约180度的相位差，但是可以使用其它相位差。第一相位信号MIXA和第二相位信号MIXB可以具有与第一光学信号MS相同的周期，并且第一相位信号MIXA和第二相位信号MIXB中的一个可以具有与第一光学信号MS的相位相同的相位，并且另一个具有约180度的相位差(参见图4)。

控制信号发生器134可以生成用于基于行来控制像素阵列140的多个行信号ROW。例如，控制信号发生器134可以生成用于控制布置在像素阵列140的第一行中的像素的第一行信号并且生成用于控制布置在像素阵列140的第n行中的像素的第n行信号(其中‘n’是大于2的自然数)。另外，控制信号发生器134可以生成用于将信号转换器150初始化的开关信号SW。

斜坡信号发生器136可以生成斜坡信号VRAMP并且将斜坡信号VRAMP传输到信号转换器150。斜坡信号VRAMP可以包括具有在低电压电平和高电压电平之间以预定斜率上升的电压电平的信号。

像素阵列140可以基于第三光学信号RS’、第一相位信号MIXA和第二相位信号MIXB以及行信号ROW来生成多个像素信号VPX。像素阵列140可以包括用于测量到对象200的距离的至少一个单位像素142(例如，在图2中示出)。在一个实施方式中，可以基于行信号ROW来选择单位像素142，并且单位像素142可以基于第一相位信号MIXA和第二相位信号MIXB(一个具有与第一光学信号MS相同的相位，并且另一个与第一光学信号MS具有诸如180度的预定相位差)以及第三光学信号RS’(具有与第一光学信号MS不同的相位)来生成诸如第一像素信号VPX_A和第二像素信号VPX_B的像素信号VPX。将参照图2更详细地描述单位像素142的结构。

信号转换器150可以基于像素信号VPX生成指示到对象200的距离的距离信息信号DOUT。例如，信号转换器150可以对第一像素信号VPX_A和第二像素信号VPX_B执行模数(A/D)转换以产生数字信号并且通过处理所获得的数字信号来生成距离信息信号DOUT。

图2是例示包括在图1所示的像素阵列140中的单位像素142的电路图。参照图2，单位像素142可以包括第一像素TAPA和第二像素TAPB。

第一像素TAPA可以基于复位信号RX、转移信号TX、选择信号SX以及第一相位信号MIXA来生成第一像素信号VPX_A。复位信号RX、转移信号TX和选择信号SX可以是包括在先前描述的行信号ROW中的信号。参照图2，第一像素TAPA可以包括第一感测电路P1、第一复位电路RT1、第一转移电路TT1、第一电荷存储电路C1和第一驱动电路DT1以及第一选择电路ST1。

第一感测电路P1可以联接在第一节点N1与低电压端子之间。第一感测电路P1可以响应于第一相位信号MIXA而生成与第三光学信号RS’相对应的第一电荷。在一个实施方式中，第一感测电路P1可以包括光电二极管，该光电二极管接收第三光学信号RS’并将第三光学信号RS’转换为与第一电荷相关的第一数字信号，并且(响应于第一相位信号MIXA)将第一数字信号提供到第一节点N1。

第一复位电路RT1可以联接在高电压端子与第一节点N1之间。第一复位电路RT1可以响应于复位信号RX将第一感测电路P1和第一电荷存储电路C1复位。在一个实施方式中，第一复位电路RT1可以包括NMOS晶体管。

第一转移电路TT1可以联接在第一节点N1与第一浮置扩散节点FD1之间。第一转移电路TT1可以响应于转移信号TX将第一电荷存储电路C1复位，并且将从第一感测电路P1生成的第一电荷转移到第一电荷存储电路C1。根据本发明的一个实施方式，在第一像素TAPA的读出区间中，第一转移电路TT1可以响应于转移信号TX将第一电荷存储电路C1复位。在一个实施方式中，第一转移电路TT1可以包括NMOS晶体管。

第一电荷存储电路C1可以联接在第一浮置扩散节点FD1与低电压端子之间。如上所述，在第一像素TAPA的读出区间中，第一电荷存储电路C1可以由第一转移电路TT1复位。在一个实施方式中，第一电荷存储电路C1可以包括添加在第一浮置扩散节点FD1和低电压端子之间的电容器和/或寄生电容器。

第一驱动电路DT1可以联接在高电压端子与第一选择电路ST1之间。第一驱动电路DT1可以基于施加到第一浮置扩散节点FD1的电压而以通过高电压端子提供的高电压来驱动第一列线COL1。在一个实施方式中，第一驱动电路DT1可以包括NMOS晶体管。

第一选择电路ST1可以联接在第一驱动电路DT1与第一列线COL1之间。第一选择电路ST1可以响应于选择信号SX而选择性地将第一驱动电路DT1联接到第一列线COL1。在一个实施方式中，第一选择电路ST1可以包括NMOS晶体管。

第二像素TAPB可以基于复位信号RX、转移信号TX、选择信号SX和第二相位信号MIXB生成第二像素信号VPX_B。参照图2，第二像素TAPB可以包括第二感测电路P2、第二复位电路RT2、第二转移电路TT2、第二电荷存储电路C2和第二驱动电路DT2以及第二选择电路ST2。

第二感测电路P2可以联接在第二节点N2与低电压端子(可以是但不一定是TAPA的低电压端子)之间。第二感测电路P2可以响应于第二相位信号MIXB生成与第三光学信号RS’相对应的第二电荷。在一个实施方式中，第二感测电路P2可以包括光电二极管，该光电二极管接收第三光学信号RS’并且将第三光学信号RS’转换为与第二电荷相关的第二数字信号，并且(响应于第二相位信号MIXB)将第二数字信号提供到第二节点N2。

第二复位电路RT2可以联接在高电压端子(其可以是但不一定是TAPA的高电压端子)和第二节点N2之间。第二复位电路RT2可以响应于复位信号RX将第二感测电路P2和第二电荷存储电路C2复位。在一个实施方式中，第二复位电路RT2可以包括NMOS晶体管。

第二转移电路TT2可以联接在第二节点N2与第二浮置扩散节点FD2之间。第二转移电路TT2可以响应于转移信号TX将第二电荷存储电路C2复位，并且将从第二感测电路P2生成的第二电荷转移到第二电荷存储电路C2。根据本发明的一个实施方式，在第二像素TAPB的读出区间中，第二转移电路TT1可以响应于转移信号TX将第二电荷存储电路C2复位。在一个实施方式中，第二转移电路TT2可以包括NMOS晶体管。

第二电荷存储电路C2可以联接在第二浮置扩散节点FD2与低电压端子之间。如上所述，在第二像素TAPB的读出区间中，第二电荷存储电路C2可以由第二转移电路TT2复位。在一个实施方式中，第二电荷存储电路C2可以包括添加在第二浮置扩散节点FD2和低电压端子之间的电容器和/或寄生电容器。

第二驱动电路DT2可以联接在高电压端子与第二选择电路ST2之间。第二驱动电路DT2可以基于施加到第二浮置扩散节点FD2的电压而以通过高电压端子提供的高电压来驱动第二列线COL2。在一个实施方式中，第二驱动电路DT2可以包括NMOS晶体管。

第二选择电路ST2可以联接在第二驱动电路DT2与第二列线COL2之间。第二选择电路ST2可以响应于选择信号SX而选择性地将第二驱动电路DT2联接到第二列线COL2。在一个实施方式中，第二选择电路ST2可以包括NMOS晶体管。

图3是例示图1所示的信号转换器150的示例的框图。

信号转换器150可以生成与第一像素信号VPX_A和第二像素信号VPX_B与斜坡信号VRAMP之间的电压电平差相对应的第一计数信号CNT1和第二计数信号CNT2。由于信号转换器150可以具有相同的结构来处理第一像素信号VPX_A和第二像素信号VPX_B，所以图3仅示出了处理第一像素信号VPX_A和第二像素信号VPX_B中的一个的结构。

参照图3，信号转换器150可以包括第一输入单元和第二输入单元(第一输入电路和第二输入电路)C3和C4(例如，可以包括电容器的电容电路)、第一开关单元和第二开关单元(第一开关电路和第二开关电路)SW1和SW2(例如，可以包括晶体管控制开关的开关电路)、比较单元310(例如，比较器)和计数单元320(例如，计数器)。在一个实施方式中，信号转换器150可以包括诸如逻辑运算单元(例如，逻辑电路)的计算第一计数信号CNT1和第二计数信号CNT2并且输出计数值CNT1和CNT2之间的差作为距离信息信号DOUT的结构。

第一输入单元C3可以通过接收第一像素信号VPX_A或第二像素信号VPX_B来生成输入信号VIN_A或VIN_B。例如，第一输入单元C3可以包括对第一像素信号VPX_A或第二像素信号VPX_B进行采样以生成输入信号VIN_A或VIN_B的电容器。

第二输入单元C4可以通过接收斜坡信号VRAMP来生成参考信号VREF。例如，第二输入单元C4可以包括对斜坡信号VRAMP进行采样以生成参考信号VREF的电容器。

比较单元310可以将输入信号VIN_A(或VIN_B)与参考信号VREF进行比较以输出比较信号VOUTP_A(或VOUTP_B)。比较单元310可以将比较信号VOUTP_A(或VOUTP_B)保持在逻辑高电平(或逻辑低电平)，直到参考信号VREF的电压电平变为与输入信号VIN_A(或VIN_B)相同。

第一开关单元SW1和第二开关单元SW2可以联接在比较单元310的输入节点和输出节点之间。响应于开关信号SW，第一开关单元SW1和第二开关单元SW2可以选择性地联接比较单元310的输入节点和输出节点。当开关信号SW在逻辑低电平和逻辑高电平之间转换时，可以接通第一开关单元SW1和第二开关单元SW2以将比较单元310的输入节点联接到输出节点。

计数单元320可以响应于比较信号VOUTP_A(或VOUTP_B)对时钟信号CLK进行计数，并且输出计数信号CNT1(或CNT2)。计数单元320可以输出具有与其中比较信号VOUTP_A或VOUTP_B的逻辑电平保持的区间相对应的计数值的计数信号CNT1(或CNT2)。

图4是例示图1所示的图像感测装置100的操作的定时图。

参照图4，第一像素TAPA和第二像素TAPB可以响应于复位信号RX和转移信号TX在复位区间RESET期间执行复位操作。在一个实施方式中，当复位信号RX被激活时，第一像素TAPA的第一感测电路P1与第二像素TAPB的第二感测电路P2可以被复位。此外，响应于复位信号RX和转移信号TX的激活，第一像素TAPA的第一电荷存储电路C1和第二像素TAPB的第二电荷存储电路C2可以被复位。

随后，在曝光区间EXPOSURE期间，第一像素TAPA和第二像素TAPB可以基于第三光学信号RS’、转移信号TX以及第一相位信号MIXA和第二相位信号MIXB分别生成、转移和存储第一电荷和第二电荷。在一个实施方式中，第一感测电路P1可以基于第三光学信号RS’和第一相位信号MIXA生成第一电荷。当第一像素TAPA的第一转移电路TT1响应于转移信号TX而转移第一电荷时，第一电荷存储电路C1可以存储第一电荷。类似地，第二感测电路P2可以基于第三光学信号RS’和第二相位信号MIXB生成第二电荷。当第二像素TPB的第二转移电路TT2响应于转移信号TX而转移第二电荷时，第二电荷存储电路C2可以存储第二电荷。在这种情况下，第一相位信号MIXA和第二相位信号MIXB可以具有例如约180度的相位差。

在第一像素TAPA和第二像素TAPB的时间读出区间READOUT(图4中所示)期间，复位信号RX和选择信号SX可以被激活到逻辑高电平。第一像素TAPA和第二像素TAPB可以响应于选择信号SX而读出与存储在第一电荷存储电路C1和第二电荷存储电路C2中的第一电荷和第二电荷相对应的第一像素信号VPX_A和第二像素信号VPX_B。

在一个实施方式中，在第一像素TAPA中，第一选择电路ST1可以响应于选择信号SX的激活而电联接第一驱动电路DT1和第一列线COL1。第一驱动电路DT1可以通过根据施加到第一浮置扩散节点FD1的电压以高电压驱动第一列线COL1来读出第一像素信号VPX_A。

类似地，在一个实施方式中，在第二像素TAPB中，第二选择电路ST2可响应于选择信号SX的激活而电联接第二驱动电路DT2和第二列线COL2。第二驱动电路DT2可以通过根据施加到第二浮置扩散节点FD2的电压以高电压驱动第二列线COL2来读出第二像素信号VPX_B。

根据本发明的一个实施方式，开关信号SW可以在时间读出区间READOUT开始时在逻辑低电平和逻辑高电平之间转换。信号控制器130的控制信号发生器134可以在图4中所示的时间读出区间READOUT中激活选择信号SX，并且当选择信号SX被激活时，开关信号SW可以在逻辑低电平和逻辑高电平之间转换。

响应于开关信号SW从逻辑低电平改变为逻辑高电平的转换，信号转换器150可以被初始化。在一个实施方式中，响应于开关信号SW到逻辑高电平的转换，可以接通第一开关单元SW1和第二开关单元SW2以联接比较单元310的输入节点和输出节点。读出的第一像素信号VPX_A和第二像素信号VPX_B与斜坡信号VRAMP之间的偏移电压可以被存储在第一输入单元C3和第二输入单元C4中。在一个实施方式中，信号转换器150的初始化操作可以包括抵消比较单元310的输入偏移电压的自动调零操作。

在一个实施方式中，在开关信号SW转换到逻辑高电平之后，信号控制器130的控制信号发生器134可以激活转移信号TX。当在复位信号RX在时间读出区间READOUT中处于逻辑高电平的同时转移信号TX被激活时(例如图4中所示)，第一像素信号VPX_A和第二像素信号VPX_B被复位。在一个实施方式中，第一复位电路RT1和第二复位电路RT2以及第一转移电路TT1和第二转移电路TT2可以响应于经激活的复位信号RX和转移信号TX来初始化第一电荷存储电路C1和第二电荷存储电路C2。因此，如图4的下半部所示，第一像素信号VPX_A和第二像素信号VPX_B(即，输入信号VIN_A和VIN_B)可以增大与复位的电压改变的量相同的量(即，增大ΔVPX_A和ΔVPX_B)。

在转移信号TX被激活之后，信号控制器130的斜坡信号发生器136可以生成从低电压上升(例如，逐渐上升)到高电压的斜坡信号VRAMP。参考信号VREF的电压电平也可以与斜坡信号VRAMP成比例地增加。在一个实施方式中，比较单元310可以将输入信号VIN_A和VIN_B与参考信号VREF进行比较，并且持续产生在逻辑高电平或逻辑低电平的比较信号VOUTP_A和VOUTP_B，直到参考信号VREF的电压电平变为与输入信号VIN_A和VIN_B相同。

在一个实施方式中，当时，计数单元320可以从参考信号VREF开始斜坡上升时的第一时刻到比较信号VOUTP_A和VOUTP_B的逻辑电平改变时的相应第二时刻对时钟信号CLK(图4的下半部中示出)进行计数，并且生成分别与电压改变ΔVPX_A和ΔVPX_B相对应的第一计数信号CNT1和第二计数信号CNT2。信号转换器150可以处理第一计数信号CNT1和第二计数信号CNT2(与电压改变ΔVPX_A及ΔVPX_B相对应)以输出与在第一像素TAPA和第二像素TAPB中生成的第一电荷与第二电荷之间的差相对应的距离信息信号DOUT。

图5是描述根据本发明的一个实施方式的图像感测装置的操作的流程图。

在步骤S510中，像素阵列140的单位像素可以响应于选择信号SX读出第一像素信号VPX_A和第二像素信号VPX_B。在读出区间READOUT中，信号控制器130的控制信号发生器134可以将选择信号SX激活到逻辑高电平。当选择信号SX被激活时，第一像素TAPA和第二像素TAPB可以读出与存储在第一电荷存储电路C1和第二电荷存储电路C2中的第一电荷和第二电荷相对应的第一像素信号VPX_A和第二像素信号VPX_B。

在步骤S520中，信号转换器150可以设置读出的第一像素信号VPX_A和第二像素信号VPX_B与斜坡信号VRAMP之间的偏移电压。在读出区间READOUT中选择信号SX被激活到逻辑高电平之后，控制信号发生器134可以使开关信号SW在逻辑低电平和逻辑高电平之间转换。响应于开关信号SW的转换，可以接通信号转换器150的开关单元SW1和SW2，并且可以将读出的第一像素信号VPX_A和第二像素信号VPX_B与斜坡信号VRAMP之间的偏移电压存储在信号转换器150的第一输入单元C3和第二输入单元C4中。

在步骤S530中，像素阵列140的单位像素142可以响应于转移信号TX将第一像素信号VPX_A和第二像素信号VPX_B复位。在转换开关信号SW之后，控制信号发生器134可以将转移信号TX激活到逻辑高电平。当转移信号TX被激活时，第一像素TAPA和第二像素TAPB可以将第一电荷存储电路C1和第二电荷存储电路C2初始化，并且将第一像素信号VPX_A和第二像素信号VPX_B复位。

在步骤S540中，信号转换器150可以响应于斜坡信号VRAMP生成与被复位的第一像素信号VPX_A和第二像素信号VPX_B的电压改变ΔVPX_A和ΔVPX_B之间的差相对应的距离信息信号DOUT。当转移信号TX被激活时，信号控制器130的斜坡信号发生器136可以使斜坡信号VRAMP从低电压增加(例如，逐渐增加)到高电压。

信号转换器150可以通过比较上升的斜坡信号VRAMP与复位的第一像素信号VPX_A来生成与电压改变ΔVPX_A相对应的第一计数信号CNT1。此外，信号转换器150可以通过将上升的斜坡信号VRAMP与复位的第二像素信号VPX_B进行比较来生成与电压改变ΔVPX_B相对应的第二计数信号CNT2。信号转换器150可以通过处理第一计数信号CNT1和第二计数信号CNT2来生成与电压改变ΔVPX_A和ΔVPX_B之间的差相对应的距离信息信号DOUT。

根据本发明的一个实施方式，图像感测装置可以基于读出的像素信号设置针对模/数(A/D)转换的偏移电压，并且在像素信号被复位的状态下执行模/数(A/D)转换操作。在设置偏移电压并执行模数转换的同时，包括在单位像素中的晶体管(即，驱动晶体管)可以保持相同的状态。因此，可以去除由单位像素的晶体管的阈值电压的改变引起的噪声(例如，固定图案噪声)，并且可以提高从图像感测装置生成的距离信息信号的信噪比。

虽然已经关于具体实施方式描述了本发明，但是对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离如在所附权利要求中限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变和修改。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年1月20日提交的韩国专利申请第10-2021-0007819号的优先权，其全部内容通过引用合并于此。