模数转换器电路、图像传感器及半导体装置的制作方法

1.本发明的各种实施方式涉及图像传感器。


背景技术：

2.在cmos图像传感器(cis)中，需要在速度和功率之间进行权衡。因此，近来的cmos图像传感器主要采用列并行结构以获得最佳的速度、功率权衡关系，这增加了将模数转换器(adc)集成到窄像素宽度中的难度。因此，主要使用简单类型的单斜率模数转换器(adc)。
3.增量复位采样(drs：delta reset sampling)是相关双采样(cds)的示例，这是一种通过在读出像素信号之后读出像素的复位值，然后将两个分量相减来从像素信号中去除复位噪声的方法。


技术实现要素：

4.本发明的实施方式涉及以高准确度将像素信号转换成数字图像的图像传感器。
5.根据本发明的实施方式，一种模数转换器电路包括：第一运算放大器，其适于将斜坡电压和待转换电压进行比较，以产生放大结果并输出放大结果；第二运算放大器，其适于将传送到第一输入端子的放大结果与传送到第二输入端子的基准电压进行比较，以产生比较结果并输出比较结果；漏电流测量器，其适于测量到第一输入端子的漏电流；以及漏电流发生器，其适于使与由漏电流测量器测量到的漏电流的量相同量的电流流至第二输入端子。
6.根据本发明的另一实施方式，一种图像传感器包括：像素电路；第一运算放大器，其适于将斜坡电压与像素电路的输出电压进行比较，以产生放大结果并输出放大结果；第二运算放大器，其适于将传送到第一输入端子的放大结果与传送到第二输入端子的基准电压进行比较，以产生比较结果并输出比较结果；漏电流测量器，其适于测量到第一输入端子的漏电流；漏电流发生器，其适于使与由漏电流测量器测量到的漏电流的量相同量的电流流至第二输入端子；以及数字码发生电路，其适于通过使用比较结果来生成图像数据。
7.根据本发明的另一实施方式，一种半导体装置包括：放大电路，其适于执行自动归零操作，并且将提供给放大电路的第一输入节点的输入信号与提供给放大电路的第二输入节点的基准信号之间的电压差放大；以及漏电流提供电路，其适于向第二输入节点提供第二漏电流，其中，第二漏电流与当第一输入节点的电压电平下降到接地电压以下时流至第一输入节点的第一漏电流基本相同。
附图说明
8.图1是例示了根据本发明的实施方式的图像传感器的框图。
9.图2是例示了像素电路的框图。
10.图3例示了图像传感器(诸如图1所示的图像传感器)的斜坡电压和像素电路的输出电压。
11.图4是例示了第一运算放大器和第二运算放大器(诸如图1中所示的第一运算放大器和第二运算放大器)的框图。
12.图5例示了当斜坡电压如图3所示地变化时，第一运算放大器的输出端子处的电压和第二运算放大器的输入端子处的电压如何变化。
13.图6是例示了根据本发明的另一实施方式的图像传感器的框图。
14.图7是例示了漏电流测量器和漏电流发生器(诸如图1所示的漏电流测量器和漏电流发生器)的框图。
具体实施方式
15.下面参照附图更详细地描述本发明的各种实施方式。然而，本发明可以以不同的形式实施，因此不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透彻和完整，并将本发明的范围充分传达给本领域技术人员。贯穿本公开，在本发明的各个附图和实施方式中，相似的附图标记指代相似的部件。另外，在整个说明书中，对“实施方式”、“另一实施方式”等的引用不一定仅是一个实施方式，并且对任何这种短语的不同引用不一定是相同的实施方式。当在本文中使用术语“实施方式”时，不一定是指全部实施方式。
16.图1是例示了根据本发明的实施方式的图像传感器100的框图。
17.参照图1，图像传感器100可以包括像素电路110、第一运算放大器120、第二运算放大器130、数字码发生电路140、开关121、122、131和132以及电容器123、124、133和134。
18.像素电路110可以输出表示图像的像素的感测光的像素信号pixel。图像传感器100要捕获和处理的图像可以是包括以行-列格式布置的多个像素的阵列的形式。图像传感器100可以具有多个像素电路110，每个像素电路可以具有相同的配置。为了清楚和举例说明，仅示出了一个像素电路110。
19.第一运算放大器120可以分别通过电容器123和124接收像素信号pixel和斜坡电压ramp。第一运算放大器120可以将通过电容器123输入到输入端子inn1的像素信号pixel与通过电容器124输入到输入端子inp1的斜坡电压ramp的电平进行比较，并将比较结果输出到输出端子vout1。输入端子inn1可以是负(-)输入端子，并且输入端子inp1可以是正( )输入端子。输出端子vout1可以是正( )输出端子，并且输出端子vout1_com可以是负(-)输出端子。
20.第二运算放大器130可以在输入端子inn2处通过电容器133接收第一运算放大器120的输出vout1，并且在第二输入端子inp2处通过电容器134接收基准电压。这里，电源电压vdda可以用作基准电压。第二运算放大器130可以将输入端子inn2的电压电平与输入端子inp2的电压电平进行比较，并将比较结果输出到输出端子vout2。输入端子inn2可以是负(-)输入端子，而输入端子inp2可以是正( )输入端子，并且输出端子vout2可以是正( )输出端子，而输出端子vout2_com可以是负(-)输出端子。
21.开关121、122、131和132可以用于运算放大器120和130的自动归零操作。在自动归零操作期间，可以接通开关121、122、131和132。开关121可以将第一运算放大器120的输入端子inn1电连接至输出端子vout1，并且开关122可以将第一运算放大器120的输入端子inp1电连接至输出端子vout1_com。开关131可以将第二运算放大器130的输入端子inn2电连接至输出端子vout2，并且开关132可以将第二运算放大器130的输入端子inp2电连接至
输出端子vout2_com。开关121和122中的每一个可以包括pmos晶体管，并且开关131和132中的每一个可以包括nmos晶体管。这里，开关121、122、131和132中的每一个被例示为具有一个晶体管，但是本发明不限于该配置；开关121、122、131和132中的每一个可以形成为具有两个或更多个晶体管。信号s1可以在自动归零操作期间被激活为低电平，以接通开关121和122，而信号s2可以在自动归零操作期间被激活为高电平，以接通开关131和132。
22.数字码发生电路140可以通过使用第二运算放大器130的输出端子vout2的信号来生成图像数据img。可以首先从像素电路110输出与感测到的光相对应的像素信号，然后可以从像素电路110输出复位信号。第二运算放大器130可以首先输出通过将像素信号与斜坡电压进行比较而获得的比较结果，然后输出通过将复位信号与斜坡电压进行比较而获得的比较结果。数字码发生电路140可以基于第二运算放大器130的输出来生成图像数据img，该图像数据img是与通过从像素信号中减去复位信号而获得的值相对应的数字信息。
23.图2是例示了图1所示的像素电路110的框图。
24.参照图2，像素电路110可以包括光电传感器201、电容器203、复位晶体管205、传输晶体管207、驱动晶体管209和选择晶体管211。
25.光电传感器201可以执行光电转换功能。光电传感器201可以联接在接地电压端子与节点a之间。光电传感器201可以从外部接收光并且基于接收到的光产生光电荷。光电传感器201可以形成为光电二极管、光电晶体管、光电门、钉扎光电二极管或其任意组合。
26.复位晶体管205可以响应于复位信号rx而将电源电压vdda传送到节点a。在复位操作期间，由于复位信号rx和传输信号tx二者被激活，因此复位晶体管205和传输晶体管207可以全部导通。因此，可以通过复位操作使浮置扩散节点fd中存储的光电荷复位。
27.传输晶体管207可以响应于传输信号tx而将光电传感器201联接到的节点a和浮置扩散节点fd彼此电连接。
28.浮置扩散节点fd可以是其中累积与光电传感器201感测到的光相对应的电荷或与初始化电压相对应的电荷的节点。电容器203可以联接到浮置扩散节点fd。
29.驱动晶体管209可以具有联接到浮置扩散节点fd的栅极，并且具有联接在电源电压端子vdda和选择晶体管211之间的漏极和源极。驱动晶体管209可以放大浮置扩散节点fd的电压。
30.选择晶体管211可以响应于选择信号sx而输出由驱动晶体管209放大的电压作为像素信号pixel。
31.图3例示了图1所示的图像传感器100的斜坡电压ramp和像素电路的输出电压pixel。
32.参照图3，“gr”可以表示全局复位时间段。在gr期间，复位信号rx和传输信号tx二者可以被激活为高电平，以使复位晶体管205和传输晶体管207二者导通。因此，像素电路110的浮置扩散节点fd可以被复位。
[0033]“ge”可以表示全局曝光时间段。在ge期间，复位信号rx被停用为低电平，以使复位晶体管205截止，而传输信号tx可以被激活为高电平，以使传输晶体管207导通。因此，由于光电传感器201感测到的光所导致的光电荷可以被传送到浮置扩散节点fd。
[0034]
第一运算放大器120和第二运算放大器130可以在全局曝光时间段ge之后并且在信号读出时间段sr之前执行自动归零操作。在自动归零操作期间，开关121、122、131和132
全部可以被接通。
[0035]“sr”可以表示信号读出时间段。在该时间段期间，复位信号rx和传输信号tx可以被停用为低电平，以使复位晶体管205和传输晶体管207截止，而选择信号sx可以被激活，以使选择晶体管211导通。因此，可以从像素电路110输出与浮置扩散节点fd中所存储的光电荷相对应的电压。换句话说，像素电路110的输出电压pixel在这里可以是与像素信号相对应的电压。从信号读出时间段sr中斜坡电压ramp开始下降的时间到斜坡电压ramp与输出电压pixel相同的时间，即，直到第二运算放大器的输出端子vout2的电压电平反相为止，数字码发生电路140可以通过对时钟进行计数来生成与像素信号相对应的数字码。
[0036]“rr”可以表示复位读出时间段。在该时间段期间，复位信号rx和传输信号tx可以被激活为高电平，以使复位晶体管205和传输晶体管207导通，并且选择信号sx可以被激活，以使选择晶体管211导通。因此，浮置扩散节点fd可以被复位，并且可以从像素电路110输出与复位浮置扩散节点相对应的电压。换句话说，像素电路110的输出电压pixel在这里可以是与复位值相对应的电压。从在复位读出时间段rr中斜坡电压ramp开始下降的时刻到斜坡电压ramp满足像素电路的输出电压pixel的时刻，即，直到第二运算放大器的输出端子vout2的电压电平反相为止，数字码发生电路140可以通过对时钟进行计数来生成与复位值相对应的数字码。
[0037]
数字码发生电路140可以从与信号读出时间段sr中生成的像素信号相对应的数字码的值中减去与复位读出时间段rr中生成的复位值相对应的数字码的值，来生成对应于相减值的图像数据img。
[0038]
图4是例示了图1所示的第一运算放大器120和第二运算放大器130的框图。在图4中，例示了开关121、122、131和132以及电容器123、124、133和134。
[0039]
参照图4，第一运算放大器120可以包括nmos晶体管m0至m5以及pmos晶体管m6和m7。nmos晶体管m0和m1可以响应于偏置电压vbias1和vcasc1而调整流过第一运算放大器120的电流量。nmos晶体管m2和m3可以用于从输入端子inn1和inp1接收信号。nmos晶体管m4和m5以及pmos晶体管m6和m7可以用于差分地放大通过nmos晶体管m2和m3输入的信号。
[0040]
第二运算放大器130可以包括pmos晶体管m8至m13以及nmos晶体管m14和m15。pmos晶体管m8和m9可以响应于偏置电压vbias2和vcasc2而调整流过第二运算放大器130的电流量。pmos晶体管m10和m11可以用于从输入端子inn2和inp2接收信号。pmos晶体管m12和m13以及nmos晶体管m14和m15可以用于差分地放大通过pmos晶体管m10和m11输入的信号。
[0041]
第一运算放大器120中联接到输入端子inn1和inp1的晶体管可以是nmos晶体管m2和m3，而第二运算放大器130中联接到输入端子inn2和inp2的晶体管可以是pmos晶体管m10和m11。当由于这个原因而接通开关121、122、131和132并由此执行自动归零操作时，第一运算放大器120的输入端子inn1和inp1以及输出端子vout1和vout1_com可以是“vdda-vthp”的电平，并且第二运算放大器130的输入端子inn2和inp2以及输出端子vout2和vout2_com可以是“vthn”的电平。这里，vthn可以是nmos晶体管的阈值电压，并且vthp可以是pmos晶体管的阈值电压。
[0042]
图5例示了当斜坡电压ramp如图3所示地变化时，第一运算放大器的输出端子vout1和第二运算放大器的输入端子inn2如何变化。
[0043]
参照图5，第一运算放大器120的输出端子vout1处的电压电平可以从作为自动归
零电平的“vdda-vthp”开始移动，并且第二运算放大器130的输入端子inn2处的电压电平可以从作为自动归零电平的“vthn”开始移动。尽管两个端子vout1和inn2的电压电平不同，但是两个端子可以通过电容器133联接。因此，它们应该相同或基本相同地摆动。
[0044]
由于斜坡电压ramp的摆动宽度大，因此输出端子vout1的摆动宽度也可能大。当输入端子inn2与输出端子vout1相同地摆动时，输入端子inn2可能必须摆动至低于接地电压ground的电平501。然而，当输入端子inn2的电压电平下降到低于接地电压的电平时，漏电流可以从开关131流向输入端子inn2，这导致输入端子inn2的电压电平仅摆动至电平502。随着输入端子inn2的电压电平下降到负电平，可以在形成开关131的nmos晶体管的pn结处产生正向偏置。这可以使得漏电流从开关131流向输入端子inn2，结果，输入端子inn2的电压电平可以增加。
[0045]
当输入端子inn2的电压由于漏电流而不摆动至电平501而仅摆动至电平502时，输入端子inn2的电压电平不会如图5中的实线所示地那样波动，而是如图5中的虚线所示地波动，因此在复位读出操作中导致误差。附图中的偏移offset可以表示由于漏电流导致的输入端子inn2的电压电平的变化，并且在复位读出操作中可能出现与偏移值一样多的误差。
[0046]
图6是例示了根据本发明的另一实施方式的图像传感器600的框图。
[0047]
参照图6，图像传感器600可以包括像素电路110、第一运算放大器120、第二运算放大器130、数字码发生电路140、开关121、122、131和132以及电容器123、124、133和134、漏电流测量器650和漏电流发生器660。换句话说，与图1的图像传感器100相比，图6的图像传感器600可以进一步包括漏电流测量器650和漏电流发生器660。
[0048]
漏电流测量器650可以测量流入第二运算放大器130的输入端子inn2的漏电流。如图5所示，当输入端子inn2的电压电平降低到低于接地电压的负电平时，漏电流可以从开关131流向输入端子inn2。漏电流测量器650可以测量漏电流的量。漏电流测量器650可以直接或间接地测量流过输入端子inn2的漏电流。
[0049]
漏电流发生器660可以向输入端子inp2提供与由漏电流测量器650测量到的漏电流相同量的电流。由于漏电流发生器660向输入端子inp2提供与在输入端子inn2中产生的漏电流相同量的漏电流，所以在输入端子inp2中可能出现与输入端子inn2相同量的偏移。由于第二运算放大器130是差分放大器，因此它可以将输入端子inn2和inp2处的电压之间的差放大。当在所有输入端子inn2和inp2中发生相同量的偏移时，第二运算放大器130可以输出与在输入端子inn2和inp2中的任何一个没有发生偏移时相同的结果。
[0050]
通过使用漏电流测量器650来测量流过输入端子inn2的漏电流的量，并且当使用漏电流发生器660以使得与流入输入端子inn2的量相同量的漏电流流入输入端子inp2时，可以解决由在由图5中描述的偏移引起的问题。
[0051]
在图6的图像传感器600中，除了像素电路110之外的组成元件可以用于将从像素电路110输出的模拟电压pixel转换成作为数字码的图像数据img。因此，本发明不仅可以应用于图像传感器，而且可以应用于用于将模拟电压转换为数字码的通用模数转换器电路。
[0052]
图7是例示了图6所示的漏电流测量器650和漏电流发生器660的框图。
[0053]
参照图7，漏电流测量器650可以以间接方式测量流过第二运算放大器130的输入端子inn2的漏电流的量。漏电流测量器650可以包括虚设第一运算放大器720、虚设第二运算放大器730、虚设开关721、722、731和732、虚设电容器723、724、733和734以及测量器770。
[0054]“虚设”所指代的每个构成元件可以在没有术语“虚设”的情况下作为其对应构成元件。例如，虚设第二运算放大器730可以与第二运算放大器130相同地形成。可以提供“虚设”构成元件以使得流过虚设第二运算放大器730的输入端子xinn2的虚设漏电流的量与流过第二运算放大器130的输入端子inn2的漏电流的量相同。然而，“虚设”构成元件实际上不执行模数转换操作。因此，虚设第一运算放大器720不需要联接到实际像素。
[0055]
测量器770可以生成与流过虚设第二运算放大器730的输入端子xinn2的虚设漏电流相对应的漏电压vsens。测量器770可以包括电流镜771和电流电压转换器775。
[0056]
电流镜771可以包括nmos晶体管772和773，并且通过电流镜771的镜像操作，流过nmos晶体管772的漏极的虚设漏电流可以被镜像到nmos晶体管773的漏极。
[0057]
电流电压转换器775可以包括pmos晶体管，该pmos晶体管具有被施加电源电压vdda的源极端子以及与nmos晶体管773的漏极联接的漏极，其中，该漏极和栅极联接。电流电压转换器775可以生成漏电压vsens，该漏电压vsens是与镜像到nmos晶体管773的漏极端子的虚设漏电流相对应的电压。
[0058]
漏电流发生器660可以包括pmos晶体管，该pmos晶体管在栅极处接收漏电压vsens，并且使得电流从电源电压端子vdda流向输入端子inp2。由于漏电流发生器660的pmos晶体管的栅极接收与电流电压转换器775的pmos晶体管775的栅极相同的电压vsens，因此与电流电压转换器775的pmos晶体管的电流量相同量的电流(即，与虚设漏电流的量相同量的电流)可以流过输入端子inp2。
[0059]
虽然图6示出了图像传感器600包括一个第二运算放大器130，但是图像传感器600可以包括多个第二运算放大器。在这种情况下，还存在多个漏电流发生器660，针对多个第二运算放大器中的每一个存在一个漏电流发生器660，但是多个第二运算放大器可以共享一个漏电流测量器650。
[0060]
根据本发明的实施方式，图像传感器可以产生高质量的数字图像。
[0061]
尽管已经针对特定实施方式例示和描述了本发明，但是对于本领域技术人员而言显而易见的是，在不脱离如所附权利要求书所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。
[0062]
相关申请的交叉引用
[0063]
本技术要求于2020年9月9日提交的韩国专利申请no.10-2020-0115427的优先权，该韩国专利申请通过引用将其全部内容合并于此。