图像传感器制造技术

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。将CMOS图像传感器(10)构成为具有：像素部(1)，其是将多个像素(1a)沿行方向和列方向二维地进行配置而成的，各个像素(1a)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

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】图像传感器


[0001]本专利技术涉及一种图像传感器。

技术介绍

[0002]以往，作为代表性的图像传感器，存在一种CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor：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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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
in
施加基准的电压V
in_0
。通常，对像素101内的源极跟随器的栅极施加像素侧的基准电压，大多将源极的电压设为V
in_0
。此时，对参照电压V
ref
赋予D/A转换器的基准输出电压。在这样的状态下将开关S断开，来输入来自在输入电压V
in
中反映出明亮度的像素101的信号。
[0006]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
in
之差同D/A转换器的基准电压与参照电压V
ref
之间的差信号一致时，比较器111的输出发生反转，计数器112停止，此时的计数值作为A/D转换值被输出。但是，为了确保针对微弱信号的转换精度，参照电压V
ref
大多在从D/A转换器的基准电压暂时上升了V
off
之后下降。由于从转换时间Tc减去偏移时间T
off
所得到的时间与输入电压V
in
成正比，因此能够使用转换时间Tc来得到输入电压V
in
的A/D转换值。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]现有技术文献
[0010]专利文献
[0011]专利文献1：国际公开第2013/122221号
[0012]专利文献2：日本特开2013
‑
239951号公报
[0013]专利文献3：日本特开2018
‑
148541号公报
[0014]非专利文献
[0015]非专利文献1：S.Yoshihara，et al.、“A 1/1.8
‑
inch 6.4MPixel 60frame s/s CMOS Image Sensor With Seamless Mode Change”，IEEE Journal of Solid
‑
State Circuits，2006年12月，Vol.41、No.12，pp.2998
‑
3006

技术实现思路

[0016]专利技术要解决的问题
[0017]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M1、用于增强恒流性来提高直线性的级联晶体管M2以及作为切换电流路径的开关而发挥功能的晶体管M3、M4。
[0018]在COMS图像传感器的情况下，输出电压V
out
的电压振幅V
s
最大为1.2V左右。由于晶体管M1、M2需要在饱和区域进行动作，因此漏极与源极之间的电压V
DS1
、V
DS2
最低也需要为0.3V。因而，电源电压V
DD
需要为1.8V。在此，如果将负载电阻设为R
L
，则在D/A转换器中流动的电流I
DAC
用下述的数式1来表示。
[0019][数式1][0020][0021]另外，D/A转换器的功耗P
DAC
用下述的数式2来表示。
[0022][数式2][0023][0024]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
L
。因此，D/A转换器的功耗处于增加的倾向，功耗的降低成为一大课题。另外，由于图像传感器对温度敏感，当动作温度升高时，暗电流显著地增加，因此，从图像质量的观点出发，也强烈期望尽可能地抑制功耗。
[0025]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。
[0026]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。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种图像传感器，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。2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：松泽昭，余力澜，
申请(专利权)人：株式会社科技构想，
类型：发明
国别省市：