具体实施方式

本文描述了针对斜坡产生器的示例，所述斜坡产生器提供具有减少的斜坡稳定时间的斜坡信号。在以下描述中，阐述了多种具体细节以提供对示例的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将认识到，可以在没有一或多个具体细节的情况下或使用其他方法、部件、材料等来实践本文所描述的技术。在其他示例中，未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作以避免使某些方面模糊不清。

贯穿本说明书提及的“一个示例”或“一个实施例”是指结合所述示例描述的具体特征、结构或特性被包含在本发明的至少一个示例中。因此，在本说明书各处出现的短语“在一个示例中”或“在一个实施例中”不一定都是指相同的示例。此外，可以以任何合适的方式在一或多个示例中组合具体特征、结构或特性。

在整个说明书中，使用若干技术术语。除非在本文特别定义或它们所用到的上下文另外清楚地暗示，否则在这些术语所属的领域中采用它们的普遍含义。应注意，元素名称和符号可在本文中互换使用(例如，Si/硅)；然而，两者具有相同的含义。

图1示出了根据本公开的实施例的成像系统100的一个示例。成像系统100包含像素阵列102、控制电路104、读出电路108和功能逻辑106。在一个示例中，像素阵列102是光电二极管或图像传感器像素(例如，像素P1、P2……Pn)的二维(2D)阵列。如图所示，光电二极管被布置成行(例如，行R1到Ry)和列(例如，列C1到Cx)以获取人、地点、物体等的图像数据，所述图像数据然后可用于呈现人、地点、物体等的2D图像。然而，光电二极管不必布置成行和列，并且可以采用其他配置。

在一个示例中，在像素阵列102中的每一个图像传感器光电二极管/像素已获取其图像数据或图像电荷之后，图像数据由读出电路108读出，然后转移到功能逻辑106。读出电路108可经耦合以从像素阵列102中的多个光电二极管读出图像数据。在各种示例中，读出电路108可包含放大电路、模/数转换(ADC)电路或其他电路。在一些实施例中，可以针对每一个读出列包含一或多个比较器112。例如，一或多个比较器112可以包含在相应模/数转换器(ADC)中，所述模/数转换器包含在读出电路108中。在一个示例中，ADC可以是单斜率ADC。功能逻辑106可简单地存储图像数据或甚至通过应用后图像效果(例如，裁剪、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度等)来操纵图像数据。在一个示例中，读出电路108可沿着读出列线每次读出一行图像数据(已示出)，或可使用各种其他技术(未示出)来读出图像数据，诸如同时串行读出或完全并行读出所有像素。

例如，为了执行ADC，读出电路108可以从斜坡产生器电路110接收参考电压斜坡信号VRAMP 130。可由比较器112接收VRAMP 130，所述比较器还可从像素阵列102的像素接收图像电荷信号。比较器112可基于VRAMP 130与图像电荷电压电平的比较使用计数器来确定图像电荷的数字表示。在一个示例中，当输入VRAMP 130电压达到输入图像电荷电压电平时，比较器112的输出电路从第一状态转变到第二状态。在所述示例中，耦合到ADC中的比较器的计数器中的值可用于产生图像电荷的数字表示。根据本发明的教导，在一个示例中，减少由斜坡产生器110产生并由比较器112接收的斜坡信号VRAMP 130的斜坡稳定时间或延迟，以提升最大帧速率，进而改进成像系统100的性能。

在一个示例中，控制电路104耦合到像素阵列102以控制像素阵列102中的多个光电二极管的操作。例如，控制电路104可以产生用于控制图像获取的快门信号。在一个示例中，快门信号是全局快门信号，用于在单个获取窗口期间同时使像素阵列102内的所有像素能够同时捕获它们各自的图像数据。在另一示例中，快门信号是滚动快门信号，以便在连续获取窗口期间按顺序启用每一个行、列或像素组。在另一示例中，图像获取与诸如闪光灯的照明效果同步。

在一个示例中，成像系统100可以包含在数码相机、蜂窝电话、膝上型计算机等中。另外，成像系统200可耦合到其他硬件，诸如处理器(通用或其他)、存储器元件、输出端(USB端口、无线传输器、HDMI端口等)、照明/快闪、电输入端(键盘、触摸显示器、跟踪板、鼠标、麦克风等)和/或显示器。其他硬件可将指令传递到成像系统100、从成像系统100提取图像数据或操纵由成像系统100提供的图像数据。

图2A示出了根据本发明的教导的斜坡产生器210的示例的示意图，所述斜坡产生器210具有用于与图像传感器中的模/数转换器一起使用的斜坡产生器的输出级的微调输入。注意，图2A的斜坡产生器210可以是图1的斜坡产生器110的示例，并且下面引用的类似命名和编号的元件类似于上述被耦合和起作用。如所描绘的示例所示，斜坡产生器210包含运算放大器(op amp)214，其被配置成积分器放大器，其中积分电容器Cint 216耦合在运算放大器214的输出端和反相输入端之间。开关Intg_sw 218也耦合在运算放大器214的输出端与反相输入端之间以启用和停用积分器。运算放大器214的反相输入端经耦合以接收反馈输入电压vinteg 236，并且还耦合到提供积分器电流i_integ的电流源220。运算放大器214的非反相输入端经耦合以接收参考输入电压VREF_DAC_SMP 238。参考电压电容器Cvref222耦合到运算放大器214的非反相输入端，以通过采样开关SAMP_SW 224将参考电压VREF_DAC 226采样到参考电压电容器Cvref 222。运算放大器214的输出端经耦合以产生跨越负载电容器Cload 234的输出斜坡信号VRAMP 230。

在操作中，开关Intg_sw 218闭合(例如，接通)以通过重置Cint 216两端的电压来停用和重置斜坡产生器210。开关Intg_sw 218断开(例如，关断)，这使得积分器电流i_integ能够从电流源220流入电容器Cint 216，以开始在运算放大器210的输出端产生斜坡信号VRAMP 230的斜坡。在斜坡信号VRAMP 230中的斜坡的开始级，由于存在表示分布在成像系统的列级电路中的电容的电容Cload 234，所以在运算放大器214的斜坡信号VRAMP230输出端中的斜坡事件期间，电流Ipull 232通过运算放大器214的输出级或第二级被带入运算放大器214以接地。电容Cload和结果电流Ipull 232的存在可能是斜坡信号VRAMP230的斜坡中延迟的主要原因，这增加了斜坡信号VRAMP 230的斜坡稳定时间。在所描绘的示例中，运算放大器214还经耦合以接收微调输入DACI_cut[3:0]288，所述微调输入DACI_cut[3:0]288经耦合以由运算放大器214的输出级中的微调电路接收以补偿电流Ipull232，且根据本发明的教导改进VRAMP 230的斜坡稳定时间。

图2B示出了根据本发明的教导的包含在如图2A所示的斜坡产生器中的具有输出级微调电路的运算放大器的示例的示意图，所述斜坡产生器与图像传感器中的模/数转换器一起使用。应注意，图2B的运算放大器214可为图2A的运算放大器214的具有增加的细节的示例，并且下面引用的类似命名和编号的元件类似于上述被耦合和起作用。如所描绘的示例所示，运算放大器214包含输入级或第一级240，其包含运算放大器240，所述运算放大器240具有经耦合以接收反馈电压vinteg 236的反相输入端和经耦合以接收经采样的参考输入电压VREF_DAC_SMP 238的非反相输入端。运算放大器240具有耦合到PMOS晶体管242的栅极的第一输出端vp和耦合到NMOS晶体管244的栅极的第二输出端vn。

在图2B所示的实例中，运算放大器214的输出级或第二级包含耦合在电源轨和接地之间的晶体管242和244。晶体管242与244之间的节点是第二级的输出节点，且被配置成产生输出斜坡信号VRAMP 230。如前所述，在斜坡信号VRAMP 230的斜坡的开始级，电流Ipull 232通过运算放大器214的第二级被带入运算放大器214，通过晶体管244接地。

根据本发明的教导，为了补偿电流Ipull 232，运算放大器240还包含第二级中的耦合到第二级的输出节点的微调电路246。如图所示，微调电路246包含耦合在电源轨和运算放大器214的输出端之间的多个晶体管248-250。应注意，尽管图2B所示的示例展示微调电路246包含两个晶体管248和250，但应了解，在其他示例中，微调电路246可包含少于两个或多于两个的晶体管，所述晶体管中的每一个经耦合以响应于微调输入DACI_cut[3:0]228中的相应一者而受到控制。

继续图2B中所示的示例，多个晶体管248-250中的每一个包含耦合到晶体管242的控制端子或栅极端子以接收第一级运算放大器240的vp输出端的控制端子或栅极端子。此外，多个晶体管248-250中的每一个还响应于微调输入DACI_cut[3:0]228中的相应一者而选择性地耦合到产生VRAMP 230的运算放大器214的第二级的输出节点。在所描绘的示例中，响应于微调输入DACI_cut[3:0]228，多个晶体管248-250中的每一个经由相应开关选择性地耦合到运算放大器214的第二级的输出节点，如图所示。根据本发明的教导，在操作中，微调输入DACI_cut[3:0]228中的每一个在VRAMP 230中的斜坡事件的开始时个别地控制微调电路246的多个晶体管248-250的适当数目，以控制流经微调电路246到达产生VRAMP 230的输出节点的电流Ipush 252且补偿电流Ipull232以减少VRAMP 230的斜坡中的延迟，进而改进VRAMP 230的斜坡稳定时间。

为了进行图示，图3A是示出了根据本发明的教导的例如图2A所示的没有输出级微调电路的斜坡产生器中的一些信号的时序图。如图所示，首先闭合开关SAMP_SW 324和开关Intg_sw 318以将VREF_DAC电压226采样到参考电压电容器Cvref 222上，并在斜坡开始之前重置Cint 216电容器两端的电压。然后关断采样开关SAMP_SW 324，此时已将参考输入电压VREF_DAC_SMP 238采样到参考电压电容器Cvref 222中。然后关断开关Intg_sw 318，开始启动VRAMP 330输出端中的斜坡事件，如图所示。然而，此时，由于斜坡产生器的输出端存在Cload 234电容，Ipull 332电流开始流入斜坡产生器的输出端至接地。

如图3A所示，Ipull 332电流在斜坡事件开始时引起斜坡信号的延迟。VRAMP 330中斜坡的“理想线”(虚线)可由线性函数表征：

理想线：Kt。

然而，由于受到负载寄生电容Cload和Ipull 332影响，所以斜坡信号被延迟，既而可由下式表征：

延迟的斜坡信号：

由Ipull 332引起的延迟的斜坡信号的主要结果是增加的斜坡稳定时间，这增加了从图像传感器读取图像数据所需的时间量，这降低了图像传感器的可能的最大帧速率。

因此，图3B是示出了根据本发明的教导的具有用于补偿Ipull 332的输出级微调电路的斜坡产生器中的一些信号的时序图。如图所示，首先闭合开关SAMP_SW 324和开关Intg_sw 318以将VREF_DAC电压226采样到参考电压电容器Cvref 222上，并在斜坡开始之前重置Cint 216电容器两端的电压。然后关断采样开关SAMP_SW 324，此时参考输入电压VREF_DAC_SMP 238已经被采样到参考电压电容器Cvref 222上。然后关断开关Intg_sw318，开始启动VRAMP 330输出端中的斜坡事件，如图所示。出于比较的目的，图3B中的“原有波形”示出VRAMP 330中的斜坡而不补偿Ipull 332。

然而，图3B还示出了微调输入DACI_cut[3:0]328也激活和控制微调电路246中的多个晶体管248-250，同时在VRAMP 330中的斜坡事件开始时关断开关Intg_sw 318。如将展示的，根据本发明的教导，可微调不同的DACI_cut[3:0]328位以实现VRAMP 330中的理想线性斜坡(例如，图3A中的“理想线”)。具体来说，在斜坡事件开始时，为了维持操作点，可响应于微调输入DACI_cut[3:0]328而关闭运算放大器214的第二级的某些部分。这样，流过运算放大器214的第二级的电流Ipush 252可以基本上匹配Ipull232。Ipull的值可以由斜率和Cload 234值来确定。同样，运算放大器214的非反相输入端的反馈电压vinteg 236可以是稳定的，因此VRAMP 230信号中的斜坡可以接近线性“理想线”斜坡。因此，根据本发明的教导，当关断开关Intg_sw 318时，由响应于微调输入DACI_cut[3:0]328而控制的Ipush 252电流产生的VRAMP 330中的斜坡“经校正波形”在关断开关Intg_sw 318后紧接着遵循VRAMP330中的由Kt表征的斜坡的“理想线”的线性特性。

为了比较，图3B还示出了“DACI_cut[3:0]太小”以在没有足够的电流流过Ipush252电流的情况下展示VRAMP 330中的斜坡，以及“DACI_cut[3:0]太大”以在有太多的电流流过Ipush 252电流的情况下展示VRAMP 330中的斜坡。因此，根据本发明的教导，可以首先将DACI_cut[3:0]信号编程为适当地控制微调电路246中的多个晶体管248-250以补偿Ipull 332。

图4示出了根据本发明的教导的与图像传感器中的模/数转换器一起使用的斜坡产生器410的另一示例的示意图。注意，图4的斜坡产生器410可以是图2A的斜坡产生器210和/或图1的斜坡产生器110的示例，并且下面引用的类似命名和编号的元件类似于上述被耦合和起作用。此外，还应当注意，图4的斜坡产生器410与图2A的斜坡产生器210共享多种相似性。然而，图4的斜坡产生器410与图2A的斜坡产生器210之间的一个差别在于，图4的示例性斜坡产生器410在运算放大器414的输出级中不接收微调输入DACI_cut[3:0]或微调电路。相反，根据本发明的教导，图4的斜坡产生器410包含耦合到运算放大器414的非反相输入端的调谐电路454，以调谐积分器放大器的参考输入电压，以便补偿电流Ipull 432。

如所描绘的示例所示，斜坡产生器410包含运算放大器414，其被配置成具有耦合在运算放大器414的输出端与反相输入端之间的积分器电容器Cint 416的积分器放大器。开关Intg_sw 418也耦合在运算放大器414的输出端与反相输入端之间以启用和停用积分器。运算放大器414的反相输入端经耦合以接收反馈输入电压vinteg 436，且还耦合到提供电流i_integ的电流源420。运算放大器414的非反相输入端经耦合以接收参考输入电压VREF_DAC_SMP 438。参考电压电容器Cvref 422耦合到运算放大器414的非反相输入端，以通过采样开关SAMP_SW 424将参考电压VREF_DAC 426采样到参考电压电容器Cvref 422上。如将论述，根据本发明的教导，调谐电路454调谐在运算放大器414的非反相输入端接收的参考输入电压VREF_DAC_SMP 438以补偿Ipull 432电流。运算放大器414的输出端经耦合以产生跨越负载电容器Cload 434的输出斜坡信号VRAMP 430。

如所描绘的示例所示，调谐电路454包含用可变电容Cimp 462实现的调谐电容，其中可变电容Cimp 462的一端耦合到运算放大器414的非反相输入端。可变电容Cimp462的另一端耦合到包含开关458和开关460的开关电路。在所描绘的示例中，开关电路被配置成将可变电容Cimp 462耦合到调谐电压VREP_IMP 456或接地。具体地，开关458被配置成响应于信号IMP_SW将可变电容Cimp 462耦合到VREF_IMP 456电压，并且开关460被配置成响应于互补信号IMP_SWB将可变电容Cimp 462耦合到接地。在所描绘的示例中，当积分器放大器被停用时，可变电容Cimp 462耦合到调谐电压VREF_IMP 456，且当积分器放大器被启用时，在斜坡信号VRAMP 430中的斜坡事件期间，可变电容器耦合到接地。

图5A是示出了根据本发明的教导的如图4所示的没有可调输入的斜坡产生器中的一些信号的时序图。如图所示，首先闭合开关SAMP_SW 524和开关Intg_sw 518以将VREF_DAC电压426采样到参考电压电容器Cvref 422上，并在斜坡开始之前重置Cint416电容器两端的电压。然后关断采样开关SAMP_SW 524，此时已经将参考输入电压VREF_DAC_SMP 438采样到参考电压电容器Cvref 422中。然后关断开关Intg_sw 518，开始启动如图所示的VRAMP530输出端中的斜坡事件。然而，此时，由于斜坡产生器的输出端存在Cload 434电容，Ipull532电流开始流入斜坡产生器的输出端至接地。Ipull332电流在斜坡事件开始时引起斜坡信号的延迟。VRAMP 330中斜坡的“理想线”在图5A中标记为具有以下线性特性的虚线：

Kt。

然而，由于受到Ipull 532影响，所以斜坡信号被延迟，既而其特征在于：

这增加了从图像传感器读取图像数据所需的时间量并且降低了图像传感器的可能的最大帧速率。

因此，图5B是示出了根据本发明的教导的具有可调输入电路的斜坡产生器中的一些信号的时序图。如图所示，首先断开开关IMP_SWB 560，这指示首先闭合开关IMP_SW458。此外，首先闭合开关SAMP_SW 524和开关Intg_sw 518。因此，首先耦合参考电压电容器Cvref 422以通过取样开关SAMP_SW 424取样参考电压VREF_DAC 426，以将电压VREF_DAC_SMP 538取样到参考电压电容器Cvref 422上。此外，首先将可变电容Cimp 462的一端耦合到VREF_IMP 456，而将另一端耦合到VREF_DAC 426。因此，可变电容Cimp 462两端的电压被初始化为VREF_DAC 426和VREF_IMP 456之间的差。

然后关断采样开关SAMP_SW 524，此时已经将参考输入电压VREF_DAC_SMP 538采样到参考电压电容器Cvref 422中。然后关断开关Intg_sw 518，并且响应于IMP_SWB560接通开关460，这指示响应于IMP_SW 558关断开关458。如示例所示，同时切换采样开关SAMP_SW 524和IMP_SWB 560(以及互补性IMP_SW 458)。如图所示，这开始启动VRAMP 530输出端中的斜坡事件。出于比较的目的，图5B中的“原有波形”示出VRAMP 530中的斜坡而不补偿Ipull 432。

如图所示，在VRAMP 530中的斜坡事件开始时，响应于IMP_SWB 560，可变电容Cimp462从通过开关458耦合到VREF_IMP 456切换到通过开关460耦合到接地。可变电容Cimp462的另一端耦合到运算放大器414的非反相输入端。结果，参考输入电压VREF_DAC_SMP538通过可变电容Cimp 462下拉，可变电容Cimp 462现在在VRAMP530中的斜坡事件开始时通过开关460耦合到接地。在所描绘的示例中，VREF_IMP 456和可变电容Cimp 462的值被翻转，使得：

换句话说，如果选择(例如，通过调谐Cimp)VREF_IMP、Cimp和Cvref的值为基本上匹配–Kτ，则斜坡信号VRAMP 530中的斜坡事件将是线性的并且几乎是理想的。换言之，调谐电压VREF_IMP 456和调谐电容Cimp 462的乘积除以调谐电容Cimp 462和参考电压电容器Cvref 422参考电压电容之和等于常数–Kτ。为了进行图示，图5B中的VRAMP 530中标记为“经校正波形”的示例性斜坡事件是由于VREF_IMP、Cimp和Cvref经调谐使得：

为了比较，图5B还示出了如果针对Cimp选择的值过小，那么“Cimp太小”以展示VRAMP 530中的斜坡，且如果针对Cimp选择的值过大，那么“Cimp太大”以展示VRAMP 530中的斜坡。

以上对本发明的示例性实施例的描述(包含摘要中所描述的内容)并不旨在穷举或将本发明限于所公开的精确形式。如相关领域的技术人员将认识到的，虽然在此为了图示的目的描述了本发明的具体实例，但是在本发明的范围内进行各种修改是可能的。

根据以上详细描述可以对本发明进行这些修改。以下权利要求中使用的术语不应解释为将本发明限于说明书中所公开的具体实例。相反，本发明的范围将完全由所附权利要求来确定，所附权利要求将根据权利要求解释的既定原则来解释。