图像感测装置及其操作方法与流程

所公开的技术的各种实施方式涉及包括图像感测装置的半导体设计技术。

背景技术：

图像感测装置利用半导体的光敏特性捕获图像。图像感测装置可以分类为电荷耦合器件(ccd)图像传感器和互补金属氧化物半导体(cmos)图像传感器。cmos图像传感器允许直接在单个集成电路(ic)上实现模拟控制电路和数字控制电路二者，使得cmos图像传感器成为最广泛使用的图像传感器类型。

技术实现要素：

所公开的技术的各种实施方式涉及当像素信号转换为数字信号(即，模数转换(adc))时在速度和功率方面得到改进的图像感测装置及该图像感测装置的操作方法。

在一个方面，提供了一种图像感测装置，该图像感测装置包括：图像感测区，该图像感测区包括响应于接收到入射在图像感测区上的光而分别产生第一像素信号和第二像素信号的第一像素和第二像素；以及信号处理电路，该信号处理电路电联接至图像感测区并且可操作以将第一像素信号和第二像素信号分别转换为第一数字输出和第二数字输出，信号处理电路包括被配置为接收第一像素信号和第二像素信号的第一节点以及被配置为接收用于第一像素信号和第二像素信号的转换的斜坡信号的第二节点；以及检查电路，该检查电路联接到信号处理电路，并且可操作以检查施加到第二节点以用于第二像素信号的转换的斜坡信号的有效性并提供检查结果，并且其中信号处理电路被配置为在第一时段期间重复调整施加到第一节点的第二像素信号或施加到第二节点的斜坡信号，直到检查结果指示斜坡信号有效，并基于i)第一数字输出的先前一个或更多个msb，以及ii)斜坡信号或第二像素信号已调整的次数，来生成第二数字输出的一个或更多个最高有效位(msb)。

在另一方面，提供一种图像感测装置，该图像感测装置包括：第一采样电路，该第一采样电路被配置为对像素信号进行采样并将采样的像素信号输出至第一节点；第二采样电路，该第二采样电路被配置为对斜坡信号进行采样并将采样的斜坡信号输出至第二节点；信号处理电路，该信号处理电路联接至第一节点和第二节点并被配置为基于采样的像素信号和采样的斜坡信号生成数字信号；以及电压发生电路，该电压发生电路联接至第二节点，并被配置为基于先前数字信号中所包括的一个或更多个先前最高有效位(msb)来确定采样的斜坡信号的起始电平。

在另一方面，提供了一种用于操作图像感测装置的方法。该方法包括：(a)接收当前像素信号和斜坡信号，该斜坡信号具有基于通过处理先前像素信号而获得的先前处理过的数字输出中所包括的信息而确定的初始电平；(b)在检查时段期间确定斜坡信号是否有效；(c)当确定指示斜坡信号无效时，在移位时段期间根据预设的移位电平对斜坡信号或当前像素信号进行调整；(d)选择性地重复操作(b)和(c)，直到确定指示斜坡信号有效；以及(e)生成包括基于所述先前处理过的数字输出中所包括的信息和调整次数而获得的一个或更多个msb的当前数字输出。

附图说明

图1是例示根据实施方式的图像感测装置的框图的示例。

图2是例示图1中所示的信号处理电路的内部配置图的示例。

图3是例示图1中所示的电压发生电路、检查电路和移位电路的内部配置图的示例。

图4示出了根据实施方式的示出图像感测装置的操作的流程图的示例。

图5a至图5c示出了根据实施方式的示出当前像素信号和斜坡信号的电压电平的图的示例。

图6a至图6e示出了根据实施方式的示出当前像素信号和斜坡信号的电压电平的图的示例。

图7是例示根据实施方式的图像感测装置的框图的示例。

图8是例示图7中所示的信号处理电路的配置图的示例。

图9是例示图7中所示的电压发生电路和检查电路的配置图的示例。

图10是例示图7中所示的移位电路的配置图的示例。

图11示出了根据实施方式的示出图像感测装置的操作的流程图的示例。

图12a至图12c示出了根据实施方式的示出当前像素信号和斜坡信号的电压电平的图的示例。

图13a至图13e示出了根据实施方式的示出当前像素信号和斜坡信号的电压电平的图的示例。

具体实施方式

下面参照附图更详细地描述所公开的技术的各种实施方式。提供这些实施方式是为了使本公开是透彻的和完整的，并将本发明的范围充分传达给本领域技术人员。

此外，应注意，本文中使用的术语仅是出于描述实施方式的目的，并非旨在限制本发明。如本文所使用的，“连接/联接”是指一个组件不仅直接联接另一组件，而且还指一个组件通过中间组件间接联接另一组件。还将理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”、“包含”和/或“具有”表示存在所提及的特征，但不排除存在或增加一个或更多个未提及的特征。另外，除非上下文另外明确指出，否则本文所用的单数形式旨在也包括复数形式。

图像感测装置可以包括图像感测区，例如，包括以行和列布置的像素的像素区。图像感测区可以响应于接收入射到像素区的光而生成光电荷。图像感测区中生成的光电荷可以作为电图像信号进行传输，以用于包括模数转换(a/d转换)的后续处理。

图像感测装置的a/d转换区可以电联接至图像感测区，并将从像素区提供的像素信号转换为数字输出。在所公开的技术中，a/d转换区通过利用与先前像素有关的值来执行当前像素的a/d转换。例如，对于包括响应于入射光的接收而分别输出第一像素信号和第二像素信号的第一像素和第二像素的两个像素，a/d转换区首先提供第一像素信号的第一数字输出，然而基于第一像素信号的第一数字输出提供第二像素信号的第二数字输出。在一些实现中，来自第一数字输出的一个或更多个最高有效位(msb)可以用于执行第二像素信号的a/d转换。通过利用从先前处理过的数字输出获得的信息，所公开的技术能够提供在省电和操作速度方面非常高效的图像感测装置。

图1是例示根据实施方式的图像感测装置100的框图的示例。

参照图1，图像感测装置100可以包括a/d转换区，该a/d转换区包括采样区，该采样区包括第一采样电路110、第二采样电路120、信号处理电路130、电压发生电路140、检查电路150和移位电路160。在一些实现中，可以省略采样区或用执行类似功能的其它组件代替采样区。图1仅示出了图像感测装置100中所包括的a/d转换区的一部分。参照图1，信号处理电路130包括第一节点pp和第二节点nn。第一节点pp从像素区中的相应像素接收像素信号。第二节点nn接收与相应像素信号进行比较以提供相应像素信号的a/d转换的斜坡信号。由于可以省略采样区，因此在本专利文档的各种实现中，斜坡信号和像素信号可以分别对应于采样之前或采样之后的斜坡信号和像素信号。

第一采样电路110可以联接到像素区和信号处理电路130。作为示例，采样电路110从第二像素接收第二像素信号并操作以采样第二像素信号vpx并将采样到的像素信号vpxs输出至信号处理电路的第一节点pp。例如，第一采样电路110可以包括电容器c1。第二采样电路120可以联接到信号处理电路130并且对斜坡信号vrm进行采样，并且将采样到的斜坡信号vrms输出至信号处理电路130的第二节点nn。例如，第二采样电路120可以包括电容器c2。

信号处理电路130可以基于采样的像素信号vpxs和采样的斜坡信号vrms来生成数字输出dpx。信号处理电路130可以联接到电压发生电路140、检查电路150或移位电路160中的至少一个。电压发生电路140、检查电路150和移位电路160被设计为在a/d转换的相应时段期间操作，如本专利文档稍后将详细讨论的。

为了生成特定像素信号(例如，第二像素信号)的数字输出dpx，信号处理电路130利用先前处理过的数字输出(例如，第一像素信号的数字输出)的信息。在一些实现中，先前处理过的数字输出的信息可以包括先前处理过的数字输出中的一个或更多个先前最高有效位msb<1：m>。对于下一像素信号的a/d转换，信号处理电路130可以被设计为使得：当信号处理电路130生成当前像素信号的数字输出时，所生成的数字输出中的包括一个或更多个最高有效位msb<1：m>的信息被提供给电压发生电路140。在图1中，对于当前像素信号的a/d转换，信号处理电路130联接到电压发生电路140，并且被配置为将包括先前处理过的数字输出的一个或更多个msb的信息提供给电压发生电路140。信号处理电路130还可以联接到检查电路，并且在信号转换时段a/d将检查控制信号ck_ctrl输出到检查电路150。在一些实现中，信号处理电路130可以在信号转换时段a/d将一个或更多个移位控制信号sf_ctrl<1：z>输出至移位电路160。将参照图2说明信号处理电路130提供第二数字输出dpx的详细操作。

电压发生电路140可以联接到信号处理电路130的第二节点nn。电压发生电路140可以基于先前处理过的数字输出(例如，第一数字输出)确定或设置当前采样的斜坡信号vrms的初始电平。在一些实现中，电压发生电路140可以基于先前处理过的数字输出(例如，第一数字输出)的最高有效位msb<1：m>中的至少一位来确定当前采样的斜坡信号vrms的初始电平。电压发生电路140可以在初始时段pinitial期间执行其操作。

检查电路150可以联接到信号处理电路130的第二节点nn。检查电路150可以响应于检查控制信号ck_ctrl来检查当前采样的斜坡信号vrms的电压电平的有效性。检查电路150可以在检查时段pcheck期间执行其操作。响应于来自信号处理电路130的检查控制信号ck_ctrl，检查电路150可以基于采样的斜坡信号vrms的当前电平与采样的像素信号vpxs的电压电平之间的差是否落入预定范围内，来检查当前采样的斜坡信号vrms的有效性。预定范围可以是对应于1msb的粗单位的电压范围。预定范围可以是msb的最小单位(msb中的1lsb大小，即，lsb的满刻度)。例如，当包含3位的最高有效位msb<1：3>作为第一数字输出的msb输入到电压发生电路140时，1msb的粗单位可以对应于采样的像素信号vpxs的容许电压范围的1/8。

移位电路160可以联接到信号处理电路130的第二节点nn。移位电路160可以基于移位控制信号sf_ctrl<1：z>来移位(或调整)当前采样的斜坡信号vrms的电平。例如，基于来自检查电路150的有效性检查结果，移位电路160可以将当前采样的斜坡信号vrms的电平增加或减少预设的移位电压(例如，1msb的粗单位)。移位电路160可以在移位时段pshift期间执行其操作。

图2是例示图1中所示的信号处理电路130的配置图的示例。

参照图2，信号处理电路130可以包括比较电路131、控制电路133、最低有效位(lsb)生成电路135、最高有效位(msb)生成电路137和计数位生成电路139。

控制电路133可以电联接到比较电路131、控制电路133、最低有效位(lsb)生成电路135、最高有效位(msb)生成电路137和计数位生成电路139，并生成相应控制信号以启用相应电路的操作。用于将当前像素信号转换成其数字输出的a/d转换可以在粗时段和细时段期间进行。术语“粗时段”和“细时段”用于基于各个时段中斜坡信号vrms的电压变化率将两个时段彼此区分开。例如，斜坡信号vrms可以被设计为与在粗时段期间相比在细时段pfine期间具有更小的变化率。粗时段包括电压发生电路140、检查电路150和移位电路160分别执行其操作的初始时段pinitial、检查时段pcheck和移位时段pshift。启用各个时段的控制信号由控制电路133生成，并且所生成的控制信号从控制电路133提供给各个电路，如在本专利文档中将进一步讨论的。

比较电路131可以将采样的像素信号vpxs与采样的斜坡信号vrms进行比较，并且基于比较结果来生成比较信号vc。可以通过从控制电路133提供的比较控制信号cm_ctrl来启用比较操作。比较电路131可以将采样的像素信号vpxs与采样的斜坡信号vrms进行比较。比较电路所执行的比较可以依据何时进行比较(例如，在a/d转换的哪个时段进行比较)而是变化的。例如，比较电路131可以将采样的像素信号vpxs与采样的斜坡信号vrms的初始电平进行比较。在一些示例中，比较电路131可以将采样的像素信号vpxs与采样的斜坡信号vrms的移位电平进行比较。在一些示例中，在细时段pfine期间，比较电路131可以将采样的像素信号与具有比粗时段期间的电压变化更小的电压变化的采样的斜坡信号vrms进行比较。比较电路131可以基于比较结果而生成比较信号vc。

控制电路133可以基于比较信号vc来生成第一粗控制信号cs_ctrl1和第二粗控制信号cs_ctrl2，以操作最高有效位生成电路137和计数位生成电路139。控制电路133可以基于比较信号vc生成细控制信号fn_ctrl以启用信号转换时段a/d的细时段pfine。基于比较信号vc，控制电路133可以生成检查控制信号ck_ctrl和移位控制信号sf_ctrl<1：z>以分别进行检查时段pcheck和移位时段pshift。

lsb生成电路135可以基于细控制信号fn_ctrl来生成第二数字输出dpx的最低有效位lsb。例如，lsb生成电路135可以包括计数器。计数器可以在细时段pfine期间对细控制信号fn_ctrl进行计数，并且基于计数结果生成最低有效位lsb。

msb生成电路137可以生成当前处理的数字输出(例如，第二数字输出)的msb。另外，msb生成电路137可以基于第一粗控制信号cs_ctrl1，在初始时段pinitial将先前处理过的数字输出(例如，第一数字输出)的最高有效位msb<1：m>输出到电压发生电路140。为了生成第二数字输出的msb，msb生成电路137可以通过基于计数位cnt更新先前最高有效位msb<1：m>来确定当前最高有效位msb。例如，msb生成电路137可以包括锁存器和加减法器。锁存器可以存储先前最高有效位msb<1：m>和当前最高有效位msb。加减法器可以通过从先前最高有效位msb<1：m>中加上或减去计数位cnt，来生成当前最高有效位msb。

计数位生成电路139可基于第二粗控制信号cs_ctrl2生成用于移位时段pshift的计数位cnt。例如，计数位生成电路139可以基于第二粗控制信号cs_ctrl2的激活次数来生成计数位cnt。第二粗控制信号cs_ctrl2的激活次数指示当前采样的斜坡信号vrms的电平已经被调整或移位的次数。例如，计数位生成电路139可以包括计数器。

图3是例示图1中所示的电压发生电路140、检查电路150和移位电路160的内部配置图的示例。

参照图3，电压发生电路140可以基于先前最高有效位msb<1：m>来确定斜坡信号的初始电平。例如，电压发生电路140可以包括第一数模转换器(dac)。第一dac可以包括多个解码器dec11至dec1m、多个开关组sg11至sg1m、以及多个电容器c11至c1m。为了便于描述，以下代表性地描述第一解码器dec11、第一开关组sg11和第一电容器c11。第一解码器dec11可以基于第一先前最高有效位msb<1>来控制第一开关组sg11。第一开关组sg11可以在第一解码器dec11的控制下向第一电容器c11的一端提供多个电压vdd、vcm和vss中的任何一个。多个电压vdd、vcm和vss可以包括电源电压vdd、参考电压vcm和接地电压vss。参考电压vcm可以具有在电源电压vdd和接地电压vss之间的中间电平。第一电容器c11可以将一端的电压电平的变化反映到另一端，即，第二节点nn。

检查电路150可以基于预设的检查电压电平来检查当前的斜坡信号的有效性。例如，检查电路150可以包括第二dac。第二dac可以包括至少一个解码器dec21、至少一个开关组sg21和至少一个电容器c21。解码器dec21可以基于检查控制信号ck_ctrl来控制开关组sg21。开关组sg21可以在解码器dec21的控制下向电容器c21的一端提供电压vdd、vcm和vss中的任何一个。电容器c21可以将一端发生的电压变化反映到另一端，即，信号处理电路130的第二节点nn。在一些实现中，检查电路150可以通过开关组sg21将供应电压从参考电压vcm改变为电源电压vdd，从而将信号处理电路的第二节点nn的电压电平增加检查电压电平。在一些实现中，检查电路150可以通过开关组sg21将供应电压从参考电压vcm改变为接地电压vss，从而将信号处理电路130的第二节点nn的电压电平减小检查电压电平。

移位电路160可以使用预设的移位电压电平来调整当前斜坡信号vrms的电平，并且将调整后的电平提供给信号处理电路130的第二节点nn处的斜坡信号。例如，移位电路160可以包括第三dac。第三dac可以包括多个解码器dec31至dec3z、多个开关组sg31至sg3z以及多个电容器c31至c3z。多个电容器c31至c3z可以具有相同的电容。电容器c31至c3z中的每一个的电容可以等于第一dac中所包括的电容器c11至c1m中的任何一个的电容。为了便于描述，以下代表性地描述第一解码器dec31、第一开关组sg31和第一电容器c31。第一解码器dec31可以基于第一移位控制信号sf_ctrl<1>来控制第一开关组sg31。第一开关组sg31可以在第一解码器dec31的控制下，向第一电容器c31的一端提供电压vdd、vcm和vss中的任何一个。第一电容器c31可将一端的电压电平的变化反映到另一端，即，第二节点nn。

电压发生电路140中所包括的多个电容器cc1至c1m可以被设计为具有相同的电容或不同的电容。检查电路150中所包括的电容器c21和移位电路160中所包括的多个电容器c31至c3z可以被设计为具有与电压发生电路140中所包括的电容器c11至c1m中的任何一个相同的电容。因此，在电容器c11至c1m当中，任何一个电容器可以具有最小电容。

在下文中，将参照图4至图6e描述根据本实施方式的具有上述配置的图像感测装置100的操作。

图4是例示根据实施方式的图像感测装置100的操作的流程图。

参照图4，在步骤s101，电压发生电路140可以在信号转换时段a/d的初始时段pinitial期间基于先前最高有效位msb<1：m>来确定当前采样的斜坡信号vrms的初始电平。

在步骤s103，检查电路150可以在信号转换时段a/d的检查时段pcheck期间检查当前采样的斜坡信号vrms的初始电平的有效性。

当有效性检查结果指示当前采样的斜坡信号vrms的初始电平有效时(在步骤s105为“是”)，在步骤107确定当前斜坡信号的初始电平是否已被调整。如果确定出当前斜坡信号的初始电平没有被调整(步骤s107为“否”)，则在步骤s109信号处理电路130可以开始在细时段pfine期间生成当前采样的像素信号vpxs的最低有效位lsb。在步骤s111，信号处理电路130可以生成与第一数字输出中的最高有效位msb<1：m>相同的当前最高有效位msb。尽管图4示出了步骤s109在步骤s111之前进行，但是也可以有其它实现，并且因此，步骤s111可以在步骤s109之后进行。在步骤s113，信号处理电路130可以基于所生成的msb和所生成的lsb来生成当前数字输出dpx，即，第二数字输出。

当有效性检查结果指示当前采样的斜坡信号vrms的初始电平无效时(步骤s105为“否”)，处理进行到步骤s115，其中移位电路160可以在移位时段pshift期间调整当前采样的斜坡信号vrms的初始电平。在步骤s117，计数位生成电路139可以对当前采样的斜坡信号vrms的电平已经被调整或移位的次数进行计数，并且生成指示次数的计数位cnt。

在步骤103，检查电路150可以检查当前采样的斜坡信号vrms的调整后的电压电平的有效性。依据步骤s105的结果，可以重复步骤s115、s117、s103直到调整后的电压电平有效。在步骤s105，如果有效性检查结果指示当前采样的斜坡信号vrms的当前电平是有效的(步骤s105为“是”)，则处理前进至步骤s107，以确定当前采样的斜坡信号vrms的当前电平是否已调整。如果确定出已经调整了当前采样的斜坡信号vrms的当前电平(步骤s107为“是”)，则在步骤s119，信号处理电路130可以在细时段pfine期间生成当前采样的像素信号vpxs的当前最低有效位。在步骤s121，信号处理电路130可以通过将计数位cnt反映到先前最高有效位msb<1：m>中来生成最高有效位msb。尽管图4示出了步骤s119在步骤s121之前进行，但是也可以有其它实现，并且因此，步骤s121可以在步骤s119之后进行。在步骤s113，信号处理电路130可以生成当前数字输出dpx。

图5a至图5c和图6a至图6e是用于描述图像感测装置100的操作方法的图的示例。图5a至5c和图6a至图6e例示了当前采样的像素信号vpxs的电压电平高于当前采样的斜坡信号vrms的初始电平的情况。在图5a至5c和图6a至图6e中，“vpxs[n]”表示当前采样的像素信号，“vpxs[n-1]”表示先前采样的像素信号，并且“sl”表示先前采样的像素信号vpxs[n-1](例如，第一像素信号)的先前处理过的数字输出的最高有效位msb<1：m>的初始电平。

图5a至图5c例示了当前采样的斜坡信号vrms的初始电平是有效的并且没有任何移位或调整操作的情况。

参照图5a，电压发生电路140可以基于先前处理过的数字输出的最高有效位msb<1：m>来确定当前采样的斜坡信号vrms的初始电平sl，并将当前采样的斜坡信号vrms的初始电平提供给第二节点nn。在这种情况下，比较电路131可以将当前采样的斜坡信号vrms的初始电平sl与当前采样的像素信号vpxs[n]的电压电平进行比较，并且基于比较结果来生成比较信号vc。当比较电路131生成指示当前采样的像素信号vpxs[n]的电压电平高于当前采样的斜坡信号vrms的初始电平sl的比较信号vc时，控制电路133可以生成检查控制信号ck_ctrl。

响应于来自控制电路133的检查控制信号ck_ctrl，检查电路150可以检查当前采样的斜坡信号vrms的起始电平sl的有效性，如图5b所示。为了检查有效性，检查电路150可以基于检查控制信号ck_ctrl将第二节点nn处的当前采样的斜坡信号vrms增加预定的检查电压电平。比较电路131可以将当前采样的像素信号vpxs[n]的电压电平与当前采样的斜坡信号vrms的通过将第二电压电平与初始电平sl相加而获得的电压电平进行比较。比较电路131可以基于比较结果生成比较信号vc。在该示例中，由于当前采样的像素信号vpxs[n]的电压电平低于通过将检查电压电平与初始电平sl相加而获得的当前采样的斜坡信号vrms的增加后的电压电平，所以比较电路131确定初始电平sl是有效的。

一旦从比较电路131输出比较信号vc作为有效性检查的结果，检查电路150将当前采样的斜坡信号vrms的电压电平初始化为先前状态电平，即，初始电平sl。在一些实现中，可以通过来自控制电路133的相应控制信号来启用当前采样的斜坡信号vrms的电压电平的初始化。在一些实现中，一旦接收到从比较电路131输出的作为有效性检查的结果的比较信号vc，可以启用当前采样的斜坡信号vrms的电压电平的初始化。

在图5c中，信号转换时段a/d的细时段pfine开始，使得当前采样的斜坡信号vrms从初始电平sl开始以细方式斜升到预定目标电平。比较电路131将当前采样的斜坡信号vrms与当前采样的像素信号vpxs[n]进行比较，并基于比较结果生成比较信号vc。目标电平和初始电平sl之间的差可以是与1msb的粗单位相对应的电压电平。在信号转换时段a/d的细时段pfine期间，当控制电路133基于比较信号vc生成细控制信号fn_ctrl时，lsb生成电路135可以基于细控制信号fn_ctrl生成当前采样的像素信号vpxs[n]的最低有效位，即，当前最低有效位lsb。

图6a至图6e例示了当前采样的斜坡信号vrms的初始电平无效的情况。

除了当前采样的像素信号vpxs[n]的电压电平仍然高于通过将检查电压电平与初始电平sl相加而获得的当前采样的斜坡信号vrms的增加后的电压电平之外，可以基于对图5a和图5b的描述来理解如图6a和图6b所示的操作。因此，与图5b中的示例不同，初始电平sl被确定为无效。

参照图6a，确定电路140可以基于先前最高有效位msb<1：m>来确定当前采样的斜坡信号vrms的起始电平sl，并将当前采样的斜坡信号vrms的初始电平提供给第二节点nn。在这种情况下，比较电路131可以将当前采样的斜坡信号vrms的初始电平sl与当前采样的像素信号vpxs[n]的电压电平进行比较，并且基于比较结果来生成比较信号vc。当比较电路131生成指示当前采样的像素信号vpxs[n]的电压电平高于当前采样的斜坡信号vrms的初始电平sl的比较信号vc时，控制电路133可以生成检查控制信号ck_ctrl。

响应于来自控制电路133的检查控制信号ck_ctrl，检查电路150可以检查当前采样的斜坡信号vrms的起始电平sl的有效性，如图6b所示。为了检查有效性，检查电路150可以基于检查控制信号ck_ctrl将第二节点nn处的当前采样的斜坡信号vrms增加预定的检查电压电平。比较电路131可以将当前采样的像素信号vpxs[n]的电压电平与当前采样的斜坡信号vrms的通过将第二电压电平与初始电平sl相加而获得的电压电平进行比较。在一些实现中，比较电路131可以基于比较结果生成比较信号vc，并且控制电路133可以基于比较信号vc来初始化检查电路150，并且生成指示增加电压电平的移位控制信号sf_ctrl<1：z>。在该示例中，由于当前采样的像素信号vpxs[n]的电压电平高于通过将起始电平sl和第二电压电平相加而获得的当前采样的斜坡信号vrms的增加后的电压电平，因此，起始电平sl无效。一旦从比较电路131输出了比较信号vc作为有效性检查的结果，检查电路150可以通过使当前采样的斜坡信号vrms的电压电平的值返回到先前状态电平(即，初始电平sl)来初始化当前采样的斜坡信号vrms的电压电平。另外，响应于确定出初始电平sl无效，基于移位控制信号sf_ctrl<1：z>开始移位时段pshift。

如图6c所示，在信号转换时段a/d的移位时段pshift期间，基于移位控制信号sf_ctrl<1：z>，移位电路160可以将在信号处理电路130的第二节点nn处的当前采样的斜坡信号vrms增加预定的移位电压电平。例如，移位电压电平可以等于检查电压电平，并且对应于粗单位，例如，1msb。

在图6d中，前进至检查时段pcheck，使得检查电路150可以检查当前采样的斜坡信号vrms的电压电平(即，通过将移位电压电平与初始电平sl相加而获得的电平)的有效性。例如，检查电路150可以基于检查控制信号ck_ctrl，将在信号处理电路130的第二节点nn处的当前采样的斜坡信号vrms增加检查电压电平。比较电路131可以将当前采样的斜坡信号vrms的电压电平(其是作为初始电平sl、移位电压电平和检查电压电平之和而获得的电平)与当前采样的像素信号vpxs[n]的电压电平进行比较。比较电路131可以基于比较结果生成比较信号vc。一旦从比较电路131输出了比较信号vc作为有效性检查的结果，检查电路150可以基于比较信号vc来初始化当前采样的斜坡信号vrms的电压电平。此时，由于当前采样的像素信号vpxs[n]的电压电平低于作为初始电平sl、移位电压电平和检查电压电平的总和而获得的当前采样的斜坡信号vrms的电压电平，比较电路131提供指示调整后的电压电平有效的比较信号vc。一旦从比较电路131输出了比较信号vc作为有效性检查的结果，检查电路150可以通过使当前采样的斜坡信号vrms的电压电平的值返回到先前状态电平(也就是说，通过将移位电压电平与初始电平sl相加而获得的电平)来初始化当前采样的斜坡信号vrms的电压电平。

在图6e中，信号转换时段a/d的细时段pfine开始，使得当前采样的斜坡信号vrms从调整后的电压电平开始以细方式斜升到预定目标电平。调整后的电压电平对应于通过将移位电压电平与初始电平sl相加而获得的电平。比较电路131将当前采样的斜坡信号vrms与当前采样的像素信号vpxs[n]进行比较，并基于比较结果生成比较信号vc。目标电平和初始电平sl之间的差可以是与1msb的粗单位相对应的电压电平。在信号转换时段a/d的细时段pfine期间，当控制电路133基于比较信号vc生成细控制信号fn_ctrl时，lbs生成电路135和msb生成电路137可以执行它们的操作。lsb生成电路135可以基于细控制信号fn_ctrl生成当前采样的像素信号vpxs[n]的最低有效位，即当前最低有效位lsb。msb生成电路137可以基于计数位cnt和先前处理过的数字输出的最高有效位msb<1：m>来生成当前采样的像素信号vpxs[n]的最高有效位msb。计数位cnt可以对应于当前采样的斜坡信号vrms的电平已经被调整或移位的次数。

图7是例示根据实施方式的图像感测装置200的框图。

参照图7，图像感测装置200可以包括第一采样电路210、第二采样电路220、信号处理电路230、电压发生电路240、检查电路250和移位电路260。

由于能够基于第一采样电路110、第二采样电路210、信号处理电路130、电压发生电路140和检查电路150的描述来理解第一采样电路210、第二采样电路220、信号处理电路230、电压发生电路240和检查电路250的操作和结构，因此将省略其详细描述。

在图7中，移位电路260可以联接到信号处理电路120的第一节点pp。移位电路260可以基于移位控制信号sf_ctrl<1：z>来调整采样的像素信号vpxs的初始电平。例如，基于来自检查电路250的检查结果，移位电路260可以以1msb的粗单位来增大或减小当前采样的像素信号vpxs的初始电平。

图8是例示图7中所示的信号处理电路230的内部配置图的示例。

参照图8，信号处理电路230可以包括比较电路231、控制电路233、lsb生成电路235、msb生成电路237和计数位生成电路239。

由于能够基于比较电路131、控制电路133、lsb生成电路135、msb生成电路137和计数位生成电路139的描述来理解比较电路231、控制电路233、lsb生成电路235、msb生成电路237和计数位生成电路239的操作和结构，因此将省略其详细描述。

图9是例示图7中所示的电压发生电路240和检查电路250的配置图的示例。图10是例示图7中所示的移位电路260的配置图的示例。

由于能够基于在以上实施方式中已经描述的电压发生电路140、检查电路150和移位电路160的描述来理解电压发生电路240、检查电路250和移位电路260的内部配置的操作和结构，因此将省略其详细描述。

在下文中，将参照图11至图13描述根据本实施方式的具有上述配置的图像感测装置200的操作。

图11是例示根据实施方式的图像感测装置200的操作方法的流程图。

作为当前斜坡信号的初始电平有效的检查结果而进行的步骤s201至s213与参考图4描述的步骤s101至s113基本相同，因此将省略其详细描述。下面，将主要针对在步骤s205的检查结果表示当前采样的斜坡信号vrms的初始电平无效的情况来讨论图像感测装置200的操作方法。

当检查当前采样的斜坡信号vrms的有效性的结果指示当前采样的斜坡信号vrms的初始电平无效(步骤s205为“否”)时，处理进行到步骤s215，其中移位电路260可以对当前采样的像素信号vpxs的电压电平进行调整或移位。对电压电平的调整或移位可以在信号转换时段a/d的移位时段pshift期间进行。在步骤s217，计数位生成电路239在移位时段pshift可以对当前采样的像素信号vpxs的电压电平已经被调整的次数进行计数，并且生成计数位cnt。

在步骤s203，检查电路250可以通过重新进入检查时段pcheck来重新检查当前采样的斜坡信号vrms的调整后的电压电平的有效性。依据步骤s205的结果，可以重复步骤s215、s217、s203，直到调整后的电压电平有效。当步骤s205的有效性检查结果指示当前采样的斜坡信号vrms的初始电平有效(步骤s205为“是”)时，处理前进至步骤s207，以确定当前采样的像素信号vpxs的电压电平是否被调整。如果在步骤s207为“是”，则信号处理电路230可以在步骤s219在细时段pfine期间生成当前采样的像素信号vpxs的当前最低有效位，并且可以在步骤s221通过将计数位cnt反映到先前最高有效位msb<1：m>中来生成当前最高有效位msb，因此在步骤s213中生成当前数字输出dpx。尽管图11示出了步骤s219在步骤s221之前进行，但是也可以有其它实现，因此，步骤s221可以在步骤s219之后进行。

图12a至图12c和图13a至图13e是用于描述图像感测装置200的操作方法的图的示例。图12a至图12c和图13a至图13e例示了当前采样的像素信号vpxs的电压电平高于当前采样的斜坡信号vrms的初始电平的情况。在图12a至图12c和图13a至图13e中，“vpxs[n]”表示当前采样的像素信号，“vpxs[n-1]”表示先前采样的像素信号，并且“sl”表示与先前采样的像素信号vpxs[n-1]的最高有效位msb<1：m>相对应的初始电平。

图12a至图12c例示了描述当前采样的斜坡信号vrms的初始电平有效的情况的图。图13a至图13e例示了描述当前采样的斜坡信号vrms的初始电平无效的情况的图。

由于当前采样的斜坡信号vrms的初始电平有效的情况与图5a至图5c中描述的情况基本相同，因此将省略其详细描述。下面，将描述当前采样的斜坡信号vrms的初始电平无效的情况。

参照图13a，电压发生电路240可以基于先前处理过的数字输出的最高有效位msb<1：m>来确定当前采样的斜坡信号vrms的初始电平sl，并将当前采样的斜坡信号vrms的初始电平提供给第二节点nn。在这种情况下，比较电路231可以将当前采样的斜坡信号vrms的初始电平sl与当前采样的像素信号vpxs[n]的电压电平进行比较，并且基于比较结果生成比较信号vc。当比较电路231生成指示当前采样的像素信号vpxs[n]的电压电平高于当前采样的斜坡信号vrms的初始电平sl的比较信号vc时，控制电路233可以生成检查控制信号ck_ctrl。

响应于来自控制电路233的检查控制信号ck_ctrl，检查电路250可以在信号转换时段a/d的检查时段pcheck期间检查当前采样的斜坡信号vrms的初始电平sl的有效性，如图13b所示。例如，检查电路250可以将第二节点nn处的当前采样的斜坡信号vrms增加预定的检查电压电平。检查电压电平可以对应于1msb的粗单位。然后，比较电路231可以将当前采样的斜坡信号vrms的通过将检查电压电平与初始电平sl相加而获得的电压电平与当前采样的像素信号vpxs[n]的电压电平进行比较，并且基于比较结果生成比较信号vc。基于比较信号vc，控制电路233可以生成移位控制信号sf_ctrl<1：z>。在图13b的该示例中，由于当前采样的像素信号vpxs[n]的电压电平高于当前采样的斜坡信号vrms的通过将检查电压电平与初始电平sl相加而获得的电压电平，因此比较电路231输出指示初始电平sl无效的比较信号vc。检查电路250可以通过使当前采样的斜坡信号vrms的电压电平的值返回到先前状态电平(即，初始电平sl)来初始化当前采样的斜坡信号vrms的电压电平。另外，响应于确定出初始电平sl无效，基于移位控制信号sf_ctrl<1：z>开始移位时段pshift。

如图13c所示，在信号转换时段a/d的移位时段pshift期间，移位电路260可以基于移位控制信号sf_ctrl<1：z>将第一节点pp处的当前采样的像素信号vpxs降低预定的移位电压电平。例如，移位电压电平可以对应于1msb的粗单位。

在图13d中，进行检查时段pcheck，使得检查电路250可以检查当前采样的斜坡信号vrms的电压电平(即，通过将移位电压电平与初始电平sl相加而获得的电平)的有效性。例如，检查电路250可以基于检查控制信号ck_ctrl将在生成节点nn处的当前采样的斜坡信号vrms增加检查电压电平。比较电路231可以将作为通过将检查电压电平与初始电平sl相加而获得的电平的当前采样的斜坡信号vrms的电压电平与当前采样的像素信号vpxs[n]的调整后的电压电平进行比较，并基于比较结果生成比较信号vc。在该示例中，由于当前采样的像素信号vpxs[n]的调整后的电压电平低于作为通过将检查电压电平与初始电平sl相加而获得的电平的当前采样的斜坡信号vrms的电压电平，因此比较电路231输出指示当前采样的斜坡信号vrms的初始电平与当前采样的像素信号vpxs[n]的调整后的电压电平相比有效的比较信号vc。检查电路250可以通过将当前采样的斜坡信号vrms的电压电平返回到先前状态电平(即，初始电平sl)来初始化当前采样的斜坡信号vrms。

响应于指示当前采样的斜坡信号vrms的电压电平有效的比较信号vc，前进至细时段pfine。对于信号转换时段a/d的细时段pfine，当前采样的斜坡信号vrms从初始电平开始以细方式斜升到预定目标电平，并且比较电路231将当前采样的斜坡信号vrms与当前采样的像素信号vpxs[n]进行比较，并生成与比较结果相对应的比较信号vc，如图13e所示。对于信号转换时段a/d的细时段pfine，当控制电路233生成对应于比较信号vc的细控制信号fn_ctrl时，lsb生成电路235可以基于细控制信号fn_ctrl生成当前采样的像素信号vpxs[n]的最低有效位lsb，并且msb生成电路237可以基于细控制信号fn_ctrl通过将计数位cnt反映到先前最高有效位msb<1：m>来生成当前采样的像素信号vpxs[n]的最高有效位msb。计数位cnt可以指示当前采样的像素信号vpxs[n]的电压电平已调整的次数。

从以上描述显而易见的是，根据实施方式的图像感测装置能够在将像素信号转换为数字输出时通过使用先前最高有效位而实现低功率和高速操作。

根据实施方式，图像感测装置能够以高速和低功率将像素信号转换为数字输出，即，模数转换(adc)。例如，当拍摄高速移动的图像时，图像感测装置能够发挥更优异的效果。

尽管本专利文档包含许多细节，但是这些细节不应解释为对任何发明或可要求保护的范围的限制，而应解释为可以特定于特定发明的特定实施方式的特征的描述。在本专利文档中在分开的实施方式的上下文中描述的一些特征也能够在单个实施方式中组合实现。相反，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也能够在多个实施方式中分开或以任何合适的子组合来实现。此外，尽管以上可以将特征描述为以一些组合起作用并且甚至最初要求如此保护，但是在一些情况下可以从组合中切除所要求保护的组合中的一个或更多个特征，并且所要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变型。另外，在本专利文档中描述的实施方式中的各种系统组件的分离不应被理解为在所有实施方式中都需要这种分离。

仅描述了一些实现和示例，并且基于本专利文档中所描述和例示的内容能够做出其它实现、改进和变型。

相关申请的交叉引用

本专利文档要求于2019年3月20日提交的韩国专利申请no.10-2019-0031884的优先权，其全部内容通过引用合并于此。