CN100515050C - 固态图像拾取装置及其驱动方法和成像设备 - Google Patents
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Abstract
提供一种固态图像拾取装置，包括：包含多个单位像素的像素阵列部分，每个单位像素具有光电转换元件和输出晶体管，输出晶体管用于根据光电转换元件的光电转换获得的电荷输出信号；比较部分，用于将每个单位像素输出的信号与斜面形的参考信号进行比较；测量部分，其与提供参考信号到比较部分同步地开始操作，执行操作直到比较部分的比较输出被反转为止，并且测量时间直到比较部分的比较结束为止；和检测部分，用于检测预定的图像拾取条件，并且当检测到图像拾取条件时，将比较部分的比较输出固定到比较开始之前的状态。
Description
相关申请交叉引用
本发明涉及于2005年7月29日在日本专利局提交的日本专利申请JP2005-219844的主题，其全部内容通过引用并入这里。
技术领域
本发明涉及一种固态图像拾取装置、驱动该固态图像拾取装置的方法和成像设备。
背景技术
诸如电荷耦合器件(CCD)型图像传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)型图像传感器之类的固态图像拾取装置被广泛用作装在诸如移动电话之类的移动终端上的图像拾取装置，或者诸如数码相机或数码摄像机之类的成像设备的图像输入装置(图像拾取装置)，该装置作为一个芯片或模块形成。
图1是示出普通固态图像拾取装置的像素部分的配置示例的电路图。如图1所示，根据本示例的单位像素100包括诸如光电二极管101之类的光电转换元件和四个晶体管，这四个晶体管包括传输晶体管102、复位晶体管103、放大晶体管104和选择晶体管105。这些晶体管102到105是例如n沟道型MOS晶体管。
传输晶体管102连接在光电二极管101的阴极与浮动扩散(FD)部分106之间，而传输晶体管102的栅电极连接到传输控制线111，将传输选通脉冲TG提供给所述传输控制线111。复位晶体管103的漏电极连接到电源Vdd，其源电极连接到FD部分106，并且其栅电极连接到传送复位脉冲RS的复位控制线112。
放大晶体管104的栅电极连接到FD部分106，并且其源电极连接到信号线121，构成源极输出电路配置。信号线121的一端连接到恒流源122。选择晶体管105的漏电极连接到电源Vdd，其源电极连接到放大晶体管104的漏电极，并且其栅电极连接到传送选择脉冲SEL的选择控制线113。
图2是示出除了放大晶体管104和选择晶体管105以外的像素部分的截面结构的截面图。
在p型衬底131的表层中形成n型扩散区域132、133和134。在p型衬底131上，在n型扩散区域132和n型扩散区域133之间形成栅电极135，并且在n型扩散区域133与n型扩散区域134之间通过栅氧化膜(SiO2)(未示出)形成栅电极136。
在图1与图2的对应关系中，光电二极管101由p型衬底131与n型扩散区域132之间的PN结形成。传输晶体管102由n型扩散区域132、n型扩散区域133和介于其间的栅电极135形成。复位晶体管103由n型扩散区域133、n型扩散区域134和介于其间的栅电极136形成。
n型扩散区域133成为FD部分106，并且电连接到放大晶体管104的栅电极。电源电势Vdd被施加到成为复位晶体管103的漏极区域的n型扩散区域134。除了光电二极管101之外的p型衬底131的上表面被遮光层137覆盖。
接着，将基于图2的截面图，参照图3的波形图描述像素100的电路操作。
如图2所示，当光射向光电二极管101时，根据光的强度感应产生电子(-)和空穴(+)对(光电转换)。在图3中，选择脉冲SEL在时间T1被施加到选择晶体管105的栅电极，并且同时复位脉冲RS被施加到复位晶体管103的栅电极。结果，复位晶体管103进入导通状态，并且FD部分106在时间T2被复位到电源电势Vdd。
当复位FD部分106时，FD部分106的电势通过放大晶体管104输出到信号线121，作为复位电平Vn。该复位电平对应于像素100的固有噪声分量。复位脉冲RS只有在预定周期(时间T1到T3)内处于有效(“H”电平)状态。即使在复位脉冲RS从有效状态转变到无效(“L”电平)状态之后，FD部分106仍保持在复位状态。FD部分106处于复位状态的周期称为复位周期。
接着，在选择信号SEL处于有效状态的情况下，传输选通脉冲TG在时间T4被施加到传输晶体管102的栅电极。然后，传输晶体管102进入导通状态，并且将经光电转换并存储在光电二极管101中的信号电荷发送到FD部分106。结果，FD部分106的电势随着信号电荷量而变化(时间T4到T5)。此时FD部分106的电势通过放大晶体管104输出到信号线121，作为信号电平Vs(信号读周期)。信号电平Vs和复位电平Vn之间的差RSI1成为没有噪声分量的固有像素信号电平。
通常，当拾取亮物体的图像时，在复位周期中光电二极管101中存储的电荷量比拾取暗物体的图像时大。因此，信号线121上的电平差RSI1增加。
(黑化(blackening)现象的产生机制)
然而，尤其在诸如太阳光之类的非常强的光进入像素100时，上述配置的固态图像拾取装置出现最亮的部分变黑的现象，即，黑化现象。
将参照图4和5描述黑化现象的产生机制。图4是示出产生黑化现象并且具有与图2基本相同的结构的部分的示意图。图5是黑化现象时的波形图。
在复位周期中，与图2类似，选择脉冲SEL在时间T1’被施加到选择晶体管105的栅电极，并且同时复位脉冲RS被施加到复位晶体管103的栅电极。结果，复位晶体管103进入导通状态，并且FD部分106在时间T2’被复位到电源电势Vdd。在复位时，FD部分106的电势通过放大晶体管104输出到信号线121，作为复位电平Vn。
然而，如图4所示，当诸如太阳光之类的非常强的光射向光电二极管101时，与图2相比，在由p型衬底131和n型扩散区域132形成的PN结中感应产生大量的电子(-)和空穴(+1)对。结果，过量的光电转换的电子从光电二极管101流出。因此，即使传输选通脉冲处于无效状态，过量的电子也会通过传输晶体管102并到达FD部分106。因此，FD部分106的电势降低，并且进而信号线121的电势降低(时间T2’到T4’)。
类似地，在信号读周期中，在选择信号SEL处于有效状态的情况下，当传输选通脉冲TG在时间T4’被施加到传输晶体管102的栅电极时，传输晶体管102进入导通状态，并且将经光电转换并存储在光电二极管101中的信号电荷发送到FD部分106。结果，FD部分106的电势随着信号电荷量而变化(时间T4’到T5’)。此时FD部分106的电势通过放大晶体管104输出到信号线121，作为信号电平Vs。
此时，由于在复位周期中过量的电子泄漏，从图5中可以看出，与施加复位脉冲RS时相比，信号线121的电势下降。结果，即使强光照射，信号读周期中的电势差RSI2也降低。
即，如图6所示，总的来说，将信号读周期的信号电平Vs与复位周期的复位电平Vn之间的差Vs-Vn作为固有像素信号电平输出，并且当入射光量超过预定光量B时，信号电平Vs饱和，并且输出恒定像素信号电平。当入射光量超过比光量B大的预定光量C时，过量电子从光电二极管101流出，从而复位电平Vn如上所述变化。结果，即使强光照射，差Vs-Vn也降低。因此，尽管物体非常亮，但仍出现黑化现象。
为了避免这种黑化现象，提供了一种技术，根据信号电平Vs是否处于饱和区域或者复位电平Vn是否处于变化区域来检测入射光是否非常强，并且基于检测结果来校正用于获得差Vs-Vn的处理(例如，见专利文献1)。
专利文献1：JP-A-2004-248304
具体地说，如图7所示，在放大器204与差动放大器205之间的复位电平Vn的信号线中提供开关206，放大器204用于放大分别通过N存储器202和S存储器203从像素阵列部分201输出的复位电平Vn与信号电平Vs，差动放大器205用于获得信号电平Vs与复位电平Vn之间的差。当检测到信号电平Vs等于或大于预定电平Va或者复位电平Vn是光电平检测电路207中的预定电平Vb时，开关206被关断(断开)以停止用于获得差动放大器205中的差的处理，并且在A/D转换电路208的A/D转换之前校正信号，从而避免黑化现象。
或者，如图8所示，即使检测到信号电平Vs等于或大于预定电平Va或者复位电平Vn是光电平检测电路207中的预定电平Vb，也执行用于获得差动放大器205中的差的处理，并且在A/D转换电路208中将差转换成数字信号并存储在存储器209中。在通过光电平检测电路207检测上述状态时，当从存储器209中读取差信号时，由转换电路210将差信号转换成具有预定电平(信号电平Va)的信号，或者由光电平检测电路207的饱和检测信号将A/D转换电路209的数字数据转换成饱和数据，从而避免黑化现象。
然而，在前一技术中，为了在A/D转换电路208的A/D转换之前校正信号，除了光电平检测电路207以外，还需要用于校正信号的电路，如恒压电路，因此由于避免黑化现象的电路，电路的尺寸增加。
在后一技术中，为了校正存储器209的值，由于除了光电平检测电路207以外，还需要用于将校正信号插入存储器209中的转换电路210，因此由于避免黑化现象的电路，电路的尺寸增加。
发明内容
因此，提供一种可以避免黑化现象同时减少电路尺寸的固态图像拾取装置、和驱动该固态图像拾取装置的方法。
根据本发明的实施例，提供一种固态图像拾取装置，包括：包含多个单位像素的像素阵列部分，每个单位像素具有光电转换元件和输出晶体管，输出晶体管用于根据通过光电转换元件的光电转换获得的电荷输出信号；比较部分，用于将每个单位像素输出的信号与斜面形的参考信号进行比较；测量部分，其与提供参考信号到比较部分同步地开始操作，执行操作直到当参考信号和从每个单位像素输出的信号变得彼此相等时比较部分的比较输出被反转为止，并且通过执行比较部分中的比较操作来测量一时间；和检测部分，用于检测预定的图像拾取条件，并且当检测到图像拾取条件时，将比较部分的比较输出固定到比较开始之前的状态。
根据本发明的另一实施例，提供一种驱动固态图像拾取装置的方法，该固态图像拾取装置包括：包含多个单位像素的像素阵列部分，每个单位像素具有光电转换元件和输出晶体管，输出晶体管用于根据通过光电转换元件的光电转换获得的电荷输出信号；比较部分；测量部分；和检测部分，该方法包括步骤：通过比较部分，将每个单位像素输出的信号与斜面形的参考信号进行比较；通过测量部分，与提供参考信号到比较部分同步地开始操作，执行操作直到当参考信号和从每个单位像素输出的信号变得彼此相等时比较部分的比较输出被反转为止，并且通过执行比较部分中的比较操作来测量一时间；和通过检测部分，检测预定的图像拾取条件，并且当检测到图像拾取条件时，将比较部分的比较输出固定到比较开始之前的状态。
根据本发明的另一实施例，提供一种固态图像拾取装置，包括：像素阵列部分，其中单位像素以矩阵二维排列，每个单位像素具有光电转换元件和输出晶体管，输出晶体管用于根据通过光电转换元件的光电转换获得的电荷输出信号；模数转换部分，其排列在矩阵形的单位像素阵列的每列上，并且将从每个单位像素输出的模拟信号转换成数字信号，其中，每个模数转换部分包括：比较部分，用于将每个单位像素输出的信号与斜面形的参考信号进行比较；测量部分，其与提供参考信号到比较部分同步地开始操作，执行操作直到当参考信号和从每个单位像素输出的信号变得彼此相等时比较部分的比较输出被反转为止，通过执行比较部分中的比较操作来测量一时间，并且将测量的结果转换成数字信号；和检测部分，用于当单位像素被复位时检测从每个单位像素输出的复位电平等于或小于预定参考电平的预定图像拾取条件；并且当检测到图像拾取条件时，将比较部分的比较输出固定到比较开始之前的状态。
根据本发明的另一实施例，提供一种成像设备，包括：固态图像拾取装置；光系统，用于在固态图像拾取装置的图像拾取面上形成物体的图像光，其中，所述固态图像拾取装置包括：包含多个单位像素的像素阵列部分，每个单位像素具有光电转换元件和输出晶体管，输出晶体管用于根据通过光电转换元件的光电转换获得的电荷输出信号；比较部分，用于将每个单位像素输出的信号与斜面形的参考信号进行比较；测量部分，其与提供参考信号到比较部分同步地开始操作，执行操作直到当参考信号和从每个单位像素输出的信号变得彼此相等时比较部分的比较输出被反转为止，并且通过执行比较部分中的比较操作来测量一时间；和检测部分，用于检测预定的图像拾取条件，并且当检测到图像拾取条件时，将比较部分的比较输出固定到比较开始之前的状态。
附图说明
图1是示出普通固态图像拾取装置的配置示例的电路图。
图2是示出像素部分的主要部分的截面结构的截面图。
图3是示出像素的电路操作的波形图。
图4是示出黑化现象的产生机制的示意图。
图5是黑化现象时的波形图。
图6是示出黑化现象的产生机制的图。
图7是示出一已知技术的方框图。
图8是示出另一已知技术的方框图。
图9是示出根据本发明实施例的、其上装有列并列的ADC的固态图像拾取装置的配置的方框图。
图10是示出其上装有列并列的ADC的固态图像拾取装置在一般图像拾取时的操作的时序图。
图11是示出根据第一电路示例的黑化检测电路的配置的电路图。
图12是示出根据第一电路示例的黑化检测电路的操作的时序图。
图13是示出缓冲电路的电路示例的电路图。
图14是示出其上装有列并列的ADC的固态图像拾取装置在黑化检测时的操作的时序图。
图15是示出根据第二电路示例的黑化检测电路的配置的电路图。
图16是示出根据第二电路示例的黑化检测电路的操作的时序图。
图17是示出根据本发明实施例的成像设备的配置的方框图。
具体实施方式
下面将参照附图详细描述本发明的实施例。
图9是示出根据本发明实施例的固态图像拾取装置的配置的方框图，例如，其上装有列并列的ADC的固态图像拾取装置(例如CMOS图像传感器)，其中对于矩阵形的像素阵列的每列配置模数转换器(下面简写为ADC)。
在图9中，单位像素11包括诸如光电二极管之类的光电转换元件和像素晶体管(像素内的放大晶体管)，并且单位像素11以矩阵(n×m)二维排列，构成像素阵列部分12。单位像素11可以例如包括图1所示的四个晶体管。然而，本发明的单位像素不限于这四个晶体管。
在像素阵列部分12的n×m像素阵列中，对每行配置行控制线13(13-1到13-n)，并且对每列配置列信号线14(14-1到14-m)。像素阵列部分12的行地址或行扫描的控制由行扫描电路15通过行控制线13-1到13-n执行。列信号线14-1到14-m的一端配有ACD 16-1到16-m，构成列处理部分(列并列ADC模块)17。
用于产生随时间变化的斜面形参考电压RAMP的部分，例如数模转换器(下面简写为DAC)18和计数器19被共同提供给ADC 16-1到16-m，计数器19是测量部分，用于与具有预定周期的时钟信号CK同步地执行计数操作，并且测量用于在下面所述的比较器20中执行比较操作的时间。例如，使用增序计数器作为计数器19。
对于每条行控制线13-1到13-n，每个ADC 16包括：比较器20，用于将从通过每个列信号线14-1到14-m选择的行的单位像素11获得的模拟信号与DAC 18中产生的、提供为参考信号的参考电压RAMP进行比较；缓冲电路21，用于缓冲比较器20的比较输出；存储装置22，用于响应于经过缓冲电路21的比较器20的比较输出，保持计数器19的计数值；和用于基于来自单位像素11的模拟信号检测预定图像拾取条件的部分，即，黑化检测电路23，用于当单位像素11被复位时，检测产生其中从单位像素11输出的复位电平等于或小于预定参考电平的黑化现象的图像拾取条件，并且每个ADC 16具有将来自单位像素11的模拟信号转换成N位数字信号的功能。
列处理部分17的每个ADC 16的列扫描或列地址的控制由列扫描电路24执行。即，通过列扫描电路24的列扫描，将每个ADC 16中经AD转换的N位数字信号依次读取到具有2N位宽的水平输出线25，并且通过水平输出线25将其发送到信号处理电路26。
信号处理电路26包括与具有2N位宽的水平输出线25对应的2N个传感电路、减法电路和输出电路。定时控制电路27基于主时钟MCK，产生行扫描电路15、ADC 16、DAC 18、计数器19和列扫描电路24操作所需的时钟信号CK或定时信号，并且将这些时钟信号或定时信号提供给与其对应的电路部分。
在其上装有列并列的ADC的固态图像拾取装置10中，用于控制像素阵列部分12的像素11的驱动的外围电路，即，行扫描电路15、列处理部分17、DAC 18、计数器19、列扫描电路24、信号处理电路26和定时控制电路27，被集成在像素阵列部分12的同一半导体芯片(衬底)上。
下面，将参照图10的时序图描述在其上装有列并列ADC的固态图像拾取装置10中的一般图像拾取时的操作。图10示出参考电压RAMP、单位像素11的浮动扩散(FD)部分的电势Vfd、比较器20的输出、时钟信号CK、计数器19的输出(计数值)、存储在存储装置22中的第一存储器值N1和第二存储器值N2、以及输出信号之间的波形和定时关系。
在从所选行的单位像素11到列信号线14-1至14-m的第一读操作稳定后，从DAC 18提供参考电压RAMP到比较器20，并且在比较器20中执行取决于FD部分的电势Vfd的每条列信号线14-1到14-m的信号电压Vx与参考电压RAMP之间的比较操作。在将参考电压RAMP提供给比较器20时，计数器19与时钟信号CK同步地开始第一计数操作。在比较器20的比较操作中，当参考电压RAMP和信号电压Vx变得彼此相等时，比较器20的输出Vco被反转。存储装置22通过比较器20的输出Vco的反转，保持取决于比较器20的比较时间的计数器19的计数值N1。
在第一读操作中，读取单位像素11的复位分量ΔV。在复位分量ΔV中，包含不规则的固定图案的噪声，作为对于每个单位像素11的偏移。然而，由于复位分量ΔV的不规则性通常较小，并且复位电平共同存在于所有像素中，在第一读操作时每条列信号线14-1到14-m的信号电压Vx是大致已知的。因此，在复位分量ΔV的第一读操作时，可以通过调节斜面形的参考电压RAMP来缩短比较器20的比较周期。在本示例中，在7位的计数周期(128个时钟)期间执行复位分量ΔV的比较。
在第二读操作中，除了复位分量ΔV，通过与第一读操作相同的操作读取每个单位像素11的取决于入射光量的信号分量。即，在从所选行的单位像素11到列信号线14-1至14-m的第二读操作稳定后，从DAC 18提供参考电压RAMP到比较器20，并且在比较器20中执行每条列信号线14-1到14-m的信号电压Vx与参考电压RAMP之间的比较操作。
在将参考电压RAMP提供给比较器20时，计数器19与时钟信号CK同步地开始第二计数操作。在第二比较操作中，当参考电压RAMP和信号电压Vx变得彼此相等时，比较器20的输出Vco被反转。存储装置22通过比较器20的输出Vco的反转，保持取决于比较器20的比较时间的计数器19的计数值N2。此时，第一计数值N1和第二计数值N2被保持在存储装置22的不同位置中。
在上述AD转换操作结束后，通过列扫描电路112的列扫描将存储装置22中保持的第一和第二N位数字信号通过2N条水平输出线25提供给信号处理电路26，在信号处理电路26中受到减法电路(未示出)的减法处理(第二信号-第一信号)，并且向外输出。然后，依次对每行重复上述操作来产生二维图像。
黑化检测电路
在其上装有列并列的ADC的上述固态图像拾取装置10中，本发明的特征在于列处理部分17的黑化检测电路22的配置和操作。
(第一电路示例)
图11是示出根据本发明第一电路示例的黑化检测电路23A的配置的电路图。一同示出了连接到列信号线14(14-1到14-m)的恒流源27和单位像素11。
在图11中，单位像素11包括诸如光电二极管111之类的光电转换元件和四个晶体管，这四个晶体管包括传输晶体管112、复位晶体管113、放大晶体管114和选择晶体管115。除了选择晶体管115的连接位置以外，单位像素11的晶体管的基本功能与图1所示的单位像素100相同。单位像素11的配置并不限于四个晶体管，通过允许放大晶体管114执行选择晶体管115的功能，也可以只使用三个晶体管。
恒流源27包括：n沟道型MOS晶体管271，其栅电极和漏电极以二极管式连接共同连接，并且源电极接地；和n沟道型MOS晶体管272，其栅电极共同连接到MOS晶体管271的栅电极，漏电极连接到列信号线14(14-1到14-m)的一端，并且源电极接地。
根据本示例的黑化检测电路23A具有输入端31、控制端32到34、输出端35、两个p沟道型MOS晶体管41和42、三个n沟道型MOS晶体管43到45、电容器46、两个开关47和48、以及三个反相器49到51。
在黑化检测电路23A中，通过列信号线将信号电压Vx从单位像素11提供到输入端41。将预定参考电压Vs提供到控制端42。将复位信号PSET提供到控制端33，并且将锁存信号LATCH从时间控制电路26(见图2)提供到控制端34。
MOS晶体管41的源电极连接到电源电势Vdd，并且其栅电极连接到控制端33。MOS晶体管43是检测晶体管，其漏电极连接到MOS晶体管41的漏电极，并且栅电极连接到控制端42。MOS晶体管44的漏电极连接到MOS晶体管43的源电极，其源电极连接到输入端31，并且其栅电极连接到控制端33。
电容器是例如MOS电容器，并且连接在MOS晶体管41的源电极与漏电极之间。MOS晶体管42是缓冲晶体管，其漏电极连接到MOS晶体管41的源电极，并且栅电极连接到MOS晶体管43的漏电极(MOS晶体管41的漏电极)。MOS晶体管45的漏电极和栅电极以二极管式连接共同连接到MOS晶体管42的漏电极，并且其源电极接地。
开关47的一端连接到MOS晶体管42的漏电极(MOS晶体管45的漏电极和栅电极)，并且被通过控制端34输入的锁存信号LATCH导通/关断(闭合/断开)。开关48连接在开关47的另一端与输出端35之间，并且被通过控制端34输入的锁存信号LATCH导通/关断，并且被反相器49反转。反相器50和51串联在开关47的另一端与输出端35之间。
在上述配置的黑化检测电路23A中，黑化检测电路23A形成在像素阵列部分12所在的同一半导体芯片上，并且MOS晶体管43具有与单位像素11的放大晶体管114基本相同的晶体管特性。作为检测晶体管的MOS晶体管43的源电极通过列信号线14共同连接到作为单位像素11的输出晶体管的放大晶体管114，并且共同连接节点连接到作为电流源的MOS晶体管272，从而配置差动电路。MOS晶体管44介于MOS晶体管43和列信号线14之间，并且选择晶体管115介于放大晶体管114和列信号线14之间。这些晶体管44和115具有基本相同的晶体管特性。
五个MOS晶体管41到45和一个电容器46将取决于单位像素11的FD部分电势Vfd的、列信号线14(14-1到14-m)的信号电压Vx与参考电压Vs进行比较，以构成具有比较器的检测电路52，用于检测黑化现象的产生。详细的电路操作将在稍后描述。开关47和48以及反相器49到51构成锁存电路53，用来在周期1H(H是水平周期)期间维持检测电路52的检测结果。
当MOS晶体管43和放大晶体管114具有基本相同的晶体管特性，MOS晶体管44和选择晶体管115具有基本相同的晶体管特性，并且MOS晶体管43和放大晶体管114构成差动电路，晶体管43、44、114和115的晶体管特性可以抵消，结果，可以消除晶体管特性的不规则，尤其是阈电压Vth的不规则。
更具体地说，MOS晶体管43的源电极和放大晶体管114的源电极通过列信号线14共同连接，结果，晶体管43和114具有相同的源极电势。此时，由于MOS晶体管43和放大晶体管114具有基本相同的晶体管特性，取决于衬底偏置效应的这两个晶体管43和114的阈电压Vth同样地变化，因此通过MOS晶体管43和放大晶体管114之间的差动操作抵消该偏差。对于MOS晶体管44和选择晶体管115是同样的。
接着，将参照图12的时序图描述上述配置的黑化检测电路23A的电路操作。在图12中，附图标记Vrst表示施加到单位像素11的复位晶体管113的栅电极的复位信号。
在黑化检测周期(其中复位信号PSET处于有效状态(“H”电平/Vdd电平))开始之前，即，在复位信号PSET处于无效状态(“L”电平/GND电平)期间，MOS晶体管41处于ON(导通)状态，并且MOS晶体管44处于OFF(不导通)状态。当MOS晶体管41处于ON状态时，取决于电源电压Vdd的电荷通过MOS晶体管41被充入MOS晶体管42的栅电容和电容器46。此时，由于MOS晶体管42处于OFF状态，因此MOS晶体管42的源极电势处于“L”电平。
在黑化检测周期中，MOS晶体管41处于OFF状态，并且MOS晶体管44处于ON状态。此时，由于参考电压Vs被施加到MOS晶体管43的栅电极，因此当栅极-源极电压Vgs等于或大于阈电压Vth时，MOS晶体管43被导通。然后，通过MOS晶体管43从MOS晶体管42的栅电容和电容器46中将电荷放电。
当MOS晶体管42的栅极电势通过放电而降低并且变得小于阈电压Vth时，MOS晶体管42被导通，并且MOS晶体管42的源极电势变为“H”电平。在本黑化检测电路23A中，电路的检测灵敏度是由MOS晶体管42的栅极节点的电容值决定的。
例如，假设用于读取复位电平的、通常的P相态放大晶体管114的栅极电势是例如2.7V，并且P相态放大晶体管114的栅极电势由于黑化现象改变为2.5V。此时，当参考电压Vs设为2.6V时，MOS晶体管43被导通，从而通过MOS晶体管43从MOS晶体管42的栅电容和电容器46中将电荷放电。
当MOS晶体管42的栅电势降低并且MOS晶体管42被导通时，MOS晶体管42的源极电势，即，检测电路52的输出，变为“H”电平，并且检测到黑化现象。同时，当放大晶体管114的栅极电势是2.7V时，MOS晶体管43未被导通，从而MOS晶体管42的源极电势，即，检测电路的输出，仍为“L”电平。
检测电路52在黑化检测时的输出，即，具有“H”电平的MOS晶体管42的源极电势，在周期1H期间由锁存电路53保持，并且输出为黑化检测信号SUNOUT。黑化检测信号SUNOUT提供到图9的比较器20的下一级提供的缓冲电路21。
当黑化检测电路23A的检测灵敏度过高时，适当改变作为缓冲晶体管的MOS晶体管42的栅电容的电容值，尤其是电容器46的电容值，来调节检测灵敏度。
图13是示出缓冲电路21的电路示例的电路图。如图13所示，根据本示例的缓冲电路21包括：第一反相器，包括p沟道型MOS晶体管51和n沟道型MOS晶体管62，其栅电极和漏电极分别共同连接；和第二反相器，包括p沟道型MOS晶体管63和n沟道型MOS晶体管64，其栅电极和漏电极分别共同连接。第一反相器和第二反相器级联。
p沟道型MOS晶体管65连接在p沟道型MOS晶体管61的源电极与电源电势Vdd之间，并且n沟道型MOS晶体管66连接在第二反相器的输入节点(第一反相器的输出节点)与地之间。
在上述配置的缓冲电路21中，当黑化检测电路23A未检测到黑化现象时，从黑化检测电路23A输出“L”电平，p沟道型MOS晶体管65被导通，并且n沟道型MOS晶体管66被关断。因此，比较器20的输出Vco被第一反相器和第二反相器反转，并向外输出。
当黑化检测电路23A检测到黑化现象时，从黑化检测电路23A输出具有“H”电平的黑化检测信号SUNOUT，p沟道型MOS晶体管65被关断，第一反相器进入无效状态，n沟道型MOS晶体管66被导通，并且第二反相器的输入节点固定为GND电平。结果，缓冲电路21的输出固定为“H”电平。
接着，将参照图14的时序图描述其上装有列并列的ADC的固态图像拾取装置的黑化检测操作。图14示出参考电压RAMP、单位像素11的FD部分的电势Vfd、锁存信号LATCH、复位信号PSET、黑化检测电路23的输出、比较器20的输出、时钟信号CK、计数器19的输出(计数值)、存储在存储装置22中的第一存储器值N1和第二存储器值N2、以及输出信号之间的波形和定时关系。
在实际操作中，在执行黑化现象的主检测操作之前，锁存信号LATCH被设为“H”电平(有效)，并且复位信号PSET被设为“H”电平，使得作为黑化检测电路23A的复位操作，执行临时(temporary)检测操作(图14的周期A)。执行临时检测操作的原因如下：
即，在图11的黑化检测电路23A中，由于MOS晶体管45是二极管式连接的，并且MOS晶体管45的漏极电势处于GND电平或者MOS晶体管45的阈电压Vth由之前操作固定，因此在执行黑化现象的主检测操作之前执行临时检测操作，使得对每列匹配黑化检测电路23A的复位状态。
在执行复位的临时检测操作之后，由黑化检测电路23A执行用于检测黑化现象的主检测操作。当出现黑化现象时，黑化检测电路23A输出具有“H”电平的黑化检测信号SUNOUT。因此，缓冲电路21将比较器20的比较输出Vco固定为“H”电平，即，在比较操作开始之前的逻辑状态。
将比较器20的比较输出Vco固定为“H”电平意味着不从比较器20向存储装置22提供用于传输计数器19的计数值的触发。因此，计数器19继续执行计数操作，直到停止提供时钟信号CK并且计数值达到满计数值为止。因此，存储装置22接收和保持计数器19的满计数值，而不管比较器20的比较时间、是P相态(第一读周期/复位周期)还是D相态(第二读周期/信号读周期)。
处于P相态和D相态的计数器19的满计数值在信号处理电路26的CDS处理之后变为白信号电平。因此，即使诸如太阳光之类的非常强的光进入单位像素11，经过CDS处理后的信号电平也变为白信号电平，结果，可以避免最亮部分变黑的黑化现象。
(第二电路示例)
图15是示出根据第二电路示例的黑化检测电路23B的配置的电路图。在图15中，与图11相同的部分用相同的附图标记表示。
在根据第二电路示例的黑化检测电路23B中，MOS晶体管43的栅电极和漏电极以二极管式连接共同连接，并且参考电压Vs不提供到MOS晶体管43的栅电极。通过控制端36将不同于复位信号PSET的复位信号NSET提供到MOS晶体管44的栅电极。其他电路配置基本与图3的类似。
图16是示出黑化检测电路23B的操作的时序图。如图16所示，复位信号PSET是这样的脉冲信号，它在周期1H的大部分期间处于无效状态(“H”电平)，而恰好在周期1H结束前变换到有效状态(“L”电平)。复位信号NSET是这样的脉冲信号，它在P相周期中，在周期1H的开始时刻与提供到单位像素11的复位晶体管113的栅电极的复位信号Vrst同步地变换到有效状态(“H”电平)，一度变换到无效状态，并再次变换到有效状态。
在前一读取的结尾，即，恰好在前一周期1H结束前，复位信号PSET变换到“L”电平，并且MOS晶体管41被导通。这样，电荷由电源电压Vdd通过MOS晶体管41充入到MOS晶体管42的栅电容和电容器46。
在周期1H开始时刻，即，在P相周期的开始，复位信号NSET变换到“H”电平，并且MOS晶体管44一度被导通。此时，通过列信号线14的信号电压Vx与MOS晶体管43的阈电压Vth相加得到的电压Vx+Vth，将电荷充入到MOS晶体管42的栅电容和电容器46。
之后在P相周期中，复位信号NSET一度变换到“L”电平，然后再次变换到“H”电平。因此，在P相状态中，MOS晶体管44一度被关断，然后再次被导通。此时，当列信号线14的信号电压Vx比MOS晶体管44一度被导通时的电压Vx+Vth要低MOS晶体管43的阈电压Vth时，MOS晶体管43被导通，从而从MOS晶体管42的栅电容和电容器46将电荷放电。
当MOS晶体管42的栅极电势由于放电而下降并且降低到小于阈电压Vth时，MOS晶体管42被导通，从而MOS晶体管的源极电势，即，检测电路52的输出变换到“H”电平。
同时，如果MOS晶体管44被第二次导通时的列信号线14的信号电压Vx与MOS晶体管44被初次导通时相比没有太大变化，尤其是，如果信号电压Vx等于或小于MOS晶体管43的阈电压Vth，则MOS晶体管42的源极电势，即，检测电路的输出仍为“L”电平。
在黑化检测时检测电路的输出，即，具有“H”电平的MOS晶体管42的源极电势，在周期1H期间由锁存电路53保持，然后输出为黑化检测信号SUNOUT。黑化检测信号SUNOUT提供到图9的比较器20的下一级配有的缓冲电路21。
根据电路示例2的黑化检测电路23B与根据第一电路示例的黑化检测电路23A相比，可以在不使用参考电压Vs的情况下仅仅通过定时控制来实现等效的检测操作。由于参考电压Vs不是必须的，因此与根据第一电路示例的黑化检测电路23A相比，可以简化用于产生具有各个值的电压的电源电路配置。
由于根据第一和第二电路示例的黑化检测电路23A和23B具有很简单的电路配置，包括具有五个MOS晶体管41到45和一个电容器46的检测电路52以及具有两个开关47、48和三个反相器49到51的锁存电路53，并且基于黑化检测电路23A和23B的检测输出，比较器20的比较输出Vco原样输出，或者比较器20的比较输出Vco固定到比较开始之前的状态，因此可以通过小尺寸的电路配置来实现用于避免黑化现象的电路。
由于用于避免黑化现象的电路可以通过小尺寸的电路配置来实现，例如通过对每列配置ADC 16(16-1到16-m)而在其上装有列并列的ADC的固态图像拾取装置，即使当对每列配置用于避免黑化现象的电路时布局面积受到制约，也可以在制约下配置用于避免黑化现象的电路，结果，可以实现其上装有列并列的ADC的固态图像拾取装置，它可以避免当诸如太阳光之类的非常强的光进入时产生的黑化现象。
在根据第一和第二电路示例的黑化检测电路23A和23B中，输入级的MOS晶体管43和通过列信号线14与其相连的放大晶体管114构成差动电路。因此，当晶体管43和114具有基本相同的晶体管特性时，其阈电压Vth的偏差被抵消，结果，可以实现几乎与阈电压Vth的不规则性无关的电路操作。
根据几乎与阈电压Vth的不规则性无关的电路操作，在其上装有列并列的ADC的固态图像拾取装置中可以获得很大效果。即，由于对于每列消除了阈电压Vth的偏差并且可以实现几乎与阈电压Vth的不规则性无关的电路操作，因此即使每列的单位像素11的放大晶体管114的阈电压Vth出现不规则性，每列的信号电平也不受阈电压Vth的不规则性影响。因此，对每列的检测电平中不会出现不规则性。
尽管在上述实施例中，在读取单位像素11的复位电平的P相周期的开始处由黑化检测电路23(23A和23B)检测黑化现象，但也可以在P相周期与D相周期之间检测黑化现象。
尽管上述实施例中作为例子描述了其上装有列并列的ADC的固态图像拾取装置，但本发明不限于此，并且可应用到图7或8所示的固态图像拾取装置。
尽管在上述实施例中，通常使用增序计数器作为ADC 16-1到16-m中提供的计数器19，但也可以为每个ADC 16-1到16-m提供双向计数器作为计数器19。当使用双向计数器作为计数器19时，可以实现CDS处理，用于获得每个ADC 16-1到16-m中的D相状态的信号电平与P相状态的复位电平之间的差。
根据上述实施例的、其上装有列并列的ADC的固态图像拾取装置10可以适于用作成像设备中的图像拾取装置(图像输入装置)，如除了摄像机或数码相机，还有诸如移动电话之类的移动装置的摄像模块。
图17是示出根据本发明实施例的成像设备的配置的方框图。如图17所示，根据示例的成像设备包括包含镜头71的光学系统、图像拾取装置72、摄像信号处理电路73和系统控制器74。
镜头71将来自物体的图像光形成到图像拾取装置72的图像拾取面上。图像拾取装置72输出图像信号，该图像信号是通过将经由镜头71在图像拾取面上形成的图像光转换成单位像素中的电信号而获得的。使用根据上述实施例的、其上装有列并列的ADC的固态图像拾取装置10作为图像拾取装置72。
摄像信号处理电路73对从图像拾取装置72输出的图像信号执行各种信号处理。系统控制器74控制图像拾取装置72或者摄像信号处理电路73。特别地，当图像拾取装置72的列并列的ADC可以执行对应于操作模式(例如，在逐行扫描方法中的一般帧速率模式，用于读取所有像素的信息；和高速帧速率模式，可以通过将像素的曝光时间设置为一般帧速率模式的1/N来将帧速率增加到n倍)的AD转换操作时，可以根据外部指令控制操作模式的切换。
本领域技术人员应当理解，根据设计需要和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替换，只要它们在权利要求书及其等效物的范围内。
Claims (7)
1.一种固态图像拾取装置，包括：
包含多个单位像素的像素阵列部分，每个单位像素具有光电转换元件和输出晶体管，输出晶体管用于根据通过光电转换元件的光电转换获得的电荷输出信号；
比较部分，用于将每个单位像素输出的信号与斜面形的参考信号进行比较；
测量部分，其与提供参考信号到比较部分同步地开始操作，执行操作直到当参考信号和从每个单位像素输出的信号变得彼此相等时比较部分的比较输出被反转为止，并且通过执行比较部分中的比较操作来测量一时间；和
检测部分，用于检测预定的图像拾取条件，并且当检测到图像拾取条件时，将比较部分的比较输出固定到比较开始之前的状态。
2.如权利要求1所述的固态图像拾取装置，其中，检测部分具有检测晶体管，用于当单位像素被复位时检测从每个单位像素输出的复位电平等于或小于预定参考电平的图像拾取条件。
3.如权利要求2所述的固态图像拾取装置，其中，每个单位像素的输出晶体管与检测晶体管构成差动电路。
4.如权利要求2所述的固态图像拾取装置，其中，检测部分具有缓冲晶体管，其栅电极连接到检测晶体管的漏电极，并且在检测晶体管检测之前，将栅电容充电到电源电势，并且可通过缓冲晶体管的栅电容的电容值调节检测灵敏度。
5.一种驱动固态图像拾取装置的方法，该固态图像拾取装置包括：包含多个单位像素的像素阵列部分，每个单位像素具有光电转换元件和输出晶体管，输出晶体管用于根据通过光电转换元件的光电转换获得的电荷输出信号；比较部分；测量部分；和检测部分，该方法包括步骤：
通过比较部分，将每个单位像素输出的信号与斜面形的参考信号进行比较；
通过测量部分，与提供参考信号到比较部分同步地开始操作，执行操作直到当参考信号和从每个单位像素输出的信号变得彼此相等时比较部分的比较输出被反转为止，并且通过执行比较部分中的比较操作来测量一时间；和
通过检测部分，检测预定的图像拾取条件，并且当检测到图像拾取条件时，将比较部分的比较输出固定到比较开始之前的状态。
6.一种固态图像拾取装置，包括：
像素阵列部分，其中单位像素以矩阵二维排列，每个单位像素具有光电转换元件和输出晶体管，输出晶体管用于根据通过光电转换元件的光电转换获得的电荷输出信号；
模数转换部分，其排列在矩阵形的单位像素阵列的每列上，并且将从每个单位像素输出的模拟信号转换成数字信号，
其中，每个模数转换部分包括：
比较部分，用于将每个单位像素输出的信号与斜面形的参考信号进行比较，
测量部分，其与提供参考信号到比较部分同步地开始操作，执行操作直到当参考信号和从每个单位像素输出的信号变得彼此相等时比较部分的比较输出被反转为止，通过执行比较部分中的比较操作来测量一时间，并且将测量的结果转换成数字信号，和
检测部分，用于当单位像素被复位时检测从每个单位像素输出的复位电平等于或小于预定参考电平的预定图像拾取条件；并且当检测到图像拾取条件时，将比较部分的比较输出固定到比较开始之前的状态。
7.一种成像设备，包括：
固态图像拾取装置；
光系统，用于在固态图像拾取装置的图像拾取面上形成物体的图像光，
其中，所述固态图像拾取装置包括：
包含多个单位像素的像素阵列部分，每个单位像素具有光电转换元件和输出晶体管，输出晶体管用于根据通过光电转换元件的光电转换获得的电荷输出信号，
比较部分，用于将每个单位像素输出的信号与斜面形的参考信号进行比较，
测量部分，其与提供参考信号到比较部分同步地开始操作，执行操作直到当参考信号和从每个单位像素输出的信号变得彼此相等时比较部分的比较输出被反转为止，并且通过执行比较部分中的比较操作来测量一时间，和
检测部分，用于检测预定的图像拾取条件，并且当检测到图像拾取条件时，将比较部分的比较输出固定到比较开始之前的状态。
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