CN101080922A - 光学传感器电路和图像传感器 - Google Patents

Abstract

一种光学传感器电路包括光电二极管(PD)、MOS晶体管(Q1)、将栅极电压和漏极电压供应给晶体管的电压控制器(13)等。电压控制器包括初始设置装置(15)，其在预定时间内将晶体管(Q1)的栅极电压设置成高栅极电压值VgH而在预定时间内将漏极电压设置成低漏极电压值VdL，由此对光电二极管的电容单元进行充电和放电。随后，初始设置装置(15)在预定时间内将漏极电压设置成VdH，而随后将栅极电压设置成VgL。VgH、VdH和VdL满足关系表达式“VgH－VdH＜Vth和VgH－VdL＞Vth，其中Vth是MOS晶体管(Q1)的阈值电压”。

Description

光学传感器电路和图像传感器

技术领域

本发明涉及一种光学传感器电路和一种图像传感器，并且更具体地涉及一种适合于实现根据入射光的照度而具有线性和对数输出特性并且其中动态范围较宽的MOS图像传感器的光学传感器电路，以及一种通过使用该光学传感器电路作为一个像素而产生的图像传感器。

背景技术

形成MOS图像传感器的像素的各种光学传感器电路分类成三种电路。第一种光学传感器电路是就入射光的照度(强度)变化而言具有线性输出特性的光学传感器电路，第二种光学传感器电路是就入射光的照度变化而言具有对数输出特性的光学传感器电路，以及第三种光学传感器电路是就具有低照度的入射光而言具有线性输出特性而就具有高照度的入射光而言具有对数输出特性的光学传感器电路。下文将简略地描述这些光学传感器电路，并且将就S/N比、动态范围、残留图像、在低照度的灵敏度等来评价它们的特性。

图21示出了具有线性输出特性的光学传感器电路的例子。光学传感器电路101包括用作光学传感器器件的光电二极管PD，其检测入射光(光信号)L1并且将它转换成电信号。光电二极管PD具有作为寄生电容(包括接线的杂散电容)的电容器C1。光学传感器电路101还包括对电容器C1进行充电和放电的MOS晶体管Q1、用于放大电容器C1的端子电压的MOS晶体管Q2和选择性地输出放大的端子电压(Vout)作为像素信号的MOS晶体管Q3。在下文中，MOS晶体管Q1称为“第一MOS晶体管Q1”，MOS晶体管Q2称为“第二MOS晶体管Q2”，而MOS晶体管Q3称为“第三MOS晶体管Q3”。电阻器R连接到第三MOS晶体管Q3的漏极端子。

所需电压V1、V2由电压控制器102施加到第一MOS晶体管Q1的栅极端子G1和漏极端子D1。类似地，所需电压V3、V4由电压控制器102等(像素选择电路等)施加到第三MOS晶体管Q3的栅极端子G3和电阻器R的输出端子T1。从电压控制器102输出的所需电压V1至V4的生成定时是由定时信号生成部分103来指令的。

将描述光学传感器电路101的操作。在第一MOS晶体管Q1的漏极电压V2被维持于高电平的状态下，第一MOS晶体管Q1的栅极电压V1在初始化的定时被设置到高电平。这消除了电荷保留于到第一MOS晶体管Q1的漏极的光电二极管PD的电容器C1的情况。然后，栅极电压V1被切换到低电平(0V)以截止第一MOS晶体管Q1。随后使光电二极管PD的电容器C1累积电荷。电荷的累积所产生的电容器C1的端子电压被施加到第二MOS晶体管Q2的栅极。然后，当在光电二极管PD中经过恒定的曝光时间之后，光信号作为电压Vout从第三MOS晶体管Q3的漏极输出。

在光学传感器电路101中，流过光电二极管PD的光电流主要是在光电二极管PD的电容器C1中充电的电荷的放电电流。因此，作为光学传感器电路101的传感器输出的输出电压Vout表现了与放电电流成比例的线性输出特性。光学传感器电路101可以基于曝光时间来控制传感器输出，并且因此成为存储型图像传感器。然而，在光学传感器电路101的电路配置中，输出电压Vout与入射光L1的强度成比例，而当强光入射时该电路饱和。因此，该电路因无法很大地加宽动态范围而存在问题。

在专利文献1的图7等中示出了具有与光学传感器电路101相似的电路配置的光学传感器电路。

接着，图22示出了具有对数输出特性的光学传感器电路的例子。在图22中，与参照图21所示部件基本上相同的部件以相同的标号来标示，并且省略对这些部件的重复具体描述。在光学传感器电路201中，取代了光学传感器电路101的第一MOS晶体管Q1而使用MOS晶体管Q21。在MOS晶体管Q21中，栅极电连接到漏极。MOS晶体管Q21对应于第一MOS晶体管Q1以代替它来使用，因此称为“第一MOS晶体管Q21”。光电二极管PD、电容器C1、第二MOS晶体管Q2、第三MOS晶体管Q3、电阻器R和其它电路配置与参照图21所示部件相同。在光学传感器电路201中，第一MOS晶体管Q21将光电二极管PD的传感器电流转换成在弱反相状态下具有对数特性的传感器电压。

在光学传感器电路201中，第一MOS晶体管Q21的栅极连接到晶体管的漏极，漏极和栅极电压被设置成同一恒定漏极电压V2，而第三MOS晶体管Q3被导通以输出光信号作为输出电压Vout。来自电压控制器102的高电平栅极电压被供应到第三MOS晶体管Q3的栅极端子G3。

在光学传感器电路201中，可以加宽动态范围以便使用对数输出特性。然而，光电流流经第一MOS晶体管Q21的沟道，因此与存储型图像传感器不同，无法通过延长曝光时间来提高S/N比。因此，对于低照度的灵敏度低于基于光学传感器电路101的存储型图像传感器的灵敏度。当流过第一MOS晶体管Q21的电流为小时，沟道的阻抗为大，因此由于容易出现残留图像而发生问题。

在专利文献1中公开了具有对数输出特性的光学传感器电路。

图23示出了就具有低照度的入射光L1而言具有线性输出特性而就具有高照度的入射光而言具有对数输出特性的光学传感器电路的例子。图23中所示光学传感器电路301的电路配置与光学传感器电路101的电路配置相同，与图21中所示部件相同的部件以相同的标号来标示，并且省略对它们的描述。栅极电压Vg被供应到第一MOS晶体管Q1的栅极，而漏极电压Vd被供应到晶体管的漏极。图24示出了供应的栅极电压Vg和漏极电压Vd的电压波形。在光学传感器电路301中，第一MOS晶体管Q1的漏极电压Vd被设置成预定值(Vd1)，而栅极电压Vg仅在预定时间段(t2-t1)被设置成充分地高于漏极电压Vd的电压(Vg1：高电平(H))，由此控制电路以便对连接到源极的光电二极管PD的电容器C1进行充电和放电。该控制是由电压控制器102和定时信号生成部分103执行的。执行该控制的功能部分被称为“初始设置装置”。其它配置与参照图21所示光学传感器电路101相同。

将参照图24中所示定时图(电压波形图)来描述光学传感器电路301的操作。漏极电压Vd被设置成恒定电压值(Vd1)，按照该恒定电压值(Vd1)，当栅极电压Vg在低电平(L)时，流过第一MOS晶体管Q1的电流被转换成在弱反相状态下具有对数输出特性的电压。

在上述状态下，栅极电压Vg在t1到t2期间被设置成高电压(Vg1：高电平)。作为结果，第一MOS晶体管Q1被设置成导通状态，第一MOS晶体管Q1的沟道阻抗是低电阻，而源极端子的电压，即电容器C1的端子电压VC1被充电到与漏极电压Vd相似的值。下文将这一操作称为“重置操作”。

接着在定时t2，栅极电压Vg被切换到低电平。在t2至t3期间，流过光电二极管PD的光电流主要是在光电二极管PD的电容器C1中充电的电荷的放电电流。因此，电容器C1的端子电压VC1因电荷的放电而在t2到t3的时间间隔期间降低，而传感器输出表现了与放电电流成比例的线性输出。在t2到t3的时间间隔期间，该输出是线性输出区302。当电容器C1的端子电压VC1因电荷的放电而进一步降低时，在定时t3之后，流过光电二极管PD的光电流主要是从第一MOS晶体管Q1供应的电流，而传感器输出被转换成具有对数特性的电压并且表现为对数输出。在t3到t4的时间间隔期间，该输出是对数输出区303。

光学传感器电路301包括：线性输出区302，其中在光电二极管PD的光电流为弱的情况下，检测到与电容器C1的放电电流成比例的电压；以及对数输出区303，其中在光电二极管PD的光电流为大的情况下，检测到具有对数特性的电压。因此，光学传感器电路301可以准确地检测弱光并且可以加宽动态范围。

另外，光学传感器电路301可以借助电容器C1的积分运算来平均噪声，因此可以提高S/N比，从而进一步降低光照度的可检测范围的下限，由此能够实现高灵敏度。因而，有可能实现其中S/N比高、灵敏度高和动态范围宽的光学传感器电路。

然而，光学传感器电路301因如下原因而存在问题：在电路被配置为一个像素而这样的像素以二维矩阵模式来连接以形成成像区并且构成二维图像传感器的情况下，在具有线性输出特性的区域与具有对数输出特性的区域之间的改变点分散于像素之间。

图25是示出了入射光强度(横坐标)和传感器输出(纵坐标)分散于二维图像传感器的像素之间的特性图。例如在图中，针对六个像素绘出了在各入射光强度的传感器输出电压与在暗状态下的输出电压之差。传感器输出的分散是由第一MOS晶体管Q1的阈值的分散造成的。

将参照图26来描述该分散的成因。在图26中，在横坐标的方向上示出了光学传感器电路301所产生的两个像素A、B，而在纵坐标的方向上示出了电容器(寄生电容)C1的端子电压VC1的电势状态。在示出了端子电压VC1的纵坐标中，上侧对应于“暗”而下侧对应于“亮”。紧接在上述重置操作之后，光电二极管PD的电容器C1的端子电压VC1是与像素A、B中的漏极电压Vd相等的电势(状态310)。随后，流过光电二极管PD的光电流主要是在光电二极管PD的电容器C1中充电的电荷的放电电流。因此，端子电压VC1因放电而降低，而传感器输出表现了与放电电流成比例的线性输出特性(302A、302B)。当端子电压VC1进一步因电荷的放电而降低时，从第一MOS晶体管Q1供应的电流是主导性的，使得传感器输出表现了对数输出特性(303A、303B)。

在表现了线性输出的区域(302A、302B)与表现了对数输出的区域(303A、303B)之间的改变点与第一MOS晶体管Q1的阈值(Vth)有关。因此，当阈值分散为VthA、VthB时，该改变点的电势因像素而不同。然而，在所有像素中，紧接在重置之后的端子电势是漏极电压Vd并且是共同的(状态310)。因而，在紧接在重置之后的端子电势与上述改变点(304A、304B)之间的电势差在像素A、B之间是不同的。以这一方式，由于在紧接在重置之后的端子电势与上述改变点之间的电势差在像素A、B之间不同这一现象，所以具有线性特性的区域分散于像素之间。

专利文献2公开了一种解决光学传感器电路301中该问题的光学传感器信号处理装置。在光学传感器信号处理装置中，抑制了由于MOS图像传感器中像素特性的分散所造成的固定模式噪声，并且校正了在各像素的输出从线性特性区切换到对数特性区的拐点(inflection point)处输出特性的分散。因此，为各像素(光学传感器电路)设置用于校正输出值的表，以便校正各像素的输出值。

专利文献1：JP-A-2000-329616

专利文献2：JP-A-11-298799

发明内容

本发明所要解决的问题

如上所述，在一种就具有低照度的入射光而言具有线性输出特性而就具有高照度的入射光而言具有对数输出特性的光学传感器电路中，在线性特性区与对数特性区之间的改变点的电势依赖于各光学传感器电路的第一MOS晶体管Q1的阈值(Vth)，而在光学传感器电路中紧接在重置之后的端子电势是漏极电压Vd并且是共同的。因此，在光学传感器电路即像素之间出现分散。因而，专利文献2提出一种解决方案。

然而，在专利文献2提出的解决方案中，各像素必须具有用于校正输出值的表。根据工作温度，在MOS晶体管中造成特性变化或长期变化。作为结果，在装运之前设置的表内容随着时间的流逝而逐渐偏离于像素的实际特性，并且因再次出现在像素之中的分散而发生问题。因此，专利文献2所提出的解决方案从实用性的观点耐看有待提高。

鉴于上文讨论的问题，本发明的目的是提供一种根据入射光的照度具有线性和对数输出特性的光学传感器电路以及一种图像传感器，并且在该光学传感器电路中，可以控制在线性特性区与对数特性区之间的改变点，稳定地消除改变点的电势在光学传感器电路之中的分散，在低照度等的S/N比为高，灵敏度高，动态范围宽，而残留图像的电平低。

用于解决问题的手段

为了达到目的，以如下方式配置本发明的光学传感器电路和图像传感器。

第一光学传感器电路(对应于权利要求1)包括：光电转换器件(光电二极管等)，其包括存储电荷的静电电容单元(电容器C1)，并且其将光信号转换成电流信号；转换MOS晶体管(Q1)，用于将从光电转换器件输出的电流信号转换成在弱反相状态下具有对数特性的电压信号；以及控制装置(电压控制器13和定时信号生成部分14)，用于将栅极电压供应到MOS晶体管(Q1)的栅极以及将漏极电压供应到漏极，而控制装置包括如下初始设置装置(15)。初始设置装置(15)具有如下功能：在仅在第一预定时间段将转换MOS晶体管(Q1)的栅极电压设置成高栅极电压值(VgH)而仅在第二预定时间段将漏极电压设置成低漏极电压值(VdL)的同时，对光电转换器件的静电电容单元进行充电/放电；随后将漏极电压设置成高漏极电压值(VdH)；而在经过第三预定时间段之后，将栅极电压设置成低栅极电压值(VgL)。在上文中，对初始设置装置(15)进行设置使得高栅极电压值(VgH)、高漏极电压值(VdH)和低漏极电压值(VdL)被设置成满足关系表达式“VgH-VdH＜Vth和VgH-VdL＞Vth，其中Vth：转换MOS晶体管(Q1)的阈值电压”。

具有上述配置的光学传感器电路工作如下。在亚阈值电流流过转换MOS晶体管(Q1)而晶体管具有瞬态特性的初始状态下，当基于满足关系表达式的高栅极电压值(VgH)和低栅极电压(VgL)将转换MOS晶体管(Q1)的高栅极电压值(VgH)切换地设置成低栅极电压值(VgL)时，在多个光学传感器电路的各电路中，电势差ΔW(其中ΔW＝W(低)-W(高)，W(低)和W(高)是基于随后将要描述的涉及W的表达式(2)参照图4来定义的，而电势差ΔW是与这一点相关联地类似定义的)按照转换MOS晶体管(Q1)的高栅极电压值(VgH)与低栅极电压(VgL)之差来设置的。因此，可以如下设置电势差，该电势差不依赖于构成图像传感器的光学传感器电路的转换MOS晶体管(Q1)的阈值电压的分散。因而，在图像传感器中的不同光学传感器电路之中的电势差ΔW可以变得彼此相等。如上所述，可以任意地设置电势差ΔW，因此可以关于作为各光学传感器电路(像素)的暗状态的传感器检测电势的光电转换器件的端子电压(VC1)来任意地控制表现了线性输出特性区的范围和表现了对数输出特性区的范围。根据该配置，可以消除在光学传感器电路(像素)之中的输出分散。

第二光学传感器电路(对应于权利要求2)的特征在于，在上述配置中，控制装置优选地具有用于将转换MOS晶体管(Q1)的高栅极电压值(VgH)切换地设置成任意电压值的切换装置(31)。

第三光学传感器电路(对应于权利要求3)的特征在于，在上述配置中，电路优选地包括用于放大从转换MOS晶体管(Q1)输出的电压信号的放大MOS晶体管(Q2)。

第四光学传感器电路(对应于权利要求4)的特征在于，在上述配置中，电路优选地包括用于选择性地输出从放大MOS晶体管(Q2)输出的电压信号的输出-选择MOS晶体管(Q3)。

第五光学传感器电路(对应于权利要求5)的特征在于，在上述配置中，电路优选地包括：另一静电电容单元(电容器C2)，基于光电转换器件的端子电压来累积电荷；以及电荷-移动MOS晶体管(Q4)，用于在静电电容单元与其他静电电容单元之间选择性地移动电荷。初始设置装置(15)导通电荷-移动MOS晶体管(Q4)，仅在第一预定时间段将转换MOS晶体管(Q1)的栅极电压设置成高栅极电压值(VgH)，仅在第二预定时间段将漏极电压设置成低漏极电压值(VdL)，对光电转换器件的静电电容单元和其他静电电容单元进行充电/放电，随后将漏极电压设置成高漏极电压值(VdH)，而在经过第三预定时间段之后，将栅极电压设置成低栅极电压值(VgL)，并且设置高栅极电压值(VgH)、高漏极电压值(VdH)和低漏极电压值(VdL)以便满足关系表达式。随后，在经过恒定曝光时间之后，电荷-移动MOS晶体管(Q4)被截止以将其他静电电容单元设置成开路状态，然后输出-选择MOS晶体管(Q3)被导通，从而输出传感器信号。

本发明的一种图像传感器(对应于权利要求6)的特征在于一维或者二维成像区域是通过使用第一至第五光学传感器电路作为一个像素来形成的。

本发明的效果

根据本发明，在亚阈值电流流过转换MOS晶体管(Q1)而晶体管具有瞬态特性的初始状态下，转换MOS晶体管(Q1)的高栅极电压值(VgH)被切换地设置成低栅极电压值(VgL)，在多个光学传感器电路的各电路中的电势差ΔW(＝W(低)-W(高))是按照转换MOS晶体管(Q1)的高栅极电压值(VgH)与低栅极电压值(VgL)之差来设置的。因此，可以设置如下电势差，该电势差不依赖于构成光学传感器电路的转换MOS晶体管(Q1)的阈值电压的分散。因而，在图像传感器中的不同光学传感器电路之中的电势差ΔW可以变得彼此相等。由于可以任意地设置电势差ΔW，所以可以关于生成各光学传感器电路(像素)的暗状态的传感器检测电势的光电转换器件的端子电压(VC1)来任意地控制表现了线性输出区的范围和表现了对数输出区的范围。根据该配置，可以消除在光学传感器电路(像素)之中的输出分散。

从上文看出，根据本发明，在一种根据入射光的照度具有线性和对数输出特性的光学传感器电路中，可以控制在线性特性区与对数特性区之间的改变点，稳定地消除在光学传感器电路之中的改变点的电势的分散，在低照度等的S/N比为高，灵敏度高，动态范围宽，而残留图像的电平可以变低。

附图说明

图1是本发明的光学传感器电路的第一实施例的电子电路图。

图2是示出了第一实施例的光学传感器电路的各种部分的信号状态的定时波形图。

图3是图示了第一实施例的光学传感器电路的MOS晶体管Q1的VgH、Vth和VC1之间的关系的图。

图4是图示了第一实施例的光学传感器电路的MOS晶体管Q1的Vg、Vth和VC1之间的关系的图。

图5是图示了第一实施例的光学传感器电路的MOS晶体管Q1的VgL、Vth、VC1和线性输出范围之间的关系的图。

图6是图示了第一实施例的光学传感器电路A、B的MOS晶体管Q1的VgH、Vth和VC1之间的关系的图。

图7是图示了第一实施例的光学传感器电路A、B的MOS晶体管Q1的VgH、Vth和VC1之间的关系的图。

图8是图示了第一实施例的光学传感器电路A、B的MOS晶体管Q1的VgH、Vth和VC1之间的关系(在栅极电压降低ΔVg之后)的图。

图9是示出了第一实施例的光学传感器电路所配置的图像传感器的光学传感器电路的传感器输出特性的曲线图。

图10是本发明的光学传感器电路的第二实施例的电子电路图。

图11是示出了第二实施例的光学传感器电路的变化特性的曲线图。

图12是本发明的光学传感器电路的第三实施例的电子电路图。

图13是本发明的光学传感器电路的第四实施例的电子电路图。

图14是示出了第三或者第四实施例的光学传感器电路的各种部分的信号状态的定时波形图。

图15是本发明的光学传感器电路的第五实施例的电子电路图。

图16是示出了第五实施例的光学传感器电路的各种部分的信号状态的定时波形图。

图17是示出了通过使用本发明第四实施例的光学传感器电路而配置的图像传感器的电子电路图。

图18是通过使用本发明第五实施例的光学传感器电路而配置的图像传感器的电子电路图。

图19是仅示出了电压V1、V2的定时波形图。

图20是关于电压V1的上升和电压V2的下降的定时例子示出了三个实施例1至3的定时波形图。

图21是具有线性输出特性的现有技术的光学传感器电路的电子电路图。

图22是具有对数输出特性的现有技术的光学传感器电路的电子电路图。

图23是具有线性和对数输出特性的现有技术的光学传感器电路的电子电路图。

图24是示出了具有线性和对数输出特性的现有技术的光学传感器电路的各种部分的信号状态的定时波形图。

图25是示出了具有线性和对数输出特性的现有技术的光学传感器电路所形成的图像传感器的光学传感器电路的传感器输出特性的曲线图。

图26是图示了具有线性和对数输出特性的现有技术的光学传感器电路所形成的图像传感器的问题的图。

标号说明

10  光学传感器电路

13  电压控制器

14  定时信号生成

15  初始设置装置

30  光学传感器电路

31  切换装置

40  光学传感器电路

50  光学传感器电路

60  光学传感器电路

PD  光电二极管

C1  电容

C2  电容

Q1  转换MOS晶体管

Q2  放大MOS晶体管

Q3  输出-选择MOS晶体管

Q4  电荷-移动MOS晶体管

具体实施方式

下文将参照附图来描述本发明的优选实施例(例子)。

将参照图1至图9来描述本发明的光学传感器电路的第一实施例。图1示出了第一实施例的光学传感器电路的电路配置。在图1至图9中，与在“背景技术”段落的以上描述中使用的图21至图26中所示部件基本上相同的部件以相同的标号来标示。

光学传感器电路10包括：光电二极管PD，用作检测光L1并且将它转换成电信号的光学传感器器件；以及电容器C1，它是光电二极管PD的寄生电容(包括接线等的杂散电容)。电容器C1并联地连接于光电二极管PD的正极与负极之间。光电二极管PD是光学传感器器件的一个例子，而光学传感器器件不限于此。

就光学传感器PD而言，设置了将光电二极管的传感器电流转换成在弱反相状态下具有对数特性的传感器电压的转换MOS晶体管Q1。MOS晶体管Q1具有漏极11d、源极11s和栅极11g。光电二极管PD的负极连接到MOS晶体管Q1的源极11s。另一方面，光电二极管的正极连接到接地端子。

从电压控制器13供应漏极电压Vd到MOS晶体管Q1的漏极端子12d，而从电压控制器13供应栅极电压Vg到晶体管的栅极端子12g。电压控制器13所供应的电压Vd、Vg的供应时序是由定时信号生成部分14指令的。图2示出了电压控制器13所供应的电压Vd的电压波形图和电压控制器13所供应的电压Vg的电压波形图。

来自光学传感器电路10的输出电压Vout取出为光电二极管PD或者电容器C1的端子电压VC1。在光电二极管PD中，根据光L1的照度(或者强度)而流动的传感器电流被转换成将要检测为输出电压Vout的传感器电压。输出电压Vout与光电二极管PD(或者电容器C1)的端子电压VC1重合。

在光学传感器电路10中，供应具有图2中所示电压波形的漏极电压Vd和栅极电压Vg以获得与光L1相对应的电信号。也就是说，在定时t1到t2的时间间隔中，MOS晶体管Q1的栅极电压Vg被设置成高栅极电压值(VgH)，而漏极电压Vd被设置成低漏极电压值(VdL)。因此，控制了光电二极管PD的电容器C1的充电和放电，并且对在光电二极管PD的电容器C1中累积的电荷进行放电，由此抑制残留图像。抑制残留图像的操作被称为“重置操作”。

如图2中所示，在定时t2，MOS晶体管Q1的漏极电压Vd被设置成高漏极电压值VdH。这时，栅极电压Vg的值保持于VgH或者不变。在定时t3，栅极电压Vg具有低栅极电压值(VgL)。

MOS晶体管Q1在定时t1到t3的时间间隔中的高栅极电压值VgH、在t1和t2期间设置的MOS晶体管Q1的低漏极电压值(VdL)、以及在定时t2之后设置的MOS晶体管Q1的高漏极电压值VdH被设置为使得在这些值之间的电势差满足如下关系表达式(1)。

VgH-VdH＜Vth和VgH-VdL＞Vth...(1)

其中Vth：MOS晶体管Q1的阈值电压。

也就是说，栅极电压值VgH与漏极电压值VdH之差被设置成小于MOS晶体管Q1的阈值电压Vth，而栅极电压值VgH与漏极电压值VdL之差被设置为大于MOS晶体管Q1的阈值电压Vth。

基于电压控制器13和定时信号生成部分14的操作来执行如下操作，在该操作中基于关于初始状态如上文所述在图2中示出的电压波形模式来控制和设置MOS晶体管Q1的栅极电压Vg和漏极电压Vd的电压值。电压控制器13和定时信号生成部分14形成光学传感器电路10的控制装置。电压控制器13和定时信号生成部分14所实现的控制功能的一部分被称为“初始设置装置15”。

接着参照图3至图5将描述光学传感器电路10在定时t2之后即在重置操作之后的传感器输出。

图3示出了MOS晶体管Q1的栅极电压值VgH和阈值电压值Vth以及光电二极管PD的端子电压VC1之间的关系。

如图3的左侧方框21这一部分中所示，紧接在定时t2之后，光电二极管PD的端子电压VC1以纳秒级或者更小的速率快速地上升到如下电压，该电压比MOS晶体管Q1的高栅极电压值VgH要低与MOS晶体管Q1的阈值电压Vth相对应的电势差。

随后，当时间进一步流逝时，如图3的右侧方框22这一部分所示，光电二极管PD的端子电压VC1上升，而MOS晶体管Q1的高栅极电压值VgH与光电二极管PD的端子电压VC1之间的电压差小于MOS晶体管Q1的阈值电压Vth。光电二极管PD的端子电压VC1上升的原因在于MOS晶体管Q1的沟道阻抗增加而亚阈值电流流动。

在定时t3，当如上所述获得亚阈值电流流动而晶体管具有瞬态特性的状态时，MOS晶体管Q1的高栅极电压值VgH被切换到低栅极电压值VgL。

在定时t2与t3之间的间隔优选地被设置成约微秒级。当以这一方式设置时间间隔时，光电二极管PD的端子电压VC1达到亚阈值电流流动的状态。高栅极电压值VgH与高漏极电压VdH之差被设置成小于MOS晶体管Q1的阈值电压Vth的目的是为了将光电二极管PD的端子电压VC1设置成亚阈值电流流动的状态。

在定时t3，检测光电二极管PD的端子电压VC1，使得可以如图2的(C)中所示获得与光L1的入射光强度相对应的电信号。将MOS晶体管Q1的栅极电压Vg从高栅极电压值VgH变成低栅极电压值VgL这一操作的目的是为了将如下表达式(2)所示的电压(电势差)W设置成高。电压(电势差)W作为电压VC1与电压(Vg-Vth)之差而获得。

W＝VC1-(Vg-Vth)

其中VC1：光电二极管PD的端子电压

Vg：MOS晶体管Q1的栅极电压

Vth：MOS晶体管Q1的阈值电压

表达式(2)是为了将光电二极管PD的端子电压VC1设置成比栅极电压Vg要小阈值电压Vth的电势(Vg-Vth)而获得的表达式。当端子电压VC1以这一方式设置成高时，可以增加线性输出特性的区域。将参照图4来具体描述这一点的原因。

图4示出了MOS晶体管Q1的栅极电压Vg和阈值电压Vth以及光电二极管PD的端子电压VC1之间的关系。当栅极电压Vg降低时，可以在保持光电二极管PD的端子电压VC1的同时改变栅极电压Vg和阈值电压Vth的关系。也就是说，可以改变如图4中具体范围所示的上述W，即电势差W。

图4示出了图的左侧中所示电势关系到图的右侧中所示电势关系的变化，其中栅极电压Vg从高栅极电压值VgH到低栅极电压值VgL被降低了ΔVg。因此，基于左侧电势关系的W(高)(＝VC1-(VgH-Vth))的范围变成基于左侧电势关系的W(低)(＝VC1-(VgL-Vth))的范围。这里，关于栅极电压Vg存在关系VgL＝VgH-ΔVg。因此，获得W(低)＞W(高)的关系。以这一方式，栅极电压Vg从高栅极电压值VgH到低栅极电压值VgL仅改变了ΔVg，由此可以增加范围(电势差)W。

这里，电势差ΔW定义成ΔW＝W(低)-W(高)。当以这一方式定义电势差ΔW时，可以通过充分地改变光学传感器电路10的MOS晶体管Q1的栅极电压Vg将电势差ΔW变成ΔW＞0的状态下的任意值。

图5示出了MOS晶体管Q1的低栅极电压值VgL和阈值电压Vth、光电二极管PD的端子电压VC1、线性输出特性的范围等之间的关系。在图5中，范围23示出了线性输出特性的区域，而范围24示出了对数输出特性的区域。在线性输出特性区23与对数输出特性区24之间的边界25是改变点。

如图5中所示，光电二极管PD的端子电压VC1可以设置成线性输出特性区23中的任意电势。因此，将该实施例应用于多个像素所配置的图像传感器(成像区)如二维MOS图像传感器这一情况在将要抑制由于MOS晶体管的像素的阈值电压的分散所造成的光学传感器电路的输出分散这一情况下是有效的。

接着将参照图6至图9来描述抑制例如两个光学传感器电路(像素)A、B的输出分散的方式。

如图6中所示，在各光学传感器电路A、B中在定时t2的重置操作之后，光电二极管PD的上述端子电压VC1以纳秒级或者更小的速率快速地上升到如下电压，该电压比MOS晶体管Q1的设置栅极电压要低与MOS晶体管Q1的阈值电压Vth相对应的电势差。此时，由于MOS晶体管Q1的阈值电压Vth分散于光学传感器电路A、B之间，所以光学传感器电路A、B的端子电压VC1互不相同。也就是说，如图6的方框26、27所示，光学传感器电路A的端子电压是VC1A，而光学传感器电路B的端子电压是VC1B。

当时间随后进一步流逝时，获得图7中所示的状态。也就是说，在图7的相同方框26、27的各光学传感器电路A、B中，根据光电二极管PD的端子电压的电势(VC1A、VC1B)的上升，在MOS晶体管的高栅极电压值VgH与光电二极管PD的端子电压之间的电势差等于或者低于MOS晶体管Q1的阈值电压(VthA、VthB)。MOS晶体管Q1的沟道阻抗增加，因此亚阈值电流流动。这造成光电二极管PD的端子电压的电势(VC1A、VC1B)上升。

在亚阈值电流流动而晶体管具有瞬态特性的状态下，当MOS晶体管Q1的高栅极电压值VgH被切换地设置成低栅极电压值VgL时，获得图8中所示的状态。在两个光学传感器电路A、B中，在上述W(低)与W(高)之间的电势差ΔW(＝W(低)-W(高))被设置成MOS晶体管Q1的高栅极电压值VgH与低栅极电压值VgL之差(ΔVg)。因此，该电势差不依赖于构成光学传感器电路A、B的MOS晶体管Q1的阈值电压的分散。因而，在不同光学传感器电路A、B中的电势差ΔW(＝W(低)-W(高))可以变得彼此相等。

如上所述，可以任意地设置电势差ΔW。因此，可以关于生成各光学传感器电路(像素)暗状态传感器检测电势的光电二极管PD的端子电压VC1来任意地控制表现了线性输出区的范围和表现了对数输出区的范围。根据该配置，可以消除在光学传感器电路(像素)之中的输出分散。

图9示出了在该实施例的光学传感器电路10以及驱动方法被应用于多个(例如六个)光学传感器电路的情况下的传感器输出特性。如从图9的传感器输出特性中可见，基本上没有产生传感器输出值在六个像素之中的分散。当使用该实施例的光学传感器以及驱动方法时，可以解决现有技术的光学传感器电路的问题，即如下问题：在紧接在重置之后的端子电压与线性和对数特性区的改变点之间的电势差在像素之中不同。

接着将参照图10来描述本发明的光学传感器电路的第二实施例。在图10中，与参照图1描述的部件基本上相同的部件以相同的标号来标示。

图10中所示光学传感器电路30被配置为使得初始设置装置15包括如下切换装置31，当将要基于电压控制器13和定时信号生成部分14所配置的初始设置装置15把MOS晶体管Q1的栅极电压Vg设置成高栅极电压值VgH时，该切换装置31允许任意地设置与高栅极电压值VgH有关的电压值。根据光学传感器电路30，当如图2中所示给出用于驱动光学传感器电路10的各种部分的驱动控制信号Vg、Vd时，获得与光L1相对应的电信号。

如上所述，当将要把MOS晶体管Q1的栅极电压Vg设置成高栅极电压值VgH时，可以由切换装置31任意地切换地设置电压值。因此，可以任意地设置已经在第一实施例中描述的电势差ΔW。因此，根据第二实施例的光学传感器电路30，可以如上所述设置MOS晶体管Q1的栅极电压Vg的高栅极电压值VgH。根据该配置，可以在传感器输出特性中任意地设置线性和对数输出特性。

图11示出了第二实施例的光学传感器电路30所获得的传感器输出特性的特性模式。在对数标度(log)上指示了图11的横坐标。任意地切换MOS晶体管Q1的栅极电压Vg的高栅极电压值Vgh，使得可以在与成像条件相对应的最优状态下输出传感器信号。当ΔVg关于栅极电压Vg的高栅极电压值VgH从“小”变“大”时，传感器输出特性如箭头32所示发生改变。

图12和图13示出了本发明的光学传感器电路的改型。图12示出了本发明的第三实施例的光学传感器电路，而图13示出了本发明的第四实施例的光学传感器电路。

在图12所示的第三实施例的光学传感器电路40中，向第一或者第二实施例的光学传感器电路的电路单元添加用于放大传感器输出电压的第二MOS晶体管Q2。与在上述实施例中所述部件基本上相同的部件以相同的标号来标示。然而，向MOS晶体管Q1的栅极端子12g供应电压V1，而向漏极端子12d供应电压V2。为方便起见，示出了电压V1、V2。然而，电压V1与上述栅极电压Vg相同，而电压V2与上述漏极电压Vd相同。

与第二MOS晶体管Q2相对照，将光电二极管PD的传感器电流转换成在弱反相状态下具有对数特性的传感器电压的转换MOS晶体管Q1被假设为第一MOS晶体管。第二MOS晶体管Q2是用于放大从第一MOS晶体管Q1输出的传感器电压的放大MOS晶体管。

在光学传感器电路40中，作为传感器输出电压的光电二极管PD的端子电压VC1被施加到MOS晶体管Q2的栅极41g。漏极电压V3从电压控制器等被供应到MOS晶体管Q2的漏极端子42d，而源极41s连接到接地端子。从第二MOS晶体管Q2的漏极41d取出在放大状态下的传感器输出电压Vout。

在图13所示第四实施例的光学传感器电路50中，向第三实施例的光学传感器电路40的电路单元添加第三MOS晶体管Q3。在图13中，与在第三实施例中所述部件基本上相同的部件以相同的标号来标示。

第三MOS晶体管Q3是用于选择性地输出从放大MOS晶体管Q2输出的电压信号的输出-选择MOS晶体管。

在光学传感器电路50中，MOS晶体管Q2的漏极41d连接到MOS晶体管Q3的源极51s。栅极电压V3被供应到第三MOS晶体管Q3的栅极端子52g。电阻器R连接到第三MOS晶体管Q3的漏极51d，而漏极电压V4被供应到电阻器R的另一端子52d。从第三MOS晶体管Q3的漏极51d取出传感器输出电压Vout。

在这样配置的光学传感器电路40、50中，如图14中所示给出用于驱动各种部分的控制信号(电压信号V1、V2、V3、V4)，由此如图14中的VC1所示获得与入射光L1相对应的电信号。

图15示出了本发明第五实施例的光学传感器电路。在光学传感器电路60中，向第四实施例的光学传感器电路50的电路单元添加第四MOS晶体管Q4。与在第四实施例中所述部件基本上相同的部件以相同的标号来标示。在光学传感器电路60中，第四MOS晶体管Q4的源极61s连接到光电二极管PD的负极，而漏极61d连接到MOS晶体管Q2的栅极41g。电压V5被供应到MOS晶体管Q4的栅极61g的栅极端子62g。

光学传感器电路60在第四实施例的光学传感器电路50的配置中还包括用于累积电荷的电容器C2以及电荷-移动第四MOS晶体管Q4。第四MOS晶体管Q4是用于选择性地在电容器C1与C2之间移动电荷的电荷-移动MOS晶体管。基于图16中所示定时信号，上述初始设置装置15以如下方式控制和设置MOS晶体管Q1至Q4。

在电荷-移动第四MOS晶体管Q4由电压V5导通的状态下，控制和设置MOS晶体管Q1至Q3。

第一MOS晶体管Q1的栅极电压V1仅在t1到t3之间的预定时间段被设置成高栅极电压值VgH，漏极电压V2仅在t1到t2之间的预定时间段被设置成低栅极电压值VdL，而光电二极管PD的电容器C1和电容器C2被充电/放电。随后，漏极电压V2被设置成高漏极电压VdH。在经过上述预定时间段之后(定时t3)，栅极电压V1被设置成低栅极电压值VgL，而高栅极电压值VgH和高漏极电压值VdH被设置成满足上述关系表达式(1)。

随后，在经过恒定曝光时间之后(定时t4)，电荷-移动第四MOS晶体管Q4被截止。这造成电容C2处于开路状态，然后导通输出-选择第三MOS晶体管Q3，从而输出传感器信号。

在光学传感器电路60中，如上所述，如图16中所示给出用于驱动各种电路部分的控制信号(电压信号V1、V2、V3、V4、V5)，由此获得与照射光L1的入射光强度相对应的电信号。

在光学传感器电路60的电路配置中，当MOS晶体管Q4在定时t4之后被设置成截止状态时，保持电容器C2的电荷，并且电容器C2的电荷保持恒定，直至MOS晶体管Q4然后被导通为止。也就是说，在当MOS晶体管Q4被截止时的时段期间，即在电容器C2的电荷保持时段期间，即使改变电容器C1的端子电压时，仍然从像素获得同一输出信号作为传感器输出信号。因此，当基于图16中所示定时信号来操作图15中所示光学传感器电路60时，有可能实现具有快门功能的像素，该像素具有不受残留图像影响的对数输出，并且动态范围宽。

通过使用本发明的光学传感器电路10、30、40、50或者60作为一个像素的构成单元并且通过一维地或者二维地排列电路，可以配置图像传感器。

图17示出了具有矩形成像区71的图像传感器的配置例子，该成像区是通过将图13中所示光学传感器电路50作为一个像素(S)排列在二维矩阵模式下来形成的。在图17中，方框13是上述电压控制器，方框72是设置为像素S所共有的像素选择电路，而方框73是用于依次地输出像素S的像素信号的信号选择电路。从电压控制器13供应电压V1、V2，从像素选择电路72供应电压V3，并且供应电压V4到端子52d。

图18示出了具有矩形成像区71的图像传感器的配置例子，该成像区是通过将图15中所示光学传感器电路60作为一个像素排列在二维矩阵模式下来形成的。在图18中，方框13是上述电压控制器，方框72是设置为像素S所共有的像素选择电路，而方框73是用于依次地输出像素S的像素信号的信号选择电路。从电压控制器13供应电压V1、V2、V5，从像素选择电路72供应电压V3，并且供应电压V4到端子52d。

关于图14和图16中所示上述电压V1、V2的设置和优点，将参照图19和图20来添加描述。

图19是仅示出上述电压V1、V2的定时波形图。在图19中，要求在电压V1具有高电压值时电压V2的低电压值的设置时段是为了确保为了在光电二极管PD中充电和放电而需要的时间段。任意地设置电压V1的上升和电压V2的下降的定时。在图20中示出了定时的例子1至3。

当电压V2被设置成具有低电压值时，对数转换晶体管的栅极处于开路状态，并且对光电二极管PD的电荷进行充电和放电。当电压V2被设置成具有高电压值时，光电二极管PD的电势快速地上升到依赖于晶体管阈值电压的电压。

图19示出了在电压V2的上升与电压V1的下降之间的时段T。当实现亚阈值电流开始流动的状态时，获得了与各像素中晶体管的阈值相对应的光电二极管电势。因此，将时段T设置成微秒级是足够的。当缩短时段T时，有可能在重置光电二极管之后快速地转移到线性输出操作。因此，可以延长积分时间，因此在低照度曝光中实现高灵敏度。

已经在假设MOS晶体管是n沟道型的同时进行了实施例的以上描述。自然而言，代替该晶体管，也可以使用p沟道MOS晶体管。

在使得可以理解和实施本发明的程度上示意性地示出了已经在上述实施例中描述的配置、形状、大小和布置关系，而配置的数值和组成(材料)只是举例说明。因此，本发明不限于所示实施例，而可以在不脱离权利要求书中所示技术概念的情况下可以加以各种改型。

本发明是基于2005年6月10日提交的日本专利申请(第2005-170936号)，并且以援引方式将它的公开结合于此。

工业应用性

本发明用作一种形成作为成像装置的MOS图像传感器的一维或者二维图像传感器的光学传感器电路(或者像素)。

Claims (6)

1.一种光学传感器电路，包括：

光电转换器件，其包括存储电荷的静电电容单元，并且其将光信号转换成电流信号；

转换MOS晶体管，用于将从所述光电转换器件输出的所述电流信号转换成在弱反相状态下具有对数特性的电压信号；以及

控制装置，用于将栅极电压供应到所述MOS晶体管的栅极以及将漏极电压供应到所述MOS晶体管的漏极，

其中所述控制装置具有用于执行初始设置的初始设置装置，在所述初始设置中，在仅在第一预定时间段将所述转换MOS晶体管的所述栅极电压设置成高栅极电压值(VgH)，而仅在第二预定时间段将所述漏极电压设置成低漏极电压值(VdL)的同时，对所述光电转换器件的所述静电电容单元进行充电/放电，随后将所述漏极电压设置成高漏极电压值(VdH)，在经过第三预定时间段之后，所述栅极电压被设置成低栅极电压值(VgL)，而所述高栅极电压值(VgH)、所述高漏极电压值(VdH)和所述低漏极电压值(VdL)被设置成满足如下关系表达式：

“VgH-VdH＜Vth和VgH-VdL＞Vth，其中Vth为所述转换MOS晶体管的阈值电压”。

2.根据权利要求1所述的光学传感器电路，其中所述控制装置具有用于将所述转换MOS晶体管的所述高栅极电压值(VgH)切换地设置成任意电压值的切换装置。

3.根据权利要求1或者2所述的光学传感器电路，其中所述电路包括用于放大从所述转换MOS晶体管输出的所述电压信号的放大MOS晶体管。

4.根据权利要求3所述的光学传感器电路，其中所述电路包括用于选择性地输出从所述放大MOS晶体管输出的电压信号的输出-选择MOS晶体管。

5.根据权利要求4所述的光学传感器电路，其中所述电路包括：

另一静电电容单元，基于所述光电转换器件的所述端子电压来累积电荷；以及

电荷-移动MOS晶体管，用于在所述静电电容单元与所述其他静电电容单元之间选择性地移动电荷，

所述初始设置装置

导通所述电荷-移动MOS晶体管，

仅在所述第一预定时间段将所述转换MOS晶体管的所述栅极电压设置成所述高栅极电压值(VgH)，仅在所述第二预定时间段将所述漏极电压设置成所述低漏极电压值(VdL)，对所述光电转换单元的所述静电电容单元和所述其他静电电容单元进行充电/放电，随后将所述漏极电压设置成所述高漏极电压值(VdH)，而在经过所述第三预定时间段之后，将所述栅极电压设置成所述低栅极电压值(VgL)，并且设置所述高栅极电压值(VgH)、所述高漏极电压值(VdH)和所述低漏极电压值(VdL)以便满足所述关系表达式，

随后在经过恒定曝光时间之后，所述电荷-移动MOS晶体管被截止以将所述其他静电电容单元设置成开路状态，然后所述输出-选择MOS晶体管被导通，从而输出传感器信号。

6.一种图像传感器，其中成像区域是通过使用根据权利要求1至5中任一权利要求所述的光学传感器电路作为一个像素来形成的。

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