CN101207721A - 成像设备和照相机 - Google Patents

Abstract

一种成像设备包括像素、电流源、和信号处理电路。所述像素输出通过成像获得的信号电荷作为像素信号。所述电流源连接到像素信号的传输路径并具有可变电流。所述信号处理电路对取决于到传输路径的输出信号的信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流。

Description

成像设备和照相机

相关申请的交叉引用

本发明包括与2006年12月18日向日本专利局提交的日本专利申请JP2006-339415相关的主题，通过引用将其全部内容合并于此。

技术领域

本发明涉及具有列并列(column-parallel)模数转换器的成像设备以及包括该成像设备的照相机。

背景技术

在许多情况下，各自具有列并列模数转换器的典型固态成像设备包括利用单斜率积分的计数器斜坡(counter-ramp)模数转换器。

图1图示了具有利用单斜率积分的计数器斜坡模数转换器的成像设备的结构。

图2是用于说明图1的设备的操作的时序图。

现在将结合图2的时序图来描述图1的设备的操作。

用于将外部光光电转换为电信号的单位像素1被排列成矩阵，从而构成像素阵列2。假设垂直选择电路3选择了像素阵列2中的某一行。

位于所选择的行中的像素通过沿像素阵列2的列延伸的垂直信号线vs1而输出像素信号(下文中的像素输出信号S1)。垂直信号线vs1连接到为每列布置的比较器4的一个输入端(正极端)。比较器4的另一端(负极端)接收来自数模(D/A)转换器5的输出信号nslope，该输出信号是响应于时钟信号clk获得的模拟信号。

假设，当通过垂直信号线vs1传送的像素输出信号S1的电平低于D/A转换器5的输出信号nslope的电平时，比较器4的输出信号ncompout变成低(“L”)，然而，当垂直信号线vs1的像素输出信号S1的电平高于D/A转换器5的输出信号nslope的电平时，比较器4的输出信号ncompout变成高(“H”)。

比较器4的输出信号ncompout被供应到n位计数器6。该n位计数器6响应于时钟信号clk而增加或降低计数值。图2示出了计数值减少一的情况。

该n位计数器6响应于复位信号rst而将其计数值复位到初始值iinit。当比较器4的输出信号ncompout变成高时，n位计数器6停止增加或减少计数值，并保持该计数值(图2中表示为“i”)。

从n位计数器6输出该计数值，作为n位输出数据[n-1:0]。顺序输出该n位计数器6的输出以及在其它列中的其它计数器的输出。

发明内容

在图1所示的利用单斜率积分的计数器斜坡模数转换器中，不利的是，为了增加模数转换的精度，必须增加转换时间或时钟频率。

例如，n位A/D转换所需要的时钟数目是2ⁿ-1个周期。当n位扩展到n+1位时，所需要的时钟数目是2ⁿ⁺¹-1个周期，其基本上为2ⁿ-1个周期的两倍。

为了实现所需要的时钟数目的增加，转换时间或时钟频率必须增加大约2的倍数(factor)。不利的是，增加转换时间阻碍了用于实现高帧速率或处理增加数目的像素的高速操作。不幸的是，时钟频率的增加导致功耗的增加或需要改善元件精度。

此外，在利用单斜率积分的计数器斜坡模数转换器中，不利的是，比较器的阈值电平Vth的变化或从数模转换器输出的电压的精度影响了模数转换器的精度。

换言之，假设像素输出信号具有1V的幅度，其用作暗电平和亮电平之间的差，对于n位的模数转换需要1/(2ⁿ-1)V的精度。

例如，当n＝14(位)时，1/(2¹⁴-1)＝61μV。由于比较器的阈值Vth的变化通常是几毫伏的等级，所以难以实现高精度的模数转换。

期望提供一种高分辨率高精度的成像设备，其能够实现用于实行高帧速率或处理增加数目的像素的高速操作，而不导致功耗的增加且不需要改善元件的精度。

根据本发明的第一实施例，成像设备包括以下元件。像素输出通过成像获得的信号电荷，作为像素信号。具有可变电流的电流源连接到像素信号的传输路径。信号处理电路对取决于到传输路径的输出信号的信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流。

优选地，所述像素包括构成源极跟随器的放大器晶体管，其将信号电荷作为像素信号输出到传输路径。电流源包括多个负载晶体管和多个开关。使用预定的偏置信号来偏置所述负载晶体管的栅极，并且所述负载晶体管的源极并联地连接到预定电势。每个开关连接在对应的负载晶体管的漏极与传输路径之间。所述信号处理电路根据对通过传输路径传送的像素信号的处理结果，来选择性地导通电流源中的开关。

优选地，所述像素包括构成源极跟随器的放大器晶体管，其将信号电荷作为像素信号输出到传输路径。该电流源包括负载晶体管和多个开关。所述负载晶体管的源极连接到预定电势。所述多个开关连接到负载晶体管的栅极、并分别连接到不同的偏置信号供应线。所述信号处理电路根据对通过传输路径传送的像素信号的处理结果，来选择性地导通电流源中的开关。

优选地，所述信号处理电路包括：积分器，对通过传输路径传送的像素信号进行积分；量化器，对积分器的输出信号进行量化；以及选择器，根据量化器的量化结果来改变电流源的电流。

优选地，所述信号处理电路包括：积分器，对通过传输路径传送的像素信号进行积分；量化器，对积分器的输出信号进行量化；以及选择器，根据量化器的量化结果来选择性地导通电流源中的开关。

优选地，所述量化器比较通过积分器获得的积分信号的电平和预定的阈值电平，并将比较结果输出到选择器。所述选择器改变电流源的电流，使得当积分信号的电平高于阈值电平时，降低传输路径的电平，而当积分信号的电平低于所述阈值电平时，提高传输路径的电平。

优选地，所述量化器比较通过积分器获得的积分信号的电平和预定的阈值电平，并将比较结果输出到选择器。所述选择器选择性地导通电流源中的开关，使得当积分信号的电平高于阈值电平时，降低传输路径的电平，而当积分信号的电平低于所述阈值电平时，提高传输路径的电平。

优选地，所述传输路径包括像素输出信号线，其连接到像素中的放大器晶体管的源极并连接到电流源。

优选地，所述传输路径包括像素输出信号线和源极跟随器晶体管。所述像素输出信号线连接到像素中的放大器晶体管的源极。所述源极跟随器晶体管的栅极连接到像素输出信号线，并且其源极连接到电流源。

根据本发明的第二实施例，所述成像设备包括如下元件。像素阵列包括排列成矩阵的多个像素，每个像素输出通过成像获得的信号电荷作为像素信号。针对像素阵列的各个列而排列多个像素信号处理单元。每个像素信号处理单元包括电流源和信号处理电路。所述电流源连接到像素信号的传输路径并具有可变电流。信号处理电路对取决于到传输路径的输出信号的信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流。

根据本发明的第三实施例，一种照相机包括成像设备以及在成像设备上形成对象图像的光学系统。所述成像设备包括如下元件。像素阵列包括排列成矩阵的多个像素，每个像素输出通过成像获得的信号电荷作为像素信号。针对像素阵列的各个列而排列多个像素信号处理单元。每个像素信号处理单元包括电流源和信号处理电路。所述电流源连接到像素信号的传输路径并具有可变电流。所述信号处理电路对取决于到传输路径的输出信号的信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流。

根据本发明的实施例，所述信号处理电路对充当通过成像获得的信号电荷的像素信号执行预定的处理。

控制传输路径的电平，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流。

根据本发明的实施例，可以实现高分辨率高精度的成像设备以及包括该成像设备的照相机，该成像设备能够实现用于实行高帧速率或处理增加数目的像素的高速操作，而没有导致功耗的增加且不需要改善元件的精度。

附图说明

图1是图示了具有利用单斜率积分的计数器斜坡模数转换器的成像设备的结构的图；

图2是用于说明图1中的设备的操作的时序图；

图3是图示了根据本发明实施例的成像设备的示意结构的框图；

图4是示出了根据本发明实施例的单位像素的结构以及像素信号处理单元的结构的图；

图5是图示了德耳塔-西格马(Δ∑)模数转换器的基本结构的框图；

图6是示出了根据本发明实施例的修改的像素信号处理单元的结构的图；

图7是图示了根据本发明实施例的第一具体示例的单位像素的结构和像素信号处理单元的结构的图；

图8是示出了根据实施例在Δ∑调制器的量化器的输出与选择器中的选择控制信号的设置电平之间的关系的图；

图9是用于说明在图7中的像素信号处理单元的操作的时序图；

图10是图示了根据本发明实施例的第二具体示例的单位像素的结构和像素信号处理单元的结构的图；以及

图11是图示了根据本发明实施例的包括成像设备的照相机系统的结构的图。

具体实施方式

现在，将参考附图来描述本发明的实施例。

图3是图示了根据本实施例的成像设备的示意结构的框图。

图4是示出了根据本实施例的单位像素的结构以及像素信号处理单元的结构的图。

成像设备10包括像素阵列12、垂直选择电路13、和多个像素信号处理单元14(14-1、14-2、……)。像素阵列12包括排列成矩阵的多个单位像素11。每个单位像素11将外部光光电转换为电信号。垂直选择电路13选择像素阵列12的预定行，并驱动与所述单位像素连接的多条驱动线DRVL。每个像素信号处理单元14直接(或者通过源极跟随器晶体管)连接到像素输出信号线VSL，从而构成了为每列像素阵列12安排的传输路径。

每个单位像素11包括光电二极管111、传输晶体管112、放大器晶体管113、复位晶体管114、和选择晶体管115。

光电二极管111将入射光转换为信号电荷(例如，电子)，其数量对应于入射光的数量，并存储该信号电荷。

传输晶体管112的源极连接到光电二极管111的阴极，其漏极连接到浮动节点ND111，而其栅极连接到通过其传送传输信号TR的传输选择线TRL。传输晶体管112具有在导电(导通)时将存储在光电二极管111中的信号电荷传输到浮动节点ND111的功能。

放大器晶体管113的源极连接到像素输出信号线VSL，其漏极连接到选择晶体管115的源极，而其栅极连接到浮动节点ND111。选择晶体管115的漏极连接到供电电压源VDD，而其栅极连接到选择线SELL。

当垂直选择电路13将高电平选择信号SEL供应到选择线SELL以导通选择晶体管115时，放大器晶体管113具有将浮动节点ND111的电势输出到像素输出信号线VSL的功能。

复位晶体管114的漏极连接到供电电压源VDD，其源极连接到浮动节点ND111，而其栅极连接到复位线RSTL。当垂直选择电路13将高电平复位信号RST供应到复位线RSTL时，复位晶体管114导通，从而复位该浮动节点ND111的电势。

具有上述结构的单位像素11排列成矩阵，从而形成像素区域(成像区域)。针对像素阵列12的每一行安排传输选择线TRL、选择线SELL、和复位线RSTL。

垂直选择电路13驱动传输选择线TRL、选择线SELL、和复位线RSTL。

每个像素信号处理单元14包括电流源141和信号处理电路142。电流源141和信号处理电路142被连接到从像素阵列12延伸出来的对应垂直信号线VSL。参考图4，每个像素信号处理单元14还包括n个(n是2或更大的正整数)负载MOS晶体管LT1至LTn、和n个开关晶体管SW1至SWn。负载MOS晶体管LT1至LTn中的至少一个通过像素输出信号线VSL和对应开关晶体管而被选择性地连接到单位像素11中的放大器晶体管113。所连接的负载MOS晶体管的驱动电流的量(下文中为驱动电流量)是根据信号处理电路142(量化器)进行信号处理所获得的输出来控制的。

在电流源141中，负载MOS晶体管LT1至LTn的每一个的栅极连接到通过其供应偏置信号VBIAS的偏置信号供应线VBIASL。负载MOS晶体管LT1至LTn中的每一个都起到恒流源的作用。

负载MOS晶体管LT1的源极连接到参考电势(本实施例中为地电势GND)，而其漏极连接到MOS开关(MOS晶体管)SW1的源极。MOS开关SW1的漏极连接到像素输出信号线VSL。

类似地，负载MOS晶体管LTn的源极连接到参考电势(本实施例中为地电势GND)，而其漏极连接到MOS开关(MOS晶体管)SWn的源极。MOS开关SWn的漏极连接到像素输出信号线VSL。

各个MOS开关SW1至SWn的栅极连接到信号处理电路142的控制输出端。

在根据本实施例的成像设备10中，每个像素信号处理单元14针对每个像素信号将充当信号处理电路142的输出的数字值反馈到电流源141，从而实现与能够实行高精度模数转换的Δ∑模数转换器的功能等同的功能。

具体地，在为固态成像设备提供的列并列Δ∑模数转换器中，通过改变负载MOS晶体管的电流来实现每个量化器的输出的反馈，从而构成与像素输出信号线连接的源极跟随器。结果，实现了具有高分辨率和高精度的固态成像设备。

下面，将更详细地描述本实施例的Δ∑模数转换器的基本结构以及像素信号处理单元14的特征结构。

图5是图示了Δ∑模数转换器的基本结构的框图。

参考图5，Δ∑模数转换器200包括减法器201、积分器202、量化器203、数模转换器204、以及抽选滤波器(decimation filter)205。

积分器202起到低通滤波器(LPF)的作用。量化器203具有相加量化噪声的功能(即，进行辨别以确定是将值设置为“1”还是设置为“0”的功能)。数模转换器204具有辨别功能。

在除了固态成像设备的这些应用之外的应用中，例如，在音频应用和测量仪器的应用中，Δ∑模数转换器在许多情况中被用作用以实现高精度的模数转换器。实现了超过16位的转换精度。

如图5所示，Δ∑模数转换器200基本上包括积分器202和量化器203。减法器201从模拟输入信号中减去通过利用数模转换器204对量化器203的输出进行数模转换而获得的反馈信号。其后，积分器202对从减法器201输出的信号进行积分，量化器203量化从积分器202输出的信号，而抽选滤波器205对从量化器203输出的信号进行抽选，从而获得数字输出信号。

Δ∑模数转换器200可实现高精度的模数转换。为了将高精度的模数转换施加到固态成像设备，必须针对每个像素信号反馈数字值。难以实现反馈。

在本实施例中，上述反馈是通过安排包括MOS晶体管(在本实施例中为n沟道MOS晶体管)的恒流源(其中所述恒流源连接到每个单位像素11中的放大器晶体管而构成了所述源极跟随器电路)、并根据源极跟随器电路的输出或者在随后级中安排的信号处理电路142的输出来改变恒流源的电流来实现的，电路142的输出是基于源极跟随器电路的输出的。

再参考图4，如上所述，像素信号处理单元14连接到从像素延伸出来的像素输出信号线VSL，使得负载MOS晶体管LT1至LTn分别通过开关晶体管(MOS开关)SW1至SWn、经由像素输出信号线VSL而连接到单位像素11中的放大器晶体管113。根据信号处理电路142中的量化器的输出来控制负载MOS晶体管的驱动电流量。

具体地，在图4的像素信号处理单元14中，MOS开关SW1至SWn中的每一个被布置在负载MOS晶体管LT1至LTn的对应一个与像素输出信号线VSL之间。MOS开关SW1至SWn的导通和截止改变了连接到像素输出信号线VSL的负载MOS晶体管LT的数目。

用接下来的表达式1来表示根据负载MOS晶体管LT的像素输出信号线VSL的电压的改变。当假设I_load为负载MOS晶体管LT的驱动电流量、假设V_PIXEL为像素信号电压、并假设V_TH为放大器晶体管113的阈值电平时，电流驱动量I_load取决于电压V_PIXEL-V_TH而改变。因此，可以反馈量化器的输出。

表达式1

$V_{\mathrm{VSL}}=V_{\mathrm{PIXEL}}-V_{\mathrm{TH},\mathrm{amp}}-\sqrt{\frac{{2I}_{\mathrm{load}}}{{\mathrm{\μ}}_0{C}_{\mathrm{ox}}\frac{W}{L}}}$

其中，μ表示载流子的迁移率，C_ox表示单位面积的栅极电容，W表示栅极宽度，以及L表示栅极宽度。

图6图示了根据本发明实施例的修改的像素信号处理单元的结构。

图4中的像素信号处理单元14和图6中的像素信号处理单元14A之间的差别如下：电流源141A包括单个负载MOS晶体管LT1。第一MOS开关SW1连接在负载MOS晶体管LT1的栅极与第一偏置信号供应线VBIASL1之间。第n个MOS开关SWn连接在负载MOS晶体管LT1的栅极与第n偏置信号供应线VBIASLn之间。MOS开关SW1至SWn的导通和截止是使用信号处理电路142的输出来控制的。

具体地，图6中的像素信号处理单元14A根据信号处理电路142的输出来选择多个偏置电压中的任一个作为负载MOS晶体管LT1的栅极电压。选择性地连接MOS开关(晶体管)中的任一个，以便排他地选择偏置电压中的任一个，从而改变偏置电压。因此，可以改变负载MOS晶体管LT1的驱动电流量。

如上所述，在具有图4的像素信号处理单元14或图6中的像素信号处理单元14A的成像设备10中，根据成像设备的像素输出或者对像素输出进行信号处理获得的像素信号，来改变至少一个负载MOS晶体管LT的驱动电流量，从而可以将适合于随后级的信号处理的偏移量添加到像素输出。

添加偏移可以执行反馈，使得可以在线性特征区中使用由每个单位像素11中的放大器晶体管113以及负载MOS晶体管LT构成的源极跟随器电路。

改变偏移可以抵偿由故障处理导致的变化，例如在每个单位像素11中的放大器晶体管113的阈值电压的变化。

根据本发明的实施例，可以实现高分辨率高精度的成像设备，其能够实现用于实行高帧速率或处理增加数目的像素的高速操作，而没有导致功耗的增加且不需要改善元件的精度。

下面，现在将描述像素信号处理单元的结构的更具体的示例。

图7图示了根据本发明实施例的第一具体示例的单位像素的结构和像素信号处理单元的结构。

参考图7，单位像素11的结构类似于图4和6所示的结构。比图4和6更具体地示出了像素信号处理单元14B的结构。

具体地，参考图7，信号处理电路包括Δ∑调制器142B，其包括积分器1421、量化器1422、和选择器1423。

电流源141B的结构类似于图4中的结构。在图7中，n＝3。电流源141B包括三个负载MOS晶体管LT1至LT3和三个MOS开关SW1至SW3。

在电流源141B中，负载MOS晶体管LT1至LT3的栅极连接到通过其供应偏置信号VBIAS的偏置信号供应线VBIASL。负载MOS晶体管LT1至LT3中的每一个起到恒流源的作用。

负载MOS晶体管LT1的源极连接到参考电势(本实施例中为地电势GND)，而其漏极连接到MOS开关(MOS晶体管)SW1的源极。MOS开关SW1的漏极连接到像素输出信号线VSL。

类似地，负载MOS晶体管LT2的源极连接到参考电势(本实施例中为地电势GND)，而其漏极连接到MOS开关(MOS晶体管)SW2的源极。MOS开关SW2的漏极连接到像素输出信号线VSL。

类似地，负载MOS晶体管LT3的源极连接到参考电势(本实施例中为地电势GND)，而其漏极连接到MOS开关(MOS晶体管)SW3的源极。MOS开关SW3的漏极连接到像素输出信号线VSL。

MOS开关SW1的栅极连接到在Δ∑调制器142B中的用于选择控制信号ISEL1的供应线。MOS开关SW2的栅极连接到在Δ∑调制器142B中的用于选择控制信号ISEL2的供应线。MOS开关SW3的栅极连接到在Δ∑调制器142B中的用于选择控制信号ISEL3的供应线。

在Δ∑调制器142B中，积分器1421、量化器1422、和选择器1423响应于高电平选择信号HSEL而开始操作，并且与时钟信号CLK同步地操作。

积分器1421起到LPF的作用，并输出用于指明积分结果的信号SOUT到量化器1422。

量化器1422使用预定的阈值电平VTHL来量化从积分器1421输出的信号SOUT，并将指明量化结果的信号HSIG输出到选择器1423和随后级中的抽选滤波器(未示出)。

当信号SOUT的电平高于阈值电平VTHL时，量化器1422将输出信号HSIG设置为值“1”。当信号SOUT的电平低于阈值电平VTHL时，量化器1422将输出信号HSIG设置为值“0”。

选择器1423根据量化器1422的输出信号HSIG的值而设置选择控制信号ISEL1至ISEL3中的每一个的电平，信号ISEL1至ISEL3用于控制电流源141B中的MOS开关SW1至SW3的导通/截止。

图8是示出了根据本实施例的在Δ∑调制器142B的量化器1422的输出与选择器1423的选择控制信号的设置电平之间的关系的图。

在本实施例中，在初始状态下，选择器1423将两个选择控制信号ISEL1和ISEL2设置到高电平(“H”)，并将选择控制信号ISEL3设置到低电平(“L”)，如图8所示。

在初始状态下，电流源141B中的MOS开关SW1和SW2导通，而MOS开关SW3截止。因此，负载MOS晶体管LT1和至LT2并联连接到像素输出信号线VSL，使得两个电流源连接到单位像素中的放大器晶体管113以构成源极跟随器。换言之，在初始状态下，选择器1423选择并控制负载MOS晶体管，以便获得两个晶体管的驱动电流量。

参考图8，当量化器1422的输出指明“1”时，选择器1423将三个选择控制信号ISEL1至ISEL3设置到高电平(“H”)。

当量化器1422的输出指明“1”时，电流源141B中的MOS开关SW1至SW3导通。因此，负载MOS晶体管LT1至LT3并联连接到像素输出信号线VSL，从而三个电流源连接到单位像素中的放大器晶体管113以构成源极跟随器。换言之，当量化器1422的输出指明“1”时，选择器1423选择并控制负载MOS晶体管，以便获得三个晶体管的驱动电流量。

参考图8，当量化器1422的输出指明“0”时，选择器1423将选择控制信号ISEL1设置到高电平(“H”)，并将两个选择控制信号ISEL2和ISEL3设置到低电平(“L”)。

当量化器1422的输出指明“0”时，在电流源141B中，MOS开关SW1导通，而MOS开关SW2和SW3截止。因此，负载MOS晶体管LT1并联连接到像素输出信号线VSL，从而单个电流源连接到单位像素中的放大器晶体管113以构成源极跟随器。换言之，当量化器1422的输出指明“0”时，选择器1423选择并控制负载MOS晶体管，以便获得一个晶体管的驱动电流量。

在具有上述结构的像素信号处理单元14B中，来自像素输出信号线VSL的输出被供应到构成了Δ∑调制器142B的积分器1421。从积分器1421输出的信号SOUT被供应到量化器1422。通过量化器1422进行量化获得的像素输出信号被作为信号HSIG供应到随后级中的抽选滤波器中，并也反馈到选择器1423，来控制负载MOS晶体管的驱动电流量。这种配置实现了Δ∑模数转换器。

图9是用于说明在图7中的像素信号处理单元14B的操作的时序图。

在选择信号HSEL变成高之前的初始状态下，选择器1423将两个选择控制信号ISEL1和ISEL2设置到高电平(“H”)，并将选择控制信号ISEL3设置到低电平(“L”)。因此，在电流源141B中，MOS开关SW1和SW2导通，MOS开关SW3截止。换言之，在初始状态下，选择器1423选择并控制负载MOS晶体管，以便获得两个晶体管的驱动电流量。

在这个示例中，当选择信号HSEL变成高时，积分器1421、量化器1422、和选择器1423开始操作。量化器1422的输出信号HSIG响应于积分器1421的输出信号SOUT变化(图9中在“SOUT”上的虚线指示量化器1422的阈值电平VTHL)。

当从量化器1422收到例如指明“1”的信号HSIG时，选择器1423在下一个时钟周期中将三个选择控制信号ISEL1至ISEL3设置到高电平“H”，以降低像素输出信号线VSL的电平。因此，电流源141B中的MOS开关SW1至SW3导通。换言之，当量化器1422的输出指明“1”时，选择器1423选择并控制负载MOS晶体管，以便获得三个晶体管的驱动电流量。

另一方面，当量化器1422的输出信号HSIG指明“0”时，选择器1423仅仅将选择控制信号ISEL1设置到高电平(“H”)，以便提高像素输出信号线VSL的电平。结果，在电流源141B中仅MOS开关SW1导通。换言之，当量化器1422的输出指明“0”时，选择器1423选择并控制负载MOS晶体管，以便获得一个晶体管的驱动电流量。

上述的反馈实现了Δ∑模数转换器。

如上所述，图7中的配置可以实现Δ∑模数转换器。有利地，可以实现具有列并列高精度模数转换器的固态成像设备。

在图7的示例中，使用了一阶积分器和1位量化器。要控制的选择器的数目和负载MOS晶体管的数目可以根据积分器的阶和量化器的位数来改变。积分器可具有开关电容器电路系统或RC电路系统。

图10图示了根据本发明实施例的第二具体示例的单位像素的结构和像素信号处理单元的结构。

图7的第一示例和图10的第二示例之间的差别在于：像素输出信号线VSL的输出被暂时供应到包括MOS晶体管15的源极跟随器15S，其充当另一传输路径的一部分，并且源极跟随器15S连接到电流源141B，从而改变流到MOS晶体管15的负载MOS晶体管的驱动电流量。

具体地，MOS晶体管15的源极连接到构成电流源141B中的MOS开关SW1至SW3的MOS晶体管的漏极的每一个。MOS晶体管15的漏极连接到供电电压源VDD，而其栅极连接到像素输出信号线VSL。此外，充当电流源的MOS晶体管16的漏极连接到像素输出信号线VSL以及MOS晶体管15的栅极。MOS晶体管16的源极连接到参考电势(在本实施例中为地电势GND)，并且其栅极连接到偏置信号供应线VBIASL11。

电流源141B中的负载MOS晶体管LT1至LT3的栅极连接到偏置信号供应线VBIASL12。

使用上述结构的原因如下。

由于通常在像素阵列12的垂直方向上(沿着列)安排每个像素输出信号线VSL，所以许多单位像素11连接到每个像素输出信号线VSL。

因此，在某些情况下，像素输出信号线VSL具有几皮法的寄生电容。当图4、6或7中所示的负载MOS晶体管的驱动电流量改变时，源极跟随器输出的稳定(settling)特征可能恶化。

为了防止该恶化，像素输出信号线VSL的输出被暂时供应到源极跟随器15S，并且改变了负载MOS晶体管的到源极跟随器15S的驱动电流量，从而实现了上述反馈。

即使在寄生元件被连接到每个像素输出信号线VSL的固态成像设备中，图10的排列也可以实现Δ∑模数转换器。有利地，可以实现具有列并列高精度模数转换器的固态成像设备。

可以使用具有上述优点的成像设备10作为包括在数字照相机或摄像机中的固态成像设备。

图11图示了根据本发明实施例的成像设备所应用到的照相机系统的结构。

参考图11，照相机系统300包括：成像装置310；光学系统，用于允许入射光进入成像装置310的像素区域(在像素区域中形成对象图像)，其例如为用于将入射光(图像光)聚焦到成像装置310的成像表面上的镜头320；驱动电路(DRV)330，用于驱动成像装置310；以及图像处理器(PRC)340，用于处理成像装置310的输出信号。

上述成像设备10可用作图11中的成像装置310。

驱动电路330包括用于生成各种定时信号的定时发生器(未示出)，其中定时信号诸如为用于驱动水平移位寄存器和垂直移位寄存器的开始脉冲和时钟脉冲，并使用预定的定时信号驱动成像装置310。

本照相机系统300可以获得与上述实施例相同的优点。有利地，可以实现高分辨率高精度的照相机，其能够实现用于实行高帧速率或处理增加数目的像素的高速操作，而没有导致功耗的增加且不需要改善元件的精度。

本领域的技术人员应该理解，取决于设计需要和其它因素，可以存在各种修改、组合、子组合、和替换，只要它们处于所附权利要求或其等效的范围内即可。

Claims (17)

1.一种成像设备，包括：

像素，其输出信号电荷作为像素信号，所述信号电荷通过成像获得；

电流源，连接到像素信号的传输路径，该电流源具有可变电流；以及

信号处理电路，其对取决于到传输路径的输出信号的信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流。

2.根据权利要求1的设备，其中

该像素包括构成源极跟随器的放大器晶体管，其将信号电荷作为像素信号输出到传输路径；

该电流源包括多个负载晶体管和多个开关，使用预定的偏置信号来偏置所述负载晶体管的栅极，所述负载晶体管的源极并联连接到预定电势，每个开关连接在对应负载晶体管的漏极与传输路径之间；以及

所述信号处理电路根据对通过该传输路径传送的像素信号的处理结果来选择性地导通电流源中的开关。

3.根据权利要求1的设备，其中

该像素包括构成源极跟随器的放大器晶体管，其将信号电荷作为像素信号输出到传输路径；

该电流源包括负载晶体管和多个开关，所述负载晶体管的源极连接到预定电势，所述多个开关连接到负载晶体管的栅极、并分别连接到不同的偏置信号供应线；以及

所述信号处理电路根据对通过该传输路径传送的像素信号的处理结果来选择性地导通电流源中的开关。

4.根据权利要求1的设备，其中

该信号处理电路包括：

积分器，对通过传输路径传送的像素信号进行积分；

量化器，对积分器的输出信号进行量化；以及

选择器，根据量化器的量化结果来改变电流源的电流。

5.根据权利要求2的设备，其中

该信号处理电路包括：

积分器，对通过传输路径传送的像素信号进行积分；

量化器，对积分器的输出信号进行量化；以及

选择器，根据量化器的量化结果来选择性地导通电流源中的开关。

6.根据权利要求3中的设备，其中

该信号处理电路包括：

积分器，对通过传输路径传送的像素信号进行积分；

量化器，对积分器的输出信号进行量化；以及

选择器，根据量化器的量化结果来选择性地导通电流源中的开关。

7.根据权利要求4的设备，其中

该量化器比较通过积分器获得的积分信号的电平和预定阈值电平，并将比较结果输出到该选择器；以及

该选择器改变电流源的电流，使得当积分信号的电平高于该阈值电平时，降低传输路径的电平，而当积分信号的电平低于该阈值电平时，提高传输路径的电平。

8.根据权利要求5的设备，其中

该量化器比较通过积分器获得的积分信号的电平和预定阈值电平，并将比较结果输出到选择器；以及

该选择器选择性地导通电流源中的开关，使得当积分信号的电平高于该阈值电平时，降低传输路径的电平，而当积分信号的电平低于该阈值电平时，提高传输路径的电平。

9.根据权利要求6的设备，其中

该量化器比较通过积分器获得的积分信号的电平和预定阈值电平，并将比较结果输出到该选择器；以及

该选择器选择性地导通电流源中的开关，使得当积分信号的电平高于该阈值电平时，降低传输路径的电平，而当积分信号的电平低于该阈值电平时，提高传输路径的电平。

10.根据权利要求7或8的设备，其中

所述传输路径包括像素输出信号线，其连接到像素中的放大器晶体管的源极并连接到电流源。

11.根据权利要求7或8的设备，其中

所述传输路径包括：

像素输出信号线，连接到像素中的放大器晶体管的源极；以及

源极跟随器晶体管，该源极跟随器晶体管的栅极连接到像素输出信号线，其源极连接到电流源。

12.一种成像设备，包括：

像素阵列，包括排列成矩阵的多个像素，每个像素输出信号电荷作为像素信号，所述信号电荷通过成像获得；以及

多个像素信号处理单元，为该像素阵列的各个列排列，其中

每个像素信号处理单元包括：

电流源，连接到像素信号的传输路径，该电流源具有可变电流；以及

信号处理电路，其对取决于到传输路径的输出信号的信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流。

13.根据权利要求12的设备，其中

所述信号处理电路包括：

积分器，对通过传输路径传送的像素信号进行积分；

量化器，对积分器的输出信号进行量化；以及

选择器，根据量化器的量化结果来改变电流源的电流。

14.根据权利要求13的设备，其中

该量化器比较通过积分器获得的积分信号的电平和预定阈值电平，并将比较结果输出到该选择器；以及

该选择器改变电流源中的电流，使得当积分信号的电平高于该阈值电平时，降低传输路径的电平，而当积分信号的电平低于该阈值电平时，提高传输路径的电平。

15.根据权利要求14的设备，其中

所述传输路径包括像素输出信号线，其连接到像素中的放大器晶体管的源极并连接到电流源。

16.根据权利要求14的设备，其中

所述传输路径包括：

像素输出信号线，连接到像素中的放大器晶体管的源极；以及

源极跟随器晶体管，该源极跟随器晶体管的栅极连接到像素输出信号线，其源极连接到电流源。

17.一种照相机，包括：

成像设备，以及

光学系统，在成像设备上形成对象图像；其中

所述成像设备包括：

像素阵列，包括排列成矩阵的多个像素，每个像素输出信号电荷作为像素信号，所述信号电荷通过成像获得；以及

多个像素信号处理单元，为该像素阵列的各个列排列，并且

每个像素信号处理单元包括：

电流源，连接到像素信号的传输路径，该电流源具有可变电流；以及

信号处理电路，其对取决于到传输路径的输出信号的信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流。

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