CN101212581A - 固态图像传感器及成像系统 - Google Patents
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Abstract
每个像素包括光电转换器、传输开关、电荷－电压变换节点、放大器、以及控制开关。固态图像传感器包括通过像素的控制开关控制每个像素的电荷－电压变换节点的电压的电压控制器。由电压控制器通过控制开关在电荷－电压变换节点处所设的电压包括用于将像素设定为选中状态的第一电压(VD_1)、以及用于将像素设定为非选中状态的第二电压(VD_2)。电压控制器和每个像素的控制开关，通过使用水平扫描期间的至少一部分，将每个像素的电荷－电压变换节点的电压设定为第二电压(VD_2)。
Description
技术领域
[0001]本发明涉及固态图像传感器和包括它的成像系统。
背景技术
[0002]固态图像传感器，诸如CMOS图像传感器，已被研究以减少形成像素的元件(比如，MOS晶体管)的数目，以减小像素的尺寸。作为一种方法，日本专利申请公开第2004-343529号提出了一种结构，其中省略了用于选择像素的选择晶体管。在该结构中，通过控制被耦合到放大器MOS晶体管的栅极的浮动扩散区(floatingdiffusion，下文中称为FD)的电压来选择像素。在日本专利申请公开第2004-343529号所述的结构中，FD电压在读出期间被复位，在该读出期间，信号被从每个像素读出到排列在每列上的列电路。该读出期间为水平消隐期间(horizontal blanking period)。
[0003]在固态图像传感器中，在读出期间(水平消隐期间)变得更长时，帧率降低。根据该像素选择方法，在选中的行上像素的FD电压需要被设定得高，而在未选中的行上的像素的FD电压需要被设定得低。在属于选中行的像素读出信号之前，低电压(选择失效电压，selection disable voltage)需要被施加到所有像素的FD上。然后，高电压(选择使能电压，selection enable voltage)需要被施加到选中行上的像素的FD上。
[0004]用较长的时间以将整个供电线路(voltage supplying line)的电压设定为选择失效电压电平。如果该时间很长，这就意味着像素选择失效期间占据了从所有像素中读出信号所用时间的更大部分。这个问题在要求高帧率的应用中，或者在成像平面变大而增加了供电线路的电阻或寄生电容的情况中，更为严重。特别是，HD(高清晰度)标准要求每秒输出60帧，并且对于解决该问题提出了强烈要求。
发明内容
[0005]本发明用于克服传统方法的缺点，其目的是提供有利于信号的高速读出的固态图像传感器。
[0006]本发明的第一方面提供一种固态图像传感器，包括：二维地排列着多个像素的像素阵列；选择像素阵列的行的垂直扫描电路；以及选择像素阵列的列的水平扫描电路。每个像素包括：光电转换器、传输开关、电荷-电压变换节点(charge-voltage conversion node)、放大器、以及控制开关。传输开关将电荷从光电转换器传输到电荷-电压变换节点。放大器将与被传输到电荷-电压变换节点的电荷所对应的信号输出到像素所属列的垂直信号线。控制开关控制电荷-电压变换节点的电压。固态图像传感器包括通过像素的控制开关控制每个像素的电荷-电压变换节点的电压的电压控制器。由电压控制器通过控制开关在电荷-电压变换节点处所设的电压包括用于将像素设定为选中状态的第一电压、以及用于将像素设定为非选中状态的第二电压。电压控制器和每个像素的控制开关，通过使用水平扫描期间的至少一部分，来将每个像素的电荷-电压变换节点电压设定为第二电压。
[0007]本发明的第二方面提供一种成像系统，该系统包括：如上所述的固态图像传感器；以及处理由固态图像传感器输出的信号的信号处理电路。
[0008]本发明另外的特点将通过参考附图对下列实施方案进行的说明而变得更加明显。
附图说明
[0009]图1为电路图，其示意性地显示了根据本发明优选实施方案所述的固态图像传感器的结构；
[0010]图2为时序图，其显示了对比操作示例；
[0011]图3为时序图，其显示了根据本发明优选实施方案所述的操作示例；
[0012]图4为电路图，其显示了根据修改方案所述的像素结构；
[0013]图5为电路图，其显示了根据另一修改方案所述的像素结构；
[0014]图6为电路图，其显示了根据又一修改方案所述的像素结构；
[0015]图7为框图，其显示了用于在固态图像传感器中产生控制信号PVD的控制信号产生电路的结构；
[0016]图8为时序图，其显示了图7中的控制信号产生电路中信号的改变；以及
[0017]图9为框图，其显示了成像系统的构造。
具体实施方式
[0018]下面将参考附图对本发明的优选实施方案进行描述。
[0019]图1为电路图，其示意性地显示了根据本发明优选实施方案所述的固态图像传感器的结构。根据本发明优选实施方案所述的固态图像传感器100包括：二维地排列着多个像素101的像素阵列90；选择像素阵列90的行的垂直扫描电路140；以及选择像素阵列90的列的水平扫描电路150。固态图像传感器100包括列放大器160和电容单元170，它们被排列在像素阵列90的各个列上。固态图像传感器100还包括输出放大器120，用于放大从由水平扫描电路150选中的列的电容单元输入的信号。
[0020]在图1所示实例中，像素阵列90只由排成两行×两列的4个像素101组成。实际的像素阵列90可以由更多的像素101组成。每个像素101包括光电转换器102、传输开关103、放大器105、以及控制开关(复位开关)106。
[0021]光电转换器102将入射光光电地转换为电荷。光电转换器102一般由光电二极管构成。传输开关103将电荷从光电转换器102传输到电荷-电压变换节点104。传输开关103一般由MOS晶体管构成。传输开关103响应由垂直扫描电路140所驱动的传输脉冲PTX的激活，将电荷从光电转换器102传输到电荷-电压变换节点104。电荷-电压变换节点104具有电容，并且通过该电容将电荷转换成电压。电荷-电压变换节点104一般包括形成于半导体衬底中的浮动扩散区(FD)。放大器105将与被传输到电荷-电压变换节点104的电荷相对应的信号输出到目标像素所属列的垂直信号线109。放大器105一般由MOS晶体管(放大器MOS晶体管)构成，并且其栅极被耦合到电荷-电压变换节点104。控制开关106对电荷-电压变换节点104的电压进行控制或复位。控制开关106一般由MOS晶体管(复位MOS晶体管)构成。控制开关106响应由垂直扫描电路140所驱动的复位信号PRES的激活而被开启，并控制电荷-电压变换节点104的电压。
[0022]像素101被定义为包括光电转换器102、传输开关103、电荷-电压变换节点104、放大器105、以及控制开关(复位开关)106的电路。在此情况下，至少两个像素还可以共享电荷-电压变换节点104、放大器105、以及控制开关106中的至少一个。
[0023]在图1所示实例中，构成放大器105的放大器MOS晶体管的漏极、以及构成控制开关106的复位MOS晶体管的漏极可以被耦合到供电线路108。供电线路108的电压由电压控制器130驱动。
[0024]垂直信号线109被耦合到恒流源110。源极跟随器电路(source follower circuit)包括恒流源110和放大器MOS晶体管，该放大器MOS晶体管构成属于选中列的像素101的放大器105。
[0025]在图1所示实例中，图1中下方的列放大器160放大通过奇数列上的垂直信号线109读出的信号。图1中上方的列放大器160(未显示)放大通过偶数列上的垂直信号线109读出的信号。
[0026]在第一实施方案中，由电压控制器130通过控制开关106在电荷-电压变换节点104处所设的电压包括用于将像素设定为选中状态的第一电压VD_1、以及用于将像素设定为非选中状态的第二电压VD_2。电压控制器130和每个像素101的控制开关106通过使用水平扫描期间的至少一部分来将每个像素101的电荷-电压变换节点104的电压设定为第二电压VD_2。当复位信号PRES激活后的电压电平比供电线路108的电压电平低控制开关106的阈值电压时，在MOS晶体管上可能发生电压降。复位信号PRES和电压供给线108的电压电平被确定以防止电压降。
[0027]当放大器105由NMOS晶体管构成时，第一电压VD_1被设定得比第二电压VD_2更高。当放大器105由PMOS晶体管构成时，第一电压被设定得比第二电压更低。
[0028]电压控制器130根据电压切换信号PVD将供给到供电线路108的电压在第一电压VD_1和第二电压VD_2之间切换。电压控制器130包括，比如，第一传输门131、第二传输门132、和反相器133。第一传输门131的输入接收第一电压VD_1，而第二传输门132的输入接收第二电压VD_2。第一传输门131和第二传输门132的输出被耦合到供电线路108。当电压切换信号PVD为高电平时，第一传输门131开启，第一电压VD_1被供给到供电线路108。当电压切换信号PVD为低电平时，第二传输门132开启，第二电压VD_2被供给到供电线路108。
[0029]列放大器160包括，比如，差分放大器112、输入电容113、反馈电容114、和箝位控制开关115。本例中，列放大器160可以获得的反相增益为输入电容113与反馈电容114之比。
[0030]当与像素的复位状态相对应的噪声电平(N输出)被输出到垂直信号线109时，箝位脉冲PCLMP只在预定期间为高电平。当箝位脉冲PCLMP为高电平时，从列放大器160输出的信号变得等于施加在差分放大器112的同相输入端上的参考电压VREF。在箝位脉冲PCLMP回到低电平之后，写信号PTN只在预定期间为高电平。因此，与像素101的复位状态相对应的噪声电平(N输出)通过写开关117n被写入保持电容118n。
[0031]然后，传输脉冲PTX被激活以只在预定期间开启传输开关103。由此，光电转换器102中的电荷通过传输开关103被传输到电荷-电压变换节点104。放大器105将与被传输到电荷-电压变换节点104的电荷对应的信号输出到垂直信号线109。列放大器160输出信号电平(S输出)，该信号电平是通过对从箝位脉冲PCLMP为低电平时的电压起的电压变化施加上述反相增益而生成的。写信号PTS只在预定期间为高电平，并且信号电平(S输出)通过写开关117s被写入保持电容118s。
[0032]在水平扫描期间，通过水平扫描输出像素信号。即，由水平扫描电路150顺序选中的列的噪声电平(N输出)和信号电平(S输出)从保持电容118n和118s被输出到输出放大器(差分放大器)120。输出放大器(差分放大器)120计算并输出信号电平(S输出)与噪声电平(N输出)之间的差分。
[0033]垂直扫描电路140扫描被选中的行，并重复读出操作，从像素阵列90的所有行都获得读出输出。
[0034]要注意的是，电源电压可以被设为，比如，3.3V；第一电压VD_1的高电平可以被设为，比如，3.3V；而第二电压VD_2可以被设为，比如，0.3V到1.0V。
[0035]现在将说明图1中所示固态图像传感器100的操作。作为对比实例，将参考图2，说明未选中的行上的像素101的电荷-电压变换节点104在像素读出期间(水平消隐期间)被复位的情况。像素读出期间是信号被列放大器160通过垂直信号线109从像素阵列90读出、并被存储于电容单元170中的期间，即，其为水平扫描期间之间的期间。因此，像素读出期间等价于水平消隐期间。
[0036]PRES(n)和PRES(n+1)表示用于控制由垂直扫描电路140所驱动的第n行和第(n+1)行上的像素的复位信号PRES。PTX(n)和PTX(n+1)表示用于控制由垂直扫描电路140所驱动的第n行和第(n+1)行上的像素的传输脉冲PTX。假设像素101中的所有MOS晶体管为NMOS晶体管。
[0037]在像素选择失效操作期间，电压切换信号PVD变为低电平，以将选择失效第二电压VD_2供给到供电线路108。垂直扫描电路140将所有行的复位信号PRES(n)和PRES(n+1)激活到高电平。由此，第二电压VD_2通过供电线路108和控制开关106被施加到像素阵列90中所有像素的电荷-电压变换节点104。所有像素的电荷-电压变换节点104被复位到第二电压VD_2。
[0038]在像素选择使能操作期间，未选中的行的复位信号PRES(n+1)变为低电平，并且未选中行上的像素101的控制开关(复位开关)106被关断。电压切换信号PVD变为高电平以将像素选择第一电压VD_1供给到供电线路108。然后，供电线路108的电压变为第一电压VD_H。在此时，选中的行的复位信号PRES(n)保持为高电平。从而，第一电压VD_1通过供电线路108和控制开关106被施加到选中的行上的像素101的电荷-电压变换节点104。选中行上的像素101的电荷-电压变换节点104被复位为第一电压VD_1。在此时，选中的行上的像素101将与像素复位状态相对应的信号输出到垂直信号线109。
[0039]如上所述，当与第n行上的每个像素101的像素复位状态相对应的信号(复位信号)被输出到垂直信号线109时，箝位脉冲PCLMP只在预定期间为高电平。在此之后，箝位脉冲PCLMP回到低电平，并且写信号PTN只在预定期间为高电平。与像素101的复位状态相对应的噪声电平(N输出)通过写开关117n被写入保持电容118n。
[0040]然后，传输脉冲PTX(n)被激活，以只在预定期间开启传输开关103。由此，光电转换器102中的电荷通过传输开关103被传输到电荷-电压变换节点104。与电荷相对应的信号被输出到垂直信号线109。列放大器160输出信号电平(S输出)，该信号电平是通过对从箝位脉冲PCLMP为低电平时的电压起的电压变化施加上述反相增益而生成的。写信号PTS只在预定期间为高电平，且信号电平(S输出)通过写开关117s被写入保持电容118s。
[0041]在水平扫描期间，完成对第n行的水平扫描操作。即，由水平扫描电路150顺序选中的列的噪声电平(N输出)和信号电平(S输出)从保持电容118n和118s被输出到输出放大器(差分放大器)120。输出放大器(差分放大器)120计算并输出信号电平(S输出)与噪声电平(N输出)之间的差分。
[0042]根据该对比实例，在水平消隐期间执行将行设为非选中状态的操作。这延长了水平消隐期间，不利于信号的高速读出。
[0043]作为本发明优选实施方案中的操作实例，将参考图3，说明未选中的行上的像素101的电荷-电压变换节点104在水平扫描期间被复位的情况。
[0044]在本发明的优选实施方案中，如图3中所示，在第n行上的像素的水平扫描期间的至少一部分期间，电压切换信号PVD变为低电平，以将选择失效第二电压VD_2供给到供电线路108。垂直扫描电路140将所有行的复位信号PRES(n)和PRES(n+1)激活到高电平。由此，第二电压VD_2通过供电线路108和控制开关106被施加到像素阵列90中所有像素的电荷-电压变换节点104。即，在水平扫描期间的至少一部分期间，所有像素的电荷-电压变换节点104被复位到第二电压VD_2。
[0045]在接下来的第(n+1)行的像素读出期间，电压切换信号PVD变为高电平，以将像素选择第一电压VD_1供给到供电线路108。在第(n+1)行的像素读出期间，未选中的行的复位信号PRES(n)被无效化(deactivate)为低电平，而选中的行的复位信号PRES(n+1)只在预定期间被激活为高电平。然后，未选中的行上的像素101的控制开关106被关断，而选中的行上的像素101的控制开关106只在预定期间被开启。选中的第(n+1)行上的像素101的电荷-电压变换节点104通过供电线路108和控制开关106接收第一电压VD_1，并被复位为第一电压VD_1。
[0046]如上所述，当与第(n+1)行上的每个像素101的像素复位状态相对应的信号(复位信号)被输出到垂直信号线109时，箝位脉冲PCLMP只在预定期间为高电平。在此之后，箝位脉冲PCLMP回到低电平，并且写信号PTN只在预定期间变为高电平。与像素101的复位状态相对应的噪声电平(N输出)通过写开关117n被写入保持电容118n。
[0047]然后，传输脉冲PTX(n+1)被激活，以只在预定期间开启传输开关103。由此，光电转换器102中的电荷通过传输开关103被传输到电荷-电压变换节点104。与电荷相对应的信号被输出到垂直信号线109。列放大器160输出信号电平(S输出)，该信号电平是通过对从箝位脉冲PCLMP为低电平时的电压起的电压变化施加上述反相增益而生成的。写信号PTS只在预定周期内变为高电平，并且信号电平(S输出)通过写开关117s被写入保持电容118s。
[0048]在水平扫描期间，完成对第(n+1)行的水平扫描操作。即，由水平扫描电路150顺序选中的列的噪声电平(N输出)和信号电平(S输出)从保持电容118n和118s被输出到输出放大器(差分放大器)120。输出放大器(差分放大器)120计算并输出信号电平(S输出)与噪声电平(N输出)之间的差分。
[0049]通过在水平扫描期间复位非选中行上的像素101的电荷-电压变换节点104，水平消隐期间与对比实例相比可以被缩短以便以更高速度读出信号。因此，比如，帧率可以提高。
[0050]在图3中所示实例中，每个像素的控制开关106从整个水平扫描期间的开始到结束一直开启。在整个期间，电压控制器130通过像素的控制开关106将每个像素的电荷-电压变换节点104驱动为第二电压。这可以防止选择失效操作干扰水平扫描，更确切地说，防止由选择失效操作产生的噪声在水平扫描期间混合在特定列上的像素的信号中。可以防止产生固定模式噪声。
[0051]电压切换信号PVD还可以被供给自固态图像传感器100的外部，或者产生自固态图像传感器100的内部。在前一种情况中，电路结构可以被简化以减小芯片尺寸。在后一种情况中，焊盘的数目可以被减少以缩小安装板(mounting board)的规模。
[0052]图7为框图，其显示了用于在固态图像传感器100中产生控制信号PVD的控制信号产生电路的结构。图8为时序图，其显示了控制信号产生电路中信号的改变。水平扫描电路150由移位寄存器构成。水平扫描电路150依照扫描脉冲(扫描时钟)PH，接收作为脉冲信号的扫描开始信号PHST，并且依照扫描脉冲(扫描时钟)PH对脉冲信号进行移位。在将脉冲信号移位到末级(final stage)之后，水平扫描电路150输出扫描结束信号Dend。锁存器电路152产生电压切换信号PVD，该电压切换信号PVD响应扫描开始信号PHST的激活而变为高电平并且响应扫描结束信号Dend的激活而变为低电平。
[0053]在图1中所示的像素101中，供电线路108被公共地耦合到控制开关(复位MOS晶体管)106和放大器(放大器MOS晶体管)105的漏极。本发明还可以采用下列修改方案来代替该结构。图4为电路图，其显示了根据第一修改方案所述的像素结构。在该修改方案中，控制开关(复位MOS晶体管)106的漏极被耦合到垂直信号线109’。在该结构实例中，电压控制器130足以驱动垂直信号线109’。当来自像素101的信号被输出到垂直信号线109’时，电压控制器130需要与垂直信号线109’电断开。耦合到放大器105漏极的供电线路108’的电压被固定。
[0054]本发明还可被应用于以下结构中，其中多个光电转换器102共享传输开关103、控制开关106、放大器105、以及电荷-电压变换节点104中至少一个。
[0055]在图5中所示的第二修改方案中，两个光电转换器102a和102b共享放大器105和控制开关106。传输开关103a和103b与光电转换器102a和102b相对应地配置。
[0056]同样在图6中所示的第三修改方案中，两个光电转换器102a和102b类似地共享放大器105和控制开关106。传输开关103a和103b与光电转换器102a和102b相对应地配置。
[0057]图9为框图，其显示了根据本发明优选实施方案所述的成像系统的原理构造。成像系统400包括上述固态图像传感器100。
[0058]镜头1002在固态图像传感器100的成像平面(imagingplane)上形成物体的光学图像。镜头1002的外表面被覆盖了镜头盖(barrier)1001，用于保护镜头1002且还作为主开关(main switch)。镜头1002具有光圈1003以调整镜头1002的透光量。信号处理电路1005执行各种处理，诸如对从固态图像传感器100输出的成像信号的校正和箝位。A/D转换器1006对从信号处理电路1005输出的成像信号进行模数转换。信号处理器1007执行各种处理，诸如对从A/D转换器1006输出的图像数据的校正和数据压缩。固态图像传感器100、信号处理电路1005、A/D转换器1006以及信号处理器1007根据由定时发生器(timing generator)1008所产生的定时信号来工作。
[0059]模块1005到1008还可以与固态图像传感器100形成于同一芯片上。总控制/操作单元1009控制成像系统400的模块。成像系统400包括用于临时存储图像数据的存储器1010、以及用于在记录介质上记录图像或者从记录介质上读出图像的记录介质控制接口1011。记录介质1012包括半导体存储器等，并且是可拆卸的。成像系统400可以包括外部接口(I/F)1013，其用于与外部计算机等进行通信。
[0060]现在将对图9中所示成像系统400的操作进行描述。响应于镜头盖1001的打开，主电源、控制系统的电源、以及包括A/D转换器1006的成像电路的电源被顺序开启。为了控制曝光，总控制/操作单元1009将光圈1003设为全孔径状态(full-aperture state)。输出自固态图像传感器100的信号经过信号处理电路1005进入A/D转换器1006。A/D转换器1006对信号进行A/D转换并将其输出到信号处理器1007。信号处理器1007处理数据并将其供给到总控制/操作单元1009。总控制/操作单元1009计算并确定曝光量。总控制/操作单元1009基于所确定的曝光量控制光圈。
[0061]总控制/操作单元1009从由固态图像传感器100输出并被信号处理器1007处理的信号中提取出高频分量。总控制/操作单元1009基于高频分量计算到物体的距离。总控制/操作单元1009驱动镜头1002以确定物体是否焦点对准(in focus)。如果总控制/操作单元1009确定物体未焦点对准，它就再次驱动镜头1002以计算距离。
[0062]在确认物体焦点对准之后，开始实际曝光。在曝光结束之后，输出自固态图像传感器100的成像信号受到图像处理电路1005的校正等处理，被A/D转换器1006进行A/D转换，并被信号处理器1007进行处理。信号处理器1007所处理的图像数据被总控制/操作单元1009存储在存储器1010中。
[0063]存储在存储器1010中的图像数据，在总控制/操作单元1009的控制下，通过记录介质控制I/F被记录在记录介质1012上。图像数据可以通过外部I/F 1013被提供给计算机等，并被它处理。
[0064]虽然已经参考典型实施方案描述了本发明，但是要理解本发明并不受所揭示的典型实施方案的限制。应根据所附权利要求的范围进行最广义的解释，以涵盖所有这样的修改方案以及等价结构和功能。
Claims (7)
1.一种固态图像传感器，包括：二维地排列着多个像素的像素阵列；选择像素阵列的行的垂直扫描电路；以及选择像素阵列的列的水平扫描电路，每个像素包括：光电转换器；将电荷从光电转换器传输到电荷-电压变换节点的传输开关；将与被传输到电荷-电压变换节点的电荷相对应的信号输出到像素所属列的垂直信号线的放大器；以及控制电荷-电压变换节点的电压的控制开关，该传感器包括：
通过每个像素的控制开关控制每个像素的电荷-电压变换节点的电压的电压控制器，
其中，由所述电压控制器通过控制开关在电荷-电压变换节点处所设置的电压包括用于将像素设定为选中状态的第一电压、以及用于将像素设定为非选中状态的第二电压，并且
所述电压控制器和每个像素的控制开关，通过使用水平扫描期间的至少一部分，将每个像素的电荷-电压变换节点电压设定为第二电压。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中控制开关由复位MOS晶体管构成。
3.根据权利要求2所述的传感器，其中，放大器由放大器MOS晶体管构成，并且设置在一个像素中的放大器MOS晶体管的漏极和复位MOS晶体管的漏极被电耦合。
4.根据权利要求2所述的传感器，其中，放大器由放大器MOS晶体管构成，并且设置在一个像素中的放大器MOS晶体管的源极和复位MOS晶体管的漏极被电耦合。
5.根据权利要求1所述的传感器，其中至少两个像素共享一个放大器、一个电荷-电压变换节点、和一个控制开关中的至少一个。
6.根据权利要求1所述的传感器，其中，每个像素的控制开关从整个水平扫描期间的开始到结束一直开启，并且在整个期间，所述电压控制器通过每个像素的控制开关以第二电压驱动每个像素的电荷-电压变换节点。
7.一种成像系统，包括：
如权利要求1到6中任一项所述的固态图像传感器；以及
处理由所述固态图像传感器输出的信号的信号处理电路。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20121212 Termination date: 20171228 |