CN101237519B - 放大型固体摄像装置 - Google Patents

Abstract

本发明的放大型固体摄像装置具有：多个具有埋入型光电二极管(1)和传送晶体管(2)的光电转换部(10)；开关电容器放大器部(20)，输入侧与多个光电转换部(10)的输出端子共同地连接的电荷检测节点(8)连接；连接在开关电容器放大器部(20)与垂直信号线(9)之间的电流放大器部(21)。利用开关电容器放大器部(20)将来自所述多个光电转换部(10)的信号电荷转换为电压，利用电流放大器部(21)对该被转换的信号进行电流放大并输出到垂直信号线(9)中。由此，可削减平均每1个像素的晶体管数量从而谋求像素尺寸的小型化，并且可获得噪声较少的高画质的图像。

Description

放大型固体摄像装置

技术领域

本发明涉及放大型固体摄像装置，特别涉及如下的放大型固体摄像装置：具有多个像素，分别对来自所述各像素的信号进行放大，对于所述各像素，向共同的信号线输出，其中该像素具有光电转换元件和对该光电转换元件的信号电荷进行传送的传送晶体管。

背景技术

一般地，作为放大型固体摄像装置，如下的放大型固体摄像装置正在普及：具有像素部和配置在该像素部的周边的扫描电路，利用该扫描电路从像素部读取像素数据，其中该像素部具有放大功能。特别是，公知如下的APS(Active Pixel Sensor：有源像素传感器)型图像传感器，其由有利于像素部与周边的驱动电路以及信号处理电路进行一体化的CMOS(Complementary Metal-oxide Semiconductor：互补金属氧化物半导体)构成。

所述APS型图像传感器通常在一个像素内包括光电转换部、放大部、像素选择部以及复位部。因此，为了构成APS型图像传感器，通常将3个～4个MOS型晶体管(Tr)使用于除了由光电二极管构成的光电转换部以外，但是，若平均每1个像素设置3～4个MOS晶体管，则在像素尺寸的小型化上成为制约。所以，一个放大部共有多个光电转换部来减少平均每个像素的晶体管的数量的技术是有用的，此时，所共有的光电转换部的数目越多，发生将来自光电二极管的信号电荷Qsig转换为电压信号Vsig的电荷电压转换效率η(＝Vsig/Qsig)的下降。

因此，为了解决该问题，如图10所示，本发明者发明了不会引起电荷电压转换效率η的下降的放大型固体摄像装置(参照特开2005-217607号公报)。

如图10所示，该2维放大型固体摄像装置由如下部分构成：光电转换部，具有作为光电转换元件的光电二极管101、和传送该光电二极管101的信号电荷的传送晶体管102；各传送晶体管102的输出端子共同地连接的电荷检测节点108；输入电荷检测节点108的信号的放大晶体管103A；连接在电荷检测节点108和放大晶体管103A的输出端子之间的复位晶体管106；连接在电荷检测节点108和放大晶体管103A的输出端子之间的电容器107(以Cin表示其电容)；连接在放大晶体管103A的输出端子与垂直信号线109之间的选择晶体管104；具有连接在电荷检测节点108与升压信号线之间的电容器111(以Cup表示其电容)的放大部；连接在垂直信号线109和电源线之间的恒定电流负载晶体管103B。

如图11所示，在期间T1，施加于选择晶体管104的栅极驱动信号φS(n)为高电平，施加于复位晶体管106的栅极驱动信号φR(n)为高电平，根据由放大晶体管103A和恒定电流负载晶体管103B构成的恒定电流负载型源极接地反转放大器的动作，将电荷检测节点108和垂直信号线109的电位复位到某固定的电位Vo(复位电平)。

所述复位电平Vo以如下方式来决定。即，如上所述，由放大晶体管103A与恒定电流负载晶体管103B构成的恒定电流负载型源极接地反转放大器的电路以图12的方式表示。此处，若将该反转放大器的输入设为Vin、输出设为Vout，晶体管104、106导通进行短路，则由于变为Vout＝Vin，所以，对于复位电平Vo来说，如图13所示，决定为与成为Vout＝Vin的直线的交点。

其次，在图11所示的期间T2，栅极驱动信号φR(n)为低电平，复位晶体管106为截止状态，但栅极驱动信号φS(n)仍为高电平状态，选择晶体管104为导通状态。因此，通过导通状态的选择晶体管104，可向垂直信号线109读取将电荷检测节点108的电位进行反转放大后的输出(复位电平Vo)。

在接下来的期间T3，栅极驱动信号φS(n)为低电平，选择晶体管104为截止状态。此处，栅极驱动信号φT(n，1)为高电平，传送晶体管102为导通状态，通过导通状态的传送晶体管102，可向电荷检测节点108传送蓄积在光电二极管101中的信号电荷。而且，与栅极驱动信号φT(n，1)同步地，升压信号φC(n)为高电平，利用通过电容器111(电容为Cup)的电容耦合，将电荷检测节点108的电位变深。因此，可以促进从光电二极管101向电荷检测节点108的电荷传送。

在接下来的期间T4，栅极驱动信号φT(n，1)为低电平，传送晶体管102为截止状态。此外，由于栅极驱动信号φC(n)为低电平，因此可以消除由通过电容器111的电容耦合所导致的电荷检测节点108的电位变化。由此，在电荷检测节点108，保持从期间T2的复位电平(电位Vo)错开期间T3的信号电荷传送所导致的变化部分后的电位(信号电平)。利用由放大晶体管103A和恒定电流负载晶体管103B构成的恒定电流负载型源极接地反转放大器将该信号电平放大，通过导通状态的选择晶体管104读取到垂直信号线109中。

之后，若取被读取到垂直信号线109中的期间T2的复位电平与期间T4的信号电平之间的差异信号，则得到由入射到像素的光而产生的电荷所引起的有效的信号。

1个水平扫描期间(1H期间)后，利用栅极驱动信号φT(n，2)的驱动，可进行从所述期间T1到T4的相同的动作。

这样，若按照每一个水平扫描期间(1H期间)，重复k次从期间T1到T4的动作，则可按每列将k个来自光电二极管101的信号分别进行放大并输出到垂直信号线109中。

并且，若将从光电二极管101进行传送的电荷量设为Qsig、将所述恒定电流负载型源极接地型反转放大器的增益设为A，则所读取的有效的信号为：

Vsig＝A·Qsig/[C_FD+Cup+(1+A)Cin]………(1)。

此处，所述恒定电流负载源极接地型反转放大器的增益A为

$A=\mathrm{gm}\·\frac{\mathrm{ron}\·\mathrm{rop}}{\mathrm{ron}+\mathrm{rop}}\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(2\right).$

在所述公式(2)中，gm是放大晶体管103A的互导，ron是放大晶体管103A的输出电阻，rop是恒定电流负载晶体管103B的输出电阻。

特别地，在增益A非常大的情况下，由所述公式(1)变为

Vsig≈Qsig/Cin  ………(3)。

因此，电荷电压转换效率η成为

η＝Vsig/Qsig＝1/Cin    ………(4)。

如由该公式(4)可知的那样，在增益A非常大时，针对所输出的信号的电荷检测节点108的电容C_FD的影响实际上几乎没有。因此，在列方向连接的像素数量增加，电容C_FD变大，也不发生电荷电压转换效率η的下降。

但是，在特开2005-217607号公报的技术中，产生如下问题。即，所述恒定电流负载源极接地型反转放大器必须在短时间内驱动负载电容较大的垂直信号线109。另一方面，恒定电流负载型源极接地反转放大器的输出电阻Zout及增益A与偏置电流Ibias的关系以下列公式来表示。

Zout∝(Ibias)^-1     ………(5)

gm∝(Ibias)^1/2      ………(6)

∴A∝(Ibias)^-1/2    ………(7)

因此，为了驱动负载电容较大的垂直信号线109，需要增加偏置电流Ibias来降低输出电阻Zout，但该种情况下，相反地存在增益A也下降、电荷电压转换效率η下降的问题。

例如，在需要以1μS驱动垂直信号线109的负载1pF的情况下，Zout＝140kΩ，此时的gm＝0.25mS左右，因而增益A＝35。

目前，在作成1个开关电容器放大器部106、107、103A、111共有8个像素的结构的情况下，若为

C_FD＝2fF×8＝16fF

Cup＝C_FD

Cin＝1fF

则[C_FD+Cup+(1+A)Cin]/A＝1.94fF，变成Cin的约2倍的较大的值，电荷电压转换效率η下降。

发明内容

因此，本发明的课题在于提供一种放大型固体摄像装置，可削减平均每一个像素的晶体管数目，谋求像素尺寸的小型化，同时又能够得到噪声较少的高画质的图像。

为解决所述课题，本发明的放大型固体摄像装置具有多个光电转换部，该光电转换部具有光电转换元件和传送该光电转换元件的信号电荷的传送晶体管，对分别来自所述多个光电转换部的信号进行放大并向共同的信号线输出，其特征在于，具有：开关电容器放大器部，输入侧与共同地连接所述多个光电转换部的输出端子的电荷检测节点连接，将分别来自所述多个光电转换部的所述信号电荷转换为电压；电流放大部，将由所述开关电容器放大器部转换为电压的所述信号在所述共同的信号线上进行电流放大并输出。

根据所述结构的放大型固体摄像装置，通过传送晶体管从所述多个光电转换部的各光电转换元件向电荷检测节点传送信号电荷，利用开关电容器放大器部将从各光电转换部向电荷检测节点传送的信号电荷转换成电压，利用电流放大部将被转换为该电压的信号进行电流放大并向共同的信号线输出。这样，对于多个光电转换部，开关电容器放大器部和电流放大部为共用，因此可削减平均单位像素的晶体管数目。此外，将把所述光电转换元件的信号电荷转换为电压的电路作成开关电容器型，因此可有效地减少所述电荷检测节点的电容，可提高电荷电压转换效率。并且，利用所述电流放大部，可进一步提高由开关电容器放大器部所导致的电荷检测节点的电容的降低效果，从而可以进一步增加电荷电压转换效率。因此，可削减平均每1个像素的晶体管数目从而谋求像素尺寸的小型化，可获得噪声较少的高画质的图像。

此外，在一个实施方式的放大型固体摄像装置中，所述开关电容器放大器部具有：输入端子与所述电荷检测节点连接的反转放大器；复位晶体管，连接在所述电荷检测节点与所述反转放大器的输出端子之间；第1电容元件，连接在所述电荷检测节点与所述反转放大器的输出端子之间。

根据所述实施方式，使用具有如下部分的开关电容器放大器部能够以简单的结构将光电转换元件的信号电荷转换为电压，该开关电容器放大器部具有：输入端子与所述电荷检测节点连接的反转放大器；复位晶体管，连接在所述电荷检测节点与所述反转放大器的输出端子之间；第1电容元件，连接在所述电荷检测节点与所述反转放大器的输出端子之间。

此外，在一个实施方式的放大型固体摄像装置中，所述开关电容器放大器部的所述反转放大器是恒定电流负载源极接地型反转放大器。

根据所述实施方式，所述开关电容器放大器部的反转放大器使用恒定电流负载源极接地型反转放大器，由此，能够以较少的电路结构将反转放大器的增益变大，可提高电荷电压转换效率。

此外，在一个实施方式的放大型固体摄像装置中，所述恒定电流负载源极接地型反转放大器的恒定电流负载是耗尽型的晶体管。

根据所述实施方式，所述恒定电流负载源极接地型反转放大器的恒定电流负载使用耗尽型的晶体管，由此，只将这些晶体管的栅极源极间短路，就可以简单地在开关电容器放大器内构成恒定电流负载。

此外，在一个实施方式的放大型固体摄像装置中，所述电流放大部具有栅极与所述开关电容放大器部的输出端子连接的电流放大用MOS晶体管，共同的负载部通过所述共同的信号线与所述电流放大用MOS晶体管连接，由所述电流放大用MOS晶体管与所述共同的信号线构成放大器。

根据所述实施方式，共同的负载部通过所述共同的信号线与所述电流放大用MOS晶体管连接，由所述电流放大用MOS晶体管与所述共同的信号线构成放大器，由此，可将电流放大部的负载部共用化，可将电路简化。

此外，在一个实施方式的放大型固体摄像装置中，所述电流放大部具有连接在所述电流放大用MOS晶体管与所述共同的信号线之间的选择晶体管。

根据所述实施方式，在按多个的光电转换部组的每一个具有开关电容器放大器与电流放大部的结构中，由连接在电流放大用MOS晶体管与共同的信号线之间的选择晶体管来选择光电转换部组，可将从所选择的光电转换部组选择的光电转换部的信号向共同的信号线输出。

此外，在一个实施方式的放大型图体摄像装置中，利用所述电流放大用MOS晶体管与所述共同的负载部的组合构成漏极接地型源极跟随器电路。

根据所述实施方式，将所述电流放大用MOS晶体管与共同的负载部进行组合后的漏极接地型源极跟随器电路可使输入阻抗变高、并且使输出阻抗变低，因此能够以较少的电路结构获得充分的驱动能力。此外，由于所述漏极接地型源极跟随器电路的输入电容较小，因此可以抑制前级的所述开关电容器放大器部的驱动电流，进一步地可在开关电容器放大器部中获得较大的增益，与提高电荷电压转换效率相关联。

此外，在一个实施方式的放大型固体摄像装置中，所述光电转换元件是埋入型的光电二极管。

根据所述实施方式，使来自埋入型的发光二极管的信号电荷传送完全，由此，能够使噪声极低，可得到高画质的图像。

此外，在一个实施方式的放大型固体摄像装置中，具有：一端与所述电荷检测节点连接的第2电容元件；与所述第2电容元件的另一端连接、并根据通过所述第2电容元件的电容耦合使所述电荷检测节点的电位变深用的升压部。

根据所述实施方式，通过传送晶体管从光电转换元件向电荷检测节点传送电荷时，由升压部来控制第2电容元件的另一端的电位，使电荷检测节点的电位变深，从而使信号电荷的传送容易。由此，蓄积在光电转换元件中的信号电荷没有损失地完全地被传送，可进行极低噪声化，获得高画质的图像。

此外，在一个实施方式的放大型固体摄像装置中，

所述开关电容器放大器部是通过选择晶体管对转换为电压的所述信号进行输出的选择型开关电容器放大器部，

具有多个所述选择型开关电容器放大器部，

所述多个选择型开关电容器放大器部的输出端子共同连接的节点与所述电流放大部的输入侧连接。

根据所述实施方式，所述多个选择型开关电容器放大器部的输出端子共同地连接的节点与电流放大部的输入侧连接，由此，由于电流放大部被多个选择型的开关电容器放大器部共有，因此，平均单位像素所必需的所述电流放大部的数目减少，而且可进一步削减平均单位像素所占的晶体管数目。特别是，所共有的光电转换部的数目越多约有效，相应地，能够使光电转换元件占有的面积变大，而且可以实现高灵敏度。

此外，在一个实施方式的放大型固体摄像装置中，具有对所述开关电容器放大器部的所述反转放大器的电源线的电位进行控制的控制部。

根据所述实施方式，由控制部控制所述反转放大器的电源线的电位，由此，光电转换部在非选择行的情况下使动作停止，不需要以往所需的选择晶体管，可削减平均单位像素的晶体管数目。

此外，在一个实施方式的放大型固体摄像装置中，由所述控制部将所述开关电容器放大器部的所述反转放大器的电源线的电位变为高电平和低电平中的所述低电平，由此，将所述反转放大器的输出作为低电平而使所述电流放大部的动作停止。

根据所述实施方式，由所述控制部将开关电容器放大器部的反转放大器的电源线的电位从高电平变成低电平，从而可容易地使电流放大部的动作停止。

由以上可知，根据本发明的放大型固体摄像装置，能够实现可削减平均每1个像素的晶体管数目从而谋求像素尺寸的小型化、并可获得噪声较少的高画质的图像的放大型固体摄像装置。

由以下详细的说明和附图可以充分理解本发明。附图仅用于说明，不是限制本发明。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1的2维放大型固体摄像装置的结构的图。

图2是表示所述2维放大型固体摄像装置的动作定时的时序图。

图3是表示由所述2维放大型固体摄像装置的要素构成的恒定电流负载型源极接地反转放大器的电路结构的图。

图4是表示图3所示的反转放大器的特性的图。

图5A是表示本发明的实施方式2的2维放大型固体摄像装置的结构的图。

图5B是表示接着图5A的所述2维放大型固体摄像装置的结构的图。

图6是表示图5A、图5B的2维放大型固体摄像装置的动作定时的时序图。

图7是表示本发明的实施方式3的2维放大型固体摄像装置的结构的图。

图8是表示所述2维放大型固体摄像装置的选择行的动作定时的时序图。

图9是表示所述2维放大型固体摄像装置的非选择行的动作定时的时序图。

图10是表示现有的2维放大型固体摄像装置的结构的图。

图11是表示所述2维放大型固体摄像装置的动作定时的时序图。

图12是表示由所述2维放大型固体摄像装置的要素构成的恒定电流负载型源极接地反转放大器的电路结构的图。

图13是表示图12所示的反转放大器的特性的图。

具体实施方式

以下，通过图示的实施方式详细地说明本发明的放大型固体摄像装置。

实施方式1

图1是表示本发明的实施方式1的2维放大型固体摄像装置的一部分的电路图。这些像素以矩阵状进行2维排列，为了简单，示出i列内的第n行，在各行内包括m个像素组(其中，m≥2、n≥2、i≥2)。

在图1中，示出由多个行、多个列的光电转换部10中的第i列的m个光电转换部10构成的光电转换部组、与该光电转换部组连接的1个开关电容器放大器部20、与该1个开关电容器放大器部20连接的1个电流放大部21。

如图1所示，该2维放大型固体摄像装置由光电转换部10、开关电容器放大器部20、电流放大部21、作为共同的负载部的一例的垂直信号线负载部22、包括升压部与控制部的垂直扫描电路25构成。所述光电转换部10具有作为光电转换元件的一例的埋入型的光电二极管1、和传送该光电二极管1的信号电荷的传送晶体管2。

此外，所述开关电容器放大器部20具有：共同地连接各光电转换部10的传送晶体管2的输出端子的电荷检测节点8(以C_FD表示其电容)；由栅极与该电荷检测节点8连接的放大晶体管3A与耗尽型的恒定电流负载晶体管3B构成的恒定电流负载型源极接地反转放大器；连接在电荷检测节点8与反转放大器(3A，3B)的输出之间的复位晶体管6；作为连接在电荷检测节点8与反转放大器(3A，3B)的输出之间的第1电容元件的一例的电容器7(以Cin表示其电容)；在该电荷检测节点8与后述的升压信号线之间的作为第2电容器元件的一例的电容器11(以Cup表示其电容)。

此外，所述电流放大部21具有：插入到开关电容器放大器部20的输出和作为共同的信号线的一例的垂直信号线9之间的、栅极与开关电容器放大器部20的输出端子连接的电流放大用MOS晶体管即电流放大晶体管5A；连接在电流放大晶体管5A的输出与垂直信号线9之间的选择晶体管4。

此外，垂直信号线负载部22由连接在垂直信号线9与接地电位之间的恒定电流负载晶体管5B构成。利用所述电流放大部21内的电流放大晶体管5A与恒定电流负载晶体管5B的组合，构成漏极接地源极跟随器电路。

在图1中，T(n，1)、T(n，2)、…、T(n，m)是用于控制各传送晶体管2的栅极驱动信号线，R(n)是用于控制复位晶体管6的栅极驱动信号线，S(n)是用于控制选择晶体管4的栅极驱动信号线。

此外，C(n)是升压信号线，该升压信号线C(n)与作为第2电容器元件的电容器11连接。在动作时，利用垂直扫描电路25的控制部，在预定的定时使升压信号φC(n)上升到高电位，可利用通过电容器11的电容耦合，使电荷检测节点8的电位较深。

通过所述栅极驱动信号线T(n，1)、T(n，2)、…、T(n，m)，向各个传送晶体管2的栅极施加来自垂直扫描电路25的栅极驱动信号φT(n，1)、φT(n，2)、…、φT(n，m)。此外，通过所述栅极驱动信号线R(n)，向开关电容器放大器部20的复位晶体管6的栅极施加来自垂直扫描电路25的栅极驱动信号φR(n)。此外，通过所述栅极驱动信号线S(n)，向电流放大部21的选择晶体管4的栅极施加来自垂直扫描电路25的栅极驱动信号φS(n)。并且，通过所述升压信号线C(n)，向开关电容器放大器部20的电容器11的另一端施加来自垂直扫描电路25的升压信号φC(n)。

图2示出所述2维放大型固体摄像装置的动作定时。

在图2所示的期间T1，首先，施加于选择晶体管4的栅极驱动信号φS(n)为高电平，施加于复位晶体管6的栅极驱动信号φR(n)为高电平。由此，复位晶体管6为导通状态，根据由放大晶体管3A与恒定电流负载晶体管3B构成的恒定电流负载型源极接地反转放大器的工作，将电荷检测节点8与恒定电流负载型源极接地反转放大器的输出电位复位为某固定的电位Vo(复位电平)。

所述复位电平Vo以如下方式来决定。由放大晶体管3A与恒定电流负载晶体管3B构成的恒定电流负载型源极接地反转放大器的电路如图3表示。并且，如图4所示，若将该反转放大器的输入设为Vin、将输出设为Vout，如上所述，复位晶体管6导通，输入输出短路，则Vout＝Vin，因此复位电平Vo决定为与Vout＝Vin的直线的交点。

将以复位电平Vo作为输入的、由电流放大用晶体管5A与恒定电流负载晶体管5B构成的漏极接地源极跟随器电路(5A，5B)的输出Vsig(i)向垂直信号线9输出。

在接下来的期间T2，栅极驱动信号φR(n)为低电平，复位晶体管6为截止状态。另一方面，栅极驱动信号φS(n)保持为高电平，选择晶体管4变为导通状态。因此，通过导通状态的选择晶体管4，向垂直信号线9读取对电荷检测节点8的电位进行反转放大后的输出、即将所述复位电平Vo作为输入的源极跟随器电路(5A，5B)的输出Vsig(i)。

在接下来的期间T3，栅极驱动信号φT(n，1)为高电平，传送晶体管2为导通状态。通过导通状态的传送晶体管2，向电荷检测节点8传送被蓄积在光电二极管1中的信号电荷。并且，与栅极驱动信号φT(n，1)同步地，升压信号φC(n)变为高电平。由此，利用通过电容器11(电容Cup)的电容耦合，电荷检测节点8的电位变深。因此，促进从光电二极管1向电荷检测节点8的电荷传送。而且，对于电荷检测节点8的电位变化来说，相当于以电容器11的电容Cup与电荷检测节点8的电容C_FD对升压信号线C(n)的电位上升部分进行分配。

在接下来的期间T4，栅极驱动信号φT(n，1)为低电平，传送晶体管2为截止状态。此外，由于栅极驱动信号φC(n)为低电平，因此可以消除由通过电容器11的电容耦合所导致的电荷检测节点8的电位变化。由此，在电荷检测节点8，保持从期间T2的复位电平(电平Vo)错开期间T3的信号电荷传送引起的变化部分后的电位(信号电平)。该信号电平被由放大晶体管3A与恒定电流负载晶体管3B构成的恒定电流负载型源极接地反转放大器进行放大，通过导通状态的选择晶体管4，向垂直信号线9中读取将该放大后的信号作为输入的漏极接地源极跟随器电路(5A，5B)的输出Vsig(i)。

并且，若利用已知的CDS(相关双采样)电路或差动电路等来取得被读取到垂直信号线9内的期间T2的复位电平与期间T4的信号电平之间的信号差，则可获得由入射到第1个光电转换部10的光电二极管1的光所产生的电荷所导致的有效的信号。

1个水平扫描期间(1H期间)后，驱动φT(n，2)来代替栅极驱动信号φT(n，1)，由此，对于第2光电转换部10，进行从所述期间T1到T4中的相同的动作。

这样，若按每个光电转换部10反复进行从期间T1到T4的动作，则可按每列分别对来自各光电二极管1的信号进行放大，输入到垂直信号线9中。读取到垂直信号线9中的信号Vsig(i)通过对各垂直信号线共同地设置的未图示的水平信号线依次输出。

于是，若将从光电二极管1传送的电荷量设为Qsig，将所述恒定电流负载型源极接地型反转放大器的增益设为A，将所述源极跟随器电路的增益设为B，则所读取的有效的信号为

Vsig＝B·A·Qsig/[C_FD+Cup+(1+A)Cin]    ………  (8)。

此处，源极跟随器电路的增益B为0.9左右，恒定电流负载源极接地型反转放大器的增益A为

$A=\mathrm{gm}\·\frac{\mathrm{ron}\·\mathrm{rop}}{\mathrm{ron}+\mathrm{rop}}\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(9\right).$

公式(9)中的gm是放大晶体管3A的互导，ron是放大晶体管3A的输出电阻，rop是恒定电流负载晶体管3B的输出电阻。特别是，在增益A非常大的情况下，根据公式(8)，变为

Vsig≈B·Qsig/Cin  ………(10)。

因此，电荷电压转换效率η为

η＝Vsig/Qsig＝B/Cin    ………  (11)。

由该公式(11)可知，在增益A非常大的情况下，实际上几乎没有针对所输出的信号的电荷检测节点8的电容C_FD的影响。

然而，在现有的放大型固体摄像装置的情况下，由于开关电容器放大器部20直接驱动垂直信号线9，因此需要降低输出电阻Zout，反转放大器的增益A不上升，其结果是，存在电荷电压转换效率η下降这一问题。与此相对，在本发明中，由于在开关电容器放大器部20与垂直信号线9之间设置电流放大部21，因此不需要降低开关电容器放大器部20的输出电阻Zout，能够将反转放大器的增益A保持得较高。

例如，在电流放大部21的输入负载为垂直信号线9的百分之一以下，与现有例相比，使输出电阻Zout为100倍的情况下，Zout＝14MΩ，增益A＝350。

目前，在作成1个开关电容器放大器部20共有8个像素的结构的情况下，同样地，若为

C_FD＝2fF×8＝16fF

Cup＝C_FD

Cin＝1fF，

则变为[C_FD+Cup+(1+A)Cin]/A＝1.09fF，变为与Cin几乎相同的值，可防止电荷电压转换效率η降低。

因此，在列方向共同地连接的光电转换部10的数目m增加，电荷检测节点8的电容C_FD变大，也不产生电荷电压转换效率η的下降。这与现有的放大型固体摄像装置相比，根据本发明，可充分弥补一些晶体管的数目的增加(恒定电流负载晶体管3B与电流放大晶体管5A)。

即，在现有的放大型固体摄像装置的情况下，作成1个开关电容器放大器部20共有8个像素的结构，平均每1个像素的占有晶体管数目为

平均像素的占有晶体管数目＝11/8＝1.375晶体管/像素，

若

C_FD＝2fF×8＝16fF

Cup＝C_FD

Cin＝1fF，

增益A＝35，则电荷电压转换率为

电荷电压转换率＝1/1.94(fF)

＝5.15×10¹⁴(V/库仑)

＝8.24×10^-5(V/电子)

＝82.4(μV/电子)。

在本发明的放大型固体摄像装置的情况下，同样地，作成1个开关电容器放大器部20共有8个像素的结构，若增益A＝350，源极跟随器电路的增益B＝0.9，则

平均像素的占有晶体管数目＝13/8＝1.625晶体管/像素，

电荷电压转换率＝1/1.09(fF)×B

＝9.17×10¹⁴(V/库仑)×0.9

＝13.2×10^-5(V/电子)

＝132(μV/电子)，

相对平均每1个像素的晶体管数目增加18％，电荷电压转换率提高60％。这样，可知本发明有利于高灵敏度化。

根据所述结构的2维放大型固体摄像装置，通过传送晶体管2从多个光电转换部10的各个光电二极管1将信号电荷传送到电荷检测节点8，利用开关电容器放大器部20，将从各光电转换部10传送到电荷检测节点8的信号电荷转换为电压，利用电流放大部21将被转换为该电压的信号进行电流放大、并输出到垂直信号线9中。这样，对于多个光电转换部10，开关电容器放大器部20与电流放大部21是共用的，因此，可以削减平均单位像素的晶体管数目。此外，将把所述光电二极管1的信号电荷转换为电压的电路作成开关电容器型，因此可以有效地降低所述电荷检测节点8的电容，可提高电荷电压转换效率。并且，利用所述电流放大部21，可进一步增加由开关电容器放大器部20所导致的电荷检测节点8的电容的减少效果，可进一步提高电荷电压转换效率。因此，可削减平均每1个像素的晶体管数目来谋求像素尺寸的小型化，并且，可获得噪声较少的高画质的图像。

此外，使用开关电容器放大器部20，由此，能够以简单的结构将光电二极管1的信号电荷转换为电压，该开关电容器放大器部20具有：输入端子与所述电荷检测节点8连接的反转放大器(3A，3B)；连接在电荷检测节点8与反转放大器(3A，3B)的输出端子之间的复位晶体管；连接在电荷检测节点8与反转放大器(3A，3B)的输出端子之间的电容器7。

此外，所述开关电容器放大器部20的反转放大器(3A，3B)使用恒定电流负载源极接地型反转放大器，由此，能够以较少的电路结构使反转放大器的增益变大，能够提高电荷电压转换效率。

此外，所述恒定电流负载源极接地型反转放大器(3A，3B)的恒定电流负载使用耗尽型的恒定电流负载晶体管3B，由此，仅使该栅极源极之间短路，就能够简单地在开关电容器放大器部20内构成恒定电流负载。

而且，在以增强型使栅极源极间短路的情况下，不流过电流，此外，在以增强型使漏极源极间短路的情况下，即使电流流过也不成为恒定电流负载，得不到较大的放大器增益。因此，为了构成能够以简单结构获得较大的放大器增益的恒定电流负载，需要耗尽型的晶体管。

此外，所述电流放大部21具有使用了栅极与开关电容器放大器部20的输出端子连接的电流放大用MOS晶体管的电流放大晶体管5A，垂直信号线负载部22通过垂直信号线9与该电流放大晶体管5A连接，由电流放大晶体管5A与垂直信号线负载部22构成放大器，因此能够使电流放大部21的负载部共同化，可简化电路。

此外，对于所述电流放大部21来说，在电流放大晶体管5A与垂直信号线9之间连接选择晶体管4，由此，在按多个光电转换部组的每一个具有开关电容器放大器部20与电流放大部21的构成中，利用连接在电流放大晶体管5A与垂直信号线9之间的选择晶体管4来选择光电转换部组，从选择的光电转换部组所选择的光电转换部10的信号输出到垂直信号线9中。

此外，对于将所述电流放大晶体管5A与垂直信号线负载部22进行组合后的漏极接地型源极跟随器电路来说，可将输出阻抗变低，因此能够以较少的电路结构获得充分的驱动能力。此外，所述漏极接地型源极跟随器电路的输入电容较小，因此不但可抑制前级的所述开关电容器放大器部20的驱动电流，而且可在开关电容器放大器部20内获得较大的增益，与提高电荷电压转换效率相关。

此外，由于光电二极管1为埋入型发光二极管，所以，蓄积在该光电二极管1中的信号电荷无损失地进行传送，可低噪声化，可获得高画质的图像。

此外，将电荷从光电二极管1通过传送晶体管2传送到电荷检测节点8时，利用垂直扫描电路25的升压部，控制电容器11的另一端的电位，使电荷检测节点8的电位变深，使信号电荷的传送容易。由此，可将蓄积在光电二极管1内的信号电荷无损失地完全地进行传送，可使噪声极低，可获得高画质的图像。

实施方式2

图5A、图5B是表示本发明的实施方式2的2维放大型固体摄像装置的一部分的电路图。

在实施方式1的情况下，在2维放大型固体摄像装置中包括相同数目的开关电容器放大器部20与电流放大部21，但在本实施方式2中，多个选择型开关电容器放大器部20A共有电流放大部21。在其他的结构要素中，与同实施方式1相同的结构要素使用相同的符号，省略其说明。

在图5A、图5B中，示出由多个行、多个列的光电转换部10内的第i列的分别m个光电转换部10构成的2个光电转换部组、按该2个光电转换部组的每一个所连接的2个选择型开关电容器放大器部20A、与2个选择型开关电容器放大器部20A连接的1个电流放大部21。

此外，T(n，1，1)、…、T(n，1，m)、T(n，2，1)、…、T(n，2，m)是用于控制各传送晶体管2的栅极驱动信号线，R(n，1)、R(n，2)是用于控制复位晶体管6的栅极驱动信号线，S(n)是用于控制选择晶体管4的栅极驱动信号线。此外，S2(n，1)、S2(n，2)是用于控制选择型开关电容器放大器部20A的选择晶体管41的栅极驱动信号线，C(n，1)、C(n，2)是升压信号线。

通过所述栅极驱动信号线T(n，1，1)、…、T(n，1，m)、T(n，2，1)、…、T(n，2，m)，将来自垂直扫描电路25的栅极驱动信号φT(n，1，1)、…、φT(n，1，m)、φT(n，2，1)、…、φT(n，2，m)施加到各传送晶体管2的栅极上。此外，通过所述栅极驱动信号线R(n，1)、R(n，2)，将来自垂直扫描电路25的栅极驱动信号φR(n，1)、φR(n，2)施加到选择型开关电容器放大器部20A的复位晶体管6的栅极上。此外，通过所述栅极驱动信号线S(n)，将来自垂直扫描电路25的栅极驱动信号φS(n)施加到电流放大部21的选择晶体管4的栅极上。此外，通过所述栅极驱动信号线S2(n，1)、S2(n，2)，将来自垂直扫描电路25的栅极驱动信号φS2(n，1)、φS2(n，2)施加到选择型开关电容器放大器部20A的选择晶体管41的栅极上。并且，通过所述升压信号线C(n，1)、C(n，2)，将来自垂直扫描电路25的升压信号φC(n，1)、φC(n，2)施加到选择型开关电容器放大器部20A的电容器11的另一端。

本实施方式2的2维放大型固体摄像装置中，在选择型开关电容器放大器部20A中新附加了选择晶体管41，但由于电流放大部21被多个选择型开关电容器放大器部20A所共有，因此与实施方式1的2维放大型固体摄像装置相比，可进一步削减平均每1个像素的晶体管数目。共有的光电转换部10的数目m越多越有效，并且，相应地能够使光电二极管1所占的面积较大，进一步可实现高灵敏度化。

而且，图6中示出了驱动定时，但是，是与实施方式1的2维放大型固体摄像装置相同的驱动原理。

此外，共同地连接所述多个选择型开关电容器放大器部20A的输出端子的节点与电流放大部21的输入端连接，由此，因为电流放大部21被多个选择型开关电容器放大器部20A共有，所以，可减少平均单位像素所需要的电流放大部的数目，可进一步削减平均单位像素所占的晶体管数目。特别是，共有的光电转换部10的数目越多越有效，相应地光电二极管1所占的面积变大，可进一步实现高灵敏度化。

实施方式3

图7是表示本发明的实施方式3的2维放大型固体摄像装置的一部分的电路图。

本实施方式3的2维放大型固体摄像装置与实施方式1不同在于，电流放大部21A不包括选择晶体管，此外，开关电容器放大器部20B未将反转放大器(3A，3B)的电源线固定为电源电位，以成为V(n)的控制线进行控制。其他的结构要素与实施方式1相同，对相同的结构使用相同符号，省略各自的说明。

在图8中示出第n行是选择行的情况下的驱动定时。这与实施方式1相同，因此省略说明。

在图9中示出第n行是非选择行的情况下的驱动定时。在该种情况下，用于控制各传送晶体管2的栅极驱动信号线T(n，1)、T(n，2)、…、T(n，m)、用于控制复位晶体管6的栅极驱动信号线R(n)、升压信号线C(n)是非选择用的低电平。

此外，从T1到T4的期间，通过控制线V(n)施加于反转放大器(3A，3B)的电源线的控制信号φV(n)为低电平，所以，通过恒定电流负载晶体管3B，反转放大器(3A，3B)的输出(即，电流放大部21A的电流放大晶体管5A的输入)变为接地电平。

由此，由于电流放大晶体管5A为截止状态，因此即使不包括如实施方式1的选择晶体管，也可实现n行的非选择动作。由于该选择晶体管的削减，与实施方式1相比，可进一步削减平均每1个像素的晶体管数目。并且，相应地可使光电二极管1所占的面积变大，而且可实现高灵敏度化。

此外，由垂直扫描电路25的控制部来控制所述反转放大器(3A，3B)的电源线的电位，由此，可在光电转换部10为非选择行的情况下停止动作，不需要作为以往所需的选择晶体管，可削减平均每个单位像素的晶体管数目。

此外，利用所述垂直扫描电路25的控制部，使所述开关电容器放大器部20B的反转放大器(3A，3B)的电源线的电位变为低电平，由此，可使反转放大器(3A，3B)的输出为低电平，使电流放大部21A的动作停止。

此外，在所述实施方式1～实施方式3中，对2维排列作为放大型固体摄像装置的一例的像素的2维放大型固体摄像装置进行了说明，但是，本发明也可以应用于将像素进行1维排列的放大型固体摄像装置。

对本发明的具体的实施方式进行了说明，但本发明不限于所述实施方式1～实施方式3，也可以在本发明的范围内进行各种变更来实施。这些变更不应该认为是超出了本发明的宗旨和范围，本领域技术人员容易得到的变更全部包含于以下的技术方案的范围中。

Claims (12)

1.一种放大型固体摄像装置，具有多个光电转换部，该光电转换部具有光电转换元件和传送该光电转换元件的信号电荷的传送晶体管，对分别来自所述多个光电转换部的信号进行放大并向共同的信号线输出，其特征在于，具有：

开关电容器放大器部，输入侧与共同地连接所述多个光电转换部的输出端子的电荷检测节点连接，将分别来自所述多个光电转换部的所述信号电荷转换为电压；

电流放大部，对所述信号电荷被所述开关电容器放大器部转换为电压的信号进行电流放大并输出到所述共同的信号线。

2.如权利要求1的放大型固体摄像装置，其特征在于，

所述开关电容器放大器部具有：

输入端子与所述电荷检测节点连接的反转放大器；

复位晶体管，连接在所述电荷检测节点与所述反转放大器的输出端子之间；

第1电容元件，连接在所述电荷检测节点与所述反转放大器的输出端子之间。

3.如权利要求2的放大型固体摄像装置，其特征在于，

所述开关电容器放大器部的所述反转放大器是恒定电流负载源极接地型反转放大器。

4.如权利要求3的放大型固体摄像装置，其特征在于，

所述恒定电流负载源极接地型反转放大器的恒定电流负载是耗尽型的晶体管。

5.如权利要求1的放大型固体摄像装置，其特征在于，

所述电流放大部具有栅极与所述开关电容器放大器部的输出端子连接的电流放大用MOS晶体管，

多个所述电流放大用MOS晶体管的共同的负载部通过所述共同的信号线与所述电流放大用MOS晶体管连接，

由所述电流放大用MOS晶体管与所述共同的信号线构成放大器。

6.如权利要求5的放大型固体摄像装置，其特征在于，

所述电流放大部具有连接在所述电流放大用MOS晶体管与所述共同的信号线之间的选择晶体管。

7.如权利要求5的放大型固体摄像装置，其特征在于，

利用所述电流放大用MOS晶体管与所述共同的负载部的组合构成漏极接地型源极跟随器电路。

8.如权利要求1的放大型固体摄像装置，其特征在于，

所述光电转换元件是埋入型的光电二极管。

9.如权利要求1的放大型固体摄像装置，其特征在于，具有：

一端与所述电荷检测节点连接的第2电容元件；

与所述第2电容元件的另一端连接、并根据通过所述第2电容元件的电容耦合使所述电荷检测节点的电位变深用的升压部。

10.如权利要求1的放大型固体摄像装置，其特征在于，

所述开关电容器放大器部是通过选择晶体管对所述信号电荷被转换为电压的信号进行输出的选择型开关电容器放大器部，

具有多个所述选择型开关电容器放大器部，

所述多个选择型开关电容器放大器部的输出端子共同地连接的节点与所述电流放大部的输入侧连接。

11.如权利要求3的放大型固体摄像装置，其特征在于，

具有对所述开关电容器放大器部的所述反转放大器的电源线的电位进行控制的控制部。

12.如权利要求11的放大型固体摄像装置，其特征在于，

由所述控制部使所述开关电容器放大器部的所述反转放大器的电源线的电位成为高电平和低电平中的所述低电平，由此，使所述反转放大器的输出成为低电平，使所述电流放大部的动作停止。

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