CN101510963B - 光电转换装置和成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光电转换装置和成像系统。所述光电转换装置包含：包含具有与信号线连接的源极和与电源连接的漏极的MOS晶体管的削减单元，且所述削减单元将信号线的电位削减到与源极的电位对应的电位；具有第一电极和第二电极的保持电容，第一电极与MOS晶体管的栅极连接，且所述保持电容至少保持在电荷电压转换器已被复位时被传送到信号线的电压；和偏移单元，所述偏移单元沿着使得第二电极的电位接近当电荷电压转换器已被复位时要被传送到信号线的电平的方向，使第二电极的电位偏移。
Description
技术领域
本发明涉及光电转换装置和成像系统。
背景技术
近年来，具有放大功能的光电转换装置、特别是CMOS光电转换装置已引起关注。当诸如太阳光的非常强的光(亮光)进入CMOS光电转换装置时，用强光照射的像素的输出电压的灰度级(gray level)突然下降，并且，像素的灰度级可降低到黑电平(black level)。这种现象将被称为高亮度暗化(high-brightness darkening)现象。
当执行相关双采样(CDS)处理时，出现高亮度暗化现象。这种现象起因于在输出噪声电平信号的期间中在用强光照射时电荷(信号电荷)从光电转换单元溢出。例如，更具体而言，当从像素的检测节点(浮置扩散)读出噪声电平信号时，在光电转换单元(光电二极管)中产生的许多电荷中的一些泄漏到像素的检测节点。如果许多电荷进入检测节点，那么噪声电平电压变得低于(理想)复位电平电压并接近光学信号电平电压。在这种情况下，如果通过计算噪声电平电压和光学信号电平电压之间的差的CDS处理来获得图像信号，那么图像信号的发光度(luminance)分量被计算为小于原始发光度分量。这是高亮度暗化现象的机制。上述的电压关系假定电子被用作信号电荷并且NMOS晶体管被用作用于将信号读出到信号线的放大MOS晶体管。当空穴被用作信号电荷或者PMOS晶体管被用作放大MOS晶体管时，电压变化方向相反。高亮度暗化现象产生噪声电平电压。
作为考虑高亮度暗化现象的常规光电转换装置，在日本专利公开No.2005-57612中公开的光电转换装置是已知的。如图6所示，在日本专利公开No.2005-57612中公开的光电转换装置包含像素4、检测单元2和第二保持部件(means)3。
检测单元2包含检测部件、第一保持部件、反馈部件和用于根据反馈电压来削减(clipping)信号线SIG的电位的削减部件。检测部件检测信号线SIG的电位。第一保持部件保持基于检测部件所检测的电位的电压。反馈部件将第一保持部件所保持的电压反馈到削减部件。削减部件根据反馈部件的反馈电压削减信号线SIG的电位。
在日本专利公开No.2005-57612中公开的光电转换装置中，被检测部件检测的信号线SIG的电位由第一保持部件保持，并然后被反馈部件反馈到削减部件。出于这个原因，不能任意地设定信号线SIG的电位和削减部件的输入电位之间的差。更具体而言，削减部件由NMOS晶体管形成。被NMOS晶体管削减的电位(削减电位)受到如下限制：削减电位必须比信号线SIG的电位低NMOS晶体管的阈值电压的量。
为了有效抑制高亮度暗化现象的产生，削减电位优选尽可能地接近应在像素的检测节点被复位时经由信号线SIG被传送的复位电平。但是，在日本专利公开No.2005-57612中公开的光电转换装置中，削减电位受到如下限制：削减电位必须比复位电平低NMOS晶体管的阈值电压的量。结果，变得难以有效抑制高亮度暗化现象的产生。
发明内容
本发明的目的是，通过将复位电平和削减电位之间的差设为比削减单元中的电压降的量小，从而有效抑制高亮度暗化现象的产生。
根据本发明的第一方面，提供一种光电转换装置，在该光电转换装置中，二维地排列光电转换单元、电荷电压转换器、传送单元和输出单元，电荷电压转换器中的每一个将电荷转换成电压，传送单元中的每一个将光电转换单元中产生的电荷传送到电荷电压转换器，输出单元中的每一个向信号线输出与电荷电压转换器所转换的电压对应的信号，并且，在该装置中，为了CDS处理，在电荷电压转换器已被复位时第一信号被输出到信号线，并且在传送单元已将光电转换单元中的电荷传送到电荷电压转换器时第二信号被输出到信号线，该装置包含：包含具有源极和漏极的MOS晶体管的削减单元，源极和漏极中的一个与信号线连接，且源极和漏极中的另一个与电源连接，并且，削减单元将信号线的电位削减到与所述一个的电位对应的电位；具有第一电极和第二电极的保持电容，第一电极与MOS晶体管的栅极连接，且保持电容至少保持在电荷电压转换器已被复位时被传送到信号线的电压；以及偏移(shift)单元，该偏移单元沿着使得第二电极的电位接近当电荷电压转换器已被复位时要被传送到信号线的电平的方向，使第二电极的电位偏移。
根据本发明的第二方面，提供一种成像系统，该成像系统包括：根据本发明的第一方面的光电转换装置；在光电转换装置的图像感测面上形成图像的光学系统；以及处理从光电转换装置输出的信号以产生图像数据的信号处理单元。
通过将复位电平和削减电位之间的差设为比削减单元中的电压降的量小，本发明能有效抑制高亮度暗化现象的产生。
从参照附图对示例性实施例的以下描述，本发明的进一步的特征将变得明显。
附图说明
图1是根据本发明的第一实施例的光电转换装置100的电路图；
图2是表示光电转换装置100的操作的时序图；
图3是偏移单元30的电路图；
图4是应用根据第一实施例的光电转换装置的成像系统的框图；
图5是根据本发明的第二实施例的光电转换装置400的电路图；以及
图6是用于解释现有技术的示图。
具体实施方式
将参照图1解释根据本发明的第一实施例的光电转换装置100。图1是根据本发明的第一实施例的光电转换装置100的电路图。
光电转换装置100包含像素10、开关60、保持电容40、偏移单元30、削减单元20和CDS电路(差分电路)50。CDS电路也可被布置在光电转换装置外面，以在其外面执行CDS处理。
在光电转换装置100的图像感测区域中二维地(沿行方向和列方向)排列多个像素10。同一列上的像素10与垂直信号线L1连接。
各像素10包含光电转换单元PD、传送单元101、电荷电压转换器FD、放大晶体管(输出单元)103和复位晶体管102。
光电转换单元PD产生与所接收的光对应的电荷。光电转换单元PD例如是光电二极管。光电转换单元PD具有接地的阳极(anode)和与传送单元101连接的阴极(cathode)。
传送单元101将光电转换单元PD中产生的电荷传送到电荷电压转换器FD。传送单元101例如是传送晶体管。
电荷电压转换器FD将从传送单元101传送的电荷转换成电压。电荷电压转换器FD例如是浮置扩散(floating diffusion)。
放大晶体管103放大基于传送到电荷电压转换器FD的电荷的信号，并输出放大的信号。放大晶体管103的栅极与电荷电压转换器FD电连接。放大晶体管103与经由垂直信号线L1连接的恒流源112联合起来执行源极跟随器操作。放大晶体管103放大基于电荷电压转换器FD的电压的信号，并将放大的信号输出到垂直信号线L1。
复位晶体管102在预定的期间中将电荷电压转换器FD复位。复位晶体管102具有与电源VRES连接的漏极和与电荷电压转换器FD连接的源极。当向复位晶体管102的栅极供给激活电平(active-level)驱动脉冲pRES时，复位晶体管102被接通以将电荷电压转换器FD复位到与电源VRES对应的电位。
电源VRES为两种电位中的任一种：读出像素(要从其读出信号的像素)的电荷电压转换器FD被复位到的电位VRESH、和非读出像素(不从其读出信号的像素)的电荷电压转换器FD被复位到的电位VRESL。通过设定VRESH＞VRESL，只有读出像素的放大晶体管103被接通以供给由恒流源112限定的电流。
在以下的描述中，“复位电平”意味着在复位晶体管102复位电荷电压转换器FD时应被输出到垂直信号线L1的电位。相反，“噪声电平”(后面将描述)意味着在复位晶体管102复位电荷电压转换器FD时实际被输出到垂直信号线L1的电位。例如，噪声电平是当强光进入光电转换单元时被输出的信号，并且是当电荷电压转换器FD已被复位时其电平根据电荷电压转换器FD的电位变化而(从复位电平)变化、并且被输出到信号线的变化的第一信号。
开关60在电荷电压转换器FD已被复位时将垂直信号线L1的电压施加到保持电容40，并且在电荷电压转换器FD已将从传送单元101传送的电荷转换成电压时将预定的电位VCLIPL传送到保持电容40。只要恒流源112不被切断，则VCLIPL被设为低。开关60包含开关晶体管108和109。在这种情况下，开关晶体管108由PMOS晶体管形成，且开关晶体管109由NMOS晶体管形成。
当激活电平驱动脉冲pCLIP在电荷电压转换器FD已被复位时被供给到开关晶体管108的栅极时，开关晶体管108被接通。当非激活(inactive-level)电平驱动脉冲pCLIP在电荷电压转换器FD已将从传送单元101传送的电荷转换成电压时被供给到开关晶体管108的栅极时，开关晶体管108被断开。
当非激活电平驱动脉冲pCLIPL在电荷电压转换器FD已被复位时被供给到开关晶体管109的栅极时，开关晶体管109被断开。当激活电平驱动脉冲pCLIP在电荷电压转换器FD已将从传送单元101传送的电荷转换成电压时被供给到开关晶体管108的栅极时，开关晶体管108被接通。
保持电容40保持在电荷电压转换器FD已被复位时经由垂直信号线L1传送的电压。保持电容40包含第一电极41和第二电极42。第一电极41与开关60连接。第一电极41接收在电荷电压转换器FD已被复位时经由垂直信号线L1传送的电压，并且在电荷电压转换器FD已将从传送单元101传送的电荷转换成电压时传送预定的电位VCLIPL。第二电极42与第一电极41一起形成电容，并且例如是面对第一电极41的电极。第二电极42与偏移单元30连接。
偏移单元30使保持电容40中的第二电极42的电位偏移，以使得第二电极42的电位接近复位电平。电位接近复位电平的方向是当电位上升以接近复位电平时增加第二电极42的电位的操作的方向、或当电位下降以接近复位电平时降低电位的操作的方向。在垂直信号线L1的电压经由开关108被传送到第一电极41之后，偏移单元30沿第二电极42的电位接近复位电平的方向使保持电容40的第二电极42的电位偏移。结果，偏移单元30可使保持电容40的第一电极41的电位偏移，以使得第一电极41的电位接近复位电平。由偏移单元30导致的偏移量等于或大于削减单元20中的电压降的量，并且等于或小于噪声电平电压和复位电平电压之间的差。更具体而言，假定第一信号是当电荷电压转换器已被复位时被输出到垂直信号线的信号。那么，偏移量的上限等于或小于电荷电压转换器的电位变化之后(时)的变化的第一信号和电荷电压转换器的电位变化之前的未变化的第一信号之间的差。
削减单元削减比供给到NMOS晶体管104的栅极的电位低的电位，后面将对此进行描述。还可设置偏移量来降低电压降的量。偏移量优选被设为等于削减单元中的电压降的量。
削减单元20将垂直信号线L1的电位削减到通过从第一电极41的电位减去削减单元20中的电压降的量而获得的削减电位。削减单元20包含NMOS晶体管104。NMOS晶体管104具有与保持电容40的第一电极41连接的栅极、与电源(侧)连接的漏极、以及与垂直信号线L1(侧)连接的源极。NMOS晶体管104在栅极处接收第一电极41的电位，并将垂直信号线L1的电位削减到通过从第一电极41的电位减去电压降(至少包含阈值电压的栅极-源极电压降)的量而获得的削减电位。即，NMOS晶体管104将垂直信号线L1的电位削减到与源极的电位对应的电位。
因此，偏移单元30优选使第二电极42的电位偏移，使得被削减单元20削减的垂直信号线L1的电位接近理想的复位电平，即，第一电极41的电位变得大于如下的值：所述值比理想的复位电平小阈值电压的量。
作为具体操作，当电荷电压转换器FD已被复位并且变化的信号(第一信号)被输出到垂直信号线L1时，第一信号的电平可在电荷电压转换器FD的电位变化时变化。当变化的第一信号(即，垂直信号线L1的电位)和MOS晶体管104的栅极的电位之间的差超过该MOS晶体管的阈值时，NMOS晶体管104接通，以将垂直信号线L1的电位削减在接近复位电平的值(大于比复位电平低阈值电压的量的电平的值，且小于复位电平的值)。
应当注意，代替NMOS晶体管104，削减单元20还可包含PMOS晶体管(未示出)。在这种情况下，PMOS晶体管具有与保持电容40的第一电极41连接的栅极、与电源(侧)连接的源极、以及与垂直信号线L1(侧)连接的漏极。PMOS晶体管在栅极处接收第一电极41的电位，并将垂直信号线L1的电位削减到通过从第一电极41的电位减去(栅极和源极之间的)电压降的量而获得的削减电位。即，PMOS晶体管将垂直信号线L1的电位削减到与漏极的电位对应的电位。
CDS电路50执行相关双采样(CDS)处理以计算单个光电转换单元的噪声电平电压和光学信号电平电压之间的差，从而获得没有噪声分量的图像信号。更具体而言，CDS电路50在电荷电压转换器已被复位时向信号线输出第一信号，并且，在传送单元已将光电转换单元的电荷传送到电荷电压转换器时向信号线输出第二信号。然后，CDS电路50计算两个信号之间的差。这是CDS处理。CDS电路50将获得的图像信号输出到输出级(例如，图4中所示的感测图像信号处理电路95)。
将参照图3解释偏移单元30的布置。图3是偏移单元30的电路图。
偏移单元30包含开关晶体管301、开关晶体管302、源极跟随器(SF)晶体管303、恒流源305和开关晶体管304。开关晶体管301、开关晶体管302、SF晶体管303和开关晶体管304均为NMOS晶体管。
当驱动脉冲pV1为高时，开关晶体管301向SF晶体管303的栅极施加“电位V1+SF晶体管303的阈值电压”。SF晶体管303与恒流源305联合起来执行源极跟随器操作，并向节点N2施加电位V1的电压。此时，开关晶体管302和304两者均为断开(OFF)。
当驱动脉冲pV2为高时，开关晶体管302向SF晶体管303的栅极施加“电位V2+SF晶体管303的阈值电压”。SF晶体管303与恒流源305联合起来执行源极跟随器操作，并向节点N2施加电位V2(＞V1)的电压。此时，开关晶体管301和304两者均为断开。
当驱动脉冲pCLIPL为高时，开关晶体管304被接通以向节点N2施加GND电位的电压。此时，开关晶体管301和302以及SF晶体管303均为断开。
将参照图2解释光电转换装置100的操作。图2是表示光电转换装置100的操作的时序图。在图2中，“FD”至“N2”代表各节点的电位。“pRES”至“pV2”代表驱动脉冲。
将解释正常的操作。
在期间T1中，向复位晶体管102施加驱动脉冲pRES，以将读出像素的电荷电压转换器FD复位到复位电位VRESH。向开关晶体管108施加驱动脉冲pCLIP，以将其接通。
应在电荷电压转换器FD已被复位时经由垂直信号线L1被传送的复位电平电压由下式给出：
VL1res＝VRESH-Vth0(复位晶体管102的阈值电压)-Vth1(放大晶体管103的阈值电压)-Δov1(放大晶体管103的过驱动电压) ...(1)
这里，Δov1是由放大晶体管103的特性和恒流源112的电流值确定的电压。
保持电容40保持在电荷电压转换器FD已被复位时经由垂直信号线L1被传送的噪声电平电压。于是，节点N1的电位变得等于经由垂直信号线L1传送的噪声电平。当噪声电平等于复位电平时，节点N1的电位变得等于复位电平。
在期间T1中，节点N2的电位被固定为任意的电位V1。节点N1与NMOS晶体管104的栅极连接，并且，由保持电容40保持的电压被反馈到NMOS晶体管104的栅极。
在期间T2中，节点N2的电位从V1上升到任意的电位V2。节点N2的电位的上升为：
ΔVN2＝V2-V1 ...(2)
随着节点N2的电位上升，节点N1的电位也上升。节点N1的电位的上升为：
ΔVN1＝K×ΔVN2 ...(3)
这里，K为比例常数。结果，节点N1的电位VN1变为：
VN1＝VRESH-Vth0-Vth1-Δov1+VN1 ...(4)
在期间T2中，CDS电路50接收激活驱动信号pTN，以保持经由垂直信号线L1传送的噪声电平电压并对像素的噪声电平进行采样。
在期间T3中，为了对像素的光学信号电平进行采样，对开关晶体管109施加脉冲pCLIPL以将其接通，并将节点N1的电位重写为电位VCLIPL。只要恒流源112不被切断，则VCLIPL被设为低。此时，垂直信号线的电位被削减为不变得比VCLIPL-Vth2-Δov2低。为了读出在对信号电平进行采样结束之后输出的下一像素，节点N2的电位被复位为GND电位。
将解释当象太阳光的强光进入像素10时的期间T2中的操作。
当诸如太阳光的强光进入像素10时，电荷电压转换器FD的电位由于从光电转换单元PD溢出的电荷而降低。响应于这一点，经由垂直信号线L1传送的噪声电平也从复位电平下降。
假定偏移单元30不对保持电容40的第二电极42的电位进行偏移。在这种情况下，NMOS晶体管104直接在栅极处接收从开关60输入的垂直信号线L1的电位，并且将垂直信号线L1的电位削减到削减电位Vclip：
Vclip＝VRESH-Vth0-Vth1-Δov1-Vth2(NMOS晶体管104的阈值电压)-Δov2(NMOS晶体管104的过驱动电压)
...(5)
即，削减电位Vclip的电平变得比复位电平低如下的值：
VL1res-VclipH＝Vth2+Δov2 ...(6)
如式(6)所示，复位电平和削减电位之间的差等于或大于削减单元中的电压降的量Vth2。难以使得复位电平和削减电位之间的差比削减单元中的电压降的量小。
相反，在第一实施例中，偏移单元30将保持电容40的第二电极42的电位偏移ΔVN2(参见式(2))。在这种情况下，NMOS晶体管104在栅极处接收从垂直信号线L1的电位偏移ΔVN1(参见式(3))的电位。NMOS晶体管104将垂直信号线L1的电位削减到削减电位VclipH：
VclipH＝VRESH-Vth0-Vth1-Δov1+ΔVN1-Vth2(NMOS晶体管104的阈值电压)-Δov2(NMOS晶体管104的过驱动电压)
...(7)
即，削减电位VclipH的电平变得比复位电平低如下的值：
VL1res-VclipH＝(Vth2+Δov2)-ΔVN1 ...(8)
如式(8)所示，如果向NMOS晶体管104的栅极输入被偏移ΔVN1的电位，所述ΔVN1满足下式：
0≤(Vth2+Δov2)-ΔVN1＜Vth2 ...(9)
即
Δov2＜ΔVN1≤Vth2+Δov2 ...(10)
那么可使得复位电平和削减电位之间的差比削减单元中的电压降的量小。
换句话说，从式(3)和式(10)，如果偏移单元30将保持电容40的第二电极42的电位偏移ΔVN2，所述ΔVN2满足下式：
Δov2/K＜ΔVN2≤(Vth2+Δov2)/K ...(11)
那么可使得复位电平和削减电位之间的差比削减单元中的电压降的量小。
如上所述，根据第一实施例，通过将复位电平和削减电位之间的差设为比削减单元中的电压降的量小，能有效抑制高亮度暗化现象的产生。
根据第一实施例，由于垂直信号线L1的电位被(偏移并且)反馈到NMOS晶体管104的栅极，因此能抑制像素特性的变动(阈值电压的波动)对于削减电位的影响。
图4显示应用根据本发明的光电转换装置的成像系统的例子。
如图4中所示，成像系统90主要包括光学系统、图像感测设备86和信号处理单元。光学系统主要包含快门91、镜头(lens)92和光阑(stop)93。图像感测设备86包含光电转换装置100。信号处理单元主要包含感测图像信号处理电路95、A/D转换器96、图像信号处理器97、存储器87、外部I/F 89、定时发生器98、总体控制/运算单元99、记录介质88和记录介质控制I/F 94。信号处理单元可不包含记录介质88。
快门91在光路上被布置在镜头92的前面，以控制曝光。
镜头92使入射光折射，以在图像感测设备86中的光电转换装置100的图像感测面上形成对象(object)图像。
光阑93在光路上被插入在镜头92和光电转换装置100之间。光阑93调整在穿过镜头92之后被引导到光电转换装置100的光的量。
图像感测设备86的光电转换装置100将形成在图像感测面(像素阵列)上的对象图像转换成图像信号。图像感测设备86从光电转换装置100读出图像信号并将其输出。
感测图像信号处理电路95与图像感测设备86连接，并处理从图像感测设备86输出的图像信号。
A/D转换器96与感测图像信号处理电路95连接。A/D转换器96将从感测图像信号处理电路95输出的经处理的图像信号(模拟信号)转换成图像信号(数字信号)。
图像信号处理器97与A/D转换器96连接。图像信号处理器97执行诸如校正从A/D转换器96输出的图像信号(数字信号)的各种运算处理，从而产生图像数据。图像信号处理器97将图像数据供给到存储器87、外部I/F 89、总体控制/运算单元99和记录介质控制I/F 94等。
存储器87与图像信号处理器97连接，并存储从图像信号处理器97输出的图像数据。
外部I/F 89与图像信号处理器97连接。从图像信号处理器97输出的图像数据经由外部I/F 89被传送到外部装置(例如，个人计算机)。
定时发生器98与图像感测设备86、感测图像信号处理电路95、A/D转换器96和图像信号处理器97连接。定时发生器98向图像感测设备86、感测图像信号处理电路95、A/D转换器96和图像信号处理器97供给定时信号。图像感测设备86、感测图像信号处理电路95、A/D转换器96和图像信号处理器97同步于定时信号而操作。
总体控制/运算单元99与定时发生器98、图像信号处理器97和记录介质控制I/F 94连接，并对它们全体进行控制。
记录介质88可拆卸地与记录介质控制I/F 94连接。从图像信号处理器97输出的图像数据经由记录介质控制I/F 94被记录在记录介质88上。
通过该布置，只要光电转换装置100能获得高质量的图像信号，它就能提供高质量的图像(图像数据)。
将参照图5解释根据本发明的第二实施例的光电转换装置400。图5是根据本发明的第二实施例的光电转换装置400的电路图。将主要解释与第一实施例的差异。
光电转换装置400包含削减单元420。削减单元420包含共栅极放大电路405、以及形成共源极放大电路的一部分的削减晶体管406(即，恒流源112形成共源极放大电路的另一部分)。
例如，共栅极放大电路405和削减晶体管406可采取如图5所示的布置。
共栅极放大电路405包含恒流源411和NMOS晶体管404。削减晶体管406包含具有共用源极(与固定的电位连接的源极)的PMOS晶体管410。削减晶体管406与垂直信号线L1上的恒流源112一起形成共源极放大电路。
恒流源411由PMOS晶体管形成，所述PMOS晶体管具有共用栅极(与固定的电位(例如，GND)连接的栅极)、与电源连接的源极、以及与NMOS晶体管404和共源极放大电路中的PMOS晶体管410连接的漏极。恒流源411用作用于向NMOS晶体管404供给恒定电流的电流源负载。
NMOS晶体管404具有与保持电容40的第一电极41连接的栅极、以及与垂直信号线L1连接的源极。NMOS晶体管404具有与恒流源411和削减晶体管406(PMOS晶体管410)的栅极连接的漏极。NMOS晶体管404大垂直信号线L1(源极)的电位自供给到栅极的电压(削减电位)的下降。NMOS晶体管404从漏极输出放大的电压。
削减MOS晶体管406(PMOS晶体管410)的栅极从共栅极放大电路405接收输出，并且与NMOS晶体管404的漏极连接。削减MOS晶体管406(PMOS晶体管410)由PMOS晶体管形成，所述PMOS晶体管具有与电源连接的源极、以及与NMOS晶体管404的源极和垂直信号线L1连接的漏极。共源极放大电路中的PMOS晶体管410接收NMOS晶体管404的漏极的输出电压。当垂直信号线L1的电位自削减电位VclipH的下降大时，削减MOS晶体管406向NMOS晶体管404的源极反馈比当该下降小时高的电压。该反馈是负反馈。
当垂直信号线L1的电位自削减电位VclipH的下降大时，NMOS晶体管404在源极处接收比当该下降小时高的从削减MOS晶体管406反馈的电压。该布置能实现以下的削减操作。
当垂直信号线L1的电位下降以接通NMOS晶体管404时，节点N3的电位下降以接通削减MOS晶体管406。削减MOS晶体管406的栅极接收关于垂直信号线L1的电位变化被正增益因子放大的电位。然后，随着垂直信号线L1的电位下降，削减MOS晶体管406(PMOS晶体管410)的漏极电流突然增大。当垂直信号线L1的电位自削减电位VclipH的下降大时，削减MOS晶体管406(PMOS晶体管410)向NMOS晶体管404的源极反馈比当该下降小时高的电压。当流过电流源负载411和共源极放大电路410的电流的和等于流过垂直信号线L1上的恒流源112的电流的值时，垂直信号线L1的电位稳定。
为了有效的削减操作，优选将流过用作NMOS晶体管404的电流源负载的PMOS晶体管411的电流的值设为比流过恒流源112的电流小，并增大共栅极放大电路405的增益。
出于相同的原因，优选将包含削减MOS晶体管406的共源极放大电路的跨导设为比恒流源411和NMOS晶体管404的大。
假定共栅极放大电路405的电流值为垂直信号线L1上的恒流源112的1/M，并且垂直信号线L1上的恒流源112的电流值为I1。在这种情况下，M为1＜M。
垂直信号线L1的电位下降，并且NMOS晶体管404的源极的电位下降以接通NMOS晶体管404并供给漏极电流。此时，NMOS晶体管404能仅供给垂直信号线L1上的恒流源112的电流的1/M。因此，随着Vgs(NMOS晶体管404的栅极和源极之间的电压)上升，NMOS晶体管404的漏极(节点N3)的电位突然下降。在节点N3的电位的突然下降时，共源极放大电路(PMOS晶体管)410被接通，以突然增大共源极放大电路中的PMOS晶体管410的漏极电流。
最后，当流过NMOS晶体管404的电流的值变为I1×1/M并且流过包含削减MOS晶体管406的共源极放大电路的电流变为I1×(M-1)/M时，削减单元(削减电路)420稳定。
假定削减MOS晶体管406的跨导比恒流源411和NMOS晶体管404的大得多。而且，假定当削减垂直信号线L1的电位时恒流源411和NMOS晶体管404在饱和区域中操作。
如上所述，垂直信号线L1的削减电位由VRESH-Vth0-Vth1-Δov1+ΔVN2-Vth4(NMOS晶体管404的阈值电压)-Δov4(NMOS晶体管404的过驱动电压)给出。因此，垂直信号线L1的削减电位比复位电平低(-ΔVN2+Vth4+Δov4)。
如上所述，在第二实施例中，从NMOS晶体管404供给的电流的值为从垂直信号线L1上的恒流源112供给的电流的值的1/M，因此能降低过驱动电压Δov4。当垂直信号线L1的噪声电平下降时，能将垂直信号线L1的削减电位设为高，以确保垂直信号线L1的动态范围。
本发明不限于上述的实施例，并且，能对所述实施例进行适当修改和组合，而不背离本发明的范围。
例如，在所述实施例中，电子被用作信号电荷，并且NMOS晶体管被用作放大晶体管。还能将空穴用作信号电荷，并将PMOS晶体管用作放大晶体管。在这种情况下，暗化现象提高垂直信号线的噪声电平电压，因此执行削减操作以防止电压超过预定值。在这种情况下，PMOS晶体管可用作削减晶体管。还根据PMOS晶体管适当地调整电平偏移量。
像素布置被例示为对放大晶体管的栅极电位(电荷电压转换器FD的电位)进行开关。选择MOS晶体管也可被布置在放大MOS晶体管的源极或漏极侧，以对像素进行选择/取消选择和控制流过放大MOS晶体管的电流。
虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释，以包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。
Claims (9)
1.一种光电转换装置，在所述光电转换装置中，二维地排列光电转换单元、电荷电压转换器、传送单元和输出单元，所述电荷电压转换器中的每一个将电荷转换成电压，所述传送单元中的每一个将所述光电转换单元中产生的电荷传送到所述电荷电压转换器，所述输出单元中的每一个向信号线输出与被所述电荷电压转换器转换的电压对应的信号，并且，在所述装置中，为了相关双采样处理，在所述电荷电压转换器已被复位时第一信号被输出到所述信号线，且在所述传送单元已将所述光电转换单元中的电荷传送到所述电荷电压转换器时第二信号被输出到所述信号线，所述装置包含：
包含具有源极和漏极的MOS晶体管的削减单元，所述源极和漏极中的一个与所述信号线连接，且所述源极和漏极中的另一个与电源连接，并且，所述削减单元将所述信号线的电位削减到与连接到所述信号线的所述源极和漏极中的一个的电位对应的电位；
具有第一电极和第二电极的保持电容，所述第一电极与所述MOS晶体管的栅极连接，并且，所述保持电容至少保持在所述电荷电压转换器已被复位时被传送到所述信号线的电压；
偏移单元，所述偏移单元沿着使得所述第二电极的电位接近当所述电荷电压转换器已被复位时要被传送到所述信号线的电平的方向，使所述第二电极的电位偏移；以及
开关，所述开关在所述第一信号被输出到所述信号线的期间中向所述保持电容的所述第一电极供给所述信号线的电压，并且在所述第二信号被输出到所述信号线的期间中向所述保持电容的所述第一电极供给预定的电位。
2.根据权利要求1的装置，其中，
所述MOS晶体管将所述信号线的电位削减到通过从所述第一电极的电位减去所述削减单元中的电压降的量而获得的削减电位。
3.根据权利要求1的装置，其中，
当在输出所述第一信号时所述第一信号的电平随所述电荷电压转换器的电位的变化而变化时，如果变化的第一信号和所述MOS晶体管的栅极的电位之间的差超过所述MOS晶体管的阈值，那么所述MOS晶体管削减所述信号线的电位。
4.根据权利要求2的装置，其中，
通过所述偏移单元得到的偏移量等于或大于所述削减单元中的电压降的量，且等于或小于在所述电荷电压转换器的电位变化时变化的第一信号和在所述电荷电压转换器的电位变化之前未变化的第一信号之间的差。
5.根据权利要求1的装置，
其中，在所述信号线的电压经由所述开关被供给到所述第一电极之后，所述偏移单元使所述保持电容的所述第二电极的电位偏移。
6.根据权利要求1的装置，其中，
所述削减单元中的电压降的量至少等于或不小于所述MOS晶体管的阈值电压。
7.根据权利要求1的装置，其中，
所述MOS晶体管包含具有与所述电源连接的漏极和与所述信号线连接的源极的NMOS晶体管。
8.根据权利要求1的装置，其中，
所述MOS晶体管包含具有与所述电源连接的源极和与所述信号线连接的漏极的PMOS晶体管。
9.一种成像系统，包括：
根据权利要求1的光电转换装置；
在所述光电转换装置的图像感测面上形成图像的光学系统；和
处理从所述光电转换装置输出的信号以产生图像数据的信号处理单元。
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