CN101719994B - 固态图像传感器和摄像机系统 - Google Patents

Abstract

一种固态图像传感器，包括像素单元和逐个像素地从所述像素单元读出像素信号的读出单元。读出单元包括：多个列平行比较器，其将读出信号电势与基准电压进行比较，并输出判定信号；和多个计数器，其计数相应比较器的比较时间。每个比较器包括：包含差分增幅器的第一放大器，其在一晶体管的栅极接收所述基准电压，在另一晶体管的栅极接收所述读出信号，并将所述基准电压与所述读出信号电势比较；第二放大器，包含增幅器，其增大所述第一放大器的输出增益；以及连接在所述第二放大器中的增幅器的输入端与输出端之间以表现米勒效应的电容器。

Description

固态图像传感器和摄像机系统

技术领域

本发明涉及固态图像传感器，如以CMOS图像传感器为典型，以及摄像机系统。

背景技术

近年来CMOS图像传感器在取代CCD作为固态图像传感器方面受到了关注。这种关注是由于以下原因。CCD像素的制造涉及专用处理，并且它们的操作涉及多个电源电压。此外，CCD需要结合多个外围IC一起工作。与此相反，CMOS图像传感器克服了这种CCD的显著增加系统复杂性相关的若干问题。

可以使用与典型CMOS集成电路的制造工艺类似的制造工艺来制造CMOS图像传感器。还可以使用单个电源来驱动CMOS图像传感器。此外，可以使用CMOS工艺将CMOS图像传感器与模拟或逻辑电路一起混合在单个芯片上。由于这些原因，CMOS图像传感器具有多个显著优点，使得能够减少外围IC的数量。

大多数CCD输出电路使用具有FD层的浮游扩散(floatingdiffusion，FD)放大器而产生1个信道(1ch)输出。与此相反，大多数CMOS图像传感器具有用于每个像素的FD放大器并产生列平行(column-parallel)输出，其中从像素阵列选择单个行，以列顺序同时读出其中的值。由于难以实现布置在像素内的FD放大器的足够的驱动性能，数据率降低，因而并行处理是有利的。

已经针对这种列平行CMOS图像传感器的信号输出电路提出了多种方案。

一种方法中，使用诸如光电二极管的光电变换器从CMOS图像传感器读取像素信号。通过布置在附近的MOS开关，传输构成光电变换器生成的光信号的信号电荷，随后的电容器被简单的采样和读取。在采样电路中，存在与普通采样容量值反相关的噪声。由于信号电荷完全是在将信号电荷传输到采样电容器时利用电势梯度来传输的，在像素的采样顺序上不会产生噪声。然而，当将最后一次采样的电容器的电压电平复位到某个基准值时，的确会产生噪声。

相关双采样(CDS)是消除这种噪声的典型技术。利用CDS，读取并存储紧接在对信号电荷(即，复位电平)采样之前的状态。然后读取采样后的信号电平，通过从该信号电平减去复位电平来消除噪声。存在多种具体的CDS技术。

此外，对于列平行CMOS图像传感器的像素信号读出(即，输出)电路，已经提出了多种方案。最先进的方案之一涉及为每个列添加模数转换器(ADC)，然后使像素信号成为数字信号。

这种配备ADC的列平行CMOS图像传感器被公开于例如W.Yang et.al，″An Integrated 800×600 CMOS Image System，″ISSCCDigest of Technical Papers，pp.304-305，Feb.1999和日本待审专利申请公报No.2005-278135，2005-295346以及S63-209374中。

发明内容

如上所述，在配备ADC的列平行CMOS图像传感器(也称为列AD CMOS图像传感器)中，比较器将来自DAC的斜坡波与像素信号相比较，并且使用下游计数器执行数字CDS来进行AD转换。

通常，比较器被配置为两级放大器，在初始级执行低速信号比较，将操作频带缩窄，然后在第二级放大器中提高增益。

同时，对于固态图像传感器，随机噪声是一个重要的性能指标。随机噪声的主要来源是像素和AD转换器。

减小随机噪声的典型技术通过增大晶体管尺寸来减小闪变噪声(flicker noise)，并试图通过增大初级比较器输出的电容来过滤CDS引起的噪声。

然而，以上两种技术均存在缺点，其中一种导致电路面积增大，而另一种由于电容增大而导致比较器中的反转延迟的恶化，妨碍了进一步提高图像传感器帧速率。

尽管日本待审专利申请公报No.2005-295346和S63-209374利用米勒(Miller)效应来减小像素内(即，垂直信号线之前)的复位噪声，但是存在未减小AD转换器噪声的缺点。

因此期望提供一种固态图像传感器和摄像机系统，其中可以在不增大电路面积的情况下改进帧速率，并且能够减小AD转换器噪声。

根据本发明第一实施例的固态图像传感器包括：像素单元，被配置为使得进行光电转换的多个像素以矩阵排列；和像素信号读出单元，被配置为逐个像素地从所述像素单元读出多个像素信号。所述像素信号读出单元包括：多个比较器，相对于像素按列平行设置，被配置为将读出信号电势与基准电压比较，并基于该比较结果而输出判定信号；和多个计数器，被配置为计数相应比较器的比较时间。每个比较器包括：包含差分增幅器的第一放大器，该差分增幅器被配置为在一晶体管的栅极接收所述基准电压，在另一晶体管的栅极接收所述读出信号，并将所述基准电压与所述读出信号电势比较；第二放大器，包含增幅器，其被配置为增大所述第一放大器的输出增益，并输出该结果；以及连接在所述第二放大器中的增幅器的输入端与输出端之间的电容器，以表现出米勒效应。

根据本发明第二实施例的摄像机系统包括：固态图像传感器；和被配置为将物体图像聚焦在所述图像传感器上的光学系统。所述固态图像传感器包括：像素单元，被配置为使得进行光电转换的多个像素按矩阵排列；和像素信号读出单元，被配置为逐个像素地从所述像素单元读出多个像素信号。所述像素信号读出单元包括：多个比较器，相对于像素按列平行设置，被配置为将读出信号电势与基准电压比较，并基于该比较结果输出判定信号；和多个计数器，被配置为计数相应比较器的比较时间。每个比较器包括：第一放大器，包含差分增幅器，其被配置为在一晶体管的栅极接收所述基准电压，在另一晶体管的栅极接收所述读出信号，并将所述基准电压与所述读出信号电势比较；第二放大器，包含增幅器，其被配置为增大所述第一放大器的输出增益，并输出该结果；以及连接在所述第二放大器中的增幅器的输入端与输出端之间的电容器，以表现出米勒效应。

根据本发明实施例，电容器表现出米勒效应，由此等效于在例如公共源极输入端连接一个增益相乘电容器。如果增幅器的增益为A_V2并将电容器的电容取为C，那么在第一放大器的输出端看到的电容变成被乘以根据{C＊(1+A_V2)}的增益。因此，电容器的电容可以很小。

根据本发明的实施例，可以在抑制电路面积增大的同时增大帧速率，并且可以减小AD转换器噪声。

附图说明

图1是图解说明根据本发明实施例的列平行ADC固态图像传感器(即，CMOS图像传感器)的示例结构的框图；

图2是更详细地图解说明图1所示的列平行ADC固态图像传感器(即，CMOS图像传感器)中的ADC组的框图；

图3图解说明了根据本发明实施例的使用4个晶体管构成的CMOS图像传感器像素的示例；

图4是图解说明根据本发明实施例的比较器的示例结构的电路图；

图5图解说明了CDS的操作流程；

图6图解说明了CDS传输函数的公式；

图7图解说明了相对于频率的CDS增益曲线；

图8示意性图解说明了CDS中的滤波处理；

图9图解说明了使用CDS滤波的减噪处理；

图10图解说明了与图4所示的电路相比较的比较器的示例；

图11图解说明了在图10所示的现有技术的电路(其中未利用米勒效应)与图4所示的根据本发明实施例的电路(其中利用了米勒效应)之间，对相同截断频率的反转延迟的比较结果；

图12是图4所示的比较器的时序图；

图13A图解说明了图10所示的电路的比较器输出的反转延迟；

图13B图解说明了图4所示的根据本发明实施例的电路的比较器输出的反转延迟；

图14是图解说明了根据本发明实施例的比较器的修改例的电路图；以及

图15图解说明了应用根据本发明实施例的固态图像传感器的摄像机系统的示例结构。

具体实施方式

以下将结合附图描述本发明的实施例。将如下进行描述。

1、固态图像传感器的总体示例结构

2、比较器的示例结构

3、CDS考虑

4、比较器操作

5、比较器的修改例

6、摄像机系统的示例结构

<1、固态图像传感器的总体示例结构>

图1是图解说明根据本发明实施例的列平行ADC固态图像传感器(即，CMOS图像传感器)的示例结构的框图。图2是更详细地图解说明图1所示的列平行ADC固态图像传感器(即，CMOS图像传感器)中的ADC组的框图。

如图1和2所示，固态图像传感器100包括，构成成像模块的像素单元110、垂直扫描电路120、水平读出扫描电路130和定时生成器电路140，和构成像素信号读出模块的ADC组150。

固态图像传感器100还包括配备有数模转换器(DAC)161的DAC和偏压电路160、放大器电路(S/A)170、信号处理电路180以及线存储器190。

以上部件中，通过模拟电路来实现像素单元110、垂直扫描电路120、水平读出扫描电路130、ADC组150、DAC和偏压电路160以及放大器电路(S/A)170。同时，通过数字电路来实现定时生成器电路140、信号处理电路180以及线存储器190。

像素单元110包括光电二极管和像素内放大器，其中例如图3所示按矩阵布置多个像素。

图3图解说明了根据本实施例的使用4个晶体管构成的CMOS图像传感器像素的示例。

像素电路110A包括光电转换器，如光电二极管111。在本示例中，像素电路110A包括充当光电转换器的单个光电二极管111。像素电路110A包括相对该单个光电二极管111充当有源元件的4个晶体管：充当传输元件的传输晶体管112、充当复位元件的复位晶体管113、放大器晶体管114以及选择晶体管115。

光电二极管111将入射光光电转换成电荷(此处为电子)，电荷的量取决于光量。传输晶体管112连接在光电二极管111与充当输出节点的FD之间。经由传输控制线LTx在传输晶体管112的栅极(即，传输栅极)向传输晶体管112提供驱动信号TG，在光电二极管111中通过光电转换得到的电子被传输到FD。

复位晶体管113连接在电源线LVDD与FD之间。经由复位控制线LRST在复位晶体管113的栅极向复位晶体管113提供复位RST，将FD的电势复位到电源LVDD的电势。

FD连接到放大晶体管114的栅极。放大晶体管114经由选择晶体管115连接到垂直信号线116，并在像素单元外部形成恒流源和源跟随器。

经由选择控制线LSEL向选择晶体管115的栅极提供控制信号SEL(即，地址信号或选择信号)，其激活选择晶体管115。一旦激活了选择晶体管115，放大晶体管114就对FD的电势进行放大，并将与该电势相对应的电压输出到垂直信号线116。由此，经由垂直信号线116从各像素输出的电压输出到ADC组150，其充当像素信号读出电路。例如，由于以行为单位来连接传输晶体管112、复位晶体管113以及选择晶体管115的各自的栅极，对单个行中的所有像素同时执行以上操作。

连接到像素单元110的复位控制线LRST、传输控制线LTx以及选择控制线LSEL作为一组而连接到像素阵列的每个行。由充当像素驱动器的垂直扫描电路120来驱动复位控制线LRST、传输控制线LTx以及选择控制线LSEL。

布置在固态图像传感器100中的还有：定时生成器电路140，其生成内部时钟并充当从像素单元110连续读取信号的控制电路；垂直扫描电路120，其控制行寻址和行扫描；以及水平读出扫描电路130，其控制列寻址和列扫描。

定时生成器电路140生成用于像素单元110、垂直扫描电路120、水平读出扫描电路130、ADC组(即，列AGC电路)150、DAC和偏压电路160、信号处理电路180以及线存储器190进行信号处理的定时信号。当ADC组中的每个比较器启动行操作时，定时生成器电路140生成具有施加给AZ开关的自零点(AZ)信号的形式的控制脉冲，以确定每列中的工作点。

在像素单元110中，借助于使用线快门的光子累积和放电，逐个像素行地对视频或画面图像进行光电转换。将所得到的模拟信号VSL输出给ADC组。

在ADC组150的每个ADC块(即，各列单元)中，来自像素单元110的模拟输出受到使用来自DAC 161的斜坡信号RAMP的APGA积分ADC，和数字CDS。多比特数字信号被输出。

在ADC组150中，将ADC布置在多个列中。每个ADC包括比较器151，其将基准电压Vslop与模拟信号(即，电势VSL)比较。基准电压Vslop具有通过对DAC 161生成的基准电压的台阶式变化而获得的斜坡波形。经由垂直信号线从每行线上的像素获得模拟信号(即，电势VSL)。

此外，每个ADC还包括对比较时间进行计数的计数器152，和保持计数结果的锁存器153。

将ADC组150配置为具有n比特数字信号转换的功能，并且在每个垂直信号线(即，每个列线)上设置有列平行ADC块。各锁存器153的输出连接到例如具有比特宽度2n的水平传输线LTRF。此外，与水平传输线LTRF相对应地设置2n放大器电路170和信号处理电路180。稍后将描述比较器151的具体结构和功能。

在ADC组150中，由设置在每列中的比较器151之一将读出到垂直信号线116上的模拟信号(即，电势VSL)与基准电压Vslop(即，具有以给定斜率线性变化的倾斜波形的斜坡信号RAMP)比较。

此时，与比较器151类似的设置在每列中的计数器152也激活，其中计数器值与具有斜坡波形的斜坡信号RAMP(即，电势Vslop)以1对1关系变化。这样，将垂直信号线的电势VSL转换成数字信号。

ADC将基准电压Vslop(即，斜坡信号RAMP)的电压变化转换成时间变化。通过基于周期(即，时钟)对该时间进行计数，将该变化转换成数字值。

当模拟信号VSL与斜坡信号RAMP(即，基准电压Vslop)相交时，比较器151的输出被反转，并要么将计数器152的输入时钟暂停，要么将暂停的时钟输入到计数器152中，从而完成AD转换。

以上AD转换时段结束后，由水平读出扫描电路130将锁存器153中保持的数据传输给水平传输线LTRF，随后经由放大器电路170将其输入到信号处理电路180，并由预定信号处理生成二维图像。

在水平读出扫描电路130中，进行多信道上的同时并行传输以确保传输速度。在定时生成器电路140中，适当生成用于各个块(如，像素单元110和ADC组150)中的信号处理的定时。在下游信号处理电路180中，通过线存储器190存储的信号来校正线和点缺陷，对该信号进行箝位，并进行其他数字信号处理，如并行-串行转换、压缩、编码、相加、平均以及间歇操作。线存储器190存储为每个像素行发送的数字信号。在本实施例的固态图像传感器100中，将信号处理电路180的数字输出作为ISP或基带LSI的输入而发送。

随后，在根据本实施例的ADC组150(即，像素信号读出单元)中，在基于放大器的比较器中利用了米勒效应，以高度地限制通带，从而减小像素和比较器噪声。如下配置本实施例中的每个比较器151。

<2.比较器的示例结构>

设置在每列中的每个比较器151包括级联的第一和第二放大器。此外，第二级第二放大器是公共源极增幅器，在其输入与输出节点之间连接有电容器。该电容器表现出米勒效应，并且等效于在公共源极输入端连接一个增益相乘电容器。结果，可以使用小电容器将每个比较器151的通带显著缩窄。每个比较器151还包括用于自清零(AZ)和采样的功能，以确定在启动行操作时确定每列中的工作点。

以下将详细描述具有本实施例的特征结构的ADC组150(即，像素信号读出单元)中的比较器151的结构和功能。在本实施例中，第一导电类型可以是p沟道或n沟道，而第二导电类型可以是n沟道或p沟道。对下述比较器赋予标号200。

图4是图解说明根据本发明实施例的比较器的示例结构的电路图。如图4所示，比较器200包括级联的第一放大器210和第二放大器220，和用于展现米勒效应的电容器C230。

第一放大器210包括p沟道MOS(PMOS)晶体管PT211到PT214，以及第一和第二电容器C211和C212，其充当AZ电平采样电容器。

PMOS晶体管PT211的源极和PMOS晶体管PT212的源极连接到电源电势源VDD。PMOS晶体管PT211的漏极连接到NMOS晶体管NT211的漏极，其连接点构成节点ND211。此外，PMOS晶体管PT211的漏极和栅极相连接，并且其连接点连接到PMOS晶体管PT212的栅极。PMOS晶体管PT212的漏极连接到NMOS晶体管NT212的漏极，其连接点构成第一放大器210的输出节点ND212。NMOS晶体管NT211和NMOS晶体管NT212的源极相连接，其连接点连接到NMOS晶体管NT213的漏极。NMOS晶体管NT213的源极连接到基准电势源GND(接地电势，例如)。

NMOS晶体管NT211的栅极连接到电容器C211的第一电极，其连接点构成节点ND213。此外，电容器C211的第二电极连接到输入端子TRAMP用于接收斜坡信号RAMP。NMOS晶体管NT212的栅极连接到电容器C212的第一电极，其连接点构成节点ND214。此外，电容器C212的第二电极连接到输入端子TVSL用于接收模拟信号VSL。

同时，NMOS晶体管NT213的栅极连接到输入端子TBIAS用于接收偏置信号BIAS。PMOS晶体管PT213的源极连接到节点ND211，同时漏极连接到节点ND213。PMOS晶体管PT214的源极连接到节点ND212，同时漏极连接到节点ND214。此外，PMOS晶体管PT213和PT214的栅极均连接到输入端子TPSEL用于接收在低电平有效的第一AZ信号PSEL。

在具有上述结构的第一放大器210中，由PMOS晶体管PT211和PT212实现电流镜像电路，同时由NMOS晶体管NT211和NT212实现差分比较器，以NMOS晶体管NT213为电流源。此外，PMOS晶体管PT213和PT214充当AZ开关，同时电容器C211和C212充当AZ电平采样电容器。将来自第一放大器210的输出信号1stcomp从输出节点ND212输出到第二放大器220。

第二放大器220包括PMOS晶体管PT221、NMOS晶体管NT221和NT222，以及充当AZ电平采样电容器的第三电容器C221。

PMOS晶体管PT221的源极连接到电源电势VDD，同时栅极连接到第一放大器210的输出节点ND212。PMOS晶体管PT221的漏极连接到NMOS晶体管NT221的漏极，其连接点构成输出节点ND221。NMOS晶体管NT221的源极连接到接地电势GND，同时栅极连接到电容器C221的第一电极，其连接点构成节点ND222。电容器C221的第二电极连接到接地电势GND。NMOS晶体管NT222的漏极连接到输出节点ND221，同时源极连接到节点ND222。此外，NMOS晶体管NT222的栅极连接到输入端子TNSEL用于接收在高电平有效的第二AZ信号NSEL。第二AZ信号NSEL具有与提供给第一放大器210的第一AZ信号PSEL的电平互补的电平。

在具有上述结构的第二放大器220中，由PMOS晶体管PT221实现输入和放大电路。此外，NMOS晶体管NT222充当AZ开关，而电容器C221充当AZ电平采样电容器。第二放大器220的输出节点ND221连接到比较器200的输出端子TOUT。

电容器C230的第一电极连接到充当公共源极增幅器的PMOS晶体管PT221的栅极(即，输入端)，而第二电极连接到PMOS晶体管PT221的漏极(即，输出端)。电容器C230由此展现米勒效应，并且等效于在公共源极输入端连接一个增益相乘电容器。

如果取PMOS晶体管PT221的增益为A_V2并将电容器C230的电容取为C，那么在第一放大器210的输出端看到的电容变成被乘以根据{C＊(1+A_V2)}的增益。因此，电容器C230的电容可以很小。结果，使用小电容器可以将比较器200的通带显著缩窄。

<3.CDS考虑>

现在将考虑使用如上构成的包含比较器200(151)的ADC执行相关双采样(CDS)。

图5图解说明了CDS的操作流程。如图5所示，CDS涉及对第一复位电平进行第一次AD转换(ST1)，对真实信号进行AD转换(ST2)，然后以其间的差作为最终数据(ST3)。

图6和7图解说明了CDS传输函数。图6示出了CDS传输函数的公式，图7图解说明了相对于频率绘制的CDS增益曲线。此外，图8示意性地图解说明了基于CDS的滤波处理。

如图6和7所示，CDS是指通带传输曲线。此外，如图8所示，由CDS过滤像素噪声和来自比较器本身的噪声。换句话说，由于米勒效应，固态图像传感器中的总体噪声由于CDS传输曲线而降低，因为比较器的截断频率ω_C降低了。

图9图解说明了使用CDS滤波的减噪处理。图9的左边部分图解说明了前CDS等效输入噪声，中间部分图解说明了CDS增益，右边部分图解说明了后CDS等效输入噪声。在中间和右边部分中，曲线A图解说明了根据本发明实施例的电路的特性，而曲线B图解说明了现有技术的电路的特性。

后CDS噪声频谱是通过将CDS传输曲线施加于来自像素和AD转换器(ADC)的组合噪声而获得的频谱。图9的右边部分表明利用米勒效应限制比较器中的通带的结果而减小了噪声频谱电平。

图10图解说明了与图4所示的电路相比较的比较器。在图10所示的比较器200C中，将电容器C240连接到第一级第一放大器210(即，差分增幅器)的输出端。结果，可以在不利用米勒效应的情况下限制通带。

然而，当要在比较器200C中高度地限制通带时，比较器的尺寸变得非常大。因此对电容器的放电时间变得很耗时，这会恶化帧速率并增大比较器本身的反转延迟。

图11图解说明了在图10所示的现有技术的电路(其中未利用米勒效应)与图4所示的根据本发明实施例的电路(其中利用了米勒效应)之间，对相同截断频率的反转延迟的比较结果。如图11所示，根据本发明实施例的电路具有与现有技术的电路的相比较小的反转延迟。如果比较器的反转延迟增大，AD转换时间也延长，最终导致帧速率减小。

因此，在根据本实施例的比较器200中，利用米勒效应限制通带，从而在不减小帧速率的情况下降低随机噪声。此外，由于使用小电容器实现了以上目的，因此本实施例还在电路面积和成本方面具有优势。

<4.比较器操作>

现在将与图12所示的时序图相关地描述根据本实施例的比较器200的操作。应当明白，图12所示的AZ信号只是提供给第二放大器220的第二AZ信号NSEL。如前所述，第一AZ信号PSEL取与第二AZ信号NSEL的电平互补的电平。换句话说，当第二AZ信号NSEL为高电平时，第一AZ信号PSEL为低电平，类似的，当第二AZ信号NSEL为低电平时，第一AZ信号PSEL为高电平。

在比较器200中，在AZ期间提供低电平第一AZ信号PSEL和高电平第二AZ信号NSEL。结果，接通了PMOS晶体管PT213和PT214，其充当第一放大器210的AZ开关。类似的，也接通了充当第二放大器220的AZ开关的NMOS晶体管NT222。

这样，在ADC组150中，使用多个比较器200对DAC偏移电平、像素复位电平、以及每列AZ电平进行采样，并在AZ电平采样电容器C211、C212和C221中累积电荷。

当AZ时段结束时，将第一AZ信号PSEL切换为高电平，而将第二AZ信号NSEL切换为低电平。结果，断开了充当第一放大器210的AZ开关的PMOS晶体管PT213和PT214。类似的，还断开了充当第二放大器220的AZ开关的NMOS晶体管NT222。这样，启动了对像素复位电平的积分AD转换(以下称为P阶段)。

在P阶段，比较器200的第一放大器210中的节点ND213和ND214(形成在AZ时段期间被充电的采样电容器C211和C212与NMOS晶体管NT211和NT212之间)变成高阻抗(HiZ)节点。因此，差分NMOS晶体管NT211和NT212的栅极输入根据来自DAC 161的斜坡信号RAMP的斜坡变化而变化，并启动与VSL电平(即，像素信号)之间的比较。

一旦斜坡信号RAMP与像素信号相交，第一放大器210的输出信号1stcomp急剧变化。结果，接通了第二放大器220的PMOS晶体管PT221，电流I1开始流动，并且第二放大器220的输出2ndOUT从低电平(L)变成高电平(H)。

类似的，在D阶段，每列比较器200按与P阶段的方式相同的方式操作。因此，由于数字CDS(见图12所示的时序图的D阶段时段)的结果，可以抵消掉kTC噪声和像素复位噪声。

图13A和13B将根据本发明实施例的电路与现有技术的电路的比较器输出中的反转延迟进行比较。图13A图解说明了图10所示的现有技术电路的比较器输出，而图13B图解说明了图4所示的根据本发明实施例的电路的比较器输出。

图13A图解说明了当根据现有技术来限制通带的情况下的时序图。如图13A所示，当反转延迟很大时，P和D阶段耗费的时间量增大，导致帧速率减小。

图13B图解说明了使用根据图4所示的本实施例的电路来限制通带的情况。在图13B的情况中，P和D阶段与图13A所示的相比更短。1H定时也因此较短，结果，可以增大帧速率。

<5.比较器的修改例>

图14是图解说明了根据本发明实施例的比较器的修改例的电路图。图14所示的比较器200A配置为使得晶体管的极性与图4所示的比较器200的相反。因此，在该电路中所连接的电源电势和接地电势也反转。为了简单起见，图14的节点和电容器的标号与图4使用的标号相同。

在第一放大器210A中，使用PMOS晶体管PT214到PT217而不是图4所示的NMOS晶体管NT211到NT213来实现差分比较器和电流源。此外，将充当电流源的PMOS晶体管PT217的源极连接到电源电势VDD。

此外，使用NMOS晶体管NT214和NT215而不是图4所示的PMOS晶体管PT211和PT212来实现电流镜像电路。此外，将NMOS晶体管NT214和NT215的源极连接到接地电势GND。

此外，使用NMOS晶体管NT216和NT217而不是图4所示的PMOS晶体管PT213和PT214来实现AZ开关。在此情况下，将第二AZ信号NSEL提供到第一放大器210A中的NMOS晶体管NT216和NT217的栅极。

在第二放大器220A中，使用NMOS晶体管NT223而不是图4所示的PMOS晶体管PT221来实现输入和放大电路。将NMOS晶体管NT223的源极连接到接地电势GND。

使用PMOS晶体管PT222而不是图4所示的NMOS晶体管NT221来实现构成镜像电路的晶体管。将PMOS晶体管PT222的源极连接到电源电势VDD。同时，将电容器C221的第一电极连接到节点ND222，后者本身连接到PMOS晶体管PT222，而第二电极连接到电源电势VDD。

此外，使用PMOS晶体管PT223而不是图4所示的NMOS晶体管NT222实现AZ开关。在此情况下，将第一AZ信号PSEL提供给第二放大器220A中的PMOS晶体管PT223的栅极。

将电容器C230A的第一电极连接到充当公共源极增幅器的NMOS晶体管NT223的栅极(即，输入端)。将第二电极连接到NMOS晶体管NT223的漏极(即，输出端)。电容器C230A表现出米勒效应，并且等效于在公共源极输入端连接一个增益相乘电容器。

如果取NMOS晶体管NT223的增益为A_V2并将电容器C230的电容取为C，那么在第一放大器210A的输出端看到的电容变成被乘以根据{C＊(1+A_V2)}的增益。因此，电容器C230A的电容可以很小。结果，使用小电容器可以将比较器200A的通带显著缩窄。

图14所示的具有以上结构的比较器200A在操作上与图4所示的比较器200基本类似，但是其中在图12所示时序图中RAM、1stcomp以及2ndAMP信号的波形被反转。因此，根据图14所示的比较器200A，获得了与图4所示的比较器200的优点类似的优点。

如前所述，本实施例包括：像素单元110，其中进行光电转换的多个像素按矩阵排列；和像素信号读出单元150(即，ADC组)，其逐行地从像素单元110读出数据。

ADC组150将根据列平行像素设置的读出信号电势与基准电压比较，并包括：多个比较器151，其基于比较结果而输出判定信号；和多个计数器152，其对相应的比较器的比较时间进行计数。

各个比较器151包括：第一放大器210；按级联方式连接到第一放大器210的第二放大器220，其充当增大第一放大器210的输出增益的增幅器；以及连接在第二放大器中的公共源极增幅器的输入端与输出端之间以展现米勒效应的电容器C230。

因此，根据本实施例，获得了以下优点。

由于利用电容器的米勒效应而高度限制了各比较器的通带，可以减小像素噪声和比较器噪声。由于利用米勒效应限制了比较器的通带，因此可以在保持比较器的反转时间短的同时减小噪声。由于反转时间不会恶化，不会减小帧速率。

此外，由于利用米勒效应来限制比较器的通带，因此可以使用小电容器来高度地限制通带。因此，与现有技术相比，可以在实现相同减噪效果的同时减小电路面积和成本。

可以将具有以上优点的固态图像传感器用作数字或视频摄像机中的成像装置。

<6.摄像机系统的示例结构>

图15图解说明了应用根据本发明实施例的固态图像传感器的摄像机系统的示例结构。如图15所示，摄像机系统300包括成像装置310，可以对该成像装置310应用根据本实施例的CMOS图像传感器(即，固态图像传感器100)。

摄像机系统300还包括将入射光引导到成像装置310的像素区上(即，对物体图像聚焦)的光学系统。该光学系统例如可以是将入射光(即，图像光)聚焦在成像表面上的透镜320。

摄像机系统300还包括对成像装置310驱动的驱动电路(DRV)330，和对来自成像装置310的输出信号进行处理的信号处理电路(PRC)340。

驱动电路330包括生成各种定时信号(包括对成像装置310内的电路进行驱动的开始脉冲和时钟脉冲)的定时生成器(未示出)。驱动电路330利用预定定时信号来驱动成像装置310。

信号处理电路340对来自成像装置310的输出信号执行预定信号处理。

将信号处理电路340处理的图像信号记录在诸如存储器的记录介质中。然后可以由打印机或其他设备来制作记录在记录介质上的图像信息的硬拷贝。替换地，可以将信号处理电路340处理的图像信号作为运动图像输出给液晶显示器或类似设备构成的监视器。

然后，如上所述，可以将以上描述的固态图像传感器100以成像装置310的形式安装在诸如数字静态摄像机的成像设备上，从而实现高精度摄像机。

本发明包含2008年10月9日在日本专利局提交的日本在先专利申请JP 2008-262974中公开的主题有关的主题，通过引用将其全部内容包含于此。

本领域技术人员应当明白，可以根据设计要求和其他因素来作出各种修改、组合、子组合以及变更，只要它们落入所附权利要求或其等效物的范围内。

Claims (7)

1.一种固态图像传感器，包括：

像素单元，被配置为使得进行光电转换的多个像素按矩阵排列；和

像素信号读出单元，被配置为逐个像素地从所述像素单元读出多个像素信号；

其中所述像素信号读出单元包括

多个比较器，相对于像素按列平行设置，被配置为将读出信号电势与基准电压进行比较，并基于该比较结果而输出判定信号；和

多个计数器，被配置为计数相应比较器的比较时间；以及

其中每个比较器包括

第一放大器，包含差分增幅器，被配置为在一晶体管的栅极接收所述基准电压，在另一晶体管的栅极接收所述读出信号，并将所述基准电压与所述读出信号电势比较；

第二放大器，包含增幅器，被配置为增大所述第一放大器的输出增益，并输出其结果；以及

电容器，连接在所述第二放大器中的增幅器的输入端与输出端之间以表现出米勒效应。

2.根据权利要求1所述的固态图像传感器，其中连接在所述第二放大器的输入端与输出端之间的电容器按照{C＊(1+A_V2)}对从所述第一放大器的输出端看到的增益进行相乘，其中A_V2是所述增幅器的增益，C是所述电容器的电容。

3.根据权利要求1或2所述的固态图像传感器，其中

所述第二放大器中的增幅器由公共源极场效应晶体管形成，该公共源极场效应晶体管在其栅极被提供所述第一放大器的输出；和

所述电容器连接在所述公共源极场效应晶体管的栅极与漏极之间。

4.根据权利要求1所述的固态图像传感器，其中

所述第一放大器还包括

自清零开关，被连接在所述差分晶体管的栅极与漏极之间以在启动行操作时确定每列中的工作点；以及

第一和第二电容器，连接到所述差分晶体管的各个栅极，并被配置为对自清零电平进行采样。

5.根据权利要求4所述的固态图像传感器，其中

所述第二放大器包括

自清零开关，被配置为在启动行操作时确定每列中的工作点；和

第三电容器，被配置为对自清零电平进行采样。

6.根据权利要求5所述的固态图像传感器，其中

所述第二放大器包括

第一导电类型场效应晶体管，被配置为在其栅极接收所述第一放大器的输出；和

第二导电类型场效应晶体管，与所述第一导电类型场效应晶体管串联连接，具有被设置在其栅极与漏极之间的自清零开关，并且其中栅极连接到所述第三电容器；

在所述第一导电类型场效应晶体管与所述第二导电类型场效应晶体管之间的连接点形成输出节点，以及

其中被配置为表现出米勒效应的所述电容器被连接在所述第一导电类型场效应晶体管的栅极与漏极之间。

7.一种摄像机系统，包括：

固态图像传感器；和

被配置为将物体图像聚焦在所述图像传感器上的光学系统；

其中所述固态图像传感器包括：

像素单元，被配置为使得进行光电转换的多个像素按矩阵排列；和

像素信号读出单元，被配置为逐个像素地从所述像素单元读出多个像素信号；

所述像素信号读出单元包括

多个比较器，相对于像素按列平行设置，被配置为将读出信号电势与基准电压进行比较，并基于该比较结果而输出判定信号；和

多个计数器，被配置为计数相应比较器的比较时间；以及

其中每个比较器包括

第一放大器，包含差分增幅器，被配置为在一晶体管的栅极接收所述基准电压，在另一晶体管的栅极接收所述读出信号，并将所述基准电压与所述读出信号电势进行比较；

第二放大器，包含增幅器，被配置为增大所述第一放大器的输出增益，并输出该结果；以及

电容器，连接在所述第二放大器中的增幅器的输入端与输出端之间以表现出米勒效应。

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