CN101836433B - 摄像器件、其控制方法以及使用该摄像器件的照相机 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种不仅能减少例如阴影的噪声还能高速读出像素的摄像器件、用于控制所述摄像器件的方法和使用所述摄像器件的照相机。在三晶体管驱动像素电路(11)中，复位晶体管(113)的漏极连接到驱动信号线(DRNL(n))，放大晶体管(114)的漏极连接到电源电压(VDD)。行驱动电路(12a)将施加在驱动信号线(DRNL(n))上的电压电平从高电平电压(VH)迅速降低到最低电平电压(VLL)，接着将其从最低电平电压(VLL)增加到低电平电压(VL)，然后使其逐渐返回到高电平电压(VH)。

Description

摄像器件、其控制方法以及使用该摄像器件的照相机
技术领域
本发明涉及摄像器件(例如互补型金属氧化物半导体(ComplementaryMetal Oxide Semiconductor，CMOS)图像传感器)、控制该摄像器件的方法以及使用该摄像器件的照相机。 
背景技术
在CMOS图像传感器中，通过执行复位，从光电转换器中移除多余电荷，电子快门使得该光电转换器能够存储电荷，然后所存储的电荷作为电压信号输出到垂直信号线。下面参考图13和图14简要说明传统CMOS图像传感器的主要部分及其操作。 
图13是表示传统CMOS图像传感器的配置示例的主要部分的等效电路图。 
图14是图13所示的CMOS图像传感器的时序图。图14(A)显示了驱动信号SDRN。图14(B)显示了复位信号SRST。图14(C)显示了传输信号STRN。 
图13所示的CMOS图像传感器3的像素电路30设于像素部311中。像素电路30包括传输晶体管32、复位晶体管33和放大晶体管34，像素电路30由行驱动电路37驱动。如图13所示配置的像素电路30被称为“三晶体管驱动像素电路”或“三晶体管驱动CMOS图像传感器”等。 
行驱动电路37包括：晶体管39，其用于将低电平电压VL的驱动信号SDRN施加到驱动信号线310上；和晶体管38，其用于将高电平电压VH的驱动信号SDRN施加到驱动信号线310上。高电平电压VH例如是电源电压VDD，低电平电压VL是用于使放大晶体管34保持在截止状态的电压。 
当像素电路30为三晶体管驱动像素电路时，行驱动电路37将低电平电压VL或高电平电压VH的二进制电压施加到驱动信号线310驱动该 像素电路30。 
在时间t1到t4期间，行驱动电路37将栅极电压VL施加到晶体管38的栅极，仅使晶体管38保持在导通状态，从而使高电平电压VH的驱动信号SDRN(见图14(A))施加到驱动信号线310。 
在光电转换器31开始读取电荷(时间t2)之前，行驱动电路37将复位信号SRST(见图14(B))的脉冲施加到连接至复位晶体管33的栅极的复位信号线RSTL。上述操作将浮动扩散部FD的电位复位到高电平电压VH。 
在时间t3，行驱动电路37将传输信号STRN(见图14(C))的脉冲施加到连接至传输晶体管32的栅极的传输信号线TRNL。上述操作将由光电转换器31存储的电荷传输到浮动扩散部FD。 
此时，放大晶体管34的栅极具有浮动扩散部FD的电位，漏极具有高电平电压VH。从而，放大晶体管34根据源极和栅极之间的电压来放大浮动扩散部FD的电位，然后将放大的电位作为电压信号输出到垂直信号线35。从放大晶体管34输出电压信号被称为“读出电荷”或“读出像素”等，该输出一直持续到时间t4。 
读出电荷之后，在时间t4到时间t5期间，行驱动电路37仅使晶体管39保持在导通状态，将低电平电压VL的驱动信号SDRN(见图14(A))施加到驱动信号线310，从而将复位信号SRST(见图14(B))的脉冲施加到复位信号线RSTL。 
在低电平电压VL施加到放大晶体管34的栅极(浮动扩散部FD)之后，复位信号SRST返回到低电平电压VL。 
上述操作使放大晶体管34保持在截止状态，使得像素电路30处于停止输出电压信号的非选择状态，于是完成一个水平周期H内CMOS图像传感器3的操作。 
如上所述，当读出电荷时，来自像素电路30的电压信号被施加到垂直信号线35，使得垂直信号线35的电位改变。 
此时，当处于非选择状态的像素电路30向垂直信号线35输出电压 信号时，即使处于非选择状态的像素电路30很少，这些电压信号也叠加到从读出行的像素电路30输出的电压信号上。因此，来自像素电路的输出电压会影响整个像素区域，从而产生例如阴影的各种噪声。 
这些现象与驱动信号SDRN在时间t4处如何下降密切相关。驱动信号SDRN下降得越快(见图14)，包含在像素电路30中的晶体管的P型阱的电位波动越剧烈，从而产生例如阴影的现象。 
因此，在先技术揭示了一种通过使用具有不同的电压电平且下降更缓慢的多值驱动信号SDRN来减少例如阴影的现象的方法(见专利文献1：JP-A-2005-217704和专利文献2：JP-A-2005-311932)。 
发明内容
本发明所解决的问题
根据专利文献1和2，如图13所示，在三晶体管驱动像素电路中，复位晶体管33的漏极和放大晶体管34的漏极共同连接到驱动信号线310。 
这增加了驱动信号线310布线的负载电阻，导致了驱动信号SDRN的衰减和延迟，于是难以高速驱动像素电路30。在专利文献1和2中，多值驱动信号SDRN被施加到驱动信号线310。但是，其目的是要减缓脉冲的下降，而这不适于高速读出像素。 
本发明提供了：一种摄像器件，其不但能够减少例如阴影等噪声，还能高速读出像素；一种控制该摄像器件的方法；以及使用该摄像器件的照相机。 
解决问题的方法
根据本发明的第一个方面，提供一种摄像器件，其包括：以矩阵形式排列的多个像素电路；选择驱动线，排布在相同方向的所述多个像素电路共同连接到该选择驱动线；以及选择驱动电路，其用于选择性地将具有多个不同电压电平的选择驱动信号施加到所述选择驱动线，选择并驱动所述像素电路，其中，每一所述像素电路包括：光电转换器，其用于将入射光通过光电转换而转换为电荷；节点，电荷从所述光电转换器传输到该节点；输出晶体管，其具有连接到所述节点的控制终端、连接到预定电压源的第一连接终端和连接到输出信号线的第二连接终端，其用于放大所述节点的电位，然后将经放大的电压作为输出信号输出到所述输出信号线；以及控制晶体管，其具有连接到所述节点的第三连接终端和连接到被施加所述选择驱动信号的所述选择驱动线的第四连接终端，该控制晶体管将与所述输出晶体管的控制终端相连的节点的电位设置为基于所述电压电平的电位，并控制所述节点电位的复位和所述输出晶体管的输出，其中，在所述输出晶体管停止输出的时间段内，所述选择驱动电路将施加到所述选择驱动线的所述选择驱动信号的电压电平从第一电压电平变换到第二电压电平，并使所述选择驱动信号的电压电平从所述第二电压电平逐渐返回到所述第一电压电平，其中所述第一电压电平使所述输出晶体管保持在导通状态，所述第二电压电平超出使所述输出晶体管保持在截止状态的基准电压电平。
优选地，所述多个电压电平包括：所述第一电压电平；所述第二电压电平；和第三电压电平，该第三电压电平为将所述输出晶体管保持在截止状态的基准电压电平，其中，所述选择驱动电路将施加到所述选择驱动线的选择驱动信号的电压电平从所述第一电压电平变换到所述第二电压电平，然后使所述选择驱动信号的电压电平经过所述第三电压电平返回到所述第一电压电平。 
优选地，所述选择驱动电路将所述第二电压电平的选择驱动信号施加到所述选择驱动线一段时间，该段时间比将所述第二电压电平之外的电压电平的选择驱动信号施加到所述选择驱动线的时间短。 
优选地，所述选择驱动电路包括：晶体管，其具有施加有所述第二电压电平和所述第三电压电平之一的电压的第五连接终端，该晶体管用于将施加到所述第五连接终端的电压电平的电压输出到所述选择驱动线；以及反短路晶体管，该反短路晶体管具有与所述晶体管相同的极性，用于防止所述选择驱动电路短路，其中，所述反短路晶体管具有连接到所述晶体管的第六连接终端的第七连接终端和连接到所述选择驱动线的第八连接终端。 
优选地，所述选择驱动电路将所述选择驱动信号施加到所述选择驱 动线的两端。 
根据本发明的第二个方面，提供一种控制摄像器件的方法，其包括以下步骤：第一步，选择性地将具有不同电压电平的选择驱动信号施加到排列在相同方向的多个像素电路所共同连接的选择驱动线，选择并驱动所述多个像素电路，其中，被选择的所述多个像素电路将入射光通过光电转换而转换为电荷，然后将基于电荷量的电压作为输出信号输出到输出信号线；以及第二步，在所述多个像素电路读出电荷之后，停止从所述多个像素电路输出信号预定时间段，所述第一步包括：将由光电转换器光电转换的电荷传输到节点，其中控制晶体管具有连接到所述节点的第三连接终端和连接到被施加所述选择驱动信号的所述选择驱动线的第四连接终端，该控制晶体管将连接到输出晶体管的控制终端的所述节点的电位设置为基于所述电压电平的电位，并复位所述节点的电位，其中，所述输出晶体管具有连接到所述节点的控制终端、连接到预定电压源的第一连接终端和连接到所述输出信号线的第二连接终端，在所述控制晶体管的控制下，该输出晶体管放大所述节点的电位，然后将经放大的电压作为输出信号输出到所述输出线号线，所述第二步包括：将施加到所述选择驱动线上的所述选择驱动信号的电压电平从第一电压电平变换到第二电压电平，然后使所述选择驱动信号的电压电平从所述第二电压电平逐渐返回到所述第一电压电平，其中所述第一电压电平使所述输出晶体管保持在导通状态，所述第二电压电平超过使所述输出晶体管保持在截止状态的电压电平。 
根据本发明的第三方面，提供一种照相机，其包括：摄像器件；光学系统，其用于将入射光导向所述摄像器件的像素区域；以及信号处理器，其用于处理所述摄像器件输出的输出信号，所述摄像器件包括：以矩阵形式排列的多个像素电路；选择驱动线，排布在相同方向的所述多个像素电路共同连接到该选择驱动线；以及选择驱动电路，其用于选择性地将具有多个不同电压电平的选择驱动信号施加到所述选择驱动线，选择并驱动所述像素电路，其中，每一所述像素电路包括：光电转换器，其用于将入射光通过光电转换而转换为电荷；节点，电荷从所述光电转换器传输到该节点；输出晶体管，其具有连接到所述节点的控制终端、 连接到预定电压源的第一连接终端和连接到输出信号线的第二连接终端，其用于放大所述节点的电位，然后将经放大的电压作为输出信号输出到所述输出信号线；以及控制晶体管，其具有连接到所述节点的第三连接终端和连接到被施加所述选择驱动信号的所述选择驱动线的第四连接终端，该控制晶体管将与所述输出晶体管的控制终端相连的节点的电位设置为基于所述电压电平的电位，并控制所述节点电位的复位和所述输出晶体管的输出，其中，在所述输出晶体管停止输出的时间段内，所述选择驱动电路将施加到所述选择驱动线的所述选择驱动信号的电压电平从第一电压电平变换到第二电压电平，并使所述选择驱动信号的电压电平从所述第二电压电平逐渐返回到所述第一电压电平，其中所述第一电压电平使所述输出晶体管保持在导通状态，所述第二电压电平超出使所述输出晶体管保持在截止状态的基准电压电平。 
根据本发明，所述输出晶体管具有连接到所述节点的控制终端、连接到预定电压源的第一连接终端和连接到所述输出信号线的第二连接终端，所述输出晶体管放大所述节点的电位，然后将经放大的电压作为输出信号输出到所述输出信号线。 
所述控制晶体管具有连接到所述节点的第三连接终端和连接到被施加选择驱动信号的所述选择驱动线的第四连接终端，所述控制晶体管将所述节点的电位设置为基于所述电压电平的电位，并控制所述节点电位的复位和所述输出晶体管的输出。 
所述选择驱动电路选择性地将具有不同电压电平的选择驱动信号施加到排列在相同方向的多个像素电路所共同连接的选择驱动线，且在所述输出晶体管停止输出的时间段内，所述选择驱动电路将施加到所述选择驱动线的电压电平从所述第一电压电平变换到所述第二电压电平，然后使所述电压电平从所述第二电压电平逐渐返回到所述第一电压电平。 
本发明的效果
本发明不仅能够减少例如阴影等噪声，还能高速读出像素。 
附图说明
图1是显示了第一实施例的CMOS图像传感器的配置示例的示意性 配置图。 
图2是显示了第一实施例的像素电路和行驱动电路的配置示例的等效电路图。 
图3是显示了第一实施例的行驱动电路的操作示例的时序图。 
图4是显示了第一实施例的行驱动电路的变化例的等效电路图。 
图5是图4所示的各电平晶体管(level transistor)的剖面示意图。 
图6是显示了图4所示的行驱动电路的操作示例的时序图。 
图7是显示了第一实施例的CMOS图像传感器的操作示例的时序图。 
图8是显示了第一实施例的像素部和行驱动电路的具体示例的等效电路图。 
图9显示了第一实施例的CMOS图像传感器的模拟结果。 
图10显示了传统CMOS图像传感器的模拟结果。 
图11是显示了第二实施例的像素部和行驱动电路的具体示例的等效电路图。 
图12显示了采用本发明实施例的CMOS图像传感器的照相机的配置示例。 
图13是显示了传统CMOS图像传感器配置示例的主要部分的等效电路图。 
图14是图13所示的CMOS图像传感器的时序图。 
具体实施方式
下面参考附图来描述本发明的各实施例。 
第一实施例
图1是显示了第一实施例的CMOS图像传感器的配置示例的示意性配置图。图1仅仅显示了CMOS图像传感器1的主要部分。 
如图1所示，CMOS图像传感器(CMOS)1包括多个像素部10、像素电路11、行驱动电路(DRV)12、水平传输电路13和时序发生器14。 
应注意的是，本发明中的摄像器件对应于CMOS图像传感器1，本发明中的像素区域对应于像素部10，本发明中的选择驱动电路对应于行驱动电路12。 
像素部10是用于接收入射光的像素区域，其包括以n行m列的矩阵形式布置的n×m个像素电路11，n和m是正整数，均可高达例如2048。 
每一像素电路11都是三晶体管驱动像素电路。每一像素电路11都覆盖有R(红)、G(绿)或B(蓝)的滤色器，且例如根据拜耳(Bayer)图案来排布。驱动信号线DRNL(n)、复位信号线RSTL(n)和传输信号线TRNL(n)共同连接到属于同一行的像素电路11。 
每一像素电路11将入射光通过光电转换而转换为电荷(电子)，将基于电荷量的电压信号输出到垂直信号线VSL(m)。 
应注意的是，本发明中的选择驱动线对应于驱动信号线DRNL(n)，本发明中的输出信号线对应于垂直信号线VSL(m)，本发明中的输出信号对应于数字信号。 
行驱动电路12选择将被扫描的行，然后驱动属于该行的像素电路11。具体地，行驱动电路12将驱动信号SDRN施加到驱动信号线DRNL(n)，将复位信号SRST施加到复位信号线RSTL(n)，将传输信号STRN施加到传输信号线TRNL(n)。 
水平传输电路13例如包括：设置用于每列的列电路131；开关132，其用于选择每列的垂直信号线VSL(m)；和水平传输信号线HSCNL。 
水平传输电路13通过接通/断开每列的开关132依次选择垂直信号线VSL(m)，然后从所选列的像素电路11中读出电荷(电压信号)。此时，列电路131将施加到垂直信号线VSL(m)的模拟电压信号转换为数字信号，对复位电平和信号电平执行相关双采样(CDS)处理，然后向水平传输信号线HSCNL输出该数字信号。接着，水平传输电路13将经过CDS处理的数字信号作为输出信号SIG输出到CMOS图像传感器1外部的信号处理器。 
时序发生器14向行驱动电路12、水平传输电路13、包含在CMOS图像传感器1中的其它电路等提供时钟信号。 
接下来，参考图2来描述像素电路11和行驱动电路12。 
图2是显示了第一实施例的像素电路和行驱动电路配置示例的等效电路图。图2显示了布置在像素部10的第n行第m列的一个像素电路11，仅仅显示了行驱动电路12的主要部分。 
首先，描述像素电路11的电路配置的一个例子。 
如图2所示，像素部10的像素电路11包括光电转换器111、传输晶体管112、复位晶体管113、放大晶体管114和浮动扩散部FD。像素电路11是三晶体管驱动像素电路。 
应注意的是，本发明中的输出晶体管对应于放大晶体管114，本发明中的控制晶体管对应于复位晶体管113，本发明中的节点对应于浮动扩散部FD。本发明的预定电压源对应于连接到放大晶体管114的漏极的电压源VDD。 
光电转换器111例如是光电二极管。光电转换器111的阳极连接到地线(GND)，阴极连接到传输晶体管112的源极。光电转换器111根据光的光量将入射光通过光电转换而转换为电荷(在本实施例中为电子)并存储该电荷。光电转换器111存储电荷的操作称为“像素电路存储电荷”。光电转换器111存储电荷的时间段称为电荷存储时间段。 
作为示例，可使用n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(metaloxide semiconductor field effect transistor，MOSFET)作为像素电路11的各晶体管。这些晶体管按以下方式连接。 
传输晶体管112的源极连接到光电转换器111的阴极，其漏极连接到浮动扩散部FD，其栅极连接到传输信号线TRNL(n)。 
传输晶体管112的漏极、复位晶体管113的源极和放大晶体管114的栅极连接到浮动扩散部FD。 
复位晶体管113的源极(第三连接终端)连接到浮动扩散部FD，其漏极(第四连接终端)连接到驱动信号线DRNL(n)，其栅极连接到复位信号 线RSTL(n)。 
放大晶体管114的源极(第二连接终端)连接到垂直信号线VSL(m)，其漏极(第一连接终端)连接到电源电压VDD，其栅极连接到浮动扩散部FD。放大晶体管114和恒流源电路15形成源极跟随电路。 
如上文所述，第一实施例的特征在于向复位晶体管113的漏极和放大晶体管114的漏极施加来自不同电压源的电压。 
每一像素电路11执行“复位”，使浮动扩散部FD的电位等于驱动信号线DRNL(n)(高电平电压VH)的电位。 
接着，由光电转换器111存储的电荷被传输到浮动扩散部FD，从而被读出。 
下面描述行驱动电路12的主要部分的电路配置的示例。 
行驱动电路12包括用于每行的电平晶体管121、122和123。图2仅仅显示了包含电平晶体管121、122和123的电路的第n行部分。 
作为例子，可使用n沟道MOSFET作为电平晶体管121和122，使用p沟道MOSFET作为电平晶体管123。 
电平晶体管121的源极连接到最低电平电压VLL的电压源，其漏极连接到节点ND1。 
电平晶体管122和123的漏极共同连接到节点ND2。电平晶体管122的源极连接到低电平电压VL的电压源。电平晶体管123的源极连接到高电平电压VH的电压源。 
节点ND1和ND2共同连接到驱动信号线DRNL(n)。 
高电平电压VH例如是电源电压VDD。最低电平电压VLL比低电平电压VL低(VL＞VLL)，该最低电平电压VLL例如是接地电位GND。 
低电平电压VL比高电平电压VH低，比最低电平电压VLL高(VH＞VL＞VLL)。具体地，低电平电压VL是基准电压(例如0.6V)，在该基准电压施加到放大晶体管114的栅极时能够使该放大晶体管114保持在截止状态。 
应注意的是，本发明中的第一电压电平对应于高电平电压VH，本发明中的第二电压电平对应于最低电平电压VLL，本发明中的第三电压电平对应于低电平电压VL。 
如上述配置的行驱动电路12选择性地将三个电压电平值的驱动信号SDRN施加到驱动信号线DRNL(n)，这三个电压电平值包括高电平电压VH、低电平电压VL和最低电平电压VLL。参考图3，下面描述行驱动电路12的操作。 
图3是显示了第一实施例的行驱动电路的操作示例的时序图。 
图3(A)显示了驱动信号SDRN。图3(B)显示了施加到电平晶体管121栅极的栅极电压VGN1。图3(C)显示了施加到电平晶体管122栅极的栅极电压VGN2。图3(D)显示了施加到电平晶体管123栅极的栅极电压VGP。 
为了将图3(A)所示的驱动信号SDRN施加到驱动信号线DRNL(n)，行驱动电路12进行如下操作。 
在第n行像素电路11的选择状态时间段TS，为了激活复位晶体管113来控制放大晶体管114的输出，行驱动电路12将高电平电压VH的驱动信号SDRN施加到驱动信号线DRNL(n)上。 
应注意的是，选择状态时间段TS是像素电路11完成读出电荷操作的时间段。 
这时，行驱动电路12仅将低电平电压VL施加到电平晶体管123的栅极(见图3(D))。由于栅极电压VGP是低电平电压VL，所以电平晶体管123在选择状态期间TS保持在导通状态，且高电平电压VH的驱动信号SDRN被施加到驱动信号线DRNL(n)。 
另一方面，在像素电路11的非选择状态设置时间段TN，为了停止放大晶体管114的输出，行驱动电路12将低电平电压VL的驱动信号SDRN施加到驱动信号线DRNL(n)。 
但是，在非选择状态设置时间段TN开始时，行驱动电路12使驱动信号SDRN的电压电平从高电平电压VH迅速降低到最低电平电压VLL。 
应注意的是，非选择状态设置时间段TN是行驱动电路12将低电平电压VL施加到驱动信号线DRNL(n)、使得放大晶体管114停止向垂直信号线VSL(m)输出电压信号的时间段。 
更具体地说，此时，行驱动电路12将高电平电压VH施加到电平晶体管123的栅极(见图3(D))。由于栅极电压VGP是高电平电压VH，所以电平晶体管123在非选择状态设置时间段TN内被保持在截止状态。 
在非选择状态设置时间段TN开始时，行驱动电路12将脉冲宽度为T1的高电平电压VH的短脉冲施加到电平晶体管121的栅极(见图3(B))。应注意的是，在此脉冲期间，电平晶体管122被保持在截止状态。 
由于栅极电压VGN1是高电平电压VH，所以仅仅电平晶体管121被保持在导通状态，最低电平电压VLL的驱动信号SDRN被施加到驱动信号线DRNL(n)。 
结果如图3(A)所示，驱动信号SDRN从高电平电压VH迅速下降到最低电平电压VLL。 
在下一选择状态时间段TS开始时，驱动信号SDRN需要从最低电平电压VLL上升到高电平电压VH。此时，行驱动电路12使驱动信号SDRN从最低电平电压VLL逐渐返回到高电平电压VH。 
具体地，在将高电平电压VH的短脉冲施加到电平晶体管121的栅极之后，行驱动电路12在时间段T2将高电平电压VH施加到电平晶体管122的栅极，直到非选择状态设置时间段TN结束(见图3(C))。当然，脉冲宽度T1远远小于时间段T2(T2＞＞T1)。 
由于栅极电压VGN2是高电平电压VH，所以仅仅电平晶体管122被保持在导通状态，低电平电压VL的驱动信号SDRN被施加到驱动信号线DRNL(n)。 
结果如图3(A)所示，驱动信号SDRN从最低电平电压VLL上升到低电平电压VL，从而将放大晶体管114置于截止状态，接着驱动信号SDRN缓慢地返回到高电平电压VH。在非选择状态设置时间段TN开始时驱动信号SDRN迅速降落到的电压(最低电平电压VLL)可以被认为是超过低电平电压VL的负脉冲信号(下冲)。 
如上文所述，在非选择状态设置时间段TN，行驱动电路12使驱动信号SDRN从高电平电压VH迅速下降到最低电平电压VLL，从最低电平电压VLL上升到低电平电压VL，然后缓慢地返回到高电平电压VH，上述操作缩短了非选择状态设置时间段TN，能够高速驱动像素电路11。 
变化的行驱动电路12
在行驱动电路12中，当驱动信号SDRN降低时，电平晶体管121被保持在导通状态，而电平晶体管122被保持在截止状态(图3的时间段T1)。 
此时，低电平电压VL比最低电平电压VLL高(VL＞VLL)，由于电平晶体管122的寄生二极管，低电平电压VL和最低电平电压VLL之间的电位差可能导致行驱动电路12内的短路。 
为了防止上述短路，图4显示了配置变化的行驱动电路12a。 
图4是显示了第一实施例的行驱动电路的变化例的等效电路图。图4仅仅显示了电路的第n行部分。 
如图4所示，行驱动电路12a除了包括电平晶体管121、122和123，还包括电平晶体管124。作为一个例子，可使用n沟道MOSFET作为电平晶体管124。 
电平晶体管124设于节点ND2和电平晶体管122之间。更具体地说，电平晶体管124的源极连接到电平晶体管122的漏极，其漏极连接到节点ND2。 
应注意的是，本发明中的第一晶体管对应于电平晶体管122，本发明中的第二晶体管对应于电平晶体管124。 
图5是图4所示的电平晶体管的剖面示意图。但是图5中并没有显示电平晶体管123。 
在图5中，S121、S122和S124分别表示电平晶体管121、122和124的源极电极。D121、D122和D124分别表示电平晶体管121、122和124的漏极电极。G121、G122和G124分别表示电平晶体管121、122和124的栅极布线。 
如图5所示，电平晶体管121的衬底SB121连接到最低电平电压VLL的电压源。电平晶体管122的衬底SB122连接到低电平电压VL的电压源。电平晶体管124的衬底SB124连接到最低电平电压VLOW的电压源。 
最低电平电压VLOW等于或低于最低电平电压VLL(VLL≥VLOW)。VLOW可以是负电压(例如-1V)。在此变化的行驱动电路中，VLOW是等于最低电平电压VLL的接地电位GND。 
如果电平晶体管124不是如图5所示设置，则当驱动信号SDRN降低时，由于寄生二极管的存在，可能产生电流(在电平晶体管122的p型阱层和漏极层之间的电流)，导致电路中的短路。 
将电平晶体管124设置在节点ND2和电平晶体管122之间可以防止由于寄生二极管而产生电流，从而防止电路中的短路。 
接下来描述在图4中所示的行驱动电路12a的操作。 
图6是显示了图4所示的行驱动电路操作的示例的时序图。 
应注意的是，图6(D)显示了施加到电平晶体管124栅极的栅极电压VGN3，图6(E)显示了施加到电平晶体管123栅极的栅极电压VGP。 
图6(A)、图6(B)和图6(C)中所示的驱动信号SDRN、施加到电平晶体管121栅极的栅极电压VGN1和施加到电平晶体管122栅极的栅极电压VGN2分别与图3(A)、图3(B)和图3(C)中所示的行驱动电路12的各信号相同。 
如图6(C)和图6(D)所示，行驱动电路12a将栅极电压VGN3施加到电平晶体管124的栅极，其中栅极电压VGN3以与栅极电压VGN2相同的方式改变。也就是说，当栅极电压VGN2是高电平电压VH时，栅极电压VGN3也是高电平电压VH。当栅极电压VGN2是低电平电压VL时，栅极电压VGN3也是低电平电压VLOW(或低电平电压VL)。 
在下面实施例的描述中，描述了包括具有图4所示电路配置的行驱动电路12a的CMOS图像传感器1。 
在下文中参考图7描述了CMOS图像传感器的操作，尤其是在第n行第m列的像素电路11的操作。 
图7是显示了第一实施例的CMOS图像传感器操作的示例的时序图。图7(A)显示了驱动信号SDRN。图7(B)显示了复位信号SRST。图7(C)显示了传输信号STRN。 
在从时间t1到时间t4的选择状态时间段TS内，行驱动电路12a将高电平电压VH的驱动信号SDRN施加到驱动信号线DRNL(n)(见图7(A))。 
在时间t2处，行驱动电路12a将复位信号SRST(高电平电压VH)的脉冲施加到复位晶体管113的复位信号线RSTL(n)(见图7(B))。 
在此脉冲宽度期间，复位晶体管113被保持在导通状态。此操作将浮动扩散部FD的电位复位到高电平电压VH。 
在时间t3，行驱动电路12a将传输信号STRN(高电平电压VH)的脉冲施加到传输晶体管112的传输信号线TRNL(n)(见图7(C))。 
在此脉冲宽度期间，传输晶体管112被保持在导通状态。此操作将光电转换器111在电荷存储期间存储的电荷传输到浮动扩散部FD。 
当电荷从光电转换器111被传输到浮动扩散部FD时，浮动扩散部FD的电位根据电荷量而改变，且该电位被施加到放大晶体管114的栅极。由于放大晶体管114的栅极施加有电源电压VDD，所以放大晶体管114根据栅极和源极之间的电压放大浮动扩散部FD的电位，然后将经放大的电位输出到垂直信号线VSL(m)。 
水平传输电路13通过接通/断开第m列的开关132来选择垂直信号线VSL(m)，然后从所选列的像素电路11中读出信号。此时，列电路131将施加到垂直信号线VSL(m)的模拟电压信号转换为数字信号，然后将该数字信号输出到水平传输信号线HSCNL。 
接着，水平传输电路13将经过CDS处理的数字信号作为输出信号SIG输出到CMOS图像传感器1外部的信号处理器。 
在读出电荷之后，行驱动电路12a停止放大晶体管114的输出，使得像素电路11处于非选择状态。 
更具体地说，在从时间t4到时间t6的非选择状态设置时间段TN内， 行驱动电路12a将复位信号SRST(高电平电压VH)的脉冲施加到复位晶体管113的复位信号线RSTL(见图7(B))。 
在非选择状态设置时间段TN开始时，在从时间t4到时间t5期间，行驱动电路12a将脉冲宽度为T1(图3)的最低电平电压VLL的驱动信号SDRN的短脉冲施加到驱动信号线DRNL(n)。此操作将驱动信号SDRN的电压电平从高电平电压VH迅速降低到最低电平电压VLL。 
接下来，在时间t5到时间t6期间，行驱动电路12a将低电平电压VL的驱动信号SDRN施加到驱动信号线DRNL(n)。 
于是，浮动扩散部FD的电位被设置为低电平电压VL。 
因此，低电平电压VL被施加到放大晶体管114的栅极。在下一行的选择状态时间段TS开始时，将电源电压VDD施加到放大晶体管114的漏极，并通过从另一行的像素电路11读出电荷将电压信号(比低电平电压VL高)施加到垂直信号线VSL(m)。从而当选择另一行时，放大晶体管114被保持在截止状态。 
如上文所述，复位晶体管113通过将浮动扩散部FD的电位设置为高电平电压VH、低电平电压VL或最低电平电压VLL来控制放大晶体管114的输出。 
放大晶体管114放大浮动扩散部FD的电位，然后将经放大的电位作为电压信号输出给垂直信号线VSL(m)。 
这就完成了在一个水平周期H中CMOS图像传感器1的操作。 
根据第一实施例，在三晶体管驱动像素电路11中，复位晶体管113的漏极连接到驱动信号线DRNL(n)，放大晶体管114的漏极连接到电源电压VDD。 
在像素电路11的非选择状态设置时间段TN，行驱动电路12a将施加到驱动信号线DRNL(n)的电压电平从高电平电压VH迅速降低到最低电平电压VLL，然后从最低电平电压VLL增加到低电平电压VL，接着逐渐返回到高电平电压VH。 
因此，能够高速驱动三晶体管驱动像素电路，以高帧速率读出像素。 下面参考图8～图10说明这一点。 
图8是显示了第一实施例的像素部和行驱动电路的详细例子的等效电路图。但是，图8显示了第n行的像素电路11，适当地省略显示复位信号线RSTL等。在图8中所示的附图标记12a(n)表示行驱动电路12a(见图4)的第n行的部分。 
在第n行，距离行驱动电路12a(n)最远的第一列的像素电路11(L)和距离行驱动电路12a(n)最近的最后一列的像素电路11(R)共同连接到驱动信号线DRNL(n)，在驱动信号线DRNL(n)中存在有布线电阻R和寄生电容C。 
因此，在从像素电路11(R)到像素电路11(L)的路径上，驱动信号SDRN被布线电阻R减弱，并被寄生电容C延迟。在下文中参考图9描述了使用计算机模拟出的驱动信号SDRN如何进行传播。 
图9显示了第一实施例的CMOS图像传感器的模拟结果。 
图9(A)显示了当驱动信号SDRN(见图7(A))到达像素电路11(L)(见图8)时驱动信号SDRN(L)的波形。图9(B)显示了当驱动信号SDRN到达像素电路11(R)(见图8)时驱动信号SDRN(R)的波形。 
图9(C)显示了栅极电压VGN1(见图6(B))。图9(D)显示了栅极电压VGN2(见图6(C))。图9(E)显示了栅极电压VGN3(见图6(D)。图9(F)显示了栅极电压VGP(见图6(E))。 
应注意的是，在图9中，水平轴代表时间(s)，垂直轴代表驱动信号SDRN的电压(V)。栅极电压VGN2在略先于时间t5处从最低电平电压VLL上升到高电平电压VH。栅极电压VGN3以与VGN2相同的方式上升。 
在距离行驱动电路12a最近的像素电路11(R)中，向复位晶体管113的漏极施加图9(B)所示波形的驱动信号SDRN(R)。该驱动信号SDRN(R)在时间t4处从高电平电压VH迅速下降到最低电压电平VLL。 
在脉冲宽度为T1的栅极电压VGN1施加到电平晶体管121的栅极(见图9(C))期间，驱动信号SDRN(R)几乎恒定保持在最低电平电压 VLL(见图9(B))。也就是说，驱动信号SDRN(R)下冲到超过低电平电压VL的最低电平电压VLL。 
当驱动信号SDRN到达距离行驱动电路12a最远的像素电路11(L)时，向复位晶体管113的漏极施加图9(A)所示波形的驱动信号SDRN(L)。 
由于驱动信号SDRN被布线电阻R减弱，所以驱动信号SDRN并不下冲到最低电平电压VLL，驱动信号SDRN(L)比驱动信号SDRN(R)下降得更平滑。由于寄生电容C产生的延迟，驱动信号SDRN(L)在时间t5处从高电平电压VH到达低电平电压VL。 
因此，在非选择状态设置时间段TN向第n行的像素电路11的放大晶体管114的栅极施加低电平电压VL可以使第n行处于非选择状态。 
以此方式，考虑到驱动信号线DRNL(n)的布线电阻R和寄生电容C，行驱动电路12a将下冲的驱动信号SDRN施加到驱动信号线DRNL(n)，缩短驱动信号SDRN的下降时间。 
对于图13所示的传统CMOS图像传感器3，驱动信号SDRN的传播方式如图10所示。 
图10显示了传统CMOS图像传感器的模拟结果。 
图10(A)显示了当驱动信号SDRN(见图14(A))到达像素电路30(L)(见图13)时驱动信号SDRN(L)的波形。图10(B)显示了当驱动信号SDRN到达像素电路30(R)时驱动信号SDRN(R)的波形。 
图10(C)显示了施加到晶体管39栅极的栅极电压VGN。图10(D)显示了施加到晶体管38栅极的栅极电压VGP。 
距离行驱动电路37最远的第一列的像素电路30(L)和距离行驱动电路37最近的最后一列的像素电路30(R)共同连接到驱动信号线DRNL310，在驱动信号线310中存在布线电阻R和寄生电容C。 
对于传统CMOS图像传感器3，为了使驱动信号SDRN(L)和SDRN(R)在非选择状态设置时间段TN(见图10(A)和10(B))会合于低电平电压VL，非选择状态设置时间段TN需要比图9中所示的驱动信号SDRN(L)和SDRN(R)的非选择状态设置时间段TN长大约0.1μs。 
为了高速驱动三晶体管驱动像素电路，有必要缩短非选择状态设置期间TN。如上文所述，与传统CMOS图像传感器相比较，第一实施例的CMOS图像传感器可以大幅度缩短非选择状态设置时间段TN，不但可以高速驱动像素电路，而且能够以高帧速率读出像素。 
如上文所述，尽管驱动信号SDRN急剧下降，但可降低构成像素电路11的晶体管的p型阱电位的波动以防止阴影。在下文中参考图13再次描述这一点。 
在传统三晶体管驱动CMOS图像传感器3中，存在两条从像素电路30到垂直信号线35的电流通路。 
第一条电流通路I1通过复位晶体管33和浮动扩散部FD，从驱动信号线310到垂直信号线35(见图13中的虚线箭头)。 
第二条电流通路I2通过放大晶体管34，从驱动信号线310到垂直信号线35(见图13中的虚线箭头)。 
这两条电流通路是复位晶体管33的漏极和放大晶体管34的漏极共同连接到驱动信号线310的结果。此外，第二条电流通路I2的阻抗低于第一条电流通路I1的阻抗，因此驱动信号SDRN需要被有力地缓冲。该缓冲使得包含在像素电路30的晶体管的p型阱电位剧烈波动。 
另一方面，在第一实施例中，复位晶体管113的漏极连接到驱动信号线DRNL(n)，放大晶体管114的漏极连接到电源电压VDD，因此不存在第二电流通路I2，该连接可以减少p型阱的电位的上述波动。 
因此，即使驱动信号SDRN急剧下降，阴影也会减少。 
应注意的是，施加在驱动信号线DRNL(n)的高电平电压VH不需要等于连接到放大晶体管114的漏极的电源电压VDD。为了获得低功耗，可将高电平电压VH设置为低于电源电压VDD(VDD＞VH＞VL)。另一方面，可将电源电压VDD设置为低于高电平电压VH(VH＞VDD＞VL)。 
将高电平电压VH设置为较高电压可以使浮动扩散部FD被较高电压复位，以增加饱和信号量。同时，可使用四个以上的电压电平值，使得驱动信号SDRN在非选择状态设置时间段TN从最低电平电压VLL逐 渐返回到高电平电压VH。 
例如，在使用四个值的电压电平的情况下，可使第四电压电平高于低电平电压VL并低于高电平电压VH，使得驱动信号SDRN从最低电平电压VLL经过低电平电压VL和第四电压电平返回到高电平电压VH。 
第二实施例
在第一实施例中，将驱动信号SDRN施加到驱动信号线DRNL(n)的一端(见图8)。另一方面，在第二实施例中，将驱动信号SDRN施加到驱动信号线DRNL(n)的两端。 
图11是显示了第二实施例的像素部和行驱动电路的详细例子的等效电路图。但是图11显示了第n行的像素电路11，适当地省略显示复位信号线RSTL等。图11中的附图标记12a-1(n)和12a-2(n)表示行驱动电路12a-1和12a-2的第n行部分。 
如图11所示，以类似于图4所示的电路配置的行驱动电路12a-1和12a-2设置在像素部10的两端。行驱动电路12a-1(n)连接到驱动信号线DRNL(n)的一端。行驱动电路12a-2(n)连接到驱动信号线DRNL(n)的另一端。 
行驱动电路12a-1和12a-2按照图6(A)所示的时序同时将驱动信号SDRN施加到驱动信号线DRNL(n)。 
在连接到驱动信号线DRNL(n)的像素电路11中，设置在中央的像素电路11接收来自驱动信号线DRNL(n)两端的驱动信号SDRN。因此，第二实施例的CMOS图像传感器能够以比第一实施例更快的速度驱动像素电路11。 
由于这种功能，CMOS图像传感器1可用作数码相机、摄像机等的摄像器件。 
图12显示了采用本发明实施例的CMOS图像传感器的照相机的配置示例。 
如图12所示，照相机2包括：CMOS图像传感器1，其作为摄像器件；光学系统，其用于将入射光导向CMOS图像传感器1的像素区域(像 素部10)(在像素区域形成物体图像)；以及信号处理器22(DSP)，其用于处理CMOS图像传感器1的输出信号SIG。例如，该光学系统包括用于将入射光(图像光)聚集在摄像表面的透镜21。 
信号处理器22对来自CMOS图像传感器1的输出信号SIG执行图像处理。由信号处理器22处理过的图像信号被记录在记录介质(例如存储器)中。记录在记录介质中的图像信息由打印机等以硬拷贝形式输出。还可将信号处理器22处理过的图像信号显示为监视器上的动态图像，该监视器包括液晶显示器。 
如上所述，包括本发明CMOS图像传感器的照相机等可以使照相机减少例如阴影的噪声，还可以高速读出像素。 
附图标记： 
1 CMOS图像传感器 
2 照相机 
3 CMOS图像传感器 
10 像素部 
11 像素电路 
12 行驱动电路 
13 水平传输电路 
14 时序发生器 
15 恒流源电路 
21 透镜 
22 信号处理器 
111 光电转换器 
112 传输晶体管 
113 复位晶体管 
114 放大晶体管 
121～124 电平晶体管 
131 列电路 
132 开关 
DRNL 驱动信号线 
FD 浮动扩散部 
RSTL 复位信号线 
TRNL 传输信号线 

Claims (7)

1.一种摄像器件，其包括：
以矩阵形式排列的多个像素电路；
选择驱动线，排布在相同方向的所述多个像素电路共同连接到该选择驱动线；以及
选择驱动电路，其选择性地将具有多个不同电压电平的选择驱动信号施加到所述选择驱动线，选择并驱动所述像素电路，
其中每一所述像素电路包括：
光电转换器，其将入射光通过光电转换而转换为电荷；
节点，所述电荷从所述光电转换器传输到所述节点；
输出晶体管，其具有连接到所述节点的控制终端、连接到预定电压源的第一连接终端和连接到输出信号线的第二连接终端，该输出晶体管用于放大所述节点的电位，然后将经放大的电压作为输出信号输出到所述输出信号线；以及
控制晶体管，其具有连接到所述节点的第三连接终端和通过所述选择驱动线施加有所述选择驱动信号的第四连接终端，该控制晶体管将与所述输出晶体管的所述控制终端相连的所述节点的电位设置为基于所述电压电平的电位，并控制所述节点电位的复位和所述输出晶体管的输出；
其中，所述选择驱动电路将通过所述选择驱动线施加的所述选择驱动信号的所述电压电平从第一电压电平变换到第二电压电平，然后使所述选择驱动信号的所述电压电平从所述第二电压电平逐渐返回到所述第一电压电平，所述第一电压电平使所述输出晶体管保持在导通状态，所述第二电压电平使所述输出晶体管保持在截止状态。
2.根据权利要求1所述的摄像器件，其中，
所述多个电压电平包括：
所述第一电压电平；
所述第二电压电平；和
第三电压电平，该第三电压电平是使所述输出晶体管保持在截止状态的基准电压电平，
其中，所述选择驱动电路将施加到所述选择驱动线的所述选择驱动信号的所述电压电平从所述第一电压电平变换到所述第二电压电平，然后使所述选择驱动信号的所述电压电平经过所述第三电压电平返回到所述第一电压电平。
3.根据权利要求2所述的摄像器件，其中，所述选择驱动电路将所述第二电压电平的所述选择驱动信号施加到所述选择驱动线上一段时间，该段时间比将所述第二电压电平之外的电压电平的选择驱动信号施加到所述选择驱动线的时间短。
4.根据权利要求2或3所述的摄像器件，其中，
所述选择驱动电路包括：
第一晶体管，其具有施加有所述第二电压电平和所述第三电压电平之一的电压的第五连接终端，且所述第一晶体管将施加到所述第五连接终端的所述电压电平的所述电压输出到所述选择驱动线；以及
第二晶体管，其具有与所述第一晶体管相同的极性，
其中，所述第二晶体管具有连接到所述第一晶体管的第六连接终端的第七连接终端和连接到所述选择驱动线的第八连接终端。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的摄像器件，其中，所述选择驱动电路在所述选择驱动线的两端施加了所述选择驱动信号。
6.一种控制摄像器件的方法，所述方法包括以下步骤：
第一步，选择性地将多个具有不同电压电平的选择驱动信号施加到排列在相同方向的多个像素电路所共同连接的选择驱动线，选择并驱动所述多个像素电路，其中，被选择的所述多个像素电路将入射光通过光电转换而转换为电荷，然后将基于电荷量的电压作为输出信号输出到输出信号线；以及
第二步，在所述多个像素电路读出电荷之后，停止从所述多个像素电路输出信号预定时间段，
其中，所述第一步包括：
将由光电转换器光电转换的所述电荷传输到节点，
其中，控制晶体管具有连接到所述节点的第三连接终端和通过所述选择驱动线施加有所述选择驱动信号的第四连接终端，所述控制晶体管将连接到输出晶体管的控制终端的所述节点的电位设置为基于所述电压电平的电位，并复位所述节点的电位，
其中，所述输出晶体管具有连接到所述节点的所述控制终端、连接到预定电压源的第一连接终端和连接到所述输出信号线的第二连接终端，在所述控制晶体管的控制下，所述输出晶体管放大所述节点的所述电位，然后将经放大的电压作为所述输出信号输出到所述输出信号线，
其中，所述第二步包括：
将通过所述选择驱动线施加的所述选择驱动信号的所述电压电平从第一电压电平变换到第二电压电平，然后使所述选择驱动信号的所述电压电平从所述第二电压电平逐渐返回到所述第一电压电平，其中所述第一电压电平使所述输出晶体管保持在导通状态，所述第二电压电平使所述输出晶体管保持在截止状态。
7.一种照相机，其包括：
摄像器件；
光学系统，其将入射光导向所述摄像器件的像素区域；以及
信号处理器，其处理来自所述摄像器件的输出信号，
其中，所述摄像器件包括：
以矩阵形式排列的多个像素电路；
选择驱动线，排布在相同方向的所述多个像素电路共同连接到该选择驱动线；以及
选择驱动电路，其选择性地将具有多个不同电压电平的选择驱动信号施加到所述选择驱动线，选择并驱动所述像素电路，
其中每一所述像素电路包括：
光电转换器，其将入射光通过光电转换而转换为电荷；
节点，所述电荷从所述光电转换器传输到所述节点；
输出晶体管，其具有连接到所述节点的控制终端、连接到预定电压源的第一连接终端和连接到输出信号线的第二连接终端，该输出晶体管用于放大所述节点的电位，然后将经放大的电压作为输出信号输出到所述输出信号线；以及
控制晶体管，其具有连接到所述节点的第三连接终端和通过所述选择驱动线施加有所述选择驱动信号的第四连接终端，该控制晶体管将与所述输出晶体管的所述控制终端相连的所述节点的电位设置为基于所述电压电平的电位，并控制所述节点电位的复位和所述输出晶体管的输出；
其中，所述选择驱动电路将通过所述选择驱动线施加的所述选择驱动信号的所述电压电平从第一电压电平变换到第二电压电平，然后使所述选择驱动信号的所述电压电平从所述第二电压电平逐渐返回到所述第一电压电平，所述第一电压电平使所述输出晶体管保持在导通状态，所述第二电压电平使所述输出晶体管保持在截止状态。
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