CN101978603A

CN101978603A - 固态成像装置和成像系统

Info

Publication number: CN101978603A
Application number: CN2009801101990A
Authority: CN
Inventors: 樋山拓己
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2008-03-27
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2029-02-26
Also published as: WO2009119270A1; US20110013046A1; KR101215142B1; CN101978603B; JP5094498B2; US8208055B2; US8427565B2; US20120217379A1; KR20100129321A; RU2471286C2; EP2272168A1; RU2010143909A; JP2009239694A

Abstract

一种固态成像装置包含参考信号产生电路，所述参考信号产生电路用于共同地向多个A/D转换电路供给信号电平向着不同的电势方向改变的至少两个参考信号，所述A/D转换电路包含：放大器；输入电容器，其一个端子接收模拟信号和从参考信号产生电路供给的参考信号，其另一个端子与放大器的一个输入端子连接；反馈电容器，连接在放大器的所述一个输入端子和输出端子之间；比较器，用于将来自放大器的输出端子的输出与比较电平进行比较；和连接电容器，其一个端子与放大器的输出端子连接，其另一个端子与比较器的一个输入端子连接。

Description

固态成像装置和成像系统

技术领域

本发明涉及要被用于扫描仪、摄像机和数字静态照相机等的固态成像装置。

背景技术

近年来，CMOS图像传感器已被广泛用于数字照相机、数字摄录机(digital camcorder)和用于便携式电话的照相机单元等。由于减少部件数量和降低功耗等的要求，已研究了包含A/D转换电路的CMOS图像传感器。作为CMOS图像传感器的一种形式，存在一种向像素布置的各列提供A/D转换电路的被称为列A/D的形式。已提出了各种A/D转换形式以将其用于列A/D，并且，在这些A/D转换形式之中，已知在日本专利申请特开No.2002-232291和No.2005-348325中公开的积分型A/D转换形式。如果如在日本专利申请特开No.2002-232291中公开的积分型A/D转换器那样以高次位和低次位的两个阶段执行转换，那么转换时间变得与2×2^N/2成比例，并且，与例如将输入信号与三角波进行比较的形式相比，该方法具有能够缩短转换时间的特征。

在日本专利申请特开No.2005-348325中公开的A/D转换形式通过在存储单元中保持来自像素的信号，然后通过固定信号充电和放电，执行A/D转换。由于在日本专利申请特开No.2005-348325中公开的A/D转换形式也以高次位和低次位的两个阶段执行A/D转换，因此，与将输入信号与三角波进行比较的转换形式相比，该A/D转换形式可缩短A/D转换所需要的时间。

但是，当使用在日本专利申请特开No.2002-232291中公开的A/D转换器作为列A/D时，出现以下的问题。如果在高次位转换的每个时钟的保持在电容器中的电荷的变化量(高次位转换的单位积分量)与低次位转换的每个时钟的保持在电容器中的电荷的变化量(低次位转换的单位积分量)的比率上存在差异，那么导致微分线性误差。例如，如果以6位的高次数字和6位的低次数字的阶段执行12位A/D转换，那么，用于高次位转换的单位积分量在理想情况下需要为用于低次位转换的单位积分量的64倍，但是，由于实际电路中的构成电路的元件的相对精度等而导致误差。元件的相对精度受例如在制造元件时发生的分散性的影响。

图8引用日本专利申请特开No.2002-232291的图5。为了简化，一些附图标记被删除。图8所示的A/D转换器对于高次位转换以C5/C4的增益放大信号Vc1，所述信号Vc1是以阶梯状波改变的信号，另一方面，对于低次位转换以C6/C4的增益放大信号Vc2，所述信号Vc2具有与信号Vc1相同的梯度和与信号Vc1相反的极性。用于高次位转换的单位积分量为用于低次位转换的单位积分量的C5/C6倍。但是，由于电容器元件C5和C6是在各列不同的电容器元件，因此，电容器元件C5和C6的相对精度在各列中是不同的。由此，可以想到值C5/C6在各列是稍有不同的。特别地，如果与像素尺寸的减小相关联地减小像素布置的列宽，那么能够在列内实现的电容器元件的尺寸即电容器值变小，因此，电容器元件的相对精度一般变差。如果列之间的高次位转换的单位积分量与低次位转换的单位积分量的比率的误差对于需要的线性精度来说变得不可忽略不计，那么产生将校正系数存储到各列中并且执行校正操作的必要性。特别是在转换位的数量增大的情况下，这导致线性校正处理变为非常大的负担的问题。

另一方面，图9引用日本专利申请特开No.2005-348325的图6。为了描述，新添加附图标记。在图9的配置中，电流流过电阻R，该电流基于固定电压V_DE1或V_DE2与运算放大器Amp的反相输入端子(-)处的电势之间的电势差以及电阻R的大小。运算放大器Amp的反相输入端子处的电势在理想情况下由于其假想接地而变得等于其非反相输入端子(+)处的电势。但是，在实际的电路中，由于构成运算放大器Amp的元件的特性未必是理想的，因此运算放大器Amp的两个输入端子具有不同的电势。因此，这种差异表现为偏移。即，由于由构成运算放大器Amp的元件导致的偏移，不执行理想的积分。

如果A/D转换器的分辨率不高，那么比率与其理想值的差异影响不显著。但是，如果分辨率变高，那么与理想值的差异变得不可忽略不计，并且，导致不能获得精确的A/D转换结果的问题。

发明内容

本发明的固态成像装置提供解决上述问题的固态成像装置和使用固态成像装置的成像系统。

本发明的一个方面的固态成像装置是这样一种固态成像装置，其包括：像素区域，包含以矩阵布置的多个像素，每个像素输出模拟信号；多个A/D转换电路，各与所述多个像素的各列相对应地布置，用于将模拟信号A/D转换成数字信号，其中，所述固态成像装置包含：参考信号产生电路，用于共同向所述多个A/D转换电路供给信号电平向着不同电势方向改变的至少两个参考信号，并且，所述A/D转换电路包含：放大器；输入电容器，其一个端子接收模拟信号和从参考信号产生电路供给的参考信号，其另一个端子与放大器的一个输入端子连接；反馈电容器，连接在放大器的所述一个输入端子和输出端子之间；比较器，用于将来自放大器的输出端子的输出与比较电平进行比较；和连接电容器，其一个端子与放大器的输出端子连接，其另一端子与比较器的一个输入端子连接。

根据本发明，A/D转换器的线性精度可得到提高，并且，即使A/D转换器的分辨率得到提高，也可减少由于偏移的影响而导致的A/D转换器的A/D转换的精度的劣化。

参照附图阅读示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清晰。

附图说明

图1A是根据本发明的第一实施例的固态成像装置的框图。

图1B是示出固态成像装置的等效电路的一部分的图。

图2是根据本发明的第一和第二实施例的固态成像装置的单位像素的等效电路图。

图3A和图3B是根据本发明的第一实施例的固态成像装置的时序图。

图4是根据本发明的第一实施例的参考信号产生电路的等效电路图。

图5A是根据本发明的第二实施例的固态成像装置的框图。

图5B是示出固态成像装置的等效电路的一部分的图。

图6是根据本发明的第二实施例的固态成像装置的时序图。

图7是示出根据第三实施例的成像系统的配置例子的图。

图8是示出根据日本专利申请特开No.2002-232291的A/D转换单元的电路图。

图9是引用日本专利申请特开No.2005-348325的图6的图。

具体实施方式

(第一实施例)

将参照附图描述可应用本发明的根据第一实施例的固态成像装置。

首先，参照图1A的框图描述根据本实施例的固态成像装置的概要。固态成像装置1包含像素区域，在该像素区域中，以矩阵布置多个像素100，并且，像素100均具有图2的等效电路所示的配置。从像素100输出的信号经由垂直输出线106作为模拟信号被输入到设置在各列中的列读出电路124。多个列读出电路124中的每一个包括：A/D转换电路，所述A/D转换电路包含积分器电路125和比较器126；以及存储器130和131，所述存储器130和131分别存储高次位的A/D转换结果和低次位的A/D转换结果。积分器电路125包含输入电容器108、开关109、放大器120、反馈电容器121和开关110。输入电容器108的一个端子接收来自像素的模拟信号和来自将在后面描述的参考信号产生电路140的参考信号，并且，输入电容器108的另一端子与放大器120的输入端子连接。存储在高次位存储器130和低次位存储器131中的A/D转换结果经由列选择开关114分别被输出到位输出线136和137，并且在通过作为加法单元的加法器电路138被合成为N位数字信号之后被输出。虽然这里使用加法器电路138，但是，可以根据信号的极性使用减法电路以替代加法器电路138。

图2作为等效电路示出像素100中的每一个像素的例子。附图标记101表示光电二极管，该光电二极管根据入射光执行光电转换以累积获得的电荷，并且，光电二极管101的阴极与传送MOS晶体管102连接。当传送MOS晶体管102接收到高电平的信号PTX时，累积于光电二极管101中的电荷被传送到与放大MOS晶体管104的栅极连接的节点。当选择MOS晶体管105通过信号PSEL变为其导通状态时，放大MOS晶体管104与向垂直输出线106中的每一个垂直输出线提供的恒流源107形成源跟随器电路。由此，在垂直输出线106上出现根据放大MOS晶体管104的栅极处的电势的电势作为信号。附图标记103表示复位MOS晶体管。如果复位MOS晶体管103通过信号PRES变为其导通状态，那么复位MOS晶体管103将与放大MOS晶体管104的栅极连接的节点复位到电源电压VDD。

参照图1B的等效电路图和图3A的时序图详细描述本实施例的固态成像装置的操作。各信号脉冲的附图标记与图1B或图2中的各端子的附图标记对应。并且，图3A和图3B将要被供给到参考信号供给布线113的参考信号示出为斜坡信号电压。此外，还示出包含于列读出电路124中的每一个列读出电路中的积分器电路125的输出。顺便说一句，假定图1B和图2所示的开关通过高电平的输入信号被接通，即，被置于其导通状态中，并且开关通过低电平的输入信号被关断，即，被置于其非导通状态中。并且，关于图1B中的选择开关112，通过脉冲的高电平或低电平而连接的路径分别由“H”或“L”表示。

假定在像素信号的读出操作之前已经过了预定的曝光时间，并且，在光电二极管101中累积通过光电转换获得的电荷。此外，假定输入选择开关112被连接在放大MOS晶体管104和垂直输出线106之间。在本说明书中，从垂直扫描电路123向像素100供给脉冲PRES、PTX和PSEL。

首先，在时刻t1，像素复位脉冲PRES从高电平变为低电平，由此释放放大MOS晶体管104的栅极的复位状态。此时，刚刚终止复位之后的电压(即，与暗状态对应的电压)被保持在与栅电极连接的浮置扩散区域(以下称为FD区域)的电容器(以下称为CFD)中。此外，在时刻t1，积分开始信号ENIT变为高电平，由此设定RS锁存器(latch)129。

接着，在时刻t2，当行选择脉冲PSEL变为高电平时，通过由放大MOS晶体管104和恒流源107形成的源跟随器电路，在垂直输出线106上出现保持在浮置扩散状态中的与暗时间对应的暗输出。另一方面，当脉冲RES1在时刻t2变为高电平时，开关109被接通，因此，积分器电路125中的每一个积分器电路中的运算放大器120变为其电压跟随器状态。虽然此时的运算放大器120的输出分别包含其特有的偏移分量，但是输出变得与参考电压VC0R基本上相同。

当脉冲RES1在时刻t3a从高电平变为低电平时，开关109从导通(on)状态变为关断(off)状态，并且，垂直输出线106上的暗输出通过输入电容器108被钳位。

脉冲RES2在紧接着脉冲RES1变化之后的时刻t3b从高电平变为低电平，并且，开关111被关断。然后，在连接电容器127a中保持包含暗输出的分量和运算放大器120的偏移分量的复位电平。由于比较器126的正输入端子(+)处的电势由于假想接地而等于负输入端子(-)的电势，因此，能够在输入到正输入端子中的信号和比较电平(即，经由连接电容器127b输入到负端子中的信号)之间进行比较。当输入到正输入端子中的信号和输入到负输入端子中的信号之间的差值电压为正时，比较器126进行操作，以便从正输出端子输出高电平并且从负输出端子输出低电平。另一方面，当差值电压为负时，比较器126进行操作，以便从负输出端子输出高电平并且从正输出端子输出低电平。

接着，传送脉冲PTX在从时刻t4到时刻t5的时段中变为高电平，由此导通传送MOS晶体管102，并且，累积于光电二极管101中的电荷被传送到放大MOS晶体管104的栅极的节点。在本说明书中，要被传送的电荷是电子。如果传送的电荷的绝对值由Q表示，那么放大MOS晶体管104的栅极电势降低Q/CFD，并且，垂直输出线106的电势也根据栅极电势的降低而改变。此时的垂直输出线的电势被称为照明状态的输出。如果源跟随器电路的增益由Gsf表示，那么来自暗输出的垂直输出线106的电势Vv1的变化量ΔVv1可由下式表示：

ΔVv1＝-(Q/CFD)×Gsf (式1)

由包含运算放大器120、输入电容器108和反馈电容器121的反相放大器电路放大垂直输出线106的电势变化，并且，由下式表示的信号Vs被保持在反馈电容器121中。

Vs＝(Q/CFD)×Gst×(CO/Cf) (式2)

这里，C0表示输入电容器108的电容值，Cf表示反馈电容器121的电容值。并且，反相放大器电路的增益为-C0/Cf。

然后，在时刻t6，操作进入执行信号Vs的A/D转换的步骤。首先，输入选择开关112被切换到参考信号供给布线113侧。作为参考信号的用于高次位转换的阶梯状的斜坡上升(ramp-up)信号从参考信号产生电路140被供给到参考信号供给布线113。虽然这里使用具有与将在后面描述的信号ADCK同步地阶梯状并且单调变化的信号电平的信号作为斜坡上升信号，但是，例如可以使用具有不是阶梯状变化而是平滑并且单调变化的信号电平的信号作为斜坡上升信号。顺便说一句，单调变化意味着，例如，当电平阶梯状上升时，信号的电平不变为降低的方向。即，当信号单调变化时，它可包含其中电平不随时间的过去而变化的时段。如图4所示，参考信号产生电路140包含开关和电容器积分器。在进行高次位的转换时，脉冲USEL变为高电平，并且，脉冲LSEL变为低电平，由此产生每个信号ADCK的周期增大(Cr1/Cr3)×VREF的斜坡上升信号。另一方面，在进行低次位的转换时，脉冲LSEL变为高电平，并且，脉冲USEL变为低电平，由此产生斜坡下降信号，该斜坡下降信号是降低(Cr2/Cr3)×VREF的另一参考信号。即，斜坡下降信号和斜坡上升信号的信号电平的变化方向彼此不同。并且，通过施加脉冲RES1的高电平，电容器Cr3的电荷可被复位以被初始化。虽然这里示出输入与向列读出电路124供给的脉冲RES1相同的脉冲的情况，但是，可以向参考信号产生电路140输入与输入到列读出电路124的脉冲不同的脉冲。虽然这里使用具有与信号ADCK同步地阶梯状并且单调变化的信号电平的信号作为斜坡下降信号，但是，例如可以使用具有不是阶梯状变化而是平滑并且单调变化的信号电平的信号作为斜坡上升信号。顺便说一句，单调变化意味着，例如，当电平阶梯状上升时，电平不变为降低的方向。即，可包含其中电平不随时间的过去而变化的时段。

当用于高次位转换的斜坡上升信号从时刻t6被输入到积分器电路125时，开始积分。用于高次位转换的斜坡上升信号以-(C0/Cf)的增益被反相放大，并且，积分器电路125的输出因此对于信号ADCK的每个时钟降低(C0/Cf)×(Cr1/Cr3)×VREF。积分器电路125的输出经由连接电容器127a被输入到比较器126的正输入端子。由于在时刻t3b采样的复位电平被保持在连接电容器127a中，因此，只有通过从积分器电路125的输出减去复位电平而获得的变化的电平被输入到比较器126。即，即使构成积分器电路125的元件不具有理想的特性，积分器电路125的偏移分量也不被输入到比较器126，因此可执行具有高精度的A/D转换。将经由连接电容器127a被输入到比较器126的正输入端子的信号的变化的电平与经由连接电容器127b被输入到比较器126的负输出端子的参考电压相比较。然后，在积分器电路125的输出变得小于复位电平时的时刻t7输出锁存信号latch1。锁存信号latch1被传送到高次位存储器130，并且，在此时从用于高次位的计数器132向高次位存储器130供给的计数器值被取入到高次位存储器130中。同时，锁存信号latch1也被供给到RS锁存器129的复位端子以停止积分器电路125的积分操作。假定此时的计数器值为CU，则在积分操作期间，输出降低CU×(C0/Cf)×(Cr1/Cr3)×VREF，并且，导致如下状态：CU×(C0/Cf)×(Cr1/Cr3)×VREF-Vs作为残留电压被保持在反馈电容器121中。积分操作停止的时刻根据各列中的像素信号Vs而不同。在所有的列的积分操作结束之后，脉冲USEL变为低电平，并且，用于高次位的计数器停止。

随后，在时刻t8，脉冲LSEL变为高电平，并且，脉冲USEL变为低电平，并且，执行低次位的A/D转换的步骤开始。从参考信号产生电路140向积分器电路125供给用于低次位的转换的斜坡下降信号，所述用于低次位的转换的斜坡下降信号具有与用于执行高次数字位的转换的斜坡上升信号相反的极性和降低(Cr2/Cr3)×VREF的电平。积分开始信号ENINT被再次输入，并且，积分器电路125中的积分操作开始。用于低次位的转换的斜坡下降信号以-(C0/Cf)的增益被反相放大，并且，积分器电路125的输出对于信号ADCK的每个时钟增大(C0/Cf)×(Cr2/Cr3)×VREF。在比较器126中，将积分器电路125的输出与保持在连接电容器127a中的复位电平相比的变化的电平与经由连接电容器127b输入到比较器126中的参考电平相比较。然后，在积分器电路125的输出变得大于参考电压的时刻t9，输出锁存信号latch2。锁存信号latch2被传送到低次位存储器131，并且，此时从用于低次位的计数器133向低次位存储器131供给的计数器值被取入到低次位存储器131中。同时，锁存信号latch2也被供给到RS锁存器129的复位端子，以停止积分器电路125的积分操作。积分操作的停止不是必需的。并且，在该时间点，残差变得小于用于低次位转换的单位积分量，即，小于与1LSB对应的积分量。

在通过N/2位的高次数字和N/2位的低次数字的两个阶段执行N位数据的A/D转换的情况下，用于高次位转换的单位积分量与用于低次位转换的单位积分量的比率在理想情况下必须为2^N/2。另一方面，本实施例的电路中的用于高次位转换的单位积分量与用于低次位转换的单位积分量的比率由下式确定。

((CO/Cf)×(Cr1/Cr3)×VREF)/((C0/Cf)×(Cr2/Cr3)×VERF)＝Cr1/Cr2

(式3)

即，不管设置在各列中的电容器C0和Cf的值如何，该比率均只由参考信号产生电路140中的Cr1和Cr2的电容值之间的比率确定。因此，可以减小常规上成为问题的列之间的误差。存在这样的一般趋势：即，随着电容器元件的尺寸变大，即电容值变大，电容器的相对精度提高。与尺寸受像素间距限制的设置在各列读出电路124中的电容器C0和Cf相比，设置在参考信号产生电路140中的电容器Cr1和Cr2的电容值可很容易地被增大，并且，在能够提高A/D转换的精度的方面是有利的。

此外，如果A/D转换的分辨率N相对较小，那么还能够通过增大电容器Cr1和Cr2而消除对校正的执行。在这种情况下，可通过用加法器电路138将存储在高次位存储器130和低次位存储器131中的A/D转换结果相加在一起，获得经转换的N位数字值。如果用于低次位的计数器电路133是递增计数器，那么执行减法处理。作为替代方案，用于低次位的计数器电路133可被配置为递减计数器，以通过加法(或减法)电路138执行加法(或减法)处理。

并且，本实施例特有的特征是还通过列读出电路124中的积分器电路125以C0/Cf的增益放大像素信号Vs，因此在A/D转换之后的结果中不出现C0/Cf的比率的影响。即，可以获得在列之间具有小的增益误差的优异的图像信号。

顺便提及，虽然在本实施例中对于多个列共用计数器电路132和133，但是，可以独立地对于各列设置计数器电路132和133。

例如，如果固态成像装置被实现为使得如果在高次位转换时向用于高次位的计数器电路132的时钟输入供给普通信号ADCK，并且，如果在低次位转换时向时钟输入供给用于低次位的计数器电路133的进位信号，那么可以执行减去残差的处理。

虽然在图3A的情况下输入与信号ADCK同步地阶梯状改变的信号作为参考信号，但是，例如，参考信号可以是如图3B所示的以斜率变化的信号。

(第二实施例)

将参照图5A和图5B描述可应用本发明的根据第二实施例的固态成像装置。本实施例的固态成像装置适于具有相对高分辨率的列A/D形式。图5A是示出固态成像装置的概要的框图，图5B示出固态成像装置的等效电路的一部分。第二实施例与第一实施例的不同之处在于，它还包含测量电路150，该测量电路150用于测量高次位转换时间段的单位积分量与低次位转换时间段的单位积分量的比率，该比率由参考信号产生电路140确定，并且，第二实施例还包含校正电路151，该校正电路151基于测量结果执行校正。并且，低次位存储器131a从第一实施例中的列读出电路124的N/2位变为(N/2)+1位，添加了冗余位。测量电路150具有与读出像素信号的列读出电路124类似的配置，该电路124已关于第一实施例被描述，但是，测量电路150被配置为没有输入选择开关112并且被配置为仅接收参考信号。并且，测量电路150省略高次位存储器130。并且，测量电路150不包含产生锁存信号latch1的电路，但是包含用于产生锁存信号latch3的新添加的一位(one-bit)计数器152。顺便提及，这里将假定像素的配置与第一实施例的像素的配置相同而给出描述。

图6示出包含测量电路150的固态成像装置的操作时序。在本实施例中，测量电路150与读出普通像素信号的列读出电路124的操作并行地执行测量。在从时刻t1到时刻t6的像素信号读出时段中，测量电路150仅执行基于脉冲RES1的积分器电路125的复位操作和基于脉冲RES2的通过比较器126进行的复位电平的采样。在时刻t6，用于高次位转换的参考信号被输入，并且，与列读出电路124类似地开始积分，但是，在一个时钟之后的时刻t10，通过一位计数器152停止积分操作。因此，在反馈电容器121中保持刚好等于高次位转换的单位积分量的电荷。

随后，在低次位的转换步骤(该步骤从时刻t8开始)中积分的高次位转换的单位积分量经受A/D转换。在为其中高次位转换时间段的单位积分量超过作为理想值的(N/2)×LSB的情况作准备时，低次位存储器131a变为(N/2+1)位，所述(N/2+1)位包含向列读出电路124中的低次位存储器131的N/2位中添加的冗余位。

A/D转换的结果在锁存信号latch2被输出的时刻t9被写入低次位存储器131a中，并且进一步被输入到校正电路151中。来自列读出电路124的低次位的A/D转换的结果被输入到校正电路151中，并且，基于来自测量电路150的测量结果执行对其的校正。校正之后的低次位的A/D转换结果在加法器电路138中与高次位的A/D转换的结果合成，并且成为A/D转换输出，即，数字输出。

描述本实施例特有的特征。在本实施例中，测量电路150测量用于高次位转换的积分量与用于低次位转换的积分量的比率的误差，该误差由参考信号产生电路140产生。校正电路151校正A/D转换结果，由此使得能够获得具有较高线性精度的A/D转换输出。

并且，在本实施例的固态成像装置中，列读出电路124执行A/D转换的时段和测量电路150执行测量的测量时段相互重叠。因此，例如，如果高次位转换的单位积分量与用于低次位转换的单位积分量的比率依赖于温度而变化，那么依赖于温度而出现的影响可被依次校正。因此，对于环境的变化，可以以高精度稳定地执行A/D转换。顺便提及，当然可在紧接着通电之后或者在开始拍摄的早期阶段中执行对用于高次位转换的积分量与用于低次位转换的积分量的比率的测量，并且，可通过将积分时间加长2个或更多个时钟来测量该比率。

顺便提及，虽然在本实施例中执行对来自列读出电路124的数字信号的校正，但是，也能够执行对参考信号产生电路140的校正。例如，在如图4所示那样配置的参考信号产生电路140中，通过实现能够微调电容器Cr2或Cr1的值的电容器阵列并且控制其连接，可以校正用于高次位转换的单位积分量与用于低次位转换的单位积分量的比率。

并且，在图1B和图5所示的配置例子中，连接电容器127b与比较器126的负输入端子连接，该连接电容器127b具有与连接电容器127a相等的电容值，并且被设置为用于调整负输入端子和正输入端子之间的对称性。因此，如果不特别要求对称性，那么连接电容器127b可被省略。

虽然在本实施例中例示以便描述了阶梯状改变的参考信号，但是，与第一实施例类似，参考信号可以是以斜率改变的参考信号。

(第三实施例)

图7是示出使用前述实施例中的每一个实施例的应用本发明的固态成像装置的成像系统1000的配置的图。1001表示用作透镜的保护的挡板，并且，该挡板还用作主开关，1002表示透镜，该透镜是用于在固态成像装置1004上提供对象的光学图像的光学系统。可通过光阑1003改变穿过透镜1002的光的量。固态成像装置1004(与在前述实施例中的每一个实施例中描述的固态成像装置对应)将由透镜1002形成的光学图像转换成图像数据。信号处理单元1007执行对从固态成像装置1004输出的图像数据的各种校正以及对数据的压缩。定时产生器1008向信号处理单元1007输出各种定时信号。顺便提及，电路1007和1008中的每一个可以与固态成像装置1004在同一芯片上形成。成像系统1000包含：总体控制算术运算单元1009，用于控制各种运算和成像系统1000的总体；存储器单元1010，用于暂时存储图像数据；和控制记录介质的接口单元1011，用于执行记录介质的记录或读出。并且，成像系统1000包含：记录介质1012，用于执行图像数据的记录或读出，半导体存储器等可向其连附和从其移除；和外部接口(I/F)单元1013，用于执行与外部计算机等的通信。

接着，描述图7所示的成像系统1000的操作。当挡板1001被打开时，主电源被接通，然后，诸如总体控制算术运算单元1009之类的控制系统的电源被接通。并且随后，诸如固态成像装置1004之类的拍摄系统电路的电源被接通。

然后，执行控制曝光量的操作。总体控制算术运算单元1009打开光阑1003，并且，此时从固态成像装置1004输出的信号被输入到信号处理单元1007中。信号处理单元1007使得总体控制算术运算单元1009执行用于基于该信号而获得曝光的操作。基于该操作的结果确定对象的亮度，并且，总体控制算术运算单元1009控制光阑。可通过例如比较该操作结果与事先存储在总体控制算术运算单元1009中的数据来执行该确定。

然后，基于从固态成像装置1004输出的信号，总体控制算术运算单元1009提取高频分量，以执行获得从成像系统1000到对象的距离的操作。然后，总体控制算术运算单元1009驱动透镜1002，并确定透镜1002在该状态下是否对焦。当总体控制算术运算单元1009确定透镜1002未对焦时，总体控制算术运算单元1009再次驱动透镜1002以执行距离测量。可通过例如事先存储在总体控制算术运算单元1009中的数据的比较来执行该确定。

然后，在确定对焦之后，主曝光开始。当曝光结束时，从固态成像装置1004输出的图像信号由信号处理单元1007处理，然后由总体控制算术运算单元1009保持在存储器单元1010中。然后，在总体控制算术运算单元1009的控制下，保持在存储器单元1010中的数据经由控制记录介质的I/F单元1011被记录在诸如半导体存储器之类的可移除记录介质1012中。此外，可直接经由外部I/F单元1013向计算机等输入数据。

上述的实施例均是说明性的实施例，并且，在不背离本发明的实质和范围的条件下，可以改变实施例的具体配置。

(其它)

在上述的实施例中描述的参考信号产生电路140不限于具有图4所示的配置的电路。该电路可被任意地配置，只要它可供给具有沿彼此不同的方向改变的信号电平的至少两个参考信号即可。即，可以采用产生三个或更多个不同的参考信号的电路。

此外，考虑以下的情况。即，A/D转换电路的分辨率是N位；N位中的m位的高次数字经受基于一个参考信号的A/D转换；N位中的n位的低次数字经由基于另一参考信号的A/D转换操作。这里，N＝m+n。要用于n位的低次数字的A/D转换的参考信号的每单位时间段的参考信号的变化量与此时的参考信号的要被用于m位的高次数字的A/D转换的参考信号的每单位时间段(即每个步骤)的变化量的比率为1/2ⁿ。

此外，虽然在上述的实施例中仅示出其中一个参考信号产生电路共同地向所有A/D转换器供给参考信号的配置，但是，例如，可以设置多个参考信号产生电路，并且，各个参考信号产生电路可向多个不同的A/D转换器供给参考信号。更具体地说，可设想实现不同的参考信号产生电路与像素的奇数列和偶数列连接，或者实现不同的参考信号产生电路与像素区域的左侧和右侧连接。

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的变更方式和等同的结构及功能。

本申请要求在2008年3月27日提交的日本专利申请No.2008-084109的权益，在此以引用方式引入其全部内容。

Claims

1.一种固态成像装置，包括：

像素区域，包含以矩阵布置的多个像素，每个像素输出模拟信号；

多个A/D转换电路，各与所述多个像素的各列相对应地布置，用于将模拟信号A/D转换成数字信号，其中

所述固态成像装置包含：

参考信号产生电路，用于共同地向所述多个A/D转换电路供给信号电平向着不同电势方向改变的至少两个参考信号，以及

所述A/D转换电路包含：

放大器；

输入电容器，其一个端子接收模拟信号和从参考信号产生电路供给的参考信号，其另一个端子与放大器的一个输入端子连接；

反馈电容器，连接在放大器的所述一个输入端子和输出端子之间；

比较器，用于将来自放大器的输出端子的输出与比较电平进行比较；和

连接电容器，其一个端子与放大器的输出端子连接，其另一个端子与比较器的一个输入端子连接。

2.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中

所述模拟信号和所述参考信号以由输入电容器与反馈电容器的比率确定的增益被放大，并且从放大器被输出。

3.根据权利要求1或2所述的固态成像装置，其中

所述比较器的另一输入端子经由电容器与用于供给比较电平的电源连接。

4.根据权利要求1～3中的任一项所述的固态成像装置，其中

A/D转换电路具有N位的分辨率，并且，N＝m+n，

所述模拟信号经受A/D转换，使得m位的高次位基于从参考信号产生电路供给的两个参考信号中的一个参考信号而被转换，并且，n位的低次位基于从参考信号产生电路供给的两个参考信号中的另一个参考信号而被转换。

5.根据权利要求4所述的固态成像装置，其中

每单位时间段的一个参考信号的变化量与每单位时间段的另一个参考信号的变化量的比率为1/2ⁿ。

6.根据权利要求1～5中的任一项所述的固态成像装置，还包括：

测量电路，基于从参考信号产生电路供给的两个相应参考信号，测量保持在反馈电容器中的电荷的每单位时间段的变化量；和

校正单元，用于基于测量电路的测量结果，校正来自A/D转换电路的输出。

7.根据权利要求1～5中的任一项所述的固态成像装置，还包括：

测量电路，基于从参考信号产生电路供给的两个参考信号，测量保持在反馈电容器中的电荷的每单位时间段的变化量；和

校正单元，用于基于测量电路的测量结果，校正来自参考信号产生电路的输出。

8.根据权利要求6或7所述的固态成像装置，其中

测量电路的测量的时段与A/D转换电路的转换操作的时段至少部分地重叠。

9.一种成像系统，包括：

根据权利要求1～8中的任一项所述的固态成像装置；

光学系统，用于在像素区域上形成图像；和

信号处理单元，用于处理从固态成像装置输出的信号。