CN102098457B - 固态图像拾取器件及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及固态图像拾取器件及其驱动方法。所述固态图像拾取器件包括接收来自多个像素的信号的多个共用输出线、放大信号的多个列放大器单元、存储放大的信号的多个存储电容器、控制在列放大器单元的输出节点和存储电容器的输入节点之间的电气导通的第一晶体管、用于在第一电流和比第一电流小的第二电流之间切换用于操作列放大器单元的电流的开关、和控制器，所述控制器在第二电流流过列放大器单元的同时禁止列放大器单元的输出节点处的电势接近在第一晶体管的关断状态下向第一晶体管的栅极供给的关断状态电压。

Description

固态图像拾取器件及其驱动方法

技术领域

本发明涉及在诸如数字静物照相机和数字便携式摄像机的装置中使用的固态图像拾取器件。

背景技术

近年来，作为一种类型的固态图像拾取器件的像素放大型固态图像拾取器件由于其能够实现高图像质量和高分辨率而被广泛用于数字静物照相机和数字便携式摄像机中。像素的数量增加得越多，则每个像素减小得越多。另外，对于固态图像拾取器件要求的性能也正在增加。特别地，功耗的降低由于影响电池的连续使用时间而受到严格要求。日本专利公开No.2005-217771公开了具有节电模式的固态图像拾取器件，该节电模式用作用于减少其功耗的方法。

根据日本专利公开No.2005-217771的固态图像拾取器件包括用于各像素列的列放大器单元。存储电容器通过传送金属氧化物半导体(MOS)晶体管被配置在列放大器单元的输出节点处。为了减少功耗，固态图像拾取器件在非操作时间段(以下，称为“关断时间段”)期间切断或减少流过列放大器单元的电流。如上所述，像素减小得越多，则构成固态图像拾取器件的晶体管减小得越多，由此，传送MOS晶体管减小得越多。当栅极电势等于源极电势时，亚阈值电流会不幸地流过具有小的栅极长度的MOS晶体管。

在日本专利公开No.2005-217771中公开的方法中，由于当列放大器单元和存储从列放大器单元馈送的信号的存储电容器之间的晶体管小时关断状态电流流动，因此会要求进一步的检查。以下将详细描述其机制。

在日本专利公开No.2005-217771中公开的方法中，当对于列放大器单元的电流被切断时，列放大器单元的输出节点处的电势等于最高电势(例如，VDD)或最低电势(例如，接地电势)。

当传送开关包含P沟道MOS(PMOS)晶体管时，电压VDD在其关断时间段期间被供给到PMOS晶体管的栅极。如果在节电模式中列放大器单元的输出节点处的电势等于电压VDD，那么PMOS晶体管的源极电势也等于电压VDD，因此，亚阈值电流流过其中。当传送开关包含N沟道MOS(NMOS)晶体管时，在关断时间段期间向NMOS晶体管的栅极供给接地电压。如果在节电模式中列放大器单元的输出节点处的电势等于接地电压，那么，NMOS晶体管的源极电势也等于接地电势，因此，亚阈值电流流过其中。

由于亚阈值电流使得存储电容器释放存储在其中的电荷并使存储的信号衰减，因此会不利地不能得到优选的图像质量。

发明内容

根据本发明的一个方面，一种固态图像拾取器件包括：被配置为接收从多个像素输出的信号的多个共用输出线；对于各共用输出线设置的并被配置为放大信号的多个列放大器单元；被配置为存储放大的信号的多个存储电容器；在列放大器单元的输出节点和存储电容器的输入节点之间的被配置为控制输出节点和输入节点之间的电气导通的第一晶体管；被配置为在第一电流和比第一电流小的第二电流之间切换用于操作列放大器单元的电流的开关；和控制器，所述控制器被配置为在第二电流流过列放大器单元的同时，禁止输出节点处的电势接近在第一晶体管的关断状态下向第一晶体管的栅极供给的关断状态电压。

参照附图阅读示例性实施例的以下说明，本发明的其它特征将变得显而易见。

附图说明

图1是示出根据本发明的第一示例性实施例的固态图像拾取器件的等效电路的示图。

图2是示出构成列放大器单元的运算放大器的例子的电路图。

图3是示出像素的等效电路的例子的示图。

图4是用于驱动根据本发明的第一示例性实施例的固态图像拾取器件的定时图。

图5是示出构成列放大器单元的运算放大器的另一例子的电路图。

图6是示出根据本发明的第二示例性实施例的固态图像拾取器件的等效电路的示图。

图7是用于驱动根据本发明的第二示例性实施例的固态图像拾取器件的定时图。

具体实施方式

第一示例性实施例

图1是示出根据本发明的第一示例性实施例的固态图像拾取器件的电路配置的示图。像素以二维阵列的方式被配置。为了简化附图，图1示出像素阵列的一个像素列的等效电路。各像素列可包含至少一个像素。

根据第一示例性实施例的固态图像拾取器件具有能够在正常操作模式和节电模式之间切换操作模式的开关。在节电模式中，在列放大器单元的关断时间段期间向列放大器单元供给的电流或电压被切断或者与正常操作模式相比减小。例如，在水平传送时间段期间执行列放大器单元的节电模式。

图1示出像素1-1和1-2、第一共用输出线2和电流源3。

从多个像素向第一共用输出线2输出信号。例如，从包含于一个像素列中的像素向第一共用输出线2输出信号。第一共用输出线2也可被称为垂直输出线。电流源3允许包含于像素中的放大晶体管作为源跟随器操作。

运算放大器4、箝位电容器5、反馈电容器6和箝位开关7构成列放大器单元14。列放大器单元14放大输出到第一共用输出线2的信号。来自第一共用输出线2的信号通过箝位电容器5被输入到运算放大器4的反相输入节点，而基准电压(Vref)被输入到其非反相输入节点。固态图像拾取器件包含多于一个的列放大器单元14。虽然对于各像素列设置该列放大器单元14，但是，可对于多个像素列设置该列放大器单元14，或者，可对于一个像素列设置多于一个的列放大器单元14。列放大器单元14的增益可根据箝位电容器5的电容与反馈电容器6的电容的比改变。

电压供给单元8可在节电模式中将列放大器单元14的输出节点A处的电势固定到预定的电平。电压供给单元8用作在节电模式中控制列放大器单元14的输出节点A处的电势的控制器。具体而言，在构成后面描述的第一开关9的晶体管的关断时间段期间，电压供给单元8具有用于禁止列放大器单元14的输出节点A处的电势接近向晶体管的栅极供给的关断状态电压的功能。

电压供给单元8包含晶体管。晶体管的源极和漏极中的一个与列放大器单元14的输出节点A连接，而其源极和漏极中的另一个被供给与在晶体管的关断状态下向其栅极供给的关断状态电压不同的电压VM。电压VM比向栅极供给以关断PMOS晶体管的电压的绝对值小。

被配置在存储电容器10的输入节点和列放大器单元14的输出节点之间的第一开关9由包含并联连接的PMOS晶体管和NMOS晶体管的CMOS开关构成。向PMOS晶体管的栅极和NMOS晶体管的栅极供给具有相反相位的脉冲。第一开关9控制列放大器单元14的输出节点和存储电容器10的输入节点之间的电气导通。

存储电容器10对于预定的时间段存储列放大器单元14的输出信号。固态图像拾取器件还可包含用于存储列放大器单元14的偏移的电容器和用于在水平传送时间段期间存储随后读出目标像素行的信号的电容器。

第二开关11被配置在存储电容器10和第二共用输出线12之间。第二共用输出线12也可被称为水平输出线。第二开关11可控制存储电容器10和第二共用输出线12之间的电气导通。通过对于各像素列或对于各组像素列依次接通第二开关11，信号被读出到第二共用输出线12。

输出放大器13放大或缓冲输出到第二共用输出线12的信号。输出放大器13根据需要被设置。

模式开关15根据正常操作模式和节电模式切换被供给以操作列放大器单元14的电流或电压。具体而言，模式开关15在第一电流和比第一电流小的第二电流之间切换用于操作列放大器单元14的电流。第一电流的时间段与正常操作模式对应，而第二电流的时间段与节电模式对应。

图2是示出图1所示的运算放大器4的等效电路的例子的示图。

第一输入晶体管201具有第一导电类型。这里，NMOS晶体管用作第一输入晶体管201。第一输入晶体管201与运算放大器4的反相输入节点对应。信号从第一共用输出线2被输入到第一输入晶体管201的栅极。虽然在第一示例性实施例中通过箝位电容器5输入信号，但是，信号可被直接输入到第一输入晶体管201。第二输入晶体管202具有第一导电类型并与运算放大器4的非反相输入节点对应。基准电压Vref被供给到第二输入晶体管202。

负载晶体管203分别与第一输入晶体管201的源极和第二输入晶体管202的源极共同连接。负载晶体管203供给用于操作运算放大器4的电流(例如，偏压电流)。

模式切换晶体管204根据从模式开关15供给到其栅极的脉冲切断或减小供给到运算放大器4的偏压电流。例如，可串联地分别在负载晶体管203与第一输入晶体管201和第二输入晶体管202之间配置模式切换晶体管204。

分别在第一输入晶体管201的漏极侧和第二输入晶体管202的漏极侧的晶体管205和206具有第二导电类型并构成电流反射镜构造。PMOS晶体管可用作晶体管205和206。晶体管205和206的源极被供给电源电压VDD。

现在将描述节电模式中的运算放大器4的操作。如果模式切换晶体管204被关断或几乎关断，那么运算放大器4的输出节点处的电压变得等于或接近电源电压VDD。为了便于解释，将描述关断模式切换晶体管204的机制。

响应于模式切换晶体管204的关断，由负载晶体管203供给的电流被切断。响应于电流的切断，分别流过第一输入晶体管201和第二输入晶体管202的电流也被切断。由于电压降的影响减小，因此，第一输入晶体管201和晶体管206之间的连接节点(即，运算放大器4的输出节点)处的电势接近电源电压VDD。运算放大器4的输出节点处的电势最终变得等于电源电压VDD。当模式切换晶体管204被几乎关断时，虽然变化量不同，但是，运算放大器4的输出节点处的电势也接近电源电压VDD。

图3示出图1中所示的像素的示例性电路。

光电二极管301用作光电转换元件。放大晶体管303放大由光电转换元件301产生的信号并将放大的信号输出到第一共用输出线2。传送晶体管302将由光电转换元件301产生的电荷传送到放大晶体管303的栅极。复位晶体管304将放大晶体管303的栅极复位。选择晶体管305选择每个像素或多个像素。

可以在多个像素之间共享放大晶体管303和复位晶体管304。选择晶体管305可被省略，并且，复位晶体管304可切换放大晶体管303的栅极电势以选择像素。

图4是用于驱动根据第一示例性实施例的固态图像拾取器件的定时图。将参照图4描述节电模式中的电压供给单元8的操作。

向复位晶体管304的栅极供给脉冲“pres”，而向选择晶体管305的栅极供给脉冲“psel”。另外，分别向传送晶体管302的栅极和构成第一开关9的PMOS晶体管9a的栅极供给脉冲“ptx”和“pts”。向相应的NMOS晶体管9b的栅极供给与供给到PMOS晶体管9a的栅极的脉冲“pts”相反的脉冲。向模式切换晶体管204供给脉冲“PSAVE”。向箝位开关7的栅极供给脉冲“pc0r”，而向包含于电压供给单元8中的晶体管的栅极供给脉冲“pr”。从水平扫描电路向第二开关11供给脉冲“h1”、“h2”和“hx”，这里，下标与各像素列对应。

脉冲“pts”的高电平接通PMOS晶体管9a，而其低电平关断PMOS晶体管9a。由于向相应NMOS晶体管9b供给脉冲“pts”的相反脉冲，因此，PMOS晶体管9a和NMOS晶体管9b基本上在相同时间被接通和关断。关于其它的脉冲，高电平与活动状态对应。

在图4所示的操作之前，在预定的曝光时间之后在光电转换元件301中蓄积信号电荷。

在第一阶段中，脉冲“pres”从高电平转移到低电平以终止放大晶体管303的栅极的复位。同时，行选择脉冲“psel”从低电平转移到高电平，以接通选择晶体管305并使得暗信号被输出到第一共用输出线2。

在第二阶段中，脉冲“pc0r”从低电平转移到高电平，以使得运算放大器4作为电压跟随器操作。运算放大器4参照输出到第一共用输出线2的暗信号来钳位电压电平。

在第三阶段中，脉冲“ptx”从低电平转移到高电平，以使得蓄积于光电转换元件301中的电荷被传送到放大晶体管303的栅极。作为对于传送的响应，第一共用输出线2的电势下降像素信号的量。电势变化的方向与电子用作信号电荷的情况对应。当空穴用作信号电荷时，电势变化的方向相反。

在第四阶段中，脉冲“pts”从低电平依次转移到高电平和低电平，使得存储电容器10对于第一共用输出线2的电势变化进行采样和保持。然后，存储在存储电容器10中的信号根据脉冲“hx”被依次传送到第二共用输出线12。

现在将详细描述在存储电容器10中存储信号的时间T1～T3之间执行的操作。

在信号在时间T1处在存储电容器10中被采样和保持之后，脉冲“PSAVE”在时间T2处从高电平转移到低电平以切断或减小供给到运算放大器4的电流(第一步骤)。即，操作模式从正常操作模式迁移到节电模式。同时，脉冲“pr”从低电平转移到高电平，以使得电压VM被供给到运算放大器4的输出节点OUT(第二步骤)。第二步骤用于禁止列放大器单元14的输出节点处的电势接近在PMOS晶体管9a的关断时间段期间供给到PMOS晶体管9a的栅极的关断状态电压。

在时间T2和时间T3之间的时间段期间(在节电模式中)，构成第一开关9的PMOS晶体管9a的栅极电压和源极电压分别等于VDD和VM。栅极-源极电压VGS从VGS＝VG-VS＝VDD-VM计算出并且为正。因此，与源极电压等于VDD时相比，关断状态电流更不可能流动。

因此，电压供给单元8可抑制PMOS晶体管9a的泄漏电流。

另一方面，由于NMOS晶体管9b的栅极电压和源极电压分别等于0V(GND)和VM，因此，其栅极-源极电压VGS从VGS＝VG-VS＝-VM计算出并且为负。在这种情况下，与源极电压等于0V(GND)时相比，关断状态电流也更不可能流动。

通过这种操作，可在节电模式中减小包含PMOS晶体管9a的第一开关9的关断状态电流。因此，可以抑制存储在存储电容器10中的信号的放电。

虽然在第一示例性实施例中描述了用作第一开关9的CMOS开关，但是，第一开关9的配置不限于本例子。固态图像拾取器件可至少包含控制器，该控制器在节电模式期间禁止列放大器单元14的输出节点处的电势接近被供给到关断状态下的构成第一开关9的晶体管的栅极的关断状态电压。因此，例如，由于在PMOS晶体管的关断时间段期间电压VDD等于或接近供给到PMOS晶体管的栅极的关断状态电压，如果列放大器单元14的输出节点处的电势在节电模式中接近电压VDD，那么可以采用包含PMOS晶体管的第一开关9。由于在NMOS晶体管的关断时间段期间接地电压等于或接近供给到NMOS晶体管的栅极的关断状态电压，如果列放大器单元14的输出节点处的电势在节电模式中接近接地电压，那么也可以采用包含NMOS晶体管的第一开关9。图2示出在节电模式中使列放大器单元14的输出节点的电势接近电压VDD的示例性配置。在图5中示出使得电势接近接地电压的示例性配置。

参照图5，PMOS晶体管用作第一输入晶体管501。第一输入晶体管501与运算放大器4的反相输入节点对应。在第一示例性实施例中，通过箝位电容器5从第一共用输出线2向第一输入晶体管501的栅极供给信号。PMOS晶体管用作第二输入晶体管502。第二输入晶体管502与运算放大器4的非反相输入节点对应，并被供给基准电压Vref。

负载晶体管503分别与第一输入晶体管501的源极和第二输入晶体管502的源极共同连接。负载晶体管503供给用于使得运算放大器4操作的电流(即，偏压电流)。

模式切换晶体管504可根据从模式开关15向其栅极供给的脉冲切断对于运算放大器4的偏压电流。与正常操作模式相比，模式切换晶体管504可减小电流。例如，可串联地分别在负载晶体管503与第一输入晶体管501和第二输入晶体管502之间配置模式切换晶体管504。

分别被配置在第一输入晶体管501的漏极侧和第二输入晶体管502的漏极侧的NMOS晶体管505和506构成电流反射镜构造。晶体管505的源极和晶体管506的源极被供给接地电势。由于在节电模式中运算放大器4的输出节点处的电势等于接地电势GND，因此运算放大器4的输出节点处的电势的极性与图2所示的运算放大器4的极性相反。因此，当第一开关9包含NMOS晶体管时，节电模式中的输出节点处的电势接近在NMOS晶体管的关断时间段期间被供给到NMOS晶体管的栅极的关断状态电压。但是，电压供给单元8供给用于禁止电势接近关断状态电压的电压，由此能够抑制亚阈值电流和NMOS晶体管的关断状态电流。

第二示例性实施例

图6是示出根据本发明的第二示例性实施例的固态图像拾取器件的电路配置的示图。

由于具有与图1中所用的附图标记类似的附图标记的部分具有类似的功能，因此它们的详细描述被省略。第二示例性实施例与第一示例性实施例的不同在于，在被供给基准电压Vref的运算放大器4的非反相输入节点和列放大器单元14的输出节点A之间添加控制电气导通的开关60。开关60用作在节电模式中禁止列放大器单元14的输出节点处的电势接近包含于第一开关9中的晶体管的关断状态电压的控制器。

并且，还在箝位开关7和运算放大器4的输出节点的连接节点与列放大器单元14的反馈回路和输出节点的连接节点之间添加开关61。

开关61包含CMOS晶体管。NMOS晶体管被供给有供给到PMOS晶体管的控制信号的反相信号。可以使用图2和图5中所示的运算放大器4的电路构造中的一个。在第二示例性实施例中，满足GND＜Vref＜VDD的电势关系。

图7是用于驱动图6所示的固态图像拾取器件的定时图。向构成开关61的PMOS晶体管的栅极供给脉冲“pe”。

在时间T1和时间T2之间的箝位操作期间，供给使得在输出开关61被关断的状态下开关60和箝位开关7被连接的脉冲。此时，反馈电容器6可对运算放大器4的偏移电压进行采样。

在时间T3，脉冲“pe”从低电平转移到高电平，以使运算放大器4的偏移电压Voff减小到1/(1+G)，这里，G表示运算放大器4的开环增益。

在执行这种操作的运算放大器4中，可以按以下的方式抑制第一开关9的关断状态电流。

在存储电容器10中存储信号的时间T4和T6之间的时间段期间，脉冲“PSAVE”转移到低电平，以使得对于运算放大器4的偏压电流被切断或减小(在节电模式中)。基本上在该操作的同时，向开关60的栅极供给脉冲以接通开关60，由此，向运算放大器4的输出节点供给基准电压Vref。

在时间T5与T6之间的时间段期间(在节电模式中)，PMOS晶体管9a的栅极电压和源极电压(即，列放大器单元14的输出节点处的电压)分别等于VDD和Vref。由于栅极-源极电压VGS从VGS＝VG-VS＝VDD-Vref被算出并且为正，因此关断状态电流较不可能流动。另一方面，NMOS晶体管9b的栅极电压和源极电压(在节点A处)分别等于0V和Vref。由于栅极-源极电压VGS从VGS＝VG-VS＝-Vref计算出并且为负，因此关断状态电流较不可能流动。通过这种操作，即使在节电模式中也可抑制第一开关9的关断状态电流。

示例性实施例中的每一个示出用于实施本发明的特定例子，并且，本发明的技术范围不应受这些示例性实施例限制。即，在不背离本发明的技术精神或主要特征的情况下，可以以各种方式实施本发明。

例如，在每个示例性实施例中，对于用作列放大器的运算放大器给出了描述。共源极放大器电路可被用作列放大器。共源极放大器电路用作反相放大器电路。当NMOS晶体管用作共源极放大器电路的输入MOS晶体管时，其输出节点处的电势在节电模式中接近接地电势。因此，当NMOS晶体管被用作第一开关9时，输出节点处的电势接近NMOS晶体管的关断状态电压。因此，可以设置用于避免该状态的控制器。当PMOS晶体管被用作共源极放大器电路的输入MOS晶体管时，满足相反的关系。更具体而言，当第一开关9包含PMOS晶体管时，输出节点处的电势接近PMOS晶体管的关断状态电压。因此，可以设置用于避免该状态的控制器。

列放大器可由源跟随器构成。当NMOS晶体管如共源极放大器电路那样被用作输入MOS晶体管并且第一开关9包含NMOS晶体管时，输出节点处的电势接近NMOS晶体管的关断状态电压。当PMOS晶体管被用作输入MOS晶体管并且第一开关9包含PMOS晶体管时，输出节点处的电势接近PMOS晶体管的关断状态电压。因此，可以设置用于避免该状态的控制器。

虽然已参照示例性实施例说明了本发明，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以及等同的结构和功能。

Claims (10)

1.一种固态图像拾取器件，包括：

被配置为接收从多个像素输出的信号的多个共用输出线；

对于各共用输出线设置的并被配置为放大信号的多个列放大器单元；

被配置为存储放大的信号的多个存储电容器；

在列放大器单元的输出节点和存储电容器的输入节点之间的被配置为控制输出节点和输入节点之间的电气导通的第一晶体管；

被配置为在第一电流和比第一电流小的第二电流之间切换用于操作列放大器单元的电流的开关；和

控制器，所述控制器被配置为在第二电流流过列放大器单元的同时，禁止输出节点处的电势接近在第一晶体管的关断状态下向第一晶体管的栅极供给的关断状态电压。

2.根据权利要求1的固态图像拾取器件，其中，

控制器包含第二晶体管和电压供给单元，第二晶体管的源极和漏极中的一个与输出节点连接，并且，电压供给单元向第二晶体管的源极和漏极中的另一个供给与关断状态电压不同的电压。

3.根据权利要求2的固态图像拾取器件，其中，

列放大器单元包含运算放大器，并且，其中

第二晶体管控制运算放大器的输出节点和非反相输入节点之间的电气导通。

4.根据权利要求1的固态图像拾取器件，其中，

共源极放大器电路用作列放大器单元。

5.根据权利要求1的固态图像拾取器件，其中，

CMOS晶体管用作控制输出节点和输入节点之间的电气导通的第一晶体管。

6.一种固态图像拾取器件的驱动方法，该固态图像拾取器件包括：

被配置为接收从多个像素输出的信号的多个共用输出线；

对于各共用输出线设置的并被配置为放大信号的多个列放大器单元；

被配置为存储放大的信号的多个存储电容器；以及

在列放大器单元的输出节点和存储电容器的输入节点之间的被配置为控制输出节点和输入节点之间的电气导通的第一晶体管，该固态图像拾取器件的驱动方法包括以下的步骤：

在第一电流和比第一电流小的第二电流之间切换用于操作列放大器单元的电流；和

在第二电流流过列放大器单元的同时，通过控制器禁止输出节点处的电势接近在第一晶体管的关断状态下向第一晶体管的栅极供给的关断状态电压。

7.根据权利要求6的方法，其中，

控制器包含第二晶体管和电压供给单元，第二晶体管的源极和漏极中的一个与输出节点连接，并且，电压供给单元向第二晶体管的源极和漏极中的另一个供给与关断状态电压不同的电压。

8.根据权利要求7的方法，其中，

列放大器单元包含运算放大器，并且，其中

第二晶体管控制运算放大器的输出节点和非反相输入节点之间的电气导通。

9.根据权利要求6的方法，其中，

共源极放大器电路用作列放大器单元。

10.根据权利要求6的方法，其中，

CMOS晶体管用作控制输出节点和输入节点之间的电气导通的第一晶体管。

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