CN102238344A - 固态成像器件、其驱动方法和相机系统 - Google Patents

固态成像器件、其驱动方法和相机系统 Download PDF

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Abstract

在此公开了固态成像器件、其驱动方法和相机系统。所述固态成像器件包含：像素信号读取线；像素单元，其中排列包括光电转换元件的像素；以及像素信号读取单元，其执行经由像素信号读取线从像素单元读取像素信号，其中，所述像素信号读取单元包括多个电流源电路，其每一个均包括作为形成源极跟随器的、连接至所述像素信号读取线的电流源的负载元件，并且所述电流源电路包括这样的电路：其根据像素信号读取线的转换速率生成电流，并且复制与以上电流对应的电流以在所述电流源中流动。

Description

固态成像器件、其驱动方法和相机系统
技术领域
本发明涉及以CMOS图像传感器为代表的固态成像器件、其驱动方法和相机系统。
背景技术
近年来，CMOS图像传感器作为当作对于CCD图像传感器的替代方案的固态成像器件(图像传感器)受到了注意。对于此，存在下列的原因。
专用的工艺对于制造CCD像素是必要的，多个电源电压对于工作是必要的，并且进一步，需要协调多个外围IC以使CCD工作。
响应于上述，CMOS图像传感器克服各种问题而使得在CCD图像传感器中系统变得非常复杂。
CMOS图像传感器在其制造中可以使用与公共CMOS集成电路相同的制造工艺，其可以由单个电源驱动，并且其可以将使用该CMOS工艺的模拟电路和逻辑电路混合在同一芯片中。
据此，CMOS图像传感器具有多个重要的优点而使得可以减小外围IC的数量。
作为CCD的输出电路，使用具有浮空扩散(FD)层的FD放大器的单沟道(ch)输出型是主流。
另一方面，CMOS图像传感器具有相对于各个像素的FD放大器，并且，选择像素阵列中的给定行并且在列方向上同时读取多个像素的列并行输出型是主流。
这是由于难以通过排列在像素中的FD放大器获得足够的驱动能力，并且需要降低数据速率，以便并行处理是有效的。
在这种类型的固态成像器件中，传递来自像素的信号的垂直信号线(像素信号读取线)连接至在像素单元的外部形成恒流源的负载元件(负载MOS)，所述垂直信号线利用包括像素的放大器晶体管的放大器输出单元形成源极跟随器。
在CMOS图像传感器中减小用于传输来自像素的信号的垂直信号线的安定时间(settling time)是重要的，并且已经提出了包括负载元件(负载MOS)的、与其有关的各种技术。
在JP-A-2008-211540(专利文献1)中，提出了使得电流可以根据工作速度而静态改变的技术。
在JP-A-2009-22269(专利文献2)中，提出了当激活驱动垂直信号线的开关晶体管的控制信号时临时增大负载MOS电流的技术。
另外，自从大约1990年，在论文″active pull-down″(参见Ching-TeChugang，″Advanced Bipolar Circuits，″Circuits&Devices，pp.32-36，Nov.1992(非专利文献1)、Jouppi的″A speed，power，and supply noise evaluation of ECLdriver circuits，″IEEE J.of SC，pp.38-45，Jan.1996(非专利文献2)、T.Kuroda等人的″Capacitor-free level-sensitive active pull-down ECL circuit withself-adjusting driving capability，″IEEE J.of SC，pp.819-827，Jun.1996(非专利文献3)和K.Ueda等人的″A fully compensated active pull-down ECL circuitwith self-adjusting driving capability，″IEEE J.of SC，pp.46-53，Jun.1996(非专利文献4)中，已经研究了″仅在必要时自动增大电流的机制″。
这些研究主要目标在于：在抑制功耗增大的同时，加速由称作ECL(Emitter Coupled Logic，发射极耦合逻辑)的逻辑电路所应对的二进制信号的传输。
发明内容
然而，在仅增大电流的专利文献1描述的技术中，存在这样的问题：使信号电平在整体上减小，并且难以具有足够的动态范围。
另外，大电流在高速工作中恒定地流动。请求从“单位速度的功耗”的观点的改善。
专利文献2中描述的技术具有初始移动加速的优点，然而，需要在安定之前断开控制信号以将电流返回到稳定状态，并且最后的安定工作从该状态开始。
可以预期的是，安定时间可能由于第二安定可以以降低的误差从该状态开始而在整体上降低，然而难以控制定时，并存在效果变化或将会受到限制的担心。
非专利文献1～4中描述的技术未假定用于诸如在负载MOS中安定电压较大的模拟信号。
由此，期望提供能够在不使得功耗增大的情况下减小负载元件电路的安定时间的固态成像器件、其驱动方法和相机系统。
根据本发明的实施例，提供了一种固态成像器件，包含：像素信号读取线；像素单元，其中排列包括光电转换元件的像素；以及像素信号读取单元，其执行经由像素信号读取线从像素单元读取像素信号，其中，所述像素信号读取单元包括电流源电路，其包括作为形成源极跟随器的电流源的、连接至所述像素信号读取线的负载元件，并且所述电流源电路包括这样的电路：其根据像素信号读取线的转换速率生成电流，并且复制与以上电流对应的电流以在所述电流源中流动。
根据本发明的另一实施例，提供了一种固态成像器件的驱动方法，包括以下步骤：当经由连接至形成源极跟随器的电流源的像素信号读取线从像素单元读取像素信号时，根据像素信号读取线的转换速率生成电流，并且复制对应于以上电流的电流以在一电流源中流动，其中在所述像素单元中排列包括光电转换元件的像素。
根据本发明的又一实施例，提供了一种相机系统，包含：固态成像器件；以及光学系统，其将目标图像成像在所述固态成像器件上，其中，所述固态成像器件包括像素信号读取线；像素单元，其中排列包括光电转换元件的像素；以及像素信号读取单元，其执行经由像素信号读取线从像素单元读取像素信号，并且所述像素信号读取单元包括电流源电路，其包括作为形成源极跟随器的、连接至所述像素信号读取线的电流源的负载元件，并且所述电流源电路包括这样的电路：其根据像素信号读取线的转换速率生成电流，并且复制与以上电流对应的电流以在所述电流源中流动。
根据本发明的实施例，可以在不使得功耗增大的情况下减小负载元件电路的安定时间。
附图说明
图1是示出安装了根据实施例的列并行ADC的固态成像器件(CMOS图像传感器)的配置示例的框图；
图2是更具体示出安装了根据实施例的列并行ADC的固态成像器件(CMOS图像传感器)中的像素和ADC组的框图；
图3是示出根据实施例的包括四个晶体管的CMOS图像传感器的基本像素电路的示例的图；
图4是示出根据实施例的电流源电路的每个负载元件单元的特定配置示例的电路图；
图5是示出从像素的选择晶体管导通直到垂直信号线变为安定电平为止的状态转变的视图；
图6是示出根据实施例的电流源电路的每个负载元件单元的另一特定配置示例的电路图；以及
图7是示出应用了根据本发明实施例的固态成像器件的相机系统的配置的示例的视图。
具体实施方式
下文参照附图说明本发明的实施例。
将按照下列顺序进行说明。
1.固态成像器件(CMOS图像传感器)的整体配置的概要
2.电流源电路的配置示例
3.第三实施例(相机系统的配置示例)
<1.固态成像器件(CMOS图像传感器)的整体配置的概要>
图1是示出安装了根据本发明实施例的列并行ADC的固态成像器件(CMOS图像传感器)的配置示例的框图。
图2是更具体示出安装了根据实施例的列并行ADC的固态成像器件(CMOS图像传感器)中的像素和ADC组的框图。
如图1和图2中所示，固态成像器件100包括像素单元110、电流源电路120、垂直扫描电路130、水平传输扫描电路140、作为像素信号读取单元的列处理单元(ADC组)150以及定时控制电路160。
固态成像器件100包括DAC偏置电路170(其包括DAC(数/模转换器))、放大器电路(S/A)180和信号处理电路190。
在上述组件中，像素单元110、电源电路120、垂直扫描电路130、水平传输扫描电路140、ADC组150、DAC 170和放大器电路(S/A)180由模拟电路形成。
定时控制电路160和信号处理电路190由数字电路形成。
在实施例中，列ADC系统用作像素信号读取单元的示例，然而，可以应用诸如列CDS之类的其它系统，而不限于此系统。
在实施例中，电源电路120配置为包括作为形成源极跟随器的电流源的负载MOS。
同样在实施例中，CMOS图像传感器具有这样的特征配置：向负载MOS电流源添加了根据信号线的转换速率来产生电流的功能，所述负载MOS电流源与从像素接收电信号的垂直信号线连接。
作为根据信号的转换速率而产生电流的功能，使用具有源极跟随器晶体管和复制寄生电容的实际电容的电路，并且晶体管的漏极电流被镜像以获得垂直电路线中的负载MOS电流。
该特征配置和电流源电路120的功能将在稍后详细描述。
在像素单元110中，每一个均具有作为光电转换元件的光电二极管的像素PXL被排列成矩形形式。
[像素的基本配置示例]
图3是示出根据实施例的包括四个晶体管的CMOS图像传感器的基本像素电路的示例的图。
图3的像素电路110A例如包括作为光电转换元件的光电二极管(PD)111。
像素电路110A具有作为光电转换元件的光电二极管111。
相对于一个光电二极管111，像素电路110A包括作为有源元件的四个晶体管，它们是作为传输元件的传输晶体管112、作为复位元件的复位晶体管113、放大器晶体管114和选择晶体管115。
光电二极管111以光电方式将入射光转换为对应于光量的电荷(这种情况下为电子)。
传输晶体管112连接在光电二极管111和作为输出节点的浮空扩散FD之间。
通过经由传输控制线LTRG供给其栅极(传输门)的传输信号TRG，传输晶体管112将通过光电二极管111中的光电转换获得的电子传输至浮空扩散FD。
复位晶体管113连接在电源线LVDD和浮空扩散FD之间。
通过经由复位控制线LRST供给其栅极的复位信号RST，复位晶体管113将浮空扩散FD的电位复位至电源线LVDD的电位。
放大器晶体管114的栅极连接至浮空扩散FD。
放大器晶体管114经由选择晶体管115连接至垂直信号线116，利用电流源电路120(其在像素单元的外部形成恒流源)的负载MOS形成源极跟随器。
然后，控制信号(地址信号或选择信号)SEL经由选择控制线LSEL供给选择晶体管115的栅极，从而导通选择晶体管115。
当选择晶体管115导通时，放大器晶体管114将浮空扩散FD的电位放大，并且将对应于该电位的电压输出至垂直信号线116。经由垂直信号线116从每个像素输出的电压输出至作为像素信号读取单元的ADC组150。
同时在一行中的各个像素上执行这些操作，这是由于例如传输晶体管112、复位晶体管113和选择晶体管115的各个栅极以行单元连接。
如图2所示，在利用ADC组形成像素信号读取单元的电流源电路120中，像素布置的每一列中排列的作为负载元件的负载MOS晶体管121连接至垂直信号线116。
负载MOS晶体管121由NMOS晶体管形成，该NMOS晶体管例如是作为第一传导型的n沟道绝缘栅场效应晶体管。
负载MOS晶体管121的漏极连接至垂直信号线116，且其源极连接至基准电位源VSS。
在实施例的电流源电路120中，具有根据信号线的转换速率而产生电流的功能的复制电路122连接至排列在每一列中的每一个负载MOS晶体管121。
负载MOS将是允许在像素的选择晶体管115中流动的电流源(电流宿)。如果选择晶体管115和放大器晶体管114的连接位置反转，则本发明的实施例具有相同的效果。
<2.电流源电路的配置示例>
图4是示出根据实施例的电流源电路的每个负载元件单元的特定配置示例的电路图。
图5是示出从像素的选择晶体管导通直到垂直信号线变为安定电平为止的状态转变的视图。
电流源电路120的每个负载元件单元120A配置为包括作为形成电流源的第一源极跟随器晶体管的负载MOS晶体管121、复制电路122和电流镜电路123。
在实施例中，将n型当作为第一传导型，而将p型当作为第二传导型。
复制电路122配置为包括电流源I121、作为第二源极跟随器晶体管的PMOS晶体管PT121和电容器(实际电容)C121。
电流镜电路123包括NMOS晶体管NT121和负载MOS晶体管121。
PMOS晶体管PT121的栅极连接至负载MOS晶体管121和垂直信号线116之间的连接部分，其源极连接至电流源I121，而其漏极连接至NMOS晶体管NT121的漏极和栅极。
电流源I121连接至电源VDD，实际电容(电容器)C121连接在PMOS晶体管PT121的源极和基准电位(例如，地电位)VSS之间。
形成电流镜电路123的NMOS晶体管NT121的源极连接至基准电位VSS，而其栅极和漏极连接至负载MOS晶体管121的栅极。
当像素110A的选择晶体管(SEL Tr)115导通时，垂直信号线116持续减小，直到如图5所示那样抵达安定电平为止。
相当大量的寄生电容Cp添加至垂直信号线116，因此，电流从寄生电容Cp流向垂直信号线116。
在公共负载MOS电路中，负载MOS的电流恒定，因此，其电流流入选择晶体管115。
因此，栅/源电压VGS降低，并且下降定时相应地被延迟。
过去，通过允许足够的稳定电流流入负载MOS而降低了效果。
当应用根据本实施例的负载元件单元120A时，垂直信号线116的电压受到PMOS晶体管形成的源极跟随器的监控。
当垂直信号线116的电位开始降低时，PMOS晶体管PT121的源极电压以相同的速率减小。
电容器C121用作实际负荷，与转换速率成比例的电流流入该电容器。
源极跟随器的初始工作电流和要在电容器C121上充电的电流之总和流入PMOS晶体管PT121的漏极。
该电流经电流镜电路123镜像以生成负载MOS晶体管121的电流，从而根据垂直信号线116的电位的下降而增大负载MOS晶体管121的电流。
PMOS晶体管PT121的源极跟随器是这样的复制电路：其中，当从某一观察点来看时，选择晶体管115和负载MOS晶体管121形成的源极跟随器的极性是反向的。
作为最简单方式的电路常数，电流镜像比设为1∶1，并且实际电容器C121等于寄生电容Cp。
据此，寄生电容Cp中流动的电流匹配实际电容C121中的电流，结果，选择晶体管115中流动的电流可以恒定，而不管转换速率如何。
然后，选择晶体管115中的栅极电压的变化直接传送至垂直信号线116，从而很大程度上缓解了安定时间。
只要电流镜像比和实际电容C121与寄生电容Cp之比相等，就可以获得相同的效果。例如，当所述比都为1∶2时，在PMOS晶体管PT121中流动的电流变为一半，并且在实际电容C121中流动的电流也变为一半，结果，可以实现低功耗和小面积。
当允许过去的相同安定时间时，还可以减小稳定状态下的电流。通过应用本发明，即使当考虑在电流镜中流动的电流时，也可以降低总功耗。
图6是示出根据本实施例的电流源电路的每个负载元件单元的另一特定配置示例的电路图。
图6的负载元件单元120B在下列几点上不同于图4的负载元件单元120A。
在负载元件单元120B中，复制电路122的电流源由共源共栅连接的两个PMOS晶体管PT122、PT123形成。
当在复制电路中使用具有共源共栅的电流源时，降低了稳定电流的变化。
在这种情况下，用于NMOS晶体管的工作点调节的源极跟随器124插入在其之间，以用于确保工作范围。
另外，通过包括复制电路122和电流镜电路123，形成升压器单元125。
工作点调节源极跟随器124包括作为第三源极跟随器晶体管的NMOS晶体管NT122以及形成电流源的NMOS晶体管NT 123。
NMOS晶体管NT122的栅极连接至垂直信号线116，其源极连接至电源VDD，而其漏极连接至NMOS晶体管NT123的漏极以及复制电路122的PMOS晶体管PT121的栅极。
NMOS晶体管NT 123的源极连接至基准电位VSS，而其栅极连接至给定的偏置电源Vb。
也可以应用在复制电路中使用NMOS晶体管的变型示例。
在实施例中，复制电路122的电容器C121连接至作为基准电位的地电位GND。
这是由于，其对于实际电容C121抽取和中和(neutralize)负载MOS晶体管121中允许流动的电流的部分或全部增量是有效的。
如上所述，根据本实施例的CMOS图像传感器100包括电流源电路120，从而在不使得功耗增大的情况下减小负载MOS电路的安定时间。反而言之，具有可以在保持安定时间的同时降低功耗的显而易见的效果。
固态成像器件100配备有生成内部时钟的定时控制电路160(其作为用于依次读取像素单元110的信号的控制电路)、控制行地址和行扫描的垂直扫描电路130以及控制列地址和列扫描的水平传输扫描电路140。
定时控制电路160生成像素单元110、垂直扫描电路130、水平传输扫描电路140、ADC组(列ADC电路)150、DAC170和信号处理电路190中的信号处理所需要的定时信号。
在像素单元110中，通过使用线快门(line shutter)累积和释放光子以将模拟信号VSL输出至ADC组，以像素行单元光电地转换视频或屏幕图像。
在ADC组150中，对ADC组的各个ADC块(各个列单元)上的像素单元110的模拟输出执行使用来自DAC 170的斜坡信号RAMP的APGA兼容集成ADC和数字CDS，以输出若干位的数字信号。
ADC组150中的ADC包括比较器151。
比较器151将基准电压Vslop(其为DAC 170生成的基准电压以阶梯图形的方式而改变的斜坡波形(RAMP))与经由垂直信号线从每一行中的像素获得的模拟信号(电位VSL)进行比较。
每个ADC进一步包括计数器152，其对比较时间进行计数；以及存储器(锁存器)153，其存储计数结果。
ADC组150具有n位数字信号的转换功能，其中相对于每条垂直信号线(读取线)形成列并行ADC块。
每个存储器(锁存器)153的输出连接至具有2n位宽的水平传输线LTRF。
另外，排列2n个对应于水平传输线LTRF的放大器电路180和信号处理电路190。
在ADC组150中，在相对于每一列排列的比较器151上，读取到垂直信号线116的模拟信号(电位VSL)与基准电位Vslop(具有以某一梯度线性改变的倾斜波形的斜坡信号RAMP)进行比较。
此时，以与比较器151相同的方式相对于每个列排列的计数器152进行工作，并且具有斜坡波形的斜坡信号RAMP(电位Vslop)和计数器值改变以使得彼此对应，从而将垂直信号线的电位VSL转换为数字信号。
在ADC中，基准电压Vslop(斜坡信号RAMP)的变化指示将电压的变化转换为时间的变化，并且通过某一时段(时钟)对该时间计数，从而执行到数字值的转换。
然后，当模拟信号VSL与斜坡信号RAMP(基准电压Vslop)交叉时，比较器151的输出被反相，并且计数器时钟152的输入时钟停止，或者其输入已经停止的时钟被输入至计数器152以完成AD转换。
在AD转换时段完成之后，存储器(锁存器)153中存储的数据通过水平传输扫描电路140传输至水平传输线LTRF，并且经由放大器电路180输入至信号处理电路190，从而通过给定的信号处理生成二维图像。
在水平传输扫描电路140中，执行多通道同步并行传输以确保传输速度。
在定时控制电路160中，生成各个块(如，像素单元110和ADC组150)中的信号处理所需要的定时。
在后级的信号处理电路190中，从读取的信号执行垂直线缺陷和点缺点的校正以及信号钳位，或者执行数字信号处理，如并/串转换、压缩、编码、相加、平均和间歇操作。
在根据本发明实施例的固态成像器件100中，将信号处理电路190的数字输出传送为ISP或基带LSI的输入。
如上所述，根据本实施例，可以在不使得功耗增大的情况下降低负载MOS电路的安定时间。反而言之，具有可以在保持安定时间的同时降低功耗的显而易见的效果。
具有上述优点的固态成像器件可用作数码相机和摄像机的成像器件。
<3.相机系统的配置示例>
图7是示出应用了根据本发明第三实施例的固态成像器件的相机系统的配置的示例的视图。
如图7所示，相机系统200具有可以应用根据实施例的CMOS图像传感器(固态成像器件)100的成像器件210。
相机系统200包括光学系统，其将入射光引入到成像器件210的像素区域(其将目标图像成像在成像器件210的像素区域上)，所述成像器件210例如是将入射光(图像光)成像在成像面上的镜头220。
相机系统200包括驱动电路(DRV)230，其驱动成像器件310；以及信号处理电路(PRC)240，其处理成像器件210的输出信号。
驱动电路230包括定时发生器(未示出)，其生成用于驱动成像器件210中的各电路的各种定时信号(包括开始脉冲和时钟脉冲)，通过给定的定时信号来驱动成像器件210。
信号处理电路240对成像器件210的输出信号执行给定的信号处理。
信号处理电路240中处理的图像信号被记录在诸如存储器之类的存储介质中。
记录介质中记录的图像信息由打印机等硬拷贝。信号处理电路240中处理的图像信号作为运动图像再现在包括液晶显示器的监视器上。
如上所述，将上述固态成像器件100作为成像器件210安装在诸如数码相机之类的成像装置中，从而实现高精度的相机。
本申请包含与2010年4月28日向日本专利局提交的日本优先权专利申请JP 2010-104345中公开的主题有关的主题，其全部内容通过引用的方式合并在此。
本领域的技术人员应当理解，依据设计要求和其它因素，可以出现各种修改、组合、部分组合和变更，只要其在所附权利要求书及其等同体的范围内即可。

Claims (8)

1.一种固态成像器件，包含：
像素信号读取线；
像素单元，其中排列了包括光电转换元件的像素；以及
像素信号读取单元，其执行经由像素信号读取线从像素单元读取像素信号，
其中，所述像素信号读取单元包括
多个电流源电路，其每一个均包括作为形成源极跟随器的、连接至所述像素信号读取线的电流源的负载元件，并且
所述电流源电路包括
一电路，其根据像素信号读取线的转换速率产生电流，并且复制与以上电流对应的电流以在所述电流源中流动。
2.如权利要求1所述的固态成像器件，
其中，所述电流源电路包括
第一源极跟随器晶体管，其连接至像素信号读取线，并用作所述电流源，
第二源极跟随器晶体管，其栅极连接至像素信号读取线，其源极连接至一电流源，
实际电容，其连接至所述第二源极跟随器晶体管的源极，其复制像素信号读取线的寄生电容，以及
电流镜电路，其对所述第二源极跟随器晶体管的漏极电流进行镜像，并且将该电流提供给所述第一源极跟随器晶体管。
3.如权利要求2所述的固态成像器件，
其中，所述电流镜电路的电流镜像比和所述实际电容与所述寄生电容之比相同。
4.如权利要求1或2所述的固态成像器件，
其中，所述像素包括
输出晶体管，其源极连接至像素信号读取线，并且
所述输出晶体管由第一传导型晶体管形成，而所述第二源极跟随器晶体管由第二传导型晶体管形成。
5.如权利要求1到4中任一项所述的固态成像器件，
连接至所述第二源极跟随器晶体管的源极的一电流源由级联连接的多个晶体管形成。
6.如权利要求5所述的固态成像器件，
其中，用于工作点调节的第三源极跟随器晶体管排列在像素信号读取线与所述第二源极跟随器晶体管的栅极之间，
第三源极跟随器晶体管的栅极连接至像素信号读取线，并且
第三源极跟随器晶体管的源极连接至第二源极跟随器晶体管的栅极。
7.一种固态成像器件的驱动方法，包括以下步骤：
当经由连接至形成源极跟随器的电流源的像素信号读取线从像素单元读取像素信号时，根据像素信号读取线的转换速率生成电流，并且复制对应于以上电流的电流以在一电流源中流动，其中在所述像素单元中排列包括光电转换元件的像素。
8.一种相机系统，包含：
固态成像器件；以及
光学系统，其将目标图像成像在所述固态成像器件上，
其中，所述固态成像器件包括
像素信号读取线，
像素单元，其中排列包括光电转换元件的像素，以及
像素信号读取单元，其执行经由所述像素信号读取线从所述像素单元读取像素信号，并且
所述像素信号读取单元包括
多个电流源电路，其每一个均包括作为形成源极跟随器的、连接至所述像素信号读取线的电流源的负载元件，并且
所述电流源电路包括
一电路，其根据像素信号读取线的转换速率生成电流，并且复制与以上电流对应的电流以在所述电流源中流动。
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