CN102428695A - 图像捕获装置、图像捕获系统和驱动图像捕获装置的方法 - Google Patents

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CN102428695A CN2010800211642A CN201080021164A CN102428695A CN 102428695 A CN102428695 A CN 102428695A CN 2010800211642 A CN2010800211642 A CN 2010800211642A CN 201080021164 A CN201080021164 A CN 201080021164A CN 102428695 A CN102428695 A CN 102428695A
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板野哲也
饭田聪子
高桥秀和
吉田大介
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    • H04N25/71—Charge-coupled device [CCD] sensors; Charge-transfer registers specially adapted for CCD sensors
    • H04N25/75—Circuitry for providing, modifying or processing image signals from the pixel array

Abstract

一种图像捕获装置包括具有多个像素的像素阵列、与像素阵列连接的多个信号线、被配置用于分别放大通过信号线从像素阵列传送的信号的多个列放大器，各像素包含光电转换部，列放大器包含：第一输入端子；第一输出端子；具有第二输入端子和第二输出端子的放大器；被布置在第二输入端子和第一输出端子之间的反馈电容；具有与第一输入端子连接的电极和与第二输入端子连接的电极的输入电容；被布置在第二输入端子和第二输出端子之间的第一开关；被布置在第一输出端子和第二输出端子之间的第二开关；和被布置在基准电压端子和第一输出端子之间的第三开关。

Description

图像捕获装置、图像捕获系统和驱动图像捕获装置的方法
技术领域
本发明涉及图像捕获装置、图像捕获系统和驱动图像捕获装置的方法。
背景技术
日本专利公开No.2003-051989描述了在二维布置多个像素的像素阵列中通过各列中的增益放大器41放大从该列中的像素输出的信号的方法。当MOS开关54接通(ON)时，增益放大器41作为电压跟随器操作以将反相输入部48初始化。与向供电端子45施加的脉冲同步的脉冲被施加到供电端子58，以使输出部51的电势与通过将增益放大器41的偏移电压加到非反相输入部47的电势上所获得的电势匹配，由此在电容23中存储增益放大器41的偏移。施加到脉冲端子14的脉冲被设为高电平，以通过传送MOS晶体管4将由光电二极管2产生的光信号传送到MOS晶体管3的栅极。注意，在复位像素1的电势时产生的噪声信号被叠加在被传送到MOS晶体管3的栅极的光信号上。当高电平的脉冲被连续施加到脉冲供给端子38时，基于噪声信号被叠加在其上的光信号的放大信号被输入到增益放大器41。此时，MOS开关54为断开(OFF)，因此，增益放大器41作为电压反馈运算放大器(op amp)操作，以通过由电容55和56的比确定的增益放大该输入的信号。因此，通过在从增益放大器41输出的信号上叠加增益放大器41的偏移水平所获得的信号被存储于电容24中。设C1和C2分别为电容55和56的值，则增益为(C1+C2)/C2。当水平扫描电路34被驱动时，输出到第一列选择输出线35-1和第二列选择输出线35-2的脉冲信号依次变为高电平。存储于电容23和24中的信号分别通过MOS晶体管29和30被输出到水平输出线27和28。被引导到水平输出线27和28的各信号被输入到计算它们的差的差分放大器39，并且，从输出端子40输出基于光信号的放大信号。根据日本专利公开No.2003-051989，运算放大器39通过前述操作消除了增益放大器41的偏移。
近年来，图像捕获装置不断需要获得更高的性能，因此，在开发这些装置时增加像素的数量是最主要的挑战。增加图像捕获装置中的像素数量的任何尝试不可避免地导致像素尺寸减小。一般的图像捕获装置包含与各列对应的读出电路，并且，这使得伴随像素尺寸的减小还必须减小读出电路的间距。
本发明的发明人发现，具有约1μm～3μm的像素间距的当前的主流图像捕获装置具有过低以至于使得差分放大器不能充分地消除增益放大器的偏移的水平。如果差分放大器不能充分地消除增益放大器的偏移，那么输出其中余留固定模式噪声的图像信号，并且这导致基于该图像信号获得的图像的质量劣化。
并且，当图像捕获装置的后续级消除增益放大器的偏移时，如果增益放大器的偏移水平相对较高，那么它不能被充分地消除。同样，在这种情况下，输出其中余留固定模式噪声的图像，并且这导致基于该图像信号获得的图像的质量劣化。
发明内容
本发明提供了一种可用于消除固定模式噪声的技术。
本发明的一个方面提供一种图像捕获装置，该图像捕获装置包括排列均包含光电转换部的多个像素的像素阵列、与像素阵列连接的多个信号线和被配置用于分别放大通过信号线从像素阵列传送的信号的多个列放大器，其中，列放大器包含：第一输入端子；第一输出端子；具有第二输入端子和第二输出端子的放大器；被布置在第二输入端子和第一输出端子之间的反馈电容；具有与第一输入端子连接的电极和与第二输入端子连接的电极的输入电容；被布置在第二输入端子和第二输出端子之间的第一开关；被布置在第一输出端子和第二输出端子之间的第二开关；和被布置在基准电压端子和第一输出端子之间的第三开关。
参照附图从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1是表示根据本发明的实施例的图像捕获装置的布置的框图；
图2是表示第一实施例中的像素的布置的电路图；
图3是表示第一实施例中的列放大器的布置的电路图；
图4是表示根据第一实施例的图像捕获配置的操作的时序图；
图5是示出应用根据第一实施例的图像捕获装置的图像捕获系统的配置的框图；
图6是表示第二实施例中的列放大器的布置的电路图；以及
图7A～7D是反相放大器的变型的电路图。
具体实施方式
(第一实施例)
将参照图1～4解释根据本发明的第一实施例的图像捕获装置100。图1是表示根据第一实施例的图像捕获装置100的布置的框图。
图像捕获装置100包含像素阵列PA、多个信号线103(图1仅示出一个信号线103)、垂直扫描电路115、多个列放大器单元CA(图1仅示出一个列放大器单元CA)、水平扫描电路116和输出放大器114。
在像素阵列PA中，一维或二维排列多个像素P11、…、P1j…、Pnj…、Pmj…、Pmk。图1示出其中二维排列多个像素的像素阵列PA的结构。如图2所示，像素P11包含光电转换部201、传送部202、电荷电压转换器203、复位部204、输出部205和选择部206。注意，图2是表示本发明的第一实施例中的像素P11的布置的电路图。虽然这里将主要解释像素P11的布置，但是，其它的像素具有与像素P11相同的布置。
光电转换部201产生与入射光对应的电荷。光电转换部201为例如光电二极管。传送部202将由光电转换部201产生的电荷传送到电荷电压转换器203。传送部202为例如传送晶体管，并且，在当为活动水平的传送控制信号ptx被从垂直扫描电路115供给到其栅极时被接通之后，将由光电转换部201产生的电荷传送到电荷电压转换器203。电荷电压转换器203将传送的电荷转换成电压。电荷电压转换器203为例如浮置扩散。复位部204将电荷电压转换器203复位。复位部204为例如复位晶体管，并且，在当为活动水平的复位控制信号pres被从垂直扫描电路115供给到其栅极时被接通之后，将电荷电压转换器203复位。输出部205将与电荷电压转换器203的电压对应的信号输出到信号线103。输出部205为例如放大晶体管，并且，与和信号线103连接的电流源负载104一起执行源跟随器操作，以将与电荷电压转换器203的电压对应的信号输出到信号线103。输出部205在电荷电压转换器203被复位部204复位的同时将与电荷电压转换器203的电压对应的噪声信号输出到信号线103。输出部205还在由光电转换部201产生的电荷通过传送部202被传送到电荷电压转换器203的同时将与电荷电压转换器203的电压对应的光信号输出到信号线103。选择部206将像素P11设为选择状态/非选择状态。选择部206为例如选择晶体管，并且，该选择部206在当为活动水平的选择控制信号psel被从垂直扫描电路115供给到其栅极时而被接通之后，将像素P11设为选择状态。选择部206在当为非活动水平的选择控制信号psel被从垂直扫描电路115供给到其栅极时而被关断之后，将像素P11设为非选择状态。多个信号线103与像素阵列PA中的多个列中的像素连接。例如，图1所示的信号线103与第j列中的像素P1j…、Pnj…、Pmj连接。
垂直扫描电路115被驱动，使得像素阵列PA中的要从中读出信号的读出行被选择以便垂直扫描像素阵列PA中的多个行，并且，信号从该读出行中的像素(读出像素)被输出到信号线103。多个列放大器单元CA通过多个信号线103接收从各读出行中的多个列中的像素输出的信号。多个列放大器单元CA与像素阵列PA中的多个列对应。在用于选择读出像素的选择时段SP(参见图4)中，各列放大器单元CA接收在不同的定时从读出像素输出到信号线103的光信号和噪声信号。各列放大器单元CA获得和放大噪声信号和光信号之间的差分信号并将其传送到输出放大器114。更具体而言，各列放大器单元CA可包含列放大器105和保持电路HC。如图3所示，列放大器105可包含第一输入端子Z、第一输出端子Y、运算放大器301、输入电容302、反馈电容303、第一开关304、第二开关305和第三开关306。运算放大器301包含反相输入端子(第二输入端子)3011、非反相输入端子3012和输出端子(第二输出端子)3013。非反相输入端子3012与被供给基准电压Vref的基准电压端子连接。反馈电容303包含第一电极3031和第二电极3032。
在各列放大器单元CA中，列放大器105在选择时段SP期间的第一持续期T1(参见图4)中处于第一状态。第一状态是如下这样的状态，即运算放大器301的非反相输入端子3012与反馈电容303的第一电极3031连接，并且运算放大器301的输出端子3013与运算放大器301的反相输入端子3011和反馈电容303的第二电极3032两者连接。通过该结构，包含基准电压Vref和运算放大器301的偏移的信号从运算放大器301的输出端子3013被输出。包含基准电压Vref和运算放大器301的偏移的信号被输入到反馈电容303的第一电极3031。反馈电容303的第二电极3032与被供给基准电压Vref的基准电压端子连接。即，在列放大器105中，反馈电容303以第二电极3032的基准电压Vref为基准存储运算放大器301的偏移。
列放大器105在选择时段SP期间的第一持续期T1之后的第二持续期T2中处于第二状态。第二状态是如下这样的状态，即运算放大器301的输出端子3013与反馈电容303的第一电极3031连接，并且运算放大器301的反相输入端子3011与反馈电容303的第二电极3032连接。通过该结构，在反馈电容303的第一电极3031上保持包含基准电压Vref和运算放大器301的偏移的信号。包含基准电压Vref和运算放大器301的偏移的K倍(K≠1并且K≈1)的信号被输入到反馈电容303的第二电极3032。通过该操作，作为运算放大器301的偏移的(1-K)倍的信号被反馈到运算放大器301的反相输入端子3011，从而列放大器105产生包含比在第一持续期中输出的运算放大器301的偏移小的偏移的第一信号。即，列放大器105在第二持续期T2中根据运算放大器301的开环增益G压缩在第一持续期T1中从运算放大器301的输出端子3013输出的信号、即运算放大器301的偏移。通过该操作，列放大器105在第二持续期T2中产生第一信号。更具体而言，列放大器105根据运算放大器301的开环增益G将运算放大器301的偏移压缩到1/(1+G)倍，以从运算放大器301的输出端子3013输出第一信号。第一信号变为包含压缩后的偏移和基准电压Vref的信号。压缩后的偏移变为运算放大器301的偏移被压缩到1/(1+G)倍的信号。第一信号为例如N信号。列放大器105将产生的第一信号供给到保持电路HC。保持电路HC暂时保持供给的第一信号。
在选择时段SP期间的第二持续期T2之后的第三持续期T3中，列放大器105获得被从读出像素输出并通过信号线103传送到该列放大器的光信号和噪声信号之间的差分信号。列放大器105放大该差分信号，以产生包含放大的差分信号和第一信号的第二信号。第二信号为例如S信号。列放大器105将产生的第二信号供给到保持电路HC。保持电路HC暂时保持供给的第二信号。
注意，列放大器105可能在第二持续期T2中放大噪声信号以产生包含放大的噪声信号和上述减小的偏移的信号作为第一信号。列放大器105可在第三持续期T3中放大光信号以产生包含放大的光信号和第一信号的信号作为第二信号。在这种情况下，输出放大器114执行获得噪声信号和光信号之间的差的过程。
在各列放大器单元CA中，保持电路HC在选择时段SP之后的水平扫描时段HT(对于读出行)期间将第一信号和第二信号传送到输出放大器114。例如，保持电路HC并行执行将保持的第一信号传送到水平输出线112的操作和将保持的第二信号传送到水平输出线113的操作，以并行地将第一信号和第二信号传送到输出放大器114。注意，多个列中的保持电路HC和输出放大器114可通过单个水平输出线相互连接。在这种情况下，例如，保持电路HC在不同的定时将保持的第一信号和第二信号传送到水平输出线，以继而在不同的定时将第一信号和第二信号传送到输出放大器114。水平扫描电路116水平扫描多个列中的保持电路HC，使得保持在多个列中的保持电路HC中的该多个列中的信号(第一信号和第二信号)通过水平输出线被依次传送到输出放大器114。多个信号从多个列放大器单元CA通过水平信号线112和113被依次传送到输出放大器114。输出放大器114产生并输出基于各列中被传送的信号(第一信号和第二信号)的图像信号。即，输出放大器114执行CDS过程，用于获得第一信号和第二信号之间的差，以产生图像信号并将其输出到后续级(例如，图5所示的图像捕获信号处理电路95)。这里提到的CDS是相关双采样(Correlated Double Sampling)的缩写。注意，输出放大器114可放大并输出第一信号和第二信号，使得在后续级(例如，图5所示的图像捕获信号处理电路95)中通过用于获得第一信号和第二信号之间的差的CDS过程产生图像信号。
这样，根据本实施例，在第一持续期T1中从运算放大器301输出的偏移在第二持续期T2中被压缩。产生包含比在第一持续期T1中输出的运算放大器301的偏移小的偏移的第一信号。然后产生包含放大的差分信号和第一信号的第二信号。第一信号和第二信号被传送到输出放大器114。即，由于传送到输出放大器114的信号中的运算放大器301的偏移水平从在第一持续期T1中输出的水平被降低，因此输出放大器114可充分地消除运算放大器301的偏移。作为替代方案，输出放大器114的后续级(例如，图5所示的图像捕获信号处理电路95)可充分地消除运算放大器301的偏移。这使得能够获得没有任何固定模式噪声的图像信号。
下面，将参照图3解释每一列放大器105的详细布置。图3是表示本发明的第一实施例中的列放大器105的布置的电路图。列放大器105包含运算放大器301、输入电容302、反馈电容303、第一开关304、第二开关305和第三开关306。运算放大器301包含反相输入端子(第二输入端子)3011、非反相输入端子3012和输出端子(第二输出端子)3013。非反相输入端子3012被供给基准电压Vref。输入电容302包含第三电极3023和第四电极3024。噪声信号或光信号通过信号线103和列放大器105的输入端子Z被输入到第三电极3023。第四电极3024与运算放大器301的反相输入端子3011连接。反馈电容303包含第一电极3031和第二电极3032。
第一开关304被布置在运算放大器301的反相输入端子3011和输出端子3013之间。第一开关304为例如MOS晶体管，并且，当为活动水平的控制信号pc从垂直扫描电路115或定时产生单元98(参见图5)被供给到其栅极时被接通。通过该操作，第一开关304使运算放大器301的反相输入端子3011和输出端子3013相互连接。
第二开关305被布置在第一电极3031和运算放大器301的输出端子3013之间。第二开关305为例如CMOS开关(具有CMOS配置的晶体管对)，并且，当为活动水平的控制信号pe和pe_b从垂直扫描电路115或定时产生单元98(参见图5)被供给到其栅极时被接通。此时，形成如下状态，即第一电极3031与运算放大器301的输出端子3013连接并且第二电极3032与运算放大器301的反相输入端子3011连接。而且，第二开关305还在被接通时将从运算放大器301的输出端子3013输出的信号供给到列放大器105的输出端子Y。
第三开关306被布置在第一电极3031和运算放大器301的非反相输入端子3012之间。第三开关306为例如MOS晶体管，并且，当为活动水平的控制信号pc从垂直扫描电路115或定时产生单元98(参见图5)被供给到其栅极时被接通。通过该操作，形成如下状态，即第一电极3031与运算放大器301的非反相输入端子3012连接，并且第二电极3032与运算放大器301的反相输入端子3011连接。第三开关306在被接通时将基准电压Vref供给到第一电极3031和列放大器105的输出端子Y两者。注意，第一开关304和第三开关306中的至少一个可以像第二开关305一样为CMOS开关。
以下将参照图1解释每一列中的保持电路HC的布置。保持电路HC包含第一保持部11和第二保持部12。第一保持部11包含开关N106、保持电容N108和传送开关N110。第二保持部12包含开关S107、保持电容S109和传送开关S111。第一保持部11保持第一信号(N信号)。更具体而言，当开关N106被接通时，第一保持部11将从列放大器105的输出端子Y输出的第一信号(N信号)传送到保持电容N108。开关N106为例如CMOS开关，并且，当为活动水平的控制信号pn和pn_b从垂直扫描电路115或定时产生单元98(参见图5)被供给到其栅极时被接通。通过该操作，开关N106将从列放大器105的输出端子Y输出的第一信号(N信号)传送到保持电容N108。然后，开关N106被关断。通过该操作，保持电容N108保持被传送的第一信号。传送开关N110在被接通时将保持在保持电容N108中的第一信号传送到水平输出线112。
第一保持部11保持第二信号(S信号)。更具体而言，当开关S107被接通时，第二保持部12将从列放大器105的输出端子Y输出的第二信号(S信号)传送到保持电容S109。开关S107为例如CMOS开关，并且当为活动水平的控制信号ps和ps_b从垂直扫描电路115或定时产生单元98(参见图5)被供给到其栅极时被接通。通过该操作，开关S107将从列放大器105的输出端子Y输出的第二信号(S信号)传送到保持电容S109。然后，开关S107被关断。通过该操作，保持电容S109保持被传送的第二信号。传送开关S111在被接通时将保持在保持电容S109中的第二信号传送到水平输出线113。
接下来将参照图4解释根据本发明的第一实施例的图像捕获装置100的操作。图4是表示根据本发明的第一实施例的图像捕获装置100的操作的时序图。参照图4，例如，从垂直扫描电路115被供给到第n行中的像素的信号由附加后缀(n)的附图标记表示，并且，从垂直扫描电路115被供给到第(n+1)行中的像素的信号由附加后缀(n+1)的附图标记表示。并且，图4中所示的控制信号pc、pe、pn和ps与图1或图3中所示的那些控制信号对应。通过逻辑反转图4中所示的控制信号pe、pn和ps获得的信号与图1或图3中所示的控制信号pe_b、pn_b和ps_b对应。图4中所示的控制信号pe、pn和ps从垂直扫描电路115或定时产生单元98(参见图5)被供给到相应的元件。
在时间t1，复位控制信号pres(n)从活动水平变为非活动水平，因此，第n行的像素中的复位部(复位晶体管)204被关断。由此完成第n行的像素中的电荷电压转换器203的复位操作。
在时间t2，选择控制信号psel(n)变为活动水平，因此，第n行的像素中的选择部(选择晶体管)206被接通。因此，第n行中的像素进入被选择状态，并且，选择第n行(读出行)中的像素(读出像素)的选择时段SP开始。在电荷电压转换器203被复位部204复位的同时，第n行的像素中的输出部205将与电荷电压转换器203的电压对应的噪声信号输出到信号线103。
在时间t3，控制信号pc变为活动水平，而控制信号pe仍为非活动水平。因此，通过接通第一开关304和第三开关306并关断第二开关305，各列中的列放大器单元CA被切换到第一状态。此时，运算放大器301的反相输入端子3011和输出端子3013短路，因此，噪声信号被基准电压Vref箝位。运算放大器301在其输出端子3013的电压变为通过将运算放大器301的偏移Voff加到与噪声信号对应的基准电压Vref上而获得的电压。运算放大器301在其输出端子3013的电压Vx由下式给出：
Vx＝Vref+Voff             …(1)
列放大器105在其输出端子Y上的电压通过第三开关306被基准电压Vref复位。列放大器105在其输出端子Y上的电压Vy0由下式给出：
Vy0＝Vref                 …(2)
第一持续期T1在该定时开始。
在时间t4，控制信号pc变为非活动水平。因此，通过关断第一开关304、第二开关305和第三开关306的全体，各列中的列放大器单元CA从第一状态被切换到第三状态。第一持续期T1在该定时结束。并且，第二持续期T2在该定时开始。
在时间t5，控制信号pe变为活动水平。因此，通过关断第一开关304和第三开关306并接通第二开关305，各列中的列放大器单元CA从第三状态被切换到第二状态。此时，运算放大器301的输出端子3013和列放大器105的输出端子Y短路。此时列放大器105在其输出端子Y上的电压Vy1由下式给出：
Vy1＝Vout                         …(3)
通过使用式(2)和式(3)，此时的输出端子Y上的电压变化量ΔVy由下式给出：
ΔVy＝Vy1-Vy0＝Vout-Vref          …(4)
列放大器105在其输出端子Y上的电压变化量ΔVy通过反馈电容303传播到运算放大器301的反相输入端子3011。由此，运算放大器301在其输出端子3013上的电压以通过将电压变化量ΔVy乘以运算放大器301的开环增益(＝G)获得的量改变。由于运算放大器301的输出端子3013和列放大器105的输出端子Y短路，因此得到：
Vx-G×ΔVy＝Vout                 …(5)
从式(1)、式(4)和式(5)，列放大器105在其输出端子Y上的电压Vout由下式给出：
Vout＝Vref+Voff/(1+G)            …(6)
由此，偏移Voff被压缩到1/(1+G)倍。
在时间t6，控制信号pn变为活动水平。响应该变化，开关N106被接通，以将列放大器105在其输出端子Y上的电压Vout作为第一信号(N信号)传送到保持电容N108。
在时间t7，控制信号pn变为非活动水平。响应该变化，开关N106被关断。因此，保持电容N108保持第一信号。第二持续期T2在该定时结束。
在时间t8，传送控制信号ptx(n)变为活动水平，因此，第n行的像素中的传送部(传送晶体管)202被接通。因此，第n行的像素中的传送部202将由光电转换部201产生的电荷传送到电荷电压转换器203。第三持续期T3在该定时开始。
在时间t9，传送控制信号ptx(n)变为非活动水平，因此，第n行的像素中的传送部(传送晶体管)202被关断。由此完成将电荷传送到第n行的像素中的电荷电压转换器203的操作。响应该完成，在由光电转换部201产生的电荷通过传送部202被传送到电荷电压转换器203时，第n行像素中的输出部205将与电荷电压转换器203的电压对应的光信号输出到信号线103。此时，控制信号pc处于非活动水平，并且，控制信号pe处于活动水平。由此，通过关断第一开关304和第三开关306并接通第二开关305，各列中的列放大器单元CA被切换到第二状态。因此，各列中的列放大器单元CA通过箝位操作获得噪声信号和光信号之间的差分信号，并放大获得的差分信号，由此产生第二信号(S信号)。
在时间t10，控制信号ps变为活动水平。响应该变化，开关S107被接通，以将列放大器105在其输出端子Y上的电压Vout作为第二信号(S信号)传送到保持电容S109。
在时间t11上，控制信号ps变为非活动水平。响应该变化，开关S107被关断。因此，保持电容S109保持第二信号。第三持续期T3在该定时结束。
然后，用于第n行(读出行)的选择时段SP结束。在用于第n行(读出行)的选择时段SP结束之后，用于第n行(读出行)的水平扫描时段HT开始。在水平扫描时段HT中，水平扫描电路116水平扫描多个列中的保持电路HC，使得保持在多个列中的保持电路HC中的多个列中的信号(第一信号和第二信号)通过水平输出线被依次传送到输出放大器114。输出放大器114基于各列中的传送的信号(第一信号和第二信号)产生图像信号并输出该图像信号。即，输出放大器114执行CDS过程，该CDS过程用于获得第一信号和第二信号之间的差，以产生图像信号并将其输出到后续级(例如，图5所示的图像捕获信号处理电路95)。
这里将考虑如下情况，其中第一信号未被传送到输出放大器而仅有第二信号被传送到输出放大器，并且输出放大器或其后续级基于第二信号产生图像信号。在这种情况下，如日本专利公开No.2003-198949详细描述的那样，水平输出线在半导体基板上形成并且通过电容耦合与其连接。在将信号读出到水平输出线的定时，输入端子具有高的阻抗，并因此可能受到归因于电容耦合的干扰噪声的不利影响。这种干扰噪声的不利影响是尤其在半导体芯片的图像捕获装置中显著出现的问题。这是由于图像捕获装置的芯片可能比其它的半导体芯片大。伴随这种趋势，随着水平信号线延长，与半导体基板的耦合电容增加。用于静止照相机的图像捕获装置例如由大的芯片形成，该芯片总体包含具有例如APS-C尺寸、APS-H尺寸和35mm全尺寸的光学格式的芯片。在这种情况下，如果在通过水平输出线将第二信号传送到输出放大器的过程中干扰噪声混入第二信号，那么通过输出放大器或其后续级基于第二信号产生的图像信号包含大量的干扰噪声。这导致基于图像信号获得的图像的质量劣化。
相反，在本实施例中，保持电容分别保持第一信号以及包含放大的差分信号和该第一信号的第二信号，该第一信号是通过在第二持续期T2中压缩在第一持续期T1中从运算放大器301输出的偏移产生的。然后，第一信号和第二信号被传送到输出放大器。此时，在通过水平输出线将第一信号和第二信号传送到输出放大器的过程中，干扰噪声以相同的水平混入第一信号和第二信号中。由此，通过由输出放大器或其后续级获得第一信号和第二信号之间的差，能够消除运算放大器301的偏移并且产生没有干扰噪声的不利影响的图像信号。
如上所述，根据本实施例，能够减少列放大器的偏移并且在图像捕获装置中获得没有显著出现的干扰噪声的不利影响的高质量图像。
图5示出应用根据本发明的图像捕获装置的图像捕获系统的一个例子。图像捕获系统90主要包含光学系统、图像捕获装置100和信号处理单元。光学系统主要包含快门91、透镜92和光阑93。信号处理单元主要包含图像捕获信号处理电路95、A/D转换器96、图像信号处理单元97、存储器单元87、外部I/F单元89、定时产生单元98、总体控制/计算单元99、记录介质88和记录介质控制I/F单元94。注意，信号处理单元不需要总是包含记录介质88。
快门91被插入紧接在透镜92的上游的光路中，并且控制曝光。透镜92折射入射光以在图像捕获装置100的像素阵列(成像表面)上形成被照体图像。光阑93被插入透镜92和图像捕获装置100之间的光路中，并且调整在穿过透镜92之后被引向图像捕获装置100的光的量。图像捕获装置100将在像素阵列上形成的被照体图像转换成图像信号。图像捕获装置100从像素阵列读出图像信号并且输出它。图像捕获信号处理电路95与图像捕获装置100连接，并且处理从图像捕获装置100输出的图像信号。A/D转换器96与图像捕获信号处理电路95连接，并且将从图像捕获信号处理电路95输出的处理后的图像信号(模拟信号)转换成图像信号(数字信号)。
图像信号处理单元97与A/D转换器96连接，并且对于从A/D转换器96输出的图像信号(数字信号)执行诸如各种类型的校正的计算处理以产生图像数据。产生的图像数据被供给到例如存储器单元87、外部I/F单元89、总体控制/计算单元99和记录介质控制I/F单元94。存储器单元87与图像信号处理单元97连接并且存储从图像信号处理单元97输出的图像数据。外部I/F单元89与图像信号处理单元97连接。通过该结构，从图像信号处理单元97输出的图像数据通过外部I/F单元89被传送到外部装置(例如，个人计算机)。定时产生单元98与图像捕获装置100、图像捕获信号处理电路95、A/D转换器96和图像信号处理单元97连接。通过该结构，定时信号被供给到图像捕获装置100、图像捕获信号处理电路95、A/D转换器96和图像信号处理单元97。图像捕获装置100、图像捕获信号处理电路95、A/D转换器96和图像信号处理单元97通过定时信号同步操作。总体控制/计算单元99与定时产生单元98、图像信号处理单元97和记录介质控制I/F单元94连接，以系统性地控制它们。记录介质88可拆卸地与记录介质控制I/F单元94连接。通过该结构，从图像信号处理单元97输出的图像数据通过记录介质控制I/F单元94被记录于记录介质88上。通过上述的布置，只要在图像捕获装置100中获得令人满意的图像信号，就可获得令人满意的图像(图像数据)。
(第二实施例)
以下将解释第二实施例。第一实施例例示了采用运算放大器作为列放大器105的情况。第二实施例将例示作为运算放大器的替代采用反相放大器(特别是共源电路)的情况。
图6表示本发明的第二实施例中的列放大器105。与第一实施例相同的附图标记表示图6中的具有相同的功能的部件，并且将不给出它们的详细的描述。与第一实施例的不同在于，使用用于供给VREF的开关(第三开关)606，并且使用的放大器从运算放大器301变为反相放大器601。反相放大器601包含输入端子(第二输入端子)3011′和输出端子(第二输出端子)3013。将参照图7A～7D解释反相放大器601的变型。这些放大器中的每一个包含共源放大器电路。与运算放大器不同，共源放大器电路仅包含一个输入端子。并且，共源放大器电路不包含被供给基准电压Vref的节点。首先将解释图7A所示的反相放大器的例子。参照图7A，附图标记M1表示n沟道MOS晶体管；Rload表示用作反相放大器的负载的电阻元件；IN和OUT分别表示反相放大器的输入端子(第二输入端子)和输出端子(第二输出端子)。当反相放大器的输入端子IN和输出端子OUT短路时，各电压值VIN和VOUT依赖于n沟道MOS晶体管M1的阈值电压(在这种情况下，VIN＝VOUT)。能够以与第一实施例所示的运算放大器中的方式相同的方式执行共源放大器电路的偏移的增益压缩。
将解释图7B所示的反相放大器。图7B所示的反相放大器与图7A所示的反相放大器的不同在于，在图7B所示的反相放大器中，恒流源Iload用作其负载。当图7B所示的反相放大器的输入端子IN和输出端子OUT短路时，各电压值VIN和VOUT也依赖于n沟道MOS晶体管M1的阈值电压(在这种情况下，VIN＝VOUT)。虽然图7A所示的反相放大器的电流消耗根据其在输出端子OUT的电压值VOUT改变，但是，图7B所示的反相放大器的电流消耗仅依赖于其输出电压轻微地波动。
通过改进图7B所示的反相放大器的特性获得图7C所示的反相放大器。参照图7C，附图标记M2表示n沟道MOS晶体管。图7C所示的反相放大器与图7B所示的反相放大器的不同在于，前者附加地包含n沟道MOS晶体管M2。n沟道MOS晶体管M2通常被称为共栅极晶体管，并且通过最佳地设计该晶体管M2的栅极电压VB可使放大器的开环增益升高。甚至这种电路也适用于本发明，只要其被设计成使得当输入端子IN和输出端子OUT短路时获得最佳的操作点即可。
图7D示出图7B所示的反相放大器上的恒流负载由p沟道MOS晶体管形成的情况。参照图7D，附图标记M3～M6表示p沟道MOS晶体管。p沟道MOS晶体管M3和M5形成电流镜电路，并且，p沟道MOS晶体管M4和M6形成共栅极电路以改进负载特性。图7D所示的反相放大器包含偏压部710和共源放大器部720。偏压部710通过使用恒流源和电阻元件确定晶体管M3和M5的栅极电压和晶体管M4和M6的栅极电压。共源放大器部720通过使用n沟道MOS晶体管M1作为共源晶体管并且使用p沟道MOS晶体管M5和M6作为反相放大器上的恒流负载操作。
虽然在上述的例子中所有的n沟道MOS晶体管用作共源晶体管，但是由p沟道MOS晶体管形成的共源电路也适用于本发明。
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这样的变更方式和等同的结构和功能。
本申请要求在2009年5月18日提交的日本专利申请No.2009-120393和在2010年4月23日提交的日本专利申请No.2010-100358的权益，通过引用将它们的全部内容并入此处。

Claims (10)

1.一种图像捕获装置，包括排列均包含光电转换部的多个像素的像素阵列、与所述像素阵列连接的多个信号线、和被配置用于分别放大通过所述信号线从所述像素阵列传送的信号的多个列放大器，
其中，所述列放大器包含：
第一输入端子；
第一输出端子；
具有第二输入端子和第二输出端子的放大器；
被布置在第二输入端子和第一输出端子之间的反馈电容；
具有与第一输入端子连接的电极和与第二输入端子连接的电极的输入电容；
被布置在第二输入端子和第二输出端子之间的第一开关；
被布置在第一输出端子和第二输出端子之间的第二开关；和
被布置在基准电压端子和第一输出端子之间的第三开关。
2.根据权利要求1的装置，其中，所述放大器包含共源放大器电路。
3.根据权利要求1或2的装置，其中，所述放大器包括运算放大器，所述运算放大器包含用作所述第二输入端子的反相输入端子、与所述基准电压端子连接的非反相输入端子和所述第二输出端子。
4.根据权利要求1～3中的任一项的装置，其中，
所述列放大器在第一持续期中处于第一状态，并且在第一持续期之后的第二持续期和第二持续期之后的第三持续期中处于第二状态，在所述第一状态中，基准电压端子与第一输出端子连接并且第二输出端子与第二输入端子连接，在所述第二状态中，第二输出端子与第一输出端子连接，并且，
所述列放大器在第二持续期中产生第一信号并且在第三持续期中放大从所述像素阵列输出并且通过信号线传送的信号，由此产生包含放大后的信号和第一信号的第二信号。
5.根据权利要求4的装置，其中，所述列放大器被配置用于在第二持续期中根据所述放大器的开环增益压缩在第一持续期中从所述放大器的第二输出端子输出的信号，以在第二持续期中产生第一信号。
6.根据权利要求5的装置，其中，所述列放大器在第一持续期中通过接通第一开关和第三开关并关断第二开关被设定于第一状态，并且在第二持续期中通过关断第一开关和第三开关并接通第二开关被设定于第二状态。
7.根据权利要求1～6中的任一项的装置，其中，第二开关包含CMOS开关。
8.根据权利要求4的装置，还包括：
被配置用于保持第一信号的第一保持部；和
被配置用于保持第二信号的第二保持部，
其中，第一保持部被配置用于在第一持续期中保持第一信号，第二保持部在第二持续期中保持第二信号，并且，在第三持续期中，保持在第一保持部中的第一信号被输出并且保持在第二保持部中的第二信号被输出。
9.一种图像捕获系统，包括：
权利要求1～8中的任一项中限定的图像捕获装置；
光学系统，被配置用于在图像捕获装置的成像表面上形成图像；以及
信号处理单元，被配置用于处理从图像捕获装置输出的信号以产生图像数据。
10.一种图像捕获装置的驱动方法，所述图像捕获装置包括排列均包含光电转换部的多个像素的像素阵列、与所述像素阵列连接的多个信号线、被配置用于分别放大通过信号线从所述像素阵列传送的信号的多个列放大器、以及输出放大器，从所述多个列放大器依次向所述输出放大器传送多个信号，
其中，所述列放大器包含：
第一输入端子；
第一输出端子；
具有第二输入端子和第二输出端子的放大器；
被布置在第二输入端子和第一输出端子之间的反馈电容；
包含与第一输入端子连接的电极和与第二输入端子连接的电极的输入电容；
被布置在第二输入端子和第二输出端子之间的第一开关；
被布置在第一输出端子和第二输出端子之间的第二开关；和
被布置在基准电压端子和第一输出端子之间的第三开关，并且
该驱动方法包括以下的步骤：
连接基准电压端子与第一输出端子并且连接第二输出端子与第二输入端子；
连接第二输出端子与第一输出端子以产生第一信号；以及
放大通过信号线从所述像素阵列传送的信号以产生包含放大后的信号和第一信号的第二信号。
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