CN102780858B - 固态成像设备、其驱动方法及固态成像系统 - Google Patents

Abstract

公开了固态成像设备、其驱动方法及固态成像系统。一种固态成像设备配置成使得有效像素和参考像素分别连接到第一和第二信号线。所述固态成像设备包括配置成对从有效像素中所包括的第一放大晶体管输出的信号和从参考像素中所包括的第二放大晶体管输出的信号执行差分处理的差分信号输出单元。所述差分信号输出单元是与所述第一和第二放大晶体管分开设置的。

Description

固态成像设备、其驱动方法及固态成像系统

技术领域

实施方式的一个公开方面涉及具有有效像素和参考像素的固态成像设备、所述固态成像设备的驱动方法及具有所述固态成像设备的固态成像系统。

背景技术

如下固态成像设备是已知的，它被配置成具有输出基于光电转换的信号的有效像素和不进行光电转换而输出参考信号的参考像素。固态成像设备通过获得由有效像素输出的信号和由参考像素输出的参考信号之间的差分信号而减少其输出信号中的噪声。

在固态成像设备中，推进了像素尺寸的小型化，以便提高分辨率。然而，伴随像素尺寸小型化的发展，出现了光电转换单元的面积的减小以及固态成像设备的灵敏度的降低。固态成像设备需要继续像素尺寸的小型化，同时抑制光电转换单元的面积的减小，由此既满足分辨率提高又满足对灵敏度降低的抑制。日本专利申请公开第2008-271280号讨论了如下一种设备，该设备通过采用多个有效像素并且配置有效像素和参考像素的差分对来执行相关双采样（CDS），其中的参考像素除了没有光电转换功能之外与每个有效像素具有等同的特性。每个有效像素存储由光电转换元件输出的电荷，并且具有连接到放大金属氧化物半导体（MOS）晶体管的栅极的浮动扩散电容器Cfd。类似地，每个参考像素存储电荷，并且具有连接到放大MOS晶体管的栅极的浮动扩散电容器Cfd。此外，每个有效像素和参考像素都具有电容器Cio。电容器Cio有两个端子，其中一个连接到差分对的输出部分，而另一个连接到放大MOS晶体管的栅极。在日本专利申请公开第2008-271280号中所讨论的设备中，与浮动扩散电容器Cfd相比，电容器Cio的电容非常小。在下文中，电容器Cio也称为微小电容器Cio。

日本专利申请公开第2008-271280号中所讨论的固态成像设备（其中每个差分对都是由有效像素和参考像素配置的）可以抑制在从有效像素和参考像素输出的每个信号中所包括的复位噪声和固定模式噪声两者。

日本专利申请公开第2008-271280号讨论了一种电路配置，其中每个差分对都是由有效像素和参考像素配置的，而且其中分别设置在有效像素和参考像素中的放大MOS晶体管作为差分对的输入级的MOS晶体管工作。相应地，有效像素和参考像素中每一个的放大MOS晶体管都具有作为基于由浮动扩散电容器Cfd所存储的电荷的量而输出信号的放大MOS晶体管的参数，及作为差分对的输入级的MOS晶体管的另一个参数。因而，需要平衡作为放大MOS晶体管的参数与作为差分对的输入级的MOS晶体管的参数。因此，设计的灵活性不高是成问题的。

发明内容

根据实施方式的一方面，一种固态成像设备包括有效像素、参考像素、第一信号线、第二信号线和差分信号输出单元，其中有效像素包括配置成通过光电转换生成电荷的光电转换单元和配置成输出基于由所述光电转换单元生成的电荷的信号的第一放大晶体管，参考像素包括配置成输出基于施加到其的电压的信号的第二放大晶体管，有效像素连接到第一信号线，所述第一信号线配置成传送由第一放大晶体管输出的信号，参考像素连接到第二信号线，所述第二信号线配置成传送由第二放大晶体管输出的信号，差分信号输出单元与第一放大晶体管和第二放大晶体管分开设置，而且所述差分信号输出单元连接到第一信号线和第二信号线，并且配置成对由第一放大晶体管输出的信号和由第二放大晶体管输出的信号之间的差执行差分处理，且配置成输出代表所述差分处理的结果的差分信号。

根据实施方式的又一方面，提供了一种驱动固态成像设备的方法。所述固态成像设备包括有效像素、参考像素、第一信号线、第二信号线和差分信号输出单元，其中有效像素包括配置成通过光电转换生成电荷的光电转换单元和配置成输出基于由所述光电转换单元生成的电荷的信号的第一放大晶体管，参考像素包括配置成输出基于施加到其的电压的信号的第二放大晶体管，第一信号线配置成传送由第一放大晶体管输出的信号，第二信号线配置成传送由第二放大晶体管输出的信号，差分信号输出单元与第一放大晶体管和第二放大晶体管分开设置，所述差分信号输出单元配置成对由第一信号线传送的信号和由第二信号线传送的信号之间的差执行差分处理，且配置成输出代表所述差分处理的结果的差分信号。所述方法包括将信号分别通过第一信号线和第二信号线传送到差分信号输出单元，并且经所述差分信号输出单元对通过第一信号线传送的信号和通过第二信号线传送的信号执行差分处理。

根据以下参照附图对示例实施方式的具体描述，本公开内容的更多特征和方面将变得显见。

附图说明

结合到本说明书中并构成其一部分的附图例示了示例实施方式、实施方式的特征和方面，并且与描述一起用来解释本公开内容的原理。

图1是例示第一示例实施方式的框图。

图2是例示根据第一示例实施方式的像素的内部的等效电路图。

图3A和3B是例示根据第一示例实施方式的驱动方法的时序图。

图4是例示第二示例实施方式的框图。

图5是例示根据第二示例实施方式的像素的内部的等效电路图。

图6是例示第三示例实施方式的框图。

图7是例示第四示例实施方式的框图。

图8是例示第五示例实施方式的框图。

图9是例示根据第五示例实施方式的驱动方法的时序图。

图10是例示第六示例实施方式的框图。

图11是例示第七示例实施方式的框图。

图12是例示根据第七示例实施方式的像素的内部的等效电路图。

图13是例示根据一种示例实施方式的固态成像系统的配置的框图。

图14是例示根据第一示例实施方式的另一个例子的框图。

图15是例示根据第三示例实施方式的另一个例子的框图。

具体实施方式

以下将参考附图详细描述本公开内容的各种示例实施方式、特征与方面。

首先，下文描述根据第一示例实施方式的固态成像设备的配置。然后，描述该固态成像设备的操作。在接下来的描述中，描述由N沟道晶体管配置每个像素的例子。如果每个像素是由P沟道晶体管配置的，那么实施方式可以通过反转在由N沟道晶体管配置每个像素的情况中的每个电压的极性而应用到固态成像设备。

图1是例示根据第一示例实施方式的例子的框图。每个有效像素100通过光电转换输出基于入射到其上的光的信号。每个参考像素101不执行光电转换而输出信号。在成像设备中设置有多行和多列有效像素。参考像素101排列在具有有效像素100的每一列上。像素区域130是通过排列多行有效像素100和参考像素101及多列有效像素100和参考像素101而形成的。在下文中，其中排列有有效像素100和参考像素101的像素区域130是与其中只排列有有效像素100的有效像素区域120相区分地描述的。

参考像素101被设置得比与该参考像素101属于同一列的任何有效像素100都更靠近下面要描述的差分放大器112。参考像素101被设置在像素区域130的位于差分放大器112侧的端部处。表述“参考像素101被设置得比……任何有效像素都更靠近差分放大器112”更具体而言是指，与有效像素100的位于差分放大器112侧的端部相比，参考像素101的位于差分放大器112侧的端部要靠近差分放大器112。沿列方向排列的多个有效像素100电连接到第一垂直信号线102。每个参考像素101都电连接到第二垂直信号线103。在下文中，来自参考像素101的信号称为参考信号，其中这个信号由第二垂直信号线103发送。

负载MOS晶体管104和105分别具有电连接到第一垂直信号线102和第二垂直信号线103的漏极。负载MOS晶体管104和105分别用作向第一垂直信号线102和第二垂直信号线103提供电流的电流源。负载MOS晶体管104称为第一晶体管，而负载MOS晶体管105称为第二晶体管。在负载MOS晶体管104和105每一个中，公共栅极线116电连接到其作为控制电极的栅极，而地（GND）线117电连接到其源极。公共栅极线116是控制信号线，确定提供给第一垂直信号线102和第二垂直信号线103中每一个的电流的电流值的控制信号施加到该控制信号线上。

在设备中提供电容器C0s、C0r、Cfs和Cfr及开关110和111。每个差分放大器112都是差分信号输出单元140的例子。每个差分放大器112都差分放大通过第一垂直信号线102从有效像素100发送的信号和通过第二垂直信号线103发送的参考信号，并且输出差分放大后的信号。

分别在多列中设置的差分放大器112交替排列在像素区域130的每一列的方向的端部。电容器C0s和C0r具有相同的电容值是有用的。此外，电容器Cfs和Cfr具有相同的电容值也是有用的。以下描述的第一CDS是由电容器C0s和C0r执行的。

要把从有效像素100输出的信号的增益设置成等于参考信号的增益。差分放大器112的增益是由电容比C0s/Cfs和另一个电容比C0r/Cfr确定的。电容器Cfs和Cfr中的每一个都是由多个电容器配置的，因此，电容器Cfs和Cfr中每一个的电容值是可变的。因而，差分放大器112的增益可以改变。如果电容器Cfs和Cfr中每一个的电容值与电容器C0s和C0r中相关联的一个的电容值相比而言较大，那么差分放大器112的增益为低。反之，如果电容器Cfs和Cfr中每一个的电容值与电容器C0s和C0r中相关联的一个的电容值相比而言较小，那么差分放大器112的增益为高。

参考电压线118用于向差分放大器112提供参考电压Vref。利用开关电容器的差分电路是由差分放大器112，电容器C0s、C0r、Cfs和Cfr及开关110和111配置的。从有效像素100输出的信号输入到差分放大器112的反相输入端（-），而参考信号输入到非反相输入端（+）。信号处理电路113电连接到差分放大器112。

例如有效像素100、参考像素101、第一垂直信号线102、第二垂直信号线103和差分放大器112的每种类型的多个部件是对应于多列设置的。水平移位寄存器（下文中标示为HSR）114电连接到多个信号处理电路113。HSR114从多个信号处理电路113中选择一个信号处理电路113。信号从被HSR114选择的信号处理电路113输出。该输出的信号用作由固态成像设备输出的信号115。

图2例示了有效像素100和参考像素101中每一个的例子。光电二极管201是通过光电转换把入射光转换成电荷的光电转换单元。传递MOS晶体管202使得其源极、栅极和漏极分别电连接到光电二极管201、传输控制线207和浮动扩散区域（下文中标示为FD区域）。FD区域203存储从光电二极管201经传递MOS晶体管202传输到其的电荷。如果固态成像设备在半导体衬底上形成，那么FD区域是由例如杂质扩散区域形成的。复位MOS晶体管204使得其源极、栅极和漏极分别电连接到FD区域203、复位控制线208和复位电源线209。放大MOS晶体管205使得其作为控制电极的栅极、其漏极和源极分别电连接到FD区域203、电压源Vdd和垂直信号线102。放大MOS晶体管205称为第一放大晶体管。以下描述的参考像素101的放大MOS晶体管215称为第二放大晶体管。放大MOS晶体管205把基于施加到其作为控制电极的栅极的电压的信号输出到第一垂直信号线102。因而，放大MOS晶体管205把基于存储在FD区域203中的电荷的信号输出到第一垂直信号线102。复位控制线208、复位电源线209和传输控制线207中的每一个都电连接到行选择单元210。

参考像素101具有电容器211，而不是光电二极管201。除了其中设置的是电容器而非光电二极管之外，参考像素101可以配置成具有与有效像素100相同的等效电路。放大MOS晶体管215的源极电连接到第二垂直线103。参考像素101的传递MOS晶体管202可以配置成具有与有效像素100的传递MOS晶体管202相同的结构。如图2中所例示的，参考像素101可以配置成使得传递MOS晶体管202的源极和漏极彼此短路。如果像素101被带进这种配置，那么就可以使FD区域213的电势电平等于电容器211的电势电平。从而，由于传递MOS晶体管202的接通状态与关断状态之间的切换而产生的噪声的影响可以减小。类似地，参考像素101可以配置成没有传递MOS晶体管202，使得FD区域213和电容器211彼此连接。在下文中，通过假定参考像素101的传递MOS晶体管202的源极和漏极彼此短路来描述本示例实施方式，如图2中所例示的。

有效像素100和参考像素101中每一个的传输控制线207、复位控制线208和复位电源线209都电连接到行选择单元210。

图3A是举例说明用于图1和2中所例示的固态成像设备的驱动方法的时序图。脉冲PRES施加到复位控制线208。脉冲PSEL施加到传输控制线207。脉冲PTN和PTS从例如定时生成单元（未示出）施加到信号处理电路113。通过把脉冲PTS和PTN施加到信号处理电路113，从差分放大器112输出的信号要在信号处理电路113处进行下面描述的第二CDS。图3A还例示了第一垂直信号线102的电势电平VLine1、第二信号线103的电势电平VLine2、GND线117的电势电平GND和来自差分放大器112的输出信号的电势电平Vout。

参考图3A中所例示的时序图，当脉冲的电平设置成高电平（下文中标示为H电平）时，在脉冲所施加到的MOS晶体管的源极和漏极之间产生电连接。反之，当脉冲的电平设置成低电平（下文中标示为L电平）时，在脉冲所施加到的MOS晶体管的源极和漏极之间产生电断开。如果所使用的MOS晶体管适于使得通过向其栅极施加L电平的脉冲而在其源极和漏极之间产生电连接，那么就可以通过反转图3A中所例示的H电平与L电平来实现与本示例实施方式相似的操作。

在下文中，参考图3A中所例示的时序图从时刻t1开始按时间顺序描述根据本示例实施方式的固态成像设备的驱动方法。

在时刻t1，要施加到有效像素100和参考像素101的脉冲PRES的电平设置在H电平。此外，通过把信号施加到复位电源线209，FD区域203和213每一个的电势电平都设置在复位电平。当脉冲PRES的电平设置在H电平时，开关110和111都接通。

在时刻t2，脉冲PRES的电平变成L电平，取消FD区域203和213中每一个的复位。由于当复位MOS晶体管204的源极和漏极之间电断开时造成的电荷注入，FD区域203和213中每一个的电势电平都从复位电平降低。相应地，放大MOS晶体管205和215的信号输出的电势电平降低。因而，电势电平VLine1和VLine2降低。

在时刻t3，开关110和111关断。由放大MOS晶体管205和215输出的信号存储在电容器C0s和C0r中。代表放大MOS晶体管205和215在时刻t3的输出的信号在下文中称为“复位信号”。差分放大器112的输出电势电平Vout由于关断开关110和111所造成的电荷注入而升高。输出电势电平Vout由以下表达式给出：

Vout=Vref+Voff其中，“Vref”指参考电压，而“Voff”指差分放大器112的偏移电压（offsetvoltage）。代表这种条件下差分放大器112的输出电压电平Vout的信号在下文中称为“N信号”。

在时刻t4，脉冲PTN的电平设置在H电平。因而，由差分放大器112输出的N信号读出到信号处理电路113。

在时刻t5，脉冲PTN的电平变成L电平。此外，完成N信号到信号处理电路113的读出。

在时刻t6，要施加到有效像素100和参考像素101中每一个的脉冲PTX的电平设置在H电平。

从而，由光电二极管201产生的电荷传输到FD区域203。基于存储在FD区域203中的电荷、由放大MOS晶体管205输出的信号发送到第一垂直信号线102。代表这种条件下放大MOS晶体管205的输出的信号在下文中称为“光电转换信号”。根据存储在FD区域203中的电荷，第一垂直信号线102的电势电平降低。在从上一个信号读取时段中的脉冲PTX的电平从H电平变成L电平的时刻t7开始到当前信号读取时段中的时刻t6的时间段内由光电二极管201执行光电转换就够了。每个信号读取时段是从时刻t1到时刻t9的时间段。因为光电转换不是由参考像素101执行的，所以，除非从负载MOS晶体管105提供的电流的电流值改变，否则FD区域213的电势电平不从时刻t5的电平改变。因而，参考信号从复位被执行起不再变化。电容器C0r和C0s通过在时刻t3关断开关110和111来存储复位信号。相应地，如果FD区域203的电势电平在时刻t6改变，则基于光电转换信号与复位信号之间的差的信号输入到差分放大器112的连接到第一垂直信号线102的端子。基于在时刻t3存储的复位信号与在时刻t6从放大MOS晶体管215输出的信号之间的差的信号被输出到差分放大器112的连接到第二垂直信号线103的端子。如前所述，光电转换不是由参考像素101执行的。因而，除非从负载MOS晶体管105提供的电流的电流值改变，否则第二垂直信号线103的电势电平VLine2不变。因此，如果第二垂直信号线103的电势电平不变，则代表其在时刻t3的电平的信号被输入到差分放大器112的连接到第二垂直信号线103的端子。第一CDS是由电容器C0s和C0r根据以上操作执行的。在时刻t6差分放大器112的输出电势电平Vout对应于根据电容比C0s/Cfs放大的光电转换信号和根据电容比C0r/Cfr放大的参考信号之间的差。代表对应于该差的输出电势电平的信号在下文中称为“S信号”。

分别施加到参考像素101和与该参考像素101属于同一列的第N（N是等于1或者更大的自然数）行的有效像素100的脉冲PTX的信号电平同时设置成H电平。因而，从参考像素101输出的参考信号和从第N行的有效像素100输出的光电转换信号同时输出到信号处理电路113。更具体而言，当读出基于来自第一行的有效像素100的入射光的信号时，要施加到第一行的有效像素100的脉冲PTX的信号电平和要施加到与该有效像素100属于同一列的参考像素101的脉冲PTX的信号电平同时设置成H电平。这个操作是在从每行有效像素100读出光电转换信号时执行的。从有效像素100输出的信号和参考信号同时被读出。

在时刻t7，脉冲PTX的电平从H电平变成L电平。因而，光电二极管201和FD区域203彼此电断开。

在时刻t8，通过把脉冲PTS的电平变成H电平，S信号读出到信号处理电路113。

在时刻t9，通过把脉冲PTS的电平变成L电平，S信号到信号处理电路113的读出完成。

信号处理电路113输出所读出的S信号和所读出的N信号之间的差。包括在S信号中的差分放大器112的偏移电压Voff通过这种差分处理被从S信号中减去了。即，第二CDS是由信号处理电路113执行的。然后，从HSR114选择的信号处理电路113输出信号。这个信号是由固态成像设备输出的信号115。

根据本示例实施方式的固态成像设备具有其中放大MOS晶体管205和215与差分放大器112分开设置的配置。相应地，与具有其中放大MOS晶体管还用作差分放大器的输入级的MOS晶体管的配置的固态成像设备相比，根据本示例实施方式的固态成像设备具有增加设置用于放大MOS晶体管205和215的参数的灵活性的优点。术语“参数”指影响晶体管工作的各种因素，例如，栅极面积、电压放大比率、电流放大比率、阈值电压和允许的功率耗散。

为了获得分别由有效像素和参考像素输出的信号之间的差并且为了准确地减少叠加到由有效像素输出的信号上的噪声，日本专利申请公开第2008-271280号中所讨论的固态成像设备需要使有效像素和参考像素在微小电容器Cio和浮动扩散电容器Cfd之间的电容比上彼此相等。为了减小1/f噪声而不抑制每个有效像素100的光电二极管201的面积，考虑增加参考像素101的放大MOS晶体管215的栅极的面积。如果在日本专利申请公开第2008-271280号中所讨论的配置的电路中增加参考像素的放大MOS晶体管的栅极的面积，那么浮动扩散电容器Cfd会随着寄生电容的增加而增加。因此，需要调整微小电容器Cio与浮动扩散电容器Cfd之间的电容比。然而，根据本示例实施方式的配置，固态成像设备可以不通过在每个有效像素100和参考像素101中都提供微小电容器Cio来配置。相应地，可以无需调整微小电容器Cio与浮动扩散电容器Cfd而增加放大MOS晶体管215的栅极的面积。因而，1/f噪声的影响可以减小。

参考像素101设置在有效像素区域120外面。因此，参考像素101的放大MOS晶体管215的栅极的面积可以增加，而不抑制光电二极管201的面积，其中栅极用作放大MOS晶体管215的控制电极。相应地，1/f噪声的影响可以减小。参考像素101设置得比有效像素100更靠近差分放大器112。从而，第二垂直信号线103的布线长度可以缩短。此外，固态成像设备可以配置成防止第二垂直信号线103穿入有效像素区域120。从而，光电二极管201的面积不会被抑制。

即使在使放大MOS晶体管205和215的栅极面积彼此相等的情况下，根据本示例实施方式的固态成像设备也有如下优点，即差分放大器112可以独立于用于放大MOS晶体管205和215的参数来设计。

有效像素100和参考像素101中每一个的电压源Vdd都与差分放大器112的电源（未例示）分开设置。从而，差分放大器112可以工作在与由电压源Vdd提供给有效像素100和参考像素101的电压不同的电压下。

根据本示例实施方式的固态成像设备有如下优点，即，即使在使放大MOS晶体管215在尺寸上小于放大MOS晶体管205的情况下，差分放大器112也可以独立于用于放大MOS晶体管205和215的参数来设计。此外，因为放大MOS晶体管215的尺寸可以减小，所以有效像素区域120的面积可以通过放大MOS晶体管215减小的尺寸而增加。相应地，可以减小灵敏度的劣化。

在日本专利申请公开第2008-271280号中所讨论的固态成像设备中，连接到垂直信号线的电流源从源极电极，经栅极电极，和漏极电极向信号线提供电流。因而，当选择从其读出信号的有效像素时，流经垂直信号线的电流的电流值暂时性地改变。稳定电流值变化所花的时间受根据差分放大电路的电流源的电流值的速率控制支配。因此，为了读出未受信号线的电流值变化影响的信号，需要提供从选择有效像素开始到流经垂直信号线的电流的电流值稳定为止的等待时间。

反之，在本示例实施方式中所描述的固态成像设备中，每个像素的输出是作为源跟随器电路的电压输出给出的。因而，垂直信号线的电势电平中的变化不受根据流经电流源的电流的电流值的速率控制支配。因此，当通过垂直扫描多个有效像素100而读出有效像素信号时，与日本专利申请公开第2008-271280号中所讨论的固态成像设备相比，本示例实施方式中所描述的固态成像设备可以减少从选择有效像素到流经信号线的电流变化稳定为止的等待时间。

此外，在日本专利申请公开第2008-271280号中所讨论的固态成像设备中，在每个有效像素中设置微小电容器Cio和浮动扩散电容器Cfd。反之，根据本示例实施方式的固态成像设备未设置微小电容器Cio。如果考虑在日本专利申请公开第2008-271280号中所讨论的固态成像设备和根据本示例实施方式的固态成像设备的每一个中在相同面积上设置相同个数的有效像素，那么根据本示例实施方式的固态成像设备可以把光电转换单元的面积设置得比前者固态成像设备的光电转换单元的面积大。因此，可以抑制灵敏度的下降。

接下来，在描述图3A中代表电平VLine1、VLine2和GND的每一个的曲线图中的虚线时，在下文中描述：在由固态成像设备输出的图像中成问题的水平拖影（smear）和横向条纹可以通过根据本示例实施方式的固态成像设备被减少。

假定强光入射到有效像素区域120的有效像素100的一部分上。第一垂直信号线102的电流电势电平由于从强光入射到其上的有效像素100输出的有效像素信号而被大大降低了。如果入射光非常强，那么负载MOS晶体管104的源极-漏极电压接近0伏（V）。如果入射光极强，那么负载MOS晶体管104可以关断。流经GND线117的电流根据被关断的负载MOS晶体管104的个数而改变。此外，流经负载MOS晶体管104和105中每一个的电流由于由GND线117的阻抗和流经GND线117的电流造成的电压降而改变。相应地，一行中强光入射到其每一个上的有效像素100的数量越大，被关断且对应于该行的负载MOS晶体管104的数量也越大。因而，GND线117的电压降小，而流经负载MOS晶体管104和105中每一个的电流增加。从而，放大MOS晶体管205和215中每一个的栅极-源极电势差增加。在其中不设置参考像素101的配置的情况下，放大MOS晶体管205的栅极-源极电势差增加。因而，包含有强光入射到其每一个上的有效像素100的行在光电转换信号的输出范围上与不包含这种有效像素的另一行不同。从而，有时候，在有强点光入射到其上的图像中，出现水平拖影，其中在一个点的横向两侧都产生发白的带。

本示例实施方式被配置成包括参考像素101，而且把第二垂直信号线103经负载MOS晶体管105电连接到公共栅极线116和GND线117。对于这种配置，当强入射光入射到有效像素100上时，有效像素100的放大MOS晶体管205的源极-栅极电势差增加。类似地，参考像素101的放大MOS晶体管215的源极-栅极电势差增加。从差分放大器112输出的S信号代表光电转换信号与参考信号之间的差。因而，可以减去放大MOS晶体管205和215中每一个的源极-栅极电势差增加的影响。相应地，可以抑制水平拖影的出现。

此外，在下文中描述了本示例实施方式可以抑制横向条纹，类似于水平拖影，横向条纹也会造成图像质量劣化。图3B是例示公共栅极线116的电势电平变化的情况的时序图。除电势电平VLine1和VLine2之外，图3B与图3A相同。用虚线指示的公共栅极线116的电势电平的变化是由于从向公共栅极线116提供电压的电源电路产生的随机噪声和从其它电路产生的回踢噪声而造成的。如果在成像设备中未设置参考像素101，那么流经负载MOS晶体管104的电流因公共栅极线116的电势电平的变化而改变。从选择对其的读取操作的整行输出的光电转换信号的输出范围改变。从而，在利用其输出范围因公共栅极线116的电势电平的变化而改变的光电转换信号表示的图像中，由于分别从其中使得电势电平变化的行和其中没有使得电势电平变化的另一行输出的信号的电平的差而产生横向条纹。

对于本示例实施方式的配置，当公共栅极线116的电势电平的变化出现时，该变化对负载MOS晶体管104的影响与该变化对负载MOS晶体管105的影响相同。因而，如图3B中所例示的，由于公共栅极线116的电势电平的变化而造成的电势电平VLine1和VLine2的变化彼此相同。从差分放大器112输出的N信号和S信号中的每一个都是从有效像素100输出的信号与参考信号之间的差。因此，公共栅极线116的电势电平的变化的影响可以减去。相应地，即使在公共栅极线116的电势电平的变化出现的情况下，在没有使得电势电平变化的行与使得电势电平变化的另一行之间，也存在光电转换信号的输出范围上的不同。因而，可以抑制在所获得的图像上出现横向条纹。

根据本示例实施方式，为了减少在由固态成像设备输出的图像中成问题的水平拖影和横向条纹，负载MOS晶体管104和105连接到公共栅极线116和公共GND线117。然而，很显然，考虑到实施方式的优点在于用于放大晶体管的参数可以独立于差分放大单元来设置，则固态成像设备可以配置成使得负载MOS晶体管104和105既不连接到公共栅极线116也不连接到公共GND线117，而且负载MOS晶体管104和105分别连接到不同的栅极线和不同的GND线。因而，差分放大器112及放大MOS晶体管205和215彼此分开地设置就够了。

要在时刻t1和时刻t2之间执行的复位操作是要复位FD区域203和213的电势电平。然而，该复位操作也可以适用于把脉冲PTX的电平设置在H电平，并且复位光电二极管201和电容器211的电势电平。在这种情况下，在时刻t2和时刻t6之间在光电二极管201执行光电转换是有用的，其中在时刻t2脉冲PRES和PTX的电平设置成L电平，而在时刻t6脉冲PTX的电平设置成H电平。

在时刻t2，参考像素101的FD区域213的复位与有效像素100的FD区域203的复位同时完成。然而，因为参考像素101不执行光电转换，所以固态成像设备可以继续给FD区域213处于复位电平的电势，而不结束FD区域213的复位。

对于开关110和111，在时刻t2和时刻t4之间的时间段内开关110和111中的每一个的状态都从接通状态变成关断状态就够了。即，接通开关110和111的定时不一定与时刻t1对准，其中在时刻t1脉冲PRES的电平变成H电平。接通开关110和111的定时在时刻t1和时刻t4之间的时间段内就够了。

光电转换信号到差分放大器112的传输和参考信号到差分放大器112的传输同时完成是有用的。有时候，分别由负载MOS晶体管104和105提供的电流的电流值可以改变。电流值变化的量可以依赖于时间。在这种情况下，如果使完成读取光电转换信号的定时和完成读取参考信号的定时彼此不同，那么包含在信号处理电路113中所存储的信号中的负载MOS晶体管104和105的电流值的变化量可能彼此不同。因而，即使信号处理电路113获得了信号之间的差，有时候，由负载MOS晶体管104和105提供的电流的电流值变化的影响也可能不能完全减去。

在本示例实施方式中，到目前为止已经描述了参考像素101配置成包括电容器211、FD区域213、复位MOS晶体管204。然而，参考像素101包括至少适于输出基于施加到其栅极的电压的信号的放大MOS晶体管215就够了。更具体而言，参考像素101可以配置成使得不在其中设置复位MOS晶体管204，使得电压电源线连接到放大MOS晶体管215的栅极，并使得放大MOS晶体管215输出基于从电压电源线提供的电压的信号。因而，参考像素101可以设计成使得通过省略用作电荷存储单元的FD区域213、电容器211、传递MOS晶体管202等来增加放大MOS晶体管215的栅极面积。

还描述了参考像素101配置成使得电容器211存储电荷。参考像素101可以具有另一种配置，即，例如，FD区域213而不是图2中所例示的电容器211存储电荷。作为替代，参考像素101可以配置成包括与FD区域213分开设置的电容器211。作为替代，参考像素101可以配置成包括光电二极管201，类似于有效像素100。如果在参考像素101中设置光电二极管，那么参考像素101就可以配置成光学黑色像素，其中光电二极管被屏蔽不受光照。因而，可以从参考像素101获得参考输出。

本示例实施方式不限于其中每个有效像素100的放大MOS晶体管205都电连接到第一垂直信号线102的配置。本示例实施方式可以配置成使得复位MOS晶体管204和FD区域203被多个有效像素100共享。因而，本示例实施方式可以配置成使得多个光电二极管201和FD区域203连接到单个放大MOS晶体管205。

差分放大器112配置成交替地排列在像素区域130的每列的方向的端部。然而，差分放大器112可以配置成不是以一列而是以多列为单位交替地排列。作为替代，差分放大器112可以配置成不交替排列，而是只排列在像素区域130的一侧。

如果从信号处理电路113输出的信号是模拟信号，那么提供用于把信号处理电路113输出的模拟信号转换成数字信号的模数（A/D）转换器是有用的。A/D转换器对应于模数转换单元。

本示例实施方式是基于其中每个像素都包括三个MOS晶体管（即，传递MOS晶体管、放大MOS晶体管和复位MOS晶体管）的配置来描述的。本示例实施方式可以配置成使得每个像素还包括选择MOS晶体管。选择MOS晶体管在其栅极处电连接到行选择单元210。此外，选择MOS晶体管的漏极和源极中的一个电连接到第一垂直信号线102或者第二垂直信号线103。该选择MOS晶体管的漏极和源极中的另一个电连接到晶体管205或者放大MOS晶体管215。行选择单元210对向第一垂直信号线102或者第二垂直信号线103输出信号的一个像素的选择MOS晶体管的栅极施加脉冲。相应地，从被选像素输出的信号提供给第一垂直信号线102或者第二垂直信号线103。

作为例子，本示例实施方式描述为具有其中每个像素中的晶体管都是MOS晶体管的配置。然而，本示例实施方式不限于此。在每个像素中设置的复位晶体管和传递晶体管可以是双极晶体管。此外，结型场效应晶体管（JFET）可以用作放大晶体管。

在图1中所例示的固态成像设备中，每个参考像素101都只排列在像素区域130的差分放大器112一侧的端部。然而，根据本示例实施方式的配置不限于此。此外，每个参考像素101都可以跨有效像素区域120设置在像素区域130的与差分放大器112侧相对的一侧的端部。

本示例实施方式是基于其中排列了多行和多列有效像素100且排列了多行参考像素101的配置描述的。排列一行或多行和一列或多列有效像素就够了。此外，排列一行或多行和一列或多列参考像素就够了。因而，根据本示例实施方式的固态成像设备可以配置成使得提供单个有效像素100和单个参考像素。在这种情况下，提供单个差分放大器112、单条第一垂直信号线102和单条第二垂直信号线103就够了。根据这种配置，每个参考像素101的放大MOS晶体管215中用作控制电极的栅极的面积可以增加，而不抑制每个有效像素100的光电转换单元的面积。相应地，可以获得具有低1/f噪声的光电转换信号。

在本示例实施方式中，描述了其中每列的信号处理电路113对从其关联的差分放大器112输出的信号执行第二CDS的配置。图14中所例示的固态成像设备具有另一种配置。图14中所例示的固态成像设备配置成使得响应于脉冲PTS和PTN而读出的信号输出到放大器119，而且放大器119输出代表分别存储在电容器123和124中的信号之间的差的差分信号。即，这种配置使得放大器119执行第二CDS。本示例实施方式描述为具有一种示例配置，其基于执行第一CDS和第二CDS的配置。然而，根据本示例实施方式的固态成像设备可以配置成不执行第一CDS和第二CDS。即，根据本示例实施方式的固态成像设备具有其中差分放大器112输出光电转换信号与参考信号之间的差的配置就够了。即，根据本示例实施方式的固态成像设备可以配置成既不执行第一CDS也不执行第二CDS，或者只执行第一CDS和第二CDS中的一个就够了。只执行第一CDS的配置可以使得信号处理电路113只存储由差分放大器112输出的S信号而不存储由差分放大器112输出的N信号。只执行第二CDS的配置可以看作是例如如下配置，其中没有设置电容器C0r和C0s，而且其中放大MOS晶体管205和215电连接到差分放大器112，且信号处理电路113对由差分放大器112输出的N信号和S信号执行第二CDS。

在图14中所例示的固态成像设备中，具有与图1中所例示的对应部件相同功能的每个部件都用与标示图1中所例示的对应部件的相同标号来标示。因而，省略对这种部件的描述。传输线121用于传输脉冲PTS。传输线122用于传输脉冲PTN。传输线121和122分别电连接到金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）127和128的栅极。MOSFET127和128电连接到差分放大器112，并且响应于脉冲PTS和PTN的施加而分别把信号传输到电容器123和124。MOSFET125和126的栅极电连接到HSR114。当脉冲从HSR114施加时，存储在电容器123和124中的信号输出到放大器119。放大器119输出代表分别从电容器123和124输出的信号之间的差的差分信号。这种差分信号是由固态成像设备输出的信号。

图14中所例示的固态成像设备可以工作在图3A中所例示的驱动定时下。

分别在图1和14中所例示的固态成像设备可以配置成使得，就象在以下参考图4所述的第二示例实施方式中所示例的那样，多个参考像素101设置在像素区域130的差分放大器112一侧的端部，而且多个参考像素101彼此并联连接。

类似于图1中所例示的固态成像设备，与配置成使得放大MOS晶体管用作差分对的输入级的固态成像设备相比，图14中所例示的固态成像设备具有增加设置用于放大MOS晶体管205和215的参数的灵活性的优点。此外，图14中所例示的固态成像设备可以抑制所获得图像中水平拖影和横向条纹的出现。图14中所例示的固态成像设备配置成使得参考像素101设置在有效像素区域120外面。相应地，每个参考像素101的放大MOS晶体管215的栅极的面积可以在不抑制光电二极管201的面积的情况下增加。因而，1/f噪声的影响可以减小，同时抑制了灵敏度的下降。

图4是例示第二示例实施方式的框图。在图4中所例示的固态成像设备中，具有与图1中所例示的对应部件相同功能的每个部件都利用标示图1中所例示的对应部件的相同标号来标示。本示例实施方式具有其中多个参考像素101-1和101-2彼此并联电连接的配置。在下文中，当多个参考像素被单独地标示时，参考像素101-1称为第一参考像素，而参考像素101-2称为第二参考像素。参考像素101-1和101-2并联地连接到第二垂直信号线103。

图5例示了包括有效像素100、多个参考像素101-1和101-2、第一垂直信号线102及第二垂直信号线103的电路配置的一部分的等效电路图的例子。在图5中，具有与图2中所例示的对应部件相同功能的每个部件都利用标示图2中所例示的对应部件的相同标号来标示。为了方便描述，在具有与图2中所例示的对应部件相同功能的部件当中，第一参考像素101-1和第二参考像素101-2中每一个的电容器211、传递MOS晶体管202、复位MOS晶体管204、放大MOS晶体管215和FD区域213都通过向图1中所使用的标号添加后缀来标示和区别指代。更具体而言，第一参考像素101-1的放大MOS晶体管215用标号215-1来标示。第二参考像素101-2的放大MOS晶体管215用标号215-2来标示。在下文中，多个参考像素101-1和101-2的电容器211、传递MOS晶体管202、复位MOS晶体管204和FD区域213都类似地标示。

根据本示例实施方式的固态成像设备具有其中放大MOS晶体管205和215与差分放大器112分开设置的配置。相应地，与配置成使得放大MOS晶体管用作差分对的输入级的固态成像设备相比，根据本示例实施方式的固态成像设备具有增加设置用于放大MOS晶体管205和215的参数的灵活性的优点。

根据本示例实施方式的固态成像设备还具有其中多个参考像素101-1和101-2的放大MOS晶体管215-1和215-2的栅极经FD区域213-1和213-2彼此电连接的配置。从而，参考像素101的放大MOS晶体管215的栅极的面积可以以伪（pseudo）方式增加。因而，在参考像素的放大MOS晶体管中产生的1/f噪声可以通过以伪方式增加其栅极面积来减小。

电连接参考像素101-1和101-2的每条线都不包括在其中排列有有效像素100的区域中而是存在于其中排列有多个参考像素101-1和101-2的参考像素区域中是有用的。利用这种配置，参考像素101不抑制每个有效像素100的光电二极管201的面积。

本示例实施方式具有其中设置两个参考像素而且两个放大MOS晶体管的栅极彼此电连接的配置。然而，根据本示例实施方式的配置不限于此。本示例实施方式可以具有其中排列有三个或者更多个参考像素而且参考像素的放大MOS晶体管215的栅极彼此电连接的另一种配置。与其中两个放大MOS晶体管彼此电连接的配置相比，在这种情况下，参考像素101的放大MOS晶体管215的栅极面积可以以伪方式增加。从而，1/f噪声可以减小更多。

根据本示例实施方式的配置不限于其中每个有效像素100的放大MOS晶体管205电连接到第一垂直信号线102的配置。本示例实施方式可以具有其中复位MOS晶体管204和FD区域203被多个有效像素100共享的配置，即，其中多个光电二极管201和FD区域203连接到单个放大MOS晶体管205的配置。

图6是例示第三示例实施方式的框图。

在图6所例示的固态成像设备中，具有与图1中所例示的对应部件相同功能的每个部件都利用标示图1中所例示的对应部件的相同标号来标示。因而，省略对这些部件的描述。

如图6中所例示的，差分放大器601的输入端和输出端之间导通与非导通的状态是利用开关602和603切换的。当开关602和603被带入导通状态时，电容器Cfr和Cfs复位。在每个信号处理电路113中与差分放大器601分开设置一个差分放大器。来自差分放大器601的每个输出都连接到信号处理电路113的差分放大器。基于由差分放大器601输出的参考信号和从每个有效像素100输出的信号的信号差分处理可以由在信号处理电路113中设置的差分放大器实现。信号处理电路113可以既执行差分处理又执行例如校正的其它类型的处理。因而，根据本示例实施方式的差分信号输出单元140配置成包括差分放大器601和信号处理电路113。

根据本示例实施方式在图6中例示的固态成像设备的操作可以类似于图3A和3B中所例示的操作来实现。开关602和603的操作可以类似于图3A和3B中所例示的开关110和111的操作来实现。根据本示例实施方式的固态成像设备可以配置成不具备在图1中例示的差分放大器112的参考电压线118。

根据本示例实施方式的固态成像设备具有其中放大MOS晶体管205和215与差分放大器601分开设置的配置。相应地，与具有其中放大MOS晶体管也用作差分对的输入级的MOS晶体管的配置的固态成像设备相比，根据本示例实施方式的固态成像设备具有增加设置用于放大MOS晶体管205和215的参数的灵活性的优点。

图6中例示的固态成像设备配置成使得差分放大器601差分地放大有效像素100和参考像素101的输出，并输出差分放大后的输出。因而，对应于信号处理电路113每一列的输入用作差动放大输入。在差分放大器601处或者在比差分放大器601更靠近信号处理电路113的一部分处产生的噪声叠加到有效像素100和参考像素101中每一个的输出上。因而，有效像素100和参考像素101的输出之间的差被信号处理电路113获得。从而，在差分放大器601处和在比差分放大器601更靠近信号处理电路113的一部分处产生的噪声可以从输出减去。因而，本示例实施方式具有减小从固态成像设备输出的信号115中所包含的噪声的优点。

信号处理电路113可以对参考信号和从有效像素100输出的信号执行第二CDS。当从负载MOS晶体管104和105提供的电流的电流值变化时，参考信号随该电流值的变化而变化。由于由负载MOS晶体管104和105提供的电流的电流值变化而造成的参考信号的变化量可以通过使信号处理电路113对参考信号执行第二CDS来获得。此外，通过从光电转换信号减去在有效像素100产生的噪声而获得的信号可以通过使信号处理电路113对从有效像素100输出的信号也执行第二CDS来获得。然后，从通过对从有效像素100输出的信号执行第二CDS获得的信号减去通过执行第二CDS获得的参考信号的变化量。从而，负载MOS晶体管104和105的变化的影响可以从光电转换信号减去。

根据本示例实施方式的差分信号输出单元140包括差分放大器601和信号处理电路113。本示例实施方式可以具有其中电连接到信号处理电路113的差分放大器129设置在差分信号输出单元140中的另一种配置。在这种情况下，基于来自反相放大器701（见图15）的输出的信号和基于另一个反相放大器702（见图15）的输出的另一信号分别由信号处理电路113输出到差分放大器129。然后，代表由信号处理电路113输出的信号之间的差的信号被差分放大器129获得。在这种配置的情况下，来自差分放大器129的输出信号是由固态成像设备输出的信号115。

根据本示例实施方式的固态成像设备可以减小在差分放大器601处和在比差分放大器601更靠近信号处理电路113的一部分处产生的噪声。因此，根据本示例实施方式的固态成像设备可以获得低噪声的良好图像。

如在参考图4的第二示例实施方式中所描述的，根据本示例实施方式的固态成像设备可以具有其中多个参考像素101设置在像素区域130的差分放大器601侧的端部并且彼此并联连接的配置。

根据本示例实施方式的配置不限于其中每个有效像素100的放大MOS晶体管205电连接到第一垂直信号线102的配置。本示例实施方式可以配置成使得复位MOS晶体管205和FD区域203被多个有效像素100共享。因而，根据本示例实施方式的配置可以使得多个光电二极管201和FD区域203连接到单个放大MOS晶体管205。

作为替代，本示例实施方式可以配置成不在信号处理电路113的内部设置差分放大器，使得，如图15中所例示的，来自反相放大器701和702的信号独立地进行信号处理而且结果产生的信号输出到对多列公共地设置的差分放大器129。根据这种配置，差分信号输出单元140配置成包括反相放大器701和702、信号处理电路113及差分放大器129。

图7是例示第四示例实施方式的框图。在图7所例示的固态成像设备中，具有与图1中所例示的对应部件相同功能的每个部件都利用标示图1中所例示的对应部件的相同标号来标示。因而，省略对这种部件的描述。

图7中所例示的反相放大器701和702分别对应于第一放大单元和第二放大单元。反相放大器701和702构成利用公共电压源和电流源的放大电路703。反相放大器701和702彼此相邻地排列使得分别由反相放大器701和702输出的信号的信号电平的范围尽可能相同是有用的。例如，可以考虑源极接地电路的配置作为反相放大器701和702中每一个的配置。

开关704和705中的每一个都配置成切换反相放大器701和702中关联的一个的输入端和输出端是否短路。当开关704和705被带入导通状态时，存储在电容器Cfr和Cfs中的电荷被放电并复位。

图7中所例示的固态成像设备使得反相放大器701反相放大从参考像素101输出的参考信号，而且随后反相放大器701把反相放大后的信号输出到信号处理电路113。另一方面，反相放大器702反相放大从有效像素100输出的参考信号，而且随后反相放大器702把反相放大后的信号输出到信号处理电路113。

反相放大器701和702反相放大分别从有效像素100和参考像素101输出的信号。然后，反相放大器701和702把反相放大后的信号输出到信号处理电路113。在信号处理电路113中设置差分放大器。反相放大器701和702的输出连接到信号处理电路113的差分放大器。分别由反相放大器701和702输出的信号的差分处理是由设置在信号处理电路113中的差分放大器实现的。信号处理电路113可以实现分别由反相放大器701和702输出的信号之间的差并且执行例如校正的其它类型的处理。根据本示例实施方式的差分信号输出单元140配置成包括反相放大器701和702及信号处理电路113。

根据本示例实施方式在图7中例示的固态成像设备的操作可以类似于图3A和3B中所例示的操作来实现。开关704和705的操作可以类似于图3A和3B中所例示的开关110和111的操作来实现。

根据本示例实施方式的固态成像设备具有其中放大MOS晶体管205和215与反相放大器701和702分开设置的配置。相应地，与具有其中放大MOS晶体管还用作差分对的输入级的MOS晶体管的配置的固态成像设备相比，根据本示例实施方式的固态成像设备具有增加设置用于放大MOS晶体管205和215的参数的灵活性的优点。

图7中所例示的固态成像设备配置成使得有效像素100和参考像素101的输出分别被反相放大器701和702反相放大。因而，到对应于每一列的信号处理电路113的输入是差分放大输入。在反相放大器701和702处或者在比反相放大器701和702更靠近信号处理电路113的一部分处产生的噪声叠加到有效像素100和参考像素101的输出上。因而，分别由反相放大器701和702输出的信号之间的差被信号处理电路113获得。从而，在反相放大器701和702处或者在比反相放大器701和702更靠近信号处理电路113的部分处产生的噪声可以被减去。相应地，图7中所例示的固态成像设备具有减小由固态成像设备输出的信号115中所包含的噪声的优点。

本示例实施方式可以配置成不具有在图1中所例示的差分放大器112的参考电压线118。

信号处理电路113可以对参考信号和从有效像素输出的信号执行第二CDS。当从负载MOS晶体管104和105提供的电流的电流值变化时，参考信号随该电流值的变化而变化。由于从负载MOS晶体管104和105提供的电流的电流值的变化而造成的参考信号的变化量可以通过使信号处理电路113执行第二CDS来获得。代表从光电转换信号减去在有效像素100产生的噪声的结果的信号可以通过也对从有效像素100输出的信号执行第二CDS来获得。此外，通过执行第二CDS获得的参考信号的变化量被从通过对从有效像素100输出的信号执行第二CDS获得的信号减去。从而，可以从光电转换信号减去负载MOS晶体管104和105的变化的影响。

根据本示例实施方式的差分信号输出单元140包括反相放大器701和702及信号处理电路113。本示例实施方式可以具有其中电连接到信号处理电路113的差分放大器设置在差分信号输出单元140中的另一种配置。在这种情况下，信号处理电路113把基于反相放大器701的输出的信号和基于反相放大器702的输出的信号单独地输出到差分放大器。作为替代，本示例实施方式可以配置成使得由信号处理电路113输出的两个信号之间的差被差分放大器获得。在这种配置的情况下，来自差分放大器的输出信号是由固态成像设备输出的信号115。

根据本示例实施方式的固态成像设备可以减小在反相放大器701和702处或者在比反相放大器701和702更靠近信号处理电路113的一部分处产生的噪声。从而，根据本示例实施方式的固态成像设备可以获得低噪声的良好图像。

如在参考图4的第二实施方式中所描述的，根据本示例实施方式的固态成像设备可以具有其中多个参考像素101设置在像素区域130的反相放大器701和702侧的端部并且彼此并联电连接的配置。

根据本示例实施方式的配置不限于其中每个有效像素100的放大MOS晶体管205都电连接到第一垂直信号线102的配置。本示例实施方式可以配置成使得复位MOS晶体管205和FD区域203被多个有效像素100共享。因而，根据本示例实施方式的配置可以使得多个光电二极管201和FD区域203连接到单个放大MOS晶体管205。

作为替代，本示例实施方式可以配置成不在信号处理电路113的内部设置差分放大器，使得，如在以上参考图15的第三示例实施方式中所例示的，差分放大器没有设置在信号处理电路113中。来自反相放大器701和702的信号单独地进行信号处理，而且结果产生的信号输出到对多列公共地设置的差分放大器129。根据这种配置，差分信号输出单元140配置成包括反相放大器701和702、信号处理电路113及差分放大器129。

图8是例示第五示例实施方式的框图。图9是例示这第五示例实施方式的操作的例子的时序图。

在图8所例示的固态成像设备中，具有与图1中所例示的对应部件相同功能的每个部件都利用标示图1中所例示的对应部件的相同标号来标示。因而，省略对这种部件的描述。图8中所例示的固态成像设备包括电容器801和802、比较器803、斜坡线（rampline）804和805及开关806和807。比较电路808中电容器的复位是通过使开关806和807中的每一个导通而执行的。

在下文中，参考图9中所例示的时序图来描述用于根据本示例实施方式的固态成像设备的驱动方法。图9中所描述的标号对应于分配给图8中所例示的固态成像设备中的部件的那些标号。除斜坡线804和805之外，图9中所例示的时序图类似于图3中所例示的时序图。

在下文中，参考图9中所例示的时序图来描述图8中所例示的固态成像设备的操作。

在脉冲PRES的电平在时刻t2变成L电平之后，开关110和111关断。在那个时刻，代表比较器803的偏移电压和第一垂直信号线102的电势电平之间的差的信号存储在电容器C0s和802中，而代表比较器803的偏移电压和第二垂直信号线103的电势电平之间的差的信号存储在电容器C0r和801中。

在时刻t3-2，斜坡线804和805中每一个的电势电平都从令比较电路808复位的复位电势电平变成电平Vref。然后，在时刻t4，脉冲PTN的电平变成H电平。与此同时，按时间顺序改变斜坡线804和805中每一个的电势电平的斜坡操作（rampoperation）开始。N转换信号是代表基于时刻t4和时刻t4-2之间的持续时间获得的A/D转换结果的信号，其中，在时刻t4开始斜坡操作，在时刻t4-2斜坡线804和805中每一个的电势电平由于斜坡操作而到达复位电势电平。

在时刻t5，斜坡线804和805中每一个的电势电平的变化停止。因而，N转换时段中的操作结束。

接下来，在时刻t6，斜坡线804和805中每一个的电势电平变成时刻t3-2和时刻t4之间的时间段内的电势电平。此外，在时刻t6，脉冲PTX的电平变成H电平。然后，在时刻t7，脉冲PTX的电平变成L电平。因而，光电转换信号经电容器C0s提供给比较器803的输入端。

接下来，在时刻t8，开始S转换时段内的操作。从时刻t8起，类似于以上复位时的A/D转换，执行改变斜坡线804和805中每一个的电势电平的斜坡操作。

然后，在时刻t8-2，比较器803的输出改变。S转换信号是代表基于时刻t8和时刻t8-2之间的持续时间获得的A/D转换结果的信号，其中，在时刻t8斜坡操作开始，在时刻t8-2比较器803的输出的电平改变。

信号处理电路113输出S转换信号和N转换信号之间的差。信号处理电路113的输出是由固态成像设备输出的信号115。

根据本示例实施方式的固态成像设备具有其中放大MOS晶体管205和215与比较器803分开设置的配置。相应地，根据本示例实施方式的固态成像设备可以独立于用于比较器803的参数来设置用于放大MOS晶体管205和215的参数。

根据本示例实施方式，斜坡线804和805之间及第一垂直信号线102和第二垂直信号线103之间存在差分关系。相应地，即使当由时刻t4-2附近所示的虚线所指示的噪声混合到由固态成像设备输出的信号115中时，该噪声对信号115的影响也可以减小。

根据本示例实施方式，信号处理电路113可以由数字信号处理电路来配置。因而，与由模拟信号处理电路配置信号处理电路113的情况相比，固态成像设备几乎不受噪声影响。相应地，固态成像设备具有横向条纹难以在输出图像中出现的优点。

如在参考图4的第二实施方式中所描述的，根据本示例实施方式的固态成像设备可以具有其中多个参考像素101设置在像素区域130的比较器803侧的端部并且彼此并联电连接的配置。

根据本示例实施方式的配置不限于其中每个有效像素100的放大MOS晶体管205都电连接到第一垂直信号线102的配置。本示例实施方式可以配置成使得复位MOS晶体管205和FD区域203被多个有效像素100共享。因而，根据本示例实施方式的配置可以使多个光电二极管201和FD区域203连接到单个放大MOS晶体管205。

图10是例示第六示例实施方式的框图。在图10所例示的固态成像设备中，具有与图7中所例示的对应部件相同功能的每个部件都利用标示图7中所例示的对应部件的相同标号来标示。因而，省略对这种部件的描述。在下文中，描述根据本示例实施方式的固态成像设备与图7中所例示的固态成像设备的区别。

类似于图7中所例示的固态成像设备，图10中所例示的固态成像设备使用反相放大器701和702，其中公共电压源和电流源电连接到反相放大器701和702。此外，两列像素共同使用第二垂直信号线103。由反相放大器701基于参考信号输出的信号被输出到两个信号处理电路113。术语“两个信号处理电路113”标示从共同使用第二垂直信号线103的像素列的有效像素100输出的信号输入到的那些113。类似于第四示例实施方式，第六示例实施方式配置成使得差分放大器设置在每个信号处理电路113中，而且来自反相放大器701和702的输出连接到每个信号处理电路113的差分放大器。因而，差分信号输出单元140配置成包括反相放大器701和702及信号处理电路113。

共同使用第二垂直信号线103的像素列可以是相邻的像素列或者是配置成中间夹着电连接到另一条第二垂直信号线103的像素列的像素列。根据第六示例实施方式的固态成像设备可以配置成使得其像素列的一部分电连接到多列共用的第二垂直信号线103，如图10中所例示的。作为替代，根据第六示例实施方式的固态成像设备可以配置成使得第二垂直信号线103对所有像素列公共地设置。在图10所例示的固态成像设备中，每组两个像素列电连接到公共的第二垂直信号线103。然而，三个或者更多个像素列可以电连接到公共的第二垂直信号线103。因为负载MOS晶体管104的源极-漏极电压差根据入射光强度的变化而改变，所以参考信号可以随像素列而改变。因而，共同使用第二垂直信号线103的像素列是彼此相邻的像素列是有用的。

通过描述利用反相放大器701和702的配置描述了本示例实施方式。根据本示例实施方式的配置不限于利用反相放大器的配置。差分放大器可以代替反相放大器使用。作为替代，本示例实施方式可以配置成使用比较电路808，如在第五示例实施方式中所描述的。

根据本示例实施方式的固态成像设备具有其中放大MOS晶体管205和215与反相放大器701和702分开设置的配置。相应地，与具有其中放大MOS晶体管还用作差分对的输入级的MOS晶体管的配置的固态成像设备相比，根据本示例实施方式的固态成像设备具有增加设置用于放大MOS晶体管205和215的参数的灵活性的优点。

根据本示例实施方式的固态成像设备具有对两列公共的第二垂直信号线103。因而，例如反相放大器701、电容器C0r和Cfs、开关110及负载MOS晶体管105的部件的个数可以减少。此外，不必在每一列上在第二垂直信号线103上排列负载MOS晶体管105。从而，电流的消耗可以减少。

如在参考图4的第二实施方式中所描述的，根据本示例实施方式的固态成像设备可以具有其中多个参考像素101设置在像素区域130的在反相放大器701和702中每一个的一侧的端部并且彼此并联电连接的配置。

根据本示例实施方式的配置不限于其中每个有效像素100的放大MOS晶体管205都电连接到第一垂直信号线102的配置。本示例实施方式可以配置成使得复位MOS晶体管204和FD区域203被多个有效像素100共享。因而，根据本示例实施方式的配置可以使得多个光电二极管201和FD区域203连接到单个放大MOS晶体管205。

如在以上参考图15的第三示例实施方式中所描述的，差分放大器可以不设置在信号处理电路113中。来自反相放大器701和702的信号可以单独地进行信号处理，而且结果产生的信号可以输出到对多列公共地设置的差分放大器129。根据这种配置，差分信号输出单元140配置成包括反相放大器701和702、信号处理电路113及差分放大器129。

图11是例示第七示例实施方式的框图。在图11所例示的固态成像设备中，具有与图1中所例示的对应部件相同功能的每个部件都利用标示图1中所例示的对应部件的相同标号来标示。因而，省略对这种部件的描述。在下文中，描述该固态成像设备与图1中所例示的固态成像设备的区别。根据本示例实施方式的固态成像设备使得多个参考像素101与每个像素列的端部相邻地排列。由开关901和902选择多个参考像素101当中的要电连接到第二垂直信号线103和负载MOS晶体管105的参考像素。

图12是例示在图11中所例示的一个有效像素100和多个参考像素101的例子的等效电路图。在图12中，具有与图2和11中所例示的对应部件相同功能的每个部件都利用标示图2和11中所例示的对应部件的相同标号来标示。因而，省略对这种部件的描述。

固态成像设备可以配置成使得图12中所例示的每个参考像素的放大MOS晶体管215的源极电连接到开关901或902。开关901和902电连接到控制电路（未示出），并且选择向第二垂直信号线103输出参考输出的参考像素（未示出）。用于控制开关901和902的操作的控制信号是从行选择单元210提供的。

在其中参考像素101的个数为一的配置的情况下，当某个参考像素101的输出与另一列的另一个参考像素101的输出不同时，在所捕捉到的图像上出现线状条纹。本示例实施方式具有其中用于输出参考信号的像素选自多个参考像素101的配置。利用这种配置，如果在一个参考像素101的输出中出现缺陷，则这个参考像素的输出变到另一个参考像素的输出。从而，在所捕捉到的图像中出现的线状条纹可以减少。

根据本示例实施方式的固态成像设备具有其中放大MOS晶体管205和215与差分放大器112分开设置的配置。相应地，与具有其中放大MOS晶体管还用作差分对的输入级的MOS晶体管的配置的固态成像设备相比，根据本示例实施方式的固态成像设备具有增加设置用于放大MOS晶体管205和215的参数的灵活性的优点。

根据本示例实施方式的配置不限于其中每个有效像素100的放大MOS晶体管205都电连接到第一垂直信号线102的配置。本示例实施方式可以配置成使得复位MOS晶体管204和FD区域203被多个有效像素100共享。因而，根据本示例实施方式的配置可以设置成使得多个光电二极管201和FD区域203连接到单个放大MOS晶体管205。

在下文中描述在把上述固态成像设备应用到固态成像系统的情况下的示例实施方式。数码照相机、数码摄像机、监控摄像机等都可以引作固态成像系统的例子。图13是例示在固态成像设备应用到作为固态成像系统的例子的数码照相机的情况下的固态成像系统的配置的框图。

图13中所例示的固态成像系统包括保护在固态成像设备4上形成被摄体的光学图像的透镜2的镜筒1、改变通过透镜2的光量的光阑3及对从固态成像设备4输出的信号执行处理的输出信号处理单元5。

如果从固态成像设备4输出的信号是模拟信号，那么输出信号处理单元5就配置成包括模拟信号处理单元、模数（A/D）转换器和数字信号处理单元。模拟信号处理单元对从固态成像设备4输出的信号执行各种类型的校正处理，并且把结果产生的信号输出到A/D转换器。然后，A/D转换器把从模拟信号处理单元输出的信号转换成数字信号，并且把该数字信号输出到数字信号处理单元。如果必要，数字信号处理单元执行各种类型的校正和压缩处理，并输出处理后的信号。

另一方面，如果固态成像设备输出数字信号，类似于第五示例实施方式的情况，那么输出信号处理单元5配置成包括数字信号处理单元，该数字信号处理单元在必要的时候对从固态成像设备4输出的数字信号执行各种类型的校正和压缩处理，并且输出处理后的信号。

参考图13，存储器单元6临时存储图像数据。接口单元8用于在例如半导体存储器的可拆卸记录介质9上记录图像数据以及从其读取图像数据。外部接口单元7用于与外部计算机等通信。整体控制/计算单元10执行各种类型的计算，并控制整个数码照相机。定时发生器11生成各种定时信号，并把所生成的定时信号输出到固态成像设备4和输出信号处理单元5。然而，定时信号也可以从外部设备输入。固态成像系统至少包括固态成像设备4和输出信号处理单元5就够了，其中输出信号处理单元5对从固态成像设备4输出的输出信号执行处理。

如上所述，根据本示例实施方式的固态成像系统可以利用固态成像设备4执行成像操作。低噪声图像捕捉可以通过把根据第一至第七实施方式中的一种的固态成像设备应用到根据本示例实施方式的固态成像系统来实现。

尽管已经参考示例实施方式对本公开内容进行了描述，但是应当理解，本公开内容不限于所公开的示例实施方式。以下权利要求的范围是要符合最广泛的解释，从而涵盖所有的修改、等同结构和功能。

Claims (19)

1.一种固态成像设备，包括：

布置成多行和多列的多个有效像素，所述有效像素包括被配置成通过光电转换产生电荷的光电转换单元、和第一放大晶体管，所述第一放大晶体管被配置成从所述第一放大晶体管的源极输出信号，该信号是基于由所述光电转换单元产生的电荷的信号；

与所述多列中的每一列对应地布置的多个参考像素，所述参考像素包括第二放大晶体管，该第二放大晶体管被配置成从所述第二放大晶体管的源极输出信号，该信号是基于施加到该第二放大晶体管的电压的信号；

第一信号线，有效像素连接到所述第一信号线，所述第一信号线被配置成传送从所述第一放大晶体管的源极输出的信号；

第二信号线，所述参考像素连接到所述第二信号线，所述第二信号线被配置成传送从所述第二放大晶体管的源极输出的信号；以及

差分信号输出单元，所述差分信号输出单元与所述第一放大晶体管和第二放大晶体管分开设置，所述差分信号输出单元连接到所述第一信号线和第二信号线，并且被配置成通过对由所述第一放大晶体管传送的信号与由所述第二放大晶体管传送的信号之间的差进行放大来生成差分信号，且配置成输出所述差分信号。

2.如权利要求1所述的固态成像设备，其中，连接到所述差分信号输出单元的电源是与连接到所述第一放大晶体管和第二放大晶体管的电源分开设置的。

3.如权利要求1所述的固态成像设备，其中，所述差分信号输出单元包括差分放大器。

4.如权利要求3所述的固态成像设备，其中，所述差分信号输出单元还包括第一放大单元和第二放大单元，

其中所述第一信号线经所述第一放大单元连接到所述差分放大器，并且

其中所述第二信号线经所述第二放大单元连接到所述差分放大器。

5.如权利要求1所述的固态成像设备，其中，所述参考像素被设置得比连接到所述第一信号线的所有所述有效像素都更靠近所述差分信号输出单元。

6.如权利要求1所述的固态成像设备，其中，所述第二放大晶体管的控制电极的面积大于所述第一放大晶体管的控制电极的面积。

7.如权利要求5所述的固态成像设备，其中，所述第二放大晶体管的控制电极的面积大于所述第一放大晶体管的控制电极的面积。

8.如权利要求1所述的固态成像设备，还包括：

第一晶体管，所述第一晶体管连接到所述第一信号线并且被配置成提供电流；以及

第二晶体管，所述第二晶体管连接到所述第二信号线并且被配置成提供电流，

其中，被配置成向所述第一晶体管和第二晶体管的控制电极中的每一个施加控制信号的控制信号线公共地连接到所述第一晶体管和第二晶体管。

9.如权利要求1所述的固态成像设备，还包括：

第一晶体管，所述第一晶体管包括连接到所述第一信号线的第一主电极、连接到电源线的第二主电极，和第一控制电极；以及

第二晶体管，所述第二晶体管包括连接到所述第二信号线的第三主电极、连接到所述电源线的第四主电极，和第二控制电极。

10.如权利要求1所述的固态成像设备，其中，多个所述参考像素并联连接到所述第二信号线。

11.如权利要求1所述的固态成像设备，其中，多个所述参考像素中的每一个都包括电荷存储单元，而且

其中多个所述电荷存储单元公共地连接到所述第二放大晶体管。

12.如权利要求1所述的固态成像设备，其中，所述固态成像设备包括多个所述差分信号输出单元和多个列，其中每一列都包括所述有效像素和所述参考像素，而且多个列包括的参考像素并联连接到多个所述差分信号输出单元中的一个。

13.如权利要求1所述的固态成像设备，其中，所述差分信号是模拟信号，而且

其中所述固态成像设备还包括被配置成将所述差分信号转换成数字信号的模数转换单元。

14.一种固态成像系统，包括：

如权利要求1所述的固态成像设备；以及

输出信号处理单元，所述输出信号处理单元被配置成处理来自所述固态成像设备的输出信号。

15.一种用于驱动固态成像设备的方法，

该固态成像设备包括：

布置成多行和多列的多个有效像素，所述有效像素包括被配置成通过光电转换产生电荷的光电转换单元、和第一放大晶体管，所述第一放大晶体管被配置成从所述第一放大晶体管的源极输出信号，该信号是基于由所述光电转换单元产生的电荷的信号；

与所述多列中的每一列对应地布置的多个参考像素，所述参考像素包括第二放大晶体管，该第二放大晶体管被配置成从所述第二放大晶体管的源极输出信号，该信号是基于施加到该第二放大晶体管的电压的信号；

第一信号线，所述第一信号线被配置成传送从所述第一放大晶体管的源极输出的信号；

第二信号线，所述第二信号线被配置成传送从所述第二放大晶体管的源极输出的信号；以及

差分信号输出单元，所述差分信号输出单元与所述第一放大晶体管和第二放大晶体管分开设置；

所述方法包括：

通过所述第一信号线将从所述第一放大晶体管的源极输出的信号传送到所述差分信号输出单元；

通过所述第二信号线将从所述第二放大晶体管的源极输出的信号传送到所述差分信号输出单元；以及

经所述差分信号输出单元通过对通过所述第一信号线传送的信号和通过所述第二信号线传送的信号之间的差进行放大生成差分信号。

16.如权利要求15所述的方法，其中，传送信号包括同时完成将通过所述第一信号线传送的信号传送到所述差分信号输出单元和将通过所述第二信号线传送的信号传送到所述差分信号输出单元的操作。

17.如权利要求15所述的方法，其中所述多个列同时执行传送信号到所述差分信号输出单元。

18.如权利要求15所述的方法，其中，在第一信号线和第二信号线中的每一个上设置不同的电容器，并且

其中，每个电容器对从所述第一放大晶体管的源极和第二放大晶体管的源极输出的对应信号执行相关双采样。

19.如权利要求15所述的方法，其中，所述差分信号输出单元连接到信号处理单元，而且

其中所述信号处理单元对由所述差分信号输出单元输出的差分信号执行相关双采样。