CN102811316A - 固态图像传感器和照相机 - Google Patents
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Abstract
一种固态图像传感器和照相机。该固态图像传感器包括具有多个像素的像素阵列以及多个信号处理电路，所述多个信号处理电路中的每一个对像素阵列的信号进行放大，其中，所述多个信号处理电路中的每一个包括：运算放大器，具有输入端子和输出端子；输入电容，布置在输入端子与列信号线之间；以及反馈电路，将输入端子与输出端子进行连接，其中，反馈电路被配置为形成反馈路径，在反馈路径中，第一电容元件和第二电容元件串行布置在将输入端子连接到输出端子的路径中，并且第三电容元件布置在基准电势与将第一电容元件连接到第二电容元件的路径之间。
Description
技术领域
本发明涉及一种固态图像传感器以及一种照相机。
背景技术
将参照图1描述固态图像传感器1的基本布置。固态图像传感器1包括：像素阵列10，其包括多个像素单元11；以及信号处理电路20，用于对从像素阵列10输出到列信号线2的信号进行放大。在每一像素单元11中，传送晶体管TX将例如由光电二极管PD接收的光的能量所生成的电荷传送到源极跟随器晶体管SF的栅极。然后，源极跟随器晶体管SF经由选择晶体管SEL把与传送来的电荷相对应的信号输出到列信号线2。每个像素单元11可以包括复位晶体管RES，用于将源极跟随器晶体管SF的栅极的电势复位为预定电压。
信号处理电路20用于对从每个像素单元11输出到列信号线2的信号进行放大。信号处理电路20包括：运算放大器21，具有输入端子22和输出端子23；输入电容C0，插入在输入端子22与列信号线2之间；以及反馈电容器Cf，其将输入端子22连接到输出端子23。基于电容比率C0/Cf来确定信号处理电路20的放大因子。为了改变放大因子，例如，以切换数码照相机的灵敏度设置，仅需要改变比率C0/Cf。为了将放大因子从例如32改变为128，仅需要将C0的值增大四倍或将Cf的值减少到四分之一。
为了改进光检测的灵敏度，信号处理电路20需要高放大因子。这尤其应用于其中归因于光电转换元件（比如光电二极管PD）的尺寸减小而导致输出到列信号线2的信号变得十分弱的情况、或其中具有固态图像传感器1的照相机的灵敏度设置为较高的情况。为了增加信号处理电路20的放大因子，通常必须（1）增加C0的值，（2）减小Cf的值，或（3）增加C0的值并且减小Cf的值。然而，增加电容值可能导致芯片面积的增加，而减小电容值可能导致制造变化。
发明内容
本发明提供一种在抑制芯片面积的增加和制造变化的同时在增加放大因子方面有益的技术。
本发明的一方面提供一种固态图像传感器，包括具有多个像素的像素阵列以及多个信号处理电路，所述多个信号处理电路中的每一个对从像素阵列输出到多个列信号线的信号进行放大，其中，所述多个信号处理电路中的每一个包括：运算放大器，具有输入端子和输出端子；输入电容，布置在输入端子与列信号线之间；以及反馈电路，将输入端子与输出端子进行连接，其中，所述反馈电路被配置为形成反馈路径，在所述反馈路径中，第一电容元件和第二电容元件串行布置在将输入端子连接到输出端子的路径中，并且第三电容元件布置在基准电势与将第一电容元件连接到第二电容元件的路径之间。
根据参照附图的示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清楚。
附图说明
图1是用于解释根据现有技术的固态图像传感器的电路图；
图2是示出用于解释本发明的固态图像传感器的示例的电路图；
图3是示出用于解释本发明的效果的放大变化的图；
图4是示出用于解释本发明的固态图像传感器的示例的电路图；
图5是示出用于解释本发明的固态图像传感器的示例的电路图；以及
图6是示出本发明被应用到的信号处理电路的示例的电路图。
具体实施方式
以下将参照附图描述本发明的实施例。
<第一实施例>
根据第一实施例的信号处理电路包括：运算放大器，具有输入端子和输出端子；输入电容，布置在输入端子与列信号线之间；以及反馈电路，用于将输入端子与输出端子进行连接。反馈电路具有这样的布置：其中，第一电容元件Cf1和第二电容元件Cf2串行布置在将输入端子连接到输出端子的路径中，并且第三电容元件Cf3插入在基准电势和将电容元件Cf1与Cf2连接的路径之间。注意，在反馈电路中，基准电势可以是例如接地电势。
反馈电路可以是例如图2所示的反馈电路34。在反馈电路34中，在连接运算放大器21的输入端子32与输出端子33的路径中串联连接第一电容元件Cf1和第二电容元件Cf2。在反馈电路34中，还在基准电势和连接电容元件Cf1与Cf2的节点之间连接第三电容元件Cf3。
反馈电路34的反馈电容器的组合电容值由以下等式给出：
Cf=(Cf1×Cf2)/(Cf1+Cf2+Cf3) ...(1)
该实施例中的信号处理电路30的放大因子由以下等式给出：
C0/Cf=C0×(Cf1+Cf2+Cf3)/(Cf1×Cf2)...(2)
以下将对图1的信号处理电路20与本实施例的信号处理电路30在将放大因子例如从32改变为128时的面积的增加量彼此在数量上进行比较。将描述这样的情况：其中，认为在基本上不受制造变化影响的情况下可使用的最小电容元件具有0.1pF的电容值。
对于图1的信号处理电路20，例如，如果C0=3.2pF并且Cf＝0.1pF，则不推荐将Cf的值减少到比0.1pF更小的值。因此，可以通过设置C0=12.8pF以及Cf＝0.1pF来获得目标放大因子。另一方面，对于本实施例的信号处理电路30，可以通过设置C0=3.2pF原样不变并且设置Cf1=0.1pF、Cf2=0.1pF以及Cf3=0.2pF而不是用于信号处理电路20的Cf来获得目标放大因子。
也就是说，在不使用具有0.1pF（其为最小电容元件的值）或更小的电容值的电容元件的情况下将放大因子从32改变为128时，对于图1所示的布置，芯片面积可以加宽与通过将C0的值从3.2pF改变为12.8pF而获得的9.6pF的差对应的量。另一方面，在该实施例中，对于具有C0=3.2pF并且具有Cf1=0.1pF、Cf2=0.1pF以及Cf3=0.2pF而非Cf＝0.1pF的信号处理电路30，芯片面积的总增加如0.3pF那样小。在该实施例中，如果C0=1.6pF，则可以使用具有Cf1=0.1pF、Cf2=0.1pF以及Cf3=0.6pF的反馈电路34。这使得能够在把芯片面积的增加抑制与1.2pF对应的量的同时将放大因子从32改变为128。
对于图1所示的布置，为了将放大因子从32改变为128，可以使用将每个都具有0.1pF的电容值的四个电容元件串联连接的方法作为将Cf减少为四分之一的方法。在此情况下，使用四个最小电容元件。因此，从不仅抑制芯片面积的增加而且还抑制制造变化的观点来看，本发明优于图1所示的布置。图3是绘制当放大因子为128时针对输入的信号幅度的制造变化（针对图1所示的布置的标准化值）并且示出其中使用图1所示的布置的情况与其中使用该实施例的布置的情况之间的比较的图。假设这两种布置是通过相同制造工艺在半导体衬底上分别制造的。在此情况下，在该实施例的布置中，放大因子的变化减少到五分之一，如图3所示。此外，如图3所示，随着横坐标上的输入的幅度变得较大，在图1所示的布置中放大器的特性的线性度受到损失并且放大因子恶化，但在本实施例的布置中不恶化。
如上所述，根据该实施例，可以在抑制面积成本和制造变化的同时获得高放大因子。
<第二实施例>
图4是示出根据第二实施例的固态图像传感器4的电路图。固态图像传感器4具有第一模式和第二模式作为操作模式。固态图像传感器4被配置为具有像素阵列10和多个信号处理电路40。例如，在连接运算放大器21的输入端子42与输出端子43的路径中，信号处理电路40中包括的反馈电路44具有以下并行路径：
（1）第一路径，其中，开关131、电容元件Cf1和开关132串联连接；
（2）第二路径，其中，开关231、电容元件Cf2和开关232串联连接；以及
（3）第三路径，其中，开关331、电容元件Cf3和开关332串联连接。
此外，反馈电路44可以包括位于将电容元件Cf1连接到开关132的路径和将电容元件Cf2连接到开关231的路径之间的开关120。反馈电路44还可以包括：位于将电容元件Cf1连接到开关132的路径和将电容元件Cf3连接到开关332的路径之间的开关130、以及位于基准电势和将电容元件Cf3连接到开关331的路径之间的开关140。
其中每个开关为如图4所示的ON（通）或OFF（断）的状态表示第一模式。第二模式表示其中图4所示的每个开关设置为相反状态的状态。在这两种模式下，多个开关的状态被控制为使得在第一模式下形成以下反馈路径：在该反馈路径中电容元件Cf1和Cf2串联连接并且电容元件Cf3连接在基准电势和电容元件Cf1与Cf2之间的节点之间，而在第二模式下不形成该反馈路径。固态图像传感器4可以被配置为包括三个或更多个操作模式并且控制多个开关的状态，由此使得能够在第一模式下形成该反馈路径而在其它模式下不形成该反馈路径。
<第三实施例>
图5是示出根据第三实施例的固态图像传感器5的电路图。固态图像传感器5包括第一模式和第二模式作为操作模式。固态图像传感器5被配置为具有像素阵列10和多个信号处理电路50。在连接运算放大器21的输入端子52与输出端子53的路径中，信号处理电路50中包括的反馈电路54具有并行的第一反馈路径和第二反馈路径。
在第一反馈路径中，开关100、电容元件Cf11以及电容元件Cf12串联连接，电容元件Cf13插入在基准电势与将电容元件Cf11和Cf12进行连接的路径之间。在第二反馈路径中，开关200和电容元件Cf2串联连接。在反馈电路54中，例如，可以通过响应于第一控制信号（未示出）而使开关100导通并且使开关200关断来形成第一反馈路径。此外，在反馈电路54中，例如，可以通过响应于第二控制信号（未示出）而使开关100关断并且使开关200导通来形成第二反馈路径。因此，可以使得在形成第一反馈路径时的信号处理电路50的放大因子与在形成第二反馈路径时的信号处理电路50的放大因子不同。此外，固态图像传感器5可以被配置为包括三个或更多个操作模式并且控制多个开关的状态，由此使得各个操作模式下形成的反馈路径中的放大因子彼此不同。
<第四实施例>
图6是示出根据第四实施例的信号处理电路6的电路图。信号处理电路6包括全差分放大器7、输入电容C0和C1、以及反馈电路66和67。全差分放大器7具有共模电压节点VCOM、输入端子62和63、以及输出端子64和65。输入电容C0布置在输入端子62与列信号线60之间，并且输入电容C1布置在输入端子63与列信号线61之间。反馈电路66将输入端子62与输出端子64进行连接，反馈电路67将输入端子63与输出端子65进行连接。注意，像素阵列与本发明的第一至第三实施例相同，并且因此未示出。
反馈电路66具有第一电容元件Cf311、第二电容元件Cf312以及第三电容元件Cf313。在反馈电路66中，第一电容元件Cf311和第二电容元件Cf312串行布置在将输入端子62连接到输出端子64的路径中。此外，在反馈电路66中，第三电容元件Cf313布置在基准电势和将电容元件Cf311与Cf312进行连接的路径之间。反馈电路67具有第一电容元件Cf321、第二电容元件Cf322、以及第三电容元件Cf323。在反馈电路67中，第一电容元件Cf321和第二电容元件Cf322串行布置在将输入端子63连接到输出端子65的路径中。此外，在反馈电路67中，第三电容元件Cf323布置在基准电势和将电容元件Cf321与Cf322进行连接的路径之间。电容元件Cf313和Cf323可以与作为基准电势的共模电压节点VCOM进行连接。
上面描述的本发明当然可应用于其它放大电路。
作为根据上述实施例中的每一个的固态图像传感器的应用示例，以下将例示包括固态图像传感器的照相机。照相机在概念上不仅包括主要用途是拍照的设备，而且还包括附加地具有拍照功能的设备（例如个人计算机或便携式终端）。照相机包括已经在以上实施例中例示的根据本发明的固态图像传感器、以及用于处理从固态图像传感器输出的信号的处理单元。处理单元可以包括例如A/D转换器、以及用于处理从A/D转换器输出的数字数据的处理器。
虽然已经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。所附权利要求的范围要被赋予最宽泛的解释，从而包括所有这些修改以及等效结构和功能。
Claims (9)
1.一种固态图像传感器，包括具有多个像素的像素阵列、以及多个信号处理电路，所述多个信号处理电路中的每一个对从所述像素阵列输出到多个列信号线的信号进行放大，其中，
所述多个信号处理电路中的每一个包括：
运算放大器，具有输入端子和输出端子，
输入电容，布置在所述输入端子与所述列信号线之间，以及
反馈电路，将所述输入端子与所述输出端子进行连接，其中，
所述反馈电路被配置为形成反馈路径，在所述反馈路径中，第一电容元件和第二电容元件串行布置在将所述输入端子连接到所述输出端子的路径中，第三电容元件布置在基准电势和将所述第一电容元件连接到所述第二电容元件的路径之间。
2.如权利要求1所述的固态图像传感器，其中，
所述反馈电路具有这样的布置：其中，所述第一电容元件与所述第二电容元件串联连接以将所述输入端子与所述输出端子连接，所述第三电容元件连接在基准电势与将所述第一电容元件连接到所述第二电容元件的节点之间。
3.如权利要求1所述的固态图像传感器，其中，
所述固态图像传感器包括第一模式和第二模式作为操作模式，以及
所述反馈电路包括多个开关，所述多个开关被控制为在所述第一模式下形成所述反馈路径，并且在所述第二模式下不形成所述反馈路径。
4.如权利要求1所述的固态图像传感器，其中，
所述反馈电路被配置为：响应于第一控制信号而形成所述反馈路径，以及响应于第二控制信号而形成第二反馈路径，所述第二反馈路径经由电容元件将所述输入端子连接到所述输出端子，以及
形成所述反馈路径时的所述信号处理电路的放大因子不同于形成所述第二反馈路径时的所述信号处理电路的放大因子。
5.如权利要求1所述的固态图像传感器，其中，
所述信号处理电路中的每一个包括：
第一开关，将所述输入端子与所述第一电容元件的一个端子进行连接，
第二开关，将所述输出端子与所述第一电容元件的另一端子进行连接，
第三开关，将所述输入端子与所述第二电容元件的一个端子进行连接，
第四开关，将所述输出端子与所述第二电容元件的另一端子进行连接，
第五开关，将所述输入端子与所述第三电容元件的一个端子进行连接，
第六开关，将所述输出端子与所述第三电容元件的另一端子进行连接，
第七开关，将所述第一电容元件的所述另一端子与所述第二电容元件的所述一个端子进行连接，
第八开关，将所述第一电容元件的所述另一端子与所述第三电容元件的所述另一端子进行连接，以及
第九开关，将所述第三电容元件的所述一个端子与所述基准电势进行连接。
6.如权利要求5所述的固态图像传感器，其中，
所述固态图像传感器包括第一模式和第二模式作为操作模式，
在所述第一模式下，所述第一开关、所述第四开关、所述第七开关、所述第八开关以及所述第九开关导通，以及
在所述第二模式下，所述第二开关、所述第三开关、所述第五开关以及所述第六开关导通。
7.如权利要求1所述的固态图像传感器，其中，
所述运算放大器是全差分运算放大器，
所述反馈电路在所述运算放大器的反相输入端子与非反相输出端子之间形成所述反馈路径，以及
所述信号处理电路中的每一个还包括：第二反馈电路，用于形成反馈路径，在该反馈路径中，第四电容元件和第五电容元件串行布置在所述运算放大器的非反相输入端子与反相输出端子之间在将所述非反相输入端子连接到所述反相输出端子的路径中，并且第六电容元件布置在基准电势与将所述第四电容元件连接到所述第五电容元件的路径之间。
8.如权利要求7所述的固态图像传感器，其中，
所述基准电势是所述全差分运算放大器的共模电势。
9.一种照相机，包括：
如权利要求1至8中任一项所述的固态图像传感器；以及
处理单元，处理从所述固态图像传感器输出的信号。
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