CN102905088B - 固态成像装置 - Google Patents

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Abstract

一种固态成像装置，包括：多个矩阵像素，用于生成斜坡信号的基准信号生成器，用于根据斜坡信号输出来执行计数的计数器，以及针对每个像素列被布置以用于通过对来自像素的像素信号与斜坡信号进行比较来执行AD转换的AD转换器。此外，AD转换器包括：输入像素信号和基准信号的比较器，用于存储AD转换结果的存储装置，以及斜率转换器，该斜率转换器在基准信号生成器的输出端子与比较器的输入端子之间，用于改变斜坡信号的梯度以使得在斜坡信号上叠加的噪声根据斜坡信号的梯度而改变。因此，可以防止在斜坡信号中生成水平线路噪声。

Description

固态成像装置
技术领域
本发明涉及一种提供AD（模数）转换电路的固态成像装置。
背景技术
具有AD转换电路的固态成像装置（诸如CMOS（互补金属氧化物半导体）图像传感器等）用于图像输入设备（诸如数码相机等）。作为固态成像装置中包括的AD转换电路，存在通过对每列的像素信号与公共斜坡信号（基准信号）进行比较来获得数字数据的AD转换电路。对于使用斜坡信号的AD转换电路，已经公开了一种高分辨率AD转换技术，其通过使用具有不同时间变化速率的低阶位斜坡信号和高阶位斜坡信号来执行两步AD转换（日本专利申请公开No.2002-232291）。此外，通过改变从单一斜率AD转换电路中的斜坡信号源输出的斜坡信号的梯度来使得AD转换增益可变。
然而，当在AD转换电路中使用多个斜坡信号时，单个斜坡信号的精度和斜坡信号之间的相对精度导致AD转换误差。此外，当通过减少斜坡信号的斜率来增大AD转换增益时，对于每个像素行可能观察到线路噪声(line noise)，这是由于在斜坡信号源的输出缓冲级处生成的噪声不取决于斜坡信号的梯度。
发明内容
本发明是在考虑上述问题的情况下完成的，并且可以甚至当通过改变斜坡信号的梯度来改变AD转换增益时减少线路噪声的生成。
根据本发明一方面的固态成像装置包括：多个像素，被布置为矩阵，多个像素中的每一个都包括光电转换元件；基准信号生成电路，被配置为生成信号电平随着时间的过去而改变的基准信号；计数器电路，被配置为根据基准信号的改变来执行计数操作；以及AD转换电路，针对像素的每一列而被布置，被配置为通过对从像素传送来的像素信号与基准信号进行比较来对像素信号执行模数转换，其中，AD转换电路包括：比较器，具有输入像素信号的第一输入端子和输入基准信号的第二输入端子；存储单元，被配置为当比较器的输出反转时存储计数器电路的计数值；以及斜率转换电路，包括在基准信号生成电路的输出端子与比较器的第二输入端子之间连接的第一电容器以及在比较器的第二输入端子与基准电压之间连接的第二电容器。
根据参照附图对示例性实施例的以下描述，本发明的更多特征将变得清楚。
附图说明
图1是示出根据本发明实施例的固态成像装置的构成的示例的框图。
图2是示出根据本发明第一实施例的比较单元的示例的电路图。
图3是示出根据本发明实施例的像素的示例的电路图。
图4是示出根据本发明第一实施例的信号波形的时序图。
图5是示出根据本发明第二实施例的比较单元的示例的电路图。
图6是示出根据本发明第三实施例的比较单元的示例的电路图。
图7是示出根据本发明第三实施例的信号波形的时序图。
具体实施方式
下文中，将参照附图详细描述本发明的优选实施例。
（第一实施例）
下文中，将描述本发明的第一实施例。
图1是示出根据本发明第一实施例的固态成像装置的构成的示例的框图。在此，固态成像装置包括像素单元1、放大电路2、比较单元3、基准信号生成电路4、存储单元5、计数器电路6、水平扫描电路7、垂直扫描电路8和信号处理电路9。更具体地说，在像素单元1中，包括光电转换元件的多个像素被布置为矩阵（也就是说，在行方向和列方向上）。放大电路2、比较单元3和存储单元5被针对每一列布置，从而与像素单元1的每一列对应。在此，应该注意，针对每一列一起提供的放大电路2、比较单元3和存储单元5构成对从像素单元1中的像素传送来的像素信号执行模数转换的AD转换电路。
像素单元1中提供的像素中的每一个包括例如光电转换元件（光电二极管）30和四个MOS（金属氧化物半导体）晶体管31、32、33和34，如图3所示。在此，光电转换元件30通过光电转换来生成电荷。MOS晶体管31是要被用于读取由光电转换元件30累积的电荷的转移晶体管，其导通/不导通（通/断）响应于信号PTX而受控。MOS晶体管32是要被用于复位浮置扩散FD的复位晶体管，其导通/不导通（通/断）响应于信号PRES而受控。
MOS晶体管33是要被用于放大浮置扩散FD中的电荷并且将放大的电荷转换为信号电压的源级跟随器晶体管。此外，MOS晶体管34是要被用于通过控制源级跟随器的输出与像素信号输出线35之间的连接来选择在矩阵中布置的像素的行的行选择晶体管，其导通/不导通（通/断）响应于信号PSEL而受控。此外，放大电路2中提供的恒定电流源36是源级跟随器恒定电流源。
放大电路2放大从像素单元1读取的像素信号。然后，由放大电路2放大的像素信号和由基准信号生成电路4生成并且通过信号线10提供的斜坡信号VRMP（未示出）被输入到比较单元3。在此，包括差分输入比较器的比较单元3对输入的像素信号的电压的幅度与输入的斜坡信号VRMP的电压的幅度进行比较，然后当信号电压的幅度关系反转时将输出电平从高电平转变为低电平或从低电平转变为高电平。
共同连接到多个比较单元3的基准信号生成电路4生成充当基准信号的斜坡信号。在此，应该注意，斜坡信号是其信号电平（即信号的幅度）仅随着时间的过去而改变的信号。例如，斜坡信号是其输出电压仅随着时间的过去而减少或增加的信号。公共连接到多个列的存储单元5的计数器电路6根据充当从基准信号生成电路4传送来的基准信号的斜坡信号的输出而执行计数操作，并且基于计数操作而输出计数值。换句话说，计数器电路6在充当基准信号的斜坡信号正从基准信号生成电路4输出的时段（即斜坡信号正改变的时段）期间执行计数操作，并且基于计数操作而输出计数值。存储单元5在对应比较单元3的输出电势反转的时刻把从计数器电路6输出的计数值存储为数字数据。
存储单元5可以存储两种数据，即像素信号的基准信号N和有效信号S（都未示出），作为数字数据。当在存储单元中存储这两种数据时，后级信号处理电路9执行（S-N）的差处理。顺便提及，如果使用具有向下模式功能和向上模式功能的计数器电路6，则计数结果等同于（S-N）的差处理的结果，由此存储单元5仅必须能够存储一种数据。
水平扫描电路7针对每一列将存储单元5中存储的数字数据依次传送到信号处理电路9。在此，在正确地选择像素单元1的像素行的同时执行从像素读取像素信号的一系列操作。顺便提及，应该注意，图1中省略了提供每个电路所需的脉冲并且控制其生成时序的电路。
图2是示出根据本发明第一实施例的比较单元3的电路构成的示例的电路图。在第一实施例中，比较单元3包括：差分输入比较器20，输入电容器C21，用于调整斜坡信号的斜率的电容器C22和C23，以及分别用于对电容器C22和C23执行连接控制的开关24和25。
差分输入比较器20的第一输入端子连接到放大电路2，差分输入比较器20的第二输入端子通过输入电容器（第一电容器）C21连接到信号线10。信号线10的一端连接到生成充当基准信号的斜坡信号的基准信号生成电路4的输出端子。此外，其中电容器（第二电容器）C22和开关（第一开关）24串联连接的第一串联电路被连接在差分输入比较器20的第二输入端子与基准电压之间。此外，其中电容器（第三电容器）C23和开关（第二开关）25串联连接的第二串联电路被连接在差分输入比较器20的第二输入端子与信号线10之间。
在此，应该注意，输入电容器C21、电容器C22和C23以及开关24和25一起构成改变充当基准信号的斜坡信号的斜率的基准信号斜率转换电路。在该实施例中，基准信号斜率转换电路连接在基准信号生成电路4的输出端子与差分输入比较器20的第二输入端子之间，从基准信号生成电路4输出的斜坡信号的斜率受控于基准信号斜率转换电路，斜坡信号然后被输入到差分输入比较器20。随后，通过执行各个开关24和25的通/断控制来执行用于电容器C22和C23的连接控制，然后通过连接的电容器C22和C23以及输入电容器C21基于连接控制来执行电容量划分，由此改变从基准信号生成电路4输出的斜坡信号的斜率。
根据开关24和25的控制，要通过信号线26输入到差分输入比较器20的斜坡信号RMP的斜率可以通过以下表达式（1）、（2）和（3）表示。在以下描述中，标记RMPA表示当开关24和25都关断时要输入到差分输入比较器20的斜坡信号RMP的斜率，标记RMPB表示当开关24和25都接通时要输入到差分输入比较器20的斜坡信号RMP的斜率，以及标记RMPC表示当开关24接通而开关25关断时要输入到差分输入比较器20的斜坡信号RMP的斜率。此外，在以下表达式中，假设标记VRMP表示要从基准信号生成电路4输出的斜坡信号VRMP的斜率，标记C21、C22和C23分别表示输入电容器C21以及电容器C22和C23的电容值。顺便提及，为了简化描述，在以下表达式中省略每个端子的寄生电容。
RMPA=VRMP    …(1)
RMPB=VRMP×(C21+C23)/(C21+C22+C23)    …(2)
RMPC=VRMP×C21/(C21+C22)    …(3)
随后，将描述根据第一实施例的固态成像装置的操作。图4是示出根据本发明第一实施例的信号波形的时序图。更具体地说，所示时序图表示与一个像素行对应的像素的电路操作和基准信号生成电路的操作。顺便提及，虽然在图4中省略，但与从其读取像素信号的行对应的信号PSEL被设置为高电平。通过复位像素单元1获得的复位信号和在复位信号上叠加的光电转换信号被从像素单元1读取作为像素信号。
首先，因为信号PRES的电平改变为高电平，所以复位MOS晶体管32变为导通，由此复位浮置扩散FD。随后，因为信号PRES的电平改变为低电平，所以复位MOS晶体管32变为关断，由此通过放大电路2输出复位信号。然后，在时段T1中对输出的复位信号执行第一AD转换处理。在第一AD转换处理中，当要输入到差分输入比较器20的斜率受控斜坡信号RMP和复位信号的幅度关系反转时，比较单元3的输出电平从高电平转变为低电平或从低电平转变为高电平。在比较单元3的输出电势反转的时刻存储单元5把从计数器电路6输出的计数值存储为第一数字数据。
随后，在完成第一AD转换处理之后，在像素单元1中信号PTX的电平改变为高电平，光电转换元件30中累积的电荷被传送到浮置扩散FD，由此从放大电路2输出像素信号。与复位信号的情况相似，在时段T2中对输出的像素信号执行第二AD转换处理。然后，在要输入到差分输入比较器20的斜坡信号RMP与像素信号的幅度关系反转并且比较单元3的输出电势反转的时刻，存储单元5把从计数器电路6输出的计数值存储为第二数字数据。
每一列的存储单元5中分别存储的第一数字数据和第二数字数据然后被水平扫描电路7传送到信号处理电路9，信号处理电路9执行第一数字数据与第二数字数据之间的差处理，由此消除各个列的比较单元3的特性的变化。顺便提及，差处理可以不由信号处理电路9执行。在此情况下，可以在固态成像装置外部执行包括差处理等的信号处理。
在以上描述的第一AD转换处理和第二AD转换处理中的每一个中，基于从像素传送来的信号（即复位信号、像素信号）和要输入到差分输入比较器20的斜坡信号RMP的梯度来确定作为处理结果而获得的数字数据的值。如图4所示，通过正确地控制开关24和25，要输入到差分输入比较器20的斜坡信号RMP的梯度是可变的，如以上表达式（1）、（2）和（3）表示的那样。因此，例如，即使存在归因于芯片个体差别引起的变化，也可以调整梯度。
（第二实施例）
随后，下文中将描述本发明的第二实施例。
除了比较单元之外，根据第二实施例的固态成像装置与根据第一实施例的固态成像装置相同。因此，该实施例中将仅描述与第一实施例不同的部分。图5是示出根据本发明的第二实施例的比较单元3的示例的电路图。在此，应该注意，在图5中，具有与图2所示的构成元件相同的功能的构成元件分别由对应的相同标记和数字表示，将省略其描述以免重复。
在第二实施例的比较单元3中，差分输入比较器20的第一输入端子通过电容器（第四电容器）C50连接到放大电路2，差分输入比较器20的第二输入端子通过输入电容器（第一电容器）C21连接到信号线10。此外，由电容器（第五电容器）C52和在任何时间都处于非导通状态的MOS晶体管54构成的哑元电路（第三串联电路）被连接到差分输入比较器20的第一输入端子。电容器C52的第一电极连接到差分输入比较器20的第一输入端子，其第二电极连接到MOS晶体管54的漏极。MOS晶体管54的栅极和源级连接到预定电势（例如基准电压）。此外，其中用于构成电容量划分并且调整斜坡信号的斜率的电容器（第二电容器）C51和开关（第一开关）53串联连接的串联电路（第一串联电路）被连接在差分输入比较器20的第二输入端子与基准电压之间。在此，响应于信号PADJ来控制开关53的导通/不导通（通/断）。
通过控制开关53的通/断来改变电容量划分比率，由此改变要输入到差分输入电容器20的斜坡信号RMP的斜率。此外，通过提供由电容器C52和处于非导通状态的MOS晶体管54构成的哑元电路，在开关53关断时保持差分输入电容器20的两个输入部分的对称性。
（第三实施例）
随后，下文中将描述本发明的第三实施例。
除了比较单元之外，根据第三实施例的固态成像装置与根据第一实施例的固态成像装置相同。因此，该实施例中将仅描述与第一实施例不同的部分。图6是示出根据本发明的第三实施例的比较单元3的示例的电路图。在此，应该注意，在图6中，具有与图2所示的构成元件相同的功能的构成元件分别由对应的相同标记和数字表示。在第三实施例中，比较单元3包括：差分输入比较器20，输入电容器C21，用于调整斜坡信号的斜率的电容器C60和C61，以及分别用于对电容器C60和C61执行连接控制的开关62和63。
在第三实施例的比较单元中，差分输入比较器20的第一输入端子连接到放大电路2，差分输入比较器20的第二输入端子通过输入电容器（第一电容器）C21连接到信号线10。信号线10的一端连接到生成充当基准信号的斜坡信号的基准信号生成电路4的输出端子。此外，其中电容器（第二电容器）C60和开关（第一开关）62串联连接的串联电路（第一串联电路）被连接在差分输入比较器20的第二输入端子与基准电压之间。此外，其中电容器（第二电容器）C61和开关（第一开关）63串联连接的串联电路（第一串联电路）连接在差分输入比较器20的第二输入端子与基准电压之间。也就是说，两个串联电路并联连接在差分输入比较器20的第二输入端子与基准电压之间。
在此，应该注意，输入电容器C21、电容器C60和C61以及开关62和63一起构成改变充当基准信号的斜坡信号的斜率的基准信号斜率转换电路。在基准信号生成电路4的输出端子与差分输入比较器20的第二输入端子之间连接的基准信号斜率转换电路控制从基准信号生成电路4输出的斜坡信号的斜率，斜坡信号然后被输入到差分输入比较器20。随后，通过执行各个开关62和63的通/断控制来执行用于电容器C60和C61的连接控制，然后通过连接的电容器C60和C61以及输入电容器C21基于连接控制来执行电容量划分，由此改变从基准信号生成电路4输出的斜坡信号的斜率。
根据开关62和63的控制，要通过信号线26输入到差分输入比较器20的斜坡信号RMP的斜率可以由以下表达式（4）、（5）和（6）表示。在以下描述中，标记RMPD表示当开关62和63都关断时（当设置增益×1时）要输入到差分输入比较器20的斜坡信号RMP的斜率，标记RMPE表示当开关62导通而开关63关断时（当设置增益×2时）要输入到差分输入比较器20的斜坡信号RMP的斜率，标记RMPF表示当开关62和63都导通时（当设置增益×4时）要输入到差分输入比较器20的斜坡信号RMP的斜率。在此，假设电容器C21、C60和C61的电容值的比率是1:1:2。此外，在以下表达式中，假设标记VRMP表示要从基准信号生成电路4输出的斜坡信号VRMP的斜率。顺便提及，为了简化描述，在以下表达式中省略每个端子的寄生电容。
RMPD=VRMP×(1)    …(4)
RMPE=VRMP×(1/2)    …(5)
RMPF=VRMP×(1/4)    …(6)
图7是示出根据本发明的第三实施例的信号波形的时序图。更具体地说，所示时序图表示与一个像素行对应的像素的电路操作和基准信号生成电路的操作。顺便提及，由于第三实施例中的像素的电路操作和基准信号生成电路的操作与第一实施例中的像素的电路操作和基准信号生成电路的操作相同，因此将省略这些操作的描述。
在第三实施例中，如图7所示，通过正确地控制开关62和63，要输入到差分输入比较器20的斜坡信号RMP的梯度是要从基准信号生成电路4输出的斜坡信号VRMP的1倍、（1/2）倍和（1/4）倍。通过改变要输入到差分输入比较器20的斜坡信号的梯度，要经受AD转换的数字数据变为等于一倍（时段T3）、两倍（时段T4）和四倍（时段T5）。此时，与斜坡信号的梯度类似地，在要输入到差分输入比较器20的斜坡信号RMP上叠加的噪声的幅度改变为一倍、（1/2）倍和（1/4）倍。因此，即使在通过改变斜坡信号的梯度来调整增益的情况下，也可以获得优异的AD转换精度。此外，因为在斜坡信号上叠加的噪声与斜坡信号的梯度类似地改变，所以可以抑制水平线路噪声的生成。
顺便提及，应该注意，上述第一实施例至第三实施例的各个比较单元3中提供的电容器中的每一个是例如扩散电容器、MIN（金属-绝缘体-金属）电容器、多晶硅构成的电容器等。此外，虽然图1示出其中仅在像素单元1的下侧提供电路（诸如放大电路2、比较单元3等）的构成作为根据本发明的实施例的固态成像装置的示例，但本发明不限于有关的构成。也就是说，可以采用这样的构成：其中，还在像素单元1的上侧提供与在像素单元1的下侧提供电路相同的电路。在此情况下，期望确定把每一列的像素信号读取到像素单元的上侧还是像素单元的下侧。此外，在以上实施例中的每一个中，虽然作为示例描述了其中对于每一列提供存储单元5并且提供公共地连接到多个列的存储单元5的计数器电路6的构成，但本发明不限于有关的构成。也就是说，例如，可以采用其中对于每一列提供计数器电路6的构成。
顺便提及，所有以上实施例仅示出在执行本发明的情况下的具体化示例。也就是说，本发明的技术范围不一定解释为由这些实施例限制的范围。也就是说，在不脱离本发明的技术构思或其主要特征的情况下，可以通过各种方式来执行本发明。
固态成像装置可以应用于例如扫描仪、摄像机、数码相机等。
虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但应当理解，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 (8)

1.一种固态成像装置，包括：
多个像素，被布置为矩阵，所述多个像素中的每一个都包括光电转换元件；
基准信号生成电路，针对所述像素的多个列而被共同布置，所述基准信号生成电路被配置为生成信号电平随着时间的过去而改变的基准信号；
计数器电路，被配置为根据所述基准信号的改变来执行计数操作；以及
模数转换电路，针对所述像素的每一列而被布置，所述模数转换电路被配置为通过对从所述像素传送来的像素信号与所述基准信号进行比较来对所述像素信号执行模数转换，
其中，所述模数转换电路包括：
比较器，具有与像素的列连接以输入所述像素信号的第一输入端子和与基准信号生成电路连接以输入所述基准信号的第二输入端子，
存储单元，被配置为当所述比较器的输出反转时存储所述计数器电路的计数值，以及
斜率转换电路，包括在所述基准信号生成电路的输出端子与所述比较器的第二输入端子之间连接的第一电容器、在所述比较器的第二输入端子与基准电压之间连接的至少一个第二电容器以及第一开关，第一开关被配置为经由所述至少一个第二电容器电气分离所述比较器的第二输入端子和所述基准电压之间的连接。
2.如权利要求1所述的固态成像装置，其中，所述至少一个第二电容器包括多个第二电容器，所述多个第二电容器并联连接在所述比较器的第二输入端子与所述基准电压之间。
3.如权利要求2所述的固态成像装置，其中，所述第一开关被配置为经由所述多个第二电容器的至少一部分电气分离所述比较器的第二输入端子和所述基准电压之间的连接。
4.如权利要求1所述的固态成像装置，还包括第三电容器，
其中，所述第三电容器与所述第一电容器并联连接在所述基准信号生成电路的输出端子与所述比较器的第二输入端子之间。
5.如权利要求4所述的固态成像装置，还包括：
第四电容器，连接到所述比较器的第一输入端子，来自所述像素的像素信号被提供给所述第四电容器；以及
第五电容器，连接到所述比较器的第一输入端子。
6.如权利要求5所述的固态成像装置，其中：
所述第一开关包括第一晶体管，所述第一晶体管与所述第二电容器串联地被提供；以及
所述斜率转换电路还包括第二晶体管，所述第二晶体管与所述第五电容器串联地被提供，
其中，保持所述第二晶体管的不导通状态。
7.如权利要求6所述的固态成像装置，其中，所述第二晶体管的控制电极和一个主电极短路。
8.一种成像系统，包括如权利要求1所述的固态成像装置。
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