CN103002228A - 固态成像装置和用于驱动固态成像装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及固态成像装置和用于驱动固态成像装置的方法。固态成像装置包括：用于分别在第一模拟-数字转换时段和第二模拟-数字转换时段中生成第一和第二时间改变的斜坡信号的斜坡信号生成器；用于在第一模拟-数字转换时段中比较像素的复位信号与第一斜坡信号并在第二模拟-数字转换时段中比较像素信号与第二斜坡信号的比较器；和在第一和第二模拟-数字转换时段中存储从改变第一和第二斜坡信号的开始直到比较器的输出的反转的计数的计数值作为第一和第二数字数据的存储器，其中，斜坡信号生成器通过开关的采样和保持操作将来自电流生成器的电流供给到第一电容器元件，并且，基于由第一电容器元件保持的相同的偏置电压生成第一和第二斜坡信号。

Description

固态成像装置和用于驱动固态成像装置的方法

技术领域

本发明涉及固态成像装置和用于驱动固态成像装置的方法。

背景技术

包括模拟-数字（AD）转换电路的CMOS图像传感器被用于诸如数字照相机的图像输入装置中。AD转换电路比较图像信号与基准信号以获得数字数据。作为基准信号，在日本专利申请公开No.2009-33305中描述了具有时间改变的信号电平并且通过控制电容器元件的充电电流生成的斜坡信号。

发明内容

但是，叠加在对于设置在各列中的AD转换电路共同提供的斜坡信号上的噪声表现为图像上的带状噪声。在日本专利申请公开No.2009-33305中公开的斜坡信号（基准电压）生成电路中，从外部供给基准电压或者从内置的带隙基准电压生成的基准电流包含噪声分量。与用基准电流将电容器充电对应的电压变为斜坡信号，并且，此时，特别是由于噪声的低频分量的影响，斜坡信号的斜率根据行改变，并且，斜率之间的差异被检测为图像上的带状噪声。

根据本发明的方面，一种固态成像装置包括：包含按矩阵布置的用于光电转换的多个像素的像素单元；用于在第一模拟-数字转换时段中生成第一时间改变的斜坡信号并用于在第二模拟-数字转换时段中生成第二时间改变的斜坡信号的斜坡信号生成器；分别与矩阵的各列对应地布置的多个比较器；和分别与矩阵的各列对应地布置的多个存储器，其中，所述比较器在第一模拟-数字转换时段中比较第一时间改变的斜坡信号与根据像素的复位的解除（release）的信号，并且在第二模拟-数字转换时段中比较第二时间改变的斜坡信号与根据像素的光电转换的信号，存储器在第一模拟-数字转换时段中存储从改变第一斜坡信号的开始直到比较器的输出的反转的计数的计数值作为第一数字数据，存储器在第二模拟-数字转换时段中存储从改变第二斜坡信号的开始直到比较器的输出的反转的计数的计数值作为第二数字数据，并且，斜坡信号生成器将来自电流生成器的电流供给到第一电容器元件，并且，在单个定时基于由第一电容器元件保持的偏置电压生成第一和第二斜坡信号。

由于在单个定时基于由第一电容器元件保持的相同的偏置电压生成第一和第二斜坡信号，因此，抑制图像上的带状噪声。

从参照附图对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示出根据本发明的第一实施例的固态成像装置的电路配置例子。

图2示出本发明的第一实施例中的斜坡信号生成器的配置例子。

图3示出本发明的第一实施例中的像素单元的配置例子。

图4是斜坡信号生成器和像素单元的驱动定时图。

图5示出本发明的第二实施例中的斜坡信号生成器的配置例子。

图6示出本发明的第三实施例中的斜坡信号生成器的配置例子。

具体实施方式

现在将根据附图详细描述本发明的实施例。

第一实施例

图1示出根据本发明的第一实施例的固态成像装置的电路配置例子。固态成像装置包括像素单元1、放大器电路2、比较器3、斜坡信号生成器4、存储器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。像素单元1包含按二维矩阵布置的多个像素，并且通过光电转换生成信号。各像素通过光电转换元件的光电转换生成模拟像素信号。对于像素单元1的各列布置放大器电路2，并且，放大器电路2放大像素单元1的信号。斜坡信号生成器4与多个比较器3共同连接，并且提供斜坡信号。如图4所示，斜坡信号VRAMP是时间改变的斜坡类型信号。比较器3包含差分输入比较器，对于像素单元1的各列被布置，并且比较放大器电路2的输出信号与斜坡信号。计数器电路6与多个列中的存储器5共同连接，并且，当开始斜坡信号的生成时开始计数。对于各列布置存储器5。比较器3比较放大器电路2的输出信号与由斜坡信号生成器4生成的斜坡信号。当放大器电路2的输出信号与斜坡信号之间的电势的大小关系反转时，比较器3的输出从高电平转变到低电平或者从低电平转变到高电平。在该转变定时，存储器5存储从计数器电路6输出的计数器值作为数字数据。所述数字数据是像素信号的模拟-数字转换数据。存储于各列中的存储器5中的数字数据通过从水平扫描电路7输出的信号被依次传送到信号处理电路9。信号处理电路9执行信号处理以输出信号。存储器5存储用于基准信号的数字数据和用于图像信号的数字数据。根据配置，可存储于存储器5中的数据的数量可以是一个或更多个。可在适当地选择像素单元1的像素行的同时由垂直扫描电路8执行这一系列的操作。

图2示出本发明的第一实施例中的斜坡信号生成器4的电路配置例子。恒定电流生成器20在固态成像装置外部或内部生成基准电流，并且，基准电流被供给到电流镜电路（current mirror circuit）。电流镜电路包含第一NMOS晶体管（第一晶体管）21和第二NMOS晶体管（第二晶体管）22，第一NMOS晶体管（第一晶体管）21具有连接的漏极端子和栅极端子并供给偏置电压，第二NMOS晶体管（第二晶体管）22在栅极端子处接收偏置电压。电流生成器20与第一NMOS晶体管21的漏极端子和栅极端子连接。第一电容器元件26被连接于第二NMOS晶体管22的栅极端子与源极端子之间。开关NMOS晶体管27被连接在第一NMOS晶体管21的栅极端子与第二NMOS晶体管22的栅极端子之间。第二电容器元件23与第二NMOS晶体管22的漏极端子和缓冲器电路25的输入端子连接，将第二NMOS晶体管22的漏极端子的输出电流转换成电压，并且生成斜坡电压。复位PMOS开关24通过信号PRMP-RSTB将在第二电容器元件23中蓄积的电荷复位。缓冲器电路25缓冲通过第二电容器元件23生成的斜坡电压，并且将时间改变的斜坡信号VRAMP输出。第一电容器元件26和开关NMOS晶体管27是用于通过信号PCL_RBIAS采样和保持NMOS晶体管22的栅极端子处的偏置电压的采样和保持开关。

图3是像素单元1内的包括光电转换元件30和四个晶体管的一个像素的示意性电路图。附图标记30表示光电转换元件。附图标记31表示复位MOS晶体管。附图标记32表示选择MOS晶体管。附图标记33表示像素信号输出线。附图标记34表示源极跟随器恒定电流生成器。附图标记35表示源极跟随器MOS晶体管。附图标记36表示传送MOS晶体管。光电转换元件30为例如光电二极管，并且通过光电转换生成电信号。传送MOS晶体管36在信号PTX达到高电平时被接通，并且将光电转换元件30的信号传送到浮置扩散FD。选择MOS晶体管32在信号PSEL达到高电平时被接通，并且连接源极跟随器MOS晶体管35的源极端子与像素信号输出线33。源极跟随器MOS晶体管35放大浮置扩散FD的电压，并且从源极端子输出电压。复位MOS晶体管31在信号PRES达到高电平时被接通，并且将浮置扩散FD和/或光电转换元件30的电压复位。放大器电路2包含与像素信号输出线33连接的源极跟随器恒定电流生成器34。

图4是用于描述图3中的像素的电路操作和图2中的斜坡信号生成器4的电路操作的一个像素行的定时图。图3中的像素选择信号PSEL在与用于读取像素信号的行对应时达到高电平，这在图4中的定时图中被省略。在一个行操作的开始，斜坡信号生成器4通过信号PCL_RBIAS的高电平脉冲接通开关NMOS晶体管27。因此，斜坡信号生成器4执行从恒定电流生成器20供给的电流的值和由电流镜NMOS晶体管21确定的斜坡电流的偏置电压的采样和保持操作。具体而言，开关NMOS晶体管27在信号PCL_RBIAS的高电平时被接通，以将斜坡电流的偏置电压采样并在第一电容器元件26中蓄积偏置电压。然后，开关NMOS晶体管27在信号PCL_RBIAS的低电平处被关断，并且，通过第一电容器元件26保持用于斜坡电流的偏置电压。可几个行一次或隔一行一次地执行采样和保持操作。即使在来自电流生成器20的基准电流上叠加噪声，第一电容器元件26也保持用于斜坡电流的偏置电压，由此偏置电压变为固定电压。因此，后面描述的来自像素的基准信号41和像素信号42的模拟-数字转换中的斜坡信号具有相同的斜率，由此减少图像上的带状噪声。

电流镜NMOS晶体管22将由采样和保持的偏置电压确定的斜坡电流供给到第二电容器元件23。在执行AD转换操作之前的时段T1中，控制信号PRMP_RSTB处于低电平，复位PMOS开关24被接通，并且，第二电容器元件23被复位到斜坡基准电压VREF。在像素单元1中，在读取时，在时间t1，信号PRES达到高电平，复位晶体管31被接通，并且，浮置扩散FD被复位到电压VDD。然后，信号PRES变为低电平，复位晶体管31被关断，并且，像素单元1中的像素的解除复位中的像素的信号（以下，称为基准信号）41被输出到放大器电路2的下游的像素信号输出线33。解除复位的时间不限于像素的解除复位的时间。解除复位的时间在放大器被插入在像素与模拟-数字转换电路之间时可以是例如放大器的解除复位的时间，或者，在输入/输出端子被复位时可以是比较器3的输入/输出端子的解除复位的时间。在第一模拟-数字转换时段T2中执行基准信号41的第一模拟-数字转换。在第一模拟-数字转换时段T2的早期阶段中，信号PRMP_RSTB达到高电平，复位PMOS开关24被关断，并且，第二电容器元件23的复位被解除。然后，具有由第二电容器元件23和从NMOS晶体管22供给的斜坡电流确定的斜率的斜坡信号从斜坡基准电压VREF被充电到第二电容器元件23。缓冲器电路25缓冲斜坡信号，并且生成时间改变的第一斜坡信号VRAMP。比较器3比较从缓冲器电路25输出的第一斜坡信号VRAMP与基准信号41，并且，当信号之间的电势的大小关系反转时，来自比较器3的输出信号以反转的方式从高电平转变到低电平或者从低电平转变到高电平。在比较器3的输出电势的该转变定时，存储器5存储从计数器电路6输出的计数器值作为第一数字数据。第一数字数据是从改变第一斜坡信号VRAMP的开始直到比较器3的输出电势的反转的计数的计数值以及基准信号41的模拟-数字转换数据。

然后，为了对于光电转换信号执行第二AD转换，在时间t2，信号PRMP_RSTB变为低电平，复位PMOS开关24被接通，并且，第二电容器元件23被复位为斜坡基准电压VREF。然后，在像素单元1中，信号PTX达到高电平，传送MOS晶体管36被接通，并且，在光电转换元件30中蓄积的电荷被传送到浮置扩散FD。此时，在放大器电路2的下游的像素信号输出线33上，光电转换元件30的光电转换信号叠加在基准信号41上，并且作为像素信号42被输出。像素信号42是输出像素单元1中的像素的像素信号时的像素的信号。在第二模拟-数字转换时段T3中，如在第一模拟-数字转换时段T2中那样，信号PRMP_RSTB达到高电平，执行像素信号42的第二AD转换，并且，第二数字数据被存储于存储器5中。具体而言，缓冲器电路25生成时间改变的第二斜坡信号VRAMP。比较器3比较由缓冲器电路25生成的第二斜坡信号VRAMP与像素信号42，并且，当信号之间的电势的大小关系反转时，来自比较器3的输出信号从高电平转变到低电平或者从低电平转变到高电平。在比较器3的输出电势的该转变定时，存储器5存储从计数器电路6输出的计数器值作为第二数字数据。第二数字数据是从改变第二斜坡信号VRAMP的开始直到比较器3的输出电势的反转的计数的计数值以及像素信号42的模拟-数字转换数据。

存储于各列中的存储器5中的第一和第二数字数据通过水平扫描电路7被传送到信号处理电路9。此时，通过由从采样和保持的相同的偏置电压生成的电流确定的斜坡信号AD转换第一和第二数字数据。斜坡信号生成器4根据信号PCL_RBIAS的高电平脉冲由开关27的采样和保持操作向第一电容器元件26供给来自电流生成器20的电流。然后，斜坡信号生成器4基于由第一电容器元件26保持的相同的偏置电压在第一模拟-数字转换时段T2中生成第一斜坡信号VRAMP和在第二模拟-数字转换时段T3中生成第二斜坡信号VRAMP。即使噪声叠加在来自电流生成器20的基准电流上，第一电容器元件26也保持用于斜坡电流的偏置电压，由此，偏置电压变为固定电压。因此，基准信号41和像素信号42的模拟-数字转换中的斜坡信号具有相同的斜率，由此减少图像上的带状噪声。信号处理电路9通过第一和第二数字数据的相关双重采样（CDS）输出第一和第二数字数据的差异。因此，可从像素信号42去除复位中的基准信号41的分量，由此特别减少暗信号附近的明显的带状噪声。可以在固态成像装置外部而不是在信号处理电路9中执行第一和第二数字数据之间的差异处理。

第二实施例

图5示出根据本发明的第二实施例的斜坡信号生成器4的电路配置例子。现在，将描述本实施例与第一实施例之间的不同。作为图2中的电路中的NMOS晶体管22、第二电容器元件23和PMOS开关24的替代，图5中的电路包括多个电流镜NMOS晶体管50、多个开关MOS晶体管51和电阻器元件52。在图5中，与图2相同的附图标记表示相同的部件，并且，其描述将被省略。第二NMOS晶体管50与图2中的第二NMOS晶体管22对应。多个开关MOS晶体管51分别与多个第二NMOS晶体管50连接。多个第二NMOS晶体管50与多个开关MOS晶体管开关51的串联连接电路被连接于基准电势节点与缓冲器电路25的输入端子之间。第一电容器元件26的偏置电压被输入到多个第二NMOS晶体管50的栅极端子，以向电阻器元件52供给斜坡电流。电阻器元件52通过开关MOS晶体管51与第二NMOS晶体管50连接，与缓冲器电路25的输入端子连接，将第二NMOS晶体管50的输出电流转换成电压，并且生成斜坡电压。缓冲器电路25缓冲由电阻器元件52生成的斜坡电压，并且输出斜坡信号VRAMP。斜坡信号生成器4可通过切换多个开关MOS晶体管51改变与缓冲器电路25的输入端子并联连接的第二NMOS晶体管50的数量。这可容易地改变斜坡信号VRAMP的斜率，由此允许图像信号的增益控制。图2中的信号PRMP_RSTB被输入到多个开关MOS晶体管51的栅极端子。

第三实施例

图6示出根据本发明的第三实施例的斜坡信号生成器4的电路配置例子。现在，将描述本实施例与第一实施例之间的不同。在图6中，与图2中相同的附图标记表示相同的部件，并且，将省略其描述。在本实施例中，生成斜坡电流的电流镜电路包含PMOS晶体管61和62。第一PMOS晶体管61与图2中的第一NMOS晶体管21对应，第二PMOS晶体管62与图2中的第二NMOS晶体管22对应，并且，PMOS晶体管67与图2中的NMOS晶体管27对应。信号PCL_RBIASB被输入到PMOS晶体管67的栅极端子。如图4所示，信号PCL_RBIASB是信号PCL_RBIAS的逻辑反转信号。PMOS晶体管67被接通以对用于斜坡电流的偏置电压采样，然后，PMOS晶体管67被关断以在第一电容器元件26中保持用于斜坡电流的偏置电压。即使噪声叠加在来自电流生成器20的基准电流上，第一电容器元件26也保持用于斜坡电流的偏置电压，由此偏置电压变为固定电压。因此，基准信号41和像素信号42的AD转换中的斜坡信号具有相同的斜率，由此减少图像上的带状噪声。由构成积分放大器的差动放大器65、将斜坡电流转换成电压并生成斜坡信号的反馈电容器63、以及将反馈电容器63中的电荷复位的复位MOS晶体管64生成斜坡信号VRAMP。差动放大器65将来自第二PMOS晶体管62的输出输入到反相输入端子，将基准电压VREF输入到非反相输入端子，并且从输出端子输出斜坡信号VRAMP。反馈电容器63被连接于差动放大器65的反相输入端子和输出端子之间。信号PRMP_RSTB被输入到复位MOS晶体管64的栅极端子。复位MOS晶体管64是用于将反馈电容器64复位的复位开关。通过图6中的配置，如图4中那样，斜坡信号生成器4可在第一模拟-数字转换时段T2中生成第一斜坡信号VRAMP，并在第二模拟-数字转换时段T3中生成第二斜坡信号VRAMP。与图5中的多个第二NMOS晶体管50和多个开关MOS晶体管51类似，作为第二PMOS晶体管62的替代，可以设置多个第二PMOS晶体管和多个开关MOS晶体管来执行增益控制。

在图1中，仅在像素单元1的下侧布置诸如放大器电路2和比较器3的电路，但是，本发明不限于此。可以在像素单元1的上侧布置与下侧上的相同的电路。在这种情况下，希望对于各列确定是在上侧还是在下侧读取像素信号。

在各实施例中，描述了对于各列设置存储器5并且计数器电路6用于共同输入到多个列中的存储器5的配置，但是本发明不限于此。例如，可对于各列布置计数器电路6。在各实施例中，来自像素单元1的像素信号被输入到放大器电路2，但是，本发明不限于此。例如，可通过电容器元件直接将像素信号输入到比较器3。

上述的实施例均仅示出实现本发明的实施例子，并且，本发明的技术范围不应以限制的方式由实施例解释。具体而言，能够以各种方式实施本发明而不脱离技术思想或主要特征。

虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释以包含所有的修改以及等同的结构和功能。

Claims (14)

1.一种固态成像装置，包括：

像素单元，所述像素单元包含按矩阵布置的用于光电转换的多个像素；

斜坡信号生成器，所述斜坡信号生成器用于在第一模拟-数字转换时段中生成第一时间改变的斜坡信号以及用于在第二模拟-数字转换时段中生成第二时间改变的斜坡信号；

分别与所述矩阵的各列对应地布置的多个比较器；和

分别与所述矩阵的各列对应地布置的多个存储器，其中，

所述比较器在第一模拟-数字转换时段中比较第一时间改变的斜坡信号与根据像素的复位的解除的信号，并且在第二模拟-数字转换时段中比较第二时间改变的斜坡信号与根据像素的光电转换的信号，

所述存储器在第一模拟-数字转换时段中存储从改变第一斜坡信号的开始直到所述比较器的输出的反转的计数的计数值作为第一数字数据，

所述存储器在第二模拟-数字转换时段中存储从改变第二斜坡信号的开始直到所述比较器的输出的反转的计数的计数值作为第二数字数据，并且，

所述斜坡信号生成器将来自电流生成器的电流供给到第一电容器元件，并且，在单个定时基于由第一电容器元件保持的偏置电压生成第一和第二斜坡信号。

2.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，

所述斜坡信号生成器具有包含第一和第二晶体管的电流镜电路，

所述电流生成器与第一晶体管的漏极端子连接，

第一电容器元件与第二晶体管的栅极端子连接，并且，

开关被连接于第一晶体管的栅极端子与第二晶体管的栅极端子之间。

3.根据权利要求2所述的固态成像装置，其中，

斜坡信号生成器具有并联连接的多个第二晶体管，并且能够改变被接通的第二晶体管的数量。

4.根据权利要求2或3所述的固态成像装置，其中，

斜坡信号生成器具有缓冲器电路，所述缓冲器电路用于缓冲基于第二晶体管的输出电流的电压，以输出第一和第二斜坡信号。

5.根据权利要求4所述的固态成像装置，其中，

所述斜坡信号生成器具有与第二晶体管并与所述缓冲器电路的输入端子连接的、用于将第二晶体管的输出电流转换成电压的第二电容器元件。

6.根据权利要求4所述的固态成像装置，其中，

所述斜坡信号生成器具有与第二晶体管和所述缓冲器电路的输入端子连接、用于将第二晶体管的输出电流转换成电压的电阻器元件。

7.根据权利要求2或3所述的固态成像装置，其中，

所述斜坡信号生成器包含：

输入第二晶体管的输出和基准电压以输出第一和第二斜坡信号的差动放大器；

连接于所述差动放大器的输入端子与输出端子之间的反馈电容器；和

用于将所述反馈电容器复位的复位开关。

8.一种固态成像装置的驱动方法，该固态成像装置包括：

像素单元，所述像素单元包含按矩阵布置的用于光电转换的多个像素；

斜坡信号生成器，所述斜坡信号生成器用于在第一模拟-数字转换时段中生成第一时间改变的斜坡信号以及用于在第二模拟-数字转换时段中生成第二时间改变的斜坡信号；

分别与所述矩阵的各列对应地布置的多个比较器；和

分别与所述矩阵的各列对应地布置的多个存储器，其中，该方法包括以下的步骤：

通过所述比较器，在第一模拟-数字转换时段中比较第一时间改变的斜坡信号与根据像素的解除复位的信号，并且在第二模拟-数字转换时段中比较第二时间改变的斜坡信号与根据像素的光电转换的信号，

在第一模拟-数字转换时段中，在所述存储器中存储从改变第一斜坡信号的开始直到比较器的输出的反转的计数的计数值作为第一数字数据，

在第二模拟-数字转换时段中，在所述存储器中存储从改变第二斜坡信号的开始直到比较器的输出的反转的计数的计数值作为第二数字数据，并且，

从斜坡信号生成器将来自电流生成器的电流供给到第一电容器元件，并且，在单个定时基于由第一电容器元件保持的偏置电压生成第一和第二斜坡信号。

9.根据权利要求8所述的驱动方法，其中，

所述斜坡信号生成器具有包含第一和第二晶体管的电流镜电路，

所述电流生成器与第一晶体管的漏极端子连接，

第一电容器元件与第二晶体管的栅极端子连接，并且，

开关被连接于第一晶体管的栅极端子与第二晶体管的栅极端子之间。

10.根据权利要求9所述的驱动方法，其中，

所述斜坡信号生成器具有并联连接的多个第二晶体管，并且能够改变被接通的第二晶体管的数量。

11.根据权利要求9或10所述的驱动方法，其中，

所述斜坡信号生成器具有缓冲器电路，所述缓冲器电路用于缓冲基于第二晶体管的输出电流的电压，以输出第一和第二斜坡信号。

12.根据权利要求11所述的驱动方法，其中，

所述斜坡信号生成器具有与第二晶体管并与所述缓冲器电路的输入端子连接的、用于将第二晶体管的输出电流转换成电压的第二电容器元件。

13.根据权利要求11所述的驱动方法，其中，

所述斜坡信号生成器具有与第二晶体管和所述缓冲器电路的输入端子连接、用于将第二晶体管的输出电流转换成电压的电阻器元件。

14.根据权利要求9或10所述的驱动方法，其中，

所述斜坡信号生成器包含：

输入第二晶体管的输出和基准电压以输出第一和第二斜坡信号的差动放大器；

连接于所述差动放大器的输入端子与输出端子之间的反馈电容器；和

用于将所述反馈电容器复位的复位开关。

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