CN103179356A - 固态图像拍摄装置、其驱动方法以及电子设备 - Google Patents

固态图像拍摄装置、其驱动方法以及电子设备 Download PDF

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Abstract

公开了固态图像拍摄装置、其驱动方法以及电子设备。固态图像拍摄装置包括：单位像素，单位像素包括将电荷传送到扩散层的传送门，电荷是由光电转换部执行的光电转换获得的；信号线，从单位像素输出的信号被读出到信号线；电流源，电流源连接到信号线；以及驱动器，驱动器在传送门的传送时段中从电气上切断单位像素与信号线之间以及信号线与电流源之间的连接。

Description

固态图像拍摄装置、其驱动方法以及电子设备
技术领域
本公开涉及固态图像拍摄装置、其驱动方法和电子设备。
背景技术
固态图像拍摄装置被用作数字静止相机和视频相机，并且还被用作包括具有图像拍摄功能的移动信息终端（例如移动电话）在内的电子设备中的图像拍摄部（或图像摄取部）。固态图像拍摄装置可被宽泛分类成以CCD（电荷耦合器件）图像传感器为代表的电荷传送型固态图像拍摄装置，和以CMOS（互补金属氧化物半导体）图像传感器为代表的放大型固态图像拍摄装置。
电荷传送型固态图像拍摄装置基本上具有如下配置：即，由光电转换部执行的光电转换得到的电荷以分组中继方式被直接传送，并且输出级将电荷转换成电信号。放大型固态图像拍摄装置基本上具有如下配置：即，由光电转换部执行的光电转换得到的电荷作为各个像素的电信号被输出到信号线。
一些放大型固态图像拍摄装置，例如CMOS图像传感器，对于各个像素列，即以列并行方式对模拟信号执行模拟到数字转换（以下称为“AD转换”），其中模拟信号是对于每个像素行从各个像素输出的（例如参见2005-278135号日本未实审专利申请公布）。
发明内容
近年来，伴随着固态图像拍摄装置的帧速率的增大和像素数目的增大，对于从像素中读取信号的更高读出速度和固态图像拍摄装置的更低功率消耗有了高需求。在诸如CMOS图像传感器之类的放大型固态图像拍摄装置中，一些方法可用于实现更高的读出速度。这种方法的示例包括对于倾斜型（slope-type）AD转换器，增大倾斜的梯度以增大用于计时的计数器的频率从而减短转换时间的方法，以及增大供电路使用的电流量并且减短在倾斜开始之前用于使输入信号稳定化的稳定时间（settling time）（瞬态响应时间）的方法。然而，这些方法引起功率消耗的增大，从而不适于降低功率消耗。
因此，希望提供一种能够在不增大功率消耗的情况下增大读出速度的固态图像拍摄装置、用于该固态图像拍摄装置的驱动方法以及以该固态图像拍摄装置作为图像拍摄部（图像摄取部）的电子设备。
根据本公开的一个实施例，提供了一种固态图像拍摄装置。该固态图像拍摄装置具有：单位像素，单位像素包括将电荷传送到扩散层的传送门，这些电荷是由光电转换部执行的光电转换获得的；信号线，从单位像素输出的信号被读出到信号线；以及电流源，电流源连接到信号线。在该固态图像拍摄装置中，在传送门的传送时段中从电气上切断单位像素与信号线之间以及信号线与电流源之间的连接。
这里公开的固态图像拍摄装置可被用作数字静止相机或视频相机或者用作诸如具有图像拍摄功能的移动信息终端（例如移动电话）之类的电子设备中的图像拍摄部（或图像摄取部）。
传送脉冲被施加到传送门的栅电极以使得操作时段进入传送时段，在传送时段中由光电转换部获得的电荷被传送到扩散层。在传送时段中，由寄生在栅电极和扩散层之间的寄生电容引起的耦合使得扩散层的电势变动。扩散层的电势的变动也引起信号线的电势变动。因此，在将信号从单位像素读出到信号线期间直到信号线的电势被稳定化为止的稳定时间（瞬态响应时间）增长了。
因此，在传送时段中，单位像素与信号线之间的连接和信号线与电流源之间的连接被从电气上切断。利用此布置，信号线进入高阻抗状态。从而，即使当在传送时段中耦合使得扩散层的电势变动时，信号线的电势也不会变动。结果，可以减短在将信号从单位像素读出到信号线期间垂直信号线的电势的稳定时间。另外，由于电流源的电流量不增大，所以功率消耗也不增大。
根据本公开，由于可以在不增大电流源的电流量的情况下减短信号线的电势的稳定时间，所以可以在功率消耗不增大的情况下提高读出速度。
附图说明
图1是示出应用了本技术的具有列并行AD转换电路的CMOS图像传感器的系统配置的一个示例的框图；
图2是示出每个单位像素的像素电路的示例性配置的电路图；
图3是示出具有列并行AD转换电路的CMOS图像传感器中的列处理器的基本电路操作的定时波形图；
图4是示出信号的读出期间垂直信号线的电势的稳定时间（瞬态响应时间）的定时波形图；
图5是示出根据第一实施例的CMOS图像传感器中的单位像素和读出电流源部的配置的电路图；
图6是示出第一实施例中的电路操作的操作图；
图7是示出第一实施例中的电路操作的定时波形图；
图8是示出根据第二实施例的CMOS图像传感器中的单位像素和读出电流源部的配置的电路图；
图9是示出第二实施例中的电路操作的操作图；
图10是示出垂直信号线的电势的变动的定时波形图，该变动依从于光量；
图11是根据第三实施例的驱动器的功能框图；并且
图12是示出根据本公开的一个实施例的固态图像拍摄装置的示例性配置的框图。
具体实施方式
以下将参考附图详细描述实现这里公开的技术的模式（以下称为“实施例”）。本公开不限于以下描述的实施例。在以下描述中，具有相同或相似功能的相同或相似的一个或多个元件由相同的标号标示，并且以下不给出冗余描述。以下的描述将按如下顺序给出：
1.根据本公开的实施例的固态图像拍摄装置、其驱动方法和电子设备的概要
2.实施例
2-1.系统配置
2-2.像素电路的示例性配置
2-3.列处理器的基本电路操作
2-4.由于垂直信号线的电势的非充分稳定时段引起的问题
2-5.第一实施例
2-6.第二实施例
2-7.第三实施例
3.应用例
4.电子设备（图像拍摄装置）
5.本公开中的配置
<1.根据本公开的实施例的固态图像拍摄装置、其驱动方法和电子设备的概要>
这里公开的固态图像拍摄装置针对的是具有如下配置的以CMOS图像传感器为代表的放大型固态图像拍摄装置：即，由光电转换部执行的光电转换得到的电荷作为各个像素的电信号被输出到信号线。这里公开的固态图像拍摄装置具有单位像素（以下可简称为“像素”），每个单位像素至少包括将通过光电转换部执行的光电转换获得的电荷传送到扩散层的传送门。扩散层将传送门传送来的电荷转换成电压。
这里公开的固态图像拍摄装置中的每个单位像素还可包括放大被扩散层转换成电压的信号的放大晶体管和选择输出由放大晶体管执行的放大得到的信号的单位像素的选择晶体管。被扩散层转换成电压的信号可被放大晶体管放大，并且放大的信号可从由选择晶体管选择的像素输出到相应的信号线。优选地，电流源连接到信号线，并且通过信号线连同放大晶体管构成源跟随器电路。
在每个单位像素中，传送脉冲可被施加到传送门的栅电极以使得操作时段进入传送时段，在传送时段中由光电转换部获得的电荷被传送到扩散层。这里公开的固态图像拍摄装置可具有驱动器，该驱动器在传送门传送电荷的传送时段中将单位像素与信号线之间的连接和信号线与电流源之间的连接从电气上切断。
根据入射在光电转换部上的光量，驱动器可判定是否要从电气上切断单位像素与信号线之间的连接和信号线与电流源之间的连接。优选，当入射在光电转换部上的光量大于预定量时，驱动器不执行电气切断，而当入射在光电转换部上的光量小于或等于预定量时，驱动器执行电气切断。
驱动器可执行驱动，以使得单位像素与信号线之间的连接和信号线与电流源之间的连接在传送时段中被从电气上切断。因此，信号线进入高阻抗状态。从而，即使当由于寄生在栅电极和扩散层之间的寄生电容引起的耦合使得扩散层的电势变动时，信号线的电势也不会变动。结果，可以减短在将信号从单位像素读出到信号线期间直到信号线的电势被稳定化为止的稳定时间（瞬态响应时间）。
在每个单位像素中，选择晶体管可被驱动器驱动以使得选择晶体管进入非导通（即关断状态），从而使得可以从电气上切断单位像素与信号线之间的连接。在此情况下，就从电气上完全切断单位像素与信号线之间的连接而言，优选地，选择晶体管被连接在放大晶体管和信号线之间。
然而，本公开并不欲排除其中选择晶体管被连接在放大晶体管和电源之间的像素配置。当选择晶体管被设在电源和信号线之间并且与放大晶体管串联连接时，可以执行用于选择输出由放大晶体管执行的放大得到的信号的像素的操作。
开关元件可被连接在信号线和电流源之间。在传送门传送电荷的传送时段中，开关元件可被驱动器驱动以从电气上切断信号线与电流源之间的连接。结果，信号线进入高阻抗状态。优选地，当信号线与电流源之间的连接被从电气上切断时，电流通过与来自信号线的电流路径不同的路径被提供给电流源。
这里公开的固态图像拍摄装置可具有包括所谓的“列并行AD转换电路”的配置，即，其中对于各条信号线设有用于将通过信号线从单位像素读出的模拟信号转换成数字信号的模拟到数字转换电路的配置。包括列并行AD转换电路的配置只是一个示例，并且对于信号线以后的电路没有特别限制。每个列并行AD转换电路可包括：将倾斜波形（即斜坡波形）参考信号与来自像素的相应模拟信号相比较的比较部，该参考信号具有逐渐变化的电平；以及计数器部，该计数器部基于由比较部执行比较的结果来执行计数操作。根据由计数器部执行的计数操作的结果，获得与来自像素的模拟信号相对应的数字信号。
在具有列并行AD转换电路的固态图像拍摄装置中，驱动器可将限定参考信号的电平的梯度的设定增益值与预定的增益阈值相比较，并且可根据比较的结果判定单位像素与信号线之间的连接和信号线与电流源之间的连接是否要被从电气上切断。优选，当设定增益值大于预定的增益阈值时，驱动器不执行电气切断，而当设定增益值小于或等于预定的增益阈值时，驱动器执行电气切断。
<2.实施例>
在描述实施例之前，将对应用了这里公开的技术的例如具有列并行AD转换电路的CMOS图像传感器之类的固态图像拍摄装置的配置给出描述。
[2-1.系统配置]
图1是示出应用了本技术的具有列并行AD转换电路的CMOS图像传感器的系统配置的一个示例的框图。
如图1中所示，根据此应用例的CMOS图像传感器10具有像素阵列部11、驱动系统和信号处理系统。在像素阵列部11中，包括光电转换部的单位像素20被二维布置成矩阵。驱动系统和信号处理系统驱动像素阵列部11中的像素20。
在此示例中，驱动系统被设在像素阵列部11的周边并且包括垂直驱动器12、读出电流源部13、列处理器14、参考信号生成器15、水平驱动器16以及通信和定时控制器17。信号处理系统例如还包括输出放大器18和信号处理器19。
驱动系统和信号处理系统，即像素阵列部11的周边电路，被集成在设有像素阵列部11的半导体基板（芯片）30上。虽然在此情况下所有周边电路都被集成在与像素阵列部11相同的半导体基板30上，但本技术不限于此。例如，也可以采用一种配置，其中周边电路中的一个或一些，例如信号处理器19，被设在半导体基板30的外部。
在此系统配置中，基于主时钟MCK，通信和定时控制器17生成时钟信号并且控制为垂直驱动器12、列处理器14、参考信号生成器15、水平驱动器16等等的操作充当基准的时钟信号和控制信号。例如，由通信和定时控制器17生成的时钟信号和控制信号被提供给垂直驱动器12、列处理器14、参考信号生成器15、水平驱动器16等等，作为其驱动信号。
像素阵列部11具有如下配置：即，如上所述，在列和行方向上亦即以矩阵形式二维地布置包括光电转换部的单位像素20，并且光电转换部生成与入射光的量相对应的光电荷并且蓄积光电荷。这里使用的“行方向”指的是布置像素行中的单位像素20的方向（即水平方向或左右方向），并且这里使用的“列方向”指的是布置像素列中的单位像素20的方向（即垂直方向或上下方向）。下面描述单位像素20的像素电路的细节。
像素阵列部11具有m行×n列的像素阵列。在此像素阵列中，行控制线31（31-1至31-m）沿着行方向被配设在各个像素行中，并且垂直信号线32（32-1至32-n）沿着列方向被配设在各个像素列中。用于执行用于从单位像素20读取信号的控制的控制信号通过行控制线31被传送。虽然在图1中作为每条行控制线31示出了一条线，但其线的数目不限于一条。行控制线31-1至31-m的第一端连接到与垂直驱动器12中的行相对应的输出端。
垂直驱动器12包括移位寄存器、地址译码器等等。垂直驱动器12例如对于每一行来驱动像素阵列部11中的单位像素20。也就是说，垂直驱动器12与控制垂直驱动器12的通信和定时控制器17一起构成用于驱动像素阵列部11中的单位像素20的驱动器。虽然没有示出垂直驱动器12的具体配置，但其通常具有两个扫描系统，即读出扫描系统和扫出扫描（sweep scanning）系统。
在垂直驱动器12中，扫出扫描系统执行扫出扫描以将不想要的电荷从读出的行中的单位像素20中的光电转换部中扫出，从而复位光电转换部。通过扫出扫描系统执行的不想要电荷扫出（复位），执行所谓的“电子快门操作”。这里使用的术语“电子快门操作”指的是倾倒出光电转换部中的光电荷并且重新开始曝光（即重新开始光电荷的蓄积）的操作。
读出扫描系统执行读取操作以读取与就在前次读出操作或电子快门操作后接收到的光量相对应的信号。从前次读出操作的读出定时或电子快门操作的扫出定时到当前读出操作的读出定时的时段是单位像素20的光电荷曝光时段。
读出电流源部13具有连接在相应的垂直信号线32-1至32-n和基准节点（例如地）之间的电流源131（131-1至131-n）。电流源131-1至131-n和设在单位像素20中的相应的放大晶体管24（下文描述）通过垂直信号线32- 1至32-n构成源跟随器电路。
列处理器14例如具有对于像素阵列部11中的各个像素列亦即垂直信号线32-1至32-n设置的AD（模拟到数字）转换电路13（33-1至33-n）。AD转换电路33（33-1至33-n）将从像素阵列部11中的单位像素20对于各个像素列输出的模拟信号（像素信号）转换成数字信号。
参考信号生成器15生成参考信号Vref，参考信号Vref具有随着时间以阶梯方式逐渐变化的电平（电压值），即具有斜坡波形（倾斜波形）。在参考信号生成器15中，限定参考信号Vref的梯度的增益是根据入射光量设定的。也就是说，限定参考信号Vref的梯度的设定增益值根据入射光量而变动。参考信号生成器15例如可由DA（数字到模拟）转换电路实现。参考信号生成器15不限于使用DA转换电路的元件。
在从通信和定时控制器17提供来的控制信号CS1的控制下，参考信号生成器15基于从通信和定时控制器17提供来的时钟CK生成斜坡波形参考信号Vref。参考信号生成器15随后将所生成的参考信号Vref提供给列处理器14中的AD转换电路33-1至33-n。
所有AD转换电路33-1至33-n可具有相同的配置。现在，将结合第n列中的AD转换电路33-n的示例给出描述。AD转换电路33-n例如包括比较器41、充当计数器部的增序/减序计数器（在图1中由“U/D CNT”标示）42、传送开关43和存储器部44。
垂直信号线32-n的与从像素阵列部11中的第n列中的单位像素20输出的像素信号相对应的信号电压Vout和从参考信号生成器15提供来的斜坡波形参考信号Vref被输入到比较器41。比较器41将信号电压Vout（比较输入）与参考信号Vref（参考输入）相比较。例如，当参考信号Vref大于信号电压Vout时，比较器41的输出Vco达到第一状态（例如高电平），而当参考信号Vref小于或等于信号电压Vout时，比较器41的输出Vco达到第二状态（例如低电平）。
增序/减序计数器42是异步计数器。在参考信号Vref从参考信号生成器15输出的同时，时钟CK被从通信和定时控制器17提供给增序/减序计数器42。与时钟CK同步地，增序/减序计数器42执行增序计数或减序计数以测量从比较器41的比较操作开始到结束的比较时段。
在从通信和定时控制器17提供来的控制信号CS2的控制下，传送开关43在增序/减序计数器42对于一个像素行中的单位像素20完成计数操作时被接通（即被闭合）。传送开关43随后将增序/减序计数器42的计数操作的结果传送到存储器部44。
如上所述，首先，AD转换电路33-1至33-n中的比较器41对于通过相应的垂直信号线32-1至32-n从像素阵列部11中的单位像素20对各个像素列读出的模拟信号执行比较操作。增序/减序计数器42在从相应比较器41的比较操作的开始到结束的时间段期间执行计数操作，从而将模拟信号转换成数字信号，数字信号随后经由传送开关43被存储在存储器部44中。
水平驱动器16包括移位寄存器、地址译码器等等，并且对于列处理器14中的AD转换电路33-1至33-n执行列地址控制和列扫描控制。在水平驱动器16的控制下，由AD转换电路33-1至33-n的AD转换得到的数字信号例如作为N比特数据被顺次读出到水平输出线34。
读出到水平输出线34的N比特数据被输出放大器18放大并且所得到的N比特数据被提供给信号处理器19。信号处理器19对N比特数据执行预定的信号处理并且将所得到的数据作为视频数据输出到半导体基板30的外部。信号处理器19执行的预定的信号处理可以是仅用于缓冲的处理，或者可涉及各种类型的数字信号处理，例如在缓冲之前调整黑电平以及校正列之间的变动。
[2-2.像素电路的示例性配置]
图2是示出每个单位像素20的像素电路的示例性配置的电路图。如图2中所示，根据此示例性配置的每个单位像素20例如具有作为光电转换部的光电二极管21。除了光电二极管21以外，单位像素20例如还具有传送晶体管（传送门）22、复位晶体管23、放大晶体管24和选择晶体管25。
在此示例中，传送晶体管22、复位晶体管23、放大晶体管24和选择晶体管25例如是由n沟道MOS晶体管实现的。然而，传送晶体管22、复位晶体管23、放大晶体管24和选择晶体管25的导电类型的示例性组合只是一个示例，并且导电类型的组合不限于此。
作为每条行控制线31（31-1至31-m）沿着同一像素行中的所有单位像素20配设多条控制线。为了图的简明，在图2中省略了对多条控制线的图示。针对每个像素行的多条控制线连接到垂直驱动器12中的与该像素行相对应的输出端。为了驱动像素阵列部11中的单位像素20，垂直驱动器12适当地向控制线输出传送信号TRG、复位信号RST和选择信号SEL。
光电二极管21具有连接到负侧电源（例如地）的阳电极。光电二极管21将接收光光电转换成具有与接收光的量相对应的电荷量的光电荷（在此情况下是光电子）并且蓄积光电荷。光电二极管21具有经由传送晶体管22电连接到放大晶体管24的栅电极的阴电极。
电荷到电压转换器（扩散层）26电连接到放大晶体管24的栅电极以将电荷转换成电压。电荷到电压转换器26以下被称为“FD（浮动扩散）部26”。
传送晶体管22连接在光电二极管21的阴电极和FD部26之间。在高电平有效（以下称为“高有效”）的传送信号TRG被从垂直驱动器12提供到传送晶体管22的栅电极。响应于传送信号TRG，传送晶体管22进入导通，从而将被光电二极管21光电转换并蓄积的光电荷传送到FD部26。
复位晶体管23具有连接到电源的漏电极和连接到FD部26的源电极。复位晶体管23具有栅电极，高有效的复位信号RST被从垂直驱动器12提供到该栅电极。响应于复位信号RST，复位晶体管23进入导通以倾倒出FD部26中的电荷，从而复位FD部26。
放大晶体管24的栅电极连接到FD部26，并且放大晶体管24的漏电极连接到电源。放大晶体管24充当上述源跟随器电路的输入部，该源跟随器电路是用于读出由光电二极管21执行的光电转换得到的信号的读出电路。也就是说，由于放大晶体管24的源电极经由选择晶体管25连接到相应的垂直信号线32，所以放大晶体管24与连接到垂直信号线32的一端的电流源131一起构成源跟随器电路。
例如，选择晶体管25的漏电极连接到放大晶体管24的源电极，并且选择晶体管25的源电极连接到垂直信号线32。高有效的选择信号SEL被从垂直驱动器12提供到选择晶体管25的栅电极。响应于选择信号SEL，选择晶体管25进入导通，从而向垂直信号线32输出当单位像素20被选择时被放大晶体管24放大的像素信号。
也可以采用一种电路配置，其中选择晶体管25连接在放大晶体管24的漏电极和电源之间。也就是说，选择晶体管25设在电源和垂直信号线32之间，并且与放大晶体管24串联连接，使得选择晶体管25可以执行用于选择单位像素20的操作。
[2-3.列处理器的基本电路操作]
现在将参考图3中所示的定时波形图描述具有上述配置的CMOS图像传感器10中的列处理器14的基本电路操作。图3示出了复位信号RST、传送信号TRG、垂直信号线32-1至32-n的信号电压Vout、参考信号Vref、时钟CK和增序/减序计数器42的计数输出的定时关系。
在单位像素20中，复位晶体管23执行复位操作，并且传送晶体管22执行传送操作。在复位操作中，当FD部26被复位晶体管23复位时FD部26的电势作为复位成分（P相位）被从单位像素20输出到垂直信号线32-1至32-n。在传送操作中，当蓄积在光电二极管21中的电荷被传送晶体管22传送时FD部26的电势作为信号成分（D相位）被输出到垂直信号线32-1至32-n。
在从所选行中的单位像素20中将信号读出到垂直信号线32-1至32-n的第一读出操作被稳定化了之后，斜坡波形参考信号Vref被从参考信号生成器15提供给比较器41，使得比较器41执行用于将垂直信号线32-1至32-n的相应信号电压Vout与参考信号Vref相比较的比较操作。
在参考信号Vref被提供给比较器41的同时，时钟被从通信和定时控制器17提供给增序/减序计数器42，使得增序/减序计数器42执行减序计数操作，以测量第一读出操作中的比较器41的比较时间。当参考信号Vref和垂直信号线32-1至32-n的信号电压Vout变得彼此相等时，比较器41的输出Vco的极性从高电平反转到低电平。响应于比较器41的输出Vco的极性反转，增序/减序计数器42停止减序计数操作并且保持与比较器41的第一比较时段相对应的计数值。
在第一读出操作中，单位像素20的复位成分ΔV被读取。复位成分ΔV包括在像素20与像素20之间变化的固定样式噪声作为噪声。
在第二读出操作中，执行与复位成分ΔV的第一读出操作类似的操作以除了复位成分ΔV以外还读出与入射在各个单位像素20上的光量相对应的信号成分Vsig。从而，在从所选行中的单位像素20中将信号读出到垂直信号线32-1至32-n的第二读出操作被稳定化了之后，参考信号Vref被从参考信号生成器15提供给AD转换电路33-1至33-n中的比较器41，使得比较器41执行用于将垂直信号线32-1至32-n的相应信号电压Vout与参考信号Vref相比较的比较操作。同时，增序/减序计数器42执行与第一比较操作中的减序计数操作不同的增序计数操作，以测量比较器41的第二比较时间。
如上所述，每个增序/减序计数器42在第一计数操作中执行减序计数操作，并且在第二计数操作中执行增序计数操作。从而，每个增序/减序计数器42执行用于自动从第二比较时段中减去第一比较时段的处理。当参考信号Vref和垂直信号线32-1至32-n的信号电压Vout变得彼此相等时，比较器41的输出Vco的极性被反转，并且响应于极性反转，增序/减序计数器42停止计数操作。结果，增序/减序计数器42保持与通过从第二比较时段中减去第一比较时段而获得的结果相对应的计数值。
在上述第二读出操作和由列处理器14中的增序/减序计数器42执行的减法处理中，单位像素20的复位电平和信号电平被相互独立地进行AD转换，并且CDS（相关双采样）处理在数字域中执行。作为一系列AD转换操作中的AD转换的结果，获得N比特数字值（数字信号）。水平驱动器16执行驱动，使得N比特数字值被读出到具有N比特的宽度的水平输出线34，并且经由输出放大器18和信号处理器19被顺次输出。
[2-4.由垂直信号线的电势的非充分稳定时段引起的问题]
现在，将参考图4中所示的定时波形图描述稳定时间（瞬态响应时间），稳定时间是在从单位像素20读出信号到垂直信号线32-1至32-n期间直到垂直信号线32-1至32-n的电势被稳定化为止的时间。图4示出了复位信号RST、传送信号TRG、垂直信号线32-1至32-n的信号电压Vout、参考信号Vref、时钟CK和增序/减序计数器42的计数输出的定时关系。
在从单位像素20读出像素信号到垂直信号线32-1至32-n期间，驱动信号TRG被提供到传送晶体管22的栅电极，使得由于寄生在传送晶体管22的栅电极和FD部26之间的寄生电容C（参见图2）引起的耦合使得FD部26的电势变动。作为FD部26的电势的变动的结果，垂直信号线32-1至32-n的电势也变动。从而，在传送信号TRG从高电平变到低电平之后，垂直信号线32-1至32-n的电势的稳定开始。
因此，在入射光量小于或等于预定的光量的低光状况中，直到垂直信号线32-1至32-n的信号电压Vout和参考信号Vref彼此相交为止的时间量减短。这产生了垂直信号线32-1至32-n的电势未被稳定化的时段，即垂直信号线32-1至32-n的电势的所谓“非充分稳定时段”。此非充分稳定时段引起了例如如图4中所示的黑电平从原始黑电平偏移的问题（此现象在以下被称为“黑电平偏移”）。
当时间允许时，可以增长垂直信号线32-1至32-n的电势的稳定时间。另一方面，当时间有限制时，例如，采取诸如增大连接到垂直信号线32-1至32-n的电流源131-1至131-n的电流量之类的措施以便解决非充分稳定时段的问题。然而，当增大为各个像素列设置的电流源131-1至131-n的电流量的全部时，功率消耗增大。这使得难以降低功率消耗。
本实施例致力于在诸如具有上述列并行AD转换电路的CMOS图像传感器10之类的固态图像拍摄装置中克服由垂直信号线的电势的非充分稳定时段引起的黑电平偏移和功率消耗增大的问题并且实现高速读出。
[2-5.第一实施例]
图5是示出根据第一实施例的CMOS图像传感器10中的单位像素和读出电流源部的配置的电路图。
图5中所示的单位像素20的像素电路可具有与图2中所示的单位像素20的像素电路相同的配置。第一实施例的特征在于垂直驱动器12的驱动定时和读出电流源部13A的配置。更具体而言，读出电流源部13A具有开关元件被连接在垂直信号线32（32-1至32-n）和电流源131（131-1至131- n）之间的配置。开关元件例如是电流源切断晶体管51。
例如，控制信号Icut被选择性地从通信和定时控制器17提供到电流源切断晶体管51的栅电极。在控制信号Icut的控制下，电流源切断晶体管51从电气上切断垂直信号线32（32-1至32-n）与电流源131（131-1至131-n）之间的连接。
接下来将参考图6中所示的操作图描述根据第一实施例的具有上述配置的电路操作。
在来自单位像素20的像素信号的读出时段中的传送时段中，即在提供给传送晶体管22的传送信号TRG处于高电平的时段中，垂直驱动器12将选择信号SEL的电平改变到低电平以使得选择晶体管25进入非导通（即进入关断状态）。同时，在传送晶体管22的传送时段中，通信和定时控制器17将控制信号Icut的电平改变到低电平以使得电流源切断晶体管51进入非导通。
从而，在传送晶体管22的传送时段中，单位像素20与垂直信号线32（32-1至32-n）之间的连接和垂直信号线32（32-1至32-n）与电流源131（131-1至131-n）之间的连接被从电气上切断。从以上对操作的描述可清楚，垂直驱动器12和通信和定时控制器17构成从电气上切断单位像素20与垂直信号线32之间的连接以及垂直信号线32与电流源131之间的连接的驱动器。
当单位像素20与垂直信号线32之间的连接和垂直信号线32与电流源131之间的连接在传送晶体管22的传送时段中被从电气上切断时，垂直信号线32进入高阻抗状态。因此，即使当传送时段中的耦合引起FD部26的电势的变动时，该变动也不会影响垂直信号线32的电势。从而，垂直信号线32的电势（信号电压）Vout可被维持恒定，如图7中所示。
结果，可以减短在将信号从单位像素20读出到垂直信号线32期间垂直信号线32的电势的稳定时间。另外，由于可以在不增大电流源131的电流量的情况下减短稳定时间，所以可以在不增大消耗的电流量的情况下提高读出速度。此外，由于可以减短稳定时间，所以当时间允许时可以减小电流源131的电流量。从而，可以降低功率消耗。
[2-6.第二实施例]
图8是示出根据第二实施例的CMOS图像传感器10中的单位像素和读出电流源部的配置的电路图。
如上所述，根据第一实施例的读出电流源部13A具有如下配置：电流源切断晶体管51连接在垂直信号线32与电流源131之间以在单位像素20与垂直信号线32之间的连接被从电气上切断时从电气上切断垂直信号线32与电流源131之间的连接。与之不同，根据第二实施例的读出电流源部13B具有除了电流源切断晶体管51以外还具有连接在电源和电流源131的输入端之间的开关元件的配置。此情况下的开关元件例如是电流提供晶体管52。
例如，控制信号Isink在传送晶体管22的传送时段中被选择性地从通信和定时控制器17提供到电流提供晶体管52的栅电极。在控制信号Isink的控制下，在传送晶体管22的传送时段中，即当垂直信号线32与电流源131之间的连接被从电气上切断时，电流提供晶体管52进入导通以将电流从电源提供给电流源131。也就是说，电流提供晶体管52充当通过与从垂直信号线32的电流路径不同的路径将电流提供给电流源131的电流提供部。
接下来将描述电流提供晶体管52的操作和优点。
在传送晶体管22的传送时段中，垂直信号线32通过电流源切断晶体管51的操作与电流源131从电气上断开连接。当操作时段从传送时段变到稳定时段时，电流源切断晶体管51进入导通，从而使得电流再次通过从垂直信号线32的电流路径流到电流源131。
CMOS图像传感器10具有对于各个像素列设有电流源131-1至131-n的系统配置。从而，当操作时段从传送时段变到稳定时段时，电流一齐流向所有像素列中的电流源131-1至131-n，从而地电势波动。地电势的波动可不利地影响图像质量。
因此，在传送晶体管22的传送时段中，即当垂直信号线32与电流源131之间的连接被从电气上切断时，控制信号Isink的电平变到高电平以使得电流源切断晶体管51进入导通，如图9中所示。结果，通过与从垂直信号线32的电流路径不同的路径，即通过电流源切断晶体管51，电流被提供给电流源131。利用此布置，可以减小当操作时段从传送时段变到稳定时段时地电势的波动，使得可以减短稳定时间并且从而可以提高读出速度，而不会对图像质量有不利效果。
如上所述，根据第二实施例，除了第一实施例的操作和优点以外，即除了允许垂直信号线32的电势的稳定时间的减短的操作和优点以外，还可以减小当操作时段从传送时段变到稳定时段时地电势的波动。因此，可以实现不影响图像质量的高速读取。
[2-7.第三实施例]
从图10中的信号电压Vout的波形可清楚，垂直信号线32的电势的变动量随着入射光量增大而对稳定有更小的影响，其中该变动是由由于在传送时段中传送晶体管22的栅电极与FD部26之间的寄生电容C引起的耦合引发的。例如，当在零量的信号的读出期间传送信号TRG被接通时，如果耦合使得垂直信号线32的电势偏移大约100mV，则从传送信号TRG被关断时起要花垂直信号线32的电势以大约100mV的幅度返回到其原始值的稳定时间。因此，直到稳定化为止的时间量增加了。根据第一和第二实施例，当传送信号TRG被接通时可以消除或大幅减小耦合的影响，使得可以消除或大幅减短从传送信号TRG被关断起的稳定化时间。
然而，垂直信号线32的电势在具有500mV的信号量的信号的读出期间从传送信号TRG被接通的瞬间起可变动，因此，当假定传送信号TRG在传送信号TRG被关断时可变动500mV时，用于读取通过剩余耦合而变动的具有100mV的信号量的信号的时间量是充分的。因此，与在传送信号TRG被关断时读取500mV的信号的情况相比，稳定时间减短了。当执行上述第一或第二实施例的功能时，垂直信号线32的电势在传送时段中可被维持恒定。从而，当光量较大时，垂直信号线32的电势的稳定时间最多增加与传送时段相对应的量。
因此，在第三实施例中，关于是否要执行第一或第二实施例的功能的判定，即关于是否要从电气上切断单位像素20与垂直信号线32之间的连接和垂直信号线32与电流源131之间的连接的判定，是根据入射在单位像素20（光电二极管21）上的光量来作出的。更具体而言，当入射光量大于预定光量时，不执行电气切断，而当入射光量小于或等于预定光量时，执行电气切断。通信和定时控制器17或控制通信和定时控制器17的控制器（未示出）根据第三实施例执行驱动。
应用了这里公开的技术的CMOS图像传感器10具有列并行AD转换电路（参见图1）。如上所述，在生成用于列处理器14中的参考信号Vref的参考信号生成器15中，限定参考信号Vref的梯度的增益根据入射光量而变化。可基于限定参考信号Vref的梯度的设定增益值来确定入射光量。
因此，在第三实施例中，作为一个示例，基于限定参考信号Vref的梯度的设定增益值来作出关于是否要执行第一或第二实施例的功能的判定。下面将参考图11描述用于执行第三实施例的功能的具体示例。图11是执行第三实施例的功能的驱动器（例如通信和定时控制器17）的功能框图。
在图11中，执行第三实施例的功能的驱动器60具有设定增益获得部61、判定部62和功能开/关控制部63。设定增益获得部61获得限定由参考信号生成器15设定的参考信号Vref的梯度并且根据入射光量变化的设定增益值。
判定部62将由设定增益获得部61获得的设定增益值与预定的增益阈值相比较以判定是否要执行第一或第二实施例的功能，并且将判定的结果传递给功能开/关控制部63。现在，作为示例讨论当入射光量相对较大时（即，当入射光相对较强时）设定增益值较小和当入射光量相对较小时（即，当入射光相对较弱时）设定增益值较大的情况。
当入射光量相对较大时，即，当设定增益值超过预定的增益阈值时，判定部62判定要关闭（即，不执行）第一或第二实施例的功能，而当入射光量相对较小时，即，当设定增益值小于或等于预定的增益阈值时，判定部62判定要开启（即，要执行）第一或第二实施例的功能。
响应于判定部62作出的判定的结果，功能开/关控制部63控制是否要执行第一或第二实施例的功能。更具体而言，例如，在图5中，当判定部62作出的判定的结果表明要关闭功能时，功能开/关控制部63使选择晶体管25和电流源切断晶体管51进入导通，而当判定部62作出的判定的结果表明要开启功能时，功能开/关控制部63使选择晶体管25和电流源切断晶体管51进入非导通。
也就是说，功能开/关控制部63相当于执行用于选择晶体管25的导通/非导通的驱动的垂直驱动器12的功能单元和执行用于电流源切断晶体管51和电流提供晶体管52的导通/非导通的驱动的通信和定时控制器17的功能单元。
以上描述是对基于限定由参考信号生成器15设定的参考信号Vref的梯度并且根据入射光量而变动的设定增益值来作出关于是否要执行第一或第二实施例的功能的判定的情况给出的。然而，本技术不限于此，而是可以采用根据入射光量作出判定的任何配置。
以上述方式根据入射光量判定是否要执行第一或第二实施例的功能允许了适当地根据入射光量执行对于稳定垂直信号线32的电势而言最优的驱动。
<3.应用例>
虽然在上述实施例中描述了本技术被应用到其中以矩阵形式二维布置了检测与可见光量相对应的信号电荷作为物理量的单位像素的CMOS图像传感器的情况，但本技术不限于此。也就是说，这里公开的技术可应用到其中电流源被连接到从单位像素将信号输出到的信号线的任何放大型固态图像拍摄装置。
本技术的应用不仅限于检测入射的可见光量的分布并且将该分布拍摄为图像的固态图像拍摄装置，而是本技术也可应用到拍摄红外、X射线、粒子等等的入射量的分布作为图像的固态图像拍摄装置。在广泛的意义上，固态图像拍摄装置可以是物理量分布检测装置，包括检测诸如压力和静电电容之类的其他物理量的分布以将该分布拍摄为图像的指纹传感器。
每个固态图像拍摄装置可采取一个芯片的形式，或者可以是图像拍摄单元和信号处理器或光学系统被一起封装在其中的配备有图像拍摄功能的模块化形式。
<4.电子设备（图像拍摄装置）>
本公开不仅可应用到固态图像拍摄装置，而且可应用到任何使用固态图像拍摄装置作为图像摄取部（光电转换部）的电子设备。电子设备的示例包括：图像拍摄装置，例如数字静止相机和视频相机；具有图像拍摄功能的移动终端装置（例如移动电话）；以及使用固态图像拍摄装置作为图像读取器的复印机。每个图像拍摄装置也可采取包含到电子设备中的上述的模块化形式，即相机模块。
[图像拍摄装置]
图12是示出作为根据本公开的实施例的电子设备的一个示例的图像拍摄装置的示例性配置的框图。
如图12中所示，根据本公开的实施例的图像拍摄装置100包括包含透镜组101等等的光学系统、图像拍摄元件102、充当相机信号处理器的DSP（数字信号处理器）电路103、帧存储器104、显示装置105、记录装置106、操作系统107、电源系统108等等。DSP电路103、帧存储器104、显示装置105、记录装置106、操作系统107和电源系统108通过总线线路109连。
透镜组101拍摄从被拍体入射的光（图像光）以在图像拍摄元件102的图像拍摄平面上形成图像。图像拍摄元件102将由透镜组101在图像拍摄平面上形成的图像的入射光量转换成各个像素的电信号并且输出这些电信号作为像素信号。图像拍摄元件102可由根据上述实施例之一的CMOS图像传感器实现。
显示装置105可以是面板显示装置，例如液晶显示装置或有机EL（电致发光）显示装置。显示装置105显示由图像拍摄元件102拍摄的运动图像或静止图像。记录装置106将由图像拍摄元件102拍摄的运动图像或静止图像记录到诸如录像带或DVD（数字多功能盘）之类的记录介质。
操作系统107对于图像拍摄装置的各种功能发出操作指令。电源系统108适当地将各种类型的电力提供给DSP电路103、帧存储器104、显示装置105、记录装置106和操作系统107作为用于其操作的电力。
这种图像拍摄装置100也可应用到视频相机和数字静止相机，以及用于诸如移动电话之类的移动设备的相机模块。图像拍摄装置100可由根据上述实施例的固态图像拍摄装置作为图像拍摄元件102来实现。
<5.本公开中的配置>
本公开可具有如下所述的配置。
（1）一种固态图像拍摄装置，包括：
单位像素，所述单位像素包括将电荷传送到扩散层的传送门，所述电荷是由光电转换部执行的光电转换获得的；
信号线，从所述单位像素输出的信号被读出到所述信号线；
电流源，所述电流源连接到所述信号线；以及
驱动器，所述驱动器在所述传送门的传送时段中从电气上切断所述单位像素与所述信号线之间以及所述信号线与所述电流源之间的连接。
（2）根据（1）所述的固态图像拍摄装置，其中，每个单位像素包括放大晶体管，所述放大晶体管放大被所述扩散层转换成电压的信号；以及
选择晶体管，所述选择晶体管选择输出由所述放大晶体管执行的放大得到的信号的单位像素；并且
所述选择晶体管被所述驱动器驱动以从电气上切断所述单位像素与所述信号线之间的连接。
（3）根据（2）所述的固态图像拍摄装置，其中，所述选择晶体管连接在所述放大晶体管与所述信号线之间。
（4）根据（1）至（3）之一所述的固态图像拍摄装置，
其中，开关元件连接在所述信号线与所述电流源之间，并且
所述开关元件被所述驱动器驱动以从电气上切断所述信号线与所述电流源之间的连接。
（5）根据（1）至（4）之一所述的固态图像拍摄装置，还包括电流提供部，所述电流提供部在所述信号线与所述电流源之间的连接被从电气上切断时向所述电流源提供电流。
（6）根据（1）至（5）之一所述的固态图像拍摄装置，其中，根据入射在所述光电转换部上的光量，所述驱动器判定是否要从电气上切断所述单位像素与所述信号线之间的连接以及所述信号线与所述电流源之间的连接。
（7）根据（6）所述的固态图像拍摄装置，其中，当入射在所述光电转换部上的光量大于预定量时，所述驱动器不执行所述从电气上切断，而当入射在所述光电转换部上的光量小于或等于所述预定量时，所述驱动器执行所述从电气上切断。
（8）根据（1）至（7）之一所述的固态图像拍摄装置，还包括用于各条信号线的模拟到数字转换电路，用于将模拟信号转换成数字信号，所述模拟信号是通过所述信号线从所述单位像素读出的。
（9）根据（8）所述的固态图像拍摄装置，其中，每个模拟到数字转换电路包括：
比较部，所述比较部将参考信号与所述模拟信号相比较，所述参考信号具有逐渐变化的电平；以及
计数器部，所述计数器部基于由所述比较部执行的比较的结果执行计数操作，
其中，所述模拟到数字转换电路根据由所述计数器部执行的计数操作的结果获得与所述模拟信号相对应的数字信号。
（10）根据（9）所述的固态图像拍摄装置，其中，所述驱动器将设定增益值与预定的增益阈值相比较并且根据比较的结果作出所述从电气上切断的判定，所述设定增益值限定所述参考信号的电平的梯度。
（11）根据（10）所述的固态图像拍摄装置，其中，当所述设定增益值大于所述预定的增益阈值时，所述驱动器不执行所述从电气上切断，并且当所述设定增益值小于或等于所述预定的增益阈值时，所述驱动器执行所述从电气上切断。
（12）一种用于固态图像拍摄装置的驱动方法，所述固态图像拍摄装置具有：
单位像素，所述单位像素包括将电荷传送到扩散层的传送门，所述电荷是由光电转换部执行的光电转换获得的；
信号线，从所述单位像素输出的信号被读出到所述信号线；
电流源，所述电流源连接到所述信号线，所述驱动方法包括：
在驱动所述固态图像拍摄装置期间，在所述传送门的传送时段中从电气上切断所述单位像素与所述信号线之间以及所述信号线与所述电流源之间的连接。
（13）一种电子设备，包括固态图像拍摄装置作为图像拍摄部，
其中，所述固态图像拍摄装置包括：
单位像素，所述单位像素包括将电荷传送到扩散层的传送门，所述电荷是由光电转换部执行的光电转换获得的；
信号线，从所述单位像素输出的信号被读出到所述信号线；
电流源，所述电流源连接到所述信号线；以及
驱动器，所述驱动器在所述传送门的传送时段中从电气上切断所述单位像素与所述信号线之间以及所述信号线与所述电流源之间的连接。
本公开包含与2011年12月9日向日本专利局提交的日本优先权专利申请JP2011-270282中公开的主题相关的主题，特此通过引用将该申请的全部内容并入。
本领域的技术人员应当理解，取决于设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和变更，只要它们处于所附权利要求或其等同物的范围之内即可。

Claims (13)

1.一种固态图像拍摄装置，包括：
单位像素，所述单位像素包括将电荷传送到扩散层的传送门，所述电荷是由光电转换部执行的光电转换获得的；
信号线，从所述单位像素输出的信号被读出到所述信号线；
电流源，所述电流源连接到所述信号线；以及
驱动器，所述驱动器在所述传送门的传送时段中从电气上切断所述单位像素与所述信号线之间以及所述信号线与所述电流源之间的连接。
2.根据权利要求1所述的固态图像拍摄装置，其中，每个单位像素包括放大晶体管，所述放大晶体管放大被所述扩散层转换成电压的信号；以及
选择晶体管，所述选择晶体管选择输出由所述放大晶体管执行的放大得到的信号的单位像素；并且
所述选择晶体管被所述驱动器驱动以从电气上切断所述单位像素与所述信号线之间的连接。
3.根据权利要求2所述的固态图像拍摄装置，其中，所述选择晶体管连接在所述放大晶体管与所述信号线之间。
4.根据权利要求1所述的固态图像拍摄装置，
其中，开关元件连接在所述信号线与所述电流源之间，并且
所述开关元件被所述驱动器驱动以从电气上切断所述信号线与所述电流源之间的连接。
5.根据权利要求1所述的固态图像拍摄装置，还包括电流提供部，所述电流提供部在所述信号线与所述电流源之间的连接被从电气上切断时向所述电流源提供电流。
6.根据权利要求1所述的固态图像拍摄装置，其中，根据入射在所述光电转换部上的光量，所述驱动器判定是否要从电气上切断所述单位像素与所述信号线之间的连接以及所述信号线与所述电流源之间的连接。
7.根据权利要求6所述的固态图像拍摄装置，其中，当入射在所述光电转换部上的光量大于预定量时，所述驱动器不执行电气上的切断，而当入射在所述光电转换部上的光量小于或等于所述预定量时，所述驱动器执行电气上的切断。
8.根据权利要求1所述的固态图像拍摄装置，还包括用于各条信号线的模拟到数字转换电路，用于将模拟信号转换成数字信号，所述模拟信号是通过所述信号线从所述单位像素读出的。
9.根据权利要求8所述的固态图像拍摄装置，其中，每个模拟到数字转换电路包括：
比较部，所述比较部将参考信号与所述模拟信号相比较，所述参考信号具有逐渐变化的电平；以及
计数器部，所述计数器部基于由所述比较部执行的比较的结果执行计数操作，
其中，所述模拟到数字转换电路根据由所述计数器部执行的计数操作的结果获得与所述模拟信号相对应的数字信号。
10.根据权利要求9所述的固态图像拍摄装置，其中，所述驱动器将设定增益值与预定的增益阈值相比较并且根据比较的结果作出从电气上切断的判定，所述设定增益值限定所述参考信号的电平的梯度。
11.根据权利要求10所述的固态图像拍摄装置，其中，当所述设定增益值大于所述预定的增益阈值时，所述驱动器不执行电气上的切断，并且当所述设定增益值小于或等于所述预定的增益阈值时，所述驱动器执行所述电气上的切断。
12.一种用于固态图像拍摄装置的驱动方法，所述固态图像拍摄装置具有：
单位像素，所述单位像素包括将电荷传送到扩散层的传送门，所述电荷是由光电转换部执行的光电转换获得的；
信号线，从所述单位像素输出的信号被读出到所述信号线；
电流源，所述电流源连接到所述信号线，所述驱动方法包括：
在驱动所述固态图像拍摄装置期间，在所述传送门的传送时段中从电气上切断所述单位像素与所述信号线之间以及所述信号线与所述电流源之间的连接。
13.一种电子设备，包括固态图像拍摄装置作为图像拍摄部，
其中，所述固态图像拍摄装置包括：
单位像素，所述单位像素包括将电荷传送到扩散层的传送门，所述电荷是由光电转换部执行的光电转换获得的；
信号线，从所述单位像素输出的信号被读出到所述信号线；
电流源，所述电流源连接到所述信号线；以及
驱动器，所述驱动器在所述传送门的传送时段中从电气上切断所述单位像素与所述信号线之间以及所述信号线与所述电流源之间的连接。
CN2012105094913A 2011-12-09 2012-12-03 固态图像拍摄装置、其驱动方法以及电子设备 Pending CN103179356A (zh)

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