CN103916608A - 光电转换设备、图像拾取系统及光电转换设备的驱动方法 - Google Patents

Abstract

一种光电转换设备、图像拾取系统及光电转换设备的驱动方法，该光电转换设备包括：模拟信号输出单元，其包括像素并且被配置为基于像素而输出模拟信号；以及信号处理单元。所述信号处理单元中的每一个与所述模拟信号输出单元之一对应地被提供，并且包括增益施加单元和AD转换单元，增益施加单元被配置为将增益施加到模拟信号。增益施加单元有选择地输出通过将1或更小的第一增益施加到模拟信号所获得的第一放大信号、或通过将小于所述第一增益的第二增益施加到模拟信号所获得的第二放大信号。AD转换单元把从增益施加单元输出的第一放大信号或第二放大信号从模拟转换为数字。

Description

光电转换设备、图像拾取系统及光电转换设备的驱动方法

技术领域

实施例的一个公开方面涉及一种光电转换设备、一种图像拾取系统以及一种光电转换设备的驱动方法。

背景技术

在图像拾取装置的领域，多个增益可以施加到同一信号。日本专利公开No.2010-016416描述了一种图像拾取系统，其中，对于像素阵列的各个列提供的放大器中的每一个以1或更大的不同增益来放大单个信号，根据信号电平选择所得信号之一。此外，日本专利公开No.2010-016416描述了对于放大器中的每一个提供模数（AD）转换器。

在日本专利公开No.2010-016416中，由于以1或更大的增益来放大信号，因此期望放大器下游的电路的输入动态范围是宽的。然而，为了加宽输入动态范围，该电路的配置变得复杂。

发明内容

实施例的一个公开方面提供一种光电转换设备、一种图像拾取系统以及一种光电转换设备的驱动方法，其中，可以防止放大器下游的电路的配置复杂。

根据实施例的一方面，一种光电转换设备，包括多个模拟信号输出单元和多个信号处理单元。多个模拟信号输出单元包括多个像素，所述多个模拟信号输出单元中的每一个被配置为基于所述多个像素中的一个像素而输出模拟信号。多个信号处理单元中的每一个与所述多个模拟信号输出单元之一对应地被提供，并且包括增益施加单元和AD转换单元，增益施加单元被配置为将增益施加到模拟信号。增益施加单元被配置为有选择地输出第一放大信号或第二放大信号，第一放大信号是通过将1或更小的第一增益施加到所述模拟信号所获得的信号，第二放大信号是通过将小于所述第一增益的第二增益施加到模拟信号所获得的。AD转换单元被配置为将从增益施加单元输出的第一放大信号或第二放大信号从模拟转换为数字。

根据参照附图对实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清楚。

附图说明

图1是示出光电转换设备的配置示例的图。

图2是示出列比较单元的配置示例的图。

图3是根据第一实施例的定时图。

图4是示出像素的配置示例的图。

图5是示出放大器的配置示例的图。

图6是根据第二实施例的定时图。

图7是示出列比较单元的配置示例的图。

图8是示出列比较单元的配置示例的图。

图9是示出列比较单元的配置示例的图。

图10是根据第五实施例的定时图。

图11是示出列比较单元的配置示例的图。

图12是根据第六实施例的定时图。

图13是示出光电转换设备的配置示例的图。

图14是示出列比较单元的配置示例的图。

图15是根据第七实施例的定时图。

图16是示出列比较单元的配置示例的图。

图17是根据第八实施例的定时图。

图18是示出列比较单元的配置示例的图。

图19是示出列比较单元的配置示例的图。

图20是根据第十实施例的定时图。

图21是示出图像捕获系统的配置示例的图。

具体实施方式

实施例的一个所公开的特征可以描述为通常被描述为定时图的处理。定时图可以示出若干实体（例如信号、事件等）的定时关系。虽然定时图可以将操作描述为顺序处理，但可以并行或同时执行一些操作。此外，除非另外声明，操作或定时时刻的顺序可以重新布置。此外，定时或时间距离可以并不以确切比例被标定或描述定时关系。

第一实施例

将参照附图描述第一实施例。

图1是示出根据第一实施例的光电转换设备的配置示例的图。光电转换设备100包括像素阵列10、放大部分20、比较部分30、存储器部分40、计数器50、垂直扫描电路12、水平扫描电路60以及信号处理电路65。定时生成电路13生成用于控制光电转换设备100的操作的信号。

像素阵列10包括被布置在矩阵中的多个像素11。像素阵列10中在单列中所布置的多个像素的输出节点被连接到公共信号线路V-n。在此，n是整数并且公共信号线路V-n指示公共信号线路V-n是从像素阵列10的左边起的第n条线路。下文中，将相似地表示对于各列像素阵列10所布置的元件。

放大部分20包括多个放大器20-n。放大器20-n中的每一个放大从对应信号线路V-n提供的信号。

比较部分30包括多个列比较单元30-n。列比较单元30-n中的每一个输出通过对来自对应放大器20-n的输出与从基准信号生成单元31提供的基准信号进行比较所获得的比较结果。

存储器部分40包括多个列存储器40-n。在从对应列比较单元30-n接收输出时，列存储器40-n中的每一个保存从计数器50输出的计数信号。

当水平扫描电路60选择列存储器40-n之一时，所选择的列存储器40-n中所保存的信号发送到信号处理电路65。

可以换句话说，每个列具有模拟信号输出单元和信号处理单元。模拟信号输出单元包括对于像素阵列10中的列所布置的多个像素11以及对于多个像素11所布置的放大器20-n。信号处理单元具有对从模拟信号处理单元输出的信号执行模数（AD）转换的功能。

图2示出根据第一实施例的列比较单元30-n的配置。列比较单元30-n包括比较器101、确定电路102、增益施加单元GA以及输入电容器Cramp和C1。根据第一实施例的增益施加单元GA包括衰减器103以及开关S1和S2。基准信号Vramp经由输入电容器Cramp输入到列比较单元30-n的输入节点之一。放大器20-n的输出经由开关S2和输入电容器C1或经由衰减器103、开关S1以及输入电容器C1连接到列比较单元30-n的另一输入节点。比较器101的输出连接到确定电路102。确定电路102响应于来自比较器101的输出而执行控制，以使得开关S1和S2之一闭合。结果，使用衰减器103通过放大来自放大器20-n的输出所获得的信号或来自放大器20-n的输出被提供给比较器101。放大器20-n的输出以小于1的增益受放大并且从衰减器103输出。从放大器20-n提供并且经由开关S2输入到比较器101的信号是通过以1的增益放大模拟信号所获得的信号。

增益施加单元GA被配置包括转换输入信号的幅度的部分，即有助于将增益施加到模拟信号的部分仅由无源元件构成。在第一实施例中，来自衰减器103的输出由Vpix1表示，在输入电容器C1的输入节点处的电势由Vpix'表示。

在第一实施例中，对于每个列，输出模拟信号的模拟信号输出单元构成为包括多个像素11和放大器20-n，AD转换单元构成为包括列比较单元30-n和列存储器40-n以及基准信号生成单元31和计数器50。

接下来，将参照图3描述根据第一实施例的操作。

虚线表示特定放大器20-n的输出Vpix大于以下所描述的阈值的情况，实线表示输出Vpix小于阈值的情况。

在时间t0，假设放大器20-n的输出Vpix为零。在时间t0，开关S1打开，开关S2闭合。因此，放大器20-n的输出Vpix经由开关S2和输入电容器C1提供给对应比较器101。

在时间t1，放大器20-n的输出Vpix开始改变，并且在时间t2变为静定的。

同时，基准信号Vramp的值变为到时间t2为止静定为阈值Vr。在从时间t2到时间t3的确定时段中，如果输出Vpix超过阈值Vr，则比较器101的输出Vout保持在L电平，如虚线所示。结果，确定电路102打开开关S2并且闭合开关S1。也就是说，执行切换，以使得放大器20-n的输出Vpix受衰减器103衰减并且提供给比较器101。如果输出Vpix小于阈值Vr，则比较器101的输出Vout变为H电平，如实线所示。在此情况下，开关S1和S2的状态相对于时间t0不变。即，在输出Vpix小于阈值Vr的情况下，以第一增益所放大的信号提供给比较器101，在输出Vpix大于阈值Vr的情况下，以第二增益所放大的信号提供给比较器101。以下，以第一增益所放大的信号被称为第一放大信号，以第二增益所放大的信号被称为第二放大信号。在第一实施例中，第一增益是1，第二增益小于1。

从时间t4开始，基准信号Vramp的电平开始单调地改变。响应于基准信号Vramp的改变的开始，定时生成电路13使得计数器50开始计数操作。

比较器101的输出Vout在放大器20-n的输出Vpix大于阈值Vr的情况下在时间t5'或在放大器20-n的输出Vpix小于阈值Vr的情况下在时间t5从L电平切换到H电平。作为比较器101的输出Vout切换到H电平的结果，列存储器40-n保存计数信号。以此方式，放大器20-n的输出Vpix转换为数字信号。

以此方式所获得的数字信号被发送到信号处理电路65。虽然第一实施例中未示出，但作为标记信号，列存储器40-n可以保存在确定时段中获得的确定结果。使用标记信号，信号处理电路65和其它下游电路能够识别数字信号以增益施加单元GA的哪个增益受放大。

日本专利公开No.2010-016416中所描述的图像捕获装置使用放大器生成两个信号，这两个信号源自以1或更大的增益的放大。因此，期望放大器下游的电路的输入动态范围是宽的。

与之对照，根据第一实施例，第一放大信号和第二放大信号都以1或更小的增益受放大。因此，与日本专利公开No.2010-016416对照，无需加宽放大器下游的电路的输入动态范围。因此，可以防止放大器下游所提供的电路的配置为了加宽输入动态范围而复杂。

此外，如日本专利公开No.2010-016416所示，于在包括运算放大器的放大器中以顺序方式执行增益的切换的情况下，由于运算放大器是有源电路，因此直到放大器的输出变为静定的时间段取决于运算放大器的响应度。通常，由于对于图像捕获装置期望较低的功耗，因此增加功耗以使得改进运算放大器的响应度是不实际的。

与之对照，根据第一实施例，甚至对于电平超过阈值的信号，增益施加单元GA也仅使用无源元件将增益施加到信号。因此，在防止功耗增加的同时，可以增加光电转换设备的操作速度。

在第一实施例中，在确定时段中确定模拟信号的信号电平。基于确定结果，执行增益施加单元GA的增益的切换。结果，与在S转换时段中不切换增益的情况下执行处理的情况对照，可以缩短第一实施例中的S转换时段的长度。因此，可以进一步增加图像捕获装置的操作速度。如果增益施加单元GA使得放大器20-n的输出Vpix衰减以将值减少一半，则S转换时段中的基准信号Vramp的改变范围可以减少一半。因此，S转换时段的长度可以减少一半。

第二实施例

以下，将主要描述第一实施例与第二实施例之间的差异。将省略关于与第一实施例共同的部分的描述。

图4是示出根据第二实施例的像素11的图。像素11包括光电二极管PD、放大晶体管SF、转移晶体管TX、重置晶体管RES和选择晶体管SEL。转移晶体管TX、重置晶体管RES和选择晶体管SEL被设置为分别通过信号PTX、PRES和PSEL而导通/截止。地电势施加到光电二极管PD的阳极。光电二极管PD的阴极经由转移晶体管TX连接到浮置扩散部分FD。放大晶体管SF的栅极连接到浮置扩散部分FD，并且还经由重置晶体管RES连接到电源SVDD。放大晶体管SF的主节点之一连接到电源SVDD，另一主节点经由选择晶体管SEL连接到输出节点PIXOUT。

图5示出根据第二实施例的放大器20-n的配置。放大器20-n包括差分放大器105、输入电容器Cin、反馈电容器Cca1和Cca2以及开关Sca1、Sca2和Srst。基准电压Vref施加到差分放大器105的非反相输入节点。差分放大器105的反相输入节点经由输入电容器Cin连接到对应信号线路V-n。差分放大器105的反相输入节点和输出节点经由开关Srst、开关Sca1和反馈电容器Cca1、以及开关Sca2和反馈电容器Cca2彼此连接。可以通过控制开关Sca1和Sca2的导通状态来执行放大器20-n的增益的切换。

将参照图6描述根据第二实施例的操作。

在时间t0，开关S1打开，开关S2闭合。因此，放大器20-n的输出Vpix经由开关S2和输入电容器C1提供给对应比较器101。

在时间t0，信号PSEL的电平变为H电平，选择晶体管SEL导通。结果，放大晶体管SF连同对于与放大器20-n（未示出）对应的信号线路V-n所提供的电源一起操作为源极跟随器电路。

在时间t1，信号PRES的电平变为H电平，重置晶体管RES导通。结果，浮置扩散部分FD重置，信号线路V-n的电势响应于浮置扩散部分FD的电势而改变。此时的像素11的输出是主要包括由于浮置扩散部分FD的重置而产生的噪声分量的信号。

在时间t1，信号PSrst的电平也变为H电平，放大器20-n中的开关Srst闭合。结果，差分放大器105的输入端子和输出端子短路，通过差分放大器105的输出来重置输入电容器Cin的节点之一。此后，当信号PSrst的电平变为L电平时，输入电容器Cin保存由于浮置扩散部分FD的重置而产生的噪声分量与放大器20-n的输出Vpix之间的电势差。

在时间t2，基准信号Vramp的信号电平改变为基准电平。

在时间t3，基准信号Vramp的信号电平关于时间以预定速率改变。响应于基准信号Vramp的改变的开始，定时生成电路13使得计数器50开始计数操作。此后，当基准信号Vramp的值超过放大器20-n的输出Vpix时，比较器101的输出Vout变为H电平。当输出Vout变为H电平时，通过对应列存储器40-n保存从计数器50输出的计数信号。在此，列存储器40-n所保存的信号与由于放大器20-n所产生的噪声对应。以此方式，由于放大器20-n而产生的噪声转换为数字信号。

在时间t4，基准信号Vramp的值的改变停止，基准信号Vramp的值返回到其初始值。然后，比较器101的输出Vout改变为L电平。

在时间t5，信号PTX的电平改变为H电平。结果，转移晶体管TX导通，并且光电二极管PD中所存储的电荷转移到浮置扩散部分FD。浮置扩散部分FD的电势根据转移到浮置扩散部分FD的电荷量而改变。响应于浮置扩散部分FD的电势的这种改变，信号线路V-n的电势也改变。相似地，放大器20-n的输出Vpix也改变。放大器20-n的输出Vpix是通过放大通过减少来自像素11的输出的噪声分量所获得的信号而获得的信号，噪声分量源于浮置扩散部分FD的重置。即，理想地，放大消除了由于像素11而产生的噪声分量的信号。

在时间t6，基准信号Vramp的电平变为静定为阈值Vr。如果输出Vpix超过阈值Vr，则比较器101的输出Vout保持在L电平，如虚线所示。结果，确定电路102打开开关S2并且闭合开关S1。即，放大器20-n的输出Vpix受衰减器103衰减，并执行切换以使得受衰减的输出Vpix提供给比较器101。如果输出Vpix小于阈值Vr，则比较器101的输出Vout变为H电平，如实线所示。在此情况下，开关S1和S2的状态相对于时间t0未改变。

从时间t8开始，基准信号Vramp的电平关于时间以预定速率开始改变。响应于基准信号Vramp的改变的开始，定时生成电路13使得计数器50开始计数操作。

比较器101的输出Vout在放大器20-n的输出Vpix大于阈值Vr的情况下在时间t9'以及在放大器20-n的输出Vpix小于阈值Vr的情况下在时间t9从L电平切换到H电平。作为比较器101的输出Vout切换到H电平的结果，列存储器40-n保存计数信号。以此方式，放大器20-n的输出Vpix转换为数字信号。通过例如对在从时间t3到时间t4的时段中列存储器40-n所保存的数字信号与在时间t9或时间t9'所保存的数字信号之间的差在信号处理电路65处执行处理来获得具有减少的噪声量的数字信号，噪声是因放大器20-n产生的。

根据第二实施例，可以防止放大器下游的电路的配置复杂。

此外，根据第二实施例，如第一实施例中那样，即使对于电平超过阈值的信号，有助于在增益施加单元GA中将增益施加到模拟信号的部分仅由无源元件构成。因此，在防止功耗增加的同时，可以提高光电转换设备的操作速度。

此外，根据第二实施例，因为由于浮置扩散部分FD的重置而产生的噪声量以及由于放大器20-n而产生的噪声量可以减少，所以可以获得具有高S/N比的信号。

第三实施例

图7是示出根据第三实施例的列比较单元30-n的配置的图。第三实施例与第一实施例和第二实施例的不同在于，衰减器103包括两个电容器C2和C3。将省略与上述实施例共同的部分的描述。

作为第一容性元件的电容器C2的节点之一连接到对应的模拟信号输出单元。另一节点连接到作为第二容性元件的电容器C3的节点之一以及开关S1。固定电势施加到电容器C3的另一节点。通过这种配置，使用电容器C2与C3的电容之间的比率来确定衰减器103的增益。

在根据第三实施例的衰减器103的配置的情况下，必须在图6中的时间t2之前临时闭合开关S1，以重置电容器C2和C3。除此之外，可以执行与图6所示相同的操作。

第四实施例

图8是示出根据第四实施例的列比较单元30-n的配置的图。第四实施例与第三实施例的不同在于，增益施加单元GA不包括输入电容器C1而包括电容器C4。

根据第四实施例的光电转换设备的操作可以与根据第三实施例的光电转换设备的操作相同。

第五实施例

将描述第五实施例。

图9是示出根据第五实施例的列比较单元30-n的配置的图。根据第五实施例的列比较单元30-n与图8所示的列比较单元的不同在于，比较器101和增益施加单元GA共享用于在放大器20-n的输出Vpix经由电容器C4提供给比较器101的路径与放大器20-n的输出Vpix经由电容器C2提供给比较器101的路径之间执行切换的配置。将省略与上述实施例共同的部分的描述。

比较器101包括晶体管M1至M6。晶体管M1和晶体管M4构成差分对，晶体管M1是第一输入晶体管，晶体管M4是第二输入晶体管。晶体管M2和晶体管M4也构成差分对，晶体管M2是第三输入晶体管。晶体管M1和M2彼此并联。晶体管M3运作为用于差分对的尾电流源。晶体管M5和M6运作为用于晶体管M1、M2和M4的电流源。晶体管M1的主节点之一经由开关S3连接到晶体管M5，另一主节点连接到晶体管M3。晶体管M1的控制节点连接到电容器C2与C3之间的公共触点，经由电容器C2连接到列比较单元30-n的输入端子，并且经由开关S5连接到晶体管M5与开关S3之间的公共节点。晶体管M2的主节点之一经由开关S4连接到晶体管M5，另一主节点连接到晶体管M3。晶体管M2的控制节点经由电容器C4连接到列比较单元30-n的输入端子，并且经由开关S6连接到晶体管M5与开关S3之间的公共节点。晶体管M4的主节点之一连接到晶体管M3，另一主节点连接到晶体管M6。晶体管M4的控制节点经由输入电容器Cramp连接到提供基准信号Vramp的引线线路，经由开关S7连接到晶体管M4的另一主节点并且连接到晶体管M6和列比较单元30-n的输出节点。开关S3和S4受控于确定电路102。

参照图10，将描述根据第五实施例的光电转换设备的操作。

图10所示的操作与图6所示的操作的不同在于，不包括开关S1和S2的操作，而包括开关S3至S7的操作。在此，省略与图6相同的部分的描述，将仅描述与图6不同的部分。

在信号PSEL的电平在时间t0变为H电平之后，在从时间t0到时间t1的时段中重置电容器C2至C4。

首先，开关S3闭合，开关S4打开。结果，晶体管M1和M5彼此电连接，晶体管M1和M4构成用于比较器101的有源差分对。

接下来，开关S5和S7闭合。结果，电容器C2的电势以及电容器C3的电势被重置为开关S3与晶体管M5之间的公共节点的电势。此外，输入电容器Cramp的节点之一的电势被重置为晶体管M4与M6之间的公共触点的电势。

接下来，开关S3打开，开关S4闭合。结果，执行切换，以使得晶体管M2和M4变为用于比较器101的有源差分对。

接下来，开关S6和S7闭合。结果，电容器C6的电势被重置为开关S4与晶体管M5之间的公共触点的电势。此外，输入电容器Cramp的节点之一的电势被再次重置为晶体管M4与M6之间的公共触点的电势。

此后，由于开关S4闭合直到确定时段在时间t7结束，因此放大器20-n的输出Vpix可以经由电容器C4输入到比较器101。即，如在图6所示的操作中那样，放大器20-n的输出Vpix在两条路径之间经由具有较高增益的路径而被提供给比较器101。

在确定时段中，在放大器20-n的输出Vpix小于阈值Vr的情况下，开关S3保持打开，开关S4保持闭合，如实线所示。与之对照，在放大器20-n的输出Vpix超过阈值Vr的情况下，开关S4打开，开关S3闭合，如虚线所示。结果，放大器20-n的输出Vpix经由包括电容器C2和C3的衰减器103而被提供给比较器101。

对于第五实施例也一样，仅使用无源元件将增益施加到待输入到比较器101的信号。因此，在防止功耗增加的同时，可以提高光电转换设备的操作速度。

在第五实施例中，在重置电容器C4之前，重置电容器C2和C3；然而，可以按相反的顺序来执行这种重置。注意，在此情况下，在已经重置电容器C2和C3的情况下，必须将差分对之一设置为有源差分对。关于增加操作速度，图10所示的操作比在重置电容器C2和C3之前重置电容器C4更有利。

第六实施例

图11是示出根据第六实施例的列比较单元30-n的配置的图。图8所示的列比较单元30-n被配置为：比较器101的输入节点之一经由在使用开关S1和S2之间而被切换的两条路径连接到列比较单元30-n的输入节点之一。与之对照，在第六实施例中，在比较器101的输入节点之一与列比较单元30-n的输入节点之一之间仅存在一条路径。在第六实施例中，列比较单元30-n具有这样的配置：不存在旁路衰减器103的路径，并且执行增益的切换。将省略与上述实施例共同的部分的描述。

图12是用于描述根据第六实施例的操作的定时图。图12所示的定时图与图6所示的定时图的不同在于：开关S1在从时间t0到时间t1的时间段期间临时闭合。通过闭合开关S1，重置电容器C2和C3。除了开关S1的操作之外，图12所示的操作可以与图6所示的相同。

根据第六实施例，在防止增加功耗的同时，可以提高光电转换设备的操作速度。此外，由于简化了从放大器20-n到比较器101的路径，所以可以使得光电转换设备最小化。

第七实施例

图13是示出根据第七实施例的光电转换设备100'的配置的图。图13所示的光电转换设备100'与图1所示的光电转换设备100的不同在于省略了计数器50。将省略与上述实施例共同的部分的描述。

图14是示出根据第七实施例的列比较单元30-n的配置的图。图14所示的列比较单元30-n与图2所示的列比较单元30-n的不同在于，包括比较电压生成单元104。比较器101的另一输入节点与放大器20-n的输出端子之间的配置与图2所示的配置相同。

比较电压生成单元104包括彼此并行布置的多个电容器以及分别与电容器中的对应一个电容器串联布置的开关。电容器中的每一个经由开关中的对应一个开关有选择地连接到用于地电压GND的端子或用于基准电压Vr1（下文中又称为阈值Vr1）的端子。在此，示出这样的示例：六个电容器彼此并行地布置，电容器的电容在图中从左边起是16Cr、8Cr、4Cr、2Cr、Cr和4Cr。在第七实施例中，基准信号生成单元31将基准电压Vr1施加到各列中的每一列的列比较单元30-n。通过凭借使用开关中的对应一个开关来切换用于具有16Cr、8Cr、4Cr、2Cr、Cr和4Cr的电容的多个电容器中的每一个的连接端子，列比较单元30-n操作为逐次逼近AD转换器。

将参照图15描述根据第七实施例的操作。

在时间t0，所有信号PSEL、PRES、PTX和PSrst的电平都处于L电平。因此，放大器20-n的输出Vpix也处于L电平。

此外，在时间t0，开关S2处于闭合状态，开关S1、Sr0、Sr1、Sr2、Sr4、Sr8和Sr16处于打开状态。在此，对于开关Sr0、Sr1、Sr2、Sr4、Sr8和Sr16中的每一个，打开状态指代把地电势施加到与开关对应的电容器的状态，闭合状态指代把基准电压Vr1施加到与开关对应的电容器的状态。

对于放大部分20的每个放大器20-n都具有图5所示的配置的情况进行以下描述。

在时间t1，信号PSEL的电平变为H电平，选择晶体管SEL导通。结果，放大晶体管SF连同对于与放大器20-n（未示出）对应的信号线路V-n所提供的电源一起操作为源极跟随器电路。

在时间t1，信号PRES的电平变为H电平，重置晶体管RES导通。结果，浮置扩散部分FD被重置，信号线路V-n的电势响应于浮置扩散部分FD的电势而改变。此时的像素11的输出是主要包括由于浮置扩散部分FD的重置而产生的噪声分量的信号。

在时间t1，信号PSrst的电平也变为H电平，放大器20-n中的开关Srst闭合。结果，差分放大器105的输入端子和输出端子短路，通过差分放大器105的输出来重置输入电容器Cin的节点之一。此后，当信号PSrst的电平变为L电平时，通过输入电容器Cin保存由于浮置扩散部分FD的重置而产生的噪声分量与放大器20-n的输出Vpix之间的电势差。

在时间t3，开关S1进入打开状态，并且仅把不流经衰减器103的信号经由输入电容器C1提供给比较器101。

在时间t4，开关Sr0进入打开状态，地电势施加到与开关Sr0对应的电容器。

在开关Sr0在时间t4进入打开状态之后，AD转换时段开始。在AD转换时段中，相继地对于开关Sr1、Sr2、Sr4、Sr8和Sr16以顺序方式执行切换，提供给比较器101的模拟信号被转换为数字信号。这里的操作与已知的逐次逼近AD转换器所执行的相似，因此将省略详细描述。通过N转换时段中所执行的操作，由于放大器20-n而产生的噪声被转换为数字信号。

在时间t5，信号PTX的电平改变为H电平。结果，转移晶体管TX导通，光电二极管PD中所累积的电荷转移到浮置扩散部分FD。浮置扩散部分FD的电势根据转移到浮置扩散部分FD的电荷量而改变。响应于浮置扩散部分FD的电势的这种改变，信号线路V-n的电势也改变。相似地，放大器20-n的输出Vpix也改变。放大器20-n的输出Vpix是通过放大通过减少来自像素11的输出的噪声分量所获得的信号而获得的信号，噪声分量是由于浮置扩散部分FD的重置而产生的。即，理想地，放大消除了由于像素11而产生的噪声分量的信号。

在时间t6，开关Sr1、Sr2、Sr4、Sr8和Sr16进入闭合状态。在此，假设阈值Vr施加到比较器101的输入节点之一。在直到时间t7的确定时段中，对阈值Vr与放大器20-n的输出Vpix彼此进行比较，输出Vpix被提供给比较器101的另一输入节点。

在确定时段中，虚线表示输出Vpix超过阈值Vr的情况，实线表示输出Vpix小于阈值Vr的情况。在图15中，在输出Vpix等于阈值Vr的情况下，开关按与输出Vpix小于阈值Vr的情况下相同的方式操作；然而，开关可以另外与在输出Vpix超过阈值Vr的情况下相同的方式操作。

在输出Vpix超过阈值Vr1的情况下，开关S1进入闭合状态，开关S2进入打开状态。结果，放大器20-n的输出Vpix受衰减器103衰减，作为第二放大信号的所得信号被提供给比较器101。

与之对照，在输出Vpix小于阈值Vr1的情况下，保持开关S1和S2的导通状态。

从在开关Sr1、Sr2、Sr4、Sr8和Sr16进入打开状态之后的时间t8起，S转换时段开始。在S转换时段中，通过执行与已知逐次逼近AD转换器的操作相似的操作来获得数字信号。

通过对在N转换时段中所获得的数字信号与在S转换时段中所获得的数字信号之间的差执行处理来获得具有减少的噪声量的数字信号，噪声是由于放大器20-n产生的。

根据第七实施例，可以防止放大器下游的电路的配置复杂。

此外，根据第七实施例，如第一实施例中那样，即使对于电平超过阈值的信号，有助于将增益施加到信号的衰减器103的部分也仅由无源元件构成。因此，在防止功耗增加的同时，可以提高光电转换设备的操作速度。

此外，根据第七实施例，因为由于浮置扩散部分FD的重置而产生的噪声量以及由于放大器20-n而产生的噪声量可以减少，所以可以获得具有高S/N比的信号。

第八实施例

在上述实施例中，有助于衰减器103中将增益施加到信号的部分仅由无源元件构成，衰减器103被包括在增益施加单元GA中。与之对照，在第八实施例中，使用包括有源元件的衰减器103。

图16示出根据第八实施例的列比较单元30-n的配置。图16所示的列比较单元30-n与图2所示的列比较单元30-n的不同在于，包括增益可变的放大器。

放大器20-n的输出端子经由输入电容器Cin连接到差分放大器107的反相输入节点。差分放大器107在反相输入节点与输出节点之间具有三条反馈路径。这三条路径中的两条是具有开关S8和电容器C5的路径以及具有开关S9和电容器C6的路径。通过有选择地导通这两条路径作为有效反馈路径，连同输入电容器Cin一起切换差分放大器107的增益。另一反馈路径是具有开关Srst的路径。开关S8和S9响应于比较器101的输出Vout而受控于确定电路102。

将参照图17进一步描述根据第八实施例的操作。以下，假设电容器C5的电容大于电容器C6的电容。在从像素11到放大器20-n的部分中所执行的操作与在其它实施例中所执行的操作相似。因此，在此省略描述。

在时间t0，假设放大器20-n的输出Vpix0为零。在时间t0，开关Srst、S8和S9闭合。结果，重置电容器C5和C6中所保存的信号。

在时间t1，开关Srst打开，此后，开关S8打开。结果，仅具有开关S9和C6的路径在差分放大器107的反馈路径当中变为有效的。因此，增益施加单元GA施加到模拟信号的增益是由输入电容器Cin与电容器C6之间的电容比率确定的。输入电容器Cin的电容和C6的电容被设置为：在此实现1或更小的增益。

于在时间t2开始的N转换时段中，通过对放大器20-n重置而输出的基准信号从模拟转换为数字。

在N转换时段中的操作结束之后并且在确定时段开始之前，放大器20-n的输出Vpix0改变并且到时间t3为止变为静定。基准信号Vramp的值也到时间t3为止变为静定到阈值Vr。

在时间t3开始的确定时段中，比较器101对增益施加单元GA的输出Vpix与阈值Vr进行比较。在增益施加单元GA的输出Vpix大于阈值Vr的情况下，开关S8如虚线所示闭合，并且此外开关S9打开。结果，仅具有开关S8和电容器C5的路径在差分放大器107的反馈路径当中变为有效的。由于电容器C5的电容大于电容器C6的电容，因此差分放大器107的增益变得更小。与之对照，在增益施加单元GA的输出Vpix小于阈值Vr的情况下，开关S9保持闭合，如实线所示。

如上所述，在通过在确定时段中执行处理来设置差分放大器107的增益之后，从时间t4起执行S转换时段中的操作。

根据第八实施例，第一放大信号和第二放大信号都以1或更小的增益受放大。因此，与日本专利公开No.2010-016416对照，无需加宽放大器下游所提供的电路的输入动态范围。因此，可以防止放大器下游所提供的电路的配置为了加宽输入动态范围而复杂。

第九实施例

第八实施例中所示的列比较单元30-n使用单个增益可变放大器来生成第一放大信号和第二放大信号。然而，可以使用两个放大器来生成第一放大信号和第二放大信号。

图18所示的根据第九实施例的列比较单元30-n与第八实施例所示的列比较单元30-n的不同在于，包括施加彼此不同的增益的放大器。

除了开关Srst在从时间t0到时间t1的时段中闭合并且电容器C5和C6重置之外，根据第九实施例的操作可以与图6所示的操作相同。在此，假设其中电容器C6充当反馈电容器的放大器的增益是1或更小，并且大于其中电容器C5充当反馈电容器的放大器的增益。

根据第九实施例，第一放大信号和第二放大信号都以1或更小的增益被放大。因此，与日本专利公开No.2010-016416对照，无需加宽放大器下游所提供的电路的输入动态范围。因此，可以防止放大器下游所提供的电路的配置为了加宽输入动态范围而复杂。

在图18所示的配置中，提供两个放大器；然而，可以通过例如图7所示的其中仅由无源元件构成有助于将增益施加到模拟信号的部分的衰减器来代替这两个放大器之一。

第十实施例

在上述实施例中，确定电路102在从比较器101接收到输出Vout时控制开关。在第十实施例中，将描述这样的配置：确定电路102在接收到与比较器101不同的比较器108的输出时控制开关。

图19示出根据第十实施例的列比较单元30-n的配置。第十实施例中的增益施加单元GA具有与图2所示的列比较单元30-n的增益施加单元GA相同的配置。在第十实施例中，图19所示的列比较单元30-n与图2所示的列比较单元30-n的不同在于，比较器108和确定电路102与增益施加单元GA并行地提供。换句话说，第十实施例与上述实施例之间的差异在于，在上述实施例中增益施加单元GA的输出与阈值进行比较，而在第十实施例中增益施加单元GA的输入与阈值进行比较。阈值Vr或地电势经由开关Sr有选择地施加到比较器108的输入节点之一。

将参照图20进一步描述根据第十实施例的操作。像素11与放大器20-n之间所执行的操作与其它实施例中所执行的操作相似。因此，在此省略描述。

假设放大器20-n的输出Vpix在时间t0为零。此外，开关Sr在时间t0连接到用于地电势的端子，并且开关S2闭合。开关S1从时间t0临时闭合，此后，开关S1再次打开。在此状态下，在N转换时段开始的时间t1之前，重置单元（未示出）重置比较器108的输入节点。

在N转换时段中，通过重置放大器20-n所输出的基准信号从模拟转换为数字。

在N转换时段中的操作结束之后并且在确定时段开始之前，放大器20-n的输出Vpix改变并且到时间t2为止变为静定。基准信号Vramp的值也到时间t2为止变为静定到阈值Vr。

在时间t2开始的确定时段中，开关Sr首先连接到用于阈值Vr的端子。在此，比较器108对放大器20-n的输出Vpix与阈值Vr进行比较。

在放大器20-n的输出Vpix大于阈值Vr的情况下，开关S1如虚线所示闭合，此外，开关S2打开。结果，放大器20-n的输出Vpix乘以由衰减器103导致的小于1的增益，作为第二放大信号的所得信号被提供给比较器101。与之对照，在放大器20-n的输出Vpix小于阈值Vr的情况下，开关S2保持闭合，如实线所示。

如上所述，在通过在确定时段中执行处理来设置增益施加单元GA的增益之后，从时间t4执行S转换时段中的操作。

根据第十实施例，第一放大信号和第二放大信号都以1或更小的增益受放大。因此，与日本专利公开No.2010-016416对照，无需加宽放大器下游所提供的电路的输入动态范围。因此，可以防止放大器下游所提供的电路的配置为了加宽输入动态范围而复杂。

第十一实施例

将使用图21来描述根据第十一实施例的图像拾取系统。

图像拾取系统1000包括例如光学单元1010、光电转换设备1001、视频信号处理电路单元1030、记录和通信单元1040、定时控制电路单元1050、系统控制电路单元1060以及回放和显示单元1070。图像拾取系统1000可以至少在相加模式以及非相加模式之一下操作，并且可以设置各模式之一。

作为光电转换设备1001，可以使用上述实施例中所描述的光电转换设备100中的任一个。

作为光学系统（如透镜）的光学单元1010在其中二维地布置多个像素的像素阵列上通过物体所反射的光来形成物体的图像。光电转换设备1001在响应于从定时控制电路单元1050提供的信号的定时、基于在像素阵列上已形成的物体的图像所用的光来输出信号。可以省略光电转换设备1001包括的定时生成电路13，定时控制电路单元1050可以被配置为生成光电转换设备1001需要操作的信号。

从光电转换设备1001输出的信号输入到作为视频信号处理单元的视频信号处理电路单元1030。视频信号处理电路单元1030通过程序等所确定的方法来对输入电信号执行处理（如校正）。通过在视频信号处理电路单元1030中执行处理所获得的信号被发送到记录和通信单元1040作为图像数据。记录和通信单元1040把用于形成图像的信号发送到回放和显示单元1070，并且使得回放和显示单元1070回放或显示运动图像或静止图像。此外，记录和通信单元1040在从视频信号处理电路单元1030接收到信号时执行与系统控制电路单元1060的通信，并且进一步记录用于在记录介质（未示出）上形成图像的信号。

系统控制电路单元1060对图像拾取系统1000的操作执行中央控制。系统控制电路单元1060控制光学单元1010、定时控制电路单元1050、记录和通信单元1040、以及回放和显示单元1070的驱动。此外，系统控制电路单元1060包括存储器件（未示出，其示例是记录介质），用来控制图像拾取系统1000的操作所需的程序等被存储在存储器件中。此外，响应于作为示例的用户操作，系统控制电路单元1060提供用于在图像拾取系统1000内设置操作模式之一的信号。具体示例包括：改变待读取的线路或待重置的线路，由于数字变焦而改变视角，以及由于电子防抖而偏移视角。

定时控制电路单元1050基于作为控制单元的系统控制电路单元1060所执行的控制来控制光电转换设备1001的驱动定时以及视频信号处理电路单元1030的驱动定时。

其它实施例

上述实施例是用于本公开的示例。可以在不脱离本公开的技术构思的情况下进行各种改变，或可以组合来自多个实施例的要素。例如，可以省略图1所示的放大部分20，或可以在列比较单元30-n中省略输入电容器Cramp和C1。

根据本发明实施例，可以防止电路的配置复杂。

虽然已经参照实施例描述了本公开，但应理解，本公开不限于公开的实施例。所附权利要求的范围将要被赋予最宽泛的解释，以便包括所有这些修改以及等同配置和功能。

Claims (12)

1.一种光电转换设备，包括：

多个模拟信号输出单元，包括多个像素，所述多个模拟信号输出单元中的每一个被配置为基于所述多个像素中的一个像素而输出模拟信号；以及

多个信号处理单元；

所述多个信号处理单元中的每一个与所述多个模拟信号输出单元中的一个相对应地被提供，并且包括增益施加单元和AD转换单元，所述增益施加单元被配置为将增益施加到模拟信号，

所述增益施加单元被配置为有选择地输出第一放大信号或第二放大信号，所述第一放大信号是通过将1或更小的第一增益施加到所述模拟信号而获得的信号，所述第二放大信号是通过将小于所述第一增益的第二增益施加到所述模拟信号所获得的，以及

所述AD转换单元被配置为将从所述增益施加单元输出的所述第一放大信号或所述第二放大信号从模拟转换为数字。

2.如权利要求1所述的光电转换设备，其中，所述信号处理单元中的一个包括确定单元，

所述确定单元基于通过对所述第一放大信号与阈值进行比较所获得的结果来将所述第一放大信号或第二放大信号提供给所述AD转换单元。

3.如权利要求1所述的光电转换设备，其中，所述第一增益是1。

4.如权利要求3所述的光电转换设备，其中，所述增益施加单元包括被配置为使所述模拟信号衰减的衰减器，以及

所述第二放大信号是通过所述衰减器生成的。

5.如权利要求4所述的光电转换设备，其中，所述衰减器包括第一电容器元件和第二电容器元件，以及

所述第一电容器元件的节点中的一个节点连接到所述多个模拟信号输出单元中的对应一个模拟信号输出单元，而另一节点连接到所述第二电容器元件的节点中的一个节点和所述AD转换单元。

6.如权利要求5所述的光电转换设备，其中，所述衰减器包括切换单元，所述切换单元被配置为在所述第二电容器元件的节点中的该一个节点和所述第一电容器元件之间的连接与断连之间进行切换。

7.如权利要求4所述的光电转换设备，其中，所述AD转换单元包括比较器，

所述比较器包括第一输入晶体管、第二输入晶体管和第三输入晶体管，

所述第一输入晶体管和第二输入晶体管构成差分对，所述第三输入晶体管和第二输入晶体管构成差分对，

所述衰减器连接到所述第一输入晶体管，以及

所述多个模拟信号输出单元中的对应一个模拟信号输出单元连接到所述第三输入晶体管。

8.如权利要求1所述的光电转换设备，其中，所述增益施加单元包括增益可变的放大器，以及

所述第一放大信号和第二放大信号是通过所述增益可变的放大器生成的。

9.如权利要求1所述的光电转换设备，其中，无源元件构成在所述增益施加单元中有助于将增益施加到所述模拟信号的部分。

10.如权利要求1所述的光电转换设备，其中，所述模拟信号输出单元包括放大器，所述放大器连接到所述多个模拟信号输出单元中的对应一个模拟信号输出单元中所包括的多个像素。

11.一种图像拾取系统，包括：

如权利要求1所述的光电转换设备；

光学系统，被配置为在所述多个像素上形成图像；以及

视频信号处理单元，被配置为通过对从所述光电转换设备输出的信号执行处理来生成图像数据。

12.一种光电转换设备的驱动方法，所述光电转换设备包括多个模拟信号输出单元，所述多个模拟信号输出单元包括多个像素，所述多个模拟信号输出单元中的每一个被配置为基于所述多个像素中的一个像素而输出模拟信号，所述驱动方法包括：

通过将1或更小的第一增益施加到模拟信号来生成第一放大信号；

在所述第一放大信号的值小于阈值的情况下将所述第一放大信号从模拟转换为数字；以及

在所述第一放大信号的值大于所述阈值的情况下，把通过将小于所述第一增益的第二增益施加到所述模拟信号所获得的第二放大信号从模拟转换为数字。