CN104662892B

CN104662892B - 固体摄像装置

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Publication number: CN104662892B
Application number: CN201380048931.2A
Authority: CN
Inventors: 由井达哉; 星野幸三
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2012-10-25
Filing date: 2013-10-21
Publication date: 2017-11-21
Anticipated expiration: 2033-10-21
Also published as: US20150249797A1; US9635296B2; JP5938105B2; JPWO2014065223A1; CN104662892A; WO2014065223A1

Abstract

本发明提供一种能够以小规模的电路结构对强烈光导致的黑化现象进行修正的固体摄像装置。进行列信号线(111)的输出电压(VS)的采样的AD转换器(130)包括：在采样期间将输出电压(VS)与斜波的参照电压进行比较的比较器(131)；以比较器(131)的输出作为输入，判定输出电压(VS)的电压电平的判定电路(132)；和基于判定电路(132)的输出，将与输出电压(VS)对应的计数值作为数字值存储的存储部(133)。比较器(131)将对像素电路(100)的FD部(103)的电压进行复位的复位期间经过后的输出电压(VS)的电压变动放大，判定电路(132)在复位期间和对复位后的输出电压(Vrst)进行采样的期间之间的规定的检测期间，基于所述电压变动进行像素电路(100)接收的光是否为强烈光的判定。

Description

固体摄像装置

技术领域

本发明涉及以CMOS图像传感器为代表的固体摄像装置及其驱动方法。

背景技术

近年来，作为图像传感设备，相对于现有的CCD图像传感器，CMOS图像传感器由于低电压、低消耗电力且与周边电路容易融合的优点，从手机到数码摄像机广泛普及。

图12是说明现有的CMOS图像传感器4的结构的图。现有的CMOS图像传感器的一般的构造为，像素电路100配置在矩阵上，在像素电路100上分别连接有供给像素共用电压VD的共用电源线113、行扫描电路110、列信号线111。像素电路100的控制驱动由行扫描电路110每行地进行。列信号线111与恒流源120和进行AD转换的AD转换器130连接，利用AD转换器130内的比较器131将列信号线111的电压与斜波(ramp wave)发生器140产生的斜波进行比较之后，在存储部133利用计数电路135数字码(digital code)化，记录与光量相应的数字码。

图2是像素电路100的结构的一例。包括：进行光电转换的光电二极管(PD：photodiode)部101、传输栅晶体管102、将与光相应地产生的电荷通过传输栅晶体管102暂时保持的浮置扩散(FD：floating diffusion)部103、构成将FD部103的电压作为电压输出到列信号线111的源跟随电路的晶体管104、和将FD部103复位到某一电压的复位晶体管105。构成源跟随电路的晶体管104的漏极端与共用电源线113连接，被供给得到像素共用电压VD。

作为读出电荷量的方法，一般采用相关双采样(Correlated Double Sampling：CDS)方式。所述CDS方式中，读出反映了传输电荷前的FD部103的电压的列信号线111的电压(作为复位电平)，对传输栅晶体管102施加电压而传输电荷之后，将反映了因电荷传输而电压降低的FD部103的电压的列信号线111的电压(作为信号电平)读出，由此将该复位电平与信号电平的差电压作为反映为光量的数字码计算出。

然而，在CMOS图像传感器拍摄强烈的光，例如拍摄太阳等情况下，尽管太阳的部分应该要输出全码的图像，已知却出现显示黑化的图像的黑化现象。其详细原因如下。

图13是表示读出电荷的行的控制线(RST配线、VR配线、TX配线)的动作、以及像素电路100接收通常光时和接收强烈光时的列信号线111的电压VS的变化的时序图。

在期间T1，FD部103被复位之后，在期间T2的后半段，复位电平电压Vrst被采样。如果在期间T3从PD部101向FD部103传输电荷，则在期间T4，信号电平Vsig被采样。然后，与光量相应的电压Vele＝Vrst-Vsig被转换为数字码值。

然而，如图13的虚线所示，已知在PD部101接收到强烈光的情况下，从传输电荷前的复位电平采样时起，列信号线111的电压VS会降低。在这种情况下，Vele大致成为0，所以会被误判定为黑(＝暗时状态)。

为了避免这种黑化现象，现在提出了各种方法。

专利文献1为数字CDS的方法。数字CDS是如下的方法：一开始对复位电平电压暂时进行AD转换，对信号电平电压进行AD转换，由此，根据复位电平与信号电平的数字值之差，作为与光量成比例的数字码计算出。

作为所述数字CDS中的避免黑化现象的策略，专利文献1中，在复位电平采样期间进行强烈光判定。在入射了强烈光的情况下，在复位电平采样期间使要采样的复位电平电压降低。在该电压脱离为了进行AD转换而设想(估计出)的斜波的参照电压的范围的情况下，判定为强烈光并将其结果反映到数字码。

另外，在专利文献2中，提出了如下方法：将复位电平电压暂时保存在采样电容中，在锁存电路中与参照电压进行比较，由此，根据比参照电压高还是低，进行通常光与强烈光的判定，从而控制数字码。

专利文献3中，提出了如下方法：在复位电平电压和信号电平电压的采样期间结束后，将信号电平电压与由修正用偏置电路生成的发黑(blocked up shadows)判定电压进行比较。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2011-23900号公报

专利文献2：日本特开2012-10055号公报

专利文献3：日本特开2011-176762号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

但是，上述的方法中存在以下问题。

专利文献1的方法中，为了在复位电平采样期间进行与参照信号的比较，在复位电平测定期间之前(跟前)，存在对信号线电压进行采样并与参照信号电压的基准匹配的自动调零(autozero)期间。在入射的强烈光强的情况下，在该自动调零期间信号线电压也比通常时降低的情况下，信号线电压与参照信号电压的自动调零基准偏移到低电压侧，所以不论是否为强烈光，都会进入之后的复位电平采样时的参照信号的AD转换范围，有可能误判定为正常。

为了防止这种情况，采用如下方法：为了在自动调零期间不使信号线电压降低至指定的电压以下，按每个列信号线设置虚拟(dummy)像素晶体管，由此对信号线电压在包含自动调零期间的一定期间进行钳位。钳位电压能够根据模拟增益设定、量子化比特数的设定进行变更。

但是，因为在用于AD转换的自动调零期间中对信号线电压进行钳位，所以对复位电平的AD转换的影响变大。例如在钳位电压过低的情况下，有可能无法完全消除黑化现象，在钳位电压过高的情况下，虽然能够完全消除黑化现象，但是有可能使暗时图像特性变差。

另外，在将模拟增益设定变为高增益的情况下，复位电平采样时的参照信号的AD转换范围变窄，所以需要按每个模拟增益严格地设定钳位电压。

因此，在专利文献1中，构成为：设置修正用偏置电路，根据作为基于包含量子化比特数、模拟增益设定值、和计数电路的工作频率的斜率确定信息设定的斜波的参照电压的斜率，能够变更对列信号线进行钳位的钳位电压，但是会消耗与修正用偏置电路相应的布局面积。

专利文献2的方法中，与复位电平采样时的对信号线电压用于AD转换的情况不同，另行进行采样，暂时保存于电容器，所以不会产生专利文献1那样的问题。但是，需要直至使锁存电路动作而置换数字码值为止，用于保持复位电平电压的电容器、和用于保持用于与复位电平电压进行比较的参照电压的电容器。每列都需要分配给这些电容器的布局面积，布局面积增加。

专利文献3的方法中，将信号电平采样时的电压与从每列配置的偏置电压生成晶体管生成的偏置电压的比较在信号电平采样的结束后进行，从而进行通常光和强烈光的判定，但是每列都需要用于保持信号电平电压的电容器，布局面积增加。

另外，基于信号电平电压进行强烈光的判定，所以无法应对像素电路的特性偏差导致的复位电平电压的偏差，有可能在复位电平电压高的像素将强烈光误判定为通常光，在复位电平电压低的像素将通常光误判定为强烈光。

本发明鉴于上述问题，目的在于提供一种抑制为了修正黑化现象而每列设置的强烈光检测电路导致的布局面积的增加，且不会使暗时图像特性变差，对强烈光导致的黑化现象进行修正的固体摄像装置。

用于解决问题的技术方案

用于达成上述目的的本发明的固体摄像装置为

这样一种固体摄像装置，其在行方向和列方向上呈矩阵状配置有将通过光电转换蓄积的电荷量转换为电压并将上述转换后的电压输出到列信号线的多个像素电路，利用相关双采样法读出上述蓄积的电荷量，上述固体摄像装置的第一特征在于：

包括：将输出到上述列信号线的输出电压转换为数字值的AD转换器，

上述AD转换器包括：

在对上述输出电压进行采样的采样期间，将上述输出电压与斜波的参照电压进行比较的比较器；

以上述比较器的输出作为输入，判定上述输出电压的电压电平的判定电路；和

基于上述判定电路的输出，将与上述输出电压对应的计数值作为上述数字值存储的存储部，

上述比较器将对上述像素电路的浮置扩散部的电压进行复位的复位期间经过后的上述输出电压的电压变动进行放大，

在上述复位期间与对上述复位后的上述输出电压进行采样的复位电平采样期间之间的规定的检测期间，上述判定电路基于上述电压变动进行上述像素电路接收的光是否为强烈光的判定。

上述第一特征的本发明的固体摄像装置，还能够采用如下结构：

在上述判定电路判定为是上述强烈光的情况下，

将与上述像素电路接收的光量相应的数字码值与上述复位后的上述输出电压的实际的电压值无关地设定为规定的既定值，并存储到上述存储部。

上述第一特征的本发明的固体摄像装置，还具有如下的第二特征：

在上述电压变动的电压变化的斜率为基准值以上的情况下，上述判定电路判定上述像素电路接收的光为通常光，

在上述电压变化的斜率比上述基准值小的情况下，上述判定电路判定上述像素电路接收的光为强烈光，并将判定结果记录到上述存储部。

在此，上述基准值优选为零或负值。

上述第一或第二特征的本发明的固体摄像装置，还优选

上述判定电路具有以上述放大后的上述比较器的输出信号、和正极性或负极性的脉冲信号作为输入的两个输入端子，通过在上述检测期间中输入上述脉冲信号，进行上述是否为强烈光的判定，并将判定结果记录到上述存储部。

上述第一或第二特征的本发明的固体摄像装置，还优选

在上述检测期间中，上述计数值始终设定为与上述数字值相同的比特数的最大值或最小值。

上述第一或第二特征的本发明的固体摄像装置，还具有如下的第三特征：

包括：在上述复位期间，将上述输出电压固定为规定的钳位电压的电路。

上述第三特征的本发明的固体摄像装置，还优选

上述钳位电压比在上述像素电路接收到通常光时，上述复位后的上述输出电压被采样的复位电平低。

上述第二或第三特征的本发明的固体摄像装置，还优选

在接收到上述电压变动的电压变化的斜率为上述基准值的光的情况下，上述复位后的上述输出电压被采样的复位电平与将上述蓄积的电荷传输到上述浮置扩散部后的上述输出电压被采样的信号电平的电压差，比上述AD转换器的满标(full scale)电压大。

上述第三特征的本发明的固体摄像装置，还能够采用如下结构：

各个上述列信号线分别经由设置在每个上述列信号线的开关与相同的基准电压连接，

通过在上述复位期间接通上述开关，上述复位期间的上述输出电压被固定在上述钳位电压。

上述第三特征的本发明的固体摄像装置，还能够

包括：对各个上述列信号线生成并供给相同的控制电压的偏置电压发生电路，

利用上述控制电压能够调整供给到上述列信号线的上述钳位电压。

发明的效果

根据本发明，用AD转换中使用的比较器对将像素电路的浮置扩散部的电压复位后的列信号线的输出电压的电压变动进行放大，在复位期间和对复位后的上述输出电压进行采样的复位电平采样期间之间的期间，判定电路对接收到强烈光的情况下产生的输出电压的急剧变化进行检测。由此，能够实现小规模的电路结构、且判定期间也较短的、能够对强烈光导致的黑化现象进行修正的固体摄像装置。

附图说明

图1是表示本发明的一个实施方式的固体摄像装置的一例的电路结构图。

图2是表示像素电路的一般的结构例的电路图。

图3是表示在本发明的一个实施方式的固体摄像装置中，从受光到读出电荷为止的各信号线的输出电压的变化的时序图。

图4是表示在本发明的一个实施方式的固体摄像装置中，从受光到读出电荷为止的列信号线的输出电压波形的变化的图。

图5是在本发明的一个实施方式的固体摄像装置中，用于说明强烈光判定方法的各信号线的输出电压波形图。

图6是在本发明的一个实施方式的固体摄像装置中，用于说明强烈光判定方法的各信号线的输出电压波形图。

图7是表示强烈光的判定所用的判定电路的结构例的电路图、和表示判定电路的强烈光判定时的动作的时序图。

图8是表示强烈光的判定所用的判定电路的结构例的电路图、和表示判定电路的强烈光判定时的动作的时序图。

图9是表示本发明的其他实施方式的固体摄像装置的一例的电路结构图。

图10是表示本发明的其他实施方式的固体摄像装置的一例的电路结构图。

图11是表示本发明的其他实施方式的固体摄像装置的一例的电路结构图。

图12是表示现有的固体摄像装置(CMOS图像传感器)的结构的电路结构图。

图13是表示在现有的固体摄像装置中，从受光到读出电荷为止的各信号线的输出电压的变化的时序图。

具体实施方式

〈第一实施方式〉

下面，参照附图对本发明的一个实施方式的固体摄像装置(以下适当称为“本发明装置1”)进行说明。图1表示本发明装置1的电路结构的一例。

本发明装置1为CMOS图像传感器，如图1所示，像素电路100在多个列和行方向上矩阵状配置。像素电路100各自与列信号线111、行信号线112、共用电源线113连接。属于同一列的像素电路100各自与共用的列信号线111连接。另一方面，属于同一行的像素电路100各自与共用的行信号线112连接，经由所述行信号线112与行扫描电路110连接。其中，行信号线112包括RST配线112a、TX配线112b、VR配线112c这3根，该3根配线各自与行扫描电路110连接，但图1中用1根行信号线112来代表。

列信号线111分别与每列设置的恒流源120、和同样每列设置的AD转换器130内的比较器131各自连接。另外，列信号线111经由每列设置的开关115与共用的基准电压发生电路116连接。各开关115分别由共用的电压供给控制线SWR控制。

共用电源线113对所有的像素电路100供给共用的电压VD。

AD转换器130包括比较器131、判定电路132、和存储部133。AD转换器130中，比较器131的两个输入端子中的一个与斜波发生器140连接，另一个与列信号线111连接。比较器131的输出，被输入到判定电路132。判定电路132，以所述比较器131的输出和作为列共用的信号线的强烈光判定信号线PP1的输出为输入，进行像素电路100接收的光是否为强烈光的判定，将判定结果输出到存储部133。存储部133与计数电路135连接。

图2是表示像素电路100的结构例的电路图。像素电路100包括：进行光电转换的光电二极管(PD)部101、传输栅晶体管102、浮置扩散(FD)部103、构成源跟随电路的源跟随晶体管104、和将FD部103复位到指定电压的复位晶体管105。

传输栅晶体管102，其控制端子与TX配线112b连接，漏极端子与FD部103连接，源极端子与构成PD部101的光电二极管的阴极侧连接，基于来自TX配线112b的信号对与由PD部101接收的光相应产生的电荷向FD部103的传输进行控制。

源跟随晶体管104，其漏极端子与被供给得到像素共用电压VD的共用电源线113连接，根据输入到控制端子的FD部103的电压，将源极端子的电压VS输出到列信号线111。

复位晶体管105，其控制端子与RST配线112a连接，漏极端子与VR配线112c连接，源极端子与FD部103连接。通过从RST配线112a输入高电平的控制信号，FD部103的电压被复位到VR配线112c的电位。另外，上述的像素电路100为在源跟随晶体管104与列信号线111之间不具有选择晶体管(select transistor)的情况的结构例，当然并不限定于上述结构。

下面，参照图3和图13对本发明装置1中从像素电路100接收光起直至读出蓄积于FD部103的电荷为止的一系列的动作进行说明。图3是表示来自图1所示的行扫描电路110的3种信号线(RST配线112a、TX配线112b、VR配线112c)的各电压、控制开关115的电压供给控制线SWR的电压、和列信号线111的电压VS的电压波形的变化的波形图(时序图)。本发明装置1采用相关双采样法对FD部103的电压进行采样，转换为与像素电路接收的光相应的数字值。

《1.不进行强烈光判定的情况下的动作》

首先，为了与本发明作比较，参照图13对不判定是否为强烈光的情况的现有的读出方法进行说明。图13表示现有的固体摄像装置4的驱动方法，相当于表示在本发明装置1中，在不进行强烈光的判定的情况下，来自行扫描电路110的3种信号线(RST配线112a、TX配线112b、VR配线112c)的各电压、和列信号线111的电压VS的电压波形的变化的波形图(时序图)。

在不判定是否为强烈光的现有方法的情况下，首先，在图13所示的期间T1之前，存在将由PD部101进行了光电转换的电子传输到FD部103，对PD部101进行复位的动作期间(相当于后述的期间T3，被称为快门期间)。在经过快门期间后的任意的期间、PD部101进行光电转换，在内部蓄积并保持转换后的电荷。该期间被称为曝光期间，由此，PD部101将在曝光期间通过光电转换蓄积的电荷保持至期间T1的开始。

之后，在期间T1，使RST配线112a的电位升高至高电平，使复位晶体管105成为导通状态。此时，通过令VR配线112c的电压为指定电压，FD部103的电位被复位到由VR配线112c供给的指定的FD复位电压。

此时，通过源跟随晶体管104将反映FD部103的电压的电压作为电压VS输出到列信号线111。该电压VS由经由共用电源线113供给的源跟随晶体管104的漏极电压VD、源跟随晶体管104的阈值电压、流过恒流源120的电流量、和FD部103的FD复位电压来决定。

之后，在期间T2，使RST配线112a的电位降低至低电平，使复位晶体管105成为截止状态。FD部103的电压和列信号线111的电压VS，受到RST配线112a和FD部103间的耦合电容、以及与RST配线112a和复位晶体管105间的晶体管尺寸相应的叠加(overlap)电容引起的电压馈通(feed through)而发生变化，等待建立时间(settling time)，列信号线111的电压VS稳定在复位电平电压Vrst。该复位电平电压Vrst，成为表示读出PD部101的电子之前的FD部103的状态的信号，对其进行采样，暂时进行AD转换。

此时，斜波发生器140产生斜波(ramp wave)的参照电压，AD转换器130内的比较器131将作为所述复位电平Vrst的列信号线111的电压VS与所述参照电压作比较。在参照电压为VS以下的期间，计数电路135进行计数，由此，列信号线111的电压VS，作为与复位电平电压Vrst对应的计数值，被转换为数字值。通过与上述的斜波进行比较，进行复位电平电压Vrst的采样的期间，被称为复位电平采样期间。

之后，在期间T3，使TX配线112b的电压升高至高电平，使传输栅晶体管102成为导通状态。由此，当蓄积于PD部101的电荷(电子)被传输到FD部103时，FD部103的电压降低，受其影响列信号线111的电压VS也降低。在期间T3的最后，使TX配线的电压降低至低电平，使传输栅晶体管102成为截止状态。

之后，在期间T4，因完全传输到FD部103的电荷而导致FD部103的电压根据PD部101接收的光量而决定，与之相应地列信号线111的电压VS利用建立时间稳定在信号电平电压Vsig。此时，斜波发生器140产生斜波的参照电压，AD转换器130内的比较器131将成为所述信号电平Vsig的列信号线111的电压VS与所述参照电压作比较。在参照电压为VS以下的期间，计数电路进行计数，由此，列信号线111的电压VS，作为与信号电平电压Vsig对应的计数值，被转换为数字值。通过与上述的斜波进行比较，进行信号电平电压Vsig的采样的期间，被称为信号电平采样期间。

然后，先取得采样后的复位电平电压Vrst与信号电平电压Vsig之差，将与电压差Vele＝Vrst-Vsig相应的数字值写入到存储部133。

但是，本方法中，在接收到强烈光的情况下在经过期间T2后列信号线111的电压VS大幅降低，如图13的虚线所示，最差的情况下复位电平电压Vrst降低至信号电平电压Vsig以下。在这种情况下，与光量相应的电压差Vele＝Vrst-Vsig大致成为0，存在误判定为暗时状态的问题。

于是，本发明中，在期间T1至T2进行如下所示的动作，判定PD部101接收的光是否为强烈光。

《2.本发明的强烈光判定动作》

首先，如图3所示，与期间T1的开始同时或稍迟(稍晚)，升高电压供给控制线SWR的电压，使开关115导通。由此，基准电压发生电路116所产生的基准电压，被供给到所有的列信号线111。由此，列信号线111的电压VS被固定(钳位)为与所述基准电压相应的规定的电压Vclamp。该期间，在图3中表示为期间Tclmp。在此，基准电压发生电路116产生的基准电压优选设定为电压Vclamp比像素电路100接收到通常光时的复位电平电压Vrst低。

如上所述，接收到通常光时的复位电平电压Vrst，由流过恒流源120的电流量、被供给到共用电源线113的电压VD、源跟随晶体管104的阈值电压、FD部103的电压(FD复位电压)、RST配线112a与FD部103间的耦合电容、以及与RST配线112a和复位晶体管105间的晶体管尺寸相应的叠加电容所致的电压馈通决定。电流设定和电压设定能够变更为由外部指定的电压，耦合电容和晶体管尺寸也能够采用设计时指定的值，所以能够将基准电压发生电路116产生的基准电压设定为，在所有列信号线111中，电压Vclamp比复位电平电压Vrst低。考虑到工艺偏差等，以包括偏差的方式进行电流设定和电压设定。

在与期间T1结束同时，或者比其稍迟，使期间Tclmp结束。使电压供给控制线SWR的电压降低，将开关115断开时，在像素电路100接收通常光的状态下，列信号线111的电压VS想要稳定在复位电平电压Vrst，所以开始使电压上升，等待建立时间而稳定在复位电平电压Vrst。

另一方面，在像素电路100接收强烈光的状态下，因PD部101中产生的电荷(电子)流入到FD部103等，列信号线111的电压VS开始降低。该降低的斜率的大小(绝对值)，由强烈光的强度、向FD部103的电子的流入量决定，强烈光越强，斜率越陡。

因此，通过检测该电压变化的斜率，能够判定像素电路100接收到的光是强烈光还是通常光。

其中，以下说明中，电压变化的“斜率”具有极性，正的斜率意味着经过规定时间后电压变化为正(上升)，负的斜率意味着经过规定时间后电压变化为负(下降)。另外，电压变化的斜率的大小，考虑极性进行判断。即，在斜率为负的情况下，电压变化越陡斜率越小(绝对值越大)。

图4与图3同样，是表示列信号线111的电压VS的电压波形的变化的波形图，特别是表示像素电路100接收到3种不同光量的光的情况下的列信号线111的电压VS的变化。

图4所示的列信号线111的电压波形VS1～VS3中，VS1是通常光的情况，数字码值为全码(full code)(白)。

VS3是强烈光的情况，在复位电平采样期间，列信号线111的电压降低至信号电平电压Vsig，数字值不论本来是否应该为全码(白)都变成黑。

VS2是光量比VS1多、比VS3少的情况，列信号线111的电压降低，但是复位电平采样期间的复位电平电压Vrst与信号电平电压Vsig之差Vele2比与AD转换器130的满标(fullscale)相应的电压Vad大，所以数字值成为全码。

另一方面，在接收到VS2与VS3之间的光量、且超过规定的阈值的光量的光的情况下，不论数字值是否应该为全码，数字值均成为中间码(灰色)或黑。

本发明装置1中，在复位期间之后，复位电平采样期间开始之前的期间，检测复位后的列信号线111的电压变动，基于电压变化的斜率进行接收到的光是强烈光还是通常光的判定，反映到数字值。即，本发明装置1，根据电压变化的斜率判定光量是否超过上述阈值，在判定为强烈光的情况下，与实际的复位电平电压Vrst无关地，作为与像素电路100接收到的光量相应的数字码值输出规定的预定的既定值(在此为全码)，存储到存储部。

图5表示本发明装置1的强烈光的判定方法的详情。如图5所示，在期间T2，当期间Tclmp结束时，列信号线111的电压VS根据像素电路100的PD部101接收到的光量，开始上升或下降。在期间Tclmp结束后开始的期间Tjudge，检测列信号线111的电压VS的电压变动，测定电压变化的斜率。

在期间Tjudge，列信号线111与比较器连接。作为该比较器，通过并用复位电平电压Vrst的采样中使用的AD转换器130内的比较器131，实现布局面积的缩小。

首先，从期间Tjudge的开始时或Tclmp期间的中途起，对比较器131的输入端子对的不与列信号线111连接的一端施加规定的比较电压(优选例如与Vclamp同电压，或比Vclamp稍低的电压)，与比较器131的基准匹配。此时，比较器131的输出构成为输出低电平的信号。例如使比较器131处于自动调零状态，能够使输入端子对的一端与Vclamp同电压。

然后，在期间Tjudge，通过对比较器131的输入端子对的另一端输入列信号线111的电压VS，利用比较器131的放大作用，根据列信号线111的电压VS的电压变化的斜率被放大的电压，从比较器131输出。图5所示的ADOUT为该信号，被反转放大。

图6将图5的期间Tjudge的ADOUT输出与列信号线111的电压VS的电压波形放大。根据列信号线111的电压波形VS1～VS3，与电压波形VS1对应的比较器131的输出ADOUT的电压波形为AD1，与电压波形VS2对应的比较器131的输出ADOUT的电压波形为AD2，与电压波形VS3对应的比较器131的输出ADOUT的电压波形为AD3。

VS1是像素电路100接收到的光为通常光的情况，列信号线111的电压以正的斜率上升。此时，比较器131的输出AD1被反转放大，所以期间Tjudge的开始后也不变化，维持低电平的状态。

VS3是像素电路100接收到的光为强烈光的情况，列信号线111的电压以大绝对值的负的斜率下降。随之，比较器131的输出AD3，在期间Tjudge的开始后被放大，以陡的斜率转移到高电平。

VS2是像素电路100接收到的光的光量比VS1多、比VS3少的情况，列信号线111的电压以小绝对值的稳定的负的斜率下降。随之，比较器131的输出AD2被放大，但期间Tjudge的开始后缓缓转移到高电平。

上述比较器131的输出ADOUT(AD1～AD3)被输入到判定电路132。判定电路132具有输入所述输出ADOUT的输入端子和以来自强烈光判定信号线PP1的正极性或负极性的脉冲信号为输入的两个输入端子，当从强烈光判定信号线PP1输入脉冲信号时，基于比较器131的输出ADOUT的电压电平，进行接收到的光是否为强烈光的判定。因此，根据在期间Tjudge内输入脉冲信号的时刻、和比较器131的比较电压，调整被判定为强烈光的斜率的基准值。判定电路132，在列信号线111的电压变化的斜率为基准值以上的情况下，判定像素电路100接收到的光为通常光，在列信号线111的电压变化的斜率比基准值小的情况下，判定上述像素电路接收到的光为强烈光。

图7是判定电路132的结构例。判定电路132能够由以比较器131的输出ADOUT和来自强烈光判定线PP1的正的脉冲信号为输入的逻辑电路(AND(与门)电路)132a构成。

在接收到列信号线111的电压波形为VS1的通常光的情况下，比较器131的输出AD1维持在低电平，所以与来自强烈光判定线PP1的脉冲信号无关地，AND电路132a的输出JOUT总是处于低电平。在这种情况下，根据之后采样的复位电平Vrst与信号电平Vsig的电压差求取数字码值，将其记录到存储部133。

另一方面，在接收到列信号线111的电压波形为VS3的强烈光的情况下，如图6所示，当将来自强烈光判定信号线PP1的脉冲信号的位置设定为Tlatch时，在脉冲信号被输入的时刻，比较器131的输出AD3转移到高电平，所以高电平的脉冲信号在来自强烈光判定信号线PP1的正脉冲信号被输出的期间被输出到AND电路132a的输出JOUT。存储部133，在期间Tlatch，将所述AND电路132a的输出的脉冲信号JOUT锁存，存储全码(与AD转换器130输出的的数字值相同的比特数的最大值或最小值)。通过在复位电平采样时和信号采样时也保持该存储值，能够在强烈光的情况下将数字码值置换为全码。

此时，优选采用如下结构：在期间Tjudge，计数电路135输出与全码相应的计数值，当脉冲信号JOUT被输出时，将计数电路135的计数值写入到存储部133。

另一方面，在接收到列信号线111的电压波形为VS2的强烈光的情况下，在来自强烈光判定线PP1的脉冲信号被输入的时刻，比较器131的输出AD2尚未达到高电平，所以AND电路132a的输出JOUT维持在低电平。因此，不判定为强烈光，根据之后采样的复位电平Vrst与信号电平Vsig的电压差求取数字码值，将其记录到存储部133。

像这样，通过调整来自强烈光判定信号线PP1的脉冲信号被输入的期间Tlatch，即使列信号线111的电压变化为负的斜率，也能够在该斜率大(绝对值小)的情况下判定为不是强烈光。

回到图5，当期间Tjudge中是否为强烈光的判定结束时，在期间T2内的复位采样期间，使AD转换器130内的比较器131处于自动调零状态，对比较器131的一端施加来自斜波发生器140的参照电压，开始计数电路135的计数动作，转移到复位电平电压Vrst的采样。之后，在期间T3使传输栅晶体管102成为导通状态，将蓄积于PD部101的电子传输到FD部103，在期间T4，对信号电平电压Vsig同样进行采样。关于复位采样期间以后的动作，与上述不判定是否为强烈光的情况相同。

另外，上述的判定电路132的结构，是通常光的情况下使比较器131的输出ADOUT为低电平的情况的例子，但是也可以考虑在通常光的情况下使比较器131的输出ADOUT为高电平的情况。在这种情况下，如图8所示，判定电路132优选由以比较器131的输出ADOUT和来自强烈光判定线PP1的负的脉冲信号为输入的OR(或门)电路132b构成。

另外，在将判定为强烈光的列信号线111的电压变化的斜率的基准值作为负值，且接收到列信号线111的电压变化的斜率与所述基准值一致的光的情况下，优选以实际的复位电平与信号电平的电压差(Vrst-Vsig)比AD转换器130的满标电压Vad大的方式，设定斜率的基准值，调整期间Tjudge内的期间Tlatch的位置、以及比较器131的比较电压。

通过将斜率的基准值设定为负，即使列信号线111的电压变化的斜率为正，也能够判定为通常光。而且，通过使斜率的基准值尽可能接近负的大的(绝对值小)的值，即接近0，是否为强烈光的判定变得容易。但是，当斜率的基准值为负且过于接近0时，因像素电路100的特性偏差，不论是否为通常光都会误判定为强烈光，在正常图像中产生白点的风险增加。因此，斜率的基准值，优选设定为考虑了像素电路100的特性偏差的负的值，对其上限(绝对值的下限)进行设定。由此，能够使判定为通常光的正的斜率侧具有余量(margin)。

另一方面，在接收到列信号线111的电压变化的斜率正好为基准值的光的情况下，只要复位电平和信号电平的电压差(Vrst-Vsig)比满标电压Vad大，即使因像素电路100的特性偏差而将通常光误判定为强烈光(或者将强烈光误判定为通常光)，结果也都会输出全码，所以不会产生问题。即，斜率的基准值优选将其下限设定为与电压差(Vrst-Vsig)正好与满标电压Vad一致的情况的电压变化的斜率相比，大考虑了像素电路100的特性偏差的量(斜率的绝对值变小)。

如上所述，根据本发明装置1，列信号线111的电压VS的比较中使用AD转换器130内的比较器131，判定电路132能够由占用面积小的逻辑电路实现，以及本发明装置1能够由追加了判定电路132和开关115及其附随的配线的布局来实现，所以能够大幅抑制每列的布局面积，并能够进行接收到像素电路100的光是否为强烈光的判定。

另外，所述强烈光判定在与复位电平电压Vrst的采样期间不同的、别的期间进行，所以能够以不会使暗时特性变差的方式进行强烈光的判定。另外，与AD转换无关地进行判定，所以不会影响高增益时等的AD转换条件。另外，不论强烈光有多强，负的斜率均变小(绝对值变大)，所以能够判定为强烈光。

〈第二实施方式〉

下面，参照附图对本发明的一实施方式的固体摄像装置(以下适当称为“本发明装置2”)进行说明。图9表示本发明装置2的电路结构的一例。本发明装置2，在图1所示的本发明装置1中，替代基准电压发生电路116，具有偏置电压发生电路117，还按每列设置有钳位电压生成晶体管118。

钳位电压生成晶体管118，按每列设置，其栅极端子与偏置电压发生电路连接，漏极端子与基准电压连接，源极端子与列信号线111连接。因此，钳位电压生成晶体管构成源跟随电路。钳位电压生成晶体管118具有将列信号线111的电压VS固定为钳位电压的开关的功能，在上述期间Tclmp，通过偏置电压发生电路118将规定的控制电压施加到钳位电压生成晶体管117的栅极端子，由此将列信号线111的电压固定为期望的钳位电压Vclamp。本发明装置2的强烈光判定方法，除了钳位电压的生成方法以外与本发明装置1相同，省略详细的说明。

上述的本发明装置1中，使用按每列共用的基准电压发生电路116来生成基准电压，经由开关115供给钳位电压。因此，在期间Tclmp短的情况下，利用供给基准电压的配线的电阻，在离基准电压发生电路116距离近的部分与远的部分之间产生电压差，有时钳位电压在每个列信号线111不同。

但是，本发明装置2中按每列生成控制电压，所以即使在期间Tclamp短的情况下，也能够使钳位电压不产生配线电阻导致的电压差。另一方面，钳位电压生成晶体管118构成源跟随电路，所以需要考虑阈值电压的偏差。

而且，根据施加于钳位电压生成晶体管118的栅极端子的控制电压，能够调整供给到列信号线111的钳位电压。

图10是本发明装置2的变形例，经由按每列设置的开关119进行对列信号线111的钳位电压的供给控制。开关119由电压控制线SWR控制，其信号如图3所示，仅在期间Tclmp为高电平，由此，基准电压被供给到钳位电压生成晶体管118的漏极端子，列信号线111的电压被钳位。由此，偏置电压发生电路117具有作为始终生成恒定的控制电压的电压源的功能即可，能够简化电路结构。

〈第三实施方式〉

上述第一和第二实施方式中，说明了在期间Tclmp将列信号线111的电压钳位，基于经过期间Tclmp后的列信号线111的电压变化的斜率，对像素电路100接收到的光是否为强烈光进行判定的方法。但是，也能够采用不将列信号线111的电压钳位地进行强烈光判定的方法。

图11表示本发明的一实施方式的固体摄像装置(以下适当称为“本发明装置3”)的结构例。本发明装置3除了不存在用于对列信号线电压进行钳位的电路(基准电压发生电路116或偏置电压发生电路117、以及与其连接的配线和开关等)这一点之外，与本发明装置1和2相同。

本发明装置3的强烈光判定动作，除了不对列信号线111的电压VS钳位这一点之外，与本发明装置1和2的判定动作相同。AD转换器130内的比较器131将经过复位期间T1后的列信号线111的电压变动放大，检测出列信号线111的电压变化的斜率，能够进行像素电路100接收的光是否为强烈光的判定。本发明基于列信号线111的电压变化的斜率，进行通常光和强烈光的检测，所以即使不将列信号线111的电压VS固定为钳位电压，只要存在能够精度良好地检测电压变化的斜率的部位就能够进行通常光和强烈光的判定。其中，本发明装置3的情况下，即使为通常光，经过复位期间后的电压变化的斜率一般也为负，所以判定为强烈光的斜率的基准值需要设定得比通常光的情况的斜率小(绝对值大)。

由此，本发明装置3中，能够完全省略用于钳位列信号线111的电压VS的电路，所以能够进一步缩小布局面积。

其中，上述第一至第三实施方式中，以将复位电平电压Vrst和信号电平电压Vsig分别进行AD转换、求取数字值的差的数字CDS的情况为例进行了说明。但是，本发明在将复位电平电压与信号电平电压的差(Vrst-Vsig)进行AD转换而转换为数字码值的模拟CDS的情况下，通过由存储部133保持判定电路132的判定结果，能够以双方的CDS方式应用。

〈总结〉

如上所述，本发明的实施方式的固体摄像装置例如能够以如下方式把握。

本发明的实施方式的固体摄像装置，在行方向和列方向上呈矩阵状配置有将通过光电转换蓄积的电荷量转换为电压并将转换后的电压输出到列信号线111的多个像素电路100，利用相关双采样法读出蓄积的电荷量，所述固体摄像装置包括将输出到列信号线111的输出电压VS转换为数字值的AD转换器130。

而且，AD转换器130包括：在对输出电压进行采样的采样期间，将输出电压VS与斜波的参照电压进行比较的比较器131；以比较器131的输出作为输入，判定输出电压VS的电压电平的判定电路132；和基于判定电路132的输出，将与输出电压VS对应的计数值作为数字值存储的存储部133，所述比较器131将对像素电路100的浮置扩散部103的电压进行复位的复位期间经过后的输出电压VS的电压变动放大，在复位期间和对复位后的输出电压Vrst进行采样的复位电平采样期间之间的规定的检测期间Tjudge，判定电路132基于所述电压变动进行像素电路100接收到的光是否为强烈光的判定。

由此，能够大幅抑制布局面积，并且进行像素电路100所接收的光是否为强烈光的判定。而且，是否为强烈光的判定在与复位电平电压Vrst的采样期间不同的别的期间进行，所以不会使暗时特性变差。而且，与AD转换无关地进行判定，所以不会影响高增益时等的AD转换条件。

具体而言，构成为：在电压变动的电压变化的斜率为基准值以上的情况下，判定电路132判定像素电路100接收到的光为通常光，在电压变化的斜率比基准值小的情况下，判定电路132判定像素电路100接收到的光为强烈光，并将判定结果记录到存储部133。像这样，能够基于电压变化的斜率判定是否为强烈光，所以能够用简单的方法进行判定。

而且，判定电路132具有以放大后的比较器的输出信号ADOUT、和正极性或负极性的脉冲信号PP1作为输入的两个输入端子，通过在检测期间Tjudge中输入脉冲信号，进行是否为强烈光的判定，并将判定结果记录到存储部133。由此，能够用简单的逻辑电路实现判定电路132，能够缩小布局面积。

另外，本发明的实施方式的固体摄像装置，包括在复位期间将输出电压VS固定在规定的钳位电压Vclamp的电路，由此，能够容易地检测出钳位电压施加后的列信号线111的输出电压VS的变化的斜率。此时，优选钳位电压Vclamp比在像素电路100接收到通常光的情况下，复位后的输出电压被采样的复位电平Vrst低。通过采用这样的结构，只要接收到的光为通常光，列信号线111的电压变化的斜率就为正，判定电路132进行的是否为强烈光的判定变容易。

而且，在接收到电压变动的电压变化的斜率为基准值的光的情况下，通过设定成，复位后的输出电压被采样的复位电平Vrst与将蓄积的电荷传输到浮置扩散部103后的输出电压被采样的信号电平Vsig的电压差，比AD转换器的满标电压Vad大(Vrst-Vsig>Vad)，能够防止通常光被误判定为强烈光，或者强烈光被误判定为通常光的情况。

产业上的可利用性

本发明能够用于固体摄像装置，特别是能够用于接收到强烈光的情况下的黑化现象的修正。

附图标记的说明

1～3：本发明的一实施方式的固体摄像装置(本发明装置)

4：现有结构的固体摄像装置

100：像素电路

101：光电二极管部(PD部)

102：传输栅晶体管

103：浮置扩散部(FD部)

104：源跟随晶体管

105：复位晶体管

110：行扫描电路

111：列信号线

112：行信号线

112a：RST配线

112b：TX配线

112c：VR配线

113：共用电源线

115、119：开关

116：基准电压发生电路

117：偏置电压发生电路

118：钳位电压生成晶体管

120：恒流源

130：AD转换器

131：比较器

132：判定电路

132a、132b：逻辑电路

133：存储部

135：计数电路

140：斜波发生器

ADOUT：比较器的输出电压

JOUT：判定电路的输出信号

PP1：强烈光判定信号线

SWR：电压供给控制线

Tclmp：钳位期间

Tjudge：是否为强烈光的判定期间

Vad：AD转换器的满标电压

Vclamp：钳位电压

VD：像素共用电压

Vrst：复位电平电压

Vsig：信号电平电压

VS、VS1～VS3：输出到列信号线的电压

Claims

1.一种固体摄像装置，其在行方向和列方向上呈矩阵状配置有将通过光电转换蓄积的电荷量转换为电压并将所述转换后的电压输出到列信号线的多个像素电路，利用相关双采样法读出所述蓄积的电荷量，所述固体摄像装置的特征在于：

包括：将输出到所述列信号线的输出电压转换为数字值的AD转换器，

所述AD转换器包括：

在对所述输出电压进行采样的采样期间，将所述输出电压与斜波的参照电压进行比较的比较器；

以所述比较器的输出作为输入，判定所述输出电压的电压电平的判定电路；和

基于所述判定电路的输出，将与所述输出电压对应的计数值作为所述数字值存储的存储部，

所述比较器将对所述像素电路的浮置扩散部的电压进行复位的复位期间经过后的所述输出电压与规定的比较电压进行比较，对所述输出电压与所述比较电压的电压差进行放大，

在所述复位期间与将所述复位后的所述输出电压作为复位电平电压进行采样的复位电平采样期间之间的规定的检测期间，所述判定电路基于在紧接着所述复位期间之后所述输出电压向所述复位电平电压变化时的斜率，进行所述像素电路接收的光是否为强烈光的判定。

2.如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于：

在所述判定电路判定为是所述强烈光的情况下，

将与所述像素电路接收的光量相应的数字码值，与所述复位后的所述输出电压的实际的电压值无关地设定为规定的既定值并存储到所述存储部。

3.如权利要求1或2所述的固体摄像装置，其特征在于：

在所述斜率为基准值以上的情况下，所述判定电路判定所述像素电路接收的光为通常光，

在所述斜率比所述基准值小的情况下，所述判定电路判定所述像素电路接收的光为强烈光，并将判定结果记录到所述存储部。

4.如权利要求3所述的固体摄像装置，其特征在于：

所述基准值为零或负值。

5.如权利要求3所述的固体摄像装置，其特征在于：

在接收到所述斜率为所述基准值的光的情况下，所述复位电平电压与将所述蓄积的电荷传输到所述浮置扩散部之后的所述输出电压被采样的信号电平的电压差，比所述AD转换器的满标电压大。

6.如权利要求1或2所述的固体摄像装置，其特征在于：

所述判定电路具有以所述放大后的所述比较器的输出信号、和正极性或负极性的脉冲信号作为输入的两个输入端子，通过在所述检测期间中输入所述脉冲信号，进行所述是否为强烈光的判定，并将判定结果记录到所述存储部。

7.如权利要求1或2所述的固体摄像装置，其特征在于：

在所述检测期间中，所述计数值始终设定为与所述数字值相同的比特数的最大值或最小值。

8.如权利要求1或2所述的固体摄像装置，其特征在于：

包括：在所述复位期间，将所述输出电压固定为规定的钳位电压的电路。

9.如权利要求8所述的固体摄像装置，其特征在于：

所述钳位电压比所述像素电路接收到通常光时的所述复位电平电压低。

10.如权利要求8所述的固体摄像装置，其特征在于：

各个所述列信号线分别经由设置在每个所述列信号线的开关与相同的基准电压连接，

通过在所述复位期间接通所述开关，所述复位期间的所述输出电压被固定在所述钳位电压。

11.如权利要求10所述的固体摄像装置，其特征在于：

包括：对各个所述列信号线生成并供给相同的控制电压的偏置电压发生电路，

利用所述控制电压能够调整供给到所述列信号线的所述钳位电压。