CN104954708B - 光电转换器件和图像感测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光电转换器件和图像感测系统。一种光电转换器件包括：光电转换器；具有被供给与通过光电转换器产生的电荷对应的电压的栅极的晶体管；与晶体管的第一主电极连接的控制线；和被配置为读出与所述栅极的电压对应的信号的读出单元；和被配置为改变控制线的电压的电压控制器。读出单元基于在电压控制器改变控制线的电压的时段期间流过晶体管的第二主电极的电流产生与所述栅极的电压对应的数字信号。

Description

光电转换器件和图像感测系统

技术领域

本发明涉及光电转换器件和图像感测系统。

背景技术

日本专利公开No.2013-146045公开了包含输出根据通过光电转换产生的电荷量的电流信号的像素的光电转换器件(日本专利公开No.2013-146045的图2)。各像素包含光电二极管和差动放大器。差动放大器包含第一输入晶体管和第二输入晶体管。通过光电二极管产生的电荷要被传送到的节点与第一输入晶体管的栅极连接。复位电压供给线VRES与第二输入晶体管连接。第一输入晶体管的源极通过电阻器R1与第一选择晶体管的漏极连接。第二输入晶体管的源极通过电阻器R2与第一选择晶体管的漏极连接。第二输入晶体管的漏极通过第二选择晶体管与输出节点OUT连接。从输出节点OUT输出与通过光电转换产生的电荷量对应的电流信号。在日本专利公开No.2013-146045描述的光电转换器件中，基于从像素的输出节点OUT输出的电流信号产生与通过光电转换产生的电荷量对应的数字信号。

在日本专利公开No.2013-146045中描述的光电转换器件在各像素中加入差动放大器。各像素的电路规模增加并且不适于多像素布置。

发明内容

本发明的实施例提供适于简化各像素的电路布置并且获得多像素布置的光电转换器件。

本发明的一个方面提供一种光电转换器件，该光电转换器件包括：光电转换器；具有栅极、第一主电极和第二主电极的晶体管，与由光电转换器产生的电荷对应的电压被供给到所述栅极，控制线连接到晶体管的所述第一主电极，并且读出单元被配置为读出与所述栅极的电压对应的信号；以及，被配置为改变控制线的电压的电压控制器，其中，读出单元基于在电压控制器改变控制线的电压的时段期间流过晶体管的第二主电极的电流产生与所述栅极的电压对应的数字信号。

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是示出根据第一实施例的光电转换器件的布置的框图；

图2是示出根据第一实施例的像素阵列和电压控制器的布置的例子的电路图；

图3是示出读出单元中的比较器的布置的例子的电路图；

图4是示出根据第一实施例的来自第一行和给定列上的像素的信号的读出动作的定时图；

图5是示出根据第二实施例的光电转换器件的布置的电路图；

图6是示出根据第三实施例的光电转换器件的布置的框图；

图7是示出根据第四实施例的第一行和给定列上的信号的读出动作的定时图；

图8是示出根据示例性实施例的图像感测系统的布置的框图；

图9A和图9B是示出根据第五实施例的光电转换器件的电压控制器的布置的电路图；

图10是示出根据第五实施例的第一行和给定列上的信号的读出动作的定时图；

图11是示出根据第六实施例的光电转换器件的布置的电路图；

图12A和图12B是用于解释根据第六实施例的光电转换器件的读出动作的定时图；

图13是示出根据第七实施例的光电转换器件的比较器的布置的电路图；

图14是示出根据第七实施例的第一行和给定列上的信号的读出动作的定时图；

图15是示出根据第八实施例的光电转换器件的比较器的布置的电路图；

图16是示出根据第八实施例的第一行和给定列上的信号的读出动作的定时图；

图17是示出根据第九实施例的光电转换器件的比较器的布置的电路图；

图18是示出根据第九实施例的第一行和给定列上的信号的读出动作的定时图；

图19是示出根据第十实施例的光电转换器件的比较器的布置的电路图；和

图20是示出根据第十实施例的第一行和给定列上的信号的读出动作的定时图。

具体实施方式

以下，将参照附图，用示例性实施例描述本发明。

图1示出根据本发明的第一实施例的光电转换器件100的布置。光电转换器件100可最终被假定为包括至少一个像素112的装置。一般地，光电转换器件100可被布置为具有一维或二维布置多个像素112的像素阵列110的固态图像传感器。在图1所示的例子中，多个像素112被布置为形成多个行和多个列，即，呈二维状。

光电转换器件100包含通过控制线VL向各像素112供给控制电压V_VL的电压控制器130和通过感测线SL从各像素112读出信号的读出单元120。在这种情况下，对像素阵列110的各列布置一个电压控制器130。

光电转换器件100还包括垂直扫描电路(垂直选择器)150和水平扫描电路(水平选择器)140，这两者选择像素112作为信号读出对象。垂直扫描电路150从像素阵列110中的多个行选择读出对象行，并且，读出单元120通过感测线SL读出各选择行的像素112的信号。水平扫描电路140从通过读出单元120读出的多个列像素112的数字信号选择读出对象列像素112，并且向输出信号线160输出各像素112的信号。更具体而言，水平扫描电路140从像素阵列110中的多个列选择读出对象列。

各电压控制器130改变控制线VL的电压V_VL。当控制线VL的电压V_VL变为与通过光电转换产生的电荷量对应的电压时，由垂直扫描电路150选择的各行像素112在感测线SL中形成电流路径，由此像素电流Ipix流动。基于像素电流Ipix，读出单元120产生与通过光电转换产生的电荷量对应的数字信号。

读出单元120包含比较器122、计数器124和存储器126。各比较器122检测像素电流Ipix的值超过基准电流Iref的值(阈值)。计数器124在预先确定的定时处开始计数动作。存储器126根据比较器122的比较结果信号comp1、comp2和comp3的转变保持计数器124的计数值作为与像素112的信号对应的数字信号。在这种情况下，比较结果信号comp1、comp2和comp3的“1”、“2”和“3”是用于区分分别与像素阵列110的多个列对应的多个比较器122的比较结果信号comp的标识符。

图2示出像素阵列110和电压控制器130的布置的例子。图3示出读出单元120的比较器122的布置的例子。将参照图1～3详细描述光电转换器件100的布置和动作。

各像素112包含诸如光电二极管的光电转换器PD和具有被供给与通过光电转换器PD产生的电荷对应的电压的栅极的晶体管(读出晶体管)M3作为基本部件。各像素112可包含与晶体管M3的栅极连接的电荷电压转换器(浮置扩散)FD和向电荷电压转换器FD传送通过光电转换器PD产生的电荷的传送晶体管M1。各像素112还可包含将电荷电压转换器FD的电压复位的复位晶体管M2。各像素112还可包含选择晶体管M4。选择晶体管M4被布置于晶体管M3与控制线VL之间的路径中或者晶体管M3与感测线SL之间的路径中。

当垂直扫描电路150激活传送信号ΦT(ΦT1、ΦT2或ΦT3)时，传送晶体管M1被接通。传送晶体管M1然后向电荷电压转换器FD传送光电转换器PD的电荷。在这种情况下，传送信号ΦT1、ΦT2和ΦT3的“1”、“2”和“3”是用于区分与像素阵列110的多个行对应的传送信号ΦT的标识符。复位晶体管M2在复位信号ΦR(ΦR1、ΦR2或ΦR3)被激活时被接通，并且将电荷电压转换器FD的电压复位为与复位电压线VR的电压对应的复位电压。在这种情况下，复位信号ΦR1、ΦR2和ΦR3的“1”、“2”和“3”是用于区分与像素阵列110的多个行对应的复位信号ΦR的标识符。选择晶体管M4在选择信号SEL(SEL1、SEL2或SEL3)被激活时被接通，并且将与选择信号SEL对应的像素112设定在选择状态中。在这种情况下，选择信号SEL1、SEL2和SEL3的“1”、“2”和“3”是用于区分与像素阵列110的多个行对应的选择信号SEL的标识符。

根据本发明的第一实施例的像素112不包含如在日本专利公开No.2013-146045中描述的光电转换器件那样例示的任何差动放大器。根据本发明的第一实施例的像素112与在专利文献1中描述的像素相比具有更小的电路规模，并因此适于多像素布置。

通过电压控制器130控制控制线VL的电压V_VL。各电压控制器130控制控制线VL的电压，以增加晶体管M3的栅极与晶体管M3的源极(第一主电极)之间的电压，即沿从晶体管M3的OFF状态到ON状态的方向增加。换句话说，根据第一实施例，电压控制器130降低控制线VL的电压V_VL。

各电压控制器130包含电容器132、开关136和电流源134。电容器132包含与控制线VL连接的第一节点137和与预先确定的电压(在本实施例中，为接地电压)连接的第二节点138。开关136被布置于电容器132的第一节点137与施加第一电压VRVL的第一电压线之间的路径中。当复位信号ΦRVL被激活时，开关136将电容器132的第一节点137的电压和控制线VL的电压V_VL设定为与第一电压VRVL对应的电压。电流源134被布置于电容器132的第一节点137(和控制线VL)与施加第二电压(在这种情况下，为接地电压)的第二电压线(在本例子中，为接地电压线)之间。当复位信号ΦVRL被激活时，在电容器132中蓄积的电荷通过电流源134被去除电流值Is，由此使控制线VL的电压V_VL线性下降。

比较器122检测流过各像素112的晶体管M3的漏极(第二主电极)的电流Ipix超过基准电流Iref的值(阈值)。比较器122包含形成电流镜的诸如PMOS晶体管的晶体管M5和M6以及流动基准电流Iref的电流源108。比较器122包含具有与晶体管M6的漏极和电流源108之间的节点连接的输入的反相器(反相放大器)109。从电流源108流动的基准电流Iref确定比较器122中的比较基准(阈值)。晶体管(第二晶体管)M5的栅极与晶体管M5的漏极、感测线SL和晶体管(第三晶体管)M6的栅极连接。反相器(反相放大器)109输出比较结果信号comp。存储器126根据比较器122的比较结果信号comp1、comp2和comp3的转变保持计数器124的计数值作为与像素112的信号对应的数字信号。反相器109是输出电路的例子，并且可以被诸如源接地放大器的另一反相放大器替代。

各读出单元120响应流过像素112的晶体管M3的漏极(第二主电极)的像素电流Ipix的值超过基准电流Iref(阈值)的定时产生与像素112的电荷电压转换器FD的电压对应的数字信号。

图4示出根据第一实施例的第一行和给定列上的像素112的信号的读出动作。该读出动作包括噪声电平读出动作N_AD和光学信号读出动作S_AD。噪声电平读出动作N_AD是在紧挨着电荷电压转换器FD被复位之后读出与电荷电压转换器FD的电压对应的信号作为数字信号的动作。光学信号水平读出动作S_AD是在光电转换器PD的电荷被传送到电荷电压转换器FD之后读出与电荷电压转换器FD的电压对应的信号作为数字信号的动作。

当复位信号ΦR1针对预先确定的时间被激活时，复位晶体管M2被接通。电荷电压转换器FD的电压通过复位晶体管M2被复位到与复位电压VR对应的复位电压。通过去活(deactivate)复位信号ΦR1，完成电荷电压转换器FD的电压的复位。与电荷电压转换器FD的电压的复位同时地，复位信号ΦRVL针对预先确定的时间被激活以接通开关136。控制线VL的电压V_VL通过开关136被复位为与复位电压VRVL对应的电压。与控制线VL连接的电容器132的第一节点处的电压也被复位为与复位电压VRVL对应的电压。通过去活复位信号ΦRVL，完成控制线VL的电压V_VL的复位。在这种情况下，复位电压VRVL(第一电压线的电压)被确定，使得通过接通开关136在控制线VL中设定的电压是不接通像素112的晶体管M3的电压。

通过复位信号ΦRVL的去活，噪声电平读出动作N_AD开始。通过复位信号ΦRVL的去活，在电容器132中蓄积的电荷被去除电流源134的电流值Is，由此使控制线VL的电压V_VL线性下降。控制线VL的电压V_VL线性下降的时段示出为时段A。通过复位信号ΦRVL的去活，计数器124的计数动作开始。在图4中，计数动作示出为“count”。

时段A在控制线VL的电压V_VL下降到读出对象行的像素112的晶体管M3的栅极与源极之间的电压超过晶体管M3的阈值时的电压时结束，并且迁移到时段B。电压V_VL在时段A中线性改变，并且在时段B中非线性改变。当控制线VL的电压V_VL下降到作为读出对象的像素112的晶体管M3的栅极与源极之间的电压超过晶体管M3的阈值时的电压时，晶体管M3被接通以开始使像素电流Ipix流动。像素电流Ipix通过晶体管M3和选择晶体管M4流向控制线VL。通过电流源134，可流过控制线VL的电流的值限于电流值Is。因此，由于像素电流Ipix流动，来自电容器132的放电电流变小。因此，控制线VL的电压V_VL的电压下降非线性地改变。

在像素电流Ipix开始流动之后，当像素电流Ipix的值超过基准电流Iref的值(阈值)时，读出单元120的比较器122检测它。即，比较结果信号comp被激活(反转)，因此，计数器124的计数值在存储器126的噪声电平保持存储器中保持为代表噪声电平的数字信号。即，读出单元120对于从在电容器132的充电之后关断开关136的定时到流过像素112的晶体管M3的漏极的像素电流Ipix的值超过基准电流Iref的定时的时间产生数字信号。

在复位信号ΦRVL的去活之后，噪声电平读出动作N_AD完成足够的时间。然后，传送信号ΦT1针对预先确定的时间被激活，并且，复位信号ΦRVL针对预先确定的时间被激活。通过复位信号ΦRVL的激活之后，完成时段B。当传送信号ΦT1被激活时，光电转换器PD的电荷被传送到电荷电压转换器FD，由此改变光电转换器PD的电压。当复位信号ΦRVL针对预先确定的时间被激活时，开关136被接通以通过开关136将控制线VL的电压V_VL复位为与复位电压VRVL对应的电压。通过复位信号ΦRVL的去活，完成控制线VL的电压V_VL的复位。

通过复位信号ΦRVL的去活，光学信号水平读出动作S_AD开始。通过复位信号ΦRVL的去活，在电容器132中蓄积的电荷被去除来自电流源134的电流值Is，以使控制线VL的电压V_VL线性下降。随后的动作与噪声电平读出动作N_AD基本上相同，但读出时间比读出动作N_AD长。

当控制线VL的电压V_VL下降到作为读出对象行的像素112的晶体管M3的栅极与源极之间的电压超过晶体管M3的阈值时的电压时，晶体管M3被接通以开始使像素电流Ipix流动。在像素电流Ipix开始流动之后，当像素电流Ipix的值超过基准电流Iref的值(阈值)时，读出单元120的比较器122检测它。即，比较结果信号com被激活(反转)，因此，计数器124的计数值在存储器126的光学信号水平保持存储器中保持为代表光学信号水平的数字信号。即，读出单元120对于从在电容器132的充电之后关断开关136的定时到流过像素112的晶体管M3的漏极的像素电流Ipix的值超过基准电流Iref的值的定时的时间产生数字信号。

保持于存储器126中的代表噪声电平的数字信号和代表光学信号水平的数字信号响应来自水平扫描电路140的命令被输出到输出信号线160。可从光电转换器件100输出代表噪声电平的数字信号和代表光学信号水平的数字信号，或者，可从光电转换器件100输出它们之间的差值。

注意，电容器132不需要限于添加到控制线VL的电容器，而可以是控制线VL的寄生电容。

将与包含A/D转换器的一般光电转换器件相比较地描述根据第一实施例的光电转换器件100的特征。在一般光电转换器件中，像素信号通过布置于像素中的放大晶体管以电压信号的形式被输出到列信号线。该像素信号通过列放大器被放大并且通过A/D转换器被转换成数字信号。根据该方法，在稳定列信号线的电压并且稳定来自布置于像素阵列110的各列中的列放大器的输出之后，必须开始通过A/D转换器的A/D转换。

另一方面，从与电荷电压转换器FD的电压对应的信号被输出为数字信号的观点，根据第一实施例的光电转换器件100执行广义的A/D转换。但是，在根据第一实施例的光电转换器件100中，不读出电荷电压转换器FD的电压作为模拟电压信号，并且，模拟电压信号不被转换成数字信号。根据第一实施例的光电转换器件100在控制线VL的电压V_VL下降开始的同一时间开始广义的A/D转换。根据第一实施例的光电转换器件100需要等待信号线的电压的稳定。因此，根据第一实施例的光电转换器件100有利于来自像素112的高速信号读出。

图5示出根据本发明的第二实施例的光电转换器件100中的像素阵列110和电压控制器130的布置的例子。第二实施例将不描述的项目与第一实施例一致。在第二实施例中，选择晶体管M4被省略。在第二实施例中，通过用于复位电荷电压转换器FD的复位电压选择像素112。更具体而言，作为选择对象行的像素112的电荷电压转换器FD的电压被复位为能够信号读出的第一电压。另一方面，作为非选择对象行的像素112的电荷电压转换器FD的电压被复位为比第一电压低且比通过相应的电压控制器130的控制线VL的电压的扫描范围的下限低的第二电压。

图6示出根据本发明的第三实施例的光电转换器件100′的布置。第三实施例将不描述的项目与第一或第二实施例一致。在第三实施例中，读出单元120的布置与第一或第二实施例不同，并且，对于各列布置各计数器128。即，读出单元120对于像素阵列110的各列包含一个比较器122、一个计数器128和一个存储器126。计数器128通过来自相应的比较器122的比较结果信号comp的迁移停止计数动作。各存储器126保持相应的计数器128的计数值。

图7示出根据本发明的第四实施例的第一行和给定列上的像素112的信号的读出动作。基本上与第一到第三实施例的项目对应的项目将不被描述。根据第四实施例，各电压控制器130包含可变电压源并且通过可变电压源控制控制线VL的电压V_VL。更具体而言，电压控制器130响应复位信号ΦRVL的去活使控制线VL的电压VL_L线性下降。流过晶体管M3的电流Ipix在晶体管M3被接通时开始流动，并且增加直到控制线VL的电压VL_V的变化停止。以这种方式，用于线性改变控制线VL的电压VL_V的电压控制器130的例子是诸如电压跟随器的缓冲器。例如，参照图2，与恒流源和电容器132的节点137连接的节点处的电压通过电压跟随器被供给到控制线VL。

注意，可沿从晶体管M3的ON状态到OFF状态的方向控制控制线VL的电压。以这种方式，当沿从晶体管M3的ON状态到OFF状态的方向控制控制线VL的电压时，像素电流Ipix的值变得小于基准电流Iref的值的状态可表达为像素电流Ipix超过阈值的状态。

在上述的各实施例中，多个像素可共享晶体管M3。更具体而言，多个光电转换器可通过不同的传送晶体管与共用浮置扩散连接。

将参照图9A描述根据本发明的第五实施例的光电转换器件。第五实施例与第一到第四实施例的不同在于，电压控制器130被电压控制器230替代。基本上与第五实施例的项目对应的项目将不被描述。

电压控制器230改变控制线VL的电压V_VL。电压控制器230包含可变电容器232、开关136和可变电流源234。可变电容器232和可变电流源234构成增益控制器240。增益控制器240可根据控制信号(未示出)确定可变电容器232的电容值和电流值Is。

当可变电容器232的电容值被设定为大时，时段A中的控制线VL的电压V_VL的变化率(斜率)可增加。当可变电容器232的电容值被设定为小时，控制线VL的电压V_VL的变化(斜率)可在时段A中减小。当电流值Is被设定为大时，在图4中的时段A中，来自可变电容器232的放电电流增加以增加控制线VL的电压V_VL的变化(斜率)。当电流值Is被设定为小时，时段A中的控制线VL的电压V_VL的变化(斜率)可减小。

如上所述，增益控制器240可增加/减小时段A中的控制线VL的电压V_VL的变化(斜率)。如后面将描述的那样，A/D转换增益(即，通过读出单元120的读出的增益)可被切换。在本例子中，可变电容器232的电容值和可变电流源234的电流值Is被设定为可变。但是，电容值和电流值中的一个可被设定为可变以改变A/D转换增益。

将参照图10描述根据第五实施例的光电转换器件中的A/D转换增益切换。图10示出三个不同的增益G1、G2和G3。在这种情况下，图4那样的A/D转换增益被定义为G2，当控制线VL的斜率大于增益G2的斜率时设定的增益被定义为增益G1，并且，当斜率小于增益G2的斜率时设定的增益被定义为增益G3。如上所述，可变电容器232的电容值和电流值Is中的至少一个可改变以确定A/D转换增益。电荷电压转换器FD的复位电压和通过传送信号ΦT的激活从光电转换器PD传送到电荷电压转换器FD的电荷量对于所有的A/D转换增益保持不变。

复位信号ΦR1针对预先确定的时间被激活以接通复位晶体管M2。电荷电压转换器FD的电压通过复位晶体管M2被复位到与复位电压VR对应的复位电压。通过复位信号ΦR1的去活，完成电荷电压转换器FD的电压的复位。与电荷电压转换器FD的电压的复位同时地，复位信号ΦRVL针对预先确定的时间被激活以接通开关136。控制线VL的电压V_VL通过开关136被复位为与复位电压VRVL对应的电压。与控制线VL连接的可变电容器232的第一节点137处的电压也被复位为与复位电压VRVL对应的电压。通过去活复位信号ΦRVL，完成控制线VL的电压V_VL的复位。在这种情况下，复位电压VRVL(第一电压线的电压)被确定，使得通过接通开关136在控制线VL中设定的电压是不接通像素112的晶体管M3的电压。

通过复位信号ΦRVL的去活，噪声电平读出动作N_AD开始。控制线VL的电压V_VL根据与A/D转换增益G1、G2或G3的设定对应的斜率下降。即使A/D转换增益G1、G2和G3中的一个被选择，由于电荷电压转换器FD的电压保持不变，因此，当控制线VL的电压V_VL变为电压VL_N时，晶体管M3也被接通。像素电流Ipix开始流动。由于A/D转换增益G1的斜率最大，因此，像素电流Ipix在最早的定时处开始流动。在最低的A/D转换增益G3的情况下，像素电流Ipix在最晚的定时处开始流动。Ipix@G1、comp@G1和count@G1分别代表A/D转换增益为G1时的Ipix、comp和count。Ipix@G2、comp@G2和count@G2分别代表A/D转换增益为G2时的Ipix、comp和count。类似地，Ipix@G3、comp@G3和count@G3分别代表A/D转换增益为G3时的Ipix、comp和count。

在光学信号读出动作S_AD中，类似地，在控制线VL的电压V_VL变为VL_S的定时处，像素电流Ipix开始流动。类似地，像素电流Ipix对于A/D转换增益G1在最早的定时处开始流动；并且，对于A/D转换增益G3在最晚的定时处开始流动。在各时间和各增益处，比较结果信号comp在像素的值Ipix超过基准电流Iref的值的定时处反转。作为该定时的计数值的数字值保持于存储器126中。

对于A/D转换增益G1在最早的定时处保持计数值意味着A/D转换增益G1的数字信号的值最小。对于A/D转换增益G3在最晚的定时处保持计数值意味着A/D转换增益G3的数字信号的值最大。如果A/D转换增益被定义为(数字信号的值)/(电荷电压转换器中的电压电平)，那么A/D转换增益与控制线VL的电压V_VL的斜率之间的关系由下式给出：

G1(增益：低，斜率：大)<G2(增益：中，斜率：中)<G3(增益：高，斜率：小)

即，增益控制器240提供通过读出单元120切换A/D转换增益的功能。

图9B示出增益控制器240的详细布置的例子。在图9B所示的例子中，可变电容器232由多个单元的并联连接形成。各单元由电容器和选择开关的串联连接形成。选择开关的状态(ON或OFF)的控制使得能够确定可变电容器232的电容值。更具体而言，通过控制选择开关的状态(ON或OFF)，可从多个电容器选择用于控制线VL的电压控制的电容器。

当各单元的电容器如MOS电容器那样由利用硅扩散层的器件形成时，在电容器的两个电极237和238中的一个中在扩散层与阱之间产生寄生电容。当各电容器被布置于开关与控制线VL之间时，不管开关是ON还是OFF，都总是向控制线VL添加所有电容器的寄生电容。在这种情况下，当通过增益控制器240设定A/D转换增益时，不能获得希望的增益。如图9B所示的例子那样，开关被插入电容器与控制线VL之间以从控制线VL断开与OFF开关连接的电容器的寄生电容。通过该布置，由寄生电容导致的误差分量可被最小化，并且，可以执行更精确的A/D转换增益设定。

将参照图11描述根据本发明的第六实施例的光电转换器件。为了简化描述，图11代表性地示出用于给定列的比较器122和电压控制器330以及用于给定列的一个像素112。在第六实施例中，电压控制器130被电压控制器330替代。

电压控制器330与电压控制器130的不同在于，电容器132的第二电极138与第三电压线(在本例子中，为供给电源电压VDD的电源电压线)连接。第三电压线的电压等于供给到比较器122的晶体管M5和M6的源极的电源电压VDD。图11所示的电压控制器330不具有改变A/D转换增益的功能。但是，如第五实施例那样，电压控制器330可具有改变A/D转换增益的功能。

图12A作为比较例示出电容器132的第二电极138如第一到第五实施例那样与第二电压线(接地电压线)连接的布置的动作。图12B示出第六实施例的布置即第二电极138与第三电压线(在本例子中，为供给电源电压VDD的电源电压线)连接的布置的动作。

电流Icap从电容器132流动，并且，电流Ires流过开关136。电流Icap在从电容器132的第二电极138流向第一电极137时为正。由于噪声电平读出动作N_AD中的波形的基本动作与光学信号水平读出动作S_AD中相同，因此仅示出动作S_AD。

参照图12A，从第三电压线供给的电流Ivdd是像素电流Ipix与基准电流Iref的和。电流Icap是在ΦRVL的去活之后来自电容器132的放电电流并且通过第二节点138从第二电压线(接地电压线)被供给。通过从电流源电流Is和Iref的和减去Icap，获得流入第二电压线中的电流Ignd。从图12A可以明显地看出，显然，Ivdd和Ignd在执行A/D转换的S_AD的时段期间大大波动。由于第二电压线和第三电压线具有相应的阻抗，因此，这些电压线的电流波动导致接地电压和电源电压的波动。在图11中示出一个列的电路布置。但是，如果光电转换器件包含多个列，那么由执行A/D转换的列自身以外的列导致的接地电压和电源电压的波动产生噪声分量。

在图12B的例子中，由于电容器132的第二电极138与第三电压线连接，因此Ivdd变为Ipix、Iref和Icap的和，并且，Ignd变为Is和Iref的和。由于Icap和Ipix具有相反的相位，因此，它们的和可消除电流波动，由此抑制Ivdd波动。由于Ignd与具有大波动的Icap无关，因此，Ignd波动也可被抑制。因此，在具有多个列的光电转换器件中，在A/D转换时段期间由自身列以外的列的动作导致的接地电压和电源电压的波动可被抑制。与电容器132的第二电极138和第二电压线连接的情况相比，由噪声导致的图像质量劣化可减少。

如上所述，与控制线VL连接的电容器132的第二电极138与连接到比较器122的晶体管M5和M6的第三电压线连接，由此减少由噪声导致的图像质量劣化。

将参照图13描述根据本发明的第七实施例的光电转换器件。在第七实施例中，第一到第六实施例的比较器122被比较器222替代。比较器222具有向比较器122的布置添加旁通路径250的布置。旁通路径250被布置为与晶体管M6并联以旁通晶体管M6的源极与漏极之间的路径。旁通路径250由具有被施加预先确定的电压VG的栅极、与第三电压线(在本例子中，为供给电源电压VDD的电源电压线)连接的漏极和与电流源108(输入节点comp1)连接的源极的NMOS晶体管M7形成。反相器109具有输入节点comp1和输出节点comp2。

针对与图4所示的动作不同的要点，将参照图14描述根据第七实施例的光电转换器件的动作。电流Imir流过晶体管M6。电流Ibp流过晶体管M7(旁通路径250)。基准电流Iref流过电流源108。

在读出动作N_AD的时段A中，控制线VL的电压V_VL线性下降。但是，由于读出对象行上的像素112的晶体管M3为OFF，因此，像素电流Ipix不流动。晶体管M5和晶体管M6构成电流镜。因此，电流Imir在时段A中不流动。当预先确定的电压VG被设定使得晶体管M7被接通时，电流源108的基准电流Iref通过晶体管M7流动。此时，节点comp1的电压是通过几乎从预先确定的电压VG减去晶体管M7的阈值电压VT7获得的电压。优选地，预先确定的电压VG被设定，使得电压VG-VT7比接地电压高且比反相器109的反相阈值低。

当控制线VL的电压V_VL连续下降时，晶体管M3被很快接通以开始使像素电流Ipix流动。与晶体管M5和M6的尺寸比对应的电流Imir通过晶体管M6流动。晶体管M6和M7与电流源108连接，并且，流过晶体管M6和M7的电流的和为Iref。电流Ibp逐渐减少，并且，节点comp1的电压上升。像素电流Ipix增加，并且，电流Ibp在电流Imir变得等于基准电流Iref的定时处变为零。然后，电流Imir变得暂时比基准电流Iref高，以用与Imir和Iref之间的差值对应的电荷将节点comp1的寄生电容充电，由此增加节点comp1的电压。当节点comp1的电压上升时，晶体管M6的漏极与源极之间的电压变低。电流Imir逐渐减小并且平衡以等于与基准电流Iref的值相同的值。

在节点comp1的电压上升的时段期间，当节点comp1的电压超过反相器109的反相阈值时，节点comp2的电压反转，并且，此时的计数值count保持于存储器126中。然后，完成读出动作N_AD，并且，激活复位信号ΦRVL，由此关断晶体管M3。电流Ipix停止流动。此时，Imir也不流动。而电流Ibp供给电流源108的电流，并且，节点comp1的电压返回到VG-VT7。然后，读出动作S_AD的动作与N_AD相同，并且，将省略其描述。

电流Ibp在像素电流Ipix不流动的时段期间通过旁通路径250(晶体管M7)流动，使得流过接地电压线的电流恒定。当低电压侧的节点comp1的电压被设定为比接地电压高的VG-VT7时，节点comp1上的电压变化的振幅受到限制。在具有多个列且列间节距小于几个μ的光电转换器件中，自身列受到由串扰导致的其余列的大振幅信号的不利影响。这可变为噪声以导致图像质量劣化。更具体而言，节点comp1处的电压变化的振幅受到限制以抑制图像质量劣化。

图14以点线示出没有旁通路径250的情况下的基准电流Iref(即流向接地电压线的电流Ignd)以及节点comp1处的电压的波形。在执行A/D转换动作的读出动作N_AD和S_AD的时段期间流过接地电压线的电流由于没有旁通路径250而波动。由于接地电压线具有相应的阻抗，因此电流波动导致接地电压的波动。但是，如果光电转换器件包含多个列，那么由执行A/D转换的列自身以外的列导致的接地电压的波动产生噪声分量。这导致图像质量劣化。更具体而言，流过接地电压线的电流的波动通过旁通路径受到抑制，由此抑制图像质量劣化。

将参照图15描述根据本发明的第八实施例的光电转换器件。在第八实施例中，第一到第六实施例的比较器122被比较器322替代。比较器322具有通过向比较器122的布置添加振幅限制器350获得的布置。振幅限制器350限制节点comp1处的电压的振幅。振幅限制器350由例如具有被施加电压VG2的栅极、与晶体管M6的漏极连接的漏极和与电流源108连接的源极的NMOS晶体管M8形成。

下面，针对与图4所示的动作不同的点，将参照图16描述根据第八实施例的光电转换器件的动作。从读出动作N_AD开始以接通读取对象行上的像素112的晶体管M3直到像素电流Ipix开始流动的动作与图4中相同。但是，当像素电流Ipix流动时，与晶体管M5和晶体管M6的尺寸比对应的电流Imir流动。因此，节点comp1的电压逐渐上升。如果晶体管M8的阈值被定义为VT8，那么节点comp1的电压变为约VG2-VT8，由此抑制高电压侧的节点comp1的电压。即，节点comp1处的电压的振幅受到限制。在具有多个列且列间节距小于几个μ的光电转换器件中，自身列受到由串扰导致的其余列的大振幅信号的不利影响。这可变为噪声以导致图像质量劣化。更具体而言，节点comp1处的电压变化的振幅受到限制以抑制图像质量劣化。电压VG2被设定，使得VG2-VT8比反相器109的反相阈值高以使反相器109反转。

在图15所示的例子中，虽然电压VG2被供给到晶体管M8的栅极，但是，用于在动作或非动作状态中控制比较器322的使能信号线可与晶体管M8的栅极连接。当使能信号活动(高电平)时，比较器322动作。当使能信号不活动(低电平)时，比较器322的电流路径切断。比较器322被设定于非动作状态以抑制电力消耗。

将参照图17描述根据本发明的第九实施例的光电转换器件。在第八实施例中，第一到第六实施例的比较器122被比较器422替代。比较器422具有加入第七实施例的旁通路径250和第八实施例的振幅限制器350的布置。

图18示出根据第九实施例的光电转换器件的动作。由于光电转换器件包含旁通路径250和振幅限制器350，因此，流过接地电压线的电流Ignd被设定为恒定，同时，节点comp1处的电压的振幅限于VG2-VT8～VG-VT7。更具体而言，在具有多个列的光电转换器件中，由接地电压波动导致的图像质量劣化以及由大振幅信号的串扰导致的图像质量劣化可被抑制。

将参照图19描述根据本发明的第十实施例的光电转换器件。在第十实施例中，第一到第六实施例的比较器122被比较器522替代。比较器522具有向比较器122添加用于使空闲电流Iidl流动的空闲电流源501的布置。

针对与图4所示的动作不同的要点，将参照图20描述根据第十实施例的光电转换器件的动作。复位信号ΦRVL被激活以关断晶体管M3。电流Ipix停止流动，并且，流过晶体管M5的电流仅是空闲电流Iidl。在这种状态下，由于感测线SL的寄生电容通过空闲电流Iidl被充电，因此感测线SL的电压上升。如果晶体管M5的栅极-源极电压被定义为Vgs，那么感测线SL的电压稳定化为VDD-Vgs。具有通过将空闲电流Iidl乘以对于M6的尺寸比M＝(M6的栅极宽度)/(M5的栅极宽度)获得的振幅的电流流向晶体管M6。在实施例中，晶体管M5的栅极长度和晶体管M6的栅极长度相等。控制线VL和感测线SL的电压稳定化。同时，在完成像素复位动作或传送动作之后，使得复位信号ΦRVL不活动，由此开始A/D转换动作。由于随后的动作与上述的实施例的相同，因此，其详细的描述将被省略。

空闲电流Iidl必须为满足下式的电流值。

Iidl<Iref/M

图20以点线示出没有空闲电流源501的情况下的感测线SL的电压波形和流过晶体管M5的电流波形Im5。当在没有空闲电流源501的情况下激活复位信号ΦRVL时，由晶体管M5的栅极-源极电压Vgs确定的电流被供给到晶体管M5以将感测线SL的寄生电容充电。感测线SL的电压因此上升。伴随感测线SL的上升，栅极-源极电压下降。出于这种原因，供给到晶体管M5的电流也减少以减小感测线SL的电压的上升速率。当Vgs变得低于晶体管M5的阈值电压时，晶体管M5的电压在亚阈值区域内下降，以使供给到晶体管M5的电流量以指数的方式减少。由于晶体管M5的电流被切断且感测线SL的电压必须达到VDD，因此使感测线SL稳定化花费长的时间。

当在感测线SL不充分稳定化的状态下开始A/D转换动作时，各A/D转换动作的初始状态中的晶体管M3的源极-漏极电压可改变。出于这种原因，A/D转换结果提出诸如线性劣化和增加固定模式噪声和随机噪声的问题，由此导致图像质量劣化。为了获得良好的图像质量，必须确保用于使感测线SL充分稳定化的时间。

更具体而言，如第十实施例那样添加空闲电流源501以缩短感测线SL的稳定化时间，由此缩短光电转换器件的读出时间。

图8示出根据本发明的又一实施例的图像感测系统的布置。例如，图像感测系统800包括光学单元810、图像感测元件1、视频信号处理器830、记录/通信单元840、定时控制器850、系统控制器860和再现/显示单元870。图像传感器820包含图像感测元件1和视频信号处理器830。图像感测元件1是由在以上的实施例中描述的光电转换器件100、100′或100″代表的固态图像传感器。

诸如镜头的用作光学系统的光学单元810将来自被照体的光聚焦于二维布置多个像素的图像感测元件1的像素单元10上，由此形成被照体图像。在基于来自定时控制器850的信号的定时处，图像感测元件1输出与在像素单元10上聚焦的光对应的信号。从图像感测元件1输出的信号被输入到视频信号处理器830。视频信号处理器830根据由程序等确定的方法执行信号处理。通过视频信号处理器830中的处理获得的信号作为图像数据被发送到记录/通信单元840。记录/通信单元840向再现/显示单元870发送用于形成图像的信号。再现/显示单元870再现和显示运动或静止图像。记录/通信单元840接收来自视频信号处理器830的信号以与系统控制器860通信并且在记录介质(未示出)上记录用于形成图像的信号。

系统控制器860综合控制图像感测系统的动作，并且控制光学单元810、定时控制器850、记录/通信单元840和再现/显示单元870的驱动。例如，系统控制器860包含存储装置(未示出)作为记录介质。控制图像感测系统的动作所需要的程序等记录于存储单元上。系统控制器860向图像感测系统供给用于根据例如用户操作切换驱动模式的信号。详细的例子是改变要读出的行、改变要复位的行、改变用于电子变焦的视角和偏移用于电子防振的视角。定时控制器850基于系统控制器860控制图像感测元件1和视频信号处理器830的驱动定时。

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

Claims (29)

1.一种光电转换器件，包括：

包含于像素中的光电转换器；

包含于像素中并且具有栅极、第一主电极和第二主电极的晶体管，与由光电转换器产生的电荷对应的电压被供给到所述栅极，

控制线，与所述晶体管的第一主电极连接，

被配置为改变控制线的电压的电压控制器，和

读出单元，被配置为基于在所述像素被选择并且电压控制器改变控制线的电压的状态下流过所述晶体管的第二主电极的电流产生与所述栅极的电压对应的数字信号。

2.根据权利要求1所述的光电转换器件，其中，在所述状态下，电压控制器改变控制线的电压以使得所述栅极与第一主电极之间的电压增加。

3.根据权利要求2所述的光电转换器件，其中，读出单元响应于流过第二主电极的电流的值超过阈值的定时产生数字信号。

4.根据权利要求3所述的光电转换器件，其中，读出单元包含：

被配置为检测流过所述晶体管的第二主电极的电流的值超过阈值的比较器；和

计数器，并且，

所述数字信号的值响应于比较器的检测根据计数器的计数值被确定。

5.根据权利要求1所述的光电转换器件，其中，电压控制器包含：

布置于控制线与第一电压线之间的路径中的开关；和

布置于控制线与第二电压线之间的路径中的电流源。

6.根据权利要求5所述的光电转换器件，其中，电压控制器还包含与控制线连接的电容器。

7.根据权利要求5所述的光电转换器件，其中，控制线具有寄生电容。

8.根据权利要求1所述的光电转换器件，其中，电压控制器包含：

具有与控制线连接的第一节点的电容器；

布置于第一电压线与电容器的第一节点之间的路径中的开关；和

布置于第二电压线与电容器的第一节点之间的路径中的电流源，并且，

其中，在所述电容器根据通过接通所述开关从第一电压线供给的电压被充电之后，读出单元根据从关断所述开关的定时到流过所述晶体管的第二主电极的电流的值超过阈值的定时的时间产生所述数字信号。

9.根据权利要求1所述的光电转换器件，其中，

控制线具有寄生电容，

电压控制器包含：

布置于控制线与第一电压线之间的路径中的开关；和

布置于控制线与第二电压线之间的路径中的电流源，并且，

其中，在寄生电容根据通过接通所述开关从第一电压线供给的电压被充电之后，读出单元根据从关断所述开关的定时到流过所述晶体管的第二主电极的电流的值超过阈值的定时的时间产生所述数字信号。

10.根据权利要求8所述的光电转换器件，其中，

所述晶体管的栅极与电荷电压转换器连接，

所述光电转换器件还包含被配置为将通过光电转换器产生的电荷传送到电荷电压转换器的传送晶体管和被配置为复位电荷电压转换器的电压的复位晶体管，并且，

其中，在完成通过复位晶体管对电荷电压转换器的电压的复位且完成通过所述开关对控制线的电压的设定之后，读出单元响应于流过晶体管的第二主电极的电流的值超过阈值的定时产生与所述栅极的电压对应的数字信号作为指示噪声电平的信号，然后，

在传送晶体管将电荷从光电转换器传送到电荷电压转换器并且完成通过所述开关对控制线的电压的设定之后，读出单元响应于流过所述晶体管的所述第二主电极的电流的值超过阈值的定时产生与所述栅极的电压对应的数字信号作为指示光学信号水平的信号。

11.根据权利要求5所述的光电转换器件，其中，第一电压线的电压被确定，使得通过接通所述开关在控制线中设定的电压是不接通所述晶体管的电压。

12.根据权利要求1所述的光电转换器件，还包括布置于控制线与所述晶体管的所述第一主电极之间的路径中的选择晶体管。

13.根据权利要求1所述的光电转换器件，还包括包含所述光电转换器的多个光电转换器和包含所述晶体管的多个晶体管，

其中，控制线与所述多个晶体管的第一主电极连接，并且，

读出单元与所述多个晶体管的第二主电极连接。

14.根据权利要求1所述的光电转换器件，其中，电压控制器具有通过切换所述状态下的控制线的电压变化率来切换读出单元的读出增益的功能。

15.根据权利要求1所述的光电转换器件，其中，电压控制器包含：

布置于第一电压线与控制线之间的路径中的开关；和

布置于第二电压线与控制线之间的路径中的可变电流源，并且，

通过切换可变电流源的电流的值，所述状态下的控制线的电压变化率被切换，由此切换读出单元的读出增益。

16.根据权利要求1所述的光电转换器件，其中，电压控制器包含：

布置于控制线与第一电压线之间的路径中的开关；

布置于控制线与第二电压线之间的路径中的电流源；和

与控制线连接的可变电容器，并且，

通过切换可变电容器的电容值，所述状态下的控制线的电压变化率被切换，由此切换读出单元的读出增益。

17.根据权利要求16所述的光电转换器件，其中，可变电容器包含多个电容器和被配置为从所述多个电容器选择用于控制线的电压控制的电容器的多个选择开关。

18.根据权利要求17所述的光电转换器件，其中，所述多个选择开关被布置于控制线与所述多个电容器之间的路径中。

19.根据权利要求1所述的光电转换器件，其中，电压控制器包含：

布置于控制线与第一电压线之间的路径中的开关；

布置于控制线与第二电压线之间的路径中的可变电流源；和

与控制线连接的可变电容器，并且，

通过切换来自可变电流源的电流的值并且切换可变电容器的电容值，所述状态下的控制线的电压变化率被切换，由此切换读出单元的读出增益。

20.根据权利要求1所述的光电转换器件，其中，电压控制器包含：

具有第二节点和与控制线连接的第一节点的电容器；

布置于第一电压线与所述电容器的第一节点之间的路径中的开关；和

布置于第二电压线与所述电容器的第一节点之间的路径中的电流源，

电源电压被供给到所述电容器的第二节点，

其中，电源电压被供给到读出单元以使读出单元动作，并且，

其中，在所述开关被接通以通过电源电压将所述电容器充电之后，读出单元根据从关断所述开关的定时到流过所述晶体管的第二主电极的电流的值超过阈值的定时的时间产生数字信号。

21.根据权利要求4所述的光电转换器件，其中，

所述晶体管的第二主电极与感测线连接，并且，

比较器包含：

具有与感测线连接的漏极和栅极的第二晶体管；

具有与第二晶体管的栅极连接的栅极并且被配置为与第二晶体管一起形成电流镜的第三晶体管；

与第三晶体管的漏极连接并且被配置为确定所述阈值的电流源；和

被配置为输出与第三晶体管的漏极和电流源之间的节点的电压对应的信号的输出电路。

22.根据权利要求21所述的光电转换器件，其中，比较器还包含被配置为旁通第三晶体管的源极和漏极之间的路径的旁通路径。

23.根据权利要求22所述的光电转换器件，其中，

输出电路包含具有与所述节点连接的输入的反相放大器，并且，

旁通路径由具有被施加预先确定的电压的栅极的NMOS晶体管形成，并且，所述预先确定的电压与NMOS晶体管的阈值电压之间的差值具有比反相放大器的反相阈值小的正值。

24.根据权利要求4所述的光电转换器件，其中，

所述晶体管的所述第二主电极与感测线连接，

比较器包含：

具有与感测线连接的漏极和栅极的第二晶体管；

被配置为与第二晶体管一起形成电流镜的第三晶体管，第三晶体管具有与第二晶体管的栅极连接的栅极；

被配置为确定所述阈值的电流源；

布置于电流源与第三晶体管的漏极之间的振幅限制器；以及

被配置为输出与振幅限制器和电流源之间的节点电压对应的信号的输出电路，并且，

振幅限制器限制所述节点电压的振幅。

25.根据权利要求24所述的光电转换器件，其中，

输出电路包含反相放大器，所述反相放大器具有与所述节点连接的输入，并且，

振幅限制器由NMOS晶体管形成，并且，NMOS晶体管的栅极的电压与NMOS晶体管的阈值电压之间的差值大于反相放大器的反相阈值。

26.根据权利要求21所述的光电转换器件，其中，比较器包含与感测线连接的空闲电流源。

27.根据权利要求26所述的光电转换器件，其中，设M为第三晶体管与第二晶体管的尺寸比，并且设Iref为被配置为确定所述阈值的电流源的电流值，那么空闲电流源的电流值小于Iref/M。

28.根据权利要求25所述的光电转换器件，其中，用于在动作和非动作状态中的一个中控制比较器的使能信号被供给到所述NMOS晶体管的栅极。

29.一种图像感测系统，包括：

在权利要求1～28中的任一个中定义的光电转换器件；和

被配置为处理来自所述光电转换器件的信号的处理器。