CN106027922B - 光电转换装置、成像系统和用于驱动光电转换装置的方法 - Google Patents

Abstract

本公开内容涉及光电转换装置、成像系统以及用于驱动光电转换装置的方法。在光电转换装置中，当其导通状态彼此重叠的放大晶体管的数量增加时，其导通状态彼此重叠的差动晶体管的数量增加。

Description

光电转换装置、成像系统和用于驱动光电转换装置的方法

技术领域

本公开涉及一种光电转换装置、成像系统以及用于驱动光电转换装置的方法。

背景技术

包括像素和AD转换单元的光电转换装置已经被广泛使用。

日本专利公开No.2005-311487公开了一种光电转换装置，该光电转换装置包括与像素的放大晶体管一起构成差动对的差动晶体管。

发明内容

根据本发明的实施例，提供了一种光电转换装置，该光电转换装置包括：多个像素，每个像素包括光电转换单元和放大晶体管，光电转换单元被配置为产生基于入射光的电荷，放大晶体管具有被配置为接收电荷并且用作差动对的第一输入节点的控制节点；以及多个晶体管，所述多个晶体管具有各自的被配置为接收公共电位的控制节点。在所述多个晶体管处于导通状态时将所述多个晶体管的控制节点设置为差动对的第二输入节点的操作以及在所述多个晶体管中只有一个处于导通状态时将所述多个晶体管中的一个的控制节点设置为第二输入节点的操作相互切换。

根据本发明的另一实施例，提供了一种光电转换装置，该光电转换装置包括：多个像素，每个像素包括光电转换单元、放大晶体管和选择晶体管，光电转换单元被配置为产生基于入射光的电荷，放大晶体管具有被配置为接收电荷并且用作差动对的第一输入节点的控制节点；和多个晶体管，所述多个晶体管具有各自的被配置为接收公共电位的控制节点；开关；和电流源。选择晶体管被设置在电流源和放大晶体管之间的电路径中，并且开关被设置在电流源和所述多个晶体管中的一个之间的电路径中。

根据本发明的进一步的实施例，提供了一种用于驱动光电转换装置的方法，该光电转换装置包括多个像素和多个晶体管，每个像素包括光电转换单元和放大晶体管，光电转换单元被配置为产生电荷，放大晶体管具有被配置为接收电荷并且用作差动对的第一输入节点的控制节点，所述多个晶体管具有各自的接收公共电位的控制节点。在第一操作中，在包括在所述多个像素中的放大晶体管之中，至少一个放大晶体管，即，第一数量的放大晶体管，在第一时间段内处于导通状态，并且在所述多个晶体管之中，至少一个晶体管，即，第二数量的晶体管，在第一时间段内处于导通状态，并且被设置为差动对的第二输入节点。在第二操作中，在包括在所述多个像素中的放大晶体管之中，与大于第一数量的数量对应的复数个放大晶体管，即，第三数量的放大晶体管，在第二时间段内处于导通状态，并且在所述多个晶体管之中，与大于第二数量的数量对应的复数个晶体管，即，第四数量的晶体管，在第二时间段内处于导通状态，并且被设置为差动对的第二输入节点。

从以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的进一步的特征将变得清楚。

附图说明

图1是例示说明成像装置的配置的示图。

图2A和2B是例示说明成像装置的操作的示图。

图3是例示说明成像装置的配置的示图。

图4是例示说明成像装置的配置的示图。

图5A和5B是例示说明成像装置的操作的示图。

图6是例示说明成像装置的配置的示图。

图7是例示说明成像装置的配置的示图。

图8是例示说明成像装置的配置的示图。

图9是例示说明成像装置的操作的示图。

图10是例示说明成像系统的配置的示图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图来描述实施例。注意，在实施例中描述的NMOS晶体管和PMOS晶体管可以分别适当地被PMOS晶体管和NMOS晶体管取代。在该情况下，施加于晶体管的控制节点和主节点的电压也被适当地反相。

第一实施例

在第一实施例中，成像装置被例示为光电转换装置。

图1是例示说明根据该实施例的成像装置的示图，该成像装置包括像素100、垂直信号线107、连接线120、计数器160、斜坡信号供给单元165以及列电路单元180。在图1中，例示说明了布置在第n行、第(n+1)行和第(n+2)行中的三个像素100。

每个像素100包括用作光电转换单元的光电二极管101、传输晶体管102、重置晶体管104、放大晶体管105以及选择晶体管106。浮置扩散单元103(在下文中称为“FD单元103”)用作放大晶体管105的控制节点。包括在像素100中的晶体管是N型MOS晶体管。

信号ptx[n]从垂直扫描电路125供给传输晶体管102。注意，[n]表示像素100所在的行。传输晶体管102具有第一主节点和第二主节点，第一主节点电连接到光电二极管101，第二主节点通过FD单元103电连接到放大晶体管105。

信号pres[n]从垂直扫描电路125供给重置晶体管104。重置晶体管104具有第一主节点和第二主节点，第一主节点被供给电源电压svdd，第二主节点通过FD单元103电连接到放大晶体管105。

放大晶体管105具有第一主节点和第二主节点，第一主节点电连接到连接线120，第二主节点电连接到选择晶体管106的第一主节点。

信号psel[n]从垂直扫描电路125供给选择晶体管106。选择晶体管106具有电连接到垂直信号线107的第二主节点。选择晶体管106被设置在放大晶体管105和垂直信号线107之间的电路径中。

所述多个像素100的选择晶体管106共同地电连接到垂直信号线107。

在该实施例中，包括在单个的像素100中的放大晶体管105具有相同的沟道宽度和相同的沟道长度。注意，术语“沟道宽度”表示当电压施加于作为控制节点的栅极以使得晶体管导通时在栅极下面产生的强反转区的宽度。术语“宽度”对应于在相对于载流子在从栅极上方的位置查看晶体管的平面图中移动的方向垂直的方向上的长度。此外，术语“沟道长度”表示当电压施加于作为控制节点的栅极以使得晶体管导通时在栅极下面产生的强反转区的长度。术语“长度”对应于在载流子移动的方向上的长度。具体地说，作为包括在像素100中的放大晶体管105的沟道比的W/L是彼此相等的。此外，包括在单个的像素100中的选择晶体管106具有相同的沟道宽度和相同的沟道长度。具体地说，作为包括在像素100中的选择晶体管106的沟道比的W/L是彼此相等的。

列电路单元180包括输出单元150和存储器155。输出单元150包括电流源108、晶体管109、晶体管110、晶体管111、开关晶体管112、晶体管113以及开关晶体管114。晶体管109和110是P型MOS晶体管，其他晶体管是N型MOS晶体管。开关晶体管112是第一开关，开关晶体管114是第二开关。

电源电压VDD被供给晶体管109和110。晶体管109和110构成电流镜电路。此外，放大晶体管105的控制节点对应于差动对的第一输入节点。晶体管111和113中的处于导通状态的一个晶体管的控制节点对应于差动对的第二输入节点。晶体管111和113与放大晶体管105构成一对。晶体管111和113中的每一个均是与放大晶体管105构成差动对的差动晶体管。在该实施例中，放大晶体管105、晶体管111和晶体管113的沟道宽度W是相同的。此外，放大晶体管105、晶体管111和晶体管113的沟道长度L是相同的。具体地说，放大晶体管105、晶体管111和晶体管113的沟道比W/L是相同的。

而且，选择晶体管106、开关晶体管112和开关晶体管114的沟道宽度W是相同的。选择晶体管106、开关晶体管112和开关晶体管114的沟道长度L也是相同的。具体地说，选择晶体管106、开关晶体管112和开关晶体管114的沟道比W/L是相同的。

斜坡信号ramp从斜坡信号供给单元165供给晶体管111和113的控制节点。斜坡信号ramp的电位随着时间单调地增大或单调地减小。信号psiz[0]从未示出的控制器供给开关晶体管112。信号psiz[l]从未示出的控制器供给开关晶体管114。

垂直信号线107电连接到电流源108、开关晶体管112和开关晶体管114。

连接线120共同地电连接到像素100中的放大晶体管105。此外，连接线120电连接到晶体管109和110。

输出单元150用作输出信号out的比较单元，信号out是供给垂直信号线107的信号和斜坡信号ramp之间的比较结果。从输出单元150输出的信号out被供给存储器155。计数信号从计数器160供给存储器155，计数器160通过对时钟信号进行计数来产生计数信号。存储器155存储当信号out的值改变时获得的计数信号。多个存储器155被设置为对应于像素100的列。

未示出的水平扫描电路通过连续地扫描列的存储器155来输出存储在列的存储器155中的计数信号。从垂直扫描读取的单个的列的计数信号通过未示出的装置输出单元输出到成像装置的外部。

图2A和2B是例示说明图1中所示的成像装置执行的操作的示图。在图2A和2B中，例示说明了图1的成像装置中的第n行中的像素100的操作和第(n+1)行中的像素100的操作。图2A和2B中所示的信号对应于图1中所示的信号。此外，在图2A和2B中，高电平的信号用“Hi”表示，低电平的信号用“Lo”表示。

图2A是例示说明对从像素100读取到垂直信号线107的、基于入射光的信号执行AD转换的操作的示图。另一方面，图2B是例示说明对在垂直信号线107中混合的、从像素100供给的信号的混合信号(mixture)执行AD转换的操作的示图。当与图2A中的操作相比时，图2B中的操作抑制了每一个帧从成像装置输出的信号的数量。具体地说，当静态图像被捕捉时，执行图2A中的操作，当运动图像被捕捉时，执行图2B中的操作。

首先，将描述图2A中的操作。

在时间点t1，垂直扫描电路125使信号pres[n]变为Lo电平。因此，第n行中的像素100的重置晶体管104截止。因此，第n行中的像素100的FD单元103的重置被取消。垂直扫描电路125进一步使供给第n行中的像素100的选择晶体管106的信号psel[n]变为Hi电平。第n行中的像素100的选择晶体管106导通。由此，第n行中的放大晶体管105通过选择晶体管106电连接到垂直信号线107。因此，第n行中的像素100的放大晶体管105变为差动对的第一输入节点。这里，主要包括噪声分量的噪声信号输出到垂直信号线107。在下文中，该噪声信号被称为“N信号”。控制器使信号psiz[0]变为Hi电平，并且使信号psiz[1]变为Lo电平。由此，作为连接到差动对的第二输入节点的多个晶体管中的一个的晶体管111导通。

从时间点t2到时间点t3的时间段是用于将N信号转换为数字信号的AD转换时间段。

在时间点t2，斜坡信号供给单元165开始随着时间改变斜坡信号ramp的电位。此外，将计数信号供给存储器155的计数器160开始对时钟信号进行计数。

其后，当斜坡信号ramp的电位和输出到垂直信号线107的N信号的电位之间的幅值关系颠倒时，信号out的值改变。当信号out的值改变时，存储器155存储此时的计数信号。存储在存储器155中的计数信号是基于N信号的数字信号。该数字信号被称为“数字N信号”。

其后，在时间点t3，斜坡信号供给单元165终止斜坡信号ramp的电位随着时间的改变，并且将斜坡信号ramp的电位重置为初始电位。

随后，在时间点t4，垂直扫描电路125使信号ptx[n]变为Hi电平。由此，第n行中的像素100的传输晶体管102导通。因此，光电二极管101产生的电荷开始通过FD单元103传输到放大晶体管105的控制节点。其后，在时间点t5，垂直扫描电路125使信号ptx[n]变为Lo电平。因此，电荷从光电二极管101到放大晶体管105的传输终止。此时从放大晶体管105输出到垂直信号线107的信号被称为“S信号”。

在时间点t6，斜坡信号供给单元165再次开始随着时间改变斜坡信号ramp的电位。此外，将计数信号供给存储器155的计数器160开始对时钟信号进行计数。

其后，当斜坡信号ramp的电位和输出到垂直信号线107的S信号的电位之间的幅值关系颠倒时，信号out的值改变。当信号out的值改变时，存储器155存储此时的计数信号。存储在存储器155中的计数信号是基于S信号的数字信号。该数字信号被称为“数字S信号”。

在时间点t7，斜坡信号供给单元165终止斜坡信号ramp的电位随着时间的改变，并且将斜坡信号ramp的电位重置为初始电位。

其后，垂直扫描电路125从单个的列的存储器155连续地读取存储在单个的列的存储器155中的数字N信号和数字S信号。装置输出单元获得数字N信号和数字S信号之间的差，并且将差信号输出到成像装置的外部。

在时间点t8，垂直扫描电路125使信号psel[n]变为Lo电平。此外，垂直扫描电路125使信号pres[n]变为Hi电平，并且重置第n行中的像素100的FD单元103。

其后，在时间点t9，垂直扫描电路125使信号psel[n+1]变为Hi电平。此外，垂直扫描电路125使信号pres[n+1]变为Lo电平。之后将对第(n+1)行中的像素100执行的操作与对第n行中的像素100执行的操作相同。

接着，将描述图2B中的操作。

在时间点t21，垂直扫描电路125使信号psel[n]和信号psel[n+1]变为Hi电平。由此，第n行中的像素100的放大晶体管105和第(n+1)行中的像素100的放大晶体管105共同地电连接到垂直信号线107。此外，垂直扫描电路125使信号pres[n]和信号pres[n+1]变为Lo电平。由此，通过混合第n行中的像素100的N信号和第(n+1)行中的像素100的N信号而获得的信号输出到垂直信号线107。通过混合N信号而获得的信号被称为“混合N信号”。

此外，控制单元将信号psiz[0]和信号psiz[1]设置为Hi电平。

如上所述，在图2B的操作中，第n行中的像素100的放大晶体管105和第(n+1)行中的像素100的放大晶体管105是差动对的第一输入节点。此外，作为用作差动对的第二输入节点的多个晶体管的晶体管111和113都导通。此外，第n行中的放大晶体管105的沟道宽度W和第(n+1)行中的放大晶体管105的沟道宽度W的和等于晶体管111的沟道宽度W和晶体管113的沟道宽度的和。

在时间点t22，斜坡信号供给单元165开始随着时间改变斜坡信号ramp的电位。

输出单元150、存储器155和计数器160在从时间点t22到时间点t24的时间段中的操作与上述图2A的从时间点t2到时间点t4的时间段中的操作相同。通过该操作，存储器155存储通过对混合N信号执行AD转换而获得的数字信号。该数字信号被称为“数字混合N信号”。

在时间点t24，垂直扫描电路125使信号ptx[n]和信号ptx[n+1]变为Hi电平。其后，在时间点t25，垂直扫描电路125使信号ptx[n]和信号ptx[n+1]变为Lo电平。由此，通过混合第n行中的像素100的S信号和第(n+1)行中的像素100的S信号而获得的信号输出到垂直信号线107。通过混合S信号而获得的信号被称为“混合S信号”。

在时间点t26，斜坡信号供给单元165开始随着时间改变斜坡信号ramp的电位。

输出单元150、存储器155和计数器160在从时间点t26到时间点t28的时间段中的操作与上述图2A的从时间点t6到时间点t8的时间段中的操作相同。通过该操作，存储器155存储通过对混合S信号执行AD转换而获得的数字信号。该数字信号被称为“数字混合S信号”。

其后，垂直扫描电路125从单个的列的存储器155连续地读取存储在单个的列的存储器155中的数字混合N信号和数字混合S信号。装置输出单元获得数字混合N信号和数字混合S信号之间的差，并且将差信号输出到成像装置的外部。

图2A中所示的成像装置的操作是第一操作。图2B中所示的成像装置的操作是第二操作。具体地说，在第一操作中，至少一个放大晶体管105(在该实施例中，一个放大晶体管)(即，第一数量的放大晶体管)在第一时间段内处于导通状态。此外，在多个晶体管(晶体管111和113)之中，至少一个晶体管(在该实施例中，一个晶体管)(即，第二数量的晶体管)在第一时间段内处于导通状态。此外，在第二操作中，与大于第一数量的数量对应的复数个放大晶体管105(在该实施例中，两个放大晶体管)(即，第三数量的放大晶体管105)在第二时间段内处于导通状态。此外，在多个晶体管(晶体管111和113)之中，与大于第二数量的数量对应的复数个晶体管(在该实施例中，两个晶体管)(即，第四数量的晶体管)在第二时间段内处于导通状态。

作为光电转换装置的例子的该实施例的成像装置混合垂直信号线107中从多个像素100输出的信号。同样地在该情况下，在该实施例的成像装置中，多个像素100的其导通状态彼此重叠的放大晶体管105的沟道宽度的和等于其导通状态彼此重叠的差动晶体管的沟道宽度的和。在一般的差动对中，即使其导通状态彼此重叠的放大晶体管105的数量改变，处于导通状态的差动晶体管的数量也是恒定的。因此，如果其导通状态彼此重叠的放大晶体管105的数量改变，则差动对的对称性改变。因此，引起如下问题，即，当其导通状态彼此重叠的放大晶体管105的数量改变时，从输出单元150输出的信号的精度改变。在该实施例的成像装置中，其导通状态彼此重叠的差动晶体管的数量根据其导通状态彼此重叠的放大晶体管105的数量的增加而增加。由此，在该实施例的成像装置中，当与一般的差动对的情况相比时，难以导致由于其导通状态彼此重叠的放大晶体管105的数量改变而引起的差动对的对称性的改变。因此，该实施例的成像装置有效地抑制根据其导通状态彼此重叠的放大晶体管105的数量的改变而发生的、从输出单元150输出的信号的精度的变化。注意，根据该实施例的成像装置，多个像素100的其导通状态彼此重叠的放大晶体管105的沟道宽度的和等于其导通状态彼此重叠的差动晶体管的沟道宽度的和。然而，本发明不限于该配置。具体地说，其导通状态彼此重叠的差动晶体管的数量根据其导通状态彼此重叠的放大晶体管105的数量的增加而增加。例如，第一数量、第二数量、第三数量和第四数量之间的关系可以是1、2、2和3。此外，在该实施例中已经描述了具有相同的沟道宽度并且将被导通的差动晶体管的数量受到控制的配置。然而，本发明不限于该配置，并且差动晶体管的沟道宽度根据其导通状态彼此重叠的放大晶体管105的数量的增加而增加。例如，准备具有不同沟道宽度的多个差动晶体管。然后，所述多个差动晶体管中的具有如下控制节点的一个差动晶体管可以被选择：该控制节点的沟道宽度接近于(对应于)其导通状态彼此重叠的放大晶体管105的沟道宽度的和。

注意，在该实施例中，斜坡信号ramp的电位以倾斜形状的形式改变的情况已经被作为例子描述。可替代地，作为另一个例子，斜坡信号ramp的电位可以以锯齿形波形的形式类似于数模转换器(DAC)产生的斜坡信号那样改变。

此外，在该实施例中，计数器160将计数信号共同地供给多个存储器155的情况已经被作为例子描述。可替代地，作为另一例子，成像装置可以包括用于对用于单个的列的时钟信号进行计数的计数器。在该情况下，当斜坡信号ramp的电位随着时间改变时，用于单个的列的计数器可以开始时钟信号的计数，并且当从输出单元150输出的信号out的值改变时，停止时钟信号的计数。

注意，在该实施例中，输出单元150包括两个开关晶体管112和114。然而，输出单元150至少包括开关晶体管114。具体地说，晶体管111始终处于导通状态，而晶体管113在图2A中的操作中处于截止状态，并且在图2B中的操作中处于导通状态。现在将描述在开关晶体管114处于截止状态时晶体管113的操作。晶体管113具有控制节点，该控制节点接收共同地供给晶体管111的控制节点的电压。因此，电压Vgs(其是电连接到开关晶体管114的晶体管113的主节点中的一个和晶体管113的输入节点之间的电压差)大于阈值电压Vth，因此，进入导通状态。因为开关晶体管114处于截止状态，所以晶体管113的主节点具有相同的电压。因此，电流不被供给晶体管113的主节点之间，结果，晶体管113截止。执行上述操作的晶体管113可以基本上被看作为截止状态，因为电流不被供给其主节点之间。

然而，开关晶体管112和114都如该实施例中所描述的那样被设置的配置是优选的。这是因为每个像素100包括选择晶体管106，并且如果沟道宽度等于选择晶体管106的沟道宽度的开关晶体管112和114被设置在输出单元150中，则当与省略开关晶体管112的配置相比时，差动对的对称性得到改进。

注意，尽管在该实施例中，像素100包括各自的选择晶体管106，但是像素100可以不包括选择晶体管106。在该情况下，通过设置放大晶体管105的控制节点的电位来执行像素100的选择。具体地说，作为供给重置晶体管104的电源电压svdd，例如，不选择像素100的电源电压svdd1或选择像素100的电源电压svdd2被选择性地供给。控制器将电源电压svdd1供给不被选择的像素100的重置晶体管104，并且垂直扫描电路125使信号pres[n]变为Hi电平。由此，放大晶体管105的控制节点的电位基于电源电压svdd1，并且使像素100变为不被选择状态。另一方面，当像素100将被选择时，控制器将电源电压svdd2供给重置晶体管104，并且垂直扫描电路125使信号pres[n]变为Hi电平。由此，放大晶体管105的控制节点的电位基于电源电压svdd2，并且使像素100变为被选择状态。在该情况下，因为像素100不包括各自的选择晶体管106，所以优选的是，输出单元150不包括开关晶体管112。更优选地，输出单元150不包括开关晶体管112和114，并且晶体管111的控制节点和晶体管113的控制节点彼此电分离。例如，斜坡信号ramp被供给晶体管111的控制节点。然后，使晶体管113截止的固定电位和共同地供给晶体管111的控制节点的斜坡信号ramp中的一个被选择性地供给晶体管113的控制节点。

注意，根据该实施例，像素100的放大晶体管105的沟道宽度W的和等于晶体管111和113的沟道宽度W的和。同时，当与不提供晶体管113的情况相比时，在像素100的放大晶体管105的栅极宽度的和与晶体管111和113的栅极宽度的和相同的情况下，可以实现该实施例的效果。

注意，尽管在其中信号psel从垂直扫描电路125供给像素100的选择晶体管106的时间段在图2B的操作中是相同的情况已经在该实施例中被作为例子描述，但是本发明不限于该例子。在该实施例的成像装置中，从多个像素100的放大晶体管105输出的信号在从时间点t26到时间点t27的AD转换时间段之前在垂直信号线107中被混合。

而且，在图2B中所示的操作中，在其中控制器使信号psiz[0]和信号psiz[1]变为Hi电平的时间段是相同的。然而，该实施例的成像装置不限于该例子。信号psiz[0]和信号psiz[1]至少在从时间点t26到时间点t27的AD转换时间段期间处于Hi电平，在所述AD转换时间段期间，混合S信号被转换为数字信号。

在该实施例中，成像装置被例示为光电转换装置。然而，该实施例不限于成像装置，并且可以被应用于例如使用相位差来检测焦点的焦点检测装置。

第二实施例

将主要描述作为光电转换装置的例子的成像装置与第一实施例不同的要点。

包括在第一实施例的成像装置中的输出单元150作为将输出到垂直信号线107的信号与斜坡信号ramp进行比较的比较单元操作。然而，在第二实施例中，作为另一个例子将描述输出单元作为电压跟随器操作的情况。

图3是例示说明根据第二实施例的成像装置的配置的示图。在图3中，具有与包括在图1中所示的成像装置中的功能相同的功能的组件用与图1中使用的标号相同的标号表示。

输出单元250包括电流源208、晶体管209、晶体管210、晶体管211、晶体管213、开关晶体管212以及开关晶体管214。

晶体管211和213是差动对的第二输入节点。晶体管211和213中的每一个均是与放大晶体管105一起构成差动对的差动晶体管。在该实施例中，放大晶体管105、晶体管211和晶体管213的沟道宽度W是相同的。此外，放大晶体管105、晶体管211和晶体管213的沟道长度L是相同的。具体地说，放大晶体管105、晶体管211和晶体管213的沟道比W/L是相同的。

而且，选择晶体管106、开关晶体管212和开关晶体管214的沟道宽度W是相同的。选择晶体管106、开关晶体管212和开关晶体管214的沟道长度L是相同的。具体地说，选择晶体管106、开关晶体管212和开关晶体管214的沟道比W/L是相同的。

晶体管209和210以及电源电压VDD构成电流镜电路。

控制器将信号psiz[0]输出到开关晶体管212的控制节点。控制器将信号psiz[1]输出到开关晶体管214的控制节点。

在第一实施例的输出单元150中，斜坡信号ramp被供给晶体管111和113的控制节点。然而，在该实施例的输出单元250中，晶体管211和晶体管213的控制节点电连接到当输出单元250输出信号out时使用的节点。

该实施例的成像装置的操作与图2A和2B的操作相同，除了斜坡信号ramp在第一实施例中被输入之外。

如上所述，与第一实施例一样，差动对的对称性的改变也通过使用不同的用于读取成像装置的像素100的信号的方法被抑制。

第三实施例

将主要描述作为光电转换装置的例子的第三实施例的成像装置与第一实施例不同的要点。

在第一实施例的成像装置中，像素100的其导通状态彼此重叠的放大晶体管105的沟道宽度的和等于其导通状态彼此重叠的差动晶体管的沟道宽度的和。

然而，在该实施例中，其导通状态彼此重叠的差动晶体管的沟道宽度的和大于像素的其导通状态彼此重叠的放大晶体管105的沟道宽度的和。

一般地，用于单个的晶体管的晶体管阈值Vth的变化随着晶体管的沟道面积(沟道宽度×沟道长度)缩小而增大。因此，在该实施例中，将被导通的差动晶体管的沟道面积被设置为大于放大晶体管105的沟道面积。由此，在差动晶体管中产生的、用于单个的晶体管的阈值的变化可以减小。因此，该实施例的成像装置可以减小从差动对输出的信号的精度的降低。

图4是例示说明根据该实施例的成像装置的配置的示图。在图4中，具有与包括在图1中所示的成像装置中的功能相同的功能的组件用与图1中使用的标号相同的标号表示。

该实施例的成像装置的列电路单元380包括输出单元350。输出单元350包括电流源308以及晶体管309和310。源电压VDD以及晶体管309和310构成电流镜电路。输出单元350进一步包括晶体管311、开关晶体管312、晶体管313、开关晶体管314、晶体管315、开关晶体管316、晶体管317以及开关晶体管318。

晶体管311、313、315和317的控制节点对应于差动对的第二输入节点。晶体管311、313、315和317中的每一个均是与放大晶体管105一起构成差动对的差动晶体管。在该实施例中，放大晶体管105以及晶体管311、313、315和317的沟道宽度W是相同的。此外，放大晶体管105以及晶体管311、313、315和317的沟道长度L是相同的。具体地说，放大晶体管105以及晶体管311、313、315和317的沟道比W/L是相同的。

此外，在该实施例中，选择晶体管106以及开关晶体管312、314、316和318的沟道宽度W是相同的。而且，选择晶体管106以及开关晶体管312、314、316和318的沟道长度L是相同的。具体地说，选择晶体管106以及开关晶体管312、314、316和318的沟道比W/L是相同的。

控制器分别将信号psiz[10]、信号psiz[11]、信号psiz[12]以及信号psiz[13]输出到开关晶体管312、314、316和318。

斜坡信号ramp被供给晶体管311、313、315和317的控制节点。此外，晶体管311、313、315和317的第一主节点电连接到输出信号out的差动对的输出节点。

图5A和5B是例示说明图4中所示的成像装置执行的操作的示图。

图5A是例示说明如以上参照图2A描述的、对从多个像素100读取到垂直信号线107的、基于入射光的信号执行AD转换的操作的示图。另一方面，图5B是例示说明如参照图2B描述的、对在垂直信号线107中混合的、从多个像素100供给的信号的混合信号执行AD转换的操作的示图。

在图5A中所示的操作中，控制器使信号psiz[10]和信号psiz[11]变为Hi电平，并且使信号psiz[12]和信号psiz[13]变为Lo电平。由此，多个晶体管之中的用作差动对的第二输入节点的晶体管311和313都导通。晶体管311和313充当沟道面积为晶体管311或晶体管313的沟道面积两倍大的一个差动晶体管。因此，在图5A的操作中，晶体管311和313(晶体管311和313是差动对的第二输入节点，并且在这些晶体管中其导通状态彼此重叠)的沟道面积的和大于放大晶体管105(放大晶体管105为差动对的第一输入节点)的沟道面积。

在图5B中所示的操作中，控制器使信号psiz[10]、信号psiz[11]、信号psiz[12]和信号psiz[13]变为Hi电平。由此，用作差动对的第二输入节点的多个晶体管311、313、315和317全都导通。因此，作为差动对的第二输入节点的差动晶体管的沟道面积的和大于作为差动对的第一输入节点的两个放大晶体管105的沟道面积的和。

图5A中所示的成像装置的操作是第一操作。图5B中所示的成像装置的操作是第二操作。具体地说，在第一操作中，至少一个放大晶体管105(在该实施例中，一个放大晶体管)(即，第一数量的放大晶体管)在第一时间段内处于导通状态。此外，在多个晶体管(晶体管311、313、315和317)之中，至少一个晶体管(在该实施例中，两个晶体管)(即，第二数量的晶体管)在第一时间段内处于导通状态。而且，在第二操作中，与第三数量的放大晶体管105对应的复数个放大晶体管105(在该实施例中，两个放大晶体管)在第二时间段内处于导通状态。此外，在多个晶体管(晶体管311、313、315和317)之中，与第四数量对应的晶体管(在该实施例中，四个晶体管)在第二时间段内处于导通状态。

根据第一实施例的成像装置，放大晶体管105(这些放大晶体管是差动对的第一输入节点，并且在这些放大晶体管中，其导通状态彼此重叠)的沟道面积的和等于差动晶体管(这些差动晶体管是差动对的第二输入节点，并且在这些差动晶体管中，其导通状态彼此重叠)的沟道面积的和。另一方面，根据该实施例的成像装置，因为差动晶体管(这些差动晶体管是第二输入节点，并且在这些差动晶体管中，其导通状态彼此重叠)的沟道面积的和大于放大晶体管105(这些放大晶体管是差动对的第一输入节点，并且在这些放大晶体管中，其导通状态彼此重叠)的沟道面积的和，所以当与第一实施例的成像装置相比时，用于单个的晶体管的阈值Vth的变化可以减小。

注意，第一实施例的成像装置或该实施例的成像装置可以依赖于成像装置所需的特性被选择性地使用。例如，在由于像素的数量增加而需要减小输出单元150的面积的成像装置中，输出单元150可以被该实施例的输出单元350取代，以使得由晶体管的大小减小引起的阈值Vth的变化减小。另一方面，在需要改进差动对的对称性的情况下，利用第一实施例的输出单元150。

第四实施例

将主要描述第四实施例的成像装置与第一实施例不同的要点。

在该实施例的成像装置中，构成差动对的差动晶体管被设置在像素区域上。

图6是例示说明根据该实施例的成像装置的配置的示图。

该实施例的成像装置包括有效像素区域1000、斜坡像素区域1100以及参考像素区域1200，有效像素区域1000包括多个像素100，斜坡像素区域1100包括接收斜坡信号ramp的多个斜坡像素700，参考像素区域1200包括多个参考像素750。像素区域1500包括有效像素区域1000、斜坡像素区域1100以及参考像素区域1200。成像装置进一步包括周边电路区域1300，周边电路区域1300包括多个列电路单元900。此外，周边电路区域1300包括计数器160和斜坡信号供给单元165。像素区域1500和周边电路区域1300被设置在不同的有源区域中。

图7是详细地例示说明图6中所示的成像装置的像素100、斜坡像素700和列电路单元900的配置的示图。在图7中，具有与包括在图1中所示的成像装置中的功能相同的功能的组件用与图1中使用的标号相同的标号表示。

与每个像素100一样，每个斜坡像素700包括光电二极管101、传输晶体管102以及重置晶体管104。此外，第m行中的每个斜坡像素700包括晶体管611和开关晶体管612。斜坡信号ramp从斜坡信号供给单元165供给晶体管611的控制节点。此外，信号psel[m]从垂直扫描电路725供给开关晶体管612的控制节点。而且，第(m+1)行中的每个斜坡像素700包括晶体管613和开关晶体管614。晶体管611共享的斜坡信号ramp从斜坡信号供给单元165供给晶体管613的控制节点。

包括在斜坡像素700中的晶体管611和613的沟道宽度和沟道长度与放大晶体管105的沟道宽度和沟道长度相同。此外，包括在斜坡像素700中的开关晶体管612和614的沟道宽度和沟道长度与选择晶体管106的沟道宽度和沟道长度相同。此外，尽管图7中未示出，但是包括在每个斜坡像素700中的多个晶体管和光电二极管101的布局与包括在每个像素100中的多个晶体管和光电二极管101的布局相同。

在该实施例的成像装置的操作中，图2A和2B中所示的操作中的信号psiz[0]和信号psiz[1]分别被信号psel[m]和信号psel[m+1]取代。

注意，在该实施例中，斜坡像素700的布局与像素100的布局相同。然而，每个斜坡像素700至少包括晶体管611或晶体管613。注意，优选的是，包括在每个斜坡像素700中的多个晶体管和光电二极管101的布局与包括在每个像素100中的多个晶体管和光电二极管101的布局相同。这是因为包括在从用作差动对的第一输入节点的放大晶体管105输出的信号中的噪声分量基本上与包括在从用作差动对的第二输入节点的差动晶体管输出的信号中的噪声分量相同。因此，因为放大晶体管105和差动晶体管构成差动对，所以放大晶体管105的噪声分量和差动晶体管的噪声分量可以被消减。结果，该实施例的成像装置可以抑制放大晶体管105和差动晶体管的噪声对从输出单元650输出的信号out的影响。

此外，该实施例的成像装置在斜坡像素区域1100和周边电路区域1300之间的部分中包括参考像素区域1200。有可能的是，当与像素区域1500的中心部分相比时，单个的像素的制造变化在像素区域1500的端部部分中增大。该制造变化引起晶体管的阈值电压Vth的变化。因此，优选的是，参考像素区域1200被设置在斜坡像素区域1100和周边电路区域1300之间，以使得斜坡像素区域1100被设置为更靠近像素区域1500的中心部分。注意，包括在参考像素区域1200中的每个参考像素750可以包括光电二极管或者可以不包括光电二极管。在每个参考像素750是不包括光电二极管的哑(dummy)像素的情况下，每个参考像素750包括放大晶体管105和选择晶体管106。因此，包括在从放大晶体管105和选择晶体管106输出的信号中的噪声分量可以从哑像素输出的信号检测。另一方面，在每个参考像素750包括光电二极管的情况下，每个参考像素750是遮蔽光电二极管的光的光学黑像素。光学黑像素的配置与像素100的配置相同。从像素100输出的信号的噪声分量可以从光学黑像素输出的信号检测。

注意，该实施例的成像装置可以被类似于根据第二实施例和第三实施例的成像装置那样修改。

第五实施例

将主要描述作为光电转换装置的例子的第五实施例的成像装置与第一实施例不同的要点。

图8是例示说明根据该实施例的成像装置的配置的示图。在图8中，具有与包括在图1中所示的成像装置中的功能相同的功能的组件用与图1中使用的标号相同的标号表示。

该实施例的成像装置包括开关晶体管810，其用于将多个像素800的FD单元103彼此电连接。信号padd从垂直扫描电路825供给开关晶体管810的控制节点。开关晶体管810是第三开关。

图8中所示的成像装置执行的将信号从多个像素800读取到垂直信号线107的操作与图2A中所示的操作相同。在该情况下，垂直扫描电路825在图2A中所示的操作的整个时间段内使信号padd变为Lo电平。

图9是例示说明当多个像素800的信号被作为单个信号读取时执行的操作的示图。图9中的操作与图2B中所示的操作的不同之处在于，垂直扫描电路825在垂直扫描电路825使信号psel[n]变为Hi电平的时间段内使信号padd[n]变为Hi电平。

当使信号padd[n]变为Hi电平时，用于将第n行中的像素800的FD单元103电连接到第(n+1)行中的像素800的FD单元103的开关晶体管810导通。因此，第n行中的像素800的FD单元103的电荷和第(n+1)行中的像素800的FD单元103的电荷被混合。结果，在图9中所示的操作中，这两个像素800的信号被作为单个信号读取到垂直信号线107。

在图2B的操作中，第n行中的像素100的放大晶体管105和第(n+1)行中的像素100的放大晶体管105输出基于FD单元103的不同电位的不同信号。另一方面，在该实施例的成像装置中，第n行中的像素100的放大晶体管105和第(n+1)行中的像素100的放大晶体管105输出基于FD单元103的相同电位的信号。

此外，在该实施例的成像装置中，在多个像素800的信号被同时(at once)读取到垂直信号线107的情况下，多个像素800的所有的放大晶体管105都处于导通状态。此外，在该情况下，与第一实施例一样，晶体管111和113导通。由此，在该实施例的成像装置中也可以获得第一实施例的效果。

注意，该实施例的成像装置可以被类似于根据第二实施例至第四实施例的成像装置那样修改。

第六实施例

根据第一实施例至第五实施例的成像装置被用在成像系统中的情况将被作为第六实施例进行描述。成像系统的例子包括数字静态照相机、数字摄像机以及监控照相机。图10是示意性地例示说明成像装置被应用于作为成像系统的例子的数字静态照相机的情况的示图。

图10中所示的成像系统包括挡板2000、透镜2010以及光圈2020，挡板2000用于透镜保护，透镜2010用于在成像装置2030上形成对象的光学图像，光圈2020用于改变通过透镜2010的光的量。透镜2010和光圈2020构成将光收集到成像装置2030中的光学系统。此外，图10中所示的成像系统包括输出信号处理器2040，其对从成像装置2030输出的信号执行处理以致产生图像。

而且，图10中所示的成像系统包括缓冲存储器单元2050、外部接口单元2060以及控制接口单元2070，缓冲存储器单元2050临时存储成像数据，外部接口单元2060用于与外部计算机等进行通信，控制接口单元2070用于在记录介质上执行记录或读取。成像系统进一步包括可拆卸记录介质2080(诸如半导体存储器)和整个控制/计算单元2090，可拆卸记录介质2080用于记录或读取成像数据，整个控制/计算单元2090控制各种计算和整个数字静态照相机。成像系统进一步包括成像装置2030、输出信号处理器2040以及输出各种定时信号的定时供给单元2100。这里，定时信号等可以从外部输入，并且成像系统至少包括成像装置2030和输出信号处理器2040，输出信号处理器2040对从成像装置2030输出的信号进行处理。

以这种方式，根据第一实施例至第五实施例的成像装置适用于所述成像系统。

注意，放大晶体管和差动晶体管之间在沟道宽度、沟道长度和沟道面积方面的关系已经在本说明书中进行了描述。然而，晶体管的沟道宽度、沟道长度和沟道面积可以实际上分别被看作栅极宽度、栅极长度和栅极面积。

虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但是要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给予最宽泛的解释，以便包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。

Claims (19)

1.一种光电转换装置，其特征在于，包括：

多个像素，每个像素包括光电转换单元和放大晶体管，光电转换单元被配置为产生基于入射光的电荷，放大晶体管具有被配置为接收电荷并且用作差动对的第一输入节点的控制节点；以及

多个晶体管，具有各自的被配置为接收公共电位的控制节点，

其中，在所述多个晶体管处于导通状态时将所述多个晶体管的控制节点设置为差动对的第二输入节点的操作、以及在所述多个晶体管中的一个晶体管处于导通状态时将所述多个晶体管中的所述一个晶体管的控制节点设置为第二输入节点的操作相互切换。

2.根据权利要求1所述的光电转换装置，还包括：

开关，被配置为执行在所述多个晶体管处于导通状态时将所述多个晶体管的控制节点设置为差动对的第二输入节点的操作、以及在所述多个晶体管中的一个晶体管处于导通状态时将所述多个晶体管中的所述一个晶体管的控制节点设置为第二输入节点的操作之间的切换。

3.根据权利要求2所述的光电转换装置，还包括：

电流源，

其中，所述多个像素中的每个像素还包括选择晶体管，

所述开关是开关晶体管，

电流源和放大晶体管通过选择晶体管彼此电连接，

电流源和所述多个晶体管中的一个晶体管通过开关晶体管彼此电连接，以及

选择晶体管的栅极宽度和开关晶体管的栅极宽度彼此相同。

4.根据权利要求2所述的光电转换装置，还包括：

电流镜电路；以及

第二开关，

其中，电流镜电路电连接到放大晶体管和所述多个晶体管的第一主节点，

所述开关电连接到所述多个晶体管中的一个晶体管的第二主节点，以及

所述第二开关电连接到所述多个晶体管中的另一个晶体管的第二主节点。

5.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，包括在所述多个像素中的放大晶体管的栅极宽度和所述多个晶体管的栅极宽度彼此相同。

6.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，所述公共电位是差动对的输出节点的电位。

7.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，

所述公共电位是斜坡信号，

所述光电转换装置还包括计数器和存储器，计数器被配置为产生并且输出通过对时钟信号进行计数而获得的计数信号，存储器被配置为接收来自计数器的计数信号，

差动对输出指示斜坡信号和从放大晶体管输出的信号之间的比较结果的比较结果信号，以及

存储器存储当比较结果信号的值改变时的计数信号。

8.根据权利要求7所述的光电转换装置，还包括：

多个斜坡像素，每个斜坡像素包括多个晶体管并且输出斜坡信号，

其中，每个斜坡像素还包括光电转换单元和电流镜电路，所述电流镜电路电连接到放大晶体管和斜坡像素中的所述多个晶体管，

所述光电转换装置包括在不同有源区域中的像素区域和周边电路区域，

像素区域包括有效像素区域、斜坡像素区域以及参考像素区域，有效像素区域包括所述多个像素，斜坡像素区域包括所述多个斜坡像素，参考像素区域包括被配置为仅输出不基于入射光的信号的参考像素，

参考像素区域被设置在斜坡像素区域和周边电路区域之间，以及

周边电路区域包括所述电流镜电路。

9.根据权利要求7所述的光电转换装置，还包括：

多个斜坡像素，每个斜坡像素包括多个晶体管并且输出斜坡信号；以及

电流镜电路，电连接到放大晶体管和斜坡像素中的所述多个晶体管，

其中，所述光电转换装置包括在不同有源区域中的像素区域和周边电路区域，

像素区域包括有效像素区域和斜坡像素区域，有效像素区域包括所述多个像素，斜坡像素区域包括所述多个斜坡像素，以及

所述周边电路区域包括所述电流镜电路。

10.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，

所述多个像素包括：

各自的浮置扩散单元，被配置为存储电荷；以及

各自的第三开关，用于将包括在所述多个像素中的浮置扩散单元彼此电连接，以及

在所述多个晶体管处于导通状态时将所述多个晶体管的控制节点设置为差动对的第二输入节点的操作中，使所述多个像素的所有的放大晶体管都为导通状态，同时第三开关处于截止状态。

11.一种光电转换装置，其特征在于，包括：

多个像素，每个像素包括光电转换单元、放大晶体管和选择晶体管，光电转换单元被配置为产生基于入射光的电荷，放大晶体管具有连接到光电转换单元的栅极节点；

多个晶体管，具有各自的被配置为接收公共电位的控制节点；

开关；以及

电流源，

其中，放大晶体管、选择晶体管、所述多个晶体管、所述开关、电源电压节点和电流源形成差分对，差分对在电源电压节点和电流源之间具有第一电路径和第二电路径，

在第一电路径中，选择晶体管被设置在电流源和放大晶体管之间，以及

在第二电路径中，所述开关被设置在电流源和所述多个晶体管中的一个晶体管之间。

12.根据权利要求11所述的光电转换装置，还包括：

电流镜电路；以及

第二开关，

其中，电流镜电路电连接到放大晶体管和所述多个晶体管的第一主节点，

所述开关电连接到所述多个晶体管中的一个晶体管的第二主节点，以及

所述第二开关电连接到所述多个晶体管中的另一个晶体管的第二主节点。

13.根据权利要求11所述的光电转换装置，其中，包括在所述多个像素中的放大晶体管的栅极宽度和所述多个晶体管的栅极宽度彼此相同。

14.一种成像系统，其特征在于，包括：

光电转换装置；以及

信号处理器，被配置为使用从所述光电转换装置输出的信号来产生图像，

其中，所述光电转换装置包括：

多个像素，每个像素包括光电转换单元和放大晶体管，光电转换单元被配置为产生基于入射光的电荷，放大晶体管具有被配置为接收电荷并且用作差动对的第一输入节点的控制节点；以及

多个晶体管，具有各自的接收公共电位的控制节点，

其中，在所述多个晶体管处于导通状态时将所述多个晶体管的控制节点设置为差动对的第二输入节点的操作、以及在所述多个晶体管中的一个晶体管处于导通状态时将所述多个晶体管中的所述一个晶体管的控制节点设置为第二输入节点的操作相互切换。

15.一种成像系统，其特征在于，包括：

光电转换装置；以及

信号处理器，被配置为使用从所述光电转换装置输出的信号来产生图像，

其中，所述光电转换装置包括：

多个像素，每个像素包括光电转换单元、放大晶体管和选择晶体管，光电转换单元被配置为产生基于入射光的电荷，放大晶体管具有被配置为接收电荷并且用作差动对的第一输入节点的控制节点，

多个晶体管，具有各自的接收公共电位的控制节点，

开关，以及

电流源，

其中，选择晶体管被设置在电流源和放大晶体管之间的电路径中，以及

所述开关被设置在电流源和所述多个晶体管中的一个晶体管之间的电路径中。

16.一种用于驱动光电转换装置的方法，其特征在于，所述光电转换装置包括多个像素和多个晶体管，每个像素包括光电转换单元和放大晶体管，光电转换单元被配置为产生电荷，放大晶体管具有被配置为接收电荷并且用作差动对的第一输入节点的控制节点，所述多个晶体管具有各自的接收公共电位的控制节点，其中，

在第一操作中，

在包括在所述多个像素中的放大晶体管之中，至少一个放大晶体管，即，第一数量的放大晶体管，在第一时间段内处于导通状态，以及

在所述多个晶体管之中，至少一个晶体管，即，第二数量的晶体管，在第一时间段内处于导通状态，并且被设置为差动对的第二输入节点，以及

在第二操作中，

在包括在所述多个像素中的放大晶体管之中，与大于第一数量的数量对应的复数个放大晶体管，即，第三数量的放大晶体管，在第二时间段内处于导通状态，以及

在所述多个晶体管之中，与大于第二数量的数量对应的复数个晶体管，即，第四数量的晶体管，在第二时间段内处于导通状态，并且被设置为差动对的第二输入节点。

17.根据权利要求16所述的用于驱动光电转换装置的方法，其中，第一数量等于第二数量，第三数量等于第四数量。

18.一种光电转换装置，其特征在于，包括：

多个像素，每个像素包括光电转换单元和放大晶体管，光电转换单元被配置为产生基于入射光的电荷，放大晶体管具有被配置为接收电荷并且用作差动对的第一输入节点的控制节点；

晶体管，具有用作差动对的第二输入节点的控制节点；

计数器，被配置为产生并且输出通过对时钟信号进行计数而获得的计数信号；以及

存储器，被配置为接收来自计数器的计数信号，

其中，使所述多个像素的放大晶体管为导通状态，以及

与所述多个像素的电荷对应的数字信号根据差动对的输出而产生，

其中，斜坡信号被供给所述晶体管的控制节点，

差动对将指示斜坡信号和从同时处于导通状态并且被包括在所述多个像素中的放大晶体管输出的信号之间的比较结果的比较结果信号输出到存储器，以及

存储器存储当比较结果信号的值改变时的计数信号。

19.一种成像系统，其特征在于，包括：

根据权利要求18所述的光电转换装置；

信号处理器，被配置为使用从所述光电转换装置输出的信号来产生图像。

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