CN106060430A - 图像拾取装置、图像拾取系统和驱动图像拾取装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及图像拾取装置、图像拾取系统和驱动图像拾取装置的方法。为了减少差分放大器的共源电压波动并实现读取操作的速度提高，提供一种图像拾取装置，该图像拾取装置包括：包含差分晶体管和电流源的差分放大器，差分晶体管与像素晶体管形成差分对并且具有斜坡信号所输入到的栅极，电流源被配置为供给在差分对中流动的电流；和包含一个主节点与像素晶体管的一个主节点电连接且另一主节点与像素晶体管的另一主节点电连接的伪像素晶体管的伪像素。

Description

图像拾取装置、图像拾取系统和驱动图像拾取装置的方法
技术领域
本发明涉及图像拾取装置、图像拾取系统和驱动图像拾取装置的方法。
背景技术
近年，在诸如CMOS图像传感器的图像拾取装置的领域中，对更高像素计数和更高帧率的要求不断增加。伴随CMOS工艺小型化技术的发展，设计了具有模数转换器的图像拾取装置。例如，在日本专利申请公开No.2005-311487所公开的图像拾取装置中，包含于AD转换器中的比较电路具有与单位像素的放大器晶体管一起形成差分对的差分晶体管。已提出了差分晶体管抵消由基板偏压效果带来的阈值电压波动的技术。
在日本专利申请公开No.2005-311487中，由于复位脉冲或传输脉冲的场通噪声(field-through noise)的影响，形成差分对的晶体管的共源电压波动，由此使图像质量劣化。避免该图像劣化需要等待共源电压的可靠地稳定化，这妨碍速度的进一步提高。
发明内容
根据本发明的一个实施例，提供一种图像拾取装置，该图像拾取装置包括：分别包含被配置为传输通过光电转换产生的电荷的传输晶体管、具有所述电荷所输入到的栅极的像素晶体管和被配置为将像素晶体管的栅极复位的复位晶体管的多个像素；包含差分晶体管和电流源的差分放大器，差分晶体管与像素晶体管形成差分对并且具有斜坡信号所输入到的栅极，电流源与差分对电连接；和包含伪像素晶体管的伪像素，在伪像素晶体管中，一个主节点与像素晶体管的一个主节点电连接且另一主节点与像素晶体管的另一主节点电连接。
从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晰。
附图说明
图1是本发明的第一实施例中的图像拾取装置的电路框图。
图2是本发明的第一实施例中的一列像素和该列的比较器的电路图。
图3是本发明的第一实施例中的像素信号读取操作的定时图。
图4是本发明的第二实施例中的一列像素和该列的比较器的电路图。
图5是本发明的第二实施例中的像素信号读取操作的定时图。
图6是本发明的第三实施例中的一列像素和该列的比较器的电路图。
图7是本发明的第四实施例中的一列像素和该列的比较器的电路图。
图8是本发明的第五实施例中的一列像素和该列的比较器的电路图。
图9是本发明的第六实施例中的像素信号读取操作的定时图。
图10是本发明的第七实施例中的一列像素和该列的比较器的电路图。
图11是本发明的第七实施例中的像素信号读取操作的定时图。
图12是本发明的第八实施例中的一列像素和该列的比较器的电路图。
图13是本发明的第八实施例中的像素信号读取操作的定时图。
图14是本发明的第九实施例中的图像拾取装置的电路框图。
图15是本发明的第十实施例中的图像拾取系统的框图。
具体实施方式
现在将根据附图详细描述本发明的优选实施例。以下描述的本发明的实施例中的每一个可被单独地实现，或者，在必要时或者在单个实施例中组合来自各单个实施例的要素或特征有益的情况下，实现为多个实施例或其特征的组合。
(第一实施例)
图1是本发明的第一实施例中的图像拾取装置的电路框图。本实施例中的图像拾取装置包括像素阵列1、被配置为扫描像素的垂直扫描电路2、被配置为控制图像拾取装置的操作的定时产生器(TG)3、被配置为将像素信号转换成数字信号的AD转换器4、水平扫描电路5和存储器6。像素阵列1包含沿行方向和列方向按二维矩阵布置的多个像素10。为了简化描述，在图1中仅示出像素阵列1的有限数量的像素10，该像素阵列1可包含n行×m列的像素10。这里的行方向为图中的水平方向，这里的列方向为图中的垂直方向。像素阵列1还可包含被配置为输出用于焦点检测的信号的焦点检测像素、被配置为输出用于产生图像的信号的图像拾取像素和被光学屏蔽的光学黑色(OB)像素。
垂直扫描电路2接收来自TG 3的控制信号以扫描和读取像素阵列1。具体而言，垂直扫描电路2向由水平方向的多个像素10构成的各像素行供给信号，并且，将像素行的像素信号读出到相关的垂直信号线VL。读取的像素信号在逐列的基础上通过AD转换器4被从模拟信号转换成数字信号。
AD转换器4包含比较器40、参照信号产生单元41、计数器42和锁存器43，并且，执行像素信号的模数转换。参照信号产生单元41包含数模(DA)转换电路和信号产生电路，以产生电压随时间改变的参照信号(斜坡信号)。各比较器40包含被配置为比较像素信号的电压与参照信号的电压的差分放大器。计数器42在所有的列被共享，并且，产生与参照信号同步的计数器值。在一个比较器40中的比较的结果逆转时，相关的锁存器43保持计数器值。保持于锁存器43中的计数器值作为数字信号从AD转换器4被输出。从AD转换器4输出的数字信号存储于相关的存储器6中，并且，水平扫描电路5依次读取存储于存储器6中的数字信号。
图2是用于示出第一实施例中的一列像素10和用于该列的比较器40的电路图。各像素10包含光电二极管PD、浮置扩散节点FD、传输晶体管M1、复位晶体管M2、像素晶体管M3、选择晶体管M4。各像素10可被配置为使得浮置扩散节点FD、复位晶体管M2、像素晶体管M3和选择晶体管M4被多个光电二极管PD共享。晶体管M2到晶体管M4不限于N沟道MOS晶体管，并且，可以是P沟道MOS晶体管。
光电二极管PD通过光电转换将照射光转换成电子(电荷)。信号φTXn(n代表行数)被供给到传输晶体管M1的栅极，并且，当信号φTXn迁移到高电平时，传输晶体管M1将在光电二极管PD中产生的电荷传输到浮置扩散节点FD。信号φRSn(n代表行数)被供给到复位晶体管M2的栅极，并且，当信号φRSn迁移到高电平时，复位晶体管M2将浮置扩散节点FD的电压复位到复位电压VRS。同时导通传输晶体管M1和复位晶体管M2复位光电二极管PD中的电子。像素晶体管M3的栅极与浮置扩散节点FD连接。
作为像素晶体管M3的主节点中的一个的像素晶体管M3的漏极与对被处于同一列中的像素10共享的各列设置的垂直信号线VL2(第二信号线)电连接。选择晶体管M4被设置在像素晶体管M3的源极与电流源401之间的电气路径上。换句话说，作为像素晶体管M3的另一主节点的像素晶体管M3的源极通过选择晶体管M4与对被处于同一列中的像素10共享的各列设置的垂直信号线VL1(第一信号线)电连接。也可以说，像素晶体管M3的源极与电流源401电连接。信号φSELn(n代表行数)被施加到选择晶体管M4的栅极，并且，当信号φSELn迁移到高电平时，像素晶体管M3与垂直信号线VL1电连接。由此从选择的像素10读出像素信号。
比较器40包含P沟道MOS晶体管M11和M12、作为N沟道MOS晶体管的差分晶体管M13、晶体管M14、伪像素110、电流源401和缓冲器402。从参照信号产生单元41输出的参照信号VR(斜坡信号)通过缓冲器402被输入到差分晶体管M13的栅极。差分晶体管M13的源极通过具有与电源电压VDD连接的栅极的晶体管M14与垂直信号线VL1连接。因此，以垂直信号线VL1为共用源极，差分晶体管M13与选择的像素10的像素晶体管M3形成差分对。从电流源410向差分对的共用源(垂直信号线VL1)供给电流。
晶体管M11的源极和晶体管M12的源极与电源电压VDD连接。晶体管M11的栅极和晶体管M12的栅极相互连接。晶体管M11的栅极还与晶体管M11的漏极连接。晶体管M11和晶体管M12形成具有1的镜子比的电流镜对，并因此可具有彼此相等的电流流动。晶体管M11的栅极和漏极与垂直信号线VL2连接。因此，来自作为电流镜对的一半的晶体管M11的电流通过选择的像素10的像素晶体管M3和选择晶体管M4流入到电流源401中。来自作为电流镜对的另一半的晶体管M12的电流通过差分晶体管M13和晶体管M14流入到电流源401中。
差分放大器以上述的方式被配置，以选择的像素10的像素晶体管M3的栅极和差分晶体管M13的栅极为输入端子且以差分晶体管M13的漏极为输出端子OUT。换句话说，从输出端子OUT输出选择的像素10的浮置扩散节点FD的电压与参照信号VR的比较结果。当参照信号VR比浮置扩散节点FD的电压高时，从输出端子OUT输出低电平信号。当参照信号VR比浮置扩散节点FD的电压低时，从输出端子OUT输出高电平信号。
包含伪像素晶体管M23和晶体管M24的伪像素110与上述的差分放大器连接。作为伪像素晶体管M23的主节点中的一个的伪像素晶体管M23的漏极与垂直信号线VL2连接。也可以说，伪像素晶体管M23的漏极与像素晶体管M3的漏极电连接。晶体管M24被设置在作为伪像素晶体管M23的另一主节点的伪像素晶体管M23的源极与电流源401之间的电气路径上。换句话说，作为伪像素晶体管M23的另一主节点的伪像素晶体管M23的源极通过晶体管M24与垂直信号线VL1连接。也可以说，伪像素晶体管M23的源极与电流源401电连接。伪像素电压VDM被施加到伪像素晶体管M23的栅极，并且，信号φDM1被施加到晶体管M24的栅极。在信号φDM1处于高电平的替代的电流时段中，晶体管M24的源极与垂直信号线VL1电连接。这使得伪像素晶体管M23能够在差分放大器中引起替代像素晶体管M3的电流的电流流动，这减少由信号φRS或信号φTX的场通噪声导致的共源电压波动。
希望伪像素晶体管M23和晶体管M24被配置为具有与各像素10的像素晶体管M3和选择晶体管M4的特性等同的特性。这可使得伪像素110的电流与各像素10的电流匹配，并且，当伪像素110在差分放大器中引起替代像素10的电流的电流流动时，进一步减少共源电压波动。以下描述的前提是，这些晶体管具有彼此等同的构成。
图3是本实施例中的像素信号读取操作的定时图。这里作为例子给出第一行的像素信号的读取操作的定时图。
在时间t0，垂直扫描电路2将信号φRS1设定为高电平且将信号φTX1设定为低电平。结果，在第一行中的各像素10中，复位晶体管M2被导通，传输晶体管M1被关断，并且，浮置扩散节点FD被复位。在信号φSEL1迁移到高电平的时间t1，选择晶体管M4被导通，并且，像素晶体管M3与相关的比较器40的差分晶体管M13形成差分对。换句话说，比较器40被置于比较器40可输出比较像素晶体管M3的栅极(即，浮置扩散节点FD)的电压与参照信号VR的结果的状态。
在时间t2，信号φRS1向低电平的迁移关断复位晶体管M2，这使得浮置扩散节点FD保持复位电压VRS。由于信号φRS1的场通噪声，此时的浮置扩散节点FD变为比复位电压VRS低的电压。在时间t3，参照信号VR的初始电压被设定为比浮置扩散节点FD在信号φRS1迁移到低电平之后具有的电压高。因此，在时间t3从输出端子OUT输出低电平信号。然后，参照信号产生单元41随时间减小(斜坡向下)参照信号VR的电压，并且，在时间t4，浮置扩散节点FD与参照信号VR的比较结果逆转，由此导致从输出端子OUT输出高电平信号。时间t4的计数器42的计数值作为AD转换结果保持于相关的锁存器43中。换句话说，基于复位像素10时的电压的像素信号通过AD转换被转换。在以下的描述中，基于复位时的电压的像素信号的AD转换被称为N转换。在处于N转换之后的时间t5，参照信号产生单元41将参照信号VR设定回初始电压。
在时间t6，信号φDM1向高电平的迁移导通晶体管M24，由此激活伪像素110。信号φSEL1在相同的时间迁移到低电平，这关断像素10的选择晶体管M4。在从时间t7到时间t8的下一时段中，信号φTX1向高电平的迁移导通传输晶体管M1，并且，蓄积于光电二极管PD中的电荷被传输到浮置扩散节点FD。在电荷传输之后，信号φSEL1向高电平的迁移在时间t9导通选择晶体管M4。同时，信号φDM1向低电平的迁移关断伪像素110的晶体管24。在信号φDM1处于高电平的替代电流时段(从时间t6到时间t9)，伪像素电压VDM被设定为与浮置扩散节点FD在像素复位之后具有的电压等同的电压。因此，差分晶体管M13和伪像素晶体管M23在替代电流时段中形成差分对。在时间t6之前在像素晶体管M3中流动的电流在替代电流时段中在伪像素晶体管M23中流动。
在定时图中示出当拾取黑色被照体的图像时浮置扩散节点FD在时间t7以及随后的时段中具有的电压。当拍摄黑色被照体时的浮置扩散节点FD的电压由于信号φTX1的场通噪声而波动时，相关的比较器40的共源电压波动被伪像素110减少。当拍摄被照体的颜色为黑色时，与当拍摄被照体的颜色为白色时相比，直到获得AD转换的明确结果的时间的长度更短。因此，共源电压波动在黑色被照体的拍摄中减少，并且，可更早地开始跟随的AD转换(在时间t10)。根据本实施例的图像拾取装置和驱动方法，使得像素信号的读取更迅速。
在时间t10，参照信号产生单元41随时间减小参照信号VR的电压。在时间t11，浮置扩散节点FD与参照信号VR的比较结果逆转，由此导致从输出端子OUT输出高电平信号。此时的计数器42的计数值作为AD转换结果保持于相关的锁存器43中。基于在光电二极管PD中蓄积的电荷的像素信号以这种方式通过AD转换被转换。在以下的描述中，基于在光电二极管PD中蓄积的电荷的像素信号的AD转换被称为S转换。然后，参照信号VR在时间t12返回到初始电压，并且，信号φRS1在时间t13向高电平的迁移将浮置扩散节点FD复位。通过N转换和S转换获得的两个像素信号然后通过相关双重采样被处理，以获得作为从中去除了在复位中产生的噪声分量的S转换后像素信号的像素信号。如上所述，根据本实施例，替代像素晶体管M3的伪像素晶体管M23在包含导通传输晶体管M1的时段的替代电流时段中与差分晶体管M13形成差分对。这减少差分放大器的共源电压波动，并且允许在不损害AD转换精度的情况下推早像素信号的AD转换的开始时间。信号φDM1处于高电平的替代电流时段(从时间t6到时间t9)不总是需要与信号φSEL1处于低电平的时段一致。例如，当信号φDM1处于高电平的替代电流时段包含信号φSEL1处于低电平的时段时，实现相同的效果。伪像素晶体管M23和像素晶体管M3不总是需要具有等同的特性，并且，可通过调整伪像素电压VDM实现相同的效果。
在本实施例中包含选择晶体管M4的各像素10可以不具有选择晶体管M4。通过设定像素晶体管M3的栅极的电势，进行这种情况下的一个像素10的选择。具体而言，将不选择像素10的复位电压VRS1和选择像素10的复位电压VRS2选择性地供给作为要被供给到复位晶体管M2的复位电压VRS。复位电压VRS1被供给到不被选择的像素10的复位晶体管M2，并且，对未被选择的像素10，垂直扫描电路2也将信号φRS设定为高电平。这将像素晶体管M3的栅极电势设定为基于复位电压VRS1的电势，并且由此像素10不被选择。另一方面，为了选择一个像素10，复位电压VRS2被供给到像素10的复位晶体管M2，并且，对像素10，垂直扫描电路2也将信号φRS设定为高电平。这将像素晶体管M3的栅极电势设定为基于复位电压VRS2的电势，并且由此像素10被选择。由于这里的各像素10不具有选择晶体管M4，因此也优选从伪像素110省略晶体管M24。这种情况下的伪像素电压VDM以多个电压值为复位电压VRS1和复位电压VRS2，从而在伪像素晶体管M23的导通与伪像素晶体管M23的关断之间进行切换。伪像素晶体管M23被设置在布置像素10的像素阵列1中。这使得更容易匹配伪像素晶体管M23的特性与像素晶体管M3的特性。
(第二实施例)
图4是用于示出本发明的第二实施例中的一列像素10和用于该列的比较器40的电路图。本实施例在输入参照信号VR的部分和伪像素110的配置上与第一实施例不同。以下主要描述与第一实施例的不同。
在比较器40中，电容C1(第一电容)被插入在差分晶体管M13的栅极与缓冲器402之间。差分晶体管M13的栅极可通过用信号φCRS控制的开关SW1与输出端子OUT电连接。当信号φCRS迁移到高电平时，在开关SW1中建立电连接，并且，差分晶体管M13的漏极和栅极被短路。在伪像素110中，伪像素晶体管M23的栅极与电容C2(第二电容)的一端连接，并且，电容C2的另一端被接地。伪像素晶体管M23的栅极可通过用信号φDM2控制的开关SW2与输出端子OUT电连接。当信号φDM2迁移到高电平时，在开关SW2中建立电连接。该构成的其它部分与第一实施例相同。
图5是本实施例中的像素信号读取操作的定时图。在时间t0，信号φRS1被设定为高电平，并且，信号φTX1被设定为低电平。结果，在第一行中的各像素10中，复位晶体管M2被导通，传输晶体管M1被关断，并且，浮置扩散节点FD被复位。在时间t1，信号φSEL1迁移到高电平，并且，选择晶体管M4被导通。像素晶体管M3与相关的比较器40的差分晶体管M13形成差分对，并且，从输出端子OUT输出比较浮置扩散节点FD的电压与参照信号VR的结果。
在时间t2，信号φCRS向高电平的迁移使开关SW1接通。此时，差分晶体管M13的栅极与输出端子OUT电连接。换句话说，比较器40用作差分放大器的输出和逆转输入被短路的电压跟随器。这将与浮置扩散节点FD的电压相同的电压给予差分晶体管M13的栅极。信号φDM2向高电平的迁移使开关S2接通，由此向伪像素晶体管M23的栅极和电容C2施加浮置扩散节点FD的电压。
在时间t3，信号φRS1向低电平的迁移导通复位晶体管M2。由于信号φRS1的场通噪声，浮置扩散节点FD保持比复位电压VRS低的电压。在浮置扩散节点FD的电压稳定之后，信号φDM2在时间t4迁移到低电平。这关断开关SW2并且电容C2保持与浮置扩散节点FD的电压相同的电压。
在时间t5，信号φCRS向低电平的迁移关断开关SW1。这断开差分晶体管M13的栅极与漏极之间的连接，并且，比较器40作为比较器操作。差分晶体管M13的栅极保持与浮置扩散节点FD的电压相同的电压。在信号φCRS迁移到低电平之前，参照信号产生单元41输出参照信号VR，参照信号VR比电源电压VDD低恒定的偏移电压VR0。在该时段期间，电容C1蓄积由偏移电压VR0和差分晶体管M13的栅极电压确定的量的电荷，并且，在信号φCRS迁移到低电平之后也保持电荷。差分晶体管M13的栅极保持与浮置扩散节点FD的电压相同的电压，并且，差分晶体管M13的栅极电压因此关于浮置扩散节点FD电压以与参照信号VR的变化量相同的量改变。因此，当参照信号VR在时间t6以偏移电压VR0的程度上升而达到电源电压VDD时，差分晶体管M13的栅极电压关于浮置扩散节点FD的电压以偏移电压VR0的程度上升。N转换时段和S转换时段中的差分晶体管M13的栅极电压以与参照信号VR相同的方式改变，并且，浮置扩散节点FD的电压与参照信号VR相比较。因此，希望设定偏移电压VR0，使得像素信号在N转换中不超过AD转换的范围。
在从时间t7到时间t8的时段中，比较器40比较浮置扩散节点FD与参照信号VR，并且，在比较结果逆转时登记的计数值作为AD转换结果保持于相关的锁存器43中。由此执行基于复位电压的像素信号的N转换。
在N转换之后，与第一实施例同样，执行像素传输和S转换。在N转换时段和S转换时段中，同样，差分晶体管M13的栅极电压以与参照信号VR相同的方式改变，因此，浮置扩散节点FD的电压以和第一实施例中相同的方式与参照信号VR相比较。具体而言，参照信号产生单元41在时间t8将参照信号VR设定回电源电压VDD，并且，信号φSEL1在时间t9向低电平的迁移关断选择晶体管M4。同时，信号φDM1向高电平的迁移导通晶体管M24，由此激活伪像素110。在从时间t10到时间t11的时段中，信号φTX1向高电平的迁移导通传输晶体管M1，并且，在光电二极管PD中蓄积的电荷被传输到浮置扩散节点FD。在从时间t9到时间t12的时段中，差分晶体管M13和伪像素晶体管M23形成差分对，并且，伪像素晶体管M23在差分放大器中导致替代像素晶体管M3的电流的电流流动。虽然浮置扩散节点FD的电压由于信号φTX1的场通噪声在黑色被照体的拍摄中波动，但比较器40的共源电压波动被伪像素110减少。由此缩短直到共源电压稳定的时间的长度，并且，在减小信号精度下降的同时实现速度提高。
在从时间t13到时间t14的时段中，比较器40比较浮置扩散节点FD的电压与差分晶体管M13的栅极电压，以执行基于在光电二极管PD中蓄积的电荷的像素信号的AD转换(S转换)。然后，信号φRS1在时间t15向高电平的迁移将浮置扩散节点FD复位。
在本实施例中，浮置扩散节点FD的电压通过电压跟随器被施加到伪像素晶体管M23的栅极。伪像素晶体管M23的栅极电压可因此以适合于从一个像素到另一个像素的波动的方式被控制。这更多地减少共源电压波动，并且实现速度提高。当比较器40的输入偏移大大波动时，这在第一实施例中必需设定比输入范围宽的AD转换范围以容纳大大波动的输入偏移，本实施例的另一优点被体现。另一方面，在本实施例中，使用负反馈的电压跟随器对各像素将差分晶体管M13的栅极电压的初始值设定为浮置扩散节点FD的电压。这使得比较器40能够比较浮置扩散节点FD的电压与参照信号VR，同时抵消输入偏移。因此，不需要设定考虑输入偏移的波动的AD转换范围。
(第三实施例)
图6是用于示出本发明的第三实施例的一列像素10和用于该列的比较器40的电路图。本实施例与第二实施例的不同在于差分对的负载的配置。以下主要描述与第二实施例的不同。
比较器40还包括作为P沟道MOS晶体管的晶体管M15和M16。偏压电压VB1被施加到晶体管M15的栅极和晶体管M16的栅极。晶体管M12的漏极通过晶体管M16与差分晶体管M13的漏极电连接。晶体管M11的漏极通过晶体管M15与垂直信号线VL2电连接。晶体管M11的栅极和晶体管M12的栅极与垂直信号线VL2电连接。因此，晶体管M11、M12、M15和M16形成级联电流镜组，并且用作差分对的负载。在本实施例中，同样，配置以选择的像素10的浮置扩散节点FD为非逆转输入端子且以差分晶体管M13的栅极为逆转输入端子的差分放大器。通过开关SW1的切换，差分放大器可选择性地作为电压跟随器或比较器操作。本实施例中的像素信号读取操作如图5所示。因此，可在本实施例中获得与第二实施例的效果相同的效果。
(第四实施例)
图7是用于示出本发明的第四实施例的像素阵列1的一个列和用于该列的比较器40的电路图。本实施例与第二实施例的不同在于差分对的负载的配置。以下主要描述与第二实施例的不同。
在本实施例中，晶体管M12被设置在差分对的一半中。偏压电压VB2被施加到晶体管M12的栅极，并且，晶体管M12作为电流源操作。在差分对的另一半中，垂直信号线VL2与电源电压VDD电连接。在本实施例中，同样，配置以输出端子OUT为输出、以选择的像素10的浮置扩散节点FD为非逆转输入且以差分晶体管M13的栅极为逆转输入端子的差分放大器。因此，可在本实施例中获得与第二实施例的效果相同的效果。
(第五实施例)
图8是用于示出本发明的第五实施例的像素阵列1的一个列和用于该列的比较器40的电路图。本实施例与第二实施例的不同在于差分对的负载的配置。以下主要描述与第二实施例的不同。
比较器40还包括作为P沟道MOS晶体管的晶体管M15和M16和作为N沟道MOS晶体管的晶体管M17和M18。晶体管M15与晶体管M11形成电流镜对，并且，晶体管M16与晶体管M12形成电流镜对。晶体管M17和M18形成另一电流镜对。在由晶体管M12和M16构成的电流镜对中，晶体管M16输出与差分晶体管M13的漏极电流相同的电流。在形成电流镜对的晶体管M17和M18中流动的电流相同。在形成电流镜对的晶体管M11和M15中流动的电流也相同。与差分晶体管M13的漏极电流相同的电流在晶体管M15中流动。晶体管M15的漏极和晶体管M18的漏极相互连接以用作输出端子OUT。输出端子OUT分别通过开关SW1和SW2与差分放大器的两个输入端子连接。
在本实施例中，同样，配置以输出端子OUT为输出、以选择的像素10的浮置扩散节点FD为非逆转输入且以差分晶体管M13的栅极为逆转输入端子的差分放大器。因此，可获得与第二实施例的效果相同的效果。
(第六实施例)
以下描述本发明的第六实施例中的图像拾取装置。本实施例与第一实施例的不同在于操作定时。以下主要描述与第一实施例的不同。
图9是本实施例中的像素信号读取操作的定时图。在时间t0，垂直扫描电路2将信号φRS1设定为高电平且将信号φX1设定为低电平。这将浮置扩散节点FD复位。在时间t1，由于信号φRS1的场通噪声，信号φRS1向低电平的迁移将浮置扩散节点FD的电压变为比复位电压VRS低的电压。在从初始状态(时间t0)到浮置扩散节点FD的电压稳定(时间t2)为止的时段中，垂直扫描电路2将信号φSEL1保持为低电平且将信号φDM1保持为高电平。因此，伪像素110的晶体管M24被导通，并且，配置输入伪像素电压VDM和参照信号VR的差分放大器。
在时间t2，垂直扫描电路2将信号φSEL1设定为高电平且将信号φDM1设定为低电平。作为结果配置输入选择的像素10的浮置扩散节点FD的电压和参照信号VR的差分放大器。在时间t3，参照信号产生单元41随时间减小参照信号VR的电压，以执行N转换。此时的伪像素电压VDM被设定为浮置扩散节点FD在复位之后具有的电压，并且，差分放大器的共源电压因此不在从初始状态到N转换的时段中波动。因此，直到从像素复位的N转换的时间的长度缩短。
当在时间t4完成N转换之后，在从时间t5到时间t6的时段中，垂直扫描电路2将信号φTX1设定为高电平，并且，电荷从光电二极管PD被传输到浮置扩散节点FD。在时间t7，参照信号产生单元41随时间改变参照信号VR的电压以执行S转换。当在时间t8完成S转换之后，在时间t9，垂直扫描电路2将信号φSEL1设定为低电平且将信号φDM1设定为高电平。在时间t10，垂直扫描电路2将信号φRS1设定为高电平，由此将下一行的像素10置于用于读取的初始状态。
根据本实施例，复位中的共源电压波动减少，因此使得像素信号的读取更迅速。
(第七实施例)
图10是用于示出第七实施例中的像素阵列1的一个列和用于该列的比较器40的电路图。本实施例与第二实施例的不同在于伪像素110的配置，并且，提供消除在高亮度时出现的称为暗化的现象的附加效果。暗化是高亮度光的入射导致灰度级下降并且使图像暗化的现象。当入射光具有高的亮度时，电荷从光电二极管PD溢出到浮置扩散节点FD，由此降低浮置扩散节点FD在复位中具有的电压。如果光电二极管PD的电荷随后被传输到浮置扩散节点FD，那么已经低的浮置扩散节点FD的电压饱和且几乎不再改变。这使得复位时的像素信号与传输电荷之后的像素信号之间的差值小，这导致通过相关双重采样获得的图像的灰度级下降和暗化。根据本实施例，可以消除暗化现象。以下主要描述与第二实施例的不同。
除了第二实施例中的伪像素110的部件以外，本实施例中的伪像素110还具有用信号φDM3控制的多路复用器SW3。当信号φDM3处于低电平时，伪像素晶体管M23的栅极与电容C2的端子中的一个电连接。当信号φDM3处于高电平时，伪像素晶体管M23的栅极与电源电压(参照电压)VN电连接。
图11是本实施例中的像素信号读取操作的定时图。在时间t0，信号φRS1处于高电平。在时间t1，信号φSEL1迁移到高电平，并且，输出浮置扩散节点FD在复位时具有的电压。在时间t2，信号φCRS达到高电平并且差分放大器作为电压跟随器操作。通过处于高电平的信号φDM2和处于低电平的信号φDM3，来自输出端子OUT的电压被施加到伪像素晶体管M23的栅极。换句话说，伪像素晶体管M23的栅极被赋予与浮置扩散节点FD的电压相同的电压。
在时间t3，信号φRS1迁移到低电平，并且，由于场通噪声，浮置扩散节点FD具有比复位电压VRS低的电压。在时间t4，信号φDM2迁移到低电平且电容C2保持与浮置扩散节点FD的电压相同的电压。在时间t5，信号φCRS迁移到低电平且差分放大器用作比较器。在时间t6，参照信号产生单元41输出具有电源电压VDD的参照信号VR。
在时间t7，信号φDM3迁移到高电平，并且，电源电压VN被施加到伪像素晶体管M23的栅极。信号φDM1同时迁移到高电平，由此导通伪像素110的晶体管M24。换句话说，像素10和伪像素110与垂直信号线VL1和VL2电连接。在从时间t8到时间t9的时段中，选择的像素10的浮置扩散节点FD的电压和电源电压VN中的较高的一个与参照信号VR相比较，以执行N转换。在时间t10，信号φDM3迁移到低电平，并且，向伪像素晶体管M23的基极施加电容C2的电压(浮置扩散节点FD的电压)。
在信号φSEL1在时间t11迁移到低电平之后，信号φTX1在时间t12向高电平的迁移导致光电二极管PD的电荷传输到浮置扩散节点FD。信号φTX1在时间t13迁移到低电平且信号φSEL1在时间t14迁移到高电平。信号φDM1在同一时间向低电平的迁移关断伪像素110的晶体管M24。在随后的从时间t15到时间t16的时段中，选择的像素10中的浮置扩散节点FD的电压与参照信号VR相比较以完成S转换。
在本实施例中，信号φDM3在包含N转换的时段(从时间t7到时间t10的时段)期间处于高电平。信号φDM1在与信号φDM3向高电平的迁移相同的时间迁移到高电平，并且保持高电平直到经过光电二极管PD中的电荷的传输的时间t14。这使得选择的像素10和伪像素伪像素110均在N转换时段中有效。在这种情况下，选择的像素10的浮置扩散节点FD的电压和电源电压VN中的更高的一个与参照信号VR相比较。当浮置扩散节点FD的电压下降以低于电源电压VN时，像素晶体管M3被关断。因此，通过将电源电压VN设定为适当的电平，尽管浮置扩散节点FD电压下降，也在重置浮置扩散节点FD之后实现信号电压向电源电压VN的伪降低。换句话说，当照射具有高亮度的光且复位时的浮置扩散节点FD的电压比电源电压VN低时，通过比较电源电压VN与参照信号VR执行N转换。因此，在通过相关双重采样获得的图像中消除暗化现象。另外，在N转换时段中连接电源电压VN与伪像素晶体管M23的栅极不妨碍减少像素传输中的共源电压波动的效果。因此，除了第二实施例的效果以外，本实施例还提供消除高亮度时的暗化现象的效果。
(第八实施例)
图12是用于示出本发明的第八实施例中的像素阵列1的一个列和用于该列的比较器40的电路图。本实施例与第一实施例的不同在于伪像素110的配置。以下主要描述与第一实施例的不同。
本实施例中的伪像素110以与像素10相同的方式被配置，并且，除了伪像素晶体管M23以外，包括光电二极管PD、伪像素传输晶体管M21、伪像素复位晶体管M22和伪像素选择晶体管M24。信号φTXDM被供给到伪像素传输晶体管M21的栅极，并且，信号φTXDM向高电平的迁移导通伪像素传输晶体管M21。信号φRSDM被供给到伪像素复位晶体管M22的栅极。信号φRSDM向高电平的迁移导通伪像素复位晶体管M22，并且，伪像素晶体管M23的栅极电压被复位到复位电压VRS。
图13是本实施例中的像素信号读取操作的定时图。在时间t0，信号φRSDM和信号φTXDM处于高电平，并且，伪像素110的光电二极管PD和伪像素晶体管M23的栅极电压被复位。在时间t2，信号φTXDM向低电平的迁移关断伪像素传输晶体管M21。在时间t3，信号φRS1迁移到低电平且信号φRSDM也迁移到低电平。此时，伪像素晶体管M23的栅极电压以与选择的像素10的浮置扩散节点FD的电压波动相同的方式波动。简言之，由于信号φRS1的场通噪声，伪像素晶体管M23的栅极电压下降到低于复位电压VRS。在从时间t4到时间t5的时段中，选择的像素10的浮置扩散节点FD的电压与参照信号VR相比较，以执行N转换。在从时间t6到时间t9的时段中，信号φSEL1迁移到低电平，信号φDM1迁移到高电平，并且，由差分晶体管M13和伪像素晶体管M23形成差分对。在从时间t7到时间t8的时段中，信号φTX1迁移到高电平，并且，虽然浮置扩散节点FD的电压波动，但比较器40的共源电压波动被伪像素110减少。在从时间t10到时间t11的时段中，执行S转换，并且，信号φRSDM和信号φTXDM保持于低电平。信号φRS1在时间t12迁移到高电平。然后，为了读取下一行，信号φRSDM和信号φTXDM被设定于高电平。
在本实施例中，伪像素晶体管M23的栅极电压也与浮置扩散节点FD在像素复位之后具有的电压等同，直到完成包含电荷传输时段(从时间t6到时间t9的时段)的替代电流时段。这意味着，本实施例中的伪像素110也能够减少比较器40的共源电压波动并且获得与第二实施例的效果相同的效果。虽然本实施例中的伪像素110包含光电二极管PD，但通过不包含光电二极管的空像素(null pixel)也获得相同的效果。
(第九实施例)
图14是本发明的第九实施例中的图像拾取装置的电路框图。本实施例与第一实施例的不同在于计数器42的配置。具体而言，在本实施例中，对各列设置第一实施例中的在所有列之中被共享以执行AD转换的计数器42。各计数器42在N转换中向下计数并且在S转换中向上计数。因此，S转换之后的计数器42的计数值指示通过S转换转换的像素信号与通过N转换转换的像素信号之间的差值。本实施例也可提供与第一实施例相同的效果。
(第十实施例)
上述的实施例的图像拾取装置适用于各种图像拾取系统。图像拾取系统的例子包括数字静物照相机、数字摄像录像机和监视照相机。图15是数字静物照相机的示图，该数字静物照相机是应用实施例中的一个的图像拾取装置的图像拾取系统的例子。
在图15中作为例子示出的图像拾取系统包括图像拾取装置154、被配置为保护镜头152的镜筒151、被配置为在图像拾取装置154中形成被照体的光学图像的镜头152和被配置为改变透过镜头152的光的量的光阑153。镜头152和光阑153形成被配置为收集图像拾取装置154中的光的光学系统。图像拾取装置154是上述的实施例中的任一个的图像拾取装置中的一个。图15的图像拾取系统还包括被配置为处理从图像拾取装置154输出的输出信号的输出信号处理单元155。输出信号处理单元155基于从图像拾取装置154输出的信号产生图像。具体而言，输出信号处理单元155在必要时执行包括各种校正和压缩的附加的处理，并然后输出图像数据。输出信号处理单元155还通过使用从图像拾取装置154输出的信号执行焦点检测。
图15的图像拾取系统还包括暂时存储图像数据的缓存存储器单元156和被配置为保持与外部计算机等的通信的外部接口单元(外部I/F单元)157。图像拾取系统还包括读取和记录拾取的图像数据的诸如半导体存储器的记录介质159和被配置为在记录介质159中记录和读取数据的记录介质控制接口单元(记录介质控制I/F单元)158。记录介质159可内置于图像拾取系统中或者可以是可去除的介质。
图像拾取系统还包括被配置为执行各种类型的计算和数字静物照相机的总体控制的通用控制/运算单元1510和被配置为向图像拾取装置154和输出信号处理单元155输出各种定时信号的定时产生单元1511。可从外面输入定时信号和其它信号，并且，图像拾取系统只需要至少包括图像拾取装置154和被配置为处理从图像拾取装置154输出的输出信号的输出信号处理单元155。
如上所述，本实施例的图像拾取系统能够通过使用图像拾取装置154进行图像拾取操作。
(其它实施例)
虽然描述了本发明中的图像拾取装置，但本发明不限于以上给出的实施例，并且，实施例不是要禁止适合本发明的精神的适当的修改和变更。例如，第一实施例到第十实施例的配置中的一些可被组合。实施例中的N沟道MOS晶体管和P沟道MOS晶体管的极性可被置换，使得作为实施例中的N沟道MOS晶体管的晶体管为P沟道MOS晶体管。如在第一实施例中描述的那样，各像素10不限于四晶体管配置，并且，可以是不包含选择晶体管的三晶体管构成。
虽然已参照示例性实施例说明了本发明，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 (12)

1.一种图像拾取装置，其特征在于包括：
多个像素，分别包含：被配置为传输通过光电转换产生的电荷的传输晶体管、具有所述电荷所输入到的栅极的像素晶体管和被配置为将像素晶体管的栅极复位的复位晶体管；
包含差分晶体管和电流源的差分放大器，差分晶体管与像素晶体管形成差分对并且具有斜坡信号所输入到的栅极，电流源与差分对电连接；和
包含伪像素晶体管的伪像素，在伪像素晶体管中，一个主节点与像素晶体管的一个主节点电连接且另一主节点与像素晶体管的另一主节点电连接。
2.根据权利要求1所述的图像拾取装置，
其中，所述多个像素中的每一个还包含像素晶体管的所述另一主节点与电流源之间的电气路径上的选择晶体管，并且
其中，伪像素选择晶体管被设置在伪像素晶体管的所述另一主节点与电流源之间的电气路径上。
3.根据权利要求2所述的图像拾取装置，
其中，像素晶体管的所述另一主节点通过选择晶体管与第一信号线连接，像素晶体管的所述一个主节点与第二信号线连接，差分晶体管和像素晶体管以第一信号线为共用源而形成差分对，并且，电流源与第一信号线连接，并且
其中，在复位晶体管和选择晶体管中的一个被导通的时段中，伪像素晶体管与差分晶体管而不是像素晶体管形成差分对，使得伪像素晶体管在差分放大器中导致替代像素晶体管的电流的电流流动。
4.根据权利要求3所述的图像拾取装置，其中，在所述时段中，与像素晶体管的栅极复位时的电压相等的电压被施加到伪像素晶体管的栅极。
5.根据权利要求4所述的图像拾取装置，
其中，斜坡信号通过第一电容被输入到差分晶体管的栅极，并且
其中，当像素晶体管的栅极被复位时，差分晶体管的栅极与差分晶体管的一个主节点被短路，使得差分放大器作为电压跟随器操作，以在与伪像素晶体管的栅极连接的第二电容中保持与像素晶体管的栅极复位时的电压相等的电压。
6.根据权利要求5所述的图像拾取装置，
其中，在所述时段中，选择晶体管被导通，并且，像素晶体管的栅极复位时的电压通过模数转换被同时转换，以及
其中，在所述时段中，参照电压被施加到伪像素晶体管的栅极，并且，当像素晶体管的栅极的电压比参照电压低时，像素晶体管被关断。
7.根据权利要求3所述的图像拾取装置，
其中，伪像素还包含伪像素传输晶体管、伪像素复位晶体管和伪像素选择晶体管，并且
其中，直到导通传输晶体管的时段结束，在伪像素复位晶体管被导通以将伪像素晶体管的栅极的电压复位之后，伪像素传输晶体管处于关断状态。
8.根据权利要求1所述的图像拾取装置，其中，对像素的各列设置具有与斜坡信号同步的计数值的计数器。
9.根据权利要求1～8中的任一项所述的图像拾取装置，还包括与差分晶体管的一个主节点连接的第一晶体管。
10.根据权利要求9所述的图像拾取装置，还包括与伪像素晶体管的所述一个主节点连接的第二晶体管，
其中，第一晶体管和第二晶体管形成电流镜对。
11.一种图像拾取系统，其特征在于包括：
图像拾取装置；和
被配置为通过使用从图像拾取装置输出的信号产生图像的信号处理单元，
图像拾取装置包含：
多个像素，分别包含：被配置为传输通过光电转换产生的电荷的传输晶体管、具有所述电荷所输入到的栅极的像素晶体管和被配置为将像素晶体管的栅极复位的复位晶体管；
包含差分晶体管和电流源的差分放大器，差分晶体管与像素晶体管形成差分对并且具有斜坡信号所输入到的栅极，电流源与差分对电连接；和
包含伪像素晶体管的伪像素，在伪像素晶体管中，一个主节点与像素晶体管的一个主节点电连接且另一主节点与像素晶体管的另一主节点电连接。
12.一种用于驱动图像拾取装置的方法，其特征在于该图像拾取装置包含：
多个像素，分别包含：被配置为传输通过光电转换产生的电荷的传输晶体管、具有所述电荷所输入到的栅极的像素晶体管和被配置为将像素晶体管的栅极复位的复位晶体管；
包含差分晶体管和电流源的差分放大器，差分晶体管与像素晶体管形成差分对并且具有斜坡信号所输入到的栅极，电流源被配置为供给在差分对中流动的电流，
所述方法包括：
在导通复位晶体管和传输晶体管中的一个的时段中，允许伪像素晶体管与差分晶体管而不是像素晶体管形成差分对，使得伪像素晶体管在差分放大器中导致替代像素晶体管的电流的电流流动；和
基于差分放大器对像素晶体管的栅极的电压与斜坡信号执行的比较的结果执行像素晶体管的栅极的电压的模数转换。
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