CN107360738A - 固态成像元件、成像设备和电子器械 - Google Patents

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Abstract

本技术涉及一种固态图像传感器、图像捕获设备和电子设备，其能够将施加到垂直传输线的参考电压设置为与浮动扩散部部分的复位电压大体上相同。一种被配置成产生参考电压的参考电压产生电路包括与像素电路中的复位晶体管、放大晶体管和选择晶体管相同的电路，并且在传输光学信号和复位信号之前立即将其施加到垂直传输线。这允许与紧接在将复位信号施加到浮动扩散部之后的电压相同的参考电压被施加到垂直传输线。本技术适用于CMOS图像传感器。

Description

固态成像元件、成像设备和电子器械
技术领域
本技术涉及固态图像传感器、图像捕获设备和电子设备。更具体来说，本技术涉及一种固态图像传感器、一种图像捕获设备和一种电子设备，其能够实现适当的模拟增益，而不会不必要地增加模拟/数字(AD)转换的范围，或不会增加电路规模。
背景技术
在全像素顺序传输操作中，可以在读取复位信号之后读取光学信号，因此可能通过将复位信号设置为参考来执行用于读取光学信号的模拟相关双采样(CDS)。然而，在全像素顺序传输操作中将发生滚动失真。
因此，已经开发了在原则上不发生失真的全像素同时传输操作。
全像素同时传输操作大致分为两种模式。在作为两者中的一个的第一模式中，存储器(MEM)被布置在像素电路内部，并且光学信号从所有像素同时从光电二极管(PD)传输到MEM。然后，使用上述全像素顺序传输操作从MEM读取光学信号。
然而，第一模式的实施需要增加像素电路的数量，因此像素电路的数量的增加将导致用于接收入射在PD上的光的区域的减小。
因此，作为第二模式，开发了FD累积型全像素同时传输操作，其中电荷同时累积在浮动扩散部(FD)而不是MEM中，并且通过全像素顺序传输操作从FD读取光学信号。
此外，FD累积型全像素同时传输操作具有两种类型的模式。
在第一模式中，在复位FD之后，不读取复位信号，光学信号被集体传输，读取光学信号，通过将读取的光学信号设置为参考将相同的像素再次复位，并且读取与复位信号的差。
在该第一模式中，可以执行模拟CDS。然而，原则上，像素的kTC噪声(改变每个复位的噪声并且其值与kTC的平方根成比例，其中k是波兹曼常数，T是温度，并且C是电容)不能被去除，因此不同的噪声信号将叠加在光学信号和复位信号上。
另外，在第二模式中，所有像素的复位信号被读取，被存储在帧存储器中，并被曝光。电荷由PD使用光电转换累积，然后同时从PD传输到FD。通过全像素顺序传输操作从FD读取光学信号。
在该第二模式中，尽管帧存储器是必需的，但是可以执行模拟CDS，并且在复位信号和光学信号的每个中都包括相同的kTC噪声，因此与第一模式相比，可能通过模拟CDS来消除kTC噪声。
然而，在全像素顺序传输操作中，在读取光学信号之后读取用作参考的复位信号。因此，在上述配置中，在列放大器中用作参考的操作点未被确定，并且适当的像素信号可能不能被输出。
因此，开发了提供产生参考电压的电路的技术(参见专利文献1)。在该技术中，在图像捕获期间使用全像素顺序传输操作并且在自动曝光(AE)或自动对焦(AF)期间使用FD累积型全像素同时传输操作在相同的传感器中执行图像捕获，这是基于从电路输出的参考电压。
换句话说，在FD累积型全像素同时传输操作中，在读取光学信号之后读取在复位时作为参考的信号。因此，在专利文献1的描述中，可以通过使用执行自动归零(AZ)操作的电路输出固定的参考电压来实现列放大器操作。引文列表
专利文献
专利文献1：JP 2014-161080A
发明内容
技术问题
然而，在使用自动归零(AZ)操作产生用作参考的电压的情况下，如果参考电压偏离复位信号的电平，则在一些情况下，模拟增益的增加可能无法实现，并且模拟/数字(AD)转换的范围应大于必要的范围。
另外，如果参考电压是固定的，则在一些情况下，由于芯片变化或温度特性，参考电压将偏离复位信号的电平。
此外，在引入考虑芯片温度或工艺变化的机制的情况下，在一些情况下电路规模会增加。
本技术鉴于这种情况而被提出，特别是可以实现适当的模拟增益，而不会不必要地增加模拟/数字(AD)转换的范围，或不会增加电路规模。
问题的解决方案
根据本技术的方面的固态图像传感器包括：源极跟随器电路，其被配置成产生参考电压。包括在源极跟随器电路中的放大晶体管的栅极电压等于复位浮动扩散部中累积的电荷的复位电压，浮动扩散部累积由每个像素的像素电路中包括的光电二极管产生的电荷。开关设置在栅极和将电压施加到栅极的电源之间的布线上，并且开关在被关闭时将施加到栅极的电压设置为等于复位后获得的浮动扩散部的电压的值。
当开关被打开时，可以使源极跟随器电路产生参考电压。
可以使源极跟随器电路为在水平方向上划分的每一列设置，提供给在垂直方向上传输每个像素的信号的每个垂直传输线，并将参考电压施加到垂直传输线。
可以通过共同使用用作开关的晶体管的栅极使多个相邻的垂直传输线彼此连接。
可以经由开关使相邻的垂直传输线彼此连接，并且可以在紧接在读取像素的信号之前的定时使开关打开。
可以使提供复位电压的电源和经由开关提供电压作为参考电压的电源是相同的电源。
可以使提供复位电压的电源和经由开关提供电压作为参考电压的电源是个别电源。
可以使经由垂直传输线输出的像素的信号输出到自动归零电路。
可以使经由垂直传输线输出的像素的信号输出到模拟/数字(AD)转换器。
可以使主体电路配置包括一个芯片。
可以使主体电路配置包括多个芯片。
在主体电路配置包括两个芯片的情况下，可以使像素电路包括在第一芯片中，并且可以使源极跟随器电路和模拟/数字(AD)转换器包括在第二芯片中。
在主体电路配置包括两个芯片的情况下，可以使像素电路和源极跟随器电路包括在第一芯片中，并且可以使模拟/数字(AD)转换器包括在第二芯片中。
在主体电路配置包括两个芯片的情况下，可以使像素电路、源极跟随器电路和模拟/数字(AD)转换器的比较器包括在第一芯片中，并且可以使模拟/数字(AD)转换器的计数器包括在第二芯片中。
可以使源极跟随器电路提供给每个区域传输线，其用于在二维方向上划分的每个区域中传输每个像素的信号，并且将参考电压施加到区域传输线。
可以使主体电路配置包括第一芯片和第二芯片，第一芯片包括为每个区域提供的像素电路，第二芯片包括为每个区域提供的源极跟随器电路。
根据本技术的方面的图像捕获设备包括：源极跟随器电路，其被配置成产生参考电压。包括在源极跟随器电路中的放大晶体管的栅极电压等于复位浮动扩散部中累积的电荷的复位电压，浮动扩散部累积由每个像素的像素电路中包括的光电二极管产生的电荷。开关设置在栅极和将电压施加到栅极的电源之间的布线上，并且开关在被关闭时将施加到栅极的电压设置为等于复位后获得的浮动扩散部的电压的值。
根据本技术的方面的电子设备包括：源极跟随器电路，其被配置成产生参考电压。包括在源极跟随器电路中的放大晶体管的栅极电压等于复位浮动扩散部中累积的电荷的复位电压，浮动扩散部累积由每个像素的像素电路中包括的光电二极管产生的电荷。开关设置在栅极和将电压施加到栅极的电源之间的布线上，并且开关在被关闭时将施加到栅极的电压设置为等于复位后获得的浮动扩散部的电压的值。
根据本技术的方面，包括被配置成产生参考电压的源极跟随器电路。包括在源极跟随器电路中的放大晶体管的栅极电压等于复位浮动扩散部中累积的电荷的复位电压，浮动扩散部累积由每个像素的像素电路中包括的光电二极管产生的电荷。开关设置在栅极和将电压施加到栅极的电源之间的布线上，并且开关在被关闭时将施加到栅极的电压设置为等于复位后获得的浮动扩散部的电压的值。
发明的有益效果
根据本技术的一个实施方案，可能实施一种固态图像传感器，其能够获得适当的模拟增益，而不会不必要地增加模拟/数字(AD)转换的范围，或不会增加电路规模。
附图说明
[图1]图1是图示了描述根据本技术应用的固态图像传感器的第一实施方案的示例性配置的图解。
[图2]图2是图示了描述像素电路的细节的图解。
[图3]图3是图示了描述图1的固态图像传感器的操作的时序图。
[图4]图4是图示了描述本技术应用的固态图像传感器的第二实施方案的示例性配置的图解。
[图5]图5是图示了描述图4的固态图像传感器的操作的时序图。
[图6]图6是图示了描述根据本技术应用的固态图像传感器的第三实施方案的示例性配置的图解。
[图7]图7是图示了描述本技术应用的固态图像传感器的第四实施方案的示例性配置的图解。
[图8]图8是图示了描述本技术应用的包括一个芯片的固态图像传感器的第五实施方案的示例性配置的图解。
[图9]图9是图示了描述本技术应用的包括两个芯片的固态图像传感器的第五实施方案的示例性配置的图解。
[图10]图10是图示了描述本技术应用的包括两个芯片的固态图像传感器的第五实施方案的另一示例性配置的图解。
[图11]图11是图示了描述本技术应用的固态图像传感器的第六实施方案的示例性配置的图解。
[图12]图12是图示了描述本技术应用的固态图像传感器的第七实施方案的示例性配置的图解。
[图13]图13是图示了描述写入典型FD的复位电压的方法的图解。
[图14]图14是图示了描述由相邻FD引起的寄生耦合电容的图解。
[图15]图15是图示了描述寄生耦合电容的影响的图解。
[图16]图16是图示了描述本技术应用的写入FD的复位电压的方法的图解。
[图17]图17是图示了描述使用本技术应用的包括半导体图像传感器的固态图像传感器的图像捕获设备和电子设备的配置的图解。
[图18]图18是图示了固态图像传感器的使用实例的图解。
具体实施方式
下面将描述用于实施本发明的最佳模式的实例，但是本发明不限于以下实例。
<第一实施方案>
<固态图像传感器的示例性配置>
图1图示了连接到本技术应用的作为半导体设备的固态图像传感器中包括的像素的多个垂直信号线中的一个的配置。
固态图像传感器是捕获图像的元件，并且在一个实例中包括在水平和垂直方向上具有m×n像素的大小的图像传感器。在浮动扩散部部分中没有共享像素的情况下，提供与水平方向上的像素列数相同的m个垂直信号线，并且此外包括与垂直方向上的像素数相等的n个像素的像素电路连接到每个垂直信号线。此外，在浮动扩散部部分共享的情况下，在一些情况下，垂直信号线的数量与像素数不匹配。
图1图示了固态图像传感器中第j列和其外围的垂直传输线VLINE(j)的示例性配置。包括在像素电路中的像素P(0,j)至P(i,j(i＝n))、参考电压产生电路11、Bias产生电路12、Vampref产生电路13和自动归零电路14连接到垂直传输线VLINE(j)。
图2图示了包括在像素电路中的像素P(i,j)的示例性配置。每个像素P(i,j)具有光电二极管PD、复位晶体管TR11、传输晶体管TR12、放大晶体管TR13、选择晶体管TR14和浮动扩散部部分FD。浮动扩散部部分FD也简称为FD部分，并且光电二极管PD也在下文中简称为PD。
在每个像素P(i,j)中，通过PD的光电转换获得的电荷经由传输晶体管TR12被传输到FD部分并被保持在其中。当选择晶体管TR14响应于选择信号SEL(i)被打开时，如上所述保持在FD部分中的电荷被放大晶体管TR13放大，并作为像素信号输出到垂直传输线VLINE(j)。
在一个实例中，FD部分通过将电荷累积为电容将从PD传输的电荷转换为电压，并将转换的电压(FD部分的电容的电压)输入到放大晶体管TR13的栅极。然后，在选择晶体管TR14被打开的时段期间，源极跟随器电路被配置成包括连接到垂直传输线VLINE(j)的放大晶体管TR13、选择晶体管TR14和恒流源TR31(图1)。这允许构成由选择信号SEL(i)选择的像素P(i,j)的信号被传送到垂直传输线VLINE(j)。
另外，当复位信号RST(i)和传输信号TRG(i)都被设置为高电平时，复位晶体管TR11和传输晶体管TR12被打开，由此执行累积在FD部分和PD中的电荷被复位的像素复位。此外，图1中的每个P(i,j)的配置类似于图2中所示的配置。在图1中或其后，特别地，尽管在P(i,j)中包括的每个电路不附加参考数字，但是假设与参考图2描述的配置相同，除非另有说明。
以下通过返回参看图1给出描述。
参考电压产生电路11被配置成包括串联连接在电源VDD和垂直传输线VLINE(j)之间的晶体管TR22和TR23。参考电压产生电路11被配置成进一步包括控制晶体管TR22的栅极的打开和关闭的晶体管TR21。另外，通过从与选择信号SEL(i)相同的电源提供的选择信号SEL_Vref将晶体管TR23控制为打开或关闭。另外，通过从与复位信号RST(i)相同的电源提供的复位信号RST_Vref将晶体管TR21控制为打开或关闭。
换句话说，在晶体管TR23被打开的时段期间，参考电压产生电路11从预定电源VDD提供电源电压。在这种情况下，参考电压产生电路11具有将垂直传输线VLINE(j)的电压削波到下降了晶体管TR22的阈值电压的电压的功能。此外，晶体管TR21、TR22和TR23分别具有与晶体管TR11、TR13和TR14相同的配置(相同的配置包括内部电阻、内部电容等)。因此，在一个实例中，存在复位信号RST_Vref和选择信号SEL_Vref被设置为高电平并且晶体管TR21至TR23都被打开的情况。在这种情况下，以与复位信号RST(i)和选择信号SEL(i)都被设置为高电平并且晶体管TR11、TR13和TR14都被打开的情况类似的方式，可能用与复位每个像素P(i,j)的FD的电压相等的电压削波垂直传输线VLINE(j)的电压。
Bias产生电路12根据栅极电压将电压施加到恒流源晶体管TR31的栅极，并且确定垂直信号线VLINE(j)的电流量。
Vampref产生电路13将参考电压Vampref提供给自动归零电路14。自动归零电路14被配置成包括比较器Comp、电容器C1和C2以及开关AZ。比较器Comp的负输入端子经由电容器C1连接到垂直传输线VLINE(j)，并且参考电压Vampref被施加到其正输入端子。在比较器Comp中，在开关AZ被打开的时段期间，电容器C1取样并保持垂直传输线VLINE(j)的电压，并且将电压设置为参考电压。
换句话说，当放大器被复位时，开关AZ被打开，因此执行用于设置具有比较器Comp和电容器C1和C2的放大单元的放大操作的参考电压的放大器复位。因此，在开关AZ被打开的时段期间，比较器Comp将相对于垂直传输线VLINE(j)的电压(参考电压)的变化反相并放大。此外，如上所述，由放大器复位设置的参考电压被保持在电容器C1中。
在一个实例中，比较器Comp基于由放大器复位设置的参考电压将输出到垂直传输线VLINE(j)的复位信号(噪声信号)反相并放大。然后，输出反相和放大的复位信号(噪声信号)。
另外，比较器Comp基于由放大器复位设置的参考电压将输出到垂直传输线VLINE(j)的光学信号反相并放大。然后，输出反相和放大的光学信号。
这里，复位信号(噪声信号)是包括当FD部分被复位时获得的噪声分量的信号，并且光学信号是包括对应于由PD产生的电荷的信号分量和当FD部分被复位时获得的噪声分量的信号。
输出这些复位信号和光学信号，因此执行CDS并且输出像素信号。
<第一操作方法>
接着，参考图3的时序图描述图1的固态图像传感器的操作。
首先，在第一操作中，对于固态图像传感器的所有像素，PD被集体复位。换句话说，在这种情况下，复位信号RST(i)和传输信号TRG(i)都在预定时间内被设置为高电平，并且复位晶体管TR11和传输晶体管TR12被打开。这允许执行复位FD部分和PD的电荷累积的像素复位。此外，在图3中的波形中不特别说明该操作。
接着，在第二操作中，所有像素的PD都被曝光。该曝光允许执行光电转换以累积对应于每个像素的PD中的入射光量的电荷。
在第三操作中，读取FD复位信号。更具体来说，如图3的上部所示，复位信号RST(i)、复位信号RST_Vref和选择信号SEL_Vref在时间t11被设置为高电平。另外，控制开关的开关信号AZ被设置为高电平，使得自动归零电路14的开关AZ打开。
通过该操作，晶体管TR11被打开，并且FD被设置为电源VDD的电压。另外，参考电压产生电路11的晶体管TR21和TR23被打开，因此，电源VDD被提供给晶体管TR22的栅极，因此晶体管TR22被打开。经由晶体管TR22和TR23将对应于电源VDD的电压作为参考电压施加到垂直传输线VLINE(j)。
此外，在这种情况下，自动归零电路14的开关AZ被打开，因此对应于FD的复位信号的电压被累积在电容器C1中。
然后，在经过预定时间时的时间t12，复位信号RST(i)和RST_Vref被设置为低电平，并且晶体管TR11、TR21和TR22被关闭。然后，在经过预定时间之后的时间t13，开关AZ被设置为低电平，并进一步，在经过预定时间之后的时间t14，选择信号SEL_Vref被设置为低电平，并且晶体管TR23被关闭。另外，当选择信号SEL_Vref被设置为低电平时，并且同时选择信号SEL(i)被设置为高电平。该操作允许晶体管TR14被打开，并且FD的复位信号输出到垂直传输线VLINE(j)。然后，当FD的复位信号输出到垂直传输线VLINE(j)时，FD的复位信号在时间t15至t16被模拟/数字(AD)转换，并且输出复位信号作为数字信号。在输出复位信号作为数字信号之后的时间t17，选择信号SEL(i)被设置为低电平，并且晶体管TR14被关闭。
重复上述处理，直到对于每个垂直传输线LINE(j)完成以像素P(i,j)为单位的所有像素的处理，并且通过第三操作来读取FD的复位信号。
此外，图3的上部和下部以从顶部开始的顺序图示了传输信号TRG(i)、复位信号RST(i)、选择信号SEL(i)、参考电压产生电路11的复位信号RST_Vref、参考电压产生电路11的选择信号SEL_Vref、开关AZ的控制信号AZ以及AD转换中的每个的时序。这些信号以高电平和低电平的一个状态图示，并且只有AD转换的处理定时处于高电平状态。此外，(i)表示从连接到第j列的垂直传输线VLINE的第0至第m个像素中的顶部指定第i个像素P(i,j)。
在第四操作中，如图3的中间部分所示，将所有像素P(i,j)的传输信号TRG(i)(i＝全部)在从时间t21到t22的预定时段内设置为高电平。这允许晶体管TR12被打开，因此PD中产生的电荷在曝光时段期间被集体传输到FD。
在第五操作中，读取在FD部分中累积的电荷作为光学信号。更具体来说，如图3的下部所示，在时间t31，参考电压产生电路11的复位信号RST_Vref和选择信号SEL_Vref以及自动归零电路14的开关AZ的控制信号AZ被设置为高电平，并且晶体管TR21至TR23被打开。另外，在经过预定时间之后的时间t32，复位信号RST_Vref被设置为低电平，然后，在时间t33，控制信号AZ被设置为低电平。此外，然后，在时间t34，参考电压产生电路11的选择信号SEL_Vref被设置为低电平，并且晶体管TR14的选择信号SEL(i)被设置为高电平，因此电容器C1的参考电压被累积，晶体管TR13和TR14被打开，并且对应于FD部分中累积的电荷的光学信号经由晶体管TR13和TR14输出到垂直传输线VLINE(j)。
然后，当FD的光学信号输出到垂直传输线VLINE(j)时，FD的光学信号在时间t35至t36被模拟-数字(AD)转换，并且输出光学信号作为数字信号。在输出光学信号作为数字信号之后的时间t37，选择信号SEL(i)被设置为低电平，并且晶体管TR14被关闭。
上述操作使得即使在复位信号或光学信号中也可能通过参考电压产生电路11将参考电压设置为与复位电压大体上相同。另外，参考电压产生电路11中的晶体管TR21、TR22和TR23的配置与晶体管TR11、TR13和TR14的配置相同，因此由参考电压产生电路11产生的参考电压可以具有与FD被复位时的温度特性或处理相同的影响。因此，即使发生温度或处理的影响，也可能通过产生与复位电压大体上相同的参考电压来实现适当的模拟增益。另外，不需要提供用于根据温度或处理的影响而基于个体差异来处理温度特性或调整的电路，因此消除了不必要地增加设备配置的大小的必要性，并且可以使处理的劳动更简单。
<第二实施方案>
在上文中，描述了以垂直传输线VLINE(j)为单位的操作的实例。然而，在一个实例中，相邻的垂直传输线VLINE(j)可以经由开关彼此连接，并且当读取复位信号和读取光学信号时，其可以通过在读取之前立即打开开关来连接。
图4图示了其中垂直传输线VLINE(j)经由开关彼此连接的固态图像传感器的示例性配置。此外，在图4中的固态图像传感器的示例性配置中，对与图1中的配置相同的部件给出相同的名称和参考数字，并且将适当地省略其描述。换句话说，图4的固态图像传感器与图1的固态图像传感器的不同之处在于，相邻的垂直传输线VLINE(j)经由开关VSL_CON来连接。因此，参考电压产生电路11中的复位信号RST_Vref和选择信号SEL_Vref，来自Bias产生电路12的Bias，以及来自Vampref产生电路13的Vampref电压被垂直传输线VLINE(j)共同使用。
当读取复位信号和读取光学信号时，开关VSL_CON被控制为在读取之前立即打开。该操作使得在每个垂直传输线VLINE(j)处产生的kTC噪声可能被设置为大体上为零。换句话说，尽管kTC噪声根据开关定时而变化，但是如果开关VSL_CON被打开，则垂直传输线VLINE(j)都被连接，因此在垂直传输线VLINE(j)中产生的kTC噪声分量被相互添加和取消。
<第二操作方法>
接着，参考图5的时序图描述图4的固态图像传感器的操作。此外，图5的时序图中的时间t101至t107、时间t111至t112以及时间t121至t127分别对应于图3的时序图中的时间t11至t17、时间t21至t22以及时间t31至t37。另外，图5的时序图与图3的时序图的不同之处在于，在图5的上部和下部的底部的第二行中另外提供指示控制开关VSC_CON的操作的控制信号的项目。
具体来说，如图5的上部所示，在读取复位信号的定时的时间t101至t104，控制开关VSC_CON的操作的控制信号被设置为高电平，并且所有垂直传输线VLINE(j)的开关VSC_CON被控制为打开。
因此，垂直传输线VLINE(j)都被电连接，因此可能产生与复位信号大体上相同电压的参考电压，同时消除在读取参考电压时切换引起的kTC噪声。
类似地，如图5的下部所示，在读取光学信号的定时的时间t121至t124，控制开关VSC_CON的操作的控制信号被设置为高电平，并且所有垂直传输线VLINE(j)的开关VSC_CON被控制为打开。
因此，垂直传输线VLINE(j)都被电连接，因此可能产生与复位信号大体上相同电压的参考电压，同时消除在读取参考电压时切换引起的kTC噪声。
因此，由参考电压产生电路11产生的参考电压可以具有与FD部分被复位时的温度特性或处理相同的影响。因此，即使发生温度或处理的影响，也可能产生与复位电压大体上相同的电压作为参考电压。另外，不需要提供用于处理温度特性的电路，因此消除了不必要地增加设备配置的大小的必要性。
<第三实施方案>
在上文中，给出了该实例的描述，其中当由复位信号RST(i)打开或关闭的晶体管TR11被打开时，在每个像素P(i,j)的配置中，设置的复位电平的电压和提供给放大晶体管TR13的漏极的电压都从公共电源VDD提供。然而，提供给晶体管TR11和TR13的电源可以彼此独立。在这种情况下，参考电压产生电路11的晶体管TR21和TR22具有相似结构。这使得可能将由参考电压产生电路11设置的参考电压设置为与复位电压大体上相同的适当的电压。
图6图示了其中提供给晶体管TR11和TR13的电源彼此独立的固态图像传感器的示例性配置。换句话说，提供给晶体管TR11和TR13的电源分别是独立电源VR和VDD。因此，也在参考电压产生电路11中，提供给晶体管TR21和TR22的电源类似地分别是独立电源VR和VDD。
这种配置使得可能产生与像素P(i,j)中的复位电压大体上相同的电压作为参考电压。
<第四实施方案>
尽管给出了经由垂直传输线VLINE(j)将像素P(i,j)的复位信号和光学信号输出到比较器Comp的实例的上述描述，但是这些信号可以直接输出到模拟/数字(AD)转换器。
图7图示了其中经由垂直传输线VLINE(j)将像素P(i,j)的复位信号和光学信号输出到AD转换器的固态图像传感器的示例性配置。此外，在图7中，对与图6的配置相同的配置给出相同的名称和参考数字，因此将适当地省略其描述。
换句话说，图7的固态图像传感器与图6的固态图像传感器的不同之处在于，分别提供Ramp产生电路32和AD转换器31，而不是Vampref产生电路13和比较器Comp。AD转换器31被配置成包括电容器C11和C12、与电容器C11和C12相关联的开关AZ、比较器Comp 11和计数器51。
AD转换器31是所谓的单斜率AD转换器，并且基于从Ramp产生电路32提供的灯电压，使用计数器51将由光学信号和复位信号之间的差获得的像素信号从模拟信号转换为数字信号，并将其输出。此外，AD转换器31可以不同于单斜率类型。
如图7的固态图像传感器中所示，即使在复位信号和光学信号都直接输出到AD转换器的配置中，参考电压产生电路11允许产生与像素P(i,j)上的复位电压大体上相同的参考电压，而不受温度特性或处理引起的个体差异的影响。
<第五实施方案>
在一个实例中，包括在固态图像传感器中的主体电路的配置可以包括图8中所示的一个芯片(电路板)101，但是可以包括两个或更多个芯片。换句话说，在一个实例中，如图9的左侧部分所示，其包括两个芯片101-1和101-2，并且导线111可以将芯片彼此电连接。
在使用两个芯片101-1和101-2的情况下，在一个实例中，如图9的右侧部分所示，像素P(i,j)和参考电压产生电路11可以提供在芯片101-1上，并且Bias产生电路12、晶体管TR31、Ramp产生电路32和AD转换器31可以提供在芯片101-2上。
此外，如图10的左侧部分所示，像素P(i,j)可以提供在芯片101-1上，并且参考电压产生电路11、Bias产生电路12、晶体管TR31、Ramp产生电路32和AD转换器31可以提供在芯片101-2上。
此外，如图10的中间部分所示，像素P(i,j)、参考电压产生电路11、Bias产生电路12和晶体管TR31可以提供在芯片101-1上，并且Ramp产生电路32和AD转换器31可以提供在芯片101-2上。
另外，如图10的右侧部分所示，像素P(i,j)、参考电压产生电路11、Bias产生电路12、晶体管TR31、Ramp产生电路32以及AD转换器31的比较器Comp 11、开关AZ和电容器C11和C12可以提供在芯片101-1上，并且AD转换器31的计数器51可以提供在芯片101-2上。
此外，像素P(i,j)、参考电压产生电路11、Bias产生电路12、晶体管TR31、Ramp产生电路32和AD转换器31可以分布在三个或更多个芯片上。
<第六实施方案>
在上文中，给出了使多个垂直传输线VLINE(j)独立，或参考电压产生电路11的晶体管TR21和TR23的栅极被共同使用的实例的描述。因此，其连接到复位信号RST_Vref和选择信号SEL_Vref，并且相邻的垂直传输线VLINE(j)通过开关VSC_CON彼此连接。然而，可以通过仅共同使用参考电压产生电路11的晶体管TR21和TR23的栅极将多个垂直传输线VLINE(j)彼此连接。
图11图示了其中通过仅共同使用参考电压产生电路11的晶体管TR21、TR23和TR31的栅极将多个垂直传输线VLINE(j)彼此连接的固态图像传感器的示例性配置。
也在这种配置中，参考电压产生电路11可以将与复位FD部分之后的电压大体上相同的电压施加到每个垂直传输线VLINE(j)作为参考电压。
<第七实施方案>
在上文中，给出了为每个垂直传输线VLINE(j)提供AD转换器31的所谓的列ADC技术的描述。然而，在一个实例中，可以使用一种技术，其中将固态图像传感器的有效区域分为多个区域，提供包括属于每个区域的多个像素P(i,j)的像素单元，并且提供用于基于像素单元输出的像素信号的AD转换的AD转换器。
图12图示了其中提供用于基于像素单元输出的像素信号的AD转换的AD转换器的技术的固态图像传感器的示例性配置。换句话说，在使用其中提供执行基于像素单元输出的像素信号的AD转换的AD转换器的技术的固态图像传感器的情况下，如图12的左上部分所示，将固态图像传感器中的有效区域分为包括多个像素P(i,j)的多个像素单元121。然后，如图12的左下部分所示，在一个芯片131上为每个划分的像素单元121提供AD转换器31。
更具体来说，在图12的左下部分中，图示了其中提供有效区域被分为三个的像素单元121-1至121-3，并且AD转换器31-1至31-3分别连接到像素单元的实例。
此外，在如图12的左下部分所示的配置的情况下，像素单元121被配置成包括有效区域中的多个像素P(i,j)、传输像素P(i,j)的像素信号的传输线、参考电压产生电路11、Bias产生电路12、Ramp产生电路32和晶体管TR 31。传输线对应于垂直传输线VLINE(j)。
也在这种情况下，参考电压产生电路11中的晶体管TR21、TR22和TR23的配置分别与像素P(i,j)中的晶体管TR11、TR13、TR14的配置相同。可能产生与复位电压大体上相同的参考电压。
另外，如图12的右侧部分所示，多个像素单元121可以提供在由像素衬底形成的芯片151-1上，AD转换器31可以提供在由电路板形成的芯片151-2上，并且这些元件可以通过布线连接。
此外，在产生参考电压时，在一个实例中也可能使用不能接收光的虚拟像素，称为光学黑体(OPB)。
然而，用于OPB的虚拟像素通常提供在固态图像传感器中的图像捕获区域(有效区域)的边缘处。如图12的右侧部分所示，在一个实例中，在有效区域被分为4×4区域的16个区域的情况下，对于每个区域，像素单元121和AD转换器31被彼此相关联地提供。然而，在如上所述的像素单元121的情况下，每个边缘用作与另一区域的边界，因此不能提供诸如光学黑体的虚拟像素。因此，可能存在不能提供OPB的情况，包括这种技术，其中提供对基于像素单元输出的像素信号执行AD转换的AD转换器，使得有效区域被分为多个像素单元。在这种情况下，通过为每个像素单元提供上述参考电压产生电路11，可能产生与FD部分的复位电压相同的参考电压。
<写入FD的复位电压的方法>
在上述固态图像传感器中，如由图13中的箭头所示，存在在FD中写入作为预定电压的复位电压以减少在执行FD累积型的全局快门操作时的放大晶体管TR13的变化的技术。
然而，在这种情况下，FD的电压在一些情况下可能由于相邻像素列中的FD之间的耦合而变化。
换句话说，如图14中所示，存在像素P(i,j)和像素P(i,j+1)彼此相邻的情况。在这种情况下，在像素P(i,j)中的FD1中的复位电压的写入完成的状态下，如果将复位电压写入相邻像素P(i,j+1)中的FD2中，如由细箭头所示，则已被写入的FD1的复位电压将在寄生耦合电容Cx的影响下变化，如由粗箭头所示。
此外，图14中的寄生耦合电容Cx是电路中的寄生电容的示意图，并且实际上不作为电路存在。
更具体来说，在三个像素彼此相邻的情况下，当每个像素的FD被设置为FD0至FD2时，电压如图15中所示变化。
换句话说，在由时间t0指示的第一时间点，FD0至FD2都是电源电压VDD。
这里，在时间t1，将复位电压写入FD0中，因此将作为复位电压的电压(VDD-V1)写成FD0的电压。
接着，在时间t2，将用作复位电压的电压(VDD-V1)写入FD1中。在这种情况下，在电压(VDD-V1)已被写成复位电压的FD0中，寄生耦合电容的影响会导致电压降。电压进一步从作为复位电压的电压(VDD-V1)减少电压V2，然后设置为电压(VDD-V1-V2)。此外，在一个实例中，电压V2为电压V1的约1/100。
此外，在时间t3，将电压(VDD-V1)写入FD2中作为复位电压。在这种情况下，在电压(VDD-V1)已被写成复位电压的FD1中，寄生耦合电容的影响会导致电压降，并且电压被设置为比复位电压更低的电压(VDD-V1-V2)。此外，在这种情况下，FD0也受影响，因此FD0的复位电压被设置为较低的电压(VDD-V1–2×V2)。
当以这种方式将复位电压按顺序设置到每个FD时，已被复位的周围FD的复位电压每次都会降低。
因此，不可能在所有FD中写入均匀的复位电压，这将导致变化。
因此，上述处理允许在执行在所有像素的FD中写入复位电压的操作之后对所有FD执行第二复位电压写入操作。
更具体来说，如图16中所示，通过写入第一复位电压，在时间t11分别在FD0至FD2中写入具有一些变化的电压V11、V11'和V11”。
这里，如在时间t12所示，将电压(V11-V12)(＝V1)写入FD0中以设置对应于初始复位电压V1的电压。
接着，如在时间t13所示，将复位电压V11'-V13(＝V1)写入FD1中以将其设置为初始复位电压V1。
在这种情况下，FD0处于写入复位电压的状态，因此寄生耦合电容Cx与FD1的影响导致电压下降大约电压V14。然而，在这种情况下，作为FD1中的电压变化的电压V13是仅由复位电压V1微调的电压的变化，因此寄生耦合电容Cx对该电压位移的影响变得非常小。因此，FD0可以被认为是写入复位电压V1的状态。
类似地，如在时间t14所示，将复位电压V11”-V15(＝V1)写入FD2中以将其设置为初始复位电压V1。
在这种情况下，FD0和FD1都处于写入复位电压的状态，因此在寄生耦合电容Cx与FD2的影响下，其电压减少大约电压V14。然而，也在这种情况下，作为FD2中的电压变化的电压V15是仅由复位电压V1微调的电压的变化，因此寄生耦合电容Cx对该电压位移的影响变得非常小。因此，FD0和FD1可以被认为是写入复位电压V1的状态。
以这种方式，复位电压在所有FD中被写入两次，因此可能减少所有FD的写入电压的变化。
<电子设备应用实例>
上述固态图像传感器可应用于各种电子设备，包括诸如数字静态照相机或数字摄像机的图像捕获设备，具有图像捕获功能的移动电话，或具有图像捕获功能的其他设备。
图17是图示本技术应用的作为电子设备的图像捕获设备的示例性配置的方框图。
图17中所示的图像捕获设备201被配置成包括光学系统202、快门单元203、固态图像传感器204、驱动电路205、信号处理电路206、监视器207和存储器208，并且能够捕获静止图像和运动图像。
光学系统202被配置成包括一个或多个透镜，并且将来自被摄体的光(入射光)引导到固态图像传感器204，以在固态图像传感器204的光接收表面上形成图像。
快门单元203布置在光学系统202和固态图像传感器204之间，并且在驱动电路1005的控制下控制固态图像传感器204的曝光时间间隔和遮光时间间隔。
固态图像传感器204由包括如上所述的图1、图4和图6至图12的固态图像传感器的封装配置。固态图像传感器204经由光学系统202和快门单元203根据形成在光接收表面上的光在预定时段内累积信号电荷。根据从驱动电路205提供的驱动信号(定时信号)来传输在固态图像传感器204中累积的信号电荷。
驱动电路205输出用于控制固态图像传感器204的传输操作和快门单元203的快门操作的驱动信号，并且驱动固态图像传感器204和快门单元203。
信号处理电路206对从固态图像传感器204输出的信号电荷执行各种信号处理。通过由信号处理电路206执行信号处理而获得的图像(图像数据)提供给监视器207并显示，或提供给存储器208并被存储(记录)在其中。
上述图像捕获设备201可以通过应用图1、图4和图6至图12中所示的固态图像传感器1代替上述固态图像传感器204来实现在所有像素处减少噪声的图像捕获。
<固态图像传感器的使用实例>
图18是图示了描述如上所述的图1、图4和图6至图12中所示的固态图像传感器的使用实例的图解。
在一个实例中，如上所述的图1、图4和图6至图12中所示的固态图像传感器可以用于检测光(诸如可见光、红外光、紫外光或X射线)的各种情况，如下所示。
-捕获提供查看的图像的设备，诸如数码相机和具有相机功能的便携式电器
-用于交通的设备，包括捕获汽车的前面、后面、周围、内部等的图像的车载传感器，监视行驶车辆或道路的监视摄像机，测量用于诸如自动停止、驾驶员状况识别等的安全驾驶的车辆等之间的距离的距离传感器
-用于包括电视、冰箱和空调的家用电器的设备，其用于捕获用户手势的图像并根据手势执行设备操作
-用于医疗保健或卫生保健的设备，包括内窥镜和通过接收红外光执行血管造影的设备
-用于安全的设备，包括用于犯罪预防的监视摄像机和用于个人认证的相机
-用于美容护理的设备，包括捕获皮肤图像的皮肤测量设备和捕获头皮图像的显微镜
-用于运动的设备，包括用于运动等的运动型摄像机或穿戴式相机
-用于农业的设备，包括用于监测田间和作物状况的相机
另外，本技术也可以被配置如下。
(1)
一种固态图像传感器，包括：
源极跟随器电路，其被配置成产生参考电压，
其中包括在所述源极跟随器电路中的放大晶体管的栅极电压等于复位浮动扩散部中累积的电荷的复位电压，所述浮动扩散部累积由每个像素的像素电路中包括的光电二极管产生的电荷，以及
开关设置在栅极和将电压施加到所述栅极的电源之间的布线上，并且所述开关在被关闭时将施加到所述栅极的所述电压设置为等于所述复位后获得的所述浮动扩散部的电压的值。
(2)
根据(1)所述的固态图像传感器，
其中当所述开关被打开时，所述源极跟随器电路产生所述参考电压。
(3)
根据(1)所述的固态图像传感器，
其中所述源极跟随器电路为在水平方向上划分的每一列设置，提供给在垂直方向上传输每个像素的信号的每个垂直传输线，并将所述参考电压施加到所述垂直传输线。
(4)
根据(3)所述的固态图像传感器，
其中通过共同使用用作所述开关的晶体管的栅极使相邻的多个所述垂直传输线彼此连接。
(5)
根据(3)所述的固态图像传感器，
其中经由开关使相邻的所述垂直传输线彼此连接，并且在紧接在读取所述像素的所述信号之前的定时使所述开关打开。
(6)
根据(1)至(5)中任一项所述的固态图像传感器，
其中提供所述复位电压的电源和经由所述开关提供电压作为所述参考电压的电源是相同的电源。
(7)
根据(1)至(5)中任一项所述的固态图像传感器，
其中提供所述复位电压的电源和经由所述开关提供电压作为所述参考电压的电源是个别电源。
(8)
根据(1)至(7)中任一项所述的固态图像传感器，
其中将经由所述垂直传输线输出的所述像素的信号输出到自动归零电路。
(9)
根据(1)至(8)中任一项所述的固态图像传感器，
其中将经由所述垂直传输线输出的所述像素的信号输出到模拟/数字(AD)转换器。
(10)
根据(1)至(9)中任一项所述的固态图像传感器，
其中主体电路配置包括一个芯片。
(11)
根据(1)至(10)中任一项所述的固态图像传感器，
其中主体电路配置包括多个芯片。
(12)
根据(11)所述的固态图像传感器，
其中在所述主体电路配置包括两个芯片的情况下，所述像素电路被包括在第一芯片中，并且所述源极跟随器电路和模拟/数字(AD)转换器被包括在第二芯片中。
(13)
根据(11)所述的固态图像传感器，
其中在所述主体电路配置包括两个芯片的情况下，所述像素电路和所述源极跟随器电路被包括在第一芯片中，并且模拟/数字(AD)转换器被包括在第二芯片中。
(14)
根据(11)所述的固态图像传感器，
其中在所述主体电路配置包括两个芯片的情况下，所述像素电路、所述源极跟随器电路和模拟/数字(AD)转换器的比较器被包括在第一芯片中，并且所述模拟/数字(AD)转换器的计数器被包括在第二芯片中。
(15)
根据(1)所述的固态图像传感器，
其中所述源极跟随器电路被提供给每个区域传输线，该区域传输线用于在二维方向上划分的每个区域中传输每个像素的信号，并且将所述参考电压施加到所述区域传输线。
(16)
根据(15)所述的固态图像传感器，
其中主体电路配置包括第一芯片和第二芯片，所述第一芯片包括为每个所述区域提供的所述像素电路，所述第二芯片包括为每个所述区域提供的源极跟随器电路。
(17)
一种图像捕获设备，包括：
源极跟随器电路，其被配置成产生参考电压，
其中包括在所述源极跟随器电路中的放大晶体管的栅极电压等于复位浮动扩散部中累积的电荷的复位电压，所述浮动扩散部累积由每个像素的像素电路中包括的光电二极管产生的电荷，以及
开关设置在栅极和将电压施加到所述栅极的电源之间的布线上，并且所述开关在被关闭时将施加到所述栅极的所述电压设置为等于所述复位后获得的所述浮动扩散部的电压的值。
(18)
一种电子设备，包括：
源极跟随器电路，其被配置成产生参考电压，
其中包括在所述源极跟随器电路中的放大晶体管的栅极电压等于复位浮动扩散部中累积的电荷的复位电压，所述浮动扩散部累积由每个像素的像素电路中包括的光电二极管产生的电荷，以及
开关设置在栅极和将电压施加到所述栅极的电源之间的布线上，并且所述开关在被关闭时将施加到所述栅极的所述电压设置为等于所述复位后获得的所述浮动扩散部的电压的值。
参考符号列表
11 参考电压产生电路
12 Bias产生电路
13 Vampref产生电路
14 自动归零电路
31、31-1至31-3AD转换器
32 Ramp产生电路
51 计数器
101、101-1、101-2 芯片
121、121-1至121-3像素单元
151、152 芯片。

Claims (18)

1.一种固态图像传感器，包含：
源极跟随器电路，其被配置成产生参考电压，
其中包括在所述源极跟随器电路中的放大晶体管的栅极电压等于复位浮动扩散部中累积的电荷的复位电压，所述浮动扩散部累积由每个像素的像素电路中包括的光电二极管产生的电荷，以及
开关设置在所述栅极和将电压施加到所述栅极的电源之间的布线上，并且所述开关在被关闭时将施加到所述栅极的所述电压设置为等于所述复位后获得的所述浮动扩散部的电压的值。
2.根据权利要求1所述的固态图像传感器，
其中当所述开关被打开时，所述源极跟随器电路产生所述参考电压。
3.根据权利要求1所述的固态图像传感器，
其中所述源极跟随器电路为在水平方向上划分的每一列设置，提供给在垂直方向上传输每个像素的信号的每个垂直传输线，并将所述参考电压施加到所述垂直传输线。
4.根据权利要求3所述的固态图像传感器，
其中通过共同使用用作所述开关的晶体管的栅极使相邻的多个所述垂直传输线彼此连接。
5.根据权利要求3所述的固态图像传感器，
其中经由开关使相邻的所述垂直传输线彼此连接，并且在紧接在读取所述像素的所述信号之前的定时使所述开关打开。
6.根据权利要求1所述的固态图像传感器，
其中提供所述复位电压的电源和经由所述开关提供电压作为所述参考电压的电源是相同的电源。
7.根据权利要求1所述的固态图像传感器，
其中提供所述复位电压的电源和经由所述开关提供电压作为所述参考电压的电源是个别电源。
8.根据权利要求1所述的固态图像传感器，
其中将经由所述垂直传输线输出的所述像素的信号输出到自动归零电路。
9.根据权利要求1所述的固态图像传感器，
其中将经由所述垂直传输线输出的所述像素的信号输出到AD转换器。
10.根据权利要求1所述的固态图像传感器，
其中主体电路配置包括一个芯片。
11.根据权利要求1所述的固态图像传感器，
其中主体电路配置包括多个芯片。
12.根据权利要求11所述的固态图像传感器，
其中在所述主体电路配置包括两个芯片的情况下，所述像素电路被包括在第一芯片中，并且所述源极跟随器电路和模拟/数字(AD)转换器被包括在第二芯片中。
13.根据权利要求11所述的固态图像传感器，
其中在所述主体电路配置包括两个芯片的情况下，所述像素电路和所述源极跟随器电路被包括在第一芯片中，并且模拟/数字(AD)转换器被包括在第二芯片中。
14.根据权利要求11所述的固态图像传感器，
其中在所述主体电路配置包括两个芯片的情况下，所述像素电路、所述源极跟随器电路和模拟/数字(AD)转换器的比较器被包括在第一芯片中，并且所述AD转换器的计数器被包括在第二芯片中。
15.根据权利要求1所述的固态图像传感器，
其中所述源极跟随器电路被提供给每个区域传输线，该区域传输线用于在二维方向上划分的每个所述区域中传输每个像素的信号，并且将所述参考电压施加到所述区域传输线。
16.根据权利要求15所述的固态图像传感器，
其中主体电路配置包括第一芯片和第二芯片，所述第一芯片包括为每个所述区域提供的所述像素电路，所述第二芯片包括为每个所述区域提供的源极跟随器电路。
17.一种图像捕获设备，包含：
源极跟随器电路，其被配置成产生参考电压，
其中包括在所述源极跟随器电路中的放大晶体管的栅极电压等于复位浮动扩散部中累积的电荷的复位电压，所述浮动扩散部累积由每个像素的像素电路中包括的光电二极管产生的电荷，以及
开关设置在所述栅极和将电压施加到所述栅极的电源之间的布线上，并且所述开关在被关闭时将施加到所述栅极的所述电压设置为等于所述复位后获得的所述浮动扩散部的电压的值。
18.一种电子设备，包含：
源极跟随器电路，其被配置成产生参考电压，
其中包括在所述源极跟随器电路中的放大晶体管的栅极电压等于复位浮动扩散部中累积的电荷的复位电压，所述浮动扩散部累积由每个像素的像素电路中包括的光电二极管产生的电荷，以及
开关设置在所述栅极和将电压施加到所述栅极的电源之间的布线上，并且所述开关在被关闭时将施加到所述栅极的所述电压设置为等于所述复位后获得的所述浮动扩散部的电压的值。
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