CN1311533A - 固体摄象装置 - Google Patents
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Abstract
在放大型的CMOS图象传感器中,大幅度地扩大动态范围,从小信号到大信号不被限幅地得到良好的图象。在半导体基板上二维地配置把由光电二极管PD进行光电变换并进行蓄积的信号电荷读出到检测部DN中的读出晶体管Td和对读出到检测部中的电荷进行放大的放大晶体管Tb来作为单一单元,由多个垂直移位寄存器2、20、30来发生多个信号电荷读出脉冲ESi、DRi、ROi,并具有把动态范围控制用的脉冲DRi的电压VDR设定得低于电子快门用的脉冲ESi、正常的输出脉冲信号ROi的电压VDD的电压切换电路31。
Description
本发明涉及对用光电变换装置所得到的信号电荷进行放大并取出的放大型固体摄象装置，特别是涉及CMOS型的图象传感器的象素信号读出驱动电路，用于例如能够实现电子快门控制动作的摄象机、电子照相机等。
近年来，作为适合于向摄象机和电子照相机等的应用的固体摄象装置而公知的放大型CMOS图象传感器具有这样的构造：用MOS晶体管对每个单元中用光电变换装置所得到的信号进行放大并取出。具体地说，把光电变换装置生成的信号电荷读出到电荷的检测部中，用象素内部的放大晶体管对该检测部的电位进行放大，由此，在象素内部具有放大功能。
这样的CMOS图象传感器适合于在高感光度下的象素数的增加和图象尺寸的缩小所产生的象素尺寸的缩小化，因此，与低耗电相结合，越来越受到人们的期待。
图9简要地表示了包括能够在每个象素中读出象素信号的读出电路的现有的33万象素的放大型CMOS图象传感器的构成。
在图9中，在摄象区域中，1象素/1单元的单位单元1配置成二维的行列状。各个单位单元1例如由4个晶体管Ta、Tb、Tc、Td和1个光电二极管PD所构成。即，各个单位单元1具有：接地电位提供给正极侧的光电二极管PD、一端连接在光电二极管PD的负极侧的读出晶体管(快门触发晶体管)Td、栅极连接在读出晶体管Td的另一端上的放大晶体管Tb、一端连接在放大晶体管Tb的一端上的垂直选择晶体管(行选择晶体管)Ta、一端连接在放大晶体管Tb的栅极上的复位晶体管Tc。
而且，在摄象区域中，对应于各象素行，形成：共同连接在同一行的单位单元1的各读出晶体管Td的棚极上的读取线4、共同连接在同一行的单位单元1的各垂直选择晶体管Ta的栅极上的垂直选择线6、共同连接在同一行的单位单元1的各复位晶体管Tc的栅极上的复位线7。
而且，在摄象区域中，对应于各象素列，形成：共同连接在同一列的单位单元1的各放大晶体管Tb的另一端上的垂直信号线VLIN、共同连接在同一列的单位单元1的各复位晶体管Tc的另一端以及各垂直选择晶体管Ta的另一端上的电源线9。
而且，在摄象区域的一端的外部，在水平方向上配置分别连接在上述垂直信号线VLIN的各自的一端侧与接地节点之间的，给栅极提供偏置电压VVL的多个负荷晶体管TL。
而且，在摄象区域的另一端的外部，在水平方向上配置多个由例如2个晶体管TSH、TCLP和2个电容器Cc、Ct构成的噪声消除电路。而且，在水平方向上配置通过上述各个噪声消除电路而连接到上述垂直信号线VLIN的各自另一端上的多个水平选择晶体管TH。
在水平选择晶体管TH的另一端上共同连接水平信号线HLIN，在该水平信号线HLIN上连接水平复位晶体管(未图示)和输出放大电路AMP。
而且，上述各个噪声消除电路包括：一端连接在垂直信号线VLIN的另一端上的取样保持用的晶体管TSH、一端连接在该取样保持用的晶体管TSH的另一端上的耦合电容器Cc、连接在该耦合电容器Cc的另一端与接地节点之间的电荷蓄积用的电容器Ct、一端连接在这两个电容器Cc、Ct的连接节点上而另一端被提供偏置电压VVC的电位箝位用的晶体管TCLP。水平选择晶体管TH的一端连接在上述两个电容器Cc、Ct的连接节点上。
而且，在摄象区域的外部，配置：用于扫描地选择控制摄象区域的多个垂直选择线6的垂直移位寄存器2、用于选择控制垂直移位寄存器2的输出脉冲来扫描地驱动摄象区域的各行的读取线4等的脉冲选择器2a、用于扫描地驱动水平选择晶体管TH的水平移位寄存器3。
而且，在摄象区域的外部，配置：根据外部输入脉冲信号以预定定时生成各种内部信号并提供给脉冲选择器2a、水平移位寄存器3、噪声消除电路等的定时发生电路10、用于在上述噪声消除电路的电位箝位用的晶体管TCLP的一端等上发生预定的偏置电位的偏置发生电路11。
图10是表示图9所示的固体图象传感器的动作的一例的定时波形图。下面参照图10来说明图9的固体图象传感器的动作。
各个光电二极管PD的入射光被光电变换而产生的信号电荷被蓄积在光电二极管PD内。
在水平无效期间，当从某一行的单位单元1读出光电二极管PD的信号电荷时，首先，为了选择各垂直信号线VLIN，与垂直选择脉冲信号φADRES同步，来激活选择对象行的垂直选择线6的信号(φADRESi脉冲)，由此，使一行的行选择晶体管Ta导通。
对于这样所选择的一行的单位单元1，使由通过行选择晶体管Ta而提供电源电位VDD(例如，3.3V)的放大晶体管Tb和负荷晶体管TL组成的源极跟随器电路动作。
接着，在所选择的一行的单位单元1中，与复位脉冲信号φRESET同步，来激活复位线7的信号(φRESETi脉冲)，由此，在一定期间内，把放大晶体管Tb的栅极(信号检测节点、信号检测部DN)的电压复位为基准电压，而向垂直信号线VLIN输出基准电压。但是，其中，在所复位的一行的单位单元1的放大晶体管Tb的栅极电位上存在偏差，其他端侧的垂直信号线VLIN的复位电位不均匀。
因此，为了消除各垂直信号线VLIN的复位电位的不均匀，预先激活噪声消除电路中的取样保持用的晶体管TSH的驱动信号(φSH脉冲)。而且，在向垂直信号线VLIN输出基准电压之后，使电位箝位用的晶体管TCLP的驱动信号(φCLP脉冲)导通一定时间，由此，给噪声消除电路的电容器Cc、Ct的连接节点设定基准电压。
接着，在不激活复位线7的信号(φRESETi脉冲)之后，与读出脉冲信号φREAD同步，选择预定行的读取线4，来激活该信号(φREADi脉冲)，由此，使读出晶体管Td导通，把光电二极管PD的蓄积电荷读出到放大晶体管Tb的栅极上，由此，使栅极电位变化。放大晶体管Tb把与栅极电位的变化量相对应的电压信号输出给对应的垂直信号线VLIN和噪声消除电路。
然后，通过使噪声消除电路中的φSH脉冲关断，来把相当于上述那样所读出的基准电压与信号电压的差分的信号成分，即除去了噪声的信号电压蓄积在电荷蓄积用的电容器Ct中，直到对应的水平选择晶体管TH被激活为止。
接着，垂直选择线6的信号(φADRESi脉冲)不激活，垂直选择晶体管Ta被控制在关断状态下，单位单元成为非选择状态，由此，使摄象区域与各噪声消除电路被电气分离。
在然后的水平有效期间内，在由来自定时发生电路10的水平复位信号HRS所产生的复位之后，与水平定时信号HCK同步，进行水平移位寄存器3的移位动作。由此，依次激活水平选择晶体管TH的驱动信号(φH脉冲)，来使水平选择晶体管TH依次导通。
这样，噪声消除电路中的电容器Cc、Ct的连接节点(信号保存节点)的信号电压被依次读出到水平信号线HLIN上，通过输出放大电路AMP进行放大并输出。而且，上述这样的噪声消除动作在每一水平线的每个读出动作中进行。
图11是表示图10中的定时发生电路10和垂直移位寄存器2的动作例子的定时波形图。其中，表示了在1场(帧)=1/30Hz的VGA方式下使用图9的CMOS图象传感器的情况。
从外部输入的15.7KHz的脉冲信号φHP、24MHz的时钟信号φCK由缓冲器电路(未图示)进行整形，并输入定时发生电路10中。从外部输入的30Hz的脉冲信号φVR、15.7KHz的脉冲信号φHP由缓冲器电路(未图示)进行整形，并输入垂直移位寄存器2中。
垂直移位寄存器2，在输入的脉冲信号φVR为“L”电平期间，把寄存器输出全部清零，而成为“L”电平，然后，通过脉冲信号φHP来进行移位动作，而使输出脉冲信号ROi(i=…,n,n+1,…)依次成为“H”电平，并输入脉冲选择器2a。
脉冲选择器2a对各选择行激活垂直选择线6的信号(φADRESi脉冲)、复位线7的信号(φRESETi脉冲)、读取线4的信号(φREADi脉冲)，来扫描选择对象行。
如上述那样，图9的CMOS图象传感器在1场期间只输出一次用于选择控制特定的选择对象行的垂直移位寄存器2的各输出脉冲信号ROi。即，光电二极管PD在1场中仅释放一次蓄积电荷，因此，通过控制光电二极管PD的信号蓄积时间，不能进行调整暴光时间的电子快门动作。
但是，CMOS图象传感器这样的固体摄象装置一般倾向于在室内和野外以及昼或夜间这样的多样的外部光线下被使用。因此，经常需要这样的电子快门动作：根据外部光线的变化等，来控制光电二极管中的电荷蓄积期间，由此来调整暴光时间，进而把感光度设定在最佳值上。
因此，对于上述那样的图9的CMOS图象传感器，与输出输出脉冲信号ROi的垂直移位寄存器2不同，设置在该垂直移位寄存器2之前选择控制各象素行的电子快门用的垂直移位寄存器，由此，能够根据来自这2条垂直移位寄存器的各输出脉冲信号，来控制各象素行的光电二极管的信号蓄积时间，结果，能够进行电子快门动作。
在此，在图12中简要地表示了能够实现电子快门动作的放大型CMOS图象传感器的构成，在图13中表示了图12中的垂直移位寄存器的动作波形。
在图12中，作为外部输入脉冲信号的30Hz的中ES、15.7KHz的φHP分别由缓冲器电路(未图示)进行整形，并以场周期和水平周期输出给电子快门用的垂直移位寄存器20。该电子快门用的垂直移位寄存器20，在输入的脉冲信号φES为“L”电平期间，把寄存器输出全部清零，而成为“L”电平，然后，通过脉冲信号φHP来进行移位动作，而使输出脉冲信号ESi(i=…,n,n+1,…)依次成为“H”电平，并输入脉冲选择器2a。
脉冲选择器2a对来自2条单位单元1、20的输出脉冲信号ROi、ESi为“H”电平的象素行，扫描摄象区域的象素行，以便于激活复位线7的信号(φRESETi脉冲)、读取线4的信号(φREADi脉冲)。但是，对于垂直选择线6的信号(φADRESi脉冲)，仅激活来自读出用的垂直移位寄存器2的输出脉冲信号ROi为“H”电平的选择对象行，而进行扫描。
如图13所示的那样，各象素行中的读取线4的信号(φREADi脉冲)由两个垂直移位寄存器20、2在1场期间内两次被激活。即，对应于来自电子快门用的垂直移位寄存器20和读出用的垂直移位寄存器2的输出脉冲信号ESi、ROi，能够设定信号蓄积定时和信号读出定时，因此，作为结果，能够实现控制光电二极管PD中的电荷蓄积时间的电子快门动作。
如上述那样，在图12所示的CMOS图象传感器中，在信号蓄积定时、信号读出定时中，与从定时发生电路10所提供的读出脉冲信号φREAD同步，从脉冲选择器2a向读取线4输出读出驱动信号。由此，能够实现用1H单位来控制光电二极管PD中的电荷蓄积时间的电子快门动作。
另一方面，CMOS图象传感器足以适合于白天野外等入射光量极多的环境下的用途，即使在这样的环境下，也不会伴随对高亮度侧进行限幅的危险，而能够得到相当好的图象。为此，希望实现把光电二极管PD的电荷蓄积时间降低到1H以下的高速的电子快门动作。
鉴于上述情况，本申请人提出了一种固体摄象装置(日本专利申请特愿平11-286469号)，能够把光电二极管中的最小电荷蓄积时间控制在1H以下，来进行非常高速的电子快门动作。
因此，上述那样的图9或者图12所示的CMOS图象传感器存在动态范围变小的问题：当从室内拍摄窗口处的人物时，人物被拍得较暗，或者，当使感光度适合于人物时，窗口的景色变白而不够重现。而且，由于动态范围由能够蓄积在单位单元中的信号电荷量所决定，当象素的单元尺寸变小或者驱动电压变低时，信号蓄积部的容量降低，饱和信号量减少，则动态范围降低。当该动态范围降低时，不能拍摄从小信号到大信号的区域。
本申请人已经提出了解决这样的动态范围变小的问题的一个方式(日本专利申请特愿平10-185121号)。该方案所涉及的方式是：通过舍去在某个期间内由光电二极管所生成并读出到信号检测部中的电荷量的一部分，来限制信号检测部的电荷，在其后的期间内，读出由光电二极管所生成的电荷，与在上述信号检测部中所蓄积的电荷相加。但是，希望更适合于上述放大型的CMOS图象传感器中的读出驱动控制的动态范围扩大方式。
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种固体摄象装置，能够大幅度扩大放大型的CMOS图象传感器的动态范围，而得到从小信号到大信号都不被限幅的良好的图象。
本发明的另一个目的是提供一种固体摄象装置，能够用放大型的CMOS图象传感器来执行电子快门动作，同时大幅度扩大动态范围，而得到从小信号到大信号都不被限幅的良好的图象。
本发明的第一固体摄象装置，其特征在于，包括具有多个象素行的摄象区域，在半导体基板上二维地设置单位单元，该单位单元由对向象素的入射光进行光电变换并蓄积信号电荷的光电变换装置、把蓄积的信号电荷读出到检测部中的读出装置以及对所读出的电荷进行放大的放大装置；读出电压切换装置，用于把施加在上述读出装置上的读出驱动信号根据内部控制设定为互不相同的多个电压中的一个。
本发明的第二固体摄象装置，其特征在于，包括：具有多个象素行的摄象区域，在半导体基板上二维地设置单位单元，该单位单元由对向象素的入射光进行光电变换并蓄积信号电荷的光电变换装置、把蓄积的信号电荷读出到检测部中的读出装置以及对所读出的电荷进行放大的放大装置；多条读取线，对应于上述摄象区域中的个象素行而设置在水平方向上，用于驱动各自对应的象素行的单位单元的各读出装置；脉冲生成电路，对各象素行生成多个脉冲，作为用于控制上述多个象素行的各自的读出定时的脉冲信号；读出电压切换装置，用于使对应于上述多个脉冲中的一部分脉冲而施加在上述读出装置上的读出驱动信号的电压，与对应于上述多个脉冲中的其他脉冲而施加在上述读出装置上的读出驱动信号的电压不相同；多条垂直信号线，对应于上述摄象区域中的各象素列而设置，用于在垂直方向上传送从各象素行的单位单元分别输出的信号。
本发明的这些和其他的目的、优点及特征将通过结合附图对本发明的实施例的描述而得到进一步说明。在这些附图中：
图1是简要地表示本发明的第一实施例所涉及的放大型的CMOS图象传感器的构成的方框图；
图2是表示图1中的脉冲选择器的一例的电路图；
图3是用于说明图1的CMOS图象传感器中的电子快门动作、动态范围控制(放大)动作、读出动作的定时波形图；
图4是表示图1的CMOS图象传感器的外部输入脉冲信号φES、φDR、φVR、φHP和垂直移位寄存器的各输出信号ROi、ESi、DRi的波形图；
图5是表示着眼于图1的CMOS图象传感器的摄象区域中的第n条水平线的动作的信号的波形图；
图6是为了说明图5中所示的时刻t0～t3的光电二极管的动作而简要地表示断面构造和电势电位的变化的图；
图7是表示图1的CMOS图象传感器的光电变换特性的一例的特性图；
图8是简要地表示本发明的第二实施例所涉及的放大型CMOS图象传感器的构成的方框图；
图9是简要地表示现有的放大型的CMOS图象传感器的构成的方框图；
图10是表示图9所示的固体图象传感器的动作的一例的定时波形图；
图11是表示图10中的定时发生电路和垂直移位寄存器的动作例子的定时波形图；
图12是简要地表示能够实现电子快门动作的放大型的CMOS图象传感器的构成的方框图；
图13是表示图12中的垂直移位寄存器的动作的定时波形图。
下面参照附图来详细说明本发明的实施例。
<第一实施例>
图1是简要地表示本发明的第一实施例所涉及的放大型的CMOS图象传感器的构成的方框图。
图1的CMOS图象传感器与图12所示的CMOS图象传感器相比，大部分是相同，只有以下几点不同，由于其他部分相同则赋予与图12中相同的标号：
(1)附加垂直移位寄存器30，根据动态范围控制用的外部输入脉冲φDR来依次生成动态范围控制用的脉冲DRi(i=…,n,n+1,…)。
换句话说，具有脉冲生成电路(3个垂直移位寄存器2、20、30)，对各象素行而生成3个脉冲ESi、DRi、ROi，作为用于控制读出晶体管Td中的读出定时的脉冲信号。
(2)附加VREAD发生电路31，把对应于动态范围控制用的脉冲DRi而施加到读出晶体管Td上的读出驱动信号的电压VDR设定为低于对应于电子快门用的脉冲ESi和正常读出用的脉冲ROi而施加到读出晶体管Td上的读出驱动信号的电压VDD。
换句话说，附加电压切换电路，具有把施加到读出晶体管Td上的读出驱动信号的电压(读出电压VREAD)控制为多个电压值VDD、VDR中的一个的功能。
在此，说明上述VREAD发生电路31的一个具体例子。在电阻R1、R2串联连接的分压电路的一端上施加电压VDD，在这一端上通过开关元件S1连接输出节点。上述电阻R1、R2的串联连接节点通过开关元件S2连接在上述输出节点上，分压电路的另一端通过开关元件S3连接在接地节点上。而且，通过切换控制信号φVP来开关控制开关元件S2、S3，通过由反向电路Ⅳ把切换控制信号φVP进行反转的信号来开关控制开关元件S1。
由此，在开关元件S1、S2、S3中，当S1被控制为导通状态，而S2和S3被控制为关断状态时，VDD作为VREAD输出给输出节点，当而S2和S3被控制为导通状态，S1被控制为关断状态时，VDD被分压，VDR作为VREAD输出给输出节点。
(3)脉冲选择电路2b具有作为垂直驱动装置的功能：选择3个垂直移位寄存器2、20、30的输出信号ROi、ESi、DRi，而输出被设定为从VREAD发生电路31所提供的读出电压VREAD(VDD或者VDR)的读出驱动信号。
(4)定时发生电路10a构成为具有这样的功能：给VREAD发生电路31提供切换控制信号φVP，给脉冲选择电路2b提供动态范围控制用的脉冲信号φDRREAD。
即，在图1中，在摄象区域中形成：1象素/1单元的单位单元1配置成二维的行列状。各单位单元1由例如4个晶体管Ta、Tb、Tc、Td和1个光电二极管PD所构成。即，各个单位单元1具有：接地电位提供给正极侧的光电二极管PD、一端连接在光电二极管PD的负极侧的读出晶体管(快门触发晶体管)Td、栅极连接在读出晶体管Td的另一端上的放大晶体管Tb、一端连接在放大晶体管Tb的一端上的垂直选择晶体管(行选择晶体管)Ta、一端连接在放大晶体管Tb的栅极上的复位晶体管Tc。
而且，在摄象区域中，对应于各象素行，形成：共同连接在同一行的单位单元1的各读出晶体管Td的栅极上的读取线4、共同连接在同一行的单位单元1的各垂直选择晶体管Ta的栅极上的垂直选择线6、共同连接在同一行的单位单元1的各复位晶体管Tc的栅极上的复位线7。
而且，在摄象区域中，对应于各象素列，形成：共同连接在同一列的单位单元1的各放大晶体管Tb的另一端上的垂直信号线VLIN、共同连接在同一列的单位单元1的各复位晶体管Tc的另一端以及各垂直选择晶体管Ta的另一端上的电源线9。
而且，在摄象区域的一端的外部，在水平方向上配置分别连接在上述垂直信号线VLIN的各自的一端侧与接地节点之间的，给栅极提供偏置电压VVL的多个负荷晶体管TL。
而且，在摄象区域的另一端的外部，在水平方向上配置多个由例如2个晶体管TSH、TCLP和2个电容器Cc、Ct构成的噪声消除电路。而且，在水平方向上配置通过上述各个噪声消除电路而连接到上述垂直信号线VLIN的各自另一端上的多个水平选择晶体管TH。
在水平选择晶体管TH的另一端上共同连接水平信号线HLIN，在该水平信号线HLIN上连接水平复位晶体管(未图示)和输出放大电路AMP。
而且，上述各个噪声消除电路包括：一端连接在垂直信号线VLIN的另一端上的取样保持用的晶体管TSH、一端连接在该取样保持用的晶体管TSH的另一端上的耦合电容器Cc、连接在该耦合电容器Cc的另一端与接地节点之间的电荷蓄积用的电容器Ct、一端连接在这两个电容器Cc、Ct的连接节点上而另一端被提供偏置电压VVC的电位箝位用的晶体管TCLP。水平选择晶体管TH的一端连接在上述两个电容器Cc、Ct的连接节点上。
而且，在摄象区域的外部，配置：用于扫描地选择控制摄象区域的多个垂直选择线6的垂直移位寄存器2、电子快门用的垂直移位寄存器20和动态范围控制用的垂直移位寄存器30、用于选择控制上述3个垂直移位寄存器2、20、30的输出脉冲来扫描地驱动摄象区域的各行的读取线4等的脉冲选择器2b、用于扫描地驱动多个水平选择晶体管TH的水平移位寄存器3。
而且，在摄象区域的外部，配置：根据外部输入脉冲信号φHP、φCK以预定定时生成提供给脉冲选择器2b、水平移位寄存器3、噪声消除电路、VREAD发生电路31等的各种内部信号(用于提供给脉冲选择电路2b的φREAD、φESREAD、φDSREAD、φRESET、φADRES、用于提供给噪声消除电路的φSH、φCLP、用于提供给VREAD发生电路31的φVP、用于提供给水平移位寄存器3的HRS、HCK等脉冲信号)的定时发生电路10a以及用于在上述噪声消除电路的电位箝位用的晶体管TCLP的一端等上发生预定的偏置电位的偏置发生电路11。
上述电子快门用的垂直移位寄存器20，当外部输入脉冲信号φES、φHP分别由缓冲器电路(未图示)进行整形并以场周期和水平周期被输入时，在φES为“L”电平期间，把寄存器输出全部清零，而成为“L”电平，然后，通过脉冲信号φHP来进行移位动作，而使输出脉冲信号ESi(i=…,n,n+1,…)依次成为“H”电平，并输入脉冲选择器2b。在本例中，电子快门用的脉冲信号ESi在水平无效期间内生成。
上述动态范围控制用的垂直移位寄存器30，当外部输入脉冲信号φDR、φHP分别由缓冲器电路(未图示)进行整形并以场周期和水平周期被输入时，在φDR为“L”电平期间，把寄存器输出全部清零，而成为“L”电平，然后，通过脉冲信号φHP来进行移位动作，而使输出脉冲信号DRi(i=…,n,n+1,…)依次成为“H”电平，并输入脉冲选择器2b。在本例中，动态范围控制用的脉冲信号DRi在水平无效期间内生成。
上述读出用的垂直移位寄存器2，当外部输入脉冲信号φVR、φHP分别由缓冲器电路(未图示)进行整形并以场周期和水平周期被输入时，在φVR为“L”电平期间，把寄存器输出全部清零，而成为“L”电平，然后，通过脉冲信号φHP来进行移位动作，而使输出脉冲信号VRi(i=…,n,n+1,…)依次成为“H”电平，并输入脉冲选择器2b。在本例中，动态范围控制用的脉冲信号VRi在水平无效期间内生成。
而且，从上述定时发生电路10a接受φVP脉冲的上述VREAD发生电路31把读出电压VREAD切换为VDD或者VDR，并提供给上述脉冲选择电路2b。在此情况下，在φVP的“L”电平期间，把VREAD设定为VDD，在φVP的“H”电平期间，把VREAD设定为低于VDD的VDR。
图2表示图1中的脉冲选择电路2b的一例的电路图。
图2所示的脉冲选择电路2b通过逻辑门而构成为：输入电子快门用的垂直移位寄存器20的输出脉冲信号ESi(在本例中为ESn)、动态范围控制用的垂直移位寄存器30的输出脉冲信号DRi(在本例中为DRn)、读出用的垂直移位寄存器2的输出脉冲信号ROi(在本例中为ROn)，同时，输入由上述定时发生电路10a所提供的定时信号φADRES、φRESET、φESREAD、φDRREAD、φROREAD，进行这些输入信号的逻辑处理，来输出垂直选择线驱动信号φADRESi(i=…,n,n+1,…)、复位脉冲信号φRESETi(i=…,n,n+1,…)、读出脉冲信号φREADi(i=…,n,n+1,…)(提供给摄象区域)。
即，当电子快门用的垂直移位寄存器20的输出信号ESi为激活状态时，选择定时信号φESREAD，而作为驱动信号φESREADi输出，当动态范围控制用的垂直移位寄存器30的输出信号DRi为激活状态时，选择定时信号φDRREAD，而作为驱动信号φDRREADi输出，当读出用的垂直移位寄存器2的输出信号ROi为激活状态时，选择定时信号φROREAD，而作为驱动信号φROREADi输出。这些读出驱动信号φREADi通过VREAD来控制电压振幅，φESREADi和φROREADi的电压为VDD,φDRREADi的电压为VDR。
当电子快门用的垂直移位寄存器20的输出信号ESi、动态范围控制用的垂直移位寄存器30的输出信号DRi、读出用的垂直移位寄存器2的输出信号ROi中的任一个为激活状态时，选择定时信号φRESET来作为复位信号φRESETi而输出。
当读出用的垂直移位寄存器2的输出信号ROi为激活状态时，选择定时信号φADRES来作为垂直选择线驱动信号φADRESi而输出。
下面说明图1的CMOS图象传感器的动作。
图1的CMOS图象传感器的基本动作与参照图9所述的CMOS图象传感器的动作相同，因此，在此简要的描述。
首先，使φADRESi导通，而使源极跟随器电路动作。接着，使φRESETi导通，来复位信号检测部DN。然后，输出信号检测部DN的电位而作为基准电压。此时，使φSH和φCLP导通，在噪声消除电路中设定基准电压。
接着，通过使φREADi导通，来读出由光电二极管PD进行光电变换并蓄积的信号电荷，通过放大晶体管Tb并经过源极跟随器电路输出给噪声消除电路。输出给噪声消除电路的信号电压通过使φSH关断而在有效期间内蓄积在电容器Ct中。蓄积在电容器Ct中的信号电压，通过在有效期间内依次给水平选择晶体管TH施加φHi，而输出给水平信号线HLIN。
下面详细说明图1的CMOS图象传感器的动作的特征部分。
图3是为了说明图1的CMOS图象传感器中的电子快门动作、动态范围控制(扩大)动作、读出动作而表示图1中的定时发生电路10a、3个垂直移位寄存器2、20、30、水平移位寄存器3和脉冲选择电路2b的动作例子的定时波形图。其中，表示了在1场(1帧)=1/30Hz的VGA方式的摄象系统中使用图1的CMOS图象传感器的情况。
定时发生电路10a接受φHP脉冲，在水平无效期间内，输出φRESET、φESREAD、φDRREAD、φROREAD、φSH、φCLP、φVP的脉冲，HRS、HCK等的脉冲输出。
水平移位寄存器3从定时发生电路10a接受HRS脉冲、HCK脉冲，在水平有效期间依次输出φHi(i=…,n,n+1,…)脉冲。
电子快门用的垂直移位寄存器20在动态范围控制用的垂直移位寄存器30和读出用的垂直移位寄存器2之前，使φES复位而作为触发，然后，与φHP同步依次输出ESi。与该ESi相对应，从脉冲选择电路2b向读取线4输出驱动信号φESREADi，来进行象素行的选择动作。
然后，动态范围控制用的垂直移位寄存器30使φDR复位来作为触发，然后，与φHP同步依次输出DRi。与该DRi相对应，从脉冲选择电路2b向读取线4输出驱动信号φDRREADi，来进行象素行的选择动作。
然后，读出用的垂直移位寄存器2使φVR复位来作为触发，然后，与φHP同步依次输出ROi。与该ROi相对应，从脉冲选择电路2b向读取线4输出驱动信号φROREADi，来进行象素行的选择动作。
图4表示图1的CMOS图象传感器的外部输入脉冲信号φES、φDR、φVR、φHP和垂直移位寄存器2、20、30的各输出信号ROi、ESi、DRi的波形。
垂直移位寄存器2、20、30相对应地通过输入脉冲φVR、φES、φDR被复位后，与φHP同步进行移位动作，而发生输出脉冲ROi、ESi、DRi。
图5表示着眼于图1的CMOS图象传感器的摄象区域中第n条水平线的动作的信号的波形。其中，HBLK是用于把1水平期间分成水平无效期间和水平有效期间的控制脉冲信号。
首先，在时刻t0，第n条线的光电二极管把光信号变换为电荷并进行蓄积。接着，在时刻t1之前，电子快门用的垂直移位寄存器20的输出脉冲ESn成为“H”,φRESETn和φREADn(此时的电压为VDD)从脉冲选择电路2b被输出。通过该第一发的φRESETn，来使信号检测部DN复位，然后，通过第一发的φREADn，来全部读出光电二极管的蓄积电荷。从此后的时刻t1再次由光电二极管来蓄积信号电荷。
接着，动态范围控制用的垂直移位寄存器30的输出脉冲DRn成为“H”，φRESETn和φREADn(此时的电压为VDR)从脉冲选择电路2b被输出。通过该第二发的φRESETn，来使信号检测部DN复位，然后，通过φREADn，仅读出光电二极管的蓄积电荷中的预定大小以上的信号电荷。此时，当在光电二极管中没有蓄积预定大小以上的信号电荷的情况下，信号电荷不被读出。该动作可以通过把第二发的读出脉冲信号φREADn的电压VDR的振幅设定为低于上述VDD来实现。该动作通过VDD为3.3V时并且VDR在1V至3.3V的范围内的实验而确认。从此后的时刻t2再次由光电二极管来蓄积信号电荷。
接着，读出用的垂直移位寄存器2的输出脉冲ROn成为“H”,φADRESn和φRESETn和φREADn(此时的电压为VDD)从脉冲选择电路2b被输出。通过该第三发的φRESETn，来使信号检测部DN复位，然后，通过第三发的φREADn，来全部读出光电二极管的蓄积电荷。通过φADRESn把这样读出的蓄积电荷作为信号读出到垂直信号线VLIN中。
而且，在同一水平无效期间内，在ESn、DRn、ROn不是同时为“H”的情况下，φRESETn不是发生三发，用一发就能动作，能够仅输出第一发图3中的复位脉冲信号φRESET。而且，可以来自定时发生电路10a的定时信号φESREAD共用，使电子快门动作时的驱动信号φREADn和信号读出时的驱动信号φREADn成为相同相位。
图6是为了说明图5所示的时刻t0～t3的光电二极管PD的动作，而简要地表示半导体区域上的光电二极管PD、信号检测部DN、信号读出用晶体管Td的断面构造和电势电位的变化。
在由p阱或者p基板组成的硅基板上，形成光电二极管PD和由n型区域组成的信号检测部DN。光电二极管PD在n型区域的表面上形成p型区域。信号读出用晶体管Td，把光电二极管PD的n型区域与信号检测部DN之间作为沟道区域，在其上具有通过栅极绝缘膜所形成的例如多晶硅栅极电极(读出栅极电极)。
在时刻t0，光电二极管PD把光信号变换为电荷，并进行蓄积。
在时刻t1的电子快门用的读出动作时，在读出栅极电极下为电势电位PVDD，在具有比其深的势阱的信号检测部DN中，全部读出光电二极管PD的蓄积电荷。接着，再次由光电二极管PD蓄积信号电荷。
在时刻t2的动态范围控制(扩大)用的读出动作时，读出棚极电极下为电势电位PVDR。此时，当在光电二极管PD的蓄积电荷中蓄积了从电势电位PVDR溢出的大信号电荷时，从光电二极管PD读出上述从电势电位PVDR溢出的信号电荷。与此相对，当在光电二极管PD中仅蓄积了小于上述电势电位PVDR的小信号的电荷时，就不读出小于电势电位PVDR的信号电荷。
在读出动作之前的时刻t3，在光电二极管PD中再次蓄积信号电荷，但该蓄积电荷是把上述电子快门动作后蓄积的ESR信号电荷与动态范围控制动作后蓄积的HDR信号电荷相结合的。
由于上述ESR信号电荷的蓄积时间较长，则其光电变换的斜率较大，由于HDR信号电荷的蓄积时间较短，其光电变换的斜率变小。即，在蓄积小信号的电荷的情况下，仅蓄积蓄积时间较长的ESR信号电荷，因此，其光电变换的斜率较大。与此相对，当蓄积大循环的电荷时，与预定值以上的电荷(HDR信号电荷)相对应的光电变换的斜率变小，其结果，动态范围被扩大。
图7表示图1的CMOS图象传感器的光电变换特性的一个例子。
图中，对于在某一定值的信号电荷(KNEE点)之前发生的小的区域的光输入信号，由ESR信号电荷进行蓄积，因此，如用实线表示的那样，光电变换的斜率变大。对于从KNEE点发生较大的信号电荷的大区域的光输入信号，由于用HDR信号电荷进行蓄积，则如虚线所示的那样，光电变换的斜率变小，能够实现高动态(DR)动作。由上述ESR信号电荷的蓄积所产生的光电变换的斜率由电子快门动作的蓄积时间TS决定。
而且，由上述HDR信号电荷的蓄积所产生的光电变换的斜率可以由动态范围控制动作的蓄积时间TD所控制。
而且，KNEE点能够由读出脉冲信号φREADn的电压VDD与VDR之差进行控制。例如，通过把电子快门动作的蓄积时间TS缩短到1/10，就能把动态范围大幅度扩大到10倍。
而且，在图1所示的CMOS图象传感器中，由于由定时发生电路10a有效地利用外部输入脉冲信号来生成各种信号，因此，不会引起例如脉冲选择电路2b等中的电路规模的显著增大，而能够以低成本来实现非常高速的电子快门动作。
而且，在上述实施例中，把动态范围控制用的读出驱动信号的电压作为一个电压值VDR，但是，也可以是从多个电压值VDR1、VDR2、…中任意选择来得到其，由此，可以任意变更动态范围的特性。
<第二实施例>
图8简要地表示本发明的第二实施例所涉及的放大型CMOS图象传感器的构成。
该CMOS图象传感器内置了具有噪声消除功能的AD变换电路21，由AD变换电路21把传送给多个垂直信号线VLIN的模拟信号变换为数字信号，并输出到外部。
以下以与图1所示的CMOS图象传感器不同之处为中心来进行说明。
即，在图8所示的CMOS图象传感器中的AD变换电路21内，在每个象素列中连接在垂直信号线VLIN的端部上的比较器CMP被配置在水平方向上。该比较器CMP进行来自垂直信号线VLIN的模拟信号与基准信号发生电路22输出的参照信号VREF的电压比较动作。该参照信号VREF基本上是随着时间经过电压上升的斜(RAMP)波，比较器CMP对噪声被除去的信号电压和参照信号VREF的电压进行均衡的定时进行计数，通过对该计数值进行闩锁，把模拟信号变换为10比特的数字信号。
而且，比较器CMP为了与图1中的噪声消除电路相同而得到基准电压与信号电压的差分，而具有未图示的取样保持用的电容器，在此生成噪声被除去的信号电压。
在AD变换电路21内，闩锁电路LATCH和开关电路SW配置在水平方向上，以便于分别与每个象素列的比较器CMP相对应。闩锁电路LATCH保持从比较器CMP所输出的10比特的数字信号，开关电路SW通过从水平移位寄存器3所提供的驱动信号(φHn脉冲)依次导通，由此，把各闩锁电路LATCH保持的数字信号依次读出到与该比特数相对应的条数的输出信号线DATA0～DATA9中。
在上述那样的AD变换电路21和基准信号发生电路22中，从定时发生电路10b输入计数信号ADCX、水平同步信号HAD，来控制其动作。
而且，如图示的那样，可以把外部输入脉冲信号φVR、φES、φDR、φHP直接输入3个垂直移位寄存器2、20、30中，但是，也可以把以场周期或者水平周期所提供的外部输入脉冲信号φVR、φES、φDR、φHP输入定时发生电路10b，在此生成内部脉冲信号，而输入3个垂直移位寄存器2、20、30中。
而且，可以根据需要，把从外部输入指令信号的指令解码电路连接在定时发生电路10b上，用指令解码电路的输出信号来调整定时发生电路10b和AD变换电路21的增益、偏置等。
在图8所示的CMOS图象传感器中，例如，可以变更从定时发生电路10b输出给脉冲选择电路2b的控制信号的供给定时，而在电子快门用的驱动信号φREAD和动态范围控制用的水平有效期间内发生，进而扩展了使图5中的电子快门动作的蓄积时间TS和动态范围控制动作的蓄积时间TD变化时的自由度，因此，在控制高动态动作这点上是有利的。这是因为：当在水平有效期间内电子快门脉冲信号φESREAD或者动态范围控制脉冲信号φDRREAD被输入脉冲选择电路2b，并且在水平有效期间内电子快门用或者动态范围控制用的读出驱动信号φREADi被输入摄象区域时，由于此时的电源电压和接地电压的摆动，而存在发生噪声窜入模拟信号中的危险。为了避免该问题，图8的CMOS图象传感器可以通过水平有效期间内的电子快门脉冲信号φESREAD或者动态范围控制脉冲信号φDRREAD的输入前后，根据来自定时发生电路10b的计数信号ADCK所进行的控制，而使AD变换电路21和基准信号发生电路22的动作暂时停止。
在图1所示的CMOS图象传感器中，在水平有效期间内，把一条水平线的模拟信号依次读出到水平信号线HLIN中，当从外部提供脉冲信号时，存在由电源电压和接地电压的摆动而引起的噪声窜入模拟信号的可能性。
与此相对，在图8所示的CMOS图象传感器中，在把模拟信号AD变换为数字信号之后，在水平有效期间内，把一条水平线的数字信号读出到输出信号线DATA0～DATA9中，因此，对于这样的数字信号，就能几乎忽略不记地由电源电压和接地电压的摆动而引起的噪声的窜入。而且，即使与AD变换前的模拟信号相关，在电子快门脉冲信号φESREAD或者动态范围控制脉冲信号φDRREAD的输入前后，按图8中的斜波RAMP所示的那样，使AD变换电路21和基准信号发生电路22的动作暂时停止，由此，能够避免由电源电压和接地电压的摆动而引起的噪声的窜入。
即使对于没有内置AD变换电路21的图1所示的CMOS图象传感器，通过设置对噪声窜入模拟信号的影响进行校正的校正电路以及使电气上相互分离的电源、接地电压系统的电路块进行混合等，就能避免在水平有效期间内的电子快门脉冲信号φESREAD或者动态范围控制脉冲信号φDRREAD的输入时由电源电压和接地电压的摆动而引起的噪声的窜入。
而且，在各CMOS图象传感器中，摄象区域中的各单位单元并不仅限于由4个晶体管和1个光电二极管组成的1象素/1单元的结构，也可以形成由5个晶体管和2个光电二极管组成的2象素/1单元的单位单元。而且，作为单位单元，可以是层叠了光电变换装置的层叠型的，可以在不背离本发明的精神的范围内进行各种变化来实施本发明。
如上述那样，根据本发明的固体摄象装置，能够大幅度扩大放大型的CMOS图象传感器的动态范围，能够从小信号到大信号不被限幅地得到良好的图象。
而且，根据本发明的固体摄象装置，能够在由放大型的CMOS图象传感器执行电子快门动作的同时，大幅度地扩大动态范围，能够从小信号到大信号不被限幅地得到良好的图象。
Claims (8)
1．一种固体摄象装置，其特征在于，包括：
具有多个象素行的摄象区域，是由在半导体基板上二维地设置单位单元而构成，该单位单元具有对向象素的入射光进行光电变换并蓄积信号电荷的光电变换装置、把蓄积的信号电荷读出到检测部中的读出装置以及对所读出的电荷进行放大的放大装置；
读出电压切换装置，用于把施加在上述读出装置上的读出驱动信号根据内部控制设定为互不相同的多个电压中的一个。
2．一种固体摄象装置，其特征在于，包括：
具有多个象素行的摄象区域，在半导体基板上二维地设置单位单元而构成，该单位单元具有对向象素的入射光进行光电变换并蓄积信号电荷的光电变换装置、把蓄积的信号电荷读出到检测部中的读出装置以及对所读出的电荷进行放大的放大装置；
多条读取线，对应于上述摄象区域中的各象素行而设置在水平方向上，用于驱动各自对应的象素行的单位单元的各读出装置；
脉冲生成电路，对各象素行生成多个脉冲，作为用于控制上述多个象素行的各自的读出定时的脉冲信号；
读出电压切换装置，用于使对应于上述多个脉冲中的一部分脉冲而施加在上述读出装置上的读出驱动信号的电压，与对应于上述多个脉冲中的其他脉冲而施加在上述读出装置上的读出驱动信号的电压不相同；
多条垂直信号线，对应于上述摄象区域中的各象素列而设置，用于在垂直方向上传送从各象素行的单位单元分别输出的信号。
3．根据权利要求2所述的固体摄象装置，其特征在于，上述脉冲发生电路依次发生动态范围扩大读出用的脉冲和正常读出用的脉冲，来作为上述多个脉冲，
上述读出电压切换电路把与上述动态范围扩大读出用的脉冲相对应的读出驱动信号的电压设定为比上述正常读出用的脉冲相对应的读出驱动信号的电压低的电压。
4．根据权利要求2所述的固体摄象装置，其特征在于，上述脉冲发生电路依次发生电子快门用的脉冲、动态范围扩大读出用的脉冲和正常读出用的脉冲，来作为上述多个脉冲，
上述读出电压切换电路把与上述动态范围扩大读出用的脉冲相对应的读出驱动信号的电压设定为比上述电子快门用的脉冲相对应的读出驱动信号的电压和正常读出用的脉冲相对应的读出驱动信号的电压低的电压。
5．根据权利要求2所述的固体摄象装置，其特征在于，进一步包括垂直驱动装置，对应于从上述脉冲生成电路所提供的上述多个脉冲，有选择地给上述多条读取线提供读出驱动信号，来多次驱动上述摄象区域中的各象素行的读出装置。
6．根据权利要求5所述的固体摄象装置，其特征在于，上述垂直驱动装置在水平驱动期间输出与上述多个脉冲分别对应的多个读出驱动信号。
7．根据权利要求5所述的固体摄象装置，其特征在于，进一步包括A/D变换器，把传送给上述多个垂直信号线的信号变换为数字信号，
上述垂直驱动装置在水平有效期间输出分别与上述多个脉冲相对应的多个读出驱动信号中的至少一个，
上述A/D变换器被控制成：在上述水平有效期间输出读出驱动信号时，停止信号变换。
8．根据权利要求5至7任一项所述的固体摄象装置，其特征在于，上述摄象区域进一步具有复位装置，对读出由上述光电变换装置所蓄积的电荷的检测部的电荷进行复位，
上述垂直驱动装置在各读出驱动信号之前提供用于驱动上述复位装置的复位信号。
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