CN1645918A

CN1645918A - 半导体装置及其控制方法、信号处理方法和电子设备

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Publication number: CN1645918A
Application number: CNA2004101033992A
Authority: CN
Inventors: 角博文; 中村信男; 川人祥二
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-12-05
Filing date: 2004-12-06
Publication date: 2005-07-27
Anticipated expiration: 2024-12-06
Also published as: EP2271076A2; US20110025420A1; KR101000627B1; US7830436B2; JP4311181B2; JP2005175517A; EP1538827A1; TW200529658A; EP2271076A3; US8711261B2; US9088741B2; US20050168602A1; TWI252686B; US20120104235A1; KR20050054841A; CN100594714C

Abstract

一种固态成像装置的预放大器(列区域单元)包括：像素信号控制器。对每个垂直信号线，该像素信号控制器通过像素信号放大器的输出端上的像素信号检测器独立地检测每个像素信号的电平，并根据信号的电平独立给像素信号放大器设定增益。在固态成像装置的后续级，提供有模拟－数字(A/D)转换器和信号扩展单元。A/D转换器数字化像素信号，同时参照来自像素信号检测器的分类信号，通过给像素信号放大器设定的增益来校正该数字化的像素信号，以便一屏信号的动态范围得到扩展。

Description

半导体装置及其控制方法、信号处理方法和电子设备

技术领域

本发明涉及一种包含多个单元元件的半导体装置，含有该半导体装置的电子设备，和涉及该半导体装置或该电子设备的控制方法和信号处理方法。

更具体地，本发明涉及一种通过读取电信号来检测物理量分布的半导体装置(例如，固态成像设备)，该信号代表了对从外部输入的电磁波，如光，辐射等，敏感的单元元件(例如，单元像素)矩阵所获取的物理量分布，一种在半导体装置中控制信号增益的方法，以及用于由受控增益所放大的输出信号的信号处理技术。

背景技术

用来检测物理量分布的半导体装置，包括对例如用在各种场合的光、辐射等从外部输入的电磁波敏感的单元元件(例如，像素)的行或矩阵。例如，在视频设备领域，使用由电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)器件实现的、将光作为物理量进行检测的固态成像装置。这些装置读取电信号，该电信号表示由单元元件(在固态成像装置的情况下是像素)所获取的物理量的分布。

在一种被称为放大型固态成像装置的固态成像装置中，提供了由有源像素传感器或增益单元所实现的像素，该增益单元包括在像素信号生成器中的放大晶体管，用于产生对应于由电荷生成器所生成的信号电荷的像素信号。例如，CMOS固态成像装置常常采用该类型。在放大型固态成像装置中，为了将图像信号读出到外部，在包括多个单元像素的像素单元上执行的地址控制，以便来自各个像素的信号能被选择并按需读取。即，放大型固态成像装置是地址控制固态成像装置的一个实例。

例如，在包括单元像素矩阵的X-Y寻址固态成像装置类型的放大固态成像装置中，使用了例如MOS晶体管的有源元件，以使像素本身能够放大。即，积累在作为光电转换器的光电二极管上的信号电荷(光电子)通过该有源元件被放大从而读取图像信息。

在该类型X-Y寻址固态成像装置中，例如，像素单元包括大量像素晶体管的二维矩阵，对应于入射光的信号电荷的积累在每行或每个像素单独开始，并且基于该积累的信号电荷的电流或电压从基于寻址的像素中读取。

当信号从像素单元读取并且输出到芯片的外部时，读取电路(列处理器)单独提供给各个列，因此信号以行为单位从像素中顺序读取并暂存在列处理器中，从而用于一行的像素信号按照特定时序输出到芯片外部。这被称之为基于列的结构。

图27显示了根据相关技术的基于列的CMOS图像传感器的结构的实例，其是一个X-Y寻址固态成像装置的实例。

该CMOS图像传感器包括安置在半导体基板(未示出)上的成像单元(光电转换器区域)110，时序信号产生器40，水平扫描器42H，垂直扫描器42V，列区域单元920，输出放大器950，可变增益放大器960，和模拟-数字(A/D)转换器970。

成像单元110的垂直信号线158经由负载MOS晶体管171接收由负载控制器174提供的恒定偏置电压。

在成像单元110的外部上的列区域单元920中，列处理器930被提供给各个像素列。列处理器930在垂直信号线158上具有电容器932。因此该列处理器930顺序存储从各个像素读出的像素信号Vsig，并顺序将该像素信号Vsig读出给输出放大器950。

在以上描述的结构中，处理电路(即，列电路930)单独提供给各个列，其被称为基于列的结构。即，在按列读取像素信号后，该像素信号被处理。因此，与在每个单元像素中执行信号处理相比，每个像素的结构得以简化，使得在图像传感器中的像素数量能够增加，图像传感器的尺寸能够降低，或图像传感器的成本能被降低。

接下来，将简要描述基于列的电路的操作。用于接收光信号的成像单元110包括多个按行和列排列的单元像素(P)103。每个单元像素103包括至少一个电荷产生器(光电转换器)，其通常是光电二极管或光栅(photogate)。从成像单元110输出的像素信号被从垂直扫描器42H经由垂直扫描控制线115所选的行中读取。

虽然在图27中示出了每个像素行中只有一个垂直扫描控制线，但通常，从垂直扫描器42V平行提供多个类型的垂直扫描控制线115，以便选择每个像素行并读取像素信号。

经由垂直扫描控制线115选择的行信号顺序积累在并联提供于成像单元110的输出侧的列处理器930的电容器932中。该信号同时为整个行积累。

通过根据来自水平扫描器42H的水平选择脉冲CH(i)，从左边开始顺序进行列扫描操作来选择积累在列处理器930的电容器932中的像素信号Vsig。即，通常由晶体管来实现的列选择开关934，由水平扫描器42H来顺序选择和驱动。这样，各个单元像素103的像素信号Vsig得以顺序读出到输出放大器950。

输出放大器950从而放大通过水平信号线118读取的像素信号Vsig，并将该放大的信号作为电压信号进行输出。可变增益放大器960以具有小步长的增益中的一个放大该电压。放大后的像素信号被输入到A/D转换器970并被转换成数字信号。

通常，成像单元110、列区域单元920、和输出放大器950形成在同一个半导体芯片上，以形成固态成像装置10，在该芯片的外部提供有可变增益放大器960和A/D转换器970，从而形成固态成像单元2。可选地，该可变增益放大器960和A/D转换器970与成像单元110等一起形成在半导体芯片上，在该情况下，固态成像装置10与固态成像单元2一致。

在以上描述的结构中，电路中提供有各种放大器，例如所使用的I输出放大器950和可变增益放大器960的放大器。由于这些放大器是模拟放大器，因此会产生属于模拟随机噪声的热噪声。该热噪声能根据时间随机发生。在输出放大器950的邻近需要增大的带宽，而放大器产生的热噪声随着带宽的增加而增加。考虑到像素数量的增加以及成像速度的增加，这种情况是很不利的。

在固态成像装置中提供的A/D转换器970的比特精确度现在通常是12比特或14比特。当A/D转换器970的比特精确度增加时，增加了功率消耗，同时由电路本身所产生的噪声抑制了比特精确度的提高。

因此，在根据相关技术的基于列的图像传感器中，很难提高比特精确度，并且当保持恰当的S/N比的同时扩大动态范围。

当在成像单元110的各个像素中，基于各个像素对像素信号的增益进行控制时，在光电转换器区域中改善比特精确度，从而使输出信号的动态范围得以扩展。但是，在这种情况下，每个像素的结构变得复杂了，使得失去了由于基于列的结构而获得的降低成本和尺寸的益处。

作为克服这些问题的一种方法，例如是，ISSCC 2003 2/11，Digest ofTechnical Paper，pp.224-225，和IEEE，J.固态电路，vol.35，No.7，pp.932-938，July 2000，M.Schanz所提出的技术，通过采用可编程增益控制(PGA)电路，以每行为基础，适应性地放大从CMOS图像传感器中的像素单元读出的像素信号，从而降低噪声。根据该项技术，信号的动态范围在保持有利的S/N比的同时得以扩展，以便提高该CMOS图像传感器的图像质量，特别是在亮度很低时。

根据该项技术，在与PGA电路隔开的行上，从成像单元110输出的像素信号与预定的阀值进行比较，为PGA电路而设定的增益基于该比较的结果而被确定，使该PGA电路根据所确定的增益而运行，从而执行增益控制。

在执行增益控制中，当确定信号电平为低而增益必须增加时，该PGA电路以所增加的增益放大由成像单元110所获取的像素信号，输出该放大的信号给外部。另一方面，当确定信号电平为高而增益无需增加时，由成像单元110获取的像素信号被输出给外部而无需被PGA电路放大。

然而，该文档仅公开了用于提供适当地放大各个列的像素信号的PGA电路的基本技术，因此需要进一步改进。

而且，根据在该文档中公开的技术，依靠PGA电路或提供在后续级的电路的结构，在一些情况下，由调整增益放大的信号电平超出了电路的动态范围，而不能适当地扩展信号的动态范围。

发明内容

本发明考虑到以上描述的情况而做出，其目的是提供有关基于列电路的技术，该技术允许当保持适当的S/N比时扩展动态范围，由此可防止增益的设定超出该动态范围。

根据本发明的一个方面，提供了一种控制半导体装置的方法，该半导体装置包括信号获取单元和列处理器，该信号获取单元包括以行和列排列的单元元件，该单元元件每个包括：用于产生对应于入射电磁波的信号电荷的电荷产生器，和用于产生对应于由该电荷产生器产生的信号电荷的信号的信号产生器，该列处理器被提供给各个列来逐行读取信号，以通过特定的增益放大信号，并随后输出该放大的信号，列处理器分别包括用于将从单元元件读取的信号放大设定给放大器电路的增益的放大器电路。该方法包括增益确定控制步骤，以设定给各个放大器电路的不同增益来检测放大器电路或其后续级的输出信号的信号电平，基于所检测的信号电平确定设定给放大器电路的增益，并用所确定的增益使该放大器电路工作。

“检测放大器电路或其后续级的输出信号”并不限于检测放大器电路本身的输出信号，它还可以指检测在该放大器电路的后续级提供的各种电路的输出信号。即，在放大器电路的输出端的预定位置，而不是输入端，为放大电路设定增益并且检测信号电平。

根据本发明的另一方面，提供了一种信号处理方法，用于对从包括信号获取单元和列处理器的半导体装置输出的信号执行预定信号处理，该信号获取单元包括以行和列排列的单元元件，该单元元件每个包括：用于产生对应于入射电磁波的信号电荷的电荷产生器，和用于产生对应于由该电荷产生器产生的信号电荷的信号的信号产生器，该列处理器被提供给各个列来逐行读取信号，以通过特定的增益放大信号，并随后输出该放大的信号，列处理器分别包括用于将从单元元件读取的信号放大设定给放大器电路的增益的放大器电路。该方法包括：增益确定控制步骤，以设定给各个放大器电路的不同增益来检测放大器电路或其后续级的输出信号的信号电平，基于所检测的信号电平确定设定给放大器电路的增益，并用所确定的增益使该放大器电路工作；和增益校正步骤，其在增益确定控制步骤之后，基于设定给各个放大器电路的增益，校正从列处理器输出的输出信号。

根据本发明的另一个方面，提供一种半导体装置，包括：信号获取单元，包括以行和列安排的单元元件，该单元元件的每个包括：电荷产生器，用来产生对应于入射电磁波的信号电荷，和信号产生器，用来产生对应于该由电荷产生器产生的信号电荷的信号，列处理器，被提供给各个列以逐行读取信号，以通过某个增益来放大信号，并顺序输出该放大的信号，该列处理器分别包括放大电路，用于将从单元元件读出的信号放大设定给该放大器电路的增益；和增益确定控制器，用于以设定给各个放大器电路的不同增益来检测放大器电路或其后续级的输出信号的信号电平，基于所检测的信号电平确定设定给放大器电路的增益，并使该放大器电路用所确定的增益来工作。

根据本发明的另一个方面，提供了一种电子设备，用于对从包括信号获取单元和列处理器的半导体装置输出的信号执行预定信号处理，该信号获取单元包括以行和列排列的单元元件，该单元元件每个包括：用于产生对应于入射电磁波的信号电荷的电荷产生器，和用于产生对应于由该电荷产生器产生的信号电荷的信号的信号产生器，该列处理器被提供给各个列来逐行读取信号，以通过特定的增益放大信号，并随后输出该放大的信号，列处理器分别包括用于将从单元元件读取的信号放大设定给放大器电路的增益的放大器电路。该电子设备包括：增益确定控制器，用于以设定给各个放大器电路的不同增益来检测放大器电路或其后续级的输出信号的信号电平，基于所检测的信号电平确定设定给放大器电路的增益，并使该放大器电路以所确定的增益工作；和信号扩展单元，用来基于设定给各个放大器电路的增益，而对从列处理器输出的输出信号执行增益校正，从而扩展信号获取单元一个屏的信号的动态范围。

根据本发明的另一个方面，提供了一种控制半导体装置的方法，该半导体装置包括信号获取单元和列处理器，该信号获取单元包括以行和列排列的单元元件，该单元元件每个包括：用于产生对应于入射电磁波的信号电荷的电荷产生器，和用于产生对应于由该电荷产生器产生的信号电荷的信号的信号产生器，该列处理器被提供给各个列来逐行读取信号，以通过特定的增益放大信号，并随后输出该放大的信号，列处理器分别包括用于将从单元元件读取的信号放大设定给放大器电路的增益的放大器电路。该方法包括：增益确定控制步骤，其检测从信号获取单元输出的信号的信号电平，基于检测的结果确定设定给放大器电路的增益，并使该放大器电路根据确定的增益而工作；和增益校正步骤，用于与从放大器电路输出的信号相关联地输出比较结果或分类信号到列处理器的外部，该分类信号用于根据比较结果对信号电平进行分类，该关联基于单独的单元元件而做出，并且参照该比较结果或分类信号，基于设定给各个放大器电路的增益而校正从列处理器输出的输出信号。

根据本发明另一个方面，提供了一种控制半导体装置的方法，该半导体装置包括信号获取单元和列处理器，该信号获取单元包括以行和列排列的单元元件，该单元元件每个包括：用于产生对应于入射电磁波的信号电荷的电荷产生器，和用于产生对应于由该电荷产生器产生的信号电荷的信号的信号产生器，该列处理器被提供给各个列来逐行读取信号，以通过特定的增益放大信号，并随后输出该放大的信号，列处理器分别包括放大器电路，用于将从单元元件读取的信号放大设定给放大器电路的增益。该方法包括：增益确定控制步骤，用于检测从信号获取单元输出的信号的电平，基于检测的结果确定设定给放大器电路的增益，并使该放大器电路根据确定的增益而工作；和将从放大电路输出的模拟信号转换成数字值的步骤。

根据本发明另一个方面，提供了一种控制半导体装置的方法，该半导体装置包括信号获取单元和列处理器，该信号获取单元包括以行和列排列的单元元件，该单元元件每个包括：用于产生对应于入射电磁波的信号电荷的电荷产生器，和用于产生对应于由该电荷产生器产生的信号电荷的信号的信号产生器，该列处理器被提供给各个列来逐行读取信号，以通过特定的增益来放大信号，并随后输出该放大的信号，列处理器分别包括放大器电路，用于将从单元元件读取的信号放大设定给放大器电路的增益。该方法包括：增益确定控制步骤，用于检测从信号获取单元输出的信号的电平，基于检测的结果确定设定给放大器电路的增益，并使该放大器电路根据确定的增益而工作；和一步骤，抑制放大器电路中的输出直流电平的变化的发生，该变化是由于设定给各个放大器电路的不同增益而产生的。

根据本发明另一个方面，提供了一种成像装置。该成像装置包括：成像区域，包括多个像素，每个像素包括电荷产生器，用来产生信号电荷；放大器电路区域，用于放大从像素输出的信号，并输出该放大的信号，该放大器电路区域被提供在该成像区域的旁边；输出部分，提供在放大器电路区域的后续级。该放大器电路区域包括多个放大器，基于从输出部分输出的信号的电平而对这些放大器设定增益。

附图说明

图1是照相机系统的结构的示意图，其是根据本发明的实施例的电子设备，该照相机系统包括根据本发明实施例的半导体装置。

图2A和2B是根据本发明的第一实施例，主要由CMOS成像装置所构成的固态成像单元以及其外围部件的结构示意图；

图3显示的是根据本发明的第二实施例，主要由CMOS成像装置所构成的固态成像单元以及其外围部件的结构示意图；

图4是根据图3所示的第二实施例，在固态成像单元水平周期中操作时序的时序表；

图5显示的是图3所示的第二实施例中的像素信号检测器结构的示意图；

图6显示的是图5所示的比较器的示例结构的示意图；

图7显示的是根据图2A所示的第一实施例，在固态成像单元的水平周期中的操作时序的时序表；

图8显示的是在图2A所示的第一实施例中的像素信号检测器结构的示意图；

图9显示的是根据本发明的第三实施例，主要由CMOS成像装置所构成的固态成像单元以及其外围部件的结构示意图；

图10显示的是根据本发明的第四实施例，主要由CMOS成像装置所构成的固态成像单元以及其外围部件的结构示意图；

图11A和11B显示了在第一和第三实施例中的像素信号放大器和外围部件的结构和操作的第一实例；

图12A和12B显示了在第一和第三实施例中的像素信号放大器和外围部件的结构和操作的第二实例；

图13A和13B显示了在第一和第三实施例中的像素信号放大器和外围部件的结构和操作的第二实例；

图14显示了在第二和第四实施例中的像素信号放大器和外围部件的结构和操作的实例；

图15显示了图14所示的像素信号放大器中设定增益的第一实例方法；

图16显示了图14所示的像素信号放大器中设定增益的第二实例方法；

图17显示了提供在列区域单元中的像素信号放大器的后续级的列电路和外围部件的电路结构的第一实例的方框图；

图18显示了提供在列区域单元中的像素信号放大器的后续级的列电路和外围部件的电路结构的第二实例的方框图；

图19显示了提供在列区域单元中的像素信号放大器的后续级的列电路和外围部件的电路结构的第三实例的方框图；

图20A到20C显示的是提供在列区域单元中的像素信号放大器的后续级的列ADC电路和外围部件的电路结构的实例；

图21A和21B显示的是信号扩展单元的示例结构；

图22显示的是根据本发明的第五实施例，主要由CMOS成像装置所构成的固态成像单元以及其外围部件的示意图；

图23A和23B显示的是在第五实施例中的信号处理器的结构的实例；

图24显示的是在用于计算由像素源跟随器(source-follower)电路产生的热噪声的等效电路中的噪声分析图；

图25A和25B显示的是在用于计算能够由列放大器产生的噪声的等效电路中的噪声分析图；

图26显示的是实验的结果图；并且

图27显示的是根据相关技术的基于列的CMOS图像传感器的图。

具体实施方式

现在，将参考附图描述本发明的实施例。以下的描述涉及一种CMOS成像装置，其是X-Y寻址固态成像装置的实例。而且，这里假定所有的像素都使用NMOS晶体管来实现。然而，这仅是实例，设备的种类并不限于MOS成像装置。以下描述的实施例能应用于任何用来检测物理量分布的半导体装置，这包括了对从外部输入的例如光或辐射等的电磁波敏感的元件的矩阵。

数字静止照相机的整体结构

数字静止照相机的结构

现在，将参考附图详细描述本发明的实施例。

图1显示的是照相机系统的结构的示意图，其是根据本发明实施例的电子设备，该照相机系统包括根据本发明实施例的半导体装置。在图1所示的照相机系统中，使用根据本发明实施例的固态成像单元2。固态成像装置10和连接在固态成像装置10的后续级的外围电路包括在外壳中。这样，就实现了能捕捉彩色图像的数字静止照相机1。包括有固态成像单元2的数字静止照相机1是包括成像装置的电子设备的实例。

如图1所示，数字静止照相机1包括成像模块3和主单元4。成像模块3包括主要由CMOS成像单元构成的固态成像装置10、成像透镜50、和用来驱动该固态成像装置10的驱动控制器96。主单元4产生基于由成像模块3获取的成像信号而产生视频信号，并输出该视频信号给监视器，或将该图像存储在存储介质上。

该数字静止照相机1的处理系统通常包括光学系统5，信号处理系统6，记录系统7，显示系统8，和控制系统9。可以理解，在实际的最终产品中，成像模块3和主单元4包含在未示出的外壳中。

驱动控制器96包括时序信号产生器40，扫描器42，和控制信号产生器46。时序信号产生器42产生用于驱动固态成像装置10的各种脉冲信号。扫描器42将从时序信号产生器40接收到的脉冲信号转换成驱动固态成像装置10的驱动脉冲。控制信号产生器46产生用于从固态成像装置10检索输出信号的控制信号。时序信号产生器40和控制信号产生器46一起被称为时序控制器。

光学系统5包括成像透镜50和固态成像装置10。成像透镜50包括快门52、用来聚焦物体Z的光学图像的透镜54、和用来调整光学图像的光量的光圈56。固态成像装置10将聚焦的光学图像转换成电信号。从物体Z来的光L通过快门52和透镜54传输，并被光圈56调整，并以适当的亮度进入固态成像装置10。此时，透镜54调整焦点，以便由从物体Z来的光L构成的图像在固态成像装置10上形成。

信号处理系统6包括：对应于以后将要描述的列区域单元的预放大器61，模拟-数字(A/D)转换器64，和图像处理器66。预放大器61能放大从固态成像装置10的成像单元接收到的模拟成像信号，并执行放大成像信号的双关联取样(CDS，correlated double sampling)以抑制噪声。A/D转换器64将从预放大器61输出的模拟信号转换成数字信号。图像处理器66由对从A/D转换器64输入的数字信号执行特定图像处理的数字信号处理器(DSP)来实现。

记录系统7包括：用来存储图像信号的存储器(记录介质)72，例如闪速存储器；和编解码器(压缩/解压缩)74，用来对图像处理器66所处理的图像信号进行编码，同时将编码的图像信号记录在存储器72上，或读取并解码记录在存储器72上的图像信号，并将解码后的图像信号提供给图像处理器66。

显示系统8包括：数字-模拟(D/A)转换器82，视频监视器84，和视频编码器86。D/A转换器82将由图像处理器66处理的图像信号转换成模拟信号。作为取景器的视频监视器84显示对应于输入视频信号的图像，并例如由液晶显示器(LCD)来实现。视频解码器86将模拟图像信号编码成适于提供在后续级的视频监视器84的格式的视频信号。

控制器9包括：中央控制器92，例如中央处理单元(CPU)。中央控制器92控制驱动器(未示出)来读取存储在磁盘、光盘、磁光盘、或半导体存储器上的控制程序，并根据控制程序以及用户输入的命令控制整个数字静止照相机1。

控制系统9还包括：曝光控制器94，驱动控制器96，和操作单元98。曝光控制器94控制快门52和光圈56，使得传输到图像处理器66的图像的亮度适当。驱动控制器96包括用来控制从固态成像装置10到图像处理器66的功能单元的操作时序的时序信号产生器(TG)40。操作单元98允许用户指定快门时序或输入命令。中央控制器92控制连接到数字静止照相机1的总线99上的图像处理器66、编解码器74、存储器72、曝光控制器94、和时序信号产生器40。

在数字静止照相机1中，例如闪烁校正、γ校正、阴影校正、和颜色平衡的处理都在数字区主要由图像处理器66来执行。数字静止照相机1包括用于自动对焦(AF)、自动白平衡(AWB)、自动曝光(AE)等的自动控制器。自动控制器基于从固态成像单元2输出的信号执行控制。例如，曝光控制器94根据由中央控制器92设定的参数控制光圈56，以便传输到图像处理器66的图像的亮度适当。

时序信号产生器40由中央控制器92控制。时序信号产生器40产生操作固态成像装置10、预放大器61、A/D转换器64、和图像处理器66所需的时序脉冲，并将时序脉冲提供给这些部分。操作单元98在用户操作数字静止照相机1时使用。

固态成像单元2由固态成像装置10、预放大器61、A/D转换器64、和成像模块3中的驱动控制器96构成。优选地，固态成像单元2通过在一块电路板上提供固态成像装置10、预放大器61、A/D转换器64、和驱动控制器96来实现，或通过在一块半导体基板上形成这些部分来实现。然而，这仅是一个实例，还有各种改变的可能。例如，预放大器61、A/D转换器64、和驱动控制器96可以部分或全部地安置在与包括固态成像装置10的半导体芯片所分离的电路板上，且该电路板可以是半导体芯片。

在图1所示的实例中，信号处理系统6的预放大器61和A/D转换器64包括在成像模块3中，但是，无须限制于该实例，预放大器61和A/D转换器64还可提供在主单元4中。而且，D/A转换器82可以提供在图像处理器66中。

而且，虽然时序信号产生器40在该实例中包括在成像模块3中，但可选地，时序信号产生器40可以提供在主单元4中。而且，虽然时序信号产生器40、扫描器42、和控制信号产生器46在该实例中独立提供，但是，无须限制于该实例，这些部分可以集成在一起来提供。这就允许数字静止照相机1可以进一步紧凑。

而且，虽然时序信号产生器40、扫描器42、和控制信号产生器46可以通过离散的元件分别实现，优选地，这些部分可以由在单个半导体基板上形成的集成电路(IC)来实现。更优选地，这些部分可以与固态成像装置10一起形成在单个半导体基板上。这种类型的结构在CMOS成像装置中是很容易的。这就允许固态成像单元2紧凑，便于部件的手工，并能降低成本。而且，也便于数字静止照相机1的制造。

而且，当与所使用的固态成像装置10具有牢固连接的时序信号产生器40、扫描器42、和控制信号产生器46通过装配这些部件和固态成像装置10到通用基板上或在成像模块3中提供这些部件而使其集成时，能便于这些部分的处理和管理。在这种情况中，由于这些集成的部分作为一个模块，因此便于数字静止照相机1或数字静止照相机1的最终产品的制造。成像模块3可以包括固态成像装置10和光学系统5，而无需包括驱动控制器96。

无需限于以上所述的结构，时序信号产生器40可以与成像单元110分开提供，以便通过包括成像单元110和诸如扫描器42的外部电路的成像装置以及外部提供的时序信号产生器40，而形成固态成像单元2。就是说，时序信号产生器40可以作为独立的半导体集成电路来提供，而与诸如成像单元110和水平扫描器42H的其它功能性单元分开。在这种情况下，固态成像单元2通过时序产生器40和包括该成像单元110和水平扫描器42H的成像装置而形成。该固态成像单元2可以以包括例如信号处理电路和电源电路的外围电路的成像模块的形式而提供。

固态成像装置和外围部件

第一和第二实施例

图2A和3显示的是根据本发明的第一和第二实施例的主要包括CMOS固态成像装置10的固态成像单元2以及外围部件的示意图。在图2A和3所示的实施例中，固态成像装置10主要包括成像单元110和预放大器61，以及在固态成像装置10的外部提供的A/D转换器64。

固态成像装置10通过在通用半导体基板上形成成像单元110和预放大器61而实现。而且，A/D转换器64和信号扩展单元310可以在同一芯片上形成，而不在固态成像装置10的列区域的区域上形成。在这种情况中，固态成像单元2与固态成像装置10基本上一致。

固态成像单元2包括成像单元(光电转换器区)，其包括像素的行和列的二维矩阵。该像素包括输出对应于入射光量的信号的光传感器元件。在该固态成像单元2中，为像素的各个像素的列提供有电容器，在提供于输出端的列区域中，从各个像素中读出的成像信号被连续存储在电容器中，并连续读出信号给输出放大器。这样的结构被称为基于列的结构。

根据该基于列的结构，像素信号被读取并且基于一列列来处理像素。这样，与像素信号在各个单元像素中处理相比，每个单元像素的结构被简化了。因此，可以增加像素的数量，减小尺寸，并降低图像传感器的成本。该基于列的结构将在以下具体描述。

如图2A和3所示，固态成像单元2包括含有如图2B所示的单元像素(P)103的m行和n列的二维矩阵的成像单元110，提供在成像单元110附近的驱动控制器96，包括列电路63的预放大器61，和输出放大器129。该输出放大器129作为输出部分，输出作为成像信号S0的单行的成像单元110的所有连续像素(所有连续有效的像素)的像素信号。

如图2B所示，每个单元像素103包括具有寄生电容的浮动扩散(FD)区138。该浮动扩散区138作为电荷积累器来积累通过例如埋存光电二极管实现的电荷产生器132产生的信号电荷。而且，单元像素103包括四个晶体管。这在以下称为4TR结构。在单元像素103中使用埋存光电二极管能降低无照电流(dark current)。

四个晶体管TR包括：读选择晶体管134，复位晶体管136，垂直选择晶体管140，和放大晶体管142。这样，单元像素103包括含有浮动扩散区138的像素信号产生器105。该单元像素103将在以下参考图14详细描述。

虽然为简单起见省略了图2A中的一些行和列，但实际上，在这些行和列上提供有几十至几千个单元像素103(103-1-1，...103-1-n，103-2-1，...103-m-n)。

驱动控制器96包括例如：水平扫描器42H，垂直扫描器42V，和控制信号产生器46。虽然未示出，但水平扫描器42H包括水平解码器，用来确定要被读取的列，即用来在预放大器61中单独选取每个列电路63。水平扫描器42H还包括水平驱动电路(即，列选择移位寄存器)，用来根据由水平解码器所确定的读取列地址，将选择的列电路63的信号引导给水平信号行118。

虽然未示出，但垂直扫描器42V包括垂直解码器，用来确定要被读出的行，即用来选择成像单元110的行。该垂直扫描器42V还包括垂直驱动电路(即，行选择移位寄存器)，用来根据由垂直解码器确定的读取行地址，而将脉冲提供给控制行，以驱动单元像素103。垂直驱动电路包括将在以下参考图14描述的传输驱动缓冲器150、复位驱动缓冲器152、和选择驱动缓冲器154。

而且，该驱动控制器96包括时序信号产生器40(图1所示，而未在图2A中示出)，用来在特定的时序产生各种脉冲信号，并将这些脉冲信号提供给水平扫描器42H、垂直扫描器42V、以及列电路63。例如，时序信号产生器40输出水平地址信号给水平解码器并输出垂直地址信号给垂直解码器，同时解码器分别选择对应的行和列。

优选地，驱动控制器96的元件使用用于制造半导体集成电路的技术，在由单晶硅等构成的半导体区域中与成像单元110一起集成而成，由此形成作为半导体装置的实例的固态成像装置。该成像单元110的单元像素103连接到地(GND)，其作为定义整个装置的参考电压的主参考电压。

在单元像素103和各个列电路63之间的信号路径上，提供有包括其漏极连接到垂直信号线158(158-1，158-2，...，158-n)上的MOS晶体管171(171-1，171-2，...，171-n)的负载晶体管单元172。同时提供有负载控制器(负载MOS控制器)174，用来控制负载MOS晶体管171的驱动。负载控制器174提供偏置电压给各个负载MOS晶体管171的栅极，以便负载MOS晶体管171被负载控制器174驱动和控制。

例如，单元像素103经由垂直扫描控制线115(115-1，115-2，...，115-m)连接到垂直扫描器42V来选择行，并经由垂直信号线158连接到各个列电路63。

垂直扫描控制线115一般是指从垂直扫描器42V到单元像素103延伸的线。例如，关于图2B所示的单元像素103，当垂直选择线(SV)155从垂直扫描器42V延伸时，垂直扫描控制线115包括传输栅极线(TX)151和复位线(R)153，以及垂直选择线(SV)155。水平扫描器42H和垂直扫描器42V包括解码器，并响应于从时序信号产生器40提供的驱动脉冲，开始移位操作(即，扫描)。这样，垂直扫描控制线115包括用来传输用以驱动单元像素103的各种脉冲信号的线，例如，复位信号R、传输控制脉冲TX、和DRN控制脉冲SV。

放大晶体管142经由垂直选择晶体管140连接到垂直信号线158。垂直信号线158基于一列列连接到负载MOS晶体管171的漏极。负载MOS晶体管171的栅极共同接收来自负载控制器174的负载控制信号CTld，并当读取信号时，经由垂直选择晶体管140，由连接到放大晶体管142的负载MOS晶体管171导致预定的恒定电流流动。

由成像单元110获取的像素信号经由垂直信号线158被传输给预放大器61的列电路63(63-1，63-2，...，63-n)。由列电路63所处理的电压信号经由根据来自水平扫描器42H的水平选择信号选择的水平选择晶体管(未示出)而传输给水平信号线118，接着被输入给输出放大器129，接着被提供给外部电路300作为成像信号S0。

就是说，在基于列的固态成像单元2中，从单元像素103输出的电压信号以垂直信号线158、列电路63、水平信号线118、以及输出放大器129的顺序来传输。更具体地，用于一行的输出像素信号经由垂直信号线158与并行传输到列电路63，而由CDS处理所获取的信号经由水平信号线118串行输出。垂直扫描控制线115用来选择行。

只要可以单独地驱动每列和每行，用于提供脉冲信号的驱动时钟线的物理连线，即用于传输脉冲信号的线沿单元像素的行或者列放置，可以被任意地选择。

预放大器61包括提供给各个垂直信号线158(即，列)的列处理器62。每个列处理器62包括：像素信号检测器210，像素信号放大器230，开关250，和列电路63。列电路63是连续积累经由垂直信号线158读取的单元像素103的像素信号以及在特定时序读取像素信号的像素信号获取单元的实例。每个列电路63包括，例如，作为功能元件的取样和保持(S/H)电路。该列电路63的操作根据经由控制线43从水平扫描器42H输入的控制信号而受到控制。

如以后将要详细描述的，列电路63，依靠于与提供在其前级的像素信号放大器230的组合，优选地具有抑制包括在从像素信号放大器230输出的成像信号中的噪声的功能。例如，该列电路63由已知的双关联取样(CDS)的结构来实现。就是说，列电路63优选地具有噪声抑制器的功能。

而且，如以下将要详细描述的，列电路63，依靠于与像素信号放大器230的组合，优选地具有抑制在从像素信号放大器230输出的成像信号的直流(DC)成分中的变化的功能。即，根据本发明的列电路63优选地具有输出DC电平抑制器的功能。

除了列电路63外，预放大器61还包括像素信号控制器200。该像素信号控制器200包括：用于检测输入信号的信号电平的像素信号检测器(C)210(210-1，210-2，...，210-n)，能作为可编程增益放大器(PGA)实现的像素信号放大器230(230-1，230-2，...，230-n)，和开关250(250-1，250-2，...，250-n)。像素信号检测器210、像素信号放大器230、和开关250是该实施例的特征。像素信号控制器200是根据本发明的增益控制器的实例。在该实施例中，像素信号控制器200除了像素检测器210和像素信号放大器230外，还包括控制信号产生器46，它整体上用作PGA电路。

第一和第二实施例的特征在于各个单元像素103的像素信号Vsig的电平独立地在列区域单元(预放大器61)的每个像素列中检测，还在于能基于检测的结果为像素的每列单独设定增益，同时也在于在设定增益后的像素信号Vout以模拟信号的形式被输出到列区域单元(预放大器61)的外部。

该结构可以是在预放大器61的后续级中检测单元像素103的信号电平。但是，在这种情况下，放大器的频率带宽必须被增加，使得从检测电路来的噪声增加。作为对策，通过提供用于像素各个列的检测电路，末级放大器的频率带宽能被降低到像素列的数量的倒数，从而降低了噪声。

像素信号检测器210的操作根据经由控制线211从控制信号产生器46输入的各种控制信号来控制。像素信号放大器230的操作根据经由控制线231从控制信号产生器46输入的各种控制信号来控制。开关250的切换操作根据经由控制线251从控制信号产生器46输入的控制信号фs来控制。

像素信号检测器210从成像单元110一行行地读取像素信号Vsig，并确定其电压电平。像素信号检测器210在列区域单元(预放大器61)或列区域单元(预放大器61)外的控制信号产生器46中发送表示结果的M-位分类信号Vsepa给像素信号放大器230。这样，增益以自匹配方式被控制。

像素信号检测器210还输出分类信号Vsepa到固态成像装置10的芯片的外部，以便可以发现像素信号Vsig的电平以及来自芯片外部给像素信号放大器230设定的增益。这样，允许参照为各个像素检测到的分类信号Vsepa设定增益，或根据该增益从芯片的外部执行信号处理。

可以通过中央控制器92(图1所示，在图2A未示出)来选择是通过基于列区域单元(预放大器61)的像素检测器210所检测的结果设置像素放大器230的增益，来控制像素放大器230的增益，还是通过在列区域单元(预放大器61)外部提供的控制信号产生器46来控制增益。

当通过控制信号产生器46控制增益时，控制信号产生器46可以基于列区域单元(预放大器61)中的像素信号检测器210所检测的结果给像素信号放大器230设定合适的增益。可选地，例如，可以参照图像而无需根据由像素信号检测器210检测的结果，来由用户按照需要设置增益，这类似于以后参考图22所要描述的结构。

在任何情况下，当列区域单元(预放大器61)的像素信号检测器210所检测的结果被参考时，由像素信号检测器210检测的结果以自匹配方式反映在提供于列区域单元的像素信号放大器230的增益设定上，允许自动设定增益。

当由像素信号检测器210检测的结果没有被参考时，增益不以自匹配的方式被调整，并且像素信号放大器230的增益由控制信号产生器46在外部控制。这样，明显地，不需要提供像素信号检测器210。根据这样的结构，其中由像素信号检测器210检测的结果没有被参考，列区域单元可以更紧凑，使得设计便利性能通过允许外部的设定而被增加。而且，当不需要控制信号产生器46时，显然，不需要提供控制信号产生器46。

像素信号放大器230具有经由开关250连接到垂直信号线158的输入，和连接到列电路63的输出。该像素信号放大器230优选地被安排为使得输出信号Vout的DC电平即便当增益被调整时也不改变。

可以根据第一实施例而安排像素信号检测器210，以便在像素信号放大器230的输出端检测信号电平，如图2A所示，或根据第二实施例安排像素信号检测器210，以便在像素信号放大器230的输入端检测信号电平，如图3所示。当信号电平在像素信号放大器230的输出端被检测时，信号电平可以在像素信号放大器230和列电路63(或以后将要描述的列ADC电路280)间被检测，或在列电路64(或以后描述的列ADC电路280)的输出端上检测。这些结构将在以后详细描述。

用于各个列的列区域包括：像素信号检测器210，像素信号放大器230，开关250，和列电路63，以及用于各个列的列区域一起将被称为列区域单元。列区域单元与预放大器61基本一致。

在以上描述的结构中，像素信号控制器200检测通过垂直信号线158读出的像素信号的电平，并在控制用于单元像素103的像素信号的增益的同时输出信号电平。适应性调整用于输出的增益的像素信号控制器200，将被称为自适应增益列调整电路。该像素信号控制器200将在下面详细说明。

在如上所述构造的自适应增益列调整电路中，像素信号检测器210例如经由输出线212a(在图2A中未示出)控制像素信号放大器230的增益设定。而且，像素信号检测器210通过输出线212b(图2A中未示出)发送分类信号Vsepa给控制信号产生器46。响应于分类信号Vsepa，控制信号产生器46控制像素信号放大器230的增益设定。

与分类信号Vsepa通过输出线212a直接提供给像素信号放大器230的情况相比，在控制信号产生器46中执行了额外的处理。这样，像素信号放大器230的增益设定可以根据检测结果从列区域的外部来控制，使得增益设定的灵活性与增益设定仅仅在列区域单元中控制的情况相比得以提高。

例如，依靠分类信号Vsepa和操作时序，当增益设定通过输出线212a直接被控制时，控制能限制为2的幂，例如1(2^0)，2(2^1)，4(2^2)，8(2^4)(“^”代表2的幂)。相反，通过经由控制线212b发送分类信号Vsepa给控制信号产生器46，增益设定能以步长为1的逐步方式在×1到×8甚至更大的范围内得到控制。

例如，单个全屏中的信号的平均电平通过外部电路300来检测，并且表示信号平均电平的检测结果经由中央控制器92被发送到控制信号产生器46。基于从像素信号检测器210接收到的分类信号Vsepa，控制信号产生器46确定2的幂作为给像素信号放大器230设定的增益。接着，增益基于从中央控制器92所报告的平均信号电平而被校正，同时在×1到×8范围内校正的增益被设定给像素放大器230。

而且，像素信号检测器210通过输出线212c输出分类信号Vsepa给固态成像装置10的芯片的外部。此时，分类信号Vsepa与由像素信号放大器230基于单元像素103而放大的成像信号相关地被输出。

“相关地输出”表示像素信号和与像素信号关联的分类信号Vsepa关于像素位置同步输出，以便这些信号在基本上相同的时序输入给提供在后续级(即，信号扩展单元310)的信号处理电路的输入部分。例如，不限于在与由像素信号放大器230放大的信号相同的时序输出分类信号Vsepa到芯片的外部，当模拟成像信号在被传送到信号扩展单元310之前由A/D转换器64数字化时，要考虑由于数字化引起的延迟。

通过在同一个时序输入分类信号Vsepa和像素信号给信号扩展单元310，在信号扩展单元310中的信号处理能得到精确地控制，以便有助于信号处理。

当给像素信号放大器230设定的增益值和像素信号Vsig的电平能从芯片外部发现时，例如，在监视器上显示的单个屏幕通过基于表示像素信号检测器210的检测结果的M位分类信号Vsepa的亮度信息或颜色信息来表示，以便能从外部发现像素信号的电平或增益值。中央控制器92接收来自用户的用于为一个整个屏幕设定增益的指令，并发送该指令到控制信号产生器46。

与增益仅仅在芯片内控制的情况比较，通过允许用户外部设定，增益设定的灵活性得以提高。而且，由于分类信号Vsepa甚至能从芯片外部参考，因此与通过从外部无关于信号电平来控制增益而控制图像亮度相比，即便由用户手动设定，也允许精确的控制。在这种情况下，控制信号产生器46可以在芯片外部提供，例如，通过集成控制信号产生器46与中央控制器92。这样可以降低被芯片占据的区域。

在固态成像单元2(固态成像装置10)的后续级，提供有外部电路300，包括N位(例如12位或14位)A/D转换器64和信号扩展单元310，其是该实施例特征。如以下将要详细描述的，信号扩展单元310具有去除噪声的功能和增益不匹配校正功能。

基于从像素信号检测器210输入的分类信号Vsepa和由A/D转换器64数字化的N位成像信号Vout2，信号扩展单元310扩展N位成像信号的数字动态范围。此时，信号扩展单元310执行数字噪声去除和增益不匹配校正，其是根据本发明的增益校正的实例。

增益不匹配校正的目的是，通过单个屏幕校正增益设定改变，该改变是在像素信号放大器230中为各个像素设定不同增益所引起的，以便整个屏幕恢复原始状态，因此扩展了一个屏幕的信号动态范围。

例如，当给像素信号放大器230设定的增益的调整范围由M位表示时，数据由(N+M)位表示。当分类信号Vsepa的位M的数量相应于增益的调整范围时，N位数据的位分辨率使用输入信号V(i)和分类信号Vsepa来校正，以便扩展位分辨率，例如，从N位到(M+N)位，甚至更多。即便分类信号Vsepa是1位数据，当由分类信号Vsepa表示的增益是×1和×8时，即，当给像素信号放大器230设定的增益是×1和×8(3位的调整范围)时，输入的N位数据被扩展3位。此时，分类信号Vsepa通过增益校正因子产生器316与增益校正因子关联。

信号扩展单元310构成由DSP实现的图像处理器66(如图1所示)的一部分。虽然外部电路300的A/D转换器64和信号扩展单元310与固态成像单元2(固态成像装置10)分开地提供，但是外部电路300可以使用用于制造半导体集成电路的技术，与成像单元110一起集成在由单晶硅等构成的半导体区域上，由此实现作为半导体装置的实例的固态成像装置。

操作原理

接下来，将描述如以上所述的结构的固态成像单元2的操作原理。首先，信号电压Vsig从垂直信号线158(158-1，158-2，...，158-n)输出，并输入到像素信号放大器230。信号电压Vsig被放大特定的放大因数，并将所得到的信号作为输出信号Vout输出。像素信号检测器210在像素信号放大器230的输出端将输出信号Vout与预定的参考电压比较。可选地，像素信号检测器210在像素信号放大器230的输入端上将信号电压Vsig与预定参考电压进行比较。像素信号检测器接着输出分类信号Vsepa。

关于第二实施例的操作时序和检测电路的第一实例

图4显示的是根据图3所示的第二实施例的固态成像单元2的一个水平周期中的操作时序的时序表。图5显示的是在图3所示的第二实施例中的像素信号检测器210的示例结构的图。

如图5所示，在第二实施例中的像素检测器210包括像素信号电平检测器213和分类信号产生器224。像素信号电平检测器213检测通过成像单元110的垂直信号线158输出的像素信号Vsig的电平，并将该电平与预定的阀值比较。该分类信号产生器224基于像素信号电平检测器213检测的结果，产生用于对像素信号Vsig的电平进行分类的分类信号Vsepa。

该像素信号电平检测器213包括开关214，215，216，217，和218，电容器219，和比较器220和222。该分类信号产生器224包括三个触发器(FF)电路226，227，和228。

在像素信号电平检测器213中，预定的参考电压VR通过像素信号检测器210中的电压产生器(未示出)提供给各个比较器220和222的一个输入节点220a和222a。各个开关215到217的一个端子接收预定电平的比较电压Vrc1，Vrc2，和Vrc3，同时各个开关215到217的其它端子共同连接到开关214和电容器219的输出。

开关218被提供在输入节点220b和输出之间，以便比较器220能复位。开关214通过垂直信号线158接收像素信号Vin。像素信号Vin经由开关214被传送给电容器219，并由比较器220与预定的电压比较。比较器220的输出被输入到比较器222的输入节点222b。比较器222的输出被共同输入到触发器电路226，227，和228的数据输入端(D)。

开关214到218接收同步时钟фrc1到фrc3，ф4和ф4’，它们用作通过控制线211从控制信号产生器46来的控制信号。

在分类信号产生器224中，触发器电路226到228的时钟端接收同步时钟/фrc1到/фrc3(在图4中用上横杠表示)，其是同步时钟фrc1到фrc3的反转信号，通过控制线211来自控制信号产生器46。触发器电路226到228的锁存端(R)接收输出的脉冲Rc。

现在，将参考图4所示的时序表描述像素信号检测器210的操作。首先，像素信号放大器230在作为用于控制像素信号放大器230的控制信号的时钟ф1的“H”周期(t10到t23)复位。而且，在ф1＝“H”的周期中，包括单元像素103的浮动扩散区138的像素信号产生器105的复位晶体管136通过经由复位线153(t10到t11)输入复位脉冲R(i)来复位。接着，从单元像素103接收到的复位电平被取样(t11到t12)。

接着，传输控制信号(即，读脉冲)TX(i)通过传输栅极线151拉到“H”，由此由光电二极管等实现的电荷产生器132的信号被读出到浮动扩散区138(t12到t13)。此时，用于开关250的控制信号ф2处在“L”，使得像素信号放大器230被保持复位。

接着，在ф1＝“H”而ф2＝“L”的周期，用于开关214的控制信号ф4被拉到“H”，使得激活像素信号检测器210(t14到t15)。接着，控制信号фrc1到фrc3连续被选择(t16到t21)，以根据信号电平(t22)确定增益。

例如，通过垂直信号线158经由开关214输入的像素信号Vsig在比较器220的输入节点220b的电容器219中被积累(t14到t15)。由比较器220和222基于同步时钟фrc1到фrc3，通过开关215、216、和217的操作，将积累的信号Vsig与比较电压Vrc1、Vrc2、和Vrc3进行比较。三次比较的比较结果Vcomp基于同步时钟/фrc1到/фrc3被写入触发器电路226、227和228。接着，一旦与同步时钟фrc3关联的比较完成，从例如1，2，4，和8等的2的幂中确定像素信号放大器230的增益。

在该实例中，基于与由2的幂表示的增益设定关联的参考电压，执行比较与分类，以便分类信号Vsepa与用于由2的幂表示的像素信号放大器230的增益设定值逐一关联。这样，位控制信号G1，G2和G4(或/G1，/G2，和/G4)能被直接用做切换增益的控制信号，并且分类信号Vsepa的位M的数量等于增益调整范围的位的数量。该关联在仅仅使用一个参考电压时或在参考电压没有用2的幂表示的时不被允许。

例如，当比较和分类仅仅基于与×8的增益关联的参考电压来执行时，分类信号Vsepa是1位数据，并且根据×8的增益，增益的调整范围是三位，使得产生不匹配。然而，即便在这种情况下，当结合其中可以设定×1或×8的增益的像素信号放大器230使用时，1位分类信号Vsepa能直接用于增益设定。然而，在这种情况下，当在信号扩展单元310中校正增益时，执行分类信号Vsepa的一位校正是不够的，必须对由分类信号Vsepa所表示的增益来执行校正，即3位，这将在以后参考图21A和21B来描述。

这样，可以将垂直信号线158上的信号Vsig(更具体地，在复位电平Vrst和像素信号Vsig之间的差分ΔV)分类成一个范围。表示分类结果的分类信号Vsepa基于输出脉冲Rc、作为来自触发器电路226，227，和228的非反相输出端Q的位信号(以后也称为位控制信号)G1、G2和G4被输出，并作为来自反相输出端/Q的位控制信号/G1、/G2和/G4(由图5的上横杠表示)，作为正侧和负侧上的3位数据。

由3位数据表示的分类信号Vsepa被提供给像素信号放大器230，并用做像素信号放大器230的增益设定信号。即，包括触发器电路226、227和228的分类信号224用作根据本发明的增益设定控制器，其根据分类信号Vsepa控制像素信号放大器230的增益设定。

通过为每列提供的分类信号产生器224和像素信号电平检测器213表示分类结果的分类信号Vsepa被反馈，用于为每列所提供的像素信号放大器230的增益设定，由此自动设定像素信号放大器230的增益。就是说，在其中分类信号Vsepa从分类信号产生器224发送到像素信号放大器230来设定像素信号放大器230的增益的结构中，为每个像素列提供增益设定控制器。

而且，由3位数据所表示的分类信号Vsepa被提供给控制信号产生器46，或与由像素信号放大器230放大的输出信号一起读出给固态成像装置10的芯片的外部。可以参考分类信号Vsepa并从控制信号产生器46或从该芯片的外部为像素信号放大器230设定增益。而且，每个像素的增益设定在信号扩展单元310中由数字信号处理来校正，以便在单一屏幕中校正增益设定的变化时，扩展数字动态范围。

虽然在该实施例中分类信号Vsepa从分类信号产生器224输出到列区域单元的外部，可选地，可以直接从像素信号电平检测器213输出检测结果Vcomp，并用它来进行增益设定或增益校正。

而且，在完成为像素信号放大器230确定增益的操作后，控制信号ф1被拉到“L”而控制信号ф2被拉到“H”，使得通过像素信号放大器230来放大在垂直信号线58上的像素信号Vsig。该放大的信号Vout被读出到列区域单元(预放大器61)的外部。这样，低电平的像素信号Vsig在模拟域中被放大，以得到更高电平的信号。

放大的信号Vout可以直接读出到固态成像装置10的外部，或可以通过由列电路63在像素信号放大器230的后续级对信号Vout进行取样和保持来读取，如图2A和3所示。当列电路63被调整为具有CDS或其它噪声抑制功能或DC变化抑制功能时，低电平的信号可以在模拟域中被放大到更高电平，并且与由于固定模式噪声或增益调整而引起的DC电平中的变化关联的噪声被抑制了，使得得到高的S/N比。

比较器的示例结构

图6显示了图5所示的比较器220和222的结构的实例。比较器220和222中的每一个包括差分放大器。更具体地，如图6所示，在比较器220和222中，用于执行差分放大的晶体管对Q220和Q222的源极一起连接到用于提供恒定电流的晶体管Q226，而晶体管Q220和Q222的漏极串联连接到晶体管对Q227和Q228。晶体管Q227和Q228的漏极接收电源电压(在该实例中为2.5V)。

晶体管Q222的栅极相应于图5所示的输入节点220a和222a，并且它接收参考电压VR。晶体管Q220的栅极相应于图5所示的输入节点220b和222b。晶体管Q226的栅极从控制信号产生器46接收预定的控制电压，以便将其作为恒定电流源。晶体管Q227的栅极在比较器220和222中从电压产生器(未示出)接收预定控制信号。可选地，控制信号可以从控制信号产生器46提供给晶体管Q227的栅极。

由于比较器220和222可以由以上描述的差分放大器来实现，因此比较器220和222可以用其中元件数量很少和列区域的面积很小的电路来实现。

接着，将使用数值的特定实例来描述在第二实施例中的像素信号检测器210的操作。例如，在根据第二实施例的结构中，其中信号电压Vsig与在像素信号放大器230的输入端上的预定参考电压比较(参考图3)，参考电压是500mV，250mV，和125mV。这些值是根据垂直信号线158是1V时的信号饱和电平而确定的。更具体地，1V被分成125mV的八个范围。为了执行与这些参考电压的比较，具有分别相应于500mV，250mV，和125mV的预定电平的比较电压Vrc1，Vrc2，和Vrc3被提供给像素信号检测器210。

表示各个像素检测器210(210-1，210-2，...，210-n)的比较结果的输出是由以下的表达式(1)表达的编码(即，分类信号Vsepa)：

Vsig＜125mV Code 000

125mV≤Vsig＜250mV Code 001

250mV≤Vsig＜375mV Code 002

375mV≤Vsig＜500mV Code 003

500mV≤Vsig＜625mV Code 004

625mV≤Vsig＜750mV Code 005

750mV≤Vsig＜875mV Code 006

875mV≤Vsig＜1000mV Code 007 (1)

例如，当Vsig＝300mV时，由编码“002”的3位数字信号表示的比较输出(即，分类信号Vsepa)从输出线212c输出到列区域单元(预放大器61)的外部。当Vsig＝100mV时，由编码“000”的3位数字信号表示的分类信号Vsepa从输出线212c输出到列区域单元的外部。

像素检测器210(210-1，210-2，...，210-n)也从输出线212b输出比较输出(即，分类信号Vsepa)到实现为PGA电路的像素放大器230(230-1，230-2，...，230-n)，同时也从输出线212c输出比较输出给控制信号产生器46。

例如，当Vsig＝300mV时，像素信号放大器230的增益根据来自像素信号检测器210的编码信号“002”而加倍。当Vsig＝100mV时，像素信号放大器230的增益被放大8倍。即，在该实施例中，输入信号电压Vsig通过像素信号放大器230被转换为高电压。例如，×1的增益提供给具有对应于正常亮度的高信号电平的像素，而×8的增益被提供给具有对应于低亮度的低信号电平的像素。

与第一实施例有关的操作时序和检测电路的第二实例

图7显示了根据图2A所示的第一实施例的固态成像单元2的水平周期期间的操作时序。图8显示的是在如图2A所示的第一实施例中的像素信号检测器210的结构实例。

接着，将使用特定数值实例来描述在第一实施例中的像素信号检测器210的操作。例如，在根据第一实施例的结构中，其中信号电压Vout与在像素信号放大器230的输出端的预定参考电压比较，当增益设定由基于2的幂的×2，×4和×8三级来控制时，参考电压为500mV，250mV，和125mV。为了执行与这些参考电压的比较，像素信号检测器210接收具有分别相应于500mV，250mV，和125mV的预定电平的比较电压Vrc1，Vrc2，和Vrc3。

表示比较结果的像素信号检测器210(210-1，210-2，...，210-n)的输出由基于以下表达式(2)中的规则的编码(即，分类信号Vsepa)来表示。通过使用组合三个参考电压500mV，250mV，和125mV，例如125+250＝375mV，125+500＝675mV，500+250＝750mV，和500+125+250＝875mV，可以执行关于不基于2的幂的电平的比较。

Vsig＜125mV Code 000

125mV≤Vsig＜250mV Code 001

250mV≤Vsig＜375mV Code 002

375mV≤Vsig＜500mV Code 003

500mV≤Vsig＜625mV Code 004

625mV≤Vsig＜750mV Code 005

750mV≤Vsig＜875mV Code 006

875mV≤Vsig＜1000mV Code 007 (2)

当基于像素信号检测器210的检测结果将增益设定给像素信号放大器230时，如果基于预定增益检测到的信号电平在像素信号放大器230的线性范围之外，在可以设定给该像素信号放大器230的增益中，将除了该预定增益外的最大增益设定给像素信号放大器230。这样，增益设定就被控制而不至于超出像素信号放大器230的通带范围。

通常，直接使用小电平(在该实例中为100mV)信号，使得S/N比很小，并且结果图像包括了大量的噪声。相反，根据第一和第二实施例，等效的输入信号是800mV，使得S/N比很高而图像质量很好。

而且，虽然A/D转换器64的位数是10并且Vsig＝100mV时精确度通常是6或7位，但根据该实施例，精确度被提高到9或10位。这相当于将A/D转换器64的能力从10位提高到13位。而且，由于可以为每个像素信号设定PGA增益，该实施例对于在模拟-数字(A/D)转换中取得大量的位很有益处。

而且，通过基于2的幂将像素信号检测器210的参考电压数字增加到4个电压，取得4位的精确度，以便模拟信号的S/N比进一步提高。

由于在晶体管的驱动频带的低频区域中的增益增加了，与其中在具有高驱动频率的末端级增加增益的传统技术相比，能够发生的热噪声被降低。当以高帧率用大量像素捕获图像时，通常，噪声会导致由于提供在末端输出级的模拟电路的增加的带宽所引起的问题。相反，根据该实施例，带宽被降低，因此与传统技术相比噪声被减少，并增加了容限。

而且，通过预先确定在像素信号放大器230中要设定的增益的步宽值，可以降低电路规模。虽然可以允许增益连续变化，但在这种情况下，电路变得更加复杂。

此外，根据第一和第二实施例，不使用导致输出信号电平为常量的反馈结构，并且像素信号放大器230在基于特定情况确定的增益下工作。这样，由于反馈增益的非无限性而导致的输出中的变化的问题不会发生，其通常由试图保持输出恒定而发生。这样，就能得到具有适当S/N比的图像。

从图2A和3所示的电路结构可以看出，通过提供在各个列的垂直信号线158上检测信号电平的像素信号检测器210，可以为各个像素设定像素信号放大器230的增益。就是说，当为了优化各个单元像素的信号的增益而将控制电路提供给各个单元像素103时，大面积的区域被占用并增加了成本。相反，根据该实施例，主要由像素信号检测器210和像素信号放大器230构成的像素信号控制器200被提供给每列。这样，通过一行行控制所有单元像素103的增益，可以基本上控制所有单元像素103的增益，而无需增加芯片尺寸。

由于信号饱和电平在各装置之间变化，当在整个屏幕上以相同增益而使得亮度增加时，在屏幕上的亮区超出了信号饱和电平，以至在结果图像中发生由饱和导致的不均衡。相反，根据第一和第二实施例，像素信号检测器210和像素信号放大器230被提供给每列，以便可以单独为每个单元像素103控制像素信号。即，可以在屏幕中为每个具有小信号的单元像素控制增益。因此，可以实行控制以便在屏幕上的亮区不超过饱和。因此，可以为每个装置执行适当的处理，以便不受信号饱和电平中的变化影响。

而且，通过使用根据第一实施例的结构，其中信号电压Vout在像素信号放大器230的输出侧与预定的参考电压比较，防止由像素信号放大器230放大的输出信号Vout超出电路的动态范围。

当垂直信号线158本身的输出饱和时，信号在后续电路中保持饱和。这样，×1的增益被设定给正常亮度的区域，而在低亮度区域，增益被基本提高到正常亮度的信号电平，即，使得像素信号放大器230的输出电平不超出垂直信号线158的饱和电平。为了将其反相，像素信号放大器230的动态范围被选择为与垂直信号线158的饱和电平基本相同或稍大一些。

例如，在根据第二实施例的结构中，其中像素信号检测器210在像素信号放大器230的输入端执行比较，以控制像素信号放大器230的增益，当固态成像装置10(具体地为成像装置110)的信号饱和电平为1V时，而在输入端检测到是0.2V，并且在像素信号放大器230中放大10倍时，像素信号放大器230的输出电压Vout被推定为2V。

根据第二实施例，由于像素信号放大器230的输出不被监视，因此不能发现是否像素信号放大器230为饱和。这样，当像素信号放大器230不具有2V的充分的动态范围时，会产生成像装置饱和的问题。

为了避免超出信号饱和电平，设定放大器电路的增益以便垂直信号线158的信号饱和电平不会被超出是不够的。就是说，为了不超出像素信号放大器230的动态范围，考虑到有关环境或变量的容限，必须设定比相关装置类型的标准动态范围更低一些的增益，以便像素信号放大器230的输出不落在高增益放大的线性范围之外。即便设定增益，使得垂直信号线158的信号饱和电平不会被超出，如果像素信号放大器230不容许(allow for)信号饱和电平(虽然像素信号放大器230通常被设计为容许信号饱和电平)，那么这是无意义的，不能有效地使用适于像素信号放大器230的动态范围。

相反，根据第一实施例，当切换像素信号放大器230的增益设定时，在像素信号放大器230的后续级执行比较。这样，通过检查在增益设定的切换和输出信号中的变化之间的线性度，可以发现是否像素信号放大器230逐个装置地饱和。

这样，当用设定的增益发生饱和时，可以确定不用增益设定来执行放大。这样，有益地，最大增益能被设定在单个装置的动态范围的限制内，以便成像装置的信号饱和电平不被超出。这样，能得到比第二实施例具有更好S/N比的图像。

第三和第四实施例

图9和10显示了主要由CMOS固态成像装置10和外围部件构成的固态成像装置2的第三和第四实施例。第三实施例涉及第一实施例，而第四实施例涉及第二实施例。在图9和10所示的实施例中，固态成像单元2主要由成像单元110和预放大器61构成，并且信号扩展单元310形成在与固态成像单元2(固态成像装置10)相同芯片上。

与以上描述的第一和第二实施例相反，它们涉及输出模拟成像信号的CMOS图像传感器的实例，在第三和第四实施例中，AD转换器被提供在列区域单元中，以便数字成像信号基于一列列而被输出。即，第三和第四实施例的特征在于各个像素信号Vsig的电平对列区域单元(预放大器61)中的每列检测，在于增益能独立地为各个信号的电平而设定，也在于设定增益后的像素信号Vout作为数字信号被输出到列区域单元(预放大器61)的外部。以下将主要描述与第一和第二实施例的不同。

在第三和第四实施例中，像素信号检测器210，像素信号放大器230，和具有AD转换器功能的列电路(以后称之为列ADC电路)280被提供给与像素的列关联的每个列区域，并且在每个列区域中形成数字信号。即，第一和第二实施例中的列电路用列ADC电路280来代替。像素信号检测器210，像素信号放大器230，开关250和列ADC电路280形成每列的列处理器62。

在上述描述的结构中，垂直信号线158的信号电平由在像素信号放大器230的输出端(在第三实施例中)或输入端(在第四实施例中)上的像素信号检测器210检测。接着，该结果被反映到像素信号放大器230的增益设定上，以便像素信号放大器230的增益被优化。像素信号放大器230通过上述设定的增益放大输入信号Vsig，并发送放大的信号给后续级上的列ADC电路280。

列ADC电路280降低了与每列关联的列区域的模拟像素信号Vsig的噪声或DC变化，并将信号转换成例如N位数字信号Vout3。列ADC电路280暂时保持该数字化的像素数据Vout3特定周期，并通过根据经由控制线43从水平扫描器42H输入的水平选择信号CH(i)的移位操作，在特定时序输出各个单元像素的数字化N位像素信号Vout3给列区域单元(预放大器61)的外部和固态成像装置10的的芯片的外部。

与第一和第二实施例类似，像素信号检测器210通过输出线212a和212b(未在图10中示出)发送分类信号Vsepa给像素信号放大器230和控制信号产生器46，并且还通过输出线212c输出该分类信号Vsepa给固态成像装置10的芯片外部，作为M位数据。

在以上描述的结构中，像素信号检测器210保持N位信息，并且列ADC电路280保持M位信息。这样，根据第三和第四实施例，与第一和第二实施例类似，可以通过信号扩展单元310获取等于(N+M)位的信息。即，与第一和第二实施例类似，信号扩展单元310将N位成像信号转换成基于从像素信号检测器210输入的M位分类信号Vsepa和来自列ADC电路280的N位成像信号Vout3的(N+M)位信号。

而且，由于列电路63被列ADC电路280所替代，并且像素信号检测器210，像素信号放大器230，和控制信号产生器46与在第一和第二实施例中的类似，因此能取得具有高S/N比的图像，噪声容限能被增加，同时与第一和第二实施例类似，能避免在信号饱和电平中的变化的影响。而且，根据第三实施例，成像装置的信号饱和电平与第一实施例类似，没有被超出。

像素信号放大器的示例结构

图11A和11B是解释在第一和第三实施例中的像素信号放大器230和外围部件的结构实例(以后称之为第一实例结构)及其操作的图。在第一实例结构中，开关242和246被提供来实现开关电容器噪声去除放大器(以后称之为列放大器)。

更具体地，如图11A所示，来自垂直信号线158的像素信号Vsig经由具有电容7C的电容器232和具有电容1C的电容器233被输入到由运算放大器实现的放大器电路235。在放大器电路235的输入和输出之间，具有电容1C的电容器236被提供来设定反馈增益。电容器233、234和236，以及开关242和246，被提供在输入端和在放大器电路235的输入和输出之间，形成根据本发明的增益设定单元245。放大器电路235和增益设定单元245形成像素信号放大器230，其是可变增益放大器电路的实例。像素信号放大器230与用来通过增益设定单元245控制增益设定的控制器一起形成PGA电路。

放大器电路235的输出被连接到列电路63，还被连接到像素信号检测器210的输入。通过控制信号产生器46的控制线231，开关246接收控制信号ф1，而开关242接收控制信号ф2。

在输入端的电容器232通过开关242连接到放大器电路235。在第一实例结构中，开关242被提供在具有电容7C的电容器232的后续级和放大器电路235的输入之间。

放大器电路235的输出被输入到列电路63，还被输入到像素信号检测器210。像素信号检测器210检查放大器电路235的输出信号的电平，并将结果反映给放大器电路235的末端增益设定。

在以上描述的结构中，如图11B所示，开关246被接通而电容器236通过控制信号ф1复位，从而放大器(amp)被复位(t60到t63)。而且，在该周期中，开关242被接通，而电容器232通过控制信号ф2复位(t61到t62)。

就是说，首先，来自单元像素103的复位电平被通过由开关电容器电路实现的噪声去除放大器(amp)的电容器232和233形成的具有电容8C(7C+1C)的电容器取样。接着，开关242通过控制信号ф2被断开，以便输入电容器232从垂直信号线158(t62)断开。

接着，到成像单元110的传输栅极线151的传输控制脉冲TX被拉到“H”，使得电荷产生器132产生的电荷被传输到浮动扩散区138。这样，对应于由电荷产生器132接收到的光量的像素信号Vsig出现在垂直信号线158上的成像单元110的输出中(t64a到t64b)。

这样，在放大器(amp)复位(t63)后，来自垂直信号线158的像素信号Vsig被输入端的开关电容器电路的电容器233和232取样。由于复位电平被预先取样(t61到t62)，因此放大器电路235输出将复位电平Vrst和输入像素信号Vsig的信号电平Vsig0之间的差ΔV放大预定增益的结果。

此时，在具有电容C1的电容器233和具有电容7C的电容器232的并联电路中，提供在放大器235的输入端的开关242由控制信号ф2控制，以为放大器电路235设定×8(当开关242接通时)或×1的增益(当开关242断开时)。这样，可以通过根据控制信号ф2控制开关242、通过调整电容来调整增益。

例如，在控制信号ф2为“L”而开关242为断开的周期中的特定时序(t63到t66)，像素信号检测器210用×1的增益检测输出信号，从放大器电路235输出(t65)。而且，在控制信号ф2为“H”而开关242为接通的周期中的特定时序(t66到t68)，像素信号检测器210用×8的增益检测输出信号，并从放大器电路235输出(t67)。

像素信号检测器210执行用于各个增益的输出结果的比较，并输出由一位数据表示的分类信号Vsepa。例如，1位的分类信号Vsepa直接提供给像素信号放大器230，并且当信号为高时使用×1的增益，而当信号为低时使用×8的增益。此时，仅仅当通过与增益调整的比较确定甚至用达到放大器电路235的输出的高增益也未超出动态范围时，输出具有高增益的信号。当饱和发生时，高增益不被设定。这样，可以在单个成像装置的动态范围的限制内选择最大的增益，而不会超出信号饱和电平。

因此，与以下将描述的第四实例结构相比，其中通过在放大器电路235的输入和输出之间切换电容来切换增益，无需由反相脉冲控制的开关。

图12显示了在第一和第三实施例中的像素信号放大器230和外围部件的结构以及其操作的另一个实例结构(以后称之为第二实例结构)。另外，在第二实例结构中，提供开关242和246来实现开关电容器列放大器。

如图12A所示，在第二实例结构中，开关242被提供在具有电容7C的电容器232的前级和垂直信号线158之间。与第一实例结构类似，根据本发明的增益设定单元245由提供在输入端和放大器电路235的输入和输出之间的电容器233、234和236以及开关242和246构成。操作时序与第一实例结构相同，如图12B所示。

因此，与将开关242提供在具有7C电容的电容器232的前级的第一实例结构相比，被切换的电容器232不引起对垂直信号线158上的信号的耦合影响。

图13A和3B显示了在第一和第三实施例中的像素信号放大器230和外围部件的结构以及其操作的另一个实例结构(以后称之为第三实例结构)。该第三实例结构还使用开关电容器列放大器来实现，其特征在于允许在放大器电路235的输入端提供的两个电容器232和233两者的切换，还在于这些开关可以提供在两个电容器232和233两个中每个的端部。

更具体地，在第三实例结构中，如图13A所示，根据控制信号ф2(基本与控制信号ф2相同)工作的开关242a被提供在具有7C电容的电容器232的输入端，而根据控制信号ф2工作的开关242b被提供在电容器232的输出侧(即，在放大器电路235的输入侧)。

而且，根据控制信号ф3(基本与控制信号ф3相同)工作的开关243a被提供在具有1C电容的电容器233的输入端，而根据控制信号ф3而工作的开关243b被提供在电容器233的输出端(即，在放大器电路235的输入端)。

根据本发明的增益设定单元245通过提供在输入端和放大器电路235的输入和输出之间的开关242a、242b、243a、243b和246以及电容器233、234和236构成。

在以上描述的结构中，如图13B所示，开关246被接通而电容器236根据控制信号ф1复位，从而放大器(amp)被复位(t80到t83)。而且，在该周期，开关242a，242b，243a，和243b根据控制信号ф2，ф2，ф3和ф3被接通，从而电容器232和233被复位。即，来自单元像素103的复位电平被具有8C(7C+1C)电容的电容器取样，该电容器通过由开关电容器电路实现的噪声去除放大器的电容器232和233所形成(t81到t82)。接着，开关242a和242b根据控制信号ф2和ф2被断开，由此输入电容器232从垂直信号线158断开(t82)。

在放大器被复位(t83)后，如果开关242a，242b，243a和243b被接通，那么输入电容器232和233通过来自垂直信号线158的像素信号Vsig充电，以便放大器电路235的输出改变。

这样，当放大器复位(t83)后，像素信号放大器230保持控制信号ф3和ф3_接通(t83到t86)，并通过由开关电容器电路实现的噪声去除放大器的输入电容器233对来自垂直信号线158的像素信号Vsig取样。由于复位电平被预先取样(t81到t82)，因此放大器电路235输出将在复位电平Vrst和输入像素信号Vsig中的信号电平Vsig0之间的差ΔV放大×1增益的结果，即，输出ΔV。像素信号检测器210在特定时序检测通过将ΔV放大×1增益所获取的像素信号放大器230的输出信号Vout(t85)。

接着，开关243a和243b根据控制信号ф3和ф3被断开，从而输入电容器233从垂直信号线158断开(t86)。接着，开关246根据控制信号ф1接通，以复位放大器(t86到t87)。接着，开关242a和242b根据控制信号ф2和ф2被接通(t87到t89)，从而来自垂直信号线158的像素信号Vsig被由开关电容器电路实现的噪声去除放大器的输入电容器233取样。由于复位电平被预先取样(t81到t82)，因此放大器电路235输出将在复位电平Vrst和输入像素信号Vsig中的信号电平Vsig0之间的差ΔV放大×8的增益的结果，即，输出8ΔV。像素信号检测器210在特定时序检测将ΔV放大×8增益所获取的像素信号放大器230的输出信号Vout(t88)。

像素信号检测器210执行各个增益的输出结果的比较，并输出以1位数据表示结果的分类信号Vsepa。例如，1位的分类信号Vsepa直接提供给像素信号放大器230，并且当信号为高时使用×1增益，而当信号为低时使用×8增益。如果确定达到放大器235的输出的动态范围即便在高增益(在该实例中为×8)下也未被超出，那么信号以高增益输出。如果发生饱和，就不选择高增益。这样，优选的信号被输出，而无需引起放大器电路235的饱和。

根据第三实例结构，与第二实例结构类似，有利地，所切换的电容器232和233不引起对垂直信号线158上的信号的影响。

图14显示了在第二和第四实施例中的像素信号放大器230和外围部件的实例结构(以后称之为第四实例结构)，以及其操作。该第四实例也使用开关电容器列放大器来实现。在图14中，还显示了单元像素103的实例结构。像素信号检测器210具有用来控制像素信号放大器230的增益设定的控制器功能。该像素信号检测器210，像素信号放大器230，和增益设定单元245构成PGA电路。

单元像素103由包括四个晶体管的4TR结构实现，使用浮动扩散区138作为电荷积累器。在该4TR结构中，浮动扩散区138连接到放大晶体管142的栅极，以便该放大晶体管142通过像素线157输出对应于浮动扩散区138的电势(以后称之为FD电势)给作为信号读取线的实例的垂直信号线158。而且，负载MOS晶体管171连接到垂直信号线158，以便实现源极跟随器电路的工作。

例如，当像素信号被读取时，首先，浮动扩散区138通过复位晶体管136被复位。接着，读选择晶体管(传输晶体管)134传输通过由光电二极管等实现的电荷产生器132产生的信号电荷到该浮动扩散区138。为了从连接到垂直信号线158的多个像素中选择像素，用于选择像素的垂直选择晶体管140被接通。接着，只有被选择的像素被连接到垂直信号线158，并且被选择的像素的信号被输出到垂直信号线158。

通过以上描述的操作，由于自举(bootstrap)效应，浮动扩散区138的电势增加，以便输出电压的幅度增加。由于单元像素103被提供有放大晶体管142，因此固态成像单元2(或固态成像装置10)被实现为放大固态成像单元。

单元像素103并不限于以上所述的4TR结构，而可以是其中垂直选择晶体管140连接到放大晶体管142的漏极的4TR结构。而且，无需限于4TR结构，单元像素103可以使用3个晶体管(以后称之为3TR结构)来实现，以便像素尺寸更小，例如，在日本专利公开No.2708455中所公开的。

在第四实例结构中，垂直信号线158连接到像素信号检测器210，并通过根据控制信号ф2所控制的开关250和具有8C电容的电容器233连接到放大器电路235。

在放大器电路235的输入和输出之间，具有1C电容的电容器236被提供来设定反馈增益。与电容器236并联，具有1C电容的电容器237通过根据来自像素信号检测器210的位控制信号G4控制的开关247P来提供，具有2C电容的电容器238通过根据位控制信号G2控制的开关248P来提供，而具有4C电容的电容器237通过根据位控制信号G1控制的开关249P来提供。

在开关247P和电容器237之间的节点通过根据位控制信号/G4控制的开关247N，接收来自控制信号产生器46的控制线231的参考电压Vref2。在开关248P和电容器238之间的节点通过根据位控制信号/G2控制的开关248N，接收参考电压Vref2。在开关249P和电容器239之间的节点通过根据位控制信号/G1控制的开关249N接收参考电压Vref2。这样，电容能通过控制开关247，248P，和249P在C到8C的范围内变化。

这样，在列放大像素信号放大器230中，通过电容器233的8C电容与根据电容器237、238和239的连接状态而确定的从1C到8C范围内的电容的比率，增益可以在×1到×8的范围内变化。

像素信号Vsig从垂直信号线158的开关250的输入端输入到像素信号检测器210。像素信号检测器210检测放大器电路235的输入信号电平，并从而设定放大器235的末端增益。像素信号检测器210和放大器电路235与用于控制增益设定的控制器一起，形成可编程增益控制(PGA)放大器电路。

在以上描述的结构中，如图4所示，开关250和246首先根据控制信号ф1和ф2接通(t10到t12)，而单元像素103的复位电平通过在由开关电容器电路实现的噪声去除放大器的输入端上具有8C电容的电容器233取样(t11到t12)。接着，开关250由控制信号ф2断开，从而输入电容器233从垂直信号线158断开连接(t12)。

接着，到成像单元110的传输栅极线151的传输控制脉冲TX被拉到“H”，由此电荷产生器132产生的电荷被传输到浮动扩散区138。这样，对应于由电荷产生器132接收到的光量的像素信号Vsig出现在载有成像单元110的输出的垂直信号线158(t12到t13)上。

这样，从成像单元110输出的像素信号Vsig被输入到像素信号检测器210，以检测垂直信号线158上的信号的电平。即，当通过位控制信号G4，G2和G1控制开关247P，248P，和249P时，像素信号检测器210将垂直信号线158上的像素信号Vsig的电平与预定的阀值进行比较(t14到t21)。

基于这些比较的结果，像素信号检测器210在像素信号放大器230的输出信号Vout不超出垂直信号线158的信号饱和电平的范围中确定最大增益，同时在像素信号放大器230中设定增益。可选地，像素信号检测器210输出该比较的结果给控制信号产生器46或芯片的外部。

如果没有在垂直信号线158的信号饱和电平未被超出的范围中设定增益，那么像素信号放大器230试图放大在信号饱和电平之上的信号。这样，该输出就超出了信号饱和电平，以至结果画面变差。这个问题可以通过设定增益来避免，以便放大的信号的范围不超出垂直信号线158的信号饱和电平。

通过使用以上描述的方法，发生在像素信号放大器230中的输入参考的噪声的量被最小化。而且，输出信号Vout为每个单元像素103单独放大，以至更接近信号饱和电平。这对抑制后续发生的噪声的影响很有益处。

虽然以上描述了像素信号放大器230的几个实例结构，但所描述的仅仅是实例，还可以作出各种改变。例如，虽然只有一个增益切换线提供在第一到第三实例中，但可以不限于此，可以与第四实例结构类似，提供三个增益切换线，或更多的增益切换线。

而且，虽然第一到第四实例结构通过使用由开关电容器电路实现的噪声去除放大器来实现，同时通过电容比率来改变增益，但可以不限于此，增益还可以通过电阻比率来改变。

如有关第一到第四实例结构中所描述的，当像素信号放大器230使用开关电容器噪声去除放大器来实现时，从以上的描述可以看出，像素信号放大器230工作来在复位后立即放大在复位电平Vrst和像素信号Vsig的信号电平Vsig0之间的差ΔV。这样，通过双关联取样的效果，成像单元110的固定模式噪声(FPN)或被称为复位噪声的噪声信号成分能被去除，同时能减少成像单元110的源跟随器电路的1/f噪声。而且，如以上所描述所构建的像素信号放大器230具有当增益调整时DC输出电平不会改变的优点。即，根据第一到第四实例结构的、包括放大器电路235和增益设定单元245的可变放大器电路(像素信号放大器230)，具有根据本发明的输出DC电平抑制单元。

增益设定方法的第一实例

图15显示了图14所示的像素信号放大器230中的增益设定的第一方法实例。在该第一实例中，像素信号放大器230的增益基于例如1(2^0)，2(2^1)，4(2^2)和8(2^3)(“^”代表2的幂)的2的幂来控制。这样，在信号扩展单元310中的信号处理的数字动态范围能通过对位数进行移位来控制，以便该电路结构能被简化。

在第一实例中，假定信号饱和电平为1V，以便进行控制使得最大增益为1V。例如，当在垂直信号线158上的输出信号为0到125mV时，增益被设定为×8。接着，即便输入信号最大为125mV，放大器电路235的输出信号也为1V。就是说，当信号被输出到列区域单元(预放大器61)的外部时，输出信号也是1V。当输入信号比125mV大并小于或等于250mV时，×4的增益设定给像素信号放大器230。类似地，当输入信号比250mV大并小于或等于500mV时，×2的增益设定给像素信号放大器230。当输入信号比500mV大并小于或等于1V时，×1的增益设定给像素信号放大器230。

在第一实例中，基于2的幂来控制增益设定，以便像素信号放大器230的最大输出等于垂直信号线158的信号饱和电平。但是，无需限于此例，像素信号放大器230的最大输出根据被使用的固态成像单元的规格来确定。然而，很明显，最大输出必须在像素信号放大器230(具体地为放大器电路235)的动态范围内设定。

如上所述，在第一实例中，像素信号放大器230的增益根据从成像单元110输出的像素信号Vsig的电平来设定，当信号电平相对小时设定相对高的增益。这样，可以输出大幅度的像素信号给外部，并关于在像素信号放大器230中产生的噪声而取得最大的S/N比。而且，当信号电平小时，该S/N比最大化。这在实现具有高灵敏度的固态成像单元时很重要。

增益设定的第二方法实例

图16是用于说明图14所示的像素信号放大器230的增益设定的方法的第二实例。同时在该第二实例中，像素信号放大器230的增益通过2的幂来控制。

在该第二实例中，与第一实例类似，信号饱和电平是1V，但进行控制以便由最大增益所获取的最大信号电平是800mV。这在当没有为像素信号放大器230的动态范围提供充分的容限时使用。

例如，当在垂直信号线158上的输出信号为0到100mV时，增益设定为×8。接着，即便当输入信号为最大值100mV时，放大器电路235的输出信号也为800mV。即，当信号被输出到列区域单元(预放大器61)的外部时，信号的电平也为800mV。当输入信号比100mV大并小于或等于200mV时，×4的增益设定给像素信号放大器230。类似地，当输入信号比200mV大并小于或等于400mV时，×2的增益设定给像素信号放大器230。当输入信号比400mV大并小于或等于800mV时，×1的增益设定给像素信号放大器230。

如以上所描述的，在第二实例中，像素信号放大器230的增益根据从成像单元110输出的像素信号Vsig的电平而设定，以便当信号电平相对小时，S/N比最大。即，像素信号Vsig受像素信号放大器230的影响更小。

在增益控制的第一和第二实例中，像素信号放大器230的增益从包括×1、×2、×4和×8的2的幂中选择。可选地，例如，通过控制信号产生器46控制作为位数据的位控制信号G1、G2和G4，增益能以更小的步距在×1到×8的范围内被设定，例如，步距为1。在这种情况下，不可能通过位移位来控制信号扩展单元310的动态范围，以至需要用于计算的一些处理并且电路的结构变得更复杂。而且，可以设定比×8更大的增益。根据应用或其它的因素适当地确定增益设定的范围。

列电路和外围部件的电路结构实例

图17是显示提供在列区域单元(预放大器61)的像素信号放大器230的后续级的列电路63及其外围部件的第一实例电路结构。第一实例涉及第一和第三实施例，其中像素信号检测器210将信号电压Vout与在像素信号放大器230的输出侧的预定参考电压进行比较。

列电路63被提供给各个垂直信号线158(列)。列电路63作为取样和保持电路。即，列电路63接收一行的单元像素103的像素信号Vsig，其经由像素信号放大器230通过垂直信号线158来读取，连续积累通过放大在像素信号放大器230中的像素信号Vsig所获取的输出信号Vout，并在特定时序输出该输出信号Vout给输出放大器129。

例如，列电路63(63-1，63-2，...，63-n)包括：开关272(272-1，272-2，...，272-n)，用来积累信号电荷的电容器274(274-1，274-2，...，274-n)，和读取电路276(276-1，276-2，...，276-n)。

读取电路276(276-1，276-2，...，276-n)包括晶体管277和278。晶体管277的漏极与其它列共同连接到输出放大器129的信号反馈线298，源极连接到像素信号检测器210的输入。像素信号检测器210的输出与其它列共同连接到输出信号线291。像素信号检测器210的检测结果通过输出线212b被输出到控制信号产生器46，并通过输出线212c输出到芯片的外部。在第一结构实例中，不提供通过输出线212a给像素信号放大器230设定增益的功能。

水平取样脉冲фs从水平扫描器42H通过控制线43(43-1，43-2，...，43-n)输入到开关272(272-1，272-2，...，272-n)，而水平选择信号CH(i)被输入到脉冲读取电路286的晶体管288的栅极。

提供在列电路63的后续级的输出放大器129包括两个串联在源极和漏极之间的晶体管292和293，和在源极和漏极之间串联的两个晶体管294和295。

在晶体管292和293之间的漏极源极连接被提供在电源和输出信号线291之间。晶体管294的栅极连接到输出信号线291，在晶体管294和295之间的节点连接到信号反馈线298。晶体管292和293的栅极分别接收控制信号Vbp2和Vbp3。晶体管295的栅极接收控制信号Vbn5。

在以上描述的结构中，当水平取样脉冲фs在特定时序被输入到开关272(参考图7)时，像素放大器230的输出信号Vout被暂时积累在电容器274中。接着，来自水平扫描器42H的水平选择信号CH(i)被提供给晶体管278，以连续选择要读取的行，以便从电容器274来的像素信号由读取电路276和用作外部放大器电路的输出放大器129通过输出信号线291读取作为输出信号Vout1。

此时，在输出信号线291上的像素信号Vout1被输入到晶体管294的栅极，并通过信号反馈线298提供给晶体管277的漏极。通过以上描述的操作，由于自举效应，输出电压的幅度增加了。由于像素信号放大器230由取样和保持电路结构从列电路63断开，因此像素信号放大器230不会受到自举功能的影响。

图18显示的是提供在列区域单元(预放大器61)的像素信号放大器230的后续级的列电路63的第二电路结构实例，以及其外围部件。第二实例也涉及第一和第三实施例，其中像素信号检测器210将信号电压Vout与在像素信号放大器230的输出端上的预定参考电压进行比较。

第二实例的特征在于，像素信号检测器210的检测结果被通过输出线212a提供给像素信号放大器230，以便基于检测的结果给像素信号放大器230设定增益。例如，当由增益放大的像素信号Vout超出像素信号放大器230的饱和电平时，执行控制以便增益被降低。

图19显示的是提供在列区域单元(预放大器61)的像素信号放大器230的后续级的列电路63的第三电路结构实例，以及其外围部件。第三实例涉及第二和第四实施例，其中像素信号检测器210将信号电压Vsig与在像素信号放大器230的输入端上的预定参考电压进行比较。

第三实例与第一实例的差别仅在于像素信号检测器210被去除了。晶体管278的源极与其它列共同连接到输出信号线291。其基本的操作与第一实例的相同，因此不再进行详细描述。

虽然在图17到19所示的第一到第三实例的列电路63很紧凑，但当像素信号放大器230的增益被调整时，如果在其输出中发生DC电平改变，那么DC的改变与信号成分一起积累在电容器274中。这样，DC变量在成像信号上被叠加输出，使得DC改变能产生噪声。因此在第一到第三实施例中的列电路63优选地与其中即便当增益被调整时、输出DC电平也不可能改变的电路一起使用，例如图11到14所示的开关电容器电路。

该结构也可以是从连接在列电路63和输出放大器129的后续级的A/D转换器64中的数字数据中去除在DC电平中的改变。可选地，列电路63可以具有抑制从像素信号放大器230输出的成像信号的DC分量的改变的功能。

通过抑制在列电路63中的输出DC电平的改变，在提供在后续级的A/D转换器64中提供宽的输入动态范围。即，当从提供在后续级的A/D转换器64中去除输出DC电平中的变化时，对包含输出DC电平的改变的信号执行A/D转换，以便输入动态范围能被缩小输出DC电平中的改变量。

图20A显示了具有A/D转换功能的列电路的结构实例，即，提供在列区域单元(预放大器61)的像素信号放大器230的后续级的列ADC电路280，及其外围部件。以下称之为列电路的第四实例。该第四实例涉及第三和第四实施例。

列ADC电路280在抑制固定模式噪声的同时，使用并行处理来自垂直信号线158(列)的信号的A/D转换器，将模拟信号转换成数字信号。列ADC电路280的特征在于箝位用于抑制固定模式噪声的参考信号的方法。

如图20A所示，为了在其中的像素信号Vsig中箝位复位电平，列ADC电路280由双箝位电路实现，其包括由电容器281、放大器282以及开关283形成的第一箝位电路，并包括由电容器284、放大器285和开关286形成的第二箝位电路。

在双箝位电路的输入端，提供有开关287和288以及电容器289来控制出现在垂直信号线158上的像素信号Vsig的取样。第二箝位电路的输出被输入到能保持数据的锁存电路290。

开关283，286，287和288通过控制线43从水平扫描器42H接收控制脉冲S1，S2，S3和S4。开关288的输入端接收用于AD转换的来自信号产生器(未示出)的具有斜坡波形的参考信号(以后称之为ADC参考信号)。锁存电路290接收N位计数器(未示出)的计数器输出值。

在列ADC电路280的结构中，在对应于水平消隐周期的像素信号读取周期(t90到t99)中，单元像素103的复位信号Vrst被输出到垂直信号线158，以响应于复位脉冲R(t91到t92)。这样，列ADC电路280的两个箝位电路在图20B所示的操作时序，根据控制脉冲S1和S2执行粗箝位和精确箝位。

更具体地，首先开关287被接通(t93)，放大器282和286的开关283和286同时闭合(t94)，而开关283打开(t95)。接着，像素信号Vsig被箝位到通过将开关283的切换变化增加到放大器282的阀值而获取的电压。此时，开关286保持闭合，以便该电压用作放大器285的输入阀值电压。

当开关286被打开时(t96)，包括切换变化的电压被箝位。此时，由放大器285的增益所分频的开关286的切换变量的分量被降低到输入信号Vin的变化，以便提高如从输入信号Vin所看到的精确箝位。

这样，发生在箝位电路中的固定模式噪声的发生就被充分地抑制。即，复位信号Vrst的箝位在充分抑制箝位电路的变化的同时完成。

接着，传输控制脉冲TX上升，使得在垂直信号线158上出现像素信号Vsig0(t97a到t97b)。接着，开关288被闭合来执行取样(t98到t99)。当取样完成时，开关287被打开，以便通过开关288提供斜坡波形的ADC参考信号(t99)。

这样，输入信号Vin最终超过了根据斜坡波形的箝位电路的阀值电压，使得放大器285的输出被反相。此时的N位计数器的计数器值作为像素信号，被存储在锁存电路290中，同时A/D转换完成。接着，存储在锁存电路290中的像素数据Vout3在特定时序根据经由控制线路43从垂直扫描器42H输入的水平选择信号CH(i)、通过移位操作被顺序输出到列区域单元(预放大器61)的外部或固态成像装置10的外部。

用以上描述所构建的列ADC电路，能充分抑制固定模式噪声的产生，同时从像素信号放大器230输出的成像信号的DC分量中的变化也能被抑制。即，根据本发明的列ADC电路280还具有输出DC电平抑制单元的功能。

信号扩展单元的结构实例

图21A显示的是信号扩展单元310的结构实例。信号扩展单元310包括噪声抑制单元311和增益校正单元315。噪声抑制单元311抑制包括在输入的N位信号V(j)中的噪声。增益校正单元315校正给像素信号放大器230设定的增益，并参考从像素信号检测器210所得的M位分类信号Vsepa，在由噪声抑制单元311进行噪声抑制后，扩展信号的动态范围。

噪声抑制单元311包括用于在水平周期中保持N位像素信号V(j)的1H存储器，和用于将像素信号V(j)与1H存储器312的输出信号U(j)加在一起的加法器314(实际上由于-U(j)被输入因此执行减法)。

增益校正单元315包括增益校正因子产生器316、乘法器318和加法器320。增益校正因子产生器316将从像素信号检测器210输入的M位分类信号Vsepa转换成增益校正因子。乘法器318将从增益校正因子产生器316输出的增益校正因子E(j)乘以加法器314输出的(V(j)-U(j))。加法器320将从加法器314输出的(V(j)-U(j))与乘法器318的输出Ek(j)相加(实际上由于-Ek(j)被输入因此执行减法)。

在上述描述的结构中，当信号扩展单元310被提供在与固态成像装置10相同的芯片上时，列ADC电路280如在第三和第四实施例中提供给每列，或将A/D转换器64安置在相同芯片上的非列区域上。从像素信号放大器230来的输出信号Vout通过芯片上的A/D转换器电路被转换成N位数字信号，并且N位数字信号被输入到信号扩展单元310。

在第一或第二实施例中的输出放大器129的输出信号Vout1通过A/D转换器64被转换成N位的数字信号Vout2，并被输入到信号扩展单元310作为数字数据V(j)。可选地，在第三或第四实施例中的列ADC电路280的输出数据Vouts被输入到信号扩展单元310中作为数字数据V(j)。而且，从像素信号检测器210来的对应于N位像素信号的M位分类信号在相同时序中被输入到增益校正因子产生器108。

包括1H存储器312和加法器314的噪声抑制单元311在数字域中去除固定模式噪声。该固定模式噪声由于包括为各个列提供的像素信号检测器210、像素信号放大器230和列电路63的列区域(具体地为放大器电路235)中的放大特性的变化而产生。此时，当与具有高分辨率的A/D转换器64组合时，具有高增益的列放大器取得非常高的输入所涉及的分辨率。因此，噪声能以高精确度被去除，使得固定模式噪声能被充分抑制。

在增益校正单元315中，增益校正因子产生器316将分类信号Vsepa转换成增益校正因子E(i)。例如，如果分类信号Vsepa表示×8的增益，那么增益校正因子E(i)被选择为“8”。

接着，乘法器318通过将N位数字信号(V(j)-U(j))除以增益校正因子E(i)来校正它。加法器用增益校正因子Ek(i)校正(V(j)-U(j))，以获取(N+M)位的数字信号。

因此，从像素信号放大器230来的N位放大信号Vout2和Vout3被扩展了由分类信号Vsepa表示的增益设定的位数。在该实例中，分类信号Vsepa逐一对应于像素信号放大器230中的增益值。这样，位数被增加到分类信号Vsepa的位M和信号V(i)的位N的总和。

例如，在信号扩展单元310中，当基于2的幂控制增益，并且最大增益为×8时，如果像素信号放大器230的增益设定为×1，那么N位(例如，14位)信号被放大×8的增益，并且按照增益设定为8倍时输出该N位信号。即，当增益设定为×8时，N位信号向低端移三位，而当增益设定为×1时，N位信号向高端移三位，从而在整体上数字动态范围被扩展3位。

当在像素信号放大器230中维持高的增益设定而不校正增益时，例如，低亮度区域的信号被放大×8的增益，使得增益在屏幕的各区域中不同(即，发生增益不匹配)，同时信号幅度被反相。这样，通过将放大×8增益的区域的信号电平减小到1/8，来校正像素信号放大器230的增益。当如在该例中增益设定基于2的幂时，增益不匹配能通过位移动操作来校正，以便电路结构被简化。

通过以上描述的电路结构，用于小电平信号的S/N比的CMOS图像传感器得以改进，同时能实现(N+M)位的大数字动态范围。与信号仅被允许在N位内改变的情况相比，在(N+M)位中允许数字信号处理，使得量化噪声降低而动态范围增加。

这样，当例如自动曝光(AE)、闪烁校正、γ校正、阴影校正、或色彩平衡等的处理在像素扩展单元310的后续级的数字域中执行时，S/N比不会降低，使得能容易地得到高质量的图像。

第五实施例

图22显示的是主要由CMOS固态成像装置10所构成的固态成像单元2以及其外围部件的第五实施例的示意图。虽然，图22显示了包括列ADC电路280的第三和第四实施例的修改，但类似的修改在包括用列电路63代替列ADC电路280的第一和第二实施例中是可能的。在图22所示的实施例中，固态成像单元2主要由成像单元110和预放大器61组成，以及提供在预放大器的后续级上的信号处理器330形成在与固态成像单元2(固态成像装置10)相同芯片上。

根据第一到第四实施例，像素信号Vsig的幅度为列区域单元(预放大器61)的每列单独检测，同时检测的结果被直接反馈给为每列提供的像素信号放大器230，或间接通过控制信号产生器46或在芯片外提供的控制器来反馈，以便为像素信号Vsig的幅度独立设定增益。

相反，根据第五实施例，像素信号检测器210不提供给各列，并从外部给像素信号放大器230设定增益。在这种情况中，可以在芯片的外部检测像素信号的增益，或无需检测像素信号的幅度、不管像素信号的幅度来设定增益。以下将详细描述其与第一到第四实施例的不同之处。

如图22所示，在第五实施例中，在第一到第四实施例中提供的像素信号检测器210被去除。开关250的切换通过来自时序信号产生器40的控制线251、而不是通过来自控制信号产生器46的控制线251来控制。

预放大器包括像素信号放大器230和为各个列提供的列ADC电路280。像素信号放大器230具有将输入信号放大特定增益的功能。像素信号放大器230根据从控制信号产生器46通过控制线231输入的各种控制信号来操作。ADC电路280具有抑制噪声或或抑制DC改变的功能、以及保持数据的功能。像素信号放大器230和列ADC电路280的结构、功能和操作与关于第一到第四实施例中描述的一样。在第一或第二实施例的修改的情况下，虽然未示出，但列ADC电路280用列电路63代替，并提供像素信号放大器230。

各个列的像素信号放大器230通过在列区域单元(预放大器61)外部提供的控制信号产生器46来控制，以便对一行使用相同的放大因子(即，增益)。即，相同的增益设定用于一行的像素信号的幅度，而不是单独为各个像素独立地设定优化的放大因子，如第一到第四实施例所示。

在预放大器61的后续级，提供用来对从列ADC电路280输入的成像信号Vout3执行噪声去除、增益不匹配校正、数字动态范围的扩展等的信号处理器330。

信号扩展单元的结构实例

图23A和23B显示了在第五实施例中的信号处理器330的结构实例。信号处理器330的第一实例如图23A所示，在芯片的外部检测像素信号的幅度，并参考检测的结果控制增益设定。即，第一实例的像素处理器330包括像素信号电平检测器333和分类信号产生器334。像素信号电平检测器333检测一行或一屏的信号的幅度，并将这些幅度与预定的阀值进行比较。分类信号产生器334产生分类信号Vsepa，用于基于像素信号电平检测器333的检测结果对像素信号Vsig的幅度进行分类。

像素信号电平检测器333包括用来保持一行或一屏(一帧)的输入像素信号V(i)的存储器335。像素信号电平检测器333将像素信号V(i)暂时存储在存储器335中，并计算一行或一个屏幕的像素数据的代表值Vrep。例如，代表值可以是平均数、中值、在最大值和最小值之间的平均值等。优选地，允许根据对系统的理想使用来切换这些值，以被用作代表值。

无需精确地检测单元像素103的每个的信号电平，找到一行或一个屏幕的大致信号电平就足够了。因此，无需增加检测放大器的频率带宽。由于检测电路提供在列区域单元的外部，因此检测器电路不会在像素信号放大器230中产生噪声，并且电路设计的灵活性增加了。即，当像素信号检测器210提供在与固态成像装置10相同的芯片上时，芯片的尺寸和噪声都必须在设计时考虑。相反地，当像素信号电平检测器333提供在芯片外时，这些因素都无需考虑，因此设计的灵活性增加了。

像素信号电平333将如上描述所得的代表值Vrep与预定的阀值比较。分类信号产生器334产生分类信号Vsepa，用于基于像素信号电平检测器213检测到的结果对代表值Vrep(即，一行或一个屏幕的像素信号Vsig)的幅度分类。

接着，分类信号产生器334参考分类信号Vsepa，通过控制信号产生器46控制像素信号放大器230的增益设定。即，根据本发明的分类信号产生器334具有增益设定单元的功能，其从芯片的外部控制像素信号放大器230的增益设定。这可以通过用在图5和8所示的电路结构中的代表值Vrep代替像素信号Vsig而取得。可选地，可以在分类信号产生器334的后续级上提供增益设定控制器338，并通过增益设定控制器336控制控制信号产生器46。

当代表值Vrep表示一行时，增益逐行而改变。例如，当一行的信号电平比特定阀值小时，增益在水平消隐周期期间变化。

当代表值表示一个屏幕时，增益逐帧而改变(一屏一屏地)。例如，当整个屏幕的信号电平比特定阀值小时，增益在垂直消隐周期期间变化。

而且，第一实例中的信号处理器330包括噪声抑制单元341和增益校正单元345。噪声抑制单元341抑制包括在输入N位信号V(j)中的噪声。增益校正单元345校正设定给像素信号放大器230的增益，并参考从像素信号电平检测器333获取的M位分类信号Vsepa，扩展从噪声抑制单元提供的像素信号的动态范围。这些部分的结构与图21A所示的信号扩展单元310的结构相同。

当逐行控制增益设定时，逐行校正增益。当逐屏控制增益设定时(一帧一帧地)，也逐屏校正增益(一帧一帧地)。

图23B显示了信号处理器330的第二实例，其不包括用于在芯片外部检测像素信号幅度的分类信号产生器334和像素信号电平检测器333。相反，第二实例的信号处理器330包括用于从列区域单元的外部、通过控制信产生器46控制像素信号放大器230的增益设定的增益设定控制器338。

而且，第二实例的信号处理器包括噪声抑制单元341和增益校正单元345。噪声抑制单元341抑制包括在输入N位信号V(i)中的噪声。增益校正单元345参考增益设定控制器338设定的增益设定信息来校正增益。增益校正单元345可以被忽略。噪声处理单元341和增益校正处理器345的结构与图21A所示的信号扩展单元310中的那些相同。

在以上描述的第二实例中，用户在检测图像亮度时，通过用户界面(未示出)向增益设定控制器指示所需的亮度或增益。基于接收到的指令，增益设定控制器338按照用户所需控制增益设定。因此，通过从外部控制增益，而不管信号电平，可以控制图像的亮度。

在这种情况中，基本逐帧地(一屏一屏地)控制增益。但，在实际中，用户很少以帧速率改变增益设定，使得可以与在通常的照相机中增加或降低增益的处理类似地考虑处理。因此，在这种情况下，增益校正单元345不是必要的。

如上所描述的，根据第五实施例，提供在列区域单元中的元件数量能被降低。这对减少芯片的尺寸很有益处。而且，不会在像素信号放大器230中由像素信号检测器引起噪声。

噪声分析

图24到26是用于解释在通过由开关电容器实现的噪声去除放大器(列放大器(amp)，或像素信号放大器230)中的噪声分析的图。图24显示了在用于计算像素的源极跟随器热噪声的等效电路中的噪声分析。图25显示了在用于计算从列放大器产生的噪声的等效电路中的噪声分析。图26显示了试验的结果。

在分析噪声中，除了由列放大器产生的噪声，也必须考虑提供在前级的成像单元110产生的噪声和提供在后续级的列电路63、列ADC电路280、和输出电路129产生的噪声。

例如，当在列放大器中进行高增益放大时，减少后续叠加的随机噪声，例如由放大器129产生的噪声或A/D转换器64的量化噪声。但是，部可能在整体上充分地降低噪声，除非由成像单元110的源极跟随器电路或列放大器产生的噪声被被充分地减少。

在噪声源是成像单元110的源极跟随器电路、列电路放大器、后续列电路63和列ADC电路280的热噪声的情况下，也将计算放大器输出中的噪声。

在包括单元像素103的源极跟随器电路、开关电容器列放大器、和列电路63的取样电容器以及列ADC电路280的电路中的噪声分量包括以下五种分量：

(1)由像素源极跟随器电路引起和在复位取样中由列放大器取样的噪声

(2)由在列放大器中的共源极放大器引起和在复位取样中由列放大器取样的噪声

(3)由像素源极跟随器电路引起和由列电路63或ADC电路280在信号取样时直接取样的噪声

(4)由列放大器中的共源极放大器引起和由列电路63或ADC电路280在信号取样时直接取样的噪声

(5)由复位列放大器的反馈电容器的开关所产生的噪声

在图24和25A所示的等效电路中，在分量(1)和(2)的情况下，假定噪声电荷被传输到该输出，来确定有关达到放大器的输入的噪声功率的传输函数，并进行计算。在分量(2)和(3)的情况下，确定有关达到放大器的输出，即，达到列电路63或列ADC电路280的输入的传输函数。在考虑在放大器的输入和输出之间的关系的情况下而计算反馈电容器的复位噪声。

例如，关于由像素源极跟随器(SF)电路产生的噪声，可以通过增加增益G＝C1/C2而降低噪声。用于调整增益的电容器C2在放大器之前或之后被设定，而输入参考的噪声功率(即均方)的近似表达式从以下的公式(3)中得到。这是因为通过增加增益G而增加了限制噪声带宽的效果。

\overset{&OverBar;}{V_{n}^{2}} = \frac{2}{3} kT β_{A} \frac{{(1 + (1 / G) + C_{i} / C_{1})}^{2}}{C_{1} + C_{i} + (1 + G + G C_{i} / C_{1}) C_{3}} - - - (3)

对于由列放大器所产生的噪声，通过增加增益G＝C1/C2能增加噪声。如图25所示，输入参考的噪声功率(即均方)能通过以下的表达式(4)来表示。通过增加增益G，抑制噪声的效果能被增加。而且，虽然噪声通过Ci到C2的比率而增加，但通过增加增益G减小了输入参考的噪声。

\overset{&OverBar;}{V_{n}^{2}} = \frac{2}{3} kT β_{SF} \frac{1}{G {C_{SH} (1 + C_{s} / C_{1}) + (1 + G C_{SH} / C_{1}) (C_{S} + C_{i} + C_{i} C_{s} / C_{1})}} - - - (4)

如上所述，通过在列放大器中如在上述实施例中所描述的调整增益，由像素源极跟随器电路和用于调整增益的列放大器产生的热噪声被降低。

即，通过使用适应性放大像素信号的列电路来增加增益，能降低输入参考噪声。通过在高增益使用具有窄噪声带宽的列电路放大信号，由例如成像单元110的源极跟随器电路或列放大器等显著的噪声源所产生的输入参考噪声被降低。

图26显示了在根据第一实施例构建的试验图像传感器中，在一帧中的一行上的随机噪声的分布。该分布通过关于特定行计算固定模式噪声分量和从一行的输出数据中减去固定模式分量而获取。增益设定为×1时随机噪声σ是785μVrms，增益设定为×8时随机噪声σ是2.1mVrms，而输入参考噪声为263μVrms。即，随机噪声被显著地降低。虽然未示出，在校正前，固定模式噪声是1.7mVrms，而在校正后为50μVrms。即，如在CCD设备中，噪声被有利地降低了。

如上所述，用于独立检测像素信号的幅度和独立设定幅度增益的电路被提供给各个像素列，使得与相关技术比较，通过特定的因素而降低了随机噪声。而且，从固态成像单元2(固态成像装置10)来的电压的幅度很大，使得增加了动态范围。例如，当A/D转换器64是15(17)位宽，而增益设定在从×1到×8的范围内得到控制时，可以得到15(17)位的精确度。这就允许为每个像素提高S/N比，并使用简单的电路结构和很小的像素增加动态范围。

如上所述，根据该实施例，主要可以取得以下益处。

(1)虽然该结构是基于列的，各个像素的信号以优选的放大增益读取，并可以为各个像素独立地设定增益。

(2)小电平的信号的S/N比显著提高，使得固态成像单元取得高灵敏度。

(3)通过执行12(14)位AD转换和关于基于在列电路中的2的幂的正常增益(×1)而执行增益设定(×2，×4，或×8)，可以得到15(17)位或更大的宽动态范围。

(4)即便当如自动曝光、闪烁校正、γ校正、阴影校正、或色彩平衡等处理在数字域中被执行，S/N比也不会降低，同时能容易地得到高质量的图像。

虽然以上的描述是在CMOS图像传感器的上下文中做出的，但本发明可以应用到包括例如照相机、便携式终端、个人计算机的成像装置的各种电子设备，包括固态成像装置，来提高成像装置的功能。

而且，本发明还可以应用到其它结构的高灵敏度的CMOS图像传感器或与CCD组合而成的结合了CCD-CMOS的传感器中。

而且，在不背离本发明的精神的情况下也可对其它部分进行改变。

在本发明的实施例的描述中，表示像素的结构或线方向的“行”和“列”分别是指矩阵的水平方向和垂直方向。但是，本发明并不限于以上所描述的结构。例如，信号可以通过在水平方向上延伸的信号线从像素读取到成像区域的外部。而且，“行”和“列”的方向取决于“行”和“列”如何定义。例如，当“行”表示垂直方向时，本发明将通过交换“行”和“列”而构建。

而且，即便当没有直接以矩阵的形式安置像素，例如，当像素以半间距的移位来安排时，本领域的技术人员能适当地设定“行”和“列”并应用本发明。

Claims

1.一种用于控制包括信号获取单元和列处理器的半导体装置的方法，该信号获取单元包括以行和列排列的单元元件，该单元元件每个包括：用于产生对应于入射电磁波的信号电荷的电荷产生器，和用于产生对应于由该电荷产生器产生的信号电荷的信号的信号产生器，该列处理器被提供给各个列来逐行读取信号，以通过特定的增益放大信号，并随后输出该放大的信号，列处理器分别包括用于将从单元元件读取的信号放大设定给放大器电路的增益的放大器电路，该方法包括：

增益确定控制步骤，以设定给各个放大器电路的不同增益来检测放大器电路或其后续级的输出信号的信号电平，基于所检测的信号电平确定设定给放大器电路的增益，并用所确定的增益使该放大器电路工作。

2.根据权利要求1的方法，其中为每行的每个单元元件单独执行增益确定控制步骤。

3.根据权利要求1的方法，其中每行的代表信号电平基于从列处理器输出的输出信号来确定，基于所确定的代表电平而确定为每行共同设定给放大器电路的增益，同时使放大器电路根据为每行确定的增益来工作。

4.根据权利要求1的方法，其中基于从列处理器输出的输出信号而确定用于整个信号获取单元的每一屏的代表信号电平，基于所确定的代表信号电平而确定为每一屏共同设定给整个信号获取单元的放大器电路的增益，同时使放大器电路根据为屏幕确定的增益而工作。

5.根据权利要求1的方法，其中由于设定给各个放大器电路的不同增益，抑制在为各个列提供的放大器电路中的输出直流电平中发生的变化。

6.一种信号处理方法，用于对从包括信号获取单元和列处理器的半导体装置输出的信号执行预定信号处理，该信号获取单元包括以行和列排列的单元元件，该单元元件每个包括：用于产生对应于入射电磁波的信号电荷的电荷产生器，和用于产生对应于由该电荷产生器产生的信号电荷的信号的信号产生器，该列处理器被提供给各个列来逐行读取信号，以通过特定的增益放大信号，并随后输出该放大的信号，列处理器分别包括用于将从单元元件读取的信号放大设定给放大器电路的增益的放大器电路，该方法包括：

增益确定控制步骤，以设定给各个放大器电路的不同增益来检测放大器电路或其后续级的输出信号的信号电平，基于所检测的信号电平确定设定给放大器电路的增益，并用所确定的增益使该放大器电路工作；和

增益校正步骤，其在增益确定控制步骤之后，基于设定给各个放大器电路的增益，校正从列处理器输出的输出信号。

7.根据权利要求6的信号处理方法，其中增益校正步骤为信号获取单元的一个屏来执行，以产生用于该屏的图像。

8.根据权利要求6的信号处理方法，其中增益确定控制步骤为每行的每个单元元件单独执行，并且增益校正步骤为从各个列处理器输出的每行的单元元件的每个输出信号单独执行。

9.根据权利要求6的信号处理方法，其中每行的代表信号电平基于从列处理器输出的输出信号而确定，基于所确定的各个代表信号电平而确定共同为行设定给放大器电路的增益，放大器电路根据为行所确定的增益而工作，并且为每行单独执行增益校正步骤。

10.根据权利要求6的信号处理方法，其中基于从列处理器输出的输出信号而确定用于整个信号获取单元的每一屏的代表信号电平，基于所确定的代表信号电平而确定共同为该屏而设定给整个信号获取单元的放大器电路的增益，同时使放大器电路根据为该屏确定的增益而工作，并且为每行单独执行增益校正步骤。

11.根据权利要求6的信号处理方法，其中设定给放大器电路的增益是2的幂，同时增益校正步骤通过表示从列处理器输出的输出信号的数字值的移位而执行。

12.根据权利要求6的信号处理方法，其中由于设定给各个放大器电路的不同增益，抑制了在为各个列提供的放大器电路中的输出直流电平中发生的变化。

13.一种半导体装置，包括：

信号获取单元，包括以行和列安排的单元元件，该单元元件的每个包括：电荷产生器，用来产生对应于入射电磁波的信号电荷，和信号产生器，用来产生对应于该由电荷产生器产生的信号电荷的信号，

列处理器，被提供给各个列以逐行读取信号，以通过某个增益来放大信号，并顺序输出该放大的信号，该列处理器分别包括放大电路，用于将从单元元件读出的信号放大设定给该放大器电路的增益；和

增益确定控制器，用于以设定给各个放大器电路的不同增益来检测放大器电路或其后续级的输出信号的信号电平，基于所检测的信号电平确定设定给放大器电路的增益，并使该放大器电路用所确定的增益来工作。

14.根据权利要求13的半导体装置，其中增益确定控制器包括：

用于给放大器电路设定增益的增益设定单元，该增益设定单元提供在列处理器中；

信号电平检测器，用来以设定给各个放大器电路的不同增益检测放大器电路或其后续级的输出信号；和

增益设定控制器，用来基于由信号电平检测器检测的信号电平确定设定给各个放大器电路的增益，并控制增益设定单元以便将所确定的增益设定给各个放大器电路。

15.根据权利要求14的半导体装置，其中进一步包括分类信号产生器，用来将由信号电平检测器检测到的信号电平与多个阀值进行比较，以对信号电平分类，同时产生并输出表示分类结果的分类信号，其中增益设定控制器基于从分类信号产生器输出的分类信号控制增益设定单元。

16.根据权利要求15的半导体装置，其中分类信号产生器提供在为各个列提供的列处理器中，同时该分类信号产生器还用作增益设定控制器。

17.根据权利要求15的半导体装置，其中分类信号控制器输出分类信号给包括信号获取单元和列处理器的半导体芯片的外部。

18.根据权利要求15的半导体装置，其中分类信号产生器输出与从列处理器所输出的由放大器电路放大的信号相关联的分类信号，该关联基于各个单元元件而产生。

19.根据权利要求13的半导体装置，其中信号电平检测器提供在为各个列提供的列处理器中。

20.根据权利要求13的半导体装置，其中信号电平检测器单独从包括信号获取单元和列处理器的半导体芯片提供，同时该信号电平检测器基于从放大器电路输出的输出信号确定每行的代表信号电平。

21.根据权利要求13的半导体装置，其中信号电平检测器单独从包括信号获取单元和列处理器的半导体芯片提供，同时该信号电平检测器基于从列处理器输出的输出信号确定整个信号获取单元的每屏的代表信号电平。

22.根据权利要求14的半导体装置，其中增益设定控制器提供在为各个列所提供的列处理器中。

23.根据权利要求14的半导体装置，其中增益设定控制器提供在列处理器的外部。

24.根据权利要求14的半导体装置，其中当由信号电平检测器检测的、来自具有设定给放大器电路的预定增益的该放大器电路的输出信号的信号电平落在该放大器电路的线性范围之外时，增益设定控制器执行控制，以便将允许设定给该放大电路、除该预定增益以外的最大增益设定给该放大器电路。

25.根据权利要求13的半导体装置，进一步包括输出直流电平抑制单元，用于抑制在列处理器中提供的放大器电路中的输出直流电平由于设定给各个放大器电路的不同增益而产生的变化。

26.根据权利要求25的半导体装置，其中由增益设定单元形成的可变增益放大器电路以及该放大器电路用作输出直流电平抑制单元。

27.根据权利要求13的半导体装置，其中为各个列提供的列处理器包括用于将从放大器电路输出的模拟信号转换成数字值的转换器。

28.根据权利要求27的半导体装置，其中转换器用作输出直流电平抑制单元，用于抑制在各个列处理器中提供的放大器电路中的输出直流电平由于设定给各个放大器电路的不同增益而产生的变化。

29.一种电子设备，用于对从包括信号获取单元和列处理器的半导体装置输出的信号执行预定信号处理，该信号获取单元包括以行和列排列的单元元件，该单元元件每个包括：用于产生对应于入射电磁波的信号电荷的电荷产生器，和用于产生对应于由该电荷产生器产生的信号电荷的信号的信号产生器，该列处理器被提供给各个列来逐行读取信号，以通过特定的增益放大信号，并随后输出该放大的信号，列处理器分别包括用于将从单元元件读取的信号放大设定给放大器电路的增益的放大器电路，该电子设备包括：

增益确定控制器，用于以设定给各个放大器电路的不同增益来检测放大器电路或其后续级的输出信号的信号电平，基于所检测的信号电平确定设定给放大器电路的增益，并使该放大器电路以所确定的增益工作；和

信号扩展单元，用来基于设定给各个放大器电路的增益，而对从列处理器输出的输出信号执行增益校正，从而扩展信号获取单元一个屏的信号的动态范围。

30.根据权利要求29的电子设备，其中信号扩展单元为信号获取单元的一个屏执行增益校正，以产生该屏的图像。

31.根据权利要求29的电子设备，其中增益确定控制器单独为每行的每个单元元件执行增益确定控制，该信号扩展单元为从列处理器输出的每行的单元元件的每个信号单独执行增益校正。

32.根据权利要求29的电子设备，其中增益确定控制器基于从放大器电路输出的输出信号确定每行的代表信号电平，基于确定的代表电平确定共同为该行设定给放大器的增益，同时使放大器电路根据为每行确定的增益工作，同时信号扩展单元为每行单独执行增益校正。

33.根据权利要求29的电子设备，其中增益确定控制器基于从放大器电路输出的输出信号确定整个信号获取单元的每个屏幕的代表信号电平，基于确定的代表信号电平确定共同为该屏设定给放大器电路的增益，同时使放大器电路根据为该屏确定的增益而工作，同时信号扩展单元为每屏单独执行增益校正。

34.根据权利要求29的电子设备，其中增益确定控制器基于2的幂来控制设定给放大器电路的增益，同时信号扩展单元通过表示从列处理器输出的输出信号的数字值的移位而执行增益校正。

35.根据权利要求29的电子设备，进一步包括分类信号产生器，用于将由信号电平检测器检测到的信号电平与多个阀值进行比较以对信号电平分类，同时产生并输出表示分类结果的分类信号，其中增益设定控制器基于从分类信号产生器输出的分类信号控制增益设定单元。

36.根据权利要求35的电子设备，其中分类信号产生器输出分类信号给包括信号获取单元和列处理器的半导体芯片的外部，同时信号扩展单元参照从分类信号产生器输出的分类信号来执行增益校正。

37.根据权利要求35的电子设备，其中分类信号产生器输出与从列处理器输出的、由放大器电路放大的信号关联的分类信号，该关联基于各个单元元件而产生。

38.一种控制半导体装置的方法，该半导体装置包括信号获取单元和列处理器，该信号获取单元包括以行和列排列的单元元件，该单元元件每个包括：用于产生对应于入射电磁波的信号电荷的电荷产生器，和用于产生对应于由该电荷产生器产生的信号电荷的信号的信号产生器，该列处理器被提供给各个列来逐行读取信号，以通过特定的增益放大信号，并随后输出该放大的信号，列处理器分别包括用于将从单元元件读取的信号放大设定给放大器电路的增益的放大器电路，该方法包括：

增益确定控制步骤，其检测从信号获取单元输出的信号的信号电平，基于检测的结果确定设定给放大器电路的增益，并使该放大器电路根据确定的增益而工作；和

增益校正步骤，用于将与从放大器电路输出的信号关联的比较结果或分类信号输出到列处理器的外部，该分类信号用于根据比较结果对信号电平进行分类，该关联基于单独的单元元件而做出，并且参照该比较结果或分类信号，基于设定给各个放大器电路的增益而校正从列处理器输出的输出信号。

39.一种控制半导体装置的方法，该半导体装置包括信号获取单元和列处理器，该信号获取单元包括以行和列排列的单元元件，该单元元件每个包括：用于产生对应于入射电磁波的信号电荷的电荷产生器，和用于产生对应于由该电荷产生器产生的信号电荷的信号的信号产生器，该列处理器被提供给各个列来逐行读取信号，以通过特定的增益放大信号，并随后输出该放大的信号，列处理器分别包括放大器电路，用于将从单元元件读取的信号放大设定给放大器电路的增益，该方法包括：

增益确定控制步骤，用于检测从信号获取单元输出的信号的电平，基于检测的结果确定设定给放大器电路的增益，并使该放大器电路根据确定的增益而工作；和

将从放大电路输出的模拟信号转换成数字值的步骤。

40.一种控制半导体装置的方法，该半导体装置包括信号获取单元和列处理器，该信号获取单元包括以行和列排列的单元元件，该单元元件每个包括：用于产生对应于入射电磁波的信号电荷的电荷产生器，和用于产生对应于由该电荷产生器产生的信号电荷的信号的信号产生器，该列处理器被提供给各个列来逐行读取信号，以通过特定的增益来放大信号，并随后输出该放大的信号，列处理器分别包括放大器电路，用于将从单元元件读取的信号放大设定给放大器电路的增益，该方法包括：

一步骤，抑制放大器电路中的输出直流电平的变化的发生，该变化是由于设定给各个放大器电路的不同增益而产生的。

41.一种成像装置，包括：

成像区域，包括多个像素，每个像素包括电荷产生器，用来产生信号电荷；

放大器电路区域，用于放大从像素输出的信号，并输出该放大的信号，该放大器电路区域被提供在该成像区域的旁边；

输出部分，提供在放大器电路区域的后续级；

其中该放大器电路区域包括多个放大器，基于从输出部分输出的信号的电平而对这些放大器设定增益。