CN1711753A - 固态成像装置 - Google Patents

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Abstract

通过同时的AD转换来获得高质量的数字图像信号，并且通过以低成本快速执行AD转换来输出数字图像信号，而不增加像素阵列部分和光学系统的尺寸。像素阵列部分(110)，其对于每个像素(111)具有光电转换元件和像素晶体管，并且输出模拟像素信号。AD存储器部分(130)，通过对应于所述像素阵列部分(110)中的像素布置在二维矩阵中布置单元存储器(131)将其进行配置，其按顺序存储经垂直信号线读取的模拟像素信号，并且执行包括AD转换的几种类型的处理(例如，通过CDS的固态模式噪声的消除、增益调整等)。所述AD存储器部分(130)的每个所述单元存储器(131)包括AD转换电路(132)，其将从各自像素读取的模拟像素信号转换成数字像素信号。

Description

固态成像装置
技术领域
本发明涉及一种固态成像装置，例如，CMOS图像传感器，其包括具有像素的二维像素阵列，并且从像素阵列中的像素读取信号以处理这些信号。
背景技术
一般，在MOS制造过程中制造CMOS图像传感器。因此，与图像传感器不同，可以将像素阵列和AD转换器电路安装在同一芯片上。
如下所述，关于AD转换器电路，了解3种片上结构。
图6是示出包括这种片上AD转换器电路的CMOS图像传感器的典型结构的示意图。图6中，阴影块200A、200B、和200C示出AD转换器电路的三种典型布局。然而，实际中，仅采用这些布局之一。
参照图6描述公知CMOS图像传感器的结构。
如图所示，该CMOS图像传感器包括在一个芯片上的像素阵列210、垂直(V)选择电路220、列信号处理单元230、水平(H)选择电路240、和输出单元250。
像素阵列210是一个二维阵列(矩阵)，其中包括许多像素211。
V选择电路220在像素阵列210中逐行地在垂直方向上(沿列的方向)按顺序选择像素以驱动所选择的像素。
列信号处理单元230分别对应于在像素阵列210中的像素的各自的列，并且按顺序接收来自单个像素211的信号，例如，去除固定模式噪声和调整增益。
H选择电路240沿行的方向按顺序选择列信号处理单元230，从而将在列信号处理单元230中已处理的单个像素信号输出到输出线241。
输出单元250从输出线241接收像素信号，并且最终处理这些信号以将这些已处理的信号输出为图像信号。
在这种CMOS图像传感器中，后面的包括片上AD转换器电路的三种结构是可能的。
图6的阴影块200A示出例如第5,461,425号美国专利中所公开的典型布局。在该布局中，为每个像素211提供一个AD转换器电路，从而为每个像素执行AD转换，并且输出来自像素211的数字化像素信号(以下称像素级AD转换)。
图6的阴影块200B示出例如第253234号日本专利中所公开的另一典型布局。在该布局中，为每个列信号处理单元230提供一个AD转换器电路，从而为每一列执行AD转换，并且输出来自列信号处理单元230的数字化像素信号(以下称列级AD转换)。
图6的阴影块200C示出另一个典型布局。在该布局中，为每个输出单元250提供一个AD转换器电路，从而对来自输出线241的信号执行顺序的AD转换，并且将来自输出单元250的数字化像素信号输出到芯片的外部(以下称片级AD转换)。该布局与连接到输出模拟信号的设备的AD转换器电路的布局相同。
上述的三种类型AD转换具有下面的问题。
(1)可以对所有像素同时执行像素级AD转换。然而，由于每个像素中设有一个AD转换器，所以增加了像素的尺寸。因此，不利地增加了像素阵列的区域和光学系统的尺寸。另一方面，减小了孔径比(光电二极管对像素的区域比)，从而不利地减小了敏感度。
(2)列级AD转换中的像素具有比像素级AD转换中的像素简单的结构。因此，可以减小像素的尺寸。然而，当输出一个图像帧时，执行AD转换的次数必须和列的数目一样多(例如，几百次到几千次)，因此不利地降低了列级AD转换的速度。
而且，由于在短时间内执行该AD转换，需要增加电路的带宽。因此噪声变大。
而且，由于逐行按顺序执行一帧的AD转换，所以在第一行的AD转换的定时和最后一行的AD转换的定时之间的差是一个帧周期。因此，当需要最小化屏幕中的时间平移(time shifting)时，该AD转换不合适(例如，当捕捉快速运动物体的图像时)。
(3)片级AD转换的特点和列级AD转换的特点相同。即，像素具有简单结构。然而，当输出一个图像帧时，执行AD转换的次数必须和像素的数目一样多(例如，几十万次到几百万次)，因此列级AD转换的速度甚至比列级AD转换的速度还低。
而且，而且，由于在短时间内执行该AD转换，需要增加电路的带宽。因此噪声变大。因此，噪声甚至比列级AD转换中的噪声还大。而且由于逐像素按顺序执行一帧的像素信号的AD转换，所以第一个像素的AD转换的定时和最后一个像素的AD转换的定时之间的差是一个帧周期。因此，当需要最小化屏幕中的时间平移时，该AD转换不合适。
本发明的一个目的在于提供一种固态成像装置，其能够以低负载快速执行AD转换，并且通过同时的AD转换能够输出高质量的数字图像信号，而不增加图像阵列和光学系统的尺寸。
发明内容
为了达到所述目的，根据本发明的一种固态成像装置包括：像素阵列，其在二维阵列中包括多个像素；AD存储器，其对应于所述像素阵列中的像素布置，在二维阵列中包括多个单元存储器，每个单元存储器包括AD转换器电路；像素阵列扫描电路，其扫描像素阵列以将模拟信号从单个像素读取到所述AD存储器中；和存储器扫描电路，其扫描所述AD存储器以输出来自所述单个单元存储器的数字信号。
根据本发明的所述固态成像装置在对应于所述二维像素阵列的AD存储器中的各个单元存储器中包括所述AD转换器电路，并且使用所述AD存储器对从所述单个像素所读取的信号执行AD转换。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施例的包括片上AD转换器电路的CMOS图像传感器的结构的示意图；
图2是示出另一个实施例中的AD转换器电路的示意图；
图3是示出图1所示的所述AD存储器中的一个单元存储器中的典型电路的电路图；
图4是示出图1所示的所述AD存储器的典型操作的时序图；
图5是示出根据本发明的实施例的照相机模块型的固态成像装置的示意图；和
图6是示出包括片上AD转换器电路的公知CMOS图像传感器的典型结构的示意图。
具体实施方式
现在将描述根据本发明的实施例的一种固态成像装置。
图1是示出根据本发明的实施例的包括片上AD转换器电路的CMOS图像传感器的结构的示意图。
如图所示，在一个芯片上该CMOS图像传感器包括像素阵列110、V选择电路120、AD存储器(存储器模块)130、存储器V选择电路140、H选择电路150、和输出单元160。
像素阵列110以二维阵列(矩阵)包括许多像素111，并且经提供给单个像素列的输出信号线(垂直信号线)输出由多个单个像素检测的模拟像素信号。
每个像素111可以具有任何类型的电路结构。例如，像素111包括：光电转换器(例如，光电二极管)；传递晶体管，用于将在光电转换器产生的信号电荷传递到浮动扩散(FD)部分；放大晶体管，用于将由于已传递到FD部分的所述信号电荷而导致的电势的变化转换成电信号，并且输出该电信号；选择晶体管，用于将放大晶体管的输出连接到输出信号线(垂直信号线)；复位晶体管，用于复位FD部分的电势。
V选择电路120在像素阵列110中逐行地在垂直方向上(沿列的方向)按顺序选择像素以驱动所选择的像素。V选择电路120组成像素阵列扫描电路。
AD存储器130在二维阵列中包括单元存储器131。单元存储器131对应于像素阵列110中的像素。AD存储器130按顺序存储经垂直信号线读取的模拟像素信号以执行各种类型的处理。例如，AD转换、由CDS进行的固定模式噪声去除、和增益调整。单元存储器131由DRAM组成。
在AD存储器130中分别为单元存储器131提供AD转换器电路132，以将从单个像素读取的模拟像素信号转换成数字像素信号。
在图1所示的结构中，像素阵列110中的像素111以1对1的关系对应于AD存储器130中的单元存储器131。或者，多个像素可以以N对1的关系(N≥2)对应于一个单元存储器。在这种布置中，一个单元存储器按顺序处理多个(N)像素。当将单元存储器131放置在具有和像素阵列110一样多的列和至少两行的阵列中时，可以同时执行来自一个屏幕中的所有像素的AD转换。因此，所述AD转换所需的时间比上述公知成像装置少。
例如，如图2所示当AD存储器包括的行是像素阵列的一半时，可替换地同时执行来自所有像素的一半的像素的信号的AD转换。从而，可以减少来自屏幕中的所有像素的信号的AD转换所需的时间。
当以加快的速率读取信号以在低分辨率执行高速图像的捕捉时，可以极大地减小一帧的信号的AD转换所需的时间，从而使高速图像捕捉更加方便。在图2所示的固态成像装置中，例如，当将来自依次两行中的像素的信号组合以便读取时，AD存储器可以同时执行来自一帧的像素的信号的AD转换。而且，例如，当所组合的行的数目增加时，或当具有不同于图2的结构的AD存储器所包括的行数比像素阵列的行数的一半少并且至少是两行时，可以以相同的方式执行AD转换。
在本实施例中，AD存储器中的单元存储器处于阵列中从而对应于一个图像帧，并且执行一帧的AD转换。因此，将该AD转换称为帧存储器(frame-memory)级AD转换。
存储器V选择电路140扫描和驱动AD存储器130中的单个单元存储器131，以输出在单个单元存储器131中已处理的数字像素信号。
H选择电路150在沿着行的方向上按顺序选择AD存储器130以将在AD存储器130中已处理的数字像素信号输出到输出线151。存储器V选择电路140和H选择电路150组成存储器扫描电路。
输出单元160从输出线151接收数字像素信号并且最终处理这些信号，以将已处理的信号作为数字图像信号输出到芯片的外部。
在根据本实施例的帧存储器级AD转换中，可以将来自像素阵列110的像素信号短时间内传递到AD存储器130，然后可以同时执行来自所有像素的信号的AD转换。因此，与公知的像素级AD转换不同，因为像素不具有AD转换器电路，所以没有增加每个像素的尺寸，或者没有减小孔径比。而且，与列级AD转换和片级AD转换不同，一帧只需单次AD转换，从而实现高速处理。而且，可以以低速率执行每个AD转换。因此，可以减小AD转换器电路的带宽以降低噪声。
图3是示出根据本实施例的AD存储器130中的一个单元存储器131中的典型电路的电路图。图4是示出根据本实施例的AD存储器130中的典型操作的时序图。
现在将参照图3描述一个单元存储器131的结构。
单元存储器131包括相关双采样(CDS)电路170，用于检测通过一个垂直信号线133来自每个像素的信号电平电压和复位电平电压之间的差，这去除了像素中产生的固定模式噪声。单元存储器131还包括AD转换器电路180(即，对应于图1所示的AD转换器电路132)，用于将锯齿波脉冲与CDS电路170中产生的差分信号作比较以输出数字信号的值。在本实施例中，像素电路输出对应于0电平电压的复位电平电压和小于复位电平电压的信号电平电压。
如图3所示，CDS电路170包括开关(SW1和SW2)171和172、电容(C1和C2)173和174、和差分放大器175。
在说明中AD转换器电路180具有10比特数据的宽度。每个比特包括转换晶体管(Tr0到Tr9)181、采样电容182、和输出晶体管183。
现在参照图4描述AD存储器130的操作。在图4的波形图中，锯齿电压是模拟的并且以与用于其它信号的其它比例不同的比例示出。
(1)用于将信号从像素阵列110读取到AD存储器的周期(存储器模块)130[T1]。
从像素阵列110逐行读取信号并且将信号写入到AD存储器130中的单元存储器131中。单元存储器131对应于各自的像素。
每行的操作如下：
(1-1)首先，当经垂直信号线133输出来自每个像素111的复位电平电压时，闭合开关171和172。
将电容173靠近开关171的部分的电势设置为复位电平。另一方面，在与所述部分相对的电容173的一侧，经锯齿波信号提供线(锯齿波布线(wiringline))191将锯齿波电压施加到差分放大器175的正(+)输入端。因此，当将开关172闭合时，将在差分放大器175的负(-)输入端和输出端之间的电压钳位到锯齿波电压。
(1-2)然后，将开关172断开，并且经垂直信号线133输出来自每个像素的信号电平电压时。此时，差分放大器175的负(-)输入端的电势通过电容173沿负方向与复位电平电压和信号电平电压之差成比例的变化。即，将像素中没有固定模式噪声的信号电压输入到负(-)输入端。
因此，差分放大器175的输出增加到“高”电平，然后晶体管181闭合。
(1-3)当将开关171在此定时下断开时，垂直信号线133与该电路断开，并且保持该状态。
在该周期中，锯齿波信号位于“高”电平。用于驱动晶体管181的时钟布线(ck布线)192和用于驱动晶体管183的时钟布线(字布线)193的电压都位于“低”电平。
对于所有行重复上述的操作以将一帧的信号读取到AD存储器中。
(2)AD转换周期[T2]
接下来，当锯齿波电压从“高”电平变化到“低”电平时，用于驱动晶体管181的时钟ck[0]到ck[9]使用10个比特计数(count up)。当锯齿波电压降到在周期(1)中所保持的差分放大器175的负(-)输入端的电压以下时，差分放大器175的输出反转，并且此时将时钟ck[0]到ck[9]的值(“高”/“低”)，即使用10个比特进行的AD转换的结果，存储在各自的电容器182中。
在本实施例中，由于锯齿波电压和时钟ck[0]到ck[9]共同通过AD存储器，所以对一帧的所有像素同时执行AD转换。每个电容器182存储一个“高”或“低”的值，因此起到DRAM的作用。
(3)存储器访问周期[T3]
接下来，驱动用于晶体管183的字布线193以通过用作比特输出线的比特布线194从AD存储器中的指定(intended)像素读取信号。用于读取信号的电路和方法可以与通常的DRAM相同。可以逐行按顺序从AD存储器读取信号，可以从存储器的一部分读取，或者可以随机地从AD存储器读取。
要读取下一帧数据，类似地执行从周期(1)中的读取操作开始的上述操作。逐行执行周期(1)中的读取操作。因此，即使在用于将信号从像素阵列读取到AD存储器的周期的过程中，也可以访问在AD存储器中当前没有经受读取操作的行。将重复上述的读取操作。
在公知的不包括帧存储器的CMOS图像传感器中，即使当将一行的信号同时读取到列信号处理单元，也要按顺序选择各自的列的列信号处理单元以将信号输出到水平信号线。一行的信号输出操作所需的时间是一行的读取信号操作的几倍到几十倍。直到该依次过程完成时才能读取下一行。
相反，根据本实施例的方法，当完成将一行的信号读取到AD存储器130时，一行的一个读取周期完成。因此，一行的一个读取周期所需的时间是公知CMOS图像传感器的几十分之一到几百分之一。这意味着读行的时间差减小了。因此，可以将屏幕中的时间平移减小到几到几十分之一。当捕获运动物体的图像时，该时间平移会引起物体的图像的变形。根据本实施例的方法，可以将所述变形减小到几到几十分之一。在本实施例中，由于以公知CMOS图像传感器中所使用的方法从像素读取信号，所以，如在公知CMOS图像传感器中那样，可以将通过曝光时间同步来压缩图像中的变形的公知方法应用于本实施例。
而且，根据本实施例的方法，对一帧的所有信号同时执行AD转换，因此，在短时间内完成所述AD转换。
而且，由于当从AD存储器130读取信号时访问帧存储器，所以不需要按行的顺序执行读取操作，而可以按任何顺序执行读取操作。而且，如在通常的DRAM中那样，可以将来自AD存储器130外部的其它信号经所述字线和所述比特线写入到AD存储器。
而且，如在公知CMOS图像传感器中那样，通过在从像素读取信号之前以预定的定时复位所述像素来执行电子关闭。
在上述实施例中，像素电路输出复位电平电压(对应于信号0的电压)和小于复位电平电压的信号电平电压。或者，可以使用其它类型的像素电路。
而且，AD存储器可以具有不同于上述的结构。例如，可以将一个AD转换器电路指定到多个像素。
而且，AD转换器电路可以是斩波型比较器或者增量求和(Δ∑)型AD转换器。而且，例如，可以使用SRAM型存储器代替DRAM型存储器。
根据本发明的固态成像装置可以包括不同于上述的元件。例如，如图5所示，照相机模块型固态成像装置303包括光学系统300、成像单元301、和信号处理芯片302。
而且，像素阵列和AD存储器中的二维布置中的行和列互相没有本质的区别。至少，将像素和单元存储器以接近直角的角度交叉的两个方向放置。在该布置中，取决于观看固态成像装置的方式，可以将像素行视为像素列，反之亦然，并且可以将单元存储器行视为单元存储器列，反之亦然。
工业上的可用性
如上所述，在根据本发明的固态成像装置中，为对应于二维像素阵列的AD存储器中的各个单元存储器提供AD转换器电路。由于这些AD转换器电路对从各个像素读取的信号执行AD转换，所以以阵列放置的AD转换器电路中的分布式处理来执行AD转换。因此，该AD转换的总速率比上述的列级AD转换和片级AD转换高。而且，可以减小每个AD转换的带宽以获得基本上没有噪声的信号。
而且，由于在每个像素中没有AD转换器电路，所以可以简化像素电路的结构，并且可以增加像素的孔径比以增加像素阵列的敏感度。而且，由于可以在短时间内将像素信号从像素阵列读取到AD存储器，所以减小处理屏幕中的时间平移。因此，即使当捕获运动物体的图像时，也可以获得基本没有变形的高质量图像。
而且，由于当从AD存储器读取信号时访问帧存储器，所以不需要按行的顺序执行读取操作，而可以按任何顺序执行读取操作。而且，如在通常的DRAM中那样，可以将来自AD存储器外部的其它信号经所述字线和所述比特线写入到AD存储器。

Claims (11)

1、一种固态成像装置，包括：
像素阵列，其在二维阵列中包括多个像素；
AD存储器，其对应于所述像素阵列中的像素布置，在二维阵列中包括多个单元存储器，每个单元存储器包括AD转换器电路；
像素阵列扫描电路，其扫描所述像素阵列以将模拟信号从单个像素读取到所述AD存储器中；和
存储器扫描电路，其扫描所述AD存储器以输出来自所述单个单元存储器的数字信号。
2、根据权利要求1所述的固态成像装置，还包括：
输出单元，用于处理从所述AD存储器输出的数字信号，并且将已处理的信号输出到所述装置的外部。
3、根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，所述像素阵列中的单个像素以1对1的关系对应于所述AD存储器中的所述单个单元存储器。
4、根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，所述像素阵列中的单个像素以N对1的关系(N≥2)对应于所述AD存储器中的所述单个单元存储器。
5、根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，所述像素阵列扫描电路将所述信号从所述像素阵列读取到所述AD存储器，然后所述AD存储器对所述信号执行AD转换，然后从所述存储器扫描电路输出所述信号。
6、根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，对于所述AD存储器中的所有单元存储器同时执行AD转换。
7、根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，逐像素行将所述信号从所述像素阵列读取到所述AD存储器，并且对于所述AD存储器中的所有单元存储器同时执行AD转换。
8、根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，所述单元存储器包括DRAM。
9、一种固态成像装置，包括：
像素阵列，其在二维阵列中包括多个像素；
AD存储器，其从存储从像素阵列所读取的信号，并且对这些信号执行AD转换；
所述AD存储器至少在二维阵列中包括多个单元存储器；并且
所述多个单元存储器对来自至少两行像素的信号同时执行AD转换。
10、根据权利要求9所述的固态成像装置，其中，所述多个单元存储器对通过组合从所述像素阵列读取的信号而获得的信号同时执行AD转换。
11、根据权利要求9所述的固态成像装置，其中，所述单元存储器对来自所述像素阵列的所述信号执行噪声去除和AD转换。
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