DE112018004410T5

DE112018004410T5 - Festkörper-bildsensor und elektronisches gerät

Info

Publication number: DE112018004410T5
Application number: DE112018004410.6T
Authority: DE
Inventors: Kouji Matsuura
Original assignee: Sony Semiconductor Solutions Corp
Current assignee: Sony Semiconductor Solutions Corp
Priority date: 2017-10-03
Filing date: 2018-09-05
Publication date: 2020-05-20
Also published as: CN111164965A; CN111164965B; JPWO2019069614A1; US20200265909A1; WO2019069614A1; JP7278953B2; US11323648B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Festkörper-Bildsensor, der eine Pixel-Array-Sektion, die eine Vielzahl von Einheitspixeln enthält, die jeweils eine fotoelektrische Umwandlungseinheit aufweisen, wobei die Vielzahl von Einheitspixeln in einer Matrix angeordnet ist,
eine Abtast-Halte-Einheit, die dafür konfiguriert ist, ein Pixelsignal abzutasten und zu halten, das von dem Einheitspixel über eine vertikale Signalleitung abgegeben wird, die in Verbindung mit einer Spaltenanordnung der Pixel-Array-Sektion vorgesehen ist, und eine Analog-Digital-Umwandlungseinheit enthält, die dafür konfiguriert ist, ein von der Abtast-Halte-Einheit abgegebenes Pixelsignal in ein digitales Signal umzuwandeln. Die Abtast-Halte-Einheit weist dann zwei Abtast-Halte-Schaltungen parallel für eine vertikale Signalleitung auf, und zumindest eine der zwei Abtast-Halte-Schaltungen weist zumindest zwei Abtastkondensatoren auf.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen Festkörper-Bildsensor und ein elektronisches Gerät.
HINTERGRUNDTECHNIK
In einem Festkörper-Bildsensor muss eine Ausleseschaltung, die einen Analog-Digital-Wandler oder dergleichen enthält, bei einem erweiterten Eingangsspannungsbereich betrieben werden, der durch eine Variation in Rücksetzpegeln eines Einheitspixels, eine Fluktuation aufgrund eines Dunkelstroms, einer Zunahme des Sättigungssignalbetrags oder dergleichen hervorgerufen wird. Um bei einem weiten Eingangsspannungsbereich betreibbar zu sein, benötigt dann eine analoge Schaltung somit typischerweise eine hohe Stromversorgungsspannung. Die hohe Stromversorgungsspannung erhöht jedoch leider den Leistungsverbrauch dementsprechend, und folglich ist es wünschenswerterweise notwendig, in einem weiten Eingangsspannungsbereich ohne Erhöhung der Stromversorgungsspannung betrieben werden zu können.
In der verwandten Technik offenbart die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2008-219293 eine Technik, die solch ein Problem, zum Beispiel eine Begrenzung eines Eingangsspannungsbereichs aufgrund eines Dunkelstroms angeht. Die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2008 - 219293 offenbart die Technik, in der eine Feedback- bzw. Rückkopplungs-Steuereinheit zum Abgeben eines Offset-Kompensationssignals, das genutzt wird, um einen Fehlerbetrag zwischen einem Ausgangssignal eines lichtabgeschirmten Pixelbereichs und einem Referenzwert gemeinsam für jede Eingangsseite einer Vielzahl von Analog-Digital-Wandlern zu kompensieren, bereitgestellt wird, wobei dadurch der Eingangsspannungsbereich erweitert wird, indem das Offset-Kompensationssignal vom Ausgangssignal des effektiven Pixelbereichs subtrahiert wird.
ZITATLISTE
PATENTDOKUMENT
Patentdokument 1: offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2008-219293
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
Die in der oben erwähnten offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 2008-219293 offenbarte verwandte Technik muss mit einer zusätzlichen Schaltung, das heißt, einer Rückkopplungs-Steuereinheit, um den Eingangsspannungsbereich zu erweitern, außerhalb der Ausleseschaltung versehen werden. Somit gibt es Bedenken in Bezug auf eine Zunahme der Schaltungsgröße aufgrund einer Installation der zusätzlichen Schaltung, einer Verschlechterung von Rauschcharakteristiken aufgrund der zusätzlichen Schaltung oder dergleichen.
Im Hinblick darauf stellt die vorliegende Offenbarung einen Festkörper-Bildsensor bereit, der bei einem weiten Eingangsspannungsbereich ohne Installieren einer zusätzlichen Schaltung außerhalb der Ausleseschaltung oder Einstellen einer Stromversorgungsspannung auf einen hohen Pegel betrieben werden kann, und stellt ein elektronisches Gerät bereit, das solch einen Festkörper-Bildsensor enthält.
LÖSUNGEN FÜR DIE PROBLEME
Um das obige Problem zu lösen, umfasst ein Festkörper-Bildsensor gemäß der vorliegenden Offenbarung:

eine Pixel-Array-Sektion, die eine Vielzahl von Einheitspixeln enthält, die jeweils eine fotoelektrische Umwandlungseinheit aufweisen, wobei die Vielzahl von Einheitspixeln in einer Matrix angeordnet ist;
eine Abtast-Halte-Einheit, die dafür konfiguriert ist, ein Pixelsignal abzutasten und zu halten, das von der Pixeleinheit über eine vertikale Signalleitung abgegeben wird, die in Verbindung mit einer Spaltenanordnung der Pixel-Array-Sektion bereitgestellt ist; und
eine Analog-Digital-Umwandlungseinheit, die dafür konfiguriert ist, ein von der Abtast-Halte-Einheit abgegebenes Pixelsignal in ein digitales Signal umzuwandeln,
worin die Abtast-Halte-Einheit zwei Abtast-Halte-Schaltungen parallel für eine vertikale Signalleitung aufweist, und
zumindest eine der zwei Abtast-Halte-Schaltungen zumindest zwei Abtastkondensatoren aufweist.

Darüber hinaus enthält ein elektronisches Gerät gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, um die obige Aufgabe zu lösen, den Festkörper-Bildsensor mit der oben beschriebenen Konfiguration.
EFFEKTE DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, in einem weiten Eingangsspannungsbereich ohne Installieren einer zusätzlichen Schaltung außerhalb der Ausleseschaltung oder Einstellen der Stromversorgungsspannung auf einen hohen Pegel zu arbeiten.
Man beachte, dass der hier beschriebene Effekt nicht notwendigerweise eine Einschränkung darstellt, sondern einer der in der vorliegenden Patentbeschreibung beschriebene Effekte erzielt werden kann. Auch ist der in der vorliegenden Patentbeschreibung beschriebene Effekt nur ein Beispiel und nicht darauf beschränkt, und ein zusätzlicher Effekt kann ermöglicht werden.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm, das eine schematische Basiskonfiguration eines CMOS-Bildsensors als ein Beispiel eines Festkörper-Bildsensors gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
2 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Beispiel einer Schaltungskonfiguration in einem Einheitspixel veranschaulicht.
3 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht, die eine gestapelte Struktur eines CMOS-Bildsensors schematisch veranschaulicht.
4 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Schaltungskonfiguration einer Ein-Pixel-Spalte einer Abtast-Halte-Einheit gemäß einem ersten Beispiel veranschaulicht.
5 ist ein Zeitsteuerungs-Wellenformdiagramm, das eine Wellenform eines Potentials einer vertikalen Signalleitung und eine Zeitsteuerungsbeziehung zwischen Schalt-Steuersignalen jedes Schaltelements von zwei Abtast-Halte-Schaltungen im Fall des ersten Beispiels veranschaulicht.
6 ist ein Diagramm, das veranschaulicht ist, um eine Operation beim Abtasten eines Rücksetzsignals V_rst zu beschreiben.
7 ist ein Diagramm, das veranschaulicht ist, um eine Operation in dem Fall zu beschreiben, in dem ein Datensignal V_data abgetastet wird und ein Rücksetzsignal V_rst gehalten wird.
8 ist ein Diagramm, das veranschaulicht ist, um eine Operation in dem Fall zu beschreiben, in dem das Datensignal V_data gehalten wird.
9 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Schaltungskonfiguration einer Ein-Pixel-Spalte einer Abtast-Halte-Einheit und eine Konfiguration eines Single-Slope- bzw. Sägezahn-Analog-Digital-Wandlers gemäß einem zweiten Beispiel veranschaulicht.
10 ist ein Zeitsteuerungs-Wellenformdiagramm, das eine Wellenform eines Potentials einer vertikalen Signalleitung und eine Zeitsteuerungsbeziehung zwischen Schalt-Steuersignalen jedes Schaltelements von zwei Abtast-Halte-Schaltungen im Fall des zweiten Beispiels veranschaulicht.
11 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Schaltungskonfiguration einer Ein-Pixel-Spalte einer Abtast-Halte-Einheit und eine Konfiguration eines Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandlers gemäß einem dritten Beispiel veranschaulicht.
12 ist ein Zeitsteuerungs-Wellenformdiagramm, das eine Wellenform eines Potentials einer vertikalen Signalleitung und eine Zeitsteuerungsbeziehung zwischen Schalt-Steuersignalen jedes Schaltelements von zwei Abtast-Halte-Schaltungen im Fall des dritten Beispiels veranschaulicht.
13 ist ein Diagramm, das ein Anwendungsbeispiel einer Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
14 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Bildaufnahmevorrichtung veranschaulicht, die ein Beispiel des elektronischen Geräts der vorliegenden Offenbarung ist.
15 ist ein Blockdiagramm, das ein schematisches Konfigurationsbeispiel eines Fahrzeugsteuerungssystems veranschaulicht, das ein Beispiel eines Systems zur Steuerung beweglicher Objekte ist, für das die Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendbar ist.
16 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Installationsposition einer Bildaufnahmeeinheit veranschaulicht.

MODUS ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Im Folgenden wird unter Verwendung der Zeichnungen ein Modus zum Ausführen der Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung (worauf im Folgenden als „Ausführungsform“ verwiesen wird) im Detail beschrieben. Die Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung ist nicht auf die Ausführungsform beschränkt, und verschiedene numerische Werte in den Ausführungsformen sind Beispiele. In der folgenden Beschreibung werden die gleichen Bezugszeichen für die gleichen Elemente oder die Elemente mit der gleichen Funktion verwendet, und eine wiederholte Beschreibung wird weggelassen. Man beachte, dass eine Beschreibung in der folgenden Reihenfolge vorgenommen wird.

1. Allgemeine Beschreibung eines Festkörper-Bildsensors und eines elektronischen Geräts der vorliegenden Offenbarung
2. Festkörper-Bildsensor der vorliegenden Offenbarung
2-1. Basiskonfiguration
2-2. Schaltungskonfiguration eines Einheitspixels
2-3. Gestapelte Struktur
2-4. Erweiterung eines Eingangsspannungsbereichs
2-5. Abtast-Halte-Einheit gemäß Ausführungsformen
2-5-1. Erstes Beispiel (Beispiel mit zwei Abtastkondensatoren)
2-5-2. Zweites Beispiel (Beispiel, in dem ein Abtastkondensator eine Kombination einer Vielzahl von Einheitskondensatoren enthält und ein Sägezahn-Analog-Digital-Wandler verwendet wird)
2-5-3. Drittes Beispiel (Beispiel, in dem ein Abtastkondensator eine Kombination einer Vielzahl von Einheitskondensatoren enthält und ein Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler verwendet wird)
2-6. Modifikation von Ausführungsformen
2-7. Anwendungsbeispiel von Ausführungsformen
3. Anwendungsbeispiel der Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung
3-1. Elektronisches Gerät der vorliegenden Offenbarung (Beispiel einer Bildaufnahmevorrichtung)
3-2. Anwendungsbeispiel für ein bewegliches Objekt
4. Konfiguration, die unter Anwendung der vorliegenden Offenbarung erreichbar ist

<Allgemeine Beschreibung eines Festkörper-Bildsensors und eines elektronischen Geräts der vorliegenden Offenbarung>
Der Festkörper-Bildsensor und das elektronische Gerät gemäß der vorliegenden Offenbarung können die Konfiguration mit einer gestapelten Struktur enthalten, in der zumindest zwei Halbleitersubstrate eines ersten Halbleitersubstrats und eines zweiten Halbleitersubstrats aufeinander angeordnet sind. Außerdem ist in dieser gestapelten Struktur vorzugsweise eine Pixel-Array-Sektion auf dem ersten Halbleitersubstrat ausgebildet, und die Abtast-Halte-Einheit ist vorzugsweise auf einem anderen Halbleitersubstrat als dem ersten Halbleitersubstrat ausgebildet.
In dem Festkörper-Bildsensor und dem elektronischen Gerät der vorliegenden Offenbarung, die die oben beschriebene vorzuziehende Konfiguration enthalten, kann zumindest eine von zwei Abtast-Halte-Schaltungen mit einer ersten Schaltereinheit versehen sein, die zwischen Eingangsenden von Abtastkondensatoren selektiv kurzschließt. Außerdem kann jeder von zumindest zwei Abtastkondensatoren eine Kombination einer Vielzahl von Einheitskondensatoren enthalten.
Darüber hinaus kann in dem Festkörper-Bildsensor und dem elektronischen Gerät der vorliegenden Offenbarung, die die oben beschriebene vorzuziehende Konfiguration enthalten, zumindest eine der zwei Abtast-Halte-Schaltungen mit einer zweiten Schaltereinheit versehen sein, die eine Gruppe von Schaltern enthält, die zwischen einer vertikalen Signalleitung und jedem Eingangsende einer Vielzahl von Einheitskondensatoren selektiv kurzschließen, indem ein unabhängiges Steuersignal genutzt wird. Außerdem kann die erste Schaltereinheit eine Gruppe von Schaltern enthalten, die zwischen Eingangsenden einander benachbarter Einheitskondensatoren selektiv kurzschließen.
Überdies kann in dem Festkörper-Bildsensor und dem elektronischen Gerät der vorliegenden Offenbarung, die die oben beschriebene vorzuziehende Konfiguration enthalten, ein Pixelsignal ein von einem Einheitspixel beim Rücksetzen abgegebenes Rücksetzsignal und ein vom Einheitspixel während einer fotoelektrischen Umwandlung abgegebenes Datensignal umfassen. Außerdem kann eine der zwei Abtast-Halte-Schaltungen einen Abtastkondensator zum Abtasten des Rücksetzsignals und einen Abtastkondensator zum Abtasten des Datensignals enthalten.
Zudem können der Festkörper-Bildsensor und das elektronische Gerät der vorliegenden Offenbarung, die die oben beschriebene vorzuziehende Konfiguration enthalten, das Kondensatorverhältnis zwischen dem Abtastkondensator zum Abtasten des Rücksetzsignals und dem Abtastkondensator zum Abtasten des Datensignals steuern, indem jeder Schalter in der Schaltergruppe der zweiten Schaltereinheit geschaltet wird. Außerdem können die zwei Abtast-Halte-Schaltungen die gleichen Schaltungskonfigurationen aufweisen.
Überdies kann in dem Festkörper-Bildsensor und dem elektronischen Gerät der vorliegenden Offenbarung, die die oben beschriebene vorzuziehende Konfiguration enthalten, eine Analog-Digital-Umwandlungseinheit einen Sägezahn-Analog-Digital-Wandler oder einen Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler enthalten.
<Festkörper-Bildsensor der vorliegenden Offenbarung> [Basiskonfiguration]
Die Basiskonfiguration des Festkörper-Bildsensors gemäß der vorliegenden Offenbarung wird zunächst beschrieben. Die vorliegende Ausführungsform wird als Festkörper-Bildsensor beschrieben, indem ein komplementärer MetallOxid-Halbleiter-(CMOS-)Bildsensor beispielhaft dargestellt wird, der ein Typ von Festkörper-Bildsensoren ist, die ein X-Y-Adressverfahren verwenden. Der CMOS-Bildsensor ist ein Bildsensor, der hergestellt wird, indem der CMOS-Prozess verwendet oder teilweise genutzt wird.
1 ist ein Blockdiagramm, das eine schematische Basiskonfiguration des CMOS-Bildsensors als ein Beispiel des Festkörper-Bildsensors der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. Der CMOS-Bildsensor 1 gemäß diesem Beispiel enthält eine Pixel-Array-Sektion 11, in der ein Einheitspixel 2 (worauf im Folgenden manchmal einfach als „Pixel“ verwiesen wird) eine fotoelektrische Umwandlungseinheit und eine periphere Schaltungssektion in der Nähe der Pixel-Array-Sektion 11 aufweist. Hier sind die Einheitspixel in einer Reihenrichtung und einer Spaltenrichtung, das heißt, in einer Matrix, zweidimensional angeordnet. In dieser Beschreibung bezieht sich die Reihenrichtung auf die Richtung der Einheitspixel 2, die in der Pixelreihe (sogenannten horizontalen Richtung) angeordnet sind, und die Spaltenrichtung bezieht sich auf die Richtung der Einheitspixel 2, die in der Pixelspalte (sogenannten vertikalen Richtung) angeordnet sind. Das Einheitspixel 2 führt eine fotoelektrische Umwandlung durch, um eine einer Menge des empfangenen Lichts entsprechende fotoelektrische Ladung zu erzeugen und zu akkumulieren.
Die periphere Schaltungssektion in der Nähe der Pixel-Array-Sektion 11 umfasst in einem Beispiel eine Reihe-Auswahleinheit 12, eine Lade-MOS-Einheit 13, eine Abtast-Halte-Einheit 14, eine Analog-Digital-Umwandlungseinheit 15, eine Speichereinheit 16, eine Datenverarbeitungseinheit 17, eine Ausgabeeinheit 18 und eine Zeitpunkt-Steuereinheit 19 oder dergleichen.
Die Pixel-Array-Sektion 11 weist die Matrix-Pixelanordnung auf, die eine Pixel-Ansteuerungsleitung 31 und eine vertikale Signalleitung 32 umfasst. Die Pixel-Ansteuerungsleitungen 31 (31₁ - 31_m ) sind entlang der Reihenrichtung für jede Pixelreihe verdrahtet, und die vertikalen Signalleitungen 32 (32₁ - 32_n ) sind entlang der Spaltenrichtung für jede Pixelspalte verdrahtet. Die Pixel-Ansteuerungsleitung 31 überträgt beim Auslesen eines Signals von der Pixeleinheit 2 ein Ansteuerungssignal, das genutzt wird, um es anzusteuern. Die Pixel-Ansteuerungsleitung 31 ist als eine Verdrahtung in 1 veranschaulicht; aber deren Anzahl ist nicht auf Eins beschränkt. Ein Ende der Pixel-Ansteuerungsleitung 31 ist mit einem mit jeder Reihe der Reihe-Auswahleinheit 12 verbundenen zugeordneten Ausgangsende verbunden.
Nun wird jede Schaltungseinheit der peripheren Schaltungssektion in der Nähe der Pixel-Array-Sektion 11, das heißt, die Reihe-Auswahleinheit 12, die Lade-MOS-Einheit 13, die Abtast-Halte-Einheit 14, die Analog-Digital-Umwandlungseinheit 15, die Speichereinheit 16, die Datenverarbeitungseinheit 17, die Ausgabeeinheit 18 und die Zeitpunkt-Steuereinheit 19, beschrieben.
Die Reihe-Auswahleinheit 12 enthält ein Schieberegister, einen Adressdecodierer oder dergleichen und steuert jedes Pixel 2 der Pixel-Array-Sektion 11 zur gleichen Zeit für alle Pixel oder in Einheiten von Reihen an. Mit anderen Worten bilden die Reihe-Auswahleinheit 12 und die Zeitpunkt-Steuereinheit 19, die die Reihe-Auswahleinheit 12 steuert, eine Ansteuerungseinheit, die jedes Pixel 2 der Pixel-Array-Sektion 11 ansteuert. Wenn auch die spezifische Konfiguration der Reihe-Auswahleinheit 12 nicht veranschaulicht ist, enthält die Reihe-Auswahleinheit 12 typischerweise zwei Scansysteme, ein Auslese-Scansystem und ein Auskehr-Scansystem.
Das Auslese-Scansystem scannt selektiv die Einheitspixel 2 der Pixel-Array-Sektion 11 sequentiell in Einheiten von Reihen, um Pixelsignale von den Einheitspixeln 2 auszulesen. Das vom Einheitspixel 2 ausgelesene Pixelsignal ist ein analoges Signal. Das Auskehr-Scansystem führt einen Auskehr-Scan in Bezug auf die Auslese-Reihe, auf der der Auslese-Scan durch das Auslese-Scansystem durchgeführt wird, vor dem Auslese-Scan gemäß der der Blenden- bzw. Shutter-Geschwindigkeit entsprechenden Zeit durch.
Der Auskehr-Scan durch das Auskehr-Scansystem kehrt unnötige elektrische Ladung aus der fotoelektrischen Umwandlungseinheit der Pixelelektrode 2 in der Auslese-Reihe aus, wodurch die fotoelektrische Umwandlungseinheit zurückgesetzt wird. Dieses Auskehren (Zurücksetzen) unnötiger elektrischer Ladung durch das Auskehr-Scansystem ermöglicht somit, dass eine sogenannte elektronische Blenden- bzw. Shutter-Operation durchgeführt wird. In dieser Beschreibung bezieht sich die elektronische Shutter-Operation auf eine Operation, um fotoelektrische Ladung der fotoelektrischen Umwandlungseinheit auszukehren und eine neue Belichtung zu beginnen (eine Akkumulation fotoelektrischer Ladung zu beginnen) .
Das Signal, das durch das die Ausleseoperation durchführende Auslese-Scansystem ausgelesen wird, entspricht der Lichtmenge, die im Anschluss an die unmittelbar vorausgehende Ausleseoperation oder die elektronische Shutter-Operation empfangen wird. Die Periode von dem Auslese-Zeitpunkt bei der unmittelbar vorausgehenden Ausleseoperation oder der Auskehr-Zeitpunkt bei der elektronischen Shutter-Operation bis zum Auslese-Zeitpunkt bei der aktuellen Leseoperation ist dann die Periode der Belichtung mit fotoelektrischer Ladung in dem Einheitspixel 2.
Die Lade-MOS-Einheit 13 enthält einen Satz Stromquellen I mit einem MOS-Transistor, der mit jeder der vertikalen Signalleitungen 32 (32₁ - 32_n ) für jede Pixelspalte verbunden ist (siehe 2) und stellt jedem Pixel 2 in der Pixelreihe, die durch die Reihe-Auswahleinheit 12 selektiv gescannt wird, über jede vertikale Signalleitung 32 einen Ruhestrom bereit.
Die Abtast-Halte-Einheit 14 tastet über die vertikalen Signalleitungen 32 (32₁ - 32_n ) bereitgestellte Pixelsignale ab und hält sie (Abtast-Halte-Operation). Die Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung wird auf die Abtast-Halte-Einheit 14 angewendet. Die Abtast-Halte-Einheit 14, für die die Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet wird, weist in Bezug auf eine vertikale Signalleitung 32 zwei Abtast-Halte-Schaltungen parallel auf. Außerdem weist zumindest eine der zwei Abtast-Halte-Schaltungen zumindest zwei Abtastkondensatoren auf. Eine detaillierte Beschreibung der Abtast-Halte-Einheit 14 wird später gegeben.
Die Analog-Digital-(A/D-)Umwandlungseinheit 15 enthält einen Satz einer Vielzahl von Analog-Digital-Wandlern, die in Zuordnung mit den vertikalen Signalleitungen 32 (32₁ - 32_n ) vorgesehen sind, und wandelt ein für jede Pixelspalte von der Abtast-Halte-Einheit 14 abgegebenes analoges Pixelsignal in ein digitales Signal um. Der Analog-Digital-Wandler kann einen allgemein bekannten Analog-Digital-Wandler verwenden. Konkret kann der Analog-Digital-Wandler als ein Beispiel einen Sägezahn-Analog-Digital-Wandler, einen Analog-Digital-Wandler für sukzessive Approximation oder einen Delta-Sigma-(ΔΣ-)Analog-Digital-Wandler verwenden. Der Analog-Digital-Wandler ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt.
Die Speichereinheit 16 speichert ein Ergebnis einer Analog-Digital-Umwandlung der Analog-Digital-Umwandlungseinheit 15 über eine Verarbeitung in der Datenverarbeitungseinheit 17.
Die Datenverarbeitungseinheit 17 ist eine digitale Signalverarbeitungseinheit, die ein von der Analog-Digital-Umwandlungseinheit 15 abgegebenes digitales Signal verarbeitet. Die Datenverarbeitungseinheit 17 führt eine Verarbeitung zum Schreiben oder Lesen eines Ergebnisses einer Analog-Digital-Umwandlung zu oder von der Speichereinheit 16 durch oder führt verschiedene Arten einer Verarbeitung an dem Ergebnis einer Analog-Digital-Umwandlung durch.
Die Ausgabeeinheit 18 gibt ein in der Datenverarbeitungseinheit 17 verarbeitetes Signal ab. Die Zeitpunkt-Steuereinheit 19 erzeugt verschiedene Arten von Zeitsteuerungs- bzw. Zeitpunktsignalen, Taktsignalen, Steuersignalen oder dergleichen und führt auf der Basis dieser erzeugten Signale eine Steuerung zur Ansteuerung an der Reihe-Auswahleinheit 12, der Abtast-Halte-Einheit 14, der Analog-Digital-Umwandlungseinheit 15, der Datenverarbeitungseinheit 17 oder dergleichen durch.
[Schaltungskonfiguration eines Einheitspixels]
2 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Beispiel einer Schaltungskonfiguration im Einheitspixel 2 veranschaulicht. Das Einheitspixel 2 enthält in einem Beispiel eine Fotodiode 21 als fotoelektrische Umwandlungseinheit. Das Einheitspixel 2 hat eine Pixelkonfiguration, die zusätzlich zur Fotodiode 21 einen Transfer- bzw. Übertragungstransistor 22, einen Rücksetztransistor 23, einen Verstärkungstransistor 24 und einen Auswahltransistor 25 umfasst.
Außerdem verwenden in dieser Beschreibung vier Transistoren des Übertragungstransistors 22, des Rücksetztransistors 23, des Verstärkungstransistors 24 und des Auswahltransistors 25 in einem Beispiel einen N-Kanal-MOSFET. Die Kombination von Leitfähigkeitstypen dieser vier Transistoren 22 bis 25, die in diesem Beispiel veranschaulicht sind, ist nur ein Beispiel und ist nicht auf solch eine Kombination beschränkt.
In diesem Einheitspixel 2 ist eine Vielzahl von Pixel-Ansteuerungsleitungen, die als die oben beschriebenen Pixel-Ansteuerungsleitungen 31 (31₁ - 31_m ) genutzt werden, mit den jeweiligen Pixeln 2 in der gleichen Pixelreihe gemeinsam verdrahtet. Diese Vielzahl von Pixel-Ansteuerungsleitungen ist mit den Ausgangsenden entsprechend jeder Pixelreihe der Reihe-Auswahleinheit 12 in Einheiten von Pixelreihen verbunden. Die Reihe-Auswahleinheit 12 gibt ein Transfer- bzw. Übertragungssignal TRG, ein Rücksetzsignal RST und ein Auswahlsignal SEL entsprechend an die Vielzahl von Pixel-Ansteuerungsleitungen ab.
Die Fotodiode 21 hat eine Anodenelektrode, die mit einer Stromversorgung auf der Seite niedrigen Potentials (z.B. Erdung) verbunden ist. Die Fotodiode 21 führt eine fotoelektrische Umwandlung an dem empfangenen Licht in eine fotoelektrische Ladung (in diesem Beispiel Fotoelektronen) einer der Lichtmenge entsprechenden Ladungsmenge durch und akkumuliert die fotoelektrische Ladung. Die Kathodenelektrode der Fotodiode 21 ist über den Übertragungstransistor 22 mit einer Gateelektrode des Verstärkungstransistors 24 elektrisch verbunden. In dieser Beschreibung ist der Bereich, in dem die Gateelektrode des Verstärkungstransistors 24 elektrisch verbunden ist, eine Floating-Diffusion (Floating-Diffusionsbereich oder Störstellen-Diffusionsbereich) FD. Die Floating-Diffusion FD ist eine Ladung-Spannung-Umwandlungseinheit, die elektrische Ladung in Spannung umwandelt.
Das Übertragungssignal TRG, das in einem aktiven Zustand bei einem hohen Pegel (z.B. V_DD-Pegel) liegt, wird von der Reihe-Auswahleinheit 12 an die Gateelektrode des Übertragungstransistors 22 angelegt. Der Übertragungstransistor 22 wird als Antwort auf das Übertragungssignal TRG in den Leitungszustand versetzt, wodurch die fotoelektrische Ladung, welche mittels fotoelektrischer Umwandlung in der Fotodiode 21 erhalten und in der Fotodiode 21 akkumuliert wurde, zur Floating-Diffusion FD übertragen wird.
Der Rücksetztransistor 23 ist zwischen den Knoten einer Stromversorgung V_DD auf der Seite hohen Potentials und der Floating-Diffusion FD geschaltet. Das Rücksetzsignal RST, das in einem aktiven Zustand bei einem hohen Pegel liegt, wird von der Reihe-Auswahleinheit 12 einer Gateelektrode des Rücksetztransistors 23 bereitgestellt. Der Rücksetztransistor 23 wird als Antwort auf das Rücksetzsignal RST in den Leitungszustand versetzt, wodurch die Floating-Diffusion FD zurückgesetzt wird, indem elektrische Ladung der Floating-Diffusion FD zum Knoten der Spannung V_DD ausgekehrt wird.
Der Verstärkungstransistor 24 weist die mit der Floating-Diffusion FD verbundene Gateelektrode und eine mit dem Knoten der Stromversorgung V_DD auf der Seite hohen Potentials verbundene Drainelektrode auf. Der Verstärkungstransistor 24 dient als Eingangs-Port eines Source-Folgers (engl.: source follower), der ein mittels fotoelektrischer Umwandlung bei der Fotodiode 21 erhaltenes Signal ausliest. Mit anderen Worten weist der Verstärkungstransistor 24 eine über den Auswahltransistor 25 mit der vertikalen Signalleitung 32 verbundene Sourceelektrode auf. Außerdem bilden der Verstärkungstransistor 24 und die Stromquelle I, die mit einem Ende der vertikalen Signalleitung 32 verbunden ist, einen Source-Folger, der die Spannung der Floating-Diffusion FD in das Potential der vertikalen Scanleitung 32 umwandelt.
Der Auswahltransistor 25 weist in einem Beispiel eine mit der Sourceelektrode des Verstärkungstransistors 24 verbundene Drainelektrode und eine mit der vertikalen Signalleitung 32 verbundene Sourceelektrode auf. Das Auswahlsignal SEL, das in einem aktiven Zustand bei einem hohen Pegel liegt, wird von der Reihe-Auswahleinheit 12 an eine Gateelektrode des Auswahltransistors 25 angelegt. Der Auswahltransistor 25 wird als Antwort auf das Auswahlsignal SEL in den Leitungszustand versetzt, und somit wird der Zustand des Einheitspixels 2 in den ausgewählten Zustand versetzt und wird das vom Verstärkungstransistor 24 abgegebene Signal zur vertikalen Signalleitung 32 übertragen.
Außerdem kann der Auswahltransistor 25 als eine Schaltung konfiguriert sein, die zwischen den Knoten der Stromversorgung V_DD auf der Seite hohen Potentials und die Drainelektrode des Verstärkungstransistors 24 geschaltet ist. Außerdem stellt dieses Beispiel als eine Pixelschaltung des Einheitspixels 2 beispielhaft eine 4-Tr-Konfiguration dar, die den Übertragungstransistor 22, den Rücksetztransistor 23, den Verstärkungstransistor 24 und den Auswahltransistor 25, das heißt, vier Transistoren (TRs), umfasst, ist aber nicht auf dieses Beispiel beschränkt. In einem Beispiel kann die 3-Tr-Konfiguration, in der der Auswahltransistor 25 weggelassen ist und der Verstärkungstransistor 24 die Funktion des Auswahltransistors 25 hat, vorgesehen werden, oder die Konfiguration 5-Tr oder mehr, in der die Anzahl an Transistoren erhöht ist, kann bei Bedarf vorgesehen werden.
Das Einheitspixel 2 mit der oben beschriebenen Konfiguration gibt sequentiell ein Rücksetzsignal, das ein Rücksetzpegel zur Zeit eines Zurücksetzens der Floating-Diffusion FD durch den Rücksetztransistor 23 ist, (sogenanntes P-Phase-Signal) und ein Datensignal, das ein auf einer fotoelektrischen Umwandlung in der Fotodiode 21 basierender Signalpegel ist, (sogenanntes D-Phase-Signal) ab. Mit anderen Worten umfasst das vom Einheitspixel 2 abgegebene Pixelsignal das Rücksetzsignal beim Zurücksetzen und das Datensignal beim Durchführen einer fotoelektrischen Umwandlung.
[Gestapelte Struktur]
Der CMOS-Bildsensor 1 mit der oben beschriebenen Konfiguration kann einen sogenannten Bildsensor mit gestapelter Struktur verwenden, in welchen zumindest zwei Halbleitersubstrate (Chips) eines ersten Halbleitersubstrats 41 und eines zweiten Halbleitersubstrats 42 wie in 3 veranschaulicht aufeinander angeordnet sind. Außerdem kann der CMOS-Bildsensor 1 gemäß dem vorliegenden Beispiel eine Pixelstruktur mit rückseitiger Beleuchtung aufweisen, in der unter der Annahme, dass die Substratseite, auf der die Verdrahtungsschicht angeordnet ist, die vordere Oberfläche (Vorderseite) ist, das von der Rückseite auf der entgegengesetzten Seite emittierte Licht eingefangen wird.
Im CMOS-Bildsensor 1 mit der gestapelten Struktur ist die Pixel-Array-Sektion 11, in der die Einheitspixel 2 mit einer Pixelstruktur mit rückseitiger Beleuchtung in einer Matrix angeordnet sind, auf dem ersten Halbleitersubstrat 41 als erste Schicht ausgebildet. Außerdem sind die Schaltungskomponenten, die die Reihe-Auswahleinheit 12, die Lade-MOS-Einheit 13, die Abtast-Halte-Einheit 14, die Analog-Digital-Umwandlungseinheit 15, die Speichereinheit 16, die Datenverarbeitungseinheit 17, die Ausgabeeinheit 18, die Zeitpunkt-Steuereinheit 19 und dergleichen umfassen, auf dem zweiten Halbleitersubstrat 42 als zweite Schicht ausgebildet. Das erste Halbleitersubstrat 41 als die erste Schicht und das zweite Halbleitersubstrat 42 als die zweite Schicht sind dann über ein Durchgangsloch (VIA) 43 elektrisch miteinander verbunden.
Die Verwendung des CMOS-Bildsensors 1 mit dieser gestapelten Struktur ermöglicht, dass das erste Halbleitersubstrat 41 eine Größe (Fläche) aufweist, die nur ausreicht, um die Pixel-Array-Sektion 11 anzuordnen, wodurch die Größe (Fläche) des ersten Halbleitersubstrats 41 als die erste Schicht und letztendlich die Größe des gesamten Chips reduziert wird. Überdies ist der zum Herstellen des Einheitspixels 2 geeignete Prozess für das erste Halbleitersubstrat 41 als die erste Schicht verwendbar, und der zum Herstellen von Schaltungsbereichen geeignete Prozess ist für das zweite Halbleitersubstrat 42 als die zweite Schicht verwendbar, wodurch ein Vorteil geschaffen wird, dass eine Prozessoptimierung bei der Herstellung des CMOS-Bildsensors 1 erzielbar ist.
Außerdem veranschaulicht dieses Beispiel eine zweischichtige gestapelte Struktur, in der das erste Halbleitersubstrat 41 und das zweite Halbleitersubstrat 42 aufeinander angeordnet sind; die gestapelte Struktur ist aber nicht auf die Zweischicht-Struktur beschränkt, und eine Struktur mit drei oder mehr Schichten kann verwendet werden. Falls eine gestapelte Struktur aus drei oder mehr Schichten verwendet wird, können dann die Schaltungsbereiche, die die Reihe-Auswahleinheit 12, die Lade-MOS-Einheit 13, die Abtast-Halte-Einheit 14, die Analog-Digital-Umwandlungseinheit 15, die Speichereinheit 16, die Datenverarbeitungseinheit 17, die Ausgabeeinheit 18, die Zeitpunkt-Steuereinheit 19 oder dergleichen umfassen, auf den zweiten und folgenden Halbleitersubstraten verteilt angeordnet werden.
Das obige Beispiel beschreibt ferner den Fall, in dem die Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung für den CMOS-Bildsensor 1 mit gestapelter Struktur verwendet wird; sie ist aber nicht auf die Anwendung auf den CMOS-Bildsensor 1 mit gestapelter Struktur beschränkt. Mit anderen Worten ist die Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung für einen sogenannten CMOS-Bildsensor mit flacher Struktur verwendbar, in welchem die Schaltungsbereiche, die die Reihe-Auswahleinheit 12, die Lade-MOS-Einheit 13, die Abtast-Halte-Einheit 14, die Analog-Digital-Umwandlungseinheit 15, die Speichereinheit 16, die Datenverarbeitungseinheit 17, die Ausgabeeinheit 18, die Zeitpunkt-Steuereinheit 19 oder dergleichen umfassen, auf dem gleichen Halbleitersubstrat wie die Pixel-Array-Sektion 11 angeordnet sind.
[Erweiterung des Eingangsspannungsbereichs]
Im CMOS-Bildsensor 1 mit der oben beschriebenen Konfiguration muss die Ausleseschaltung, die die Analog-Digital-Umwandlungseinheit 15 oder dergleichen enthält, bei einem erweiterten Eingangsspannungsbereich betrieben werden, der durch eine Variation in Rücksetzpegeln der Einheitspixel 2, eine Fluktuation aufgrund eines Dunkelstroms, einer Zunahme in Beträgen eines Sättigungssignals oder dergleichen hervorgerufen wird. Es ist auch erwünscht, dass sie ohne Installieren einer zusätzlichen Schaltung außerhalb der Ausleseschaltung oder Einstellen einer Stromversorgungsspannung auf einen hohen Pegel bei einem weiten Eingangsspannungsbereich betreibbar ist.
[Abtast-Halte-Einheit gemäß Ausführungsformen]
Somit weist in der vorliegenden Ausführungsform die Abtast-Halte-Einheit 14 die Konfiguration auf, in der zwei Abtast-Halte-Schaltungen in Bezug auf eine vertikale Signalleitung 32 parallel vorgesehen sind und zumindest eine der zwei Abtast-Halte-Schaltungen zumindest zwei Abtastkondensatoren aufweist. Die Verwendung dieser Konfiguration macht es möglich, dass sie bei einem weiten Eingangsspannungsbereich ohne Installieren einer zusätzlichen Schaltung außerhalb der Ausleseschaltung, die die Analog-Digital-Umwandlungseinheit 15 oder dergleichen enthält, und ohne Einstellen der Stromversorgungsspannung auf einen hohen Pegel betrieben wird. Das Nichtinstallieren einer zusätzlichen Schaltung außerhalb der Ausleseschaltung verhindert eine Zunahme der Schaltungsgröße aufgrund der Installation einer zusätzlichen Schaltung oder eine Verschlechterung von Rauschcharakteristiken aufgrund der zusätzlichen Schaltung. Außerdem ist es unnötig, die Stromversorgungsspannung auf einen hohen Pegel zu setzen, wodurch eine Zunahme des Leistungsverbrauchs eliminiert wird.
Die Beschreibung spezifischer Beispiele der Abtast-Halte-Einheit 14 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, die in einem weiten Eingangsspannungsbereich ohne Installieren einer zusätzlichen Schaltung außerhalb der Ausleseschaltung oder Einstellen einer Stromversorgungsspannung auf einen hohen Pegel betreibbar ist, wird nun gegeben.
«Erstes Beispiel»
Ein erstes Beispiel ist ein Beispiel, in welchem zumindest eine von zwei Abtast-Halte-Schaltungen zwei Abtastkondensatoren aufweist. 4 veranschaulicht eine Schaltungskonfiguration einer Ein-Pixel-Spalte der Abtast-Halte-Einheit 14 gemäß dem ersten Beispiel.
Wie in 4 veranschaulicht ist, hat die Abtast-Halte-Einheit 14 gemäß dem ersten Beispiel die Konfiguration, in der zwei Abtast-Halte-Schaltungen 141 und 142 in Bezug auf eine vertikale Signalleitung 32 parallel angeordnet sind. Die eine Abtast-Halte-Schaltung 141 ist eine Datensignal-Abtast-Halte-Schaltung für ein Datensignal (D-Phase), und die andere Abtast-Halte-Schaltung 142 ist eine Rücksetzsignal-Abtast-Halte-Schaltung für ein Rücksetzsignal (P-Phase) .
(Datensignal-Abtast-Halte-Schaltung)
Die Datensignal-Abtast-Halte-Schaltung 141 hat einen invertierenden Verstärker 1411, zwei Abtastkondensatoren C_{d_1} und C_{d_2} und fünf Schaltelemente SW_{d_1_1} , SW_{d_1_2} , SW_{d_2} , SW_{d_3} und SW_{d_4} . Der invertierende Verstärker 1411 hat ein nicht invertierendes (+) Eingangsende, das geerdet ist, und hat ein Ausgangsende, das eine Datensignal-Ausgabe-Halte-Ausgabe V_{out_DSH} ausgibt.
Die Schaltelemente SW_{d_1_1} und SW_{d_1_2} weisen Eingangsenden auf, die mit der vertikalen Signalleitung 32 verbunden sind, und Ausgangsenden, die mit den Eingangsenden (einem Ende) der Abtastkondensatoren C_{d_1} und C_{d_2} verbunden sind, und werden durch jeweilige Schalt-Steuersignale smp_{_d_1} und smp_{_d_2} ein (geschlossen) oder aus (offen) geschaltet. Mit anderen Worten sind die Schaltelemente SW_{d_1_1} und SW_{d_1_2} als Schaltereinheiten (die zweite Schaltereinheit) konfiguriert, die zwischen der vertikalen Signalleitung 32 und den Eingangsenden der Abtastkondensatoren C_{d_1} und C_{d_2} unter der Steuerung der unabhängigen Schalt-Steuersignale smp_{_d_1} und smp_{_d_2} selektiv kurzschließen. Die Ausgangsenden (anderes Ende) der Schaltelemente SW_{d_1_1} und SW_{d_1_2} sind mit dem invertierenden (-) Eingangsende des invertierenden Verstärkers 1411 gemeinsam verbunden.
Ein Schaltelement SW_{d_2} ist zwischen das Ausgangsende des Schaltelements SW_{d_1_2} (das Eingangsende des Abtastkondensators C_{d_2} ) und das Ausgangsende des invertierenden Verstärkers 1411 geschaltet und wird durch ein Schalt-Steuersignal hld_{_d} ein- oder ausgeschaltet. Ein Schaltelement SW_{d_3} ist zwischen invertierende Eingangsenden (die Ausgangsenden der Abtastkondensatoren C_{d_1} und C_{d_2} ) des invertierenden Verstärkers 1411 und das Ausgangsende des invertierenden Verstärkers 1411 geschaltet und schaltet mittels eines Schalt-Steuersignals smpa_{_d} ein oder aus.
Ein Schaltelement SW_{d_4} ist zwischen das Eingangsende des Abtastkondensators C_{d_1} (das Ausgangsende des Schaltelements SW_{d_1_1} ) und das Eingangsende des Abtastkondensators C_{d_2} (das Ausgangsende des Schaltelements SW_{d_1_2} ) geschaltet und schaltet mittels des Schalt-Steuersignals hld_{_d} ein oder aus. Mit anderen Worten bildet das Schaltelement SW_{d_4} eine Schaltereinheit (die erste Schaltereinheit), die zwischen den Eingangsenden der Abtastkondensatoren C_{d_1} und C_{d_2} unter der Steuerung des Schalt-Steuersignals hld_{_d} selektiv kurzschließt.
(Rücksetzsignal-Abtast-Halte-Schaltung)
Die Rücksetzsignal-Abtast-Halte-Schaltung 142 enthält einen invertierenden Verstärker 1421, einen Abtastkondensator C_p und drei Schaltelemente SW_{p_1} , SW_{p_2} und SW_{p_3} . Der invertierende Verstärker 1421 hat ein nicht invertierendes (+) Eingangsende, das geerdet ist, und ein Ausgangsende, das eine Rücksetzsignal-Abtast-Halte-Ausgabe V_{out_PSH} abgibt. Das Eingangsende des Schaltelements SW_{p_1} ist mit der vertikalen Signalleitung 32 verbunden und wird mittels eines Schalt-Steuersignals smp_{_p} ein- (geschlossen) oder aus-(offen) geschaltet. Der Abtastkondensator C_p hat ein mit dem Ausgangsende des Schaltelements SW_{p_1} verbundenes Eingangsende und ein mit dem invertierenden (-) Eingangsende des invertierenden Verstärkers 1421 verbundenes Ausgangsende.
Ein Schaltelement SW_{p_2} ist zwischen das Ausgangsende des Schaltelements SW_{p_1} (das Eingangsende des Abtastkondensators C_p ) und das Ausgangsende des invertierenden Verstärkers 1421 geschaltet und wird mittels eines Schalt-Steuersignals hld_{_p} ein- oder ausgeschaltet. Ein Schaltelement SW_{p_3} ist zwischen das invertierende Eingangsende (das Ausgangsende des Abtastkondensators C_p ) des invertierenden Verstärkers 1421 und das Ausgangsende des invertierenden Verstärkers 1421 geschaltet und wird mittels eines Schalt-Steuersignals smpa_{_p} ein- oder ausgeschaltet.
5 veranschaulicht eine Wellenform des Potentials der vertikalen Signalleitung 32 und eine Zeitsteuerungs- bzw. Zeitpunktbeziehung zwischen Schalt-Steuersignalen smp_{_p} , smpa_{_p} , hld_{_p} , smp_{_d_1} , smp_{_d_2} , smpa_{_d} , und hld_{_d} der jeweiligen Schaltelemente der zwei Abtast-Halte-Schaltungen 141 und 142.
(Schaltungsbetrieb)
Die Beschreibung eines Schaltungsbetriebs der Abtast-Halte-Einheit 14 gemäß dem ersten Beispiel wird nun unter Bezugnahme auf das Zeitsteuerungs-Wellenformdiagramm von 5 gegeben.
- Beim Abtasten eines Rücksetzsignals
Zur Zeit t₁ liegen die Schalt-Steuersignale smp_{_p} und smpa_{_p} bei einem hohen Pegel, und somit sind die Schaltelemente SW_{p_1} und SW_{p_3} in der Rücksetzsignal-Abtast-Halte-Schaltung 142 eingeschaltet. Zur Zeit t₂ wird dann, wenn das Schalt-Steuersignal smpa_{_p} einen Übergang von einem hohen Pegel zu einem niedrigen Pegel vornimmt, ein Rücksetzsignal V_rst abgetastet und im Abtastkondensator C_p akkumuliert.
Zu der gleichen Zeit, zu der das Rücksetzsignal abgetastet wird, sind die Schalt-Steuersignale smp_{_d_2} und smpa_{_d} bei einem hohen Pegel, und somit sind die Schaltelemente SW_{d_1_2} und SW_{d_3} in der Datensignal-Abtast-Halte-Schaltung 141 eingeschaltet. Zu dem Zeitpunkt (Zeit t₂ ), zu dem das Schalt-Steuersignal smpa_{_d} einen Übergang von einem hohen Pegel zu einem niedrigen Pegel durchmacht, wird dann auch das Rücksetzsignal V_rst in der Datensignal-Abtast-Halte-Schaltung 141 abgetastet und in dem Abtastkondensator C_{d_2} akkumuliert.
Mit anderen Worten wird das Rücksetzsignal V_rst in der Rücksetzsignal-Abtast-Halte-Schaltung 142 abgetastet und gehalten und auch auf der Seite des Abtastkondensators C_{d_2} der Datensignal-Abtast-Halte-Schaltung 141 abgetastet und gehalten. 6 ist ein Diagramm, das veranschaulicht ist, um einen Betrieb beim Abtasten des Rücksetzsignals V_rst zu beschreiben. In 6 ist der Pfad im Nicht-Betriebszustand durch eine gestrichelte Linie angegeben (ähnliches gilt für 7 und 8).
- Beim Abtasten eines Datensignals und Halten eines Rücksetzsignals
Anschließend machen die Schalt-Steuersignale smp_{_p} und smp_{_d_2} einen Übergang von einem hohen Pegel zu einem niedrigen Pegel durch, und danach machen zur Zeit t₃ die Schalt-Steuersignale smp_{_d_1} und smpa_{_d} einen Übergang zu einem hohen Pegel durch, so dass die Schaltelemente SW_{d_1_1} und SW_{d_3} in der Datensignal-Abtast-Halte-Schaltung 141 eingeschaltet werden. Zur Zeit t₄ , zu der das Schalt-Steuersignal smpa_{_d} einen Übergang von einem hohen Pegel zu einem niedrigen Pegel macht, wird ein Datensignal V_data auf der Seite des Abtastkondensators C_{d_1} in der Datensignal-Abtast-Halte-Schaltung 141 abgetastet.
In dieser Periode zum Abtasten des Datensignals ist das Schalt-Steuersignal hld_{_p} auf einen hohen Pegel gesetzt, und das Schaltelement SW_{p_2} ist eingeschaltet, und somit hält der Abtastkondensator C_p weiter das Rücksetzsignal V_rst in der Rücksetzsignal-Abtast-Halte-Schaltung 142. Die in dem Abtastkondensator C_p abgetastete und gehaltene elektrische Ladung wird von der Rücksetzsignal-Abtast-Halte-Schaltung 142 als die Rücksetzsignal-Abtast-Halte-Ausgabe V_{out_PSH} abgegeben. 7 ist ein Diagramm, das veranschaulicht ist, um eine Operation in dem Fall zu beschreiben, in dem das Datensignal V_data abgetastet wird und das Rücksetzsignal V_rst gehalten wird.
- Beim Halten eines Datensignals und einer gewichteten Mittelung einer Kapazität
Anschließend macht das Schalt-Steuersignal smp_{_d_1} einen Übergang von einem hohen Pegel zu einem niedrigen Pegel durch, und dann wird das Schalt-Steuersignal hld_{_d} auf einen hohen Pegel gesetzt, so dass die Schaltelemente SW_{d_2} und SW_{d_4} in der Datensignal-Abtast-Halte-Schaltung 141 eingeschaltet werden. Somit wird das Rücksetzsignal V_rst im Abtastkondensator C_{d_2} gehalten, wird das Datensignal V_data im Abtastkondensator C_{d_1} gehalten, und die Eingangsenden beider Abtastkondensatoren C_{d_1} und C_{d_2} sind kurzgeschlossen.
Auf diese Weise erlaubt das Kurzschließen der Eingangsenden des Abtastkondensators C_{d_1} , der das Datensignal V_data abtastet und hält, und des Abtastkondensators C_{d_2} , der das Rücksetzsignal V_rst abtastet und hält, dass eine gewichtete Mittelung der Kapazität zwischen dem Abtastkondensator C_{d_1} und dem Abtastkondensator C_{d_2} durchgeführt wird. Die gewichtete Mittelung der Kapazität ermöglicht, dass die Pegeldifferenz (V_rst - V_data ) zwischen dem Rücksetzsignal V_rst und dem Datensignal V_data um das Kondensatorverhältnis zwischen dem Abtastkondensator C_{d_2} und dem Abtastkondensator C_{d_1} gedämpft bzw. abgeschwächt wird. Die Datensignal-Abtast-Halte-Ausgabe V_{out_DSH} wird von der Datensignal-Abtast-Halte-Schaltung 141 abgegeben. 8 ist ein Diagramm, das veranschaulicht ist, um den Betrieb in dem Fall zu beschreiben, in dem das Rücksetzsignal V_rst und das Datensignal V_data gehalten werden.
Wie oben beschrieben wurde, wird die Pegeldifferenz (V_rst - V_data ) zwischen dem Rücksetzsignal V_rst und dem Datensignal V_data mittels eines gewünschten Verhältnisses unter Verwendung einer gewichteten Mittelung der Kapazität in der Abtast-Halte-Einheit 14 passiv abgeschwächt, die am Eingang der Ausleseschaltung angeordnet ist. Dies macht es möglich, ein Eingangssignal in einem weiten Spannungsbereich ohne Begrenzung des Betriebsbereichs der analogen Schaltung zu empfangen. Außerdem ist es möglich, in einem weiten Eingangsspannungsbereich ohne Installieren einer zusätzlichen Schaltung außerhalb der die Analog-Digital-Umwandlungseinheit 15 enthaltenden Ausleseschaltung und ohne Einstellen der Stromversorgungsspannung auf einen hohen Pegel zu arbeiten.
«Zweites Beispiel»
Ein zweites Beispiel ist ein Beispiel, in welchem der Abtastkondensator von einer Kombination einer Vielzahl von Einheitskondensatoren gebildet wird und ein Sägezahn-Analog-Digital-Wandler als Analog-Digital-Wandler genutzt wird. 9 veranschaulicht das Konfigurationsbeispiel einer Ein-Pixel-Spalte einer Abtast-Halte-Einheit und die Konfiguration eines Sägezahn-Analog-Digital-Wandlers gemäß dem zweiten Beispiel.
In 9 enthält die Analog-Digital-Umwandlungseinheit 15 in einem Beispiel einen Satz einer Vielzahl von Analog-Digital-Wandlern 151, die in Verbindung mit den vertikalen Signalleitungen (32₁ - 32_n ) vorgesehen sind. Die zwei Abtast-Halte-Schaltungen 141 und 142 werden unter der Steuerung von Schalt-Steuersignalen sw_{_p} und sw_{_d} für Schaltelemente SW_{p_0} und SW_{d_0} mit dem zugeordneten Analog-Digital-Wandler 151 in der Analog-Digital-Umwandlungseinheit 15 verbunden.
(Sägezahn-Analog-Digital-Wandler)
Im zweiten Beispiel wird ein Sägezahn-Analog-Digital-Wandler 151 als jeweiliger Analog-Digital-Wandler der Analog-Digital-Umwandlungseinheit 15 verwendet. Der Sägezahn-Analog-Digital-Wandler 151 hat die Schaltungskonfiguration, die in einem Beispiel einen Komparator 1511 und einen Zähler 1512 umfasst. In dem Sägezahn-Analog-Digital-Wandler 151 wird eine sogenannte Referenzspannung Vref mit Rampen-(RAMP-)Wellenform (Sägezahn-Wellenform) verwendet, in der sich der Spannungswert im Verlauf der Zeit schrittweise ändert. Die Referenzspannung Vref der Rampen-Wellenform wird von einem Referenzspannungs-Generator 152 erzeugt. Der Referenzspannungs-Generator 152 kann in einem Beispiel unter Verwendung einer Digital-Analog-Umwandlungs-(DAC-)Schaltung konfiguriert sein.
Der Komparator 1511 vergleicht zwei Werte, von denen einer als Vergleichseingabe das vom Einheitspixel 2 gelesene Pixelsignal ist und der andere als Referenzeingabe die durch den Referenzspannungs-Generator 152 erzeugte Referenzspannung Vref mit Rampen-Wellenform ist. Der Komparator 1511 hat dann in einem Beispiel als Ausgabe einen ersten Zustand (z.B. hohen Pegel) in dem Fall, in dem die Referenzspannung Vref größer als das Pixelsignal ist, und einen zweiten Zustand (z.B. niedrigen Pegel) in dem Fall, in dem die Referenzspannung Vref gleich dem Pixelsignal oder niedriger ist. Dies ermöglicht, dass das Ausgangssignal des Komparators 1511 ein Impulssignal mit einer der Größe eines Pegels des Pixelsignals entsprechenden Impulsbreite ist.
Dem Zähler 1512 wird zu dem gleichen Zeitpunkt wie dem Zeitpunkt eines Beginns einer Bereitstellung der Referenzspannung Vref an dem Komparator 1511 ein Taktsignal bereitgestellt. Der Zähler 1512 führt dann synchron mit dem Taktsignal eine Zähloperation durch, um die Periode der Impulsbreite des Ausgangsimpulses des Komparators 1511, das heißt, die Periode vom Beginn der Vergleichsoperation bis zum Ende der Vergleichsoperation, zu messen. Das Zählergebnis (Zählwert) des Zählers 1512 ist ein digitaler Wert, der durch Digitalisieren eines analogen Pixelsignals erhalten wird.
Wie oben beschrieben wurde, erzeugt die Analog-Digital-Umwandlungseinheit 15 unter Verwendung des Sägezahn-Analog-Digital-Wandlers 151 als den Analog-Digital-Wandler die Referenzspannung mit einem sich schrittweise ändernden analogen Wert und erhält den Digitalsignalwert aus einer Zeitinformation, die erhalten wird, bis sich die Größenbeziehung zwischen dem Referenzsignal und der Signalspannung ändert.
(Datensignal-Abtast-Halte-Schaltung)
In der Datensignal-Abtast-Halte-Schaltung 141 werden die Abtastkondensatoren C_{d_1} und C_{d_2} von einer Kombination von Einheitskondensatoren gebildet. Konkret werden die Abtastkondensatoren C_{d_1} und C_{d_2} von N (N ist eine positive ganze Zahl) Einheitskondensatoren gebildet. In dieser Beschreibung hat unter der Annahme, dass der Gesamtwert von Kapazitätswerten der Abtastkondensatoren C_{d_1} und C_{d_2} C_s ist, jeder der Einheitskondensatoren einen Kapazitätswert von C_s/N.
In N Einheitskondensatoren 1 bis N wird dann der Abtastkondensator C_{d_1} von M Einheitskondensatoren 1 bis M (M ist eine positive ganze Zahl kleiner als N) gebildet und wird der Abtastkondensator C_{d_2} von (N - M) Einheitskondensatoren M+1 bis N gebildet. Dies ermöglicht, dass der Kapazitätswert des Abtastkondensators C_{d_1} C_s × M/N ist und der Kapazitätswert des Abtastkondensators C_{d_2} C_s × (N - M/N) ist. Das Kondensatorverhältnis zwischen dem Abtastkondensator C_{d_1} und dem Abtastkondensator C_{d_2} beträgt dann M : N - M.
Das Schaltelement SW_{d_4} als erste Schaltereinheit, die zwischen den Eingangsenden der Abtastkondensatoren C_{d_1} und C_{d_2} selektiv kurzschließt, umfasst eine Gruppe von Schaltern, die zwischen den Eingangsenden von Einheitskondensatoren, die einander benachbart sind, unter der Steuerung des Schalt-Steuersignals hld_{_d} selektiv kurzschließen. Außerdem werden die Schaltelemente SW_{d_1_1} und SW_{d_1_2} als die zweite Schaltereinheit, die zwischen der vertikalen Signalleitung 32 und den jeweiligen Eingangsenden der Abtastkondensatoren C_{d_1} und C_{d_2} selektiv kurzschließt, von einer Gruppe von Schaltern gebildet, die in Verbindung mit jeweiligen Einheitskondensatoren der Abtastkondensatoren C_{d_1} und C_{d_2} vorgesehen sind.
Jeder Schalter der Schaltergruppe der Schaltelemente SW_{d_1_1} und SW_{d_1_2} schaltet selektiv zwischen der vertikalen Signalleitung 32 und jedem Eingangsende der Einheitskondensatoren der Abtastkondensatoren C_{d_1} und C_{d_2} unter der Steuerung unabhängiger Schalt-Steuersignale smp_{_d(1)}-smp_{_d(M)} und smp_{_d(M+1)}-smp_{_d(N)} kurz. Das Kondensatorverhältnis zwischen dem Abtastkondensator C_{d_1} und dem Abtastkondensator C_{d_2} kann dann gesteuert werden, indem jeder Schalter der Schaltergruppe der Schaltelemente SW_{d_1_1} und SW_{d_1_2} auf der Basis der Steuerung durch die Schalt-Steuersignale smp_{_d(1)}-smp_{_d(M)} und smp_{_d(M+1)}-smp_{_d(N)} geschaltet wird.
Der invertierende Verstärker 1411 wird in einem Beispiel von einer Kombination einer N-Kanal-Source-Erdungsschaltung in der vorhergehenden Stufe und einer P-Kanal-Source-Folger-Schaltung (engl.: source follower circuit) in der folgenden Stufe gebildet. Der invertierende Verstärker 1411 gibt dann die Datensignal-Abtast-Halte-Ausgabe V_{out_DSH} aus und stellt sie über das Schaltelement SW_{d_0} unter der Steuerung des Schalt-Steuersignals sw_{_d} dem Sägezahn-Analog-Digital-Wandler 151 selektiv bereit.
(Rücksetzsignal-Abtast-Halte-Schaltung)
Die Rücksetzsignal-Abtast-Halte-Schaltung 142 hat im Grunde die gleiche Schaltungskonfiguration wie die Datensignal-Abtast-Halte-Schaltung 141. In diesem Kontext wird die „gleiche Schaltungskonfiguration“ dahingehend verwendet, dass dies bedeutet, dass sie nicht nur streng genommen die gleiche Schaltungskonfiguration, sondern im Wesentlichen die gleiche Schaltungskonfiguration einschließt und Variationen oder dergleichen im Design oder in der Herstellung innerhalb des Umfangs liegen.
Konkret wird in der Rücksetzsignal-Abtast-Halte-Schaltung 142 der Abtastkondensator C_p von einer Kombination der gleichen Anzahl von Einheitskondensatoren wie die Datensignal-Abtast-Halte-Schaltung 141 gebildet. Unter der Annahme, dass der Kapazitätswert des Abtastkondensators C_p der Gesamtwert C_s der jeweiligen Kapazitätswerte der Abtastkondensatoren C_{d_1} und C_{d_2} ist, hat jeder der Einheitskondensatoren des Abtastkondensators C_p einen Kapazitätswert C_s/N.
Eine Gruppe von Schaltern, die zwischen den Eingangsenden einander benachbarter Einheitskondensatoren selektiv kurzschließen, ist auf der Eingangsseite des Abtastkondensators C_p unter der Steuerung des Schalt-Steuersignals hld_{_p} vorgesehen, was der Datensignal-Abtast-Halte-Schaltung 141 ähnlich ist. Das Schaltelement SW_{p_1} , das zwischen der vertikalen Signalleitung 32 und dem Eingangsende des Abtastkondensators C_p selektiv kurzschließt, wird von einer Gruppe von Schaltern gebildet, die N Schalter enthalten, die in Verbindung mit jedem Einheitskondensator des Abtastkondensators C_p vorgesehen ist, was der Datensignal-Abtast-Halte-Schaltung 141 ähnlich ist.
Der invertierende Verstärker 1421 wird auch durch eine Kombination einer N-Kanal-Source-Erdungsschaltung in der vorhergehenden Stufe und einer P-Kanal-Source-Folger-Schaltung in der folgenden Stufe gebildet, was dem invertierenden Verstärker 1411 ähnlich ist. Der invertierende Verstärker 1421 gibt dann die Rücksetzsignal-Abtast-Halte-Ausgabe V_{out_PSH} aus und stellt sie über das Schaltelement SW_{p_0} unter der Steuerung des Schalt-Steuersignals sw_{_p} dem Sägezahn-Analog-Digital-Wandler 151 selektiv bereit.
In der Rücksetzsignal-Abtast-Halte-Schaltung 142 werden außerdem zum gleichen Zeitpunkt die Schalt-Steuersignale smp_{_p(1)}-smp_{_p(N)} abgegeben, die genutzt werden, um jeden Schalter der Schaltergruppe des Schaltelements SW_d zu steuern, das zwischen der vertikalen Signalleitung 32 und jedem Eingangsende der Einheitskondensatoren des Abtastkondensators C_p selektiv kurzschließt. Mit anderen Worten führen die Schalt-Steuersignale smp_{_p(1)}-smp_{_p(N)} die Steuerung zum gleichzeitigen Verbinden zwischen der vertikalen Signalleitung 32 und jedem Eingangsende der Einheitskondensatoren des Abtastkondensators C_p durch.
Im zweiten Beispiel hat die Rücksetzsignal-Abtast-Halte-Schaltung 142 die gleiche Schaltungskonfiguration wie die Datensignal-Abtast-Halte-Schaltung 141, in der der Abtastkondensator C_p N Einheitskondensatoren enthält; aber die Datensignal-Abtast-Halte-Schaltung 141 und die Rücksetzsignal-Abtast-Halte-Schaltung 142 haben nicht notwendigerweise die gleiche Schaltungskonfiguration. Jedoch ist es unter dem Gesichtspunkt einer Abstimmung zwischen dem Datensignal und dem Rücksetzsignal vorzuziehen, dass die Datensignal-Abtast-Halte-Schaltung 141 und die Rücksetzsignal-Abtast-Halte-Schaltung 142 die gleiche Schaltungskonfiguration aufweisen.
10 veranschaulicht eine Wellenform des Potentials der vertikalen Signalleitung 32 und die Zeitsteuerungsbeziehung zwischen den Schalt-Steuersignalen smp_{_p(1)}-smp_{_p}(_N), smpa_{_p} , hld_{_p} , smp_{_d(1)}-smp_{_d(M)} , smp_{_d(M+1)}-smp_{_d(N)} , smpa_{_d} , hld_{_d} , sw_{_p} und sw_{_d} der Schaltelemente der zwei Abtast-Halte-Schaltungen 141 und 142.
(Schaltungsbetrieb)
Nun wird der Schaltungsbetrieb der Abtast-Halte-Einheit 14 gemäß dem zweiten Beispiel unter Bezugnahme auf das Zeitsteuerungs-Wellenformdiagramm von 10 beschrieben.
- Beim Abtasten eines Rücksetzsignals
Zur Zeit t₁₁ liegen die Schalt-Steuersignale smp_{_p(1)}-smp_{_p(N)} und smpa_{_p} bei einem hohen Pegel, und somit sind N Schalter des Schaltelements SW_{p_1} und des Schaltelements SW_{p_3} in der Rücksetzsignal-Abtast-Halte-Schaltung 142 eingeschaltet. Zu der Zeit t₁₂ , wenn das Schalt-Steuersignal smpa_{_p} einen Übergang vom hohen Pegel zu einem niedrigen Pegel durchmacht, wird dann das Rücksetzsignal V_rst abgetastet und im Abtastkondensator C_p akkumuliert.
Zu der gleichen Zeit, zu der das Rücksetzsignal abgetastet wird, liegen die Schalt-Steuersignale smp_{_d(M+1)}-smp _{_d(N)} und smpa_{_d} bei einem hohen Pegel, so dass jeder der Schalter M+1 bis N der Schaltelemente SW_{d_1_2} und die Schaltelemente SW_{d_3} in der Datensignal-Abtast-Halte-Schaltung 141 eingeschaltet sind. Zu dem Zeitpunkt (Zeit t₁₂ ), zu dem das Schalt-Steuersignal smpa_{_d} einen Übergang von einem hohen Pegel zu einem niedrigen Pegel durchmacht, wird dann auch das Rücksetzsignal V_rst in der Datensignal-Abtast-Halte-Schaltung 141 in jedem der Einheitskondensatoren M+1 bis N des Abtastkondensators C_{d_2} abgetastet und akkumuliert.
Mit anderen Worten wird das Rücksetzsignal V_rst in der Rücksetzsignal-Abtast-Halte-Schaltung 142 abgetastet und gehalten und wird auch auf der Seite des Abtastkondensators C_{d_2} der Digitalsignal-Abtast-Halte-Schaltung 141 abgetastet und gehalten.
- Beim Abtasten eines Datensignals und Halten eines Rücksetzsignals
Anschließend machen die Schalt-Steuersignale smp_{_p(1)}-smp_{_p(N)} und smp_{_d(M+1)}-smp_{_d(N)} einen Übergang von einem hohen Pegel zu einem niedrigen Pegel durch, und dann werden zur Zeit t₁₃ das Schalt-Steuersignal smp_{_d1)}-smp_{_d(M)} und smpa_{_d} auf einen hohen Pegel gesetzt. In der Datensignal-Abtast-Halte-Schaltung 141 werden somit jeder der Schalter 1 bis M des Schaltelements SW_{d_1_1} und das Schaltelement SW_{d_3} eingeschaltet, und es wird damit begonnen, dass das Datensignal in jedem der Einheitskondensatoren 1 bis M des Abtastkondensators C_{d_1} zur Zeit t₁₄ abgetastet und akkumuliert wird, wenn das Schalt-Steuersignal smpa_{_d} einen Übergang von einem hohen Pegel zu einem niedrigen Pegel durchmacht.
In der Periode der Abtastung des Datensignals ist das Schalt-Steuersignal hld_{_p} auf einem hohen Pegel gesetzt, und somit hält der Abtastkondensator C_p weiterhin das Rücksetzsignal V_rst in der Rücksetzsignal-Abtast-Halte-Schaltung 142.
- Beim Halten eines Datensignals und einer gewichteten Mittelung einer Kapazität
Anschließend wird in einem Aus-Zustand von jedem der Schalter 1 bis M der Schaltelemente SW_{d_1_1} und jedem der Schalter M+1 bis N des Schaltelements SW_{d_1_2} zur Zeit t₁₅ das Schalt-Steuersignal hld_{_d} auf einen hohen Pegel gesetzt, und somit wird jeder Schalter des Schaltelements SW_{d_4} in der Datensignal-Abtast-Halte-Schaltung 141 eingeschaltet. Dies ermöglicht, dass die Eingangsenden der Einheitskondensatoren 1 bis M des Abtastkondensators C_{d_1} und der Einheitskondensatoren M+1 bis N des Abtastkondensators C_{d_2} kurzgeschlossen werden und die gewichtete Mittelung der Kapazität zwischen dem Abtastkondensator C_{d_1} und dem Abtastkondensator C_{d_2} durchgeführt wird.
In diesem Fall ist eine Gesamtladung Q_dsh, die in dem Abtastkondensator C_{d_1} und dem Abtastkondensator C_{d_2} akkumuliert wird, wie folgt gegeben, wobei ein Gesamtwert der jeweiligenden Kapazitätswerte der Abtastkondensatoren C_{d_1} und C_{d_2} C_s ist. $Q_{dsh} = C_{s} \times (N - M) /N \times V_{rst} + C_{s} \times M/N \times V_{data}$
Somit ist die Datensignal-Abtast-Halte-Ausgabe V_{out_DSH} , die von der Datensignal-Abtast-Halte-Schaltung 141 abgegeben wird, wie folgt gegeben. $\begin{array}{l} V_{out_DSH} = Q_{dsh} {/C}_{s} \\ = (N - M) /N \times V_{rst} + M/N \times V_{data} \\ = V_{rst} = (V_{rst} - V_{data}) \times M/N \end{array}$
- Bei einer Analog-Digital-Umwandlung
Die Abtast-Halte-Ausgabe V_{out_PSH} der Rücksetzsignal-Abtast-Halte-Schaltung 142 wird dem Sägezahn-Analog-Digital-Wandler 151 bereitgestellt, um während einer EIN-Periode des Schaltelements SW_{p_0} , das durch das Schalt-Steuersignal sw_{_p} gesteuert wird, in der Periode von der Zeit t₁₅ bis t₁₆ eine Analog-Digital-Umwandlung durchzuführen. Die Abtast-Halte-Ausgabe V_{out_DSH} der Datensignal-Abtast-Halte-Schaltung 141 wird dem Sägezahn-Analog-Digital-Wandler 151 bereitgestellt, um während einer EIN-Periode des Schaltelements SW_{d_0} , das durch das Schalt-Steuersignal sw_{_d} gesteuert wird, in der Periode von der Zeit t₁₆ bis t₁₇ eine Analog-Digital-Umwandlung durchzuführen.
Die Analog-Digital-Umwandlungsergebnisse der Abtast-Halte-Ausgabe V_{out_PSH} und der Abtast-Halte-Ausgabe V_{out_DSH} werden einer Verarbeitung zur Rauschentfernung, korrelierte Doppelabtastung (CDS) genannt, unterzogen, indem eine Differenz in der Datenverarbeitungseinheit 17 in der folgenden Stufe erhalten wird. Die Differenz V_{out_PSH} - V_{out_DSH} ist wie folgt gegeben.
V_{out_PSH} - V_{out_DSH} = (V_rst - V_data) × M/N. Dies zeigt, dass die Differenz (V_rst - V_data) zwischen dem Rücksetzsignal V_rst und dem Datensignal V_data um das M/N-Fache gedämpft bzw. abgeschwächt wird.
In dem obigen Beispiel wird ein Analog-Digital-Wandler 151 genutzt, indem er für die Abtast-Halte-Ausgabe V_{out_PSH} und die Abtast-Halte-Ausgabe V_{out_DSH} geschaltet wird, um eine Verarbeitung einer Analog-Digital-Umwandlung unter der Steuerung der Schalt-Steuersignale sw_{_p} und sw_{_d} durchzuführen; aber die Konfiguration ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt. In einem Beispiel kann ein Analog-Digital-Wandler 151 für jede der Abtast-Halte-Ausgabe V_{out_PSH} und der Abtast-Halte-Ausgabe V_{out_DSH} individuell vorgesehen werden.
Wie oben beschrieben wurde, wird die Pegeldifferenz (V_rst - V_data) zwischen dem Rücksetzsignal V_rst und dem Datensignal V_data unter Verwendung der gewichteten Mittelung der Kapazität der am Eingang der Ausleseschaltung angeordneten Abtast-Halte-Schaltung 14 um ein gewünschtes Verhältnis passiv abgeschwächt. Dies macht es möglich, ein Eingangssignal in einem weiten Spannungsbereich ohne Begrenzen des Arbeitsbereichs der analogen Schaltung zu empfangen. Diese Abschwächungsoperation, die durch die gewichtete Mittelung der Kapazität passiv durchgeführt wird, ermöglicht, dass der Spannungsbereich des Eingangssignals weniger restriktiv ist, und in dem Fall, in dem das abgeschwächte Signal (V_rst - V_data) × M/N den Arbeitspunkt der Schaltung in einem Beispiel, falls N = 2 und M = 1 gilt, (das erste Beispiel) erfüllt, ist es möglich, ein doppelt so großes Signal wie in dem Fall, in dem die Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung nicht verwendet wird, zu empfangen.
Ferner ist es möglich, dass die Beziehung zwischen der Größe des Eingangssignals zur vertikalen Signalleitung 32 und der Vollskala und der Größe von 1LSB der Analog-Digital-Umwandlung, wie sie vom Eingang der Signalleitung 32 aus gesehen wird, eingestellt wird, indem N/M unter Verwendung analoger oder logischer Mittel nach einem Abtasten und Halten multipliziert wird. In einem Beispiel wird in dem Fall, in dem das Signal durch die gewichtete Mittelung der Kapazität in der Abtast-Halte-Einheit 14 halbiert wird, das Signal unter Verwendung eines analogen oder logischen Mittels nach einem Abtasten und Halten verdoppelt.
«Drittes Beispiel»
Ein drittes Beispiel ist ein Beispiel, in welchem ein Abtastkondensator von einer Kombination einer Vielzahl von Einheitskondensatoren gebildet wird und ein Delta-Sigma-(ΔΣ-)Analog-Digital-Wandler als der Analog-Digital-Wandler genutzt wird. 11 veranschaulicht die Schaltungskonfiguration einer Ein-Pixel-Spalte einer Abtast-Halte-Einheit gemäß dem dritten Beispiel und die Konfiguration der Analog-Digital-Umwandlungseinheit.
Im dritten Beispiel wird ein Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler 153 als jeweiliger Analog-Digital-Wandler der Analog-Digital-Umwandlungseinheit 15 verwendet. Der Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler 153 enthält in einem Beispiel einen ersten Integrator 1531, einen zweiten Integrator 1532, einen Quantisierer 1533 und einen Dezimationsfilter 1534.
Im Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler 153 enthält der erste Integrator 1531 einen Integrationskondensator C₁₁ . Der erste Integrator 1531 hat einen mit einem ersten Analog-Digital-Wandler 1535 verbundenen Eingangsknoten. Der erste Analog-Digital-Wandler 1535 führt als Antwort auf das über den zweiten Integrator 1532 und den Quantisierer 1533 durchgelassene digitale Signal eine EIN- oder AUS-Steuerung eines Stroms zum ersten Integrator 1531 aus.
Der zweite Integrator 1532 enthält eine Gm-Zelle, die eine Spannung in einen Strom umwandelt, und einen Integrationskondensator C₁₂ . Der zweite Integrator 1532 hat einen mit einem zweiten Digital-Analog-Wandler 1536 verbundenen Eingangsknoten. Der zweite Digital-Analog-Wandler 1536 führt eine EIN- oder AUS-Steuerung eines Stroms zum zweiten Integrator 1532 in Abhängigkeit von dem Ergebnis durch, das durch Quantisierung der Ausgabe des zweiten Integrators 1532 durch den Quantisierer 1533 erhalten wurde.
Außerdem ist die Konfiguration des in dieser Beschreibung beispielhaft dargestellten Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandlers 153 ein Beispiel, und sie ist nicht auf diese beispielhafte Konfiguration beschränkt.
In der Abtast-Halte-Einheit 14 gemäß dem dritten Beispiel ist die Konfiguration mit Ausnahme des Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandlers 153, konkret die Schaltungskonfiguration der Datensignal-Abtast-Halte-Schaltung 141 und der Rücksetzsignal-Abtast-Halte-Schaltung 142, im Grunde die gleiche wie im Fall des zweiten Beispiels.
12 veranschaulicht die Wellenform des Potentials der vertikalen Signalleitung 32 und die Zeitsteuerungsbeziehung zwischen den Schalt-Steuersignalen smp_{_p(1)}-smp_{_p(N)} , smpa_{_p} , hld_{_p} , smp_{_d(1)}-smp__d(_M), smp__d(_M+1)-smp_{_d(N)} , smpa_{_d} und hld_{_d} der Schaltelemente der zwei Abtast-Halte-Schaltungen 141 und 142.
In 11 ist ein Widerstandselement 143 zwischen das Ausgangsende der Datensignal-Abtast-Halte-Schaltung 141 und das Ausgangsende der Rücksetzsignal-Abtast-Halte-Schaltung 142 geschaltet. Folglich ist der Strom I_r , der durch das Widerstandselement 143 während der Halteperiode t₂₅-t₂₆ in dem Zeitsteuerungs-Wellenformdiagramm von 12, das heißt der Periode, während der die Schalt-Steuersignale hld_{_p} und hld_{_d} beide bei einem hohen Pegel liegen, fließt, wie folgt gegeben, wobei der Widerstandswert des Widerstandselements 143 R ist.
I_r = (V_rst - V_data) /R. Dieser Strom I_r wird in den ersten Integrator 1531 des Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandlers 153 eingespeist.
In diesem Fall ist der durch das Widerstandselement 143 fließende Strom I_r der Differenz (V_rst - V_data ) zwischen dem Rücksetzsignal V_rst und dem Datensignal V_data des Pixelsignals proportional, und somit wird die CDS-Technik in der Stufe durchgeführt, in der der Strom I_r in den Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler 153 eingespeist wird. In diesem Kontext wird ein Strom I_v2i der Stromquelle der P-Kanal-Source-Folger-Schaltung in der folgenden Stufe im invertierenden Verstärker 1421 in die durch das Widerstandselement 143 fließende Komponente I_r und eine durch die P-Kanal-Source-Folger-Schaltung fließende Komponente I_v2i-I_r verzweigt. Somit muss der Strom I_v2i größer sein als der maximale Strom I_r des durch das Widerstandselement 143 fließenden Stroms, um einen stabilen Schaltungsbetrieb zu erzielen.
Im Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler 153 wird der vorherige quantisierte Wert im Quantisierer 1533 über eine zweiten Digital-Analog-Wandler 1536 und einen ersten Digital-Analog-Wandler 1535 in den zweiten Integrator 1532 und den ersten Integrator 1531 rückgekoppelt.
Auf diese Weise ist es möglich, eine Rauschformungs-Charakteristik zweiter Ordnung zu erhalten, indem der Integrator zweimal durchlaufen wird, während der vorherige quantisierte Wert zu dem ersten Digital-Analog-Wandler 1535 und dem zweiten Digital-Analog-Wandler 1536 rückgekoppelt wird. Außerdem ist es möglich, eine Ausgabe der Analog-Digital-Umwandlung mit hoher Genauigkeit zu erhalten, indem Hochfrequenzrauschen durch den Dezimationsfilter 1534 in der folgenden Stufe des Quantisierers 1533 entfernt wird.
(Modifikation einer Ausführungsform)
Obgleich die oben beschriebenen Ausführungsformen den Fall beschreiben, in dem die Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung für den CMOS-Bildsensor verwendet wird, in welchem Einheitspixel 2 in einer Matrix als Beispiel angeordnet sind, ist sie nicht auf eine Verwendung für den CMOS-Bildsensor beschränkt. Mit anderen Worten ist die Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung für alle Arten von Festkörper-Bildsensoren verwendbar, die das X-Y-Adressverfahren nutzen, in welchem Einheitspixel 2 in einer Matrix zweidimensional angeordnet sind.
Ferner ist die Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung nicht auf eine Verwendung für einen Festkörper-Bildsensor beschränkt, der die Verteilung der Menge an Einfallslicht von sichtbarem Licht detektiert und es als Bild aufnimmt. Die Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung ist verwendbar für alle Arten eines Festkörper-Bildsensors, der die Verteilung der einfallenden Menge an Infrarotstrahlen, Röntgenstrahlen, Teilchen oder dergleichen als Bild aufnimmt.
(Anwendungsbeispiel einer Ausführungsform)
Der CMOS-Bildsensor 1 gemäß der oben beschriebenen vorliegenden Ausführungsform kann für verschiedene Vorrichtungen zum Erfassen von Licht wie etwa sichtbarem Licht, Infrarotlicht, Ultraviolettlicht und Röntgenstrahlen wie in einem Beispiel in 13 veranschaulicht, verwendet werden. Spezifische Beispiele verschiedener Vorrichtungen sind unten aufgelistet.

- Vorrichtungen, die genutzt werden, um Bilder zur Wahrnehmung aufzunehmen, wie etwa Digitalkameras und ein mit der Kamerafunktion versehenes tragbares Gerät
- Vorrichtungen, die im Verkehrsbereich genutzt werden, wie etwa Sensoren im Fahrzeug, die Bilder des vorderen Bereichs, des rückwärtigen Bereichs, der Umgebung, des Inneren oder dergleichen von Fahrzeugen aufnehmen, für ein sicheres Fahren einschließlich eines automatischen Anhaltens und einer Erkennung des Zustands eines Fahrers, Überwachungskameras zum Überwachen von fahrenden Fahrzeugen und Straßen und Abstandssensoren, die einen Abstand zwischen Fahrzeugen messen
- Vorrichtungen, die im Bereich der Haushaltsgeräte genutzt werden, wie etwa Fernsehgeräte, Kühlschränke und Klimaanlagen, um Bilder von Gesten eines Nutzers aufzunehmen und Vorrichtungsoperationen entsprechend den Gesten durchzuführen
- Vorrichtungen, die auf dem Gebiet der Medizin und des Gesundheitswesens verwendet werden, wie etwa Endoskope und Instrumente, die eine Angiographie durchführen, indem Infrarotlicht empfangen wird
- Vorrichtungen, die im Sicherheitsbereich verwendet werden, wie etwa Sicherheits-Überwachungskameras und Kameras zur persönlichen Authentifizierung
- Vorrichtungen, die im Schönheitsbereich verwendet werden, wie etwa Hautmessgeräte, um Bilder der Haut aufzunehmen, und Mikroskope, um Bilder der Kopfhaut aufzunehmen
- Geräte, die im Sportbereich genutzt werden, wie etwa Action-Kameras und tragbare Kameras für den Sport
- Vorrichtungen, die im Bereich der Landwirtschaft genutzt werden, wie etwa Kameras, um den Zustand von Betrieben oder Getreide zu überwachen

<Angewandtes Beispiel einer Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung>
Die Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung ist für verschiedene Produkte verwendbar. Nun werden spezifischere angewandte Beispiele beschrieben.
[Elektronisches Gerät der vorliegenden Offenbarung]
Nun wird ein Fall beschrieben, in dem die vorliegende Erfindung für ein elektronisches Gerät verwendet wird, das eine Bildaufnahmevorrichtung wie etwa digitale Fotokameras oder Videokameras, eine tragbare Endgerätvorrichtung, die mit einer Bildaufnahmefunktion versehen ist, wie etwa Mobiltelefone oder eine Kopiermaschine umfasst, die einen Festkörper-Bildsensor für eine Bildausleseeinheit nutzt.
14 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Bildaufnahmevorrichtung veranschaulicht, die ein Beispiel der elektronischen Vorrichtung der vorliegenden Offenbarung ist. Wie in 14 veranschaulicht ist, hat eine Bildaufnahmevorrichtung 50 gemäß diesem Beispiel ein optisches Bildaufnahmesystem 51, das eine Linsengruppe oder dergleichen enthält, eine Bildaufnahmeeinheit 52, eine DSP-Schaltung 53, einen Rahmen-Speicher 54, eine Anzeigevorrichtung 55, eine Aufzeichnungsvorrichtung 56, ein Betriebssystem 57, ein Stromversorgungssystem 58 oder dergleichen. Außerdem sind die DSP-Schaltung 53, der Rahmen-Speicher 54, die Anzeigevorrichtung 55, die Aufzeichnungsvorrichtung 56, das Betriebssystem 57 und das Stromversorgungssystem 58 über eine Busleitung 59 miteinander verbunden.
Das optische Bildaufnahmesystem 51 fängt Einfallslicht (Bildlicht) von einem fotografischen Gegenstand ein und erzeugt ein Bild auf der Bildaufnahmeoberfläche der Bildaufnahmeeinheit 52. Die Bildaufnahmeeinheit 52 wandelt die Lichtmenge des Einfallslichts, die auf der Bildaufnahmeoberfläche durch das optische Bildaufnahmesystem 51 gebildet wurde, für jedes Pixel in ein elektrisches Signal um und gibt das elektrische Signal als Pixelsignal ab. Die DSP-Schaltung 53 führt eine typische Kamerasignalverarbeitung wie etwa eine Weißabgleich-Verarbeitung, Demosaicing-Verarbeitung und eine Gammakorrektur-Verarbeitung durch.
Der Rahmen-Speicher 54 wird genutzt, um Daten gegebenenfalls im Prozess einer Signalverarbeitung in der DSP-Schaltung 53 zu speichern. Die Anzeigevorrichtung 55 enthält eine Anzeigevorrichtung, die mit einem Panel ausgestattet ist, wie etwa eine Flüssigkristallanzeigevorrichtung oder eine Vorrichtung einer organischen Elektrolumineszenz-(EL-)Anzeige und zeigt ein Bewegtbild oder ein Standbild, das durch die Bildaufnahmeeinheit 52 aufgenommen wurde, an. Die Aufzeichnungsvorrichtung 56 zeichnet das Bewegtbild oder Standbild, das von der Bildaufnahmeeinheit 52 aufgenommen wurde, auf einem Aufzeichnungsmedium wie etwa einem tragbaren Halbleiterspeicher, einer optischen Disk oder einem Festplattenlaufwerk (HDD) an.
Das Betriebssystem 57 erteilt gemäß diesem Beispiel als Antwort auf die Bedienung durch den Nutzer Betriebsbefehle für verschiedene Funktionen der Bildaufnahmevorrichtung 50. Das Stromversorgungssystem 58 stellt diesen Stromversorgungszielen verschiedene Stromversorgungen, die als Stromversorgungen zum Betrieb für die DSP-Schaltung 53, den Rahmen-Speicher 54, die Anzeigevorrichtung 55, die Aufzeichnungsvorrichtung 56 und das Betriebssystem 57 dienen, bereit.
Die Bildaufnahmevorrichtung 50 wie oben beschrieben wird für ein Kameramodul für mobile Vorrichtungen wie etwa Videokameras, digitale Fotokameras und auch Smartphones oder Mobiltelefone verwendet. Außerdem kann diese Bildaufnahmevorrichtung 50 als die Bildaufnahmeeinheit 52 den CMOS-Bildsensor gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen verwenden, der in einem weiten Eingangsspannungsbereich ohne Installieren einer zusätzlichen Schaltung außerhalb der Ausleseschaltung oder Einstellen der Stromversorgungsspannung auf einen hohen Pegel betreibbar ist. Dies macht es möglich, die Bildaufnahmevorrichtung 50 umzusetzen, die Bedenken über eine Zunahme der Schaltungsgröße aufgrund einer Installation einer zusätzlichen Schaltung oder eine Verschlechterung von Rauschcharakteristiken aufgrund der zusätzlichen Schaltung eliminiert.
[Anwendungsbeispiel für ein bewegliches Objekt]
Die Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung kann für verschiedene Produkte verwendet werden. Beispielsweise wird die Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung als Geräte implementiert, die auf jeder beliebigen Art beweglicher Körper wie etwa Automobilen, Elektrofahrzeugen, Hybrid-Elektrofahrzeugen, Motorrädern, Fahrrädern, Vorrichtungen für persönliche Mobilität, Flugzeugen, Drohnen, Schiffen, Robotern, Baumaschinen und landwirtschaftlichen Maschinen (Traktoren) montiert sind.
15 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer schematischen Konfiguration eines Fahrzeugsteuerungssystems 7000 als ein Beispiel eines Systems zur Steuerung beweglicher Körper veranschaulicht, für das die Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann. Das Fahrzeugsteuerungssystem 7000 umfasst eine Vielzahl elektronischer Steuereinheiten, die über ein Kommunikationsnetzwerk 7010 miteinander verbunden sind. In dem in 15 dargestellten Beispiel umfasst ein Fahrzeugsteuerungssystem 7000 eine Antriebssystem-Steuereinheit 7100, eine Karosseriesystem-Steuereinheit 7200, eine Batterie-Steuereinheit 7300, eine Einheit 7400 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs, eine Einheit 7500 zur Detektion von Information von innerhalb des Fahrzeugs und eine integrierte Steuereinheit 7600. Das Kommunikationsnetzwerk 7020, das die Vielzahl von Steuereinheiten miteinander verbindet, kann zum Beispiel ein im Fahrzeug eingebautes Kommunikationsnetzwerk sein, das mit einem beliebigen Standard wie etwa einem Controller Area Network bzw. einem Steuergerätenetz (CAN), einem Local-Interconnect-Network (LIN), einem lokalen Netzwerk (LAN), FlexRay (eingetragenes Warenzeichen) oder dergleichen konform ist.
Jede der Steuereinheiten umfasst: einen Mikrocomputer, der eine arithmetische Verarbeitung gemäß verschiedenen Arten von Programmen durchführt; eine Speichersektion, die die von dem Mikrocomputer ausgeführten Programme, Parameter, die für verschiedene Arten von Operationen verwendet werden, oder dergleichen speichert; und eine Ansteuerschaltung, die verschiedene Arten von Steuerungsziel-Vorrichtungen ansteuert. Jede der Steuereinheiten enthält ferner: eine Netzwerk-Schnittstelle (I/F), um eine Kommunikation mit anderen Steuereinheiten über das Kommunikationsnetzwerk 7010 durchzuführen; und eine Kommunikations-I/F, um eine Kommunikation mit einer Vorrichtung, einem Sensor oder dergleichen innerhalb und/oder außerhalb des Fahrzeugs mittels drahtgebundener Kommunikation oder Funkkommunikation durchzuführen. Eine funktionale Konfiguration der in der 15 veranschaulichten integrierten Steuereinheit 7600 umfasst einen Mikrocomputer 7610, eine universelle Kommunikations-I/F 7620, eine dedizierte Kommunikations-I/F7630, eine Positionsbestimmungssektion 7640, eine Datenpakete empfangende Sektion 7650, eine I/F 7660 für Vorrichtungen im Fahrzeug, eine Audio/Bild-Ausgabesektion 7670, eine I/F 7680 für ein im Fahrzeug eingebautes Netzwerk und eine Speichersektion 7690. Die anderen Steuereinheiten enthalten in ähnlicher Weise einen Mikrocomputer, eine Kommunikations-I/F, einer Speichersektion und dergleichen.
Die Antriebssystem-Steuereinheit 7100 steuert gemäß verschiedenen Arten von Programmen den Betrieb bzw. die Operation von Vorrichtungen bezüglich des Antriebssystems des Fahrzeugs. Beispielsweise dient die Antriebssystem-Steuereinheit 7100 als Steuerungsvorrichtung für eine Antriebskraft-Erzeugungsvorrichtung, um die Antriebskraft des Fahrzeugs zu erzeugen, etwa einen Verbrennungsmotor oder einen Antriebsmotor oder dergleichen, einen Antriebskraft-Übertragungsmechanismus, um die Antriebskraft auf Räder zu übertragen, einen Lenkmechanismus, um den Lenkwinkel des Fahrzeugs einzustellen, eine Bremsvorrichtung, um die Bremskraft des Fahrzeugs zu erzeugen, und dergleichen. Die Antriebssystem-Steuereinheit 7100 kann eine Funktion als Steuerungsvorrichtung eines Antiblockier-Bremssystems (ABS), einer elektronischen Stabilitätskontrolle (ESAC) oder dergleichen aufweisen.
Die Antriebssystem-Steuereinheit 7100 ist mit einer Sektion 7110 zur Detektion des Fahrzeugzustands verbunden. Die Sektion 7110 zur Detektion eines Fahrzeugzustands umfasst beispielsweise einen Gyro-Sensor, der eine Winkelgeschwindigkeit einer axialen Drehbewegung einer Fahrzeugkarosserie detektiert, einen Beschleunigungssensor, der die Beschleunigung des Fahrzeugs detektiert, und/oder Sensoren, um einen Umfang einer Betätigung eines Gaspedals, einen Umfang einer Betätigung eines Bremspedals, den Lenkwinkel eines Lenkrades, eine Motordrehzahl oder die Rotationsgeschwindigkeit der Räder zu detektieren, und dergleichen. Die Antriebssystem-Steuereinheit 7100 führt unter Verwendung eines von der Sektion 7110 zur Detektion eines Fahrzeugzustands eingespeisten Signals eine arithmetische Verarbeitung durch und steuert den Verbrennungsmotor, den Antriebsmotor, eine elektrische Servolenkvorrichtung, die Bremsvorrichtung und dergleichen.
Die Karosseriesystem-Steuereinheit 7200 steuert gemäß verschiedenen Arten von Programmen Operationen verschiedener Arten von an der Fahrzeugkarosserie vorgesehenen Vorrichtungen. Beispielsweise dient die Karosseriesystem-Steuereinheit 7200 als Steuerungsvorrichtung für ein schlüsselloses Zugangssystem, ein System für intelligente Schlüssel, eine automatische Fenstervorrichtung oder verschiedene Arten von Leuchten wie etwa einen Frontscheinwerfer, einen Heckscheinwerfer, eine Bremsleuchte, einen Fahrtrichtungsanzeiger oder eine Nebelleuchte oder dergleichen. In diesem Fall können in die Karosseriesystem-Steuereinheit 7200 Funkwellen, die von einer tragbaren Vorrichtung als Alternative für einen Schlüssel gesendet werden, oder Signale verschiedener Arten von Schaltern eingespeist werden. Die Karosseriesystem-Steuereinheit 7200 empfängt diese eingespeisten Funkwellen oder Signale und steuert eine Türverriegelungsvorrichtung, die automatische Fenstervorrichtung, die Leuchten der dergleichen des Fahrzeugs.
Die Batterie-Steuereinheit 7300 steuert eine Sekundärbatterie 7310, die eine Stromversorgungsquelle für den Antriebsmotor ist, gemäß verschiedenen Arten von Programmen. Beispielsweise wird der Batterie-Steuereinheit 7300 Information über eine Batterietemperatur, eine Ausgangsspannung der Batterie, eine Menge der in der Batterie verbleibenden Ladung oder dergleichen von einer die Sekundärbatterie 7310 enthaltenden Batterievorrichtung bereitgestellt. Die Batterie-Steuereinheit 7300 führt unter Verwendung dieser Signale eine arithmetische Verarbeitung durch und führt eine Steuerung zum Regulieren der Temperatur der Sekundärbatterie 7310 durch oder steuert eine der Batterievorrichtung bereitgestellte Kühlvorrichtung oder dergleichen.
Die Einheit 7400 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs detektiert Information über die äußere Umgebung des Fahrzeugs, das das Fahrzeugsteuerungssystem 7000 enthält. Beispielsweise ist die Einheit 7400 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs mit einer Bildgebungs- bzw. Bildaufnahmesektion 7410 und/oder einer Sektion 7420 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs verbunden. Die Bildaufnahmesektion 7410 enthält eine Laufzeit-(ToF)Kamera (engl.: time-of-flight), eine Stereokamera, Monokular-Kamera, eine Infrarotkamera und/oder andere Kameras. Die Sektion 7420 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs enthält beispielsweise einen Umgebungssensor, um aktuelle atmosphärische Bedingungen oder Wetterbedingungen zu detektieren, und/oder einen eine periphere Information detektierenden Sensor, um ein anderes Fahrzeug, ein Hindernis, einen Fußgänger oder dergleichen in der Peripherie des das Fahrzeugsteuerungssystem 7000 enthaltenden Fahrzeugs zu detektieren.
Der Umgebungssensor kann zum Beispiel einen Regen detektierenden Regentropfensensor, einen Nebel detektierenden Nebelsensor, einen einen Grad der Sonneneinstrahlung detektierenden Sonnensensor und/oder einen Schneefall detektierenden Schneesensor umfassen. Der eine periphere Information detektierende Sensor kann ein Ultraschallsensor, eine Radarvorrichtung und/oder eine LIDAR-Vorrichtung (Lichtdetektions- und Entfernungsmessvorrichtung oder Laserbild-Detektions- und Entfernungsmessvorrichtung) sein. Jede der Bildaufnahmesektion 7410 und der Sektion 7420 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs kann als unabhängiger Sensor oder unabhängige Vorrichtung vorgesehen werden oder kann als eine Vorrichtung, in der eine Vielzahl von Sensoren oder Vorrichtungen integriert ist, vorgesehen werden.
16 stellt ein Beispiel von Installationspositionen der Bildaufnahmeeinheit 7410 und der Sektion 7420 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs dar. Bildaufnahmeeinheiten 7910, 7912, 7914, 7916 und 7918 sind zum Beispiel an Stellen an einer Frontpartie, Seitenspiegeln, der hinteren Stoßstange oder einer Hecktür und an einem oberen Bereich einer Windschutzscheibe im Fahrzeuginneren des Fahrzeugs 7900 angeordnet. Die an der Frontpartie vorgesehene Bildaufnahmeeinheit 7910 und die am oberen Bereich der Windschutzscheibe im Inneren des Fahrzeugs vorgesehene Bildaufnahmesektion 7918 können vorwiegend ein Bild vor dem Fahrzeug 7900 erhalten. Die an den Seitenspiegeln vorgesehenen Bildaufnahmeeinheiten 7912 und 7914 können vorwiegend ein Bild der Seiten des Fahrzeugs 7900 erhalten. Die an der hinteren Stoßstange oder der Hecktür vorgesehene Bildaufnahmeeinheit 7916 kann vorwiegend ein Bild des rückwärtigen Bereichs des Fahrzeugs 7900 erhalten. Die an dem oberen Bereich der Windschutzscheibe im Inneren des Fahrzeugs vorgesehene Bildaufnahmeeinheit 7918 wird vorwiegend genutzt, um ein vorausfahrendes Fahrzeug, einen Fußgänger, ein Hindernis, eine Verkehrsampel, ein Verkehrszeichen, eine Fahrbahn oder dergleichen zu detektieren.
Im Übrigen stellt 16 ein Beispiel von Bildaufnahmebereichen der jeweiligen Bildaufnahmeeinheiten 7910, 7912, 7914 und 7916 dar. Ein Bildaufnahmebereich a repräsentiert den Bildaufnahmebereich der an der Frontpartie vorgesehenen Bildaufnahmeeinheit 7910. Bildaufnahmebereiche b und c repräsentieren die Bildaufnahmebereiche der Bildaufnahmeeinheiten 7912 bzw. 7914, die an den Seitenspiegeln vorgesehen sind. Ein Bildaufnahmebereich d repräsentiert den Bildaufnahmebereich der an der hinteren Stoßstange oder der Hecktür vorgesehenen Bildaufnahmeeinheit 7916. Ein Bild aus der Vogelperspektive des Fahrzeugs 7900, wie es von oben gesehen wird, kann zum Beispiel durch Überlagern von Bilddaten erhalten werden, die von den Bildaufnahmeeinheiten 7910, 7912, 7914 und 1716 abgebildet wurden.
Sektionen 7920, 7922, 7924, 7926, 7928 und 7930 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs, die an der Vorderseite, der Rückseite, den Seiten und Ecken des Fahrzeugs 7900 und dem oberen Bereich der Windschutzscheibe im Fahrzeuginnern des Fahrzeugs 7900 vorgesehen sind, können zum Beispiel ein Ultraschallsensor oder eine Radarvorrichtung sein. Die Sektionen 7920, 7926 und 7930 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs, die an der Frontpartie, der hinteren Stoßstange, der Hecktür und dem oberen Bereich der Windschutzscheibe im Fahrzeuginneren des Fahrzeugs 7900 vorgesehen sind, können beispielsweise eine LIDAR-Vorrichtung sein. Diese Sektionen 7920 bis 7930 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs werden vorwiegend genutzt, um ein vorausfahrendes Fahrzeug, einen Fußgänger, ein Hindernis oder dergleichen zu detektieren.
Zu 15 zurückkehrend wird die Beschreibung fortgesetzt. Die Einheit 7400 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs lässt die Bildaufnahmeeinheit 7410 ein Bild von außerhalb des Fahrzeugs aufnehmen und empfängt die aufgenommenen Bilddaten. Außerdem empfängt die Einheit 7400 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs eine Detektionsinformation von der Sektion 7420 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs, die mit der Einheit 7400 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs verbunden ist. Falls die Sektion 7420 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs ein Ultraschallsensor, eine Radarvorrichtung oder eine LIDAR-Vorrichtung ist, überträgt die Einheit 7400 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs eine Ultraschallwelle, eine elektromagnetische Welle oder dergleichen und empfängt eine Information einer empfangenen reflektierten Welle. Auf der Basis der empfangenen Information kann die Einheit 7400 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs eine Verarbeitung zum Detektieren eines Objekts wie etwa einer Person, eines Fahrzeugs, eines Hindernisses, eines Verkehrszeichens, eines Zeichens auf der Straßenoberfläche oder dergleichen oder eine Verarbeitung zum Detektieren eines Abstands dazu durchführen. Die Einheit 7400 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs kann auf der Basis der empfangenen Information eine Verarbeitung zur Umgebungswahrnehmung durchführen, um Niederschlag, Nebel, Bedingungen der Straßenoberfläche oder dergleichen zu erkennen. Die Einheit 7400 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs kann einen Abstand zu einem Objekt außerhalb des Fahrzeugs auf der Basis der empfangenen Information berechnen.
Außerdem kann auf der Basis der empfangenen Bilddaten die Einheit 7400 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs eine Verarbeitung zur Bilderkennung, um eine Person, ein Fahrzeug, ein Hindernis, ein Verkehrszeichen, ein Zeichen auf einer Straßenoberfläche zu erkennen, oder eine Verarbeitung zum Detektieren eines Abstands dazu durchführen. Die Einheit 7400 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs kann die empfangenen Bilddaten einer Verarbeitung wie etwa einer Verzerrungskorrektur, einer Ausrichtung oder dergleichen unterziehen und die von einer Vielzahl verschiedener Bildaufnahmeeinheiten 7410 aufgenommenen Bilddaten kombinieren, um ein Bild aus der Vogelperspektive oder ein Panoramabild zu erzeugen. Die Einheit 7400 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs kann eine Verarbeitung zur Blickwinkel- bzw. Perspektivenkonversion unter Verwendung der Bilddaten durchführen, die von den verschiedenen Bildaufnahmeeinheiten 7410 aufgenommen werden.
Die Einheit 7500 zur Detektion von Information von innerhalb des Fahrzeugs detektiert Information über das Innere des Fahrzeugs. Die Einheit 7500 zur Detektion von Information von innerhalb des Fahrzeugs ist zum Beispiel mit einer Sektion 7510 der Detektion des Fahrerzustands verbunden, die den Zustand eines Fahrers detektiert. Die Sektion 7510 zur Detektion des Fahrerzustands kann eine Kamera, die den Fahrer aufnimmt, einen Biosensor, der eine biologische Information über den Fahrer detektiert, ein Mikrophon, das ein Geräusch im Inneren des Fahrzeugs erfasst, oder dergleichen umfassen. Der Biosensor ist beispielsweise in eine Sitzfläche, das Lenkrad oder dergleichen integriert und detektiert biologische Information über einen auf einem Sitz sitzenden Insassen oder den das Lenkrad haltenden Fahrer. Auf der Grundlage einer von der Sektion 7510 zur Detektion des Fahrerzustands eingegebenen Detektionsinformation kann die Einheit 7500 zur Detektion von Information von innerhalb des Fahrzeugs einen Ermüdungsgrad des Fahrers oder einen Konzentrationsgrad des Fahrers berechnen oder kann bestimmen, ob der Fahrer döst. Die Einheit 7500 zur Detektion von Information von innerhalb des Fahrzeugs kann ein durch die Erfassung des Geräusches erhaltenes Audiosignal einer Verarbeitung wie etwa einer Verarbeitung zur Rauschunterdrückung oder dergleichen unterziehen.
Die integrierte Steuereinheit 7600 steuert eine allgemeine Operation innerhalb des Fahrzeugsteuerungssystems 7000 gemäß verschiedenen Arten von Programmen. Die integrierte Steuereinheit 7600 ist mit einer Eingabesektion 7800 verbunden. Die Eingabesektion 7800 ist mittels einer für eine Eingabeoperation durch einen Insassen geeigneten Vorrichtung wie etwa eines Berührungsfelds, einer Taste, eines Mikrophons, eines Schalters, eines Hebels oder dergleichen implementiert. Der integrierten Steuereinheit 7600 können Daten bereitgestellt werden, die mittels Spracherkennung einer über das Mikrophon eingegebenen Sprache erhalten werden. Die Eingabesektion 7800 kann zum Beispiel eine Fernsteuerungsvorrichtung, die Infrarotstrahlung oder andere Funkwellen nutzt, oder eine Vorrichtung für eine externe Verbindung wie etwa ein Mobiltelefon, ein persönlicher digitaler Assistent (PDA) oder dergleichen sein, die eine Operation des Fahrzeugsteuerungssystems 7000 unterstützt. Die Eingabesektion 7800 kann zum Beispiel eine Kamera sein. In diesem Fall kann ein Insasse eine Information mittels einer Geste eingeben. Alternativ dazu können Daten eingegeben werden, die erhalten werden, indem die Bewegung einer tragbaren Vorrichtung detektiert wird, die ein Insasse bei sich trägt. Ferner kann die Eingabesektion 7800 beispielsweise eine Eingabesteuerungsschaltung oder dergleichen enthalten, die ein Eingangssignal auf der Basis einer Information erzeugt, die von einem Insassen oder dergleichen unter Verwendung der oben beschriebenen Eingabesektion 7800 eingegeben wird, und welche das erzeugte Eingangssignal an die integrierte Steuereinheit 7600 abgibt. Ein Insasse oder dergleichen gibt verschiedene Arten von Daten ein oder gibt eine Anweisung für eine Verarbeitungsoperation an das Fahrzeugsteuerungssystem 7000, indem die Eingabesektion 7800 betätigt wird.
Die Speichersektion 7690 kann einen Nurlesespeicher (ROM), der verschiedene Arten von durch den Mikrocomputer ausgeführten Programmen speichert, und einen Direktzugriffspeicher (RAM) enthalten, der verschiedene Arten von Parametern, Operationsergebnissen, Sensorwerten oder dergleichen speichert. Außerdem kann die Speichersektion 7690 mittels einer Magnetspeichervorrichtung wie etwa eines Festplattenlaufwerks (HDD) oder dergleichen, einer Halbleiter-Speichervorrichtung, einer optischen Speichervorrichtung, einer magneto-optischen Speichervorrichtung oder dergleichen implementiert sein.
Die universelle Kommunikations-I/F 7620 ist eine weithin verwendete Kommunikations-I/F, die eine Kommunikation mit verschiedenen, in einer äußeren Umgebung vorhandenen Einrichtungen 7750 vermittelt. Die universelle Kommunikations-/F 7620 kann ein zellulares Kommunikationsprotokoll wie etwa ein globales System für mobile Kommunikation (GSM, eingetragenes Warenzeichen), Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX), Long Term Evolution (LTE), erweitertes LTE (LTE-A) oder dergleichen oder ein anderes drahtloses Kommunikationsprotokoll wie etwa drahtloses LAN (worauf auch als Wireless Fidelity (Wi-Fi) verwiesen wird, Bluetooth oder dergleichen implementieren. Beispielsweise kann die universelle Kommunikations-I/F 7620 über eine Basisstation oder einen Zugangspunkt mit einer Einrichtung (zum Beispiel einem Anwendungsserver oder einem Kontroll-Server), die auf einem externen Netzwerk (zum Beispiel dem Internet, einem Cloud-Netzwerk oder einem unternehmensspezifischen Netzwerk) vorhanden ist, verbinden. Außerdem kann die universelle Kommunikations-I/F 7620 zum Beispiel unter Verwendung einer Peer-to-Peer-(P2P)Technologie mit einem in der Nähe des Fahrzeugs vorhandenen Endgerät verbinden (welches Endgerät zum Beispiel ein Endgerät des Fahrers, eines Fußgängers oder eines Ladens oder ein Endgerät für eine Maschine-Typ-Kommunikation (engl.: machine type communication) (MTC) ist).
Die dedizierte Kommunikations-I/F 7630 ist eine Kommunikations-I/F, die ein zur Verwendung in Fahrzeugen entwickeltes Kommunikationsprotokoll unterstützt. Die dedizierte Kommunikations-I/F 7630 kann ein Standardprotokoll wie zum Beispiel einen drahtlosen Zugangs in einer Fahrzeugumgebung (WAVE), was eine Kombination von Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) 802.11p als niedrigere Schicht und IEEE 1609 als höhere Schicht ist, eine Nahbereichskommunikation (engl.: dedicated short-range communications) (DSRC) oder ein zellulares Kommunikationsprotokoll implementieren. Die dedizierte Kommunikations-I/F 7630 führt typischerweise eine V2X-Kommunikation als Konzept aus, die eine oder mehrere einer Kommunikation zwischen Fahrzeug und Fahrzeug (Fahrzeug mit Fahrzeug), einer Kommunikation zwischen Straße und Fahrzeug (Fahrzeug mit Infrastruktur), einer Kommunikation zwischen Fahrzeug und Heim (Fahrzeug mit Heim) und einer Kommunikation zwischen Fußgänger und Fahrzeug (Fahrzeug mit Fußgänger) umfasst.
Die Positionsbestimmungssektion 7640 führt zum Beispiel eine Positionsbestimmung durch, indem ein Signal eines globalen Satellitennavigationssystems (GNNS) von einem GNSS-Satelliten (zum Beispiel ein GPS-Signal von einem Satelliten des globalen Positionsbestimmungssystems) empfangen wird, und erzeugt eine Positionsinformation, die Länge, Breite und Höhenlage des Fahrzeugs umfasst. Im Übrigen kann die Positionsbestimmungssektion 7640 eine aktuelle Position bestimmen, indem Signale mit einem drahtlosen Zugangspunkt ausgetauscht werden, oder kann eine Positionsinformation von einem Endgerät wie etwa einem Mobiltelefon, einem Personal Handyphone System (PHS) oder einem Smartphone erhalten, das eine Positionsbestimmungsfunktion aufweist.
Die Beacon bzw. Datenpakete empfangende Sektion 7650 empfängt zum Beispiel eine Funkwelle oder elektromagnetische Welle, die von einer an einer Straße oder dergleichen installierten Funkstation übertragen wird, und erhält dadurch eine Information über die aktuelle Position, einen Stau, eine gesperrte Straße, die erforderliche Zeit oder dergleichen. Im Übrigen kann die Funktion der Datenpakete empfangenden Sektion 7650 in der oben beschriebenen dedizierten Kommunikations-I/F 7630 enthalten sein.
Die I/F 7660 für Vorrichtungen im Fahrzeug ist eine Kommunikationsschnittstelle, die eine Verbindung zwischen dem Mikrocomputer 7610 und verschiedenen Vorrichtungen 7760 im Fahrzeug vermittelt, die im Fahrzeug vorhanden sind. Die I/F 7660 für Vorrichtungen im Fahrzeug kann eine drahtlose Verbindung unter Verwendung eines Protokolls für drahtlose Kommunikation wie etwa drahtloses LAN, Bluetooth, Nahfeldkommunikation (NFC) oder eines drahtlosen universellen seriellen Buses (WUSB) einrichten. Außerdem kann die I/F 7660 für Vorrichtungen im Fahrzeug eine drahtgebundene Verbindung mittels eines universellen seriellen Buses (USB), einer High-Definition-Multimedia-Schnittstelle (HDMI, eingetragenes Warenzeichen), eines mobilen High-Definition-Link (MHL) oder dergleichen über einen in den Figuren nicht dargestellten Verbindungsanschluss (und nötigenfalls ein Kabel) einrichten. Die Vorrichtungen 7760 im Fahrzeug können beispielsweise eine mobile Vorrichtung und eine tragbare Vorrichtung, die ein Insasse mit sich führt, und/oder eine Informationsvorrichtung umfassen, die in das Fahrzeug getragen oder daran angebracht wird. Die Vorrichtungen 7760 im Fahrzeug können auch eine Navigationsvorrichtung einschließen, die nach einem Weg zu einem beliebigen Ziel sucht. Die I/F 7660 für Vorrichtungen im Fahrzeug tauscht Steuerungssignale oder Datensignale mit diesen Vorrichtungen 7760 im Fahrzeug aus.
Die I/F 7680 für ein im Fahrzeug eingebautes Netzwerk ist eine Schnittstelle, die eine Kommunikation zwischen dem Mikrocomputer 7610 und dem Kommunikationsnetzwerk 7010 vermittelt. Die I/F 7680 für ein im Fahrzeug eingebautes Netzwerk überträgt und empfängt Signale oder dergleichen in Übereinstimmung mit einem von dem Kommunikationsnetzwerk 7010 unterstützten vorbestimmten Protokoll.
Der Mikrocomputer 7610 der integrierten Steuereinheit 7600 steuert das Fahrzeugsteuerungssystem 7000 gemäß verschiedenen Arten von Programmen auf der Basis von Information, die über die universelle Kommunikations-I/F 7620, die dedizierte Kommunikations-I/F 7630, die Positionsbestimmungssektion 7640, die Datenpakete empfangende Sektion 7650, die I/F 7660 für Vorrichtungen im Fahrzeug und/oder die I/F 7680 für ein im Fahrzeug eingebautes Netzwerk erhalten wird. Beispielsweise kann der Mikrocomputer 7610 einen Steuerungszielwert für die Antriebskraft-Erzeugungsvorrichtung, den Lenkmechanismus oder die Bremsvorrichtung auf der Basis der Information über das Innere und die äußere Umgebung des Fahrzeugs berechnen und gibt einen Steuerungsbefehl an die Antriebssystem-Steuereinheit 7100 aus. Beispielsweise kann der Mikrocomputer 7610 eine kooperative Steuerung durchführen, die dazu gedacht ist, Funktionen eines fortgeschrittenen Fahrzeugassistenzsystems (ADAS) zu implementieren, welche Funktionen eine Kollisionsvermeidung oder eine Aufprallabschwächung des Fahrzeugs, eine Nachfolgefahrt basierend auf einem Folgeabstand, eine die Fahrzeuggeschwindigkeit beibehaltende Fahrt, eine Warnung vor einer Kollision des Fahrzeugs, eine Warnung vor einer Abweichung des Fahrzeugs von der Fahrbahn oder dergleichen einschlie-ßen. Außerdem kann der Mikrocomputer 7610 eine für automatisches Fahren gedachte kooperative Steuerung durchführen, die das Fahrzeug autonom unabhängig vom Eingriff des Fahrers fahren lässt, oder dergleichen, indem die Antriebskraft-Erzeugungsvorrichtung, der Lenkmechanismus, die Bremsvorrichtung oder dergleichen auf der Basis der erhaltenen Information über die Umgebungen des Fahrzeugs gesteuert wird.
Der Mikrocomputer 7610 kann eine dreidimensionale Abstandsinformation zwischen dem Fahrzeug und einem Objekt wie etwa einer umliegenden Struktur, einer Person oder dergleichen erzeugen und eine lokale Karteninformation erzeugen, die eine Information über die Umgebung der aktuellen Position des Fahrzeugs enthält, auf der Basis einer Information, die über die universelle Kommunikations-I/F 7620, die dedizierte Kommunikations-I/F 7630, die Positionsbestimmungssektion 7640, die Datenpakete empfangende Sektion 7650, die I/F 7660 für Vorrichtungen im Fahrzeug und/oder die I/F 7680 für ein im Fahrzeug eingebautes Netzwerk erhalten wird. Außerdem kann der Mikrocomputer 7610 eine Gefahr wie etwa eine Kollision des Fahrzeugs, eine Annäherung eines Fußgängers oder dergleichen, eine Einfahrt in eine gesperrte Straße oder dergleichen auf der Basis der erhaltenen Information vorhersagen und ein Warnsignal erzeugen. Das Warnsignal kann beispielsweise ein Signal zum Erzeugen eines Warntons oder ein Aufleuchten einer Warnleuchte sein.
Die Audio/Bild-Ausgabesektion 7670 überträgt ein Ausgangssignal eines Tons und/oder eines Bildes zu einer Ausgabevorrichtung, die einem Insassen des Fahrzeugs oder der äußeren Umgebung eine Information optisch oder akustisch mitteilen kann. In dem Beispiel von 15 sind als die Ausgabevorrichtung ein Audio-Lautsprecher 7710, eine Anzeigesektion 7720 und ein Armaturenbrett 7730 veranschaulicht. Die Anzeigesektion 7720 kann beispielsweise eine bordeigene Anzeige und/oder ein Head-up-Display umfassen. Die Anzeigesektion 7720 kann eine Funktion zur Anzeige einer erweiterten Realität (AR) enthalten. Die Ausgabevorrichtung kann von diesen Vorrichtungen verschieden sein und kann eine andere Vorrichtung wie etwa Kopfhörer, eine tragbare Vorrichtung wie etwa eine brillenartige Anzeige, die von einem Insassen getragen wird, oder dergleichen, ein Projektor, eine Lampe oder dergleichen sein. Falls die Ausgabevorrichtung eine Anzeigevorrichtung ist, zeigt die Anzeigevorrichtung Ergebnisse, die durch verschiedene Arten einer vom Mikrocomputer 7610 durchgeführten Verarbeitung oder eine von einer anderen Steuereinheit empfangenen Information erhalten werden, in verschiedenen Formen wie etwa als Text, Bild, Tabelle, graphische Darstellung oder dergleichen an. Außerdem wandelt, falls die Ausgabevorrichtung eine Ton- bzw. Audio-Ausgabevorrichtung ist, die Audio-Ausgabevorrichtung ein Audiosignal, das aus wiedergegebenen Audio-Daten oder Tondaten oder dergleichen gebildet wurde, in ein analoges Signal um und gibt das analoge Signal akustisch ab.
Im Übrigen können zumindest zwei Steuereinheiten, die über das Kommunikationsnetzwerk 7010 in dem in 15 dargestellten Beispiel miteinander verbunden sind, in eine Steuereinheit integriert werden. Alternativ dazu kann jede individuelle Steuereinheit eine Vielzahl von Steuereinheiten umfassen. Ferner kann das Fahrzeugsteuerungssystem 7000 eine in den Figuren nicht dargestellte andere Steuereinheit enthalten. Zusätzlich kann ein Teil der, oder können die gesamten, Funktionen, die von einer der Steuereinheiten in der obigen Beschreibung ausgeführt werden, einer anderen Steuereinheit zugewiesen werden. Das heißt, eine vorbestimmte arithmetische Verarbeitung kann von einer beliebigen der Steuereinheiten ausgeführt werden, sofern Information über das Kommunikationsnetzwerk 7010 übertragen und empfangen wird. In ähnlicher Weise kann ein Sensor oder eine Vorrichtung, der oder die mit einer der Steuereinheiten verbunden ist, mit einer anderen Steuereinheit verbunden sein, und eine Vielzahl von Steuereinheiten kann über das Kommunikationsnetzwerk 7010 eine Detektionsinformation wechselseitig übertragen und empfangen.
Das beispielhafte Fahrzeugsteuerungssystem, für das die Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendbar ist, ist oben beschrieben. Die Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung ist in einem Beispiel verwendbar für die Bildaufnahmeeinheiten 7910, 7912, 7914, 7916 und 7918 und die Sektionen 7920, 7922, 7924, 7926, 7928 und 7930 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs unter den beschriebenen Komponenten. Konkret ist der CMOS-Bildsensor 1 in 1 in einem Beispiel verwendbar für die Bildaufnahmeeinheit 7410, die Bildaufnahmeeinheiten 7910, 7912, 7914, 7916 und 7918 und Sektionen 7920, 7922, 7924, 7926, 7928 und 7930 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs. Die Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung, die für die Bildaufnahmeeinheiten 7910, 7912, 7914, 7916 und 7918 oder die Sektionen 7920, 7922, 7924, 7926, 7928 und 7930 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs verwendet wird, macht es möglich, das Fahrzeugsteuerungssystem aufzubauen, das Bedenken über eine Zunahme der Schaltungsgröße aufgrund der Installation einer zusätzlichen Schaltung oder einer Verschlechterung von Rauschcharakteristiken aufgrund der zusätzlichen Schaltung eliminiert.
<Konfiguration, die durch die vorliegende Offenbarung ausgestaltet werden kann>
Man beachte, dass die vorliegende Offenbarung die folgende Konfiguration umfassen kann.
«A. Festkörper-Bildsensor»

[A-1] Ein Festkörper-Bildsensor, umfassend:
- eine Pixel-Array-Sektion, die eine Vielzahl von Einheitspixeln enthält, die jeweils eine fotoelektrische Umwandlungseinheit aufweisen, wobei die Vielzahl von Einheitspixeln in einer Matrix angeordnet ist;
- eine Abtast-Halte-Einheit, die dafür konfiguriert ist, ein Pixelsignal abzutasten und zu halten, das von dem Einheitspixel über eine vertikale Signalleitung abgegeben wird, die in Verbindung mit einer Spaltenanordnung der Pixel-Array-Sektion bereitgestellt ist; und
- eine Analog-Digital-Umwandlungseinheit, die dafür konfiguriert ist, ein von der Abtast-Halte-Einheit abgegebenes Pixelsignal in ein digitales Signal umzuwandeln,
- worin die Abtast-Halte-Einheit zwei Abtast-Halte-Schaltungen parallel für eine vertikale Signalleitung aufweist, und
- zumindest eine der zwei Abtast-Halte-Schaltungen zumindest zwei Abtastkondensatoren aufweist.
[A-2] Der Festkörper-Bildsensor gemäß [A-1], der oben beschrieben wurde, worin der Festkörper-Bildsensor eine gestapelte Struktur aufweist, die zumindest zwei Halbleitersubstrate eines ersten Halbleitersubstrats und eines zweiten Halbleitersubstrats umfasst, die aufeinander angeordnet sind, die Pixel-Array-Sektion auf dem ersten Halbleitersubstrat ausgebildet ist, und die Abtast-Halte-Einheit auf einem anderen Halbleitersubstrat als dem ersten Halbleitersubstrat ausgebildet ist.
[A-3] Der Festkörper-Bildsensor gemäß [A-1] oder [A-2], die oben beschrieben wurden, worin zumindest eine der zwei Abtast-Halte-Schaltungen eine erste Schaltereinheit aufweist, die dafür konfiguriert ist, zwischen Eingangsenden des Abtastkondensators selektiv kurzzuschließen.
[A-4] Der Festkörper-Bildsensor gemäß [A-3], der oben beschrieben wurde, worin jeder von zumindest zwei der Abtastkondensatoren eine Kombination einer Vielzahl von Einheitskondensatoren umfasst.
[A-5] Der Festkörper-Bildsensor gemäß [A-4], der oben beschrieben wurde, worin zumindest eine der zwei Abtast-Halte-Schaltungen eine zweite Schaltereinheit aufweist, die eine Gruppe von Schaltern umfasst, die dafür konfiguriert sind, zwischen der vertikalen Signalleitung und jedem Eingangsende der Vielzahl von Einheitskondensatoren mittels eines unabhängigen Steuersignals selektiv kurzzuschließen, und die erste Schaltereinheit eine Gruppe von Schaltern umfasst, die dafür konfiguriert sind, zwischen den Eingangsenden der einander benachbarten Einheitskondensatoren selektiv kurzzuschließen.
[A-6] Der Festkörper-Bildsensor gemäß einem von [A-3] bis [A-5], die oben beschrieben wurden, worin das Pixelsignal ein Rücksetzsignal, das von dem Einheitspixel beim Rücksetzen abgegeben wird, und ein Datensignal, das vom Einheitspixel beim fotoelektrischen Umwandeln abgegeben wird, umfasst, und eine der zwei Abtast-Halte-Schaltungen einen Abtastkondensator, der dafür konfiguriert ist, das Rücksetzsignal abzutasten, und einen Abtastkondensator aufweist, der dafür konfiguriert ist, das Datensignal abzutasten.
[A-7] Der Festkörper-Bildsensor gemäß [A-6], der oben beschrieben wurde, worin ein Kondensatorverhältnis zwischen dem Abtastkondensator, der dafür konfiguriert ist, das Rücksetzsignal abzutasten, und dem Abtastkondensator, der dafür konfiguriert ist, das Datensignal abzutasten, steuerbar ist, indem jeder Schalter einer Gruppe von Schaltern einer zweiten Schaltereinheit geschaltet wird.
[A-8] Der Festkörper-Bildsensor gemäß einem von [A-1] bis [A-7], die oben beschrieben wurden, worin die zwei Abtast-Halte-Schaltungen eine identische Schaltungskonfiguration aufweisen.
[A-9] Der Festkörper-Bildsensor gemäß einem von [A-1] bis [A-8], die oben beschrieben wurden, worin die Analog-Digital-Umwandlungseinheit einen Sägezahn-Analog-Digital-Wandler enthält.
[A-10] Der Festkörper-Bildsensor gemäß einem von [A-1] bis [A-8], die oben beschrieben wurden, worin die Analog-Digital-Umwandlungseinheit einen Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler enthält.

«B. Elektronisches Gerät»

[B-1] Ein elektronisches Gerät, das einen Festkörper-Bildsensor enthält, umfassend:
- eine Pixel-Array-Sektion, die eine Vielzahl von Einheitspixeln enthält, die jeweils eine fotoelektrische Umwandlungseinheit aufweisen, wobei die Vielzahl von Einheitspixeln in einer Matrix angeordnet ist;
- eine Abtast-Halte-Einheit, die dafür konfiguriert ist, ein Pixelsignal abzutasten und zu halten, das von dem Einheitspixel über eine vertikale Signalleitung abgegeben wird, die in Verbindung mit einer Spaltenanordnung der Pixel-Array-Sektion vorgesehen ist; und
- eine Analog-Digital-Umwandlungseinheit, die dafür konfiguriert ist, ein von der Abtast-Halte-Einheit abgegebenes Pixelsignal in ein digitales Signal umzuwandeln,
- worin die Abtast-Halte-Einheit zwei Abtast-Halte-Schaltungen parallel für eine vertikale Signalleitung aufweist, und
- zumindest eine der zwei Abtast-Halte-Schaltungen zumindest zwei Abtastkondensatoren aufweist.
[B-2] Das elektronische Gerät gemäß [B-1], der oben beschrieben wurde, worin der Festkörper-Bildsensor eine gestapelte Struktur aufweist, die zumindest zwei Halbleitersubstrate eines ersten Halbleitersubstrats und eines zweiten Halbleitersubstrats umfasst, die aufeinander angeordnet sind, die Pixel-Array-Sektion auf dem ersten Halbleitersubstrat ausgebildet ist, und die Abtast-Halte-Einheit auf einem anderen Halbleitersubstrat als dem ersten Halbleitersubstrat ausgebildet ist.
[B-3] Das elektronische Gerät gemäß [B-1] oder [B-2], die oben beschrieben wurden, worin zumindest eine der zwei Abtast-Halte-Schaltungen eine erste Schaltereinheit aufweist, die dafür konfiguriert ist, zwischen Eingangsenden des Abtastkondensators selektiv kurzzuschließen.
[B-4] Das elektronische Gerät gemäß [B-3], der oben beschrieben wurde, worin jeder von zumindest zwei der Abtastkondensatoren eine Kombination einer Vielzahl von Einheitskondensatoren umfasst.
[B-5] Das elektronische Gerät gemäß [B-4], der oben beschrieben wurde, worin zumindest eine der zwei Abtast-Halte-Schaltungen eine zweite Schaltereinheit aufweist, die eine Gruppe von Schaltern umfasst, die dafür konfiguriert sind, zwischen der vertikalen Signalleitung und jedem Eingangsende der Vielzahl von Einheitskondensatoren mittels eines unabhängigen Steuersignals selektiv kurzzuschließen, und die erste Schaltereinheit eine Gruppe von Schaltern enthält, die dafür konfiguriert sind, zwischen den Eingangsenden der einander benachbarten Einheitskondensatoren selektiv kurzzuschließen.
[B-6] Das elektronische Gerät gemäß [B-3] bis [B-5], die oben beschrieben wurden, worin das Pixelsignal ein Rücksetzsignal, das von dem Einheitspixel beim Rücksetzen abgegeben wird, und ein Datensignal, das vom Einheitspixel beim fotoelektrischen Umwandeln abgegeben wird, umfasst, und eine der zwei Abtast-Halte-Schaltungen einen Abtastkondensator, der dafür konfiguriert ist, das Rücksetzsignal abzutasten, und einen Abtastkondensator aufweist, der dafür konfiguriert ist, das Datensignal abzutasten.
[B-7] Das elektronische Gerät gemäß [B-6], der oben beschrieben wurde, worin ein Kondensatorverhältnis zwischen dem Abtastkondensator, der dafür konfiguriert ist, das Rücksetzsignal abzutasten, und dem Abtastkondensator, der dafür konfiguriert ist, das Datensignal abzutasten, steuerbar ist, indem jeder Schalter einer Gruppe von Schaltern einer zweiten Schaltereinheit geschaltet wird.
[B-8] Das elektronische Gerät gemäß einem von [B-1] bis [B-7], die oben beschrieben wurden, worin die zwei Abtast-Halte-Schaltungen eine identische Schaltungskonfiguration aufweisen.
[B-9] Das elektronische Gerät gemäß einem von [B-1] bis [B-8], die oben beschrieben wurden, worin die Analog-Digital-Umwandlungseinheit einen Sägezahn-Analog-Digital-Wandler enthält.
[B-10] Das elektronische Gerät gemäß einem von [B-1] bis [B-8], die oben beschrieben wurden, worin die Analog-Digital-Umwandlungseinheit einen Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler enthält.

Bezugszeichenliste

1: CMOS-Bildsensor (Festkörper-Bildsensor)
2: Einheitspixel
11: Pixel-Array-Sektion
12: Reihe-Auswahleinheit
13: Lade-MOS-Einheit
14: Abtast-Halte-Einheit
15: Analog-Digital-Umwandlungseinheit
16: Speichereinheit
17: Datenverarbeitungseinheit
18: Ausgabeeinheit
19: Zeitpunkt-Steuereinheit
21: Fotodiode (fotoelektrische Umwandlungseinheit)
22: Übertragungstransistor
23: Rücksetztransistor
24: Verstärkungstransistor
25: Auswahltransistor
31(31₁ bis 31_m): Pixel-Ansteuerungsleitung
32(32₁ bis 32_n): Vertikale Signalleitung
141: Datensignal-Abtast-Halte-Schaltung
142: Rücksetzsignal-Abtast-Halte-Schaltung
151: Analog-Digital-Wandler
152: Referenzspannungs-Generator
153: Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2008219293 [0003, 0004, 0005]
JP 2008 [0003]
JP 219293 [0003]

Claims

Festkörper-Bildsensor, aufweisend: eine Pixel-Array-Sektion, die eine Vielzahl von Einheitspixeln enthält, die jeweils eine fotoelektrische Umwandlungseinheit aufweisen, wobei die Vielzahl von Einheitspixeln in einer Matrix angeordnet ist; eine Abtast-Halte-Einheit, die dafür konfiguriert ist, ein Pixelsignal abzutasten und zu halten, das von dem Einheitspixel über eine vertikale Signalleitung abgegeben wird, die in Verbindung mit einer Spaltenanordnung der Pixel-Array-Sektion bereitgestellt ist; und eine Analog-Digital-Umwandlungseinheit, die dafür konfiguriert ist, ein von der Abtast-Halte-Einheit abgegebenes Pixelsignal in ein digitales Signal umzuwandeln, wobei die Abtast-Halte-Einheit zwei Abtast-Halte-Schaltungen parallel für eine vertikale Signalleitung aufweist, und zumindest eine der zwei Abtast-Halte-Schaltungen zumindest zwei Abtastkondensatoren aufweist.
Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, wobei der Festkörper-Bildsensor eine gestapelte Struktur aufweist, die zumindest zwei Halbleitersubstrate eines ersten Halbleitersubstrats und eines zweiten Halbleitersubstrats umfasst, die aufeinander angeordnet sind, die Pixel-Array-Sektion auf dem ersten Halbleitersubstrat ausgebildet ist, und die Abtast-Halte-Einheit auf einem anderen Halbleitersubstrat als dem ersten Halbleitersubstrat ausgebildet ist.
Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, wobei zumindest eine der zwei Abtast-Halte-Schaltungen eine erste Schaltereinheit aufweist, die dafür konfiguriert ist, zwischen Eingangsenden des Abtastkondensators selektiv kurzzuschließen.
Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 3, wobei jeder von zumindest zwei der Abtastkondensatoren eine Kombination einer Vielzahl von Einheitskondensatoren umfasst.
Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 4, wobei zumindest eine der zwei Abtast-Halte-Schaltungen eine zweite Schaltereinheit aufweist, die eine Gruppe von Schaltern umfasst, die dafür konfiguriert sind, zwischen der vertikalen Signalleitung und jedem Eingangsende der Vielzahl von Einheitskondensatoren mittels eines unabhängigen Steuersignals selektiv kurzzuschließen, und die erste Schaltereinheit eine Gruppe von Schaltern umfasst, die dafür konfiguriert sind, zwischen den Eingangsenden der einander benachbarten Einheitskondensatoren selektiv kurzzuschließen.
Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 3, wobei das Pixelsignal ein Rücksetzsignal, das von dem Einheitspixel beim Rücksetzen abgegeben wird, und ein Datensignal, das vom Einheitspixel beim fotoelektrischen Umwandeln abgegeben wird, umfasst, und eine der zwei Abtast-Halte-Schaltungen einen Abtastkondensator, der dafür konfiguriert ist, das Rücksetzsignal abzutasten, und einen Abtastkondensator aufweist, der dafür konfiguriert ist, das Datensignal abzutasten.
Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 6, wobei ein Kondensatorverhältnis zwischen dem Abtastkondensator, der dafür konfiguriert ist, das Rücksetzsignal abzutasten, und dem Abtastkondensator, der dafür konfiguriert ist, das Datensignal abzutasten, steuerbar ist, indem jeder Schalter einer Gruppe von Schaltern einer zweiten Schaltereinheit geschaltet wird.
Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, wobei die zwei Abtast-Halte-Schaltungen eine identische Schaltungskonfiguration aufweisen.
Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, wobei die Analog-Digital-Umwandlungseinheit einen Sägezahn-Analog-Digital-Wandler enthält.
Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, wobei die Analog-Digital-Umwandlungseinheit einen Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler enthält.
Elektronisches Gerät, das einen Festkörper-Bildsensor aufweist, der umfasst: eine Pixel-Array-Sektion, die eine Vielzahl von Einheitspixeln enthält, die jeweils eine fotoelektrische Umwandlungseinheit aufweisen, wobei die Vielzahl von Einheitspixeln in einer Matrix angeordnet ist; eine Abtast-Halte-Einheit, die dafür konfiguriert ist, ein Pixelsignal abzutasten und zu halten, das von dem Einheitspixel über eine vertikale Signalleitung abgegeben wird, die in Verbindung mit einer Spaltenanordnung der Pixel-Array-Sektion vorgesehen ist; und eine Analog-Digital-Umwandlungseinheit, die dafür konfiguriert ist, ein von der Abtast-Halte-Einheit abgegebenes Pixelsignal in ein digitales Signal umzuwandeln, wobei die Abtast-Halte-Einheit zwei Abtast-Halte-Schaltungen parallel für eine vertikale Signalleitung aufweist, und zumindest eine der zwei Abtast-Halte-Schaltungen zumindest zwei Abtastkondensatoren aufweist.