DE112022003695T5

DE112022003695T5 - Festkörper-bildgebungselement

Info

Publication number: DE112022003695T5
Application number: DE112022003695.8T
Authority: DE
Inventors: Ryo Tamaki
Original assignee: Sony Semiconductor Solutions Corp
Current assignee: Sony Semiconductor Solutions Corp
Priority date: 2021-07-26
Filing date: 2022-01-31
Publication date: 2024-05-23
Also published as: JPWO2023007772A1; CN117678239A; WO2023007772A1

Abstract

Die Bildqualität wird mittels eines Festkörper-Bildgebungselements verbessert, das eine Belichtung mit allen Pixeln gleichzeitig durchführt.Eine Schaltung einer vorherigen Stufe erzeugt der Reihe nach einen vorbestimmten Rücksetzpegel und einen Signalpegel gemäß einem Belichtungsbetrag und veranlasst, dass jedes der ersten und zweiten Kapazitätselemente den vorbestimmten Pegel und den Signalpegel hält. Eine Auswahlschaltung führt eine Steuerung zum Verbinden eines der ersten und zweiten Kapazitätselemente mit einem vorbestimmten Knoten der nächsten Stufe, eine Steuerung zum Trennen sowohl des ersten als auch zweiten Kapazitätselements vom Knoten der nächsten Stufe und eine Steuerung zum Verbinden des anderen der ersten und zweiten Kapazitätselemente mit dem Knoten der nächsten Stufe der Reihe nach durch. Ein Rücksetztransistor der nächsten Stufe initialisiert einen Pegel des Knotens der nächsten Stufe, wenn sowohl das erste als auch zweite Kapazitätselement vom Knoten der nächsten Stufe getrennt sind. Eine Schaltung der nächsten Stufe liest der Reihe nach den Rücksetzpegel und den Signalpegel von den ersten und zweiten Kapazitätselementen über den Knoten der nächsten Stufe und gibt sie ab.

Description

[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Technik bezieht sich auf ein Festkörper-Bildgebungselement. Konkret bezieht sich die vorliegende Technik auf ein Festkörper-Bildgebungselement, das eine Analog-Digital-(AD-)Umwandlung für jede Spalte durchführt.
[Hintergrundtechnik]
Herkömmlicherweise wird ein Schema eines Spalten-Analog-Digital-Wandlers (ADC), bei dem ein ADC für jede von Spalten außerhalb einer Pixel-Arrayeinheit angeordnet wird und ein Pixel-Signal der Reihe nach von jeder der Reihen gelesen wird, verwendet, um Pixel in einem Festkörper-Bildgebungselement zu miniaturisieren. Falls eine Belichtung mittels eines Rolling-Shutter-Schemas, bei dem eine Belichtung der Reihe nach für jede Reihe im Spalten-ADC-Schema begonnen wird, durchgeführt wird, bestehen Bedenken, dass eine Rolling-Shutter-Verzerrung (engl.: rolling shutter strain) auftreten kann. Um ein Global-Shutter-Schema zu realisieren, bei dem eine Belichtung für alle Pixel gleichzeitig begonnen wird, wurde somit ein Festkörper-Bildgebungselement vorgeschlagen, das ein Kapazitätspaar für jedes Pixel enthält und veranlasst, dass die Kapazitäten einen Rücksetzpegel und einen Signalpegel halten (siehe zum Beispiel NPL 1). Diese Kapazitätspaare sind über einen Knoten mit einer Source-Folgerschaltung in Reihe geschaltet, und die Source-Folgerschaltung liest den Rücksetzpegel und den Signalpegel der Reihe nach aus.
[Zitatliste]
[Nicht-Patentliteratur]
[NPL 1]
Jae-kyu Lee, et al., A 2.1e-Temporal Noise and -105dB Parasitic Light Sensitivity Backside-Illuminated 2.3 um-Pixel Voltage-Domain Global Shutter CMOS Image Sensor Using High-Capacity DRAM Capacitor Technology, ISSCC 2020.
[Zusammenfassung]
[Technisches Problem]
Die oben erwähnte herkömmliche Technik realisiert das Global-Shutter-Schema auf der Basis des Spalten-ADC-Schemas, indem veranlasst wird, dass ein Paar von Kapazitäten einen Rücksetzpegel und einen Signalpegel für jedes Pixel hält. Jedoch kann die Beleuchtungsstärke aufgrund einer elektrischen Ladung, die von einem fotoelektrischen Umwandlungselement überfließt, vermindert werden und kann ein Schwarzfleckphänomen einer Schwarzfärbung bzw. eines Black-Sinking auftreten, wenn Licht mit sehr hoher Beleuchtungsstärke auf die Pixel in der vorher erwähnten Schaltung fällt. Es besteht das Problem, dass die Bildqualität von Bilddaten aufgrund des Schwarzfleckphänomens vermindert wird.
Die vorliegende Technik wurde in Anbetracht solcher Umstände entwickelt, und deren Ziel besteht darin, die Bildqualität eines Festkörper-Bildgebungselements zu verbessern, das eine Belichtung zur gleichen Zeit für all die Pixel durchführt.
[Lösung für das Problem]
Die vorliegende Technik wurde geschaffen, um das oben erwähnte Problem zu lösen, und ein erster Aspekt davon ist ein Festkörper-Bildgebungselement, das umfasst: erste und zweite Kapazitätselemente; eine Schaltung einer vorherigen Stufe, die einen vorbestimmten Rücksetzpegel und einen Signalpegel gemäß einem Belichtungsbetrag der Reihe nach erzeugt und veranlasst, dass die ersten und zweiten Kapazitätselemente den vorbestimmten Rücksetzpegel und den Signalpegel halten; einen Rücksetztransistor einer nächsten Stufe, der einen Pegel eines Knotens einer nächsten Stufe, der mit einem der ersten und zweiten Kapazitätselemente verbunden ist, auf ein vorbestimmtes Potential initialisiert, das niedriger als eine Stromquellenspannung der Schaltung der vorherigen Stufe ist; eine Schaltung einer nächsten Stufe, die den Rücksetzpegel und den Signalpegel über den Knoten der nächsten Stufe liest und den Rücksetzpegel und den Signalpegel an eine vertikale Signalleitung ausgibt; eine Referenzspannung-Erzeugungsschaltung, die eine Referenzspannung in Bezug auf das vorbestimmte Potential erzeugt; und einen Komparator, der die Referenzspannung und ein Potential der vertikalen Signalleitung vergleicht. Dies führt zu einem Effekt, dass die Genauigkeit der Detektion eines Schwarzfleckphänomens verbessert wird.
Im ersten Aspekt kann die Referenzspannung-Erzeugungsschaltung auch eine Stromquelle, die einen vorbestimmten Referenzstrom bereitstellt, eine vorbestimmte Anzahl an Widerständen, die zwischen der Stromquelle und dem Knoten des vorbestimmten Potentials in Reihe geschaltet sind, eine Vorspannungs-Auswahleinheit, als Vorspannung eine Spannung von einem von Verbindungsknoten von jedem der Stromquelle, der vorbestimmten Anzahl von Widerständen und des Knotens des vorbestimmten Potentials auswählt, und eine Source-Folgerschaltung umfassen, die aus der Vorspannung die Referenzspannung erzeugt. Dies führt zu einem Effekt, dass eine Referenzspannung in Bezug auf ein vorbestimmtes Potential erzeugt werden kann.
Im ersten Aspekt kann die Referenzspannung-Erzeugungsschaltung auch eine variable Stromquelle, die einen Strom gemäß einem Steuerungssignal als Referenzstrom bereitstellt, einen Widerstand, der zwischen der variablen Stromquelle und dem Knoten des vorbestimmten Potentials eingefügt ist, und eine Source-Folgerschaltung enthalten, die die Referenzspannung aus einer Vorspannung eines Verbindungsknotens der variablen Stromquelle und des Widerstands erzeugt. Dies führt zu einem Effekt, dass eine Referenzspannung in Bezug auf ein vorbestimmtes Potential erzeugt wird.
Im ersten Aspekt kann auch ein Abtasttransistor, der einen Pfad zwischen der Schaltung der vorherigen Stufe und einem Verbindungsknoten öffnet und schließt, mit dem ein Ende von jedem der ersten und zweiten Kapazitätselemente gemeinsam verbunden ist, ferner enthalten sein, und das andere Ende des zweiten Kapazitätselements kann mit dem Knoten der nächsten Stufe verbunden sein. Dies führt zu einem Effekt, dass die Anzahl an Transistoren für jedes Pixel reduziert wird.
Im ersten Aspekt kann auch eine Auswahlschaltung, die eine Steuerung zum Verbinden eines der ersten und zweiten Kapazitätselemente mit einem vorbestimmten Knoten einer nächsten Stufe, eine Steuerung zum Trennen sowohl des ersten als auch zweiten Kapazitätselements vom Knoten der nächsten Stufe und eine Steuerung zum Verbinden des anderen der ersten und zweiten Kapazitätselemente mit dem Knoten der nächsten Stufe der Reihe nach durchführt, ferner enthalten sein, und der Rücksetztransistor der nächsten Stufe kann einen Pegel des Knotens der nächsten Stufe initialisieren, wenn sowohl das erste als auch das zweite Kapazitätselement vom Knoten der nächsten Stufe getrennt sind. Dies führt zu einem Effekt, dass kTC-Rauschen reduziert wird.
Im ersten Aspekt können auch ein Auswahltransistor einer vorherigen Stufe, der einen Pfad zwischen der Schaltung der vorherigen Stufe und einem vorbestimmten Knoten der vorherigen Stufe öffnet und schließt, und ein Rücksetztransistor der vorherigen Stufe, der einen Pegel des Knotens der vorherigen Stufe initialisiert, ferner enthalten sein, kann ein Ende von jedem der ersten und zweiten Kapazitätselemente mit dem Knoten der vorherigen Stufe gemeinsam verbunden sein und kann das andere Ende von jedem der ersten und zweiten Kapazitätselemente mit der Auswahlschaltung verbunden sein. Dies führt zu einem Effekt, dass Rauschen von der Schaltung der vorherigen Stufe blockiert wird.
Im ersten Aspekt kann auch die Schaltung der vorherigen Stufe ein fotoelektrisches Umwandlungselement, einen Übertragungstransistor der vorherigen Stufe, der eine elektrische Ladung vom fotoelektrischen Umwandlungselement zu einer Floating-Diffusionsschicht überträgt, einen ersten Rücksetztransistor, der die Floating-Diffusionsschicht initialisiert, und einen Verstärkungstransistor der vorherigen Stufe enthalten, der eine Spannung der Floating-Diffusionsschicht verstärkt und die Spannung an einen vorbestimmten Knoten der vorherigen Stufe abgibt, und ein Ende von jedem der ersten und zweiten Kapazitätselemente kann gemeinsam mit dem Knoten der vorherigen Stufe verbunden sein, und das andere Ende von jedem der ersten und zweiten Kapazitätselemente kann mit der Auswahlschaltung verbunden sein. Dies führt zu einem Effekt, dass dem Knoten der vorherigen Stufe ein Signal gemäß einem Potential der Floating-Diffusionsschicht bereitgestellt wird.
Auch kann im ersten Aspekt eine Schalteinheit, die eine Source- bzw. Quellenspannung einstellt, die einer Source des Verstärkungstransistors der vorherigen Stufe bereitgestellt werden soll, ferner enthalten sein, kann die Schaltung der vorherigen Stufe ferner einen Stromquellentransistor enthalten, der mit einem Drain des Verstärkungstransistors der vorherigen Stufe verbunden ist, und kann der Stromquellentransistor nach einem Ende einer Belichtungsperiode von einem EIN-Zustand in einen AUS-Zustand übergehen. Dies führt zu einem Effekt, dass ein Aus-Zustand während des Lesens des Source-Folgers der vorherigen Stufe erreicht wird.
Im ersten Aspekt kann die Schaltung der vorherigen Stufe auch einen Entladungstransistor enthalten, der die elektrische Ladung vom fotoelektrischen Umwandlungselement entlädt. Dies führt zu einem Effekt, dass das fotoelektrische Umwandlungselement initialisiert wird.
Im ersten Aspekt kann auch ferner eine Steuerungsschaltung, die eine Rücksetz-Stromquellenspannung der Schaltung der vorherigen Stufe steuert, enthalten sein, kann der erste Rücksetztransistor eine Spannung einer Floating-Diffusionsschicht auf eine Rücksetz-Stromquellenschaltung initialisieren und kann die Steuerungsschaltung in einer Leseperiode zum Lesen des Rücksetzpegels und des Signalpegels die Rücksetz-Stromquellenspannung in eine Spannung ändern, die sich von einer Spannung in einer Belichtungsperiode unterscheidet. Dies führt zu einem Effekt, dass die Ungleichmäßigkeit der Empfindlichkeit verbessert wird.
Im ersten Aspekt kann auch eine digitale Signalverarbeitungseinheit, die ein Paar kontinuierlicher Einzelbilder bzw. Frames hinzufügt, ferner enthalten sein, und die Schaltung der vorherigen Stufe kann während einer Belichtungsperiode von einem des Paars Frames veranlassen, dass eines der ersten und zweiten Kapazitätselemente den Rücksetzpegel hält, und dann veranlassen, dass das andere der ersten und zweiten Kapazitätselemente den Signalpegel hält, und kann während einer Belichtungsperiode des anderen des Paars Frames veranlassen, dass das andere der ersten und zweiten Kapazitätselemente den Rücksetzpegel hält, und dann veranlassen, dass das eine der ersten und zweiten Kapazitätselemente den Signalpegel hält. Dies führt zu einem Effekt, dass die Ungleichmäßigkeit der Empfindlichkeit verbessert wird.
Im ersten Aspekt kann der Komparator auch eine Vergleichsmaschine, die jeden von Pegeln eines Paars von Eingangsanschlüssen vergleicht und ein Vergleichsergebnis ausgibt, und einen eingangsseitigen Selektor enthalten, der die vertikale Signalleitung oder einen Knoten der Referenzspannung auswählt und das ausgewählte Element mit einem des Paars Eingangsanschlüsse verbindet, und ein Rampensignal kann in den einen des Paars Eingangsanschlüsse eingespeist werden. Dies führt zu einem Effekt, dass ein Schwarzfleckphänomen eingedämmt wird.
Im ersten Aspekt können ferner auch eine Steuerungsschaltung, die auf der Basis des Vergleichsergebnisses bestimmt, ob eine Beleuchtungsstärke höher als ein vorbestimmter Wert ist oder nicht ist, und ein Steuerungssignal abgibt, ein Zähler, der einen Zählwert über eine Periode zählt, bis das Vergleichsergebnis invertiert ist, und das digitale Signal abgibt, das den Zählwert angibt, eine Verarbeitungseinheit für eine korrelierte Doppelabtastung (CDS), die eine Verarbeitung einer korrelierten Doppelabtastung an dem digitalen Signal ausführt, und ein ausgangsseitiger Selektor enthalten sein, der das digitale Signal, an dem die Verarbeitung einer korrelierten Doppelabtastung ausgeführt wurde, oder ein digitales Signal eines vorbestimmten Werts auf der Basis des Steuerungssignals abgibt. Dies führt zu einem Effekt, dass ein Schwarzfleckphänomen (engl.: black spot phenomenon) eingedämmt wird.
Im ersten Aspekt kann ferner auch eine vertikale Scan-Schaltung, die eine Vielzahl von Reihen steuert, in denen jeweils eine vorbestimmte Anzahl an Pixeln ausgerichtet ist, und eine Steuerung zum Starten einer Belichtung zur gleichen Zeit durchführt, enthalten sein, und die ersten und zweiten Kapazitätselemente, die Schaltung der vorherigen Stufe, die Auswahlschaltung, der Rücksetztransistor der nächsten Stufe und die Schaltung der nächsten Stufe können in jedem der Pixel angeordnet sein. Dies liefert einen Effekt, dass die Miniaturisierung des Pixels erleichtert wird.
Im ersten Aspekt kann die Schaltung der vorherigen Stufe auch auf einem ersten Chip vorgesehen sein, und die ersten und zweiten Kapazitätselemente, die Auswahlschaltung, der Rücksetztransistor der nächsten Stufe und die Schaltung der nächsten Stufe können auf einem zweiten Chip vorgesehen sein. Dies hat einen Effekt, dass die Miniaturisierung des Pixels erleichtert wird.
Im ersten Aspekt kann auch der Komparator auf dem zweiten Chip vorgesehen sein. Dies liefert einen Effekt, dass die Miniaturisierung des Pixels erleichtert wird.
Im ersten Aspekt kann der Komparator auch auf einem dritten Chip vorgesehen sein. Dies liefert einen Effekt, dass die Miniaturisierung des Pixels erleichtert wird.
[Kurze Beschreibung der Zeichnungen]

[1] 1 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Bildgebungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt.
[2] 2 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eine Festkörper-Bildgebungselements gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[3] 3 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Pixels gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[4] 4 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Spalten-Signalverarbeitungsschaltung und eines Last-MOS-Schaltungsblocks gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[5] 5 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm, das ein Beispiel eines Global-Shutter-Betriebs gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[6] 6 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm, das ein Beispiel eines Lesebetriebs bzw. einer Leseoperation gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[7] 7 ist in Zeitsteuerungsdiagramm, das ein anderes Beispiel der Leseoperation gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[8] 8 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Pixels in einem Vergleichsbeispiel darstellt.
[9] 9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Zustands eines Pixels bei sowohl dem Lesen eines Rücksetzpegels als auch der Initialisierung des Knotens der nächsten Stufe gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[10] 10 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Zustands eines Pixels beim Lesen eines Signalpegels gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[11] 11 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Betriebs des Festkörper-Bildgebungselements gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[12] 12 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Pixels in einem ersten Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[13] 13 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm, das ein Beispiel eines Global-Shutter-Betriebs im ersten Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[14] 14 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm, das ein Beispiel einer Leseoperation im ersten Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[15] 15 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer laminierten Struktur eines Festkörper-Bildgebungselements gemäß einem zweiten Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[16] 16 ist ein Schaltungsdiagramm, dass ein Konfigurationsbeispiel eines Pixels gemäß dem zweiten Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[17] 17 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer laminierten Struktur eines Festkörper-Bildgebungselements in einem dritten Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[18] 18 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Pixels gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[19] 19 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm, das ein Beispiel eines Global-Shutter-Betriebs in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[20] 20 ist in Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Pixels gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[21] 21 ist ein Diagramm, um einen Rücksetz-Feedthrough bzw. einen Rücksetz-Durchgriff gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Technik zu erläutern.
[22] 22 ist ein Diagramm, um Variationen im Pegel bzw. Pegelschwankungen aufgrund des Rücksetz-Durchgriffs gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Technik zu erläutern.
[23] 23 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm, das ein Beispiel einer Spannungssteuerung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[24] 24 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm, das ein Beispiel eines Global-Shutter-Betriebs mit ungeraden Frames gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[25] 25 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm, das ein Beispiel einer Operation zum Lesen ungerader Frames gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[26] 26 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm, das ein Beispiel eines Global-Shutter-Betriebs mit geraden Frames gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[27] 27 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm, das eine Operation zum Lesen gerader Frames gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[28] 28 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Spalten-Signalverarbeitungsschaltung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[29] 29 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm, das ein Beispiel eines Global-Shutter-Betriebs gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[30] 30 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm, das ein Beispiel einer Leseoperation gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[31] 31 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm, das ein Beispiel eines Rolling-Shutter-Betriebs gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[32] 32 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Festkörper-Bildgebungselements gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[33] 33 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Blind- bzw. Dummy-Pixels, eines Reglers und einer Schalteinheit gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[34] 34 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm, das ein Beispiel von Operationen des Dummy-Pixels und des Reglers gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[35] 35 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines wirksamen bzw. effektiven Pixels gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[36] 36 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm, das ein Beispiel eines Global-Shutter-Betriebs gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[37] 37 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm, das ein Beispiel einer Leseoperation gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[38] 38 ist ein Diagramm, um Effekte gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Technik zu erläutern.
[39] 39 ist ein Blockdiagramm das ein Konfigurationsbeispiel eines Festkörper-Bildgebungselements gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[40] 40 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Referenzspannung-Erzeugungsschaltung gemäß der achten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[41] 41 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Stromquelle gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[42] 42 ist ein Diagramm, das ein Pixel, eine Referenzspannung-Erzeugungsschaltung und eine Spalten-Signalverarbeitungsschaltung gemäß der achten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[43] 43 ist ein Diagramm, das ein Pixel, eine Referenzspannung-Erzeugungsschaltung und eine Spalten-Signalverarbeitungsschaltung gemäß einem Vergleichsbeispiel darstellt.
[44] 44 ist ein Diagramm, das ein anderes Beispiel eines Pixels, einer Referenzspannung-Erzeugungsschaltung und einer Spalten-Signalverarbeitungsschaltung gemäß der achten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[45] 45 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Pixels gemäß einem ersten Modifikationsbeispiel der achten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[46] 46 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Referenzspannung-Erzeugungsschaltung gemäß einem zweiten Modifikationsbeispiel der achten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
[47] 47 ist ein Blockdiagramm, das ein schematisches Konfigurationsbeispiel eines Fahrzeugsteuerungssystems darstellt.
[48] 48 ist ein erläuterndes Diagramm, das ein Beispiel von Installationspositionen von Bildgebungseinheiten darstellt.

[Beschreibung der Ausführungsformen]
Im Folgenden werden Modi zum Ausführen der vorliegenden Technik (worauf hier im Folgenden auch als „Ausführungsformen“ verwiesen wird) beschrieben. Die Beschreibung wird in der folgenden Reihenfolge gegeben.

1. Erste Ausführungsform (Beispiel, bei dem erste und zweite Kapazitätselemente veranlasst werden, Pixel-Signale zu halten)
2. Zweite Ausführungsform (Beispiel, bei dem ein Entladungstransistor hinzugefügt ist und erste und zweite Kapazitätselemente veranlasst werden, Pixel-Signale zu halten)
3. Dritte Ausführungsform (Beispiel, bei dem erste und zweite Kapazitätselemente veranlasst werden, Pixel-Signale zu halten, und eine Rücksetz-Stromquellenspannung gesteuert wird)
4. Vierte Ausführungsform (Beispiel, bei dem erste und zweite Kapazitätselement veranlasst werden, Pixel-Signale zu halten, und Haltepegel für jeden Frame umgeschaltet werden)
5. Fünfte Ausführungsform (Beispiel, bei dem erste und zweite Kapazitätselemente veranlasst werden, Pixel-Signale zu halten, und ein Schwarzfleckphänomen eingedämmt wird)
6. Sechste Ausführungsform (Beispiel, bei dem erste und zweite Kapazitätselemente veranlasst werden, Pixel-Signale zu halten, und ein Rolling-Shutter-Betrieb durchgeführt wird)
7. Siebte Ausführungsform (Beispiel, bei dem erste und zweite Kapazitätselemente veranlasst werden, Pixel-Signale zu halten, und ein Source-Folger der vorherigen Stufe während des Lesens in einen Aus-Zustand versetzt bzw. gebracht wird)
8. Achte Ausführungsform (Beispiel, bei dem erste und zweite Kapazitätselemente veranlasst werden, Pixel-Signale zu halten, und eine Referenzspannung in Bezug auf ein vorbestimmtes Potential, das niedriger als eine Stromquellenspannung ist, erzeugt wird)
9. Beispielhafte Anwendung auf einen sich bewegenden Körper

<1. Erste Ausführungsform>
[Konfigurationsbeispiel einer Bildgebungsvorrichtung]
1 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Bildgebungsvorrichtung 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt. Die Bildgebungsvorrichtung 100 ist eine Vorrichtung, die Bilddaten erfasst, und enthält eine Abbildungslinse 110, ein Festkörper-Bildgebungselement 200, eine Aufzeichnungseinheit 120 und eine Bildgebungs-Steuerungseinheit 130. Als die Bildgebungsvorrichtung 100 wird eine Digitalkamera oder eine elektronische Vorrichtung mit einer Abbildungsfunktion (ein Smartphone, ein Personal Computer oder dergleichen) angenommen.
Das Festkörper-Bildgebungselement 200 erfasst Bilddaten unter der Steuerung der Bildgebungs-Steuerungseinheit 130. Das Festkörper-Bildgebungselement 200 stellt der Aufzeichnungseinheit 120 über eine Signalleitung 209 die Bilddaten bereit.
Die Abbildungslinse 110 sammelt Licht und führt es zum Festkörper-Bildgebungselement 200. Die Bildgebungs-Steuerungseinheit 130 steuert das Festkörper-Bildgebungselement 200, um die Bilddaten zu erfassen. Die Bildgebungs-Steuerungseinheit 130 stellt beispielsweise ein Bildgebungs-Steuerungssignal, das ein vertikales Synchronisationssignal VSYNC enthält, über eine Signalleitung 139 dem Festkörper-Bildgebungselement 200 bereit. Die Aufzeichnungseinheit 120 zeichnet die Bilddaten auf.
Das vertikale Synchronisationssignal VSYNC ist hier ein Signal, das die Zeitsteuerung einer Bildgebung angibt, und ein periodisches Signal mit einer konstanten Frequenz (60 Hertz etc.) wird für das vertikale Synchronisationssignal VSYNC verwendet.
Obgleich die Bildgebungsvorrichtung 100 Bilddaten aufzeichnet, können die Bilddaten auch aus der Bildgebungsvorrichtung 100 nach außen übertragen werden. In diesem Fall ist ferner eine externe Schnittstelle zum Übertragen der Bilddaten vorgesehen. Alternativ dazu kann die Bildgebungsvorrichtung 100 ferner die Bilddaten anzeigen. In diesem Fall ist ferner eine Anzeigeeinheit vorgesehen.
[Konfigurationsbeispiel eines Festkörper-Bildgebungselements]
2 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel des Festkörper-Bildgebungselements 200 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technik veranschaulicht. Das Festkörper-Bildgebungselement 200 umfasst eine vertikale Scan-Schaltung 211, eine Pixel-Arrayeinheit 220, eine Zeitsteuerungsschaltung (engl.: timing control circuit) 212, einen Digital-Analog-Wandler (DAC) 213, einen Last-MOS-Schaltungsblock 250 und eine Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260. Eine Vielzahl von Pixeln 300 ist in einem zweidimensionalen Gittermuster in der Pixel-Arrayeinheit 220 angeordnet. Jede Schaltung innerhalb des Festkörper-Bildgebungselements 200 ist auch beispielsweise auf einem einzigen Halbleiter-Chip vorgesehen.
Im Folgenden wird auf einen Satz von Pixeln 300, die in einer horizontalen Richtung angeordnet sind, als „Zeile bzw. Reihe“ verwiesen und wird auf einen Satz von Pixeln 300, die in einer Richtung senkrecht zur Reihe angeordnet sind, als „Spalte“ verwiesen.
Die Zeitsteuerungsschaltung 212 steuert den Betriebszeitpunkt bzw. die Betriebszeitsteuerung der vertikalen Scan-Schaltung 211, des DAC 213 und der Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260 in Synchronisation mit dem vertikalen Synchronisationssignal VSYNC von der Bildgebungs-Steuerungseinheit 130.
Der DAC 213 erzeugt ein Rampensignal mit einer Sägezahn-Wellenform über eine Digital-Analog-(DA-)Umwandlung. Der DAC 213 stellt der Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260 das erzeugte Rampensignal bereit.
Die vertikale Scan-Schaltung 211 wählt Reihen der Reihe nach aus und steuert sie an und gibt analoge Pixel-Signale ab. Die Pixel 300 wandeln einfallendes Licht fotoelektrisch um, um die analogen Pixel-Signale zu erzeugen. Die Pixel 300 stellen der Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260 über den Last-MOS-Schaltungsblock 250 die Pixel-Signale bereit.
Der Last-MOS-Schaltungsblock 250 ist mit MOS-Transistoren versehen, die für jede Spalte einen konstanten Strom bereitstellen.
Die Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260 führt eine Signalverarbeitung wie etwa eine AD-Umwandlungsverarbeitung und eine CDS-Verarbeitung an einem Pixel-Signal für jede Spalte aus. Die Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260 stellt der Aufzeichnungseinheit 120 Bilddaten bereit, die die verarbeiteten Signale enthalten. Die Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260 ist auch ein Beispiel für die in den Ansprüchen beschriebene Signalverarbeitungsschaltung.
[Konfigurationsbeispiel eines Pixels]
3 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel des Pixels 300 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt. Das Pixel 300 umfasst eine Schaltung 310 einer vorherigen Stufe, Kapazitätselemente 321 und 322, eine Auswahlschaltung 330, einen Rücksetztransistor 341 einer nächsten Stufe und eine Schaltung 350 einer nächsten Stufe.
Die Schaltung 310 einer vorherigen Stufe umfasst ein fotoelektrisches Umwandlungselement 311, einen Übertragungstransistor 312, einen Floating-Diffusion-(FD-)Rücksetztransistor 313, eine FD 314, einen Vorstufen-Verstärkungstransistor 315 und einen Stromquellentransistor 316.
Das fotoelektrische Umwandlungselement 311 erzeugt eine elektrische Ladung durch fotoelektrische Umwandlung. Der Übertragungstransistor 312 überträgt eine elektrische Ladung vom fotoelektrischen Umwandlungselement 311 gemäß einem Übertragungssignal trg von der vertikalen Scan-Schaltung 211 zur FD 314.
Der FD-Rücksetztransistor 313 zieht die elektrische Ladung von der FD 314 ab und führt eine Initialisierung gemäß einem FD-Rücksetzsignal rst von der vertikalen Scan-Schaltung 211 durch. Die FD 314 akkumuliert die elektrische Ladung und erzeugt eine Spannung gemäß der Menge der elektrischen Ladung. Der Verstärkungstransistor 315 der vorherigen Stufe verstärkt den Spannungspegel der FD 314 und gibt die Spannung an den Knoten 320 der nächsten Stufe ab. Man beachte, dass der FD-Rücksetztransistor 313 ein Beispiel für den in den Ansprüchen beschriebenen ersten Rücksetztransistor ist. Der Verstärkungstransistor 315 der vorherigen Stufe ist ebenfalls ein Beispiel für den in den Ansprüchen beschriebenen ersten Verstärkungstransistor.
Außerdem sind der FD-Rücksetztransistor 313 und eine Source des Verstärkungstransistors 315 der vorherigen Stufe mit einer Stromquellenspannung VDD verbunden. Der Stromquellentransistor 316 ist mit einem Drain des Verstärkungstransistors 315 der vorherigen Stufe verbunden. Der Stromquellentransistor 316 stellt einen Strom id1 gemäß einer Steuerung der vertikalen Scan-Schaltung 211 bereit.
Ein Ende von jedem der Kapazitätselemente 321 und 322 ist gemeinsam mit dem Knoten 320 der vorherigen Stufe verbunden, und das andere Ende von jedem der Kapazitätselemente 321 und 322 ist mit der Auswahlschaltung 330 verbunden. Man beachte, dass die Kapazitätselemente 321 und 322 Beispiele für die in den Ansprüchen beschriebenen ersten und zweiten Kapazitätselemente sind.
Die Auswahlschaltung 330 enthält einen Auswahltransistor 331 und einen Auswahltransistor 332. Der Auswahltransistor 331 öffnet und schließt einen Pfad zwischen dem Kapazitätselement und dem Knoten 340 der nächsten Stufe gemäß einem Auswahlsignal Φr von der vertikalen Scan-Schaltung 211. Der Auswahltransistor 332 öffnet und schließt einen Pfad zwischen dem Kapazitätselement 322 und dem Knoten 340 der nächsten Stufe gemäß einem Auswahlsignal Φs von der vertikalen Scan-Schaltung 211.
Der Rücksetztransistor 341 der nächsten Stufe initialisiert den Pegel des Knotens 340 der nächsten Stufe auf ein vorbestimmtes Potential Vreg gemäß einem Rücksetzsignal rstb der nächsten Stufe von der vertikalen Scan-Schaltung 211. Als das Potential Vreg wird ein Potential, das von der Stromquellenspannung VDD verschieden ist, (zum Beispiel ein Potential, das niedriger als VDD ist) festgelegt.
Die Schaltung 350 der nächsten Stufe enthält einen Verstärkungstransistor 351 der nächsten Stufe und einen Auswahltransistor 352 einer nächsten Stufe. Der Verstärkungstransistor 351 der nächsten Stufe verstärkt den Pegel des Knotens 340 der nächsten Stufe. Der Auswahltransistor 352 einer nächsten Stufe gibt ein Signal mit einem durch den Verstärkungstransistor 351 einer nächsten Stufe verstärkten Pegel als Pixel-Signal an die vertikale Signalleitung 309 gemäß einem Auswahlsignal selb einer nächsten Stufe von der vertikalen Scan-Schaltung 211 ab. Man beachte, dass der Verstärkungstransistor der nächsten Stufe ein Beispiel für den in den Ansprüchen beschriebenen zweiten Verstärkungstransistor ist.
Man beachte, dass beispielsweise n-Kanal-Metalloxid-Halbleiter-(nMOS-)Transistoren als verschiedene Transistoren (der Übertragungstransistor 312 und dergleichen) innerhalb des Pixels 300 verwendet werden.
Die vertikale Scan-Schaltung 211 stellt all den Pixeln zum Zeitpunkt eines Beginns der Belichtung das FD-Rücksetzsignal rst und das Übertragungssignal trg mit einem hohen Pegel bereit. Auf diese Weise wird das fotoelektrische Umwandlungselement 311 initialisiert. Im Folgenden wird hierin auf diese Steuerung als „PD-Rücksetzung“ verwiesen.
Die vertikale Scan-Schaltung 211 setzt dann unmittelbar vor einem Ende der Belichtung das Rücksetzsignal rstb der nächsten Stufe und Auswahlsignal Φr auf einen hohen Pegel für all die Pixel und stellt das FD-Rücksetzsignal mit einem hohen Pegel über eine Impulsperiode bereit. Auf diese Weise wird die FD 314 initialisiert und wird ein Pegel gemäß dem Pegel der FD 314 zu diesem Zeitpunkt durch das Kapazitätselement 321 gehalten. Im Folgenden wird auf diese Steuerung hierin im Folgenden als „FD-Rücksetzung“ verwiesen.
Auf den Pegel der FD 314 zum Zeitpunkt der FD-Rücksetzung und den Pegel, der diesem Pegel entspricht, (den vom Kapazitätselement 321 gehaltenen Pegel oder den Pegel der vertikalen Signalleitung 309) wird hier im Folgenden gemeinsam als „P-Phase“ oder „Rücksetzpegel“ im Folgenden verwiesen.
Die vertikale Scan-Schaltung 211 setzt zum Zeitpunkt des Belichtungsendes das Rücksetzsignal rstb der nächsten Stufe und das Auswahlsignal Φs für all die Pixel auf einen hohen Pegel und stellt das Übertragungssignal trg mit hohem Pegel über die Impulsperiode bereit. Auf diese Weise wird eine elektrische Signalladung gemäß dem Belichtungsbetrag zur FD 314 übertragen und wird der Pegel gemäß dem Pegel der FD 314 zu diesem Zeitpunkt vom Kapazitätselement 322 gehalten.
Auf den Pegel der FD 314 zur Zeit der Übertragung der elektrischen Signalladung und den Pegel, der dem Pegel zu dieser Zeit entspricht, (den Pegel, der vom Kapazitätselement 322 gehalten wird, oder den Pegel der vertikalen Signalleitung 309) wird im Folgenden gemeinsam als „D-Phase“ oder „Signalpegel“ verwiesen.
Die Belichtungssteuerung, bei der auf diese Weise die Belichtung für alle Pixel gleichzeitig begonnen und beendet wird, wird als Global-Shutter-Schema bezeichnet. Die Schaltung 310 der vorherigen Stufe all der Pixel erzeugt einen Rücksetzpegel und einen Signalpegel der Reihe nach über die Belichtungssteuerung. Der Rücksetzpegel wird vom Kapazitätselement 321 gehalten, und der Signalpegel wird vom Kapazitätselement 322 gehalten.
Die vertikale Scan-Schaltung 211 wählt nach einem Belichtungsende eine Reihe der Reihe nach aus und veranlasst, dass der Rücksetzpegel und der Signalpegel der Reihe der Reihe nach ausgegeben werden. Die vertikale Scan-Schaltung 211 setzt das FD-Rücksetzsignal rst der ausgewählten Reihe und das Auswahlsignal selb der nächsten Stufe auf einen hohen Pegel, wenn der Rücksetzpegel ausgegeben wird, und stellt das Auswahlsignal Φr mit einem hohen Pegel über eine vorbestimmte Periode bereit. Auf diese Weise ist das Kapazitätselement 321 mit dem Knoten 340 der nächsten Stufe verbunden und wird der Rücksetzpegel gelesen.
Die vertikale Scan-Schaltung 211 stellt das Rücksetzsignal rstb der nächsten Stufe mit einem hohen Pegel über die Impulsperiode bereit, während das FD-Rücksetzsignal rst und das Auswahlsignal selb der nächsten Stufe der ausgewählten Reihe nach dem Lesen des Rücksetzpegels auf einem hohen Pegel gehalten werden. Auf diese Weise wird der Pegel des Knotens 340 der nächsten Stufe initialisiert. Zu dieser Zeit sind sowohl der Auswahltransistor 331 als auch der Auswahltransistor 332 in einem offenen Zustand und sind die Kapazitätselemente 321 und 322 vom Knoten 340 der nächsten Stufe getrennt.
Nach der Initialisierung des Knotens 340 der nächsten Stufe stellt die vertikale Scan-Schaltung 211 das Auswahlsignal Φs mit einem hohen Pegel über eine vorbestimmte Periode bereit, während das FD-Rücksetzsignal rst der ausgewählten Reihe und das Auswahlsignal selb der nächsten Stufe auf einem hohen Pegel gehalten werden. Auf diese Weise ist das Kapazitätselement 322 mit dem Knoten 340 der nächsten Stufe verbunden und wird der Signalpegel gelesen.
Die Auswahlschaltung 330 der ausgewählten Reihe führt eine Steuerung zum Verbinden des Kapazitätselements 321 mit dem Knoten 340 der nächsten Stufe, eine Steuerung zum Trennen der Kapazitätselemente 321 und 322 vom Knoten 340 der nächsten Stufe und eine Steuerung zum Verbinden des Kapazitätselements 322 mit dem Knoten 340 der nächsten Stufe der Reihe nach über die oben erwähnte Lesesteuerung durch. Wenn die Kapazitätselemente 321 und 322 vom Knoten 340 der nächsten Stufe getrennt sind, initialisiert außerdem der Rücksetztransistor 341 der nächsten Stufe der ausgewählten Reihe den Pegel des Knotens 340 der nächsten Stufe. Die Schaltung 350 der nächsten Stufe der ausgewählten Reihe liest auch der Reihe nach den Rücksetzpegel und den Signalpegel von den Kapazitätselementen 321 und 322 über den Knoten 340 der nächsten Stufe und gibt den Rücksetzpegel und den Signalpegel an die vertikale Signalleitung 309 aus.
[Konfigurationsbeispiel einer Spalten-Signalverarbeitungsschaltung]
4 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Last-MOS-Schaltungsblocks 250 und einer Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
Die vertikale Signalleitung 309 ist für jede Spalte im Last-MOS-Schaltungsblock 250 angeordnet. Falls die Anzahl an Spalten als I (I ist eine ganze Zahl) definiert wird, sind I vertikale Signalleitungen 309 angeordnet. Zusätzlich ist der Last-MOS-Transistor 251, der einen konstanten Strom id2 bereitstellt, mit jeder vertikalen Signalleitung 309 verbunden.
Eine Vielzahl von ADCs 261 und eine digitale Signalverarbeitungsschaltung 262 sind in der Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260 angeordnet. Die ADCs 261 sind für jede Reihe angeordnet. Wenn die Anzahl an Spalten auf I festgelegt wird, sind I ADCs 261 angeordnet.
Die ADCs 261 wandeln analoge Pixel-Signale von entsprechenden Spalten in digitale Signale um, indem ein Rampensignal Rmp vom DAC 213 genutzt wird. Die ADCs 261 stellen der digitalen Signalverarbeitungseinheit 262 die digitalen Signale bereit. Beispielsweise sind als die ADCs 261 Komparatoren und Zähler enthaltende ADCs vom Single-Slope- bzw. Ein-Rampen-Typ angeordnet.
Die digitale Signalverarbeitungseinheit 262 führt an jedem digitalen Signal für jede Spalte eine vorbestimmte Signalverarbeitung wie etwa eine CDS-Verarbeitung durch. Die digitale Signalverarbeitungseinheit 262 stellt der Aufzeichnungseinheit 120 Bilddaten bereit, die die verarbeiteten digitalen Signale enthalten.
[Betriebsbeispiel eines Festkörper-Bildgebungselements]
5 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm, das ein Beispiel eines Global-Shutter-Betriebs gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt. Die vertikale Scan-Schaltung 211 stellt vom Zeitpunkt T0 unmittelbar vor einem Belichtungsbeginn bis zum Zeitpunkt T1 nach Ablauf der Impulsperiode all den Reihen (mit anderen Worten all den Pixeln) das FD-Rücksetzsignal rst und das Übertragungssignal trg mit einem hohen Pegel bereit. Auf diese Weise werden all die Pixel PD-zurückgesetzt, und eine Belichtung wird für all die Reihen gleichzeitig gestartet.
Hier bezeichnen rst_[n] und trg_[n] in der Zeichnung Signale an die Pixel der n-ten Reihe unter N Reihen. N ist eine ganze Zahl, die die Gesamtzahl an Reihen angibt, und n ist eine ganze Zahl von 1 bis N.
Außerdem setzt die vertikale Scan-Schaltung 211 das Rücksetzsignal rstb der nächsten Stufe und das Auswahlsignal Φr für all die Pixel zum Zeitpunkt T2 unmittelbar vor einem Belichtungsende auf einen hohen Pegel und stellt das FD-Rücksetzsignal rst mit einem hohen Pegel über die Impulsperiode bereit. Auf diese Weise werden all die Pixel FD-zurückgesetzt und wird der Rücksetzpegel abtastend gehalten (engl.: sample-held). Hier bezeichnen rstb_[n] und Φr_[n] in der Zeichnung Signale an die Pixel der n-ten Reihe.
Zum Zeitpunkt T3 nach dem Zeitpunkt T2 setzt die vertikale Scan-Schaltung 211 das Auswahlsignal Φr auf einen niedrigen Pegel zurück.
Zum Zeitpunkt T4 nach einem Ende der Belichtung setzt die vertikale Scan-Schaltung 211 für all die Pixel das Rücksetzsignal rstb der nächsten Stufe und das Auswahlsignal Φs auf einen hohen Pegel und stellt das Übertragungssignal trg mit einem hohen Pegel über die Impulsperiode bereit. Auf diese Weise wird der Signalpegel abtastend gehalten. Außerdem fällt der Pegel des Knotens 320 der vorherigen Stufe vom Rücksetzpegel (VDD-Vsig) auf den Signalpegel (VDD-Vgs-Vsig). VDD ist hier die Stromquellenspannung, und Vsig ist ein Netto-Signalpegel, der durch eine CDS-Verarbeitung erhalten wird. Vgs ist eine Spannung zwischen einem Gate und einer Source des Verstärkungstransistors 315 der vorherigen Stufe. Φs_[n] in der Zeichnung bezeichnet ebenfalls ein Signal an die Pixel der n-ten Reihe.
Zum Zeitpunkt T5 nach dem Zeitpunkt T4 führt die vertikale Scan-Schaltung 211 das Auswahlsignal Φs auf einen niedrigen Pegel zurück.
Außerdem steuert die vertikale Scan-Schaltung 211 die Stromquellentransistoren 316 aller Reihen (aller Pixel) und veranlasst sie, einen Strom id1 bereitzustellen. Hier bezeichnet id1_[n] in der Zeichnung einen Strom der Pixel der n-ten Reihe. Da ein IR-Abfall zunimmt, wenn es sich bei dem Strom id um einen großen Strom handelt, ist es notwendig, dass der Strom id1 in der Größenordnung von einigen Nanoampere (nA) bis zu einigen zehn Nanoampere (nA) liegt. Auf der anderen Seite sind die Last-MOS-Transistoren 251 all der Spalten in einem AUS-Zustand und wird der vertikalen Signalleitung 309 kein Strom id2 bereitgestellt.
6 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm, das ein Beispiel eines Lesebetriebs bzw. einer Leseoperation gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt. In der Leseperiode der n-ten Reihe vom Zeitpunkt T10 bis zum Zeitpunkt T17 setzt die vertikale Scan-Schaltung 211 das FD-Rücksetzsignal rst der n-ten Reihe und das Auswahlsignal selb der nächsten Stufe auf einen hohen Pegel. Auch wird das Rücksetzsignal rstb der nächsten Stufe all der Reihen während der Leseperiode auf einen niedrigen Pegel gesteuert. Hier bezeichnet selb_[n] in der Zeichnung ein Signal an die Pixel der n-ten Reihe.
Die vertikale Scan-Schaltung 211 stellt der n-ten Reihe ein Auswahlsignal Φr mit einem hohen Pegel über eine Periode vom Zeitpunkt T11 unmittelbar nach dem Zeitpunkt T10 bis zum Zeitpunkt T13 bereit. Das Potential des Knotens 340 der nächsten Stufe liegt auf dem Rücksetzpegel Vrst.
Der DAC 213 erhöht allmählich das Rampensignal Rmp über die Periode vom Zeitpunkt T12 nach dem Zeitpunkt T11 bis zum Zeitpunkt T13. Der ADC 261 vergleicht das Rampensignal Rmp mit einem Pegel Vrst' der vertikalen Signalleitung 309 und zählt den Zählwert, bis das Vergleichsergebnis invertiert ist. Auf diese Weise wird ein P-Phase-Pegel (Rücksetzpegel) gelesen.
Über die Impulsperiode vom Zeitpunkt T14 unmittelbar nach dem Zeitpunkt T13 stellt die vertikale Scan-Schaltung 211 der n-ten Reihe das Rücksetzsignal rstb der nächsten Stufe mit einem hohen Pegel bereit. Somit ist es möglich, die Vorgeschichte des vorherigen Signals zu löschen, das von einer parasitären Kapazität gehalten wird, wenn die parasitäre Kapazität im Knoten 340 der nächsten Stufe vorhanden ist.
Während der Periode vom Zeitpunkt T15 unmittelbar nach der Initialisierung des Knotens 340 der nächsten Stufe bis zum Zeitpunkt T17 stellt die vertikale Scan-Schaltung 211 der n-ten Reihe das Auswahlsignal Φs mit einem hohen Pegel bereit. Das Potential des Knotens 340 der nächsten Stufe liegt auf einem Signalpegel Vsig. Obgleich zur Belichtungszeit der Signalpegel niedriger als der Rücksetzpegel ist, wird der Signalpegel zur Zeit des Lesens höher als der Rücksetzpegel, da der Knoten 340 der nächsten Stufe als Referenz verwendet wird. Eine Differenz zwischen dem Rücksetzpegel Vrst und dem Signalpegel Vsig entspricht einem Netto-Signalpegel, der durch Löschen von Rücksetzrauschen und Offset-Rauschen von FD erhalten wird.
Über eine Periode vom Zeitpunkt T16 nach dem Zeitpunkt T15 bis zum Zeitpunkt T17 erhöht der DAC 213 allmählich das Rampensignal Rmp. Der ADC 261 vergleicht das Rampensignal Rmp mit dem Pegel Vrst' der vertikalen Signalleitung 309 und zählt den Zählwert, bis das Ergebnis invertiert wird. Auf diese Weise wird der D-Phase-Pegel (Signalpegel) gelesen.
Die vertikale Scan-Schaltung 211 steuert auch den Stromquellentransistor 316 der n-ten Reihe als Leseziel und veranlasst, dass der Stromquellentransistor 316 den Strom id1 über die Periode vom Zeitpunkt T10 bis zum Zeitpunkt T17 bereitstellt. Außerdem steuert die Zeitsteuerungsschaltung 212 die Last-MOS-Transistoren 251 all der Spalten und veranlasst sie, innerhalb der Leseperiode all der Reihen den Strom id2 bereitzustellen.
Man beachte, dass, obwohl das Festkörper-Bildgebungselement 200 den Signalpegel nach dem Rücksetzpegel liest, die Reihenfolge nicht darauf beschränkt ist. Wie als Beispiel in 7 dargestellt ist, kann das Festkörper-Bildgebungselement 200 den Rücksetzpegel auch nach dem Signalpegel lesen. In diesem Fall stellt die vertikale Scan-Schaltung 211 das Auswahlsignal Φs mit einem hohen Pegel und dann das Auswahlsignal Φr mit einem hohen Pegel wie als Beispiel in der Zeichnung dargestellt bereit. In diesem Fall ist es notwendig, dass eine Neigung der Steigung des Rampensignals invertiert wird.
8 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Pixels gemäß einem Vergleichsbeispiel veranschaulicht. In diesem Vergleichsbeispiel ist die Auswahlschaltung 330 nicht vorgesehen und ist ein Übertragungstransistor zwischen dem Knoten 320 der vorherigen Stufe und der Schaltung der vorherigen Stufe eingefügt. Außerdem sind anstelle der Kapazitätselemente 321 und 322 Kapazitäten C1 und C2 eingefügt. Die Kapazität C1 ist zwischen dem Knoten 320 der vorherigen Stufe und einem Masseanschluss eingefügt, und die Kapazität C2 ist zwischen dem Knoten 320 der vorherigen Stufe und dem Knoten 340 der nächsten Stufe eingefügt.
Die Pixel-Belichtungssteuerung und Lesesteuerung des Vergleichsbeispiels sind beispielsweise in 5.5.2 von NPL 1 beschrieben. Im Vergleichsbeispiel wird ein Pegel Vn des kTC-Rauschens zur Zeit der Belichtung und des Lesens unter der Annahme, dass der Kapazitätswert jeder der Kapazitäten C1 und C2 C ist, durch den folgenden Ausdruck repräsentiert. $Vn = {(3 * kT / C)}^{1 / 2}$
Im obigen Ausdruck ist keine Boltzmann-Konstante, und die Einheit ist beispielsweise Joule pro Kelvin (J/K). T ist eine absolute Temperatur, und die Einheit ist beispielsweise Kelvin (K). Auch ist die Einheit von Vn beispielsweise Volt (V), und die Einheit von C ist Farad (F).
9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Zustands eines Pixels bei sowohl dem Lesen des Rücksetzpegels als auch der Initialisierung des Knotens der nächsten Stufe gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt. In der Zeichnung bezeichnet a den Zustand des Pixels 300 zur Zeit des Lesens des Rücksetzpegels und bezeichnet in der Zeichnung b den Zustand des Pixels 300 zur Zeit der Initialisierung des Knotens 340 der nächsten Stufe. Der Auswahltransistor 331, der Auswahltransistor 332 und der Rücksetztransistor 341 der nächsten Stufe werden auch durch Schaltdiagrammsymbole in der Zeichnung repräsentiert, um eine Erläuterung in der Zeichnung zu vereinfachen.
Wie als ein Beispiel durch a in der Zeichnung dargestellt ist, bringt die vertikale Scan-Schaltung 211 den Auswahltransistor 331 in einen geschlossenen Zustand und bringt den Auswahltransistor 332 und den Rücksetztransistor 341 der nächsten Stufe in einen offenen Zustand. Auf diese Weise wird der Rücksetzpegel über die Schaltung 350 der nächsten Stufe gelesen.
Wie als Beispiel durch b in der Zeichnung dargestellt ist, bringt die vertikale Scan-Schaltung 211 den Auswahltransistor 331 und den Auswahltransistor 332 in einen offenen Zustand und bringt den Rücksetztransistor 341 der nächsten Stufe in den geschlossenen Zustand nach dem Lesen des Rücksetzpegels. Auf diese Weise werden die Kapazitätselemente 321 und 322 vom Knoten 340 der nächsten Stufe getrennt und wird der Pegel des Knotens 340 der nächsten Stufe initialisiert.
Der Kapazitätswert der parasitären Kapazität Cp des Knotens 340 der nächsten Stufe in diesem Zustand, in dem die parasitäre Kapazität Cp von den Kapazitätselementen 321 und 322 getrennt ist, ist viel kleiner als jene der Kapazitätselemente 321 und 322. Falls man beispielsweise annimmt, dass die parasitäre Kapazität Cp einige Femtofarad (fF) beträgt, liegen die Kapazitätselemente 321 und 322 in der Größenordnung von einigen zehn Femtofarad.
10 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Zustands des Pixels 300 zur Zeit des Lesens des Signalpegels gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
Nach der Initialisierung des Knotens 340 der nächsten Stufe bringt die vertikale Scan-Schaltung 211 den Auswahltransistor 332 in einen geschlossenen Zustand und bringt den Auswahltransistor 331 und den Rücksetztransistor 341 der nächsten Stufe in einen offenen Zustand. Auf diese Weise wird der Signalpegel über die Schaltung 350 der nächsten Stufe gelesen.
Hier wird kTC-Rauschen zur Zeit einer Belichtung des Pixels 300 betrachtet. Zur Zeit einer Belichtung wird kTC-Rauschen bei sowohl dem Abtasten des Rücksetzpegels als auch dem Abtasten des Signalpegels unmittelbar vor einem Ende der Belichtung erzeugt. Falls angenommen wird, dass der Kapazitätswert von jedem der Kapazitätselemente 321 und 322 C ist, wird der Pegel Vn des kTC-Rauschens zur Zeit der Belichtung durch den folgenden Ausdruck repräsentiert. $Vn = {(2 * kT / C)}^{1 / 2}$
Wie als Beispiel in 9 und 10 dargestellt ist, wird der Rücksetztransistor 341 der nächsten Stufe ebenfalls zur Zeit des Lesens gerade angesteuert und wird somit kTC-Rauschen zu dieser Zeit erzeugt. Jedoch sind die Kapazitätselemente 321 und 322 zur Zeit einer Ansteuerung des Rücksetztransistors 341 der nächsten Stufe getrennt und ist die parasitäre Kapazität Cp zu der Zeit klein. Daher ist das kTC-Rauschen zur Zeit des Lesens vernachlässigbarer als kTC-Rauschen zur Zeit der Belichtung. Deshalb wird das kTC-Rauschen zur Zeit der Belichtung und des Lesens durch den Ausdruck 2 repräsentiert.
Gemäß dem Ausdruck 1 und dem Ausdruck 2 wird kTC-Rauschen des Pixels 300, von dem die Kapazität zur Zeit des Lesens getrennt ist, kleiner als jenes im Vergleichsbeispiel, bei dem die Kapazität zur Zeit des Lesens nicht getrennt werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, die Bildqualität der Bilddaten zu verbessern.
11 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Betriebs des des Festkörper-Bildgebungselements 200 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt. Dieser Betrieb beginnt beispielsweise, wenn eine vorbestimmte Anwendung zum Erfassen von Bilddaten ausgeführt wird.
Die vertikale Scan-Schaltung 211 führt eine Belichtung all der Pixel durch (Schritt S901). Danach wählt die vertikale Scan-Schaltung 211 eine zu lesende Reihe aus (Schritt S902). Die Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260 führt das Lesen des Rücksetzpegels der Reihe durch (Schritt S903) und führt dann das Lesen des Signalpegels durch (Schritt S904).
Das Festkörper-Bildgebungselement 200 bestimmt, ob das Lesen all der Reihen abgeschlossen worden ist oder nicht (Schritt S905). Falls das Lesen all der Reihen nicht abgeschlossen wurde (Schritt S905: Nein), wiederholt das Festkörper-Bildgebungselement 200 den Schritt S902 und die folgenden Schritte. Falls auf der anderen Seite das Lesen all der Pixel abgeschlossen wurde (Schritt S905: Ja), führt das Festkörper-Bildgebungselement 200 eine CDS-Verarbeitung und dergleichen aus und beendet die Operationen zur Bilderfassung. Falls eine Vielzahl von Stücken von Bilddaten kontinuierlich erfasst wird, werden die Schritte S901 bis S905 in Synchronisation mit dem vertikalen Synchronisationssignal wiederholt ausgeführt.
Auf diese Weise initialisiert der Rücksetztransistor 341 der nächsten Stufe den Knoten 340 der nächsten Stufe, wenn die Auswahlschaltung 330 die Kapazitätselemente 321 und 322 vom Knoten 340 der nächsten Stufe trennt, gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technik. Da die Kapazitätselemente 321 und 322 getrennt sind, wird der Pegel des Rücksetzrauschens aufgrund der Ansteuerung zu einem Pegel gemäß einer parasitären Kapazität, die kleiner als die Kapazitäten ist. Es ist möglich, die Bildqualität der Bilddaten durch die Rauschreduzierung zu verbessern.
[Erstes Modifikationsbeispiel]
Obgleich das Signal mit der Schaltung 310 der vorherigen Stufe, die mit dem Knoten 320 der vorherigen Stufe in der vorher erwähnten ersten Ausführungsform verbunden ist, gelesen wird, kann Rauschen vom Knoten 320 der vorherigen Stufe zur Zeit des Lesens mit dieser Konfiguration nicht blockiert werden. Ein Pixel 300 gemäß dem ersten Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform unterscheidet sich von jenem in der ersten Ausführungsform dadurch, dass zwischen einer Schaltung 310 der vorherigen Stufe und einem Knoten 320 der vorherigen Stufe ein Transistor eingefügt ist.
12 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel des Pixels 300 gemäß dem ersten Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt. Das Pixel 300 gemäß dem ersten Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform unterscheidet sich von jenem in der ersten Ausführungsform dadurch, dass das Pixel 300 gemäß dem ersten Modifikationsbeispiel ferner einen Rücksetztransistor 323 der vorherigen Stufe und einen Auswahltransistor 324 der vorherigen Stufe enthält. Es wird auch angenommen, dass eine Stromquellenspannung der Schaltung 310 der vorherigen Stufe und der Schaltung 350 der nächsten Stufe gemäß dem ersten Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform VDD1 ist.
Der Rücksetztransistor 323 der vorherigen Stufe initialisiert den Pegel des Knotens 320 der vorherigen Stufe mit der Stromquellenspannung VDD2. Es ist wünschenswert, dass die Stromquellenspannung VDD2 auf einen Wert gesetzt wird, der den folgenden Ausdruck erfüllt. $VDD2 = VDD1 - Vgs$
Im obigen Ausdruck ist Vgs eine Spannung zwischen einem Gate und einer Source des Verstärkungstransistors 315 der vorherigen Stufe.
Es ist möglich, Variationen bzw. Schwankungen des Potentials zwischen dem Knoten 320 der vorherigen Stufe und dem Knoten 340 der nächsten Stufe bei Dunkelheit zu reduzieren, indem der Wert so eingestellt wird, dass er den Ausdruck 3 erfüllt. Folglich ist es möglich, die Ungleichmäßigkeit der Empfindlichkeit (Fotofingerabdruck bzw. Photo Response Non-Uniformity: PRNU) zu verbessern.
Der Auswahltransistor 324 der vorherigen Stufe öffnet und schließt einen Pfad zwischen der Schaltung 310 der vorherigen Stufe und dem Knoten 320 der vorherigen Stufe gemäß einem Auswahlsignal sel der vorherigen Stufe von einer vertikalen Scan-Schaltung 211.
13 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm, das ein Beispiel eines Global-Shutter-Betriebs gemäß dem ersten Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt. Das Zeitsteuerungsdiagramm gemäß dem ersten Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform unterscheidet sich von jenem gemäß der ersten Ausführungsform dadurch, dass die vertikale Scan-Schaltung 211 ferner ein Rücksetzsignal rsta der vorherigen Stufe und ein Auswahlsignal sel der vorherigen Stufe bereitstellt. In der Zeichnung bezeichnen rsta_[n] und sel_[n] Signale an die Pixel in der n-ten Reihe.
Die vertikale Scan-Schaltung 211 stellt vom Zeitpunkt T2 unmittelbar nach einem Ende einer Belichtung bis zum Zeitpunkt T5 das Auswahlsignal sel der vorherigen Stufe mit einem hohen Pegel all den Pixeln bereit. Das Rücksetzsignal rsta der vorherigen Stufe wird auf einen niedrigen Pegel gesteuert.
14 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm, das ein Beispiel einer Leseoperation gemäß dem ersten Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt. Das Auswahlsignal sel der vorherigen Stufe wird zur Zeit des Lesens jeder Reihe auf einen niedrigen Pegel gesteuert. Durch die Steuerung geht der Auswahltransistor 324 der vorherigen Stufe in einen offenen Zustand über und wird der Knoten 320 der vorherigen Stufe von der Schaltung 310 der vorherigen Stufe getrennt. Auf diese Weise kann Rauschen vom Knoten 320 der vorherigen Stufe zur Zeit des Lesens blockiert werden.
Die vertikale Scan-Schaltung 211 stellt während einer Leseperiode der n-ten Reihe vom Zeitpunkt T10 bis zum Zeitpunkt T17 der n-ten Reihe das Rücksetzsignal rsta der vorherigen Stufe bereit.
Die vertikale Scan-Schaltung 211 steuert die Stromquellentransistoren 316 für all die Pixel ebenfalls und stoppt die Bereitstellung des Stroms id1 zur Zeit des Lesens. Der Strom id2 wird ähnlich der ersten Ausführungsform bereitgestellt. Auf diese Weise ist die Steuerung des Stroms id1 im Vergleich mit der ersten Ausführungsform einfacher.
Gemäß dem ersten Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technik geht der Auswahltransistor 324 der vorherigen Stufe zur Zeit des Lesens in den offenen Zustand über, wird die Schaltung 310 der vorherigen Stufe auf diese Weise vom Knoten 320 der vorherigen Stufe getrennt und kann somit Rauschen von der Schaltung 310 der vorherigen Stufe blockiert werden.
[Zweites Modifikationsbeispiel]
Obgleich die Schaltungen im Festkörper-Bildgebungselement 200 in der oben erwähnten ersten Ausführungsform in einem einzigen Halbleiter-Chip vorgesehen bzw. untergebracht sind, bestehen Bedenken, dass das Element mit dieser Konfiguration nicht im Halbleiter-Chip untergebracht werden kann, wenn die Pixel 300 miniaturisiert werden. Ein Festkörper-Bildgebungselement 200 gemäß dem zweiten Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform unterscheidet sich von jenem gemäß der ersten Ausführungsform dadurch, dass Schaltungen im Festkörper-Bildgebungselement 200 auf zwei Halbleiter-Chips verteilt angeordnet sind.
15 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer laminierten Struktur des Festkörper-Bildgebungselements 200 gemäß dem zweiten Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt. Das Festkörper-Bildgebungselement 200 gemäß dem ersten Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform umfasst einen unteren Pixel-Chip 202 und einen oberen Pixel-Chip 201, der auf dem unteren Pixel-Chip 202 laminiert ist. Diese Chips sind beispielsweise mit einer Cu-Cu-Verbindung elektrisch verbunden. Man beachte, dass die Verbindung unter Verwendung eines Kontaktlochs oder Kontakthöckers anstelle der Cu-Cu-Verbindung eingerichtet werden kann.
Eine obere Pixel-Arrayeinheit 221 ist auf dem oberen Pixel-Chip 201 angeordnet. Eine untere Pixel-Arrayeinheit 222 und eine Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260 sind auf dem unteren Pixel-Chip 202 angeordnet. Einige der Pixel innerhalb der Pixel-Arrayeinheit 220 sind in der oberen Pixel-Arrayeinheit 221 angeordnet, während die anderen in der unteren Pixel-Arrayeinheit 222 angeordnet sind.
Zusätzlich sind auf dem unteren Pixel-Chip 202 eine vertikale Scan-Schaltung 211, eine Zeitsteuerungsschaltung 212, ein DAC 213 und ein Last-MOS-Schaltungsblock 250 angeordnet. In der Zeichnung sind diese Schaltungen weggelassen.
Der obere Pixel-Chip 201 wird ebenfalls beispielsweise durch einen für Pixel dedizierten Prozess hergestellt, und der untere Pixel-Chip 202 wird beispielsweise durch einen komplementären MOS-(CMOS)-Prozess hergestellt. Man beachte, dass der obere Pixel-Chip 201 ein Beispiel für den in den Ansprüchen beschriebenen ersten Chip ist, während der untere Pixel-Chip 202 ein Beispiel für den in den Ansprüchen beschriebenen zweiten Chip ist.
16 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Pixels 300 gemäß dem zweiten Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt. Im Pixel 300 ist die Schaltung 310 der vorherigen Stufe auf dem oberen Pixel-Chip 201 angeordnet und sind die anderen Schaltungen und Elemente (wie etwa Kapazitätselemente 321 und 322) auf dem unteren Pixel-Chip 202 angeordnet. Man beachte, dass es auch möglich ist, ferner einen Stromquellentransistor 316 auf dem unteren Pixel-Chip 202 anzuordnen. Wie als Beispiel in der Zeichnung dargestellt ist, ist es möglich, die Fläche des Pixels zu reduzieren und eine Miniaturisierung des Pixels zu erleichtern, indem die Elemente im Pixel 300 auf dem laminierten oberen Pixel-Chip 201 und dem unteren Pixel-Chip 202 verteilt angeordnet werden.
Gemäß dem zweiten Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technik werden die Schaltungen und die Elemente im Pixel 300 auf den beiden Halbleiter-Chips auf diese Weise verteilt angeordnet und wird somit eine Miniaturisierung des Pixels erleichtert.
[Drittes Modifikationsbeispiel]
Gemäß dem oben erwähnten zweiten Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform sind ein Teil des Pixels 300 und die peripheren Schaltungen (wie etwa die Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260) auf dem unteren Pixel-Chip 202 auf der unteren Seite vorgesehen. Bei dieser Konfiguration wird jedoch die Anordnungsfläche der Schaltungen und der Elemente auf der Seite des unteren Pixel-Chips 202 entsprechend den peripheren Schaltungen größer als jenen des oberen Pixel-Chips 202, und somit bestehen Bedenken, dass unnötiger Raum ohne Schaltungen und Elemente auf dem oberen Pixel-Chip 201 erzeugt werden könnte. Das Festkörper-Bildgebungselement 200 gemäß dem dritten Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform unterscheidet sich von jenem gemäß dem zweiten Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform dadurch, dass die Schaltungen im Festkörper-Bildgebungselement 200 auf drei Halbleiter-Chips verteilt angeordnet sind.
17 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer laminierten Struktur des Festkörper-Bildgebungselements 200 gemäß dem dritten Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt. Das Festkörper-Bildgebungselement 200 gemäß dem dritten Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform umfasst einen oberen Pixel-Chip 201, einen unteren Pixel-Chip 202 und einen Schaltungs-Chip 203. Diese Chips sind laminiert und beispielsweise mit einer Cu-Cu-Verbindung elektrisch verbunden. Man beachte, dass die Verbindung unter Verwendung eines Kontaktlochs oder eines Kontakthöckers anstelle der Cu-Cu-Verbindung eingerichtet werden kann.
Eine obere Pixel-Arrayeinheit 221 ist auf dem oberen Pixel-Chip 201 angeordnet. Eine untere Pixel-Arrayeinheit 222 ist auf dem unteren Pixel-Chip 202 angeordnet. Einige der Pixel innerhalb der Pixel-Arrayeinheit 220 sind in der oberen Pixel-Arrayeinheit 221 angeordnet, während die anderen in der unteren Pixel-Arrayeinheit 222 angeordnet sind.
Außerdem sind auf dem Schaltungs-Chip 203 eine Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260, eine vertikale Scan-Schaltung 211, eine Zeitsteuerungsschaltung 212, ein DAC 213 und ein Last-MOS-Schaltungsblock 250 angeordnet. Die Schaltungen mit Ausnahme der Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260 sind in der Zeichnung weggelassen.
Man beachte, dass der obere Pixel-Chip 201 ein Beispiel für den in den Ansprüchen beschriebenen ersten Chip ist, während der untere Pixel-Chip 202 ein Beispiel für den in den Ansprüchen beschriebenen zweiten Chip ist. Der Schaltungs-Chip 203 ist ein Beispiel für den in den Ansprüchen beschriebenen dritten Chip.
Indem man die Dreischichtkonfiguration, wie sie in der Zeichnung als ein Beispiel dargestellt ist, verwendet, ist es möglich, im Vergleich mit der Zweischichtkonfiguration unnötigen Raum zu sparen und das Pixel weiter zu miniaturisieren. Außerdem ist es möglich, den unteren Pixel-Chip 204, der eine zweite Schicht bildet, durch einen dedizierten Prozess für die Kapazitäten und Schalter herzustellen.
Gemäß dem dritten Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Technik werden die Schaltungen im Festkörper-Bildgebungselement 200 auf diese Weise auf den drei Halbleiter-Chips verteilt angeordnet, sodass es möglich ist, das Pixel im Vergleich mit dem Fall weiter zu miniaturisieren, in dem die Schaltungen auf den zwei Halbleiter-Chips verteilt angeordnet sind.
<2. Zweite Ausführungsform>
Obgleich der Rücksetzpegel während einer Belichtungsperiode gemäß der vorher erwähnten ersten Ausführungsform abtastend gehalten wird, ist es mit dieser Konfiguration nicht möglich, die Belichtungsperiode kürzer als die eine Rücksetzpegel-Abtastung haltende Periode einzurichten. Ein Festkörper-Bildgebungselement 200 gemäß einer zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von jener gemäß der ersten Ausführungsform dadurch, dass die Belichtungsperiode weiter verkürzt wird, indem ein Transistor hinzugefügt wird, der eine elektrische Ladung von einem fotoelektrischen Umwandlungselement entlädt.
18 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel des Pixels 300 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt. Das Pixel 300 gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von jenem gemäß der ersten Ausführungsform dadurch, dass das Pixel 300 gemäß der zweiten Ausführungsform in einer Schaltung 310 der vorherigen Stufe ferner einen Entladungstransistor 317 enthält.
Der Entladungstransistor 317 fungiert als Überlauf-Drain, der eine elektrische Ladung vom fotoelektrischen Umwandlungselement 311 gemäß einem Entladungssignal ofg von der vertikalen Scan-Schaltung 211 entlädt. Als der Entladungstransistor 317 wird beispielsweise ein nMOS-Transistor verwendet.
Bei der Konfiguration, in der der Entladungstransistor 317 wie in der ersten Ausführungsform nicht vorgesehen ist, kann Blooming auftreten, wenn eine elektrische Ladung von einem fotoelektrischen Umwandlungselement 311 zu einer FD 314 für alle Pixel übertragen wird. Potentiale der FD 314 und eines Knotens 320 der vorherigen Stufe fallen dann zur Zeit einer FD-Rücksetzung ab. Lade- und Entladeströme der Kapazitätselemente 321 und 322 werden kontinuierlich erzeugt, indem dem Potentialabfall gefolgt wird, und ein IR-Abfall der Stromquelle und der Masse ändert sich von dem konstanten Zustand ohne Blooming.
Auf der anderen Seite wird in einem Zustand, in dem das fotoelektrische Umwandlungselement 311 nach einer Übertragung einer Signalladung keine elektrische Ladung aufweist bzw. leer ist, wenn der Signalpegel all der Pixel abtastend gehalten wird, somit kein Blooming erzeugt und wird ein konstanter Zustand erreicht, in dem ein IR-Abfall der Stromquelle und der Masse kein Blooming verursacht. Weißes bzw. Streifen-Rauschen (engl.: streaking noise) tritt aufgrund einer Differenz im IR-Abfall zur Zeit des Haltens einer Abtastung des Rücksetzpegels und des Signalpegels auf.
Auf der anderen Seite wird die elektrische Ladung des fotoelektrischen Umwandlungselements 311 in der zweiten Ausführungsform, in der der Entladungstransistor 317 vorgesehen ist, zur Seite des Überlauf-Drains entladen. Daher wird der IR-Abfall zur Zeit des Haltens einer Abtastung des Rücksetzpegels und des Signalpegels zu einem ähnlichen Pegel und kann weißes bzw. Streifen-Rauschen eingedämmt werden.
19 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm, das ein Beispiel eines Global-Shutter-Betriebs gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt. Zum Zeitpunkt T0 vor dem Zeitpunkt eines Belichtungsbeginns setzt die vertikale Scan-Schaltung 211 ein Entladungssignal ofg all der Pixel auf einen hohen Pegel und stellt all den Pixeln über eine Impulsperiode ein FD-Rücksetzsignal rst mit einem hohen Pegel bereit. Auf diese Weise werden für all die Pixel eine PD-Rücksetzung und eine FD-Rücksetzung durchgeführt. Der Rücksetzpegel wird ebenfalls abtastend gehalten. Hier bezeichnet ofg_[n] in der Zeichnung ein Signal an die Pixel der n-ten Reihe aus N-Reihen.
Die vertikale Scan-Schaltung 211 führt dann ein Entladungssignal ofg all der Pixel zum Zeitpunkt T1 eines Belichtungsbeginns auf einen niedrigen Pegel zurück. Die vertikale Scan-Schaltung 211 stellt dann all den Pixeln über eine Periode vom Zeitpunkt T2 unmittelbar nach einem Belichtungsende bis zum Zeitpunkt T3 des Belichtungsendes ein Übertragungssignal trg mit einem hohen Pegel bereit. Auf diese Weise wird der Signalpegel abtastend gehalten.
Wie bei der ersten Ausführungsform müssen sowohl der Übertragungstransistor 312 als auch der FD-Rücksetztransistor 313 zur Zeit eines Belichtungsbeginns (das heißt zur Zeit einer PD-Rücksetzung) bei der Konfiguration, bei der der Entladungstransistor 317 nicht vorgesehen ist, in einen EIN-Zustand gebracht werden. Unter der Steuerung muss die FD 314 zur Zeit der PD-Rücksetzung ebenfalls gleichzeitig zurückgesetzt werden. Daher ist es notwendig, eine FD-Rücksetzung wieder während der Belichtungsperiode durchzuführen und den Rücksetzpegel abtastend zu halten, und es ist nicht möglich, die Belichtungsperiode so zu reduzieren, dass sie kürzer als die Abtast-Halteperiode des Rücksetzpegels ist. Wenn der Rücksetzpegel all der Pixel abtastend gehalten wird, wird eine gewisse Wartezeit benötigt, bis sich die Spannung und der Strom einpendeln, und ist beispielsweise eine Abtast-Haltezeit von mehreren Mikrosekunden (ps) bis zu einigen zehn Mikrosekunden (ps) erforderlich.
Auf der anderen Seite können die PD-Rücksetzung und die FD-Rücksetzung in der zweiten Ausführungsform, in der der Entladungstransistor 317 vorgesehen ist, individuell durchgeführt werden. Daher ist es möglich, die FD-Rücksetzung vor der Freigabe der PD-Rücksetzung (Belichtungsbeginn) durchzuführen und den Rücksetzpegel abtastend zu halten, wie als Beispiel in der Zeichnung dargestellt ist. Folglich ist es möglich, die Belichtungsperiode so zu reduzieren, dass sie kürzer als die Abtast-Halteperiode des Rücksetzpegels ist.
Man beachte, dass es auch möglich ist, die ersten bis dritten Modifikationsbeispiele der ersten Ausführungsform an die zweite Ausführungsform anzupassen.
Auf diese Weise wird gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Technik der Entladungstransistor 317 vorgesehen, der eine elektrische Ladung vom fotoelektrischen Umwandlungselement 311 entlädt, und folglich ist es möglich, die FD-Rücksetzung vor einem Belichtungsbeginn durchzuführen und den Rücksetzpegel abtastend zu halten. Somit ist es möglich, die Belichtungsperiode so zu reduzieren, dass sie kürzer als die Abtast-Halteperiode des Rücksetzpegels ist.
<3. Dritte Ausführungsform>
Obgleich die FD 314 in der oben erwähnten ersten Ausführungsform durch die Stromquellenspannung VDD initialisiert wird, bestehen Bedenken, dass die Ungleichmäßigkeit der Empfindlichkeit (PRNU) aufgrund von Schwankungen der Kapazitätselemente 321 und 322 und der parasitären Kapazität mit dieser Konfiguration sich verschlechtern kann. Ein Festkörper-Bildgebungselement 200 gemäß der dritten Ausführungsform unterscheidet sich von jenem gemäß der ersten Ausführungsform dadurch, dass die PRNU verbessert wird, indem die Stromquellenspannung des FD-Rücksetztransistors 313 zur Zeit des Lesens gesenkt wird.
20 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Pixels 300 gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Technologie darstellt. Das Pixel 300 gemäß der dritten Ausführungsform unterscheidet sich von jenem gemäß der ersten Ausführungsform dadurch, dass eine Stromquelle eines FD-Rücksetztransistors 313 von einer Stromquellenspannung VDD des Pixels 300 getrennt ist.
Ein Drain des FD-Rücksetztransistors 313 gemäß der dritten Ausführungsform ist mit einer Rücksetz-Stromquellenspannung VRST verbunden. Die Rücksetz-Stromquellenspannung VRST wird beispielsweise durch eine Zeitsteuerungsschaltung 212 gesteuert. Man beachte, dass die Zeitsteuerungsschaltung 212 ein Beispiel für die in den Ansprüchen beschriebene Steuerungsschaltung ist.
Bezugnehmend auf 21 und 22 wird hier eine Verschlechterung der PRNU im Pixel 300 der ersten Ausführungsform betrachtet. In der ersten Ausführungsform wird das Potential der FD 314 aufgrund eines Rücksetz-Durchgriffs des FD-Rücksetztransistors 313 zum Zeitpunkt T0 unmittelbar vor einem Belichtungsbeginn gesenkt, wie als Beispiel in 21 dargestellt ist. Der Schwankungsbetrag wird als Vft bezeichnet.
In der ersten Ausführungsform ist die Stromquellenspannung des FD-Rücksetztransistors 313 VDD und variiert das Potential der FD 314 von VDD zu VDD-Vft zum Zeitpunkt T0. Außerdem ist das Potential des Knotens 320 der vorherigen Stufe zur Zeit der Belichtung VDD-Vft-Vsig.
Darüber hinaus geht der FD-Rücksetztransistor 313 zur Zeit des Lesens wie als Beispiel in 22 gezeigt in den EIN-Zustand über, und die FD 314 wird in der ersten Ausführungsform auf die Stromquellenspannung VDD fixiert. Die Potentiale des Knotens 320 der vorherigen Stufe und des Knotens 330 der nächsten Stufe zur Zeit des Lesens werden um den Betrag einer Variation Vft der FD 314 so verschoben, dass sie um etwa Vft höher sind. Jedoch führt der Betrag, um den die Spannung aufgrund von Variationen in Kapazitätswerten der Kapazitätselemente 321 und 322 und der parasitären Kapazität verschoben wird, zu Variationen bzw. Schwankungen für jedes Pixel und eine Verschlechterung der PRNU.
Der Betrag des Übergangs des Knotens 340 der nächsten Stufe in einem Fall, in dem der Knoten 320 der vorherigen Stufe ein Übergang um Vft durchmacht, wird beispielsweise durch den folgenden Ausdruck repräsentiert. ${(Cs + δ Cs) / (Cs + δ Cs + Cp)} * Vtf$
Im obigen Ausdruck ist Cs ein Kapazitätswert des Kapazitätselements 322 auf der Seite des Signalpegels, und bei δCs handelt es sich um Variationen von Cs. Cp ist ein Kapazitätswert der parasitären Kapazität des Knotens 340 der nächsten Stufe.
Der Ausdruck 4 kann durch den folgenden Ausdruck approximiert werden. ${1 - (δ Cs / Cs) * (Cp / Cs)} * Vtf$
Aus dem Ausdruck 5 können Variationen im Knoten 340 der nächsten Stufe durch den folgenden Ausdruck repräsentiert werden. ${(δ Cs / Cs) * (Cp / Cs)} * Vtf$
Unter der Annahme, dass (δCs/Cs) 10^-2 ist, (Cp/Cs) 10^-1 ist und Vft 400 Millivolt (mV) ist, beträgt die PRNU gemäß dem Ausdruck 6 400 pVrms und wird ein verhältnismäßig großer Wert.
Wenn kTC-Rauschen zur Zeit des Haltens einer Abtastung der Kapazität in Bezug auf einen Eingang reduziert wird, ist es notwendig, die Effizienz einer Umwandlung von elektrischer Ladung und Spannung der FD 314 zu erhöhen. Obgleich die Kapazität der FD 314 reduziert werden muss, um die Effizienz einer Ladung-Spannung-Umwandlung zu erhöhen, nimmt der Betrag der Variationen Vft zu, wenn die Kapazität der FD 314 abnimmt, und beträgt einige hundert Millivolt (mV). In diesem Fall kann der Einfluss von PRNU aufgrund des Ausdrucks 6 ein nicht vernachlässigbares Niveau ausmachen.
23 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm, das ein Beispiel einer Spannungssteuerung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
In einer Leseperiode in Einheiten von Reihen zu und nach dem Zeitpunkt T9 steuert die Zeitsteuerungsschaltung 212 eine Rücksetz-Stromquellenspannung VRST auf einen Wert, der sich von jenem in einer Belichtungsperiode unterscheidet.
Beispielsweise stellt die Zeitsteuerungsschaltung 212 die Rücksetz-Stromquellenspannung VRST so ein, dass sie den gleichen Wert wie die Stromquellenspannung VDD in der Belichtungsperiode aufweist. Auf der anderen Seite senkt die Zeitsteuerungsschaltung 212 die Rücksetz-Stromquellenspannung VRST in der Leseperiode auf VDD-Vft ab. Mit anderen Worten senkt die Zeitsteuerungsschaltung 212 die Rücksetz-Stromquellenspannung VRST um den Betrag, der mit dem Betrag der Variation Vft aufgrund eines Rücksetz-Durchgriffs in der Leseperiode im Wesentlichen übereinstimmt, ab. Durch die Steuerung kann man den gleichen Rücksetzpegel der FD 314 zur Zeit einer Belichtung und zur Zeit eines Lesens haben.
Durch die Steuerung der Rücksetz-Stromquellenspannung VRST ist es möglich, die Beträge von Variationen der Spannungen der FD 314 und des Knotens 320 der vorherigen Stufe wie als Beispiel in der Zeichnung veranschaulicht zu reduzieren. Auf diese Weise ist es möglich, eine Verschlechterung der PRNU aufgrund von Variationen der Kapazitätselemente 321 und 322 und der parasitären Kapazität einzudämmen.
Man beachte, dass es auch möglich ist, die ersten bis dritten Modifikationsbeispiele der ersten Ausführungsform und die zweite Ausführungsform an die dritte Ausführungsform anzupassen.
Gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Technik senkt die Zeitsteuerungsschaltung 212 die Rücksetz-Stromquellenspannung VRST um den Betrag der Variationen Vft aufgrund des Rücksetz-Durchgriffs zur Zeit des Lesens auf diese Weise ab, und folglich ist es möglich, den gleichen Rücksetzpegel für die Belichtung und für das Lesen zu erhalten. Somit ist es möglich, eine Verschlechterung der Ungleichmäßigkeit der Empfindlichkeit (PRNU) einzudämmen.
<4. Vierte Ausführungsform>
Obgleich in der oben erwähnten Ausführungsform für jeden Frame der Rücksetzpegel gelesen wird und dann der Signalpegel gelesen wird, bestehen Bedenken, dass sich die Ungleichmäßigkeit der Empfindlichkeit (PRNU) aufgrund von Variationen der Kapazitätselemente 321 und 322 und der parasitären Kapazität in dieser Konfiguration verschlechtern kann. Ein Festkörper-Bildgebungselement 200 gemäß einer vierten Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass die PRNU verbessert wird, indem ein im Kapazitätselement 321 gehaltener Pegel mit einem im Kapazitätselement 322 gehaltenen Pegel für jeden Frame umgeschaltet wird.
Das Festkörper-Bildgebungselement 200 gemäß der vierten Ausführungsform bildet kontinuierlich eine Vielzahl von Einzelbildern bzw. Frames in Synchronisation mit einem vertikalen Synchronisationssignal ab. Auf Frames der ungeraden Ordnungen wird als „ungerade Frames“ verwiesen, und auf Frames der geraden Ordnungen wird als „gerade Frames“ verwiesen. Man beachte, dass die ungeraden Frames und die geraden Frames ein Beispiel für das in den Ansprüchen beschriebene Paar von Frames sind.
24 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm, das ein Beispiel eines Global-Shutter-Betriebs ungerader Frames gemäß der vierten Ausführungsform darstellt. Eine Schaltung 310 der vorherigen Stufe im Festkörper-Bildgebungselement 200 veranlasst, dass ein Kapazitätselement 321 einen Rücksetzpegel hält, und veranlasst dann, dass ein Kapazitätselement 322 einen Signalpegel hält, indem das Auswahlsignal Φr und dann das Auswahlsignal Φs in der Belichtungsperiode der ungeraden Frames auf einen hohen Pegel geändert werden.
25 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm, das ein Beispiel einer Operation zum Lesen ungerader Frames gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt. Eine Schaltung 350 der nächsten Stufe im Festkörper-Bildgebungselement 200 setzt das Auswahlsignal Φr und dann das Auswahlsignal Φs auf einen hohen Pegel und liest den Rücksetzpegel und dann den Signalpegel während der Periode zum Lesen ungerader Frames.
26 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm, das ein Beispiel eines Global-Shutter-Betriebs für gerade Frames gemäß der vierten Ausführungsform darstellt. Die Schaltung 310 der vorherigen Stufe des Festkörper-Bildgebungselements 200 veranlasst, dass das Kapazitätselement 322 den Rücksetzpegel hält, und veranlasst dann, dass das Kapazitätselement 321 den Signalpegel hält, indem das Auswahlsignal Φs und dann das Auswahlsignal Φr während der Belichtungsperiode gerader Frames auf einen hohen Pegel setzt.
27 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm, das ein Beispiel einer Operation zum Lesen ungerader Frames gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt. Die Schaltung 350 der nächsten Stufe im Festkörper-Bildgebungselement 200 setzt das Auswahlsignal Φs und dann das Auswahlsignal Φr auf einen hohen Pegel und liest den Rücksetzpegel und dann den Signalpegel während der Periode zum Lesen gerader Frames.
Wie als Beispiel in 24 und 26 dargestellt ist, sind die Pegel, die von den Kapazitätselementen 321 und 322 gehalten werden sollen, in den geraden Frames und den ungeraden Frames entgegengesetzt. Auf diese Weise sind auch die Polaritäten der PRNU in den geraden Frames und den ungeraden Frames entgegengesetzt. Die Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260 in der nächsten Stufe erhält den Additionsmittelwert der ungeraden Frames und der geraden Frames. Es ist somit möglich, die PRNU mit entgegengesetzten Polaritäten auszulöschen.
Die Steuerung ist eine zum Abbilden eines Videos und Hinzufügen von Frames effektive Steuerung. Außerdem ist es nicht notwendig, dem Pixel 300 ein Element hinzuzufügen, und es ist möglich, eine Steuerung allein durch Ändern eines Ansteuerungsschemas zu realisieren.
Man beachte, dass es auch möglich ist, die ersten bis dritten Modifikationsbeispiele der ersten Ausführungsform und die zweiten und dritten Ausführungsformen auf die vierte Ausführungsform anzuwenden.
Gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Technik sind der vom Kapazitätselement 321 gehaltene Pegel und der vom Kapazitätselement 322 gehaltene Pegel in den ungeraden Frames und den geraden Frames auf diese Weise entgegengesetzt, und folglich ist es möglich, entgegengesetzte Polaritäten der PRNU in den ungeraden Frames und den geraden Frames zu haben. Es ist möglich, eine Verschlechterung der PRNU durch die Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260 einzudämmen, die diese ungeraden Frames und geraden Frames addiert.
<5. Fünfte Ausführungsform>
In der oben erwähnten ersten Ausführungsform erhält die Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260 eine Differenz zwischen dem Rücksetzpegel und dem Signalpegel für jede Spalte. Jedoch bestehen Bedenken über das Auftreten eines Schwarzfleckphänomens, bei dem die Beleuchtungsstärke aufgrund einer vom fotoelektrischen Umwandlungselement 311 überfließenden elektrischen Ladung verringert wird und eine Schwarzfärbung bzw. Black-Sinking auftritt, wenn Licht mit sehr hoher Beleuchtungsstärke auf das Pixel mit dieser Konfiguration fällt. Ein Festkörper-Bildgebungselement 200 gemäß der fünften Ausführungsform unterscheidet sich von jenem gemäß der ersten Ausführungsform dadurch, dass für jedes Pixel bestimmt wird, ob das Schwarzfleckphänomen aufgetreten ist oder nicht.
28 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260 gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Technik veranschaulicht. In der Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260 gemäß der fünften Ausführungsform sind eine Vielzahl von ADCs 270 und eine digitale Signalverarbeitungseinheit 290 angeordnet. Auch sind in der digitalen Signalverarbeitungseinheit 290 eine Vielzahl von CDS-Verarbeitungseinheiten 291 und eine Vielzahl von Selektoren 292 angeordnet. Die ADCs 270, die CDS-Verarbeitungseinheiten 291 und der Selektor 292 sind für jede Spalte vorgesehen.
Außerdem enthält jeder ADC 270 einen Komparator 280 und einen Zähler 271. Der Komparator 280 vergleicht einen Pegel einer vertikalen Signalleitung 309 mit einem Rampensignal Rmp vom DAC 213 und gibt ein Vergleichsergebnis VCO aus. Das Vergleichsergebnis VCO wird einem Zähler 271 und einer Zeitsteuerungsschaltung 212 bereitgestellt. Der Komparator 280 enthält einen Selektor 281, Kapazitätselemente 282 und 283, Auto-Zero-Schalter 284 und 286 und eine Vergleichsmaschine 285.
Der Selektor 281 verbindet entweder die vertikale Signalleitung 309 einer entsprechenden Spalte oder einen Knoten einer vorbestimmten Referenzspannung VREF über ein Kapazitätselement 282 gemäß einem eingangsseitigen Auswahlsignal selin mit einem nicht-invertierenden Eingangsanschluss (+) der Vergleichsmaschine 285. Das eingangsseitige Auswahlsignal selin wird von der Zeitsteuerungsschaltung 212 bereitgestellt. Man beachte, dass der Selektor 281 ein Beispiel für den in den Ansprüchen beschriebenen eingangsseitigen Selektor ist.
Die Vergleichsmaschine 285 vergleicht jeden der Pegel des nicht-invertierenden Eingangsanschlusses (+) und des invertierenden Eingangsanschlusses (-) und gibt das Vergleichsergebnis VCO an den Zähler 271 aus. Das Rampensignal Rmp wird über das Kapazitätselement 283 in den invertierenden Eingangsanschluss () eingespeist.
Der Auto-Zero-Schalter 284 schließt den nicht-invertierenden Eingangsanschluss (+) und den Ausgangsanschluss des Vergleichsergebnisses VCO gemäß dem Auto-Zero-Signal Az von der Zeitsteuerungsschaltung 212 kurz. Der Auto-Zero-Schalter 286 schaltet den invertierenden Eingangsanschluss (-) und den Ausgangsanschluss des Vergleichsergebnisses VCO gemäß dem Auto-Zero-Signal Az kurz.
Der Zähler 271 zählt den Zählwert über eine Periode, bis das Vergleichsergebnis VCO invertiert ist, und gibt das digitale Signal CNT_out, das den Zählwert angibt, an die CDS-Verarbeitungseinheit 291 ab.
Die CVS-Verarbeitungseinheit 291 führt eine CDS-Verarbeitung an dem digitalen Signal CNT_out durch. Die CDS-Verarbeitungseinheit 291 führt eine arithmetische Operation für eine Differenz zwischen dem digitalen Signal CNT_out entsprechend dem Rücksetzpegel und dem digitalen Signal CNT_out entsprechend dem Signalpegel durch und gibt die Differenz als CDS_out an den Selektor 292 aus.
Der Selektor 292 gibt entweder das digitale Signal CDS_out nach der CDS-Verarbeitung oder das digitale Signal FULL eines Voll-Codes als Pixel-Daten der entsprechenden Spalte gemäß einem ausgangsseitigen Auswahlsignal selout von der Zeitsteuerungsschaltung 212 ab. Man beachte, dass der Selektor 292 ein Beispiel für den in den Ansprüchen beschriebenen ausgangsseitigen Selektor ist.
29 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm, das ein Beispiel eines Global-Shutter-Betriebs gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt. Ein Verfahren zum Steuern des Transistors zur Zeit des Global-Shutter-Betriebs gemäß der fünften Ausführungsform ist ähnlich jenem in der ersten Ausführungsform.
Hier wird angenommen, dass Licht mit sehr hoher Beleuchtungsstärke auf das Pixel 300 gefallen ist. In diesem Fall ist das fotoelektrische Umwandlungselement 311 voll mit elektrischer Ladung, fließt die elektrische Ladung vom fotoelektrischen Umwandlungselement 311 zur FD 314 über und wird das Potential der FD 314 nach der FD-Rücksetzung abgesenkt. Die gepunktete Kettenlinie in der Zeichnung gibt Variationen im Potential der FD 314 an, wenn schwaches Sonnenlicht, das zu einer verhältnismäßig geringen Menge an überfließender elektrischer Ladung führt, einfällt. Die gestrichelte Linie in der Zeichnung gibt Variationen des Potentials der FD 314 an, wenn starkes Sonnenlicht, das zu einer verhältnismäßig großen Menge überfließender elektrischer Ladung führt, einfällt.
Obgleich der Rücksetzpegel vor dem Zeitpunkt T3 abgesenkt ist, wenn die FD-Rücksetzung abgeschlossen ist, wird, wenn schwaches Sonnenlicht einfällt, an diesem Punkt der Pegel nicht vollständig abgesenkt.
Auf der anderen Seite wird der Rücksetzpegel an der Stelle des Zeitpunkts T3, wenn starkes Sonnenlicht einfällt, vollständig abgesenkt. In diesem Fall wird der Signalpegel zu dem gleichen wie der Rücksetzpegel, und die Potentialdifferenz dazwischen ist „0“, das digitale Signal nach der CDS-Verarbeitung wird das gleiche wie jenes im Fall eines dunklen Zustands und tritt Dark-Sinking auf. Auf diese Weise wird das Phänomen, dass das Pixel unabhängig vom Lichteinfall mit sehr hoher Beleuchtungsstärke wie etwa Sonnenlicht schwarz wird, als Schwarzpunktphänomen oder Blooming bezeichnet.
Falls der Pegel der FD 314 des Pixels, wo das Schwarzfleckphänomen aufgetreten ist, übermäßig abgesenkt wird, ist es auch nicht möglich, einen Betriebspunkt der Schaltung 310 der vorherigen Stufe sicherzustellen, und der Strom id1 des Stromquellentransistors 316 variiert. Der Stromquellentransistor 316 jedes Pixels ist mit einer gemeinsamen Stromquelle oder Masse verbunden, und Variationen im IR-Abfall des Pixels beeinflussen Abtastpegel der anderen Pixel, wenn ein Strom in einem bestimmten Pixel variiert. Das Pixel, in dem das Schwarzfleckphänomen aufgetreten ist, dient als Aggressor, während die Pixel mit Abtastpegel, die aufgrund des Pixels variierten, als Opfer dienen. Infolgedessen kommt es zu Streifen-Rauschen.
Man beachte, dass in einem Fall, in dem der Entladungstransistor 317 wie in der zweiten Ausführungsform vorgesehen ist, die überfließende elektrische Ladung auf der Seite des Entladungstransistors 317 für das Pixel mit dem schwarzen Fleck (Blooming) abgeleitet wird und das Schwarzfleckphänomen somit weniger wahrscheinlich auftritt. Es besteht jedoch eine Wahrscheinlichkeit, dass ein Teil der elektrischen Ladung zur FD 314 fließt, selbst wenn der Entladungstransistor 317 vorgesehen ist, und es besteht eine Wahrscheinlichkeit, dass das Schwarzfleckphänomen nicht vollständig gelöst wird. Darüber hinaus besteht auch der Nachteil, dass die Hinzufügung des Entladungstransistors 317 zu einer Abnahme des Verhältnisses der effektiven Fläche zum Ladungsbetrag pro Pixel führen kann. Daher ist es wünschenswert, dass das Schwarzfleckphänomen ohne Verwendung des Entladungstransistors 317 eingedämmt wird.
Als Verfahren zum Eindämmen des Schwarzfleckphänomens ohne Verwendung des Entladungstransistors 317 sind zwei Verfahren denkbar. Das Erste ist die Einstellung eines Clip-Pegels der FD 314. Das Zweite ist ein Verfahren, bei dem bestimmt wird, ob zur Zeit des Lesens ein Schwarzfleckphänomen aufgetreten ist oder nicht, und eine Ausgabe mit einem Voll-Code ersetzt wird, wenn ein Schwarzfleckphänomen auftritt.
Im Hinblick auf das erste Verfahren ist der hohe Pegel des FD-Rücksetzsignals rst (mit anderen Worten des Gates des FD-Rücksetztransistors 313) in der Zeichnung die Stromquellenspannung VDD und entspricht der niedrige Pegel dem Clip-Pegel der FD 314. In der ersten Ausführungsform wird eine Differenz zwischen dem hohen Pegel und dem niedrigen Pegel (das heißt die Amplitude) auf einen einem Dynamikbereich entsprechenden Wert eingestellt. Auf der anderen Seite wird eine Einstellung auf einen Wert vorgenommen, der erhalten wird, indem ferner eine Marge zu dem Wert in der fünften Ausführungsform addiert wird. Der dem Dynamikbereich entsprechende Wert entspricht hier einer Differenz zwischen der Stromquellenspannung VDD und dem Potential der FD 314, wenn das digitale Signal ein Voll-Code wird.
Es ist möglich, zu verhindern, dass die FD 314 aufgrund von Blooming übermäßig abgesenkt wird und der Betriebspunkt des Verstärkungstransistors 315 der vorherigen Stufe zusammenbricht, indem die Gate-Spannung (der niedrige Pegel des FD-Rücksetzsignals rst) gesenkt wird, wenn der FD-Rücksetztransistor 313 ausgeschaltet wird.
Man beachte, dass sich der Dynamikbereich in Abhängigkeit von der analogen Verstärkung des ADC ändert. Ein großer Dynamikbereich wird benötigt, wenn die analoge Verstärkung niedrig ist, und im Gegensatz dazu wird nur ein kleiner Dynamikbereich benötigt, wenn die analoge Verstärkung hoch ist. Daher ist es möglich, die Gate-Spannung, wenn der FD-Rücksetztransistor 313 ausgeschaltet wird, gemäß der analogen Verstärkung, zu ändern.
30 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm, das ein Beispiel einer Leseoperation gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt. Ist das Auswahlsignal Φr einmal zum Zeitpunkt T11 unmittelbar nach dem Zeitpunkt T10, wenn das Lesen begonnen wird, auf einen hohen Pegel gebracht, variiert das Potential der vertikalen Signalleitung 309 an dem Pixel, auf das Sonnenlicht eingefallen ist. Die gepunktete Kettenlinie in der Zeichnung veranschaulicht Variationen im Potential der vertikalen Signalleitung 309, wenn schwaches Sonnenlicht einfällt. Die gestrichelte Linie in der Zeichnung veranschaulicht Variationen im Potential der vertikalen Signalleitung 309, wenn starkes Sonnenlicht einfällt.
Die Zeitsteuerungsschaltung 212 stellt ein eingangsseitiges Auswahlsignal selin „0“ beispielsweise bereit und verbindet die Vergleichsmaschine 285 mit der vertikalen Signalleitung 39 in einer Auto-Zero-Periode vom Zeitpunkt T10 bis zum Zeitpunkt T12. Die Zeitsteuerungsschaltung 212 führt eine Auto-Zero-Verarbeitung bzw. einen automatischen Nullabgleich mit dem Auto-Zero-Signal Az innerhalb der Auto-Zero-Periode durch.
In Bezug auf das zweite Verfahren stellt die Zeitsteuerungsschaltung 212 ein eingangsseitiges Auswahlsignal selin „1“ beispielsweise innerhalb einer Bestimmungsperiode vom Zeitpunkt T12 bis zum Zeitpunkt T13 bereit. Die Vergleichsmaschine 285 wird mit dem eingangsseitigen Auswahlsignal selin von der vertikalen Signalleitung 309 getrennt und wird dann mit dem Knoten der Referenzspannung VREF verbunden. Die Referenzspannung VREF wird auf einen erwarteten Wert im Pegel der vertikalen Signalleitung 309 gesetzt, wenn kein Blooming aufgetreten ist. Vrst entspricht Vreg-Vgs2 unter der Annahme, dass die Spannung zwischen dem Gate und der Source des Verstärkungstransistors 351 der nächsten Stufe beispielsweise Vgs2 ist. Der DAC 213 senkt auch den Pegel des Rampensignals Rmp innerhalb der Bestimmungsperiode von Vrmp_az auf Vrmp_sun ab.
Falls in der Bestimmungsperiode kein Blooming aufgetreten ist, ist auch Vrst des Rücksetzpegels der vertikalen Signalleitung 309 im Wesentlichen die gleiche wie die Referenzspannung VREF, und das Potential des nicht-invertierenden Eingangsanschlusses (+) der Vergleichsmaschine 285 ist nicht sehr verschieden von jenem zum Zeitpunkt der Auto-Zero-Verarbeitung. Auf der anderen Seite wird der invertierende Eingangsanschluss (-) von Vrmp_az auf Vrmp_sun gesenkt und wird somit das Vergleichsergebnis VCO auf einen hohen Pegel gebracht.
Im Gegensatz dazu wird in einem Fall, in dem Blooming aufgetreten ist, der Rücksetzpegel Vrst ausreichend höher als die Referenzspannung VREF und wird das Vergleichsergebnis VCO auf einen niedrigen Pegel gebracht, wenn der folgende Ausdruck erfüllt ist. $Vrst - VREF > Vrmp_az - Vrmp_sun$
Mit anderen Worten kann die Zeitsteuerungsschaltung 212 bestimmen, ob Blooming aufgetreten ist oder nicht, je nachdem, ob das Vergleichsergebnis VCO in der Bestimmungsperiode auf einen niedrigen Pegel gebracht wird.
Man beachte, dass es notwendig ist, eine große Marge (die rechte Seite des Ausdrucks 7) für die Sonnenbestimmung in einem gewissen Maße sicherzustellen, um zu verhindern, dass eine fehlerhafte Bestimmung aufgrund von Variationen der Schwellenspannung des Verstärkungstransistors 351 der nächsten Stufe, einer Differenz im IR-Abfall von Vreg in der Ebene und dergleichen auftritt.
Zu und nach dem Zeitpunkt T13 nach Ablauf der Bestimmungsperiode veranlasst die Zeitsteuerungsschaltung 212, dass die Vergleichsmaschine 285 mit der vertikalen Signalleitung 309 verbunden wird. Ist eine Einschwingperiode der P-Phase vom Zeitpunkt T13 bis T14 einmal verstrichen, wird die P-Phase innerhalb der Periode vom Zeitpunkt T14 bis T15 auch gelesen. Ist die Einschwingperiode der D-Phase vom Zeitpunkt T15 bis T19 einmal verstrichen, wird die D-Phase innerhalb einer Periode vom Zeitpunkt T19 bis T20 gelesen.
Falls bestimmt wird, dass während der Bestimmungsperiode kein Blooming aufgetreten ist, steuert die Zeitsteuerungsschaltung 212 den Selektor 292 mit einem ausgangsseitigen Auswahlsignal selout und veranlasst, dass ein digitales Signal CDS_out nach der CDS-Verarbeitung wie es ist abgegeben wird.
Auf der anderen Seite steuert in einem Fall, in dem bestimmt wird, dass in der Bestimmungsperiode Blooming aufgetreten ist, die Zeitsteuerungsschaltung 212 den Selektor 292 mit dem ausgangsseitigen Auswahlsignal selout und veranlasst, dass ein Voll-Code FULL anstelle des digitalen Signals CDS_out nach der CDS-Verarbeitung abgegeben wird. Es ist somit möglich, dass Schwarzfleckphänomen einzudämmen.
Man beachte, dass es auch möglich ist, die ersten bis dritten Modifikationsbeispiele der ersten Ausführungsform und die zweiten bis vierten Ausführungsformen auf die fünfte Ausführungsform anzuwenden.
Gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Technik bestimmt die Zeitsteuerungsschaltung 212, ob das Schwarzpunktphänomen aufgetreten ist oder nicht, auf der Basis des Vergleichsergebnisses VCO und veranlasst, dass der Voll-Code abgegeben wird, wenn das Schwarzpunktphänomen auf diese Weise aufgetreten ist, und somit ist es möglich, das Schwarzpunktphänomen einzudämmen.
<6. Sechste Ausführungsform>
In der oben erwähnten ersten Ausführungsform führt die vertikale Scan-Schaltung 211 eine Steuerung durch, um zu veranlassen, dass all die Reihen (all die Pixel) gleichzeitig eine Belichtung (das heißt den Global-Shutter-Betrieb) durchführen. Falls jedoch eine gleichzeitige Belichtung nicht erforderlich ist und geringes Rauschen gefordert wird, wie etwa während eines Tests oder wenn eine Analyse durchgeführt wird, ist es wünschenswert, dass ein Rolling-Shutter-Betrieb durchgeführt wird. Ein Festkörper-Bildgebungselement 200 gemäß der sechsten Ausführungsform unterscheidet sich von jenem gemäß der ersten Ausführungsform dadurch, dass der Rolling-Shutter-Betrieb während eines Tests und dergleichen durchgeführt wird.
31 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm, das ein Beispiel des Rolling-Shutter-Betriebs gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt. Die vertikale Scan-Schaltung 211 führt eine Steuerung durch, bei der der Reihe nach eine Vielzahl von Reihen ausgewählt und veranlasst wird, dass sie eine Belichtung beginnen. Die Zeichnung veranschaulicht eine Belichtungssteuerung der n-ten Reihe.
Die vertikale Scan-Schaltung 211 stellt der n-ten Reihe in der Periode vom Zeitpunkt T0 bis T2 ein Auswahlsignal selb der nächsten Stufe mit einem hohen Pegel, ein Auswahlsignal Φr und ein Auswahlsignal Φs bereit. Die vertikale Scan-Schaltung 211 stellt der n-ten Reihe über die Impulsperiode zum Zeitpunkt T0, wenn die Belichtung begonnen wird, auch ein FD-Rücksetzsignal rst mit einem hohen Pegel und ein Rücksetzsignal rstb der nächsten Stufe bereit. Die vertikale Scan-Schaltung 211 stellt der n-ten Reihe zum Zeitpunkt T1, wenn die Belichtung beendet wird, ein Übertragungssignal trg bereit. Das Festkörper-Bildgebungselement 200 kann Bilddaten mit niedrigem Rauschen durch den Rolling-Shutter-Betrieb in der Zeichnung erzeugen.
Man beachte, dass das Festkörper-Bildgebungselement 200 gemäß der sechsten Ausführungsform zur Zeit einer normalen Abbildung bzw. Bildgebung den Global-Shutter-Betrieb ähnlich der ersten Ausführungsform durchführt.
Außerdem ist es auch möglich, die ersten bis dritten Modifikationsbeispiele der ersten Ausführungsform und die zweiten bis fünften Ausführungsformen auf die sechste Ausführungsform anzuwenden.
Gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Technik führt die vertikale Scan-Schaltung 211 auf diese Weise eine Steuerung, bei der eine Vielzahl von Reihen der Reihe nach ausgewählt wird und sie veranlasst werden, eine Belichtung zu beginnen, (das heißt den Rolling-Shutter-Betrieb) durch, und somit ist es möglich, Bilddaten mit geringem Rauschen zu erzeugen.
<7. Siebte Ausführungsform>
Gemäß der oben erwähnten ersten Ausführungsform ist eine Source des Source-Folgers der vorherigen Stufe (des Verstärkungstransistors 315 der vorherigen Stufe und des Stromquellentransistors 316) mit der Stromquellenspannung VDD verbunden und wird das Lesen in Einheiten von Reihen in einem Zustand durchgeführt, in dem der Source-Folger eingeschaltet. Gemäß dem Ansteuerungsverfahren bestehen jedoch Bedenken, dass Schaltungsrauschen des Source-Folgers der vorherigen Stufe zur Zeit des Lesens in Einheiten von Reihen zur nächsten Stufe fortgepflanzt werden kann und Zufallsrauschen zunehmen kann. Ein Festkörper-Bildgebungselement 200 gemäß der siebten Ausführungsform unterscheidet sich von jenem gemäß der ersten Ausführungsform dadurch, dass das Rauschen reduziert wird, indem der Source-Folger der vorherigen Stufe zur Zeit des Lesens in einen AUS-Zustand gebracht wird.
32 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel des Festkörper-Bildgebungselements 200 gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt. Das Festkörper-Bildgebungselement 200 gemäß der siebten Ausführungsform unterscheidet sich von jenem gemäß der ersten Ausführungsform dadurch, dass das Festkörper-Bildgebungselement 200 gemäß der siebten Ausführungsform ferner einen Regler 420 und eine Schalteinheit 440 enthält. Außerdem sind eine Vielzahl effektiver Pixel 301 und eine vorbestimmte Anzahl von Dummy-Pixeln 430 in einer Pixel-Arrayeinheit 220 gemäß der siebten Ausführungsform ausgerichtet. Die Dummy-Pixel 430 sind in der Umgebung eines Bereichs ausgerichtet, in dem die effektiven Pixel 301 ausgerichtet sind.
Darüber hinaus wird jedem der Dummy-Pixel 430 eine Stromquellenspannung VDD bereitgestellt, und eine Stromquellenspannung VDD und eine Quellenspannung Vs werden jedem der effektiven Pixel 301 bereitgestellt. Eine Signalleitung, die den effektiven Pixeln 301die Stromquellenspannung VDD bereitstellt, ist in der Zeichnung weggelassen. Auch wird die Stromquellenspannung VDD von einem Pad 410 außerhalb des Festkörper-Bildgebungselements 200 bereitgestellt.
Der Regler 420 erzeugt eine spezifische Erzeugungsspannung V_gen und stellt der Schalteinheit 440 auf der Basis einer Eingangsspannung Vi von dem Dummy-Pixel 430 die Erzeugungsspannung V_gen bereit. Die Schalteinheit 440 wählt entweder die Stromquellenspannung VDD vom Pad 410 oder die Erzeugungsspannung V_gen vom Regler 420 aus und stellt jeder der Spalten der effektiven Pixel 301 die ausgewählte als Quellenspannung Vs bereit.
33 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel des Dummy-Pixels 430, des Reglers 420 und der Schalteinheit 440 gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt. a in der Zeichnung ist ein Schaltungsdiagramm des Dummy-Pixels 430 und des Reglers 420, und b in der Zeichnung ist ein Schaltungsdiagramm der Schalteinheit 440.
Wie in a der Zeichnung als Beispiel dargestellt ist, enthält das Dummy-Pixel 430 einen Rücksetztransistor 431, eine FD 432, einen Verstärkungstransistor 433 und einen Stromquellentransistor 434. Der Rücksetztransistor 431 initialisiert die FD 432 entsprechend einem Rücksetzsignal RST von der vertikalen Scan-Schaltung 211. Die FD 432 akkumuliert elektrische Ladung und erzeugt eine Spannung gemäß der Menge an elektrischer Ladung. Der Verstärkungstransistor 433 verstärkt den Spannungspegel der FD 432 und stellt dem Regler 420 die Spannung als Eingangsspannung Vi bereit.
Der Rücksetztransistor 431 und eine Source des Verstärkungstransistors 433 sind ebenfalls mit der Stromquellenspannung VDD verbunden. Der Stromquellentransistor 434 ist mit einem Drain des Verstärkungstransistors 433 verbunden. Der Stromquellentransistor 434 stellt einen Strom id1 gemäß einer Steuerung der vertikalen Scan-Schaltung 211 bereit.
Der Regler 420 enthält einen Tiefpassfilter 421, einen Pufferverstärker 422 und ein Kapazitätselement 423. Der Tiefpassfilter 421 lässt eine Komponente eines Niederfrequenzbandes von weniger als einer vorbestimmten Frequenz in einem Signal der Eingangsspannung Vi als Ausgangsspannung Vj durch.
Die Ausgangsspannung Vj wird in einen nicht-invertierenden Eingangsanschluss (+) des Pufferverstärkers 422 eingespeist. Ein invertierender Eingangsanschluss (-) des Pufferverstärkers 422 ist mit dessen Ausgangsanschluss verbunden. Das Kapazitätselement 423 hält eine Spannung des Ausgangsanschlusses des Pufferverstärkers 422 als V_gen. V_gen wird an die Schalteinheit 440 angelegt.
Wie als Beispiel in a der Zeichnung dargestellt ist, enthält die Schalteinheit 440 einen Inverter 441 und eine Vielzahl von Schaltkreisen 442. Die Schaltkreise 442 sind für jede Spalte der effektiven Pixel 301 angeordnet.
Der Inverter 441 invertiert ein Schaltsignal SW von der Zeitsteuerungsschaltung 212. Der Inverter 441 stellt jedem der Schaltkreise 442 das invertierte Signal bereit.
Die Schaltkreise 442 wählen entweder die Stromquellenspannung VDD oder die Erzeugungsspannung V_gen aus und stellen einer entsprechenden Spalte in der Pixel-Arrayeinheit 220 die Ausgewählte als Quellenspannung als Vs bereit. Die Schaltkreise 442 enthalten Schalter 443 und 444. Der Schalter 443 öffnet und schließt einen Pfad zwischen dem Knoten der Stromquellenspannung VDD und der entsprechenden Spalte gemäß dem Schaltsignal SW. Der Schalter 444 öffnet und schließt Pfad zwischen dem Knoten der Erzeugungsspannung V_gen und der entsprechenden Spalte gemäß dem invertierten Signal des Schaltsignals SW.
34 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm, das ein Beispiel von Operationen des Dummy-Pixels 430 und des Reglers 420 gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt. Die vertikale Scan-Schaltung 211 stellt jedem Dummy-Pixel 430 zum Zeit T10 unmittelbar vor einem Lesen einer bestimmten Reihe ein Rücksetzsignal RST mit einem hohen Pegel (hier die Stromquellenspannung VDD) bereit. Ein Potential Vfd der FD 432 im Dummy-Pixel 430 wird auf die Stromquellenspannung VDD initialisiert. Das Potential Vfd ändert sich dann durch den Rücksetz-Durchgriff zu VDD-Vft, wenn das Rücksetzsignal RST auf einen niedrigen Pegel gebracht wird.
Außerdem fällt die Eingangsspannung Vi nach der Rücksetzung auf VDD-Vgs-Vsig. Vj und V_gen werden durch den Durchgang durch den Tiefpassfilter 421 zu im Wesentlichen konstanten Spannungen.
Zu und nach dem Zeitpunkt T20 unmittelbar vor einem lesen der nächsten Reihe wird eine ähnliche Steuerung für jede Reihe durchgeführt, und eine spezifische Erzeugungsspannung V_gen wird bereitgestellt.
35 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel des effektiven Pixels 301 gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt. Die Schaltungskonfiguration des effektiven Pixels 301 ist jener des Pixels 300 gemäß der ersten Ausführungsform insofern ähnlich, als die Quellenspannung Vs von der Schalteinheit 440 der Source des Verstärkungstransistors 315 der vorherigen Stufe bereitgestellt wird.
36 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm, das ein Beispiel des Global-Shutter-Betriebs gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt. In der siebten Ausführungsform wählt die Schalteinheit 440 die Stromquellenspannung VDD aus und stellt die Stromquellenspannung VDD als Quellenspannung Vs bereit, wenn eine Belichtung an all den Pixeln zur gleichen Zeit durchgeführt wird. Die Spannung des Knoten der vorherigen Stufe fällt zum Zeitpunkt T4 auch von VDD-Vgs-Vth auf VDD-Vgs-Vsig. Vth ist hier eine Schwellenspannung des Übertragungstransistors 312.
37 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm, das das ein Beispiel einer Leseoperation gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt. In der siebten Ausführungsform wählt die Schalteinheit 440 die Erzeugungsspannung V_gen aus und stellt die Erzeugungsspannung V_gen als Quellenspannung Vs zur Zeit des Lesens bereit. Die Erzeugungsspannung V_gen wird auf VDD-Vgs-Vft eingestellt. Auch in der siebten Ausführungsform steuert die vertikale Scan-Schaltung 211 den Stromquellentransistor 316 all der Reihen (all der Pixel) und stoppt die Zufuhr des Stroms id1.
38 ist ein Diagramm, um Effekte der siebten Ausführungsform der vorliegenden Technik zu erläutern. In der ersten Ausführungsform wird der Source-Folger (der Verstärkungstransistor 315 der vorherigen Stufe und der Stromquellentransistor 316) des Pixels 300 als Leseziel beim Lesen jeder Reihe eingeschaltet. Jedoch bestehen Bedenken, dass sich Schaltungsrauschen des Source-Folgers der vorherigen Stufe zu der nächsten Stufe (dem Kapazitätselement, dem Source-Folger der nächsten Stufe, dem ADC) fortpflanzt und das Leserauschen gemäß dem Ansteuerverfahren zunimmt.
Beispielweise beträgt kTC-Rauschen, das in den Pixeln zur Zeit des Global-Shutter-Betriebs erzeugt wird, 450 (µVrms), wie als Beispiel in der Zeichnung in der ersten Ausführungsform dargestellt ist. Auch beträgt das Rauschen, das im Source-Folger der vorherigen Stufe (dem Verstärkungstransistor 315 der vorherigen Stufe und dem Stromquellentransistor 316) zur Zeit des Lesens für jede Reihe erzeugt wird, auch 380 (pVrms) . Das bei und nach dem Source-Folger der nächsten Stufe erzeugte Rauschen beträgt 160 (µVrms). Daher beträgt das Gesamtrauschen 610 (pVrms). Auf diese Weise ist der Betrag des Rauschanteils des vorherigen Source-Folgers am Wert des Gesamtrauschens in der ersten Ausführungsform verhältnismäßig groß.
Um das Rauschen des Source-Folgers der vorherigen Stufe zu reduzieren, wird eine Spannung (Vs), die einer Spannungseinstellung unterzogen werden kann, wie oben in der siebten Ausführungsform beschrieben, der Source des Source-Folgers der vorherigen Stufe bereitgestellt. Die Schalteinheit 440 wählt die Stromquellenspannung VDD aus und stellt zur Zeit des Global-Shutter-(Belichtungs-)Betriebs die Stromquellenspannung VDD als Quellenspannung Vs bereit. Die Schalteinheit 440 schaltet dann die Quellenspannung Vs nach einem Ende der Belichtung auf VDD-Vgs-Vft um. Die Zeitsteuerungsschaltung 212 schaltet auch den Stromquellentransistor 316 der vorherigen Stufe zur Zeit des Global-Shutter-(Belichtungs-)Betriebs ein und schaltet nach einem Ende der Belichtung den Stromquellentransistor 316 aus.
Durch die vorgenannte Steuerung werden die Potentiale jedes Knoten der vorherigen Stufe zur Zeit des Global-Shutter-Betriebs und zur Zeit des Lesens für jede Reihe gleich, und die PRNU kann verbessert werden, wie als Beispiel in 36 und 37 dargestellt ist. Da der Source-Folger der vorherigen Stufe zur Zeit des Lesens für jede Reihe in einen AUS-Zustand gebracht wird, tritt Schaltungsrauschen des Source-Folgers auch nicht auf und wird 0 (µVrms), wie als Beispiel in 38 dargestellt ist. Man beachte, dass der Verstärkungstransistor 315 der vorherigen Stufe im Source-Folger der vorherigen Stufe in einem EIN-Zustand ist.
Gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Technik wird der Source-Folger der vorherigen Stufe zur Zeit des Lesens in einen AUS-Zustand gebracht und ist es somit möglich, im Source-Folger erzeugtes Rauschen zu reduzieren.
<8. Achte Ausführungsform>
Obwohl für jedes Pixel in der vorgenannten fünften Ausführungsform bestimmt wird, ob das Schwarzfleckphänomen aufgetreten ist oder nicht, ändert sich auch die Referenzspannung VREF im gleichen Verhältnis, wenn sich die Stromquellenspannung VDD ändert, falls die Referenzspannung VREF entsprechend der Stromquellenspannung VDD genutzt wird. Es bestehen Bedenken, dass die Detektionsgenauigkeit des Schwarzfleckphänomens aufgrund von Schwankungen der Referenzspannung VREF vermindert wird. Ein Festkörper-Bildgebungselement 200 gemäß einer achten Ausführungsform unterscheidet sich von jenem gemäß der fünften Ausführungsform dadurch, dass eine Referenzspannung VREF in Bezug auf ein Potential Vreg erzeugt wird, wenn ein Knoten der nächsten Stufe initialisiert wird.
39 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel des Festkörper-Bildgebungselements 200 gemäß der achten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt. Das Festkörper-Bildgebungselement 200 gemäß der achten Ausführungsform unterscheidet sich von jenem gemäß der fünften Ausführungsform dadurch, dass das Festkörper-Bildgebungselement 200 gemäß der achten Ausführungsform ferner eine Referenzspannung-Erzeugungsschaltung 500 enthält. Die Referenzspannung-Erzeugungsschaltung 500 erzeugt eine Referenzspannung VREF in Bezug auf das Potential Vreg, wenn ein Knoten der nächsten Stufe initialisiert wird, und stellt einer Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260 die Referenzspannung VREF bereit.
40 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel der Referenzspannung-Erzeugungsschaltung 500 gemäß der achten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt. Die Referenzspannung-Erzeugungsschaltung 500 gemäß der achten Ausführungsform enthält eine Stromquelle 510, eine vorbestimmte Anzahl an Widerständen 521, eine Vorspannungs-Auswahlschaltung 522, eine Vorspannungs-Einstellschaltung 523 und eine Source-Folgerschaltung 524.
Die Stromquelle 510 stellt einen vorbestimmten Referenzstrom Is bereit. Die vorbestimmte Anzahl an Widerständen 521 ist zwischen einem Knoten eines Potentials Vreg und der Stromquelle 510 in Reihe geschaltet. Die Vorspannungs-Auswahleinheit 522 wählt gemäß einem Steuerungssignal von der Vorspannungs-Einstellschaltung 523 einen der Verbindungsknoten von jedem der Stromquelle 510, der vorbestimmten Anzahl an Widerständen 521 und des Knotens mit dem Potential Vreg aus. Die Vorspannungs-Auswahleinheit 522 stellt der Source-Folgerschaltung 524 die Spannung des ausgewählten Verbindungsknotens als Vorspannung Vb bereit.
Unter der Annahme, dass die Anzahl an Widerständen 521 K (K ist eine ganze Zahl) ist, beträgt die Anzahl von Verbindungsknoten zwischen der Stromquelle 510 und dem Potential Vreg K + 1. Für jeden Verbindungsknoten ist in der Vorspannungs-Auswahleinheit 522 ein Schalter vorgesehen. Jeder Schalter öffnet und schließt einen Pfad zwischen dem entsprechenden Verbindungsknoten und der Source-Folgerschaltung 524.
Die Vorspannungs-Einstellschaltung 523 steuert die Vorspannungs-Auswahleinheit 522 mit einem Steuerungssignal und wählt einen beliebigen der K + 1-Verbindungksnoten aus. Das Steuerungssignal ist beispielsweise ein digitales Signal mit K + 1-Bits. Die Vorspannungs-Einstellschaltung 523 enthält ein Register oder dergleichen, das das Steuerungssignal hält.
Die Source-Folgerschaltung 524 erzeugt aus der Vorspannung Vb eine Referenzspannung VREF. Die Source-Folgerschaltung 524 enthält einen Verstärkungstransistor 525, einen Auswahltransistor 526 und einen Last-MOS-Transistor 527. Als diese Transistoren werden beispielsweise nMOS-Transistoren verwendet. In der Zeichnung wird der Last-MOS-Transistor 527 von einem Diagrammsymbol einer Stromquelle repräsentiert.
Eine Verbindungskonfiguration des Verstärkungstransistors 525, des Auswahltransistors 526 und des Last-MOS-Transistors 527 ist ähnlich einer Verbindungskonfiguration eines Verstärkungstransistors 351 der nächsten Stufe, eines Auswahltransistors 352 der nächsten Stufe und eines Last-MOS-Transistors 251 innerhalb einer Schaltung 350 der nächsten Stufe. Eine Vorspannung Vb von der Vorspannungs-Auswahleinheit 522 wird jedoch an ein Gate des Verstärkungstransistors 525 angelegt. Auch wird ein Auswahlsignal selb der nächsten Stufe in ein Gate des Auswahltransistors 526 eingespeist. Außerdem wird der Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260 eine Spannung des Verbindungsknotens des Auswahltransistors 526 und das Last-MOS-Transistors 527 als Referenzspannung VREF bereitgestellt.
Die Vorspannung Vb wird mit einem Steuerungssignal auf K + 1 Pegel bzw. Stufen gesteuert. Falls beispielsweise der Verbindungsknoten des Widerstands 521 auf der der Stromquelle am nächsten gelegenen Seite und der Stromquelle 510 durch die Vorspannungs-Auswahleinheit 522 ausgewählt wird, wird die bereitzustellende Vorspannung Vb durch den folgenden Ausdruck repräsentiert. $Vb = Vreg + K \times Is \times R$
Im obigen Ausdruck ist R ein Widerstandswert von jedem der K Widerstände 521.
Unter der Annahme, dass eine Spannung zwischen dem Gate und der Source des Verstärkungstransistors 525 Vgs ist und eine Spannung zwischen dem Drain und der Source des Auswahltransistors 526 Vds ist, wird auch die Referenzspannung VREF durch den folgenden Ausdruck repräsentiert. Man beachte, dass der Verstärkungstransistor 525 und der Auswahltransistor 526 in einem Sättigungsbereich arbeiten und die Spannung Vgs zwischen dem Gate und der Source und die Spannung Vds zwischen dem Drain und der Source als konstant angenommen werden. $VREF = Vb - Vgs - Vds$
Auf der Basis des Ausdrucks 8 und des Ausdrucks 9 ist die Referenzspannung VREF ein Wert in Bezug auf das Potential Vreg.
Der von der Stromquelle 510 bereitgestellte Referenzstrom Is ist hier vorzugsweise ein Wert, der von Schwankungen des Widerstandswerts der Widerstände 521 abhängt. Solch eine Widerstandsabhängigkeit kann durch eine Schaltung der Stromquelle 510 wie zum Beispiel in 41 dargestellt realisiert werden. Die Stromquelle 510 enthält eine Vergleichsmaschine 511, pMOS-Transistoren 512 und 513, einen nMOS-Transistor 514 und einen Widerstand 515.
Ein Drain des pMOS-Transistors 512 ist mit der Stromquellenspannung VDD verbunden, und ein Gate und eine Source sind kurzgeschlossen. Ein Drain des pMOS-Transistors 513 ist mit der Stromquellenspannung VDD verbunden, und ein Gate ist mit dem Gate des pMOS-Transistors 512 verbunden. Der Referenzstrom Is wird von einer Source des pMOS-Transistors 513 bereitgestellt.
Auch ist der nMOS-Transistor 514 zwischen der Source des pMOS-Transistors 512 und dem Widerstand 515 eingefügt. Die Vergleichsmaschine 511 vergleicht die vorbestimmte Referenzspannung Vs mit dem Verbindungsknoten des nMOS-Transistors 514 und des Widerstands 515 und stellt dem Gate des nMOS-Transistors 514 ein Vergleichsergebnis bereit. Der Widerstand 515 ist vom gleichen Typ wie jenem des Widerstands 521, und die Schwankungen des Widerstandswerts aufgrund der Stromquelle, des Prozesses und der Temperatur liegen auf ähnlichen Niveaus.
42 ist ein Diagramm, das das Pixel 300, die Referenzspannung-Erzeugungsschaltung 500 und die Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260 gemäß der achten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt.
Die Schaltung 310 der vorherigen Stufe innerhalb des Pixels 300 erzeugt gemäß dem Belichtungsbetrag der Reihe nach einen vorbestimmten Rücksetzpegel und einen Signalpegel und veranlasst, dass die Kapazitätselemente 321 und 322 sie halten. Der Rücksetztransistor 341 der nächsten Stufe initialisiert den Knoten 340 der nächsten Stufe auf ein Potential Vreg, das niedriger ist als die Stromquellenspannung VDD der Schaltung 310 der vorherigen Stufe. Die Schaltung 350 der nächsten Stufe liest den Rücksetzpegel und den Signalpegel über den Knoten 340 der nächsten Stufe und gibt den Rücksetzpegel und den Signalpegel an die vertikale Signalleitung 309 aus.
Die Referenzspannung-Erzeugungsschaltung 500 erzeugt auch die Referenzspannung VREF in Bezug auf das Potential Vreg. Der Komparator 280 innerhalb der Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 260 vergleicht die Referenzspannung VREF mit dem Potential der vertikalen Signalleitung 309. Die Konfiguration der nächsten Stufe des Komparators 280 ist ähnlich jener in der fünften Ausführungsform, die als Beispiel in 28 dargestellt ist. Außerdem sind der Global-Shutter-Betrieb und der Lesebetrieb gemäß der achten Ausführungsform ähnlich jenen gemäß der fünften Ausführungsform, die als Beispiel in 29 und 30 dargestellt sind.
Wie als Beispiel in 30 dargestellt ist, gibt das Vergleichsergebnis VCO des Komparators 280 unmittelbar nach der FD-Rücksetzung an, ob das Schwarzfleckphänomen aufgetreten ist oder nicht. Falls das Schwarzfleckphänomen aufgetreten ist, ändert die digitale Signalverarbeitungsschaltung 290 der nächsten Stufe das digitale Signal in einen Voll-Code. Auf diese Weise wird eine Verschlechterung bzw. Verminderung der Bildqualität aufgrund des Schwarzfleckphänomens eingedämmt.
Eine Konfiguration, bei der die Referenzspannung-Erzeugungsschaltung 500 in 42 durch eine Referenzspannung-Erzeugungsschaltung 501 ersetzt ist, die die Referenzspannung VREF gemäß der Stromquellenspannung VDD erzeugt, wird hier als Vergleichsbeispiel in 43 veranschaulicht. Die Referenzspannung-Erzeugungsschaltung 501 gemäß dem Vergleichsbeispiel enthält keine Stromquelle 510. Außerdem ist die vorbestimmte Anzahl an Widerständen 521 zwischen der Stromquellenspannung VDD und der Massespannung in Reihe eingefügt. Bei der Schaltungskonfiguration in der Zeichnung wird der Source-Folgerschaltung 524 die durch Teilen der Stromquellenspannung VDD erhaltene Spannung als Vorspannung Vb bereitgestellt. Auf der Basis des Ausdrucks 9 ist die Referenzspannung VREF eine Spannung gemäß der Stromquellenspannung VDD.
In der Schaltung des Spannungsdomänenschemas wie in der Zeichnung wird das Potential der vertikalen Signalleitung mit Zunahme der Lichtmenge erhöht. Daher muss das Potential Vreg, wenn der Knoten 340 der nächsten Stufe initialisiert wird, ein konstanter Wert sein, der niedriger als die Stromquellenspannung VDD ist. Falls die Stromquellenspannung VDD zur Zeit des Lesens des Rücksetzpegels aufgrund von Schwankungen bzw. Variationen im Herstellungsprozess oder der Temperatur variiert, variiert auch die Referenzspannung VREF entsprechend den Schwankungen. Da der Rücksetzpegel des Vergleichsziels über den Knoten 340 der nächsten Stufe gelesen wird, der durch das Potential Vreg initialisiert wird, das von der Stromquellenspannung VDD verschieden ist, variiert auf der anderen Seite nur die Referenzspannung VREF. Infolgedessen kann eine Detektionsgenauigkeit des Schwarzfleckphänomens des Komparators 280 im Vergleichsbeispiel vermindert werden.
Auf der anderen Seite erzeugt die Referenzspannung-Erzeugungsschaltung 500 die Referenzspannung VREF in Bezug auf das Potential Vreg, wie oben in der achten Ausführungsform beschrieben wurde. Selbst wenn die Stromquellenspannung VDD variiert bzw. schwankt, variiert daher die Referenzspannung VREF nicht entsprechend den Schwankungen. Obgleich das Potential Vreg unabhängig von der Stromquellenspannung VDD variieren kann, variiert auch die Referenzspannung VREF in ähnlicher Weise entsprechend den Variationen im Potential Vreg gemäß dem Ausdruck 8 und dem Ausdruck 9, und die Einflüsse, die die Variationen des Potentials Vreg auf das Vergleichsergebnis haben, werden aufgehoben. Infolgedessen ist es möglich, die Detektionsgenauigkeit des Schwarzfleckphänomens verglichen mit dem Vergleichsbeispiel zu verbessern. Auf diese Weise ist es möglich, die Bildqualität der Bilddaten zu verbessern.
Man beachte, dass, obgleich der Komparator 280 im ADC 270 das Schwarzfleckphänomen wie als Beispiel in 28 dargestellt detektiert, ist die vorliegende Technik nicht auf die Konfiguration beschränkt. Beispielsweise ist es auch möglich, eine Konfiguration zu verwenden, in der ein Komparator 530 parallel zum ADC 270, wie als Beispiel in 44 dargestellt, hinzugefügt wird und der Komparator 530 das Schwarzpunktpunktphänomen detektiert. In diesem Fall wird der Selektor 281 innerhalb des ADC 270 nicht benötigt. Auch ist es möglich, jede andere Ausführungsform als die fünfte Ausführungsform auf die achte Ausführungsform anzuwenden.
Gemäß der achten Ausführungsform der vorliegenden Technik erzeugt die Referenzspannung-Erzeugungsschaltung 500 die Referenzspannung VREF in Bezug auf das Potential Vreg, wenn der Knoten 340 der nächsten Stufe auf diese Weise initialisiert wird, und es ist somit möglich, die Detektionsgenauigkeit des Schwarzfleckphänomens zu verbessern.
[Erstes Modifikationsbeispiel]
Obleich die Auswahlschaltung 330, die sowohl den Pfad zwischen dem Kapazitätselement 321 und dem Knoten 340 der nächsten Stufe als auch den Pfad zwischen dem Kapazitätselement 322 und dem Knoten 340 der nächsten Stufe individuell öffnet und schließt, innerhalb des Pixels in der vorgenannten achten Ausführungsform angeordnet ist, ist die vorliegende Technik nicht auf die Konfiguration beschränkt. Ein Festkörper-Bildgebungselement 200 gemäß einem ersten Modifikationsbeispiel der achten Ausführungsform unterscheidet sich von jenem gemäß der achten Ausführungsform dadurch, dass das Festkörper-Bildgebungselement 200 gemäß dem ersten Modifikationsbeispiel anstelle der Auswahlschaltung 330 einen Abtasttransistor enthält.
45 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Pixels 300 gemäß dem ersten Modifikationsbeispiel der achten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt. Das Pixel 300 gemäß dem ersten Modifikationsbeispiel der achten Ausführungsform enthält anstelle der Auswahlschaltung 330 einen Abtasttransistor 361. Der Abtasttransistor 361 öffnet und schließt einen Pfad zwischen dem Knoten 320 der vorherigen Stufe und einem Knoten, mit dem ein Ende von jedem der Kapazitätselemente 321 und 322 gemeinsam verbunden ist, gemäß einem Steuerungssignal Sl. Außerdem ist das andere Ende des Kapazitätselements 322 mit einem Knoten 340 der nächsten Stufe verbunden. Die Belichtungssteuerung und die Lesesteuerung des Pixels 300 in der Zeichnung sind beispielsweise in 5.5.2 von NPL 1 beschrieben.
Die Referenzspannung-Erzeugungsschaltung 500, die die Referenzspannung VREF in Bezug auf das Potential Vreg erzeugt, ist ähnlich der achten Ausführungsform im ersten Modifikationsbeispiel der achten Ausführungsform, das als Beispiel in der Zeichnung ebenfalls dargestellt ist, angeordnet. Da der Knoten 340 der nächsten Stufe mit dem Potential Vreg im Pixel 300 initialisiert wird, das in der Zeichnung als Beispiel ebenfalls dargestellt ist, ist es möglich, die Detektionsgenauigkeit des Schwarzfleckphänomens zu verbessern, indem die Referenzspannung VREF in Bezug auf das Potential Vreg erzeugt wird. Außerdem ist es möglich, die Anzahl an Transistoren pro Pixel im Vergleich mit einem Fall zu reduzieren, in dem die zwei Transistor enthaltende Auswahlschaltung 330 vorgesehen ist.
Gemäß dem ersten Modifikationsbeispiel der achten Ausführungsform der vorliegenden Technik ist auf diese Weise anstelle der zwei Transistoren enthaltenden Auswahlschaltung 330 der Abtasttransistor 361 angeordnet, und somit ist es möglich, die Anzahl an Transistoren pro Pixel zu reduzieren.
[Zweites Modifikationsbeispiel]
Obgleich die Vorspannung in den K + 1 Stufen durch Auswählen des Verbindungsknotens von jedem der Stromquelle 510 und der K Widerstände 521 in der vorgenannten achten Ausführungsform umgeschaltet wird, nimmt die Anzahl an Widerständen 521 bei dieser Konfiguration mit zunehmender Anzahl an Steuerungsstufen zu. Ein Festkörper-Bildgebungselement 200 gemäß einem zweiten Modifikationsbeispiel der achten Ausführungsform unterscheidet sich von jenem gemäß der achten Ausführungsform dadurch, dass eine Vorspannung unter Verwendung einer variablen Stromquelle erzeugt wird.
46 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Referenzspannung-Erzeugungsschaltung 500 gemäß dem zweiten Modifikationsbeispiel der achten Ausführungsform der vorliegenden Technik darstellt. Die Referenzspannung-Erzeugungsschaltung 500 gemäß dem zweiten Modifikationsbeispiel der achten Ausführungsform unterscheidet sich von jener gemäß der ersten Ausführungsform dadurch, dass die Referenzspannung-Erzeugungsschaltung 500 gemäß dem zweiten Modifikationsbeispiel anstelle der Stromquelle 510 eine variable Stromquelle 528 enthält und die Anzahl der Widerstände 521 nur eins ist.
Die variable Stromquelle 528 stellt einen Strom entsprechend einem Steuerungssignal von einer Vorspannungs-Einstellschaltung 523 als Referenzstrom Is bereit. Beispielsweise stellt die Vorspannungs-Einstellschaltung 5232 ein Spannungssignal als Steuerungssignal bereit, und die variable Stromquelle 528 erzeugt den Referenzstrom Is im Verhältnis zu einem Pegel des Signals. Als die variable Stromquelle 528 wird beispielsweise ein MOS-Transistor verwendet. Außerdem ist ein Verbindungsknoten zwischen der variablen Stromquelle 528 und dem Widerstand 521 mit einem Gate des Verstärkungstransistors 525 verbunden.
Wie als Beispiel in der Zeichnung dargestellt ist, ist es möglich, die Vorspannung Vb kontinuierlich zu steuern, indem die Vorspannung Vb unter Verwendung eines Referenzstroms Is gemäß einem Steuerungssignal erzeugt wird. Auch kann die Anzahl an Widerständen 521 reduziert werden.
Gemäß dem zweiten Modifikationsbeispiel der achten Ausführungsform der vorliegenden Technik stellt die variable Stromquelle 528 auf diese Weise den Referenzstrom Is gemäß dem Steuerungssignal bereit, und somit ist es möglich, die Anzahl an Widerständen 521 zu reduzieren.
<9. Beispielhafte Anwendung auf einen sich bewegenden Körper>
Die Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung (die vorliegende Technologie) kann für verschiedene Produkte verwendet werden. Die Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung kann beispielsweise als eine Vorrichtung realisiert werden, die an jedem beliebigen Typ eines sich bewegenden Körpers wie etwa einem Automobil, einem Elektrofahrzeug, einem Hybrid-Elektrofahrzeug, einem Motorrad, einem Fahrrad, einer Vorrichtung zur persönlichen Mobilität, einem Flugzeug, einer Drohne, einem Schiff und einem Roboter montiert ist.
47 ist ein Blockdiagramm, das ein schematisches Konfigurationsbeispiel eines Fahrzeugsteuerungssystems darstellt, das ein Beispiel eines Systems zur Steuerung sich bewegender Körper ist, für das die Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann.
Die Fahrzeugsteuerungssystem 12000 umfasst eine Vielzahl elektronischer Steuerungseinheiten, die über ein Kommunikationsnetzwerk 12001 miteinander verbunden sind. In dem in 47 veranschaulichten Beispiel umfasst das Fahrzeugsteuerungssystem 12000 eine Antriebssystem-Steuerungseinheit 12010, eine Karosseriesystem-Steuerungseinheit 12020, eine Einheit 12030 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs, eine Einheit 12040 zur Detektion von Information von innerhalb des Fahrzeugs und eine integrierte Steuerungseinheit 12050. Außerdem sind als funktionale Konfiguration der integrierten Steuerungseinheit 12050 ein Mikrocomputer 12051, eine Audio/Bild-Ausgabeeinheit 12052 und eine Schnittstelle (I/F) 12053 des bordeigenen Netzwerks veranschaulicht.
Die Antriebssystem-Steuerungseinheit 12010 steuert gemäß verschiedenen Programmen einen Betrieb einer Einrichtung in Bezug auf ein Antriebssystem eines Fahrzeugs. Beispielsweise dient die Antriebssystem-Steuerungseinheit 12010 als Antriebskraft-Generator bzw. -Erzeugungsvorrichtung zum Erzeugen einer Antriebskraft eines Fahrzeugs wie etwa ein Verbrennungsmotor oder Antriebsmotor, Antriebskraft-Übertragungsmechanismus zum Übertragen einer Antriebskraft auf Räder, Lenkmechanismus zum Einstellen eines Einschlag- bzw. Lenkwinkels des Fahrzeugs und Steuerungseinrichtung wie etwa eine Bremseinrichtung, die eine Bremskraft des Fahrzeugs erzeugt.
Die Karosseriesystem-Steuerungseinheit 12020 steuert den Betrieb verschiedener, in der Fahrzeugkarosserie montierter Vorrichtungen gemäß verschiedenen Programmen. Beispielsweise fungiert die Karosseriesystem-Steuerungseinheit 12020 als eine Steuerungsvorrichtung eines schlüssellosen Zugangssystems, eines Systems mit intelligenten Schlüsseln, einer automatischen Fensterhebevorrichtung oder verschiedener Leuchten wie etwa eines Frontscheinwerfers, eines Heckscheinwerfers, einer Bremsleuchte, eines Fahrtrichtungsanzeigers und einer Nebelleuchte. In diesem Fall können in die Karosseriesystem-Steuerungseinheit 12020 Funkwellen, die von einer tragbaren Vorrichtung, die einen Schlüssel ersetzt, übertragen werden, oder Signale verschiedener Schalter eingespeist werden. Die Karosseriesystem-Steuerungseinheit 12020 empfängt die Einspeisungen dieser Funkwellen oder Signale und steuert eine Türverriegelungsvorrichtung, eine automatische Fensterhebevorrichtung und eine Leuchte des Fahrzeugs.
Die Einheit 12030 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs detektiert Informationen über die äußere Umgebung des Fahrzeugs mit dem darin montierten Fahrzeugsteuerungssystem 12000. Beispielsweise ist eine Bildgebungseinheit 12031 mit der Einheit 12030 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs verbunden. Die Einheit 12030 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs veranlasst die Bildgebungseinheit 12031, ein Bild der äußeren Umgebung des Fahrzeugs aufzunehmen, und empfängt das aufgenommene Bild. Die Einheit 12030 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs kann auf der Basis des empfangenen Bildes eine Verarbeitung zur Objektdetektion oder eine Verarbeitung zur Detektion eines Abstands von Personen, Wagen, Hindernissen, Schildern und Zeichen auf einer Straßenoberfläche ausführen.
Die Bildgebungseinheit 12031 ist ein optischer Sensor, der Licht empfängt und ein elektrisches Signal je nach der Menge an empfangenem Licht abgibt. Die Bildgebungseinheit 12031 kann auch das elektrische Signal als Bild oder Information einer Abstandsmessung abgeben. Darüber hinaus kann es sich bei dem mittels der Bildgebungseinheit 12031 empfangenen Licht um sichtbares Licht oder unsichtbares Licht wie etwa Infrarotstrahlen handeln.
Die Einheit 12040 zur Detektion von Information von innerhalb des Fahrzeugs detektiert Informationen über das Innere des Fahrzeugs. Mit der Einheit 12040 zur Detektion von Information von innerhalb des Fahrzeugs ist zum Beispiel eine Einheit 12041 zur Detektion des Fahrerzustands verbunden, die einen Zustand eines Fahrers detektiert. Die Einheit 12041 zur Detektion des Fahrerzustands umfasst zum Beispiel eine Kamera, die ein Bild eines Fahrers aufnimmt, und auf der Basis der von der Einheit 12041 zur Detektion des Fahrerzustands eingegebenen Detektionsinformation kann die Einheit 12040 zur Detektion von Information von innerhalb des Fahrzeugs einen Ermüdungs- oder Konzentrationsgrad des Fahrers berechnen oder kann bestimmen, ob der Fahrer eindöst oder nicht.
Auf der Basis der durch die Einheit 12030 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs oder die Einheit 12040 zur Detektion von Information von innerhalb des Fahrzeugs erfassten Informationen über das Innere und die äußere Umgebung des Fahrzeugs kann der Mikrocomputer 12051 Steuerungszielwerte für die Antriebskraft-Erzeugungsvorrichtung, den Lenkmechanismus oder die Bremsvorrichtung berechnen und Steuerungsbefehle an die Antriebssystem-Steuerungseinheit 12010 ausgeben. Beispielsweise kann der Mikrocomputer 12051 eine koordinierte Steuerung durchführen, die darauf abzielt, Funktionen eines fortschrittlichen Fahrerassistenzsystems (ADAS) zu realisieren, die eine Kollisionsvermeidung, Aufprallabschwächung, eine Nachfolgefahrt basierend auf einem Abstand zwischen Fahrzeugen, eine Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit des Fahrzeugs, Warnungen vor einer Fahrzeugkollision und eine Warnung vor einem Verlassen der Spur des Fahrzeugs einschließen.
Ferner kann der Mikrocomputer 12051 eine kooperative Steuerung ausführen, die auf automatisiertes Fahren oder dergleichen abzielt, bei dem man autonom fährt, ohne auf Eingriffe des Fahrers angewiesen zu sein, indem die Antriebskraft-Erzeugungsvorrichtung, der Lenkmechanismus oder die Bremsvorrichtung und dergleichen auf der Basis von Informationen über die Umgebung des Fahrzeugs gesteuert werden, wobei die Informationen mittels der Einheit 12030 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs oder der Einheit 12040 zur Detektion von Information von innerhalb des Fahrzeugs erfasst bzw. erlangt werden.
Der Mikrocomputer 12051 kann überdies einen Steuerungsbefehl an die Karosseriesystem-Steuerungseinheit 12020 auf der Basis der Informationen über die äußere Umgebung des Fahrzeugs, die durch die Einheit 12030 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs erfasst werden, ausgeben. Beispielsweise kann der Mikrocomputer 12051 eine kooperative Steuerung durchführen, die darauf abzielt, eine Blendung zu verhindern, wie etwa ein Umschalten von Fernlicht auf Abblendlicht, indem der Frontscheinwerfer entsprechend der Position eines vorausfahrenden Fahrzeugs oder eines entgegenkommenden Fahrzeugs gesteuert wird, das von der Einheit 12030 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs detektiert wird.
Die Audio/Bild-Ausgabeeinheit 12052 überträgt ein Ausgangssignal eines Tons und/oder Bildes zu einer Ausgabevorrichtung, die einem Insassen oder der äußeren Umgebung des Fahrzeugs eine Information optisch oder akustisch mitteilen kann. Im Beispiel in 47 sind als die Beispiele einer Ausgabevorrichtung ein Audio-Lautsprecher 12061, eine Anzeigeeinheit 12062 und ein Armaturenbrett 12063 veranschaulicht. Die Anzeigeeinheit 12062 kann beispielsweise eine bordeigene Anzeige und/oder ein Head-Up-Display umfassen.
48 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Installationsposition der Bildgebungseinheit 12031 veranschaulicht.
In 48 sind als die Bildgebungseinheiten 12031 Bildgebungseinheiten 12101, 12102, 12103, 12104 und 12105 vorgesehen.
Die Bildgebungseinheiten 12101, 12102, 12103, 12104 und 12105 sind beispielsweise an Positionen wie etwa der Frontpartie, den Seitenspiegeln, einer hinteren Stoßstange, einer Hecktür und eines oberen Teils einer Windschutzscheibe im Fahrzeuginneren des Fahrzeugs 12100 vorgesehen. Die an der Frontpartie vorgesehene Bildgebungseinheit 12101 und die im oberen Teil der Windschutzscheibe im Fahrzeuginneren vorgesehene Bildgebungseinheit 12105 nehmen vorwiegend Bilder vor dem Fahrzeug 12100 auf. Die an den Seitenspiegeln vorgesehenen Bildgebungseinheiten 12102 und 12103 nehmen vorwiegend Bilder an einer Seite des Fahrzeugs 12100 auf. Die an der hinteren Stoßstange oder der Hecktür vorgesehene Bildgebungseinheit 12104 nimmt vorwiegend Bilder hinter dem Fahrzeug 12100 auf. Die im oberen Teil der Windschutzscheibe im Fahrzeuginneren vorgesehene Bildgebungseinheit 12105 wird vorwiegend zur Detektion von vorausfahrenden Fahrzeugen, Fußgängern, Hindernissen, Verkehrsampeln, Verkehrsschildern, Fahrspur und dergleichen genutzt.
48 veranschaulicht ein Beispiel von Abbildungsbereichen der Bildgebungseinheiten 12101 bis 12104. Ein Abbildungsbereich 12111 gibt einen Abbildungsbereich der an der Frontpartie vorgesehenen Bildgebungseinheit 12101 an, Abbildungsbereiche 12112 und 12113 geben Abbildungsbereiche der an den Seitenspiegeln vorgesehenen Bildgebungseinheiten 12102 bzw. 12103 an und ein Abbildungsbereich 12114 gibt einen Abbildungsbereich der an der hinteren Stoßstange oder der Hecktür vorgesehenen Bildgebungseinheit 12104 an. Beispielsweise ist es durch Überlagern der von den Bildgebungseinheiten 12101 bis 12104 aufgenommenen Bilddaten möglich, ein Bild aus der Vogelperspektive des Fahrzeugs 12100, wie es von oben gesehen wird, zu erhalten.
Zumindest eine der Bildgebungseinheiten 12101 bis 12104 kann eine Funktion, um eine Abstandsinformation zu erlangen, aufweisen. Beispielsweise kann zumindest eine der Bildgebungseinheiten 12101 bis 12104 eine von einer Vielzahl von Bildgebungselementen gebildete Stereokamera oder kann ein Bildgebungselement sein, das Pixel für eine Detektion von Phasendifferenzen enthält.
Beispielsweise kann der Mikrocomputer 12051 auf der Basis der von den Bildgebungseinheiten 12101 bis 12104 erhaltenen Abstandsinformation insbesondere ein am nächsten befindliches dreidimensionales Objekt, das mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit (zum Beispiel 0 km/h oder höher) in der im Wesentlichen gleichen Richtung wie das Fahrzeug 12100 fährt, als vorausfahrendes Fahrzeug extrahieren, indem ein Abstand zu jedem von dreidimensionalen Objekten in den Abbildungsbereichen 12111 bis 12114 und eine zeitliche Änderung (Relativgeschwindigkeit in Bezug auf das Fahrzeug 12100) des Abstands erfasst werden. Ferner kann der Mikrocomputer 12051 einen Abstand zwischen Fahrzeugen, der vor dem Fahrzeug sichergestellt werden sollte, vorher festlegen und kann eine Steuerung zum automatisieren Bremsen (auch einschließlich einer Steuerung eines Folgestopps) oder eine Steuerung zum automatisierten Beschleunigen (auch einschließlich einer Steuerung eines Folgestarts) durchführen. Auf diese Weise ist es möglich, eine kooperative Steuerung durchzuführen, die auf automatisiertes Fahren abzielt, bei dem ein Fahrzeug autonom fährt, ohne auf Eingriffe des Fahrers angewiesen zu sein.
Beispielsweise kann der Mikrocomputer 12051 basierend auf der von den Bildgebungseinheiten 12101 bis 12104 erhaltenen Abstandsinformation dreidimensionale Daten in Bezug auf dreidimensionale Objekte in zweirädrige Fahrzeuge, gewöhnliche Fahrzeuge, große Fahrzeuge, Fußgänger und andere dreidimensionale Objekte wie etwa Strommasten klassifizieren und extrahieren und die dreidimensionalen Datennutzen, um Hindernisse automatisiert zu vermeiden bzw. zu umgehen. Beispielsweise unterscheidet der Mikrocomputer 12051 Hindernisse in der Umgebung des Fahrzeugs 12100 in Hindernisse, die für vom Fahrer des Fahrzeugs 12100 gesehen werden können, und Hindernisse, die optisch schwer zu erkennen ist. Der Mikrocomputer 12051 bestimmt dann ein Kollisionsrisiko, das den Risikograd einer Kollision mit jedem Hindernis angibt, und, wenn das Kollisionsrisiko gleich oder größer als ein festgelegter Wert ist und die Möglichkeit einer Kollision besteht, wird über den Audio-Lautsprecher 12061 oder die Anzeigeeinheit 12062 an den Fahrer Alarm gegeben, wird von der Antriebssystem-Steuerungseinheit 12010 eine erzwungene Abbremsung oder Ausweichlenkbewegung durchgeführt und ist es somit möglich, eine Fahrunterstützung zur Kollisionsvermeidung durchzuführen.
Zumindest eine der Bildgebungseinheiten 12101 bis 12104 kann eine Infrarotkamera sein, die Infrarotstrahlen detektiert. Beispielsweise kann der Mikrocomputer 12051 einen Fußgänger erkennen, indem bestimmt wird, ob im aufgenommenen Bild der Bildgebungseinheiten 12101 bis 12104 ein Fußgänger vorhanden ist. Eine solche Erkennung eines Fußgängers wird ausgeführt mittels beispielsweise einer Prozedur durchgeführt, bei der Merkmalspunkte in den aufgenommenen Bildern der Bildgebungseinheiten 12101 bis 12104 als Infrarotkameras extrahiert werden, und einer Prozedur, bei der eine Verarbeitung für einen Musterabgleich an einer Reihe von Merkmalspunkten, die eine Kontur eines Objekts angeben, durchgeführt wird, um zu bestimmen, ob es sich bei dem Objekt um einen Fußgänger handelt oder nicht. Wenn der Mikrocomputer 12051 bestimmt, dass ein Fußgänger in den aufgenommenen Bildern der Bildgebungseinheiten 12101 bis 12104 vorhanden ist, und den Fußgänger erkannt wird, steuert die Audio/Bild-Ausgabeeinheit 12052 die Anzeigeeinheit 12062 so, dass eine viereckige Konturlinie zur Hervorhebung überlagert und mit dem erkannten Fußgänger angezeigt wird. Die Audio/Bild-Ausgabeeinheit 12052 kann darüber hinaus die Anzeigeeinheit 12062 so steuern, dass ein einen Fußgänger kennzeichnendes Symbol oder dergleichen an einer gewünschten Position angezeigt wird.
Ein Beispiel des Fahrzeugsteuerungssystems, für das die Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann, wurde oben beschrieben. Die Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung kann auf die Bildgebungseinheit 12031 innerhalb der oben beschriebenen Konfiguration angewendet werden. Konkret kann beispielsweise die Bildgebungsvorrichtung 100 von 1 für die Bildgebungseinheit 12031 verwendet werden. Indem man die Technik gemäß der vorliegenden Technologie auf die Bildgebungseinheit 12031 anwendet, kann durch Reduzieren von kTC-Rauschen ein aufgenommenes Bild, das leicht zu sehen ist, erhalten werden und kann somit die Ermüdung eines Fahrers reduziert werden.
Es sollte besonders erwähnt werden, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen Beispiele zum Verkörpern der vorliegenden Technik darstellen und Elemente in den Ausführungsformen und die Erfindung in den Ansprüchen spezifizierende Elemente einander entsprechen. Ähnlich entsprechen die die Erfindung in den Ansprüchen spezifizierenden Elemente und die Elemente in den Ausführungsformen der vorliegenden Technologie mit derselben Bezeichnung einander. Die vorliegende Technologie ist jedoch nicht auf die Ausführungsform beschränkt und kann verkörpert werden, indem verschiedene Modifikationen an den Ausführungsformen ohne Abweichung von deren Kern angewendet werden.
Die in der vorliegenden Beschreibung beschriebenen Effekte sind nur Beispiele und nicht als einschränkend zu verstehen, und andere Effekte können erhalten werden.
Die vorliegende Technologie kann auch die folgenden Konfigurationen aufweisen.

(1) Ein Festkörper-Bildgebungselement, aufweisend: erste und zweite Kapazitätselemente; eine Schaltung einer vorherigen Stufe, die einen vorbestimmten Rücksetzpegel und einen Signalpegel gemäß einem Belichtungsbetrag der Reihe nach erzeugt und veranlasst, dass die ersten und zweiten Kapazitätselemente den vorbestimmten Rücksetzpegel und den Signalpegel halten; einen Rücksetztransistor einer nächsten Stufe, der einen Pegel eines Knotens der nächsten Stufe, der mit einem der ersten und zweiten Kapazitätselemente verbunden ist, auf ein vorbestimmtes Potential initialisiert, das niedriger als eine Stromquellenspannung der Schaltung der vorherigen Stufe ist; eine Schaltung der nächsten Stufe, die den Rücksetzpegel und den Signalpegel über den Knoten der nächsten Stufe liest und den Rücksetzpegel und den Signalpegel an eine vertikale Signalleitung ausgibt; eine Referenzspannung-Erzeugungsschaltung, die eine Referenzspannung in Bezug auf das vorbestimmte Potential erzeugt; und einen Komparator, der die Referenzspannung und ein Potential der vertikalen Signalleitung vergleicht.
(2) Das Festkörper-Bildgebungselement gemäß (1), worin die Referenzspannung-Erzeugungsschaltung eine Stromquelle, die einen vorbestimmten Referenzstrom bereitstellt, eine vorbestimmte Anzahl an Widerständen, die zwischen der Stromquelle und dem Knoten des vorbestimmten Potentials in Reihe geschaltet sind, eine Vorspannungs-Auswahleinheit, die als Vorspannung eine Spannung von einem von Verbindungsknoten von jedem der Stromquelle, der vorbestimmten Anzahl an Widerständen und des Knotens des vorbestimmten Potentials auswählt, und eine Source-Folgerschaltung enthält, die aus der Vorspannung die Referenzspannung erzeugt.
(3) Das Festkörper-Bildgebungselement gemäß (1), worin die Referenzspannung-Erzeugungsschaltung eine variable Stromquelle, die einen Strom gemäß einem Steuerungssignal als Referenzstrom bereitstellt, einen Widerstand, der zwischen die variable Stromquelle und den Knoten des vorbestimmten Potentials eingefügt ist, und eine Source-Folgerschaltung enthält, die aus einer Vorspannung eines Verbindungsknotens der variablen Stromquelle und des Widerstands die Referenzspannung erzeugt.
(4) Das Festkörper-Bildgebungselement gemäß (1) oder (2), ferner aufweisend: einen Abtasttransistor, der einen Pfad zwischen der Schaltung der vorherigen Stufe und einem Verbindungsknoten öffnet und schließt, mit dem ein Ende von jedem der ersten und zweiten Kapazitätselemente gemeinsam verbunden ist, worin das andere Ende des zweiten Kapazitätselements mit dem Knoten der nächsten Stufe verbunden ist.
(5) Das Festkörper-Bildgebungselement gemäß (1) oder (2), ferner aufweisend: eine Auswahlschaltung, die eine Steuerung zum Verbinden eines der ersten und zweiten Kapazitätselemente mit einem vorbestimmten Knoten der nächsten Stufe, eine Steuerung zum Trennen sowohl des ersten als auch zweiten Kapazitätselements vom Knoten der nächsten Stufe und eine Steuerung zum Verbinden des anderen der ersten und zweiten Kapazitätselemente mit dem Knoten der nächsten Stufe der Reihe nach durchführt, worin der Rücksetztransistor der nächsten Stufe einen Pegel des Knotens der nächsten Stufe initialisiert, wenn sowohl das erste als auch das zweite Kapazitätselement vom Knoten der nächsten Stufe getrennt sind.
(6) Das Festkörper-Bildgebungselement gemäß (5), ferner aufweisend: einen Auswahltransistor der vorherigen Stufe, der einen Pfad zwischen der Schaltung der vorherigen Stufe und einem vorbestimmten Knoten der vorherigen Stufe öffnet und schließt; und einen Rücksetztransistor der vorherigen Stufe, der einen Pegel des Knotens der vorherigen Stufe initialisiert, worin ein Ende von jedem der ersten und zweiten Kapazitätselemente gemeinsam mit dem Knoten der vorherigen Stufe verbunden ist und das andere Ende von jedem der ersten und zweiten Kapazitätselemente mit der Auswahlschaltung verbunden ist.
(7) Das Festkörper-Bildgebungselement gemäß (5) oder (6), worin die Schaltung der vorherigen Stufe ein fotoelektrisches Umwandlungselement, einen Übertragungstransistor der vorherigen Stufe, der eine elektrische Ladung vom fotoelektrischen Umwandlungselement zu einer Floating-Diffusionsschicht überträgt, einen ersten Rücksetztransistor, der die Floating-Diffusionsschicht initialisiert, und einen Verstärkungstransistor der vorherigen Stufe enthält, der eine Spannung der Floating-Diffusionsschicht verstärkt und die Spannung an einen vorbestimmten Knoten der vorherigen Stufe abgibt, und ein Ende von jedem der ersten und zweiten Kapazitätselemente gemeinsam mit dem Knoten der vorherigen Stufe verbunden ist und das andere Ende von jedem der ersten und zweiten Kapazitätselemente mit der Auswahlschaltung verbunden ist.
(8) Das Festkörper-Bildgebungselement gemäß (7), ferner aufweisend: eine Schalteinheit, die eine Quellenspannung einstellt, die einer Source des Verstärkungstransistors der vorherigen Stufe bereitgestellt werden soll, worin die Schaltung der vorherigen Stufe ferner einen Stromquellentransistor enthält, der mit einem Drain des Verstärkungstransistors der vorherigen Stufe verbunden ist, und der Stromquellentransistor nach einem Ende einer Belichtungsperiode von einem EIN-Zustand in einen AUS-Zustand übergeht.
(9) Das Festkörper-Bildgebungselement gemäß (7) oder (8), worin die Schaltung der vorherigen Stufe einen Entladungstransistor enthält, der die elektrische Ladung aus dem fotoelektrischen Umwandlungselement entlädt.
(10) Das Festkörper-Bildgebungselement gemäß einem von (7) bis (9), ferner aufweisend: eine Steuerungsschaltung, die eine Rücksetz-Stromquellenspannung der Schaltung der vorherigen Stufe steuert, worin der erste Rücksetztransistor eine Spannung einer Floating-Diffusionsschicht auf die Rücksetz-Stromquellenspannung initialisiert und die Steuerungsschaltung in einer Leseperiode zum Lesen des Rücksetzpegels und des Signalpegels die Rücksetz-Stromquellenspannung auf eine Spannung ändert, die sich von einer Spannung in einer Belichtungsperiode unter-scheidet.
(11) Das Festkörper-Bildgebungselement gemäß (1), ferner aufweisend: eine digitale Signalverarbeitungseinheit, die ein Paar kontinuierlicher Frames addiert, worin während einer Belichtungsperiode von einem des Paars Frames die Schaltung der vorherigen Stufe veranlasst, dass eines der ersten und zweiten Kapazitätselemente den Rücksetzpegel hält, und dann veranlasst, dass das andere der ersten und zweiten Kapazitätselemente den Signalpegel hält, und während einer Belichtungsperiode des anderen des Paars Frames veranlasst, dass das andere der ersten und zweiten Kapazitätselemente den Rücksetzpegel hält, und dann veranlasst, dass das eine der ersten und zweiten Kapazitätselemente den Signalpegel hält.
(12) Das Festkörper-Bildgebungselement gemäß (1), worin der Komparator eine Vergleichsmaschine enthält, die jeden von Pegeln eines Paars Eingangsanschlüssn vergleicht und ein Vergleichsergebnis ausgibt, und einen eingangsseitigen Selektor, der die vertikale Signalleitung oder einen Knoten der Referenzspannung auswählt und das ausgewählte Element mit einem des Paars Eingangsanschlüsse verbindet, und ein Rampensignal in den anderen des Paars Eingangsanschlüsse eingespeist wird.
(13) Das Festkörper-Bildgebungselement gemäß (12) ferner aufweisend: eine Steuerungsschaltung, die auf der Basis des Vergleichsergebnisses bestimmt, ob eine Beleuchtungsstärke höher als ein vorbestimmter Wert ist oder nicht ist, und ein Steuerungssignal abgibt; einen Zähler, der einen Zählwert über eine Periode zählt, bis das Vergleichs-ergebnis invertiert ist, und das digitale Signal abgibt, das den Zählwert angibt; eine Verarbeitungseinheit für eine korrelierte Doppelabtastung (CDS), die eine Verarbeitung einer korrelierten Doppelabtastung an dem digitalen Signal ausführt; und einen ausgangsseitigen Selektor, der eines des digitalen Signals, an dem die Verarbeitung einer korrelierten Doppelabtastung ausgeführt wurde, und eines digitalen Signals eines vorbestimmten Werts auf der Basis des Steuerungssignals abgibt,
(14) Das Festkörper-Bildgebungselement gemäß einem von (1) bis (13), ferner aufweisend: eine vertikale Scan-Schaltung, die eine Vielzahl von Reihen steuert, in denen jeweils eine vorbestimmte Anzahl an Pixeln ausgerichtet ist, und eine Steuerung zum gleichzeitigen Starten einer Belichtung durchführt, worin die ersten und zweiten Kapazitätselemente, die Schaltung der vorherigen Stufe, die Auswahlschaltung, der Rücksetztransistor der nächsten Stufe und die Schaltung der nächsten Stufe in jedem der Pixel angeordnet sind.
(15) Das Festkörper-Bildgebungselement gemäß einem von (1) bis (14), worin die Schaltung der vorherigen Stufe auf einem ersten Chip vorgesehen ist, und die ersten und zweiten Kapazitätselemente, die Auswahlschaltung, der Rücksetztransistor der nächsten Stufe und die Schaltung der nächsten Stufe auf einem zweiten Chip vorgesehen sind.
(16) Das Festkörper-Bildgebungselement gemäß (15), worin der Komparator auf dem zweiten Chip vorgesehen ist.
(17) Das Festkörper-Bildgebungselement gemäß (15), worin der Komparator auf einem dritten Chip vorgesehen ist.

[Bezugszeichenliste]

100: Bildgebungsvorrichtung
110: Abbildungslinse
120: Aufzeichnungseinheit
130: Bildgebungs-Steuerungseinheit
200: Festkörper-Bildgebungselement
201: Oberer Pixel-Chip
202, 204: Unterer Pixel-Chip
203: Schaltungs-Chip
211: Vertikale Scan-Schaltung
212: Zeitsteuerungsschaltung
213: DAC
220: Pixel-Arrayeinheit
221: Obere Pixel-Arrayeinheit
222: Untere Pixel-Arrayeinheit
250: Last-MOS-Schaltungsblock
251, 527: Last-MOS-Transistor
260: Spalten-Signalverarbeitungsschaltung
261, 270: ADC
262, 290: Digitale Signalverarbeitungseinheit
271: Zähler
280, 530: Komparator
281, 292: Selektor
282, 283, 321, 322: Kapazitätselement
284, 286: Auto-Zero-Schalter
285, 511: Vergleichsmaschine
291: CDS-Verarbeitungseinheit
300: Pixel
301: Effektives Pixel
310: Schaltung der vorherigen Stufe
311: Fotoelektrisches Umwandlungselement
312: Übertragungstransistor
313: FD-Rücksetztransistor
314: FD
315: Verstärkungstransistor der vorherigen Stufe
316: Stromquellentransistor
317: Entladungstransistor
323: Rücksetztransistor der vorherigen Stufe
324: Auswahltransistor der vorherigen Stufe
330: Auswahlschaltung
331, 332: Auswahltransistor
341: Rücksetztransistor der nächsten Stufe
350: Schaltung der nächsten Stufe
351: Verstärkungstransistor der nächsten Stufe
352: Auswahltransistor der nächsten Stufe
361: Abtasttransistor
410: Pad
420: Regler
421: Tiefpassfilter
422: Pufferverstärker
423: Kapazitätselement
430: Dummy-Pixel
431: Rücksetztransistor
432: FD
433: Verstärkungstransistor
434: Stromquellentransistor
440: Schalteinheit
441: Inverter
442: Schaltkreis
443, 444: Schalter
500, 501: Referenzspannung-Erzeugungsschaltung
510: Stromquelle
512, 513: pMOS-Transistor
514: nMOS-Transistor
515, 521: Widerstand
522: Vorspannungs-Auswahleinheit
523: Vorspannungs-Einstellschaltung
524: Source-Folgerschaltung
525: Verstärkungstransistor
526: Auswahltransistor
528: Variable Stromquelle
12031: Bildgebungseinheit

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 Nicht-Patentliteratur

Jae-kyu Lee, et al., A 2.1e-Temporal Noise and -105dB Parasitic Light Sensitivity Backside-Illuminated 2.3 um-Pixel Voltage-Domain Global Shutter CMOS Image Sensor Using High-Capacity DRAM Capacitor Technology, ISSCC 2020 [0003]

Claims

Festkörper-Bildgebungselement, aufweisend: erste und zweite Kapazitätselemente; eine Schaltung einer vorherigen Stufe, die einen vorbestimmten Rücksetzpegel und einen Signalpegel gemäß einem Belichtungsbetrag der Reihe nach erzeugt und veranlasst, dass die ersten und zweiten Kapazitätselemente den vorbestimmten Rücksetzpegel und den Signalpegel halten; einen Rücksetztransistor einer nächsten Stufe, der einen Pegel eines Knotens der nächsten Stufe, der mit einem der ersten und zweiten Kapazitätselemente verbunden ist, auf ein vorbestimmtes Potential initialisiert, das niedriger als eine Stromquellenspannung der Schaltung der vorherigen Stufe ist; eine Schaltung der nächsten Stufe, die den Rücksetzpegel und den Signalpegel über den Knoten der nächsten Stufe liest und den Rücksetzpegel und den Signalpegel an eine vertikale Signalleitung ausgibt; eine Referenzspannung-Erzeugungsschaltung, die eine Referenzspannung in Bezug auf das vorbestimmte Potential erzeugt; und einen Komparator, der die Referenzspannung und ein Potential der vertikalen Signalleitung vergleicht.
Festkörper-Bildgebungselement nach Anspruch 1, wobei die Referenzspannung-Erzeugungsschaltung eine Stromquelle, die einen vorbestimmten Referenzstrom bereitstellt, eine vorbestimmte Anzahl an Widerständen, die zwischen der Stromquelle und dem Knoten des vorbestimmten Potentials in Reihe geschaltet sind, eine Vorspannungs-Auswahleinheit, die als Vorspannung eine Spannung von einem von Verbindungsknoten von jedem der Stromquelle, der vorbestimmten Anzahl an Widerständen und des Knotens des vorbestimmten Potentials auswählt, und eine Source-Folgerschaltung enthält, die aus der Vorspannung die Referenzspannung erzeugt.
Festkörper-Bildgebungselement nach Anspruch 1, wobei die Referenzspannung-Erzeugungsschaltung eine variable Stromquelle, die einen Strom gemäß einem Steuerungssignal als Referenzstrom bereitstellt, einen Widerstand, der zwischen die variable Stromquelle und den Knoten des vorbestimmten Potentials eingefügt ist, und eine Source-Folgerschaltung enthält, die aus einer Vorspannung eines Verbindungsknotens der variablen Stromquelle und des Widerstands die Referenzspannung erzeugt.
Festkörper-Bildgebungselement nach Anspruch 1, ferner aufweisend: einen Abtasttransistor, der einen Pfad zwischen der Schaltung der vorherigen Stufe und einem Verbindungsknoten öffnet und schließt, mit dem ein Ende von jedem der ersten und zweiten Kapazitätselemente gemeinsam verbunden ist, wobei das andere Ende des zweiten Kapazitätselements mit dem Knoten der nächsten Stufe verbunden ist.
Festkörper-Bildgebungselement nach Anspruch 1, ferner aufweisend: eine Auswahlschaltung, die eine Steuerung zum Verbinden eines der ersten und zweiten Kapazitätselemente mit einem vorbestimmten Knoten der nächsten Stufe, eine Steuerung zum Trennen sowohl des ersten als auch zweiten Kapazitätselements vom Knoten der nächsten Stufe und eine Steuerung zum Verbinden des anderen der ersten und zweiten Kapazitätselemente mit dem Knoten der nächsten Stufe der Reihe nach durchführt, wobei der Rücksetztransistor der nächsten Stufe einen Pegel des Knotens der nächsten Stufe initialisiert, wenn sowohl das erste als auch das zweite Kapazitätselement vom Knoten der nächsten Stufe getrennt sind.
Festkörper-Bildgebungselement nach Anspruch 5, ferner aufweisend: einen Auswahltransistor der vorherigen Stufe, der einen Pfad zwischen der Schaltung der vorherigen Stufe und einem vorbestimmten Knoten der vorherigen Stufe öffnet und schließt; und einen Rücksetztransistor der vorherigen Stufe, der einen Pegel des Knotens der vorherigen Stufe initialisiert, wobei ein Ende von jedem der ersten und zweiten Kapazitätselemente gemeinsam mit dem Knoten der vorherigen Stufe verbunden ist und das andere Ende von jedem der ersten und zweiten Kapazitätselemente mit der Auswahlschaltung verbunden ist.
Festkörper-Bildgebungselement nach Anspruch 5, wobei die Schaltung der vorherigen Stufe ein fotoelektrisches Umwandlungselement, einen Übertragungstransistor der vorherigen Stufe, der eine elektrische Ladung vom fotoelektrischen Umwandlungselement zu einer Floating-Diffusionsschicht überträgt, einen ersten Rücksetztransistor, der die Floating-Diffusionsschicht initialisiert, und einen Verstärkungstransistor der vorherigen Stufe enthält, der eine Spannung der Floating-Diffusionsschicht verstärkt und die Spannung an einen vorbestimmten Knoten der vorherigen Stufe abgibt, und ein Ende von jedem der ersten und zweiten Kapazitätselemente gemeinsam mit dem Knoten der vorherigen Stufe verbunden ist und das andere Ende von jedem der ersten und zweiten Kapazitätselemente mit der Auswahlschaltung verbunden ist.
Festkörper-Bildgebungselement nach Anspruch 7, ferner aufweisend: eine Schalteinheit, die eine Quellenspannung einstellt, die einer Source des Verstärkungstransistors der vorherigen Stufe bereitgestellt werden soll, wobei die Schaltung der vorherigen Stufe ferner einen Stromquellentransistor enthält, der mit einem Drain des Verstärkungstransistors der vorherigen Stufe verbunden ist, und der Stromquellentransistor nach einem Ende einer Belichtungsperiode von einem EIN-Zustand in einen AUS-Zustand übergeht.
Festkörper-Bildgebungselement nach Anspruch 7, wobei die Schaltung der vorherigen Stufe einen Entladungstransistor enthält, der die elektrische Ladung aus dem fotoelektrischen Umwandlungselement entlädt.
Festkörper-Bildgebungselement nach Anspruch 7, ferner aufweisend: eine Steuerungsschaltung, die eine Rücksetz-Stromquellenspannung der Schaltung der vorherigen Stufe steuert, wobei der erste Rücksetztransistor eine Spannung einer Floating-Diffusionsschicht auf die Rücksetz-Stromquellenspannung initialisiert und die Steuerungsschaltung in einer Leseperiode zum Lesen des Rücksetzpegels und des Signalpegels die Rücksetz-Stromquellenspannung auf eine Spannung ändert, die sich von einer Spannung in einer Belichtungsperiode unter-scheidet.
Festkörper-Bildgebungselement nach Anspruch 1, ferner aufweisend: eine digitale Signalverarbeitungseinheit, die ein Paar kontinuierlicher Frames addiert, wobei während einer Belichtungsperiode von einem des Paars Frames die Schaltung der vorherigen Stufe veranlasst, dass eines der ersten und zweiten Kapazitätselemente den Rücksetzpegel hält, und dann veranlasst, dass das andere der ersten und zweiten Kapazitätselemente den Signalpegel hält, und während einer Belichtungsperiode des anderen des Paars Frames veranlasst, dass das andere der ersten und zweiten Kapazitätselemente den Rücksetzpegel hält, und dann veranlasst, dass das eine der ersten und zweiten Kapazitätselemente den Signalpegel hält.
Festkörper-Bildgebungselement nach Anspruch 1, wobei der Komparator eine Vergleichsmaschine enthält, die jeden von Pegeln eines Paars Eingangsanschlüsse vergleicht und ein Vergleichsergebnis ausgibt, und einen eingangsseitigen Selektor, der die vertikale Signalleitung oder einen Knoten der Referenzspannung auswählt und das ausgewählte Element mit einem des Paars Eingangsanschlüsse verbindet, und ein Rampensignal in den anderen des Paars Eingangsanschlüsse eingespeist wird.
Festkörper-Bildgebungselement nach Anspruch 12, ferner aufweisend: eine Steuerungsschaltung, die auf der Basis des Vergleichsergebnisses bestimmt, ob eine Beleuchtungsstärke höher als ein vorbestimmter Wert ist oder nicht ist, und ein Steuerungssignal abgibt; einen Zähler, der einen Zählwert über eine Periode zählt, bis das Vergleichsergebnis invertiert ist, und das digitale Signal abgibt, das den Zählwert angibt; eine Verarbeitungseinheit für eine korrelierte Doppelabtastung (CDS), die eine Verarbeitung einer korrelierten Doppelabtastung an dem digitalen Signal ausführt; und einen ausgangsseitigen Selektor, der eines des digitalen Signals, an dem die Verarbeitung einer korrelierten Doppelabtastung ausgeführt wurde, und eines digitalen Signals eines vorbestimmten Werts auf der Basis des Steuerungssignals abgibt.
Festkörper-Bildgebungselement nach Anspruch 1, ferner aufweisend: eine vertikale Scan-Schaltung, die eine Vielzahl von Reihen steuert, in denen jeweils eine vorbestimmte Anzahl an Pixeln ausgerichtet ist, und eine Steuerung zum gleichzeitigen Starten einer Belichtung durchführt, wobei die ersten und zweiten Kapazitätselemente, die Schaltung der vorherigen Stufe, die Auswahlschaltung, der Rücksetztransistor der nächsten Stufe und die Schaltung der nächsten Stufe in jedem der Pixel angeordnet sind.
Festkörper-Bildgebungselement nach Anspruch 1, wobei die Schaltung der vorherigen Stufe auf einem ersten Chip vorgesehen ist und die ersten und zweiten Kapazitätselemente, die Auswahlschaltung, der Rücksetztransistor der nächsten Stufe und die Schaltung der nächsten Stufe auf einem zweiten Chip vorgesehen sind.
Festkörper-Bildgebungselement nach Anspruch 15, wobei der Komparator auf dem zweiten Chip vorgesehen ist.
Festkörper-Bildgebungselement nach Anspruch 15, wobei der Komparator auf einem dritten Chip vorgesehen ist.