RU2510148C2

RU2510148C2 - Твердотельный датчик изображения

Info

Publication number: RU2510148C2
Application number: RU2012122739/07A
Authority: RU
Inventors: Юкио АРАОКА; Сатору СИНГАИ
Original assignee: Кэнон Кабусики Кайся
Priority date: 2011-06-03
Filing date: 2012-06-01
Publication date: 2014-03-20
Also published as: EP2530928A3; CN102811316B; RU2012122739A; US8902342B2; BR102012013323A2; CN102811316A; EP2530928A2; US20140197302A1; JP2012253625A; US20120307097A1; JP5804780B2

Abstract

Изобретение относится к твердотельному датчику изображения. Техническим результатом является увеличение коэффициента усиления без увеличения площади кристалла и изменения производительности. Результат достигается тем, что твердотельный датчик изображения, содержащий матрицу пикселей, имеющую множество пикселей, и множество схем обработки сигналов, каждая из которых усиливает сигнал матрицы пикселей, при этом каждая из множества схем обработки сигналов содержит операционный усилитель, имеющий входной вывод и выходной вывод, входную емкость, расположенную между входным выводом и сигнальной шиной столбцов, и схему обратной связи, которая соединяет входной вывод с выходным выводом, при этом схема обратной связи выполнена с возможностью образования пути обратной связи, в котором первый и второй емкостные элементы расположены последовательно в пути, соединяющем входной вывод с выходным выводом, а третий емкостной элемент расположен между опорным потенциалом и путем, соединяющим первый емкостной элемент со вторым емкостным элементом. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к твердотельному датчику изображения.

Уровень техники

Базовая компоновка твердотельного датчика 1 изображения описана со ссылками на фиг.1. Твердотельный датчик 1 изображения содержит матрицу 10 пикселей, включающую в себя множество блоков 11 пикселя, и схему 20 обработки сигналов для усиления сигнала, выдаваемого из матрицы 10 пикселей на сигнальную шину 2 столбцов. В каждом блоке 11 пикселя транзистор TX переноса переносит, например, заряды, генерируемые за счет энергии света, принимаемого фотодиодом PD, на затвор транзистора истокового повторителя SF. Затем транзистор истокового повторителя SF выдает сигнал, соответствующий переносимым зарядам, на шину 2 сигналов столбцов посредством транзистора SEL выбора. Каждый блок 11 пикселя может включать в себя транзистор RES сброса, предназначенный для сброса потенциала транзистора истокового повторителя SF до заранее определенного напряжения.

Схема 20 обработки сигналов используется для усиления сигнала, выдаваемого из каждого блока 11 пикселя на сигнальную шину 2 столбцов. Схема 20 обработки сигналов включает в себя операционный усилитель 21, имеющий входной вывод 22 и выходной вывод 23, входную емкость C0, вставленную между входным выводом 22 и сигнальной шиной 2 столбцов, и конденсатор Cf обратной связи, соединяющий входной вывод 22 с выходным выводом 23. Коэффициент усиления схемы 20 обработки сигналов определяется на основании отношения C0/Cf емкостей. Чтобы изменить коэффициент усиления, например, переключить установочный параметр чувствительности цифрового фотоаппарата, необходимо лишь изменить отношение C0/Cf. Чтобы изменить коэффициент усиления, например с 32 до 128, необходимо лишь увеличить значение C0 в четыре раза или уменьшить значение Cf до одной четверти.

Чтобы повысить чувствительность обнаружения света, для схемы 20 обработки сигналов необходим высокий коэффициент усиления. В частности, этот вывод применим к случаю, в котором сигнал, выдаваемый на сигнальную шину столбцов, становится очень слабым из-за уменьшения размера фотоэлектрического преобразующего элемента, такого как фотодиод PD, или к случаю, в котором чувствительность съемочной камеры, имеющей твердотельный датчик 1 изображения, задана более высокой. Чтобы увеличить коэффициент усиления сигнала схемы 20 обработки сигналов, обычно требуется (1) увеличить значение C0, (2) уменьшить значение Cf, или (3) увеличить значение C0 и уменьшить значение Cf. Однако увеличение значения емкости может вызывать увеличение площади кристалла, а уменьшение значения емкости может вызывать изменение производительности.

Сущность изобретения

Данное изобретение обеспечивает способ, который предпочтителен при увеличении коэффициента усиления с одновременным устранением увеличения площади кристалла и изменения производительности.

Один из аспектов данного изобретения обеспечивает твердотельный датчик изображения, содержащий матрицу пикселей, имеющую множество пикселей, и множество схем обработки сигналов, причем каждая из этого множества схем обработки сигналов усиливает сигнал, выдаваемый из матрицы пикселей во множество сигнальных шин столбцов, при этом каждая из множества схем обработки сигналов содержит операционный усилитель, который имеет входной вывод и выходной вывод, входную емкость, расположенную между входным выводом и сигнальной шиной столбцов, и схему обратной связи, которая соединяет входной вывод с выходным выводом, при этом схема обратной связи выполнена с возможностью образования пути обратной связи, в котором первый емкостной элемент и второй емкостной элемент расположены последовательно в пути, соединяющем входной вывод с выходным выводом, а третий емкостной элемент расположен между опорным потенциалом и путем, соединяющим первый емкостной элемент со вторым емкостным элементом.

Дополнительные признаки данного изобретения станут очевидными из нижеследующего описания возможных вариантов осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена принципиальная схема для пояснения твердотельного датчика изображения в соответствии с известным уровнем техники;

на фиг.2 представлена принципиальная схема, иллюстрирующая пример твердотельного датчика изображения, для пояснения данного изобретения;

на фиг.3 представлен график, иллюстрирующий изменение усиления, для пояснения результатов данного изобретения;

на фиг.4 представлена принципиальная схема, иллюстрирующая пример твердотельного датчика изображения, для пояснения данного изобретения;

на фиг.5 представлена принципиальная схема, иллюстрирующая пример твердотельного датчика изображения, для пояснения данного изобретения; и

на фиг.6 представлена принципиальная схема, иллюстрирующая пример схемы обработки сигналов, к которой применяется данное изобретение.

Подробное описание изобретения

Варианты осуществления согласно данному изобретению будут описаны ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи.

Первый вариант осуществления

Схема обработки сигналов в соответствии с первым вариантом осуществления включает в себя операционный усилитель, имеющий входной вывод и выходной вывод, входную емкость, расположенную между входным выводом и сигнальной шиной столбцов, и схему обратной связи для соединения входного вывода с выходным выводом. Схема обратной связи имеет компоновку, в которой первый емкостной элемент Cf1 и второй емкостной элемент Cf2 расположены последовательно в пути, соединяющем входной вывод с выходным выводом, а третий емкостной элемент Cf3 вставлен между опорным потенциалом и путем, соединяющим емкостные элементы Cfl и Cf2. Отметим, что опорный потенциал может быть, например, потенциалом «земли» в схеме обратной связи.

Схема обратной связи может быть, например, схемой 34 обратной связи, показанной на фиг.2. В схеме 34 обратной связи первый емкостной элемент Cf1 и второй емкостной элемент Cf2 соединены последовательно в пути, соединяющем входной вывод 32 и выходной вывод 33 операционного усилителя 21. В схеме 34 обратной связи третий емкостной элемент Cf3 также подсоединен между опорным потенциалом и узлом, соединяющим емкостные элементы Cfl и Cf2.

Суммарное значение емкости конденсаторов обратной связи схемы 34 обратной связи задается уравнением:

Cf=(Cf1×Cf2)/(Cf1+Cf2+Cf3)

...(1)

Коэффициент усиления схемы 30 обработки сигналов в этом варианте осуществления задается уравнением:

C0/Cf=C0×(Cf1+Cf2+Cf3)/(Cfl×Cf2)

...(2)

Ниже будет проведено количественное сравнение друг с другом величин увеличения площадей схемы 20 обработки сигналов согласно фиг.1 и схемы 30 обработки сигналов согласно этому варианту осуществления при изменении коэффициента усиления, например, от 32 до 128. Ниже будет описан случай, в котором минимальный емкостной элемент, используемый без существенного влияния, оказываемого изменением производительности, считается имеющим значение емкости, составляющее 0,1 пФ.

Для схемы 20 обработки сигналов согласно фиг.1, например, если C0=3,2 пФ и Cf=0,1 пФ, не является предпочтительным уменьшение значения Cf до значения, меньшего чем 0,1 пФ. Следовательно, можно получить целевой коэффициент усиления, задавая C0=12,8 пФ и Cf=0,1 пФ. С другой стороны, для схемы 30 обработки сигналов согласно этому варианту осуществления, можно получить целевой коэффициент усиления, задавая емкость C0=3,2 пФ неизменной, и задавая Cf1=0,1 пФ, Cf2=0,1 пФ и Cf3=0,2 пФ вместо Cf для схемы 20 обработки сигналов.

То есть при изменении коэффициента усиления от 32 до 128 без использования емкостного элемента, имеющего значение емкости, составляющее 0,1 пФ или менее, которое является значением емкости для минимального емкостного элемента, можно расширить площадь кристалла на величину, соответствующую разности, составляющей 9,6 пФ, которая получается путем изменения значения C0 от 3,2 пФ до 12,8 пФ для компоновки, показанной на фиг.1. С другой стороны, в этом варианте осуществления для схемы 30 обработки сигналов, которая имеет C0=3,2 пФ и имеет Cf1=0,1 пФ, Cf2=0,1 пФ и Cf3=0,2 пФ вместо Cf=0,1 пФ, суммарное увеличение площади кристалла является малым, составляя 0,3 пФ. В этом варианте осуществления, если C0=1,6 пФ, можно использовать схему 34 обратной связи, которая имеет Cf1=0,1 пФ, Cf2=0,1 пФ и Cf3=0,6 пФ. Это гарантирует изменение коэффициента усиления от 32 до 128 при устранении увеличения площади кристалла на величину, соответствующую 1,2 пФ.

Чтобы изменить коэффициент усиления от 32 до 128 для компоновки, показанной на фиг.1, можно использовать способ последовательного соединения четырех емкостных элементов, каждый из которых имеет значение емкости, составляющее 0,1 пФ, как способ уменьшения Cf до четверти исходного значения. В этом случае используются четыре минимальных емкостных элемента. Следовательно, данное изобретение имеет преимущество над компоновкой, показанной на фиг.1, с точки зрения устранения не только увеличения площади кристалла, но и изменения производительности. На фиг.3 представлен график, демонстрирующий изменение производительности (стандартизированное значение для компоновки, показанной на фиг.1) для амплитуды сигнала на входе, когда коэффициент усиления составляет 128, и иллюстрирующий сравнение между случаем, в котором используется компоновка, показанная на фиг.1, и случаем, в котором используется компоновка согласно этому варианту осуществления. Предположим, что обе компоновки соответственно получены путем изготовления на полупроводниковых подложках посредством одного и того же технологического процесса. В этом случае в компоновке согласно этому варианту осуществления изменение коэффициента усиления приводит к уменьшению до одной пятой, как показано на фиг.3. Кроме того, как показано на фиг.3, когда амплитуда входного сигнала, откладываемая по абсциссе, оказывается больше, линейность характеристик усилителя утрачивается, и коэффициент усиления в компоновке, показанной на фиг.1, ухудшается, но он не ухудшается в компоновке, согласно этому варианту осуществления.

Как описано выше, в соответствии с этим вариантом осуществления можно получить высокий коэффициент усиления при устранении затрат на площадь и изменения производительности.

Второй вариант осуществления

На фиг.4 представлена принципиальная схема, иллюстрирующая пример твердотельного датчика 4 изображения, соответствующего второму варианту осуществления. Твердотельный датчик 4 изображения имеет первый режим и второй режим в качестве режимов работы. Конфигурация твердотельного датчика 4 изображения предусматривает наличие матрицы 10 пикселей и множество схем 40 обработки сигналов. Например, схема 44 обратной связи, входящая в состав схемы 40 обработки сигналов, имеет в пути, соединяющем входной вывод 42 и выходной вывод 43 операционного усилителя 21, следующие параллельно соединенные пути:

(1) первый путь, в котором последовательно соединены переключатель 131, емкостной элемент Cf1 и переключатель 132;

(2) второй путь, в котором последовательно соединены переключатель 231, емкостной элемент Cf2 и переключатель 232; и

(3) третий путь, в котором последовательно соединены переключатель 331, емкостной элемент Cf3 и переключатель 332.

Кроме того, схема 44 обратной связи может включать в себя переключатель 120 между путем, соединяющим емкостной элемент Cf1 с переключателем 132, и путем, соединяющим емкостной элемент Cf2 с переключателем 231. Схема 44 обратной связи также может включать в себя переключатель 130 между путем, соединяющим емкостной элемент Cf1 с переключателем 132, и путем, соединяющим емкостной элемент Cf3 с переключателем 332, и переключатель 140 между опорным потенциалом и путем, соединяющим емкостной элемент Cf3 с переключателем 331.

Состояние, в котором каждый переключатель включен или выключен, как показано на фиг.4, представляет собой первый режим. Второй режим указывает состояние, в котором каждый переключатель, показанный на фиг.4, установлен в противоположное состояние. В обоих этих режимах управление состояниями множества переключателей осуществляется таким образом, что в первом режиме образуется путь обратной связи, в котором емкостные элементы Cf1 и Cf2 соединены последовательно, а емкостной элемент Cf3 подсоединен между опорным потенциалом и узлом между емкостными элементами Cfl и Cf2, а во втором режиме путь обратной связи не образуется. Твердотельный датчик 4 изображения может иметь конфигурацию, предусматривающую наличие трех или более режимов работы и управление состояниями множества переключателей таким образом, что образование пути обратной связи гарантируется в первом режиме, а в других режимах путь обратной связи не образуется.

Третий вариант осуществления

На фиг.5 представлена принципиальная схема, иллюстрирующая твердотельный датчик 5 изображения в соответствии с третьим вариантом осуществления. Твердотельный датчик 5 изображения предусматривает первый режим и второй режим в качестве режимов работы. Конфигурация твердотельного датчика 5 изображения предусматривает наличие матрицы 10 пикселей и множества схем 50 обработки сигналов. Схема 54 обратной связи, входящая в состав схемы 50 обработки сигналов, имеет в пути, соединяющем входной вывод 52 и выходной вывод 53 операционного усилителя 21, первый путь обратной связи и второй путь обратной связи, подключенные параллельно.

В первом пути обратной связи последовательно соединены переключатель 100, емкостной элемент Cf11 и емкостной элемент Cf12, а емкостной элемент Cf13 вставлен между опорным потенциалом и путем, соединяющим емкостные элементы Cf11 и Cf12. Во втором пути обратной связи последовательно соединены переключатель 200 и емкостной элемент Cf2. В схеме 54 обратной связи, например, возможно образование первого пути обратной связи путем включения переключателя 100 и выключения переключателя 200 в ответ на первый управляющий сигнал (не показан). Кроме того, в схеме 54 обратной связи, например, возможно образование второго пути обратной связи путем выключения переключателя 100 и включения переключателя 200 в ответ на второй управляющий сигнал (не показан). Следовательно, коэффициент усиления схемы 50 обработки сигналов при образовании первого пути обратной связи оказывается отличающимся от упомянутого коэффициента усиления при образовании второго пути обратной связи. Кроме того, твердотельный датчик 5 изображения может иметь конфигурацию, предусматривающую наличие трех или более режимов работы и управление состояниями переключателей, что при образовании путей обратной связи в соответствующих режимах работы позволяет сделать коэффициенты усиления отличающимися друг от друга.

Четвертый вариант осуществления

На фиг.6 представлена принципиальная схема, иллюстрирующая схему 6 обработки сигналов в соответствии с четвертым вариантом осуществления. Схема 6 обработки сигналов включает в себя полностью дифференциальный усилитель 7, входные емкости C0 и C1 и схемы 66 и 67 обратной связи. Полностью дифференциальный усилитель 7 имеет узел VCOM синфазного напряжения, входные выводы 62 и 63 и выходные выводы 64 и 65. Входная емкость C0 расположена между входным выводом 62 и сигнальной шиной 60 столбцов, а входная емкость C1 расположена между входным выводом 63 и сигнальной шиной 61 столбцов. Схема 66 обратной связи соединяет входной вывод 62 с выходным выводом 64, а схема 67 обратной связи соединяет входной вывод 63 с выходным выводом 65. Отметим, что матрица пикселей является такой же, как матрица пикселей в вариантах осуществления с первого по третий согласно данному изобретению, и поэтому не показана.

Схема 66 обратной связи имеет первый емкостной элемент Cf311, второй емкостной элемент Cf312 и третий емкостной элемент Cf313. В схеме 66 обратной связи первый емкостной элемент Cf311 и второй емкостной элемент Cf312 расположены последовательно в пути, соединяющем входной вывод 62 с выходным выводом 64. Кроме того, в схеме 66 обратной связи третий емкостной элемент Cf313 расположен между опорным потенциалом и путем, соединяющим емкостные элементы Cf311 и Cf312. Схема 67 обратной связи имеет первый емкостной элемент Cf321, второй емкостной элемент Cf322 и третий емкостной элемент Cf323. В схеме 67 обратной связи первый емкостной элемент Cf321 и второй емкостной элемент Cf322 расположены последовательно в пути, соединяющем входной вывод 63 с выходным выводом 65. Кроме того, в схеме 67 обратной связи третий емкостной элемент Cf323 расположен между опорным потенциалом и путем, соединяющим емкостные элементы Cf321 и Cf322. Емкостные элементы Cf313 и Cf323 могут быть соединены с узлом VCOM синфазного напряжения в качестве опорного потенциала.

Как описано выше, данное изобретение, разумеется, применимо и к другим усилительным схемам.

В качестве примера применения твердотельного датчика изображения в соответствии с каждым из вышеописанных вариантов осуществления, ниже будет приведена съемочная камера, включающая в себя твердотельный датчик изображения. Съемочная камера концептуально включает в себя не только устройство, основной целью которого является фотографирование, но и устройство (например, персональный компьютер или портативный терминал), дополнительно наделенное функцией фотографирования. Съемочная камера включает в себя твердотельный датчик изображения в соответствии с данным изобретением, примеры которого были приведены в вышеописанных вариантах осуществления, и блок обработки, предназначенный для обработки сигнала, выдаваемого из твердотельного датчика изображения. Блок обработки может включать в себя, например, аналого-цифровой преобразователь и процессор для обработки цифровых данных, выдаваемых из аналого-цифрового преобразователя.

Хотя данное изобретение описано со ссылками на возможные варианты осуществления, следует понимать, что изобретение не ограничивается раскрытыми возможными вариантами осуществления. Объем нижеследующей формулы изобретения следует считать охватывающим все такие модификации и эквивалентные конструкции и функции.

Claims

1. Твердотельный датчик изображения, содержащий матрицу пикселей, имеющую множество пикселей, и множество схем обработки сигналов, причем каждая из упомянутого множества схем обработки сигналов усиливает сигнал, выдаваемый из упомянутой матрицы пикселей во множество сигнальных шин столбцов, при этом
каждая из упомянутого множества схем обработки сигналов содержит
операционный усилитель, который имеет входной вывод и выходной вывод,
входную емкость, расположенную между входным выводом и сигнальной шиной столбцов, и
схему обратной связи, которая соединяет входной вывод с выходным выводом, при этом
упомянутая схема обратной связи выполнена с возможностью образования пути обратной связи, в котором первый емкостной элемент и второй емкостной элемент расположены последовательно в пути, соединяющем входной вывод с выходным выводом, а третий емкостной элемент расположен между опорным потенциалом и путем, соединяющим первый емкостной элемент со вторым емкостным элементом.

2. Твердотельный датчик изображения по п.1, в котором
упомянутая схема обратной связи имеет компоновку, в которой первый емкостной элемент и второй емкостной элемент соединены последовательно для соединения входного вывода с выходным выводом, а третий емкостной элемент подсоединен между опорным потенциалом и узлом, соединяющим первый емкостной элемент со вторым емкостным элементом.

3. Твердотельный датчик изображения по п.1, в котором
твердотельный датчик изображения имеет первый режим и второй режим в качестве режимов работы, а
упомянутая схема обратной связи включает в себя множество переключателей, управляемых так, чтобы образовывать путь обратной связи в первом режиме и не образовывать путь обратной связи во втором режиме.

4. Твердотельный датчик изображения по п.1, в котором
упомянутая схема обратной связи выполнена с возможностью образования пути обратной связи в ответ на первый управляющий сигнал и образования, в ответ на второй управляющий сигнал, второго пути обратной связи, соединяющего входной вывод с выходным выводом через емкостной элемент, и
коэффициент усиления упомянутой схемы обработки сигналов при образовании пути обратной связи отличается от коэффициента усиления при образовании второго пути обратной связи.

5. Твердотельный датчик изображения по п.1, в котором
каждая из упомянутых схем обработки сигналов включает в себя
первый переключатель, который соединяет входной вывод с одним выводом первого емкостного элемента,
второй переключатель, который соединяет выходной вывод с другим выводом первого емкостного элемента,
третий переключатель, который соединяет входной вывод с одним выводом второго емкостного элемента,
четвертый переключатель, который соединяет выходной вывод с другим выводом второго емкостного элемента,
пятый переключатель, который соединяет входной вывод с одним выводом третьего емкостного элемента,
шестой переключатель, который соединяет выходной вывод с другим выводом третьего емкостного элемента,
седьмой переключатель, который соединяет другой вывод первого емкостного элемента с одним выводом второго емкостного элемента,
восьмой переключатель, который соединяет другой вывод первого емкостного элемента с другим выводом третьего емкостного элемента, и
девятый переключатель, который соединяет один вывод третьего емкостного элемента с опорным потенциалом.

6. Твердотельный датчик изображения по п.5, в котором
твердотельный датчик изображения имеет первый режим и второй режим в качестве режимов работы,
в первом режиме включены упомянутый первый переключатель, упомянутый четвертый переключатель, упомянутый седьмой переключатель, упомянутый восьмой переключатель и упомянутый девятый переключатель, а
во втором режиме включены упомянутый второй переключатель, упомянутый третий переключатель, упомянутый пятый переключатель и упомянутый шестой переключатель.

7. Твердотельный датчик изображения по п.1, в котором
упомянутый операционный усилитель является полностью дифференциальным операционным усилителем,
упомянутая схема обратной связи образует путь обратной связи между выводом инвертирующего входа и выводом неинвертирующего выхода упомянутого операционного усилителя, и
каждая из упомянутых схем обработки сигналов дополнительно включает в себя вторую схему обратной связи для образования пути обратной связи, в котором четвертый емкостной элемент и пятый емкостной элемент расположены последовательно между выводом неинвертирующего входа и выводом инвертирующего выхода упомянутого операционного усилителя в пути, соединяющем вывод неинвертирующего входа с выводом инвертирующего выхода, а шестой емкостной элемент расположен между опорным потенциалом и путем, соединяющим четвертый емкостной элемент с пятым емкостным элементом.

8. Твердотельный датчик изображения по п.7, в котором
опорный потенциал является синфазным потенциалом полностью дифференциального операционного усилителя.

9. Съемочная камера, содержащая:
твердотельный датчик изображения по любому из пп.1-8 и блок обработки, который обрабатывает сигнал, выдаваемый из упомянутого твердотельного датчика изображения.