TW200849985A - Solid-state imaging device, signal processing method for the same, and imaging apparatus - Google Patents

Description

200849985 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 。。本發明係較—種固態成像器件、—種用於該固態成像 裔件之仏號處理方法以及一種成像裝置。 本發明包括在2007年4月23日向日本專利局申請的日本 專利申請案JP 2〇07-112651的相關標的，該案之全文以引 用的方式併入本文中。 【先前技術】 圖31展示固態成像器件之單位像素1〇〇之組態的實例。 就此實例而言，在具有用於轉移經由在光電轉換元件ι〇ι 中進行光電轉換而獲得之信號電荷的轉移電晶體的單位像 素100中’使可被轉移至該單位像素之浮動擴散電容器 (fd)1()6的所積聚之電荷之最大數量Qfd max充分大於積聚 於作為光接收單元之光電轉換元件101中的電荷之最大數 量Qpd.max。結果，藉由移除光電轉換元件1〇1中之殘餘電 荷而實現該等信號電荷自光電轉換元件1()1至浮動擴散電 谷β 106之完美轉移。 X女上文所掐述之方式來實現針對經由在光電轉換元件 101中進行光電轉換而獲得之信號電荷的完美轉移，此導 致可防止在拍攝影像之階段中的殘餘影像且可實現入射光 之亮度與感應器輸出信號之間的良好線性。就此而言，除 轉移電日日體1 G2之外，此實施例之單位像素包括一重設 電曰曰體103、一放大電晶體1〇4及一像素選擇電晶體。 然而，圖31中所示之單位像素100涉及以下問題。 128080.doc 200849985

Cl)由於所積聚之電荷之最大數量Qfd max必須大於積聚 於光電轉換元件1〇1中之電荷之最大數量Qpd max，所以存 在對減小浮動擴散電容器106之電容以用於增強電荷至電 壓轉換效率的限制。 (2)因為與上文之原因相同的原因，被用作用於浮動擴 散電容器106之重設電壓的電源電壓vdd之降低導致積聚於 洋動擴散電容器106中之電荷之最大數量卩以^的減少， 所以存在對電源電壓Vdd之降低的限制。 接著’迄今為止，按以下方式解決上文所描述之問題 (1)及（2)。亦即，當所積聚之電荷之最大數量Qfd • max歸因 於減小浮動擴散電容器106之電容以用於增強電荷至電壓 轉換效率而較小時，或當所積聚之電荷之最大數量

Qfd.max由於重設電壓（電源電壓）Vdd的降低而較小時，在 私荷轉移之後，執行信號讀取及浮動擴散電容器丨〇6之重 設，光電轉換元件101中剩餘之電荷因為多於轉移電晶體 102可轉移之電荷，所以其再次被轉移以讀出信號。結 果，積聚於光電轉換元件101中之所有電荷以複數個批次 被讀出。此技術（例如）描述於日本專利特許公開案第2〇〇卜 177775號中。 【發明内容】 然而，當就上文所描述之先前技術而言時，在 内經由光電轉換而積聚於光電轉換元件1〇1中之電荷以分 割轉移為基礎(分割轉移)而轉移，且接著對對應於因此轉 移之電荷的類比信號執行類比至數位轉換，必須視以分割 128080.doc 200849985 為基礎之轉移中的分割數目而執行該類比至數位轉換處理 複數次。結果，變得難以加速類比至數位轉換處理，且功 率消耗亦增加。 鑒於以上内容，因此需要提供一種能夠藉由一組態來加 速類比至數位轉換處理並降低功率消 -種用於該固態成像器件之信號處理方法以及裝 置，該組態用於在不可在一個讀出操作中輸出所有所積聚 之電荷時以複數個批次來轉移該等所積聚之電荷並以分割 轉移為基礎來輸出信號電荷。 σ 為達成上文所描述之期望，根據本發明之一實施例，提 供一種固態成像器件，其包括·· -像素陣列單元，其藉由以矩陣配置單位像素而構成， 該等單位像素中之每一者包括：一

At 疋电褥換早兀，其經組 悲以將光信號轉換為信號電荷；一轉 ^ ^ 锝移疋件，其經組態以 _經由在光電轉換單元中進行光電轉換而獲得之信號電 荷；及輸出構件，其經組態以輸出由轉移元件 電荷； 机 驅動構件，其經組態以經由輸出部分而讀出在一個單位 之積聚時段中積聚於光電轉換單 矜兴早兀中並由轉移元件至少以 兩個批次轉移之信號電荷；及 類比：數位轉換構件，其經組態以對以複數個批次自單 位像素讀出之複數個輸出信號以 至數位轉換。 ⑽換精確度執行類比 根據本發明之另一實施例，提供— 、種用於固態成像器件 128080.doc 200849985 之信號處理方法，該固態成像器件包括： 一像素陣列單元，其藉由以矩陣配置單位像素而構成， 該等單位像素中之每一者包括：一光電轉換單元，其經組 態以將光信號轉換為信號電荷；一轉移元件，其經組態以 轉移經由在光電轉換單元中進行光電轉換而獲得之信^電 荷；及一輸出部分，其經組態以輸出由轉移元件轉移之信 號電何；及

C 驅動構件，其經組態以經由該輸出部分而讀出在一個單 位之積聚時段中積聚於光電轉換單元中並由轉移元件至少 以兩個批次轉移之信號電荷； 其中該固態成像器件對以複數個批次自單位像素讀出之 複數個輸出信號以不同轉換精確度執行類比至數位^換。 根據本發明之又一實施例’提供—種成像裝置， 括： 〆、 一固怨成像器件，其藉由以矩陣配置單位像素而構成， 該等單位像素中之每一者包括··一 尤电轉換早兀，其經組 態以將光信號轉換為信號電荷；_ 、 锝移兀件，其經組態以 轉移經由在光電轉換單元中進行光雷 ^ 尤冤轉換而獲得之信號電 荷，及輸出構件，其經組態以輸出 由轉移兀件轉移之信號 電荷；及 u 一光學系統 成像區域上； 其用於將入射光聚焦 至該固態成像器件之 其中該固態成像器件包括： 構件而讀出在一個單位 驅動構件，其經組態以經由輸出 128080.doc 200849985 之積聚時段中積聚於光電轉換單元中並由轉移元件至少以 兩個批次轉移之信號電荷；及 類比至數位轉換構件，其經組態以對以複數個批次自單 位像素嗔出之複數個輪出信號以不同轉換精確度執行類比 至數位轉換。 根據本毛明’ §以分割轉移為基礎來轉移不可在一個讀 出操作U之所積聚之電荷時，對以分割轉移為基礎自

單位像素讀出之複數個輸出信號以不同轉換精確度執行類 比至數位轉換。結果，有可能實現類比至數位轉換處理之 加速及功率消耗之減少。 【實施方式】 下文將參看隨附圖式來詳細描述本發明之較佳實施例。 [第一實施例] 圖1係展示根據本發明之第—實施例之固態成㈣件（例 如，CMOS影像感應器）的組態的系統組態圖。 如圖1中所示，此實施例之CM0S影像感應器i〇a包括一 像素陣列單元U及其周邊電路。在此狀況下，像素陣列單 π 11經組態以使得各自包括一光電轉換元件之單位像素 (下文在一些狀況下被簡稱作”像素"）2 0係以矩陣二維地配 置。一垂直掃描電路12、一水平掃描電路13、一行信號選 擇電路14、-信號處理電路15及其類似物(例如)係作為： 素陣列單元11之周邊電路而提供。 對於像素陣列單元11中之像素20的矩陣配置而言，每一 像素行地布置一垂直信號線丨u，且每一 且母像素列地布置驅 128080.doc 200849985 動控制線（例如，一轉移控制線〗12、一重設控制線113及 一選擇控制線11 4)。 怪定電流源1 6分別連接至該等垂直信號線u〗之一端。 可使用用於偏流之電晶體（其閘極（例如）由偏壓Vbias偏壓） 來代替使用恆定電流源16。在此狀況下，用於偏流之 日白 立連同將在稍後加以描述之放大電晶體24而組態源極隨輕 電路（參看圖2)。

類似物構成。另外，當相對於電子快門列及讀出列中之每 -者而以列為單位垂直掃描像素陣列單心之像素加日士 垂直掃描電路12執行電子快門操作以用於自屬於該電子\ 門列之像素20中之對瘅傻去卢、主户# 丁厌 對應像素知清信號，並執行讀出 用於自屬於該讀出列之兮聱 ’、卞以 W之以像素中之對應像素讀 儘管此處省略說明，彳e ® 仁垂直知描電路12包括一續屮卢^ 系統及一電子快門掃描系統。在此 出μ

在以列為單位來連續地選擇傻去s買出掃描系統 詩白心〜 素㈣同時執行讀出摔作以 用於自屬於頃出列之像素20讀出信號。 呆：以 系統在由讀出掃描系統進 、門掃描 %订。貝出知描之前 度之時段對同-列(電子快門列)執行雷 '…、門速 又，在第一時序至第-日士 Γ 子快門操作。 素20_之每一者之信 旧〇又艾成用於像 時段）。此處，在第一時序，由電 之積聚時段（曝光 門掃描來重設光電轉換單 “子快門掃描系統經由快 、干7L〒之不必 * 二時序’由讀出掃描系統經由讀出掃描而=自 刀別自像素讀出 128080.doc 10 200849985 電i換^ -P電子快門操作意謂用於重設（掃清）積聚於光 如㈣早凡中之信號電荷並在完成信號電荷之重設之後開 始重新積聚信號電荷的操作。 ，二：知祂電路13係由—移位暫存器、-位址解碼器或其 =構成水平掃描電路13按:欠序水平掃描像素陣列單 一、，素行行佗就選擇電路14係由一水平選擇開關、 平=線*其_物構成。與由水平掃描電路13進行 T水千知描操作同步，行信號選擇電路14連續地輸出各別 素20之信號’該等信號分別經由對應 號線⑴而自像素陣列單元u輸出。 信號處理電路15對以像素為單位而自行信號選擇電路14 2出之像素20之信號執行各種信號處理(諸如，雜訊移除 外理口、類比至數位（A/D)轉換處理及加法處理）。此實施例 、唬處理電路！ 5之組態及操作為特徵。將在稍後描述此 實施例之特徵的細節。

V 應，意，時序信號及控制信號（其種之每—者變成用於 垂直掃描電路12、水平掃描電路13、信號處理電路15及其 類似物之操作的參考）係自時序控制電路（未圖示）產生。 (像素電路） 圖2係展示單位像素20之電路組態的一實例的電路圖。 此實例之單位像素2〇被組態為像素電路，除光電轉換元件 (光電轉換單元m(諸如，内埋式光電二極體）之夕卜，該像 素電路包括四個電晶體(例如’ -轉移電晶體(轉移元 件）22、一重設電晶體23、一放大電晶體24及—選擇電晶 128080.doc 200849985 體25)。在此狀況下’雖然將N通道m〇s電晶體（例如）用作 四個電晶體22至25,但本發明決不限於此組態。

C 轉移電晶體22連接於光電轉換元件21之陰極與浮動擴散 電容器（FD)26之間。轉移電晶體22藉由將轉移脈_⑽ 應至其閘電極（控制電極）而將已經由在光電轉換元件21中 進行光電轉換而積聚之信號電荷（在此狀況下為電子）轉移 至浮動擴散電容器26。因此，浮動擴散電容器26充當用於 將信號電荷轉換為電壓信號之電荷至電壓轉換單元。 重設電晶體23之汲電極連接至用於供應電源電M Vdd之 像素電源，且其源電極連接至浮動擴散電容器％之與其接

地端相對的一端。名蔣/f 士妹f Μ A A 而在將仏唬電何自光電轉換元件以轉移至 浮動擴散電容器26之前，重設電晶體23根據供應至其閉電 極之重設脈衝RST而將浮動擴散電容㈣之電位重設至重 設電壓Vm。 *放大電晶體24之閘電極連接至浮動擴散電容器％之該一 鳊，且其沒電極連接至用於供應電源電屡Vdd之像素電 源:放大電晶體24以具有重設位準之信號的形式輸出在由 重叹電晶體23重設之後的浮動擴散電容器％之電位，且以 具=信號位準之信號的形式輸出在由轉移電晶㈣將信號 電4轉移至浮動擴散電容器26之後的浮動擴散電容 電位。 舉例而言，選擇電晶體25之汲電極連接至放大電晶體24 之源電極’且其源電極連接至垂直信號線111。選擇電B 體25根據施加至其閘電極以將像素20設定於選擇狀態之^ 128080.doc -12- 200849985 擇脈衝SEL而接通，藉此將自放大電晶體24輸出之信號輸 出至垂直k唬線111。選擇電晶體25亦可採用連接於像素 電源（Vdd)與放大電晶體24之汲電極之間的組態。 應注意，儘管此處已將本發明之實施例被應用於包括單 位像素20(具有四電日日體組怨，包括轉移電晶體、重設 電晶體23、放大電晶體24及選擇電晶體25)之cm〇s影像感 應器的片大況作為實^列、給出，⑮纟發明決不限於此應用實 例。 具體a之，亦可將本發明應用於··一 CM〇s影像感應 器，其包括一單位像素20,，該單位像素20,具有三電晶體 組悲，其中如圖3中所示，圖2中所示之選擇電晶體25被省 略，且使電源電壓SELVdd可變，藉此給予放大電晶體24 選擇電晶體25之功能；_CM〇s影像感應器，其具有一組 悲，其中如圖4中所示，一浮動擴散電容器FD及一讀出電 路200係在複數個像素之間共用；或其類似物。 在具有上文所描述之組態的CM〇s影像感應器ι〇Α中， 用於驅動單位像素2〇之構成元件（轉移電晶體22、重設電 曰曰體23及選擇電晶體25)的垂直掃描電路η構成一驅動部 刀在此狀况下，由轉移電晶體22至少以兩個批次來分割 在個單位之積聚時段中積聚於光電轉換元件21中的信號 電何。因此，該驅動部分以分割轉移為基礎經由輸出部分 (由4 a電晶體23、浮動擴散電容器％、放大電晶體以及 4擇電sa體25構成）而將信號電荷讀出至垂直信號線111。 (分割轉移） 128080.doc •13· 200849985 具有上文所描述之組態的CM0S影像感應器i〇a執行操 作以用於至少以兩個批次將在一個單位之積聚時段中積聚 於光電轉換元件21十之信號電荷轉移至浮動擴散電容器 26(以分割轉移為基礎）並在基於轉移脈衝trg、重設脈衝 RST及選擇脈衝SEL(該等脈衝係自垂直掃描電路以適當地 輸出）之驅動下以像素列為單位經由放大電晶體24而^經 由在光電轉換元件21中進行光電轉換而獲得之電壓信號讀 出至垂直信號線111。又，在後續階段中，使以分割轉移 為基礎而自單位像素20讀出之複數個電壓信號經受信號處 理電路1 5中之加法處理。 此處，圖5將在以四分割轉移為基礎來執行分割轉移時 重設脈衝RST與轉移脈衝TRG之間的時序關係作為實例來 展示。另外，圖6展示解釋當入射光之亮度高時的操作的 月匕里圖，且圖7展示解釋當入射光之亮度低時的操作的能 置圖。在圖6及圖7中，操作（1)至（15)分別對應於圖5中所 示之時段（1)至（15)。 ί ' 、， 當以四個批次轉移信號電荷時，將在各別電荷轉移操作 中碩出之具有數量Qfdl、Qfd2、Qfd3及Qfd4的電荷彼此相 • 加以獲得具有數量Qpd(=Qfdl+Qfd2+Qfd3 + QW4)之所積聚 . 之電荷。另外，在入射光之亮度高且光電轉換元件21在其 中積聚大數量之電荷（如圖6中所示）的像素中，因為執行四 分割及加法，所以可讀出具有數量Qpd之所有所積聚之電 荷。 (信號處理電路） 128080.doc -14- 200849985 圖8係展示圖〗中所示之信號處理電路〗$之組態的一實例 的方塊圖。在此狀況下，將在以分割為基礎之轉移中的分 割之數目例如）設定為3(n=3)的狀況作為實例給出。 ^圖时所示，此實例之信號處理電路15包括一雜訊移 除單元151、一A/D轉換單元152、—信號選擇單元153、一 仏號保持單元1 5 4及一加法單元1 5 5。 雜矾移除單元15 1(例如）包括一相關雙重取樣（CDs)電 路。雜訊移除單元151連續地獲得重設位準與信號位準（具 有該等位準之各別信號係連續地供應自單位像素2〇)之間 的差異’藉此移除像素中之每一者中所固有之重設雜訊及 固定型式雜訊（由於放大電晶體24之臨限值之分散或其類 似物而產生）。A/D轉換單元152經由A/D轉換而將因此供應 至其之類比輸出信號轉換為數位信號。 信號選擇單元153按次序連續地選擇對應於以第一次分 割、第二次分割及第三次分割為基礎之轉移的自a/d轉換 單兀152輸出的數位信號中之一者，並指示信號保持單元 154將因此選擇之數位信號按次序分別保持於其保持單元 154-1、154-2及154-3中。加法單元155將分別保持於保持 單元1S4-1、154_2及154_3中之第一次、第二次及第三次輸 出信號彼此相加。 在具有上文所描述之組態的信號處理電路丨5中，雜訊移 除單元151、A/D轉換單元152、信號選擇單元153、信號保 持單元154及加法單元155(例如）彼此與像素陣列單元u整 合於同一半導體基板上。 128080.doc -15 - 200849985 然而，不必將雜訊移除單元151、以0轉換單元i52、信 號選擇單S 153、信號保持單元154及加法單元155全部彼 此：像素陣列單元u整合於同一半導體基板上。亦即，該 等單70中之若干單元或全部單元可彼此整合於另一半導體 基板上。 應注思，在以上狀況下，已展示雜訊移除單元151被安 置於A/D轉換單疋！ 52之前、級一側的實例。然、而，可將雜訊 移除單元151安置於A/D轉換單元152之後級一側，以使得

在數位處理中執行A/D轉換。或，可給予a/d轉換單元丨52 雜訊移除功能，以使得在執行A/D轉換的同時執行雜訊移 除0 另外，如圖9中所示，具有雜訊移除功能及加法功能之 A/D轉換單元152可構成信號處理電路15，以使得雜訊移除 處理及加法處理可與A/D轉換處理並行地被執行。 圖1 〇係展示具有雜訊移除功能及加法功能之A/D轉換單 兀156之具體組態的一實例的方塊圖。另外，此實例之 轉換單元156包括一電壓比較器1561及一計數器1562。 電壓比較器1561在其反相㈠輸入端子處接收具有斜坡波 形之參考信號Vref，且在其非反相（+)端子處接收經由垂直 信號線111而供應自單位像素2〇的輸出信號v〇ut。當輸出 仏號Vout之位準高於參考信號Vref時，電壓比較器1561輸 出比較結果V c 〇。 計數器1562係由遞增/遞減計數器構成。計數器1562在 使電壓比較器15 61中之比較結果vco改變所需之時段中在 128080.doc -16- 200849985 基於遞增/遞減控制信f虎之控制下與時脈CK同步地執行用 於遞增/遞減計數的計數操作，藉此使計數值遞增或遞 減。 圖U展示具有斜坡波形之參考信號Vref、獲自電摩比較 器⑽^比較結果Vc〇及計數器⑽中之計數值的波形。 在匕只例中對於基於二分割轉移而獲得之輸出信號而 言’在用於讀出具有重設位準之信號的第一次讀出操作中 使計數器1562中之計數值遞減，且接著在用於讀出具有信 號位準之信號的第一次讀出操作中使計數器1562中之古十數 值遞減。結果’獲得對應於重設位準與信號位準之間的差 異的計數值（雜訊移除處理）。 以此方式，與A/D轉換處理同時執行雜訊移除處理。另 外，在用於讀出具有重設位準之信號的第 ，⑽中之計數值遞減，且在用於讀出具有= 準之信號的第二次讀出操作中使計數器1562中之計數值遞 減’以便遵循第-次A/D轉換處理。結果，可將在完成第 一次移除處理後的結果加至在完成第一次移除處理後的結 果（加法處理）。 亦即’對於基於三分割轉移而獲得之輸出信號而言，重 複執行用於獲得對應於重設位準與信號位準之間的差显的 值的操作，以使得計數器1562中之計數值被重複遞增 :^。結果，有可能獲得數位輸出信號，該數位輸出信 =精由將基於各別分割轉移之讀出操作中的重設位準盘 ^ #u位準之間的差異相加而獲得。 128080.doc -17- 200849985 如自上文顯而易見，可給予a/d u , 轉換早7L156信號保持單 兀153及加法早元155之功能。 4號處理電路1 5和括以‘ μ «ν & u ㈣匕括以如上文所描述之方式而具有雜訊 移除功能及加法功能的A/D轉換單元156， ’ ^ 1 « ^ ^ 早兀150此導致雜訊移除 唬保持單元153之保持單元153-1、153·2及 153-3變得不必要’且亦不必增加保持單元、⑸韻 153_3之數目（對應於用於以分割為基礎之轉移的分割之數 Γ

目小結果，有可能簡化信號處理電路15之電路組態。 <A/D轉換中之問題> 此處，當在基於時割轉移之所有讀出操作中對自單位 像素20讀出之輸出信號以相同轉換精確度執行她轉換（如 _中所示）時’用於A/D轉換之執行時間及功率消耗中之 母者與分割數目η成比例地增加。 <以不同轉換精確度進行之A/D轉換> 為克服此情形，在此實施例uMOS影像感應器中，如 圖12中所示，肖第一次讀出操作及第二次讀出操作以不同 轉換精確度執行A/D轉換。具體言之，使第二次讀出操作 中之麥考#號Vref的斜坡大於第一次讀出操作中之參考信 號Vref的斜坡以增加A/D轉換中之债測之最小數量（亦即 每一個計數之信號之數量），藉此降低第二次A/D轉換中之 轉換精確度。 此實例之A/D轉換單το 1 56採用用於亦與A/D轉換同時執 行加法處理的組態。為此，對於以相同加權因數執行之加 法處理而言，當第二次讀出操作中之參考信號Vref的斜坡 128080.doc -18- 200849985 讀出操作中之參考信號vref之斜坡㈣倍大時， 之計數數目A W —精㈣之母-個時脈 次計數操作中之計數數目的⑽，藉此 使弟-:人計數操作中之轉換精確度係第— 轉換精確度的1/N倍。 T数麵作中之 ^3係展示在將積聚於光電轉換元件21中的電荷之最大 數里:疋為1〇，_個電子時入射光之強度（所積聚之電荷） 舁所唄出之仏號之雜訊位準之間的關係的特徵圖。在此狀 况下’唄出刼作中之固定型式雜訊對應於2 e-，讀出操作 中之隨機雜訊對應於7 e•，且對應於所積聚之電荷之光學 散粒雜訊作為雜訊分量被包含。

如圖13中所示，黑暗期雜訊位準在具有較少所積聚之電 荷之低亮度區域中佔優勢。然而，當人射光之強度增加且 所積聚之電荷之數量相應地增加時，光學散粒雜訊變得佔 優勢。為此，將具有設定於其中之高轉換精確度的a/d轉 換應用於低亮度導致即使在將具有設定於其中之低轉換精 萑度的A/D轉換應用於鬲免度（例如，如圖13中所示）的狀 況下，影像品質仍幾乎未退化，因為在A/D轉換中無量化 誤差變得佔優勢。 在此實例中，在針對12個位元、10個位元及8個位元之 A/D轉換中每1LSB之轉換精確度分別變為2 4 e-、9·8㊁·及 3 9· 1 e。因此，當以四分割為基礎來轉移所積聚之電荷 時，將如圖13中所示之轉換精確度應用於基於四分割之各 別四分割轉移操作導致視對應於1LSB之電子之數目而定 128080.doc •19- 200849985 的置化决差基本上小於雜訊分量（諸如，光學散粒雜訊）。 結果，此情形對影像品質幾乎不產生不良影響。 在圖ίο中所例示之A/D轉換單元156的狀況下，因為視轉 換精確度而疋之分級數目及執行次數彼此成比例，所以將 圖13中所示之轉換精確度應用於A/D轉換導致12位元A/D 轉換被執行4次（4,〇96個分級χ4)。另一方面，當以12個位 兀（4,096個分級）、1〇個位元（1，〇24個分級）及8個位元（256 個分級）來執行A/D轉換時，以較高速度來執行a/D轉換， 該速度為以上A/D轉換中之速度的2.6倍高。除此之外，計 數器1 562中所消耗之功率亦可被減少至上文之狀況下之功 率的約1/2.6，因為計數器1562中之改變之數目與分級之數 目成比例。 (此實施例之效應） 如今為止已描述，在當不可在一個讀出操作中讀出光 電轉換元件2 1中之所有所積聚之電荷時以分割為基礎來執 行電荷轉移及信號輸出的CMOS影像感應器10A中，使根 據以n分割為基礎之轉移而自單位像素20輸出之輸出信號 經受以不同轉換精確度進行之A/D轉換以彼此相加。結 果，可縮短用於A/D轉換之執行時間（轉換速度）而不損害 影像品質，且可降低A/D轉換單元152及156中之每一者中 所消耗的功率。 更具體言之，將參看圖5至圖7而描述之基於分割轉移的 驅動方法用於此實施例之CMOS影像感應器中導致當積聚 於光電轉換元件2 1中之電荷之數量較小時，可在第—以分 128080.doc -20- 200849985 割為基礎之轉移操作中讀出所有所積聚之電荷。因此，如 圖13中所述，A/D轉換之轉換精確度對應於讀出次序而逐 漸降低，藉此實現A/D轉換之加速及功率消耗之降低。 [弟二實施例] 圖！4係展示根據本發明之第二實施例之固態成像器件 (例如’ CMOS影像感應器）的組態的系統組態圖。在該圖 中，與先前參看圖1而描述之單元相同的單元分別由相同 參考數字來表示。 如圖Μ中所示，除包括像素陣列單元u、垂直掃描電路 12、水平掃描電路13及行信號選擇電路14之外，此實施例 之CMOS影像感應器1〇B包括複數個行電路17，該等行電 路！7經配置讀分別制於像料列單元n之像素行。除 以上組態t外㈣一其他合適之組態皆基本上與第一實施 例之CMOS影像感應器1〇A之組態相同。 複數個行電路17對像素2G之信號執行各種信號處理（諸 如，雜訊移除處理、A/D轉換處理及加法處理），該等信號 以像素為單位經由垂直信號線⑴而分別自像素陣列單元υ 11輸出。此實施例以該等行電路17中之每一者的組態 作為特徵。 ’ 此實施例之CMOS影像感應器丨〇Β亦使用參看圖5至圖7 而描述之基於分割轉移的驅動方法。在使用此驅動方 狀況下，在第一以一分割為基礎之轉移操作或以若干分 為，礎^轉移操作中讀出所有所積聚之電荷。結果，當所 積水之電荷之數量較小時，在第-以分割為基礎之轉移操 128080.doc -21 - 200849985 作中讀出所有所積聚之電荷。 (行電路） 圖15係展示行電路17之組態的一實例的方塊圖。在此狀 況下，將用^以分割為基礎之轉移的分割之數目n(例如）設 定為3(n=3)的狀況作為實例給出。 如圖15中所示，此實例之行電路17包括一雜訊移除單元 m; —A/D轉換單元172、一信號選擇單元173、一信號保 持單兀174及一加法單元175。因此，行電路17具有基本上 與圖8中所示之信號處理電路之組態相同的組態。 口口雜訊移除單元171(例如）係由（CDS)電路構成。雜訊移除 單元171連續地獲得重設位準與信號位準之間的差異（具有 該等位準之各別信號係連續地供應自單位像素2〇)，藉此 移除像素中之每-者中所固有之重設雜訊及固定型式雜訊 (由於放大電晶體24之臨限值之分散或其類似物而產生）。 A/D轉換單凡丨72經由A/D轉換而將因此供應至其之類比輸 出信號轉換為數位信號。 #唬選擇單元173按次序連續地選擇對應於第一次、第 二次及第三次分割轉移操作的自A/D轉換單元172輸出的數 4 L號中之若干者，並指示信號保持單元1 7 4將因此選擇 之數位信號按次序分別保持於其保持單元^仁丨A 17心2及 174-3中。加法單元155將分別保持於保持單元174-1、174- 2及174-3中之第一次、第二次及第三次輸出信號彼此相 加。 應注意，在以上之狀況下，已展示雜訊移除單元171被 128080.doc -22- 200849985 女置於A/D轉換單元1 72之前級一側的實例。然而，可將雜 汛移除單元171安置於A/D轉換單元172之後級一側，以使 得在數位處理中執行A/D轉換。或，可給予A/D轉換單元 172雜訊移除功能，以使得在執行a/d轉換的同時執行雜訊 移除。 另外，如圖16中所不，具有雜訊移除功能及加法功能之 A/D轉換單元176可構成信號處理電路^，以使得雜訊移除

C

處理及加法處理可與A/D轉換處理並行地被執行。具有雜 Λ移除功能及加法功能之A/D轉換單元丨76可採用圖1 〇中所 示之電路組態。 ^為解決上文在以相同轉換精確度執行A/D轉換之狀況下 ::述的問題，具有以上組態之行電路17的特徵係對第一次 只出操作及第—次㈣操作以不同轉換精確度執行A/D轉 換二此類似於第一實施例之狀況（參看圖12)。具體言之， 使第二次讀出操作中之參考信號心“的斜坡大於第一次讀 出，作中之參考信號Vref的斜坡以增加a/d轉換中之偵測 之最小數量（亦即，每一個計數 、彳 楚一 1妖< ^之數置），藉此降低 弟一次A/D轉換中之轉換精確度。 (此實施例之效應） 士 5為止已描述，在當不可尤 電轉拖-放 在田不了在一個頃出操作中讀出光 轉換/L件21中之所有所積聚之電 行雷尹絲β 1 J Τ Μ刀割為基礎來執 '轉移及信號輸出的CM〇s影像感應器_中 n刀吾丨J轉移而自單位像辛2〇輪屮 ^ 韓拖“ *像素2〇輸出之輸出信號經受以不同 專換精確度進行之A/D轉換以彼此 、、、。果，類似於第 I28080.doc -23- 200849985 一實施例之狀況，可實現A/D轉換之加速及功率消耗之降 低而不損害影像品質。 [第三實施例] 圖1 7係展不根據本發明之第三實施例之固態成像器件 (例如，CMOS影像感應器）的組態的系統組態圖。在該圖 中，與先前參看圖1而描述之單元相同的單元分別由相同 參考數字來表示。

如圖17中所示，除像素陣列單元u、垂直掃描電路12、 水平掃描電路13及行信號選擇電路14之外’此實施例之 CMOS影像感應器1 〇c包括一供應電壓控制電路3 1、一電 壓供應電路32及一時序產生電路（TG)33。又，CMOS影像 感應器ioc包括複數個行電路34 ’該等行電路34經配置以 便分別對應於像素陣列單元此像素行。除以上組態之外 的任一其他合適之組態皆基本上與第二實施例之cm〇s影 像感應器1 0B之組態相同。 複數個行電路17對像素2〇之信號執行各種信號處理（諸 如，雜訊移除處理、A/D轉換處理及加法處理），該等信號 以像素為單位經由垂直信號線丨i i而分別自像素陣列單元 11輸出。此實施例以該等行電路17中之每一者的組態及操 作為特徵。將在稍後描述此實施例之特徵的細節。 曰仏應電壓控制電路3 i控制施加至單位像素2〇内之轉移電 恭=(轉移7L件）22之閘電極（控制電極）的轉移脈衝丁反〇的 包S值（峰值）。將在稍後描述此供應電壓控制電路3工之具 體組態。 〃 128080.doc -24- 200849985 電壓供應電路32將具有不同電壓值之複數個控制電壓供 應至供應電壓控制電路3 1。該複數個控制電壓作為具有不 同電壓值之轉移脈衝T R G被供應至轉移電晶體2 2之閘電 極。將在稍後描述具有不同電壓值之轉移脈衝TR(}的細 節。 時序產生電路（TG)33產生時序信號PTRG，根據該時序 # ^PTRG，判定在電壓供應電路32將具有不同電壓值之 複數個轉移脈衝TRG供應至轉移電晶體22之閘電極時的時 序。 行電路34對像素20之信號執行各種信號處理（諸如，雜 訊移除處理、A/D轉換處理及加法處理），該等信號以像素 為單位經由垂直信號線丨丨丨而自像素陣列單元丨丨輸出。將 在稍後描述行電路34之具體組態及操作。 (供應電壓控制電路） 供應電壓控制電路3 1接收作為其輸入之位址信號adr， 根據該位址信號ADR，驅動屬於由垂直掃描電路12經由垂 直掃描操作而選擇之列的單位像素2〇以選擇供應自電壓供 應電路3 2之複數個電壓中之一者，藉此將因此被選擇作為 轉移脈衝TRG之電壓供應至單位像素2〇内之轉移電晶體22 的閘電極。 自電壓供應電路32供應作為複數個電壓之接通電壓 Von(轉移電晶體22由該接通電壓v〇n接通）、切斷電壓 Voff(轉移電晶體22由該切斷電壓v〇ff切斷）及在該接通電 壓與該切斷電壓之間的中間電壓Vmid。此處，中間電壓 128080.doc -25· 200849985

Vmid意謂儘管光電轉換元件21中之所積聚之電荷的部分被 保持但剩餘之所積聚之電荷可部分地轉移至浮動擴散電容 器26的電壓。 在上文所描述之像素電路中，因為轉移電晶體22係^通 這轉移電晶體，所以將接通電壓設定為電源電壓Vdd，且 將切斷電壓Vo ff設定為接地電壓（較佳地，設定為低於接地 電壓之電壓）。另外，在此實施例中，將具有不同電壓值 之兩個中間電壓VmidO及Vmidl用作中間電壓Vmid。 結果，該四個電壓（亦即，接通電壓v〇n、中間電壓 VmidO及Vmidl以及切斷電壓Voff)自電壓供應電路32供應 至供應電壓控制電路3 1。該四個電壓展示Voff < vmid〇 < V m i d 1 < Vo η關係。又，將該四個電壓中之中間電壓v m丨d 〇 及Vmidl以及接通電壓Von中之每一者用作轉移脈衝TRG。 為分別控制中間電壓VmidO及Vmidl以及接通電壓v〇n自 電壓供應電路32供應的時序，將三個時序信號ptrg 1、 PTRG2及PTRG3自時序產生電路33供應至供應電壓控制電 路3 1。供應電壓控制電路3 1基於該等時序信號pTRG1、 PTRG2及PTRG3來選擇中間電壓Vmid0及vmidl以及接通 電壓Von中之一者，並將選定之電壓作為中間電壓vmid而 供應至轉移電晶體22之閘電極。 圖1 8係展示供應電壓控制電路3 1之電路組態的一實例的 電路圖。如圖1 8中所示，供應電壓控制電路3丨包括分別對 應於四個電壓（亦即，中間電壓VmidO及Vmidl、接通電壓 Von及切斷電壓Voff)之四個電路區塊311至314以及3輸入 128080.doc •26- 200849985 NOR 電路 315。 通常將位址信號ADR自垂直掃描電路丨2供應至電路區塊 3 11至3 14中之母一者。將時序信號ptrgi、ptrg2及 PTRG3作為二個輸入而自時序產生電路μ供應至n〇r電路 315 〇 電路區塊3 11包括一用於接收其兩個輸入（位址信號ADR 及時序信號PTRG1)之NAND電路3111、一位準偏移器3112 及一 P通道驅動電晶體3 11 3。電路區塊;311選擇中間電壓

VmidO並將因此選擇之中間電壓Vmid〇供應至轉移電晶體 22之閘電極。 電路區塊3 12包括一用於接收作為其兩個輸入之位址信 號ADR及時序信號PTRG2的NAND電路3121及一 p通道驅動 電晶體3122。電路區塊3 12選擇中間電壓Vmidl並將因此選 擇之中間電壓Vmidl供應至轉移電晶體22之閘電極。 電路區塊3 13包括一用於接收其兩個輸入（位址信號adr 及時序信號PTRG3)的NAND電路3131及一 N通道驅動電晶 體3132。電路區塊313選擇接通電壓γ〇η並將因此選擇之接 通電壓Von供應至轉移電晶體22之閘電極。 電路區塊3 14包括一用於接收作為其兩個輸入之位址信 號ADR及末自NOR電路315之輸出信號的AND電路3 141、 用於在具有設定於其處之負邏輯的一輸入端子處接收位 址k號ADR且在另一輸入端子處接收來自AND電路3 之 輸出信號的OR電路3142、一位準偏移器3143及一N通道驅 動電晶體3144。電路區塊314選擇切斷電壓v〇ff並將因此 128080.doc -27- 200849985 選擇之切斷電壓Voff供應至轉移電晶體22之閘電極。 為供應低於接地電壓之電壓（例如，_1〇 v)作為切斷電 壓Voff(轉移電晶體22根據該切斷電壓v〇ff而切斷），電路 區塊314採用用於基於N〇R電路315之操作而排斥其他電路 區塊3 11、3 12及3 13來操作的電路組態。 圖19展示對供應電餘制電路以輸人與自供應電壓控 制電路3 1之輸出之間的時序關係。在假定待供應至轉移電 晶體22之閘電極的電壓係_間電壓Vmid〇&Vmidi、接通 電壓Von及切斷電壓v〇ff的狀況下，當由位址信號adr選 擇像素列時，根據時序信號PTRG1、pTRG2&pTRG3，分 別對應於該等時序信號之中間電壓Vmid〇&Vmidi以及接 通電壓Von被連續地供應至轉移電晶體22之閘電極，且在 除以上之狀況之外的狀況下供應切斷電壓％ ff。 以如上文所描述之方式，在由供應電壓控制電路3 1進行 之=制下，與由垂直掃描電路12進行之垂直掃描操作同步 而每像素列地將中間電壓VmidO及Vmidl以及接通電壓 Y〇n按此次序自供應電壓控制電路31連續地供應至轉移電 曰曰體22之閘電極。結果’有可能實現三分割轉移，其中積 w於光電轉換元件21中之信號電荷（例如）以三個批次被轉 移至浮動擴散電容器26。 <三分割轉移> 下文中將苓看圖2〇之時序圖及圖21之操作說明圖來描 述在特疋像素列中進行三分割轉移之狀況下的具體操作。 在圖中操作（1)至（11)分別對應於圖20中所示之時段（1) 128080.doc •28- 200849985 至（11)。 當在特定像素列中在一個單位之積聚時段中以三分割轉 移為基礎來轉移信號電荷時，以給定時間間隔而將重設脈 衝PTS自垂直掃描電路12施加至重設電晶體23之間電極三 次，藉此執行用於浮動擴散電容器26之重設操作三次。當 與此等重設操作同步而每—重設操作地逝去特定時段時， 將中間電壓Vmid0及Vmidl以及接通電壓Von以此次序自供 應電壓控制電路3 1連續地供應至轉移電晶體22之閘電極。 在日守段（1)中，電荷Qpd被積聚於光電轉換元件21中。此 時，將切斷電壓v〇ff施加至轉移電晶體22之閘電極。另 外，已由第一次重設脈衝RST重設浮動擴散電容器26。經 由放大電晶體24及選擇電晶體25而將浮動擴散電容器26之 重設位準以第一次重設位準之形式讀出至垂直信號線 111 〇 在完成重設位準之第一次讀出之後，在時段（2)中，將 中間電壓Vmln〇施加至轉移電晶體22之閘電極。中間電壓

VminO之施加導致電荷（Qpd_Qmid〇)被轉移至浮動擴散電容 為26，其中光電轉換元件21中之所積聚之電荷qm的部分 電荷QmidO保持不變。 接著，在時段（3)中，將切斷電壓施加至轉移電晶體22 :閘電極。結果，對應於被轉移至浮動擴散電容器26:電 荷（Qpd-QmidO)的信號以具有第一信號位準之信號的形式 被讀出至垂直信號線i n。 接著’在時段（4)中，將第：次重設脈衝RST施加至重設 128080.doc -29- 200849985 電曰曰體23之閘電極，藉此重設浮動擴散電容器26。接荖， 在h段（5)中，具有所得重設位準的信號以具有第二次重設 位準之信號的形式被讀出至垂直信號線111。 。又 接者，在時段（6)中，將巾間電壓VmidUfe加至轉移電晶 :22之閘電極。中間電壓Vmidk施加導致電荷(Qpd_ QmuU)被轉移至浮動擴散電容器％，其中光電轉換元件η 中剩餘之電荷Qmid〇的部分電荷Qmidl保持不變。

接著’在時段⑺中，將切斷電壓v〇ff施加至轉移電晶體 22之閘電極。結果，對應於被轉移至浮動擴散電容器二: 電荷（QPd〇-Qmid丨）的信號以具有第二次信號位準之信號的 形式被讀出至垂直信號線丨丨}。 接著，在時段⑻中，將第三次重設脈衝RST施加至重設 電晶體23之閘電極’藉此重設浮動擴散電容器％。接著， 在時段（9)甲，具有所得重設位準的信號以具有第三次重設 位準之信號的形式被讀出至垂直信號線11 i。 接著，在時段（10)中，將接通電壓ν〇η施加至轉移電晶 體22之閘電極。接通電壓v〇n之施加導致光電轉換元:二 中之剩餘電荷Qmidl被轉移至浮動擴散電容器％。 接著，在時段（11)中，將切斷電壓v〇ff施加至轉移電晶 體22之閘電極。結果，對應於被轉移至浮動擴散電容器26 之電荷Qmidl的信號以具有第三次信號位準之信號的形式 被讀出至垂直信號線111。 圖22將實驗結果作為TRG驅動電壓（施加至轉移電晶體 22之閘電極的轉移脈衝TRG)與保持於光電轉換元件二^ 128080.doc -30- 200849985 之電街之數目之間的關係的實例來展示。 在此狀況下，展示當將在接通電壓v〇I1與切斷電壓 Voff(轉移電晶體22根據該接通電壓v〇n及該切斷電壓v〇ff 而被接通及切斷）之間的中間電壓Vmid施加至具有充滿有 、、、勺5,500 e之電子之數目的光電轉換元件以時保持於光電 轉換元件21中的電荷之數目。

圖22亦展示當在中間電壓vmid被設定為及 V m i η 1 (作為一實例）之情況下執行用於三分割轉移之驅動 時保持之電荷的數目QmidG及保持之電荷的數目。以此方 式。又定中間電壓Vmid之電壓值及中間電壓Vmid之數目導 =積聚於光電轉換元件21中之電荷可以所轉移之電荷之任 意單位及任意數目之分割來轉移，且可輸出對應於因此以 分割為基礎轉移之電荷的信號。 在三分割轉移之狀況下，中間電壓Vmid〇& VMM中之 每-者變成第-控制信號，且接通電壓v〇n變成第二控制 信號。 :管：此狀況下’迄今為止已藉由將三分割轉移之狀況 :為-貫例來給出而給出描述，但可任意設定 ^之士分割之數目。又，當執行时割轉移（n:2或更大之= V ’如圖23中所示，必須將㈤)個中間電重vmid0、 二二…、vmld(n-2)及接通電塵v°n按次序自供應電屡 制電路13施加至轉移電晶體22之間電極，藉 轉移電晶體22。 藉此駆動有關 128080.doc -31 - 200849985 在η分割轉移之狀況下，（η_υ個中間電壓Vmid〇至

VmidW)中的每-者變成第—控制電壓，且接通電壓v〇n 變成第二電壓。 Ο

Lj 在基於上文所描述之n分割轉移的驅動下，每一像素列 地執行電荷之轉移、重設及像素選擇。結果，具有重設位 準之#號及具有信號位準之信號(亦即，纟自單位像素 之輸出信號）以行並行之方式被讀出’亦即，以像素行為 單位而自單位像素2G並行地讀出至垂直信號線m以經由 有關垂直號線111而供應至行電路3 4。 田土；以为割為基礎之轉移的驅動方法對應於用於將中 門电C VnndO及Vimdl按次序施加至轉移電晶體22之閘電 極則更以分割轉移為基礎以任意數量之電荷為單位來轉移 電荷的系統時，與第一實施例及第二實施例之基於以分^ 為基礎之轉移的驅動方法的狀況相反，首先在具有高亮度 2::中進行電荷轉移及輸出，而並非首先在具有低亮度 之像素t進行電荷轉移及輸出。 最言’如圖24A中所示來判定能夠被轉移之電荷的 之數旦二又’如圖24B"斤示’例如’當所積聚之電荷 〈歎里滿足Qpd>Qfd4.max及〇 關係時，具有數旦⑹ Qp Q 4.max+Qfd3s.max的 * 一 里p之所積聚之電荷被轉移以在非第一 -人頃出操作及第-吹綠 且有童+ θ弟…出細作令之任-者令被輸出。又， 一有數 S Qfd3(=Qpd_Qfd4 讀屮P V 4.maX)之電何被轉移以在第三次 在第四-大接屮m 有數里Qfd4.max之電荷被轉移以 ㈤中被讀出。又，分別在第三次讀出操作 128080.doc -32- 200849985 中及第四次讀出操作中輸出之輸出信號的相加導致獲得具 有數量Qpd之所有所積聚之電荷。 如上文所描述，在圖21中所示之基於以分割為基礎之轉 移的驅動方法的狀況下，藉由利用以下事實來執行以分割 為基礎之轉移：能夠保持於光電轉換單元（光接收單元）中 之電荷的數量視用於轉移電晶體22之驅動電壓而不同。舉 例而言，在圖20中所示之實例中，藉由將中間電壓Vmid〇 及Vimdl中之每一者用作用於轉移電晶體22之驅動電壓， 可將具有數量QmidO之電荷及具有數量Qmidl之電荷按次 序保持於光電轉換單元中，且超過電荷Qmid〇之數量

QmidO及電荷之數量Qmidl中的每一者的電荷之數量可按 次序連續轉移以被讀出。 (行電路） 此實施例之CMOS影像感應器1 〇c之行電路丨7可採用與 第一實施例之CMOS影像感應器1 〇B之行電路丨7的組態相 同的組態。亦即，有可能採用如圖15中所示之由雜訊移除 單元171、A/D轉換單元172、信號選擇單元173、信號保持 單元174及加法單元175構成的電路組態。或，有可能採用 如圖16中所示之由具有雜訊移除功能及加法功能的a/d轉 換單元156構成之電路組態。 為解決上文在以相同轉換精確度執行A/D轉換之狀況下 描述的問冑’具有以上組態之行電路17的特徵係在A;。轉 換單元172及176中之每-者中對以分割轉移為基礎而讀出 之輸出信號以不同轉換精確度執行A/D轉換，此類似於第 128080.doc -33- 200849985 只轭例及第二實施例中之每一者的狀況。 圖25係解釋當在三分割轉移期間以不同轉換精確度執行 A/D轉換時的處理的圖式。此處理係一實例，其中在第一 次碩出刼作中以相對低之轉換精確度執行a/d轉換，且亦 針對第二次讀出操作及第三次讀出操作而連續地增加轉換 精確度。以此方式，使用於基於分割轉移基礎之n次讀出 操作的輸出信號經受以不同轉換精確度進行之a/d轉換以 彼此相加，藉此使得有可能獲得A/D轉換特徵，轉換精確 度藉由該等A/D轉換特徵而被改變至對應於入射光之亮度 的另一轉換精確度。 此情形之此原因係因為在入射光之亮度低時積聚於光電 轉換元件21中之電荷的數目較小’所以僅在此亮度之狀況 下轉移電荷以便產生具有超過視中間電壓Vmid〇&乂⑹以 而定之臨限值的數量的電荷。 在以二分割為基礎來轉移電荷（如就圖22中所示之實例 而言）的狀況下，當產生數目小於所保持之電荷之數目 Qmidl的所積聚之電荷時（亦即，當入射光之亮度低時）， 僅在第三次轉移操作中獲得輸出信號。另一方面，當存在 數目超過所保持之電荷之數目Qmid〇的所積聚之電荷時（亦 即，當入射光之亮度高時），獲得輸出信號，因為電荷自 弟一次轉移操作開始便被轉移。 結果，如圖25中所示，有可能獲得特徵，藉由該等特 徵，當亮度低時，應用高A/D轉換精確度，而當亮度高 時，應用與低A/D轉換精確度連續地混合之a/d轉換 128080.doc -34- 200849985 度。 者此處，將輸出信號之雜訊位準粗略地分類為黑暗期雜訊 (當不存在入射光之亮度時’其產生於電路或其類似物中) 及光學散粒雜訊（其由以視入射光亮度而定之入射光之真 度的平方根的形式而獲得的能量產生）。為此，如圖 所示，雜訊位準具有特徵，其中具有信號位準之平方根之 特徵的光學散粒雜訊加至與入射光之亮度成比例之信號位 準之黑暗期雜訊。 ~ 因為A/D轉換精確度（亦即，A/D轉換中之最小偵測單位） 較佳低於雜訊位準，所以在低亮度之狀況下需要以高精確 度執行A/D轉換。然而，在高亮度之狀況下，光學散粒雜 訊佔優勢。因此，即使當對輸出信號以低精確度執行Am 轉換以增加A/D轉換令之量化誤差時，影像品質仍幾乎未 被損害。 <用於設定不同A/D轉換精確度之具體實例> 隨後，現將參看圖27來給出關於用於藉由圖1〇中所示之 A/D轉換單元156之組態來設定不同A/D轉換精確度的具體 實例的描述。 1 參考#號Vref之斜坡被導致為N倍，藉此使得有可能每 一個計數地使電壓值（亦即，A/D轉換中之最小谓測數量） 變粗糙。舉例而言，如圖27中所示，在第一次讀出操作 中，使參考信號Vref之斜坡為第二次讀出操作中之參考信 號Vref之斜坡的二倍，藉此將具有設定於其中之低轉換精 確度的A/D轉換應用至第一次讀出操作。 128080.doc •35- 200849985 另方面w將根據二分割轉移而轉移之輸出信號彼此 相加時’計數值在時脈以(計數器1562與之同步操作）之一 個時脈中被遞增N，此導致可以相同加權因素而將以分割 轉移為基礎而轉移之輸出信號彼此相加。 牛例而σ田麥考^號Vref之斜坡被加倍（如圖27中所 示）時’計數值每-個時脈地遞增或遞減2’此導致可在降 低轉換精確度的同時執行以相同加權因素進行之加法。

另外，可改變茶考信號Vref之斜坡而不敢導致計數值為 N倍，或導致計數值為恥而不改變參考信號^之斜坡， 此V致亦可將以分割轉移為基礎而轉移之輸出信號在分別 用任意加權因素相乘的同時彼此相加。 (此實施例之效應） 如迄今為止所描述，在當不可在一個讀出操作中讀出光 電轉換元件21中之所有所積聚之電荷時以分割為基礎來執 行電荷轉移及#號輸出的CM0S影像感應器丨〇c中，使根 據η分割轉移而自單位像素20輸出之輸出信號經受以不同 轉換精確度進行之A/D轉換以彼此相加。結果，可縮短用 於A/D轉換之執行時間（轉換速度）且可降低a/d轉換單元 1 52及1 56中之每一者中所消耗的功率而不損害影像品質。 更具體言之，在此實施例iCM〇s影像感應器1〇c中， 如先則參看圖20至圖22所描述，基於使用中間電壓Vmid〇 及Vmidl之分割轉移之驅動方法導致在高亮度之狀況下產 生之所積聚之電荷在先前讀出操作中被轉移並輸出，且在 低亮度之狀況下產生之所積聚之電荷僅在後續讀出操作中 128080.doc -36- 200849985 被轉移並輸出。為此，如圖27中所例示，將具有設定於其 中之較低轉換精確度的A/D轉換應用於在先前讀出操作中 輸出的信號實現A/D轉換之加速及功率消耗之降低。 [高轉換效率]

C 在上文所描述之第一實施例至第三實施例之CM〇s影像 感應器1 0A至1 0C中的每一者中，為增強浮動擴散電容器 26中之電荷至電壓轉換效率，使寄生於信號電荷自光電轉 換元件21轉移至之浮動擴散電容器（電荷至電壓轉換單 元）26上之寄生電容（FD電容）微小，具體言之，減少寄生 電容使得由浮動擴散電容器26處理之電荷的最大數量變得 小於能夠積聚於光電轉換元件21中之電荷的最大數量，藉 此使得有可能獲得較高之電荷至電壓轉換效率。 9 亦即’在CMOS影像感應器1〇A至1〇c十（在該等⑽綠 像感應器心至，中之每一者中，電荷至電壓轉換效率 藉由(例如)減少寄生於浮動擴散電容器26上之寄生電容來 增強以針對輸出信號之信號 一 现征+不相對減少隨機雜訊及固 良電荷至電壓轉換效率，藉此以分割轉移 能夠在一個讀出操作中被讀出之所積聚之 於低又疋於其中之高轉換精確度的A/D轉換應用 7、低冗度區域，而將且 A/D轉換(但該A/D轉換在且：理：：之低轉換精確度的 散粒雜4 速度）應用於光學 孔係佔叙勢之雜訊分量的 現A/轉換之加速及功 /、、。果，可實 [修改] 低而不損害影像品質。 128080.doc 37 200849985 另外，儘管在第一實施例至第三實施例中之每一者中， 迄今為止已藉由將本發明被應用於包括單位像素2〇(具有 以下組態：光電轉換元件2丨中之電荷以分割轉移為基礎由 一個轉移電晶體22轉移至共同浮動擴散電容器26且被連續 地讀出至共同垂直信號線m)iCM〇s影像感應器的狀況 作為實例給出而給出描述，但本發明決不限於此，且可作 出各種改變。 (修改1) 圖28係展示修改1之單位像素2〇a的像素電路的電路圖。 在該圖中，與先前參看圖2而描述之單元相同的單元分別 由相同參考數字來表示。 如圖28中所示’修改1之單位像素2〇a經組態以使得電流 源3 1連接於與放大電晶體24串聯連接之選擇電晶體25的汲 電極與電源之間’且輸出信號v〇ut獲自選擇電晶體25之汲 極節點。 在單位像素20A中，浮動擴散電容器26中之電荷至電壓 轉換效率視浮動擴散電容器26與垂直信號線u丨之間的寄 生電谷之電谷值Ci而定。因此，使寄生電容之電容值α小 於浮動擴散電容器26之電容值Cfd，藉此使得有可能增強 電荷至電壓轉換效率。 此處’獲得高電荷至電壓轉換效率之效應取決於 Qi’max<Qfd.max之關係，其中Qfimax係積聚於浮動擴散 電容器26中之電荷的最大數量，且Qi max係積聚於寄生電 谷Ci中之電荷的最大數量。為此，必須以分割轉移為基礎 128080.doc -38- 200849985 來轉移積聚於光電轉換元件21t之具有數量Qpd的電荷， 其中所積聚之電荷之最大數量Qi.max小於作為—個單位的 所積聚之電荷之最大數量Qfd.max。 如迄今為止所描述，包括具有高電荷至電壓轉換效率或 高電壓放大因素之單位像素20A的CMOS影像感應器在s/n 比方面係有利的，但可存在對能夠在一個讀出操作中被讀 出之電荷之數量的限制。 將先前所描述之分割轉移應用於包括單位像素2〇a之 CMOS影像感應器，以使得光電轉換元件2丨中之電荷以分 割轉移為基礎被轉移，此導致產生於光電轉換元件21中之 所有電荷皆可視讀出電路之輸出範圍而被有效地輸出。 另外，在圖28中所示之修改丨之單位像素2〇A中，在重設 階段中，電荷至電壓轉換單元（浮動擴散電容器26)之電壓 必須設定於讀出電路之一操作點處。然而，應用先前所陳 述之以分割為基礎之轉移使得有可能控制以分割轉移為基 礎被轉移之電荷的數量而非視電荷至電壓轉換單元之電位 而定。 (修改2) 圖29係展示修改2之單位像素2〇3的像素電路的電路圖。 在該圖中，與先前參看圖2而描述之單元相同的單元分別 由相同參考數字來表示。 如圖29中所示，修改2之單位像素2〇B經組態以使得反相 放大電路27連接於浮動擴散電容器％與選擇電晶體25之間 來代替使用放大電晶體24，且重設電晶體23與反相放大電 128080.doc -39- 200849985 路27並聯連接。以此方式將反相放大電路27提供於像素内 部導致可放大信號位準以改良S/N比。 在包括單位像素20C(具有以此方式而提供於像素内部之 反相放大電路27)之CMOS影像感應器中，當將反相放大電 路27之放大因素設定為_A時，在具有最大數量之 所積聚之電荷被轉移至浮動擴散電容器26時輸出電壓¥〇价 之振幅-A · Qfd.max/CW在一些狀況下超過輸出v〇ut之可輸 出範圍AVout.pp。 在此狀況下，為以輸出信號之形式輸出所有電荷，必須 以一定數量之電荷為單位來執行以分割為基礎之轉移，其 中小於積聚於浮動擴散電容器26中之電荷的最大數量 Qfd.max的電荷之數量Qmid(<Qfd㈤狀)被設定為最大值。 將先前所陳述之以分割為基礎之轉移應用於包括單位像 素20B之CMOS影像感應器，且以任意分割轉移為基礎來 轉移光電轉換元件21中之電荷，此導致產生於光電轉換元 件2 1中之所有電荷可對應於輸出電壓v〇ut之可輸出範圍 △ Vout.pp被有效地輸出。 應注意 在上文所描述之第一實施例至第三實施例中之 每者中，4今為止已藉由將將本發明應用於CM〇s影像 感應器(其中，單位像素係以矩陣配置，言亥等單位像素各 自用於以物理量之形式㈣測對應於可見光之量的信號電 荷）之狀況作為實例來給出而給出描述。然而，本發明決 不限於應用於CMOS影像感應器 亦即，亦可將本發明應 用於一般固態成像器件 該等固態成像器件各自使用像素 128080.doc -40- 200849985 陣列單元之每一像素行地配置行電路的行系統。 另外本务明決不限於應用於用於偵測入射可見光之量 之分布以便以影像之形式來捕獲其分布的成像器件。亦 I7亦可將本發明應用於用於偵測入射紅外線、X射線、 粒子或其類似物之量之分布以便以料之形式來捕獲其分 布的所有固態成像器件及用於偵測其他物理量（諸如，廣 泛意義上之壓力或靜電電容）之分布以便以影像之形式來

捕獲其分布的固態成像器件（物理量分布偵測器件），諸 如，指紋偵測感應器。 此外，本發明決不限於用於藉由以料單位連續地掃描 像素陣列單元之單位像素而自各別單位像素讀出像素信號 的固態成像器Μ牛。亦即，亦可將本發明應用於一用於以像 素為單位來選擇任意像素及以像素為單位而自因此選擇之 各別像素讀出信號的χ_γ位址型固態成像器件。 應注意，固態成像器件可具有被形成為—晶片之形式， 或可具有模組形式（具有成像功能），其中成像單元及信號 處理單元或光學系統被共同包裝。 ^ 另外，不僅可將本發明應用於固態成像器件，而且可將 本發明應用於成像裝置。此處，成 战像I置思谓相機系統 (堵如，數位靜態相機或視訊相機）或具有成像功能之命子 裝置（諸如’行動電話）。應注意，成像裝置亦意謂安^至 電子裝置的上文之模組形式㈣，在_ 相 模組）。 广馬相機 [成像裝置] 128080.doc -41 - 200849985 圖30係展示根據本發明之實施例之成㈣置的組態的方 塊圖。如圖30中所示，根據本發明之實施例的成像裝置％ 包括-具有-透鏡群組51之光學系統、—固態成像器件 52、一作為相機信號處理電路之Dsp電路53、一圖框記憶 體54: -顯示器件55、一記錄器件％、一操縱系統57、: 電源系統58及其類似物。又，Dsp電路53、圖框記憶體 54、顯示器件55、記錄器件56、操縱系統57及電源系統^ 經由匯流排線59而彼此連接。 透鏡群組51捕獲來自物體之入射光（影像光）以將該入射 光聚焦至固態成像器件52之成像區域上。目態成像器㈣ 以像素為單位將由透鏡群組5丨聚焦至成像區域上的某一量 之入射光轉換為電信號並以像素信號之形式而輸出該等電 信號。將上文所描述之第一實施例至第三實施例中之每一 者的CMOS影像感應器10用作固態成像器件52。 顯示器件55由面板型顯示器件（諸如，液晶顯示器件或 有機電致發光（EL)顯示器件）構成。顯示器件”將由固態 成像器件52捕獲之移動影像或靜態影像顯示在上面。記錄 器件56將關於由固態成像器件52捕獲之移動影像或靜態影 像的影像資料記騎記錄媒體（諸#，錄影帶或數位:通 用光碟（DVD))中。 操縱系統5 7在由使用者進行之操縱下發出關於此實施例 之成像裝置所具有之各種功能的操縱命令。電源系統58將 變成用於DSP電路53、®框記憶體54、顯示器件55、記錄 為件56及操縱系統57之操作電源的各種電源分別適當地供 128080.doc -42- 200849985 應至電力供應之彼等目標。 如迄今為止所描述’在用於視訊相機或數位靜態相機之 成像裝置（諸如，相機模組）或行動裝置（諸如，行動電話） 中，可將上文所描述之第一實施例至第三實施例^細 影像感應器似至1GC中之任—者用作其固態成像器件 52 ’此導致A/D轉換可被加速且a/d轉換單元中之功率消 耗可被降低而不損宝寻彡禮所 成石 。心像0口貝。因此，可針對成像裝置而 貝現處理速度之增加及功率消耗之降低。 一習此項技術者應理解，^^ 解j視a又汁要求及其他因素而發 生各種修改、組合、+ έ八 子、、且曰及、交更，其限制條件為··該等 f多改、組合、子組合及蠻爭力 及又更在附加之申請專利範圍或其等 效物之範疇内。 固寻 【圖式簡單說明】 &例的CMOS影像感應器 圖1係展示根據本發明之第一實 之系統組態圖； 電=展示圖1中所示之單位像素之電路組態的-實例的 圖3係展示圖1中所 例 的電路圖； ^ | τ心早位像素之電路組態的 雷政国· v 71 ^ 圖4係展示圖1中所 例 的電路圖； 早位像素之電路組態的又一 f 雷政酈· v八貝 圖5係展示當以四分割 衝RSTM轉務日楚末執仃刀剎轉移時重設脈 ，、轉移脈衝TRG之間的時序關係的時序圖. 圖ό係解釋當入 才斤口， 儿度在四分割轉移中高時的操作 128080.doc -43- 200849985 的能量圖；

的能量圖； 萄入射光之亮度在四分割轉移中低時的操作 之組態的一實例的 之組態的另一實例 圖8係展示圖1中所示之信號處理電路 方塊圖； 圖9係展示圖1中所示之信號處理電路 的方塊圖； 圖1 〇係展示圖9中所示之A/D轉換單元之具體組態的實例 的方塊圖，該A/D轉換單元具有雜訊移除功能及加法功 圖11係展不以相同轉換精確度執行之A/D轉換處理的操 作時序的時序圖； 圖12係展示以不同轉換精確度執行之A/D轉換處理的操 作時序的時序圖； 圖13係展不在將所積聚之電荷之最大數量設定為10,000 個電子時入射光之強度與所讀出之信號之雜訊位準之間的 關係的特徵圖； 圖14係展示根據本發明之第二實施例的CMOS影像感應 器的系統組態圖； 圖1 5係展示圖14中所示之行電路之組態的一實例的方塊 圖； 圖16係展示圖14中所示之行電路之組態的另一實例的方 塊圖； 圖1 7係展示根據本發明之第三實施例的CMOS影像感應 128080.doc -44- 200849985 器的系統組態圖； 之電路組態 圖18係展示圖17中所示之供應 的實例的電路圖； 圖19係展示供應電壓控制電路中之 之間的時序關係的時序圖； 呆與輪出操作 圖20係展示在2分割轉移之 序圖； 卜Μ㈣序實例的時 Γ 圖21係解釋在三分割轉移之狀況下的操作的能旦圖 圖22係將實驗結果作為則㈣電壓與保持於=轉 元件中之電荷之數目之間的關係的實例來展示的圖表轉換 圖23係展示^分割轉移之狀 序圖； ㈣序實例的時 圖24Α及圖24Β分別係各自展示光電轉換單元可處理的 所積聚之電荷之最大數量Qpdmax與各別分割轉移操作中 之最大值Qfd.max之間的關係的圖； 圖25係解釋當在二分宝丨丨Mμ、， 77 轉移期間以不同轉換精確度執行 A/D轉換時的處理的圖表； 圖26係展示信號位準與雜訊位準之間的關係的特徵圖， 該信號位準及該雜訊位準中之每一者與入射光之亮度成比 例； 圖2 7係展示設定不同A / D轉換精確度的具體實例的說明 圖； 圖28係展不修改丨之單位像素的像素電路的電路圖； 圖29係展示修改2之單位像素的像素電路的電路圖； 128080.doc -45- 200849985 的方 電路 圖30係展不根據本發明之實施例之成像裝置的組態 塊圖；及 圖3 1係展示先前技術中之單位像素之組態的實例的 圖0 【主要元件符號說明】 10A CMOS影像感應器 10B CMOS影像感應器 10C CMOS影像感應器 11 像素陣列單元 12 垂直掃描電路 13 水平掃描電路 14 行信號選擇電路 15 信號處理電路 16 恆定電流源 17 行電路 20 單位像素 20， 單位像素 20A 單位像素 20B 單位像素 21 光電轉換元件 22 轉移電晶體 23 重設電晶體 24 放大電晶體 25 選擇電晶體 128080.doc -46- 200849985 26 浮動擴散電容器 27 反相放大電路 31 供應電壓控制電路 32 電壓供應電路 33 時序產生電路 34 行電路 50 成像裝置 51 透鏡群組 52 固態成像器件 53 DSP電路 54 圖框記憶體 55 顯示器件 56 記錄器件 57 操縱系統 58 電源系統 59 匯流排線 100 單位像素 101 光電轉換元件 102 轉移電晶體 103 重設電晶體 104 放大電晶體 105 像素選擇電晶體 106 浮動擴散電容器 111 垂直信號線 128080.doc -47- 200849985 112 轉移控制線 113 重設控制線 114 選擇控制線 151 雜訊移除單元 152 A/D轉換單元 153 信號選擇單元 154 信號保持單元 154-1 保持單元 154-2 保持單元 154-3 保持單元 155 加法單元 156 A/D轉換單元 171 雜訊移除單元 172 A/D轉換單元 173 信號選擇單元 174 信號保持單元 174-1 保持單元 174-2 保持單元 174-3 保持單元 175 加法單元 176 A/D轉換單元 200 讀出電路 311 電路區塊 312 電路區塊 128080.doc -48- 200849985 313 電路區塊 314 電路區塊 315 3輸入NOR電路 1561 電壓比較器 1562 計數器 3111 N AND電路 3112 位準偏移器 3113 P通道驅動電晶體 3121 N AND電路 3122 P通道驅動電晶體 3131 AND電路 3132 N通道驅動電晶體 3141 AND電路 3142 OR電路 3143 位準偏移器 3144 N通道驅動電晶體 ADR 位址信號 CK 時脈 PTRG1 時序信號 PTRG2 時序信號 PTRG3 時序信號 RST 重設脈衝 SEL 選擇脈衝 SELVdd 電源電壓 128080.doc -49- 200849985 TRG 轉移脈衝 Vbias 偏壓 Vco 比較結果 Vdd 電源電壓 VmidO 中間電壓 Vmidl 中間電壓 Voff 切斷電壓 Von 接通電壓 Vout 輸出信號 Vref 參考信號 ί 128080.doc -50-

Claims (1)

1. 200849985 十、申請專利範圍： 一種固悲成像器件，其包含： -像素陣列單元，其藉由以矩陣配 成，單位像素中之每一者包括：一光電轉=構 其經組恶以將-光信號轉換為信號電荷轉移： 其經組態以轉移經由在該光電轉換單元中進行光:轉換 而獲得之該等信號電荷；及輸出構件，其經組態以輸出 由该轉移τΜ牛轉移之該等信號電荷； ， /驅動構件，其經組態以經由該輸出部分而讀出在一個 早位之-積聚時段中積聚於該光電轉換單元中並由該轉 移兀件至少以兩個批次轉移之該等信號電荷；及 ^比至數位轉換構件，其經組態以對以複數個批次自 ^早位像素言胃出之複數個輸出信號以不同轉換精確度執 4亍類比至數位轉換。 2·如請求項1之固態成像器件，其進一步包含： 加法構件，其經組態以對以複數個批次自該單位像素 讀出之該複數個輸出信號執行加法處理。 3·如請求項丨之固態成像器件，其中該輸出構件包括一電 何至電壓轉換單元，該電荷至電壓轉換單元經組態以將 由該轉移元件轉移之該等信號電荷轉換為一電壓，且一 寄生電容被設定為小，以使得由該電荷至電壓轉換單元 處理之電荷的一最大數量小於可積聚於該光電轉換單元 中之電荷的一最大數量。 4·如請求項丨之固態成像器件’其中當積聚於該光電轉換 128080.doc 200849985 早凡中之該等信號電荷的-部分被保持於該光電轉換單 元時，該驅動構件給出一控制電壓，根據該控制電壓， 具有一超過所保持之電荷之-數量之數量的該等所積聚 之電荷由該轉移元件轉移至該轉移元件至少一次。 5.如請求们之固態成像器件’其中在—人射光之—強度 相對低的-狀況下，該類比至數位轉換構件對在引起2 該轉移元件進行之該電荷轉移時自該單位像素輸出之該 寺輸出信號以-轉換精確度執行該類比至數位轉換，該 ㈣精確度高於在不引起由該轉移元件進行之電荷轉移 時自該單位像素輸出之該等輸出信號之轉換精確度。 6·如π求項1之固態成像器件’其中該類比至數位轉換構 干乂傅忏 一參考信號相比較；及 計數構件，其經組態以執行一用於藉由一對應於 自該比較構件之比較結果的計數值來執行計數的操作。又 7. 如請求項6之固態成像器件，其中該類比至數位轉換構 料致該參考信號之—斜坡為⑽，且導致該計數構件 之一計數值為Ν倍，藉此導致該轉換精確度為⑽立。 8. 如請求項6之固態成像器件，其中該計數構件藉由對應 比較構件之該比較結果的該計數值來執行遞增 计數或遞減計數。 9. =求項8之固態成像器件，其中該類比至數位 件根據由該計數構件進行之該遞增計數或㈣減計數而冓 128080.doc 200849985 獲得一重設位準與獲自該單位像素之信號位準之間的一 差異。 10.如請求項6之固態成像器件，其中該類比至數位轉換構 件與該類比至數位轉換處理同時而根據由該計數構件執 行之一計數操作對以複數個批次自該單位像素讀出之該 複數個輸出信號執行加法處理。 11 · 一種用於一固態成像器件之信號處理方法，該固態成像 器件包含： 一像素陣列單元，其藉由以矩陣配置單位像素而構 成，該等單位像素申之每一者包括：一光電轉換單元， 其經組態以將一光信號轉換為信號電荷；一轉移元件， 其經組態以轉移經由在該光電轉換單元中進行光電轉換 而獲得之該等信號電荷；及一輸出部分，其經組態以輸 出由該轉移元件轉移之該等信號電荷；及 駆動構件，其經組態以經由該輸出部分而讀出在一個 早位之一積聚時段中積聚於該光電轉換單元中且由該轉 移元件至少以兩個批次轉移之該等信號電荷； 其中該固態成像器件對以複數個批次自該單位像素讀 出的複數個輸出信號以不同轉換精確度執行類比至數位 轉換。 如請求項11之固態成像器件，其中在一 一入射光之一強度

   確度執行該類比至數位轉換 钱寻輸出信號以一轉換精 言亥轉換精確度高於在不引 128080.doc 200849985 起由該轉移元件進行之電荷轉移時自該單位 5亥等輪出信號之轉換精確度。 〃〗出之 13· —種成像裝置，其包含： -固態成像器件，其藉由以矩陣配置單 成，該等單位像料之每-者包括一光電轉換單元構 其經組態以將一光信號轉換為信號電荷，.一轉移元件， 其經組態以轉移經由在該光電轉換單 =榼 而獲得之料信號…及_件，^== 由忒轉移凡件轉移之該等信號電荷；及 一光學系統，其用於將一入射出取森 、、 #光♦焦至該固態成像器 件之一成像區域上； 其中該固態成像器件包含·· 。。驅動構件’其經組態以經由該輸出構件而讀出在一 個早位之-積聚時段中積聚於該光電轉換單元中且由該 轉移元件至少以兩個批次轉移之該等信號電荷；及 …類比至數位轉換構件，其經組態以對以複數個批次 :單像素.貝出之複數個輸出信號以不同轉換精確度 執行類比至數位轉換。 128080.doc