TWI390976B - 訊號處理裝置、固態攝像裝置以及畫素訊號產生方法 - Google Patents

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Description

訊號處理裝置、固態攝像裝置以及畫素訊號產生方法
本發明是關於一種將與光電二極體所積蓄的電荷相稱的電壓訊號在寬的動態範圍內輸出之訊號處理裝置、固態攝像裝置以及畫素訊號產生方法。
本發明申請享有2008年8月28日所申請之日本國專利申請號碼2008-220504的優先權的權益，且其日本國專利申請的全部內容在本發明申請中被援用。
在作為固態攝像裝置的一個例子之CMOS影像感測器中，當讀出畫素訊號時，將浮動擴散(FD：Floating Diffusion)的電壓重置為畫素電源的電壓。亦即，因為具有電源電壓依存性，所以當畫素電源的電壓下降時，FD的電壓也下降。而且，輸出到垂直訊號線的訊號是利用放大器電晶體來偵測FD的電壓，所以當FD的電壓下降時，向垂直訊號線的輸出訊號的電壓也隨之下降。因此，在具有CMOS影像感測器的機器中要實現低消耗電力化的情況下，存在無法充分地輸出畫素的飽和訊號量等問題。
另一方面，在日本專利早期公開之特開2005-86595號公報中，記載有解決上述的問題並實現消耗電力的減少或動態範圍的擴大之半導體裝置(CMOS感測器)。該公報所記述的裝置，是藉由較習知技術來縮短(相對於垂直訊號線的追隨時間足夠短)使重置FD時的重置脈衝為ON之期間，從而提高對FD的設定電壓，以實現消耗電力的減少或動態範圍的擴大。
但是，上述公報所記述的半導體裝置因為設定電壓的上升幅依存于控制時序，所以具有對能夠得到充分效果的最佳時序的控制較為困難之問題。而且，在畫素數目大的CMOS感測器的情況下，因RC時間常數而使重置脈衝的波形平緩，所以為了重置FD需要擴展脈衝寬度，而當擴展脈衝寬度時升壓效果會下降。因此，對畫素數目大的CMOS感測器，難以應用上述公報所記述的技術。除此以外，升壓效果依據垂直訊號線的負載容量而有所變動，所以在垂直訊號線的負載容量小的情況下，垂直訊號線的追隨時間也小，無法得到足夠的升壓效果。
本發明的目的是提供一種訊號處理裝置，為一種利用雙重相關取樣處理，以產生與畫素單元內的光電二極體所積蓄的電荷相稱的電壓訊號之訊號處理裝置，包括：浮動擴散(FD)，其用於將前述積蓄的電荷轉換為電壓訊號；放大器電晶體，其閘極終端與前述FD相連接且源極終端與輸出訊號線相連接；而且，在雙重相關採樣處理中將前述FD重置的情況下，藉由對前述FD施加規定期間電源電壓而將前述輸出訊號線的電壓設定為第1電壓，然後，將前述輸出訊號線的設定電壓設定為較前述第1電壓高的第2電壓。
而且，本發明的一形態提供一種固態攝像裝置，為一種具有本發明的訊號處理裝置之固態攝像裝置，還包括畫素區域及列選擇電路；前述畫素區域包括呈陣列狀配置的多個前述畫素單元(cell)；前述各畫素單元除了前述光電二極體、前述FD及前述放大器電晶體以外，還包括：讀出電晶體，其用於將前述光電二極體所積蓄的電荷讀出到前述FD中；以及重置電晶體，其用於使前述FD的電壓重置；前述列選擇電路對多個前述畫素單元的前述重置電晶體及前述讀出電晶體進行控制。
而且，本發明的一形態提供一種畫素訊號產生方法，為一種產生與畫素單元內的光電二極體所積蓄的電荷相稱的電壓訊號之情況的畫素訊號產生方法，包括：第1電壓設定步驟，其對浮動擴散(FD)施加規定期間電源電壓，並將閘極終端與該FD相連接的電晶體的源極終端的電壓設定為第1電壓，其中，浮動擴散(FD)用於將前述積蓄的電荷轉換為電壓訊號；第2電壓設定步驟，其對前述電晶體的源極終端，施加較前述第1電壓高的第2電壓；訊號電荷傳送步驟，其將前述光電二極體所積蓄的訊號電荷向前述FD傳送；以及訊號產生步驟，其產生畫素訊號，該畫素訊號表示前述第2電壓和前述訊號電荷傳送步驟實行後的前述電晶體的源極終端的電壓之差分量。
以下，參照附圖，對關於本發明的實施形態之訊號處理裝置、固態攝像裝置以及畫素訊號產生方法詳細地進行說明。另外，這些實施形態並不對本發明進行限定。
(第1實施形態)
首先，在對本實施形態的固態攝像裝置的特徵動作進行說明之前，對形成前提的技術進行說明。圖1所示為形成本發明的固態攝像裝置的前提之固態攝像裝置的構成例。該固態攝像裝置為3Tr型的CMOS影像感測器，由畫素區域1、負載電路2、列選擇電路3、行ADC方塊4以及時序電路5構成。在畫素區域1上呈陣列狀配置有多個畫素單元10。行ADC方塊4具有與畫素區域1的畫素單元10的行相對應之多個AD轉換器(ADC)40，且各AD轉換器40包括取樣保持電路(S/H)41。
而且，各畫素單元10利用列選擇電路3和控制訊號線101(重置訊號線及讀出訊號線)來連接。列選擇電路3藉由對控制訊號線101進行控制，而選擇進行讀出的畫素單元(畫素單元的列)。所選擇的畫素單元10向垂直訊號線(VSIG)輸出畫素訊號。垂直訊號線的一端與負載電路2連接，而且，另一端與行ADC方塊4的AD轉換器40連接。從畫素單元10所讀出的畫素訊號被傳送到AD轉換器40內的取樣保持電路41。
而且，各AD轉換器40利用時序電路5和訊號線102(取樣訊號線)來連接，且AD轉換器40內的取樣保持電路41依據經由訊號線102而從時序電路5所接收的指示來對垂直訊號線進行取樣。結果，從畫素單元10讀出數位形式的畫素訊號(數位畫素訊號)。
接著，對圖1所示的固態攝像裝置的詳細動作進行說明。在這裏，是對讀出畫素區域1內的特定畫素單元10所積蓄的電荷之情況的動作例子進行說明。圖2所示為在上述固態攝像裝置中，用於從畫素區域1內的特定1個畫素單元10讀出畫素訊號之電路(畫素訊號讀出電路)的構成，該電路包括畫素單元10及與其連接的負載電路(以下記述為負載電路20)。
畫素單元10包括：光電二極體11；浮動擴散(FD)12，其將光電二極體11中所積蓄的訊號電荷轉換為電壓；讀出電晶體13，其將光電二極體11中所積蓄的電荷讀出到FD12；重置電晶體14，其用於將FD12的電壓進行重置；以及放大器電晶體15，其用於輸出FD12的電壓。放大器電晶體15的源極終端與垂直訊號線(VSIG)相連接，放大器電晶體15的汲極終端及重置電晶體14的汲極終端是與畫素電源(PXVDD)相連接。讀出電晶體13及重置電晶體14利用圖1所示的列選擇電路3來控制。
負載電路20包括：負載電晶體21，其閘極終端施加了偏置(bias)電壓，且汲極終端與前述垂直訊號線相連接；以及開關電晶體22，其控制電流的開關且與該負載電晶體21串聯，其中，此開關電晶體22的閘極終端輸入有控制訊號(開關訊號)且源極終端與基板(基準電位點)相連接。另外，在圖2所示的電路中，負載電路20和畫素單元10內的放大器電晶體15作為源極隨耦器(follower)而發揮機能。而且，負載電晶體21和開關電晶體22利用省略了圖示的負載電路控制部來控制。
圖3所示為利用圖2的電路而讀出畫素訊號之情況的時序圖的一個例子。以下，參照圖3來對上述固態攝像裝置的畫素訊號讀出動作進行說明。當在該裝置中讀出畫素訊號時，首先是在畫素電源(PXVDD)上施加電源電壓，而且，施加用於使負載電路20的負載電晶體21作為定電流源而動作的偏置電壓。在該狀態下，當使重置電晶體14接通規定期間時，FD12的電壓上升，最終形成Vdd。另外，“規定期間”具有足夠的長度以使FD12的電壓成為Vdd。而且，此時使負載電路20的開關電晶體22成為接通。藉此而在源極隨耦器中流過電流，並對垂直訊號線(VSIG)輸出由FD12的設定電壓(Vdd)只位移一定量的電壓值(相當於圖示的「重置電壓」)。在圖示該重置電壓(VSIG電壓)的時序T1，取樣保持電路(圖1所示的取樣保持電路41)進行取樣。另外，使開關電晶體22接通的狀態維持一定的期間。
然後，當重置電壓的取樣結束時，使讀出電晶體13接通規定期間。於是，在光電二極體11所積蓄的訊號電荷被傳送向FD12。這裏的“規定期間”為可將光電二極體11所積蓄的所有的訊號電荷向FD12進行傳送的長度。放大器電晶體15偵測向該FD12傳送的訊號電荷，並將訊號電荷輸出到垂直訊號線(VSIG)(相當於圖示的「訊號電壓」)。取樣保持電路41在時序T2對該訊號電壓進行取樣。
當訊號電荷(訊號電壓)的取樣結束時，使負載電路20的開關電晶體22斷開，切斷在源極隨耦器中所流過的電流。接著，將畫素電源(PXVDD)降低到Low位準，並在該狀態下使重置電晶體14接通。藉此，將FD12的電壓設定為與畫素電源相同的狀態(Low位準)，並使放大器電晶體15為斷開狀態，以完成畫素訊號的讀出動作。另外，畫素電源的Low位準為足夠的電壓以使放大器電晶體15斷開。藉由使放大器電晶體15斷開，而使該畫素單元10實質上形成非選擇畫素。畫素電源利用例如省略了圖示的畫素電源控制部來控制。
而且，CMOS影像感測器求取該取樣保持電路41所取樣的重置電位和訊號電壓之差分，並除去因放大器電晶體的閾值差異等所引起的固定圖案噪聲。重置電壓會產生因電晶體的差異等所引起的噪聲成分，但這種噪聲成分並不按照時間一定地進行變化，所以在訊號電壓中也包含同等的噪聲成分。因此，藉由求取重置電壓和訊號電壓的差分，可得到除去了固定圖案噪聲的訊號成分(與光電二極體11中所積蓄的訊號電壓相稱的電壓訊號)。這種訊號處理通常稱作雙重相關取樣。AD轉換器41將該差分訊號量作為數位值而輸出。
如以上所示，輸出到垂直訊號線(VSIG)的訊號電壓取決於重置電壓，亦即畫素電源(PXVDD)。因此，當畫素電源上所施加的電源電壓下降時，FD12的重置電壓隨之下降，從畫素訊號讀出電路所輸出的訊號電壓也下降。結果，如圖4所示，畫素訊號讀出電路的輸出電壓範圍變窄，可得到足夠的輸出振幅(動態範圍)。因此，本發明的固態攝像裝置在讀出畫素訊號時的浮動擴散的重置處理時，藉由使垂直訊號線的電壓臨時進行變化而謀求輸出振幅的擴大。另外，圖4所示為FD12的重置電壓和垂直訊號線的重置電壓之關係。
接著，對利用上述前提技術之本實施形態的固態攝像裝置的動作進行說明。圖5所示為第1實施形態的固態攝像裝置所具有之畫素訊號讀出電路的構成例，是將圖2所示的畫素訊號讀出電路的負載電路20置換為負載電路20a，而且，將圖2中省略了記述的負載電路控制部追記為負載電路控制部30a。另外，畫素單元10與圖2所示的畫素訊號讀出電路的畫素單元10相同。在這裏，省略說明完成的畫素單元10的詳細說明，而以負載電路20a及對其進行控制的負載電路控制部30a的動作為中心來說明。而且，具有該畫素訊號讀出電路的固態攝像裝置的全體構成與圖1所示的固態攝像裝置相同。
圖6所示為利用圖5的畫素訊號讀出電路而讀出畫素訊號之情況的時序圖。以下，參照圖6，對本實施形態的固態攝像裝置的畫素訊號讀出動作進行說明。在本實施形態的固態攝像裝置中讀出畫素訊號的情況下，首先，對畫素電源(PXVDD)施加電源電壓，而且，負載電路控制部30a對負載電路20a進行控制，以作為定電流源而動作且使垂直訊號線(VSIG)形成規定的電壓(第1電壓)。在該狀態下使重置電晶體14接通，且將FD12的電壓設定為在畫素電源上所施加的電壓亦即Vdd(電源電壓)。在將FD12的電壓設定為Vdd之後，負載電路控制部30a變更設定，以使負載電路20a的向垂直訊號線的輸出變成較先前所設定的第1電壓還高的第2電壓(圖示的重置電壓)。結果，FD12的電壓被重置為較Vdd只高ΔVfd的電壓。
如圖7所示，在畫素單元10中，FD12以放大器電晶體15的閘極-源極間電容量16(Cgs)而與垂直訊號線進行電容耦合。因此，與垂直訊號線的電壓的上升連動，FD12的電壓也上升。在本實施形態的固態攝像裝置中，藉由利用該性質，在重置動作時將FD12的電壓設定為電源電壓(PXVDD)，然後使垂直訊號線的電壓上升，從而即使在使用與習知技術相同的電源電壓的情況下，也可使向FD12的設定電壓提高(參照圖8)。另外，FD12的電壓上升量如下式(1)所示，是由垂直訊號線的電壓變化量(ΔVsig)、放大器電晶體15的結合電容量值16及17(Cgs及Cgd)、FD12的內部電容量18(Cfd)決定。
實行上述控制並使FD12的電壓只上升ΔVfd後的動作，與利用圖1～圖3所說明的裝置相同。亦即，取樣保持電路41對在圖6所示的時序T1輸出到垂直訊號線的重置電壓進行取樣，然後，使讀出電晶體13接通，將光電二極體11所積蓄的訊號電荷向FD12傳送。繼而，取樣保持電路41對隨之輸出到垂直訊號線的訊號電壓再次進行取樣。在取樣結束後，變更負載電路20a的內部設定，切斷源極隨耦器中所流過的電流，且使畫素電源(PXVDD)降低到Low位準，並使重置電晶體14接通，使放大器電晶體15為斷開狀態(使畫素單元為非選擇狀態)。
接著，對用於實現圖6所示的控制之負載電路20a的內部構成，詳細地進行說明。圖9所示為負載電路20a的內部構成例。另外，為了說明上的便利，表示的是畫素訊號讀出電路的全體。如圖例所示，負載電路20a可與例如上述的畫素訊號讀出電路的負載電路20(參照圖2)採用相同的構成。但是，利用負載電路控制部30a的負載電晶體21的控制動作，與上述畫素訊號讀出電路不同。
圖10所示為利用圖9的畫素訊號讀出電路而讀出畫素訊號之情況的時序圖的一個例子。參照該圖10，對本實施形態的固態攝像裝置的畫素訊號讀出動作進行說明。另外，圖10是對圖6所示的時序圖追加偏置電壓(BIAS電壓)之變動的情形。
在利用圖9所示的畫素訊號讀出電路而讀出畫素訊號的情況下，首先在畫素電源(PXVDD)上施加電源電壓，而且，負載電路控制部30a在負載電晶體21上施加作為定電流源而動作的偏置電壓(以下稱作第1偏置電壓)。此時所施加的偏置電壓的值，是與上述的畫素訊號讀出電路(參照圖2、圖3)的負載電晶體21上所施加的偏置電壓相同。接著，負載電路控制部30a使負載電晶體21上所施加的偏置電壓，從第1偏置電壓只上升規定量(ΔVbi)而形成第2偏置電壓。在畫素單元10，是在上述狀態下使重置電晶體14接通規定期間，並將FD12的電壓設定為電源電壓。而且，此時該負載電路控制部30a是使負載電路20的開關電晶體22預先接通。藉此，在源極隨耦器中流過電流，並對垂直訊號線(VSIG)輸出較FD12所設定的電壓(Vdd)只位移一定量的電壓值。另外，使開關電晶體22接通的狀態維持一定的期間(至訊號電壓的讀出處理結束為止)。
如上所述，在負載電晶體21上施加較通常的電壓值(在圖2所示的畫素訊號讀出電路的負載電晶體21上所施加的電壓值)高ΔVbi左右的偏置電壓。因此，在源極隨耦器中流入較通常情況大的電流，而垂直訊號線的電壓形成較通常的重置電壓(施加了相同值的電源電壓之情況下的上述圖2所示的畫素訊號讀出電路的重置電壓)低的值。
在這裏，對輸出到垂直訊號線的重置電壓較通常情況低的理由進行說明。通常，源極隨耦器的輸出電壓(對垂直訊號線的輸出電壓)如不考慮基板偏置效果，則由下式(2)所提供。
在式(2)中，Vth表示放大器用電晶體(放大器電晶體15)的閾值電壓，I表示源極隨耦器的電流，W、L表示各個放大器用電晶體的閘極寬度、閘極長度，μ表示電子的移動度，Cox表示閘極氧化膜的單位面積電容量。因此，上式(2)表示源極隨耦器的輸出電壓形成由FD的電壓位移一定電壓的值，其位移量取決於源極隨耦器的電流值。因此，在較通常情況大的電流流入源極隨耦器之圖9的畫素訊號讀出電路中，從垂直訊號線所輸出的重置電壓形成較通常低的值。
返回動作說明，當FD12的重置完成時，負載電路控制部30a使負載電晶體21上所施加的偏置電壓返回原值(只下降ΔVbi而返回第1偏置電壓)。於是，在源極隨耦器中所流過的電流減少，所以根據上式(2)，垂直訊號線的電壓(圖示的VSIG電壓)上升。將該上升後的電壓作為重置電壓，並在時序T1，由取樣保持電路(相當於圖1所示的取樣保持電路41)進行取樣。
此後的動作與利用圖2所示的畫素訊號讀出電路之情況的動作相同。亦即，在重置電壓的取樣結束後，使讀出電晶體13接通，並使光電二極體11所積蓄的訊號電荷向FD12傳送，且在時序T2對隨之產生變動的垂直訊號線的輸出(訊號電壓)進行取樣。然後，在訊號電壓的取樣結束後，使開關電晶體22斷開，切斷源極隨耦器中所流過的電流，再將畫素電源(PXVDD)降低到Low位準，並在該狀態下使重置電晶體14接通，使放大器電晶體15為斷開狀態。
另外，如上所述，後段的AD轉換器40對取樣的重置電壓和訊號電壓的差分量進行AD轉換(進行雙重相關取樣)。因此，垂直訊號線(VSIG)的電壓的上升量被視為偏離(offset)而取消。亦即，不會因上述控制所引起的垂直訊號線的電壓的上升，而使AD轉換結果產生變動(電壓的上升量未形成AD轉換結果的誤差)。
這樣，在本實施形態的固態攝像裝置中，利用FD的電壓經由用於將其輸出的放大器電晶體而與垂直訊號線的電壓進行電容耦合之事項，當對FD進行重置時，首先是在負載電路和放大器電晶體所構成的源極隨耦器中流過較通常情況(習知技術)多的電流之狀態下，使FD的電壓上升到電源電壓，接著，藉由使源極隨耦器中所流過的電流減少到與通常技術相同的電流值，而使輸出到垂直訊號線的電壓值上升，使FD的電壓(重置電壓)高於電源電壓。藉此，可使用與習知技術相同的電源電壓且進一步提高FD的重置電壓。亦即，即使在低電壓動作時，也可確保寬的輸出電壓範圍(足夠的動態範圍)。
而且，可實現動態範圍的擴大率不受控制時序或畫素數目、垂直訊號線的負載電容量的影響之固態攝像裝置。
(第2實施形態)
接著，對第2實施形態的固態攝像裝置進行說明。另外，本實施形態的固態攝像裝置的構成與第1實施形態的固態攝像裝置相同(參照圖1)。而且，在第1實施形態中，是對藉由控制垂直訊號線的電壓而使FD的電壓上升之固態攝像裝置進行了說明，在本實施形態的固態攝像裝置中也同樣地，藉由控制垂直訊號線的電壓而使FD的電壓上升。亦即，在本實施形態的固態攝像裝置中，用於控制其畫素訊號讀出電路內的垂直訊號線的電壓之負載電路及負載電路控制部是與第1實施形態的固態攝像裝置所具有的畫素訊號讀出電路(參照圖9)不同。在本實施形態中，以與第1實施形態不同的部分為中心而進行說明。
圖11所示為第2實施形態的固態攝像裝置所具有之畫素訊號讀出電路的構成例，該畫素訊號讀出電路是將第1實施形態所示的畫素訊號讀出電路內的負載電路20a及負載電路控制部30a，分別置換為負載電路20b及負載電路控制部30b。如圖例所示，負載電路20b具有：負載電晶體21及23，其在施加有規定的偏置電壓時接通；以及對電流的接通斷開進行控制的開關電晶體22及24，其與負載電晶體21及23的某一個一對一地串聯連接，且源極終端與基板(基準電位點)連接。而且，採用一種在負載電晶體21及23的閘極終端上施加共同的電壓(偏置電壓)，而同時被接通/斷開控制之構成。另一方面，採用可在開關電晶體22及24的閘極終端上，作為開關訊號而施加各別不同的電壓，而個別地進行接通/斷開控制之構成。負載電路控制部30b對負載電路20b所具有的負載電晶體21及23、開關電晶體22及24進行控制。
圖12所示為第2實施形態的固態攝像裝置之畫素訊號讀出動作的時序圖的一個例子。以下，參照圖12，對本實施形態的固態攝像裝置的畫素訊號讀出動作進行說明。
當在本實施形態的固態攝像裝置中讀出畫素訊號時，首先在畫素電源(PXVDD)上施加電源電壓，並在負載電路20b的負載電晶體21及23上施加偏置電壓。然後，當在該狀態下使重置電晶體14接通規定期間時，FD12的電壓上升，最終成為在畫素電源上所施加的電源電壓(Vdd)。而且，此時，負載電路20b的開關電晶體21及23成為接通。藉此，在源極隨耦器中流過電流，並對垂直訊號線(VSIG)輸出較FD12所設定的電壓(Vdd)只位移一定量的電壓值。
在這裏，負載電路20b是使用多個(2個)負載電晶體而驅動電流，所以在源極隨耦器中流入較採用通常構成(與具有單一負載電晶體的上述圖2所示的畫素訊號讀出電路之負載電路相同的構成)的情況更大的電流。因此，由上述式(2)可知，垂直訊號線(VSIG)的電壓與採用通常構成之情況的電壓相比為低電壓。
而且，在將FD12的電壓設定為Vdd之後，使2個開關電晶體中的某一個(在圖12所示的例子中為開關電晶體24)斷開。於是，在源極隨耦器中所流過的電流減少，所以根據上式(2)，垂直訊號線的電壓(圖示的VSIG電壓)上升。將該上升後的電壓作為重置電壓，並在時序T1由取樣保持電路41(參照圖1)進行取樣。
此後的動作與第1實施形態所示的固態攝像裝置相同(參照圖9、圖10)。亦即，在重置電壓的取樣結束之後，使讀出電晶體13接通，並使光電二極體11中所積蓄的訊號電荷向FD12傳送，且在時序T2對隨之被輸出到垂直訊號線的訊號電壓進行取樣。然後，在訊號電壓的取樣結束後，使接通狀態的開關電晶體(在圖12的例子中為開關電晶體22)斷開，切斷流入到源極隨耦器中的電流，再將畫素電源(PXVDD)降低到Low位準，並在該狀態下使重置電晶體14接通，使放大器電晶體15為斷開狀態。
這樣，在本實施形態的固態攝像裝置中，負載電路具有2個負載電晶體，當對FD進行重置時，首先是在2個負載電晶體接通並在源極隨耦器中流過較通常(習知的負載電晶體為單一的情況)多的電流之狀態下，使FD的電壓上升到電源電壓，接著切斷在負載電晶體的某一個中所流過的電流，使源極隨耦器中所流過的電流減少到與通常相同的電流值，從而使輸出到垂直訊號線的電壓值上升，提高與該垂直訊號線進行電容耦合之FD的電壓(重置電壓)。藉此，可得到與上述第1實施形態相同的效果。
(第3實施形態)
接著，對第3實施形態的固態攝像裝置進行說明。另外，本實施形態的固態攝像裝置的構成與第1實施形態的固態攝像裝置相同(參照圖1)。而且，本實施形態的固態攝像裝置所具有的畫素訊號讀出電路，也與第2實施形態同樣地，用於控制垂直訊號線的電壓之負載電路及負載電路控制部是與第1實施形態的固態攝像裝置所具有的訊號讀出電路(參照圖9)不同。在本實施形態中，以與上述各實施形態不同的部分為中心而進行說明。
圖13所示為第3實施形態的固態攝像裝置所具有之畫素訊號讀出電路的構成例，該畫素訊號讀出電路是將第1實施形態所示的畫素訊號讀出電路內的負載電路20a及負載電路控制部30a，分別置換為負載電路20c及負載電路控制部30c。如圖例所示，負載電路20c具有在施加規定的偏置電壓時進行接通的負載電晶體21及23，而且，採用可在這些負載電晶體的閘極終端上施加各別不同的電壓(偏置電壓)，而個別地進行接通/斷開控制之構成。而且，各負載電晶體的源極終端與基板(基準電位點)相連接。負載電路控制部30c對負載電路20c所具有的負載電晶體21及23進行控制。
圖14所示為第3實施形態的固態攝像裝置之畫素訊號讀出動作的時序圖的一個例子。以下，參照圖14，對本實施形態的固態攝像裝置的畫素訊號讀出動作進行說明。
當在本實施形態的固態攝像裝置中讀出畫素訊號時，首先在畫素電源(PXVDD)上施加電源電壓，接著，在負載電路20c的負載電晶體21及23上施加偏置電壓。然後，當在該狀態下使重置電晶體14接通規定期間時，FD12的電壓上升，最終成為在畫素電源上所施加的電源電壓(Vdd)。而且，在源極隨耦器中流過電流，並對垂直訊號線(VSIG)輸出較FD12所設定的電壓(Vdd)只位移一定量的電壓值。
在這裏，負載電路20c是使用多個(2個)負載電晶體而驅動電流，所以與上述的第2實施形態的電路同樣地，在源極隨耦器中流入較採用通常構成(具有單一負載電晶體)的情況更大的電流。因此，垂直訊號線(VSIG)的電壓與採用通常構成之情況的電壓相比為低電壓。
而且，在將FD12的電壓設定為Vdd之後，使2個開關電晶體中的某一個(在圖14所示的例子中為負載電晶體23)斷開(使閘極偏置電壓下降到基準電位GND)。於是，在源極隨耦器中所流過的電流減少，所以與上述第2實施形態的電路同樣地，垂直訊號線的電壓(VSIG電壓)上升。對該上升後的電壓(重置電壓)在時序T1由取樣保持電路41(參照圖1)進行取樣。
此後的動作與第1實施形態及第2實施形態所示的固態攝像裝置相同。亦即，在重置電壓的取樣結束之後，使讀出電晶體13接通，並使光電二極體11中所積蓄的訊號電荷向FD12傳送，且在時序T2對隨之被輸出到垂直訊號線的訊號電壓進行取樣。然後，在訊號電壓的取樣結束後，使接通狀態的負載電晶體(在圖14的例子中為負載電晶體21)斷開，切斷流入到源極隨耦器中的電流，再將畫素電源(PXVDD)降低到Low位準，並在該狀態下使重置電晶體14接通，使放大器電晶體15為斷開狀態。
這樣，在本實施形態的固態攝像裝置中，負載電路具有2個負載電晶體，當對FD進行重置時，首先，在使用2個負載電晶體而在源極隨耦器中流過較通常(習知的負載電晶體為單一的情況)多的電流之狀態下，使FD的電壓上升到電源電壓，接著切斷在負載電晶體的某一個中所流過的電流，使源極隨耦器中所流過的電流減少到與通常相同的電流值，從而使輸出到垂直訊號線的電壓值上升，提高與該垂直訊號線進行電容耦合之FD的電壓(重置電壓)。藉此，可得到與上述第1實施形態相同的效果。
(第4實施形態)
接著，對第4實施形態的固態攝像裝置進行說明。另外，本實施形態的固態攝像裝置的構成與第1實施形態的固態攝像裝置相同(參照圖1)。而且，本實施形態的固態攝像裝置所具有的畫素訊號讀出電路，也與第2實施形態或第3實施形態同樣地，用於控制垂直訊號線的電壓之負載電路及負載電路控制部是與第1實施形態的固態攝像裝置所具有的訊號讀出電路(參照圖9)不同。在本實施形態中，以與上述各實施形態不同的部分為中心而進行說明。
圖15所示為第4實施形態的固態攝像裝置所具有之畫素訊號讀出電路的構成例，該畫素訊號讀出電路是將第1實施形態所示的畫素訊號讀出電路內的負載電路20a及負載電路控制部30a，分別置換為負載電路20d及負載電路控制部30d。如圖例所示，負載電路20d具有在施加規定的偏置電壓時成為接通的負載電晶體21，而且，該負載電晶體21的源極終端與基板(基準電位點)相連接。亦即，負載電路20d是從負載電路20a(參照圖9)去除了開關電晶體22後所形成的負載電路。負載電路控制部30d對負載電路20d所具有的負載電晶體21進行控制。
圖16所示為第4實施形態的固態攝像裝置之畫素訊號讀出動作的時序圖的一個例子。以下，參照圖16，對本實施形態的固態攝像裝置的畫素訊號讀出動作進行說明。
當在本實施形態的固態攝像裝置中讀出畫素訊號時，首先在畫素電源(PXVDD)上施加電源電壓，接著，在負載電路20d的負載電晶體21上施加偏置電壓。這裏所施加的偏置電壓，成為較在第1實施形態所說明的圖2的畫素訊號讀出電路的負載電晶體21上所施加之偏置電壓(參照圖2、圖3)只高規定量(ΔVbi)的值。然後，當在該狀態下使重置電晶體14接通規定期間時，FD12的電壓上升，最終成為在畫素電源上所施加的電源電壓(Vdd)。而且，在源極隨耦器中流過電流，並對垂直訊號線(VSIG)輸出較FD12所設定的電壓(Vdd)只位移一定量的電壓值。
在這裏，對負載電晶體21施加較通常的偏置電壓(在圖2所示的畫素訊號讀出電路的負載電晶體21上所施加的偏置電壓)高的電壓，所以與圖2所示的畫素訊號讀出電路相比，在源極隨耦器中流過更多的電流。因此，與上述各實施形態同樣地，垂直訊號線的電壓(VSIG電壓)較通常的電壓(圖2所示的畫素訊號讀出電路的垂直訊號線的電壓)低。
而且，在將FD12的電壓設定為Vdd之後，負載電路控制部30d使負載電晶體21上所施加的偏置電壓只下降規定量(ΔVbi)。於是，在源極隨耦器中所流過的電流減少，所以，垂直訊號線的電壓(圖示的VSIG電壓)上升。對該上升後的電壓(重置電壓)在時序T1由取樣保持電路(相當於圖1所示的取樣保持電路41)進行取樣。
此後的動作與第1實施形態～第3實施形態所示的固態攝像裝置相同。亦即，在重置電壓的取樣結束之後，使讀出電晶體13接通，並使光電二極體11中所積蓄的訊號電荷向FD12傳送，且在時序T2對隨之被輸出到垂直訊號線的訊號電壓進行取樣。然後，在訊號電壓的取樣結束後，使負載電晶體21斷開(使偏置電壓下降到基準電位GND)，切斷流入到源極隨耦器中的電流，再將畫素電源(PXVDD)降低到Low位準，並在該狀態下使重置電晶體14接通，使放大器電晶體15成為斷開狀態。
這樣，在本實施形態的固態攝像裝置中，當對FD進行重置時，首先是在使負載電晶體上所施加的電壓較通常高而在源極隨耦器中流過較通常(習知技術)多的電流之狀態下，使FD的電壓上升到電源電壓，接著，使負載電晶體上所施加的電壓返回到通常的值，並使源極隨耦器中所流過的電流減少到與通常相同的電流值，從而使輸出到垂直訊號線的電壓值上升，使FD的電壓(重置電壓)高於電源電壓。藉此，可得到與上述第1實施形態相同的效果。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為准。
1．．．畫素區域
2．．．負載電路
3．．．列選擇電路
4．．．行ADC方塊
5．．．時序電路
10．．．畫素單元
11．．．光電二極體
12．．．浮動擴散
13．．．讀出電晶體
14．．．重置電晶體
15．．．放大器電晶體
16、17．．．結合電容量值
18．．．內部電容量
20．．．負載電路
20a、20b、20c、20d．．．負載電路
21．．．負載電晶體
22‧‧‧開關電晶體
23‧‧‧負載電晶體
24‧‧‧開關電晶體
30a、30b、30c、30d‧‧‧負載電路控制部
40‧‧‧AD轉換器
41‧‧‧取樣保持電路
101‧‧‧控制訊號線
102‧‧‧訊號線
圖1所示為成為本發明的固態攝像裝置的前提之固態攝像裝置的構成例。
圖2所示為用於從畫素單元讀出畫素訊號之電路(畫素訊號讀出電路)的構成圖。
圖3所示為利用圖2的畫素訊號讀出電路而讀出畫素訊號之情況的時序圖的一個例子。
圖4所示為FD的重置電壓和垂直訊號線的重置電壓的關係。
圖5所示為第1實施形態的固態攝像裝置所具有之畫素訊號讀出電路的構成例。
圖6所示為利用圖5的畫素訊號讀出電路而讀出畫素訊號之情況下的時序圖的一個例子。
圖7所示為FD與對垂直訊號線的輸出之關係。
圖8為習知的固態攝像裝置所造成的FD的重置電壓和第1實施形態的固態攝像裝置所造成的FD的重置電壓之比較圖。
圖9所示為第1實施形態的固態攝像裝置所具有之畫素訊號讀出電路內的負載電路的內部構成例。
圖10所示為利用圖9的畫素訊號讀出電路而讀出畫素訊號之情況的時序圖的一個例子。
圖11所示為第2實施形態的固態攝像裝置所具有之畫素訊號讀出電路的構成例。
圖12所示為第2實施形態的固態攝像裝置之畫素訊號讀出動作的時序圖的一個例子。
圖13所示為第3實施形態的固態攝像裝置所具有之畫素訊號讀出電路的構成例。
圖14所示為第3實施形態的固態攝像裝置之畫素訊號讀出動作的時序圖的一個例子。
圖15所示為第4實施形態的固態攝像裝置所具有之畫素訊號讀出電路的構成例。
圖16所示為第4實施形態的固態攝像裝置之畫素訊號讀出動作的時序圖的一個例子。
10．．．畫素單元
11．．．光電二極體
12．．．浮動擴散
13．．．讀出電晶體
14．．．重置電晶體
15．．．放大器電晶體
20a．．．負載電路
30a．．．負載電路控制部

Claims (8)

  1. 一種訊號處理裝置，為一種利用雙重相關取樣處理，以產生與畫素單元內的光電二極體所積蓄的電荷相稱的電壓訊號之訊號處理裝置，包括：浮動擴散(FD)，用於將前述積蓄的電荷轉換為電壓訊號；以及放大器電晶體，其閘極終端與前述FD相連接且源極終端與輸出訊號線相連接；而且，在雙重相關採樣處理時將前述FD重置的情況下，藉由對前述FD施加規定期間電源電壓而將前述輸出訊號線的電壓設定為第1電壓，然後，將前述輸出訊號線的設定電壓設定為較前述第1電壓還高的第2電壓，其中形成用於控制對前述輸出訊號線的前述設定電壓之構成，包括：負載電晶體，將偏置電壓作為向閘極終端的輸入，且使汲極終端與前述輸出訊號線相連接；以及開關電晶體，與前述負載電晶體串聯連接且使源極終端與基準電位點相連接；在前述FD的重置處理中，在使前述開關電晶體接通的狀態下，藉由將前述偏置電壓設定為第1偏置電壓，並使前述負載電晶體接通，而將前述輸出訊號線的設定電壓設定為前述第1電壓；然後，在使前述開關電晶體接通的狀態下，藉由將前述偏置 電壓設定為較前述第1偏置電壓低且使前述負載電晶體的接通狀態可維持之第2偏置電壓，而將前述輸出訊號線的設定電壓設定為前述第2電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的訊號處理裝置，其中，將前述輸出訊號線的設定電壓設定為較前述第1電壓還高的第2電壓後，再將前述光電二極體所積蓄的訊號電荷向前述FD傳送，並將表示傳送完成後的前述輸出訊號線的電壓和前述第2電壓之差分量的訊號作為畫素訊號而輸出。
  3. 一種訊號處理裝置，為一種利用雙重相關取樣處理，以產生與畫素單元內的光電二極體所積蓄的電荷相稱的電壓訊號之訊號處理裝置，包括：浮動擴散(FD)，用於將前述積蓄的電荷轉換為電壓訊號；以及放大器電晶體，其閘極終端與前述FD相連接且源極終端與輸出訊號線相連接；而且，在雙重相關採樣處理時將前述FD重置的情況下，藉由對前述FD施加規定期間電源電壓而將前述輸出訊號線的電壓設定為第1電壓，然後，將前述輸出訊號線的設定電壓設定為較前述第1電壓還高的第2電壓，其中形成用於控制對前述輸出訊號線的前述設定電壓之構成，包括：2個負載電晶體，將偏置電壓作為向閘極終端的輸入，且使汲極終端與前述輸出訊號線相連接；以及 2個開關電晶體，與前述負載電晶體的某一個一對一地串聯連接，且將開關訊號作為對閘極終端的輸入，且使源極終端與基準電位點相連接；在前述FD的重置處理中，藉由使各負載電晶體及前述各開關電晶體接通，而將前述輸出訊號線的設定電壓設定為前述第1電壓；然後，藉由使前述開關電晶體的某一個斷開，而將前述輸出訊號線的設定電壓設定為前述第2電壓。
  4. 一種訊號處理裝置，為一種利用雙重相關取樣處理，以產生與畫素單元內的光電二極體所積蓄的電荷相稱的電壓訊號之訊號處理裝置，包括：浮動擴散(FD)，用於將前述積蓄的電荷轉換為電壓訊號；以及放大器電晶體，其閘極終端與前述FD相連接且源極終端與輸出訊號線相連接；而且，在雙重相關採樣處理時將前述FD重置的情況下，藉由對前述FD施加規定期間電源電壓而將前述輸出訊號線的電壓設定為第1電壓，然後，將前述輸出訊號線的設定電壓設定為較前述第1電壓還高的第2電壓，其中形成用於控制對前述輸出訊號線的前述設定電壓之構成，包括：2個負載電晶體，將偏置電壓作為向閘極終端的輸入，使汲極終端與前述輸出訊號線相連接，且源極終端與 基準電位點相連接；在前述FD的重置處理中，藉由使前述各負載電晶體接通，而將前述輸出訊號線的設定電壓設定為前述第1電壓；然後，藉由使前述負載電晶體的某一個斷開，而將前述輸出訊號線的設定電壓設定為前述第2電壓。
  5. 一種畫素訊號產生方法，為一種產生與畫素單元內的光電二極體所積蓄的電荷相稱的電壓訊號之情況的畫素訊號產生方法，包括：第1電壓設定步驟，對浮動擴散(FD)施加規定期間電源電壓，並將閘極終端連接於該FD的電晶體的源極終端的電壓設定為第1電壓，其中，浮動擴散(FD)用於將前述積蓄的電荷轉換為電壓訊號；第2電壓設定步驟，對前述電晶體的源極終端，施加較前述第1電壓高的第2電壓；訊號電荷傳送步驟，將前述光電二極體所積蓄的訊號電荷向前述FD傳送；以及訊號產生步驟，產生畫素訊號，該畫素訊號表示前述第2電壓和前述訊號電荷傳送步驟實行後的前述電晶體的源極終端的電壓之差分量，其中，在前述第2電壓設定步驟中，使前述源極終端所連接的負載電路的狀態變動，並將對該源極終端的施加電壓設定為前述第2電壓。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的畫素訊號產生方法，其中，前述負載電路包括：負載電晶體，將偏置電壓作為對閘極終端的輸入，且汲極終端與前述輸出訊號線相連接；以及開關電晶體，與前述負載電晶體串聯連接且源極終端與基準電位點相連接；而且，在這種情況下，在前述第1電壓設定步驟中，將前述開關電晶體設定為接通，再將對前述閘極終端所施加的偏置電壓，設定為可使前述負載電晶體接通的第1偏置電壓；在前述第2電壓設定步驟中，在將前述開關電晶體設定為接通的狀態下，將對前述閘極終端所施加的偏置電壓，設定為較前述第1偏置電壓低且可維持前述負載電晶體的接通狀態之第2偏置電壓。
  7. 如申請專利範圍第5項所述的畫素訊號產生方法，其中，前述負載電路包括：2個負載電晶體，將偏置電壓作為對閘極終端的輸入，且汲極終端與前述輸出訊號線相連接；以及2個開關電晶體，與前述負載電晶體管的某一個1對1地串聯連接，且將開關訊號作為對閘極終端的輸入，並使源極終端與基準電位點相連接；而且，在這種情況下，在前述第1電壓設定步驟中，將前述各負載電晶體及前述各開關電晶體設定為接通，在前述第2電壓設定步驟中，將前述各開關電晶體的某一個設定為斷開。
  8. 如申請專利範圍第5項所述的畫素訊號產生方法，其中，前述負載電路具有2個負載電晶體，將偏置電壓作為對閘極終端的輸入，並使汲極終端與前述輸出訊號線相連接，且源極終端與基準電位點相連接；而且，在這種情況下，在前述第1電壓設定步驟中，將前述各負載電晶體設定為接通；在前述第2電壓設定步驟中，將前述負載電晶體的某一個設定為斷開。
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