專利名稱：固態(tài)成像裝置和相機(jī)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種以CMOS圖像傳感器作為代表的固態(tài)成像裝 置和相才幾系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來，已注意將互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感 器作為替代電荷耦合器件(CCD)的固態(tài)成像裝置(圖像傳感器)。
這是因?yàn)镃MOS圖像傳感器克服了 CCD的多個(gè)問題，包括需 要用于制造CCD ^f象素的專用處理和用于CCD才喿作的多個(gè)電源電 壓，以及由于要求組合多個(gè)外圍IC來用于才喿作而需要非常復(fù)雜的 系統(tǒng)。
CMOS圖^f象傳感器具有多個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)與普通CMOS型集成 電^各類似的制造工藝可以用于制造CMO S圖 <象傳感器，單個(gè)電源就 可以驅(qū)動(dòng)CMOS圖傳 f專感器，以及由于可以4吏用通過CMOS處理 制造的才莫擬電路和邏輯電路，所以可以減少混合在同 一 芯片上的外 圍IC的凄t目。CCD輸出電路的主要趨勢(shì)是通過使用具有浮動(dòng)擴(kuò)散(FD)層 的浮動(dòng)擴(kuò)散(FD)方丈大器的一個(gè)通道(l-ch)輸出。
相反，CMOS圖像傳感器的主要趨勢(shì)是列并行(parallel)型， 其中的每個(gè)像素均具備FD放大器，且通過選擇像素陣列的每行， 同時(shí)沿列方向讀取FD》文大器的輸出。
這是因?yàn)榭紤]到置于每個(gè)像素中的FD放大器難以獲得足夠的 驅(qū)動(dòng)能力，從而導(dǎo)致需要降低數(shù)據(jù)速率，使并行處理有利。
已適當(dāng)提出多種信號(hào)輸出電路來用于列并行輸出型CMOS圖 像傳感器。
作為用于CMOS圖像傳感器的像素信號(hào)讀出才喿作的方法，存在 以下方法，通過該方法，通過置于電容器中的光電轉(zhuǎn)換元件附近的 MOS開關(guān)來臨時(shí)取樣將用作通過光電轉(zhuǎn)換元件(諸如，光電二極 管)產(chǎn)生的光信號(hào)的信號(hào)電荷，然后讀出信號(hào)電荷。
在取樣電路上通常疊加了與取樣電容器值反相關(guān)的噪音。在像 素中，當(dāng)將信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移到取樣電容器時(shí)，通過利用電位梯度來完 全轉(zhuǎn)移信號(hào)電荷，從而將在取樣階段將出現(xiàn)噪音。然而，當(dāng)將電容
器的電壓電平重置為參考值時(shí)(取樣的前一階段)，會(huì)重疊噪音。
為了去除噪音，通常使用相關(guān)雙取樣(CDS)。使用此方法， 讀出并存儲(chǔ)在取樣信號(hào)電荷之前的一個(gè)狀態(tài)(重置電平)，接下來 讀出取樣之后的信號(hào)電平，以從所存儲(chǔ)的電荷電平中減去所讀出的 信號(hào)電平，從而消除了噪音。
存在多種CDS的特定方法。
以下將描述一^殳的CMOS圖傳_傳感器。圖l是示出了由四個(gè)晶體管組成的CMOS圖像傳感器的像素的 實(shí)例的示圖。
該像素10包括光電二極管11 (例如，作為光電轉(zhuǎn)換元件)和 作為用于一個(gè)光電二4及管11的有源元件的四個(gè)晶體管。四個(gè)晶體 管包括轉(zhuǎn)移晶體管12、放大晶體管13、選擇晶體管14和重置晶體 管15。
光電二極管11將入射光光電轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)于入射光量的電荷(此 處為電子)量。
轉(zhuǎn)移晶體管12連4妻在光電二極管11與浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD之間。 當(dāng)經(jīng)由轉(zhuǎn)移控制線LTx將驅(qū)動(dòng)信號(hào)施加至轉(zhuǎn)移晶體管的柵極(轉(zhuǎn)移 柵極)時(shí)，轉(zhuǎn)移晶體管12將由光電二極管11光電轉(zhuǎn)換的電子轉(zhuǎn)移 到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD。
i文大晶體管13的4冊(cè)才及連接至浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD。；故大晶體管13 經(jīng)由選擇晶體管14連接至信號(hào)線LSGN。放大晶體管13和位于像 素單元外部的恒定電源16構(gòu)成源纟及3艮隨器。
通過選擇控制線LSEL,將地址信號(hào)提供給選擇晶體管14的柵 極，且當(dāng)選擇晶體管14導(dǎo)通時(shí)，放大晶體管13放大浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的 電位，以將對(duì)應(yīng)于該電位的電壓輸出至輸出(垂直)信號(hào)線LSGN。 經(jīng)由信號(hào)線LSGN將從每個(gè)像素輸出的信號(hào)電壓輸出至像素信號(hào)讀 出電^各。
重置晶體管15連接在電源線LVDD與浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD之間。 當(dāng)經(jīng)由重置控制線LRST將重置信號(hào)提供給重置晶體管的柵極時(shí)， 重置晶體管將浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD的電位重置為電源線LVDD的電位。更具體地，當(dāng)重置像素時(shí)，轉(zhuǎn)移晶體管12導(dǎo)通以清除在光電
轉(zhuǎn)換元件11中所累積的電荷，然后轉(zhuǎn)移晶體管12截止以使光電轉(zhuǎn) 換元件11將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電荷并累積電荷。
當(dāng)讀出像素時(shí)，重置晶體管15導(dǎo)通以重置浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD,然 后重置晶體管15截止以經(jīng)由放大晶體管13和選擇晶體管14輸出 浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD的電壓。此時(shí)的1#出一皮定義為P相電壓。
接著，轉(zhuǎn)移晶體管12導(dǎo)通以將在光電轉(zhuǎn)換元件22中所累積的 電荷轉(zhuǎn)移至浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD,并通過放大晶體管13輸出浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū) FD的電壓。此時(shí)的豐命出尋皮定義為D相輸出。
通過將D相輸出與P相輸出之間的差異用作圖像信號(hào)，不僅可 以去除每個(gè)像素的輸出的DC分量的變化，還可以從圖像信號(hào)中去 除浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的FD重置噪音。
例如，由于轉(zhuǎn)移晶體管12、選擇晶體管14和重置晶體管15 的各個(gè)柵極以行為單位相連，所以對(duì)一行的像素同時(shí)執(zhí)行這些操作。
已提出列并行輸出型CMOS圖像傳感器的多種像素信號(hào)讀出 (輸出)電路。最先進(jìn)型的這種電路中的一個(gè)具有為每列防止的模 擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器單元(下文中縮寫為ADC (模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器))以輸 出像素信號(hào)作為數(shù)字信號(hào)。
例如，在199年二月的才支術(shù)i侖文ISSCC摘要(ISSCC Digest of Technical Papers )的304和305頁(yè)的W. Yang 等人的"An integrated 800 x 600 CMOS Image System"和日本未審查專利申{青7> 開第2005-278135號(hào)中揭露了利用這種類型的列并4亍ADC的 CMOS圖^f象傳感器。圖2是示出了使用列并行ADC的固態(tài)成像裝置(CMOS圖像 傳感器)的配置實(shí)例的框圖。
如圖2所示，固態(tài)成像裝置20包括作為成4象單元的4象素單元 21、垂直掃描電^各22、水平轉(zhuǎn)移掃描電^各23、定時(shí)控制電^各24、 ADC組25、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換單元(下文中縮寫為DAC (數(shù)字模擬轉(zhuǎn) 換器))26、；改大器電^各(S/A) 27和信號(hào)處理電^各28。
像素單元21包括光電二極管和像素內(nèi)放大器，并且由諸如圖1 所示的以矩形形狀》文置的 <象素構(gòu)成。
在固態(tài)成〗象裝置20中，定時(shí)控制電^各24、垂直掃描電路22 和水平掃描電3各23經(jīng);改置作為用于AM象素單元21連續(xù)讀出信號(hào)的 控制電路。定時(shí)控制電路產(chǎn)生內(nèi)部時(shí)鐘。垂直掃描電路22控制行 選址和行掃描。水平轉(zhuǎn)移掃描電路23控制列選址和列掃描。
ADC組25包括「;改置在多列處的ADC，每個(gè)ADC均包括比專交 器25-l、計(jì)數(shù)器25-2和鎖存器25-3。比較器25-1將具有通過逐級(jí) 改變DAC 26所產(chǎn)生的參考電壓得到的斜坡波形的參考電壓Vslop 與經(jīng)由垂直信號(hào)線從每行的像素處得到的模擬信號(hào)進(jìn)行比較。計(jì)數(shù) 器25-2對(duì)比較時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)(count )。鎖存器25-3保存計(jì)數(shù)結(jié)果。
ADC組25具有n位數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換功能，每個(gè)ADC置于每個(gè) 垂直信號(hào)線(列線)處以構(gòu)成列并4于ADC塊。
每個(gè)鎖存器25-3的輸出連接至具有(例如)2n位寬的水平轉(zhuǎn) 移線29。
放置其數(shù)目為2n的對(duì)應(yīng)于水平轉(zhuǎn)移線29的》文大器27和信號(hào) 處理電3各28。在ADC組25中，將讀出到垂直信號(hào)線的才莫擬信號(hào)(電位Vsl ) 與置于每列處的比較器25-1的參考電壓Vslop (具有梯度且線性改 變的傾斜波形)進(jìn)行比較。
在此情況下，與比較器25-1類似置于每列處的計(jì)數(shù)器25-2操 作并且以與斜坡波形的電位Vslop——對(duì)應(yīng)的方式改變其計(jì)數(shù)，從 而將垂直信號(hào)線上的電位(模擬信號(hào))Vsl轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。
，且按
周期(時(shí)鐘)計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間，以將時(shí)間轉(zhuǎn)換為數(shù)字值,
當(dāng)模擬電信號(hào)Vsl和參考電壓Vslop相交時(shí)，反轉(zhuǎn)比較器25-的輸出，以停止到計(jì)數(shù)器25-2的輸入時(shí)鐘，然后完成AD轉(zhuǎn)換。
在完成上述AD轉(zhuǎn)換周期之后，水平轉(zhuǎn)移掃描電^各23 #:作以 經(jīng)由水平轉(zhuǎn)移線29和放大器電路27來將鎖存在鎖存器25-3中的數(shù) 據(jù)輸入到信號(hào)處理電路28，以產(chǎn)生二維圖4象。
以此方式，執(zhí)行了列并行輸出處理。

發(fā)明內(nèi)容
如上所述，在使用列并行ADC的CMOS圖像傳感器(列AD 方案CMOS圖像傳感器)中，比較器將來自DAC的斜坡波與像素 信號(hào)進(jìn)行比較，且計(jì)數(shù)器在后續(xù)階段執(zhí)行數(shù)字CDS,從而執(zhí)行AD 轉(zhuǎn)換。
通常，比較器具有兩級(jí)放大器配置。在第一級(jí)執(zhí)行低速信號(hào)比 較操作，以使操作帶變窄，而在第二級(jí)放大器增大增益。然而，使用這種電路配置，直通電流在斜坡波與像素信號(hào)之間 相交之后繼續(xù)流過第二級(jí)的方文大器。因此，在列的并4于4喿作的情況 和其他情況下，由于IR下降使得模擬電源波動(dòng)變大，且存在經(jīng)由 電源由于噪音而使操作中的相鄰比較器和比較器自身故障的可能 性。
因此，需要提供一種能夠抑制模擬電源波動(dòng)和故障的固態(tài)成像 裝置和相機(jī)系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種固態(tài)成像裝置，包括像 素單元，包括以矩陣形狀排列的多個(gè)像素，其中，每個(gè)像素被配置 為執(zhí)行光電轉(zhuǎn)換；以及像素信號(hào)讀出電路，用于以多個(gè)像素為單位， 從像素單元中讀出像素信號(hào)。像素信號(hào)讀出電路包括被放置成對(duì) 應(yīng)于像素的列陣列的多個(gè)比較器、操作受比較器的輸出控制的多個(gè) 計(jì)數(shù)器。每個(gè)比較器被配置為將讀出信號(hào)電位與參考電壓進(jìn)行比 較，以生成確定信號(hào)并輸出確定信號(hào)。每個(gè)計(jì)數(shù)器被配置為對(duì)多個(gè) 比較器中的對(duì)應(yīng) 一個(gè)的比較時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)。每個(gè)比較器均包括第一 放大器、用于以增大的增益輸出第一放大器的輸出的第二放大器和 用以形成與第二放大器并聯(lián)的電流鏡的鏡電路。第一》文大器包括 多個(gè)樣i分晶體管、連接在〗殷分晶體管的棚-極與集電極之間的初始化 開關(guān)以及連接至微分晶體管的每個(gè)柵極的第一和第二電容器。微分 晶體管通過在一個(gè)晶體管的柵極處接收參考電壓而在另一個(gè)晶體 管的柵極處接收讀出信號(hào)電位，在參考電壓與讀出信號(hào)電位之間執(zhí) 行比較操作。初始化開關(guān)確定每列在行操作開始時(shí)的操作點(diǎn)。第一 和第二電容器在初始化時(shí)進(jìn)行取樣。第二放大器包括用于確定每列 在4亍才喿作開始時(shí)的#:作點(diǎn)的初始化開關(guān)和用于在初始化時(shí)進(jìn)4亍取 樣的第三電容器。鏡電路包括柵極輸入有通過第 一放大器取樣的電 壓或通過第二放大器取樣的電壓的柵極輸入晶體管。第二放大器可以包括第一導(dǎo)電型柵極輸入晶體管，其柵極輸
入有第一放大器的輸出；第二導(dǎo)電型晶體管，與第一導(dǎo)電型柵極輸 入晶體管并聯(lián)連接并用于形成4竟電^各，初始化開關(guān)置于其4冊(cè)極與漏
極之間，且其柵極連接至第三電容器；以及輸出節(jié)點(diǎn)，形成在第一
導(dǎo)電型柵極輸入晶體管與第二導(dǎo)電型晶體管的連接點(diǎn)處。鏡電路可
以包括與柵極輸入晶體管串聯(lián)連接的第二導(dǎo)電型晶體管，其柵極 與第二導(dǎo)電型晶體管的柵極一樣連接至第三電容器。柵極輸入晶體 管的柵極可以連接至第二放大器的輸出節(jié)點(diǎn)且柵極輸入晶體管可 以由第 一導(dǎo)電型4冊(cè)才及，lr入晶體管組成。
參考電壓可以具有含梯度并線性改變的傾斜波形。第 一放大器 可以向第二放大器輸出比較輸出，比較輸出具有使第二放大器的第 一導(dǎo)電型柵極輸入晶體管在讀出信號(hào)與參考電壓的傾斜波形相交 之前截止而在相交之后導(dǎo)通的電平。在鏡電路中，柵極輸入晶體管 可以在讀出信號(hào)與參考電壓的傾斜波形相交之前導(dǎo)通，而在相交之 后截止。
第二放大器可以包括第一導(dǎo)電型柵極輸入晶體管，其柵極輸
入有第一放大器的輸出；和第二導(dǎo)電型晶體管，與第一導(dǎo)電型柵極
輸入晶體管串聯(lián)連接，用于形成鏡電路，初始化開關(guān)置于其柵極與 漏極之間，且其柵極連接至第三電容器。可以在第一導(dǎo)電型柵才及輸 入晶體管與第二導(dǎo)電型晶體管之間的連接點(diǎn)處形成輸出節(jié)點(diǎn)。鏡電
路可以包括與柵極輸入晶體管串聯(lián)連接的第二導(dǎo)電型晶體管，其 柵極與第二導(dǎo)電型晶體管的柵極一樣連接至第三電容器。柵極輸入 晶體管的柵極可以連接至第 一放大器的輸出節(jié)點(diǎn)，且柵極輸入晶體 管可以由導(dǎo)電類型與第二放大器的第一導(dǎo)電型柵極輸入晶體管相 反的第二導(dǎo)電型晶體管組成。
可以在調(diào)整鏡電路的邏輯閾值之后控制鏡電路。根據(jù)本發(fā)明的另 一個(gè)方面，提供了 一種包括固態(tài)成像裝置和用 于在固態(tài)成^f象裝置上形成對(duì)象的圖^f象的光學(xué)系統(tǒng)的相才幾系統(tǒng)。固態(tài)
成像裝置包括像素單元，包括以矩陣形狀排列的多個(gè)像素，其中， 每個(gè)像素被配置為執(zhí)行光電轉(zhuǎn)換；以及像素信號(hào)讀出電路，用于以
多個(gè)像素為單位，從像素單元中讀出像素信號(hào)。像素信號(hào)讀出電路
包括被放置成對(duì)應(yīng)于像素的列陣列的多個(gè)比較器、操作受比較器 的輸出控制的多個(gè)計(jì)數(shù)器。每個(gè)比較器被配置為將讀出信號(hào)電位與 參考電壓進(jìn)行比較，以生成確定信號(hào)并輸出確定信號(hào)。每個(gè)計(jì)數(shù)器 被配置為對(duì)多個(gè)比較器中的對(duì)應(yīng)一個(gè)的比較時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)。每個(gè)比 較器均包括第一放大器、用于以增大的增益輸出第一放大器的輸出 的第二放大器和用以形成與第二放大器并聯(lián)的電流鏡的鏡電路。第 一放大器包括微分晶體管、連接在微分晶體管的柵極與集電極之 間的初始化開關(guān)以及連接至樣吏分晶體管的每個(gè)4冊(cè)極的第 一 和第二 電容器。微分晶體管通過在一個(gè)晶體管的柵極處接收參考電壓而在 另 一 個(gè)晶體管的柵極處接收讀出信號(hào)電位，在參考電壓與讀出信號(hào)
電位之間執(zhí)行比較操作。初始化開關(guān)確定每列在行操作開始時(shí)的操 作點(diǎn)。第一和第二電容器初始化時(shí)進(jìn)行取樣。第二放大器包括用于 確定每列在行操作開始時(shí)的操作點(diǎn)的初始化開關(guān)和用于在初始化 時(shí)進(jìn)行取樣的第三電容器。鏡電路包括柵極輸入有通過第一放大器 取樣的電壓或通過第二放大器取樣的電壓的柵極輸入晶體管。
才艮據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，像素信號(hào)讀出電路將讀出信號(hào)電位與參 考電壓進(jìn)行比較，以生成確定信號(hào)，然后輸出該確定信號(hào)。通過比 較器的輸出來控制計(jì)數(shù)器的操作，且計(jì)數(shù)器對(duì)對(duì)應(yīng)比較器的比較時(shí) 間進(jìn)行計(jì)凄史。
參考電壓具有含梯度并線性改變的傾斜波形。第一放大器向第 二放大器輸出比較輸出，比較輸出具有使第二放大器的第 一導(dǎo)電型柵極輸入晶體管在讀出信號(hào)與參考電壓的傾斜波形相交之前導(dǎo)通 而在相交之后截止的電平。
在鏡電路中，柵極輸入晶體管在讀出信號(hào)與參考電壓的傾斜波 形相交之前導(dǎo)通而在相交之后截止。
才艮據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可以抑制^t擬電壓中的波動(dòng)，從而可以 防止故障。
本發(fā)明的以上發(fā)明內(nèi)容并非用于描述本發(fā)明的每個(gè)所示實(shí)施 例或每個(gè)實(shí)施方式。以下附圖和實(shí)施方式將更具體地例示這些實(shí)施例。


圖l是示出了具有四個(gè)晶體管的CMOS圖像傳感器的像素的配 置實(shí)例的示圖。
圖2是示出了使用列并行ADC的固態(tài)成像裝置(CMOS圖像 傳感器)的配置實(shí)例的^I圖。
圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的采用列并行ADC的固態(tài)成 像裝置(CMOS圖像傳感器)的配置的框圖。
圖4是更具體示出了由圖3所示的固態(tài)成像裝置(CMOS圖像 傳感器)所使用的列并行ADC的ADC組的框圖。
圖5是示出了根據(jù)實(shí)施例的比較器的第一配置實(shí)例的電路圖6是圖5所示的比較器的時(shí)序圖。圖7是示出了根據(jù)實(shí)施例的比較器的第二配置實(shí)例的電路圖。
圖8是示出了根據(jù)實(shí)施例的變型的比較器的第一配置實(shí)例的電 路圖。
圖9是示出了根據(jù)實(shí)施例的變型的比較器的第二配置實(shí)例的電 路圖。
圖10是應(yīng)用了本實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的相機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)實(shí) 例的示圖。
具體實(shí)施例方式
以下將結(jié)合附圖來描述本發(fā)明的實(shí)施例。
圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的使用列并行ADC的固態(tài)成 像裝置(CMOS圖像傳感器)的配置實(shí)例的框圖。
圖4是更具體地示出了圖3所示的固態(tài)成像裝置(CMOS圖像 傳感器)所使用的列并行ADC的ADC組的框圖。
如圖3和4所示，固態(tài)成像裝置100包括作為成像單元的像素 單元IIO、垂直掃描電路120、水平轉(zhuǎn)移掃描電路130、定時(shí)控制電 路140、作為像素信號(hào)讀出電路的ADC組150、包括DAC (數(shù)字 模擬轉(zhuǎn)換器)161的DAC和偏壓電路160、放大器電路(S/A ) 170 以及行存4諸器190。
在這些構(gòu)成組件中，像素單元110、垂直掃描電路120、水平 轉(zhuǎn)移掃描電^各130、 ADC組150、 DAC和偏壓電^各160和》丈大器電 路(S/A )—170由模擬電路構(gòu)成。定時(shí)控制電路140、信號(hào)處理單元180和行存儲(chǔ)器190由數(shù)字 電路構(gòu)成。
像素單元110包括光電二極管和像素內(nèi)放大器，并且由諸如圖 1所示的以矩形形狀》文置的^^素構(gòu)成。
在固態(tài)成像裝置100中，定時(shí)控制電路140、垂直掃描電路120 和水平轉(zhuǎn)移掃描電路130被放置作為用于從像素單元110連續(xù)讀出 信號(hào)的控制電路。定時(shí)控制電路產(chǎn)生內(nèi)部時(shí)鐘。垂直掃描電路120 控制4于選址和4于掃描。水平壽t移掃描電3各130纟空制列選址和列掃描。
定時(shí)控制電路140產(chǎn)生像素單元110、垂直掃描電路120、水 平轉(zhuǎn)移掃描電路130、 ADC組(歹'J ADC電路)150、 DAC和偏壓 電路160、信號(hào)處理電路180和行存儲(chǔ)器190進(jìn)行信號(hào)處理所必需 的定時(shí)信號(hào)。
在像素電路IIO中，通過利用使用線路快門進(jìn)行的光子累積和 放電，按每個(gè)像素行光電轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)圖像和靜止圖像，并將模擬信號(hào) VSLllT出至ADC組。
在ADC組150中，每個(gè)ADC塊(每列單元)對(duì)^U象素單元 110輸出的模擬信號(hào)執(zhí)行使用從DAC 161和數(shù)字CDS提供的斜坡 信號(hào)RAMP可兼容的APGA可兼容集成型ADC，以輸出若干位的 數(shù)字信號(hào)。
在ADC組150中，以列的方式排列多個(gè)ADC。每個(gè)ADC包 括比較器151,用于將具有通過逐級(jí)改變DAC 161所產(chǎn)生的參考 電壓獲得的斜i皮波形(RAMP)的參考電壓Vslop與通過垂直信號(hào) 線從每行上的像素獲得的模擬信號(hào)(電位VSL )將比較；計(jì)數(shù)器152， 用于對(duì)比較時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)；以及鎖存器153,用于保存計(jì)數(shù)結(jié)果。ADC組150具有n位凄t字信號(hào)轉(zhuǎn)換功能，每個(gè)ADC配置在每 個(gè)垂直信號(hào)線(列線)上以構(gòu)成列并4于ADC塊。
每個(gè)鎖存器153的輸出連接至具有(例如)2n位寬的水平轉(zhuǎn)移線。
放置數(shù)目為2n的對(duì)應(yīng)于水平轉(zhuǎn)移線LTRF的放大器電路170 和^f言號(hào)處理電^各180。
稍后將詳細(xì)描述比較器151的具體配置和功能。
在ADC組150中，將讀出到垂直信號(hào)線的模擬信號(hào)(電位VSL ) 與配置在每列的比較器151上的參考電壓Vslop (具有梯度且線性 改變的傾在+波形的RAMP信號(hào))進(jìn)4于比豐交。
在此情況下，與比較器151類似的置于每列的計(jì)數(shù)器152操作 并且以與斜坡信號(hào)RAMP (電位Vslop)——對(duì)應(yīng)的方式改變其計(jì) 數(shù)，從而將垂直信號(hào)線上的電位(模擬信號(hào))VSL轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。
參考電壓Vslop (斜坡信號(hào)RAMP)的改變用于將電壓改變轉(zhuǎn) 變?yōu)闀r(shí)間改變，且按某個(gè)周期(時(shí)鐘)計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間以將時(shí)間轉(zhuǎn)換 為數(shù)字值。
當(dāng)模擬電信號(hào)VSL與斜坡信號(hào)RAMP (參考電壓Vslop )相交 時(shí)，反轉(zhuǎn)比較器151的輸出，以停止到計(jì)數(shù)器152的輸入時(shí)鐘，且 完成AD轉(zhuǎn)才灸。
在完成上述AD轉(zhuǎn)換周期之后，水平轉(zhuǎn)移掃描電^各130，喿作以 將鎖存在鎖存器153中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到水平轉(zhuǎn)移線LTRF并通過放大 器電^各170將該數(shù)據(jù)輸入到信號(hào)處理電3各180,以通過預(yù)定信號(hào)處 理產(chǎn)生二維圖^f象。水平轉(zhuǎn)移掃描電路130執(zhí)4亍若干通道的同時(shí)并4亍轉(zhuǎn)移以確保轉(zhuǎn) 移速率。
定時(shí)控制電路140產(chǎn)生由諸如^f象素單元110、 ADC組150等各
個(gè)塊進(jìn)4于信號(hào)處理所必需的定時(shí)。
信號(hào)處理電路180在隨后階段對(duì)存儲(chǔ)在行存儲(chǔ)器190中的信號(hào) 執(zhí)行數(shù)字信號(hào)處理。此數(shù)字信號(hào)處理包括垂直線缺陷和點(diǎn)缺陷的校 正、信號(hào)4甘位、并串耳關(guān)轉(zhuǎn)換、壓縮、編碼、加法、求平均值、中斷
操作等。
行存儲(chǔ)器190逐行存儲(chǔ)從像素傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)。
在本實(shí)施例的固態(tài)成4象裝置100中，信號(hào)處理電路180的數(shù)字 輸出被傳輸作為對(duì)ISP和基帶LSI的輸入。
本實(shí)施例的ADC組(像素信號(hào)讀出電路)150可以抑制由在同 時(shí)并4亍處理等期間出現(xiàn)IR下降所引起的才莫擬電源波動(dòng)。如下配置 比較器151以防止由于噪音通過電源使得操作中的相鄰比較器和比 較器自身的故障。
在第一配置的實(shí)例中，置于每列的每個(gè)比較器151包括串聯(lián)連 接的第一和第二放大器以及與比較器151的第二放大器并聯(lián)放置的 鏡電路。對(duì)鏡電路提供通過初始化(自動(dòng)調(diào)零AZ)并在行操作開 始時(shí)進(jìn)行取樣以確定每列的操作點(diǎn)而獲得的電壓作為其柵極輸入。
在第 一 配置的實(shí)例中，檢測(cè)第二放大器的輸出電平以控制鏡電 3各，,人而4中制才莫擬電源的改變。
第一放大器被配置為在第一 級(jí)執(zhí)行低速信號(hào)比較操作以使操 作帶變窄，而第二級(jí)的第二放大器被配置為增大增益。對(duì)于AZ,鏡電路在P和D相的斜坡波形與像素信號(hào)之間相交 之后截止，而在P/D相的斜坡波形與像素信號(hào)之間相交之前導(dǎo)通。 因此，比較器的穩(wěn)定電流是恒定的而不取決于亮/暗。
在第二配置的實(shí)例中，與第一配置的情況相同，每個(gè)比較器151 包括串聯(lián)連接的第一和第二放大器以及與比較器151的第二放大器 并聯(lián)放置的鏡電路。對(duì)鏡電路提供通過初始化(自動(dòng)調(diào)零AZ)并 在行才喿作開始時(shí)進(jìn)行取樣以確定每列的4喿作點(diǎn)而獲得的電壓來作
為其4冊(cè)才及Hr入。
在第二配置的實(shí)例中，第 一放大器的輸出用作并聯(lián)連接的鏡電 路的柵極輸入，以調(diào)整鏡電路的邏輯閾值并控制鏡電路，從而抑制 了邏輯電源改變。
現(xiàn)在將對(duì)具有根據(jù)本實(shí)施例的特征配置的ADC組(像素信號(hào) 讀出電路)150的每個(gè)比較器的配置和功能進(jìn)行詳細(xì)描述。
在本實(shí)施例中，第一導(dǎo)電型為p或n通道，以及第二導(dǎo)電型為 n或p型。下文中描述的比較器附有參考數(shù)字"200"。
圖5是具有根據(jù)本實(shí)施例的第一配置的實(shí)例的比較器的電路圖。
如圖5所示，比較器200包括串聯(lián)連接的第一放大器210和第 二放大器220以及與第二放大器220并聯(lián)連接的鏡電路230。對(duì)鏡 電路提供通過AZ (初始化)并在行操作開始時(shí)進(jìn)行取樣以確定每 列的操作點(diǎn)所獲得的電壓來作為其柵極輸入。
比較器200檢測(cè)第二放大器220的輸出電平以控制鏡電路230 ，
/人而抑制了模擬電源改變。即，對(duì)于AZ， 4竟電^各230在P和D相的殺牛i皮波形與像素信號(hào) 之間相交之后截止，而在P/D相的斜坡波形與像素信號(hào)之間相交之 前導(dǎo)通。因此，比較器的穩(wěn)定電流是恒定的而不取決于亮/暗。
第一》文大器210包括p通道MOS (PMOS )晶體管PT211到 PT214、 n通道MOS ( NMOS )晶體管NT211到NT213以及作為 用于AZ電平的取樣電容器的第一電容器C211和第二電容器C212。
PMOS晶體管PT211和PT212的源極連4妄至電源電位VDD。
PMOS晶體管PT211的漏極連接至NMOS晶體管NT211的漏 極，且其之間的連接點(diǎn)構(gòu)成節(jié)點(diǎn)ND211。 PMOS晶體管PT211的漏 極和柵極相連接，且其之間的連接點(diǎn)連接至PMOS晶體管PT212
的柵極。
PMOS晶體管PT212的漏才及連4妄至NMOS晶體管NT212的漏 極，且其之間的連接點(diǎn)構(gòu)成第一放大器210的輸出節(jié)點(diǎn)。
NMOS晶體管NT211和NT212的源極彼此連接，且其之間的 連接點(diǎn)連接至NMOS晶體管NT213的漏極。NMOS晶體管NT213 的源極連接至地電位GND。
NMOS晶體管NT211的柵極連接至電容器C211的第一電極， 且其之間的連接點(diǎn)構(gòu)成節(jié)點(diǎn)ND213。電容器C211的第二電極連接 至用于斜J皮4言號(hào)RAMP的llr入纟冬端TRAMP。
NMOS晶體管NT212的柵極連接至電容器C212的第一電極， 且其之間的連接點(diǎn)構(gòu)成節(jié)點(diǎn)ND214。電容器C212的第二電極連接 至用于才莫擬4言號(hào)VSL的llr入終端TVSL。NMOS晶體管NT213的柵極連接至用于偏壓信號(hào)BIAS的輸入 終端TBIAS。
PMOS晶體管PT213的漏才及連4妄至節(jié)點(diǎn)ND211，且其源才及連 4妻至節(jié)點(diǎn)ND213。 PMOS晶體管PT214的漏才及連接至節(jié)點(diǎn)ND213， 且其源才及連j妾至節(jié)點(diǎn)ND214。
PMOS晶體管PT213和PT214的柵極共同連接至用于在低電 平啟動(dòng)的第一 AZ信號(hào)PSEL的輸入終端TPSEL。
在具有上述配置的第一放大器210中，PMOS晶體管PT211和 PT212構(gòu)成電流鏡電路，且NMOS晶體管NT211和NT212構(gòu)成將 NMOS晶體管NT213用作電流源的微分比較器單元。
PMOS晶體管PT213和PT214用作AZ開關(guān)，且電容器C211 和C212用作具有AZ電平的Jf又樣電容器。
將來自第一方文大器210的車lr出信號(hào)lstcomp /人豐lr出節(jié)點(diǎn)ND212 輸出至第二放大器220。
第二力丈大器220包括PMOS晶體管PT221、 NMOS晶體管 NT221和NT222以及作為具有AZ電平的取樣晶體管的第三電容器 C221。
PMOS晶體管PT221的源極連接至電源電位VDD,且其柵極 連4妾至第一》文大器210的llT出節(jié)點(diǎn)ND212。
PMOS晶體管PT221的漏極連接至NMOS晶體管NT221的漏 才及，且其之間的連4妄點(diǎn)構(gòu)成l俞出節(jié)點(diǎn)ND221。NMOS晶體管NT221的源極連接至地電位GND,且其4冊(cè)極連 接至電容器C221的第一電極，且其之間的連接點(diǎn)構(gòu)成節(jié)點(diǎn)ND222。 電容器C221的第二電極連接至地電位GND。
NMOS晶體管NT222的漏才及連4妾至節(jié)點(diǎn)ND221，且其源才及連 沖妄至節(jié)點(diǎn)ND222。
NMOS晶體管NT222的柵極連接至用于在高電平啟動(dòng)的第二 AZ信號(hào)NSEL的輸入終端TNSEL。
第二 AZ信號(hào)NSEL獲得與將提供到第 一放大器210的第一 AZ 4言號(hào)PSEL互4卜的電平。
在具有上述配置的第二放大器220中，PMOS晶體管PT221
構(gòu)成l俞入和電-危源電路。
NMOS晶體管NT222用作AZ開關(guān)，且電容器C221用作具有 AZ電平的取樣電容器。
第二放大器220的輸出節(jié)點(diǎn)ND221連接至鏡電^各230的PMOS 晶體管的柵極并連接至電容器200的輸出終端TOUT。
鏡電路230包括PMOS晶體管PT231 ~ PT233和NMOS晶體 管NT231。
PMOS晶體管PT231的源才及連接至電源電位VDD,且其才冊(cè)極 連接至用于偏壓信號(hào)TST的輸入終端TTST,且其漏極連接至PMOS 晶體管PT232的源極。
PMOS晶體管PT232的漏極連接至其自己的柵-才及并且連接至 PMOS晶體管PT233的源才及。PMOS晶體管PT233的漏極連接至NMOS晶體管NT231的漏 極，且其之間的連接點(diǎn)構(gòu)成節(jié)點(diǎn)ND231。 NMOS晶體管NT231的 源極連接至地電位GND。
PMOS晶體管PT233的柵極連接至第二放大器220的輸出節(jié)點(diǎn) ND221，且第二力丈大器220的NMOS晶體管NT231和NMOS晶體 管NT221的柵極共同連接至節(jié)點(diǎn)ND222。
在具有上述配置的第二放大器220中，PMOS晶體管PT231 和PT232以及NMOS晶體管NT221構(gòu)電流源。PMOS晶體管PT233 構(gòu)成用于第二》文大器220的^T出電平的4企測(cè)器單元。
接著，將參看圖6的時(shí)序圖來對(duì)本實(shí)施例的比較器200的操作 進(jìn)行描述。在圖6中，作為AZ信號(hào)，僅示出了將提供給第二放大 器220的第二 AZ信號(hào)NSEL。如上所述，第一AZ信號(hào)PSEL獲得 與第二 AZ信號(hào)NSEL互補(bǔ)的電平。即，當(dāng)?shù)诙嗀Z信號(hào)NSEL獲 得高電平時(shí)，第一AZ信號(hào)PSEL獲得低電平，而當(dāng)?shù)诙嗀Z信號(hào) NSEL獲得低電平時(shí)，第一 AZ信號(hào)PSEL獲得高電平。
在比較器200中，在AZ周期期間，以低電平提供第一AZ信 號(hào)PSEL，且以高電平提供第二 AZ信號(hào)NSEL。因此，作為第一放 大器210的AZ開關(guān)的PMOS晶體管PT213和PT214導(dǎo)通。同樣， 作為第二》文大器220的AZ開關(guān)的NMOS晶體管NT222導(dǎo)通。
因此，在ADC組150中，通過使用ADC組150的比較器200 (151)，可以取樣在每列的DC偏移電平、像素重置電平和AZ電 平，以使電荷累積在AZ電平取樣電容器的電容器C211、 S212和 C221中。接著，當(dāng)AZ周期終止時(shí)，將第一 AZ信號(hào)PSEL切換到高電 平并將第二 AZ信號(hào)NSEL切換到低電平。因此，作為第一方文大器 210的AZ開關(guān)的PMOS晶體管PT213和PT214截止。同樣，作為 第二力丈大器220的AZ開關(guān)的NMOS晶體管NT222截止。
因此，^象素重置電平的集成型AD轉(zhuǎn)換(下文中稱為P相)開始。
在此情況下，由于已經(jīng)在第二放大器的電容器C221中累積了 電荷，所以節(jié)點(diǎn)ND222的電位獲得能夠使NMOS晶體管導(dǎo)電的電 平。因此，第二方文大器220的NMOS晶體管NT221和4竟電i 各230 的NMOS晶體管NT231維持在導(dǎo)通狀態(tài)。
在比較器200的第一放大器210中，作為在AZ周期期間在 NMOS晶體管NT211和NT212的柵極側(cè)上累積電荷的取樣電容器 的電容器C211和C212的節(jié)點(diǎn)ND213和ND214處于高阻抗(HiZ )狀態(tài)。
因此，構(gòu)成微分晶體管的NMOS晶體管NT211和NT212的柵
才及豐lr入隨著DAC 161的釗J皮^f言號(hào)RAMP的釗-j皮波形改變而改變， 且斜坡信號(hào)與像素信號(hào)VSL電平之間的比較開始。
在斜坡信號(hào)RAMP與像素信號(hào)相交之后，第一放大器210的輸 出信號(hào)1 stcomp突然改變。
因此，第二放大器220的PMOS晶體管PT221導(dǎo)通，電流II
開始流動(dòng)，且第二》文大器的輸出2ndOUT從低電平(L)變?yōu)楦唠?平(H)。當(dāng)?shù)诙糯笃?20的輸出2ndOUT從低電平(L)變?yōu)楦唠娖?(H)時(shí)，鏡電路230的PMOS晶體管PT233截止且節(jié)點(diǎn)ND231 處的電平從高電平(H)變?yōu)榈碗娖?L),從而鏡電路230的直通 電流12截止(不流動(dòng))。
在斜坡信號(hào)RAMP與像素信號(hào)相交之前，盡管第二》文大器220 的PMOS晶體管PT221與上述情況相反截止并且直通電流Il截止。 然而，第二放大器220的輸出2ndOUT固定為低電平(L)。
因此，鏡電路230的PMOS晶體管PT233導(dǎo)通。因此，節(jié)點(diǎn) ND231獲4尋中間電平，且直通電流12流動(dòng)(圖6的時(shí)序圖中的P 相周期)。
在此情況下，第二》文大器220的NMOS晶體管NT221和4竟電 ^各230的NMOS晶體管NT231形成精確的鏡電路，且直通電流II 和12的^f直與飽和才喿作中相同。
因此，直通電流II和12的和在斜;皮信號(hào)RAMP與〗象素信號(hào)相 交之前和之后是恒定的。
由于每列的比較器200執(zhí)行與P相相同的操作，所以在D相中， 也可以通過才莫擬CDS (圖6的時(shí)序圖中的D相周期)消除kTC噪 音和像素重置噪音。
在第二放大器210的PMOS晶體管PT221與4fe電路230的 PMOS晶體管PT233之間對(duì)應(yīng)于切換延遲差異產(chǎn)生低頻干擾。然而， 由于頻率分量高，所以低頻干擾將導(dǎo)致操作中的比較器自身和相鄰 比較器的故障。低頻干擾引起的模擬電源波動(dòng)可AC耦合RAMP波形和在高阻 抗(HiZ)的比較器200的節(jié)點(diǎn)ND213、 ND214和ND222。然而， 與RAMP波形的耦合與回4罷(swing-return)相關(guān)聯(lián)，/人而刮-i皮波 形的會(huì)聚變快，且圖像拖尾的光量相關(guān)特征有望得到改進(jìn)，盡管圖 像拖尾的峰值改進(jìn)是不確定的。
另夕卜，由于才莫擬電源波形的返回可以消除與具有高阻抗(HiZ) 的節(jié)點(diǎn)ND213、 ND214和ND222耦合所引起的信號(hào)的偏移分量。
圖7是示出了根據(jù)本實(shí)施例的比較器的第二配置的實(shí)例的電路圖。
第二配置的實(shí)例的比較器200A與上述第一配置的實(shí)例的比較 器200的不同點(diǎn)在于去除了連接二極管的PMOS晶體管PT232,使 用NMOS晶體管NT232替代PMOS晶體管PT232作為柵極輸入晶 體管，且NMOS晶體管NT232的柵極不是連接至第二放大器220 的豐t出節(jié)點(diǎn)DN221而是連4妄至第一i文大器210的輸出節(jié)點(diǎn)ND212。
沖艮據(jù)圖7所示的比較器200A，可以去除模擬電源的改變尤其 是第二放大器220的改變。
第二放大器220的PMOS晶體管PT221與鏡電路230A的 NMOS晶體管NT232之間的切換延遲差異變得比圖5所示的比較 器200的差異小，從而可以使得模擬電源的改變比圖5所示的比較 器的改變小。
要求將與第二放大器并聯(lián)的電路的闊值設(shè)定為與第二放大器 220的閾值相同。可以通過調(diào)整MOS晶體管的通道長(zhǎng)度L或其他 方法來i殳置電^各閾值。其他配置與第 一 配置的實(shí)例的配置類似。
同樣在第二配置的實(shí)例中，在斜坡信號(hào)RAMP與像素信號(hào)相交 之后，第一放大器210的輸出信號(hào)lstcomp突然改變。
因此，第二方丈大器220的PMOS晶體管PT221導(dǎo)通，電流II
開始流動(dòng)，且第二放大器的輸出2ndOUT從低電平(L)變?yōu)楦唠?平(H)。
在斜坡信號(hào)RAMP與像素信號(hào)相交之后，幾乎與處于導(dǎo)通狀態(tài) 的第二》丈大器220的PMOS晶體管PT221互補(bǔ)，4竟電3各230A的 NMOS晶體管NT232截止，且節(jié)點(diǎn)ND231處的電平從高電平(H) 變?yōu)榈碗娖?L)，從而鏡電路230A的直通電流I2截止(將不流動(dòng))。
在斜坡信號(hào)RAMP與像素信號(hào)相交之前，與上述情況相反，第 二》文大器220的PMOS晶體管PT221截止，且直通電流II截止， 且第二放大器220的輸出2ndOUT固定為低電平(L )。
在此情況下，在4竟電^各230A中，幾乎與處于截止4犬態(tài)的第二 放大器的PMOS晶體管PT221互補(bǔ)，NMOS晶體管NT232截止。 因此，節(jié)點(diǎn)ND231獲得中間電平，且直通電流I2流動(dòng)。
在此情況下，第二i文大器220的NMOS晶體管NT221和鏡電 路230A的NMOS晶體管NT231形成精確的鏡電路，且直通電流 II和12的^直與々包和才喿作中相同。
因此，直通電流II力口 12的和在斜i皮信號(hào)RAMP與i象素信號(hào)相 交之前和之后是恒定的。
由于每列的比較器200執(zhí)行與P相相同的操作，所以在D相中， 也可以通過模擬CDS來消除kTC p喿音和^f象素重置噪音。由于第二放大器210的PMOS晶體管PT221與鏡電路230A的 NMOS晶體管NT232之間的切換延遲差異比圖5所示的比較器的 差異小，所以降低了產(chǎn)生低頻干擾的可能性。即使產(chǎn)生了低頻干擾，
由于頻率分量高，低頻干擾也不會(huì)導(dǎo)致之前所述的操作中的比較器
自身和相鄰比較器的故障。
低頻干擾引起的模擬電源波動(dòng)可AC耦合RAMP波形和在高阻 :坑(HiZ )的比4交器200的節(jié)點(diǎn)ND213、 ND214和ND222。然而， 與RAMP波形的耦合與回?cái)[相關(guān)聯(lián)，從而斜坡波形的會(huì)聚變快，且 圖像拖尾的光量相關(guān)特征有望得到改進(jìn)，盡管圖像拖尾的峰值改進(jìn) 是不確定的。
另外，由于才莫擬電源波形的返回可以消除與具有高阻抗(HiZ) 的節(jié)點(diǎn)ND213、 ND214和ND222耦合所引起的信號(hào)的偏移分量。
圖8是根據(jù)本實(shí)施例的比較器的第一配置實(shí)例的變型的電路圖。
通過反轉(zhuǎn)圖5所示的比較器200的晶體管的極性來配置圖8所 示的比較器200B。因此，電路圖中的電源電位和地電位倒轉(zhuǎn)。
為了便于理解，在圖8中，由與圖5的符號(hào)相同的參考符號(hào)來 表示節(jié)點(diǎn)和電容器的參考符號(hào)。
在第一放大器210B中，使用PMOS晶體管PT215 ~ PT217替 代NMOS晶體管NT211 ~ NT213來構(gòu)成樣i分比4交器單元和電流源。 用作電流源的PMOS晶體管PT217的源才及連4妄至電源電位VDD。使用NMOS晶體管NT214和NT215替代圖5所示的PMOS 晶體管PT211和PT212來構(gòu)成電流鏡電路，且NMOS晶體管NT214 和NT215的源才及連4妄至地電位GND。
使用NMOS晶體管NT216和NT217替代圖5所示的PMOS 晶體管PT213和PT212來構(gòu)成AZ開關(guān)。在此情況下，在第一》文大 器210B中，將第二 AZ信號(hào)NSEL提供給NMOS晶體管NT216和 NT217的柵極。
在第二放大器220B中，使用NMOS晶體管NT223替代圖5 所示的PMOS晶體管PT221來構(gòu)成輸入和電流源電路。NMOS晶 體管NT223的源極連接至地電位GND。
使用PMOS晶體管PT222替代圖5所示的NMOS晶體管 NT221來構(gòu)成4竟電3各。PMOS晶體管PT222的源才及連4妄至電源電位 VDD。電容器C221的第一電極連接至節(jié)點(diǎn)ND222,節(jié)點(diǎn)ND222 連接至PMOS晶體管PT222的柵極，且其第二電極連接至電源電 位VDD。
使用PMOS晶體管PT223替代圖5所示的NMOS晶體管 NT222來構(gòu)成AZ開關(guān)。在此情況下，在第二力文大器220B中，將 第一 AZ信號(hào)PSEL提供給PMOS晶體管PT223的柵極。
在鏡電路230B中，使用NMOS晶體管NT233 ~ NT235替代圖 5所示的PMOS晶體管PT231 ~ PT233來構(gòu)成電流源和柵極輸入晶 體管。NMOS晶體管NT233的源才及連4妄至地電位GND。
使用PMOS晶體管PT234替代圖5所示的NMOS晶體管 NT231來構(gòu)成4竟電^各。PMOS晶體管PT234的源4及連"l妄至電源電位 VDD。具有上述配置的圖8所示的比較器200B基本上以與圖5所示 的比較器200相似的方式操作，且圖6的時(shí)序圖可以適用而無需任 何改變。
根據(jù)圖8所示的比較器200B，可以獲得與圖5所示的比較器 200類似、的歲丈果。
圖9是根據(jù)本實(shí)施例的比較器的第二配置實(shí)例的變型的電路圖。
通過反轉(zhuǎn)圖5所示的比較器200的晶體管的極性來配置圖9所 示的比較器200C。因此，電3各圖中的電源電位和地電位倒轉(zhuǎn)。
為了便于理解，在圖9中，由與圖5的符號(hào)相同的參考符號(hào)來 表示節(jié)點(diǎn)和電容器的參考符號(hào)。
圖9的比較器200C與圖8的比較器200B的不同點(diǎn)在于在鎮(zhèn); 電路230A中去除了連接二極管的NMOS晶體管NT234，使用 PMOS晶體管PT235替代NMOS晶體管NT235作為4冊(cè)極輸入晶體 管，且PMOS晶體管PT235的柵極不是連接至第二放大器220B的 車lr出節(jié)點(diǎn)DN221而是連4妻至第一》文大器210B的豐t出節(jié)點(diǎn)ND212。
同樣在此情況下，要求將與第二放大器220B并聯(lián)的電路的邏 輯閾值i殳置為與第二i文大器220B的閾^f直相同。
根據(jù)圖9中的比較器200C,可以獲得與圖7的比較器200A類
似的效果。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，固態(tài)成像裝置包括像素單 元110,包4舌以矩陣形狀》文置的用于光電轉(zhuǎn)換的多個(gè)<象素；以及4象 素信號(hào)讀出電路(ADC組)150，用于從像素單元110以行為單位來讀出數(shù)據(jù)。ADC組150與列陣列相對(duì)應(yīng)放置，且具有用于將讀出 信號(hào)電位與參考電壓相比較以產(chǎn)生確定信號(hào)并輸出該確定信號(hào)的 多個(gè)比較器151和用于對(duì)對(duì)應(yīng)比較器的比較時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)的多個(gè)計(jì) 數(shù)器152。比較器151包括串聯(lián)連接的第一放大器210和第二放大 器220以及與第二放大器220并聯(lián)連接的鏡電路230,向鏡電^各施 加通過AZ (初始化)并在行操作開始時(shí)進(jìn)行取樣以確定每列的操 作點(diǎn)所獲得的電壓作為其柵極輸入。檢測(cè)第二放大器的輸出電平以 控制鏡電路230，從而抑制了模擬電源改變，或?qū)⒌谝环糯笃?10 的輸出用作并聯(lián)鏡電路230A的柵極輸入，并調(diào)整鏡電路的邏輯閾 值以控制鏡電路并抑制模擬電源改變。因此，可以獲得以下效果。
即，只于于AZ，鏡電-各在P和D相的RAMP波形與4象素4言號(hào)相 交之后截止，而在P/D相的RAMP波形與^象素^[言號(hào)相交之前導(dǎo)通。 因此，比較器的穩(wěn)定電流是恒定的而不取決于亮/暗。
因此，可以通過提供恒定電流來減少模擬電源波動(dòng)、減少波動(dòng) 引起的固定/隨機(jī)垂直線并改進(jìn)圖像拖尾。
對(duì)應(yīng)于第二放大器和鏡電路的柵極輸入晶體管(例如，圖5的 PMOS晶體管PT221和PT233)之間的切換延遲差異產(chǎn)生的低頻干 擾所引起的模擬電源波動(dòng)可以將RAMP波形與具有高阻抗(HiZ) 的比較器200的節(jié)點(diǎn)ND213、 ND214和ND222進(jìn)行AC耦合。然 而，與RAMP波形耦合與擺動(dòng)返回相關(guān)聯(lián)，從而斜坡波形的會(huì)聚變 快，且圖像拖尾的光量相關(guān)特征有望得到改進(jìn)，盡管圖像拖尾的峰 值改進(jìn)是不確定的。
另外，由于才莫擬電源波形的返回可以消除與具有高阻抗HiZ的 節(jié)點(diǎn)ND213、 ND214和ND222耦合所引起的信號(hào)的偏移分量?？梢詫⒕哂猩鲜鲂Ч墓虘B(tài)成^f象裝置應(yīng)用到用于lt碼照相枳J 和攝《象才幾的成〗象裝置。
圖10是示出了應(yīng)用本實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的相機(jī)系統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)實(shí)例的示圖。
如圖IO所示，相機(jī)系統(tǒng)300包括能夠采用本實(shí)施例的固態(tài)成 像裝置100的成像裝置310、用于將入射光導(dǎo)向(形成對(duì)象的圖像) 成像裝置310的像素區(qū)域的光學(xué)系統(tǒng)(例如，用于累積入射光(圖 像光)的透鏡320 )、用于驅(qū)動(dòng)成像裝置310的驅(qū)動(dòng)電路(DRV ) 330 和用于處理來自成像裝置310的輸出信號(hào)的信號(hào)處理電路(PRC ) 330。
驅(qū)動(dòng)電路包括用于產(chǎn)生包括用于驅(qū)動(dòng)成像裝置310中的電路的 起動(dòng)脈沖和時(shí)鐘脈沖的各種定時(shí)信號(hào)的定時(shí)生成器(未圖示)，并 且通過^f吏用預(yù)定定時(shí)信號(hào)來驅(qū)動(dòng)圖l象裝置310。
信號(hào)處理電路340對(duì)成像裝置的輸出信號(hào)執(zhí)行預(yù)定信號(hào)處理。
將信號(hào)處理電路340處理的圖像信號(hào)記錄在諸如存儲(chǔ)器的記錄 介質(zhì)中。用打印機(jī)等硬拷貝記錄在記錄介質(zhì)中的圖像信息。將信號(hào) 處理電路340處理的圖〗象信號(hào)作為運(yùn)動(dòng)圖^象顯示在諸如液晶顯示器 的監(jiān)視器上。
如上所述，在諸如凄史碼照相才幾的成<象裝置中，安裝了固態(tài)成j象 裝置IOO作為成像裝置以實(shí)現(xiàn)高精度照相機(jī)。
盡管本文已示出并描述了本發(fā)明的某些實(shí)施例，^f旦是應(yīng)理解可 以在不偏離本發(fā)明的精神或范圍的情況下進(jìn)行多種改變和修改。
權(quán)利要求
1. 一種固態(tài)成像裝置，包括像素單元，包括以矩陣形狀排列的多個(gè)像素，其中，每個(gè)像素被配置為執(zhí)行光電轉(zhuǎn)換；以及像素信號(hào)讀出電路，用于以多個(gè)像素為單位，從所述像素單元中讀出像素信號(hào)，其中所述像素信號(hào)讀出電路包括被放置成對(duì)應(yīng)于像素的列陣列的多個(gè)比較器，每個(gè)所述比較器被配置為將讀出信號(hào)電位與參考電壓進(jìn)行比較，以生成確定信號(hào)并輸出所述確定信號(hào)；以及多個(gè)計(jì)數(shù)器，其操作受所述比較器的輸出控制，每個(gè)所述計(jì)數(shù)器被配置為對(duì)所述多個(gè)比較器中的對(duì)應(yīng)一個(gè)的比較時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，其中，每個(gè)所述比較器均包括第一放大器、用于以增大的增益輸出所述第一放大器的輸出的第二放大器和用以形成與所述第二放大器并聯(lián)的電流鏡的鏡電路，所述第一放大器包括微分晶體管，用于通過在一個(gè)晶體管的柵極處接收所述參考電壓而在另一個(gè)晶體管的柵極處接收所述讀出信號(hào)電位，在所述參考電壓與所述讀出信號(hào)電位之間執(zhí)行比較操作，初始化開關(guān)，連接在所述微分晶體管的柵極與集電極之間，用于確定每列在行操作開始時(shí)的操作點(diǎn)，以及第一和第二電容器，連接至所述微分晶體管的柵極中的每一個(gè)，用于在初始化時(shí)進(jìn)行取樣，所述第二放大器包括用于確定每列在列操作開始時(shí)的操作點(diǎn)的初始化開關(guān)和用于在初始化時(shí)進(jìn)行取樣的第三電容器，以及所述鏡電路包括柵極輸入有通過所述第一放大器取樣的電壓或通過所述第二放大器取樣的電壓的柵極輸入晶體管。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中所述第二放大器包括第一導(dǎo)電型晶體管，其柵極輸入 有所述第一放大器的輸出；第二導(dǎo)電型晶體管，與所述第一導(dǎo) 電型晶體管并聯(lián)連接并用于形成鏡電路，所述初始化開關(guān)置于 其柵極與漏極之間，且其柵極連接至所述第三電容器；以及輸 出節(jié)點(diǎn)，形成在所述第 一導(dǎo)電型晶體管與所述第二導(dǎo)電型晶體 管的連接點(diǎn)處；所述鏡電路包括與所述柵極輸入晶體管串連連接的第 二導(dǎo)電型晶體管，其柵極與所述第二導(dǎo)電型晶體管的柵極一樣 連接至所述第三電容器；以及其中，所述柵極輸入晶體管的柵極連接至所述第二放大 器的所述輸出節(jié)點(diǎn)且所述柵極輸入晶體管由第 一導(dǎo)電型晶體 管組成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的固態(tài)成像裝置，其中所述參考電壓具有含梯度并線性改變的傾斜波形；所述第一放大器向所述第二放大器輸出一比較輸出，所 述比較輸出具有使所述第二放大器的所述第一導(dǎo)電型晶體管在所述讀出信號(hào)與所述參考電壓的所述傾斜波形相交之前導(dǎo)通而在相交之后截止的電平；以及在所述鏡電路中，所述柵極輸入晶體管在所述讀出信號(hào) 與所述參考電壓的所述傾斜波形相交之前導(dǎo)通，而在相交之后 截止。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中所述第二方文大器包括第一導(dǎo)電型柵極輸入晶體管，其柵極輸入有所述第一 ;故大器的輸出；以及第二導(dǎo)電型晶體管，與所述第一導(dǎo)電型晶體管串連連 接，用于形成鏡電路，所述初始化開關(guān)置于其柵極與漏極之間， 且其柵極連接至所述第三電容器；輸出節(jié)點(diǎn)形成在所述第 一導(dǎo)電型晶體管與所述第二導(dǎo) 電型晶體管之間的連接點(diǎn)處；所述4竟電^各包4舌與所述柵極輸入晶體管串連連接的第二導(dǎo)電型晶體 管，其柵極與所述第二導(dǎo)電型晶體管的柵極一樣連接至所述第 三電容器；以及其中，所述柵4及輸入晶體管的棚"級(jí)連4妾至所述第一》文 大器的輸出節(jié)點(diǎn)，且所述4冊(cè)極輸入晶體管由導(dǎo)電類型與所述第 二放大器的所述第 一導(dǎo)電型柵極輸入晶體管相反的第二導(dǎo)電 型晶體管組成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的固態(tài)成像裝置，其中所述參考電壓具有含梯度并線性改變的傾斜波形；所述第一放大器向所述第二放大器輸出一比較輸出，所 述比較輸出具有使所述第二放大器的所述第一導(dǎo)電型柵極輸 入晶體管在所述讀出信號(hào)與所述參考電壓的所述傾斜波形相交之前導(dǎo)通而在相交之后截止的電平；以及在所述鏡電路中，所述柵極輸入晶體管在所述讀出信號(hào) 與所述參考電壓的所述傾斜波形相交之前導(dǎo)通，而在相交之后 截止。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的固態(tài)成像裝置，其中，在調(diào)整所述鏡電 路的邏輯閾值之后控制所述鏡電路。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的固態(tài)成像裝置，其中，在調(diào)整所述鏡電 ^各的邏輯閾值之后控制所述4竟電^各。
8. —種相才幾系統(tǒng)，包4舌固態(tài)成l象裝置；以及光學(xué)系統(tǒng)，用于在所述固態(tài)成像裝置上形成對(duì)象的圖像，其中，所述固態(tài)成像裝置包括像素單元，包括以矩陣形狀排列的多個(gè)像素，其中， 每個(gè)像素被配置為執(zhí)行光電轉(zhuǎn)換；以及〃像素信號(hào)讀出電^各，用于以多個(gè)4象素為單位，從所述 像素單元中讀出像素信號(hào)，其中所述像素信號(hào)讀出電路包括被放置成對(duì)應(yīng)于像素的列陣列的多個(gè)比較器，每個(gè) 所述比較器被配置為將讀出信號(hào)電位與參考電壓進(jìn)行比較，以 生成確定信號(hào)并輸出所述確定信號(hào)；以及多個(gè)計(jì)數(shù)器，其操作受所述比較器的輸出控制，每 個(gè)所述計(jì)凄史器#1配置為對(duì)所述多個(gè)比4交器中的對(duì)應(yīng)一個(gè)的比 較時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，其中，每個(gè)所述比較器均包括第一放大器、用于以 增大的增益輸出所述第一放大器的輸出的第二放大器和用以 形成與所述第二放大器并聯(lián)的電流鏡的鏡電路，所述第一放大器包括孩丈分晶體管，用于通過在 一 個(gè)晶體管的柵極處接收 所述參考電壓而在另一個(gè)晶體管的柵極處接收所述讀出信號(hào) 電位，在所述參考電壓與所述讀出信號(hào)電位之間執(zhí)行比較操 作，初始化開關(guān)，連接在所述微分晶體管的柵極與集電 極之間，用于確定每列在行操作開始時(shí)的操作點(diǎn)，以及第一和第二電容器，連接至所述微分晶體管的所述 柵極中的每一個(gè)，用于在初始化時(shí)進(jìn)行取樣，所述第二放大器包括用于確定每列在列操作開始時(shí) 的操作點(diǎn)的初始化開關(guān)和用于在初始化時(shí)進(jìn)行取樣的第三電容器5 以及所述鏡電路包括柵極輸入有通過所述第 一放大器取 樣的電壓或通過所述第二放大器取樣的電壓的柵極輸入晶體f。
全文摘要
本發(fā)明揭露了一種固態(tài)成像裝置和相機(jī)系統(tǒng)。固態(tài)成像裝置包括像素單元和像素信號(hào)讀出電路。像素信號(hào)讀出電路包括被放置成對(duì)應(yīng)于像素的列陣列的多個(gè)比較器和多個(gè)計(jì)數(shù)器。每個(gè)比較器均包括第一放大器、第二放大器和用以形成與第二放大器并聯(lián)的電流鏡的鏡電路。第一放大器包括微分晶體管、連接在微分晶體管的柵極與集電極之間的初始化開關(guān)以及連接至每個(gè)微分晶體管的柵極的第一和第二電容器。第二放大器包括初始化開關(guān)和第三電容器。鏡電路包括柵極輸入有通過第一放大器取樣的電壓或通過第二放大器取樣的電壓的柵極輸出晶體管。
文檔編號(hào)H01L27/146GK101437119SQ200810181468
公開日2009年5月20日 申請(qǐng)日期2008年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月15日
發(fā)明者田中憲一 申請(qǐng)人:索尼株式會(huì)社