CN100356772C - 固体摄像装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种固体摄像装置，具有：多个象素，每个象素包括光电转换元件和接受来自该光电转换元件的信号、对其进行放大并输出的信号放大元件；信号放大器，具有接受来自所述信号放大元件的信号的第一输入端子，和输入基准电压的第二输入端子；以及，基准电源，用于将所述基准电压提供给所述信号放大器的第二输入端子。其中所述基准电源包含与所述信号放大元件等效的电路结构。

Description

固体摄像装置

发明领域

本发明涉及固定摄像装置及其驱动方法，特别是涉及在象素部内设置源极跟随器放大器的放大型固体摄像装置及其驱动方法。

背景技术

图13是已有的固体摄像装置的模式图，是以4象素的线性传感器(linear sensor)为例进行说明的图。1(1-1～1-4)是光电二极管等光电转换元件，2(2-1～2-4)是复位(reset)MOS晶体管，3(3-1～3-4)是源极跟随器的输入MOS晶体管，4(4-1～4-4)是源极跟随器的恒流源，输入MOS晶体管3(3-1～3-4)和源极跟随器的恒流源4(4-1～4-4)分别相组合，形成了源极跟随器放大器5(5-1～5-4)。在图13中，作为一个例子，显示了使用PMOS的源极跟随器放大器。6(6-1～6-4)是第一信号传输晶体管、7(7-1～7-4)是保持电容(以下，将其电容值设定为Ct)、8是扫描电路、9(9-1～9-4)是由来自扫描电路的信号所驱动的第二信号传输晶体管、10是第二信号传输晶体管9的一端共同连接的公共输出线，11是用于形成输出放大器的运算放大器、公共输出线10连接于运算放大器11的一个输入端子上。12是连接于运算放大器11的另一个输入端子上的基准电压源、13是放大器的反馈电容(以下将其电容值设定为Cf)、14是用于使运算放大器11成为缓冲(buffer)状态的开关。15是用于通过复位MOS晶体管2而使光电转换元件1的一端复位的复位电源。16是运算放大器11的输出端子。作为这种电路结构的固体摄像装置的一个例子，例如是在专利文献1等中予以公开。

图14中显示了用于说明本电路操作的工作时序图。使用该图对本电路的操作进行简单说明。

在该图中，PRES是输入到复位MOS晶体管2的栅极的复位脉冲，PT是输入到第一信号传输晶体管6的栅极的传输脉冲、PSR1～PSR4是为了驱动第二信号传输晶体管9而从扫描电路8顺序输出的扫描脉冲、PRES2是输入到开关14的脉冲。

首先，利用复位脉冲PRES而使得复位MOS晶体管2为导通，将光电转换元件1复位为由复位电压15所决定的电压。在复位晶体管2截止后，光电转换元件14在光信号的积蓄操作中，按照加入的入射光量来产生信号电荷。所产生的信号电荷，尽管图1中没有显示，但是，通过在连接光电转换元件1和输入MOS晶体管3的部分上存在的电容而被转换为信号电压。电容一般与光电二极管的结电容、复位MOS晶体管的漏极结电容、输入MOS晶体管的栅极电容、布线间电容等相当。并且，还存在希望附加电容元件的情况。在积蓄时间结束后，上述信号电压由源极跟随器放大器5来放大，放大后的信号通过PT使第一传输晶体管6导通后被读出到保持电容7上。这里，将在保持电容7上读出的信号电压设为Vct。接下来，将PRES2设定为导通。通过导通，使得运算放大器11变为缓冲放大器，公共输出线10被复位为由基准电压源12所决定的电压。这里，设其电压为Vref1。接下来，如果通过扫描脉冲PSR1而使第二传输晶体管9-1变为导通，则在保持电容7-1内积蓄的信号被读出到公共输出线10上。根据读出的信号，在运算放大器11的输出端输出下式所表示的电压。

Vout＝-(Ct/Cf)·(Vct-Vref1)+Vref1

Vout是扫描脉冲PSR1接通期间，运算放大器11的输出端电压。

以下，如图14所示，顺序使扫描脉冲PSR2～PSR4和PRES2导通，从而连续读出4象素线性传感器的信号。在这种电路结构的情况下，由于放大部的反馈电容13和信号保持电容7的电容比决定了增益，因此，改变扫描电路8的驱动方法，例如通过同时读出来自两个保持电容的信号，就能够使增益加倍地执行读出。

图15中显示了模式性地表示上述运算放大器11的输入电压和输出电压的关系。如果设纵轴为运算放大器的输入电压(Vct)或运算放大器的输出电压(Vout)、横轴为电容Ct和电容Cf的大小，则如该图所示，模式性地表示出针对某个Vct所得到的Vout是以Vref1为支点的上下运动的方式。上下运动的长度比相当于Ct与Cf的比。图15为了容易地进行说明，假定传感器在暗状态时为Vct＝Vref1。此时，在图13的正极连接在源极跟随器的输入端子上的光电转换元件的情况下，按照受光光量，光电二极管的端电压从接地一端上升到电源一端。结果，保持电容Ct上读出的信号变为比暗状态的电压(Vref1)还要高的电压。其结果，放大器的输出在暗状态时为Vref1，而在受光时成为比Vref1低的电压(例如，特开2002-330258号)。

在图13中显示的源极跟随器电路5的情况下，输入MOS晶体管3的栅极变为输入端子，源极变为输出端子。在输入端电压和输出端电压间，产生了由输入MOS晶体管3的阈值电压、迁移率(mobility)、栅极长、栅极宽等决定的偏移电压。MOS晶体管的阈值电压、迁移率、栅极长、栅极宽是随着制造工艺的条件变动而变化的，该偏移电压也会按照制造工艺的变动而发生相应的变动。如果偏移电压从当初的设定值开始变化，则保持电容7上的电压也会偏移开设定值。在图16的模式图中显示了这种情况。在图16中，为了便于说明，假定了下述这样的电容比、电压。

电容比(C1/Cf)＝1.5

暗时电压(变动前)＝1V

基准电压＝1V

如果考虑上述条件，则Vout＝-1.5×(1-1)+1＝1V，如果保持电容Ct上的电压从1V偏移到1.2V，则Vout＝-1.5×(1.2-1)+1＝0.7V，在放大器的输出中会产生-0.3V的变动。假定，光照射时的Ct上的电压为1.6V，则变为Vout＝0.1V，如果暗时电压如上所述偏移0.2V，则光照射时的Ct上的电压也平行移动1.8V，结果，变为Vout＜0V。由此，速率被限制(日文：律速されて)到接地电压或放大器输出的可输出下限值，从而不能得到正常的输出。作为结果，存在饱和电压下降、信号的线性受损的问题。而且，作为在Ct上的电压偏移到接地端一侧的情况下，暗时电压为Vout，速率被限制到接地电压或放大器输出的可输出下限值，从而不能得到正常的输出的结果，存在信号的线性受损的问题。

发明内容

本发明的目的是以得到高画质图像为目的。

为了实现上述目的，作为一个实施例，提供了这样一种固定摄像装置，具有：多个象素，每个象素包括光电转换元件和接受来自于该光电转换元件的信号，并对其进行放大、输出的信号放大元件；信号放大器，具有接受来自所述信号放大元件的信号的第一输入端子，和输入基准电压的第二输入端子；以及基准电源，将所述基准电压提供给所述信号放大器的第二输入端子；其中所述基准电压含有与所述信号放大元件等效的电路结构。

作为一个实施例，提供了这样一种固定摄像装置，具有：多个象素，每个象素包括光电转换元件和接收来自该光电转换元件的信号的第一源极跟随器放大器；运算放大器，具有接受从该第一源极跟随器放大器输出的信号的输入端子，和输入基准电压的第二输入端子；以及，第一基准电源，将所述基准电压提供给所述运算放大器的第二输入端子；其中所述第一源极跟随器放大器具有一个导电型输入晶体管和负载元件；所述第一基准电源包含一个第二源极跟随器放大器，它具有与所述第一源极跟随器放大器的输入晶体管的导电类型相同的导电型输入晶体管以及负载元件。

作为一个实施例，提供了这样一种固定摄像装置，具有：光电转换元件；第一源极跟随器放大器，接收来自该光电转换元件的信号；第一保持电容，通过第一传输晶体管接受从该第一源极跟随器放大器输出的信号；第二源极跟随器放大器，其输入端子连接在所述第一保持电容上；第二保持电容，通过第二传输晶体管接受从该第二源极跟随器放大器输出的信号；第三保持电容，通过第三传输晶体管接受从该第二源极跟随器放大器输出的信号；第一运算放大器，具有接受所述第二保持电容上所保持的信号的第一输入端子和输入基准电压的第二输入端子；第二运算放大器，具有接受所述第三保持电容上所保持的信号的第三输入端子和输入基准电压的第四输入端子；以及，第一基准电源，连接在所述第一和第二运算放大器的第二输入端子和第四输入端子上；其中所述第一和第二源极跟随器放大器均具有一个导电型输入晶体管和负载元件，所述第一基准电源包含一个第三源极跟随器放大器，该第三源极跟随器放大器具有与所述第一和第二源极跟随器放大器二者的输入晶体管的导电类型相同的导电型输入晶体管和负载元件，所述第一基准电源包括接收所述第三源极跟随器放大器的输出作为输入的增益放大器。

作为一个实施例，提供了这样一种固体摄像装置，具有：光电转换元件；第一源极跟随器放大器，接收来自该光电转换元件的信号；第一保持电容，通过第一传输晶体管接受从该第一源极跟随器放大器输出的信号；第二源极跟随器放大器，其输入端子连接在所述第一保持电容上；第二保持电容，通过第二传输晶体管接受从该第二源极跟随器放大器输出的信号；第三保持电容，通过第三传输晶体管接受从该第二源极跟随器放大器输出的信号；第一运算放大器，具有接受所述第二保持电容上所保持的信号的第一输入端子和输入基准电压的第二输入端子；第二运算放大器，具有接受所述第三保持电容上所保持的信号的第三输入端子和输入基准电压的第四输入端子；以及，第一基准电源，连接在所述第一和第二运算放大器的第二输入端子和第四输入端子上；其中所述第一和第二源极跟随器放大器均具有一个导电型输入晶体管和负载元件，所述第一基准电源包含一个第三源极跟随器放大器，该第三源极跟随器放大器具有与所述第一和第二源极跟随器放大器二者的输入晶体管的导电类型相同的导电型输入晶体管和负载元件，所述第一基准电源还包括与所述第三源极跟随器放大器相连接的第四源极跟随器放大器。

本发明的其他目的、特征能够通过以下的明细书以及附图而变得更加清楚。

附图说明

图1是显示本发明第1实施例的固体摄像装置的电路结构图。

图2是说明本发明第1实施例的固体摄像装置的工作点的模式说明图。

图3是显示本发明第2实施例的固体摄像装置的电路结构图。

图4是显示本发明第3实施例的固体摄像装置的电路结构图。

图5是显示本发明第4实施例的固体摄像装置的电路结构图。

图6是显示本发明第5实施例的固体摄像装置的电路结构图。

图7是显示本发明第6实施例的固体摄像装置的电路结构图。

图8是显示本发明第7实施例的固体摄像装置的电路结构图。

图9是图8的固体摄像装置的时序图。

图10是显示本发明第8实施例的固体摄像装置的电路结构图。

图11是显示本发明第9实施例的固体摄像装置的电路结构图。

图12是显示本发明第10实施例的固体摄像装置的电路结构图。

图13图示了已有的固体摄像装置的电路的一个例子。

图14是图13的固体摄像装置的时序图。

图15是说明已有的固体摄像装置的工作点的模式说明图。

图16是说明已有的固体摄像装置的缺点的模式说明图。

具体实施方式

以下，将利用附图，就本发明的实施例进行详细说明。

第1实施例

图1是显示本发明第1实施例的模式图。与图13相同的部件被赋予相同的编号，并省略其详细说明。

在图1中，501是与源极跟随器放大器5相同结构的第二源极跟随器放大器，502是第二基准电压源，503是增益放大器；代替图13的基准电压源12，而设置了第二源极跟随器放大器501、第二基准电压源502、增益放大器503。

在增益放大器503的输入端输入了在由第二基准电压源502设置的电压上添加了第二源极跟随器电路501中产生的偏移电压后的电压。第二源极跟随器电路501中产生的偏移电压用于调整MOS晶体管的大小以使第二源极跟随器电路501中产生的偏移电压与源极跟随器电路5产生的偏移电压基本相同。例如，通过使用具有与源极跟随器电路5相同的栅极长、栅极宽的MOS晶体管，并使之流过相同的电流以使用，能够实现上述条件。即便栅极长或栅极宽度不同，也能通过使用按照其差来调节流过的电流量的MOS晶体管，来实现具有与源极跟随器电路5相同程度的偏移电压的第二源极跟随器电路501。增益放大器503具有用下式(1)所表示的输入输出特性。

$\mathrm{Vref}1=\frac{\mathrm{Ct}/\mathrm{Cf}}{1+\mathrm{Ct}/\mathrm{Cf}}\×(\mathrm{Vin}-\mathrm{Vref}2)+\mathrm{Vref}2=\frac{\mathrm{Ct}}{\mathrm{Ct}+\mathrm{Cf}}\mathrm{Vin}+\frac{\mathrm{Cf}}{\mathrm{Ct}+\mathrm{Cf}}\mathrm{Vref}2---\left(1\right)$

这里，Vin是第二源极跟随器501的输出电压，即，增益放大器503的输入电压。Vref1是增益放大器503的输出电压，增益放大器11的基准电压。Vref2是增益放大器503具有的基准电压。

如前所述，源极跟随器电路的偏移电压是随着制造工艺条件的变动而变化的，但是，本实施例通过根据其变化量来改变运算放大器11的基准电压，使放大器输出中没有电压变动，传感器的饱和电压降低，从而不会产生线性受损的缺陷。这里，所述的运算放大器11的基准电压是指在与已有例子中的基准电压源12连接的端子电压。

将上式(1)代入已有例子中说明过的输出放大器的输入输出特性，则得到以下式子。

$\mathrm{Vout}=-\frac{\mathrm{Ct}}{\mathrm{Cf}}\mathrm{Vct}+\frac{\mathrm{Ct}+\mathrm{Cf}}{\mathrm{Cf}}(\frac{\mathrm{Ct}}{\mathrm{Ct}+\mathrm{Cf}}\mathrm{Vin}+\frac{\mathrm{Cf}}{\mathrm{Ct}+\mathrm{Cf}}\mathrm{Vref}2)=-\frac{\mathrm{Ct}}{\mathrm{Cf}}(\mathrm{Vct}-\mathrm{Vin})+\mathrm{Vref}2---\left(2\right)$

信号放大器的增益Ga是上述算式(2)中的-Ct/Cf。由此，变为Ga/(Ga-1)＝(Ct/Cf)/(1+Ct/Cf)，这相当于上述算式1中的增益放大器503的增益。这也与后述的实施例2～4相同。

从上式可以看出，即便制造工艺变动，但通过以Vct和Vin的变化量基本相同的方式来选择源极跟随电路5和501的晶体管大小，即便Vct和Vin的值变化，Vout也不变动。

使用图2来更详细地说明本电路的操作。为了便于说明，假定如下所述的某个电容比、电压。

电容比(Ct/Cf)＝1.5

保持电容Ct上的电压＝1V

第二源极跟随器501的输出电压＝1V

Vref＝1V

选择第二基准电压源所设定的电压，以使第二源极跟随器501的输出电压变为上述电压。此时，根据上式，运算放大器11的基准电压变为：

(1.5/(1+1.5))×(1-1)+1＝1V。

这里，如果由于制造工艺条件的变动等，而使源极跟随器5和第二源极跟随器501中产生的偏移电压发生了0.2V变化，则

保持电容Ct上的电压＝1.2V

增益放大器的输入电压＝1.2V。这样，利用上式，变为

(1.5/(1+1.5))×(1.2-1)+1＝1.12V。由于该电压变为运算放大器11的基准电压，运算放大器11的输出电压变为

Vout＝-1.5×(1.2-1.12)+1.12＝1V。如上所述，设对信号进行放大的放大器的增益为-Ct/Cf时，具有源极跟随器电路501作为电压源，所述源极跟随器电路501指示的偏移电压变化与信号读出用的源极跟随电路5的偏移电压变化基本相同，的通过对该偏移电压的变化量乘以(Ct/Cf)/(1+(Ct/Cf))倍，来移动运算放大器11的基准电压，即便依制造工艺而改变了源极跟随器电路的偏移电压，也能够充分抑制运算放大器11的输出电压变动，作为结果，即便制造工艺条件有变动，也能够实现具有稳定的饱和电压、信号线性的固定摄像装置。

第2实施例

图3是显示了本发明的第2实施例的模式图。与图13、图1相同的部件被赋予相同的编号。在图3中，701是源极跟随器的输入MOS晶体管、702是电阻元件、输入MOS晶体管701和电阻元件702组合形成电阻负载型的源极跟随器放大器703。如果设输入MOS晶体管701的ON电阻值为Ron，设电阻元件702的电阻值为R，则源极跟随器放大器703的增益变为R/(Ron+R)。通过选择输入MOS晶体管701的大小以及电阻元件702的电阻值，以使R/(Ron+R)＝(Ct/Cf)/(1+(Ct/Cf))，在本实施例中，也能得到与实施例1相同的效果。

在本实施例中，与实施例1相比，由于能用较少的元件数得到相同的效果，因此，能够实现更小型的低成本的固体摄像装置。

在将本实施例应用于源极跟随器电路5为电阻负载型源极跟随器的情况下，如上所述，由于上述电阻负载型源极跟随器具有由MOS晶体管的ON电阻和电阻元件的电阻值之比决定的1或小于1的增益，因此，在设源极跟随器电路5的增益为Gsf时，通过选择输入MOS晶体管701的大小以及电阻元件702的电阻值，使R/(Ron+R)＝Gsf×{(Ct/Cf)/(1+(Ct/Cf))}，能够得到同样的效果。

第3实施例

图4是显示本发明第3实施例的模式说明图。与图13、图1相同的部件被赋予相同的编号。在图4中，801是源极跟随器的输入MOS晶体管，802是负载MOS晶体管、输入MOS晶体管801和负载MOS晶体管802组合形成了MOS负载型源极跟随器放大器803。如果设输入MOS晶体管801的ON电阻值为Ron1，设负载MOS晶体管802的ON电阻值为Ron2，则源极跟随器的增益变为Ron2/(Ron1+Ron2)。通过选择输入MOS晶体管801的大小以及负载MOS晶体管802的大小使Ron2/(Ron1+Ron2)＝Ct/(Ct+Cf)，而得到了与实施例1相同的效果。一般地，由于使用MOS晶体管的电阻能用比使用半导体扩散层的电阻元件小的占有面积来实现相同的电阻值，因此，能够实现更小型的固体摄像装置。

第4实施例

图5是显示本发明第4实施例的模式说明图。与图13、图1相同的部件被赋予相同的编号。在图5中，901、902是第二、第三运算放大器，903-906是电阻元件。由运算放大器901和电阻元件903、904构成了第一反向放大器。由运算放大器902和电阻元件905、906构成了第二反向放大器。907是反向放大器的基准电压源，908是第二反向放大器的基准电压源。在该图中，如果设电阻元件903-906的电阻值分别为R1-R4、设基准电压源907、908的基准电压分别为Vref3、Vref4，设第一反向放大器的输入为Vin，设第二反向放大器的输出为Vout，则其输入输出特性变为下式。

$\mathrm{Vout}=-\frac{R4}{R3}\{-\frac{R2}{R1}(\mathrm{Vin}-\mathrm{Vref}2)+\mathrm{Vref}2-\mathrm{Vref}3\}+\mathrm{Vref}3$

$=\frac{R2\·R4}{R1\·R3}\mathrm{Vin}-\frac{R4}{R3}\frac{R1+R2}{R1}\mathrm{Vref}2+\frac{R3+R4}{R3}\mathrm{Vref}3---\left(3\right)$

通过选择电阻元件的值使该电路的增益为(R2·R4)/(R1·R3)＝(Ct/Cf)/(1+(Ct/Cf))，得到了相同的效果。

如果如本实施例所述，使用运算放大器来构成基准电压电路，从上述式子可以看出，由于能够不用电阻元件的电阻值本身而是用电阻值的比来决定其增益，因此，即便在制造工艺有变动，在电阻元件的电阻值的绝对值有变动的情况下，也能够将增益的变动抑制得很小。为此，能够精度优良地对源极跟随器电路的偏移电压变动进行校正。

第5实施例

图6是显示本发明第5实施例的模式说明图。与图13、图1相同的部件被赋予相同的编号。本实施例是以使用运算放大器和电阻元件来构成信号读出用的输出放大器电路的例子。

在该图中，1001是第一运算放大器，1002是第二运算放大器、1003、1004是电阻元件。第一运算放大器1001通过将输出端子连接到输入端子的一端上，充当1倍增益的缓冲器电路。第二运算放大器1002通过使电阻元件1003连接于第一运算放大器1001、第二运算放大器1002之间(由运算放大器1001构成的缓冲放大器的输出经电阻1003而连接到运算放大器1002的一个输入上)、使电阻元件1004连接于第二运算放大器1002的输入输出端子之间，而构成了反向放大器。运算放大器1002的另一个输入端子连接增益放大器503的输出。如果设电阻元件1003、1004的电阻值分别为R5、R6，设运算放大器1002的另一个输入端子的端子电压为Vref，则公共输出线10的电压为Vin、输出端子1005的电压为Vout时的输入输出特性如下式所示：

Vout＝-(R6/R5)·(Vin-Vref)+Vref，信号放大器的增益Ga为-R6/R5。

这里，通过将基准电压源的增益放大器503的增益设为R6/(R5+R6)，从而即便在输出放大器是由运算放大器和电阻元件构成的反向放大器的情况下，也能得到相同的效果。

第6实施例

图7显示了本发明第6实施例的模式说明图。与图13、图1相同的部件被赋予相同的编号。在图7中，1101是具有与复位MOS晶体管2大致相同大小的漏极电容的第二复位MOS晶体管、1102是与光电转换元件1相同的第二光电转换元件。如前所述，通过使复位MOS晶体管2导通，而将光电转换元件1的一端复位为由复位电压源15所确定的电压。但是，详细来说，在光电转换元件1与源极跟随器输入MOS晶体管3的连接部分和复位MOS晶体管2的栅极之间，存在图中未示的耦合电容。该耦合电容主要是由复位MOS晶体管2的栅极·漏极间的重叠电容引起的。由此，复位MOS晶体管2截止时，由于上述耦合电容引起的偏移，在上述连接部分产生了电压变动。该电压变动量随耦合电容与前述的上述连接点上存在的电容之比以及复位脉冲PRES的振幅而变化。

因此，本实施例中，即便在基准电源电路部中，通过在第二基准电压源502和源极跟随器电路501之间，配置第二复位MOS晶体管1101和光电转换元件1102，能够更正确地调整基准电压，其中所述第二复位MOS晶体管1101具有与复位MOS晶体管2大致相同的漏极结电容和栅极·漏极间的重叠电容，所述光电转换元件1102具有与光电转换元件1大致相同的结电容。最好能够利用遮光机构来充分执行遮光。

图7中显示了配置了第二复位MOS晶体管1101和光电转换元件1102两者的例子，但是对于整体电容，在光电转换元件1102中产生的电容小的情况下，也可以省去光电转换元件1102。

在将信号读出到运算放大器11的输入端子上之前的任意定时都可以用作开闭第二复位晶体管的定时。在本实施例中，最好是在水平扫描电路8工作稍前执行开闭。

第7实施例

图8是显示本发明第7实施例的说明图。与图13、图1相同的部件被赋予相同的编号。在该图中，1201(1201-1～1201-4)是向第二保持电容传输的传输MOS晶体管、1202(1202-1～1202-4)是第二保持电容、1203(1203-1～1203-4)、1206、1208是源极跟随器的输入MOS晶体管、1204(1204-1～1204-4)、1207、1209是源极跟随器的恒流源、输入MOS晶体管1203和恒流源1204组合形成了第二源极跟随器放大器1205(1205-1～1205-4)。输入MOS晶体管1206和恒流源1207组合形成了第三源极跟随器放大器1210。输入MOS晶体管1208和恒流源1209组合形成了第四源极跟随器放大器1211。6-11～6-14是用于将暗时信号传送到保持电容7-11～7-14的传输晶体管、6-21～6-24是用于将光信号传送到保持电容7-21～7-24的传输晶体管。1212是差动放大器，503是增益放大器，10-1、10-2是公共输出线，11-1、11-2是运算放大器(AMP)，13-1、13-2是放大器的反馈电容，14-1、14-2是开关。

在图9中显示了本实施例的工作时序图。在该图中，PRES是输入到复位MOS晶体管2的复位脉冲、PTM是输入到传输MOS晶体管1201的传输脉冲、PTN是输入到传输MOS晶体管6-11～6-14的传输脉冲、PTS是输入到传输MOS晶体管6-21～6-24中的传输脉冲。

首先，通过利用复位脉冲PRES而使复位MOS晶体管2导通，从而将光电转换元件1复位到所希望的复位电压。接下来，利用传输脉冲PTM使传输MOS晶体管1201导通，在源极跟随器电路5中对复位后的暗时电压进行放大，并将其写入第二保持电容1202。此后，光电转换元件1根据在光信号的积蓄操作中进入的照射光量来产生电荷。所产生的电荷尽管在图中没有显示，但是，它借助于在连接光电转换元件1和输入MOS晶体管3的部分存在的电容而被转换为电压。由此，光电转换元件1的端电压根据受光量而发生变化。积蓄时间结束后，利用传输脉冲PTN使传输MOS晶体管6-11～6-14导通，根据第二保持电容1202上的电压，而在第二源极跟随器电路1205中，对刚复位完毕的暗时电压进行放大，并输出到保持电容7-11～7-14。接下来，再次利用传输脉冲PTM使传输MOS晶体管1201导通，在源极跟随器电路5中，对根据受光量而变化的光电转换元件1的端电压进行放大，并读出到保持电容1202上。接下来，利用传输脉冲PTS使传输MOS晶体管6-21～6-22导通，根据第二保持电容1202上的电压，而在第二源极跟随器电路1205中，对该光信号电压进行放大，并读出到保持电容7-21～7-24上。接下来，通过使脉冲PRES2导通，而使得运算放大器11-1、11-2为缓冲状态。通过处于缓冲状态，公共输出线10-1、10-2被复位为Vref1。接下来，如果利用扫描脉冲PSR1而使第二传输晶体管9-1导通，则将积蓄在保持电容7-11、7-21上的信号电荷分别读出到公共输出线10-1、10-2上。如在已有例子中所说明过的那样，运算放大器11-1、11-2分别输出与读出的信号电荷相应的信号，利用差动放大器1212而取两个信号的差动而执行输出。以下，通过使扫描脉冲PSR2～PSR4顺序导通，而连续读出信号。

一般来说，光电二极管等光电转换元件在复位时，由于复位后的电位的量子波动而产生复位噪声。在已有例子的这种电路中，通过采用输出刚复位后的信号与在其上重叠了由于光信号的信号的差分的电路结构，从而得到了降低了复位噪声的S/N比良好的信号。

在本实施例中，由于在源极跟随器电路5和第二源极跟随器电路1205这两者中都产生了偏移电压的变动，因此，根据这两方的变化量来改变基准电压源12的基准电压是有效的。为此，设置了第三源极跟随器1210和第四源极跟随器1211，通过将对其中所产生的电压在增益放大器503中施加了所希望的增益后的信号设定为运算放大器11的基准电压，而使放大器的输出中没有电压变动。

在本实施例中，示出了由恒流源负载型的源极跟随器电路形成的基准电源电路，但是并不仅限于此，不用说，如果由电阻负载型、MOS电阻负载型的源极跟随器电路构成，也能得到相同的效果。不用说，即便通过使用运算放大器的形式来构成，也能得到相同的效果。

在本实施例中，在基准电压源部设置了第三源极跟随器1210和第四源极跟随器1211，但并不仅限于此。例如，一般而言，由于同一导电型的MOS晶体管的阈值电压的变动显示了相同的倾向，因此，在源极跟随器电路5和第二源极跟随器电路1205由同一导电型MOS晶体管构成的情况下，将与之相同导电型的一组源极跟随器电路作为基准，以使在其输出上乘以规定的增益，也能够得到相同的效果。

第8实施例

图10是显示本发明第8实施例的模式说明图。与图13、图1相同的部件被赋予相同的编号。在图10中，1401、1402、1405、1406是电阻元件、1403是第二运算放大器、1404是第二基准电压源。由运算放大器11和电阻元件1401、1402构成了第一正向放大器。由运算放大器1403和电阻元件1405、1406构成了第二正向放大器。第一正向放大器的正向输入上连接有公共输出线，反向输入经由电阻元件1402与第二正向放大器的输出连接。第二正向放大器的正向输入上连接有第二源极跟随器电路501的输出，反向输入经由电阻元件1405与第三基准电源1404连接。如果设电阻元件1401、1402、1405、1406的电阻值分别为R1～R4，则第一正向放大器的输入输出特性变为以下这样。

Vout＝((R1+R2)/R2)Vin-(R1/R2)Vref

这里，Vref是第二正向放大器的输出电压。

第二正向放大器的输入输出特性如下所述。

Vref＝((R3+R4)/R4)Vin2-(R3/R4)Vref2

这里，Vin2是第二源极跟随器电路501的输出电压，Vref2是第二基准电源1404的基准电压。整理上式就变为下式：

$\mathrm{Vout}=\frac{R1+R2}{R2}\mathrm{Vin}-\frac{R1}{R2}(\frac{R3+R4}{R4}\mathrm{Vin}2-\frac{R3}{R4}\mathrm{Vref}2)---\left(4\right)$

与前述的实施例相同，

$\mathrm{Vin}\≅\mathrm{Vin}2---\left(5\right)$

在选择第二源极跟随器电路501的晶体管大小时，即便Vin变动，为了抑制Vout的变动，对上式(5)进行微分后，选择满足下式的电阻值R1～R4。

$\frac{\mathrm{dVout}}{\mathrm{dVin}}\≡\frac{R1+R2}{R2}-\frac{R1}{R2}\frac{R3+R4}{R4}\≡0$

$\frac{R3+R4}{R4}=\frac{R1+R2}{R1}---\left(6\right)$

如此，即便在正向放大器的情况下，也可以得到相同的效果。在本实施例中，尽管是以使用基准电压源和运算放大器的正向放大器为例进行的说明，但是并不仅限于此，将经由MOS反向放大器、把具有与第一源极跟随器电路5相同程度的偏移变动的第二源极跟随器电路501的输出乘以满足上式的增益后得到的信号，作为第一正向放大器的基准电压，从而能在更小规模的电路中实现相同的效果。

第9实施例

图11是显示本发明第9实施例的模式说明图。与图13、图1相同的部件被赋予相同的编号。本实施例没有使用第1实施例的增益放大器503，而是直接将源极跟随器电路501的输出作为运算放大器11的基准电压。图13的已有例子的输出放大器的输入输出特性被再次表示为以下式子。

Vout＝-(Ct/Cf)·(Vin-Vref1)+Vref1

在基准电压Vref1为一定值的情况下，对应于Vin变动的Vout变动为：

$\frac{\mathrm{dVout}}{\mathrm{dVin}}=\frac{\mathrm{Ct}}{\mathrm{Cf}}---\left(7\right)$

如本实施例所述，通过将对应于制造工艺的变动的Vin的变动量和Vref1的变动量选择为基本相同，从而能够设定

$\frac{\mathrm{dVout}}{\mathrm{dVin}}=-\frac{\mathrm{Ct}}{\mathrm{Cf}}(\frac{\mathrm{dVin}}{\mathrm{dVin}}-\frac{\mathrm{dVref}1}{\mathrm{dVin}})+\frac{\mathrm{dVref}1}{\mathrm{dVin}}=-\frac{\mathrm{Ct}}{\mathrm{Cf}}(1-1)+1=1---\left(8\right)$

输出放大器相对于原始信号的增益(＝-Ct/Cf)大于1的情况，即便使用本实施例这样的简单的电路，也能够降低由于暗时电压的变动而引起的输出放大器的输出电压变动，得到解决了线号线性度恶化、饱和电压低下的问题。

第10实施例

图12是显示本发明第10实施例的模式说明图。与图12、图1相同的部件被赋予相同的编号。在该图中，1601～1604是电阻元件，1605是电容元件。通过利用电阻元件1603和1604来电阻分配电源电压，从而构成了复位电压源15。通过利用电阻元件1601和1602来电阻分配电源电压，从而构成了第二源极跟随器电路501的第二基准电压源502。构成为：如果利用电阻分配来构成复位电压源，则尽管由于电源电压的变动而引起的光电转换元件的复位电压发生变动、实际上，与上述已有例子相同，产生了保持电容Ct上的暗时电压变动，但是，这样一来，第二基准电压源502也会因为电源电压的变动而联动地变化。通过将把该电压乘以由本实施例构成的规定增益后的信号设定为输出放大器的基准电压，从而即便对于电源电压的变动，也得到相同的效果。

如该图所示，通过连接电容元件1605，并限制该连接点的频率范围，降低了第二基准电压源中产生的随机噪声，能够实现更良好的S/N比的固体摄像装置。

在上述实施例中，任意一个实施例都是以PMOS型源极跟随器电路为例进行的说明，但是并不仅限于此，即便在NMOS型源极跟随器电路中，也能得到相同的效果。在本实施例中，尽管是使用恒流负载型的源极跟随器电路来进行的说明，但是并不仅限于此，不用说，在电阻负载型源极跟随器电路中，也具有相同效果。在上述实施例中，是以4象素的线性传感器为例进行说明的，但是，不用说，不对传感器的象素数、象素配置等进行限制，也可以得到相同的效果。

上述的实施例，是以正极连接在源极跟随器的输入MOS晶体管上的光电二极管为例进行的说明，但是，并不仅限于此，不用说，即便使用连接负极的光电二极管、光晶体管，也能得到相同的效果。

在上述实施例中，是以直接将复位MOS晶体管连接于光电转换元件上的电路结构为例进行的说明，但是并不仅限于此，不用说，在具有在全损耗型(日文：空乏化型)的光电二极管和浮动扩散(floatingdiffusion)单元之间设置了传输开关且在浮动扩散单元上设置了复位晶体管的电路结构的光电转换元件中，本发明的效果也没有得到丝毫损害。

上述实施例的工作时序图中，是以顺序执行信号积蓄操作和从保持电容读出信号的操作的情况为例进行说明的，但并不仅限于此，在执行从保持电容中读出信号的期间中，也可以按照执行积蓄的定时来执行操作，不用说，这种情况下，也可以同样得到本发明的效果。

尽管由切换上述输出放大器的增益而进行使用的情况，但是，不用说，在这种情况下，通过与本发明构成的基准电压源的增益相匹配地执行切换，也可以得到同样的效果。

本发明并不仅限定于上述各实施例，在不脱离本发明主旨的范围内，能够实施各种变形。也可以对在各实施例中公开的结构进行组合(例如，可以将图8的结构与图7所示的实施例等其他实施例的结构组合在一起)。

Claims (15)

1.一种固体摄像装置，具有：

多个象素，每个象素包括光电转换元件和接收来自该光电转换元件的信号的第一源极跟随器放大器；

运算放大器，具有接受从该第一源极跟随器放大器输出的信号的输入端子，和输入基准电压的第二输入端子；以及，

第一基准电源，将所述基准电压提供给所述运算放大器的第二输入端子；

其中所述第一源极跟随器放大器具有一个导电型输入晶体管和负载元件；所述第一基准电源包含一个第二源极跟随器放大器，它具有与所述第一源极跟随器放大器的输入晶体管的导电类型相同的导电型输入晶体管以及负载元件。

2.如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，所述第一基准电源包含一个以所述第二源极跟随器放大器的输出为输入的增益放大器，所述增益放大器的输出连接在所述运算放大器的第二输入端子上。

3.如权利要求2所述的固体摄像装置，其特征在于，所述增益放大器包含运算放大器。

4.如权利要求2所述的固体摄像装置，其特征在于，当所述运算放大器的增益为Ga时，所述增益放大器的增益大致为Ga/(Ga-1)。

5.如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，所述第二源极跟随器放大器的负载单元包括恒流负载、电阻元件或MOS晶体管。

6.如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，所述第二源极跟随器放大器的输入端子与恒压源连接。

7.如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，具有用于复位所述光电转换元件的第一复位晶体管、复位电源和第二基准电源，所述复位电源通过所述第一复位晶体管与所述光电转换元件的一端连接，而所述第二基准电源与所述第二源极跟随器放大器的输入端子连接。

8.如权利要求7所述的固体摄像装置，其特征在于，通过电阻对电源电压进行分压，而形成所述复位电源和第二基准电源。

9.一种固体摄像装置，具有：

光电转换元件；

第一源极跟随器放大器，接收来自该光电转换元件的信号；

第一保持电容，通过第一传输晶体管接受从该第一源极跟随器放大器输出的信号；

第二源极跟随器放大器，其输入端子连接在所述第一保持电容上；

第二保持电容，通过第二传输晶体管接受从该第二源极跟随器放大器输出的信号；

第三保持电容，通过第三传输晶体管接受从该第二源极跟随器放大器输出的信号；

第一运算放大器，具有接受所述第二保持电容上所保持的信号的第一输入端子和输入基准电压的第二输入端子；

第二运算放大器，具有接受所述第三保持电容上所保持的信号的第三输入端子和输入基准电压的第四输入端子；以及，

第一基准电源，连接在所述第一和第二运算放大器的第二输入端子和第四输入端子上；

其中所述第一和第二源极跟随器放大器均具有一个导电型输入晶体管和负载元件，所述第一基准电源包含一个第三源极跟随器放大器，该第三源极跟随器放大器具有与所述第一和第二源极跟随器放大器二者的输入晶体管的导电类型相同的导电型输入晶体管和负载元件，所述第一基准电源包括接收所述第三源极跟随器放大器的输出作为输入的增益放大器。

10.如权利要求9所述的固体摄像装置，其特征在于，所述增益放大器的输出连接在所述第一和第二运算放大器的第二和第四输入端子上。

11.一种固体摄像装置，具有：

光电转换元件；

第一源极跟随器放大器，接收来自该光电转换元件的信号；

第一保持电容，通过第一传输晶体管接受从该第一源极跟随器放大器输出的信号；

第二源极跟随器放大器，其输入端子连接在所述第一保持电容上；

第二保持电容，通过第二传输晶体管接受从该第二源极跟随器放大器输出的信号；

第三保持电容，通过第三传输晶体管接受从该第二源极跟随器放大器输出的信号；

第一运算放大器，具有接受所述第二保持电容上所保持的信号的第一输入端子和输入基准电压的第二输入端子；

第二运算放大器，具有接受所述第三保持电容上所保持的信号的第三输入端子和输入基准电压的第四输入端子；以及，

第一基准电源，连接在所述第一和第二运算放大器的第二输入端子和第四输入端子上；

其中所述第一和第二源极跟随器放大器均具有一个导电型输入晶体管和负载元件，所述第一基准电源包含一个第三源极跟随器放大器，该第三源极跟随器放大器具有与所述第一和第二源极跟随器放大器二者的输入晶体管的导电类型相同的导电型输入晶体管和负载元件，所述第一基准电源还包括与所述第三源极跟随器放大器相连接的第四源极跟随器放大器。

12.如权利要求9或11所述的固体摄像装置，其特征在于，所述第三源极跟随器放大器的负载单元包括恒流负载、电阻元件或MOS晶体管。

13.如权利要求9或11所述的固体摄像装置，其特征在于，所述第三源极跟随器放大器的输入端子与恒压源连接。

14.如权利要求9或11所述的固体摄像装置，其特征在于，具有用于复位所述光电转换元件的第一复位晶体管、复位电源、第二复位晶体管以及第二基准电源，其中所述复位电源通过所述第一复位晶体管与所述光电转换元件的一端连接，所述第二复位晶体管的导电类型与所述第一复位晶体管的导电类型相同，而所述第二基准电源通过所述第二复位晶体管与所述第三源极跟随器放大器的输入端子连接。

15.如权利要求14所述的固体摄像装置，其特征在于，通过电阻对电源电压进行分压，而形成所述复位电源和第二基准电源。

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