CN102202186B - 固体摄像器件 - Google Patents
固体摄像器件 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102202186B CN102202186B CN201110072009.XA CN201110072009A CN102202186B CN 102202186 B CN102202186 B CN 102202186B CN 201110072009 A CN201110072009 A CN 201110072009A CN 102202186 B CN102202186 B CN 102202186B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- mentioned
- bias voltage
- voltage
- circuit
- analog gain
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 title 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 39
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 25
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 23
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 15
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 10
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 10
- 239000000470 constituent Substances 0.000 claims description 8
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 3
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 3
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 claims 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 25
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 12
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 8
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 7
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 6
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 5
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 4
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 4
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 4
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 4
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 4
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 3
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 3
- 230000003276 anti-hypertensive effect Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 2
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 244000287680 Garcinia dulcis Species 0.000 description 1
- 240000002853 Nelumbo nucifera Species 0.000 description 1
- 235000006508 Nelumbo nucifera Nutrition 0.000 description 1
- 235000006510 Nelumbo pentapetala Nutrition 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000003292 diminished effect Effects 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000000750 progressive effect Effects 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/50—Control of the SSIS exposure
- H04N25/57—Control of the dynamic range
- H04N25/59—Control of the dynamic range by controlling the amount of charge storable in the pixel, e.g. modification of the charge conversion ratio of the floating node capacitance
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
- H04N25/709—Circuitry for control of the power supply
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14601—Structural or functional details thereof
- H01L27/14609—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
Abstract
一种固体摄像器件，根据本实施方式，像素驱动电路不对垂直信号线施加偏压而使放大晶体管构成源极***电路，FD与电源连接。然后，从垂直信号线切断电流源从而解除上述源极***电路，对垂直信号线施加偏压，使读出晶体管导通，从而在被摄体的亮度比基准亮的情况下FD的电压升压，在比基准暗的情况下FD的电压降压。在读出晶体管截止后，垂直信号线与电流源连接从而构成上述源极***电路。
Description
本申请基于2010年3月24日提出的日本专利申请第2010-068766号并主张其优先权，所述在先专利申请的所有内容均通过引用合并在本申请中。
技术领域
本实施方式涉及一般的固体摄像器件。
背景技术
构成作为固体摄像器件的代表例的CMOS图像传感器的像素阵列的单位像素具备：进行光电变换的光电二极管；读出晶体管，将光电二极管进行了变换蓄电后的信号电荷向作为电容元件而发挥作用的浮动扩散层(floating diffusion，以下记作“FD”)读出；复位晶体管，将FD的电压设定为电源电压；放大晶体管，在使用与垂直信号线连接的电流源构成源极***电路时将FD的电压变换为像素信号并输出至垂直信号线。
然而，近年来，由于存在多像素化、光学尺寸的缩小化等的要求，单位像素的尺寸缩小化逐渐进步。伴随着该像素尺寸的缩小化，对于不同的被摄体的亮度(照度)，存在这样的的问题：相对于光电二极管的变换信号电荷量，发生FD的电荷蓄电电容(动态范围：dynamic range)不足的情况，发生光电二极管进行了变换蓄电后的信号电荷的全部不能够读出至FD的情况。
发明内容
本发明所要解决的课题是提供一种既能够实现浮动扩散层的动态范围的确保又能够实现电场引发噪声的抑制的固体摄像器件。
本实施方式的固体摄像器件的特征在于，具备：像素阵列，在行列方向上配置有多个单位像素，该单位像素包括：光电二极管，进行光电变换；读出晶体管，用于将由上述光电二极管进行了变换蓄电后的信号电荷向浮动扩散层读出；复位晶体管，用于将上述浮动扩散层的电压设定为电源电压；以及放大晶体管，栅极端子被施加上述浮动扩散层的电压，在被行选择时电源侧端子被施加电源电压；多个垂直信号线，按上述像素阵列的每列来配置，与列方向的各单位像素的上述放大晶体管的输出侧端子连接；偏压生成电路，用于生成经由第一开关对上述多个垂直信号线的每一个施加的偏压；多个电流源，经由第二开关被分别连接在上述多个垂直信号线的每一个与电路接地之间；以及像素驱动电路，进行使上述放大晶体管构成源极***电路的控制，上述像素驱动电路使上述偏压生成电路生成根据被摄体的亮度而进行了增减的偏压。
根据上述构成的固体摄像器件，能够既确保浮动扩散层的动态范围又能够抑制电场引发噪声。
附图说明
图1是表示一实施方式的固体摄像器件的主要部分构成的框图。
图2是表示单位像素的构成的等效电路图。
图3是说明单位像素中的变换信号电荷向浮动扩散层的读出动作(之1)的时间图。
图4是说明浮动扩散层的升压效果的电势图。
图5是说明单位像素中的变换信号电荷向浮动扩散层的读出动作(之2)的时间图。
图6是说明浮动扩散层的降压效果的电势图。
图7是说明浮动扩散层的动态范围与偏压的关系的图。
图8是说明偏压与亮度的关系的图。
图9是说明偏压与列模数转换器的模拟增益的关系(之1)的图。
图10是说明偏压与列模数转换器的模拟增益的关系(之2)的图。
具体实施方式
根据本实施方式，对像素阵列的一行中的各单位像素相同地进行驱动控制的像素驱动电路对垂直信号线不施加来自偏压生成电路的偏压而使放大晶体管构成源极***电路，使复位晶体管导通，浮动扩散层与电源连接。从浮动扩散层向垂直信号线输出像素信号(复位电压)。然后，从垂直信号线切断电流源从而解除(cancel)上述源极***电路，对垂直信号线施加来自偏压生成电路的偏压，以使浮动扩散层的电压在被摄体的亮度比基准亮的情况下升压，在比基准暗的情况下降压。偏压在被摄体的亮度比基准亮的情况下是比垂直信号线的复位电压高的电压，在比基准暗的情况下是比垂直信号线的复位电压低的电压。该状态下使读出晶体管导通将光电二极管的蓄电信号电荷向浮动扩散层读出。在读出晶体管截止后，垂直信号线与电流源连接从而构成上述源极***电路。从浮动扩散层向垂直信号线输出像素信号(复位电压+信号电压)。
下面参照所附的附图，对实施方式相关的固体摄像器件进行详细说明。另外，本发明并不是通过该实施方式来限定的。
图1是表示一实施方式的固体摄像器件的主要部分构成的框图。图2是表示单位像素的构成的等效电路图。
图1中，固体摄像器件(CMOS图像传感器)1具备像素阵列2、垂直扫描电路3、偏置控制(bias control)电路4、偏压(偏置电压：bias voltage)生成电路5、电流控制电路6、列模数转换器7、参照电压生成电路8、水平扫描电路9、定时控制电路10。
像素阵列2中，多个单位像素2a配置为N列M行的阵列状，按列设有M条的垂直信号线VSL-1～VSL-M，每列的各单位像素2a的输出端子并联地连接在垂直信号线上。此外，在像素阵列2和垂直扫描电路3之间按行设有N条的地址信号线ADDRESS_1～ADDRESS_N、N条的复位信号线RESET_1～RESET_N、以及N条的读出信号线READ_1～READ_N，每行的各单位像素2a的输入端子并联地连接在N条的地址信号线ADDRESS_1～ADDRESS_N、N条的复位信号线RESET_1～RESET_N、以及N条的读出信号线READ_1～READ_N上。
垂直扫描电路3以由定时控制电路10指定的定时，依次选择驱动地址信号线ADDRESS_1-ADDRESS_N并依次选择像素阵列2的各行，在所选择的一行中，独立地控制地址信号线ADDRESS、复位信号线RESET、以及读出信号线READ，使一行的各单位像素2a动作。
偏置控制电路4由M个开关晶体管12构成，各开关晶体管12的源极端子与垂直信号线VSL-1～VSL-M的每一个连接。M个开关晶体管12的各漏极端子并联地连接在偏压生成电路5的输出端子上，各栅极端子并联地连接在定时控制电路10所控制的电压控制线13上。各开关晶体管12在此使用了NMOS晶体管，通过电压控制线13的电压进行导通/截止控制，在该导通期间，将偏压生成电路5所输出的偏压施加在对应的垂直信号线VSL上。因此，M个开关晶体管12与多个第一开关对应。
电流控制电路6包括：M个开关晶体管14，垂直信号线VSL-1～VSL-M的每一个与各开关晶体管14的漏极端子；以及M个电流源15，连接在M个开关晶体管14的每一个与电路接地之间。M个开关晶体管14的各栅极端子并联地连接在定时控制电路10所控制的电流控制线16上。各开关晶体管14在此使用了NMOS晶体管，通过电流控制线16的电压进行导通/截止控制，在该导通期间，对应的电流源15与对应的垂直信号线VSL连接。因此，M个开关晶体管14与多个第二开关相对应。
列模数转换器(Column ADC，Column Analog-to-Digital Converter)7与垂直信号线VSL-1～VSL-M是1对1的关系，配置有进行CDS(CorrelatedDouble Sampling：相关双采样)处理以及AD变换处理的比较器以及模数转换器部。各比较器的一方的输入是来自垂直信号线VSL的像素信号(复位电压、复位电压+变换信号电压)，另一方的输入是参照电压生成电路8依次输出的2个参照信号(三角波信号)。作为CDS处理的实现方式有模拟方式和数字方式，与其对应地，各模数转换器部的构成也不同。各模数转换器部具备对变换后的数字值进行保持的存储器。各存储器按照在定时控制电路10所指定的定时水平扫描电路9输出的列选择信号，依次将该保持的数字值作为图像数据向图像处理电路输出，并且将前一帧(previousframe)中的输出值17输出至参照电压生成电路8。前一帧输出值17所示的振幅值在被摄体的亮度暗的情况下是小的值，在被摄体的亮度亮的情况下是大的值。
参照电压生成电路8依次生成2个三角波信号并输出，该三角波信号得振幅以不断增加(右肩上がり)的方式呈阶梯状或直线状增加。在先生成的三角波信号是从单位像素2a输出至垂直信号线VSL的“复位电压”所对应的信号，之后生成的三角波信号是从单位像素2a输出至垂直信号线VSL的“复位电压+变换信号电压”所对应的信号。参照电压生成电路8将来自列模数转换器7的前一帧输出值17作为初期值来生成第二个三角波信号。由此，列模数转换器7的模数转换器部获得与在被摄体的亮度比基准暗的情况下增加输入电平、在比基准亮的情况下减少输入电平的模拟增益的动作同等的效果。参照电压生成电路8根据前一帧输出值17计算出这样的模拟增益，将计算出的根据被摄体的亮度而增减的模拟增益信息18输出至偏压生成电路5。
偏压生成电路5按照模拟增益信息18，在模拟增益比基准值大的情况下，即被摄体的亮度比基准暗的情况下生成比规定值低的偏压。此外，偏压生成电路5在模拟增益比基准值小的情况下，即被摄体的亮度比基准亮的情况下生成比规定值高的偏压。另外，“规定值”是单位像素2a复位时的垂直信号线VSL的电压值。
接着，参照图2，说明单位像素2a的构成。单位像素2a具备光电二极管(PD)20、读出晶体管21、复位晶体管22、放大晶体管23、地址晶体管24、浮动扩散层(FD)25。另外，这些晶体管21～24在此使用NMOS晶体管。
光电二极管20将入射光光电变换为与该光量对应的信号电荷量并蓄电。光电二极管20的阳极端子与电路接地连接。在光电二极管20的阴极端子和FD25之间配置有读出晶体管21。读出晶体管21通过与栅极端子连接的读出线READ的电压来进行导通/截止控制。读出晶体管21在该导通期间将光电二极管20中被变换蓄电的信号电荷读出至FD25。
复位晶体管22的漏极端子与电源(电压VDD)26连接，源极端子与FD25连接，栅极端子与复位线RESET连接。复位晶体管22通过复位线RESET的电压进行导通/截止控制，该导通期间中将FD25的电压设定为电源26的电压VDD。
地址晶体管24的漏极端子与电源(电压VDD)26连接，源极端子与放大晶体管23的漏极端子连接，栅极端子与地址线ADDRESS连接。地址晶体管24通过进行行选择的地址线ADDRESS的电压来进行导通/截止控制，在被行选择后导通的期间，放大晶体管23的漏极端子与电源26连接。
放大晶体管23的源极端子与垂直信号线VSL连接，栅极端子与FD25连接。在地址晶体管24被行选择后导通时，放大晶体管23的漏极端子与电源26连接，且在开关晶体管14导通后电流源15经由垂直信号线VSL与源极端子连接时，构成源极***电路。放大晶体管23在构成源极***电路的期间中，将被复位晶体管22复位后的FD25的电压(复位电压)变换为同电平的像素信号并输出至垂直信号线VSL，另外，通过读出晶体管21，在从光电二极管20将信号电荷读出至FD25之后的FD25的电压(复位电压+变换信号电压)变换为同电平的像素信号并输出至垂直信号线VSL。
在以上的构成中，垂直扫描电路3、偏置控制电路4、电流控制电路6、参照电压生成电路8、电压控制线13、电流控制线16和定时控制电路10一起构成了像素驱动电路。下面，参照图3～图10，对该实施方式的像素驱动电路的动作即将被光电二极管20变换蓄电了的信号电荷读出至FD25的情况的动作进行说明。
作为电容元件而发挥作用的FD25的电容值C作为设计值而是已知的，因此在施加了一定的电源电压VDD时，能够蓄电的信号电荷量Qfd基于Qfd＝CV而是一定值。另一方面，光电二极管20进行变换蓄电的信号电荷量Qpd与光量成比例地增减。
因此，该实施方式中，将Qpd＝Qfd时的光量确定为基准光量，在实际的入射光的光量比基准光量大的情况下，由于FD25的动态范围不足而执行使FD25升压的动作例1(图3)，在实际的入射光的光量比基准光量小的情况下，FD25的动态范围为足够的情况，执行使FD25降压的动作例2(图5)。
<动作例1>
图3是说明单位像素中的变换信号电荷向浮动扩散层的读出动作(之1)的时间图。图4是说明浮动扩散层的升压效果的电势图。
图3中，在时刻tl，ADDRESS线和电流控制线16同时上升为高电平。在单位像素2a中，放大晶体管23的漏极端子经由地址晶体管24与电源26连接，源极端子经由垂直信号线VSL以及开关晶体管14与电流源15连接，因此，放大晶体管23构成源极***电路。但是，由于此时的FD25的电压为放大晶体管23的阈值以下，放大晶体管23成为准备开始源极***电路动作的状态。
在此后的时刻t2，在READ线维持低电的状态下，RESET线上升为高电平。在时刻t2，电压控制线13也是低电平，没有对垂直信号线VSL施加偏压。在单位像素2a中，在读出晶体管21处于截止的状态下，复位晶体管22导通，电源26与FD25连接。然后，在RESET线为高电平的时刻t2～时刻t3的期间内，FD25的电压上升为电源26的电压VDD而成为电压VDD。由此，由于放大晶体管23导通而进行源极***电路动作，因此垂直信号线VSL的电压成为接近电压VDD的电压。
在RESET线变为低电平的时刻t3，若复位晶体管22截止，FD25的电压稳定(落ち着く)为从电压VDD稍稍下降了的暗时电平28。此外，垂直信号线VSL的电压也稳定为从接近电压VDD的电压稍稍下降了的复位电平29。该复位电平29的图像信号被输入列模数转换器7。偏压生成电路5所生成的偏压是比作为“规定值”的复位电平29高的电压。
这样，在FD25的电压稳定为暗时电平28、垂直信号线VSL的电压稳定为复位电平29的时刻t4，ADDRESS线和电流控制线16同时下降为低电平。在单位像素2a中，虽然放大晶体管23导通，但由于地址晶体管24基于选择解除而被截止，因此漏极端子成为从电源被切断的状态。此外，由于开关晶体管14已截止，因此垂直信号线VSL与电流源15之间被切断而成为浮动状态。即，放大晶体管23仅源极端子与浮动状态的垂直信号线VSL连接，不进行源极***电路的动作。
在此后的时刻t5，电压控制线13上升为高电平。由此，开关晶体管12导通，从偏压生成电路5对浮动状态的垂直信号线施加比复位电平29高的偏压。垂直信号线VSL的电压从复位电平29上升为偏压。然后，在垂直信号线VSL的电压稳定为偏压后的时刻t6，READ线上升为高电平，并维持到时刻t7为止。在时刻t6～时刻t7的期间，在单位像素2a中，由光电二极管20变换蓄电了的信号电荷通过读出晶体管21被读出至FD25。
此时，由于垂直信号线VSL和FD25利用放大晶体管23的沟道间电容以及布线电容而电容耦合，在时刻t5～时刻t6的期间，FD25的电压与垂直信号线VSL的电压增加相对应地增加，从暗时电平28朝向偏压上升并稳定为接近偏压的电压。具体地讲，接近该偏压的FD25的电压为“垂直信号线VSL的电压”דFD25和垂直信号线VSL之间的电容”÷“FD25的全电容”。
在时刻t6～时刻t7的期间，这样在FD25的电压升压至接近比暗时电平28高的偏压的电压的状态下，光电二极管20的信号电荷被读出至FD25。由于信号电荷是电子，虽然FD25的电压在读出时减少，通过READ线和FD25的电容耦合，上升为高的电平30。在时刻t7若读出晶体管21截止，则FD25的电压从上升了的高电压电平30下降为偏压的电平并稳定。
在此后的时刻t8，使电压控制线13下降为低电平，并切断垂直信号线VSL和偏压生成电路5，垂直信号线VSL返回浮动状态。然后，在此后的时刻t9，ADDRESS线和电流控制线16同时上升为高电平，并将其为止到时刻10为止。在单位像素2a中，放大晶体管23构成源极***电路，FD25的电压变换为像素信号的动作开始，因此FD25的电压从接近偏压的电压的电平开始下降并稳定在电平31。同样，垂直信号线VSL的电压也从偏压的电平开始下降并稳定在电平32。电平31是在暗时电平28的电压上加上由信号电荷产生的电压后得到的电压。此外，电平32是在复位电平29的电压上加上由信号电荷产生的电压后得到的电压。该电平32的像素信号被输入列模数转换器7。
接着，在图4中，示出了在被摄体的亮度比基准值亮，FD25的动态范围不足的情况下，(1)向光电二极管(PD)20蓄电信号电荷时的电势，(2)在FD25的电压不升压即保持暗时电平的状态下进行信号电荷的读出的情况下的电势，(3)使FD25的电压如动作例1所示那样升压并进行信号电荷的读出的情况下的电势。
在图4(1)中，光电二极管20的电势是某光量下信号电荷被蓄电时的电势。FD25的电势在光电二极管20的蓄电期间是大致电源电压VDD的电平。两电势的差分33是与光电二极管20的变换信号电荷量对应的FD25的电荷蓄电电容(電荷蓄電容量)。
如图4(2)所示，在仅将FD25复位为电源电压VDD而进行了信号电荷的读出的情况下，FD25的电势比作为电源电压VDD的暗时电平仅稍微变高，两电势的差分33不会大到变为“FD25的电荷蓄电电容”＞“光电二极管20的变换信号电荷量”的关系的程度，FD25的动态范围不足。该情况下，不能够将光电二极管20的变换信号电荷的全部读出至FD25，读出剩余的信号电荷残留在光电二极管20中。因此，由于FD25的动态范围而信号电荷量受到了限制。
与此相对，如图4(3)所示，若预先将读出时的FD25的电压从暗时电平开始升压，能够使两电势的差分33增大为“FD25的电荷蓄电电容”＞“光电二极管20的变换信号电荷量”的关系的程度，因此能够将光电二极管20的变换信号电荷的全部读出至FD25。
这样，在被摄体的亮度比基准值亮，FD25的动态范围不足的情况下，仅在读出时使FD25的电压升压，扩大并确保FD25的动态范围。此时，在将(复位电压)和(复位电压+变换信号电压)输出至垂直信号线VSL的期间不升压，因此，可以不需要在意源极***电路的动作点而改变FD25的升压电平。
<动作例2>
图5是说明单位像素中的变换信号电荷向浮动扩散层的读出动作(之2)的时间图。图6是说明浮动扩散层的降压效果的电势图。
FD25和读出晶体管21的沟道基于栅极沟道间电容以及布线电容而电容耦合，因此FD25的电压在使读出线READ上升至高电平并读出光电二极管20的变换蓄电信号电荷时，通常变为最高。FD25中产生的电场的方向是使向基板的漏电流产生的逆偏压的方向，因此若FD25的电压变得过高，则漏电流增加从而成为由电场引起的白色缺陷等的像素噪声的原因。因此，像动作例1那样使FD25的电压总是升压的方式是不妥当的。
即，在亮度比基准值亮，FD25的动态范围不足的情况下，如动作例1所示，必须使FD25升压来扩大FD25的动态范围，但是在亮度比基准值暗的情况下，光电二极管20中所发生的信号电荷量比基准光量下的FD25的电荷蓄电电容少，因此FD25的动态范围变小。该动作例2是基于这样的观点的读出动作。
在图5中，在时刻t1～时刻t4的复位时的动作与图3相同。地址线ADDRESS和电流控制线13同时是高电平的期间(时刻t4～时刻t9)的动作与图3不同。在被摄体的亮度比基准值暗的情况下，由于偏压生成电路5生成比作为“规定值”的复位电平29低的偏压，因此若电压控制线13上升至高电平，则垂直信号线VSL的电压从复位电平29开始下降并稳定在偏压(BIAS)。同样，FD25的电压从暗时电平28开始下降并稳定在接近偏压的电压。具体地讲，该接近偏压的FD25的电压为“垂直信号线VSL的电压”דFD25和垂直信号线VSL间的电容”÷“FD25的全电容”。
在时刻t6～时刻t7中，这样在FD25的电压降压至比暗时电平28低的偏压后的状态下，光电二极管20的信号电荷被读出至FD25。由于信号电荷是电子，因此FD25的电压在读出时减少，但通过READ线和FD25的电容耦合而上升至高的电平34。但是，电平34的电压电平仅比暗时电平28稍微高，因此不会产生电场引发的像素噪声的问题。在时刻t7若读出晶体管21截止，则FD25的电压从上升后的高电压电平34开始下降至接近偏压的电压的电平并稳定。
在此后的时刻t8，电压控制线13下降至低电平，切断垂直信号线VSL和偏压生成电路5，垂直信号线VSL恢复为浮动状态。然后，在此后的时刻t9，ADDRESS线和电流控制线16同时上升至高电平，并维持至时刻10为止。在单位像素2a中，放大晶体管23构成源极***电路，将FD25的电压变换为像素信号的动作开始，因此FD25的电压从偏压的电平开始上升并稳定在电平35。同样，垂直信号线VSL的电压也从偏压的电平开始上升并稳定在电平36。电平35是在暗时电平28的电压上加上由信号电荷引起的电压后得到的电压。此外，电平36是在复位电平29的电压上加上由信号电荷引起的电压后得到的电压。该电平36的像素信号被输入列模数转换器7。
接着，在图6中，示出了在被摄体的亮度比基准值暗、FD25的动态范围足够的情况下，(1)向光电二极管(PD)20蓄电信号电荷时的电势，(2)在如动作例2所示使FD25降压来进行信号电荷的读出的情况下的电势。
在图6(1)中，FD25的电势在光电二极管20的蓄电期间为大致电源电压VDD的电平。某光量下向光电二极管20蓄电信号电荷时的电势与FD25的电势相比相当低，FD25的电荷蓄电电容相对于光电二极管20的变换信号电荷量是足够的。
与此相对，如图6(2)所示，即使在使FD25的读出时的电压从暗时电平开始降压并使FD25的电势成为比电源电压低的状态下进行信号电荷的读出，由于能够变为“FD25的电荷蓄电电容”＞“光电二极管20的变换信号电荷量”的关系，因此能够毫无问题地将光电二极管20的变换信号电荷的全部读出至FD25。
这样，在被摄体的亮度比基准值暗、FD25的动态范围足够的情况下，由于读出时的FD25的电压降压，因此能够避免电场引发的像素噪声问题。
若整理以上说明的动作例1、2，在该实施方式中，如图7所示那样控制FD的动态范围，如图8所示那样控制偏压。
图7是说明浮动扩散层的动态范围和偏压的关系的图。图7中，纵轴表示FD动态范围，横轴表示偏压。升压＝0的复位(RESET)后的在垂直信号线电压(即复位电平29)下的FD动态范围是用于决定超过和不足的基准值。
图7中，若将偏压设定为比复位后的垂直信号线电压高，则FD从暗时电平开始升压，FD动态范围扩大，因此适用于FD动态范围不足的情况。另一方面，若将偏压设定为比复位后的垂直信号线电压低，则FD从暗时电平开始降压，FD动态范围变小，因此适用于FD动态范围足够的情况。
图8是说明偏压与亮度的关系的图。图8中，纵轴表示偏压，横轴表示被摄体的亮度。光电二极管的变换信号电荷量与被摄体的亮度成比例。因此，如图8所示，偏压生成电路5以在亮度比基准值亮的情况下使偏压变大、在比基准值暗的情况使偏压变小的关系，根据亮度变更偏压。
由此，能够既实现FD的动态范围的确保又实现电场引发噪声的抑制。在此，与亮度有关的信息在列模数转换器7的动作过程中作为模拟增益而被取得，因此在该实施方式中，参照电压生成电路8使该模拟增益信息18输出至偏压生成电路5。在模拟增益大的情况下被摄体是暗的情况，在模拟增益小的情况下被摄体是亮的情况。
偏压生成电路5能够使用模拟增益信息18，以例如图9、图10所示的方式生成与亮度对应的偏压。图9和图10是说明偏压和列模数转换器的模拟增益的关系的图。在图9和图10中，纵轴表示偏压，横轴表示模拟增益。
如图9所示，能够生成偏压，该偏压与一个模拟增益为1对1关系且线性地增减。此外，如图10所示，能够生成偏压，该偏压与多个模拟增益为1对1的关系且阶梯状地增减。
如上所述，根据该实施方式，在将光电二极管的信号电荷读出至浮动扩散层时，在被摄体的亮度比基准量、浮动扩散层的动态范围不足的情况下，对垂直信号线施加比复位电平高的偏压，使浮动扩散层的电压比暗时电平高，扩大浮动扩散层的动态范围，因此能够确保信号电荷读出时的浮动扩散层的动态范围。
此外，在将光电二极管的信号电荷读出至浮动扩散层时，相反，在被摄体的亮度比基准暗、浮动扩散层的动态范围足够的情况下，由于不需要使浮动扩散层的电压升压，因此对垂直信号线施加比复位电平低的偏压，使浮动扩散层的电压比暗时电平低。由此，能够降低信号电荷读出时的电场引发的像素噪声。
以上说明了本发明的几个实施方式，但这些实施方式是作为例子而被提供的，并不以此来限定发明的范围。这些新的实施方式可以通过其他的多种方式来实施，在不脱离发明的宗旨的范围内，可以进行多种方式的省略、置换及变更。这些实施方式或实施方式的变形包含在发明的范围或宗旨中，并且包含在权利要求书所记载的发明及其同等的范围内。
Claims (13)
1.一种固体摄像器件，其特征在于，具备：
像素阵列，在行列方向上配置有多个单位像素，该单位像素包括：光电二极管，进行光电变换；读出晶体管，用于将由上述光电二极管进行了变换蓄电后的信号电荷向浮动扩散层读出；复位晶体管，用于将上述浮动扩散层的电压设定为电源电压；以及放大晶体管，栅极端子被施加上述浮动扩散层的电压，在被行选择时电源侧端子被施加电源电压；
多个垂直信号线，按上述像素阵列的每列来配置，与列方向的各单位像素的上述放大晶体管的输出侧端子连接；
偏压生成电路，用于生成经由第一开关对上述多个垂直信号线中的每一个施加的偏压；
像素驱动电路，进行使上述放大晶体管构成源极***电路的控制；以及
列模数转换器，根据从上述像素驱动电路依次输入的两个参照信号，在上述放大晶体管两次构成源极***电路的期间，针对从上述浮动扩散层输出至上述多个垂直信号线的像素信号进行相关双采样处理，将对其处理结果进行了数字变换后得到的像素数据向处理***输出，
上述像素驱动电路包括垂直扫描电路、偏置控制电路、电流控制电路、参照电压生成电路、电压控制线、电流控制线和定时控制电路，
上述垂直扫描电路以由上述定时控制电路指定的定时，依次选择驱动多个地址信号线并依次选择上述像素阵列的各行，在所选择的一行中，独立地控制地址信号线、复位信号线以及读出信号线，使一行的各单位像素动作，
上述偏置控制电路由多个上述第一开关构成，上述第一开关的各源极端子与垂直信号线中的每一个连接，各漏极端子并联地连接在上述偏压生成电路的输出端子上，各栅极端子并联地连接在上述定时控制电路所控制的上述电压控制线上，
上述电流控制电路包括：多个第二开关，上述垂直信号线中的每一个与各第二开关的漏极端子连接；以及多个电流源，连接在多个第二开关中的每一个与电路接地之间，上述第二开关的各栅极端子并联地连接在上述定时控制电路所控制的上述电流控制线上，
上述参照电压生成电路根据来自上述列模数转换器的前一帧输出值，计算根据被摄体的亮度而增减的模拟增益信息，并将该模拟增益信息向上述偏压生成电路输出，
上述偏压生成电路根据上述模拟增益信息所示出的模拟增益与基准值的比较结果，对规定值进行增减从而生成偏压，
上述像素驱动电路在上述像素阵列的一行中的各单位像素中，在将信号电荷从上述光电二极管向上述浮动扩散层读出的情况下，在使上述多个第一开关断开的状态下使上述多个第二开关接通，从而使上述放大晶体管构成源极***电路，使上述复位晶体管导通从而上述浮动扩散层与电源连接，在使上述复位晶体管截止后,使上述多个第二开关断开从而解除所构成的上述源极***电路，使上述多个第一开关接通，对上述多个垂直信号线施加上述偏压，使上述读出晶体管导通从而进行上述信号电荷向上述浮动扩散层的读出，然后，在使上述多个第一开关断开的状态下使上述多个第二开关接通，从而使上述放大晶体管构成源极***电路。
2.根据权利要求1所述的固体摄像器件，其特征在于，
上述像素驱动电路在被摄体的亮度比基准暗的情况下,对上述偏压生成电路输出指示，该指示是生成比上述复位晶体管导通的期间的上述垂直信号线的复位电压低的偏压的指示。
3.根据权利要求1所述的固体摄像器件，其特征在于，
上述像素驱动电路在被摄体的亮度比基准亮的情况下，对上述偏压生成电路输出指示，该指示是生成比上述复位晶体管导通的期间的上述垂直信号线的复位电压高的偏压的指示。
4.根据权利要求1所述的固体摄像器件，其特征在于，
上述偏压生成电路在上述模拟增益信息所示出的模拟增益比基准值大的情况下生成比规定值低的偏压。
5.根据权利要求1所述的固体摄像器件，其特征在于，
上述偏压生成电路在上述模拟增益信息所示出的模拟增益比基准值小的情况下生成比规定值高的偏压。
6.根据权利要求5所述的固体摄像器件，其特征在于，
上述偏压生成电路在上述模拟增益信息所示出的模拟增益比基准值大的情况下生成比规定值低的偏压。
7.根据权利要求1所述的固体摄像器件，其特征在于，
上述偏压生成电路生成上述偏压，该偏压与一个模拟增益为1对1的关系并线性地增减。
8.根据权利要求4所述的固体摄像器件，其特征在于，
上述偏压生成电路生成上述偏压，该偏压与一个模拟增益为1对1的关系并线性地增减。
9.根据权利要求5所述的固体摄像器件，其特征在于，
上述偏压生成电路生成上述偏压，该偏压与一个模拟增益为1对1的关系并线性地增减。
10.根据权利要求6所述的固体摄像器件，其特征在于，
上述偏压生成电路生成上述偏压，该偏压与一个模拟增益为1对1的关系并线性地增减。
11.根据权利要求1所述的固体摄像器件，其特征在于，
上述偏压生成电路生成上述偏压，该偏压与多个模拟增益为1对1的关系并阶梯状地增减。
12.根据权利要求4所述的固体摄像器件，其特征在于，
上述偏压生成电路生成上述偏压，该偏压与多个模拟增益为1对1的关系并阶梯状地增减。
13.根据权利要求5所述的固体摄像器件，其特征在于，
上述偏压生成电路生成上述偏压，该偏压与多个模拟增益为1对1的关系并阶梯状地增减。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP068766/2010 | 2010-03-24 | ||
| JP2010068766A JP2011205249A (ja) | 2010-03-24 | 2010-03-24 | 固体撮像装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102202186A CN102202186A (zh) | 2011-09-28 |
| CN102202186B true CN102202186B (zh) | 2014-03-05 |
Family
ID=44656027
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201110072009.XA Expired - Fee Related CN102202186B (zh) | 2010-03-24 | 2011-03-18 | 固体摄像器件 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US8446504B2 (zh) |
| JP (1) | JP2011205249A (zh) |
| CN (1) | CN102202186B (zh) |
| TW (1) | TWI437882B (zh) |
Families Citing this family (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102011120099B4 (de) | 2011-12-02 | 2024-05-29 | Arnold & Richter Cine Technik Gmbh & Co. Betriebs Kg | Bildsensor und Verfahren zum Auslesen eines Bildsensors |
| JP2013123107A (ja) * | 2011-12-09 | 2013-06-20 | Sony Corp | 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、及び、電子機器 |
| JP5448208B2 (ja) * | 2011-12-13 | 2014-03-19 | 国立大学法人東北大学 | 固体撮像装置 |
| JP2013240002A (ja) * | 2012-05-17 | 2013-11-28 | Sony Corp | 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、及び、電子機器 |
| JP6172608B2 (ja) * | 2012-05-30 | 2017-08-02 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 固体撮像装置、その駆動方法及び撮影装置 |
| TWI634791B (zh) * | 2013-02-27 | 2018-09-01 | 新力股份有限公司 | Solid-state imaging device, driving method, and electronic device |
| JP2015056876A (ja) * | 2013-09-13 | 2015-03-23 | キヤノン株式会社 | 固体撮像装置、その駆動方法及び撮像システム |
| KR102178825B1 (ko) | 2013-11-15 | 2020-11-13 | 삼성전자 주식회사 | 픽셀 출력 레벨 제어 장치 및 이를 적용하는 이미지 센서 |
| JP6548391B2 (ja) * | 2014-03-31 | 2019-07-24 | キヤノン株式会社 | 光電変換装置および撮像システム |
| KR102261595B1 (ko) * | 2014-09-19 | 2021-06-04 | 삼성전자주식회사 | 이미지 센서, 및 이를 포함하는 이미지 처리 시스템 |
| JP6760258B2 (ja) * | 2015-02-23 | 2020-09-23 | ソニー株式会社 | 比較器、ａｄ変換器、固体撮像装置、電子機器、比較器の制御方法、およびデータ転送回路 |
| CN104967795B (zh) * | 2015-07-20 | 2018-05-04 | 北京立博信荣科技有限公司 | 一种图像传感器及其信号处理电路 |
| US11095840B2 (en) | 2017-06-14 | 2021-08-17 | Sony Semiconductor Solutions Corporation | Control apparatus and imaging apparatus capable of reducing power consumption |
| US10116892B1 (en) * | 2017-12-22 | 2018-10-30 | Omnivision Technologies, Inc. | Bitline boost for fast settling with current source of adjustable bias |
| JP7329963B2 (ja) * | 2019-05-17 | 2023-08-21 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | 固体撮像装置及び電子機器 |
| KR20210028308A (ko) * | 2019-09-03 | 2021-03-12 | 삼성전자주식회사 | 증폭기 및 그것을 포함하는 이미지 센서 장치 |
| JP2022006850A (ja) * | 2020-06-25 | 2022-01-13 | 株式会社リコー | 固体撮像素子、読取装置、画像処理装置および制御方法 |
| US20240087517A1 (en) * | 2022-09-12 | 2024-03-14 | Innolux Corporation | Electronic device |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5969758A (en) * | 1997-06-02 | 1999-10-19 | Sarnoff Corporation | DC offset and gain correction for CMOS image sensor |
| CN1388498A (zh) * | 2001-05-30 | 2003-01-01 | 索尼株式会社 | 有源矩阵型显示设备和有机电致发光显示设备及其驱动方法 |
| US6946636B2 (en) * | 2000-02-28 | 2005-09-20 | Canon Kabushiki Kaisha | Image pickup apparatus providing a bias between different pixel areas during signal accumulation |
| CN1691347A (zh) * | 2004-04-26 | 2005-11-02 | 索尼株式会社 | 固态成像器件及其驱动方法 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7459667B1 (en) * | 2004-09-07 | 2008-12-02 | Sensata Technologies, Inc. | Active pixel image sensor with common gate amplifier mode |
| JP4713997B2 (ja) | 2005-10-28 | 2011-06-29 | 株式会社東芝 | 固体撮像装置 |
| JP2010068433A (ja) | 2008-09-12 | 2010-03-25 | Toshiba Corp | 固体撮像装置およびその駆動方法 |
-
2010
- 2010-03-24 JP JP2010068766A patent/JP2011205249A/ja active Pending
-
2011
- 2011-03-10 TW TW100108108A patent/TWI437882B/zh not_active IP Right Cessation
- 2011-03-18 CN CN201110072009.XA patent/CN102202186B/zh not_active Expired - Fee Related
- 2011-03-21 US US13/052,182 patent/US8446504B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5969758A (en) * | 1997-06-02 | 1999-10-19 | Sarnoff Corporation | DC offset and gain correction for CMOS image sensor |
| US6946636B2 (en) * | 2000-02-28 | 2005-09-20 | Canon Kabushiki Kaisha | Image pickup apparatus providing a bias between different pixel areas during signal accumulation |
| CN1388498A (zh) * | 2001-05-30 | 2003-01-01 | 索尼株式会社 | 有源矩阵型显示设备和有机电致发光显示设备及其驱动方法 |
| CN1691347A (zh) * | 2004-04-26 | 2005-11-02 | 索尼株式会社 | 固态成像器件及其驱动方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW201206187A (en) | 2012-02-01 |
| US8446504B2 (en) | 2013-05-21 |
| TWI437882B (zh) | 2014-05-11 |
| CN102202186A (zh) | 2011-09-28 |
| US20110234871A1 (en) | 2011-09-29 |
| JP2011205249A (ja) | 2011-10-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102202186B (zh) | 固体摄像器件 | |
| US8289431B2 (en) | Image sensing device and image sensing system | |
| JP5482137B2 (ja) | 固体撮像装置、負荷電流源回路 | |
| CN101510945B (zh) | 固态成像装置及其驱动方法 | |
| CN101873137B (zh) | 数字模拟转换器、固体摄像器件及照相机*** | |
| CN102164252B (zh) | 固态图像拾取设备及其驱动方法 | |
| US20110013042A1 (en) | Solid-state image sensor and imaging system | |
| TW201507472A (zh) | 攝像裝置、電子機器 | |
| CN103493475A (zh) | 固体摄像装置以及使用了该固体摄像装置的摄像机*** | |
| TW201511564A (zh) | 轉換裝置、攝像裝置、電子機器、轉換方法 | |
| US20070001098A1 (en) | Solid-state imaging device | |
| CN103581579A (zh) | 固态成像装置、信号读取方法以及电子装置 | |
| JP2010011224A (ja) | 固体撮像装置 | |
| US20110292264A1 (en) | Solid-state imaging device and imaging apparatus including the same | |
| US9769406B2 (en) | Solid-state image pickup device, driving method thereof, and electronic apparatus | |
| CN102469274A (zh) | 固态图像拾取装置 | |
| JPWO2013179597A1 (ja) | 固体撮像装置、その駆動方法及び撮影装置 | |
| WO2014129118A1 (ja) | 固体撮像装置 | |
| JP4673396B2 (ja) | 撮像装置及び撮像システム | |
| US20180063450A1 (en) | Image pickup device | |
| CN103002233B (zh) | 固体拍摄装置及固体拍摄装置的控制方法 | |
| JP2010283735A (ja) | 検出装置及び固体撮像装置 | |
| JP2006314025A (ja) | 撮像装置と撮像装置用の電源供給方法 | |
| JP2013009207A (ja) | 固体撮像装置 | |
| JP2012199731A (ja) | 撮像素子、負荷電流源回路 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20140305 Termination date: 20170318 |