CN102281404B - 成像装置 - Google Patents

Abstract

一种成像装置，包括：用于保持从像素输出的信号的多个存储电容器；和用于分别将存储电容器连接到公共信号线的多个第一开关，其中，多个存储电容器中的每一个包含与相应的第一开关连接并被供给从相应的像素输出的相应的信号的端子和被供给基准电位的另一端子，基准电位供给单元在多个存储电容器保持信号的时间段期间供给第一基准电位，并在接通第一开关的时间段期间供给具有与接通第一开关之前的公共信号线的电位的电位差的第二基准电位，该电位差比第一基准电位的电位差大。

Description

成像装置

技术领域

本发明涉及成像装置。

背景技术

作为固态成像装置的例子，在日本专利申请公开No.H02-107075中公开的一种是已知的。在日本专利申请公开No.H02-107075中公开的固态成像装置中，来自二维设置的像素的信号被暂时存储在为各列设置的累积电容中，随后通过借助于来自水平扫描电路的脉冲被控制为接通/关断的开关而被依次读取到水平信号线。在水平信号线上出现的信号电压例如被放大器放大，并被输出到外面。随着近年来不断增加的对于数字照相机中高速拍摄的需要，从累积电容向水平信号线的读取速度的提高导致作为照相机产品的竞争力的提高。

但是，当信号从累积电容被读取到水平信号线时，水平信号线的电容和电阻分布不均匀，因此，更远离水平信号线的输出端子的列中的累积电容具有更大的寄生电容和寄生电阻，从而导致信号读取期间信号电压波形的劣化。因此，出现高速读取的困难。还出现导致特性不均匀的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够高速读取信号的成像装置。

为了实现该目的，根据本发明的成像装置包括：输出通过光电转换得到的信号的多个像素；用于保持从像素输出的信号的多个存储电容器；用于传送由存储电容器保持的信号的公共信号线；和分别用于将多个存储电容器中的每一个连接到公共信号线的多个第一开关，其中，多个存储电容器中的每一个具有与第一开关连接并且被供给从像素输出的信号的一个端子和被施加基准电位的另一端子，成像装置还包括用于供给基准电位的基准电位供给单元，并且，基准电位供给单元在通过多个存储电容器保持信号的时间段期间供给第一基准电位，并且在接通第一开关的时间段期间供给第二基准电位，使得第二基准电位和接通第一开关之前的公共信号线的电位之间的电位差大于第一基准电位和接通第一开关之前的公共信号线的电位之间的电位差。

根据本发明的成像装置由此能够实现高速信号读取。

从参照附图对示例性实施例的以下说明，本发明的其它特征将变得明显。

附图说明

图1是示出根据第一实施例的成像装置的示例性配置的示图。

图2是根据第一实施例的成像装置的时序图。

图3是示出根据第二实施例的成像装置的示例性配置的示图。

图4是示出根据第三实施例的成像装置的示例性配置的示图。

图5是根据第三实施例的成像装置的时序图。

图6是示出根据第四实施例的成像装置的示例性配置的示图。

图7是根据第四实施例的成像装置的时序图。

图8是示出成像装置的示图。

图9是成像装置中的部分电路的等效电路图。

图10是图9中的部分电路的等效电路图。

图11是根据第一实施例的成像装置中的部分电路的等效电路图。

图12是根据第一实施例的成像装置中的部分电路的另一等效电路图。

图13是根据第四实施例的成像装置中的部分电路的等效电路图。

图14是示出根据第五实施例的成像装置的示例性配置的示图。

图15是根据第五实施例的成像装置的时序图。

具体实施方式

现在根据附图详细描述本发明的优选实施例。

(第一实施例)

参照图8～10描述根据本发明的第一实施例的成像装置的操作原理。图8是示意性地示出成像装置的配置的示图。成像装置包括：像素单元10、定时产生电路103、垂直扫描电路104、列存储电容器单元105、第一开关108、垂直信号线(第一信号线)100、公共信号线110、水平扫描电路112和输出放大器113。像素单元10包含按二维矩阵设置的多个像素101。对于每一列，列存储电容器单元105包含开关102和存储电容器C105。定时产生电路103将定时信号输出到开关102、垂直扫描电路104和水平扫描电路112。每个像素101包含执行光电转换以将光转换成电信号并且将从光电转换得到的电信号输出到相应的垂直信号线100的光电转换元件。为各列提供的垂直信号线100共同连接到各列中的像素101，并且，像素101将信号输出到各垂直信号线100。垂直扫描电路104逐行地选择像素101，并且使得来自所选择的像素101的电信号输出到相应的垂直信号线100。开关102分别被设置在垂直信号线100和存储电容器C105之间。在通过由定时产生电路103执行的控制接通开关102时，存储电容器C105累积垂直信号线100上的信号。第一开关108分别被设置在存储电容器C105和公共信号线110之间。存储电容器C105中的每一个的一个端子与相应的开关102和108连接，而另一端子与相应的开关106连接。当通过由水平扫描电路112执行的控制依次接通多个列中的第一开关108时，在列中的存储电容器C105中累积的信号被依次传输到公共信号线110。与公共信号线110连接的输出放大器113放大并且输出来自公共信号线110的信号。

图9是通过提取了图8中的成像装置的从存储电容器C105到输出放大器113的部分的配置的示图，其中添加了寄生电容C110和寄生电阻R110。寄生电容C110是对于各列存在的公共信号线110的电容。寄生电阻R110是对于各列存在的公共信号线110的电阻。

图10是图9中的配置中的部分电路的等效电路图。在接地电位(基准电位)节点之间，存储电容器C105、第一开关108的导通电阻R108、公共信号线110的寄生电阻R110和公共信号线110的寄生电容C110被串联连接。电压V105是存储电容器C105的端子之间的电压。信号电荷Q105是累积于存储电容器C105中的电荷，并且当第一开关108被接通时移动到公共信号线110的寄生电容C110，从而导致在公共信号线110上出现电压。为了迅速地将信号电荷Q105移动到电容C110，可使得作为第一开关108被接通的结果而流动的电流尽可能地大。

更具体地，在存储电容器C105保持信号的时间段期间，第一基准电位被供给到存储电容器C105。然后，在第一开关108被接通的时间段期间，供给与接通第一开关108之前的公共信号线110的电位的电位差比第一基准电位的电位差大的第二基准电位，从而提供更大的电流。

将详细描述该操作。可通过首先暂时将存储电容器C105的基准电压从接地电位改变为正电压并且升高导通电阻R108的两个端子中与存储电容器C105连接的端子的电压以增加在导通电阻R108中流动的电流，来执行该操作。存储电容器C105的端子之间的电压V105(t)可由下式(1)表达，并且，寄生电容C110的端子之间的电压V110(t)可由下式(2)表达。并且，公共信号线110中的信号电荷Q110(t)可由下式(3)表达，并且，存储电容器C105中的信号电荷Q105(t)可由下式(4)表达。并且，在电阻R108中流动的电流I(t)可由下式(5)表达。

V105(t)＝Q105(t)/C105...(1)

V110(t)＝Q110(t)/C110...(2)

Q110(t)＝∫I(t)dt...(3)

Q105(t)＝Q105(0)-∫I(t)dt...(4)

I(t)＝(V105(t)-V110(t))/(R108+R110)...(5)

式(3)表示，假定寄生电容C110中的初始电荷为0，寄生电容C110中的电荷Q110(t)等于流入寄生电容C110中的电流I的时间积分值。式(4)表示存储电容器C105的电荷Q105(t)等于通过从初始电荷Q105(0)减去电流I(t)的积分值得到的值。式(5)表示电流I(t)等于通过将施加到电阻R108和R110的电压除以电阻R108与R110的和得到的值，并且，施加到电阻R108和R110的电压为V105(t)和V110(t)之间的差值电压。

如果第一开关108接通期间的电阻R108是固定的而不管向其施加的电压如何，那么，从式(5)可以清楚地看出，当V105(t)较大时，电流I(t)较大。考虑紧接着接通第一开关108之后的状态，电荷Q110为0，因此，电压V110也是0。可通过下式(6)获得寄生电容C110的端子之间的电压V110的随时间增加率，该式(6)表示该速率与电压V105(t)的初始值V105(0)成比例。

d{V110(t)}/dt＝I(0)/C110

             ＝1/C110×V105(0)/(R108+R110)...(6)

这里，由于电压V105(t)是存储电容器C105的端子之间的电压，如果存储电容器C105的基准电压从接地电位改变为正电压VA，那么，施加到导通电阻R108的电压增加该量，从而导致电流I(0)的值如下式(7)表示的那样增加。

I(0)＝(VA+V105(0))/(R108+R110)...(7)

以下，参照图1描述其中存储电容器C105的基准电压从接地电位改变为正电压VA的电路配置。作为对于来自更远离输出放大器113的存储电容器C105的信号在信号传输期间具有更大的波形劣化的问题的对策，使得来自电压源的电压VA的值在更接近输出放大器113的列中更小，而不是使得电压VA的值在所有的列中相等，由此减少上述的速度增加效果，从而使得能够提供基本上均匀的波形劣化。

图1是示出根据本发明的第一实施例的成像装置的示例性配置的示图。图1中的成像装置是通过向图8中的成像装置添加基准电位改变开关106和电压源107而获得的成像装置。以下描述图1中的成像装置与图8中的成像装置不同的点。为各列设置基准电位改变开关106，并且与各列中的存储电容器C105连接。为各列设置的电压源107输出电压VA。在各列中的电压源107中，较接近输出放大器113的列中的一个电压源输出较低电压，而较远离输出放大器113的一个电压源输出较高电压。因此，在公共信号线110上提供了各列中均匀的信号波形劣化，从而使得能够提供均匀的特性。每个存储电容器C105的一端通过相应的开关102与相应的垂直信号线100连接，而另一端与相应的基准电位改变开关106连接。在水平扫描电路112的控制下，基准电位改变开关106逐列地将存储电容器C105的另一端连接到接地电位节点或电压源107。如果存储电容器C105的另一端与相应的接地电位节点连接，那么接地电位(0V)被供给到存储电容器C105的该另一端。如果存储电容器C105的另一端与电压源107连接，那么正电压VA被供给到存储电容器C105的该另一端。

来自二维设置的像素101的输出信号被来自垂直扫描电路104的脉冲驱动，并且，作为行被依次选择的结果而被输出到各垂直信号线100。被来自定时产生电路103的脉冲驱动的开关102被接通，垂直信号线100上的信号在存储电容器C105中被累积。基准电位改变开关106中的每一个通过来自水平扫描电路112的脉冲被连接到接地电位节点侧，使得此时的相应的存储电容器C105的基准电压具有接地电位。随后，各列中的第一开关108通过来自水平扫描电路112的扫描脉冲被依次接通，并且在存储电容器C105中累积的信号电荷被传送到公共信号线110。这里，基准电位改变开关106通过来自水平扫描电路112的脉冲被控制，使得每个基准电位改变开关106根据从水平扫描电路112输出扫描脉冲的定时而被连接到电压源107侧。

图2是示出成像装置中的控制脉冲的时序图。在来自垂直扫描电路104的脉冲信号处于高电平的时间段期间，相关行中的像素101被选择，并且，来自所选择的像素101的信号被输出到垂直信号线100。在来自开关102的控制脉冲信号处于高电平的时间段期间，开关102接通，并且，在相应的存储电容器C105中累积来自相应的垂直信号线100的信号。此时来自相应的基准电位改变开关106的控制脉冲信号处于低电平，并且，基准电位改变开关106与接地电位节点侧连接。随后，来自各列中的第一开关108的控制脉冲信号依次转换为高电平，并且，各列中的第一开关108被依次接通，来自存储电容器C105的信号电荷被传送到公共信号线110。来自每个基准电位改变开关106的控制脉冲信号处于高电平的时间段Tw被包括在来自相应的第一开关108的控制脉冲信号处于高电平的时间段内，并且，在时间段Tw期间，基准电位改变开关106与电压源107侧连接。当第一开关108关断时，基准电位改变开关106向相应的存储电容器C105的另一端供给接地电位，并且，在第一开关108接通的时间段中的至少一部分时间段Tw中，基准电位改变开关106向存储电容器C105的另一端供给正电压VA。更具体地，当第一开关108关断时，基准电位改变开关106将存储电容器C105的另一端连接到相应的接地电位节点。在第一开关108接通的时间段中的至少一部分时间段Tw中，基准电位改变开关106将存储电容器C105的另一端连接到相应的正电压节点。

作为上述操作的结果，在存储电容器C105中累积的信号电荷被高速传送到公共信号线110。时间段Tw的适当值可以是累积于存储电容器C105中的大多数的电荷被传送到公共信号线110所需要的时间。更具体地，时间段Tw可以是大致为由存储电容器C105的电容值、开关106和108的导通电阻值和公共信号线110的寄生电容C110确定的时间常数的三倍的值。但是，该值不限于时间常数的三倍的值。

图11是图1的成像装置中的列中的部分电路的等效电路图。电阻R108是第一开关108的导通电阻。电阻R 110是公共信号线110的寄生电阻。电容C110是公共信号线110的寄生电容。导通电阻R108、寄生电阻R110和寄生电容C110被串联连接在存储电容器C105的一端与接地电位节点之间。基准电位改变开关106将存储电容器C105的另一端连接到接地电位节点或电压源107。换句话说，基准电位改变开关106将存储电容器C105的基准电位(基准电压)切换到接地电位或正电压VA。如果基准电位改变开关106与电压源107侧连接，那么被施加到电阻R108和R110的初始电压为VA+V105(0)。因此，如上所述，紧接在切换基准电位改变开关106之后的电流I(0)增加，因此，基于式(6)，电压V110的随时间改变率也增加。这表示信号电荷以更高的速度从存储电容器C105被传送到寄生电容C110。换句话说，本实施例使得能够将存储电容器C105中的信号电荷高速传送到公共信号线110。并且，在各列中的电压源107中，更远离输出放大器113的列中的一个电压源输出更高电压，由此可以在公共信号线110中提供在各列中均匀的信号波形劣化，使得能够提供均匀的特性。

图12是示出图11中的电路的另一示例性配置的示图。将描述图12中的电路与图11中的电路不同的点。存储电容器C105的另一端与接地电位节点固定连接。寄生电容C110的一端通过电阻R108和R110与存储电容器C105的一端连接。第三开关115将寄生电容C110的另一端连接到接地电位节点或负电压源114。当第三开关115与负电压源114连接时，负电压VB被供给到寄生电容C110的另一端。与存储电容器C105的另一端连接的接地电位节点的电压变得比与寄生电容C110的另一端连接的负电源电压114的负电压VB更高，因此，如图11的情况那样，存储电容器C105中的信号电荷被高速传送到公共信号线110。更具体地，紧接在第一开关108被接通之后，电容C110的基准电位通过第三开关115对于时间段Tw从接地电位改变为负电压VB。多个第三开关115通过电容C110与公共信号线110连接。当相应的第一开关108关断时，每个第三开关115通过相应的电容C110向公共信号线110供给接地电位。在第一开关108接通的时间段中的至少一部分时间段Tw中，第三开关115通过电容C110向公共信号线110供给负电压VB。因此，第一开关108被接通之后的初始电流增加，使得能够实现高速信号传送。将在后面参照图6描述更具体的电路配置。

(第二实施例)

图3是示出根据本发明的第二实施例的成像装置的示例性配置的示图。本实施例与第一实施例的不同之处在于，取代为各列配置的电压源107，使用包含一个电压源107和电阻线的分压电路。电阻线被连接在正电压源107和接地电位节点之间。在电阻线上，以预定的间隔设置用于各列的正电压节点。作为设置电阻分压电路的结果，在用于电阻线上的各列的正电压节点中，较接近输出放大器113的列中的一个正电压节点具有较低的电压。每个列中的基准电位改变开关106将存储电容器C105的另一端连接到接地电位节点或相应列中的正电压节点。因此，通过使用电压源107，可以在公共信号线110上提供均匀的信号波形劣化，使得能够提供均匀的特性。多个基准电位改变开关106可以将多个存储电容器C105的另一端分别连接到多个正电压节点。多个正电压节点通过连接在电压源107和接地电位节点之间的电阻线被供给从电阻分压得到的电压。根据本实施例，可以通过借助于电压源107和电阻分压电路对于各列改变(逐渐减小)存储电容器C105的基准电位，来解决从具有行相关性的存储电容器C105传送信号时的信号波形劣化的问题。

(第三实施例)

图4是示出根据本发明的第三实施例的成像装置的示例性配置的示图，图5是根据第三实施例的成像装置的时序图。图4中的成像装置与图3中的成像装置的不同之处在于，取代电压源107和基准电位改变开关106，提供可变电压源121。可变电压源121通过导电线或电阻线被共同连接到各列中的存储电容器C105的另一端，使得能够选择性地向存储电容器C105的另一端供给接地电位或正电压VA。图5中的时序图与图2中的时序图类似。但是，在与图2中的基准电位改变开关106类似的定时上，可变电压源121以低电平输出接地电位，并且以高电平输出正电压VA。在图5中的时序图中，可变电压源121在时间段Tw期间将输出从接地电位改变为正电压VA。正电压VA的值可增加到用于提供成像装置的半导体工艺所允许的最大电压，并且，随着值更大，可以提供更大的速度增加效果。并且，可变电压源121的极性依赖于从存储电容器C105传送的电荷的极性，并且，可在正极性的情况下通过正电压提供高速传送效果，并且，也可在负极性的情况下通过负电压提供高速传送效果。

(第四实施例)

图6是示出根据本发明的第四实施例的成像装置的示例性配置的示图，并且，图7是根据第四实施例的成像装置的时序图。图6中的成像装置是如作为图11和图12的组合的图13所示的那样通过使用开关106和115同时改变两个电容C105和C110的基准电位的例子。图13中的电路是通过向图11中的电路添加第三开关115和负电压源114而获得的电路。第三开关115将寄生电容C110的另一端连接到接地电位或负电压源114。图6中的成像装置是通过向图1中的成像装置添加第三开关115和负电压源114而获得的成像装置。每个寄生电容C110的一端与公共信号线110连接，而另一端与相应的第三开关115连接。第三开关115将相应的寄生电容C110的另一端连接到接地电位或负电压源114。将描述图7中的时序图与图2中的时序图不同的点。当来自第一开关108的控制脉冲信号转变为高电平时，第一开关108被接通，并且，累积于相应的存储电容器C105中的信号电荷被传送到公共信号线110。在来自第一开关108的控制脉冲信号处于高电平的时间段中的时间段Tw期间，来自开关106和115的控制脉冲信号同时转变为高电平。在时间段Tw以外的时间段期间，来自开关106和115的控制脉冲信号处于低电平。基准电位改变开关106在控制脉冲信号处于低电平时与接地电位节点连接，并在控制脉冲信号处于高电平时与正电压源107连接。第三开关115在控制脉冲信号处于低电平时与接地电位节点连接，并且在控制脉冲信号处于高电平时与负电压源114连接。在时间段Tw中，存储电容器C105的基准电压从接地电位被切换到正电压VA，并且，公共信号线110的寄生电容C110的基准电位从接地电位被切换到负电压VB。因此，使得存储电容器C105的基准电位比公共信号线110的寄生电容C110的基准电位更高，使得能够将存储电容器C105中的信号电荷高速传送到公共信号线110。

(第五实施例)

图14是示出根据本发明的第五实施例的成像装置的示例性配置的示图，图15是根据第五实施例的成像装置的时序图。图14中的成像装置是通过向第四实施例添加第四开关109和块选择水平扫描电路116而获得的成像装置，并且可选择读取电路块122。以下描述本实施例与第四实施例不同的点。存储电容器C105、基准电位改变开关106、电压源107和第一开关108以多个列为单位被划分成多个读取电路块122。每个读取电路块122中的第一开关108被共同连接到一个开关109。为每个读取电路块122提供第四开关109，并且第四开关109的一端与相应的读取电路块122中的所有开关108连接，而另一端与公共信号线110连接。块选择水平扫描电路116执行控制来接通/关断第四开关109。第一开关108被划分到读取电路块122中。每个第四开关109被设置在相应的读取电路块122中的第一开关108和公共信号线110之间，并且，第四开关109被依次接通以依次选择读取电路块122。以下描述图15中的时序图与图7中的时序图不同的点。第四开关109在来自第四开关109的控制脉冲信号处于低电平时关断，而在控制脉冲信号处于高电平时接通。第四开关109被依次接通，由此，来自各读取电路块122的信号被依次输出到公共信号线110。在来自一个开关109的控制脉冲信号处于高电平并由此选择一个读取电路块122的时间段期间，与图7中一样，读取电路块122中的所有开关108被依次接通。在第一开关108接通的时间段中的时间段Tw期间，相应的开关106和开关115被同时接通，使得能够将相应的存储电容器C105中的信号电荷以高速传送到公共信号线110。

在第一、第二和第五实施例中，开关106和电压源107提供基准电位供给单元，该基准电位供给单元改变存储电容器C105的基准电位和公共信号线100的基准电位，使得基准电位之间的差值在第一开关108接通的时间段期间变得更大。在图12中，通过第三开关115和电压源114提供上述的基准电位供给单元。在第三实施例中，通过可变电压源121提供基准电位供给单元。在第四实施例中，通过基准电位改变开关106、电压源107、第三开关115和电压源114提供基准电位供给单元。

上述的基准电位供给单元控制上述的基准电位，使得当改变基准电位时基准电位进入下述的状态：执行控制使得在公共信号线110上，连接到远离输出放大器113的位置的存储电容器C105与公共信号线110之间的基准电位差大于连接到接近输出放大器113的位置的存储电容器C105与公共信号线110之间的基准电位差。

上述的实施例中的任一个仅是用于实施本发明的特定例子，并且，不应用上述的实施例限制性解释本发明的技术范围。换句话说，可以在不背离本发明的技术思想或其主要特征的情况下以各种方式实施本发明。上述的实施例的各种组合是可能的。

虽然已参照示例性实施例说明了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有的修改和等同的结构和功能。

Claims (6)

1.一种成像装置，包括:

输出通过光电转换得到的信号的多个像素;

用于保持从像素输出的信号的多个存储电容器;

用于传送由存储电容器保持的信号的公共信号线;和

多个第一开关，分别用于将多个存储电容器中的每一个连接到公共信号线，其中，

多个存储电容器中的每一个具有与第一开关连接并且被供给从像素输出的信号的一个端子和被施加基准电位的另一端子，

该成像装置还包括用于供给基准电位的基准电位供给单元，并且，

基准电位供给单元在所述多个存储电容器保持信号的时间段期间供给第一基准电位，并且在接通第一开关的时间段的一部分期间供给第二基准电位并且在第一开关被关断之前供给第一基准电位，使得第二基准电位和接通第一开关之前的公共信号线的电位之间的电位差大于第一基准电位和接通第一开关之前的公共信号线的电位之间的电位差。

2.根据权利要求1的成像装置，还包括输出放大器，所述输出放大器连接到公共信号线，并且放大和输出来自公共信号线的信号，其中，

基准电位供给单元控制基准电位，使得向公共信号线上的被设置为远离输出放大器的存储电容器供给的第二基准电位和接通第一开关之前的公共信号线的电位之间的电位差大于向公共信号线上的被设置为更接近输出放大器的存储电容器供给的第二基准电位和接通第一开关之前的公共信号线的电位之间的电位差。

3.根据权利要求1的成像装置，还包括用于传送从像素输出的通过光电转换得到的信号的第一信号线，其中，

基准电位供给单元包含分别与多个存储电容器的另一端子中的每一个连接的多个基准电位改变开关，并且，

基准电位改变开关在第一开关被关断时向所对应的存储电容器的另一端子供给接地电位，并且基准电位改变开关在接通第一开关的时间段的至少一部分的时间段期间向所对应的存储电容器的另一端子供给正电位。

4.根据权利要求3的成像装置，其中，

多个基准电位改变开关分别能够将存储电容器的另一端子中的每一个连接到多个正电压节点中的每一个，并且，

多个正电压节点通过连接在电压源和接地电位节点之间的电阻线被供给经电阻分压的电压。

5.根据权利要求1的成像装置，其中，

基准电位供给单元包含通过公共信号线的寄生电容与公共信号线连接的多个第三开关，

第三开关在第一开关被关断时通过所述寄生电容向公共信号线供给接地电位，并且第三开关在接通第一开关的时间段的至少一部分的时间段期间通过所述寄生电容向公共信号线供给负电位。

6.根据权利要求1的成像装置，其中，

多个第一开关被划分成多个块，并且，成像装置包含分别被设置在每个块中的第一开关和公共信号线之间的多个第四开关，并且，

多个第四开关被依次接通以便依次选择多个块。

Images