CN108989712B - 摄像装置 - Google Patents

Abstract

提供能够抑制在高亮度被摄体的摄像时可能产生的黑影的摄像装置。该摄像装置具备：像素；信号线，与像素连接；第一样本保持电路，与信号线连接；以及第二样本保持电路，与信号线连接；像素包括光电转换部、电荷积蓄部、复位晶体管及放大晶体管；第一样本保持电路包括：第一开关，与信号线连接，具有如下输入输出特性：输出相对于钳位电压以下的输入为线性，输出相对于超过钳位电压的输入被钳位至钳位电压；以及第一电容元件，经由第一开关与信号线连接；第二样本保持电路包括：第二开关，与信号线连接，具有输出相对于输入为线性的输入输出特性；以及第二电容元件，经由第二开关与信号线连接。

Description

摄像装置

技术领域

本公开涉及摄像装置。

背景技术

已知将复位时的基准信号和与受光量相应的像素信号依次扫描而输出的摄像装置。通过取两信号的差量，从而能够得到真正的像素信号。该处理是所谓相关双采样(CDS)。

在对高亮度的被摄体进行摄像时，有时即使由于在刚复位后的极短期间的受光，也导致信号电荷较多地产生，基准信号变动。此外在这样的情况下，同时，有时导致像素信号饱和。在取变动后的基准信号与饱和的像素信号的差量的情况下，真正的像素信号可能成为接近于零的值。其结果是，在摄像图像的高亮度被摄体区域中产生黑影(blocked upshadows、crushed blacks)。这样的黑影现象特别是在摄像装置的受光面持续地被暴露于光的状态下以高频度产生。例如，该现象在电子快门控制或连续拍摄时显著地出现。

专利文献1公开了一种摄像装置，设置了具有对像素输出线中的信号的电位进行钳位的功能的钳位晶体管。钳位晶体管与运算放大器的反相输入端子连接。通过使用钳位晶体管，在读出复位信号时，能够使得运算放大器的输出端子的电位不上升至一定电位电平以上。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：(日本)特开2008-42674号公报

发明内容

发明所要解决的课题是，寻求通过简单的电路结构来抑制黑影现象。

为了解决上述课题，本公开的一方式的摄像装置具备：像素；信号线，与所述像素连接；第一样本保持电路，与所述信号线连接；以及第二样本保持电路，与所述信号线连接，所述像素包括：光电转换部，通过光电转换而生成信号电荷；电荷积蓄部，积蓄信号电荷；复位晶体管，将所述电荷积蓄部的电压复位为基准电压；以及放大晶体管，对与在所述电荷积蓄部中积蓄的信号电荷的量相应的信号电压进行放大而输出，所述第一样本保持电路包括：第一开关，与所述信号线连接，具有如下输入输出特性：输出相对于钳位电压以下的输入为线性，输出相对于超过所述钳位电压的输入被钳位至所述钳位电压；以及第一电容元件，经由所述第一开关与所述信号线连接，所述第二样本保持电路包括：第二开关，与所述信号线连接，具有输出相对于输入为线性的输入输出特性；以及第二电容元件，经由所述第二开关与所述信号线连接。

发明效果

根据本公开的例示的实施方式，提供能够通过简单的电路结构来抑制黑影的摄像装置。

附图说明

图1是示意性地表示例示的实施方式1的摄像装置1000的电路结构例的电路图。

图2是示意性地表示例示的实施方式1的摄像装置1000的其他电路结构例的电路图。

图3是示意性地表示例示的实施方式1的变形的摄像装置1000A的电路结构例的电路图。

图4是示意性地表示像素100的光电转换部105的沿着半导体基板105D的法线方向的截面的截面图。

图5是表示在对通常的亮度被摄体进行摄像时的动作定时的一例的定时图。

图6是表示开关Msig及开关Mdark的输入输出特性的曲线图。

图7是表示在对高亮度被摄体进行摄像时的动作定时的一例的定时图。

图8是示意性地表示例示的实施方式1的其他变形的摄像装置1000B的电路结构例的电路图。

图9是表示开关Msig及开关Mdark的输入输出特性的曲线图。

图10是示意性地表示例示的实施方式2的摄像装置1000C的电路结构例的电路图。

图11是表示开关Msig及开关Mdark的输入输出特性的曲线图。

图12是示意性地表示例示的实施方式3的摄像装置1000D的电路结构例的电路图。

图13是表示例示的实施方式4的搭载了本公开的摄像装置的摄像模块2000的功能块的示意图。

标号说明：

100：像素

101：电荷积蓄节点

102：输出信号线

105：光电转换部

105A：透明电极

105B：像素电极

105C：光电转换膜

105D：半导体基板

105E：接触插塞

200：第一样本保持电路

300：第二样本保持电路

400：降压电路

1000、1000A、1000B、1000C、1000D：摄像装置

2000：摄像模块

ADC：AD转换电路

AMP：差动放大器

Cdark、Csig：电容元件

M1：复位晶体管

M2：放大晶体管

M3：选择晶体管

M4：转移晶体管

Mdark、Msig、Msig1、Msig2：开关

PD：光电二极管。

具体实施方式

本公开的一方式的概要如以下的项目所述。

〔项目1〕

一种摄像装置，具备：

像素；

信号线，与所述像素连接；

第一样本保持电路，与所述信号线连接；以及

第二样本保持电路，与所述信号线连接，

所述像素包括：

光电转换部，通过光电转换而生成信号电荷；

电荷积蓄部，积蓄信号电荷；

复位晶体管，将所述电荷积蓄部的电压复位为基准电压；以及

放大晶体管，对与在所述电荷积蓄部中积蓄的信号电荷的量相应的信号电压进行放大而输出，

所述第一样本保持电路包括：

第一开关，与所述信号线连接，具有如下输入输出特性：输出相对于钳位电压以下的输入为线性，输出相对于超过所述钳位电压的输入被钳位至所述钳位电压；

第一电容元件，经由所述第一开关与所述信号线连接，

所述第二样本保持电路包括：

第二开关，与所述信号线连接，具有输出相对于输入为线性的输入输出特性；以及

第二电容元件，经由所述第二开关与所述信号线连接。

〔项目2〕

如项目1所述的摄像装置，还具备控制电路，

所述像素将与所述基准电压对应的基准信号、以及与所述信号电压对应的像素信号输出至所述信号线，

所述控制电路在所述像素输出所述基准信号时接通所述第一开关，在所述像素输出所述像素信号时接通所述第二开关。

根据项目1、2所述的摄像装置，能够通过简单的电路结构来抑制黑影。

〔项目3〕

如项目1所述的摄像装置，

所述第一开关包括第一导电型的第一晶体管，

所述第二开关包括所述第一导电型的第二晶体管、以及与所述第二晶体管并联连接且与所述第一导电型不同的第二导电型的第三晶体管。

根据项目3所述的摄像装置，能够不特别附加电路就抑制高亮度被摄体的黑影现象。进而，能够缩小周边电路的规模。

〔项目4〕

如项目1所述的摄像装置，

所述第一开关包括增强型的第一晶体管，

所述第二开关包括耗尽型的第二晶体管。

〔项目5〕

如项目4所述的摄像装置，

所述第一晶体管的导电型与所述第二晶体管的导电型相同。

根据项目4、5所述的摄像装置，提供电路结构的变形，与项目3同样地，能够抑制高亮度被摄体的黑影现象。

〔项目6〕

如项目1至5任一项所述的摄像装置，还具备：

差动放大器，与所述第一样本保持电路及所述第二样本保持电路连接，

所述差动放大器输出在所述第一电容元件中保持的电压与在所述第二电容元件中保持的电压之间的差量。

根据项目6所述的摄像装置，能够得到真正的像素信号。

〔项目7〕

如项目1至6的任一项所述的摄像装置，还具备：

AD转换电路，将所述差动放大器的输出从模拟信号转换为数字信号。

〔项目8〕

如项目7所述的摄像装置，

从所述像素信号的最大值减去所述钳位电压而得到的值比所述AD转换电路的输入电压范围的最大值更大。

根据项目7、8所述的摄像装置，能够更有效地抑制高亮度被摄体的黑影现象。

〔项目9〕

如项目1至8的任一项所述的摄像装置，

所述第一晶体管为MOS晶体管，

在对所述第一晶体管的栅极施加电源电压时，所述钳位电压是从所述电源电压减去所述第一晶体管的阈值电压而得到的值。

根据项目9所述的摄像装置，能够对第一晶体管的栅极端子直接施加电源电压，也可以不设置生成对栅极端子进行控制的控制信号的新的生成电路。

〔项目10〕

如项目1至8的任一项所述的摄像装置，还具备：

降压电路，对电源电压进行降压而生成降压电压，

所述降压电路将所述降压电压施加给所述第一晶体管的栅极，

所述第一晶体管为MOS晶体管。

根据项目10所述的摄像装置，能够调整向第一晶体管的栅极端子赋予的电压电平。

〔项目11〕

如项目10所述的摄像装置，

在对所述第一晶体管的所述栅极施加所述降压电压时，所述钳位电压是从所述降压电压减去所述第一晶体管的阈值电压而得到的值。

根据项目11所述的摄像装置，能够任意地变更第一样本保持电路的输出的钳位电压。

〔项目12〕

如项目3至7的任一项所述的摄像装置，

所述信号电荷为空穴，

所述第一导电型的第一晶体管为n型的MOS晶体管。

根据项目12所述的摄像装置，提供能够抑制高亮度被摄体的黑影现象且将空穴作为信号电荷对待的摄像装置。

〔项目13〕

如项目1至12的任一项所述的摄像装置，

所述光电转换部具有：

第一电极；

第二电极，与所述第一电极对置；

光电转换膜，位于所述第一电极和所述第二电极之间，通过光电转换来生成所述信号电荷。

根据项目13所述的摄像装置，提供能够抑制高亮度被摄体的黑影现象且具备具有光电转换膜的光电转换部的摄像装置。

〔项目14〕

如项目1至12的任一项所述的摄像装置，

所述光电转换部为光电二极管。

〔项目15〕

如项目14所述的摄像装置，

所述像素在所述光电转换部与所述电荷积蓄部之间包括转移晶体管。

以下，参照附图详细说明本公开的实施方式。另外，以下说明的实施方式都表示概括的或具体的例子。以下的实施方式所示的数值、形状、材料、结构要素、结构要素的配置及连接方式、步骤、步骤的顺序等是一例，并非意在限定本公开。在本说明书中说明的各种方式只要没有产生矛盾，就能够相互组合。此外，关于以下的实施方式中的结构要素之中表示最上位概念的独立权利要求中没有记载的结构要素，作为任意的结构要素而说明。在以下的说明中，实质上具有相同的功能的结构要素以公共的参照标号来表示，有时省略说明。

(实施方式1)

参照图1至图9，说明本实施方式的摄像装置1000的构造及动作。

〔摄像装置1000的构造〕

图1示意性地表示本实施方式的摄像装置1000的电路结构例。

摄像装置1000具备二维地排列的多个像素100及周边电路。实际上，可以将数百万个像素100二维地排列。从附图的简化的观点出发，图1仅示出在某一列上配置的2个像素。摄像装置1000也可以是线传感器。在该情况下，多个像素100一维地(例如，在行方向或列方向上)排列。

周边电路例如具备样本保持电路SH、差动放大器AMP、模拟-数字转换电路ADC、行扫描电路(未图示)、及列扫描电路(未图示)。周边电路主要从像素100读出像素信号而进行处理，并将它们输出至摄像装置的外部。以后，将模拟-数字转换电路记载为AD转换电路。

像素100及样本保持电路SH经由按每列而设置的输出信号线102相互电连接。从像素100读出的基准信号及像素信号通过样本保持电路SH被采样。差动放大器AMP取采样后的基准信号及像素信号的差量。由此，得到真正的像素信号。

AD转换电路ADC对从差动放大器AMP输出的真正的像素信号进行AD转换而输出数字信号。摄像装置1000例如能够输出RAW数据作为像素信号。

像素100典型地说具有光电转换部105、复位晶体管M1、放大晶体管M2及选择晶体管M3。

光电转换部105例如是光电二极管。光电转换部105通过光电转换而生成信号电荷。光电转换部105与复位晶体管M1及放大晶体管M2电连接。将光电转换部105、复位晶体管M1及放大晶体管M2电连接的节点一般来说被称为浮动扩散节点。在本说明书中，有时将浮动扩散节点称为FD节点或电荷积蓄节点。通过光电转换部105光电转换后的信号电荷被积蓄在FD节点101中。

复位晶体管M1与FD节点101电连接。在图1中，复位晶体管M1的源极及漏极的一方与FD节点101连接。复位晶体管M1将FD节点101的电位复位为基准电位VRST。复位晶体管M1通过被输入至栅极的控制信号RST而被控制。

放大晶体管M2与FD节点101电连接。在图1中，放大晶体管M2的栅极与FD节点101连接。放大晶体管M2对根据在FD节点101中积蓄的信号电荷的量而产生的信号电压进行放大而输出。

选择晶体管M3与放大晶体管M2及输出信号线102电连接。通过放大晶体管M2及选择晶体管M3而形成源极跟随器电路。选择晶体管M3通过被输入至栅极的控制信号SEL而被控制。选择晶体管M3将放大晶体管M2的输出信号选择性地输出至输出信号线102。

样本保持电路SH具有第一样本保持电路200及第二样本保持电路300。

第一样本保持电路200是用于对与基准电位对应的基准信号进行采样而保持的电路。第一样本保持电路200与输出信号线102电连接。第一样本保持电路200对从像素100读出的基准信号进行采样而保持。

第一样本保持电路200具有开关Mdark及电容元件Cdark。开关Mdark是NMOS晶体管。开关Mdark具有阈值电压Vth1。开关Mdark通过被输入至栅极的控制信号DCAP而被控制。开关Mdark具有如下输入输出特性：若被输入至源极及漏极的一方的电压超过钳位电压Vclip，则从源极及漏极的另一方输出的电压被钳位至规定值。在此所说的规定值典型地说是0V以上且电源电压Vdd以下的值。关于开关Mdark的输入输出特性在后面叙述。在此电源电压Vdd意味着被供应至放大晶体管M2的漏极侧的电压。即电源电压Vdd意味着被供应至放大晶体管M2的与输出信号线102相反侧的端子的电压。

第二样本保持电路300是用于对与在FD节点101中积蓄的信号电荷的量相应的像素信号进行采样而保持的电路。第二样本保持电路300与输出信号线102电连接。第二样本保持电路300对从像素100读出的像素信号进行采样而保持。

第二样本保持电路300具有开关Msig及电容元件Csig。开关Msig是CMOS(互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor))晶体管，具有相互并联连接的两个开关Msig1及开关Msig2。通过使用CMOS晶体管作为开关Msig，能够确保后述的开关的输出范围。

开关Msig1是NMOS晶体管。开关Msig2是PMOS晶体管。开关Msig通过被输入至开关Msig1及开关Msig2的栅极的控制信号SCAP而被控制。若具体说明，则开关Msig1通过正逻辑的栅极控制信号SCAP而被控制。开关Msig2通过负逻辑的栅极控制信号SCAP而被控制。

在本说明书中，说明信号电荷为空穴的例子。然而，信号电荷为电子的摄像装置也属于本公开的范畴。第一样本保持电路200及第二样本保持电路300中的晶体管的导电型依赖于信号电荷的种类。例如，优选在信号电荷为空穴时，对开关Mdark使用n型晶体管，在信号电荷为电子时，对开关Mdark是使用p型晶体管。本实施方式中的开关Mdark及开关Msig是增强型的晶体管。

在从像素100读出基准信号时，第一样本保持电路200接通，第二样本保持电路300断开。具体而言，开关Mdark接通，开关Msig断开。通过该开关动作，第一样本保持电路200能够对基准信号进行采样。采样后的基准信号被保持于电容元件Cdark。

在从像素100读出像素信号时，第一样本保持电路200断开，第二样本保持电路300接通。具体而言，开关Mdark断开，开关Msig接通。通过该开关动作，第二样本保持电路300能够对像素信号进行采样。采样后的像素信号保持于电容元件Csig。

第一样本保持电路200及第二样本保持电路300的各自的输出值被输入至差动放大器AMP。差动放大器AMP取在电容元件Cdark中保持的基准信号与在电容元件Csig中保持的像素信号的差量，输出真正的像素信号。

图2示意性地表示本实施方式的摄像装置1000的其他电路结构例。

如图2所示，像素100也可以具有转移晶体管M4。若使用转移晶体管M4，则能够将来自光电转换部105的信号电荷完全地转移至FD节点101。转移晶体管M4在一般的CMOS图像传感器中被使用。

(像素100的变形例)

图3示意性地表示本实施方式的变形的摄像装置1000A的电路结构例。在图3中，光电转换部105的结构与图1不同。图4示意性地表示沿着半导体基板105D的法线方向的光电转换部105的截面。

如图4所示，图3所示的像素100的光电转换部105具有透明电极105A、像素电极105B、以及被配置在透明电极105A与像素电极105B之间的光电转换膜105C。像素电极105B与对电极的电位进行控制的控制电路(未图示)电连接。FD节点101被设置在半导体基板105D中，经由接触插塞105E与像素电极105B电连接。在本公开中，光电转换部105既可以是光电二极管，也可以是具有图4所示的光电转换膜105C的结构。

在图3所示的摄像装置1000A中，电荷如以下那样被收集。若光从透明电极105A侧入射至光电转换膜105C，则通过光电转换而产生正和负的电荷。此时，若在透明电极105A与像素电极105B之间施加电压，则产生电场。其结果，正及负的电荷之中的一方通过像素电极105B被收集。例如，若对透明电极105A施加10V，对像素电极105B施加0V的电压，则正电荷通过像素电极105B被收集。电荷从像素电极105B移动至FD节点101，被积蓄于FD节点101。

〔摄像装置1000的动作〕

首先，说明在对通常的亮度的被摄体进行摄像时的动作。

图5表示在对通常的亮度的被摄体进行摄像时的动作定时的一例。在图5中，示出控制信号SEL、控制信号RST、被输出至输出信号线102的信号S1、控制信号SCAP及控制信号DCAP的波形。

(1-1.像素信号读出期间T1)

在时刻t1，将控制信号SEL设为高电平，将选择晶体管M3设为接通。由此，读出对象的像素100按每列被选择，开始从所选择的像素100读出像素信号。具体而言，上述的源极跟随器电路将与在FD节点101中积蓄的信号电荷的量相应的像素信号输出至输出信号线102。

将源极跟随器电路的增益设为Gsf。输出信号线102的电压成为以式(1)表示的信号电压Vs。在此，ΔVPC是与通过光电转换而产生的电荷的量相应的像素信号电压，Vt0是放大晶体管M2的阈值电压。

Vs＝Gsf×(VRST+ΔVPC-Vt0)(1)

在时刻t2，将控制信号SCAP设为高电平，将晶体管Msig设为接通。由此，经由开关Msig，电容元件Csig与输出信号线102被导通，在电容元件Csig中保持信号电压Vs。

(1-2.复位期间T2)

在时刻t3将控制信号RST设为高电平，将复位晶体管M1设为接通。由此，FD节点101的电位被复位为基准电位VRST。输出信号线102的电压成为以式(2)表示的信号电压Vd。

Vd＝Gsf×(VRST-Vt0) (2)

(1-3.基准信号读出期间T3)

在时刻t4，将控制信号DCAP设为高电平，将晶体管Mdark设为接通。由此，电容元件Cdark与输出信号线102被导通。控制信号DCAP的高电平例如相当于电源电压Vdd。

图6表示开关Msig及开关Mdark的输入输出特性。横轴是各自的晶体管的输入电压VIN(V)，纵轴是输出电压VOUT(V)。实线表示开关Mdark的输入输出特性，虚线表示开关Msig的输入输出特性。

如上述那样，开关Msig是CMOS晶体管。开关Msig的输入输出特性如图6所示是线性。从而，被输入至开关Msig的信号电压Vs被原样输出。所输出的信号电压Vs被保持于电容元件Csig。

开关Mdark是NMOS晶体管。图6所示的开关Mdark的输入输出特性以下述的式(3)及(4)表示。

在VIN≤Vclip＝Vdd-Vth1的情况下，

VOUT＝VIN (3)

在VIN＞Vclip＝Vdd-Vth1的情况下，

VOUT＝Vclip＝Vdd-Vth1 (4)

在对通常的亮度的被摄体进行摄像时，复位时的输出信号线102的电压被设定在式(3)成立的VIN的范围内。即，选择基准电位VRST的值，以使复位后的信号电压Vd＝Gsf×(VRST-Vt0)≤Vdd-Vth1成立。此外，对开关Mdark施加高电平的控制信号DCAP。由此，在电容元件Cdark中保持信号电压Vd。在对通常的亮度的被摄体进行摄像时，信号电压Vd不依赖于入射光量，例如成为图6中的VR。

通过差动放大器AMP，取在像素信号读出期间被输出的信号电压Vs、与在基准信号读出期间被输出的信号电压Vd之间的差量。由此，得到表示真正的像素信号的差电压Vpix。差电压Vpix通过式(5)来表示。

Vpix＝Vs-Vd

＝Gsf×(VRST+ΔVPC-Vt0)-Gsf×(VRST-Vt0)

＝Gsf×ΔVPC (5)

接着，说明在对可能产生黑影的高亮度的被摄体进行摄像时的动作。

图7表示在对高亮度的被摄体进行摄像时的动作定时的一例。在图7中，示出控制信号SEL、控制信号RST、被输出至输出信号线102的信号S1、控制信号SCAP及控制信号DCAP的波形。

(2-1.像素信号读出期间T1)

期间T1中的动作与在对通常的亮度的被摄体进行摄像时的动作相同。通过期间T1的动作，在电容元件Csig中保持信号电压Vs。但是，在对高亮度的被摄体进行摄像时，通过光电转换而产生的电荷饱和。因此，与在FD节点101中积蓄的电荷的量相应的像素信号电压也饱和。将饱和时的像素信号电压以ΔVPC_MAX表示。若将式(1)的ΔVPC置换为ΔVPC_MAX，则得到式(6)。

Vs＝Gsf×(VRST+ΔVPC_MAX-Vt0) (6)

(2-2.复位期间T2)

在时刻t3，将控制信号RST设为高电平，将复位晶体管M1设为接通。由此，FD节点101的电位被复位为基准电位VRST。

(2-3.基准信号读出期间T3)

在时刻t4将控制信号RST设为低电平，将复位晶体管M1设为断开。在对高亮度的被摄体进行摄像时，在时刻t4至时刻t5的期间中，也通过光电转换而产生较多的信号电荷。因此FD节点101的电位剧烈地上升。在信号电荷为电子的情况下，FD节点101的电位剧烈地降低。FD节点101的电位最大可能到达与信号电压Vs相同的电平。在这样的状态下，若在时刻t5将控制信号DCAP设为高电平，则向输出信号线102最大输出以式(7)表示的信号电压Vd。

Vd＝Gsf×(VRST+ΔVPC_MAX-Vt0) (7)

在输出了以式(7)表示的信号电压Vd的情况下，信号电压Vd与信号电压Vs之间的差量成为零。由于这样的理由，在进行高亮度的被摄体的摄像时产生黑影。

在本实施方式中，开关Mdark表现出图6所示的输入输出特性。如上所述，在对高亮度被摄体进行摄像时，信号电压Vd上升而开关Mdark的输入电压VIN超过钳位电压Vclip的情况很可能发生。也就是说，存在成为Vd＞Vdd-Vth1的情况。在该情况下，开关Mdark的输出电压VOUT也基于式(4)而被钳位至Vclip、即Vdd-Vth1。从而，在电容元件Cdark中，保持信号电压Vd＝Vdd-Vth1。

通过差动放大器AMP取信号电压Vs与信号电压Vd的差量。由此，得到差电压Vpix。差电压Vpix通过式(8)来表示。其值能够取零以外的值。

Vpix＝Vs-Vd

＝Gsf×(VRST+ΔVPC_MAX-Vt0)-(Vdd-Vth1) (8)

通过采用本实施方式的样本保持电路SH的开关的结构，能够不特别附加电路就抑制高亮度的被摄体的黑影现象。进而，能够缩小周边电路的规模。

(摄像装置1000的变形例)

图8示意性地表示本实施方式的其他变形的摄像装置1000B的电路结构例。

摄像装置1000B还具备生成控制信号DCAP的降压电路400。

降压电路400例如对电源电压Vdd进行降压，生成降压电压。例如，降压电压是电源电压的中间电压(Vdd/2)。降压电压被输入至Mdark的栅极。

图9表示开关Msig及开关Mdark的输入输出特性。横轴是输入电压VIN(V)，纵轴是输出电压VOUT(V)。实线表示开关Mdark的输入输出特性，虚线表示开关Msig的输入输出特性。

图9表示将相当于电源电压Vdd的中间电压的控制信号DCAP施加给开关Mdark时的、开关Mdark的输入输出特性。开关Mdark的输出的钳位电压Vclip成为(Vdd/2)-Vth1。开关Msig的输入输出特性是线性。开关Mdark的输入输出特性以下述的式(9)及(10)表示。

在VIN≤Vclip＝(Vdd/2)-Vth1的情况下，

VOUT＝VIN (9)

在VIN＞Vclip＝(Vdd/2)-Vth1的情况下，

VOUT＝Vclip＝(Vdd/2)-Vth1 (10)

这样，通过对控制信号DCAP的电平进行调整，从而能够改变开关Mdark的输入输出特性。具体而言，能够改变开关Mdark的输出的钳位电压。

例如，考虑在Vpix的最大值即Vpix_MAX超过AD转换电路ADC的输入范围的情况，也就是说、与AD转换电路ADC的输入的最大值VAD相比更大的情况。在该情况下，Vpix_MAX作为饱和信号而从AD转换电路ADC输出。此外，在该情况下，对应的像素看起来发白。另一方面，在Vpix_MAX的值与VAD相比更小的情况下，Vpix_MAX不会成为饱和信号。也就是说，对应的像素例如成为灰色。

这样，通过AD转换电路ADC的输入范围及钳位电压Vclip的设定，Vpix_MAX与VAD相比更小。在该情况下，AD转换电路ADC的输入范围之中可能产生不被使用到的范围。于是，有可能所得到的图像的颜色的范围也变小。

另一方面，如本实施方式那样若具备降压电路400，则能够变更钳位电压Vclip。从而，能够配合于AD转换电路ADC的输入范围而对钳位电压Vclip进行调整。因此，能够使用具有多种输入范围的AD转换电路。

作为一例，各种值能够设为Vdd＝3.0V、Vth1＝1.5V、Gsf＝0.9、VRST+ΔVPC_MAX＝Vdd＝3.0V、Vt0＝0.3V、VAD＝0.6V。在该情况下，成为Vpix_MAX＝0.6V，与VAD一致。另外，在电源电压为3.0V左右的情况下使用的AD转换电路ADC的输入范围VAD例如是0.1V以上且2.0V以下。

(实施方式2)

图10示意性地表示本实施方式的摄像装置1000C的电路结构例。

本实施方式的摄像装置1000C与实施方式1的摄像装置1000在晶体管Msig的结构上不同。以下，以其不同点为中心进行说明。

在本实施方式中，开关Msig是耗尽型的NMOS晶体管。这样，在本实施方式中，开关Msig由一个晶体管构成。

图11表示开关Msig及开关Mdark的输入输出特性。横轴是输入电压VIN(V)，纵轴是输出电压VOUT(V)。实线表示开关Mdark的输入输出特性，虚线表示开关Msig的输入输出特性。

作为耗尽型的NMOS晶体管的开关Msig具有VIN＝VOUT的输入输出特性。另一方面，开关Mdark是增强型的NMOS晶体管。若将开关Mdark的阈值电压设为Vth2，则图11所示的开关Mdark的输入输出特性以下述的式(11)及(12)表示。能够得到与实施方式1的两个开关Mdark、Msig的输入输出特性相同的特性。

在VIN≤Vclip＝Vdd-Vth2的情况下，

VOUT＝VIN (11)

在VIN＞Vclip＝Vdd-Vth2的情况下

VOUT＝Vclip＝Vdd-Vth2 (12)

在对高亮度的被摄体进行摄像时，信号电压Vd上升而开关Mdark的输入电压VIN超过钳位电压Vclip的情况很可能发生。也就是说，有成为Vd＞Vdd-Vth2的情况。在该情况下，通过对开关Mdark施加高电平的控制信号DCAP，输出电压VOUT基于式(12)也被钳位至Vclip、即Vdd-Vth2。

与实施方式1同样，在摄像高亮度的被摄体时，通过将复位电压电平的信号电压Vd钳位至Vdd-Vth2，能够抑制黑影的产生。

(实施方式3)

图12示意性地表示本实施方式的摄像装置1000D的电路结构例。本实施方式的摄像装置1000D将像素信号和基准信号保持于公共的电容元件，在这点上与实施方式1的摄像装置1000不同。以下，以其不同点为中心进行说明。

在从像素100读出像素信号时，第一样本保持电路200断开，第二样本保持电路300接通。具体而言，开关Mdark断开，开关Msig接通。由此，第二样本保持电路300对像素信号进行采样。在电容Ccom中保持的像素信号经由差动放大器AMP通过AD转换电路ADC被AD转换。

接着，在从像素100读出基准信号时，第一样本保持电路200接通，第二样本保持电路300断开。具体而言，开关Mdark接通，开关Msig1断开。由此，第一样本保持电路200对基准信号进行采样。在电容Ccom中保持的基准信号经由差动放大器AMP通过AD转换电路ADC被AD转换。通过取AD转换后的基准信号与像素信号的差量，得到真正的像素信号。

这样，在本实施方式中，使用公共的电容元件Ccom，按时序进行像素信号的采样、像素信号的AD转换、基准信号的采样、及基准信号的AD转换。

根据本实施方式，得到与实施方式1及实施方式2的摄像装置同样的效果。此外，通过将保持像素信号和基准信号的电容元件公共化，能够实现摄像装置的小型化。

(实施方式4)

参照图13，说明本实施方式的摄像模块2000。

图13示意性地表示搭载了本公开的摄像装置的摄像模块2000的功能块。

摄像模块2000例如具备第一实施方式的摄像装置1000、和DSP(数字信号处理器(Digital Signal Processor))500。摄像模块2000对由摄像装置1000得到的信号进行处理而输出至外部。

DSP500作为对从摄像装置1000输出的信号进行处理的信号处理电路而发挥作用。DSP500接受从摄像装置1000输出的数字像素信号。DSP500例如进行伽马校正、颜色插补处理、空间插补处理、及自动白平衡等处理。另外，按照由用户指定的各种设定而对摄像装置1000进行控制，对汇总了摄像模块2000的整体动作的微型计算机也可以具有DSP500的功能。

DSP500对从摄像装置1000输出的数字像素信号进行处理，算出最佳的复位电压VRG、复位电压VRB、及复位电压VRR。DSP500将这些复位电压反馈给摄像装置1000。在此，复位电压VRG、复位电压VRB及复位电压VRR分别表示与G像素相关的复位电压、与B像素相关的复位电压及与R像素相关的复位电压。摄像装置1000和DSP500还能够作为一个半导体装置而制造。半导体装置例如是所谓SoC(***级芯片(System on a Chip))。由此，能够使得使用了摄像装置1000的电子设备小型化。

工业实用性

本公开的摄像装置能够利用于数字静止相机、医疗用相机、监视用相机、车载用相机、数字单镜头反光(单反)相机、数字无反单镜头相机等各种相机***及传感器***。

Claims (15)

1.一种摄像装置，具备：

像素；

信号线，与所述像素连接；

第一样本保持电路，与所述信号线连接；以及

第二样本保持电路，与所述信号线连接，

所述像素包括：

光电转换部，通过光电转换来生成信号电荷；

电荷积蓄部，积蓄信号电荷；

复位晶体管，将所述电荷积蓄部的电压复位为基准电压；以及

放大晶体管，对与所述电荷积蓄部中积蓄的信号电荷的量相应的信号电压进行放大并输出，

所述第一样本保持电路包括：

第一开关，与所述信号线连接，具有如下输入输出特性：输出相对于钳位电压以下的输入为线性，输出相对于超过所述钳位电压的输入被钳位至所述钳位电压；

第一电容元件，经由所述第一开关与所述信号线连接，

所述第二样本保持电路包括：

第二开关，与所述信号线连接，具有输出相对于输入为线性的输入输出特性；以及

第二电容元件，经由所述第二开关与所述信号线连接。

2.如权利要求1所述的摄像装置，

所述摄像装置还具备控制电路，

所述像素将与所述基准电压对应的基准信号、以及与所述信号电压对应的像素信号输出至所述信号线，

所述控制电路在所述像素输出所述基准信号时接通所述第一开关，在所述像素输出所述像素信号时接通所述第二开关。

3.如权利要求1所述的摄像装置，

所述第一开关包括第一导电型的第一晶体管，

所述第二开关包括所述第一导电型的第二晶体管、以及与所述第二晶体管并联连接且与所述第一导电型不同的第二导电型的第三晶体管。

4.如权利要求1所述的摄像装置，

所述第一开关包括增强型的第一晶体管，

所述第二开关包括耗尽型的第二晶体管。

5.如权利要求4所述的摄像装置，

所述第一晶体管的导电型与所述第二晶体管的导电型相同。

6.如权利要求1所述的摄像装置，还具备：

差动放大器，与所述第一样本保持电路及所述第二样本保持电路连接，

所述差动放大器输出所述第一电容元件中保持的电压与所述第二电容元件中保持的电压之间的差量。

7.如权利要求6所述的摄像装置，还具备：

AD转换电路，将所述差动放大器的输出从模拟信号转换为数字信号。

8.如权利要求7所述的摄像装置，

从像素信号的最大值减去所述钳位电压而得到的值比所述AD转换电路的输入电压范围的最大值更大。

9.如权利要求3或4所述的摄像装置，

所述第一晶体管为MOS晶体管，

在对所述第一晶体管的栅极施加电源电压时，所述钳位电压是从所述电源电压减去所述第一晶体管的阈值电压而得到的值。

10.如权利要求3或4所述的摄像装置，还具备：

降压电路，对电源电压进行降压来生成降压电压，

所述降压电路将所述降压电压施加给所述第一晶体管的栅极，

所述第一晶体管为MOS晶体管。

11.如权利要求10所述的摄像装置，

在对所述第一晶体管的所述栅极施加所述降压电压时，所述钳位电压是从所述降压电压减去所述第一晶体管的阈值电压而得到的值。

12.如权利要求3所述的摄像装置，

所述信号电荷为空穴，

所述第一导电型的第一晶体管为n型的MOS晶体管。

13.如权利要求1所述的摄像装置，

所述光电转换部具有：

第一电极；

第二电极，与所述第一电极对置；以及

光电转换膜，位于所述第一电极与所述第二电极之间，通过光电转换来生成所述信号电荷。

14.如权利要求1所述的摄像装置，

所述光电转换部为光电二极管。

15.如权利要求14所述的摄像装置，

所述像素在所述光电转换部与所述电荷积蓄部之间包括转移晶体管。

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