CN1973532A - 固体摄像装置以及采样电路 - Google Patents

Abstract

提供一种防止固定图形噪声出现的固体摄像装置，由采样电路本身的不均匀性引起在列方向(或行方向)中具有相关性的固定图形噪声。固体摄像装置包括采样电路，其对来自光电二极管(PD)的信号进行采样。采样电路包括：箝位电容器(C_CL)，只传输信号的交流成分；采样电容器(C_SH)，用于保持通过箝位电容器(C_CL)所传输来的信号；采样MOS开关(M12)，将信号传输到采样电容器(C_SH)或断开上述信号的传输；箝位电容器(C_CL)的容量和采样电容器(C_SH)的容量比为，以采样MOS开关(M12)固有容量所决定的规定值。

Description

固体摄像装置以及采样电路

技术领域

本发明涉及适于诸如摄像机和数字静止照相机等为代表的图像输入装置的固体摄像装置，特别是涉及从金属氧化物半导体(MOS)摄像元件或互补金属氧化物半导体(CMOS)摄像元件中读出信号的采样电路。

背景技术

由于诸如摄像机和数字静止照相机等为代表的图像输入装置的广泛使用，已经提出了各种类型的固体摄像装置(例如，参考专利文献1)。

图1是以往固体摄像装置的电路图。单位像素(光电转换元件)包括：光电二极管PD、读出MOS晶体管M1、浮动扩散(floatingdiffusion)FD、复位MOS开关M2、放大MOS开关M3、以及行选择MOS开关M4，并且垂直移位寄存器90控制每行像素中的操作。包括采样MOS开关M12、箝位电容器C_CL、采样电容器C_SH和箝位MOS开关M16的相关双采样电路(以下称为CDS(Correlated DoubleSampling)电路)连接到列信号线VSIGn和VSIGn+1中的每一个。将像素固定图形噪声在CDS电路中已经被控制的信号，通过由水平移位寄存器91控制的列选择MOS开关M14输出到水平信号线HSIG，从而通过放大器AMP92和CDS93作为图像信号输出。并且，用于对水平信号线HSIG施加与水平信号线复位脉冲ΦHR同步的偏置电压VHB的VHB施加电路连接到水平信号线HSIG，电路包括水平信号线复位MOS开关M15和恒压电源VHB。

图2是示出在图1中所示出的以往的固体摄像装置的工作的时序图。单位像素的具体操作如下。如图2所示，在某一个水平消隐期HBLK期间，在相应的水平扫描线的像素行(例如第m行)中，首先，利用从水平移位寄存器90输出的行复位脉冲ΦVRSTm将浮动扩散FD复位为电源电压VDD。马上，行选择脉冲ΦVSLm出现，从而像素的复位电平输出到列信号线VSIGn，像素的浮动扩散FD处于复位状态。

利用上述像素的复位电平，连接到列信号线VSIGn的CDS电路执行第1采样操作(以下称为箝位)。在箝位中，当通过采样MOS开关M12，为箝位电容器C_CL的第1电极(连接到采样MOS开关M12的电极)提供像素的复位电平(第1像素信号)，以及通过箝位MOS开关M16，箝位电压VCL加到箝位电容器C_CL的第2电极(连接到箝位MOS开关M16的电极)的时候，加到箝位MOS开关M16的控制电极(以下称为栅极电极)的箝位脉冲ΦCL降低，从而保持在箝位电容器C_CL与采样电容器C_SH之间的节点的箝位电压VCL(从t＝t1到t＝t2)。

然后，在同一个水平消隐期HBLK的中间，行读出脉冲ΦVRDm出现，并且信号电荷从光电二极管PD转移到浮动扩散FD。因为与信号电荷有关的变化表现为在列信号线VSIGn中的信号电平(第2图像信号)，所以CDS电路对上述信号电平进行采样，并将此操作作为第2采样操作来执行(以下称为采样)。在采样中，采样脉冲ΦSH降低，从而在箝位电容器C_CL和采样电容器C_SH之间的节点保持列信号线VSIGn中的电压变化(信号电平与复位电平之间的差)(从t＝t3到t＝t4)。此时，在节点保持的电压，具有从箝位电压VCL变化了箝位电容器C_CL与采样电容器C_SH的电容量除法比率的值，即，信号电平与复位电平之间的差。由此，扣除了单位像素中放大MOS开关M3的阈值电压的不均匀性，并且抑制了像素的固定图形噪声。

在此所保持的电压通过由水平移位寄存器91控制的列选择MOS开关M14依次出现在水平信号线HSIG的每一列中(从t＝t5到t＝t6)。在此，由于采样电路C_SH和水平信号线HSIG的电容量C_H的电容量分压，从而使水平信号线HSIG的电压变化，并且变化后的电压作为像素信号输出。

专利文献1  日本特开平10-173997号公报

然而，根据如上所述的以往的采样电路，存在由于包括在连接到每个列信号线的CDS电路中的MOS开关的阈值电压的不均匀性(在每个列信号中的不均匀性)而产生固定图形噪声的问题。

其中，在多个采样电路的每一个中的各个采样电压中出现不均匀性的主要机理如下。

如图3(a)所示，采样电路基本上包括MOS开关和电容器C_SH，并通过改变栅极电压ΦSH，以便MOS开关从ON状态变为OFF状态来进行操作。这样的等效电路则成为：当MOS开关处于ON状态时，如图3(b)所示的电路；当MOS开关处于OFF状态时，如图3(c)所示的电路。如图3(b)所示的等效电路，在ON状态中，输入信号VIN和采样电容器C_SH处于导通状态，采样脉冲ΦSH则在MOS开关的栅极电容器C_G容性耦合。在此，栅极电容C_G为，栅源电容C_GS，栅漏电容C_GD，以及MOS开关处于线性区的工作点时的栅极氧化膜(沟道之间)电容C_GO的总和。另一方面，如图3(c)的等效电路所示，在OFF状态中，电容器模型发生变化，输入信号VIN通过栅漏电容C_GD容性耦合到采样脉冲ΦSH，采样电容器C_SH通过栅源电容C_GS容性耦合到采样脉冲ΦSH，以及输入信号VIN和采样电容器C_SH处于非导通状态。

利用如上所述的MOS开关的电容器模型，如图4(a)所示，在由具有不同阈值电压V_th1和V_th2的MOS开关构成2个相同的采样电路的情况下，由于如图4(b)所示的阈值电压的差(不均匀性)ΔV_th，则出现采样电压的差(不均匀性)ΔSH，如以下公式所示。

公式1

$\mathrm{VSH}1=\mathrm{VIN}-$ $\frac{C_{\mathrm{GS}}}{(C_{\mathrm{SH}}+C_{\mathrm{GS}})}{V}_{\mathrm{th}1}$

$\mathrm{VSH}2=\mathrm{VIN}-$ $\frac{C_{\mathrm{GS}}}{(C_{\mathrm{SH}}+C_{\mathrm{GS}})}{V}_{\mathrm{th}2}$

$\mathrm{\ΔVSH}=\mathrm{VSH}1-\mathrm{VSH}2=\frac{C_{\mathrm{GS}}}{(C_{\mathrm{SH}}+C_{\mathrm{GS}})}\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{th}}$

根据上述机理，在图1所示的以往的固体摄像装置中，在以下的运行阶段中出现不均匀性。

(箝位阶段；在图2中从t＝t1到t＝t2)

图5(a)是仅示出与在以往电路中的箝位阶段有关部分的电路图，与这样的阶段有关，即与采样第1像素信号的操作有关。在此，施加箝位脉冲ΦCL的箝位MOS开关M16的阈值不均匀性为ΔV_th-clamp；箝位MOS开关M16的栅源电容为C_GS；采样电容器电容量为C_SH；箝位电容器电容量为C_CL；则在以下公式中可以示出累积为采样电容器的电荷的不均匀性ΔQ_CSH-clamp(阈值不均匀性转换为电荷)。

公式2

$\mathrm{\Δ}{Q}_{C_{\mathrm{SH}}-\mathrm{clamp}}=-\frac{C_{\mathrm{SH}}{C}_{\mathrm{GS}}}{C_{\mathrm{SH}}+C_{\mathrm{CL}}+C_{\mathrm{GS}}}\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{th}-\mathrm{clamp}}$

(采样阶段；在图2中从t＝t3到t＝t4)

图5(b)是仅示出在以往电路中的采样阶段有关部分的电路图，与这样的阶段有关，即，与采样第2像素信号的操作有关。在此，施加采样脉冲ΦSH的采样MOS开关M12的阈值不均匀性为ΔV_th-clamp；MOS开关的栅源电容为C_GS；采样电容器电容为C_SH；箝位电容器电容为C_CL；则在以下公式中可以示出累积为采样电容器的电容量的电荷的不均匀性ΔQ_CSH-sample。

公式3

$\mathrm{\Δ}{Q}_{C_{\mathrm{SH}}-\mathrm{sample}}=-\frac{\frac{C_{\mathrm{SH}}{C}_{\mathrm{CL}}}{C_{\mathrm{SH}}+C_{\mathrm{CL}}}{C}_{\mathrm{GS}}}{\frac{C_{\mathrm{SH}}{C}_{\mathrm{CL}}}{C_{\mathrm{SH}}+C_{\mathrm{CL}}}+C_{\mathrm{GS}}}\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{th}-\mathrm{sample}}$

(水平输出阶段；在图2中从t＝t5到t＝t6)

图5(c)是仅示出在以往电路中的水平输出阶段有关部分的电路图，与这样的阶段有关，即与存储在采样电容器中的信号电压输出到水平信号线的操作有关。在此，施加列选择脉冲ΦHn的列选择MOS开关M14的阈值不均匀性为ΔV_th-HSW；MOS开关的栅源电容为C_GS；栅漏电容为C_GD；以及C_GS和C_GD和栅极氧化膜的电容量的总和为C_G；则在以下公式中可以示出具有采样电容器和水平信号线电容量C_H的水平信号线中出现的电荷量的不均匀性ΔQ_CSHCH-Hout。

公式4

$\mathrm{\Δ}{Q}_{C_{\mathrm{SH}}{C}_H-\mathrm{Hout}}=(\frac{C_{\mathrm{SH}}{C}_{\mathrm{GS}}}{C_{\mathrm{SH}}+C_{\mathrm{GS}}}+\frac{C_H{C}_{\mathrm{GS}}}{C_H+C_{\mathrm{GD}}}-\frac{(C_{\mathrm{SH}}+C_H)C_G}{C_{\mathrm{SH}}+C_H+C_G})\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{th}-\mathrm{HSW}}$

在上述3个阶段中，由于各个独立的MOS开关的阈值不均匀性，引起了电荷不均匀性，这样，加入了在所有阶段出现的不均匀性，则成为纵向的固定图形噪声。如果这种纵向的固定图形噪声转换为在水平信号线中出现的信号电压的不均匀性，则在以下的公式中可以示出。

公式5

$\mathrm{\ΔV}=\frac{1}{C_{\mathrm{SH}}+C_H}(\mathrm{\Δ}{Q}_{C_{\mathrm{SH}}-\mathrm{clamp}}+\mathrm{\Δ}{Q}_{C_{\mathrm{SH}}-\mathrm{sample}}+\mathrm{\Δ}{Q}_{C_{\mathrm{SH}}{C}_H-\mathrm{Hout}})$

即，由于在构成连接到每个列信号的CDS电路的箝位MOS开关M16、采样MOS开关M12以及列选择MOS开关M14中阈值电压的不均匀性(在每个CDS电路的不均匀性)，即使对于相同的输入信号，每一列也会产生不同的电压，则结果是，根据以往的电路结构，除非除去MOS开关的阈值不均匀性，否则不能控制纵向的固定图形噪声。

发明内容

于是，鉴于上述问题，本发明的目的在于提供固体摄像装置等，防止由采样电路本身的不均匀性而引起的、具有与列方向(或行方向)有关的固定图形噪声的发生。

为了达成上述目的，涉及本发明的固体摄像装置，该固体摄像装置包括对来自光电转换元件的信号进行采样的采样电路，上述采样电路包括：箝位电容器，是仅传输上述信号的交流成分的电容器；采样电容器，是用于保持通过上述箝位电容器所传输的上述信号的电容器；以及采样金属氧化物半导体(MOS)开关，是MOS晶体管，将上述信号传输到上述采样电容器或截止上述传输；上述箝位电容器的电容量和上述采样电容器的电容量具有一种关系，该关系是由上述采样MOS开关固有的电容量来决定的。

例如，上述采样MOS开关被串联连接在上述箝位电容器和上述采样电容器之间的情况下，上述采样电容器的电容量和上述箝位电容器的电容量之比为规定值，该规定值是由上述采样MOS开关固有的电容量来决定的；上述箝位电容器被串联连接在上述采样MOS开关和上述采样电容器之间的情况下，上述采样电容器和上述箝位电容器的串联连接的总电容量和传送上述信号的列信号线的电容量之比是规定值，该规定值是由上述采样MOS开关固有的电容量来决定的。并且，上述规定值是，略等于上述采样MOS开关的栅源电容和栅极电容之比的值。

据此，在多个采样电路中，即使在加到采样MOS开关的阈值电压中存在不均匀性，流入采样电容器的电荷也不受不均匀性的影响，由此，可以在采样阶段防止信号的不均匀性，并且，可以防止由采样电路本身的不均匀性引起的具有与列方向(或行方向)相关的固定图形噪声。

在此，上述采样电路还可以包括：列选择MOS开关，导通或断开上述采样电容器和输出线之间的连接；以及偏置电压施加电路，将偏置电压施加到上述输出线；上述偏置电压施加电路，使要施加到上述输出线的偏置电压变化，该变化是与将上述列选择MOS开关从导通状态控制为断开状态的控制信号同步进行的。例如，上述偏置电压施加电路，将以上述采样电容器的电容量、上述箝位电容器的电容量、上述输出线和基准电位间的电容量以及上述列选择MOS开关固有的电容量所决定的值，作为比例系数，并将该比例系数作为变化量来使上述偏置电压变化。据此，输出线上的偏置电压能够与箝位脉冲同步变化，因此可以防止在箝位阶段的信号的不均匀性，并且，可以防止由采样电路本身的不均匀性引起的具有与列方向(或行方向)相关的固定图形噪声。

并且，为了达成上述目的，涉及本发明的固体摄像装置，包括对来自光电转换元件的信号进行采样的采样电路，在每一列光电转换元件中包括2个上述采样电路；上述2个采样电路彼此并联连接，从而一条列信号线可以用作公共输入，上述列信号线传输来自上述一列光电转换元件的信号；上述采样电路包括：采样电容器，是用于保持上述信号的电容器；以及采样MOS开关，是MOS晶体管，将上述信号传输到上述采样电容器或截止上述传输；上述采样电容器的电容量和上述列信号线的电容量的比为规定值，该规定值是由上述采样MOS开关固有的电容量来决定的。上述规定值是，约等于上述采样MOS开关的栅源电容和栅极电容之比的值。据此，即使1条列信号线(或行信号线)具有2个采样电路的方式，即与相关双采样电路不同的采样方式，也可以防止由采样电路本身的不均匀性引起的具有与列方向(或行方向)相关的固定图形噪声。

并且，上述采样电路还可以包括列选择MOS开关，导通或断开上述采样电容器和输出线之间的连接；当保持在上述采样电容器的信号被输出到上述输出线时，上述列选择MOS开关从非导通状态进入导通状态后，再次进入非导通状态。据此，可以消除由列选择MOS开关所引起的固定图形噪声。

并且，本发明不仅可以作为上述这样的固体摄像装置来实现，而且还可以作为具有固体摄像装置的采样电路单体来实现。只要是使用MOS开关和采样电容器的采样电路，就不仅限于用于固体摄像装置的采样电路，也可以适用于其它的装置所用的采样电路。

根据本发明，在包括列采样电路的MOS或CMOS的摄像元件等中，可以有效地除去由连接到每一个列信号线(或每一个水平信号线)的列采样电路(或行采样电路)所附带引起的纵向固定图形噪声。

而且，在使用列CDS电路的固体摄像装置的以往的方法中，除非忽视MOS开关所保持的各部的电容量、增大采样电容器或箝位电容器，否则，就不能减弱纵向固定图形噪声。然而，在本发明中，只要采样电容器和箝位电容器保持一定的关系，就可以采用采样电容器和箝位电容器的最小电容量，从而可以使固体摄像装置的小型化成为可能。

附图说明

图1是示出以往的固体摄像装置的电路图。

图2是示出以往的固体摄像装置的工作的时序图。

图3是示出以往的采样电路的图。

图4是示出在以往的多个采样电路中的采样电压中出现不均匀性的机理的图。

图5是示出在以往的采样电路中每个工作阶段的说明图。

图6是示出在本发明的实施方式1中的固体摄像装置的电路图。

图7是示出上述固体摄像装置的工作的时序图。

图8是示出上述固体摄像装置的采样电路的图。

图9是示出在上述采样电路的箝位阶段的工作的说明图。

图10是示出在上述采样电路的水平输出阶段的工作的说明图。

图11是示出在本发明的实施方式2中的固体摄像装置的电路图。

图12是示出上述固体摄像装置的工作的时序图。

图13是示出在本发明的实施方式3中的固体摄像装置的电路图。

图14是示出上述固体摄像装置的工作的时序图。

符号说明

PD光电二极管

FD浮动扩散

M1读出MOS晶体管

M2复位MOS开关

M3放大MOS开关

M4行选择MOS开关

M5负荷MOS晶体管

M6，M7，M12采样MOS开关

M8，M9，M14列选择MOS开关

M10，M11，M15水平信号线复位MOS开关

C_SH，C_SH1，C_SH2采样电容器

C_CL箝位电容器

R1，R2电阻

V₀恒压电源

G1，G2具有栅极的MOS开关

具体实施方式

以下，利用附图对本发明的实施方式进行详细说明。

(实施方式1)

图6是示出本发明的实施方式1中的固体摄像装置的电路图。与图1中所示的以往电路相比，已经变化的特征为：CDS电路(列CDS电路)连接到每一个列信号线VSIGn和VSIGn+1；以及列CDS电路的元件结构。上述列CDS电路包括：箝位电容器C_CL、采样MOS开关M12、采样电容器C_SH、列选择MOS开关14、施加到水平信号线HSIG的与箝位脉冲ΦCL同步的偏置电压VHB的VHB调制电路(水平信号线复位MOS开关M15、恒压电源V0、电阻R1及R2)、以及用于控制列选择MOS开关M14的栅极电路(具有栅极的MOS开关G1及G2)。

图7是示出图6所示出的固体摄像装置的工作的时序图。在第m行的像素的操作如下。首先，在水平消隐期HBLK开始时，由垂直移位寄存器90产生行复位脉冲ΦVRSTm，然后，在第m行的像素中，将浮动扩散FD复位到电源电压VDD，该浮动扩散FD将在光电二极管PD中已经进行了光电转换的信号电荷转换为信号电压。

而后，在箝位阶段(t≤t1)中，出现行选择脉冲ΦVSLm、采样脉冲ΦSH、箝位脉冲ΦCL、以及箝位兼水平信号线复位脉冲ΦCL-HR。在此，已经复位的浮动扩散FD的第1像素信号从第m行像素输出到每个列信号线(VSIG1、…VSIGn、VSIGN)，并且，在列信号线VSIGn的电压为第1像素信号的状态下，将偏置电压VHB施加到采样电容器C_SH的采样MOS开关M12这一侧的电极上。而且，此时的偏置电压VHB的值为：处于高电平状态的箝位脉冲ΦCL由电阻R1及R2分压而得到的电压和恒定电压V0的总和。

而后，箝位脉冲ΦCL变为低电平，此箝位脉冲ΦCL通过连接到栅极的MOS开关G1，将列选择MOS开关M14转为OFF状态，这样，采样电容器C_SH被箝位到偏置电压VHB(从t＝t1到t＝t2)。在此，偏置电压VHB与箝位脉冲ΦCL的衰减同步，仅减小恒定电压(由箝位脉冲ΦCL和电阻R1及R2所决定的电压)。如果不需要给采样电容器C_SH施加偏置电压VHB，则发出箝位兼水平信号线复位脉冲ΦCL-HR，并完成箝位阶段。

接着，在采样阶段前，为了将已经在光电二极管PD中光电转换的信号电荷传送到浮动扩散FD，由垂直移位寄存器90产生列读出脉冲ΦVRDm。然后，浮动扩散FD的电位根据在光电二极管PD中已经光电转换的信号电荷的数量而变化，并且从第m行的像素输出第2像素信号。

然后，在采样阶段，因第2像素信号已经输出到列信号线VSIGn中，所以通过箝位电容器C_CL和采样MOS开关M12电容耦合，据此，采样电容器C_SH的采样MOS开关M12这一侧的电极上出现以偏置电压VHB为基准的第1和第2像素信号之间的差，即扣除了像素内的放大MOS开关M3的阈值不均匀性(像素的固定图形噪声)，且仅取决于光电转换的电荷量的电压。在采样阶段(从t＝t4到t＝t5)，使执行将采样脉冲ΦSH衰减操作的采样电容器C_SH保持信号，并完成此阶段。

从复位像素的浮动扩散FD的操作开始，在水平消隐期HBLK期间执行采样阶段。然后，在水平显示期间中，在水平输出阶段(从t＝t6到t＝t7)中，由于由水平移位寄存器91在水平方向依次产生列选择脉冲ΦHn，保持在采样电容器C_SH中的像素信号从第m行中的像素末端依次出现在水平信号线HSIG中。在每个像素信号出现之前，水平信号线HSIG需要复位。这样，在1个像素周期(1pixel)的开始，产生箝位和水平信号线复位脉冲ΦCL-HR。在1个像素周期的后半段，产生列选择脉冲ΦHn，且保持在采样电容器C_SH的像素信号被输出到水平信号线HSIG，并在连接到放大器电路AMP92的输出的CDS电路93中，检测1个像素周期期间中的电压变化，以便作为像素信号输出。而且，用于控制列选择MOS开关M14的门电路(具有栅极的MOS开关G1及G2)切换操作，从而列选择MOS开关M14在水平消隐期HBLK期间由箝位脉冲ΦCL控制，以及在水平显示期间由列选择脉冲ΦHn控制。

以下，根据本实施方式的固体摄像装置，对连接到各列的各个列CDS电路不产生固定图形噪声的机理进行说明。

图8(a)～(d)是用于说明机理的电路图。图8(a)示出了本实施方式中的采样电路。在此，在输入信号侧包括称为C_I的电容性信号源，并且连接到采样MOS开关Q1的漏极。在采样MOS开关Q1的源极一侧连接有采样电容器C_S。在此，通过将信号源容量C_I和采样电容器C_S的容量比作为规定值，因此，即使在多个采样电路中的MOS开关的阈值中存在不均匀性，也可以防止要采样的电压的不均匀性的出现。

图8(b)及(c)示出采样MOS开关Q1分别处于ON状态和OFF状态的等效电路(电容器模型)。栅极电容C_G为：栅源电容C_GS和栅漏电容C_GD以及栅极氧化膜电容量C_GO的总和。如以下公式所示。

C_G＝C_GS+C_GD+C_GO

如图8(d)所示，假定当采样脉冲ΦS从电源电压VDD达到采样MOS开关Q1的阈值V_th时所花费的时间是A时段，并且，假定当采样脉冲ΦS从阈值V_th到GND时所花费的时间是B时段，则在A时段中，采样电路的等效电路如图8(b)所示，在B时段中，采样电路的等效电路如图8(c)所示。根据上述等效电路，在A时段和B时段的每一个中，流入采样电容器C_S的电荷量Q_CS-A(V_th)和Q_CS-B(V_th)，可以在以下的公式中示出。

公式6

$Q_{C_S-A}\left(V_{\mathrm{th}}\right)=\frac{C_S{C}_G}{C_S+C_I+C_G}(\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{th}}-\mathrm{VDD})$

$Q_{C_S-B}\left(V_{\mathrm{th}}\right)=\frac{C_S{C}_{\mathrm{GS}}}{C_S+C_{\mathrm{GS}}}(0-V_{\mathrm{th}})$

结果，在由具有不同阈值(V_th1及V_th2)的采样MOS开关构成的2个采样电路的采样电容器C_s中，在A时段及B时段的电荷量的差ΔQ_CS(A时段的电荷量的差(Q_A(V_th1)-Q_A(V_th2))和B时段的电荷量的差(Q_B(V_th1)-Q_B(V_th2)的总和)可以在以下的公式中示出。

公式7

$\mathrm{\Δ}{Q}_{C_S}=Q_A\left(V_{\mathrm{th}1}\right)-Q_A\left(V_{\mathrm{th}2}\right)+Q_B\left(V_{\mathrm{th}1}\right)-Q_B\left(V_{\mathrm{th}2}\right)$

$=\{\frac{C_S{C}_G}{C_S+C_I+C_G}-\frac{C_S{C}_{\mathrm{GS}}}{C_S+C_{\mathrm{GS}}}\}{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{th}}$

利用使此电荷量的差ΔQ_CS为零的条件方程，以及栅极电容C_G的关系式，可以得到以下的公式。

公式8

$\frac{C_S}{C_I}=\frac{C_{\mathrm{GS}}}{C_{\mathrm{GO}}+C_{\mathrm{GD}}}$

这样，通过将信号源容量C₁和采样电容器C_s的容量比作为规定值，电荷量的差ΔQ_CS为零，因此，在2个采样电路中的采样电压之间的差消失。

通过将上述关系式适用于本实施方式，从而可以决定在图6中所示出的箝位电容器C_CL和采样电容器C_SH的容量值的比。

即，为了除去在采样阶段(从t＝t4到t＝t5)中产生的固定图形噪声，只要将图6所示的箝位电容器C_CL和采样电容器C_SH的容量值的比设为如公式9所示即可。

公式9

$\frac{C_{\mathrm{SH}}}{C_{\mathrm{CL}}}=\frac{C_{\mathrm{GS}}}{C_{\mathrm{GO}}+C_{\mathrm{GD}}}$

而且，C_G、C_GS、C_GD及C_GO，分别是采样MOS开关M12栅极电容，栅源电容，栅漏电容，以及栅极氧化膜容量。

而且，在箝位阶段(从t＝t1到t＝t2)和水平输出阶段(从t＝t6到t＝t7)，因为利用相同的MOS开关(列选择MOS开关M14)执行箝位和水平输出，所以改变(调整)成为箝位偏压的偏置电压VHB，使其与在箝位阶段(从t＝t1到t＝t2)的箝位脉冲ΦCL的衰减同步，从而可以除去2个阶段的固定图形噪声。

具体条件是使偏置电压VHB的电压变化ΔVHB如以下公式所示的值。

公式10

$\mathrm{\ΔVHB}=\mathrm{\α}\frac{C_{\mathrm{GH}}}{C_S+C_H+C_{\mathrm{GH}}}\mathrm{\Δ\φCL}$

但是，

公式11

$\mathrm{\α}=\frac{C_S+C_H}{C_S}(\frac{C_{\mathrm{SH}}+C_{\mathrm{CL}}}{C_{\mathrm{SH}}}{C}_{\mathrm{GOH}}+C_{\mathrm{GSH}})\frac{1}{C_{\mathrm{GH}}}$

C_S＝C_SH+C_CL+C_G

C_G＝C_GS+C_GO+C_GD

C_GH＝C_GSH+C_GOH+C_GDH

C_GH、C_GSH、C_GDH、C_GOH分别为列选择MOS开关M14的栅极电容、栅源电容、栅漏电容以及栅极氧化膜容量。

并且，在VHB调节电路中的电阻R1及R2的条件如下。

公式12

$\frac{R2}{R1+R2}=\mathrm{\α}\frac{C_{\mathrm{GH}}}{C_S+C_H+C_{\mathrm{GH}}}$

另外，上述箝位阶段和水平输出阶段的条件方程的推导方法将具体说明如下。

首先，计算箝位阶段中的电荷量的不均匀性。图9是用于说明在箝位阶段中的电荷量的不均匀性的图，图9(a)是在箝位阶段影响流入采样电容器C_SH的电荷量的部分的电路图，图9(b)是示出箝位阶段中的箝位脉冲ΦCL波形的图。

如图9(b)所示的A时段、B时段的每一个中、流入采样电容器C_SH的电荷Q_A(V_th)和Q_B(V_th)可以在以下的公式中示出。

公式13

$Q_A\left(V_{\mathrm{th}}\right)=\frac{\mathrm{\α}{C}_S{C}_{\mathrm{GH}}}{C_S+C_H+C_{\mathrm{GH}}}(V_{\mathrm{th}}-\mathrm{VDD})$

$Q_B\left(V_{\mathrm{th}}\right)=\frac{C_S{C}_{\mathrm{GSH}}}{C_S+C_{\mathrm{GSH}}}(0-V_{\mathrm{th}})$

C_S＝C_SH+C_CL+C_G

C_G＝C_GS+C_GO+C_GD

C_GH＝C_GSH+C_GOH+C_GDH

此时，当箝位脉冲ΦCL被输入时，从列选择MOS开关M14的视点来看，为了显示水平信号线HSIG变为电容性(变为如图8(a)所示的电容量C_I)的作用，如以下公式所示，从A时段到B时段与箝位脉冲ΦCL同步调整偏置电压VHB。

公式14

$\mathrm{\ΔVHB}=\mathrm{\α}\frac{C_{\mathrm{GH}}}{C_S+C_H+C_{\mathrm{GH}}}\mathrm{\Δ\φCL}$

根据上述电荷的公式，在箝位阶段由于列选择MOS开关M14的不同的阈值电压V_th1和V_th2引起的电荷量的不均匀性ΔQ_clamp可以用以下公式来表示。

公式15

$\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{Clamp}}=Q_A\left(V_{\mathrm{th}1}\right)-Q_A\left(V_{\mathrm{th}2}\right)+Q_B\left(V_{\mathrm{th}1}\right)+Q_B\left(V_{\mathrm{th}2}\right)$

$=(\frac{\mathrm{\α}{C}_S{C}_{\mathrm{GH}}}{C_S+C_H+C_{\mathrm{GH}}}-\frac{C_S{C}_{\mathrm{GSH}}}{C_S+C_{\mathrm{GSH}}}){\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{th}}$

ΔV_th＝V_th1-V_th2

接着，计算水平输出阶段的电荷量的不均匀性。图9是用于说明在水平输出阶段的电荷量的不均匀性的图，图10(a)是在水平输出阶段采样电容器C_SH的电荷量的部分的电路图，图10(b)是示出水平输出阶段中的列选择脉冲ΦH的波形的图。

分别在如图10(b)所示的A时段和B时段中流入采样电容器C_SH的电荷Q_A(V_th)和Q_B(V_th)可以在以下的公式中示出。

公式16

Q_A(V_th)＝Q_A-SH(V_th)+Q_A-H(V_th)

$Q_{A-\mathrm{SH}}\left(V_{\mathrm{th}}\right)=\frac{(C_{\mathrm{SH}}+C_{\mathrm{GS}})C_{\mathrm{GSH}}}{C_{\mathrm{SH}}+C_{\mathrm{GS}}+C_{\mathrm{GSH}}}{V}_{\mathrm{th}}$

$Q_{A-H}\left(V_{\mathrm{th}}\right)=\frac{C_H{C}_{\mathrm{GDH}}}{C_H+C_{\mathrm{GDH}}}{V}_{\mathrm{th}}$

$Q_B\left(V_{\mathrm{th}}\right)=\frac{(C_{\mathrm{SH}}+C_{\mathrm{GS}}+C_H)C_{\mathrm{GH}}}{C_{\mathrm{SH}}+C_{\mathrm{GS}}+C_H{+C}_{\mathrm{GH}}}(V_{\mathrm{DD}}-V_{\mathrm{th}})$

根据上述电荷的公式，在水平输出阶段由列选择MOS开关M14中的不同阈值电压V_th1和V_th2引起的电荷量的不均匀性ΔQ_HOUT可以用以下公式来表示。

公式17

$\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{Hout}}=Q_A\left(V_{\mathrm{th}1}\right)-Q_A\left(V_{\mathrm{th}2}\right)+Q_B\left(V_{\mathrm{th}1}\right)-Q_B\left(V_{\mathrm{th}2}\right)$

$=(\frac{(C_{\mathrm{SH}}+C_{\mathrm{GS}})C_{\mathrm{GSH}}}{C_{\mathrm{SH}}+C_{\mathrm{GS}}+C_{\mathrm{GSH}}}+\frac{C_H{C}_{\mathrm{GDH}}}{(C_H+C_{\mathrm{GDH}})}-$

$\frac{(C_{\mathrm{SH}}+C_{\mathrm{GS}}+C_H)C_{\mathrm{GH}}}{C_{\mathrm{SH}}+C_{\mathrm{GS}}+C_H+C_{\mathrm{GH}}})\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{th}}$

只要作为箝位阶段和水平输出阶段中的电荷量的组合不均匀性的电荷量的不均匀性ΔQ为零，就可以在下面公式中表示。

公式18

$\frac{\mathrm{\ΔQ}}{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{th}}}=\frac{C_{\mathrm{SH}}+C_{\mathrm{GS}}}{C_{\mathrm{SH}}+C_{\mathrm{GS}}+C_{\mathrm{CL}}}\frac{\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{Clamp}}}{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{th}}}+\frac{\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{Hout}}}{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{th}}}$

$\≈\frac{C_{\mathrm{SH}}}{C_{\mathrm{SH}}+C_{\mathrm{CL}}}\{\mathrm{\α}\frac{C_S}{C_S+C_H}{C}_{\mathrm{GH}}-C_{\mathrm{GSH}}\}+$

C_GSH+C_GDH-C_GH

作为使上述ΔQ的值为零的条件，可以导出以下的α。

公式19

$\mathrm{\α}=\frac{C_S+C_H}{C_S}(\frac{C_{\mathrm{SH}}+C_{\mathrm{CL}}}{C_{\mathrm{SH}}}{C}_{\mathrm{GOH}}+C_{\mathrm{GSH}})\frac{1}{C_{\mathrm{GH}}}$

如上所述，根据本实施方式，将箝位电容器C_CL和采样电容器C_SH的电容量值的比，作为由采样MOS开关M12的各部容量所决定的规定值，并通过将水平信号线的偏置电压VHB与箝位脉冲ΦCL同步变化，从而能够有效地除去或控制由列CDS电路的不均匀性所引起的纵向固定图形噪声。

而且，在本实施方式中，加到水平信号线的偏置电压VHB与箝位脉冲ΦCL同步变化，在水平消隐期HBLK期间以与箝位脉冲ΦCL相同的时序输出列选择脉冲ΦHn的情况下，偏置电压VHB可以与在水平消隐期HBLK期间输出的列选择脉冲ΦHn同步变化。也就是说，若偏置电压与在箝位阶段控制列选择MOS开关M14从ON状态到OFF状态的信号同步变化，则变化的信号可以是箝位脉冲ΦCL或是列选择脉冲ΦHn。

(实施方式2)

下面，将说明本发明的实施方式2。

图11是在本发明的实施方式2中的固体摄像装置的电路图。在本实施方式中的固体摄像装置基本上与实施方式1相同，包括摄像元件和列CDS电路，然而，列CDS电路的连接与实施方式1不同。以下，围绕着与实施方式1的不同之处进行说明。

列CDS电路的输入端是采样MOS开关M12的漏极，且箝位电容器CCL连接到源极。采样电容器C_SH串联连接到箝位电容器C_CL，且在节点处连接有列选择MOS开关的源极。列选择MOS开关的漏极相当于列CDS电路的输出端，且连接到水平信号线HSIG。在水平信号线HSIG连接有箝位兼水平信号线复位偏置电路，包括偏置电压VHB和水平信号线复位MOS开关。

图12是示出图11所示的固体摄像装置的操作的时序图。与实施方式1在操作上的差别在于从采样MOS开关M12的视点来看，列信号线VSIGn不是电容性的，并且可以直接看到来自像素的信号输出(电压源)，这样，为了产生图8(a)所示的电容量C_I的效果，在采样阶段中列信号线VSIGn进入浮置状态，并且列信号线VSIGn的寄生电容量用作电容量C_I。因此，对于实施方式1，如图12所示，在采样阶段中采样脉冲ΦSH变为低电平(t＝t4～t5)之前，为了电浮置列信号线VSIGn，行选择脉冲ΦVSLm和作为像素负载的MOS晶体管M5的栅极电压变为低电平(t＝t3～t4)。其它操作与实施方式1相同。

根据实施方式2的列CDS电路的电路结构和操作与实施方式1略有不同。由此，以下示出了箝位电容器C_CL和采样电容器C_SH的容量的公式，以及用于在箝位阶段(t＝t1～t2)的偏置电压VHB的电压变化的系数α。在此，上述值的推导方法与实施方式1相同。

公式20

$\frac{C_{\mathrm{SH}}{C}_{\mathrm{CL}}}{C_V(C_{\mathrm{SH}}+C_{\mathrm{CL}})}=\frac{C_{\mathrm{GS}}}{C_{\mathrm{GO}}+C_{\mathrm{GD}}}$

$\mathrm{\ΔVHB}=\mathrm{\α}\frac{C_{\mathrm{GH}}}{C_S+C_H+C_{\mathrm{GH}}}\mathrm{\Δ\φH}$

$\mathrm{\α}=\frac{C_S+C_H}{C_S}(\frac{C_{\mathrm{SH}}+C_{\mathrm{CL}}}{C_{\mathrm{SH}}}{C}_{\mathrm{GOH}}+C_{\mathrm{GSH}})\frac{1}{C_{\mathrm{GH}}}$

但是，  C_S＝C_SH+C_CL+C_G

        C_G＝C_GS+C_GO+C_GD

        C_GH＝C_GSH+C_GOH+C_GDH

并且，在上述箝位电容器C_CL和采样电容器C_SH的容量关系式的左边，相当于箝位电容器C_CL和采样电容器C_SH为串联连接时的总容量和列信号线VSIG的容量C_v的比。因此，箝位电容器C_CL和采样电容器C_SH串联连接时的容量和列信号线VSIG的容量的比，只要是采样MOS开关M12的各部容量所决定的规定值即可。

如上所述，根据本实施方式，在箝位电容器C_CL和采样电容器C_SH的容量值之间建立一定的关系，在采样阶段电浮置列信号线VSIGn，使加到水平信号线的偏置电压VHB与箝位脉冲ΦCL同步变化，从而可以有效地消除或控制由列CDS电路的不均匀性所引起的纵向固定图形噪声。

(实施方式3)

以下，对本发明的实施方式3进行说明。

图13是本发明的实施方式3中固体摄像装置的电路图。此固体摄像装置在每一列信号线VSIGn中，取代实施方式1中的CDS电路，包括2个采样电路(包括采样MOS开关M6、列选择MOS开关M8及采样电容器C_SH1的采样电路，以及包括采样MOS开关M7、列选择MOS开关M9及采样电容器C_SH2的采样电路)。并且，取代在实施方式1中的输出电路92及93，包括连接在2条水平信号线HSIG1及HSIG2上的差分AMP94。

本固体摄像装置不同于相关双采样，其中在同一个采样电路中采样第1像素信号(来自复位浮动扩散FD的信号)和第2像素信号(来自在光电二极管PD的电荷传送之后的浮动扩散FD的信号)，本固体摄像装置是通过在不同的采样电路中采样第1和第2像素信号，并分别将采样的第1和第2像素信号输出到独立的2个水平信号线HSIG1和HSIG2，以及为差分AMP94提供反相输入和非反相输入来实现除去像素的固定图形噪声的方法的电路。

图14是示出如图13所示的固体摄像装置的操作的时序图。在采样阶段中(t＝t1～t2、t3～t4)，根据与实施方式2同样的方法，可以除去采样电容器的电荷量的不均匀性。也就是说，如以下公式，将采样电容器C_SH的容量和列信号线VSIG的容量C_v的比，作为以采样电路MOS开关M6、M7的各部容量所决定的规定值，并且只要在采样阶段浮置列信号线VSIGn就可以作为容性输入来操作。

公式21

$\frac{C_{\mathrm{SH}}}{C_V}=\frac{C_{\mathrm{GS}}}{C_{\mathrm{GO}}+C_{\mathrm{GD}}}$

并且，在本固体摄像装置中不存在箝位阶段。这样，在水平输出阶段，如图14的时序图所示，为了表面地除去从列选择MOS开关M8和M9流入的电荷，在一个像素周期的先头中由水平线复位信号ΦHRST复位水平信号线HSIG1和HSIG2之后，一个像素周期的中间输出列选择脉冲ΦHn，从而暂时导通列选择MOS开关M8和M9。之后，即在列选择MOS开关M8和M9从导通到断开之后，水平信号线HSIG1和HSIG2的信号立即被用作图像信号，从而可以除去在列选择MOS开关中产生的次要纵向固定图形噪声。

如上所述，根据本实施方式，将采样电容器C_SH的容量和列信号线VSIG的容量C_v的比作为规定值，并且，在采样阶段电浮置列信号线VSIGn，在一个像素周期复位水平信号线之后，暂时使列选择MOS开关导通，在断开状态之后水平信号线中的信号立即作为图像信号输出，从而可以有效地除去或控制由采样电路的不均匀性引起的纵向固定图形噪声。

本发明可以用作用于诸如摄像机和数字静止照相机等图像输入装置的固体摄像装置，尤其可以用于在作为包括采样电路的固体摄像装置，该采样电路从MOS或CMOS摄像装置中读出信号。

Claims (11)

1、一种固体摄像装置，包括对来自光电转换元件的信号进行采样的采样电路，其特征在于，

上述采样电路包括：

箝位电容器，是仅传输上述信号的交流成分的电容器；

采样电容器，是用于保持通过上述箝位电容器所传输的上述信号的电容器；以及

采样金属氧化物半导体(MOS)开关，是MOS晶体管，将上述信号传输到上述采样电容器或截止上述传输；

上述箝位电容器的电容量和上述采样电容器的电容量具有一种关系，该关系是由上述采样MOS开关固有的电容量来决定的。

2、根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，

上述采样MOS开关被串联连接在上述箝位电容器和上述采样电容器之间；

上述采样电容器的电容量和上述箝位电容器的电容量的比为规定值，该规定值是由上述采样MOS开关固有的电容量来决定的。

3、根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，

上述箝位电容器被串联连接在上述采样MOS开关和上述采样电容器之间；

上述采样电容器和上述箝位电容器在串联连接时的总电容量，与传输上述信号的列信号线的电容量之比为规定值，该规定值是由上述采样MOS开关固有的电容量来决定的。

4、根据权利要求2或3所述的固体摄像装置，其特征在于，

上述规定值约等于，上述采样MOS开关的栅源电容和栅极电容之比。

5、根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，

上述采样电路还包括：

列选择MOS开关，导通或断开上述采样电容器和输出线之间的连接；以及

偏置电压施加电路，将偏置电压施加到上述输出线；

上述偏置电压施加电路，使要施加到上述输出线的偏置电压变化，该变化是与将上述列选择MOS开关从导通状态控制为断开状态的控制信号同步进行的。

6、根据权利要求5所述的固体摄像装置，其特征在于，

上述偏置电压施加电路，将以上述采样电容器的电容量、上述箝位电容器的电容量、上述输出线和基准电位间的电容量以及上述列选择MOS开关固有的电容量所决定的值，作为比例系数，并将该比例系数作为变化量来使上述偏置电压变化。

7、一种固体摄像装置，包括对来自光电转换元件的信号进行采样的采样电路，其特征在于，

在每一列光电转换元件中包括2个上述采样电路；

上述2个采样电路彼此并联连接，从而一条列信号线可以用作公共输入，上述列信号线传输来自上述一列光电转换元件的信号；

上述采样电路包括：

采样电容器，是用于保持上述信号的电容器；以及

采样MOS开关，是MOS晶体管，将上述信号传输到上述采样电容器或截止上述传输；

上述采样电容器的电容量和上述列信号线的电容量的比为规定值，该规定值是由上述采样MOS开关固有的电容量来决定的。

8、根据权利要求7所述的固体摄像装置，其特征在于，

上述规定值约等于，上述采样MOS开关的栅源电容和栅极电容之比。

9、根据权利要求7所述的固体摄像装置，其特征在于，

上述采样电路还包括列选择MOS开关，导通或断开上述采样电容器和输出线之间的连接；当保持在上述采样电容器的信号被输出到上述输出线时，上述列选择MOS开关从非导通状态进入导通状态后，再次进入非导通状态。

10、一种采样电路，包括对来自光电转换元件的信号进行采样的采样电路，其特征在于，包括：

箝位电容器，是仅传输上述信号的交流成分的电容器；

采样电容器，是用于保持通过上述箝位电容器所传输的上述信号的电容器；以及

采样金属氧化物半导体(MOS)开关，是MOS晶体管，将上述信号传输到上述采样电容器或截止上述传输；

上述箝位电容器的电容量和上述采样电容器的电容量具有一种关系，该关系是由上述采样MOS开关固有的电容量来决定的。

11、一种采样电路，包括对来自光电转换元件的信号进行采样的采样电路，其特征在于，包括：

采样电容器，是用于保持上述信号的电容器；以及

采样MOS开关，是MOS晶体管，将上述信号传输到上述采样电容器或截止上述传输；

上述采样电容器的电容量和传输来自上述光电转换元件的信号的列信号线的电容量之比是规定值，是由上述采样MOS开关固有的电容量来决定的。

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