TW200838297A - Imaging apparatus and camera - Google Patents

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200838297 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於-種具有行平行類比至數位轉換器之成像 裝置及包括該成像裝置之照相機。 本發明包括在2006年12月18日向日本專利局申請的曰本 專利申請案JP 2006-339415的相關標的，該案之全文以引 用的方式併入本文中。 【先前技術】 在許多情況下，各具有行平行類比至數位轉換器之典型 固態成像裝置包括利用單斜率積分的一反向斜坡類比至數 位轉換器。 圖1說明一具有利用單斜率積分之反向斜坡類比至數位 轉換器之成像裝置之結構。 圖2係一解釋圖1内裝置操作之時序圖。 現在將關於圖2之時序圖來說明圖〗内之裝置操作。 用於將外部光光電轉換成電性信號之單元像素丨係以一 矩陣配置以構成-像素陣列2。假^ —垂直選擇電路3在像 素陣列2中選擇一特定列。 在該選定列内的一像素透過一沿像素陣列2之該等行延 伸的垂直信號線vsl輸出-像素信號（以下—像素輸出信號 S1)。該垂直信號線vsl係連接至一佈置用於各行之比較器* 之一輸入端子（正端子）。比較器4之另一端子（負端子）從一 數位至類比（D/A)轉換器5接收一輸出信號⑽丨叩㊁，該輪出 佗號係回應一時脈信號elk所獲得的_類比信號。 假定當透過垂直信號線vsl傳輸的像素輸出信號si位準 124324.doc 200838297 低於D/A轉換器5之輸出信號nsI〇pe，比較器4的—輪出俨 號ncompout會變低（”l")，而當垂直信號線vsi之像=輸出δ 信號s〗位準高於D/A轉換器5之輸出信號ns〗〇pe時，比:器 4的輸出信號ncompout會變高。 將比較器4之輸出信號nc〇mp〇m供應至一 n位元計數器 6。η位元計㈣6回應該時脈信號说來遞增或遞減一計二 值。圖2顯示一該計數值遞減一之情況。 η位το計數器6回應一重設信號加將其計數值重設至一初 始值1⑻t §比較益4之輸出信號ncompout變高時立亓 計數器6停止遞增或遞減計數值並料計數 示為"i")。 口 z Y衣 從η位元計數器6中將此計數值作為錄元輸出 岡輸出。依序輸出η位元計數器6之輸出以及在苴他 的其他計數器之輸出。 ，、订内 【發明内容】 在圖m示之利用單斜率積分之反向斜坡類 =中，較不利的係必須增加轉換時間或以 便增加類比至數位轉換之精度。 j羊以 例如，用於A/D轉換n位元所 環。當η位元延伸至n+1位1而之％脈數目係〇個循 .1個 循環，其實質上兩… 所需時脈數目係2Π 貝貝上兩倍於2n-l個循環。 為了獲得所需時脈數目增加，必 率增加一大約二的因I ^ 、將轉換蚪間或時脈頻 高速操作以實現—高圖 ：轉換㈣阻止 不幸的係，增加時脈頻率導致加數目像素。較 力旱“毛增加或要求改良元 124324.doc 200838297 件精度。 此外’在㈣單斜率積分之反向斜坡類比至數位轉換器 車乂不利的係’一比較器之一臨界位準vth變更或輸出 數位至類比轉換裔之電麼精度會影響該類比至數位轉 換器之精度。 換言之，假定一像素輸出信號具有一1 V振幅，其用作 暗位準與亮位準之間的差異’需要一 1/(2M) V精度用於n 位70的類比至數位轉換。 例如，當㈣4(位元）時，1/(2"·1)=61 μν。由於一比較 :之—臨界Vth變更—般在數毫伏級別上，故難以實現高 精度的類比至數位轉換。 需要提供-種能夠獲得高速操作以實現—高圖框速率或 2 一增域目像素而不引起功率消耗增加並要求改良元 件精度之南解析度高精度成像裝置。 依，發明之一第一具體實施例’ 一種成像裝置包括下 去° 一像素輸出藉由成像所獲得之信號電荷作為-像 傳：：具有可變電流之電流源連接至-用於該像素 :二=徑厂信號處理電路取決於-至該傳輸路徑 執打信號處理並執行控制，使得該 屯桃源之一電流依據該信號處理結果而變化。 車=佳=係’該像素包括-放大電晶體，其構成 =^亥源極隨輛器將信號電荷作為一像素信號輸出至該 :輸：徑。該電流源包括複數個負载電晶體與複數個開 。使用-預定偏壓信號來偏壓該等負载電晶 將其源極並聯連接至一預定電 ? ’ Β疋電位。各開關係連接於對應負 124324.doc 200838297 载電晶體之汲極與該傳輸路 在透過該傳輸路徑所傳輪之像计處理電路依據 性開啟在該電流…的處理結果來選擇 : 圭的係，該像素包括—放大電晶 傳輸路_ ^ _作為—像素㈣輸出至該 寻翰路仏。該電流源包括 負載電曰舻>、s 貝戟電日曰體與禝數個開關。該 、戟-曰曰體之源極係連接至 接至該貞载t 分別連 該連接至不同㈣㈣供應線。 2處理電路依據在透過該傳輸路徑 上的處理姓要氺、强视u 】又诼常k唬 較佳的： 開啟在該電流源内的該等開關。 ^ % 積刀為，其積分透過 ::輸路簡傳輸的一像素信號；一量化器，其量化該積 分斋之一輸出信號；及一 、 仆灶m f &擇态，其依據由該量化器的量 果來改變該電流源之一電流。 係’該信號處理電路包括一積分器，其積分透過 =輪路役所傳輸的一像素信號；一量化器，其量化該積 刀=輪出信號；及一選擇器，其依據由該量化器的量 、'Ό來選擇性開啟在該電流_的該等開關。 β較佳的係’該量化器比較由該積分器所獲得的-積分信 …之位準與_預定臨界位準並向該選擇器輸出該比較結 Ζ、擇益改變該電流源之一電流’使得當該積分信號 ，位：：於該臨界位準時，降低該傳輸路徑之位準，且當 °亥積刀ϋ之位準低於該臨界位準時，提升該傳輸路徑之 位準。 124324.doc 200838297 較佳的係，兮旦 里化益比較由該積分器所獲得的一積分信 就之位準金一猫& “ ../、、疋界位準並向該選擇器輸出該比較結 果。該選擇哭遁艘：& _ 舍上。。、擇性開啟在該電流源内的該等開關，使得 ::广言號之位準高於該臨界位準時，降低該傳輸路徑 ㈣於’且當該積分錢之料低㈣臨界料時，提升 該傳輸路徑之位準。 較佳的係，該傳輸 ^ ㈣佐包括一像素輸出信號線，其係連 源。像素㈣該放大電晶體之源極並連接至該電流 ^㈣’該傳輸路徑包括—像素輸出信號線與 I禺器電晶if。句Γ #主 、席'才 輸出信號線係連接至在該像素内的 χ电日日體之源極。該源極隨耦器電晶體之 至該像素輸出信號線且其源極係連接至該電流源。’、 依據本發明之_第二具體實施例，—種成像 列凡件。一傻夸瞌別、| 匕括下 Φ 像素輸出矩陣配置的複數個像素，各 。輸出糟由成像所獲得之信號電荷作為 數個像素作铗命饰--〆 象素心就。複 各像素作号声卢® 口口 - AJ之個別行。 …唬處理早疋包括一電流源與一信 電流源係連接至一用於該像素信號之傳輪路徑並：：二 變電流。該信號處理電路取決於一至該 ”可 ^ , t勒’】路侵之給+ 、一信號上執行信號處理並執行控制，使、、5 一電流依據該信號處理結果而變化。 Λ “机源之 依據本發明之一第三具體實施例，一種照 像裝置與-光學系統，該光學系統在該成像裝2匕括-成 1 1上形成一 124324.d〇i 200838297 物件影像。該成像裝置包括下列元件。一像素 一矩陣配置的複數個像素，各像素輸出藉 信號電荷作為一傻夸产嘹十紅/ 豕V獲传之 卞巧像素H復數個像素信號處理單 置用於該像素陣列之個別行。 4 τ 谷像素1巨號處理單元白妊一 電流源與—信號處理電路。該電流源係連接至-用於該後 素信號之傳輸路徑並具有一 ；“ 夂電/瓜。该#唬處理電路取 決於-至該傳輸路徑之輸出信號在一信 並一，使得該電流源之一電流依據該信號= 而變化。 儿处段、、、口禾 明之該等具體實施例，該信號處理電路在一像 京k琥上執行預定操作 之信號電荷。 4素作猎由成像所獲得 该傳輸路徑之位準係控制 該信號處理結果而變化。 電一之-電流依據 作發明之具體實施例，可實現一種能夠獲得高速操 率消向圖框速率或處理一增加數目像素而不引起功 置及」加亚要求改良元件精度的高解析度高精度成像裝 置及一種包括該成像裝置之照相機。 【實施方式】 考該等圖式來說明本發明之一具體實施例。 方塊圖。 ，月之成像衣置之-意性結構之一 據本具體實施例之_單元像素之結構與一 像素k旒處理單元之結構之一圖式。 124324.doc 200838297 成像裝置iG包括-像素陣列12、—垂直選擇電路η及複 數個像素信號處理單Μ科卜心、…）。像素陣㈣

係由以-矩陣配置的複數個單元像㈣組成。各單元像素 "將外部光光電轉換成一電性信號。垂直選擇電_選擇 像素陣m2之-默列並驅動連接至該料元像素之複數 個驅動蜂DRVL。各像素信號處理單元14係直接（或透過一 源極隨Μ電晶體）連接至—像素輸出信號線饿，其構成 配置用於像素陣列12之各行的一傳輸路徑。 各單元像素11包括一 一放大電晶體113、一 115。 光一極體111、一傳送電晶體112、 重設電晶體114及一選擇電晶體 曰光一極體111將入射光轉換成信號電荷（例如電子），其數 ΐ對應於入射光之數量，並儲存該信號電荷。 該傳送電晶體m之源極連接至光二極體ln之陰極，其 沒極係連接至-浮動節點ND1U，而其開極係連接至一傳 送選擇線TRL，透過該傳送選擇線傳輸一傳送信號tr。傳 送電晶體112具有-功能’即在導電（開啟）時傳送儲存於光 二極體ill内的信號電荷至浮動節sNDlll ^ 放大電Μ體113之源極係連接至像素輸出信號線vSL， 其汲極係連接至選擇電晶體115之源極，而其閘極係連接 至浮動節點ND1U。選擇電晶體115之汲極係連接至一電 源電壓源VDD而其閘極係連接至一選擇線SELl。 放大電晶體113具有一功能，即當垂直選擇電路13供應 同位準選擇#號SEL至選擇線SELL·以開啟選擇電晶體 124324.doc • 11 - 200838297 115時輸出浮動節點1^;〇111之電位至像素輸出信號線乂让。 重設電晶體114之汲極係連接至電源電壓源VDD，其源 極係連接至浮動節點NDni，而其閘極係連接至一重設線 RSTL。當垂直選擇電路13供應一高位準重設信號RST至重 设線RSTL時，重設電晶體丨14開啟，從而重設浮動節點 ND111之電位。 具有上述結構之該等單元像素11係配置成一矩陣以形成 一像素區域（成像區域）。傳送選擇線TRL、該選擇線SELL 及該重設線RSTL係針對像素陣列12之各列而配置。 垂直選擇電路13驅動該等傳送選擇線TRL、該等選擇線 SELL及該等重設線RSTL。 各像素信號處理單元14包括一電流源141與一信號處理 電路142。電流源141與信號處理電路142係連接至從像素 陣列12延伸的對應垂直信號線VSL。參考圖4，各像素信 號處理單元14進一步包括η個（η係二或二個以上之一正整 數）負載MOS電晶體LT1至LTn與η個開關電晶體SW1至 SWn。該等負載m〇S電晶體LT1至LTn之至少一者係透過該 像素輸出信號線VSL及對應開關電晶體而選擇性地連接至 在單元像素11内的放大電晶體113。所連接負載MOS電晶 體之驅動電流之數量（以下驅動電流數量）係依據一藉由透 過信號處理電路142(量化器）處理信號所獲得的一輸出來加 以控制。 在電流源141内，該等負載MOS電晶體LT1至LTn之各負 載MOS電晶體之閘極係連接至一偏壓信號供應線 124324.doc -12- 200838297 VBIASL ’透過該偏壓信號供應線來供應一偏壓信號 VBIAS。該等負載M〇s電晶體LT1至LTn各用作一恒定電流 源。 負載MOS電晶體LT1之源極係連接至一參考電位（在本具 體實施例中接地電位GND)而其汲極係連接至撾⑽開關 (MOS電晶體）SW1之源極。M〇s開關SW1之汲極係連接至 像素輸出信號線VSL。 類似地，負載MOS電晶體LTn之源極係連接至該參考電 位（在本具體實施例中接地電位GND)而其汲極係連接至 MOS開關（M〇s電晶體）SWn之源極。M〇s開關sWn之汲極 係連接至像素輸出信號線VSL。 該等個別MOS開關SW1至SWn之該等閘極係連接至信號 處理電路1C之一控制輸出。 在依據本具體實施例之成像裝置10中，各像素信號處理 單元14每一像素信號地將用作信號處理電路142之一輸出 的一數值饋送回到電流源141，以實現一功能，其等效於 一能夠獲得高精度類比至數位轉換之ΔΣ類比至數位轉換器 之功能。 明確而言’在用於該固態成像裝置之行平行ΔΣ類比至數 位轉換器中’各量化器之輸出回授係藉由改變構成一連接 至該像素輸出信號線之源極隨耦器的負載M〇s電晶體之一 電流來實現。因此’實現高解析度且高精度之固態成像裝 置。 下面將更詳細地說明依據本具體實施例之該ΔΣ類比至數 124324.doc -13- 200838297 位轉換器之基本結構與像素信號處理單元14之特性結構。 圖5係說明一 ΔΣ類比至數位轉換器之基本結構之一方塊 圖。 參考圖5，該ΔΣ類比至數位轉換器200包括一減法器 201、一積分器202、一量化器203、一數位至類比轉換器 204及一抽取濾波器205。 積分器202用作一低通濾波器（LPF)。量化器2〇3具有一 增加量化雜訊之功能（即，一區分以決定一值是否設定至 1或π0”之功能）。數位至類比轉換器2〇4具有一區分功 能。 在除該等固態成像裝置應用外的應用中，例如在音訊應 用及測量儀器應用中，ΔΣ類比至數位轉換器係用作類比至 數位轉換器以在許多情況下獲得高精度。獲得一超過⑹立 兀之轉換精度。 △Σ類比至數位轉換器2〇〇基本包括圖$所示的積分器2们 里化器203。減法态201將藉由透過數位至類比轉換器 204數位至類比轉換量化器⑽之—輸出所獲得之—回授信 5虎攸^比輸入信號中減去。之後’積分器202積分來自 、、^ 口 1的仏號輸出，量化器203量化來自積分器202 \輸出，然後抽取濾波器2〇5抽取來自量化器的 一信號輸出，從而獲得一數位輸出信號。 ^類比至數位轉換器2〇〇可獲得高精度的類比至數位轉 、、:、了轭加尚精度類比至數位轉換至一固態成像裝置， 义/、針對各像素信號回授—數值。實現該回授較困難。 124324.doc •14- 200838297 在本具體實施例中，上述回授係藉由配置該等怪定電流 、 /專M〇S電晶體（在本具體實施例中n通道M〇s電 晶體），其係連接至各單元像素11内之放大電晶體以構成 一源極隨輕器電路，並依據該源極隨輕器電路之-輸出或 . 在後續級配置的信號處理電路142之-輸出（電路142之輸 出係基於該源極隨耗器電路之輸出）來改變該等但定電流 • 源之一電流來實現。 多考图4如上述，像素信號處理單元14係連接至 Τ像素延伸的像素輸出信號線VSL，使得該等負載M〇s電 晶體LT1至LTn係分別透過該等開關電晶體（M〇s開關卿工 至SW2，纽由像素信號線VSL而連接至在單元像素^内的 放大電晶體113。該等負載M〇s電晶體之驅動電流數量係 依據在信號處理電路142内的該量化器之一輸出來加以控 制。 明確而言，在圖4内的像素信號處理單元14中，該等 φ M〇S開關S W1至S Wn之各M〇S開關係佈置於該等負载M〇s 電晶體LT1至LTn之對應者與像素輸出信號線VSL之間。開 啟及關閉該等MOS開關SW1至SWn改變連接至像素輸出信 號線VSL之負載MOS電晶體LT之數目。 ‘ 依據邊等負載MOS電晶體LT之像素輸出信號線VSL之一 電壓ft:化係表不成下列表達式i。當讓作為該等負載 MOS電晶體LT之驅動電流數量，讓VpixEL作為一像素信號 電壓，並讓vTH作為放大電晶體113之一臨界位準時，電流 驅動數量Ii〇ad取決於一電壓Vpixel-Vth而變化。因此，可回 124324.doc 15 200838297 授該量化器之一輸出。 表達式（1)

其中μ表示載子遷移率，〇以表示每單元面積的閘極電容， W表示閘極寬度，而l表示閘極寬度。 圖6說明依據本發明之本具體實施例之一修改之一像素 信號處理單元之結構。 在圖4中像素信號處理單元14與圖6中一像素信號處理單 元14Α之間的差異係如下：一電流源i41 a包括一單一負載 MOS電晶體LT1。一第一 MOS開關SW1係連接於負載MOS 電晶體LT1之閘極與一第一偏壓信號供應線vBIASL1之 間。一第11個MOS開關SWn係連接於負載MOS電晶體LT1之 閘極與一第n個偏壓信號供應線VBIASLn之間。該等MOS 開關SW1至SWn之開啟及關閉係使用信號處理電路ι42之 一輸出來加以控制。 明確而言，在圖6中像素信號處理單元14A依據信號處理 電路142之輸出來選擇複數個偏壓電壓之任一者作為負載 MOS電晶體LT1之閘極電壓。該等M〇s開關（電晶體）之任 一者係選擇性連接以排他地選擇該等偏壓電壓之任一者， 伙而改變偏壓電壓。因此，可改變負載M〇s電晶體之 驅動電流數量。 如上述，在具有圖4中像素信號處理單元14或圖6中像素 信號處理單元14A之成像裝置10中，依據該成像裝置之一 124324.doc -16 - 200838297 像素輪出或在該像素輸出 號來改, 田乜唬處理所獲得之一像素信 就术改I至少一負載汹〇8 钎灭^ , 日^LT之驅動電流數量，使得 叮添加一適用於後續級信號處理 出。 < 偏移數ΐ至該像素輸 該偏移可執行回授，使得由各單元像素_的放大 “曰體⑴與負載刪電晶體邮組成的 可用於一線性特性區域。 电峪 改變該偏移可消啥—f)兹& w i

不夕j㈣1^王所引起之一變更，例如在各單 元像素11内放大電晶體113之一臨界電壓變更。 依據本發明之具體實施例，可實現一種能夠獲得高速操 作以實現-高圖框速率或處理—增加數目像素而不引起功 率消耗增加並要求改良元件精度的高解析度高精度成像裝 置。 現將在下面說明一像素信號處理單元之結構之一更具體 範例。 圖7說明依據本發明之本具體實施例之一單元像素之結 構與根據一第一具體範例之一像素信號處理單元之結構。 參考圖7，單元像素11之結構類似於圖4及6中所示的該 等結構。較圖4及6中的該等結構，更具體地實現一像素信 號處理單元14B之結構。 明確而言，參考圖7，一信號處理單元包括一 ΔΣ調變器 142Β，其包括一積分器1421、一量化器1422及一選擇器 1423 〇 一電流源141Β之結構類似於圖4所不者。在圖7中， 124324.doc -17- 200838297 n=3。電流源1413包括三個負載从〇8電晶體1^1至1^3及三 個MOS開關SW1至SW3。 在電流源141B内，該等負載MOS電晶體LT1至LT3之閘 極係連接至偏壓信號供應線VBIASL，透過該偏壓信號供 應線來供應一偏壓信號VBIAS。該等負載MOS電晶體LT1 至LT3各用作一恆定電流源。 負載MOS電晶體LT1之源極係連接至該參考電位（在本具 體實施例中接地電位GND)且其汲極係連接至MOS開關 (MOS電晶體）SW1之源極。MOS開關SW1之汲極係連接至 像素輸出信號線VSL。 類似地，負載MOS電晶體LT2之源極係連接至該參考電 位（在本具體實施例中接地電位GND)而其汲極係連接至 MOS開關（MOS電晶體）SW2之源極。MOS開關SW2之汲極 係連接至像素輸出信號線VSL。 類似地，負載MOS電晶體LT3之源極係連接至該參考電 位（在本具體實施例中接地電位GND)而其汲極係連接至 MOS開關（MOS電晶體）SW3之源極。MOS開關SW3之汲極 係連接至像素輸出信號線VSL。 MOS開關S W1之閘極係連接至一供應線，其用於在ας調 變器142B内的一選擇控制信號ISEL1。MOS開關SW2之閘 極係連接至一供應線，其用於在ΔΣ調變器142B内的一選 擇控制信號ISEL2。MOS開關S W3之閘極係連接至一供應 線，其用於在ΔΣ調變器142B内的一選擇控制信號iseL3。 在ΔΣ調變器142B中，積分器1421、量化器1422及選擇 124324.doc -18- 200838297 器1423回應一高位準選擇信號HSEL而開始操作並與一時 脈信號CLK同步操作。 積分器1421用作一 LPF並輸出一信號SOUT，其向量化器 1422指示積分結果。 量化器1422使用一預定臨界位準VTHL來量化輸出自積 • 分器1421之信號SOUT並輸出一信號HSIG，其向選擇器 - 1423及在後續級的一抽取濾波器（未顯示）指示量化結果。 當信號SOUT之位準高於該臨界位準VTHL時，量化器 # 1422將該輸出信號HSIG設定至一值"1"。當信號SOUT之位 準低於該臨界位準VTHL時，量化器1422將該輸出信號 HSIG設定至一值Π0Π。 選擇器1423依據量化器1422之輸出信號HSIG之值來設 定該等選擇控制信號ISEL1至ISEL3之各選擇控制信號之位 準，該等信號ISEL1至ISEL3係用於控制電流源141B内的 該等M0S開關SW1至SW3之開啟/關閉。 圖8係顯示在依據本具體實施例之ΔΣ調變器142B中在量 ® 化器1422之該等輸出與在選擇器1423内的該等選擇控制信 號之設定位準之間的關係的一圖式。 ▲ 在本具體實施例中，在一初始狀態下，選擇器1423將該 ， 等兩個選擇控制信號ISEL1及ISEL2設定至一高位準（"H”) 並將選擇控制信號ISEL3設定至一低位準（"L”），如圖8所 示。 在初始狀態下，在電流源141B内的該等M0S開關SW1及 SW2開啟而M0S開關S W3關閉。據此，該等負載M0S電晶 124324.doc -19- 200838297 體LT1及LT2係並聯連接至像素輸出信號線VSL，使得該等 兩個電流源係連接至在單元像素内的放大電晶體〗〗3以構 成一源極隨耦器。換言之，在該初始狀態下，選擇器1423 選擇並控制該等負载MOS電晶體以便獲得二個電晶體之驅 動電流數量。 參考圖8，當量化器1422之輸出指示"丨，，時，選擇器1423 將該等三個選擇控制信號ISEL1至ISEL3設定至高位準 (，Ή”）。 當ϊ化斋1422之輸出指示”1”時，在電流源141Β内，該 等MOS開關SW1至SW3開啟。據此，該等負載]^〇8電晶體 LT1至LT3係並聯連接至像素輸出信號線VSL，使得該等三 個電流源係連接至在單元像素内的放大電晶體丨13以構成 一源極隨耦器。換言之，當量化器1422之輸出指示” l n 時，選擇器1423選擇並控制該等負載]^〇8電晶體以便獲得 三個電晶體之驅動電流數量。 參考圖8，g里化裔1422之輸出指示”〇"時，選擇器Μ】） 將選擇控制信號ISEL1設定至高位準（”Η”）並將該等兩個選 擇控制信號ISEL2及SEL3設定至低位準（"l”）。 备里化器1422之輸出指示”〇，·時，在電流源141Β内， MOS開關SW1開啟而該等M0S開關SW2及SW3關閉。據 此，負載MOS電晶體LT1係並聯連接至像素輸出信號線 VSL，使得單一電流源係連接至在單元像素内的放大電晶 體113以構成一源極隨耦器。換言之，當量化器1422之輸 出指示”〇，，時，選擇器1423選擇並控制該等負載M〇s電晶 124324.doc -20 - 200838297 體以便獲得一電晶體之驅動電流數量。 在具有上述結構之像素信號處理單元14b中，一來自像 素輸出信號線VSL之輸出係供應至構成ΔΣ調變器142B之積 分器1421 °輸出自積分器1421之信號SOUT係供應至量化 器1422。藉由透過量化器1422量化所獲得的一像素輸出信 號係作為信號HSIG而供應至在後續級的抽取濾波器並還 回授至選擇器1423以控制該等負載MOS電晶體之驅動電流 數量。此配置獲得一 ΑΣ類比至數位轉換器。 圖10係解釋圖7中像素信號處理單元14B之操作的一時序 圖。 在選擇信號HSEL變高之前的初始狀態下，選擇器1423 將該等兩個選擇控制信號ISEL1及ISEL2設定至高位準 (H )並將選擇控制信號ISEL1設定至低位準（”l，，）。因此， 在電流源141B内，該等MOS開關swi及SW2開啟而MOS開 關SW3關閉。換言之，在該初始狀態下，選擇器1423選擇 並控制该等負載M〇s電晶體以便獲得二個電晶體之驅動電 流數量。 在此只例中，當選擇信號HSE]L變高時，積分器1421、 里化1422及選擇器1423開始操作。量化器1422之輸出信 號HSIG回應積分器1421之輸出信號s〇UT而變化（在圖9中 sout處的一虛線表示量化器1422之臨界位準vthL)。 田k里化器1422接收指示（例如，，之信號HSIG時，選 擇器1423在下一時脈循環中將該等三個選擇控制信號 ISELUISEL3設定至高位準"H，,以降低像素輸出信號: 124324.doc 200838297 VSL之位準。因此，在電流源141B内，該等開關 至SW3開啟。換言之，當量化器1422之輸出指示”丨”時， 選擇器1423選擇並控制該等負載MOS電晶體以便獲得三個 電晶體之驅動電流數量。 另一方面，當量化器1422之輸出信號HSIG指示"〇”時， 選擇器1423僅將選擇控制信號ISEL1設定至高位準（"η”）， 以便提升像素輸出信號線VSL之位準。因此，在電流源 141B内，僅]^08開關8〜1開啟。換言之，當量化器1422之 輸出♦曰示時’選擇器1423選擇並控制該等負載m〇S電 晶體以便獲得一電晶體之驅動電流數量。 上述回授獲得該ΔΣ類比至數位轉換器。 如上述’在圖7中的配置可獲得一 ΑΣ類比至數位轉換 器。車父有利的係’可實現一具有行平行高精度類比至數位 轉換器之固態成像裝置。 在圖7之範例中，使用第一階積分器與1位元量化器。要 控制的選擇器數目與負載MOS電晶體數目可依據積分器階 次及置化器之位元數目而變化。該積分器可具有開關電容 器電路或RC電路。 圖1 〇說明依據本發明之本具體實施例之一單元像素之結 構與根據一第二具體範例之一像素信號處理單元之結構。 在圖7及圖1〇中該等第一及第二範例之間的差異在於， 像素輸出信號線VSL之輸出係暫時供應至一包括一 M〇s電 晶體15之源極隨耦器15S，該MOS電晶體係用作另一傳輸 路控之部分’且源極隨耦器15S係連接至電流源141B，使得 124324.doc -22- 200838297 改變流動至MOS電晶體15之負載MOS電晶體之驅動電流數 量。 明確而言，MOS電晶體15之源極係連接至m〇S電晶體之 各沒極，該等MOS電晶體在電流源1413内構成該等MOS開 關SW1至SW3。MOS電晶體15之汲極係連接至電源電壓源 VDD而其閘極係連接至像素輸出信號線VSL。此外，一用 於一電流源之MOS電晶體16之汲極係連接至像素輸出信號 線VSL及MOS電晶體15之閘極。MOS電晶體16之源極係連 接至该參考電位（在本發明中接地電位Gnd)而其閘極係連 接至一偏壓信號供應線VBIASL11。 在電流源141B内的該等負載m〇S電晶體LT1至LT3之該 等閘極係連接至一偏壓信號供應線vmASL12。 使用上述結構之原因如下。 由於各像素輸出信號線VSL一般在像素陣列12之垂直方 向（沿該等行）上配置，故許多單元像素丨丨係連接至各像素 輸出信號線VSL。 ’像素輸出信號線VSL具有一數皮 、6或7所示之該等負載MOS電晶體 ’可能會劣化一源極隨耦器之安定 據此，在某些情況下 法拉寄生電容。當圖4 之驅動電流數量變化時 特性。 為了防止該劣化，像素輸出信號線VSL之輸出係暫時供 應至源極耦器i 5 s並改變至源極隨耦器^ $ s之該等負載 MOS電晶體之驅動電流數量，從而獲得上述回授。 即便在寄生元件係連接至各像素輸出信號線VSL之一固 124324.doc -23- 200838297 態成像裝置中，圖10所示之配置仍可獲得—ΔΣ類比至數位 轉換器。較有利的係，可實現一具有行平行高精度類比至 數位轉換器之固態成像裝置。 具有上述優點之成像裝置1 0可用作包括於一數位照相機 或一攝影機内的一固態成像裝置。 圖11說明應用依據本具體實施例之本具體實施例之成像 裝置之一照相機系統之結構， 參考圖11，照相機系統3〇〇包括一成像器件3 i 〇 ; 一光學 _ 系、統’其用於允許入射光進入成像器件310之一像素區域 (在像素區域内形成一物件影像），例如一透鏡32〇，其用於 將入射光（影像光）聚焦在成像器件31〇之成像表面上；一驅 動電路（DRV)330，其用於驅動成像器件31〇 ;及一影像處 理器（PRC)340，其用於處理成像器件31〇之一輸出信號。 上述成像裝置10可用作圖u中的成像器件31〇。 驅動電路330包括一時序產生器（未顯示），其用於產生 • 歸驅動一水平移位暫存器與一垂直移位暫存器的各種時 序信號（例如一啟動脈衝與一時脈脈衝），並使用預定時序 信號來驅動成像器件3 1 〇。 - 纟照相㈣統可獲得與上述具體實例中該等優點相 - ㈣優點。較有利的係’可獲得—種能_得高速操作用 於實現-高圖框速率或處理一增加數目像素而不引起 消耗增加並要求改良元件精度之高解析度高精度照相機。 習知此項技術者應明白，可根據設計要求及其他因素進 行各種修改、組合、子組合及變更，只要其係在所附申铁 124324.doc •24- 200838297 專利範圍或其等效内容的範疇内即可。 【圖式簡單說明】 圖】係說明-具有利用單斜率積分之反向斜坡類比至數 位轉換器之成像裝置之結構之一圖式； 圖2係解釋圖丨内裝置操作之一時序圖； 圖3係說明依據本發明之一具體實施例之一成像裝置之 示意性結構之一方塊圖； 圖4係顯示依據本發明之具體實施例之一單元像素之結 構與像素信號處理單元之結構之一圖式； 圖5係，兄明一德耳塔西格瑪（delta_sigma)(^)類比至數位 轉換器之基本結構之一方塊圖； 圖6係顯示依據本發明之具體實施例之一修改之一像素 信號處理單元之結構的一圖式； 圖\係說明依據本發明之具體實施例之一第一具體範例 之單元像素之結構與一像素信號處理單元之結構之一圖 式； 圖8係顯示在依據該具體實施例之一 ας調變器内在一量 化的之輸出與在一選擇器内之選擇控制信號之設定條件之 間的關係的一圖式； 圖9係解釋圖7中像素信號處理單元之操作的-時序圖； 圖1〇係說明依據本發明之具體實施例之一第二具體範例 單元像素之結構與一像素信號處理單元之結構的一圖 式；以及 圖11係5兒明包括依據本發明之具體實施例之成像裝置之 124324.doc -25- 200838297 一照相機系統之結構的一圖式。

【主要元件符號說明】 1 單元像素 2 像素陣列 3 垂直選擇電路 4 比較器 5 數位至類比（D/A)轉換器 6 η位元計數器 10 成像裝置 11 單元像素 12 像素陣列 13 垂直選擇電路 14 像素信號處理單元 14-1 像素信號處理單元 14-2 像素信號處理單元 14A 像素信號處理單元 14B 像素信號處理單元 15 MOS電晶體 15S 源極隨耦器 16 MOS電晶體 111 光二極體 112 傳送電晶體 Π3 放大電晶體 114 重設電晶體 124324.doc •26- 200838297 115 選擇電晶體 141 電流源 141A 電流源 141B 電流源 142 信號處理電路 142B ΔΣ調變器 200 ΔΣ類比至數位轉換器 201 減法器 202 積分器 203 量化器 204 數位至類比轉換器 205 抽取濾波器 300 照相機系統 310 成像器件 320 透鏡 330 驅動電路（DRV) 340 影像處理器（PRC) 1421 積分器 1422 量化器 1423 選擇器 LT1至LTn 負載MOD電晶體 ND111 浮動節點/浮動閘極 SW1 至 SWn 開關電晶體 124324.doc -27-

Claims (1)

1. 200838297 十、申請專利範圍： 1· 一種成像裝置，其包含： 像素，其輸出信號電荷作為一 荷係藉由成像獲得； ’、日旒，該信號電 二=，其係連接至一用於該像素信號之 位。也流源具有一可變電流；以及 ;信號處理電路，其取決於—至該傳輸路徑之 〜在^上執行信號處理並執行控制，使得 / 之一電流依據信號處理結果而變化。 人机源 2 ·如請求項1之裝置，其中 該像素包括-放大電晶體，其構成一源極隨_ 源極隨耦器將作获雷科作么 ° 口亥 ⑭υ電何作為-像素信號輸出至該傳輸路 該電流源包括複數個負載電晶體與複數個開關，今等 負載電晶體之閘極係使用—預定偏壓信號來加以偏壓、，

   该等負载電晶體之源極係並聯連接至—預定電位，各開 關係連接於對應負載電晶體之沒極與該傳輸路徑之 以及 該信號處理電路依據在透過該傳輸路徑所傳輸之像素 信號上的該處理結果來選擇性開啟在該電流源内的該等 開關。 3·如請求項1之裝置，其中 該像素包括一放大電晶體，其構成一源極隨耦器，該 源極Ik輕裔將信號電荷作為叫象素信號輸出至該傳輸路 124324.doc 200838297 徑， 該電流源包括一負載電晶體與複數個開關，該負載電 晶體之該源極係連接至一預定電位，該等開關分別連： 至該負载電晶體之該閘極並連接至不同偏麼信 線，以及 八 =號處理電路依據在透過該傳輸路徑所傳輸之該像 等開關。 …開啟在该電流源内的該 4·如請求項〗之裝置，其中 該信號處理電路包含： 號1分器’其積分透過該傳輸路徑所傳輸之—像素信 其量化該積分器之—輪出信號；以及 、擇為，其依據由該量化哭旦 流源之一電流。 时、里化、、'口果來改變該電 5·如清求項2之裝置，其中 該信號處理電路包含： 號了積分器’其積分透過該傳輪路徑所傳輸之一像素信 ~輪出信號；以及 的量化結果來選擇性開 里化态，其量化該積分器之 一選擇器，其依據由該量化器 Hi内的該等開關。 6. 如請求項3之裝置，其中 該信號處理電路包含： 124324.doc 200838297 m ’其積分透過該傳輸路徑所傳輸之一像素信 万虎， 二，器’其量化該積分器之_輸出信號；以及 -選擇器’其依據由該量化器的量化結果來選擇性開 啟在該電流源内的該等開關。 7 ·如晴求項4之裝置，其中 邊量化器比較由該積分器所獲得之一積分信號之位準 與一預定臨界位準並向該選擇器輸出比較結果；以及 該選擇器改變該電流源之一電流，使得當該積分信號 之位準③於該臨界位準時’降低該傳輸路徑之位準，且 當該積分信號之位準低於該臨界位準時，提升該傳輪路 徑之位準。 8·如請求項5之裝置，其中 5亥ΐ化器比較由該積分器所獲得之一積分信號之位準 與-職臨界位準並向該選擇器輸出該比較結果；以及 π該選擇器選擇性地開啟在該電流源内的該等開關，使 付虽该積分信號之位準高於該臨界位準時，降低該傳輪 t徑之位準’且當該積分信號之位準低於該臨界位準 時’提升該傳輸路徑之位準。 9.如請求項6之裝置，其中 該量化器比較由該積分器所獲得之一積分信號之位準 與—預定臨界位準並向該選擇器輸出該比較結果；以及 該選擇器選擇性地開啟在該電流源内的該等開關，使 得當該積分信號之位準高於該臨界位準時，降低該傳輪 124324.doc 200838297 路徑之位準，且卷▲ 時，裎A # $該積分信號之位準低於該臨界位準 呀‘升該傳輪路徑之位準。 1〇.如請求項7或8之農置，其中 該傳輪路徑包接_ 像素内的該·象素輸出信號線’其係連接至在該 U.如請求項7或8之^晶體之該源極並連接至該電流源。 該傳輸路徑包括： 電晶號線’其係連接至在該像素内的該放大 也日日體之該源極；以及 :極隧耦器電晶體，該源極隨耦器電晶體之該閘極 源。至該像素輸出信號線，其源極係連接至該電流 12.

   一種成像裝置，其包含： 素陣列，其包括以一矩陣配置的複數個像素，各 #素輪出信號電荷作為-像素信號，該信號電荷係藉由 成像獲得；以及 複數個像素信號處理單元，其係針對該像素陣列之個 別行而配置，其中 各像素信號處理單元包括 一電流源，其係連接至一用於該像素信號之傳輪路 徑，該電流源具有一可變電流；以及 一信號處理電路，其取決於一至該傳輸路徑之輪出 信號在一信號上執行信號處理並執行控制，使得該電流 源之一電流依據該信號處理結果而變化。 124324.doc 200838297 13·如請求項12之裝置，其中 該信號處理電路包含： 一積分器’ λ積分透過該傳輪路捏所傳輸之一像素传 號； ° ―量化器’其量化該積分器之—輸出信號；以及 -選擇器’其依據由該量化器的量化結果來改變該電 流源之一電流。 14.如請求項13之裝置，其中 該量化器比較由該積分器所獲得之一積分信號之位準 與-預定臨界位準並向該選擇器輸出該比較 該選擇器改變該電流源之一電产， 玉机，使得當該積分信號 之位準高於該臨界位準時，降低該傳輪路徑之位準，且 當該積分信號之位準低於該臨界位準時，提升 徑之位準。 15·如請求項14之裝置，其中 該傳輸路徑包括一像素輸出俨 珣出“唬線，其係連接至在該 像素内的-放大電晶體之源極並連接至該電流源。 16 ·如請求項14之裝置，其中 該傳輸路徑包括： -像素輸出信號線，其係連接至在該 電晶體之該源極；以及 的玟大 源極隨輕器電晶體，該源極隨μ電晶體之該閑極 =連接至該像素輸出信料，其源極係連接至該電流 源、〇 124324.doc 200838297 17, 1種照相機，其包含： 成像裝置；以及 二Γ該成像裝置上形成-物件影像， —像素陣列，1句枯 _ 久德I "" 矩陣配置的複數個像紊， 由成像獲得；以及 $素仏虎Μ號電荷係藉 複數個像素信料理單元，其係針㈣像 個別行而配置，以及 之 各像素信號處理單元包括 一電流源，其係連接至一用 搔至用於該像素信號之傳輸 路徑’ “電流源具有一可變電流；以及 一信號處理電路，直取決一 ^ ^ ^ /、取决於至該傳輸路徑之輸 ^ L娩上執仃信號處理並執行控制，使得該電 流源之一電流依據該信號處理結果來變化。

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