專利名稱：成像設(shè)備和照相機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有列并列(column-parallel)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的成像設(shè)備以及 包括該成像設(shè)備的照相機(jī)。
背景技術(shù)：
在許多情況下，各自具有列并列模數(shù)轉(zhuǎn)換器的典型固態(tài)成像設(shè)備包括利 用單斜率積分的計數(shù)器斜坡(counter-ramp)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
圖1圖示了具有利用單斜率積分的計數(shù)器斜坡模數(shù)轉(zhuǎn)換器的成像設(shè)備的 結(jié)構(gòu)。
圖2是用于說明圖1的設(shè)備的操作的時序圖。
現(xiàn)在將結(jié)合圖2的時序圖來描述圖1的設(shè)備的操作。
用于將外部光光電轉(zhuǎn)換為電信號的單位像素l被排列成矩陣，從而構(gòu)成 像素陣列2。假設(shè)垂直選擇電路3選擇了像素陣列2中的某一行。
位于所選擇的行中的像素通過沿像素陣列2的列延伸的垂直信號線vsl 而輸出像素信號(下文中的像素輸出信號Sl)。垂直信號線vsl連接到為每 列布置的比較器4的一個輸入端(正極端)。比較器4的另一端(負(fù)極端) 接收來自數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器5的輸出信號nslope,該輸出信號是響應(yīng)于時 鐘信號clk獲得的模擬信號。
假設(shè)，當(dāng)通過垂直信號線vsl傳送的像素輸出信號Sl的電平低于D/A 轉(zhuǎn)換器5的輸出信號nslope的電平時，比較器4的輸出信號ncompout變成 低("L"),然而，當(dāng)垂直信號線vsl的像素輸出信號Sl的電平高于D/A轉(zhuǎn) 換器5的輸出信號nslope的電平時，比較器4的輸出信號ncompout變成高 ("H")。 比較器4的輸出信號ncompout被供應(yīng)到n位計數(shù)器6。該n位計數(shù)器6 響應(yīng)于時鐘信號elk而增加或降低計數(shù)值。圖2示出了計數(shù)值減少一的情況。
該n位計數(shù)器6響應(yīng)于復(fù)位信號rst而將其計數(shù)值復(fù)位到初始值iinit。當(dāng) 比較器4的輸出信號ncompout變成高時，n位計數(shù)器6停止增加或減少計數(shù) 值，并保持該計數(shù)值(圖2中表示為"i")。
從n位計數(shù)器6輸出該計數(shù)值，作為n位輸出數(shù)據(jù)[n-l:O]。順序輸出該 n位計數(shù)器6的輸出以及在其它列中的其它計數(shù)器的輸出。

發(fā)明內(nèi)容
在圖1所示的利用單斜率積分的計數(shù)器斜坡模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，不利的是， 為了增加模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度，必須增加轉(zhuǎn)換時間或時鐘頻率。
例如，n位A/D轉(zhuǎn)換所需要的時鐘數(shù)目是2n-1個周期。當(dāng)n位擴(kuò)展到 n+l位時，所需要的時鐘數(shù)目是2肝1-1個周期，其基本上為211-l個周期 的兩倍。
為了實現(xiàn)所需要的時鐘數(shù)目的增加，轉(zhuǎn)換時間或時鐘頻率必須增加大約 2的倍數(shù)(factor)。不利的是，增加轉(zhuǎn)換時間阻礙了用于實現(xiàn)高幀速率或處 理增加數(shù)目的像素的高速操作。不幸的是，時鐘頻率的增加導(dǎo)致功耗的增加 或需要改善元件精度。
此外，在利用單斜率積分的計數(shù)器斜坡模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，不利的是，比較 器的閾值電平Vth的變化或從數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的電壓的精度影響了模數(shù)轉(zhuǎn)換 器的精度。
換言之，假設(shè)像素輸出信號具有1V的幅度，其用作暗電平和亮電平之 間的差，對于n位的模數(shù)轉(zhuǎn)換需要l/(2n-l)V的精度。
例如，當(dāng)11=14(位)時，1/(214-1) = 61^V。由于比較器的閾值Vth的 變化通常是幾毫伏的等級，所以難以實現(xiàn)高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換。
期望提供一種高分辨率高精度的成像設(shè)備，其能夠?qū)崿F(xiàn)用于實行高幀速 率或處理增加數(shù)目的像素的高速操作，而不導(dǎo)致功耗的增加且不需要改善元 件的精度。
根據(jù)本發(fā)明的第一實施例，成像設(shè)備包括以下元件。像素輸出通過成像 獲得的信號電荷，作為像素信號。具有可變電流的電流源連接到像素信號的 傳輸路徑。信號處理電路對取決于到傳輸路徑的輸出信號的信號執(zhí)行信號處 理，并執(zhí)行控制，以便根據(jù)信號處理的結(jié)果來改變電流源的電流。
優(yōu)選地，所述像素包括構(gòu)成源極跟隨器的放大器晶體管，其將信號電荷 作為像素信號輸出到傳輸路徑。電流源包括多個負(fù)載晶體管和多個開關(guān)。使 用預(yù)定的偏置信號來偏置所述負(fù)載晶體管的才冊極，并且所述負(fù)載晶體管的源 極并聯(lián)地連接到預(yù)定電勢。每個開關(guān)連接在對應(yīng)的負(fù)載晶體管的漏極與傳輸 路徑之間。所述信號處理電路根據(jù)對通過傳輸路徑傳送的像素信號的處理結(jié) 果，來選擇性地導(dǎo)通電流源中的開關(guān)。
優(yōu)選地，所述像素包括構(gòu)成源極跟隨器的放大器晶體管，其將信號電荷 作為像素信號輸出到傳輸路徑。該電流源包括負(fù)載晶體管和多個開關(guān)。所述 負(fù)載晶體管的源極連接到預(yù)定電勢。所述多個開關(guān)連接到負(fù)栽晶體管的柵 極、并分別連接到不同的偏置信號供應(yīng)線。所述信號處理電路根據(jù)對通過傳 輸路徑傳送的像素信號的處理結(jié)果，來選擇性地導(dǎo)通電流源中的開關(guān)。
優(yōu)選地，所述信號處理電路包括積分器，對通過傳輸路徑傳送的像素 信號進(jìn)行積分；量化器，對積分器的輸出信號進(jìn)行量化；以及選擇器，根據(jù) 量化器的量化結(jié)果來改變電流源的電流。
優(yōu)選地，所述信號處理電路包括積分器，對通過傳輸路徑傳送的像素 信號進(jìn)行積分；量化器，對積分器的輸出信號進(jìn)行量化；以及選擇器，根據(jù) 量化器的量化結(jié)果來選^4生地導(dǎo)通電流源中的開關(guān)。
優(yōu)選地，所述量化器比較通過積分器獲得的積分信號的電平和預(yù)定的閾 值電平，并將比較結(jié)果輸出到選擇器。所述選擇器改變電流源的電流，使得 當(dāng)積分信號的電平高于閾值電平時，降低傳輸路徑的電平，而當(dāng)積分信號的 電平低于所述閾值電平時，提高傳輸路徑的電平。
優(yōu)選地，所述量化器比較通過積分器獲得的積分信號的電平和預(yù)定的閾 值電平，并將比較結(jié)果輸出到選擇器。所述選擇器選擇性地導(dǎo)通電流源中的 開關(guān)，使得當(dāng)積分信號的電平高于閾值電平時，降低傳輸路徑的電平，而當(dāng) 積分信號的電平低于所述閾值電平時，提高傳輸路徑的電平。
優(yōu)選地，所述傳輸路徑包括像素輸出信號線，其連接到像素中的放大器 晶體管的源極并連接到電流源。
優(yōu)選地，所述傳輸路徑包括像素輸出信號線和源極跟隨器晶體管。所述 像素輸出信號線連接到像素中的放大器晶體管的源極。所述源極跟隨器晶體 管的柵極連接到像素輸出信號線，并且其源極連接到電流源。
根據(jù)本發(fā)明的第二實施例，所述成像設(shè)備包括如下元件。像素陣列包括 排列成矩陣的多個像素，每個像素輸出通過成像獲得的信號電荷作為像素信 號。針對像素陣列的各個列而排列多個像素信號處理單元。每個像素信號處 理單元包括電流源和信號處理電路。所述電流源連接到像素信號的傳輸路徑 并具有可變電流。信號處理電路對取決于到傳輸路徑的輸出信號的信號執(zhí)行 信號處理，并執(zhí)行控制，以便根據(jù)信號處理的結(jié)果來改變電流源的電流。
根據(jù)本發(fā)明的第三實施例， 一種照相機(jī)包括成像設(shè)備以及在成像設(shè)備上 形成對象圖像的光學(xué)系統(tǒng)。所述成像設(shè)備包括如下元件。像素陣列包括排列 成矩陣的多個像素，每個像素輸出通過成像獲得的信號電荷作為像素信號。 針對像素陣列的各個列而排列多個像素信號處理單元。每個像素信號處理單 元包括電流源和信號處理電路。所述電流源連接到像素信號的傳輸路徑并具 有可變電流。所述信號處理電路對取決于到傳輸路徑的輸出信號的信號執(zhí)行 信號處理，并執(zhí)行控制，以便根據(jù)信號處理的結(jié)果來改變電流源的電流。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述信號處理電路對充當(dāng)通過成像獲得的信號電 荷的像素信號執(zhí)行預(yù)定的處理。
控制傳輸路徑的電平，以便根據(jù)信號處理的結(jié)果來改變電流源的電流。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，可以實現(xiàn)高分辨率高精度的成像設(shè)備以及包括該 成像設(shè)備的照相機(jī)，該成像設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)用于實行高幀速率或處理增加數(shù)目 的像素的高速操作，而沒有導(dǎo)致功耗的增加且不需要改善元件的精度。


圖1是圖示了具有利用單斜率積分的計數(shù)器斜坡模數(shù)轉(zhuǎn)換器的成像設(shè)備
的結(jié)構(gòu)的圖2是用于說明圖1中的設(shè)備的操作的時序圖3是圖示了根據(jù)本發(fā)明實施例的成像設(shè)備的示意結(jié)構(gòu)的框圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的單位像素的結(jié)構(gòu)以及像素信號處理單
元的結(jié)構(gòu)的圖5是圖示了德耳塔-西格馬(AS)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基本結(jié)構(gòu)的框圖； 圖6是示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的修改的像素信號處理單元的結(jié)構(gòu)的
圖7是圖示了根據(jù)本發(fā)明實施例的第 一具體示例的單位像素的結(jié)構(gòu)和像
素信號處理單元的結(jié)構(gòu)的圖8是示出了根據(jù)實施例在AS調(diào)制器的量化器的輸出與選擇器中的選 擇控制信號的設(shè)置電平之間的關(guān)系的圖9是用于說明在圖7中的像素信號處理單元的操作的時序圖10是圖示了根據(jù)本發(fā)明實施例的第二具體示例的單位像素.的結(jié)構(gòu)和 像素信號處理單元的結(jié)構(gòu)的圖；以及
圖11是圖示了根據(jù)本發(fā)明實施例的包括成像設(shè)備的照相機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 的圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在，將參考附圖來描述本發(fā)明的實施例。 圖3是圖示了根據(jù)本實施例的成像設(shè)備的示意結(jié)構(gòu)的框圖。 圖4是示出了根據(jù)本實施例的單位像素的結(jié)構(gòu)以及像素信號處理單元的 結(jié)構(gòu)的圖。
成像設(shè)備10包括像素陣列12、垂直選擇電路13、和多個像素信號處理
單元14 (14-1、 14-2.......)。像素陣列12包括排列成矩陣的多個單位像
素11。每個單位像素11將外部光光電轉(zhuǎn)換為電信號。垂直選擇電路13選擇 像素陣列12的預(yù)定行，并驅(qū)動與所述單位像素連接的多條驅(qū)動線DRVL。 每個像素信號處理單元14直接(或者通過源極跟隨器晶體管)連接到像素 輸出信號線VSL，從而構(gòu)成了為每列像素陣列12安排的傳輸路徑。
每個單位像素11包括光電二極管111、傳輸晶體管112、放大器晶體管 113、復(fù)位晶體管114、和選擇晶體管115。
光電二極管111將入射光轉(zhuǎn)換為信號電荷(例如，電子)，其數(shù)量對應(yīng) 于入射光的數(shù)量，并存儲該信號電荷。
傳輸晶體管112的源極連接到光電二極管111的陰極，其漏極連接到浮 動節(jié)點ND111,而其柵極連接到通過其傳送傳輸信號TR的傳輸選擇線TRL。 傳輸晶體管U2具有在導(dǎo)電(導(dǎo)通)時將存儲在光電二極管111中的信號電 荷傳輸?shù)礁庸?jié)點NDlll的功能。
放大器晶體管113的源極連接到像素輸出信號線VSL，其漏極連接到選 擇晶體管115的源極，而其柵極連接到浮動節(jié)點NDlll。選擇晶體管115的 漏極連接到供電電壓源VDD，而其柵極連接到選擇線SELL。
當(dāng)垂直選擇電路13將高電平選擇信號SEL供應(yīng)到選擇線SELL以導(dǎo)通 選擇晶體管115時，放大器晶體管113具有將浮動節(jié)點NDlll的電勢輸出到 像素輸出信號線VSL的功能。
復(fù)位晶體管114的漏極連接到供電電壓源VDD,其源極連接到浮動節(jié) 點NDlll,而其柵極連接到復(fù)位線RSTL。當(dāng)垂直選擇電路13將高電平復(fù) 位信號RST供應(yīng)到復(fù)位線RSTL時，復(fù)位晶體管114導(dǎo)通，從而復(fù)位該浮動 節(jié)點ND111的電勢。
具有上述結(jié)構(gòu)的單位像素11排列成矩陣，從而形成像素區(qū)域(成像區(qū) 域)。針對像素陣列12的每一行安排傳輸選擇線TRL、選擇線SELL、和復(fù) 位線RSTL。
垂直選擇電路13驅(qū)動傳輸選擇線TRL、選擇線SELL、和復(fù)位線RSTL。
每個像素信號處理單元14包括電流源141和信號處理電路142。電流源 141和信號處理電路142被連接到從像素陣列12延伸出來的對應(yīng)垂直信號線 VSL。參考圖4，每個像素信號處理單元14還包括n個(n是2或更大的正 整數(shù))負(fù)載MOS晶體管LT1至LTn、和n個開關(guān)晶體管SW1至SWn。負(fù) 載MOS晶體管LT1至LTn中的至少一個通過像素輸出信號線VSL和對應(yīng) 開關(guān)晶體管而被選擇性地連接到單位像素11中的放大器晶體管113。所連接 的負(fù)載MOS晶體管的驅(qū)動電流的量(下文中為驅(qū)動電流量)是根據(jù)信號處 理電路142 (量化器)進(jìn)行信號處理所獲得的輸出來控制的。
在電流源141中，負(fù)載MOS晶體管LT1至LTn的每一個的柵極連接到 通過其供應(yīng)偏置信號VBIAS的偏置信號供應(yīng)線VBIASL。負(fù)載MOS晶體管 LT1至LTn中的每一個都起到恒流源的作用。
負(fù)載MOS晶體管LT1的源極連接到參考電勢(本實施例中為地電勢 GND),而其漏極連接到MOS開關(guān)(MOS晶體管)SW1的源極。MOS開 關(guān)SW1的漏極連接到像素輸出信號線VSL。
類似地，負(fù)載MOS晶體管LTn的源極連接到參考電勢(本實施例中為 地電勢GND),而其漏極連接到MOS開關(guān)(MOS晶體管)SWn的源極。 MOS開關(guān)SWn的漏極連接到像素輸出信號線VSL。
各個MOS開關(guān)SW1至SWn的柵極連接到信號處理電路142的控制輸 出端。
在根據(jù)本實施例的成像設(shè)備10中，每個像素信號處理單元14針對每個 像素信號將充當(dāng)信號處理電路142的輸出的數(shù)字值反饋到電流源141,從而 實現(xiàn)與能夠?qū)嵭懈呔饶?shù)轉(zhuǎn)換的AS模數(shù)轉(zhuǎn)換器的功能等同的功能。
具體地，在為固態(tài)成像設(shè)備提供的列并列Ai:模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，通過改變 負(fù)載MOS晶體管的電流來實現(xiàn)每個量化器的輸出的反饋，從而構(gòu)成與像素 輸出信號線連接的源極跟隨器。結(jié)果，實現(xiàn)了具有高分辨率和高精度的固態(tài) 成像設(shè)備。
下面，將更詳細(xì)地描述本實施例的Ai:模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基本結(jié)構(gòu)以及像素
信號處理單元14的特征結(jié)構(gòu)。
圖5是圖示了 AS模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基本結(jié)構(gòu)的框圖。
參考圖5, A2:模數(shù)轉(zhuǎn)換器200包括減法器201、積分器202、量化器203、 數(shù)模轉(zhuǎn)換器204、以及抽選濾波器(decimation filter) 205。
積分器202起到低通濾波器(LPF )的作用。量化器203具有相加量化 噪聲的功能(即，進(jìn)行辨別以確定是將值設(shè)置為"1"還是設(shè)置為"0"的功能)。 數(shù)模轉(zhuǎn)換器204具有辨別功能。
在除了固態(tài)成像設(shè)備的這些應(yīng)用之外的應(yīng)用中，例如，在音頻應(yīng)用和測 量儀器的應(yīng)用中，AS模數(shù)轉(zhuǎn)換器在許多情況中被用作用以實現(xiàn)高精度的模 數(shù)轉(zhuǎn)換器。實現(xiàn)了超過16位的轉(zhuǎn)換精度。
如圖5所示，AS模數(shù)轉(zhuǎn)換器200基本上包括積分器202和量化器203。 減法器201從模擬輸入信號中減去通過利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器204對量化器203的 輸出進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換而獲得的反饋信號。其后，積分器202對從減法器201輸 出的信號進(jìn)行積分，量化器203量化從積分器202輸出的信號，而抽選濾波 器205對從量化器203輸出的信號進(jìn)行抽選，從而獲得數(shù)字輸出信號。
AS模數(shù)轉(zhuǎn)換器200可實現(xiàn)高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換。為了將高精度的模數(shù)轉(zhuǎn) 換施加到固態(tài)成像設(shè)備，必須針對每個像素信號反饋數(shù)字值。難以實現(xiàn)反饋。
在本實施例中，上述反饋是通過安排包括MOS晶體管(在本實施例中 為n溝道MOS晶體管)的恒流源(其中所述恒流源連接到每個單位像素11 中的放大器晶體管而構(gòu)成了所述源極跟隨器電路)、并根據(jù)源極跟隨器電路 的輸出或者在隨后級中安排的信號處理電路142的輸出來改變恒流源的電流 來實現(xiàn)的，電路142的輸出是基于源極跟隨器電路的輸出的。
再參考圖4,如上所述，像素信號處理單元14連接到從像素延伸出來的 像素輸出信號線VSL,使得負(fù)載MOS晶體管LT1至LTn分別通過開關(guān)晶體 管(MOS開關(guān))SW1至SWn、經(jīng)由像素輸出信號線VSL而連接到單位像 素11中的放大器晶體管113。根據(jù)信號處理電路142中的量化器的輸出來控 制負(fù)載MOS晶體管的驅(qū)動電流量。
具體地，在圖4的像素信號處理單元14中，MOS開關(guān)SW1至SWn中 的每一個被布置在負(fù)載MOS晶體管LT1至LTn的對應(yīng)一個與像素輸出信號 線VSL之間。MOS開關(guān)SWl至SWn的導(dǎo)通和截止改變了連接到像素輸出 信號線VSL的負(fù)載MOS晶體管LT的數(shù)目。
用接下來的表達(dá)式1來表示根據(jù)負(fù)載MOS晶體管LT的像素輸出信號線 VSL的電壓的改變。當(dāng)假設(shè)Ibad為負(fù)載MOS晶體管LT的驅(qū)動電流量、假設(shè)
Vpc(a為像素信號電壓、并假設(shè)Vra為放大器晶體管113的闞值電平時，電 流驅(qū)動量Ihd取決于電壓VPIXEL-Vra而改變。因此，可以反饋量化器的輸 出。
表達(dá)式1<formula>formula see original document page 13</formula>
其中，^表示載流子的遷移率，C。x表示單位面積的柵極電容，w表示柵極 寬度，以及L表示柵極寬度。
圖6圖示了根據(jù)本發(fā)明實施例的修改的像素信號處理單元的結(jié)構(gòu)。 圖4中的像素信號處理單元14和圖6中的像素信號處理單元14A之間 的差別如下電流源141A包括單個負(fù)載MOS晶體管LT1。第一MOS開關(guān) SW1連接在負(fù)載MOS晶體管LT1的柵極與第一偏置信號供應(yīng)線VBIASL1 之間。第n個MOS開關(guān)SWn連接在負(fù)載MOS晶體管LT1的柵極與第n偏 置信號供應(yīng)線VBIASLn之間。MOS開關(guān)SW1至SWn的導(dǎo)通和截止是使用 信號處理電路142的輸出來控制的。
具體地，圖6中的像素信號處理單元14A根據(jù)信號處理電路142的輸出 來選擇多個偏置電壓中的任一個作為負(fù)載MOS晶體管LT1的柵極電壓。選 擇性地連接MOS開關(guān)(晶體管)中的任一個，以便排他地選擇偏置電壓中 的任一個，從而改變偏置電壓。因此，可以改變負(fù)載MOS晶體管LT1的驅(qū) 動電流量。
如上所述，在具有圖4的像素信號處理單元14或圖6中的像素信號處 理單元14A的成像設(shè)備10中，根據(jù)成像設(shè)備的像素輸出或者對像素輸出進(jìn) 行信號處理獲得的像素信號，來改變至少一個負(fù)載MOS晶體管LT的驅(qū)動電
流量，從而可以將適合于隨后級的信號處理的偏移量添加到像素輸出。 添加偏移可以執(zhí)行反饋，使得可以在線性特征區(qū)中使用由每個單位像素
11中的放大器晶體管113以及負(fù)載MOS晶體管LT構(gòu)成的源極跟隨器電路。
改變偏移可以抵償由故障處理導(dǎo)致的變化，例如在每個單位像素11中 的放大器晶體管113的閾值電壓的變化。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，可以實現(xiàn)高分辨率高精度的成像設(shè)備，其能夠?qū)?現(xiàn)用于實行高幀速率或處理增加數(shù)目的像素的高速操作，而沒有導(dǎo)致功耗的 增加且不需要改善元件的精度。
下面，現(xiàn)在將描述像素信號處理單元的結(jié)構(gòu)的更具體的示例。
圖7圖示了根據(jù)本發(fā)明實施例的第一具體示例的單位像素的結(jié)構(gòu)和像素 信號處理單元的結(jié)構(gòu)。
參考圖7，單位像素11的結(jié)構(gòu)類似于圖4和6所示的結(jié)構(gòu)。比圖4和6 更具體地示出了像素信號處理單元14B的結(jié)構(gòu)。
具體地，參考圖7，信號處理電路包括AS調(diào)制器142B，其包括積分器 1421、量化器1422、和選擇器1423。
電流源141B的結(jié)構(gòu)類似于圖4中的結(jié)構(gòu)。在圖7中，n-3。電流源141B 包括三個負(fù)載MOS晶體管LT1至LT3和三個MOS開關(guān)SW1至SW3。
在電流源141B中，負(fù)載MOS晶體管LT1至LT3的柵極連接到通過其 供應(yīng)偏置信號VBIAS的偏置信號供應(yīng)線VBIASL。負(fù)載MOS晶體管LT1至 LT3中的每一個起到恒流源的作用。
負(fù)載MOS晶體管LT1的源極連接到參考電勢(本實施例中為地電勢 GND),而其漏極連接到MOS開關(guān)(MOS晶體管)SW1的源極。MOS開 關(guān)SW1的漏極連接到像素輸出信號線VSL。
類似地，負(fù)載MOS晶體管LT2的源極連接到參考電勢(本實施例中為 地電勢GND)，而其漏極連接到MOS開關(guān)(MOS晶體管)SW2的源極。 MOS開關(guān)SW2的漏極連接到像素輸出信號線VSL。
類似地，負(fù)載MOS晶體管LT3的源極連接到參考電勢(本實施例中為 地電勢GND),而其漏極連接到MOS開關(guān)(MOS晶體管)SW3的源極。 MOS開關(guān)SW3的漏極連接到像素輸出信號線VSL。
MOS開關(guān)SW1的柵極連接到在AS調(diào)制器142B中的用于選擇控制信
號ISELl的供應(yīng)線。MOS開關(guān)SW2的柵極連接到在AS調(diào)制器142B中的 用于選擇控制信號ISEL2的供應(yīng)線。MOS開關(guān)SW3的柵極連接到在調(diào) 制器142B中的用于選擇控制信號ISEL3的供應(yīng)線。
在AS調(diào)制器142B中，積分器1421、量化器1422、和選擇器1423響 應(yīng)于高電平選擇信號HSEL而開始操作，并且與時鐘信號CLK同步地操作。
積分器1421起到LPF的作用，并輸出用于指明積分結(jié)果的信號SOUT 到量化器1422。
量化器1422使用預(yù)定的閾值電平VTHL來量化從積分器1421輸出的信 號SOUT,并將指明量化結(jié)果的信號HSIG輸出到選擇器1423和隨后級中的 抽選濾波器(未示出)。
當(dāng)信號SOUT的電平高于閾值電平VTHL時，量化器1422將輸出信號 HSIG設(shè)置為值'T，。當(dāng)信號SOUT的電平低于閾值電平VTHL時，量化器 1422將輸出信號HSIG設(shè)置為值"0"。
選擇器1423根據(jù)量化器1422的輸出信號HSIG的值而設(shè)置選擇控制信 號ISEL1至ISEL3中的每一個的電平，信號ISEL1至ISEL3用于控制電流 源141B中的MOS開關(guān)SW1至SW3的導(dǎo)通/截止。
圖8是示出了根據(jù)本實施例的在AS調(diào)制器142B的量化器1422的輸出 與選擇器1423的選擇控制信號的設(shè)置電平之間的關(guān)系的圖。
在本實施例中，在初始狀態(tài)下，選擇器1423將兩個選擇控制信號ISEL1 和ISEL2設(shè)置到高電平("H"),并將選擇控制信號ISEL3設(shè)置到低電平 ("L")，如圖8所示。
在初始狀態(tài)下，電流源141B中的MOS開關(guān)SW1和SW2導(dǎo)通，而MOS 開關(guān)SW3截止。因此，負(fù)載MOS晶體管LT1和至LT2并聯(lián)連接到像素輸 出信號線VSL,使得兩個電流源連接到單位像素中的放大器晶體管113以構(gòu) 成源極跟隨器。換言之，在初始狀態(tài)下，選擇器1423選擇并控制負(fù)載MOS 晶體管，以便獲得兩個晶體管的驅(qū)動電流量。
參考圖8，當(dāng)量化器1422的輸出指明'T，時，選擇器1423將三個選擇控 制信號ISEL1至ISEL3設(shè)置到高電平("H")。
當(dāng)量化器1422的輸出指明'T，時，電流源141B中的MOS開關(guān)SWl至 SW3導(dǎo)通。因此，負(fù)載MOS晶體管LT1至LT3并聯(lián)連接到像素輸出信號線 VSL,從而三個電流源連接到單位像素中的放大器晶體管113以構(gòu)成源極跟隨器。換言之，當(dāng)量化器1422的輸出指明'T，時，選擇器1423選擇并控制 負(fù)載MOS晶體管，以便獲得三個晶體管的驅(qū)動電流量。
參考圖8,當(dāng)量化器1422的輸出指明"0"時，選擇器1423將選擇控制信 號ISEL1設(shè)置到高電平("H"),并將兩個選擇控制信號ISEL2和ISEL3設(shè) 置到低電平("L，，)。
當(dāng)量化器1422的輸出指明"0"時，在電流源141B中，MOS開關(guān)SW1 導(dǎo)通，而MOS開關(guān)SW2和SW3截止。因此，負(fù)載MOS晶體管LT1并聯(lián) 連接到像素輸出信號線VSL，從而單個電流源連接到單位像素中的放大器晶 體管113以構(gòu)成源極跟隨器。換言之，當(dāng)量化器1422的輸出指明"0"時，選 擇器1423選擇并控制負(fù)載MOS晶體管，以便獲得一個晶體管的驅(qū)動電流量。
在具有上述結(jié)構(gòu)的像素信號處理單元14B中，來自像素輸出信號線VSL 的輸出被供應(yīng)到構(gòu)成了 A2調(diào)制器142B的積分器1421。從積分器1421輸出 的信號SOUT被供應(yīng)到量化器1422。通過量化器1422進(jìn)行量化獲得的像素 輸出信號被作為信號HSIG供應(yīng)到隨后級中的抽選濾波器中，并也反饋到選 擇器1423，來控制負(fù)載MOS晶體管的驅(qū)動電流量。這種配置實現(xiàn)了Ai:模 數(shù)轉(zhuǎn)換器。
圖9是用于說明在圖7中的像素信號處理單元14B的操作的時序圖。 在選擇信號HSEL變成高之前的初始狀態(tài)下，選擇器1423將兩個選擇 控制信號ISEL1和ISEL2設(shè)置到高電平("H"),并將選擇控制信號ISEL3 設(shè)置到低電平("L")。因此，在電流源141B中，MOS開關(guān)SW1和SW2導(dǎo) 通，MOS開關(guān)SW3截止。換言之，在初始狀態(tài)下，選擇器1423選擇并控 制負(fù)載MOS晶體管，以便獲得兩個晶體管的驅(qū)動電流量。
在這個示例中，當(dāng)選擇信號HSEL變成高時，積分器1421、量化器1422、 和選擇器1423開始操作。量化器1422的輸出信號HSIG響應(yīng)于積分器1421 的輸出信號SOUT變化(圖9中在"SOUT"上的虛線指示量化器1422的閾值 電平VTHL)。
當(dāng)從量化器1422收到例如指明"l"的信號HSIG時，選擇器1423在下一 個時鐘周期中將三個選擇控制信號ISEL1至ISEL3設(shè)置到高電平"H",以降 低像素輸出信號線VSL的電平。因此，電流源141B中的MOS開關(guān)SW1 至SW3導(dǎo)通。換言之，當(dāng)量化器1422的輸出指明'T，時，選擇器1423選擇 并控制負(fù)載MOS晶體管，以便獲得三個晶體管的驅(qū)動電流量。另一方面，當(dāng)量化器1422的輸出信號HSIG指明"0"時，選擇器1423 僅僅將選擇控制信號ISEL1設(shè)置到高電平("H"),以便提高像素輸出信號線 VSL的電平。結(jié)果，在電流源141B中僅MOS開關(guān)SW1導(dǎo)通。換言之，當(dāng) 量化器1422的輸出指明"0"時，選擇器1423選擇并控制負(fù)載MOS晶體管， 以便獲得一個晶體管的驅(qū)動電流量。
上述的反饋實現(xiàn)了 Ai:模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
如上所述，圖7中的配置可以實現(xiàn)AS模數(shù)轉(zhuǎn)換器。有利地，可以實現(xiàn) 具有列并列高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器的固態(tài)成像設(shè)備。
在圖7的示例中，使用了一階積分器和1位量化器。要控制的選擇器的 數(shù)目和負(fù)載MOS晶體管的數(shù)目可以根據(jù)積分器的階和量化器的位數(shù)來改 變。積分器可具有開關(guān)電容器電路系統(tǒng)或RC電路系統(tǒng)。
圖10圖示了根據(jù)本發(fā)明實施例的第二具體示例的單位像素的結(jié)構(gòu)和像 素信號處理單元的結(jié)構(gòu)。
圖7的第一示例和圖10的第二示例之間的差別在于像素輸出信號線 VSL的輸出被暫時供應(yīng)到包括MOS晶體管15的源極跟隨器15S,其充當(dāng)另 一傳輸路徑的一部分，并且源極跟隨器15S連接到電流源141B,從而改變 流到MOS晶體管15的負(fù)載MOS晶體管的驅(qū)動電流量。
具體地，MOS晶體管15的源極連接到構(gòu)成電流源141B中的MOS開關(guān) SW1至SW3的MOS晶體管的漏極的每一個。MOS晶體管15的漏極連接 到供電電壓源VDD,而其柵極連接到像素輸出信號線VSL。此外，充當(dāng)電 流源的MOS晶體管16的漏極連接到像素輸出信號線VSL以及MOS晶體管 15的柵極。MOS晶體管16的源極連接到參考電勢(在本實施例中為地電勢 GND )，并且其柵極連接到偏置信號供應(yīng)線VBIASLll。
電流源141B中的負(fù)載MOS晶體管LT1至LT3的柵極連接到偏置信號 供應(yīng)線VBIASL12。
使用上述結(jié)構(gòu)的原因如下。
由于通常在像素陣列12的垂直方向上(沿著列)安排每個像素輸出信 號線VSL,所以許多單位像素11連接到每個像素輸出信號線VSL。
因此，在某些情況下，像素輸出信號線VSL具有幾皮法的寄生電容。 當(dāng)圖4、 6或7中所示的負(fù)載MOS晶體管的驅(qū)動電流量改變時，源極跟隨器 輸出的穩(wěn)定(settling)特征可能惡化。
為了防止該惡化，像素輸出信號線VSL的輸出被暫時供應(yīng)到源極跟隨
器15S，并且改變了負(fù)載MOS晶體管的到源極跟隨器15S的驅(qū)動電流量， 從而實現(xiàn)了上述反饋。
即使在寄生元件被連接到每個像素輸出信號線VSL的固態(tài)成像設(shè)備中， 圖10的排列也可以實現(xiàn)Ai:模數(shù)轉(zhuǎn)換器。有利地，可以實現(xiàn)具有列并列高精 度模數(shù)轉(zhuǎn)換器的固態(tài)成像設(shè)備。
可以使用具有上述優(yōu)點的成像設(shè)備10作為包括在數(shù)字照相機(jī)或攝像機(jī) 中的固態(tài)成像設(shè)備。
圖11圖示了根據(jù)本發(fā)明實施例的成像設(shè)備所應(yīng)用到的照相機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
參考圖11，照相機(jī)系統(tǒng)300包括成像裝置310;光學(xué)系統(tǒng)，用于允許 入射光進(jìn)入成像裝置310的像素區(qū)域(在像素區(qū)域中形成對象圖像)，其例 如為用于將入射光(圖像光)聚焦到成像裝置310的成像表面上的鏡頭320; 驅(qū)動電路(DRV) 330，用于驅(qū)動成像裝置310;以及圖像處理器(PRC ) 340, 用于處理成像裝置310的輸出信號。
上述成像設(shè)備10可用作圖11中的成像裝置310。
驅(qū)動電路330包括用于生成各種定時信號的定時發(fā)生器(未示出)，其
中定時信號諸如為用于驅(qū)動水平移位寄存器和垂直移位寄存器的開始脈沖 和時鐘脈沖，并使用預(yù)定的定時信號驅(qū)動成像裝置310。
本照相機(jī)系統(tǒng)300可以獲得與上述實施例相同的優(yōu)點。有利地，可以實 現(xiàn)高分辨率高精度的照相機(jī)，其能夠?qū)崿F(xiàn)用于實行高幀速率或處理增加數(shù)目 的像素的高速操作，而沒有導(dǎo)致功耗的增加且不需要改善元件的精度。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，取決于設(shè)計需要和其它因素，可以存在各 種修改、組合、子組合、和替換，只要它們處于所附權(quán)利要求或其等效的范 圍內(nèi)即可。
權(quán)利要求
1.一種成像設(shè)備，包括像素，其輸出信號電荷作為像素信號，所述信號電荷通過成像獲得；電流源，連接到像素信號的傳輸路徑，該電流源具有可變電流；以及信號處理電路，其對取決于到傳輸路徑的輸出信號的信號執(zhí)行信號處理，并執(zhí)行控制，以便根據(jù)信號處理的結(jié)果來改變電流源的電流。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的設(shè)備，其中該像素包括構(gòu)成源極跟隨器的放大器晶體管，其將信號電荷作為像素信 號輸出到傳輸路徑；該電流源包括多個負(fù)載晶體管和多個開關(guān)，使用預(yù)定的偏置信號來偏置 所述負(fù)載晶體管的柵極，所述負(fù)載晶體管的源極并聯(lián)連接到預(yù)定電勢，每個 開關(guān)連接在對應(yīng)負(fù)載晶體管的漏極與傳輸路徑之間；以及所述信號處理電路根據(jù)對通過該傳輸路徑傳送的像素信號的處理結(jié)果 來選擇性地導(dǎo)通電流源中的開關(guān)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中該像素包括構(gòu)成源極跟隨器的放大器晶體管，其將信號電荷作為像素信 號輸出到傳輸路徑；該電流源包括負(fù)載晶體管和多個開關(guān)，所述負(fù)載晶體管的源極連接到預(yù) 定電勢，所述多個開關(guān)連接到負(fù)載晶體管的柵極、并分別連接到不同的偏置 信號供應(yīng)線；以及所述信號處理電路根據(jù)對通過該傳輸路徑傳送的像素信號的處理結(jié)果 來選擇性地導(dǎo)通電流源中的開關(guān)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l的設(shè)備，其中 該信號處理電路包括積分器，對通過傳輸路徑傳送的像素信號進(jìn)行積分； 量化器，對積分器的輸出信號進(jìn)行量化；以及 選擇器，根據(jù)量化器的量化結(jié)果來改變電流源的電流。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2的設(shè)備，其中 該信號處理電路包括積分器，對通過傳輸路徑傳送的像素信號進(jìn)行積分；量化器，對積分器的輸出信號進(jìn)行量化；以及選擇器，根據(jù)量化器的量化結(jié)果來選擇性地導(dǎo)通電流源中的開關(guān)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3中的設(shè)備，其中 該信號處理電路包括積分器，對通過傳輸路徑傳送的像素信號進(jìn)行積分；量化器，對積分器的輸出信號進(jìn)行量化；以及選擇器，根據(jù)量化器的量化結(jié)果來選擇性地導(dǎo)通電流源中的開關(guān)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4的設(shè)備，其中該量化器比較通過積分器獲得的積分信號的電平和預(yù)定閾值電平，并將 比較結(jié)果輸出到該選擇器；以及該選擇器改變電流源的電流，使得當(dāng)積分信號的電平高于該閾值電平 時，降低傳輸路徑的電平，而當(dāng)積分信號的電平低于該閾值電平時，提高傳 輸路徑的電平。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5的設(shè)備，其中該量化器比較通過積分器獲得的積分信號的電平和預(yù)定閾值電平，并將 比較結(jié)果輸出到選擇器；以及該選擇器選擇性地導(dǎo)通電流源中的開關(guān)，使得當(dāng)積分信號的電平高于該 閾值電平時，降低傳輸路徑的電平，而當(dāng)積分信號的電平低于該閾值電平時， 提高傳輸路徑的電平。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6的設(shè)備，其中該量化器比較通過積分器獲得的積分信號的電平和預(yù)定閾值電平，并將 比較結(jié)果輸出到該選擇器；以及該選"f奪器選"t奪性地導(dǎo)通電流源中的開關(guān)，使得當(dāng)積分信號的電平高于該 閾值電平時，降低傳輸路徑的電平，而當(dāng)積分信號的電平低于該閾值電平時， 提高傳輸路徑的電平。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7或8的設(shè)備，其中所述傳輸路徑包括像素輸出信號線，其連接到像素中的放大器晶體管的 源極并連接到電流源。
11. 根據(jù)權(quán)利要求7或8的設(shè)備，其中 所述傳輸路徑包括像素輸出信號線，連接到像素中的放大器晶體管的源極；以及源極跟隨器晶體管，該源極跟隨器晶體管的柵極連接到像素輸出信號 線，其源極連接到電流源。
12. —種成像設(shè)備，包括像素陣列，包括排列成矩陣的多個像素，每個像素輸出信號電荷作為像 素信號，所述信號電荷通過成像獲得；以及多個像素信號處理單元，為該像素陣列的各個列排列，其中 每個像素信號處理單元包括電流源，連接到像素信號的傳輸路徑，該電流源具有可變電流；以及信號處理電路，其對取決于到傳輸路徑的輸出信號的信號執(zhí)行信號 處理，并執(zhí)行控制，以便根據(jù)信號處理的結(jié)果來改變電流源的電流。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12的設(shè)備，其中 所述信號處理電路包括積分器，對通過傳輸路徑傳送的像素信號進(jìn)行積分； 量化器，對積分器的輸出信號進(jìn)行量化；以及 選擇器，根據(jù)量化器的量化結(jié)果來改變電流源的電流。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13的設(shè)備，其中該量化器比較通過積分器獲得的積分信號的電平和預(yù)定閾值電平，并將 比較結(jié)果輸出到該選擇器；以及該選擇器改變電流源中的電流，使得當(dāng)積分信號的電平高于該閾值電平 時，降低傳輸路徑的電平，而當(dāng)積分信號的電平低于該閾值電平時，提高傳 輸路徑的電平。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的設(shè)備，其中所述傳輸路徑包括像素輸出信號線，其連接到像素中的放大器晶體管的 源極并連接到電流源。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14的設(shè)備，其中 所述傳輸路徑包括像素輸出信號線，連接到像素中的放大器晶體管的源極；以及 源極跟隨器晶體管，該源極跟隨器晶體管的柵極連接到像素輸出信號 線，其源極連接到電流源。
17. —種照相才幾，包括成像設(shè)備，以及光學(xué)系統(tǒng)，在成像設(shè)備上形成對象圖像；其中 所述成像設(shè)備包括像素陣列，包括排列成矩陣的多個像素，每個像素輸出信號電荷作 為像素信號，所述信號電荷通過成像獲得；以及多個像素信號處理單元，為該像素陣列的各個列排列，并且每個像素信號處理單元包括電流源，連接到像素信號的傳輸路徑，該電流源具有可變電流；以及信號處理電路，其對取決于到傳輸路徑的輸出信號的信號執(zhí)行信號 處理，并執(zhí)行控制，以便根據(jù)信號處理的結(jié)果來改變電流源的電流。
全文摘要
一種成像設(shè)備包括像素、電流源、和信號處理電路。所述像素輸出通過成像獲得的信號電荷作為像素信號。所述電流源連接到像素信號的傳輸路徑并具有可變電流。所述信號處理電路對取決于到傳輸路徑的輸出信號的信號執(zhí)行信號處理，并執(zhí)行控制，以便根據(jù)信號處理的結(jié)果來改變電流源的電流。
文檔編號H04N5/335GK101207721SQ20071019916
公開日2008年6月25日 申請日期2007年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月18日
發(fā)明者佐藤弘樹 申請人:索尼株式會社