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1、10申请公布号CN104243857A43申请公布日20141224CN104243857A21申请号201410079010922申请日20140305201313187020130624JPH04N5/335201101H01L27/14620060171申请人株式会社东芝地址日本东京都72发明人冈元立太74专利代理机构永新专利商标代理有限公司72002代理人夏斌54发明名称固体摄像装置57摘要本发明提供一种固体摄像装置。使被用作为与像素信号进行比较的基准电压的斜波的线性提高。电容器C1连接在运算放大器PA1的输出端子与反相输入端子之间，在电容器C1中设置有非线性电容CA1、CB1，非线性。
2、电容CA1、CB1以极性相互相反的方式并联连接。30优先权数据51INTCL权利要求书3页说明书6页附图7页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书3页说明书6页附图7页10申请公布号CN104243857ACN104243857A1/3页21一种固体摄像装置，其特征在于，具备像素阵列部，呈矩阵状配置有对光电转换后的电荷进行蓄积的像素；基准电压产生电路，基于第一电容器的端子间电压来产生基准电压；以及列ADC电路，基于从所述像素读出的像素信号与所述基准电压的比较结果来计算所述像素信号的AD转换值，所述第一电容器具备第一非线性电容和第二非线性电容，该第二非线性电容以极性与所述第一。
3、非线性电容的极性相反的方式与所述第一非线性电容并联连接。2如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，所述基准电压产生电路具备运算放大器；以及恒流源，与所述运算放大器的反相输入端子连接，所述第一非线性电容连接在所述运算放大器的输出端子与反相输入端子之间，所述第二非线性电容以极性与所述第一非线性电容的极性相反的方式连接在所述运算放大器的输出端子与反相输入端子之间。3如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，以所述第一电容器的CV特性的平坦性提高的方式，设定所述第一非线性电容以及所述第二非线性电容的电容值。4如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，所述第一非线性电容及所述第二非线性电容的至少。
4、一方为可变电容。5如权利要求4所述的固体摄像装置，其特征在于，所述可变电容具备多个非可变电容以及将从所述多个非可变电容中选择的非可变电容隔断的开关。6如权利要求5所述的固体摄像装置，其特征在于，所述非可变电容是源极以及漏极被共同地连接的场效应晶体管。7如权利要求6所述的固体摄像装置，其特征在于，所述场效应晶体管的栅极与所述开关连接。8如权利要求2所述的固体摄像装置，其特征在于，所述第一非线性电容具备形成于半导体基板的第一阱以及经由栅极绝缘膜形成于所述第一阱上的第一电极，所述第二非线性电容具备形成于所述半导体基板的第二阱以及经由所述栅极绝缘膜形成于所述第二阱上的第二电极，所述第一阱构成所述第一非。
5、线性电容的正极，所述第一电极构成所述第一非线性电容的负极，所述第二阱构成所述第二非线性电容的负极，所述第二电极构成所述第二非线性电容的正极。9如权利要求8所述的固体摄像装置，其特征在于，所述第一阱与所述运算放大器的输出端子连接，所述第一电极与所述运算放大器的反相输入端子连接，所述第二阱与所述运算放大器的反相输入端子连接，所述第二电极与所权利要求书CN104243857A2/3页3述运算放大器的输出端子连接。10如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，所述像素具备光电二极管，进行光电转换；读出晶体管，从所述光电二极管向浮动传播区传送信号；复位晶体管，对蓄积于所述浮动传播区的信号进行复位；以及。
6、放大晶体管，对所述浮动传播区的电位进行检测。11如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，具备垂直扫描电路，沿垂直方向对所述像素进行扫描；负载电路，通过在与所述像素之间进行源极追随动作，由此从所述像素向垂直信号线按照每列读出像素信号；以及水平扫描电路，沿水平方向对所述像素进行扫描。12如权利要求2所述的固体摄像装置，其特征在于，所述基准电压是与从所述恒流源向所述第一电容器流入的电流相对应而产生的所述第一电容器的端子间电压。13如权利要求12所述的固体摄像装置，其特征在于，所述第一电容器的端子间电压通过从所述恒流源向所述第一电容器流入的电流的积分来赋予。14如权利要求13所述的固体摄像装置，其。
7、特征在于，所述基准电压产生电路具备开关，该开关通过使所述第一电容器的端子间电压成为零来对所述运算放大器的输出进行复位。15如权利要求11所述的固体摄像装置，其特征在于，所述列ADC电路具备比较电路，对从所述像素读出的像素信号与所述基准电压进行比较；以及计数器，进行计数动作直到所述像素信号与所述基准电压的电平一致为止。16如权利要求15所述的固体摄像装置，其特征在于，所述比较电路具备比较器以及开关，所述比较器的反相输入端子经由第二电容器与所述垂直信号线连接，所述比较器的非反相输入端子与所述运算放大器的输出端子连接，所述开关连接在所述比较器的反相输入端子与输出端子之间。17如权利要求16所述的固体。
8、摄像装置，其特征在于，在向所述垂直信号线输出所述像素信号时，所述开关接通，由此所述第二电容器保持对应于与来自所述垂直信号线的像素信号之间的差分电压的电荷，所述比较器的输入电压被设定为零。18如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，所述第一非线性电容的非线性由所述第二非线性电容的非线性抵消。19如权利要求18所述的固体摄像装置，其特征在于，所述第一非线性电容的电容值与其端子间电压的上升相对应而下降，所述第二非线性电容的电容值与其端子间电压的上升相对应而上升。权利要求书CN104243857A3/3页420如权利要求2所述的固体摄像装置，其特征在于，所述第一电容器与所述运算放大器一起被集成化在。
9、相同的半导体基板上。权利要求书CN104243857A1/6页5固体摄像装置技术领域0001本发明的实施方式涉及一种固体摄像装置。背景技术0002在固体摄像装置中，为了对从像素读出的像素信号进行AD转换，作为与像素信号进行比较的基准电压而使用斜波。为了确保像素信号和其AD转换值的线性而需要确保斜波的线性。发明内容0003本发明要解决的课题为，提供一种固体摄像装置，能够使被用作为与像素信号进行比较的基准信号的斜波的线性提高。0004一个实施方式的固体摄像装置的特征在于，具备像素阵列部，呈矩阵状配置有对光电转换后的电荷进行蓄积的像素；基准电压产生电路，基于第一电容器的端子间电压来产生基准电压；以及。
10、列ADC电路，基于从上述像素读出的像素信号与上述基准电压的比较结果来计算上述像素信号的AD转换值，0005上述第一电容器具备第一非线性电容和第二非线性电容，该第二非线性电容以极性与上述第一非线性电容的极性相反的方式与上述第一非线性电容并联连接。0006根据上述构成的固体摄像装置，能够使被用作为与像素信号进行比较的基准信号的斜波的线性提高。附图说明0007图1是表示第一实施方式的固体摄像装置的概略构成的框图。0008图2是表示图1的固体摄像装置的像素的构成例的电路图。0009图3是表示图1的基准电压产生电路及列ADC电路的构成例的电路图。0010图4是表示图1的像素的读出动作时的各部的电压波形的。
11、时间图。0011图5A是表示图3的各非线性电容各自的CV特性的图，图5B是表示图3的各非线性电容合成后的CV特性的图，图5C是对图3的非线性电容合成前后的基准电压VREF的波形进行比较并表示的图，图5D是对图3的非线性电容合成前后的计数值进行比较并表示的图。0012图6A是表示图3的非线性电容CA1的电容值的转换方法的一例的电路图，图6B是表示图3的非线性电容CA1的电容值的转换方法的另一个例子的电路图，图6C是表示图3的非线性电容CA1的电容值的转换方法的再一个例子的电路图。0013图7是表示图3的电容器的构成例的截面图。0014图8是表示应用了第二实施方式的固体摄像装置的数码相机的概略构成。
12、的框图。0015符号的说明00161像素阵列部；2垂直扫描电路；3负载电路；4列ADC电路；5水平扫描电路；说明书CN104243857A2/6页66基准电压产生电路；7定时控制电路；PC像素；TA行选择晶体管；TB放大晶体管；TR复位晶体管；TD读出晶体管；PD光电二极管；FD浮动传播区；VLIN垂直信号线；HLIN水平控制线。具体实施方式0017以下，参照附图对实施方式的固体摄像装置进行详细说明。另外，本发明并不被这些实施方式限定。0018第一实施方式0019图1是表示第一实施方式的固体摄像装置的概略构成的框图。0020在图1中，在固体摄像装置中设置有像素阵列部1。在像素阵列部1中，沿行方。
13、向RD以及列方向CD以MM为正整数行NN为正整数列的量呈矩阵状地配置有对光电转换后的电荷进行蓄积的像素PC。此外，在该像素阵列部1中，沿行方向RD设置有进行像素PC的读出控制的水平控制线HLIN，沿列方向CD设置有传送从像素PC读出的信号的垂直信号线VLIN。0021此外，在固体摄像装置中设置有垂直扫描电路2，沿垂直方向对成为读出对象的像素PC进行扫描；负荷电路3，通过在与像素PC之间进行源极跟随动作，由此从像素PC向垂直信号线VLIN按照每列来读出像素信号；列ADC电路4，通过CDS按照每列对各像素PC的信号成分进行检测；水平扫描电路5，沿水平方向对成为读出对象的像素PC进行扫描；基准电压产。
14、生电路6，向列ADC电路4输出基准电压VREF；以及定时控制电路7，对各像素PC的读出、蓄积的定时进行控制。另外，基准电压VREF能够使用斜波。0022并且，通过垂直扫描电路2沿垂直方向对像素PC进行扫描，由此在行方向RD上选择像素PC。然后，在负荷电路3中，通过在与该像素PC之间进行源极跟随动作，由此从像素PC读出的像素信号经由垂直信号线VLIN传送，并输送至列ADC电路4。此外，在基准电压产生电路6中，作为基准电压VREF而设定斜波，并输送至列ADC电路4。然后，在列ADC电路4中，进行时钟的计数动作直到从像素PC读出的信号电平和复位电平与斜波的电平一致为止，并取得此时的信号电平与复位电平。
15、的差分，由此通过CDS对各像素PC的信号成分进行检测，并作为输出信号S1输出。0023图2是表示图1的固体摄像装置的像素的构成例的电路图。0024在图2中，在各像素PC中设置有光电二极管PD、行选择晶体管TA、放大晶体管TB、复位晶体管TR以及读出晶体管TD。此外，在放大晶体管TB、复位晶体管TR以及读出晶体管TD的连接点，作为检测节点而形成有浮动传播区FD。0025并且，在像素PC中，读出晶体管TD的源极与光电二极管PD连接，向读出晶体管TD的栅极输入读出信号D。此外，复位晶体管TR的源极与读出晶体管TD的漏极连接，向复位晶体管TR的栅极输入复位信号R，复位晶体管TR的漏极与电源电位VDD连。
16、接。此外，向行选择晶体管TA的栅极输入行选择信号A，行选择晶体管TA的漏极与电源电位VDD连接。此外，放大晶体管TB的源极与垂直信号线VLIN连接，放大晶体管TB的栅极与读出晶体管TD的漏极连接，放大晶体管TB的漏极与行选择晶体管TA的源极连接。另外，图1的水平控制线HLIN能够将读出信号D、复位信号R以及行选择信号A按照每行向像素PC传送。在图1的负荷电路3中按照每列设置有恒流源GA1，恒流源GA1与垂直信号线VLIN说明书CN104243857A3/6页7连接。0026图3是表示图1的基准电压产生电路及列ADC电路的构成例的电路图。0027在图3中，在基准电压产生电路6中设置有运算放大器P。
17、A1、电容器C1、开关W1、恒流源GA2以及基准电源VR。在电容器C1中设置有非线性电容CA1、CB1。非线性电容CA1、CB1以极性相互相反的方式并联连接。即，非线性电容CA1的正极与非线性电容CB1的负极连接，非线性电容CA1的负极与非线性电容CB1的正极连接。0028电容器C1连接在运算放大器PA1的输出端子和反相输入端子之间。开关W1与电容器C1并联连接。在运算放大器PA1的反相输入端子连接有恒流源GA2。在运算放大器PA1的非反相输入端子连接有基准电源VR。0029并且，当开关W1断开时，从恒流源GA2向非线性电容CA1、CB1流入电流，电容器C1的端子间电压上升。然后，从运算放大器。
18、PA1输出与电容器C1的端子间电压相应的基准电压VREF。此处，能够通过从恒流源GA2向电容器C1流入的电流的积分来赋予电容器C1的端子间电压，因此作为基准电压VREF能够得到斜波。此外，通过使开关W1接通，能够使电容器C1的端子间电压成为零，能够对运算放大器PA1的输出进行复位。0030另一方面，在列ADC电路4中按照每列设置有比较电路CP1CPN以及计数器CT1CTN。并且，比较电路CP1CPN与第一列第N列的像素PC1PCN分别连接。在比较电路CP1中设置有电容器C2、C3、比较器PA2、开关W2、W3以及逆变器V。0031并且，在比较器PA2的反相输入端子经由电容器C2连接有垂直信号线。
19、VLIN，在比较器PA2的非反相输入端子连接有运算放大器PA1的输出端子。在比较器PA2的反相输入端子和输出端子之间连接有开关W2。在逆变器V的输入端子经由电容器C3连接有比较器PA2的输出端子，在逆变器V的输出端子连接有计数器CT1。在逆变器V的反相输入端子与输出端子之间连接有开关W3。0032图4是表示图1的像素的读出动作时的各部的电压波形的时间图。0033在图4中，在行选择信号A为低电平的情况下，行选择晶体管TA成为截止状态而不进行源极追随动作，因此不向垂直信号线VLIN输出信号。此时，当读出信号D和复位信号R成为高电平时，读出晶体管TD导通，蓄积于光电二极管PD的电荷向浮动传播区FD排。
20、出。然后，经由复位晶体管TR向电源电位VDD排出。0034在蓄积于光电二极管PD的电荷向电源电位VDD排出之后，当读出信号D成为低电平时，在光电二极管PD中开始有效的信号电荷的蓄积。0035接着，当复位信号R上升时，复位晶体管TR导通，在浮动传播区FD中由于漏电流等而产生的多余的电荷被复位。0036然后，当行选择信号A成为高电平时，像素PC的行选择晶体管TA导通，对放大晶体管TB的漏极施加电源电位VDD，由此通过放大晶体管TB和恒流源GA1构成源极跟随器。然后，与浮动传播区FD的复位电平RL相应的电压施加于放大晶体管TB的栅极。此处，由于通过放大晶体管TB和恒流源GA1构成源极跟随器，因此垂直。
21、信号线VLIN的电压追随施加于放大晶体管TB的栅极的电压，复位电平RL的像素信号VSIG经由垂直信号线VLIN向列ADC电路4输出。0037然后，在复位电平RL的像素信号VSIG向垂直信号线VLIN输出时，对开关W2施加复位脉冲当开关W2接通时，比较器PA2的反相输入端子的输入电压被钳位于输出电压说明书CN104243857A4/6页8PO，而设定工作点。此时，电容器C2保持对应于与来自垂直信号线VLIN的像素信号VSIG之间的差分电压的电荷，比较器PA2的输入电压被设定为零。此外，对开关W3施加复位脉冲当开关W3接通时，逆变器V的输入端子的输入电压被钳位于输出电压，而设定工作点。此时，电容器。
22、C3保持对应于与来自逆变器V的输出信号之间的差分电压的电荷，逆变器V的输入电压被设定为零。0038在使开关W2、W3断开之后，在复位电平RL的像素信号VSIG经由电容器C2输入至比较器PA2的状态下，作为基准电压VREF而赋予斜波，将复位电平RL的像素信号VSIG与基准电压VREF进行比较。然后，比较器PA2的输出电压PO在由逆变器V反相之后输入至计数器CT1。0039然后，在计数器CT1中，向下计数直到复位电平RL的像素信号VSIG与基准电压VREF的电平一致为止，由此复位电平RL的像素信号VSIG被转换成数字值DR并保持。0040接着，当读出信号D上升时，读出晶体管TD导通，蓄积于光电二极。
23、管PD的电荷被传送至浮动传播区FD，与浮动传播区FD的信号电平SL相应的电压施加于放大晶体管TB的栅极。此处，通过放大晶体管TB和恒流源GA1构成源极跟随器，因此垂直信号线VLIN的电压追随施加于放大晶体管TB的栅极的电压，信号电平SL的像素信号VSIG经由垂直信号线VLIN向列ADC电路4输出。0041然后，在列ADC电路4中，在信号电平SL的像素信号VSIG经由电容器C2输入至比较器PA2的状态下，作为基准电压VREF而赋予斜波，将信号电平SL的像素信号VSIG与基准电压VREF进行比较。然后，比较器PA2的输出电压PO在由逆变器V反相之后输入至计数器CT1。0042然后，在计数器CT1中。
24、，这次向上计数直到信号电平SL的像素信号VSIG与基准电压VREF的电平一致为止，由此信号电平SL的像素信号VSIG被转换成数字值DS。然后，复位电平RL的像素信号VSIG与信号电平SL的像素信号VSIG的差分DSDR由计数器CT1保持，并作为输出信号S1输出。0043此处，通过由以极性相互相反的方式并联连接的非线性电容CA1、CB1来构成电容器C1，由此能够提高电容器C1的CV特性的平坦性。因此，能够提高与像素信号VSIG进行比较的斜波的线性，能够提高计数器CT1的AD转换特性的线性。0044图5A是表示图3的各非线性电容各自的CV特性的图，图5B是表示图3的各非线性电容合成后的CV特性的图。
25、，图5C是对图3的非线性电容合成前后的基准电压VREF的波形进行比较并表示的图，图5D是对图3的非线性电容合成前后的计数值进行比较并表示的图。0045在图5A中，非线性电容CA1具有CV特性F1，与其端子间电压的上升相对应而电容值上升。因此，当仅由非线性电容CA1来构成电容器C1时，如图5C所示，基准电压VREF具有VT特性V1，基准电压VREF的线性降低。因此，如图5D所示，计数器CT1具有AD转换特性D1，由计数器CT1生成的数字值DR、DS的线性降低。0046另一方面，在图5A中，非线性电容CB1具有CV特性F2，与其端子间电压的上升相对应而电容值下降。因此，通过由以极性相互相反的方式并。
26、联连接的非线性电容CA1、CB1来构成电容器C1，由此如图5B所示，能够使电容器C1具有CV特性F3，能够提高电容器C1的CV特性的平坦性。结果，如图5C所示，能够使基准电压VREF具有VT特性V3，能够说明书CN104243857A5/6页9提高基准电压VREF的线性。因而，如图5D所示，能够使计数器CT1具有AD转换特性D3，能够提高由计数器CT1生成的数字值DR、DS的线性。0047另外，各非线性电容CA1、CB1也可以用作为可变电容。由此，能够不仅考虑电容器C1的CV特性、还考虑运算放大器PA1、恒流源GA2等的输出特性地对电容器C1的CV特性进行调整，能够进一步提高基准电压VREF的。
27、VT特性V3的线性。0048图6A是表示图3的非线性电容CA1的电容值的转换方法的一例的电路图，图6B是表示图3的非线性电容CA1的电容值的转换方法的另一个例子的电路图，图6C是表示图3的非线性电容CA1的电容值的转换方法的再一个例子的电路图。0049在图6A中，N沟道场效应晶体管M11M14以及开关W11W14设置于非线性电容CA1。N沟道场效应晶体管M11M14的各栅极与开关W11W14分别连接。N沟道场效应晶体管M11M14的源极以及漏极被共同地连接。此处，各N沟道场效应晶体管M11M14能够构成非可变电容。0050并且，通过使开关W11W14断开，由此能够将N沟道场效应晶体管M11M1。
28、4分别隔断，能够对非线性电容CA1的电容值进行调整，因此能够将非线性电容CA1用作为可变电容。0051或者，也可以如图6B所示，在图6A的构成中，将开关W21W24连接在N沟道场效应晶体管M11M14的各栅极与地线之间。而且，通过在使开关W11W14断开时使开关W21W24分别接通，由此能够将N沟道场效应晶体管M11M14分别隔断，并且能够使N沟道场效应晶体管M11M14的栅极分别接地。0052或者，也可以如图6C所示，N沟道场效应晶体管M11M14的源极以及漏极与开关W11W14分别共同地连接，N沟道场效应晶体管M11M14的栅极共同地连接。0053然后，通过使开关W11W14断开，由此能够。
29、将N沟道场效应晶体管M11M14分别隔断，能够对非线性电容CA1的电容值进行调整，因此能够将非线性电容CA1用作为可变电容。0054另外，在图6A图6C的例子中，对在非线性电容CA1中设置4个N沟道场效应晶体管M11M14的方法进行了说明，但也可以在非线性电容CA1中设置2个、3个或者5个以上的N沟道场效应晶体管。此外，在图6A图6C的例子中，对在非线性电容CA1中设置N沟道场效应晶体管的方法进行了说明，但也可以在非线性电容CA1中设置P沟道场效应晶体管，还可以在非线性电容CA1中设置CMOS晶体管。此外，非线性电容CB1也能够与非线性电容CA1同样地构成。0055图7是表示图3的电容器的构成。
30、例的截面图。0056在图7中，在半导体基板SB上形成有阱EA、EB。在阱EA上分别经由栅极绝缘膜ZA1、ZA2形成有电极GA1、GA2。在阱EB上分别经由栅极绝缘膜ZB1、ZB2形成有电极GB1、GB2。另外，电极GA1、GA2能够构成非线性电容CA1的正极，阱EA能够构成非线性电容CA1的负极。电极GB1、GB2能够构成非线性电容CB1的正极，阱EB能够构成非线性电容CB1的负极。0057电极GA1、GA2分别经由开关WA1、WA2与图3的运算放大器PA1的反相输入端子连接。此外，在运算放大器PA1的反相输入端子连接有阱EB。电极GB1、GB2分别经由开关WB1、WB2与图3的运算放大器PA。
31、1的输出端子连接。此外，在运算放大器PA1的输出端子说明书CN104243857A6/6页10连接有阱EA。0058并且，通过使开关WA1、WA2、WB1、WB2断开，由此能够将电极GA1、GA2、GB1、GB2分别隔断，能够对非线性电容CA1、CB1的电容值进行调整。此外，通过将非线性电容CA1、CB1形成于半导体基板SB，由此能够将非线性电容CA1、CB1与运算放大器PA1一起进行集成化。0059另外，在图7的例子中，对将2个电极GA1、GA2设置于非线性电容CA1并且将2个电极GB1、GB2设置于非线性电容CB1的方法进行了说明，但也可以将3个以上的电极以及开关分别设置于非线性电容CA1。
32、、CB1。0060第二实施方式0061图8是表示应用了第二实施方式的固体摄像装置的数码相机的概略构成的框图。0062在图8中，数码相机11具有相机模块12以及后级处理部13。相机模块12具有摄像光学系统14以及固体摄像装置15。后级处理部13具有图像信号处理器ISP16、存储部17以及显示部18。另外，固体摄像装置15能够使用图1的构成。此外，也可以将ISP16的至少一部分构成与固体摄像装置15一起形成为单芯片。0063摄像光学系统14取入来自被摄体的光，使被摄体像成像。固体摄像装置15对被摄体像进行摄像。ISP16对通过固体摄像装置15的摄像而获得的图像信号进行信号处理。存储部17对经过了I。
33、SP16的信号处理的图像进行存储。存储部17根据用户的操作等向显示部18输出图像信号。显示部18根据从ISP16或者存储部17输入的图像信号来显示图像。显示部18例如是液晶显示器。另外，相机模块12除了应用于数码相机11之外，例如还可以应用于带相机便携终端等电子设备。0064对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式作为例子来提示的，并不意图对发明的范围进行限定。这些新的实施方式能够以其他各种方式加以实施，在不脱离发明的主旨的范围内能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含于发明的范围及主旨中，并同样包含于专利请求范围所记载的发明和与其等同的范围中。说明书CN104243857A101/7页11图1说明书附图CN104243857A112/7页12图2说明书附图CN104243857A123/7页13图3说明书附图CN104243857A134/7页14图4图5A图5B说明书附图CN104243857A145/7页15图5C图5D图6A图6B说明书附图CN104243857A156/7页16图6C图7说明书附图CN104243857A167/7页17图8说明书附图CN104243857A17。