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1、(10)申请公布号 CN 103002232 A (43)申请公布日 2013.03.27 CN 103002232 A *CN103002232A* (21)申请号 201210330152.9 (22)申请日 2012.09.07 2011-196349 2011.09.08 JP H04N 5/3745(2011.01) H04N 5/378(2011.01) (71)申请人 佳能株式会社 地址 日本东京 (72)发明人 桥本诚二 松野靖司 (74)专利代理机构 中国国际贸易促进委员会专 利商标事务所 11038 代理人 杨小明 (54) 发明名称 成像装置 (57) 摘要 本发明涉及成。
2、像装置， 包括 ： 像素， 被配置为 产生光电转换信号 ； 比较器， 被配置为将基于处 于重置状态的像素的基准信号与时间变化的第一 参考信号进行比较， 用于将基于处于非重置状态 的像素的有效信号与时间变化的第二参考信号进 行比较， 所述第二参考信号具有比所述第一参考 信号的时间变化率大的时间变化率 ； 计数器， 被 配置为对第一计数值进行计数， 直到所述基准信 号与所述第一参考信号之间的大小关系逆转为 止， 并且被配置为对第二计数值进行计数， 直到所 述有效信号与所述第二参考信号之间的大小关系 逆转为止 ； 校正单元， 被配置为校正所述第一计 数值与所述第二计数值的分辨度的差异， 并且被 配置。
3、为输出经过校正的第一计数值与第二计数值 之间的差异。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 11 页 附图 10 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 2 页 说明书 11 页 附图 10 页 1/2 页 2 1. 一种成像装置， 包括 ： 像素， 所述像素被配置为通过光电转换产生信号 ； 比较器， 所述比较器被配置为将基于处于重置状态的像素的基准信号与时间变化的第 一参考信号进行比较， 并且用于将基于处于非重置状态的像素的有效信号与时间变化的第 二参考信号进行比较， 其中， 所述第二参考信号具有比所述第一参考信号的时间变。
4、化率大 的时间变化率 ； 计数器， 所述计数器被配置为对第一计数值进行计数， 直到所述基准信号与所述第一 参考信号之间的大小关系逆转为止， 并且被配置为对第二计数值进行计数， 直到所述有效 信号与所述第二参考信号之间的大小关系逆转为止 ； 校正单元， 所述校正单元被配置为校正所述第一计数值与所述第二计数值的分辨度的 差异， 并且被配置为输出经受了校正的第一计数值与第二计数值之间的差异。 2. 根据权利要求 1 所述的成像装置， 其中， 所述校正单元通过所述第二计数值的移位来校正所述分辨度的差异。 3. 根据权利要求 1 或 2 所述的成像装置， 其中， 所述计数器对所述第一计数值进行正数计数或。
5、倒数计数， 并且在与所述第一计数值的 正数计数或倒数计数相反的方向上对所述第二计数值进行计数。 4. 根据权利要求 1 或 2 所述的成像装置， 还包括 ： 选择电路， 用于根据所述有效信号的电平来设置所述第二参考信号的时间变化率。 5. 根据权利要求 4 所述的成像装置， 其中， 与当所述有效信号小于比较电压时相比， 当所述有效信号大于所述比较电压时， 所述 选择电路将所述第二参考信号设置为具有较高的时间变化率。 6. 根据权利要求 5 所述的成像装置， 其中， 所述比较电压低于所述第二参考信号的最大电压。 7. 根据权利要求 5 所述的成像装置， 其中 当所述有效信号小于所述比较电压时所述。
6、第二参考信号的时间变化率与所述第一参 考信号的时间变化率相同。 8. 根据权利要求 1 或 2 所述的成像装置， 其中， 所述比较器将所述基准信号与所述第一参考信号进行比较， 同时所述计数器对所述第 一计数值进行计数， 直到所述基准信号与所述第一参考信号之间的大小关系逆转为止， 并 且 所述比较器将所述有效信号与所述第二参考信号进行比较， 同时所述计数器对所述第 二计数值进行计数， 直到所述有效信号与所述第二参考信号之间的大小关系逆转为止。 9. 一种成像系统， 包括 ： 根据权利要求 1 或 2 所述的成像装置 ； 和 信号处理单元， 所述信号处理单元用于处理从所述成像装置输出的信号。 10。
7、. 一种成像装置的驱动方法， 所述成像装置包括 ： 像素， 所述像素用于通过光电转换产生信号 ； 比较器， 所述比较器被配置为将基于处于重置状态的像素的基准信号与时间变化的第 一参考信号进行比较， 并且用于将基于处于非重置状态的像素的有效信号与时间变化的第 权 利 要 求 书 CN 103002232 A 2 2/2 页 3 二参考信号进行比较， 其中， 所述第二参考信号具有比所述第一参考信号的时间变化率大 的时间变化率 ； 和 计数器， 其被配置为对第一计数值进行计数， 直到所述基准信号与所述第一参考信号 之间的大小关系逆转为止， 并且被配置为对第二计数值进行计数， 直到所述有效信号与所 述。
8、第二参考信号之间的大小关系逆转为止， 其中， 所述方法包括以下步骤 ： 校正所述第一计数值与所述第二计数值的分辨度的差异 ； 和 输出经过校正的第一计数值与第二计数值之间的差异。 11. 根据权利要求 10 所述的方法， 其中， 所述校正的步骤包括通过所述第二计数值的移位来校正所述分辨度的差异。 12. 根据权利要求 10 或 11 所述的方法， 其中， 所述计数器对所述第一计数值进行正数计数或倒数计数， 并且在与所述第一计数值的 正数计数或倒数计数相反的方向上对所述第二计数值进行计数。 13. 根据权利要求 10 或 11 所述的方法， 还包括 ： 选择步骤， 用于根据所述有效信号的电平来设。
9、置所述第二参考信号的时间变化率。 14. 根据权利要求 13 所述的方法， 其中， 所述选择步骤包括 ： 当所述有效信号大于比较电压时， 将所述第二参考信号设置为具 有较高的时间变化率。 15. 根据权利要求 14 所述的方法， 其中， 所述比较电压低于所述第二参考信号的最大电压。 16. 根据权利要求 14 所述的方法， 其中， 当所述有效信号小于所述比较电压时所述第二参考信号的时间变化率与所述第一参 考信号的时间变化率相同。 17. 根据权利要求 10 或 11 所述的方法， 其中， 所述比较器将所述基准信号与所述第一参考信号进行比较， 同时所述计数器对所述第 一计数值进行计数， 直到所述。
10、基准信号与所述第一参考信号之间的大小关系逆转为止， 并 且 所述比较器将所述有效信号与所述第二参考信号进行比较， 同时所述计数器对所述第 二计数值进行计数， 直到所述有效信号与所述第二参考信号之间的大小关系逆转为止。 权 利 要 求 书 CN 103002232 A 3 1/11 页 4 成像装置 技术领域 0001 本发明涉及一种成像装置。 背景技术 0002 近年， CMOS 图像传感器在传感器器件中对像素信号进行模拟 - 数字转换 ( 以下称 为 A/D 转换 )。这里， 高速和高分辨度 (resolution) 的 A/D 转换处理技术是已知的。日本 专利申请公开 No.2007-28。
11、1987 的技术包括 ： 将图像信号输入到多个比较器中， 将该图像信 号与具有彼此不同的时间变化的参考信号进行比较， 并且在 S-N 处理之后， 合成像素信号 的重置电平 ( 以下称为基准信号 )N 和有效信号 S 的计数数据。从而， 该技术可获取具有大 量比特 (bit) 的 A/D 转换数据。 发明内容 0003 在常规技术中， 在合成的 A/D 转换数据中存在精度问题。日本专利申请公开 No.2007-281987 的技术包括通过下述方式将 A/D 转换数据合成为高精度数据， 但是对提高 A/D转换精度的影响小， 所述方式即， 将以时间变化小的参考信号获得的A/D转换数据(j比 特 ) 。
12、定位在最低有效位， 该最低有效位包括用时间变化较大的参考信号获得的 A/D 转换数 据 (i 比特 ) 的量化误差。另外， 该技术具有设置在每行中的两个比较器， 因此， 具有电路规 模增大的顾虑。 0004 根据本发明， 一种成像装置包括 ： 像素， 其被配置为通过光电转换产生信号 ； 比较 器， 其被配置为将基于处于重置状态的像素的基准信号与时间变化的第一参考信号进行比 较， 并且将基于处于非重置状态的像素的有效信号与时间变化的第二参考信号进行比较， 其中， 所述第二参考信号具有比所述第一参考信号的时间变化率大的时间变化率 ； 计数器， 其被配置为对第一计数值进行计数， 直到所述基准信号与所。
13、述第一参考信号之间的幅值关 系逆转为止， 并且被配置为对第二计数值进行计数， 直到所述有效信号与所述第二参考信 号之间的大小关系逆转为止 ； 校正单元， 其被配置为校正所述第一计数值与所述第二计数 值的分辨度的差异， 并且被配置为输出经过校正的第一计数值与第二计数值之间的差异。 0005 根据本公开内容的技术可提高模拟 - 数字转换的精度， 同时抑制电路规模的增 大。 0006 从以下参照附图对示例性实施例的描述， 本发明的进一步的特征将变得清晰。 附图说明 0007 图 1 是根据本发明的第一实施例的成像器件的框图。 0008 图 2 是像素信号的 SN 比的说明图。 0009 图 3 是多。
14、个斜坡信号的说明图。 0010 图 4 是本发明的第一实施例的 A/D 转换单元的框图。 0011 图 5 是图 4 的 A/D 转换单元的定时图。 说 明 书 CN 103002232 A 4 2/11 页 5 0012 图 6A、 图 6B 和图 6C 是 A/D 转换数据的移位的说明图。 0013 图 7 是成像系统的框图。 0014 图 8 是示出成像器件的结构例子的概念图。 0015 图 9 是像素的等效电路图。 0016 图 10 是示出图 8 中所示的成像器件的操作例子的定时图。 具体实施方式 0017 现在将根据附图来详细描述本发明的优选实施例。 0018 ( 第一实施例 ) 。
15、0019 图 1 是根据本发明的第一实施例的成像器件 100 的示意性框图。成像器件 100 是 被称为 CMOS 图像传感器的成像器件 ； 并且对被摄体的光接收图像进行光电转换， 并且将电 信号作为数字信号输出。 成像器件100具有像素单元10、 垂直扫描电路15、 放大单元20、 斜 坡信号产生电路 ( 参考信号产生电路 )25、 比较单元 30、 计数器单元 40、 存储器单元 50、 输 出电路 60、 水平扫描电路 65 和定时产生电路 (TG)70。像素单元 10 具有按二维矩阵形式布 置的多个像素 10-1。像素 10-1 通过光电转换产生像素信号。垂直扫描电路 15 将驱动脉 。
16、冲 X-1、 X-2 等输出到像素单元 10。放大单元 20 放大从像素单元 10 发送的像素信号。斜 坡信号产生电路 25 产生相对于时间变化的斜坡信号 ( 参考信号 ) 作为像素信号的比较信 号。比较单元 30 将已被放大单元 20 放大的像素信号与斜坡信号进行比较。计数器单元 40 对值进行计数， 直到比较单元 30 输出比较结果为止。存储器单元 ( 校正单元 )50 保存计数 器单元 40 的计数数据， 并且对所保存的数据进行移位和计算。水平扫描电路 65 通过使用 水平扫描来将从存储器单元50发送的数据传送到输出电路60。 定时产生电路70分别控制 上述电路块的定时。 0020 像素。
17、单元 10 具有布置在其区域上的多个像素 10-1， 但是为了简单起见， 图 1 仅示 出了 4 个像素。通过要从垂直扫描电路 15 发送的驱动脉冲 X-1 和 X-2 来顺序地驱动每个 像素 10-1 的线路。每个像素 10-1 的基于处于重置状态的像素 10-1 的基准信号 ( 重置信 号 ) 和每个像素 10-1 的基于处于非重置状态的像素 10-1 的有效信号 ( 光电转换信号 ) 通 过垂直输出线 V-1 至 V-n 被引导到放大单元 20。放大单元 20 与存储器单元 50 之间的每个 电路是对于垂直输出线 V-1 至 V-n 中的每条设置的。放大单元 20 的每个放大电路 20-。
18、1 可 仅具有简单地放大从像素 10-1 发送的信号的功能， 并且还可具有通过对有效信号和基准 信号进行差分处理来降低噪声的 CDS 处理功能。在比较单元 30 中出现的噪声的影响可通 过在放大单元 20 中放大信号而被降低。当放大单元 20 不设有 CDS 处理功能时， 比较单元 30 的输入部分可执行 CDS 处理。 0021 比较单元 30 具有比较器电路 30-1 和选择电路 30-2， 比较器 30-1 对应于从放大 单元 20 连接的像素行， 选择电路 30-2 从多个斜坡信号选择一个信号。稍后将在图 3 中描 述多个斜坡信号。比较单元 30 将从放大电路 20-1 发送的基准信号。
19、与时间变化率较小的 斜坡信号进行比较， 然后确定有效信号的电平是大于还是小于比较电压， 根据该结果选择 将与有效信号进行比较的斜坡信号， 并且将有效信号与该斜坡信号进行比较。上述比较电 压是考虑有效信号的 SN 比来设置的。计数器单元 40 对一个像素执行两次转换操作。第 一次， 比较单元 30 将基准信号与时间变化率较小的斜坡信号进行比较， 并且计数器单元 40 说 明 书 CN 103002232 A 5 3/11 页 6 从斜坡信号的上升沿开始对值进行倒数计数， 直到比较单元 30 的输出信号逆转为止。基准 信号例如是当放大单元 20 的输入被重置时将输出的信号， 或者如果成像设备被构造。
20、为不 具有放大单元 20， 则基准信号是当像素 10-1 的输出被重置时将输出的信号。第二次， 当有 效信号的电平大时， 比较单元 30 将有效信号与时间变化率较大的斜坡信号进行比较， 并且 计数器单元 40 校正其中斜坡信号具有较小的时间变化率的情况和其中斜坡信号具有较大 的时间变化率的情况的分辨度比率， 并且对值进行正数计数。结果所得的具有大量比特的 A/D 转换数据被保存在存储器单元 50 的存储器电路 50-1 中。有效信号是通过用放大单元 20 放大在像素 10-1 中通过光电转换获得并且从其发送的信号而获得的信号， 或者当成像 器件中不具有放大单元 20 时， 有效信号是从像素 1。
21、0-1 发送的信号。当有效信号的电平小 时， 在基准信号已被倒数计数之后， 比较单元 30 顺序地将有效信号与时间变化率较小的斜 坡信号进行比较， 并且计数器单元 40 对值进行正数计数。结果作为 A/D 转换数据被保存在 存储器单元 50 的存储器电路 50-1 中。已保存在存储器电路 50-1 中的 A/D 转换数据通过 将从水平扫描电路 65 发送的扫描脉冲被传送到输出电路 60。 0022 如上所述， 无论有效信号的电平如何， 成像器件 100 都将基准信号与时间变化率 较小的斜坡信号进行比较， 因此， 具有能够获得基准信号的高分辨度的 A/D 转换数据的效 果。成像器件根据基准信号的。
22、 A/D 转换数据来执行校正有效信号的 A/D 转换数据的处理， 结果， 可获得具有高精度和大量比特的 A/D 转换数据。另外， 一个比较器 30-1 根据有效信 号的电平来将有效信号与斜坡信号进行比较， 因此， 用少量比特执行 A/D 转换处理， 并且可 提高处理速度。 0023 图 2 是像素信号的 SN 比的说明图， 该说明图用于描述图 1 的成像器件 100 的操作 原理。图 2 中的横轴指示入射在像素 10-1 上的光量， 纵轴使用对数刻度指示已根据入射光 量被光电转换的信号的电平。 实线201指示该信号， 并且1V的信号电平应暂时对应于10000 粒的光电荷 N。虚线 202 指示。
23、光散粒噪声 (optical shot noise)， 并且众所周知， 噪声的量 用N表达。 虚线203是CDS之后的基于像素的噪声(其包括源于放大器中的噪声， 不包括 源于 A/D 转换中的噪声 )。假设基于像素的噪声 203 为 0.2mV， 并且 SN 比变为 74dB， 该 SN 比为 1V 的信号电平与 0.2mV 的基于像素的噪声之比。为了执行覆盖该 SN 比的 A/D 转换， 考虑到量化比特误差， 需要大约 14 比特的分辨度。当成像器件具有更高的分辨度时， 计数 器周期变得更长。因此， 成像器件需要 A/D 转换时间段， 并且以低速读取信号。最后， 成像 装置导致不能以高速拍摄。
24、图像。 0024 然后， 本实施例的成像器件通过减少用于 A/D 转换的比特数来实现高速读出。如 果大幅度信号的电平临时设为例如 1V， 则光散粒噪声 202 大。那么， 假设， 当大幅度信号的 电平对应于 10000 粒电荷时， 光散粒噪声为 100 粒， 并且 SN 比为 40dB。另外， 当小幅度信号 的电平临时设为 10mV 时， SN 比为 20dB。换句话讲， 理解的是， 无论信号的大小如何， 稍大于 40dB 的 SN 比对于 A/D 转换都是满意的。 0025 在图2中， 对于按62.5mV的界限分类的大幅度信号AD(H)和小幅度信号AD(L)， 考 虑具有10比特的A/D转换。
25、， 在62.5mV的界限处， 电压为1V的信号的1/16(等同于4比特)。 对于大小为 1V 的信号的 A/D 转换的分辨度用双点划线 204 表达， 并且对于大小为 62.5mV 的信号的 A/D 转换的分辨度用交替长短虚线 205 表达。那么， 该图表明， 尽管具有 10 比特 A/D 转换精度， 但是即使考虑到光散粒噪声 202 的量化误差， 两个 A/D 转换也都具有小的 A/ 说 明 书 CN 103002232 A 6 4/11 页 7 D 分辨度。在 10 比特 A/D 转换器中， 可通过对这两个 A/D 转换数据的比特进行移位来获得 14 比特精度的 A/D 转换数据。然而， 。
26、因为在大幅度信号 AD(H) 的 A/D 转换数据的最低有效 位中存在量化误差， 所以 A/D 转换数据实际上不具有 10 比特精度， 并且由于有效信号与基 准信号之间的差分处理， 量化误差变大。 0026 对于大幅度信号的转换和对于小幅度信号的转换分别用 10 比特执行， 但是因为 24 16， 所以它对应于 4 比特分辨度的变化， 以将在该转换期间将供给的斜坡信号 ( 参考 信号 ) 的梯度 ( 换句话讲， 参考信号的时间变化率的比率 ) 设置为 16。对于 1V 的信号范 围， 通过合成具有这样的关系的两个信号来创建 14 比特的分辨度。这里， 将考虑大幅度信 号的转换。在本实施例中， 。
27、根据信号大小是否大于该信号大小的最大值 1V 的 1/16( 其为界 限 ) 来确定信号是否是大幅度信号。该值为 62.5mV， 其为 1000mV/16。因此， 确定界限为 62.5mV。 0027 另一方面， 当对小幅度信号进行转换时， 通过使用梯度为用于大幅度信号的斜坡 信号的 1/16 的斜坡信号来对直到 62.5mV( 其为界限 ) 的小幅度信号进行 A/D 转换。因为 这， 对于小幅度信号的A/D转换的分辨度205变为对于大幅度信号的A/D转换的分辨度204 的 1/16。因此， 因为 62.5mV/1024 0.0612mV， 所以对于大小为 62.5mV 的信号的 10 比特 。
28、A/D 转换的分辨度变为 0.0612mV。相对于上述基于像素的噪声 203 的值 0.2mV， 0.0612mV 的分辨度是足够小的值。对于信息， 界限上的 62.5mV 的信号可被作为大幅度信号和小幅度 信号中的任何一个进行处理。 0028 图 3 是根据本实施例的多个斜坡信号的说明图。图 3 示出作为斜坡信号的时间变 化的梯度。在图 2 中， 第一斜坡信号 ( 第一参考信号 )VH 用于大小为 62.5mV 或更大的信 号， 第二斜坡信号 ( 第二参考信号 )VL 用于小于 62.5mV 的信号。第二斜坡信号 VL 具有比 第一斜坡信号 VH 的梯度 ( 时间变化率 ) 小的梯度 ( 时。
29、间变化率 )。斜坡信号 VH 的梯度与 斜坡信号 VL 的梯度的比被设置为 16。当所述梯度的比被设置为 16 时， 分辨度可增大 4 比 特。因为上述两个 AD 转换电路都将信号转换为具有 10 比特的信号并且具有相同的最长转 换时间段， 所以计数器时钟的时钟频率变为相同。如果所述梯度的比被设置为 8， 则分辨度 可增大 3 比特。在图 2 中， 对于小幅度信号的 A/D 转换的分辨度远小于系统噪声的分辨度， 因此 AD 转换电路可将信号转换为具有 9 比特的信号。在这种情况下， 如果计数器的最大时 钟频率 fmax 没有改变， 则 A/D 转换电路对于 9 比特的转换时间段变为 1/2， 。
30、并且速度可提 高。斜坡信号的梯度的比和 A/D 转换电路的分辨度由像素的饱和电荷的数量、 系统噪声、 对 于成像器件 100 必要的分辨度等来确定。梯度彼此不同的斜坡信号 VH 和斜坡信号 VL 的梯 度的比可以是 2 的倍数。另外， 对于斜坡信号 VH 和 VL， 计数器单元 40 可用具有相同频率的 计数器时钟对值进行计数， 或者可用具有彼此不同的频率的计数器时钟对值进行计数。 0029 图 4 是本发明的第一实施例中的 A/D 转换单元的框图， 该框图用于描述比较器 30-1 与输入侧和输出侧的电路之间的连接 ； 并且具有与图 1 中的功能相同的功能的块用相 同的标号表示， 并且省略描述。
31、。 A/D转换单元能够以高速将已被光电转换的模拟信号转换为 数字信号。 0030 接下来， 以下将描述不具有 A/D 转换器的成像装置的结构例子和操作， 以便于描 述本实施例。图 8 是示出成像器件中的像素单元 210 和放大电路 220-1 的结构例子的视 图， 并且是其中省略了比较单元 30、 计数器单元 40 和存储器单元 50 的视图。CDS 电路 119 说 明 书 CN 103002232 A 7 5/11 页 8 设置在放大电路 220-1 的后级中。像素单元 210 被配置为包括根据多行和多线布置的多个 像素 210-1。在图 8 中， 当从左开始计数时从奇数行像素输出的信号被。
32、布置在像素单元 210 的下部中的读出电路读取。另一方面， 当从左开始计数时从偶数行像素输出的信号被布置 在像素单元 210 的上部中的读出电路 ( 未示出 ) 读取。因此， 通过交替地设置读出电路， 当 安排读出电路时， 可使用用于两行像素单元210的区域。 CDS电路119具有对信号进行采样 和保持的功能， 并且与差分处理单元 118 一起减少了相关组件。 0031 图 9 是一个像素 210-1 的电路图。传输开关 102 由传输脉冲 PTX 驱动。重置开关 103 由重置脉冲 PRES 驱动。线选择开关 105 由线选择脉冲 PSEL 驱动。PTX 是表示 PTX1 至 PTXn(n 。
33、为线数 ) 的符号。PRES 是表示 PRES1 至 PRESn 的符号。PSEL 是表示 PSEL1 至 PSELn 的符号。 0032 图 10 是示出图 8 中所示出的成像器件的操作例子的定时图。以下将参照图 8 至 图 10 来描述成像器件的操作例子。在读出操作之前， 使成像器件在所设置的曝光时间段内 曝光， 并且光电荷在光电二极管 101 中累积。在以下描述中， 假设将被从垂直扫描电路 215 输出的 PRES1、 PTX1 和 PSEL1 驱动的线被选择。 0033 首先， 像素重置脉冲PRES从高电平变为低电平， 并且放大MOSFET 104的栅电极的 重置被清除。此时， 与重置。
34、的清除对应的电势保存在与栅电极连接的浮置扩散区 FD 中。随 后， 当线选择脉冲 PSEL 变为高电平时， 然后通过由放大 MOSFET 104 和恒流源 107 形成的源 极跟随器电路， 与浮置扩散区 FD 的电势对应的输出出现在垂直输出线 V-1 中。当箝位脉冲 PC0R在这种状态下被激活到高电平时， 箝位开关109开启， 可变放大单元131变为电压跟随 器状态， 并且箝位电容器108的行放大器侧的电极的电压变为大约等于电压VREF。 此后， 箝 位脉冲 PC0R 被从高电平非激活到低电平， 并且垂直输出线 V-1 的输出被箝位。 0034 随后， 累积脉冲 PTN 被激活到高电平， 并且。
35、放大电路 220-1 的偏置信号通过传输 栅极 110n 被存储在保持电容器 112n 中。此后， 传输脉冲 PTX 被激活到高电平， 从而传输 开关 102 在固定时间段变为高电平， 并且累积在光电二极管 101 中的光电荷被传输到放大 MOSFET104 的栅电极。这里， 将被传输的电荷是电子， 并且当传输的电荷的量的绝对值用 Q 表达时， 以及当浮置扩散区 FD 的电容用 CFD 表达时， 栅极电势降低 Q/CFD。与此相对应地， 垂直输出线 V-1 的电势改变。当源极跟随器增益用 Gsf 表达时， 由于从光电二极管 101 到 浮置扩散单元 FD 的电荷传输而导致的垂直输出线 V-1 。
36、的电势 Vvl 的变化 Vvl 用表达式 (1) 表达。 0035 Vvl -QGsf/CFD .(1) 0036 该电势变化 Vvl 的电压被可变放大单元 131 放大， 可变放大单元 131 包括计算 放大器 120、 箝位电容器 108 和反馈电容器 121， 并且可变放大单元 131 的输出 Vct 用表达 式 (2) 表达。 0037 Vct VREF+Q(Gsf/CFD)(C0/Cf) .(2) 0038 这里， C0 表示箝位电容器 108 的电容， Cf 表示当灵敏度切换脉冲 1、 2 和 4 分别被激活时将选择的反馈电容器 121a、 121b 和 121c 的电容值。例如，。
37、 C0 为 1pF。当反馈 电容器 121a 被选择时， Cf 为 1pF， 当反馈电容器 121b 被选择时， Cf 为 0.5pF， 当反馈电容器 121c 被选择时， Cf 为 0.25pF。用 -C0/Cf 表示的电压放大比分别为 -1 倍、 -2 倍和 -4 倍。 换句话讲， 在负反馈应用于计算放大器 120 的系统中， 通过切换对于多个反馈电容器 121a 说 明 书 CN 103002232 A 8 6/11 页 9 至 121c 中的任何反馈电容器的选择来改变由 Cf 与 C0 的分压比确定的反馈系数， 从而可切 换电压放大比。对于信息， 附到电压放大比的负号表明可变放大单元是。
38、反相放大电路。传 输脉冲 PTX 变为低电平， 然后累积脉冲 PTS 变为高电平， 此时从放大电路 220-1 输出的电平 通过传输门 110s 累积在保持电容器 112s 中。 0039 随后， 通过由水平扫描电路65产生的扫描脉冲COLSEL1、 COLSEL2等顺序地开启行 选择开关 114s 和 114n。然后， 累积在保持电容器 112s 中的信号按行的顺序输出到水平输 出线116s， 并且累积在保持电容器112n中的信号按行的顺序输出到水平输出线116n。 多行 中的信号对顺序地输出到水平输出线 116s 和 116n。差分处理单元 118 输出已输出到水平 输出线 116s 和 。
39、116n 的每行中的信号对之间的差异。从而， 可降低保存在保持电容器 112s 中的信号中所包含的噪声分量。 0040 图 5 是示出用于驱动本实施例的成像器件 100 的方法的定时图， 具体是图 4 中的 A/D 转换单元的定时图。以下将参照图 4 和图 5 来描述 A/D 转换操作。在图 5 中， 时间段 Tad 表示用于从像素读取的模拟信号 Va 的基准信号和有效信号的 A/D 转换时间段。时间 段 Tdata 表示传输 A/D 转换数据的传输时间段。在时间段 Tad 内， 时间段 Td 表示用于从 像素发送的基准信号的 A/D 转换时间段， 并且用于基准信号的斜坡信号 ( 用于基准信号。
40、的 参考信号， 换句话讲， 第一参考信号 )VR 表示用于该基准信号的比较信号。时间段 Tj 表示 用于有效信号的信号电平确定时间段， 并且比较电压 VREF 表示用于有效信号的比较信号。 另外， 时间段 Tu 表示用于有效信号的 A/D 转换时间段， 并且用于每个有效信号的斜坡信号 (用于有效信号的参考信号， 换句话讲， 第二参考信号)VH和VL表示用于有效信号的比较信 号。从放大电路 20-1 发送的输出信号 Va 主要采取如图所示的基准信号和有效信号的这样 的形式， 并且被引导到比较器 30-1 的输入端子。作为用于信号 Va 的比较信号的斜坡信号 VRAMP 被输入到比较器 30-1 。
41、的另一个输入端子。这里， 当成像器件具有设置在比较单元 30 前面的 CDS 电路时， 基准信号对应于将被图 10 中的信号 PTN 采样的信号。另一方面， 当成 像器件不具有 CDS 电路时， 基准信号对应于将响应于对于浮置扩散单元的重置操作而被输 出到垂直信号线的信号。类似地， 当成像器件具有设置在比较单元 30 前面的 CDS 电路时， 有效信号对应于将被图 10 中的信号 PTS 采样的信号。另一方面， 当成像器件不具有 CDS 电 路时， 有效信号对应于将通过把在光电二极管中产生的电荷传输到浮置扩散单元的操作而 被输出到垂直信号线的信号。 0041 斜坡信号产生电路 25 由定时产生。
42、电路 70 的控制信号 CNT2 控制， 并且产生斜坡信 号 VH/ 比较电压 VREF 以及斜坡信号 VL/ 斜坡信号 VR。斜坡信号 VH 为梯度大的用于高位 比特的斜坡信号， 并且斜坡信号 VL 是梯度小的用于低位比特的斜坡信号。另外， 比较电压 VREF 是用于确定有效信号的电平的比较基准信号， 并且用于基准信号的斜坡信号 VR 是用 于将有效信号与基准信号进行比较的斜坡信号。这四种类型的斜坡信号由选择电路 30-2 选择， 并且被输入到比较器30-1， 选择电路30-2由定时产生电路70的控制信号CNT1控制。 定时产生电路 70 还通过控制信号 CNT2 来控制斜坡信号产生电路 2。
43、5。 0042 接下来， 以下将描述比较电压 VREF。比较电压 VREF 可从另一个电源电路产生， 但 是可在斜坡产生电路 25 中产生。斜坡产生电路 25 能够以与形成斜坡信号 VH 的方式类似 的方式通过在产生信号的过程 ( 例如， 大约 60mV) 中停止充电电流来产生比较电压 VREF。 比较电压 VREF 可在相对于斜坡信号 VH 的时间段的 1/16 的时间段内产生。为了进一步缩 说 明 书 CN 103002232 A 9 7/11 页 10 短该时间段， 可增大充电电流。另外， 比较电压 VREF 需要被设置为低于 62.5mv， 62.5mv 是 斜坡信号 VL 的最终可达。
44、电压 VL(H)。如果电压被如此设置， 则有效信号肯定可与斜坡信号 VH 和 VL 中的任一个进行比较处理。 0043 比较器 30-1 在基准信号的 A/D 转换时间段 Td 期间将基准信号与用于该基准信号 的斜坡信号 VR 进行比较， 并且假设 Tr 表示当用于基准信号的斜坡信号 VR 开始改变时的时 间与当基准信号与斜坡信号之间的幅值关系逆转时的时间之间的时间段。计数器 40-1 在 时间段 Tr 期间对值进行倒数计数， 并且存储器电路 50-1 将倒数计数值 ( 第一计数值 ) 作 为基准信号的数字数据保存。用于基准信号的斜坡信号 VR 具有与斜坡信号 VL 的梯度相同 的梯度。通过将。
45、斜坡信号的梯度设置为相同值， 可获得基准信号的具有高分辨度的数字数 据。接着， 在信号大小确定时间段 Tj 内， 比较器 30-1 将有效信号与比较电压 VREF 进行比 较。 在图中所示的例子中， 比较器30-1在信号大小确定时间段Tj内将高电平选择信号SEL 输出到选择电路 30-2， 该高电平选择信号 SEL 意味着有效信号大于比较电压 VREF。结果， 在有效信号A/D转换时间段Tu内， 选择电路30-2选择梯度大的斜坡信号VH， 并且将该斜坡 信号输出到比较器 30-1。比较器 30-1 将有效信号与斜坡信号 VH 进行比较。当这两个信 号之间的大小关系逆转时， 时间所花费的长度用 。
46、Ts 表示。计数器 40-1 在上述对基准信号 的倒数计数之后在时间段 Ts 对值进行正数计数。存储器电路 50-1 将正数计数值 ( 第二计 数值 ) 保存为有效信号的数字数据。如果比较器 30-1 的输出在信号电平确定时间段 Tj 内 没有逆转， 则选择信号 SEL 保持在低电平， 并且因为有效信号的电平已被确定为小于比较 电压 VREF， 所以选择电路 30-2 选择梯度小的斜坡信号 VL。在这种情况下， 比较器 30-1 将 有效信号与斜坡信号 VL 进行比较。选择电路 30-2 根据已被放大单元 20 放大的有效信号 的电平来选择梯度彼此不同的斜坡信号 VH 和 VL 中的任一个。换。
47、句话讲， 选择电路 30-2 根 据基于像素的有效信号的电平来设置斜坡信号的时间变化率。比较器 30-1 将已被选择电 路 30-2 选择的斜坡信号与已被放大单元 20 放大的有效信号进行比较。计数器 40-1 在下 述时间段内对值进行正数计数， 该时间段在当斜坡信号开始改变时的时间与当比较器 30-1 输出指示有效信号与斜坡信号之间的大小关系逆转的信号时的时间之间。 0044 在图 5 中， 如上所述， 用于基准信号的斜坡信号 VR 和斜坡信号 VL 具有相同的梯 度。用于基准信号的斜坡信号 VR 被与基准信号进行比较， 但是基准信号还是用于有效信号 的基准信号， 因此， 斜坡信号需要具有高。
48、精度。因为斜坡信号 VR 具有与用于产生具有低位 比特的数据的斜坡信号 VL 的梯度相同的梯度， 所以存在能够使用相同的斜坡产生电路 25 的这样的优点。稍后将参照图 6A 至图 6C 来描述计数器 40-1 的倒数计数模式和正数计数 模式的功能。 0045 假设从像素单元10发送的像素信号是图2中所述的信号201， 那么， 图4中的放大 电路 20-1 的增益为 1。然而， 稍后将在图 7 中描述的成像系统具有设置适合于拍摄环境的 灵敏度的功能。例如， 当灵敏度设置为 16 倍时， 放大电路应将图 2 中的 62.5mV 的信号电平 放大到 1V， 并且将放大的信号输入到比较器 30-1。此。
49、时， 对于 A/D 转换必要的 SN 比示出了 ( 如果具有 10 比特的 A/D 转换的分辨度 ) 通过将大幅度信号与斜坡信号 VH 进行比较而获 得的足够的效果。因此， 如果灵敏度被设置为 16 倍或更大， 则选择电路 30-2 可通过从定时 产生电路 70 发送的控制信号 CONT1 被控制为选择斜坡信号 VH， 并且将该斜坡信号 VH 输出 到比较器 30-1。因为像素单元 10 的 SN 比受像素单元 10 的开口面积的影响大， 所以斜坡信 说 明 书 CN 103002232 A 10 8/11 页 11 号 VH 与斜坡信号 VL 的梯度的比以及用于选择上述斜坡信号 VH 的灵敏度设置根据开口面 积而变化。 0046 图6A至图6C是用于示出计数器电路(校正单元)40-1的结构例子的视图。 当基准 信号已被与用于该基准信号的斜坡信号 VR 进行比较时， 以及当有效信号已被与用于该有 效信号的斜坡信号 VH 和 VL 之一进行比较时， 计数器 40-1 对值进行计数， 直到比较器 30-1 的输出逆转为止。当比较器 30-1 将基准信号与斜坡信号进行比。