光电转换设备 本发明涉及光电转换设备，此光电转换设备有排列成矩阵形式的光电转换元件且能够获得高质量图象。
图1是说明普通光电转换设备的电路图。参照图1，光电转换元件(例如，光电二极管)1按照入射光量贮存电荷且构成二维阵列(图1中的4×4单元)。光电转换元件1的一个端子连接到源极跟随器输入MOS2的栅极。源极跟随器输入MOS2的源极连接到垂直选择开关MOS3的漏极。源极跟随器输入MOS2的漏极经过供电线4连接到供电端子5。垂直选择开关MOS3的源极经过垂直输出线6连接到负载电源7。源极跟随器输入MOS2，垂直选择开关MOS3，和负载电源7组成源极跟随器电路。光电转换元件1，源极跟随器输入MOS2，垂直选择开关MOS3，和负载电源7组成一个象素。
按照每个象素光电转换元件中积累的电荷，光电转换元件1的信号电压产生在源极跟随器输入MOS2的栅极处。这个信号电压被源极跟随器电路作电流放大并读出。
垂直选择开关MOS3的栅极经过垂直栅极线8连接到垂直扫描电路9。源极跟随器电路的输出信号经过垂直输出线6，水平转移MOS开关10，水平输出线11，和输出放大器12输出到外部。借助这种布置，各个光电转换元件的信号电压通过连接到垂直扫描电路9的垂直栅极线8上脉冲电压按顺序接通垂直选择开关MOS3。此信号电压被读出到相应的垂直线上。水平转换MOS开关10被水平扫描电路13的移位寄存器信号按顺序接通。各个光电转换元件的信号电压作为以象素为单元的时序信号从输出放大器12输出。
在上述现有技术中，由于有限电阻分布在垂直输出线6上，垂直方向上地寄生信号因电阻两端的电压降而出现在信号中。为了叙述方便，图2中画出了一个象素及其周围部分。参照图2，电阻201分布在垂直输出线6上。假设有M行象素，r1是每行垂直输出线的电阻值。于是，第K行象素与水平转移MOS开关10之间的总电阻表示为：
r1×K(1≤K≤M) …(1)
设Ia,Rm,Vth0，和Vsig0分别表示流过负载电源7的电流，垂直选择开关MOS3的串联电阻，源极跟随器输入MOS2的阈值电压，和源极跟随器输入MOS2栅极上的信号电压。于是，被源极跟随器电流作电流放大和读出的信号Vsig1表示为：
Vsig1=Vsig0-Vth0-Ia×Rm-Ia×r1×K(1≤K≤M)…(2)就是说，即使各个象素上产生相同的信号电压Vsig0，由于垂直输出线6电阻r1上的电压降，以行为单元读出的电压Vsig1有差别因而造成垂直寄生信号。图象的质量严重地下降。
近年来，在光电转换设备的发展过程中，象素数目增多且尺寸减小。光电转换设备中的布线趋向于又细又长。垂直输出线6电阻r1引起的电压降就成了一个严重问题。
另一个问题是由于以行为单元的源极跟随器电路有不同动态范围造成的，因为有限电阻分布在供电线4上。参照图2来叙述这个问题。图8中的电阻202分布在供电线4上。假设有M行象素，r2是每行供电线的电阻值。于是，第K行象素与供电端子5之间的总电阻为：
r2×K(1≤K≤M)…(3)
令Vd为供电端子5的电压，源极跟随器输入MOS2必须作为一个五极管来运行，为的是使源极跟随器电路作为一个线性放大器。这个条件是由下式给出：
Vd-Ia×r2×K＞Vsig0-Vth0(1≤K≤M)…(4)以上条件可以写成
Vsig0＜Vd+Vth0-Ia×r2×K(1≤K≤M)…(5)
不满足以上条件的信号电压值随行数而不同。即，信号有不同的动态范围。
这就导致小光量特性一侧上因光电二极管1极性组合造成的饱和电压寄生信号或输出寄生信号，从而大大地降低图象质量。
本发明的一个目的是避免光电转换设备中图象质量的下降。
为了实现以上目的，按照本发明第一个实施例提供这样一种光电转换设备，此光电转换设备包括：安装成多行的光电转换元件；含有排列成以垂直输出线为单元的负载装置的放大装置；用于放大安装成多行光电转换元件中积累的信号电荷；垂直扫描装置，用于按顺序扫描被放大装置放大的信号，把此信号读出到垂直输出线上；以及水平扫描装置，用于按顺序扫描被放大装置放大的信号，把此信号读出到水平输出线上；其中负载装置放在与放大装置输出信号方向的垂直相反一侧。
按照另一个实施例提供这样一种光电转换设备，此光电转换设备包括：安装成多行的光电转换元件；含有排列成以垂直输出线为单元的负载装置的放大装置，用于放大安装成多行光电转换元件中积累的信号电荷；垂直扫描装置，用于按顺序扫描被放大装置放大的信号，把此信号读出到垂直输出线上；以及水平扫描装置，用于按顺序扫描被放大装置放大的信号，把此信号读出到水平输出线上；其中负载装置放在与放大装置输出信号方向的垂直相同一侧，来自放大装置的一些信号输出到与信号输出方向相反的方向上。
按照另一个实施例提供这样一种光电转换设备，此光电转换设备包括：安装成多行的光电转换元件；放大装置，用于放大安装成多行光电转换元件中积累的信号电荷；垂直扫描装置，用于按顺序扫描被放大装置放大的信号，把此信号读出到垂直输出线上；水平扫描装置，用于按顺序扫描被放大装置放大的信号，把此信号读出到水平输出线上；以及供电装置，用于给放大装置提供电源电压；其中一个供电装置放在与放大装置输出信号方向垂直的相反一侧。
按照另一个实施例提供这样一种光电转换设备，此光电转换设备包括：安装成多行的光电转换元件；输出装置，用于输出安装成多行光电转换元件中积累的信号电荷作为电压信号；垂直扫描装置，用于按顺序扫描来自输出装置的电压信号，把此电压信号读出到垂直输出线上；水平输出装置，用于按顺序扫描垂直输出线上的电压信号，把此电压信号读出到水平输出线上；以及寄生信号修正装置，用于修正不同行上光电转换元件之间电压信号电平差引起的寄生信号，此电压信号是从输出装置输出的。
借助以上各种安排，能够提供高质量的光电转换设备。
本发明的上述及其他目的，特征和优点可以从结合附图几个优选实施例的详细描述中变得显而易见。
图1是说明普通光电转换设备的示图；
图2是说明普通光电转换设备工作的电路图；
图3是说明本发明第一个实施例运行的示图；
图4是说明本发明第一个实施例运行的电路图；
图5是说明本发明第二个实施例的示图；
图6是说明本发明第三个实施例的示图；
图7是说明本发明第四个实施例的示图；以及
图8是说明本发明第五个实施例的示图。
图3是说明本发明的第一个实施例的示图。恒定电流源7放在与源极跟随器电路输出信号电压方向垂直的相反一侧。参照图3，光电转换元件(例如，光电二极管)1按照入射光量贮存电荷且构成二维阵列(图3中的4×4单元)。光电转换元件1的一个端子连接到源极跟随器输入MOS2的栅极。源极跟随器输入MOS2的源极连接到垂直选择开关MOS3的漏极。源极跟随器输入MOS2的漏极经过供电线4连接到供电端子5。垂直选择开关MOS3的源极经过垂直输出线6连接到负载电源7。源极跟随器输出MOS2，垂直选择开关MOS3，和负载电源7组成源极跟随器电路。光电转换元件1，源极跟随器输入MOS2，垂直选择开关MOS3，和负载电源7组成一个象素。
按照每个象素光电转换元件中积累的电荷，光电转换元件1的信号电压产生在源极跟随器输入MOS2的栅极处。这个信号电压被源极跟随器电路作电流放大并读出。
垂直选择开关MOS3的栅极经过垂直栅极线8连接到垂直扫描电路9。源极跟随器电路的输出信号经过垂直输出线6，水平转移MOS开关10，水平输出线11，和输出放大器12输出到外部。每个水平转移MOS开关10的栅极连接到水平扫描电路13。借助这种布置，各个光电转换元件的信号电压通过连接到垂直扫描电路9的垂直栅极线8上脉冲电压按顺序接通垂直选择开关MOS3。此信号电压被读出到相应的垂直线上，水平转移MOS开关10被水平扫描电路13的移位寄存器信号按顺序接通。各个光电转换元件的信号电压作为以象素为单元的时序信号从输出放大器12中输出。最好是，诸如具有高输入阻抗的MOS放大器的这种放大器用作输出放大器12。
图4表示便于说明的一个象素及其周围部分。参照图4，源极跟随器与恒定电流源7之间存在电阻401。恒定电流源7的稳定电流经过这个电阻401流入恒定电流源7。源极跟随器与输出端之间存在电阻201。
源极跟随器输出端的电压Vsig1′由下式给出：
Vsig′=Vsig0-Vth0-Ia×Rm…(6)这个值是一个恒定值，它是由晶体管和稳定电流的设计值所确定。
如上所述，稳定电流Ia经过电阻401流入恒定电流源7，恒定电流源7与电阻401之间各个连接点处的电压Vsig1因存在电阻401而有以象素行为单元的电位差，如以上公式(2)所指出的。
负载电源7放在与源极跟随器电路输出信号电压方向垂直的相反一侧。因此，只有最初读出周期内的瞬态电流流过电阻201，而没有稳定电流流过。电阻201与水平转移MOS开关10之间连接点处的电压Vsig2由下式给出：
Vsig2=Vsig1′…(7)电阻上不出现电位差效应。所以，能够大大减少垂直的寄生信号，可以提高图象的质量。
在这个实施例中，以上描述了利用恒定电流型负载的源极跟随器电路。然而，本发明不受这种类型的局限。利用电阻型电路也能获得上述相同的效果。利用倒相放大器型电路也是如此，这种类型电路不是源极跟随器电路，而是这样一种电路，它把光电转换元件中积累的电荷加以倒相和放大，并把此电荷输出到垂直输出线上，如美国专利(U.S.P.)No.5,698,844中所披露的。
此外，即使当信号暂地贮存在电容器中，然后再从其中读出，取出信号直接地输入到放大器中，也能获得相同的效果。
在这个实施例中，寄生信号修正装置是这样一种安排，其中恒定电流源7放在与源极跟随器电路输出信号电压方向垂直的相反一侧。这种安排有这样一种功能，它修正各行中源极跟随器电路输出信号电平差引起的寄生信号。
在这个实施例中，电流输出装置是这样一种安排，其中恒定电源源7放在与源极跟随器电路输出信号电压方向垂直的相反一侧。
以上安排有这样一种功能，垂直输出线上的电流流到恒定电流源一侧，而不是在源极跟随器电路输出信号的方向上。
图5是说明本发明第二个实施例的示意图，恒定电流源放在与源极跟随器电路输出信号电压方向垂直的相同一侧，与此同时，以行为单元的信号电压交替地从相反的方向输出。
参照图5，光电转换元件(例如，光电二极管)1按照入射光量贮存电荷且构成二维阵列(图5中的4×4单元)。光电转换元件1的一个端子连接到源极跟随器输入MOS2的栅极。源极跟随器输入MOS2的源极连接到垂直选择开关MOS3的漏极。源极跟随器输入MOS2的漏极经过供电线4连接到供电端子5。垂直选择开关MOS3的源极经过垂直输出线6连接到负载电源7。源极跟随器输入MOS2，垂直选择开关MOS3，和负载电源7组成源极跟随器电路。光电转换元件1，源极跟随器输入MOS2，垂直选择开关MOS3，和负载电源7组成一个象素。
按照每个象素光电转换元件中积累的电荷，光电转换元件1的信号电压产生在源极跟随器输入MOS2的栅极处。这个信号电压被源极跟随器电路作电流放大并读出。
垂直选择开关MOS3的栅极经过垂直栅极线8连接到垂直扫描电路9。源极跟随器电路的输出信号经过垂直输出线6，水平转移MOS开关10，水平输出线11，和输出放大器12输出到外部。每个水平转移MOS开关10的栅极连接到水平扫描电路13。借助这种布置，各个光电转换元件的信号电压通过连接到垂直扫描电路9的垂直栅极线8上脉冲电压按顺序接通垂直选择开关MOS3。此信号电压被读出到相应的垂直线上。水平转移MOS开关10被水平扫描电路13的移位寄存器信号按顺序接通。各个光电转换元件的信号电压作为以象素为单元的时序信号从输出放大器12输出。
水平转移MOS开关10连接到每隔一条的垂直输出线6，对于每条垂直输出线6，每个水平扫描电路13从相应的水平转移MOS开关10输出一个信号到相应的水平输出线11。作为源极跟随器电路负载的恒定电流源7连接到垂直输出线6一侧上水平转移MOS开关10的源极。垂直输出线的电阻值随垂直栅极线8的位置而不同。水平扫描电路13安排在每条垂直输出线6的两个端子上。两个端子上的水平扫描电路13同步地工作，接通以垂直输出线6为单元的每个水平转移MOS开关10。每个水平扫描电路13从光电转换元件1读出一个光学电荷信号到相应的水平输出线11上，因而从相应的输出放大器12中输出信号。在此情况下，两个端子上的水平转移MOS开关10被接通以增大读出速率。
虽然并未画出，两个端子上来自输出放大器器12的输出信号可以作为时序图象信号序列连在一起，并作为一个视频信号经过取样保持电路，寄生信号修正电路，等等输出。
借助以上布置，我们假设一个有M行和N列元件的光电转换设备。从第K行和第L列(1≤K≤M,1≤L≤N)象素读出的信号电压由下式给出：
VsigKL=Vsig0-Vth0-Ia×Rm-Ia×r1×K(1≤K≤M)…(8)(其中Rm是垂直选择开关MOS 3接通时串联电阻值，r1是每行垂直输出线6的电阻值，Vsig0是光电转换元件1的输出电压，Vth0是源极跟随器输入MOS2的阈值电压，Ia是恒定电流源7的电流)。从第K行和第(L+1)列象素读出的信号电压受到不同电阻值的影响，因为电压选取方向是相反的，此信号电压为：
VsigKL+1=Vsig0-Vth0-Ia×Rm-Rm-Ia×r1×(M-K)
(1≤K≤M)…(9)
从以上式子可以看出，例如，当考虑奇数列时，如同普通情况一样，在这个实施例中出现寄生信号，但是偶数列中出现的寄生信号与寄数列中出现的相反，因而平均和抵消了寄生信号，极大地提高了图象质量。
在实际中，可以在设备的外部或内部安装恰当的外部电路，使相邻的信号相加或求平均以进一步减少寄生信号。在一个利用滤色片读出彩色图象的光电转换设备中，例如，利用互补滤色片，相邻信号的相加和读出处理一般是上邻象素信号的相加和读出完成的，通过外部矩阵操作再现视频信号。在此情况下，利用本发明的布置可以减少寄生信号而不会带来任何麻烦。
这个实施例是以恒定电流源交替地连接到各列上作为示范。恒定电流源可以每隔两列或每隔三列连接起来以获得与上述相同的效果，这取决于寄生信号的严重程度。或者，恒定电流源可以交替地连接到光电转换设备中仅仅光接接收部分的中央部分。
在这个实施例中，我们已经描述了使用恒定电流负荷的源极跟随器电路。然而，本发明不受此限制。使用电阻型负载也可以获得与这个实施例相同的效果。使用倒相放大器型电路也是如此，这种电路不是源极跟随器电路，而是把光电转换元件中积累的电荷加以倒相和放大，再把电荷输出到垂直输出线上的电路，如美国专利No.5,698,844中所披露的。
此外，即使当信号暂时地贮存在电容器中，然后再从其中读出，取代信号直接地输入到放大器中，也能获得相同的效果。
在这个实施例中，寄生信号修正装置是这样一种安排，其中恒定电源源7放在与源极跟随器电路输出信号电压方向垂直的相同一侧，与此同时，以行为单元的信号电压从相反的方向交替地输出。这个安排有这样一种功能，修正因各行源极跟随器电路输出信号电平差引起的寄生信号。
在这个实施例中，电流输出装置是这样一种安排，其中恒定电流源7放在与源极跟随器电路输出信号电压方向垂直的相反一侧，与此同时，以行为单元的信号电压从相反的方向交替地输出；在这种安排中，从源极跟随器电路输出的不同行之间电压信号电平差是互相交替地相反。
图6是说明本发明第三个实施例的示图。源极跟随器电路的供电端子交替地安排在垂直方向相反的位置处。
参照图6，光电转换元件(例如，光电二极管)1按照入射光量贮存电荷且构成二维阵列(图6中的4×4单元)。光电转换元件1的一个端子连接到源极跟随器输入MOS2的栅极。源极跟随器输入MOS2的源极连接到垂直选择开关MOS3的漏极。源极跟随器输入MOS2的漏极经过供电线4连接到供电端子5。垂直选择开关MOS3的源极经过垂直输出线6连接到负载电源7。源极跟随器输入MOS2，垂直选择开关MOS3，和负载电源7组成源极跟随器电路。光电转换元件1，源极跟随器输入MOS2，垂直选择开关MOS3，和负载电源7组成一个象素。
按照每个象素光电转换元件中积累的电荷，光电转换元件1的信号电压产生在源极跟随器输入MOS2的极极处。这个信号电压被源极跟随器电路作电流放大并读出。各个源极跟随器电路的电源连接到以行为单元的供电线4上。供电线4交替地连接到供电端子5。
垂直选择开关MOS3的栅极经过垂直栅极线8连接到垂直扫描电路9。源极跟随器电路的输出信号经过垂直输出线6，水平转移MOS开关10，水平输出线11，和输出放大器12输出到外部。每个水平转移MOS开关10的栅极连接到水平扫描电路13。借助这种布置，各个光电转换元件的信号电压通过连接到垂直扫描电路9的垂直栅极线8上脉冲电压按顺序接通垂直选择开关MOS3。此信号电压被读出到相应的垂直线上。水平转移MOS开关10被水平扫描电路13的移位寄存器信号按顺序接通。各个光电转换元件的信号电压作为以象素为单元的时序信号从输出放大器12输出。
借助上述安排，从第K行和第L列(1≤K≤M,1≤L≤N)象素读出的信号动态范围落在以下范围内：
VsigKL＜Vd+Vth0-Ia×r2×K(1≤k≤M)…(10)(其中Vd是电源电压，Vth0是源极跟随器输入MOS 2的阈值电压，r2是相应于供电线4中每个垂直栅极线8的源极跟随器输入MOS2漏极与相应于下一条垂直栅极线8的源极跟随器输入MOS2漏极之间的电阻值)。此时，从第K行和第(L+1)列(1≤K≤M,1≤L≤N)象素读出的信号动态范围为：
VsigKL＜Vd+Vth0-Ia×r2×(M-K)(1≤K≤M)…(11)从以上条件可以看出，例如，当考虑奇数列时，如同普通的情况一样，光电转换元件1光电转换特性饱和电压的寄生信号或小光量一侧输出寄生信号出现在这个实施例中，但是偶数列中出现了与奇数列中相反的寄生信号，因而平均和抵消了寄生信号，极大地提高了图象质量。
这个实施例是以恒定电流源交替地连接到各列上作为示范。恒定电流源可以每隔两列或每隔三列连接以获得与上述相同的效果，这取决于寄生信号的严重程度。或者，恒定电流源可以交替地连接到光电转换设备中仅仅光接收部分的中央部分。
在这个实施例中，我们已经描述了使用恒定电流负载的源极跟随器电路。然而，本发明不受此限制，使用电阻型负载也可以获得与这个实施例相同析效果。使用倒相放大器型电路也是如此，这种电路不是源极跟随器电路，而是把光电转换元件中积累的电荷加以倒相和放大，再把电荷输出到垂直输出线上的电路，如美国专利No.5,698,844中所披露的。
此外，即使当信号暂时地贮存在电容器中，然后再从其中读出，取代信号直接地输入到放大器中，也能获得相同的效果。
在这个实施例中，寄生信号修正装置是这样一种安排，其中源极跟随器电路的供电端子与交替地放在各列垂直的相反方向上。这个安排有这样一种功能，修正因各行源极跟随器电路输出信号的电平差引起的寄生信号。
在这个实施例中，电源电压装置是这样一种安排，其中源极跟随器电路的供电端子5交替地放在各列垂直的相反方向上。这个安排有这样一种功能，交替地颠倒方向上减少以列为单元的电源电压量的方向，为的是从源极跟随器输出信号电压。
当使用电流读出型放大器时，可以得到一种新的效果，即，减少输出电流寄生信号。
图7是说明本发明第四个实施例的示图。参照图7，复位开关701去除光电转换元件1中积累的电荷。复位开关701的源极连接到光电转换元件1，复位开关701的漏极连接到源极跟随器电路共用的供电线4。复位栅极线702控制复位开关701。这个实施例的象素安排适用于第一个至第三个实施例。与第一个至第三个实施例比较，借助这种象素安排，能够准确地控制光电转换元件1的复位电压。可以减少复位电压变化产生的信号电压DC电平变化，以及减少强光照射后保留下来的复位电压产生图象之后的任何变化。尤其是，当这种象素安排应用于上述的第三个实施例时，供电端子5交替地放在以列为单元或以多列为单元的垂直相反方向上。
图8是说明本发明第五个实施例的示图。参照图8，电荷转移开关801完全地耗尽和转移从光电转换元件1到源极跟随器输入MOS2的信号电荷。转移栅极线802控制转移开关801。一般来说，为了增加光电转移设备的灵敏度，就增大光电转换元件1的尺寸和增大光信号转变到电信号的转换量。源极跟随器输入MOS2栅极的寄生电容值也相应地增大，读出速率下降，就不能有效地增加灵敏度。借助这个实施例的安排，源极跟随器输入MOS2输入栅极的电容值设计成成小于光电转换元件1(例如，光电二极管)的电容值，实现完全的耗尽转移以增加灵敏度。
如图8所示，垂直选择开关MOS3插入到供电线4与源极跟随器输入MOS2之间，可以消除′a式(2)中由垂直选择开关MOS3电阻引起的电压降
Ia×Rm …(12)从而获得宽的动态范围。
这个实施例的象素安排可以应用到第一个至第三个实施例中以获得与上述相同的效果。
在第一个至第五个实施例中，不管使用NMOS晶体管或PMOS晶体管，都可以获得相同的效果。以上的实施例可以结合起来以进一步减小或避免寄生信号，例如，第三个实施例中所示不同供电端子位于供电线两个端子的情况与第二个实施例中所示水平输出线11位于水平输出线11两个端子的情况结合，能够消由于垂直输出线电阻引起的寄生信号和由于供电线电阻引起的寄生信号。
本发明不局限于第一个至第五个实施例中所示的象素结构。例如，可以利用这样一种安排，光电转换元件中积累的电荷在输出之前并不放大，即，没有放大就输出电荷。晶体管不局限于MOS元件，而可以是SIT元件或BASIS元件。
如上所述，按照第一个至第五个实施例，能够减少从光电转换设备中输出信号的垂直寄生信号。
此外，还能够减少从光电转换设备中输出信号的垂直饱和电压寄生信号，能够放大每个光电转换元件的输出动态范围。
在不偏离本发明的精神和范围条件下，可以构造许多十分不同的本发明实施例。应当明白，除了在所附权利要求书中规定的以外，本发明不局限于技术说明中所描述的几个具体实施例。