專利名稱：圖像拾取電路、傳感器和圖像拾取裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像拾取電路、CMOS傳感器和圖像拾取裝置，特別地，本 發(fā)明涉及可以減少圖像的噪聲的圖像拾取電路、CMOS傳感器和圖像拾取裝置。
背景技術(shù)：
在過(guò)去，例如，作為固態(tài)圖像拾取元件的CMOS (互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo) 體)傳感器具有諸如比CCD (電荷耦合器件)更低的功耗、更高的速度之類 的優(yōu)點(diǎn)，并且已經(jīng)將其廣泛地并入移動(dòng)電話、袖珍數(shù)字照相機(jī)、高級(jí)單鏡頭 反光照相機(jī)、攝像機(jī)、攝像頭、引導(dǎo)系統(tǒng)(guidance system )等。
此外，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了輸出高質(zhì)量圖像的高性能傳感器，其中諸如圖像處理 電路之類的傳感器功能電路塊與CMOS傳感器一起形成在芯片上。
例如，日本專利No.3734717或日本專利N.3710361 (下面稱為專利文檔 1或2 )公開(kāi)了這樣的技術(shù)，在其中使用CDS(關(guān)聯(lián)雙采樣)電路來(lái)處理CMOS 傳感器中的圖像信號(hào)，來(lái)自像素內(nèi)的光電二極管的所接收到的光信號(hào)通過(guò)在 每個(gè)像素列中放置的模擬CDS電路，以由此消除包含在像素信號(hào)中的噪聲， 其后執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換。
然而，在使用CDS電路的情況下，例如，存在這樣的問(wèn)題由于每個(gè)像 素列中的CDS電路的變化導(dǎo)致條紋狀固定圖案的出現(xiàn)的問(wèn)題，由于需要提供 在CDS處理后保持信號(hào)值的電容元件因此電路面積增加的問(wèn)題，或通過(guò)移位 寄存器執(zhí)行模擬信號(hào)的快速水平掃描因此對(duì)切換噪聲敏感。
因此，例如，日本專利公開(kāi)No.2005-328135 (下面稱為專利文檔3)提出通過(guò)并行列A/D (模擬/數(shù)字)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)解決這些問(wèn)題的解決方案(下面稱
為列AD系統(tǒng))。
在列AD系統(tǒng)中，在每個(gè)像素列中放置A/D轉(zhuǎn)換器，并且在所選列中的 相應(yīng)像素的模擬信號(hào)被集合地輸出到相應(yīng)垂直信號(hào)線，然后其經(jīng)歷A/D轉(zhuǎn)換。 因此，當(dāng)解決了使用上述CDS電路時(shí)產(chǎn)生的問(wèn)題，并且可以執(zhí)行高準(zhǔn)確度噪 聲消除。
此外，在列AD系統(tǒng)中，由于在圖像的水平方向上的每一行中的并行處 理，因此不需要以高頻驅(qū)動(dòng)水平方向上的掃描，并且可以在垂直方向上以低 頻驅(qū)動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。因此，列AD系統(tǒng)具有能夠容易地從信號(hào)分量中分離在高 頻帶中出現(xiàn)的噪聲分量的另 一優(yōu)點(diǎn)。
將參照?qǐng)D1在下面描述釆用列AD系統(tǒng)的CMOS傳感器的配置。
在圖1中，CMOS傳感器11包括FD (floating diffusion,浮置擴(kuò)散)12、 晶體管13、電流源14、參考電壓電路15、電阻16、 N個(gè)比較器17!到17N 和N個(gè)計(jì)數(shù)器18!到18N。
附帶地，圖1顯示形成其中以格狀形式排列檢測(cè)光的多個(gè)像素的像素陣 列的像素之一，并且不顯示其它像素。在一個(gè)像素的組成元件中，僅顯示用 于檢測(cè)像素信號(hào)的FD12和晶體管13,而不顯示讀取像素信號(hào)所需的諸如傳 送晶體管、重置晶體管和選擇晶體管之類的晶體管和光電二極管。
如圖1所示，F(xiàn)D12的一端接地，并且FD12的另一端連接到晶體管13 的柵極。晶體管13的源極連接到用于驅(qū)動(dòng)的電源電壓VDD。晶體管13的漏 極經(jīng)由電流源14接地，并且連接到比較器17i的輸入端。
參考電壓電路15的輸出端經(jīng)由電阻16連接到用于驅(qū)動(dòng)的電源電壓 VDD，并且連接到比較器17i的另一輸入端。比較器17i的輸出端連接到計(jì)數(shù) 器18^與比較器17i相同，比較器172到比較器17N具有分別連接到圖中未 示出的像素的晶體管的漏極的一個(gè)輸入端，具有分別連接到參考電壓電路15 的輸出端的另一輸入端，并且具有分別連接到計(jì)數(shù)器182到18n的愉出端。
將對(duì)應(yīng)于圖中未示出的光電二極管接收到的光量的電荷傳送到FD 12中 以在FD 12中積累。晶體管13放大在FD 12中積累的電荷，然后將像素信號(hào) P提供到比較器17!的一輸入端。比較器17i的另一輸入端被提供有從參考電 壓電路15輸出的斜坡信號(hào)R。然后，比較器17!向計(jì)數(shù)器18i輸出指示相互 比較像素信號(hào)和斜坡信號(hào)R的結(jié)果。計(jì)數(shù)器18!根據(jù)比較信號(hào)計(jì)數(shù)預(yù)定的時(shí)鐘信號(hào)，然后輸出計(jì)數(shù)值作為像素?cái)?shù)據(jù)。
在這樣形成的CMOS傳感器11中，連接到晶體管13的柵極的FD12具 有與GND的寄生電容，并且像素信號(hào)P的參考電勢(shì)是GND電平，而斜坡信 號(hào)R的參考電勢(shì)是電源電壓VDD的電平。因此，例如，當(dāng)在電源電壓VDD 中出現(xiàn)噪聲時(shí)，該噪聲被疊加到斜坡信號(hào)R,并且在相互比較像素信號(hào)P和 斜坡信號(hào)R的結(jié)果中出現(xiàn)噪聲的影響。
圖2顯示在圖中出現(xiàn)的、由這樣的噪聲引起的橫向拉伸噪聲。橫向拉伸 噪聲表現(xiàn)為隨機(jī)變化的噪聲。

發(fā)明內(nèi)容
如上所述，電源電壓的噪聲導(dǎo)致圖像的噪聲。 已經(jīng)根據(jù)這種情況做出本發(fā)明，最好能夠減少圖像中的噪聲。 根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，提供圖像拾取電路，包括放大裝置，用于 放大與光電檢測(cè)器接收到的光量對(duì)應(yīng)的電荷，并且輸出像素信號(hào)；斜坡信號(hào) 產(chǎn)生裝置，用于產(chǎn)生其電壓以固定斜率從預(yù)定初始電壓下降的斜坡信號(hào)；和 比較裝置，用于比較由放大裝置輸出的像素信號(hào)與由斜坡信號(hào)產(chǎn)生裝置輸出 的斜坡信號(hào)；其中由放大裝置輸出的像素信號(hào)的參考電勢(shì)和由斜坡信號(hào)產(chǎn)生 裝置輸出的斜坡信號(hào)的參考電勢(shì)處于同一電平。
根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例，提供通過(guò)在半導(dǎo)體芯片上放置圖像拾取電路 形成的CMOS傳感器，其中圖像拾取電路包括放大裝置，用于放大與光電 檢測(cè)器接收到的光量對(duì)應(yīng)的電荷，并且輸出像素信號(hào)；斜坡信號(hào)產(chǎn)生裝置， 用于產(chǎn)生其電壓以固定斜率從預(yù)定初始電壓下降的斜坡信號(hào)；和比較裝置， 用于比較由放大裝置輸出的像素信號(hào)與由斜坡信號(hào)產(chǎn)生裝置輸出的斜坡信 號(hào)；和由放大裝置輸出的像素信號(hào)的參考電勢(shì)和由斜坡信號(hào)產(chǎn)生裝置輸出的 斜坡信號(hào)的參考電勢(shì)處于同一電平。
根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例，提供具有通過(guò)在半導(dǎo)體芯片上放置圖像拾取 電路形成的CMOS傳感器的圖像拾取裝置，其中圖像拾取電路包括放大裝 置，用于放大與光電檢測(cè)器接收到的光量對(duì)應(yīng)的電荷，并且輸出像素信號(hào)； 斜坡信號(hào)產(chǎn)生裝置，用于產(chǎn)生其電壓以固定斜率從預(yù)定初始電壓下降的斜坡 信號(hào)；和比較裝置，用于比較由放大裝置輸出的像素信號(hào)與由斜坡信號(hào)產(chǎn)生 裝置輸出的斜坡信號(hào)；和由放大裝置輸出的像素信號(hào)的參考電勢(shì)和由斜坡信號(hào)產(chǎn)生裝置輸出的斜坡信號(hào)的參考電勢(shì)處于同一電平。
本發(fā)明的第 一到第三實(shí)施例放大與光電檢測(cè)器接收到的光量對(duì)應(yīng)的電
荷，輸出像素信號(hào)；產(chǎn)生其電壓以固定斜率從預(yù)定初始電壓下降的斜坡信號(hào)，
并且比較像素信號(hào)與斜坡信號(hào)。像素信號(hào)的參考電勢(shì)和斜坡信號(hào)的參考電勢(shì) 處于同一電平。
根據(jù)本發(fā)明的第 一到第三實(shí)施例，可以減少圖像中的噪聲。


圖l是顯示過(guò)去CMOS傳感器的示例的配置的電路圖2是顯示圖像中出現(xiàn)的橫向拉伸噪聲的示例的圖示；
圖3是應(yīng)用本發(fā)明的CMOS傳感器的實(shí)施例的配置示例的方框圖;
圖4是CMOS傳感器的操作的圖示；
圖5是CMOS傳感器的配置的示例的電路圖6是參考電壓電路的配置的示例的電路圖7是顯示過(guò)去的參考電壓電路的示例的配置的電路圖8是幫助解釋在增加的增益的時(shí)間的斜坡信號(hào)的圖示；
圖9是幫助解釋在偏移時(shí)間的斜坡信號(hào)的圖示；和
圖10是幫助解釋過(guò)去的在偏移時(shí)間的斜坡信號(hào)的圖示。
具體實(shí)施例方式
將在下面描述本發(fā)明的具體實(shí)施例。將在說(shuō)明書(shū)或附圖中描述本發(fā)明的 實(shí)施例的構(gòu)造要求之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。本描述確定在說(shuō)明書(shū)或附圖中描述支持 本發(fā)明的實(shí)施例。因此，甚至當(dāng)存在說(shuō)明書(shū)或附圖中進(jìn)行描述、但是在這里 沒(méi)有描述為與本發(fā)明的構(gòu)造要求對(duì)應(yīng)的實(shí)施例的實(shí)施例時(shí)，其不意味著該實(shí) 施例不對(duì)應(yīng)于構(gòu)造要求。因此，甚至當(dāng)在這里描述為對(duì)應(yīng)于構(gòu)造要求的實(shí)施 例時(shí)，其不意味著實(shí)施例不對(duì)應(yīng)于出構(gòu)造要求之外的其它構(gòu)造要求。
根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的圖像拾取電路，包括放大裝置(例如圖5 的晶體管42),用于放大與光電檢測(cè)器接收到的光量對(duì)應(yīng)的電荷，并且輸出 像素信號(hào)；斜坡信號(hào)產(chǎn)生裝置(例如，圖5的參考電壓電路26),用于產(chǎn)生 其電壓以固定斜率從預(yù)定初始電壓下降的斜坡信號(hào)；和比較裝置(例如，圖 5的比較器31!到31N),用于比較由放大裝置輸出的像素信號(hào)與由斜坡信號(hào)產(chǎn)生裝置輸出的斜坡信號(hào)；其中由放大裝置輸出的像素信號(hào)的參考電勢(shì)和由斜 坡信號(hào)產(chǎn)生裝置輸出的斜坡信號(hào)的參考電勢(shì)處于同一電平。
在根據(jù)本發(fā)明第 一 實(shí)施例的圖像拾取電路中，斜坡信號(hào)產(chǎn)生裝置可以包
括增益改變裝置(例如，圖6的增益改變電路54),用于通過(guò)改變斜坡信號(hào) 的斜率來(lái)由圖像拾取電路拾取的圖像的增益；和晶體管(例如，圖6的晶體 管53)，用于與增益改變裝置形成電流鏡電路，并且例如，當(dāng)增益最小時(shí)， 增益改變裝置的電導(dǎo)和晶體管的電導(dǎo)之間的比值為1 。
在根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的圖像拾取電路中，斜坡信號(hào)是以具有其中斜 坡信號(hào)的電壓以固定斜率從第 一初始值下降的第 一部分和其中斜坡信號(hào)的電 壓以固定斜率從第二初始值下降的第二部分的形式，并且斜坡信號(hào)產(chǎn)生裝置 還可以包括正常斜坡信號(hào)產(chǎn)生裝置(例如，圖6中的斜坡產(chǎn)生電路56),用 于產(chǎn)生其第一初始電壓和其第二初始電壓相互相等的斜坡信號(hào)；和偏移裝置 (例如，圖6中的偏移電路57)，用于當(dāng)?shù)谝怀跏茧妷汉偷诙跏茧妷合嗷?偏移時(shí)，在偏移時(shí)間將使第一初始電壓高于第二初始電壓的偏移分量疊加在 斜坡信號(hào)上。
根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的CMOS傳感器是通過(guò)在半導(dǎo)體芯片上放置 圖像拾取電路形成的CMOS傳感器，其中圖像拾取電路包括放大裝置(例 如圖5的晶體管42)，用于放大與光電檢測(cè)器接收到的光量對(duì)應(yīng)的電荷，并 且輸出像素信號(hào)；斜坡信號(hào)產(chǎn)生裝置(例如，圖5的參考電壓電路26),用 于產(chǎn)生其電壓以固定斜率從預(yù)定初始電壓下降的斜坡信號(hào)；和比較裝置(例 如，圖5的比較器3h到31N),用于比較由放大裝置輸出的像素信號(hào)與由斜 坡信號(hào)產(chǎn)生裝置輸出的斜坡信號(hào)；其中由放大裝置輸出的像素信號(hào)的參考電 勢(shì)和由斜坡信號(hào)產(chǎn)生裝置輸出的斜坡信號(hào)的參考電勢(shì)處于同一電平。
根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的圖像拾取裝置是具有通過(guò)在半導(dǎo)體芯片上放 置圖像拾取電路形成的CMOS傳感器的圖像拾取裝置，其中圖像拾取電路包 括放大裝置(例如圖5的晶體管42)，用于放大與光電檢測(cè)器接收到的光 量對(duì)應(yīng)的電荷，并且輸出像素信號(hào)；斜坡信號(hào)產(chǎn)生裝置(例如，圖5的參考
和比較裝置(例如，圖5的比較器3h到31N)，用于比較由放大裝置輸出的 像素信號(hào)與由斜坡信號(hào)產(chǎn)生裝置輸出的斜坡信號(hào)；其中由放大裝置輸出的像 素信號(hào)的參考電勢(shì)和由斜坡信號(hào)產(chǎn)生裝置輸出的斜坡信號(hào)的參考電勢(shì)處于同一電平。
將參照附圖在下面詳細(xì)描述應(yīng)用本發(fā)明的具體實(shí)施例。
圖3是應(yīng)用本發(fā)明的CMOS傳感器的實(shí)施例的配置示例的方框圖。
圖3中的CMOS傳感器21包括系統(tǒng)控制單元22、垂直掃描電路23、像 素陣列24、 PLL (鎖相環(huán))25、參考電壓電路26、列ADC (模數(shù)轉(zhuǎn)換器)27、 水平掃描電路28和感測(cè)放大器29。
系統(tǒng)控制單元22控制形成CMOS傳感器21的每一塊。
垂直掃描電路23才艮據(jù)系統(tǒng)控制單元22的控制順序地將用于控制像素信 號(hào)的輸出的信號(hào)提供給在像素陣列24的垂直方向上布置的像素。
通過(guò)以格狀形式布置多個(gè)像素形成像素陣列24。在圖3中，未示出除了 像素24P之外的像素。在像素陣列24中，在垂直方向上布置的像素根據(jù)從垂 直掃描電路23提供的控制信號(hào)順序地輸出像素信號(hào)。
PLL 25基于外部提供的時(shí)鐘信號(hào)(CK )產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)CMOS傳感器21內(nèi)的 每個(gè)塊所需的預(yù)定頻率的時(shí)鐘信號(hào)。然后PLL25將所產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)提供給 參考電壓電路26和列ADC 27。
參考電壓電路26產(chǎn)生以固定斜率從預(yù)定初始電壓下降的斜坡信號(hào)R。然 后參考電壓電路26將斜坡信號(hào)R提供給列ADC 27。
列ADC 27包括比較器31、計(jì)數(shù)器32和總線33。附帶地，在列ADC 27 中，以對(duì)應(yīng)于在像素陣列24的水平方向上布置的多個(gè)像素的方式，在水平方 向上布置多個(gè)比較器31和計(jì)數(shù)器32的組合。然而，圖3顯示了一組比較器 31和計(jì)數(shù)器32。
比較器31的一個(gè)輸入端被提供有來(lái)自像素陣列24中的像素24P的像素 信號(hào)P,而比較器31的另一個(gè)輸入端被提供有來(lái)自參考電壓電路26的斜坡 信號(hào)R。比較器31比較像素信號(hào)P與斜坡信號(hào)R,并且將作為比較結(jié)果的比 較結(jié)果信號(hào)提供給計(jì)數(shù)器32。
計(jì)數(shù)器32被提供有來(lái)自PLL 25的預(yù)定頻率的計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào)(CKX)。 計(jì)數(shù)器32根據(jù)從比較器31提供的比較結(jié)果信號(hào)和系統(tǒng)控制單元22的控制計(jì) 數(shù)計(jì)數(shù)器時(shí)鐘信號(hào)。由此，計(jì)數(shù)器32將像素P輸出的模擬像素信號(hào)P轉(zhuǎn)換為 數(shù)字像素?cái)?shù)據(jù)，然后輸出該數(shù)字像素?cái)?shù)據(jù)。圖3中的計(jì)數(shù)器32包括鎖存器和 13個(gè)TFF (反轉(zhuǎn)觸發(fā)器(Toggle Flip-Flop ))，并且輸出13位像素?cái)?shù)據(jù)。
總線33是用于連接計(jì)數(shù)器32和感測(cè)放大器29的13位總線。水平掃描電路28根據(jù)系統(tǒng)控制單元22的控制以預(yù)定定時(shí)將用于輸出像 素?cái)?shù)據(jù)的信號(hào)提供給在列ADC 27的水平方向上布置的多個(gè)計(jì)數(shù)器32。
感測(cè)放大器29將經(jīng)由總線33從列ADC 27并行提供的像素?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 串行像素?cái)?shù)據(jù)。然后，感測(cè)放大器29輸出串行像素?cái)?shù)據(jù)到外部。
將參照?qǐng)D4描述CMOS傳感器21的操作。
圖4從頂部依次顯示像素陣列24中的像素輸出的像素信號(hào)P、參考電壓 電路26輸出斜坡信號(hào)R、比較器31輸出比較結(jié)果信號(hào)、用于改變計(jì)數(shù)器的 上升計(jì)數(shù)或下降計(jì)數(shù)的信號(hào)、PLL 25輸出的計(jì)數(shù)器時(shí)鐘信號(hào)和計(jì)數(shù)器32輸 出的計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)。
如從圖4頂部起的第 一圖所示，根據(jù)從垂直掃描電路23提供的控制信號(hào)， 像素陣列24中的像素在重置信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間段輸出與預(yù)定參考電勢(shì)對(duì)應(yīng) 的像素信號(hào)p (重置分量)，并且在信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間段期間與根據(jù)圖中未示 出的光電檢測(cè)器接收到的光量對(duì)應(yīng)的電荷輸出像素信號(hào)P (數(shù)據(jù)分量)。
如從圖4頂部起的第二圖所示，參考電壓電路26輸出其電壓以固定斜率 從預(yù)定初始電壓下降的斜坡信號(hào)。在斜坡信號(hào)R中，與數(shù)據(jù)信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換時(shí) 間段期間對(duì)應(yīng)的電壓下降的時(shí)間段長(zhǎng)于與重置A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間段對(duì)應(yīng)的電壓下 降的時(shí)間段。
如從圖4頂部起的第三圖所示，比較器31比較像素信號(hào)P與斜坡信號(hào)R, 并且當(dāng)像素信號(hào)P超過(guò)斜坡信號(hào)R時(shí)輸出在H電平的比較結(jié)果信號(hào)，而當(dāng)像 素信號(hào)P在斜坡信號(hào)R之下時(shí)輸出在L電平的比較結(jié)果信號(hào)。也就是，在斜 坡信號(hào)R的電壓以固定斜率下降的情況下，當(dāng)斜坡信號(hào)R與像素信號(hào)P —致 時(shí)，比較器31輸出從H電平到L電平的躍遷的比較結(jié)果信號(hào)。
如從圖4頂部起的第四圖所示，計(jì)數(shù)器32被提供有來(lái)自系統(tǒng)控制單元 22的用于改變上升計(jì)數(shù)或下降計(jì)數(shù)的信號(hào)，在重置信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間段，在 斜坡信號(hào)R的電壓以固定斜率下降的同時(shí)，該信號(hào)處于L電平，而在數(shù)據(jù)信 號(hào)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間段，在斜坡信號(hào)R的電壓以固定斜率下降的同時(shí)，該信號(hào)處 于H電平。
例如，如從圖4頂部起的第五圖所示，PLL 25向計(jì)數(shù)器32提供預(yù)定頻 率(例如500MHz高速時(shí)鐘信號(hào))的計(jì)數(shù)器時(shí)鐘信號(hào)。
如從圖4頂部起的第六圖(在底部)所示，計(jì)數(shù)器32計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)器時(shí)鐘信 號(hào)，并且輸出像素?cái)?shù)據(jù)。具體地，當(dāng)用于改變上升計(jì)數(shù)或下降計(jì)數(shù)的信號(hào)處于L電平時(shí)，計(jì)數(shù)器
32處于下降計(jì)數(shù)模式，在該模式中，計(jì)數(shù)器32在重置信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間段 期間斜坡信號(hào)R的電壓開(kāi)始下降時(shí)開(kāi)始下降計(jì)數(shù)，然后保持直到比較結(jié)果信 號(hào)產(chǎn)生從H電平到L電平的躍遷為止所計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)值(重置信號(hào)計(jì)數(shù))。其 后，用于改變上升計(jì)數(shù)或下降計(jì)數(shù)的信號(hào)產(chǎn)生從L電平到H電平的躍遷，并 且計(jì)數(shù)器32被設(shè)置為上升計(jì)數(shù)模式，在該模式中，在數(shù)據(jù)信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換時(shí) 間段期間斜坡信號(hào)R的電壓開(kāi)始下降時(shí)開(kāi)始上升計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器32然后輸出直 到比較結(jié)果信號(hào)產(chǎn)生從H電平到L電平的躍遷為止所計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)值(數(shù)據(jù)信 號(hào)計(jì)數(shù))和重置信號(hào)計(jì)數(shù)之間的差的計(jì)數(shù)值作為像素?cái)?shù)據(jù)。 將參照?qǐng)D5進(jìn)一步描述CMOS傳感器21。
圖5的CMOS傳感器21包括參考電壓電路26、 N個(gè)比較器31!到31N, N個(gè)計(jì)數(shù)器32!到32N、 FD41、晶體管42、電流源43和電阻44。
FD 41和晶體管42是圖3中的像素陣列24的像素24P的組成元件的一 部分。根據(jù)垂直掃描電路23的控制，將根據(jù)圖中與未示出的光電二極管接收 到的光量對(duì)應(yīng)的輸出電荷傳送到FD41并在FD41中積累。晶體管42放大在 FD41中積累的電荷，并且根據(jù)垂直掃描電路23的控制輸出像素信號(hào)P。
FD41的一端接地，并且FD41的另一端連接到晶體管42的柵極。晶體 管42的源極連接到電源電壓VDD,而晶體管42的漏極經(jīng)由電流源43接地， 并且連接到比較器31,的一個(gè)輸入端。參考電壓電路26的輸出端連接到比較 器3h的另一個(gè)輸入端，并且經(jīng)由電阻44接地。
在這樣形成的CMOS傳感器21中，因?yàn)榉e累了根據(jù)光電二極管接收到 的光量的輸出電荷的FD41接地，因此輸入到比較器31的像素信號(hào)P的參考 電勢(shì)是GND電平。由于參考電壓電路26的輸出端經(jīng)由電阻44接地，因此輸 入到比較器31的斜坡信號(hào)R的參考電勢(shì)也是GND電平。因此，在像素信號(hào) P和斜坡信號(hào)R中出現(xiàn)的噪聲的噪聲源是公共GND。
因此，從比較器31看來(lái)，以GND作為噪聲源而在像素信號(hào)P和斜坡信 號(hào)R中出現(xiàn)的噪聲是同相的，而當(dāng)比較器31相互比較像素信號(hào)P和斜坡信 號(hào)R時(shí)，在像素信號(hào)P和斜坡信號(hào)R中出現(xiàn)的噪聲相互抵消。因此，比較器 31輸出的比較結(jié)果信號(hào)不受噪聲影響。因此，可以抑制像素?cái)?shù)據(jù)中的噪聲的 出現(xiàn)。
還可以從參考電壓電路26的電路配置描述噪聲的出現(xiàn)的抑制。圖6是參考電壓電路26的配置的示例的電路圖。
圖6中的參考電壓電路26包括恒流產(chǎn)生電路50、三個(gè)晶體管51到53、 增益改變電路54、晶體管55、斜坡產(chǎn)生電路56和偏移電路57。
恒流產(chǎn)生電路50的一端接地，并且恒流產(chǎn)生電路50另一端連接到晶體 管51的漏極。晶體管51的源極連接到電源電路VDD,并且晶體管51的柵 極連接到晶體管52的柵極。晶體管51的柵極與晶體管52的柵極之間的連接 點(diǎn)連接到恒流產(chǎn)生電路50和晶體管51的漏極之間的連接點(diǎn)，并且還連接點(diǎn) 偏移電路57。
晶體管52的源極連接到電源電壓VDD，并且晶體管52的漏極連接到晶 體管53的漏極。
晶體管53的柵極連接到增益改變電路54。晶體管53的柵極和增益改變 電路54之間的連接點(diǎn)連接到晶體管52的漏極和晶體管53的漏極之間的連接 點(diǎn)。
例如，當(dāng)改變CM0S傳感器21提取的圖像的增益時(shí)，或當(dāng)增益增加時(shí)， 增益改變電路54使得從參考電壓電路26輸出在如將在后面描述的圖8所示 的增益增加的時(shí)候的斜坡信號(hào)R。增益改變電路54和晶體管53形成電流鏡 電路。
晶體管55的漏極連接到增益改變電路54，晶體管55的源極連接到電源 電壓VDD,并且晶體管55的柵極連接到斜坡產(chǎn)生電路56。晶體管55的漏極 和增益產(chǎn)生電路54之間的連接點(diǎn)連接到晶體管55的柵極和斜坡產(chǎn)生電路56 之間的連接點(diǎn)。
斜坡產(chǎn)生電路56是用于產(chǎn)生圖4所示的斜坡信號(hào)R的電路。
偏移電路57使得從參考電壓電路26輸出在如將在后面描述的圖9中所 示的偏移的時(shí)候的斜坡信號(hào)，以便防止像素?cái)?shù)據(jù)收到黑參考變動(dòng)(shift)的 影響，該變動(dòng)是由例如溫度等或電路偏移分量的變化產(chǎn)生的黑電流引起的。
假設(shè)Trl是從斜坡產(chǎn)生電路56輸出的電流，Ifl是從偏移電路57輸出的 電流，而Rout是電阻44的電阻值，由下面的方程(1 )表示從這樣形成的參 考電壓電路26輸出的斜坡信號(hào)R。
斜坡信號(hào)<formula>formula see original document page 13</formula>
如方程(l)所示，斜坡信號(hào)R不具有電源電壓VDD的項(xiàng)。這還顯示出 電源電壓VDD的噪聲不影響像素?cái)?shù)據(jù)。圖7是顯示參照?qǐng)D1所示的過(guò)去的CMOS傳感器ll(也就是斜坡信號(hào)R 的參考電勢(shì)是電源電壓VDD的CMOS傳感器11 )的參考電壓電路15的示 例的配置的電路圖。
圖7中的參考電壓電路15包括兩個(gè)恒流電路60i和602，晶體管61、增 益改變電路62、晶體管63、斜坡產(chǎn)生電路64、偏移電路65和晶體管66到 68。
假設(shè)Ir2是從斜坡產(chǎn)生電路64輸出的電流，If2是從偏移電路65輸出的 電流，而Rout是電阻16的電阻值，由下面的方程(2 )表示從這樣形成的參 考電壓電路15輸出的斜坡信號(hào)R。
斜坡信號(hào)R-VDD-(Ir2 + If2) x Rout ......(2)
因此，當(dāng)斜坡信號(hào)R的參考電勢(shì)是電源電壓VDD時(shí)，斜坡信號(hào)R具有 電源電壓VDD項(xiàng)。因此，當(dāng)在電源電壓VDD中出現(xiàn)噪聲時(shí)，該噪聲疊加到 斜坡信號(hào)R，由此影響比較器17輸出的比較結(jié)果信號(hào)(圖1)。結(jié)果，在圖像 中出現(xiàn)圖2所示的橫向噪聲。
另一方面，如上所述，從圖6所示的參考電壓電路26輸出的斜坡信號(hào)R 的參考電勢(shì)是GND電平，使得可以抑制在圖像中出現(xiàn)的橫向噪聲。 接下來(lái)將參照?qǐng)D8描述在增益增加的時(shí)候的斜坡信號(hào)R。 在圖8中，橫坐標(biāo)軸指示從左向右的時(shí)間經(jīng)過(guò)，縱坐標(biāo)軸指示斜坡信號(hào) R的電壓。在參照?qǐng)D4描述的重置信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間段內(nèi)斜坡信號(hào)R的電壓 以固定斜率下降的時(shí)間段被稱為重置階段(P階段)，而在數(shù)據(jù)信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換 時(shí)間段內(nèi)斜坡信號(hào)R的電壓以固定斜率下降的時(shí)間段被稱為數(shù)據(jù)階段(D階 段)。
在正常時(shí)間下的斜坡信號(hào)R表示當(dāng)CMOS傳感器21拾取在正常量度下 的圖像時(shí)的波形。在增益增加時(shí)的斜坡信號(hào)R表示當(dāng)CMOS傳感器21拾取 比正常更暗的條件下的圖像時(shí)的波形。也就是，在比正常更暗的條件下，在 圖5的FD41中積累少量電荷。然而，降低斜坡信號(hào)R的電壓的斜率可以延 長(zhǎng)在由比較器31輸出的比較結(jié)果信號(hào)(圖4)產(chǎn)生從H電平到L電平的躍遷 之前的時(shí)間。由此由計(jì)數(shù)器32輸出的像素?cái)?shù)據(jù)增益增加。
將在下面描述在增益增加時(shí)在從參考電壓電路26輸出的斜坡信號(hào)R中 出現(xiàn)的電路噪聲。
如圖6所示形成參考電壓電路26,并且由下面的方程(3)表示由恒流產(chǎn)生電路50提供給斜坡信號(hào)R的電壓噪聲VNO。
VNO = inO x (gm2/gml) x (gm4/gm3) x (gm6/gm5) x Rout…(3) 在方程(3)中，in0是恒流產(chǎn)生電路50的電流噪聲，gml是晶體管51 的電導(dǎo)，gm2是晶體管52的電導(dǎo)，gm3是晶體管53的電導(dǎo)，gm4是晶體管 54的電導(dǎo)，gm5是晶體管55的電導(dǎo)，gm6是晶體管56的電導(dǎo)。
此時(shí)，假設(shè)vnl是晶體管51的電壓噪聲，由晶體管51提供給斜坡信號(hào) R的電壓噪聲VN1由下面的方程(4)表示。
VNl=vnl x gm2 x (gm4/gm3) x (gm6/gm5) x Rout …(4) 由下面的方程(5 )表示在斜坡信號(hào)R中出現(xiàn)的總噪聲。 VN2 = VNO2 + VN12+ VN22+ VN32+ VN42+ VN52+ VN62+ VN72 ...(5) 在方程(5)中，VN2是由晶體管52提供給斜坡信號(hào)R的電壓噪聲， VN3是由晶體管53提供給斜坡信號(hào)R的電壓噪聲，VN4是由增益改變電路 54提供給斜坡信號(hào)R的電壓噪聲，VN5是由晶體管55提供給斜坡信號(hào)R的 電壓噪聲，VN6是由斜坡產(chǎn)生電路56提供給斜坡信號(hào)R的電壓噪聲，而VN7 是由偏移電路57提供給斜坡信號(hào)R的電壓噪聲。在這種情況下，例如，當(dāng)增益為最大，并且在增益改變電路54的電流鏡 電路和晶體管53中的返回比是l時(shí)，例如，在斜坡信號(hào)R中照常出現(xiàn)電壓噪 聲VNO到VN3的值，因此變得能夠作為噪聲被注意到。
為了抑制在增加的增益的時(shí)候的噪聲增力口，增益改變電路54的大小必須 足夠小于晶體管53的大小。具體地，如圖8所示，當(dāng)增益被改變?yōu)閮杀稌r(shí)， 增益改變電路54的大小減半，也就是，增益改變電路54的gm4的電導(dǎo)減半， 由此由增益改變電路54的電流鏡電路和晶體管53產(chǎn)生的電流減少。在這種 情況下，可以將增加增益時(shí)的噪聲VNO到VN3抑制到正常增益時(shí)的噪聲VNO 到VN3的一半。
附帶地，在低增益時(shí)，噪聲VNO到VN3照常出現(xiàn)在總噪聲VN中。然 而，例如，可以通過(guò)增益恒流產(chǎn)生電路50的電流值或執(zhí)行電容等的帶限(band limitation)來(lái)減少這樣的噪聲。
接下來(lái)將參照?qǐng)D9描述在偏移時(shí)間的斜坡信號(hào)R。
在圖9中，橫坐標(biāo)軸指示從左向右的時(shí)間經(jīng)過(guò)，縱坐標(biāo)軸指示斜坡信號(hào) R的電壓。
為了防止像素?cái)?shù)據(jù)受黑參考的變動(dòng)(該變動(dòng)由溫度等的變化導(dǎo)致的黑電流引起)的影響，在偏移時(shí)間，偏移電路57輸出的電流疊加在來(lái)自斜坡產(chǎn)生
電路56的斜坡信號(hào)R上，并且輸出結(jié)果。也就是，如圖9所示，在偏移時(shí)間， 在偏移時(shí)間上的重置階段的電壓高于在正常時(shí)間上的重置階段的電壓，并且 在重置階段的參考電壓(在以固定斜率下降之前的電壓被稱為參考電壓)比 數(shù)據(jù)階段中的參考電壓高偏移電平那么多。根據(jù)溫度等的變化設(shè)置偏移電平。
由于在重置階段中的參考電壓比數(shù)據(jù)階段中的參考電壓高偏移電平那么 多，因此，甚至在通過(guò)溫度等的變化增加黑電流時(shí)，也可以消除該增加。由 輸出與偏移電平對(duì)應(yīng)的電流的偏移電路57執(zhí)行在重置階段中的這種偏移。
因此，偏移電路57在偏移時(shí)間輸出電流，并且在正常時(shí)間不輸出電流。 因此，在正常時(shí)間，防止偏移電路57輸出的電壓的電壓噪聲引起斜坡信號(hào)R 中的噪聲。
將在下面描述在偏移時(shí)間在從參考電壓路26輸出的斜坡信號(hào)R中出現(xiàn) 的電路噪聲。
如參照?qǐng)D8所述，由上述方程(5)表示斜坡信號(hào)R中出現(xiàn)的總噪聲VN。 由偏移電路57提供給斜坡信號(hào)R的電壓噪聲是VN7。當(dāng)流過(guò)偏移電路57的 電流的配置是通過(guò)電流鏡執(zhí)行來(lái)自晶體管51的柵極的電流分布的系統(tǒng)的配 置時(shí)，由下面的方程(6 )表示偏移電路57提供給斜坡信號(hào)R的電壓噪聲NV7。
VN7 = inO x (gm7/gml) x Rout …(6)
如上所述，gm7是偏移電路57的電導(dǎo)，在圖6所示的參考電壓電路26 的電路配置中，偏移電路57在正常時(shí)間不輸出用于偏移的電流。因此，可以 忽略在方程(6)中被提供給斜坡信號(hào)R的電壓噪聲NV7的項(xiàng)。因此，可以 比具有在數(shù)據(jù)階段添加偏移的配置的過(guò)去的CMOS傳感器更多的抑制噪聲的 出現(xiàn)。
圖10是幫助解釋在專利文檔3中的過(guò)去的CMOS傳感器11的參考電壓 電路15(也就是圖7的參考電壓電路15 )中在偏移時(shí)間的斜坡信號(hào)R的圖示。
假設(shè)在具有圖6的配置的本發(fā)明中采用類似地在數(shù)據(jù)階段添加偏移的配 置，偏移電路57在正常時(shí)間必須輸出要通過(guò)電阻44的電流(也就是，大量 電流)。然后，在偏移時(shí)間，需要通過(guò)減少電流，數(shù)據(jù)階段的參考電壓變低的 配置。
因此，在圖10的配置中，在正常時(shí)間，偏移電路57輸出電流，因此偏 移電路57的電壓噪聲影響斜坡信號(hào)R。另一方面，如上所述，在圖9的配置中，偏移電路57在正常時(shí)間不輸出 電流。因此，與圖IO的過(guò)去的配置相比，可以減少在斜坡信號(hào)R中出現(xiàn)的噪聲。
此外，如圖7所示，參考電壓電路15具有相互獨(dú)立地提供用于增益改變 電路62的恒流電路6(^和用于偏移電路65的恒流電路602的電路配置。然而， 參考電壓電路26中的增益改變電路54和配置電路57可以共享恒流產(chǎn)生電路 50。這使得可以參考電壓電路26的布局面積小于參考電壓電路15的布局面 積，反過(guò)來(lái)又減少了 CMOS傳感器21的布局面積。此外，可以減少功耗。
此外，例如，已經(jīng)在過(guò)去需要用于消除由像素信號(hào)P和斜坡信號(hào)R之間 的參考電勢(shì)引起的橫向拉伸的噪聲信號(hào)處理電路等。然而，CMOS傳感器21 抑制噪聲，因此消除這樣的信號(hào)處理電路的需要。還可以使CMOS傳感器21 的布局面積減少，并且減少功庫(kù)毛。
附帶地，在本實(shí)施例中，已經(jīng)描述了包括由NMOS形成的單元像素的傳 感器。然而，本發(fā)明可以應(yīng)用到包括PMOS形成的單元像素的傳感器上。在 這種情況下，在以上描述中的極性全變得相反。例如，作為參考的GND電平 被改變?yōu)樽鳛閰⒖嫉碾娫措妷篤DD。還在這種情況下，例如，可以通過(guò)設(shè)置 像素信號(hào)P的參考電勢(shì)和斜坡信號(hào)R的參考電勢(shì)設(shè)置為同一電平來(lái)抑制噪聲 的出現(xiàn)。
本發(fā)明應(yīng)用到的CMOS傳感器21可以合并到諸如便攜電話、袖珍數(shù)字 相機(jī)、高級(jí)單鏡頭反光相機(jī)、攝像機(jī)、監(jiān)視相機(jī)、指引系統(tǒng)等。這些裝置可 以拾取低噪聲圖像。
應(yīng)該注意的是，本發(fā)明的實(shí)施例不限于上述實(shí)施例，并且可以進(jìn)行各種 改變而不背離本發(fā)明的宗旨。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，可以根據(jù)涉及需要或其它因素進(jìn)行各種修改、 組合、子組合和改變，其均落入所附權(quán)利要求或其等效物的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種圖像拾取電路，包括放大裝置，用于放大與光電檢測(cè)器接收到的光量對(duì)應(yīng)的電荷，并且輸出像素信號(hào)；斜坡信號(hào)產(chǎn)生裝置，用于產(chǎn)生其電壓以固定斜率從預(yù)定初始電壓下降的斜坡信號(hào)；和比較裝置，用于比較由所述放大裝置輸出的像素信號(hào)與由所述斜坡信號(hào)產(chǎn)生裝置輸出的斜坡信號(hào)；其中由所述放大裝置輸出的像素信號(hào)的參考電勢(shì)和由所述斜坡信號(hào)產(chǎn)生裝置輸出的斜坡信號(hào)的參考電勢(shì)處于同一電平。
2. 如權(quán)利要求1所述的圖像拾取電路，其中所述斜坡信號(hào)產(chǎn)生裝置包括 增益改變裝置，用于通過(guò)改變所述斜坡信號(hào)的斜率來(lái)改變由所述圖像拾取電路拾取的圖像的增益；和晶體管，用于與所述增益改變裝置形成電流鏡電路，和 當(dāng)所述增益最小時(shí)，所述增益改變裝置的電導(dǎo)和所述晶體管的電導(dǎo)之間的比值大約為1。
3. 如權(quán)利要求2所述的圖像拾取電路，其中所述增益改變裝置通過(guò)降低所述增益改變裝置和所述晶體管的電流鏡電 路產(chǎn)生的電流來(lái)增加所述增益。
4. 如權(quán)利要求2所述的圖像拾取電路，其中所述斜坡信號(hào)具有其中電壓以固定斜率從第一初始值下降的第一部分和 其中電壓以固定斜率從第二初始值下降的第二部分的形式，和 所述斜坡信號(hào)產(chǎn)生裝置還包括正常斜坡信號(hào)產(chǎn)生裝置，用于產(chǎn)生其中所述第一初始電壓和所述第二初 始電壓相互相等的斜坡信號(hào)；和偏移裝置，用于當(dāng)所述第一初始電壓和所述第二初始電壓相互偏移時(shí)， 在偏移時(shí)間將使所述第一初始電壓高于所述第二初始電壓的偏移分量疊加到 所述斜坡信號(hào)上。
5. 如權(quán)利要求4所述的圖像拾取電路，其中 -所述增益改變裝置和所述偏移裝置使用公共恒流電路。
6. —種通過(guò)在半導(dǎo)體芯片上放置圖像拾取電路形成的CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)傳感器，其中所述圖像拾取電路包括放大裝置，用于放大與光電檢測(cè)器接收到的光量對(duì)應(yīng)的電荷，并且輸出 像素信號(hào)；斜坡信號(hào)產(chǎn)生裝置，用于產(chǎn)生其電壓以固定斜率從預(yù)定初始電壓下降的 斜坡信號(hào)；和比較裝置，用于比較由所述放大裝置輸出的像素信號(hào)與由所述斜坡信號(hào) 產(chǎn)生裝置輸出的斜坡信號(hào)，和由所述放大裝置輸出的像素信號(hào)的參考電勢(shì)和由所述斜坡信號(hào)產(chǎn)生裝置 輸出的斜坡信號(hào)的參考電勢(shì)處于同一電平。
7. —種具有通過(guò)在半導(dǎo)體芯片上放置圖像拾取電路形成的CMOS(互 補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)傳感器的圖像拾取裝置，其中所述圖像拾取電路包括放大裝置，用于放大與光電檢測(cè)器接收到的光量對(duì)應(yīng)的電荷，并且輸出 像素信號(hào)；斜坡信號(hào)產(chǎn)生裝置，用于產(chǎn)生其電壓以固定斜率從預(yù)定初始電壓下降的 斜坡信號(hào)；和比較裝置，用于比較由所述放大裝置輸出的像素信號(hào)與由所述斜坡信號(hào) 產(chǎn)生裝置輸出的斜坡信號(hào)，和由所述放大裝置輸出的像素信號(hào)的參考電勢(shì)和由所述斜坡信號(hào)產(chǎn)生裝置 輸出的斜坡信號(hào)的參考電勢(shì)處于同一電平。
8. —種具有通過(guò)在半導(dǎo)體芯片上放置圖像拾取電路形成的CMOS(互 補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)傳感器的圖像拾取裝置，其中所述圖像拾取電路包括放大部件，配置來(lái)放大與光電檢測(cè)器接收到的光量對(duì)應(yīng)的電荷，并且輸 出像素信號(hào)；斜坡信號(hào)產(chǎn)生部件，配置來(lái)產(chǎn)生其電壓以固定斜率從預(yù)定初始電壓下降 的斜坡信號(hào)；和比較部件，配置來(lái)比較由所述放大部件輸出的像素信號(hào)與由所述斜坡信 號(hào)產(chǎn)生部件輸出的斜坡信號(hào)，和由所述放大部件輸出的像素信號(hào)的參考電勢(shì)和由所述斜坡信號(hào)產(chǎn)生部件 輸出的斜坡信號(hào)的參考電勢(shì)處于同一電平。
全文摘要
這里公開(kāi)的圖像拾取電路包括放大裝置，用于放大與光電二極管接收到的光量對(duì)應(yīng)的電荷，并且輸出像素信號(hào)；斜坡信號(hào)產(chǎn)生裝置，用于產(chǎn)生其電壓以固定斜率從預(yù)定初始電壓下降的斜坡信號(hào)；和比較裝置，用于比較由放大裝置輸出的像素信號(hào)與由斜坡信號(hào)產(chǎn)生裝置輸出的斜坡信號(hào)。由放大裝置輸出的像素信號(hào)的參考電勢(shì)和由斜坡信號(hào)產(chǎn)生裝置輸出的斜坡信號(hào)的參考電勢(shì)處于同一電平。
文檔編號(hào)H04N5/378GK101309348SQ200810097159
公開(kāi)日2008年11月19日 申請(qǐng)日期2008年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月17日
發(fā)明者小關(guān)賢, 稻田喜昭, 若林準(zhǔn)人 申請(qǐng)人:索尼株式會(huì)社