專利名稱：固態成像裝置、其控制方法、及照相機系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種CMOS圖像傳感器所代表的固態成像裝置、其控制方法、及照相機 系統。
背景技術：
已經提出了一種CMOS圖像傳感器，其包括具有按二維排列的多個像素的像素陣 列部件，逐像素列順序地讀取從在像素陣列部件中的各像素讀取的像素信號，并且針對每 列像素信號執行CDS(關聯復式取樣)等，以把像素信號轉換成將輸出的圖像信號。主流CMOS圖像傳感器為列并行輸出型，其包括對于每像素具有FD的FD(浮置擴 散)放大器，在像素陣列中選擇一行像素，同時沿列方向讀取該行中的像素信號。其原因在于，像素中布置的FD放大器難以提供足夠的驅動性能，因此數據速率需 要降低，使并行處理有優勢。已經針對列并行輸出型CMOS圖像傳感器提出了多種像素信號讀取(輸出)電路。讀取電路中最先進類型具有針對每列提供的模擬-數字轉換器(以下將其簡稱為 “ADC”)，以采集作為數字信號的像素信號。例如，在W. Yang 等人的 “An Integrated 800X600CM0S ImageSystem”，ISSCC Digest of Technical Papers,第 304 305 頁，1999 年 2 月(非專利文獻 1)以及 JP-A-2005-278135 (專利文獻1)中公開了一種其上安裝有列并行ADC的CMOS圖像傳感器。如所知，當把諸如太陽光的極強的光輸入至這樣的CMOS圖像傳感器時，輸入 部分的信號電平下降，從而導致即使光非常亮圖像仍然發黑的黑化現象(blackening phenomenon)0CMOS圖像傳感器提供有某些校正設備來避免此現象(例如，參見 JP-A-2008-283557 (專利文獻 2))。作為防止黑化現象的方法，已提出了如下方法，其中，在檢測黑化現象時不具有 光電二極管的放大器(以下，將其稱為“像素啞放大晶體管(pixel dummy amplification transistor) ”)提供在像素中，并且用像素啞放大晶體管的輸出電壓取代從像素輸出的重 置電壓。例如，JP-A-2000-287131(專利文獻3)中公開了這種方法。還提出了另外一種方法，根據不同的目的，例如增加像素部件的操作余量以及信 號電荷的完全轉移，在像素部件中使用多個電源電壓(例如，參見WO 03/085964 (專利文獻 4))。圖1為電路圖，描述了適用所提出技術的固態成像裝置(CMOS圖像傳感器)的總
體配置。固態成像裝置1包括像素部件2、垂直掃描部件3、水平掃描部件4、以及具有ADC 的列處理電路組5，如圖1中所示。固態成像裝置1還包括數字_模擬轉換器(以下，將其簡稱為“DAC”)6、校正偏置電路7、通信時序控制部件8、數字操作部件9、以及輸出部件10。像素部件2的有效像素區具有二維陣列的單位像素21，每列具有包括像素 放大 晶體管的像素啞部件22。單位像素21具有為光電轉換元件的光電二極管PD21。單位像素21還包括總共4 個晶體管，即，轉移晶體管T21、重置晶體管T22、放大晶體管T23、以及選擇晶體管T24。轉移脈沖TRG、重置脈沖RTS、選擇脈沖SEL等從垂直掃描部件3提供至各像素晶 體管，以把光電二極管PD21所獲得的信號電荷轉換成像素信號SIG，像素信號SIG隨后輸出 至垂直信號線23。像素啞部件22包括像素啞放大晶體管DT和像素啞選擇晶體管ST。來自垂直掃描 部件3的選擇脈沖DSEL、以及來自黑化校正偏置電路的鉗制電壓SLP SUN控制像素啞部件 22。盡管在以上的描述中單位像素部分配置為包括4個晶體管，然而也可以包括不同 的配置，例如，排除選擇晶體管的3個晶體管。最好像素 部件22具有與單位像素部分的 配置相同的配置。圖2A和2B解釋了在光量正常時和光極強而導致黑化現象時針對像素行的操作和 AD轉換。P-相位時間段中像素信號SIG變得與用于AD轉換的參照信號SLP_ADC相同的時 間段A中的計數值、和D-相位時間段中像素信號SIG變得與用于AD轉換的參照信號SLP_ ADC相同的時間段B中的計數值之間的差，給出了圖2A中所示正常光量時的輸出。另一方面，導致圖2B中所示黑化現象的極強光量時的輸出由來自黑化校正偏置 電路的鉗制電壓SLP_SUN鉗制為像素信號SIG不等于或者不低于設置電壓。因此，P-相位時間段中像素信號SIG不會變得與用于AD轉換的參照信號SLP_ADC 相同，如在時間段C中所看到的。當P-相位時間段中像素信號SIG不變得與用于AD轉換的參照信號SLP_ADC相同 時，確定已經發生黑化現象，并且對計數值進行完全計數，或者通過執行操作，例如用等于 或者大于飽和信號的固定計數值取代該計數值，來校正黑化現象。然而，應該加以注意的 是，需要對來自黑化校正偏置電路的鉗制電壓SLP_SUN進行適當設置。當設置值不適當時， 不能校正黑化現象，或者可能不適當地執行校正以致劣化正常時的輸出特性。
發明內容
然而，在這樣的電路配置中，用于AD轉換的參照信號SLP_ADC的斜率隨量化比特 的數目、模擬增益、計數器部分的驅動頻率等變化。這使得通過鉗制電壓SLP_SUN的設置值能夠校正黑化現象的范圍變窄。當如專利文獻4中所描述，使用像素部件的多個電源電壓時，黑化校正偏置電路 的參照電壓可能不同于像素-部件重置電壓，而且參照電壓和重置電壓的獨立變化使得可 校正黑化的范圍變窄。考慮到這些情況、以及晶體管等的工藝變化，當來自黑化校正偏置電路的鉗制電 壓SLP_SUN的設置值固定使用時，在某些情況下，不適當的鉗制電壓可能會引發問題。從以上的描述可以明顯看出，根據相關技術的技術具有如下問題，即可校正黑化的范圍受到某些條件的限制。因此，希望提供能夠拓寬可校正黑化的范圍的固態成像裝置、其控制方法、及照相 機系統。根據本發明實施例的固態成像裝置包括像素部件，其具有按矩陣形式排列的執 行光電轉換的多個像素；像素信號讀取部件，其包括模擬-數字(AD)轉換部分，該模擬-數 字轉換部分把像素信號以多個像素為單位從像素部件讀取至信號線，并且把作為斜坡波形 的參照信號與像素信號進行比較以執行AD轉換；鉗制部件，其使用鉗制電壓來鉗制信號 線，以使得像素信號保持在設置電壓或者大于設置電壓；校正偏置電路，其根據所供給的鉗 制電壓設置值來生成鉗制電壓，并且把鉗制電壓供給至鉗制部件；以及校正偏置選擇部件， 其選擇鉗制電壓設置值，以使得鉗制電壓與用于確定參照信號斜率的斜率確定信息相關聯 地生成，并且把鉗制電壓設置值供給至校正偏置電路。根據本發明另一實施例的固態成像裝置的控制方法包括讀出步驟，其把像素信 號以多個像素為單位從具有按矩陣形式排列的執行光電轉換的多個像素的像素部件讀取 至信號線；鉗制步驟，其用鉗制電壓鉗制信號線，以使得像素信號保持在設置電壓或者大于 設置電壓；以及像素信號讀取步驟，其允許模擬-數字(AD)轉換部分把作為斜坡波形的參 照信號與像素信號進行比較以執行AD轉換；其中，在鉗制步驟中，鉗制電壓設置值被選擇 為使得鉗制電壓與用于確定參照信號斜率的斜率確定信息相關聯地生成，并且與所選擇的 鉗制電壓設置值相應的鉗制電壓被生成以使用鉗制電壓來鉗制信號線。根據本發明的又一實施例的照相機系統包括固態成像裝置、及在固態成像裝置上 形成物體圖像的光學系統，固態成像裝置包括像素部件，其具有按矩陣形式排列的執行光 電轉換的多個像素；像素信號讀取部件，其包括模擬-數字(AD)轉換部分，該模擬-數字轉 換部分把像素信號以多個像素為單位從像素部件讀取至信號線，并且把作為斜坡波形的參 照信號與像素信號進行比較以執行AD轉換；鉗制部件，其使用鉗制電壓來鉗制信號線，以 使得像素信號保持在設置電壓或者大于設置電壓；校正偏置電路，其根據所供給的鉗制電 壓設置值來生成鉗制電壓，并且把鉗制電壓供給至鉗制部件；以及校正偏置選擇部件，其選 擇鉗制電壓設置值，以使得鉗制電壓與用于確定參照信號斜率的斜率確定信息相關聯地生 成，并且把鉗制電壓設置值供給至校正偏置電路。本發明的實施例能夠拓寬可校正黑化的范圍。
圖1為電路圖，描述了適用所提出技術的固態成像裝置(CMOS圖像傳感器)的總 體配置；圖2A和2B解釋了在光量正常時和光極強而導致黑化現象時針對將被讀取的像素 行的操作和AD轉換；圖3為框圖，描述了根據本發明實施例的安裝列并行ADC的固態成像裝置(CMOS 圖像傳感器)的配置例子；圖4放大地描述了根據實施例的具有4個晶體管的CMOS圖像傳感器中的像素的 例子；圖5描述了根據量化比特的數目改變用于AD轉換的參照信號的斜率；
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圖6描述了根據模擬增益的設置值改變用于AD轉換的參照信號的斜率；圖7描述了根據實施例的包括校正偏置電路的電路的例子；圖8說明了黑化檢測時間段和正常驅動時間段中根據實施例的固態成像裝置的 操作時序；圖9描述了根據實施例的校正偏置選擇部件中形成的用于AD轉換的參照信號的 斜率的鉗制電壓表的例子；圖10描述了根據實施例的校正偏置選擇部件的配置例子；圖11說明了用于解釋黑化檢測時間段中圖10中校正偏置選擇部件操作的時序 圖；圖12描述了適用根據實施例的固態成像裝置的照相機系統的配置例子。
具體實施例方式以下，將參照附圖描述本發明的優選實施例。將按下列次序進行描述。1.固態成像裝置的總體配置例子2.列ADC的配置例子3.對校正偏置選擇進行控制的例子4.照相機系統的配置例子圖3為框圖，描述了根據本發明實施例的安裝列并行ADC的固態成像裝置(CMOS 圖像傳感器)100的配置例子。<1.固態成像裝置的總體配置例子〉如圖3中所示，固態成像裝置100具有作為成像部件的像素部件110、垂直(行) 掃描部件120、水平(列)掃描部件130、以及通信時序控制器140。固態成像裝置100還具有作為ADC組的列處理電路組150、作為參照信號生成部件 的DAC 160、校正偏置選擇部件170、校正偏置電路180、以及信號處理部件190。信號處理部件190具有數字運算部件191和輸出部件192。根據實施例的固態成像裝置100根據等于像素部件的重置電壓的電源電壓，來生 成用于檢測黑化的鉗制電壓，以抑制電源電壓的變化，并拓寬可校正黑化的范圍。根據實施例的固態成像裝置100與確定用于AD轉換的參照信號的斜率的量化比 特的數目、模擬增益、列AD電路中計數器部分的頻率等相關聯地改變黑化檢測鉗制電壓。因此，固態成像裝置100具有在每種情況下設置最佳鉗制電壓以拓寬可校正黑化 范圍的能力。像素部件110具有m行η列的單位像素IlOA的二維陣列(矩陣)，每單位像素 IlOA包括光電二極管(光電轉換元件)和像素內放大器。像素部件110還具有與像素陣列的各列相關聯的、作為鉗制部件的像素 部件 IlOB0作為鉗制部件的像素啞部件IlOB鉗制垂直信號線116以使得像素信號SIG由鉗 制電壓保持為等于或者高于設置電壓，即，像素信號SIG不會變得等于或者低于設置電壓。[單位像素的配置例子]圖4放大地描述了根據實施例的具有4個晶體管的CMOS圖像傳感器中的像素的例子。單位像素IlOA具有作為光電轉換元件的光電二極管111。單位像素IlOA具有作為單個光電二極管111的主動(active)元件的4個晶體管， 即，作為轉移元件的轉移晶體管112、作為重置元件的重置晶體管113、放大晶體管114以及 選擇晶體管115。光電二極管111把輸入光光電轉換成其數量相應于輸入光量的電荷(在本例子中 為電子)。轉移晶體管112連接在光電二極管111和作為輸出節點的浮置擴散FD之間。當轉移信號TRG經由轉移控制線LTx供給至轉移晶體管112的柵極(轉移柵極) 時，轉移晶體管112把光電二極管111所光電轉換的電子轉移至浮置擴散FD。重置晶體管113連接在電源線LVDDRST和浮置擴散FD之間。當重置信號RST經由重置控制線LRST供給至重置晶體管113的柵極時，重置晶體 管113把浮置擴散FD的電勢重置為電源線LVDDRST的電勢。供給至與重置晶體管113的漏極連接的電源線LVDDRST的電壓VDDRST根據等于 黑化檢測鉗制電壓的電源電壓生成。浮置擴散FD與放大晶體管114的柵極相連接。放大晶體管114具有經由選擇晶體管115連接至垂直信號線116的源極，并且與 位于像素部件之外的恒流源ISRS —起形成源極跟蹤器。放大晶體管114的漏極連接至電 源線 LVDDAMP。然后，控制信號(地址信號或者選擇信號)SEL經由選擇控制線LSEL供給至選擇 晶體管115的柵極，以導通選擇晶體管115。當選擇晶體管115導通時，放大晶體管114放大浮置擴散FD的電勢，并且向垂直 信號線116輸出相應于該電勢的電壓(像素信號SIG)。等效于從各個像素所輸出的電壓的像素信號SIG經由垂直信號線116輸出至作為 像素_信號讀取電路的列處理電路組150。例如，由于逐行連接轉移晶體管112、重置晶體管113以及選擇晶體管115的柵極， 所以針對一行像素同時并行地執行這些操作。關于每行像素布置在像素部件110中提供的重置控制線LRST、轉移控制線LTx以 及選擇控制線LSEL的組。由作為像素驅動部件的垂直掃描部件120驅動那些重置控制線LRST、轉移控制線 LTx以及選擇控制線LSEL。[像素啞部件的配置例子]像素啞部件IlOB配置為包括像素啞放大晶體管117、以及像素啞選擇晶體管118。像素啞放大晶體管117具有連接至電源線LVDDAMP的漏極、以及連接至像素啞選 擇晶體管118的漏極的源極。像素啞選擇晶體管118的源極連接至垂直信號線116。像素啞放大晶體管117的柵極連接至將由校正偏置電路180供給的鉗制電壓SLP_ SUN的供給線。像素啞選擇晶體管118的柵極連接至將由垂直掃描部件120供給的選擇脈沖DSEL的供給線。從以上的描述可以明顯看出，來自垂直掃描部件120的選擇脈沖DSEL和來自校正 偏置電路180的鉗制電壓SLP_SUN控制像素啞部件110B。盡管在以上的描述中單位像素部分配置為具有4個晶體管，然而其也可以具有不 同的配置，例如具有排除選擇晶體管之外的3個晶體管。希望像素啞部件IlOB具有與單位像素部分的配置相同的配置。固態成像裝置100中配備有通信時序控制器140，其作為控制電路，生成用于順 序地從像素部件Iio讀取信號的內部時鐘；垂直掃描部件120，其控制行地址和行掃描；以 及水平掃描部件130，其控制列地址和列掃描。通信時序控制器140生成像素部件110、垂直掃描部件120、水平掃描部件130、列 處理電路組150、DAC 160、校正偏置選擇部件170、校正偏置電路180等的信號處理中所需 的時序信號。通信時序控制器140包括控制DAC 160中參照信號SLP_ADC (RAMP)的生成的DAC 控制部件。DAC控制部件執行控制，以使得針對將經受列處理電路組150中各個列處理電路 (ADC)的AD轉換的每行，來調整參照信號SLP_ADC的斜率。DAC控制部件能夠執行控制，以使得在列處理電路組150中執行CDS (關聯復式取 樣)時，根據量化比特的數目差，來調整第一取樣和第二取樣中每個的參照信號SLP_ADC的 斜率。像素部件110通過使用線開閉器來存儲和釋放光子，針對每行像素把視頻圖像或 屏幕圖像光電轉換為模擬像素信號SIG，并把模擬像素信號SIG輸出至列處理電路組150中 的每個列處理電路151。在列處理電路組150中，使用來自DAC 160的參照信號SLP_ADC、對來自像素部件 110的模擬輸出執行APGA-可兼容的積分ADC和數字CDS，以輸出多個比特的數字信號。<2.列ADC的配置例子>根據實施例的列處理電路組150具有作為ADC塊的列處理電路(ADC) 151的多個 列。S卩，列處理電路組150具有k個比特的數字信號的轉換功能，并且具有分別針對垂 直信號線(列線)116-1 116-n布置的各ADC 151，從而形成列并行ADC塊。每個ADC 151具有比較器152，比較器152把通過逐步改變DAC 160生成的參照信 號所獲得的擁有斜坡波形的參照信號SLP_ADC與經由垂直信號線116從每行像素所獲得的 模擬像素信號SIG加以比較。另外，每個ADC 151還具有對比較時間計數并保持計數結果的計數器鎖存器153。每個計數器鎖存器153的輸出連接至水平轉移線LTRF，水平轉移線LTRF具有例如 k個比特的寬度。在列處理電路組150中，讀取至垂直信號線116的模擬像素信號SIG由針對每列 所布置的比較器152與參照信號SLP_ADC(作為按給定傾斜度線性變化的斜波形的斜坡信 號RAMP)進行比較。此時，像比較器152 —樣針對每列所布置的計數器鎖存器153正在運行。
隨著帶有斜坡波形的參照信號SLP_ADC與計數值以一一對應關系變化，每個ADC 151把垂直信號線116的電勢(模擬信號)Vsl轉換為數字信號。每ADC 151把參照信號SLP_ADC的電壓的變化轉換為時間的變化，并且在給定的 周期(時鐘)內對時間計數，以把時間轉換為數字值。當模擬像素信號SIG與參照信號SLP_ADC相交時，比較器152的輸出被反轉，以 停止計數器鎖存器153的輸入時鐘，或者把其輸入已經被停止的時鐘輸入到計數器鎖存器 153，從而完成AD轉換。在AD轉換時間段結束之后，水平掃描部件130把計數器鎖存器153中所保持的數 據轉移至水平轉移線LTRF。該數據經由放大器輸入至信號處理部件190，經過預定信號處 理以生成二維圖像。水平掃描部件130同時執行針對多個信道的并行轉移，以確保轉移速率。通信時序控制器140生成諸如像素部件110和列處理電路組150的各個塊中信號 處理中所需的時序。在后級的信號處理部件190執行數字信號處理，例如，對存儲在線存儲器中的信 號的垂直線缺陷或者點缺陷的校正、信號鉗制、并行_串行轉換、壓縮、編碼、添加、平均以 及間斷操作。針對每行像素所發送的數字信號存儲在線存儲器中。在根據實施例的固態成像裝置100中，信號處理部件190的數字輸出作為輸入發 送至ISP或者基帶LSI。DAC 160在DAC控制部件的控制下，使用按給定傾斜度線性變化的斜波形，生成參 照信號(斜坡信號)，并且把參照信號SLP_ADC供給至列處理電路組150。用于AD轉換的參照信號SLP_ADC的斜率根據斜率確定信息變化。此斜率確定信息包括量化比特的數目、模擬增益的設置值、以及列AD電路中計數 器部分的頻率。因此，由例如量化比特的數目、模擬增益的設置值、或者列AD電路中計數器部分 的頻率改變用于AD轉換的參照信號SLP_ADC的斜率。圖5描述了根據量化比特的數目改變用于AD轉換的參照信號SLP_ADC的斜率。圖6描述了根據模擬增益的設置值改變用于AD轉換的參照信號SLP_ADC的斜率。如圖5中所示，隨量化比特的數目變大，用于AD轉換的參照信號SLP_ADC的斜率 變得平緩，隨量化比特的數目變小，用于AD轉換的參照信號SLP_ADC的斜率變陡峭。因此，用于AD轉換的參照信號SLP_ADC達到與像素信號SIG —致所需的時間(計 數值)在P-相位時間段和D-相位時間段之間不同。當量化比特的數目大時，例如，信號量變為P-相位時間段中計數值A和D-相位時 間段中計數值B之間的差值。當量化比特的數目小時，信號量變為P-相位時間段中計數值C和D-相位時間段 中計數值D之間的差值。如圖6中所示，隨模擬增益的設置值變高，用于AD轉換的參照信號SLP_ADC的斜 率變得平緩，隨模擬增益的設置值變低，用于AD轉換的參照信號SLP_ADC的斜率變得陡峭。因此，用于AD轉換的參照信號SLP_ADC達到與像素信號SIG —致所需的時間(計
10數值)在P-相位時間段和D-相位時間段之間不同。當模擬增益的設置值高時，例如，信號量變為P-相位時間段中計數值E和D-相位 時間段中計數值F之間的差值。當模擬增益的設置值為低時，信號量變為P-相位時間段中計數值G和D-相位時 間段中計數值H之間的差值。<3.對校正偏置選擇的控制例子〉校正偏置選擇部件170從通信時序控制器140接收用于確定因素的數據，并且向 校正偏置電路180發送最佳黑化檢測鉗制電壓設置值SCVL，該因素用于確定用于AD轉換的 參照信號SLP_ADC的斜率。校正偏置電路180根據校正偏置選擇部件170所設置的黑化檢測鉗制電壓設置值 SCVL,生成黑化檢測鉗制電壓SLP_SUN，并且把此黑化檢測鉗制電壓SLP_SUN供給至像素啞 部件IlOB的像素啞放大晶體管117的柵極。圖7描述了根據實施例的包括校正偏置電路的電路的例子。圖8說明了黑化檢測時間段和正常驅動時間段中根據實施例的固態成像裝置的 操作時序。校正偏置電路180具有串聯連接在電源線LVDDRST和作為參照電勢的地GND之間 的N個電阻Rl RN、以及由基于電阻器的分壓生成N+1個黑化檢測鉗制電壓的設置電壓值 的節點NDO NDN。校正偏置電路180具有選擇器181、以及把節點NDO NDN處的設置電壓值SVLO SVLN選擇地供給至選擇器181的第一輸入的開關SWO SWN。根據校正偏置選擇部件170所設置的黑化檢測鉗制電壓設置值SCVL控制開關 SffO SWN的接通/切斷。選擇器181具有連接至開關SWO SWN的輸出端的第一輸入、以及連接至例如地 GND的參照電勢的第二輸入。選擇器181根據來自通信時序控制器140的選擇控制信號SCTL來選擇第一輸入 或者第二輸入，并且輸出具有相應于所選擇輸入的電平的黑化檢測鉗制電壓SLP_SUN。此處，把針對像素部件110的重置電壓VDDRST設置為等于基于電阻器的分壓的基 準的電壓。因此，當針對像素部件110的重置電壓VDDRST改變時，黑化檢測鉗制電壓SLP_SUN 與其相關聯地改變，從而抑制電源電壓的變化。這拓寬了固定的黑化檢測鉗制電壓設置值處的可校正黑化的范圍。通信時序控制器140在黑化檢測時間段和其它時間段之間切換黑化檢測鉗制電 壓 SLP_SUN。在圖7中，時間段Kl表示黑化檢測時間段，時間段K2表示正常驅動時間段。如以上所描述的，校正偏置選擇部件170相對校正偏置電路180設置用于AD轉換 的參照信號SLP_ADC的斜率的最佳鉗制電壓。因此，黑化檢測鉗制電壓SLP_SUN隨用于AD轉換的參照信號SLP_ADC的斜率而變 化，如圖8中所示。這拓寬了可校正黑化的范圍。
根據實施例，針對校正偏置電路180的鉗制設置值為N+1，其能夠根據電阻的變化 而改變。盡管在圖7中的例子中正常驅動時間段(時間段K2)中的設置電壓為地電勢，然 而其能夠為不影響正常驅動時間段的任何電壓。如以上所描述的，本發明的該實施例能夠拓寬受相關技術某些情況限制的可校正 黑化的范圍。作為對本發明的修改，能夠不在固態成像裝置(CMOS圖像傳感器)內部安裝校正 偏置選擇部件，而是在外部控制下拓寬可校正黑化的范圍。總而言之，根據來自固態成像裝置(CMOS圖像傳感器)外部的通信內容，確定用于 AD轉換的參照信號SLP_ADC的斜率。這能夠允許固態成像裝置(CMOS圖像傳感器)通過按照用于AD轉換的參照信號 SLP_ADC的斜率的內容對校正偏置電路所設置的鉗制電壓執行基于通信的控制，來與用于 AD轉換的參照信號SLP_ADC的斜率相關聯地運行。這能夠使可校正黑化的范圍寬于相關技術所準許的范圍。圖9描述了根據實施例的校正偏置選擇部件中形成的用于AD轉換的參照信號的 斜率的鉗制電壓表的例子。校正偏置選擇部件170保持有與用于確定用于AD轉換的參照信號的斜率的條件 相對應的設置電壓的表TBL170，例如，如圖9中所示。校正偏置選擇部件170從表TBL170抽取與圖8中所示黑化檢測時間段(時間段 Kl)的條件相對應的設置值，并且把該設置值輸出至校正偏置電路180。設置電壓表TBL170互相關聯地描述了模擬增益Gain和量化比特的數目QBN。當模擬增益處于OdB彡Gain < 3dB的范圍中，而且量化比特的數目QBN為9個比 特時，設置值SVL設置為“2”。當模擬增益處于OdB彡Gain < 3dB的范圍中，而且量化比特的數目QBN為12個 比特時，設置值SVL設置為“4”。當模擬增益處于3dB彡Gain <6dB的范圍中，而且量化比特的數目QBN為9個比 特時，設置值SVL設置為“3”。當模擬增益處于3dB彡Gain <6dB的范圍中，而且量化比特的數目QBN為12個 比特時，設置值SVL設置為“5”。當模擬增益處于12dB彡 < 15dB的范圍中，而且量化比特的數目QBN為9個 比特時，設置值SVL設置為“6”。當模擬增益處于12dB彡Gain < 15dB的范圍中，而且量化比特的數目QBN為12 個比特時，設置值SVL設置為“8”。當模擬增益處于15dB彡Gain < 18dB的范圍中，而且量化比特的數目QBN為9個 比特時，設置值SVL設置為“7”。當模擬增益處于15dB彡Gain < 18dB的范圍中，而且量化比特的數目QBN為12 個比特時，設置值SVL設置為“9”。以下，將描述校正偏置選擇部件170的配置例子。圖10描述了根據實施例的校正偏置選擇部件的配置例子。
圖11說明了用于解釋黑化檢測時間段中圖10中校正偏置選擇部件操作的時序 圖。圖10中的校正偏置選擇部件170具有比較器171、計數器172、斜率檢測部件173、 以及設置值確定部件174。如圖10中所示，校正偏置選擇部件170中的比較器171把用于AD轉換的參照信 號SLP_ADC與針對黑化檢測時間段Kl的鉗制電壓加以比較，以檢測用于AD轉換的參照信 號SLP_ADC的斜率。當所檢測的斜率超出允許范圍時，鉗制電壓的設置值被控制為改變到處于允許范 圍之內。在校正偏置選擇部件170中，用于AD轉換的參照信號(SLP_ADC)與針對黑化檢測 時間段Kl的鉗制電壓而不是與像素信號(SIG)進行比較。用于AD轉換的參照信號SLP_ADC從相對鉗制電壓具有某偏移電壓的電壓開始傾 斜。因此，用于AD轉換的當前參照信號(SLP_ADC)的斜率從計數器172所計數的計數值獲 取，直至偏移電壓與鉗制電壓交叉。鉗制電壓的初始值是由固態成像裝置(C0MS圖像傳感器)先前設置的設置值，或 者是通過初始通信所確定的設置值。設置值確定部件174判斷斜率是否處于允許范圍內。當斜率位于允許范圍之外 時，設置值確定部件174改變當前設置值。重復此過程，能夠為用于AD轉換的參照信號SLP_ADC設置最佳鉗制電壓。當在校正偏置選擇部件170中采用與用于AD轉換的參照信號的斜率相關聯地改 變鉗制電壓的電路配置時，能夠精確地響應用于AD轉換的參照信號SLP_ADC的斜率的變 化。由于此電路配置在反饋控制下設置鉗制電壓，因此對電路的安全要充分關注。另外，當鉗制電壓在有效圖像信號輸出期間變化時，電路配置改變了黑化現象的 外觀。因此，在用于AD轉換的參照信號SLP_ADC的斜率改變之后，希望按如下方式設置 該設置值。希望采用這樣的配置由于在有效圖像信號之前的空白時間段中輸出單個圖像期 間能夠改變鉗制電壓一次，因此在考慮斜率檢測中的變化的情況下，當斜率連續多次超出 允許范圍時，改變設置值。以下，將描述以上所提到的配置的操作。在黑化檢測時間段Kl中，校正偏置選擇部件170從通信時序控制器140接收確定 因素的數據，該因素用于確定用于AD轉換的參照信號SLP_ADC的斜率。如圖9中所示，例如，校正偏置選擇部件170保持與確定用于AD轉換的參照信號 的斜率的條件相對應的設置電壓的表TBL170。校正偏置選擇部件170從表TBL170中抽取相應于該條件的設置值，并且在黑化檢 測時間段Kl中把最佳黑化檢測鉗制電壓設置值SCVL發送至校正偏置電路180。校正偏置電路180選擇與校正偏置選擇部件170所設置的黑化檢測鉗制電壓設置 值SCVL相對應的黑化檢測鉗制電壓SLP_SUN，并且把所選擇的鉗制電壓SLP_SUN供給至像素啞部件IlOB的像素啞放大晶體管117的柵極。在正常操作時間段K2中，DAC 160生成具有P-相位模式中斜率的參照信號SLP_ ADC。在每個列處理電路(ADC) 151中，針對每列而布置的比較器152把讀取至垂直信號 線116的模擬像素信號SIG與參照信號SLP_ADC加以比較。計數器鎖存器153執行計數操作，直至模擬像素信號SIG和參照信號SLP_ADC的 電平互相交叉并且比較器152的輸出反轉。計數器鎖存器153例如與時鐘CLK同步地執行計數操作，以及當比較器152的輸 出電平反轉時，停止計數操作并保持計數值。此重置電平P相位包括逐像素的變化。在第二時間段中，各個單位像素IlOA光電轉換的信號讀出至相應的垂直信號線 116(116-1 116-n) (D相位)，以經歷AD轉換。DAC 160也生成具有D相位模式中斜率的參照信號SLP_ADC。在每個列處理電路(ADC) 151中，針對每列而布置的比較器152把讀取至垂直信號 線116的模擬像素信號SIG與參照信號SLP_ADC加以比較。計數器鎖存器153執行計數操作，直至模擬像素信號SIG和參照信號SLP_ADC的 電平互相交叉并且比較器152的輸出反轉。計數器鎖存器153例如與時鐘CLK同步地執行計數操作，以及當比較器152的輸 出電平反轉時，停止計數操作并且保持計數值。由于在考慮到P相位和D相位轉換結果的情況下執行(D相位電平-P相位電平)， 所以能夠實現關聯復式取樣(CDS)。由水平(列)掃描部件經由水平轉移線LTRF按順序把轉換為數字信號的信號讀 入信號處理部件190，以最終加以輸出。按這種方式執行列并行輸出過程。如以上所解釋的，根據實施例的固態成像裝置帶來下列優點。根據實施例，像素部件的重置電壓設置為等于作為黑化檢測鉗制電壓的基準的電 源電壓，從而抑制了電源電壓的變化，并且確保了比通常寬的可校正黑化的范圍。另外，黑化檢測鉗制電壓根據用于AD轉換的參照信號的斜率設置為最佳黑化檢 測鉗制電壓，從而可校正黑化的范圍能夠寬于正常情況下的可校正黑化的范圍。盡管當分別采用時這兩種方案均能夠帶來拓寬可校正黑化的范圍的效果，然而當 一并采用時這兩種方案能夠明顯拓寬可校正黑化的范圍。具有如此優點的固態成像裝置能夠用作數字照相機或者視頻攝像機的成像裝置。<4.照相機系統的配置例子>圖12描述了適用根據實施例的固態成像裝置的照相機系統200的配置例子。如圖12中所示，此照相機系統200具有可適用根據實施例的固態成像裝置100的 成像裝置210。照相機系統200具有透鏡220，作為把輸入光引導至(把物體圖像形成在)成像裝 置210的像素區上的光學系統，透鏡220把輸入光(圖像光)的圖像形成在成像表面。另外，照相機系統200還具有驅動成像裝置210的驅動電路(DRV) 230、以及處理成
14像裝置210的輸出信號的信號處理電路(PRC) 240。驅動電路230具有時序生成器(未在圖中示出)，該時序生成器生成包括啟動脈沖 和時鐘脈沖的各種時序信號，以驅動成像裝置210中的電路，并且使用預定時序信號來驅 動成像裝置210。信號處理電路240對成像裝置210的輸出信號執行預定信號處理。信號處理電路240所處理的圖像信號存儲在諸如存儲器的記錄存儲器中。由打印 機等產生記錄在記錄媒體上的圖像信息的硬拷貝。信號處理電路240所處理的圖像信號作 為移動畫面顯示在諸如液晶顯示器的監視器上。如以上所描述的，當以上所描述的固態成像裝置100作為成像裝置210安裝在諸 如數字靜態照相機的成像設備中時，能夠實現高清晰度照相機。本申請包含與2009年7月14日向日本專利局提交的日本優先權專利申請JP 2009-166170中所公開的主題相關的主題，其全部內容通過引用并入于此。本領域技術人員將意識到可以依據設計要求和其它因素，對本發明進行多方面 的修改、組合、局部組合以及變動，只要這些修改、組合、局部組合以及變動處于所附權利要 求或者其等同內容的范圍內即可。
1權利要求
一種固態成像裝置，包括像素部件，其具有按矩陣形式排列的執行光電轉換的多個像素；像素信號讀取單元，其包括模擬 數字(AD)轉換部分，該模擬 數字轉換部分把像素信號以多個像素為單位從像素部件讀取至信號線，并且把作為斜坡波形的參照信號與像素信號進行比較以執行AD轉換；鉗制單元，其使用鉗制電壓來鉗制信號線，以使得像素信號保持在設置電壓或者大于設置電壓；校正偏置電路，其根據所供給的鉗制電壓設置值來生成鉗制電壓，并且把鉗制電壓供給至鉗制單元；以及校正偏置選擇單元，其選擇鉗制電壓設置值，以使得鉗制電壓與用于確定參照信號斜率的斜率確定信息相關聯地生成，并且把鉗制電壓設置值供給至校正偏置電路。
2.根據權利要求1所述的固態成像裝置，其中，每個像素包括 光電轉換元件；輸出放大晶體管，其根據供給至輸出節點的電荷來輸出像素信號；以及 轉移晶體管，其把光電轉換元件所生成的電荷轉移至輸出節點；以及 重置元件，其響應于重置信號，把輸出節點重置至重置電壓；以及 所述校正偏置電路根據等于像素部件的重置電壓的電源電壓，來生成鉗制電壓。
3.根據權利要求1或2所述的固態成像裝置，其中，所述校正偏置電路具有在電源電壓和參照電勢之間串聯連接的多個電阻器，以生成多個分壓；以及 根據從校正偏置選擇單元所供給的鉗制電壓設置值，從所述多個電阻器所劃分的多個 電壓中選擇電壓，并且把所選擇的電壓作為鉗制電壓供給至鉗制單元。
4.根據權利要求1 3中任何一個權利要求所述的固態成像裝置，其中，所述校正偏置 選擇單元具有關于用于確定參照信號的斜率的條件的設置電壓的表，根據斜率確定信息從 所述表中抽取設置值，以及把設置值供給至校正偏置電路。
5.根據權利要求1 3中任何一個權利要求所述的固態成像裝置，其中，所述校正偏置 選擇設備把參照信號與鉗制電壓加以比較，根據比較結果檢測參照信號的斜率，以及當所 檢測的斜率位于允許范圍之外時，改變鉗制電壓的設置，以使斜率位于允許范圍之內。
6.根據權利要求1 5中任何一個權利要求所述的固態成像裝置，其中，所述像素信號 讀取單元包括多個比較器，把作為斜坡波形的參照信號與從像素列所讀取的模擬信號電勢加以比 較；以及多個計數器鎖存器，與所述多個比較器相關聯地排列，以能夠計數相應比較器的比較 時間，當相關聯比較器的輸出反轉時，每個計數器鎖存器停止計數，并且保持計數值。
7.一種固態成像裝置的控制方法，包括下列步驟把像素信號以多個像素為單位從具有按矩陣形式排列的執行光電轉換的多個像素的 像素部件讀取至信號線；用鉗制電壓鉗制信號線，以使得像素信號保持在設置電壓或者大于設置電壓；以及 允許模擬-數字(AD)轉換部分把作為斜坡波形的參照信號與像素信號進行比較以執 行AD轉換；2其中，在鉗制步驟中，鉗制電壓設置值被選擇為使得鉗制電壓與用于確定參照信號斜 率的斜率確定信息相關聯地生成，以及與所選擇的鉗制電壓設置值相應的鉗制電壓被生成以使用鉗制電壓來鉗制信號線。
8. 一種照相機系統，包括 固態成像裝置；以及光學系統，其在固態成像裝置上形成物體圖像， 所述固態成像裝置包括像素部件，其具有按矩陣形式排列的執行光電轉換的多個像素； 像素信號讀取單元，其包括模擬-數字(AD)轉換部分，該模擬-數字轉換部分把像素 信號以多個像素為單位從像素部件讀取至信號線，并且把作為斜坡波形的參照信號與像素 信號進行比較以執行AD轉換；鉗制單元，其使用鉗制電壓來鉗制信號線，以使得像素信號保持在設置電壓或者大于 設置電壓；校正偏置電路，其根據所供給的鉗制電壓設置值來生成鉗制電壓，并且把鉗制電壓供 給至鉗制單元；以及校正偏置選擇單元，其選擇鉗制電壓設置值，以使得鉗制電壓與用于確定參照信號斜 率的斜率確定信息相關聯地生成，并且把鉗制電壓設置值供給至校正偏置電路。
全文摘要
一種固態成像裝置，包括像素部件，其具有按矩陣形式排列的執行光電轉換的像素；像素信號讀取部件，其包括AD轉換部分，該AD轉換部分以像素為單位讀取像素信號，并且把作為斜坡波形的參照信號與像素信號進行比較以執行AD轉換；鉗制單元，其使用鉗制電壓來鉗制信號線，以使得像素信號保持在設置電壓或者大于設置電壓；校正偏置電路，其根據所供給的鉗制電壓設置值來生成鉗制電壓，并且把鉗制電壓供給至鉗制單元；以及校正偏置選擇單元，其選擇鉗制電壓設置值，以使得鉗制電壓與用于確定參照信號斜率的斜率確定信息相關聯地生成，并且把鉗制電壓設置值供給至校正偏置電路。
文檔編號H04N5/225GK101959026SQ201010224709
公開日2011年1月26日 申請日期2010年7月7日 優先權日2009年7月14日
發明者有賀悠葵, 若林準人 申請人:索尼公司