專利名稱：半導(dǎo)體裝置及其控制方法、信號處理方法和電子設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包含多個(gè)單元元件的半導(dǎo)體裝置，含有該半導(dǎo)體裝置的電子設(shè)備，和涉及該半導(dǎo)體裝置或該電子設(shè)備的控制方法和信號處理方法。
更具體地，本發(fā)明涉及一種通過讀取電信號來檢測物理量分布的半導(dǎo)體裝置(例如，固態(tài)成像設(shè)備)，該信號代表了對從外部輸入的電磁波，如光，輻射等，敏感的單元元件(例如，單元像素)矩陣所獲取的物理量分布，一種在半導(dǎo)體裝置中控制信號增益的方法，以及用于由受控增益所放大的輸出信號的信號處理技術(shù)。
背景技術(shù)：
用來檢測物理量分布的半導(dǎo)體裝置，包括對例如用在各種場合的光、輻射等從外部輸入的電磁波敏感的單元元件(例如，像素)的行或矩陣。例如，在視頻設(shè)備領(lǐng)域，使用由電荷耦合器件(CCD)或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)器件實(shí)現(xiàn)的、將光作為物理量進(jìn)行檢測的固態(tài)成像裝置。這些裝置讀取電信號，該電信號表示由單元元件(在固態(tài)成像裝置的情況下是像素)所獲取的物理量的分布。
在一種被稱為放大型固態(tài)成像裝置的固態(tài)成像裝置中，提供了由有源像素傳感器或增益單元所實(shí)現(xiàn)的像素，該增益單元包括在像素信號生成器中的放大晶體管，用于產(chǎn)生對應(yīng)于由電荷生成器所生成的信號電荷的像素信號。例如，CMOS固態(tài)成像裝置常常采用該類型。在放大型固態(tài)成像裝置中，為了將圖像信號讀出到外部，在包括多個(gè)單元像素的像素單元上執(zhí)行的地址控制，以便來自各個(gè)像素的信號能被選擇并按需讀取。即，放大型固態(tài)成像裝置是地址控制固態(tài)成像裝置的一個(gè)實(shí)例。
例如，在包括單元像素矩陣的X-Y尋址固態(tài)成像裝置類型的放大固態(tài)成像裝置中，使用了例如MOS晶體管的有源元件，以使像素本身能夠放大。即，積累在作為光電轉(zhuǎn)換器的光電二極管上的信號電荷(光電子)通過該有源元件被放大從而讀取圖像信息。
在該類型X-Y尋址固態(tài)成像裝置中，例如，像素單元包括大量像素晶體管的二維矩陣，對應(yīng)于入射光的信號電荷的積累在每行或每個(gè)像素單獨(dú)開始，并且基于該積累的信號電荷的電流或電壓從基于尋址的像素中讀取。
當(dāng)信號從像素單元讀取并且輸出到芯片的外部時(shí)，讀取電路(列處理器)單獨(dú)提供給各個(gè)列，因此信號以行為單位從像素中順序讀取并暫存在列處理器中，從而用于一行的像素信號按照特定時(shí)序輸出到芯片外部。這被稱之為基于列的結(jié)構(gòu)。
圖27顯示了根據(jù)相關(guān)技術(shù)的基于列的CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)的實(shí)例，其是一個(gè)X-Y尋址固態(tài)成像裝置的實(shí)例。
該CMOS圖像傳感器包括安置在半導(dǎo)體基板(未示出)上的成像單元(光電轉(zhuǎn)換器區(qū)域)110，時(shí)序信號產(chǎn)生器40，水平掃描器42H，垂直掃描器42V，列區(qū)域單元920，輸出放大器950，可變增益放大器960，和模擬-數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器970。
成像單元110的垂直信號線158經(jīng)由負(fù)載MOS晶體管171接收由負(fù)載控制器174提供的恒定偏置電壓。
在成像單元110的外部上的列區(qū)域單元920中，列處理器930被提供給各個(gè)像素列。列處理器930在垂直信號線158上具有電容器932。因此該列處理器930順序存儲從各個(gè)像素讀出的像素信號Vsig，并順序?qū)⒃撓袼匦盘朧sig讀出給輸出放大器950。
在以上描述的結(jié)構(gòu)中，處理電路(即，列電路930)單獨(dú)提供給各個(gè)列，其被稱為基于列的結(jié)構(gòu)。即，在按列讀取像素信號后，該像素信號被處理。因此，與在每個(gè)單元像素中執(zhí)行信號處理相比，每個(gè)像素的結(jié)構(gòu)得以簡化，使得在圖像傳感器中的像素?cái)?shù)量能夠增加，圖像傳感器的尺寸能夠降低，或圖像傳感器的成本能被降低。
接下來，將簡要描述基于列的電路的操作。用于接收光信號的成像單元110包括多個(gè)按行和列排列的單元像素(P)103。每個(gè)單元像素103包括至少一個(gè)電荷產(chǎn)生器(光電轉(zhuǎn)換器)，其通常是光電二極管或光柵(photogate)。從成像單元110輸出的像素信號被從垂直掃描器42H經(jīng)由垂直掃描控制線115所選的行中讀取。
雖然在圖27中示出了每個(gè)像素行中只有一個(gè)垂直掃描控制線，但通常，從垂直掃描器42V平行提供多個(gè)類型的垂直掃描控制線115，以便選擇每個(gè)像素行并讀取像素信號。
經(jīng)由垂直掃描控制線115選擇的行信號順序積累在并聯(lián)提供于成像單元110的輸出側(cè)的列處理器930的電容器932中。該信號同時(shí)為整個(gè)行積累。
通過根據(jù)來自水平掃描器42H的水平選擇脈沖CH(i)，從左邊開始順序進(jìn)行列掃描操作來選擇積累在列處理器930的電容器932中的像素信號Vsig。即，通常由晶體管來實(shí)現(xiàn)的列選擇開關(guān)934，由水平掃描器42H來順序選擇和驅(qū)動。這樣，各個(gè)單元像素103的像素信號Vsig得以順序讀出到輸出放大器950。
輸出放大器950從而放大通過水平信號線118讀取的像素信號Vsig，并將該放大的信號作為電壓信號進(jìn)行輸出?？勺冊鲆娣糯笃?60以具有小步長的增益中的一個(gè)放大該電壓。放大后的像素信號被輸入到A/D轉(zhuǎn)換器970并被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。
通常，成像單元110、列區(qū)域單元920、和輸出放大器950形成在同一個(gè)半導(dǎo)體芯片上，以形成固態(tài)成像裝置10，在該芯片的外部提供有可變增益放大器960和A/D轉(zhuǎn)換器970，從而形成固態(tài)成像單元2?？蛇x地，該可變增益放大器960和A/D轉(zhuǎn)換器970與成像單元110等一起形成在半導(dǎo)體芯片上，在該情況下，固態(tài)成像裝置10與固態(tài)成像單元2一致。
在以上描述的結(jié)構(gòu)中，電路中提供有各種放大器，例如所使用的I輸出放大器950和可變增益放大器960的放大器。由于這些放大器是模擬放大器，因此會產(chǎn)生屬于模擬隨機(jī)噪聲的熱噪聲。該熱噪聲能根據(jù)時(shí)間隨機(jī)發(fā)生。在輸出放大器950的鄰近需要增大的帶寬，而放大器產(chǎn)生的熱噪聲隨著帶寬的增加而增加?？紤]到像素?cái)?shù)量的增加以及成像速度的增加，這種情況是很不利的。
在固態(tài)成像裝置中提供的A/D轉(zhuǎn)換器970的比特精確度現(xiàn)在通常是12比特或14比特。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器970的比特精確度增加時(shí)，增加了功率消耗，同時(shí)由電路本身所產(chǎn)生的噪聲抑制了比特精確度的提高。
因此，在根據(jù)相關(guān)技術(shù)的基于列的圖像傳感器中，很難提高比特精確度，并且當(dāng)保持恰當(dāng)?shù)腟/N比的同時(shí)擴(kuò)大動態(tài)范圍。
當(dāng)在成像單元110的各個(gè)像素中，基于各個(gè)像素對像素信號的增益進(jìn)行控制時(shí)，在光電轉(zhuǎn)換器區(qū)域中改善比特精確度，從而使輸出信號的動態(tài)范圍得以擴(kuò)展。但是，在這種情況下，每個(gè)像素的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜了，使得失去了由于基于列的結(jié)構(gòu)而獲得的降低成本和尺寸的益處。
作為克服這些問題的一種方法，例如是，ISSCC 2003 2/11，Digest ofTechnical Paper，pp.224-225，和IEEE，J.固態(tài)電路，vol.35，No.7，pp.932-938，July 2000，M.Schanz所提出的技術(shù)，通過采用可編程增益控制(PGA)電路，以每行為基礎(chǔ)，適應(yīng)性地放大從CMOS圖像傳感器中的像素單元讀出的像素信號，從而降低噪聲。根據(jù)該項(xiàng)技術(shù)，信號的動態(tài)范圍在保持有利的S/N比的同時(shí)得以擴(kuò)展，以便提高該CMOS圖像傳感器的圖像質(zhì)量，特別是在亮度很低時(shí)。
根據(jù)該項(xiàng)技術(shù)，在與PGA電路隔開的行上，從成像單元110輸出的像素信號與預(yù)定的閥值進(jìn)行比較，為PGA電路而設(shè)定的增益基于該比較的結(jié)果而被確定，使該P(yáng)GA電路根據(jù)所確定的增益而運(yùn)行，從而執(zhí)行增益控制。
在執(zhí)行增益控制中，當(dāng)確定信號電平為低而增益必須增加時(shí)，該P(yáng)GA電路以所增加的增益放大由成像單元110所獲取的像素信號，輸出該放大的信號給外部。另一方面，當(dāng)確定信號電平為高而增益無需增加時(shí)，由成像單元110獲取的像素信號被輸出給外部而無需被PGA電路放大。
然而，該文檔僅公開了用于提供適當(dāng)?shù)胤糯蟾鱾€(gè)列的像素信號的PGA電路的基本技術(shù)，因此需要進(jìn)一步改進(jìn)。
而且，根據(jù)在該文檔中公開的技術(shù)，依靠PGA電路或提供在后續(xù)級的電路的結(jié)構(gòu)，在一些情況下，由調(diào)整增益放大的信號電平超出了電路的動態(tài)范圍，而不能適當(dāng)?shù)財(cái)U(kuò)展信號的動態(tài)范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明考慮到以上描述的情況而做出，其目的是提供有關(guān)基于列電路的技術(shù)，該技術(shù)允許當(dāng)保持適當(dāng)?shù)腟/N比時(shí)擴(kuò)展動態(tài)范圍，由此可防止增益的設(shè)定超出該動態(tài)范圍。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種控制半導(dǎo)體裝置的方法，該半導(dǎo)體裝置包括信號獲取單元和列處理器，該信號獲取單元包括以行和列排列的單元元件，該單元元件每個(gè)包括用于產(chǎn)生對應(yīng)于入射電磁波的信號電荷的電荷產(chǎn)生器，和用于產(chǎn)生對應(yīng)于由該電荷產(chǎn)生器產(chǎn)生的信號電荷的信號的信號產(chǎn)生器，該列處理器被提供給各個(gè)列來逐行讀取信號，以通過特定的增益放大信號，并隨后輸出該放大的信號，列處理器分別包括用于將從單元元件讀取的信號放大設(shè)定給放大器電路的增益的放大器電路。該方法包括增益確定控制步驟，以設(shè)定給各個(gè)放大器電路的不同增益來檢測放大器電路或其后續(xù)級的輸出信號的信號電平，基于所檢測的信號電平確定設(shè)定給放大器電路的增益，并用所確定的增益使該放大器電路工作。
“檢測放大器電路或其后續(xù)級的輸出信號”并不限于檢測放大器電路本身的輸出信號，它還可以指檢測在該放大器電路的后續(xù)級提供的各種電路的輸出信號。即，在放大器電路的輸出端的預(yù)定位置，而不是輸入端，為放大電路設(shè)定增益并且檢測信號電平。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種信號處理方法，用于對從包括信號獲取單元和列處理器的半導(dǎo)體裝置輸出的信號執(zhí)行預(yù)定信號處理，該信號獲取單元包括以行和列排列的單元元件，該單元元件每個(gè)包括用于產(chǎn)生對應(yīng)于入射電磁波的信號電荷的電荷產(chǎn)生器，和用于產(chǎn)生對應(yīng)于由該電荷產(chǎn)生器產(chǎn)生的信號電荷的信號的信號產(chǎn)生器，該列處理器被提供給各個(gè)列來逐行讀取信號，以通過特定的增益放大信號，并隨后輸出該放大的信號，列處理器分別包括用于將從單元元件讀取的信號放大設(shè)定給放大器電路的增益的放大器電路。該方法包括增益確定控制步驟，以設(shè)定給各個(gè)放大器電路的不同增益來檢測放大器電路或其后續(xù)級的輸出信號的信號電平，基于所檢測的信號電平確定設(shè)定給放大器電路的增益，并用所確定的增益使該放大器電路工作；和增益校正步驟，其在增益確定控制步驟之后，基于設(shè)定給各個(gè)放大器電路的增益，校正從列處理器輸出的輸出信號。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種半導(dǎo)體裝置，包括信號獲取單元，包括以行和列安排的單元元件，該單元元件的每個(gè)包括電荷產(chǎn)生器，用來產(chǎn)生對應(yīng)于入射電磁波的信號電荷，和信號產(chǎn)生器，用來產(chǎn)生對應(yīng)于該由電荷產(chǎn)生器產(chǎn)生的信號電荷的信號，列處理器，被提供給各個(gè)列以逐行讀取信號，以通過某個(gè)增益來放大信號，并順序輸出該放大的信號，該列處理器分別包括放大電路，用于將從單元元件讀出的信號放大設(shè)定給該放大器電路的增益；和增益確定控制器，用于以設(shè)定給各個(gè)放大器電路的不同增益來檢測放大器電路或其后續(xù)級的輸出信號的信號電平，基于所檢測的信號電平確定設(shè)定給放大器電路的增益，并使該放大器電路用所確定的增益來工作。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種電子設(shè)備，用于對從包括信號獲取單元和列處理器的半導(dǎo)體裝置輸出的信號執(zhí)行預(yù)定信號處理，該信號獲取單元包括以行和列排列的單元元件，該單元元件每個(gè)包括用于產(chǎn)生對應(yīng)于入射電磁波的信號電荷的電荷產(chǎn)生器，和用于產(chǎn)生對應(yīng)于由該電荷產(chǎn)生器產(chǎn)生的信號電荷的信號的信號產(chǎn)生器，該列處理器被提供給各個(gè)列來逐行讀取信號，以通過特定的增益放大信號，并隨后輸出該放大的信號，列處理器分別包括用于將從單元元件讀取的信號放大設(shè)定給放大器電路的增益的放大器電路。該電子設(shè)備包括增益確定控制器，用于以設(shè)定給各個(gè)放大器電路的不同增益來檢測放大器電路或其后續(xù)級的輸出信號的信號電平，基于所檢測的信號電平確定設(shè)定給放大器電路的增益，并使該放大器電路以所確定的增益工作；和信號擴(kuò)展單元，用來基于設(shè)定給各個(gè)放大器電路的增益，而對從列處理器輸出的輸出信號執(zhí)行增益校正，從而擴(kuò)展信號獲取單元一個(gè)屏的信號的動態(tài)范圍。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種控制半導(dǎo)體裝置的方法，該半導(dǎo)體裝置包括信號獲取單元和列處理器，該信號獲取單元包括以行和列排列的單元元件，該單元元件每個(gè)包括用于產(chǎn)生對應(yīng)于入射電磁波的信號電荷的電荷產(chǎn)生器，和用于產(chǎn)生對應(yīng)于由該電荷產(chǎn)生器產(chǎn)生的信號電荷的信號的信號產(chǎn)生器，該列處理器被提供給各個(gè)列來逐行讀取信號，以通過特定的增益放大信號，并隨后輸出該放大的信號，列處理器分別包括用于將從單元元件讀取的信號放大設(shè)定給放大器電路的增益的放大器電路。該方法包括增益確定控制步驟，其檢測從信號獲取單元輸出的信號的信號電平，基于檢測的結(jié)果確定設(shè)定給放大器電路的增益，并使該放大器電路根據(jù)確定的增益而工作；和增益校正步驟，用于與從放大器電路輸出的信號相關(guān)聯(lián)地輸出比較結(jié)果或分類信號到列處理器的外部，該分類信號用于根據(jù)比較結(jié)果對信號電平進(jìn)行分類，該關(guān)聯(lián)基于單獨(dú)的單元元件而做出，并且參照該比較結(jié)果或分類信號，基于設(shè)定給各個(gè)放大器電路的增益而校正從列處理器輸出的輸出信號。
根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面，提供了一種控制半導(dǎo)體裝置的方法，該半導(dǎo)體裝置包括信號獲取單元和列處理器，該信號獲取單元包括以行和列排列的單元元件，該單元元件每個(gè)包括用于產(chǎn)生對應(yīng)于入射電磁波的信號電荷的電荷產(chǎn)生器，和用于產(chǎn)生對應(yīng)于由該電荷產(chǎn)生器產(chǎn)生的信號電荷的信號的信號產(chǎn)生器，該列處理器被提供給各個(gè)列來逐行讀取信號，以通過特定的增益放大信號，并隨后輸出該放大的信號，列處理器分別包括放大器電路，用于將從單元元件讀取的信號放大設(shè)定給放大器電路的增益。該方法包括增益確定控制步驟，用于檢測從信號獲取單元輸出的信號的電平，基于檢測的結(jié)果確定設(shè)定給放大器電路的增益，并使該放大器電路根據(jù)確定的增益而工作；和將從放大電路輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字值的步驟。
根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面，提供了一種控制半導(dǎo)體裝置的方法，該半導(dǎo)體裝置包括信號獲取單元和列處理器，該信號獲取單元包括以行和列排列的單元元件，該單元元件每個(gè)包括用于產(chǎn)生對應(yīng)于入射電磁波的信號電荷的電荷產(chǎn)生器，和用于產(chǎn)生對應(yīng)于由該電荷產(chǎn)生器產(chǎn)生的信號電荷的信號的信號產(chǎn)生器，該列處理器被提供給各個(gè)列來逐行讀取信號，以通過特定的增益來放大信號，并隨后輸出該放大的信號，列處理器分別包括放大器電路，用于將從單元元件讀取的信號放大設(shè)定給放大器電路的增益。該方法包括增益確定控制步驟，用于檢測從信號獲取單元輸出的信號的電平，基于檢測的結(jié)果確定設(shè)定給放大器電路的增益，并使該放大器電路根據(jù)確定的增益而工作；和一步驟，抑制放大器電路中的輸出直流電平的變化的發(fā)生，該變化是由于設(shè)定給各個(gè)放大器電路的不同增益而產(chǎn)生的。
根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面，提供了一種成像裝置。該成像裝置包括成像區(qū)域，包括多個(gè)像素，每個(gè)像素包括電荷產(chǎn)生器，用來產(chǎn)生信號電荷；放大器電路區(qū)域，用于放大從像素輸出的信號，并輸出該放大的信號，該放大器電路區(qū)域被提供在該成像區(qū)域的旁邊；輸出部分，提供在放大器電路區(qū)域的后續(xù)級。該放大器電路區(qū)域包括多個(gè)放大器，基于從輸出部分輸出的信號的電平而對這些放大器設(shè)定增益。


圖1是照相機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意圖，其是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的電子設(shè)備，該照相機(jī)系統(tǒng)包括根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置。
圖2A和2B是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，主要由CMOS成像裝置所構(gòu)成的固態(tài)成像單元以及其外圍部件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3顯示的是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例，主要由CMOS成像裝置所構(gòu)成的固態(tài)成像單元以及其外圍部件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是根據(jù)圖3所示的第二實(shí)施例，在固態(tài)成像單元水平周期中操作時(shí)序的時(shí)序表；
圖5顯示的是圖3所示的第二實(shí)施例中的像素信號檢測器結(jié)構(gòu)的示意圖；圖6顯示的是圖5所示的比較器的示例結(jié)構(gòu)的示意圖；圖7顯示的是根據(jù)圖2A所示的第一實(shí)施例，在固態(tài)成像單元的水平周期中的操作時(shí)序的時(shí)序表；圖8顯示的是在圖2A所示的第一實(shí)施例中的像素信號檢測器結(jié)構(gòu)的示意圖；圖9顯示的是根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例，主要由CMOS成像裝置所構(gòu)成的固態(tài)成像單元以及其外圍部件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖10顯示的是根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例，主要由CMOS成像裝置所構(gòu)成的固態(tài)成像單元以及其外圍部件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖11A和11B顯示了在第一和第三實(shí)施例中的像素信號放大器和外圍部件的結(jié)構(gòu)和操作的第一實(shí)例；圖12A和12B顯示了在第一和第三實(shí)施例中的像素信號放大器和外圍部件的結(jié)構(gòu)和操作的第二實(shí)例；圖13A和13B顯示了在第一和第三實(shí)施例中的像素信號放大器和外圍部件的結(jié)構(gòu)和操作的第二實(shí)例；圖14顯示了在第二和第四實(shí)施例中的像素信號放大器和外圍部件的結(jié)構(gòu)和操作的實(shí)例；圖15顯示了圖14所示的像素信號放大器中設(shè)定增益的第一實(shí)例方法；圖16顯示了圖14所示的像素信號放大器中設(shè)定增益的第二實(shí)例方法；圖17顯示了提供在列區(qū)域單元中的像素信號放大器的后續(xù)級的列電路和外圍部件的電路結(jié)構(gòu)的第一實(shí)例的方框圖；圖18顯示了提供在列區(qū)域單元中的像素信號放大器的后續(xù)級的列電路和外圍部件的電路結(jié)構(gòu)的第二實(shí)例的方框圖；圖19顯示了提供在列區(qū)域單元中的像素信號放大器的后續(xù)級的列電路和外圍部件的電路結(jié)構(gòu)的第三實(shí)例的方框圖；圖20A到20C顯示的是提供在列區(qū)域單元中的像素信號放大器的后續(xù)級的列ADC電路和外圍部件的電路結(jié)構(gòu)的實(shí)例；圖21A和21B顯示的是信號擴(kuò)展單元的示例結(jié)構(gòu)；圖22顯示的是根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例，主要由CMOS成像裝置所構(gòu)成的固態(tài)成像單元以及其外圍部件的示意圖；
圖23A和23B顯示的是在第五實(shí)施例中的信號處理器的結(jié)構(gòu)的實(shí)例；圖24顯示的是在用于計(jì)算由像素源跟隨器(source-follower)電路產(chǎn)生的熱噪聲的等效電路中的噪聲分析圖；圖25A和25B顯示的是在用于計(jì)算能夠由列放大器產(chǎn)生的噪聲的等效電路中的噪聲分析圖；圖26顯示的是實(shí)驗(yàn)的結(jié)果圖；并且圖27顯示的是根據(jù)相關(guān)技術(shù)的基于列的CMOS圖像傳感器的圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在，將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。以下的描述涉及一種CMOS成像裝置，其是X-Y尋址固態(tài)成像裝置的實(shí)例。而且，這里假定所有的像素都使用NMOS晶體管來實(shí)現(xiàn)。然而，這僅是實(shí)例，設(shè)備的種類并不限于MOS成像裝置。以下描述的實(shí)施例能應(yīng)用于任何用來檢測物理量分布的半導(dǎo)體裝置，這包括了對從外部輸入的例如光或輻射等的電磁波敏感的元件的矩陣。
數(shù)字靜止照相機(jī)的整體結(jié)構(gòu)數(shù)字靜止照相機(jī)的結(jié)構(gòu)現(xiàn)在，將參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例。
圖1顯示的是照相機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意圖，其是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電子設(shè)備，該照相機(jī)系統(tǒng)包括根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置。在圖1所示的照相機(jī)系統(tǒng)中，使用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的固態(tài)成像單元2。固態(tài)成像裝置10和連接在固態(tài)成像裝置10的后續(xù)級的外圍電路包括在外殼中。這樣，就實(shí)現(xiàn)了能捕捉彩色圖像的數(shù)字靜止照相機(jī)1。包括有固態(tài)成像單元2的數(shù)字靜止照相機(jī)1是包括成像裝置的電子設(shè)備的實(shí)例。
如圖1所示，數(shù)字靜止照相機(jī)1包括成像模塊3和主單元4。成像模塊3包括主要由CMOS成像單元構(gòu)成的固態(tài)成像裝置10、成像透鏡50、和用來驅(qū)動該固態(tài)成像裝置10的驅(qū)動控制器96。主單元4產(chǎn)生基于由成像模塊3獲取的成像信號而產(chǎn)生視頻信號，并輸出該視頻信號給監(jiān)視器，或?qū)⒃搱D像存儲在存儲介質(zhì)上。
該數(shù)字靜止照相機(jī)1的處理系統(tǒng)通常包括光學(xué)系統(tǒng)5，信號處理系統(tǒng)6，記錄系統(tǒng)7，顯示系統(tǒng)8，和控制系統(tǒng)9?？梢岳斫?，在實(shí)際的最終產(chǎn)品中，成像模塊3和主單元4包含在未示出的外殼中。
驅(qū)動控制器96包括時(shí)序信號產(chǎn)生器40，掃描器42，和控制信號產(chǎn)生器46。時(shí)序信號產(chǎn)生器42產(chǎn)生用于驅(qū)動固態(tài)成像裝置10的各種脈沖信號。掃描器42將從時(shí)序信號產(chǎn)生器40接收到的脈沖信號轉(zhuǎn)換成驅(qū)動固態(tài)成像裝置10的驅(qū)動脈沖?？刂菩盘柈a(chǎn)生器46產(chǎn)生用于從固態(tài)成像裝置10檢索輸出信號的控制信號。時(shí)序信號產(chǎn)生器40和控制信號產(chǎn)生器46一起被稱為時(shí)序控制器。
光學(xué)系統(tǒng)5包括成像透鏡50和固態(tài)成像裝置10。成像透鏡50包括快門52、用來聚焦物體Z的光學(xué)圖像的透鏡54、和用來調(diào)整光學(xué)圖像的光量的光圈56。固態(tài)成像裝置10將聚焦的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號。從物體Z來的光L通過快門52和透鏡54傳輸，并被光圈56調(diào)整，并以適當(dāng)?shù)牧炼冗M(jìn)入固態(tài)成像裝置10。此時(shí)，透鏡54調(diào)整焦點(diǎn)，以便由從物體Z來的光L構(gòu)成的圖像在固態(tài)成像裝置10上形成。
信號處理系統(tǒng)6包括對應(yīng)于以后將要描述的列區(qū)域單元的預(yù)放大器61，模擬-數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器64，和圖像處理器66。預(yù)放大器61能放大從固態(tài)成像裝置10的成像單元接收到的模擬成像信號，并執(zhí)行放大成像信號的雙關(guān)聯(lián)取樣(CDS，correlated double sampling)以抑制噪聲。A/D轉(zhuǎn)換器64將從預(yù)放大器61輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。圖像處理器66由對從A/D轉(zhuǎn)換器64輸入的數(shù)字信號執(zhí)行特定圖像處理的數(shù)字信號處理器(DSP)來實(shí)現(xiàn)。
記錄系統(tǒng)7包括用來存儲圖像信號的存儲器(記錄介質(zhì))72，例如閃速存儲器；和編解碼器(壓縮/解壓縮)74，用來對圖像處理器66所處理的圖像信號進(jìn)行編碼，同時(shí)將編碼的圖像信號記錄在存儲器72上，或讀取并解碼記錄在存儲器72上的圖像信號，并將解碼后的圖像信號提供給圖像處理器66。
顯示系統(tǒng)8包括數(shù)字-模擬(D/A)轉(zhuǎn)換器82，視頻監(jiān)視器84，和視頻編碼器86。D/A轉(zhuǎn)換器82將由圖像處理器66處理的圖像信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。作為取景器的視頻監(jiān)視器84顯示對應(yīng)于輸入視頻信號的圖像，并例如由液晶顯示器(LCD)來實(shí)現(xiàn)。視頻解碼器86將模擬圖像信號編碼成適于提供在后續(xù)級的視頻監(jiān)視器84的格式的視頻信號。
控制器9包括中央控制器92，例如中央處理單元(CPU)。中央控制器92控制驅(qū)動器(未示出)來讀取存儲在磁盤、光盤、磁光盤、或半導(dǎo)體存儲器上的控制程序，并根據(jù)控制程序以及用戶輸入的命令控制整個(gè)數(shù)字靜止照相機(jī)1。
控制系統(tǒng)9還包括曝光控制器94，驅(qū)動控制器96，和操作單元98。曝光控制器94控制快門52和光圈56，使得傳輸?shù)綀D像處理器66的圖像的亮度適當(dāng)。驅(qū)動控制器96包括用來控制從固態(tài)成像裝置10到圖像處理器66的功能單元的操作時(shí)序的時(shí)序信號產(chǎn)生器(TG)40。操作單元98允許用戶指定快門時(shí)序或輸入命令。中央控制器92控制連接到數(shù)字靜止照相機(jī)1的總線99上的圖像處理器66、編解碼器74、存儲器72、曝光控制器94、和時(shí)序信號產(chǎn)生器40。
在數(shù)字靜止照相機(jī)1中，例如閃爍校正、γ校正、陰影校正、和顏色平衡的處理都在數(shù)字區(qū)主要由圖像處理器66來執(zhí)行。數(shù)字靜止照相機(jī)1包括用于自動對焦(AF)、自動白平衡(AWB)、自動曝光(AE)等的自動控制器。自動控制器基于從固態(tài)成像單元2輸出的信號執(zhí)行控制。例如，曝光控制器94根據(jù)由中央控制器92設(shè)定的參數(shù)控制光圈56，以便傳輸?shù)綀D像處理器66的圖像的亮度適當(dāng)。
時(shí)序信號產(chǎn)生器40由中央控制器92控制。時(shí)序信號產(chǎn)生器40產(chǎn)生操作固態(tài)成像裝置10、預(yù)放大器61、A/D轉(zhuǎn)換器64、和圖像處理器66所需的時(shí)序脈沖，并將時(shí)序脈沖提供給這些部分。操作單元98在用戶操作數(shù)字靜止照相機(jī)1時(shí)使用。
固態(tài)成像單元2由固態(tài)成像裝置10、預(yù)放大器61、A/D轉(zhuǎn)換器64、和成像模塊3中的驅(qū)動控制器96構(gòu)成。優(yōu)選地，固態(tài)成像單元2通過在一塊電路板上提供固態(tài)成像裝置10、預(yù)放大器61、A/D轉(zhuǎn)換器64、和驅(qū)動控制器96來實(shí)現(xiàn)，或通過在一塊半導(dǎo)體基板上形成這些部分來實(shí)現(xiàn)。然而，這僅是一個(gè)實(shí)例，還有各種改變的可能。例如，預(yù)放大器61、A/D轉(zhuǎn)換器64、和驅(qū)動控制器96可以部分或全部地安置在與包括固態(tài)成像裝置10的半導(dǎo)體芯片所分離的電路板上，且該電路板可以是半導(dǎo)體芯片。
在圖1所示的實(shí)例中，信號處理系統(tǒng)6的預(yù)放大器61和A/D轉(zhuǎn)換器64包括在成像模塊3中，但是，無須限制于該實(shí)例，預(yù)放大器61和A/D轉(zhuǎn)換器64還可提供在主單元4中。而且，D/A轉(zhuǎn)換器82可以提供在圖像處理器66中。
而且，雖然時(shí)序信號產(chǎn)生器40在該實(shí)例中包括在成像模塊3中，但可選地，時(shí)序信號產(chǎn)生器40可以提供在主單元4中。而且，雖然時(shí)序信號產(chǎn)生器40、掃描器42、和控制信號產(chǎn)生器46在該實(shí)例中獨(dú)立提供，但是，無須限制于該實(shí)例，這些部分可以集成在一起來提供。這就允許數(shù)字靜止照相機(jī)1可以進(jìn)一步緊湊。
而且，雖然時(shí)序信號產(chǎn)生器40、掃描器42、和控制信號產(chǎn)生器46可以通過離散的元件分別實(shí)現(xiàn)，優(yōu)選地，這些部分可以由在單個(gè)半導(dǎo)體基板上形成的集成電路(IC)來實(shí)現(xiàn)。更優(yōu)選地，這些部分可以與固態(tài)成像裝置10一起形成在單個(gè)半導(dǎo)體基板上。這種類型的結(jié)構(gòu)在CMOS成像裝置中是很容易的。這就允許固態(tài)成像單元2緊湊，便于部件的手工，并能降低成本。而且，也便于數(shù)字靜止照相機(jī)1的制造。
而且，當(dāng)與所使用的固態(tài)成像裝置10具有牢固連接的時(shí)序信號產(chǎn)生器40、掃描器42、和控制信號產(chǎn)生器46通過裝配這些部件和固態(tài)成像裝置10到通用基板上或在成像模塊3中提供這些部件而使其集成時(shí)，能便于這些部分的處理和管理。在這種情況中，由于這些集成的部分作為一個(gè)模塊，因此便于數(shù)字靜止照相機(jī)1或數(shù)字靜止照相機(jī)1的最終產(chǎn)品的制造。成像模塊3可以包括固態(tài)成像裝置10和光學(xué)系統(tǒng)5，而無需包括驅(qū)動控制器96。
無需限于以上所述的結(jié)構(gòu)，時(shí)序信號產(chǎn)生器40可以與成像單元110分開提供，以便通過包括成像單元110和諸如掃描器42的外部電路的成像裝置以及外部提供的時(shí)序信號產(chǎn)生器40，而形成固態(tài)成像單元2。就是說，時(shí)序信號產(chǎn)生器40可以作為獨(dú)立的半導(dǎo)體集成電路來提供，而與諸如成像單元110和水平掃描器42H的其它功能性單元分開。在這種情況下，固態(tài)成像單元2通過時(shí)序產(chǎn)生器40和包括該成像單元110和水平掃描器42H的成像裝置而形成。該固態(tài)成像單元2可以以包括例如信號處理電路和電源電路的外圍電路的成像模塊的形式而提供。
固態(tài)成像裝置和外圍部件第一和第二實(shí)施例圖2A和3顯示的是根據(jù)本發(fā)明的第一和第二實(shí)施例的主要包括CMOS固態(tài)成像裝置10的固態(tài)成像單元2以及外圍部件的示意圖。在圖2A和3所示的實(shí)施例中，固態(tài)成像裝置10主要包括成像單元110和預(yù)放大器61，以及在固態(tài)成像裝置10的外部提供的A/D轉(zhuǎn)換器64。
固態(tài)成像裝置10通過在通用半導(dǎo)體基板上形成成像單元110和預(yù)放大器61而實(shí)現(xiàn)。而且，A/D轉(zhuǎn)換器64和信號擴(kuò)展單元310可以在同一芯片上形成，而不在固態(tài)成像裝置10的列區(qū)域的區(qū)域上形成。在這種情況中，固態(tài)成像單元2與固態(tài)成像裝置10基本上一致。
固態(tài)成像單元2包括成像單元(光電轉(zhuǎn)換器區(qū))，其包括像素的行和列的二維矩陣。該像素包括輸出對應(yīng)于入射光量的信號的光傳感器元件。在該固態(tài)成像單元2中，為像素的各個(gè)像素的列提供有電容器，在提供于輸出端的列區(qū)域中，從各個(gè)像素中讀出的成像信號被連續(xù)存儲在電容器中，并連續(xù)讀出信號給輸出放大器。這樣的結(jié)構(gòu)被稱為基于列的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)該基于列的結(jié)構(gòu)，像素信號被讀取并且基于一列列來處理像素。這樣，與像素信號在各個(gè)單元像素中處理相比，每個(gè)單元像素的結(jié)構(gòu)被簡化了。因此，可以增加像素的數(shù)量，減小尺寸，并降低圖像傳感器的成本。該基于列的結(jié)構(gòu)將在以下具體描述。
如圖2A和3所示，固態(tài)成像單元2包括含有如圖2B所示的單元像素(P)103的m行和n列的二維矩陣的成像單元110，提供在成像單元110附近的驅(qū)動控制器96，包括列電路63的預(yù)放大器61，和輸出放大器129。該輸出放大器129作為輸出部分，輸出作為成像信號S0的單行的成像單元110的所有連續(xù)像素(所有連續(xù)有效的像素)的像素信號。
如圖2B所示，每個(gè)單元像素103包括具有寄生電容的浮動擴(kuò)散(FD)區(qū)138。該浮動擴(kuò)散區(qū)138作為電荷積累器來積累通過例如埋存光電二極管實(shí)現(xiàn)的電荷產(chǎn)生器132產(chǎn)生的信號電荷。而且，單元像素103包括四個(gè)晶體管。這在以下稱為4TR結(jié)構(gòu)。在單元像素103中使用埋存光電二極管能降低無照電流(dark current)。
四個(gè)晶體管TR包括讀選擇晶體管134，復(fù)位晶體管136，垂直選擇晶體管140，和放大晶體管142。這樣，單元像素103包括含有浮動擴(kuò)散區(qū)138的像素信號產(chǎn)生器105。該單元像素103將在以下參考圖14詳細(xì)描述。
雖然為簡單起見省略了圖2A中的一些行和列，但實(shí)際上，在這些行和列上提供有幾十至幾千個(gè)單元像素103(103-1-1，...103-1-n，103-2-1，...103-m-n)。
驅(qū)動控制器96包括例如水平掃描器42H，垂直掃描器42V，和控制信號產(chǎn)生器46。雖然未示出，但水平掃描器42H包括水平解碼器，用來確定要被讀取的列，即用來在預(yù)放大器61中單獨(dú)選取每個(gè)列電路63。水平掃描器42H還包括水平驅(qū)動電路(即，列選擇移位寄存器)，用來根據(jù)由水平解碼器所確定的讀取列地址，將選擇的列電路63的信號引導(dǎo)給水平信號行118。
雖然未示出，但垂直掃描器42V包括垂直解碼器，用來確定要被讀出的行，即用來選擇成像單元110的行。該垂直掃描器42V還包括垂直驅(qū)動電路(即，行選擇移位寄存器)，用來根據(jù)由垂直解碼器確定的讀取行地址，而將脈沖提供給控制行，以驅(qū)動單元像素103。垂直驅(qū)動電路包括將在以下參考圖14描述的傳輸驅(qū)動緩沖器150、復(fù)位驅(qū)動緩沖器152、和選擇驅(qū)動緩沖器154。
而且，該驅(qū)動控制器96包括時(shí)序信號產(chǎn)生器40(圖1所示，而未在圖2A中示出)，用來在特定的時(shí)序產(chǎn)生各種脈沖信號，并將這些脈沖信號提供給水平掃描器42H、垂直掃描器42V、以及列電路63。例如，時(shí)序信號產(chǎn)生器40輸出水平地址信號給水平解碼器并輸出垂直地址信號給垂直解碼器，同時(shí)解碼器分別選擇對應(yīng)的行和列。
優(yōu)選地，驅(qū)動控制器96的元件使用用于制造半導(dǎo)體集成電路的技術(shù)，在由單晶硅等構(gòu)成的半導(dǎo)體區(qū)域中與成像單元110一起集成而成，由此形成作為半導(dǎo)體裝置的實(shí)例的固態(tài)成像裝置。該成像單元110的單元像素103連接到地(GND)，其作為定義整個(gè)裝置的參考電壓的主參考電壓。
在單元像素103和各個(gè)列電路63之間的信號路徑上，提供有包括其漏極連接到垂直信號線158(158-1，158-2，...，158-n)上的MOS晶體管171(171-1，171-2，...，171-n)的負(fù)載晶體管單元172。同時(shí)提供有負(fù)載控制器(負(fù)載MOS控制器)174，用來控制負(fù)載MOS晶體管171的驅(qū)動。負(fù)載控制器174提供偏置電壓給各個(gè)負(fù)載MOS晶體管171的柵極，以便負(fù)載MOS晶體管171被負(fù)載控制器174驅(qū)動和控制。
例如，單元像素103經(jīng)由垂直掃描控制線115(115-1，115-2，...，115-m)連接到垂直掃描器42V來選擇行，并經(jīng)由垂直信號線158連接到各個(gè)列電路63。
垂直掃描控制線115一般是指從垂直掃描器42V到單元像素103延伸的線。例如，關(guān)于圖2B所示的單元像素103，當(dāng)垂直選擇線(SV)155從垂直掃描器42V延伸時(shí)，垂直掃描控制線115包括傳輸柵極線(TX)151和復(fù)位線(R)153，以及垂直選擇線(SV)155。水平掃描器42H和垂直掃描器42V包括解碼器，并響應(yīng)于從時(shí)序信號產(chǎn)生器40提供的驅(qū)動脈沖，開始移位操作(即，掃描)。這樣，垂直掃描控制線115包括用來傳輸用以驅(qū)動單元像素103的各種脈沖信號的線，例如，復(fù)位信號R、傳輸控制脈沖TX、和DRN控制脈沖SV。
放大晶體管142經(jīng)由垂直選擇晶體管140連接到垂直信號線158。垂直信號線158基于一列列連接到負(fù)載MOS晶體管171的漏極。負(fù)載MOS晶體管171的柵極共同接收來自負(fù)載控制器174的負(fù)載控制信號CTld，并當(dāng)讀取信號時(shí)，經(jīng)由垂直選擇晶體管140，由連接到放大晶體管142的負(fù)載MOS晶體管171導(dǎo)致預(yù)定的恒定電流流動。
由成像單元110獲取的像素信號經(jīng)由垂直信號線158被傳輸給預(yù)放大器61的列電路63(63-1，63-2，...，63-n)。由列電路63所處理的電壓信號經(jīng)由根據(jù)來自水平掃描器42H的水平選擇信號選擇的水平選擇晶體管(未示出)而傳輸給水平信號線118，接著被輸入給輸出放大器129，接著被提供給外部電路300作為成像信號S0。
就是說，在基于列的固態(tài)成像單元2中，從單元像素103輸出的電壓信號以垂直信號線158、列電路63、水平信號線118、以及輸出放大器129的順序來傳輸。更具體地，用于一行的輸出像素信號經(jīng)由垂直信號線158與并行傳輸?shù)搅须娐?3，而由CDS處理所獲取的信號經(jīng)由水平信號線118串行輸出。垂直掃描控制線115用來選擇行。
只要可以單獨(dú)地驅(qū)動每列和每行，用于提供脈沖信號的驅(qū)動時(shí)鐘線的物理連線，即用于傳輸脈沖信號的線沿單元像素的行或者列放置，可以被任意地選擇。
預(yù)放大器61包括提供給各個(gè)垂直信號線158(即，列)的列處理器62。每個(gè)列處理器62包括像素信號檢測器210，像素信號放大器230，開關(guān)250，和列電路63。列電路63是連續(xù)積累經(jīng)由垂直信號線158讀取的單元像素103的像素信號以及在特定時(shí)序讀取像素信號的像素信號獲取單元的實(shí)例。每個(gè)列電路63包括，例如，作為功能元件的取樣和保持(S/H)電路。該列電路63的操作根據(jù)經(jīng)由控制線43從水平掃描器42H輸入的控制信號而受到控制。
如以后將要詳細(xì)描述的，列電路63，依靠于與提供在其前級的像素信號放大器230的組合，優(yōu)選地具有抑制包括在從像素信號放大器230輸出的成像信號中的噪聲的功能。例如，該列電路63由已知的雙關(guān)聯(lián)取樣(CDS)的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。就是說，列電路63優(yōu)選地具有噪聲抑制器的功能。
而且，如以下將要詳細(xì)描述的，列電路63，依靠于與像素信號放大器230的組合，優(yōu)選地具有抑制在從像素信號放大器230輸出的成像信號的直流(DC)成分中的變化的功能。即，根據(jù)本發(fā)明的列電路63優(yōu)選地具有輸出DC電平抑制器的功能。
除了列電路63外，預(yù)放大器61還包括像素信號控制器200。該像素信號控制器200包括用于檢測輸入信號的信號電平的像素信號檢測器(C)210(210-1，210-2，...，210-n)，能作為可編程增益放大器(PGA)實(shí)現(xiàn)的像素信號放大器230(230-1，230-2，...，230-n)，和開關(guān)250(250-1，250-2，...，250-n)。像素信號檢測器210、像素信號放大器230、和開關(guān)250是該實(shí)施例的特征。像素信號控制器200是根據(jù)本發(fā)明的增益控制器的實(shí)例。在該實(shí)施例中，像素信號控制器200除了像素檢測器210和像素信號放大器230外，還包括控制信號產(chǎn)生器46，它整體上用作PGA電路。
第一和第二實(shí)施例的特征在于各個(gè)單元像素103的像素信號Vsig的電平獨(dú)立地在列區(qū)域單元(預(yù)放大器61)的每個(gè)像素列中檢測，還在于能基于檢測的結(jié)果為像素的每列單獨(dú)設(shè)定增益，同時(shí)也在于在設(shè)定增益后的像素信號Vout以模擬信號的形式被輸出到列區(qū)域單元(預(yù)放大器61)的外部。
該結(jié)構(gòu)可以是在預(yù)放大器61的后續(xù)級中檢測單元像素103的信號電平。但是，在這種情況下，放大器的頻率帶寬必須被增加，使得從檢測電路來的噪聲增加。作為對策，通過提供用于像素各個(gè)列的檢測電路，末級放大器的頻率帶寬能被降低到像素列的數(shù)量的倒數(shù)，從而降低了噪聲。
像素信號檢測器210的操作根據(jù)經(jīng)由控制線211從控制信號產(chǎn)生器46輸入的各種控制信號來控制。像素信號放大器230的操作根據(jù)經(jīng)由控制線231從控制信號產(chǎn)生器46輸入的各種控制信號來控制。開關(guān)250的切換操作根據(jù)經(jīng)由控制線251從控制信號產(chǎn)生器46輸入的控制信號фs來控制。
像素信號檢測器210從成像單元110一行行地讀取像素信號Vsig，并確定其電壓電平。像素信號檢測器210在列區(qū)域單元(預(yù)放大器61)或列區(qū)域單元(預(yù)放大器61)外的控制信號產(chǎn)生器46中發(fā)送表示結(jié)果的M-位分類信號Vsepa給像素信號放大器230。這樣，增益以自匹配方式被控制。
像素信號檢測器210還輸出分類信號Vsepa到固態(tài)成像裝置10的芯片的外部，以便可以發(fā)現(xiàn)像素信號Vsig的電平以及來自芯片外部給像素信號放大器230設(shè)定的增益。這樣，允許參照為各個(gè)像素檢測到的分類信號Vsepa設(shè)定增益，或根據(jù)該增益從芯片的外部執(zhí)行信號處理。
可以通過中央控制器92(圖1所示，在圖2A未示出)來選擇是通過基于列區(qū)域單元(預(yù)放大器61)的像素檢測器210所檢測的結(jié)果設(shè)置像素放大器230的增益，來控制像素放大器230的增益，還是通過在列區(qū)域單元(預(yù)放大器61)外部提供的控制信號產(chǎn)生器46來控制增益。
當(dāng)通過控制信號產(chǎn)生器46控制增益時(shí)，控制信號產(chǎn)生器46可以基于列區(qū)域單元(預(yù)放大器61)中的像素信號檢測器210所檢測的結(jié)果給像素信號放大器230設(shè)定合適的增益?？蛇x地，例如，可以參照圖像而無需根據(jù)由像素信號檢測器210檢測的結(jié)果，來由用戶按照需要設(shè)置增益，這類似于以后參考圖22所要描述的結(jié)構(gòu)。
在任何情況下，當(dāng)列區(qū)域單元(預(yù)放大器61)的像素信號檢測器210所檢測的結(jié)果被參考時(shí)，由像素信號檢測器210檢測的結(jié)果以自匹配方式反映在提供于列區(qū)域單元的像素信號放大器230的增益設(shè)定上，允許自動設(shè)定增益。
當(dāng)由像素信號檢測器210檢測的結(jié)果沒有被參考時(shí)，增益不以自匹配的方式被調(diào)整，并且像素信號放大器230的增益由控制信號產(chǎn)生器46在外部控制。這樣，明顯地，不需要提供像素信號檢測器210。根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，其中由像素信號檢測器210檢測的結(jié)果沒有被參考，列區(qū)域單元可以更緊湊，使得設(shè)計(jì)便利性能通過允許外部的設(shè)定而被增加。而且，當(dāng)不需要控制信號產(chǎn)生器46時(shí)，顯然，不需要提供控制信號產(chǎn)生器46。
像素信號放大器230具有經(jīng)由開關(guān)250連接到垂直信號線158的輸入，和連接到列電路63的輸出。該像素信號放大器230優(yōu)選地被安排為使得輸出信號Vout的DC電平即便當(dāng)增益被調(diào)整時(shí)也不改變。
可以根據(jù)第一實(shí)施例而安排像素信號檢測器210，以便在像素信號放大器230的輸出端檢測信號電平，如圖2A所示，或根據(jù)第二實(shí)施例安排像素信號檢測器210，以便在像素信號放大器230的輸入端檢測信號電平，如圖3所示。當(dāng)信號電平在像素信號放大器230的輸出端被檢測時(shí)，信號電平可以在像素信號放大器230和列電路63(或以后將要描述的列ADC電路280)間被檢測，或在列電路64(或以后描述的列ADC電路280)的輸出端上檢測。這些結(jié)構(gòu)將在以后詳細(xì)描述。
用于各個(gè)列的列區(qū)域包括像素信號檢測器210，像素信號放大器230，開關(guān)250，和列電路63，以及用于各個(gè)列的列區(qū)域一起將被稱為列區(qū)域單元。列區(qū)域單元與預(yù)放大器61基本一致。
在以上描述的結(jié)構(gòu)中，像素信號控制器200檢測通過垂直信號線158讀出的像素信號的電平，并在控制用于單元像素103的像素信號的增益的同時(shí)輸出信號電平。適應(yīng)性調(diào)整用于輸出的增益的像素信號控制器200，將被稱為自適應(yīng)增益列調(diào)整電路。該像素信號控制器200將在下面詳細(xì)說明。
在如上所述構(gòu)造的自適應(yīng)增益列調(diào)整電路中，像素信號檢測器210例如經(jīng)由輸出線212a(在圖2A中未示出)控制像素信號放大器230的增益設(shè)定。而且，像素信號檢測器210通過輸出線212b(圖2A中未示出)發(fā)送分類信號Vsepa給控制信號產(chǎn)生器46。響應(yīng)于分類信號Vsepa，控制信號產(chǎn)生器46控制像素信號放大器230的增益設(shè)定。
與分類信號Vsepa通過輸出線212a直接提供給像素信號放大器230的情況相比，在控制信號產(chǎn)生器46中執(zhí)行了額外的處理。這樣，像素信號放大器230的增益設(shè)定可以根據(jù)檢測結(jié)果從列區(qū)域的外部來控制，使得增益設(shè)定的靈活性與增益設(shè)定僅僅在列區(qū)域單元中控制的情況相比得以提高。
例如，依靠分類信號Vsepa和操作時(shí)序，當(dāng)增益設(shè)定通過輸出線212a直接被控制時(shí)，控制能限制為2的冪，例如1(2^0)，2(2^1)，4(2^2)，8(2^4)(“^”代表2的冪)。相反，通過經(jīng)由控制線212b發(fā)送分類信號Vsepa給控制信號產(chǎn)生器46，增益設(shè)定能以步長為1的逐步方式在×1到×8甚至更大的范圍內(nèi)得到控制。
例如，單個(gè)全屏中的信號的平均電平通過外部電路300來檢測，并且表示信號平均電平的檢測結(jié)果經(jīng)由中央控制器92被發(fā)送到控制信號產(chǎn)生器46?；趶南袼匦盘枡z測器210接收到的分類信號Vsepa，控制信號產(chǎn)生器46確定2的冪作為給像素信號放大器230設(shè)定的增益。接著，增益基于從中央控制器92所報(bào)告的平均信號電平而被校正，同時(shí)在×1到×8范圍內(nèi)校正的增益被設(shè)定給像素放大器230。
而且，像素信號檢測器210通過輸出線212c輸出分類信號Vsepa給固態(tài)成像裝置10的芯片的外部。此時(shí)，分類信號Vsepa與由像素信號放大器230基于單元像素103而放大的成像信號相關(guān)地被輸出。
“相關(guān)地輸出”表示像素信號和與像素信號關(guān)聯(lián)的分類信號Vsepa關(guān)于像素位置同步輸出，以便這些信號在基本上相同的時(shí)序輸入給提供在后續(xù)級(即，信號擴(kuò)展單元310)的信號處理電路的輸入部分。例如，不限于在與由像素信號放大器230放大的信號相同的時(shí)序輸出分類信號Vsepa到芯片的外部，當(dāng)模擬成像信號在被傳送到信號擴(kuò)展單元310之前由A/D轉(zhuǎn)換器64數(shù)字化時(shí)，要考慮由于數(shù)字化引起的延遲。
通過在同一個(gè)時(shí)序輸入分類信號Vsepa和像素信號給信號擴(kuò)展單元310，在信號擴(kuò)展單元310中的信號處理能得到精確地控制，以便有助于信號處理。
當(dāng)給像素信號放大器230設(shè)定的增益值和像素信號Vsig的電平能從芯片外部發(fā)現(xiàn)時(shí)，例如，在監(jiān)視器上顯示的單個(gè)屏幕通過基于表示像素信號檢測器210的檢測結(jié)果的M位分類信號Vsepa的亮度信息或顏色信息來表示，以便能從外部發(fā)現(xiàn)像素信號的電平或增益值。中央控制器92接收來自用戶的用于為一個(gè)整個(gè)屏幕設(shè)定增益的指令，并發(fā)送該指令到控制信號產(chǎn)生器46。
與增益僅僅在芯片內(nèi)控制的情況比較，通過允許用戶外部設(shè)定，增益設(shè)定的靈活性得以提高。而且，由于分類信號Vsepa甚至能從芯片外部參考，因此與通過從外部無關(guān)于信號電平來控制增益而控制圖像亮度相比，即便由用戶手動設(shè)定，也允許精確的控制。在這種情況下，控制信號產(chǎn)生器46可以在芯片外部提供，例如，通過集成控制信號產(chǎn)生器46與中央控制器92。這樣可以降低被芯片占據(jù)的區(qū)域。
在固態(tài)成像單元2(固態(tài)成像裝置10)的后續(xù)級，提供有外部電路300，包括N位(例如12位或14位)A/D轉(zhuǎn)換器64和信號擴(kuò)展單元310，其是該實(shí)施例特征。如以下將要詳細(xì)描述的，信號擴(kuò)展單元310具有去除噪聲的功能和增益不匹配校正功能。
基于從像素信號檢測器210輸入的分類信號Vsepa和由A/D轉(zhuǎn)換器64數(shù)字化的N位成像信號Vout2，信號擴(kuò)展單元310擴(kuò)展N位成像信號的數(shù)字動態(tài)范圍。此時(shí)，信號擴(kuò)展單元310執(zhí)行數(shù)字噪聲去除和增益不匹配校正，其是根據(jù)本發(fā)明的增益校正的實(shí)例。
增益不匹配校正的目的是，通過單個(gè)屏幕校正增益設(shè)定改變，該改變是在像素信號放大器230中為各個(gè)像素設(shè)定不同增益所引起的，以便整個(gè)屏幕恢復(fù)原始狀態(tài)，因此擴(kuò)展了一個(gè)屏幕的信號動態(tài)范圍。
例如，當(dāng)給像素信號放大器230設(shè)定的增益的調(diào)整范圍由M位表示時(shí)，數(shù)據(jù)由(N+M)位表示。當(dāng)分類信號Vsepa的位M的數(shù)量相應(yīng)于增益的調(diào)整范圍時(shí)，N位數(shù)據(jù)的位分辨率使用輸入信號V(i)和分類信號Vsepa來校正，以便擴(kuò)展位分辨率，例如，從N位到(M+N)位，甚至更多。即便分類信號Vsepa是1位數(shù)據(jù)，當(dāng)由分類信號Vsepa表示的增益是×1和×8時(shí)，即，當(dāng)給像素信號放大器230設(shè)定的增益是×1和×8(3位的調(diào)整范圍)時(shí)，輸入的N位數(shù)據(jù)被擴(kuò)展3位。此時(shí)，分類信號Vsepa通過增益校正因子產(chǎn)生器316與增益校正因子關(guān)聯(lián)。
信號擴(kuò)展單元310構(gòu)成由DSP實(shí)現(xiàn)的圖像處理器66(如圖1所示)的一部分。雖然外部電路300的A/D轉(zhuǎn)換器64和信號擴(kuò)展單元310與固態(tài)成像單元2(固態(tài)成像裝置10)分開地提供，但是外部電路300可以使用用于制造半導(dǎo)體集成電路的技術(shù)，與成像單元110一起集成在由單晶硅等構(gòu)成的半導(dǎo)體區(qū)域上，由此實(shí)現(xiàn)作為半導(dǎo)體裝置的實(shí)例的固態(tài)成像裝置。
操作原理接下來，將描述如以上所述的結(jié)構(gòu)的固態(tài)成像單元2的操作原理。首先，信號電壓Vsig從垂直信號線158(158-1，158-2，...，158-n)輸出，并輸入到像素信號放大器230。信號電壓Vsig被放大特定的放大因數(shù)，并將所得到的信號作為輸出信號Vout輸出。像素信號檢測器210在像素信號放大器230的輸出端將輸出信號Vout與預(yù)定的參考電壓比較。可選地，像素信號檢測器210在像素信號放大器230的輸入端上將信號電壓Vsig與預(yù)定參考電壓進(jìn)行比較。像素信號檢測器接著輸出分類信號Vsepa。
關(guān)于第二實(shí)施例的操作時(shí)序和檢測電路的第一實(shí)例圖4顯示的是根據(jù)圖3所示的第二實(shí)施例的固態(tài)成像單元2的一個(gè)水平周期中的操作時(shí)序的時(shí)序表。圖5顯示的是在圖3所示的第二實(shí)施例中的像素信號檢測器210的示例結(jié)構(gòu)的圖。
如圖5所示，在第二實(shí)施例中的像素檢測器210包括像素信號電平檢測器213和分類信號產(chǎn)生器224。像素信號電平檢測器213檢測通過成像單元110的垂直信號線158輸出的像素信號Vsig的電平，并將該電平與預(yù)定的閥值比較。該分類信號產(chǎn)生器224基于像素信號電平檢測器213檢測的結(jié)果，產(chǎn)生用于對像素信號Vsig的電平進(jìn)行分類的分類信號Vsepa。
該像素信號電平檢測器213包括開關(guān)214，215，216，217，和218，電容器219，和比較器220和222。該分類信號產(chǎn)生器224包括三個(gè)觸發(fā)器(FF)電路226，227，和228。
在像素信號電平檢測器213中，預(yù)定的參考電壓VR通過像素信號檢測器210中的電壓產(chǎn)生器(未示出)提供給各個(gè)比較器220和222的一個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)220a和222a。各個(gè)開關(guān)215到217的一個(gè)端子接收預(yù)定電平的比較電壓Vrc1，Vrc2，和Vrc3，同時(shí)各個(gè)開關(guān)215到217的其它端子共同連接到開關(guān)214和電容器219的輸出。
開關(guān)218被提供在輸入節(jié)點(diǎn)220b和輸出之間，以便比較器220能復(fù)位。開關(guān)214通過垂直信號線158接收像素信號Vin。像素信號Vin經(jīng)由開關(guān)214被傳送給電容器219，并由比較器220與預(yù)定的電壓比較。比較器220的輸出被輸入到比較器222的輸入節(jié)點(diǎn)222b。比較器222的輸出被共同輸入到觸發(fā)器電路226，227，和228的數(shù)據(jù)輸入端(D)。
開關(guān)214到218接收同步時(shí)鐘фrc1到фrc3，ф4和ф4’，它們用作通過控制線211從控制信號產(chǎn)生器46來的控制信號。
在分類信號產(chǎn)生器224中，觸發(fā)器電路226到228的時(shí)鐘端接收同步時(shí)鐘/фrc1到/фrc3(在圖4中用上橫杠表示)，其是同步時(shí)鐘фrc1到фrc3的反轉(zhuǎn)信號，通過控制線211來自控制信號產(chǎn)生器46。觸發(fā)器電路226到228的鎖存端(R)接收輸出的脈沖Rc。
現(xiàn)在，將參考圖4所示的時(shí)序表描述像素信號檢測器210的操作。首先，像素信號放大器230在作為用于控制像素信號放大器230的控制信號的時(shí)鐘ф1的“H”周期(t10到t23)復(fù)位。而且，在ф1＝“H”的周期中，包括單元像素103的浮動擴(kuò)散區(qū)138的像素信號產(chǎn)生器105的復(fù)位晶體管136通過經(jīng)由復(fù)位線153(t10到t11)輸入復(fù)位脈沖R(i)來復(fù)位。接著，從單元像素103接收到的復(fù)位電平被取樣(t11到t12)。
接著，傳輸控制信號(即，讀脈沖)TX(i)通過傳輸柵極線151拉到“H”，由此由光電二極管等實(shí)現(xiàn)的電荷產(chǎn)生器132的信號被讀出到浮動擴(kuò)散區(qū)138(t12到t13)。此時(shí)，用于開關(guān)250的控制信號ф2處在“L”，使得像素信號放大器230被保持復(fù)位。
接著，在ф1＝“H”而ф2＝“L”的周期，用于開關(guān)214的控制信號ф4被拉到“H”，使得激活像素信號檢測器210(t14到t15)。接著，控制信號фrc1到фrc3連續(xù)被選擇(t16到t21)，以根據(jù)信號電平(t22)確定增益。
例如，通過垂直信號線158經(jīng)由開關(guān)214輸入的像素信號Vsig在比較器220的輸入節(jié)點(diǎn)220b的電容器219中被積累(t14到t15)。由比較器220和222基于同步時(shí)鐘фrc1到фrc3，通過開關(guān)215、216、和217的操作，將積累的信號Vsig與比較電壓Vrc1、Vrc2、和Vrc3進(jìn)行比較。三次比較的比較結(jié)果Vcomp基于同步時(shí)鐘/фrc1到/фrc3被寫入觸發(fā)器電路226、227和228。接著，一旦與同步時(shí)鐘фrc3關(guān)聯(lián)的比較完成，從例如1，2，4，和8等的2的冪中確定像素信號放大器230的增益。
在該實(shí)例中，基于與由2的冪表示的增益設(shè)定關(guān)聯(lián)的參考電壓，執(zhí)行比較與分類，以便分類信號Vsepa與用于由2的冪表示的像素信號放大器230的增益設(shè)定值逐一關(guān)聯(lián)。這樣，位控制信號G1，G2和G4(或/G1，/G2，和/G4)能被直接用做切換增益的控制信號，并且分類信號Vsepa的位M的數(shù)量等于增益調(diào)整范圍的位的數(shù)量。該關(guān)聯(lián)在僅僅使用一個(gè)參考電壓時(shí)或在參考電壓沒有用2的冪表示的時(shí)不被允許。
例如，當(dāng)比較和分類僅僅基于與×8的增益關(guān)聯(lián)的參考電壓來執(zhí)行時(shí)，分類信號Vsepa是1位數(shù)據(jù)，并且根據(jù)×8的增益，增益的調(diào)整范圍是三位，使得產(chǎn)生不匹配。然而，即便在這種情況下，當(dāng)結(jié)合其中可以設(shè)定×1或×8的增益的像素信號放大器230使用時(shí)，1位分類信號Vsepa能直接用于增益設(shè)定。然而，在這種情況下，當(dāng)在信號擴(kuò)展單元310中校正增益時(shí)，執(zhí)行分類信號Vsepa的一位校正是不夠的，必須對由分類信號Vsepa所表示的增益來執(zhí)行校正，即3位，這將在以后參考圖21A和21B來描述。
這樣，可以將垂直信號線158上的信號Vsig(更具體地，在復(fù)位電平Vrst和像素信號Vsig之間的差分ΔV)分類成一個(gè)范圍。表示分類結(jié)果的分類信號Vsepa基于輸出脈沖Rc、作為來自觸發(fā)器電路226，227，和228的非反相輸出端Q的位信號(以后也稱為位控制信號)G1、G2和G4被輸出，并作為來自反相輸出端/Q的位控制信號/G1、/G2和/G4(由圖5的上橫杠表示)，作為正側(cè)和負(fù)側(cè)上的3位數(shù)據(jù)。
由3位數(shù)據(jù)表示的分類信號Vsepa被提供給像素信號放大器230，并用做像素信號放大器230的增益設(shè)定信號。即，包括觸發(fā)器電路226、227和228的分類信號224用作根據(jù)本發(fā)明的增益設(shè)定控制器，其根據(jù)分類信號Vsepa控制像素信號放大器230的增益設(shè)定。
通過為每列提供的分類信號產(chǎn)生器224和像素信號電平檢測器213表示分類結(jié)果的分類信號Vsepa被反饋，用于為每列所提供的像素信號放大器230的增益設(shè)定，由此自動設(shè)定像素信號放大器230的增益。就是說，在其中分類信號Vsepa從分類信號產(chǎn)生器224發(fā)送到像素信號放大器230來設(shè)定像素信號放大器230的增益的結(jié)構(gòu)中，為每個(gè)像素列提供增益設(shè)定控制器。
而且，由3位數(shù)據(jù)所表示的分類信號Vsepa被提供給控制信號產(chǎn)生器46，或與由像素信號放大器230放大的輸出信號一起讀出給固態(tài)成像裝置10的芯片的外部?？梢詤⒖挤诸愋盘朧sepa并從控制信號產(chǎn)生器46或從該芯片的外部為像素信號放大器230設(shè)定增益。而且，每個(gè)像素的增益設(shè)定在信號擴(kuò)展單元310中由數(shù)字信號處理來校正，以便在單一屏幕中校正增益設(shè)定的變化時(shí)，擴(kuò)展數(shù)字動態(tài)范圍。
雖然在該實(shí)施例中分類信號Vsepa從分類信號產(chǎn)生器224輸出到列區(qū)域單元的外部，可選地，可以直接從像素信號電平檢測器213輸出檢測結(jié)果Vcomp，并用它來進(jìn)行增益設(shè)定或增益校正。
而且，在完成為像素信號放大器230確定增益的操作后，控制信號ф1被拉到“L”而控制信號ф2被拉到“H”，使得通過像素信號放大器230來放大在垂直信號線58上的像素信號Vsig。該放大的信號Vout被讀出到列區(qū)域單元(預(yù)放大器61)的外部。這樣，低電平的像素信號Vsig在模擬域中被放大，以得到更高電平的信號。
放大的信號Vout可以直接讀出到固態(tài)成像裝置10的外部，或可以通過由列電路63在像素信號放大器230的后續(xù)級對信號Vout進(jìn)行取樣和保持來讀取，如圖2A和3所示。當(dāng)列電路63被調(diào)整為具有CDS或其它噪聲抑制功能或DC變化抑制功能時(shí)，低電平的信號可以在模擬域中被放大到更高電平，并且與由于固定模式噪聲或增益調(diào)整而引起的DC電平中的變化關(guān)聯(lián)的噪聲被抑制了，使得得到高的S/N比。
比較器的示例結(jié)構(gòu)圖6顯示了圖5所示的比較器220和222的結(jié)構(gòu)的實(shí)例。比較器220和222中的每一個(gè)包括差分放大器。更具體地，如圖6所示，在比較器220和222中，用于執(zhí)行差分放大的晶體管對Q220和Q222的源極一起連接到用于提供恒定電流的晶體管Q226，而晶體管Q220和Q222的漏極串聯(lián)連接到晶體管對Q227和Q228。晶體管Q227和Q228的漏極接收電源電壓(在該實(shí)例中為2.5V)。
晶體管Q222的柵極相應(yīng)于圖5所示的輸入節(jié)點(diǎn)220a和222a，并且它接收參考電壓VR。晶體管Q220的柵極相應(yīng)于圖5所示的輸入節(jié)點(diǎn)220b和222b。晶體管Q226的柵極從控制信號產(chǎn)生器46接收預(yù)定的控制電壓，以便將其作為恒定電流源。晶體管Q227的柵極在比較器220和222中從電壓產(chǎn)生器(未示出)接收預(yù)定控制信號?？蛇x地，控制信號可以從控制信號產(chǎn)生器46提供給晶體管Q227的柵極。
由于比較器220和222可以由以上描述的差分放大器來實(shí)現(xiàn)，因此比較器220和222可以用其中元件數(shù)量很少和列區(qū)域的面積很小的電路來實(shí)現(xiàn)。
接著，將使用數(shù)值的特定實(shí)例來描述在第二實(shí)施例中的像素信號檢測器210的操作。例如，在根據(jù)第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)中，其中信號電壓Vsig與在像素信號放大器230的輸入端上的預(yù)定參考電壓比較(參考圖3)，參考電壓是500mV，250mV，和125mV。這些值是根據(jù)垂直信號線158是1V時(shí)的信號飽和電平而確定的。更具體地，1V被分成125mV的八個(gè)范圍。為了執(zhí)行與這些參考電壓的比較，具有分別相應(yīng)于500mV，250mV，和125mV的預(yù)定電平的比較電壓Vrc1，Vrc2，和Vrc3被提供給像素信號檢測器210。
表示各個(gè)像素檢測器210(210-1，210-2，...，210-n)的比較結(jié)果的輸出是由以下的表達(dá)式(1)表達(dá)的編碼(即，分類信號Vsepa)Vsig＜125mV Code 000125mV≤Vsig＜250mV Code 001250mV≤Vsig＜375mV Code 002375mV≤Vsig＜500mV Code 003500mV≤Vsig＜625mV Code 004625mV≤Vsig＜750mV Code 005750mV≤Vsig＜875mV Code 006875mV≤Vsig＜1000mV Code 007 (1)例如，當(dāng)Vsig＝300mV時(shí)，由編碼“002”的3位數(shù)字信號表示的比較輸出(即，分類信號Vsepa)從輸出線212c輸出到列區(qū)域單元(預(yù)放大器61)的外部。當(dāng)Vsig＝100mV時(shí)，由編碼“000”的3位數(shù)字信號表示的分類信號Vsepa從輸出線212c輸出到列區(qū)域單元的外部。
像素檢測器210(210-1，210-2，...，210-n)也從輸出線212b輸出比較輸出(即，分類信號Vsepa)到實(shí)現(xiàn)為PGA電路的像素放大器230(230-1，230-2，...，230-n)，同時(shí)也從輸出線212c輸出比較輸出給控制信號產(chǎn)生器46。
例如，當(dāng)Vsig＝300mV時(shí)，像素信號放大器230的增益根據(jù)來自像素信號檢測器210的編碼信號“002”而加倍。當(dāng)Vsig＝100mV時(shí)，像素信號放大器230的增益被放大8倍。即，在該實(shí)施例中，輸入信號電壓Vsig通過像素信號放大器230被轉(zhuǎn)換為高電壓。例如，×1的增益提供給具有對應(yīng)于正常亮度的高信號電平的像素，而×8的增益被提供給具有對應(yīng)于低亮度的低信號電平的像素。
與第一實(shí)施例有關(guān)的操作時(shí)序和檢測電路的第二實(shí)例圖7顯示了根據(jù)圖2A所示的第一實(shí)施例的固態(tài)成像單元2的水平周期期間的操作時(shí)序。圖8顯示的是在如圖2A所示的第一實(shí)施例中的像素信號檢測器210的結(jié)構(gòu)實(shí)例。
接著，將使用特定數(shù)值實(shí)例來描述在第一實(shí)施例中的像素信號檢測器210的操作。例如，在根據(jù)第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)中，其中信號電壓Vout與在像素信號放大器230的輸出端的預(yù)定參考電壓比較，當(dāng)增益設(shè)定由基于2的冪的×2，×4和×8三級來控制時(shí)，參考電壓為500mV，250mV，和125mV。為了執(zhí)行與這些參考電壓的比較，像素信號檢測器210接收具有分別相應(yīng)于500mV，250mV，和125mV的預(yù)定電平的比較電壓Vrc1，Vrc2，和Vrc3。
表示比較結(jié)果的像素信號檢測器210(210-1，210-2，...，210-n)的輸出由基于以下表達(dá)式(2)中的規(guī)則的編碼(即，分類信號Vsepa)來表示。通過使用組合三個(gè)參考電壓500mV，250mV，和125mV，例如125+250＝375mV，125+500＝675mV，500+250＝750mV，和500+125+250＝875mV，可以執(zhí)行關(guān)于不基于2的冪的電平的比較。
Vsig＜125mV Code 000125mV≤Vsig＜250mV Code 001250mV≤Vsig＜375mV Code 002375mV≤Vsig＜500mV Code 003500mV≤Vsig＜625mV Code 004625mV≤Vsig＜750mV Code 005
750mV≤Vsig＜875mV Code 006875mV≤Vsig＜1000mV Code 007 (2)當(dāng)基于像素信號檢測器210的檢測結(jié)果將增益設(shè)定給像素信號放大器230時(shí)，如果基于預(yù)定增益檢測到的信號電平在像素信號放大器230的線性范圍之外，在可以設(shè)定給該像素信號放大器230的增益中，將除了該預(yù)定增益外的最大增益設(shè)定給像素信號放大器230。這樣，增益設(shè)定就被控制而不至于超出像素信號放大器230的通帶范圍。
通常，直接使用小電平(在該實(shí)例中為100mV)信號，使得S/N比很小，并且結(jié)果圖像包括了大量的噪聲。相反，根據(jù)第一和第二實(shí)施例，等效的輸入信號是800mV，使得S/N比很高而圖像質(zhì)量很好。
而且，雖然A/D轉(zhuǎn)換器64的位數(shù)是10并且Vsig＝100mV時(shí)精確度通常是6或7位，但根據(jù)該實(shí)施例，精確度被提高到9或10位。這相當(dāng)于將A/D轉(zhuǎn)換器64的能力從10位提高到13位。而且，由于可以為每個(gè)像素信號設(shè)定PGA增益，該實(shí)施例對于在模擬-數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換中取得大量的位很有益處。
而且，通過基于2的冪將像素信號檢測器210的參考電壓數(shù)字增加到4個(gè)電壓，取得4位的精確度，以便模擬信號的S/N比進(jìn)一步提高。
由于在晶體管的驅(qū)動頻帶的低頻區(qū)域中的增益增加了，與其中在具有高驅(qū)動頻率的末端級增加增益的傳統(tǒng)技術(shù)相比，能夠發(fā)生的熱噪聲被降低。當(dāng)以高幀率用大量像素捕獲圖像時(shí)，通常，噪聲會導(dǎo)致由于提供在末端輸出級的模擬電路的增加的帶寬所引起的問題。相反，根據(jù)該實(shí)施例，帶寬被降低，因此與傳統(tǒng)技術(shù)相比噪聲被減少，并增加了容限。
而且，通過預(yù)先確定在像素信號放大器230中要設(shè)定的增益的步寬值，可以降低電路規(guī)模。雖然可以允許增益連續(xù)變化，但在這種情況下，電路變得更加復(fù)雜。
此外，根據(jù)第一和第二實(shí)施例，不使用導(dǎo)致輸出信號電平為常量的反饋結(jié)構(gòu)，并且像素信號放大器230在基于特定情況確定的增益下工作。這樣，由于反饋增益的非無限性而導(dǎo)致的輸出中的變化的問題不會發(fā)生，其通常由試圖保持輸出恒定而發(fā)生。這樣，就能得到具有適當(dāng)S/N比的圖像。
從圖2A和3所示的電路結(jié)構(gòu)可以看出，通過提供在各個(gè)列的垂直信號線158上檢測信號電平的像素信號檢測器210，可以為各個(gè)像素設(shè)定像素信號放大器230的增益。就是說，當(dāng)為了優(yōu)化各個(gè)單元像素的信號的增益而將控制電路提供給各個(gè)單元像素103時(shí)，大面積的區(qū)域被占用并增加了成本。相反，根據(jù)該實(shí)施例，主要由像素信號檢測器210和像素信號放大器230構(gòu)成的像素信號控制器200被提供給每列。這樣，通過一行行控制所有單元像素103的增益，可以基本上控制所有單元像素103的增益，而無需增加芯片尺寸。
由于信號飽和電平在各裝置之間變化，當(dāng)在整個(gè)屏幕上以相同增益而使得亮度增加時(shí)，在屏幕上的亮區(qū)超出了信號飽和電平，以至在結(jié)果圖像中發(fā)生由飽和導(dǎo)致的不均衡。相反，根據(jù)第一和第二實(shí)施例，像素信號檢測器210和像素信號放大器230被提供給每列，以便可以單獨(dú)為每個(gè)單元像素103控制像素信號。即，可以在屏幕中為每個(gè)具有小信號的單元像素控制增益。因此，可以實(shí)行控制以便在屏幕上的亮區(qū)不超過飽和。因此，可以為每個(gè)裝置執(zhí)行適當(dāng)?shù)奶幚?，以便不受信號飽和電平中的變化影響?br> 而且，通過使用根據(jù)第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，其中信號電壓Vout在像素信號放大器230的輸出側(cè)與預(yù)定的參考電壓比較，防止由像素信號放大器230放大的輸出信號Vout超出電路的動態(tài)范圍。
當(dāng)垂直信號線158本身的輸出飽和時(shí)，信號在后續(xù)電路中保持飽和。這樣，×1的增益被設(shè)定給正常亮度的區(qū)域，而在低亮度區(qū)域，增益被基本提高到正常亮度的信號電平，即，使得像素信號放大器230的輸出電平不超出垂直信號線158的飽和電平。為了將其反相，像素信號放大器230的動態(tài)范圍被選擇為與垂直信號線158的飽和電平基本相同或稍大一些。
例如，在根據(jù)第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)中，其中像素信號檢測器210在像素信號放大器230的輸入端執(zhí)行比較，以控制像素信號放大器230的增益，當(dāng)固態(tài)成像裝置10(具體地為成像裝置110)的信號飽和電平為1V時(shí)，而在輸入端檢測到是0.2V，并且在像素信號放大器230中放大10倍時(shí)，像素信號放大器230的輸出電壓Vout被推定為2V。
根據(jù)第二實(shí)施例，由于像素信號放大器230的輸出不被監(jiān)視，因此不能發(fā)現(xiàn)是否像素信號放大器230為飽和。這樣，當(dāng)像素信號放大器230不具有2V的充分的動態(tài)范圍時(shí)，會產(chǎn)生成像裝置飽和的問題。
為了避免超出信號飽和電平，設(shè)定放大器電路的增益以便垂直信號線158的信號飽和電平不會被超出是不夠的。就是說，為了不超出像素信號放大器230的動態(tài)范圍，考慮到有關(guān)環(huán)境或變量的容限，必須設(shè)定比相關(guān)裝置類型的標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)范圍更低一些的增益，以便像素信號放大器230的輸出不落在高增益放大的線性范圍之外。即便設(shè)定增益，使得垂直信號線158的信號飽和電平不會被超出，如果像素信號放大器230不容許(allow for)信號飽和電平(雖然像素信號放大器230通常被設(shè)計(jì)為容許信號飽和電平)，那么這是無意義的，不能有效地使用適于像素信號放大器230的動態(tài)范圍。
相反，根據(jù)第一實(shí)施例，當(dāng)切換像素信號放大器230的增益設(shè)定時(shí)，在像素信號放大器230的后續(xù)級執(zhí)行比較。這樣，通過檢查在增益設(shè)定的切換和輸出信號中的變化之間的線性度，可以發(fā)現(xiàn)是否像素信號放大器230逐個(gè)裝置地飽和。
這樣，當(dāng)用設(shè)定的增益發(fā)生飽和時(shí)，可以確定不用增益設(shè)定來執(zhí)行放大。這樣，有益地，最大增益能被設(shè)定在單個(gè)裝置的動態(tài)范圍的限制內(nèi)，以便成像裝置的信號飽和電平不被超出。這樣，能得到比第二實(shí)施例具有更好S/N比的圖像。
第三和第四實(shí)施例圖9和10顯示了主要由CMOS固態(tài)成像裝置10和外圍部件構(gòu)成的固態(tài)成像裝置2的第三和第四實(shí)施例。第三實(shí)施例涉及第一實(shí)施例，而第四實(shí)施例涉及第二實(shí)施例。在圖9和10所示的實(shí)施例中，固態(tài)成像單元2主要由成像單元110和預(yù)放大器61構(gòu)成，并且信號擴(kuò)展單元310形成在與固態(tài)成像單元2(固態(tài)成像裝置10)相同芯片上。
與以上描述的第一和第二實(shí)施例相反，它們涉及輸出模擬成像信號的CMOS圖像傳感器的實(shí)例，在第三和第四實(shí)施例中，AD轉(zhuǎn)換器被提供在列區(qū)域單元中，以便數(shù)字成像信號基于一列列而被輸出。即，第三和第四實(shí)施例的特征在于各個(gè)像素信號Vsig的電平對列區(qū)域單元(預(yù)放大器61)中的每列檢測，在于增益能獨(dú)立地為各個(gè)信號的電平而設(shè)定，也在于設(shè)定增益后的像素信號Vout作為數(shù)字信號被輸出到列區(qū)域單元(預(yù)放大器61)的外部。以下將主要描述與第一和第二實(shí)施例的不同。
在第三和第四實(shí)施例中，像素信號檢測器210，像素信號放大器230，和具有AD轉(zhuǎn)換器功能的列電路(以后稱之為列ADC電路)280被提供給與像素的列關(guān)聯(lián)的每個(gè)列區(qū)域，并且在每個(gè)列區(qū)域中形成數(shù)字信號。即，第一和第二實(shí)施例中的列電路用列ADC電路280來代替。像素信號檢測器210，像素信號放大器230，開關(guān)250和列ADC電路280形成每列的列處理器62。
在上述描述的結(jié)構(gòu)中，垂直信號線158的信號電平由在像素信號放大器230的輸出端(在第三實(shí)施例中)或輸入端(在第四實(shí)施例中)上的像素信號檢測器210檢測。接著，該結(jié)果被反映到像素信號放大器230的增益設(shè)定上，以便像素信號放大器230的增益被優(yōu)化。像素信號放大器230通過上述設(shè)定的增益放大輸入信號Vsig，并發(fā)送放大的信號給后續(xù)級上的列ADC電路280。
列ADC電路280降低了與每列關(guān)聯(lián)的列區(qū)域的模擬像素信號Vsig的噪聲或DC變化，并將信號轉(zhuǎn)換成例如N位數(shù)字信號Vout3。列ADC電路280暫時(shí)保持該數(shù)字化的像素?cái)?shù)據(jù)Vout3特定周期，并通過根據(jù)經(jīng)由控制線43從水平掃描器42H輸入的水平選擇信號CH(i)的移位操作，在特定時(shí)序輸出各個(gè)單元像素的數(shù)字化N位像素信號Vout3給列區(qū)域單元(預(yù)放大器61)的外部和固態(tài)成像裝置10的的芯片的外部。
與第一和第二實(shí)施例類似，像素信號檢測器210通過輸出線212a和212b(未在圖10中示出)發(fā)送分類信號Vsepa給像素信號放大器230和控制信號產(chǎn)生器46，并且還通過輸出線212c輸出該分類信號Vsepa給固態(tài)成像裝置10的芯片外部，作為M位數(shù)據(jù)。
在以上描述的結(jié)構(gòu)中，像素信號檢測器210保持N位信息，并且列ADC電路280保持M位信息。這樣，根據(jù)第三和第四實(shí)施例，與第一和第二實(shí)施例類似，可以通過信號擴(kuò)展單元310獲取等于(N+M)位的信息。即，與第一和第二實(shí)施例類似，信號擴(kuò)展單元310將N位成像信號轉(zhuǎn)換成基于從像素信號檢測器210輸入的M位分類信號Vsepa和來自列ADC電路280的N位成像信號Vout3的(N+M)位信號。
而且，由于列電路63被列ADC電路280所替代，并且像素信號檢測器210，像素信號放大器230，和控制信號產(chǎn)生器46與在第一和第二實(shí)施例中的類似，因此能取得具有高S/N比的圖像，噪聲容限能被增加，同時(shí)與第一和第二實(shí)施例類似，能避免在信號飽和電平中的變化的影響。而且，根據(jù)第三實(shí)施例，成像裝置的信號飽和電平與第一實(shí)施例類似，沒有被超出。
像素信號放大器的示例結(jié)構(gòu)圖11A和11B是解釋在第一和第三實(shí)施例中的像素信號放大器230和外圍部件的結(jié)構(gòu)實(shí)例(以后稱之為第一實(shí)例結(jié)構(gòu))及其操作的圖。在第一實(shí)例結(jié)構(gòu)中，開關(guān)242和246被提供來實(shí)現(xiàn)開關(guān)電容器噪聲去除放大器(以后稱之為列放大器)。
更具體地，如圖11A所示，來自垂直信號線158的像素信號Vsig經(jīng)由具有電容7C的電容器232和具有電容1C的電容器233被輸入到由運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)的放大器電路235。在放大器電路235的輸入和輸出之間，具有電容1C的電容器236被提供來設(shè)定反饋增益。電容器233、234和236，以及開關(guān)242和246，被提供在輸入端和在放大器電路235的輸入和輸出之間，形成根據(jù)本發(fā)明的增益設(shè)定單元245。放大器電路235和增益設(shè)定單元245形成像素信號放大器230，其是可變增益放大器電路的實(shí)例。像素信號放大器230與用來通過增益設(shè)定單元245控制增益設(shè)定的控制器一起形成PGA電路。
放大器電路235的輸出被連接到列電路63，還被連接到像素信號檢測器210的輸入。通過控制信號產(chǎn)生器46的控制線231，開關(guān)246接收控制信號ф1，而開關(guān)242接收控制信號ф2。
在輸入端的電容器232通過開關(guān)242連接到放大器電路235。在第一實(shí)例結(jié)構(gòu)中，開關(guān)242被提供在具有電容7C的電容器232的后續(xù)級和放大器電路235的輸入之間。
放大器電路235的輸出被輸入到列電路63，還被輸入到像素信號檢測器210。像素信號檢測器210檢查放大器電路235的輸出信號的電平，并將結(jié)果反映給放大器電路235的末端增益設(shè)定。
在以上描述的結(jié)構(gòu)中，如圖11B所示，開關(guān)246被接通而電容器236通過控制信號ф1復(fù)位，從而放大器(amp)被復(fù)位(t60到t63)。而且，在該周期中，開關(guān)242被接通，而電容器232通過控制信號ф2復(fù)位(t61到t62)。
就是說，首先，來自單元像素103的復(fù)位電平被通過由開關(guān)電容器電路實(shí)現(xiàn)的噪聲去除放大器(amp)的電容器232和233形成的具有電容8C(7C+1C)的電容器取樣。接著，開關(guān)242通過控制信號ф2被斷開，以便輸入電容器232從垂直信號線158(t62)斷開。
接著，到成像單元110的傳輸柵極線151的傳輸控制脈沖TX被拉到“H”，使得電荷產(chǎn)生器132產(chǎn)生的電荷被傳輸?shù)礁訑U(kuò)散區(qū)138。這樣，對應(yīng)于由電荷產(chǎn)生器132接收到的光量的像素信號Vsig出現(xiàn)在垂直信號線158上的成像單元110的輸出中(t64a到t64b)。
這樣，在放大器(amp)復(fù)位(t63)后，來自垂直信號線158的像素信號Vsig被輸入端的開關(guān)電容器電路的電容器233和232取樣。由于復(fù)位電平被預(yù)先取樣(t61到t62)，因此放大器電路235輸出將復(fù)位電平Vrst和輸入像素信號Vsig的信號電平Vsig0之間的差ΔV放大預(yù)定增益的結(jié)果。
此時(shí)，在具有電容C1的電容器233和具有電容7C的電容器232的并聯(lián)電路中，提供在放大器235的輸入端的開關(guān)242由控制信號ф2控制，以為放大器電路235設(shè)定×8(當(dāng)開關(guān)242接通時(shí))或×1的增益(當(dāng)開關(guān)242斷開時(shí))。這樣，可以通過根據(jù)控制信號ф2控制開關(guān)242、通過調(diào)整電容來調(diào)整增益。
例如，在控制信號ф2為“L”而開關(guān)242為斷開的周期中的特定時(shí)序(t63到t66)，像素信號檢測器210用×1的增益檢測輸出信號，從放大器電路235輸出(t65)。而且，在控制信號ф2為“H”而開關(guān)242為接通的周期中的特定時(shí)序(t66到t68)，像素信號檢測器210用×8的增益檢測輸出信號，并從放大器電路235輸出(t67)。
像素信號檢測器210執(zhí)行用于各個(gè)增益的輸出結(jié)果的比較，并輸出由一位數(shù)據(jù)表示的分類信號Vsepa。例如，1位的分類信號Vsepa直接提供給像素信號放大器230，并且當(dāng)信號為高時(shí)使用×1的增益，而當(dāng)信號為低時(shí)使用×8的增益。此時(shí)，僅僅當(dāng)通過與增益調(diào)整的比較確定甚至用達(dá)到放大器電路235的輸出的高增益也未超出動態(tài)范圍時(shí)，輸出具有高增益的信號。當(dāng)飽和發(fā)生時(shí)，高增益不被設(shè)定。這樣，可以在單個(gè)成像裝置的動態(tài)范圍的限制內(nèi)選擇最大的增益，而不會超出信號飽和電平。
因此，與以下將描述的第四實(shí)例結(jié)構(gòu)相比，其中通過在放大器電路235的輸入和輸出之間切換電容來切換增益，無需由反相脈沖控制的開關(guān)。
圖12顯示了在第一和第三實(shí)施例中的像素信號放大器230和外圍部件的結(jié)構(gòu)以及其操作的另一個(gè)實(shí)例結(jié)構(gòu)(以后稱之為第二實(shí)例結(jié)構(gòu))。另外，在第二實(shí)例結(jié)構(gòu)中，提供開關(guān)242和246來實(shí)現(xiàn)開關(guān)電容器列放大器。
如圖12A所示，在第二實(shí)例結(jié)構(gòu)中，開關(guān)242被提供在具有電容7C的電容器232的前級和垂直信號線158之間。與第一實(shí)例結(jié)構(gòu)類似，根據(jù)本發(fā)明的增益設(shè)定單元245由提供在輸入端和放大器電路235的輸入和輸出之間的電容器233、234和236以及開關(guān)242和246構(gòu)成。操作時(shí)序與第一實(shí)例結(jié)構(gòu)相同，如圖12B所示。
因此，與將開關(guān)242提供在具有7C電容的電容器232的前級的第一實(shí)例結(jié)構(gòu)相比，被切換的電容器232不引起對垂直信號線158上的信號的耦合影響。
圖13A和3B顯示了在第一和第三實(shí)施例中的像素信號放大器230和外圍部件的結(jié)構(gòu)以及其操作的另一個(gè)實(shí)例結(jié)構(gòu)(以后稱之為第三實(shí)例結(jié)構(gòu))。該第三實(shí)例結(jié)構(gòu)還使用開關(guān)電容器列放大器來實(shí)現(xiàn)，其特征在于允許在放大器電路235的輸入端提供的兩個(gè)電容器232和233兩者的切換，還在于這些開關(guān)可以提供在兩個(gè)電容器232和233兩個(gè)中每個(gè)的端部。
更具體地，在第三實(shí)例結(jié)構(gòu)中，如圖13A所示，根據(jù)控制信號ф2(基本與控制信號ф2相同)工作的開關(guān)242a被提供在具有7C電容的電容器232的輸入端，而根據(jù)控制信號ф2工作的開關(guān)242b被提供在電容器232的輸出側(cè)(即，在放大器電路235的輸入側(cè))。
而且，根據(jù)控制信號ф3(基本與控制信號ф3相同)工作的開關(guān)243a被提供在具有1C電容的電容器233的輸入端，而根據(jù)控制信號ф3而工作的開關(guān)243b被提供在電容器233的輸出端(即，在放大器電路235的輸入端)。
根據(jù)本發(fā)明的增益設(shè)定單元245通過提供在輸入端和放大器電路235的輸入和輸出之間的開關(guān)242a、242b、243a、243b和246以及電容器233、234和236構(gòu)成。
在以上描述的結(jié)構(gòu)中，如圖13B所示，開關(guān)246被接通而電容器236根據(jù)控制信號ф1復(fù)位，從而放大器(amp)被復(fù)位(t80到t83)。而且，在該周期，開關(guān)242a，242b，243a，和243b根據(jù)控制信號ф2，ф2，ф3和ф3被接通，從而電容器232和233被復(fù)位。即，來自單元像素103的復(fù)位電平被具有8C(7C+1C)電容的電容器取樣，該電容器通過由開關(guān)電容器電路實(shí)現(xiàn)的噪聲去除放大器的電容器232和233所形成(t81到t82)。接著，開關(guān)242a和242b根據(jù)控制信號ф2和ф2被斷開，由此輸入電容器232從垂直信號線158斷開(t82)。
在放大器被復(fù)位(t83)后，如果開關(guān)242a，242b，243a和243b被接通，那么輸入電容器232和233通過來自垂直信號線158的像素信號Vsig充電，以便放大器電路235的輸出改變。
這樣，當(dāng)放大器復(fù)位(t83)后，像素信號放大器230保持控制信號ф3和ф3_接通(t83到t86)，并通過由開關(guān)電容器電路實(shí)現(xiàn)的噪聲去除放大器的輸入電容器233對來自垂直信號線158的像素信號Vsig取樣。由于復(fù)位電平被預(yù)先取樣(t81到t82)，因此放大器電路235輸出將在復(fù)位電平Vrst和輸入像素信號Vsig中的信號電平Vsig0之間的差ΔV放大×1增益的結(jié)果，即，輸出ΔV。像素信號檢測器210在特定時(shí)序檢測通過將ΔV放大×1增益所獲取的像素信號放大器230的輸出信號Vout(t85)。
接著，開關(guān)243a和243b根據(jù)控制信號ф3和ф3被斷開，從而輸入電容器233從垂直信號線158斷開(t86)。接著，開關(guān)246根據(jù)控制信號ф1接通，以復(fù)位放大器(t86到t87)。接著，開關(guān)242a和242b根據(jù)控制信號ф2和ф2被接通(t87到t89)，從而來自垂直信號線158的像素信號Vsig被由開關(guān)電容器電路實(shí)現(xiàn)的噪聲去除放大器的輸入電容器233取樣。由于復(fù)位電平被預(yù)先取樣(t81到t82)，因此放大器電路235輸出將在復(fù)位電平Vrst和輸入像素信號Vsig中的信號電平Vsig0之間的差ΔV放大×8的增益的結(jié)果，即，輸出8ΔV。像素信號檢測器210在特定時(shí)序檢測將ΔV放大×8增益所獲取的像素信號放大器230的輸出信號Vout(t88)。
像素信號檢測器210執(zhí)行各個(gè)增益的輸出結(jié)果的比較，并輸出以1位數(shù)據(jù)表示結(jié)果的分類信號Vsepa。例如，1位的分類信號Vsepa直接提供給像素信號放大器230，并且當(dāng)信號為高時(shí)使用×1增益，而當(dāng)信號為低時(shí)使用×8增益。如果確定達(dá)到放大器235的輸出的動態(tài)范圍即便在高增益(在該實(shí)例中為×8)下也未被超出，那么信號以高增益輸出。如果發(fā)生飽和，就不選擇高增益。這樣，優(yōu)選的信號被輸出，而無需引起放大器電路235的飽和。
根據(jù)第三實(shí)例結(jié)構(gòu)，與第二實(shí)例結(jié)構(gòu)類似，有利地，所切換的電容器232和233不引起對垂直信號線158上的信號的影響。
圖14顯示了在第二和第四實(shí)施例中的像素信號放大器230和外圍部件的實(shí)例結(jié)構(gòu)(以后稱之為第四實(shí)例結(jié)構(gòu))，以及其操作。該第四實(shí)例也使用開關(guān)電容器列放大器來實(shí)現(xiàn)。在圖14中，還顯示了單元像素103的實(shí)例結(jié)構(gòu)。像素信號檢測器210具有用來控制像素信號放大器230的增益設(shè)定的控制器功能。該像素信號檢測器210，像素信號放大器230，和增益設(shè)定單元245構(gòu)成PGA電路。
單元像素103由包括四個(gè)晶體管的4TR結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，使用浮動擴(kuò)散區(qū)138作為電荷積累器。在該4TR結(jié)構(gòu)中，浮動擴(kuò)散區(qū)138連接到放大晶體管142的柵極，以便該放大晶體管142通過像素線157輸出對應(yīng)于浮動擴(kuò)散區(qū)138的電勢(以后稱之為FD電勢)給作為信號讀取線的實(shí)例的垂直信號線158。而且，負(fù)載MOS晶體管171連接到垂直信號線158，以便實(shí)現(xiàn)源極跟隨器電路的工作。
例如，當(dāng)像素信號被讀取時(shí)，首先，浮動擴(kuò)散區(qū)138通過復(fù)位晶體管136被復(fù)位。接著，讀選擇晶體管(傳輸晶體管)134傳輸通過由光電二極管等實(shí)現(xiàn)的電荷產(chǎn)生器132產(chǎn)生的信號電荷到該浮動擴(kuò)散區(qū)138。為了從連接到垂直信號線158的多個(gè)像素中選擇像素，用于選擇像素的垂直選擇晶體管140被接通。接著，只有被選擇的像素被連接到垂直信號線158，并且被選擇的像素的信號被輸出到垂直信號線158。
通過以上描述的操作，由于自舉(bootstrap)效應(yīng)，浮動擴(kuò)散區(qū)138的電勢增加，以便輸出電壓的幅度增加。由于單元像素103被提供有放大晶體管142，因此固態(tài)成像單元2(或固態(tài)成像裝置10)被實(shí)現(xiàn)為放大固態(tài)成像單元。
單元像素103并不限于以上所述的4TR結(jié)構(gòu)，而可以是其中垂直選擇晶體管140連接到放大晶體管142的漏極的4TR結(jié)構(gòu)。而且，無需限于4TR結(jié)構(gòu)，單元像素103可以使用3個(gè)晶體管(以后稱之為3TR結(jié)構(gòu))來實(shí)現(xiàn)，以便像素尺寸更小，例如，在日本專利公開No.2708455中所公開的。
在第四實(shí)例結(jié)構(gòu)中，垂直信號線158連接到像素信號檢測器210，并通過根據(jù)控制信號ф2所控制的開關(guān)250和具有8C電容的電容器233連接到放大器電路235。
在放大器電路235的輸入和輸出之間，具有1C電容的電容器236被提供來設(shè)定反饋增益。與電容器236并聯(lián)，具有1C電容的電容器237通過根據(jù)來自像素信號檢測器210的位控制信號G4控制的開關(guān)247P來提供，具有2C電容的電容器238通過根據(jù)位控制信號G2控制的開關(guān)248P來提供，而具有4C電容的電容器237通過根據(jù)位控制信號G1控制的開關(guān)249P來提供。
在開關(guān)247P和電容器237之間的節(jié)點(diǎn)通過根據(jù)位控制信號/G4控制的開關(guān)247N，接收來自控制信號產(chǎn)生器46的控制線231的參考電壓Vref2。在開關(guān)248P和電容器238之間的節(jié)點(diǎn)通過根據(jù)位控制信號/G2控制的開關(guān)248N，接收參考電壓Vref2。在開關(guān)249P和電容器239之間的節(jié)點(diǎn)通過根據(jù)位控制信號/G1控制的開關(guān)249N接收參考電壓Vref2。這樣，電容能通過控制開關(guān)247，248P，和249P在C到8C的范圍內(nèi)變化。
這樣，在列放大像素信號放大器230中，通過電容器233的8C電容與根據(jù)電容器237、238和239的連接狀態(tài)而確定的從1C到8C范圍內(nèi)的電容的比率，增益可以在×1到×8的范圍內(nèi)變化。
像素信號Vsig從垂直信號線158的開關(guān)250的輸入端輸入到像素信號檢測器210。像素信號檢測器210檢測放大器電路235的輸入信號電平，并從而設(shè)定放大器235的末端增益。像素信號檢測器210和放大器電路235與用于控制增益設(shè)定的控制器一起，形成可編程增益控制(PGA)放大器電路。
在以上描述的結(jié)構(gòu)中，如圖4所示，開關(guān)250和246首先根據(jù)控制信號ф1和ф2接通(t10到t12)，而單元像素103的復(fù)位電平通過在由開關(guān)電容器電路實(shí)現(xiàn)的噪聲去除放大器的輸入端上具有8C電容的電容器233取樣(t11到t12)。接著，開關(guān)250由控制信號ф2斷開，從而輸入電容器233從垂直信號線158斷開連接(t12)。
接著，到成像單元110的傳輸柵極線151的傳輸控制脈沖TX被拉到“H”，由此電荷產(chǎn)生器132產(chǎn)生的電荷被傳輸?shù)礁訑U(kuò)散區(qū)138。這樣，對應(yīng)于由電荷產(chǎn)生器132接收到的光量的像素信號Vsig出現(xiàn)在載有成像單元110的輸出的垂直信號線158(t12到t13)上。
這樣，從成像單元110輸出的像素信號Vsig被輸入到像素信號檢測器210，以檢測垂直信號線158上的信號的電平。即，當(dāng)通過位控制信號G4，G2和G1控制開關(guān)247P，248P，和249P時(shí)，像素信號檢測器210將垂直信號線158上的像素信號Vsig的電平與預(yù)定的閥值進(jìn)行比較(t14到t21)。
基于這些比較的結(jié)果，像素信號檢測器210在像素信號放大器230的輸出信號Vout不超出垂直信號線158的信號飽和電平的范圍中確定最大增益，同時(shí)在像素信號放大器230中設(shè)定增益?？蛇x地，像素信號檢測器210輸出該比較的結(jié)果給控制信號產(chǎn)生器46或芯片的外部。
如果沒有在垂直信號線158的信號飽和電平未被超出的范圍中設(shè)定增益，那么像素信號放大器230試圖放大在信號飽和電平之上的信號。這樣，該輸出就超出了信號飽和電平，以至結(jié)果畫面變差。這個(gè)問題可以通過設(shè)定增益來避免，以便放大的信號的范圍不超出垂直信號線158的信號飽和電平。
通過使用以上描述的方法，發(fā)生在像素信號放大器230中的輸入?yún)⒖嫉脑肼暤牧勘蛔钚』６?，輸出信號Vout為每個(gè)單元像素103單獨(dú)放大，以至更接近信號飽和電平。這對抑制后續(xù)發(fā)生的噪聲的影響很有益處。
雖然以上描述了像素信號放大器230的幾個(gè)實(shí)例結(jié)構(gòu)，但所描述的僅僅是實(shí)例，還可以作出各種改變。例如，雖然只有一個(gè)增益切換線提供在第一到第三實(shí)例中，但可以不限于此，可以與第四實(shí)例結(jié)構(gòu)類似，提供三個(gè)增益切換線，或更多的增益切換線。
而且，雖然第一到第四實(shí)例結(jié)構(gòu)通過使用由開關(guān)電容器電路實(shí)現(xiàn)的噪聲去除放大器來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)通過電容比率來改變增益，但可以不限于此，增益還可以通過電阻比率來改變。
如有關(guān)第一到第四實(shí)例結(jié)構(gòu)中所描述的，當(dāng)像素信號放大器230使用開關(guān)電容器噪聲去除放大器來實(shí)現(xiàn)時(shí)，從以上的描述可以看出，像素信號放大器230工作來在復(fù)位后立即放大在復(fù)位電平Vrst和像素信號Vsig的信號電平Vsig0之間的差ΔV。這樣，通過雙關(guān)聯(lián)取樣的效果，成像單元110的固定模式噪聲(FPN)或被稱為復(fù)位噪聲的噪聲信號成分能被去除，同時(shí)能減少成像單元110的源跟隨器電路的1/f噪聲。而且，如以上所描述所構(gòu)建的像素信號放大器230具有當(dāng)增益調(diào)整時(shí)DC輸出電平不會改變的優(yōu)點(diǎn)。即，根據(jù)第一到第四實(shí)例結(jié)構(gòu)的、包括放大器電路235和增益設(shè)定單元245的可變放大器電路(像素信號放大器230)，具有根據(jù)本發(fā)明的輸出DC電平抑制單元。
增益設(shè)定方法的第一實(shí)例圖15顯示了圖14所示的像素信號放大器230中的增益設(shè)定的第一方法實(shí)例。在該第一實(shí)例中，像素信號放大器230的增益基于例如1(2^0)，2(2^1)，4(2^2)和8(2^3)(“^”代表2的冪)的2的冪來控制。這樣，在信號擴(kuò)展單元310中的信號處理的數(shù)字動態(tài)范圍能通過對位數(shù)進(jìn)行移位來控制，以便該電路結(jié)構(gòu)能被簡化。
在第一實(shí)例中，假定信號飽和電平為1V，以便進(jìn)行控制使得最大增益為1V。例如，當(dāng)在垂直信號線158上的輸出信號為0到125mV時(shí)，增益被設(shè)定為×8。接著，即便輸入信號最大為125mV，放大器電路235的輸出信號也為1V。就是說，當(dāng)信號被輸出到列區(qū)域單元(預(yù)放大器61)的外部時(shí)，輸出信號也是1V。當(dāng)輸入信號比125mV大并小于或等于250mV時(shí)，×4的增益設(shè)定給像素信號放大器230。類似地，當(dāng)輸入信號比250mV大并小于或等于500mV時(shí)，×2的增益設(shè)定給像素信號放大器230。當(dāng)輸入信號比500mV大并小于或等于1V時(shí)，×1的增益設(shè)定給像素信號放大器230。
在第一實(shí)例中，基于2的冪來控制增益設(shè)定，以便像素信號放大器230的最大輸出等于垂直信號線158的信號飽和電平。但是，無需限于此例，像素信號放大器230的最大輸出根據(jù)被使用的固態(tài)成像單元的規(guī)格來確定。然而，很明顯，最大輸出必須在像素信號放大器230(具體地為放大器電路235)的動態(tài)范圍內(nèi)設(shè)定。
如上所述，在第一實(shí)例中，像素信號放大器230的增益根據(jù)從成像單元110輸出的像素信號Vsig的電平來設(shè)定，當(dāng)信號電平相對小時(shí)設(shè)定相對高的增益。這樣，可以輸出大幅度的像素信號給外部，并關(guān)于在像素信號放大器230中產(chǎn)生的噪聲而取得最大的S/N比。而且，當(dāng)信號電平小時(shí)，該S/N比最大化。這在實(shí)現(xiàn)具有高靈敏度的固態(tài)成像單元時(shí)很重要。
增益設(shè)定的第二方法實(shí)例圖16是用于說明圖14所示的像素信號放大器230的增益設(shè)定的方法的第二實(shí)例。同時(shí)在該第二實(shí)例中，像素信號放大器230的增益通過2的冪來控制。
在該第二實(shí)例中，與第一實(shí)例類似，信號飽和電平是1V，但進(jìn)行控制以便由最大增益所獲取的最大信號電平是800mV。這在當(dāng)沒有為像素信號放大器230的動態(tài)范圍提供充分的容限時(shí)使用。
例如，當(dāng)在垂直信號線158上的輸出信號為0到100mV時(shí)，增益設(shè)定為×8。接著，即便當(dāng)輸入信號為最大值100mV時(shí)，放大器電路235的輸出信號也為800mV。即，當(dāng)信號被輸出到列區(qū)域單元(預(yù)放大器61)的外部時(shí)，信號的電平也為800mV。當(dāng)輸入信號比100mV大并小于或等于200mV時(shí)，×4的增益設(shè)定給像素信號放大器230。類似地，當(dāng)輸入信號比200mV大并小于或等于400mV時(shí)，×2的增益設(shè)定給像素信號放大器230。當(dāng)輸入信號比400mV大并小于或等于800mV時(shí)，×1的增益設(shè)定給像素信號放大器230。
如以上所描述的，在第二實(shí)例中，像素信號放大器230的增益根據(jù)從成像單元110輸出的像素信號Vsig的電平而設(shè)定，以便當(dāng)信號電平相對小時(shí)，S/N比最大。即，像素信號Vsig受像素信號放大器230的影響更小。
在增益控制的第一和第二實(shí)例中，像素信號放大器230的增益從包括×1、×2、×4和×8的2的冪中選擇?？蛇x地，例如，通過控制信號產(chǎn)生器46控制作為位數(shù)據(jù)的位控制信號G1、G2和G4，增益能以更小的步距在×1到×8的范圍內(nèi)被設(shè)定，例如，步距為1。在這種情況下，不可能通過位移位來控制信號擴(kuò)展單元310的動態(tài)范圍，以至需要用于計(jì)算的一些處理并且電路的結(jié)構(gòu)變得更復(fù)雜。而且，可以設(shè)定比×8更大的增益。根據(jù)應(yīng)用或其它的因素適當(dāng)?shù)卮_定增益設(shè)定的范圍。
列電路和外圍部件的電路結(jié)構(gòu)實(shí)例圖17是顯示提供在列區(qū)域單元(預(yù)放大器61)的像素信號放大器230的后續(xù)級的列電路63及其外圍部件的第一實(shí)例電路結(jié)構(gòu)。第一實(shí)例涉及第一和第三實(shí)施例，其中像素信號檢測器210將信號電壓Vout與在像素信號放大器230的輸出側(cè)的預(yù)定參考電壓進(jìn)行比較。
列電路63被提供給各個(gè)垂直信號線158(列)。列電路63作為取樣和保持電路。即，列電路63接收一行的單元像素103的像素信號Vsig，其經(jīng)由像素信號放大器230通過垂直信號線158來讀取，連續(xù)積累通過放大在像素信號放大器230中的像素信號Vsig所獲取的輸出信號Vout，并在特定時(shí)序輸出該輸出信號Vout給輸出放大器129。
例如，列電路63(63-1，63-2，...，63-n)包括開關(guān)272(272-1，272-2，...，272-n)，用來積累信號電荷的電容器274(274-1，274-2，...，274-n)，和讀取電路276(276-1，276-2，...，276-n)。
讀取電路276(276-1，276-2，...，276-n)包括晶體管277和278。晶體管277的漏極與其它列共同連接到輸出放大器129的信號反饋線298，源極連接到像素信號檢測器210的輸入。像素信號檢測器210的輸出與其它列共同連接到輸出信號線291。像素信號檢測器210的檢測結(jié)果通過輸出線212b被輸出到控制信號產(chǎn)生器46，并通過輸出線212c輸出到芯片的外部。在第一結(jié)構(gòu)實(shí)例中，不提供通過輸出線212a給像素信號放大器230設(shè)定增益的功能。
水平取樣脈沖фs從水平掃描器42H通過控制線43(43-1，43-2，...，43-n)輸入到開關(guān)272(272-1，272-2，...，272-n)，而水平選擇信號CH(i)被輸入到脈沖讀取電路286的晶體管288的柵極。
提供在列電路63的后續(xù)級的輸出放大器129包括兩個(gè)串聯(lián)在源極和漏極之間的晶體管292和293，和在源極和漏極之間串聯(lián)的兩個(gè)晶體管294和295。
在晶體管292和293之間的漏極源極連接被提供在電源和輸出信號線291之間。晶體管294的柵極連接到輸出信號線291，在晶體管294和295之間的節(jié)點(diǎn)連接到信號反饋線298。晶體管292和293的柵極分別接收控制信號Vbp2和Vbp3。晶體管295的柵極接收控制信號Vbn5。
在以上描述的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)水平取樣脈沖фs在特定時(shí)序被輸入到開關(guān)272(參考圖7)時(shí)，像素放大器230的輸出信號Vout被暫時(shí)積累在電容器274中。接著，來自水平掃描器42H的水平選擇信號CH(i)被提供給晶體管278，以連續(xù)選擇要讀取的行，以便從電容器274來的像素信號由讀取電路276和用作外部放大器電路的輸出放大器129通過輸出信號線291讀取作為輸出信號Vout1。
此時(shí)，在輸出信號線291上的像素信號Vout1被輸入到晶體管294的柵極，并通過信號反饋線298提供給晶體管277的漏極。通過以上描述的操作，由于自舉效應(yīng)，輸出電壓的幅度增加了。由于像素信號放大器230由取樣和保持電路結(jié)構(gòu)從列電路63斷開，因此像素信號放大器230不會受到自舉功能的影響。
圖18顯示的是提供在列區(qū)域單元(預(yù)放大器61)的像素信號放大器230的后續(xù)級的列電路63的第二電路結(jié)構(gòu)實(shí)例，以及其外圍部件。第二實(shí)例也涉及第一和第三實(shí)施例，其中像素信號檢測器210將信號電壓Vout與在像素信號放大器230的輸出端上的預(yù)定參考電壓進(jìn)行比較。
第二實(shí)例的特征在于，像素信號檢測器210的檢測結(jié)果被通過輸出線212a提供給像素信號放大器230，以便基于檢測的結(jié)果給像素信號放大器230設(shè)定增益。例如，當(dāng)由增益放大的像素信號Vout超出像素信號放大器230的飽和電平時(shí)，執(zhí)行控制以便增益被降低。
圖19顯示的是提供在列區(qū)域單元(預(yù)放大器61)的像素信號放大器230的后續(xù)級的列電路63的第三電路結(jié)構(gòu)實(shí)例，以及其外圍部件。第三實(shí)例涉及第二和第四實(shí)施例，其中像素信號檢測器210將信號電壓Vsig與在像素信號放大器230的輸入端上的預(yù)定參考電壓進(jìn)行比較。
第三實(shí)例與第一實(shí)例的差別僅在于像素信號檢測器210被去除了。晶體管278的源極與其它列共同連接到輸出信號線291。其基本的操作與第一實(shí)例的相同，因此不再進(jìn)行詳細(xì)描述。
雖然在圖17到19所示的第一到第三實(shí)例的列電路63很緊湊，但當(dāng)像素信號放大器230的增益被調(diào)整時(shí)，如果在其輸出中發(fā)生DC電平改變，那么DC的改變與信號成分一起積累在電容器274中。這樣，DC變量在成像信號上被疊加輸出，使得DC改變能產(chǎn)生噪聲。因此在第一到第三實(shí)施例中的列電路63優(yōu)選地與其中即便當(dāng)增益被調(diào)整時(shí)、輸出DC電平也不可能改變的電路一起使用，例如圖11到14所示的開關(guān)電容器電路。
該結(jié)構(gòu)也可以是從連接在列電路63和輸出放大器129的后續(xù)級的A/D轉(zhuǎn)換器64中的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)中去除在DC電平中的改變?？蛇x地，列電路63可以具有抑制從像素信號放大器230輸出的成像信號的DC分量的改變的功能。
通過抑制在列電路63中的輸出DC電平的改變，在提供在后續(xù)級的A/D轉(zhuǎn)換器64中提供寬的輸入動態(tài)范圍。即，當(dāng)從提供在后續(xù)級的A/D轉(zhuǎn)換器64中去除輸出DC電平中的變化時(shí)，對包含輸出DC電平的改變的信號執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換，以便輸入動態(tài)范圍能被縮小輸出DC電平中的改變量。
圖20A顯示了具有A/D轉(zhuǎn)換功能的列電路的結(jié)構(gòu)實(shí)例，即，提供在列區(qū)域單元(預(yù)放大器61)的像素信號放大器230的后續(xù)級的列ADC電路280，及其外圍部件。以下稱之為列電路的第四實(shí)例。該第四實(shí)例涉及第三和第四實(shí)施例。
列ADC電路280在抑制固定模式噪聲的同時(shí)，使用并行處理來自垂直信號線158(列)的信號的A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。列ADC電路280的特征在于箝位用于抑制固定模式噪聲的參考信號的方法。
如圖20A所示，為了在其中的像素信號Vsig中箝位復(fù)位電平，列ADC電路280由雙箝位電路實(shí)現(xiàn)，其包括由電容器281、放大器282以及開關(guān)283形成的第一箝位電路，并包括由電容器284、放大器285和開關(guān)286形成的第二箝位電路。
在雙箝位電路的輸入端，提供有開關(guān)287和288以及電容器289來控制出現(xiàn)在垂直信號線158上的像素信號Vsig的取樣。第二箝位電路的輸出被輸入到能保持?jǐn)?shù)據(jù)的鎖存電路290。
開關(guān)283，286，287和288通過控制線43從水平掃描器42H接收控制脈沖S1，S2，S3和S4。開關(guān)288的輸入端接收用于AD轉(zhuǎn)換的來自信號產(chǎn)生器(未示出)的具有斜坡波形的參考信號(以后稱之為ADC參考信號)。鎖存電路290接收N位計(jì)數(shù)器(未示出)的計(jì)數(shù)器輸出值。
在列ADC電路280的結(jié)構(gòu)中，在對應(yīng)于水平消隱周期的像素信號讀取周期(t90到t99)中，單元像素103的復(fù)位信號Vrst被輸出到垂直信號線158，以響應(yīng)于復(fù)位脈沖R(t91到t92)。這樣，列ADC電路280的兩個(gè)箝位電路在圖20B所示的操作時(shí)序，根據(jù)控制脈沖S1和S2執(zhí)行粗箝位和精確箝位。
更具體地，首先開關(guān)287被接通(t93)，放大器282和286的開關(guān)283和286同時(shí)閉合(t94)，而開關(guān)283打開(t95)。接著，像素信號Vsig被箝位到通過將開關(guān)283的切換變化增加到放大器282的閥值而獲取的電壓。此時(shí)，開關(guān)286保持閉合，以便該電壓用作放大器285的輸入閥值電壓。
當(dāng)開關(guān)286被打開時(shí)(t96)，包括切換變化的電壓被箝位。此時(shí)，由放大器285的增益所分頻的開關(guān)286的切換變量的分量被降低到輸入信號Vin的變化，以便提高如從輸入信號Vin所看到的精確箝位。
這樣，發(fā)生在箝位電路中的固定模式噪聲的發(fā)生就被充分地抑制。即，復(fù)位信號Vrst的箝位在充分抑制箝位電路的變化的同時(shí)完成。
接著，傳輸控制脈沖TX上升，使得在垂直信號線158上出現(xiàn)像素信號Vsig0(t97a到t97b)。接著，開關(guān)288被閉合來執(zhí)行取樣(t98到t99)。當(dāng)取樣完成時(shí)，開關(guān)287被打開，以便通過開關(guān)288提供斜坡波形的ADC參考信號(t99)。
這樣，輸入信號Vin最終超過了根據(jù)斜坡波形的箝位電路的閥值電壓，使得放大器285的輸出被反相。此時(shí)的N位計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)器值作為像素信號，被存儲在鎖存電路290中，同時(shí)A/D轉(zhuǎn)換完成。接著，存儲在鎖存電路290中的像素?cái)?shù)據(jù)Vout3在特定時(shí)序根據(jù)經(jīng)由控制線路43從垂直掃描器42H輸入的水平選擇信號CH(i)、通過移位操作被順序輸出到列區(qū)域單元(預(yù)放大器61)的外部或固態(tài)成像裝置10的外部。
用以上描述所構(gòu)建的列ADC電路，能充分抑制固定模式噪聲的產(chǎn)生，同時(shí)從像素信號放大器230輸出的成像信號的DC分量中的變化也能被抑制。即，根據(jù)本發(fā)明的列ADC電路280還具有輸出DC電平抑制單元的功能。
信號擴(kuò)展單元的結(jié)構(gòu)實(shí)例圖21A顯示的是信號擴(kuò)展單元310的結(jié)構(gòu)實(shí)例。信號擴(kuò)展單元310包括噪聲抑制單元311和增益校正單元315。噪聲抑制單元311抑制包括在輸入的N位信號V(j)中的噪聲。增益校正單元315校正給像素信號放大器230設(shè)定的增益，并參考從像素信號檢測器210所得的M位分類信號Vsepa，在由噪聲抑制單元311進(jìn)行噪聲抑制后，擴(kuò)展信號的動態(tài)范圍。
噪聲抑制單元311包括用于在水平周期中保持N位像素信號V(j)的1H存儲器，和用于將像素信號V(j)與1H存儲器312的輸出信號U(j)加在一起的加法器314(實(shí)際上由于-U(j)被輸入因此執(zhí)行減法)。
增益校正單元315包括增益校正因子產(chǎn)生器316、乘法器318和加法器320。增益校正因子產(chǎn)生器316將從像素信號檢測器210輸入的M位分類信號Vsepa轉(zhuǎn)換成增益校正因子。乘法器318將從增益校正因子產(chǎn)生器316輸出的增益校正因子E(j)乘以加法器314輸出的(V(j)-U(j))。加法器320將從加法器314輸出的(V(j)-U(j))與乘法器318的輸出Ek(j)相加(實(shí)際上由于-Ek(j)被輸入因此執(zhí)行減法)。
在上述描述的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)信號擴(kuò)展單元310被提供在與固態(tài)成像裝置10相同的芯片上時(shí)，列ADC電路280如在第三和第四實(shí)施例中提供給每列，或?qū)/D轉(zhuǎn)換器64安置在相同芯片上的非列區(qū)域上。從像素信號放大器230來的輸出信號Vout通過芯片上的A/D轉(zhuǎn)換器電路被轉(zhuǎn)換成N位數(shù)字信號，并且N位數(shù)字信號被輸入到信號擴(kuò)展單元310。
在第一或第二實(shí)施例中的輸出放大器129的輸出信號Vout1通過A/D轉(zhuǎn)換器64被轉(zhuǎn)換成N位的數(shù)字信號Vout2，并被輸入到信號擴(kuò)展單元310作為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)V(j)。可選地，在第三或第四實(shí)施例中的列ADC電路280的輸出數(shù)據(jù)Vouts被輸入到信號擴(kuò)展單元310中作為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)V(j)。而且，從像素信號檢測器210來的對應(yīng)于N位像素信號的M位分類信號在相同時(shí)序中被輸入到增益校正因子產(chǎn)生器108。
包括1H存儲器312和加法器314的噪聲抑制單元311在數(shù)字域中去除固定模式噪聲。該固定模式噪聲由于包括為各個(gè)列提供的像素信號檢測器210、像素信號放大器230和列電路63的列區(qū)域(具體地為放大器電路235)中的放大特性的變化而產(chǎn)生。此時(shí)，當(dāng)與具有高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器64組合時(shí)，具有高增益的列放大器取得非常高的輸入所涉及的分辨率。因此，噪聲能以高精確度被去除，使得固定模式噪聲能被充分抑制。
在增益校正單元315中，增益校正因子產(chǎn)生器316將分類信號Vsepa轉(zhuǎn)換成增益校正因子E(i)。例如，如果分類信號Vsepa表示×8的增益，那么增益校正因子E(i)被選擇為“8”。
接著，乘法器318通過將N位數(shù)字信號(V(j)-U(j))除以增益校正因子E(i)來校正它。加法器用增益校正因子Ek(i)校正(V(j)-U(j))，以獲取(N+M)位的數(shù)字信號。
因此，從像素信號放大器230來的N位放大信號Vout2和Vout3被擴(kuò)展了由分類信號Vsepa表示的增益設(shè)定的位數(shù)。在該實(shí)例中，分類信號Vsepa逐一對應(yīng)于像素信號放大器230中的增益值。這樣，位數(shù)被增加到分類信號Vsepa的位M和信號V(i)的位N的總和。
例如，在信號擴(kuò)展單元310中，當(dāng)基于2的冪控制增益，并且最大增益為×8時(shí)，如果像素信號放大器230的增益設(shè)定為×1，那么N位(例如，14位)信號被放大×8的增益，并且按照增益設(shè)定為8倍時(shí)輸出該N位信號。即，當(dāng)增益設(shè)定為×8時(shí)，N位信號向低端移三位，而當(dāng)增益設(shè)定為×1時(shí)，N位信號向高端移三位，從而在整體上數(shù)字動態(tài)范圍被擴(kuò)展3位。
當(dāng)在像素信號放大器230中維持高的增益設(shè)定而不校正增益時(shí)，例如，低亮度區(qū)域的信號被放大×8的增益，使得增益在屏幕的各區(qū)域中不同(即，發(fā)生增益不匹配)，同時(shí)信號幅度被反相。這樣，通過將放大×8增益的區(qū)域的信號電平減小到1/8，來校正像素信號放大器230的增益。當(dāng)如在該例中增益設(shè)定基于2的冪時(shí)，增益不匹配能通過位移動操作來校正，以便電路結(jié)構(gòu)被簡化。
通過以上描述的電路結(jié)構(gòu)，用于小電平信號的S/N比的CMOS圖像傳感器得以改進(jìn)，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)(N+M)位的大數(shù)字動態(tài)范圍。與信號僅被允許在N位內(nèi)改變的情況相比，在(N+M)位中允許數(shù)字信號處理，使得量化噪聲降低而動態(tài)范圍增加。
這樣，當(dāng)例如自動曝光(AE)、閃爍校正、γ校正、陰影校正、或色彩平衡等的處理在像素?cái)U(kuò)展單元310的后續(xù)級的數(shù)字域中執(zhí)行時(shí)，S/N比不會降低，使得能容易地得到高質(zhì)量的圖像。
第五實(shí)施例圖22顯示的是主要由CMOS固態(tài)成像裝置10所構(gòu)成的固態(tài)成像單元2以及其外圍部件的第五實(shí)施例的示意圖。雖然，圖22顯示了包括列ADC電路280的第三和第四實(shí)施例的修改，但類似的修改在包括用列電路63代替列ADC電路280的第一和第二實(shí)施例中是可能的。在圖22所示的實(shí)施例中，固態(tài)成像單元2主要由成像單元110和預(yù)放大器61組成，以及提供在預(yù)放大器的后續(xù)級上的信號處理器330形成在與固態(tài)成像單元2(固態(tài)成像裝置10)相同芯片上。
根據(jù)第一到第四實(shí)施例，像素信號Vsig的幅度為列區(qū)域單元(預(yù)放大器61)的每列單獨(dú)檢測，同時(shí)檢測的結(jié)果被直接反饋給為每列提供的像素信號放大器230，或間接通過控制信號產(chǎn)生器46或在芯片外提供的控制器來反饋，以便為像素信號Vsig的幅度獨(dú)立設(shè)定增益。
相反，根據(jù)第五實(shí)施例，像素信號檢測器210不提供給各列，并從外部給像素信號放大器230設(shè)定增益。在這種情況中，可以在芯片的外部檢測像素信號的增益，或無需檢測像素信號的幅度、不管像素信號的幅度來設(shè)定增益。以下將詳細(xì)描述其與第一到第四實(shí)施例的不同之處。
如圖22所示，在第五實(shí)施例中，在第一到第四實(shí)施例中提供的像素信號檢測器210被去除。開關(guān)250的切換通過來自時(shí)序信號產(chǎn)生器40的控制線251、而不是通過來自控制信號產(chǎn)生器46的控制線251來控制。
預(yù)放大器包括像素信號放大器230和為各個(gè)列提供的列ADC電路280。像素信號放大器230具有將輸入信號放大特定增益的功能。像素信號放大器230根據(jù)從控制信號產(chǎn)生器46通過控制線231輸入的各種控制信號來操作。ADC電路280具有抑制噪聲或或抑制DC改變的功能、以及保持?jǐn)?shù)據(jù)的功能。像素信號放大器230和列ADC電路280的結(jié)構(gòu)、功能和操作與關(guān)于第一到第四實(shí)施例中描述的一樣。在第一或第二實(shí)施例的修改的情況下，雖然未示出，但列ADC電路280用列電路63代替，并提供像素信號放大器230。
各個(gè)列的像素信號放大器230通過在列區(qū)域單元(預(yù)放大器61)外部提供的控制信號產(chǎn)生器46來控制，以便對一行使用相同的放大因子(即，增益)。即，相同的增益設(shè)定用于一行的像素信號的幅度，而不是單獨(dú)為各個(gè)像素獨(dú)立地設(shè)定優(yōu)化的放大因子，如第一到第四實(shí)施例所示。
在預(yù)放大器61的后續(xù)級，提供用來對從列ADC電路280輸入的成像信號Vout3執(zhí)行噪聲去除、增益不匹配校正、數(shù)字動態(tài)范圍的擴(kuò)展等的信號處理器330。
信號擴(kuò)展單元的結(jié)構(gòu)實(shí)例圖23A和23B顯示了在第五實(shí)施例中的信號處理器330的結(jié)構(gòu)實(shí)例。信號處理器330的第一實(shí)例如圖23A所示，在芯片的外部檢測像素信號的幅度，并參考檢測的結(jié)果控制增益設(shè)定。即，第一實(shí)例的像素處理器330包括像素信號電平檢測器333和分類信號產(chǎn)生器334。像素信號電平檢測器333檢測一行或一屏的信號的幅度，并將這些幅度與預(yù)定的閥值進(jìn)行比較。分類信號產(chǎn)生器334產(chǎn)生分類信號Vsepa，用于基于像素信號電平檢測器333的檢測結(jié)果對像素信號Vsig的幅度進(jìn)行分類。
像素信號電平檢測器333包括用來保持一行或一屏(一幀)的輸入像素信號V(i)的存儲器335。像素信號電平檢測器333將像素信號V(i)暫時(shí)存儲在存儲器335中，并計(jì)算一行或一個(gè)屏幕的像素?cái)?shù)據(jù)的代表值Vrep。例如，代表值可以是平均數(shù)、中值、在最大值和最小值之間的平均值等。優(yōu)選地，允許根據(jù)對系統(tǒng)的理想使用來切換這些值，以被用作代表值。
無需精確地檢測單元像素103的每個(gè)的信號電平，找到一行或一個(gè)屏幕的大致信號電平就足夠了。因此，無需增加檢測放大器的頻率帶寬。由于檢測電路提供在列區(qū)域單元的外部，因此檢測器電路不會在像素信號放大器230中產(chǎn)生噪聲，并且電路設(shè)計(jì)的靈活性增加了。即，當(dāng)像素信號檢測器210提供在與固態(tài)成像裝置10相同的芯片上時(shí)，芯片的尺寸和噪聲都必須在設(shè)計(jì)時(shí)考慮。相反地，當(dāng)像素信號電平檢測器333提供在芯片外時(shí)，這些因素都無需考慮，因此設(shè)計(jì)的靈活性增加了。
像素信號電平333將如上描述所得的代表值Vrep與預(yù)定的閥值比較。分類信號產(chǎn)生器334產(chǎn)生分類信號Vsepa，用于基于像素信號電平檢測器213檢測到的結(jié)果對代表值Vrep(即，一行或一個(gè)屏幕的像素信號Vsig)的幅度分類。
接著，分類信號產(chǎn)生器334參考分類信號Vsepa，通過控制信號產(chǎn)生器46控制像素信號放大器230的增益設(shè)定。即，根據(jù)本發(fā)明的分類信號產(chǎn)生器334具有增益設(shè)定單元的功能，其從芯片的外部控制像素信號放大器230的增益設(shè)定。這可以通過用在圖5和8所示的電路結(jié)構(gòu)中的代表值Vrep代替像素信號Vsig而取得?？蛇x地，可以在分類信號產(chǎn)生器334的后續(xù)級上提供增益設(shè)定控制器338，并通過增益設(shè)定控制器336控制控制信號產(chǎn)生器46。
當(dāng)代表值Vrep表示一行時(shí)，增益逐行而改變。例如，當(dāng)一行的信號電平比特定閥值小時(shí)，增益在水平消隱周期期間變化。
當(dāng)代表值表示一個(gè)屏幕時(shí)，增益逐幀而改變(一屏一屏地)。例如，當(dāng)整個(gè)屏幕的信號電平比特定閥值小時(shí)，增益在垂直消隱周期期間變化。
而且，第一實(shí)例中的信號處理器330包括噪聲抑制單元341和增益校正單元345。噪聲抑制單元341抑制包括在輸入N位信號V(j)中的噪聲。增益校正單元345校正設(shè)定給像素信號放大器230的增益，并參考從像素信號電平檢測器333獲取的M位分類信號Vsepa，擴(kuò)展從噪聲抑制單元提供的像素信號的動態(tài)范圍。這些部分的結(jié)構(gòu)與圖21A所示的信號擴(kuò)展單元310的結(jié)構(gòu)相同。
當(dāng)逐行控制增益設(shè)定時(shí)，逐行校正增益。當(dāng)逐屏控制增益設(shè)定時(shí)(一幀一幀地)，也逐屏校正增益(一幀一幀地)。
圖23B顯示了信號處理器330的第二實(shí)例，其不包括用于在芯片外部檢測像素信號幅度的分類信號產(chǎn)生器334和像素信號電平檢測器333。相反，第二實(shí)例的信號處理器330包括用于從列區(qū)域單元的外部、通過控制信產(chǎn)生器46控制像素信號放大器230的增益設(shè)定的增益設(shè)定控制器338。
而且，第二實(shí)例的信號處理器包括噪聲抑制單元341和增益校正單元345。噪聲抑制單元341抑制包括在輸入N位信號V(i)中的噪聲。增益校正單元345參考增益設(shè)定控制器338設(shè)定的增益設(shè)定信息來校正增益。增益校正單元345可以被忽略。噪聲處理單元341和增益校正處理器345的結(jié)構(gòu)與圖21A所示的信號擴(kuò)展單元310中的那些相同。
在以上描述的第二實(shí)例中，用戶在檢測圖像亮度時(shí)，通過用戶界面(未示出)向增益設(shè)定控制器指示所需的亮度或增益?；诮邮盏降闹噶?，增益設(shè)定控制器338按照用戶所需控制增益設(shè)定。因此，通過從外部控制增益，而不管信號電平，可以控制圖像的亮度。
在這種情況中，基本逐幀地(一屏一屏地)控制增益。但，在實(shí)際中，用戶很少以幀速率改變增益設(shè)定，使得可以與在通常的照相機(jī)中增加或降低增益的處理類似地考慮處理。因此，在這種情況下，增益校正單元345不是必要的。
如上所描述的，根據(jù)第五實(shí)施例，提供在列區(qū)域單元中的元件數(shù)量能被降低。這對減少芯片的尺寸很有益處。而且，不會在像素信號放大器230中由像素信號檢測器引起噪聲。
噪聲分析圖24到26是用于解釋在通過由開關(guān)電容器實(shí)現(xiàn)的噪聲去除放大器(列放大器(amp)，或像素信號放大器230)中的噪聲分析的圖。圖24顯示了在用于計(jì)算像素的源極跟隨器熱噪聲的等效電路中的噪聲分析。圖25顯示了在用于計(jì)算從列放大器產(chǎn)生的噪聲的等效電路中的噪聲分析。圖26顯示了試驗(yàn)的結(jié)果。
在分析噪聲中，除了由列放大器產(chǎn)生的噪聲，也必須考慮提供在前級的成像單元110產(chǎn)生的噪聲和提供在后續(xù)級的列電路63、列ADC電路280、和輸出電路129產(chǎn)生的噪聲。
例如，當(dāng)在列放大器中進(jìn)行高增益放大時(shí)，減少后續(xù)疊加的隨機(jī)噪聲，例如由放大器129產(chǎn)生的噪聲或A/D轉(zhuǎn)換器64的量化噪聲。但是，部可能在整體上充分地降低噪聲，除非由成像單元110的源極跟隨器電路或列放大器產(chǎn)生的噪聲被被充分地減少。
在噪聲源是成像單元110的源極跟隨器電路、列電路放大器、后續(xù)列電路63和列ADC電路280的熱噪聲的情況下，也將計(jì)算放大器輸出中的噪聲。
在包括單元像素103的源極跟隨器電路、開關(guān)電容器列放大器、和列電路63的取樣電容器以及列ADC電路280的電路中的噪聲分量包括以下五種分量(1)由像素源極跟隨器電路引起和在復(fù)位取樣中由列放大器取樣的噪聲(2)由在列放大器中的共源極放大器引起和在復(fù)位取樣中由列放大器取樣的噪聲(3)由像素源極跟隨器電路引起和由列電路63或ADC電路280在信號取樣時(shí)直接取樣的噪聲(4)由列放大器中的共源極放大器引起和由列電路63或ADC電路280在信號取樣時(shí)直接取樣的噪聲(5)由復(fù)位列放大器的反饋電容器的開關(guān)所產(chǎn)生的噪聲在圖24和25A所示的等效電路中，在分量(1)和(2)的情況下，假定噪聲電荷被傳輸?shù)皆撦敵?，來確定有關(guān)達(dá)到放大器的輸入的噪聲功率的傳輸函數(shù)，并進(jìn)行計(jì)算。在分量(2)和(3)的情況下，確定有關(guān)達(dá)到放大器的輸出，即，達(dá)到列電路63或列ADC電路280的輸入的傳輸函數(shù)。在考慮在放大器的輸入和輸出之間的關(guān)系的情況下而計(jì)算反饋電容器的復(fù)位噪聲。
例如，關(guān)于由像素源極跟隨器(SF)電路產(chǎn)生的噪聲，可以通過增加增益G＝C1/C2而降低噪聲。用于調(diào)整增益的電容器C2在放大器之前或之后被設(shè)定，而輸入?yún)⒖嫉脑肼暪β?即均方)的近似表達(dá)式從以下的公式(3)中得到。這是因?yàn)橥ㄟ^增加增益G而增加了限制噪聲帶寬的效果。
Vn2‾=23kTβA(1+(1/G)+Ci/C1)2C1+Ci+(1+G+GCi/C1)C3---(3)]]>對于由列放大器所產(chǎn)生的噪聲，通過增加增益G＝C1/C2能增加噪聲。如圖25所示，輸入?yún)⒖嫉脑肼暪β?即均方)能通過以下的表達(dá)式(4)來表示。通過增加增益G，抑制噪聲的效果能被增加。而且，雖然噪聲通過Ci到C2的比率而增加，但通過增加增益G減小了輸入?yún)⒖嫉脑肼暋?br> Vn2‾=23kTβSF1G{CSH(1+Cs/C1)+(1+GCSH/C1)(CS+Ci+CiCs/C1)}---(4)]]>如上所述，通過在列放大器中如在上述實(shí)施例中所描述的調(diào)整增益，由像素源極跟隨器電路和用于調(diào)整增益的列放大器產(chǎn)生的熱噪聲被降低。
即，通過使用適應(yīng)性放大像素信號的列電路來增加增益，能降低輸入?yún)⒖荚肼?。通過在高增益使用具有窄噪聲帶寬的列電路放大信號，由例如成像單元110的源極跟隨器電路或列放大器等顯著的噪聲源所產(chǎn)生的輸入?yún)⒖荚肼暠唤档汀?br> 圖26顯示了在根據(jù)第一實(shí)施例構(gòu)建的試驗(yàn)圖像傳感器中，在一幀中的一行上的隨機(jī)噪聲的分布。該分布通過關(guān)于特定行計(jì)算固定模式噪聲分量和從一行的輸出數(shù)據(jù)中減去固定模式分量而獲取。增益設(shè)定為×1時(shí)隨機(jī)噪聲σ是785μVrms，增益設(shè)定為×8時(shí)隨機(jī)噪聲σ是2.1mVrms，而輸入?yún)⒖荚肼暈?63μVrms。即，隨機(jī)噪聲被顯著地降低。雖然未示出，在校正前，固定模式噪聲是1.7mVrms，而在校正后為50μVrms。即，如在CCD設(shè)備中，噪聲被有利地降低了。
如上所述，用于獨(dú)立檢測像素信號的幅度和獨(dú)立設(shè)定幅度增益的電路被提供給各個(gè)像素列，使得與相關(guān)技術(shù)比較，通過特定的因素而降低了隨機(jī)噪聲。而且，從固態(tài)成像單元2(固態(tài)成像裝置10)來的電壓的幅度很大，使得增加了動態(tài)范圍。例如，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器64是15(17)位寬，而增益設(shè)定在從×1到×8的范圍內(nèi)得到控制時(shí)，可以得到15(17)位的精確度。這就允許為每個(gè)像素提高S/N比，并使用簡單的電路結(jié)構(gòu)和很小的像素增加動態(tài)范圍。
如上所述，根據(jù)該實(shí)施例，主要可以取得以下益處。
(1)雖然該結(jié)構(gòu)是基于列的，各個(gè)像素的信號以優(yōu)選的放大增益讀取，并可以為各個(gè)像素獨(dú)立地設(shè)定增益。
(2)小電平的信號的S/N比顯著提高，使得固態(tài)成像單元取得高靈敏度。
(3)通過執(zhí)行12(14)位AD轉(zhuǎn)換和關(guān)于基于在列電路中的2的冪的正常增益(×1)而執(zhí)行增益設(shè)定(×2，×4，或×8)，可以得到15(17)位或更大的寬動態(tài)范圍。
(4)即便當(dāng)如自動曝光、閃爍校正、γ校正、陰影校正、或色彩平衡等處理在數(shù)字域中被執(zhí)行，S/N比也不會降低，同時(shí)能容易地得到高質(zhì)量的圖像。
雖然以上的描述是在CMOS圖像傳感器的上下文中做出的，但本發(fā)明可以應(yīng)用到包括例如照相機(jī)、便攜式終端、個(gè)人計(jì)算機(jī)的成像裝置的各種電子設(shè)備，包括固態(tài)成像裝置，來提高成像裝置的功能。
而且，本發(fā)明還可以應(yīng)用到其它結(jié)構(gòu)的高靈敏度的CMOS圖像傳感器或與CCD組合而成的結(jié)合了CCD-CMOS的傳感器中。
而且，在不背離本發(fā)明的精神的情況下也可對其它部分進(jìn)行改變。
在本發(fā)明的實(shí)施例的描述中，表示像素的結(jié)構(gòu)或線方向的“行”和“列”分別是指矩陣的水平方向和垂直方向。但是，本發(fā)明并不限于以上所描述的結(jié)構(gòu)。例如，信號可以通過在水平方向上延伸的信號線從像素讀取到成像區(qū)域的外部。而且，“行”和“列”的方向取決于“行”和“列”如何定義。例如，當(dāng)“行”表示垂直方向時(shí)，本發(fā)明將通過交換“行”和“列”而構(gòu)建。
而且，即便當(dāng)沒有直接以矩陣的形式安置像素，例如，當(dāng)像素以半間距的移位來安排時(shí)，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能適當(dāng)?shù)卦O(shè)定“行”和“列”并應(yīng)用本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種用于控制包括信號獲取單元和列處理器的半導(dǎo)體裝置的方法，該信號獲取單元包括以行和列排列的單元元件，該單元元件每個(gè)包括用于產(chǎn)生對應(yīng)于入射電磁波的信號電荷的電荷產(chǎn)生器，和用于產(chǎn)生對應(yīng)于由該電荷產(chǎn)生器產(chǎn)生的信號電荷的信號的信號產(chǎn)生器，該列處理器被提供給各個(gè)列來逐行讀取信號，以通過特定的增益放大信號，并隨后輸出該放大的信號，列處理器分別包括用于將從單元元件讀取的信號放大設(shè)定給放大器電路的增益的放大器電路，該方法包括增益確定控制步驟，以設(shè)定給各個(gè)放大器電路的不同增益來檢測放大器電路或其后續(xù)級的輸出信號的信號電平，基于所檢測的信號電平確定設(shè)定給放大器電路的增益，并用所確定的增益使該放大器電路工作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中為每行的每個(gè)單元元件單獨(dú)執(zhí)行增益確定控制步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中每行的代表信號電平基于從列處理器輸出的輸出信號來確定，基于所確定的代表電平而確定為每行共同設(shè)定給放大器電路的增益，同時(shí)使放大器電路根據(jù)為每行確定的增益來工作。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中基于從列處理器輸出的輸出信號而確定用于整個(gè)信號獲取單元的每一屏的代表信號電平，基于所確定的代表信號電平而確定為每一屏共同設(shè)定給整個(gè)信號獲取單元的放大器電路的增益，同時(shí)使放大器電路根據(jù)為屏幕確定的增益而工作。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中由于設(shè)定給各個(gè)放大器電路的不同增益，抑制在為各個(gè)列提供的放大器電路中的輸出直流電平中發(fā)生的變化。
6.一種信號處理方法，用于對從包括信號獲取單元和列處理器的半導(dǎo)體裝置輸出的信號執(zhí)行預(yù)定信號處理，該信號獲取單元包括以行和列排列的單元元件，該單元元件每個(gè)包括用于產(chǎn)生對應(yīng)于入射電磁波的信號電荷的電荷產(chǎn)生器，和用于產(chǎn)生對應(yīng)于由該電荷產(chǎn)生器產(chǎn)生的信號電荷的信號的信號產(chǎn)生器，該列處理器被提供給各個(gè)列來逐行讀取信號，以通過特定的增益放大信號，并隨后輸出該放大的信號，列處理器分別包括用于將從單元元件讀取的信號放大設(shè)定給放大器電路的增益的放大器電路，該方法包括增益確定控制步驟，以設(shè)定給各個(gè)放大器電路的不同增益來檢測放大器電路或其后續(xù)級的輸出信號的信號電平，基于所檢測的信號電平確定設(shè)定給放大器電路的增益，并用所確定的增益使該放大器電路工作；和增益校正步驟，其在增益確定控制步驟之后，基于設(shè)定給各個(gè)放大器電路的增益，校正從列處理器輸出的輸出信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的信號處理方法，其中增益校正步驟為信號獲取單元的一個(gè)屏來執(zhí)行，以產(chǎn)生用于該屏的圖像。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的信號處理方法，其中增益確定控制步驟為每行的每個(gè)單元元件單獨(dú)執(zhí)行，并且增益校正步驟為從各個(gè)列處理器輸出的每行的單元元件的每個(gè)輸出信號單獨(dú)執(zhí)行。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的信號處理方法，其中每行的代表信號電平基于從列處理器輸出的輸出信號而確定，基于所確定的各個(gè)代表信號電平而確定共同為行設(shè)定給放大器電路的增益，放大器電路根據(jù)為行所確定的增益而工作，并且為每行單獨(dú)執(zhí)行增益校正步驟。
10.根據(jù)權(quán)利要求6的信號處理方法，其中基于從列處理器輸出的輸出信號而確定用于整個(gè)信號獲取單元的每一屏的代表信號電平，基于所確定的代表信號電平而確定共同為該屏而設(shè)定給整個(gè)信號獲取單元的放大器電路的增益，同時(shí)使放大器電路根據(jù)為該屏確定的增益而工作，并且為每行單獨(dú)執(zhí)行增益校正步驟。
11.根據(jù)權(quán)利要求6的信號處理方法，其中設(shè)定給放大器電路的增益是2的冪，同時(shí)增益校正步驟通過表示從列處理器輸出的輸出信號的數(shù)字值的移位而執(zhí)行。
12.根據(jù)權(quán)利要求6的信號處理方法，其中由于設(shè)定給各個(gè)放大器電路的不同增益，抑制了在為各個(gè)列提供的放大器電路中的輸出直流電平中發(fā)生的變化。
13.一種半導(dǎo)體裝置，包括信號獲取單元，包括以行和列安排的單元元件，該單元元件的每個(gè)包括電荷產(chǎn)生器，用來產(chǎn)生對應(yīng)于入射電磁波的信號電荷，和信號產(chǎn)生器，用來產(chǎn)生對應(yīng)于該由電荷產(chǎn)生器產(chǎn)生的信號電荷的信號，列處理器，被提供給各個(gè)列以逐行讀取信號，以通過某個(gè)增益來放大信號，并順序輸出該放大的信號，該列處理器分別包括放大電路，用于將從單元元件讀出的信號放大設(shè)定給該放大器電路的增益；和增益確定控制器，用于以設(shè)定給各個(gè)放大器電路的不同增益來檢測放大器電路或其后續(xù)級的輸出信號的信號電平，基于所檢測的信號電平確定設(shè)定給放大器電路的增益，并使該放大器電路用所確定的增益來工作。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的半導(dǎo)體裝置，其中增益確定控制器包括用于給放大器電路設(shè)定增益的增益設(shè)定單元，該增益設(shè)定單元提供在列處理器中；信號電平檢測器，用來以設(shè)定給各個(gè)放大器電路的不同增益檢測放大器電路或其后續(xù)級的輸出信號；和增益設(shè)定控制器，用來基于由信號電平檢測器檢測的信號電平確定設(shè)定給各個(gè)放大器電路的增益，并控制增益設(shè)定單元以便將所確定的增益設(shè)定給各個(gè)放大器電路。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的半導(dǎo)體裝置，其中進(jìn)一步包括分類信號產(chǎn)生器，用來將由信號電平檢測器檢測到的信號電平與多個(gè)閥值進(jìn)行比較，以對信號電平分類，同時(shí)產(chǎn)生并輸出表示分類結(jié)果的分類信號，其中增益設(shè)定控制器基于從分類信號產(chǎn)生器輸出的分類信號控制增益設(shè)定單元。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的半導(dǎo)體裝置，其中分類信號產(chǎn)生器提供在為各個(gè)列提供的列處理器中，同時(shí)該分類信號產(chǎn)生器還用作增益設(shè)定控制器。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的半導(dǎo)體裝置，其中分類信號控制器輸出分類信號給包括信號獲取單元和列處理器的半導(dǎo)體芯片的外部。
18.根據(jù)權(quán)利要求15的半導(dǎo)體裝置，其中分類信號產(chǎn)生器輸出與從列處理器所輸出的由放大器電路放大的信號相關(guān)聯(lián)的分類信號，該關(guān)聯(lián)基于各個(gè)單元元件而產(chǎn)生。
19.根據(jù)權(quán)利要求13的半導(dǎo)體裝置，其中信號電平檢測器提供在為各個(gè)列提供的列處理器中。
20.根據(jù)權(quán)利要求13的半導(dǎo)體裝置，其中信號電平檢測器單獨(dú)從包括信號獲取單元和列處理器的半導(dǎo)體芯片提供，同時(shí)該信號電平檢測器基于從放大器電路輸出的輸出信號確定每行的代表信號電平。
21.根據(jù)權(quán)利要求13的半導(dǎo)體裝置，其中信號電平檢測器單獨(dú)從包括信號獲取單元和列處理器的半導(dǎo)體芯片提供，同時(shí)該信號電平檢測器基于從列處理器輸出的輸出信號確定整個(gè)信號獲取單元的每屏的代表信號電平。
22.根據(jù)權(quán)利要求14的半導(dǎo)體裝置，其中增益設(shè)定控制器提供在為各個(gè)列所提供的列處理器中。
23.根據(jù)權(quán)利要求14的半導(dǎo)體裝置，其中增益設(shè)定控制器提供在列處理器的外部。
24.根據(jù)權(quán)利要求14的半導(dǎo)體裝置，其中當(dāng)由信號電平檢測器檢測的、來自具有設(shè)定給放大器電路的預(yù)定增益的該放大器電路的輸出信號的信號電平落在該放大器電路的線性范圍之外時(shí)，增益設(shè)定控制器執(zhí)行控制，以便將允許設(shè)定給該放大電路、除該預(yù)定增益以外的最大增益設(shè)定給該放大器電路。
25.根據(jù)權(quán)利要求13的半導(dǎo)體裝置，進(jìn)一步包括輸出直流電平抑制單元，用于抑制在列處理器中提供的放大器電路中的輸出直流電平由于設(shè)定給各個(gè)放大器電路的不同增益而產(chǎn)生的變化。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的半導(dǎo)體裝置，其中由增益設(shè)定單元形成的可變增益放大器電路以及該放大器電路用作輸出直流電平抑制單元。
27.根據(jù)權(quán)利要求13的半導(dǎo)體裝置，其中為各個(gè)列提供的列處理器包括用于將從放大器電路輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字值的轉(zhuǎn)換器。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的半導(dǎo)體裝置，其中轉(zhuǎn)換器用作輸出直流電平抑制單元，用于抑制在各個(gè)列處理器中提供的放大器電路中的輸出直流電平由于設(shè)定給各個(gè)放大器電路的不同增益而產(chǎn)生的變化。
29.一種電子設(shè)備，用于對從包括信號獲取單元和列處理器的半導(dǎo)體裝置輸出的信號執(zhí)行預(yù)定信號處理，該信號獲取單元包括以行和列排列的單元元件，該單元元件每個(gè)包括用于產(chǎn)生對應(yīng)于入射電磁波的信號電荷的電荷產(chǎn)生器，和用于產(chǎn)生對應(yīng)于由該電荷產(chǎn)生器產(chǎn)生的信號電荷的信號的信號產(chǎn)生器，該列處理器被提供給各個(gè)列來逐行讀取信號，以通過特定的增益放大信號，并隨后輸出該放大的信號，列處理器分別包括用于將從單元元件讀取的信號放大設(shè)定給放大器電路的增益的放大器電路，該電子設(shè)備包括增益確定控制器，用于以設(shè)定給各個(gè)放大器電路的不同增益來檢測放大器電路或其后續(xù)級的輸出信號的信號電平，基于所檢測的信號電平確定設(shè)定給放大器電路的增益，并使該放大器電路以所確定的增益工作；和信號擴(kuò)展單元，用來基于設(shè)定給各個(gè)放大器電路的增益，而對從列處理器輸出的輸出信號執(zhí)行增益校正，從而擴(kuò)展信號獲取單元一個(gè)屏的信號的動態(tài)范圍。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的電子設(shè)備，其中信號擴(kuò)展單元為信號獲取單元的一個(gè)屏執(zhí)行增益校正，以產(chǎn)生該屏的圖像。
31.根據(jù)權(quán)利要求29的電子設(shè)備，其中增益確定控制器單獨(dú)為每行的每個(gè)單元元件執(zhí)行增益確定控制，該信號擴(kuò)展單元為從列處理器輸出的每行的單元元件的每個(gè)信號單獨(dú)執(zhí)行增益校正。
32.根據(jù)權(quán)利要求29的電子設(shè)備，其中增益確定控制器基于從放大器電路輸出的輸出信號確定每行的代表信號電平，基于確定的代表電平確定共同為該行設(shè)定給放大器的增益，同時(shí)使放大器電路根據(jù)為每行確定的增益工作，同時(shí)信號擴(kuò)展單元為每行單獨(dú)執(zhí)行增益校正。
33.根據(jù)權(quán)利要求29的電子設(shè)備，其中增益確定控制器基于從放大器電路輸出的輸出信號確定整個(gè)信號獲取單元的每個(gè)屏幕的代表信號電平，基于確定的代表信號電平確定共同為該屏設(shè)定給放大器電路的增益，同時(shí)使放大器電路根據(jù)為該屏確定的增益而工作，同時(shí)信號擴(kuò)展單元為每屏單獨(dú)執(zhí)行增益校正。
34.根據(jù)權(quán)利要求29的電子設(shè)備，其中增益確定控制器基于2的冪來控制設(shè)定給放大器電路的增益，同時(shí)信號擴(kuò)展單元通過表示從列處理器輸出的輸出信號的數(shù)字值的移位而執(zhí)行增益校正。
35.根據(jù)權(quán)利要求29的電子設(shè)備，進(jìn)一步包括分類信號產(chǎn)生器，用于將由信號電平檢測器檢測到的信號電平與多個(gè)閥值進(jìn)行比較以對信號電平分類，同時(shí)產(chǎn)生并輸出表示分類結(jié)果的分類信號，其中增益設(shè)定控制器基于從分類信號產(chǎn)生器輸出的分類信號控制增益設(shè)定單元。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的電子設(shè)備，其中分類信號產(chǎn)生器輸出分類信號給包括信號獲取單元和列處理器的半導(dǎo)體芯片的外部，同時(shí)信號擴(kuò)展單元參照從分類信號產(chǎn)生器輸出的分類信號來執(zhí)行增益校正。
37.根據(jù)權(quán)利要求35的電子設(shè)備，其中分類信號產(chǎn)生器輸出與從列處理器輸出的、由放大器電路放大的信號關(guān)聯(lián)的分類信號，該關(guān)聯(lián)基于各個(gè)單元元件而產(chǎn)生。
38.一種控制半導(dǎo)體裝置的方法，該半導(dǎo)體裝置包括信號獲取單元和列處理器，該信號獲取單元包括以行和列排列的單元元件，該單元元件每個(gè)包括用于產(chǎn)生對應(yīng)于入射電磁波的信號電荷的電荷產(chǎn)生器，和用于產(chǎn)生對應(yīng)于由該電荷產(chǎn)生器產(chǎn)生的信號電荷的信號的信號產(chǎn)生器，該列處理器被提供給各個(gè)列來逐行讀取信號，以通過特定的增益放大信號，并隨后輸出該放大的信號，列處理器分別包括用于將從單元元件讀取的信號放大設(shè)定給放大器電路的增益的放大器電路，該方法包括增益確定控制步驟，其檢測從信號獲取單元輸出的信號的信號電平，基于檢測的結(jié)果確定設(shè)定給放大器電路的增益，并使該放大器電路根據(jù)確定的增益而工作；和增益校正步驟，用于將與從放大器電路輸出的信號關(guān)聯(lián)的比較結(jié)果或分類信號輸出到列處理器的外部，該分類信號用于根據(jù)比較結(jié)果對信號電平進(jìn)行分類，該關(guān)聯(lián)基于單獨(dú)的單元元件而做出，并且參照該比較結(jié)果或分類信號，基于設(shè)定給各個(gè)放大器電路的增益而校正從列處理器輸出的輸出信號。
39.一種控制半導(dǎo)體裝置的方法，該半導(dǎo)體裝置包括信號獲取單元和列處理器，該信號獲取單元包括以行和列排列的單元元件，該單元元件每個(gè)包括用于產(chǎn)生對應(yīng)于入射電磁波的信號電荷的電荷產(chǎn)生器，和用于產(chǎn)生對應(yīng)于由該電荷產(chǎn)生器產(chǎn)生的信號電荷的信號的信號產(chǎn)生器，該列處理器被提供給各個(gè)列來逐行讀取信號，以通過特定的增益放大信號，并隨后輸出該放大的信號，列處理器分別包括放大器電路，用于將從單元元件讀取的信號放大設(shè)定給放大器電路的增益，該方法包括增益確定控制步驟，用于檢測從信號獲取單元輸出的信號的電平，基于檢測的結(jié)果確定設(shè)定給放大器電路的增益，并使該放大器電路根據(jù)確定的增益而工作；和將從放大電路輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字值的步驟。
40.一種控制半導(dǎo)體裝置的方法，該半導(dǎo)體裝置包括信號獲取單元和列處理器，該信號獲取單元包括以行和列排列的單元元件，該單元元件每個(gè)包括用于產(chǎn)生對應(yīng)于入射電磁波的信號電荷的電荷產(chǎn)生器，和用于產(chǎn)生對應(yīng)于由該電荷產(chǎn)生器產(chǎn)生的信號電荷的信號的信號產(chǎn)生器，該列處理器被提供給各個(gè)列來逐行讀取信號，以通過特定的增益來放大信號，并隨后輸出該放大的信號，列處理器分別包括放大器電路，用于將從單元元件讀取的信號放大設(shè)定給放大器電路的增益，該方法包括增益確定控制步驟，用于檢測從信號獲取單元輸出的信號的電平，基于檢測的結(jié)果確定設(shè)定給放大器電路的增益，并使該放大器電路根據(jù)確定的增益而工作；和一步驟，抑制放大器電路中的輸出直流電平的變化的發(fā)生，該變化是由于設(shè)定給各個(gè)放大器電路的不同增益而產(chǎn)生的。
41.一種成像裝置，包括成像區(qū)域，包括多個(gè)像素，每個(gè)像素包括電荷產(chǎn)生器，用來產(chǎn)生信號電荷；放大器電路區(qū)域，用于放大從像素輸出的信號，并輸出該放大的信號，該放大器電路區(qū)域被提供在該成像區(qū)域的旁邊；輸出部分，提供在放大器電路區(qū)域的后續(xù)級；其中該放大器電路區(qū)域包括多個(gè)放大器，基于從輸出部分輸出的信號的電平而對這些放大器設(shè)定增益。
全文摘要
一種固態(tài)成像裝置的預(yù)放大器(列區(qū)域單元)包括像素信號控制器。對每個(gè)垂直信號線，該像素信號控制器通過像素信號放大器的輸出端上的像素信號檢測器獨(dú)立地檢測每個(gè)像素信號的電平，并根據(jù)信號的電平獨(dú)立給像素信號放大器設(shè)定增益。在固態(tài)成像裝置的后續(xù)級，提供有模擬－數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器和信號擴(kuò)展單元。A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字化像素信號，同時(shí)參照來自像素信號檢測器的分類信號，通過給像素信號放大器設(shè)定的增益來校正該數(shù)字化的像素信號，以便一屏信號的動態(tài)范圍得到擴(kuò)展。
文檔編號H04N5/378GK1645918SQ200410103399
公開日2005年7月27日 申請日期2004年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月5日
發(fā)明者角博文, 中村信男, 川人祥二 申請人:索尼株式會社