專利名稱：固態(tài)成像裝置和成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及要被用于掃描儀、攝像機和數(shù)字靜態(tài)照相機等的固態(tài)成像裝置。
背景技術(shù)：
近年來，CMOS圖像傳感器已被廣泛用于數(shù)字照相機、數(shù)字攝錄機(digital camcorder)和用于便攜式電話的照相機單元等。由于減少部件數(shù)量和降低功耗等的要 求，已研究了包含A/D轉(zhuǎn)換電路的CMOS圖像傳感器。作為CMOS圖像傳感器的一種形式， 存在一種向像素布置的各列提供A/D轉(zhuǎn)換電路的被稱為列A/D的形式。已提出了各種A/ D轉(zhuǎn)換形式以將其用于列A/D，并且，在這些A/D轉(zhuǎn)換形式之中，已知在日本專利申請?zhí)亻_ No. 2002-232291和No. 2005-348325中公開的積分型A/D轉(zhuǎn)換形式。如果如在日本專利申 請?zhí)亻_No. 2002-232291中公開的積分型A/D轉(zhuǎn)換器那樣以高次位和低次位的兩個階段執(zhí) 行轉(zhuǎn)換，那么轉(zhuǎn)換時間變得與2Χ2ΝΛ成比例，并且，與例如將輸入信號與三角波進行比較的 形式相比，該方法具有能夠縮短轉(zhuǎn)換時間的特征。在日本專利申請?zhí)亻_No. 2005-348325中公開的A/D轉(zhuǎn)換形式通過在存儲單元中 保持來自像素的信號，然后通過固定信號充電和放電，執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換。由于在日本專利申請 特開No. 2005-348325中公開的A/D轉(zhuǎn)換形式也以高次位和低次位的兩個階段執(zhí)行A/D轉(zhuǎn) 換，因此，與將輸入信號與三角波進行比較的轉(zhuǎn)換形式相比，該A/D轉(zhuǎn)換形式可縮短A/D轉(zhuǎn) 換所需要的時間。但是，當(dāng)使用在日本專利申請?zhí)亻_No. 2002-232291中公開的A/D轉(zhuǎn)換器作為列A/ D時，出現(xiàn)以下的問題。如果在高次位轉(zhuǎn)換的每個時鐘的保持在電容器中的電荷的變化量 (高次位轉(zhuǎn)換的單位積分量)與低次位轉(zhuǎn)換的每個時鐘的保持在電容器中的電荷的變化量 (低次位轉(zhuǎn)換的單位積分量)的比率上存在差異，那么導(dǎo)致微分線性誤差。例如，如果以6 位的高次數(shù)字和6位的低次數(shù)字的階段執(zhí)行12位A/D轉(zhuǎn)換，那么，用于高次位轉(zhuǎn)換的單位 積分量在理想情況下需要為用于低次位轉(zhuǎn)換的單位積分量的64倍，但是，由于實際電路中 的構(gòu)成電路的元件的相對精度等而導(dǎo)致誤差。元件的相對精度受例如在制造元件時發(fā)生的 分散性的影響。圖8引用日本專利申請?zhí)亻_No. 2002-232291的圖5。為了簡化，一些附圖標記被 刪除。圖8所示的A/D轉(zhuǎn)換器對于高次位轉(zhuǎn)換以C5/C4的增益放大信號Vcl，所述信號Vcl 是以階梯狀波改變的信號，另一方面，對于低次位轉(zhuǎn)換以C6/C4的增益放大信號Vc2，所述 信號Vc2具有與信號Vcl相同的梯度和與信號Vcl相反的極性。用于高次位轉(zhuǎn)換的單位積 分量為用于低次位轉(zhuǎn)換的單位積分量的C5/C6倍。但是，由于電容器元件C5和C6是在各 列不同的電容器元件，因此，電容器元件C5和C6的相對精度在各列中是不同的。由此，可 以想到值C5/C6在各列是稍有不同的。特別地，如果與像素尺寸的減小相關(guān)聯(lián)地減小像素 布置的列寬，那么能夠在列內(nèi)實現(xiàn)的電容器元件的尺寸即電容器值變小，因此，電容器元件 的相對精度一般變差。如果列之間的高次位轉(zhuǎn)換的單位積分量與低次位轉(zhuǎn)換的單位積分量 的比率的誤差對于需要的線性精度來說變得不可忽略不計，那么產(chǎn)生將校正系數(shù)存儲到各
4列中并且執(zhí)行校正操作的必要性。特別是在轉(zhuǎn)換位的數(shù)量增大的情況下，這導(dǎo)致線性校正 處理變?yōu)榉浅４蟮呢摀?dān)的問題。另一方面，圖9引用日本專利申請?zhí)亻_No. 2005-348325的圖6。為了描述，新添 加附圖標記。在圖9的配置中，電流流過電阻R，該電流基于固定電壓V_DE1或V_DE2與運 算放大器Amp的反相輸入端子(-)處的電勢之間的電勢差以及電阻R的大小。運算放大器 Amp的反相輸入端子處的電勢在理想情況下由于其假想接地而變得等于其非反相輸入端子 ⑴處的電勢。但是，在實際的電路中，由于構(gòu)成運算放大器Amp的元件的特性未必是理想 的，因此運算放大器Amp的兩個輸入端子具有不同的電勢。因此，這種差異表現(xiàn)為偏移。艮口， 由于由構(gòu)成運算放大器Amp的元件導(dǎo)致的偏移，不執(zhí)行理想的積分。如果A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率不高，那么比率與其理想值的差異影響不顯著。但是，如 果分辨率變高，那么與理想值的差異變得不可忽略不計，并且，導(dǎo)致不能獲得精確的A/D轉(zhuǎn) 換結(jié)果的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的固態(tài)成像裝置提供解決上述問題的固態(tài)成像裝置和使用固態(tài)成像裝置 的成像系統(tǒng)。本發(fā)明的一個方面的固態(tài)成像裝置是這樣一種固態(tài)成像裝置，其包括像素區(qū)域， 包含以矩陣布置的多個像素，每個像素輸出模擬信號；多個A/D轉(zhuǎn)換電路，各與所述多個像 素的各列相對應(yīng)地布置，用于將模擬信號A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，其中，所述固態(tài)成像裝置包 含參考信號產(chǎn)生電路，用于共同向所述多個A/D轉(zhuǎn)換電路供給信號電平向著不同電勢方 向改變的至少兩個參考信號，并且，所述A/D轉(zhuǎn)換電路包含放大器；輸入電容器，其一個端 子接收模擬信號和從參考信號產(chǎn)生電路供給的參考信號，其另一個端子與放大器的一個輸 入端子連接；反饋電容器，連接在放大器的所述一個輸入端子和輸出端子之間；比較器，用 于將來自放大器的輸出端子的輸出與比較電平進行比較；和連接電容器，其一個端子與放 大器的輸出端子連接，其另一端子與比較器的一個輸入端子連接。根據(jù)本發(fā)明，A/D轉(zhuǎn)換器的線性精度可得到提高，并且，即使A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率 得到提高，也可減少由于偏移的影響而導(dǎo)致的A/D轉(zhuǎn)換器的A/D轉(zhuǎn)換的精度的劣化。參照附圖閱讀示例性實施例的以下描述，本發(fā)明的其它特征將變得清晰。


圖IA是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的固態(tài)成像裝置的框圖。圖IB是示出固態(tài)成像裝置的等效電路的一部分的圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明的第一和第二實施例的固態(tài)成像裝置的單位像素的等效電路 圖。圖3A和圖3B是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的固態(tài)成像裝置的時序圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的參考信號產(chǎn)生電路的等效電路圖。圖5A是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的固態(tài)成像裝置的框圖。圖5B是示出固態(tài)成像裝置的等效電路的一部分的圖。圖6是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的固態(tài)成像裝置的時序圖。
圖7是示出根據(jù)第三實施例的成像系統(tǒng)的配置例子的圖。圖8是示出根據(jù)日本專利申請?zhí)亻_No. 2002-232291的A/D轉(zhuǎn)換單元的電路圖。圖9是引用日本專利申請?zhí)亻_No. 2005-348325的圖6的圖。
具體實施例方式(第一實施例)將參照附圖描述可應(yīng)用本發(fā)明的根據(jù)第一實施例的固態(tài)成像裝置。首先，參照圖IA的框圖描述根據(jù)本實施例的固態(tài)成像裝置的概要。固態(tài)成像裝置 1包含像素區(qū)域，在該像素區(qū)域中，以矩陣布置多個像素100，并且，像素100均具有圖2的 等效電路所示的配置。從像素100輸出的信號經(jīng)由垂直輸出線106作為模擬信號被輸入 到設(shè)置在各列中的列讀出電路124。多個列讀出電路124中的每一個包括:A/D轉(zhuǎn)換電路， 所述A/D轉(zhuǎn)換電路包含積分器電路125和比較器126 ；以及存儲器130和131，所述存儲器 130和131分別存儲高次位的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果和低次位的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。積分器電路125包 含輸入電容器108、開關(guān)109、放大器120、反饋電容器121和開關(guān)110。輸入電容器108的 一個端子接收來自像素的模擬信號和來自將在后面描述的參考信號產(chǎn)生電路140的參考 信號，并且，輸入電容器108的另一端子與放大器120的輸入端子連接。存儲在高次位存儲 器130和低次位存儲器131中的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果經(jīng)由列選擇開關(guān)114分別被輸出到位輸出線 136和137，并且在通過作為加法單元的加法器電路138被合成為N位數(shù)字信號之后被輸 出。雖然這里使用加法器電路138，但是，可以根據(jù)信號的極性使用減法電路以替代加法器 電路138。圖2作為等效電路示出像素100中的每一個像素的例子。附圖標記101表示光電 二極管，該光電二極管根據(jù)入射光執(zhí)行光電轉(zhuǎn)換以累積獲得的電荷，并且，光電二極管101 的陰極與傳送MOS晶體管102連接。當(dāng)傳送MOS晶體管102接收到高電平的信號PTX時， 累積于光電二極管101中的電荷被傳送到與放大MOS晶體管104的柵極連接的節(jié)點。當(dāng)選 擇MOS晶體管105通過信號PSEL變?yōu)槠鋵?dǎo)通狀態(tài)時，放大MOS晶體管104與向垂直輸出線 106中的每一個垂直輸出線提供的恒流源107形成源跟隨器電路。由此，在垂直輸出線106 上出現(xiàn)根據(jù)放大MOS晶體管104的柵極處的電勢的電勢作為信號。附圖標記103表示復(fù)位 MOS晶體管。如果復(fù)位MOS晶體管103通過信號PRES變?yōu)槠鋵?dǎo)通狀態(tài)，那么復(fù)位MOS晶體 管103將與放大MOS晶體管104的柵極連接的節(jié)點復(fù)位到電源電壓VDD。參照圖IB的等效電路圖和圖3A的時序圖詳細描述本實施例的固態(tài)成像裝置的操 作。各信號脈沖的附圖標記與圖IB或圖2中的各端子的附圖標記對應(yīng)。并且，圖3A和圖 3B將要被供給到參考信號供給布線113的參考信號示出為斜坡信號電壓。此外，還示出包 含于列讀出電路124中的每一個列讀出電路中的積分器電路125的輸出。順便說一句，假 定圖IB和圖2所示的開關(guān)通過高電平的輸入信號被接通，S卩，被置于其導(dǎo)通狀態(tài)中，并且開 關(guān)通過低電平的輸入信號被關(guān)斷，即，被置于其非導(dǎo)通狀態(tài)中。并且，關(guān)于圖IB中的選擇開 關(guān)112，通過脈沖的高電平或低電平而連接的路徑分別由“H”或“L”表示。假定在像素信號的讀出操作之前已經(jīng)過了預(yù)定的曝光時間，并且，在光電二極管 101中累積通過光電轉(zhuǎn)換獲得的電荷。此外，假定輸入選擇開關(guān)112被連接在放大MOS晶體 管104和垂直輸出線106之間。在本說明書中，從垂直掃描電路123向像素100供給脈沖
6PRES、PTX 禾口 PSEL0首先，在時刻tl，像素復(fù)位脈沖PRES從高電平變?yōu)榈碗娖?，由此釋放放大MOS晶體 管104的柵極的復(fù)位狀態(tài)。此時，剛剛終止復(fù)位之后的電壓(即，與暗狀態(tài)對應(yīng)的電壓)被 保持在與柵電極連接的浮置擴散區(qū)域(以下稱為FD區(qū)域)的電容器(以下稱為CFD)中。 此外，在時刻tl，積分開始信號ENIT變?yōu)楦唠娖?，由此設(shè)定RS鎖存器(latch) 129。接著，在時刻t2，當(dāng)行選擇脈沖PSEL變?yōu)楦唠娖綍r，通過由放大MOS晶體管104 和恒流源107形成的源跟隨器電路，在垂直輸出線106上出現(xiàn)保持在浮置擴散狀態(tài)中的與 暗時間對應(yīng)的暗輸出。另一方面，當(dāng)脈沖RESl在時刻t2變?yōu)楦唠娖綍r，開關(guān)109被接通， 因此，積分器電路125中的每一個積分器電路中的運算放大器120變?yōu)槠潆妷焊S器狀態(tài)。 雖然此時的運算放大器120的輸出分別包含其特有的偏移分量，但是輸出變得與參考電壓 VCOR基本上相同。當(dāng)脈沖RESl在時刻t3a從高電平變?yōu)榈碗娖綍r，開關(guān)109從導(dǎo)通(on)狀態(tài)變?yōu)?關(guān)斷(off)狀態(tài)，并且，垂直輸出線106上的暗輸出通過輸入電容器108被鉗位。脈沖RES2在緊接著脈沖RESl變化之后的時刻t3b從高電平變?yōu)榈碗娖剑⑶?，開 關(guān)111被關(guān)斷。然后，在連接電容器127a中保持包含暗輸出的分量和運算放大器120的偏 移分量的復(fù)位電平。由于比較器126的正輸入端子⑴處的電勢由于假想接地而等于負輸 入端子(_)的電勢，因此，能夠在輸入到正輸入端子中的信號和比較電平(即，經(jīng)由連接電 容器127b輸入到負端子中的信號)之間進行比較。當(dāng)輸入到正輸入端子中的信號和輸入 到負輸入端子中的信號之間的差值電壓為正時，比較器126進行操作，以便從正輸出端子 輸出高電平并且從負輸出端子輸出低電平。另一方面，當(dāng)差值電壓為負時，比較器126進行 操作，以便從負輸出端子輸出高電平并且從正輸出端子輸出低電平。接著，傳送脈沖PTX在從時刻t4到時刻t5的時段中變?yōu)楦唠娖剑纱藢?dǎo)通傳送 MOS晶體管102，并且，累積于光電二極管101中的電荷被傳送到放大MOS晶體管104的柵 極的節(jié)點。在本說明書中，要被傳送的電荷是電子。如果傳送的電荷的絕對值由Q表示，那 么放大MOS晶體管104的柵極電勢降低Q/CFD，并且，垂直輸出線106的電勢也根據(jù)柵極電 勢的降低而改變。此時的垂直輸出線的電勢被稱為照明狀態(tài)的輸出。如果源跟隨器電路的 增益由Gsf表示，那么來自暗輸出的垂直輸出線106的電勢Vvl的變化量AVvl可由下式 表不AVvl = - (Q/CFD) XGsf(式 1)由包含運算放大器120、輸入電容器108和反饋電容器121的反相放大器電路放大 垂直輸出線106的電勢變化，并且，由下式表示的信號Vs被保持在反饋電容器121中。Vs = (Q/CFD) XGstX (C0/Cf)(式 2)這里，CO表示輸入電容器108的電容值，Cf表示反饋電容器121的電容值。并且， 反相放大器電路的增益為-C0/Cf。然后，在時刻t6，操作進入執(zhí)行信號Vs的A/D轉(zhuǎn)換的步驟。首先，輸入選擇開關(guān) 112被切換到參考信號供給布線113側(cè)。作為參考信號的用于高次位轉(zhuǎn)換的階梯狀的斜坡 上升(ramp-up)信號從參考信號產(chǎn)生電路140被供給到參考信號供給布線113。雖然這里 使用具有與將在后面描述的信號ADCK同步地階梯狀并且單調(diào)變化的信號電平的信號作為 斜坡上升信號，但是，例如可以使用具有不是階梯狀變化而是平滑并且單調(diào)變化的信號電平的信號作為斜坡上升信號。順便說一句，單調(diào)變化意味著，例如，當(dāng)電平階梯狀上升時，信 號的電平不變?yōu)榻档偷姆较?。即，?dāng)信號單調(diào)變化時，它可包含其中電平不隨時間的過去而 變化的時段。如圖4所示，參考信號產(chǎn)生電路140包含開關(guān)和電容器積分器。在進行高次位 的轉(zhuǎn)換時，脈沖USEL變?yōu)楦唠娖?，并且，脈沖LSEL變?yōu)榈碗娖?，由此產(chǎn)生每個信號ADCK的 周期增大(Crl/Cr3) X VREF的斜坡上升信號。另一方面，在進行低次位的轉(zhuǎn)換時，脈沖LSEL 變?yōu)楦唠娖剑⑶?，脈沖USEL變?yōu)榈碗娖?，由此產(chǎn)生斜坡下降信號，該斜坡下降信號是降低 (Cr2/Cr3) XVREF的另一參考信號。即，斜坡下降信號和斜坡上升信號的信號電平的變化方 向彼此不同。并且，通過施加脈沖RESl的高電平，電容器Cr3的電荷可被復(fù)位以被初始化。 雖然這里示出輸入與向列讀出電路124供給的脈沖RESl相同的脈沖的情況，但是，可以向 參考信號產(chǎn)生電路140輸入與輸入到列讀出電路124的脈沖不同的脈沖。雖然這里使用具 有與信號ADCK同步地階梯狀并且單調(diào)變化的信號電平的信號作為斜坡下降信號，但是，例 如可以使用具有不是階梯狀變化而是平滑并且單調(diào)變化的信號電平的信號作為斜坡上升 信號。順便說一句，單調(diào)變化意味著，例如，當(dāng)電平階梯狀上升時，電平不變?yōu)榻档偷姆较颉?即，可包含其中電平不隨時間的過去而變化的時段。當(dāng)用于高次位轉(zhuǎn)換的斜坡上升信號從時刻t6被輸入到積分器電路125時，開始積 分。用于高次位轉(zhuǎn)換的斜坡上升信號以-(C0/Cf)的增益被反相放大，并且，積分器電路125 的輸出因此對于信號ADCK的每個時鐘降低(C0/Cf) X (Crl/Cr3) XVREF0積分器電路125 的輸出經(jīng)由連接電容器127a被輸入到比較器126的正輸入端子。由于在時刻t3b采樣的 復(fù)位電平被保持在連接電容器127a中，因此，只有通過從積分器電路125的輸出減去復(fù)位 電平而獲得的變化的電平被輸入到比較器126。即，即使構(gòu)成積分器電路125的元件不具 有理想的特性，積分器電路125的偏移分量也不被輸入到比較器126，因此可執(zhí)行具有高精 度的A/D轉(zhuǎn)換。將經(jīng)由連接電容器127a被輸入到比較器126的正輸入端子的信號的變化 的電平與經(jīng)由連接電容器127b被輸入到比較器126的負輸出端子的參考電壓相比較。然 后，在積分器電路125的輸出變得小于復(fù)位電平時的時刻t7輸出鎖存信號latchl。鎖存 信號Iatchl被傳送到高次位存儲器130，并且，在此時從用于高次位的計數(shù)器132向高次 位存儲器130供給的計數(shù)器值被取入到高次位存儲器130中。同時，鎖存信號Iatchl也被 供給到RS鎖存器129的復(fù)位端子以停止積分器電路125的積分操作。假定此時的計數(shù)器 值為⑶，則在積分操作期間，輸出降低⑶X (C0/Cf) X (Crl/Cr3) X VREF,并且，導(dǎo)致如下狀 態(tài)CUX (C0/Cf) X (Crl/Cr3) XVREF-Vs作為殘留電壓被保持在反饋電容器121中。積分 操作停止的時刻根據(jù)各列中的像素信號Vs而不同。在所有的列的積分操作結(jié)束之后，脈沖 USEL變?yōu)榈碗娖?，并且，用于高次位的計?shù)器停止。隨后，在時刻t8，脈沖LSEL變?yōu)楦唠娖剑⑶?，脈沖USEL變?yōu)榈碗娖?，并且，?zhí)行 低次位的A/D轉(zhuǎn)換的步驟開始。從參考信號產(chǎn)生電路140向積分器電路125供給用于低次 位的轉(zhuǎn)換的斜坡下降信號，所述用于低次位的轉(zhuǎn)換的斜坡下降信號具有與用于執(zhí)行高次數(shù) 字位的轉(zhuǎn)換的斜坡上升信號相反的極性和降低(Cr2/Cr3)XVREF的電平。積分開始信號 ENINT被再次輸入，并且，積分器電路125中的積分操作開始。用于低次位的轉(zhuǎn)換的斜坡下 降信號以-(C0/Cf)的增益被反相放大，并且，積分器電路125的輸出對于信號ADCK的每個 時鐘增大(C0/Cf) X (Cr2/Cr3) XVREF0在比較器126中，將積分器電路125的輸出與保持 在連接電容器127a中的復(fù)位電平相比的變化的電平與經(jīng)由連接電容器127b輸入到比較器126中的參考電平相比較。然后，在積分器電路125的輸出變得大于參考電壓的時刻t9，輸 出鎖存信號latch2。鎖存信號latch2被傳送到低次位存儲器131，并且，此時從用于低次位 的計數(shù)器133向低次位存儲器131供給的計數(shù)器值被取入到低次位存儲器131中。同時， 鎖存信號latch2也被供給到RS鎖存器129的復(fù)位端子，以停止積分器電路125的積分操 作。積分操作的停止不是必需的。并且，在該時間點，殘差變得小于用于低次位轉(zhuǎn)換的單位 積分量，即，小于與ILSB對應(yīng)的積分量。在通過N/2位的高次數(shù)字和N/2位的低次數(shù)字的兩個階段執(zhí)行N位數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn) 換的情況下，用于高次位轉(zhuǎn)換的單位積分量與用于低次位轉(zhuǎn)換的單位積分量的比率在理想 情況下必須為2N/2。另一方面，本實施例的電路中的用于高次位轉(zhuǎn)換的單位積分量與用于低 次位轉(zhuǎn)換的單位積分量的比率由下式確定。((C0/Cf)X (Cr1/Cr3)XVREF)/((C0/Cf)X (Cr2/Cr3)XVERF) = Crl/Cr2(式 3)即，不管設(shè)置在各列中的電容器CO和Cf的值如何，該比率均只由參考信號產(chǎn)生電 路140中的Crl和Cr2的電容值之間的比率確定。因此，可以減小常規(guī)上成為問題的列之 間的誤差。存在這樣的一般趨勢即，隨著電容器元件的尺寸變大，即電容值變大，電容器 的相對精度提高。與尺寸受像素間距限制的設(shè)置在各列讀出電路124中的電容器CO和Cf 相比，設(shè)置在參考信號產(chǎn)生電路140中的電容器Crl和Cr2的電容值可很容易地被增大，并 且，在能夠提高A/D轉(zhuǎn)換的精度的方面是有利的。此外，如果A/D轉(zhuǎn)換的分辨率N相對較小，那么還能夠通過增大電容器Crl和Cr2 而消除對校正的執(zhí)行。在這種情況下，可通過用加法器電路138將存儲在高次位存儲器130 和低次位存儲器131中的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果相加在一起，獲得經(jīng)轉(zhuǎn)換的N位數(shù)字值。如果用于 低次位的計數(shù)器電路133是遞增計數(shù)器，那么執(zhí)行減法處理。作為替代方案，用于低次位的 計數(shù)器電路133可被配置為遞減計數(shù)器，以通過加法(或減法)電路138執(zhí)行加法(或減 法)處理。并且，本實施例特有的特征是還通過列讀出電路124中的積分器電路125以C0/Cf 的增益放大像素信號Vs，因此在A/D轉(zhuǎn)換之后的結(jié)果中不出現(xiàn)C0/Cf的比率的影響。S卩，可 以獲得在列之間具有小的增益誤差的優(yōu)異的圖像信號。順便提及，雖然在本實施例中對于多個列共用計數(shù)器電路132和133，但是，可以 獨立地對于各列設(shè)置計數(shù)器電路132和133。例如，如果固態(tài)成像裝置被實現(xiàn)為使得如果在高次位轉(zhuǎn)換時向用于高次位的計數(shù) 器電路132的時鐘輸入供給普通信號ADCK，并且，如果在低次位轉(zhuǎn)換時向時鐘輸入供給用 于低次位的計數(shù)器電路133的進位信號，那么可以執(zhí)行減去殘差的處理。雖然在圖3A的情況下輸入與信號ADCK同步地階梯狀改變的信號作為參考信號， 但是，例如，參考信號可以是如圖3B所示的以斜率變化的信號。(第二實施例)將參照圖5A和圖5B描述可應(yīng)用本發(fā)明的根據(jù)第二實施例的固態(tài)成像裝置。本實 施例的固態(tài)成像裝置適于具有相對高分辨率的列A/D形式。圖5A是示出固態(tài)成像裝置的概 要的框圖，圖5B示出固態(tài)成像裝置的等效電路的一部分。第二實施例與第一實施例的不同 之處在于，它還包含測量電路150，該測量電路150用于測量高次位轉(zhuǎn)換時間段的單位積分
9量與低次位轉(zhuǎn)換時間段的單位積分量的比率，該比率由參考信號產(chǎn)生電路140確定，并且， 第二實施例還包含校正電路151，該校正電路151基于測量結(jié)果執(zhí)行校正。并且，低次位存 儲器131a從第一實施例中的列讀出電路124的N/2位變?yōu)?N/2)+1位，添加了冗余位。測 量電路150具有與讀出像素信號的列讀出電路124類似的配置，該電路124已關(guān)于第一實 施例被描述，但是，測量電路150被配置為沒有輸入選擇開關(guān)112并且被配置為僅接收參考 信號。并且，測量電路150省略高次位存儲器130。并且，測量電路150不包含產(chǎn)生鎖存信 號Iatchl的電路，但是包含用于產(chǎn)生鎖存信號latch3的新添加的一位(one-bit)計數(shù)器 152。順便提及，這里將假定像素的配置與第一實施例的像素的配置相同而給出描述。圖6示出包含測量電路150的固態(tài)成像裝置的操作時序。在本實施例中，測量電 路150與讀出普通像素信號的列讀出電路124的操作并行地執(zhí)行測量。在從時刻tl到時 刻t6的像素信號讀出時段中，測量電路150僅執(zhí)行基于脈沖RESl的積分器電路125的復(fù) 位操作和基于脈沖RES2的通過比較器126進行的復(fù)位電平的采樣。在時刻t6，用于高次位 轉(zhuǎn)換的參考信號被輸入，并且，與列讀出電路124類似地開始積分，但是，在一個時鐘之后 的時刻tlO，通過一位計數(shù)器152停止積分操作。因此，在反饋電容器121中保持剛好等于 高次位轉(zhuǎn)換的單位積分量的電荷。隨后，在低次位的轉(zhuǎn)換步驟(該步驟從時刻t8開始)中積分的高次位轉(zhuǎn)換的單 位積分量經(jīng)受A/D轉(zhuǎn)換。在為其中高次位轉(zhuǎn)換時間段的單位積分量超過作為理想值的 (N/2) XLSB的情況作準備時，低次位存儲器131a變?yōu)?N/2+1)位，所述(N/2+1)位包含向 列讀出電路124中的低次位存儲器131的N/2位中添加的冗余位。A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果在鎖存信號latch2被輸出的時刻t9被寫入低次位存儲器131a 中，并且進一步被輸入到校正電路151中。來自列讀出電路124的低次位的A/D轉(zhuǎn)換的結(jié) 果被輸入到校正電路151中，并且，基于來自測量電路150的測量結(jié)果執(zhí)行對其的校正。校 正之后的低次位的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果在加法器電路138中與高次位的A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果合成，并 且成為A/D轉(zhuǎn)換輸出，即，數(shù)字輸出。描述本實施例特有的特征。在本實施例中，測量電路150測量用于高次位轉(zhuǎn)換的 積分量與用于低次位轉(zhuǎn)換的積分量的比率的誤差，該誤差由參考信號產(chǎn)生電路140產(chǎn)生。 校正電路151校正A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，由此使得能夠獲得具有較高線性精度的A/D轉(zhuǎn)換輸出。并且，在本實施例的固態(tài)成像裝置中，列讀出電路124執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換的時段和測量 電路150執(zhí)行測量的測量時段相互重疊。因此，例如，如果高次位轉(zhuǎn)換的單位積分量與用于 低次位轉(zhuǎn)換的單位積分量的比率依賴于溫度而變化，那么依賴于溫度而出現(xiàn)的影響可被依 次校正。因此，對于環(huán)境的變化，可以以高精度穩(wěn)定地執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換。順便提及，當(dāng)然可在 緊接著通電之后或者在開始拍攝的早期階段中執(zhí)行對用于高次位轉(zhuǎn)換的積分量與用于低 次位轉(zhuǎn)換的積分量的比率的測量，并且，可通過將積分時間加長2個或更多個時鐘來測量 該比率。順便提及，雖然在本實施例中執(zhí)行對來自列讀出電路124的數(shù)字信號的校正，但 是，也能夠執(zhí)行對參考信號產(chǎn)生電路140的校正。例如，在如圖4所示那樣配置的參考信號 產(chǎn)生電路140中，通過實現(xiàn)能夠微調(diào)電容器Cr2或Crl的值的電容器陣列并且控制其連接， 可以校正用于高次位轉(zhuǎn)換的單位積分量與用于低次位轉(zhuǎn)換的單位積分量的比率。并且，在圖IB和圖5所示的配置例子中，連接電容器127b與比較器126的負輸入
10端子連接，該連接電容器127b具有與連接電容器127a相等的電容值，并且被設(shè)置為用于調(diào) 整負輸入端子和正輸入端子之間的對稱性。因此，如果不特別要求對稱性，那么連接電容器 127b可被省略。雖然在本實施例中例示以便描述了階梯狀改變的參考信號，但是，與第一實施例 類似，參考信號可以是以斜率改變的參考信號。(第三實施例)圖7是示出使用前述實施例中的每一個實施例的應(yīng)用本發(fā)明的固態(tài)成像裝置的 成像系統(tǒng)1000的配置的圖。1001表示用作透鏡的保護的擋板，并且，該擋板還用作主開關(guān)， 1002表示透鏡，該透鏡是用于在固態(tài)成像裝置1004上提供對象的光學(xué)圖像的光學(xué)系統(tǒng)。可 通過光闌1003改變穿過透鏡1002的光的量。固態(tài)成像裝置1004(與在前述實施例中的每 一個實施例中描述的固態(tài)成像裝置對應(yīng))將由透鏡1002形成的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成圖像數(shù)據(jù)。 信號處理單元1007執(zhí)行對從固態(tài)成像裝置1004輸出的圖像數(shù)據(jù)的各種校正以及對數(shù)據(jù) 的壓縮。定時產(chǎn)生器1008向信號處理單元1007輸出各種定時信號。順便提及，電路1007 和1008中的每一個可以與固態(tài)成像裝置1004在同一芯片上形成。成像系統(tǒng)1000包含總 體控制算術(shù)運算單元1009，用于控制各種運算和成像系統(tǒng)1000的總體；存儲器單元1010， 用于暫時存儲圖像數(shù)據(jù)；和控制記錄介質(zhì)的接口單元1011，用于執(zhí)行記錄介質(zhì)的記錄或讀 出。并且，成像系統(tǒng)1000包含記錄介質(zhì)1012，用于執(zhí)行圖像數(shù)據(jù)的記錄或讀出，半導(dǎo)體存 儲器等可向其連附和從其移除；和外部接口(I/F)單元1013，用于執(zhí)行與外部計算機等的
通{曰。接著，描述圖7所示的成像系統(tǒng)1000的操作。當(dāng)擋板1001被打開時，主電源被接 通，然后，諸如總體控制算術(shù)運算單元1009之類的控制系統(tǒng)的電源被接通。并且隨后，諸如 固態(tài)成像裝置1004之類的拍攝系統(tǒng)電路的電源被接通。然后，執(zhí)行控制曝光量的操作?？傮w控制算術(shù)運算單元1009打開光闌1003，并且， 此時從固態(tài)成像裝置1004輸出的信號被輸入到信號處理單元1007中。信號處理單元1007 使得總體控制算術(shù)運算單元1009執(zhí)行用于基于該信號而獲得曝光的操作?；谠摬僮鞯?結(jié)果確定對象的亮度，并且，總體控制算術(shù)運算單元1009控制光闌?？赏ㄟ^例如比較該操 作結(jié)果與事先存儲在總體控制算術(shù)運算單元1009中的數(shù)據(jù)來執(zhí)行該確定。然后，基于從固態(tài)成像裝置1004輸出的信號，總體控制算術(shù)運算單元1009提取 高頻分量，以執(zhí)行獲得從成像系統(tǒng)1000到對象的距離的操作。然后，總體控制算術(shù)運算單 元1009驅(qū)動透鏡1002，并確定透鏡1002在該狀態(tài)下是否對焦。當(dāng)總體控制算術(shù)運算單元 1009確定透鏡1002未對焦時，總體控制算術(shù)運算單元1009再次驅(qū)動透鏡1002以執(zhí)行距離 測量。可通過例如事先存儲在總體控制算術(shù)運算單元1009中的數(shù)據(jù)的比較來執(zhí)行該確定。然后，在確定對焦之后，主曝光開始。當(dāng)曝光結(jié)束時，從固態(tài)成像裝置1004輸出的 圖像信號由信號處理單元1007處理，然后由總體控制算術(shù)運算單元1009保持在存儲器單 元1010中。然后，在總體控制算術(shù)運算單元1009的控制下，保持在存儲器單元1010中的 數(shù)據(jù)經(jīng)由控制記錄介質(zhì)的I/F單元1011被記錄在諸如半導(dǎo)體存儲器之類的可移除記錄介 質(zhì)1012中。此外，可直接經(jīng)由外部I/F單元1013向計算機等輸入數(shù)據(jù)。上述的實施例均是說明性的實施例，并且，在不背離本發(fā)明的實質(zhì)和范圍的條件 下，可以改變實施例的具體配置。
(其它)在上述的實施例中描述的參考信號產(chǎn)生電路140不限于具有圖4所示的配置的電 路。該電路可被任意地配置，只要它可供給具有沿彼此不同的方向改變的信號電平的至少 兩個參考信號即可。即，可以采用產(chǎn)生三個或更多個不同的參考信號的電路。此外，考慮以下的情況。即，A/D轉(zhuǎn)換電路的分辨率是N位；N位中的m位的高次數(shù) 字經(jīng)受基于一個參考信號的A/D轉(zhuǎn)換；N位中的η位的低次數(shù)字經(jīng)由基于另一參考信號的 A/D轉(zhuǎn)換操作。這里，N = m+n。要用于η位的低次數(shù)字的A/D轉(zhuǎn)換的參考信號的每單位時 間段的參考信號的變化量與此時的參考信號的要被用于m位的高次數(shù)字的A/D轉(zhuǎn)換的參考 信號的每單位時間段(即每個步驟)的變化量的比率為l/2n。此外，雖然在上述的實施例中僅示出其中一個參考信號產(chǎn)生電路共同地向所有A/ D轉(zhuǎn)換器供給參考信號的配置，但是，例如，可以設(shè)置多個參考信號產(chǎn)生電路，并且，各個參 考信號產(chǎn)生電路可向多個不同的A/D轉(zhuǎn)換器供給參考信號。更具體地說，可設(shè)想實現(xiàn)不同 的參考信號產(chǎn)生電路與像素的奇數(shù)列和偶數(shù)列連接，或者實現(xiàn)不同的參考信號產(chǎn)生電路與 像素區(qū)域的左側(cè)和右側(cè)連接。雖然已參照示例性實施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)理解，本發(fā)明不限于公開的示例性 實施例。以下的權(quán)利要求的范圍應(yīng)被賦予最寬的解釋以包含所有的變更方式和等同的結(jié)構(gòu) 及功能。本申請要求在2008年3月27日提交的日本專利申請No. 2008-084109的權(quán)益，在 此以引用方式引入其全部內(nèi)容。
權(quán)利要求
一種固態(tài)成像裝置，包括像素區(qū)域，包含以矩陣布置的多個像素，每個像素輸出模擬信號；多個A/D轉(zhuǎn)換電路，各與所述多個像素的各列相對應(yīng)地布置，用于將模擬信號A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，其中所述固態(tài)成像裝置包含參考信號產(chǎn)生電路，用于共同地向所述多個A/D轉(zhuǎn)換電路供給信號電平向著不同電勢方向改變的至少兩個參考信號，以及所述A/D轉(zhuǎn)換電路包含放大器；輸入電容器，其一個端子接收模擬信號和從參考信號產(chǎn)生電路供給的參考信號，其另一個端子與放大器的一個輸入端子連接；反饋電容器，連接在放大器的所述一個輸入端子和輸出端子之間；比較器，用于將來自放大器的輸出端子的輸出與比較電平進行比較；和連接電容器，其一個端子與放大器的輸出端子連接，其另一個端子與比較器的一個輸入端子連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中所述模擬信號和所述參考信號以由輸入電容器與反饋電容器的比率確定的增益被放 大，并且從放大器被輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的固態(tài)成像裝置，其中所述比較器的另一輸入端子經(jīng)由電容器與用于供給比較電平的電源連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3中的任一項所述的固態(tài)成像裝置，其中 A/D轉(zhuǎn)換電路具有N位的分辨率，并且，N = m+n,所述模擬信號經(jīng)受A/D轉(zhuǎn)換，使得m位的高次位基于從參考信號產(chǎn)生電路供給的兩個 參考信號中的一個參考信號而被轉(zhuǎn)換，并且，η位的低次位基于從參考信號產(chǎn)生電路供給的 兩個參考信號中的另一個參考信號而被轉(zhuǎn)換。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的固態(tài)成像裝置，其中每單位時間段的一個參考信號的變化量與每單位時間段的另一個參考信號的變化量 的比率為1/2\
6.根據(jù)權(quán)利要求1 5中的任一項所述的固態(tài)成像裝置，還包括測量電路，基于從參考信號產(chǎn)生電路供給的兩個相應(yīng)參考信號，測量保持在反饋電容 器中的電荷的每單位時間段的變化量；和校正單元，用于基于測量電路的測量結(jié)果，校正來自A/D轉(zhuǎn)換電路的輸出。
7.根據(jù)權(quán)利要求1 5中的任一項所述的固態(tài)成像裝置，還包括測量電路，基于從參考信號產(chǎn)生電路供給的兩個參考信號，測量保持在反饋電容器中 的電荷的每單位時間段的變化量；和校正單元，用于基于測量電路的測量結(jié)果，校正來自參考信號產(chǎn)生電路的輸出。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的固態(tài)成像裝置，其中測量電路的測量的時段與A/D轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換操作的時段至少部分地重疊。
9.一種成像系統(tǒng)，包括根據(jù)權(quán)利要求1 8中的任一項所述的固態(tài)成像裝置；光學(xué)系統(tǒng)，用于在像素區(qū)域上形成圖像；和信號處理單元，用于處理從固態(tài)成像裝置輸出的信號。
全文摘要
一種固態(tài)成像裝置包含參考信號產(chǎn)生電路，所述參考信號產(chǎn)生電路用于共同地向多個A/D轉(zhuǎn)換電路供給信號電平向著不同的電勢方向改變的至少兩個參考信號，所述A/D轉(zhuǎn)換電路包含放大器；輸入電容器，其一個端子接收模擬信號和從參考信號產(chǎn)生電路供給的參考信號，其另一個端子與放大器的一個輸入端子連接；反饋電容器，連接在放大器的所述一個輸入端子和輸出端子之間；比較器，用于將來自放大器的輸出端子的輸出與比較電平進行比較；和連接電容器，其一個端子與放大器的輸出端子連接，其另一個端子與比較器的一個輸入端子連接。
文檔編號H04N5/335GK101978603SQ200980110199
公開日2011年2月16日 申請日期2009年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月27日
發(fā)明者樋山拓己 申請人:佳能株式會社