CN102164252B - 固态图像拾取设备及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及固态图像拾取设备及其驱动方法。根据本发明实施例的设备包括：转换单元，被配置为产生电荷；第一放大单元，被配置为放大与电荷的量对应的信号并且输出第一放大信号；第二放大单元，被配置为放大第一放大信号并且输出第二放大信号；电流源，由第一放大单元和第二放大单元共享；以及选择单元，被配置为使第一放大单元和第二放大单元进入非活动状态。电流源由第一放大单元和第二放大单元共享。因此减少了电流源的数量。这使得功耗降低。

Description

固态图像拾取设备及其驱动方法

技术领域

本发明涉及固态图像拾取设备，并且更特别地涉及用于减少固态图像拾取设备的功耗的技术。

背景技术

近来已经提出了其中通过多个放大级(stage)来放大由光电转换单元产生的信号的固态图像拾取设备。日本专利公开No.2006-109530公开了一种包括在光电转换单元中的第一放大级和在信号存储单元中的第二放大级的光电转换设备(参见图1)。

然而，由于在光电转换设备中两个放大级分别具有电流源，因此从功耗的观点来看存在改进的余地。当布置多于两个放大级时，功耗进一步增大。

另外，为了增大信号读取速度，已经提出了用于从多个像素并行地读出信号并且将其放大的技术。当用来并行地处理信号的多个读取路径分别被设置有多个放大级时，功耗根据读取电路的数量而增大。例如，在用于复印机、扫描仪和单镜头反光式照相机的固态图像拾取设备中，可以并行地布置数千条读取路径。在该情况下，功耗显著增大。

发明内容

根据本发明实施例的设备包括：转换单元，被配置为产生电荷；第一放大单元，被配置为放大与电荷的量对应的信号并且输出第一放大信号；第二放大单元，被配置为放大第一放大信号并且输出第二放大信号；电流源，由第一放大单元和第二放大单元共享；以及选择单元，被配置为单独地使第一放大单元和第二放大单元进入非活动状态。

从以下参考附图的示例性实施例的描述中本发明更多的特征将变得清晰。

附图说明

图1是根据本发明第一实施例的系统的示意图。

图2是示出图1中示出的固态图像拾取设备的操作的时序图。

图3是根据本发明第二实施例的系统的示意图。

图4是示出图3中示出的固态图像拾取设备的操作的时序图。

图5A是图1中示出的电路模块的电路图。

图5B～5D是示出图1中示出的电路模块的连接状态的图。

图6A是图3中示出的电路模块的电路图。

图6B～6E是示出图3中示出的电路模块的连接状态的图。

图7是根据本发明第三实施例的系统的示意图。

图8是示出图7中示出的固态图像拾取设备的操作的时序图。

图9是作为第三实施例的示例性变型的系统的示意图。

图10是示出图9中示出的固态图像拾取设备的操作的时序图。

图11是根据本发明第四实施例的系统的示意图。

图12是根据本发明第五实施例的系统的示意图。

具体实施方式

将参考附图描述本发明的实施例。

第一实施例

图1是根据第一实施例的系统的框图。像素阵列100包括一维地排列的N个像素101。每个像素101包括光电二极管(PD)102、复位晶体管(Tr)103、第一放大晶体管(Tr)104、和选择晶体管(Tr)105。在本实施例中，每个晶体管都是NMOS晶体管。在适当时每个晶体管可以是PMOS晶体管或双极晶体管。

PD 102是用于将入射光光电转换成信号电荷的光电转换单元。第一放大Tr 104的栅极与PD 102电连接。第一放大Tr 104的漏极与电源线连接。第一放大Tr 104的源极经由选择Tr 105与输出信号线110电连接。第一放大Tr 104和稍后要描述的电流源202形成第一源极跟随器电路。第一放大Tr 104的栅极是第一源极跟随器电路的输入节点。复位Tr 103使PD 102和第一源极跟随器电路的输入节点复位。节点RES与复位Tr 103的栅极连接，并且复位脉冲pRES被输入到复位Tr 103中。复位Tr 103的操作由复位脉冲pRES控制。

第一源极跟随器电路放大与由光电转换单元产生的信号电荷的量对应的信号，并且输出放大的信号。在本说明书中，与由光电转换单元产生的信号电荷的量对应的信号以及通过使放大单元放大该信号而获得的信号被称为光电转换信号。在本实施例中，从第一源极跟随器电路输出的光电转换信号与根据本发明实施例的第一放大信号对应。

第一源极跟随器电路可以在其输入节点的电压被复位到复位电压的状态中输出像素噪声信号。在本说明书中，在输入节点的电压被复位的状态中的与输入节点的电压对应的信号以及通过使放大单元放大该信号而获得的信号被称为噪声信号。输入节点的电压被复位的状态包括与输入节点连接的复位Tr 103导通的状态、以及由复位Tr103的截止所引起的噪声被叠加的状态。在复位Tr 103已经截止之后，可以由于通过光电转换产生的电荷而改变输入节点的电压。即使在该情况下，在计算光电转换信号与噪声信号之间的差时作为基准的状态也可以是复位。紧接在复位Tr 103截止后的状态是复位状态。在本实施例中，从第一源极跟随器电路输出的噪声信号与根据本发明实施例的第三放大信号对应。从像素101输出的信号是来自输出节点OUT的输出，并且然后经由输出信号线110被输入到后续级处的电路中。

选择Tr 105在第一源极跟随器电路的活动状态与非活动状态之间进行切换。节点SEL与选择Tr 105的栅极连接，并且选择脉冲pSEL被输入到选择Tr 105中。选择Tr 105的操作由选择脉冲pSEL控制。

列电路模块阵列200包括分别与输出信号线110连接的多个列电路模块201。列电路模块阵列200被配置为并行处理从多个像素输出的信号。每个列电路模块201包括电流源202、采样保持(S/H)开关203、中间电容器204、以及第二放大晶体管(Tr)205。

第二放大Tr 205和电流源202形成第二源极跟随器电路。第二源极跟随器电路放大从第一源极跟随器电路输出的光电转换信号，并且输出该放大的信号。从第二源极跟随器电路输出的光电转换信号与根据本发明实施例的第二放大信号对应。另外，第二源极跟随器电路可以放大像素噪声信号，并且输出该放大的像素噪声信号。从第二源极跟随器电路输出的噪声信号与根据本发明实施例的第四放大信号对应。

S/H开关203被布置在作为第一源极跟随器电路的输出节点的像素101的输出节点OUT与作为第二源极跟随器电路的输入节点的第二放大Tr 205的栅极之间的路径上。S/H开关203可以被布置为直接连接输出节点OUT和第二放大Tr 205的栅极或者经由其它电路元件连接输出节点OUT和第二放大Tr 205的栅极。通过输入到节点pCM中的S/H脉冲来将S/H开关203在导通状态和截止状态之间进行切换。S/H开关203控制第一源极跟随器电路的输出节点与第二源极跟随器电路的输入节点之间的电连接。

中间电容器204在适当时被布置，并且被用来临时存储从第一源极跟随器电路输出的光电转换信号。中间电容器在本实施例中由电容元件形成，但是可以由线路间的寄生电容形成。中间电容器204可以存储从第一源极跟随器电路输出的噪声信号。

电流源202是用于供应用于放大电路的驱动电流的负载，并且由晶体管等形成。第一放大Tr 104与第二放大Tr 205互相共享电流源202，从而分别形成第一源极跟随器电路和第二源极跟随器电路。如稍后将详细描述的，在本实施例中，选择Tr 105在第一源极跟随器电路的活动状态和非活动状态之间进行切换，并且S/H开关203在第二源极跟随器电路的活动状态和非活动状态之间进行切换。选择Tr 105和S/H开关203与根据本发明实施例的选择单元对应。

通常，放大电路包括至少一个晶体管和用于向晶体管供应偏置电流或偏置电压的偏置电源。用于供应偏置电流的偏置电源的示例包括电流源。作为使放大电路进入非活动状态的方法，可以考虑控制在放大电路内包括的晶体管的偏置状态使得晶体管截止的方法或者利用布置在放大电路中的开关使放大电路在电学上断开连接的方法。例如，可以通过利用开关中断晶体管与偏置电源之间的路径来使放大电路进入非活动状态。

根据本实施例的选择单元可以在第一源极跟随器电路处于活动状态时使第二源极跟随器电路进入非活动状态，并且可以在第二源极跟随器电路处于活动状态时使第一源极跟随器电路进入非活动状态。

选择单元可以使第一源极跟随器电路和源极跟随器电路两者同时进入非活动状态。例如，选择单元可以通过使选择Tr 105进入不导通状态且使S/H开关203进入导通状态来使第一源极跟随器电路和第二源极跟随器电路进入非活动状态。

选择Tr 105和S/H开关203中的每一个在导通状态和不导通状态之间过渡地(transitionally)进行切换。因此，在过渡时段期间，可能不确定第一源极跟随器电路和第二源极跟随器电路中的哪一个处于非活动状态或者第一源极跟随器电路和第二源极跟随器两者可能处于活动状态。选择单元可以具有能够使第一放大单元和第二放大单元处于上述状态的配置。

在适当时针对每个输出信号线110布置用于存储光电转换信号和噪声信号的存储单元301。存储阵列300包括存储单元301。存储单元301包括用于存储光电转换信号的存储电容器(Cts)313、用于存储噪声信号的存储电容器(Ctn)314、用于控制Cts 313中的信号的采样的Ct控制开关311、用于控制Ctn 314中的信号的采样的Ct控制开关312、用于控制到水平输出线402的信号的输出的水平扫描开关315、以及用于控制到水平输出线401的信号的输出的水平扫描开关316。Ct控制开关311和312分别由控制信号pTS和pTN控制。水平扫描开关315和316由通过水平扫描电路500产生的水平扫描信号hsr<1>、......、或hsr<n>(n表示列号)控制。

在水平输出线401和402的后续级处，在适当时布置用于输出在输出到水平输出线401的信号和输出到水平输出线402的信号之间的差的输出放大器600。通过输出在噪声信号和包含与像素的噪声相关的噪声成分的光电转换信号之间的差，可以获得与通过光电转换产生的净的电荷量对应的信号。

图2是示出图1中示出的电路的操作的时序图。在图1和图2中具有相同附图标记的脉冲彼此对应。参考图2，横轴表示时间。将参考图2中示出的时序图详细描述图1中示出的系统的操作。当每个脉冲处于高电平时，对应开关被导通。假设已经在上次蓄积时段中获得的信号被存储在存储单元301中。

在时段RESET1中，使与节点RES、SEL和pCM对应的开关导通的电平的脉冲被分别输入到节点RES、SEL和pCM中。在脉冲已经输入到节点RES中之后复位Tr 103进入导通状态，使得PD 102的电势和第一放大Tr 104的栅极的电势(即，第一源极跟随器电路的输入节点的电势)被复位。

图5A是示出图1中的由交替的长短划线包围的区域50中的电路的图。图5B是示出在时段RESET1中图5A中示出的电路的连接状态的图。参考图5B，当开关或用作开关的晶体管处于导通状态(导电状态)时，由开关或晶体管彼此连接的两个节点用实线短路。当开关或用作开关的晶体管处于截止状态(不导电状态)时，由开关或晶体管彼此连接的两个节点之间没有实线。因此，在图5B和其它附图中，简化了电路的表示。

参考图5B，第二放大Tr 205的栅极电压和源极电压是相同的。因此，第二放大Tr 205处于截止状态并且不影响像素的输出。即，第二源极跟随器电路不执行放大操作并且处于非活动状态。另一方面，包括第一放大Tr 104的第一源极跟随器电路处于活动状态。第一源极跟随器电路放大与施加到作为第一源极跟随器电路的输入部分的第一放大Tr 104的栅极的复位电压对应的信号，并且将该放大的信号输出到输出信号线110。

在图2中示出的时段RES_SH1中，使复位Tr 103截止的电平的脉冲被输入到节点RES中。复位Tr 103的截止产生噪声成分并且该噪声成分被叠加在复位电压上。从第一源极跟随器电路输出的噪声信号在中间电容器204中被采样。在本实施例中，在时段RES_SH1逝去之后，开始光蓄积时段。

图5C示出在时段RES_SH1中图5A中示出的电路的连接状态。在该时段中，第一源极跟随器电路还处于活动状态，并且第二源极跟随器电路还处于非活动状态。

在时段HSCAN1中，使与节点SEL和pCM对应的开关截止的电平的脉冲被分别输入到节点SEL和pCM中。在该时段中，响应于水平扫描信号hsr<1>、......、或hsr<n>，将在上次光蓄积时段中分别存储在Cts 313和Ctn 314中的光电转换信号和噪声信号分别经由水平输出线402和401从输出放大器600向外部输出。

图5D是示出在时段HSCAN1中图5A中示出的电路的连接状态的图。参考图5D，S/H开关203处于截止状态，并且第二放大Tr 205的源极和栅极没有连接。这里，通过将由第一源极跟随器电路放大的信号的电平设定为可以使第二放大Tr 205操作于饱和区中的电平，使第二放大Tr 205导通。即，第二源极跟随器电路进入活动状态，接收存储在中间电容器204中的噪声信号，放大噪声信号，并且将放大的噪声信号输出到输出信号线110。另一方面，由于选择Tr 105使第一放大Tr 104与电流源202在电学上断开连接，因此第一源极跟随器电路处于非活动状态。

在时段SHN中，使Ct控制开关312导通的电平的脉冲被输入到节点pTN中。在该时段中，图5A中示出的电路的连接状态如图5D中所示出的。包括第二放大Tr 205和电流源202的第二源极跟随器电路放大存储在中间电容器204中的噪声信号，并且在Ctn 314中对放大的信号采样。

在噪声信号已经在Ctn 314中被采样之后，使与节点SEL和pCM对应的开关导通的电平的脉冲被分别输入到节点SEL和pCM中。在时段LIGHT_SH中，像在时段RES_SH1中一样，图5A中示出的电路的连接状态如图5C中所示出的。即，第二源极跟随器电路处于非活动状态，并且第一源极跟随器电路处于活动状态。由第一源极跟随器电路放大的光电转换信号在中间电容器204中被采样。在时段LIGHT_SH逝去之后，光蓄积时段结束。

在时段SHS中，使与节点SEL和pCM对应的开关截止的电平的脉冲被分别输入到节点SEL和pCM中，并且使Ct控制开关311导通的电平的脉冲被输入到节点pTS中。在那时，图5A中示出的电路的连接状态如图5D中所示出的。即，第二源极跟随器电路处于活动状态，并且光电转换信号在Cts 313中被采样。

在时段RESET2和RES_SH2中，执行复位操作和噪声信号采样操作。在时段HSCAN2中，读出在Cts 313中采样的光电转换信号和在Ctn 314中采样的噪声信号。

可以单独控制输入到节点pSEL中的脉冲和输入到节点pCM中的脉冲。因此，可以在不考虑其它源极跟随器电路的导通状态的情况下控制第一源极跟随器电路和第二源极跟随器电路中的每一个的活动状态和非活动状态之间的切换。可以利用从布置在固态图像拾取设备中的定时发生器发送的控制脉冲或者从CPU等外部发送的控制脉冲来实现这种控制。

如先前描述的，在本实施例中，当在诸如中间电容器204、Cts 313或Ctn 314的电容器上执行采样处理时，第一源极跟随器电路或第二源极跟随器电路处于活动状态。特别地，当放大信号在布置在每个源极跟随器电路后面的级处的信号存储单元(中间电容器204或存储单元301)中被采样时，这两个源极跟随器电路都不处于活动状态。结果，第一放大Tr 104和第二放大Tr 205可以共享电流源202而不增大功耗。根据本实施例，与现有技术相比，可以减少电流源的数量。这使得功耗减少。

在本实施例中，可以通过实现电流源的共享来减少所需元件的数量。这使得固态图像拾取元件的尺寸减小。

在本实施例中，第一源极跟随器电路的输出节点与第二源极跟随器电路的输出节点与输出信号线110连接。输出信号线110与电流源202连接。使用该配置，可以减少电路中的线路的数量。这使得固态图像拾取元件的尺寸减小。

在本实施例中，存储单元301包括Cts 313和Ctn 314。使用该配置，光电转换信号可以被存储在Cts 313中，噪声信号可以被存储在Ctn 314中，并且可以从输出放大器600输出在光电转换信号和噪声信号之间的差。因此可以减少由像素中的晶体管特性的变化引起的噪声。

在本实施例中，作为噪声信号和光电转换信号的替代，在像素复位方面彼此相关的信号可以被输入到输出放大器600中。由于输出放大器600输出这些信号之间的差，因此从输出放大器600输出的信号内包括的像素复位噪声减少。使用该配置，可以捕获高质量且低噪声的图像。

在本实施例中，选择Tr 105与第一放大Tr 104和输出信号线110连接。然而，例如，选择Tr 105可以与电源线和第一放大Tr 104的漏极之间的路径连接。

用于第一源极跟随器电路和第二源极跟随器电路的电源电压不一定是相同的，并且可以彼此不同，从而使得这些电路能够有效地在操作范围中执行操作。

在本实施例中，像素101可以在PD 102与第一放大Tr 104之间的节点处具有浮置扩散(FD)单元。在本实施例中，布置在线存储器后面的级处的读取电路的配置不限于图1中示出的配置。例如，在列电路模块阵列200后面的级处，可以布置诸如开关电容器放大器的放大电路或模数转换器(ADC)。

第二实施例

图3是根据第二实施例的系统的框图。相同的附图标记被用来标识在第一实施例中已经描述的部件，并且因此将省略其描述。将描述第一实施例与第二实施例之间的差别。

在本实施例中，像素101包括PD 102、复位Tr 103和被包括在第一源极跟随器电路中的第一放大Tr 104。第二实施例与第一实施例之间的差别在于像素101不包括选择Tr 105。

列电路模块201包括电流源202、S/H开关203、中间电容器204和第二放大Tr 205。中间电容器204的一个端子与在S/H开关203和第二放大Tr 205的栅极之间的路径连接，并且中间电容器204的另一端子与节点VSEL连接。由数模转换器(DAC)700产生的参考电势被输入到节点VSEL中。在本实施例中，第一放大Tr 104和第二放大Tr 205的尺寸是相同的。

在列电路模块阵列200后面的级处的电路在图3中未示出。与根据第一实施例的电路类似的电路或者现有技术中的电路可以被布置在列电路模块阵列200后面的级处。

如稍后将详细描述的，DAC 700使第一源极跟随器电路进入非活动状态，并且S/H开关203使第二源极跟随器电路进入非活动状态。在本实施例中，S/H开关203和DAC 700与根据本发明实施例的选择单元对应。

图4是示出图3中示出的电路的操作的时序图。将参考图4中示出的时序图详细描述图3中示出的电路的操作。

参考图4，在时段RESET1中，PD 102被复位。图6A是示出图3中的由交替的长短划线包围的区域50中的电路的图。在时段RESET1中，图6A中示出的电路的连接状态如图6B中所示出的。参考图6B，当开关或用作开关的晶体管处于导通状态(导电状态)时，由开关或晶体管彼此连接的两个节点用实线短路。当开关或用作开关的晶体管处于截止状态(不导电状态)时，由开关或晶体管彼此连接的两个节点之间没有实线。因此，在图6B和其它附图中，简化了电路的表示。

参考图6B，第二放大Tr 205的栅极电压和源极电压是相同的。因此，第二放大Tr 205处于截止状态，并且第二源极跟随器电路处于非活动状态。另一方面，第一放大Tr 104处于导通状态，并且第一源极跟随器电路处于活动状态。第一源极跟随器电路放大与施加到第一放大Tr 104的栅极的复位电压对应的信号，并且将放大的信号输出到输出信号线110。在那时，DAC 700向节点VSEL供应GND电势。

在时段RES_SH1中，噪声信号在中间电容器204中被采样。图6C是示出在时段RES_SH1中图6A中示出的电路的连接状态的图。在该时段中，第二放大Tr 205还处于截止状态，并且第一放大Tr 104还处于导通状态。即，第一源极跟随器电路处于活动状态，并且第二源极跟随器电路处于非活动状态。由于DAC 700向节点VSEL供应GND电势，因此在中间电容器204中以GND电势为基准对噪声信号采样。

在时段HSCAN1中，电荷被蓄积在光电转换单元中。图6D是示出在时段HSCAN1中图6A中示出的电路的连接状态的图。在图6D中，VPD表示第一放大Tr 104的栅极电势，并且VCM表示第二放大Tr 205的栅极电势。在图4中示出的时段HSCAN1中，DAC 700向节点VSEL输出参考电压VSEL_L。即使VPD由于通过光电转换产生的电荷而下降，参考电压VSEL_L也维持了VPD＞VCM的关系。因此输出信号线110的电压变成与第一放大Tr 104的栅极电压对应的电压。由于第二放大Tr 205的栅极电压低于第二放大Tr 205的源极电压，因此第二放大Tr 205处于截止状态。即，像在时段RES_SH1中一样，第二源极跟随器电路处于非活动状态并且第一源极跟随器电路处于活动状态。

在时段SHN中，DAC 700向节点VSEL输出参考电压VSEL H，利用该参考电压VSEL_H维持VPD＜VCM的关系。图6E是示出在时段SHN中图6A中示出的电路的连接状态的图。在图6E中，由于维持VPD＜VCM的关系，因此与第二放大Tr 205的栅极电压对应的电压被输出到输出信号线110。由于第一放大Tr 104的源极电压高于第一放大Tr 104的栅极电压，因此第一放大Tr 104处于截止状态。因此，包括第二放大Tr 205和电流源202的第二源极跟随器电路放大存储在中间电容器204中的噪声信号，并且输出放大的噪声信号。

在时段LIGHT_SH中，光电转换信号在中间电容器204中被采样。在那时，像在时段RES_SH1中一样，图6A中示出的电路的连接状态如图6C中所示出的。即，第二放大Tr 205处于截止状态。

在时段SHS中，DAC 700向节点VSEL输出参考电压VSEL_H，利用该参考电压VSEL_H维持VPD＜VCM的关系。图6A中示出的电路的连接状态再次如图6E中所示出的。由于第二放大Tr 205被导通，因此第二源极跟随器电路进入活动状态并且存储在中间电容器204中的光电转换信号被输出。

当第二源极跟随器电路输出光电转换信号和噪声信号时，DAC700输出相同的参考电压VSEL_H。因此，以相同的参考电压为基准确定光电转换信号和噪声信号的信号值。

在时段RESET2和RES_SH2中，执行复位操作和噪声信号采样操作。

如先前描述的，在本实施例中，通过控制用于中间电容器204的参考电势，当在中间电容器204上执行采样操作并且存储在中间电容器204中的信号被输出时第一源极跟随器电路或者第二源极跟随器电路处于活动状态。因此，可以由第一放大Tr 104和第二放大Tr 205共享电流源202，并且可以减少电流源的数量。这使得功耗减少。

在本实施例中，由于不需要选择Tr 105，因此可以减少像素中的晶体管的数量。因此可以抑制由光电转换单元的面积减少所引起的光电转换单元的灵敏度降低的影响。

在本实施例中，使用DAC 700作为用于产生要被供应给节点VSEL的参考电压的参考电压输出电路。然而，例如，可以使用能够使用多个开关选择期望的电压的电路。

在本实施例中，用于中间电容器204的参考电势过渡地改变，从而在第一放大Tr 104和第二放大Tr 205中的每一个的导通状态和截止状态之间进行切换。然而，例如，为了在第一放大Tr 104和第二放大Tr 205中的每一个的导通状态和截止状态之间进行切换，要被施加到第一放大Tr 104的栅极的电压的值可以被过渡地控制，或者第一放大Tr 104或第二放大Tr 205的漏极电压可以被控制。

由于用于中间电容器204的参考电势被过渡地改变，因此第一源极跟随器电路和第二源极跟随器电路两者可以暂时处于活动状态。选择单元可以具有能够使第一放大单元和第二放大单元进入上述状态的配置。

第三实施例

图7是根据第三实施例的系统的框图。相同的附图标记被用来标识在第一实施例中已经描述的部件，并且因此将省略其描述。

在第三实施例和第一实施例之间的差别是像素101的配置。第一放大Tr 104的栅极与浮置扩散(FD)106连接。转移晶体管(Tr)107被布置在PD 102和FD 106之间。

节点TX与转移Tr 107的栅极连接，并且转移脉冲pTX被输入到转移Tr 107中。转移Tr 107的操作由转移脉冲pTX控制。当转移Tr 107进入导通状态时，存储在PD 102中的电荷被耗尽转移到FD106。电荷要被从PD 102完全耗尽转移到FD 106。

列放大单元901被布置在列电路模块201和存储单元301之间。列放大器阵列900包括一维地排列的N个列放大单元901。每个列放大单元901包括箝位(clamp)电容器902、反馈电容器903、复位开关904和运算放大器905。

箝位电容器902的一端与输出信号线110连接，并且箝位电容器902的另一端与运算放大器905的倒相输入节点连接。反馈电容器903的一端与运算放大器905的倒相输入节点连接，并且反馈电容器903的另一端与运算放大器905的输出节点连接。复位开关904被布置为使得它与反馈电容器903并联。复位开关904由输入到节点pC0R中的脉冲控制。运算放大器905的非倒相输入节点与GND电势连接。

在图7中示出的电路中，反馈电容器903仅由一个电容器形成。然而，在反馈电容器903中，可以彼此并联地布置多个电容器，并且可以布置与每个电容器串联连接的开关。通过在反馈电容器903中彼此并联地布置多组电容器和开关，可以在列放大单元901中的增益之间进行切换。

虽然未示出，但是除了电流源202之外还布置了用于给运算放大器905供应偏置电流的电流源。即，运算放大器905不与第一源极跟随器电路和第二源极跟随器电路两者共享电流源。运算放大器905对应于根据本发明实施例的第三放大单元。

图8是示出图7中示出的电路的操作的时序图。将参考图8中示出的时序图详细描述图7中示出的电路的操作。当每个脉冲处于高电平时，对应开关被导通。假设PD 102已经执行了光蓄积。

参考图8，在t0与t1之间的时段中，使对应晶体管导通的电平的脉冲被分别输入到节点RES、SEL、pCM和pC0R中。结果，FD 106的电势被复位。

在t1和t2之间的时段中，使复位Tr 103截止的电平的脉冲被输入到节点RES中。由复位Tr 103的截止所引起的噪声成分被叠加在用于FD 106的复位电压上。在那时，从第一源极跟随器电路输出的噪声信号在中间电容器204中被采样。由于第二源极跟随器电路的源极和栅极被短路，因此第二源极跟随器电路处于非活动状态。

在t2和t3之间的时段中，使对应晶体管截止的电平的脉冲被分别输入到节点SEL和pCM中。结果，第二源极跟随器电路进入活动状态。存储在中间电容器204中的噪声信号被第二源极跟随器电路放大并且然后被在箝位电容器902中采样。由于选择Tr 105处于截止状态，因此第一源极跟随器电路处于非活动状态。

在t4和t5之间的时段中，使Ct控制开关312导通的电平的脉冲被输入到节点pTN中。结果，噪声信号被存储在Ctn 314中。

在t6和t7之间的时段中，使对应开关导通的电平的脉冲被分别输入到节点TX、SEL和pCM中。由于使转移Tr 107进入导电，因此存储在PD 102中的信号电荷被转移到FD 106。在该时段逝去之后，光蓄积时段结束。

在t7和t8之间的时段中，转移Tr 107截止，并且与转移到FD106的电荷的量对应的光电转换信号在中间电容器204中被采样。在那时，第一源极跟随器电路处于活动状态，并且第二源极跟随器电路处于非活动状态。

在t8和t9之间的时段中，使对应开关截止的电平的脉冲被分别输入到节点SEL和pCM中。结果，第二源极跟随器电路进入活动状态，并且在噪声信号与存储在中间电容器204中的光电转换信号之间的差被存储在箝位电容器902中。

在t9和t10之间的时段中，使Ct控制开关311导通的电平的脉冲被输入到节点pTS中。结果，光电转换信号在Cts 313中被采样。

在t11和t12之间的时段中，使对应晶体管导通的电平的脉冲被分别输入到节点TX和RES中。结果，复位Tr 103和转移Tr 107进入导通，并且PD 102和FD 106的电势被复位。在此时段结束时使转移Tr 107截止的电平的脉冲被输入到节点TX中，并且光蓄积时段开始。

在t13和t14之间的时段中，在Cts 313中采样的光电转换信号和在Ctn 314中采样的噪声信号被分别发送到水平输出线402和401。在光电转换信号和噪声信号之间的差由输出放大器600获得并且从输出放大器600输出。

在本实施例中，当第二源极跟随器电路将存储在中间电容器中的噪声信号写入箝位电容器902中时，使用列放大单元901中的运算放大器905的放大功能将箝位电容器902的在运算放大器905一侧的节点设定为GND电势。因此，当信号被箝位在箝位电容器中时操作运算放大器。即，在本实施例中，列放大单元901在第一源极跟随器电路或第二源极跟随器电路处于活动状态时操作作为放大电路。因此，包括在列放大单元901内的运算放大器905不与第一源极跟随器电路和第二源极跟随器电路共享电流源。

在本实施例中，除了在第一实施例中可以获得的效果之外还可以获得以下效果。在本实施例中，像素101包括转移Tr 107。由于转移Tr 107可以使PD 102与FD 106在电学上断开连接，因此PD 102可以在FD 106的电势被保持在复位电势的状态中蓄积光。使用该配置，可以减少在中间电容器204中噪声信号的采样和在中间电容器204中光电转换信号的采样之间的时间间隔。这使得1/f噪声的影响减少。

根据本实施例的系统包括列放大单元901，该列放大单元901包括箝位电容器902。使用该配置，可以减少由像素101和列电路模块201的特性的变化所引起的噪声。

在本实施例中，存储单元301被布置在列放大单元901后面的级处。使用该配置，可以减少由列放大单元901的特性的变化所引起的噪声。

第三实施例的示例性变型

图9是示出根据第三实施例的系统的示例性变型的图。相同的附图标记被用来标识在第三实施例中已经描述的部件，并且因此将省略其描述。

像素阵列100R、100G和100B被布置成三行。例如，像素阵列100R、100G和100B可以分别输出与红光、绿光、蓝光对应的信号。在图9中，仅示出了单列中的三个像素，即像素101R、101G和101B。然而，可以布置多个像素列从而实现并行读取。

针对每一个像素布置列电路模块201和箝位电容器902。像素和组件之间的对应由数字末尾的R、G或B来表示。列电路模块201可以由一些像素共享。例如，列电路模块201可以由用于单色图像捕获的像素101M和与红光对应的像素101R共享。

像素中的复位Tr 103R、103G和103B由共同的脉冲控制。像素中的选择Tr类似地由共同的脉冲控制。像素中的转移Tr类似地由共同的脉冲控制。列电路模块中的S/H开关类似地由共同的脉冲控制。

列放大开关906R、906G和906B被分别布置在箝位电容器902R、902G和902B与运算放大器905的倒相输入端子之间的路径上。列放大开关906R、906G和906B的导电状态分别由脉冲psw_r、psw_g和psw_b控制。

图10是示出图9中示出的电路的操作的时序图。将参考图10中示出的时序图详细描述图9中示出的电路的操作。假设在光电转换单元中已经开始光蓄积。

在复位Tr已经被截止并且噪声信号已经被写入中间电容器中之后，使对应开关导通的电平的脉冲被分别输入到列放大开关906R、906G和906B中。写入中间电容器中的像素的噪声信号同时被分别箝位在箝位电容器中。在那时，箝位电容器的在运算放大器905一侧的节点的电势被设定为GND电势。

在复位开关904已经截止之后，使Ct控制开关312导通的电平的脉冲被输入，并且运算放大器905的偏移成分(offset component)被写入Ctn 314中。

使转移Tr导通的电平的脉冲被输入到节点TX中，并且在光蓄积时段中在像素中产生的信号电荷同时被分别转移到FD。在转移Tr截止时，光蓄积时段结束。

在信号电荷已经被转移到FD之后，使列放大开关906R导通的电平的脉冲psw_r被输入。结果，像素101R的光电转换信号被箝位在箝位电容器902R中。随后，使Ct控制开关311导通的电平的脉冲被输入，并且像素101R的光电转换信号被写入Cts 313中。写入Cts313和Ctn 314中的信号被分别发送到水平输出线。输出放大器600输出不包括列放大器的偏移成分的信号。

随后，使复位开关904导通的电平的脉冲被输入，并且运算放大器905的输出节点的电势被设定为GND电势。在运算放大器905已经被复位之后，使Ct控制开关312导通的电平的脉冲被输入并且运算放大器905的偏移成分被写入Ctn 314中。

随后，使列放大开关906G导通的电平的脉冲psw_g被输入。结果，像素101G的光电转换信号被箝位在箝位电容器902G中。随后，Ct控制开关311进入导通，并且像素101G的光电转换信号被写入Cts 313中。信号被分别发送到水平输出线，并且输出放大器600获得这些信号之间的差。

在运算放大器905的偏移成分已经被读取之后，像像素101R和101G的光电转换信号一样，像素101B的光电转换信号被读取。

除了在第三实施例中可以获得的效果之外还可以获得以下效果。在第三实施例的该示例性变型中，在所有像素已经被同时复位之后，这些像素的光电转换信号可以同时被分别写入中间电容器中。使用该配置，即使像素被排列在多个行中也可以在所有像素中设定相同的光蓄积时段。

第四实施例

图11是根据第四实施例的系统的框图。相同的附图标记被用来标识在第一到第三实施例中已经描述的部件，并且因此将省略其描述。

在本实施例中，布置电压跟随器电路来代替根据第一实施例的第二源极跟随器电路。更具体地说，布置包括两个PMOS晶体管(Tr)211和212以及两个NMOS晶体管(Tr)213和214的差分放大电路来代替根据第一实施例的第二放大Tr 205。PMOS Tr 211和212、NMOS Tr 213和214以及电流源202形成运算放大器210。

在S/H开关203处于导通状态时，NMOS Tr 214的栅极和源极的电势是相同的。由于没有电流通过运算放大器210，因此电压跟随器电路处于非活动状态。在选择Tr 105处于导通状态时，处于活动状态的第一源极跟随器电路放大像素的信号，并且将放大的信号输出到中间电容器204。

在选择Tr 105和S/H开关203处于截止状态时，第一源极跟随器电路处于非活动状态。另一方面，处于活动状态的电压跟随器电路放大存储在中间电容器204中的信号，并且输出放大的信号。在选择Tr 105和S/H开关203截止时，S/H开关203首先截止。

在本实施例中，选择Tr 105和S/H开关203与根据本发明实施例的选择单元对应。

在本实施例中，电压跟随器电路被用作第二放大单元。使用该配置，除了在第一实施例中可以获得的效果之外还可以获得以下效果。使用运算放大器的电压跟随器电路的增益接近于1。因此，可以改进输入和输出之间的线性关系，并且实现高质量图像的图像捕获。

在本实施例中，可以使用根据第二实施例或第三实施例的配置。

第五实施例

图12是根据第五实施例的系统的框图。相同的附图标记被用来标识在第一到第四实施例中已经描述的部件，并且因此将省略其描述。

第五实施例和第一实施例之间的差别在于，分别布置第一电压跟随器电路和第二电压跟随器电路来代替第一源极跟随器电路和第二源极跟随器电路。布置包括两个PMOS晶体管111和112以及两个NMOS晶体管113和114的第一差分放大电路，来代替像素101中的第一放大Tr 104。第一差分放大电路经由选择Tr 105与电流源202连接。第一差分放大电路和电流源202形成第一电压跟随器电路。

包括PMOS Tr 211和212以及NMOS Tr 213和214的第二差分放大电路经由选择晶体管(Tr)215与电流源202连接。第二差分放大电路和电流源202形成第二电压跟随器电路。

在本实施例中，通过在选择Tr 105的导通状态和截止状态之间进行切换来执行在第一电压跟随器电路的活动状态和非活动状态之间的切换，并且通过在选择Tr 215的导通状态和截止状态之间进行切换来执行在第二电压跟随器电路的活动状态和非活动状态之间的切换。选择Tr 105和215与根据本发明实施例的选择单元对应。

使用该配置，可以进一步改进输入和输出之间的线性关系，因为两个放大单元分别由电压跟随器电路形成。这使得图像质量提高。

在第四实施例和第五实施例中，使用包括运算放大器的电压跟随器电路。然而，可以使用电压增益比1高的放大电路来代替电压跟随器电路。

在第一到第五实施例中，电子相当于信号电荷。然而，空穴可以相当于信号电荷。在该情况下，PD 102的极性和每个晶体管的导电类型被反转。例如，在第二实施例中，即使使用其极性与图3中示出的PD 102的极性相反的光电二极管，也可以通过调整节点VSEL的电压条件来响应光电二极管的改变。

在第一到第五实施例中，信号由两级的放大单元放大。然而，在适当时信号可以由多于两级的放大单元放大，并且电流源可以由这些放大单元共享。

在第一到第五实施例中，为了简化说明，已经描述了具有1行N列的像素阵列的线传感器。然而，本发明的实施例可以被应用于具有二维的像素阵列的面传感器。

虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。以下权利要求的范围将被给予最宽的解释从而包括所有这样的修改、等同的结构与功能。

Claims (20)

1.一种固态图像拾取设备，包括：

转换单元，被配置为产生电荷；

第一放大单元，被配置为放大与电荷的量对应的信号并且输出第一放大信号；

第二放大单元，被配置为放大第一放大信号并且输出第二放大信号；

电流源，由第一放大单元和第二放大单元共享；以及

选择单元，被配置为单独地使第一放大单元和第二放大单元进入非活动状态。

2.根据权利要求1所述的固态图像拾取设备，还包括：

开关单元，被配置为控制在第一放大单元的第一输出节点和第二放大单元的第二输入节点之间的电连接；以及

存储单元，被布置在开关单元和第二输入节点之间的路径上，并且被配置为存储第一放大信号或基于第一放大信号的信号。

3.根据权利要求2所述的固态图像拾取设备，还包括输出信号线，并且

其中第一输出节点与输出信号线电连接，

其中输出信号线经由开关单元与第二输入节点电连接，

其中第二放大单元的第二输出节点与输出信号线电连接，以及

其中电流源与输出信号线电连接。

4.根据权利要求3所述的固态图像拾取设备，还包括被配置为给第一放大单元供应偏置电压的电源线，以及

其中第一放大单元包括第一放大MOS晶体管，

其中第一放大MOS晶体管的第一栅极是第一放大单元的第一输入节点，并且第一放大MOS晶体管的第一源极是第一输出节点，并且第一放大MOS晶体管的第一漏极与电源线电连接，以及

其中选择晶体管被布置在第一漏极和电源线之间的路径或者在第一源极和输出信号线之间的路径上。

5.根据权利要求1所述的固态图像拾取设备，还包括被配置为输出多个参考电压的输出电路，以及

其中第一放大单元包括第一放大晶体管，

其中第二放大单元包括第二放大晶体管，以及

其中输出电路控制第一放大晶体管和第二放大晶体管中的至少一个的偏置状态。

6.根据权利要求1所述的固态图像拾取设备，还包括：

复位单元，被配置为复位第一放大单元的第一输入节点处的电压；以及

差分操作单元，并且

其中第一放大单元放大在第一输入节点被复位的状态中与第一输入节点处的电压对应的信号，并且输出第三放大信号，

其中第二放大单元放大第三放大信号并且输出第四放大信号，以及

其中差分操作单元被配置为输出与第二放大信号和第四放大信号之间的差对应的差信号。

7.根据权利要求6所述的固态图像拾取设备，其中第二放大信号和第四放大信号包括彼此相关的噪声成分。

8.根据权利要求1所述的固态图像拾取设备，还包括：

与第一放大单元的第一输入节点电连接的浮置扩散；以及

转移单元，被配置为将电荷转移到浮置扩散。

9.根据权利要求1所述的固态图像拾取设备，还包括多组转换单元、第一放大单元、第二放大单元和电流源。

10.根据权利要求1所述的固态图像拾取设备，还包括在第二放大单元后面的级处的第三放大单元，以及

其中第三放大单元不与第一放大单元和第二放大单元共享电流源。

11.根据权利要求1所述的固态图像拾取设备，其中选择单元使第一放大单元和第二放大单元同时进入非活动状态。

12.根据权利要求1所述的固态图像拾取设备，其中第一放大单元和第二放大单元是源极跟随器电路。

13.一种用于固态图像拾取设备的驱动的方法，所述固态图像拾取设备包括：转换单元，被配置为产生电荷；第一放大单元，被配置为放大与电荷的量对应的信号并且输出第一放大信号；第二放大单元，被配置为放大第一放大信号并且输出第二放大信号；电流源，由第一放大单元和第二放大单元共享；以及选择单元，被配置为使第一放大单元和第二放大单元进入非活动状态，所述方法包括如下步骤：

在第一放大单元处于活动状态时使第二放大单元进入非活动状态；以及

在第二放大单元处于活动状态时使第一放大单元进入非活动状态。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述固态图像拾取设备还包括：

开关单元，被配置为控制在第一放大单元的第一输出节点和第二放大单元的第二输入节点之间的电连接；以及

存储单元，被布置在开关单元和第二输入节点之间的路径上，并且被配置为存储第一放大信号或基于第一放大信号的信号。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述固态图像拾取设备还包括输出信号线，

其中第一输出节点与输出信号线电连接，

其中输出信号线经由开关单元与第二输入节点电连接，

其中第二放大单元的第二输出节点与输出信号线电连接，以及

其中电流源与输出信号线电连接。

16.根据权利要求15所述的方法，

其中所述固态图像拾取设备还包括被配置为给第一放大单元供应偏置电压的电源线，

其中第一放大单元包括第一放大MOS晶体管，

其中第一放大MOS晶体管的第一栅极是第一放大单元的第一输入节点，并且第一放大MOS晶体管的第一源极是第一输出节点，并且第一放大MOS晶体管的第一漏极与电源线电连接，以及

其中选择晶体管被布置在第一漏极和电源线之间的路径或者在第一源极和输出信号线之间的路径上。

17.根据权利要求13所述的方法，

其中所述固态图像拾取设备还包括被配置为输出多个参考电压的输出电路，

其中第一放大单元包括第一放大晶体管，

其中第二放大单元包括第二放大晶体管，以及

其中输出电路控制第一放大晶体管和第二放大晶体管中的至少一个的偏置状态。

18.根据权利要求13所述的方法，其中所述固态图像拾取设备还包括：

复位单元，被配置为复位第一放大单元的第一输入节点处的电压；以及

差分操作单元，

其中第一放大单元放大在第一输入节点被复位的状态中与第一输入节点处的电压对应的信号，并且输出第三放大信号，

其中第二放大单元放大第三放大信号并且输出第四放大信号，以及

其中差分操作单元被配置为输出与第二放大信号和第四放大信号之间的差对应的差信号。

19.根据权利要求13所述的方法，其中所述固态图像拾取设备还包括：

与第一输入节点电连接的浮置扩散；以及

转移单元，被配置为将电荷转移到浮置扩散。

20.一种用于固态图像拾取设备的驱动的方法，所述固态图像拾取设备包括：转换单元，被配置为产生电荷；第一放大单元，被配置为放大与电荷的量对应的信号并且输出第一放大信号；第二放大单元，被配置为放大第一放大信号并且输出第二放大信号；电流源，由第一放大单元和第二放大单元共享；包括在第一放大单元内的第一放大MOS晶体管；输出信号线；开关单元；以及选择晶体管，输出信号线经由选择晶体管与第一放大MOS晶体管的源极电连接，开关单元被配置为控制输出信号线和第二放大单元的第二输入节点之间的电连接，第二放大单元的第二输出节点与输出信号线连接，电流源与输出信号线连接，所述方法包括如下步骤：

在第一放大单元处于活动状态时通过使开关单元导通来使第二放大单元进入非活动状态；以及

在第二放大单元处于活动状态时通过使选择晶体管截止来使第一放大单元进入非活动状态。

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