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PRIORITÄTSBEANSPRUCHUNG
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Für diese Anmeldung wird die Priorität der
koreanischen Patentanmeldung Nr. 2005-53539 , angemeldet am 21. Juni 2005 beim koreanischen Patentamt, beansprucht.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bildsensor, insbesondere einen CMOS-(Complementary Metal Oxide Semiconductor)Bildsensor mit Anti-Sättigungsfunktion auf Pixelebene, der Sättigung ohne Schwächung der Farbreproduktion eines Gesamtbildes verhindern kann, indem ein dynamischer Bereich auf einer pro-Pixel-Ebene verändert wird.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Die
US 2004/0 218 078 A1 offenbart einen Bildsensor, mit jeweils einer Photodiode, einem Reset-Transistor, einem Treibertransistor, einem Auswahltransistor und veränderbaren Floating-Diffusionen pro Pixel.
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Aus der
JP 08-122149 A ist ein Bildsensor mit invertierender Rückkopplungsschaltung zur Verhinderung von Sättigung bekannt.
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Im Allgemeinen unterscheidet sich jeder Teil von in der natürlichen Welt vorhandenen Gegenständen in Helligkeit und Wellenlängen des Lichts. Ein Bildsensor ist eine Vorrichtung, die unterschiedliche Helligkeit und Wellenlängen der Gegenstände in einen elektrischen Wert einer signalverarbeitbaren Ebene unter Verwendung photoreaktiver Eigenschaften von Halbleitern umwandelt.
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Üblicherweise wird der Bildsensor auf einer pro-Pixel-Ebene verwendet. Eine Vielzahl Bildsensoren ist auf einer Linie eines bestimmten Standards ausgerichtet, um eine Pixelzeile zu bilden. Dann werden Bilder von einem bestimmten Standard durch diese Pixelzeile aufgenommen.
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Der zuvor genannte Bildsensor weist eine photoreaktive Halbleitervorrichtung sowie eine Vielzahl von Transistoren auf, um eine elektrische Änderung der Halbleitervorrichtung als elektrisches Signal einer bestimmten Ebene auszugeben.
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4 ist ein Schaltplan eines 3 TR CMOS Bildsensors aus einer Menge von Bildsensoren, die gemäß dem Stand der Technik auf einer pro-Pixel-Ebene verwendet werden.
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Unter Bezugnahme auf 4 weist der Bildsensor eine Photodiode PD zum Ändern eines Kapazitätswerts als Reaktion auf Licht, einen Reset-Transistor Q2 zum Rücksetzen der Photodiode PD, um ein nächstes Signal zu detektieren, einen Treibertransistor Q4, um als Sourcefolger durch ein in der Photodiode PD gespeichertes elektrisches Signal zu dienen, und einen Auswahltransistor Q5 zum Auswählen eines Ausgangs eines detektiertes Wertes auf.
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Das heißt, wenn der Reset-Transistor Q2 als Reaktion auf ein Reset-Signal Rx für eine vorbestimmte Dauer eingeschaltet bleibt, wird in der Photodiode Strom gespeichert in einer Menge, die zu dem dem Licht entsprechenden Kapazitätswert proportional ist. Zusätzlich verstärkt der Treibertransistor Q4 die Spannung der Photodiode PD in das elektrische Signal innerhalb eines eingestellten Bereichs. Ein detektiertes Signal Vout, das von dem Treibertransistor Q4 ausgegeben wird, wird in der Adressreihenfolge der Pixelzeile ausgegeben, wenn der Auswahltransistor Q5 eingeschaltet ist.
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5 ist ein Schaltplan, welcher einen 4 TR Bildsensor gemäß dem Stand der Technik darstellt. Wie in 5 dargestellt, weist der 4 TR Bildsensor weiter einen Transfertransistor Q1 zum Übertragen eines in einer Photodiode PD gespeicherten Signals als Reaktion auf ein Transfersignal Tx und eine Floating-Diffusion FD zum Empfangen von in der Photodiode gesammelten Ladungen über der Transfertransistor Q1 auf. Zu diesem Zeitpunkt treiben die in der Floating-Diffusion FD gespeicherten Ladungen den Treibertransistor Q4.
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In dem 4 TR Bildsensor, wobei ein Reset-Signal Rx angelegt wird, erzeugt und sammelt die Photodiode PD Ladungen in Übereinstimmung mit der empfangenen Lichtmenge. Dann bleibt der Transfertransistor Q1 für eine vorbestimmte Dauer eingeschaltet, und die Ladungen der Photodiode PD werden zu der Floating-Diffusion FD übertragen. Der Treibertransistor Q4 wird durch die in der Floating-Diffusion FD gespeicherten Ladungen betrieben, um ein detektiertes Signal Vout zu erzeugen. Das detektierte Signal Vout wird in der Adressreihenfolge einer Pixelzeile über den Auswahltransistor Q5 ausgegeben.
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Bei dem Bildsensor wie soeben beschrieben steigt eine detektierte Ausgangsspannung proportional zur Lichtmenge an. Aufgrund eines begrenzten Ausgangbereichs sättigt einfallendes Licht oberhalb des dynamischen Bereichs den Bildsensor, wodurch ein Überbelichten verursacht wird, bei welchem Bilder nicht genau dargestellt werden, sondern überbelichtet sind.
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Üblicherweise ist der dynamische Bereich DR des Bildsensors als Verhältnis einer minimal messbaren Lichtmenge I
ph_min und einer maximal messbaren Lichtmenge I
ph_max definiert, wie durch Gleichung 1 unten ausgedrückt:
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Das heißt, ein größerer dynamischer Bereich DR stellt eine übereinstimmende Darstellung eines heilen Bereichs und eines dunklen Bereichs in einem Bild sicher. Somit muss der dynamische Bereich DR des Bildsensors vergrößert werden.
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In dem Bildsensor wie oben beschrieben ist der dynamische Bereich jedoch durch Eigenschaften der Photodiode PD und/oder der Floating-Diffusion FD festgelegt.
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Somit macht oberhalb des dynamischen Bereichs einfallendes Licht eine normale Reproduktion von Bildern unmöglich.
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Deshalb wurden viele Studien durchgeführt, um Sättigung zu verhindern.
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Ein Verfahren wurde vorgeschlagen, um durch Sättigung verursachte Bildreproduktionsprobleme zu lösen. Zu diesem Zweck wird eine detektierte Spannung logarithmisch von einem Treibertransistor als Reaktion auf eine von einer Photodiode empfangene Lichtmenge ausgegeben, um den dynamischen Bereich zu vergrößern. Nachteilig ist jedoch, dass dadurch Farben verfälscht werden, was die Gesamt-Farbreproduktion und -Bildauflösung verschlechtert.
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Bei einem anderen Verfahren zum Überwinden des durch Sättigung hervorgerufenen Überbelichtens wird, wenn Sättigung während einer digitalen Verarbeitung auftritt, die Gesamt-Ausgangsspannung einer Pixelzeile gesenkt. In diesem Fall wird eine detektierte Spannung sogar in anderen Bereichen eines ungesättigten Bilds angepasst, wodurch nachteilig die Bildauflösung vermindert wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen CMOS-(Complementary Metal Oxide Semiconductor)Bildsensor mit Anti-Sättigungsfunktion auf Pixelebene anzugeben, welcher einen dynamischen Bereich auf einer pro-Pixel-Ebene gemäß einer Lichtmenge verändert, um Sättigung zu verhindern, ohne die Farbreproduktion eines Gesamtbilds zu verschlechtern.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Bildsensor mit einer Anti-Sättigungsfunktion auf Pixelebene vorgesehen, welcher aufweist: eine Photodiode zum Erzeugen von Ladungen in Übereinstimmung mit einer empfangenen Lichtmenge; einen Treibertransistor zum Verstärken der in der Photodiode erzeugten Ladungen mit einem gegebenen Verstärkungsfaktor; einen Sättigungsdetektor zum Empfangen einer Ausgangsspannung von dem Treibertransistor und Bewerten des Bildsensors als gesättigt, wenn die Ausgangsspannung oberhalb eines festgelegten Grenzwerts liegt; einen Schalter zum Ein-/Ausschalten als Reaktion auf die Bewertung des Sättigungsdetektors und eine Mehrzahl von Floating-Diffusionen zum Speichern der Ladungen der Photodiode, wobei die Mehrzahl der Floating-Diffusionen eine erste permanent mit der Photodiode verbundene Floating-Diffusion und eine zweite mittels des Schalters selektiv mit der Photodiode verbindbare Floating-Diffusion umfasst.
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Gemäß einem weiteren Gegenstand der Erfindung ist ein Bildsensor mit einer Anti-Sättigungsfunktion auf Pixelebene vorgesehen, welcher aufweist: eine Photodiode zum Erzeugen von Ladungen in Übereinstimmung mit einer empfangenen Lichtmenge; einen Transfertransistor zum Übertragen der in der Photodiode gesammelten Ladungen als Reaktion auf ein Transfersignal; eine erste Floating-Diffusion, die mit dem Transfertransistor verbunden ist, zum Speichern der in der Photodiode erzeugten Ladungen und um als Detektionsknoten zu dienen; eine zweite Floating-Diffusion, die selektiv mit dem Transfertransistor verbindbar ist, zum Speichern der in der Photodiode erzeugten Ladungen; einen Reset-Transistor für Ein-/Aus-Betrieb als Reaktion auf ein Reset-Signal, um ein elektrisches Potential der ersten oder der zweiten Floating-Diffusion als elektrisches Referenzpotential festzusetzen und die Ladungen freizusetzen; einen Anti-Sättigungstransistor zum selektiven Verbinden der zweiten Floating-Diffusion mit dem Transfertransistor; einen Treibertransistor, um basierend auf einem in wenigstens einer der ersten und zweiten Floating-Diffusion gespeicherten Wert als Sourcefolger zu dienen; einen Auswahltransistor, der zwischen dem Treibertransistor und einem Ausgangsanschluss angeordnet ist, um eine in dem Treibertransistor detektierte Spannung als Reaktion auf ein Auswahlsignal auszugeben; einen mit einem Drainanschluss des Treibertransistors verbundenen Inverter zum Invertieren der detektierten Spannung; und eine Rückkopplungsleitung zum Verbinden eines Ausgangsanschlusses des Inverters mit einem Gateanschluss des Anti-Sättigungs-Transistors.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich anhand der folgenden genauen Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen, in welchen:
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1 ein Schaltplan ist, welcher einen Bildsensor gemäß der Erfindung darstellt;
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2(a) und (b) Ersatzschaltpläne sind, welche einen Bildsensor basierend auf einem Betriebszustand gemäß der Erfindung darstellen;
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3(a) und (b) Betriebs-Timingdiagramme sind, welche einen Bildsensor gemäß der Erfindung darstellen;
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4 ein Schaltplan ist, welcher einen Bildsensor gemäß dem Stand der Technik darstellt; und
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5 ein Schaltplan ist, welcher einen weiteren Bildsensor gemäß dem Stand der Technik darstellt.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun genauer unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungsfiguren beschrieben, in denen in den unterschiedlichen Zeichnungsfiguren gleiche Bezugsziffern verwendet werden, um gleiche oder ähnliche Bestandteile zu kennzeichnen.
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1 ist ein beispielhafter genauer Schaltplan eines Bildsensors gemäß der Erfindung.
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Unter Bezugnahme auf 1 weist der Bildsensor gemäß der Erfindung eine Photodiode PD, einen Transfertransistor Q1, eine erste Floating-Diffusion FD1, eine zweite Floating-Diffusion FD2, einen Reset-Transistor Q2, einen Anti-Sättigungstransistor Q3, einen Treibertransistor Q4, einen Auswahltransistor Q5, einen Inverter 31 und eine Rückkopplungsleitung 32 auf. Die Photodiode PD erzeugt Ladungen in Übereinstimmung mit einer empfangenen Lichtmenge. Der Transfertransistor Q1 übermittelt die in der Photodiode PD gesammelten Ladungen als Reaktion auf ein Transfersignal Tx. Die erste Floating-Diffusion FD1 ist mit dem Transfertransistor Q1 verbunden und speichert die in der Photodiode PD erzeugten Ladungen. Des Weiteren empfängt die zweite Floating-Diffusion FD2 selektiv die Ladungen der Photodiode PD von dem Transfertransistor Q1 zum Speichern. Der Reset-Transistor Q2 legt ein elektrisches Potential von wenigstens der ersten oder der zweiten Floating-Diffusion FD1 oder FD2 als elektrisches Referenzpotential fest und setzt die Ladungen frei, um diese als Reaktion auf ein Reset-Signal Rx rückzustellen. Weiterhin führt der Anti-Sättigungstransistor Q3 einen Ein-/Aus-Betrieb durch, um die Floating-Diffusion FD2 mit dem Transfertransistor Q1 zu verbinden oder sie von diesem zu trennen. Der Treibertransistor Q4 dient als Sourcefolger basierend auf einem zumindest in der ersten oder der zweiten Floating-Diffusion FD1 und FD2 gespeicherten Wert. Zusätzlich ist der Auswahltransistor Q5 zwischen dem Treibertransistor Q4 und einem Ausgangsanschluss Vout angeordnet und gibt eine in dem Treibertransistor Q4 detektierte Spannung als Reaktion auf ein Auswahlsignal aus. Der Inverter 31 ist mit einem Drainanschluss des Treibertransistors Q4 verbunden. Die Rückkopplungsleitung 32 verbindet einen Ausgangsanschluss des Inverters 31 mit einem Gateanschluss des Transistors Q3.
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In dieser Konfiguration dienen die erste und zweite Floating-Diffusion FD1 und FD2 als Detektionsknoten.
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Unter Bezugnahme auf die Ausführungsform aus 1 weist die Erfindung weiter eine Mehrzahl Floating-Diffusionen, einen Sättigungsdetektor und einen Schalter zusätzlich zu Bestandteilen des herkömmlichen Bildsensors auf. Der Sättigungsdetektor rückkoppelt eine erfasste Ausgangsspannung des Bildsensors, um zu detektieren, ob die erfasste Ausgangsspannung oberhalb eines festgelegten Grenzwerts liegt, der zur Verhinderung der Sättigung eingestellt wurde, oder nicht. Des Weiteren schaltet der Schalter ein/aus als Reaktion auf die Bewertung des Sättigungsdetektors, um selektiv Floating-Diffusionen mit einem Schaltkreis des Bildsensors zu verbinden, wodurch die Kapazität des Detektionsknotens erhöht wird, um den dynamischen Bereich zu erweitern und die Ausgangsspannung zu senken.
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In der Ausführungsform aus 1 ist der Sättigungsdetektor als Inverter 31 und Rückkopplungsleitung 32 konfiguriert. Der Inverter 31 kann jedoch durch einen Komparator ersetzt werden, um zu vergleichen, ob die Ausgangsspannung des Treibertransistors Q4 geringer ist als die vorbestimmte Referenzspannung. In diesem Fall empfängt der Komparator die Ausgangsspannung des Treibertransistors Q4 und die voreingestellte Referenzspannung, und sein Ausgang wird mit dem Anti-Sättigungstransistor Q3 durch die Rückkopplungsleitung 32 verbunden. Dadurch schaltet der Komparator den Anti-Sättigungstransistor Q3 als Reaktion auf das Vergleichsergebnis ein/aus. Der Inverter 31 und der Komparator des Sättigungsdetektors können durch jede andere Struktur ersetzt werden, die bestätigen kann, ob eine Ausgangspannung des Treibertransistors Q4 oberhalb eines bestimmten Pegels ist oder nicht, und entsprechend den Anti-Sättigungstransistor Q3 ein-/ausschalten.
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In der Ausführungsform aus 1 können die Floating-Diffusionen konfiguriert werden, indem die erste und zweite Floating-Diffusion FD1 und FD2 parallel mit dem Transfertransistor Q1 verbunden werden. Alternativ können, beispielsweise im Fall eines 3TR Bildsensors, die erste und zweite Floating-Diffusion FD1 und FD2 parallel mit der Photodiode PD verbunden werden. Zu diesem Zeitpunkt ist die erste Floating-Diffusion FD1 fest verbunden, und die zweite Floating-Diffusion FD2 ist selektiv verbindbar.
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Weiterhin ist der Schalter als Anti-Sättigungstransistor Q3 konfiguriert, um Ein-/Aus-Betrieb durchzuführen, um selektiv die zweite Floating-Diffusion FD2 mit dem Transfertransistor Q1 zu verbinden. Der Sättigungsdetektor besteht aus dem Inverter 31, wobei ein Eingangsanschluss mit einem Drainanschluss des Treibertransistors Q4 und der Rückkopplungsleitung 32 verbunden ist, um einen Ausgang des Inverters 31 auf ein Gate des Anti-Sättigungstransistors Q3 anzulegen. Wenn eine Ausgangsspannung Vx des Treibertransistors Q4 auf einen bestimmten Pegel oder darunter gesenkt wird, wird der Ausgang des Inverters 31 in einen hohen Pegel umgewandelt und durch die Rückkopplungsleitung 32 an den Anti-Sättigungstransistor Q3 geliefert, wodurch der Anti-Sättigungstransistor Q3 eingeschaltet wird. Dann wird die zweite Floating-Diffusion FD2 mit dem Transfertransistor Q1 zusammen mit der ersten Floating-Diffusion FD1 verbunden. Dadurch wird der Gesamtkapazitätswert des Detektionsknotens erhöht, so dass die detektierte Spannung mit dem begrenzten Pegel ausgegeben wird, selbst wenn die Lichtmenge erhöht ist.
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Der Reset-Transistor Q2 und der Auswahltransistor Q5 können abhängig von der Art des Bildsensors nicht konfiguriert sein.
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Nun werden Funktionen eines Bildsensors gemäß der Erfindung erläutert, der wie oben beschrieben konfiguriert ist, unter Bezugnahme auf die in 2(a) und (b) dargestellte Ersatzschaltung.
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2(a) ist ein Schaltplan der Ersatzschaltung, welcher den Bildsensor darstellt in dem Fall, dass Licht innerhalb eines begrenzten Pegels einfällt. Liegt die Lichtmenge in einem festgesetzten Bereich, erreicht die Ausgangsspannung (d. h. Drainspannung) eines Treibertransistors Q4 einen Referenzpegel oder höher, und entsprechend wird der Ausgang des Inverters 31 zu einem niedrigen Pegel. Somit wird ein Anti-Sättigungstransistor Q3 abgeschaltet und nur eine erste Floating-Diffusion FD1 wird mit einem Transfertransistor Q1 verbunden, wodurch die Ersatzschaltung wie in 2(a) dargestellt gebildet wird.
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Zu diesem Zeitpunkt wird, wie in 3(a) dargestellt, wobei ein Reset-Signal Rx mit einer vorbestimmten Gültigkeitsdauer angelegt wird, ein Reset-Transistor Q2 eingeschaltet, um den ersten Floating-Diffusionsknoten FD1 in ein elektrisches Referenzpotential Vref – VTH rückzusetzen. Hierbei kennzeichnet Vref eine auf den Reset-Transistor Q2 angelegte Referenzspannung und VTH kennzeichnet eine auf den Reset-Transistor Q2 aufgeladene Schwellenspannung.
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Ein Transfersignal Tx wird an eine fallende Flanke des Reset-Signals Rx angelegt, und daraufhin wird der Reset-Transistor Q2 ausgeschaltet, und der Transfertransistor Q1 wird zur gleichen Zeit eingeschaltet. In diesem Fall ist die Photodiode PD Licht ausgesetzt, wodurch Ladungen in einer zu der eingefallenen Lichtmenge und Wellenlänge proportionalen Menge erzeugt werden. Die Ladungen werden in der ersten Floating-Diffusion FD1 gespeichert, während der Transfertransistor Q1 eingeschaltet bleibt. Ein in der ersten Floating-Diffusion FD1 gespeicherter Wert wird von dem Treibertransistor Q4, der als Sourcefolger dient, mit einem vorgegebenen Verstärkungsfaktor verstärkt. Der gespeicherte Wert wird über den eingeschalteten Auswahltransistor Q5 ausgegeben, während ein Auswahlsignal Sx wie in 3(a) dargestellt angelegt wird.
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In diesem Fall wird die Ausgangsspannung Vx des Treibertransistors Q4 durch die Gleichung QPhoto = CFD1 × Vχ ausgedrückt.
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Während der Wiederholung der zuvor genannten Abläufe wird, in dem Fall, in dem die Lichtmenge oberhalb eines begrenzten Pegels angestiegen ist, wie in 3(b) dargestellt, die Ausgangsspannung Vx des Treibertransistors auf einen Referenzpegel oder weniger gesenkt. Entsprechend wird der Ausgang des Inverters 31 zu einem hohen Pegel und schaltet den Anti-Sättigungstransistor Q3 ein, so dass die erste Floating-Diffusion FD2 mit dem Transfertransistor Q1 verbunden wird. In diesem Fall ist die äquivalente Schaltung wie in 2(b) dargestellt konfiguriert, so dass die erste Floating-Diffusion FD1 und die zweite Floating-Diffusion FD2 parallel verbunden sind. Zu diesem Zeitpunkt steigt die Kapazität auf CFD1 + CFD2. Somit wird die Ausgangsspannung des Treibertransistors Q4 durch die Gleichung QPhoto = (CFD1 + CFD2) × Vχ ausgedrückt. Im Vergleich zu 2(a) ist die Kapazität verdoppelt, und die Höhe der Ausgangsspannung ist im Wesentlichen halbiert.
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Die zuvor genannten Abläufe werden für jeden Bildsensor auf einer pro-Pixel-Ebene durchgeführt. Im Fall einer Pixelzeile, die mit derartigen Bildsensoren konfiguriert ist, funktioniert der Bildsensor wie in 2(a) oder (b) dargestellt in Übereinstimmung mit der auf jede Pixelebene einfallenden Lichtmenge. Somit wird ein Ausgangspegel in einigen Bereichen eines Gesamtbilds, wenn auf diese zuviel Licht einfällt, auf ein vorbestimmtes Verhältnis gesenkt, wodurch ein Überbelichten verhindert wird. Des Weiteren funktioniert in anderen Bereichen, in denen Licht innerhalb eines festgelegten Bereichs einfällt, der Bildsensor normal, wodurch eine im Wesentlichen naturgetreue Farbreproduktion sichergestellt wird. Dadurch wird die Gesamt-Bildauflösung verbessert.
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Wie oben beschrieben erhöht ein Bildsensor gemäß der Erfindung des Weiteren die Floating-Diffusion-Bereiche in dem Fall, in dem einfallendes Licht eine Sättigungsgrenze für jeden Bildsensor auf einer pro-Pixel-Ebene erreicht. Dadurch wird der Spannungspegel gesenkt, wodurch ein durch Sättigung herbeigeführtes Überbelichten verhindert wird. Als Ergebnis kann Sättigung auf einer pro-Pixel-Ebene verhindert werden, was Farbreproduktion in anderen Bereichen, in denen Licht innerhalb eines festgelegten Bereichs einfällt, sicherstellt und vorteilhafterweise die Gesamt-Bildauflösung verbessert.