專利名稱：信號處理裝置、固體成像裝置和像素信號生成方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在寬的動態(tài)范圍內(nèi)把與光電二極管中存儲的電荷對 應的電壓信號輸出的信號處理裝置、固體成像裝置和像素信號生成方 法。
背景技術：
在作為固體成像裝置的一例的CMOS圖像傳感器中，在讀出像 素信號時，把浮置擴散(FD: floating diffusion)的電壓重置成像素 電源的電壓。即，由于對電源電壓有依賴性，所以如果像素電源的電 壓降低則FD的電壓也降低。另外，由于向垂直信號線輸出的信號是 用放大晶體管檢測FD的電壓得到的信號，所以如果FD的電壓降低， 則與之相伴隨，向垂直信號線輸出信號的電壓也降低。因此，在具有 CMOS圖像傳感器的機器中，實現(xiàn)低耗電時，產(chǎn)生不能充分地輸出像 素的飽和信號量等的問題。
另一方面，在日本特開2005-86595號^^艮中記載了解決上述問 題，實現(xiàn)耗電減少、動態(tài)范圍擴大的半導體裝置(CMOS傳感器)。 在該公報記載的裝置中，通過使重置FD時的重置脈沖為ON的期間 比以往更短(相對于垂直信號線的追隨時間足夠短)，提高對FD的 設定電壓，實現(xiàn)耗電減少、動態(tài)范圍擴大。
但是，上述公報記栽的半導體裝置中，由于設定電壓的上升幅度 取決于控制定時，所以存在難以在能得到充分效果的最佳定時控制的問題。另外，像素數(shù)大的CMOS傳感器的情況下，由于重置脈沖的波 形因RC時間常數(shù)而變鈍，所以為了重置FD必須增大脈沖寬度，如 果脈沖寬度增大則升壓效果下降。因此，對于像素數(shù)大的CMOS傳感 器難于適用上述公報記載的技術。而且，由于升壓效果與垂直信號線 的負載電容對應地變化，所以，在垂直信號線的負載電容小時，垂直 信號線的追隨時間也小，得不到充分的升壓效果。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方式，提供一種信號處理裝置，用雙重相關取 樣處理生成與像素單元內(nèi)的光電二極管中存儲的電荷對應的電壓信 號，包括用來把上述存儲的電荷變換成電壓信號的浮置擴散即FD; 以及柵端子與上述FD連接且源端子與輸出信號線連接的放大晶體管， 在雙重相關取樣處理中，在重置上述FD時，通過在預定期間向上述 FD施加電源電壓，把上述輸出信號線的電壓設定成第一電壓，然后把 上述輸出信號線的設定電壓設定成比上述第一電壓高的第二電壓。
另外，根據(jù)本發(fā)明的一個方式，提供一種固體成像裝置，包括如 上所述的信號處理裝置，還包括像素區(qū)和行選擇電路，上述像素區(qū) 具有陣列狀地配置的多個上述像素單元，上述各像素單元除了上述光 電二極管、上述FD和上述放大晶體管之外還包括把上述光電二極 管中存儲的電荷讀出到上述FD的讀出晶體管、以及用來重置上述FD 的電壓的重置晶體管，上述行選擇電路控制多個上述像素單元的上述 讀出晶體管和上述重置晶體管。
另外，根據(jù)本發(fā)明的一個方式，提供一種像素信號生成方法，是 生成與像素單元內(nèi)的光電二極管中存儲的電荷對應的電壓信號時的像 素信號生成方法，包括第一電壓設定步驟，通過在預定期間向用來 把上述存儲的電荷變換成電壓信號的浮置擴散即FD施加電源電壓， 把柵端子與該FD連接的晶體管的源端子的電壓設定成第一電壓；第 二電壓設定步驟，對上述晶體管的源端子施加比上述第一電壓高的第 二電壓；信號電荷傳送步驟，把上述光電二極管中存儲的信號電荷傳送到上述FD;以及信號生成步驟，生成表示上述第二電壓與執(zhí)行上述 信號電荷傳送步驟后的上迷晶體管的源端子的電壓的差量的像素信 號。


圖l是示出作為根據(jù)本發(fā)明的固體成像裝置的前提的固體成像裝 置的構(gòu)成例的圖。
圖2是示出用來從像素單元讀出像素信號的電路(像素信號讀出 電路)的構(gòu)成的圖。
圖3是利用圖2所示的像素信號讀出電路讀出像素信號時的時序 圖的一例的圖。
圖4是示出FD的重置電壓和垂直信號線的重置電壓的關系的圖。 圖5是示出實施方式1的固體成像裝置具有的像素信號讀出電路 的構(gòu)成例的圖。
圖6是利用圖5所示的像素信號讀出電路讀出像素信號時的時序 圖的一例的圖。
圖7是示出FD與對垂直信號線的輸出的關系的圖。
圖8是比較由現(xiàn)有的固體成像裝置得到的FD的重置電壓與由實 施方式1的固體成像裝置得到的FD的重置電壓的圖。
圖9是示出實施方式1的固體成像裝置具有的像素信號讀出電路 內(nèi)的負載電路的內(nèi)部構(gòu)成例的圖。
圖IO是利用圖9所示的像素信號讀出電路讀出像素信號時的時 序圖的一例的圖。
圖11是示出實施方式2的固體成像裝置具有的像素信號讀出電 路的構(gòu)成例的圖。
圖12是示出實施方式2的固體成像裝置中的像素信號讀出動作 的時序圖的一例的圖。
圖13是示出實施方式3的固體成像裝置具有的像素信號讀出電 路的構(gòu)成例的圖。圖14是示出實施方式3的固體成像裝置中的像素信號讀出動作 的時序圖的一例的圖。
圖15是示出實施方式4的固體成像裝置具有的像素信號讀出電 路的構(gòu)成例的圖。
圖16是示出實施方式4的固體成像裝置中的像素信號讀出動作 的時序圖的一例的圖。
具體實施例方式
下面，參照附圖詳細說明根據(jù)本發(fā)明的實施方式的信號處理裝置、 固體成像裝置和像素信號生成方法。另外，這些實施方式并不構(gòu)成對 本發(fā)明的限定。
(實施方式1)
首先，在說明本實施方式的固體成像裝置中的特征性動作之前， 說明作為前提的技術。圖1是示出作為根據(jù)本發(fā)明的固體成像裝置的 前提的固體成像裝置的構(gòu)成例的圖。該固體成像裝置是3Tr型的 CMOS圖像傳感器，由像素區(qū)1、負栽電路2、行選擇電路3、列ADC 塊4和定時電路5構(gòu)成。在像素區(qū)1中陣列狀地配置多個像素單元10。 列ADC塊4具有與像素區(qū)l的像素單元IO的列對應的多個AD變換 器(ADC) 40，各AD變換器40含有取樣保持電路(S/H) 41。
另外，各像素單元10用控制信號線101 (重置信號線和讀出信號 線)與行選擇電路3連接。行選擇電路3通過對控制信號線101逃行 控制來選擇要進行讀出的像素單元(像素單元的行)。被選擇的像素 單元10向垂直信號線(VSIG)輸出像素信號。垂直信號線的一端與 負載電路2連接，而另一端與列ADC塊4的AD變換器40連接。從 像素單元10讀出的像素信號被傳送到AD變換器40內(nèi)的取樣保持電 路41。
另外，各AD變換器40通過信號線102(取樣信號線)與定時電 路5連接，AD變換器40內(nèi)的取樣保持電路41按照通過信號線102 從定時電路5接收的指示對垂直信號線取樣。其結(jié)果，從像素單元IO讀出數(shù)字形式的像素信號(數(shù)字像素信號)。
下面，說明圖1所示的固體成像裝置的詳細動作。在此，說明讀
出在像素區(qū)1內(nèi)的特定像素單元10中存儲的電荷時的動作例。圖2是 示出上述固體成像裝置中用來從像素區(qū)1內(nèi)的特定的一個像素單元IO 讀出像素信號的電路(像素信號讀出電路)的構(gòu)成的圖。該電路包含 像素單元IO和與之連接的負載電路(以下稱為負載電路20)。
像素單元10包括光電二極管11、把光電二極管11中存儲的信 號電荷變換成電壓的浮置擴散(FD) 12、把光電二極管11中存儲的 電荷讀出到FD12的讀出晶體管13、用來重置FD12的電壓的重置晶 體管14、以及用來輸出FD12的電壓的》文大晶體管15。放大晶體管15 的源端子與垂直信號線(VSIG)連接，放大晶體管15的漏端子和重 置晶體管14的漏端子與像素電源(PXVDD)連接。讀出晶體管13和 重置晶體管14利用圖1所示的行選擇電路3控制。
負載電路20包括柵端子被施加偏置電壓且漏端子與上述垂直 信號線連接的負載晶體管21;以及與其串聯(lián)連接、柵端子被輸入控制 信號(開關信號)且源端子與基板(基準電位點)連接的、對電流的 通斷進行控制的開關晶體管22。另外，在圖2所示的電路中，負栽電 路20和像素單元10內(nèi)的放大晶體管15用作源跟隨器。另外，負載晶 體管21和開關晶體管22由省略了圖示的負載電路控制部控制。
圖3是利用圖2所示的電路讀出像素信號時的時序圖的一例的 圖。以下，參照圖3說明上述固體成像裝置中的像素信號讀出動作。 在該裝置中讀出像素信號時，首先，向像素電源(PXVDD)施加電源 電壓，并施加用來使負載電路20的負載晶體管21作為恒流源工作的 偏置電壓。在該狀態(tài)下，如果使重置晶體管14在預定期間導通則FD12 的電壓上升，最終成為Vdd。另外，"預定期間"是使FD12的電壓 成為Vdd所需的足夠的長度。另外此時，使負載電路20的開關晶體 管22導通。由此在源跟隨器中流動電流，向垂直信號線(VSIG)輸 出從在FD12中設定的電壓(Vdd)偏移了一定量而得到的電壓值(相 當于圖示的"重置電壓")。在圖示的定時T1該重置電壓(VSIG電壓)被取樣保持電路(圖l所示的取樣保持電路41)取樣。另外，開 關晶體管22成為導通的狀態(tài)維持一定期間。
另外，如果重置電壓的取樣結(jié)束，則使讀出晶體管13在預定期 間導通。如果這樣，光電二極管ll中存儲的信號電荷傳輸?shù)紽D12。 在此，"預定期間"是光電二極管11中存儲的全部的信號電荷可以傳 輸?shù)紽D12的長度。該傳輸?shù)紽D12的信號電荷由放大晶體管15檢測， 向垂直信號線(VSIG)輸出(相當于圖示的"信號電壓")。在定時 T2該信號電壓被取樣保持電路41取樣。
另外，如果信號電荷(信號電壓)的取樣結(jié)束，則負載電路20 的開關晶體管22截止，向源跟隨器流動的電流被切斷。然后，把像素 電源(PXVDD)降到低電平，在該狀態(tài)下使重置晶體管14導通。由 此，F(xiàn)D12的電壓設定成與像素電源為相同狀態(tài)(低電平)，放大晶體 管15成為截止狀態(tài)，像素信號的讀出動作結(jié)束。另外，像素電源的低 電平是使放大晶體管15截止所需的足夠的電壓。通過使放大晶體管 15截止，該像素單元10實質(zhì)上成為非選擇像素。利用例如省略了圖 示的像素電源控制部控制像素電源。
另外，在CMOS圖像傳感器中，通過獲取由取樣保持電路41取 樣的重置電壓與信號電壓的差值，除去因放大晶體管的閾值偏差等造 成的固定圖樣噪聲。在重置電壓中產(chǎn)生因晶體管的偏差等造成的噪聲 分量，但這樣的噪聲分量在時間上是恒定不變的，所以在信號電壓中 也含有同等的噪聲分量。因此，通過獲取重置電壓與信號電壓的差值， 得到除去了固定圖樣噪聲的信號分量(與光電二極管11中存儲的信號 電荷對應的電壓信號)。這樣的信號處理一般稱為雙重相關取樣。AD 變換器40把該差分信號量作為數(shù)字值輸出。
如上所述，向垂直信號線(VSIG)輸出的信號電壓取決于重置 電壓即〗象素電源(PXVDD)。因此，如果向〗象素電源施加的電源電壓 的下降，則與此相伴隨地，F(xiàn)D12的重置電壓下降，從像素信號讀出電 路輸出的信號電壓也下降。其結(jié)果，如圖4所示，像素信號讀出電路 的輸出電壓范圍變窄，得不到足夠的輸出振幅(動態(tài)范圍)。因此，在根據(jù)本發(fā)明的固體成像裝置中，通過在讀出像素信號時的浮置擴散 的重置處理中使垂直信號線的電壓暫時變化來實現(xiàn)輸出振幅的擴大。
另外，圖4是示出FD12的重置電壓和垂直信號線的重置電壓的關系 的圖。
接著，說明利用了上述前提技術的本實施方式的固體成像裝置的 動作。圖5是示出實施方式1的固體成像裝置具有的像素信號讀出電 路的構(gòu)成例的圖。把圖2所示的像素信號讀出電路的負載電路20置換 成負載電路20a，且把圖2中省略了記載的負載電路控制部作為負載 電路控制部30a追加。另外，像素單元10與圖2所示的像素信號讀出 電路中的像素單元IO相同。在此，省略對已說明過的像素單元10的 詳細說明，以負載電路20a和控制它的負載電路控制部30a的動作為 中心進行說明。另外，具有該像素信號讀出電路的固體成像裝置的整 體構(gòu)成與圖l所示的固體成像裝置相同。
圖6是利用圖5所示的像素信號讀出電路讀出像素信號時的時序 圖的一例的圖。以下，參照圖6說明本實施方式的固體成像裝置中的 像素信號讀出動作。在本實施方式的固體成像裝置中讀出像素信號時， 首先，向像素電源(PXVDD)施加電源電壓，并控制負載電路20a使 得負栽電路控制部30a作為恒流源工作且垂直信號線(VSIG)成為預 定電壓(第一電壓)。在該狀態(tài)下，使重置晶體管14導通，將FD12 的電壓設定成向l象素電源施加的電壓即Vdd(電源電壓)。在把FD12 的電壓設置成Vdd后，進而對負載電路控制部30a變更設定，使得負 載電路20a向垂直信號線的輸出為比先前設定的第一電壓高的第二電 壓(圖示的重置電壓)。其結(jié)果，F(xiàn)D12的電壓被重置到比Vdd高AVfd 的電壓。
如圖7所示，在像素單元10中，F(xiàn)D12通過放大晶體管15的柵 源間電容16 (Cgs)與垂直信號線電容耦合。因此，與垂直信號線的 電壓上升相連動，F(xiàn)D12的電壓也上升。在本實施方式的固體成像裝置 中，利用該性質(zhì)，在重置動作時把FD12的電壓i殳定成電源電壓 (PXVDD)后，通過使垂直信號線的電壓上升，即使在使用與現(xiàn)有技術相同的電源電壓時也能提高對FD12的設定電壓(參照圖8)。另夕卜， FD12的電壓上升量如下式(1)所示，由垂直信號線的電壓變化量
(AVsig) 、 -故大晶體管15的耦合電容值16和17 (Cgs和Cgd )、 FD12的內(nèi)部電容18 (Cfd)決定。
AVfd =---涵ig …(1)
Cfd + Cgd + Cgs
實施上述控制把FD12的電壓升高了AVfd后的動作與用圖1 圖3 說明過的裝置相同。即，在圖6所示的定時Tl向垂直信號線輸出的 重置電壓被取樣保持電路41取樣，然后，使讀出晶體管13導通，將 光電二極管11中存儲的信號電荷傳輸?shù)紽D12。然后，與此相伴隨， 向垂直信號線輸出的信號電壓再度被取樣保持電路41取樣。取樣結(jié)束 后，變更負載電路20a的內(nèi)部設定，切斷在源跟隨器上流動的電流， 并且把像素電源(PXVDD)降到低電平，使重置晶體管14導通，使 放大晶體管15成為截止狀態(tài)(使像素單元成為非選擇狀態(tài))。
接著，詳細說明用來實現(xiàn)圖6所示的控制的負載電路20a的內(nèi)部 構(gòu)成。圖9是示出負載電路20a的內(nèi)部構(gòu)成例的圖。為了便于說明， 示出像素信號讀出電路的整體。如圖所示，負栽電路20a可以是例如， 與上述的像素信號讀出電路的負載電路20 (參照圖2)相同的構(gòu)成。 但是，負載電路控制部30a對負載晶體管21的控制動作與上述像素信 號讀出電路不同。
圖10是利用圖9所示的像素信號讀出電路讀出像素信號時的時 序圖的一例的圖。參照該圖IO說明本實施方式的固體成像裝置中的像 素信號讀出動作。另外，圖IO是對圖6所示的時序圖追加了偏置電壓 (BIAS電壓)的變化形態(tài)而得到的。
在利用圖9所示的像素信號讀出電路讀出像素信號時，首先，向 像素電源(PXVDD)施加電源電壓，另外，負載電路控制部30a向負 載晶體管21施加用來作為恒流源工作的偏置電壓(以下稱第一偏置電 壓)。此時施加的偏置電壓的值與向上述的像素信號讀出電路(參照 圖2、圖3)的負載晶體管21施加的偏置電壓相同。然后，負載電路
15控制部30a把向負載晶體管21施加的偏置電壓從第一偏置電壓升高預 定量(AVbi)而成為第二偏置電壓。在像素單元10中，在該狀態(tài)下， 使重置晶體管14在預定期間導通，把FD12的電壓設定成電源電壓。 另外此時，負載電路控制部30a把負載電路20的開關晶體管22導通。 由此在源跟隨器中流動電流，向垂直信號線(VSIG)輸出從在FD12 中設定的電壓(Vdd)偏移了一定量而得到的電壓值。另外，開關晶 體管22成為導通的狀態(tài)維持一定期間(直到信號電壓的讀出處理結(jié) 束)。
如上所述，向負載晶體管21施加比通常的電壓值(相當于向圖2 所示的像素信號讀出電路的負載晶體管21施加的電壓值)高出AVbi 的偏置電壓。由此，在源跟隨器中流動比通常大的電流，垂直信號線 的電壓是比通常的重置電壓(施加相同值的電源電壓時上述圖2所示 的像素信號讀出電路中的重置電壓)低的值。
在此，說明向垂直信號線輸出的重置電壓比通常低的理由。如果 不考慮基板偏置效果， 一般地，源跟隨器的輸出電壓(向垂直信號線 輸出的輸出電壓)由下式(2)給出。
式(2)中，Vth是放大用晶體管(放大晶體管15)的閾值電壓， I表示源跟隨器的電流，W、 L分別表示放大用晶體管的柵寬、柵長， ia表示電子的遷移率，Cox表示柵氧化膜的單位面積電容。因此，上式 (2)示出，源跟隨器的輸出電壓是從FD的電壓偏移一定電壓后得到 的值，其偏移量取決于源跟隨器的電流值。由此可知，在源跟隨器中 流過比通常大的電流的圖9的像素信號讀出電路中，從垂直信號線輸 出的重置電壓是比通常低的值。
返回動作說明，如果FD12的重置結(jié)束，則負載電路控制部30a 把在負載晶體管21上施加的偏置電壓復原到原來的值(降低AVbi而 復原到第一偏置電壓)。這樣的話，由于在源跟隨器中流過的電流減少，所以從上式(2)可知垂直信號線的電壓(圖示的VSIG電壓)上 升。以該上升后的電壓為重置電壓，在定時Tl由取樣保持電路(相 當于圖1所示的取樣保持電路41)取樣。
這以后的動作與利用圖2所示的像素信號讀出電路時的動作相 同。即，重置電壓的取樣結(jié)束后，使讀出晶體管13導通，使光電二極 管11中存儲的信號電荷傳輸?shù)紽D12，隨此變化的垂直信號線的輸出
(信號電壓)在定時T2被取樣。然后，信號電壓的取樣結(jié)束后，使 開關晶體管22截止，切斷在源跟隨器上流動的電流，進而把像素電源
(PXVDD)降到低電平，在該狀態(tài)下使重置晶體管14導通，使放大 晶體管15成為截止狀態(tài)。
另外，如上所述，后級的AD變換器40對取樣后的重置電壓與 信號電壓的差量進行AD變換(進行雙重相關取樣)。由此，垂直信 號線(VSIG)的電壓上升量被視為偏移而被消除。即，上述控制導致 的垂直信號線的電壓上升不會造成AD變換結(jié)果的變化(電壓上升量 不會成為AD變換結(jié)果的誤差)。
這樣，在本實施方式的固體成《象裝置中，F(xiàn)D的電壓通過用來輸 出它的放大晶體管與垂直信號線的電壓進行電容耦合，利用了這一點， 在重置FD時，首先，以使得在由負載電路和放大晶體管構(gòu)成的源跟 隨器中流過比通常(以往)大的電流的狀態(tài)使FD的電壓上升到電源 電壓，然后通過把源跟隨器中流過的電流減少到與通常相同的電流值 而使向垂直信號線輸出的電壓值上升，使FD的電壓(重置電壓)比 電源電壓還高。由此，使用與以往相同的電源電壓就能使FD的重置 電壓更高。即，在低電壓動作時也能確保寬的輸出電壓范圍(足夠的 動態(tài)范圍)。
另外，能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)范圍的擴大率不受控制定時、像素數(shù)、垂直 信號線的負載電容的影響的固體成像裝置。 (實施方式2)
接著，說明實施方式2的固體成像裝置。本實施方式的固體成像 裝置的構(gòu)成與實施方式1的固體成像裝置相同(參照圖1)。另外，
17在實施方式1中說明了通過控制垂直信號線的電壓來升高FD的電壓 的固體成像裝置，在本實施方式的固體成像裝置中也是同樣地，通過 控制垂直信號線的電壓來升高FD的電壓。即，本實施方式的固體成 像裝置的像素信號讀出電路內(nèi)的用來控制垂直信號線的電壓的負載電 路和負載電路控制部，與實施方式1的固體成像裝置所具有的像素信 號讀出電路(參照圖9)不同。在本實施方式中以與實施方式1不同 的部分為中心進行說明。
圖11是示出實施方式2的固體成像裝置具有的像素信號讀出電 路的構(gòu)成例的圖。該像素信號讀出電路把實施方式1中示出的像素信 號讀出電路內(nèi)的負載電路20a和負載電路控制部30a分別置換成負載 電路20b和負栽電路控制部30b。如圖所示，負載電路20b具有如 果施加預定的偏置電壓則成為導通的負載晶體管21和23;與它們中 的某一個一對一地串聯(lián)連接、且源端子與基板(基準電位點)連接的、 對電流的通斷進行控制的開關晶體管22和24。另外，構(gòu)成為，向負 載晶體管21和23的柵端子施加相同的電壓(偏置電壓)，同時進行 通斷控制。另一方面，構(gòu)成為，向開關晶體管22和24的柵端子施加 分別不同的電壓作為開關信號，可以單獨地進行通斷控制。負載電路 控制部30b控制負載電路20b所具有的負載晶體管21和23、開關晶 體管22和24。
圖12是示出實施方式2的固體成像裝置中的像素信號讀出動作 的時序圖的一例的圖。以下，參照圖12說明本實施方式的固體成像裝 置中的像素信號讀出動作。
在本實施方式的固體成像裝置中讀出像素信號時，首先，向像素 電源(PXVDD)施加電源電壓，并向負載電路20b的負載晶體管21 和23施加偏置電壓。在該狀態(tài)下，如果使重置晶體管14在預定期間 導通則FD12的電壓上升，最終成為向〗象素電源施加的電源電壓 (Vdd)。另外此時，負栽電路20b的開關晶體管22和24導通。由 此在源跟隨器中流動電流，向垂直信號線(VSIG)輸出從在FD12中 設定的電壓(Vdd)偏移了一定量而得到的電壓值。在此，由于負載電路20b使用多個(兩個)負載晶體管驅(qū)動電流， 所以在源跟隨器中流動比是通常的構(gòu)成(與具有單個負載晶體管的上 述圖2所示的像素信號讀出電路的負載電路同樣的構(gòu)成)時更大的電 流。因此，如從上述式(2)看出的那樣，垂直信號線(VSIG)的電 壓是比通常構(gòu)成時的電壓低的電壓。
然后，把FD12的電壓設置到Vdd后，使兩個開關晶體管中的某 一個(在圖12所示的例子中是開關晶體管24)截止。這樣的話，由 于在源跟隨器中流過的電流減少，所以從上式(2)可知垂直信號線的 電壓(圖示的VSIG電壓)上升。以該上升后的電壓為重置電壓，在 定時T1由取樣保持電路41 (參照圖1)取樣。
這以后的動作與實施方式l中所示的固體成像裝置相同(參照圖 9、圖IO)。即，重置電壓的取樣結(jié)束后，使讀出晶體管13導通，使 光電二極管11中存儲的信號電荷傳輸?shù)紽D12，隨此向垂直信號線輸 出的信號電壓在定時T2被取樣。然后，信號電壓的取樣結(jié)束后，使 導通狀態(tài)的開關晶體管(在圖12的例子中是開關晶體管22)截止， 切斷在源跟隨器上流動的電流，進而把像素電源(PXVDD)降到低電 平，在該狀態(tài)下使重置晶體管14導通，使放大晶體管15成為截止狀 態(tài)。
這樣，在本實施方式的固體成像裝置中，負載電路具有兩個負載 晶體管，在重置FD時，首先，使兩個負載晶體管導通，以在源跟隨 器中流過比通常(以往的負載晶體管為單個的情形)大的電流的狀態(tài) 使FD的電壓上升到電源電壓，然后通過切斷在負載晶體管中的某一 個上流過的電流，把源跟隨器中流過的電流減少到與通常相同的電流 值而使向垂直信號線輸出的電壓值上升，提高與該垂直信號線電容耦 合的FD的電壓(重置電壓)。由此，能夠獲4f與上述實施方式1同 樣的效果。
(實施方式3)
接著，說明實施方式3的固體成像裝置。本實施方式的固體成像 裝置的構(gòu)成與實施方式1的固體成像裝置相同(參照圖1)。另外，本實施方式的固體成像裝置具有的像素信號讀出電路也與實施方式2 同樣地，用來控制垂直信號線的電壓的負載電路和負載電路控制部， 與實施方式1的固體成像裝置所具有的信號線讀出電路(參照圖9) 不同。在本實施方式中以與上述各實施方式不同的部分為中心進行說 明。
圖13是示出實施方式3的固體成像裝置具有的像素信號讀出電 路的構(gòu)成例的圖。該像素信號讀出電路把實施方式1中示出的像素信 號讀出電路內(nèi)的負載電路20a和負載電路控制部30a分別置換成負載 電路20c和負載電路控制部30c。如圖所示，負栽電路20c具有如果 施加預定的偏置電壓則成為導通的負載晶體管21和23，構(gòu)成為，向 這些各負載晶體管的柵端子施加分別不同的電壓(偏置電壓)，可以 單獨地進行通斷控制。這些各負栽晶體管的源端子與基板(基準電位 點)連接。負載電路控制部30c控制負載電路20c所具有的負載晶體 管21和23。
圖14是示出實施方式3的固體成像裝置中的像素信號讀出動作 的時序圖的一例的圖。以下，參照圖14"^兌明本實施方式的固體成4象裝 置中的像素信號讀出動作。
在本實施方式的固體成像裝置中讀出像素信號時，首先，向像素 電源(PXVDD)施加電源電壓，然后向負載電路20c的負載晶體管 21和23施加偏置電壓。然后，在該狀態(tài)下，如果使重置晶體管14在 預定期間導通則FD12的電壓上升，最終成為向像素電源施加的電源 電壓(Vdd)。另外，在源跟隨器中流動電流，向垂直信號線(VSIG) 輸出從在FD12中設定的電壓(Vdd)偏移了一定量而得到的電壓值。
在此，由于負載電路20c使用多個(兩個)負載晶體管驅(qū)動電流， 所以與上述實施方式2的電路同樣地，在源跟隨器中流動比通常的(具 有單個負載晶體管的)構(gòu)成時更大的電流。因此，垂直信號線(VSIG) 的電壓是比通常構(gòu)成時的電壓低的電壓。
然后，把FD12的電壓設置到Vdd后，使兩個負載晶體管中的某 一個(在圖14所示的例子中是負載晶體管23)截止(柵偏置電壓下降到基準電位即GND)。這樣的話，由于在源跟隨器中流過的電流減 少，所以與上述實施方式2的電路同樣地，垂直信號線的電壓(VSIG 電壓)上升。在定時Tl由取樣保持電路41 (參照圖1)對該上升后 的電壓(重置電壓)取樣。
這以后的動作與實施方式1、 2中所示的固體成像裝置相同。即， 重置電壓的取樣結(jié)束后，使讀出晶體管13導通，使光電二極管11中 存儲的信號電荷傳輸?shù)紽D12,隨此向垂直信號線輸出的信號電壓在定 時T2被取樣。然后，信號電壓的取樣結(jié)束后，使導通狀態(tài)的負載晶 體管(在圖14的例子中是負載晶體管21)截止，切斷在源跟隨器上 流動的電流，進而把像素電源(PXVDD)降到1氐電平，在該狀態(tài)下使 重置晶體管14導通，使放大晶體管15成為截止狀態(tài)。
這樣，在本實施方式的固體成像裝置中，負載電路具有兩個負載 晶體管，在重置FD時，首先，使用兩個負載晶體管，以在源跟隨器 中流過比通常(現(xiàn)有的負載晶體管為單個的情形)大的電流的狀態(tài)使 FD的電壓上升到電源電壓，然后通過切斷在負載晶體管中的某一個上 流過的電流，把源跟隨器中流過的電流減少到與通常相同的電流值， 從而使向垂直信號線輸出的電壓值上升，提高與該垂直信號線電容耦 合的FD的電壓(重置電壓)。由此，能夠獲得與上述實施方式1同 樣的效果。
(實施方式4)
接著，說明實施方式4的固體成像裝置。本實施方式的固體成像 裝置的構(gòu)成與實施方式1的固體成像裝置相同(參照圖1)。另外， 本實施方式的固體成像裝置具有的像素信號讀出電路，也與實施方式 2、實施方式3同樣地，用來控制垂直信號線的電壓的負載電路和負載 電路控制部與實施方式1的固體成像裝置所具有的信號線讀出電路 (參照圖9)不同。在本實施方式中以與上述各實施方式不同的部分 為中心進行說明。
圖15是示出實施方式4的固體成像裝置具有的像素信號讀出電 路的構(gòu)成例的圖。該像素信號讀出電路把實施方式1中示出的像素信
21號讀出電路內(nèi)的負載電路20a和負載電路控制部30a分別置換成負載 電路20d和負載電路控制部30d。如圖所示，負載電路20d具有如果 施加預定的偏置電壓則成為導通的負載晶體管21,該負載晶體管21 的源端子與基板(基準電位點)連接。即，負栽電路20d是從負載電 路20a(參照圖9)中刪除開關晶體管22得到的負載電路。負栽電路 控制部30d控制負栽電路20d所具有的負載晶體管21。圖16是示出實施方式4的固體成像裝置中的像素信號讀出動作 的時序圖的一例的圖。以下，參照圖16說明本實施方式的固體成像裝 置中的像素信號讀出動作。在本實施方式的固體成像裝置中讀出像素信號時，首先，向像素 電源(PXVDD)施加電源電壓，然后向負載電路20d的負載晶體管 21施加偏置電壓。在此施加的偏置電壓是比實施方式1中說明過的向 圖2的像素信號讀出電路的負載晶體管21施加的偏置電壓(參照圖2、 圖3)高出預定量(AVbi)的值。然后，在該狀態(tài)下如果使重置晶體 管14在預定期間導通，則FD12的電壓上升，最終成為向像素電源施 加的電源電壓(Vdd)。另外，在源跟隨器中流動電流，向垂直信號 線(VSIG)輸出從在FD12中設定的電壓(Vdd)偏移了一定量而得 到的電壓值。在此，由于向負載晶體管21施加比通常的偏置電壓(向圖2所 示的像素信號讀出電路的負載晶體管21施加的偏置電壓)高的電壓， 所以與圖2所示的像素信號讀出電路相比，在源跟隨器中流動更大的 電流。因此，與上述各實施方式同樣地，垂直信號線的電壓(VSIG 電壓)比通常的電壓(圖2所示的像素信號讀出電路的垂直信號線的 電壓)低。然后，把FD12的電壓設置到Vdd后，負載電路控制部30d把 負載晶體管21上施加的偏置電壓降低預定量(AVbi)。這樣的話， 由于在源跟隨器中流過的電流減少，所以垂直信號線的電壓(圖示的 VSIG電壓)上升。在定時T1由取樣保持電路(相當于圖l所示的取 樣保持電路41)對該上升后的電壓(重置電壓)取樣。這以后的動作與實施方式1-3中所示的固體成像裝置相同。即， 重置電壓的取樣結(jié)束后，使讀出晶體管13導通，使光電二極管11中 存儲的信號電荷傳輸?shù)紽D12,隨此向垂直信號線輸出的信號電壓在定 時T2被取樣。然后，信號電壓的取樣結(jié)束后，使負載晶體管21截止 (偏置電壓下降到基準電位即GND)，切斷在源跟隨器上流動的電流， 進而把像素電源(PXVDD)降到低電平，在該狀態(tài)下使重置晶體管 14導通，使放大晶體管15成為截止狀態(tài)。這樣，在本實施方式的固體成像裝置中，在重置FD時，首先， 使向負載晶體管施加的電壓比通常高，以在源跟隨器中流過比通常(以 往)大的電流的狀態(tài)使FD的電壓上升到電源電壓，然后通過使向負 載晶體管施加的電壓復原到通常的值，把源跟隨器中流過的電流減少 到與通常相同的電流值從而使向垂直信號線輸出的電壓值上升，使FD 的電壓(重置電壓)比電源電壓高。由此，能夠獲得與上述實施方式 1同樣的效果。本領域技術人員能夠很容易地導出進一步的效果和變形例。所以 本發(fā)明在更廣的意義上并不限于以上示出和描述的特定細節(jié)和代表性 實施方式。因此，在不脫離由后附權(quán)利要求及其等同物限定的本發(fā)明 的總發(fā)明構(gòu)思的精神和范圍的前提下，可以進行種種變更。
權(quán)利要求
1.一種信號處理裝置，通過雙重相關取樣處理生成與像素單元內(nèi)的光電二極管中存儲的電荷對應的電壓信號，其特征在于包括用來把上述存儲的電荷變換成電壓信號的浮置擴散即FD；以及柵端子與上述FD連接且源端子與輸出信號線連接的放大晶體管，在雙重相關取樣處理中，在重置上述FD時，通過在預定期間向上述FD施加電源電壓，把上述輸出信號線的電壓設定成第一電壓，然后把上述輸出信號線的設定電壓設定成比上述第一電壓高的第二電壓。
2. 如權(quán)利要求l所述的信號處理裝置，其特征在于 在把上述輸出信號線的設定電壓設定成比上述第一電壓高的第二電壓之后，進而把上述光電二極管中存儲的信號電荷傳送到上述 FD，把表示傳送結(jié)束后的上述輸出信號線的電壓與上述第二電壓的差 量的信號作為像素信號輸出。
3. 如權(quán)利要求l所述的信號處理裝置，其特征在于 作為用來控制對上述輸出信號線的設定電壓的構(gòu)成，包括以偏置電壓作為對柵端子的輸入、且漏端子與上述輸出信號線連接的負載 晶體管；以及與上述負載晶體管串聯(lián)連接、且源端子與基準電位點連 接的開關晶體管，在上述FD的重置處理中，通過在使上述開關晶體管導通的狀態(tài) 下把上述偏置電壓設定成第一偏置電壓，使上迷負載晶體管導通，從 而把上述輸出信號線的設定電壓設定成上述第一電壓；然后，通過在 使上述開關晶體管導通的狀態(tài)下把上述偏置電壓設定成比上述第一偏 置電壓低且能維持上述負載晶體管的導通狀態(tài)的第二偏置電壓，從而 把上述輸出信號線的設定電壓設定成上述笫二電壓。
4. 如權(quán)利要求l所述的信號處理裝置，其特征在于 作為用來控制對上述輸出信號線的設定電壓的構(gòu)成，包括以偏置電壓作為對柵端子的輸入、且漏端子與上述輸出信號線連接的兩個負載晶體管；以及與上述負載晶體管中的某一個一對一串聯(lián)連接、以 開關信號作為對柵端子的輸入、且源端子與基準電位點連接的兩個開 關晶體管，在上述FD的重置處理中，通過在使上述各負載晶體管和上述各 開關晶體管導通而把上述輸出信號線的設定電壓設定成上述第一電 壓；然后，通過使上述開關晶體管中的某一個截止而把上述輸出信號 線的設定電壓設定成上述第二電壓。
5. 如權(quán)利要求l所述的信號處理裝置，其特征在于 作為用來控制對上述輸出信號線的設定電壓的構(gòu)成，包括以偏置電壓作為對柵端子的輸入、漏端子與上述輸出信號線連接、且源端 子與基準電位點連接的兩個負載晶體管，在上述FD的重置處理中，通過在使上述各負載晶體管導通而把 上述輸出信號線的設定電壓設定成上述第一電壓；然后，通過使上述負載晶體管中的某一個截止而把上述輸出信號線的設定電壓設定成上 述第二電壓。
6. 如權(quán)利要求l所述的信號處理裝置，其特征在于 作為用來控制對上述輸出信號線的設定電壓的構(gòu)成，包括以偏置電壓作為對柵端子的輸入、漏端子與上述輸出信號線連接、且源端 子與基準電位點連接的負載晶體管，在上述FD的重置處理中，通過把上述偏置電壓i殳定成第一偏置 電壓，使上述負載晶體管導通而把上述輸出信號線的設定電壓設定成 上述第一電壓；然后，通過把上述偏置電壓設定成比上述第一偏置電 壓低且能維持上述負載晶體管的導通狀態(tài)的第二偏置電壓，而把上述 輸出信號線的設定電壓設定成上述第二電壓。
7. —種固體成像裝置，包括如權(quán)利要求l所迷的信號處理裝置， 其特征在于還包括像素區(qū)和行選擇電路，上述像素區(qū)具有陣列狀地配置的多個上述像素單元，上述各像素單元除了上述光電二極管、上述FD和上述放大晶體管之外，還包括用來把上述光電二極管中存儲的電荷讀出到上述FD的讀出晶體管、以及用來重置上述FD的電壓的重置晶體管，上述行選擇電路控制多個上述像素單元的上述重置晶體管和上 述讀出晶體管。
8. 如權(quán)利要求7所述的固體成像裝置，其特征在于 作為用來控制對上述輸出信號線的設定電壓的構(gòu)成，包括以偏置電壓作為對柵端子的輸入、且漏端子與上述輸出信號線連接的負載 晶體管；以及與上述負載晶體管串聯(lián)連接、且源端子與基準電位點連 接的開關晶體管，在上述FD的重置處理中，通過在使上述開關晶體管導通的狀態(tài) 下把上述偏置電壓設定成第一偏置電壓，使上述負載晶體管導通，而 把上述輸出信號線的設定電壓設定成上述第一電壓；然后，通過在使 上述開關晶體管導通的狀態(tài)下把上述偏置電壓設定成比上述第一偏置 電壓低且能維持上述負載晶體管的導通狀態(tài)的第二偏置電壓，而把上述輸出信號線的設定電壓設定成上述第二電壓。
9. 如權(quán)利要求7所述的固體成像裝置，其特征在于 作為用來控制對上述輸出信號線的設定電壓的構(gòu)成，包括以偏置電壓作為對柵端子的輸入、且漏端子與上述輸出信號線連接的兩個 負載晶體管；以及與上述負載晶體管中的某一個一對一串聯(lián)連接、以 開關信號作為對柵端子的輸入、且源端子與基準電位點連接的兩個開 關晶體管，在上述FD的重置處理中，通過使上述各負載晶體管和上述各開 關晶體管導通而把上述輸出信號線的設定電壓設定成上述第一電壓； 然后，通過使上述開關晶體管中的某一個截止而把上述輸出信號線的 設定電壓設定成上述第二電壓。
10. 如權(quán)利要求7所述的固體成像裝置，其特征在于 作為用來控制對上述輸出信號線的設定電壓的構(gòu)成，包括以偏置電壓作為對柵端子的輸入、漏端子與上述輸出信號線連接、且源端子與基準電位點連接的兩個負載晶體管，在上述FD的重置處理中，通過使上述各負載晶體管導通而把上述輸出信號線的設定電壓設定成上述第一電壓；然后，通過使上述負載晶體管中的某一個截止而把上述輸出信號線的設定電壓設定成上述第二電壓。
11. 如權(quán)利要求7所述的固體成像裝置，其特征在于 作為用來控制對上述輸出信號線的設定電壓的構(gòu)成，包括以偏置電壓作為對柵端子的輸入、漏端子與上述輸出信號線連接、且源端 子與基準電位點連接的負載晶體管，在上述FD的重置處理中，通過把上述偏置電壓設定成第一偏置 電壓，使上述負載晶體管導通，而把上述輸出信號線的設定電壓設定 成上述第一電壓；然后，通過把上述偏置電壓設定成比上述第一偏置 電壓低且能維持上述負載晶體管的導通狀態(tài)的第二偏置電壓，而把上述輸出信號線的設定電壓設定成上述第二電壓。
12. —種像素信號生成方法，是生成與像素單元內(nèi)的光電二極管 中存儲的電荷對應的電壓信號時的像素信號生成方法，其特征在于包 括第一電壓設定步驟，通過在預定期間向用來把上述存儲的電荷變 換成電壓信號的浮置擴散即FD施加電源電壓，把柵端子與該FD連 接的晶體管的源端子的電壓設定成第一電壓；第二電壓設定步驟，對上述晶體管的源端子施加比上述第一電壓 高的第二電壓；信號電荷傳送步驟，把上述光電二極管中存儲的信號電荷傳送到 上述FD;以及信號生成步驟，生成表示上述第二電壓與執(zhí)行上述信號電荷傳送 步驟后的上述晶體管的源端子的電壓的差量的像素信號。
13. 如權(quán)利要求12所述的像素信號生成方法，其特征在于 在上述第二電壓設定步驟中，改變與上述源端子連接的負載電路的狀態(tài)， 向該源端子施加的電壓i殳定成上述第二電壓。
14. 如權(quán)利要求13所述的像素信號生成方法，其特征在于 在上述負栽電路包括以偏置電壓作為對柵端子的輸入、且漏端子與上述輸出信號線連接的負載晶體管；以及與上述負載晶體管串聯(lián) 連接、且源端子與基準電位點連接的開關晶體管時，在上述第一電壓設定步驟中，把上述開關晶體管設定成導通，進 而把向上述柵端子施加的偏置電壓設定成能使上述負載晶體管導通的 第一偏置電壓；在上述第二電壓設定步驟中，在將上述開關晶體管設定為導通的 狀態(tài)下把向上述柵端子施加的偏置電壓i殳定成比上述第一偏置電壓低 且能維持上迷負載晶體管的導通狀態(tài)的第二偏置電壓。
15. 如權(quán)利要求13所述的像素信號生成方法，其特征在于 在上述負栽電路包括以偏置電壓作為對柵端子的輸入、且漏端子與上述輸出信號線連接的兩個負載晶體管；以及與上述負載晶體管 中的某一個一對一串聯(lián)連接、以開關信號作為對柵端子的輸入、且源 端子與基準電位點連接的兩個開關晶體管時，在上述第一電壓設定步驟中，把上述各負栽晶體管和上述各開關 晶體管設定成導通；在上述第二電壓設定步驟中，把上述開關晶體管中的某一個設定成截止o
16. 如權(quán)利要求13所述的像素信號生成方法，其特征在于 在上述負栽電路包括以偏置電壓作為對柵端子的輸入、漏端子與上述輸出信號線連接、且源端子與基準電位點連接的兩個負載晶體 管時，在上述第一電壓設定步驟中，把上述各負載晶體管設定成導通； 在上述第二電壓設定步驟中，把上述負載晶體管中的某一個設定 成截止《
17. 如權(quán)利要求13所述的像素信號生成方法，其特征在于 在上述負載電路包括以偏置電壓作為對柵端子的輸入、漏端子與上述輸出信號線連接、且源端子與基準電位點連接的負載晶體管時，在上述第一電壓設定步驟中，把向上述柵端子施加的偏置電壓設定成能使上述負載晶體管導通的第一偏置電壓；在上述第二電壓設定步驟中，把向上述柵端子施加的偏置電壓設 定成比上述第一偏置電壓低且能維持上述負載晶體管的導通狀態(tài)的第 二偏置電壓。
全文摘要
本發(fā)明提供一種信號處理裝置、固體成像裝置和像素信號生成方法，該信號處理裝置包括用來把存儲的電荷變換成電壓信號的浮置擴散即FD；以及柵端子與FD連接且源端子與輸出信號線連接的晶體管，在重置FD時，通過在預定期間向FD施加電源電壓，把輸出信號線的電壓設定成第一電壓，然后把輸出信號線的設定電壓設定成比第一電壓高的第二電壓，把該定時的FD的電壓作為重置電壓。
文檔編號H04N5/335GK101662572SQ20091016445
公開日2010年3月3日 申請日期2009年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月28日
發(fā)明者松浦知宏 申請人:株式會社東芝