專利名稱：內(nèi)裝信號放大器的固態(tài)攝象器件及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種固態(tài)攝象器件，更具體地說，涉及一種內(nèi)裝信號放大器的攝象器件及其控制方法。
一個固態(tài)攝象器件是一個圖象掃描器或一件傳真機(jī)的基礎(chǔ)部件。為了降低生產(chǎn)成本，廠商將一個信號放大器和固態(tài)攝象器件集成在一單塊半導(dǎo)體芯片上。

圖1繪示現(xiàn)有技術(shù)裝有信號放大器的固態(tài)攝象器件。
現(xiàn)有技術(shù)裝有放大器的固態(tài)攝象器件是制造在一塊n型半導(dǎo)體基片1上，并包括一個摻硼的P型阱2和在P型阱2中排成線形陣列的光-電轉(zhuǎn)換元件3。光-電轉(zhuǎn)換元件3將載光圖象轉(zhuǎn)換成信號電荷束，并在其中聚集著信號電荷束。
現(xiàn)有技術(shù)的固態(tài)攝象器件還包括一個傳送電荷束的電荷轉(zhuǎn)移單元4和一個連接在光-電轉(zhuǎn)換元件3和電荷轉(zhuǎn)移單元4之間的轉(zhuǎn)移柵單元5。轉(zhuǎn)移柵單元5在經(jīng)過一定的聚集時間之后將光-電轉(zhuǎn)換元件3與電荷轉(zhuǎn)移單元4電連接，并將信號電荷束從光-電轉(zhuǎn)換元件3經(jīng)轉(zhuǎn)移柵單元5轉(zhuǎn)移至電荷轉(zhuǎn)移區(qū)4。在電荷轉(zhuǎn)移區(qū)4上設(shè)置多個電荷轉(zhuǎn)移電極(未示出)，并與電荷轉(zhuǎn)移區(qū)4電容性耦合。有一個兩相電荷轉(zhuǎn)移信號P1/P2加在電荷轉(zhuǎn)移電極上，并依序改變其下面的勢位。信號電荷束從一個勢阱移至下一個勢阱，并沿箭頭AR1的方向傳送。
裝有放大器的現(xiàn)有技術(shù)固態(tài)攝象器件還包括一個與電荷轉(zhuǎn)移區(qū)4相連的信號電荷轉(zhuǎn)換單元6，信號電荷轉(zhuǎn)換單元6是用一浮動的二極管放大器類型的電荷檢測器實現(xiàn)的，它通常被縮寫成“FDA”。浮動的二極管放大器類型的電荷檢測器經(jīng)一電容器CFJ與地線耦連，而信號電荷束則連續(xù)地向浮動的二極管放大器型的電荷檢測器提供。浮動的二極管放大器型的電荷檢測器將每一電荷束轉(zhuǎn)換成與信號電荷束的數(shù)量相對應(yīng)的電位。這樣，電荷轉(zhuǎn)換單元6就從系列的信號電荷束產(chǎn)生輸出的電位信號VFJ。
裝有放大器的現(xiàn)有技術(shù)固態(tài)攝象器件還包括一個連接在電荷轉(zhuǎn)換單元6和一根電源線VDD之間的復(fù)位晶體管7和一個連接在電荷轉(zhuǎn)換單元6和一輸出端9之間的輸出放大器電路8。復(fù)位信號Pr周期性地送至復(fù)位晶體管7的柵電極，并向電荷轉(zhuǎn)換單元6引入電源電平Vdd以消除殘存的信號電荷。輸出放大器電路8對輸出電位信號VFJ作出響應(yīng)自輸出端9輸出圖象信號IMG。
輸出放大器電路8包括一個連接在電源線VDD和地線GND之間的第一級發(fā)射跟隨器8a和其它元件8b。發(fā)射跟隨器8a是用串聯(lián)的場效應(yīng)晶體管8c和8d實現(xiàn)的，將輸出電位信號VFJ送至場效應(yīng)晶體管8c的柵電極，而另一場效應(yīng)晶體管8d的柵電極則與一恒定的電位源VG相連。發(fā)射跟隨器8a對輸出電位信號VFJ作出響應(yīng)，并向其它元件提供一輸出電位信號VFJ′。其它元件是信號電位放大器、一個源跟隨器、一個復(fù)位半幀通過電位箝制電路等等。
裝有放大器的現(xiàn)有技術(shù)固志攝象器件起如下的作用。圖2繪示輸出放大器電路8的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。復(fù)位信號Pr在時間T1、T4、T7...上升，并在時間T2、T5、T8...下降。在時間T3、T6...轉(zhuǎn)移信號P1下降，并將每一電荷束轉(zhuǎn)換成在復(fù)位信號Pr脈沖上升和下一次脈沖上升之間的象素幀Tp中的電位。
每一象素幀分成T1、T2和T3三段時間周期。三段時間周期T1、T2和T3分別稱為“復(fù)位期”、“復(fù)位半幀通過期”和“信號期”。在復(fù)位期T1中復(fù)位信號Pr保持于高電平，而電荷轉(zhuǎn)換單元6經(jīng)場效應(yīng)晶體管8C充電至電源電平Vdd。電荷轉(zhuǎn)換單元6等待復(fù)位半幀通過期T2內(nèi)的電荷束。將電荷束送至電荷轉(zhuǎn)換單元6，而電容器CFJ將電荷束轉(zhuǎn)換成與信號期T3中的電荷束數(shù)量相對應(yīng)的電平。從電荷轉(zhuǎn)換單位元6輸出作為輸出電位信號VFJ的電平。
當(dāng)復(fù)位信號Pr下降時，電荷轉(zhuǎn)換單元6中的電平從電源電平Vdd降至一確定的電平，而電位差則稱為，“復(fù)位半幀通過噪音Vn”。電荷束使電荷轉(zhuǎn)換單元6中的電平下降至另一確定的電平，而在確定的電平和另一確定的電平之間的電平與電荷束的數(shù)量對應(yīng)。換句話說，電位差等于輸出電位信號OUT的幅度。
復(fù)位半幀通過噪音Vn是由如下情況引起的。在復(fù)位晶體管7的柵電極和電荷轉(zhuǎn)換單元6之間出現(xiàn)一個耦合電容CP(見圖1)，并在復(fù)位脈沖Pr的電位降上產(chǎn)生耦合噪音。當(dāng)接通復(fù)位晶體管7的同時將電源電位Vdd加至電荷轉(zhuǎn)換單元6，來自復(fù)位晶體管7的溝道區(qū)的熱噪音流向電荷轉(zhuǎn)換單元6，并重疊在輸出電平VFJ上。這樣，使輸出電平VFJ因熱噪音而受到波動，而隨機(jī)噪音則形成了復(fù)位半幀通過噪音Vn的一部分。當(dāng)關(guān)閉復(fù)位晶體管7時，正通過溝道區(qū)的一部分電子被向電荷轉(zhuǎn)換單元6排出，而隨機(jī)噪音則形成復(fù)位半幀通過噪音Vn的另一部分。
復(fù)位半幀通過噪音Vn在400毫伏至500毫伏的范圍內(nèi)，并以數(shù)毫伏至10毫伏在象素幀Tp上波動。因而，復(fù)位半幀通過噪音Vn是現(xiàn)有技術(shù)固態(tài)攝象器件圖象信號IMG的典型隨機(jī)噪音。
圖3繪示輸出放大器電路8的其它元件8b。其它元件8b有與第一級源跟隨8a器相連的一個源跟隨器8e，一個信號電荷放大器8f與源跟隨器8e和一復(fù)位半幀通過箝制電路8g連接，一個復(fù)位半幀通過箝制電路8g則與電荷放大器8f和一源跟隨器8h相連，一個源跟隨器8h連接在復(fù)位半幀通過箝制電路與輸出端9之間。信號電荷放大器8f是用串聯(lián)的倒相器8i/8j實現(xiàn)的，面n-溝道型的MOS倒向器則用作各個倒相器8i/8j。
復(fù)位半幀通過箝制電路8g包含一個連接在倒相器8j和源跟隨器8h之間的電容器以及連接在源跟隨器8h輸入結(jié)點和地線GND之間的串聯(lián)的場效應(yīng)晶體管8k和電位源8m。向場效應(yīng)晶體管8k的柵電極上輸送一箝制脈沖PC，復(fù)位半幀通過箝制電路8g就將源跟隨器8h輸入結(jié)點處的電位箝制在各半幀通過期T2內(nèi)的恒定電位VC處?，F(xiàn)有技術(shù)裝有放大器的固態(tài)攝象器件要加入復(fù)位半幀通過箝制電路8g的原因是要消除由復(fù)位晶體管7、電荷轉(zhuǎn)換單元6以及輸出放大器電路8的其它元件場效應(yīng)晶體管所產(chǎn)生的隨機(jī)噪音。由于這一原因，就希望盡可能地將復(fù)位7半幀通過箝制電路8g設(shè)置在接近輸出端9的地方。
圖4繪示輸入放大器電路8主要信號。源跟隨器8e的輸出電位信號、倒相器8j的輸出電位信號和源跟隨器8h的輸入電位信號分別用V1、V2和V3標(biāo)記。輸出電位信號VFJ在時間t1復(fù)位至電源電平Vdd，而脈沖上升和脈沖延遲則從輸出電位信號VFJ經(jīng)輸出電位信號V1至輸出電位信號V2變緩。由于這一原因，輸出電位信號V1的復(fù)位半幀通過期TRF1比復(fù)位半幀通過期T2短，而輸出電位信號V2的復(fù)位半幀通過期TRF2比復(fù)位半幀通過期TRF1短，在時間t2箝制脈沖信號PC改變至高電平，并在時間T3下降。其結(jié)果是，在復(fù)位半幀通過期TRF2內(nèi)復(fù)位半幀通過箝制電路8g將輸出電位信號V3調(diào)至輸出電位信號V2的電平，并從輸出電位信號V3中消除隨機(jī)噪音。
然而，經(jīng)過源跟隨器8e和倒相器8i/8j的復(fù)位半幀通過期變短。若是現(xiàn)有技術(shù)固態(tài)攝象器件以高速度向電荷轉(zhuǎn)換單元6轉(zhuǎn)移電荷束，象素幀Tp和復(fù)位半幀通過期T2就變短。源跟隨器8e和倒相器8i/8j縮短了復(fù)位半幀通過期TRF2，而復(fù)位半幀通過箝制電路8g就難以趕上復(fù)位半幀通過期TRF2間的電平。
假設(shè)復(fù)位半幀通過噪音為400毫伏。若是在傳真機(jī)或圖象掃描器中裝進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)的固態(tài)攝象器件，圖象信號IMG就在1.0伏左右。預(yù)計輸出放大器電路8就要產(chǎn)生至少超過十倍輸出電位信號VFJ的圖象信號IGM。因而，輸出電位信號VFJ為100毫伏左右。假設(shè)源跟隨器8e和倒相器8i/8j每100毫伏引入5毫微秒時間延遲。源跟隨器8e和倒相器8i/8j推遲200毫秒的信號傳播，即(4伏/100毫伏)×5毫微秒。復(fù)位半幀通過期TRF2比復(fù)位半幀通過期T2短200毫微秒。
在此情況下，若是考慮場效應(yīng)晶體管形成復(fù)位半幀通過箝制電路8g的余量是在復(fù)位半幀通過期TRF2和箝制脈沖Pc之間，復(fù)位半幀通過箝制電路8g就要求脈沖寬度TCL為50毫微秒左右。由于這一原因，現(xiàn)有技術(shù)的復(fù)位半幀通過箝制電路8g就至少需要250毫微秒。電荷轉(zhuǎn)換單元6為復(fù)位至電源電平Vdd至少需要30毫微秒，而現(xiàn)在技術(shù)的輸出放大器電路8至少需有280毫微秒用于復(fù)位期T1和復(fù)位半幀通過期T2。
信號期T3還受源跟隨器8e和倒相器8i/8j的影響。預(yù)計輸出電位信號V2的電位改變在1伏以內(nèi)，而所計算的時間延遲為(1伏/100毫伏)×5毫微秒＝50毫微秒。在TSIG比信號期T3短50毫微秒的期間圖象信號IMG是穩(wěn)定的。在復(fù)位半幀通過期T2和信號期T3之間的過渡期約有40毫微秒。圖象信號IMG經(jīng)過譬如說一個取樣和保持電路進(jìn)行處理，至少需要50毫微秒。信號周期T3至少為50+40+50＝140毫微秒。這樣現(xiàn)有技術(shù)裝有放大器的固態(tài)攝象器件需要420毫微秒，即為每一象素幀花費280+140毫微秒，而最高數(shù)據(jù)速率則為2.38兆赫。
未審查的日本專利公報申請?zhí)朜o.5-284428提出另一現(xiàn)有技術(shù)的固態(tài)攝象器件，已從其中消除了復(fù)位半幀通過噪音的影響。圖5繪示了該未審查的日本專利申請公報中公開的現(xiàn)有技術(shù)固態(tài)攝象器件。
電荷轉(zhuǎn)移寄存器區(qū)20形成在一P型阱中。電荷轉(zhuǎn)移電極TG和一輸出電極OG則與電荷轉(zhuǎn)換寄存器區(qū)20電容性耦合，而電荷轉(zhuǎn)移脈沖信號p1/p2有選擇地加在電荷轉(zhuǎn)移電極TG上，使電荷束從電荷轉(zhuǎn)移電極下面產(chǎn)生的一個勢阱到一個勢阱地傳送。一個浮動擴(kuò)散區(qū)FD延伸至電荷轉(zhuǎn)移寄存器區(qū)20，而一輸出信號VOG控制著至浮動擴(kuò)散區(qū)FD的最后勢阱。一個復(fù)位晶體管RG使浮動擴(kuò)散區(qū)FD與漏區(qū)D隔開，而一復(fù)位脈沖Pr則周期性地加在復(fù)位晶體管RG的柵電極上。
輸出放大器22的一輸入結(jié)點與浮動擴(kuò)散區(qū)FD相連，而輸出放大器22的一輸出結(jié)點則進(jìn)一步與一取樣晶體管23相連。取樣晶體管23以一取樣信號Sc接入柵極，且取樣晶體管23進(jìn)一步與一電容器24和一倒相增益放大器25的一個輸入結(jié)點連接。電容器24進(jìn)一步與一恒定的電位線連接，倒相增益放大器25的一個輸出結(jié)點則與一運算放大器26相連。
圖6繪示浮動擴(kuò)散區(qū)FD的電位信號Si的波形、取樣信號Sc的波形以及電位信號So的波形。復(fù)位半幀通過噪音從每一象素幀中全部消除掉。為了延長信號期Ts，對復(fù)位半幀通過期tr內(nèi)的電平、信號期ts及其間的過渡期用取樣信號Sc進(jìn)行取樣，使信號期ts內(nèi)的電平Vs轉(zhuǎn)移至電位信號So。
現(xiàn)有技術(shù)固態(tài)攝象器件只不過延長了信號期ts，而復(fù)位半幀通過期tp并未增加。由于這一原因，即若是圖1至4中所示應(yīng)用于現(xiàn)有技術(shù)固態(tài)攝象器件的公開技術(shù)，并未增加箝制電位的時間周期，而復(fù)位半幀通過箝制電路8g則趕不上電平。而且，象素幀包含在復(fù)位半幀通過期tp和信號期ts之間的過渡時間周期，而該過渡時間周期受到電荷轉(zhuǎn)移脈沖信號p1/p2的定時以及電荷轉(zhuǎn)移區(qū)20上移位寄存器的輸入電容的影響。由于這一原因，信號期ts是變動的。短的箝制時間周期和可變的信號期ts使生產(chǎn)者無法提高數(shù)據(jù)速率。
因而本發(fā)明的一項重要目的是要提供一種提高數(shù)據(jù)速率的固態(tài)攝象器件。
本發(fā)明還有一項重要目的是要提供一種控制該固態(tài)攝象器件的方法。
為了實現(xiàn)這些目的，本發(fā)明提出對復(fù)位半幀通過期內(nèi)的電平和對信號期內(nèi)的電平進(jìn)行取樣和保持。
按照本發(fā)明的一種方式，提供一種制造在單塊半導(dǎo)體芯片上的固態(tài)攝象器件，它包括一個將入射光轉(zhuǎn)換成光載流子的光一電轉(zhuǎn)換單元，一個周期地向一確定的電平復(fù)位并從一系列電荷束產(chǎn)生一輸出電位信號的轉(zhuǎn)換單元，所述一系列電荷束有一將其電平改變至確定電平的復(fù)位期、一將其電平從一復(fù)位半幀通過電平改變成表示每一電荷束數(shù)量的信號電平的信號期以及一個設(shè)在前述復(fù)位期和保持其電平為復(fù)位半幀通過電平的信號期之間的復(fù)位半幀通過期，一個電連接在光電轉(zhuǎn)換單元和電荷轉(zhuǎn)換單元之間并將光載流子從光-電轉(zhuǎn)換單元作為系列電荷束傳送至電荷轉(zhuǎn)換單元的電荷轉(zhuǎn)移裝置，以及一個與一用以從輸出電位信號產(chǎn)生圖象信號的電荷轉(zhuǎn)換單元相互電連接的輸出放大器電路，所述輸出放大器電路并包括一用以提高電位信號幅度的信號放大電路、一與信號放大電路相互電連接并提供一與復(fù)位半幀通過電平相對應(yīng)的參考電平用以由參考電平改變圖象信號的復(fù)位半幀箝制電路以及一電連接在電荷轉(zhuǎn)換單元和信號放大裝置之間并有用以將復(fù)位半幀通過期內(nèi)的第一電平和信號期內(nèi)的第二電位轉(zhuǎn)換成電位信號的取樣和保持電路的噪音消除電路。
按照本發(fā)明的另一種方式，提供一種控制裝有信號放大器的固態(tài)攝象器件的方法，它所包括的步驟有a)將經(jīng)一電荷轉(zhuǎn)移單元與一光一電轉(zhuǎn)換裝置相連的電荷轉(zhuǎn)換單元復(fù)位至一復(fù)位電平；b)將復(fù)位電平改變成一復(fù)位半幀通過電平；c)對復(fù)位半幀通過電平取樣用以將電位信號調(diào)節(jié)至一參考電平；d)將復(fù)位半幀通過電平改變成與從光一電轉(zhuǎn)換裝置輸送至電荷轉(zhuǎn)換單元的每一電荷束的數(shù)量相對應(yīng)的第一信號電平；e)對第一信號電平取樣用以將電位信號從參考電平改變成與第一信號電平相對應(yīng)的第二信號電平；以及f)將由箝制參考電平改變成與第二信號電平對應(yīng)的第三信號電平的圖象信號輸出。
從以下結(jié)合附圖進(jìn)行的說明中將對固態(tài)攝象器件及其控制方法得到更加清楚的了解，其中圖1為表示現(xiàn)有技術(shù)裝有放大器的固態(tài)攝象器件的布置示意圖；圖2為表示裝入現(xiàn)有技術(shù)固態(tài)攝象器件中的輸出放大器電路工作狀況的時卡；圖3為表示裝入現(xiàn)有技術(shù)固態(tài)攝象器件中的輸出放大器電路的電路圖；圖4為表示輸出放大器的主要信號的時卡；圖5為申請?zhí)枮镹O.5-284428在未經(jīng)審查的日本專利公報上公開的現(xiàn)有技術(shù)固態(tài)攝象器件的布置示意圖；圖6為表示現(xiàn)有技術(shù)固態(tài)攝象器件工作狀況的時卡；圖7為表示本發(fā)明固態(tài)攝象器件布置的電路圖；圖8為表示裝入固態(tài)攝象器件中的輸出放大器電路工作狀況的時卡；圖9為表示本發(fā)明另一固態(tài)攝象器件布置的電路；以及圖10為表示裝入圖9中所示固態(tài)攝象器件中的輸出放大器電路工作狀況的時卡。
第一實施例參閱附圖的圖7，采用本發(fā)明的固態(tài)攝象器件制造在一塊半導(dǎo)體基片30上，并且作線性圖象傳感器。固態(tài)攝象器件主要包括光電二極管31、一個電荷轉(zhuǎn)移單元32、連接在光電二極管31和電荷轉(zhuǎn)移單元32之間的轉(zhuǎn)移柵極33以及一個和電荷轉(zhuǎn)換單元32相連的電荷轉(zhuǎn)換單元34。
載象光線落在光電二極管上，而光電二極管31將載象光線轉(zhuǎn)換成光生載流子。轉(zhuǎn)移柵33同時對讀出控制信號Pread作出響應(yīng)將光生載流子轉(zhuǎn)移至電荷轉(zhuǎn)移單元32，并且光生載流子在電荷轉(zhuǎn)移單元32中形成電荷束。電荷轉(zhuǎn)移單元32對電荷轉(zhuǎn)移脈沖信號p1/p2作出響應(yīng)將電荷束在電荷轉(zhuǎn)移單元32中逐級在傳送，并繼續(xù)流入電荷轉(zhuǎn)換單元34。電荷轉(zhuǎn)換單元34將每一電荷束轉(zhuǎn)換至與其數(shù)量相對應(yīng)的一電平，并從成串的電荷束產(chǎn)生輸出的電位信號VFJ。光電二極管31、電荷轉(zhuǎn)移單元32、轉(zhuǎn)移柵33以及電荷轉(zhuǎn)換單元34都與現(xiàn)有技術(shù)固態(tài)攝象器件中的類似，因而此后無需再予描述。
電荷轉(zhuǎn)換單元34有一復(fù)位晶體管34a，復(fù)位晶體管34a對一復(fù)位信號Pr作出響應(yīng)使電荷轉(zhuǎn)換單元34周期地復(fù)位至電源電壓的電平Vdd。
固態(tài)攝象器件還包括一個輸出放大器電路35。輸出放大器電路35與電荷轉(zhuǎn)換單元34相連，并由輸出電位信號VFJ產(chǎn)生圖象信號IMG。輸出電位信號VFJ代表各個電荷束的數(shù)量，經(jīng)輸出放大器電路35按象素幀進(jìn)行處理，象素幀被分成復(fù)位期TRST、復(fù)位半幀通過期TRFFJ和信號期TSIGFJ。
輸出放大器電路35包括一個與電荷轉(zhuǎn)換單元34耦連的第一級源跟隨器35a，而第一級源跟隨器35a由輸出電位信號VFJ產(chǎn)生輸出電位信號VFJ′。
輸出放大器電路還包括一個與第一級源跟隨器35a相連的噪音消除電路35b、一個與噪音消除電路35d相連的中間級源跟隨器35c、一個與中間級源跟隨器35c相連的信號電荷放大器35d、一個與信號電荷放大器35d相連的復(fù)位半幀通過箝制電路35e、一個連接在復(fù)位半幀通過箝制電路35e和一輸出端35g之間的末級源跟隨器35f。中間級源跟隨器35c、信號電荷放大器35d、復(fù)位半幀通過箝制電路35e以及末級源跟隨器35f分別與源跟隨器8e、信號電荷放大器8f、復(fù)位半幀通過箝制電路8g以及源跟隨器8h相似，而那些電路35d/35e的元件與相應(yīng)電路8f/8g的相應(yīng)電路元件用相同的標(biāo)注無需詳述。
噪音消除電路35b包括兩個取樣和保持電路。第一取樣和保持電路有一個連接在第一級源跟隨器35a和中間級源跟隨器35c之間的轉(zhuǎn)移晶體管35h以及一個連接在中間級源跟隨器35c的輸入結(jié)點和地線GND之間的電容器35j。轉(zhuǎn)移晶體管35h對取樣控制信號PSHCA作出響應(yīng)將輸出電位信號VFJ′的電平轉(zhuǎn)移到電容器35j上。在復(fù)位半幀通過期TRFFJ內(nèi)取樣控制信號PSHCA被改變到工作電平，并在復(fù)位半幀通過期TRFFJ內(nèi)在電容器35j中貯存著電平。
第二取樣和保持電路有一個連接第一級源跟隨器35a和中間級源跟隨器35c之間的轉(zhuǎn)移晶體管35k以及一個連接在中間級源跟隨器35c的輸入結(jié)點和地線GND之間的電容器35m。這樣，第二取樣和保持電路就是與第一取樣和保持電路并列地連接起來的。轉(zhuǎn)移晶體管35k對取樣控制信號PSHCB作出響應(yīng)將輸出電位信號VFJ′的電平轉(zhuǎn)移到電容器35m上。在信號期TSIGFJ內(nèi)取樣控制信號PSHCB被改變到工作電平，并在信號期TSIGFJ內(nèi)在電容器35m中貯存著電平。
圖8繪示輸出放大器電路35的工作狀況。一幀象素在時間t1起始，而電荷轉(zhuǎn)換單元3 4則復(fù)位至電源電平Vdd。在時間t2電荷轉(zhuǎn)換單元34進(jìn)入復(fù)位半幀通過期TRFFJ，并產(chǎn)生復(fù)位半幀通過噪音。在時間t4電荷轉(zhuǎn)換單元34進(jìn)入信號期TSIGFJ，而輸出電位信號VFJ的電平受到與電荷束數(shù)量相當(dāng)?shù)男盘栯娢坏耐七t離開復(fù)位半幀通過電平。在時間t6，電荷轉(zhuǎn)換單元34再次復(fù)位至正電平Vdd。
在復(fù)位半幀通過期TRFFJ內(nèi)的時間t3，取樣控制信號PSHCA從低電平改變至高電平。然后，轉(zhuǎn)移晶體管35h接通，并對輸出電位信號VFJ′取樣。當(dāng)取樣控制信號PSHCA從高電平改變成低電平時，電容器35j在復(fù)位半幀通過期TRFFJ內(nèi)保持住電平。
在信號期TSIGFJ內(nèi)的時間t5，取樣控制信號PSHCB從低電平改為高電平。轉(zhuǎn)移晶體管35k接通，并對輸出電位信號VFJ′取樣。當(dāng)取樣控制信號PSHCB改變成低電平時，電容器35m在信號期TSIGFJ內(nèi)保持住電平。
電容器35j將輸出電位信號VO保持在取樣控制信號PSHCA的脈沖下降與取樣控制信號PSHCB的脈沖上升之間的復(fù)位半幀通過期TRFFJ內(nèi)的輸出電位信號VFJ′的相等電平上。這樣，兩個取樣和保持電路將輸出電位信號VFJ′的復(fù)位半幀通過期TRFFJ改變成電位信號VO的復(fù)位半幀通過期TRF，并從電位信號VO中清除了復(fù)位半幀通過噪音。
與其類似，電容器35mm將輸出電位信號保持在取樣控制信號PSHCB的脈沖下降和取樣控制信號PSHCA的脈沖上升之間信號期TSIGFJ內(nèi)的輸出電位信號VFJ′的相等電平上。這樣，兩個取樣和保持電路還將輸出電位信號VFJ′的信號期TSIGFJ改變成電位信號VO的信號期TSIG。這樣，復(fù)位半幀通過期TRF和信號期TSIG就由取樣控制信號PSHCA/PSHCB確定，并隨取樣控制信號PSHCA/PSHCB而變動。
電位信號VO經(jīng)中間源跟隨器35C和信號放大器35d加至復(fù)位半幀通過箝制電路35e，而復(fù)位半幀通過箝制幀電路35e產(chǎn)生電位信號v3。電位信號在復(fù)位半幀通過電平和相當(dāng)于各電荷束數(shù)量的信號電平之間變動電平，并且電位信號V3以及相應(yīng)地圖象信號IMG不含復(fù)位半幀通過噪音。
假設(shè)輸出放大器電路35是在與現(xiàn)有技術(shù)相同的條件下工作的，即增益為十，圖象信號在1伏內(nèi)改變電平以及源跟隨器/倒相器引入每100毫伏5毫微秒的時間延遲。在每一復(fù)位半幀通過期和信號期的時間延遲為(1伏/100毫伏)×5毫微秒＝50毫微秒。箝制脈沖信號Pc有50毫微秒的脈沖寬度，并且復(fù)位半幀通過期TRF為50+50＝100毫微秒。假設(shè)一個取樣和保持電路(未示出)需50毫微秒用于信號處理，而信號期TSIG為50+50＝100毫微秒。取樣控制信號PSHCA/PSHCB有30毫微秒的脈沖寬度。整個時間周期需要100+100+30+30＝260毫微秒，而數(shù)據(jù)速率則為3.85兆赫。因此，本發(fā)明的固態(tài)攝象器件處理圖象的速度比現(xiàn)有技術(shù)固態(tài)攝象器件快1.6倍。
第二實施例圖5繪示在一單塊半導(dǎo)體芯片40上制成的另一固態(tài)攝象器件的布置。除輸出放大器電路45之外，實施第二實施例的固態(tài)攝象器件與第一實施例的相類似。由于這一原因，用與第一實施例的相應(yīng)元部件的標(biāo)注表示其它的元部件而不作具體說明。
噪音消除電路45a是在輸出放大器電路35和輸出放大器電路45之間唯一的差別。由于這一原因，用輸出放大器電路35相應(yīng)電路元件的標(biāo)準(zhǔn)表示其它元件，而專注于對噪音消除電路45a的說明。
噪音消除電路45a包括一個連接在第一級源跟隨器35a和中間級源跟隨器35c之間的轉(zhuǎn)移晶體管45b以及一個連接在中間級源跟隨器35c的輸入結(jié)點和地線GND之間的電容器45c。從而，噪音消除電路45a只是用一個取樣和保持電路實現(xiàn)的。
將取樣控制信號PSHC加到轉(zhuǎn)換晶體管45b的柵電極上，在取樣控制信號PSHC處于高電平時轉(zhuǎn)換晶體管45b接通。轉(zhuǎn)換晶體管45b將輸出電位信號VFJ′的電平送至電容器45c，并在那里保持住。
圖10繪示輸出放大器電路45的工作狀況。在此情況下，取樣時鐘信號PSHC在每一象素幀的時間t10和t12兩次改變至高電平。第一次脈沖上升是在復(fù)位半幀通過期TRFFJ內(nèi)，而第二次脈沖上升則是在信號期TSIGFJ內(nèi)。在時間t11和t13取樣時鐘信號PSHC恢復(fù)到低電平，并確定在時間t11和時間t12之間為一復(fù)位半幀通過期TRF以及在時間t13和時間t14之間為一信號期TSIG。這樣，取樣控制信號PSHC就以兩倍于第一/第二取樣控制信號PSHCA/PSHCB的一確定頻率在高電平和低電平之間改變，并用作第一取樣控制信號PSHCA和第二取樣控制信號PSHCB。電容器45b不僅保持住復(fù)位半幀通過期TRFFJ內(nèi)的電平而且還保持住信號期TSIGFJ內(nèi)的電平。
具體地說，取樣控制信號PSHC在時間t10改變至高平，而輸出電位信號VFJ在時間t11保持在電容器45c中。電容器45c在時間t11和時間T12之間的復(fù)位半幀通過期TRFFJ內(nèi)保持住電平。因此，取樣和保持電路在電位信號VO中引入時間延遲，并從電位信號VO中消除復(fù)位半幀通過噪音。
取樣控制信號PSHC在時間t12再次變至高電平，而信號期TSIGFJ內(nèi)的輸出電位信號VFJ則在時間t13保持在電容器45c中。電容器45c保持住時間t13和時間t14之間信號期TTSIGFJ內(nèi)的電平。從而，取樣和保持電路在電位信號VO中引入時間延遲，并確定電位信號VO中的信號期TSIG。
從以上描述中將會理解到，噪音消除電路35b/35a對取樣控制信號PSHC或信號PSHCA/PSHCB作出響應(yīng)對輸出電位信號VFJ取樣，并將復(fù)位半幀通過期TRFFJ內(nèi)的電平和信號期TSIGFJ內(nèi)的電平精確地轉(zhuǎn)移成電位信號VO。而且，噪音消除電路35b/45a將復(fù)位半幀通過期TRFFJ內(nèi)的電平和信號期TSIGFJ內(nèi)的電平轉(zhuǎn)移成電位信號VO，并從電位信號VO中消除復(fù)位半幀通過噪音。由于這一原因，即使提高數(shù)據(jù)速率，輸出放大器電路35/34也能從輸出電位信號VFJ精確地產(chǎn)生出圖象信號IMG。
復(fù)位半幀通過期TRF和信號期TSIG是由改變?nèi)涌刂菩盘柣蛐盘柷‘?dāng)?shù)卮_定的。
盡管已示出并描述了本發(fā)明的特定實施例，但專業(yè)技術(shù)人員們所能進(jìn)行的顯而易見的各種變動和改進(jìn)均不超出本發(fā)明的精神和范圍。
例如，本發(fā)明的輸出放大器電路可以裝入固態(tài)攝象器件用作面積傳感器。
權(quán)利要求
1.一種制造在一塊單片半導(dǎo)體芯片(30；4)上的固態(tài)攝象器件，包含有一個光電轉(zhuǎn)換單元(31)，它將入射光轉(zhuǎn)換成光生載流子；一個電荷轉(zhuǎn)換單元(34)，它周期地向一確定的電平(Vdd)復(fù)位，并由一系列電荷束產(chǎn)生一輸出電位信號(VFJ)，每一電荷束的所述輸出電位信號(VFJ)有一將其電平改變至所述確定的電平(Vdd)的復(fù)位期(TRST)、一將其電平從一復(fù)位半幀通過電平改變至一表示所述第一電荷束的數(shù)量的信號電平的信號期(TSIGFJ)以及一設(shè)在所述復(fù)位期和所述信號期之間將其所述電平保持為所述復(fù)位半幀通過電平的復(fù)位半幀通過期(TRFFJ)；一個電荷轉(zhuǎn)移裝置(32/33)，它電連接在所述光-電轉(zhuǎn)換單元和所述電荷轉(zhuǎn)換單元之間，并將所述光生載流子作為所述系列電荷束從所述光-電轉(zhuǎn)換單元傳送到所述電荷轉(zhuǎn)換單元；以及一個輸出放大器電路(35；45)，它與所述的電荷轉(zhuǎn)換單元電連接用以從所述輸出電位信號產(chǎn)生一圖象信號(IMG)，并包括一用以提高電位信號(VO/VI)幅度的信號放大電路(35d)，以及一復(fù)位半幀通過箝制電路(35e)，它與所述信號放大電路電連接并提供一與所述復(fù)位半幀通過電平相對應(yīng)的參考電平用以由所述參考電平改變所述圖象信號，所述固態(tài)攝象器件的特征在于所述輸出放大器電路還包括一個電連接在所述電荷轉(zhuǎn)換單元和所述信號放大裝置之間的噪音消除電路(35b；45a)并有一個取樣和保持電路(35h/35j/35k/35m；45b/45c)用以將所述復(fù)位半幀通過期內(nèi)的第一電平和所述信號期內(nèi)的第二電位轉(zhuǎn)移至所述電位信號(VO)。
2.按照權(quán)利要求1所述的固態(tài)攝象器件，其特征在于，所述的取樣和保持電路包括一個第一取樣和保持分電路(35h/35j)，它電連接在所述電荷轉(zhuǎn)換單元和所述信號放大電路之間并對在所述復(fù)位半幀通過期內(nèi)改變的第一取樣控制信號(PSHCA)作出響應(yīng)用以保持所述第一電平，以及一個第二取樣和保持分電路(35k/35m)，它電連接在所述電荷轉(zhuǎn)換單元和所述放大電路之間與所述第一取樣和保持分電路并列并對在所述信號期內(nèi)改變的第二取樣控制信號(PSHCB)作出響應(yīng)用以保持所述第二電位。
3.按照權(quán)利要求2所述的固態(tài)攝象器件，其特征在于，所述第一取樣和保持分電路有一第一電容器(35j)與所述信號放大電路的一個輸入結(jié)點連接并保持所述第一電平以及一個第一轉(zhuǎn)移晶體管(35h)連接在所述電荷轉(zhuǎn)換單元和所述信號放大電路之間并對所述第一取樣控制信號作出響應(yīng)用以向所述第一電容器轉(zhuǎn)移所述第一電平，以及所述第二取樣和保持分電路有一第二電容器(35m)與所述信號放大電路的所述輸入結(jié)點電連接并保持所述第二電平以及一個連接在所述電荷轉(zhuǎn)換單元和所述信號放大電路之間的第二轉(zhuǎn)移晶體管(35k)并對所述第二取樣控制信號作出響應(yīng)用以向所述第二電容器轉(zhuǎn)移所述第二電平。
4.按照權(quán)利要求1所述的固態(tài)攝象器件，其特征在于，所述取樣和保持電路對在所述復(fù)位半幀通過期和所述信號期兩者期內(nèi)改變的取樣控制信號(PSHC)作出呼應(yīng)用以保持在所述復(fù)位半幀通過期內(nèi)的所述第一電平和在所述信號期內(nèi)的所述第二電平。
5.按照權(quán)利要求4所述的固態(tài)攝象器件，其特征在于，所述取樣和保持電路有一電容器(45c)與所述信號放大電路的一輸入結(jié)點電連接并保持所述第一電平和所述第二電平以及一個連接在所述電荷轉(zhuǎn)換單元和所述信號放大電路之間的第二轉(zhuǎn)移晶體管(45b)的并對所述取樣控制信號作出響應(yīng)用以向所述第二電容器轉(zhuǎn)移所述第一電平和所述第二電平。
6.一種控制裝有信號放大器的固態(tài)攝象器件的方法，其特征在于，它包括的步驟有a)將經(jīng)一電荷轉(zhuǎn)移單元(32/33)和一光-電轉(zhuǎn)換裝置(31)所連接的一電荷轉(zhuǎn)換單元(34)復(fù)位至一復(fù)位電平(Vdd)；b)將所述復(fù)位電平改變?yōu)橐粡?fù)位半幀通過電平；c)對所述復(fù)位半幀通過電平取樣用以將電位信號(VO)調(diào)節(jié)至一參考電平；d)將所述復(fù)位半幀通過電平改變成與由所述光-電轉(zhuǎn)換裝置向所述電荷轉(zhuǎn)換單元提供的每一電荷束的數(shù)量相對應(yīng)的一第一信號電平；e)對所述第一信號電平取樣用以將所述電位信號(VO)從所述參考電平改變成與所述第一信號電平相對應(yīng)的一第二信號電平；以及f)將由一箝制的參考電平改變成與所述第二信號電平對應(yīng)的一第三信號電平的圖象信號(IMG)輸出。
7.一種對經(jīng)一電荷轉(zhuǎn)換單元(34)和一電荷轉(zhuǎn)移單元(32/33)與一光一電轉(zhuǎn)換裝置(31)連接的一輸出放大器電路(35；34)進(jìn)行控制的方法，它包括的步驟有a)在一象素幀的復(fù)位半幀通過期(TRFFJ)內(nèi)將一取樣脈沖信號(PSHCA/PSHCB；PSHC)送往一取樣和保持電路(35h/35j/35k/35m；45b/45c)用以保持所述電荷轉(zhuǎn)換單元輸出信號(VFJ)的一信號電平；以及b)在所述復(fù)位半幀通過期之后的一信號期(TSIGFJ)內(nèi)將所述取樣脈沖信號送往所述取樣和保持電路用以獨立地保持所述信號電平。
全文摘要
一種裝有信號放大器的固態(tài)攝象器件,信號放大器將由一電荷轉(zhuǎn)換單元從每一電荷束產(chǎn)生出的輸出電位產(chǎn)生圖象信號,內(nèi)裝的信號放大器包括一個連接在電荷轉(zhuǎn)換單元和一信號放大電話之間用以將一電位信號從一復(fù)位半幀通過電平改變成一信號電平的取樣和保持電路,由此從向信號放大器提供的輸入電位信號中消除復(fù)位半幀通過噪音。
文檔編號H04N5/357GK1188363SQ97122069
公開日1998年7月22日 申請日期1997年12月22日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月20日
發(fā)明者木村哲司 申請人:日本電氣株式會社