专利名称：固态成像设备及其驱动方法
技术领域：
本发明涉及固态成像设备及其驱动方法。更具体地说，本发明涉及 利用恒流源从像素中读出电信号的固态成像设备，以及该固态成像设备 的驱动方法。
背景技术：
如图5所示，已知的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(例 如，参考日本专利申请公开公报No.H 10-126697)包括具有多个像素101 的像素阵列102、垂直扫描电路103、列信号处理单元104、水平扫描电 路106、数据信号处理单元107和定时信号发生器108。多个像素101呈 矩阵布置，每个像素包括光电转换元件。垂直扫描电路103以每次一排 的方式选择像素阵列的各个像素，从而控制各个像素的快门操作和读出 操作。列信号处理单元104以每次一排的方式从像素阵列读出信号，并 进行信号处理(例如，CDS处理(用于除去像素晶体管中因阈值变化而引 起的固定模式噪声的处理)、自动增益控制(AGC)处理和模拟-数字转换处 理等)。水平扫描电路106通过每次选择一个信号，将信号从列信号处理 单元输入到水平信号线105。数据信号处理单元107对来自水平信号线的 信号进行数据转换，使其转换为想要的输出模式。定时信号发生器108 根据参考时钟来供应用于操作各个部分所必需的各个脉冲信号。
这里，如图6所示，像素阵列的各个像素包括光电二极管(PD) 110、 传输晶体管(传输Tr) 112、放大晶体管(放大Tr) 113、选择晶体管(选择 Tr) 114和复位晶体管(复位Tr) 115。 PD存储由光电转换生成的电子。传 输Tr 112将存储在PD中的电子传输给浮动扩散器(FD) 111。栅极与FD
相连的放大Tr 113将FD中的电位变化转换为电信号。选择Tr 114选择 每列的要读出信号的像素。复位Tr 115将FD的电位复位为电源供应电 位(Vdd)。此外，选择Tr通过源极跟随结构(source-follower configuration)
有效地连接至与每列像素互连的垂直信号线116。垂直信号线与向该垂直 信号线供应恒定电流的恒流源117相连，并与列信号处理单元相连。
在已知的固态成像设备中，恒流源和列信号处理单元都连接至垂直 信号线的一侧(同方向侧)，结果这种结构使得恒定电流从像素向列信号处 理单元流动。
在上述结构的己知固态成像设备中，通过使像素的选择Tr处于导通 状态(ON-state)，将与FD的电压相关联的电压输出给垂直信号线，因此 输出到垂直信号线的电压通过恒流源的荷载而传输到列信号处理单元。
然而，即使对于要经过同一垂直信号线来进行读出操作的各个像素， 各像素与列信号处理单元之间的距离也会根据像素的布置位置而不同。 结果，垂直信号线的互连电阻对于每个像素是互不相同的。
也就是说，假设有n个像素连接至垂直信号线，且在连接有第i行 像素的垂直信号线位置与连接有第i+l行像素的垂直信号线位置之间的 垂直信号线的互连电阻为Ri。于是，通过电阻[111+112+…+11(11-1)]将第 一行像素的电压传输到列信号处理单元，通过电阻[112+113+…+R(n-1)] 将第二行像素的电压传输到列信号处理单元，……，并通过电阻R(n-l) 将第n行像素的电压传输到列信号处理单元，因此，垂直信号线的互连 电阻对于每个像素(对于布置有该像素的每行)是互不相同的。
于是，垂直信号线的互连电阻对于每个像素互不相同，这意味着每 个像素的电压下降也互不相同。
艮P，假设恒流源使电流I流过垂直信号线，则第一行像素的电压下 降值为[R1+R2十…+R(n-l)]xI，第二行像素的电压下降值为[112+… R(n-l)]xl，……，第n行像素的电压下降值为R(n-l)xI，因而每个像素(对 于布置有该像素的每行)的电压下降值互不相同(见图7)。另外，如果每 个像素(布置有该像素的每行)的电压下降值互不相同，则会在图像的纵向 上出现阴影。
下面结合时间图来说明上述的电压下降情况。
这里，图8是各个脉冲的时间图以及用于说明列信号处理单元的输
入电压的示意图，其中，OT是用于控制传输Tr的脉冲，Ok是用于控制 复位Tr的脉冲，①s是用于控制选择Tr的脉冲，V是列信号处理单元的 输入电压。
为了将像素的电信号传输给列信号处理单元，将第一行的选择脉冲 Ow设为高(H)电平，然后在图中的时刻tl处也将第一行像素的复位脉冲 0)^设为H电平。结果，将像素的复位电平输出给列信号处理单元的输 入电压V。然后，在将0R1设为低(L)电平之后，在图中的时刻t2处将<DT1 设为H电平，使选择Tr导通，因而第一行像素与垂直信号线有效连接。 结果，存储在第一行像素中的电荷反映在列信号处理单元的输入电压V 中。随后，通过在图中的时刻t3处将On设为L电平，使选择Tr关闭， 因而断开第一行像素与垂直信号线之间的连接。
根据当输入复位脉冲时列信号处理单元的输入电压值(见图中的"P 相")与当传输像素的电荷时列信号处理单元的输入电压值(见图中的"D 相")之间的差值，对存储在像素中的电荷进行读出操作。
接着，在将第二行的选择脉冲(Ds2设定为H电平之后，在图中的时 刻t4处将第二行像素的复位脉冲0)k2设为H电平。结果，将像素的复位 电平输出给列信号处理单元的输入电压V。然后，在将①^设为L电平 之后，在图中的时刻t5处将0)12设为H电平，使选择Tr导通，因而第 二行像素与垂直信号线有效连接。结果，存储在第二行像素中的电荷反 映在列信号处理单元的输入电压V中。随后，通过在图中的时刻t6处将 C)t2设为L电平，使选择Tr关闭，因而断开第二行像素与垂直信号线之 间的连接。
对于第三行及以后的行中的像素，以类似的方式对存储在像素中的 电荷进行读出操作。如图8所示，由于电压下降的影响，在施加复位脉 冲期间的列信号处理单元的输入电压对于每行是不同的。
另外，对于应用在数码相机等设备中的固态成像设备，为了提高它 们的分辨率，人们已经在快速地增加像素数并减小间距。因此，所得到
的减小了的像素开口面积导致较低的灵敏度，这变成了一个很严重的问 题。在固态成像设备中，特别是对于通过在每个像素中进行金属布线来 实现信号传输的CMOS图像传感器来说，要求通过使金属布线的宽度变 窄来确保开口面积，以便提高它们的分辨率。当使金属布线的宽度变窄 时，互连电阻增加，从而使上面所说的阴影更加明显。
发明内容
因此，期望提供一种能够抑制阴影并提高图像质量的固态成像设备 以及这种固态成像设备的驱动方法。
本发明的一个实施例提供了一种固态成像设备，其包括具有呈矩阵 布置的多个像素的像素阵列、垂直信号线、恒流源和信号处理电路；上 述多个像素中的每个像素具有光电转换元件；垂直信号线被设置用于像 素阵列中的每个像素列，并且通过源极跟随结构与像素的输出段的晶体 管连接；恒流源向垂直信号线供应恒定电流；信号处理电路从像素中读 出电信号；垂直信号线的一侧与恒流源连接，另一侧与信号处理电路连 接。
根据上述本发明的一个实施例，通过使垂直信号线的一侧与恒流源 连接，且另一侧与信号处理电路连接，恒流源使电流沿与信号处理电路 相反的方向流动。结果，能够减小电压下降对由信号处理电路读出的像 素的电信号的影响。
本发明的另一个实施例提供了一种固态成像设备驱动方法，该固态 成像设备包括具有呈矩阵布置的多个像素的像素阵列，其中每个像素 具有光电转换元件；垂直信号线，其被设置用于像素阵列中的每个像素 列，并且通过源极跟随结构与像素的输出段的晶体管连接；与垂直信号 线连接并向该垂直信号线供应恒定电流的恒流源；以及与垂直信号线连 接并从像素中读出电信号的信号处理电路，该方法包括以下步骤利用 恒流源使电流沿与信号处理电路相反的方向流动，从而将存储在像素中 的电信号读出到信号处理电路。
根据上述本发明的另一个实施例，通过使电流沿与信号处理电路相 反的方向流动，将存储在像素中的电信号读出到所述信号处理电路，能
够减小电压下降对由信号处理电路读出的像素的电信号的影响。
在本发明实施例的固态成像设备及其驱动方法中，能够减小电压下 降对由信号处理电路读出的像素的电信号的影响，从而抑制阴影的出现。 因此，能够提高图像质量。
图1A和图1B是用于说明本发明实施例的CM0S图像传感器的示意
图2是用于说明形成像素阵列的各个像素的第一示意图； 图3是用于说明从像素进行读出操作的示意图； 图4是用于说明形成像素阵列的各个像素的第二示意图； 图5是用于说明已知的CMOS图像传感器的示意图； 图6是用于说明已知的像素阵列的示意图7是用于说明在已知的CMOS图像传感器中从像素进行读出操作 的示意图；以及
图8是各个脉冲的时间图和用于说明列信号处理单元的输入电压的 示意图。
具体实施例方式
为了理解本发明，下面结合
本发明的实施例。
图1A是用于说明作为本发明固态成像设备的一个实施例的CMOS 图像传感器的示意图。类似于已知的CMOS图像传感器，此处图示的 CMOS图像传感器包括像素阵列2，其中有多个像素1呈矩阵布置， 每个像素具有光电转换元件；垂直扫描电路3，用于每次一排地选择像素
阵列的各个像素，并控制各个像素的快门操作和读出操作；列信号处理 单元4，用于每次一排地从像素阵列读出信号，并进行预定的信号处理(例 如，CDS处理、AGC处理和模拟-数字转换处理等)；水平扫描电路6， 用于从列信号处理单元中每次选择一个信号，并将所选择的信号输入给 水平信号线5;数据信号处理单元7，用于对来自水平信号线的信号进行
数据转换，使其转换为想要的输出模式；以及定时信号发生器8，其根据 参考时钟来供应用于操作各个部分所必需的各个脉冲信号。
这里，如图2所示，像素阵列的各个像素包括PDIO，用于存储由 光电转换生成的电子；传输Trl2，用于将存储在PD中的电子传输给FD 11;放大Trl3，用于将FD中的电位变化转换为电信号，该放大Tr的栅 极与该FD有效连接；选择Trl4，用于以排为单位选择要读出信号的像 素；以及复位Tr 15，用于将FD的电位复位为电源供应电位(Vdd)。此外， 选择Tr通过源极跟随结构与为每列像素设置的垂直信号线16有效连接。 垂直信号线与向该垂直信号线供应恒定电流的恒流源17连接，并且还与 列信号处理单元连接。
这里，在本实施例中，恒流源与垂直信号线的一侧相连，而列信号 处理单元与垂直信号线的另一侧相连。也就是说，恒流源和列信号处理 单元连接在垂直信号线的相对两侧上，因而这种结构使得恒定电流从像 素沿与列信号处理单元相反的方向流动。
在具有上述结构的CMOS图像传感器中，通过使像素的选择Tr导 通而将与FD的电压相关联的电压输出到垂直信号线，并利用恒流源的 荷载将输出给垂直信号线的电压传输给列信号处理单元。然而，由于电 流并不向列信号处理单元流动，因而可以减小电压下降对由列信号处理 单元读出的像素的电信号的影响(见图3)。因此，能够减少阴影。
此外，仅通过改变布置就能够减少阴影，并且能够以与已知技术相 类似的方式实现例如脉冲定时等驱动方法，因而，CMOS图像传感器的 设计非常容易。
图1B是用于说明作为本发明固态成像设备的另一个实施例的 CMOS图像传感器的示意图。类似于图1A所示的CMOS图像传感器， 此处图示的CMOS图像传感器包括像素阵列2、垂直扫描电路3、列信 号处理单元4、水平扫描电路6、数据信号处理单元7和定时信号发生器 8。
另外，类似于图1A所示的CMOS图像传感器，像素阵列的各个像 素包括PDIO、传输Trl2、放大Trl3、选择Tr 14和复位Tr 15。此外，
选择Tr通过源极跟随结构与垂直信号线16有效连接。垂直信号线与向 该垂直信号线供应恒定电流的恒流源17连接，并且还与列信号处理单元 连接(见图4)。
这里，在本实施例中，恒流源和列信号处理单元连接在垂直信号线 的相对两侧上，并且与第奇数根垂直信号线相连的列信号处理单元位于 与第偶数根垂直信号线相连的列信号处理单元的相对侧上。具体地说， [1]当各个第奇数根垂直信号线的图中上侧与恒流源连接，并且图中下侧 与列信号处理单元连接时，则各个第偶数根垂直信号线的图中上侧与列 信号处理单元连接，且图中下侧与恒流源连接；[2]当各个第奇数根垂直
信号线的图中上侧与列信号处理单元连接，并且图中下侧与恒流源连接 时，则各个第偶数根垂直信号线的图中上侧与恒流源连接，且图中下侧 与列信号处理单元连接。
在具有上述结构的CMOS图像传感器中，通过使像素的选择Tr处 于导通状态而将与FD的电压相关联的电压输出到垂直信号线，并利用 恒流源的荷载将输出给垂直信号线的电压传输到列信号处理单元。然而， 由于电流并不向列信号处理单元流动，因而可以减小电压下降对由列信 号处理单元读出的像素的电信号的影响(见图3)，因此能够抑制阴影的出 现。
另外，仅通过改变布置就能够减少阴影，并且能够以与已知技术相 类似的方式实现例如脉冲定时等驱动方法，因而CMOS图像传感器的设 计非常容易。
此外，恒流源和列信号处理单元连接在垂直信号线的相对两侧上， 并且与第奇数根垂直信号线相连的列信号处理单元位于与第偶数根垂直 信号线相连的列信号处理单元的相对侧上，因此，能够充分保证用于布 置列信号处理单元的空间。
也就是说，最近的CMOS图像传感器的较窄间矩结构使得在单元像 素的间距内对与一列相对应的列信号处理单元部分进行布置变得非常困 难。然而，将恒流源和列信号处理单元连接在垂直信号线的相对两侧上， 并且使与第奇数根垂直信号线相连的列信号处理单元位于与第偶数根垂 直信号线相连的列信号处理单元的相对侧上，因此，可以以两倍于单元 像素间距的间距来布置与单列相对应的列信号处理单元部分，从而能够 充分保证用于布置列信号处理单元的空间。
本领域技术人员应当理解，依据不同的设计要求和其他因素，可以 在本发明所附的权利要求或其等同物的范围内进行各种修改、组合、次 组合和改变。
权利要求
1. 一种固态成像设备，包括像素阵列，其具有呈矩阵布置的多个像素，其中每个所述像素具有光电转换元件；垂直信号线，其被设置用于所述像素阵列中的每个像素列，并且通过源极跟随结构与所述像素的输出段的晶体管连接；向所述垂直信号线供应恒定电流的恒流源；以及从所述像素中读出电信号的信号处理电路，其特征在于，所述垂直信号线的一侧与所述恒流源连接，所述垂直信号线的另一侧与所述信号处理电路连接。
2. 如权利要求l所述的固态成像设备，其特征在于，与第奇数根垂 直信号线连接的所述信号处理电路位于与第偶数根垂直信号线连接的所 述信号处理电路的相对侧上。
3. —种固态成像设备驱动方法，所述固态成像设备包括像素阵列， 其具有以矩阵形式布置的多个像素，其中每个所述像素具有光电转换元件；垂直信号线，其被设置用于所述像素阵列中的每个像素列，并且通 过源极跟随结构与所述像素的输出段的晶体管连接；与所述垂直信号线 连接并向所述垂直信号线供应恒定电流的恒流源；以及与所述垂直信号 线连接并从所述像素中读出电信号的信号处理电路，所述方法包括以下 步骤利用所述恒流源使电流沿与所述信号处理电路相反的方向流动，从 而将存储在所述像素中的电信号读出到所述信号处理电路。
4. 如权利要求3所述的固态成像设备驱动方法，其特征在于，流过 第奇数根垂直信号线的电流方向与流过第偶数根垂直信号线的电流方向 相反。
全文摘要
本发明公开了一种固态成像设备以及这种固态成像设备的驱动方法。该固态成像设备包括像素阵列、垂直信号线、恒流源和信号处理电路；所述像素阵列具有呈矩阵布置的多个像素；所述垂直信号线被设置用于所述像素阵列中的每个像素列，并且通过源极跟随结构与所述像素的输出段的晶体管连接；所述恒流源向所述垂直信号线供应恒定电流；所述信号处理电路从所述像素中读出电信号；所述垂直信号线的一侧与所述恒流源连接，另一侧与所述信号处理电路连接。通过使电流沿与所述信号处理电路相反的方向流动，能够减小电压下降对由所述信号处理电路读出的所述像素的电信号的影响，从而抑制阴影并提高图像质量。
文档编号H04N5/3745GK101394464SQ20081016123
公开日2009年3月25日 申请日期2008年9月18日 优先权日2007年9月20日
发明者矢括幸始 申请人:索尼株式会社