光电转换装置的驱动方法、光电转换装置和成像系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光电转换装置的驱动方法，并且其具体涉及包括可变增益放大器的光电转换装置的驱动方法、光电转换装置和成像系统。
【背景技术】
[0002]在成像装置领域中，高信噪比和宽动态范围一直是期望的。日本专利特开N0.2005-175517公开了一种设置在像素阵列的每一列中用于扩大动态范围同时保持更高的信噪比的可变增益放大单元。日本专利特开N0.2005-175517还公开了基于对来自放大单元的输出信号的信号电平的检测结果来设置放大单元的增益。
[0003]其中还公开了放大单元的一个配置示例，其中具有各不相同的电容值的电容元件被并行设置在放大器的反馈路径上(图14)。可通过切换要被电连接到反馈路径的电容元件来切换放大单元的增益。
[0004]然而，日本专利特开N0.2005-175517未公开应用何种顺序来切换设置在反馈路径上的电容元件。本发明人已经发现用于切换设置在反馈路径中的电容元件的连接的一些顺序可以导致偏移误差。
【发明内容】
[0005]提供了一种用于光电转换装置的驱动方法，该光电转换装置包括具有按照矩阵形式排列的多个像素的像素阵列，以及每一个都与像素阵列中的一个列相对应地设置的多个列信号处理单元，列信号处理单元中的每一个包括具有放大器、设置在该放大器的输入节点和输出节点之间的第一电容以及与该第一电容并行设置的第二电容并且放大从像素阵列中输出的信号的列放大单元。该方法包括在第一电容和第二电容都被连接在放大器的输入节点和输出节点之间的状态下，在放大器的输入节点和输出节点之间建立短路，以及在第一电容或第二电容与放大器的输入节点和输出节点隔离的状态下，在来自放大器的输出大于阈值的情况下将第一电容和第二电容连接到放大器的输入节点和输出节点。
[0006]通过参考附图阅读示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清楚。
【附图说明】
[0007]图1A和图1B是示出光电转换装置的一个配置示例的框图。
[0008]图2示出了列信号处理单元的一个配置示例。
[0009]图3是用于说明根据第一实施例的操作的时序图。
[0010]图4示出了列放大单元的一个配置示例。
[0011]图5示出了列放大单元的放大倍数的设置示例。
[0012]图6是示出光电转换装置的一个配置示例的框图。
[0013]图7示出了列信号处理单元的一个配置示例。
[0014]图8是用于说明根据第三实施例的操作的时序图。
[0015]图9是示出放大单元和列输出限制单元的配置的等效电路图。
[0016]图10是示出放大单元和列输出限制单元的配置的等效电路图。
[0017]图11是用于说明根据第四实施例的操作的时序图。
[0018]图12是示出成像系统的一个配置示例的框图。
【具体实施方式】
[0019]第一实施例
[0020]图1A是示出根据第一实施例的光电转换装置的一个配置示例的框图。光电转换装置包括具有按照矩阵形式排列的多个像素100的像素阵列102。针对像素阵列中的每一列设置了可变增益列放大单元103和模拟存储器201。针对列放大单元103中的每一个设置了列比较单元105、列控制单元106和数字存储器108。光电转换装置还包括被配置为按行来控制像素100的垂直扫描单元101，被配置为生成基准信号的基准信号生成单元104，以及被配置为控制数字存储器108和模拟存储器201的水平扫描单元109。光电转换装置还可以包括被配置为缓冲并输出从模拟存储器201中输出的信号的输出缓冲器202。根据本实施例，列放大单元103、模拟存储器201、列比较单元105、列控制单元106和存储器108将被总称为列信号处理单元。
[0021]从一列中的像素100中输出的信号在对应的列放大单元103中被放大。列放大单元103中的每一个具有与对应的列比较单元105和模拟存储器201的输入节点相连的输出节点。列比较单元105将从列放大单元103中输出的信号与从基准信号生成单元104提供的基准信号相比较，并且将结果作为比较结果信号输出到列控制单元106。列控制单元106将比较结果信号提供给数字存储器108，并且根据比较结果信号向列放大单元103提供增益设定信号ATT。列放大单元103具有基于增益设定信号ATT而被设置的增益。水平扫描单元109选择每一列中的数字存储器108和模拟存储器201，并且保持在其中的信号被输出到后一级中的电路。这里假定后续开关在控制信号具有高电平时被导通并且当控制信号具有低电平时被关断。
[0022]图1B是示出像素100中的每一个的配置示例的等效电路图。像素100中的每一个包括作为光电转换像素的光电二极管ro、传送晶体管TX、复位晶体管RES、放大晶体管SF和选择晶体管SEL。当传送晶体管TX响应于信号PTX而被导通时，在光电二极管ro中生成的电荷被传送到存在于放大晶体管SF的栅极节点中的电容。该节点将被称为浮动扩散部分FD。当选择晶体管响应于信号PEEL而被导通时，放大晶体管SF与未示出的电流源一起构成源极跟随电路，并且输出基于在浮动扩散部分FD中保持的电荷的量的电压信号。电流源一般被共同地提供给多个像素100。复位晶体管RES被用信号PRES控制并且将在浮动扩散部分FD中保持的电荷排出到电源。
[0023]图2示出了列放大单元103、列比较单元105和列控制单元106的配置示例。列放大单元103具有与对应像素100的输出OUT和前面提到的电流源相连的输入节点VIN。列放大单元103包括输入电容CO、放大单元amp、反馈电容Cfl和Cf2、开关Sf2、列放大单元复位开关Sr以及或电路ORl。在本实施例中，放大单元amp是差分放大器。反馈电容Cf!和Cf2被设置在作为放大器的放大单元amp的输入节点和输出节点之间。或电路ORl输出与从列控制单元106中输出的信号ATT和从未示出的定时控制单元中输出的信号PCFR的逻辑和相对应的信号，并且接通或者断开开关Sf2。开关Sr根据信号PCOR而被接通或者断开。列放大单元103具有取决于连接到放大单元amp的反馈路径的电容的值和输入电容CO的电容值之间的比值的增益。当开关Sf2具有接通状态时，列放大单元103具有-{CO/(Cfl+Cf2)}的增益。当开关Sf2具有断开状态时，列放大单元具有-(C0/Cfl)的增益。本实施例假定输入电容CO和反馈电容Cfl和Cf2分别具有电容值CO、CO和3*C0。换言之，当开关Sf2具有接通状态时，增益是1/4倍。当开关Sf2具有断开状态时，增益是I倍。根据本实施例，开关Sf2被设置在放大单元amp的反相输入端和反馈电容Cf2之间。然而，开关Sf2可以与反馈电容Cfl和开关Sr并行设置在放大单元amp的输出端和反馈电容Cf2之间的路径中。由具有相同相位的信号控制的开关可被设置跨接在反馈电容Cf2两端。
[0024]列比较单元105包括两个输入节点都与电容相连的比较器comp。来自列放大单元103的输出通过电容而被输入到比较器comp的一个输入节点，并且基准信号VRMP通过另一电容而被输入到比较器comp的另一输入节点。从比较器comp中输出的比较结果信号被提供给列控制单元106。
[0025]图3是用于说明根据本实施例的操作的时序图。图3示出了将被提供给像素100中的每一个的信号以及与列放大单元103、列比较单元105和列控制单元106相关联的信号。图3中的部分(a)示出了在当从列放大单元103中输出的信号VOUT低于阈值时的情况下执行的操作，并且图3中的部分(b)示出了在从列放大单元103中输出的信号VOUT大于阈值的情况下执行的操作。部分(a)例如对应于具有更低强度的光进入从中读出信号的像素的情况(低亮度条件)，并且部分(b)例如对应于强光进入从中读出信号的像素的情况(高亮度条件)。例如，在部分(b)的情况下入射在像素上的光量比在部分(a)的情况下入射在像素上的光量更高。
[0026]将描述从列放大单元103中输出的信号VOUT低于阈值时要被执行的操作。
[0027]当信号PEEL在时间tl处具有高电平时，选择晶体管SEL被导通，并且放大晶体管SF与未示出的电流源一起作为源极跟随电路工作。当信号PRES在时间tl具有高电平时，复位晶体管RES被导通，并且浮动扩散部分FD的电势被复位。
[0028]当信号PCOR和PCFR在时间tl具有高电平时，开关Sr和Sf2被接通。因此，在放大单元amp的输