专利名称：固体摄像装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种固体摄像装置，例如适用于CMOS图像传感器中的固体摄像装置，该CMOS图像传感器被使用于带图像传感器的移动电话、数字摄像机及电视摄像机等中。
背景技术：
以往，有关扩大CMOS图像传感器动态范围(dynamic range)的方法，例如在日本专利公开2001-189893(简称为专利公开1)和日本专利公开2000-23044(简称为专利公开2)中已经提出。上述专利公开1的方法虽然适用于不完全传送型的光电二极管，但是有可能发生残留图像和白斑等，难以实现高画面质量化。与此相对，上述专利公开2的方法因对应于完全传送型，而没有专利公开1的那种残留图像和白斑等的危险。但是，由于使用检测部扩大了动态范围，因而发生由检测部的漏损(leak)而引起的黑暗时不均匀和KTC噪声，有可能因不同于专利公开1的原因而引起画面质量变坏。而且，由于任一种方法都对存储时间长的信号和存储时间短的信号进行加法运算并输出，因而难以分开存储时间长的信号和存储时间短的信号。
发明内容
本发明是鉴于上述那种情况而做出的，其目的在于，提供一种固体摄像装置，该固体摄像装置能够不招致画面质量下降，而扩大动态范围。
根据本发明一个方式的固体摄像装置，其特征为，具备像素部，其包含下述光电转换单元、读出单元、放大单元及复位单元的像元二维配置在半导体基板上，该光电转换单元用于存储对入射光进行光电转换所得到的电荷，该读出单元用于将上述光电转换单元中所存储的电荷在检测节点读出，该放大单元用于对在上述检测节点读出的电荷进行放大并输出，该复位单元用于使上述检测节点复位；AD转换电路，其构成为，将从上述放大单元所输出的模拟信号转换成数字信号并输出；控制电路，用于对上述像素部及上述AD转换电路进行控制，其构成为，使1帧的电荷存储期间内存储时间不同的多个模拟信号通过上述AD转换电路进行AD转换；以及加法电路，其构成为，对从上述AD转换电路所输出的与上述存储时间不同的多个模拟信号对应的数字信号进行加法运算。
图1用于说明根据本发明第1实施方式的固体摄像装置，并且是表示放大型CMOS图像传感器概略结构的框图。
图2是表示图1所示的放大型CMOS图像传感器中的像素部、CDS电路及ADC具体结构例的电路图。
图3是表示图1及图2所示的CMOS图像传感器动作时序的波形图。
图4用于说明根据本发明第2实施方式的固体摄像装置，并且是表示放大型CMOS图像传感器概略结构的框图。
图5是表示图4所示的CMOS图像传感器动作时序的波形图。
图6用于说明根据本发明第3实施方式的固体摄像装置，并且是表示放大型CMOS图像传感器概略结构的框图。
图7是表示图6所示的CMOS图像传感器动作时序的波形图。
图8A示出图7所示的动作时序图中时刻t1～t5的像素部剖面图和电位图，并且是存储大信号时的剖面图和电位图。
图8B示出图7所示的动作时序图中时刻t1～t5的像素部剖面图和电位图，并且是存储小信号时的剖面图和电位图。
图9A用于说明根据本发明第3实施方式的固体摄像装置中WDM电路的动作，并且是表示ADC输出和光量之间关系的特性图。
图9B用于说明根据本发明第3实施方式的固体摄像装置中WDM电路的动作，并且是表示增益处理输出和光量之间关系的特性图。
图9C用于说明根据本发明第3实施方式的固体摄像装置中WDM电路的动作，并且是表示加法运算输出和光量之间关系的特性图。
图10用于说明根据本发明第4实施方式的固体摄像装置，并且是表示放大型CMOS图像传感器概略结构的框图。
图11是表示图10所示的CMOS图像传感器动作时序的波形图。
图12A示出图11所示的动作时序图中时刻t1～t5的像素部剖面图和电位图，并且是存储大信号时的剖面图和电位图。
图12B示出图11所示的动作时序图中时刻t1～t5的像素部剖面图和电位图，并且是存储小信号时的剖面图和电位图。
图13A用于说明根据本发明第4实施方式的固体摄像装置中WDM电路的动作，并且是表示ADC输出和光量之间关系的特性图。
图13B用于说明根据本发明第4实施方式的固体摄像装置中WDM电路的动作，并且是表示增益处理输出和光量之间关系的特性图。
图13C用于说明根据本发明第4实施方式的固体摄像装置中WDM电路的动作，并且是表示加法运算输出和光量之间关系的特性图。
图14用于说明根据本发明第5实施方式的固体摄像装置，并且是表示放大型CMOS图像传感器概略结构的框图。
图15是表示图14所示的CMOS图像传感器动作时序的波形图。
图16A示出图15所示的动作时序图中时刻t1～t5的像素部剖面图和电位图，并且是存储大信号时的剖面图和电位图。
图16B示出图15所示的动作时序图中时刻t1～t5的像素部剖面图和电位图，并且是存储小信号时的剖面图和电位图。
图17A用于说明根据本发明第5实施方式的固体摄像装置中WDM电路的动作，并且是表示ADC输出和光量之间关系的特性图。
图17B用于说明根据本发明第5实施方式的固体摄像装置中WDM电路的动作，并且是表示增益处理输出和光量之间关系的特性图。
图17C用于说明根据本发明第5实施方式的固体摄像装置中WDM电路的动作，并且是表示加法运算输出和光量之间关系的特性图。
图18用于说明根据本发明第6实施方式的固体摄像装置，并且是表示放大型CMOS图像传感器概略结构的框图。
图19用于说明根据本发明第7实施方式的固体摄像装置，并且是表示放大型CMOS图像传感器概略结构的框图。
图20用于说明根据本发明第8实施方式的固体摄像装置，并且是放大型CMOS图像传感器的信号处理结构图。
图21A至21C分别是图20所示的CMOS图像传感器中第1方式的处理动作图。
图22A至22C分别是图20所示的CMOS图像传感器中第2方式的处理动作图。
具体实施例方式图1用于说明根据本发明第1实施方式的固体摄像装置，并且是表示放大型CMOS图像传感器概略结构的框图。在传感器内核11中，配置有像素部12、纵列式噪声消除(CDS，column type noise canceller)电路13、纵列式模拟数字转换器(ADC)14、锁存电路15及水平移位寄存器16等。对上述像素部12，光通过透镜17入射，通过光电转换生成与入射光量相应的电荷。与所发生的电荷对应的模拟信号通过CDS13提供给ADC14，被转换成数字信号并锁存于锁存电路15中。锁存于该锁存电路15中的数字信号由移位寄存器16依次传送并被读出。从上述移位寄存器16所读出的数字信号OUT0～OUT9提供给宽动态范围混频(WDM，wide dynamic range mixer)电路18。
另外，与上述像素部12邻接，分别配置有信号读出用的垂直寄存器(VR寄存器)20、存储时间控制用的垂直寄存器(ES寄存器，长存储时间控制用寄存器)21及脉冲选择电路(选择器)22。
从上述像素部12开始的读出和上述CDS电路13的控制根据从定时信号发生器(TG)19输出的脉冲信号S1～S4、ESR、VRR、RESET、ADRES及READ来进行。脉冲信号S1～S4提供给CDS电路12，脉冲信号ESR提供给ES寄存器21，脉冲信号VRR提供给VR寄存器20，脉冲信号RESET、ADRES及READ提供给脉冲选择电路22。由上述寄存器21和20来选择像素部12的垂直行(line)。上述脉冲信号RESET、ADRES及READ通过上述脉冲选择电路22，提供给像素部12。对该像素部12，从偏压发生电路(偏压器1)23施加偏置电压VVL。
VREF发生电路24响应主时钟信号MCK而进行动作，并生成AD转换(ADC)用的基准波形。该基准波形的振幅根据对串行接口(串行I/F)25输入的数据DATA来控制。对该串行接口25输入的命令被提供给命令解码器26并进行解码，和上述主时钟信号MCK一起，提供给定时信号发生器19中。在上述VREF发生电路24中，为了在1个水平扫描期间执行2次AD转换，要产生三角波VREFTL和VREFTS并提供给ADC14。
上述WDM电路18的结构具备转换开关31；减法电路32，用于对无信号电平(OB电平)的64LSB进行减法处理；增益(GAIN)电路33，用于对该减法电路32的输出进行放大；判定电路34；开关35；加法电路36；行存储器W37及20位的速度转换用行存储器(行存储器OUT)38。若从锁存电路15输出的数字信号OUT0～OUT9被输入到WDM电路18中，则在向转换开关31输入表示存储时间长的信号STL时，这些信号OUT0～OUT9被输入给行存储器W37。
另一方面，在向转换开关31输入表示存储时间短的信号STS时，由减法电路32对无信号电平(OB电平)的64LSB(最低有效位)进行减法处理，并由增益电路33进行放大。在本实施方式中，由于存储时间长时的信号OUT0～OUT9以1024LSB进行了限幅(clip)，因而可以和存储时间短时的信号OUT0～OUT9进行平稳合成。
上述行存储器W37的输出被输入给加法电路36和判定电路34。在由判定电路34判定了行存储器W37的输出按1023LSB饱和时，打开开关35，将放大后的信号STS输入给加法电路36，和信号STL进行加法运算。该加法运算结果输入给行存储器OUT38，并以1/2的低速从传感器输出。
图2是表示上述图1所示的放大型CMOS图像传感器中的像素部12、CDS电路13及ADC14具体结构例的电路图。
像素部12中的各个像元(像素)由4个晶体管(行选择晶体管Ta、放大晶体管Tb、复位晶体管Tc、读出晶体管Td)和光电二极管(光电转换单元)PD构成。上述晶体管Ta、Tb的电流通路在电源VDD和垂直信号线VLIN间串联连接。给上述晶体管Ta的栅极供应脉冲信号ADRESn。上述晶体管Tc的电流通路在电源VDD和晶体管Tb的栅极(检测节点FD)之间连接，并给其栅极提供脉冲信号RESETn。另外，上述晶体管Td的电流通路一端与上述检测节点FD连接，并给其栅极提供脉冲信号(读出脉冲)READn。而且，在上述晶体管Td的电流通路另一端上连接有光电二极管PD的阴极，该光电二极管PD的阳极被接地。
上述结构的像元以行及列的二维方式进行配置，构成像素部12。在上述像素部12的下部，按水平方向配置有源极随耦(sourcefollower)电路用的负载晶体管TLM。这些负载晶体管TLM的电流通路在垂直信号线VLIN和接地点间连接，并从偏压发生电路23给其栅极施加偏置电压VVL。在CDS电路13及ADC14中，配置有噪声消除用的电容C1、C2，并且，配置有晶体管TS1，用于传送垂直信号线VLIN的信号；晶体管TS2，用于输入AD转换用的基准波形；以及2级的比较电路COMP1、COMP2。在上述比较电路COMP1、COMP2间连接有电容C3。上述比较电路COMP1包括反相器INV1；及晶体管TS3，在该反相器INV1的输入端和输出端间连接电流通路。上述比较电路COMP2包括反相器INV2；及晶体管TS4，在该反相器INV2的输入端和输出端间连接电流通路。给上述晶体管TS1的栅极提供从定时信号发生器19输出的脉冲信号S1，给上述晶体管TS2的栅极提供脉冲信号S2，给上述晶体管TS3的栅极提供脉冲信号S3，并给上述晶体管TS4的栅极提供脉冲信号S4。从上述比较电路COMP2输出的数字信号由锁存电路15进行锁存，并由移位寄存器16依次读出。因此，从锁存电路15输出10位的数字信号OUT0～OUT9。
在上述那种结构中，例如为了读出垂直信号线VLIN的n行信号，要通过将脉冲信号ADRESn变为“H”电平，而使由放大用晶体管Tb和负载用晶体管TLM构成的源极随耦电路进行动作。而且，为了将由光电二极管PD进行光电转换所得到的信号电荷存储一定期间，并在进行读出之前把检测节点FD的暗电流等的噪声信号除去，要将脉冲信号RESETn设定为“H”电平，打开晶体管Tc，将检测节点FD设置成VDD电压＝2.8V。借此，给垂直信号线VLIN输出作为基准的检测节点FD中没有信号的状态的电压(复位电平)。此时，通过将脉冲信号S1、S3、S4分别变为“H”电平，使晶体管TS1、TS3、TS4打开，来设定ADC14的比较电路COMP1和COMP2的AD转换电平，并且将与垂直信号线VLIN的复位电平相应的量的电荷存储到电容C1中。
接着，将脉冲信号(读出脉冲)READn变为“H”电平，使读出晶体管Td打开，把由光电二极管PD生成并存储后的信号电荷在检测节点FD读出。因此，对垂直信号线VLIN，读出检测节点FD的电压(信号+复位)电平。此时，因为将脉冲信号S1变为“H”电平，将脉冲信号S3变为“L”电平，将脉冲信号S4变为“L”电平，并将脉冲信号S2变为“H”电平，所以晶体管TS1打开，晶体管TS3关闭，晶体管TS4关闭，晶体管TS2打开，并且与“垂直信号线VLIN的信号+复位电平”对应的电荷被存储到电容C2中。此时，电容C1由于比较电路COMP1的输入端为高阻抗状态，因而成为复位电平被保持的状态。
然后，通过增加从VREF发生电路24输出的基准波形的电平(使三角波VREF从低电平增加为高电平)，经由电容C1和C2的合成电容，由比较电路COMP1、COMP2进行AD转换。上述三角波用10位的计数器判断10位(0～1023电平)的AD转换电平。由于上述电容C1中所存储的复位电平和电容C2中所存储的复位电平其极性相反，因而复位电平被消除，实际上以电容C2的信号成分来执行AD转换。将除去该复位电平的动作称为低噪声化处理动作(CDS动作Correlated Double Sampling，相关双重取样)。为了将该AD转换动作在1个水平扫描期间执行2次，要由VREF发生电路24发生三角波VREFTL和VREFTS，并提供给晶体管TS2的电流通路一端。
图3是表示上述图1及图2所示的CMOS图像传感器动作时序的波形图。在VGA传感器的情况下，按1帧为30Hz且水平扫描数为525H进行驱动。在垂直的n行上，设为由光电二极管PD进行光电转换并存储产生的电荷的存储时间TL＝524.5H。与水平同步脉冲HP同步，给像素部12提供脉冲信号RESETn、READn、ADRESn，由光电二极管PD进行光电转换，对检测节点FD中所存储的信号电荷量进行检测并读出。将脉冲信号RESETn变为“H”电平并打开复位晶体管Tc，随后在将其关闭获取复位电平时，基准波形的振幅设定为中间电平来读出。该中间电平在传感器内进行自动调整，以便设置于像素部12中的遮光像素(OB)部成为64LSB。接着，通过将脉冲信号READn变为“H”电平使读出晶体管Td打开，来读出信号。对于该所读出的信号，在水平扫描期间的前半程0.5H期间作为基准波形使之发生三角波，实施10位的AD转换。AD转换后的信号(数字数据)保持于锁存电路15中，在水平扫描期间的后半程0.5H期间从传感器内核部11作为转换信号STLn加以输出。
在光电二极管PD部中，在存储时间TL＝524.5H后期进行读出，之后，再次由光电二极管PD部进行光电转换，并存储信号电荷。在由光电二极管PD部将电荷存储TS＝0.5H期间之后，和第1次相同，给像素部12提供脉冲信号RESETn、READn、ADRESn，由光电二极管PD进行光电转换，并读出所存储的信号电荷。将脉冲信号RESETn变为“H”电平并打开复位晶体管Tc，随后在将其关闭获取复位电平时，基准波形的振幅设定为中间电平加以读出。该中间电平在传感器内进行自动调整，以便像素部12的遮光像素(OB)部成为64LSB。接着，通过将脉冲信号READn变为“H”电平使读出晶体管Td打开，来读出信号。对于该所读出的信号，在水平扫描期间的后半程0.5H期间作为基准波形使之发生三角波，实施10位的AD转换。AD转换后的信号(数字数据)保持于锁存电路15中，在下面的水平扫描期间的前半程0.5H期间由传感器内核部11作为转换信号STSn加以输出。
从传感器内核部11输出的上述转换信号STLn、STSn如图1所示，被提供给宽动态范围混频(WDM)电路18。一个信号STLn被输入到行存储器W37中。另一信号STSn在由增益电路33放大之后，和后1行的行存储器W37的输出进行加法运算。加法运算结果的信号通过输入到行存储器OUT38中并以1/2的低速读出信号，而由传感器在1个水平扫描期间输出数据。WDM电路18的增益设定是通过调整信号STSn的增益乘数以使加法运算后的信号(STLn+STSn)按照入射光量成为直线，来进行的。通常情况下，增益因为按存储时间之比来运算，所以根据上述设定而成为524.5/0.5＝1049倍。该传感器的输出信号通过加法运算动作，作为20位(DOUT0～DOUT19)的信号加以输出。
还有，上述存储时间TL＝524.5H可以通过使图1所示电路中的ES寄存器21进行动作来缩短。该存储时间TL不限于上述示例，而可以自由变更。此时，要根据存储时间TL和TS之比，来变更WDM电路18的信号STS用增益系数。
根据上述那种结构，在1个水平扫描期间对存储时间长的信号和存储时间短的信号分别进行AD转换加以输出，并对所读出的2个数字信号进行加法运算，由此可以不招致画面质量下降的状况下，而扩大动态范围。
下面，作为根据本发明第2实施方式的固体摄像装置，对于使图3所示波形图中的存储时间TS大于等于1H的示例，进行说明。
图4用于说明根据本发明第2实施方式的固体摄像装置，并且是表示放大型CMOS图像传感器概略结构的框图。图4所示的电路和图1所示的电路的不同之处在于，用于像素部12的读出而新设置了垂直寄存器(WD寄存器，短存储时间控制用寄存器)27。另外，将WDM电路18的行存储器W变成5条(行存储器W1～W537-1～37-5)。该传感器的输出信号是17位(DOUT0～DOUT16)。
由于其他的基本结构和图1所示的电路相同，因而对相同的结构部分标注相同的符号而省略其详细说明予以。
图5是表示上述图4所示的CMOS图像传感器动作时序的波形图。在本示例中，设为由垂直的n行的光电二极管PD进行光电转换并存储电荷的存储时间TL＝520.5H。与水平同步脉冲HP同步，给像素部12提供脉冲信号RESETn、READn、ADRESn，由光电二极管PD进行光电转换，并读出检测节点FD中所存储的信号电荷。将脉冲信号RESETn变为“H”电平而打开复位晶体管Tc，随后在将其关闭获取复位电平时，基准波形的振幅设定为中间电平来读出。该中间电平在传感器内进行自动调整，以便像素部12的遮光像素(OB)部成为64LSB。接着，通过将脉冲信号READn变为“H”电平使读出晶体管Td打开，来读出信号。对于该所读出的信号，在水平扫描期间的前半程0.5H期间作为基准波形使之发生三角波，实施10位的AD转换。AD转换后的信号(数字数据)保持于锁存电路15中，在水平扫描期间的后半程0.5H期间由传感器内核部11作为信号STLn加以输出，并输入到行存储器37-5中。
在光电二极管PD部中，在存储时间TL＝520.5H后期进行读出，之后，再次由光电二极管PD部进行光电转换，存储信号电荷。在由光电二极管PD部存储TS＝4.5H的期间之后，和第1次相同，给像素部12提供脉冲信号RESETn、READn、ADRESn，由光电二极管PD进行光电转换，并读出所存储的信号电荷。将脉冲信号RESETn变为“H”电平而打开复位晶体管Tc，随后在将其关闭获取复位电平时，基准波形的振幅设定为中间电平来读出。该中间电平在传感器内进行自动调整，以便像素部12的遮光像素(OB)部成为64LSB。接着，通过将脉冲信号READn变为“H”电平使读出晶体管Td打开，来读出信号。对于该所读出的信号，在水平扫描期间的后半程0.5H期间作为基准波形使之发生三角波，实施10位的AD转换。AD转换后的信号(数字数据)保持于锁存电路15中，在下面的水平扫描期间的前半程0.5H期间由传感器内核部11作为信号STSn加以输出。
从传感器内核部11所输出的信号STLn在宽动态范围混频(WDM)电路18的行存储器37-5、37-4、37-3、37-2、37-1中依次传送，并延迟5H的期间。由加法电路36，对该延迟后的信号和放大(GAIN，增益)后的信号STSn进行加法运算。加法运算后的信号如图4所示，输入到行存储器OUT38中进行速度转换，并以1/2的低速进行输出，由此在1个水平扫描期间输出数据。上述WDM电路18的增益设定是通过调整信号STSn的增益乘数以便加法运算后的信号(STLn+STSn)按照受光量成为直线，来进行的。通常情况下，由于增益运算按存储时间之比来运算，因而根据上述设定成为520.5/4.5＝115倍。在此，将传感器的输出信号以17位(DOUT0～DOUT16)进行输出。
上述电荷的存储时间TL＝520.5H可以通过使图4的ES寄存器21进行动作来缩短。另外，存储时间TS＝4.5H可以通过控制WD寄存器27来变更。此时，要根据存储时间TL和TS之比，来变更信号STS的增益系数。另外，在存储时间TS加长时，要使行存储器个数增加，在缩短存储时间TS时，要减少行存储器数。
如上所述，根据本发明第1、第2实施方式的固体摄像装置设置很少的行存储器个数和作为数字信号放大电路的、对乘法器及对加法电路的2个信号进行加法运算的加法电路，由此可以不招致画面质量下降，而扩大动态范围。另外，因为传感器的输出信号是数字信号，所以用行存储器进行速度转换，由传感器输出，由此能获得和以往相同的输出信号频率。再者，由于使基准波形的振幅在VREFTL和VREFTS中有所不同，因而在信号STS的AD转换时减小VREFTS的振幅进行模拟的放大，并减小数字性增益，由此可以降低量化误差。再者还有，虽然存在下述问题，即因为行存储器W37输出信号的判定是数字输出，所以只要可以判定1023LSB即可，由于在模拟信号中以大于等于预定电平来进行判定，因此有加法运算时的信号连续性不佳的问题，但是在本实施方式中，信号的连续性可以得到改善。
下面，作为根据本发明第3实施方式的固体摄像装置，对于不增加行存储器而使存储时间TS大于等于1H的示例，进行说明。
图6用于说明根据本发明第3实施方式的固体摄像装置，并且是表示放大型CMOS图像传感器概略结构的框图。图6所示的电路和图4所示的电路的不同之处在于，为了控制像素的驱动用脉冲振幅而设置脉冲振幅控制电路28，使用于脉冲信号VREAD。另外，在WDM电路18中，在输入了信号STL时，将锁存电路15的输出信号OUT0～OUT9输入给加法电路36。在输入了信号STS时，进行-64LSB处理并输入给行存储器W37。行存储器W37的输出信号输入给增益电路33和判定电路34。在由判定电路34判断出行存储器W37的输出不是0LSB而有信号时，打开开关35，将由增益电路33放大后的信号STS输入给加法电路36，与信号STL进行加法运算。加法运算结果的输出输入给14位的行存储器OUT38，并以1/2的低速从传感器输出(输出信号OUT0～OUT13)。
图7是表示上述图6所示的CMOS图像传感器动作时序的波形图。在本示例中，设为由垂直的n行的光电二极管PD进行光电转换并存储电荷的存储时间TL＝525H。另外，设为短的存储时间TS＝66H。存储时间长的时间TL是使读出脉冲READ的振幅成为高电平(2.8V)进行控制的。短的存储时间TS将读出脉冲READ的振幅在低电平＝1V上进行控制。为了使之发生该读出脉冲READ，而由脉冲振幅控制电路28对读出脉冲READ的振幅进行控制。上述存储时间TL可以由ES寄存器21按每1H进行控制。另外，上述存储时间TS可以由WD寄存器27按每1H进行控制。
在从光电二极管PD开始的第1次读出动作时(t4)，与水平同步脉冲HP同步，给像素部12提供脉冲信号RESETn、READn、ADRESn，由光电二极管PD进行光电转换，并读出所存储的信号电荷。此时读出脉冲READ的振幅设定为低电平。第1次读出的信号电荷在存储时间525H中途的时刻t2输入低电平的读出脉冲READ，读出光电二极管PD的一部分信号电荷，将其释放。将在t2～t4的时刻之前再次存储的信号，在时刻t4从光电二极管PD读出。
将脉冲信号RESETn变为“H”电平而打开复位晶体管Tc，随后在将其关闭获取复位电平时，基准波形的振幅设定为中间电平来读出。该中间电平在传感器内进行自动调整，以便像素部12的遮光像素(OB)部成为64LSB。接着，通过将脉冲信号READn变为“H”电平使读出晶体管Td打开，来读出信号。对于该所读出的信号，在水平扫描期间的前半程0.5H期间作为基准波形使之发生三角波，实施10位的AD转换。AD转换后的信号(数字数据)保持于锁存电路15中，在水平扫描期间的后半程0.5H期间由传感器内核部11作为转换信号STS加以输出，并输入到行存储器W37中。
从光电二极管PD开始的第2次读出动作时(t5)，在第1次的0.5H后期给像素部12输入脉冲信号RESETn、READn、ADRESn，由光电二极管PD进行光电转换，并读出所存储的信号电荷。此时的读出脉冲READ的振幅设定为高电平。
和第1次相同，由光电二极管PD部进行光电转换，给像素部12输入脉冲信号RESETn、READn、ADRESn，来读出所存储的存储时间TL＝525H的信号电荷。将脉冲信号RESETn变为“H”电平并打开复位晶体管Tc，随后在将其关闭获取复位电平时，基准波形的振幅设定为中间电平加以读出。该中间电平在传感器内进行自动调整，以便像素部12的遮光像素(OB)部成为64LSB。接着，通过将脉冲信号READn变为“H”电平使读出晶体管Td打开，来读出信号。对于该所读出的信号，通过在水平扫描期间的后半程0.5期间作为基准波形使之发生三角波，来实施10位的AD转换。AD转换后的信号保持于锁存电路15中，在下面的水平扫描期间的前半程0.5H期间由传感器内核部11作为转换信号STLn加以输出。
所输出的转换信号STSn如图6所示，在宽动态范围混频(WDM)电路18的行存储器W37中使之延迟1H期间并进行放大(GAIN)，并与信号STLn进行加法运算。加法运算后的信号通过在行存储器OUT38中进行速度转换，并以1/2的低速加以输出，而在1个水平扫描期间输出数据。WDM电路18的增益设定是通过调整信号STSn的增益乘数以便加法运算后的信号(STLn+STSn)按照光量成为直线，来进行的。通常情况下，由于增益运算按存储时间之比来运算，因而根据上述设定成为525/66＝8倍。传感器的输出信号以14位(DOUT0～DOUT13)进行输出。
图8A和8B表示出上述图7所示的动作时序图中时刻t1～t5的像素部的剖面图和电位图，图8A表示出存储大信号时的剖面图和电位图，图8B表示出存储小信号时的剖面图和电位图。
在p型半导体基板上设置有n型的杂质扩散区域，来形成光电二极管PD，该n型杂质扩散区域的表面利用p型杂质扩散区域进行密封。借此，形成缺陷和黑暗时不均匀较小的嵌入型光电二极管PD。检测节点FD在n型杂质扩散区域上形成，并且和上述光电二极管PD的n型杂质扩散区域一起，作为读出晶体管(读出栅)Td的源极、漏极区域进行工作。在这些n型杂质扩散区域间的基板上，经由未图示的栅极绝缘膜而设置有由多晶硅构成的栅电极。给该栅电极提供读出脉冲READ。与作为上述检测节点FD的n型杂质扩散区域邻接，设置有n型杂质扩散区域。该n型杂质扩散区域作为复位晶体管(复位栅极)Tc的漏极区域进行工作，并且上述检测节点FD的n型杂质扩散区域作为源极区域进行工作。在上述漏极区域施加漏极电压VD(＝2.8V，例如VDD)。在这些n型杂质扩散区域间的基板上，经由未图示的栅极绝缘膜而设置有由多晶硅构成的栅电极。给该栅电极提供复位脉冲RESET。然后，通过该复位晶体管Tc，可以使上述检测节点FD复位成漏极电压VD。
在存储大信号时如图8A所示，在时刻t1，光电二极管PD部的信号电荷饱和。而且，通过在时刻t2给读出栅极施加低电平的读出电压(＝1.5V)，而将在光电二极管PD部中已饱和的信号电荷的一部分释放。在接下来的时刻t3，在光电二极管PD中再存储信号。在时刻t4，为了读出光电二极管PD部中再存储的信号，通过施加低电平的读出电压(＝1.5V)，而将其读出到检测节点FD中。在时刻t5，通过施加高电平的读出电压(＝2.8V)，将剩余的光电二极管PD部的信号电荷在检测节点FD读出。也就是说，在光电二极管PD饱和时，可以在时刻t4读出存储时间短的信号。
与此相对，在存储小信号时如图8B所示，在时刻t1，光电二极管PD部的信号电荷未饱和。在时刻t2，虽然以低电平的读出电压(＝1.5V)打开了读出栅极，但是由于在光电二极管PD部中信号电荷未饱和，因而电荷不从光电二极管PD部释放。在接下来的时刻t3，继续在光电二极管PD中存储信号电荷。在时刻t4，为了读出光电二极管PD部的信号电荷，而施加低电平的读出电压(＝1.5V)。但是，由于光电二极管PD部的信号电荷较少，因而不能在检测节点FD读出。在时刻t5，通过施加高电平的读出电压(＝2.8V)，在检测节点FD读出光电二极管PD部的全部信号电荷。
图9A至9C分别表示出WDM电路18的动作。图9A表示出ADC输出信号，并且横轴是光量，纵轴是ADC输出电平。首先，与光量成比例，信号STL增加。增加到以低电平的读出电压所限制的光电二极管PD部的饱和信号为止。该饱和的设定为，在小于等于10位的1023电平光电二极管PD部饱和。若在光电二极管PD部中饱和，则产生信号STS。由于斜率是由存储时间比来决定的，因而成为约1/8的斜率。在将光电二极管PD部的饱和设为1/2设定(500LSB)时，通过本驱动能获得约4倍的动态范围。各像素光电二极管PD部的饱和因为读出栅极的阈值电压Vth分散，所以饱和也分散。其结果为，致使作为信号STS上升起点的光量也分散。
图9B示出增益处理后的光电转换特性。在此，将信号STS放大为8倍。成为和信号STL大致相同的斜率。
图9C示出将信号STL放大为8倍且对信号STS进行加法运算后的加法运算输出特性。由于光电二极管PD部的饱和电平不同，因而加法运算电平不同，但是能按照光量大致以直线得到加法运算输出信号。因为分开获得AD转换后的信号STL和信号STS，所以不需要分开，就可以分别进行增益设定，因此能够通过简单地将信号STS放大，并进行加法运算而使输出信号直线化。
还有，在本实施方式中，虽然以对2个信号进行加法运算的内容进行了说明，但是只要在1个水平扫描期间由VREF发生电路发生大于等于3次基准波形，以大于等于4电平的电压使存储时间不同来控制脉冲信号VREAD，并且设置大于等于2个的行存储器W来分别对存储时间不同的信号进行加法运算，就可以进一步扩大动态范围。
下面，作为根据本发明第4实施方式的固体摄像装置，说明可增加饱和信号电荷的第1动态范围扩大方法。
图10用于说明根据本发明第4实施方式的固体摄像装置，并且是表示放大型CMOS图像传感器概略结构的框图。图10所示的电路和图6所示的电路的不同之处为，没有设置像素的驱动用脉冲振幅控制电路28。
图11是表示上述图10所示的CMOS图像传感器动作时序的波形图。在本示例中，将由垂直的n行的光电二极管PD进行光电转换并存储的存储时间设为TL＝525H。另外，设为短的存储时间TS＝66H。短的存储时间可以通过在TL＝525H期间的中途输入复位脉冲来实现。存储时间TL可以由ES寄存器21按每1H进行控制。存储时间TS可以由WD寄存器27按每1H进行控制。
第1次的读出动作在时刻t4与水平同步脉冲HP同步，给像素部12输入脉冲信号RESETn、ADRESn，并读出在检测节点FD所存储的信号，由此来进行。该第1次读出的信号电荷在存储时间525H的中途的时刻t2输入复位脉冲并释放检测节点FD所存储的信号电荷，在时刻t4读出在时刻t2～t4的期间检测节点FD所存储的信号。此时，不施加读出脉冲READn。
对于此时的信号读出来说，首先将在检测节点FD所存储的信号电荷读出到图2的电容C2中。接着，输入脉冲信号RESETn使检测节点FD的信号电荷复位，并将复位电平输出给图2的电容C1。复位电平的信号获取时基准波形的振幅设定为中间电平来读出。该中间电平在传感器内进行自动调整，以便像素部12的遮光像素(OB)部成为64LSB。接着，对于所读出的信号，在水平扫描期间的前半程0.5H期间作为基准波形使之发生三角波，实施10位的AD转换。AD转换后的信号保持于锁存电路中，在水平扫描期间的后半程0.5H期间由传感器内核部11作为转换信号STSn加以输出，并输入到行存储器W37中。
从像素部12开始的第2次读出动作时(t5)，在第1次的0.5H后期给像素部12输入脉冲信号RESETn、READn、ADRESn，由光电二极管PD进行光电转换并读出所存储的信号电荷。将脉冲信号RESETn变为“H”电平而打开复位晶体管Tc，随后在将其关闭获取复位电平时，基准波形的振幅设定为中间电平来读出。该中间电平在传感器内进行自动调整，以便像素部12的遮光像素(OB)部成为64LSB。接着，通过将脉冲信号READn变为“H”电平使读出晶体管Td打开，来读出信号。对于该所读出的信号，在水平扫描期间的后半程0.5H期间作为基准波形使之发生三角波，实施10位的AD转换。AD转换后的信号保持于锁存电路15中，在下面的水平扫描期间的前半程0.5H期间由从传感器内核部11作为转换信号STLn加以输出。
所输出的信号STSn如图10所示，在宽动态范围混频(WDM)电路18的行存储器W37中使之延迟1H期间，并由增益电路33放大，与信号STLn进行加法运算。加法运算后的信号在行存储器OUT38进行速度转换，并以1/2的低速加以输出，由此在1个水平扫描期间输出数据OUT0～OUT12。
WDM电路18的增益设定是通过调整信号STSn的增益乘数以便加法运算后的信号(STLn+STSn)按照光量成为直线，来进行的。通常情况下，由于增益运算按存储时间之比来运算，因而根据上述设定成为525/66＝8倍。传感器的输出信号以13位(DOUT0～DOUT12)进行输出。
图12A和12B表示出上述图11所示的动作时序图中时刻t1～t5的像素部的剖面图和电位图，图12A示出存储大信号时的剖面图和电位图，图12B示出存储小信号时的剖面图和电位图。
在p型半导体基板上设置有n型的杂质扩散区域，来形成光电二极管PD，该n型杂质扩散区域的表面利用p型杂质扩散区域进行密封。借此，形成缺陷和黑暗时不均匀较小的嵌入型光电二极管PD。检测节点FD在n型杂质扩散区域上形成，并且和上述光电二极管PD的n型杂质扩散区域一起，作为读出晶体管(读出栅极)Td的源极、漏极区域进行工作。在这些n型杂质扩散区域间的基板上，经由未图示的栅极绝缘膜而设置有由多晶硅构成的栅电极。给该栅电极提供读出脉冲READ。与作为上述检测节点FD的n型杂质扩散区域邻接，设置有n型杂质扩散区域。该n型杂质扩散区域作为复位晶体管(复位栅极)Tc的漏极区域进行工作，并且上述检测节点FD的n型杂质扩散区域作为源极区域进行工作。给上述漏极区域施加漏极电压VD(＝2.8V，例如VDD)。在这些n型杂质扩散区域间的基板上，经由未图示的栅极绝缘膜而设置有由多晶硅构成的栅电极。给该栅电极提供复位脉冲RESET。然后，通过该复位晶体管Tc，可以使上述检测节点FD复位成漏极电压VD。由于读出栅极常开，因而在是耗尽型晶体管(depletion type transistor)或增强型(enhancement)且关闭的栅极时，施加低电压，向检测节点FD流出信号。
在存储大信号时如图12A所示，在时刻t1，在光电二极管PD部中饱和的信号电荷流向检测节点FD。通过在时刻t2打开复位栅极，来释放在检测节点FD所存储的信号电荷。在接下来的时刻t3，在光电二极管PD部中大于饱和的信号电荷向检测节点FD流出，在检测节点FD再存储信号。在时刻t4，读出在检测节点FD所存储的信号。然后，在时刻t5，通过施加读出电压，在检测节点FD读出在光电二极管PD部中饱和的信号电荷。
与此相对，在存储小信号时如图12B所示，在时刻t1，在光电二极管PD部中存储信号电荷。在时刻t2施加复位栅极脉冲RESET，释放检测节点FD的泄漏电荷。在接下来的时刻t3，由于在光电二极管PD部没有出现饱和，因而信号电荷不流入检测节点FD。在时刻t4，虽然读出在检测节点FD所存储的信号，但是因为未向检测节点FD流入信号电荷，所以输出无信号。然后，在时刻t5，通过施加读出脉冲，在检测节点FD读出光电二极管PD部中所存储的信号电荷。在WDM电路18，在输入了信号STS时和信号STL进行加法运算。
图13A至13C分别表示出上述WDM电路18的动作。图13A是ADC输出信号，并且在横轴上表示光量，在纵轴上表示ADC输出电平。首先，与光量成比例，信号STL增加。ADC输出增加到光电二极管PD部的饱和信号为止。该饱和的设定为，在小于等于10位的1023电平光电二极管PD部饱和。若在光电二极管PD部中饱和，则产生信号STS。由于斜率是由存储时间比来决定的，因而成为约1/8的斜率。在将光电二极管PD部的饱和设定为900LSB时，通过本驱动能得到约8倍的动态范围。各像素的光电二极管PD部的饱和因为读出栅极的阈值电压Vth分散，所以饱和也分散。由此，致使作为信号STS上升起点的光量也分散。
图13B示出增益处理后的光电转换特性。在此，将信号STS放大为8倍。成为和信号STL大致相同的斜率。
图13C示出将信号STL放大为8倍且对信号STS进行加法运算后的加法运算输出特性。由于光电二极管PD部的饱和电平不同，因而加法运算电平不同，但是能按照光量大致以直线得到加法运算输出信号。
在本实施方式中，由于分开获得信号STL和信号STS，因而可以分别进行增益设定，因此可以简单地通过只放大信号STS进行加法运算，使输出信号直线化。
下面，作为根据本发明第5实施方式的固体摄像装置，说明可增加饱和信号电荷的第2动态范围扩大方法。
图14用于说明根据本发明第5实施方式的固体摄像装置，表示出放大型CMOS图像传感器的结构图。图14所示的电路和图10的不同之处为，设置了像素的复位用的脉冲振幅控制电路28。在WDM电路18中设置了电路39，该电路39用于在行存储器W37中使信号STS延迟之后对信号STS的非线性输出信号进行线性转换。该传感器的输出信号设为12位(DOUT0～DOUT11)。
图15是表示上述图14所示的CMOS图像传感器动作时序的波形图。在本示例中，设为由垂直的n行的光电二极管PD进行光电转换并存储的存储时间TL＝525H。另外，设为短的存储时间TS＝66H。存储时间长的TL是以高电平(＝2.8V)对复位用脉冲信号的振幅进行控制的。短的存储时间TS是以低电平(＝1.5V)对复位用脉冲信号的振幅进行控制的。为了使之发生该脉冲信号，通过上述脉冲振幅控制电路28进行控制。上述存储时间TL可以由ES寄存器21按每1H进行控制。上述存储时间TS可以由WD寄存器27按每1H进行控制。
第1次的读出动作在时刻t4上与水平同步脉冲HP同步，给像素部12输入高电平的脉冲信号VRESET(＝2.8V)、RESETn、ADRESn，来读出在检测节点FD所存储的信号。第1次读出的信号电荷在存储时间525H的中途的时刻t2按复位用脉冲信号的振幅输入低电平的脉冲信号VRESET(＝1.5V)，并释放检测节点FD的一部分信号电荷。然后，在时刻t4从像素部12读出在时刻t2～t4的期间检测节点FD所存储的信号电荷。此时，不施加读出脉冲READn。
对于此时的信号读出来说，首先将在检测节点FD所存储的信号电荷读出到图2的电容C2中。接着，输入脉冲信号RESETn使检测节点FD的信号电荷复位，并将复位电平输出给图2的电容C1。复位电平的信号获取时的基准波形的振幅设定为中间电平加以读出。该中间电平在传感器内进行自动调整，以便像素部12的遮光像素(OB)部成为64LSB。接着，对于所读出的信号，在水平扫描期间的前半程0.5H期间作为基准波形使之发生三角波，实施10位的AD转换。AD转换后的信号保持于锁存电路15中，在水平扫描期间的后半程0.5H期间由传感器内核部11作为转换信号STSn加以输出，并输入到行存储器W37中。
从像素部12开始的第2次读出动作时(t5)，在第1次的0.5H后期给像素部12输入高电平的脉冲信号RESETn、READn、ADRESn，来读出由光电二极管PD进行光电转换所存储的信号电荷。将脉冲信号RESETn变为“H”电平而打开复位晶体管Tc，随后在将其关闭获取复位电平时，基准波形的振幅设定为中间电平来读出。该中间电平在传感器内进行自动调整，以便像素部12的遮光像素(OB)部成为64LSB。接着，通过将脉冲信号READn变为“H”电平使读出晶体管Td打开，来读出信号。对于该所读出的信号，在水平扫描期间的后半程0.5H期间作为基准波形使之发生三角波，实施10位的AD转换。AD转换后的信号保持于锁存电路15中，在下面的水平扫描期间的前半程0.5H期间由传感器内核部11作为转换信号STLn加以输出。
所输出的信号STSn如图14所示，在宽动态范围混频(WDM)电路18的行存储器W37中使之延迟1H期间，由线性转换电路39将非线性输出信号转换为线性，并和信号STLn进行加法运算。加法运算后的信号在行存储器OUT38中进行速度转换，并以1/2的低速进行输出，由此在1个水平扫描期间输出数据。
上述WDM电路18的增益设定是通过调整信号STSn的增益乘数以便加法运算后的信号(STLn+STSn)按照光量成为直线，来进行的。通常情况下，由于增益运算按存储时间之比来运算，因而根据上述设定成为525/66＝8倍。该传感器的输出信号以14位(DOUT0～DOUT13)进行输出。
图16A和16B示出上述图15所示的动作时序图中时刻t1～t5的像素部剖面图和电位图，图16A示出存储大信号时的剖面图和电位图，图16B示出存储小信号时的剖面图和电位图。
在p型半导体基板上设置有n型的杂质扩散区域，来形成光电二极管PD，该n型杂质扩散区域的表面利用p型杂质扩散区域进行密封。借此，形成缺陷和黑暗时不均匀较小的嵌入型光电二极管PD。检测节点FD在n型杂质扩散区域上形成，并且和上述光电二极管PD的n型杂质扩散区域一起，作为读出晶体管(读出栅极)Td的源极、漏极区域进行工作。在这些n型杂质扩散区域间的基板上，经由未图示的栅极绝缘膜而设置有由多晶硅构成的栅电极。给该栅电极提供读出脉冲READ。与作为上述检测节点FD的n型杂质扩散区域邻接，设置有n型杂质扩散区域。该n型杂质扩散区域作为复位晶体管(复位栅极)Tc的漏极区域进行工作，并且上述检测节点FD的n型杂质扩散区域作为源极区域进行工作。给上述漏极区域施加漏极电压VD(＝2.8V，例如VDD)。在这些n型杂质扩散区域间的基板上，经由未图示的栅极绝缘膜而设置有由多晶硅构成的栅电极。给该栅电极提供复位脉冲RESET。然后，通过该复位晶体管Tc，可以使上述检测节点FD复位成漏极电压VD。该检测节点FD的电位以复位栅极的高电平来决定。上述复位栅极给有些开口的耗尽型晶体管或增强型晶体管施加低电压。另外，上述复位栅极即便在高电平的施加电压时，仍成为比电源VDD(＝2.8V)更低的电位。作为上述检测节点FD的Knee点的信号量可以按VRESET的电压差进行控制。
在存储大信号时如图16A所示，在时刻t1，在光电二极管PD部中出现了饱和的信号电荷流向检测节点FD。通过在时刻t2以低电平打开复位栅极，来释放在检测节点FD所存储的信号电荷一部分。在接下来的时刻t3，大于光电二极管PD部饱和信号的信号电荷流入检测节点FD，在检测节点FD中再存储信号。在时刻t4，读出在检测节点FD所存储的信号。然后，通过以高电平的复位用脉冲信号使检测节点FD复位，并在时刻t5施加读出脉冲，而在检测节点FD读出在光电二极管PD部中出现饱和的信号电荷。
与此相对，在存储小信号时如图6B所示，在时刻t1，在光电二极管PD部中存储信号电荷。虽然在时刻t2以低电平打开复位栅极，但是由于在检测节点FD未存储信号电荷，因而信号电荷不被释放。在接下来的时刻t3，由于在光电二极管PD中没有出现饱和，因而信号电荷不流入检测节点FD。在时刻t4，由于未向检测节点FD流入信号电荷，因而作为无信号进行输出。然后，在时刻t5，通过施加读出电压，在检测节点FD读出光电二极管PD部所存储的信号电荷，并进行输出。
图17A至17C分别表示出上述WDM电路18的动作。图17A是ADC输出信号，并且在横轴上表示光量，在纵轴上表示ADC输出电平。首先，与光量成比例，信号STL增加。ADC输出增加到光电二极管PD部的饱和信号为止。该饱和的设定为，在小于等于10位的1023电平光电二极管PD部饱和。若在光电二极管PD部中出现了饱和，则产生信号STS。开始的斜率因为存储时间相同，所以和信号STL相同。然后，在根据复位用脉冲信号的高电平和低电平之差决定的信号电平Knee(k)上斜率成为约1/8的斜率。该斜率是由存储时间TS来决定的。在将检测节点FD的饱和设定为500LSB时，通过本驱动能得到约5倍的动态范围。各像素的光电二极管PD部的饱和因为读出栅极的阈值电压Vth分散，所以饱和也分散。因此，致使作为信号STS上升起节点的光量也分散。
图17B示出非线性处理后的光电转换特性。信号STS将大于等于k点的信号放大成8倍。其结果为，非线性的STS输出信号大致成为直线。
图17C示出使信号STL直线化且对信号STS进行加法运算后的加法运算输出特性。由于光电二极管PD部的饱和电平不同，因而加法运算电平不同，但是能按照光量大致以直线得到加法运算输出信号。
还有，在本实施方式中，虽然使用了线性转换电路39，但是也可以将时刻t4的输出分成2次进行输出。这种情况下，首先在使检测节点FD的信号复位时，复位为和时刻t2相同的电平使，由此对信号STSn进行AD转换并输出数字信号。接着，用脉冲信号VRESET(＝2.8V)使检测节点FD中剩余的信号复位。对该信号再次进行AD转换并输出数字信号。然后，第3次对光电二极管PD部所存储的信号电荷进行AD转换，并输出数字信号。这样，其设定为，在1个水平扫描期间进行3次AD转换。通过由WDM电路18对这样所得到的各个数字信号进行加法运算，来扩大动态范围。
图18用于说明根据本发明第6实施方式的固体摄像装置，并且是表示放大型CMOS图像传感器概略结构的框图。和图14的不同之处在于，还在传感器内核部11的上部设置了ADC14-2。为了进行该ADC14-2的控制，在VREF发生电路24中设置各自的VREFTL电路和VREFTS电路，分别提供给上下的ADC14-1、14-2。因此，来自像素的信号在水平同步脉冲的初期分别从像素读出信号。随后，上下的ADC14-1、14-2同时进行AD转换动作。因此，从上下同时获得信号OUTS和信号OUTL。
在上述那种结构中，在WDM电路18中不需要行存储器M。在WDM电路18，输入信号OUTL，并将信号STL输出给加法电路36和判定电路34。另一方面，信号OUTS进行-64LSB处理，由增益电路33进行放大。在判定电路34中按信号STL的1023LSB饱和时，打开开关35将放大后的信号STS输入给加法电路36，和信号STL进行加法运算。加法运算输出将位数增加成12位，由传感器进行输出。由于信号OUTS和信号OUTL基本上在水平扫描期间进行输出，因而也不需要速度转换用的行存储器OUT。
还有，该第6实施方式同样也可以适用于上述第1至第5实施方式。
图19用于说明根据本发明第7实施方式的固体摄像装置，并且是表示放大型CMOS图像传感器概略结构的框图。和图4的不同之处为，在WDM电路18中将行存储器W37设为1条。在像素部12中，将2行的信号作为1个信号进行加法运算。也就是说，信号行TLn和信号行TSn有所不同，按2行的每对设为存储时间长的信号TL和存储时间短的信号TS。该存储时间由ES寄存器21来控制存储时间长的信号TL，由WD寄存器27来控制存储时间短的信号TS。读出方法虽然用TL信号和TS信号读出的行是不同的，但是和图3相同。特别是，若在使垂直行数成为1/2的监控中使用，则可以在标准模式下以高分辨率模式、监控模式实现宽动态范围。
图20用于说明根据本发明第8实施方式的固体摄像装置，并且是放大型CMOS图像传感器的信号处理结构图。在该图20中，表示出WDM电路18之后的结构。图21A至21C及图22A至22C分别示出图20所示的CMOS图像传感器的处理动作图，图21A至21C示出第1方式，图22A至22C示出第2方式。
在宽动态范围模式下，传感器输出的位数增加。其原因为，由于PIN数的增大，因而芯片尺寸有所增大，或是模块尺寸变大。再者，还造成数字输出的噪声增加。因此，在第8实施方式中，降低了输出位数。
也就是说，WDM电路18的输出信号的位数有所增加。对该增加后的信号，取得R信号、G信号、B信号的白平衡(WB)，并由信号压缩电路40对高电平的信号进行压缩，由此来降低输出的位数。该信号压缩电路40的结构为，通过将WDM电路18的输出信号进行伽马校正表或折线压缩转换来对存储时间短的信号进行高压缩。
作为压缩方法，具有进行由信号处理正在使用的伽马校正的方法，以及将某个电平以上以线性方式进行压缩的方法。在DSP41一侧，用前一压缩方法的反向使信号线性化进行信号处理。白平衡按照DSP41的信号处理信息来控制RGB的各增益。当然，虽然也可以在传感器一侧不取得白平衡，但是通过取得白平衡，有能按以往的10位处理原状态来使用后级的信号处理的优点。也就是说，也可以将在DSP一侧的压缩后的信号恢复原状。
在纵列ADC式CMOS传感器中，在1个水平扫描期间对存储时间长的信号和存储时间短的信号分别进行AD转换加以输出，并通过对所读出的2个信号进行加法运算，就可以实现动态范围较宽的CMOS传感器。
因而，可以扩大与完全传送型光电二极管相对应的动态范围。对于低照度，能得到有效利用完全传送型光电二极管的黑暗时不均匀较少的信号，谋求高画面质量化。另外，即便在检测节点进行存储时，也可以通过缩短在检测节点的存储时间，来降低泄漏信号。再者，虽然以往难以分离存储时间长的信号和存储时间短的信号，但是采在本实施方式中，通过分离输出存储时间长的信号和存储时间短的信号，可以不需要分开动作。
如上所述，根据本发明实施方式的固体摄像装置，像素部在半导体基板上二维配置，并且来自像素部的输出信号被输入到像素部区域的端部所设置的AD转换电路中，输出AD转换后的数字输出信号，该像素部包括光电二极管；存储单元，用于存储由光电二极管进行光电转换后的电荷；读出单元，用于在检测节点读出所存储的电荷；放大单元，用于输出检测节点的电荷；复位单元，用于使检测节点复位，该固体摄像装置具备下述电路，该电路用于在上述固体摄像装置的1帧存储期间从像素部分多次读出在像素部中使存储时间不同的多个信号，进行AD转换，并对所得到的多次数字输出信号进行加法运算。
而且，作为优选的实施方式，能举出下面的方式。
(a)在上述装置中具备下述电路，该电路用于将上述多个AD转换后的数字输出信号之一输入到行存储器中并使之延迟，和不同于行存储器输出信号的未延迟的数字信号进行加法运算。
(b)在上述装置中具备宽动态范围混频电路，用于在上述像素部中对存储时间长的信号和存储时间短的信号进行存储，从像素部分别读出存储时间长的信号和存储时间短的信号进行AD转换，将存储时间短的信号放大并与存储时间长的信号进行加法运算，与AD转换电路的位数相比使之增加，并进行输出。
(c)在上述装置中具备信号压缩电路，通过将上述宽动态范围混频电路的输出信号进行伽马校正表或折线压缩转换，对存储时间短的信号进行高压缩。
另外，根据本发明其他实施方式的固体摄像装置，像素部在半导体基板上二维配置，并且来自像素部的输出信号被输入到像素部区域的上下端部所设置的AD转换电路中，输出AD转换后的数字输出信号，该像素部包括光电二极管；存储单元，用于存储由光电二极管进行光电转换后的电荷；读出单元，用于在检测节点读出所存储的电荷；放大单元，用于输出检测节点的电荷；复位单元，用于使检测节点复位，该固体摄像装置具备下述电路，该电路用于在上述固体摄像装置的1帧存储期间对在像素部存储时间长的信号和存储时间短的信号进行存储，从像素部读出存储时间长的信号，由一个AD转换电路进行输出，由另一个AD转换电路输出存储时间短的信号，对各自的AD转换输出信号进行加法运算。
而且，作为优选的实施方式，能举出下面的方式。
(a)在上述装置中，具备长存储时间控制用的垂直寄存器和短存储时间控制的垂直寄存器，用于控制上述像素部的存储时间。
(b)具备电压控制电路，用于使读出单元的读出电压在1帧动作期间可变，该读出单元用于从上述光电二极管进行读出。
(c)具备电压控制电路，用于使复位单元的施加电压在1帧动作期间可变，该复位单元用于使上述检测节点复位。
(d)具备下述电路，该电路用于将在上述像素部中存储时间长的信号和存储时间短的信号不同的垂直行作为1组，分别加以读出进行AD转换，并对各自的AD转换输出信号进行加法运算。
如上所述，按照本发明的一个特征，能得到一种固体摄像装置，该固体摄像装置可以不招致画面质量下降而扩大动态范围。
对于本领域的技术人员来说，其它的优点和变形会很容易。因此，在更宽的方面来说，本发明并不局限于本文中所示出并已描述的特定细节和有代表性的实施例。因此，在不脱离由所附的权利要求和其等效内容所限定的通用发明原理的精神或范围的情况下可以做出各种变形。
权利要求
1.一种固体摄像装置，其特征为，包括像素部，其包含光电转换单元、读出单元、放大单元及复位单元的像元被二维配置在半导体基板上，该光电转换单元存储对入射光进行光电转换所得到的电荷，该读出单元在检测节点读出上述光电转换单元中所存储的电荷，该放大单元对在上述检测节点读出的电荷放大并输出，该复位单元用于复位上述检测节点；AD转换电路，其构成为，将从上述放大单元输出的模拟信号转换成数字信号并输出；控制电路，其构成为，控制上述像素部及上述AD转换电路，通过上述AD转换电路对1帧的电荷存储期间内存储时间不同的多个模拟信号进行AD转换；以及加法电路，其构成为，将从上述AD转换电路输出的与上述存储时间不同的多个模拟信号对应的数字信号相加。
2.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征为，还具备源极随耦电路用的负载晶体管，各电流通路分别连接于上述像素部的各垂直信号线和接地点之间；偏压发生电路，对上述负载晶体管的栅极施加偏压。
3.根据权利要求2所述的固体摄像装置，其特征为还具备基准波形发生电路，生成AD转换用的基准波形并提供给上述AD转换电路。
4.根据权利要求3所述的固体摄像装置，其特征为由上述基准波形发生电路生成的AD转换用基准波形是用于在1个水平扫描期间执行2次AD转换的第1、第2三角波。
5.根据权利要求2所述的固体摄像装置，其特征为还具备噪声消除电路，配置于上述像素部和上述AD转换电路之间，从与由上述光电转换单元生成的电荷相对应的模拟信号中除去噪声，并提供给上述AD转换电路。
6.根据权利要求5所述的固体摄像装置，其特征为还具备锁存电路，对从上述AD转换电路输出的数字信号进行锁存。
7.根据权利要求6所述的固体摄像装置，其特征为还具备移位寄存器，用于依次传送并读出上述锁存电路中所锁存的数字信号。
8.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征为上述加法电路具备行存储器，该行存储器中输入由上述AD转换电路对上述光电转换单元中的存储时间不同的多个模拟信号进行AD转换所得到的数字信号之一，所述加法电路将从上述行存储器输出的被延迟的数字信号和未在该行存储器中被延迟的数字信号相加。
9.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征为还具备下述电路，该电路的构成为，对于从上述像素部分别读出、由上述AD转换电路进行了AD转换并被读出到1组不同的垂直行的数字信号，将与存储时间长的模拟信号对应的数字信号和与存储时间短的模拟信号对应的数字信号相加。
10.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征为还具备宽动态范围混频电路，其构成为，将与从上述像素部读出、由上述AD转换电路进行了AD转换的存储时间短的模拟信号对应的数字信号放大之后，和与存储时间长的模拟信号对应的数字信号相加，增加到比上述AD转换电路的位数大之后进行输出。
11.根据权利要求10所述的固体摄像装置，其特征为还具备信号压缩电路，其构成为，通过将上述宽动态范围混频电路的输出信号进行伽马校正表或折线压缩转换来对存储时间短的信号进行高压缩。
12.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征为还具备用于控制上述像素部的存储时间的长时间存储时间控制用的第1垂直寄存器和短存储时间控制用的第2垂直寄存器。
13.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征为还具备电压控制电路，使上述读出单元的读出电压在1帧动作期间可变。
14.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征为还具备电压控制电路，用于使上述复位单元的施加电压在1帧动作期间可变。
15.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征为还具备下述电路，该电路对在上述像素部中的存储时间长的信号和存储时间短的信号，以不同的垂直行作为1组，分别读出并进行AD转换，并将各AD转换输出信号相加。
16.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征为上述光电转换单元是阳极被接地的光电二极管；上述读出单元是读出晶体管，电流通路的一端与上述光电二极管的阴极连接，并给栅极提供读出脉冲；上述放大单元是放大晶体管，栅极与上述读出晶体管的电流通路的另一端连接，并且电流通路的一端与垂直信号线连接；上述复位单元是复位晶体管，电流通路的一端与电源连接，电流通路的另一端与上述放大晶体管的栅极连接，并给栅极提供复位脉冲；上述检测节点是上述放大晶体管的栅极、上述读出晶体管的电流通路的另一端及上述复位晶体管的电流通路的另一端的连接节点。
17.根据权利要求16所述的固体摄像装置，其特征为还具备行选择晶体管，电流通路的一端与上述电源连接，电流通路的另一端与上述放大晶体管的电流通路的另一端连接，给栅极提供地址脉冲。
全文摘要
固体摄像装置具备像素部、AD转换电路、控制电路及加法电路。在像素部上，其像元在半导体基板上二维配置。从上述像素部输出的模拟信号通过上述AD转换电路转换成数字信号，并加以输出。控制电路用于控制像素部及AD转换电路，在1帧的电荷存储期间使上述像素部中存储时间不同的多个模拟信号通过上述AD转换电路进行AD转换。加法电路用于对从AD转换电路所输出的与存储时间不同的多个模拟信号对应的数字信号进行加法运算。
文档编号H04N5/353GK1842138SQ200610071058
公开日2006年10月4日 申请日期2006年3月31日 优先权日2005年3月31日
发明者江川佳孝, 大泽慎治 申请人:株式会社东芝