专利名称：光电转换装置、其控制方法、成像装置和成像系统的制作方法
光电转换装置、其控制方法、成像装置和成像系统 技术领域
在时刻h，脉沖信号(J)SELi的电位变为H，而脉冲信号 小RESi的电位变为L。在这种状态下，复位开关107断开，而选择晶体 管106接通。因此，源极跟随器晶体管108开始向垂直输出线V,输出复 位电平。在该操作中，如果强光入射到像素101上从而在光电二极管104 中产生电荷(电子)，则源极跟随器晶体管108操作以向垂直输出线Vi输 出低于复位电平的电压。
如上所述，该实施例可以使用少量的晶体管实现具有高限 幅能力的限幅电路。
在该实施例中，从高效限幅操作的观点来看，优选将流向 用作公共栅极放大器163的电流源负栽的PMOS晶体管166的电流值设 置为小于流向电流源负载109的电流值，以增加公共栅极放大器的增 益。
为了相同的原因，优选将流向公共栅极放大器的电流设置 为低于流向PMOS晶体管168的漏电流。为此，晶体管尺寸设计为使得 PMOS晶体管168的跨导大于NMOS晶体管165和PMOS晶体管166的 跨导，从而使PMOS晶体管168的驱动力更大。
在该实施例中，限幅电路112包括公共栅极放大器和公共 源极放大器的级联连接。但是本发明不限于此。(第三实施例)
在本发明的第三优选实施例中，描述通过针对每一列控制 流向第二实施例的限幅电路中的公共栅极放大器163的电流源负载的 电流值来控制限幅操作的实施例。该实施例使得能够改善列与列之间 的信号不均匀，该信号不均匀是由于制造差异造成的限幅电路之间的 特性差异而发生的。
图5是示出根据本发明第三优选实施例的成像装置的配置 的图。向公共栅极放大器的电流源负栽提供偏压的D/A(数字模拟)转换 器210连接到每个限幅电路112。列存储单元220连接到D/A转换器210。 外部输入端子240通过列存储选择器开关230连接到每个列存储单元 220。
下面描述该成像装置的操作。限幅电路的特性由于例如制 造差异而有所不同。这使垂直输出线的限幅电压变化。外部准备的存储表存储列与列之间的限幅电压变化。基于该限幅电压变化，所述装置计算用于校正列与列之间变化的偏压值，并从外部输入端子240向 CMOS图像传感器输入该偏压的数字值。列存储单元220通过列存储选 择器开关230依次存储从外部输入端输入的校正数据。在存储器中的存 储完成之后，D/A转换器210将数字值转换为模拟电压值。可以通过用k限幅电压。这使得能够获得改善了列与^之间的信号不均匀性的成 像结果。
在本发明的笫四优选实施例中，将描述一种可以基于限幅 电路中流动的电流可以控制限幅操作的事实根据其驱动条件执行最佳 限幅操作的成像装置。0055在第二实施例的电路中，电流值控制公共栅极放大器的增 益。图6是示出通过增益控制得到的限幅操作中的变化的图，参照图6， 水平轴代表FD的电位，竖直轴代表垂直输出线的电压。[0056当垂直输出线达到由图6的线A表示的预定电压时，限幅 电路开始操作。此时，如果限幅电路的公共栅极放大器的增益高，则 该装置执行限幅操作，同时稍微降低垂直输出线的电压，如曲线801 所示。这改善了限幅能力。[0057相反，如果增益低，则限幅电路执行曲线802表示的限幅 操作。当增益低时，限幅能力也低。但是，由于开关点变得适中，因 此抵抗像素输出中的变化的能力增大。0058图7示出利用上述特性的成像装置的实施例。成像装置包 括像素101至103、限幅电路112、 D/A转换器210、模式确定单元300、 电流源负栽109、垂直扫描电路IIO、水平扫描电路120、 CDS电路130、 选择器开关140和输出放大器150。
0059在图7中，模式确定单元300确定成像装置的驱动条件，以 便作为数字值向D/A转换器210施加取决于该驱动条件的偏压。D/A转 换器210将该数字值转换为模拟电压，并通过节点200将其施加到限幅 电路。0060下面描述CDS电路130包括信号放大功能并根据增益调整 偏压的例子。当增益高时，确定成像条件为在很难发生黑化的低亮度 下的条件。设置用于实施如图6中曲线802所表示的限幅操作的偏压， 以进行低噪声设定。当增益低时，确定成像条件为在很容易发生黑化 的高亮度下的条件。设置用于实施如图6中曲线801所表示的限幅操作 的偏压，重点在于限幅电位变化的减小和更宽的动态范围。[00611上面描述了根据CDS电路的增益优化限幅操作的方法。但 是，在运动图像和静止图像之间切换时或者切换读出机制时，该实施 例不仅适用于更改CDS电路的增益，而且还使得能够根据成像装置的 驱动条件实现最佳的限幅操作。[0062第三和第四实施例通过4吏D/A转换器调整将要施加在用 作电流源负载的晶体管的栅极上的偏压来控制电流值。但是，电流值 调整方法不限于此。[0063上述实施例是以包括4个晶体管即选择晶体管、源极跟随 器晶体管、复位开关(复位晶体管)和传输晶体管的像素结构为例来描 述的。但是，本发明不限于此。任何其它像素结构也都可以采用，只 要该像素结构可以保证复位电平和信号电平之间的差异。(应用示例)[0064图8是示出使用根据本发明优选实施例的成像装置的成像 系统的配置的图。该系统通过使来自物体的光(物体图像)穿过由光阑 片l限定的开口，并且由用作拍摄光学系统的透镜2在光电转换装置4 上形成图像，来执行光电转换。滤波器组3包括例如截除光的高频分量 以防止莫尔紋的光学低通滤波器、颜色校正滤波器和红外线截除滤波器的组合。光电转换装置4使水平扫描电路120和垂直扫描,路ll0根据 来自地址指定单元8的信号以二维方式选择像素，并且向定时调整单元 7输出信号。定时调整单元7调整来自光电转换装置4的一个或多个输出 信号的定时。AGC(自动增益控制器)10控制从定时调整单元7输出的信 号的电压。A/D转换器ll将该信号转换为数字信号，以产生图像信息。 相机DSP 12处理运动图像或静止图像的图像信息。用作控制单元的 MPU 14在相机DSP 12中设置用于图像处理的参数或执行AF/AE操 作。聚焦电机51前后移动聚焦透镜(未示出)以执行AF操作。DRAM 13 用作用于图像处理的临时存储区。记录介质18用作非易失存储区。记 录介质18的例子包括智能介质、磁带和光盘。视频编码器15和CRT 16 显示经过处理的图像。例如采用LCD的取景器17用于在存储于记录介 质18之前看物体。输出装置不限于CRT16和取景器17。例如，也可以 使用打印机。振荡器9产生提供给相机DSP 12和MPU 14的时钟信号。 显示区指定单元19在例如取景器17上指定用于显示从光电转换装置4 读出的图像的显示区域。0065虽然参照示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本 发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应当被赋予 最宽泛的解释，从而涵盖所有这样的修改和等同结构及功能。
权利要求
1. 一种光电转换装置，包括多个像素，每个像素具有光电转换单元，配置为将光转换为电 荷并存储该电荷；放大单元，配置为放大基于存储在光电转换单元中 的电荷的信号并向输出线输出该信号；以及复位单元，配置为将放大 单元的输入部分复位；以及限幅单元，配置为限制输出线的电压，该限幅单元包括放大电 路，用于放大基于输出线的电压的信号；和MOS晶体管，用于基于 栅极和源极之间的电位差限制输出线的电压，所述限幅单元通过放大 电路控制MOS晶体管的栅极的电位。
2. 根据权利要求1的光电转换装置，其中所述放大电路包括运 算放大器，该运算放大器包括，与输出线连接的反相输入端；以及 被施加预定电压的非反相输入端，其中所述放大电路根据施加在反相输入端的电压和施加在非反 相输入端的电压之差来输出电压。
3. 根据权利要求2的光电转换装置，其中所述限幅电路还包括 配置为向非反相输入端施加所述预定电压的控制单元，其中当由复位单元设定的复位电平被读取到输出线上时，该控制 单元向非反相输入端施加第一电压作为所述预定电压，而当基于存储在光电转换单元中的电荷的信号被读取到输出线上 时，该控制单元向非反相输入端施加低于第一电压的第二电压作为所 述预定电压。
4. 根据权利要求3的光电转换装置，其中当由复位单元设定的 复位电平被读取到输出线上时，在输出线的电压低于所述预定电压的 情况下，所述运算放大器执行操作以将输出线的电压稳定在第一电压。
5. 根据权利要求1的光电转换装置，其中所述放大电路包括公 共栅极放大器和公共源极放大器，该公共栅极放大器根据输出线的电 压和所述预定电压之差向第一节点输出电压，所述公共源极放大器使 用该第一节点作为输入节点，并且公共源极放大器的输出节点与输出 线连接。
6. 根据权利要求1的光电转换装置，其中电流源负栽与所述输 出线连接。
7. —种成像装置，包括 权利要求1所限定的光电转换装置；第一扫描电路，用于依次选择布置在该光电转换装置上的多个像 素；以及第二扫描电路，用于依次选择输出线并从第一扫描电路选择的像 素读取信号。
8. —种成像系统，包括 拍摄光学系统；权利要求7所限定的成像装置，所述成像装置对物体图像进行光 电转换，并产生图像信息。
9. 一种控制光电转换装置的方法，该光电转换装置包括光电 转换单元，配置为将光转换为电荷并存储该电荷；放大单元，配置为 放大基于存储在光电转换单元中的电荷的信号并向输出线输出该信 号；复位单元，配置为将放大单元的输入部分复位；以及限幅单元， 其配置为限制输出线的电压，该方法包括以下步骤控制MOS晶体管的栅极的电位，该MOS晶体管通过放大基于 输出线的电压的信号来基于栅极和源极之间的电位差限制输出线的电 压。
全文摘要
每个像素都具有光电转换单元，配置为将光转换为电荷并存储该电荷；放大单元，配置为放大基于存储在光电转换单元中的电荷的信号并向输出线输出该信号；以及复位单元，配置为将放大单元的输入部分复位。配置为限制输出线的电压的限幅单元包括放大电路，用于放大基于输出线的电压的信号；和MOS晶体管，用于基于栅极和源极之间的电位差限制输出线的电压。所述限幅单元通过放大电路控制MOS晶体管的栅极的电位。
文档编号H04N5/3745GK101123671SQ20071013848
公开日2008年2月13日 申请日期2007年8月8日 优先权日2006年8月8日
发明者加藤智, 小野俊明, 山下雄一郎, 高桥秀和 申请人:佳能株式会社