固体摄像装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种固体摄像装置，能够减少在列型AD转换器动作时产生的条纹。其设置有：像素阵列部(1)，呈矩阵状地配置有对光电转换后的电荷进行蓄积的像素(PC)；列ADC电路(4)，基于从像素(PC)读出的像素信号(Vsig)与基准电压(VREF)的比较结果，按照每列来计算像素信号(Vsig)的AD转换值；以及定时控制电路(7)，对该比较结果的输出定时在列间的分散进行控制。
【专利说明】固体摄像装置
【技术领域】
[0001] 本发明的实施方式涉及一种固体摄像装置。
【背景技术】
[0002] 在固体摄像装置中，在对从像素读出的像素信号进行AD转换时，有的为了缩短处 理时间而使用列型AD转换器。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的课题在于提供一种固体摄像装置，能够减少在列型AD转换器动 作时产生的条纹。
[0004] 一个实施方式的固体摄像装置的特征在于，具备：像素阵列部，呈矩阵状地配置有 对光电转换后的电荷进行蓄积的像素；基准电压产生电路，产生基准电压；列ADC电路，设 置有对从上述像素读出的像素信号与上述基准电压进行比较的比较器，该列ADC电路基于 上述比较器的比较结果按照每列来计算上述像素信号的AD转换值；垂直信号线，按照每个 上述列来传送上述像素信号；电容器，通过按照每个上述列来保持与上述像素信号对应的 电荷，由此进行模拟采样；列间短路电路，在上述模拟采样之前使上述垂直信号线在上述列 间短路；以及模拟采样时间控制部，对从解除上述列间的短路起到上述模拟采样为止的时 间进行控制。
[0005] 另一个实施方式的固体摄像装置的特征在于，具备：像素阵列部，呈矩阵状地配置 有对光电转换后的电荷进行蓄积的像素；列ADC电路，基于从上述像素读出的像素信号与 基准电压的比较结果，按照每列来计算上述像素信号的AD转换值；以及定时控制电路，对 上述比较结果的输出定时在上述列间的分散进行控制。
[0006] 发明的效果
[0007] 根据上述构成的固体摄像装置，能够减少在列型AD转换器动作时产生的条纹。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 图1是表示第一实施方式的固体摄像装置的概略构成的框图。
[0009] 图2是表示图1的固体摄像装置的像素的构成例的电路图。
[0010] 图3是表示图1的基准电压产生电路及列ADC电路的构成例的电路图。
[0011] 图4是表示图1的像素的读出动作时的各部的电压波形的时间图。
[0012] 图5是表示图1的列间短路电路的构成例的电路图。
[0013] 图6(a)是表示在模拟采样前不进行列间短路的情况下的图1的固体摄像装置的 各部的电压波形的时间图，图6(b)是表示在模拟采样前进行了列间短路的情况下的图1的 固体摄像装置的各部的电压波形的时间图。
[0014] 图7(a)是表示在模拟采样前不进行列间短路的情况下的自比较器输出与其他比 较器输出的关系的时间图，图7(b)是表示在模拟采样前进行了列间短路的情况下的自比 较器输出与其他比较器输出的关系的时间图。
[0015] 图8是表示应用了第二实施方式的固体摄像装置的数码相机的概略构成的框图。
[0016] 符号的说明：
[0017] 1 :像素阵列部；2 :垂直扫描电路；3 :负载电路；4 :列ADC电路；5 :7jC平寄存器； 6 :基准电压产生电路；7 :定时控制电路；7A :模拟采样时间控制部；8 :列间短路电路；PC : 像素；Ta :行选择晶体管；Tb :放大晶体管；Tr :复位晶体管；Td :读出晶体管；PD :光电_极 管；FD :浮动传播区；Vlin :垂直信号线；Hlin :水平控制线。
【具体实施方式】
[0018] 以下，参照附图对实施方式的固体摄像装置进行详细说明。另外，本发明不被这些 实施方式限定。
[0019] (第一实施方式）
[0020] 图1是表示第一实施方式的固体摄像装置的概略构成的框图。
[0021] 在图1中，在固体摄像装置设置有像素阵列部1。在像素阵列部1中，在行方向RD 以及列方向CD上以m(m为正整数）行Xn(n为正整数）列的量呈矩阵状地配置有对光电 转换后的电荷进行蓄积的像素PC。此外，在该像素阵列部1中，在行方向RD上设置有进行 像素PC的读出控制的水平控制线Hlin，在列方向CD上设置有传送从像素PC读出的信号的 垂直信号线Vlin。
[0022] 此外，在固体摄像装置中设置有：垂直扫描电路2,沿垂直方向对成为读出对象的 像素PC进行扫描；负载电路3,通过在与像素PC之间进行源极跟随器动作，由此从像素PC 向垂直信号线Vlin按照每列来读出像素信号Vsig ;列ADC电路4,基于像素信号Vsig与基 准电压VREF的比较结果，由CDS按照每列来计算像素信号Vsig的AD转换值；水平寄存器 5，将由列ADC电路4计算出的AD转换值向水平方向传送；基准电压产生电路6，向列ADC电 路4输出基准电压VREF ;定时控制电路7,对各像素PC的读出、蓄积的定时进行控制；以及 列间短路电路8,在模拟采样之前使垂直信号线Vlin在列间短路。另外，基准电压VREF能 够使用斜波。此外，列ADC电路4能够进行对像素信号Vsig的输出电位的偏差进行补偿的 模拟采样。此处，定时控制电路7能够对像素信号Vsig与基准电压VREF的比较结果的输 出定时在列间的分散进行控制。在对该列间的分散进行控制的情况下，能够使用像素信号 Vsig的输出电位的偏差。在定时控制电路7中设置有模拟采样时间控制部7A，该模拟采样 时间控制部7A对从解除列间的短路起到模拟采样为止的时间进行控制。
[0023] 然后，通过由垂直扫描电路2沿垂直方向对像素PC进行扫描，由此在行方向RD上 选择像素PC。然后，在负载电路3中，通过在与该像素PC之间进行源极跟随器动作，由此将 从像素PC读出的像素信号Vsig经由垂直信号线Vlin传送，并输送至列ADC电路4。此外， 在基准电压产生电路6中，作为基准电压VREF而设定斜波，并输送至列ADC电路4。然后， 在列ADC电路4中，进行时钟的计数动作直到从像素PC读出的信号电平、复位电平与斜波 的电平分别一致，通过取得此时的信号电平与复位电平的差分，由此由CDS将各像素PC的 信号成分转换成数字值，经由水平寄存器5向水平方向传送，由此作为输出信号S1输出。
[0024] 图2是表示图1的固体摄像装置的像素的构成例的电路图。
[0025] 在图2中，在各像素PC中设置有光电二极管H)、行选择晶体管Ta、放大晶体管Tb、 复位晶体管Tr以及读出晶体管Td。此外，在放大晶体管Tb、复位晶体管Tr以及读出晶体 管Td的连接点形成有浮动传播区FD，作为检测节点。
[0026] 然后，在像素PC中，读出晶体管Td的源极与光电二极管连接，向读出晶体管Td 的栅极输入读出信号〇D。此外，复位晶体管Tr的源极与读出晶体管Td的漏极连接，向复 位晶体管Tr的栅极输入复位信号OR，复位晶体管Tr的漏极与电源电位VDD连接。此外， 向行选择晶体管Ta的栅极输入行选择信号OA，行选择晶体管Ta的漏极与电源电位VDD连 接。此外，放大晶体管Tb的源极与垂直信号线Vlin连接，放大晶体管Tb的栅极与读出晶体 管Td的漏极连接，放大晶体管Tb的漏极与行选择晶体管Ta的源极连接。另外，图1的水 平控制线Hlin能够将读出信号OD、复位信号OR以及行选择信号OA按照每行向像素PC 传送。在图1的负载电路3上按照每列设置有恒流源GA1，恒流源GA1与垂直信号线Vlin 连接。另外，当放大晶体管Tb的阈值电压在列间产生偏差时，成为像素信号Vsig的输出电 位在列间产生偏差的原因。
[0027] 图3是表示图1的基准电压产生电路及列ADC电路的构成例的电路图。
[0028] 在图3中，在列ADC电路4上按照每列设置有比较电路CP1?CPn以及计数器 CT1?CTn。另外，计数器CT1?CTn能够使用带反相功能二进制计数器。然后，比较电路 CP1?CPn与第一列?第n列的像素PC1?PCn分别连接。在比较电路CP1上设置有电容 器C2、C3、比较器PA2、开关W2、W3以及逆变器V。另外，电容器C2通过按照每列来保持与 基准电压VREF和像素信号Vsig的输出电位之间的差分相对应的电荷，由此能够进行模拟 采样。
[0029] 然后，在比较器PA2的反相输入端子上经由电容器C2连接有垂直信号线Vlin，在 比较器PA2的非反相输入端子上连接有基准电压产生电路6的输出端子。在比较器PA2的 反相输入端子和输出端子之间连接有开关W2。在逆变器V的输入端子上经由电容器C3连 接有比较器PA2的输出端子，在逆变器V的输出端子上连接有计数器CT1。在逆变器V的反 相输入端子和输出端子之间连接有开关W3。
[0030] 此外，在列间短路电路8上设置有使垂直信号线Vlin在列间短路的开关S1? Sn-1。各开关S1?Sn-1连接在各列的垂直信号线Vlin间。
[0031] 图4是表示图1的像素的读出动作时的各部的电压波形的时间图。
[0032] 在图4中，在行选择信号OA为低电平的情况下，行选择晶体管Ta成为截止状态 而不进行源极跟随器动作，因此不向垂直信号线Vlin输出信号。此时，当读出信号OD和 复位信号OR成为高电平时，读出晶体管Td导通，蓄积于光电二极管ro的电荷向浮动传播 区FD排出。然后，经由复位晶体管Tr向电源电位VDD排出。
[0033] 在蓄积于光电二极管的电荷向电源电位VDD排出之后，当读出信号OD成为低 电平时，在光电二极管ro中开始信号电荷的蓄积。
[0034] 接着，当复位信号OR上升时，复位晶体管Tr导通，在浮动传播区FD使因漏电流 等而产生的多余电荷复位。
[0035] 然后，当行选择信号OA成为高电平时，像素PC的行选择晶体管Ta导通，对放大 晶体管Tb的漏极施加电源电位VDD，由此由放大晶体管Tb和恒流源GA1构成源极跟随器。 然后，与浮动传播区FD的复位电平RL相对应的电压被施加到放大晶体管Tb的栅极。此处， 由放大晶体管Tb和恒流源GA1构成源极跟随器，所以垂直信号线Vlin的电压追随于被施 加到放大晶体管Tb的栅极的电压，复位电平RL的像素信号Vsig经由垂直信号线Vlin向 列ADC电路4输出。
[0036] 然后，在复位电平RL的像素信号Vsig向垂直信号线Vlin输出时，对开关W2施加 复位脉冲(pC，当开关W2导通时，比较器PA2的反相输入端子的输入电压被钳位于输出电压 P0,而设定工作点。此时，对应于与来自垂直信号线Vlin的像素信号Vsig之间的差分电压 的电荷由电容器C2保持，由此进行模拟采样，比较器PA2的输入电压被设定为零。此外，对 开关W3施加复位脉冲(pC，当开关W3导通时，逆变器V的输入端子的输入电压被钳位于输 出电压，而设定工作点。此时，对应于与来自逆变器V的输出信号之间的差分电压的电荷由 电容器C3保持，逆变器V的输入电压被设定为零。
[0037] 此处，在开始模拟采样之前，通过对开关S1?Sn-1施加短路脉冲(pS而使开关 S1?Sn-1导通，垂直信号线Vlin在列间短路。然后，由于短路脉冲(pS下降而开关S1? Sn-1截止，垂直信号线Vlin在列间的短路被解除。此时，在模拟采样时间控制部7A中， 通过对从解除列间的短路起到模拟采样结束为止的时间进行控制，由此在用于对像素信号 Vsig的输出电位的偏差进行补偿的电荷充分蓄积于电容器C2之前电容器C2的充电结束。 因此，在此时的模拟采样中，能够使列间的像素信号Vsig的输出电位的偏差收敛于预定的 范围内，并且能够使列间的像素信号Vsig的输出电位的偏差反映于比较器PA2的输出。
[0038] 在开关W2、W3截止之后，在复位电平RL的像素信号Vsig经由电容器C2输入到比 较器PA2的状态下，作为基准电压VREF而赋予斜波，对复位电平RL的像素信号Vsig与基 准电压VREF进行比较。然后，比较器PA2的输出电压P0在由逆变器V反相之后输入至计 数器CT1。
[0039] 然后，在计数器CT1中，向上计数直到复位电平RL的像素信号Vsig与基准电压 VREF的电平一致为止，由此复位电平RL的像素信号Vsig被转换成数字值DR并加以保持。 然后，为了运算与之后的信号电平之间的差分，将存储于二进制计数器的计数值进行位反 相而将其转换成负值。
[0040] 接着，当读出信号OD上升时，读出晶体管Td导通，蓄积于光电二极管ro的电荷 被传送至浮动传播区FD，与浮动传播区FD的信号电平SL相对应的电压施加于放大晶体管 Tb的栅极。此处，由放大晶体管Tb和恒流源GA1构成源极跟随器，因此垂直信号线Vlin的 电压追随于被施加到放大晶体管Tb的栅极的电压，信号电平SL的像素信号Vsig经由垂直 信号线Vlin输出至列ADC电路4。
[0041] 然后，在列ADC电路4中，在信号电平SL的像素信号Vsig经由电容器C2输入至 比较器PA2的状态下，作为基准电压VREF而赋予斜波，对信号电平SL的像素信号Vsig与 基准电压VREF进行比较。然后，比较器PA2的输出电压P0在由逆变器V反相之后输入至 计数器CT1。
[0042] 然后，在计数器CT1中，再次向上计数直到信号电平SL的像素信号Vsig与基准电 压VREF的电平一致为止，由此信号电平SL的像素信号Vsig被转换成数字值DS。然后，复 位电平RL的像素信号Vsig与信号电平SL的像素信号Vsig的差分DS-DR被保持于计数器 CT1，并作为输出信号S1输出。
[0043] 此处，在开始模拟采样之前使列间短路，并且对从解除列间的短路起到模拟采样 结束为止的时间TA进行控制，由此能够不使模拟采样无效化而使像素信号Vsig的输出电 位的偏差反映于比较器PA2的输入。因此，能够根据像素信号Vsig的输出电位的偏差使比 较器PA2的反相定时在列间分散，能够防止大多数比较器PA2的反相定时一致。结果，能够 减少由大多数比较器PA2的同时反相而引起的噪声，能够减少经由列间的共通电源线、共 通偏压线等向其他列的比较器PA2传递的噪声，因此能够减少条纹。
[0044] 图5是表示图1的列间短路电路的构成例的电路图。
[0045] 在图5中，按照每列设置有像素PC1?PC4,像素PC1?PC4分别经由垂直信号线 VIini?VIin4与比较电路CP1?CP4分别连接。在垂直信号线VIini、VIin2间连接有开 关S1，在垂直信号线Vlin2、Vlin3间连接有开关S2,在垂直信号线Vlin3、Vlin4间连接有 开关S3。在比较电路CP1?CP4上共通地设置有向比较器PA2供给偏压的偏压线BA1，且 共通地设置有向逆变器V供给偏压的偏压线BA2。
[0046] 图6(a)是表示在模拟采样前不进行列间短路的情况下的图1的固体摄像装置的 各部的电压波形的时间图，图6(b)是表示在模拟采样前进行了列间短路的情况下的图1的 固体摄像装置的各部的电压波形的时间图。
[0047] 在图6 (a)中，像素信号Vsig的输出电位按照每个像素PC1?PC4而存在偏差。然 后，通过进行模拟采样，由此在电容器C2中按照每列来保持与像素信号Vsig的输出电位的 偏差相对应的电荷，能够防止像素信号Vsig的输出电位的偏差反映于比较器PA2的输入。
[0048] 另一方面，在图6(b)中，当进行列间短路时，像素信号Vsig的输出电位在像素 PC1?PC4间一致。然后，通过将从解除列间的短路起到模拟采样结束为止的时间TA设定 为到比较器PA2的输入按照每个像素PC1?PC4收敛之前为止的时间，由此能够使像素信 号Vsig的输出电位的偏差收敛于预定的范围内，并且能够使像素信号Vsig的输出电位的 偏差反映于比较器PA2的输入。因此，能够根据像素信号Vsig的输出电位的偏差使比较器 PA2的反相定时在列间分散，能够防止大多数比较器PA2的反相定时一致。
[0049] 此处，像素信号Vsig的输出电位的偏差被相等地反映于复位电平RL的数字值DR 和信号电平SL的数字值DS。因此，通过将复位电平RL的数字值DR与信号电平SL的数字 值DS的差分DR-DS作为输出信号S1输出，由此能够消除像素信号Vsig的输出电位的偏差。
[0050] 图7 (a)是表示在模拟采样前不进行列间短路的情况下的自比较器输出与其他比 较器输出的关系的时间图，图7(b)是表示在模拟采样前进行了列间短路的情况下的自比 较器输出与其他比较器输出的关系的时间图。
[0051] 如图7(a)所示，在复位电平的检测时，在将某1列的比较器作为自己列CAX进行 观察时，大多数其他列CA1?CA4的比较器输出与自己列CAX几乎同时进行反相，因此受到 由该一齐反相引起的噪声的较大影响，而自己列CAX的反相定时前后较大地摆动。另一方 面，在信号电平的检测时，各列的像素的光量不同，一齐反相的列比较器的数量改变，因此 从其他列接受的噪声量也较大地改变。相对于该噪声量的变化的自己列CAX的输出电平的 变动，作为条纹被观测到。
[0052] 另一方面，如图7(b)所示，在复位电平的检测时，当大多数其他列CA1?CA4的比 较器输出的反相定时分散时，由该反相引起的噪声变小。因此，传递至自己列CAX的比较器 的噪声变小，能够减小自己列CAX的比较器的反相定时的前后错位。由此，在复位电平检测 时和信号电平检测时从其他列接受的噪声量的变化减少，由此依存于列的信号电平的变化 的自己列CAX的输出电平的变动减少，条纹得以改善。
[0053](第二实施方式）
[0054] 图8是表示应用了第二实施方式的固体摄像装置的数码相机的概略构成的框图。
[0055] 在图8中，数码相机11具有相机模块12以及后级处理部13。相机模块12具有摄 像光学系统14以及固体摄像装置15。后级处理部13具有图像信号处理器（ISP) 16、存储 部17以及显示部18。另外，固体摄像装置15能够使用图1的构成。此外，ISP16的至少一 部分构成也可以与固体摄像装置15 -起形成为单芯片。
[0056] 摄像光学系统14取入来自被摄体的光，使被摄体像成像。固体摄像装置15对被 摄体像进行摄像。ISP16对通过固体摄像装置15的摄像而获得的图像信号进行信号处理。 存储部17对经过了 ISP16的信号处理的图像进行存储。存储部17根据用户的操作等向显 示部18输出图像信号。显示部18根据从ISP16或者存储部17输入的图像信号来显示图 像。显示部18例如是液晶显示器。另外，相机模块12除了应用于数码相机11之外，例如 还可以应用于带相机便携终端等电子设备。
[0057] 对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式作为例子而提示，并不意 图对发明的范围进行限定。这些新的实施方式能够以其他各种方式加以实施，在不脱离发 明的主旨的范围内能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含于发明的范 围及主旨中，并同样包含于专利请求的范围所记载的发明和与其等同的范围中。
【权利要求】
1. 一种固体摄像装置，其特征在于，具备： 像素阵列部，呈矩阵状地配置有对光电转换后的电荷进行蓄积的像素； 基准电压产生电路，产生基准电压； 列ADC电路，设置有对从所述像素读出的像素信号与所述基准电压进行比较的比较 器，该列ADC电路基于所述比较器的比较结果按照每列来计算所述像素信号的AD转换值； 垂直信号线，按照每个所述列来传送所述像素信号； 电容器，通过按照每个所述列来保持与所述像素信号对应的电荷，由此进行模拟采 样； 列间短路电路，在所述模拟采样之前使所述垂直信号线在所述列间短路；W及 模拟采样时间控制部，对从解除所述列间的短路起到所述模拟采样为止的时间进行控 制。
2. 如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于， 从解除所述列间的短路起到所述模拟采样为止的时间被设定为到所述比较器的输入 按照每个像素收敛之前为止的时间。
3. 如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于， 所述列间短路电路具备使所述垂直信号线在所述列间短路的开关。
4. 如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于， 所述像素信号是复位电平的像素信号，所述固体摄像装置对复位电平的所述像素信号 进行模拟采样。
5. 如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于， 基于所述像素信号的输出电位的偏差，对所述比较器的比较结果的输出定时在所述列 间的分散进行控制。
6. 如权利要求5所述的固体摄像装置，其特征在于， 所述像素具备： 光电二极管，进行光电转换； 读出晶体管，将信号从所述光电二极管向浮动传播区传送； 复位晶体管，对蓄积于所述浮动传播区的信号进行复位；W及 放大晶体管，对所述浮动传播区的电位进行检测。
7. 如权利要求5所述的固体摄像装置，其特征在于， 所述列ADC电路通过取得复位电平的AD转换值与信号电平的AD转换值之间的差分来 消除所述像素信号的输出电位的偏差。
8. -种固体摄像装置，其特征在于，具备： 像素阵列部，呈矩阵状地配置有对光电转换后的电荷进行蓄积的像素； 列ADC电路，基于从所述像素读出的像素信号与基准电压的比较结果，按照每列来计 算所述像素信号的AD转换值；W及 定时控制电路，对所述比较结果的输出定时在所述列间的分散进行控制。
9. 如权利要求8所述的固体摄像装置，其特征在于， 基于所述像素信号的输出电位的偏差，对所述比较结果的输出定时在所述列间的分散 进行控制。
10. 如权利要求9所述的固体摄像装置，其特征在于，具备： 垂直信号线，按照每个所述列来传送所述像素信号； 模拟采样部，进行对所述像素信号的输出电位的偏差进行补偿的模拟采样；W及 列间短路电路，在所述模拟采样之前使所述垂直信号线在所述列间短路。
11. 如权利要求10所述的固体摄像装置，其特征在于， 所述定时控制电路具备模拟采样时间控制部，该模拟采样时间控制部对从解除所述列 间的短路起到所述模拟采样为止的时间进行控制。
12. 如权利要求11所述的固体摄像装置，其特征在于， 所述列间短路电路具备使所述垂直信号线在所述列间短路的开关。
13. 如权利要求8所述的固体摄像装置，其特征在于， 所述列ADC电路通过取得复位电平的AD转换值与信号电平的AD转换值之间的差分来 消除所述像素信号的输出电位的偏差。
14. 如权利要求13所述的固体摄像装置，其特征在于， 所述列ADC电路具备： 比较电路，对从所述像素读出的像素信号与所述基准电压进行比较；W及 计数器，进行计数动作直到所述像素信号与所述基准电压的电平一致。
15. 如权利要求14所述的固体摄像装置，其特征在于， 所述比较电路具备： 比较器； 开关拟及 电容器，通过按照每个所述列来保持与所述像素信号对应的电荷，由此进行模拟采样， 所述比较器的反相输入端子经由所述电容器与所述垂直信号线连接，所述开关连接在 所述比较器的反相输入端子和输出端子之间，向所述比较器的非反相输入端子输入所述基 准电压。
16. 如权利要求15所述的固体摄像装置，其特征在于， 在向所述垂直信号线输出所述像素信号时，所述开关导通，由此与来自所述垂直信号 线的像素信号相应的电荷被保持于所述电容器。
【文档编号】H04N5/335GK104469184SQ201410072518
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年2月28日 优先权日:2013年9月13日
【发明者】樱井贤 申请人:株式会社东芝