固体摄像装置、固体摄像装置的驱动方法以及电子设备与流程

本发明关于一种固体摄像装置、固体摄像装置的驱动方法以及电子设备。

背景技术：

1、cmos(complementary metal oxide semiconductor)图像传感器已作为使用了检测光并产生电荷的光电转换元件的固体摄像装置(图像传感器)投入实际使用。

2、cmos图像传感器已被广泛用作数码相机、摄像机、监控相机、医疗用内窥镜、个人电脑(pc)、手机等便携终端装置(移动设备)等各种电子设备的一部分。

3、cmos图像传感器包括在每个像素中具有光电二极管(光电转换元件)及浮动扩散层(fd:floating diffusion，浮置扩散层)的fd放大器，该cmos图像传感器的主流读取类型为列并列输出型，即，选择像素阵列中的某一行，同时向列(column)输出方向对这些行进行读取。

4、然而，在cmos图像传感器中，对由光电二极管产生并存储的光电荷逐像素或逐行地依次进行扫描并进行读取动作。

5、在采用该依次扫描、即采用滚动快门作为电子快门的情况下，无法使存储光电荷的曝光的开始时间及结束时间在全部像素中一致。因此，在依次扫描的情况下，存在在拍摄运动被摄体时在拍摄图像中产生失真的问题。

6、因此，在不能容许图像失真且需要拍摄高速移动的被摄体及需要拍摄图像的同时性的传感用途中，作为电子快门，采用对像素阵列部中的全部像素在相同的定时执行曝光开始和曝光结束的全局快门。

7、采用全局快门作为电子快门的cmos图像传感器在像素内例如设置有将从光电转换读取部读取的信号保持到信号保持电容器的信号保持部。

8、在采用全局快门的cmos图像传感器中，电荷作为电压信号从光电二极管一起通过模拟采样保持动作而存储到信号保持部的信号保持电容器，然后通过依次读取来确保图像整体的同时性(例如，参照非专利文献1)。

9、又，该cmos图像传感器例如也可以构成为具有将光电转换读取部的输出绕开信号保持部而传输到信号线的旁路开关，除了全局快门功能以外还同时具有卷帘快门功能。

10、又，作为各像素的构成，作为代表性的构成，已知有四晶体管(4tr)aps像素(例如参照专利文献1)或电容反馈跨阻放大器(ctia:capacitive trans-impedance amplifier)像素(例如参照专利文献2、3)。

11、并且，作为具备具有高动态范围的高画质的cmos图像传感器的全局快门功能的像素，已知有vmgs(电压模式全局快门)像素及cmgs(电荷模式全局快门)像素。

12、其中，vmgs像素与cmgs像素相比，具有快门效率高、寄生光灵敏度低的优点。

13、现有技术文献

14、专利文献

15、专利文献1：日本特开2005-65074号公报图2

16、专利文献2：日本特表2006-505975号公报

17、专利文献3：日本特表2002-501718号公报

18、非专利文献

19、非专利文献1：j.aoki,et al.,“a rolling-shutter distortion-free 3dstacked image sensor with-160db parasitic light sensitivity in-pixel storagenode”isscc 2013/session 27/image sensors/27.3.

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题

2、然而，能够通过提高转换增益(conversion gain)来实现上述4traps像素的高灵敏度化。在4traps像素中，能够通过降低浮置扩散层fd的电容cfd1来实现某种程度的高灵敏度化，但在增益过高的情况下，有效的饱和电子数会减少，因此会导致高亮度的被摄体的细节缺失。

3、相反，如果提高浮置扩散层fd的电容cfd1,则能够得到高亮度被摄体的细节，但会缺失低亮度被摄体的细节。

4、此外，光电二极管pd1和浮置扩散层fd之间的电位差的减少会变得明显，产生延迟(lag)而导致动画的画质劣化。

5、又，由于像素复位时的时钟馈通等所引起的电压变动会随着转换增益变高而变大，并使电压振幅范围变窄，因此有效的饱和电子数进一步减少。

6、因此，一般来说，可以说在现有的像素结构中难以同时实现高灵敏度化和高动态范围化。

7、又，在上述ctia像素中，能够通过使反馈电容器cf的电容cfb1小于4traps像素的浮置扩散层fd的电容cfd1来实现高灵敏度化，并能够明亮地显示出低亮度被摄体。

8、但是，由于灵敏度越高饱和电子数越少，因此高亮度被摄体的细节会进一步缺失。

9、而且，与具有cmgs像素的cmos图像传感器相比，具有vmgs像素的cmos图像传感器可能具有更大的基底噪声。

10、vmgs像素的主要降噪是电压采样保持下的热噪声，噪声电压vn可以用以下公式表示。

11、【公式1】

12、vn＝sqrt(kt/csh)

13、其中，t表示绝对温度，k表示玻尔兹曼常数，csh表示采样保持用电容元件的电容值，sqrt表示平方根(square root)。

14、接着，电压信号vs可以使用电子电压转换增益cg而由以下公式表示。

15、vs＝nsig(e)×cg(v/e)

16、因此，电子参考噪声nn表示如下。

17、nn(e)＝1/cg×sqrt(kt/csh)

18、在该公式中，意味着为了使电子参考噪声nn降低,需要增加电子电压转换增益cg或电压采样保持用电容器的电容值csh。

19、电容值csh的增加受像素尺寸的物理限制。

20、又，电子电压转换增益cg的增加通常会导致动态范围dr的减少。

21、相应地，为了扩展动态范围dr，已经提出了具有多个转换增益cg的像素。

22、然而，在具备高转换增益cg的构成中，与cmgs像素相比，很难说其足以解决基底噪声这点。

23、又，cmos图像传感器的重要性能指标中有随机噪声。

24、通常，作为降低随机噪声的方法，已知有通过增大晶体管尺寸来降低闪烁噪声(flicker noise)的方法、或通过在运算放大器输出增加电容、减小频带而由cds实现噪声滤波效果的方法。

25、然而，在各个方法中，存在面积增大、运算放大器的反转延迟因电容增大而增大、摄像元件的帧率无法提高的缺点。

26、本发明提供一种固体摄像装置、固体摄像装置的驱动方法以及电子设备，其能够在不增加电压采样保持用信号保持电容器的电容值的情况下降低电压采样保持节点中的噪声，进而能够在高增益模式下对亮度高的光信号维持低增益的同时获得高像素增益，能够在低增益模式下读取低转换增益，并能够实质上地实现宽动态范围化、高帧率化。

27、用于解决技术问题的技术方案

28、本发明第一观点的固体摄像装置，具有配置有多个像素的像素部，所述各像素包括：光电转换读取部，其存储光电转换后的电荷，并将所存储的电荷作为与电荷量相应的电压信号来进行读取；放大电路，其能够放大从所述光电转换读取部读取的读取电压信号；信号保持部，其包含采样保持用信号保持电容器，所述采样保持用信号保持电容器能够保持由所述放大电路放大的所述读取电压信号，并能够输出所保持的电压信号；第一像素内信号线，其输出低增益的读取电压信号；以及第二像素内信号线，其连接所述放大电路的输出侧，输出高增益的读取电压信号，所述光电转换读取部包括：光电转换元件，其在存储期间存储通过光电转换而产生的电荷；传输元件，其能够在传输期间传输存储在所述光电转换元件的电荷；输出节点，其通过所述传输元件传输所述光电转换元件中存储的电荷；源极跟随晶体管，其将所述输出节点的电荷转换为与电荷量相应的电压信号；复位元件，其在复位期间将所述输出节点复位为所述第二像素内信号线的电位或规定电位；以及反馈电容器，其一个电极与所述输出节点连接，另一个电极与所述第二像素内信号线连接，所述第一像素内信号线与所述源极跟随晶体管的电压信号的输出线连接，并与所述放大电路的输入侧连接，所述放大电路包括差动晶体管对，所述差动晶体管对包括第一差动晶体管和第二差动晶体管，向第一差动晶体管的栅极提供所述参考信号，并具备差动放大功能，并且所述差动晶体管对的所述第二差动晶体管与所述源极跟随晶体管共用。

29、本发明第二观点是一种固体摄像装置的驱动方法，所述固体摄像装置具有配置有多个像素的像素部，所述各像素包括：光电转换读取部，其存储光电转换后的电荷，并将所存储的电荷作为与电荷量相应的电压信号来进行读取；放大电路，其能够放大从所述光电转换读取部读取的读取电压信号；信号保持部，其包含采样保持用信号保持电容器，所述采样保持用信号保持电容器能够保持由所述放大电路放大的所述读取电压信号，并能够输出所保持的电压信号；第一像素内信号线，其输出低增益的读取电压信号；以及第二像素内信号线，其连接所述放大电路的输出侧，输出高增益的读取电压信号，所述光电转换读取部包括：光电转换元件，其在存储期间存储通过光电转换而产生的电荷；传输元件，其能够在传输期间传输存储在所述光电转换元件的电荷；输出节点，其通过所述传输元件传输所述光电转换元件中存储的电荷；源极跟随晶体管，其将所述输出节点的电荷转换为与电荷量相应的电压信号；复位元件，其在复位期间将所述输出节点复位为所述第二像素内信号线的电位或规定电位；以及反馈电容器，其一个电极与所述输出节点连接，另一个电极与所述第二像素内信号线连接，所述第一像素内信号线与所述源极跟随晶体管的电压信号的输出线连接，并与所述放大电路的输入侧连接，所述放大电路包括差动晶体管对，其包括第一差动晶体管和第二差动晶体管，向第一差动晶体管的栅极提供所述参考信号，并具备差动放大功能；以及有源负载电路，其具有与所述第一差动晶体管的漏极侧连接的第一负载电路及与所述第二差动晶体管的漏极侧连接的第二负载电路，所述第一负载电路和所述第二负载电路以形成包括从所述第一差动晶体管的漏极侧到所述第二差动晶体管的漏极侧的电流路径的电流镜的方式连接，并且所述差动晶体管对的所述第二差动晶体管与所述源极跟随晶体管共用，其中，在低增益读取模式时，停用所述第一负载电路，形成所述第二负载电路和所述源极跟随晶体管的低增益读取电路，通过所述源极跟随晶体管的源极跟随放大动作，将以低增益放大的所读取的电压信号输出到所述第一像素内信号线，在高增益读取模式时，激活所述第一负载电路，形成所述放大电路的所述差动晶体管对和包含所述反馈电容器的电容反馈跨阻放大器(ctia)电路的高增益读取电路，通过由所述放大电路的所述差动晶体管对和包含所述反馈电容器的电容反馈跨阻放大器(ctia)电路产生的镜像效应，将电荷传输到反馈电容器，并将以高增益放大的电压信号输出到所述第二像素内信号线。

30、本发明第三观点的电子设备具有：固体摄像装置；以及光学系统，其在所述固体摄像装置上将被摄体像成像，所述固体摄像装置具有配置有多个像素的像素部，所述各像素包括：光电转换读取部，其存储光电转换后的电荷，并将所存储的电荷作为与电荷量相应的电压信号来进行读取；放大电路，其能够放大从所述光电转换读取部读取的读取电压信号；信号保持部，其包含采样保持用信号保持电容器，所述采样保持用信号保持电容器能够保持由所述放大电路放大的所述读取电压信号，并能够输出所保持的电压信号；第一像素内信号线，其输出低增益的读取电压信号；以及第二像素内信号线，其连接所述放大电路的输出侧，输出高增益的读取电压信号，所述光电转换读取部包括：光电转换元件，其在存储期间存储通过光电转换而产生的电荷；传输元件，其能够在传输期间传输所述光电转换元件中存储的电荷；输出节点，其通过所述传输元件传输所述光电转换元件中存储的电荷；源极跟随晶体管，其将所述输出节点的电荷转换为与电荷量相应的电压信号；复位元件，其在复位期间将所述输出节点复位为所述第二像素内信号线的电位或规定电位；以及反馈电容器，其一个电极与所述输出节点连接，另一个电极与所述第二像素内信号线连接，所述第一像素内信号线与所述源极跟随晶体管的电压信号的输出线连接，并与所述放大电路的输入侧连接，所述放大电路包括差动晶体管对，所述差动晶体管对包括第一差动晶体管和第二差动晶体管，向第一差动晶体管的栅极提供所述参考信号，并具备差动放大功能，并且所述差动晶体管对的所述第二差动晶体管与所述源极跟随晶体管共用。

31、有益效果

32、根据本发明，能够在不增加电压采样保持用信号保持电容器的电容值的情况下降低电压采样保持节点中的噪声，进而能够在高增益模式下对亮度高的光信号维持低增益的同时获得高像素增益，能够在低增益模式下读取低转换增益，并能够实质上地实现宽动态范围化、高帧率化。