[发明专利]固态图像捕获设备和相机系统

说明书

技术领域

本发明涉及由CMOS图像传感器代表的固态图像捕获设备，并且涉及相机系统。 

背景技术

近年来，作为替代CCD的固态图像捕获设备(图像传感器)的CMOS(互补金属氧化物)图像传感器已经吸引了注意。 

这是因为CMOS图像传感器已经克服了CCD的以下问题。 

例如，典型地，CCD的像素的制造需要专用工艺，并且其操作需要多个电源电压和各外围IC(集成电路)的组合。此外，在CCD的情况下，系统变得复杂。 

对于CMOS图像传感器，可以使用类似于用于典型的CMOS集成电路的制造工艺。此外，CMOS图像传感器可以由单个电源驱动，此外使用CMOS制造工艺制造的模拟电路和逻辑电路可以置于同一芯片中。 

因此，CMOS图像传感器具有一些显著的优点，如能够减少外围IC的数量。 

CCD的输出电路主要采用使用具有浮动扩散(floating diffusion，FD)的FD放大器的单通道配置。 

相反，CMOS图像传感器具有用于各个像素的FD放大器，并且主要采用列并行输出配置，其中选择像素阵列中的一行并且来自选择的行的输出在列方向上同时读取。 

这是因为，在各像素中安排FD放大器的情况下，难以获得足够的驱动能力，这可能需要降低数据速率。因此，并行处理被认为是有利的。 

这种CMOS图像传感器被广泛用作图像捕获装置(如数字相机、可携式摄像机、监视相机和车载相机)中的图像捕获设备。 

图1是示出CMOS图像传感器的典型配置示例的图，其中各像素以二维阵列排列。 

图1中示出的CMOS图像传感器10包括像素阵列部分11、像素驱动电路(行选择电路：Vdec)12和读取电路(列处理电路：AFE)13。 

像素阵列部分11具有以M行×N列矩阵排列的像素电路。 

行选择电路12控制像素阵列部分11中的任意行中排列的像素的操作。行选择电路12通过重置控制线LRST、传输控制线LTRG和选择控制线LSEL控制各像素。 

读取电路13通过信号输出线LSGN接收经历由行选择电路12执行的读取控制的像素行的数据，并且将接收的数据输出到随后的信号处理电路。 

读取电路13包括相关双采样(CDS)电路和模拟-数字转换器(ADC)。 

图2是示出具有4个晶体管的CMOS图像传感器电路的示例的图。 

该像素电路20具有由例如光电二极管实现的光电转换元件(下文中其可以简称为“PD”)21。此外，像素电路20具有4个晶体管(即传输晶体管22、重置晶体管23、放大晶体管24和选择晶体管25)作为关于单个光电转换元件21的有源元件。 

光电转换元件21将入射光转换为具有与入射光量对应的量的电荷(在此情况下的电子)。 

传输晶体管22连接在光电转换元件21和浮动扩散(下文中其可以简称为“FD”)之间，并且具有通过传输控制线LTRG将传输信号(驱动信号)TRG提供到其的栅极(传输栅极)。 

因此，将从由光电转换元件21执行的光电转换得到的电子传输到浮动扩散FD。 

重置晶体管23连接在电源线LVREF和浮动扩散FD之间，并且具有通过重置控制线LRST将重置信号RST提供到其的栅极。 

因此，将浮动扩散FD的电势重置为电源线LVREF的电势。 

放大晶体管24的栅极连接到浮动扩散FD。放大晶体管24经由选择晶体管25连接到信号线26(图1中示出的LSGN)，以便与不同于用于像素选择的恒流源一起构成源跟随器。 

通过选择控制线LSEL将地址信号(选择信号)SEL提供到选择晶体管25的栅极，从而导通选择晶体管25。 

当选择晶体管25导通时，放大晶体管24放大浮动扩散FD的电势并且输出对应于放大的电势的电压到信号线26。然后将通过信号线26从每个像 素输出的电压输出到读取电路13。 

在像素重置操作中，传输晶体管22导通以便将存储在光电转换元件21中的电荷传输到浮动扩散FD用于放电。 

在此情况下，浮动扩散FD中的电荷已经通过重置晶体管23的导通被预放电到电源侧，使得光电转换元件21中的电荷可以由浮动扩散FD接收。替代地，当传输晶体管22导通时，重置晶体管23可以与其结合导通，以便将电荷直接放电到电源侧。 

上述系列的操作将被简称为“像素重置操作”或“快门(shutter)操作”。