成像设备和照相机的利记博彩app

专利名称：成像设备和照相机的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及具有列并列(column-parallel)模数转换器的成像设备以及包括该成像设备的照相机。
背景技术：
在许多情况下，各自具有列并列模数转换器的典型固态成像设备包括利用单斜率积分的斜坡计数器(counter-ramp)模数转换器。图I图示了具有利用单斜率积分的斜坡计数器模数转换器的成像设备的结构。图2是用于说明图I的设备的操作的时序图。现在将结合图2的时序图来描述图I的设备的操作。用于将外部光光电转换为电信号的単位像素I被排列成矩阵，从而构成像素阵列
2。假设垂直选择电路3选择了像素阵列2中的某一行。位于所选择的行中的像素通过沿像素阵列2的列延伸的垂直信号线VSl而输出像素信号(下文中的像素输出信号SI)。垂直信号线VSl连接到为每列布置的比较器4的一个输入端(正极端)。比较器4的另一端(负极端)接收来自数模(D/A)转换器5的输出信号nslope，该输出信号是响应于时钟信号elk获得的模拟信号。 假设，当通过垂直信号线VSl传送的像素输出信号SI的电平低于D/A转换器5的输出信号nslope的电平吋，比较器4的输出信号ncompout变成低(“L”)，然而，当垂直信号线vsl的像素输出信号SI的电平高于D/A转换器5的输出信号nslope的电平时，比较器4的输出信号ncompout变成高(“H”)。比较器4的输出信号ncompout被供应到η位计数器6。该η位计数器6响应于时钟信号elk而增加或降低计数值。图2示出了计数值減少一的情況。该η位计数器6响应于复位信号rst而将其计数值复位到初始值iinit。当比较器4的输出信号ncompout变成高时，η位计数器6停止增加或减少计数值,并保持该计数值(图2中表不为“i”)。从η位计数器6输出该计数值，作为η位输出数据[η_1:0]。顺序输出该η位计数器6的输出以及在其它列中的其它计数器的输出。

发明内容
在图I所示的利用单斜率积分的斜坡计数器模数转换器中，不利的是，为了増加模数转换的精度，必须增加转换时间或时钟频率。例如，η位A/D转换所需要的时钟数目是2η_1个周期。当η位扩展到η+1位时，所需要的时钟数目是2η+1-1个周期，其基本上为2η-1个周期的两倍。为了实现所需要的时钟数目的増加，转换时间或时钟频率必须增加大约2的倍数(factor)。不利的是，増加转换时间阻碍了用于实现高帧速率或处理增加数目的像素的高速操作。不幸的是，时钟频率的增加导致功耗的增加或需要改善元件精度。此外，在利用单斜率积分的斜坡计数器模数转换器中，不利的是，比较器的阈值电平Vth的变化或从数模转换器输出的电压的精度影响了模数转换器的精度。換言之，假设像素输出信号具有IV的幅度，其用作暗电平和亮电平之间的差，对于η位的模数转换需要l/(2n-l)V的精度。例如，当n= 14(位)时，Iバ214_1) = 61 μ V0由于比较器的阈值Vth的变化通常 是几毫伏的等级，所以难以实现高精度的模数转换。期望提供ー种高分辨率高精度的成像设备，其能够实现用于实行高帧速率或处理增加数目的像素的高速操作，而不导致功耗的增加且不需要改善元件的精度。根据本发明的ー个方面，提供一种成像设备，包括像素，其输出信号电荷作为像素信号；电流源，连接到像素信号的传输路径，该电流源具有可变电流；以及信号处理电路，其执行控制，以便改变电流源的电流。根据本发明的另一方面，提供ー种成像设备，包括像素阵列，包括排列成矩阵的多个像素，每个像素输出信号电荷作为像素信号；以及多个像素信号处理单元，为该像素阵列的各个列排列，其中每个像素信号处理单元包括电流源，连接到像素信号的传输路径，该电流源具有可变电流；以及信号处理电路，其执行控制，以便改变电流源的电流。根据本发明的另一方面，提供一种照相机，包括成像设备，以及光学系统，在成像设备上形成对象图像；其中所述成像设备包括像素阵列，包括排列成矩阵的多个像素，每个像素输出信号电荷作为像素信号；以及多个像素信号处理单元，为该像素阵列的各个列排列，并且每个像素信号处理单元包括电流源，连接到像素信号的传输路径，该电流源具有可变电流；以及信号处理电路，其执行控制，以便改变电流源的电流。根据本发明的另一方面，提供一种成像设备，包括像素，其输出信号电荷作为像素信号，所述信号电荷通过成像获得；电流源，连接到像素信号的传输路径，该电流源具有可变电流，所述电流源包括至少ー个负载晶体管和至少ー个开关；以及信号处理电路，其对取决于到传输路径的输出信号的信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流，其中，所述至少ー个开关电地置于所述传输路径和对应负载晶体管之间，以将第一负载晶体管选择性地连接到所述像素，且所述至少ー个开关的栅极连接到所述信号处理电路来从其接收信号。根据本发明的另一方面，提供一种成像设备，包括像素，其输出信号电荷作为像素信号，所述信号电荷通过成像获得；电流源，连接到像素信号的传输路径，该电流源具有可变电流，所述电流源包括至少ー个负载晶体管和至少ー个开关；以及信号处理电路，其对取决于到传输路径的输出信号的信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流，其中，所述至少ー个开关电地置于所述传输路径和对应负载晶体管之间，以将第一负载晶体管选择性地连接到所述像素，且所述像素包括构成源极跟随器的放大器晶体管，其将信号电荷作为像素信号输出到传输路径，所述电流源包括多个负载晶体管和多个开关，使用预定的偏置信号来偏置所述负载晶体管的栅极，所述负载晶体管的源极并联地连接到预定电势，每个开关连接在对应的负载晶体管的漏极与传输路径之间，以及所述信号处理电路根据对通过传输路径传送的像素信号的处理结果，来选择性地导通电流源中的开关。根据本发明的另一方面，提供一种成像设备，包括像素，其输出信号电荷作为像素信号，所述信号电荷通过成像获得；电流源，连接到像素信号的传输路径，该电流源具有可变电流；以及信号处理电路，其对取决于到传输路径的输出信号的信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流，其中，所述像素包括构成源极跟随器的放大器晶体管，其将信号电荷作为像素信号输出到传输路径，所述电流源包括负载晶体管和多个开关，所述负载晶体管的源极连接到预定电势，所述开关连接到负载晶体管的栅极，且分别连接到不同偏置信号供应线；以及所述信号处理电路根据对通过传输路径传送的像素信号的处理结果，来选择性地导通电流源中的开关。根据本发明的另一方面，提供ー种成像设备，包括像素阵列，包括排列成矩阵的 多个像素，每个像素输出信号电荷作为像素信号，所述信号电荷通过成像获得；以及多个像素信号处理单元，为该像素阵列的各个列排列，其中，每个像素信号处理单元包括电流源，连接到像素信号的传输路径，该电流源具有可变电流，所述电流源包括至少ー个负载晶体管和至少ー个开关；以及信号处理电路，其对取决于到传输路径的输出信号的像素信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流，其中，所述至少ー个开关电地置于所述传输路径和对应负载晶体管之间，以将所述负载晶体管选择性地连接到所述像素，且所述至少ー个开关的栅极连接到所述信号处理电路以从其接收信号。根据本发明的另一方面，提供一种照相机，包括成像设备，以及光学系统，在成像设备上形成对象图像；其中所述成像设备包括(a)像素阵列，包括排列成矩阵的多个像素，每个像素输出信号电荷作为像素信号，所述信号电荷通过成像获得；以及(b)多个像素信号处理单元，为该像素阵列的各个列排列，并且每个像素信号处理单元包括(i)电流源，连接到像素信号的传输路径，该电流源具有可变电流，所述电流源包括至少ー个晶体管和至少ー个开关；以及(ii)信号处理电路，其对取决于到传输路径的输出信号的像素信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流，其中，所述至少ー个开关电地置于所述传输路径和对应负载晶体管之间，以将第一负载晶体管选择性地连接到所述像素，且所述至少ー个开关的栅极连接到所述信号处理电路来从其接收信号。根据本发明的另一方面，提供一种成像设备，包括像素，其输出信号电荷作为像素信号，所述信号电荷通过成像获得；电流源，连接到像素信号的传输路径，该电流源具有可变电流；以及信号处理电路，其对取决于到传输路径的输出信号的信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流，其中，所述信号处理电路包括积分器，对通过传输路径传送的像素信号进行积分；量化器，对积分器的输出信号进行量化；以及选择器，根据量化器的量化结果来改变电流源的电流。根据本发明的另一方面，提供ー种成像设备，包括像素，其输出信号电荷作为像素信号，所述信号电荷通过成像获得；电流源，连接到像素信号的传输路径，该电流源具有可变电流；以及信号处理电路，其对取决于到传输路径的输出信号的信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流，其中，所述像素包括构成源极跟随器的放大器晶体管，其将信号电荷作为像素信号输出到传输路径，所述电流源包括多个负载晶体管和多个开关，使用预定的偏置信号来偏置所述负载晶体管的栅极，所述负载晶体管的源极并联地连接到预定电势，每个开关连接在对应的负载晶体管的漏极与传输路径之间，以及所述信号处理电路根据对通过传输路径传送的像素信号的处理结果，来选择性地导通电流源中的开关，以及所述信号处理电路包括(a)积分器，对通过传输路径传送的像素信号进行积分；(b)量化器，对积分器的输出信号进行量化；以及(C)选择器，根据量化器的量化结果来选择性地导通电流源中的开关。根据本发明的另一方面，提供一种成像设备，包括像素，其输出信号电荷作为像素信号，所述信号电荷通过成像获得；电流源，连接到像素信号的传输路径，该电流源具有可变电流；以及信号处理电路，其对取决于到传输路径的输出信号的信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流，其中，所述像素包括构成源极跟随器的放大器晶体管，其将信号电荷作为像素信号输出到传输路径，所述电流源包括负载 晶体管和多个开关，所述负载晶体管的源极连接到预定电势，所述开关连接到负载晶体管的栅极，且分别连接到不同偏置信号供应线；以及所述信号处理电路根据对通过传输路径传送的像素信号的处理结果，来选择性地导通电流源中的开关，以及所述信号处理电路包括(a)积分器，对通过传输路径传送的像素信号进行积分；(b)量化器，对积分器的输出信号进行量化；以及(C)选择器，根据量化器的量化结果来选择性地导通电流源中的开关。根据本发明的另一方面，提供一种成像设备，包括像素，其输出信号电荷作为像素信号，所述信号电荷通过成像获得；电流源，连接到像素信号的传输路径，该电流源具有可变电流；以及信号处理电路，其对取决于到传输路径的输出信号的信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流，其中，该量化器比较通过积分器获得的积分信号的电平和预定阈值电平，并将比较结果输出到选择器；以及该选择器改变电流源的电流，使得当积分信号的电平高于该阈值电平时，降低传输路径的电平，而当积分信号的电平低于该阈值电平时，提高传输路径的电平。根据本发明的另一方面，提供一种成像设备，包括像素，其输出信号电荷作为像素信号，所述信号电荷通过成像获得；电流源，连接到像素信号的传输路径，该电流源具有可变电流；以及信号处理电路，其对取决于到传输路径的输出信号的信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流，其中，所述像素包括构成源极跟随器的放大器晶体管，其将信号电荷作为像素信号输出到传输路径，所述电流源包括多个负载晶体管和多个开关，使用预定的偏置信号来偏置所述负载晶体管的栅极，所述负载晶体管的源极并联地连接到预定电势，每个开关连接在对应的负载晶体管的漏极与传输路径之间，以及所述信号处理电路根据对通过传输路径传送的像素信号的处理结果，来选择性地导通电流源中的开关，以及量化器比较通过积分器获得的积分信号的电平和预定阈值电平，并将比较结果输出到选择器；以及该选择器选择性地导通电流源中的开关，使得当积分信号的电平高于该阈值电平时，降低传输路径的电平，而当积分信号的电平低于该阈值电平时，提高传输路径的电平。根据本发明的另一方面，提供一种成像设备，包括像素，其输出信号电荷作为像素信号，所述信号电荷通过成像获得；电流源，连接到像素信号的传输路径，该电流源具有可变电流；以及信号处理电路，其对取决于到传输路径的输出信号的信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流，其中，所述像素包括构成源极跟随器的放大器晶体管，其将信号电荷作为像素信号输出到传输路径，所述电流源包括负载晶体管和多个开关，所述负载晶体管的源极连接到预定电势，所述开关连接到负载晶体管的栅极，且分别连接到不同偏置信号供应线，以及所述信号处理电路根据对通过传输路径传送的像素信号的处理结果，来选择性地导通电流源中的开关，以及该量化器比较通过积分器获得的积分信号的电平和预定阈值电平，并将比较结果输出到该选择器；以及该选择器选择性地导通电流源中的开关，使得当积分信号的电平高于该阈值电平时，降低传输路径的电平，而当积分信号的电平低于该阈值电平时，提高传输路径的电平。根据本发明的另一方面，提供一种成像设备，包括像素，其输 出信号电荷作为像素信号，所述信号电荷通过成像获得；电流源，连接到像素信号的传输路径，该电流源具有可变电流；以及信号处理电路，其对取决于到传输路径的输出信号的信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流，其中，所述传输路径包括像素输出信号线，其连接到像素中的放大器晶体管的源极并连接到电流源。根据本发明的另一方面，提供一种成像设备，包括像素，其输出信号电荷作为像素信号，所述信号电荷通过成像获得；电流源，连接到像素信号的传输路径，该电流源具有可变电流；以及信号处理电路，其对取决于到传输路径的输出信号的信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流，其中，所述传输路径包括(a)像素输出信号线，连接到像素中的放大器晶体管的源扱；以及(b)源极跟随器晶体管，该源极跟随器晶体管的栅极连接到像素输出信号线，其源极连接到电流源。根据本发明的另一方面，提供ー种成像设备，包括像素阵列，包括排列成矩阵的多个像素，每个像素输出信号电荷作为像素信号，所述信号电荷通过成像获得；以及多个像素信号处理单元，为该像素阵列的各个列排列，其中，每个像素信号处理单元包括(a)电流源，连接到像素信号的传输路径，该电流源具有可变电流；以及(b)信号处理电路，其对取决于到传输路径的输出信号的像素信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流，所述信号处理电路包括(a)积分器，对通过传输路径传送的像素信号进行积分；(b)量化器，对积分器的输出信号进行量化；以及(C)选择器，根据量化器的量化结果来改变电流源的电流。根据本发明的第一实施例，成像设备包括以下元件。像素输出通过成像获得的信号电荷，作为像素信号。具有可变电流的电流源连接到像素信号的传输路径。信号处理电路对取决于到传输路径的输出信号的信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流。优选地，所述像素包括构成源极跟随器的放大器晶体管，其将信号电荷作为像素信号输出到传输路径。电流源包括多个负载晶体管和多个开关。使用预定的偏置信号来偏置所述负载晶体管的栅极，并且所述负载晶体管的源极并联地连接到预定电势。每个开关连接在对应的负载晶体管的漏极与传输路径之间。所述信号处理电路根据对通过传输路径传送的像素信号的处理结果，来选择性地导通电流源中的开关。优选地，所述像素包括构成源极跟随器的放大器晶体管，其将信号电荷作为像素信号输出到传输路径。该电流源包括负载晶体管和多个开关。所述负载晶体管的源极连接到预定电势。所述多个开关连接到负载晶体管的栅极、井分别连接到不同的偏置信号供应线。所述信号处理电路根据对通过传输路径传送的像素信号的处理结果，来选择性地导通电流源中的开关。优选地，所述信号处理电路包括积分器，对通过传输路径传送的像素信号进行积分；量化器，对积分器的输出信号进行量化；以及选择器，根据量化器的量化结果来改变电流源的电流。优选地，所述信号处理电路包括积分器，对通过传输路径传送的像素信号进行积分；量化器，对积分器的输出信号进行量化；以及选择器，根据量化器的量化结果来选择性地导通电流源中的开关。优选地，所述量化器比较通过积分器获得的积分信号的电平和预定的阈值电平，并将比较结果输出到选择器。所述选择器改变电流源的电流，使得当积分信号的电平高于阈值电平时，降低传输路径的电平，而当积分信号的电平低于所述阈值电平时，提高传输路径的电平。优选地，所述量化器比较通过积分器获得的积分信号的电平和预定的阈值电平，并将比较结果输出到选择器。所述选择器选择性地导通电流源中的开关，使得当积分信号的电平高于阈值电平时，降低传输路径的电平，而当积分信号的电平低于所述阈值电平吋，提闻传输路径的电平。优选地，所述传输路径包括像素输出信号线，其连接到像素中的放大器晶体管的源极并连接到电流源。优选地，所述传输路径包括像素输出信号线和源极跟随器晶体管。所述像素输出信号线连接到像素中的放大器晶体管的源极。所述源极跟随器晶体管的栅极连接到像素输出信号线，并且其源极连接到电流源。根据本发明的第二实施例，所述成像设备包括如下元件。像素阵列包括排列成矩阵的多个像素，每个像素输出通过成像获得的信号电荷作为像素信号。针对像素阵列的各个列而排列多个像素信号处理单元。每个像素信号处理单元包括电流源和信号处理电路。所述电流源连接到像素信号的传输路径并具有可变电流。信号处理电路对取决于到传输路径的输出信号的信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流。根据本发明的第三实施例，一种照相机包括成像设备以及在成像设备上形成对象图像的光学系统。所述成像设备包括如下元件。像素阵列包括排列成矩阵的多个像素，每个像素输出通过成像获得的信号电荷作为像素信号。针对像素阵列的各个列而排列多个像素信号处理单元。每个像素信号处理单元包括电流源和信号处理电路。所述电流源连接到像素信号的传输路径并具有可变电流。所述信号处理电路对取决于到传输路径的输出信号的信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流。根据本发明的实施例，所述信号处理电路对充当通过成像获得的信号电荷的像素信号执行预定的处理。控制传输路径的电平，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流。 根据本发明的实施例，可以实现高分辨率高精度的成像设备以及包括该成像设备的照相机，该成像设备能够实现用于实行高帧速率或处理增加数目的像素的高速操作，而没有导致功耗的增加且不需要改善元件的精度。


图I是图示了具有利用单斜率积分的斜坡计数器模数转换器的成像设备的结构的图；图2是用于说明图I中的设备的操作的时序图；图3是图示了根据本发明实施例的成像设备的示意结构的框图；图4是示出了根据本发明实施例的単位像素的结构以及像素信号处理单元的结构的图；图5是图示了德耳塔-西格马(Λ Σ )模数转换器的基本结构的框图；
图6是示出了根据本发明实施例的修改的像素信号处理单元的结构的图；图7是图示了根据本发明实施例的第一具体示例的単位像素的结构和像素信号处理单元的结构的图；图8是示出了根据实施例在Λ Σ调制器的量化器的输出与选择器中的选择控制信号的设置电平之间的关系的图；图9是用于说明在图7中的像素信号处理单元的操作的时序图；图10是图示了根据本发明实施例的第二具体示例的単位像素的结构和像素信号处理单元的结构的图；以及图11是图示了根据本发明实施例的包括成像设备的照相机系统的结构的图。
具体实施例方式现在，将參考附图来描述本发明的实施例。图3是图示了根据本实施例的成像设备的示意结构的框图。图4是示出了根据本实施例的单位像素的结构以及像素信号处理单元的结构的图。成像设备10包括像素阵列12、垂直选择电路13、和多个像素信号处理单元 14(14-1、14-2、......)。像素阵列12包括排列成矩阵的多个单位像素11。每个单位像素
11将外部光光电转换为电信号。垂直选择电路13选择像素阵列12的预定行，并驱动与所述单位像素连接的多条驱动线DRVL。每个像素信号处理单元14直接(或者通过源极跟随器晶体管)连接到像素输出信号线VSL，从而构成了为每列像素阵列12安排的传输路径。每个单位像素11包括光电ニ极管111、传输晶体管112、放大器晶体管113、复位晶体管114、和选择晶体管115。光电ニ极管111将入射光转换为信号电荷(例如，电子)，其数量对应于入射光的数量，并存储该信号电荷。传输晶体管112的源极连接到光电ニ极管111的阴极，其漏极连接到浮动节点ND111，而其栅极连接到通过其传送传输信号TR的传输选择线TRL。传输晶体管112具有在导电(导通)时将存储在光电ニ极管111中的信号电荷传输到浮动节点NDlll的功能。放大器晶体管113的源极连接到像素输出信号线VSL，其漏极连接到选择晶体管115的源极，而其栅极连接到浮动节点ND111。选择晶体管115的漏极连接到供电电压源VDD，而其栅极连接到选择线SELL。当垂直选择电路13将高电平选择信号SEL供应到选择线SELL以导通选择晶体管115时，放大器晶体管113具有将浮动节点NDlll的电势输出到像素输出信号线VSL的功倉^:。复位晶体管114的漏极连接到供电电压源VDD，其源极连接到浮动节点ND111，而其栅极连接到复位线RSTL。当垂直选择电路13将高电平复位信号RST供应到复位线RSTL吋，复位晶体管114导通，从而复位该浮动节点NDlll的电势。具有上述结构的単位像素11排列成矩阵，从而形成像素区域(成像区域)。针对像素阵列12的每一行安排传输选择线TRL、选择线SELL、和复位线RSTL。垂直选择电路13驱动传输选择线TRL、选择线SELL、和复位线RSTL。 每个像素信号处理单元14包括电流源141和信号处理电路142。电流源141和信号处理电路142被连接到从像素阵列12延伸出来的对应垂直信号线VSL。參考图4，每个像素信号处理单元14还包括η个(η是2或更大的正整数)负载MOS晶体管LTl至LTnjPη个开关晶体管SWl至SWn。负载MOS晶体管LTl至LTn中的至少ー个通过像素输出信号线VSL和对应开关晶体管而被选择性地连接到単位像素11中的放大器晶体管113。所连接的负载MOS晶体管的驱动电流的量(下文中为驱动电流量)是根据信号处理电路142(量化器)进行信号处理所获得的输出来控制的。在电流源141中，负载MOS晶体管LTl至LTn的每ー个的栅极连接到通过其供应偏置信号VBIAS的偏置信号供应线VBIASL。负载MOS晶体管LTl至LTn中的每ー个都起到恒流源的作用。负载MOS晶体管LTl的源极连接到參考电势(本实施例中为地电势GND)，而其漏极连接到MOS开关(M0S晶体管)SWl的源极。MOS开关SWl的漏极连接到像素输出信号线VSL。类似地，负载MOS晶体管LTn的源极连接到參考电势(本实施例中为地电势GND)，而其漏极连接到MOS开关(M0S晶体管)SWn的源极。MOS开关SWn的漏极连接到像素输出信号线VSL。各个MOS开关SWl至SWn的栅极连接到信号处理电路142的控制输出端。在根据本实施例的成像设备10中，每个像素信号处理单元14针对每个像素信号将充当信号处理电路142的输出的数字值反馈到电流源141，从而实现与能够实行高精度模数转换的△ Σ模数转换器的功能等同的功能。具体地，在为固态成像设备提供的列并列Λ Σ模数转换器中，通过改变负载MOS晶体管的电流来实现每个量化器的输出的反馈，从而构成与像素输出信号线连接的源极跟随器。結果，实现了具有高分辨率和高精度的固态成像设备。下面，将更详细地描述本实施例的Λ Σ模数转换器的基本结构以及像素信号处理单元14的特征结构。图5是图示了 Λ Σ模数转换器的基本结构的框图。參考图5，Δ Σ模数转换器200包括減法器201、积分器202、量化器203、数模转换器204、以及抽选滤波器(decimation filter) 205。积分器202起到低通滤波器(LPF)的作用。量化器203具有相加量化噪声的功能(即，进行辨别以确定是将值设置为“I”还是设置为“O”的功能)。数模转换器204具有辨别功能。在除了固态成像设备的这些应用之外的应用中，例如，在音频应用和测量仪器的应用中，△ Σ模数转换器在许多情况中被用作用以实现高精度的模数转换器。实现了超过16位的转换精度。如图5所示，Λ Σ模数转换器200基本上包括积分器202和量化器203。减法器201从模拟输入信号中减去通过利用数模转换器204对量化器203的输出进行数模转换而获得的反馈信号。其后，积分器202对从减法器201输出的信号进行积分，量化器203量化从积分器202输出的信号,而抽选滤波器205对从量化器203输出的信号进行抽选,从而获
得数字输出信号。Δ Σ模数转换器200可实现高精度的模数转换。为引将高精度的模数转换施加到固态成像设备，必须针对每个像素信号反馈数字值。难以实现反馈。 在本实施例中，上述反馈是通过安排包括MOS晶体管(在本实施例中为η沟道MOS晶体管)的恒流源(其中所述恒流源连接到每个单位像素11中的放大器晶体管而构成了所述源极跟随器电路)、并根据源极跟随器电路的输出或者在随后级中安排的信号处理电路142的输出来改变恒流源的电流来实现的，电路142的输出是基于源极跟随器电路的输出的。再参考图4，如上所述，像素信号处理单元14连接到从像素延伸出来的像素输出信号线VSL，使得负载MOS晶体管LTl至LTn分别通过开关晶体管(M0S开关)Sffl至SWn、经由像素输出信号线VSL而连接到单位像素11中的放大器晶体管113。根据信号处理电路142中的量化器的输出来控制负载MOS晶体管的驱动电流量。具体地，在图4的像素信号处理单元14中，MOS开关SWl至SWn中的每一个被布置在负载MOS晶体管LTl至LTn的对应一个与像素输出信号线VSL之间。MOS开关SWl至Sffn的导通和截止改变了连接到像素输出信号线VSL的负载MOS晶体管LT的数目。用接下来的表达式I来表示根据负载MOS晶体管LT的像素输出信号线VSL的电压的改变。当假设IlMd为负载MOS晶体管LT的驱动电流量、假设Vpim为像素信号电压、并假设Vth为放大器晶体管113的阈值电平时，电流驱动量Iltjad取决于电压Vpim-Vra而改变。因此，可以反馈量化器的输出。表达式I
权利要求
1.ー种成像设备，包括 像素，其输出信号电荷作为像素信号； 电流源，连接到像素信号的传输路径，该电流源具有可变电流；以及 信号处理电路，其执行控制，以便改变电流源的电流。
2.根据权利要求I的设备,其中 该像素包括构成源极跟随器的放大器晶体管，其将信号电荷作为像素信号输出到传输路径； 该电流源包括多个负载晶体管和多个开关，使用预定的偏置信号来偏置所述负载晶体管的栅极，所述负载晶体管的源极并联连接到预定电势，每个开关连接在对应负载晶体管的漏极与传输路径之间；以及 所述信号处理电路根据对通过该传输路径传送的像素信号的处理结果来选择性地导通电流源中的开关。
3.根据权利要求I的设备,其中 该像素包括构成源极跟随器的放大器晶体管，其将信号电荷作为像素信号输出到传输路径； 该电流源包括负载晶体管和多个开关，所述负载晶体管的源极连接到预定电势，所述多个开关连接到负载晶体管的栅极、井分别连接到不同的偏置信号供应线；以及 所述信号处理电路根据对通过该传输路径传送的像素信号的处理结果来选择性地导通电流源中的开关。
4.根据权利要求I的设备,其中 该信号处理电路包括 积分器，对通过传输路径传送的像素信号进行积分； 量化器，对积分器的输出信号进行量化；以及 选择器，根据量化器的量化结果来改变电流源的电流。
5.根据权利要求2的设备，其中 该信号处理电路包括 积分器，对通过传输路径传送的像素信号进行积分； 量化器，对积分器的输出信号进行量化；以及 选择器，根据量化器的量化结果来选择性地导通电流源中的开关。
6.根据权利要求3中的设备，其中 该信号处理电路包括 积分器，对通过传输路径传送的像素信号进行积分； 量化器，对积分器的输出信号进行量化；以及 选择器，根据量化器的量化结果来选择性地导通电流源中的开关。
7.根据权利要求4的设备，其中 该量化器比较通过积分器获得的积分信号的电平和预定阈值电平，并将比较结果输出到该选择器；以及 该选择器改变电流源的电流，使得当积分信号的电平高于该阈值电平时，降低传输路径的电平，而当积分信号的电平低于该阈值电平时，提高传输路径的电平。
8.根据权利要求5的设备，其中 该量化器比较通过积分器获得的积分信号的电平和预定阈值电平，并将比较结果输出到选择器；以及 该选择器选择性地导通电流源中的开关，使得当积分信号的电平高于该阈值电平吋，降低传输路径的电平，而当积分信号的电平低于该阈值电平时，提高传输路径的电平。
9.根据权利要求6的设备，其中 该量化器比较通过积分器获得的积分信号的电平和预定阈值电平，并将比较结果输出到该选择器；以及 该选择器选择性地导通电流源中的开关，使得当积分信号的电平高于该阈值电平吋，降低传输路径的电平，而当积分信号的电平低于该阈值电平时，提高传输路径的电平。
10.根据权利要求7或8的设备，其中 所述传输路径包括像素输出信号线，其连接到像素中的放大器晶体管的源极并连接到电流源。
11.根据权利要求7或8的设备，其中 所述传输路径包括 像素输出信号线，连接到像素中的放大器晶体管的源扱；以及源极跟随器晶体管，该源极跟随器晶体管的栅极连接到像素输出信号线，其源极连接到电流源。
12.—种成像设备，包括 像素阵列，包括排列成矩阵的多个像素，每个像素输出信号电荷作为像素信号；以及 多个像素信号处理单元，为该像素阵列的各个列排列，其中 每个像素信号处理单元包括 电流源，连接到像素信号的传输路径，该电流源具有可变电流；以及 信号处理电路，其执行控制，以便改变电流源的电流。
13.根据权利要求12的设备，其中 所述信号处理电路包括 积分器，对通过传输路径传送的像素信号进行积分； 量化器，对积分器的输出信号进行量化；以及 选择器，根据量化器的量化结果来改变电流源的电流。
14.根据权利要求13的设备，其中 该量化器比较通过积分器获得的积分信号的电平和预定阈值电平，并将比较结果输出到该选择器；以及 该选择器改变电流源中的电流，使得当积分信号的电平高于该阈值电平时，降低传输路径的电平，而当积分信号的电平低于该阈值电平时，提高传输路径的电平。
15.根据权利要求14的设备，其中 所述传输路径包括像素输出信号线，其连接到像素中的放大器晶体管的源极并连接到电流源。
16.根据权利要求14的设备，其中 所述传输路径包括像素输出信号线，连接到像素中的放大器晶体管的源扱；以及源极跟随器晶体管，该源极跟随器晶体管的栅极连接到像素输出信号线，其源极连接到电流源。
17.一种照相机，包括 成像设备，以及 光学系统，在成像设备上形成对象图像；其中 所述成像设备包括 像素阵列，包括排列成矩阵的多个像素，每个像素输出信号电荷作为像素信号；以及 多个像素信号处理单元，为该像素阵列的各个列排列，并且 每个像素信号处理单元包括 电流源，连接到像素信号的传输路径，该电流源具有可变电流；以及 信号处理电路，其执行控制，以便改变电流源的电流。
18.—种成像设备，包括 像素，其输出信号电荷作为像素信号，所述信号电荷通过成像获得； 电流源，连接到像素信号的传输路径，该电流源具有可变电流，所述电流源包括至少ー个负载晶体管和至少ー个开关；以及 信号处理电路，其对取决于到传输路径的输出信号的信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流， 其中，所述至少ー个开关电地置于所述传输路径和对应负载晶体管之间，以将第一负载晶体管选择性地连接到所述像素，且所述至少ー个开关的栅极连接到所述信号处理电路来从其接收信号。
19.ー种成像设备，包括 像素，其输出信号电荷作为像素信号，所述信号电荷通过成像获得； 电流源，连接到像素信号的传输路径，该电流源具有可变电流，所述电流源包括至少ー个负载晶体管和至少ー个开关；以及 信号处理电路，其对取决于到传输路径的输出信号的信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流， 其中，所述至少ー个开关电地置于所述传输路径和对应负载晶体管之间，以将第一负载晶体管选择性地连接到所述像素，且所述像素包括构成源极跟随器的放大器晶体管，其将信号电荷作为像素信号输出到传输路径， 所述电流源包括多个负载晶体管和多个开关， 使用预定的偏置信号来偏置所述负载晶体管的栅极， 所述负载晶体管的源极并联地连接到预定电势，每个开关连接在对应的负载晶体管的漏极与传输路径之间，以及 所述信号处理电路根据对通过传输路径传送的像素信号的处理结果，来选择性地导通电流源中的开关。
20.ー种成像设备，包括 像素，其输出信号电荷作为像素信号，所述信号电荷通过成像获得；电流源，连接到像素信号的传输路径，该电流源具有可变电流；以及信号处理电路，其对取决于到传输路径的输出信号的信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流， 其中，所述像素包括构成源极跟随器的放大器晶体管，其将信号电荷作为像素信号输出到传输路径， 所述电流源包括负载晶体管和多个开关，所述负载晶体管的源极连接到预定电势，所述开关连接到负载晶体管的栅极，且分别连接到不同偏置信号供应线；以及 所述信号处理电路根据对通过传输路径传送的像素信号的处理结果，来选择性地导通电流源中的开关。
21.根据权利要求18的设备，其中，所述信号处理电路包括 积分器，对通过传输路径传送的像素信号进行积分； 量化器，对积分器的输出信号进行量化；以及 选择器，根据量化器的量化结果来改变电流源的电流。
22.根据权利要求19的设备，其中，所述信号处理电路包括 积分器，对通过传输路径传送的像素信号进行积分； 量化器，对积分器的输出信号进行量化；以及 选择器，根据量化器的量化结果来选择性地导通电流源中的开关。
23.根据权利要求20的设备，其中，所述信号处理电路包括 积分器，对通过传输路径传送的像素信号进行积分； 量化器，对积分器的输出信号进行量化；以及 选择器，根据量化器的量化结果来选择性地导通电流源中的开关。
24.根据权利要求21的设备，其中， 该量化器比较通过积分器获得的积分信号的电平和预定阈值电平，并将比较结果输出到选择器；以及 该选择器改变电流源的电流，使得当积分信号的电平高于该阈值电平时，降低传输路径的电平，而当积分信号的电平低于该阈值电平时，提高传输路径的电平。
25.根据权利要求22的设备，其中， 该量化器比较通过积分器获得的积分信号的电平和预定阈值电平，并将比较结果输出到选择器；以及 该选择器选择性地导通电流源中的开关，使得当积分信号的电平高于该阈值电平吋，降低传输路径的电平，而当积分信号的电平低于该阈值电平时，提高传输路径的电平。
26.根据权利要求23的设备，其中， 该量化器比较通过积分器获得的积分信号的电平和预定阈值电平，并将比较结果输出到该选择器；以及 该选择器选择性地导通电流源中的开关，使得当积分信号的电平高于该阈值电平吋，降低传输路径的电平，而当积分信号的电平低于该阈值电平时，提高传输路径的电平。
27.根据权利要求24或25的设备，其中 所述传输路径包括像素输出信号线，其连接到像素中的放大器晶体管的源极并连接到电流源。
28.根据权利要求24或25的设备，其中所述传输路径包括 像素输出信号线，连接到像素中的放大器晶体管的源扱；以及源极跟随器晶体管，该源极跟随器晶体管的栅极连接到像素输出信号线，其源极连接到电流源。
29.ー种成像设备，包括 像素阵列，包括排列成矩阵的多个像素，每个像素输出信号电荷作为像素信号，所述信号电荷通过成像获得；以及 多个像素信号处理单元，为该像素阵列的各个列排列，其中，每个像素信号处理单元包括电流源，连接到像素信号的传输路径，该电流源具有可变电流，所述电流源包括至少ー个负载晶体管和至少ー个开关；以及 信号处理电路，其对取决于到传输路径的输出信号的像素信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流， 其中，所述至少ー个开关电地置于所述传输路径和对应负载晶体管之间，以将所述负载晶体管选择性地连接到所述像素，且所述至少ー个开关的栅极连接到所述信号处理电路以从其接收信号。
30.根据权利要求29的设备，其中，所述信号处理电路包括 积分器，对通过传输路径传送的像素信号进行积分； 量化器，对积分器的输出信号进行量化；以及 选择器，根据量化器的量化结果来改变电流源的电流。
31.根据权利要求30的设备，其中 该量化器比较通过积分器获得的积分信号的电平和预定阈值电平，并将比较结果输出到选择器；以及 该选择器改变电流源的电流，使得当积分信号的电平高于该阈值电平时，降低传输路径的电平，而当积分信号的电平低于该阈值电平时，提高传输路径的电平。
32.根据权利要求31的设备，其中 所述传输路径包括像素输出信号线，其连接到像素中的放大器晶体管的源极并连接到电流源。
33.根据权利要求31的设备，其中 所述传输路径包括 像素输出信号线，连接到像素中的放大器晶体管的源扱；以及源极跟随器晶体管，该源极跟随器晶体管的栅极连接到像素输出信号线，其源极连接到电流源。
34.一种照相机，包括 成像设备，以及 光学系统，在成像设备上形成对象图像；其中 所述成像设备包括 (a)像素阵列，包括排列成矩阵的多个像素，每个像素输出信号电荷作为像素信号，所述信号电荷通过成像获得；以及 (b)多个像素信号处理单元，为该像素阵列的各个列排列，并且每个像素信号处理单元包括 (i)电流源，连接到像素信号的传输路径，该电流源具有可变电流，所述电流源包括至少ー个晶体管和至少ー个开关；以及 ( )信号处理电路，其对取决于到传输路径的输出信号的像素信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流， 其中，所述至少ー个开关电地置于所述传输路径和对应负载晶体管之间，以将第一负载晶体管选择性地连接到所述像素，且所述至少ー个开关的栅极连接到所述信号处理电路来从其接收信号。
35.ー种成像设备,包括 像素，其输出信号电荷作为像素信号，所述信号电荷通过成像获得； 电流源，连接到像素信号的传输路径，该电流源具有可变电流；以及信号处理电路，其对取决于到传输路径的输出信号的信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流， 其中， 所述信号处理电路包括 积分器，对通过传输路径传送的像素信号进行积分； 量化器，对积分器的输出信号进行量化；以及 选择器，根据量化器的量化结果来改变电流源的电流。
36.ー种成像设备,包括 像素，其输出信号电荷作为像素信号，所述信号电荷通过成像获得； 电流源，连接到像素信号的传输路径，该电流源具有可变电流；以及信号处理电路，其对取决于到传输路径的输出信号的信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流， 其中， 所述像素包括构成源极跟随器的放大器晶体管，其将信号电荷作为像素信号输出到传输路径， 所述电流源包括多个负载晶体管和多个开关，使用预定的偏置信号来偏置所述负载晶体管的栅极，所述负载晶体管的源极并联地连接到预定电势，每个开关连接在对应的负载晶体管的漏极与传输路径之间，以及 所述信号处理电路根据对通过传输路径传送的像素信号的处理结果，来选择性地导通电流源中的开关，以及 所述信号处理电路包括(a)积分器，对通过传输路径传送的像素信号进行积分；(b)量化器，对积分器的输出信号进行量化；以及(C)选择器，根据量化器的量化结果来选择性地导通电流源中的开关。
37.ー种成像设备，包括 像素，其输出信号电荷作为像素信号，所述信号电荷通过成像获得； 电流源，连接到像素信号的传输路径，该电流源具有可变电流；以及信号处理电路，其对取决于到传输路径的输出信号的信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流，其中， 所述像素包括构成源极跟随器的放大器晶体管，其将信号电荷作为像素信号输出到传输路径， 所述电流源包括负载晶体管和多个开关，所述负载晶体管的源极连接到预定电势，所述开关连接到负载晶体管的栅极，且分别连接到不同偏置信号供应线；以及 所述信号处理电路根据对通过传输路径传送的像素信号的处理结果，来选择性地导通电流源中的开关，以及 所述信号处理电路包括(a)积分器，对通过传输路径传送的像素信号进行积分；(b)量化器，对积分器的输出信号进行量化；以及(C)选择器，根据量化器的量化结果来选择性地导通电流源中的开关。
38.ー种成像设备，包括 像素，其输出信号电荷作为像素信号，所述信号电荷通过成像获得； 电流源，连接到像素信号的传输路径，该电流源具有可变电流；以及信号处理电路，其对取决于到传输路径的输出信号的信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流， 其中， 该量化器比较通过积分器获得的积分信号的电平和预定阈值电平，并将比较结果输出到选择器；以及 该选择器改变电流源的电流，使得当积分信号的电平高于该阈值电平时，降低传输路径的电平，而当积分信号的电平低于该阈值电平时，提高传输路径的电平。
39.ー种成像设备，包括 像素，其输出信号电荷作为像素信号，所述信号电荷通过成像获得； 电流源，连接到像素信号的传输路径，该电流源具有可变电流；以及信号处理电路，其对取决于到传输路径的输出信号的信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流， 其中， 所述像素包括构成源极跟随器的放大器晶体管，其将信号电荷作为像素信号输出到传输路径， 所述电流源包括多个负载晶体管和多个开关，使用预定的偏置信号来偏置所述负载晶体管的栅极，所述负载晶体管的源极并联地连接到预定电势，每个开关连接在对应的负载晶体管的漏极与传输路径之间，以及 所述信号处理电路根据对通过传输路径传送的像素信号的处理结果，来选择性地导通电流源中的开关，以及 量化器比较通过积分器获得的积分信号的电平和预定阈值电平，并将比较结果输出到选择器；以及 该选择器选择性地导通电流源中的开关，使得当积分信号的电平高于该阈值电平吋，降低传输路径的电平，而当积分信号的电平低于该阈值电平时，提高传输路径的电平。
40.ー种成像设备，包括 像素，其输出信号电荷作为像素信号，所述信号电荷通过成像获得；电流源，连接到像素信号的传输路径，该电流源具有可变电流；以及信号处理电路，其对取决于到传输路径的输出信号的信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流， 其中， 所述像素包括构成源极跟随器的放大器晶体管，其将信号电荷作为像素信号输出到传输路径， 所述电流源包括负载晶体管和多个开关，所述负载晶体管的源极连接到预定电势，所述开关连接到负载晶体管的栅极，且分别连接到不同偏置信号供应线，以及 所述信号处理电路根据对通过传输路径传送的像素信号的处理结果，来选择性地导通电流源中的开关，以及 该量化器比较通过积分器获得的积分信号的电平和预定阈值电平，并将比较结果输出到该选择器；以及 该选择器选择性地导通电流源中的开关，使得当积分信号的电平高于该阈值电平吋，降低传输路径的电平，而当积分信号的电平低于该阈值电平时，提高传输路径的电平。
41.ー种成像设备，包括 像素，其输出信号电荷作为像素信号，所述信号电荷通过成像获得； 电流源，连接到像素信号的传输路径，该电流源具有可变电流；以及信号处理电路，其对取决于到传输路径的输出信号的信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流， 其中， 所述传输路径包括像素输出信号线，其连接到像素中的放大器晶体管的源极并连接到电流源。
42.ー种成像设备，包括 像素，其输出信号电荷作为像素信号，所述信号电荷通过成像获得； 电流源，连接到像素信号的传输路径，该电流源具有可变电流；以及信号处理电路，其对取决于到传输路径的输出信号的信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流， 其中， 所述传输路径包括(a)像素输出信号线，连接到像素中的放大器晶体管的源扱；以及(b)源极跟随器晶体管，该源极跟随器晶体管的栅极连接到像素输出信号线，其源极连接到电流源。
43.ー种成像设备，包括 像素阵列，包括排列成矩阵的多个像素，每个像素输出信号电荷作为像素信号，所述信号电荷通过成像获得；以及 多个像素信号处理单元，为该像素阵列的各个列排列， 其中，每个像素信号处理单元包括(a)电流源，连接到像素信号的传输路径，该电流源具有可变电流；以及(b)信号处理电路，其对取决于到传输路径的输出信号的像素信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流， 所述信号处理电路包括(a)积分器，对通过传输路径传送的像素信号进行积分；(b)量化器，对积分器的输出信号进行量化；以及(C)选择器，根据量化器的量化结果来改变电流源的电流。
44.根据权利要求43的设备，其中 该量化器比较通过积分器获得的积分信号的电平和预定阈值电平，并将比较结果输出到该选择器；以及 该选择器改变电流源的电流，使得当积分信号的电平高于该阈值电平时，降低传输路径的电平，而当积分信号的电平低于该阈值电平时，提高传输路径的电平。
45.根据权利要求44的设备，其中所述传输路径包括像素输出信号线，其连接到像素中的放大器晶体管的源极并连接到电流源。
46.根据权利要求44的设备，其中所述传输路径包括 像素输出信号线，连接到像素中的放大器晶体管的源扱；以及源极跟随器晶体管，该源极跟随器晶体管的栅极连接到像素输出信号线，其源极连接到电流源。
全文摘要
一种成像设备包括像素、电流源、和信号处理电路。所述像素输出通过成像获得的信号电荷作为像素信号。所述电流源连接到像素信号的传输路径并具有可变电流。所述信号处理电路对取决于到传输路径的输出信号的信号执行信号处理，并执行控制，以便根据信号处理的结果来改变电流源的电流。
文档编号H01L27/146GK102685401SQ20121011902
公开日2012年9月19日 申请日期2007年12月18日 优先权日2006年12月18日
发明者佐藤弘树 申请人:索尼株式会社