[发明专利]固态图像传感器和摄像机系统

说明书

技术领域

本发明涉及固态图像传感器，如以CMOS图像传感器为典型， 以及摄像机系统。

背景技术

近年来CMOS图像传感器在取代CCD作为固态图像传感器方面 受到了关注。这种关注是由于以下原因。CCD像素的制造涉及专用处 理，并且它们的操作涉及多个电源电压。此外，CCD需要结合多个外 围IC一起工作。与此相反，CMOS图像传感器克服了这种CCD的显 著增加系统复杂性相关的若干问题。

可以使用与典型CMOS集成电路的制造工艺类似的制造工艺来 制造CMOS图像传感器。还可以使用单个电源来驱动CMOS图像传 感器。此外，可以使用CMOS工艺将CMOS图像传感器与模拟或逻 辑电路一起混合在单个芯片上。由于这些原因，CMOS图像传感器具 有多个显著优点，使得能够减少外围IC的数量。

大多数CCD输出电路使用具有FD层的浮游扩散(floating diffusion，FD)放大器而产生1个信道(1ch)输出。与此相反，大多数 CMOS图像传感器具有用于每个像素的FD放大器并产生列平行 (column-parallel)输出，其中从像素阵列选择单个行，以列顺序同时读 出其中的值。由于难以实现布置在像素内的FD放大器的足够的驱动 性能，数据率降低，因而并行处理是有利的。

已经针对这种列平行CMOS图像传感器的信号输出电路提出了 多种方案。

一种方法中，使用诸如光电二极管的光电变换器从CMOS图像 传感器读取像素信号。通过布置在附近的MOS开关，传输构成光电 变换器生成的光信号的信号电荷，随后的电容器被简单的采样和读取。 在采样电路中，存在与普通采样容量值反相关的噪声。由于信号电荷 完全是在将信号电荷传输到采样电容器时利用电势梯度来传输的，在 像素的采样顺序上不会产生噪声。然而，当将最后一次采样的电容器 的电压电平复位到某个基准值时，的确会产生噪声。

相关双采样(CDS)是消除这种噪声的典型技术。利用CDS，读取 并存储紧接在对信号电荷(即，复位电平)采样之前的状态。然后读取 采样后的信号电平，通过从该信号电平减去复位电平来消除噪声。存 在多种具体的CDS技术。

此外，对于列平行CMOS图像传感器的像素信号读出(即，输出) 电路，已经提出了多种方案。最先进的方案之一涉及为每个列添加模 数转换器(ADC)，然后使像素信号成为数字信号。

这种配备ADC的列平行CMOS图像传感器被公开于例如W. Yang et.al，″An Integrated 800×600 CMOS Image System，″ISSCC Digest of Technical Papers，pp.304-305，Feb.1999和日本待审专利申 请公报No.2005-278135，2005-295346以及S63-209374中。

发明内容

如上所述，在配备ADC的列平行CMOS图像传感器(也称为列 AD CMOS图像传感器)中，比较器将来自DAC的斜坡波与像素信号 相比较，并且使用下游计数器执行数字CDS来进行AD转换。

通常，比较器被配置为两级放大器，在初始级执行低速信号比较， 将操作频带缩窄，然后在第二级放大器中提高增益。

同时，对于固态图像传感器，随机噪声是一个重要的性能指标。 随机噪声的主要来源是像素和AD转换器。

减小随机噪声的典型技术通过增大晶体管尺寸来减小闪变噪声 (flicker noise)，并试图通过增大初级比较器输出的电容来过滤CDS引 起的噪声。

然而，以上两种技术均存在缺点，其中一种导致电路面积增大， 而另一种由于电容增大而导致比较器中的反转延迟的恶化，妨碍了进 一步提高图像传感器帧速率。

尽管日本待审专利申请公报No.2005-295346和S63-209374利 用米勒(Miller)效应来减小像素内(即，垂直信号线之前)的复位噪声， 但是存在未减小AD转换器噪声的缺点。

因此期望提供一种固态图像传感器和摄像机系统，其中可以在不 增大电路面积的情况下改进帧速率，并且能够减小AD转换器噪声。