固态图像传感器、成像设备和AD转换器

相关申请的交叉引用

于2022年6月20日提交的日本专利申请第2022-098938号的公开内容(包括说明书、附图和摘要)通过引用整体并入本文。

背景技术

本公开涉及固态图像传感器、成像设备和AD转换器，并且，例如，本公开适用于包括集成ADC(模数转换器)的图像传感器、以及各自包括图像传感器的数字单反相机和监测相机。

下面公开了一种技术。

[专利文献1]日本未审查专利申请公开第2008-92091号

过去，已知通过多个像素的电压转换来输出数字图像的固态图像传感器。例如，专利文献1公开了一种成像设备，其中针对布置在垂直方向和水平方向上的光接收元件的每个垂直阵列提供有积分ADC，以输出数字值的光接收信号。

根据上述成像设备，还使用生成时钟脉冲的锁相环电路中的环形振荡器的抽头信号，并且通过触发脉冲来锁存抽头信号，并且通过将锁存的相位状态作为转换值的一部分，可以在不增加时钟脉冲的频率的情况下实现更高的分辨率。

发明内容

当固态图像传感器中包括的像素计数增加时，可以提高要从固态图像传感器输出的数字图像的图像质量。然而，像素计数增加得越多，稳定来自像素的电压信号所需要的时间(稳定时间)就越长。因此，为了实现由大规模像素形成的数字图像的更高图像质量，同时维持数字图像的帧速率，需要缩短大规模像素的稳定时间。

通过本说明书的描述和附图，本公开的其他目的和新颖特征将很清楚。

根据一个实施例的固态图像传感器彼此并行地执行保持第一像素的电压信号的操作和保持第二像素的电压信号的操作，并且将第一像素的电压信号和第二像素的电压信号连续地转换为数字信号。

根据上述一个实施例，可以实现由大规模像素形成的数字图像的更高图像质量，同时维持数字图像的帧速率。

附图说明

图1是示出根据本公开的第一实施例的作为包括固态图像传感器的成像设备的一个示例的数字单反相机的外观和配置的图；

图2是示出图1所示的固态图像传感器的配置的框图；

图3是示出图2所示的像素的配置的一个示例的等效电路图；

图4是示出根据比较示例的固态图像传感器的配置的一个示例的框图；

图5是示出图4所示的像素阵列和列ADC中的每一者的具体配置的框图；

图6是示出图5所示的列ADC的电路配置的一个示例的等效电路图；

图7是示出直到图6中的列ADC将来自一个像素的电压信号转换为数字信号而执行的多个操作的顺序的一个示例的时序图；

图8是示出图2所示的列ADC的电路配置的一个示例的等效电路图；

图9是示出图8中的流水线缓冲电路在Dark信号和Sig信号的AD转换中的操作的图；

图10是示出直到图8中的列ADC将来自两个像素的电压信号转换为数字信号而执行的多个操作的顺序的一个示例的时序图；

图11是示出根据本公开的第二实施例的固态图像传感器中包括的流水线缓冲电路的电路配置的一个示例的等效电路图；

图12是示出图11中的流水线缓冲电路在Dark信号的AD转换中的操作的图；

图13是示出图11中的流水线缓冲电路在Sig信号的AD转换中的操作的图；

图14是示出根据本公开的第三实施例的固态图像传感器的配置的一个示例的框图；

图15是用于描述图14中的列ADC与两条垂直信号线之间的连接模式的框图；

图16是示出Bayer像素的一个示例的图；

图17是示出根据第一实施例或第二实施例的固态图像传感器中构成Bayer像素的四个像素与两个列ADC之间的连接配置的图；

图18是示出在图17中的两个列ADC的转换结果中的一个具有误差的情况下图16中的Bayer像素的AD转换的结果的一个示例的图；

图19是示出根据本公开的第四实施例的固态图像传感器中构成Bayer像素的四个像素与两个列ADC之间的连接配置的图；以及

图20是示出在图19中的两个列ADC的转换结果中的一个具有误差的情况下图16中的Bayer像素的AD转换的结果的图。

具体实施方式

以下将参考附图在优选实施例的基础上详细描述本公开。以下描述中所示的相同或等效组件被赋予相同的附图标记，并且可以适当地省略重叠的描述。

第一实施例

图1是示出根据本公开的第一实施例的作为包括固态图像传感器1的成像设备的一个示例的数字单反相机500的外观和配置的图。成像设备可以是例如监测相机。

如图1所示，数字单反相机500包括镜头模块510、固态图像传感器1、信号处理LSI(大规模集成电路)521、控制微计算机524、监视器522和存储设备523。

控制微计算机524控制透镜模块510、信号处理LSI 521和固态图像传感器1。

透镜模块510包括变焦透镜511、固定透镜512、聚焦透镜513以及致动器514和515。

致动器514响应于来自控制微计算机524的控制命令而驱动变焦透镜511。致动器515响应于来自控制微计算机524的控制命令而驱动聚焦透镜513。

到透镜模块510的入射光穿过变焦透镜511、固定透镜512和聚焦透镜513，并且被输入到固态图像传感器1。

固态图像传感器1根据来自透镜模块510的发射光来生成数字图像。

当变焦透镜511的位置改变时，在固态图像传感器1中生成的数字图像的变焦倍率由此改变。当聚焦透镜513的位置改变时，在固态图像传感器1中生成的数字图像的焦点由此改变。

信号处理LSI 521对在固态图像传感器1中生成的数字图像执行图像处理。监视器522显示从信号处理LSI 521输出的图像。存储设备523存储从信号处理LSI 521输出的图像。

图2是示出图1所示的固态图像传感器1的配置的框图。固态图像传感器1是例如CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器，并且由单个半导体芯片形成。

如图2所示，固态图像传感器1包括像素阵列101、垂直扫描电路102、列AD转换器(ADC)10[1]至10[N](N是等于或大于2的自然数)、水平扫描电路103、逻辑部分104、输入/输出部分105和定时生成电路106。

像素阵列101包括以矩阵(行列配置)布置的多个像素PIX。像素阵列101具有M个行(M是等于或大于2的自然数)和N个列。在以下描述中，第i行和第j列中的像素被表示为PIX[i,j](i和j中的每个是自然数)。像素阵列101的行方向也称为水平方向，并且像素阵列101中的列方向也称为垂直方向。被包括在第j列中的多个像素连接到垂直信号线VEL1[j]或VEL2[j]中的任一个。

垂直扫描电路102在垂直方向上扫描像素。垂直扫描电路102控制水平信号线TX、RST和SEL的电压，这些信号线在图2之后的图3中示出。

列ADC 10[1]至10[N]以分别与像素阵列101的多个列相对应的N个数目来提供，并且沿着像素阵列101的下侧排列在行方向上。列ADC 10[j]连接到垂直信号线VEL1[j]和VEL2[j]。每个列ADC 10连接到对应列中的垂直信号线，并且接收从对应列中的像素PIX输出的电压信号。列ADC 10放大所接收的电压信号，并且对放大的电压信号执行AD转换，从而输出与电压信号相对应的数字信号。列ADC 10例如是积分ADC，并且更具体地是单斜率ADC。

水平扫描电路103在水平方向上对分别从列ADC 10[1]至10[N]输出的N个数字信号彼此并行地执行并行传输。时序生成电路106向像素阵列101和每个列ADC 10输出控制像素阵列101和列ADC 10[1]至10[N]中的每个中的电路的操作时序的时序信号。

逻辑部分104根据从外部提供的命令来控制固态图像传感器1的每个组件的操作。

输入/输出部分105对由水平扫描电路103传输的N个数字信号执行并串转换为串行信号，并且将这些信号输出到固态图像传感器1外部。输入/输出部分105进一步从外部接收命令等。

图3是示出图2所示的像素PIX的配置的一个示例的等效电路图。如图3所示，像素PIX包括光电二极管(光电转换元件)PD、传输晶体管TR1、复位晶体管TR2、放大晶体管TR3和选择晶体管TR4。在固态图像传感器1是CMOS图像传感器的情况下，晶体管TR1至TR4中的每一者包括NMOS(N沟道MOS)晶体管。

光电二极管PD通过光电转换来累积与入射光的量相对应的电荷。光电二极管PD的阳极连接到接地电势。光电二极管PD的阴极连接到传输晶体管TR1的源极。

传输晶体管TR1的栅极连接到水平信号线TX。传输晶体管TR1的漏极连接到浮置扩散FD。传输晶体管TR1将累积在光电二极管PD中的电荷传输到浮置扩散FD。

复位晶体管TR2的漏极连接到电源电势VDD。复位晶体管TR2的栅极连接到水平信号线RST。复位晶体管TR2的源极连接到浮置扩散FD。复位晶体管TR2将浮置扩散FD中的电荷复位到预定电压电平(电源电势VDD的电平)。

放大晶体管TR3的栅极连接到浮置扩散FD。放大晶体管TR3的漏极连接到电源电势VDD。放大晶体管TR3的源极连接到选择晶体管TR4的漏极。放大晶体管TR3在源极跟随器模式下放大浮置扩散FD的电压。

选择晶体管TR4的栅极连接到水平信号线SEL。选择晶体管TR4的源极连接到垂直信号线VEL。选择晶体管TR4将从放大晶体管TR3传输的电压信号输出到垂直信号线VEL。

对于每一行，连续地执行累积在像素PIX的光电二极管PD中的数据的读出。例如，在执行对第p行(p是自然数)中的每个像素PIX的数据读取的情况下，首先，将水平信号线TX[p]中的电压设置为低(L)电平(传输晶体管TR1截止)，并且将水平信号线SEL[p]的电压设置为高(H)电平(选择晶体管TR4接通)。

将水平信号线RST[p]设置为H电平(复位晶体管TR2接通)允许浮置扩散FD中的电荷被复位。在来自光电二极管PD的电荷没有传输到浮置扩散FD的状态(Dark状态)下的浮置扩散FD的电压信号(Dark信号)通过垂直信号线VEL输出到列ADC 10。然后，将水平信号线RST[p]设置为L电平(复位晶体管TR2截止)。

将水平信号线TX[p]的电压设置为H电平(传输晶体管TR1接通)允许通过传输晶体管TR1将累积在光电二极管PD中的电荷传输到浮置扩散FD。结果，与入射光的量相对应的电压信号(Sig信号)通过垂直信号线VEL从浮置扩散FD输出到列ADC 10。

注意，在图3中，示出了一个像素PIX设置有一个光电二极管PD和一个传输晶体管TR1的配置。替代地，一个像素PIX可以设置有多个光电二极管PD和多个传输晶体管TR1。

在以下描述中，为了清楚地示出根据第一实施例的固态图像传感器1的优点，在描述列ADC 10之前，将描述根据比较示例的固态图像传感器9。

图4是示出根据比较示例的固态图像传感器9的配置的一个示例的框图。固态图像传感器9的配置与固态图像传感器1的配置的不同之处在于，图2中的固态图像传感器1的列ADC 10被替换为列ADC 90，并且被包括在像素阵列101中的第j列中的多个像素连接到一条垂直信号线VEL[j]。固态图像传感器9的其他组件的配置与固态图像传感器1的配置类似，并且省略其描述。

图5是示出图4所示的像素阵列101和列ADC 90中的每一者的具体配置的框图。如图5所示，第i行中的多个像素中的每个像素连接到水平信号线TX[i]、RST[i]和SEL[i]。电流源11[j]连接在垂直信号线VEL[j]与接地电势之间。

列ADC 90[j]包括AD转换电路13[j]和锁存器(触发器)电路15[j]。垂直信号线VEL[j]连接到AD转换电路13[j]的输入端子P1。AD转换电路13[j]的输入端子P2连接到DAC(数模转换器)18。AD转换电路13[j]的输出端子P3连接到锁存电路15[j]。n位计数信号CODE(例如，n是10或12)从计数器14输入到锁存电路15[j]。

DAC 18输出斜坡信号RAMP作为参考信号。斜坡信号RAMP是从水平信号线TX[j]从H电平改变为L电平的定时开始以恒定梯度被扫描的电压信号。此外，计数器14从该定时开始从计数信号CODE的0开始向上计数。

AD转换电路13[j]在斜坡信号RAMP达到从垂直信号线VEL[j]输入的模拟信号的定时将输出信号的电平从L电平改变为H电平。

锁存电路15[j]在该定时保持计数信号CODE的值，作为与模拟信号相对应的数字信号。被保持在锁存电路15中的数字信号由图4中的水平扫描电路103连续地读出。

图6是示出图5所示的列ADC 90的电路配置的一个示例的等效电路图。如图6所示，ADC转换电路13包括输入端子P1、输入端子P2、输出端子P3、全差分放大器131、电容元件132和133、开关134、135和136、控制放大器137以及二值化电路138。

电容元件132连接在输入端子P1与全差分放大器131的非反相输入端子之间。电容元件133连接在输入端子P2与全差分放大器131的反相输入端子之间。开关134连接在全差分放大器131的非反相输入端子与另一反相输出端子之间。开关135连接在全差分放大器131的反相输入端子与另一非反相输出端子之间。

全差分放大器131的另一反相输出端子连接到控制放大器137的控制端子。开关136连接在控制放大器137的输入端子与输出端子之间。

二值化电路138连接在控制放大器137的输出端子与输出端子P3之间。二值化电路138例如是CMOS反相器。在斜坡信号RAMP的信号电平达到输入端子P1的信号电平的定时，二值化电路138的逻辑电平被反转。在该定时的计数信号CODE的值被保持在锁存电路15中。

图7是示出直到图6中的列ADC 90将来自一个像素的电压信号转换为数字信号而执行的多个操作的顺序的一个示例的时序图。

一起参考图3、图6和图7，在像素PIX中，依次执行操作Op11、Op12、Op13和Op14。在列ADC 90中，依次执行操作Op21、Op22、Op23、Op24和Op25。

在像素PIX中，在时间点t1至t2期间，执行操作Op11。操作Op11包括通过复位晶体管TR2对浮置扩散FD的复位操作。在时间点t2至t3期间，执行操作Op12。操作Op12包括用于稳定浮置扩散FD的备用操作。

在列ADC 90中，与像素PIX中的操作Op12并行地执行操作Op21。操作Op21包括AZ(自动归零)1操作。在AZ1操作中，图6中的开关134接通(处于导通状态)，并且与开关134连接的全差分放大器131的非反相输入端子和反相输出端子短路。同时，开关135接通，并且与开关135连接的全差分放大器131的反相输入端子和非反相输出端子短路。

在时间点t3至t4期间，执行操作Op22。操作Op22包括AZ2操作和OVR(超量程)操作。在AZ2操作中，图6中的开关136接通，并且控制放大器137的控制端子和输出端子短路。在OVR操作中，斜坡信号RAMP的电压电平从0电平增加。在时间点t4至t5期间，执行操作Op23。操作Op23包括比较Dark信号和斜坡信号RAMP以移除全差分放大器131的偏移的比较操作(Dark比较操作)。

在像素PIX中，在时间点t5至t6期间，执行操作Op13。操作Op13包括通过传输晶体管TR1将电荷从光电二极管PD传输到浮置扩散FD的传输操作。在时间点t6至t7期间，执行操作Op14。操作Op14包括用于稳定浮置扩散FD的备用操作。

在列ADC 90中，与像素PIX中的操作Op14并行地执行操作Op24。操作Op24包括OVR操作。在时间点t7至t8期间，执行操作Op25。操作Op25包括用于通过比较Sig信号和斜坡信号RAMP来将Sig信号转换为数字信号的比较操作(Sig比较操作)。

增加固态图像传感器9的像素计数使得可以提高要从固态图像传感器9输出的数字图像的图像质量。然而，像素计数增加得越多，用于稳定像素(图7中的操作Op12和Op14)的时间段就越长。根据工艺的小型化，即使列ADC 90的处理速度变高，像素PIX侧的操作时间也调节固态图像传感器9的转换速率。因此，为了实现由大规模像素形成的数字图像的更高图像质量，同时维持数字图像的帧速率，需要缩短大规模像素中的像素的稳定时间。

有鉴于此，在固态图像传感器1中，彼此并行地执行保持两个像素的电压信号的操作。根据固态图像传感器1，用于两个像素的稳定操作可以彼此重叠，使得与连续地执行用于两个像素的稳定操作的固态图像传感器9相比，可以进一步减少将来自多个像素PIX的电压信号转换为数字信号所需要的时间。结果，可以实现由大规模像素形成的数字图像的更高图像质量，同时维持数字图像的帧速率。

图8是示出图2所示的列ADC 10的电路配置的一个示例的等效电路图。列ADC 10的电路配置是将流水线缓冲电路17添加到图6所示的列ADC 90的电路配置中的配置。列ADC10的其他组件的电路配置与列ADC 90的电路配置类似，并且省略其描述。

如图8所示，流水线缓冲电路17包括输入端子P11和P12、输出端子P13、电压保持电路160和170以及开关电路180。输入端子P11连接到垂直信号线VEL1。电流源11连接在垂直信号线VEL1与接地电势之间。连接在输入端子P11与接地电势之间的电容元件C1表示垂直信号线VEL1的寄生电容。

输入端子P12连接到垂直信号线VEL2。电流源12连接在垂直信号线VEL2与接地电势之间。输入端子P12与接地电势之间的电容元件C2表示垂直信号线VEL2的寄生电容。输出端子P13连接到AD转换电路13的输入端子P1。

电压保持电路160连接在输入端子P11与开关电路180之间。电压保持电路160保持连接到垂直信号线VEL1的像素PIX的电压。电压保持电路160包括开关161和162以及电容元件163和164。

电压保持电路170连接在输入端子P12与开关电路180之间。电压保持电路170保持连接到垂直信号线VEL2的像素PIX的电压。电压保持电路170包括开关171和172以及电容元件173和174。

开关电路180连接到输出端子P13。开关电路180包括开关181、182、183、184和185、以及电压跟随器电路186。

开关161和181依次串联连接在输入端子P11与电压跟随器电路186的非反相输入端子之间。开关162和182依次串联连接在输入端子P11与电压跟随器电路186的非反相输入端子之间。彼此串联连接的开关161和181以及彼此串联连接的开关162和182彼此并联连接在输入端子P11与电压跟随器电路186的非反相输入端子之间。

电容元件163连接在开关161和181的连接点与接地电势之间。电容元件164连接在开关162和182的连接点与接地电势之间。

开关171和183依次串联连接在输入端子P12与电压跟随器电路186的非反相输入端子之间。开关172和184依次串联连接在输入端子P12与电压跟随器电路186的非反相输入端子之间。彼此串联连接的开关171和183以及彼此串联连接的开关172和184彼此并联连接在输入端子P12与电压跟随器电路186的非反相输入端子之间。

电容元件173连接在开关171和183的连接点与接地电势之间。电容元件174连接在开关172和184的连接点与接地电势之间。

开关185连接在电压跟随器电路186的非反相输入端子与接地电势之间。电压跟随器电路186的输出端子连接到输出端子P13，并且与电压跟随器电路186的反相输入端子短路。

图9是示出图8中的流水线缓冲电路17在Dark信号和Sig信号的AD转换中的操作的图。

一起参考图8和图9，在Dark信号的采样操作中，开关161、171、182、184和185接通，并且开关162、172、181和183关断(处于非导通状态)。更具体地，对连接到垂直信号线VEL1的像素PIX的电压和连接到垂直信号线VEL2的像素PIX的电压的采样操作彼此并行地执行。

根据对Dark信号的采样操作，连接到垂直信号线VEL1的像素PIX的电压被保持在电容元件163中。连接到垂直信号线VEL2的像素PIX的电压被保持在电容元件173中。

在Dark信号的采样之后，依次执行将连接到垂直信号线VEL1的像素PIX的电压输出到AC转换电路13的操作(Hold1)和将连接到垂直信号线VEL2的像素PIX的电压输出到AC转换电路13的操作(Hold2)。

在操作Hold1中，开关161、171、182、184和185关断，并且开关181接通。电容元件163的电压通过电压跟随器电路186输出到AD转换电路13。

在操作Hold2中，开关181关断，并且开关183接通。电容元件173的电压通过电压跟随器电路186输出到AD转换电路13。

在对Dark信号的操作Hold2之后，执行对Sig信号的采样操作。在对Sig信号的采样操作中，开关162、172、181和185接通。

通过执行对Sig信号的采样操作，连接到垂直信号线VEL1的像素PIX的电压被保持在电容元件164中。连接到垂直信号线VEL2的像素PIX的电压被保持在电容元件174中。

在操作Hold1中，开关162、172、181、183和185关断，并且开关182接通。电容元件164的电压通过电压跟随器电路186输出到AD转换电路13。

在操作Hold2中，开关182关断，并且开关184接通。电容元件174的电压通过电压跟随器电路186输出到AD转换电路13。

图10是示出直到图8中的列ADC 10将来自两个像素PIX1和PIX2的电压信号转换为数字信号而执行的多个操作的顺序的一个示例的时序图。

在图10中，连接到垂直信号线VEL1和VEL2的像素分别由像素PIX1和PIX2表示。此外，图10中的操作Op11至Op14以及操作Op22、Op23和Op25对应于图7所示的具有相同附图标记的操作。

如图10所示，在时间点t11至t15期间，对像素PIX1的电压信号的稳定操作和对像素PIX2的电压信号的稳定操作彼此并行地执行。两种稳定操作在整个时间段内彼此重叠。在对一个像素的电压信号的稳定操作中，操作Op11至Op14连续地执行。

从操作Op12结束的时间点t12之后的时间点t13开始，在列ADC 10中，连续地执行对像素PIX1和PIX2的AD转换操作。在时间点t13至t16期间，执行对像素PIX1的AD转换操作。在时间点t16至t19期间，执行对像素PIX2的AD转换操作。

关于对一个像素的AD转换操作，操作Op31、Op22、Op23、Op34和Op25依次连续地执行。在操作Op31中，执行对Dark信号的采样操作、和AZ1操作。在操作Op34中，执行对Sig信号的采样操作、和OVR操作。

在对像素PIX1的AD转换操作中，操作Op22从时间点t12之后的时间点t14开始，在时间点t12，作为像素PIX1的复位之后的稳定操作的操作Op12结束。作为对像素PIX1的Sig比较操作的操作Op25从时间点t15开始，在时间点t15，像素PIX1的电压信号的稳定结束。执行操作Op31、Op22、Op23和Op34的时间间隔与操作Op13和操作Op14的一部分重叠。

在对像素PIX2的AD转换操作中，操作Op22从时间点t12之后的时间点t17开始，在时间点t12，作为像素PIX2的复位之后的稳定操作的操作Op12结束。作为对像素PIX2的Sig比较操作的操作Op25从时间点t15之后的时间点t18开始，在时间点t18，像素PIX2的电压信号的稳定结束。

在执行对像素PIX2的AD转换操作中的操作Op31的同时，开始下一像素PIX1和PIX2的电压信号的稳定操作。作为像素PIX1和PIX2中的每一者的复位之后的稳定操作的操作Op12从时间点t18开始，在时间点t18，作为对当前像素PIX2的AD转换操作中的Dark比较操作的操作Op23结束。

一起参考图7和图10，将来自两个像素PIX的电压信号转换为数字信号所需要的转换时间是图7中的时间点t1到t8的时间间隔的两倍。相反，图10中的转换时间是时间点t11到t19的时间间隔。图10中的时间点t11到t19的时间间隔短于图7中的时间点t1到t8的时间间隔的两倍。结果，固态图像传感器1可以实现比固态图像传感器9更高的AD转换。

如上所述，根据第一实施例的固态图像传感器，可以实现由大规模像素形成的数字图像的更高图像质量，同时维持数字图像的帧速率。

第二实施例

第一实施例的固态图像传感器包括具有电容元件和开关的流水线缓冲电路。电容元件对固态图像传感器的尺寸的影响大于开关的影响。有鉴于此，在第二实施例中，将描述如下配置：其中使用用于减小kT/C噪声的电路配置来减小电容元件的电容，同时维持噪声功率，从而减小固态图像传感器的尺寸。

图11是示出根据本公开的第二实施例的固态图像传感器中包括的流水线缓冲电路27的电路配置的一个示例的等效电路图。流水线缓冲电路27具有如下电路配置：其中图8中的电压保持电路160和170以及开关电路180分别被替换为电压保持电路260和270以及开关电路280。流水线缓冲电路27的其他组件的配置与流水线缓冲电路17的配置类似，并且省略其描述。

如图11所示，电压保持电路260包括开关261、262、263、264和265、电容元件266、267和268、电阻元件R12和R11、以及运算放大器311和312。电压保持电路270包括开关271、272、273、274和275、电容元件276、277和278、电阻元件R22和R21、以及运算放大器321和322。

开关261和电容元件266依次串联连接在输入端子P11与运算放大器311的反相输入端子之间。开关262连接在开关261和电容元件266的连接点与接地电势之间。

开关263和电容元件267串联连接在输入端子P11与运算放大器311的反相输入端子之间。开关264连接在开关263和电容元件267的连接点与接地电势之间。

彼此串联连接的开关261和电容元件266以及彼此串联连接的开关263和电容元件267彼此并联连接在输入端子P11与运算放大器311的反相输入端子之间。

电容元件268和开关281依次串联连接在电容元件266与接地电势之间。开关282和283依次串联连接在电容元件268和开关281的连接点与输出端子P13之间。

运算放大器311的非反相输入端子连接到接地电势。开关265以及电阻元件R12和R11连接在运算放大器311的反相输入端子与接地电势之间。

运算放大器311的输出端子连接到电阻元件R12和R11的连接点。电阻元件R12和R11的连接点连接到运算放大器312的反相输入端子。运算放大器312的非反相输入端子连接到接地电势。运算放大器312的输出端子连接到开关282和283的连接点。

开关271和电容元件276依次串联连接在输入端子P12与运算放大器321的反相输入端子之间。开关272连接在开关271和电容元件276的连接点与接地电势之间。

开关273和电容元件277串联连接在输入端子P12与运算放大器321的反相输入端子之间。开关274连接在开关273和电容元件277的连接点与接地电势之间。

彼此串联连接的开关271和电容元件276以及彼此串联连接的开关273和电容性元素277彼此并联连接在输入端子P12与运算放大器321的反相输入端子之间。

电容元件278和开关284依次串联连接在电容元件276与接地电势之间。开关285和286依次串联连接在电容元件278和开关284的连接点与输出端子P13之间。

运算放大器321的非反相输入端子连接到接地电势。开关275以及电阻元件R22和R21依次串联连接到运算放大器321的反相输入端子和接地电势。

运算放大器321的输出端子连接到电阻元件R22和R21的连接点。电阻元件R22和R21的连接点连接到运算放大器322的反相输入端子。运算放大器322的非反相输入端子连接到接地电势。运算放大器322的输出端子连接到开关285和286的连接点。

图12是示出图11中的流水线缓冲电路27在Dark信号的AD转换中的操作的图。

一起参考图11和图12，在对Dark信号的采样操作中，开关261、265、281、271、275和284接通，并且开关262至264、282、283、272至274、285和286关断。

根据对Dark信号的采样操作，连接到垂直信号线VEL1的像素PIX的电压被保持在电容元件266中。连接到垂直信号线VEL2的像素PIX的电压被保持在电容元件276中。

在Dark信号的采样之后，开关265和275关断。此时，开关265和电容元件266的连接点以及开关275和电容元件276的连接点中的每一个连接点生成噪声功率Pn，噪声功率Pn是kT/C噪声(热噪声)。

当玻尔兹曼系数(J/K)由K表示，绝对温度由T(K)表示，电容元件266和276中的每一者的电容值由C(F)表示，电阻元件R11和R21中的每一者的电阻值由R

数学表达式1

如等式(1)所示，电阻值R

在开关265和275关断之后，依次执行从输出端子P13输出连接到垂直信号线VEL1的像素PIX的电压的操作(Hold1)和从输出端子P13输出连接到垂直信号线VEL2的像素PIX的电压的操作(Hold2)。

在操作Hold1中，开关261、281、271和284关断，并且开关262、272、282、283和285接通。由于电容元件266和276连接到接地电势，根据电荷守恒，电容元件268和278中分别生成被保持在电容元件266和276中的电压。仅当电容元件268和278可以具有保持电容元件266和276中保持的电压所需要的电容值时才足够。因此，可以使电容元件268和278的电容值较小，如电容元件266和276的电容值。通过接通开关283，输出端子P13中生成电容元件268的电压。

在操作Hold2中，开关283关断，并且开关286接通，使得输出端子P13中生成电容元件278的电压。对Sig信号的采样操作在对Dark信号的操作Hold2之后执行。

图13是示出图11中的流水线缓冲电路27在Sig信号的AD转换中的操作的图。

一起参考图11和图13，在对Sig信号的采样操作中，开关263、265、281、273、275和284接通，并且开关262、264、282和285关断。连接到垂直信号线VEL1的像素PIX的电压被保持在电容元件267中。连接到垂直信号线VEL2的像素PIX的电压被保持在电容元件277中。

在Sig信号的采样之后，开关265和275关断。此时，在开关265和电容元件267的连接点以及开关275和电容元件277的连接点中的每一个连接点处，生成噪声功率Pn。由于与电容元件266和276相同的原因，可以使电容元件267和277中的每一者的电容值较小。

在开关265和275关断之后，依次执行从输出端子P13输出连接到垂直信号线VEL1的像素PIX的电压的操作(Hold1)和从输出端子P13输出连接到垂直信号线VEL2的像素PIX的电压的操作(Hold2)。

在操作Hold1中，开关263、281、273和284关断，并且开关264、274、282、283和285接通。由于电容元件267和277连接到接地电势，根据电荷守恒，电容元件268和278中分别生成被保持在电容元件267和277中的电压。在Hold2操作中，开关283关断，并且开关286接通。

如上所述，根据第二实施例的固态图像传感器，可以实现由大规模像素形成的数字图像的更高图像质量，同时维持数字图像的帧速率。此外，根据第二实施例的固态图像传感器，可以使流水线缓冲电路中包括的电容元件的电容值较小，从而可以减小固态图像传感器的尺寸。

第三实施例

根据第一实施例和第二实施例，已经描述了如下固态图像传感器：其中针对像素阵列的每列提供两条垂直信号线并且两条垂直信号线连接到一个列ADC。在第三实施例中，将描述如下配置：其中针对像素阵列的每列提供一条垂直信号线并且不同列中的两条垂直信号线连接到一个列ADC。

图14是示出根据本公开的第三实施例的固态图像传感器3的配置的一个示例的框图。固态图像传感器3的配置与图4中的固态图像传感器9的配置的不同之处在于，图4中的固态图像传感器9的列ADC 90的数目减少了一半。固态图像传感器3的其他组件的配置与固态图像传感器9的配置类似，并且省略其描述。

图15是用于描述图14中的列ADC 10与两条垂直信号线VEL[j]与VEL[j+1]之间的连接模式的框图。注意，在图15中，j是奇数。

如图15所示，像素阵列101的第j列中的垂直信号线VEL[j]连接到流水线缓冲电路17(或27)的输入端子P11。像素阵列101的第(j+1)列中的垂直信号线VEL[j+1]连接到流水线缓冲电路17(或27)的输入端子P12。在固态图像传感器3的列ADC 10中，对像素阵列101的第i行中的像素PIX[i,j]和像素PIX[i,j+1]的电压信号的采样操作彼此并行地执行。

如上所述，根据第三实施例的固态图像传感器，可以实现由大规模像素形成的数字图像的更高图像质量，同时维持数字图像的帧速率。此外，根据第三实施例的固态图像传感器，可以将列ADC的数目减少一半，从而可以降低固态图像传感器的制造成本。

第四实施例

在第四实施例中，使用在第一实施例或第二实施例中描述的流水线缓冲电路，将描述能够增强通过从拜耳(Bayer)像素进行AD转换而获取的数字图像的图像质量的固态图像传感器。

图16是示出Bayer像素的一个示例的图。如图16所示，四个像素PIX[i,j]、PIX[i+1,j]、PIX[i,j+1]和PIX[i+1,j+1]构成Bayer像素。像素PIX[i,j]和PIX[i+1,j+1]分别存储与红光相对应的电荷和与蓝光相对应的电荷。像素PIX[i+1,j]和PIX[i,j+1]各自存储与绿光相对应的电荷。

图17是示出根据第一实施例或第二实施例的固态图像传感器中构成Bayer像素的四个像素PIX[i,j]、PIX[i+1,j]、PIX[i,j+1]和PIX[i+1,j+1]与两个列ADC 10[j]和10[j+1]之间的连接配置的图。

如图17所示，来自与红光相对应的像素PIX[i,j]的电压信号和与绿光相对应的像素PIX[i+1,j]的电压信号分别通过垂直信号线VEL1[j]和VEL2[j]输入到列ADC 10[j]。

来自与绿光相对应的像素PIX[i,j+1]的电压信号和与蓝光相对应的像素PIX[i+1,j+1]的电压信号分别通过垂直信号线VEL1[j+1]和VEL2[j+1]输入到列ADC 10[j+1]。

图18是示出在图17中的两个列ADC 10[j]和10[j+1]的转换结果中的一个具有误差的情况下图16中的Bayer像素的AD转换的结果的一个示例的图。在图18中，示出了由列ADC 10[j+1]转换的像素的转换结果比通常更亮的情况。

如图18所示，将像素PIX[i+1,j]的转换结果与像素PIX[i,j+1]的转换结果进行比较，由列ADC 10[j+1]转换的像素PIX[i,j+1]的转换结果比由列ADC 10[j]转换的像素PIX[i+1,j]的转换结果更亮。结果，当对Bayer像素的转换结果执行Bayer插值处理时，第(j+1)列中的像素比第j列中的像素更亮。

以这种方式，当针对Bayer像素的每列、同一列中包括的两个像素的电压信号由同一列ADC 10转换时，在两个列ADC 10中的一个具有误差的情况下，在第一实施例或第二实施例中，在从固态图像传感器输出的数字图像中出现与其他列亮度不同的列。

有鉴于此，在第四实施例的固态图像传感器中，不是针对每列而是针对每个像素颜色来使得被输入有来自像素的电压信号的列ADC 10不同。

图19是示出根据本公开的第四实施例的固态图像传感器中构成Bayer像素的四个像素PIX[i,j]、PIX[i+1,j]、PIX[i,j+1]和PIX[i+1,j+1]与两个列ADC 10[j]和10[j+1]之间的连接配置的图。

如图19所示，来自与红光相对应的像素PIX[i,j]的电压信号和来自与蓝光相对应的像素PIX[i+1,j+1]的电压信号分别通过垂直信号线VEL1[j]和VEL2[j+1]输入到列ADC10[j]。

来自与绿光相对应的像素PIX[i+1,j]的电压信号和来自与绿光相对应的像素PIX[i,j+1]的电压信号分别通过垂直信号线VEL2[j]和VEL1[j+1]输入到列ADC 10[j+1]。

图20是示出在图19中的两个列ADC 10[j]和10[j+1]的转换结果中的一个具有误差的情况下图16中的Bayer像素的AD转换的结果的图。

如图20所示，来自与绿光相对应的像素PIX[i+1,j]的电压信号和来自与绿光相对应的像素PIX[i,j+1]的电压信号由同一列ADC 10[j+1]转换，并且因此，像素PIX[i+1,j]和PIX[i,j+1]两者的转换结果的亮度彼此相同。因此，在从第四实施例的固态图像传感器输出的数字图像中，没有出现与其他列亮度不同的列。

如上所述，根据第四实施例的固态图像传感器，可以实现由大规模像素形成的数字图像的更高图像质量，同时维持数字图像的帧速率。此外，根据第四实施例的固态图像传感器，可以提高通过对Bayer像素执行AD转换而获取的数字图像的图像质量。

在上文中，已经基于实施例具体描述了本发明的发明人所做的发明。然而，不用说，本发明不限于前述实施例，并且可以在本发明的要旨内进行各种修改和改变。