固态成像装置转让专利
申请号 : CN200610108759.7
文献号 : CN100586148C
文献日 : 2010-01-27
发明人 : 都筑孝夫
申请人 : 恩益禧电子股份有限公司
摘要 :
本发明涉及一种固态成像装置，其包括多个光电转换设备、用于传送由光电转换设备转换的信号电荷的电荷传送设备、用于将由电荷传送设备传送的信号电荷转换成信号电压的信号电荷检测部分、用于复位信号电荷检测部分的电势的复位电路、以及用于放大信号电压的放大部分。该放大部分包括两级源跟随器，向其中每个施加的电源电压与要施加到复位电路的电源电压不同。第二级源跟随器由驱动晶体管、根据复位电势VRD的波动改变电流量的电流源组成。通过根据复位电势VRD中的改变而改变电流源中流动的电流，能够改变源跟随器的输入/输出特性，从而抑制输出电压中的波动。
权利要求 :
1.一种固态成像装置，其包括：
多个光电转换设备；
用于传送由所述光电转换设备转换的信号电荷的电荷传送设备；
用于将由所述电荷传送设备传送的信号电荷转换成信号电压的信 号电荷检测部分；
用于复位所述信号电荷检测部分的电势的复位电路；以及用于放大所述信号电压的放大部分，
其中，所述放大部分包括第一源跟随器，所述第一源跟随器被施 加有与施加到所述复位电路的第一电源电压不同的第二电源电压；以 及所述第一源跟随器包括驱动晶体管和连接到所述驱动晶体管的电 流源，所述电流源包括提供有第一电源电压的第一电压源、提供有第 二电源电压的第二电压源、以及栅极连接到第一和第二电压源的输出 的负载晶体管。
2.根据权利要求1的固态成像装置，其中，如果第一电源电压改 变成较小的电源电压，则所述电流源减少电流量，并且如果第一电源 电压改变成较大的电源电压，则所述电流源增加电流量。
3.根据权利要求1的固态成像装置，其中，第一电压源包括串联 连接在第一电源电压和接地电势之间的第一和第二晶体管；
第二电压源包括串联连接在第二电源电压和接地电势之间的第三 和第四晶体管；以及第一和第二晶体管的节点与第三和第四晶体管的节点连接到所述 栅极。
4.根据权利要求1的固态成像装置，其中，所述放大部分还包括 在所述信号电荷检测部分和第一源跟随器之间的第二源跟随器，并且 该第二源跟随器被施加有第三电源电压。
5.根据权利要求2的固态成像装置，其中，所述放大部分还包括 在所述信号电荷检测部分和第一源跟随器之间的第二源跟随器，并且 该第二源跟随器被施加有第三电源电压。
6.根据权利要求1的固态成像装置，其中第一电源电压大于第二 电源电压。
7.根据权利要求2的固态成像装置，其中第一电源电压大于第二 电源电压。
8.根据权利要求1的固态成像装置，还包括连接到所述放大部分 的下一级的反相电路。
说明书 :
技术领域
本发明涉及固态成像装置，特别涉及低功耗输出电路的固态成像 装置。
背景技术
近年来，使用固态成像装置的电子装备中，例如数码相机、复印 机和扫描仪，在既增加像素数量又实现高速方面有显著的进步(move)。 伴随着该进步，在固态成像装置的输出电路中流动的电流量增加了。 电流量的增加导致了固态成像装置的功耗和发热量的增加。
图4是示出了常规线性图像感应器的视图。在光接收设备阵列200 中光电转换并累积的电荷经由读出门电路201被读出到移位寄存器 202，读出门电路201被提供以读出门脉冲读出到CCD移位寄 存器的电荷被连续地传送并在信号电荷检测单元203中被转换成信号 电压，上述信号电荷检测单元203形成在浮动扩散区中，其将信号电 荷转换成信号电压。由包括源跟随器和反相器等的模拟电路组成的输 出电路204将该转换后的信号电压输出到外部。
图5是示出了读出门脉冲和输出信号Vout的波形图。为了 加快速度，必须增加CCD移位寄存器的传送速率，以便缩短读出光接 收部分的信号电荷所需的时间。此外，必须缩短脉冲的周期。在 一个线路中读出数据所需的时间必须以这种方式缩短。
为了缩短在每个光接收设备中读出信号电荷所需的时间，还必须 增加由模拟电路组成的输出电路的频率特性。具体地，对于包括在输 出电路中的晶体管，必须缩短门脉冲长度L并且增加门脉冲宽度W， 以增加源跟随器等的频率特性。然而这增加了在输出电路中流动的电 流数量，因而引起了发热量的增加。
此外，在阵列光接收部分光电转换的电荷的数量Q可以表示成：
Q＝η×L×Ttg
其中L是光量，η是光电转换效率，Ttg是累积电荷的时间。
为了加速，通过增加在光接收部分中光电转换和累积并被读出到 CCD移位寄存器的电荷的数量，光接收部分在光接收部分中累积电荷 的时间Ttg缩短了。因此，如果光源中光的数量保持是相同的，光电转 换的电荷的数量Q由于更高的速度而减少。如果电荷的数量减少，则 不能获得作为输出电压的必需振幅(动态范围)，因此必须增加输出 电路的增益。这表明需要增加电路中晶体管的数量，因而增加了功耗。 即使增加光的数量以对其进行补充，还存在另一个问题，即光源增加 的功耗。
如上所述，对于加速来说，增加功耗是不可避免的问题。
在日本未审查专利申请公开No.10-117306中公开了解决输出电路 增加功耗的问题的一个方法。日本未审查专利申请公开No.10-117306 公开的输出电路如图6所示。图6示出了图4中的用于固态成像装置 的信号电荷检测单元和输出电路，以及图4中未示出的复位电路。连 续地传送的信号电荷在信号电荷检测部分2中被转换成信号电压，并 经由输出电路103输出到外面。复位电路1复位信号电荷检测部分2 的电势，并输出每个被连续地传送的信号电荷以指定复位电势。放大 信号电压的输出电路103由两级源跟随器4和105组成。源跟随器4 将恒流源7连接到晶体管6的源极侧。源跟随器105将恒流源109连 接到晶体管8的源极侧。此外，施加到第一级源跟随器4的电源电压 VOD1通常与施加到复位电路1的电源电压VRD一起使用。此外，通 过使施加到第二级源跟随器105的电源电压VOD2低于施加到第一级 源跟随器4的电源电压VOD1，减少了功耗。
然而在上述的例子中，如果使第二级源跟随器105的电源电压 VOD2的电势不同于复位电路1的电源电压VRD的电势和第一级源跟 随器4的电源电压VOD1的电势，在所述电压从外部施加的情况下， 电源电压可能独立地波动。通常，如果输入到源跟随器的电压保持不 变，由电源电压的波动导致的来自源跟随器的输出电压波动不会大到 足以成为问题。然而复位电势VRD的波动影响源跟随器105的输入电 势，因此使输出电压的振幅范围(动态范围)波动。例如如图7所示， 如果源跟随器的输入电势波动到较低电势，输出电压的振幅范围会变 窄。
特别是如图8所示，其中提供反相电路120作为源跟随器105的 下一级电路，以便增加输出电路的增益，来自电源电压的波动的影响 会变大。反相电路120的放大增益增加得越多，能够输入的用于反相 电路的输入电压的范围就变得越窄。因此，如果由于复位电势VRD的 波动，源跟随器的输出电压发生波动，则反相电路的输入电压波动， 而且该输入电压可能超出反相电路能够输入的范围。相应地输出电路 不能工作。即使输入电压在反相电路能够输入的范围，来自源跟随器 的输出电压的振幅范围(动态范围)与仅包括源跟随器的情况相比， 也可能需要变窄。上述结果对输出电路的增益和动态范围施加了约束， 因此在设计具有较高增益和较宽动态范围的输出电路方面产生了重大 问题。
图4是示出了常规线性图像感应器的视图。在光接收设备阵列200 中光电转换并累积的电荷经由读出门电路201被读出到移位寄存器 202，读出门电路201被提供以读出门脉冲读出到CCD移位寄 存器的电荷被连续地传送并在信号电荷检测单元203中被转换成信号 电压，上述信号电荷检测单元203形成在浮动扩散区中，其将信号电 荷转换成信号电压。由包括源跟随器和反相器等的模拟电路组成的输 出电路204将该转换后的信号电压输出到外部。
图5是示出了读出门脉冲和输出信号Vout的波形图。为了 加快速度，必须增加CCD移位寄存器的传送速率，以便缩短读出光接 收部分的信号电荷所需的时间。此外，必须缩短脉冲的周期。在 一个线路中读出数据所需的时间必须以这种方式缩短。
为了缩短在每个光接收设备中读出信号电荷所需的时间，还必须 增加由模拟电路组成的输出电路的频率特性。具体地，对于包括在输 出电路中的晶体管，必须缩短门脉冲长度L并且增加门脉冲宽度W， 以增加源跟随器等的频率特性。然而这增加了在输出电路中流动的电 流数量，因而引起了发热量的增加。
此外，在阵列光接收部分光电转换的电荷的数量Q可以表示成：
Q＝η×L×Ttg
其中L是光量，η是光电转换效率，Ttg是累积电荷的时间。
为了加速，通过增加在光接收部分中光电转换和累积并被读出到 CCD移位寄存器的电荷的数量，光接收部分在光接收部分中累积电荷 的时间Ttg缩短了。因此，如果光源中光的数量保持是相同的，光电转 换的电荷的数量Q由于更高的速度而减少。如果电荷的数量减少，则 不能获得作为输出电压的必需振幅(动态范围)，因此必须增加输出 电路的增益。这表明需要增加电路中晶体管的数量，因而增加了功耗。 即使增加光的数量以对其进行补充，还存在另一个问题，即光源增加 的功耗。
如上所述，对于加速来说，增加功耗是不可避免的问题。
在日本未审查专利申请公开No.10-117306中公开了解决输出电路 增加功耗的问题的一个方法。日本未审查专利申请公开No.10-117306 公开的输出电路如图6所示。图6示出了图4中的用于固态成像装置 的信号电荷检测单元和输出电路，以及图4中未示出的复位电路。连 续地传送的信号电荷在信号电荷检测部分2中被转换成信号电压，并 经由输出电路103输出到外面。复位电路1复位信号电荷检测部分2 的电势，并输出每个被连续地传送的信号电荷以指定复位电势。放大 信号电压的输出电路103由两级源跟随器4和105组成。源跟随器4 将恒流源7连接到晶体管6的源极侧。源跟随器105将恒流源109连 接到晶体管8的源极侧。此外，施加到第一级源跟随器4的电源电压 VOD1通常与施加到复位电路1的电源电压VRD一起使用。此外，通 过使施加到第二级源跟随器105的电源电压VOD2低于施加到第一级 源跟随器4的电源电压VOD1，减少了功耗。
然而在上述的例子中，如果使第二级源跟随器105的电源电压 VOD2的电势不同于复位电路1的电源电压VRD的电势和第一级源跟 随器4的电源电压VOD1的电势，在所述电压从外部施加的情况下， 电源电压可能独立地波动。通常，如果输入到源跟随器的电压保持不 变，由电源电压的波动导致的来自源跟随器的输出电压波动不会大到 足以成为问题。然而复位电势VRD的波动影响源跟随器105的输入电 势，因此使输出电压的振幅范围(动态范围)波动。例如如图7所示， 如果源跟随器的输入电势波动到较低电势，输出电压的振幅范围会变 窄。
特别是如图8所示，其中提供反相电路120作为源跟随器105的 下一级电路，以便增加输出电路的增益，来自电源电压的波动的影响 会变大。反相电路120的放大增益增加得越多，能够输入的用于反相 电路的输入电压的范围就变得越窄。因此，如果由于复位电势VRD的 波动，源跟随器的输出电压发生波动，则反相电路的输入电压波动， 而且该输入电压可能超出反相电路能够输入的范围。相应地输出电路 不能工作。即使输入电压在反相电路能够输入的范围，来自源跟随器 的输出电压的振幅范围(动态范围)与仅包括源跟随器的情况相比， 也可能需要变窄。上述结果对输出电路的增益和动态范围施加了约束， 因此在设计具有较高增益和较宽动态范围的输出电路方面产生了重大 问题。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种固态成像装置，其包括多个 光电转换设备、用于传送由光电转换设备转换的信号电荷的电荷传送 设备、用于将由电荷传送设备传送的信号电荷转换成信号电压的信号 电荷检测单元、用于复位信号电荷检测单元的电势的复位电路、以及 用于放大信号电压的放大单元。该放大部分包括施加有第二电源电压 的第一源跟随器，该第二电源电压与施加到复位电路的第一电源电压 不同。第一源跟随器包括驱动晶体管和连接到该驱动晶体管的电流源， 并且该电流源的电流量根据第一电源电压的波动而改变。
在本发明中，包括源跟随器的电流源的电流量能够根据电源电压 的波动而改变。源跟随器能够通过电流源的电流量的改变而改变输入/ 输出特性。因此，即使源跟随器的输入电压由于电源电压的波动而波 动，也能够通过改变源跟随器的输入/输出特性消除对输出电压的影响。 因此本发明的固态成像装置能够实现低功耗并且减少电源电压波动带 来的影响。
在本发明中，包括源跟随器的电流源的电流量能够根据电源电压 的波动而改变。源跟随器能够通过电流源的电流量的改变而改变输入/ 输出特性。因此，即使源跟随器的输入电压由于电源电压的波动而波 动，也能够通过改变源跟随器的输入/输出特性消除对输出电压的影响。 因此本发明的固态成像装置能够实现低功耗并且减少电源电压波动带 来的影响。
附图说明
通过结合附图的下面描述，本发明的上述和其他目标、优点和特 征将会更明显，其中：
图1是示出了根据本发明的实施例的固态成像装置的示意图；
图2A到2C是示出了根据本发明的实施例的源跟随器的输入/输出 特性的示意图的视图；
图3A到3C是示出了根据传统技术的源跟随器的输入/输出特性的 示意图的视图；
图4是示出了常规线性图像感应器的示意图；
图5是示出了线性图像感应器的运作的视图；
图6是示出了根据传统技术的固态成像装置的示意图；
图7是示出了源跟随器的输入/输出特性的视图；
图8是示出了根据传统技术的另一个固态成像装置的示意图；以 及
图9是示出了反相器的输入/输出特性的视图。
图1是示出了根据本发明的实施例的固态成像装置的示意图；
图2A到2C是示出了根据本发明的实施例的源跟随器的输入/输出 特性的示意图的视图；
图3A到3C是示出了根据传统技术的源跟随器的输入/输出特性的 示意图的视图；
图4是示出了常规线性图像感应器的示意图；
图5是示出了线性图像感应器的运作的视图；
图6是示出了根据传统技术的固态成像装置的示意图；
图7是示出了源跟随器的输入/输出特性的视图；
图8是示出了根据传统技术的另一个固态成像装置的示意图；以 及
图9是示出了反相器的输入/输出特性的视图。
具体实施方式
下面将会参照示例性实施例描述本发明。本领域技术人员能够认 识到，使用本发明的教导可以实现很多替换的实施例，而且本发明并 不限于为解释目的说明的实施例。
图1是根据本发明实施例的示意图。在图1所示的实施例中，与 图6中传统技术相同的部件用同样的附图标记表示，并且这里不再对 其详细描述。
在本实施例的固态成像装置中，作为放大光电转换信号电压的放 大单元的输出电路3由两级源跟随器4和5组成。输出电路3与图6 中所示的传统技术的输出电路103的不同之处在于，输出电路3包括 替代源跟随器105的源跟随器5。提供源跟随器4作为第二源跟随器， 并且提供源跟随器5作为第一源跟随器。而且，源跟随器5与源跟随 器105的不同之处在于，源跟随器5包括根据复位电势VRD的波动改 变电流量的电流源9。
下面将详细描述源跟随器5。源跟随器5包括连接到驱动晶体管8 的源极侧的驱动晶体管8、根据复位电势VRD的波动改变电流量的电 流源9。在电流源9中，提供了作为负载晶体管的晶体管10、连接到 晶体管10的栅极的源11和12。电压源11包括晶体管13和14，它们 被施加了给源跟随器5供电的电源电压VOD2。而且，电压源12由晶 体管15和16组成，它们被施加了给复位电路1供电的电源电压VRD。 使施加到源跟随器5的电源电压VOD2低于施加到复位电势VRD和源 跟随器4的电源电压VOD1。这是为了，与源跟随器4相比，为改善频 率特性和驱动能力，大的电流流向源跟随器5，从而通过降低电压 VOD2，减少功耗。
通过向包括在电流源9中的晶体管10的栅极提供电压源11，可 以确定源跟随器5的Vt波动和电源电压VOD2的波动特性，该电压源 11与源跟随器5一样被提供有电源电压VOD2。另一方面，如果复位 电势波动，通过使用电压源12使第二级源跟随器5的输入/输出特性波 动来吸收该波动，从而该波动的影响不会影响下一级。
将在下面对照传统技术详细描述源跟随器5的运作。
图3A是根据传统技术的第二级源跟随器105的结构。恒流源109 由包括电压源113和114的电压源112和连接到电压源112的晶体管 111组成。电压源112被提供有电源电压VOD2，其也被施加到源跟随 器105。下面将解释复位电势VRD从VRD_a变化到VRD_b (VRD_a＞VRD_b)的情况，以及第二级源跟随器105的输入电势从 Vin_a变化到Vin_b(Vin_a＞Vin_b)的情况。图3B是示出了电压源112 对VRD电压的从属性的视图。如图3B所示，从电压源112输出的电 压Vload_a保持常量，与复位电势VRD的波动无关。因此源跟随器105 的输入/输出特性不依据复位电势VRD的波动而改变。因而，源跟随器 105的输出电压由输出图3C的输入/输出特性决定。具体地，如果输入 电压由于复位电势VRD的波动而从Vin_a变化到Vin_b，则输出电压 从Vout_a变化到Vout_b。
另一方面，图2A示出了根据本发明的实施例的第二级源跟随器5， 例如如图2B所示，在源跟随器5中，如果复位电势VRD从VRD_a变 化到VRD_b(VRD_a＞VRD_b)，则电压源的输出电压从Vload_a变化 到Vload_b(Vload_a＞Vload_b)。于是晶体管10的栅电压降低，在晶 体管10中流动的电流也减少。这改变了源跟随器5的输入/输出特性。 具体地，如图2C所示，源跟随器的输入/输出特性随复位电势VRD的 波动一起从虚线改变成实线。如上所述，即使输入电压从Vin_a变化到 Vin_b，输出电压能够保持在Vout_a。复位电势VRD的波动引起的源 跟随器的输出电压波动能够用这种方式得到抑制。
虽然通常只使用一个电压源作为源跟随器的电流源，但本实施例 中提供了两个电压源。然而电压源的目的是确定电压，电压源消耗的 电力与源跟随器流过的直通电流相比非常小。因此即使向源跟随器5 提供两个电压源，电流量中的增长也很小，不足以成为问题。
虽然本实施例解释了具有两级源跟随器和两个电压源的输出电 路，但并不限于此，通过提供三级源跟随器和三个电压源也能够得到 相似效果。
很明显的是，本发明不限于上述实施例，而且可以在不背离本发 明范围和精神的情况下对其作出修改和改变。
图1是根据本发明实施例的示意图。在图1所示的实施例中，与 图6中传统技术相同的部件用同样的附图标记表示，并且这里不再对 其详细描述。
在本实施例的固态成像装置中，作为放大光电转换信号电压的放 大单元的输出电路3由两级源跟随器4和5组成。输出电路3与图6 中所示的传统技术的输出电路103的不同之处在于，输出电路3包括 替代源跟随器105的源跟随器5。提供源跟随器4作为第二源跟随器， 并且提供源跟随器5作为第一源跟随器。而且，源跟随器5与源跟随 器105的不同之处在于，源跟随器5包括根据复位电势VRD的波动改 变电流量的电流源9。
下面将详细描述源跟随器5。源跟随器5包括连接到驱动晶体管8 的源极侧的驱动晶体管8、根据复位电势VRD的波动改变电流量的电 流源9。在电流源9中，提供了作为负载晶体管的晶体管10、连接到 晶体管10的栅极的源11和12。电压源11包括晶体管13和14，它们 被施加了给源跟随器5供电的电源电压VOD2。而且，电压源12由晶 体管15和16组成，它们被施加了给复位电路1供电的电源电压VRD。 使施加到源跟随器5的电源电压VOD2低于施加到复位电势VRD和源 跟随器4的电源电压VOD1。这是为了，与源跟随器4相比，为改善频 率特性和驱动能力，大的电流流向源跟随器5，从而通过降低电压 VOD2，减少功耗。
通过向包括在电流源9中的晶体管10的栅极提供电压源11，可 以确定源跟随器5的Vt波动和电源电压VOD2的波动特性，该电压源 11与源跟随器5一样被提供有电源电压VOD2。另一方面，如果复位 电势波动，通过使用电压源12使第二级源跟随器5的输入/输出特性波 动来吸收该波动，从而该波动的影响不会影响下一级。
将在下面对照传统技术详细描述源跟随器5的运作。
图3A是根据传统技术的第二级源跟随器105的结构。恒流源109 由包括电压源113和114的电压源112和连接到电压源112的晶体管 111组成。电压源112被提供有电源电压VOD2，其也被施加到源跟随 器105。下面将解释复位电势VRD从VRD_a变化到VRD_b (VRD_a＞VRD_b)的情况，以及第二级源跟随器105的输入电势从 Vin_a变化到Vin_b(Vin_a＞Vin_b)的情况。图3B是示出了电压源112 对VRD电压的从属性的视图。如图3B所示，从电压源112输出的电 压Vload_a保持常量，与复位电势VRD的波动无关。因此源跟随器105 的输入/输出特性不依据复位电势VRD的波动而改变。因而，源跟随器 105的输出电压由输出图3C的输入/输出特性决定。具体地，如果输入 电压由于复位电势VRD的波动而从Vin_a变化到Vin_b，则输出电压 从Vout_a变化到Vout_b。
另一方面，图2A示出了根据本发明的实施例的第二级源跟随器5， 例如如图2B所示，在源跟随器5中，如果复位电势VRD从VRD_a变 化到VRD_b(VRD_a＞VRD_b)，则电压源的输出电压从Vload_a变化 到Vload_b(Vload_a＞Vload_b)。于是晶体管10的栅电压降低，在晶 体管10中流动的电流也减少。这改变了源跟随器5的输入/输出特性。 具体地，如图2C所示，源跟随器的输入/输出特性随复位电势VRD的 波动一起从虚线改变成实线。如上所述，即使输入电压从Vin_a变化到 Vin_b，输出电压能够保持在Vout_a。复位电势VRD的波动引起的源 跟随器的输出电压波动能够用这种方式得到抑制。
虽然通常只使用一个电压源作为源跟随器的电流源，但本实施例 中提供了两个电压源。然而电压源的目的是确定电压，电压源消耗的 电力与源跟随器流过的直通电流相比非常小。因此即使向源跟随器5 提供两个电压源，电流量中的增长也很小，不足以成为问题。
虽然本实施例解释了具有两级源跟随器和两个电压源的输出电 路，但并不限于此，通过提供三级源跟随器和三个电压源也能够得到 相似效果。
很明显的是，本发明不限于上述实施例，而且可以在不背离本发 明范围和精神的情况下对其作出修改和改变。