固体摄像装置及其驱动方法以及摄像装置

摘要

本发明公开了一种固体摄像装置及其驱动方法以及摄像装置。该固体摄像装置包括：多个具有光电二极管、浮置扩散部、传送晶体管、复位晶体管及放大晶体管的像素、接收来自多个像素的信号的垂直信号线(31)、取样电容(62)、对垂直信号线(31)上的电压与参考电压进行比较来判断电压的大小的电路(78)、根据电路(78)的输出将限幅电压Vclip输给取样电容(62)的限幅电路(79)。能够用在光电二极管中积累起来的信号已传送到浮置扩散部的状态时的垂直信号线上的电压作为各列的比较电压。

权利要求

1.一种固体摄像装置，其特征在于：

包括：

光电二极管，排列成矩阵状，用以构成像素，且生成并积累与入射光的强度相对应的信号电荷，浮置扩散部，保持从所述光电二极管传送来的信号电荷，传送晶体管，设置在所述光电二极管和所述浮置扩散部之间，复位晶体管，漏极连接在电源信号线上，源极连接在所述浮置扩散部，用来使所述浮置扩散部复位到规定的电压，放大晶体管，用来读出所述浮置扩散部的电压，

垂直信号线，对应每列由所述像素构成的像素列而设，接收来自所述像素的信号，负载晶体管，连接在所述垂直信号线上，与所述放大晶体管一起构成源极输出电路，钳位电容，该钳位电容的第一端子连接在所述垂直信号线上，取样电容，连接在所述钳位电容的第二端子上，

钳位晶体管，漏极连接在基准电压，源极连接在所述取样电容上，电压比较电路，串联在所述垂直信号线上，以及

限幅电路，根据所述电压比较电路的输出，将限幅电压输给所述取样电容，所述电压比较电路，对在积累于所述光电二极管中的信号已传送给所述浮置扩散部的状态下的所述垂直信号线上的电压和在所述浮置扩散部已经由所述复位晶体管复位的状态下的所述垂直信号线上的电压进行比较。

2.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于：在所述电压比较电路进行比较动作时，将脉冲供给所述电源信号线，由此经由所述复位晶体管使所述浮置扩散部成为参考电压。

3.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于：所述像素中的每一个像素，具有漏极连接在所述浮置扩散部上且源极上施加了参考电压的第一晶体管，在所述电压比较电路进行比较动作时，经由所述第一晶体管使所述浮置扩散部成为所述参考电压。

4.根据权利要求2所述的固体摄像装置，其特征在于：能够由外部电路控制所述电源信号线的所述参考电压。

5.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于：所述电压比较电路是由反相放大电路构成的比较电路。

6.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于：所述电压比较电路是设置在各列的所述垂直信号线和所述钳位电容之间且用来放大所述垂直信号线上的电压的列放大电路。

7.根据权利要求6所述的固体摄像装置，其特征在于：所述列放大电路，包括：

第一端子连接在所述垂直信号线上的第一电容元件、设置在所述第一电容元件的第二端子和所述钳位电容之间的反相放大电路、设置在所述反相放大电路的输入部和输出部之间的第二晶体管、以及设置在所述反相放大电路的输入部和输出部之间且彼此串联的开关晶体管及第二电容元件。

8.根据权利要求7所述的固体摄像装置，其特征在于：在所述列放大电路对信号进行放大时，所述开关晶体管成为导通状态；在进行比较动作时，所述开关晶体管成为截止状态。

9.根据权利要求7所述的固体摄像装置，其特征在于：所述列放大电路，在所述光电二极管中生成并积累起来的信号电荷传送给所述浮置扩散部后使所述第二晶体管成为导通状态，以将该信号电荷已传送给所述浮置扩散部时的所述垂直信号线上的电压作为比较电压，然后对使所述钳位晶体管成为截止状态将所述浮置扩散部复位到参考电压时的所述垂直信号线上的电压和所述比较电压进行比较。

10.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于：所述限幅电压，与所述光电二极管饱和时施加在所述取样电容上的信号电平相等。

11.一种摄像装置，其特征在于：

包括：

摄像元件部，该摄像元件部具有：光电二极管，排列成矩阵状，用以构成像素，且生成并积累与入射光的强度相对应的信号电荷；浮置扩散部，保持从所述光电二极管传送来的信号电荷；传送晶体管，设置在所述光电二极管和所述浮置扩散部之间；复位晶体管，漏极连接在电源信号线上，源极连接在所述浮置扩散部，用来使所述浮置扩散部复位到规定的电压；放大晶体管，用来读出所述浮置扩散部的电压；垂直信号线，对应每列由所述像素构成的像素列而设，接收来自所述像素的信号；负载晶体管，连接在所述垂直信号线上，与所述放大晶体管一起构成源极输出电路；钳位电容，该钳位电容的第一端子连接在所述垂直信号线上；取样电容，连接在所述钳位电容的第二端子上；钳位晶体管，漏极连接在基准电压，源极连接在所述取样电容上；电压比较电路，串联在所述垂直信号线上；限幅电路，根据所述电压比较电路的输出，将限幅电压输给所述取样电容，并且该摄像元件部输出与入射光的强度相对应的图像信号，图像信号处理部，处理从所述摄像元件部输出的图像信号后，将图像信号输给包含显示装置的外部设备，以及时序控制部，控制所述摄像元件部和所述图像信号处理部内的电路的动作时序，所述电压比较电路，对在积累于所述光电二极管中的信号已传送给所述浮置扩散部的状态下的所述垂直信号线上的电压和在所述浮置扩散部已经由所述复位晶体管复位的状态下的所述垂直信号线上的电压进行比较。

12.一种固体摄像装置的驱动方法，

该固体摄像装置包括：

光电二极管，排列成矩阵状，用以构成像素，且生成并积累与入射光的强度相对应的信号电荷，浮置扩散部，保持从所述光电二极管传送来的信号电荷，传送晶体管，设置在所述光电二极管和所述浮置扩散部之间，复位晶体管，漏极连接在电源信号线上，源极连接在所述浮置扩散部，放大晶体管，用来读出所述浮置扩散部的电压，

垂直信号线，对应每列由所述像素构成的像素列而设，接收来自所述像素的信号，负载晶体管，连接在所述垂直信号线上，与所述放大晶体管一起构成源极输出电路，钳位电容，该钳位电容的第一端子连接在所述垂直信号线上，取样电容，连接在所述钳位电容的第二端子上，

钳位晶体管，漏极连接在基准电压，源极连接在所述取样电容上，电压比较电路，串联在所述垂直信号线上，以及

限幅电路，根据所述电压比较电路的输出，将限幅电压输给所述取样电容，其特征在于：该固体摄像装置的驱动方法包括：

步骤a，使所述传送晶体管成为导通状态，将积累在光电二极管中的信号传送给所述浮置扩散部，步骤b，在所述步骤a之后，经由所述复位晶体管使所述浮置扩散部复位到参考电压，以及步骤c，在所述步骤b之后，将在所述步骤a已完成的状态下的所述垂直信号线上的电压作为比较电压，所述电压比较电路对在所述步骤b中所述浮置扩散部已被复位到所述参考电压的状态下的所述垂直信号线上的电压的大小进行判断。

13.根据权利要求12所述的固体摄像装置的驱动方法，其特征在于：所述复位晶体管，具有连接在所述浮置扩散部上的源极和连接在电源信号线上的漏极，在所述步骤b中，将参考电压从所述电源信号线经由所述复位晶体管施加在所述浮置扩散部上。

14.根据权利要求12所述的固体摄像装置的驱动方法，其特征在于：所述电压比较电路是由反相放大电路构成的比较电路。

15.根据权利要求12所述的固体摄像装置的驱动方法，其特征在于：所述电压比较电路是设置在各列的所述垂直信号线和连接在所述各垂直信号线上的所述钳位电容之间且用来放大所述垂直信号线上的电压的列放大电路。

16.根据权利要求15所述的固体摄像装置的驱动方法，其特征在于：所述列放大电路，包括：

第一端子连接在所述垂直信号线上的第一电容元件、设置在所述第一电容元件的第二端子和所述钳位电容之间的反相放大电路、设置在所述反相放大电路的输入部和输出部之间的第一晶体管、以及设置在所述反相放大电路的输入部和输出部之间且彼此串联的第二晶体管及第二电容元件；

在所述列放大电路进行反相放大时，所述第二晶体管成为导通状态；在所述步骤c中，所述第二晶体管成为截止状态。

17.根据权利要求12所述的固体摄像装置的驱动方法，其特征在于：在所述步骤c中，当判断出在所述浮置扩散部已复位到参考电压的状态下所述垂直信号线上的电压大于或等于所述比较电压时，所述限幅电路将所述限幅电压输给所述取样电容；当在所述浮置扩散部已经复位的状态下所述垂直信号线上的电压小于所述比较电压时，已被放大的所述垂直信号线上的电压施加在所述取样电容上。

说明书

固体摄像装置及其驱动方法以及摄像装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种抑制在固体摄像装置中由于高亮度光入射而产生的输出图像发黑(black crushing)的电路及其方法。

背景技术

[0002] 一般来说，为了消除由于浮置扩散部(FD)的复位电位的偏差及像素放大晶体管的阈值电压的偏差造成的固定图形噪声，在固体摄像装置中，具有将已使FD复位时的垂直信号线上的输出电位和读出信号时的垂直信号线上的输出电位之差作为输出信号的固定图形噪声消除电路(FPN消除电路)。

[0003] 图8是表示一般的固定图形噪声消除电路的结构的图。如图8所示，在一般的固定图形噪声消除电路(FPN消除电路)中，电容值为C1的钳位电容元件1101和电容值为C2的取样电容1102彼此串联且连接在垂直信号线1105的一端上。钳位电容元件1101和取样电容1102之间的节点1103是FPN消除电路的输出节点，并且提供基准电压Vclamp的基准电源通过由晶体管构成的开关1104连接在节点1103上。

[0004] FPN消除电路具有两个工作阶段。首先，在第一工作阶段，使开关1104为导通状态，向节点1103施加基准电压Vclamp。此时，在像素中FD被复位，垂直信号线1105的电位成为将FD的复位电位放大后所得到的信号即Vrst。因此，保持在钳位电容元件1101中的电荷Q1成为C1×(Vrst-Vclamp)，保持在取样电容1102中的电荷Q2成为C2×Vclamp。

[0005] 然后，在第二工作阶段，使开关1104为断开状态。此时，在像素中将信号电荷从光电二极管(PD)传送到FD。由此，垂直信号线1105的电位成为将已接收到PD中所产生的信号电荷的状态时的FD的电位放大后所得到的信号即Vsig。若设节点1103的电位为Vsh，则保持在钳位电容元件1101中的电荷Q1’成为C1×(Vsig-Vsh)，保持在取样电容1102中的电荷Q2’成为C2×Vsh。在此，因为节点1103上的总电荷量得到保存，所以成为Q1+Q2＝Q1’+Q2’。也就是，节点1103的电压Vsh成为Vclamp-C1(Vrst-Vsig)/(C1+C2)。

[0006] 这样一来，从基准电压Vclamp中减去用FD的复位电压Vrst和信号电压Vsig之差与FPN消除电路的电压增益C1/(C1+C2)相乘的乘积后所得到的值便成为FPN消除电路的输出电压。尽管Vrst的值存在偏差，但(Vrst-Vsig)的振幅大小并没有变动，因此当使用FPN消除电路时，能够消除由于Vrst的偏差而产生的固定图形噪声。

[0007] 然而，当使用该FPN消除电路时，存在下述问题。该问题是当太阳光、点射光(spot light)等高亮度光入射到像素中时会出现该像素的输出发黑的不良现象(高亮度光引起的图像发黑的不良现象：high-brightness black crushing)。

[0008] 图9(a)是表示现有的固体摄像装置中的像素电路及FPN消除电路的结构的图，图9(b)是表示现有的固体摄像装置中的各种控制信号以及FD和Vsh的电位变化的时序图。

[0009] 下面，根据图9(a)、图9(b)，对该高亮度光入射时所产生的不良现象进行说明。在高亮度光入射进来的像素中，PD中生成并积累起来的信号电荷达到饱和，并且由于光进一步入射到PD中而过多生成的信号电荷从PD溢出到FD中。于是，在所述FPN消除动作中当像素的FD复位到规定的电位时或者刚复位之后不久，FD的电位就会降低，并且放大该已降低的FD的电位后所得到的电位即垂直信号线1105上的电位被置换成FPN消除电路的基准电位Vclamp。其后，虽然信号电荷被从PD读到FD，但是因为FD的电位只下降到一定电平，所以(Vrst-Vsig)的振幅就会下降，并且尽管PD达到饱和，FPN消除电路的输出节点的信号电平却比饱和时的信号电平低。其结果是产生高亮度光入射部的输出发黑的不良现象(高亮度光引起的图像发黑)。上面所述的就是高亮度光入射时出现的不良现象。

[0010] 于是，如图10所示，在专利文献1所示的当前技术下的固体摄像装置中，为了防止所述的不良现象，设置了与钳位电容1101并联且栅极上被施加了阈值电压Vb的旁路晶体管1115，当垂直信号线1105上的电压比电压(Vb-Vth)低时，旁路晶体管1115就导通，将垂直信号线1105上的电压直接写入取样电容1102中，由此来抑制高亮度光入射时产生的图像发黑。这就是专利文献1所公开的技术。专利文献1：日本公开特许公报特开2006-222708号公报-发明所要解决的技术问题-

[0011] 然而，图10中所示的旁路晶体管1115存在下述的第一个问题，即：当电压信号线上的电压在Vb-Vth附近时，栅极-源极之间的电压变小，该旁路晶体管1115就在弱反转区(inversion region)进行动作，结果时间响应特性变差。

[0012] 还有，因为用所有像素共用的电压作为阈值电压，所以就需要针对因各像素内的晶体管特性偏差及复位噪声所产生的垂直信号线1105上的电压偏差设置容限。因此，便需要一种难以受到因像素内的晶体管特性偏差及复位噪声所产生的垂直信号线1105上的电压偏差之影响的抑制图像发黑的方法(第二个问题)。

发明内容

[0013] 鉴于上述问题，本发明的目的在于：提供一种时间响应特性优良且难以受到垂直信号线上的电压偏差影响的采用了图像发黑对策的固体摄像装置及其驱动方法。-用以解决技术问题的技术方案-

[0014] 本发明的固体摄像装置，包括：排列成矩阵状，用以构成像素，且生成并积累与入射光的强度相对应的信号电荷的光电二极管；保持从所述光电二极管传送来的信号电荷的浮置扩散部；设置在所述光电二极管和所述浮置扩散部之间的传送晶体管；漏极连接在电源信号线上，源极连接在所述浮置扩散部，用来使所述浮置扩散部复位到规定的电压的复位晶体管；用来读出所述浮置扩散部的电压的放大晶体管；对应每列由所述像素构成的像素列而设，接收来自所述像素的信号的垂直信号线；连接在所述垂直信号线上，与所述放大晶体管一起构成源极输出电路的负载晶体管；第一端子连接在所述垂直信号线上的钳位电容；连接在所述钳位电容的第二端子上的取样电容；漏极连接在基准电压，源极连接在所述取样电容上的钳位晶体管；串联在所述垂直信号线上的电压比较电路；以及根据所述电压比较电路的输出，将限幅电压输给所述取样电容的限幅电路。

[0015] 高亮度的光入射到光电二极管时垂直信号线上的电位变化与通常亮度的光入射时垂直信号线上的电位变化不同。因此，通过采用所述结构，能够例如对在积累于光电二极管中的信号已传送给所述浮置扩散部的状态下的垂直信号线上的电压和在浮置扩散部已经由所述复位晶体管复位到参考电压的状态下的垂直信号线上的电压进行比较，由此来判断是否有高亮度光入射进来。这样一来，因为能够用规定时间的垂直信号线上的电压作为比较电压，所以与使用旁路晶体管并向该旁路晶体管的栅极提供各列共用的阈值电压的情况相比，时间响应特性提高，并且能够在无需考虑像素内的晶体管特性偏差的状态下判断是否有高亮度光入射进来，因此能够抑制垂直信号线上的电压偏差造成的影响。

[0016] 此外，作为进行比较动作的电路，可以使用对应每列由所述多个像素构成的像素列而设置的比较电路，除此以外当设有用来放大像素信号的列放大电路时，也可以用该列放大电路作为比较电路。

[0017] 还有，将所述固体摄像装置安装到照相机系统等摄像装置中，便能够抑制图像发黑等不良现象的产生。

[0018] 还有，本发明的固体摄像装置的驱动方法是一种用来驱动下述固体摄像装置的方法。该固体摄像装置包括：排列成矩阵状，用以构成像素，且生成并积累与入射光的强度相对应的信号电荷的光电二极管；保持从所述光电二极管传送来的信号电荷的浮置扩散部；设置在所述光电二极管和所述浮置扩散部之间的传送晶体管；漏极连接在电源信号线上，源极连接在所述浮置扩散部的复位晶体管；用来读出所述浮置扩散部的电压的放大晶体管；对应每列由所述像素构成的像素列而设，接收来自所述像素的信号的垂直信号线；连接在所述垂直信号线上，与所述放大晶体管一起构成源极输出电路的负载晶体管；第一端子连接在所述垂直信号线上的钳位电容；连接在所述钳位电容的第二端子上的取样电容；
漏极连接在基准电压，源极连接在所述取样电容上的钳位晶体管；串联在所述垂直信号线上的电压比较电路；以及根据所述电压比较电路的输出，将限幅电压输给所述取样电容的限幅电路。并且，该固体摄像装置的驱动方法包括步骤a、步骤b及步骤c。在所述步骤a中，使所述传送晶体管成为导通状态，将积累在光电二极管中的信号传送给所述浮置扩散部；所述步骤b在所述步骤a之后，经由所述复位晶体管使所述浮置扩散部复位到参考电压；所述步骤c在所述步骤b之后，将在所述步骤a已完成的状态下的所述垂直信号线上的电压作为比较电压，所述电压比较电路对在所述步骤b中所述浮置扩散部已被复位到所述参考电压的状态下的所述垂直信号线上的电压的大小进行判断。

[0019] 与使用旁路晶体管的现有驱动方法相比，根据上述方法，不仅时间响应特性较以往得到提高，而且因为能够在无需考虑像素内的晶体管特性偏差的状态下判断是否有高亮度光入射进来，所以能够抑制垂直信号线上的电压偏差造成的影响。

[0020] 还有，当判断出高亮度光已入射进来时，例如输出与光电二极管饱和时的信号电压相等的电压(限幅电压：clip voltage)等，就能够有效地抑制因高亮度光造成的图像发黑。-发明的效果-

[0021] 根据本发明的固体摄像装置及其驱动方法，因为能够由各个像素本身生成用来判断高亮度光是否入射进来的比较电压，所以也没有必要对垂直信号线上的电压偏差(即FD的电压偏差)设定容限。而且，用电压比较电路进行判断，就能够使时间响应特性提高。

[0022] 还有，根据本发明的摄像装置，能够谋求照相机系统(摄像装置)整体尺寸的减小。

附图说明

[0023] 图1是表示本发明的实施方式及变形例所涉及的固体摄像装置的结构的方框图。图2是表示本发明的实施方式及变形例所涉及的固体摄像装置的像素的结构的电路图。图
3是表示本发明的实施方式所涉及的固体摄像装置的信号处理部的结构的电路图。图4是表示本发明的实施方式所涉及的固体摄像装置的动作的时序图。图5是表示本发明的实施方式的变形例所涉及的固体摄像装置的信号处理部的结构的电路图。图6是表示本发明的实施方式的变形例所涉及的固体摄像装置的动作的时序图。图7是表示现有的固定图形噪声消除电路的基本结构的电路图。图8是表示在现有的固体摄像装置中高亮度光入射进来时所产生的图像发黑的不良现象的说明图。图9表示的是一个解决在现有的固体摄像装置中高亮度光入射进来时所产生的图像发黑的不良现象的对策示例。图10是表示本发明的实施方式所涉及的照相机系统之一例的结构图。-符号说明-

[0024] 21、131 像素 22 垂直扫描部 23、133 信号处理部24 水平扫描部 25 信号放大部 31 垂直信号线
32 水平信号线 33 电源信号线 34 传送信号线
35 复位信号线 41 PD 42 FD
43 传送晶体管 44 复位晶体管
45 放大晶体管 51 负载晶体管
61、86 钳位电容 62、89 取样电容
63、87 取样开关 67 钳位晶体管
70、88 节点 71、81、85 电容元件 72 反相电路
73、74、75 晶体管 76、92 限幅晶体管
78 比较器
79、96 限幅电路 82 反相放大电路
83、84、90、91晶体管 95 列放大电路
97 钳位晶体管 120 摄像装置
121 MOS型摄像元件123 图像信号处理部
133 信号处理部 124 固体摄像装置
126 光学部件 127 时序控制部
135 高亮度判断电路137 输出电路
139 相关双取样电路CDS

具体实施方式

[0025] (第一实施方式)图1是表示本发明的第一实施方式所涉及的固体摄像装置的结构的方框图。

[0026] 如图1所示，本实施方式的固体摄像装置包括：设置为矩阵状的多个像素21、一行一行地选择像素21的垂直扫描部22、对应各列而设且共同连接在一列像素21上的垂直信号线31以及分别与垂直信号线31连接的多个信号处理部23。

[0027] 还有，各个信号处理部23由固定图形噪声(FPN)消除电路、高亮度判断电路和限幅电路79(参照图3)构成，信号依次从各个信号处理部23向水平信号线32输出。由水平扫描部24对从信号处理部23向水平信号线32的信号输出进行控制。已输出到水平信号线32的信号由信号放大部25放大后，作为图像信号输出。

[0028] 高亮度判断电路将垂直信号线31上的电压和经由复位晶体管44使FD42(参照图2)的电位复位到参考电压时的垂直信号线31上的电压进行比较，判断是否产生了高亮度光引起的图像发黑。还有，限幅电路79根据高亮度判断电路的输出将限幅电压输给取样电容62。

[0029] 接下来，图2是表示本实施方式所涉及的固体摄像装置的像素电路的具体情况的电路图。

[0030] 如图2所示，像素(像素电路)21具有设置为矩阵状的光电二极管(PD)41和用来积累从PD41传送来的信号电荷的浮置扩散部(FD)42。在PD41和FD42之间设有传送晶体管43，在FD42和电源信号线33之间设有复位晶体管44。还有，传送晶体管43的栅极连接在传送信号线34上，复位晶体管44的栅极连接在复位信号线35上。FD42与连接在垂直信号线31和电源信号线33之间的放大晶体管45的栅极相连接。还有，放大晶体管45与连接在垂直信号线31上的负载晶体管51一起形成源极输出电路，并将对应从PD41传送到FD42的信号电荷的信号电压输出给垂直信号线31。

[0031] 此外，在图1、图2中，虽然对多个光电二极管未共有晶体管(复位晶体管、放大晶体管等)的情况进行了说明，但是本实施方式所涉及的固体摄像装置也包括多个光电二极管共有晶体管(复位晶体管、放大晶体管等)的所谓“多像素一单元”结构。

[0032] 接下来，图3是表示本实施方式所涉及的固体摄像装置中的信号处理部23的电路图。图3表示了一个包含反相电路72的比较器78相当于高亮度判断电路的例子。

[0033] 如图3所示，在本实施方式的信号处理部23中，作为基本结构，具有连接在垂直信号线31上的电容值为C1的钳位电容61、取样开关63以及一端(第一端子)接地而另一端(第二端子)经由取样开关63连接在钳位电容61上且电容值为C2的取样电容62。钳位电容61和取样电容63彼此串联地设置在从垂直信号线31到接地的路径上。

[0034] 还有，用来提供一定电压Vclamp的基准电源经由钳位晶体管67连接在位于取样开关63和取样电容62的第二端子之间的节点70上。还有，在垂直信号线31上连接有由电容元件71、反相电路72和晶体管73构成的比较器78，比较器78的输出部连接在由晶体管74、75和限幅晶体管76构成的限幅电路79上。在限幅晶体管76的一端上施加一定电压即Vclip，而在另一端上连接有节点70。在每条垂直信号线31上皆连接有比较器78及限幅电路79。另外，在图3所示的示例中，所述FPN消除电路由钳位电容61、取样开关63、钳位晶体管67和取样电容62构成。

[0035] 在图3中，示出一个取样开关63、钳位晶体管67及晶体管73、75是n沟道型MOS晶体管而晶体管74及限幅晶体管76是p沟道型MOS晶体管的例子，但只要是具有相同功能的结构，则也可以改变晶体管的导电型。

[0036] 下面，对本实施方式的固体摄像装置的驱动方法进行说明。图4是表示用来驱动本实施方式的固体摄像装置的各种信号的电位变化以及垂直信号线31和节点70的电位变化的时序图。

[0037] 图4中的VDDCELL表示用来控制像素的FD42的电压的脉冲。并且，RSCELL表示用来将像素的FD42复位到VDDCELL电压的脉冲。TRANS表示用来将信号电荷从像素的PD41传送到FD42的脉冲。NCSH表示用来将来自像素的输出信号保持到FPN消除电路的取样电容62中的脉冲。NCCL表示用来将FPN消除电路的取样电容62复位到基准电压的脉冲。COMPCL表示用来使比较电路复位的脉冲。还有，JUDGE表示用来判断是否出现高亮度光引起的图像发黑的不良现象的脉冲。此外，用来供给所述信号的布线为各列的垂直信号线、比较器78或限幅电路79所共用。

[0038] 如图4所示，首先，在期间t0～t1，使像素内的复位晶体管44(参照图2)为导通状态，以将FD42的电位复位到像素电源电压VDDCELL的高电平(VDDCELL_H)。还有，在期间t0～t2，使FPN消除电路内的钳位晶体管67为导通状态，从而在时刻t2将经由垂直信号线31读出的FD42的电压置换成FPN消除电路的基准电压Vclamp。

[0039] 然后，在时刻t3使像素内的传送晶体管43成为导通状态，将积累在PD41中的电荷传送到FD42以后，在时刻t4使FPN消除电路内的取样开关63成为截止状态，从而将从基准电压Vclamp中减去相当于PD41的信号电荷量那么大的电压振幅Vpd后所获得的电压、即Vclamp-Vpd×C1/(C1+C2)保持到FPN消除电路内的节点70上。

[0040] 如上所述，在将从像素输出的电压信号取样到FPN消除电路内的取样电容62后，在期间t5～t6使连接在垂直信号线31上的比较器78的开关即晶体管73成为导通状态，从而将时刻t6的FD42的电压作为比较器78的比较电压。

[0041] 接下来，在时刻t7使像素电源电压VDDCELL成为参考电压，并使复位晶体管44为导通状态，由此将FD42的电位调整到参考电压。其后，在时刻t8进行比较时刻t6的FD42的比较电压(即时刻t6的垂直信号线31上的电压)和时刻t8的FD42的电压(即时刻t8的垂直信号线31上的电压)的比较动作。

[0042] 由此，如图4所示，在正常像素(没有出现高亮度光引起的图像发黑的像素)中，因为时刻t7的FD42的电压比时刻t6的FD42的电压低，所以比较器输出反转信号高电平(High)，并且在时刻t8的节点70的电压Vsh成为Vclamp-Vpd×C1/(C1+C2)。

[0043] 另一方面，在出现高亮度光引起的图像发黑的像素中，因为在时刻t6与时刻t7时FD42的电压相等或者时刻t6的FD42的电压比时刻t7的FD42的电压低，所以比较器78(参照图3)输出低电平(Low)信号，从而限幅晶体管76成为导通状态，时刻t8的节点70的电压Vsh便成为限幅电压Vclip。

[0044] 如上所示，根据本实施方式的固体摄像装置，对读出来自各个像素的信号之后的FD42的电压和经由复位晶体管44使FD42的电位复位到参考电压时的FD42的电压进行比较，从而就没有必要针对各个像素的晶体管的特性偏差设定容限。而且，将来自已接收了高亮度光的像素的输出置换成相当于像素饱和信号的限幅电压，从而能够抑制图像发黑的不良现象产生。

[0045] 如上文所述，本发明的第一实施方式所涉及的固体摄像装置包括：多个具有设置为矩阵状且生成并积累与入射光的强度相对应的信号电荷的PD41、用来将积累在PD41中的信号电荷读出后保持起来的FD42、将PD41的信号传送给FD42的传送晶体管43、用来使FD42复位到电源电压的复位晶体管44及用来读出FD42的电压的放大晶体管45的像素，对应每列而设并接收各列像素的信号的多条垂直信号线31，分别连接在各条垂直信号线31上并用来将已消除了在各个像素中产生的固定图形噪声的信号保持在取样电容62中的FPN消除电路，对将已在PD41中生成并积累起来的信号电荷传送给FD42后的垂直信号线
31上的电压与经由复位晶体管44使FD42的电位成为低电平时的垂直信号线31上的电压进行比较来判断是否产生高亮度光引起的图像发黑的高亮度判断电路以及根据高亮度判断电路的输出将限幅电压输给取样电容62的限幅电路79。还有，按照列选择信号将已保持在取样电容62中的信号依次读到水平共用信号线的水平选择晶体管连接在取样电容62上。

[0046] 还有，在像素的复位晶体管44及放大晶体管45的漏极上连接有电源信号线33，该电源信号线33成为能够利用脉冲驱动的结构。也可以利用固体摄像装置的外部电路控制该电源信号线33。

[0047] 根据该结构，在本实施方式所涉及的固体摄像装置及其驱动方法中，能够对读出来自像素的信号之后的垂直信号线31上的电压和使FD42的电位复位到参考电压时的垂直信号线31上的电压进行比较，来判断是否产生了高亮度光引起的图像发黑。

[0048] 而且，当没有出现高亮度光引起的图像发黑时，因为读出信号之后的垂直信号线31上的电压(FD42的电压)与FD42复位之后的垂直信号线31上的电压不同，所以高亮度判断电路判断出没有产生图像发黑，从而便没有将限幅电压输给取样电容62。相反，当出现高亮度光引起的图像发黑时，因为读出信号之后的垂直信号线31上的电压(FD42的电压)与FD42复位之后的垂直信号线31上的电压相同，所以高亮度判断电路判断出产生图像发黑，于是限幅电路79便能够向取样电容62输出相当于像素饱和信号的电压(限幅电压)。

[0049] 也就是说，因为本实施方式所涉及的固体摄像装置包括对各个像素的FD42的电位进行比较的比较器78，所以不再需要在判断是否出现图像发黑时用来生成阈值电压的偏压生成电路。在本实施方式的固体摄像装置中，由于很难受到放大晶体管45的阈值偏差和FD42的复位噪声的影响，所以还解决了现有技术中存在的第二个问题。

[0050] 而且，在本实施方式所涉及的固体摄像装置中，因为在每列上设置了比较器78来进行判断，所以能够谋求频率特性的改善，并且现有技术中存在的第一个问题即时间响应特性也得到提高，由此能够迅速抑制图像发黑。

[0051] 此外，虽然本实施方式所涉及的固体摄像装置采用了经由像素内的复位晶体管44将FD42的电位调整到参考电压的结构，但是也能通过在像素内另外设置源极连接在FD42上、漏极连接参考电压并与复位晶体管44并联的P沟道型晶体管或N沟道型晶体管后，再对像素的FD电压进行比较，来检测是否出现了高亮度光引起的图像发黑的不良现象。

[0052] 此外，虽然本实施方式所涉及的固体摄像装置是省去像素内的行选择晶体管的结构，但是即使该固体摄像装置是包含行选择晶体管的结构时，也能利用脉冲驱动连接在复位晶体管44的漏极上的像素电源，并按照上文所述对垂直信号线上的电压(像素的FD电压)进行比较，由此来检测是否出现了高亮度光引起的图像发黑的不良现象。

[0053] (第二实施方式)图5是表示本发明的第二实施方式所涉及的固体摄像装置中的信号处理电路的电路图。因为图1及图2中所示的像素电路的结构、固体摄像装置的基本结构等除了信号处理电路以外的部分都与第二实施方式相同，所以下面主要对信号处理电路的特征进行说明。

[0054] 如图5所示，本实施方式所涉及的信号处理部具有：经由列放大电路95连接在垂直信号线31上的钳位电容86以及一端(第一端子)接地且在从垂直信号线31到接地的路径上与电容元件81及钳位电容86串联的取样电容89。

[0055] 列放大电路95由电容元件81、输入部连接在电容元件81上且输出部连接在钳位电容86上的反相放大电路82、设置在反相放大电路82的输入部和输出部之间的晶体管83以及设置在反相放大电路82的输入部和输出部之间且彼此串联的晶体管84及电容元件85构成。还有，钳位电容86(的一端)连接在列放大电路95的输出部，在钳位电容86的另一端与取样电容89之间连接有由MOS晶体管构成的取样开关87。还有，在取样开关87和取样电容89之间的节点88上连接有取样电容89，并且基准电源Vclamp经由钳位晶体管97连接在节点88上。还有，列放大电路95的输出部连接在由晶体管90、91、限幅晶体管92构成的限幅电路96上。限幅电路96的结构与第一实施方式的固体摄像装置相同。

[0056] 如图5所示，本实施方式所涉及的信号处理部的特征在于：为了放大从像素输出的信号以使信噪(S/N)比提高，在垂直信号线31上设置了信号放大电路(列放大电路95)。

[0057] 下面，对第二实施方式所涉及的固体摄像装置的驱动方法进行说明。图6是表示用来驱动本实施方式的固体摄像装置的各种信号的电位变化以及垂直信号线31和节点88的电位(Vsh)变化的时序图。

[0058] 图6中的VDDCELL是用来控制像素的FD42的电压的脉冲。并且，RSCELL表示用来将像素的FD42(参照图2)复位到VDDCELL电压的脉冲。TRANS表示用来将信号电荷从像素的PD41传送到FD42的脉冲。NCSH表示用来将来自像素的输出信号保持到FPN消除电路的取样电容89中的脉冲，该NCSH不仅施加在取样开关87的栅极上，还施加在晶体管84的栅极上。在此，FPN消除电路包括钳位电容86、取样开关87、钳位晶体管97和取样电容89。

[0059] 而且，NCCL表示用来将FPN消除电路的取样电容89复位到基准电压的脉冲。AMPCL表示用来使列放大电路95复位的脉冲。JUDGE表示用来判断是否出现高亮度光引起的图像发黑的不良现象的脉冲。

[0060] 如图6所示，首先，在期间t0～t1，与第一实施方式相同，使像素内的复位晶体管44(参照图2)为导通状态，以将FD42的电位复位到像素电源电压VDDCELL_H。

[0061] 其后，在时刻t2，使FPN消除电路内的钳位晶体管97成为导通状态，将经由垂直信号线31读出的FD42的电压置换成FPN消除电路的基准电压Vclamp。

[0062] 然后，在时刻t3同样地使像素内的传送晶体管43成为导通状态，将积累在PD41中的电荷传送到FD42以后，在时刻t4使FPN消除电路内的取样开关87成为截止状态。由此，施加在节点88上的电压就成为基准电压即Vclamp与将相当于PD41的信号电荷量那么大的电压振幅放大列放大器的放大率即A倍后所获得的信号A×Vpd之和。此时，将Vclamp+C1/(C1+C2)×A×Vpd保持到FPN消除电路的节点88上。

[0063] 接着，在时刻t4将从像素输出的信号取样到FPN消除电路内的取样电容89中以后，使开关即晶体管84成为截止状态，从而使由闭环构成的列放大电路95成为开环结构，并将该列放大电路95作为高增益的比较电路。

[0064] 此后，在期间t5～t6使列放大电路(比较电路)95复位，从而将时刻t6的FD42的电压(垂直信号线31上的电压)作为比较电路的比较电压。

[0065] 接下来，在期间t7(在图6的示例中为t6～t7)将像素电源电压VDDCELL调整到参考电压，并使复位晶体管44的栅极成为导通状态，由此将FD42调整到参考电压，并进行与所述时刻t6的FD42的电压(比较电压)相比较的比较动作。

[0066] 以上，如根据图6所说明的那样，在本实施方式所涉及的固体摄像装置及其驱动方法中，在正常像素(没有出现高亮度光引起的图像发黑的像素)中，因为时刻t7的FD42的电压比时刻t6的FD42的电压低，所以列放大电路95输出反转信号高电平，并且节点88的电压成为(Vclamp+C1/(C1+C2)×A×Vpd)。

[0067] 与此相对，在出现高亮度光引起的图像发黑的像素中，因为在时刻t6与时刻t7时FD42的电压相等或者时刻t6的FD42的电压比时刻t7的FD42的电压低，所以列放大电路95输出低电平信号，从而限幅晶体管92成为导通状态，节点88的电压便成为限幅电压Vclip。

[0068] 因此，通过对读出来自各个像素的信号之后的FD的电压和经由复位晶体管复位到参考电压时的FD的电压进行比较，从而没有必要针对各个像素的晶体管的特性偏差设定容限，就能够抑制高亮度光引起的图像发黑的不良现象。也就是说在本实施方式所涉及的固体摄像装置及其驱动方法中，能够由各个像素生成用来判断是否产生了图像发黑的阈值电压，由此能够使由于设置在像素内的放大晶体管的Vth偏差及FD复位噪声而产生的固定图形噪声的影响降低。

[0069] 如以上说明所示，本发明的第二实施方式所涉及的固体摄像装置包括：多个具有设置为矩阵状且生成并积累与入射光的强度相对应的信号电荷的PD41(参照图2)、用来将积累在PD41中的信号电荷读出后保持起来的FD42、将PD41的信号传送给FD42的传送晶体管43、用来使FD42复位到电源电压的复位晶体管及用来读出FD42的电压的放大晶体管45的像素，对应每列而设并接收来自各列像素的信号的多条垂直信号线31，分别连接在各条垂直信号线31上并用来将已消除了在各个像素中产生的固定图形噪声的信号保持在取样电容87中的FPN消除电路，对将已在PD41中生成并积累起来的信号电荷传送给FD42后的垂直信号线31上的电压与经由复位晶体管44将FD42的电位调整到参考电压时的垂直信号线31上的电压进行比较来判断是否产生高亮度光引起的图像发黑的高亮度判断电路以及根据高亮度判断电路的输出将限幅电压输给取样电容89的限幅电路96。在图5中，作为高亮度判断电路的示例，列举了使用列放大电路95的例子，但只要是具有相同功能的电路即可，也可以使用列放大电路以外的电路。还有，按照列选择信号将已保持在所述取样电容中的信号依次读到水平共用信号线的水平选择晶体管连接在该取样电容上。

[0070] 还有，在像素的复位晶体管44及放大晶体管45的漏极上连接有电源信号线33，该电源信号线33成为能够利用脉冲驱动的结构。

[0071] 根据该结构，在本实施方式所涉及的固体摄像装置及其驱动方法中，能够对读出来自像素的信号之后的垂直信号线31上的电压和使FD42复位到参考电压时的垂直信号线31上的电压进行比较，由此来判断是否产生了高亮度光引起的图像发黑。

[0072] 而且，当没有出现高亮度光引起的图像发黑时，因为读出信号之后的垂直信号线31上的电压(FD42的电压)与FD42复位之后的垂直信号线31上的电压不同，所以高亮度判断电路判断出没有产生图像发黑，从而便没有将限幅电压输给取样电容89。相反，当出现高亮度光引起的图像发黑时，因为读出信号之后的垂直信号线31上的电压(FD42的电压)与FD42复位之后的垂直信号线31上的电压相同，所以高亮度判断电路判断出产生图像发黑，限幅电路便能够向取样电容输出相当于像素饱和信号的电压(限幅电压)。

[0073] 也就是说，与第一实施方式相同，本实施方式所涉及的固体摄像装置包括对各个像素的FD42的电位进行比较的高亮度判断电路，所以就很难受到放大晶体管45的阈值偏差和FD42的复位噪声的影响，从而还解决了现有技术中存在的第二个问题。

[0074] 而且，因为本发明的第二实施方式所涉及的固体摄像装置用设置在每列上的列放大电路95作为比较器，所以能够谋求频率特性的改善，并且还能够谋求现有技术中存在的第一个问题即时间响应特性的提高。

[0075] 此外，虽然有时为了实现高S/N比等安装了列放大电路，但是因为在本实施方式的固体摄像装置中能够用列放大电路95作为高亮度判断电路(比较电路)，所以在实现高S/N比的同时，还能够缩小电路规模。

[0076] 此外，虽然本实施方式所涉及的固体摄像装置采用了经由像素内的复位晶体管44将FD42的电位调整到参考电压的结构，但是也能通过在像素内另外设置源极连接在FD42上、漏极连接在参考电压电源上的晶体管后，再对像素的FD电压进行比较，来检测是否出现了高亮度光引起的图像发黑的不良现象。

[0077] 此外，虽然本实施方式所涉及的固体摄像装置是省去像素内的行选择晶体管的结构，但是即使该固体摄像装置是包含行选择晶体管的结构时，也能利用脉冲驱动连接在复位晶体管44的漏极上的像素电源，并按照上文所述对垂直信号线上的电压(像素的FD电压)进行比较，由此来判断是否出现了高亮度光引起的图像发黑的不良现象。

[0078] (第三实施方式)图7是表示本发明的第三实施方式所涉及的摄像装置(照相机系统)的图。

[0079] 如图7所示，本实施方式的摄像装置120包括：将外部光会聚起来的光学部件(透镜)126、本发明的第一实施方式或第二实施方式所涉及的MOS型固体摄像装置124及控制固体摄像装置124内的电路的动作时序的时序控制部127。

[0080] 图7所示的是固体摄像装置124具有将通过光学部件126入射的光转换成图像信号后输出的MOS型摄像元件121和对从MOS型摄像元件121输出的图像信号进行处理后将信号输给显示装置等外部设备的图像信号处理部123时的示例。MOS型摄像元件121和信号处理部133形成在同一半导体芯片上，但是有时该MOS型摄像元件121和信号处理部133也可以分别形成在不同的半导体芯片上。

[0081] 作为固体摄像装置124，使用了本发明的第一实施方式或第二实施方式所涉及的固体摄像装置。因此，MOS型摄像元件121具有：将已入射的光转换成电压信号的像素131、对从像素131输出的信号进行处理的信号处理部133、接收来自像素131的信号并判断是否有高亮度光入射到像素131的高亮度判断电路135以及将从信号处理部133输出的信号作为图像信号输出的输出电路137。虽然MOS型摄像元件121内的各个电路与第一实施方式或第二实施方式所涉及的固体摄像装置内的各个电路相同，但在图7中示出了一个高亮度判断电路135设置在信号处理部133外部的例子。还有，虽然在图7的示例中图像信号处理部123设置在固体摄像装置124内，不过也可以将图像信号处理部123设置在固体摄像装置的外部。

[0082] 图像信号处理部123具有接收来自输出电路137的图像信号的相关双取样电路(CDS139)、自动增益控制器(AGC：Auto Gain Control)141、模拟数字转换器(ADC：Analog Digital Converter)143及数字信号处理器(DSP：Digital Signal Processor)145。还有，在图像信号处理部123与时序控制部127之间进行信号的发送与接收。也就是说，时序控制部127与MOS型摄像元件121及图像信号处理部123之间进行信号的发送与接收(移动)。

[0083] 在本实施方式的摄像装置中，当高亮度光入射到像素131时，高亮度判断电路便能利用来自像素131的信号进行判断，并能将相当于像素饱和信号的电压输给信号处理部133。由此，能够有效地抑制产生图像发黑。还有，因为省去了偏压生成电路，所以能够减小固体摄像装置的尺寸，从而能够谋求照相机系统整体尺寸的减小。而且，因为MOS型摄像元件121及图像信号处理部123(当图像信号处理部123设置在固体摄像装置124外部时，固体摄像装置124及图像信号处理部123)与共用的时序控制部127进行信号的发送与接收，所以能够谋求照相机系统(摄像装置)整体尺寸的减小。-产业实用性-

[0084] 本发明所涉及的固体摄像装置及驱动方法能够抑制高亮度光入射进来时产生的图像发黑的不良现象，因此作为固体摄像装置及其驱动方法等是很有用的。