Устройство фотоэлектрического преобразования и система фотоэлектрического преобразования

Устройство фотоэлектрического преобразования и система фотоэлектрического преобразования

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001] Настоящее изобретение относится к устройству фотоэлектрического преобразования и к системе фотоэлектрического преобразования.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] В устройстве фотоэлектрического преобразования, раскрытом на фиг. 2 в выложенной японской патентной заявке № 2005-311487 (далее именуемой PTL 1), дифференциальный усилитель формируется с использованием транзистора усиления пикселя (114 на фиг. 2) для пикселя и дифференциального транзистора (201 на фиг. 2), расположенного в каждом столбце. На транзистор усиления пикселя поступает сигнал на основании электрического заряда, генерируемого в элементе фотоэлектрического преобразования. На дифференциальный транзистор поступает опорное напряжение с пилообразной формой волны. Посредством операции, в которой напряжение на затворе транзистора усиления пикселя сравнивается с напряжением на затворе дифференциального транзистора, сигнал на основании электрического заряда, генерируемого в элементе фотоэлектрического преобразования, преобразуется в цифровой сигнал.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0003] Согласно аспекту, настоящее изобретение предусматривает устройство фотоэлектрического преобразования, включающее в себя элемент фотоэлектрического преобразования, дифференциальную пару, включающую в себя первый транзистор, выполненный с возможностью приема сигнала на основании электрического заряда, генерируемого в элементе фотоэлектрического преобразования, и второй транзистор, выполненный с возможностью приема опорного сигнала, фиксирующую схему, выполненную с возможностью фиксации напряжения на затворе второго транзистора, и выходную схему, выполненную с возможностью осуществления первой операции для вывода напряжения на основании напряжения на затворе первого транзистора на затвор второго транзистора и второй операции для приема тока от второго транзистора, и для вывода сигнала на основании результата сравнения между напряжением на затворе первого транзистора и напряжением на затворе второго транзистора на выходной узел. Выходная схема включает в себя блок управления, выполненный с возможностью управления, во второй операции величиной изменения напряжения на стоке второго транзистора, чтобы она была меньше величины изменения напряжения на выходном узле.

[0004] В другом аспекте, настоящее изобретение предусматривает устройство фотоэлектрического преобразования, включающее в себя элемент фотоэлектрического преобразования, дифференциальную пару, включающую в себя первый транзистор, выполненный с возможностью приема сигнала на основании электрического заряда, генерируемого в элементе фотоэлектрического преобразования, и второй транзистор, выполненный с возможностью приема опорного сигнала, фиксирующую схему, выполненную с возможностью фиксации напряжения на затворе второго транзистора, схему токового зеркала, включающую в себя третий транзистор, электрически соединенный со вторым транзистором и четвертым транзистором, затвор которого соединен с затвором третьего транзистора, и первый переключающий элемент, соединяющий затвор и сток четвертого транзистора.

[0005] Дополнительные признаки настоящего изобретения явствуют из нижеследующего описания иллюстративных вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0006] Фиг. 1 - блок-схема, демонстрирующая общую структуру устройства фотоэлектрического преобразования.

[0007] Фиг. 2 - блок-схема, демонстрирующая общую структуру устройства фотоэлектрического преобразования.

[0008] Фиг. 3 - схема, демонстрирующая структуру устройства фотоэлектрического преобразования.

[0009] Фиг. 4 - схема, в упрощенном виде демонстрирующая временную диаграмму в отношении сигналов возбуждения в устройстве фотоэлектрического преобразования.

[0010] Фиг. 5 - схема, демонстрирующая принципиальную схему устройства фотоэлектрического преобразования.

[0011] Фиг. 6 - схема, демонстрирующая принципиальную схему устройства фотоэлектрического преобразования.

[0012] Фиг. 7 - схема, демонстрирующая принципиальную схему устройства фотоэлектрического преобразования.

[0013] Фиг. 8 - схема, демонстрирующая принципиальную схему устройства фотоэлектрического преобразования.

[0014] Фиг. 9 - схема, демонстрирующая принципиальную схему устройства фотоэлектрического преобразования.

[0015] Фиг. 10 - схема, демонстрирующая принципиальную схему устройства фотоэлектрического преобразования.

[0016] Фиг. 11 - схема, демонстрирующая принципиальную схему устройства фотоэлектрического преобразования.

[0017] Фиг. 12 - схема, демонстрирующая принципиальную схему устройства фотоэлектрического преобразования.

[0018] Фиг. 13 - схема, демонстрирующая принципиальную схему устройства фотоэлектрического преобразования.

[0019] Фиг. 14 - схема, демонстрирующая структуру системы фотоэлектрического преобразования.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

[0020] Некоторые варианты осуществления могут повышать точность сигнала, выводимого из устройства фотоэлектрического преобразования.

[0021] В устройстве фотоэлектрического преобразования, существует возможность снижения точности сигнала, выводимого из устройства фотоэлектрического преобразования. В устройстве фотоэлектрического преобразования, раскрытом на фиг. 2 в PTL 1, сток дифференциального транзистора функционирует как выходной узел дифференциального усилителя. Поэтому в операции сравнения, когда происходит инверсия соотношения напряжения между напряжением на затворе транзистора усиления пикселя и напряжением на затворе дифференциального транзистора, т.е. соотношение напряжения инвертируется, напряжение на стоке дифференциального транзистора может значительно изменяться. В частности, величина изменения напряжения на стоке дифференциального транзистора близка к, или примерно равна разности между напряжением земли и напряжением питания (AVD на фиг. 2). Изменение напряжения на стоке дифференциального транзистора может передаваться на затвор дифференциального транзистора, который соединен с узлом, подающим опорный сигнал, через паразитную емкость между затвором и стоком дифференциального транзистора.

[0022] Изменение напряжения на узле, подающем опорный сигнал, может приводить к снижению точности сигнала, выводимого из устройства фотоэлектрического преобразования. Например, если опорный сигнал изменяется в противоположном направлении после инверсии выхода дифференциального усилителя, это может приводить к тому, что выход этого дифференциального усилителя повторно инвертируется. Кроме того, в случае, когда общий опорный сигнал поступает на множество дифференциальных усилителей, изменение опорного сигнала, вызванное инверсией выхода определенного дифференциального усилителя может приводить к инверсии выхода другого дифференциального усилителя. Это может снижать точность аналого-цифрового преобразования. Таким образом, существует возможность уменьшения или снижения точности цифрового сигнала, выводимого из устройства фотоэлектрического преобразования.

[0023] Ниже, со ссылкой на чертежи, описаны аспекты настоящего изобретения. Аспекты, объясненные далее, в целом, относятся к вариантам осуществления с первого по десятый. На фиг. 1 показана блок-схема, в упрощенном виде демонстрирующая общую конфигурацию устройства фотоэлектрического преобразования согласно аспекту. Множество пикселей 100 образует пиксельную матрицу 102. Пиксельная матрица 102 включает в себя множество строк пикселей и множество столбцов пикселей. Схема 101 вертикальной развертки управляет множеством пикселей 100 для считывания сигналов из множества пикселей 100. Сигналы из множества пикселей 100 считываются, например, построчно.

[0024] Схема 104 компаратора сравнивает сигнал пикселя 100 с опорным сигналом. Опорный сигнал, генерируемый схемой 103 генерации опорного сигнала, поступает на схему 104 компаратора. Сигнал управления на основании результата сравнения, произведенного схемой 104 компаратора, выводится на счетчик 106 через выходную схему 105. Этот сигнал управления на основании результата сравнения управляет периодом отсчета счетчика 106. Счетчик 106 выводит, в память 107, значение отсчета, соответствующее времени приема сигнала управления, или указывающее его. Значение отсчета, выводимое в память 107, сохраняется в ней в качестве цифрового сигнала, указывающего результат аналого-цифрового преобразования (в дальнейшем именуемого AD преобразованием), осуществляемого на сигнале из пикселя 100. Цифровой сигнал, хранящийся в памяти 107, последовательно выводится из устройства фотоэлектрического преобразования через схему 108 горизонтальной развертки.

[0025] Кроме того, выходная схема 105 выводит сигнал как сигнал обратной связи на основании сигнала пикселя 100 на схему 104 компаратора. Схема 104 компаратора способна поддерживать сигнал обратной связи.

[0026] На фиг. 2 показана блок-схема, демонстрирующая общую конфигурацию устройства фотоэлектрического преобразования согласно другому аспекту. В случае устройства фотоэлектрического преобразования, представленного на фиг. 1, в каждом столбце пикселей располагается по одному счетчику 106. Устройство фотоэлектрического преобразования, представленное на фиг. 2, отличается от устройства фотоэлектрического преобразования, представленного на фиг. 1, тем, что общий счетчик 109 совместно используется множеством столбцов пикселей. В частности, значение отсчета, выводимое общим счетчиком 109, поступает на защелку 110 в каждом столбце пикселей. В зависимости от времени вывода сигнала управления из выходной схемы 105, защелка 110 каждого столбца пикселей фиксирует значение отсчета, выводимое из общего счетчика. Другие операции аналогичны операциям устройства фотоэлектрического преобразования, представленного на фиг. 1.

[0027] Фиг. 3 демонстрирует конфигурации пикселя 100, схемы 104 компаратора и выходной схемы 105 устройства фотоэлектрического преобразования. Для простоты иллюстрации, на фиг. 3 показан только один пиксель 100.

[0028] Пиксель 100 включает в себя элемент PD фотоэлектрического преобразования, транзистор M1 сброса, транзистор M2 переноса, пиксельный транзистор M3 и транзистор M4 выбора. Возбуждающий сигнал ϕR поступает на затвор транзистора M1 сброса, возбуждающий сигнал ϕT поступает на затвор транзистора M2 переноса, и возбуждающий сигнал ϕS поступает на затвор транзистора M4 выбора.

[0029] Затвор пиксельного транзистора M3 соединен с узлом плавающей диффузионной области (в дальнейшем именуемым FD). Электрический заряд, генерируемый в элементе PD фотоэлектрического преобразования, переносится транзистором M2 переноса на узел FD. Таким образом, сигнал на основании электрического заряда, генерируемого в элементе PD фотоэлектрического преобразования, поступает на затвор пиксельного транзистора M3. Другими словами, пиксельный транзистор M3 принимает сигнал на основании электрического заряда, генерируемого в элементе PD фотоэлектрического преобразования, на своем затворе. Транзистор M1 сброса сбрасывает напряжение на затворе пиксельного транзистора M3. Заметим, что поскольку затвор пиксельного транзистора M3 соединен с узлом FD, затвор пиксельного транзистора M3 также именуется узлом FD в настоящем описании.

[0030] Схема 104 компаратора включает в себя дифференциальный транзистор M5. Опорный сигнал VRMP поступает на затвор дифференциального транзистора M5. Другими словами, дифференциальный транзистор M5 принимает опорный сигнал на своем затворе. Опорный сигнал VRMP является, например, пилообразным сигналом напряжения, напряжение которого изменяется со временем. Пиксельный транзистор M3 и дифференциальный транзистор M5 могут быть соединены с источником IS1 следового тока, образуя дифференциальную пару. На фиг. 3, источник IS1 следового тока может быть выполнен в виде, например, n-МОП-транзистора, на затвор которого подается конкретное напряжение смещения. В некоторых вариантах осуществления источник IS1 следового тока можно исключить. Пиксельный транзистор M3 и дифференциальный транзистор M5 одинаковы в отношении типа проводимости. В настоящем аспекте, пиксельный транзистор M3 и дифференциальный транзистор M5 являются МОП-транзисторами с каналом N-типа.

[0031] Схема 104 компаратора включает в себя фиксирующую схему 300, которая фиксирует напряжение на затворе дифференциального транзистора M5 равным конкретному напряжению. Фиксирующая схема 300 включает в себя, например, фиксирующий переключающий элемент SW1 и фиксирующий конденсаторный элемент C1. Фиксирующий переключающий элемент SW1 соединен с затвором дифференциального транзистора M5. Фиксирующий переключающий элемент SW1 управляется возбуждающим сигналом ϕCLMP. Когда фиксирующий переключающий элемент SW1 закрывается, затвор дифференциального транзистора M5 переходит в состояние высокого электрического импеданса. Это позволяет фиксировать напряжение на затворе дифференциального транзистора M5 равным конкретному напряжению. Один электрод фиксирующего конденсаторного элемента C1 соединен с затвором дифференциального транзистора M5. На другой электрод фиксирующего конденсаторного элемента C1 поступает опорный сигнал VRMP. В этой конфигурации, составляющая переменного тока опорного сигнала VRMP поступает на затвор дифференциального транзистора M5 через фиксирующий конденсаторный элемент C1.

[0032] Одна схема 104 компаратора, показанная на фиг. 3, предназначена для множества пикселей 100, включенных в один столбец пикселей, хотя они не показаны на фиг. 3. В частности, истоки транзисторов M4 выбора множества пикселей 100 совместно соединены с источником IS1 следового тока. Кроме того, стоки пиксельных транзисторов множества пикселей 100 соединены друг с другом. Один дифференциальный транзистор M5 образует дифференциальную пару совместно с каждым пиксельным транзистором M3 множества пикселей 100, включенных в один столбец пикселей. Другими словами, каждый пиксельный транзистор M3, включенный в каждый из множества пикселей 100, и дифференциальный транзистор M5 образуют дифференциальную пару. Устройство фотоэлектрического преобразования для использования при захвате изображения, то есть устройство получения изображения, включает в себя множество наборов из столбца пикселей и схемы 104 компаратора.

[0033] Выходная схема 105, имеющая выходной узел 310, электрически соединена с дифференциальным транзистором M5. Выходной узел 310 представляет собой узел, отличный от любого из истока и стока пиксельного транзистора M3 и истока и стока дифференциального транзистора M5.

[0034] Выходная схема 105 осуществляет первую операцию, в которой напряжение на основании напряжения на затворе пиксельного транзистора M3 выводится на затвор дифференциального транзистора M5. Выходная схема 105 также осуществляет вторую операцию, в которой выходная схема 105 принимает ток от дифференциального транзистора M5, и выводит сигнал на основании результата сравнения между напряжением на затворе пиксельного транзистора M3 и напряжением на затворе дифференциального транзистора M5 на выходной узел 310. В другом аспекте, выходная схема 105 во второй операции выводит сигнал на основании результата сравнения между напряжением на затворе пиксельного транзистора M3 и напряжением на затворе дифференциального транзистора M5 на выходной узел 310, принимая ток от дифференциального транзистора M5. В еще одном аспекте, выходная схема 105 во второй операции выводит сигнал на основании результата сравнения между напряжением на затворе пиксельного транзистора M3 и напряжением на затворе дифференциального транзистора M5 на выходной узел 310 в ответ на прием тока от дифференциального транзистора M5. На фиг. 3, "сигнал обратной связи" обозначает напряжение на основании напряжения на затворе пиксельного транзистора M3, и "сигнал управления" обозначает сигнал на основании результата сравнения.

[0035] В первой операции выходная схема 105 может действовать как источник тока, который подает ток на дифференциальный транзистор M5. В этом случае, выходная схема 105 функционирует как нагрузка операционного усилителя, образованного пиксельным транзистором M3 и дифференциальным транзистором M5. Таким образом, когда затвор и сток дифференциального транзистора M5 накоротко соединены друг с другом, выходная схема 105 выводит напряжение на основании напряжения на затворе пиксельного транзистора M3 на затвор дифференциального транзистора M5.

[0036] При закрытии фиксирующего переключающего элемента SW1, фиксирующая схема 300 поддерживает напряжение, выводимое на затвор дифференциального транзистора M5. Таким образом, фиксирующая схема 300 фиксирует напряжение на затворе дифференциального транзистора M5 равным напряжению на основании напряжения на затворе пиксельного транзистора M3. Напряжение на основании напряжения на затворе пиксельного транзистора M3 включает в себя, например, напряжение, по существу, равное напряжению на затворе пиксельного транзистора M3. Ввиду различия в характеристиках транзисторов, разницы температур, теплового шума и пр., два вышеописанные напряжения могут быть не в точности равны.

[0037] Во второй операции выходная схема 105 может действовать как схема обнаружения тока, которая обнаруживает ток дифференциального транзистора M5. Схема обнаружения тока выводит изменение тока дифференциального транзистора M5 в качестве другого сигнала на выходной узел 310, отличный от стока дифференциального транзистора M5. С использованием этой функции, выходная схема 105 выводит сигнал на основании результата сравнения между напряжением на затворе пиксельного транзистора M3 и напряжением на затворе дифференциального транзистора M5 на выходной узел 310.

[0038] Например, в случае, когда напряжение на затворе дифференциального транзистора M5 выше напряжения на затворе пиксельного транзистора M3, выходная схема 105 выводит первое напряжение на выходной узел 310. С другой стороны, в случае, когда напряжение на затворе дифференциального транзистора M5 ниже напряжения на затворе пиксельного транзистора M3, выходная схема 105 выводит второе напряжение, отличное от первого напряжения, на выходной узел 310.

[0039] В вышеприведенном описании, паразитным сопротивлением проводки, соединенной с источником IS1 следового тока, можно пренебречь. Паразитное сопротивление проводки может приводить к смещению в операционном усилителе, образованным пиксельным транзистором M3 и дифференциальным транзистором M5.

[0040] Выходная схема 105 включает в себя блок управления, который управляет, во второй вышеописанной операции, изменением напряжения на стоке дифференциального транзистора M5, чтобы оно было меньше изменения напряжения на выходном узле 310. В частности, блок управления управляет изменением напряжения на стоке дифференциального транзистора M5, чтобы оно было меньше изменения напряжения на выходном узле 310, когда происходит инверсия соотношения относительных величин между величиной напряжения на затворе пиксельного транзистора M3 и величиной напряжения на затворе дифференциального транзистора M5. В этом случае, изменение напряжения на выходном узле 310 можно задавать как разность между вышеописанными первым напряжением и вторым напряжением.

[0041] Блок управления может включать в себя схему токового зеркала. Схема токового зеркала включает в себя, по меньшей мере, два транзистора, затвор каждого из которых соединен с затвором другого из двух транзисторов. Сток одного из двух транзисторов электрически соединен с дифференциальным транзистором M5.

[0042] Блок управления может включать в себя переключающий элемент, который соединяет затвор и сток другого из двух транзисторов, причем этот другой из двух транзисторов отличается от того, сток которого электрически соединен с дифференциальным транзистором M5. Использование этого переключающего элемента позволяет переключаться между вышеописанными первой операцией и второй операцией. Другими словами, переключение между первой операцией и второй операцией может осуществляться в ответ на изменение открытого/закрытого состояния переключающих элементов.

[0043] Как описано выше, выходная схема 105 включает в себя блок управления, который уменьшает изменение напряжения на стоке дифференциального транзистора M5. Эта конфигурация позволяет уменьшать изменение опорного сигнала вследствие изменения напряжения на стоке дифференциального транзистора M5. В результате, можно повышать точность сигнала, выводимого из устройства фотоэлектрического преобразования.

[0044] Затем, возбуждение устройства фотоэлектрического преобразования согласно настоящему варианту осуществления описано ниже. На фиг. 4 показана схема, в упрощенном виде демонстрирующая временную диаграмму в отношении сигналов возбуждения в устройстве фотоэлектрического преобразования. На фиг. 4 показаны сигналы возбуждения на протяжении одного периода горизонтальной развертки (период 1H) в течение которого сигнал считывается из одной строки пикселей. Когда возбуждающий сигнал находится на высоком уровне, транзисторы, на которые поступает этот возбуждающий сигнал, открываются. Когда возбуждающий сигнал находится на низком уровне, транзисторы, на которые поступает этот возбуждающий сигнал, закрываются. Конкретное напряжение высокого уровня и низкого уровня определяются в зависимости от типа проводимости транзисторов.

[0045] В настоящем варианте осуществления, когда возбуждающий сигнал ϕCLMP находится на высоком уровне, выходная схема 105 действует как источник тока. Когда возбуждающий сигнал ϕCLMP находится на низком уровне, выходная схема 105 действует как схема обнаружения тока.

[0046] Сначала возбуждающий сигнал ϕR и возбуждающий сигнал ϕCLMP устанавливаются на высокий уровень. В результате, транзистор M1 сброса и фиксирующий переключающий элемент SW1 переходят во открытое состояние, то есть, они открываются. Напряжение на узле FD сбрасывается на конкретное напряжение, например, напряжение питания VDD (в дальнейшем именуемое уровнем сброса). Одновременно, выходная схема 105 выводит напряжение на основании напряжения на узле FD (в дальнейшем именуемое уровнем фиксации) на затвор дифференциального транзистора M5 и фиксирующий конденсаторный элемент C1. Таким образом, выходная схема 105 осуществляет первую операцию, в которой напряжение на основании напряжения на затворе пиксельного транзистора M3 выводится на затвор дифференциального транзистора M5.

[0047] После этого, возбуждающий сигнал ϕR и возбуждающий сигнал ϕCLMP последовательно изменяются до низкого уровня. В результате, уровень сброса поддерживается узлом FD, и уровень фиксации поддерживается фиксирующим конденсаторным элементом C1. Благодаря закрытию транзистора M1 сброса до закрытия фиксирующего переключающего элемента SW1, тепловой шум, генерируемый в транзисторе M1 сброса, влияет на уровень фиксации. В состоянии сразу после закрытия фиксирующего переключающего элемента SW1, напряжение на узле FD, то есть напряжение на затворе пиксельного транзистора M3 примерно равно напряжению на затворе дифференциального транзистора M5.

[0048] Затем опорный сигнал VRMP меняется на более высокое напряжение. В результате, напряжение на затворе дифференциального транзистора M5 повышается относительно напряжения на затворе пиксельного транзистора M3. Поскольку пиксельный транзистор M3 и дифференциальный транзистор M5 образуют дифференциальную пару, большая часть тока источника IS1 следового тока течет через дифференциальный транзистор M5.

[0049] Затем на опорном сигнале VRMP начинается линейное снижение. Линейное снижение является операцией постепенного снижения напряжения опорного сигнала VRMP. В определенное время происходит инверсия соотношения между величиной напряжения на затворе пиксельного транзистора M3 и величиной напряжения на затворе дифференциального транзистора M5. После возникновения инверсии этого соотношения, большая часть тока источника IS1 следового тока течет через пиксельный транзистор M3, и ток дифференциального транзистора M5 снижается.

[0050] Выходная схема 105 обнаруживает изменение тока дифференциального транзистора M5. В частности, во время, когда происходит уменьшение тока дифференциального транзистора M5, выходная схема 105 выводит сигнал, указывающий возникновение изменения тока, в качестве сигнала управления, на выходной узел 310. Другими словами, выходная схема 105 осуществляет вторую операцию, в которой сигнал на основании результата сравнения между напряжением на затворе пиксельного транзистора M3 и напряжением на затворе дифференциального транзистора M5 выводится на выходной узел 310.

[0051] В устройстве фотоэлектрического преобразования, показанном на фиг. 1, сигнал управления управляет счетчиком 106 для измерения времени от начала линейного снижения до возникновения инверсии соотношения величин напряжения. В устройстве фотоэлектрического преобразования, показанном на фиг. 2, сигнал управления управляет защелкой 110 для измерения времени от начала линейного снижения до возникновения инверсии соотношения величин напряжения. По истечении заранее определенного периода с начала линейного снижения, AD преобразование уровня сброса заканчивается. Период, в течение которого осуществляется AD преобразование уровня сброса, обозначен N_AD на фиг. 4.

[0052] После этого опорный сигнал VRMP сбрасывается. При переходе возбуждающего сигнала ϕT на высокий уровень, транзистор M2 переноса открывается, и электрический заряд, генерируемый в элементе PD фотоэлектрического преобразования, переносится на узел FD. В настоящем описании, напряжение на узле FD в состоянии после переноса заряда из элемента PD фотоэлектрического преобразования на узел FD именуется уровнем оптического сигнала.

[0053] После перехода возбуждающего сигнала ϕT на низкий уровень, начинается линейное снижение опорного сигнала VRMP. Затем AD преобразование уровня оптического сигнала осуществляется аналогично AD преобразованию уровня сброса. Период, в течение которого осуществляется AD преобразование уровня оптического сигнала, обозначен S_AD на фиг. 4.

[0054] Хотя здесь не приведено подробное описание, в устройстве фотоэлектрического преобразования, цифровая коррелированная двухступенчатая выборка (CDS) может осуществляться путем вычитания кодового значения, полученного AD-преобразованием уровня сброса из кодового значения, полученного AD-преобразованием уровня оптического сигнала.

[0055] В настоящем варианте осуществления, выходная схема 105 включает в себя блок управления, который уменьшает изменение напряжения на стоке дифференциального транзистора M5. Поэтому, в вышеописанной операции, когда происходит инверсия соотношения напряжения, изменение напряжения на стоке дифференциального транзистора M5 подавляется. Таким образом, можно уменьшить изменение опорного сигнала VRMP. В результате, можно повысить точность цифрового сигнала, выводимого из устройства фотоэлектрического преобразования.

[0056] В вышеописанном аспекте, дифференциальный транзистор M5 образует дифференциальную пару совместно с пиксельным транзистором M3 в каждом из пикселей 100. Однако, в альтернативном аспекте, дифференциальный транзистор M5 может образовывать дифференциальную пару совместно с транзистором, который не включен ни в один пиксель 100. Например, сигнал, выводимый из каждого пикселя 100, выводится усилительным блоком, включенным в каждый пиксель 100, в общую линию сигнала. Затем сигнал на общей выходной линии поступает на затвор вышеописанного транзистора, образующего дифференциальную пару совместно с дифференциальным транзистором M5. Также в вышеописанном альтернативном аспекте, можно повысить точность сигнала, выводимого из устройства фотоэлектрического преобразования.

[0057] Ниже описаны некоторые варианты осуществления согласно настоящему изобретению. Если не указано обратное, вышеописанные аспекты применяются ко всем вариантам осуществления. Заметим, что часть варианта осуществления можно заменить частью другого варианта осуществления, или часть варианта осуществления можно добавить к другому варианту осуществления.

ПЕРВЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

[0058] Ниже описано устройство фотоэлектрического преобразования согласно первому варианту осуществления. Первый вариант осуществления отличается тем, что блок управления выходной схемы 105 включает в себя схему токового зеркала.

[0059] Фиг. 5 демонстрирует конфигурации пикселя 100, схемы 104 компаратора и выходной схемы 105 устройства фотоэлектрического преобразования. Для простоты иллюстрации, на фиг. 5 показан только один пиксель 100. Части, аналогичные по функции показанным на фиг. 3, обозначены аналогичными ссылочными позициями, и более подробное их описание опущено.

[0060] Блок управления выходной схемы 105 включает в себя схему токового зеркала, включающую в себя МОП-транзистор M6 с каналом P-типа и МОП-транзистор M7 с каналом P-типа. Сток транзистора M6 электрически соединен со стоком дифференциального транзистора M5. Затвор транзистора M6 и затвор транзистора M7 соединены друг с другом.

[0061] Когда выходная схема 105 осуществляет первую операцию, схема токового зеркала, образованная транзисторами M6 и M7, отражает ток транзистора M7 на транзистор M6. Когда выходная схема 105 осуществляет вторую операцию, схема токового зеркала отражает ток транзистора M6 на транзистор M7.

[0062] В настоящем варианте осуществления, в первой операции схема токового зеркала действует как источник тока, который подает ток из транзистора M6 на дифференциальный транзистор M5. Во второй операции схема токового зеркала действует как схема обнаружения тока, которая отражает ток, поступающий на транзистор M6, от дифференциального транзистора M5 на транзистор M7.

[0063] Блок управления выходной схемы 105 включает в себя конденсаторный элемент C2. Первый вывод конденсаторного элемента C2 электрически соединен со стоком транзистора M6, и второй вывод электрически соединен с затвором транзистора M6. Посредством конденсаторного элемента C2, сток и затвор транзистора M6 связаны друг с другом по переменному току, что позволяет отражать ток транзистора M6 на транзистор M7.

[0064] Блок управления выходной схемы 105 включает в себя первый переключающий элемент SW2. Первый переключающий элемент SW2 соединяет затвор и сток транзистора M7. При открытии первого переключающего элемента SW2, схема токового зеркала способна отражать ток транзистора M7 на транзистор M6. При закрытии первого переключающего элемента SW2, схема токового зеркала способна отражать ток транзистора M6 на транзистор M7. Таким образом, первый переключающий элемент SW2 переключается между первой операцией и второй операцией, осуществляемыми выходной схемой 105.

[0065] Заметим, что емкость конденсаторного элемента C2 больше емкости связи между двумя концами первого переключающего элемента SW2 в состоянии, в котором первый переключающий элемент SW2 находится в закрытом состоянии. В случае, когда МОП-транзистор используется в качестве первого переключающего элемента SW2, два конца первого переключающего элемента SW2 являются истоком и стоком этого МОП-транзистора. Вышеописанная конфигурация позволяет повысить устойчивость работы схемы токового зеркала.

[0066] Фиксирующая схема 300 включает в себя фиксирующий переключающий элемент SW1 и фиксирующий конденсаторный элемент C1. В настоящем варианте осуществления, фиксирующий переключающий элемент SW1 соединяет затвор и сток дифференциального транзистора M5. Фиксирующий переключающий элемент SW1 может электрически соединять затвор и сток дифференциального транзистора M5 посредством схемы с общим затвором.

[0067] Может быть желательно, чтобы фиксирующий переключающий элемент SW1 и первый переключающий элемент SW2 действовали синфазно. В настоящем варианте осуществления, благодаря управлению фиксирующим переключающим элементом SW1 и первым переключающим элементом SW2 с использованием общего возбуждающего сигнала ϕCLMP, фиксирующий переключающий элемент SW1 и первый переключающий элемент SW2 действуют синфазно.

[0068] В настоящем варианте осуществления, выходная схема 105 включает в себя источник IS2 опорного тока, соединенный с выходным узлом 310. Источник IS2 опорного тока выводит опорный ток на транзистор M7. Выходной узел 310 соединен со схемой инвертора.

[0069] В настоящем варианте осуществления, устройство фотоэлектрического преобразования возбуждается сигналами возбуждения, показанными на фиг. 4. В течение периода, в течение которого возбуждающий сигнал ϕCLMP находится на высоком уровне, фиксирующий переключающий элемент SW1 и первый переключающий элемент SW2 открываются. Опорный ток из источника IS2 опорного тока выводится на дифференциальный транзистор M5 через токовое зеркало, образованное транзисторами M6 и M7. Таким образом, транзистор M6 действует как источник тока, который подает ток на дифференциальный транзистор M5.

[0070] Фиксирующий переключающий элемент SW1 соединяет затвор и сток дифференциального транзистора M5. В результате, пиксельный транзистор M3, дифференциальный транзистор M5 и источник IS1 следового тока действуют как повторитель напряжения, в котором источник тока, обеспеченный транзистором M6 функционирует как нагрузка. Таким образом, напряжение на узле FD выводится на затвор дифференциального транзистора M5 и фиксирующий конденсаторный элемент C1. Другими словами, выходная схема 105 осуществляет первую операцию, в которой напряжение на основании напряжения на затворе пиксельного транзистора M3 выводится на затвор дифференциального транзистора M5.

[0071] Когда возбуждающий сигнал ϕCLMP переходит на низкий уровень, фиксирующий переключающий элемент SW1 и первый переключающий элемент SW2 закрываются. После этого, выходная схема 105 осуществляет вторую операцию, в которой напряжение на затворе пиксельного транзистора M3 сравнивается с напряжением на затворе дифференциального транзистора M5.

[0072] Как описано выше, затвор и сток транзистора M6 связаны друг с другом по переменному току посредством конденсаторного элемента C2. Поэтому ток, текущий через дифференциальный транзистор M5, отражается из транзистора M6 на транзистор M7. Напряжение на выходном узле 310 изменяется в зависимости от соотношения между величиной отраженного тока и опорного тока из источника IS2 опорного тока. Таким образом, сигнал выводится на выходной узел 310 на основании результата сравнения.

[0073] Здесь описаны примеры значений различных элементов. Например, транзисторы M6 и M7, образующие схему токового зеркала, имеют, по существу, одинаковый размер. Величина тока I_IS1 источника следового тока и величина тока I_IS2 источника IS2 опорного тока по существу, удовлетворяют соотношению I_IS1=2×I_IS2.

[0074] В вышеописанных условиях, в первой операции ток с величиной, примерно равной одной второй величины тока I_IS1 источника IS1 следового тока течет через каждый из пиксельного транзистора M3 и дифференциального транзистора M5, то есть, ток, по существу, равный величине тока I_IS2, течет через каждый из них. Во второй операции, когда напряжение на затворе дифференциального транзистора M5 выше напряжения на затворе пиксельного транзистора M3, большая часть тока источника IS1 следового тока течет через дифференциальный транзистор M5, и ток, по существу, не течет через пиксельный транзистор M3. Поэтому ток, по существу, той же величины, что и источника IS1 следового тока, течет через транзистор M7. В результате, напряжение на стоке транзистора M7, то есть напряжение на выходном узле 310, становится примерно равным напряжению питания VDD.

[0075] Когда опорный сигнал линейно уменьшается, напряжение на затворе дифференциального транзистора M5 становится ниже напряжения на затворе пиксельного транзистора M3. В этом состоянии, большая часть тока источника IS1 следового тока течет через пиксельный транзистор M3, и ток дифференциального транзистора M5 становится, по существу, равным нулю. Поэтому ток транзистора M7 также становится, по существу, равным нулю. В результате, напряжение на стоке транзистора M7, то есть, напряжение на выходном узле 310, становится примерно равным напряжению земли.

[0076] Как описано выше, выходная схема 105 обнаруживает изменение тока дифференциального транзистора M5. В этой операции, транзистор M6 функционирует как вход схемы токового зеркала. Даже в случае изменения тока стока дифференциального транзистора M5, не происходит значительного изменени