JP2010057097A - 固体撮像素子およびカメラシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】回路の小型化を図ることができ、ひいては消費電力の削減を図ることが可能な固体撮像素子およびカメラシステムを提供する。
【解決手段】画素駆動部としての垂直走査回路102は、画素回路に対してシャッター動作および読み出し動作の指定を行う行デコーダ120を含み、行デコーダは、アドレス信号をデコードする一つのアドレスデコーダ121と、上記アドレスデコーダの出力に対して直列に接続された複数のメモリMA0、MA1およびメモリに接続される論理ゲートと、を含み、シャッター動作・読み出し動作を行う際の行の指定について、読み出し動作についてはアドレスデコーダ121が行い、シャッター動作についてはメモリMA1,MA0が行い、メモリ出力がシャッター制御パルスとなる。
【選択図】図10
【解決手段】画素駆動部としての垂直走査回路102は、画素回路に対してシャッター動作および読み出し動作の指定を行う行デコーダ120を含み、行デコーダは、アドレス信号をデコードする一つのアドレスデコーダ121と、上記アドレスデコーダの出力に対して直列に接続された複数のメモリMA0、MA1およびメモリに接続される論理ゲートと、を含み、シャッター動作・読み出し動作を行う際の行の指定について、読み出し動作についてはアドレスデコーダ121が行い、シャッター動作についてはメモリMA1,MA0が行い、メモリ出力がシャッター制御パルスとなる。
【選択図】図10
Description
本発明は、CMOSイメージセンサに代表される固体撮像素子およびカメラシステムに関するものである。
近年、CCDに代わる固体撮像素子(イメージセンサ)として、CMOSイメージセンサが注目を集めている。
これはCMOSイメージセンサが次の課題を克服しているからである。
すなわち、CCD画素の製造には専用プロセスを必要とし、また、その動作には複数の電源電圧が必要であり、さらに複数の周辺ICを組み合わせて動作させる必要がある。
このようなCCDの場合、システムが非常に複雑化するといった処々の問題を、CMOSイメージセンサが克服しているからである。
これはCMOSイメージセンサが次の課題を克服しているからである。
すなわち、CCD画素の製造には専用プロセスを必要とし、また、その動作には複数の電源電圧が必要であり、さらに複数の周辺ICを組み合わせて動作させる必要がある。
このようなCCDの場合、システムが非常に複雑化するといった処々の問題を、CMOSイメージセンサが克服しているからである。
CMOSイメージセンサは、その製造には一般的なCMOS型集積回路と同様の製造プロセスを用いることが可能であり、また単一電源での駆動が可能で、さらにCMOSプロセスを用いたアナログ回路や論理回路を同一チップ内に混在させることができる。
このため、CMOSイメージセンサは、周辺ICの数を減らすことができるといった、大きなメリットを複数持ち合わせている。
このため、CMOSイメージセンサは、周辺ICの数を減らすことができるといった、大きなメリットを複数持ち合わせている。
CCDの出力回路は、浮遊拡散層(FD:Floating Diffusion)を有するFDアンプを用いた1チャネル(ch)出力が主流である。
これに対して、CMOSイメージセンサは画素毎にFDアンプを持ち合わせており、その出力は、画素アレイの中のある一行を選択し、それらを同時に列方向へと読み出すような列並列出力型が主流である。
これは、画素内に配置されたFDアンプでは十分な駆動能力を得ることは難しく、したがってデータレートを下げることが必要で、並列処理が有利とされているからである。
これに対して、CMOSイメージセンサは画素毎にFDアンプを持ち合わせており、その出力は、画素アレイの中のある一行を選択し、それらを同時に列方向へと読み出すような列並列出力型が主流である。
これは、画素内に配置されたFDアンプでは十分な駆動能力を得ることは難しく、したがってデータレートを下げることが必要で、並列処理が有利とされているからである。
そして、CMOSイメージセンサでは一般に画素をリセットする際に、行ごとに遂次画素をリセットしていく方式が取られることが多い(以後、この方式をローリングシャッターと呼ぶ)。ローリングシャッター動作について、具体的な回路例を用いて説明する。
図1は、4つのトランジスタで構成されるCMOSイメージセンサの画素例を示す図である。
この画素1は、たとえばフォトダイオードからなる光電変換素子11を有し、この1個の光電変換素子11に対して、転送トランジスタ12、リセットトランジスタ13、増幅トランジスタ14、および選択トランジスタ15の4つのトランジスタを能動素子として有する。
光電変換素子11は、入射光をその光量に応じた量の電荷(ここでは電子)に光電変換する。
転送トランジスタ12は、光電変換素子11とフローティングディフュージョンFDとの間に接続され、転送制御線LTxを通じてそのゲート(転送ゲート)に送信信号(駆動信号)TGが与えられる。
これにより、光電変換素子11で光電変換された電子をフローティングディフュージョンFDに転送する。
転送トランジスタ12は、光電変換素子11とフローティングディフュージョンFDとの間に接続され、転送制御線LTxを通じてそのゲート(転送ゲート)に送信信号(駆動信号)TGが与えられる。
これにより、光電変換素子11で光電変換された電子をフローティングディフュージョンFDに転送する。
リセットトランジスタ13は、電源ラインLVDDとフローティングディフュージョンFDとの間に接続され、リセット制御線LRSTを通してそのゲートにリセット信号RSTが与えられる。
これにより、フローティングディフュージョンFDの電位を電源ラインLVDDの電位にリセットする。
これにより、フローティングディフュージョンFDの電位を電源ラインLVDDの電位にリセットする。
フローティングディフュージョンFDには、増幅トランジスタ14のゲートが接続されている。増幅トランジスタ14は、選択トランジスタ15を介して信号線16に接続され、画素部外の定電流源とソースフォロアを構成している。
そして、選択制御線LSELを通してアドレス信号(選択信号)SELが選択トランジスタ15のゲートに与えられ、選択トランジスタ15がオンする。
選択トランジスタ15がオンすると、増幅トランジスタ14はフローティングディフュージョンFDの電位を増幅してその電位に応じた電圧を信号線16に出力する。信号線16を通じて、各画素から出力された電圧は、カラム回路(列処理回路)に出力される。
そして、選択制御線LSELを通してアドレス信号(選択信号)SELが選択トランジスタ15のゲートに与えられ、選択トランジスタ15がオンする。
選択トランジスタ15がオンすると、増幅トランジスタ14はフローティングディフュージョンFDの電位を増幅してその電位に応じた電圧を信号線16に出力する。信号線16を通じて、各画素から出力された電圧は、カラム回路(列処理回路)に出力される。
この画素のリセット動作とは、光電変換素子11に蓄積されている電荷を、転送トランジスタ12をオンし、光電変換素子11に蓄積された電荷をフローティングディフュージョンFDに転送してはき出すことになる。
このとき、フローティングディフュージョンFDは事前に光電変換素子11の電荷を受け取れるように、リセットトランジスタ13をオンして電荷を電源側にはき捨てている。あるいは転送トランジスタ12をオンしている間、これと並行としてリセットトランジスタ13をオンにして、直接電源に電荷をはきすてる場合もある。
これら一連の動作を単純化して、「画素リセット動作」あるいは「シャッター動作」と呼ぶ。
このとき、フローティングディフュージョンFDは事前に光電変換素子11の電荷を受け取れるように、リセットトランジスタ13をオンして電荷を電源側にはき捨てている。あるいは転送トランジスタ12をオンしている間、これと並行としてリセットトランジスタ13をオンにして、直接電源に電荷をはきすてる場合もある。
これら一連の動作を単純化して、「画素リセット動作」あるいは「シャッター動作」と呼ぶ。
一方読み出し動作では、まずリセットトランジスタ13をオンにしてフローティングディフュージョンFDをリセットし、その状態でオンされた選択トランジスタ15を通じて出力信号線16に出力する。これをP相出力と呼ぶ。
次に、転送トランジスタ12をオンにして光電変換素子11に蓄積された電荷をフローティングディフュージョンFDに転送し、その出力を出力信号線16に出力する。これをD相出力と呼ぶ。
画素回路外部でD相出力とP相出力の差分をとり、フローティングディフュージョンFDのリセットノイズをキャンセルして画像信号とする。
単純化してこれら一連の動作を単純に「画素読み出し動作」と呼ぶ。
次に、転送トランジスタ12をオンにして光電変換素子11に蓄積された電荷をフローティングディフュージョンFDに転送し、その出力を出力信号線16に出力する。これをD相出力と呼ぶ。
画素回路外部でD相出力とP相出力の差分をとり、フローティングディフュージョンFDのリセットノイズをキャンセルして画像信号とする。
単純化してこれら一連の動作を単純に「画素読み出し動作」と呼ぶ。
図2は、図1の画素を2次元アレイ状に配置したCMOSイメージセンサ(固体撮像素子)の一般的な構成例を示す図である。
図2のCMOSイメージセンサ20は、図1に示した画素回路を2次元アレイ状に配置した画素アレイ部21、画素駆動回路(垂直駆動回路)22、およびカラム回路(列処理回路)23により構成されている。
画素駆動回路22は、各行の画素の転送トランジスタ12、リセットトランジスタ13、選択トランジスタ15のオン、オフを制御する。
カラム回路23は、画素駆動回路22により読み出し制御された画素行のデータを受け取り、後段の信号処理回路に転送する回路である。
図3は、一般的なCMOSイメージセンサのローリングシャッターのシャッター動作と水平周期の関係を示すタイミング図である。
図3において、横軸は時間を示し、縦軸は水平走査周期を示している。また、図3において、符号DRDで示す白の四角は“読み出し動作期間”を、符号DSTRで示すハッチングを施した四角は“シャッター動作期間”をそれぞれ表している。
たとえば、第0H水平走査期間に注目してみると、垂直同期信号VSYNCに同期して読み出し動作期間RDRで“読み出し”があり、ついでシャッター動作期間DSTRで“シャッター”が切られ、すなわち“リセット”される。
そして、同じ水平期間内の次の読み出し動作期間RDRで再び“読み出し”がある。シャッター動作期間RSTRから次の読み出し動作期間RDRまでの間は画素に電荷が蓄積される“蓄積時間”である。
そして、同じ水平期間内の次の読み出し動作期間RDRで再び“読み出し”がある。シャッター動作期間RSTRから次の読み出し動作期間RDRまでの間は画素に電荷が蓄積される“蓄積時間”である。
同様に、次の第1H水平走査期間では読み出し動作開始時間が、第0H水平走査期間の読み出し動作開始時間よりも遅れ、その時間的関係は図3に示されるように、第0H水平走査期間の読み出しがちょうど終わった時点で読み出しが開始される。
同様に、次の第1H水平走査期間ではシャッター動作開始時間が、第0H水平走査期間のシャッター動作開始時間よりも遅れ、第0H水平走査期間のシャッター動作がちょうど終わった時点でシャッターが切られるようなタイミング関係になっている。
以下、第2H水平走査期間、第3H水平走査期間、・・・・、も同様なタイミング関係になっている。
同様に、次の第1H水平走査期間ではシャッター動作開始時間が、第0H水平走査期間のシャッター動作開始時間よりも遅れ、第0H水平走査期間のシャッター動作がちょうど終わった時点でシャッターが切られるようなタイミング関係になっている。
以下、第2H水平走査期間、第3H水平走査期間、・・・・、も同様なタイミング関係になっている。
シャッター動作が変わった場合、図3中縦の破線で示されるように、リセットする(シャッター)行が2つ(図3では第0H行と第6H行)、読み出す行(第3H行)が1つという組み合わせがある。
この場合、2つのリセット行第0H行と第6H行は同時にリセットされる必要がある。
この場合、2つのリセット行第0H行と第6H行は同時にリセットされる必要がある。
図4は、アドレスデコーダを3個用いた行デコーダの構成例を示す回路図である。
図5は、図4のアドレスデコーダの構成例を示す回路図である。
図5は、図4のアドレスデコーダの構成例を示す回路図である。
図4および図5において、A[n]はアドレス信号を、ADR0〜ADR9、/ADR0〜/ADR9(/は反転を示す)はアドレス線を、A1〜A3はANDゲートを、OR1〜OR3はORゲートをそれぞれ示している。
また、PTGSは第1のシャッター信号を、PTGRは第2のシャッター信号を、PRSTは第1のリセット信号を、それぞれ示している。PSELは第1の選択信号を、RO[n]は読み出し選択信号を、RST[n]は第2のリセット信号を、SEL[n]は第2の選択信号を、TG[n]は送信信号それぞれ示している。
第2のリセット信号RST[n]がリセット制御線LTSRn出力され、信号TG[n]が転送制御線LTnに出力され、第2の選択信号SEL[n]が選択制御線LSELnに出力される。
また、PTGSは第1のシャッター信号を、PTGRは第2のシャッター信号を、PRSTは第1のリセット信号を、それぞれ示している。PSELは第1の選択信号を、RO[n]は読み出し選択信号を、RST[n]は第2のリセット信号を、SEL[n]は第2の選択信号を、TG[n]は送信信号それぞれ示している。
第2のリセット信号RST[n]がリセット制御線LTSRn出力され、信号TG[n]が転送制御線LTnに出力され、第2の選択信号SEL[n]が選択制御線LSELnに出力される。
この行デコーダ1は、図4に示されるように、3個のアドレスデコーダ2‐1,2‐2,2‐3が各行に配置されている。
そのうち直列に結合された2つのアドレスデコーダ2‐1,2‐2はシャッター用であり、残りの1つのアドレスデコーダ2‐3が読み出し用に使われる。
読み出し用アドレスデコーダ2‐3でアドレスを呼び出し、ゲートA1およびゲートA2で第1のシャッター信号および第2のシャッター信号との論理積(AND)を取り、送信パルス信号TG[n]が形成される。
また、1個のアドレスデコーダは、図5に示されるように、20本のアドレス線/ADR0〜/ADR9,ADR0〜ADR9と8個の論理ゲートGT1〜GT8から構成されている。
そのうち直列に結合された2つのアドレスデコーダ2‐1,2‐2はシャッター用であり、残りの1つのアドレスデコーダ2‐3が読み出し用に使われる。
読み出し用アドレスデコーダ2‐3でアドレスを呼び出し、ゲートA1およびゲートA2で第1のシャッター信号および第2のシャッター信号との論理積(AND)を取り、送信パルス信号TG[n]が形成される。
また、1個のアドレスデコーダは、図5に示されるように、20本のアドレス線/ADR0〜/ADR9,ADR0〜ADR9と8個の論理ゲートGT1〜GT8から構成されている。
図6は、行デコーダの他の構成例を示す回路図である。
図7は、図6の行デコーダのタイミングチャートを示す図である。
図7は、図6の行デコーダのタイミングチャートを示す図である。
図6の行デコーダ3は、第1および第2のラッチ回路LA1,LA2、第1〜第7のNANDゲートNA1〜NA7、およびORゲートORを有している。
また、図6および図7において、q, r, p, q+1, r+1, p+1は行アドレスを、Aiは行アドレス信号を、ARSTはアドレスリセット信号を、AST1,AST2はアドレスラッチ信号を、それぞれ示している。CDSは相関2重サンプリング処理を、HSYNCは水平同期信号を、それぞれ示している。
また、RXは第1のリセット信号を、RGiは第2のリセット信号を、SEL,SELiは第1、第2の選択信号を、STX1,STX2は第1、第2のシャッター信号を、TXは第1の送信信号を、TGiは第2の送信信号を、それぞれ示している。
また、図6および図7において、q, r, p, q+1, r+1, p+1は行アドレスを、Aiは行アドレス信号を、ARSTはアドレスリセット信号を、AST1,AST2はアドレスラッチ信号を、それぞれ示している。CDSは相関2重サンプリング処理を、HSYNCは水平同期信号を、それぞれ示している。
また、RXは第1のリセット信号を、RGiは第2のリセット信号を、SEL,SELiは第1、第2の選択信号を、STX1,STX2は第1、第2のシャッター信号を、TXは第1の送信信号を、TGiは第2の送信信号を、それぞれ示している。
図6の行デコーダ3は、行シャッター値が急に変わっても、シャッターリングされない無効データ発生を防止する機能を有している(たとえば特許文献1参照)。
図6に示すように、この例ではデコーダ3においては、2つラッチLA1およびLA2が使用されている。
第1のNANDゲートNA1は、行単位アレイはアドレス信号Aiと第1のリセット信号RXより、第2のリセット信号RGiを発生する。
第2のNANDゲートNA2は、アドレス信号Aiと選択信号SELを入力して選択ゲート信号SELiを発生する。
第3のNANDゲートNA3は、アドレス信号Aiと送信信号TXを入力する。
第4のNANDゲートNA4は、第1のラッチLA1の出力と第1のシャッター信号STX1を入力する。
第5のNANDゲートNA5は、第2ラッチLA2の出力と第2シャッター信号STX2を入力する。
第6のNANDゲートNA6は、アドレス信号Aiと第1のアドレスラッチ信号AST1を入力する。
第7のNANDゲートNA7は、アドレス信号Aiと第2のアドレスラッチ信号AST2を入力する。
第1のNANDゲートNA1は、行単位アレイはアドレス信号Aiと第1のリセット信号RXより、第2のリセット信号RGiを発生する。
第2のNANDゲートNA2は、アドレス信号Aiと選択信号SELを入力して選択ゲート信号SELiを発生する。
第3のNANDゲートNA3は、アドレス信号Aiと送信信号TXを入力する。
第4のNANDゲートNA4は、第1のラッチLA1の出力と第1のシャッター信号STX1を入力する。
第5のNANDゲートNA5は、第2ラッチLA2の出力と第2シャッター信号STX2を入力する。
第6のNANDゲートNA6は、アドレス信号Aiと第1のアドレスラッチ信号AST1を入力する。
第7のNANDゲートNA7は、アドレス信号Aiと第2のアドレスラッチ信号AST2を入力する。
第6のNANDゲートNA6の出力は第1のラッチLA1のセット端子Sに入力され、第7のNANDゲートNA7の出力は第2のラッチLA2のセット端子Sに入力される。
第1のラッチLA1および第2のラッチLA2のリセット端子Rにはアドレスリセット信号ARSTが接続されている。
第3のNANDゲートNA3の出力、第4のNANDゲートNA4の出力、および第5のNANDゲートNA5の出力はORゲートORに入力されて第2の送信信号TGiを発生する構成になっている。
そして、第2のリセット信号RGi、第2の送信信号TGi、および第2の選択信号SELiがここでは示されていないが、単位画素を選択するように構成される。
第1のラッチLA1および第2のラッチLA2のリセット端子Rにはアドレスリセット信号ARSTが接続されている。
第3のNANDゲートNA3の出力、第4のNANDゲートNA4の出力、および第5のNANDゲートNA5の出力はORゲートORに入力されて第2の送信信号TGiを発生する構成になっている。
そして、第2のリセット信号RGi、第2の送信信号TGi、および第2の選択信号SELiがここでは示されていないが、単位画素を選択するように構成される。
図7に示すように、図6の行デコーダ3においては、水平同期信号HSYNCのブランク区間に二つの行アドレス、即ち、q番目とr番目の行アドレス持ち、それぞれのアドレスを第1のラッチLA1および第2ラッチLA2に各々貯蔵する。
以後、1H時間の間にp番目の行アドレスに対するCDS動作と、同時にq番目の行アドレス及びr番目の行アドレスに対するシャッターリング動作STX1およびSTX2が行われる。
水平同期信号HSYNCの次のブランク区間の間、q+1番目の行アドレスとr+1番目の行アドレスが各々第1のラッチ回路LA1と第2のラッチ回路LA2に貯蔵される。
この例では、行デコーダ内の2つのラッチを使用してラッチされたアドレスを一つずつ増加させて順にシャッターリング動作を実行させ、無効フレームデータの発生を防止している。
特開2004‐166269号公報
以後、1H時間の間にp番目の行アドレスに対するCDS動作と、同時にq番目の行アドレス及びr番目の行アドレスに対するシャッターリング動作STX1およびSTX2が行われる。
水平同期信号HSYNCの次のブランク区間の間、q+1番目の行アドレスとr+1番目の行アドレスが各々第1のラッチ回路LA1と第2のラッチ回路LA2に貯蔵される。
この例では、行デコーダ内の2つのラッチを使用してラッチされたアドレスを一つずつ増加させて順にシャッターリング動作を実行させ、無効フレームデータの発生を防止している。
ところが、図3に示すように、既存のCMOSイメージセンサのローリングシャッター動作では、同時に3行を選択し、制御する必要があった(2行のシャッター動作と1行の読み出し動作)。
このため、図4に示すように、シャッター用のデコーダが2個と読み出し用デコーダが1個の計3個のアドレスデコーダが必要であった。
このため、図4に示すように、シャッター用のデコーダが2個と読み出し用デコーダが1個の計3個のアドレスデコーダが必要であった。
図4に従うと、たとえば第2の送信信号TG[n]を発生させるには、タイミングパルスPTGSと読み出し選択信号R0[n]のANDをゲートA1で作り、アドレス信号A[n]と第1の送信信号PTGRのANDをゲートA2で作るという具合になっていた。
すなわち、ゲートA1およびゲートA2を用いてパルスを生成するようになっていた。
一方、アドレスデコーダは図5に示すように、20本のアドレス線:/ADR0〜/ADR9,ADR0〜ADR9と8個の論理ゲートを使って信号処理していた。
したがって、この構成のアドレスデコーダを使用するとアドレス線と論理ゲートの数が増え、回路規模が必要以上に大きくなってしまい、装置を小型化することが困難であった。
すなわち、ゲートA1およびゲートA2を用いてパルスを生成するようになっていた。
一方、アドレスデコーダは図5に示すように、20本のアドレス線:/ADR0〜/ADR9,ADR0〜ADR9と8個の論理ゲートを使って信号処理していた。
したがって、この構成のアドレスデコーダを使用するとアドレス線と論理ゲートの数が増え、回路規模が必要以上に大きくなってしまい、装置を小型化することが困難であった。
図6の行デコーダは、結局、アドレシングを複数個実行するためにラッチ(メモリ)回路が2個必要になり、メモリ2個の他にパルス生成に必要なゲートが9個必要となる構成になっている。
また、図4および図6共に図には特に示されていないが、シャッター信号PTGR、PTGS、STX1、およびSTX2を発生させるためにパルス生成回路が別途必要になっている。
また、図4および図6共に図には特に示されていないが、シャッター信号PTGR、PTGS、STX1、およびSTX2を発生させるためにパルス生成回路が別途必要になっている。
本発明は、回路の小型化を図ることができ、ひいては消費電力の削減を図ることが可能な固体撮像素子およびカメラシステムを提供することにある。
本発明の第1の観点の固体撮像素子は、光信号を電気信号に変換し、その電気信号を露光時間に応じて蓄積する機構を有する複数の画素回路が行列状に配列された画素部と、上記画素部のシャッター動作、および読み出しを行うように駆動可能な画素駆動部と、を有し、上記画素駆動部は、上記画素回路に対してシャッター動作および読み出し動作の指定を行う行デコーダを含み、上記行デコーダは、アドレス信号をデコードする一つのアドレスデコーダと、上記アドレスデコーダの出力に対して直列に接続された複数のメモリおよび当該メモリの入力に接続される論理ゲートと、を含み、シャッター動作・読み出し動作を行う際の行の指定を、読み出し動作については上記アドレスデコーダが行い、シャッター動作については上記メモリが行い、当該メモリ出力がシャッター制御パルスとなる。
好適には、上記行デコーダは、一つのアドレスデコーダと、2個のメモリが直列に配置され、シャッター対象となる2行について、選択されたアドレス情報を上記2個のメモリに予め記憶させ、該当行のシャッター動作を該当メモリの記憶データで行い、上記アドレスデコーダで選択されている行の読み出し動作を行う。
好適には、上記行デコーダは、第1のメモリおよび第2のメモリを有し、上記アドレスデコーダの出力部に論理ゲートを介して第1のメモリが接続され、上記第1の出力が第2のメモリに入力されるように、シャッター対象となる2つのメモリに選択されたアドレス情報を予め記憶させて、該当行のシャッター動作を行い、上記アドレスデコーダで選択されている行の読み出し動作を行う。
好適には、上記行デコーダは、アドレスをデコードするアドレスデコーダ、第1のメモリ、第2のメモリ、第1の論理ゲート、第2の論理ゲート、第3の論理ゲート、第4の論理ゲート、第5の論理ゲート、および第6の論理ゲートを含み、上記第1の論理ゲートは、上記アドレスデコーダより出力される行アドレス信号と、第1の選択信号に応じたレベルの第2の選択信号を出力し、上記第2の論理ゲートは、上記行アドレス信号と第1のリセット信号に応じたレベルの第2のリセット信号を出力し、上記第3の論理ゲートは、上記行アドレス信号とタイミング信号に応じたレベルの信号を出力し、上記第4の論理ゲートは、上記行アドレス信号と第1のアドレスラッチ信号に応じたレベルの信号を上記第1のメモリに入力し、上記第5の論理ゲートは、上記第1のメモリの出力と第2のアドレスラッチ信号に応じたレベルの信号を上記第2のメモリに入力し、上記第6の論理ゲートは、上記第2のメモリの出力と上記第3の論理ゲートの出力信号に応じたレベルの送信信号を出力し、シャッター動作が、第2のアドレスラッチ信号で開始し、第2のアドレスラッチリセット信号で終了するように行われる。
好適には、上記画素回路は、出力ノードと、光信号を電気信号に変換し信号電荷を蓄積する光電変換素子と、上記送信信号によりオン、オフされ、オン状態で上記光電変換素子の電荷を上記出力ノードの転送する転送素子と、上記第2のリセット信号によりオン、オフされ、オン状態で上記出力ノードをリセットするリセット素子と、上記第2の選択信号によりオン、オフされ、オン状態で出力ノードの信号を出力する選択素子と、を含む。
好適には、上記画素部から複数の画素単位で画素信号の読み出しを行う画素信号読み出し回路を有し、上記画素信号読み出し回路は、画素の列配列に対応して配置され、読み出し信号電位と参照電圧とを比較判定し、当該判定信号を出力する複数の比較器と、上記比較器の出力に動作が制御され、対応する上記比較器の比較時間をカウントする複数のカウンタと、を含む。
好適には、上記行デコーダは、各行に対応して配置されている。
本発明の第2の観点のカメラシステムは、固体撮像素子と、上記撮像素子に被写体像を結像する光学系と、上記撮像素子の出力画像信号を処理する信号処理回路と、を有し、上記固体撮像素子は、光信号を電気信号に変換し、その電気信号を露光時間に応じて蓄積する機構を有する複数の画素回路が行列状に配列された画素部と、上記画素部のシャッター動作、および読み出しを行うように駆動可能な画素駆動部と、を有し、上記画素駆動部は、上記画素回路に対してシャッター動作および読み出し動作の指定を行う行デコーダを含み、上記行デコーダは、アドレス信号をデコードする一つのアドレスデコーダと、上記アドレスデコーダの出力に対して直列に接続された複数のメモリおよび当該メモリの入力に接続される論理ゲートと、を含み、シャッター動作・読み出し動作を行う際の行の指定を、読み出し動作については上記アドレスデコーダが行い、シャッター動作については上記メモリが行い、当該メモリ出力がシャッター制御パルスとなる。
本発明によれば、シャッター動作・読み出し動作を行う際の行の指定について、読み出し動作についてはアドレスデコーダにより行われる。
シャッター動作についてはメモリの記憶データに基づいて行われ、メモリ出力がシャッター制御パルスとなる
シャッター動作についてはメモリの記憶データに基づいて行われ、メモリ出力がシャッター制御パルスとなる
本発明によれば、回路の小型化を図ることができ、ひいては消費電力の削減を図ることができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に関連付けて説明する。
図8は、本発明の実施形態に係るCMOSイメージセンサ(固体撮像素子)の構成例を示す図である。
本CMOSイメージセンサ100は、画素アレイ部101、画素駆動部としての垂直走査回路102、およびカラム読み出し回路(水平走査回路)103を有する。
画素アレイ部101は、複数の画素回路101Aが2次元状(マトリクス状)に配列されている。
図9は、本実施形態に係る4つのトランジスタで構成されるCMOSイメージセンサの画素の一例を示す図である。
この画素回路101Aは、たとえばフォトダイオードからなる光電変換素子111を有する。
そして、画素回路101Aは、この1個の光電変換素子111に対して、転送トランジスタ112、リセットトランジスタ113、増幅トランジスタ114、および選択トランジスタ115の4つのトランジスタを能動素子として有する。
そして、画素回路101Aは、この1個の光電変換素子111に対して、転送トランジスタ112、リセットトランジスタ113、増幅トランジスタ114、および選択トランジスタ115の4つのトランジスタを能動素子として有する。
光電変換素子111は、入射光をその光量に応じた量の電荷(ここでは電子)に光電変換する。
転送トランジスタ112は、光電変換素子111と出力ノードとしてのフローティングディフュージョンFDとの間に接続され、転送制御線LTxを通じてそのゲート(転送ゲート)に制御信号である送信信号TGが与えられる。
これにより、転送トランジスタ112は、光電変換素子111で光電変換された電子をフローティングディフュージョンFDに転送する。
転送トランジスタ112は、光電変換素子111と出力ノードとしてのフローティングディフュージョンFDとの間に接続され、転送制御線LTxを通じてそのゲート(転送ゲート)に制御信号である送信信号TGが与えられる。
これにより、転送トランジスタ112は、光電変換素子111で光電変換された電子をフローティングディフュージョンFDに転送する。
リセットトランジスタ113は、電源ラインLVDDとフローティングディフュージョンFDとの間に接続され、リセット制御線LRSTを通してそのゲートに制御信号であるリセット信号RSTが与えられる。
これにより、リセットトランジスタ113は、フローティングディフュージョンFDの電位を電源ラインLVDDの電位にリセットする。
これにより、リセットトランジスタ113は、フローティングディフュージョンFDの電位を電源ラインLVDDの電位にリセットする。
フローティングディフュージョンFDには、増幅トランジスタ114のゲートが接続されている。増幅トランジスタ114は、選択トランジスタ115を介して信号線LSGNに接続され、画素部外の定電流源とソースフォロアを構成している。
そして、選択制御線LSELを通してアドレス信号に応じた制御信号である選択信号SELが選択トランジスタ115のゲートに与えられ、選択トランジスタ115がオンする。
選択トランジスタ115がオンすると、増幅トランジスタ114はフローティングディフュージョンFDの電位を増幅してその電位に応じた電圧を信号線LSGNに出力する。信号線116を通じて、各画素から出力された電圧は、カラム読み出し回路103に出力される。
これらの動作は、たとえば転送トランジスタ112、リセットトランジスタ113、および選択トランジスタ115の各ゲートが行単位で接続されていることから、1行分の各画素について同時に行われる。
そして、選択制御線LSELを通してアドレス信号に応じた制御信号である選択信号SELが選択トランジスタ115のゲートに与えられ、選択トランジスタ115がオンする。
選択トランジスタ115がオンすると、増幅トランジスタ114はフローティングディフュージョンFDの電位を増幅してその電位に応じた電圧を信号線LSGNに出力する。信号線116を通じて、各画素から出力された電圧は、カラム読み出し回路103に出力される。
これらの動作は、たとえば転送トランジスタ112、リセットトランジスタ113、および選択トランジスタ115の各ゲートが行単位で接続されていることから、1行分の各画素について同時に行われる。
画素アレイ部101に配線されているリセット制御線LRST、転送制御線LTx、および選択制御線LSELが一組として画素配列の各行単位で配線されている。
これらのリセット制御線LRST、転送制御線LTx、および選択制御線LSELは、垂直走査回路102により駆動される。
これらのリセット制御線LRST、転送制御線LTx、および選択制御線LSELは、垂直走査回路102により駆動される。
垂直走査回路102は、後で詳述するように基本的に、選択された行に1つのアドレスデコーダを有している。そして、アドレスデコーダの出力部に1つ以上のメモリ回路と論理ゲート回路が配置されている行デコーダを有している。
垂直走査回路102の行デコーダでは、固体撮像素子のシャッター動作・読み出し動作を行う際の行の指定を、読み出し動作についてはアドレスデコーダが行い、シャッター動作についてはメモリが行う。
本実施形態の垂直走査回路102においては、メモリで指定されたアドレスに対して供給するシャッターパルス生成回路を持たず、メモリ出力そのものがシャッター制御パルスとなることを特徴としている。
垂直走査回路102の行デコーダでは、固体撮像素子のシャッター動作・読み出し動作を行う際の行の指定を、読み出し動作についてはアドレスデコーダが行い、シャッター動作についてはメモリが行う。
本実施形態の垂直走査回路102においては、メモリで指定されたアドレスに対して供給するシャッターパルス生成回路を持たず、メモリ出力そのものがシャッター制御パルスとなることを特徴としている。
カラム読み出し回路103は、垂直走査回路102により読み出し制御された画素行のデータを受け取り、後段の信号処理回路に転送する。
以下、本実施携帯に係る垂直走査回路102の行デコーダの具体的な構成および機能について説明する。
図10は、本発明の実施形態に係る垂直走査回路における行デコーダの構成例を示す回路図である。
図10の行デコーダ120は、1つのアドレスデコーダ121、メモリMA0,MA1、および第1〜第6の論理ゲートNA10〜NA13,OR10,OR11を有する。
第1の論理ゲートはANDゲートNA10により形成され、第2の論理ゲートはORゲートOR10により形成され、第3の論理ゲートはANDゲートNA11により形成されている。
第4の論理ゲートはNANDゲートNA12により形成され、第5の論理ゲートはNANDゲートNA13により形成され、第6の論理ゲートはORゲートOR11により形成されている。
行デコーダ120は、基本的に、一つのアドレスデコーダと、2個のメモリが直列に配置され、シャッター対象となる2行について、選択されたアドレス情報を上記2個のメモリに予め記憶させる。そして、該当行のシャッター動作を該当メモリの記憶データで行い、アドレスデコーダで選択されている行の読み出し動作を行う。
第1の論理ゲートはANDゲートNA10により形成され、第2の論理ゲートはORゲートOR10により形成され、第3の論理ゲートはANDゲートNA11により形成されている。
第4の論理ゲートはNANDゲートNA12により形成され、第5の論理ゲートはNANDゲートNA13により形成され、第6の論理ゲートはORゲートOR11により形成されている。
行デコーダ120は、基本的に、一つのアドレスデコーダと、2個のメモリが直列に配置され、シャッター対象となる2行について、選択されたアドレス情報を上記2個のメモリに予め記憶させる。そして、該当行のシャッター動作を該当メモリの記憶データで行い、アドレスデコーダで選択されている行の読み出し動作を行う。
なお、以下の説明において、k,l,jは行アドレスを、ADR,/ADRはアドレス線を、ADR[9:0], Akは行アドレス信号を、それぞれ示している。
ASET0,ASET1は第1および第2のアドレスラッチ信号を、ARST0,ARST1は第1および第2のアドレスラッチリセット信号を、それぞれ示している。
M0[k],M0[l],M0[n],M1[k],M1[l],M1[n]はメモリ出力信号を、PTGはタイミング信号を、PRSTは第1のリセット信号を、それぞれ示している。
PSELは第1の選択信号を、RST[j],RST[k],RST[l],RST[n]は第2のリセット信号を、それぞれ示している。
そして、SEL[j],SEL[k],SEL[l],SEL[n]波第2の選択信号を、TG[j],TG[k],TG[l],TG[n]は送信信号を、それぞれ示している。
ASET0,ASET1は第1および第2のアドレスラッチ信号を、ARST0,ARST1は第1および第2のアドレスラッチリセット信号を、それぞれ示している。
M0[k],M0[l],M0[n],M1[k],M1[l],M1[n]はメモリ出力信号を、PTGはタイミング信号を、PRSTは第1のリセット信号を、それぞれ示している。
PSELは第1の選択信号を、RST[j],RST[k],RST[l],RST[n]は第2のリセット信号を、それぞれ示している。
そして、SEL[j],SEL[k],SEL[l],SEL[n]波第2の選択信号を、TG[j],TG[k],TG[l],TG[n]は送信信号を、それぞれ示している。
第2のリセット信号RST[n]がリセット制御線LTSRn出力され、信号TG[n]が転送制御線LTnに出力され、第2の選択信号SEL[n]が選択制御線LSELnに出力される。
本実施形態の行デコーダ120は、図10に示すように、1行分の単位行デコーダの回路構成を有している。
本行デコーダ120は、図4に示すような、シャッター用の2個のアドレスデコーダは不要であり、読み出し用のアドレスデコーダ1個、メモリ2個、6個の論理ゲートより構成されている。
行デコーダ120は、論理ゲートNA13を介して直列に接続される2つのメモリMA0およびMA1を用いて、シャッターパルスを生成するところに大きな特徴がある。
本行デコーダ120は、図4に示すような、シャッター用の2個のアドレスデコーダは不要であり、読み出し用のアドレスデコーダ1個、メモリ2個、6個の論理ゲートより構成されている。
行デコーダ120は、論理ゲートNA13を介して直列に接続される2つのメモリMA0およびMA1を用いて、シャッターパルスを生成するところに大きな特徴がある。
行デコーダ120において、アドレスデコーダ121の出力信号Akと第1の選択信号PSEL信号が第1の論理ゲート(ANDゲート)NA10に入力される。
第1の論理ゲートNA10の出力により第2の選択信号SEL[n]が形成される。
同じく、行アドレス信号Akと第1のリセット信号PRST信号が第2の論理ゲート(ORゲート)OR10に入力され、第2の論理ゲートOR10の出力により第2のリセット信号RST[n]信号が形成される。
同様に、行アドレス信号AkとタイミングPTG信号が第3の論理ゲート(ANDゲート)NA11に入力され、第3の論理ゲートNA11の出力信号が第6の論理ゲート(ORゲート)OR11の一方の入力端子に入力される。
第1の論理ゲートNA10の出力により第2の選択信号SEL[n]が形成される。
同じく、行アドレス信号Akと第1のリセット信号PRST信号が第2の論理ゲート(ORゲート)OR10に入力され、第2の論理ゲートOR10の出力により第2のリセット信号RST[n]信号が形成される。
同様に、行アドレス信号AkとタイミングPTG信号が第3の論理ゲート(ANDゲート)NA11に入力され、第3の論理ゲートNA11の出力信号が第6の論理ゲート(ORゲート)OR11の一方の入力端子に入力される。
さらに、行アドレス信号Akと第1のアドレスラッチ信号ASET0が第4の論理ゲート(NANDゲート)NA12に入力され、第4の論理ゲートNA12の出力が第1のメモリ回路MA0の/S端子に入力される。
また、第1のアドレスラッチリセット信号ARST0がメモリ回路MA0の/R端子に入力される。
また、第1のアドレスラッチリセット信号ARST0がメモリ回路MA0の/R端子に入力される。
第1のメモリMA0のQ端子からの出力信号M0[n]と第2のアドレスラッチ信号ASET1が第5の論理ゲート(NANDゲート)NA13に入力され、第5の論理ゲートNA13の出力が第2のメモリMA1の/S端子に入力される。
また、第2のアドレスラッチリセット信号ARST1が第2のメモリ回路MA1の/R端子に入力される。
第2のメモリMA1のQ端子からの出力信号M1[n]が、第6の論理ゲート(ORゲート)OR11の他方の入力端子に入力され、第6の論理ゲートOR11の出力により送信信号TG[n]が形成される。
また、第2のアドレスラッチリセット信号ARST1が第2のメモリ回路MA1の/R端子に入力される。
第2のメモリMA1のQ端子からの出力信号M1[n]が、第6の論理ゲート(ORゲート)OR11の他方の入力端子に入力され、第6の論理ゲートOR11の出力により送信信号TG[n]が形成される。
なお、2つのメモリMA0,MA1は,入力部に近いメモリMA0をマスター、遠い方MA1スレーブとするスレーブマスタースレイブ型にすることも可能である。
要するに、本実施形態の行デコーダ120は、図4および図6のようにシャッターパルスを印加することなく、メモリ(ラッチ)値を出力するだけで、送信信号(送信パルス)が形成されるような回路構成を有している。
要するに、本実施形態の行デコーダ120は、図4および図6のようにシャッターパルスを印加することなく、メモリ(ラッチ)値を出力するだけで、送信信号(送信パルス)が形成されるような回路構成を有している。
図11(A),(B)は、本実施形態に係る行デコーダのメモリセルの回路構成例および論理動作を示す図である。
図11(A)のメモリMAは、NAND−aの出力がNAND−bの入力に接続され、またNAND−bの出力がNAND−aの入力に接続された、2つのNAND回路からなるRS(セット・リセット型)フリップフロップ回路により形成されている。
図11(B)の論理表に示すように、RSフリップフロップ回路には記憶作用がある。
すなわち、NAND−aおよびNAND−bの入力が共にハイレベル“H”の場合、データをタッチする記憶保持機能を発現する。
NAND−aおよびNAND−bの入力が共にローレベル“L”の場合、出力Qは不定(禁止)となる。
NAND−aの入力がローレベル“L”でNAND−bの入力がハイレベル“H”の場合、出力はハイレベル“H”となる。
NAND−aの入力がハイレベル“H”でNAND−bの入力がローレベル“L”の場合、出力はローレベル“L”となる。
図11(B)の論理表に示すように、RSフリップフロップ回路には記憶作用がある。
すなわち、NAND−aおよびNAND−bの入力が共にハイレベル“H”の場合、データをタッチする記憶保持機能を発現する。
NAND−aおよびNAND−bの入力が共にローレベル“L”の場合、出力Qは不定(禁止)となる。
NAND−aの入力がローレベル“L”でNAND−bの入力がハイレベル“H”の場合、出力はハイレベル“H”となる。
NAND−aの入力がハイレベル“H”でNAND−bの入力がローレベル“L”の場合、出力はローレベル“L”となる。
図12は、本実施形態に係る第4の論理ゲート、第1のメモリ、第5の論理ゲート、および第2のメモリにより形成されるメモリ部に関係する論理表を示す図である。
なお、この論理表は必ずしも実際の時間的ゲート動作を反映するものではないが、参考として記載しておく。
なお、この論理表は必ずしも実際の時間的ゲート動作を反映するものではないが、参考として記載しておく。
図12において、第4の論理ゲートNA12の入力Aにはアドレスデコーダ121の出力信号Akが供給され、入力Bには第1のアドレスラッチ信号ASET0が供給される。
第4の論理ゲートNA12は、アドレスデコーダ121の出力信号Akがハイレベル“H”で、第1のアドレスラッチ信号ASET0がハイレベル“H”の場合、出力Yはローレベル“L”となる。
第4の論理ゲートNA12は、アドレスデコーダ121の出力信号Akがハイレベル“H”で、第1のアドレスラッチ信号ASET0がローレベル“L”の場合、出力Yはハイレベル“H”となる。
第4の論理ゲートNA12は、アドレスデコーダ121の出力信号Akがハイレベル“H”で、第1のアドレスラッチ信号ASET0がハイレベル“H”の場合、出力Yはローレベル“L”となる。
第4の論理ゲートNA12は、アドレスデコーダ121の出力信号Akがハイレベル“H”で、第1のアドレスラッチ信号ASET0がローレベル“L”の場合、出力Yはハイレベル“H”となる。
第1のメモリMA0の入力/S端子には第4の論理ゲートNA12の出力Yが供給され、入力/Rには第1のアドレスラッチリセット信号ARST0が供給される。
第1のメモリMA0は、第4の論理ゲートNA12の出力Yがローレベル“L”で、第1のアドレスラッチリセット信号ARST0がローレベル“L”の場合、出力Qは不定(禁止)となる。
第1のメモリMA0は、第4の論理ゲートNA12の出力Yがローレベル“L”で、第1のアドレスラッチリセット信号ARST0がハイレベル“H”の場合、出力Qはハイレベル“H”となる。
第1のメモリMA0は、第4の論理ゲートNA12の出力Yがハイレベル“H”で、第1のアドレスラッチリセット信号ARST0がローレベル“L”の場合、出力Qはローレベル“L”となる。
第1のメモリMA0は、第4の論理ゲートNA12の出力Yがハイレベル“H”で、第1のアドレスラッチリセット信号ARST0がハイレベル“H”の場合、記憶保持動作となる。
第1のメモリMA0は、第4の論理ゲートNA12の出力Yがローレベル“L”で、第1のアドレスラッチリセット信号ARST0がローレベル“L”の場合、出力Qは不定(禁止)となる。
第1のメモリMA0は、第4の論理ゲートNA12の出力Yがローレベル“L”で、第1のアドレスラッチリセット信号ARST0がハイレベル“H”の場合、出力Qはハイレベル“H”となる。
第1のメモリMA0は、第4の論理ゲートNA12の出力Yがハイレベル“H”で、第1のアドレスラッチリセット信号ARST0がローレベル“L”の場合、出力Qはローレベル“L”となる。
第1のメモリMA0は、第4の論理ゲートNA12の出力Yがハイレベル“H”で、第1のアドレスラッチリセット信号ARST0がハイレベル“H”の場合、記憶保持動作となる。
第5の論理ゲートNA13の入力Aには第1のメモリMA0の出力信号が供給され、入力Bには第2のアドレスラッチ信号ASET1が供給される。
第5の論理ゲートNA13は、第1のメモリMA0の出力Qがハイレベル“H”で、第2のアドレスラッチ信号ASET1がローレベル“L”の場合、出力Yはハイレベル“H”となる。
第5の論理ゲートNA13は、第1のメモリMA0の出力Qがローレベル“L”で、第2のアドレスラッチ信号ASET1がハイレベル“H”の場合、出力Yはハイレベル“H”となる。
第5の論理ゲートNA13は、第1のメモリMA0の出力Qがハイレベル“H”で、第2のアドレスラッチ信号ASET1がハイレベル“H”の場合、出力Yはローレベル“L”となる。
第5の論理ゲートNA13は、第1のメモリMA0の出力Qがハイレベル“H”で、第2のアドレスラッチ信号ASET1がローレベル“L”の場合、出力Yはハイレベル“H”となる。
第5の論理ゲートNA13は、第1のメモリMA0の出力Qがローレベル“L”で、第2のアドレスラッチ信号ASET1がハイレベル“H”の場合、出力Yはハイレベル“H”となる。
第5の論理ゲートNA13は、第1のメモリMA0の出力Qがハイレベル“H”で、第2のアドレスラッチ信号ASET1がハイレベル“H”の場合、出力Yはローレベル“L”となる。
第2のメモリMA1の入力/Sには第5の論理ゲートNA13の出力Yが供給され、入力/Rには第2のアドレスラッチリセット信号ARST1が供給される。
第2のメモリMA1は、第5の論理ゲートNA13の出力Yがハイレベル“H”で、第1のアドレスラッチリセット信号ARST0がローレベル“L”の場合、出力Qはローレベル“L”となる。
第2のメモリMA1は、第5の論理ゲートNA13の出力Yがハイレベル“H”で、第1のアドレスラッチリセット信号ARST0がハイレベル“H”の場合、記憶保持動作となる。
第2のメモリMA1は、第5の論理ゲートNA13の出力Yがローレベル“L”で、第1のアドレスラッチリセット信号ARST0がハイレベル“H”の場合、出力Qはハイレベル“H”となる。
第2のメモリMA1は、第5の論理ゲートNA13の出力Yがローレベル“L”で、第1のアドレスラッチリセット信号ARST0がローレベル“L”の場合、出力Qは不定(禁止)となる。
第2のメモリMA1は、第5の論理ゲートNA13の出力Yがハイレベル“H”で、第1のアドレスラッチリセット信号ARST0がローレベル“L”の場合、出力Qはローレベル“L”となる。
第2のメモリMA1は、第5の論理ゲートNA13の出力Yがハイレベル“H”で、第1のアドレスラッチリセット信号ARST0がハイレベル“H”の場合、記憶保持動作となる。
第2のメモリMA1は、第5の論理ゲートNA13の出力Yがローレベル“L”で、第1のアドレスラッチリセット信号ARST0がハイレベル“H”の場合、出力Qはハイレベル“H”となる。
第2のメモリMA1は、第5の論理ゲートNA13の出力Yがローレベル“L”で、第1のアドレスラッチリセット信号ARST0がローレベル“L”の場合、出力Qは不定(禁止)となる。
図13は、図10の行デコーダのタイミングチャートを示す図である。
以下、図10の回路構成および図13のタイミングチャートに関連付けて、本実施形態の行デコーダ120の動作を説明する。
以下、図10の回路構成および図13のタイミングチャートに関連付けて、本実施形態の行デコーダ120の動作を説明する。
今、行アドレスとして、k番目の行アドレスとl番目の行アドレスが選択された場合、図12に示すように、第4の論理ゲートNA12の入力である第1のアドレスラッチ信号ASET0にk番目とl番目のパルスが立つ。
k行目に対しては、NANDゲートからなる第4の論理ゲートNA12の一方の入力が非レベル“H”で他方の入力である第1のアドレスラッチ信号ASET0もハイレベル“H”のとき、第4の論理ゲートNA12の出力はローレベル“L”になる。
その結果、第1のメモリMA0の入力端子/Sにはローレベル“L”の信号が入力され、第1のメモリMA0は最初のパルスでラッチが開く。
すなわち、k行目の入力である第1のアドレスラッチ信号ASET0のバルスの立ち上がりエッジで第1のメモリMA0がハイレベル“H”にセットされ、端子/Rに第1のアドレスラッチリセット信号ARST0のリセットパルスが入るまでこの状態が保持される。
k行目に対しては、NANDゲートからなる第4の論理ゲートNA12の一方の入力が非レベル“H”で他方の入力である第1のアドレスラッチ信号ASET0もハイレベル“H”のとき、第4の論理ゲートNA12の出力はローレベル“L”になる。
その結果、第1のメモリMA0の入力端子/Sにはローレベル“L”の信号が入力され、第1のメモリMA0は最初のパルスでラッチが開く。
すなわち、k行目の入力である第1のアドレスラッチ信号ASET0のバルスの立ち上がりエッジで第1のメモリMA0がハイレベル“H”にセットされ、端子/Rに第1のアドレスラッチリセット信号ARST0のリセットパルスが入るまでこの状態が保持される。
第1のメモリMA0がハイレベル“H”にあるとき、第5の論理ゲートNA13の入力である第2のアドレスラッチ信号ASET1にパルスが立ってハイレベル“H”になると、第2のメモリMA1の出力がハイレベル“H”となる。
そして、第2のメモリMA1の端子/Rに第2のアドレスラッチリセット信号(パルス)ARST1が入力されるまで、第2のメモリMA1のハイレベル“H”状態が維持される。
そして、第2のメモリMA1の端子/Rに第2のアドレスラッチリセット信号(パルス)ARST1が入力されるまで、第2のメモリMA1のハイレベル“H”状態が維持される。
l行目に対しても同様に、NANDゲートからなる第4の論理ゲートNA12の一方の入力がハイレベル“H”で他方の入力である第1のアドレスラッチ信号ASET0もハイレベル“H”のとき、第4の論理ゲートNA12の出力はローレベル“L”になる。
その結果、第1のメモリMA0の/S端子にはローレベル“L”の信号が入力され、第1のメモリMA0は最初のパルスでラッチが開く。
すなわち、l行目の入力である第1のアドレスラッチ信号ASET0の立ち上がりエッジで第1のメモリMA0がハイレベル“H”にセットされ、/R端子に第1のアドレスラッチリセット信号ARST0のリセットパルスが入るまでこの状態が保持される。
第1のメモリMA0がハイレベル“H”にあるとき、第5の論理ゲートNA13の入力である第2のアドレスラッチ信号ASET1にパルスが立ってハイレベル“H”になると、第2のメモリMA1の出力がハイレベル“H”となる。
そして、第2のメモリMA1の/R端子に第2のアドレスラッチリセット信号(パルス)ARST1が入力されるまで、第2のメモリMA1のハイレベル“H”状態が維持される。
その結果、第1のメモリMA0の/S端子にはローレベル“L”の信号が入力され、第1のメモリMA0は最初のパルスでラッチが開く。
すなわち、l行目の入力である第1のアドレスラッチ信号ASET0の立ち上がりエッジで第1のメモリMA0がハイレベル“H”にセットされ、/R端子に第1のアドレスラッチリセット信号ARST0のリセットパルスが入るまでこの状態が保持される。
第1のメモリMA0がハイレベル“H”にあるとき、第5の論理ゲートNA13の入力である第2のアドレスラッチ信号ASET1にパルスが立ってハイレベル“H”になると、第2のメモリMA1の出力がハイレベル“H”となる。
そして、第2のメモリMA1の/R端子に第2のアドレスラッチリセット信号(パルス)ARST1が入力されるまで、第2のメモリMA1のハイレベル“H”状態が維持される。
上記動作を要約すると、k行目とl行目をリセット対象にした場合、セットする際に、まず第1のアドレスラッチ信号ASET0の最初のパルスでアドレスデコーダ121がkを指して、一段目の第1のメモリMA0のM0[k]がハイレベル“H”にセットされる。
そして、第1のアドレスラッチ信号ASET0の次のパルスでlのアドレスを出して、また一段目の第1のメモリMA0の出力M0[l]がハイレベル“H”にセットされる。
次に、1段目の第1のメモリMA0の値を2段目の第2のメモリMA1にコピーするパルスである第2のアドレスラッチ信号ASET1が立つと、1段目の第1のメモリMA0の値が第2のメモリMA1にコピーされる。
その結果、2段目の第2のメモリMA1の出力M1[k]がハイレベル“H”になり、M1[l]も同時にハイレベル“H”になる。
そして、第1のアドレスラッチ信号ASET0の次のパルスでlのアドレスを出して、また一段目の第1のメモリMA0の出力M0[l]がハイレベル“H”にセットされる。
次に、1段目の第1のメモリMA0の値を2段目の第2のメモリMA1にコピーするパルスである第2のアドレスラッチ信号ASET1が立つと、1段目の第1のメモリMA0の値が第2のメモリMA1にコピーされる。
その結果、2段目の第2のメモリMA1の出力M1[k]がハイレベル“H”になり、M1[l]も同時にハイレベル“H”になる。
次に、ARST0でリセットパルスが立つと、メモリMA0の出力M0[k]およびM0[l]が“L”になり、k行目とl行目が同時にリセットされる。
本実施形態を示す図9においては、メモリの数は図6の場合と同じ2つであるが、2つのメモリがゲートを介して直列に接続された二段構成にしているため、全体のゲート数が6個となり、回路構成上は本発明の実施形態方が有利であることが分かる。
図6では、メモリの内容が直接画素に伝わらないようにメモリの出力をゲートNA4とNA5およびゲートNA3でマスクして、タイミング信号STX1とSTX2およびTXで制御して画素への信号を決めるタイミング回路の設置が必須となっている。
これに対して、本実施形態においては、図9に示すように第1のメモリMA0および第2のMA1を直列にして、2段目のメモリMA1のセット・リセットのタイミングで、画素に伝わる送信信号TG[n]のタイミングを制御している。
このため、本実施形態の行デコーダ120においては、マスク回路が不要となり、ゲート数が少なくなるという利点がある。
これに対して、本実施形態においては、図9に示すように第1のメモリMA0および第2のMA1を直列にして、2段目のメモリMA1のセット・リセットのタイミングで、画素に伝わる送信信号TG[n]のタイミングを制御している。
このため、本実施形態の行デコーダ120においては、マスク回路が不要となり、ゲート数が少なくなるという利点がある。
以上説明したように、本実施形態の行デコーダ120は、選択された行に1つのアドレスデコーダ121を有し、アドレスデコーダ121の出力部には複数のメモリMA0,MA1と論理ゲートNA12,NA13が配置されている。
そして、行デコーダ120は、固体撮像素子のシャッター動作・読み出し動作を行う際の行の指定を、読み出し動作についてはアドレスデコーダが行い、シャッター動作についてはメモリが行い、メモリ出力がシャッター制御パルスとなる。
より具体的には、1行に配置されるメモリの数が2個であり、メモリはアドレスデコーダ121の出力部に論理ゲートNA12を介して第1のメモリMA0が配置され、その出力が第2のメモリMA1に入力される。
このように、行デコーダ120は、シャッター対象となる2つのメモリセルに選択情報を予め記憶させて、該当行のシャッター動作を行い、アドレスデコーダで選択されている行の読み出し動作を行う。
したがって、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
そして、行デコーダ120は、固体撮像素子のシャッター動作・読み出し動作を行う際の行の指定を、読み出し動作についてはアドレスデコーダが行い、シャッター動作についてはメモリが行い、メモリ出力がシャッター制御パルスとなる。
より具体的には、1行に配置されるメモリの数が2個であり、メモリはアドレスデコーダ121の出力部に論理ゲートNA12を介して第1のメモリMA0が配置され、その出力が第2のメモリMA1に入力される。
このように、行デコーダ120は、シャッター対象となる2つのメモリセルに選択情報を予め記憶させて、該当行のシャッター動作を行い、アドレスデコーダで選択されている行の読み出し動作を行う。
したがって、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
必要最低限の数(1つ)のアドレスデコーダと、小さなメモリセルとの組み合わせで行デコーダが実現でき、シャッターパルス生成回路も不要となるので垂直走査回路の規模を小さくできる。
本実施形態の行デコーダを用いることにより、既存構成から40本のアドレス線と19.5ゲートが削除され、4本の制御線と6個の論理ゲートの追加があるため、都合36本の配線と13.5ゲート削減される。
駆動回路面積が減る分、有効画素領域の占める面積を大きく取れ、画素数を増やすことができる。
また、有効画素領域の面積を変えない場合は、他の機能回路を搭載することが可能になる。
間引き読み出しの際、非読み出し行からのブルーミングを抑制する駆動をシンプルな制御で実現可能することができる。
配線数が減るので、素子製造の歩留まりと信頼性が向上する。
本実施形態の行デコーダを用いることにより、既存構成から40本のアドレス線と19.5ゲートが削除され、4本の制御線と6個の論理ゲートの追加があるため、都合36本の配線と13.5ゲート削減される。
駆動回路面積が減る分、有効画素領域の占める面積を大きく取れ、画素数を増やすことができる。
また、有効画素領域の面積を変えない場合は、他の機能回路を搭載することが可能になる。
間引き読み出しの際、非読み出し行からのブルーミングを抑制する駆動をシンプルな制御で実現可能することができる。
配線数が減るので、素子製造の歩留まりと信頼性が向上する。
なお、各実施形態に係るCMOSイメージセンサは、特に限定されないが、たとえば列並列型のアナログ−デジタル変換装置(以下、ADC(Analog digital converter)と略す)を搭載したCMOSイメージセンサとして構成することも可能である。
図14は、本実施形態に係る列並列ADC搭載固体撮像素子(CMOSイメージセンサ)の構成例を示すブロック図である。
この固体撮像素子200は、図14に示すように、撮像部としての画素アレイ部210、画素駆動部としての垂直走査回路220、水平転送走査回路230、タイミング制御回路240を有する。
さらに、固体撮像素子200は、ADC群250、デジタル−アナログ変換装置(以下、DAC (Digital Analog converter)と略す)260、アンプ回路(S/A)270、および信号処理回路280を有する。
さらに、固体撮像素子200は、ADC群250、デジタル−アナログ変換装置(以下、DAC (Digital Analog converter)と略す)260、アンプ回路(S/A)270、および信号処理回路280を有する。
画素部アレイ2は、フォトダイオードと画素内アンプとを含む、たとえば図9に示すような画素がマトリックス状(行列状)に配置されて構成される。
また、固体撮像素子200においては、画素アレイ部210の信号を順次読み出すための制御回路として次の回路が配置されている。
すなわち、固体撮像素子200においては、制御回路として内部クロックを生成するタイミング制御回路240、行アドレスや行走査を制御する垂直走査回路220、そして列アドレスや列走査を制御する水平転送走査回路23が配置される。
また、固体撮像素子200においては、画素アレイ部210の信号を順次読み出すための制御回路として次の回路が配置されている。
すなわち、固体撮像素子200においては、制御回路として内部クロックを生成するタイミング制御回路240、行アドレスや行走査を制御する垂直走査回路220、そして列アドレスや列走査を制御する水平転送走査回路23が配置される。
そして、垂直走査回路220が、図9〜図13に関連付けて説明した行デコーダ120が各行に対応して配置されている。
ADC群250は、比較器251、カウンタ252、およびラッチ253を有するADCが複数列配列されている。
比較器251は、DAC260により生成される参照電圧を階段状に変化させたランプ波形(RAMP)である参照電圧Vslopと、行線毎に画素から垂直信号線を経由し得られるアナログ信号とを比較する。
カウンタ252は、比較器251の比較時間をカウントする。
ADC群250は、nビットデジタル信号変換機能を有し、垂直信号線(列線)毎に配置され、列並列ADCブロックが構成される。
各ラッチ253の出力は、たとえば2nビット幅の水平転送線290に接続されている。
そして、水平転送線290に対応した2n個のアンプ回路270、および信号処理回路280が配置される。
比較器251は、DAC260により生成される参照電圧を階段状に変化させたランプ波形(RAMP)である参照電圧Vslopと、行線毎に画素から垂直信号線を経由し得られるアナログ信号とを比較する。
カウンタ252は、比較器251の比較時間をカウントする。
ADC群250は、nビットデジタル信号変換機能を有し、垂直信号線(列線)毎に配置され、列並列ADCブロックが構成される。
各ラッチ253の出力は、たとえば2nビット幅の水平転送線290に接続されている。
そして、水平転送線290に対応した2n個のアンプ回路270、および信号処理回路280が配置される。
ADC群250においては、垂直信号線に読み出されたアナログ信号(電位Vsl)は列毎に配置された比較器251で参照電圧Vslop(ある傾きを持った線形に変化するスロープ波形)と比較される。
このとき、比較器251と同様に列毎に配置されたカウンタ252が動作しており、ランプ波形のある電位Vslopとカウンタ値が一対一対応を取りながら変化することで垂直信号線の電位(アナログ信号)Vslをデジタル信号に変換する。
参照電圧Vslopの変化は電圧の変化を時間の変化に変換するものであり、その時間をある周期(クロック)で数えることでデジタル値に変換するものである。
そしてアナログ電気信号Vslと参照電圧Vslopが交わったとき、比較器251の出力が反転し、カウンタ252の入力クロックを停止し、AD変換が完了する。
以上のAD変換期間終了後、水平転送走査回路230により、ラッチ253に保持されたデータが、水平転送線290、アンプ回路270を経て信号処理回路280に入力され、2次元画像が生成される。
このようにして、列並列出力処理が行われる。
このとき、比較器251と同様に列毎に配置されたカウンタ252が動作しており、ランプ波形のある電位Vslopとカウンタ値が一対一対応を取りながら変化することで垂直信号線の電位(アナログ信号)Vslをデジタル信号に変換する。
参照電圧Vslopの変化は電圧の変化を時間の変化に変換するものであり、その時間をある周期(クロック)で数えることでデジタル値に変換するものである。
そしてアナログ電気信号Vslと参照電圧Vslopが交わったとき、比較器251の出力が反転し、カウンタ252の入力クロックを停止し、AD変換が完了する。
以上のAD変換期間終了後、水平転送走査回路230により、ラッチ253に保持されたデータが、水平転送線290、アンプ回路270を経て信号処理回路280に入力され、2次元画像が生成される。
このようにして、列並列出力処理が行われる。
このような効果を有する固体撮像素子は、デジタルカメラやビデオカメラの撮像デバイスとして適用することができる。
図15は、本発明の実施形態に係る固体撮像素子が適用されるカメラシステムの構成の一例を示す図である。
本カメラシステム300は、図15に示すように、本実施形態に係るCMOSイメージセンサ(固体撮像素子)100,200が適用可能な撮像デバイス310と、この撮像デバイス310の画素領域に入射光を導く(被写体像を結像する)光学系、たとえば入射光(像光)を撮像面上に結像させるレンズ320と、撮像デバイス310を駆動する駆動回路(DRV)330と、撮像デバイス310の出力信号を処理する信号処理回路(PRC)340と、を有する。
駆動回路330は、撮像デバイス310内の回路を駆動するスタートパルスやクロックパルスを含む各種のタイミング信号を生成するタイミングジェネレータ(図示せず)を有し、所定のタイミング信号で撮像デバイス310を駆動する。
また、信号処理回路340は、撮像デバイス310の出力信号に対してCDS(Correlated Double Sampling;相関二重サンプリング)などの信号処理を施す。
信号処理回路340で処理された画像信号は、たとえばメモリなどの記録媒体に記録される。記録媒体に記録された画像情報は、プリンタなどによってハードコピーされる。また、信号処理回路340で処理された画像信号を液晶ディスプレイ等からなるモニターに動画として映し出される。
信号処理回路340で処理された画像信号は、たとえばメモリなどの記録媒体に記録される。記録媒体に記録された画像情報は、プリンタなどによってハードコピーされる。また、信号処理回路340で処理された画像信号を液晶ディスプレイ等からなるモニターに動画として映し出される。
上述したように、デジタルスチルカメラ等の撮像装置において、撮像デバイス310として、先述した撮像素子100,200を搭載することで、低消費電力で、高精度なカメラが実現できる。
100・・・固体撮像素子、101・・・画素アレイ部、101A・・・画素、102・・・垂直走査回路(画素駆動部)、103・・・カラム読み出し回路(水平走査回路)、110・・・リセット回路、111・・・光電変換素子、112・・・転送トランジスタ、113・・・リセットトランジスタ、114・・・増幅トランジスタ、115・・・選択トランジスタ、120・・・行デコーダ、121・・・アドレスデコーダ、NA1〜NA6・・・第1〜第6の論理ゲート、MA0・・・第1のメモリ、MA1・・・第2のメモリ、200・・・固体撮像素子、210・・・画素アレイ部、220・・・垂直走査回路、230・・・水平転送走査回路、240・・・タイミング制御回路、250・・・ADC群、260・・・DAC、270・・・アンプ回路(S/A)、280・・・信号処理回路、300・・・カメラシステム、310・・・撮像デバイス、320・・・レンズ、330・・・駆動回路、340・・・信号処理回路。
Claims (8)
- 光信号を電気信号に変換し、その電気信号を露光時間に応じて蓄積する機構を有する複数の画素回路が行列状に配列された画素部と、
上記画素部のシャッター動作、および読み出しを行うように駆動可能な画素駆動部と、を有し、
上記画素駆動部は、
上記画素回路に対してシャッター動作および読み出し動作の指定を行う行デコーダを含み、
上記行デコーダは、
アドレス信号をデコードする一つのアドレスデコーダと、
上記アドレスデコーダの出力に対して直列に接続された1つ以上のメモリおよび当該メモリの入力に接続される論理ゲートと、を含み、
シャッター動作・読み出し動作を行う際の行の指定を、読み出し動作については上記アドレスデコーダが行い、シャッター動作については上記メモリが行い、当該メモリ出力がシャッター制御パルスとなる
固体撮像素子。 - 上記行デコーダは、
一つのアドレスデコーダと、2個のメモリが直列に配置され、シャッター対象となる2行について、選択されたアドレス情報を上記2個のメモリに予め記憶させ、該当行のシャッター動作を該当メモリの記憶データで行い、上記アドレスデコーダで選択されている行の読み出し動作を行う
請求項1記載の固体撮像素子。 - 上記行デコーダは、
第1のメモリおよび第2のメモリを有し、
上記アドレスデコーダの出力部に論理ゲートを介して第1のメモリが接続され、上記第1のメモリの出力が第2のメモリに入力されるように、シャッター対象となる2つのメモリに選択されたアドレス情報を予め記憶させて、該当行のシャッター動作を行い、上記アドレスデコーダで選択されている行の読み出し動作を行う
請求項2記載の固体撮像素子。 - 上記行デコーダは、
アドレスをデコードするアドレスデコーダ、第1のメモリ、第2のメモリ、第1の論理ゲート、第2の論理ゲート、第3の論理ゲート、第4の論理ゲート、第5の論理ゲート、および第6の論理ゲートを含み、
上記第1の論理ゲートは、上記アドレスデコーダより出力される行アドレス信号と、第1の選択信号に応じたレベルの第2の選択信号を出力し、
上記第2の論理ゲートは、上記行アドレス信号と第1のリセット信号に応じたレベルの第2のリセット信号を出力し、
上記第3の論理ゲートは、上記行アドレス信号とタイミング信号に応じたレベルの信号を出力し、
上記第4の論理ゲートは、上記行アドレス信号と第1のアドレスラッチ信号に応じたレベルの信号を上記第1のメモリに入力し、
上記第5の論理ゲートは、上記第1のメモリの出力と第2のアドレスラッチ信号に応じたレベルの信号を上記第2のメモリに入力し、
上記第6の論理ゲートは、上記第2のメモリの出力と上記第3の論理ゲートの出力信号に応じたレベルの送信信号を出力し、
シャッター動作が、第2のアドレスラッチ信号で開始し、第2のアドレスラッチリセット信号で終了するように行われる
請求項1記載の固体撮像素子。 - 上記画素回路は、
出力ノードと、
光信号を電気信号に変換し信号電荷を蓄積する光電変換素子と、
上記送信信号によりオン、オフされ、オン状態で上記光電変換素子の電荷を上記出力ノードの転送する転送素子と、
上記第2のリセット信号によりオン、オフされ、オン状態で上記出力ノードをリセットするリセット素子と、
上記第2の選択信号によりオン、オフされ、オン状態で出力ノードの信号を出力する選択素子と、を含む
請求項4記載の固体撮像素子。 - 上記画素部から複数の画素単位で画素信号の読み出しを行う画素信号読み出し回路を有し、
上記画素信号読み出し回路は、
画素の列配列に対応して配置され、読み出し信号電位と参照電圧とを比較判定し、当該判定信号を出力する複数の比較器と、
上記比較器の出力に動作が制御され、対応する上記比較器の比較時間をカウントする複数のカウンタと、を含む
請求項5記載の固体撮像素子。 - 上記行デコーダは、各行に対応して配置されている
請求項1から6のいずれか一に記載の固体撮像素子。 - 固体撮像素子と、
上記撮像素子に被写体像を結像する光学系と、
上記撮像素子の出力画像信号を処理する信号処理回路と、を有し、
上記固体撮像素子は、
光信号を電気信号に変換し、その電気信号を露光時間に応じて蓄積する機構を有する複数の画素回路が行列状に配列された画素部と、
上記画素部のシャッター動作、および読み出しを行うように駆動可能な画素駆動部と、を有し、
上記画素駆動部は、
上記画素回路に対してシャッター動作および読み出し動作の指定を行う行デコーダを含み、
上記行デコーダは、
アドレス信号をデコードする一つのアドレスデコーダと、
上記アドレスデコーダの出力に対して直列に接続された1つ以上のメモリおよび当該メモリの入力に接続される論理ゲートと、を含み、
シャッター動作・読み出し動作を行う際の行の指定を、読み出し動作については上記アドレスデコーダが行い、シャッター動作については上記メモリが行い、当該メモリ出力がシャッター制御パルスとなる
カメラシステム。
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JP2008222181A JP2010057097A (ja) | 2008-08-29 | 2008-08-29 | 固体撮像素子およびカメラシステム |
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