JP2011044921A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】信号読み出し時間を短縮する。
【解決手段】サンプリング部は、第１及び第２の容量ＣＳ，ＣＮ、第１の容量ＣＳの一方電極及び第２の容量ＣＮの一方電極にそれぞれ接続され垂直信号線１４に画素１１から出力された信号に対応する信号を第１及び第２の容量ＣＳ，ＣＮにそれぞれ蓄積させる第１及び第２の入力スイッチＴＶＳ，ＴＶＮ、並びに、第１及び第２の容量ＣＳ，ＣＮに蓄積された信号をそれぞれ出力させる第１及び第２の出力スイッチＴＨＳ，ＴＨＮを有する。電圧供給部１９は、制御信号φＰＣＳに応答して、第１の容量ＣＳの前記一方電極に、所定電圧ＶＳを供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子に関するものである。

近年、ビデオカメラや電子カメラには、ＣＭＯＳ型等の増幅型の固体撮像素子が使用されつつある。このような固体撮像素子では、光電変換部及び画素アンプを有する画素がマトリクス状に複数配置される。そして、光電変換部にて生成された信号電荷が、フローティングディフュージョン等の電荷電圧変換部で電圧に変換される。その電圧に応じた信号が、画素に設けられた画素アンプによって画素から垂直信号線に出力される。

このような固体撮像素子では、固定パターンノイズ（ＦＰＮ）等を低減するため、いわゆる相関２重サンプリングを行うように信号をサンプリングするサンプリング部が設けられている（下記特許文献１）。このサンプリング部は、光信号が蓄積される容量（特許文献１の図１中の「２１６ｓ」）と、前記光信号から差し引くべきノイズ成分を含む差分用信号が蓄積される容量（「２１６ｎ」）と、これらの容量に信号を蓄積させる各入力スイッチ（「２１５ｓ」、「２１５ｎ」）と、これらの容量から信号を出力させる各出力スイッチ（「２１７ｓ」、「２１７ｎ」）とから構成されている。

特開２００５−３４８０４０号公報

しかしながら、前記従来の固体撮像素子では、前記サンプリング部の容量に信号を蓄積するのに時間を要することに起因して、信号読み出し時間が長くなっていた。このため、例えば、画素数が多い場合において、いわゆるライブビューやその他の動画撮像時などにおいてフレームレートが低下してしまうなどの不都合が生じていた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、信号読み出し時間を短縮することができる固体撮像素子を提供することを目的とする。

前記課題を解決するための手段として、以下の各態様を提示する。第１の態様による固体撮像素子は、複数の画素と、前記複数の画素の各列に対応して設けられ前記画素から出力される信号が供給される垂直信号線と、第１及び第２の容量、前記第１の容量の一方電極及び前記第２の容量の一方電極にそれぞれ接続され前記垂直信号線に出力された信号に対応する信号を前記第１及び第２の容量にそれぞれ蓄積させる第１及び第２の入力スイッチ、並びに、前記第１及び第２の容量に蓄積された信号をそれぞれ出力させる第１及び第２の出力スイッチを有し、前記各列に設けられたサンプリング部と、前記第１の容量の前記一方電極及び前記第２の容量の前記一方電極のうちの少なくとも一方に、所定電圧を供給する電圧供給部と、を備えたものである。

第２の態様による固体撮像素子は、前記第１の態様において、前記所定電圧は、前記少なくとも一方に印加される最小電圧と最大電圧との間の中間電圧であるものである。

第３の態様による固体撮像素子は、前記第１又は第２の態様において、前記第１の容量は、前記画素で光電変換された光情報を含む光信号を蓄積する容量であり、前記第２の容量は、前記光信号から差し引くべきノイズ成分を含む差分用信号を蓄積する容量であり、前記所定電圧が供給されるのは、前記第１の容量の前記一方電極であるものである。

第４の態様による固体撮像素子は、前記第１乃至第３のいずれかの態様において、前記電圧供給部は、前記第１の容量の前記一方電極に接続され前記第１の容量の前記一方電極に対する前記所定電圧の供給をオンオフする供給スイッチを含み、前記第２の容量の前記一方電極に、前記供給スイッチと同じ構造を有するスイッチが接続されたものである。

第５の態様による固体撮像素子は、前記第１乃至第４のいずれかの態様において、前記垂直信号線と前記サンプリング部との間には、前記垂直信号線に出力された信号を処理する信号処理回路が設けられたものである。

第６の態様による固体撮像素子は、前記第５の態様において、前記信号処理回路は、スイッチトキャパシタアンプであるものである。

本発明によれば、信号読み出し時間を短縮することができる固体撮像素子を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態による固体撮像素子を示す回路図である。 図１中のサンプリング部の第１の容量の電圧レベルを示す図である。 本発明の第２の実施形態による固体撮像素子を示す回路図である。

以下、本発明による固体撮像素子について、図面を参照して説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態による固体撮像素子１を示す回路図である。本実施形態による固体撮像素子１は、一般的なＣＭＯＳ型固体撮像素子と同様に、２次元状に配置された複数の画素１１と、垂直走査回路１２と、水平走査回路１３と、画素１１の各列に対応して設けられ対応する列の画素１１の出力信号が供給される垂直信号線１４と、各垂直信号線１４に接続された定電流源１５とを有している。水平走査回路１３は、列毎に水平走査信号φＨを出力する。

各画素１１は、一般的なＣＭＯＳ型固体撮像素子と同様に、光電変換部としてのフォトダイオードＰＤと、電荷電圧変換部としてのフローティングディフュージョンＦＤと、フローティングディフュージョンＦＤの電位に応じた信号を出力する増幅部としての増幅トランジスタＡＭＰと、フォトダイオードＰＤからフローティングディフュージョンＦＤに電荷を転送する電荷転送部としての転送トランジスタＴＸと、フローティングディフュージョンＦＤの電位をリセットするリセット部としてのリセットトランジスタＲＥＳと、当該画素１１を選択するための選択部としての選択トランジスタＳＥＬとを有している。

転送トランジスタＴＸ、リセットトランジスタＲＥＳ、選択トランジスタＳＥＬのゲートは、行方向に配置される画素１１に共通に接続され、行毎に、垂直走査回路３からの駆動信号φＴＸ、φＲＥＳ、φＳＥＬが供給される。これらのトランジスタＴＸ，ＲＥＳ，ＳＥＬの機能及び動作は、一般的なＣＭＯＳ固体撮像素子と同様であるため、ここでは、その詳細な説明は省略する。

また、本実施の形態による固体撮像素子１は、各垂直信号線１４の信号に応じた信号（本実施の形態では、垂直信号線１４の信号自体）を制御信号φＴＶＮ，φＴＶＳに従ってサンプリングして保持するとともに、当該保持された信号を水平走査信号φＨに従って水平信号線１８Ｎ，１８Ｓへ供給するサンプリング部１７を、各垂直信号線１４に対応して備えている。

各サンプリング部１７は、第１の容量ＣＳと、第２の容量ＣＮとを有している。本実施の形態では、第１の容量ＣＳは、画素１１で光電変換された光情報を含む光信号（本実施の形態では、画素１１から光情報を含む信号が出力されたときの電圧）を蓄積する容量である。第２の容量ＣＮは、前記光信号から差し引くべきノイズ成分を含む差分用信号（本実施の形態では、画素１１からリセットレベルの基準信号が出力されたときの電圧）を蓄積する容量である。

また、各サンプリング部１７は、第１及び第２の入力スイッチＴＶＳ，ＴＶＮと、第１及び第２の出力スイッチＴＨＳ，ＴＨＮとを有している。第１及び第２の入力スイッチＴＶＳ，ＴＶＮは、第１の容量ＣＳの一方電極及び第２の容量ＣＮの一方電極にそれぞれ接続され、制御信号φＴＶＮ，φＴＶＳに従ってオンし、前記光信号及び差分用信号を第１及び第２の容量ＣＳ，ＣＮにそれぞれ蓄積させる。第１の容量ＣＳの他方電極及び第２の容量ＣＮの他方電極は、接地されている。第１及び第２の出力スイッチＴＨＳ，ＴＨＮは、第１及び第２の容量ＣＳ，ＣＮに蓄積された光信号及び差分用信号を、水平走査信号φＨに従ってオンして水平信号線１８Ｎ，１８Ｓへそれぞれ出力させる。第１及び第２の出力スイッチＴＨＳ，ＴＨＮは、一般的なＣＭＯＳ型固体撮像素子における水平スイッチトランジスタと同様な機能を有するものである。本実施の形態では、水平信号線１８Ｎ，１８Ｓをそれぞれ所定タイミングで所定電位Ｖｒｅｆにリセットするための各トランジスタＲＴＨＮ，ＲＴＨＳが設けられている。水平信号線１８Ｎ，１８Ｓには、出力アンプＡＰＮ，ＡＰＳがそれぞれ接続されている。第１及び第２の出力スイッチＴＨＳ，ＴＨＮにより水平信号線１８Ｎ，１８Ｓに出力された光信号及び差分用信号はそれぞれそれぞれ出力アンプＡＰＳ，ＡＰＮを介して増幅され、外部信号処理部（図示せず）へ出力される。図面には示していないが、この外部信号処理部は、出力アンプＡＰＳ，ＡＰＮの出力間の差分を、差動アンプ等によって得る。これにより相関２重サンプリングが実現され、この外部信号処理部から、画像信号として、固定パターンノイズ等が除去された光情報信号が得られる。なお、このような差分を得る差動アンプ等を固体撮像素子１に搭載してもよい。

そして、本実施の形態による固体撮像素子１は、制御信号φＰＣＳに応答して第１の容量（光信号蓄積用容量）ＣＳの前記一方電極（スイッチＴＶＳ側の電極）に所定電圧ＶＳを供給する電圧供給部１９を、有している。本実施の形態では、電圧供給部１９は、所定電圧ＶＳを導く電圧供給用配線２０と、電圧供給用配線２０と第１の容量ＣＳの前記一方電極との間に接続されて制御信号φＰＣＳに応じてオンオフする供給スイッチＰＣＳとから構成されている。供給スイッチＰＣＳは、各サンプリング部１７に対応して設けられている。供給スイッチＰＣＳは、前述した他のスイッチと同様に、トランジスタで構成されている。供給スイッチＰＣＳがオンすると、第１の容量ＣＳの前記一方電極に所定電圧ＶＳが印加される。この電圧供給部１９によって、以下に図２を参照して説明するように、第１の容量ＣＳのチャージアップする時間が短縮され、ひいては、信号読み出し時間が短縮される。

図２は、画素１１から垂直信号線１４に光信号が出力されている状況において、その光信号を第１の容量ＣＳに蓄積させるサンプリングを開始する時点ｔ２の前後の、第１の容量ＣＳの前記一方電極の電圧［１］，［２］及び制御信号φＰＣＳ，φＴＶＳの様子を示す図である。φＰＣＳがハイレベルのときに電圧供給部１９の供給スイッチＰＣＳがオンし、φＴＶＳがハイレベルのときに第１の入力スイッチＴＶＳがオンする。

図２において、第１の容量ＣＳの電圧［１］，［２］を示すグラフの縦軸は電圧の絶対値を示し、横軸は経過時間を示している。図２において、［１］は本実施の形態による固体撮像素子１のサンプリング部１７における第１の容量ＣＳの電圧を示し、［２］は比較例による固体撮像素子のサンプリング部１７における第１の容量ＣＳの電圧を示している。この比較例が本実施の形態と異なる所は、電圧供給部１９が取り除かれている点のみである。

図２では、前回の光信号として真っ黒の被写体に応じた最小電圧Ｖｍｉｎが第１の容量ＣＳに事前に蓄積されている状態から、今回の光信号として真っ白の被写体に応じた最大電圧Ｖｍａｘを第１の容量ＣＳに蓄積させるものとしている。なお、本実施の形態では、第１の容量ＣＳは信号読み出し後にリセットされるものではなく、今回の光信号のサンプリング時まで前回サンプリングされた光信号が第１の容量ＣＳに残るようになっている。もっとも、第１の容量ＣＳが信号読み出し後にリセットされるような固体撮像素子についても、本発明は適用することができる。

前記比較例の場合には、電圧供給部１９がないので、図２中の［２］に示すように、制御信号φＴＶＳがハイレベルとなって第１の入力スイッチＴＶＳがオンする時点ｔ２まで、第１の容量ＣＳの電圧が最小電圧Ｖｍｉｎに維持されている。このため、第１の容量ＣＳの電圧が最大電圧Ｖｍａｘまでチャージアップされるのに、時点ｔ２から比較的長い時間Ｔ２を要する。時点ｔ２から比較的長い時間Ｔ２を経過するまでは、精度良く信号読み出しを行うことができないので、信号読み出し時間が増大してしまう。

これに対し、本実施の形態では、図２中の［１］に示すように、時点ｔ２よりも前の適当な時点ｔ１で、φＰＣＳが一旦オンされて電圧供給部１９の供給スイッチＰＣＳがオンされ、第１の容量ＣＳの電圧は、時点ｔ２までに所定電圧ＶＳにプリチャージされる。したがって、時点ｔ２で第１の入力スイッチＴＶＳがオンした後、所定電圧ＶＳから最大電圧Ｖｍａｘまでチャージアップされるのに、比較的短い時間Ｔ１ですむ。このため、本実施の形態によれば、信号読み出し時間を短縮することができる。したがって、例えば、画素数が多くても、いわゆるライブビューやその他の動画撮像時などにおいてフレームレートが低下してしまうようなことがない。

第１の容量ＣＳに印加される電圧が最小電圧Ｖｍｉｎから最大電圧Ｖｍａｘまで間で適宜変動することを考慮すると、最も長いチャージアップ時間をより短縮するためには、所定電圧ＶＳは、最小電圧Ｖｍｉｎと最大電圧Ｖｍａｘとの間の中間電圧に設定することが好ましく、ほぼ両電圧Ｖｍｉｎ，Ｖｍａｘの平均電圧に設定することが最も好ましい。

なお、本実施の形態では、差分用信号の変動幅は小さいので、差分用信号を蓄積する第２の容量ＣＮに対して所定電圧をプリチャージしなくても、差分用信号のチャージアップに要する時間は元々短い。よって、本実施の形態では、第２の容量ＣＮに対しては、所定電圧を供給するスイッチ（供給スイッチＰＣＳに対応するスイッチ）を設けていない。

［第２の実施の形態］
図３は、本発明の第２の実施形態による固体撮像素子３１を示す回路図である。図３において、図１中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。

本実施の形態による固体撮像素子３１が前記第１の実施の形態による固体撮像素子１と異なる所は、垂直信号線１４とサンプリング部１７との間に信号処理回路としての列アンプ１６が設けられている点と、供給スイッチＰＣＳと同じ構造を有するスイッチＰＣＮがサンプリング部１７の第２の容量ＣＮに対応して設けられ、スイッチＰＣＮが第２の容量ＣＮの前記一方電極（スイッチＴＶＮ側の電極）に接続されている点のみである。

本実施の形態では、列アンプ１６は、公知のスイッチトキャパシタアンプであり、演算増幅器ＯＰ、入力容量Ｃｉ、帰還容量ＣＧ、及び、クランプ制御信号φＣＡＲＳＴに応じてオンオフするクランプ制御スイッチＣＡＲＳＴで構成されている。この列アンプは、周知のように相関２重サンプリング機能を果たす。サンプリング部１７は、列アンプ１６のオフセットを取り除くために設けられている。本実施の形態では、各垂直信号線１４の信号に応じた信号として、列アンプ１６の出力信号がサンプリング部１７に供給される。本実施の形態では、垂直信号線１４とサンプリング部１７との間の信号処理回路の例として列アンプを挙げたが、その代わりに、増幅率が１であるバッファアンプやその他の信号処理回路を設けてもよい。

前記第１の実施の形態では、第１の容量ＣＳに対して供給スイッチＰＣＳが設けられているのに対し、スイッチＰＣＮに相当するスイッチは設けられていない。したがって、第１の容量ＣＳには供給スイッチＰＣＳによる寄生容量が含まれるのに対し、第２の容量ＣＮにはそのようなスイッチによる寄生容量が含まれない。このため、第１の容量ＣＳの容量値と第２の容量ＣＮの容量値とを精度良く同一にすることは、困難である。両者の容量値が異なれば、その分、相関２重サンプリングによるノイズの除去量が低下してしまい、得られる信号のＳＮ比が低下してしまう。

これに対し、本実施の形態では、供給スイッチＰＣＳと同じ構造を持つスイッチＰＣＮが第２の容量ＣＮに対して設けられているので、第１の容量ＣＳに含まれるスイッチＰＣＳによる寄生容量と、第２の容量ＣＮに含まれるスイッチＰＣＮによる寄生容量とを、容易に精度良く同一にすることができる。したがって、第１の容量ＣＳの容量値と第２の容量ＣＮの容量値とを精度良く同一にすることができる。よって、本実施の形態によれば、第１の実施の形態に比べてＳＮ比を向上させることができる。

これ以外については、本実施の形態によっても前記第１の実施の形態と同様の利点が得られる。

なお、本実施の形態では、スイッチＰＣＮは、前述したように寄生容量を同一にするためにのみ設けられ、電気的なスイッチング動作等を行わせず、いわばダミースイッチとなっている。

しかしながら、列アンプ１６の構成等によっては、第２の容量ＣＮに蓄積する差分用信号の変動幅が大きくなる場合もあり得る。このような場合には、スイッチＰＣＮも、供給スイッチＰＣＳと同様に所定電圧供給手段として作動させて、第２の容量ＣＮの電圧を当該所定電圧にプリチャージするようにしてもよい。

以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。

１，３１ 固体撮像素子
１１ 画素
１４ 垂直信号線
１７ サンプリング部
１９ 電圧供給部
ＣＳ 第１の容量
ＣＮ 第２の容量
ＴＶＳ 第１の入力スイッチ
ＴＶＮ 第２の入力スイッチ
ＴＨＳ 第１の出力スイッチ
ＴＨＮ 第２の出力スイッチ

Claims (6)

1. 複数の画素と、
   前記複数の画素の各列に対応して設けられ前記画素から出力される信号が供給される垂直信号線と、
   第１及び第２の容量、前記第１の容量の一方電極及び前記第２の容量の一方電極にそれぞれ接続され前記垂直信号線に出力された信号に対応する信号を前記第１及び第２の容量にそれぞれ蓄積させる第１及び第２の入力スイッチ、並びに、前記第１及び第２の容量に蓄積された信号をそれぞれ出力させる第１及び第２の出力スイッチを有し、前記各列に設けられたサンプリング部と、
   前記第１の容量の前記一方電極及び前記第２の容量の前記一方電極のうちの少なくとも一方に、所定電圧を供給する電圧供給部と、
   を備えたことを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記所定電圧は、前記少なくとも一方に印加される最小電圧と最大電圧との間の中間電圧であることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
3. 前記第１の容量は、前記画素で光電変換された光情報を含む光信号を蓄積する容量であり、
   前記第２の容量は、前記光信号から差し引くべきノイズ成分を含む差分用信号を蓄積する容量であり、
   前記所定電圧が供給されるのは、前記第１の容量の前記一方電極であることを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像素子。
4. 前記電圧供給部は、前記第１の容量の前記一方電極に接続され前記第１の容量の前記一方電極に対する前記所定電圧の供給をオンオフする供給スイッチを含み、
   前記第２の容量の前記一方電極に、前記供給スイッチと同じ構造を有するスイッチが接続されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の固体撮像素子。
5. 前記垂直信号線と前記サンプリング部との間には、前記垂直信号線に出力された信号を処理する信号処理回路が設けられたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の固体撮像素子。
6. 前記信号処理回路は、スイッチトキャパシタアンプであることを特徴とする請求項５記載の固体撮像素子。

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