JP2015056840A - 固体撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】カラム型AD変換器の動作時に発生するストリーキングを低減することが可能な固体撮像装置を提供する。
【解決手段】光電変換した電荷を蓄積する画素PCがマトリックス状に配置された画素アレイ部1と、画素PCから読み出された画素信号Vsigと基準電圧VREFとの比較結果に基づいて画素信号VsigのAD変換値をカラムごとに算出するカラムADC回路4と、その比較結果の出力タイミングのカラム間の分散を制御するタイミング制御回路7とを設ける。
【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、固体撮像装置に関する。
固体撮像装置では、画素から読み出された画素信号をAD変換する際に、処理時間を短くするために、カラム型AD変換器を用いたものがある。
特開2011−35689号公報
本発明の一つの実施形態は、カラム型AD変換器の動作時に発生するストリーキングを低減することが可能な固体撮像装置を提供することを目的とする。
本発明の一つの実施形態によれば、画素アレイ部と、カラムADC回路と、タイミング制御回路とが設けられている。画素アレイ部は、光電変換した電荷を蓄積する画素がマトリックス状に配置されている。カラムADC回路は、前記画素から読み出された画素信号と基準電圧との比較結果に基づいて前記画素信号のAD変換値をカラムごとに算出する。タイミング制御回路は、前記比較結果の出力タイミングの前記カラム間の分散を制御する。
図1は、第1の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。 図2は、図1の固体撮像装置の画素の構成例を示す回路図である。 図3は、図1の基準電圧発生回路およびカラムADC回路の構成例を示す回路図である。 図4は、図1の画素の読み出し動作時の各部の電圧波形を示すタイミングチャートである。 図5は、図1のカラム間ショート回路の構成例を示す回路図である。 図6(a)は、アナログサンプリング前にカラム間ショートを行わない場合の図1の固体撮像装置の各部の電圧波形を示すタイミングチャート、図6(b)は、アナログサンプリング前にカラム間ショートを行った場合の図1の固体撮像装置の各部の電圧波形を示すタイミングチャートである。 図7(a)は、アナログサンプリング前にカラム間ショートを行わない場合の自コンパレータ出力と他コンパレータ出力との関係を示すタイミングチャート、図7(b)は、アナログサンプリング前にカラム間ショートを行った場合の自コンパレータ出力と他コンパレータ出力との関係を示すタイミングチャートである。 図8は、第2の実施形態に係る固体撮像装置が適用されたデジタルカメラの概略構成を示すブロック図である。
以下に添付図面を参照して、実施形態に係る固体撮像装置を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。
(第1実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
図1において、固体撮像装置には、画素アレイ部1が設けられている。画素アレイ部1には、光電変換した電荷を蓄積する画素PCがロウ方向RDおよびカラム方向CDにm(mは正の整数)行×n(nは正の整数)列分だけマトリックス状に配置されている。また、この画素アレイ部1において、ロウ方向RDには画素PCの読み出し制御を行う水平制御線Hlinが設けられ、カラム方向CDには画素PCから読み出された信号を伝送する垂直信号線Vlinが設けられている。
また、固体撮像装置には、読み出し対象となる画素PCを垂直方向に走査する垂直走査回路2、画素PCとの間でソースフォロア動作を行うことにより、画素PCから垂直信号線Vlinにカラムごとに画素信号Vsigを読み出す負荷回路3、画素信号Vsigと基準電圧VREFとの比較結果に基づいて画素信号VsigのAD変換値をカラムごとにCDSにて算出するカラムADC回路4、カラムADC回路4にて算出されたAD変換値を水平方向に転送する水平レジスタ5、カラムADC回路4に基準電圧VREFを出力する基準電圧発生回路6および各画素PCの読み出しや蓄積のタイミングを制御するタイミング制御回路7、アナログサンプリングの前に垂直信号線Vlinをカラム間でショートするカラム間ショート回路8が設けられている。なお、基準電圧VREFはランプ波を用いることができる。また、カラムADC回路4は、画素信号Vsigの出力電位のばらつきを補償するアナログサンプリングを行うことができる。ここで、タイミング制御回路7は、画素信号Vsigと基準電圧VREFとの比較結果の出力タイミングのカラム間の分散を制御することができる。このカラム間の分散を制御する場合、画素信号Vsigの出力電位のばらつきを用いることができる。タイミング制御回路7には、カラム間のショートを解除してからアナログサンプリングまでの時間を制御するアナログサンプリング時間制御部7Aが設けられている。
そして、垂直走査回路2にて画素PCが垂直方向に走査されることで、ロウ方向RDに画素PCが選択される。そして、負荷回路3において、その画素PCとの間でソースフォロア動作が行われることにより、画素PCから読み出された画素信号Vsigが垂直信号線Vlinを介して伝送され、カラムADC回路4に送られる。また、基準電圧発生回路6において、基準電圧VREFとしてランプ波が設定され、カラムADC回路4に送られる。そして、カラムADC回路4において、画素PCから読み出された信号レベルとリセットレベルがランプ波のレベルにそれぞれ一致するまでクロックのカウント動作が行われ、その時の信号レベルとリセットレベルとの差分がとられることで各画素PCの信号成分がCDSにてデジタル値に変換され、水平レジスタ5を介して水平方向に転送されることで出力信号S1として出力される。
図2は、図1の固体撮像装置の画素の構成例を示す回路図である。
図2において、各画素PCには、フォトダイオードPD、行選択トランジスタTa、増幅トランジスタTb、リセットトランジスタTrおよび読み出しトランジスタTdが設けられている。また、増幅トランジスタTbとリセットトランジスタTrと読み出しトランジスタTdとの接続点には検出ノードとしてフローティングディフュージョンFDが形成されている。
そして、画素PCにおいて、読み出しトランジスタTdのソースは、フォトダイオードPDに接続され、読み出しトランジスタTdのゲートには、読み出し信号ΦDが入力される。また、リセットトランジスタTrのソースは、読み出しトランジスタTdのドレインに接続され、リセットトランジスタTrのゲートには、リセット信号ΦRが入力され、リセットトランジスタTrのドレインは、電源電位VDDに接続されている。また、行選択トランジスタTaのゲートには、行選択信号ΦAが入力され、行選択トランジスタTaのドレインは、電源電位VDDに接続されている。また、増幅トランジスタTbのソースは、垂直信号線Vlinに接続され、増幅トランジスタTbのゲートは、読み出しトランジスタTdのドレインに接続され、増幅トランジスタTbのドレインは、行選択トランジスタTaのソースに接続されている。なお、図1の水平制御線Hlinは、読み出し信号ΦD、リセット信号ΦRおよび行選択信号ΦAをロウごとに画素PCに伝送することができる。図1の負荷回路3には定電流源GA1がカラムごとに設けられ、定電流源GA1は垂直信号線Vlinに接続されている。なお、増幅トランジスタTbのしきい値電圧がカラム間でばらつくと、画素信号Vsigの出力電位がカラム間でばらつく原因となる。
図3は、図1の基準電圧発生回路およびカラムADC回路の構成例を示す回路図である。
図3において、カラムADC回路4には、比較回路CP1〜CPnおよびカウンタCT1〜CTnがカラムごとに設けられている。なお、カウンタCT1〜CTnは、反転機能付きバイナリカウンタを用いることができる。そして、比較回路CP1〜CPnは、第1列目〜第n列目の画素PC1〜PCnにそれぞれ接続されている。比較回路CP1には、コンデンサC2、C3、コンパレータPA2、スイッチW2、W3およびインバータVが設けられている。なお、コンデンサC2は、基準電圧VREFと画素信号Vsigの出力電位との差分に対応した電荷をカラムごとに保持することでアナログサンプリングを行うことができる。
そして、コンパレータPA2の反転入力端子にはコンデンサC2を介して垂直信号線Vlinが接続され、コンパレータPA2の非反転入力端子には基準電圧発生回路6の出力端子が接続されている。コンパレータPA2の反転入力端子と出力端子との間にはスイッチW2が接続されている。インバータVの入力端子にはコンデンサC3を介してコンパレータPA2の出力端子が接続され、インバータVの出力端子にはカウンタCT1が接続されている。インバータVの反転入力端子と出力端子との間にはスイッチW3が接続されている。
また、カラム間ショート回路8には、垂直信号線Vlinをカラム間でショートするスイッチS1〜Sn−1が設けられている。各スイッチS1〜Sn−1は、各カラムの垂直信号線Vlin間に接続されている。
図4は、図1の画素の読み出し動作時の各部の電圧波形を示すタイミングチャートである。
図4において、行選択信号ΦAがロウレベルの場合、行選択トランジスタTaがオフ状態となりソースフォロワ動作しないため、垂直信号線Vlinに信号は出力されない。この時、読み出し信号ΦDとリセット信号ΦRがハイレベルになると、読み出しトランジスタTdがオンし、フォトダイオードPDに蓄積されていた電荷がフローティングディフュージョンFDに排出される。そして、リセットトランジスタTrを介して電源電位VDDに排出される。
フォトダイオードPDに蓄積されていた電荷が電源電位VDDに排出された後、読み出し信号ΦDがロウレベルになると、フォトダイオードPDでは、信号電荷の蓄積が開始される。
次に、リセット信号ΦRが立ち上がると、リセットトランジスタTrがオンし、フローティングディフュージョンFDにリーク電流などで発生した余分な電荷がリセットされる。
そして、行選択信号ΦAがハイレベルになると、画素PCの行選択トランジスタTaがオンし、増幅トランジスタTbのドレインに電源電位VDDが印加されることで、増幅トランジスタTbと定電流源GA1とでソースフォロアが構成される。そして、フローティングディフュージョンFDのリセットレベルRLに応じた電圧が増幅トランジスタTbのゲートにかかる。ここで、増幅トランジスタTbと定電流源GA1とでソースフォロアが構成されているので、増幅トランジスタTbのゲートに印加された電圧に垂直信号線Vlinの電圧が追従し、リセットレベルRLの画素信号Vsigが垂直信号線Vlinを介してカラムADC回路4に出力される。
そして、リセットレベルRLの画素信号Vsigが垂直信号線Vlinに出力されている時に、リセットパルスφCがスイッチW2に印加され、スイッチW2がオンすると、コンパレータPA2の反転入力端子の入力電圧が出力電圧POでクランプされ、動作点が設定される。この時、垂直信号線Vlinからの画素信号Vsigとの差分電圧に応じた電荷がコンデンサC2に保持されることでアナログサンプリングが行われ、コンパレータPA2の入力電圧がゼロ設定される。また、リセットパルスφCがスイッチW3に印加され、スイッチW3がオンすると、インバータVの入力端子の入力電圧が出力電圧でクランプされ、動作点が設定される。この時、インバータVからの出力信号との差分電圧に応じた電荷がコンデンサC3に保持され、インバータVの入力電圧がゼロ設定される。
ここで、アナログサンプリングが開始される前に、ショートパルスφSがスイッチS1〜Sn−1に印加されることでスイッチS1〜Sn−1がオンし、垂直信号線Vlinがカラム間でショートされる。そして、ショートパルスφSが立ち下がることでスイッチS1〜Sn−1がオフし、垂直信号線Vlinのカラム間のショートが解除される。この時、アナログサンプリング時間制御部7Aにおいて、カラム間のショートを解除してからアナログサンプリングが終了するまでの時間が制御されることにより、画素信号Vsigの出力電位のばらつきを補償するための電荷がコンデンサC2に十分に蓄積される前にコンデンサC2の充電が終了される。このため、この時のアナログサンプリングでは、カラム間での画素信号Vsigの出力電位のばらつきが所定のレンジ内に収まるようにしつつ、カラム間での画素信号Vsigの出力電位のばらつきをコンパレータPA2の出力に反映させることができる。
スイッチW2、W3がオフした後、リセットレベルRLの画素信号VsigがコンデンサC2を介してコンパレータPA2に入力された状態で、基準電圧VREFとしてランプ波が与えられ、リセットレベルRLの画素信号Vsigと基準電圧VREFとが比較される。そして、コンパレータPA2の出力電圧POはインバータVにて反転された後、カウンタCT1に入力される。
そして、カウンタCT1において、リセットレベルRLの画素信号Vsigが基準電圧VREFのレベルと一致するまでカウントアップされることで、リセットレベルRLの画素信号Vsigがデジタル値DRに変換され保持される。そのあと、後の信号レベルとの差分の演算のために、バイナリカウンタに蓄えられたカウント値をビット反転して、負の値に変換しておく。
次に、読み出し信号ΦDが立ち上がると、読み出しトランジスタTdがオンし、フォトダイオードPDに蓄積されていた電荷がフローティングディフュージョンFDに転送され、フローティングディフュージョンFDの信号レベルSLに応じた電圧が増幅トランジスタTbのゲートにかかる。ここで、増幅トランジスタTbと定電流源GA1とでソースフォロアが構成されているので、増幅トランジスタTbのゲートに印加された電圧に垂直信号線Vlinの電圧が追従し、信号レベルSLの画素信号Vsigが垂直信号線Vlinを介してカラムADC回路4に出力される。
そして、カラムADC回路4において、信号レベルSLの画素信号VsigがコンデンサC2を介してコンパレータPA2に入力された状態で、基準電圧VREFとしてランプ波が与えられ、信号レベルSLの画素信号Vsigと基準電圧VREFとが比較される。そして、コンパレータPA2の出力電圧POはインバータVにて反転された後、カウンタCT1に入力される。
そして、カウンタCT1において、信号レベルSLの画素信号Vsigが基準電圧VREFのレベルと一致するまで再びカウントアップされることで、信号レベルSLの画素信号Vsigがデジタル値DSに変換される。そして、リセットレベルRLの画素信号Vsigと信号レベルSLの画素信号Vsigとの差分DS−DRがカウンタCT1に保持され、出力信号S1として出力される。
ここで、アナログサンプリングを開始する前にカラム間をショートさせるとともに、カラム間のショートを解除してからアナログサンプリングが終了するまでの時間TAを制御することにより、アナログサンプリングを無効化することなく、画素信号Vsigの出力電位のばらつきをコンパレータPA2の入力に反映させることができる。このため、画素信号Vsigの出力電位のばらつきに応じてコンパレータPA2の反転タイミングをカラム間で分散させることができ、大多数のコンパレータPA2の反転タイミングが一致するのを防止することが可能となる。この結果、大多数のコンパレータPA2の同時反転に起因するノイズを低減させることができ、カラム間での共通電源線や共通バイアスラインなどを介して他のカラムのコンパレータPA2に伝わるノイズを低減することが可能となることから、ストリーキングを低減することができる。
図5は、図1のカラム間ショート回路の構成例を示す回路図である。
図5において、画素PC1〜PC4がカラムごとに設けられ、画素PC1〜PC4は、垂直信号線Vlin1〜Vlin4をそれぞれ介して比較回路CP1〜CP4にそれぞれ接続されている。垂直信号線Vlin1、Vlin2間にはスイッチS1が接続され、垂直信号線Vlin2、Vlin3間にはスイッチS2が接続され、垂直信号線Vlin3、Vlin4間にはスイッチS3が接続されている。比較回路CP1〜CP4において、コンパレータPA2にバイアスを供給するバイアスラインBA1が共通に設けられるとともに、インバータVにバイアスを供給するバイアスラインBA2が共通に設けられている。
図6(a)は、アナログサンプリング前にカラム間ショートを行わない場合の図1の固体撮像装置の各部の電圧波形を示すタイミングチャート、図6(b)は、アナログサンプリング前にカラム間ショートを行った場合の図1の固体撮像装置の各部の電圧波形を示すタイミングチャートである。
図6(a)において、画素信号Vsigの出力電位は画素PC1〜PC4ごとにばらつきがある。そして、アナログサンプリングを行うことにより、画素信号Vsigの出力電位のばらつきに対応した電荷がコンデンサC2にカラムごとに保持され、画素信号Vsigの出力電位のばらつきがコンパレータPA2の入力に反映されるのを防止することができる。
一方、図6(b)において、カラム間ショートを行うと、画素信号Vsigの出力電位が画素PC1〜PC4間で一致する。そして、カラム間のショートを解除してからアナログサンプリングが終了するまでの時間TAを、コンパレータPA2の入力が画素PC1〜PC4ごとに収束する前までの時間に設定することにより、画素信号Vsigの出力電位のばらつきを所定のレンジ内に収めつつ、画素信号Vsigの出力電位のばらつきをコンパレータPA2の入力に反映させることができる。このため、画素信号Vsigの出力電位のばらつきに応じてコンパレータPA2の反転タイミングをカラム間で分散させることができ、大多数のコンパレータPA2の反転タイミングが一致するのを防止することが可能となる。
ここで、画素信号Vsigの出力電位のばらつきは、リセットレベルRLのデジタル値DRと信号レベルSLのデジタル値DSに等しく反映される。このため、リセットレベルRLのデジタル値DRと信号レベルSLのデジタル値DSとの差分DR−DSを出力信号S1として出力することにより、画素信号Vsigの出力電位のばらつきを解消することができる。
図7(a)は、アナログサンプリング前にカラム間ショートを行わない場合の自コンパレータ出力と他コンパレータ出力との関係を示すタイミングチャート、図7(b)は、アナログサンプリング前にカラム間ショートを行った場合の自コンパレータ出力と他コンパレータ出力との関係を示すタイミングチャートである。
図7(a)に示すように、リセットレベルの検出時、ある1カラムのコンパレータを自己カラムCAXとして見た時、大多数の他のカラムCA1〜CA4のコンパレータ出力は、自己カラムCAXとほぼ同時に反転するため、その一斉反転に起因するノイズの影響を大きく受け、自己カラムCAXの反転タイミングは前後に大きく揺さぶられる。一方、信号レベルの検出時は、各カラムの画素の光量が異なり、一斉反転するカラムコンパレータの数が変わるため、他のカラムから受けるノイズ量も大きく変わる。このノイズ量の変化に対する自己カラムCAXの出力レベルの変動が、ストリーキングとして観測される。
一方、図7(b)に示すように、リセットレベルの検出時、大多数の他のカラムCA1〜CA4のコンパレータ出力の反転タイミングが分散されると、その反転に起因するノイズが小さくなる。このため、自己のカラムCAXのコンパレータに伝わるノイズが小さくなり、自己のカラムCAXのコンパレータの反転タイミングの前後のずれを減らすことができる。これにより、リセットレベル検出時と信号レベル検出時に他カラムから受けるノイズ量の変化が減少することで、カラムの信号レベルの変化に依存する自己カラムCAXの出力レベルの変動が減少し、ストリーキングが改善される。
(第2実施形態)
図8は、第2の実施形態に係る固体撮像装置が適用されたデジタルカメラの概略構成を示すブロック図である。
図8において、デジタルカメラ11は、カメラモジュール12および後段処理部13を有する。カメラモジュール12は、撮像光学系14および固体撮像装置15を有する。後段処理部13は、イメージシグナルプロセッサ(ISP)16、記憶部17及び表示部18を有する。なお、固体撮像装置15は、図1の構成を用いることができる。また、ISP16の少なくとも一部の構成は固体撮像装置15とともに1チップ化するようにしてもよい。
撮像光学系14は、被写体からの光を取り込み、被写体像を結像させる。固体撮像装置15は、被写体像を撮像する。ISP16は、固体撮像装置15での撮像により得られた画像信号を信号処理する。記憶部17は、ISP16での信号処理を経た画像を格納する。記憶部17は、ユーザの操作等に応じて、表示部18へ画像信号を出力する。表示部18は、ISP16あるいは記憶部17から入力される画像信号に応じて、画像を表示する。表示部18は、例えば、液晶ディスプレイである。なお、カメラモジュール12は、デジタルカメラ11以外にも、例えばカメラ付き携帯端末等の電子機器に適用するようにしてもよい。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1 画素アレイ部、2 垂直走査回路、3 負荷回路、4 カラムADC回路、5 水平レジスタ、6 基準電圧発生回路、7 タイミング制御回路、7A アナログサンプリング時間制御部、8 カラム間ショート回路、PC 画素、Ta 行選択トランジスタ、Tb 増幅トランジスタ、Tr リセットトランジスタ、Td 読み出しトランジスタ、PD フォトダイオード、FD フローティングディフュージョン、Vlin 垂直信号線、Hlin 水平制御線

Claims (5)

  1. 光電変換した電荷を蓄積する画素がマトリックス状に配置された画素アレイ部と、
    基準電圧を発生する基準電圧発生回路と、
    前記画素から読み出された画素信号と前記基準電圧とを比較するコンパレータが設けられ、前記コンパレータの比較結果に基づいて前記画素信号のAD変換値をカラムごとに算出するカラムADC回路と、
    前記画素信号を前記カラムごとに伝送する垂直信号線と、
    前記画素信号に対応した電荷を前記カラムごとに保持することでアナログサンプリングを行うコンデンサと、
    前記アナログサンプリングの前に前記垂直信号線を前記カラム間でショートするカラム間ショート回路と、
    前記カラム間のショートを解除してから前記アナログサンプリングまでの時間を制御するアナログサンプリング時間制御部を備えることを特徴とする固体撮像装置。
  2. 光電変換した電荷を蓄積する画素がマトリックス状に配置された画素アレイ部と、
    前記画素から読み出された画素信号と基準電圧との比較結果に基づいて前記画素信号のAD変換値をカラムごとに算出するカラムADC回路と、
    前記比較結果の出力タイミングの前記カラム間の分散を制御するタイミング制御回路とを備えることを特徴とする固体撮像装置。
  3. 前記画素信号の出力電位のばらつきに基づいて、前記比較結果の出力タイミングの前記カラム間の分散を制御することを特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。
  4. 前記画素信号を前記カラムごとに伝送する垂直信号線と、
    前記画素信号の出力電位のばらつきを補償するアナログサンプリングを行うアナログサンプリング部と、
    前記アナログサンプリングの前に前記垂直信号線を前記カラム間でショートするカラム間ショート回路とを備えることを特徴とする請求項3に記載の固体撮像装置。
  5. 前記カラム間のショートを解除してから前記アナログサンプリングまでの時間を制御するアナログサンプリング時間制御部を備えることを特徴とする請求項4に記載の固体撮像装置。
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