JP3410042B2 - 固体撮像装置およびその駆動方法 - Google Patents
固体撮像装置およびその駆動方法Info
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Description
の駆動方法に関し、特にアクティブピクセルと多段バッ
ファ型読み出しアンプとを使用した固体撮像装置とその
駆動方法に関するものである。
むピクセル、いわゆるアクティブピクセルをマトリック
ス状に配置したセンサアレイから、信号を多段バッファ
型読み出しアンプで信号を読み出す構成の固体撮像装置
が、従来より知られている。
バッファ型読み出しアンプとで構成された従来の固体撮
像装置の構成を示すブロック図である。センサアレイ3
01にはピクセル302がマトリックス状に配置されて
いる。ピクセル302内のフォトダイオード303はそ
の上に照射された光の強度に応じた大きさの電流を流
す。これにより、フォトダイオード303のカソード側
には、PDバイアスFET304のインピーダンスに依
存したある電圧値が現れることになる。すなわち、PD
バイアスFET304のゲート端子305は適当な電圧
にバイアスされており、フォトダイオード電流に等しい
大きさの電流が流れることによりそのソース電圧が一意
に決定される。
をハイレベルに設定し、その選択された行選択線に係る
各ピクセル内の行選択FET308を一斉にオンに転じ
させる。これにより、各ピクセル内のPDバイアスFE
T304のソース電圧(すなわちフォトダイオード30
3の出力電圧)が列信号線309に現れる。すなわち、
増幅用FET310と電流源FET311とがソースフ
ォロワ回路を形成しているので、増幅用FET310の
ゲート電圧(すなわちフォトダイオード303の出力電
圧)にほぼ等しい電圧が列信号線309に現れる。な
お、電流源FET311は定電流動作をするようにその
ゲート電圧が適当な大きさにバイアスされている。以上
のようにして、選択された行の一行分の信号が列信号線
309に出力される。
18と、それを制御するスイッチ制御ブロック312と
によって、各列信号が一つずつ順番に読み出されてい
く。例えば、スイッチ制御ブロック312が、最左端の
初段のバッファスイッチ313aと最左端の第2段目の
バッファスイッチ316aとオンさせると、一番左端の
列の信号が、最左端の初段のバッファ314a、最左端
の第2段目のバッファ315a、第3段目のバッファ3
17を経由して、出力される。別の列の信号を読み出す
時も同様にスイッチ制御ブロック312が必要な箇所の
バッファスイッチをオンして、不必要な箇所のバッファ
スイッチをオフすることで特定の列信号線の信号が出力
される。
18においては、内部のバッファが多段接続されている
ことが重要である。この理由は以下の通りである。一般
にセンサアレイの幅(センサアレイ301内の列信号線
309の長さ)分の配線を経て各列信号が出力されるの
であるが、そのために極めて長い配線を信号が経由する
ことになる。そして、列信号線309には多くの行選択
FETが接続されていることにより、大きな配線容量が
付いており、そのままでは駆動能力が不足して十分に高
速には信号を伝えられない。そこで多段バッファ型読み
出しアンプは、バッファを多段構成として1個のバッフ
ァが負担しなければならない配線容量を小さくすること
によって、高速に信号を伝達する手段を提供している。
用した固体撮像装置の詳細は、例えば、 M.Loniaz et a
l.” A 200mW 3.3V CMOS Color Camera IC Producing 3
52x288 24b Video at 30 Frames/s ”1998 IEEE Intern
ational Solid-State Circuits Conference Digest of
Technical Papers, pp.168−169 に記載されている。
示した従来の固体撮像装置では、多段バッファ型読み出
しアンプを経由して信号を読み出す際、ある行の信号と
別の行の信号とはそれぞれ別の経路(別のバッファと別
のバッファスイッチ)を通って出力される。よって、も
しも例えば最左端の初段のバッファ314aと最右端の
初段のバッファ314bとで、その特性に違いがあった
場合、それがノイズとして出力画像にあらわれる。仮
に、最左端の初段のバッファ314aの出力にオフセッ
ト誤差αが存在し、最左端の初段のバッフ314aの入
力電圧Xに対して、その出力電圧YがY=X+αになっ
ているとする。
別の値のオフセット誤差βが存在しその入力電圧Xに対
して、出力電圧YがY=X+βとなるとする。その他の
回路にはばらつきが存在していないとするならば、最左
端からの信号と最右端からの信号との間にはα−βの大
きさの、いわゆる固定パタンノイズが存在することにな
る。本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解決
することであって、その目的は、アクティブピクセルと
多段バッファ型読み出しアンプとを使用した固体撮像装
置において、出力信号の経由するバッファの特性の変動
による固定パタンノイズの発生を抑えることができる固
体撮像装置とその駆動方法を提供することにある。
め、本発明によれば、ピクセルの出力電圧が読み出され
る複数の列信号線と、バッファ増幅器と前記複数の列信
号線と前記バッファ増幅器との接続を順次切り換えて前
記複数の列信号線の信号電圧を順次出力するようになす
切換回路とを備えるバッファ型列選択回路と、前記複数
の列信号線のそれぞれと前記バッファ型列選択回路との
間に接続された複数の第1の容量素子と、前記バッファ
型列選択回路の出力部に接続された第2の容量素子と、
前記第1の容量素子の入力側の端子と、前記第1の容量
素子の出力側の端子と、前記第2の容量素子の出力側の
端子とに基準電圧を付与するバイアス手段と、を有する
ことを特徴とする固体撮像装置、が提供される。
ォトダイオードと増幅用FETとを備えている。また、
好ましくは、前記ピクセルがマトリックス状に配置さ
れ、1行分のピクセルを選択してその行の各ピクセルの
信号電圧を前記列信号線に読み出す行走査回路がさらに
備えられている。さらに、好ましくは、前記バッファ型
列選択回路は、バッファ増幅器が多段に階層的に接続さ
れて構成されている。
によれば、ピクセルの出力電圧が読み出される複数の列
信号線と、バッファ増幅器と前記複数の列信号線と前記
バッファ増幅器との接続を順次切り換えて前記複数の列
信号線の信号電圧を順次出力するようになす切換回路と
を備えるバッファ型列選択回路と、前記複数の列信号線
のそれぞれと前記バッファ型列選択回路との間に接続さ
れた複数の第1の容量素子と、前記バッファ型列選択回
路の出力部に接続された第2の容量素子と、前記第1の
容量素子の入力側の端子と、前記第1の容量素子の出力
側の端子と、前記第2の容量素子の出力側の端子とに基
準電圧を付与するバイアス手段と、を有する固体撮像装
置の駆動方法であって、(1)前記第1の容量素子の入
・出力側の端子および前記第2の容量素子の出力側の電
位を基準電位に設定する過程と、(2)前記第1の容量
素子の入・出力側の端子をフローティング状態にする過
程と、(3)前記列信号線に各ピクセルの信号電圧を読
み出す過程と、(4)前記バッファ型列選択回路を切り
換えて所定の列信号線の信号経路を確立する過程と、
(5)前記第2の容量素子の出力側の端子をフローティ
ング状態とする過程と、(6)前記第1の容量素子の出
力側の端子の電位を前記基準電位に設定する過程と、を
有することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法、が提
供される。
実施の形態について説明する。図1は、本発明による固
体撮像装置の一実施の形態を示すブロック図である。セ
ンサアレイ101内には、ピクセル102がマトリック
ス状に配置されており(便宜上、図においてはセンサア
レイ内の四隅のピクセルのみが示され他は省略されてい
る)、それぞれのピクセル102は、フォトダイオード
103、ゲート端子105を有するPDバイアスFET
104、行選択FET108および増幅用FET110
から構成されており、センサアレイ101内を縦横に走
る行選択線107と列選択線109とに接続されてい
る。行選択線107は、行走査回路106に接続されて
おり、該行走査回路106により順次選択される。列信
号線109は、一端が電流源FET100に接続され、
他端が多段バッファ型読み出しアンプ123に接続され
ている。ここで、電流源FET100のゲート端子に
は、行選択線107が選択されているときにのみ所定の
一定電圧が印加されるように行走査回路によって駆動さ
れる。センサアレイ101の動作は図4に示した従来例
のそれと同様であるので、その詳細な説明は省略する。
イアススイッチ111が接続されており、該スイッチを
オンすることにより、列信号線109を所望のバイアス
電圧(これをVxとする)にバイアスすることができ
る。また、列信号線109と初段のバッファ112との
間には第1の容量素子113が挿入されている。初段の
バッファ112の入力端には前記第1の容量素子113
以外に、第2のバイアススイッチ115が接続されてい
る。この第2のバイアススイッチ115をオンすること
によって初段のバッファ112の入力電圧を適当な値V
xにバイアスすることができる。初段のバッファ112
と第2段目のバッファ114の間には初段のバッファス
イッチ116が接続されている。また、第2段目のバッ
ファ114と第3段目のバッファ119との間には第2
段目のバッファスイッチ117と第2の容量素子121
とが接続されている。また、第3段目のバッファ119
の入力端には第3のバイアススイッチ120が接続され
ており、この第3のバイアススイッチ120をオンする
ことによって第3段目のバッファ119の入力電圧を適
当な値Vxにバイアスすることができる。
ク118によってそのオン、オフが制御される。ここ
で、初段のバッファ112と、初段のバッファスイッチ
116と、第2段目のバッファ114と、第2段目のバ
ッファスイッチ117とによって、多段バッファ型列選
択回路123aが構成されており、これにより複数の列
信号線109の中の1本の信号線が選択されてその信号
電圧が第3段目のバッファ119を介して出力される。
なお、以下の説明の便のために、第2のバイアススイッ
チ115等の素子に対し、その左から1番目、2番目お
よび3番目の素子の参照番号にはそれぞれa、b、cの
添え字を付した。
た固体撮像装置の駆動方法の第1の実施の形態について
詳細に説明する。図2に示すように、時刻t1におい
て、第1のバイアススイッチ111、第2のバイアスス
イッチ115、第3のバイアススイッチ120が全てオ
ンする。これにより、全ての初段のバッファ112の入
力電圧値とすべての列信号線109の電圧値および第3
段目のバッファ119の入力電圧がある一定の電圧Vx
になる。このように設定した後、t2において、第1の
バイアススイッチ111と第2のバイアススイッチ11
5とをオフにする。次に、t3において、行走査回路1
06がある特定の行の行選択線107をハイレベルに設
定し、その行の各ピクセル内の行選択FET108を一
斉にオンさせる。これと同期して電流源FET100を
オンさせる。
DバイアスFET104のソース電圧(すなわちフォト
ダイオード103の出力電圧)が各列信号線109に現
れる。列信号線109と初段のバッファ112の入力端
との間には第1の容量素子113が挿入されているの
で、初段のバッファ112の入力端には、列信号線10
9の信号の増分が、この容量結合を介して伝達される。
すなわち、列信号線109の電圧がVcであったとする
と、列信号線109の電圧増分はVc−Vxであるか
ら、初段のバッファ112の入力端の電圧値はVx+
(Vc−Vx)=Vcになる。
aによって特定の列信号線109の信号が読み出され
る。すなわち、t4において、最左端の初段バッファス
イッチ116a、最左端の第2段目のバッファスイッチ
117aとがオンして、最左端の初段のバッファ112
aの入力端の信号値が、最左端の第2段目のバッファ1
14aを経由して、第2の容量素子121へと伝達され
る。よって第2の容量素子の入力端子122の電圧値は
Vcになる。次に、t5において、第3のバイアススイ
ッチ120がオフする。すると第3段目のバッファ11
9の入力部が電気的にフローティング状態となる。この
時点で現在信号を読み出したいと考えている列(最左端
の)第2のバイアススイッチ115aをオン状態とする
(t6)。これにより最左端の初段のバッファ112a
の入力端の電圧は再びVxとなる。この電圧値Vxは最
左端の第2段目のバッファ114aを経由して、第2の
容量素子121へと伝達される。すなわち第2の容量素
子の入力端子122の電圧がVxとなる。
力端はフローティング状態にあり、第2の容量素子12
1を介してのみ第2段目のバッファ114aと結合して
いるので、最左端の初段のバッファ112aの信号増分
Vx−Vcが第3段目のバッファ119の入力端へと伝
わることになる。したがって、第3段目のバッファ11
9の出力電圧値は、Vx+(Vx−Vc)=2Vx−V
cとなる。この2Vx−Vcという電圧値は、列信号線
109の電圧値Vcとは異なる値であるが、バイアス2
Vxを減じて、0レベルに対して反転させるだけでVc
に戻すことができるので、この違いは本質的な問題では
ない。
ススイッチ115aを、t8において行選択線を、t9
において左端の初段および第2段目のバッファスイッチ
116a、117aをオフにして、左端の列信号線につ
いての読み出しが完了する。なお、第3段目のバッファ
119の出力信号(2Vx−Vc)は、この出力電圧値
が十分に安定した時点で本固体撮像装置外へ読み出され
る。
了した後、時刻t10より、t1〜t9における動作と
同様の過程を繰り返すことによって、左から2番目の列
信号線の信号電圧を読み出すことができる。以下、同様
の手順を踏んで、同一行の信号を全て読み出すことがで
きる。一行分の信号電圧を全て読み出した後に、次の行
選択線を選択して次の行の信号電圧の読み出しを行う。
方法の第2の実施の形態を示すタイムチャートである。
まず、t1において、第1のバイアススイッチ111、
第2のバイアススイッチ115、第3のバイアススイッ
チ120が全てオンする。これにより、全ての初段のバ
ッファ112の入力電圧値とすべての列信号線109の
電圧値および第3段目のバッファ119の入力電圧があ
る一定の電圧Vxになる。このようにした後、t2にお
いて、第1のバイアススイッチ111と第2のバイアス
スイッチ115とをオフ状態にする。次に、t3におい
て、行走査回路106は、全ての電流源FET100を
オンさせるとともに、ある特定の行の行選択線107を
ハイレベルに設定し、その行の各ピクセル内の行選択F
ET108を一斉にオンさせる。
DバイアスFET104のソース電圧(すなわちフォト
ダイオード103の出力電圧)が各列信号線109に現
れる。列信号線109と初段のバッファ112の入力端
との間には第1の容量素子113が挿入されているの
で、初段のバッファ112の入力端には、列信号線10
9の信号の増分が、この容量結合を介して伝達される。
すなわち、列信号線109の電圧がVcであったとする
と、列信号線109の電圧増分はVc−Vxであるか
ら、初段のバッファ112の入力端の電圧値はVx+
(Vc−Vx)=Vcになる。
aによって列信号線109の電圧が順番に読み出され
る。すなわち、t4において、最左端の初段バッファス
イッチ116a、最左端の第2段目のバッファスイッチ
117aとがオンして、最左端の初段のバッファ112
aの信号値が、最左端の第2段目のバッファ114aを
経由して、第2の容量素子121へ伝達される。よっ
て、第2の容量素子の入力端子122の電圧値はVcに
なる。次に、t5において、第3のバイアススイッチ1
20がオフする。すると第3段目のバッファ119の入
力部が電気的にフローティング状態となる。次いで、t
6において、現在信号を読み出したいと考えている列
(最左端の)第2のバイアススイッチ115aをオン状
態とする。これにより最左端の初段のバッファ112a
の入力電圧が再びVxとなる。この電圧値Vxは最左端
の第2段目のバッファ114aを経由して、第2の容量
素子121へと伝達される。すなわち、第2の容量素子
121の入力端子122の電圧がVxとなる。
力端はフローティング状態にあり、第2の容量素子12
1を介してのみ第2段目のバッファ114と結合してい
るので、最左端の初段のバッファ112aの信号増分V
x−Vcが第3段目のバッファ119の入力端へと伝わ
ることになる。したがって、第3段目のバッファ119
の出力電圧値は、Vx+(Vx−Vc)=2Vx−Vc
となる。したがって、バイアスの2Vxを減じ、符号を
反転させることにより、信号電圧Vcを取り出すことが
できる。
アススイッチ115aが、t8において、左端の初段お
よび第2段目のバッファスイッチ116a、117aが
オフして、左端の列信号線に係る読み出しが完了する。
続いて、t9において、第3のバイアススイッチ120
がオンすると、各部の電圧状態は、時刻t3での動作
(行選択動作)が完了した時点の状態に戻る。すなわ
ち、列信号線109の電圧が信号電圧Vcに、初段のバ
ッファ112の入力電圧と、第3段目のバッファ119
の入力電圧がVxになる。
初段のバッファスイッチ116b、最左端の第2段目の
バッファスイッチ117aとがオンして、左から2番目
の初段のバッファ112bの信号値が、最左端の第2段
目のバッファ114aを経由して、第2の容量素子12
1へ伝達される。よって、第2の容量素子の入力端子1
22の電圧値はVcになる。次に、t11において、第
3のバイアススイッチ120がオフし、第3段目のバッ
ファ119の入力部が電気的にフローティング状態とな
る。次いで、t12において、現在信号を読み出したい
と考えている列信号線(左から2番目)の第2のバイア
ススイッチ115bをオン状態とする。これにより左か
ら2番目の初段のバッファ112bの入力電圧と、第2
の容量素子121の入力端子122の電圧がVxとな
り、第3段目のバッファ119の出力電圧値が、2Vx
−Vcとなる。したがって、第3段目のバッファ119
の出力端より、左から2番目の列信号線の信号電圧を取
り出すことができる。
第2のバイアススイッチ115bがオフし、t14にお
いて、左から2番目の初段のバッファスイッチ116b
および左端の第2段目のバッファスイッチ117aがオ
フする。続いて、t15において、第3のバイアススイ
ッチ120がオンすると、各部の電圧状態は、時刻t3
での動作(行選択動作)が完了した時点の状態に戻る。
以下、同様にして、順次、列信号線109の信号電圧を
読み出す。そして、最右端の列信号線の電圧を読み出し
た後には、次の行選択線107が選択される。
来の読み出し回路で問題となったバッファの特性ばらつ
きに起因する固定パタンノイズの発生を抑制することが
できる。その理由は以下の通りである。本発明において
は、列信号線109上の信号をそのままの値で読み出す
のではなくて、ある基準電圧Vxと、列信号線109と
の差を出力する構成になっている。仮に、最左端の初段
のバッファ112aの出力にオフセット誤差αが存在
し、最左端の初段のバッファ112aの入力Xに対し
て、その出力YがY=X+αになっているとする。
するならば、第2の容量素子121の入力端子には、ま
ず、X+αという値が伝達されることになる。この時点
では、第3のバイアススイッチ120はオンしているの
で、第3段目のバッファ119の入力電圧値はVxであ
る。第3のバイアススイッチ120がオフし、続いて第
2のバイアススイッチ115がオンすると、最左端の初
段のバッファ112aの入力電圧値はVxになる。そし
てその出力電圧値はオフセット誤差により、Vx+αと
なる。そして、この(Vx+α)という値が第2の容量
素子へ伝わる。よって、第3段目のバッファ119の出
力は、Vx+((Vx+α)−(X+α))=2Vx−
Xという値になる。このように、誤差αは差し引きされ
て消えてしまう。
が、本発明はこれら実施の形態に限定されるものではな
く、特許請求の範囲に記載された範囲内において適宜の
変更が可能なものである。例えば、実施の形態において
は、多段バッファ型読み出し回路122は、3段構成と
したが、別の段数でもよい。また、固体撮像装置とし
て、エリア型のものについて説明したがリニア型のもの
についても本発明は適用が可能である。
撮像装置は、多段バッファ型列選択回路の入・出力部に
容量素子を接続し、各容量素子を基準電圧に設定した後
に、各列信号線の信号電圧を読み出すようにしたもので
あるので、容量素子によってバッファアンプの誤差分を
相殺して消滅させることができ、固定パタンノイズの少
ない固体撮像装置を提供することができる。
すブロック図。
実施の形態を示すタイミングチャート。
実施の形態を示すタイミングチャート。
Claims (5)
- 【請求項1】 ピクセルの出力電圧が読み出される複数
の列信号線と、 バッファ増幅器と前記複数の列信号線と前記バッファ増
幅器との接続を順次切り換えて前記複数の列信号線の信
号電圧を順次出力するようになす切換回路とを備えるバ
ッファ型列選択回路と、 前記複数の列信号線のそれぞれと前記バッファ型列選択
回路との間に接続された複数の第1の容量素子と、 前記バッファ型列選択回路の出力部に接続された第2の
容量素子と、 前記第1の容量素子の入力側の端子と、前記第1の容量
素子の出力側の端子と、前記第2の容量素子の出力側の
端子とに基準電圧を付与するバイアス手段と、を有する
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 【請求項2】 前記ピクセルが、フォトダイオードと増
幅用FETとを備えていることを特徴とする請求項1記
載の固体撮像装置。 - 【請求項3】 前記ピクセルがマトリックス状に配置さ
れ、1行分のピクセルを選択してその行の各ピクセルの
信号電圧を前記列信号線に一斉に読み出させる行走査回
路がさらに備えられていることを特徴とする請求項1記
載の固体撮像装置。 - 【請求項4】 前記バッファ型列選択回路は、バッファ
増幅器が多段に階層的に接続されて構成されていること
を特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 - 【請求項5】 ピクセルの出力電圧が読み出される複数
の列信号線と、バッファ増幅器と前記複数の列信号線と
前記バッファ増幅器との接続を順次切り換えて前記複数
の列信号線の信号電圧を順次出力するようになす切換回
路とを備えるバッファ型列選択回路と、前記複数の列信
号線のそれぞれと前記バッファ型列選択回路との間に接
続された複数の第1の容量素子と、前記バッファ型列選
択回路の出力部に接続された第2の容量素子と、前記第
1の容量素子の入力側の端子と、前記第1の容量素子の
出力側の端子と、前記第2の容量素子の出力側の端子と
に基準電圧を付与するバイアス手段と、を有する固体撮
像装置の駆動方法であって、 (1)前記第1の容量素子の入力側の端子と、前記第2
の容量素子の出力側の端子と、前記第1の容量素子の出
力側の端子との電位を基準電位に設定する過程と、 (2)前記第1の容量素子の入力側の端子と、前記第1
の容量素子の出力側の端子とを電気的にフローティング
状態にする過程と、 (3)前記列信号線に各ピクセルの信号電圧を読み出す
過程と、 (4)前記バッファ型列選択回路を切り換えて所定の列
信号線の信号経路を確立する過程と、 (5)前記第2の容量素子の出力側の端子をフローティ
ング状態とする過程と、 (6)前記第1の容量素子の出力側の端子の電位を前記
基準電位に設定する過程と、を有することを特徴とする
固体撮像装置の駆動方法。
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