JP4441042B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、増幅型MOSセンサを用いた固体撮像装置が多く提案されているが、この固体撮像装置は、各固体撮像素子の各セル毎にフォトダイオードで検出された信号をトランジスタで増幅するものである。
【0003】
このMOS型固体撮像装置の例を、CDS型ノイズキャンセル回路を搭載した従来文献(Jaroslav Hynecek,“BCMD-An improved Photosite Structure for High-Density Image Sensors"IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES,VOL.38 NO.5 MAY1991)、および(Jaroslav Hynecek,Taxas Instruments,Unitedstates Patent NO.4819070,April4,1989)をもとに説明する。
【0004】
図7に従来のMOS型固体撮像装置の構成を示し、図8にそのタイミングを示す。単位セルは、フォトダイオード1、増幅トランジスタ2、選択トランジスタ3、リセットトランジスタ4から構成されている。
【0005】
各セルに配置されたフォトダイオード1(1−1−1,1−1−2,…)に蓄積された信号は、増幅トランジスタ2(2−1−1,2−1−2,…)によって電圧として、検出ノードである垂直信号線8(8−1,8−2,…)に読み出される。このとき、増幅トランジスタ2(2−1−1,2−1−2,…)と負荷トランジスタ9(9−1,9−2,…)によりソースフォロワ回路が構成されているので、フォトダイオードの信号に対応した電圧が垂直信号線8(8−1,8−2,…)に読み出される。
【0006】
このような構成のMOS型固体撮像装置では、増幅トランジスタ2のしきい値ばらつきに対応した固定パターン雑音が発生するという問題がある。固定パターン雑音はS/Nを低下させるので、画質の劣化をもたらす。この固定パターン雑音は、フォトダイオード1のリセット電圧が全画素同じ電圧でもしきい値が全画素同じにならないので、発生するものである。この垂直信号線8の固定パターン雑音を取り去るために、ノイズキャンセル回路が提案されて使用される。
【0007】
つぎに、ノイズキャンセル回路の構成と動作を、図8に示すタイミングチャートに従って、説明する。
【0008】
まず、固体撮像素子の選択のため、選択信号線6−1にパルス101を印加することによって、増幅トランジスタ2−1−1,2−1−2,…の行を活性化させる。このとき、フォトダイオード1−1−1,1−1−2,…に蓄積された信号電荷に対応した、出力信号電圧が垂直信号線8(8−1,8−2,…)に読み出される。セルを活性化しているパルスが“H”レベル(パルス101)の間にクランプトランジスタ11(11−1,11−2,…)のゲートに“H”電圧(パルス102)を印加し、垂直信号線15(15−1,15−2,…)を、クランプ電圧24にクランプする。
【0009】
その後、リセット信号線7(7−1,7−2,…)に“H”の電圧(パルス104)を印加することで、フォトダイオード1(1−1−1,1−1−2,…)のカソード電圧をリセットする。このリセット時の電圧は、垂直信号線8(8−1,8−2,…)に現れるので、この電圧をクランプ容量10(10−1,10−2,…)で垂直信号線15(15−1,15−2,…)に伝達する。
【0010】
次いで、サンプル・ホールドトランジスタ12(12−1,12−2,…)をONすることにより、垂直信号線16(16−1,16−2,…)に信号を伝達する。そして、水平シフトレジスタ19からの選択パルス105,106,…が、水平選択トランジスタ14(14−1,14−2,…)に順次選択されることで、選択行の信号が読み出される。
【0011】
つまり、クランプ回路によってノイズ成分をキャンセルするノイズキャンセル回路を持っていると、信号がフォトダイオード1に存在するときは、行のラインは全てクランプ電圧24に設定され、フォトダイオード1をリセットした後の垂直信号線8の電圧変化のみを、垂直信号線16に取り出せるので、増幅トランジスタ2のしきい値ばらつきの影響を抑圧することができる。
【0012】
また、別の従来例として、図9に示すものがある。このタイミングチャートを図10に示す。図9の構成図は各セル内に配置されたフォトダイオード1(1−1−1,1−1−2,…)、増幅トランジスタ2(2−1−1,2−1−2,…)、選択トランジスタ3(3−1−1,3−1−2,…)、リセットトランジスタ4(4−1−1,4−1−2,…)や垂直信号線8(8−1,8−2,…)に接続された負荷トランジスタ9(9−1,9−2,…)などの配置は上述の図7と同様である。図9における従来例でもノイズキャンセル動作を行い、図10のタイミングチャートも交えて、その動作について説明する。
【0013】
まず、選択信号線6−1にパルス101を印加することにより増幅トランジスタ2−1−1,2−1−2,…の行を活性化させる。このときフォトダイオード1−1−1,1−1−2,…に蓄積された信号電荷に対応した出力信号電圧が垂直信号線8(8−1,8−2,…)に伝えられる。セルを活性化しているパルス101が“H”レベルの間に、転送スイッチ11(11−1,11−2,…)のゲートを駆動するライン22を“H”レベルにし(パルス102)、サンプル・ホールド容量10(10−1,10−2,…)に信号電圧を伝達する。その後、リセット信号線7−1に“H”の電圧(パルス103)を印加することで、フォトダイオード1(1−1−1,1−1−2,…)の電圧をリセットする。このリセット電圧は垂直信号線8(8−1,8−2,…)に現れるので、パルス104が“H”レベルの後に、転送スイッチ12(12−1,12−2,…)のゲートを駆動するライン23を“H”レベルにし(パルス104)、ホールド容量14(14−1,14−2,…)にリセット電圧を伝達する。
【0014】
次に、水平シフトレジスタ19からの選択パルス105,106が水平選択トランジスタ13(13−1,13−2,…)に印加されることで、選択された垂直信号線8の信号電圧とリセット電圧がそれぞれ信号水平線17、リセット水平線18に伝達される。信号水平線17とリセット水平線18がその反転・非反転の差動入力に接続された差動増幅器20によって、前記信号電圧とリセット電圧の差分の電圧が、出力端子21に出力されることで、信号成分だけを出力して、ノイズキャンセルが行われる。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記2つの従来例ともセンサーからの出力を共通信号線(図7の場合は水平出力線17、図9の場合は17と18)に転送する際、上記共通信号線には、図7の場合は14−1,14−2,14−3、図9の場合は13−1,13−2,13−3,13−4,13−5,13−6に示した転送スイッチに付随する寄生容量(例えば、トランジスタのソース/ドレイン−バルク間のPN接合容量)が存在する(その合算した容量値を以降Ch と呼ぶ)ため、ホールド容量(図7の場合は13−1,13−2,13−3、図9の場合は10−1,10−2,10−3,10−4,10−5,10−6)と、前記Ch とで信号電荷が分配され、電圧のゲインがCT /(CT +Ch )(ここで、CT は前記ホールド容量の値とする)に低下してしまうという欠点があった。また、このCT の値は前記ゲインを低下させないためにも、また転送スイッチ(図7では12−1,12−2,12−3)のチャネルで発生するランダムノイズを低減するためにも小さくはできず、さらに、ホールド容量CT を大きくするためには、ICにおける占有面積は無視できないものとなり、さらに高画素にするため垂直信号線の数が増すほどホールド容量の素子数も増えるため影響が大きくなるという問題があった。
【0023】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光電変換手段と、この光電変換手段によって形成された信号電荷を垂直信号線に伝送するスイッチ手段とからなる光電変換素子を備え、前記垂直信号線がインピーダンス変換手段の入力端子に接続され、該インピーダンス変換手段の出力端子がクランプ手段及び直列に接続された第1のスイッチ手段を経て共通水平信号線に接続され、前記光電変換手段において形成された信号電荷に応じた信号電圧を前記垂直信号線、前記インピーダンス変換手段、前記クランプ手段、前記第1のスイッチ手段を順次経て前記共通水平信号線に伝送する固体撮像装置において、前記水平信号線を差動増幅器の負極入力端子と、一端が該差動増幅器の出力端子に接続されている帰還容量の他端とに接続し、該差動増幅器の正極入力端子には基準電圧を印加し、前記インピーダンス変換手段の出力端子に、前記光電変換手段で発生した信号電荷、もしくは該光電変換手段がリセット状態にある時に応じた電圧が発生し、前記クランプ手段の一端に該電圧が印加されている時に、該クランプ手段の他端に第2のスイッチ手段を介して前記基準電圧を印加することで、前記クランプ手段の両端子間の電圧に応じた電荷を該クランプ手段で保持し、前記インピーダンス変換手段の出力端子に、前記光電変換手段がリセット状態にある時、もしくは前記光電変換手段で発生した信号電荷に応じた電圧が発生し、前記クランプ手段の一端に該電圧が印加されている時に前記第1のスイッチ手段をONすることで、前記光電変換手段で発生した信号電荷に応じた電圧と、該光電変換手段がリセット状態にある時に応じた電圧との差電圧に応じた電荷を、前記帰還容量に転送し、前記差動増幅器の出力端子から前記差電圧に応じた電圧を出力することを特徴とする。
【0024】
また、本発明は、光電変換手段と、この光電変換手段によって形成された信号電荷を信号電圧に変換して増幅する増幅手段からなる増幅型光電変換素子を備え、この増幅型光電変換素子を垂直信号線に接続し、この垂直信号線をクランプ手段と第1のスイッチ手段を介して共通水平信号線に接続し、増幅型光電変換素子の信号電圧を前記垂直信号線、前記クランプ手段、前記第1のスイッチ手段を順次経て前記共通水平信号線に伝送する増幅型固体撮像装置において、前記共通水平信号線を差動増幅器の負極入力端子と、一端が該差動増幅器の出力端子に接続されている帰還容量の他端とに接続し、該差動増幅器の正極入力端子には基準電圧を印加し、前記垂直信号線に、前記増幅型光電変換素子の信号電圧、もしくは該増幅型光電変換素子がリセット状態にある時の電圧を印加し、前記クランプ手段の一端に該電圧が印加されている時に、該クランプ手段の他端に第2のスイッチ手段を介して前記基準電圧を印加することで該クランプ手段の両端子間の電圧に応じた電荷を該クランプ手段で保持し、前記垂直信号線に、前記増幅型光電変換素子がリセット状態にある時の電圧が、もしくは該増幅型光電変換素子の信号電圧が発生し、前記クランプ手段の一端に該電圧が印加されている時、前記第1のスイッチ手段をONすることで、前記増幅型光電変換素子の信号電圧と、該増幅型光電変換素子がリセット状態にある時の電圧との差電圧に応じた電荷を、前記帰還容量に転送し、前記差動増幅器の出力端子から前記差電圧に応じた電圧を出力することを特徴とする。
【0025】
また、本発明は、光電変換手段と、この光電変換手段によって形成された信号電荷を信号電圧に変換して増幅する増幅手段からなる増幅型光電変換素子を備え、この増幅型光電変換素子を垂直信号線に接続し、この垂直信号線をクランプ手段、第1のスイッチ手段を順次介して水平信号線に接続し、増幅型光電変換素子の信号電圧を前記垂直信号線、前記クランプ手段、前記第1のスイッチ手段を順次経て前記水平信号線に伝送する増幅型固体撮像装置において、前記水平信号線を差動増幅器の負極入力端子と、一端が第2のスイッチと第3のスイッチに接続された帰還容量の他端と、一端が該差動増幅器の出力端子に接続された第4のスイッチの他端とに接続し、前記第2のスイッチのもう一端は該差動増幅器の出力端子接続し、前記第3のスイッチのもう一端には基準電圧源に接続し、前記差動増幅器の正極入力端子に前記基準電圧源を接続し、前記垂直信号線に前記増幅型光電変換素子の信号電圧が、もしくは該増幅型光電変換素子がリセット状態にある時の電圧が発生し、前記クランプ手段の一端に該電圧が印加されている時に、該クランプ手段の他端に、前記第1のスイッチと第3のスイッチと第4のスイッチをONし、前記第2のスイッチはOFFすることで前記差動増幅器を電圧フォロワーの構成となるようにし、前記基準電圧源の電圧と前記差動増幅器の入力換算されたオフセット電圧を印加し、前記帰還容量の端子間に前記差動増幅器の入力換算オフセット電圧が印加されるようにし、前記垂直信号線に、前記増幅型光電変換素子がリセット状態にある時の電圧が、もしくは該増幅型光電変換素子の信号電圧が発生し、前記クランプ手段の一端にその電圧が印加されている時、前記第1のスイッチと前記第2のスイッチをONし、前記第3のスイッチと前記第4のスイッチをOFFすることで、前記増幅型光電変換素子の信号電圧と、該増幅型光電変換素子がリセット状態にある時の電圧の差電圧に応じた電荷を前記帰還容量に転送し、前記差動増幅器の出力端子から前記差電圧に応じた電圧を出力し、該差動増幅器の前記入力換算オフセット電圧をキャンセルすることを特徴とする。
【0029】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【0030】
(第1の実施形態)
(1)構成の説明
図1は本発明に係る第1の実施形態を示す固体撮像装置のブロック回路図であり、MOSセンサを用いた固体撮像装置の概略構成を示す平面図である。ここでは簡略化のためにセンサーセルが3行3列に2次元に配置されたものを示している。現実には、640×440画素或いは、2200×1500画素等の高密度・高解像度の固体撮像素子によるセンサーセルが配置される。
【0031】
各センサーセルは、フォトダイオード1(1−1−1,1−1−2,…)、信号転送トランジスタ2(2−1−1,2−1−2,…)、リセットトランジスタ3(3−1−1,3−1−2,…)から構成され、フォトダイオード1で発生する信号電荷は信号転送トランジスタ2を介して垂直信号線8(8−1,8−2,…)に信号電圧として伝えられる。垂直信号線8には、リセットトランジスタ13(13−1,13−2,…)とソースフォロワー回路を形成するトランジスタ14(14−1,14−2,…)のゲートが接続され、トランジスタ14のソースには負荷トランジスタ9(9−1,9−2,…)が接続されている。
【0032】
ソースフォロワー回路を形成するトランジスタ14のソースに現われる信号電圧は、クランプ容量10(10−1,10−2,…)と、水平転送トランジスタ12(12−1,12−2,…)とを介して、共通水平信号線13へと伝えられる。
【0033】
また、増幅器20は差動増幅器であり、非反転入力端子には端子21の電位が印加され、反転入力端子には水平信号線13が接続され、固体撮像素子の受光電荷に応じた信号電荷が逐次読み出され、増幅されて出力端子28に出力される。また、反転入力端子と増幅器20の出力間に帰還容量23が接続され、並列にリセットトランジスタ(リセットスイッチ)24が接続され、リセットトランジスタ24がオンすることで、帰還容量23を放電・リセットする。このリセットトランジスタ24のゲート端子26を“H”レベルにしてリセットする。
【0034】
また、水平シフトレジスタ19からの選択パルスによって水平選択トランジスタ12が順次ONすることによって、各垂直信号線8の電圧がソースフォロワー回路14とクランプ容量10、水平選択トランジスタ12を介して水平信号線13に読み出される。
【0035】
(2)動作の説明
以下、タイミングチャートの図2を交えて、本固体撮像装置の動作について説明する。垂直信号線8は垂直シフトレジスタ5からのライン27を“H”レベルにする(パルス101)ことにより、リセットしておく。選択信号線6−1を“H”レベルにし(パルス102)、フォトダイオード1(1−1−1,1−1−2,1−1−3)に蓄積された信号電荷が信号転送トランジスタ2を通して、垂直信号線8(8−1,8−2,8−3)に読み出され、その電荷量に応じた信号電圧がソースフォロワー回路14(14−1,14−2,14−3)の出力に現われ、クランプ容量10(10−1,10−2,10−3)の一端にも印加される。この読み出し電圧をVS とする。次いで、端子21が“H”レベルになり(パルス103)、クランプ容量10のもう一端に基準電圧(以降、VR と称する)が印加される。したがってクランプ容量10には電荷Q10 として、
Q10=C10×(Vs −VR ) ……(1)
ただし、C10はクランプ容量10の容量値
が蓄えられる。その後、リセット信号線7−1を“H”レベルにし、リセットトランジスタ3(3−1−1,3−1−2,3−1−3)をONさせ(パルス104)、フォトダイオード1(1−1−1,1−1−2,1−1−3)をリセットし、次いで選択信号線6−1をHiレベルにし(パルス105)、フォトダイオード1をリセットした時の電圧が垂直信号線8に読み出され、ソースフォロワー回路14(14−1,14−2,14−3)を介してクランプ容量の一端にフォトダイオード1をリセットした場合の電圧(この電圧をVN とする)が印加される。この時ほぼ同時期に増幅器20の出力と(−)入力端子との間に接続された帰還容量23を、端子26を“H”レベルにし(パルス106)、リセットトランジスタ24をONさせることでリセットしておく。
【0036】
その後、水平レジスタ19からの選択パルス107,109,111によって水平選択トランジスタ12(12−1,12−2,12−3)が順次ONすることによって、各垂直信号線8の電圧がソースフォロワー回路14を介して水平信号線13に読み出される。
【0037】
クランプ容量10の一端に電圧VN が印加され、水平選択スイッチ12がONすると、水平信号線13の電位は増幅器20の負帰還作用により、増幅器20の非反転(+)入力端子に与えられている基準電圧VR に等しい値になるため、クランプ容量10の端子間電圧は(VN −VR )となり、したがって蓄えられる電荷Q10は
Q10=C10×(VN −VR ) ……(2)
となる。水平選択スイッチ12のOFF→ONにおけるクランプ容量10の電荷の変化分ΔQ10 、
ΔQ10=C10×(VS −VR )−C10×(VN −VR )
=C10×(VS − VN ) ……(3)
は、負帰還容量23へ移動し、したがって負帰還容量23の端子間電圧V20は、
V20=C10/C23×(VS − VN ) ……(4)
ここで、C23は負帰還容量23の容量値
になる。負帰還容量23の一端は増幅器20の反転(−)入力端子に接続され、その電位は前述したように基準電圧VR となるので、増幅器20の出力電圧Vou tは、
Vout=VR +C10/C23×(VS −VN ) ……(5)
となる。
【0038】
以上に説明したように、各垂直信号線8毎に設けていたサンプル・ホールド容量を用いる必要がなく、ノイズ除去用のクランプ容量を設けて、最終段の1個の不帰還容量23によって、いわゆるセンサ感度が決定するので、固体撮像装置としてのICにおける占有面積を小さくでき、さらに高密度・高画素とした場合にはこのICの縮小率は大きくなるという効果を奏し得る。
【0039】
したがって、垂直信号線にその一端が接続されたクランプ容量の他端を、第1、第2のスイッチ手段のそれぞれの一端を接続し、第1のスイッチ手段の他端は基準となる電圧源に、第2のスイッチ手段の他端を差動増幅器の(−)入力端子に接続する。差動増幅器20の(+)入力端子は、ノイズ成分の基準電圧が印加され、(−)入力端子と該差動増幅器の出力端子との間には不帰還容量23が接続され、垂直信号線にリセット電圧が現われている時だけ、第1のスイッチ手段をONさせ、クランプ容量10の端子間には(リセット電圧)−(基準電圧)が与えられ、次いで垂直信号線に信号電圧が現われた時に第1のスイッチ手段はOFF、第2のスイッチをONさせることで、差動増幅器の出力端子と(−)入力端子との間に接続された負帰還容量23には(信号電圧)−(リセット電圧)に応じた電荷が蓄えられ、その結果、前記差動増幅器の出力端子には(信号電圧)−(リセット電圧)+(基準電圧)に応じた出力電圧が現われ、ホールド容量は必要とせず、従来例にあったようなホールド容量と水平信号線に付随する寄生容量との間で発生する電荷の分配による、信号電圧ゲインの低下は生じないという効果がある。
【0040】
(第2の実施形態)
図3は本発明に係る第2の実施形態を示すブロック回路図であり、図1と同様、MOSセンサを用いた固体撮像装置の概略構成を示す平面図である。ここでも、簡略化のために、センサーセルが3行3列に2次元に配置されたものを示しているが、より多画素のセンサーの場合も動作は変わらない。
【0041】
各固体撮像素子のセンサーセルは、第1の実施形態と異なり、フォトダイオード1(1−1−1,1−1−2,…)、信号転送トランジスタ2(2−1−1,2−1−2,…)、リセットトランジスタ3(3−1−1,3−1−2,…)、増幅トランジスタ4(4−1−1,4−1−2,…)、選択トランジスタ5(5−1−1,5−1−2,…)から構成され、フォトダイオード1で発生する信号電荷は信号転送トランジスタ2を介して増幅トランジスタ4のゲートに伝えられる。増幅トランジスタ4は負荷トランジスタ9(9−1,9−2,9−3)とともにソースフォロワー回路を形成し、その出力は各垂直信号線8(8−1,8−2,8−3)に接続されているので、増幅トランジスタ4のゲートに伝えられた信号電荷量に応じた電圧が垂直信号線8に現われる。
【0042】
垂直信号線8には、クランプ容量10(10−1,10−2,10−3)の一端が接続され、もう一端には水平転送トランジスタ12(12−1,12−2,12−3)が接続されており、垂直信号線8に現われる電圧はクランプ容量10、水平転送トランジスタ12を介して共通水平信号線13へ伝えられる。
【0043】
以下、タイミングチャート図4を交えて、第2の実施形態について、固体撮像装置におけるブロック回路図の図3の動作をさらに説明する。
【0044】
まず、選択信号線13−1を“H”レベルにする(パルス101)ことによりセル内の選択トランジスタ5(5−1−1,5−1−2,5−1−3)がONし、増幅トランジスタ4(4−1−1,4−1−2,4−1−3)が活性化する。次いで、転送信号線7−1を“H”レベルにし(パルス102)、フォトダイオード1(1−1−1,1−1−2,1−1−3)に蓄積された信号電荷が増幅トランジスタ4のゲートに転送され、その電荷量に応じた信号電圧が垂直信号線8に現われ、同時にクランプ容量10の一端にその電圧が印加される(以降、この電圧をVS とする)。次いで、端子22を“H”レベルにする(パルス103)ことで、リセットトランジスタ11(11−1,11−2,11−3)がONし、前記クランプ容量のもう一端に端子21に与えられている基準電圧VR が印加される。
【0045】
したがって、この時、クランプ容量10の端子間電圧は(VS −VR )になり、よってクランプ容量10に蓄えられる電荷Q10は、
Q10=C10×(VS −VR ) ……(6)
ただし、C10はクランプ容量10の容量値
となる。その後、リセット信号線6−1を“H”レベルにし(パルス104)、リセットトランジスタ3(3−1−1,3−1−2,3−1−3)がONすると、増幅トランジスタ4のゲートはリセット電位になり、その電圧に応じた電圧が垂直信号線8に現われる。以降、これをVN とする。
【0046】
この電圧VN はクランプ容量10の一端にも印加される。この後、増幅器20の出力と反転(−)入力端子との間に接続された帰還容量23を、端子26を“H”レベルにし(パルス105)、リセットトランジスタ24をONさせてリセットしておく。前記のように、クランプ容量10の一端に電圧VN が印加されているところで、水平レジスタによる水平選択パルス106によって水平転送スイッチ12−1がONするが、この時水平信号線14は、増幅器20の反転(−)入力端子に接続されており、増幅器20の負帰還作用により非反転(+)入力端子電圧VR に等しい値になっているため、クランプ容量10の端子間電圧は(VN −VR )となり、したがってその電荷Q10Nは
Q10N=C10×(VN −VR ) ……(7)
となる。この後は、実施形態1の動作と全く同様で、最終的に負帰還容量23の端子間電圧V23 は、
V23 =C10/C23×(VS − VN ) ……(8)
になり、増幅器20の出力電圧は
VOUT =VR +C10/C23×(VS −VN ) ……(9)
となる。
【0047】
以上に説明したように、第1の実施形態と同様に、従来例にあるような各垂直信号線8毎に設けていたサンプル・ホールド容量を用いる必要がなく、ノイズ除去用のクランプ容量を設けて、最終段の1個の不帰還容量23によって、いわゆるセンサ感度が決定するので、固体撮像装置としてのICにおける占有面積を小さくでき、さらに高密度・高画素とした場合にはこのICの縮小率は大きくなるという効果を奏し得る。
【0048】
(第3の実施形態)
図5は本発明に係る第3の実施形態を示す固体撮像装置のブロック回路図であり、図1と同様、MOSセンサを用いた固体撮像装置の概略構成を示す平面図である。ここでも、簡略化のため固体撮像素子からなるセンサーセルが3行3列に2次元的に配置されたものを示しているが、より多画素のセンサーの場合も動作は変わらない。
【0049】
各センサーセルは、第2の実施形態と同様で、フォトダイオード1(1−1−1,1−1−2,…)、信号転送トランジスタ2(2−1−1,2−1−2,…)、リセットトランジスタ3(3−1−1,3−1−2,…)、増幅トランジスタ4(4−1−1,4−1−2,…)、選択トランジスタ5(5−1−1,5−1−2,…)から構成される。フォトダイオード1で発生する信号電荷は信号転送トランジスタ2を介して増幅トランジスタ4のゲートに伝えられる。増幅トランジスタ4は負荷トランジスタ9(9−1,9−2,9−3)とともに、ソースフォロワー回路を形成し、その出力は垂直信号線8(8−1,8−2,8−3)に接続されているので、増幅トランジスタ4のゲートに伝えられた信号電荷量に応じた電圧が、選択トランジスタ5がONした画素から垂直信号線8に伝えられる。
【0050】
垂直信号線8には、クランプ容量10(10−1,10−2,10−3)の一端が接続され、もう一端には水平転送トランジスタ12(12−1,12−2,12−3)が接続されており、垂直信号線8に現われる電圧は、クランプ容量10を介し、ONした水平転送トランジスタ12を経て、共通水平信号線14へ伝えられる。以下、タイミングチャート図6を交えて、第3の実施形態の図5の動作をさらに説明する。
【0051】
まず、垂直レジスタ5からの制御パルスにより、選択信号線13−1を“H”レベルにする(パルス101)ことにより、セル内の選択トランジスタ5(5−1−1,5−1−2,5−1−3)がONし、増幅トランジスタ4(4−1−1,4−1−2,4−1−3)が活性化する。次いで、転送信号線7−1を“H”レベルにし(パルス102)、フォトダイオード1(1−1−1,1−1−2,1−1−3)に蓄積された信号電荷が増幅トランジスタ4のゲートに転送され、その電荷量に応じた信号電圧が垂直信号線8に現われる。以降、この電圧をVS とする。
【0052】
その時、同時に出力アンプ部に相当する差動増幅器20の反転入力端子と出力間のスイッチ端子25と端子23を“H”レベルに(パルス103,104)、端子22を“L”レベルとし、スイッチ15,17はON、スイッチ16をOFFとし、さらに水平レジスタ19の出力をすべて“H”レベルにして(パルス106,107,108)、水平転送スイッチ12(12−1,12−2,12−3)をONすることで、増幅器20はボルテージフォロワーの構成になるので、水平信号線14には増幅器20の出力電圧が現れる。ここで、仮定として、増幅器20はその入力換算でVoff というオフセット電圧を有しているとすると、増幅器20の非反転の正極端子には、端子21から基準電圧VR が印加されており、水平信号線14の電圧は、(VR +Voff )になり、また水平転送スイッチ12は全てONしているので、前記クランプ容量10の一端にその電圧が印加される。またこの時、スイッチ17がONしているので、負帰還容量18の両端子間にVoff という電圧が印加される。
【0053】
したがって、負帰還容量18に蓄積される電荷Q18は
Q18=C18×Voff ……(10)
ただし、増幅器20の負極入力端子側が(+)電荷の極性であり、
C18:容量18の容量値
となる。また、クランプ容量10に蓄積される電荷Q10は
Q10=C10×(VR +Voff −VS ) ……(11)
ただし、水平転送スイッチ側端子が(+)電荷
C10:クランプ容量10の容量値
となる。その後、リセット信号線6−1を“H”レベルにし(パルス109)、リセットトランジスタ3(3−1−1,3−1−2,3−1−3)がONすると、増幅トランジスタ4のゲートはリセット電位になり、その電位に応じた電圧が垂直信号線8に現われる。以降、この電圧をVN とする。この電圧VN はクランプ容量10の一端にも印加される。この時、同時に端子23,25は“L”レベルに、端子22を“H”レベルに(パルス110)することで、スイッチ16がONするので、負帰還容量18の両端子は増幅器の負極入力端子と出力端子に接続される。この後水平レジスタにより水平転送スイッチ12を順次ONさせる(パルス111,112,113)とクランプ容量の一端は水平転送スイッチ12を介して増幅器20の負帰還作用により(VR +Voff )という電圧になるため、クランプ容量10の端子間電圧は(VR +Voff −VN )となり、したがって、その電荷は、
Q10=C10×(VR +Voff −VN ) ……(12)
になるが、このクランプ容量10に蓄えられる電荷の変化分ΔQ10 は、
ΔQ10=C10×(VR +Voff −VS )−C10×(VR +Voff −VN )
=C10×(VN −VS ) ……(12)
は、負帰還容量18に移動することになる。負帰還容量18には、以前から前述したように、
Q18=C18×Voff ……(10)
という電荷がされていたので、結局、負帰還容量18には
Q18=C10×(VN −VS )+C18×Voff ……(13)
ただし、増幅器20の負極入力端子側が(+)電荷の極性である。
という電荷が蓄積される。増幅器20の出力端子の電圧は、負極端子電圧に容量18の端子間電圧を足したものになるので、増幅器20の出力電圧Vout は最終的に
Vout =(VR +Voff )−1/C18{C10×(VN −VS )+C18×Voff }
=VR +C10/C18×(VS −VN ) ……(14)
となる。以上のように、増幅器20の出力には、オフセット電圧Voff がキャンセルされることが解る。また、この第3の実施形態では、第1、第2の実施形態において必要であった、各クランプ容量毎のリセットスイッチを削除できるという利点と、増幅器20のもつ1/fノイズをある程度除去(低周波成分のみ)できるという利点をもっている。またさらに、前記クランプ容量毎に必要であったリセットスイッチを構成するMOSトランジスタのOFFする時に、そのゲート電荷がそのソース/ドレイン端子から放出されることによるホールドステップが、各リセットスイッチMOSトランジスタの製造上のバラツキによって変動する要素もなくしている利点もある。
【0054】
以上に説明したように、第1、第2の実施形態と同様に、各垂直信号線8毎に設けていたサンプル・ホールド容量を用いる必要がなく、ノイズ除去用のクランプ容量を設けて、最終段の1個の不帰還容量23によって、いわゆるセンサ感度が決定するので、固体撮像装置としてのICにおけるノイズ除去手段のための占有面積を小さくでき、さらに高密度・高画素とした場合にはこのICの縮小率は大きくなるという効果を奏し得る。
【0055】
以上説明したように、第1〜第3の実施形態によれば、センサーセルの信号を出力増幅器まで転送する過程で、従来必要としていたサンプル/ホールド容量を不要とし、またホールド容量から共通水平信号線へ信号を転送する際に生じていた信号電圧ゲインの低下をなくし、SN比を大幅に向上させるという効果がある。また本発明の実施形態における増幅器の出力電圧の式
VR +C10/C23×(VS −VN ) ……(15)
から明らかなように、出力電圧に依存する回路定数はC10とC23の比だけであるので、本撮像装置を半導体集積回路で構成すれば、前記出力電圧のバラツキを従来より小さくできるとともに、本固体撮像装置をIC化した場合のノイズ除去手段のための専有面積を小さくできる。
【0056】
【発明の効果】
本発明によれば、固体撮像装置の小型化を図れると共に、信号対ノイズ(S/N)比を大幅に向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による固体撮像装置のブロック回路図である。
【図2】本発明による図1におけるタイミングチャートである。
【図3】本発明の第2の実施形態による固体撮像装置のブロック回路図である。
【図4】本発明の第2の実施形態による図タイミングチャートである。
【図5】本発明の第3の実施形態による固体撮像装置のブロック回路図である。
【図6】本発明の第3の実施形態におけるタイミングチャートである。
【図7】従来例1による固体撮像装置のブロック回路図である。
【図8】従来例1におけるタイミングチャートである。
【図9】従来例2による固体撮像装置のブロック回路図である。
【図10】従来例2におけるタイミングチャートである。
【符号の説明】
1 フォトダイオード
2 増幅トランジスタ
3 リセットスイッチ
4 増幅スイッチ
5 垂直シフトレジスタ
8 垂直出力線
9 リセットスイッチ
10 クランプ容量
11 転送トランジスタ
12 転送トランジスタ
14 水平信号線
15 スイッチ
18 負帰還容量
20 出力アンプ
24 スイッチトランジスタ
28 出力端子
Claims (3)
- 光電変換手段と、この光電変換手段によって形成された信号電荷を垂直信号線に伝送するスイッチ手段とからなる光電変換素子を備え、前記垂直信号線がインピーダンス変換手段の入力端子に接続され、該インピーダンス変換手段の出力端子がクランプ手段及び直列に接続された第1のスイッチ手段を経て共通水平信号線に接続され、前記光電変換手段において形成された信号電荷に応じた信号電圧を前記垂直信号線、前記インピーダンス変換手段、前記クランプ手段、前記第1のスイッチ手段を順次経て前記共通水平信号線に伝送する固体撮像装置において、
前記水平信号線を差動増幅器の負極入力端子と、一端が該差動増幅器の出力端子に接続されている帰還容量の他端とに接続し、該差動増幅器の正極入力端子には基準電圧を印加し、前記インピーダンス変換手段の出力端子に、前記光電変換手段で発生した信号電荷、もしくは該光電変換手段がリセット状態にある時に応じた電圧が発生し、前記クランプ手段の一端に該電圧が印加されている時に、該クランプ手段の他端に第2のスイッチ手段を介して前記基準電圧を印加することで、前記クランプ手段の両端子間の電圧に応じた電荷を該クランプ手段で保持し、前記インピーダンス変換手段の出力端子に、前記光電変換手段がリセット状態にある時、もしくは前記光電変換手段で発生した信号電荷に応じた電圧が発生し、前記クランプ手段の一端に該電圧が印加されている時に前記第1のスイッチ手段をONすることで、前記光電変換手段で発生した信号電荷に応じた電圧と、該光電変換手段がリセット状態にある時に応じた電圧との差電圧に応じた電荷を、前記帰還容量に転送し、前記差動増幅器の出力端子から前記差電圧に応じた電圧を出力することを特徴とする固体撮像装置。 - 光電変換手段と、この光電変換手段によって形成された信号電荷を信号電圧に変換して増幅する増幅手段からなる増幅型光電変換素子を備え、この増幅型光電変換素子を垂直信号線に接続し、この垂直信号線をクランプ手段と第1のスイッチ手段を介して共通水平信号線に接続し、増幅型光電変換素子の信号電圧を前記垂直信号線、前記クランプ手段、前記第1のスイッチ手段を順次経て前記共通水平信号線に伝送する増幅型固体撮像装置において、
前記共通水平信号線を差動増幅器の負極入力端子と、一端が該差動増幅器の出力端子に接続されている帰還容量の他端とに接続し、該差動増幅器の正極入力端子には基準電圧を印加し、前記垂直信号線に、前記増幅型光電変換素子の信号電圧、もしくは該増幅型光電変換素子がリセット状態にある時の電圧を印加し、前記クランプ手段の一端に該電圧が印加されている時に、該クランプ手段の他端に第2のスイッチ手段を介して前記基準電圧を印加することで該クランプ手段の両端子間の電圧に応じた電荷を該クランプ手段で保持し、前記垂直信号線に、前記増幅型光電変換素子がリセット状態にある時の電圧が、もしくは該増幅型光電変換素子の信号電圧が発生し、前記クランプ手段の一端に該電圧が印加されている時、前記第1のスイッチ手段をONすることで、前記増幅型光電変換素子の信号電圧と、該増幅型光電変換素子がリセット状態にある時の電圧との差電圧に応じた電荷を、前記帰還容量に転送し、前記差動増幅器の出力端子から前記差電圧に応じた電圧を出力することを特徴とする増幅型固体撮像装置。 - 光電変換手段と、この光電変換手段によって形成された信号電荷を信号電圧に変換して増幅する増幅手段からなる増幅型光電変換素子を備え、この増幅型光電変換素子を垂直信号線に接続し、この垂直信号線をクランプ手段、第1のスイッチ手段を順次介して水平信号線に接続し、増幅型光電変換素子の信号電圧を前記垂直信号線、前記クランプ手段、前記第1のスイッチ手段を順次経て前記水平信号線に伝送する増幅型固体撮像装置において、
前記水平信号線を差動増幅器の負極入力端子と、一端が第2のスイッチと第3のスイッチに接続された帰還容量の他端と、一端が該差動増幅器の出力端子に接続された第4のスイッチの他端とに接続し、前記第2のスイッチのもう一端は該差動増幅器の出力端子と接続し、前記第3のスイッチのもう一端には基準電圧源に接続し、前記差動増幅器の正極入力端子に前記基準電圧源を接続し、前記垂直信号線に前記増幅型光電変換素子の信号電圧が、もしくは該増幅型光電変換素子がリセット状態にある時の電圧が発生し、前記クランプ手段の一端に該電圧が印加されている時に、該クランプ手段の他端に、前記第1のスイッチと第3のスイッチと第4のスイッチをONし、前記第2のスイッチはOFFすることで前記差動増幅器を電圧フォロワーの構成となるようにし、前記基準電圧源の電圧と前記差動増幅器の入力換算されたオフセット電圧を印加し、前記帰還容量の端子間に前記差動増幅器の入力換算オフセット電圧が印加されるようにし、前記垂直信号線に、前記増幅型光電変換素子がリセット状態にある時の電圧が、もしくは該増幅型光電変換素子の信号電圧が発生し、前記クランプ手段の一端にその電圧が印加されている時、前記第1のスイッチと前記第2のスイッチをONし、前記第3のスイッチと前記第4のスイッチをOFFすることで、前記増幅型光電変換素子の信号電圧と、該増幅型光電変換素子がリセット状態にある時の電圧の差電圧に応じた電荷を前記帰還容量に転送し、前記差動増幅器の出力端子から前記差電圧に応じた電圧を出力し、該差動増幅器の前記入力換算オフセット電圧をキャンセルすることを特徴とする増幅型固体撮像装置。
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