JP4997126B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
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Description
時刻t1において、
Qcl=Ccl(Vrst −Vcl)
Qsh=Csh(Vcl−0) ・・・・・・・・・・・・・(1)
時刻t2において
Qcl′=Ccl〔Vpixout(sig) −Vcdsout(sig) 〕
Qsh′=Csh〔Vcdsout(sig) −0〕 ・・・・・・・(2)
時刻t1,t2における電荷量保存の法則より、次式(3)が得られる。
−Qcl+Qsh=−Qcl′+Qsh′
Vcl−Vcdsout(sig) =Ccl/(Ccl+Csh)・〔Vrst −Vpixout(sig) 〕
ΔVcdsout(sig) =Gcds ・ΔVpixout(sig)
但し、Gcds =Ccl/(Ccl+Csh) ・・・・・・・・・・・(3)
Vrst −Vpixout(sig) ={Vdd−(Vnoise +VGS)}
−{Vdd−(Vnoise +VGS+ΔVpixout(sig) }
=ΔVpixout(sig) ・・・・・・・・・・・・・(4)
時刻t3において
Qsh′=Csh〔Vout(sig)−0〕
Qh ′=Ch 〔Vout(sig)−0〕 ・・・・・・・・・(5)
時刻t2において
Qsh=Csh〔Vcdsout(sig) −0〕
Qh =Ch 〔Vhrs −0〕 ・・・・・・・・・・・・(6)
時刻t2,t3における電荷量保存の法則より、次式(7)が得られる。
Qsh+Qh =Qsh′+Qh ′
Vout(sig)=Csh/(Csh+Ch )・Vcdsout(sig) +Csh/(Csh+Ch )・Vhrs =Gh ・Vcdsout(sig) +Gh ′・Vhrs
=Gh {−Gcds ・ΔVpixout(sig) +Vcl}+Gh ′・Vhrs
∴ Gh ・Vcl+Gh ′・Vhrs −Vout =Gh ・Gcds ・ΔVpixout(sig)
但し、Gh =Csh/(Csh+Ch )
Gh ′=Ch /(Csh+Ch ) ・・・・・・・(7)
ここで、Vcl=Vhrs とすると、
Vhrs −Vout(sig)=Gh ・ΔVcdsout(sig)
ΔVout(sig)=Gh ・ΔVcdsout(sig)
となり、水平信号線104 にはフォトダイオードPDによって発生した信号電荷に応じた水平信号線光信号電圧ΔVout(sig)が出力される。
ΔVpixout(sig) =Vpixoutmin −Vpixoutmin =0 ・・・・・・・・・・(8)
したがって、高輝度光が入射した場所には、あたかも光がまったく入射していないかのように真っ黒な画像ができてしまう。
Vrsterror=Vrst −Vc =−VGS+VGSD−Vhl+Va =−VGS+const
・・・・・・・・・・・・・・(9)
但し、リセットトランジスタMrsによるノイズVnoise の変動は小さく無視できるとし、更に、ここで高輝度光による電圧Vhl,及び電源電圧Vddとクリップ基準電圧Vref の差電圧Va は定数とした。これより次式(10)に示す条件が導き出される。
Vrsterror>0 : 黒沈み防止回路動作せず
Vrsterror<0 : 黒沈み防止回路動作 ・・・・・・・・・(10)
ΔVpixout=Vrst −Vpixout(sig)
=Vdd−(VGS+Vnoise )
−〔Vdd−{VGS+Vnoise +ΔVpixout(sig) }〕
=ΔVpixout(sig) ・・・・・・・・・・(11)
ΔVpixout′=Vc −Vpixout(sig)
=Vref −VGSD
−〔Vdd−{VGS+Vnoise +ΔVpixout(sig) }〕
=(Vdd−Va )−VGSD
−〔Vdd−{VGS+Vnoise +ΔVpixout(sig) }〕
・・・・・・・(12)
そして、その差Verror は、次式(13)で表される。
Verror =ΔVpixout−ΔVpixout′
=Va +VGSD−(VGS+Vnoise )
=VGSD−VGS+Va −Vnoise ・・・・・・・・・・・・・(13)
請求項毎の発明の効果を述べると、請求項1に係る発明によれば、第2の画素のリセット手段により供給される第2の電位に対応した画素信号を用いて、第1の画素のリセット動作時における同一の信号出力線の電圧レベルを設定するので、新たな黒沈み抑圧用の回路を設けることなく、相関二重サンプリング回路がノイズ信号を抑圧する際に生じていた黒沈みを抑圧することが可能な固体撮像装置を提供できる。請求項2に係る発明によれば、第2の画素を、前記第1の画素の近傍に位置する画素としているので、黒沈み防止のためのクリップ電圧を生成する画素の閾値電圧依存性を抑圧することができる。請求項3に係る発明によれば、第1の画素のリセット動作時における信号出力線への出力レベルが第2の電位のレベルにより設定されるレベルを下回るときは第2の電位のレベルにより設定されるレベルに出力が固定されるため、黒沈みの抑圧をすることができる。請求項4に係る発明によれば、第2の画素が第1の画素の位置に応じて順次変更されるので、効果的に黒沈みの抑圧をすることができる。請求項5に係る発明によれば、リセットラインを、行単位で電位を変更可能とし、第1の画素と第2の画素の設定に応じて、各々の画素が接続された各リセットラインの電位を可変して設定するので、黒沈みの抑圧に適した電位を信号出力線に設定することが可能となる。請求項6に係る発明によれば、第1の画素への前記第1の電位の印加終了タイミングよりも、第2の画素への第2の電位の印加終了タイミングを遅らせるので、黒沈みの抑圧の電位を信号出力線に設定しているタイミングを適切なものとすることが可能となる。請求項7に係る発明によれば、リセットラインに対して単一の電位を可変して供給可能とし、第1の画素と第2の画素に対して、各々異なる電位を印加するタイミングが重ならないようにリセットラインの電位を制御するので、リセットラインに係る構成を簡単化することが可能となる。請求項8に係る発明によれば、第1の画素の転送手段を駆動する前に、第2の画素の前記リセット手段により供給される第3の電位に対応した画素信号を用いて、前記第1の画素の信号電荷に対応した画素信号を出力させるための電圧レベルを前記同一の信号出力線に設定することで、信号出力線へ画素信号を出力する画素を選択するための選択手段を画素内に設けることなく、第2の画素から信号出力線へ画素信号が出力しないようにすることができるので、光電変換手段を大きくすることが可能となる。
(実施例1)
まず、実施例1について説明する。図1は本発明に係る固体撮像装置の実施例1の構成を一部ブロックで示す回路構成図である。図1において、10は画素部で、同じ構成の複数の画素を2次元状に配置して構成されている。画素10(i) ,10(i+1) (iは整数)は垂直方向に隣接して配置されている画素で、同一構成のものなので、代表して画素10(i) について、その内部構成について説明する。画素10(i) は、フォトダイオードPD(i) ,Cfd(i) の静電容量を持つフローティングディフュージョン部FD(i) ,転送トランジスタMtr(i) ,リセットトランジスタMrs(i) ,増幅トランジスタMsf(i) ,選択トランジスタMse(i) から成る。
時刻t1において、
Qcl=Ccl(Vrst(i)−Vcl)
Qsh=Csh(Vcl−0) ・・・・・・・・・・・・・・・・・(14)
時刻t2において
Qcl′=Ccl〔Vpixout(sig)(i)−Vcdsout(sig) 〕
Qsh′=Csh(Vcdsout(sig) −0) ・・・・・・・・・・・(15)
時刻t1,t2における電荷量保存の法則より、次式(16)が得られる。
−Qcl+Qsh=−Qcl′+Qsh′
Vcl−Vcdsout(sig) =Ccl/(Ccl+Csh)・〔Vrst(i)−Vpixout(sig)(i)〕
ΔVcdsout(sig)(i)=Gcds ・ΔVpixout(sig)(i)
但し、Gcds =Ccl/(Ccl+Csh) ・・・・・・・・・・・(16)
Vrst(i)−Vpixout(sig)(i)
=〔Vdd−{Vnoise(i)+VGS(i) }〕
−〔Vdd−{Vnoise(i)+VGS(i) +ΔVpixout(sig)(i)}〕
=ΔVpixout(sig)(i) ・ ・・・・・・・・・・・・・・・(17)
Vrsterror(i) =Vrst(i)−Vc(i+1)
=−VGS(i) +VGS(i+1) −Vhl(i) +Va
・・・・・・・・・・(18)
但し、リセットトランジスタMrs(i) のノイズVnoise(i)は小さく無視できるとし、Va は定数とした。これより次式(19)の条件が導き出される。
Vrsterror(i) >0 : 黒沈み防止クリップ電圧生成動作せず
Vrsterror(i) <0 : 黒沈み防止クリップ電圧生成動作 ・・・・・・・(19)
Vrsterror(i) =−Vhl+Va ・・・・・・・・・・・・・(20)
したがって、式(20)から、本発明の実施例1では、黒沈み防止クリップ電圧生成動作の有無は、各画素の増幅トランジスタMsfのゲート・ソース間電圧VGSに依存しないことがわかる。
ΔVpixout(i)
=Vrst(i)−Vpixout(sig)(i)
=Vdd−{VGS(i) +Vnoise(i)}
−〔Vdd−{VGS(i) +Vnoise(i)+ΔVpixout(sig)(i)}〕
=ΔVpixout(sig)(i) ・・・・・・・・・・・・・・(21)
ΔVpixout(i) ′
=Vc(i+1)−Vpixout(sig)(i)
=(Vdd−Va )−VGS(i+1)
−〔Vdd−{VGS(i) +Vnoise(i)+ΔVpixout(sig)(i)}〕
・・・・・・・・・・(22)
その差は、次式(23)となる。
Verror(i)=ΔVpixout(i) −ΔVpixout(i) ′
=Va +VGS(i+1) −{VGS(i) +Vnoise(i)}
・・・・・・・・・・(23)
したがってCDS回路12を通しても本来の光の信号とは、式(23)のVerror(i)の誤差が発生してしまう。
Verror(i)=Va ・・・・・・・・・・・・・・・・(24)
次に、実施例2について説明する。図5は、実施例2に係る固体撮像装置の一部省略ブロック構成図である。アレイ状に配置された画素10(i) ,10(i+1) ・・・及びCDS回路12の内部の構成などは図1に示した実施例1と同様である。実施例1と異なる点は、実施例1では電源ラインは電圧源回路18から各ライン毎に別個に設けられていたのに対し、実施例2ではアレイ状に配置された画素10(i) ,10(i+1) ・・・の電源ラインが全て同一の電源ラインに繋がれている。更に電源電圧は一定ではなく、電源パルスφVddとして、リセット参照電圧Vddr 及びクリップ参照電圧Vddc にパルス的に変化できるようになっている。
次に、実施例3について説明する。図7は、実施例3に係る固体撮像装置の一部省略回路構成図である。この実施例は、アレイ状に配列された画素において、選択トランジスタMse(i) ,Mse(i+1) ,・・・が存在していない以外は、実施例1の構成と同じであり、3トランジスタ型の画素となっている点だけが異なる。電源パルスφVdd(i) ,φVdd(i+1) ,φVdd(k) はそれぞれ独立に電圧を変えることができる(但し、iは整数、kはi,i+1以外の整数)。
11 垂直信号線
12 CDS回路
13 水平信号線
14 アンプ
15 制御信号発生回路
16 垂直走査回路
17 水平走査回路
18 電圧源回路
Claims (8)
- 入射光を信号電荷に変換する光電変換手段、前記信号電荷を蓄積する蓄積部、前記蓄積部に前記信号電荷を転送する転送手段、前記蓄積部に蓄積された前記信号電荷を増幅して画素信号として信号出力線に出力する増幅手段、及びリセットラインに保持された電位を前記蓄積部に供給して該蓄積部をリセットするリセット手段を有する画素が複数、行列状に2次元に配列された画素部と、
前記信号出力線の一端に接続され、前記信号出力線に出力された前記画素信号に含まれる、前記リセット手段によるリセット動作に伴うノイズ信号を抑圧する相関二重サンプリング回路と、
同一の前記信号出力線に接続された第1の前記画素と第2の前記画素の内、前記リセット手段により供給される第1の電位に対応した前記画素信号の出力を得るリセット動作の対象となる画素を前記第1の画素としたとき、前記第2の画素の前記リセット手段により供給される第2の電位に対応した画素信号を用いて、前記リセット動作時における前記同一の信号出力線の電圧レベルを設定する制御手段とを有する固体撮像装置。 - 前記第2の画素は、前記第1の画素の近傍に位置する画素であることを特徴とする請求項1に係る固体撮像装置。
- 前記制御手段は、前記第2の電位を前記第1の電位より低いレベルに設定することを特徴とする請求項1に係る固体撮像装置。
- 前記制御手段は、前記第2の画素を、前記第1の画素の位置に応じて順次変更することを特徴とする請求項1に係る固体撮像装置。
- 前記リセットラインは、行単位で電位を変更可能であり、前記制御手段は、前記第1の画素と前記第2の画素の設定に応じて、各々の画素が接続された各リセットラインの電位を可変して設定することを特徴とする請求項1に係る固体撮像装置。
- 前記制御手段は、前記第1の画素への前記第1の電位の印加終了タイミングよりも、前記第2の画素への前記第2の電位の印加終了タイミングを遅らせることを特徴とする請求項1に係る固体撮像装置。
- 前記リセットラインは、全画素に対して単一の電位を可変して供給可能であり、前記制御手段は、前記第1の画素と前記第2の画素に対して、各々異なる電位を印加するタイミングが重ならないように前記リセットラインの電位を制御することを特徴とする請求項1に係る固体撮像装置。
- 前記制御手段は、前記第1の画素の転送手段を駆動する前に、前記第2の画素の前記リセット手段により供給される第3の電位に対応した画素信号を用いて、前記第1の画素の信号電荷に対応した画素信号を出力させるための電圧レベルを前記同一の信号出力線に設定することを特徴とする請求項1に係る固体撮像装置。
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