JP5311954B2 - 固体撮像装置の駆動方法 - Google Patents
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Description
図1は本発明の第1の実施例にかかる固体撮像装置の構成例である。1はM行×N列の画素アレイ、2は画素アレイ1を構成する、光電変換処理を行う画素であり、画素2−M−NはM行N列の画素を示している。各画素出力は列毎に共通の出力線(以後共通出力線と呼ぶ)を用いており、電流源3−1〜3−Nにより各共通出力線に電流が供給されている。4−1〜4−(N/L)は各列毎に出力される画素の入射光量に応じた振幅を持つ光信号(以後S信号と呼ぶ)と、画素のリセット信号(以後N信号と呼ぶ)の差分演算増幅することが可能な、複数列ごと(L列ごと)に共有されているクランプ手段である。1〜L列目がクランプ手段4−1を共有し、L+1〜2L列目がクランプ手段4−2を、・・・、N−L+1〜N列目がクランプ手段4−(N/L)を共有しており、クランプ手段4の合計数はN/L個である。
時刻t0において、φRES=Highであり、FD部23はリセット電圧VRESに固定されたリセット状態にある。φCRパルスがHighに立ち上がり、スイッチ15が導通することによって、差動増幅回路13の反転入力端子と出力端子が短絡される。差動増幅回路13は1倍ゲインモードとなり、正転入力端子と反転入力端子は仮想接地となり、反転入力端子の電圧は基準電圧VREFとなる。なお、ここでは差動増幅回路が持つオフセットは無視して説明する。またこの1倍ゲインモードはクランプ動作を行なう際の基準レベルを出力するモードとしても用いられる。
φTXパルスがHighに立ち上がり、光電変換素子21に蓄積された信号電荷がFD部23に転送され、FD部23の容量値にしたがって電圧信号に変換される。画素リセット時と同様この電圧からVGSだけシフトした電圧が、共通出力線に画素光信号(VS)として出力される。この時、クランプ容量11の出力ノードはフローティングであるため、クランプ容量11の出力ノードはVREF−△VSとなる。ここで△VS=VN−VSとする。その後φTXパルスが立ち下がる。
φTXパルスの立ち下がり後、SW−1に供給される駆動パルスがHighに立ち上がると、差動増幅回路13は増幅モードとなっているため、振幅△VSに増幅ゲインGが掛けられたG・△VSの振幅が差動増幅回路13より出力される。以後同様にSW−2・・・SW−Lと順次動作を繰り返し、各列から出力された画素信号を増幅して出力していく。つまり、サンプル容量を選択する選択動作において、各選択スイッチに導通パルスを順次供給することで、選択されたクランプ容量から信号を順次読み出している。
この期間を総称してS読み出し期間と呼ぶ。
φRESパルスとφTXパルスとがHighに立ち上がり、FD部23と光電変換素子21がリセットされる。続いてφTXパルスがLowに立ち下がり、光電変換素子21において蓄積が開始される。
図5は本発明の第2の実施例の固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。構成、制御信号等は第1の実施例と同様であるので、説明を省略する。異なるのはNクランプ期間中の選択信号の動作だけである。時刻t1までの動作は同じである。φCRパルスがHighに立ち上がった後、全てのSW−1〜Lに供給する駆動パルスが同時に立ち上がる。次にSW−1に供給される駆動パルスがLowに立ち下がり、クランプ容量11−1に画素リセット信号がホールドされる。以後同様にSW−2・・・SW−Lに供給される駆動パルスが順次立ち下がり、各クランプ容量にそれぞれの列の画素リセット信号(VN)がクランプされる。つまり、クランプ動作期間中に選択スイッチに供給される導通パルスは、全ての選択スイッチに対して同時に立ち上げ、選択スイッチごとに順次立ち下げる。
図7に本発明の第3の実施例の固体撮像装置の構成例を示す。第1の実施例の図1と共通の構成については、同一の番号を付してその説明を省略する。101はM行×N列の画素アレイであり、図1の画素アレイ1と異なり、各画素に対応して出力線が設けられており、それぞれの出力線に個別に電流源3−1−1〜3−N−Mが設けられている。104−1〜Nはクランプ手段であり、図1のクランプ手段4とは異なり、M行分の画素からの出力線で共有されており、M行×N列の固体撮像装置では、N個のクランプ手段を持つ。クランプ手段104の内部構成は図1に示したものと同じである。異なるのはクランプ容量11及び選択スイッチ12の個数がL個ではなく、画素アレイの行数と同じM個である点である。したがって選択信号群107の本数もL本ではなく、M本となり、行数と同じ数となる。このような構成は、複数の異なる分光特性を持つカラーラインセンサにおいて用いられる場合がある。カラーラインセンサは、複数行の画素を持つが、1行ずつ読み出すエリアセンサと異なる点として、全画素から同時かつ一括で読み出し可能な点である。
本発明の第4の実施例の固体撮像装置の構成例を図9に示す。図1と共通の構成については、同一の番号を付して説明を省略する。図9において、図1と異なるのは駆動配線群207の本数とクランプ手段4−1〜4−Nへの接続関係である。駆動配線の本数は図1のL本から2L本となっている。また、画素アレイ1を2つの領域に分け、一方の領域の列が接続されているクランプ手段4には駆動配線SW−1〜Lが、他方の領域の列が接続されているクランプ手段4には駆動配線SW2−1〜Lが接続されている。上記画素アレイの領域分けは画素アレイの中心で左右に分割しても良いし、1列ごと交互に領域分けをしても構わない。また本構成例では2分割しているが、任意の数で分割しても構わない。この場合、駆動配線の本数も任意の分割数の倍数となる。ここでは、左右で2分割し、左半分を第1群、右半分を第2群として説明する。
Nクランプ期間中に同時動作する駆動配線の組はSW−1とSW2−1、SW−2とSW2−2、・・・SW−LとSW2−Lとなる。このように構成することで、1つの基準レベル供給手段10に着目した場合、同時にON/OFF動作する選択スイッチ12は1つとなる。第3の実施例において、Nクランプ期間中に同時動作する駆動配線の組を作った場合、1つのクランプ手段4において同時にON/OFF動作する選択スイッチが複数個となる。このため、FPNが大きくなる場合があるが、本実施例のように異なる群の選択スイッチを同時に駆動することで、このような弊害を抑制することができる。
次にS読み出し期間について説明する。第3の実施例までは、クランプ手段からの出力までの動作説明であった。本実施例ではその後の動作も含めて説明するため、各クランプ手段11から差動増幅回路13を介してメモリ手段210−1〜210−Nへの書き込みまでを垂直転送期間とする。そして、メモリ手段210−1〜210−Nから水平出力線213を介して出力回路215からの出力までは水平転送期間、に分けて説明する。時刻t22〜t23の電荷転送期間については第3の実施例までと同じ動作であるため、説明を省略する。
SW−1に供給される駆動パルスがHighに立ち上がることで、第1群の各クランプ手段4のクランプ容量11−1に保持された画素信号が差動増幅回路13から出力される。同時にφCT1に供給されるパルスをHighに立ち上げておくことで、差動増幅回路13の出力信号が第1群のメモリ手段210−1に書き込まれる。次にSW−1とφCT1に供給されるパルスをLowに立ち下げることで、メモリ手段210−1の保持値が確定される。ここでφCT1とSW−1に供給されるパルスの立ち上がりの時間的前後関係は任意であって構わない。また両パルスの立ち下りの関係に関しては、任意であっても良い。しかし選択スイッチ12−1のON/OFF動作の電位変動が出力信号に与える影響を考慮に入れるのであれば、φCT1に供給されるパルスがSW−12供給されるパルスより後で立ち下がる方が望ましい。以降、他のサンプル信号とφCT1或いはφCT2に供給されるパルスの立ち上がり、立ち下がりの時間的関係についても同様である。
SW−(L+1)及びφCT2がON/OFF動作することで、第2群のクランプ容量11−1の信号値がメモリ手段210−1に書き込まれる。同じ期間に第1群のシフトレジスタ212からのシフトクロックに応じて、第1群のメモリ手段210−1から水平出力線に信号が読み出され、出力回路215を介して出力される。ここで図10においてシフトクロックはφSRとして表現されている。
SW−2及びφCT1がON/OFF動作することで、第1群のクランプ容量11−2の信号値がメモリ手段210−2に書き込まれる。また第2群のシフトレジスタのシフトクロックに応じて、第2群のメモリ手段210−2に保持された信号が読み出される。ここで第1群の最後のシフトクロックと第2群のシフトクロックの間隔をあけないよう制御する。以後、時刻t27以降においても、垂直転送と水平転送を同時に行うことで全画素の信号が読み出される。
図11は、第1の実施例から第4の実施例のすべてにおいて、図2の回路と置き換えることのできる画素の別の構成例を示したものである。図2と異なるのは転送スイッチ22が無い点である。光電変換素子21で発生した電荷は、光電変換素子21とリセットスイッチ24と画素SF25と配線から決まる寄生容量にしたがって電圧に変換され、画素SF25を介して出力線から出力される。ここでは一例として図1で示した第1の実施例に適用した場合について説明する。他の実施例についての説明はここでは省略する。本実施例における固体撮像装置の駆動方法を、図12に示したタイミングチャートを用いて説明する。
時刻t10において、φCRに供給されるパルスがHighに立ち上がり、差動増幅回路13は1倍ゲインモードとなり、反転入力端子の電圧は基準電圧VREFとなる。
時刻t12において、φRESに供給されるパルスがHighに立ち上がり、光電変換素子21はリセットされる。各列において画素SF25と共通出力線を介して、画素リセット信号(VN)が各クランプ容量11の入力ノードに供給される。この時、クランプ容量11の出力ノードはフローティングであるため、クランプ容量11の出力ノードはVREF−△VNとなる。ここで△VN=VS−VNとする。
4 クランプ手段
7 駆動配線群
10 基準レベル供給手段
11 クランプ容量
12 選択スイッチ
13 差動増幅回路
14 フィードバック容量
104 クランプ手段
Claims (6)
- 画素の出力ノードからの信号が入力ノードへ供給される、複数の信号保持手段と、
各々が、各信号保持手段に対応して設けられ、前記信号保持手段に保持された信号を転送する、複数の選択手段と、
所定数の前記信号保持手段ごとに設けられ、前記選択手段を介して前記信号保持手段の出力ノードに基準レベルを供給する、複数の基準レベル供給手段と、を有する固体撮像装置の駆動方法であって、
前記複数の選択手段の各々はトランジスタを有し、
前記基準レベル供給手段から前記トランジスタを介して、前記信号保持手段の出力ノードに前記基準レベルが供給されている期間中に、前記画素からの信号を前記信号保持手段にサンプル及びホールドするクランプ動作において、前記トランジスタに供給する導通パルスの立ち下げを、前記トランジスタごともしくは複数の前記トランジスタごとに、複数回に分けて順次行い、
前記選択手段により、前記信号保持手段を選択する選択動作において、各前記トランジスタに導通パルスを順次供給することで、選択された前記信号保持手段から信号を順次読み出すことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。 - 前記クランプ動作期間中に前記トランジスタに供給される駆動パルスは、
全ての前記トランジスタに対して同時に立ち上げられ、前記トランジスタごともしくは複数のトランジスタごとに順次立ち下げられることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置の駆動方法。 - 前記基準レベル供給手段は増幅回路により構成され、
前記増幅回路は、
反転入力端子と、正転入力端子と、出力端子とを有する差動増幅回路であり、前記反転入力端子に前記選択手段を介して前記信号保持手段からの信号が供給され、前記正転入力端子に基準電圧が供給されており、前記反転入力端子と前記出力端子との間にフィードバック経路が構成されており、
前記フィードバック経路を介して前記出力端子からの信号を前記反転入力端子に供給した状態で、前記トランジスタを導通させることにより、前記信号保持手段において前記画素からの信号のクランプ動作を行なうことを特徴とする請求項1又は2のいずれかに記載の固体撮像装置の駆動方法。 - 前記増幅回路は、
前記クランプ動作を行なう際の基準レベルを出力するモードと、
前記信号保持手段を入力容量とし、前記信号保持手段の容量値と、前記フィードバック経路と並列に設けられた電気経路に配されたフィードバック容量の容量値との比で増幅率が決定される増幅モードと、を切り替えて動作することを特徴とする請求項3に記載の固体撮像装置の駆動方法。 - 前記クランプ動作期間中に、前記画素から出力される信号はリセット信号であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
- 前記クランプ動作の後に、前記画素から入射光に応じた信号が、前記信号保持手段の入力ノードに供給されることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
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