CN101569177B - 固体摄像装置 - Google Patents

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Abstract

固体摄像装置(1)具有光电二极管(PD1～PDN)、电荷电压变换电路(101～10N)、前保持电路(201～20N)、跨阻放大器(30)、峰值保持电路(50)以及后保持电路(60)。电荷电压变换电路(10n)输入在光电二极管(PDn)中产生的电荷并输出与该输入电荷量相应的电压值。前保持电路(20n)保持来自于电荷电压变换电路(10n)的输出电压值并将其作为电流输出。跨阻放大器(30)将从前保持电路(201～20N)依次输出的电压值作为电流输入，并输出利用跨阻将对应于从基准电压值到该输入电压值的变化量而流通的电流进行变换所得到的电压值。峰值保持电路(50)将来自于跨阻放大器(30)的输出电压值中的峰值电压值保持并输出。

Description

固体摄像装置
技术领域
本发明涉及包含光电二极管的固体摄像装置，其中光电二极管产生与入射光量相应的量的电荷。
背景技术
作为以CMOS技术为基础的固体摄像装置，已知有具有光电二极管、电荷电压变换电路、保持电路以及读出电路的装置(参照专利文献1)。在该固体摄像装置中，在光电二极管中产生与向该光电二极管入射的光的量相对应的量的电荷，从电荷电压变换电路输出与该电荷量相应的电压值，从该电荷电压电路被输出的该电压值被保持电路保持。对多组光电二极管、电荷电压变换电路以及保持电路设置一个读出电路，从各组保持电路依次输出的电压值经由读出电路而被读出。
读出电路一般包含放大器、电容器以及开关。电容器以及开关相互并联，并被连接在放大器的输入端子与输出端子之间。在读出电路中，在读出从各组保持电路依次输出的电压值时，通过只在一定的期间内关闭开关而使电容器放电，此后在开关打开的期间内，与从某一组保持电路输出的电压值相应的量的电荷被蓄积在电容器中，与该蓄积电荷量相应的电压值被输出。每当读出从各组保持电路依次输出的电压值时，就进行这样的读出电路的动作。
专利文献1：日本特开平7-239994号公报
发明内容
发明要解决的问题
如上所述的固体摄像装置，虽然可以通过读出电路高精度地读出从各组保持电路依次输出的电压值，但在高速读出方面存在极限。即、在读出电路中，每当读出从各组保持电路依次输出的电压值时，就需要开关只在一定的期间内关闭。此外，由于在读出电路的输入端子上连接有大容量的电容器，因此从保持电路所输出的电压值被输入读出电路开始到读出电路的输出电压值稳定为止需要很长时间。由于这些原因，通过读出电路高速读出从各组保持电路依次输出的电压值存在极限。
本发明正是为了解决上述问题，目的在于提供可以高精度且高速读出与向光电二极管入射的光的量相应的电压值的固体摄像装置。
解决问题的手段
第1固体摄像装置的特征在于，具有：(1)光电二极管，产生与入射光的量相应的量的电荷、(2)电荷电压变换电路，输入由光电二极管产生的电荷并输出与该输入电荷量相应的电压值、(3)前保持电路(pre-hold circuits)，输入从电荷电压变换电路输出的电压值并保持，将该保持的电压值作为电流而输出、(4)跨阻放大器，将被前保持电路保持并输出的电压值作为电流输入，并输出利用跨阻将对应于从基准电压值到该输入电压值的变化量而流通的电流进行变换所得到的电压值、(5)峰值保持电路，输入从跨阻放大器输出的电压值，保持该输入电压值中的峰值电压值，并输出与该保持的峰值电压值相应的电压值。
在该第1固体摄像装置中，从电荷电压变换电路输出与在光电二极管产生的电荷的量相应的电压值。从电荷电压变换电路输出的该电压值被前保持电路保持，并从前保持电路输出该被保持的电压值。被前保持电路保持并输出的电压值作为电流被输入跨阻放大器，从跨阻放大器输出利用跨阻将对应于从基准电压值到该输入电压值的变化量而流通的电流进行变换所得到的电压值。于是，从跨阻放大器输出的电压值被输入峰值保持电路，通过峰值保持电路，该输入电压值中的峰值电压值被保持，并输出与该被保持的峰值电压值相应的电压值。
第2固体摄像装置的特征在于，具有：(1)光电二极管，产生与入射光的量相应的量的电荷、(2)电荷电压变换电路，输入由光电二极管产生的电荷并输出与该输入电荷量相应的电压值、(3)第1前保持电路，在第1时间点输入从电荷电压变换电路输出的电压值并保持，将该保持的电压值作为电流而输出、(4)第2前保持电路，在与第1时间点不同的第2时间点输入从电荷电压变换电路输出的电压值并保持，与第1前保持电路同时将该保持的电压值作为电流而输出、(5)第1跨阻放大器，将被第1前保持电路保持并输出的电压值作为电流输入，并输出利用跨阻将对应于从基准电压值到该输入电压值的变化量而流通的电流进行变换所得到的电压值、(6)第2跨阻放大器，将被第2前保持电路保持并输出的电压值作为电流输入，并输出利用跨阻将对应于从基准电压值到该输入电压值的变化量而流通的电流进行变换所得到的电压值、(7)减法电路，输入分别从第1跨阻放大器以及第2跨阻放大器输出的电压值，并输出与这两个输入的电压值的差相应的电压值、(8)峰值保持电路，输入从减法电路输出的电压值，保持该输入电压值中的峰值电压值，并输出与该保持的峰值电压值相应的电压值。
在该第2固体摄像装置中，从电荷电压变换电路输出与在光电二极管产生的电荷的量相应的电压值。在第1时间点从电荷电压变换电路输出的电压值(例如信号成分+暗成分)被第1前保持电路保持，该被保持的电压值作为电流从第1前保持电路被输出。在与第1时间点不同的第2时间点，从电荷电压变换电路输出的电压值(例如暗成分)被第2前保持电路保持，该被保持的电压值作为电流与第1前保持电路同时地从第2前保持电路被输出。被第1前保持电路保持并输出的电压值作为电流被输入第1跨阻放大器，从第1跨阻放大器输出利用跨阻将对应于从基准电压值到该输入电压值的变化量而流通的电流进行变换所得到的电压值。被第2前保持电路保持并输出的电压值作为电流被输入第2跨阻放大器，从第2跨阻放大器输出利用跨阻将对应于从基准电压值到该输入电压值的变化量而流通的电流进行变换所得到的电压值。分别从第1跨阻放大器以及第2跨阻放大器输出的电压值被输入减法电路，从减法电路输出与这两个输入电压值的差相应的电压值。于是，从减法电路输出的电压值被输入峰值保持电路，利用峰值保持电路，该输入电压值中的峰值电压值被保持，且输出与该被保持的峰值电压值相应的电压值。
优选第1或第2固体摄像装置还具备后保持电路，该后保持电路输入从峰值保持电路输出的电压值并保持，并输出该保持的电压值。在这种情况下，从峰值保持电路输出的电压值被后保持电路保持，该被保持的电压值从后保持电路被输出。
如上所述，第1固体摄像装置具有：光电二极管、设置在光电二极管之后的电荷电压变换电路、设置在电荷电压变换电路之后的第1前保持电路、设置在第1前保持电路之后且在输入输出端子之间具有电容器的第1跨阻放大器、以及设置在第1跨阻放大器之后的峰值保持电路。
此外，第2固体摄像装置在第1固体摄像装置的结构之外还具有：在电荷电压变换电路之后与第1前保持电路并列设置的第2前保持电路、设置在第2前保持电路之后且在输入输出端子之间具有电容器的第2跨阻放大器、介于第1跨阻放大器的输出端子以及第2跨阻放大器的输出端子与峰值保持电路之间的减法电路。
发明的效果
利用本发明，可以提供高精度且高速读出与入射于光电二极管的光的量相应的电压值。
附图说明
图1为第1实施方式所涉及的固体摄像装置1的整体结构图。
图2为第1实施方式所涉及的固体摄像装置1的电路图。
图3为说明第1实施方式所涉及的固体摄像装置1的动作的时间图。
图4为第2实施方式所涉及的固体摄像装置2的整体结构图。
图5为第2实施方式所涉及的固体摄像装置2的电路图。
图6为说明第2实施方式所涉及的固体摄像装置2的动作的时间图。
图7为变形例的固体摄像装置中电荷电压变换电路的电路图。
符号的说明
1，2：固体摄像装置；  10：电荷电压变换电路；
20～22：前保持电路；  30～32：跨阻放大器；  40：减法电路；
50：峰值保持电路；  60：后保持电路；  71，72：控制部；
A：放大器；C：电容器；R：电阻器；SW：开关；PD：光电二极管
具体实施方式
以下，参照附图详细说明实施本发明的优选的实施方式。其中，在附图的说明中，对相同的要素赋予相同的符号，省略重复的说明。
(第1实施方式)
首先说明本发明所涉及的固体摄像装置的第1实施方式。图1为第1实施方式所涉及的固体摄像装置1的整体结构图。该图所示的固体摄像装置1具有N个光电二极管PD1～PDN、N个电荷电压变换电路101～10N、N个前保持电路201～20N、跨阻放大器30、峰值保持电路50、后保持电路60、以及控制部71。在此，N为2以上的整数，以下出现的n为1以上N以下的整数。
N个光电二极管PD1～PDN具有相同的结构，被配置为一维阵列状。各光电二极管PDn的阳极端子接地。各光电二极管PDn产生与入射光量相应量的电荷。
N个电荷电压变换电路101～10N具有相同的结构。各电荷电压变换电路10n的输入端子被连接于光电二极管PDn的阴极端子。各电荷电压变换电路10n将在光电二极管PDn产生的电荷输入到输入端子，并将与该输入电荷量相应的电压值从输出端子向前保持电路20n输出。
N个前保持电路201～20N具有相同的结构。各前保持电路20n的输入端子被连接于电荷电压变换电路10n的输出端子。各前保持电路20n将从电荷电压变换电路10n输出的电压值输入到输入端子并保持，并将该保持的电压值作为电流从输出端子向跨阻放大器30输出。
跨阻放大器30的输入端子被连接于N个前保持电路201～20N各自的输出端子。跨阻放大器30将被N个前保持电路201～20N各自保持并依次输出的电压值作为电流输入到输入端子，并从输出端子向峰值保持电路50输出利用跨阻将对应于从基准电压值到该输入电压值的变化量而流通的电流进行变换所得到的电压值。
峰值保持电路50的输入端子被连接于跨阻放大器30的输出端子。峰值保持电路50将从跨阻放大器30输出的电压值输入到输入端子，保持该输入电压值中的峰值电压值，并将与该保持的峰值电压值相应的电压值从输出端子向后保持电路60输出。
后保持电路60的输入端子被连接于峰值保持电路50的输出端子。后保持电路60将从峰值保持电路50输出的电压值输入到输入端子并保持，将该保持的电压值从输出端子向外部输出。
控制部71控制固体摄像装置1的全部动作。特别是，控制部71控制N个电荷电压变换电路101～10N、N个前保持电路201～20N、峰值保持电路50以及后保持电路60各自的动作。
在控制部71的控制之下，该固体摄像装置1进行如下动作。在各个被配置为一维阵列状的N个光电二极管PD1～PDN中，产生与入射光量相应量的电荷。在各光电二极管PDn产生的电荷被输入电荷电压变换电路10n，将与该输入电荷量相应的电压值从电荷电压变换电路10n向前保持电路20n输入。
从各电荷电压变换电路10n输出的电压值被前保持电路20n保持，该被保持的电压值作为电流从前保持电路20n向跨阻放大器30输出。此时，被N个前保持电路201～20N各自保持的电压值作为电流依次向跨阻放大器30输出。
从各前保持电路20n输出的电压值作为电流依次被输入跨阻放大器30，从跨阻放大器30向峰值保持电路50输出利用跨阻将对应于从基准电压值到该输入电压值的变化量而流通的电流进行变换所得到的电压值。从跨阻放大器30输出的电压值被输入到峰值保持电路50，利用该峰值保持电路50保持输入电压值中的峰值电压值，从峰值保持电路50向后保持电路60输出与该被保持的峰值电压值相应的电压值。利用后保持电路60保持从峰值保持电路50输出的电压值，并将该被保持的电压值从后保持电路60向外部输出。
图2为第1实施方式所涉及的固体摄像装置1的电路图。其中在该图中，作为N个光电二极管PD1～PDN的代表显示了第n个光电二极管PDn、作为N个电荷电压变换电路101～10N的代表显示了第n个电荷电压变换电路10n、作为N个前保持电路201～20N的代表显示了第n个前保持电路20n。
各电荷电压变换电路10n包含放大器A1、电容器C1以及开关SW1。基准电压值Vref1被输入放大器A1的非反相输入端子。放大器A1的反相输入端子成为电荷电压变换电路10n的输入端子，并被连接于光电二极管PDn的阴极端子。放大器A1的输出端子成为电荷电压变换电路10n的输出端子。电容器C1以及开关SW1彼此并联，并被连接于放大器A1的反相输入端子与输出端子之间。开关SW1对应于从控制部71输出的复位信号(reset信号)的电平而开闭。对N个电荷电压变换电路101～10N各自的开关SW1共同赋予该复位信号(reset信号)。当开关SW1关闭时，电容器C1放电，从电荷电压变换电路10n向前保持电路20n输出的电压值被初始化。当开关SW1开启时，从光电二极管PDn输入到电荷电压变换电路10n的电荷在电容器C1被蓄积，与该蓄积电荷量相应的电压值从电荷电压变换电路10n向前保持电路20n输出。
各前保持电路20n包含电容器C2、开关SW21以及开关SW22。开关SW21以及开关SW22在前保持电路20n的输入端子和输出端子之间被串联设置。电容器C2的一端被连接在开关SW21与开关SW22的连接点上，电容器C2的另一端接地。开关SW21对应于从控制部71输出的置位信号(set信号)的电平而开闭。对N个前保持电路201～20N各自的开关SW21共同赋予该置位信号(set信号)。开关SW22对应于从控制部71输出的移位(n)信号(shift(n)信号)的电平而开闭。对第n个前保持电路20n的开关SW22个别赋予该移位(n)信号(shift(n)信号)。若将开关SW21从闭合状态转换为开启状态，则在即将转换之前从电荷电压变换电路10n输入到前保持电路20n的电压值在转换之后被电容器C2保持。若关闭开关SW22，则被电容器C2保持的电压值作为电流从前保持电路20n向跨阻放大器30输出。
跨阻放大器30包含放大器A3、电容器C3以及电阻器R3。基准电压值Vref3被输入放大器A3的非反相输入端子。放大器A3的反相输入端子成为跨阻放大器30的输入端子，并被连接于各前保持电路20n的开关SW22。放大器A3的输出端子成为跨阻放大器30的输出端子。电容器C3以及电阻器R3彼此并联，并被连接于放大器A3的反相输入端子与输出端子之间。在被如此构成的跨阻放大器30中，从跨阻放大器30向峰值保持电路50输出利用跨阻将对应于从前保持电路20n输出的电压值的变化量而流通的电流进行变换所得到的电压值。
峰值保持电路50包含放大器A5、开关SW51、开关SW52、电阻器R51、电容器C5、电阻器R52以及场效应晶体管(FET)T5。开关SW51的一端成为峰值保持电路50的输入端子，并被连接于跨阻放大器30的放大器A3的输出端子。开关SW51的另一端与场效应晶体管(FET)T5的源极端子(source terminal)连接。场效应晶体管(FET)T5的源极端子与栅极端子(gate terminal)彼此连接，场效应晶体管(FET)T5起到二极管的作用。放大器A5的非反相输入端子被连接于场效应晶体管(FET)T5的漏极端子(drain terminal)，且基准电压值Vref5经由开关SW52而被输入。电容器C5的一端被连接于放大器A5的非反相输入端子，电容器C5的另一端接地。放大器A5的反相输入端子通过电阻器R51而接地。放大器A5的输出端子成为峰值保持电路50的输出端子。电阻器R52被连接于放大器A5的反相输入端子和输出端子之间。开关SW51对应于从控制部71输出的峰值保持信号(phold信号)的电平而开闭。开关SW52对应于从控制部71输出的非峰值保持信号(nphold信号)的电平而开闭。当开关SW52闭合时，电容器C5被复位，从峰值保持电路50向后保持电路60输出的电压值被初始化。当开关SW52开启时，若闭合开关SW51，则此后从跨阻放大器30向峰值保持电路50输入的电压值中的峰值电压值在电容器C5中被保持，与该被保持的峰值电压值相应的电压值从峰值保持电路50向后保持电路60被输出。
后峰值保持电路60包含放大器A6、电容器C6、以及开关SW6。开关SW6的一端成为后保持电路60的输入端子，并被连接于峰值保持电路50的放大器A5的输出端子。放大器A6的非反相输入端子被连接于开关SW6的另一端。电容器C6的一端被连接于放大器A6的非反相输入端子，电容器C6的另一端接地。放大器A6的反相输入端子被直接连接于放大器A6的输出端子。放大器A6的输出端子成为后保持电路60的输出端子。开关SW6对应于从控制部71输出的保持信号(hold信号)的电平而开闭。若将开关SW6从闭合状态转换为开启状态，则在即将转换之前从峰值保持电路50输入到后保持电路60的电压值在转换之后被后保持电路60保持于电容器C6中，并从后保持电路60向外部输出。
控制部71在规定的时间点产生并输出如下信号：控制各电荷电压变换电路10n的开关SW1的开闭动作的复位信号(reset信号)、控制各前保持电路20n的开关SW21的开闭动作的置位信号(set信号)、控制各前保持电路20n的开关SW22的开闭动作的移位(n)信号(shift(n)信号)、控制峰值保持电路50的开关SW51的开闭动作的峰值保持信号(phold信号)、控制峰值保持电路50的开关SW52的开闭动作的非峰值保持信号(nphold信号)、以及控制后保持电路60的开关SW6的开闭动作的保持信号(hold信号)。
图3为说明第1实施方式所涉及的固体摄像装置1的动作的时间图。在该图中，依次显示了(a)控制各电荷电压变换电路10n的开关SW1的开闭动作的复位信号(reset信号)、(b)控制各前保持电路20n的开关SW21的开闭动作的置位信号(set信号)、(c)控制第1个前保持电路201的开关SW22的开闭动作的移位(1)信号(shift(1)信号)、(d)控制第2个前保持电路202的开关SW22的开闭动作的移位(2)信号(shift(2)信号)、(e)控制第n个前保持电路20n的开关SW22的开闭动作的移位(n)信号(shift(n)信号)、(f)控制第N个前保持电路20N的开关SW22的开闭动作的移位(N)信号(shift(N)信号)、(g)控制峰值保持电路50的开关SW51的开闭动作的峰值保持信号(phold信号)、以及(h)控制后保持电路60的开关SW6的开闭动作的保持信号(hold信号)。其中，控制峰值保持电路50的开关SW52的开闭动作的非峰值保持信号(nphold信号)为控制峰值保持电路50的开关SW51的开闭动作的峰值保持信号(phold信号)的理论上的反转的信号。固体摄像装置1基于从控制部71输出的上述各控制信号，以如下方式动作。
最初，复位信号(reset信号)只在一定期间内处于高电平。在此期间，在各电荷电压变换电路10n中开关SW1闭合，从而使电容器C1放电，从各电荷电压变换电路10n输出的电压值被初始化。在N个电荷电压变换电路101～10N中，在同一时间点进行以上的初始化动作。
在该初始化动作之后，复位信号(reset信号)变为低电平，置位信号(set信号)只在一定期间内处于高电平。在该期间内，在各电荷电压变换电路10n中，开关SW1开启，从光电二极管PDn输入电荷电压变换电路10n的电荷被蓄积在电容器C1中，与该蓄积电荷量相应的电压值从电荷电压变换电路10n向前保持电路20n输出。在N个电荷电压变换电路101～10N中，在同一时间点进行以上的电荷蓄积动作。此外，在各前保持电路20n中，开关SW21闭合，从而来自于电荷电压变换电路10n的输出电压值被外加于电容器C2上。在各前保持电路20n中，若置位信号(set信号)从高电平转换为低电平，则开关SW21从关闭状态转换为开启状态，从而在即将转换之前来自于电荷电压变换电路10n的输出电压值在转换之后被电容器C2保持，在N个前保持电路201～20N中，在同一时间点进行以上的保持动作。
在该电荷蓄积动作以及保持动作之后，进行读出动作。在进行该读出动作时，被N个前保持电路201～20N各自保持的电压值经由跨阻放大器30、峰值保持电路50以及后保持电路60被依次读出。在该读出动作期间，峰值保持信号(phold信号)以一定的周期重复N次，从而只在一定的期间内成为高电平。当峰值保持信号(phold信号)成为高电平时，非峰值保持信号(nphold信号)为低电平。以下，将峰值保持信号(phold信号)成为高电平的N个期间内的第n个期间称为“第n期间”。
在各第n期间中，在前保持电路20n中，移位(n)信号(shift(n)信号)只在一定的期间内成为高电平，从而使开关SW22闭合，被电容器C2保持的电压值作为电流向跨阻放大器30输出。此外，从跨阻放大器30向峰值保持电路50输出利用跨阻将对应于从前保持电路20n输出的电压值的变化量而流通的电流进行变换所得到的电压值。此外，在峰值保持电路50中，从跨阻放大器30输出的电压值中的峰值电压值被保持，将与该被保持的电压值相应的电压值向后保持电路60输出。
此外，在各第n期间中，在后保持电路60中，保持信号(hold信号)只在一定的期间内成为高电平，若保持信号(hold信号)从高电平转换为低电平，则开关SW6从闭合状态转换为开启状态，在即将转换之前从峰值保持电路50输出的电压值在转换之后被保持，并被向外部输出。来自于后保持电路60的输出电压值被维持至下一次保持信号(hold信号)成为高电平的时间点为止。
以如上的方式构成并进行动作的第1实施方式所涉及的固体摄像装置1，可以高精度且高速地读出与入射于各光电二极管PDn的入射光量相应的电压值。即，使光电二极管PDn、电荷电压变换电路10n以及前保持电路20n为一组，设置N组。由此，由于在各光电二极管PDn产生的电荷的量被电荷电压变换电路10n变换为电压值，因此可以高精度且高灵敏度地输出与入射光量相应的电压值。来自于各电荷电压变换电路10n的输出电压值被前保持电路20n保持，此外，由于为了将被前保持电路20n保持并输出的电压值作为电流读出而使用跨阻放大器30，因此N个前保持电路201～20N与跨阻放大器30之间的布线的电位始终保持稳定，抑制了阵列化导致的负载量增大所引起的低速化，因此可以高速读出。由于从跨阻放大器30高速输出的电压信号的峰值电压值被峰值保持电路50保持，因此可以稳定地读出。此外，通过设置将来自于峰值保持电路50的输出电压值保持并输出的后保持电路60，可以从后保持电路60得到稳定的输出电压值，通过在后保持电路60之后设置了A/D变换电路，可以高精度地进行A/D变换。
(第2实施方式)
以下，说明本发明所涉及的固体摄像装置的第2实施方式。图4为第2实施方式所涉及的固体摄像装置2的整体结构图。该图所示的固体摄像装置2具有N个光电二极管PD1～PDN、N个电荷电压变换电路101～10N、N个第1前保持电路211～21N、N个第2前保持电路221～22N、第1跨阻放大器31、第2跨阻放大器32、减法电路40、峰值保持电路50、后保持电路60以及控制部72。在此，N为2以上的整数，以下出现的n为1以上N以下的整数。此外，各区块的前侧构成输入端子，后侧构成输出端子。
与图1所示的第1实施方式所涉及的固体摄像装置1相比，该图4所示的第2实施方式所涉及的固体摄像装置2在以下方面有所不同：替代前保持电路20n而具有第1前保持电路21n以及第2前保持电路22n；替代跨阻放大器30而具有第1跨阻放大器31以及第2跨阻放大器32；还具有减法电路40；以及替代控制部71而具有控制部72。
N个第1前保持电路211～21N以及N个第2前保持电路221～22N具有相同的结构。各第1前保持电路21n以及各第2前保持电路22n的输入端子被连接于电荷电压变换电路10n的输出端子。各第1前保持电路21n在第1时间点将从电荷电压变换电路10n输出的电压值输入到输入端子并保持，将其保持的电压值作为电流从输出端子向跨阻放大器31输出。各第2前保持电路22n在与第1时间点不同的第2时间点将从电荷电压变换电路10n输出的电压值输入到输入端子并保持，将其保持的电压值作为电流从输出端子向跨阻放大器32输出。第1前保持电路21n以及第2前保持电路22n分别将保持的电压值同时输出。
跨阻放大器31以及跨阻放大器32具有相同的结构。跨阻放大器31的输入端子被连接于N个第1前保持电路211～21N各自的输出端子。跨阻放大器31将被N个第1前保持电路211～21N各自保持并依次输出的电压值作为电流输入到输入端子，并从输出端子向减法电路40输出利用跨阻将对应于从基准电压值到该输入电压值的变化量而流通的电流进行变换所得到的电压值。此外，跨阻放大器32的输入端子被连接于N个第2前保持电路221～22N各自的输出端子。跨阻放大器32将被N个第2前保持电路221～22N各自保持并依次输出的电压值作为电流输入到输入端子，并从输出端子向减法电路40输出利用跨阻将对应于从基准电压值到该输入电压值的变化量而流通的电流进行变换所得到的电压值。
减法电路40输入分别从跨阻放大器31以及跨阻放大器32输出的电压值，并将与这两个输入的电压值的差相应的电压值向峰值保持电路50输出。峰值保持电路50的输入端子被连接于减法电路40的输出端子。峰值保持电路50将从减法电路40输出的电压值输入至输入端子，保持该输入电压值中的峰值电压值，并将与其保持的峰值电压值相应的电压值从输出端子向后保持电路60输出。
控制部72控制固体摄像装置2的全部动作。特别是，控制部72控制N个电荷电压变换电路101～10N、N个第1前保持电路211～21N、N个第2前保持电路221～22N、峰值保持电路50以及后保持电路60各自的动作。
在控制部72的控制之下，该固体摄像装置2进行如下动作。在各个被配置为一维阵列状的N个光电二极管PD1～PDN中，产生与入射光量相应量的电荷。在各光电二极管PDn产生的电荷被输入电荷电压变换电路10n，将与该输入电荷量相应的电压值从电荷电压变换电路10n向第1前保持电路21n、第2前保持电路22n输入。
在第1时间点从各电荷电压变换电路10n输出的电压值被第1前保持电路21n保持，该被保持的电压值作为电流从第1前保持电路21n向跨阻放大器31输出。此时，被N个第1前保持电路211～21N各自保持的电压值作为电流依次向跨阻放大器31输出。
在第2时间点从各电荷电压变换电路10n输出的电压值被第2前保持电路22n保持，该被保持的电压值作为电流从第2前保持电路22n向跨阻放大器32输出。此时，被N个第2前保持电路221～22N各自保持的电压值作为电流依次向跨阻放大器32输出。
在此，在第1时间点从各电荷电压变换电路10n输出的电压值为以下两者之和：表示在光电二极管PDn产生的电荷的量的成分(以下称“信号成分”)以及在没有光向PDn入射的情况下的成分(以下称“暗成分”)。而在第2时间点从各电荷电压变换电路10n输出的电压值不包含信号成分，只有暗成分。
从各第1前保持电路21n输出的电压值作为电流依次被输入跨阻放大器31，从跨阻放大器31向减法电路40输出利用跨阻将对应于从基准电压值到该输入电压值的变化量而流通的电流进行变换所得到的电压值。从各第2前保持电路22n输出的电压值作为电流依次被输入跨阻放大器32，从跨阻放大器32向减法电路40输出利用跨阻将对应于从基准电压值到该输入电压值的变化量而流通的电流进行变换所得到的电压值。此时，分别被第1前保持电路21n以及第2前保持电路22n保持的电压值彼此同时被输出到减法电路40中。
分别从跨阻放大器31以及跨阻放大器32输出的电压值被输入减法电路40，从减法电路40向峰值保持电路50输出与这两个输入电压值的差相应的电压值。从减法电路40输出的电压值被输入到峰值保持电路50，利用该峰值保持电路50保持输入电压值中的峰值电压值，从峰值保持电路50向后保持电路60输出与该被保持的峰值电压值相应的电压值。利用后保持电路60保持从峰值保持电路50输出的电压值，并将该被保持的电压值从后保持电路60向外部输出。
图5为第2实施方式所涉及的固体摄像装置2的电路图。其中在该图中，作为N个光电二极管PD1～PDN的代表显示了第n个光电二极管PDn、作为N个电荷电压变换电路101～10N的代表显示了第n个电荷电压变换电路10n、作为N个第1前保持电路211～21N的代表显示了第n个第1前保持电路21n、作为N个第2前保持电路221～22N的代表显示了第n个第2前保持电路22n。
第2实施方式中的电荷电压变换电路10n、峰值保持电路50、后保持电路60分别与图2所示的电路相同。第2实施方式中的跨阻放大器31以及跨阻放大器32与图2所示的跨阻放大器30为相同的电路。第2实施方式中的第1前保持电路21n以及第2前保持电路22n与图2所示的前保持电路20n为相同的电路。在此，各第1前保持电路21n的开关SW21对应于置位1信号(set1信号)的电平而开闭、各第2前保持电路22n的开关SW21对应于置位2信号(set2信号)的电平而开闭。
减法电路40包含放大器A4以及电阻器R41～R44。放大器A4的反相输入端子通过电阻器R41而被连接于跨阻放大器31的输出端子，且通过电阻器R42而被连接于放大器A4的输出端子。放大器A4的非反相输入端子通过电阻器R43而被连接于跨阻放大器32的输出端子，且通过电阻器R44而接地。放大器A4的输出端子成为减法电路40的输出端子。如果电阻器R41和电阻器R43各自的电阻值彼此相等、电阻器R42和电阻器R44各自电阻值彼此相等，则从减法电路40输出与分别从跨阻放大器31以及跨阻放大器32输出的电压值的差相应的电压值。
控制部72在规定的时间点产生并输出如下信号：控制各电荷电压变换电路10n的开关SW1的开闭动作的复位信号(reset信号)、控制各第1前保持电路21n的开关SW21的开闭动作的置位1信号(set1信号)、控制各第2前保持电路22n的开关SW21的开闭动作的置位2信号(set2信号)、控制各第1前保持电路21n和各第2前保持电路22n的开关SW22的开闭动作的移位(n)信号(shift(n)信号)、控制峰值保持电路50的开关SW51的开闭动作的峰值保持信号(phold信号)、控制峰值保持电路50的开关SW52的开闭动作的非峰值保持信号(nphold信号)、以及控制后保持电路60的开关SW6的开闭动作的保持信号(hold信号)。
图6为说明第2实施方式所涉及的固体摄像装置2的动作的时间图。在该图中，依次显示了(a)控制各电荷电压变换电路10n的开关SW1的开闭动作的复位信号(reset信号)、(b)控制各第1前保持电路21n的开关SW21的开闭动作的置位1信号(set1信号)、(c)控制各第2前保持电路22n的开关SW21的开闭动作的置位2信号(set2信号)、(d)控制第1个第1前保持电路211以及第2前保持电路221各自的开关SW22的开闭动作的移位(1)信号(shift(1)信号)、(e)控制第2个第1前保持电路212以及第2前保持电路222各自的开关SW22的开闭动作的移位(2)信号(shift(2)信号)、(f)控制第n个第1前保持电路21n以及第2前保持电路22n各自的开关SW22的开闭动作的移位(n)信号(shift(n)信号)、(g)控制第N个第1前保持电路21N以及第2前保持电路22N各自的开关SW22的开闭动作的移位(N)信号(shift(N)信号)、(h)控制峰值保持电路50的开关SW51的开闭动作的峰值保持信号(phold信号)、以及(i)控制后保持电路60的开关SW6的开闭动作的保持信号(hold信号)。其中，控制峰值保持电路50的开关SW52的开闭动作的非峰值保持信号(nphold信号)为控制峰值保持电路50的开关SW51的开闭动作的峰值保持信号(phold信号)的理论上的反转的信号。固体摄像装置2基于从控制部72输出的上述各控制信号，以如下方式动作。
最初，复位信号(reset信号)只在一定期间内处于高电平。在此期间，在各电荷电压变换电路10n中开关SW1闭合，从而使电容器C1放电，从各电荷电压变换电路10n输出的电压值被初始化。在N个电荷电压变换电路101～10N中，在同一时间点进行以上的初始化动作。
在该初始化动作之后，复位信号(reset信号)变为低电平，置位1信号(set1信号)只在一定期间内处于高电平。在该期间内，在各电荷电压变换电路10n中，开关SW1开启，从光电二极管PDn输入电荷电压变换电路10n的电荷被蓄积在电容器C1中，与该蓄积电荷量相应的电压值从电荷电压变换电路10n向第1前保持电路21n输出。在N个电荷电压变换电路101～10N中，在同一时间点进行以上的电荷蓄积动作。此外，在各第1前保持电路21n中，开关SW21闭合，从而来自于电荷电压变换电路10n的输出电压值被外加于电容器C2上。在各第1前保持电路21n中，若置位1信号(set1信号)从高电平转换为低电平，则开关SW21从关闭状态转换为开启状态，从而在即将转换之前来自于电荷电压变换电路10n的输出电压值(信号成分+暗成分)在转换之后被电容器C2保持。在N个第1前保持电路211～21N中，在同一时间点进行以上的保持动作。
在该电荷蓄积动作以及信号成分保持动作之后，复位信号(reset信号)以及置位2信号(set2信号)分别只在一定期间内成为高电平。在该期间内，在各电荷电压变换电路10n中，开关SW1关闭从而使电容器C1放电，从各电荷电压变换电路10n输出电压值再次被初始化。在N个电荷电压变换电路101～10N中，在同一时间点进行以上的再初始化动作。此外，在各第2前保持电路22n中，若置位2信号(set2信号)从高电平转换为低电平，则开关SW21从关闭状态转换为开启状态，从而在即将转换之前来自于电荷电压变换电路10n的被初始化的输出电压值(暗成分)在转换之后被电容器C2保持。在N个第2前保持电路221～22N中，在同一时间点进行以上的暗成分的保持动作。
在该再初始化动作以及暗成分保持动作之后进行读出动作。在进行该读出动作时，被N个第1前保持电路211～21N以及N个第2前保持电路221～22N分别保持的电压值经由跨阻放大器31、跨阻放大器32、减法电路40、峰值保持电路50以及后保持电路60被依次读出。在该读出动作期间，峰值保持信号(phold信号)以一定的周期重复N次，从而只在一定的期间内成为高电平。当峰值保持信号(phold信号)成为高电平时，非峰值保持信号(nphold信号)为低电平。以下，将峰值保持信号(phold信号)成为高电平的N个期间内的第n个期间称为“第n期间”。
在各第n期间中，在第1前保持电路21n中，移位(n)信号(shift(n)信号)只在一定的期间内成为高电平，从而使开关SW22闭合，被电容器C2保持的电压值作为电流向跨阻放大器31输出。在第2前保持电路22n中，移位(n)信号(shift(n)信号)只在一定的期间内成为高电平，从而使开关SW22闭合，被电容器C2保持的电压值作为电流向跨阻放大器32输出。第1前保持电路21n的开关SW22以及第2前保持电路22n的开关SW22在同一时间点闭合。
此外，在各第n期间中，从跨阻放大器31向减法电路40输出利用跨阻将对应于从第1前保持电路21n输出的电压值的变化量而流通的电流进行变换所得到的电压值。从跨阻放大器32向减法电路40输出利用跨阻将对应于从第2前保持电路22n输出的电压值的变化量而流通的电流进行变换所得到的电压值。从减法电路40向峰值保持电路50输出与跨阻放大器31以及跨阻放大器32各自的输出电压值的差(相当于除去暗成分的信号成分)相应的电压值。在峰值保持电路50中，从减法电路40输出的电压值中的峰值电压值被保持，并向后保持电路60输出与该被保持的峰值电压值相应的电压值。
此外，在各第n期间中，在后保持电路60中，保持信号(hold信号)只在一定的期间内成为高电平。若保持信号(hold信号)从高电平转换为低电平，则开关SW6从闭合状态转换为开启状态，在即将转换之前从峰值保持电路50输出的电压值在转换之后被保持，并被向外部输出。来自于后保持电路60的输出电压值被维持至下一次保持信号(hold信号)成为高电平的时间点为止。
以如上的方式构成并进行动作的第2实施方式所涉及的固体摄像装置2，在得到与第1实施方式所涉及的固体摄像装置1所产生的效果相同的效果之外，还可以得到如下效果。即，对重叠有暗成分的信号成分，利用第1前保持电路21n以及跨阻放大器31进行处理，此外，对暗成分，利用第2前保持电路22n以及跨阻放大器32进行处理，通过利用减法电路40求出两者的差，从而得到相当于除去暗成分的信号成分的电压值。因此，可以实现更高精度的摄像。
(变形例)
本发明不仅限于上述实施方式，可以有各种变形。上述实施方式为PPS(Passive Pixel Sensor被动像素传感器)方式的装置，然而本发明也可以为APS(Active Pixel Sensor主动像素传感器)方式的装置。在APS方式的情况下，各电荷电压变换电路10n具有如图7所示的电路结构。图7为变形例的固体摄像装置中电荷电压变换电路的电路图。APS方式的电荷电压变换电路10n具有输出与输入至栅极端子的电荷量相应的电压值的放大用晶体管T11、将光电二极管PDn产生的电荷向放大用晶体管T11的栅极端子传送的传送用晶体管T12、使放大用晶体管T11的栅极端子的电荷放电的放电用晶体管T13、将从放大用晶体管T11输出的电压值向前保持电路20n输出的选择用晶体管T14。
放大用晶体管T11的漏极端子被设置为偏压电位(bias potential)。传送用晶体管T12的漏极端子被连接于放大用晶体管T11的栅极端子，其源极端子被连接于光电二极管PDn的阴极端子。放电用晶体管T13的源极端子被连接于放大用晶体管T11的栅极端子，其漏极端子被设置为偏压电位。选择用晶体管T14的源极端子被连接于放大用晶体管T11的源极端子，其漏极端子被连接于前保持电路20n的输入端子。此外，选择用晶体管T14的漏极端子被连接于恒流电源。放大用晶体管T11以及选择用晶体管T14构成源极跟随电路(source follower circuit)。
传送信号(trans信号)被输入传送用晶体管T12的栅极端子，当该传送信号(trans信号)为高电平时，向放大用晶体管T11的栅极端子传送产生于激光二极管PDn的电荷。复位信号(reset信号)被输入放电用晶体管T13的栅极端子，当该复位信号(reset信号)为高电平时，使放大用晶体管T11的栅极端子的电荷放电。选择信号(select信号)被输入选择用晶体管T14的栅极端子，当该选择信号(select信号)为高电平时，向前保持电路20n输出从放大用晶体管T11输出的电压值。
此外，在上述实施方式中，多个光电二级管被配置为一维阵列状，然而在本发明中，多个光电二极管也可以被配置为二维阵列状。在后者的情况下，在被配置为二维阵列状的多个光电二级管的各列中设置电荷电压变换电路以及前保持电路，对各行依次进行上述实施方式的动作。
此外，在本申请中，作为跨阻放大器叙述了30、31、32，与一般的跨阻放大器的动作稍有不同。其输入被前保持电路保持并输出的电压值，将该电压值作为被蓄积在电容器中的电荷所决定的电压值，以使被外加在跨阻放大器的非反相输入端子的基准电压值与被蓄积在电容器中的电荷所决定的电压值之间没有差别的方式使电荷从电容器流出，将其作为电流，跨阻放大器进行使之变换为电压值的动作，由此，将电压值作为电流而输入，从而输出利用跨阻将对应于从基准电压值到该输入电压值的变化量而流通的电流进行变换所得到的电压值。若前保持电路的电容的电压值变得与基准电压值相等，则电流自身消失，因此从跨阻放大器也就没有输出，从而可以高速地读出。此外，本发明为峰值保持电路50的电容器C5，然而也可以是随带于场效应晶体管(FET)T5的漏极端子的漏极电容或布线电容。同样，后保持电路60的电容器C6也可以是随带于开关SW6的电容或布线电容。

Claims (3)

1.一种固体摄像装置，其特征在于，
具有：
光电二极管，产生与入射光量相应的量的电荷；
电荷电压变换电路，输入由所述光电二极管产生的电荷并输出与该输入电荷量相应的电压值；
第1前保持电路，在第1时间点输入从所述电荷电压变换电路输出的电压值并保持，将该保持的电压值作为电流而输出；
第2前保持电路，在与所述第1时间点不同的第2时间点输入从所述电荷电压变换电路输出的电压值并保持，与所述第1前保持电路同时将该保持的电压值作为电流而输出；
第1跨阻放大器，将被所述第1前保持电路保持并输出的电压值作为电流输入，并输出利用跨阻将对应于从基准电压值到该输入电压值的变化量而流通的电流进行变换所得到的电压值；
第2跨阻放大器，将被所述第2前保持电路保持并输出的电压值作为电流输入，并输出利用跨阻将对应于从基准电压值到该输入电压值的变化量而流通的电流进行变换所得到的电压值；
减法电路，输入分别从所述第1跨阻放大器以及所述第2跨阻放大器输出的电压值，并输出与这两个输入的电压值的差相应的电压值；
峰值保持电路，输入从所述减法电路输出的电压值，保持该输入电压值中的峰值电压值，并输出与该保持的峰值电压值相应的电压值。
2.如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，
还具备后保持电路，该后保持电路输入从所述峰值保持电路输出的电压值并保持，并输出该保持的电压值。
3.固体摄像装置，其特征在于，
具有：
光电二极管；
设置在所述光电二极管之后的电荷电压变换电路；
设置在所述电荷电压变换电路之后的第1前保持电路；
设置在所述第1前保持电路之后且在输入输出端子之间具有电容器的第1跨阻放大器；
设置在所述第1跨阻放大器之后的峰值保持电路；
在所述电荷电压变换电路之后与所述第1前保持电路并列设置的第2前保持电路；
设置在所述第2前保持电路之后且在输入输出端子之间具有电容器的第2跨阻放大器；以及
介于所述第1跨阻放大器的输出端子以及第2跨阻放大器的输出端子与所述峰值保持电路之间的减法电路。
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