CN1532939A - 固体摄像装置及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种固体摄像装置，包括：2维状地配置多个单位像素的摄像区域；第1垂直信号线；行选择电路；列选择电路；水平信号线；以及信号处理部，具有储存与单位像素的放大信号对应的信号的采样电容，选择进行信号的加法运算的场合和不进行加法运算的场合。在进行加法运算时储存与每行的单位像素的放大信号对应的信号的采样电容的电容值，比从该电容读取信号所需的电容值小。

Description

固体摄像装置及其驱动方法

技术领域

本发明涉及固体摄像装置，特别涉及可进行像素信号的加法运算的固体摄像装置。

背景技术

近年来，携带式电话机等移动终端领域中，具有摄影机功能的产品得到普及。对于移动终端所具备的摄影机功能，要求通过高像素化(实现10万像素级)来实现静止图像的高画质化，期待替换成低成本的DSC(Digital Still Camere，数字静态相机)。另一方面，对于移动终端具备的摄影机功能，还要求考虑到动画和通信等功能的、对应于QVGA(8万像素左右)以下图像的产品。

为了适应这些要求，例如在称为10万像素的高像素CCD固体摄像装置中，通过称为间隔剔除(間引き)的抽出一部分像素的方法进行像素的删除。而且，在放大型固体摄像装置中，在摄像装置内进行垂直方向像素信号的加法运算。

图1是“固体摄像装置”(参照专利文献1)的电路结构图，是在摄像装置内进行垂直方向像素信号的加法运算的固体摄像装置的一个例子。

在现有的摄像装置中，包括：单位像素500，具有将光信号转换成信号电荷的光电二极管501、读取光电二极管501的信号的读取晶体管502、对光电二极管501的信号电压进行放大的放大晶体管503、对光电二极管501的信号电压进行复位的复位晶体管504、以及检测光电二极管501的信号电压的FD(浮置扩散，floating diffusion)部506；图像区域510，将n×m个单位像素500排列成2维；第1垂直信号线520，以列单位向信号处理部550传输单位像素500的信号电压；行选择电路530，按行单位选择单位像素500；负载晶体管组540；信号处理部550，保持通过第1垂直信号线传输来的信号电压，并消除噪声；列选择电路560，以列为单位选择单位像素500；水平信号线570，把由信号处理部550输出的信号电压传输给输出放大器580；输出放大器580。在图1中，为了简略说明，示出n行、m列的单位像素500。

图2是信号处理部550的电路结构图。

信号处理部550包括：采样保持晶体管600，与第1垂直信号线520连接；钳位电容610，通过采样保持晶体管600连接到第1垂直信号线520上；第2垂直信号线620，通过钳位电容610连接到第1垂直信号线520上；采样晶体管630a、630b、630c，与第2垂直信号线620连接；钳位晶体管640；列选择晶体管650，连接到第2垂直信号线620上；采样电容660a，通过采样晶体管630a连接到第2垂直信号线620上；采样电容660b，通过采样晶体管630b连接到第2垂直信号线620上；采样电容660c，通过采样晶体管630c连接到第2垂直信号线620上。

对应于使SP线成为高电平的采样脉冲的外加，采样保持晶体管600成为开状态，把由第1垂直信号线520传输的信号电压传输给钳位电容610。

通过使CP线成为高电平的钳位脉冲的外加，钳位晶体管640成为开状态，在钳位电容610的端子B上供给CPDC电压。钳位电容610通过保持复位时的端子A-B间的电压，除去每个单位像素500中各不相同的固定图案噪声。在此，设钳位电容610的电容值为Ccp。

第2垂直信号线620传输从第1垂直信号线520通过钳位电容610传输的信号电压。

对应于使SWA线成为高电平的电容选择脉冲A的外加，采样晶体管630a成为开状态，把由第2垂直信号线620传输的信号电压传输到采样电容660a。另外，对应于使SWB线成为高电平的电容选择脉冲B的外加，采样晶体管630b成为开状态，把由第2垂直信号线620传输的信号电压传输给采样电容660b。然后，对应于使SWC线成为高电平的电容选择脉冲C的外加，采样晶体管630c成为开状态，把由第2垂直信号线620传输的信号电压传输给采样电容660c。

对应于使CP线成为高电平的钳位脉冲的外加，钳位晶体管640成为开状态，将第2垂直信号线620和钳位电容610、以及采样电容660a、660b、660c复位成CPDC线的电位。

对应于使CSEL线成为高电平的列选择脉冲的外加，列选择晶体管650依次成为开状态，把储存在采样电容660a、660b、660c中的电荷传送给水平信号线570。

采样电容660a、660b、660c分别储存按行读取的信号电压。例如，采样电容660a储存从位于第n行的单位像素500读取的信号电压，采样电容660b储存从位于第n-1行的单位像素500读取的信号电压，采样电容660c储存从位于第n-2行的单位像素500读取的信号电压。在此，将采样电容660a的电容值设定为Csp，将采样电容660b的电容值设定为Csp，将采样电容660c的电容值设定为Csp。

根据图3所示的驱动时序图，说明如上所述的现有固体摄像装置的动作。

当第n行的单位像素500被选择时，在第n行的单位像素500的垂直选择晶体管505上外加使LSET(n)线成为高电平的行选择脉冲(n)。垂直选择晶体管505成为开状态，由放大晶体管503和负载晶体管组540形成源跟随电路，追随单位像素500的电源电压的电压，从该源跟随电路向第1垂直信号线520输出。

接着，使SP线成为高电平的采样脉冲被外加到采样保持晶体管600上。采样保持晶体管600成为开状态，将从源跟随电路向第1垂直信号线520输出的电压保持在钳位电容610。此时，使CP线成为高电平的钳位脉冲被外加到钳位晶体管640上。钳位晶体管640成为开状态，钳位电容610的第2垂直信号线620侧被复位成CPDC线的电位。此外，由于同时外加使SWA线成为高电平的电容选择脉冲A，所以采样晶体管630a成为开状态，采样电容660a被复位成CPDC线的电位。

然后，使RESET(n)线成为高电平的复位脉冲(n)被外加到复位晶体管504上。复位晶体管504成为开状态，FD部506的电位被复位。连接在FD部506上的放大晶体管503的栅极电压成为FD部506的电压，与该电压对应的电压，具体地说以(FD部的电位-Vt)×α供给的电压，被输出到第1垂直信号线520上。在此，Vt是放大晶体管503的阈值电压，α是电压放大率。

其后，使CP线成为低电平的钳位脉冲被外加到钳位晶体管640上，钳位晶体管640成为关状态，第2垂直信号线620成为浮动状态。

然后，使READ(n)线成为高电平的读取脉冲(n)被外加到读取晶体管502上。读取晶体管502成为开状态，储存在光电二极管501中的信号电荷被传送到FD部506。连接在FD部506上的放大晶体管503的栅极电压成为FD部506的电压，与该电压对应的电压，具体地说以(FD部的电位-Vt)×α提供的电压，被输出到第1垂直信号线520上。此时，使CP线成为低电平的钳位脉冲被外加到钳位晶体管640上，所以钳位晶体管640成为关状态，当FD部506的电位复位时输出到第1垂直信号线520上的电压和储存在光电二极管501中的信号电荷被传送到FD部506时输出到第1垂直信号线520上的电压之差所对应的电压变化，作为第n行的单位像素500的信号电压储存到采样电容660a中。并且，外加使SWA线成为低电平的电容选择脉冲A，采样晶体管630a成为关状态。

接着，第n-1行单位像素500被选择，外加使SWB线成为高电平的电容选择脉冲B，通过重复相同的动作，在采样电容660b上储存第n-1行的单位像素500的信号电压。并且，外加使SWB线成为低电平的电容选择脉冲B，采样晶体管630b成为关状态。

其次，第n-2行单位像素500被选择，外加使SWC线成为高电平的电容选择脉冲C，通过重复相同的动作，在采样电容660c上储存第n-2行的单位像素500的信号电压。之后，外加使SWC线成为低电平的电容选择脉冲C，采样晶体管630c成为关状态。

然后，同时外加使SWA线、SWB线以及SWC线成为高电平的电容选择脉冲A、电容选择脉冲B以及电容选择脉冲C，采样晶体管630a、630b、630c成为开状态。

接着，把使CSEL(m)线成为高电平的列选择脉冲(m)、使CSEL(m-1)线成为高电平的列选择脉冲(m-1)、…依次外加到列选择晶体管650上，各列选择晶体管650依次成为开状态。对在采样电容660a、采样电容660b、采样电容660c中储存的信号电压进行加法运算，依次输出到水平信号线570。

在上述的动作中，为了将第n行单位像素500的信号电压储存在采样电容660a中，钳位晶体管640和列选择晶体管650成为关状态，采样晶体管成为630a成为开状态，由钳位电容610和采样电容660a形成的电路的增益由下式计算。

G＝Ccp/(Ccp+Csp)                (1)

在此，为了把第n-1、n-2行单位单元500的信号电压储存到采样电容660b、660c，由钳位电容610和采样电容660b形成的电路的增益、由钳位电容610和采样电容660c形成的电路的增益，同样由式(1)计算。

但是，在现有的固体摄像装置中，钳位电容610、采样电容660a、660b、660c的电容，是由单位面积为数fF/μm²的电容量来构成的。因此，形成数pF的电容的时候，信号处理部550的面积变大，为了进行像素信号的加法运算而形成的电路会加大芯片面积。例如，Ccp、Csp是5pF、采样电容660a、660b、660c的单位面积电容为5fF/μm²的时候，钳位电容610、采样电容660a、660b、660c的面积分别为1000μm²，其合计则成为4000μm²的大面积。因此，在每列形成的钳位电容和采样电容的水平方向的电容宽为4μm来形成的时候，电容长度成为1000μm。

但是，在现有的固体摄像装置中，当不进行信号电压的加法运算而使用采样电容660a、660b、660c中的任一个来储存信号电压并输出到水平信号线570上的情况下，采样电容值Csp越小，输出的信号电压越容易受到列选择晶体管650开/关引起的外来噪声的影响。因此，为了抑制该外来噪声的影响，采样电容必然成为数pF的较大值，存在芯片面积增大的问题。例如，列选择晶体管的栅极电容为4fF(假定栅极尺寸为W/L＝5μm/1μm左右，栅极的一半电容作为外来噪声影响采样电容侧)、在列选择晶体管上外加3V的脉冲电压的时候，可计算出3V×4f/(4f+Csp)的电压进入储存在采样电容中的信号电压。因此，假设，在采样电容中作为饱和信号储存500mV的信号电压的时候，为了使对该信号电压的外来噪声的S/N比(信噪比)不大于-40dB，在使采样电容满足采样电容＞＞栅极电容、脉冲电压为VIN，则必须满足下式：

饱和信号电压/100＞VIN×栅极电容/采样电容并且，需要外来噪声引起的栅极电容的约600倍的约2.4pF以上的大的采样电容。此外，当上述外来噪声的10％在列选择晶体管之间作为外来噪声误差产生，且使此时的S/N比不大于-60dB的情况下，也需要相同的约2.4pF以上的较大采样电容。

而且，在固体摄像装置中，如果利用不进行信号加法运算时单纯使用多个采样电容的方法，则会产生电路增益大幅降低的问题。即，在不进行信号加法运算的情况下，例如使用3个Csp来储存信号的情况下，通过列选择晶体管650，在设共用信号线的电容为Ccom时，读取到水平信号线570时的灵敏度成为3Csp/(3Csp+Ccom)，相对于使用1个Csp时的这部分的电路增益Csp/(Csp+Ccom)而言变大。但是，根据式(1)的增益反倒成为Ccp/(Ccp+3Csp)，相对于使用1个Csp时的这部分的电路增益Ccp/(Ccp+Csp)而言电路增益发生下降，信号的传输效率变差，此时，可通过加大相对于采样电容的钳位电容值Ccp，来抑制由式(1)计算得到的电路增益的降低。但是，此时的钳位电容值Ccp是从数pF到数十pF的较大值，所以会产生芯片面积增大的问题。例如，当对应于为使增益一致而使用的采样电容的增加部分，使钳位电容增加10pE的情况下，需要再增加500μ/m电容长度。此外，通过满足Csp＞＞Ccom、Ccp＞＞Csp，可使同时读取3个时的电路增益成为3倍。但是，由于水平共用信号线的电容为数pF至数十pF，所以，钳位电压Ccp及采样电容值Csp变得很大，所以实际上无法使上述条件成立。再者，当能够不破坏地读取来自像素的信号的情况下，不进行信号加法运算时，通过像进行信号加法运算时那样多次读取各采样电容，上述电路增益成Ccp/(Ccp+Csp)，不产生增益下降。但是，为了进行多次读取，会发生需要使读取期间成为通常的3倍的不良情况。

专利文献1：日本专利特开2000-1066534号。

发明内容

在此，本发明是为解决上述问题而提出的，其目的在于提供一种固体摄像装置，不必增大芯片面积，利用对像素信号进行加法运算的模式和不进行加法运算的两种模式，可提高S/N。

为了实现上述目的，本发明的固体摄像装置，在半导体基板上，包括：摄像区域，2维状地设置多个单位像素而构成，所述单位像素具有将光信号转换成信号电荷的光电转换部、和将所述光电转换部的输出放大后输出放大信号的放大部；多个垂直信号线，在列方向上传输所述单位像素的放大信号；水平方向选择单元，以行方向从配置在所述摄像区域的单位像素中选择单位像素；第1储存电容及第2储存电容，连接在各列的垂直信号线上，并储存与各行的所述单位像素的放大信号对应的信号；储存电容选择单元，从所述第1储存电容和第2储存电容中选择储存所述信号的储存电容；垂直方向选择单元，从连接在所述多个垂直信号线的各垂直信号线上的所述第1储存电容和第2储存电容中，选择连接在任意的所述垂直信号线上的所述第1储存电容和第2储存电容；水平信号线，通过所述垂直方向选择单元连接在各列的垂直信号线上，传输与储存在所述第1储存电容或第2储存电容中的放大信号对应的信号，其特征在于，所述储存电容选择单元，当进行所述多行的所述单元像素的放大信号的加法运算时，选择所述第1储存电容，当不进行所述加法运算时，选择所述第2储存电容；所述第1储存电容的电容值，比所述第2储存电容的电容值小；所述第2储存电容的电容值，是读取储存在该第2储存电容中的信号所必要的最小电容值。其中，所述第2储存电容的电容值，可以是吸收来自所述垂直方向选择单元的外来噪声所必要的电容值。另外，也可以是，所述第1储存电容和第2储存电容由n个(n是不小于2的整数)第3储存电容并联构成；所述储存电容选择单元，当对k行(k≤n，k是不小于2的整数)的所述单位像素的放大信号进行加法运算时，选择m个(m≤n/k，m是不小于1的整数)所述第3储存电容；当不进行所述加法运算时，选择p个(m＜p≤n，p是不小于2的整数)所述第3储存电容，当读取储存在所述第3储存电容中的信号时，选择储存所述信号的全部的所述第3储存电容。也可以是，所述储存电容选择单元，当进行所述加法运算时，进行k次所述第3储存电容的选择；所述m在所述k次的第3储存电容的选择中是相同的值。也可以是，所述k×m个第3储存电容和所述p个第3储存电容中的总电容值小的一方，具有比所述垂直方向选择单元所具有的寄生电容值的预定倍数大的总电容值；所述寄生电容值的预定倍的值，由用于所述垂直方向选择单元的选择中的电压值和从所述第3储存电容读取的信号电压值决定。也可以所述m为1，所述n与所述k及所述p相等。也可以是，当进行所述加法运算时，所述储存电容选择单元进行k次所述第3储存电容的选择，所述m在所述k次的第3储存电容的选择中是不同的值。

由此，可不增加芯片面积，就能发挥可提高对像素信号进行加法运算的模式和不进行加法运算的两个模式中的S/N的效果。

此外，所述第3储存电容，可以通过钳位电容与所述垂直信号线连接。

由此，能够发挥除去在每个单位单元中不同的固定图形噪声的效果。

另外，所述第3储存电容的电容值，也可以被确定成使进行所述加法运算时的S/N比与不进行所述加法运算时的S/N比相等。

由此，能够发挥可提供储存电容的电容值最优化方法的效果。

再者，当设Ccp为钳位电容的电容值、Csp为第3储存电容的电容值、k为进行加法运算的行数时，所述第3储存电容的电容值可由下式决定

$\mathrm{Ccp}:\mathrm{Csp}\≈(1-1/\sqrt{k}):(\sqrt{k}-1).$

由此，能够发挥可对储存电容的电容值进行最优化的效果。

而且，所述第3储存电容、水平方向选择单元及垂直方向选择单元，由N MOS型晶体管构成。

由此，列选择晶体管由列选择时的导通阻抗较小的N型MOS晶体管构成，所以，可使列选择晶体管的栅极尺寸较小，可减小列选择晶体管引起的外来噪声的影响。另外，电容由N型MOS晶体管构成，所以可使响应特性快速化。进一步，不使用2层的多晶硅，而是由1层的多晶硅构成电容，所以可简化制造工序。

附图说明

图1是现有固体摄像装置的电路结构图。

图2是现有固体摄像装置的信号处理550的电路结构图。

图3是表示现有图像装置的动作的驱动时序图。

图4是本发明实施例涉及的放大型固体摄像装置的电路结构图。

图5是该放大型固体摄像装置的信号处理部100的电路结构图

图6是表示该放大型固体摄像装置的动作(不进行单位像素500的信号电压的加法运算时)的驱动时序图。

图7是表示该放大型固体摄像装置的动作(进行单位像素500的信号电压的加法运算时)的驱动时序图。

具体实施方式

下面，参照附图说明本发明实施例中的放大型固体摄像装置。

图4是实施例涉及的放大型固体摄像装置的电路结构图。在图4中，与图1相同的要素标注相同的标记，在此省略对它们的详细说明。

本实施例的放大型固体摄像装置，是以实现不必增大芯片面积、利用对像素信号进行加法运算的模式和不进行加法运算的两种模式提高S/N比的固体摄像装置为目的，具有与现有的固体摄像装置不同的信号处理部，并包括：信号处理部100，单位像素500，图像区域510，第1垂直信号线520，行选择电路530，与第1垂直信号线520连接的负载晶体管组540，列选择电路560，水平信号线570，与水平信号线570连接的输出放大器580。在图4中，为了简化说明，示出n行、m列的单位像素500。

单位像素500包括：将光信号转换成信号电压的光电二极管501、读取光电二极管501的信号的读取晶体管502、对光电二极管501的信号电压进行放大的放大晶体管503、对光电二极管501的信号电压进行复位的复位晶体管504、对读取被放大的信号电压选择读取行的垂直选择晶体管505、以及检测光电二极管501的信号电压的FD(浮动扩散)部506。

在此，图5示出信号处理部100的电路结构图。在图5中，与图2相同的要素标注相同标记，并在这里省略对它们的详细说明。

信号处理部100，具有与现有固体摄像装置不同的采样电容，且包括：采样保持晶体管600，与第1垂直信号线520连接；钳位电容610，通过采样保持晶体管600连接到第1垂直信号线520上；第2垂直信号线620，通过钳位电容610连接到第1垂直信号线520上；采样晶体管630a、630b、630c，与第2垂直信号线620连接；钳位晶体管640；列选择晶体管650；采样电容200a，通过采样晶体管630a连接到第2垂直信号线620上；采样电容200b，通过采样晶体管630b连接到第2垂直信号线620上；采样电容200c，通过采样晶体管630c连接到第2垂直信号线620上；水平信号线电容210，与水平信号线570连接。

采样电容200a、200b、200c分别储存按行读取的信号电压。例如，采样电容200a储存从位于第n行的单位像素500读取的信号电压，采样电容200b储存从位于第n-1行的单位像素500读取的信号电压，采样电容200c储存从位于第n-2行的单位像素500读取的信号电压。在此，设定采样电容200a的电容值为Csp/3、采样电容200b的电容值为Csp/3、采样电容200c的电容值为Csp/3。各采样电容的合计电容值Csp是将储存在采样电容中的信号电压读取到水平信号线570上时所需的电容值。即，吸收来自列选择晶体管650的外来噪声时所需的电容值。

水平信号电容210表示由列选择晶体管650和水平信号线570决定的杂散电容。在此，设水平信号线210的电容值为Ccom。

根据图6所示的驱动时序图，说明具有以上构成的本发明实施方式的放大型固体摄像装置的动作(不进行单位像素500信号电压的加法运算时)。

当第n行的单位像素500被选择时，使LSET(n)线成为高电平的行选择脉冲(n)被外加到第n行单位像素500的垂直选择晶体管505上。垂直选择晶体管505成为开状态，由放大晶体管503和负载晶体管组540形成源跟随电路，追随单位像素500的电源电压的电压从源跟随电路输出到第1垂直信号电路520。

接着，使SP线成为高电平的采样脉冲被外加到采样保持晶体管600上。采样保持晶体管600成为开状态，将从源跟随电路向第1垂直信号线520输出的电压保持在钳位电容610上。此时，使CP线成为高电平的钳位脉冲被外加到钳位晶体管640上。钳位晶体管640成为开状态，钳位电容610的第2垂直信号线620侧被复位成CPCD线的电位。而且，同时外加使SWA线始终成为高电平的电容选择脉冲A、使SWB线始终成为高电平的电容选择脉冲B、以及使SWB线始终成为高电平的电容选择脉冲C，所以采样晶体管630a、630b、630c始终成为开状态，采样电容200a、200b、200c被复位成CPDC线的电位。

然后，使RESET(n)线成为高电平的复位脉冲(n)被外加到复位晶体管504上。复位晶体管504成为开状态，FD部506的电位被复位。连接在FD部506上的放大晶体管503的栅极电压成为FD部506的电压，与该电压对应的电压，具体地说以(FD部的电位-Vt)×α供给的电压，被输出到第1垂直信号线520上。

其后，使CP线成为低电平的钳位脉冲被外加到钳位晶体管640上，钳位晶体管640成为关状态，第2垂直信号线620成为浮动状态。

然后，使READ(n)线成为高电平的读取脉冲(n)被外加到读取晶体管502上。读取晶体管502成为开状态，储存在光电二极管501中的信号电荷传送到FD部506。连接在FD部506上的放大晶体管503的栅极电压成为FD部506的电压，与该电压大致相等的电压，被输出到第1垂直信号线520上。此时，使CP线成为低电平的钳位脉冲被外加到钳位晶体管640上，所以钳位晶体管640成为关状态，把FD部506的电位复位时输出到第1垂直信号线520上的电压、和储存在光电二极管501中的信号电荷被传送到FD部506时输出到第1垂直信号线502上的电压之差，作为第n行的单位像素500的信号电压储存到采样电容200a、200b、200c。

然后，把使CSEL(m)线成为高电平的列选择脉冲(m)、使CSEL(m-1)线成为高电平的列选择脉冲(m-1)、…依次外加到列选择晶体管650上。各列选择晶体管650依次成为开状态，储存在采样电容200a、200b、200c中的信号电压，依次被输出到水平信号线570上。

基于上述动作的、不进行单位像素500的信号电压加法运算时的信号处理部100的增益，如下计算。

首先，为了将第n行单位像素500的信号电压储存在采样电容200a、200b、200c中，钳位晶体管640和列选择晶体管650成为关状态，采样晶体管630a、630b、630c同时成为开状态，由钳位电容610和采样电容200a、200b、200c形成的电路的增益由式(2)计算。

G3＝Ccp/(Ccp+Csp)            (2)

其次，为了把储存的单位像素500的信号电压输出到水平信号线570上，采样保持晶体管600和钳位晶体管640成为关状态，列选择晶体管650和采样晶体管630a、630b、630c成为开状态，由采样电容200a、200b、200c和水平信号线电容210形成的电路的增益由式(3)计算。

G4＝Csp/(Csp+Ccom)           (3)

并且，利用由式(2)和式(3)得到的G3和G4，按式(4)计算不进行单位像素500的信号电压的加法运算时的信号处理部100的增益。

G＝G3×G4

 ＝(Ccp/(Ccp+Csp))×(Csp/(Csp+Ccom))        (4)

下面，根据图7所示的驱动时序图，说明本发明的实施方式的放大型固体摄像装置的动作(进行单位像素500的信号电压的加法运算时)。

当第n行的单位像素500被选择时，使LSET(n)线成为高电平的行选择脉冲(n)被外加到第n行的单位像素500的垂直选择晶体管505上。垂直选择晶体管505成为开状态，由放大晶体管503和负载晶体管组540形成源跟随电路，追随单位像素500的电源电压的电压从该源跟随电路输出到第1垂直信号线520上。

接着，使SP线成为高电平的采样脉冲被外加到采样保持晶体管600上。采样保持晶体管600成为开状态，将从源跟随电路输出到第1垂直信号线520的电压保持在钳位电容610。此时，使CP线成为高电平的钳位脉冲被外加到钳位晶体管640上。钳位晶体管640成为开状态，钳位电容610被复位成CPCD线的电位。而且，同时施加使SWA线成为高电平的电容选择脉冲A，所以采样晶体管630a成为开状态，采样电容200a被复位成CPDC线的电位。

然后，使RESET(n)线成为高电平的复位脉冲(n)被外加到复位晶体管504上。复位晶体管504成为开状态，FD部506的电位被复位。连接在FD部506上的放大晶体管503的栅极电压成为FD部506的电压，与该电压对应的电压，具体地说以(FD部的电位-Vt)×α供给的电压，被输出到第1垂直信号线520上。

其后，使CP线成为低电平的钳位脉冲被施加到钳位晶体管640上，钳位晶体管640成为关状态，第2垂直信号线620成为浮动状态。

然后，使READ(n)线成为高电平的读取脉冲(n)被施加到读取晶体管502上。读取晶体管502成为开状态，储存在光电二极管501中的信号电荷传送到FD部506。连接在FD部506上的放大晶体管503的栅极电压成为FD部506的电压，与该电压大致相等的电压被输出到第1垂直信号线520上。此时，使CP线成为低电平的钳位脉冲被外加到钳位晶体管640上，所以钳位晶体管640成为关状态，把FD部506的电位复位时输出到第1垂直信号线520上的电压、和储存在光电二极管501中的信号电荷被传送到FD部506时输出到第1垂直信号线502上的电压之差，作为第n行的单位像素500的信号电压储存到采样电容200a。并且，外加使SWA线成为低电平的电容选择脉冲A，采样晶体管630a成为关状态。

接着，第n-1行的单位像素500被选择，外加使SWB线成为高电平的电容选择脉冲B，通过重复相同的动作，在采样电容200b上储存第n-1行的单位像素500的信号电压。并且，外加使SWB线成为低电平的电容选择脉冲B，采样晶体管630b成为关状态。

接着，第n-2行单位像素500被选择，外加使SWC线成为高电平的电容选择脉冲C，通过重复相同的动作，在采样电容200c上储存第n-2行的单位像素500的信号电压。之后，外加使SWC线成为低电平的电容选择脉冲C，采样晶体管630c成为关状态。

然后，同时外加使SWA线、SWB线、以及SWC线成为高电平的电容选择脉冲A、电容选择脉冲B、以及电容选择脉冲C，采样晶体管630a、630b、630c成为开状态。

然后，把使CSEL(m)线成为高电平的列选择脉冲(m)、使CSEL(m-1)线成为高电平的列选择脉冲(m-1)、…，依次外加到列选择晶体管650上。各列选择晶体管650成为开状态，对储存在采样电容200a、采样电容200b、采样电容200c中的信号电压进行加法运算，依次输出到水平信号线570上。

基于上述动作，进行单位像素500的信号电压的加法运算时的信号处理部100的增益，如下进行计算。

首先，为了将第n行的单位像素500的信号电压储存在采样电容200a中，钳位晶体管640和列选择晶体管650成为关状态，采样晶体管630a成为开状态，由钳位电容610和采样电容200a形成的电路的增益，按式(5)进行计算。

G5＝Ccp/(Ccp+Csp/3)               (5)

例如，当Csp和Ccp为5pF的时候，信号处理部550的增益按式(5)计算为0.75。该值比现有的固体摄像装置的增益大50％。

在此，为了把第n-1、n-2行的单位单元500的信号电压储存到采样电容200b、200c，由钳位电容610和采样电容200b形成的电路的增益、由钳位电容610和采样电容200c形成的电路的增益，同样按式(5)计算。

接着，为了把进行加法运算的第n、第n-1、第n-2行的单位像素500的信号电压输出到水平信号线570上，采样保持晶体管600和钳位晶体管640成为关状态，列选择晶体管650和采样晶体管630a、630b、630c成为开状态，按式(6)计算由采样电容200a、200b、200c和水平信号线电容210形成的电路的增益。而且，在式(6)中，为了把储存在采样电容200a、200b、200c中的信号电压同时读取到水平信号线上，确保把储存在采样电容中的信号电压读取到水平信号线上所必需的电容值Csp。

G6＝Csp/(Csp+Ccom)            (6)

并且，根据按式(5)和式(6)得到的G5和G6，按式(7)计算进行信号电压的加法运算时的信号处理部100的增益。

G＝G5×G6

 ＝(Ccp/(Ccp+Csp/3))×(Csp/(Csp+Ccom))    (7)

而且，为了得到充分的信号处理部100的增益，水平信号线210的电容值Ccom最好是与采样电容的电容值Csp和钳位电容的电容值Ccp相等的电容值，所以，Ccom、Csp、Ccp具有例如式(8)所示关系。

Ccom＝Csp＝Ccp                (8)

并且，当Csp和Ccom为5pF的时候，信号处理部550的增益按式(7)和式(8)计算约为0.38。

根据如上所述的本实施方式，按式(5)计算的、为了把单位像素500的信号电压储存到采样电容200a中而形成的电路的增益成为较大值，另外，基于该电路的增益按式(7)计算的信号处理部550的增益也成为较大值，并且，为进行单位像素500的信号电压的加法运算而准备的3个采样电容200a、200b、200c的电容值合计也成为较小值。因此，不需要准备具有较大电容值即较大面积的采样电容，就可以进行单位像素500的信号电压的加法运算，所以，本实施方式的放大型固体摄像装置，无需增加芯片面积就可以对单位像素500的信号电压进行加法运算。而且，可提高对像素信号进行加法运算的模式和不进行加法运算的两种模式下的S/N比。例如，当Csp为5pF、Ccp为5pF、采样电容200a、200b、200c的单位面积的电容为5fF/μm²的时候，为了把单位像素500的信号电压储存到采样电容660a中而形成的电路的增益，与现有固体摄像装置中是较小值0.5的情况相比，在本实施方式中是充分的值0.75，此外，采样电容的面积，与现有固体摄像装置中是较大的3000μm²的情况相比，在本实施方式中以较小的面积1000μm²来实现。

此外，通过使电容选择脉冲A、电容选择脉冲B、电容选择脉冲C变化，可以选择对单元像素500的信号电压进行加法运算的情况和不对单元像素500的信号电压进行加法运算的情况。因此，本实施方式的放大型固体摄像装置可对应所述的对单元像素500的像素信号进行加法运算的情况、和不对单元像素500的信号电压进行加法运算的情况的两种模式。

在此，把单位像素500的k行(k是2以上的整数)的信号电压进行加法运算时的S/N比(信噪比)，因光电二极管501的光散粒噪声，以 (k为相加的像素数)成比例上升的。因此，在包含输出放大器580的后级电路中存在所谓Na的一定的噪声，如果使对单元像素500的信号电压进行加法运算时和不对单元像素500的信号电压进行加法运算时的输出信号电平S为一定，则对3行单位像素500的信号电压进行加法运算时的S/N比与

成比例上升。但是，对3行单位像素500的信号电压进行加法运算时的S/N比，无需比不对单位像素500的信号电压进行加法运算时的S/N比好出必要程度以上，所以，可以使对单元像素500的像素信号进行加法运算时的S/N比和不对单元像素500的信号电压进行加法运算时的S/N比相等，由此实现Csp的最优化。

基于如上所述，导出用于进行Csp的最优化的式(9)。在式(9)中，左边是对3行单位像素500的信号电压进行加法运算时的增益，右边是在不对单位像素500的信号电压进行加法运算时的增益上，乘上与左边的加法运算信号电压时的S/N比相比提高电路增益所需的

倍的值。

$(\mathrm{Ccp}/(\mathrm{Ccp}+\mathrm{Csp}/3))\×(\mathrm{Csp}/(\mathrm{Csp}+\mathrm{Ccom}))=$

$\sqrt{3}\×(\mathrm{Ccp}/(\mathrm{Ccp}+\mathrm{Csp}))\×(\mathrm{Csp}/(\mathrm{Csp}+\mathrm{Ccom}))---\left(9\right)$

根据式(9)可求出提供Csp的最佳值的式，为式(10)。

$\mathrm{Ccp}:\mathrm{Csp}=(1-1/\sqrt{3}):(\sqrt{3}-1)---\left(10\right)$

例如，当Ccp为5pF时，根据式(10)计算出的Csp约为8pF。

再者，在本实施方式中，例示了对3行单位像素500的信号电压进行加法运算时的情况。但是，通过准备k(k是2以上的整数)个具有基于按式(11)最优化的电容值Csp的电容值Csp/3的采样电容，本实施方式的放大型固体摄像装置也可以对k行单位像素500的信号电压进行加法运算。

$\mathrm{Ccp}:\mathrm{Csp}=(1-1/\sqrt{k}):(\sqrt{k}-1)---\left(11\right)$

此外，S/N比通常允许±3dB 左右的误差，所以也可以使Ccp与Csp的比值，在从

$(1-1/\sqrt{k/2}):(\sqrt{k/2}-1)$

到

$(1-1/\sqrt{2k}):(\sqrt{2k}-1)$

的范围内，即Ccp与Csp的比值在±3dB 的范围内进行最优化。

根据如上所述的本实施方式，可使对单元像素500的信号电压进行加法运算时的S/N比和不对单元像素500的信号电压时的S/N比相等，来实现Csp的最优化。因此，本实施方式的放大型固体摄像装置，是可以对应对单元像素500的像素信号进行加法运算的情况和不对单元像素500的信号电压进行加法运算的情况的固体摄像装置，可决定最佳的Csp。

而且，在本实施方式的固体摄像装置中，3个采样电容并联在第2垂直信号线上，当对3行单位像素的信号电压进行加法运算时，在进行3次各行单位像素的信号电压向1个采样电容的储存之后，将储存在3个采样电容中的3行单位像素的信号电压同时读取到水平信号线上，当不对单位像素的信号电压进行加法运算的情况下，把各行的单位像素的信号电压储存到3个全部采样电容中之后，把储存在3个采样电容中的1行单位像素的信号电压同时读取到水平信号线上。但是，当n个(n≥k，n是不小于2的整数)采样电容并联在第2垂直信号线上，并对k行单位像素的信号电压进行加法运算时，也可以在进行k次各行单位像素的信号电压向m(m≤n/k，m是不小于1的整数)个采样电容的储存之后，将储存在采样电容中的k行单位像素的信号电压同时读取到水平信号线上，当不对单位像素的信号电压进行加法运算时，也可以把各行的单位像素的信号电压储存到p(m≤p≤n，p是不小于2的整数)个采样电容之后，把储存在采样电容中的各行单位像素的信号电压同时读取到水平信号线上。在这里，m可以是向采样电容储存上述k次时相同的值，也可以是不同的值。具体地说，例如可以有以下(1)～(6)所示的方式。

(1)当3个采样电容并联在第2垂直信号线上，并对3行单位像素的信号电压进行加法运算的情况下，在进行3次各行单位像素的信号电压向1个采样电容的储存之后，将储存在3个采样电容中的3行单位像素的信号电压同时读取到水平信号线上，当不对单位像素的信号电压进行加法运算的情况下，把各行的单位像素的信号电压储存到2个采样电容中之后，把储存在2个采样电容中的各行单位像素的信号电压同时读取到水平信号线上。

(2)当4个采样电容并联在第2垂直信号线上，并对4行单位像素的信号电压进行加法运算的情况下，在进行4次各行单位像素的信号电压向1个采样电容的储存之后，将储存在4个采样电容中的4行单位像素的信号电压同时读取到水平信号线上，当不对单位像素的信号电压进行加法运算的情况下，把各行的单位像素的信号电压储存到4个全部采样电容中之后，把储存在4个采样电容中的各行单位像素的信号电压同时读取到水平信号线上。

(3)当4个采样电容并联在第2垂直信号线上，并对2行单位像素的信号电压进行加法运算的情况下，在进行2次各行单位像素的信号电压向1个采样电容的储存之后，将储存在2个采样电容中的2行单位像素的信号电压同时读取到水平信号线上，当不对单位像素的信号电压进行加法运算的情况下，把各行的单位像素的信号电压储存到4个全部采样电容中之后，把储存在4个采样电容中的各行单位像素的信号电压同时读取到水平信号线上。

(4)当4个采样电容并联在第2垂直信号线上，并对2行单位像素的信号电压进行加法运算的情况下，在进行2次各行单位像素的信号电压向2个采样电容的储存之后，将储存在4个采样电容中的2行单位像素的信号电压同时读取到水平信号线上，当不对单位像素的信号电压进行加法运算的情况下，把各行的单位像素的信号电压储存到4个全部采样电容中之后，把储存在4个采样电容中的各行单位像素的信号电压同时读取到水平信号线上。

(5)当4个采样电容并联在第2垂直信号线上，并对2行单位像素的信号电压进行加法运算的情况下，在进行2次各行单位像素的信号电压向2个采样电容的储存之后，将储存在4个采样电容中的2行单位像素的信号电压同时读取到水平信号线上，当不对单位像素的信号电压进行加法运算的情况下，把各行的单位像素的信号电压储存到3个采样电容中之后，把储存在3个采样电容中的各行单位像素的信号电压同时读取到水平信号线上。

(6)当4个采样电容并联在第2垂直信号线上，并对2行单位像素的信号电压进行加法运算的情况下，在进行各行单位像素的信号电压向1个采样电容的储存和向2个采样电容的储存之后，将储存在3个采样电容中的2行单位像素的信号电压同时读取到水平信号线上，当不对单位像素的信号电压进行加法运算的情况下，把各行的单位像素的信号电压储存到4个采样电容中之后，把储存在4个全部采样电容中的各行单位像素的信号电压同时读取到水平信号线上。

进行如上的读取的情况下，进行加法运算时使用的采样电容的总电容值和不进行加法运算时使用的采样电容的总电容中的较小的一方，为了使例如相对于饱和信号电压的列选择信号的外来噪声的S/N比成为不大于-40dB，或者外来噪声的10％作为列选择晶体管之间的外来噪声误差而发生，此时的相对于饱和信号电压的列选择信号的外来噪声的S/N比成为不大于-60dB，而使采样电容的总电容值＞＞栅极电容、列选择信号的脉冲电压为VIN时，需要满足：

饱和信号电压/100＞VIN×栅极电容/采样电容的总电容值。例如使饱和信号电压为500mV、VIN＝3V，则进行加法运算时使用的采样电容的总电容值和不进行加法运算时使用的采样电容的总电容值中的较小一方的电容值，要求是栅极电容的约600倍。这里，为了使电容部的面积最小化，进行加法运算时使用的采样电容的总电容值和不进行加法运算时使用的采样电容的总电容值之比，最好接近1。作为具体的采样电容的总电容值Csp₀，例如，Csp(1个采样电容的电容值)＝0.8pF，m＝1，k＝3，p＝3，则m×k×Csp＝p×Csp＝Csp₀＝2.4pF。

此外，在本实施方式中，晶体管和电容，也可以例如由N型MOS晶体管构成。由此，列选择晶体管由与PMOS型晶体管相比列选择时的导通阻抗较小的N型MOS晶体管构成，所以，可使列选择晶体管的栅极尺寸较小，可减小列选择晶体管引起的外来噪声的影响。另外，电容由N型MOS晶体管构成，所以可使响应特性快速化。进一步，不使用2层的多晶硅，而是由1层的多晶硅构成电容，所以可简化制造工序。

从以上说明可知，根据本发明涉及的固体摄像装置，不需要为了对单位像素的信号电压进行加法运算而准备具有大电容值的储存电容，不必增大芯片面积，可进行不发生画质劣化的图像压缩。而且，能够在对像素信号进行加法运算的模式和不进行加法运算的2种模式下提高S/N。另外，通过选择使用的储存电容，可选择对单位像素的信号电压进行加法运算的情况和不对单位像素的信号电压进行加法运算的情况，所以，能够提供适应需要高像素的情况和需要最小限像素的情况的固体摄像装置。再者，可以使储存单位像素的信号电压的储存电容的电容值最优化。

因此，根据本发明，能够提供不必增加芯片面积就进行与所谓间隔剔除不同的、不发生画质劣化的图像压缩，可实现移动终端具有的摄影机的静态图像的高画质化，而且该摄影机可适应动画和通信等功能，所以本发明的固体摄像装置的实用价值非常高。

工业上的实用性

本发明可适用于固体摄像装置，特别可适用于移动终端具有的摄影机等。

Claims (21)

1.一种固体摄像装置，在半导体基板上，包括：

摄像区域，2维状地设置多个单位像素而构成，所述单位像素具有将光信号转换成信号电荷的光电转换部、和将所述光电转换部的输出放大后输出放大信号的放大部；多个垂直信号线，在列方向上传输所述单位像素的放大信号；水平方向选择单元，以行方向从配置在所述摄像区域的单位像素中选择单位像素；第1储存电容及第2储存电容，连接在各列的垂直信号线上，并储存与各行的所述单位像素的放大信号对应的信号；储存电容选择单元，从所述第1储存电容和第2储存电容中选择储存所述信号的储存电容；垂直方向选择单元，从连接在所述多个垂直信号线的各垂直信号线上的所述第1储存电容和第2储存电容中，选择连接在任意的所述垂直信号线上的所述第1储存电容和第2储存电容；水平信号线，通过所述垂直方向选择单元连接在各列的垂直信号线上，传输与储存在所述第1储存电容或第2储存电容中的放大信号对应的信号，其特征在于，

所述储存电容选择单元，当进行所述多行的所述单元像素的放大信号的加法运算时，选择所述第1储存电容，当不进行所述加法运算时，选择所述第2储存电容；

所述第1储存电容的电容值，比所述第2储存电容的电容值小；

所述第2储存电容的电容值，是读取储存在该第2储存电容中的信号所必要的最小电容值。

2.如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，

所述第2储存电容的电容值，是吸收来自所述垂直方向选择单元的外来噪声所必要的电容值。

3.如权利要求2所述的固体摄像装置，其特征在于，

所述第1储存电容和第2储存电容由n个(n是不小于2的整数)第3储存电容并联构成；

所述储存电容选择单元，当对k行(k≤n，k是不小于2的整数)的所述单位像素的放大信号进行加法运算时，选择m个(m≤n/k，m是不小于1的整数)所述第3储存电容；当不进行所述加法运算时，选择p个(m＜p≤n，p是不小于2的整数)所述第3储存电容，当读取储存在所述第3储存电容中的信号时，选择储存所述信号的全部的所述第3储存电容。

4.如权利要求3所述的固体摄像装置，其特征在于，

所述储存电容选择单元，当进行所述加法运算时，进行k次所述第3储存电容的选择；

所述m在所述k次的第3储存电容的选择中是相同的值。

5.如权利要求4所述的固体摄像装置，其特征在于，

所述k×m个第3储存电容和所述p个第3储存电容中的总电容值小的一方，具有比所述垂直方向选择单元所具有的寄生电容值的预定倍数大的总电容值；

所述寄生电容值的预定倍的值，由用于所述垂直方向选择单元的选择中的电压值和从所述第3储存电容读取的信号电压值决定。

6.如权利要求5所述的固体摄像装置，其特征在于，

所述m为1，所述n与所述k及所述p相等。

7.如权利要求6所述的固体摄像装置，其特征在于，

所述第3储存电容，通过钳位电容与所述垂直信号线连接。

8.如权利要求7所述的固体摄像装置，其特征在于，

所述第3储存电容的电容值，被确定成使进行所述加法运算时的S/N比与不进行所述加法运算时的S/N比相等。

9.如权利要求8所述的固体摄像装置，其特征在于，

当Ccp为钳位电容的电容值、Csp为第3储存电容的电容值、k为进行加法运算的行数时，所述第3储存电容的电容值由下式决定

$\mathrm{Ccp}:\mathrm{Csp}\≈(1-1/\sqrt{k}):(\sqrt{k}-1).$

10.如权利要求9所述的固体摄像装置，其特征在于，

所述第3储存电容、水平方向选择单元及垂直方向选择单元，由NMOS型晶体管构成。

11.如权利要求3所述的固体摄像装置，其特征在于，

所述储存电容选择单元，当进行所述加法运算时，进行k次所述第3储存电容的选择；

所述m在所述k次的第3储存电容的选择中是不同的值。

12.如权利要求11所述的固体摄像装置，其特征在于，

所述第3储存电容通过钳位电容与所述垂直信号线连接。

13.如权利要求12所述的固体摄像装置，其特征在于，

所述第3储存电容的电容值，被确定成使进行所述加法运算时的S/N比与不进行所述加法运算时的S/N比相等。

14.如权利要求13所述的固体摄像装置，其特征在于，

当Ccp为钳位电容的电容值、Csp为第3储存电容的电容值、k为进行加法运算的行数时，所述第3储存电容的电容值由下式决定

$\mathrm{Ccp}:\mathrm{Csp}\≈(1-1/\sqrt{k}):(\sqrt{k}-1).$

15.如权利要求14所述的固体摄像装置，其特征在于，

所述第3储存电容、水平方向选择单元及垂直方向选择单元，由NMOS型晶体管构成。

16.如权利要求3所述的固体摄像装置，其特征在于，

所述第3储存电容，通过钳位电容与所述垂直信号线连接。

17.如权利要求16所述的固体摄像装置，其特征在于，

所述第3储存电容的电容值，被确定成使进行所述加法运算时的S/N比与不进行所述加法运算时的S/N比相等。

18.如权利要求17所述的固体摄像装置，其特征在于，

当Ccp为钳位电容的电容值、Csp为第3储存电容的电容值、k为进行加法运算的行数时，所述第3储存电容的电容值由下式决定，

$\mathrm{Ccp}:\mathrm{Csp}\≈(1-1/\sqrt{k}):(\sqrt{k}-1).$

19.如权利要求18所述的固体摄像装置，其特征在于，

所述第3储存电容、水平方向选择单元及垂直方向选择单元，由NMOS型晶体管构成。

20.如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，

所述第1储存电容和第2储存电容由n个(n是不小于2的整数)第3储存电容并联构成；

所述储存电容选择单元，当对k行(k≤n，k是不小于2的整数)的所述单位像素的放大信号进行加法运算时，选择m个(m≤n/k，m是不小于1的整数)所述第3储存电容；当不进行所述加法运算时，选择p个(m＜p≤n，p是不小于2的整数)所述第3储存电容，当读取储存在所述第3储存电容中的信号时，选择储存所述信号的全部的所述第3储存电容。

21.一种固体摄像装置的驱动方法，该固体摄像装置在半导体基板上包括：摄像区域，2维状地设置多个单位像素而构成，所述单位像素具有将光信号转换成信号电荷的光电转换部、和将所述光电转换部的输出放大后输出放大信号的放大部；多个垂直信号线，在列方向上传输所述单位像素的放大信号；多个储存电容，连接在各列的垂直信号线上，并储存与所述单位像素的放大信号对应的信号，其特征在于，

当对多行的所述单元像素的放大信号进行加法运算时，从所述多个储存电容中，对每一进行加法运算的行独立选择1个，并储存与每行的所述放大信号对应的信号之后，选择储存了与所述放大信号对应的信号的全部储存电容；

当不进行所述加法运算时，从所述多个储存电容中，并列选择不少于2个的、储存与每行的所述放大信号对应的信号的储存电容。

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