JP2001245220A - 半導体固体撮像装置 - Google Patents

半導体固体撮像装置

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JP2001245220A JP2000054137A JP2000054137A JP2001245220A JP 2001245220 A JP2001245220 A JP 2001245220A JP 2000054137 A JP2000054137 A JP 2000054137A JP 2000054137 A JP2000054137 A JP 2000054137A JP 2001245220 A JP2001245220 A JP 2001245220A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体固体撮像装置において、（１）ＯＢ画
素が必要でなくなる、（２）クランプ手段に必要な期間
を短縮できる、（３）ＯＢ画素の欠陥や迷光等によるダ
ークレベルの変動に対して安定したクランプレベルを供
給できる、ということを課題とする。 【解決手段】 同一半導体基板上に形成し、２次元に配
列された複数個の画素を有し、読み出し回路と増幅器と
で構成される読み出しチャンネルを複数個（ｎ≧２）有
し、前記複数個の増幅器を介して出力される画素信号を
順次選択して一線化し、出力する並列一直列変換回路を
有する半導体固体撮像装置において、読み出しチャンネ
ルごとに発生するオフセットを除去するクランプ手段と
して、前記読み出し回路の出力信号に含まれるリセット
レベルをクランプするクランプ手段を具備することを特
徴とする

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、同一半導体基板上
に形成し２次元に配列された画素を有する半導体固体撮
像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、ディジタルスチルカメラ、ディジ
タルビデオカメラ等の画像入力機器において、撮影画像
の高画質化のため光電変換素子からなるセンサの多画素
化が進んでおり、画素サイズの縮小化や、読み出し時間
の高速化などが求められている。これらの要求に対し
て、これまでには画素信号を複数個の読み出しチャンネ
ルに分割して読み出す方式が開発されてきた。
【０００３】この従来方式について、図１４、図１５を
用いて概説する。図１４は、従来方式の概略構成図であ
る。図１４において、２次元に配列された画素１０１
は、各々が入射光量に応じた電気信号いわゆる画素信号
を生成する。この画素信号の読み出しは、まず、垂直走
査回路１０２により１行選択し、行の奇数番目に配列さ
れた画素の画素信号がラインメモリ回路（１）１０４に
読み出され、偶数番目に配列された一画素の画素信号が
ラインメモリ回路（２）１０９に読み出される。
【０００４】続いて、水平走査回路（１）１０５は、チ
ップ外部もしくは内部より入力される水平シフトパルス
（１）１２２によりラインメモリ回路（１）１０４に読
み出された画素信号を順次選択し、増幅器（１）１０７
によって増幅され、出力（１）１０８より出力される。
一方、水平走査回路（２）１１０はチップ外部もしくは
内部より入力される水平シフトパルス（２）１２３によ
りラインメモリ回路（２）１０９に読み出された画素信
号を順次選択し、増幅器（２）１１２によって増幅さ
れ、出力（２）１１３より出力される。
【０００５】さらに、出力（１）１０８，出力（２）１
１３の各端子にスイッチ（１）１１６，スイッチ（２）
１１７の一端がそれぞれ接続され、他端を互いに接続
し、スイッチ（１）１１６，スイッチ（２）１１７を交
互に選択して、出力（３）１２０より奇数ラインと偶数
ラインとが組み合わされて一連の時系列で一線化した画
素信号を出力する。
【０００６】また、２次元に配列された画素１０１には
遮光膜等によって遮光されたＯＢ（Optica1 B1ack）画
素と、遮光膜のない有効画素が含まれており、出力
（１）１０８に出力されるＯＢ画素から得られるダーク
レベル信号を、クランプ手段（１）１２４を用いて所望
の電位にクランプし、出力（２）１１３に出力されるＯ
Ｂ画素から得られるダークレベル信号をクランプ手段
（２）１２５を用いて、所望の電位にクランプする。こ
の時、各クランプ手段によって、クランプされる電位が
同一とすれば出力（３）１２０からはオフセットが除去
された出力信号を得ることができる。
【０００７】図１５は図１４における水平シフトパルス
（１）１２２，水平シフトパルス（２）１２３，出力
（１）１０８，出力（２）１１３，スイッチ（１）１１
６，スイッチ（２）１１７，出力（３）１２０の７ノー
ドのタイミングチャートを示し、クランプ動作を行うク
ランプ期間１，２について示している。
【０００８】図１５には、水平走査回路（１）１０５，
水平走査回路（２）１１０に入力される水平シフトパル
ス（１）１２２，水平シフトパルス（２）１２３の各６
クロック分の波形を表しており、出力（１）１０８，出
力（２）１１３，出力（３）１２０には、第１番目の行
の画素から第１２番目の行の画素までの画素信号に対応
する位置にａ〜ｌの番号を割り振っている。画素信号ａ
〜ｆまではＯＢ画素から得られるダークレベル信号であ
り、ｇ〜ｌまでは有効画素から得られる画像信号であ
る。
【０００９】図によれば水平シフトパルス（１）１２２
に同期した画素信号ａ，ｃ，ｅ，ｇ，ｉ，ｋが出力
（１）１０８に順次出力され、水平シフトパルス（２）
１２３に同期した画素信号ｂ，ｄ，ｆ，ｈ，ｊ，ｌが出
力（２）１１３に順次出力されている。出力（１）１０
８，出力（２）１１３よりダークレベル信号が出力され
る時点においてクランプ手段（１）１２４，（２）１２
５を動作させることによってダークレベル信号を所望の
電位にクランプする。続いて、スイッチ（１）１１６お
よびスイッチ（２）１１７を交互に選択することによっ
て画素信号がａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈ，ｉ，
ｊ，ｋ，ｌの順に、出力（３）１２０に出力される。
【００１０】この図１５から分かるように、出力（３）
１２０のクロックレートに対して、出力（１）１０８，
出力（２）１１３は、１／２のクロックレートでよいた
め、読み出し時問の高速化が比較的容易になる。また、
読み出しチャネルを複数個持つことによって、ラインメ
モリ回路を２画素分のピッチで配置すればよいため、画
素サイズの縮小化を行う場合に、画素とラインメモリ回
路間の配線が容易になる。また、クランプ手段（１）１
２４，（２）１２５を用いることにより、各読み出しチ
ャンネルごとのオフセットを除去することができ、良好
な画像信号を得ることができる、などの効果が考えられ
る。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ような従来の画素信号を複数個の読み出しチャンネルに
分割し、読み出しチャンネルごとのオフセットを画素信
号のダークレベル信号をクランプすることによって除去
し、読み出しチャンネルごとの出力信号を順次選択して
一線化し、出力する方式においては、オフセットをクラ
ンプする手段としてＯＢ画素が必要になためレイアウト
が増大する。また、クランプ期間が必要なため読み出し
時間が増大する。ＯＢ画素の欠陥や迷光等によるダーク
レベルの変動によるクランプレベルの変動、などの問題
点があった。
【００１２】そこで、本発明は、前記従来技術に鑑み、
画素信号を複数個の読み出しチャンネルに分割し、読み
出しチャンネルごとの出力信号を順次選択して一線化
し、出力する方式において、前記読み出しチャンネルご
とに発生するオフセットを除去するクランプ手段を持
ち、読み出し回路から出力される出力信号に含まれるリ
セットレベルをクランプすることにより、 （１）ＯＢ画素が必要でなくなる。 （２）クランプ手段に必要な期間を短縮できる。 （３）ＯＢ画素の欠陥や迷光等によるダークレベルの変
動に対して安定したクランプレベルを供給できる、とい
う半導体固体撮像装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明による半導体固体
撮像装置は、上記の目的を達成するために、２次元に配
列された複数個の画素と、読み出し回路と増幅器とを含
む読み出しチャンネルを複数個（ｎ≧２の整数）と、前
記複数個の増幅器を介して出力される画素信号を順次選
択して一線化し、出力する並列一直列変換回路と、前記
読み出しチャンネルごとに発生するオフセットを除去す
るための前記読み出し回路の出力信号に含まれるリセッ
トレベルをクランプするクランプ手段とを具備すること
を特徴とする。
【００１４】また、本発明による半導体固体撮像装置
は、２次元に配列された複数個の画素と、ラインメモリ
回路と増幅器とを含む読み出しチャンネルを複数個（ｎ
≧２の整数）有し、垂直走査回路によって前記画素の選
択が行われると共に、各前記ラインメモリ回路に画素信
号が分割して読み出され、続いて、水平走査回路によっ
て各前記ラインメモリ回路に接続された増幅器を介して
出力し、さらに前記各読み出しチャンネルより出力され
る画素信号を順次選択して一線化し、出力する並列一直
列変換回路と、前記読み出しチャンネルごとに発生する
オフセットを除去するための前記読み出しチャネルの出
力信号に含まれるリセットレベルをクランプするクラン
プ手段を具備することを特徴とする。
【００１５】また、本発明は、２次元に配列された複数
個の画素を有し、読み出し回路と増幅器とを含む読み出
しチャンネルを複数個（ｎ≧２の整数）有し、前記読み
出しチャンネルごとに発生するオフセットを除去するク
ランプ手段と、前記複数個の増幅器を介して出力される
画素信号を順次選択して一線化して出力する並列一直列
変換回路を有する半導体固体撮像装置の撮像方法におい
て、前記読み出し回路の出力信号に含まれるリセットレ
ベルを、外部入力された基準電圧もしくは内部生成され
た基準電圧にクランプすることを特徴とする。
【００１６】［作用］本発明の半導体固体撮像装置にお
いて、読み出しチャンネルごとに発生するオフセットを
除去するグランプ手段を持ち、読み出し回路から出力さ
れる出力信号に含まれるリセットレベルをクランプする
ことにより、 （１）ＯＢ（Optical Black）画素が必要でなくなる。 （２）クランプ手段に必要な期間を短縮できる。 （３）ＯＢ画素の欠陥や迷光等によるダークレベルの変
動に対して、安定したクランプレベルを供給できて、ノ
イズ成分を効果的に除去できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の具体的な実施形態
について、図面を参照しながら説明する。
【００１８】［第１実施形態］本発明による第１実施形
態について、図１，図２を用いて概説する。
【００１９】図１は第１実施形態の概略構成図である。
図１において２次元に配置された画素３０１は、各々が
入射光量に応じたいわゆる画素信号を生成する。画素信
号は、垂直走査回路３０２がチップ外部もしくは内部よ
り入力される垂直シフトパルス３０３により、ある１行
を選択し、選択された行の各画素に接続された読み出し
チャンネル１〜５にそれぞれ読み出される。各読み出し
チャンネルではラインメモリ回路や相関二重サンプリン
グ（ＣＤＳ）回路等によって構成される読み出し回路
（１）〜（５）３０４に画素信号が保持され、続いて、
次段の増幅器（１）〜（５）３０５、クランプ手段
（１）〜（５）３０６によって、画素信号には信号増
幅、オフセット補正が施された後、出力される。
【００２０】続いて、スイッチ（１）〜（５）３０８
は、一端が読み出しチャンネル（１）〜（５）３０７の
出力に接続され、他端が互いに直結接続され、スイッチ
（１）〜（５）３０８が順番に選択されることによっ
て、出カバッファ回路３０９を介して出力３１０より、
時系列的に各ライン順次に一線化された画像信号が出力
される。また、読み出し回路（１）〜（５）３０４は、
次々に読み出される画素信号を次段の増幅器に伝達する
たびに、画素信号をリセットし、残像等の画素信号間の
混合を防止している。このリセット電圧は外部入力され
た電圧もしくは内部生成された電圧であり、画素信号の
影響を受けることなく、読み出しチャンネルのオフセッ
トのみを含むリセットレベルを出力する。
【００２１】読み出し回路（１）３０４以降の出力信号
に含まれるリセットレベルをクランプ手段（１）３０６
を用いて、所望の電位にクランプし、読み出し回路
（２）３０４以降の出力信号に含まれるリセットレベル
をクランプ手段（２）３０６を用いて、所望の電位にク
ランプし、読み出し回路（３）３０４以降の出力信号に
含まれるリセットレベルをクランプ手段（３）３０６を
用いて所望の電位にクランプし、読み出し回路（４）３
０４以降の出力信号に含まれるリセツトレベルをクラン
プ手段（４）３０６を用いて所望の電位にクランプし、
読み出し回路（５）３０４以降の出力信号に含まれるリ
セットレベルをクランプ手段（５）３０６を用いて、所
望の電位にクランプする。
【００２２】この時、各クランプ手段（１）〜（５）３
０６によってクランプされる電位が同一とすれば、出力
３１０からはオフセットが除去された出力信号を得るこ
とができる。
【００２３】図２は第１実施形態における図１の垂直シ
フトパルス３０３、クランプ期間（１）〜（５）、スイ
ッチ（１）〜（５）３０８，出力３１０の７ノードの波
形、及び読み出しチャンネルごとのリセット動作を行う
リセット動作期間１〜５、読み出し回路出力１〜５及び
クランプ動作を行うクランプ期問１〜５を示すタイミン
グ図である。
【００２４】図２によれば、垂直シフトパルス３０３の
立ち上がりおよび立ち下がりエッジにおいて選択される
行が切り替わり、行選択後にスイッチ（１）〜（５）３
０８を順番に選択して、一線化した画素信号を出力３１
０に出力している。クランプ動作は１行目のａ〜ｅの番
号で割り振った出力３１０での画素信号に含まれるリセ
ットレベルが出力されている期間において、クランプ手
段を動作させることで読み出し回路出力（１）〜（５）
に含まれるリセットレベルをクランプしている。その
後、出力される２行目のｆ〜ｊで割り振った出力３１０
での画素信号は、すでにクランプ動作が施されたもので
あるため、オフセット誤差のない良好な画像信号として
出力される。
【００２５】このように、読み出しチャンネルごとに発
生するオフセットを除去するクランプ手段を持ち、読み
出し回路から出力される出力信号に含まれるリセットレ
ベルをクランプすることにより、 （１）ＯＢ画素が必要でなくなる。 （２）クランプ手段に必要な期間を短縮できる。 （３）ＯＢ画素の欠陥や迷光等によるダークレベルの変
動に対して安定したクランプレベルを供給できる。
【００２６】［第２実施形態］本発明による第２実施形
態について、図１、図３、図４を用いて概説する。第２
実施形態は、第１実施形態に対して、クランプ手段が外
部入力された基準電圧もしくは内部生成された基準電圧
に各読み出しチャンネルの出力信号に含まれるリセット
レベルをクランプすることにおいて異なる特徴を持った
構成である。
【００２７】図３，図４は第２実施形態のクランプ手段
（１）〜（５）部分に着目して示した構成図である。図
によればクランプ手段（１）〜（５）５０１，６０１が
共通に接続された基準電圧５０４，６０４に各読み出し
チャンネルの出力信号に含まれるリセットレベルがクラ
ンプされる。
【００２８】このように、供給される基準電圧５０４，
６０４によって、リセットレベルがクランプされること
によって、後段の信号処理に用いられる基準電圧と相関
のある電圧を設定するなどして良好な信号処理を実現す
ることができる。
【００２９】［第３実施形態］本発明による第３実施形
態について、図１、図５を用いて概説する。本第３実施
形態は、第２実施形態に対して、各読み出しチャンネル
において、複数個の出力信号に含まれるリセットレベル
の平均値を、所望の電位にクランプすることにおいて、
異なる特徴を持った構成である。
【００３０】図５は本第３実施形態における図１の垂直
シフトパルス３０３、スイッチ（１）〜（５）３０８，
出力３１０の７ノードの波形、及び読み出しチャンネル
ごとのリセット動作を行うリセット動作期間（１）〜
（５）、読み出し回路出力（１）〜（５）、及びクラン
プ動作を行うクランプ期間（１）〜（５）を示すタイミ
ング図である。
【００３１】図５によれば、リセット動作期間（１）〜
（５）ごとに、クランプ期間（１）〜（５）が設けられ
ており、１つの読み出しチャンネルから、複数個のリセ
ットレベル信号の平均値を得ることができ、クランプ手
段（１）〜（５）３０６によって、この平均値が所望の
電位にクランプされる。各読み出し回路出力（１）〜
（５）に含まれるリセットレベル信号は、各ブロックで
発生するノイズ等によって、画素信号ごとにある程度の
ばらつきを持つため、複数個の画素信号から得られるリ
セットレベル信号の平均値を用いることによって、より
理想的なリセットレベル信号を得ることができる。
【００３２】［第４実施形態］本発明による第４実施形
態について、図１、図３、図６を用いて概説する。本第
４実施形態は、第２および第３実施形態のクランプ手段
において、より具体的な第１の構成例を示している。
【００３３】図６は本第４実施形態のクランプ手段の１
チャンネル分を示した構成図である。図６によれば、入
力８０２と出力８０３との間に、ＡＣ成分のみを後段に
伝達するカップリング容量８０６が接続され、このカッ
プリング容量８０６の出力端とクランプされる基準電圧
８０１との間に、スイッチ８０５が接続される構成にな
っている。
【００３４】クランプ動作は入力８０２に出力信号に含
まれるリセットレベルが印加された時点において、スイ
ッチ８０５をＯＮし、続いてＯＦＦすることにより、カ
ップリング容量８０６には、出力信号に含まれるリセッ
トレベルと基準電圧８０１の電位差によって発生する電
荷が保持されることにより、クランプとして実現され
る。スイッチ８０５がＯＦＦしている時点で、出力８０
３のインピーダンスを十分高く設定することにより、ク
ランプによって保持された電荷がカップリング容量８０
６から失われることなく、出力信号に含まれるリセット
レベルが基準電圧レベルと一致して、以降の画素信号を
出力する。
【００３５】［第５実施形態］本発明による第５実施形
態について、図１、図４、図７、図８を用いて概説す
る。本第５実施形態は、第２および第３実施形態のクラ
ンプ手段において、より具体的な第２の構成例を示して
いる。
【００３６】図７は本第５実施形態のクランプ手段の１
チャンネル分を示した第１構成図である。図７によれ
ば、クランプ手段９０４は出力９０３の出力電圧を帰還
して入力側に返すことによって、オフセット量が調整さ
れる電圧帰還形クランプ手段を形成している。
【００３７】増幅器９０１は２入力の加算が行われる構
成であり、２入力の一方を入力９０２、他方を帰還電圧
入力としている。また、クランプ手段９０４は基準電圧
９０５と出力９０３との電位差を電流値に変換して出力
するトランスコンダクタンス増幅器９０６を用い、トラ
ンスコンダクタンス増幅器９０６の出力端に接続された
容量９０７に生じる電圧をバツファ回路９０８を介して
帰還電圧入力に返している。
【００３８】クランプ動作は出力９０３の出力信号に含
まれるリセットレベルが出力される時点において、クラ
ンプ手段９０４に含まれるスイッチ９０９をＯＮして、
負帰還ループを形成し、出力９０３に出力される信号が
基準電圧９０５と一致する時点において、負帰還ループ
が安定する。この時点で、スイッチ９０９をＯＦＦする
ことにより、オフセット量が容量９０７に電荷として保
持され、以降オフセットが除去された画素信号を出力す
る。
【００３９】図８は第５実施形態のクランプ手段の１チ
ャンネル分を示した第２構成図である。図８によれば、
クランプ手段Ａ０５は電流を返すことによって、オフセ
ット量が調整される電流帰還形クランプ手段Ａ０５を形
成している。増幅器Ａ０１は入力（１）Ａ０２と入力
（２）Ａ０３の差動入力構成をもち、両入力電圧をバッ
ファ回路を介して抵抗Ｒ４１の両端に接続し、両入力の
差電圧と抵抗Ｒ４１によって電流に変換する電圧一電流
変換回路と、この出力電流を伝達するカレントミラー回
路ＣＭ４１，ＣＭ４２，ＣＭ４３によって電流を伝達し
て、抵抗Ｒ４２によって再び電圧に変換する電流一電圧
変換回路Ａ４１を介して出力Ａ０４に出力する構成にな
っている。
【００４０】クランプ手段Ａ０５は出力Ａ０４の出力と
基準電圧Ａ０６とを比較するコンパレータ回路Ａ０７
と、その出力電圧によって出力電流が決まるトランスコ
ンダクタンス増幅器Ａ１０があり、その出力は増幅器Ａ
０１に含まれる電流一電圧変換器Ａ４１の入力端に供給
される。クランプ動作は出力Ａ０４の出力信号に含まれ
るリセットレベルが出力される時点において、クランプ
手段Ａ０５に含まれるスイッチをＯＮして負帰還ループ
を形成し、出力Ａ０４が基準電圧Ａ０６と一致する時点
において、負帰還ループが安定する。この時点でスイッ
チＡ０８をＯＦＦすることにより、オフセット量がクラ
ンプ手段Ａ０５に含まれる容量Ａ０９に電荷として保持
され、以降オフセットが除去された画素信号を出力す
る。
【００４１】［第６実施形態］本発明による第６実施形
態について、図１、図９を用いて概説する。本第６実施
形態は、第１実施形態のクランプ手段に対して、特定の
読み出しチャンネルの出力信号に含まれるリセットレベ
ルと、それ以外の読み出しチャンネルの出力信号に含ま
れるリセットレベルとの相対的なオフセットを前記特定
の読み出しチャンネルの出力信号に含まれるリセットレ
ベルにクランプするクランプ手段である点で異なる特徴
を持った構成である。
【００４２】図９は、本第６実施形態のクランプ手段
（１）〜（５）部分に着目して示した構成図である。図
９において、クランプ手段は負帰還形クランプ手段を構
成しており、読み出しチャンネル（２）〜（５）はクラ
ンプ手段（２）〜（５）Ｂ０１が接続され、読み出しチ
ャンネル（１）Ｂ０２はサンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回
路Ｂ０４が出力１（１）Ｂ０３に接続されている。クラ
ンプ動作は出力（１）〜（５）Ｂ０３に出力信号に含ま
れるリセットレベルが出力される時点において、サンプ
ルホールド回路Ｂ０４を用いて、出力（１）Ｂ０３から
出力される出力信号に含まれるリセットレベルをサンプ
リングし、サンプリングされた出力信号に含まれるリセ
ットレベルをクランプ手段（２）〜（５）Ｂ０１に基準
電圧として供給している。
【００４３】上述した第６実施形態において、明らかな
ように、クランプ手段は供給される基準電圧とクランプ
動作時の出力信号が一致するように動作するため、読み
出しチャンネル（２）〜（５）は、読み出しチャンネル
（１）の出力信号に含まれるリセットレベルに一致する
ように動作する。仮に読み出しチャンネルが２つである
場合、クランプ精度は１段のクランプ手段によるばらつ
きによってのみ決まる。このことから、上述の第２実施
形態に示したように、独立にクランプ動作が行われる場
合には、２段のクランプ手段のばらつきを持つのに比べ
て優れているクランプ手段を供給することができる。
【００４４】［第７実施形態］本発明による第７実施形
態について図１、図５、図９を用いて概説する。本第７
実施形態は、第６実施形態に対して、リセットレベルが
複数個の出力信号に含まれるリセットレベルの平均値を
取ったものであることで異なる特徴を持った構成であ
る。
【００４５】この第７実施形態に特徴的な動作について
は、すでに第３実施形態においても説明がなされてお
り、その効果も同様に考えられる。
【００４６】［第８実施形態］本発明による第８実施形
態について、図１、図２、図９を用いて概説する。本第
８実施形態は、第６および第７実施形態に対して、増幅
器の動作点を調整する負帰還形のクランプ手段である点
で異なる特徴を持った構成である。
【００４７】この第８実施形態に特徴的な動作について
は、すでに第５実施形態において説明がなされており、
その効果も同様に考えられる。
【００４８】［第９実施形態］本発明による第９実施形
態について、図１０，図１１を用いて概説する。図１０
は第９実施形態の概略構成図である。図１０において、
２次元に配列された画素Ｃ０１は、各々が入射光量に応
じた電気信号いわゆる画素信号を生成する。画素信号の
読み出しは、まず、垂直走査回路Ｃ０２により１行毎に
選択し、行の奇数番目に配列された画素の画素信号がラ
インメモリ回路（１）Ｃ０４に読み出され、偶数番目に
配列された画素の画素信号がラインメモリ回路（２）Ｃ
０９に読み出される。続いて、水平走査回路（１）Ｃ０
５はチップ外部もしくは内部より入力される水平シフト
パルス（１）Ｃ２２によりラインメモリ回路（１）１０
４に読み出された画素信号を順次選択し、増幅器（１）
Ｃ２６によって増幅され、出力（１）Ｃ０８より出力さ
れる。
【００４９】一方、水平走査回路（２）Ｃ１０はチップ
外部もしくは内部より入力される水平シフトパルス
（２）Ｃ２３によりラインメモリ回路（２）Ｃ０９に読
み出された画素信号を順次選択し、増幅器（２）Ｃ２７
によって増幅され、出力（２）Ｃ１３より出力される。
【００５０】さらに、出力（１）Ｃ０８，出力（２）Ｃ
１３の各端子にスイッチ（１）Ｃ１６，スイッチ（２）
Ｃ１７の一端がそれぞれ接続され、他端を互いに接続
し、スイッチ（１）Ｃ１６，スイッチ（２）Ｃ１７を交
互に選択して、出力（３）Ｃ２０より一線化した画素信
号を出力する。
【００５１】また、読み出し回路（１）Ｃ０６、（２）
Ｃ１１は、次々に読み出される画素信号を、次段の増幅
器（１）Ｃ２６、（２）Ｃ２７に伝達するたびに画素信
号をリセットし、残像等の画素信号間の混合を防止して
いる。このリセット電圧は外部入力された電圧もしくは
内部生成された電圧であり、画素信号の影響を受けるこ
となく、読み出しチャンネルのオフセットのみを含むリ
セットレベルを出力する。
【００５２】出力（１）Ｃ０８に出力される出力信号に
含まれるリセットレベルをクランプ手段（１）Ｃ２４を
用いて、所望の電位にクランプし、出力（２）Ｃ１３に
出力される出力信号に含まれるリセットレベルをクラン
プ手段（２）Ｃ２５を用いて所望の電位にクランプす
る。
【００５３】この時、各クランプ手段（１）Ｃ２４、
（２）Ｃ２５によってクランプされる電位が同一とすれ
ば、出力（３）Ｃ２０からオフセットが除去された出力
信号が得られる。
【００５４】また、図１１は、図１０における水平シフ
トパルス（１）Ｃ２２，水平シフトパルス（２）Ｃ２
３，出力（１）Ｃ０８，出力（２）Ｃ１３，スイッチ
（１）Ｃ１６，スイッチ（２）Ｃ１７，出力（３）Ｃ１
８の７ノードの波形、及び読み出しチャンネルごとのリ
セット動作を行うリセット動作期間（１）、（２）、及
びクランプ動作を行うクランプ期間（１）、（２）を示
すタイミング図である。
【００５５】水平走査回路（１）Ｃ０５，水平走査回路
（２）Ｃｌ０に入力される水平シフトパルス（１）Ｃ２
２，水平シフトパルス（２）Ｃ２３の各６クロック分の
波形を表しており、出力（１）Ｃ０８，出力（２）Ｃ１
３，出力（３）Ｃ２０には、行の第１番目の画素から第
１２番目の画素までの画素信号に対応する位置に、ａ〜
ｌの番号を割り振っている。クランプ動作は画素信号
ａ，ｂに含まれるリセットレベルが出力されている期間
において、クランプ手段を動作させることで、読み出し
回路出力（１）、（２）に含まれるリセットレベルをク
ランプしている。その後、出力される２行目のｃ〜ｌで
割り振った出力（３）Ｃ２０での画素信号は、すでにク
ランプ動作が施されたものであるため、オフセット誤差
のない良好な画像信号として出力される。
【００５６】このように、読み出しチャンネルごとに発
生するオフセットを除去するクランプ手段を持ち、読み
出し回路から出力される出力信号に含まれるリセットレ
ベルをクランプすることにより、 （１）ＯＢ画素が必要でなくなる。 （２）クランプ手段に必要な期間を短縮できる。 （３）ＯＢ画素の欠陥や迷光等によるダークレベルの変
動に対して安定したクランプレベルを供給できる。
【００５７】［第１０実施形態］本発明による第１０実
施形態について、図３、図４、図１０を用いて概説す
る。本第１０実施形態は、第９実施形態に対してクラン
プ手段が外部入力された基準電圧もしくは内部生成され
た基準電圧に各読み出しチャンネルの出力信号に含まれ
るリセットレベルをクランプする点で、異なる特徴を持
った構成である。
【００５８】この第１０実施形態に特徴的な動作につい
ては、すでに第２実施形態において説明がなされてお
り、その効果も同様に考えられる。
【００５９】［第１１実施形態］本発明による第１１実
施形態について、図１０、図１２を用いて概説する。本
第１１実施形態は、第１０実施形態に対して、各読み出
しチャンネルにおいて、複数個の出力信号に含まれるリ
セットレベルの平均値を、所望の電位にクランプする点
で異なる特徴を持った構成である。
【００６０】この第１０実施形態に特徴的な動作につい
ては、すでに第３実施形態において説明がなされてお
り、その効果も同様に考えられる。
【００６１】［第１２実施形態］本発明による第１２実
施形態について、図３、図６、図１０を用いて概説す
る。本第１２実施形態は、第１０及び第１１実施形態の
クランプ手段において、より具体的な第１の構成例を示
している。
【００６２】この第１２実施形態に特徴的な動作につい
ては、すでに第４実施形態において説明がなされてお
り、その効果も同様に考えられる。
【００６３】［第１３実施形態］本発明による第１３実
施形態について、図４、図７、図８、図１０を用いて概
説する。本第１３実施形態は、第１０及び第１１実施形
態のクランプ手段において、より具体的な第２の構成例
を示している。
【００６４】この第１３実施形態に特徴的な動作につい
ては、すでに第５実施形態において説明がなされてお
り、その効果も同様に考えられる。
【００６５】［第１４実施形態］本発明による第１４実
施形態について、図９、図１０を用いて概説する。本第
１４実施形態は、第９実施形態のクランプ手段に対し
て、特定の読み出しチャンネルの出力信号に含まれるリ
セットレベルと、それ以外の読み出しチャンネルの出力
信号に含まれるリセットレベルとの相対的なオフセット
を特定の読み出しチャンネルの出力信号に含まれるリセ
ットレベルにクランプするクランプ手段である点で異な
る特徴を持った構成である。
【００６６】この第１４実施形態に特徴的な動作につい
ては、すでに第６実施形態において説明がなされてお
り、その効果も同様に考えられる。
【００６７】［第１５実施形態］本発明による第１５実
施形態について、図５、図９、図１０を用いて概説す
る。本第１５実施形態は、第１４実施形態に対して、リ
セットレベルが複数個の出力信号に含まれるリセットレ
ベルの平均値を取ったものである点で異なる特徴持った
構成である。
【００６８】この第１５実施形態に特徴的な動作につい
ては、すでに第３実施形態において説明がなされてお
り、その効果も同様に考えられる。
【００６９】［第１６実施形態］本発明による第１６実
施形態について、図２、図９、図１０を用いて概説す
る。本第１６実施形態は、第１４及び第１５実施形態に
対して、増幅器の動作点を調整する負帰還形のクランプ
手段である点で異なる特徴を持った構成である。
【００７０】この第１６実施形態に特徴的な動作につい
ては、すでに第５実施形態において説明がなされてお
り、その効果も同様に考えられる。
【００７１】［第１７実施形態］本発明による第１７実
施形態について、図８、図１３を用いて概説する。本第
１７実施形態は、第１及び第９実施形態に対して、２つ
の入力信号の差分を増幅する増幅器であり、且つその出
力信号をクランプするクランプ手段を持つ点で異なる特
徴を持った構成である。
【００７２】図８に記載の増幅器Ａ０１や、図１３に記
載の差動増幅器Ｆ０１は本実施形態の差動増幅器Ｆ０１
の構成を説明する第１及び第２の構成例である。
【００７３】この差動増幅器Ｆ０１は、入力１及び入力
２に入力された信号の電位差を抽出し、設定されたゲイ
ンにしたがって、この電位差を増幅して出力する。ま
た、クランプ手段によって、差動増幅器で発生するオフ
セットを除去する。
【００７４】本発明に示したような複数個の画素を有す
る半導体固体撮像装置においては、画素ごとに異なるノ
イズ信号を含んでいるため、同一光量を受光しても、画
素ごとに信号レベルがばらついて出力されることから、
差動増幅器の２つの入力に受光した光信号と、ノイズ信
号とを入力し、クランプ手段によって、オフセットを除
去することによって、同一光量を受光した画素が、画素
ごとに異なるノイズ信号に影響されることなく、一定の
信号レベルを出力することが可能となる。
【００７５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
読み出しチャンネルごとに発生するオフセットを除去す
るクランプ手段を持ち、読み出し回路から出力される出
力信号に含まれるリセットレベルをクランプすることに
より、（１）ＯＢ画素が必要でなくなる、（２）クラン
プ手段に必要な期間を短縮できる、（３）ＯＢ画素の欠
陥や迷光等によるダークレベルの変動に対して、安定し
たクランプレベルを供給でき、ノイズ成分を効果的に除
去できる、といった効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体固体撮像装置の第１〜８実施形
態を示す概略構成図である。
【図２】図１に示した第１，２，４〜６，８実施形態の
３０３垂直シフトパルス、３０８スイッチ１〜５，３０
１出力の７ノードの波形及び読み出しチャンネルごとの
リセット動作を行うリセット動作期問１〜５、読み出し
回路出力１〜５及びクランプ動作を行うクランプ期問１
〜５を示すタイミング図である。
【図３】本発明の半導体固体撮像装置の第２，４，１
０，１２の実施形態のクランプ手段１〜５部分に着目し
て示した構成図である。
【図４】本発明の半導体固体撮像装置の第２，５，１
０，１３の実施形態のクランプ手段１〜５部分に着目し
て示した構成図である。
【図５】図１に示した第３及び第７の実施形態の３０３
垂直シフトパルス、３０８スイッチ１〜５，３０１出力
の７ノードの波形及び読み出しチャンネルごとのリセッ
ト動作を行うリセット動作期問１〜５、読み出し回路出
力１〜５及びクランプ動作を行うクランプ期問１〜５を
示すタイミング図である。
【図６】本発明の半導体固体撮像装置の第４，１２の実
施形態のクランプ手段の１チャンネル分を示した構成図
である。
【図７】本発明の半導体固体撮像装置の第５，１３の実
施形態のクランプ手段の１チャンネル分を示した第１の
構成図である。
【図８】本発明の半導体固体撮像装置の第５，１３の実
施形態のクランプ手段の１チャンネル分を示した第２の
構成図である。
【図９】本発明の半導体固体撮像装置の第６，８，１
４，１６の実施形態のクランプ手段１〜５部分に着目し
て示した構成図である。
【図１０】本発明の半導体固体撮像装置の第９〜１６実
施形態を示す概略構成図である。
【図１１】図１０に示した第９〜１６実施形態のＣ２２
水平シフトパルス１，Ｃ２３水平シフトパルス２，Ｃ０
８出力１，Ｃ１３出力２，Ｃ１６スイッチ１，Ｃ１７ス
イッチ２，Ｃ１８出力３の７ノードの波形及び読み出し
チャンネルごとのリセット動作を行うリセット動作期間
１，２及びクランプ動作を行うクランプ期問１，２を示
すタイミング図である。
【図１２】図１０に示した第１１及び第１５のＣ２２水
平シフトパルス１，Ｃ２３水平シフトパルス２，Ｃ０８
出力１，Ｃ１３出力２，Ｃ１６スイッチ１，Ｃ１７スイ
ッチ２，Ｃ１８出力３の７ノードの波形及び読み出しチ
ャンネルごとのリセット動作を行うリセット動作期間
１，２及びクランプ動作を行うクランプ期間１，２を示
すタイミング図である。
【図１３】本発明の半導体固体撮像装置の第１７実施形
態の差動増幅器の第２の構成例を示す。
【図１４】従来の半導体固体撮像装置の１例を示す概略
構成図である。
【図１５】図１に示した従来例の１２２水平シフトパル
ス１，１２３水平シフトパルス２，１０８出力１，１１
３出力２，１１６スイッチ１，１１７スイッチ２，１１
８出力３の７ノードの波形及び読み出しチャンネルごと
のクランプ動作を行うクランプ期間１，２を示すタイミ
ング図である。
【符号の説明】
１０１、３０１ ２次元状の画素 １０２、３０２ 垂直走査回路 １０４ ラインメモリ回路（１） １０５ 水平走査回路（１） １０６ 読み出し系（１） １０７ 増幅器（１） １０８ 出力（１） １０９ ラインメモリ回路（２） １１０ 水平走査回路（２） １１１ 読み出し系（２） １１２ 増幅器（２） １１３ 出力（２） １１６ スイッチ（１） １１７ スイッチ（２） １１８、３１１ 並列−直列変換回路 １１９ 出力バッファ回路 １２０ 出力（３） １２２ 水平シフトパルス（１） １２３ 水平シフトパルス（２） １２４ クランプ手段（１） １２５ クランプ手段（２） ３０３ 垂直シフトパルス ３０４ 読み出し回路（１）〜（５） ３０５ 増幅器（１）〜（５） ３０６ クランプ手段（１）〜（５） ３０７ 読み出しチャンネル（１）〜（５） ３０８ スイッチ（１）〜（５） ３０９ 出力バッファ回路 ３１０ 出力 ５０１、６０１ クランプ手段（１）〜（５） ５０２、６０２ 入力（１）〜（５） ５０３、６０３ 出力（１）〜（５） ８０１、９０５ 基準電圧 ８０２、９０２ 入力 ８０３、９０３ 出力 ８０５ スイッチ ８０６ カップリング容量 ９０１ 増幅器 ９０４ クランプ手段 Ａ０１ 増幅器 Ａ０２ 入力（１） Ａ０３ 入力（２） Ａ０４ 出力 Ａ０５ クランプ手段 Ａ０６ 基準電圧 Ｂ０１ クランプ手段（１）〜（５） Ｂ０２ 入力（１）〜（５） Ｂ０３ 出力（１）〜（５） Ｃ０１ 画素 Ｃ０２ 垂直走査回路 Ｃ０４、Ｃ１９ ラインメモリ回路 Ｃ０５、Ｃ１０ 水平走査回路 Ｃ１６、Ｃ１７ スイッチ Ｃ１８ 並列−直列変換回路 Ｃ１９ 出力バッファ回路 Ｃ０８、Ｃ１３、Ｃ２０ 出力 Ｆ０１ 差動増幅器 Ｆ０２ 入力 Ｆ０３ 出力 Ｆ０４ クランプ手段

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ２次元に配列された複数個の画素と、読
    み出し回路と増幅器とを含む読み出しチャンネルを複数
    個（ｎ≧２の整数）と、前記複数個の増幅器を介して出
    力される画素信号を順次選択して一線化し、出力する並
    列一直列変換回路と、前記読み出しチャンネルごとに発
    生するオフセットを除去するための前記読み出し回路の
    出力信号に含まれるリセットレベルをクランプするクラ
    ンプ手段とを具備することを特徴とする半導体固体撮像
    装置。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の半導体固体撮像装置に
    おいて、前記クランプ手段が外部入力された基準電圧も
    しくは内部生成された基準電圧に各前記読み出しチャン
    ネルの出力信号に含まれる前記リセットレベルをクラン
    プする前記クランプ手段であることを特徴とする半導体
    固体撮像装置。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載の半導体固体撮像装置に
    おいて、前記出力信号に含まれる前記リセットレベルを
    複数回サンプリングし、その平均値がクランプされるこ
    とを特徴とする半導体固体撮像装置。
  4. 【請求項４】 講求項２又は３に記載の半導体固体撮像
    装置において、前記クランプ手段が出力信号のＡＣ成分
    のみを後段に伝達するカップリング容量と前記カップリ
    ング容量の出力側の端子と前記外部入力された基準電圧
    もしくは前記内部生成された基準電圧との間に設けられ
    たスイッチ手段とで構成される容量結合形のクランプ手
    段であることを特徴とする半導体固体撮像装置。
  5. 【請求項５】 請求項２又は３に記載の半導体固体撮像
    装置において、前記クランプ手段によってクランプされ
    る出力信号に含まれる前記リセットレベルと前記外部入
    力された基準電圧もしくは前記内部生成された基準電圧
    との電位差を検知し、前記電位差を除去するような負帰
    還動作を前記増幅器の動作点を調整することによって実
    現した負帰還形のクランプ手段であることを特徴とする
    半導体固体撮像装置。
  6. 【請求項６】 請求項１に記載の半導体固体撮像装置に
    おいて、前記クランプ手段が特定の読み出しチャンネル
    の出力信号に含まれる前記リセットレベルとそれ以外の
    読み出しチャンネルの出力信号に含まれる前記リセット
    レベルとの相対的なオフセットを前記特定の読み出しチ
    ャンネルの出力信号に含まれる前記リセットレベルにク
    ランプするクランプ手段であることを特徴とする半導体
    固体撮像装置。
  7. 【請求項７】 請求項６に記載の半導体固体撮像装置に
    おいて、前記出力信号に含まれる前記リセットレベルを
    複数回サンプリングし、その平均値がクランプされるこ
    とを特徴とする半導体固体撮像装置。
  8. 【請求項８】 請求項６又は７に記載の半導体固体撮像
    装置において、前記クランプ手段によってクランプされ
    る出力信号に含まれる前記リセツトレベルと前記外部入
    力された基準電圧もしくは前記内部生成された基準電圧
    との電位差を検知し、前記電位差を除去するような負帰
    還動作を前記増幅器の動作点を調整することによって実
    現した負帰還形のクランプ手段であることを特徴とする
    半導体固体撮像装置。
  9. 【請求項９】 ２次元に配列された複数個の画素と、ラ
    インメモリ回路と増幅器とを含む読み出しチャンネルを
    複数個（ｎ≧２の整数）有し、垂直走査回路によって前
    記画素の選択が行われると共に、各前記ラインメモリ回
    路に画素信号が分割して読み出され、続いて、水平走査
    回路によって各前記ラインメモリ回路に接続された増幅
    器を介して出力し、さらに前記各読み出しチャンネルよ
    り出力される画素信号を順次選択して一線化し、出力す
    る並列一直列変換回路と、前記読み出しチャネルごとに
    発生するオフセットを除去するための前記読み出しチャ
    ネルの出力信号に含まれるリセットレベルをクランプす
    るクランプ手段を具備することを特徴とする半導体固体
    撮像装置。
  10. 【請求項１０】 請求項９に記載の半導体固体撮像装置
    において、前記クランプ手段が外部入力された基準電圧
    もしくは内部生成された基準電圧に各前記読み出しチャ
    ンネルの出力信号に含まれる前記リセットレベルをクラ
    ンプするクランプ手段であることを特徴とする半導体固
    体撮像装置。
  11. 【請求項１１】 請求項１０に記載の半導体固体撮像装
    置において、前記出力信号に含まれる前記リセットレベ
    ルを複数回サンプリングし、その平均値がクランプされ
    ることを特徴とする半導体固体撮像装置。
  12. 【請求項１２】 請求項１０又は１１に記載の半導体固
    体撮像装置において、前記クランプ手段が出力信号のＡ
    Ｃ成分のみを後段に伝達するカップリング容量と前記カ
    ップリング容量の出力側の端子と前記外部入力された基
    準電圧もしくは前記内部生成された基準電圧との間に設
    けられたスイッチ手段とで構成される容量結合形のクラ
    ンプ手段であることを特徴とする半導体固体撮像装置。
  13. 【請求項１３】 請求項１０又は１１に記載の半導体固
    体撮像装置において、前記クランプ手段によってクラン
    プされる出力信号に含まれる前記リセットレベルと前記
    外部入力された基準電圧もしくは前記内部生成された基
    準電圧との電位差を検知し、前記電位差を除去するよう
    な負帰還動作を前記増幅器の動作点を調整することによ
    って実現した負帰還形のクランプ手段であることを特徴
    とする半導体固体撮像装置。
  14. 【請求項１４】 請求項９に記載の半導体固体撮像装置
    において、前記クランプ手段が特定の前記読み出しチャ
    ンネルの出力信号に含まれる前記リセットレベルとそれ
    以外の読み出しチャンネルの出力信号に含まれる前記リ
    セットレベルとの相対的なオフセットを前記特定の読み
    出しチャンネルの出力信号に含まれる前記リセットレベ
    ルにクランプするクランプ手段であることを特徴とする
    半導体固体撮像装置。
  15. 【請求項１５】 請求項１４に記載の半導体固体撮像装
    置において、前記出力信号に含まれる前記リセットレベ
    ルを複数回サンプリングし、その平均値がクランプされ
    ることを特徴とする半導体固体撮像装置。
  16. 【請求項１６】 請求項１４又は１５に記載の半導体固
    体撮像装置において、前記クランプ手段によってクラン
    プされる出力信号に含まれる前記リセットレベルと前記
    外部入力された基準電圧もしくは前記内部生成された基
    準電圧との電位差を検知し、前記電位差を除去するよう
    な負帰還動作を前記増幅器の動作点を調整することによ
    って実現した負帰還形のクランプ手段であることを特徴
    とする半導体固体撮像装置。
  17. 【請求項１７】 請求項１又は９に記載の半導体固体撮
    像装置において、前記増幅器が２つの入力信号の差分を
    増幅する差動増幅器であり、その出力信号をクランプす
    るクランプ手段とで構成されることを特徴とする半導体
    固体撮像装置。
  18. 【請求項１８】 ２次元に配列された複数個の画素を有
    し、読み出し回路と増幅器とを含む読み出しチャンネル
    を複数個（ｎ≧２の整数）有し、前記読み出しチャンネ
    ルごとに発生するオフセットを除去するクランプ手段
    と、前記複数個の増幅器を介して出力される画素信号を
    順次選択して一線化して出力する並列一直列変換回路を
    有する半導体固体撮像装置の撮像方法において、 前記読み出し回路の出力信号に含まれるリセットレベル
    を、外部入力された基準電圧もしくは内部生成された基
    準電圧にクランプすることを特徴とする半導体固体撮撮
    像装置の撮像方法。
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