JP2001285717A - 固体撮像装置 - Google Patents
固体撮像装置Info
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- H04N25/42—Extracting pixel data from image sensors by controlling scanning circuits, e.g. by modifying the number of pixels sampled or to be sampled by switching between different modes of operation using different resolutions or aspect ratios, e.g. switching between interlaced and non-interlaced mode
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- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
- H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
- H04N25/77—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components
- H04N25/778—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components comprising amplifiers shared between a plurality of pixels, i.e. at least one part of the amplifier must be on the sensor array itself
Abstract
(57)【要約】
【課題】Ｓ／Ｎ比の低下を招くことなく、高速読み出し
を可能とする固体撮像装置を提供することを目的として
いる。 【解決手段】単位セル毎に電位検出回路を設けた増幅型
の固体撮像装置において、１つの単位セルＰ（ｉ，ｊ）
の中に２つのフォトダイオード1-1，1-2を配置し、高速
駆動モード時に、これらのフォトダイオード1-1，1-2に
蓄積された電荷を、実質的に同一のタイミングで共通の
電荷検出部3に移送し、各単位セルＰ（ｉ，ｊ）中で足
し合わせ、この足し合わせた電荷を検出して読み出しを
行うことを特徴としている。一定の技術水準の元では、
読み出し速度とＳ／Ｎ比はトレードオフの関係となる
が、２つのフォトダイオード1-1，1-2から得た信号電荷
を共通の電荷検出部3で足し合わせることにより、通常
動作での感度をできるだけ損なわないようにしつつ、高
速読み出しが可能となる。
を可能とする固体撮像装置を提供することを目的として
いる。 【解決手段】単位セル毎に電位検出回路を設けた増幅型
の固体撮像装置において、１つの単位セルＰ（ｉ，ｊ）
の中に２つのフォトダイオード1-1，1-2を配置し、高速
駆動モード時に、これらのフォトダイオード1-1，1-2に
蓄積された電荷を、実質的に同一のタイミングで共通の
電荷検出部3に移送し、各単位セルＰ（ｉ，ｊ）中で足
し合わせ、この足し合わせた電荷を検出して読み出しを
行うことを特徴としている。一定の技術水準の元では、
読み出し速度とＳ／Ｎ比はトレードオフの関係となる
が、２つのフォトダイオード1-1，1-2から得た信号電荷
を共通の電荷検出部3で足し合わせることにより、通常
動作での感度をできるだけ損なわないようにしつつ、高
速読み出しが可能となる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、単位セル毎に電
位検出回路を有するいわゆる増幅型の固体撮像装置に係
るもので、特に、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）の低下を抑
制しつつ、高速で駆動するのに好適な動作モードを有す
る固体撮像装置に関する。
位検出回路を有するいわゆる増幅型の固体撮像装置に係
るもので、特に、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）の低下を抑
制しつつ、高速で駆動するのに好適な動作モードを有す
る固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、単位セル毎に電位検出回路を設け
た増幅型と称される固体撮像装置の開発が盛んである。
従来より用いられた電荷結合素子（ＣＣＤ）型に比べ、
電荷転送動作をフォトダイオード周辺でしか行わないた
め、電荷転送動作に要求される電力・電圧が不要とな
り、電池等で駆動されるモバイル用途に有利である。そ
の反面、単位セル毎に設けられた電位検出回路の特性ば
らつきによるＳ／Ｎ比劣化が克服すべき課題としてあ
り、現在も研究が続けられている。
た増幅型と称される固体撮像装置の開発が盛んである。
従来より用いられた電荷結合素子（ＣＣＤ）型に比べ、
電荷転送動作をフォトダイオード周辺でしか行わないた
め、電荷転送動作に要求される電力・電圧が不要とな
り、電池等で駆動されるモバイル用途に有利である。そ
の反面、単位セル毎に設けられた電位検出回路の特性ば
らつきによるＳ／Ｎ比劣化が克服すべき課題としてあ
り、現在も研究が続けられている。
【０００３】図１は、このような増幅型固体撮像装置の
概略構成を示している。この図１では、１つの単位セル
の中に２つのフォトダイオードを配置してなる固体撮像
装置を例にとって示している。
概略構成を示している。この図１では、１つの単位セル
の中に２つのフォトダイオードを配置してなる固体撮像
装置を例にとって示している。
【０００４】半導体基板上の撮像領域には、単位セルが
二次元的に配列されている。図１においては、単位セル
の垂直方向の配列はｍ，ｍ＋１、水平方向の配列はｎ−
１，ｎ，ｎ＋１であり、Ｐ（ｉ，ｊ）と表記し、ｉ＝
ｍ，ｍ＋１、ｊ＝ｎ−１，ｎ，ｎ＋１とする。また、各
パルスラインやパルス信号にもｉ、ｊを付し、同様な表
記を行うものとする。
二次元的に配列されている。図１においては、単位セル
の垂直方向の配列はｍ，ｍ＋１、水平方向の配列はｎ−
１，ｎ，ｎ＋１であり、Ｐ（ｉ，ｊ）と表記し、ｉ＝
ｍ，ｍ＋１、ｊ＝ｎ−１，ｎ，ｎ＋１とする。また、各
パルスラインやパルス信号にもｉ、ｊを付し、同様な表
記を行うものとする。
【０００５】上記単位セルＰ（ｉ，ｊ）の各画素行に対
応して、水平方向にアドレスパルスラインＬＡＤｉ、第
１，第２の読み出しパルスラインＬＲ１ｉ，ＬＲ２ｉ、
及びリセットパルスラインＬＲＳｉが設けられている。
これら各単位セルＰ（ｉ，ｊ）にはそれぞれ、垂直駆動
手段としてのパルス発生部20からアドレスパルスライン
ＬＡＤｉ、第１，第２の読み出しパルスラインＬＲ１
ｉ，ＬＲ２ｉ、及びリセットパルスラインＬＲＳｉをそ
れぞれ介して、アドレスパルスφＡＤｉ、第１，第２の
読み出しパルスφＲ１ｉ，φＲ２ｉ、及びリセットパル
スφＲＳｉが供給される。
応して、水平方向にアドレスパルスラインＬＡＤｉ、第
１，第２の読み出しパルスラインＬＲ１ｉ，ＬＲ２ｉ、
及びリセットパルスラインＬＲＳｉが設けられている。
これら各単位セルＰ（ｉ，ｊ）にはそれぞれ、垂直駆動
手段としてのパルス発生部20からアドレスパルスライン
ＬＡＤｉ、第１，第２の読み出しパルスラインＬＲ１
ｉ，ＬＲ２ｉ、及びリセットパルスラインＬＲＳｉをそ
れぞれ介して、アドレスパルスφＡＤｉ、第１，第２の
読み出しパルスφＲ１ｉ，φＲ２ｉ、及びリセットパル
スφＲＳｉが供給される。
【０００６】また、上記単位セルＰ（ｉ，ｊ）の列毎に
対応して、垂直方向に垂直信号線Ｓｊが設けられる。こ
れら垂直信号線Ｓｊの一端と接地点間にはそれぞれ、電
流源Ｉｊが設けられている。上記各垂直信号線Ｓｊの他
端には、シフトトランジスタ（シフトゲート）ＳＨｊの
電流通路の一端がそれぞれ接続されている。これらシフ
トトランジスタＳＨｊのゲートは、シフトパルスライン
ＬＳＨに共通接続される。
対応して、垂直方向に垂直信号線Ｓｊが設けられる。こ
れら垂直信号線Ｓｊの一端と接地点間にはそれぞれ、電
流源Ｉｊが設けられている。上記各垂直信号線Ｓｊの他
端には、シフトトランジスタ（シフトゲート）ＳＨｊの
電流通路の一端がそれぞれ接続されている。これらシフ
トトランジスタＳＨｊのゲートは、シフトパルスライン
ＬＳＨに共通接続される。
【０００７】結合用のキャパシタ（容量）ＣＡｊの一方
の電極はそれぞれ、上記シフトトランジスタＳＨｊの電
流通路の他端に接続され、これらキャパシタＣＡｊの他
方の電極と水平信号線24との間にはそれぞれ、水平読み
出し手段としての水平読み出しトランジスタ（水平読み
出しゲート）Ｈｊの電流通路が接続される。上記水平読
み出しトランジスタＨｊのゲートはそれぞれ、水平読み
出しパルスラインＬＨｊに接続されている。上記水平信
号線24には、キャパシタ25で等価的に表す容量が付随し
ている。
の電極はそれぞれ、上記シフトトランジスタＳＨｊの電
流通路の他端に接続され、これらキャパシタＣＡｊの他
方の電極と水平信号線24との間にはそれぞれ、水平読み
出し手段としての水平読み出しトランジスタ（水平読み
出しゲート）Ｈｊの電流通路が接続される。上記水平読
み出しトランジスタＨｊのゲートはそれぞれ、水平読み
出しパルスラインＬＨｊに接続されている。上記水平信
号線24には、キャパシタ25で等価的に表す容量が付随し
ている。
【０００８】更に、電荷蓄積用のキャパシタ（容量）Ｃ
Ｂｊはそれぞれ、上記キャパシタＣＡｊの他方の電極と
接地点間に接続される。オフセット除去のためのクラン
プ動作用のトランジスタ（クランプ動作用のゲート）Ｃ
ＬＰｊの電流通路はそれぞれ、上記キャパシタＣＡｊと
ＣＢｊの接続点とクランプ用の直流電源23の正極との間
に接続される。これらのトランジスタＣＬＰｊのゲート
はそれぞれ、クランプラインＬＣＬＰに接続されてい
る。
Ｂｊはそれぞれ、上記キャパシタＣＡｊの他方の電極と
接地点間に接続される。オフセット除去のためのクラン
プ動作用のトランジスタ（クランプ動作用のゲート）Ｃ
ＬＰｊの電流通路はそれぞれ、上記キャパシタＣＡｊと
ＣＢｊの接続点とクランプ用の直流電源23の正極との間
に接続される。これらのトランジスタＣＬＰｊのゲート
はそれぞれ、クランプラインＬＣＬＰに接続されてい
る。
【０００９】上記シフトトランジスタＳＨｊ、上記キャ
パシタＣＡｊ、ＣＢｊ及びクランプ動作用のトランジス
タＣＬＰｊによって、信号処理手段としてのノイズキャ
ンセラ回路が構成される。
パシタＣＡｊ、ＣＢｊ及びクランプ動作用のトランジス
タＣＬＰｊによって、信号処理手段としてのノイズキャ
ンセラ回路が構成される。
【００１０】パルス発生部21は、上記シフトパルスライ
ンＬＳＨを介して各シフトトランジスタＳＨｊのゲート
にシフトパルスφＳＨを供給し、上記クランプパルスラ
インＬＣＬＰを介して各クランプ動作用のトランジスタ
ＣＬＰｊのゲートにクランプパルスφＣＬＰを供給して
動作を制御する。
ンＬＳＨを介して各シフトトランジスタＳＨｊのゲート
にシフトパルスφＳＨを供給し、上記クランプパルスラ
インＬＣＬＰを介して各クランプ動作用のトランジスタ
ＣＬＰｊのゲートにクランプパルスφＣＬＰを供給して
動作を制御する。
【００１１】また、水平駆動手段としてのパルス発生部
22は、上記水平読み出しパルスラインＬＨｊを介して、
水平読み出しトランジスタＨｊのゲートに水平読み出し
パルスφＨｊを供給するとともに、クリアパルスライン
ＬＣＲを介して電位リセット用のトランジスタ（電位リ
セット用のゲート）28のゲートにクリアパルスφＣＲを
供給する。この電位リセット用のトランジスタ28は、キ
ャパシタ（容量）25の電位をリセットするためのもの
で、電流通路の一端にリセット時の電位発生用の直流電
源29の正極が接続され、電流通路の他端は水平信号線24
に接続されている。上記直流電源29の電圧値（この値を
Ｖｂとする）は、出力バッファ回路26の特性を考慮して
設計され、トランジスタ28のゲートには各々の水平読み
出しパルスφＨｊに先立って、クリアパルスφＣＲが供
給され、キャパシタ25を電位Ｖｂに設定するようになっ
ている。
22は、上記水平読み出しパルスラインＬＨｊを介して、
水平読み出しトランジスタＨｊのゲートに水平読み出し
パルスφＨｊを供給するとともに、クリアパルスライン
ＬＣＲを介して電位リセット用のトランジスタ（電位リ
セット用のゲート）28のゲートにクリアパルスφＣＲを
供給する。この電位リセット用のトランジスタ28は、キ
ャパシタ（容量）25の電位をリセットするためのもの
で、電流通路の一端にリセット時の電位発生用の直流電
源29の正極が接続され、電流通路の他端は水平信号線24
に接続されている。上記直流電源29の電圧値（この値を
Ｖｂとする）は、出力バッファ回路26の特性を考慮して
設計され、トランジスタ28のゲートには各々の水平読み
出しパルスφＨｊに先立って、クリアパルスφＣＲが供
給され、キャパシタ25を電位Ｖｂに設定するようになっ
ている。
【００１２】更に、上記水平信号線24には、この水平信
号線24の電位を検出し、インピーダンス変換して外部に
出力する出力手段としての出力バッファ回路26の入力端
が接続される。そして、この出力バッファ回路26の出力
端には、出力端子27が接続されている。
号線24の電位を検出し、インピーダンス変換して外部に
出力する出力手段としての出力バッファ回路26の入力端
が接続される。そして、この出力バッファ回路26の出力
端には、出力端子27が接続されている。
【００１３】次に、上記各単位セルＰ（ｉ，ｊ）の内部
構造について説明する。図１では、単位セルＰ（ｍ，ｎ
−１）を例にとって詳細に示しているが、他の単位セル
も同様に構成されている。各単位セルＰ（ｉ，ｊ）は、
光電変換蓄積手段としてのフォトダイオード1-1，1-2、
電荷読み出し手段としての読み出しトランジスタ（読み
出しゲート）2-1，2-2、リセット手段としてのリセット
トランジスタ（リセットゲート）4、電位検出手段とし
ての電位検出トランジスタ（電位検出ゲート）5及びア
ドレス手段としてのアドレストランジスタ（アドレスゲ
ート）6等を備えている。
構造について説明する。図１では、単位セルＰ（ｍ，ｎ
−１）を例にとって詳細に示しているが、他の単位セル
も同様に構成されている。各単位セルＰ（ｉ，ｊ）は、
光電変換蓄積手段としてのフォトダイオード1-1，1-2、
電荷読み出し手段としての読み出しトランジスタ（読み
出しゲート）2-1，2-2、リセット手段としてのリセット
トランジスタ（リセットゲート）4、電位検出手段とし
ての電位検出トランジスタ（電位検出ゲート）5及びア
ドレス手段としてのアドレストランジスタ（アドレスゲ
ート）6等を備えている。
【００１４】上記フォトダイオード1-1，1-2のアノード
は接地され、カソードはそれぞれ読み出しトランジスタ
2-1，2-2の電流通路の一端に接続される。これら読み出
しトランジスタ2-1，2-2の電流通路の他端は、上記フォ
トダイオード1-1，1-2から読み出された電荷が一時蓄積
される蓄積ノード3（共通の電荷検出部）に接続され、
ゲートは読み出しパルスラインＬＲ１ｉ，ＬＲ２ｉにそ
れぞれ接続される。上記蓄積ノード3と電源7間にはリセ
ットトランジスタ4が接続され、このリセットトランジ
スタ4のゲートはリセットパルスラインＬＲＳｉに接続
される。電位検出トランジスタ5の電流通路の一端は、
当該単位セルＰ（ｉ，ｊ）の出力ライン8を介して垂直
信号線Ｓｊに接続され、ゲートは蓄積ノード3に接続さ
れる。この電位検出トランジスタ5は、蓄積ノード3に移
送された電荷を検出し、この電荷量に対応する電位を出
力ライン8を介して垂直信号線Ｓｊに伝達する。アドレ
ストランジスタ6の電流通路は、上記電位検出トランジ
スタ5の電流通路の他端と電源7間に接続され、ゲートは
アドレスパルスラインＬＡＤｉに接続される。このアド
レストランジスタ6は、当該単位セルＰ（ｉ，ｊ）の電
位読み出しを活性化するものである。なお、図１では、
図面を簡単化するために電源ラインは省略している。
は接地され、カソードはそれぞれ読み出しトランジスタ
2-1，2-2の電流通路の一端に接続される。これら読み出
しトランジスタ2-1，2-2の電流通路の他端は、上記フォ
トダイオード1-1，1-2から読み出された電荷が一時蓄積
される蓄積ノード3（共通の電荷検出部）に接続され、
ゲートは読み出しパルスラインＬＲ１ｉ，ＬＲ２ｉにそ
れぞれ接続される。上記蓄積ノード3と電源7間にはリセ
ットトランジスタ4が接続され、このリセットトランジ
スタ4のゲートはリセットパルスラインＬＲＳｉに接続
される。電位検出トランジスタ5の電流通路の一端は、
当該単位セルＰ（ｉ，ｊ）の出力ライン8を介して垂直
信号線Ｓｊに接続され、ゲートは蓄積ノード3に接続さ
れる。この電位検出トランジスタ5は、蓄積ノード3に移
送された電荷を検出し、この電荷量に対応する電位を出
力ライン8を介して垂直信号線Ｓｊに伝達する。アドレ
ストランジスタ6の電流通路は、上記電位検出トランジ
スタ5の電流通路の他端と電源7間に接続され、ゲートは
アドレスパルスラインＬＡＤｉに接続される。このアド
レストランジスタ6は、当該単位セルＰ（ｉ，ｊ）の電
位読み出しを活性化するものである。なお、図１では、
図面を簡単化するために電源ラインは省略している。
【００１５】このような構成とすることで、単位セルに
おける一部の回路要素をフォトダイオード1-1，1-2につ
いて共通化することができ、集積度を上げることができ
る。しかし、その反面、フォトダイオード1-1，1-2の周
辺の回路配置やパターン配置に対する並進対称性が崩れ
るため、製造工程においてマスク合わせずれに対する許
容度が厳しくなる。すなわち、製造技術と集積度のトレ
ードオフということになる。
おける一部の回路要素をフォトダイオード1-1，1-2につ
いて共通化することができ、集積度を上げることができ
る。しかし、その反面、フォトダイオード1-1，1-2の周
辺の回路配置やパターン配置に対する並進対称性が崩れ
るため、製造工程においてマスク合わせずれに対する許
容度が厳しくなる。すなわち、製造技術と集積度のトレ
ードオフということになる。
【００１６】次に、上記図１に示した増幅型固体撮像装
置の動作について図６及び図７により説明する。図６
は、この増幅型固体撮像装置を駆動するパルスタイミン
グを示しており、図７は、水平読み出しパルスφＨ１，
φＨ２，φＨ３，…とクリアパルスφＣＲとの相対関係
を示している。
置の動作について図６及び図７により説明する。図６
は、この増幅型固体撮像装置を駆動するパルスタイミン
グを示しており、図７は、水平読み出しパルスφＨ１，
φＨ２，φＨ３，…とクリアパルスφＣＲとの相対関係
を示している。
【００１７】図６及び図７では、標準的なテレビ方式を
想定している。図６において、ＨＢＬＫは水平同期パル
スを示しており、ハイレベルの期間が水平走査線帰線期
間である。この水平同期パルスＨＢＬＫがロウレベルの
期間が水平有効走査期間であり、この期間に水平読み出
しパルスφＨｊが発生している。上記水平走査線帰線期
間と上記水平有効走査期間で１水平走査期間（１Ｈ）を
構成する。この水平走査期間において、各々の単位セル
からの信号読み出しはいずれも水平走査線帰線期間に行
われ、キャパシタＣＢｊに電荷の形で保存される。その
後、水平有効走査期間に、水平読み出しトランジスタＨ
ｊを順次オンさせて行き、キャパシタ25とキャパシタＣ
Ａｊ，ＣＢｊを並列化することで、蓄積された信号電荷
を読み出す。この期間の信号読み出しは、水平方向に並
んでいる単位セルで共通に行われる。
想定している。図６において、ＨＢＬＫは水平同期パル
スを示しており、ハイレベルの期間が水平走査線帰線期
間である。この水平同期パルスＨＢＬＫがロウレベルの
期間が水平有効走査期間であり、この期間に水平読み出
しパルスφＨｊが発生している。上記水平走査線帰線期
間と上記水平有効走査期間で１水平走査期間（１Ｈ）を
構成する。この水平走査期間において、各々の単位セル
からの信号読み出しはいずれも水平走査線帰線期間に行
われ、キャパシタＣＢｊに電荷の形で保存される。その
後、水平有効走査期間に、水平読み出しトランジスタＨ
ｊを順次オンさせて行き、キャパシタ25とキャパシタＣ
Ａｊ，ＣＢｊを並列化することで、蓄積された信号電荷
を読み出す。この期間の信号読み出しは、水平方向に並
んでいる単位セルで共通に行われる。
【００１８】次に、単位セルＰ（ｍ，ｎ−１）中のフォ
トダイオード1-1を例にとって、上述した読み出し動作
を詳しく説明する。フォトダイオード1-1に入射した光
が光電変換されて生成された電荷は、読み出しトランジ
スタ2-1がオンするまでフォトダイオード1-1に蓄積され
る。水平走査線帰線期間にまず行われるのは、アドレス
パルスφＡＤｍをハイレベルにしてアドレストランジス
タ6をオンさせ（ｔ＝ｔ０）、電位検出トランジスタ5で
蓄積ノード3の電荷を検出できるように、垂直信号線Ｓ
ｎ−１、電流源Ｉｎ−１及び電位検出トランジスタ5で
ソースフォロワ回路を構成することである。これによ
り、蓄積ノード3の電荷量に対応する、電位検出トラン
ジスタ5のゲート電位で決まる電位のみが垂直信号線Ｓ
ｎ−１に伝達される。
トダイオード1-1を例にとって、上述した読み出し動作
を詳しく説明する。フォトダイオード1-1に入射した光
が光電変換されて生成された電荷は、読み出しトランジ
スタ2-1がオンするまでフォトダイオード1-1に蓄積され
る。水平走査線帰線期間にまず行われるのは、アドレス
パルスφＡＤｍをハイレベルにしてアドレストランジス
タ6をオンさせ（ｔ＝ｔ０）、電位検出トランジスタ5で
蓄積ノード3の電荷を検出できるように、垂直信号線Ｓ
ｎ−１、電流源Ｉｎ−１及び電位検出トランジスタ5で
ソースフォロワ回路を構成することである。これによ
り、蓄積ノード3の電荷量に対応する、電位検出トラン
ジスタ5のゲート電位で決まる電位のみが垂直信号線Ｓ
ｎ−１に伝達される。
【００１９】また、水平走査線帰線期間の開始とともに
リセットパルスφＲＳｍをハイレベルにして、リセット
トランジスタ4をオンさせることで、蓄積ノード3に蓄積
された暗電流積分値が排出される。これによって、蓄積
ノード3は、電源電圧値（これをＶｄｄとする）に設定
される。
リセットパルスφＲＳｍをハイレベルにして、リセット
トランジスタ4をオンさせることで、蓄積ノード3に蓄積
された暗電流積分値が排出される。これによって、蓄積
ノード3は、電源電圧値（これをＶｄｄとする）に設定
される。
【００２０】いま、フォトダイオード1-1から蓄積ノー
ド3へ電荷Ｑが移送されたとき、この蓄積ノード3の容量
をＣｉｊとすると、蓄積ノード3の電位Ｖ３は、 Ｖ３＝Ｖｄｄ＋Ｑ／Ｃｉｊ…（１） となる。ここで、Ｖｄｄは電源電圧である。これが電位
検出トランジスタ5で検出されることで、出力ライン8の
電位Ｖ８は、 Ｖ８＝ｍＶ３＋Ｖ０ ＝ｍ（Ｖｄｄ＋Ｑ／Ｃｉｊ）＋Ｖ０ ＝ｍＱ／Ｃｉｊ＋ｍＶｄｄ＋Ｖ０…（２） となる。ここでｍはトランジスタの変調度、Ｖ０は電位
検出トランジスタ5の閾値電圧と電流源Ｉｎ−１のばら
つきで決まるオフセット電圧である。
ド3へ電荷Ｑが移送されたとき、この蓄積ノード3の容量
をＣｉｊとすると、蓄積ノード3の電位Ｖ３は、 Ｖ３＝Ｖｄｄ＋Ｑ／Ｃｉｊ…（１） となる。ここで、Ｖｄｄは電源電圧である。これが電位
検出トランジスタ5で検出されることで、出力ライン8の
電位Ｖ８は、 Ｖ８＝ｍＶ３＋Ｖ０ ＝ｍ（Ｖｄｄ＋Ｑ／Ｃｉｊ）＋Ｖ０ ＝ｍＱ／Ｃｉｊ＋ｍＶｄｄ＋Ｖ０…（２） となる。ここでｍはトランジスタの変調度、Ｖ０は電位
検出トランジスタ5の閾値電圧と電流源Ｉｎ−１のばら
つきで決まるオフセット電圧である。
【００２１】現状の製造技術では、変調度ｍはウェハ全
面に対して少ないばらつきで形成できるが、オフセット
電圧Ｖ０は必ずしもそうではなく、各垂直信号線でばら
つく量と考えるべきである。従って、変調度ｍはほぼ一
定と見なして良く、オフセット電圧Ｖ０の補正を行う必
要がある。この補正を行うのが引き続く動作である。
面に対して少ないばらつきで形成できるが、オフセット
電圧Ｖ０は必ずしもそうではなく、各垂直信号線でばら
つく量と考えるべきである。従って、変調度ｍはほぼ一
定と見なして良く、オフセット電圧Ｖ０の補正を行う必
要がある。この補正を行うのが引き続く動作である。
【００２２】いま、直流電源23の電位をＶｒｅｆとし、
出力ライン8の電位Ｖ８とノイズキャンセラ回路内にお
けるキャパシタＣＡｊとＣＢｊの接続点であるノードＡ
の電位ＶＡを考えていく。リセット直後のｔ＝ｔ１の
時、 Ｖ８＝ｍＶｄｄ＋Ｖ０＝Ｖ１…（３） と置く。この後、クランプパルスφＣＬＰの印加直後の
ｔ＝ｔ２では、出力ライン8の電位Ｖ８はＶ１のままで
あるが、ＶＡは、 ＶＡ＝Ｖｒｅｆ…（４） となる。すなわち、キャパシタＣＡｎ−１の両端には、
Ｖｒｅｆ−Ｖ１の電位差が発生している。また、キャパ
シタＣＢｎ−１の接地されている電極と反対側の電極は
Ｖｒｅｆの電位である。次に、読み出しパルスφＲ１ｍ
をハイレベルにして、読み出しトランジスタ2-1をオン
させてフォトダイオード1-1に蓄積されていた電荷Ｑを
蓄積ノード3に移す。この結果、ｔ＝ｔ３では Ｖ８＝ｍＱ／Ｃｉｊ＋Ｖ１…（５） となる。従って、ノードＡの電位ＶＡは、 ＶＡ＝Ｖｒｅｆ＋ｍＱ／Ｃｉｊ・ＣＡｊ／（ＣＡｊ＋ＣＢｊ）…（６） なる電圧に設定されたことになる。この後、シフトパル
スφＳＨをロウレベルに設定して、シフトトランジスタ
ＳＨｎ−１をオフさせて垂直信号線Ｓｎ−１を切り離
す。この状態（ｔ＝ｔ４）で、キャパシタ25とキャパシ
タＣＢｊに蓄積されている電荷をそれぞれＱ１，Ｑ２と
すると、キャパシタ25の容量をＣＨ、直流電源29の電圧
値Ｖｂとしたときに、 Ｑ１＝ＣＨ・Ｖｂ…（７） Ｑ２＝ＣＢｊＶｒｅｆ＋ｍＱ／Ｃｉｊ・ＣＡｊＣＢｊ／（ＣＡｊ＋ＣＢｊ） …（８） となる。水平読み出しパルスφＨｎ−１をハイレベルに
設定して、水平読み出しトランジスタＨｎ−１をオンさ
せれば、容量が並列となることで水平信号線24の電位
は、 （Ｑ１＋Ｑ２）／（ＣＨ＋ＣＢｊ） ＝（ＣＨ・Ｖｂ＋ＣＢｊＶｒｅｆ）／（ＣＨ＋ＣＢｊ）＋ｍＱ／Ｃｉｊ・Ｃ ＡｊＣＢｊ／（ＣＡｊ＋ＣＢｊ）・（ＣＨ＋ＣＢｊ）…（９） となる。
出力ライン8の電位Ｖ８とノイズキャンセラ回路内にお
けるキャパシタＣＡｊとＣＢｊの接続点であるノードＡ
の電位ＶＡを考えていく。リセット直後のｔ＝ｔ１の
時、 Ｖ８＝ｍＶｄｄ＋Ｖ０＝Ｖ１…（３） と置く。この後、クランプパルスφＣＬＰの印加直後の
ｔ＝ｔ２では、出力ライン8の電位Ｖ８はＶ１のままで
あるが、ＶＡは、 ＶＡ＝Ｖｒｅｆ…（４） となる。すなわち、キャパシタＣＡｎ−１の両端には、
Ｖｒｅｆ−Ｖ１の電位差が発生している。また、キャパ
シタＣＢｎ−１の接地されている電極と反対側の電極は
Ｖｒｅｆの電位である。次に、読み出しパルスφＲ１ｍ
をハイレベルにして、読み出しトランジスタ2-1をオン
させてフォトダイオード1-1に蓄積されていた電荷Ｑを
蓄積ノード3に移す。この結果、ｔ＝ｔ３では Ｖ８＝ｍＱ／Ｃｉｊ＋Ｖ１…（５） となる。従って、ノードＡの電位ＶＡは、 ＶＡ＝Ｖｒｅｆ＋ｍＱ／Ｃｉｊ・ＣＡｊ／（ＣＡｊ＋ＣＢｊ）…（６） なる電圧に設定されたことになる。この後、シフトパル
スφＳＨをロウレベルに設定して、シフトトランジスタ
ＳＨｎ−１をオフさせて垂直信号線Ｓｎ−１を切り離
す。この状態（ｔ＝ｔ４）で、キャパシタ25とキャパシ
タＣＢｊに蓄積されている電荷をそれぞれＱ１，Ｑ２と
すると、キャパシタ25の容量をＣＨ、直流電源29の電圧
値Ｖｂとしたときに、 Ｑ１＝ＣＨ・Ｖｂ…（７） Ｑ２＝ＣＢｊＶｒｅｆ＋ｍＱ／Ｃｉｊ・ＣＡｊＣＢｊ／（ＣＡｊ＋ＣＢｊ） …（８） となる。水平読み出しパルスφＨｎ−１をハイレベルに
設定して、水平読み出しトランジスタＨｎ−１をオンさ
せれば、容量が並列となることで水平信号線24の電位
は、 （Ｑ１＋Ｑ２）／（ＣＨ＋ＣＢｊ） ＝（ＣＨ・Ｖｂ＋ＣＢｊＶｒｅｆ）／（ＣＨ＋ＣＢｊ）＋ｍＱ／Ｃｉｊ・Ｃ ＡｊＣＢｊ／（ＣＡｊ＋ＣＢｊ）・（ＣＨ＋ＣＢｊ）…（９） となる。
【００２３】以後、図７のタイミングチャートに示すよ
うに、水平同期パルスＨＢＬＫがロウレベルの期間に、
クリアパルスφＣＲをハイレベルにした後、水平読み出
しパルスφＨ１，φＨ２，φＨ３，…を順次ハイレベル
にして水平信号線24の電位を変化させて読み出しを行
う。
うに、水平同期パルスＨＢＬＫがロウレベルの期間に、
クリアパルスφＣＲをハイレベルにした後、水平読み出
しパルスφＨ１，φＨ２，φＨ３，…を順次ハイレベル
にして水平信号線24の電位を変化させて読み出しを行
う。
【００２４】（９）式を見ればわかるように、水平信号
線24の電位は各ラインでばらつきうる量としてキャパシ
タＣＡｊ，ＣＢｊ、また単位セル毎にばらつきうる量と
してＣｉｊを含んでいる他はすべて単一の構成要素とな
っている。すなわち、（３）式で示した閾値電圧等でば
らつくおそれのあるＶ０は含んでおらず、（２）式で示
した出力ライン8の電位Ｖ８の値から有効に補正が行わ
れている。
線24の電位は各ラインでばらつきうる量としてキャパシ
タＣＡｊ，ＣＢｊ、また単位セル毎にばらつきうる量と
してＣｉｊを含んでいる他はすべて単一の構成要素とな
っている。すなわち、（３）式で示した閾値電圧等でば
らつくおそれのあるＶ０は含んでおらず、（２）式で示
した出力ライン8の電位Ｖ８の値から有効に補正が行わ
れている。
【００２５】更に、（９）式を詳細に見てみれば、ｍＱ
／Ｃｉｊの項を除いて、全て容量の絶対値ではなく、そ
の比で決まっていることが分かる。このことは、ゲート
酸化膜等の絶対値ではなく、キャパシタのパターンの幾
何学的な大きさの比により出力電圧が決まることを示し
ており、ばらつきの低減が現行の製造技術で比較的容易
に達成できることを意味している。また、トランジスタ
の変調度ｍは、比較的容易に制御できる変数であり、前
述したようにばらつき少なく形成でき、ほぼ一定と見な
して良いので、最終的にはセル毎にばらつきうる量とし
てのＣｉｊのみがわずかに効くにすぎない。
／Ｃｉｊの項を除いて、全て容量の絶対値ではなく、そ
の比で決まっていることが分かる。このことは、ゲート
酸化膜等の絶対値ではなく、キャパシタのパターンの幾
何学的な大きさの比により出力電圧が決まることを示し
ており、ばらつきの低減が現行の製造技術で比較的容易
に達成できることを意味している。また、トランジスタ
の変調度ｍは、比較的容易に制御できる変数であり、前
述したようにばらつき少なく形成でき、ほぼ一定と見な
して良いので、最終的にはセル毎にばらつきうる量とし
てのＣｉｊのみがわずかに効くにすぎない。
【００２６】ところで、図１に示したような構成の固体
撮像装置を高速で駆動するためには、基本的に読み出す
フォトダイオードの数を間引くことが考えられる。
撮像装置を高速で駆動するためには、基本的に読み出す
フォトダイオードの数を間引くことが考えられる。
【００２７】このようにして高速化を図る場合の動作タ
イミングを図８及び図９に示す。図８は、各単位セル中
の２つのフォトダイオードのうち１つしか読み出さない
場合の動作タイミングである。この図８に示すタイミン
グでは、フォトダイオード1-1からのみ読み出し、フォ
トダイオード1-2に蓄積された電荷は、リセットパルス
φＲＳｍと同期して読み出しパルスφＲ２ｍを供給し、
リセットトランジスタ4と読み出しトランジスタ2-2を同
時にオンさせることにより、蓄積ノード3から排出する
ようにしている。これにより、１フレームの読み出し速
度は通常の２倍となる。
イミングを図８及び図９に示す。図８は、各単位セル中
の２つのフォトダイオードのうち１つしか読み出さない
場合の動作タイミングである。この図８に示すタイミン
グでは、フォトダイオード1-1からのみ読み出し、フォ
トダイオード1-2に蓄積された電荷は、リセットパルス
φＲＳｍと同期して読み出しパルスφＲ２ｍを供給し、
リセットトランジスタ4と読み出しトランジスタ2-2を同
時にオンさせることにより、蓄積ノード3から排出する
ようにしている。これにより、１フレームの読み出し速
度は通常の２倍となる。
【００２８】図９は、同様の思想を画素列に関して適用
したもので、奇数列の読み出しは行わず、偶数列のみか
ら読み出しを行うようにする場合のタイミングチャート
である。すなわち、奇数列の水平読み出しパルスφＨ
１，φＨ３，φＨ５，…をロウレベルに固定し、偶数列
の水平読み出しパルスφＨ２，φＨ４，φＨ６，…を順
次ハイレベルにして読み出すようにしている。これによ
り、１フレームの読み出し速度はやはり通常の２倍にで
きる。
したもので、奇数列の読み出しは行わず、偶数列のみか
ら読み出しを行うようにする場合のタイミングチャート
である。すなわち、奇数列の水平読み出しパルスφＨ
１，φＨ３，φＨ５，…をロウレベルに固定し、偶数列
の水平読み出しパルスφＨ２，φＨ４，φＨ６，…を順
次ハイレベルにして読み出すようにしている。これによ
り、１フレームの読み出し速度はやはり通常の２倍にで
きる。
【００２９】しかしながら、かかる方法による動作速度
の改善は、Ｓ／Ｎ比の低下を伴う。すなわち、通常駆動
に比べて読み出されるフォトダイオードの数が半分とな
るので、Ｓ／Ｎ比の低下を起こしやすい。
の改善は、Ｓ／Ｎ比の低下を伴う。すなわち、通常駆動
に比べて読み出されるフォトダイオードの数が半分とな
るので、Ｓ／Ｎ比の低下を起こしやすい。
【００３０】
【発明が解決しようとする課題】上記のように従来の固
体撮像装置は、動作速度を高速化するとＳ／Ｎ比が低下
するという問題が予想される。
体撮像装置は、動作速度を高速化するとＳ／Ｎ比が低下
するという問題が予想される。
【００３１】この発明は上記のような事情に鑑みてなさ
れたもので、その目的とするところは、高速駆動にも拘
わらずＳ／Ｎ比の低下を抑制できる固体撮像装置を提供
することにある。
れたもので、その目的とするところは、高速駆動にも拘
わらずＳ／Ｎ比の低下を抑制できる固体撮像装置を提供
することにある。
【００３２】
【課題を解決するための手段】この発明の第１の固体撮
像装置は、入射光を光電変換し、発生した電荷を蓄積す
る第１及び第２の光電変換蓄積手段、第１及び第２の光
電変換蓄積手段に蓄積された電荷を共通の電荷検出部に
移送する第１及び第２の電荷読み出し手段、電荷検出部
に移送された電荷を検出し、その電荷量に応じた電位を
発生して垂直信号線に伝達する電位検出手段、電荷検出
部に移送された電荷を排出するリセット手段、及び電位
検出手段を選択的に活性化させるアドレス手段を有する
単位セルを半導体基板上に二次元的に配列してなる撮像
領域と、前記撮像領域の各画素行に対応して設けられ、
各単位セルの第１及び第２の電荷読み出し手段、リセッ
ト手段、及びアドレス手段をそれぞれ所定のタイミング
で駆動する垂直駆動手段と、前記単位セルの列毎に設け
られた垂直信号線の各々に付加され、必要な信号処理を
施す信号処理手段と、前記信号処理手段の出力を所定の
タイミングで水平方向に走査して検出する水平駆動手段
と、前記水平駆動手段による走査によって検出された前
記信号処理手段の出力信号を出力する出力手段とを具備
し、前記垂直駆動手段により実質的に同一のタイミング
で前記第１及び第２の電荷読み出し手段を駆動し、前記
第１及び第２の光電変換蓄積手段に蓄積された電荷を前
記電荷検出部に移送して足し合わせ、前記電位検出手段
によりこの足し合わせた電荷を検出し、その電荷量に応
じた電位を発生させて垂直信号線に伝達し、前記信号処
理手段を介して前記出力手段から出力する動作モードを
有することを特徴としている。
像装置は、入射光を光電変換し、発生した電荷を蓄積す
る第１及び第２の光電変換蓄積手段、第１及び第２の光
電変換蓄積手段に蓄積された電荷を共通の電荷検出部に
移送する第１及び第２の電荷読み出し手段、電荷検出部
に移送された電荷を検出し、その電荷量に応じた電位を
発生して垂直信号線に伝達する電位検出手段、電荷検出
部に移送された電荷を排出するリセット手段、及び電位
検出手段を選択的に活性化させるアドレス手段を有する
単位セルを半導体基板上に二次元的に配列してなる撮像
領域と、前記撮像領域の各画素行に対応して設けられ、
各単位セルの第１及び第２の電荷読み出し手段、リセッ
ト手段、及びアドレス手段をそれぞれ所定のタイミング
で駆動する垂直駆動手段と、前記単位セルの列毎に設け
られた垂直信号線の各々に付加され、必要な信号処理を
施す信号処理手段と、前記信号処理手段の出力を所定の
タイミングで水平方向に走査して検出する水平駆動手段
と、前記水平駆動手段による走査によって検出された前
記信号処理手段の出力信号を出力する出力手段とを具備
し、前記垂直駆動手段により実質的に同一のタイミング
で前記第１及び第２の電荷読み出し手段を駆動し、前記
第１及び第２の光電変換蓄積手段に蓄積された電荷を前
記電荷検出部に移送して足し合わせ、前記電位検出手段
によりこの足し合わせた電荷を検出し、その電荷量に応
じた電位を発生させて垂直信号線に伝達し、前記信号処
理手段を介して前記出力手段から出力する動作モードを
有することを特徴としている。
【００３３】また、この発明の第２の固体撮像装置は、
入射光を光電変換し、発生した電荷を蓄積する光電変換
蓄積手段、光電変換蓄積手段に蓄積された電荷を電荷検
出部に移送する電荷読み出し手段、電荷検出部に移送さ
れた電荷を検出し、その電荷量に応じた電位を発生して
垂直信号線に伝達する電位検出手段、電荷検出部に移送
された電荷を排出するリセット手段、及び電位検出手段
を選択的に活性化させるアドレス手段を有する単位セル
を半導体基板上に二次元的に配列してなる撮像領域と、
前記撮像領域の各画素行に対応して設けられ、各単位セ
ルの電荷読み出し手段、リセット手段、及びアドレス手
段をそれぞれ所定のタイミングで駆動する垂直駆動手段
と、前記単位セルの列毎に設けられた垂直信号線の各々
に付加され、必要な信号処理を施す信号処理手段と、前
記垂直信号線の各々に対応する前記信号処理手段の出力
の水平信号線への転送を制御する水平読み出し用のスイ
ッチ手段と、前記水平読み出し用のスイッチ手段を所定
のタイミングで制御する水平駆動手段と、前記水平駆動
手段による前記水平読み出し用のスイッチ手段の制御に
よって、前記水平信号線に読み出された前記信号処理手
段の出力信号を出力する出力手段とを具備し、前記水平
駆動手段が、前記水平読み出し用のスイッチ手段を垂直
信号線の各々に対応して順次オンさせることにより、各
垂直信号線に対応する前記信号処理手段の出力信号を、
前記水平信号線を介して前記出力手段から順次出力する
第１の動作モードと、前記水平駆動手段が、前記水平読
み出し用のスイッチ手段を複数の垂直信号線に対応して
実質的に同時にオンさせることにより、これら複数の垂
直信号線に対応する前記信号処理手段の出力信号を前記
水平信号線に読み出して平均化し、前記出力手段から出
力する第２の動作モードとを有することを特徴としてい
る。
入射光を光電変換し、発生した電荷を蓄積する光電変換
蓄積手段、光電変換蓄積手段に蓄積された電荷を電荷検
出部に移送する電荷読み出し手段、電荷検出部に移送さ
れた電荷を検出し、その電荷量に応じた電位を発生して
垂直信号線に伝達する電位検出手段、電荷検出部に移送
された電荷を排出するリセット手段、及び電位検出手段
を選択的に活性化させるアドレス手段を有する単位セル
を半導体基板上に二次元的に配列してなる撮像領域と、
前記撮像領域の各画素行に対応して設けられ、各単位セ
ルの電荷読み出し手段、リセット手段、及びアドレス手
段をそれぞれ所定のタイミングで駆動する垂直駆動手段
と、前記単位セルの列毎に設けられた垂直信号線の各々
に付加され、必要な信号処理を施す信号処理手段と、前
記垂直信号線の各々に対応する前記信号処理手段の出力
の水平信号線への転送を制御する水平読み出し用のスイ
ッチ手段と、前記水平読み出し用のスイッチ手段を所定
のタイミングで制御する水平駆動手段と、前記水平駆動
手段による前記水平読み出し用のスイッチ手段の制御に
よって、前記水平信号線に読み出された前記信号処理手
段の出力信号を出力する出力手段とを具備し、前記水平
駆動手段が、前記水平読み出し用のスイッチ手段を垂直
信号線の各々に対応して順次オンさせることにより、各
垂直信号線に対応する前記信号処理手段の出力信号を、
前記水平信号線を介して前記出力手段から順次出力する
第１の動作モードと、前記水平駆動手段が、前記水平読
み出し用のスイッチ手段を複数の垂直信号線に対応して
実質的に同時にオンさせることにより、これら複数の垂
直信号線に対応する前記信号処理手段の出力信号を前記
水平信号線に読み出して平均化し、前記出力手段から出
力する第２の動作モードとを有することを特徴としてい
る。
【００３４】更に、第２の固体撮像装置において、前記
水平読み出し用のスイッチ手段は、電流通路の一端にそ
れぞれ前記垂直信号線の各々に対応する前記信号処理手
段の出力が供給され、電流通路の他端が前記水平信号線
に共通接続され、ゲートに前記水平駆動手段の出力信号
が供給され、前記第１の動作モードでは順次オンし、前
記第２の動作モードでは複数が実質的に同時にオンする
ように制御されるトランジスタ群からなることを特徴と
する。
水平読み出し用のスイッチ手段は、電流通路の一端にそ
れぞれ前記垂直信号線の各々に対応する前記信号処理手
段の出力が供給され、電流通路の他端が前記水平信号線
に共通接続され、ゲートに前記水平駆動手段の出力信号
が供給され、前記第１の動作モードでは順次オンし、前
記第２の動作モードでは複数が実質的に同時にオンする
ように制御されるトランジスタ群からなることを特徴と
する。
【００３５】この発明の上記第１の固体撮像装置によれ
ば、各単位セルの中の第１及び第２の光電変換蓄積手段
から読み出した電荷を、共通の電荷検出部に移送して足
し合わせ、電位検出手段によりこの足し合わせた電荷を
検出して読み出しを行うモードを有するので、高速駆動
を行う場合に、読み出し電荷量を確保でき、Ｓ／Ｎ比の
低下を抑制できる。
ば、各単位セルの中の第１及び第２の光電変換蓄積手段
から読み出した電荷を、共通の電荷検出部に移送して足
し合わせ、電位検出手段によりこの足し合わせた電荷を
検出して読み出しを行うモードを有するので、高速駆動
を行う場合に、読み出し電荷量を確保でき、Ｓ／Ｎ比の
低下を抑制できる。
【００３６】また、この発明の上記第２の固体撮像装置
によれば、第１の動作モードでは垂直信号線の各々から
得られた信号を順次読み出し、第２の動作モードでは複
数列の垂直信号線から得られた信号を平均化して読み出
しを行うので、高速駆動を行う第２の動作モードの場合
にも読み出し電荷量を確保でき、読み出すフォトダイオ
ードの数を間引く場合に比べてＳ／Ｎ比を改善できる。
しかも、第１の動作モードと第２の動作モードにおい
て、共通の水平読み出し用のスイッチ手段を用いるの
で、水平読み出し用のスイッチ手段をトランジスタで形
成した場合に、モードによって異なるトランジスタを用
いる場合に比べて固定パターン雑音の発生が回避でき
る。
によれば、第１の動作モードでは垂直信号線の各々から
得られた信号を順次読み出し、第２の動作モードでは複
数列の垂直信号線から得られた信号を平均化して読み出
しを行うので、高速駆動を行う第２の動作モードの場合
にも読み出し電荷量を確保でき、読み出すフォトダイオ
ードの数を間引く場合に比べてＳ／Ｎ比を改善できる。
しかも、第１の動作モードと第２の動作モードにおい
て、共通の水平読み出し用のスイッチ手段を用いるの
で、水平読み出し用のスイッチ手段をトランジスタで形
成した場合に、モードによって異なるトランジスタを用
いる場合に比べて固定パターン雑音の発生が回避でき
る。
【００３７】更に、第２の固体撮像装置では、タイミン
グの変更だけで平均を取る複数列の垂直信号線を選択で
き、垂直信号線の各々に付加された信号処理手段の出力
を、容量結合を利用せずに直接水平信号線に読み出すこ
とが可能である。このため、特に隣接しない垂直信号線
から読み出した信号の平均を取る場合に、信号ラインを
またいで複数列を水平信号線に容量結合する必要がな
い。こうして、信号ラインをまたいで複数列を容量結合
させたときに生じやすい信号のクロストークの問題を回
避でき、特にＲＧＢストライプフィルタを用いたカラー
センサで平均を取る場合に好適である。
グの変更だけで平均を取る複数列の垂直信号線を選択で
き、垂直信号線の各々に付加された信号処理手段の出力
を、容量結合を利用せずに直接水平信号線に読み出すこ
とが可能である。このため、特に隣接しない垂直信号線
から読み出した信号の平均を取る場合に、信号ラインを
またいで複数列を水平信号線に容量結合する必要がな
い。こうして、信号ラインをまたいで複数列を容量結合
させたときに生じやすい信号のクロストークの問題を回
避でき、特にＲＧＢストライプフィルタを用いたカラー
センサで平均を取る場合に好適である。
【００３８】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて図面を参照して説明する。 ［第１の実施の形態］この発明の固体撮像装置は、基本
的には前述した図１に示した回路と同様な回路構成にな
っている。そして、第１の実施の形態では、パルス発生
部20から各単位セルＰ（ｉ，ｊ）に与えるパルス信号の
タイミングを変更することによって、高解像度モードと
高速駆動モードを切り替える。
いて図面を参照して説明する。 ［第１の実施の形態］この発明の固体撮像装置は、基本
的には前述した図１に示した回路と同様な回路構成にな
っている。そして、第１の実施の形態では、パルス発生
部20から各単位セルＰ（ｉ，ｊ）に与えるパルス信号の
タイミングを変更することによって、高解像度モードと
高速駆動モードを切り替える。
【００３９】高解像度モードでは、図６及び図７のタイ
ミングチャートを用いて前述した従来と同様な動作を行
い、各単位セルＰ（ｉ，ｊ）中に設けたフォトダイオー
ド1-1，1-2それぞれから個別に読み出しを行う。
ミングチャートを用いて前述した従来と同様な動作を行
い、各単位セルＰ（ｉ，ｊ）中に設けたフォトダイオー
ド1-1，1-2それぞれから個別に読み出しを行う。
【００４０】一方、高速駆動モードでは、図２のタイミ
ングチャートに示すように、第２の読み出しパルスφＲ
２ｍ，φＲ２ｍ＋１がそれぞれ第１の読み出しパルスφ
Ｒ１ｍ，φＲ１ｍ＋１と同じタイミングでハイレベルと
なり、読み出しトランジスタ2-1と2-2を同時に駆動し、
フォトダイオード1-1，1-2に入射した光が光電変換され
て生成された電荷を、蓄積ノード3で足し合わせて読み
出すようになっている。
ングチャートに示すように、第２の読み出しパルスφＲ
２ｍ，φＲ２ｍ＋１がそれぞれ第１の読み出しパルスφ
Ｒ１ｍ，φＲ１ｍ＋１と同じタイミングでハイレベルと
なり、読み出しトランジスタ2-1と2-2を同時に駆動し、
フォトダイオード1-1，1-2に入射した光が光電変換され
て生成された電荷を、蓄積ノード3で足し合わせて読み
出すようになっている。
【００４１】次に、単位セルＰ（ｍ，ｎ−１）を例にと
って、単位セルのｍ行における上述した高速駆動モード
での読み出し動作を詳しく説明する。フォトダイオード
1-1，1-2に入射した光が光電変換されて生成された電荷
は、読み出しトランジスタ2-1がオンするまでフォトダ
イオード1-1，1-2に蓄積される。水平走査線帰線期間に
まず行われるのは、アドレスパルスφＡＤｍをハイレベ
ルにしてアドレストランジスタ6をオンさせ（ｔ＝ｔ
０）、電位検出トランジスタ5で蓄積ノード3の電荷を検
出できるように、垂直信号線Ｓｎ−１、電流源Ｉｎ−１
及び電位検出トランジスタ5でソースフォロワ回路を構
成する。これにより、蓄積ノード3の電荷量に対応す
る、電位検出トランジスタ5のゲート電位で決まる電位
のみが垂直信号線Ｓｎ−１に伝達される。
って、単位セルのｍ行における上述した高速駆動モード
での読み出し動作を詳しく説明する。フォトダイオード
1-1，1-2に入射した光が光電変換されて生成された電荷
は、読み出しトランジスタ2-1がオンするまでフォトダ
イオード1-1，1-2に蓄積される。水平走査線帰線期間に
まず行われるのは、アドレスパルスφＡＤｍをハイレベ
ルにしてアドレストランジスタ6をオンさせ（ｔ＝ｔ
０）、電位検出トランジスタ5で蓄積ノード3の電荷を検
出できるように、垂直信号線Ｓｎ−１、電流源Ｉｎ−１
及び電位検出トランジスタ5でソースフォロワ回路を構
成する。これにより、蓄積ノード3の電荷量に対応す
る、電位検出トランジスタ5のゲート電位で決まる電位
のみが垂直信号線Ｓｎ−１に伝達される。
【００４２】また、水平走査線帰線期間の開始とともに
リセットパルスφＲＳｍをハイレベルにして、リセット
トランジスタ4をオンさせることで、蓄積ノード3に蓄積
された暗電流積分値が排出される。これによって、蓄積
ノード3は、電源電圧値（Ｖｄｄ）に設定される。
リセットパルスφＲＳｍをハイレベルにして、リセット
トランジスタ4をオンさせることで、蓄積ノード3に蓄積
された暗電流積分値が排出される。これによって、蓄積
ノード3は、電源電圧値（Ｖｄｄ）に設定される。
【００４３】この時、パルス発生部21からシフトパルス
φＳＨが出力されて各シフトトランジスタＳＨｊのゲー
トに供給され、各シフトトランジスタＳＨｊがオンす
る。
φＳＨが出力されて各シフトトランジスタＳＨｊのゲー
トに供給され、各シフトトランジスタＳＨｊがオンす
る。
【００４４】次のｔ＝ｔ１において、パルス発生部21か
ら各クランプ動作用のトランジスタＣＬＰｊのゲートに
クランプパルスφＣＬＰが供給されて、各クランプ動作
用のトランジスタＣＬＰｊがオンし、オフセット除去が
行われる。
ら各クランプ動作用のトランジスタＣＬＰｊのゲートに
クランプパルスφＣＬＰが供給されて、各クランプ動作
用のトランジスタＣＬＰｊがオンし、オフセット除去が
行われる。
【００４５】次のｔ＝ｔ２において、読み出しパルスφ
Ｒ１ｍ，φＲ２ｍをハイレベルにして、読み出しトラン
ジスタ2-1，2-2を実質的に同時にオンさせ、フォトダイ
オード1-1，1-2に蓄積されていた電荷を蓄積ノード3に
移送して足し合わせる。この蓄積ノード3に蓄積された
電荷の電荷量は、電位検出トランジスタ5によって検出
され、その電荷量に応じた電位が発生されて垂直信号線
Ｓｎ−１に伝達される。
Ｒ１ｍ，φＲ２ｍをハイレベルにして、読み出しトラン
ジスタ2-1，2-2を実質的に同時にオンさせ、フォトダイ
オード1-1，1-2に蓄積されていた電荷を蓄積ノード3に
移送して足し合わせる。この蓄積ノード3に蓄積された
電荷の電荷量は、電位検出トランジスタ5によって検出
され、その電荷量に応じた電位が発生されて垂直信号線
Ｓｎ−１に伝達される。
【００４６】その後の動作は、前述した従来の高解像度
モードと同様である。
モードと同様である。
【００４７】次のｔ＝ｔ３，ｔ４，ｔ５においては、単
位セルの隣接する次の行（ｍ＋１行）からの読み出しが
同様にして行われる。
位セルの隣接する次の行（ｍ＋１行）からの読み出しが
同様にして行われる。
【００４８】すなわち、この第１の実施の形態では、高
速駆動モードにおいて、各単位セルＰ（ｉ，ｊ）内にあ
る２つのフォトダイオード1-1，1-2から信号電荷を同時
に蓄積ノード3に読み出す。これにより、１フレームの
読み出し時間が半減するのは図８の場合と同じである
が、各単位セルＰ（ｉ，ｊ）内の２つのフォトダイオー
ド1-1，1-2から得られた信号電荷の和を１つの信号とし
て扱うために、一方のフォトダイオードから得られた信
号電荷を、リセットトランジスタ4を介して排出してし
まう従来の技術に比べてＳ／Ｎ比の低下を抑制でき、信
号電荷量が増加するので、感度の低下も抑制できる。
速駆動モードにおいて、各単位セルＰ（ｉ，ｊ）内にあ
る２つのフォトダイオード1-1，1-2から信号電荷を同時
に蓄積ノード3に読み出す。これにより、１フレームの
読み出し時間が半減するのは図８の場合と同じである
が、各単位セルＰ（ｉ，ｊ）内の２つのフォトダイオー
ド1-1，1-2から得られた信号電荷の和を１つの信号とし
て扱うために、一方のフォトダイオードから得られた信
号電荷を、リセットトランジスタ4を介して排出してし
まう従来の技術に比べてＳ／Ｎ比の低下を抑制でき、信
号電荷量が増加するので、感度の低下も抑制できる。
【００４９】［第２の実施の形態］図３は、この発明の
第２の実施の形態に係る固体撮像装置について説明する
ためのタイミングチャートである。この第２の実施の形
態でも上記第１の実施の形態と同様に高解像度モードと
高速駆動モードを切り替える点は同様であるが、この第
２の実施の形態では、図１に示した固体撮像装置におけ
る水平読み出しトランジスタＨｊのゲートに供給する水
平読み出しパルスφＨｊと、隣接する水平読み出しトラ
ンジスタＨｊ＋１のゲートに供給する水平読み出しパル
スφＨｊ＋１とを同時にハイレベルとし、隣接する２つ
の水平読み出しトランジスタＨｊ，Ｈｊ＋１を同時にオ
ンさせるようにしている。例えば、水平読み出しパルス
φＨ１とφＨ２、φＨ３とφＨ４、φＨ５とφＨ６、…
を同時にハイレベルにすることにより、単位セルの隣接
する列から同時に信号を水平信号線24上に読み出して平
均化し、この平均値を出力バッファ回路26を介して出力
端子27から出力するようにしている。
第２の実施の形態に係る固体撮像装置について説明する
ためのタイミングチャートである。この第２の実施の形
態でも上記第１の実施の形態と同様に高解像度モードと
高速駆動モードを切り替える点は同様であるが、この第
２の実施の形態では、図１に示した固体撮像装置におけ
る水平読み出しトランジスタＨｊのゲートに供給する水
平読み出しパルスφＨｊと、隣接する水平読み出しトラ
ンジスタＨｊ＋１のゲートに供給する水平読み出しパル
スφＨｊ＋１とを同時にハイレベルとし、隣接する２つ
の水平読み出しトランジスタＨｊ，Ｈｊ＋１を同時にオ
ンさせるようにしている。例えば、水平読み出しパルス
φＨ１とφＨ２、φＨ３とφＨ４、φＨ５とφＨ６、…
を同時にハイレベルにすることにより、単位セルの隣接
する列から同時に信号を水平信号線24上に読み出して平
均化し、この平均値を出力バッファ回路26を介して出力
端子27から出力するようにしている。
【００５０】いま、説明を簡単化するために、キャパシ
タＣＡｊ，ＣＢｊ、容量Ｃｉｊのばらつきがないものと
して、それぞれＣＡ，ＣＢ，Ｃと置き、蓄積ノード3に
読み出される電荷をＱｊ，Ｑｊ＋１、キャパシタＣＢに
蓄積される電荷をＱ２ｊ，Ｑ２ｊ＋１とすると、 Ｑ２ｊ＝ＣＢＶｒｅｆ＋ｍＱｊ／Ｃ・ＣＡＣＢ／（ＣＡ＋ＣＢ）…（１０） Ｑ２ｊ＋１＝ＣＢＶｒｅｆ＋ｍＱｊ＋１／Ｃ・ＣＡＣＢ／（ＣＡ＋ＣＢ）… （１１） となるので、水平読み出しトランジスタＨｊ，Ｈｊ＋１
を同時にオンさせることで水平信号線24の電位は、 （Ｑ１＋Ｑ２ｊ＋Ｑ２ｊ＋１）／（ＣＨ＋２ＣＢ） ＝（ＣＨ・Ｖｂ＋２ＣＢＶｒｅｆ）／（ＣＨ＋２ＣＢ）＋ｍ（Ｑｊ＋Ｑｊ＋ １）／Ｃ・ＣＡＣＢ／（ＣＡ＋ＣＢ）・（ＣＨ＋２ＣＢ）…（１２） となる。
タＣＡｊ，ＣＢｊ、容量Ｃｉｊのばらつきがないものと
して、それぞれＣＡ，ＣＢ，Ｃと置き、蓄積ノード3に
読み出される電荷をＱｊ，Ｑｊ＋１、キャパシタＣＢに
蓄積される電荷をＱ２ｊ，Ｑ２ｊ＋１とすると、 Ｑ２ｊ＝ＣＢＶｒｅｆ＋ｍＱｊ／Ｃ・ＣＡＣＢ／（ＣＡ＋ＣＢ）…（１０） Ｑ２ｊ＋１＝ＣＢＶｒｅｆ＋ｍＱｊ＋１／Ｃ・ＣＡＣＢ／（ＣＡ＋ＣＢ）… （１１） となるので、水平読み出しトランジスタＨｊ，Ｈｊ＋１
を同時にオンさせることで水平信号線24の電位は、 （Ｑ１＋Ｑ２ｊ＋Ｑ２ｊ＋１）／（ＣＨ＋２ＣＢ） ＝（ＣＨ・Ｖｂ＋２ＣＢＶｒｅｆ）／（ＣＨ＋２ＣＢ）＋ｍ（Ｑｊ＋Ｑｊ＋ １）／Ｃ・ＣＡＣＢ／（ＣＡ＋ＣＢ）・（ＣＨ＋２ＣＢ）…（１２） となる。
【００５１】（１２）式から分かるように、水平信号線
24には選択された２つのフォトダイオードから読み出さ
れた信号電荷が平均化された出力信号が得られる。これ
により、第１の実施の形態と同様に、１フレームの読み
出し時間を半減できる。
24には選択された２つのフォトダイオードから読み出さ
れた信号電荷が平均化された出力信号が得られる。これ
により、第１の実施の形態と同様に、１フレームの読み
出し時間を半減できる。
【００５２】しかも、隣接する単位セル内に設けられて
いる２つのフォトダイオードから得られた信号電荷の平
均を１つの信号として扱うので、読み出すフォトダイオ
ードの数を間引く場合に比べて信号電荷量が多くなるの
で、Ｓ／Ｎ比を改善できる。
いる２つのフォトダイオードから得られた信号電荷の平
均を１つの信号として扱うので、読み出すフォトダイオ
ードの数を間引く場合に比べて信号電荷量が多くなるの
で、Ｓ／Ｎ比を改善できる。
【００５３】［第３の実施の形態］図４は、この発明の
第３の実施の形態に係る固体撮像装置について説明する
ためのタイミングチャートである。この例では、３つの
単位セル毎に同一のタイミングで水平読み出しトランジ
スタをオンさせるようにしている。すなわち、水平読み
出しパルスφＨ１とφＨ４、φＨ２とφＨ５、φＨ３と
φＨ６、…を同時にハイレベルにすることにより、単位
セルの２つ置きの列から同時に読み出し、平均値を出力
する。
第３の実施の形態に係る固体撮像装置について説明する
ためのタイミングチャートである。この例では、３つの
単位セル毎に同一のタイミングで水平読み出しトランジ
スタをオンさせるようにしている。すなわち、水平読み
出しパルスφＨ１とφＨ４、φＨ２とφＨ５、φＨ３と
φＨ６、…を同時にハイレベルにすることにより、単位
セルの２つ置きの列から同時に読み出し、平均値を出力
する。
【００５４】従って、この水平読み出しパルスの周期で
平均値が出力される。この第３の実施の形態のような読
み出しは、ＲＧＢに対応する色フィルタをストライプ状
に形成した構成（ＲＧＢストライプフィルタ）に好適で
ある。他の基本的な構成並びに効果は、図３に示した場
合と同じである。
平均値が出力される。この第３の実施の形態のような読
み出しは、ＲＧＢに対応する色フィルタをストライプ状
に形成した構成（ＲＧＢストライプフィルタ）に好適で
ある。他の基本的な構成並びに効果は、図３に示した場
合と同じである。
【００５５】なお、複数の垂直信号線から読み出した信
号を平均化して出力する構造の固体撮像装置は公知であ
る。かかる固体撮像装置において、同一行にある個々の
フォトダイオード出力を単独で順次水平走査し、出力す
る動作（高解像度モード）と隣接する２つのフォトダイ
オードの平均出力を順次水平走査し、出力する動作（高
速駆動モード）を行わせる例が既に特開平１０−４５２
０号に記載されている。
号を平均化して出力する構造の固体撮像装置は公知であ
る。かかる固体撮像装置において、同一行にある個々の
フォトダイオード出力を単独で順次水平走査し、出力す
る動作（高解像度モード）と隣接する２つのフォトダイ
オードの平均出力を順次水平走査し、出力する動作（高
速駆動モード）を行わせる例が既に特開平１０−４５２
０号に記載されている。
【００５６】同公開特許公報の図２及び図３には、ライ
ン毎のインピーダンス変換、クランプ、サンプルホール
ドの後に、再度バッファアンプ２５１１，２５１２を介
した後、スイッチングトランジスタ２５２１，２５２２
を介して高解像度モード対応の出力端子ＶＯ２ｋ−１，
ＶＯ２ｋ端子と容量結合するとともに、スイッチングト
ランジスタ２５３１，２５３２を介して高速駆動モード
対応の出力端子ＶＯｋに容量結合することで、必要に応
じてこれらを順次走査し、２つの動作モードで画像を得
る技術が開示されている。
ン毎のインピーダンス変換、クランプ、サンプルホール
ドの後に、再度バッファアンプ２５１１，２５１２を介
した後、スイッチングトランジスタ２５２１，２５２２
を介して高解像度モード対応の出力端子ＶＯ２ｋ−１，
ＶＯ２ｋ端子と容量結合するとともに、スイッチングト
ランジスタ２５３１，２５３２を介して高速駆動モード
対応の出力端子ＶＯｋに容量結合することで、必要に応
じてこれらを順次走査し、２つの動作モードで画像を得
る技術が開示されている。
【００５７】この技術は、複数の垂直信号線の平均出力
を発生するという点において本発明と類似しているが、
その実現方法の相違により、本実施の形態は同公開特許
公報に記載されている技術に対して以下の利点を有して
いる。
を発生するという点において本発明と類似しているが、
その実現方法の相違により、本実施の形態は同公開特許
公報に記載されている技術に対して以下の利点を有して
いる。
【００５８】平均出力時も列毎出力時と共通のスイッ
チ（読み出しトランジスタＨｊ）を用いており、スイッ
チングトランジスタが異なることによる固定パターン雑
音の発生が回避できる。
チ（読み出しトランジスタＨｊ）を用いており、スイッ
チングトランジスタが異なることによる固定パターン雑
音の発生が回避できる。
【００５９】読み出しトランジスタＨｊを駆動するタ
イミングの変更だけで平均を取る列を選択することがで
き、同公開特許公報に記載されている技術のように平均
出力時に容量結合により水平信号線24に信号出力する必
要がない。
イミングの変更だけで平均を取る列を選択することがで
き、同公開特許公報に記載されている技術のように平均
出力時に容量結合により水平信号線24に信号出力する必
要がない。
【００６０】特に隣接しない垂直信号線間の平均を取
る場合は、同公開特許公報に記載の技術では、信号ライ
ンをまたいで容量結合を行う必要があり、信号のクロス
トーク等が問題となる。これは特に、ＲＧＢストライプ
フィルタを用いたカラーセンサでの平均を取る場合に問
題となるが、第３の実施の形態ではこのような問題は起
きない。
る場合は、同公開特許公報に記載の技術では、信号ライ
ンをまたいで容量結合を行う必要があり、信号のクロス
トーク等が問題となる。これは特に、ＲＧＢストライプ
フィルタを用いたカラーセンサでの平均を取る場合に問
題となるが、第３の実施の形態ではこのような問題は起
きない。
【００６１】［第４の実施の形態］この発明の基本的な
考えの１つは、所定のタイミングを設定して水平読み出
しトランジスタのいくつかを同時にオンさせたとき、水
平信号線に選択された水平読み出しトランジスタに対応
する垂直信号線の平均値に対応した電位の信号が得られ
ることである。
考えの１つは、所定のタイミングを設定して水平読み出
しトランジスタのいくつかを同時にオンさせたとき、水
平信号線に選択された水平読み出しトランジスタに対応
する垂直信号線の平均値に対応した電位の信号が得られ
ることである。
【００６２】第４の実施の形態を説明するに先立って、
これについて詳しく説明する。いま、（１）式と同様
に、ｊ番目の垂直信号線Ｓｊに対応したｉ番目の蓄積ノ
ード（図１における3）の容量をＣｉｊとする。この蓄
積ノード3に画素から移送される電荷をノード毎に違う
可能性もあるとしてＱｉｊとする。このとき、垂直信号
線Ｓｊの電位Ｖｉｊは、 Ｖｉｊ＝ｍＱｉｊ／Ｃｉｊ＋ｍＶｄｄ＋Ｖ０ｉｊ…（１３） ここでは、ｍはトランジスタの変調度、Ｖ０ｉｊはトラ
ンジスタ5の閾値電圧、電流源Ｉｊのばらつきで決まる
オフセット電圧を表している。この記法の元で、（８）
式に対応する電荷量、すなわち、容量ＣＢｊに蓄積され
ている電荷は、これをＱ２ｊと表して、 Ｑ２ｊ＝ＣＢｊＶｒｅｆ＋ｍＱｉｊ／Ｃｉｊ・ＣＡｊＣＢｊ／（ＣＡｊ＋ＣＢ ｊ）…（１４） ここで、水平読み出しトランジスタＨｊをいくつか同時
にオンさせると、Σを同時に開いた読み出しトランジス
タに関する和を表すものとして、水平信号線24の電位Ｖ
は（９）式に対応して Ｖ＝（ＣＨ・Ｖｂ＋ΣＱ２ｊ）／（ＣＨ＋ΣＣＢｊ） ＝（ＣＨ・Ｖｂ＋ΣＶｒｅｆＣＢｊ）／（ＣＨ＋ΣＣＢｊ）＋ΣｍＱｉｊ／Ｃ ｉｊ・ＣＡｊＣＢｊ／（ＣＡｊ＋ＣＢｊ）・（ＣＨ＋ΣＣＢｊ）…（１５） となる。既に説明したように、容量の比は、幾何学的な
形状比に帰着し、比較的よく制御できる量である。この
ことを想定して、同時にオンさせる水平読み出しトラン
ジスタの数をＮとし、キャパシタＣＡｊ，ＣＢｊからの
ｊの添え字を落とすと、 Ｖ＝（ＣＨ・Ｖｂ＋ＮＶｒｅｆＣＢ）／（ＣＨ＋ＮＣＢ）＋［ＣＡＣＢ／（Ｃ Ａ＋ＣＢ）・（ＣＨ／Ｎ＋ＣＢ）］・［（１／Ｎ）ｍΣＱｉｊ／Ｃｉｊ］…（１ ６） と表せる。すなわち、一定量（ＣＨ・Ｖｂ＋ＮＶｒｅｆ
ＣＢ）／（ＣＨ＋ＮＣＢ）に平均信号出力（１／Ｎ）ｍ
ΣＱｉｊ／Ｃｉｊの定数倍が加わった信号となってい
る。これにより、所望の垂直信号線分だけの平均値の検
出ができる。なお、全ての水平読み出しトランジスタを
同時にオンさせた場合は、Ｎが１より十分大きいとして
（１６）式は Ｖ＝Ｖｒｅｆ＋ＣＡ／（ＣＡ＋ＣＢ）（１／Ｎ）ｍΣＱｉｊ／Ｃｉｊ…（１７ ） となる。これは（９）式でＣＨ＝０とし、ｍＱ／Ｃｉｊ
を一行にわたる平均値（１／Ｎ）ｍΣＱｉｊ／Ｃｉｊに
置き換えたものに相当する。
これについて詳しく説明する。いま、（１）式と同様
に、ｊ番目の垂直信号線Ｓｊに対応したｉ番目の蓄積ノ
ード（図１における3）の容量をＣｉｊとする。この蓄
積ノード3に画素から移送される電荷をノード毎に違う
可能性もあるとしてＱｉｊとする。このとき、垂直信号
線Ｓｊの電位Ｖｉｊは、 Ｖｉｊ＝ｍＱｉｊ／Ｃｉｊ＋ｍＶｄｄ＋Ｖ０ｉｊ…（１３） ここでは、ｍはトランジスタの変調度、Ｖ０ｉｊはトラ
ンジスタ5の閾値電圧、電流源Ｉｊのばらつきで決まる
オフセット電圧を表している。この記法の元で、（８）
式に対応する電荷量、すなわち、容量ＣＢｊに蓄積され
ている電荷は、これをＱ２ｊと表して、 Ｑ２ｊ＝ＣＢｊＶｒｅｆ＋ｍＱｉｊ／Ｃｉｊ・ＣＡｊＣＢｊ／（ＣＡｊ＋ＣＢ ｊ）…（１４） ここで、水平読み出しトランジスタＨｊをいくつか同時
にオンさせると、Σを同時に開いた読み出しトランジス
タに関する和を表すものとして、水平信号線24の電位Ｖ
は（９）式に対応して Ｖ＝（ＣＨ・Ｖｂ＋ΣＱ２ｊ）／（ＣＨ＋ΣＣＢｊ） ＝（ＣＨ・Ｖｂ＋ΣＶｒｅｆＣＢｊ）／（ＣＨ＋ΣＣＢｊ）＋ΣｍＱｉｊ／Ｃ ｉｊ・ＣＡｊＣＢｊ／（ＣＡｊ＋ＣＢｊ）・（ＣＨ＋ΣＣＢｊ）…（１５） となる。既に説明したように、容量の比は、幾何学的な
形状比に帰着し、比較的よく制御できる量である。この
ことを想定して、同時にオンさせる水平読み出しトラン
ジスタの数をＮとし、キャパシタＣＡｊ，ＣＢｊからの
ｊの添え字を落とすと、 Ｖ＝（ＣＨ・Ｖｂ＋ＮＶｒｅｆＣＢ）／（ＣＨ＋ＮＣＢ）＋［ＣＡＣＢ／（Ｃ Ａ＋ＣＢ）・（ＣＨ／Ｎ＋ＣＢ）］・［（１／Ｎ）ｍΣＱｉｊ／Ｃｉｊ］…（１ ６） と表せる。すなわち、一定量（ＣＨ・Ｖｂ＋ＮＶｒｅｆ
ＣＢ）／（ＣＨ＋ＮＣＢ）に平均信号出力（１／Ｎ）ｍ
ΣＱｉｊ／Ｃｉｊの定数倍が加わった信号となってい
る。これにより、所望の垂直信号線分だけの平均値の検
出ができる。なお、全ての水平読み出しトランジスタを
同時にオンさせた場合は、Ｎが１より十分大きいとして
（１６）式は Ｖ＝Ｖｒｅｆ＋ＣＡ／（ＣＡ＋ＣＢ）（１／Ｎ）ｍΣＱｉｊ／Ｃｉｊ…（１７ ） となる。これは（９）式でＣＨ＝０とし、ｍＱ／Ｃｉｊ
を一行にわたる平均値（１／Ｎ）ｍΣＱｉｊ／Ｃｉｊに
置き換えたものに相当する。
【００６３】さて、次に、この発明の第４の実施の形態
について、上記図１及び図５のタイミングチャートによ
り説明する。この第４の実施の形態は、上述したような
読み出した信号電荷の平均値を用いて、例えばビデオカ
メラや電子スチールカメラ等の適正露光を得るために、
シャッター速度や絞りを制御するＡＧＣに好適なもので
ある。
について、上記図１及び図５のタイミングチャートによ
り説明する。この第４の実施の形態は、上述したような
読み出した信号電荷の平均値を用いて、例えばビデオカ
メラや電子スチールカメラ等の適正露光を得るために、
シャッター速度や絞りを制御するＡＧＣに好適なもので
ある。
【００６４】通常、電子シャッタ動作が可能な固体撮像
装置にあっては、図１に示したような読み出し用のパル
ス発生部20，21，22とは別に、電子シャッタ用のパルス
発生部が設けられている。この電子シャッタ用パルス発
生部は、垂直駆動手段としてのパルス発生部20と同様
に、所定のタイミングで選択対象の単位セル行を走査す
るように種々のパルス信号を出力する。これらの垂直駆
動手段としてのパルス発生部及び電子シャッタ用のパル
ス発生部はそれぞれ、例えばシフトレジスタを用いて構
成されている。垂直駆動手段としてのパルス発生部と電
子シャッタ用のパルス発生部により、１フィールド期間
内に２回のタイミングで特定の選択対象行を選択制御す
るようになっている。
装置にあっては、図１に示したような読み出し用のパル
ス発生部20，21，22とは別に、電子シャッタ用のパルス
発生部が設けられている。この電子シャッタ用パルス発
生部は、垂直駆動手段としてのパルス発生部20と同様
に、所定のタイミングで選択対象の単位セル行を走査す
るように種々のパルス信号を出力する。これらの垂直駆
動手段としてのパルス発生部及び電子シャッタ用のパル
ス発生部はそれぞれ、例えばシフトレジスタを用いて構
成されている。垂直駆動手段としてのパルス発生部と電
子シャッタ用のパルス発生部により、１フィールド期間
内に２回のタイミングで特定の選択対象行を選択制御す
るようになっている。
【００６５】そして、垂直駆動手段としてのパルス発生
部が選択対象行を選択制御して画素信号を垂直信号線に
読み出すより前に、電子シャッタ用パルス発生部が選択
対象行を選択制御して画素信号の蓄積を開始することに
より、等価的に受光時間を制御する電子シャッタ動作が
可能になる。
部が選択対象行を選択制御して画素信号を垂直信号線に
読み出すより前に、電子シャッタ用パルス発生部が選択
対象行を選択制御して画素信号の蓄積を開始することに
より、等価的に受光時間を制御する電子シャッタ動作が
可能になる。
【００６６】但し、電子シャッタは周知の技術であり、
本実施の形態は電子シャッタの動作そのものには直接関
係がないので、ここではその基本的な構成や動作につい
ての詳細な説明は省略する。
本実施の形態は電子シャッタの動作そのものには直接関
係がないので、ここではその基本的な構成や動作につい
ての詳細な説明は省略する。
【００６７】図５に示すタイミングチャートは、適正な
蓄積時間（シャッタ速度）ないしは絞りを決めるための
センサ面照度の決定法であり、所定の代表行（例えばセ
ンサ面中央の１行）の平均出力をセンサ駆動に先立って
検出するものである。この図５では、選択される行のみ
に着目して各パルス信号のタイミングを示している。
蓄積時間（シャッタ速度）ないしは絞りを決めるための
センサ面照度の決定法であり、所定の代表行（例えばセ
ンサ面中央の１行）の平均出力をセンサ駆動に先立って
検出するものである。この図５では、選択される行のみ
に着目して各パルス信号のタイミングを示している。
【００６８】すなわち、まずｔ＝ｔ０において、パルス
発生部20から発生するアドレスパルスφＡＤ、読み出し
パルスφＲ１，φＲ２及びリセットパルスφＲＳをハイ
レベルに設定するとともに、パルス発生部21から発生す
るシフトパルスφＳＨとパルス発生部22から発生するク
リアパルスφＣＲをハイレベルに設定する。これによっ
て、蓄積ノード3がリセットトランジスタ4を介してＶｄ
ｄ電源7に接続されるので、この高電位が電位検出トラ
ンジスタ5によって検知され、垂直信号線（例えばＳ
ｎ）の電位は、電源Ｖｄｄに対応する高電位となる。ま
た、全ての水平読み出しパルスφＨがロウレベルである
ので、全ての水平読み出しトランジスタＨはオフしてお
り、クリアパルスφＣＲのハイレベルによって電位リセ
ット用のトランジスタ28がオンすることから、水平信号
線24の電位は直流電源29の電圧で決まる値となる。よっ
て、出力端子27の電位も上記水平信号線24の電位に対応
する電位となる。
発生部20から発生するアドレスパルスφＡＤ、読み出し
パルスφＲ１，φＲ２及びリセットパルスφＲＳをハイ
レベルに設定するとともに、パルス発生部21から発生す
るシフトパルスφＳＨとパルス発生部22から発生するク
リアパルスφＣＲをハイレベルに設定する。これによっ
て、蓄積ノード3がリセットトランジスタ4を介してＶｄ
ｄ電源7に接続されるので、この高電位が電位検出トラ
ンジスタ5によって検知され、垂直信号線（例えばＳ
ｎ）の電位は、電源Ｖｄｄに対応する高電位となる。ま
た、全ての水平読み出しパルスφＨがロウレベルである
ので、全ての水平読み出しトランジスタＨはオフしてお
り、クリアパルスφＣＲのハイレベルによって電位リセ
ット用のトランジスタ28がオンすることから、水平信号
線24の電位は直流電源29の電圧で決まる値となる。よっ
て、出力端子27の電位も上記水平信号線24の電位に対応
する電位となる。
【００６９】次に、アドレスパルスφＡＤ、シフトパル
スφＳＨ及びクリアパルスφＣＲのハイレベルを保持し
つつ、リセットパルスφＲＳをロウレベルにして、リセ
ット動作を終了する（ｔ＝ｔ１）。この時、リセットト
ランジスタ4がオフして、蓄積ノード3が電源7から切り
離され、カップリングによって垂直信号線Ｓｎの電位が
低下する。
スφＳＨ及びクリアパルスφＣＲのハイレベルを保持し
つつ、リセットパルスφＲＳをロウレベルにして、リセ
ット動作を終了する（ｔ＝ｔ１）。この時、リセットト
ランジスタ4がオフして、蓄積ノード3が電源7から切り
離され、カップリングによって垂直信号線Ｓｎの電位が
低下する。
【００７０】次のｔ＝ｔ２において、クランプ動作用の
トランジスタＣＬＰｎのゲートにクランプパルスφＣＬ
Ｐを供給してオンさせ、キャパシタＣＡｎ，ＣＢｎの一
方の電極に直流電源23から所定の電圧を与えて、電位検
出トランジスタ5の閾値電圧と電流源Ｉｎのばらつきに
より生ずるオフセットを除去する（ｔ＝ｔ２）。
トランジスタＣＬＰｎのゲートにクランプパルスφＣＬ
Ｐを供給してオンさせ、キャパシタＣＡｎ，ＣＢｎの一
方の電極に直流電源23から所定の電圧を与えて、電位検
出トランジスタ5の閾値電圧と電流源Ｉｎのばらつきに
より生ずるオフセットを除去する（ｔ＝ｔ２）。
【００７１】その後、再び選択行の読み出しパルスφＲ
１をハイレベルに設定すると、読み出しトランジスタ2-
1がオンし、フォトダイオード1-1に蓄積されている電荷
量に対応して垂直信号線Ｓｎの電位は更に低下する（ｔ
＝ｔ３）。
１をハイレベルに設定すると、読み出しトランジスタ2-
1がオンし、フォトダイオード1-1に蓄積されている電荷
量に対応して垂直信号線Ｓｎの電位は更に低下する（ｔ
＝ｔ３）。
【００７２】ｔ＝ｔ４において、シフトパルスφＳＨと
クリアパルスφＣＲがロウレベルとなると、全てのシフ
トトランジスタＳＨと電位リセット用のトランジスタ28
がオフし、水平信号線24から各単位セルＰ（ｉ，ｊ）と
直流電源29が切り離される。
クリアパルスφＣＲがロウレベルとなると、全てのシフ
トトランジスタＳＨと電位リセット用のトランジスタ28
がオフし、水平信号線24から各単位セルＰ（ｉ，ｊ）と
直流電源29が切り離される。
【００７３】その後、全ての水平読み出しパルスφＨが
ハイレベルとなると、全ての水平読み出しトランジスタ
Ｈがオンし、各キャパシタＣＡ，ＣＢに蓄積された電荷
が水平読み出し線24に伝送され、この水平読み出し線24
の電位が上記キャパシタＣＡ，ＣＢに蓄積された電荷の
平均値に対応してΔＡだけ変化する（ｔ＝ｔ５）。
ハイレベルとなると、全ての水平読み出しトランジスタ
Ｈがオンし、各キャパシタＣＡ，ＣＢに蓄積された電荷
が水平読み出し線24に伝送され、この水平読み出し線24
の電位が上記キャパシタＣＡ，ＣＢに蓄積された電荷の
平均値に対応してΔＡだけ変化する（ｔ＝ｔ５）。
【００７４】そして、ｔ＝ｔ６において、選択行のアド
レスパルスφＡＤがロウレベルとなるとアドレストラン
ジスタ6がオフして読み出し動作が終了する。
レスパルスφＡＤがロウレベルとなるとアドレストラン
ジスタ6がオフして読み出し動作が終了する。
【００７５】上記のような読み出し動作では、蓄積ノー
ド3への電荷の蓄積時間は、選択行の読み出しパルスφ
Ｒ１の間隔で設定され、この蓄積時間に対応するセンサ
出力の選択行１ラインにわたる平均値（（１６）式及び
（１７）式に対応した信号）の電位ΔＡが出力される。
この電位ΔＡと蓄積時間設定情報により、センサ面平均
照度を得る。
ド3への電荷の蓄積時間は、選択行の読み出しパルスφ
Ｒ１の間隔で設定され、この蓄積時間に対応するセンサ
出力の選択行１ラインにわたる平均値（（１６）式及び
（１７）式に対応した信号）の電位ΔＡが出力される。
この電位ΔＡと蓄積時間設定情報により、センサ面平均
照度を得る。
【００７６】この後、上記のようにして得た平均照度に
応じた絞り設定、または蓄積時間設定を行って通常動作
に移る。
応じた絞り設定、または蓄積時間設定を行って通常動作
に移る。
【００７７】これにより、全ての画素から読み出しを行
うことなく、且つ簡単な駆動でセンサ面平均照度を得る
ことができる。しかも、外部メモリも必要としない。
うことなく、且つ簡単な駆動でセンサ面平均照度を得る
ことができる。しかも、外部メモリも必要としない。
【００７８】なお、この第４の実施の形態を、既に述べ
た第１の実施の形態と組み合わせ、１つの単位セル中の
２つのフォトダイオードから読み出した電荷の和を出力
信号として用いることも可能である。この場合は、選択
行の読み出しパルスとして、各単位セル内に入力される
読み出しパルスφＲ１，φＲ２を実質的に同一のタイミ
ングで駆動すれば良い。
た第１の実施の形態と組み合わせ、１つの単位セル中の
２つのフォトダイオードから読み出した電荷の和を出力
信号として用いることも可能である。この場合は、選択
行の読み出しパルスとして、各単位セル内に入力される
読み出しパルスφＲ１，φＲ２を実質的に同一のタイミ
ングで駆動すれば良い。
【００７９】また、上述した各実施の形態では、１画素
中に２個のフォトダイオードを設けた場合について説明
したが、必ずしも２個である必要はない。更に、第２乃
至第４の実施の形態の固体撮像装置の場合には１個でも
良い。
中に２個のフォトダイオードを設けた場合について説明
したが、必ずしも２個である必要はない。更に、第２乃
至第４の実施の形態の固体撮像装置の場合には１個でも
良い。
【００８０】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、高速駆動にも拘わらずＳ／Ｎ比の低下を抑制できる
固体撮像装置が得られる。
ば、高速駆動にも拘わらずＳ／Ｎ比の低下を抑制できる
固体撮像装置が得られる。
【図１】従来及びこの発明の実施の形態に係る固体撮像
装置について説明するための回路図。
装置について説明するための回路図。
【図２】この発明の第１の実施の形態に係る固体撮像装
置の動作について説明するためのタイミングチャート。
置の動作について説明するためのタイミングチャート。
【図３】この発明の第２の実施の形態に係る固体撮像装
置の動作について説明するためのタイミングチャート。
置の動作について説明するためのタイミングチャート。
【図４】この発明の第３の実施の形態に係る固体撮像装
置の動作について説明するためのタイミングチャート。
置の動作について説明するためのタイミングチャート。
【図５】この発明の第４の実施の形態に係る固体撮像装
置の動作について説明するためのタイミングチャート。
置の動作について説明するためのタイミングチャート。
【図６】図１に示した固体撮像装置を駆動する従来のパ
ルスタイミングを示すタイミングチャート。
ルスタイミングを示すタイミングチャート。
【図７】図１に示した固体撮像装置における従来の水平
読み出しパルスとクリアパルスの相対関係を示すタイミ
ングチャート。
読み出しパルスとクリアパルスの相対関係を示すタイミ
ングチャート。
【図８】図１に示した固体撮像装置を高速駆動する場合
に考えられるパルスタイミングを示すタイミングチャー
ト。
に考えられるパルスタイミングを示すタイミングチャー
ト。
【図９】図１に示した固体撮像装置を高速駆動する場合
に考えられる他のパルスタイミングを示すタイミングチ
ャート。
に考えられる他のパルスタイミングを示すタイミングチ
ャート。
1-1，1-2…フォトダイオード（光電変換蓄積手段） 2-1，2-2…読み出しトランジスタ（電荷読み出し手段） 3…蓄積ノード（共通の電荷検出部） 4…リセットトランジスタ（リセット手段） 5…電位検出トランジスタ（電位検出手段） 6…アドレストランジスタ（アドレス手段） 7…電源 8…出力ライン 20…パルス発生部（垂直駆動手段） 21…パルス発生部 22…パルス発生部（水平駆動手段） 23，29…直流電源 24…水平信号線 25…キャパシタ（容量） 26…出力バッファ回路（出力手段） 27…出力端子 28…電位リセット用のトランジスタ Ｐ（ｉ，ｊ）…単位セル Ｓｊ…垂直信号線 Ｉｊ…電流源 ＳＨｊ…シフトトランジスタ ＣＡｊ，ＣＢｊ…キャパシタ ＣＬＰｊ…クランプ動作用のトランジスタ
Claims (3)
- 【請求項１】 入射光を光電変換し、発生した電荷を蓄
積する第１及び第２の光電変換蓄積手段、第１及び第２
の光電変換蓄積手段に蓄積された電荷を共通の電荷検出
部に移送する第１及び第２の電荷読み出し手段、電荷検
出部に移送された電荷を検出し、その電荷量に応じた電
位を発生して垂直信号線に伝達する電位検出手段、電荷
検出部に移送された電荷を排出するリセット手段、及び
電位検出手段を選択的に活性化させるアドレス手段を有
する単位セルを半導体基板上に二次元的に配列してなる
撮像領域と、 前記撮像領域の各画素行に対応して設けられ、各単位セ
ルの第１及び第２の電荷読み出し手段、リセット手段、
及びアドレス手段をそれぞれ所定のタイミングで駆動す
る垂直駆動手段と、 前記単位セルの列毎に設けられた垂直信号線の各々に付
加され、必要な信号処理を施す信号処理手段と、 前記信号処理手段の出力を所定のタイミングで水平方向
に走査して検出する水平駆動手段と、 前記水平駆動手段による走査によって検出された前記信
号処理手段の出力信号を出力する出力手段とを具備し、 前記垂直駆動手段により実質的に同一のタイミングで前
記第１及び第２の電荷読み出し手段を駆動し、前記第１
及び第２の光電変換蓄積手段に蓄積された電荷を前記電
荷検出部に移送して足し合わせ、前記電位検出手段によ
りこの足し合わせた電荷を検出し、その電荷量に応じた
電位を発生させて垂直信号線に伝達し、前記信号処理手
段を介して前記出力手段から出力する動作モードを有す
ることを特徴とする固体撮像装置。 - 【請求項２】 入射光を光電変換し、発生した電荷を蓄
積する光電変換蓄積手段、光電変換蓄積手段に蓄積され
た電荷を電荷検出部に移送する電荷読み出し手段、電荷
検出部に移送された電荷を検出し、その電荷量に応じた
電位を発生して垂直信号線に伝達する電位検出手段、電
荷検出部に移送された電荷を排出するリセット手段、及
び電位検出手段を選択的に活性化させるアドレス手段を
有する単位セルを半導体基板上に二次元的に配列してな
る撮像領域と、 前記撮像領域の各画素行に対応して設けられ、各単位セ
ルの電荷読み出し手段、リセット手段、及びアドレス手
段をそれぞれ所定のタイミングで駆動する垂直駆動手段
と、 前記単位セルの列毎に設けられた垂直信号線の各々に付
加され、必要な信号処理を施す信号処理手段と、 前記垂直信号線の各々に対応する前記信号処理手段の出
力の水平信号線への転送を制御する水平読み出し用のス
イッチ手段と、 前記水平読み出し用のスイッチ手段を所定のタイミング
で制御する水平駆動手段と、 前記水平駆動手段による前記水平読み出し用のスイッチ
手段の制御によって、前記水平信号線に読み出された前
記信号処理手段の出力信号を出力する出力手段とを具備
し、 前記水平駆動手段が、前記水平読み出し用のスイッチ手
段を垂直信号線の各々に対応して順次オンさせることに
より、各垂直信号線に対応する前記信号処理手段の出力
信号を、前記水平信号線を介して前記出力手段から順次
出力する第１の動作モードと、 前記水平駆動手段が、前記水平読み出し用のスイッチ手
段を複数の垂直信号線に対応して実質的に同時にオンさ
せることにより、これら複数の垂直信号線に対応する前
記信号処理手段の出力信号を前記水平信号線に読み出し
て平均化し、前記出力手段から出力する第２の動作モー
ドとを有することを特徴とする固体撮像装置。 - 【請求項３】 前記水平読み出し用のスイッチ手段は、
電流通路の一端にそれぞれ前記垂直信号線の各々に対応
する前記信号処理手段の出力が供給され、電流通路の他
端が前記水平信号線に共通接続され、ゲートに前記水平
駆動手段の出力信号が供給され、前記第１の動作モード
では順次オンし、前記第２の動作モードでは複数が実質
的に同時にオンするように制御されるトランジスタ群か
らなることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装
置。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000090061A JP2001285717A (ja) | 2000-03-29 | 2000-03-29 | 固体撮像装置 |
| DE60110672T DE60110672T2 (de) | 2000-03-29 | 2001-03-26 | Verstärker-Festkörperbildaufnehmer und schnelles Ausleseverfahren |
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000090061A JP2001285717A (ja) | 2000-03-29 | 2000-03-29 | 固体撮像装置 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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Family
ID=18605721
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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|---|---|
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| EP (1) | EP1139658B1 (ja) |
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| DE (1) | DE60110672T2 (ja) |
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