JP2002158934A - サンプリング回路およびそれを用いた増幅型固体撮像装置 - Google Patents
サンプリング回路およびそれを用いた増幅型固体撮像装置Info
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Abstract
受けないサンプリング回路および固定パターンノイズの
発生が極めて少ない高性能な増幅型固体撮像装置を提供
する。 【解決手段】 入力信号が一端に入力されたサンプルホ
ールドスイッチ148と、サンプルホールドスイッチ1
48の他端に一端が接続されたサンプルホールドコンデ
ンサ149とを有する第1サンプルホールド手段と、サ
ンプルホールドスイッチ148の他端に入力端子が接続
されたアンプ回路155と、アンプ回路155の出力端
子に一端が接続され、他端が水平信号線164に接続さ
れた水平選択スイッチ156とを備える。上記アンプ回
路155の出力端子を導通制御スイッチ157の一端に
接続し、その導通制御スイッチ157の他端に第1定電
流負荷158を接続する。上記導通制御スイッチ157
は、少なくともサンプルホールドスイッチ148がオン
でかつ水平選択スイッチ156がオフの期間はオンす
る。
Description
路および増幅型固体撮像装置に関する。
固体撮像装置としては、画素素子毎に増幅機能を持たせ
て走査回路により受光信号を読み出すものが知られてい
る。特に画素素子の構成を、周辺の駆動回路や信号処理
回路との一体化に有利なCMOS型としたAPS(Activ
e Pixel Sensor)型イメージセンサの開発が盛んであ
る。このAPS型イメージセンサでは、1画素素子内
に、光電変換部,増幅部,画素選択部およびリセット部を
形成する必要があり、通常、フォトダイオード(PD)か
らなる光電変換部の他に3個〜4個のMOSトランジス
タ(T)が用いられている。
構成を示している。図5において、光電変換部101で
発生した信号電荷は電圧に変換され、トランジスタ10
2のゲートに印加される。このトランジスタ102で
は、インピーダンス変換(電流増幅)され、ゲートに電圧
φXが印加された画素選択スイッチ103を介して信号
Vsigが読み出される。この信号Vsigの読み出し期間の
途中で、光電変換部101の電位は、ゲートに電圧φR
が印加されたリセットトランジスタ104により電源電
圧VDにリセットされる。したがって、信号Vsigには信
号電荷に対応した電位(受光信号)とリセット電位(リフ
ァレンス信号)とが対となって読み出される。
像装置の画素部は、図6に示すような模式図で表すこと
ができる。図6において、131は光電変換,増幅,読み
出しおよびリセットを行う画素部である。上記画素部1
31の読み出しは信号線106の電圧φXにより制御
し、画素部131のリセットは信号線107の電圧φR
により制御する。こうして画素部131からは、増幅さ
れた信号Vsigを垂直信号線108を介して出力する。
た増幅型固体撮像装置(2次元イメージセンサ)の構成図
である。図7において、画素部131,第1垂直走査回
路141および第2垂直走査回路142で2次元画素領
域140を形成している。上記画素部131の読み出し
動作は、第1垂直走査回路141からの信号143によ
り制御し、リセット動作は第2垂直走査回路142から
の信号144により制御する。上記画素部131からの
出力信号は、垂直信号線145に読み出された後、各垂
直信号線145毎に設けられた相関2重サンプリング回
路に導かれ、読み出し時に得られる受光信号とリセット
後のリファレンス信号との差分を表す差分信号を相関2
重サンプリング回路から出力する。上記差分信号では、
各画素部131毎の閾値ばらつきはキャンセルされ、画
素部131毎の固定パターンノイズ(以下FPNと言う)
が抑圧される。なお、上記相関2重サンプリング回路
は、クランプ回路(クランプコンデンサ146,クランプ
スイッチ147)およびサンプルホールド回路(サンプル
ホールドスイッチ148,サンプルホールドコンデンサ
149)より構成されている。
いて、垂直信号線145は、クランプコンデンサ146
を介してサンプルホールドスイッチ148に接続される
と共に、クランプスイッチ147を介してクランプ電位
VCPに接続されている。
作タイミングを示している。上記クランプ回路(クラン
プコンデンサ146,クランプスイッチ147)では、ク
ランプ電位VCPへのクランプ動作は、画素部131から
の受光信号(S1)の読み出し時にパルスφC1をハイレベ
ルにすることにより行われ、クランプコンデサ146か
らは、画素部131からの受光信号(S1)とリファレン
ス信号(S2)との差分信号Vsjを出力する。上記サンプ
ルホールドスイッチ148は、上記受光信号とリファレ
ンス信号との差分信号Vsjをサンプリングする。そし
て、サンプルホールドスイッチ148からの信号V
sjは、サンプルホールドコンデンサ149に保持され、
アンプ回路155で増幅される。上記アンプ回路155
で増幅された信号は、水平走査回路160からの出力線
161により制御される水平選択スイッチ156を介し
て水平信号線146に信号Vsrを出力し、各サンプルホ
ールド回路からの差分信号Vsj,Vsj+1,…が順次読み出
される。なお、165はアンプ回路155の第2定電流
負荷である。最後に信号Vsrは、バッファアンプ169
により信号OSとなる。
置では、垂直信号線145毎に設けられた相関2重サン
プリング回路により、画素部131毎の閾値ばらつきに
よるFPNを抑圧する。しかしながら、上記増幅型固体
撮像装置では、各垂直信号線145毎のアンプ回路15
5には、オフセットレベルやゲイン等のばらつきを伴
う。このばらつきは、画像の水平方向にはランダムで、
垂直方向には共通であるから、映像としては縦縞模様状
の顕著なFPNとなるため、画質を著しく損なう。
解決する手法として、本出願人は図9に示す増幅型固体
撮像装置を提案している(特願2000−49505
号)。なお、この増幅型固体撮像装置は、この発明を理
解しやすくするために説明するものであって、公知技術
ではなく、従来技術でもない。
領域は図7に示す2次元画素領域140と同じ構成をし
ており、2次元画素領域の図と説明を省略する。さら
に、要点のみを説明するため、具体的回路の詳細は省
き、クランプ回路の出力側から説明を始める。
クランプ電位VCPを基準とした場合に受光信号とリファ
レンス信号との差分信号Vsjのみであり、これをサンプ
ルホールド回路(サンプルホールドスイッチ148,サン
プルホールドコンデンサ149)で1回サンプリング動
作し、アンプ回路155に導いている。一方、図9の場
合のクランプ回路の出力側に、受光信号とリファレンス
信号との差分信号Vsj(a)を読み出した後、さらに基準
信号Vsj(b)を読み出す。この基準信号には通常クラン
プ電位が選ばれ、上記差分信号Vsj(a)の基準であると
共に、各コラム毎に共通である。
のタイミングを示すタイミングチャートであり、図10
に示すように、上記増幅型固体撮像装置は、サンプルホ
ールド回路は2回サンプリング動作を行う。まず1回目
は、パルスφsj,φsj+1,…(図10(b),(c))によって、
受光信号とリファレンス信号との差分信号Vsj(a)をサ
ンプリングする。これは各コラム共通のタイミングであ
る。この差分信号はアンプ回路155のゲートに印加さ
れた状態となる。水平選択スイッチ156は、水平走査
回路160からの出力線161のパルスφHj,φHj+1,…
(図10(d),(e))によって順次オンされる。この各オン
期間の途中で、パルスφsj,φsj+1,…で示すように、サ
ンプルホールド回路は2回目のサンプリング動作を行
う。これにより各オン期間の前半で信号Vsj(a),Vsj+1
(a),…が読み出されると共に、後半では基準信号V
sj(b),Vsj+1(b),…が読み出される。なお、図10で
は、Vsj(a),Vsj+1(a),…は“Sa”と表記し、V
sj(b),Vsj+1(b),…は“Sb”と表記している。上記V
sj(a)とVsj(b)、Vsj+1(a)とVsj+1(b)等は、それぞれ
同じアンプ回路155のオフセットレベルやゲイン等の
ばらつきを含んでいる。したがって、その後の信号処理
で両信号の差を取れば、アンプ回路155のオフセット
レベルやゲイン等のばらつきを取り除くことができる。
増幅型固体撮像装置では、1回目のサンプリング動作時
には、水平選択スイッチ156はオフであるので、アン
プ回路155には読み出し電流は流れず、アンプ回路1
55と水平選択スイッチ156との間の電位VNはフロ
ーティング状態となって高い電位となる。この電位VN
とアンプ回路155のゲート側電位VMとの間には、ア
ンプ回路155のトランジスタのゲート−ソース間容量
CGSにより結合している。したがって、1回目のサンプ
リング動作時には、高い電位にシフトした状態でサンプ
ルホールドコンデンサ149に書き込み動作を行う。
水平選択スイッチ156はオンである。したがって、ア
ンプ回路155に読み出し電流は流れ、アンプ回路15
5と水平選択スイッチ156との間の電位VNは低い電
位となる。上記電位VNとアンプ回路155のゲート側
電位VMとの間の容量CGSの影響により、2回目のサン
プリング動作時には、低い電位にシフトした状態でサン
プルホールドコンデンサ149に書き込み動作を行う。
作による電位Vsj(a),Vsj+1(a),…と、2回目のサンプ
リング動作による電位Vsj(b),Vsj+1(b),…との間に
は、トランジスタ155のゲート−ソース間容量CGSに
依存する電位のシフトが発生する。一般にトランジスタ
155のゲート−ソース間容量CGSにはばらつきが伴う
ので、Vsj(a)とVsj(b)、Vsj+1(a)とVsj+1(b)等の間
で差を取っても、このばらつき成分が残ってしまい、新
たな固定パターンノイズが発生するという問題がある。
出力間容量のばらつきの影響を受けないサンプリング回
路および固定パターンノイズの発生が極めて少ない高性
能な増幅型固体撮像装置を提供することにある。
め、この発明のサンプリング回路は、入力信号が一端に
入力されたサンプルホールドスイッチと、上記サンプル
ホールドスイッチの他端に一端が接続されたサンプルホ
ールドコンデンサとを有する第1サンプルホールド手段
と、上記サンプルホールドスイッチの他端に接続された
増幅手段と、上記増幅手段の出力が一端に接続され、他
端に出力信号線が接続された出力選択スイッチとを備え
たサンプリング回路において、上記増幅手段の出力が一
端に接続された導通制御スイッチと、上記導通制御スイ
ッチの他端に接続された第1定電流負荷とを備えたこと
を特徴としている。
記出力選択スイッチがオフの期間にサンプルホールドス
イッチがオンとなっても、上記導通制御スイッチはオン
であるよう構成されるから、相関2重サンプリング回路
に適用した場合の1回目のサンプリング動作時に出力選
択スイッチがオフであっても、上記増幅手段から導通制
御スイッチを介して第1定電流負荷に電流が流れる。他
方、2回目のサンプリング動作時には、出力選択スイッ
チはオンであり、上記導通制御スイッチはオフであるよ
う構成されるから、上記増幅手段から出力選択スイッチ
を介して出力信号線に読み出し電流が流れる。したがっ
て、相関2重サンプリング回路の場合の1回目および2
回目のサンプリング動作時共に、上記増幅手段と出力選
択スイッチとの間の電位は低くなる。上記増幅手段と出
力選択スイッチとの間の電位と上記増幅手段のゲート側
電位との間の容量の影響により、サンプリング動作時の
書き込み電位が影響を受けても、1回目および2回目の
サンプリング動作時共に増幅手段と出力選択スイッチと
の間の電位は同じであり、両者間(1回目でサンプリン
グされた信号と2回目でサンプリングされた信号との
間)の差分を取れば、その影響は打ち消し合うことにな
る。したがって、上記容量が複数のサンプルホールド回
路間でばらついても、上記容量の影響は出ないので、こ
のサンプリング回路を用いた増幅型固体撮像装置におい
て新たな固定パターンノイズの発生が抑圧される。
少なくとも上記サンプルホールドスイッチがオンでかつ
上記出力選択スイッチがオフの期間は、上記導通制御ス
イッチがオンすることを特徴としている。
ば、少なくとも上記サンプルホールドスイッチがオンで
上記出力選択スイッチがオフの期間は、上記導通制御ス
イッチをオンすることによって、上記増幅手段からの導
通制御スイッチを介して上記第1定電流負荷に電流が流
れる一方、出力選択スイッチがオンの期間は、増幅手段
から出力選択スイッチを介して出力信号線に読み出し電
流が流れる。したがって、少なくともサンプルホールド
スイッチがオンでかつ出力選択スイッチがオフの期間で
は、出力選択スイッチがオンの期間と同様に、増幅手段
と出力選択スイッチとの間の電位を低くできる。
上記出力信号線に接続された第2定電流負荷を備えたこ
とを特徴としている。
ば、上記出力信号線に第2定電流負荷を接続することに
よって、出力選択スイッチはオンであり、上記導通制御
スイッチはオフであるとき、上記増幅手段から出力選択
スイッチ,出力信号線を介して上記第2定電流負荷に読
み出し電流が流れる。したがって、少なくとも上記サン
プルホールドスイッチがオンでかつ上記出力選択スイッ
チがオフの期間および出力選択スイッチがオンの期間
で、上記増幅手段と出力選択スイッチとの間の電位を低
くして同じ状態にできる。
入力信号線が一端に接続され、他端に上記サンプルホー
ルドスイッチの一端が接続されたクランプコンデンサ
と、上記クランプコンデンサの他端に一端が接続され、
他端がクランプ電位に接続されたクランプスイッチとを
有する第1クランプ手段を備えたことを特徴としてい
る。
ば、上記クランプコンデンサとクランプスイッチとを有
する第1クランプ手段および上記第1サンプリングホー
ルド手段による相関2重サンプリング動作によって、上
記入力信号線の異なる2つの信号の差分信号を得ること
ができる。
上記サンプルホールドスイッチ,出力選択スイッチ,導通
制御スイッチおよびクランプスイッチを制御する制御手
段を備え、上記制御手段は、第1の期間において、その
第1の期間の前半で上記入力信号線に印加される一対の
入力信号と基準信号のいずれか一方を上記第1クランプ
手段によりクランプした後、第1の期間の後半で上記ク
ランプコンデンサの出力側に現れる上記入力信号と基準
信号との差分を表す差分信号を上記第1サンプルホール
ド手段によりサンプルホールドすると共に、上記第1の
期間内の少なくとも第1サンプルホールド手段がオンす
る期間に上記導通制御スイッチをオンし、上記第1の期
間に続く第2の期間において、その第2の期間の初期に
上記クランプコンデンサの出力側の信号を一定電位にホ
ールドした後、上記第2の期間内の第3の期間に上記出
力選択スイッチをオンし、その第3の期間の前半で上記
差分信号を上記出力信号線に読み出すと共に、上記第3
の期間の中程で上記サンプルホールドスイッチをオンし
て上記クランプコンデンサにホールドされた一定電位信
号をサンプルホールドし、上記第3の期間の後半で上記
一定電位信号を出力出力信号線に読み出すと共に、上記
第3の期間に上記導通制御スイッチをオフすることを特
徴としている。
ば、上記入力信号線には入力信号と基準信号とが対とな
って存在し、上記制御手段は、上記サンプルホールドス
イッチ,出力選択スイッチ,導通制御スイッチおよびクラ
ンプスイッチを制御して、第1の期間の前半で上記入力
信号線の入力信号と基準信号のいずれか一方を上記第1
クランプ手段によりクランプした後、第1の期間の後半
で上記クランプコンデンサの出力側に現れる上記入力信
号と基準信号の差分信号を上記第1サンプルホールド手
段によりサンプルホールドすると共に、上記第1の期間
内の少なくとも第1サンプルホールド手段がオンする期
間に上記導通制御スイッチをオンとし、上記第1の期間
に続く第2の期間の初期に上記クランプコンデンサの出
力側の信号を一定電位にホールドし、その後、第2の期
間内の上記出力選択スイッチがオンする第3の期間の前
半で、上記差分信号を出力信号線に読み出すと共に、第
3の期間の中程で上記サンプルホールドスイッチをオン
して一定電位信号をサンプルホールドし、第3の期間の
後半で上記一定電位信号を出力信号線に読み出すと共
に、上記第3の期間では上記導通制御スイッチをオフと
する。
に出力選択スイッチがオフであっても、上記増幅手段か
ら導通制御スイッチを介して第1定電流負荷に電流が流
れる一方、2回目のサンプリング動作時には、出力選択
スイッチがオンであり、上記導通制御スイッチはオフで
あるから、上記増幅手段から出力選択スイッチを介して
出力信号線に読み出し電流が流れる。このため、1回目
および2回目のサンプリング動作時のいずれの場合も、
上記増幅手段と出力選択スイッチとの間の電位は低くな
る。上記増幅手段と出力選択スイッチとの間の電位と増
幅手段のゲート側電位との間の容量の影響により、サン
プリング動作時の書き込み電位が影響を受けても、1回
目および2回目のサンプリング動作時共に同じ状態であ
り、両者間(1回目でサンプリングされた信号と2回目
でサンプリングされた信号との間)で差分を取れば、そ
の影響を打ち消すことができる。
上記第3の期間において、上記出力信号線に読み出され
る上記差分信号と上記一定電位信号に基づいて、上記差
分信号をクランプして上記差分信号と上記一定電位信号
との差信号を出力する第2クランプ手段と、上記第2ク
ランプ手段からの上記差信号をサンプルホールドして、
サンプルホールドされた上記差信号を出力する第2サン
プルホールド手段とを備えたことを特徴としている。
ば、上記第2クランプ回路と第2サンプルホールド回路
との構成により、上記水平信号線に読み出される一対の
信号の差分信号と上記一定電位信号との差信号が得ら
れ、このサンプリング回路を用いた増幅型固体撮像装置
において全てのばらつき成分が除去されたFPNのない
画像を表す信号を得ることができる。
光電変換手段によって形成された受光信号およびその受
光信号の基準となるリファレンス信号を増幅して出力す
る増幅型の画素素子を備えた増幅型固体撮像装置におい
て、上記画素素子の出力を上記入力信号線に接続し、上
記画素素子から出力される上記受光信号を入力信号と
し、上記画素素子から出力される上記リファレンス信号
を基準信号として、請求項5または6に記載のサンプリ
ング回路を用いたことを特徴としている。
上記画素素子の受光信号を入力信号としリファレンス信
号を基準信号として、第1の期間で入力信号と基準信号
の差分信号を第1サンプルホールド手段により1回目の
サンプルホールドをすると共に、上記第1の期間内の少
なくとも第1サンプルホールド手段がオンする期間に導
通制御スイッチをオンとすることにより、1回目のサン
プリング動作時に出力選択スイッチがオフであっても、
上記増幅手段から導通制御スイッチを介して第1定電流
負荷に電流が流れる。上記第1の期間に続く第2の期間
の初期に、上記クランプコンデンサの出力側の信号を一
定電位にホールドし、その後第2の期間内の上記出力選
択スイッチがオンする第3の期間の前半で、上記差分信
号を出力信号線に読み出すと共に、第3の期間の中程で
上記サンプルホールドスイッチをオンして一定電位信号
をサンプルホールドし、第3の期間の後半で上記一定電
位信号を出力信号線に読み出す。この2回目のサンプリ
ング動作時には、出力選択スイッチはオンであり、上記
導通制御スイッチはオフであるから、上記増幅手段から
出力選択スイッチを介して出力信号線に読み出し電流が
流れる。したがって、1回目および2回目のサンプリン
グ動作時共に、上記増幅手段と出力選択スイッチとの間
の電位は低くなる。上記増幅手段と出力選択スイッチと
の間の電位と増幅手段のゲート側電位との間の容量の影
響により、サンプリング動作時の書き込み電位が影響を
受けても、1回目および2回目のサンプリング動作時共
に増幅手段と出力選択スイッチとの間の電位同じ状態で
あり、両者間(1回目でサンプリングされた信号と2回
目でサンプリングされた信号との間)で差分を取れば、
その影響は打ち消し合うことになる。したがって、上記
容量が複数のサンプルホールド回路間でばらついても、
その影響は出ないので、新たな固定パターンノイズの発
生が抑圧される。
路およびそれを用いた増幅型固体撮像装置を図示の実施
の形態により詳細に説明する。
施形態のサンプリング回路を用いた増幅型固体撮像装置
の要部の回路図であり、図2は上記サンプリング回路の
各信号のタイミングを示すタイミングチャートである。
なお、図1では複数のコラムのうちの2つのコラムのみ
を示している。
置は、入力信号Vsj,Vsj+1,…が一端に入力されたサン
プルホールドスイッチ148の他端を、増幅手段として
のアンプ回路155の入力端子に接続している。上記サ
ンプルホールドスイッチ148の制御入力端子にパルス
φsj,φsj+1,…を入力している。上記アンプ回路155
の出力端子を出力選択スイッチとしての水平選択スイッ
チ156を介して出力信号線としての水平信号線164
に接続し、水平選択スイッチ156の制御入力端子に水
平走査回路160からの出力線161を接続している。
さらに、上記アンプ回路155の出力端子に導通制御ス
イッチ157を介して第1定電流負荷158を接続し、
導通制御スイッチ157の制御入力端子に制御信号φHB
を入力している。また、上記水平信号線164とグラン
ドGNDとの間に第2定電流負荷165を接続してい
る。上記第1,第2定電流負荷158,165の制御入力
端子に電圧VLを入力している。また、上記水平信号線
164の終端にバッファアンプ169の入力端子を接続
して、バッファアンプ169から信号OSを出力する。
上記サンプルホールドスイッチ148,サンプルホール
ドコンデンサ149で第1サンプルホールド手段として
のサンプルホールド回路を構成している。
型固体撮像装置では、図9,図10の増幅型固体撮像装
置の場合と同様、図2に示すように、上記サンプルホー
ルド回路(サンプルホールドスイッチ148,サンプルホ
ールドコンデンサ149)は2回サンプリング動作を行
う。まず1回目は、,…期間Aでパルスφsj,φsj+1,…
(図2(b),(c))によって第1の信号Vsj(a)をサンプリン
グする。これは各コラム共通のタイミングである。この
第1の信号はアンプ回路155のゲートに印加された状
態となる。上記水平選択スイッチ156は、水平走査回
路160からの出力線161のパルスφHj,φHj+1,…
(図2(e),(f))によって順次オンされる。この各オン期
間の途中で、パルスφsj,φsj+1,…で示すように、期間
Bj,Bj+1,…このサンプルホールド回路は2回目のサン
プリング動作を行う。これにより各オン期間Bj,Bj+1,
…の前半で信号Vsj(a),Vsj+1(a),…が読み出されると
共に、各オン期間Bj,Bj+1,…の後半では第2の信号V
sj(b),Vsj+1(b),…が読み出される。なお、図2では、
Vsj(a),Vsj+1(a),…は“Sa”と表記し、Vsj(b),V
sj+1(b),…は“Sb”と表記している。
とVsj(b)、信号Vsj+1(a)とVsj+1(b)等は、それぞれ
同じアンプ回路155のオフセットレベルやゲイン等の
ばらつきを含んでいる。したがって、その後の信号処理
で両信号の差を取れば、アンプ回路155のオフセット
レベルやゲイン等のばらつきを取り除くことができる。
ルホールドスイッチ148,サンプルホールドコンデン
サ149)が図9に示すサンプルホールド回路と異なる
のは次の点である。すなわち、アンプ回路155の出力
側を分岐し、一方を水平選択スイッチ156に導くと共
に、他方を導通制御スイッチ157を介して第1定電流
負荷158に接続するよう構成される。上記導通制御ス
イッチ157に制御信号φHBを印加する。
動作時に、パルスφHj,φHj+1,…で駆動される水平選択
スイッチ156がオフであっても、制御信号φHBで駆動
される導通制御スイッチ157はオンであるから、アン
プ回路155から導通制御スイッチ157を介して第1
定電流負荷158に電流が流れる。次に、2回目のサン
プリング動作時には、水平選択スイッチ156はオンで
あり、導通制御スイッチ157はオフであるから、アン
プ回路155から水平選択スイッチ156を介して第2
定電流負荷165に読み出し電流が流れる。したがっ
て、1回目および2回目のサンプリング動作時共に、ア
ンプ回路155と水平選択スイッチ156との間の電位
VNは低くなる。
側電位VMとの間の容量CGSの影響によってサンプリン
グ動作時の書き込み電位が影響を受けても、1回目およ
び2回目のサンプリング動作時共に電位VNは同じ状態
であり、両者(信号Vsj(a)とVs j(b)、信号Vsj+1(a)と
Vsj+1(b)等)間で差分を取れば、その影響は打ち消し合
うことになる。したがって、容量CGSが複数のサンプル
ホールド回路間でばらついても、その影響は出ないの
で、このサンプリング回路を増幅型固体撮像装置に用い
た場合、新たな固定パターンノイズの発生を抑圧するこ
とができる。
実施形態のサンプリング回路を用いた増幅型固体撮像装
置の回路図であり、図4は上記増幅型固体撮像装置の各
信号のタイミングを示すタイミングチャートである。こ
こで、2次元画素領域は図7に示す2次元画素領域14
0と同じ構成をしており、2次元画素領域の図と説明を
省略し、入力信号線としての垂直信号線145以降につ
いて説明する。
グ回路の入力側に、第1クランプ手段を挿入し、相関2
重サンプリング回路を構成している。すなわち、一方の
入力端子に垂直信号線145が接続され、他方の入力端
子に固定電位であるグランドGNDが接続された入力切
替スイッチ200と、上記入力切替スイッチ200の出
力端子に一端が接続されたクランプコンデンサ146
と、上記クランプコンデンサ146の他端に一端が接続
され、他端が一定電位としてのクランプ電位VCPに接続
されたクランプスイッチ147とを備え、上記クランプ
コンデンサ146の他端に、図1に示すサンプリング回
路の入力側を接続している。上記クランプコンデンサ1
46とクランプスイッチ147で第1クランプ手段を構
成している。また、上記増幅型固体撮像装置は、各駆動
パルス(φSW,φC1,φSj,φSj+1,φH B等)を発生する制御
手段としてのタイミング発生回路214を備えている。
さらに、水平信号線164の終端に、第2のCDS(相
関2重サンプリング)回路168を設けている。
構成例を示しており、CDS回路168は、信号VSRが
入力された第2クランプ手段としてのクランプ回路21
と第2サンプルホールド手段としてのサンプルホールド
回路22と、バッファアンプ23とを備えている。上記
クランプ回路21をクランプパルスφC2により制御し、
サンプルホールド回路22をサンプルホールドパルスφ
S2により制御して、クランプパルスφC2およびサンプル
ホールドパルスφS2により、第1の信号Saと第2の信
号Sbとの差分が得られ、バッファアンプ23を介して
信号OSを出力する。
まず、図4に示すように、第1の期間にパルスφSW(図
4(b))をハイレベルとすることにより、入力切替スイッ
チ200を垂直信号線145側に接続する。上記垂直信
号線145では、第1の期間の前半に受光信号が信号S
1として得られ、後半にリファレンス信号が基準信号S2
として得られる。パルスφC1(図4(c))で示すように、
クランプ回路(クランプスイッチ147,クランプコンデ
ンサ146)では、信号S1をクランプすることにより、
第1の期間の後半に受光信号S1とリファレンス信号S2
との差分信号が得られる(差分信号+クランプ電位
VCP)。これが図1の場合の第1の信号Vsj(a)に相当す
る。
レベルとすることにより、入力切替スイッチ200を固
定電位であるグランドGND側に接続する。第2の期間
の始めにクランプスイッチ147をオンすることによ
り、クランプコンデンサ146の出力側にはVCP電位が
保持される。この信号が図1の場合の第2の信号V
sj(b)に相当する。
合と同様、サンプルホールド回路(サンプルホールドス
イッチ148,サンプルホールドコンデンサ149)は2
回サンプリング動作を行う。まず1回目は、パルス
φsj,φsj+1,…(図4(e),(f))によって、第1の信号V
sj(a)をサンプリングする。これは各コラム共通のタイ
ミングである。この第1の信号はアンプ回路155のゲ
ートに印加された状態となる。上記水平選択スイッチ1
56は、水平走査回路160からの出力線161のパル
スφHj,φHj+1,…(図4(h),(i))によって順次オンされ
る。この各オン期間の途中で、パルスφsj,φsj+1,…で
示すように、サンプルホールド回路は2回目のサンプリ
ング動作を行う。これにより各オン期間の前半で信号V
sj(a),Vsj+1(a),…が読み出されると共に、各オン期間
の後半では第2の信号Vsj(b),Vsj+1(b),…が読み出さ
れる。なお、図4では、Vsj(a),Vsj+1(a),…は“S
a”と表記し、Vsj(b),Vsj+1(b),…は“Sb”と表記し
ている。
sj(a)とVsj(b)、信号Vsj+1(a)とVsj+ 1(b)等は、それ
ぞれ同じアンプ回路155のオフセットレベルやゲイン
等のばらつきを含む。したがって、その後の第2のCD
S回路168で両信号の差を取れば、アンプ回路155
のオフセットレベルやゲイン等のばらつきを取り除くこ
とができる。すなわち、上記CDS回路168では、第
2クランプ手段としての第2のクランプ回路21(図1
1に示す)のクランプパルスφC2(図4(k))により、第1
の信号Saをクランプし、第2サンプルホールド手段と
しての第2のサンプルホールド回路22(図11に示す)
のサンプルホールドパルスφS2(図4(l))で第2の信号
Sbをサンプルホールドすることにより、第1の信号Sa
と第2の信号Sbとの差分を得ることができる。
55の出力側を分岐し、一方を水平選択スイッチ156
に導くと共に、他方を導通制御スイッチ157を介して
第1定電流負荷158に接続している。上記導通制御ス
イッチ157に制御信号φHBを印加する。したがって、
1回目のサンプリング動作時に、パルスφHj,φHj+1,…
で駆動される水平選択スイッチ156がオフであって
も、制御信号φHB(図4(g))で駆動される導通制御スイ
ッチ157はオンであるから、アンプ回路155から導
通制御スイッチ157を介して第1定電流負荷158に
電流が流れる。次の2回目のサンプリング動作時には、
水平選択スイッチ156はオンであるとき、導通制御ス
イッチ157はオフであるから、アンプ回路155から
水平選択スイッチ156を介して第2定電流負荷165
に読み出し電流が流れる。したがって、1回目および2
回目のサンプリング動作時共に、アンプ回路155と水
平選択スイッチ156との間の電位VNは低くなる。
側電位VMとの間の容量CGSの影響により、サンプリン
グ動作時の書き込み電位が影響を受けても、1回目およ
び2回目のサンプリング動作時共に同じ状態(すなわち
VN電位が共に低い)であり、両者間(信号Vsj(a)とVsj
(b)、信号Vsj+1(a)とVsj+1(b)等)で差分を取れば、そ
の影響は打ち消し合うことになる。したがって、容量C
GSが複数のサンプルホールド回路間でばらついても、そ
の影響は出ないので、新たな固定パターンノイズの発生
が抑圧される。
グ回路を用いた増幅型固体撮像装置について説明した
が、増幅型固体撮像装置に限らず、他の装置にこの発明
のサンプリング回路を適用してもよいのは勿論である。
ンプリング回路およびそれを用いた増幅型固体撮像装置
によれば、2回のサンプルホールド動作により入力信号
と基準信号を読み出して、両者の間で差分を取ることに
より、読み出し増幅手段のばらつきを取り除く構成にお
いて、2回のサンプルホールド動作共に増幅手段の出力
から負荷電流を流すことが可能となり、2回のサンプル
ホールド動作を等価とすることができる。これによっ
て、上記増幅手段の入出力間容量が複数のサンプルホー
ルド回路間でばらついても、その影響は2回のサンプル
ホールド動作で等しく、打ち消され、このサンプリング
回路を用いた増幅型固体撮像装置では、新たな固定パタ
ーンノイズの発生が抑圧される。
荷をコラム毎に新たに付け加えることになるが、この第
1定電流負荷の電流は導通制御スイッチにより制御さ
れ、電流が流れる期間は一定の割合、例えば増幅型固体
撮像装置において水平ブランキング期間程度に制限され
るから、消費電力の増大は僅かである。
大である。
グ回路を用いた増幅型固体撮像装置の要部の回路図であ
る。
ミングを示すタイミングチャートである。
グ回路を用いた増幅型固体撮像装置の要部の回路図であ
る。
イミングを示すタイミングチャートである。
図である。
ある。
イミングを示すタイミングチャートである。
型固体撮像装置の回路図である。
のタイミングを示すタイミングチャートである。
回路を組み合わせたCDS回路のブロック図である。
Claims (7)
- 【請求項1】 入力信号が一端に入力されたサンプルホ
ールドスイッチと、上記サンプルホールドスイッチの他
端に一端が接続されたサンプルホールドコンデンサとを
有する第1サンプルホールド手段と、 上記サンプルホールドスイッチの他端に接続された増幅
手段と、 上記増幅手段の出力が一端に接続され、他端に出力信号
線が接続された出力選択スイッチとを備えたサンプリン
グ回路において、 上記増幅手段の出力が一端に接続された導通制御スイッ
チと、 上記導通制御スイッチの他端に接続された第1定電流負
荷とを備えたことを特徴とするサンプリング回路。 - 【請求項2】 請求項1に記載のサンプリング回路にお
いて、 少なくとも上記サンプルホールドスイッチがオンでかつ
上記出力選択スイッチがオフの期間は、上記導通制御ス
イッチがオンすることを特徴とするサンプリング回路。 - 【請求項3】 請求項1または2に記載のサンプリング
回路において、 上記出力信号線に接続された第2定電流負荷を備えたこ
とを特徴とするサンプリング回路。 - 【請求項4】 請求項1乃至3のいずれか1つに記載の
サンプリング回路において、 入力信号線が一端に接続され、他端に上記サンプルホー
ルドスイッチの一端が接続されたクランプコンデンサ
と、上記クランプコンデンサの他端に一端が接続され、
他端がクランプ電位に接続されたクランプスイッチとを
有する第1クランプ手段を備えたことを特徴とするサン
プリング回路。 - 【請求項5】 請求項4に記載のサンプリング回路にお
いて、 上記サンプルホールドスイッチ,出力選択スイッチ,導通
制御スイッチおよびクランプスイッチを制御する制御手
段を備え、 上記制御手段は、 第1の期間において、その第1の期間の前半で上記入力
信号線に印加される一対の入力信号と基準信号のいずれ
か一方を上記第1クランプ手段によりクランプした後、
第1の期間の後半で上記クランプコンデンサの出力側に
現れる上記入力信号と基準信号との差分を表す差分信号
を上記第1サンプルホールド手段によりサンプルホール
ドすると共に、上記第1の期間内の少なくとも第1サン
プルホールド手段がオンする期間に上記導通制御スイッ
チをオンし、 上記第1の期間に続く第2の期間において、その第2の
期間の初期に上記クランプコンデンサの出力側の信号を
一定電位にホールドした後、上記第2の期間内の第3の
期間に上記出力選択スイッチをオンし、その第3の期間
の前半で上記差分信号を上記出力信号線に読み出すと共
に、上記第3の期間の中程で上記サンプルホールドスイ
ッチをオンして上記クランプコンデンサにホールドされ
た一定電位信号をサンプルホールドし、上記第3の期間
の後半で上記一定電位信号を出力出力信号線に読み出す
と共に、上記第3の期間に上記導通制御スイッチをオフ
することを特徴とするサンプリング回路。 - 【請求項6】 請求項5に記載のサンプリング回路にお
いて、 上記第3の期間において、上記出力信号線に読み出され
る上記差分信号と上記一定電位信号に基づいて、上記差
分信号をクランプして上記差分信号と上記一定電位信号
との差信号を出力する第2クランプ手段と、 上記第2クランプ手段からの上記差信号をサンプルホー
ルドして、サンプルホールドされた上記差信号を出力す
る第2サンプルホールド手段とを備えたことを特徴とす
るサンプリング回路。 - 【請求項7】 光電変換手段によって形成された受光信
号およびその受光信号の基準となるリファレンス信号を
増幅して出力する増幅型の画素素子を備えた増幅型固体
撮像装置において、 上記画素素子の出力を上記入力信号線に接続し、上記画
素素子から出力される上記受光信号を入力信号とし、上
記画素素子から出力される上記リファレンス信号を基準
信号として、請求項5または6に記載のサンプリング回
路を用いたことを特徴とする増幅型固体撮像装置。
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