JP2005192123A - Solid-state imaging device - Google Patents

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Shigetaka Kasuga
繁孝 春日
Takahiko Murata
隆彦 村田
Takumi Yamaguchi
琢己 山口
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid-state imaging device which improves the total gain and reduces any noise of circuits. <P>SOLUTION: The solid-state imaging device has a plurality of pixel units 1 with a photoelectric conversion device and an amplifier for outputting an electric charge generated by the photoelectric conversion device as a voltage, and a noise canceling part 12 for reducing noise caused by differences in characteristics of the pixel units. The noise canceling part 12 has a first capacitor C31 for charging a reference output signal from the pixel unit 1, a second capacitor C33 for charging an output signal from the pixel unit 1 when the time of exposure has passed, and a third capacitor C35 for detecting a signal difference between the positive electrode of the first capacitor C31 and the positive electrode of the second capacitor C33. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、光電変換や熱検知によって蓄積される電荷信号からノイズ成分を除去し、特に高感度化、低ノイズ化、低消費電力化、低コスト化を達成できる固体撮像装置に関する。   The present invention relates to a solid-state imaging device that can remove noise components from charge signals accumulated by photoelectric conversion and thermal detection, and in particular, can achieve high sensitivity, low noise, low power consumption, and low cost.

従来、MOS型の固体撮像装置では、トランジスタの閾値電圧Vtのばらつきに起因する固定パターンノイズを除去するためにノイズキャンセル回路を備えている。
図11は、従来のMOS型固体撮像装置における画素部、ノイズキャンセル部および信号出力部の回路例を示す図である。同図の画素部1は行列上に配列された複数の画素部のうちの1画素分のみを、ノイズキャンセル回路22は列(垂直信号線)毎に設けられた複数のノイズキャンセル回路22のうちの1つのみを、信号出力部23は列(垂直信号線)毎に設けられた複数の選択トランジスタ10のうち1つのみを図示している。
2. Description of the Related Art Conventionally, a MOS solid-state imaging device includes a noise cancellation circuit in order to remove fixed pattern noise caused by variations in transistor threshold voltage Vt.
FIG. 11 is a diagram illustrating a circuit example of a pixel unit, a noise canceling unit, and a signal output unit in a conventional MOS type solid-state imaging device. The pixel unit 1 in FIG. 1 is only for one pixel among a plurality of pixel units arranged on a matrix, and the noise cancellation circuit 22 is a component among a plurality of noise cancellation circuits 22 provided for each column (vertical signal line). The signal output unit 23 shows only one of the plurality of selection transistors 10 provided for each column (vertical signal line).

画素部1において、光電変換素子2によって光電変換により生成された電荷信号は、転送トランジスタ4を介してフローティングディフュージョン3に転送される。フローティングディフュージョン3に転送された電荷信号は、ソースフォロア5によって増幅され電圧として検出され、垂直方向アドレストランジスタ6を介して垂直信号線に電圧信号として出力される。ノイズキャンセル回路22は、固定パターンノイズのノイズ成分を除去するために設けられている。この固定パターンノイズは、ソースフォロア5の閾値電圧Vtのばらつき等により生じ、画像上は縦縞状のノイズとして現れる。
信号出力部23は、ノイズ除去後の画素信号を水平信号線を介して外部に出力する。
In the pixel unit 1, the charge signal generated by photoelectric conversion by the photoelectric conversion element 2 is transferred to the floating diffusion 3 through the transfer transistor 4. The charge signal transferred to the floating diffusion 3 is amplified by the source follower 5 and detected as a voltage, and is output as a voltage signal to the vertical signal line through the vertical address transistor 6. The noise cancellation circuit 22 is provided to remove the noise component of the fixed pattern noise. This fixed pattern noise occurs due to variations in the threshold voltage Vt of the source follower 5 and appears as vertical stripe noise on the image.
The signal output unit 23 outputs the pixel signal after noise removal to the outside through the horizontal signal line.

図12は、上記の固体撮像装置におけるノイズ除去動作のタイミングを示すタイミングチャートである。同図に示すように、時刻t0のタイミングで、リセットトランジスタ7をオンにすることによりフローティングディフュージョン3を電源電圧にリセットする。このときソースフォロア5によって垂直信号線に出力された信号をリセット信号とし、時刻t2でサンプルホールドトランジスタ8を介して、クランプ容量C1の負極に接続して充電する。あらかじめ時刻t1でクランプ容量C1の正極は、クランプトランジスタ9を介してあらかじめ一定電圧(CLDC)にクランプされている。   FIG. 12 is a timing chart showing the timing of the noise removal operation in the solid-state imaging device. As shown in the figure, the floating diffusion 3 is reset to the power supply voltage by turning on the reset transistor 7 at time t0. At this time, the signal output to the vertical signal line by the source follower 5 is used as a reset signal, and is charged by being connected to the negative electrode of the clamp capacitor C1 via the sample hold transistor 8 at time t2. The positive electrode of the clamp capacitor C1 is previously clamped to a constant voltage (CLDC) via the clamp transistor 9 in advance at time t1.

つぎに、時刻t3で転送トランジスタ4をオンにし、光電変換素子2からフローティングディフュージョン3に電荷信号を転送し、このときソースフォロア5によって垂直信号線に出力された信号を蓄積信号Vsigとし、サンプルホールドトランジスタ8を介して、クランプ容量C1の負極に接続して充電する。
すると、クランプ容量C1の負極の電位はマイナス電位側に変動するが、これに連動して、フローティング状態のクランプ容量C1の正極の電位もマイナス電位側に変動する。そして変動した電位は、クランプ容量C1とサンプル容量C2との容量分配により、以下の式(1)で表される電位Vsig1がサンプル容量C2に充電される。
Next, at time t3, the transfer transistor 4 is turned on, and a charge signal is transferred from the photoelectric conversion element 2 to the floating diffusion 3. At this time, the signal output to the vertical signal line by the source follower 5 is used as the accumulated signal Vsig. The transistor 8 is connected to the negative electrode of the clamp capacitor C1 for charging.
Then, the potential of the negative electrode of the clamp capacitor C1 changes to the negative potential side. In conjunction with this, the potential of the positive electrode of the clamp capacitor C1 in the floating state also changes to the negative potential side. Then, the potential Vsig1 expressed by the following formula (1) is charged to the sample capacitor C2 by the capacity distribution between the clamp capacitor C1 and the sample capacitor C2.

この一連の動作によって、リセット信号を基準にして蓄積信号Vsigが重畳することになるので、クランプ容量C1の変動電位は、画素の電荷信号とリセット信号との間でノイズ成分を相殺したものと等価になっている。
Vsig1=Vsig×C1/(C1+C2)・・・式(1)
その後、時刻t4で水平選択トランジスタ10によって、水平信号線に出現する画素の蓄積信号は、以下の式(2)で表される電位Vsig2となる。ここで容量C3は水平信号線の寄生容量である。
Vsig2=Vsig1×C2/(C2+C3)・・・式(2)
このように、リセット信号を基準にして蓄積信号Vsigを重畳することによって、クランプ容量C1の電位を変動させる従来の方法は、比較的簡単な回路で実現できる。
特開2000−4399号公報
As a result of this series of operations, the accumulated signal Vsig is superimposed on the basis of the reset signal, so that the fluctuation potential of the clamp capacitor C1 is equivalent to the noise component canceled between the charge signal of the pixel and the reset signal. It has become.
Vsig1 = Vsig × C1 / (C1 + C2) (1)
Thereafter, the accumulated signal of the pixel appearing on the horizontal signal line by the horizontal selection transistor 10 at time t4 becomes a potential Vsig2 expressed by the following equation (2). Here, the capacitance C3 is a parasitic capacitance of the horizontal signal line.
Vsig2 = Vsig1 × C2 / (C2 + C3) (2)
As described above, the conventional method of changing the potential of the clamp capacitor C1 by superimposing the accumulation signal Vsig on the basis of the reset signal can be realized with a relatively simple circuit.
JP 2000-4399 A

しかしながら、上記従来の固体撮像装置におけるノイズ除去回路には、以下の問題点がある。すなわち、画素の蓄積信号Vsigがノイズ成分除去回路を通ることによって、クランプ容量C1とサンプル容量C2との容量分配が生じて、以下の式中のVsig1で表される信号に減少してしまうことである。
Vsig1=Vsig×C1/(C1+C2)
この式中でクランプ容量C1を大きくし、サンプル容量C2を小さくすればVsig1の減少は抑えられるが、このノイズ成分除去回路の後段には水平選択トランジスタ10を介して、水平信号線に接続する構成になっており、水平信号線容量C3の影響が無視できなくなる。
However, the noise removal circuit in the conventional solid-state imaging device has the following problems. That is, when the pixel accumulation signal Vsig passes through the noise component removal circuit, a capacity distribution between the clamp capacitor C1 and the sample capacitor C2 occurs, and the signal is reduced to a signal represented by Vsig1 in the following equation. is there.
Vsig1 = Vsig × C1 / (C1 + C2)
In this equation, if the clamp capacitor C1 is increased and the sample capacitor C2 is decreased, the decrease in Vsig1 can be suppressed. However, a configuration in which the noise component removal circuit is connected to the horizontal signal line via the horizontal selection transistor 10 in the subsequent stage. Thus, the influence of the horizontal signal line capacitance C3 cannot be ignored.

すなわち、今度はサンプル容量C2と水平信号線容量C3との容量分配が生じて、水平信号線に読み出された時点で、画素の蓄積電荷Vsigは、さらに以下の式中のVsig2で表される信号に減少してしまう。
Vsig2=Vsig1×C2/(C2+C3)
=(Vsig×C1/(C1+C2))×C2/(C2+C3)
結局、容量C1,C2,C3のバランスを考えて設計しても、信号量を増加させることは困難で、回路のトータルゲインが相当小さい値になってしまうので、SN劣化に繋がっている。
That is, at this time, when the capacity distribution between the sample capacitor C2 and the horizontal signal line capacitor C3 occurs and is read out to the horizontal signal line, the accumulated charge Vsig of the pixel is further expressed by Vsig2 in the following equation. Decrease in signal.
Vsig2 = Vsig1 × C2 / (C2 + C3)
= (Vsig × C1 / (C1 + C2)) × C2 / (C2 + C3)
In the end, even if the design is made in consideration of the balance among the capacitors C1, C2, and C3, it is difficult to increase the signal amount, and the total gain of the circuit becomes a considerably small value, which leads to SN degradation.

別の問題点としては、クランプトランジスタ9を介してあらかじめ一定電圧(CLDC)にクランプする際に、電位の設定によっては、垂直信号線から水平選択トランジスタ10の閾値電圧の影響を受けて、ノイズ成分を削除した蓄積信号が水平信号線に正常に読み出しできなくなり、縦方向の固定パターンノイズを発生させてしまう可能性がある。対策するには、トランジスタの特性ばらつきを加味して、クランプ電位の設定を最適化する必要がある。   Another problem is that when clamping to a constant voltage (CLDC) through the clamp transistor 9 in advance, depending on the potential setting, the noise component is affected by the threshold voltage of the horizontal selection transistor 10 from the vertical signal line. There is a possibility that the accumulated signal from which “” is deleted cannot be normally read out to the horizontal signal line and the fixed pattern noise in the vertical direction is generated. As a countermeasure, it is necessary to optimize the setting of the clamp potential in consideration of the variation in transistor characteristics.

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、水平信号線容量との容量分配による減少の影響をより少なくして、回路のトータルゲインを上げ、SN向上させた固体撮像装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and a solid-state imaging device in which the influence of the reduction due to the capacity distribution with the horizontal signal line capacity is reduced, the total gain of the circuit is increased, and the SN is improved. The purpose is to provide.

前記の目的を達成するため、本発明に係る固体撮像装置は、一画素内に光電変換素子とこの素子で発生した電荷を電圧出力する増幅器とを備えた画素が2次元状に並べられ、各行毎に一斉に読み出された画素の信号がそれぞれの各列毎に出力されてくるイメージセンサであって、ノイズ成分除去回路としてノイズキャンセル部を有している。図1は、このノイズキャンセル部の動作原理を示す説明図である。ノイズキャンセル部12は、画素部からの基準となる出力信号を充電する第1の容量C31と、画素部からの露光時間を経過したときの出力信号を充電する第2の容量C33と、前記第1の容量の正極と第2の容量の正極との間の信号差分を検出するための第3の容量C35とを備えている。ここで、基準となる出力信号は、画素部において蓄積電荷をリセットした時の出力信号、または露光時間経過後の遮光された画素部からの出力信号である。   In order to achieve the above object, in a solid-state imaging device according to the present invention, pixels each including a photoelectric conversion element and an amplifier that outputs a voltage generated by the element in a pixel are arranged in a two-dimensional manner. An image sensor in which pixel signals that are simultaneously read out are output for each column, and has a noise canceling unit as a noise component removing circuit. FIG. 1 is an explanatory diagram showing the operating principle of the noise canceling unit. The noise cancellation unit 12 includes a first capacitor C31 that charges an output signal serving as a reference from the pixel unit, a second capacitor C33 that charges an output signal when the exposure time from the pixel unit has elapsed, and the first capacitor C31. And a third capacitor C35 for detecting a signal difference between the positive electrode of the first capacitor and the positive electrode of the second capacitor. Here, the reference output signal is an output signal when the accumulated charge is reset in the pixel portion or an output signal from the light-shielded pixel portion after the exposure time has elapsed.

この構成により、一定の露光時間経過後の蓄積電荷による出力信号と、基準信号となる出力信号との差分信号を検出する構成になっており、差分信号をとることによりノイズ成分を削除し、しかも、水平信号線容量との容量分配による減少の影響をより少なくして、回路のトータルゲインを上げ、SN向上させている。
上記のノイズ成分を削除した画素の蓄積信号VsigSの大きさは、第1から第3の容量C31、C33、C35の大きさによって左右され、次式(3)のような関係がある。ここで、VsigAは一定の露光時間経過後の蓄積電荷による信号、VsigBは蓄積電荷をリセットした時の信号を表す。また、第1の容量C31と第2の容量C33は同じ大きさで、第3の容量C35を第1の容量C31または第2の容量C33のα倍の大きさであるものとする。
With this configuration, it is configured to detect the difference signal between the output signal due to the accumulated charge after the elapse of a certain exposure time and the output signal that becomes the reference signal, and the noise component is deleted by taking the difference signal, Thus, the influence of the decrease due to the capacity distribution with the horizontal signal line capacity is further reduced, the total gain of the circuit is increased, and the SN is improved.
The magnitude of the accumulated signal VsigS of the pixel from which the noise component has been removed depends on the magnitudes of the first to third capacitors C31, C33, and C35, and has a relationship represented by the following equation (3). Here, VsigA represents a signal based on accumulated charges after a certain exposure time has elapsed, and VsigB represents a signal when accumulated charges are reset. The first capacitor C31 and the second capacitor C33 have the same size, and the third capacitor C35 is assumed to be α times as large as the first capacitor C31 or the second capacitor C33.

VsigS=α(VsigA−VsigB)/(1+2α) ・・・ 式(3)
この式(3)によれば、αが大きいほど、すなわち第3の容量C35が大きいほど、VsigSの値は大きくなる。
例えば、第1の容量C31または第2の容量C33に対して、第3の容量C35が等倍であるときは、
VsigS=(VsigA−VsigB)/3
になり、第1の容量C31または第2の容量C33に対して、第3の容量C35が2倍であるときは、
VsigS=(VsigA−VsigB)×2/5
になる。
VsigS = α (VsigA−VsigB) / (1 + 2α) (3)
According to this equation (3), the value of VsigS increases as α increases, that is, as the third capacitance C35 increases.
For example, when the third capacitor C35 is equal to the first capacitor C31 or the second capacitor C33,
VsigS = (VsigA−VsigB) / 3
When the third capacitor C35 is twice the first capacitor C31 or the second capacitor C33,
VsigS = (VsigA−VsigB) × 2/5
become.

本ノイズキャンセル部12は、その後段の信号出力部14内の水平選択スイッチ13を介して、水平信号出力線15に接続する構成になっている。信号差分検出用の第3の容量C35と水平信号線容量C40との容量分配が生じるが、第3の容量C35が大きいほど、次式(4)に表されるように水平信号線に出力される画素の蓄積信号VsigS2の大きさも大きくなる。   The noise cancellation unit 12 is configured to be connected to the horizontal signal output line 15 via a horizontal selection switch 13 in the signal output unit 14 at the subsequent stage. The capacity distribution between the third capacitor C35 for signal difference detection and the horizontal signal line capacitor C40 occurs, but the larger the third capacitor C35, the higher the output to the horizontal signal line as expressed by the following equation (4). The magnitude of the accumulated signal VsigS2 of the pixels to be increased.

VsigS2=VsigS×C35/(C35+C40)・・・式(4)
=(α(VsigA−VsigB)/(1+2α))×C35/(C35+C40)
この式(4)によれば、第3の容量C33が大きいほど、VsigS2の値は大きくなるので、従来のノイズキャンセル部12で必要であった各容量のバランス設計が容易にできるとともに、回路のトータルゲインもアップするので、SN向上を実現することができる。
VsigS2 = VsigS × C35 / (C35 + C40) (4)
= (Α (VsigA−VsigB) / (1 + 2α)) × C35 / (C35 + C40)
According to this formula (4), the larger the third capacitance C33, the larger the value of VsigS2, so that it is possible to easily design the balance of the respective capacitances required in the conventional noise cancellation unit 12, and Since the total gain is also increased, SN can be improved.

また、上記のノイズキャンセル部12では、信号差分検出用の第3の容量C35の正極の電位を水平信号線に読み出すだけでよく、従来のノイズ成分除去回路で必要であった垂直信号線から水平選択トランジスタの閾値電圧の影響を受けて発生する縦方向の固定パターンノイズを対策するためのクランプ電位の設定を最適化する必要がなくなり、設計が容易になる。   In the noise canceling unit 12 described above, it is only necessary to read the potential of the positive electrode of the third capacitor C35 for signal difference detection to the horizontal signal line. It is not necessary to optimize the setting of the clamp potential for countermeasures against the fixed pattern noise in the vertical direction generated due to the influence of the threshold voltage of the selection transistor, and the design is facilitated.

本発明の固体撮像装置は、上記ノイズ成分除去回路を有し、差分検出用容量を他の容量よりも大きく設計するだけでノイズを除去した画素信号のゲインアップを実現することができる。しかも、差分検出用容量の正極の電位を水平信号線に読み出すだけでよいので、垂直信号線から水平選択トランジスタの閾値電圧の影響を受けて発生する縦方向の固定パターンノイズを対策するためのクランプ電位の最適化も必要なくなり、容易にノイズ成分除去を行うことができる。   The solid-state imaging device of the present invention has the above-described noise component removal circuit, and can increase the gain of a pixel signal from which noise is removed simply by designing the difference detection capacitor to be larger than other capacitors. In addition, since it is only necessary to read the potential of the positive electrode of the differential detection capacitor to the horizontal signal line, a clamp for countermeasures against the fixed pattern noise in the vertical direction generated from the vertical signal line due to the influence of the threshold voltage of the horizontal selection transistor. It is not necessary to optimize the potential, and noise components can be easily removed.

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
(実施の形態1)
図2は、本発明の実施の形態1における固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。この固体撮像装置は、行列状に配列された複数の画素部1と、列毎に設けられた複数のノイズキャンセル部12と、信号出力部14とを備える。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of the solid-state imaging device according to Embodiment 1 of the present invention. The solid-state imaging device includes a plurality of pixel units 1 arranged in a matrix, a plurality of noise cancellation units 12 provided for each column, and a signal output unit 14.

各画素部1は、図11に示した画素部1と同様の構成であり、垂直信号線上に基準となる出力信号としてのリセット信号と、露光時間経過後の電荷信号とを出力する。一行分の画素部1は一斉に読み出され、読み出されたリセット信号および電荷信号をノイズキャンセル部12に出力する。各ノイズキャンセル部12は、図1と同様に第1から第3の容量を含むノイズ成分除去回路である。信号出力部14は、列毎に設けられ1つずつ順にオンにする水平選択スイッチ13を備え、ノイズキャンセル部12からのノイズ除去後の出力信号を水平出力信号線15を介して外部に出力する。   Each pixel unit 1 has the same configuration as the pixel unit 1 shown in FIG. 11, and outputs a reset signal as a reference output signal and a charge signal after the exposure time has elapsed on a vertical signal line. The pixel units 1 for one row are read all at once, and the read reset signal and charge signal are output to the noise canceling unit 12. Each noise canceling unit 12 is a noise component removing circuit including first to third capacitors as in FIG. The signal output unit 14 includes a horizontal selection switch 13 provided for each column and sequentially turned on one by one, and outputs the output signal after noise removal from the noise canceling unit 12 to the outside through the horizontal output signal line 15. .

図3は、ノイズキャンセル部12と信号出力部14内の水平選択スイッチ13とを示す回路例である。同図のようにノイズキャンセル部12は、蓄積電荷をリセットした時の画素部1の出力信号を充電する第1の容量C31と、その信号を画素部1から第1の容量C31に転送する第1の転送スイッチT32と、一定の露光時間経過後の蓄積電荷を充電する第2の容量C33と、その信号を画素部1から第2の容量C33に転送する第2の転送スイッチT34と、前記第1の容量C31の正極に負極が接続し、第2の容量C33の正極に正極が接続する信号差分検出用の第3の容量C35と、前記第1と第2の容量に充電された電荷を転送する2つの差分検出用スイッチT36と、前記信号差分検出用の第3の容量C35の正極側をリセット電位に保持するための第1のリセットスイッチT37と第3の容量C35の負極側をリセット電位に保持する第2のリセットスイッチT38と、前記信号差分検出用の第3の容量C35の正極と水平信号線との間に水平選択スイッチT39とを備えている。   FIG. 3 is a circuit example showing the noise canceling unit 12 and the horizontal selection switch 13 in the signal output unit 14. As shown in the figure, the noise canceling unit 12 charges the output signal of the pixel unit 1 when the accumulated charge is reset, and transfers the signal from the pixel unit 1 to the first capacitor C31. 1 transfer switch T32, a second capacitor C33 for charging the accumulated charge after a certain exposure time has elapsed, a second transfer switch T34 for transferring the signal from the pixel unit 1 to the second capacitor C33, A third capacitor C35 for signal difference detection in which the negative electrode is connected to the positive electrode of the first capacitor C31 and the positive electrode is connected to the positive electrode of the second capacitor C33, and the charges charged in the first and second capacitors The difference detection switch T36 for transferring the signal, the first reset switch T37 for holding the positive side of the third capacitor C35 for signal difference detection at the reset potential, and the negative side of the third capacitance C35. Hold at reset potential A second reset switch T38 to, and a horizontal selection switch T39 between the positive electrode and the horizontal signal line of the third capacitor C35 for the signal difference detection.

図4は、本ノイズキャンセル部12の駆動タイミングを示すタイムチャートである。時刻t0ですべてのスイッチをオフにして、時刻t1で前記第1と第2のリセットスイッチT37、T38のみオンにし、前記信号差分検出用の第3の容量C35の両電極をリセット電位に保持した後オフに戻す。時刻t2で前記画素の蓄積電荷をリセットした時の出力信号を前記第1の転送スイッチT32のみをオンにし、前記第1の容量C31に充電した後オフにする。時刻t3で前記画素の一定の露光時間経過後の蓄積電荷を前記第2の転送スイッチT34のみをオンにし、前記第2の容量C33に充電した後オフにする。時刻t4で前記差分検出用スイッチT36のみをオンにし、前記第3の容量C35に前記第1および第2の容量C31、C33に充電された電荷を転送する。これによって、画素部の蓄積電荷をリセットした時の出力信号と画素部の一定露光時間経過後の蓄積信号の差分電圧が前記信号差分検出用の第3の容量C35の両極に現れる。このときの差分信号VsigSは、一定の露光時間経過後の蓄積電荷による信号をVsigA、蓄積電荷をリセットした時の信号をVsigB、第1の容量C31と第2の容量C33が同じ大きさで、第3の容量C35が容量C31のα倍の大きさとすると、次式で表される大きさになる。   FIG. 4 is a time chart showing the driving timing of the noise canceling unit 12. At time t0, all the switches were turned off, and at time t1, only the first and second reset switches T37, T38 were turned on, and both electrodes of the third capacitor C35 for signal difference detection were held at the reset potential. Turn off later. The output signal when the accumulated charge of the pixel is reset at time t2 turns on only the first transfer switch T32, charges the first capacitor C31, and turns it off. At time t3, the accumulated charge after the elapse of a certain exposure time of the pixel is turned on only by the second transfer switch T34, charged to the second capacitor C33, and then turned off. At time t4, only the difference detection switch T36 is turned on, and the charges charged in the first and second capacitors C31 and C33 are transferred to the third capacitor C35. As a result, the differential voltage between the output signal when the accumulated charge of the pixel portion is reset and the accumulated signal after the fixed exposure time of the pixel portion appears at both electrodes of the third capacitor C35 for signal difference detection. The difference signal VsigS at this time is a signal based on the accumulated charge after the elapse of a certain exposure time, VsigA, a signal when the accumulated charge is reset is VsigB, and the first capacitor C31 and the second capacitor C33 have the same magnitude. If the third capacitor C35 is α times as large as the capacitor C31, the size is expressed by the following equation.

VsigS=α(VsigA−VsigB)/(1+2α)
この式から明らかなように、信号差分検出用の第3の容量C35が大きいほど、VsigSは大きくなる。差分検出動作が完了した後、前記差分検出用スイッチT36のみをオフにする。時刻t5で前記第2のリセットスイッチT38のみ再びオンにし、前記第3の容量C35の負極をリセット電位に保持した後オフにすることで、前記第3の容量C35の正極の電位は、リセット電位を基準に差分信号VsigSが充電された状態になる。すなわち画素のノイズ成分を削除した一定露光時間経過後の蓄積信号として、時刻t6で水平選択スイッチT39をオンにするのみで水平信号線に読み出せる。従来のノイズ成分除去回路で必要であった垂直信号線から水平選択トランジスタの閾値電圧の影響を受けて発生する縦方向の固定パターンノイズを対策するためのクランプ電位の設定を最適化は不要になった。また、このとき水平信号線容量C40との容量分配が生じるが、前記第3の容量C35を大きくすることで、ゲインアップを図ることができる。これを式で表すと水平信号線に出力される画素の蓄積信号 VsigS2は、次式で表される大きさになる。
VsigS = α (VsigA−VsigB) / (1 + 2α)
As is apparent from this equation, VsigS increases as the third capacitor C35 for signal difference detection increases. After the difference detection operation is completed, only the difference detection switch T36 is turned off. At time t5, only the second reset switch T38 is turned on again, and the negative electrode of the third capacitor C35 is held at the reset potential and then turned off, so that the positive electrode potential of the third capacitor C35 becomes the reset potential. As a reference, the difference signal VsigS is charged. In other words, the accumulated signal after the lapse of the fixed exposure time from which the noise component of the pixel is deleted can be read out to the horizontal signal line only by turning on the horizontal selection switch T39 at time t6. It is no longer necessary to optimize the setting of the clamp potential to prevent fixed pattern noise in the vertical direction that is generated by the influence of the threshold voltage of the horizontal selection transistor from the vertical signal line that was required in the conventional noise component removal circuit. It was. Further, at this time, capacity distribution with the horizontal signal line capacitor C40 occurs, but the gain can be increased by increasing the third capacitor C35. When this is expressed by an expression, the pixel accumulation signal VsigS2 output to the horizontal signal line has a magnitude expressed by the following expression.

VsigS2=VsigS×C35/(C35+C40)
=α(VsigA−VsigB)/(1+2α)×C35/(C35+C40)
上記の式によれば、容量C35が大きいほど、VsigS2の値は大きくなるので、従来のノイズ成分除去回路で必要であった各容量のバランス設計が容易にできるとともに、回路のトータルゲインもアップするので、SN向上を実現することができる。また、上記のノイズ成分除去回路であれば、信号差分検出用の容量C33の正極の電位を水平信号線に読み出すだけでよく、従来のノイズ成分除去回路で必要であった垂直信号線から水平選択トランジスタの閾値電圧の影響を受けて発生する縦方向の固定パターンノイズを対策するためのクランプ電位の設定を最適化する必要がなくなり、設計が容易になる。
VsigS2 = VsigS × C35 / (C35 + C40)
= Α (VsigA−VsigB) / (1 + 2α) × C35 / (C35 + C40)
According to the above equation, the larger the capacitance C35, the larger the value of VsigS2, so that it is possible to easily design the balance of the respective capacitances required in the conventional noise component removal circuit and to increase the total gain of the circuit. Therefore, SN improvement can be realized. Further, in the case of the above-described noise component removal circuit, it is only necessary to read out the potential of the positive electrode of the signal difference detection capacitor C33 to the horizontal signal line, and the horizontal selection from the vertical signal line required in the conventional noise component removal circuit. It is not necessary to optimize the setting of the clamp potential for taking countermeasures against the fixed pattern noise in the vertical direction that is generated under the influence of the threshold voltage of the transistor, and the design is facilitated.

図5は、図4に示したノイズキャンセル部12の構成素子をすべてN型MOSトランジスタを使った回路例であり、P型MOSトランジスタの製造工程が省略でき、短TAT(Turn Around Time)化、低コスト化につながる。
図6は、図5に示したノイズキャンセル部12において、差分検出回路(第3の容量C35)のリセット電位をDC電位ではなくGND化した場合を示す。差分検出回路の正極の電位がGND基準になることにより、水平選択トランジスタの閾値電圧のばらつきによる縦方向の固定パターンノイズを発生させにくい状態に保つことができる。
FIG. 5 is a circuit example in which all the constituent elements of the noise canceling unit 12 shown in FIG. 4 use N-type MOS transistors. The manufacturing process of the P-type MOS transistors can be omitted, and the TAT (Turn Around Time) is shortened. This leads to cost reduction.
FIG. 6 shows a case where the reset potential of the difference detection circuit (third capacitor C35) is changed to GND instead of DC potential in the noise canceling unit 12 shown in FIG. When the potential of the positive electrode of the difference detection circuit is based on GND, it is possible to keep the fixed pattern noise in the vertical direction from being easily generated due to variations in the threshold voltage of the horizontal selection transistor.

なお、図4に示したノイズキャンセル部12は、図5と異なり、P型MOSトランジスタで構成してもよいし、C型MOSで構成してもよい。   The noise canceling unit 12 shown in FIG. 4 may be configured with a P-type MOS transistor or a C-type MOS, unlike FIG.

(実施の形態2)
実施の形態1では通常の可視光線に好適な固体撮像装置について説明した。本実施の形態では、微小信号を検出するイメージセンサ、赤外線センサ、熱センサ(遠赤外線センサ)など微少信号を撮像する場合においてもノイズ除去として好適な固体撮像装置について説明する。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, a solid-state imaging device suitable for normal visible light has been described. In the present embodiment, a solid-state imaging device that is suitable for noise removal even when imaging a minute signal such as an image sensor that detects a minute signal, an infrared sensor, or a thermal sensor (far infrared sensor) will be described.

図7は、本発明の実施の形態2における固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。同図の固体撮像装置は、図2に示した固体撮像装置と比べて、画素部1の代わりに画素部1aを備える点と、新たに外部にフレームメモリ63および64、オペアンプ65、メカニカルシャッターを備える点とが異なっている。同じ点は説明を省略して、異なる点を中心に説明する。   FIG. 7 is a block diagram showing a schematic configuration of the solid-state imaging device according to Embodiment 2 of the present invention. Compared with the solid-state imaging device shown in FIG. 2, the solid-state imaging device of FIG. 2 includes a pixel unit 1 a instead of the pixel unit 1, and newly adds frame memories 63 and 64, an operational amplifier 65, and a mechanical shutter to the outside. It differs from the point to prepare. The description of the same points will be omitted, and different points will be mainly described.

図8は、画素部1aの1つと、ノイズキャンセル部12の1つと、信号出力部14中の水平選択スイッチ13の1つと、フレームメモリ63、64と、オペアンプ65とを示す図である。
画素部1aは、光および熱などの外来信号に対して検出機能を持つ第1の画素部61と、光電変換素子の上に遮光膜を有することにより光および熱などの外来信号に対して検出機能を持たない第2の画素部62とを有する。第1の画素部61および第2の画素部62は、メカニカルシャッターを閉じた時と、メカニカルシャッターを開けて露光時間を経過した時とに出力信号を出力する。第1の画素部61は第2の容量C33に接続され、第2の画素部62は第1の容量C31に接続される。
FIG. 8 is a diagram showing one pixel unit 1 a, one noise canceling unit 12, one horizontal selection switch 13 in the signal output unit 14, frame memories 63 and 64, and an operational amplifier 65.
The pixel unit 1a detects the external signal such as light and heat by having the first pixel unit 61 having a detection function for the external signal such as light and heat and the light shielding film on the photoelectric conversion element. A second pixel portion 62 having no function. The first pixel portion 61 and the second pixel portion 62 output output signals when the mechanical shutter is closed and when the exposure time elapses after the mechanical shutter is opened. The first pixel unit 61 is connected to the second capacitor C33, and the second pixel unit 62 is connected to the first capacitor C31.

フレームメモリ63は、メカニカルシャッターを閉じた時の全画素部1aの出力信号を保持する。フレームメモリ64は、メカニカルシャッターを開けて露光時間を経過した時の全画素部1aの出力信号を保持する。
オペアンプ65は、フレームメモリ63および64の対応する2つの画素信号を入力し増幅する差動増幅器である。
The frame memory 63 holds the output signal of all the pixel units 1a when the mechanical shutter is closed. The frame memory 64 holds the output signals of all the pixel portions 1a when the exposure time has elapsed after opening the mechanical shutter.
The operational amplifier 65 is a differential amplifier that inputs and amplifies two corresponding pixel signals of the frame memories 63 and 64.

ノイズの除去については、初期にメカニカルシャッターを閉じて、外来信号を遮断しておき、その時点で外来信号に対して検出機能を持つ第1の画素部61からの信号を第2の容量C33に充電し、外来信号に対して検出機能を持たない第2の画素部62を第1の容量C31に充電しておく。そして前記第3の容量C35で信号差分検出を行い、水平信号線に読み出して、一旦第1のフレームメモリ63に記憶させる。つぎにメカニカルシャッターを開いて、外来信号を入力しておき、外来信号に対して検出機能を持つ第1の画素部61からの信号を第2の容量C33に充電し、外来信号に対して検出機能を持たない第2の画素部62を第1の容量C31に充電しておく。そして前記第3の容量C35で信号差分検出を行い、水平信号線に読み出して、一旦フレームメモリ64に記憶させる。そしてフレームメモリ63と64からそれぞれの相対するアドレスに取り込まれたデータを外部のオペアンプ65に入力して差動増幅するしくみになっている。この一連の動作によって、リファレンスの役目をはたす外来信号に対して検出機能を持たない第2の画素部62と検出機能を持つ第1の画素部61の出力信号を同じ時刻に同じ周囲条件で比較することができ、純粋に画素部61のリセットレベルと信号蓄積レベルをそれぞれフレームメモリ63と64に取り込むことができる。そのため、一般に、光電変換素子は周囲の温度に依存して暗電流の特性が大きく異なるが、本実施の形態の固体撮像装置は、温度などの周囲条件によらないで精度良い画素の蓄積信号を抽出することが可能になる。   For noise removal, the mechanical shutter is initially closed to block the external signal, and the signal from the first pixel unit 61 having a detection function for the external signal at that time is sent to the second capacitor C33. The second pixel unit 62 that is charged and does not have a detection function for an external signal is charged in the first capacitor C31. Then, the signal difference is detected by the third capacitor C35, read to the horizontal signal line, and temporarily stored in the first frame memory 63. Next, the mechanical shutter is opened, an external signal is input, the signal from the first pixel unit 61 having a detection function for the external signal is charged to the second capacitor C33, and the external signal is detected. The second pixel portion 62 having no function is charged in the first capacitor C31. Then, the signal difference is detected by the third capacitor C35, read out to the horizontal signal line, and temporarily stored in the frame memory 64. Then, the data fetched from the frame memories 63 and 64 at the opposite addresses is inputted to the external operational amplifier 65 to differentially amplify the data. Through this series of operations, the output signals of the second pixel unit 62 having no detection function and the first pixel unit 61 having the detection function are compared at the same time under the same ambient conditions with respect to the external signal serving as a reference. The reset level and the signal accumulation level of the pixel unit 61 can be taken into the frame memories 63 and 64, respectively. Therefore, in general, the characteristics of the dark current greatly differ depending on the ambient temperature of the photoelectric conversion element. However, the solid-state imaging device of this embodiment can accurately store the pixel accumulation signal regardless of the ambient conditions such as temperature. It becomes possible to extract.

図9は、図8に示した画素部1a、ノイズキャンセル部12をより詳細に示す回路例である。図10は、図9の駆動タイミングを示すタイムチャートである。
時刻t0にてすべてのスイッチをオフにし、時刻t1にて前記第1および第2のリセットスイッチT37、T38をオンにし、前記第3の容量C35の両極をリセット電位に設定してからオフにする。時刻t2でメカニカルシャッターを閉じるとともに、前記外来信号に対して検出機能を持たない第2の画素部62と前記外来信号に対して検出機能を持つ第1の画素部61に対して、各々の蓄積電荷を第3のリセットスイッチT45、第4のリセットスイッチでリセットレベルに設定する。その後、時刻t3にて前記第1の転送スイッチT32と前記第2の転送スイッチT34をオンにして、前記外来信号に対して検出機能を持たない第2の画素部62の信号を前記第1の容量C31に、前記外来信号に対して検出機能を持つ第1の画素部61の信号を前記第2の容量C33に充電してからオフにする。その後、時刻t4にて前記差分検出用スイッチT36をオンにして前記差分検出用の第3の容量C35で信号差分検出を行ったあとオフにする。時刻t5で水平選択スイッチT39をオンにして水平信号線に読み出し、第3の転送スイッチT41をオンにして一旦第1のフレームメモリ63に記憶させてオフにする。フレームメモリ63に記憶されたフレームデータは、メカニカルシャッターを閉じた時の第1の画素部61と第2の画素部63における特性差(基準状態における暗電流の発生量の差など)を含むことになる。
FIG. 9 is a circuit example showing the pixel unit 1a and the noise canceling unit 12 shown in FIG. 8 in more detail. FIG. 10 is a time chart showing the drive timing of FIG.
All switches are turned off at time t0, the first and second reset switches T37 and T38 are turned on at time t1, and both poles of the third capacitor C35 are set to a reset potential and then turned off. . At time t2, the mechanical shutter is closed and the second pixel unit 62 that does not have a detection function for the external signal and the first pixel unit 61 that has a detection function for the external signal are accumulated. The charge is set to the reset level by the third reset switch T45 and the fourth reset switch. Thereafter, at time t3, the first transfer switch T32 and the second transfer switch T34 are turned on, and the signal of the second pixel portion 62 that does not have a detection function for the external signal is transmitted to the first transfer switch T32. The capacitor C31 is turned off after the signal of the first pixel portion 61 having a detection function for the external signal is charged in the second capacitor C33. After that, at time t4, the difference detection switch T36 is turned on, the signal difference is detected by the third capacitor C35 for difference detection, and then turned off. At time t5, the horizontal selection switch T39 is turned on to read out to the horizontal signal line, and the third transfer switch T41 is turned on, temporarily stored in the first frame memory 63 and turned off. The frame data stored in the frame memory 63 includes a characteristic difference between the first pixel unit 61 and the second pixel unit 63 when the mechanical shutter is closed (such as a difference in the amount of dark current generated in the reference state). become.

つぎに時刻t6でメカニカルシャッターを開いて、外来信号を入力しておき、時刻t7まで一定の露光時間を経過した後、時刻t8で前記第1および第2のリセットスイッチT37、T38をオンにし、前記第3の容量C35の両極をリセット電位に設定してからオフにする。時刻t9にて前記第1の転送スイッチT32と前記第2の転送スイッチT34をオンにして、前記外来信号に対して検出機能を持たない第2の画素部62の信号を前記第1の容量C31に、前記外来信号に対して検出機能を持つ第1の画素部61の信号を前記第2の容量C33に充電してからオフにする。その後、時刻t10にて前記差分検出用スイッチT36をオンにして前記差分検出用の第3の容量C35で信号差分検出を行ったあとオフにし、時刻t11で水平選択スイッチT39をオンにして水平信号線に読み出し、第4の転送スイッチT42をオンにして一旦第2のフレームメモリ64に記憶させてオフにする。フレームメモリ64に記憶されたフレームデータは、メカニカルシャッターを開けて露光時間を経過した時の第1の画素部61と第2の画素部62における特性差(基準状態における暗電流の発生量の差など)を含むことになる。   Next, the mechanical shutter is opened at time t6, an external signal is input, and after a certain exposure time has elapsed until time t7, the first and second reset switches T37, T38 are turned on at time t8, Both poles of the third capacitor C35 are set to a reset potential and then turned off. At time t9, the first transfer switch T32 and the second transfer switch T34 are turned on, and the signal of the second pixel portion 62 that does not have a detection function for the external signal is sent to the first capacitor C31. In addition, the second capacitor C33 is charged with a signal of the first pixel portion 61 having a detection function for the external signal, and then turned off. After that, at time t10, the difference detection switch T36 is turned on to detect the signal difference with the third capacitor C35 for difference detection, and then turned off. At time t11, the horizontal selection switch T39 is turned on to turn on the horizontal signal. The fourth transfer switch T42 is turned on, temporarily stored in the second frame memory 64, and turned off. The frame data stored in the frame memory 64 is a characteristic difference between the first pixel portion 61 and the second pixel portion 62 when the mechanical shutter is opened and the exposure time has elapsed (difference in the amount of dark current generated in the reference state). Etc.).

その後、時刻t12にて第五の転送スイッチをオンにして、フレームメモリ63と64からそれぞれの相対するアドレスに取り込まれたデータをオペアンプ65に入力して差動増幅して出力するしくみになっている。オペアンプ65の差動入力は、第1の画素部61と第2の画素部62における露光時の特性差を相殺し、しかも増幅により微少信号をノイズの影響を受けることなく信号出力を大きくしかつSN比を向上させることができる。   After that, at time t12, the fifth transfer switch is turned on, and the data fetched from the frame memories 63 and 64 to the respective addresses opposite to each other is input to the operational amplifier 65 to be differentially amplified and output. Yes. The differential input of the operational amplifier 65 cancels out the characteristic difference at the time of exposure in the first pixel unit 61 and the second pixel unit 62, and further increases the signal output by amplification without affecting the minute signal. The SN ratio can be improved.

以上説明してきたように、本実施の形態における固体撮像装置によれば、光電変換素子から微少信号しか得られない場合でも、第1の画素部61および第2の画素部62の差分信号検出と差動増幅とによってSN比を向上させた信号出力を得ることができる。例えば、赤外線センサや、遠赤外線を検出する熱センサなど微小信号を検出するセンサであっても、ノイズを除去し、かつ高いゲインを得ることができ、しかも周囲条件に依存して生じる暗電流の影響を除去することができる。   As described above, according to the solid-state imaging device of the present embodiment, even when only a minute signal can be obtained from the photoelectric conversion element, the differential signal detection of the first pixel unit 61 and the second pixel unit 62 can be performed. A signal output with improved S / N ratio can be obtained by differential amplification. For example, even a sensor that detects minute signals, such as an infrared sensor or a thermal sensor that detects far-infrared rays, can remove noise and obtain a high gain, and can generate dark current that depends on ambient conditions. The influence can be removed.

なお、実施の形態2では、画素部1aは、遮光膜を有することによって検出機能を持たない第2の画素部62を備えているが、複数の画素部1aに兼用するように備える構成としてもよい。例えば、列毎に1つの第2の画素部62を設ける構成としてもよい。
また、実施の形態2では、メカニカルシャッターを閉じた時と、メカニカルシャッターを開けた時との2回画素信号を出力しているが、メカニカルシャッターを閉じる代わりに画素部をリセットし、メカニカルシャッターを開ける代わりに画素部のリセットを解除するようにしてもよい。
In the second embodiment, the pixel portion 1a includes the second pixel portion 62 that does not have a detection function by having a light-shielding film. However, the pixel portion 1a may be configured to be used as a plurality of pixel portions 1a. Good. For example, a configuration in which one second pixel portion 62 is provided for each column may be employed.
In Embodiment 2, the pixel signal is output twice when the mechanical shutter is closed and when the mechanical shutter is opened. Instead of closing the mechanical shutter, the pixel unit is reset, Instead of opening, the reset of the pixel portion may be canceled.

本発明のノイズ除去回路は、簡単な回路構成で差分検出ができるため、回路の小面積化が望まれている半導体集積回路に組み込むと有用であり、例えば、デジタルカメラ、携帯電話機に内蔵するカメラ、微小信号を検出する必要のあるイメージセンサ、赤外線センサなどの固体撮像装置に有用である。   Since the noise removal circuit of the present invention can detect a difference with a simple circuit configuration, it is useful when incorporated in a semiconductor integrated circuit where a reduction in circuit area is desired. For example, a camera incorporated in a digital camera or a mobile phone It is useful for solid-state imaging devices such as image sensors and infrared sensors that need to detect minute signals.

本発明のノイズキャンセル部の動作原理を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the principle of operation of the noise cancellation part of this invention. 本発明の実施の形態1における固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the solid-state imaging device in Embodiment 1 of this invention. ノイズキャンセル部12と信号出力部14内の水平選択スイッチ13とを示す回路例である。3 is a circuit example showing a noise canceling unit 12 and a horizontal selection switch 13 in a signal output unit 14. 駆動タイミングを示すタイムチャートである。It is a time chart which shows a drive timing. ノイズキャンセル部12の構成素子をすべてN型MOSトランジスタを使った回路例である。This is a circuit example in which all the constituent elements of the noise canceling unit 12 use N-type MOS transistors. 差分検出回路(第3の容量C35)のリセット電位をDC電位ではなくGND化した場合を示す。The case where the reset potential of the difference detection circuit (third capacitor C35) is changed to GND instead of DC potential is shown. 本発明の実施の形態2における固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the solid-state imaging device in Embodiment 2 of this invention. ノイズキャンセル部12の1つと、外部の周辺回路とを示す図である。It is a figure which shows one of the noise cancellation parts 12, and an external peripheral circuit. 画素部1a、ノイズキャンセル部12をより詳細に示す回路例である。It is a circuit example which shows the pixel part 1a and the noise cancellation part 12 in detail. 駆動タイミングを示すタイムチャートである。It is a time chart which shows a drive timing. 従来のMOS型固体撮像装置における画素部、ノイズキャンセル部および信号出力部の回路例を示す図である。It is a figure which shows the circuit example of the pixel part in a conventional MOS type solid-state imaging device, a noise cancellation part, and a signal output part. 従来の固体撮像装置におけるノイズ除去動作のタイミングを示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the timing of the noise removal operation | movement in the conventional solid-state imaging device.

符号の説明Explanation of symbols

12 ノイズキャンセル部
13 水平選択スイッチ
14 信号出力部
15 水平出力信号線
15 水平信号出力線
C31 第1の容量
C33 第2の容量
C35 第3の容量
T32 第1の転送スイッチ
T34 第2の転送スイッチ
T36 差分検出用スイッチ
T37 第1のリセットスイッチ
T38 第2のリセットスイッチ
T39 水平選択スイッチ
C40 水平信号線容量
T41 第3の転送スイッチ
T42 第4の転送スイッチ
T45 第3のリセットスイッチ
61 第1の画素部
62 第2の画素部
63 フレームメモリ
64 フレームメモリ
65 オペアンプ
12 Noise Canceling Unit 13 Horizontal Selection Switch 14 Signal Output Unit 15 Horizontal Output Signal Line 15 Horizontal Signal Output Line C31 First Capacitor C33 Second Capacitor C35 Third Capacitor T32 First Transfer Switch T34 Second Transfer Switch T36 Difference detection switch T37 First reset switch T38 Second reset switch T39 Horizontal selection switch C40 Horizontal signal line capacitance T41 Third transfer switch T42 Fourth transfer switch T45 Third reset switch 61 First pixel unit 62 Second pixel portion 63 Frame memory 64 Frame memory 65 Operational amplifier

Claims (10)

光電変換素子と前記光電変換素子で発生した電荷を電圧出力する増幅器とを有する複数の画素部と、前記画素部の特性差に起因するノイズを低減するノイズキャンセル回路とを備える固体撮像装置であって、
前記ノイズキャンセル回路は、
画素部からの基準となる出力信号を充電する第1の容量素子と、
画素部からの露光時間を経過したときの出力信号を充電する第2の容量素子と、
前記第1の容量素子の正極と第2の容量素子の正極との間の信号差分を検出するための第3の容量素子と
を備えることを特徴とする固体撮像装置。
A solid-state imaging device comprising: a plurality of pixel units each having a photoelectric conversion element and an amplifier that outputs a voltage generated by the photoelectric conversion element; and a noise cancellation circuit that reduces noise caused by a characteristic difference between the pixel units. And
The noise cancellation circuit is
A first capacitive element that charges a reference output signal from the pixel portion;
A second capacitive element that charges an output signal when the exposure time from the pixel portion has elapsed;
A solid-state imaging device comprising: a third capacitive element for detecting a signal difference between a positive electrode of the first capacitive element and a positive electrode of the second capacitive element.
請求項1記載の固体撮像装置であって、前記基準となる出力信号は前記画素部をリセットしたときの出力信号である
ことを特徴とする固体撮像装置。
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the reference output signal is an output signal when the pixel unit is reset.
請求項2記載の固体撮像装置であって、
蓄積電荷をリセットした時の出力信号を充電する第1の容量素子に前記画素部の信号を転送するための第1の転送スイッチと、
一定の露光時間経過後の蓄積電荷を充電する第2の容量素子に前記画素の信号を転送するための第2の転送スイッチと、
前記第1の容量素子の正極から第3の容量素子の負極に、第2の容量素子の正極から第3の容量素子の正極に、前記第1、第2の容量素子それぞれに充電された電荷を転送する差分検出用スイッチと、
前記信号差分検出用の第3の容量素子の正極側をリセット電位に保持するための第2のリセットスイッチと、
第3の容量素子の負極側をリセット電位に保持する第1のリセットスイッチと、
前記信号差分検出用の第3の容量素子の正極と水平信号線との間の読み出しスイッチと、
を備えることを特徴とする固体撮像装置。
The solid-state imaging device according to claim 2,
A first transfer switch for transferring a signal of the pixel portion to a first capacitor element that charges an output signal when the accumulated charge is reset;
A second transfer switch for transferring the signal of the pixel to a second capacitor element that charges the accumulated charge after a certain exposure time has elapsed;
Charges charged from the positive electrode of the first capacitive element to the negative electrode of the third capacitive element and from the positive electrode of the second capacitive element to the positive electrode of the third capacitive element, respectively, to the first and second capacitive elements. A difference detection switch for transferring
A second reset switch for holding the positive side of the third capacitive element for signal difference detection at a reset potential;
A first reset switch for holding the negative electrode side of the third capacitive element at a reset potential;
A readout switch between the positive electrode of the third capacitive element for signal difference detection and a horizontal signal line;
A solid-state imaging device comprising:
請求項3記載の固体撮像装置であって、
第1に、前記各スイッチをオフにし、
第2に、前記第1および第2のリセットスイッチのみオンにすることによって前記信号差分検出用の第3の容量素子の両電極をリセット電位した後オフに戻し、
第3に、前記画素部のリセット時に前記第1の転送スイッチのみをオンにすることによって前記画素部のリセットした時の出力信号を前記第1の容量素子に充電した後オフにし、
第4に、露光時間経過後に前記第2の転送スイッチのみをオンにすることによって前記画素の一定の露光時間経過後の蓄積電荷を前記第2の容量素子に充電した後オフにし、
第5に、前記差分検出用スイッチのみをオンにすることによって前記第3の容量素子に前記第1および第2の容量素子に充電された電荷を転送して一定露光時間経過後の蓄積信号を差分検出した後オフにし、
第6に、前記第2のリセットスイッチのみ再びオンにすることによって前記第3の容量素子の負極をリセット電位に保持した後オフにし、
第7に、読み出しスイッチをオンにすることによって前記第3の容量素子の正極の電位を画素のノイズ成分を削除した蓄積信号を水平信号線に出力した後オフにする
ことを特徴とする固体撮像装置。
The solid-state imaging device according to claim 3,
First, turn off each of the switches,
Second, by turning on only the first and second reset switches, both electrodes of the third capacitive element for signal difference detection are reset and then turned off.
Third, by turning on only the first transfer switch when the pixel unit is reset, the output signal when the pixel unit is reset is charged to the first capacitor element and then turned off.
Fourth, by turning on only the second transfer switch after the exposure time elapses, the accumulated charge after elapse of a certain exposure time of the pixel is charged to the second capacitor element and then turned off.
Fifth, by turning on only the difference detection switch, the charges charged in the first and second capacitive elements are transferred to the third capacitive element, and the accumulated signal after a certain exposure time has elapsed. Turn off after detecting the difference,
Sixth, by turning on only the second reset switch again, the negative electrode of the third capacitive element is held at the reset potential and then turned off.
Seventhly, by turning on the readout switch, the potential of the positive electrode of the third capacitive element is turned off after the accumulated signal from which the noise component of the pixel is deleted is output to the horizontal signal line. apparatus.
請求項1記載の固体撮像装置であって、
前記複数の画素部は遮光された画素部と遮光されていない画素部とを含み、
前記第1の容量素子は遮光された画素部からの出力信号を前記基準となる出力信号として充電し、
前記第2の容量素子は遮光されていない画素部からの出力信号を充電する
ことを特徴とする固体撮像装置。
The solid-state imaging device according to claim 1,
The plurality of pixel portions include a light-shielded pixel portion and a non-light-shielded pixel portion,
The first capacitor element charges an output signal from the light-shielded pixel portion as the reference output signal,
The solid-state imaging device, wherein the second capacitor element charges an output signal from a pixel portion that is not shielded from light.
請求項5記載の固体撮像装置であって、さらに
露光開始前における遮光された画素部および遮光されていない画素部の両者の出力信号に基づいて、前記第3の容量素子において差分検出された出力信号を保持する第1保持部と、
露光開始後における遮光された画素部および遮光されていない画素部の両者の出力信号に基づいて、前記第3の容量素子において差分検出された出力信号を保持する第2保持部と、
第1保持部および第2保持部で保持された2つの出力信号を差動増幅する増幅部と
を備えることを特徴とする固体撮像装置。
The solid-state imaging device according to claim 5, further comprising: an output in which a difference is detected in the third capacitive element based on output signals of both the light-shielded pixel portion and the non-light-shielded pixel portion before the start of exposure. A first holding unit for holding a signal;
A second holding unit for holding an output signal detected by the third capacitive element based on output signals of both the light-shielded pixel unit and the non-shielded pixel unit after the start of exposure;
A solid-state imaging device comprising: an amplification unit that differentially amplifies two output signals held by the first holding unit and the second holding unit.
遮光された画素部からの出力信号を前記第1の容量素子に転送するための第1の転送スイッチと、
遮光されていない画素部からの出力信号を前記第2の容量素子に転送するための第2の転送スイッチと、
前記第1の容量素子の正極を第3の容量素子の負極に、前記第2の容量素子の正極に第3の容量素子の正極に、前記第1と第2の容量素子にそれぞれ充電された電荷を転送する差分検出用スイッチと、
前記信号差分検出用の第3の容量素子の正極側をリセット電位に保持するための第2のリセットスイッチと前記第3の容量素子の負極側をリセット電位に保持する第1のリセットスイッチと、
前記信号差分検出用の第3の容量素子の正極と水平信号線との間に設けられた読み出しスイッチと、
前記読み出しスイッチと前記第1の保持部との間に設けられた第3の転送スイッチと、
前記読み出しスイッチと前記第2の保持部との間に設けられた第4の転送スイッチと、
前記第1および第2の保持部に保持された出力信号を前記増幅部に転送するための第5の転送スイッチと
を備えることを特徴とする固体撮像装置。
A first transfer switch for transferring an output signal from the light-shielded pixel portion to the first capacitor;
A second transfer switch for transferring an output signal from the pixel portion that is not shielded to the second capacitor;
The positive electrode of the first capacitive element is charged to the negative electrode of the third capacitive element, the positive electrode of the second capacitive element is charged to the positive electrode of the third capacitive element, and the first and second capacitive elements are charged respectively. A differential detection switch for transferring charge;
A second reset switch for holding the positive side of the third capacitive element for signal difference detection at a reset potential, and a first reset switch for holding the negative side of the third capacitive element at a reset potential;
A readout switch provided between the positive electrode of the third capacitive element for signal difference detection and a horizontal signal line;
A third transfer switch provided between the readout switch and the first holding unit;
A fourth transfer switch provided between the readout switch and the second holding unit;
And a fifth transfer switch for transferring the output signals held in the first and second holding units to the amplification unit.
請求項7記載の固体撮像装置において、
第1に、前記各スイッチをオフにし、
第2に、露光開始前の状態で前記第1および第2のリセットスイッチのみオンにすることによって前記信号差分検出用の第3の容量素子の両電極をリセット電位に保持した後オフに戻し、
第3に、遮光された画素部からの出力信号を前記第1の転送スイッチのみをオンにすることによって前記第1の容量素子に充電した後オフにし、
第4に、遮光されていない画素部からの出力信号を前記第2の転送スイッチのみをオンにし、前記第2の容量素子に充電した後オフにし、
第5に、前記差分検出用スイッチのみをオンにすることによって前記第3の容量素子に前記第1および第2の容量素子に充電された電荷を転送して蓄積信号を差分検出した後オフにし、
第6に、前記第2のリセットスイッチのみ再びオンにすることによって前記第3の容量素子の負極をリセット電位に保持した後オフにし、
第7に、前記読み出しスイッチをオンにすることによって前記第3の容量素子の正極の電位をノイズ成分削除後の蓄積信号として水平信号線に読み出した後オフにし、
第8に、第3の転送スイッチをオンにして第1の保持部に保持させ、
第9に、露光開始後の状態で、前記第1から第7のスイッチ制御および第4の転送スイッチの制御を行うことによって前記第2の保持部に差分検出された出力信号を保持させ、
第10に、第5の転送スイッチをオンにして差動増幅器に増幅させる
ことを特徴とする固体撮像装置。
The solid-state imaging device according to claim 7,
First, turn off each of the switches,
Second, by turning on only the first and second reset switches in a state before the start of exposure, both electrodes of the third capacitor element for signal difference detection are held at a reset potential and then turned off.
Third, the output signal from the light-shielded pixel unit is turned off after charging the first capacitive element by turning on only the first transfer switch,
Fourth, the output signal from the pixel portion that is not shielded from light is turned on only the second transfer switch, the second capacitor element is charged, and then turned off.
Fifth, by turning on only the difference detection switch, the charge charged in the first and second capacitive elements is transferred to the third capacitive element, and the accumulated signal is differentially detected and then turned off. ,
Sixth, by turning on only the second reset switch again, the negative electrode of the third capacitive element is held at the reset potential and then turned off.
Seventh, by turning on the readout switch, the potential of the positive electrode of the third capacitive element is read out to the horizontal signal line as an accumulated signal after noise component deletion, and then turned off.
Eighth, turn on the third transfer switch to hold it in the first holding unit,
Ninth, in the state after the start of exposure, the output signals detected by the second holding unit are held in the second holding unit by controlling the first to seventh switch control and the fourth transfer switch,
Tenth, a solid-state imaging device, wherein the fifth transfer switch is turned on and amplified by a differential amplifier.
請求項1から請求項8の何れかに記載の固体撮像装置であって、
前記ノイズキャンセル回路をNMOS型トランジスタおよびNMOS容量素子で構成している
ことを特徴とする固体撮像装置。
A solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 8,
A solid-state imaging device, wherein the noise cancellation circuit includes an NMOS transistor and an NMOS capacitor element.
請求項1から請求項8の何れかに記載の固体撮像装置であって、
前記第3の容量素子の両電極のリセット電位をGNDレベルに設定している
ことを特徴とする固体撮像装置。
A solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 8,
A solid-state imaging device, wherein a reset potential of both electrodes of the third capacitive element is set to a GND level.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020182057A (en) * 2019-04-24 2020-11-05 キヤノン株式会社 Imaging device, imaging method, computer program, and storage medium

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