JP2005323410A - サンプリング回路および増幅型固体撮像装置。 - Google Patents

Abstract

【課題】 増幅手段の入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。
【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148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。
【選択図】 図１

Description

この発明は、サンプリング回路および増幅型固体撮像装置に関する。

従来、サンプリング回路を用いた増幅型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(Active 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。

図５はＰＤ＋３Ｔ方式の場合の画素素子の構成を示している。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１０２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。

図５に示す画素素子を用いた増幅型固体撮像装置の画素部は、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１３１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。

図７は上記画素部１３１を用いて構成され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。

また、上記相関２重サンプリング回路において、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。

図８に上記相関２重サンプリング回路の動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Ｖsj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。

このように、図７に示す増幅型固体撮像装置では、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１５５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。

そこで、このような縦縞模様状のＦＰＮを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。

この増幅型固体撮像装置では、２次元画素領域は図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。
図７の場合、クランプ回路からの出力は、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。

図１０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Ｖsj(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、Ｖsj(b),Ｖsj+1(b),…は“Ｓb”と表記している。上記Ｖsj(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。

ところで、図９に示す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１５５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。

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１５５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。

以上の理由から、１回目のサンプリング動作による電位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。

そこで、この発明の目的は、増幅手段の入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。

上記目的を達成するため、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。

上記構成のサンプリング回路によれば、上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。

また、一実施形態のサンプリング回路は、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。

上記実施形態のサンプリング回路によれば、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。

また、一実施形態のサンプリング回路は、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。

上記実施形態のサンプリング回路によれば、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。

また、一実施形態のサンプリング回路は、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。

上記実施形態のサンプリング回路によれば、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。

また、一実施形態のサンプリング回路は、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。

上記実施形態のサンプリング回路によれば、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。

したがって、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。

また、一実施形態のサンプリング回路は、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。

上記実施形態のサンプリング回路によれば、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。

また、この発明の増幅型固体撮像装置は、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。

上記構成の増幅型固体撮像装置によれば、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。

この発明の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。

また、この発明においては、第１定電流負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。

以上により、この発明の実用上の効果は絶大である。

以下、この発明の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を図示の実施の形態により詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１はこの発明の第１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。
図１に示すように、上記増幅型固体撮像装置は、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。

上記構成のサンプリング回路を用いた増幅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Ｖsj(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),Ｖsj+1(b),…は“Ｓb”と表記している。

上記サンプリング回路では、信号Ｖsj(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。

図１に示す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)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。

図２に示すように、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。

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Ｖsj(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。

（第２実施形態）
図３は、この発明の第２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。

図３に示すように、図１に示すサンプリング回路の入力側に、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１４６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,φHB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。

図１１は図３におけるＣＤＳ回路１６８の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φS2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。

上記構成の増幅型固体撮像装置において、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Ｓ1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。

次に、第２の期間では、パルスφSWをロー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Ｖsj(b)に相当する。

図３,図４において、図１および図２の場合と同様、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Ｖsj(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“Ｓa”と表記し、Ｖsj(b),Ｖsj+1(b),…は“Ｓb”と表記している。

上記増幅型固体撮像装置では、信号Ｖsj(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ＣＤＳ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１１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。

図３においても図１と同様、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。

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、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、新たな固定パターンノイズの発生が抑圧される。

上記第１,第２実施形態では、サンプリン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。

図１はこの発明の第１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要部の回路図である。 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。 図３はこの発明の第２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要部の回路図である。 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。 図５は増幅型の画素素子の回路図である。 図６は上記画素素子を模式的に示すブロック図である。 図７は従来の増幅型固体撮像装置の回路図である。 図８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。 図９は縦縞模様状のＦＰＮが解決された増幅型固体撮像装置の回路図である。 図１０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。 図１１はクランプ回路とサンプルホールド回路を組み合わせたＣＤＳ回路のブロック図である。

符号の説明

１０１…光電変換部、
１３１…画素部、
１４５…垂直信号線、
１４６…クランプコンデンサ、
１４７…クランプスイッチ、
１４８…サンプルホールドスイッチ、
１４９…サンプルホールドコンデンサ、
１５５…アンプ回路、
１５６…水平選択スイッチ、
１５７…導通制御スイッチ、
１５８…第１定電流負荷、
１６０…水平走査回路、
１６１…出力線、
１６４…水平信号線、
１６５…第２定電流負荷、
１６８…ＣＤＳ回路、
１６９…バッファアンプ、
２００…入力切替スイッチ、
２１４…タイミング発生回路。

Claims (7)

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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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