JP2006033816A - Solid-state image pickup device - Google Patents

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正幸 宇野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To realize low power consumption and a small area in a reading circuit capable of reading at a high S/N ratio. <P>SOLUTION: This solid-state image pickup device has a plurality of pixels arranged in an array, and performs a reading operation of pixel signals in parallel via a pixel amplifier. The device further has reading circuits CL-i having a plurality of holding capacitances C2i for each holding signal outputs of a plurality of pixel amplifiers, and a common inverted amplifier A1 for reading the signals held in the plurality of holding capacitances while sequentially selecting the signals. The reading circuits are each provided with a switching means SW2i configured so as to be able to connect/disconnect one end of the holding capacitance and a signal output, a second switching means SW4i configured so as to be able to connect/disconnect one end of the holding capacitance and the inverse amplifier output, and a third switching means SW3 configured so as to be able to connect/disconnect the input/output of the inverted amplifier. The other end of the plurality of holding capacitances are commonly connected to the input of the inverted amplifier. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、固体撮像素子上に形成される読み出し回路に関わるものであり、特に画素増幅型CMOSイメージセンサにおいて、小さな面積で実現でき、低消費電力化が可能な読み出し回路を提供するものである。   The present invention relates to a readout circuit formed on a solid-state imaging device, and particularly to provide a readout circuit that can be realized with a small area and can reduce power consumption in a pixel amplification type CMOS image sensor. .

2次元上に画素が配列された、X−Yアドレス型の固体撮像デバイスとして、画素毎に光電変換された信号に対応した増幅出力を読み出すことができる増幅型撮像素子が知られているが、特にCMOSプロセスで実現できる画素増幅型CMOSイメージセンサが広く応用されている。   As an XY address type solid-state imaging device in which pixels are arranged two-dimensionally, an amplification type imaging device capable of reading an amplified output corresponding to a signal photoelectrically converted for each pixel is known. In particular, pixel amplification type CMOS image sensors that can be realized by a CMOS process are widely applied.

図7にX−Yアドレス型の固体撮像素子の構成を示し、その動作を説明する。画素101はアレイ状に配置され、各画素には行選択用の制御信号線である行選択線102と、選択された行の読み出しを行う列信号線103が接続されている。これらの行選択線は垂直選択シフトレジスタ104により順次選択され、選択された行の画素信号は各列信号線103上に設けられた雑音除去回路105に並列に読み出され、そこで一時的に保持される。その雑音除去回路の出力信号は、水平選択シフトレジスタ106にて制御される水平選択スイッチ107を介してビデオライン108より順次読み出される。このようにX−Yアドレス型の固体撮像素子では、行単位で選択された画素を一時的に雑音除去回路に保持した後に列選択しながら順次読み出しを行うのが一般的な読み出し方法となっている。   FIG. 7 shows the configuration of an XY address type solid-state imaging device, and its operation will be described. The pixels 101 are arranged in an array, and each pixel is connected to a row selection line 102 which is a control signal line for row selection and a column signal line 103 for reading out the selected row. These row selection lines are sequentially selected by the vertical selection shift register 104, and the pixel signals of the selected row are read out in parallel to a noise removal circuit 105 provided on each column signal line 103, and temporarily held there. Is done. The output signal of the noise removal circuit is sequentially read out from the video line 108 via the horizontal selection switch 107 controlled by the horizontal selection shift register 106. As described above, in the XY address type solid-state imaging device, it is a general reading method that the pixels selected in units of rows are temporarily held in the noise removal circuit and then sequentially read while selecting the columns. Yes.

図8に画素増幅型CMOSイメージセンサにおける画素の構成例を示す。図8において、一つの画素はフォトダイオードPDと増幅トランジスタM1、リセットトランジスタM2、選択トランジスタM3の三つのトランジスタで形成されており、フォトダイオードPDはリセット用のトランジスタM2を介して電源に接続され、M2をオンするとフォトダイオードの電位が初期化される。その後入射光に応じて発生した電荷の蓄積によりフォトダイオード電位は下がり、このフォトダイオード電位に対応した信号電圧をフォトダイオードPDにゲートが接続された増幅トランジスタM1により増幅出力として選択トランジスタM3を介して垂直信号線103より読み出される。この図を見てもわかるように、画素にはリセットを行うためのΦresetで制御される行選択線と、読み出しを行うためのΦreadで制御される行選択線の2つの行選択線102が接続される。   FIG. 8 shows a configuration example of a pixel in a pixel amplification type CMOS image sensor. In FIG. 8, one pixel is formed by three transistors, a photodiode PD, an amplifying transistor M1, a reset transistor M2, and a selection transistor M3. The photodiode PD is connected to a power source via a reset transistor M2, Turning on M2 initializes the photodiode potential. Thereafter, the photodiode potential decreases due to the accumulation of charges generated in response to the incident light, and the signal voltage corresponding to the photodiode potential is amplified as output by the amplification transistor M1 whose gate is connected to the photodiode PD via the selection transistor M3. Read from the vertical signal line 103. As can be seen from this figure, the pixel is connected with two row selection lines 102, a row selection line controlled by Φreset for resetting and a row selection line controlled by Φread for reading. Is done.

このように画素毎に増幅素子を有する固体撮像素子においては、画素を構成するトランジスタの特性ばらつきにより引き起こされる雑音が問題となるためこの雑音成分を除去する雑音除去回路が必要となってくる。この雑音除去回路は、各画素におけるリセット直後の画素信号電圧と、光電荷を蓄積した状態での画素信号電圧との差分をとることによってトランジスタばらつきによって発生するオフセット電圧成分を除去するという動作原理に基づいているが、図9に雑音除去回路の一例を示し、図10のタイミング図を用いて具体的な動作を説明する。   Thus, in a solid-state imaging device having an amplifying element for each pixel, noise caused by variations in characteristics of transistors constituting the pixel becomes a problem, and thus a noise removal circuit for removing this noise component is necessary. This noise removal circuit is based on the operating principle of removing the offset voltage component caused by transistor variation by taking the difference between the pixel signal voltage immediately after reset in each pixel and the pixel signal voltage in the state where photocharge is accumulated. FIG. 9 shows an example of a noise removal circuit, and a specific operation will be described with reference to the timing chart of FIG.

図9において破線で囲まれた部分は図7の雑音除去回路105の一例を示したものであり、図7と同じ要素は同じ符号で示している。この構成は特開昭64−2354号公報や、IEEE Trans. ON ED, Vol.35, No.5, May, 1988, "A New Device Architecture Suitable for High-Resolution and High-Performance Image Sensors."等に記載されているクランプ回路を用いた雑音除去回路である。この雑音除去回路は直列に接続された2つの容量C1、C2と、容量C1とC2の中点に基準電圧を与えるためのΦCLで制御されるクランプ用スイッチSW1と、C2の電位VOを保持するための容量C1とC2の間に設けられた制御信号ΦSHで制御されるサンプルホールド用スイッチSW2により構成されている。   In FIG. 9, a portion surrounded by a broken line shows an example of the noise removal circuit 105 in FIG. 7, and the same elements as those in FIG. 7 are denoted by the same reference numerals. This configuration is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 64-2354, IEEE Trans. ON ED, Vol. 35, No. 5, May, 1988, "A New Device Architecture Suitable for High-Resolution and High-Performance Image Sensors." It is a noise removal circuit using the clamp circuit described in the above. This noise elimination circuit holds two capacitors C1 and C2 connected in series, a clamp switch SW1 controlled by ΦCL for applying a reference voltage to the midpoint of the capacitors C1 and C2, and the potential VO of C2. The sample-and-hold switch SW2 is controlled by a control signal ΦSH provided between the capacitors C1 and C2.

この回路の動作を画素の動作と合わせて、図10に示すタイミングチャートを基づき説明する。タイミングチャートにおいては、制御信号は'H'でスイッチがオン、'L'でスイッチがオフとしている。タイミング期間は3つに分かれており、期間T1では積分された画素信号の読み出しを、期間T2では画素のリセットを、期間T3ではリセット直後の画素信号読み出しを行っている。この期間T1とT3における画素の出力信号電圧をV1およびV2とし、期間T1における容量C1、C2の電荷量をそれぞれQ1、Q2とすると、期間T1ではSW1、SW2がともにオン状態であり、Vo=VrefとなるためQ1、Q2は以下のように表される。
Q1 = C1・(Vref−V1)・・・ (1)
Q2 = C2・Vref・・・ (2)
The operation of this circuit will be described together with the operation of the pixel based on the timing chart shown in FIG. In the timing chart, the control signal is “H” to turn on the switch, and “L” to turn off the switch. The timing period is divided into three. In the period T1, the integrated pixel signal is read, in the period T2, the pixel is reset, and in the period T3, the pixel signal is read immediately after the reset. If the output signal voltages of the pixels in the periods T1 and T3 are V1 and V2, and the charge amounts of the capacitors C1 and C2 in the period T1 are Q1 and Q2, respectively, SW1 and SW2 are both on in the period T1, and Vo = Since it is Vref, Q1 and Q2 are expressed as follows.
Q1 = C1 ・ (Vref−V1) (1)
Q2 = C2 ・ Vref (2)

次に期間T2にて画素のリセット動作を行った後に、期間T3にて画素信号電圧V2がC1に与えられたときの容量C1、C2の電荷をそれぞれQ1'、Q2'とするとQ1'、Q2'は式(3)、式(4)のように表される。
Q1' = C1・(Vo−V2)・・・ (3)
Q2' = C2・Vo・・・ (4)
Next, after performing the reset operation of the pixel in period T2, Q1 'and Q2 when the charges of the capacitors C1 and C2 when the pixel signal voltage V2 is applied to C1 in period T3 are Q1' and Q2 ', respectively 'Is expressed as Equation (3) and Equation (4).
Q1 '= C1 ・ (Vo−V2) (3)
Q2 '= C2 ・ Vo ・ ・ ・ (4)

電荷保存則よりQ1+Q2=Q1'+Q2'が成り立つので、期間T3における容量C2の電圧Voは式(5)となり、Vrefを基準に画素信号電圧V1とV2の差分電圧が、ゲインC1/(C1+C2)にて出力されることが示される。この式(5)の信号電圧をΦSHをオフとして容量C2に保持した後に、選択スイッチ107を順次オンしながら読み出すと、画素トランジスタのばらつきによって発生した雑音電圧を除去した差分信号をビデオラインより得ることができる。
Vo = Vref+(V2-V1)・C1/(C1+C2)・・・(5)
特開昭64−2354号公報 特許第2965777号公報
Since Q1 + Q2 = Q1 '+ Q2' holds according to the law of conservation of charge, the voltage Vo of the capacitor C2 in the period T3 is expressed by Equation (5), and the differential voltage between the pixel signal voltages V1 and V2 with respect to Vref is gain C1 / (C1 + Output in C2). When the signal voltage of this equation (5) is read while the selection switch 107 is sequentially turned on after holding ΦSH in the capacitor C2 and sequentially turning on the selection switch 107, a differential signal from which the noise voltage caused by the variation of the pixel transistor is removed is obtained from the video line. be able to.
Vo = Vref + (V2-V1) ・ C1 / (C1 + C2) (5)
JP-A 64-2354 Japanese Patent No. 2965777

このように雑音除去回路を用いることで、積分された信号電圧V1とリセット後の信号電圧V2の差分をとるため、画素増幅器のオフセット電圧の影響を受けない信号成分が出力される。図9に示されたクランプ回路を用いた構成の雑音除去回路の構成では雑音除去された信号を容量に保持して、その容量に保持された信号電荷を直接ビデオラインに接続して読み出すため、次に述べる欠点を有している。   By using the noise elimination circuit in this way, the difference between the integrated signal voltage V1 and the reset signal voltage V2 is obtained, so that a signal component that is not affected by the offset voltage of the pixel amplifier is output. In the configuration of the noise removal circuit using the clamp circuit shown in FIG. 9, the signal from which noise has been removed is held in a capacitor, and the signal charge held in the capacitor is directly connected to the video line and read. It has the following disadvantages.

通常、ビデオライン108には選択スイッチ107が列数分接続されるため非常に大きな寄生容量が存在する。このビデオラインにおける寄生容量は容量C2の信号電荷を読み出すときに読み出し出力のS/Nを劣化させる要因となるため、容量値C2はビデオラインの寄生容量と同程度まで大きくすることが望ましく、そのため画素数が多くなり寄生容量が大きくなると容量C1、C2の面積が増大するという問題がある。さらに、読み出し速度を早くしなければならない場合には、この容量C2を大きくすると読み出し回路の時定数を小さくするために選択スイッチ107のオン抵抗を下げなければならず、そのためにはスイッチサイズを大きくしなければならない。しかし、スイッチサイズを大きくすると、寄生容量が増えるため、図9に示すような容量を直接ビデオラインに接続して読み出す形式の読み出し回路では、画素数が多くなった場合、S/Nを確保したうえで読み出し速度を上げることができないという問題を有している。   Usually, since the selection switch 107 is connected to the video line 108 by the number of columns, a very large parasitic capacitance exists. Since the parasitic capacitance in this video line becomes a factor that degrades the S / N of the readout output when reading the signal charge of the capacitor C2, it is desirable that the capacitance value C2 be as large as the parasitic capacitance of the video line. When the number of pixels increases and the parasitic capacitance increases, there is a problem that the areas of the capacitors C1 and C2 increase. Furthermore, when the reading speed must be increased, increasing the capacitance C2 requires a reduction in the on-resistance of the selection switch 107 in order to reduce the time constant of the reading circuit. For this purpose, the switch size is increased. Must. However, if the switch size is increased, the parasitic capacitance increases. Therefore, in the readout circuit in which the capacitance as shown in FIG. 9 is directly connected to the video line and read out, the S / N is secured when the number of pixels increases. In addition, there is a problem that the reading speed cannot be increased.

また、図9に示したクランプ回路構成の雑音除去回路とは別に、図11に示されるような、反転増幅器を用いた雑音除去回路が特許第2965777号公報に示されている。この雑音除去回路は、容量結合型の反転増幅回路が入力の差分電圧を出力する性質を用い、なおかつ反転増幅器におけるオフセット電圧をリセット時に記憶して補償することで、積分された画素信号電圧V1とリセット直後の画素信号電圧V2の差分電圧をオフセット電圧を含まない信号電圧とするとともに、なおかつ容量を直接ビデオラインに接続するのではなく増幅出力として読み出す方式をとっている。   In addition to the noise removal circuit having the clamp circuit configuration shown in FIG. 9, a noise removal circuit using an inverting amplifier as shown in FIG. 11 is disclosed in Japanese Patent No. 2965777. This noise elimination circuit uses the property that a capacitively coupled inverting amplifier circuit outputs a differential voltage of the input, and stores and compensates for the offset voltage in the inverting amplifier at the time of reset, so that the integrated pixel signal voltage V1 The differential voltage of the pixel signal voltage V2 immediately after the reset is a signal voltage that does not include an offset voltage, and the capacity is read as an amplified output instead of being directly connected to the video line.

図11において、容量C1の一端は列信号線からの画素出力VS側に接続され、容量C1の他端は反転増幅器A1の入力に接続されている。この反転増幅器の入出力間には制御信号ΦRにより制御されるスイッチSW5と容量C2が並列に設けられ、容量C2の反転増幅器出力側端子には制御信号ΦRが'H'のときは基準電圧に、'L'のときは反転増幅器出力端子に接続されるスイッチSW6が接続されている。この反転増幅回路の制御信号ΦRは図10にて示されたΦCLと全く同じタイミングで動作させればよい。図10のΦCLと同様なタイミングでΦRを期間T1の画素信号読み出し時にオンからオフとすることで、SW5がオン状態(期間T1)での画素信号電圧V1とSW5がオフ状態(期間T3)での画素信号電圧V2をC2/C1倍された差分電圧信号として出力される反転増幅動作を行う。ここで、スイッチSW6の動作にてリセット時に、容量C2の出力端子側に基準電圧Vrefを与えることで、この反転増幅器の初期電圧は反転増幅器のオフセット電圧には依存せずVrefとなり、期間T3における反転増幅器出力Voは式(6)に示す電圧値となる。この電圧を保持して反転増幅器を介して読み出すことで、図9のクランプ回路と同様に、雑音電圧が除去された差分電圧を読み出すことができるとともに、図9の読み出し形式では発生するS/N劣化の問題を回避できる。
Vo = Vref−(V2-V1)・C2/C1・・・(6)
In FIG. 11, one end of the capacitor C1 is connected to the pixel output VS side from the column signal line, and the other end of the capacitor C1 is connected to the input of the inverting amplifier A1. A switch SW5 controlled by a control signal ΦR and a capacitor C2 are provided in parallel between the input and output of the inverting amplifier. When the control signal ΦR is 'H', the reference voltage is applied to the inverting amplifier output side terminal of the capacitor C2. , 'L', switch SW6 connected to the inverting amplifier output terminal is connected. The control signal ΦR of the inverting amplifier circuit may be operated at exactly the same timing as ΦCL shown in FIG. By turning ΦR from ON to OFF at the same time as ΦCL in FIG. 10 at the time of reading the pixel signal in the period T1, the pixel signal voltages V1 and SW5 in the ON state (period T1) are in the OFF state (period T3). The pixel signal voltage V2 is inverted and amplified as a differential voltage signal obtained by multiplying the pixel signal voltage V2 by C2 / C1. Here, by applying the reference voltage Vref to the output terminal side of the capacitor C2 at the time of resetting by the operation of the switch SW6, the initial voltage of the inverting amplifier becomes Vref without depending on the offset voltage of the inverting amplifier. The inverting amplifier output Vo has a voltage value shown in Expression (6). By holding this voltage and reading it through the inverting amplifier, the differential voltage from which the noise voltage has been removed can be read out as in the clamp circuit of FIG. 9, and the S / N generated in the read format of FIG. The problem of deterioration can be avoided.
Vo = Vref- (V2-V1) ・ C2 / C1 (6)

図11に示した増幅器を用いた雑音除去回路を用いて、増幅回路によりビデオラインを駆動すると、増幅回路の駆動能力を上げることでビデオラインの寄生容量の影響を受けない信号出力の読み出しが可能となり、容量C1、C2を低減した上で、高いS/Nの読み出しが可能となる。ところが、図11に示した構成は列毎に反転増幅器を必要とするため、そのすべての反転増幅器がビデオラインの寄生容量を駆動し高速に読み出しできるようにすると、消費電力が非常に大きくなるとともに、反転増幅器のトランジスタサイズも大きくしなければならない。特に画素数が多くビデオラインの寄生容量が大きな場合は、容量C1、C2を小さくできても反転増幅器の面積増加によりチップサイズをそれほど小さくできないことが明らかになった。   When the video line is driven by the amplifier circuit using the noise removal circuit using the amplifier shown in FIG. 11, the signal output can be read out without being affected by the parasitic capacitance of the video line by increasing the drive capability of the amplifier circuit. Thus, it is possible to read out a high S / N while reducing the capacitances C1 and C2. However, since the configuration shown in FIG. 11 requires an inverting amplifier for each column, if all the inverting amplifiers drive the parasitic capacitance of the video line and can read out at high speed, the power consumption becomes very large. The transistor size of the inverting amplifier must also be increased. In particular, when the number of pixels is large and the parasitic capacitance of the video line is large, it has become clear that even if the capacitances C1 and C2 can be reduced, the chip size cannot be reduced so much by increasing the area of the inverting amplifier.

以上に述べたように、従来の雑音除去回路に用いられている、ビデオラインへの読み出し回路構成においては、高S/N化が可能な列毎に増幅器を有する読み出し回路では、列数が増大すると増幅器の消費電力が大きくなるとともに、増幅器の占有面積も大きくなるという問題を有している。この問題を顧みて、本発明は高いS/Nで読み出しが可能な増幅出力読み出し方式を用いながら小さな消費電流、小さな面積の読み出し回路を実現することを目的としている。   As described above, in the readout circuit configuration to the video line used in the conventional noise elimination circuit, the number of columns increases in the readout circuit having an amplifier for each column capable of high S / N. As a result, the power consumption of the amplifier increases and the area occupied by the amplifier also increases. In view of this problem, an object of the present invention is to realize a readout circuit with a small current consumption and a small area while using an amplified output readout method capable of readout with high S / N.

上記課題を解決するために本発明の固体撮像装置は、アレイ状に配列された複数の画素を有し、画素増幅器を介して並列に画素信号の読み出し動作を行う固体撮像装置において、複数の前記画素増幅器の信号出力をそれぞれ保持する複数の保持容量と、その複数の保持容量に保持された信号を順次選択しながら読み出すための共通の反転増幅器とを有する読み出し回路を更に有し、前記読み出し回路には、前記保持容量の一端と前記信号出力との間を断続可能に構成する第1のスイッチング手段(SW21〜SW2n)と、前記保持容量の前記一端と前記反転増幅器の出力との間を断続可能に構成する第2のスイッチング手段(SW41〜SW4n)と、前記反転増幅器の入出力間を断続可能に構成する第3のスイッチング手段(SW3)と、が設けられ、前記複数の保持容量の他端は前記反転増幅器の入力に共通に接続されていることを特徴とする。   In order to solve the above problems, a solid-state imaging device according to the present invention includes a plurality of pixels arranged in an array, and performs a pixel signal read operation in parallel via a pixel amplifier. A readout circuit further comprising: a plurality of holding capacitors each holding a signal output of the pixel amplifier; and a common inverting amplifier for sequentially reading out the signals held in the plurality of holding capacitors. The first switching means (SW21 to SW2n) configured to be able to intermittently connect between one end of the storage capacitor and the signal output, and intermittently between the one end of the storage capacitor and the output of the inverting amplifier. Second switching means (SW41 to SW4n) configured to be capable of being connected and third switching means (SW3) configured to be capable of being intermittently connected between the input and output of the inverting amplifier. The other end of the holding capacitor is commonly connected to the input of the inverting amplifier.

このような構成をとることにより、保持された信号出力は反転増幅器を介して読み出しラインに読み出されるので高いS/Nが実現できる。更に、反転増幅器の数は列数(並列に出力される信号出力の数)の1/n(nは共通の反転増幅器に接続される保持容量の数)であるため、反転増幅器に占有される面積を小さくできるとともに反転増幅器全体の消費電力を小さくすることができる。また、反転増幅器の数を1/nにすると読み出しライン上に接続される読み出し用選択スイッチ数も1/nと少なくなり、読み出しラインの寄生容量が小さくなるため、各反転増幅器のバイアス電流を小さくすることが可能となる。したがってこのような構成により、本発明の目的である高いS/Nで読み出しが可能であるとともに小さな消費電流、小さな面積の読み出し回路を実現することができる。   By adopting such a configuration, the held signal output is read out to the readout line via the inverting amplifier, so that a high S / N can be realized. Furthermore, since the number of inverting amplifiers is 1 / n of the number of columns (number of signal outputs output in parallel) (n is the number of holding capacitors connected to a common inverting amplifier), it is occupied by the inverting amplifier. The area can be reduced and the power consumption of the entire inverting amplifier can be reduced. If the number of inverting amplifiers is 1 / n, the number of read selection switches connected on the readout line is also reduced to 1 / n, and the parasitic capacitance of the readout line is reduced. Therefore, the bias current of each inverting amplifier is reduced. It becomes possible to do. Therefore, with such a configuration, it is possible to realize a readout circuit that can perform readout with a high S / N, which is the object of the present invention, and has a small current consumption and a small area.

本発明において、前記信号出力毎に、前記保持容量、前記第1のスイッチング手段、前記第2のスイッチング手段、前記第3のスイッチング手段、及び、前記反転増幅器をそれぞれ有する第1の読み出し回路及び第2の読み出し回路が設けられるとともに、前記第1の読み出し回路及び前記第2の読み出し回路で前記画素の異なる時点の前記信号出力に対応する出力を並列に読み出し可能に構成されていることが好ましい。このようにすると、第1の読み出し回路と第2の読み出し回路の信号出力の差分を取ることで、画素のオフセット電圧に起因する雑音を除去することができるとともに、第1の読み出し回路と第2の読み出し回路から出力される読み出しライン上の出力電圧を大きくすることができるため、S/N比を大きく向上できる。   In the present invention, a first readout circuit and a first readout circuit each having the storage capacitor, the first switching unit, the second switching unit, the third switching unit, and the inverting amplifier for each signal output Preferably, two readout circuits are provided, and the first readout circuit and the second readout circuit are configured to be able to read out outputs corresponding to the signal outputs of the pixels at different times in parallel. In this manner, by taking the difference between the signal outputs of the first readout circuit and the second readout circuit, noise caused by the pixel offset voltage can be removed, and the first readout circuit and the second readout circuit can be removed. Since the output voltage on the read line output from the read circuit can be increased, the S / N ratio can be greatly improved.

また本発明における反転増幅器の構成がソース接地型反転増幅部とソースフォロア型バッファの2段構成であるとともに、前記第3のスイッチング手段が前記ソース接地型反転増幅部の入出力間に設けられ、また、前記第2のスイッチング手段の前記反転増幅器の出力端子側の接続点が前記ソースフォロア型バッファの出力端子に接続されていることが望ましい。このような反転増幅器はソースフォロア型バッファにより少ないバイアス電流にて、高速な読み出しが実現できるため、消費電力の低減および占有面積低減に対して大きな効果を有している。   In addition, the configuration of the inverting amplifier in the present invention is a two-stage configuration of a source grounded inverting amplification unit and a source follower type buffer, and the third switching means is provided between the input and output of the source grounded inverting amplification unit, Further, it is preferable that a connection point on the output terminal side of the inverting amplifier of the second switching means is connected to the output terminal of the source follower type buffer. Since such an inverting amplifier can realize high-speed reading with a small bias current by the source follower type buffer, it has a great effect on reduction of power consumption and occupation area.

本発明により、列増幅器を有した高S/Nの読み出し回路を用いながら、小さな消費電流、小さな面積が実現可能である。   According to the present invention, it is possible to realize a small current consumption and a small area while using a high S / N readout circuit having a column amplifier.

[第1実施形態]
図1に本発明をクランプ回路方式の雑音除去回路に適用した構成を示して説明する。従来の増幅器を列毎に設けた読み出し回路ではすべての列に増幅器が設けられていたが、図3ではn本の列信号線に対して、直列に接続される2つの容量C1i(結合容量)、C2i(保持容量)(i=1〜n)と、容量CliとC2iとの接続点を基準電位Vrefに対して断続可能に構成するスイッチSW1i、容量C2iの一端に接続され、容量CliとC2iとを断続可能に構成するスイッチ(第1のスイッチング手段)SW2i(i=1〜n)からなるクランプ回路CL-1〜CL-nが列信号線ごとに設けられ、このn個のクランプ回路に対して、入出力間にスイッチ(第3のスイッチング手段)SW3を有する反転増幅器A1が一つ設けられ、複数の容量C2i(i=1〜n)の他端が反転増幅器A1の入力に共通に接続されるとともに、容量C2i(i=1〜n)の上記一端と反転増幅器A1の出力端子間にn個のスイッチ(第2のスイッチング手段)SW4i(i=1〜n)が並列に設けられた構成となっている。
[First Embodiment]
FIG. 1 shows a configuration in which the present invention is applied to a clamp circuit type noise elimination circuit. In the conventional readout circuit in which an amplifier is provided for each column, amplifiers are provided for all columns, but in FIG. 3, two capacitors C1i (coupling capacitance) connected in series to n column signal lines. , C2i (holding capacitor) (i = 1 to n), and a switch SW1i configured to connect and disconnect a connection point between the capacitors Cli and C2i with respect to the reference potential Vref, and connected to one end of the capacitor C2i. Are provided for each column signal line, and clamp circuits CL-1 to CL-n each comprising a switch (first switching means) SW2i (i = 1 to n) configured to be intermittent can be provided. On the other hand, one inverting amplifier A1 having a switch (third switching means) SW3 between the input and output is provided, and the other ends of the plurality of capacitors C2i (i = 1 to n) are shared by the input of the inverting amplifier A1. N is connected between the one end of the capacitor C2i (i = 1 to n) and the output terminal of the inverting amplifier A1. Switch (second switching means) SW4i (i = 1~n) is in the configuration provided in parallel.

ここで、図1のスイッチSW2i(i=1〜n)とスイッチSW3とは異なるタイミングで動作するため制御信号をそれぞれΦSHおよびΦSHRとしている。またスイッチSW4i(i=1〜n)は読み出しのタイミングに合わせて列ごとに異なるタイミングで駆動するため、それぞれの制御信号をΦROi(i=1〜n)としている。   Here, since the switches SW2i (i = 1 to n) and the switch SW3 in FIG. 1 operate at different timings, the control signals are ΦSH and ΦSHR, respectively. Since the switch SW4i (i = 1 to n) is driven at a different timing for each column in accordance with the read timing, each control signal is set to ΦROi (i = 1 to n).

このような構成における動作を図3のタイミングチャートに従って説明する。タイミングは大きく4つの期間に分けられ、期間T1では積分された画素信号の読み出しが、期間T2では画素のリセットが、期間T3ではリセット直後の画素信号読み出しが行われることで、期間T1〜T3にて雑音除去動作が実行される。その雑音除去された信号を期間T4にて読み出しを行う。期間T1〜T3においてはΦSHR='H'により、反転増幅器の入出力端子が短絡しているので、クランプ回路CL-1〜CL-nの容量C2iの共通に接続された反転増幅器入力側の端子側電圧は一定値であるため、各クランプ回路CL-1〜CL-nは図9のクランプ回路と同様な動作を行い、容量C2iの中点側端子電圧Vciは各列における期間T1の信号電圧V1iと期間T3の信号電圧V2iの差電圧が式(5)と同様な形で保持される。   The operation in such a configuration will be described with reference to the timing chart of FIG. The timing is roughly divided into four periods. In the period T1, the integrated pixel signal is read, the pixel is reset in the period T2, and the pixel signal is read immediately after the reset in the period T3. The noise removal operation is executed. The signal from which noise has been removed is read out in period T4. In the period T1 to T3, because the input / output terminal of the inverting amplifier is short-circuited due to ΦSHR = 'H', the terminal on the inverting amplifier input side connected in common to the capacitor C2i of the clamp circuits CL-1 to CL-n Since the side voltage is a constant value, each of the clamp circuits CL-1 to CL-n performs the same operation as the clamp circuit of FIG. 9, and the midpoint terminal voltage Vci of the capacitor C2i is the signal voltage of the period T1 in each column. The difference voltage between V1i and the signal voltage V2i in the period T3 is held in the same manner as in the equation (5).

期間T1〜T3の動作にて各クランプ回路CL-1〜CL-nの容量C2i(i=1〜n)に保持された電圧Vc1〜VcnはスイッチSW4iを'H'として、反転増幅器の入出力間に接続することで反転増幅器出力より電圧Vciを読み出すことができる。そこで、期間T4にて水平選択スイッチ107をオンした状態で、ΦSHR='L',ΦRO1='H'として電圧Vc1を出力し、次にΦRO1='L',ΦRO2='H'として電圧Vc2を出力する、というような動作を繰り返すことで、電圧Vc1〜Vcnを反転増幅器出力としてビデオライン108より読み出すことができる。この構成ではクランプ回路を用いた雑音除去回路において本発明の読み出し回路を適用した例を示したが、画素の固定パターン雑音を外部メモリ等で除去するような場合は、容量C1i(i=1〜n)およびスイッチSW1i(i=1〜n)を取り除いて、図3のタイミングチャートにおける期間T1のときの信号電圧V1を直接容量C2i(i=1〜n)にサンプリングして、その信号を読み出す構成としても良い。   The voltages Vc1 to Vcn held in the capacitors C2i (i = 1 to n) of the clamp circuits CL-1 to CL-n in the operation of the periods T1 to T3 are set to the switch SW4i to “H”, and the input / output of the inverting amplifier By connecting in between, the voltage Vci can be read from the output of the inverting amplifier. Therefore, in a state in which the horizontal selection switch 107 is turned on in the period T4, the voltage Vc1 is output as ΦSHR = 'L', ΦRO1 = 'H', and then the voltage Vc2 is set as ΦRO1 = 'L', ΦRO2 = 'H'. Are repeated, the voltages Vc1 to Vcn can be read from the video line 108 as inverting amplifier outputs. In this configuration, an example in which the readout circuit of the present invention is applied to a noise removal circuit using a clamp circuit has been shown. However, when the fixed pattern noise of a pixel is removed by an external memory or the like, the capacitor C1i (i = 1 to 1) is used. n) and the switch SW1i (i = 1 to n) are removed, and the signal voltage V1 during the period T1 in the timing chart of FIG. 3 is directly sampled into the capacitor C2i (i = 1 to n) and the signal is read out. It is good also as a structure.

図1に示すような、各列信号線ごとには反転増幅器を有せず、複数の列信号線にて一つの反転増幅器を共用する構成において、図3に示すような駆動方法を行うことで、画素の固定パターン雑音を除去した信号電圧を容量C2i(i=1〜n)に保持した後に、反転増幅器を介して容量C2iの信号電圧に対応した出力をビデオラインより順次読み出すことができる。   In a configuration in which each column signal line does not have an inverting amplifier and a plurality of column signal lines share one inverting amplifier as shown in FIG. 1, the driving method shown in FIG. 3 is performed. After the signal voltage from which the fixed pattern noise of the pixel is removed is held in the capacitor C2i (i = 1 to n), the output corresponding to the signal voltage of the capacitor C2i can be sequentially read out from the video line via the inverting amplifier.

この図1に示す構成では反転増幅器がn列に1個でよいため、反転増幅器数を削減することで、反転増幅器全体での消費電流を減らすことができる。さらに、反転増幅器の数が1/nに減ることにともない、ビデオライン108と反転増幅器を接続する水平選択スイッチ107の総数も各列にそれぞれ増幅器を設ける場合と比較して1/nに減るので、反転増幅器の読み出し動作時における負荷容量となるビデオラインの寄生容量も大幅に小さくなるため、反転増幅器単体のバイアス電流を、非常に小さくすることが可能できる。このように反転増幅器の数を1/nにでき、なおかつ単体のバイアス電流も最大で1/nに削減できるため、反転増幅器全体での消費電流を従来の列毎に増幅器を設ける構成に対して最大で1/n2にまで小さくすることができる。また、反転増幅器数が少なくなるため反転増幅器全体での占有面積も小さくなるとともに、読み出し時に駆動する容量が小さくバイアス電流を小さくできるため、反転増幅器単体のトランジスタサイズも小さくでき、消費電流のみならずチップ面積も小さくできる。したがって本発明の目的である、高いS/Nで読み出しが可能な増幅出力読み出し方式を用いながら小さな消費電流、小さな面積の読み出し回路を実現することができる。 In the configuration shown in FIG. 1, since only one inverting amplifier is required per n columns, the current consumption of the entire inverting amplifier can be reduced by reducing the number of inverting amplifiers. Further, as the number of inverting amplifiers is reduced to 1 / n, the total number of horizontal selection switches 107 connecting the video line 108 and the inverting amplifier is also reduced to 1 / n compared to the case where each column is provided with an amplifier. Since the parasitic capacitance of the video line that becomes the load capacitance during the read operation of the inverting amplifier is also greatly reduced, the bias current of the inverting amplifier alone can be made very small. In this way, the number of inverting amplifiers can be reduced to 1 / n, and the single bias current can also be reduced to 1 / n at the maximum. It can be reduced to 1 / n 2 at the maximum. In addition, since the number of inverting amplifiers is reduced, the area occupied by the entire inverting amplifier is reduced, and since the capacitance driven at the time of reading is small and the bias current can be reduced, the transistor size of the inverting amplifier alone can be reduced, and not only the current consumption The chip area can also be reduced. Therefore, it is possible to realize a readout circuit with a small current consumption and a small area while using the amplification output readout method capable of readout with high S / N, which is an object of the present invention.

図2に本発明に用いる反転増幅器の一例を示す。図2において、反転増幅器は縦積みされたPMOSトランジスタM1,M2とNMOSトランジスタM3,M4により構成され、ゲートが反転増幅器の入力端子Vinでソース接地型増幅トランジスタとして動作するNMOSトランジスタM4と、ゲートにバイアス電圧Vb1が接続されソースが電源に接続された定電流源型の負荷として働くPMOSトランジスタM1とで構成されるCMOS型の反転増幅器に、オープンループゲインを大きくするために、ゲートがバイアス電圧Vb3に接続されたNMOSトランジスタM3をNMOSトランジスタM4のドレインに、ゲートがバイアス電圧Vb2に接続されたM2をPMOSトランジスタM1のドレインにそれぞれカスコード接続した構成となっている。このような、簡単な構成の反転増幅器でも、カスコード接続により高いオープンループゲインが得られるため、十分な特性の読み出し(雑音除去)回路を実現できる。   FIG. 2 shows an example of an inverting amplifier used in the present invention. In FIG. 2, the inverting amplifier is composed of vertically stacked PMOS transistors M1 and M2 and NMOS transistors M3 and M4. The gate of the inverting amplifier is an NMOS transistor M4 which operates as a common source amplification transistor at the input terminal Vin of the inverting amplifier. In order to increase the open-loop gain, the gate is connected to the bias voltage Vb3 in order to increase the open-loop gain to the CMOS-type inverting amplifier composed of the PMOS transistor M1 that is connected to the bias voltage Vb1 and whose source is connected to the power supply. The NMOS transistor M3 connected to is connected to the drain of the NMOS transistor M4, and M2 whose gate is connected to the bias voltage Vb2 is cascode-connected to the drain of the PMOS transistor M1. Even with such an inverting amplifier having a simple configuration, a high open loop gain can be obtained by cascode connection, so that a readout (noise removal) circuit with sufficient characteristics can be realized.

[第2実施形態]
第1実施形態では、画素信号線から結合容量C1i(i=1〜n)を介して各列のサンプリング容量(保持容量)C2i(i=1〜n)に画素のオフセット電圧を除去した信号電圧を保持して読み出す形であったが、第2実施形態として直接画素信号をサンプリングして読み出す構成を図4に示す。この構成では図1における容量C1i(i=1〜n)およびスイッチSW1i(i=1〜n)を取り除く代わりに、一つの信号線上に2つのサンプリング容量Cai,Cbi(i=1〜n)を設けて、積分された画素信号電圧とリセット直後の画素信号電圧を別々にサンプリングして、これらを2つのビデオライン108a、108bで読み出しながら差分をビデオラインで読み出すときに差分電圧を得る構成としたものである。なお、図4では、一例として、n個の信号出力を一つの反転増幅器で処理する読み出し回路が複数(図示Vs1〜Vsnを処理するものと、図示Vs(n+1)〜Vs(2n)を処理するもの)設けられている様子を示してある。
[Second Embodiment]
In the first embodiment, the signal voltage obtained by removing the pixel offset voltage from the pixel signal line to the sampling capacitor (holding capacitor) C2i (i = 1 to n) of each column via the coupling capacitor C1i (i = 1 to n). FIG. 4 shows a configuration in which pixel signals are directly sampled and read out as a second embodiment. In this configuration, instead of removing the capacitor C1i (i = 1 to n) and the switch SW1i (i = 1 to n) in FIG. 1, two sampling capacitors Cai and Cbi (i = 1 to n) are provided on one signal line. Provided is a configuration in which the integrated pixel signal voltage and the pixel signal voltage immediately after reset are sampled separately, and the difference voltage is obtained when the difference is read on the video line while reading them on the two video lines 108a and 108b. Is. In FIG. 4, as an example, a plurality of readout circuits that process n signal outputs with one inverting amplifier (processing Vs1 to Vsn in the drawing and Vs (n + 1) to Vs (2n) in the drawing are illustrated. What is processed) is shown.

図4では図1と同様に、n個のサンプリング用スイッチSW2ai(i=1〜n)とCai(i=1〜n)からなるサンプリング回路に対し一つの反転増幅器A1aが設けられ、容量の一端は共通に反転増幅器入力に接続され、サンプリングスイッチSW2ai(i=1〜n)が接続する他端は、読み出し時に反転増幅器出力と接続される読み出し用スイッチSW4ai(i=1〜n)が設けられている。また、図1の実施形態と同様に反転増幅器の入出力間にはΦSHRで制御されるスイッチSW3aが設けられている。このように構成されたn個の容量と一つの反転増幅器の読み出し回路系を反転増幅器A1a、A1bに対応する2系統設けることで、各列2つの信号電圧をサンプリングすることが可能となる。   In FIG. 4, as in FIG. 1, one inverting amplifier A1a is provided for a sampling circuit composed of n sampling switches SW2ai (i = 1 to n) and Cai (i = 1 to n), and one end of the capacitor is provided. Are connected to the inverting amplifier input in common and the other end connected to the sampling switch SW2ai (i = 1 to n) is provided with a read switch SW4ai (i = 1 to n) connected to the inverting amplifier output at the time of reading. ing. As in the embodiment of FIG. 1, a switch SW3a controlled by ΦSHR is provided between the input and output of the inverting amplifier. By providing two systems corresponding to the inverting amplifiers A1a and A1b with the readout circuit system of n capacitors and one inverting amplifier configured as described above, it is possible to sample two signal voltages in each column.

つぎに図5のタイミングチャートを用いて図4の回路の動作を説明する。これも第1実施形態と同様にタイミングは大きく4つの期間に分けられ、期間T1では積分された画素信号の読み出しが、期間T2では画素のリセットが、期間T3ではリセット直後の画素信号読み出しが行われる。第1実施形態ではその期間T1〜T3の動作で雑音除去されたが、ここでは期間T1の積分された画素信号の読み出し信号をサンプリング信号ΦSHaを"Hi"とすることで、スイッチSW2ai(i=1〜n)を導通状態として容量Cai(i=1〜n)に直接サンプリングを行い、また、期間T3にてサンプリング信号ΦSHbを"Hi"とすることで、スイッチSW2bi(i=1〜n)を導通状態として容量Cbi(i=1〜n)にサンプリングを行う。この2つの容量に保持された電圧を、期間T4にて2つのビデオライン108aと108bを介して並列に読み出す。そして、読み出された2つの信号より差分をとることで、画素のオフセット電圧に起因する雑音が除去される。期間T4ではΦSHR='L'とした状態で、水平選択スイッチ107aと107bを同時にオンするとともにΦRO1='H'とすることで、1列目の信号電圧Va1とVb1を同時に読み出し、次にΦRO1='L',ΦRO2='H'として2列目の信号電圧電圧Va2とVb2を同時に出力する、というような動作を繰り返しながら、読み出された2つの信号の差分電圧をとることで、全列数分の雑音除去された信号を得ることができる。   Next, the operation of the circuit of FIG. 4 will be described using the timing chart of FIG. Similarly to the first embodiment, the timing is roughly divided into four periods. In the period T1, the integrated pixel signal is read, in the period T2, the pixel is reset, and in the period T3, the pixel signal is read immediately after the reset. Is called. In the first embodiment, noise is removed by the operation during the period T1 to T3. Here, the switch SW2ai (i = 1 to n) are turned on to directly sample the capacitor Cai (i = 1 to n), and the sampling signal ΦSHb is set to “Hi” in the period T3, so that the switch SW2bi (i = 1 to n) Is conducted to the capacitor Cbi (i = 1 to n). The voltages held in the two capacitors are read out in parallel through the two video lines 108a and 108b in the period T4. Then, by taking the difference from the two read signals, noise due to the offset voltage of the pixel is removed. In the period T4, the horizontal selection switches 107a and 107b are simultaneously turned on and ΦRO1 = 'H' in the state where ΦSHR = 'L', and the signal voltages Va1 and Vb1 in the first column are read simultaneously, and then ΦRO1 = “L”, ΦRO2 = “H” and the signal voltage voltages Va2 and Vb2 in the second column are output simultaneously, and the difference voltage between the two read signals is obtained by repeating the operation such as It is possible to obtain a signal from which noise is removed for the number of columns.

この図4に示す構成においても一つのビデオラインに対して、反転増幅器がn列に1個でよいため、反転増幅器数が削減され、反転増幅器全体での消費電流を減らすことができる。さらに、反転増幅器の数が1/nに減ることにともない、ビデオライン108aおよび108bと反転増幅器A1a,A1bを接続する水平選択スイッチ107a、107bの総数も全部の列に増幅器を有する場合と比較して1/nに減るので、反転増幅器の読み出し動作時における負荷容量となるビデオラインの寄生容量も大幅に小さくなるため、反転増幅器単体のバイアス電流を非常に小さくすることが可能できる。また、反転増幅器数が少なくなるため反転増幅器全体での占有面積も小さくなるとともに、読み出し時に駆動する容量が小さくバイアス電流を小さくできるため、反転増幅器単体のトランジスタサイズも小さくでき、消費電流のみならずチップ面積も小さくできる。したがって本発明の目的である、高いS/Nで読み出しが可能な増幅出力読み出し方式を用いながら小さな消費電流、小さな面積の読み出し回路を実現することができる。   In the configuration shown in FIG. 4, since only one inverting amplifier per n columns is required for one video line, the number of inverting amplifiers can be reduced, and current consumption in the entire inverting amplifier can be reduced. Further, as the number of inverting amplifiers is reduced to 1 / n, the total number of horizontal selection switches 107a and 107b connecting the video lines 108a and 108b and the inverting amplifiers A1a and A1b is also compared with the case where the amplifiers are provided in all columns. Therefore, since the parasitic capacitance of the video line, which is a load capacitance during the read operation of the inverting amplifier, is significantly reduced, the bias current of the inverting amplifier alone can be made extremely small. In addition, since the number of inverting amplifiers is reduced, the area occupied by the entire inverting amplifier is reduced, and since the capacitance driven at the time of reading is small and the bias current can be reduced, the transistor size of the inverting amplifier alone can be reduced, and not only the current consumption The chip area can also be reduced. Therefore, it is possible to realize a readout circuit with a small current consumption and a small area while using the amplification output readout method capable of readout with high S / N, which is an object of the present invention.

なお、図4に示した構成では図1の構成に対して反転増幅器の数が2倍必要になるため消費電流の点では図1の構成のほうが有利であるが、図1の回路形式では式(5)に示されているように差分された電圧がC1/(C1+C2)に低減されるのに対して、この図4の回路形式では信号電圧は低減されずに直接サンプリングされ、ビデオラインにおける信号電圧が大きくとれるためS/Nの観点では図4の形式に優位性がある。   The configuration shown in FIG. 4 requires twice as many inverting amplifiers as the configuration shown in FIG. 1, so the configuration shown in FIG. 1 is more advantageous in terms of current consumption. As shown in (5), the differential voltage is reduced to C1 / (C1 + C2), whereas in the circuit format of FIG. 4, the signal voltage is directly sampled without being reduced, and video Since the signal voltage on the line can be increased, the format of FIG. 4 is superior from the viewpoint of S / N.

また、以上の実施形態では図8に示す画素増幅型のCMOSイメージセンサをもとに説明を行ってきたが、本発明はさまざまな画素増幅型のイメージセンサに応用が可能である。例えば、画素増幅器を4つのフォトダイオードに共通に一つ設けるような画素増幅器共有型のイメージセンサや、CMOS以外の増幅器を用いたイメージセンサにも適用可能である。また、列信号線上に列増幅器を設けて読み出す方式のセンサに用いても、その増幅器の後段に本雑音除去回路を設けて、列増幅器のリセット時と読み出し時の2つの信号成分の差分をとることで列増幅器のオフセット電圧等の雑音除去が可能である。また画素単位や列単位で増幅器を設ける構成ではなくても、ブロック単位で並列に増幅器を設けて読み出す構成の固体撮像装置における雑音除去回路に用いる読み出し回路としても有効である。   In the above embodiment, the pixel amplification type CMOS image sensor shown in FIG. 8 has been described. However, the present invention can be applied to various pixel amplification type image sensors. For example, the present invention can be applied to a pixel amplifier sharing type image sensor in which one pixel amplifier is provided in common to four photodiodes, or an image sensor using an amplifier other than a CMOS. Also, even if it is used for a sensor that reads by providing a column amplifier on the column signal line, this noise elimination circuit is provided after the amplifier to obtain the difference between the two signal components at the time of resetting and reading the column amplifier. Thus, noise such as offset voltage of the column amplifier can be removed. Even if the amplifier is not provided in units of pixels or columns, it is also effective as a readout circuit used for a noise removal circuit in a solid-state imaging device configured to read out by providing amplifiers in parallel in units of blocks.

[第3実施形態]
これまでの実施例における具体的な反転増幅器の回路構成として、図2に示した1段構成の反転増幅器を用いることも可能であるが、高速の読み出しにおいて消費電流をより少なくすることができる反転増幅器の構成を第3実施形態として図6に示す。図6は図1に示した実施例において、第3実施形態における反転増幅器を適用した回路図である。図6において反転増幅器以外の構成は図1で示したものと全く同一であり、反転増幅器の構成のみを具体化したものである。
[Third Embodiment]
As a specific circuit configuration of the inverting amplifier in the embodiments so far, it is possible to use the one-stage inverting amplifier shown in FIG. 2, but inversion that can reduce current consumption in high-speed reading. The configuration of the amplifier is shown in FIG. 6 as a third embodiment. FIG. 6 is a circuit diagram in which the inverting amplifier according to the third embodiment is applied to the embodiment shown in FIG. In FIG. 6, the configuration other than the inverting amplifier is exactly the same as that shown in FIG. 1, and only the configuration of the inverting amplifier is embodied.

図6における反転増幅器は、図2で示した反転増幅器と同一の回路構成を有する縦積みされたPMOSトランジスタM1,M2とNMOSトランジスタM3,M4によるカスコード構成のソース接地型反転増幅器の出力に、NMOSトランジスタM5,M6によるソースフォロア構成のバッファが接続された2段構成となっている。このソースフォロア型バッファは、ドレインが電源に接続されゲートを入力端子とするNMOSトランジスタM5と、そのソースに接続された、ゲートにバイアス電圧Vb4が与えられ定電流源負荷として動作するNMOSトランジスタM6により構成されている。このソースフォロア回路の特長は電圧ゲインはおよそ1程度であるが、出力インピーダンスが低く小さなバイアス電流でも容量負荷に対する駆動能力が高いことである。   The inverting amplifier shown in FIG. 6 is connected to the output of a cascode-connected source-grounded inverting amplifier composed of vertically stacked PMOS transistors M1, M2 and NMOS transistors M3, M4 having the same circuit configuration as the inverting amplifier shown in FIG. It has a two-stage configuration in which a source follower-type buffer composed of transistors M5 and M6 is connected. This source follower type buffer includes an NMOS transistor M5 having a drain connected to a power supply and a gate serving as an input terminal, and an NMOS transistor M6 connected to the source of the NMOS transistor M6 operating as a constant current source load with a bias voltage Vb4 applied to the gate. It is configured. The feature of this source follower circuit is that the voltage gain is about 1, but the output impedance is low and the driving capability for a capacitive load is high even with a small bias current.

図2に示した1段構成のソース接地型反転増幅器を用いて、ビデオライン容量を直接駆動する場合、読み出しを早く行うために帯域を広くするには大きなバイアス電流が必要であり、これは読み出し時のみならず雑音除去動作時(図3の期間T1〜T3)にも必要となる。これに対して、図6のカスコード構成のソース接地型反転増幅器と、ソースフォロア構成の出力バッファによる2段構成を用いる場合では、初段の反転増幅器の負荷はソースフォロアのゲート容量のみなので小さなバイアス電流でも高速な読み出しが可能である。また後段のソースフォロア回路は、小さなバイアス電流でも高速の読み出しが可能であるとともに、このバイアス電流は雑音除去動作時には不要で、ビデオラインへの信号読み出し時のみに流せばよいため、全体としては小さな電流で高速な読み出しを行うことが可能となる。   When the video line capacitance is directly driven using the one-stage source-grounded inverting amplifier shown in FIG. 2, a large bias current is required to widen the band in order to perform reading quickly. This is necessary not only for the time but also for the noise removal operation (periods T1 to T3 in FIG. 3). On the other hand, in the case of using the two-stage configuration with the cascode configuration of the cascode configuration of FIG. 6 and the source follower configuration output buffer, since the load of the first-stage inverting amplifier is only the gate capacitance of the source follower, a small bias current However, high-speed reading is possible. In addition, the source follower circuit in the subsequent stage can perform high-speed reading even with a small bias current, and this bias current is unnecessary during the noise removal operation, and it only needs to flow only when reading a signal to the video line. High-speed reading can be performed with current.

図1の反転増幅器の入出力間スイッチSW3は、図6の2段構成の反転増幅器においては、初段のカスコード構成ソース接地型反転増幅回路の入出力間にNMOSトランジスタM7として示されている。このスイッチの一端をソース接地型反転増幅器の出力端子でなく、ソースフォロア回路の出力端子に接続しても動作的には問題ない。しかし、このように初段のソース接地型反転増幅回路の入出力間にスイッチM7を設けることにより、雑音除去動作時にソースフォロア回路にバイアス電流を流さなくても良いという利点がある。   The switch SW3 between the input and output of the inverting amplifier of FIG. 1 is shown as an NMOS transistor M7 between the input and output of the first stage cascode configuration source grounded inverting amplifier circuit in the two-stage inverting amplifier of FIG. There is no operational problem even if one end of this switch is connected to the output terminal of the source follower circuit instead of the output terminal of the common source inverting amplifier. However, by providing the switch M7 between the input and output of the first-stage source grounded inverting amplifier circuit in this way, there is an advantage that it is not necessary to pass a bias current through the source follower circuit during the noise elimination operation.

図6の構成においてスイッチ用NMOSトランジスタM7を、初段の入力端子と後段のソースフォロア出力端子間に設けた場合は、雑音除去動作時にソースフォロア回路にバイアス電流を流さないとM7がオンした状態で正確な反転増幅器の閾値電圧が出力されないが、M7を初段のソース接地型反転増幅回路の入出力間に設ける場合は、ソースフォロア回路にバイアス電流を流さなくても正確な反転増幅器の閾値電圧が出力される。なおこれらの動作における閾値電圧値は、初段のソース接地反転増幅回路のオープンループゲインが大きければ、ソースフォロア回路を接続した場合でも、ソース接地型反転増幅回路単体でも、ほとんど同じ電圧値となるためスイッチ用トランジスタM7はどちらに設けても雑音除去動作には影響がない。したがって、図6に示す初段のソース接地型反転増幅器の入出力間にスイッチを設けた構成のほうが、消費電流を削減するうえで有利であるといえる。したがって第3実施形態に示した反転増幅器の構成を用いることにより、本発明の目的のひとつである、小さな消費電流の実現をより一層推し進めることができる。   In the configuration of FIG. 6, when the switching NMOS transistor M7 is provided between the input terminal of the first stage and the source follower output terminal of the subsequent stage, M7 is turned on unless a bias current is supplied to the source follower circuit during the noise elimination operation. Although the correct threshold voltage of the inverting amplifier is not output, if M7 is provided between the input and output of the first-stage grounded source inverting amplifier circuit, the correct threshold voltage of the inverting amplifier is not required even if a bias current is passed through the source follower circuit. Is output. Note that the threshold voltage value in these operations is almost the same voltage value even when the source-follower circuit is connected or when the source-follower circuit is connected alone if the open-loop gain of the first-stage source-grounded inverting amplifier circuit is large. Regardless of which switch transistor M7 is provided, the noise elimination operation is not affected. Therefore, it can be said that the configuration in which a switch is provided between the input and output of the first-stage common-source inverting amplifier shown in FIG. 6 is more advantageous in reducing current consumption. Therefore, by using the configuration of the inverting amplifier shown in the third embodiment, it is possible to further promote the realization of a small current consumption, which is one of the objects of the present invention.

以上のように、上記の各実施形態では、列毎にサンプリング容量(保持容量)およびサンプリングスイッチ(第1のスイッチング手段)と読み出し用スイッチ(第2のスイッチング手段)を設けるとともに、n列に一つの反転増幅器を設け、サンプリング容量の他端をn列単位で共通に反転増幅器入力に接続する。このような構成で、信号サンプリング時はサンプリングスイッチを並列にオンして各容量に信号を保持し、読み出し時は読み出し用スイッチを順次接続することで、シリアル化された読み出し信号を得る。これにより反転増幅器の数を1/nに減らせるとともに、ビデオライン(読み出しライン)の寄生容量も小さくなるので、低消費電力化と小面積化が可能となる。   As described above, in each of the above embodiments, the sampling capacitor (holding capacitor), the sampling switch (first switching unit), and the readout switch (second switching unit) are provided for each column, and one column is provided for each n column. Two inverting amplifiers are provided, and the other ends of the sampling capacitors are commonly connected to the inverting amplifier inputs in units of n columns. With such a configuration, the sampling switch is turned on in parallel during signal sampling and the signal is held in each capacitor, and the readout switch is sequentially connected during readout to obtain a serialized readout signal. As a result, the number of inverting amplifiers can be reduced to 1 / n, and the parasitic capacitance of the video line (readout line) can be reduced, so that power consumption and area can be reduced.

本発明の第1実施形態の読み出し回路を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the read-out circuit of 1st Embodiment of this invention. 図1の反転増幅器の構成例である。2 is a configuration example of an inverting amplifier in FIG. 1. 第1実施形態の動作を説明するためのタイミング図である。FIG. 6 is a timing chart for explaining the operation of the first embodiment. 本発明の第2実施形態の読み出し回路を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the read-out circuit of 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態の動作を説明するためのタイミング図である。It is a timing diagram for demonstrating operation | movement of 2nd Embodiment of this invention. 図1の反転増幅器を具体的に示した第3実施形態の雑音除去回路である。4 is a noise removal circuit of a third embodiment specifically showing the inverting amplifier of FIG. 1. 本発明における固体撮像装置の構成を示した回路図である。It is the circuit diagram which showed the structure of the solid-state imaging device in this invention. 図7の固体撮像装置の画素の一例を示した回路図である。It is the circuit diagram which showed an example of the pixel of the solid-state imaging device of FIG. 従来の読み出し(雑音除去)回路の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the conventional reading (noise removal) circuit. 図9の動作を説明するためのタイミング図である。FIG. 10 is a timing chart for explaining the operation of FIG. 9. 従来の雑音除去回路の他の例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the other example of the conventional noise removal circuit.

符号の説明Explanation of symbols

C1 第1容量
C2 第2容量
SW1およびSW1i クランプ用スイッチ
SW2およびSW2i サンプリング用スイッチ(第1のスイッチング手段)
SW3 リセット用スイッチ(第3のスイッチング手段)
SW4およびSW4i 読み出し用スイッチ(第2のスイッチング手段)
A1 反転増幅器
Vs 入力信号端子および入力信号電圧
Vo 出力信号端子および出力信号電圧
Vb1,Vb2,Vb3,Vb4 定電圧源およびその電圧値
M1,M6 負荷用トランジスタ
M2,M3 カスコード型トランジスタ
M4 ソース接地トランジスタ
M5 ソースフォロアトランジスタ
M7 リセット用トランジスタ
C1 1st capacity
C2 Second capacity
SW1 and SW1i Clamp switch
SW2 and SW2i sampling switch (first switching means)
SW3 Reset switch (third switching means)
SW4 and SW4i read switch (second switching means)
A1 inverting amplifier
Vs Input signal terminal and input signal voltage
Vo Output signal terminal and output signal voltage
Vb1, Vb2, Vb3, Vb4 constant voltage source and its voltage value
M1, M6 Load transistor
M2, M3 Cascode transistor
M4 Common source transistor
M5 source follower transistor
M7 Reset transistor

Claims (3)

アレイ状に配列された複数の画素を有し、画素増幅器を介して並列に画素信号の読み出し動作を行う固体撮像装置において、
複数の前記画素増幅器の信号出力をそれぞれ保持する複数の保持容量と、その複数の保持容量に保持された信号を順次選択しながら読み出すための共通の反転増幅器とを有する読み出し回路を更に有し、
前記読み出し回路には、前記保持容量の一端と前記信号出力との間を断続可能に構成する第1のスイッチング手段(SW21〜SW2n)と、前記保持容量の前記一端と前記反転増幅器の出力との間を断続可能に構成する第2のスイッチング手段(SW41〜SW4n)と、前記反転増幅器の入出力間を断続可能に構成する第3のスイッチング手段(SW3)と、が設けられ、
前記複数の保持容量の他端は前記反転増幅器の入力に共通に接続されていることを特徴とする固体撮像装置。
In a solid-state imaging device having a plurality of pixels arranged in an array and performing a pixel signal readout operation in parallel via a pixel amplifier,
A read circuit having a plurality of holding capacitors respectively holding the signal outputs of the plurality of pixel amplifiers, and a common inverting amplifier for sequentially reading out the signals held in the plurality of holding capacitors;
The readout circuit includes first switching means (SW21 to SW2n) configured to be able to intermittently connect between one end of the storage capacitor and the signal output, and one end of the storage capacitor and an output of the inverting amplifier. Second switching means (SW41 to SW4n) configured to be able to be intermittently connected, and third switching means (SW3) configured to be capable of being intermittently connected between the input and output of the inverting amplifier are provided,
The other end of the plurality of holding capacitors is commonly connected to an input of the inverting amplifier.
前記信号出力毎に、前記保持容量、前記第1のスイッチング手段、前記第2のスイッチング手段、前記第3のスイッチング手段、及び、前記反転増幅器をそれぞれ有する第1の読み出し回路及び第2の読み出し回路が設けられるとともに、前記第1の読み出し回路及び前記第2の読み出し回路で前記画素の異なる時点の前記信号出力に対応する出力を並列に読み出し可能に構成されていることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。   A first readout circuit and a second readout circuit each having the storage capacitor, the first switching unit, the second switching unit, the third switching unit, and the inverting amplifier for each signal output The output corresponding to the signal output of the pixel at different time points can be read in parallel by the first readout circuit and the second readout circuit. The solid-state imaging device described in 1. 前記反転増幅器はソース接地型反転増幅部とソースフォロア型バッファの2段構成であるとともに、前記第3のスイッチング手段が前記ソース接地型反転増幅部の入出力間に設けられ、また、前記第2のスイッチング手段の前記反転増幅器の出力端子側の接続点が前記ソースフォロア型バッファの出力端子に接続されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の固体撮像装置。
The inverting amplifier has a two-stage configuration of a source grounded inverting amplifier and a source follower type buffer, the third switching means is provided between the input and output of the source grounded inverting amplifier, and the second 3. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a connection point of the switching means on the output terminal side of the inverting amplifier is connected to an output terminal of the source follower type buffer.
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