JP2007181088A - Solid-state imaging apparatus and camera system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an MOS solid-state imaging apparatus and camera system for simultaneously achieving noise reduction, sensitivity improvement and dynamic range expansion in imaging under low illuminance. <P>SOLUTION: A solid-state imaging apparatus 500a comprises a plurality of column signal amplifying means 505 provided for each column of unit pixels 501. In accordance with a signal inputted to a gain switching terminal 510, the solid-state imaging apparatus 500a is capable of switching a gain of the column signal amplifying means 505. By increasing the gain of the column signal amplifying means 505 in imaging under low illuminance, the level of noise caused by a noise elimination circuit 506a is not amplified by an output amplifier 508, thereby simultaneously achieving sensitivity improvement and noise reduction. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体撮像装置及びカメラシステムに関し、より特定的には、家庭用ビデオカメラデジタル、スチルカメラ、携帯電話用カメラ、車載用カメラ等に用いられるMOS型固体撮像装置と、当該固体撮像装置を用いたカメラシステムに関する。   The present invention relates to a solid-state imaging device and a camera system, and more specifically, a MOS type solid-state imaging device used for home video camera digital, a still camera, a mobile phone camera, an in-vehicle camera, and the like, and the solid-state imaging device The present invention relates to a camera system using.

近年、ディジタルスチルカメラ、ディジタルビデオカメラ等の画像入力機器において、撮影画像を高画質化するために、センサの多画素化が進んでいる。画素数を増加するためには、画素サイズの縮小化や、読み出し時間の高速化、低ノイズ化などが求められる。これらの要求に対して、画素信号を複数個の読み出しチャンネルに分割して読み出す方式が開発されてきた(例えば、特許文献1参照)。   In recent years, in image input devices such as a digital still camera and a digital video camera, the number of pixels of a sensor has been increased in order to improve the quality of a captured image. In order to increase the number of pixels, it is required to reduce the pixel size, increase the readout time, and reduce the noise. In response to these requirements, a method of reading out a pixel signal by dividing it into a plurality of readout channels has been developed (see, for example, Patent Document 1).

以下、従来のノイズ低減技術を用いた固体撮像装置について説明する。   Hereinafter, a solid-state imaging device using a conventional noise reduction technique will be described.

図8は、特許文献1に記載されている従来のMOS型固体撮像装置の概略図である。   FIG. 8 is a schematic diagram of a conventional MOS solid-state imaging device described in Patent Document 1. In FIG.

図8に示される固体撮像装置100は、2次元状に配列された複数の単位画素101と、同一列に整列する単位画素101の各々に接続される複数の垂直信号線102と、信号を読み出す行を選択する行選択手段103と、信号を読み出す列を選択する列選択手段104と、複数の列信号増幅手段105と、複数のノイズ除去回路106と、水平信号線107と、出力アンプ108とを備える。   The solid-state imaging device 100 shown in FIG. 8 reads signals from a plurality of unit pixels 101 arranged two-dimensionally, a plurality of vertical signal lines 102 connected to each of the unit pixels 101 aligned in the same column, and the like. A row selecting unit 103 for selecting a row, a column selecting unit 104 for selecting a column from which a signal is read, a plurality of column signal amplifying units 105, a plurality of noise removing circuits 106, a horizontal signal line 107, and an output amplifier 108; Is provided.

単位画素101は、入射した光を光電変換することによって得られる電荷を蓄積する。行選択手段103による行の選択に応じて、選択された行に整列する単位画素101の各々は、蓄積した電荷に応じた電気信号を垂直信号線102の各々に出力する。   The unit pixel 101 accumulates charges obtained by photoelectrically converting incident light. In response to the selection of the row by the row selection means 103, each of the unit pixels 101 aligned with the selected row outputs an electrical signal corresponding to the accumulated charge to each of the vertical signal lines 102.

次に、列信号増幅手段105は、垂直信号線102上の信号を増幅し、ノイズ除去回路106は、CDS(Correlated Double Sampling)等の処理によって、増幅された信号に含まれるノイズを除去する。ノイズ除去後の信号は、列選択手段104による列の選択に従って、順次水平信号線107に出力される。   Next, the column signal amplification means 105 amplifies the signal on the vertical signal line 102, and the noise removal circuit 106 removes noise included in the amplified signal by a process such as CDS (Correlated Double Sampling). The signal after noise removal is sequentially output to the horizontal signal line 107 in accordance with the column selection by the column selection means 104.

水平信号線107に出力された信号は、出力アンプ108によって再度増幅された後、信号出力端子109から外部の回路等へと出力される。
特開2001−245221号公報
The signal output to the horizontal signal line 107 is amplified again by the output amplifier 108 and then output from the signal output terminal 109 to an external circuit or the like.
JP 2001-245221 A

近年、固体撮像装置には、動作速度の高速化と共に、高感度化と低ノイズ化との両立が求められている。しかしながら、上述したような従来の固体撮像装置は、高感度化及び低ノイズ化の両立が困難であるという課題を有している。   In recent years, solid-state imaging devices are required to achieve both high sensitivity and low noise as well as higher operating speed. However, the conventional solid-state imaging device as described above has a problem that it is difficult to achieve both high sensitivity and low noise.

以下、図9を参照しながら、その課題の詳細について説明する。   The details of the problem will be described below with reference to FIG.

図9は、従来のMOS型固体撮像装置における入射光量と出力特性(光電変換特性)との関係を示す図である。図9において、破線は、増幅回路のゲインが標準的な所定値に設定されている場合の出力特性を示し、実線は、増幅回路のゲインが当該所定値の3倍に設定されている場合の出力特性を示す。   FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the amount of incident light and output characteristics (photoelectric conversion characteristics) in a conventional MOS type solid-state imaging device. In FIG. 9, the broken line indicates the output characteristics when the gain of the amplifier circuit is set to a standard predetermined value, and the solid line indicates the case where the gain of the amplifier circuit is set to three times the predetermined value. Output characteristics are shown.

固体撮像装置の感度は、増幅回路のゲインの増加によって向上させることができる。ただし、増幅回路のゲインを設定する際には、固体撮像装置からの出力信号を処理する後段回路の飽和点を考慮する必要がある。   The sensitivity of the solid-state imaging device can be improved by increasing the gain of the amplifier circuit. However, when setting the gain of the amplifier circuit, it is necessary to consider the saturation point of the subsequent circuit that processes the output signal from the solid-state imaging device.

まず、標準的な照度下で撮像する場合には、図9に示される「出力信号を受ける後段回路の飽和点」に対して、図9の破線によって示されるような出力特性を示すようにゲインが設定される。この場合、固体撮像装置は、出力電圧が後段回路の飽和点以下である入射光量の範囲において、画像信号を出力することが可能である。   First, when imaging under standard illuminance, the gain is set so as to show the output characteristic as shown by the broken line in FIG. 9 with respect to the “saturation point of the subsequent circuit that receives the output signal” shown in FIG. Is set. In this case, the solid-state imaging device can output an image signal in the range of the incident light amount in which the output voltage is equal to or lower than the saturation point of the subsequent circuit.

次に、低照度下で撮像することを想定する場合、図9の実線に示されるように、ゲインが例えば標準的なゲインの3倍になるように設計することによって、固体撮像装置からの出力を増幅する方法が一般的に採用される。   Next, when imaging under low illuminance is assumed, the output from the solid-state imaging device is designed so that the gain is, for example, three times the standard gain, as shown by the solid line in FIG. A method of amplifying the signal is generally adopted.

しかしながら、単にゲインを標準的なゲインの3倍に固定して固体撮像装置を設計した場合、「出力信号を受ける後段回路の飽和点」に達する入射光量は、破線に示される場合より低下する。したがって、単位画素をその飽和出力に達するまで使用できなくなるという課題が生じる。   However, when the solid-state imaging device is designed by simply fixing the gain to three times the standard gain, the amount of incident light reaching the “saturation point of the subsequent circuit that receives the output signal” is lower than that indicated by the broken line. Therefore, there arises a problem that the unit pixel cannot be used until its saturation output is reached.

さらに、単位画素を飽和出力まで使用できなくなるという課題に対しては、固体撮像装置の内部に、AGC(自動ゲイン制御)や、AD変換器によるディジタルゲイン可変等の機能を設けることが検討されている。しかしながら、これらは、最終出力アンプ、パイプラインADCなどによって、最終出力アンプのゲインを可変にする機能であり、低ノイズ化を実現することはできない。   Furthermore, with respect to the problem that the unit pixel cannot be used until the saturation output, it is considered to provide a function such as AGC (automatic gain control) or digital gain variable by an AD converter inside the solid-state imaging device. Yes. However, these are functions that make the gain of the final output amplifier variable by the final output amplifier, the pipeline ADC, and the like, and it is impossible to achieve low noise.

それ故に、本発明は、低照度時にゲインアップした場合でも低ノイズを実現し、かつ、標準撮像時においても画素の飽和出力を生かすことができるMOS型固体撮像装置と、これを用いたカメラシステムを提供することを目的とする。   Therefore, the present invention provides a MOS type solid-state imaging device capable of realizing low noise even when gain is increased at low illuminance and making use of pixel saturation output even during standard imaging, and a camera system using the same The purpose is to provide.

本発明の第1の局面は、固体撮像装置に向けられている。当該固体撮像装置は、受光素子を含み、2次元状に配列される複数の単位画素と、単位画素の列毎に設けられ、単位画素から出力される信号を増幅する列増幅手段と、列増幅手段のゲインを切り換えるゲイン切換手段とを備える。   The first aspect of the present invention is directed to a solid-state imaging device. The solid-state imaging device includes a plurality of unit pixels that are two-dimensionally arranged including a light receiving element, a column amplification unit that is provided for each column of unit pixels, and that amplifies a signal output from the unit pixel, and column amplification Gain switching means for switching the gain of the means.

また、列増幅手段は、各々が異なるゲインを有し、かつ、各々が並列に接続される2以上の増幅回路を含み、ゲイン切換手段は、少なくとも1つのゲイン切換端子を含み、ゲイン切換端子に入力される信号に応じて、増幅回路の1つを選択しても良い。   The column amplifying means includes two or more amplifier circuits each having a different gain and connected in parallel, and the gain switching means includes at least one gain switching terminal. One of the amplifier circuits may be selected in accordance with the input signal.

また、当該固体撮像装置は、同一列に整列する複数の単位画素の各々と、列増幅手段とに電気的に接続される複数の垂直信号線と、垂直信号線の各々に電気的に接続され、列増幅手段から出力される信号に含まれるノイズを除去するノイズ除去回路と、ノイズ除去回路の各々に電気的に接続される水平信号線と、水平信号線に電気的に接続される出力アンプとを更に備えても良い。   The solid-state imaging device is electrically connected to each of a plurality of unit pixels aligned in the same column, a plurality of vertical signal lines electrically connected to the column amplification means, and each of the vertical signal lines. A noise removing circuit for removing noise contained in a signal output from the column amplification means, a horizontal signal line electrically connected to each of the noise removing circuits, and an output amplifier electrically connected to the horizontal signal line And may further be provided.

また、当該固体撮像装置は、列増幅手段から出力される信号を保持する蓄積手段を含み、かつ、列増幅手段から出力される信号に含まれるノイズを除去するノイズ除去回路と、蓄積手段の容量を切り換える蓄積容量切り換え手段とを更に備えても良い。   The solid-state imaging device includes a storage unit that holds a signal output from the column amplification unit, a noise removal circuit that removes noise included in the signal output from the column amplification unit, and a capacity of the storage unit And storage capacity switching means for switching between.

この場合、蓄積手段は、各々が異なる容量を有し、かつ、各々が並列に接続される2以上の第1蓄積部と、第2蓄積部とを含み、蓄積容量切り換え手段は、蓄積容量切換端子を含み、蓄積容量切換端子に入力される信号に応じて、第1蓄積部の1つを選択しても良い。   In this case, the storage means includes two or more first storage parts each having a different capacity and connected in parallel, and a second storage part, and the storage capacity switching means switches the storage capacity switching. One of the first storage units may be selected in accordance with a signal input to the storage capacitor switching terminal.

更に、ゲイン切換手段と、蓄積容量切り換え手段とは、それぞれ独立して制御されても良い。   Furthermore, the gain switching means and the storage capacity switching means may be controlled independently.

あるいは、ゲイン切換手段と、蓄積容量切り換え手段とは、同時に制御されても良い。   Alternatively, the gain switching means and the storage capacity switching means may be controlled simultaneously.

また、固体撮像装置は、MOS型固体撮像装置であっても良い。   Further, the solid-state imaging device may be a MOS type solid-state imaging device.

第2の局面は、第1の局面に係る固体撮像装置を備えるカメラシステムに向けられている。当該カメラシステムは、固体撮像装置と、感度を指定するための制御信号を出力する感度設定手段とを備え、ゲイン切換手段は、感度設定手段から出力される制御信号に基づいて、列増幅手段のゲインを切り換えるものである。   The second aspect is directed to a camera system including the solid-state imaging device according to the first aspect. The camera system includes a solid-state imaging device and sensitivity setting means for outputting a control signal for designating sensitivity, and the gain switching means is based on the control signal output from the sensitivity setting means. The gain is switched.

この場合、感度設定手段は、照度を検出し、検出された照度に基づいて、制御信号を出力しても良い。   In this case, the sensitivity setting unit may detect illuminance and output a control signal based on the detected illuminance.

また、当該カメラシステムは、ライトを有する車両に搭載され、感度設定手段は、ライトの点灯及び消灯の切り換えに従って、制御信号を出力しても良い。   Further, the camera system may be mounted on a vehicle having a light, and the sensitivity setting means may output a control signal according to switching between lighting and extinguishing of the light.

第3の局面は、固体撮像装置に向けられている。当該固体撮像装置は、受光素子を含み、2次元状に配列される複数の単位画素と、単位画素から出力される信号を保持する蓄積手段を含み、かつ、単位画素から出力される信号に含まれるノイズを除去するノイズ除去回路と、蓄積手段の容量を切り換える蓄積容量切り換え手段とを備える。   The third aspect is directed to a solid-state imaging device. The solid-state imaging device includes a light receiving element, includes a plurality of unit pixels arranged two-dimensionally, and storage means for holding a signal output from the unit pixel, and is included in a signal output from the unit pixel. A noise removal circuit for removing the generated noise, and storage capacity switching means for switching the capacity of the storage means.

この場合、蓄積手段は、各々が異なる容量を有し、かつ、各々が並列に接続される2以上の第1蓄積部と、第2蓄積部とを含み、蓄積容量切り換え手段は、蓄積容量切換端子を含み、蓄積容量切換端子に入力される信号に応じて、第1蓄積部の1つを選択しても良い。   In this case, the storage means includes two or more first storage parts each having a different capacity and connected in parallel, and a second storage part, and the storage capacity switching means switches the storage capacity switching. One of the first storage units may be selected in accordance with a signal input to the storage capacitor switching terminal.

第4の局面は、第3の局面に係る固体撮像装置を備えるカメラシステムに向けられている。当該カメラシステムは、固体撮像装置と、感度を指定するための制御信号を出力する感度設定手段とを備え、蓄積容量切り換え手段は、感度設定手段から出力される制御信号に基づいて、蓄積手段の容量を切り換えるものである。   The fourth aspect is directed to a camera system including the solid-state imaging device according to the third aspect. The camera system includes a solid-state imaging device and sensitivity setting means for outputting a control signal for designating sensitivity, and the storage capacity switching means is based on the control signal output from the sensitivity setting means. The capacity is switched.

この場合、感度設定手段は、照度を検出し、検出された照度に基づいて、制御信号を出力しても良い。   In this case, the sensitivity setting unit may detect illuminance and output a control signal based on the detected illuminance.

また、カメラシステムは、ライトを有する車両に搭載され、感度設定手段は、ライトの点灯及び消灯の切り換えに従って、制御信号を出力しても良い。   Further, the camera system may be mounted on a vehicle having a light, and the sensitivity setting means may output a control signal according to switching between turning on and off the light.

本発明によれば、列増幅手段のゲインを外部から調整することによって、ゲインアップ時には低ノイズの撮像を実現でき、通常のゲイン時には、単位画素を飽和出力に達するまで有効に用いて高ダイナミックレンジの撮像ができるため、高感度化と低ノイズ化との両立が可能である。   According to the present invention, by adjusting the gain of the column amplifying means from the outside, it is possible to realize low-noise imaging when the gain is increased, and during normal gain, the unit pixel is effectively used until reaching the saturated output, and a high dynamic range is achieved. Therefore, both high sensitivity and low noise can be achieved.

また、ノイズ除去回路(CDS)に使用するキャパシタの蓄積容量を選択自在となる構成を組み合わせることによって、更に低ノイズ化を実現でき、かつ、撮像状態の選択の自由度を向上させることができる。   Further, by combining a configuration in which the storage capacity of the capacitor used in the noise removal circuit (CDS) can be freely selected, noise can be further reduced, and the degree of freedom in selecting an imaging state can be improved.

本発明に係るMOS型固体撮像装置において、各画素の回路形式については、特に限定されるものではない。画素は、光電変換が可能で、その信号成分とリセット後の信号成分とを出力できる回路を備えていれば良い。また、MOS型固体撮像装置は、信号電荷を浮遊拡散容量によって電圧に変換し、増幅器を含むアンプ回路を用いて当該電圧を出力するアクティブ型固体撮像装置であっても良いし、あるいは、増幅器を備えていないパッシブ型固体撮像装置であっても良い。更に、各素子の導電型は、特に限定されない。   In the MOS type solid-state imaging device according to the present invention, the circuit format of each pixel is not particularly limited. The pixel may be provided with a circuit that can perform photoelectric conversion and output the signal component and the signal component after reset. The MOS type solid-state imaging device may be an active type solid-state imaging device that converts a signal charge into a voltage by a floating diffusion capacitor and outputs the voltage using an amplifier circuit including an amplifier. It may be a passive solid-state imaging device that is not provided. Furthermore, the conductivity type of each element is not particularly limited.

(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a solid-state imaging apparatus according to the first embodiment of the present invention.

固体撮像装置500aは、複数の単位画素501と、複数の垂直信号線502と、単位画素501が整列する行を選択する行選択手段503と、単位画素が整列する列を選択する列選択手段504と、複数の列信号増幅手段505と、複数のノイズ除去回路506aと、水平信号線507と、出力アンプ508とを備える。   The solid-state imaging device 500a includes a plurality of unit pixels 501, a plurality of vertical signal lines 502, a row selection unit 503 that selects a row in which the unit pixels 501 are aligned, and a column selection unit 504 that selects a column in which the unit pixels are aligned. A plurality of column signal amplifying means 505, a plurality of noise removing circuits 506a, a horizontal signal line 507, and an output amplifier 508.

単位画素501の各々は、例えばフォトダイオードのように、入射光を光電返還することによって得られる電荷を蓄積する受光素子を含み、行方向及び列方向に二次元状に配列されている。単位画素501の各々は、入射光を光電返還することによって得られる電荷を蓄積し、行選択手段503による行の選択に従って、垂直信号線502の各々に信号を出力する。尚、垂直信号線502の各々は、同一列に整列する複数の単位画素501の各々と、列信号増幅手段505の各々とに電気的に接続されている。   Each of the unit pixels 501 includes a light receiving element that accumulates charges obtained by photoelectrically returning incident light, such as a photodiode, and is two-dimensionally arranged in the row direction and the column direction. Each unit pixel 501 accumulates electric charge obtained by photoelectrically returning incident light, and outputs a signal to each vertical signal line 502 in accordance with row selection by the row selection means 503. Each of the vertical signal lines 502 is electrically connected to each of the plurality of unit pixels 501 aligned in the same column and each of the column signal amplifying means 505.

次に、列信号増幅手段505の各々は、単位画素501の列毎に設けられ、単位画素501から垂直信号線502に出力された電気信号を予め定められたゲイン倍に増幅する。列信号増幅手段505の更なる詳細については後述する。   Next, each of the column signal amplifying means 505 is provided for each column of the unit pixels 501 and amplifies the electric signal output from the unit pixel 501 to the vertical signal line 502 by a predetermined gain. Further details of the column signal amplification means 505 will be described later.

次に、ノイズ除去回路506aの各々は、単位画素501の列毎に設けられ、列信号増幅手段505に電気的に接続される。ノイズ除去回路506aは、例えばCDS(Correlated Double Sampling)等の処理を行うことによって、列信号増幅手段505から出力される信号に含まれているノイズを除去する。   Next, each of the noise removal circuits 506 a is provided for each column of the unit pixels 501 and is electrically connected to the column signal amplification unit 505. The noise removal circuit 506a removes noise included in the signal output from the column signal amplification unit 505 by performing processing such as CDS (Correlated Double Sampling), for example.

ノイズが除去された信号は、列選択手段504による列の選択に従って、順次水平信号線507に出力される。出力アンプ508は、水平信号線507に出力された信号を再度増幅して、信号出力端子509から後段の回路等へと出力する。   The signals from which the noise has been removed are sequentially output to the horizontal signal line 507 in accordance with the column selection by the column selection means 504. The output amplifier 508 amplifies the signal output to the horizontal signal line 507 again and outputs the signal from the signal output terminal 509 to a subsequent circuit or the like.

更に、本実施形態に係る固体撮像装置500aは、ゲイン切換端子510を備える。ゲイン切換端子510は、列信号増幅手段505の各々に電気的に接続されている。   Furthermore, the solid-state imaging device 500a according to the present embodiment includes a gain switching terminal 510. The gain switching terminal 510 is electrically connected to each of the column signal amplification means 505.

図2は、図1に示されるA部分の詳細を示す図である。   FIG. 2 is a diagram showing details of a portion A shown in FIG.

本実施形態に係る固体撮像装置は、ゲイン切換端子510に入力される信号のレベル(HighまたはLow)に応じて、列信号増幅手段505のゲインを切り換えることができる点に特徴を有する。以下、この特徴を詳細に説明する。   The solid-state imaging device according to the present embodiment is characterized in that the gain of the column signal amplifying unit 505 can be switched according to the level (High or Low) of the signal input to the gain switching terminal 510. Hereinafter, this feature will be described in detail.

まず、図2に示されるように、列信号増幅手段505は、並列に接続される増幅回路520a及び520bを含んでいる。図2の例においては、増幅回路520bは、増幅回路520aと同一の増幅回路を2つ直列に接続することによって構成されている。例えば、増幅回路aのゲインをA倍とすると、増幅回路520bのゲインは、(A×A)倍である。   First, as shown in FIG. 2, the column signal amplification means 505 includes amplification circuits 520a and 520b connected in parallel. In the example of FIG. 2, the amplifier circuit 520b is configured by connecting two amplifier circuits identical to the amplifier circuit 520a in series. For example, when the gain of the amplifier circuit a is A times, the gain of the amplifier circuit 520b is (A × A) times.

更に、本実施形態に係る固体撮像装置は、ゲイン切換端子510に入力された信号のレベルを反転する反転手段600と、スイッチ521a及び521bとを含んでいる。スイッチ521aは、増幅回路520aと垂直信号線502との間に介挿され、スイッチ521bは、増幅回路520bと垂直信号線502との間に介挿されている。ゲイン切換端子510は、スイッチ521aに接続されると共に、反転手段600を介して他方のスイッチ521bに接続されている。スイッチ521a及び521bは、例えば、入力信号のレベルがHighレベルのときにオンし、入力信号のレベルがLowレベルのときにオフする。尚、本実施形態において、ゲイン切換端子510と、反転手段600と、スイッチ521a及び521bとは、ゲイン切換手段に相当する。   Furthermore, the solid-state imaging device according to the present embodiment includes inversion means 600 that inverts the level of the signal input to the gain switching terminal 510, and switches 521a and 521b. The switch 521a is interposed between the amplifier circuit 520a and the vertical signal line 502, and the switch 521b is interposed between the amplifier circuit 520b and the vertical signal line 502. The gain switching terminal 510 is connected to the switch 521a and is connected to the other switch 521b via the inverting means 600. For example, the switches 521a and 521b are turned on when the level of the input signal is High, and are turned off when the level of the input signal is Low. In the present embodiment, the gain switching terminal 510, the inverting means 600, and the switches 521a and 521b correspond to the gain switching means.

ここで、列信号増幅手段505のゲイン切り換えについて説明する。   Here, the gain switching of the column signal amplification means 505 will be described.

まず、ゲイン切換端子510にLowレベルの信号が入力された場合(以下、「標準モード」という場合がある)、列信号増幅手段505のゲインとして、増幅回路520aのゲインA倍が選択される。   First, when a low level signal is input to the gain switching terminal 510 (hereinafter sometimes referred to as “standard mode”), the gain A of the amplifier circuit 520a is selected as the gain of the column signal amplifier 505.

より詳細には、ゲイン切換端子510にLowレベルの信号が入力された場合には、反転手段600は、Highレベルの信号を出力するため、スイッチ521aがオンし、スイッチ521がオフする。したがって、増幅回路520aのみが垂直信号線502に接続され、他方の増幅回路520bは、垂直信号線502から切断される。すなわち、ゲインがA倍である信号経路が導通し、ゲインが(A×A)倍である信号経路が切断される。   More specifically, when a low level signal is input to the gain switching terminal 510, the inversion means 600 outputs a high level signal, so that the switch 521a is turned on and the switch 521 is turned off. Therefore, only the amplifier circuit 520 a is connected to the vertical signal line 502, and the other amplifier circuit 520 b is disconnected from the vertical signal line 502. That is, the signal path having a gain of A times is conducted, and the signal path having a gain of (A × A) times is disconnected.

一方、ゲイン切換端子510にHighレベルの信号が入力された場合(以下、「高ゲインモード」という場合がある)、列信号増幅手段505のゲインとして、増幅回路520bのゲイン(A×A)倍が選択される。   On the other hand, when a high level signal is input to the gain switching terminal 510 (hereinafter sometimes referred to as “high gain mode”), the gain of the amplification circuit 520b is multiplied by the gain (A × A) as the gain of the column signal amplification means 505. Is selected.

より詳細には、ゲイン切換端子510にHighレベルの信号が入力された場合には、反転手段600は、Lowレベルの信号を出力するため、スイッチ521aがオフし、スイッチ521bがオンする。したがって、増幅回路520aは、垂直信号線502から切断され、他方の増幅回路520bのみが垂直信号線502に接続される。すなわち、ゲインがA倍である信号経路が切断され、ゲインが(A×A)倍である信号経路が導通する。   More specifically, when a high level signal is input to the gain switching terminal 510, the inversion means 600 outputs a low level signal, so that the switch 521a is turned off and the switch 521b is turned on. Therefore, the amplifier circuit 520a is disconnected from the vertical signal line 502, and only the other amplifier circuit 520b is connected to the vertical signal line 502. That is, the signal path having a gain of A times is disconnected, and the signal path having a gain of (A × A) times is conducted.

以上のように、本実施形態に係る固体撮像装置は、列信号増幅手段505のゲイン(以下、「カラムアンプゲイン」という場合がある)自体を変化させることができる点に特徴を有する。   As described above, the solid-state imaging device according to the present embodiment is characterized in that the gain of the column signal amplification unit 505 (hereinafter sometimes referred to as “column amplifier gain”) can be changed.

次に、図3A〜図3Cを参照しながら、カラムアンプゲインを増加することと同時に、低ノイズ化が実現できることの技術的根拠を説明する。   Next, with reference to FIGS. 3A to 3C, the technical basis that noise reduction can be realized simultaneously with increasing the column amplifier gain will be described.

図3Aは、固体撮像装置における1つの信号経路を模式的に示す図である。また、図3Bは、出力アンプゲインを増加した場合の信号及びノイズのレベルを示す図であり、図3Cは、カラムアンプゲインを増加した場合の信号及びノイズのレベルを示す図である。尚、図3B及び図3Cにおいては、固体撮像装置から出力される画素信号が同一振幅を有するように設定されている場合を想定する。   FIG. 3A is a diagram schematically illustrating one signal path in the solid-state imaging device. FIG. 3B is a diagram illustrating a signal and noise level when the output amplifier gain is increased, and FIG. 3C is a diagram illustrating a signal and noise level when the column amplifier gain is increased. In FIGS. 3B and 3C, it is assumed that the pixel signals output from the solid-state imaging device are set to have the same amplitude.

図3Aは、単位画素501から出力された信号が、垂直信号線502、列信号増幅手段505、ノイズ除去回路506a及び水平信号線507を順に通過して、出力アンプ508から出力されるまでの経路を示す。ここで、単位画素501から垂直信号線502に信号が出力される点をα点とし、ノイズ除去回路506aから水平信号線に信号が出力される点をβ点とし、信号が出力アンプ508から出力される点をθ点とする。   FIG. 3A shows a path from the signal output from the unit pixel 501 to the output from the output amplifier 508 through the vertical signal line 502, the column signal amplification means 505, the noise removal circuit 506a, and the horizontal signal line 507 in order. Indicates. Here, a point at which a signal is output from the unit pixel 501 to the vertical signal line 502 is defined as α point, a point at which a signal is output from the noise removal circuit 506a to the horizontal signal line is defined as β point, and the signal is output from the output amplifier 508. Let the point to be the θ point.

まず、出力アンプゲインのみを増加することによって、画素信号を増幅する場合について説明する。図3Bに示されるように、α点における信号には、画素部ノイズNpixが付加される。また、β点における信号には、ノイズ除去回路506aにおいてCDS部ノイズNcdsが付加される。その後、β点における信号は、出力アンプ508によって、Gout倍されるが、画素信号の振幅のみならず、画素ノイズNpix及びCDS部ノイズNcdsのレベルもまた、それぞれGout倍に増幅される。   First, a case where the pixel signal is amplified by increasing only the output amplifier gain will be described. As shown in FIG. 3B, pixel portion noise Npix is added to the signal at the point α. Further, the CDS noise Ncds is added to the signal at the point β by the noise removal circuit 506a. Thereafter, the signal at the point β is multiplied by Gout by the output amplifier 508, but not only the amplitude of the pixel signal but also the levels of the pixel noise Npix and the CDS unit noise Ncds are each amplified by Gout times.

一方、カラムアンプゲインのみを増加することによって、画素信号を増幅する場合について説明する。図3Cに示されるように、列信号増幅手段505のゲインを増加する場合、単位画素501から出力された信号は、β点に至るまでに出力レベルまで増幅される。この場合、列信号増幅手段505によって、画素ノイズNpixのレベルもまたGclum倍に増幅されるが、β点における画素部に起因するノイズのレベルは、図3Bのθ点におけるレベルと同一である。その後、画素信号には、ノイズ除去回路においてCDS部ノイズNcdsが付加されるが、信号は、既に必要な出力レベル(信号振幅)に達しているため、出力アンプ508は、入力される信号及びノイズを増幅する必要がない。   On the other hand, a case where the pixel signal is amplified by increasing only the column amplifier gain will be described. As shown in FIG. 3C, when increasing the gain of the column signal amplification means 505, the signal output from the unit pixel 501 is amplified to the output level before reaching the β point. In this case, the level of the pixel noise Npix is also amplified by Gcolumn times by the column signal amplifying unit 505, but the level of noise caused by the pixel portion at the β point is the same as the level at the θ point in FIG. 3B. Thereafter, the CDS noise Ncds is added to the pixel signal in the noise removal circuit. However, since the signal has already reached the required output level (signal amplitude), the output amplifier 508 receives the input signal and noise. There is no need to amplify.

したがって、列信号増幅手段505のゲインを増加することによって、ノイズ除去回路506aに起因するノイズのレベルを、出力アンプゲインGoutの逆数倍(1/Gout倍)に低減することが可能となる。   Therefore, by increasing the gain of the column signal amplifying unit 505, the level of noise caused by the noise removal circuit 506a can be reduced to an inverse number (1 / Gout times) of the output amplifier gain Gout.

以上のように、本実施形態に係る固体撮像装置によれば、ゲイン切換端子510にHighレベルの信号が入力された場合(高ゲインモード)は、列信号増幅手段505のゲインが(A×A)倍に設定される。したがって、ゲインを増加することによって、固体撮像装置の感度を向上させると共に、ノイズ除去回路506aに起因するノイズを低減することが可能となる。   As described above, according to the solid-state imaging device according to the present embodiment, when a high-level signal is input to the gain switching terminal 510 (high gain mode), the gain of the column signal amplification unit 505 is (A × A ) Is set to double. Therefore, by increasing the gain, it is possible to improve the sensitivity of the solid-state imaging device and reduce noise caused by the noise removal circuit 506a.

尚、本実施形態においては、1つのゲイン切換端子に、2値の信号を入力することによって、ゲインを2段階に切り換える固体撮像装置について説明したが、ゲイン切換端子の数、ゲイン切換端子に入力される信号の種類、ゲインの切り換え段数は、上述の例に限定されるものではない。   In the present embodiment, the solid-state imaging device that switches the gain in two stages by inputting a binary signal to one gain switching terminal has been described. However, the number of gain switching terminals and the input to the gain switching terminal are described. The type of signal to be performed and the number of gain switching stages are not limited to the above example.

また、本実施形態においては、説明の便宜のために、回路構成を特定しているが、各部の回路構成は特に限定されない。特に、本実施形態のように複数の増幅回路を含む列信号増幅部を設ける代わりに、ゲイン切り換えが可能な単一の増幅回路を含む列信号増幅部を用いて、ゲイン切換端子に入力される信号に従って、ゲインを切り換えるように制御しても良い。   In the present embodiment, the circuit configuration is specified for convenience of explanation, but the circuit configuration of each unit is not particularly limited. In particular, instead of providing a column signal amplification unit including a plurality of amplification circuits as in the present embodiment, a column signal amplification unit including a single amplification circuit capable of gain switching is used to input to the gain switching terminal. Control may be made so that the gain is switched in accordance with the signal.

更に、本実施形態においては、ゲイン切換端子と、スイッチと、反転手段とを用いてゲイン切換手段が構成されているが、ゲイン切換手段は、ゲイン切換端子に入力された信号に従って、列信号増幅手段のゲインを切り換えることができるように構成されていれば良い。   Furthermore, in the present embodiment, the gain switching means is configured by using the gain switching terminal, the switch, and the inverting means. However, the gain switching means performs the column signal amplification according to the signal input to the gain switching terminal. What is necessary is just to be comprised so that the gain of a means can be switched.

(第2の実施形態)
図4は、本発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す図である。図4に示される固体撮像装置500bの基本的な構成は、第1の実施形態に係るものと同様であるので、以下においては、本実施形態と第1の実施形態との相違点を中心に説明する。
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of a solid-state imaging apparatus according to the second embodiment of the present invention. Since the basic configuration of the solid-state imaging device 500b shown in FIG. 4 is the same as that according to the first embodiment, the following description will focus on the differences between the present embodiment and the first embodiment. explain.

本実施形態に係る固体撮像装置500bは、ノイズ除去回路506bに、列信号増幅手段505で増幅された信号に加えて、蓄積容量切換端子511から信号が入力される点に特徴を有する。固体撮像装置500bは、蓄積容量切換端子511から入力された信号に従って、ノイズ除去回路506b内の蓄積容量を切り換えることができる。尚、蓄積容量の切り換えによる効果については後述する。   The solid-state imaging device 500b according to the present embodiment is characterized in that a signal is input from the storage capacitor switching terminal 511 to the noise removal circuit 506b in addition to the signal amplified by the column signal amplification unit 505. The solid-state imaging device 500b can switch the storage capacitor in the noise removal circuit 506b in accordance with the signal input from the storage capacitor switching terminal 511. The effect of switching the storage capacity will be described later.

図5は、図4に示されるB部分の詳細を示す図である。図5に示されるように、列信号増幅手段505の構成は、第1の実施形態に係る構成(図2)と同様であるので、以下での説明を省略する。   FIG. 5 is a diagram showing details of a portion B shown in FIG. As shown in FIG. 5, the configuration of the column signal amplifying unit 505 is the same as the configuration according to the first embodiment (FIG. 2), and the description thereof will be omitted.

ノイズ除去回路506bは、クランプキャパシタ610a及び610bと、サンプリングキャパシタ612と、クランプスイッチ613とを含む。クランプキャパシタ610a及び610bは、それぞれ異なる容量を有し、並列に接続される。一例として、クランプキャパシタ610aの容量Ccpに対して、クランプキャパシタの容量を(Ccp×2)に設定しても良い。クランプキャパシタ610a及び610bは、それぞれスイッチ621a及び621bを介して、列信号増幅手段505に接続されている。また、サンプリングキャパシタ612は、クランプスイッチ613を介してクランプ電源611に接続されている。尚、本実施形態において、クランプキャパシタ610a及び610bは、第1蓄積部に相当し、サンプリングキャパシタ612は、第2蓄積部に相当する。   The noise removal circuit 506b includes clamp capacitors 610a and 610b, a sampling capacitor 612, and a clamp switch 613. The clamp capacitors 610a and 610b have different capacitances and are connected in parallel. As an example, the capacitance of the clamp capacitor may be set to (Ccp × 2) with respect to the capacitance Ccp of the clamp capacitor 610a. The clamp capacitors 610a and 610b are connected to the column signal amplifying means 505 via switches 621a and 621b, respectively. The sampling capacitor 612 is connected to a clamp power source 611 via a clamp switch 613. In the present embodiment, the clamp capacitors 610a and 610b correspond to the first storage unit, and the sampling capacitor 612 corresponds to the second storage unit.

更に、ノイズ除去回路506bは、蓄積容量切換端子511に入力された信号のレベルを反転する反転手段601と、スイッチ621a及び621bとを含んでいる。スイッチ621aは、クランプキャパシタ610aと列信号増幅手段505との間に介挿され、スイッチ621bは、クランプキャパシタ610bと列信号増幅手段505との間に介挿されている。蓄積容量切換端子511は、スイッチ621aに接続されると共に、反転手段601を介して他方のスイッチ621bに接続されている。スイッチ621a及び621bは、入力信号のレベルに応じて、スイッチ521a及び521bと同様にオンまたはオフする。尚、本実施形態において、蓄積容量切換端子511と、反転手段601と、スイッチ621a及び621bとは、蓄積容量切換手段に相当する。   Further, the noise removal circuit 506b includes an inverting means 601 for inverting the level of the signal input to the storage capacitor switching terminal 511, and switches 621a and 621b. The switch 621a is interposed between the clamp capacitor 610a and the column signal amplification means 505, and the switch 621b is interposed between the clamp capacitor 610b and the column signal amplification means 505. The storage capacitor switching terminal 511 is connected to the switch 621 a and is connected to the other switch 621 b through the inverting means 601. The switches 621a and 621b are turned on or off in the same manner as the switches 521a and 521b depending on the level of the input signal. In the present embodiment, the storage capacitor switching terminal 511, the inverting means 601, and the switches 621a and 621b correspond to storage capacity switching means.

蓄積容量切換端子511には、ノイズ除去回路506bのクランプ容量を切り換えるための信号が入力される。例えば、蓄積容量切換端子511に入力される2値信号(HighまたはLow)の各々に対応して、ノイズ除去回路506bのクランプ容量は、2段階に切り換えられる。   A signal for switching the clamp capacitor of the noise removal circuit 506b is input to the storage capacitor switching terminal 511. For example, the clamp capacitor of the noise removal circuit 506b is switched in two steps corresponding to each of the binary signals (High or Low) input to the storage capacitor switching terminal 511.

まず、蓄積容量切換端子511にLowレベルの信号が入力された場合(標準状態)、反転手段601は、Highレベルの信号を出力するため、クランプキャパシタ610aが列信号増幅手段505に電気的に接続され、他方のクランプキャパシタ610bは、列信号増幅手段505から切断される。   First, when a low level signal is input to the storage capacitor switching terminal 511 (standard state), the inversion means 601 outputs a high level signal, so the clamp capacitor 610a is electrically connected to the column signal amplification means 505. The other clamp capacitor 610b is disconnected from the column signal amplification means 505.

反対に、蓄積容量切換端子511にHighレベルの信号が入力された場合(高ゲインモードとする)、反転手段601は、Lowレベルの信号を出力するため、クランプキャパシタ610aは、列信号増幅手段505から切断され、他方のクランプキャパシタ610bは、列信号増幅手段505に電気的に接続される。   On the other hand, when a high level signal is input to the storage capacitor switching terminal 511 (high gain mode), the inverting means 601 outputs a low level signal, so that the clamp capacitor 610a is connected to the column signal amplifying means 505. The other clamp capacitor 610b is electrically connected to the column signal amplification means 505.

以上説明したように、本実施形態に係る固体撮像装置500bは、ノイズ除去回路506bに含まれるクランプキャパシタとサンプリングキャパシタとの容量比を変化させることによって、ゲインを変化させる点に特徴を有する。   As described above, the solid-state imaging device 500b according to the present embodiment is characterized in that the gain is changed by changing the capacitance ratio between the clamp capacitor and the sampling capacitor included in the noise removal circuit 506b.

次に、図6A及び図6Bを参照しながら、ノイズ除去回路506bの動作原理と、蓄積容量切り換えによる効果とを説明する。   Next, the operation principle of the noise removal circuit 506b and the effect of switching the storage capacitor will be described with reference to FIGS. 6A and 6B.

図6Aは、ノイズ除去回路の概略構成を示す図であり、図6Bは、ノイズ除去回路に供給される信号のタイミングを示す図である。   FIG. 6A is a diagram illustrating a schematic configuration of the noise removal circuit, and FIG. 6B is a diagram illustrating timing of signals supplied to the noise removal circuit.

図6Aに示されるノイズ除去回路506bは、列信号増幅手段505から出力される信号をクランプするためのクランプキャパシタ610と、クランプキャパシタ610の端子電圧を基準電位に設定するためのクランプ電源611と、クランプスイッチ613と、基準電位に対する差分電圧を保持するためのサンプリングキャパシタ612とを含む。   A noise removal circuit 506b shown in FIG. 6A includes a clamp capacitor 610 for clamping a signal output from the column signal amplification unit 505, a clamp power source 611 for setting the terminal voltage of the clamp capacitor 610 to a reference potential, A clamp switch 613 and a sampling capacitor 612 for holding a differential voltage with respect to the reference potential are included.

まず、ノイズ除去回路506bに、列信号増幅手段505を介して画素からのダーク信号(ノイズ成分)が入力される。ダーク信号の入力と同時に、クランプスイッチ613をオンすることによって、サンプリングキャパシタ612は、クランプ電源611から印加されるクランプ電圧を基準電圧として保持する。   First, a dark signal (noise component) from a pixel is input to the noise removal circuit 506b via the column signal amplification unit 505. By turning on the clamp switch 613 simultaneously with the input of the dark signal, the sampling capacitor 612 holds the clamp voltage applied from the clamp power supply 611 as a reference voltage.

次に、クランプスイッチ113をオフすると同時に、クランプキャパシタ610には、光入射時に単位画素が出力した信号を増幅することによって得られた信号が列信号増幅手段505から入力される。   Next, simultaneously with turning off the clamp switch 113, a signal obtained by amplifying a signal output from the unit pixel at the time of incident light is input from the column signal amplifying unit 505 to the clamp capacitor 610.

この結果、サンプリングキャパシタ612は、クランプ電圧(ノイズ成分)から光入射時の信号分だけ変化した電圧を保持するので、ノイズが除去された差分の信号(A点の信号)を出力する。   As a result, the sampling capacitor 612 holds the voltage that has changed from the clamp voltage (noise component) by the amount of the signal at the time of light incidence, and thus outputs a differential signal (signal at point A) from which noise has been removed.

ここで、列信号増幅手段505から出力される信号の電圧をVinとし、図6Aに示されるA点における振幅をVoutとすると、上記のように動作するノイズ除去回路506bにおいて、Voutは、容量分配に従って、次の数1のように表される。

Figure 2007181088
数1から明らかなように、クランプキャパシタ610のクランプ容量Ccpが増加するにつれて、Voutの減衰量が小さくなる。 Here, assuming that the voltage of the signal output from the column signal amplifying unit 505 is Vin and the amplitude at the point A shown in FIG. 6A is Vout, in the noise removing circuit 506b operating as described above, Vout is capacity distribution. Is expressed as the following equation (1).
Figure 2007181088
As apparent from Equation 1, as the clamp capacitance Ccp of the clamp capacitor 610 increases, the attenuation amount of Vout decreases.

また、列信号増幅手段505がクランプキャパシタ610に充電する際に生じるkTCノイズは、次の数2のように表される。

Figure 2007181088
よって、クランプ容量Ccpを大きくすることによって、kTCノイズを低減することができる。 Further, kTC noise generated when the column signal amplifying unit 505 charges the clamp capacitor 610 is expressed by the following equation (2).
Figure 2007181088
Therefore, kTC noise can be reduced by increasing the clamp capacitance Ccp.

ただし、クランプ容量Ccpが増加すると、列信号増幅手段505がクランプキャパシタ610に充電するために要する充電時間が増加する。それ故、単にクランプ容量が増加されたノイズ除去回路506bは、列信号増幅手段505の電流供給能力によっては、高速撮像に適さない場合がある。そこで、本実施形態に係る固体撮像装置のように、撮像の目的に応じて、クランプ容量を切り換え可能であることが特に重要である。   However, when the clamp capacitor Ccp increases, the charging time required for the column signal amplifier 505 to charge the clamp capacitor 610 increases. Therefore, the noise removal circuit 506b in which the clamp capacitance is simply increased may not be suitable for high-speed imaging depending on the current supply capability of the column signal amplification unit 505. Therefore, it is particularly important that the clamp capacity can be switched according to the purpose of imaging as in the solid-state imaging device according to the present embodiment.

ここで、クランプ容量が単に増加されたノイズ除去回路が、列信号増幅手段505の電流供給能力によっては、高速撮像に適さない場合について、詳細を説明する。   Here, details will be described for a case where the noise removal circuit in which the clamp capacitance is simply increased is not suitable for high-speed imaging depending on the current supply capability of the column signal amplification means 505.

例えば、クランプ容量Ccpが9pFである場合と3pFである場合を想定する。また、サンプリングキャパシタ612のサンプリング容量Cspは、2pFであるとする。   For example, it is assumed that the clamp capacitance Ccp is 9 pF and 3 pF. Further, it is assumed that the sampling capacitor Csp of the sampling capacitor 612 is 2 pF.

まず、クランプ容量Ccpが9pFである場合、Ccp及びCspの値を上記の数1に代入することによって、Voutは、次の数3のように表される。

Figure 2007181088
First, when the clamp capacitance Ccp is 9 pF, by substituting the values of Ccp and Csp into the above equation 1, Vout is expressed as the following equation 3.
Figure 2007181088

次に、クランプ容量Ccpが3pFである場合、Ccp及びCspの値を上記の数1に代入することによって、Voutは、次の数4のように表される。

Figure 2007181088
Next, when the clamp capacitance Ccp is 3 pF, by substituting the values of Ccp and Csp into the above equation 1, Vout is expressed as the following equation 4.
Figure 2007181088

尚、垂直信号線の抵抗値Rを100Ωとすると、クランプ容量Ccpが9pFである場合の時定数Tは、0.9nsである。一方、クランプ容量Ccpが3pFである場合の時定数Tは、0.3nsである。   If the resistance value R of the vertical signal line is 100Ω, the time constant T when the clamp capacitance Ccp is 9 pF is 0.9 ns. On the other hand, the time constant T when the clamp capacitance Ccp is 3 pF is 0.3 ns.

時定数Tは、水平ブランキング期間の行信号転送期間に影響する。したがって、この時定数Tが大きい場合、水平ブランキング期間が長くなるので、1フレームの画像を構成するために要する時間が長くなる。よって、クランプ容量の増加は、高速化に対して影響をもたらす。   The time constant T affects the row signal transfer period in the horizontal blanking period. Therefore, when this time constant T is large, the horizontal blanking period becomes long, so that the time required to construct an image of one frame becomes long. Therefore, an increase in clamp capacity has an effect on speeding up.

以上説明したように、クランプ容量が単に増加されたノイズ除去回路は、列信号増幅手段の電流供給能力によっては、高速撮像に向かない場合がある。しかしながら、本実施形態に係る固体撮像装置は、撮像目的に応じて、クランプ容量を切り換えることができるので、列信号増幅手段の採用の有無にかかわらず、ゲインを可変にすることができるという優れた特性を備えている。   As described above, the noise removal circuit in which the clamp capacitance is simply increased may not be suitable for high-speed imaging depending on the current supply capability of the column signal amplification means. However, since the solid-state imaging device according to the present embodiment can switch the clamp capacitance according to the imaging purpose, the gain can be made variable regardless of whether or not the column signal amplification means is employed. It has characteristics.

尚、本実施形態においては、1つの蓄積容量切換端子に、2値の信号を入力することによって、蓄積容量を2段階に切り換える固体撮像装置について説明したが、蓄積容量切換端子の数、蓄積容量切換端子に入力される信号の種類、蓄積容量の切り換え段数は、上述の例に限定されるものではない。   In the present embodiment, the solid-state imaging device that switches the storage capacity in two stages by inputting a binary signal to one storage capacity switching terminal has been described. However, the number of storage capacity switching terminals, the storage capacity, The type of signal input to the switching terminal and the number of storage capacitor switching stages are not limited to the above example.

以下においては、列信号増幅手段505のゲインと、ノイズ除去回路506bのクランプ容量とを併せて切り換えることの利点について説明する。列信号増幅手段505のゲインの切り換え機能と、ノイズ除去回路506bのクランプ容量の切り換え機能とを併用することによって、本実施形態に係る固体撮像装置は、あらゆる撮像目的に対応することができる。

Figure 2007181088
Hereinafter, an advantage of switching the gain of the column signal amplifying unit 505 and the clamp capacitor of the noise removing circuit 506b together will be described. By using the gain switching function of the column signal amplifying means 505 and the clamp capacity switching function of the noise removal circuit 506b in combination, the solid-state imaging device according to the present embodiment can cope with any imaging purpose.
Figure 2007181088

表1は、列信号増幅手段のゲイン及びクランプ容量の組み合わせと、撮像目的との対応を示す。表1に示されるように、撮像目的に応じて、列信号増幅手段のゲインとクランプ容量とを独立して切り換え可能であることが好ましい例である。しかしながら、固体撮像装置の外部から入力することができる制御信号の数に限りがある場合には、次の表2に示されるように、列信号増幅手段のゲインとクランプ容量との組み合わせを2種類に限定しても良い。この場合、列信号増幅手段のゲインと、クランプ容量とは、同時に制御されても良い。また、1つの端子を、ゲイン切換端子及び蓄積容量切換端子として共用しても良い。

Figure 2007181088
Table 1 shows the correspondence between the combination of the gain and clamp capacity of the column signal amplification means and the imaging purpose. As shown in Table 1, it is preferable that the gain of the column signal amplification means and the clamp capacity can be switched independently according to the imaging purpose. However, when the number of control signals that can be input from the outside of the solid-state imaging device is limited, as shown in the following Table 2, there are two types of combinations of the gain of the column signal amplification means and the clamp capacitance. You may limit to. In this case, the gain of the column signal amplification means and the clamp capacity may be controlled simultaneously. One terminal may be shared as a gain switching terminal and a storage capacitor switching terminal.
Figure 2007181088

更に、列信号増幅手段のゲインを切り換える機能と、クランプ容量を切り換える機能との共通点及び相違点を説明する。列信号(根元信号)を増幅する際のゲインを調整するという点については、両方の機能に共通する。ただし、列信号増幅手段のゲインを切り換える機能が、積極的にゲインを増加することを主目的とするのに対し、クランプ容量を切り換える機能は、ゲインの減衰量を調整することを主目的とする。したがって、一般的には、ゲイン切換によるノイズ低減効果は、クランプ容量切り換えによるものより大きいと言える。   Further, common points and differences between the function of switching the gain of the column signal amplification means and the function of switching the clamp capacitance will be described. The point of adjusting the gain when a column signal (base signal) is amplified is common to both functions. However, the function of switching the gain of the column signal amplifying means is mainly intended to positively increase the gain, whereas the function of switching the clamp capacity is mainly intended to adjust the gain attenuation. . Therefore, in general, it can be said that the noise reduction effect by gain switching is greater than that by clamp capacitance switching.

更に、クランプ容量を大きくすることによって読み出し時間が長くなる点を考慮すれば、一般的には、列信号増幅手段のゲインの切り換えは、クランプ容量の切り換えより、高速な撮像動作の観点で優れていると言える。しかしながら、クランプ容量を切り換える機能は、列信号増幅手段の採用の有無にかかわらず、ゲインを調整することができる点で利点を有する。   Furthermore, considering the fact that the readout time is increased by increasing the clamp capacity, in general, the switching of the gain of the column signal amplification means is superior from the viewpoint of high-speed imaging operation than the switching of the clamping capacity. I can say that. However, the function of switching the clamp capacitor has an advantage in that the gain can be adjusted regardless of whether or not the column signal amplification means is employed.

更に、本実施形態においては、蓄積容量切換端子と、スイッチと、反転手段とによって、蓄積容量切換手段が構成されているが、蓄積容量切換手段は、蓄積容量切換端子に入力された信号に従って、蓄積容量を切り換えることができるように構成されていれば良い。   Furthermore, in the present embodiment, the storage capacitor switching means is constituted by the storage capacitor switching terminal, the switch, and the inverting means, but the storage capacitor switching means is configured according to the signal input to the storage capacitor switching terminal. What is necessary is just to be comprised so that storage capacity can be switched.

更に、本実施形態に係る固体撮像装置の代わりに、蓄積容量切り換え機能のみを備える固体撮像装置を構成しても良い。すなわち、固体撮像装置は、2次元状に配列される複数の単位画素と、同一列に整列する単位画素の各々に電気的に接続され、単位画素から出力される信号を保持する蓄積手段を含み、かつ、単位画素から出力される信号に含まれるノイズを除去するノイズ除去回路と、蓄積手段の容量を切り換える蓄積容量切り換え手段とを備えていれば良い。このような構成によれば、列信号増幅手段の有無に関わらず、上述したように、ゲインの減衰量を調整することが可能となる。   Furthermore, instead of the solid-state imaging device according to the present embodiment, a solid-state imaging device having only a storage capacity switching function may be configured. That is, the solid-state imaging device includes a plurality of unit pixels arranged in a two-dimensional manner and storage means that is electrically connected to each of the unit pixels aligned in the same column and holds a signal output from the unit pixel. In addition, a noise removal circuit that removes noise included in the signal output from the unit pixel and a storage capacitor switching unit that switches the capacity of the storage unit may be provided. According to such a configuration, the gain attenuation can be adjusted as described above regardless of the presence or absence of the column signal amplification means.

(第3の実施形態)
図7は、本発明の第3の実施形態に係るカメラシステムの概略構成を示す図である。より具体的には、カラムアンプゲインを制御可能なカメラシステムの概略構成を示す図である。尚、カメラシステムとは、種々の用途のカメラ、画像入力機器、これらを備える装置を含む意味である。
(Third embodiment)
FIG. 7 is a diagram showing a schematic configuration of a camera system according to the third embodiment of the present invention. More specifically, it is a diagram showing a schematic configuration of a camera system capable of controlling the column amplifier gain. The camera system is meant to include cameras for various uses, image input devices, and devices including these.

カメラシステム699は、チップ上に形成された第2の実施形態に係る固体撮像装置500bと、ISO感度設定機構700と、照度センサ701と、ヘッドライトスイッチ702と、CDS/AD変換部703と、DSP(信号処理部)704とを備える。   The camera system 699 includes a solid-state imaging device 500b according to the second embodiment formed on a chip, an ISO sensitivity setting mechanism 700, an illuminance sensor 701, a headlight switch 702, a CDS / AD conversion unit 703, A DSP (signal processing unit) 704.

固体撮像装置500bのゲイン切換端子510及び蓄積容量切換端子511には、ISO感度設定機構700、照度センサ701及びヘッドライトスイッチ702から、手動操作によって、あるいは、自動的に制御信号が入力される。第2の実施形態において説明したように、固体撮像装置500bは、入力された制御信号に従って、カラムアンプゲイン及びクランプ容量の少なくとも一方を切り換えることができる。   A control signal is input manually or automatically from the ISO sensitivity setting mechanism 700, the illuminance sensor 701, and the headlight switch 702 to the gain switching terminal 510 and the storage capacitor switching terminal 511 of the solid-state imaging device 500b. As described in the second embodiment, the solid-state imaging device 500b can switch at least one of the column amplifier gain and the clamp capacitor in accordance with the input control signal.

CDS/AD変換部703は、固体撮像装置500bの信号出力端子509から出力された画像情報をディジタル情報に変換する。   The CDS / AD conversion unit 703 converts the image information output from the signal output terminal 509 of the solid-state imaging device 500b into digital information.

DSP704は、CDS/AD変換部703から出力されたディジタル情報に対して所定の信号処理を施し、信号処理が施された情報を画像として出力する。   The DSP 704 performs predetermined signal processing on the digital information output from the CDS / AD conversion unit 703, and outputs the information subjected to the signal processing as an image.

ISO感度設定機構700は、感度設定に応じた制御信号を出力する。したがって、ISO感度設定機構700を用いることによって、低照度下の被写体を低ノイズで撮像する場合と、高照度下の被写体をダイナミックレンジを優先して撮像する場合とを切り換えることが可能となる。   The ISO sensitivity setting mechanism 700 outputs a control signal corresponding to the sensitivity setting. Therefore, by using the ISO sensitivity setting mechanism 700, it is possible to switch between imaging a subject under low illuminance with low noise and imaging a subject under high illuminance giving priority to the dynamic range.

また、照度センサ701は、照度を検出し、検出された照度に応じた制御信号を出力する。したがって照度センサ701を用いることによって、照度に応じたゲインおよびクランプ容量を設定することが可能となる。   The illuminance sensor 701 detects illuminance and outputs a control signal corresponding to the detected illuminance. Therefore, by using the illuminance sensor 701, it is possible to set a gain and a clamp capacity according to the illuminance.

あるいは、カメラシステム699を車載用途に用いる場合、ヘッドライトスイッチ702を、ヘッドライト800の制御のためと、固体撮像装置500bの撮像状態切換のためとに兼用しても良い。   Alternatively, when the camera system 699 is used for in-vehicle use, the headlight switch 702 may be used both for controlling the headlight 800 and for switching the imaging state of the solid-state imaging device 500b.

尚、本実施形態に係るカメラシステム699は、ISO感度設定機構700と、照度センサ701と、ヘッドライトスイッチ702との全てが制御信号を出力するように構成されているが、カメラシステム699は、いずれか1つのみ備えていても良い。   The camera system 699 according to the present embodiment is configured such that all of the ISO sensitivity setting mechanism 700, the illuminance sensor 701, and the headlight switch 702 output control signals. Only one of them may be provided.

また、ISO感度設定機構700と、照度センサ701と、ヘッドライトスイッチ702等の感度設定手段から出力される制御信号は、2値の信号であっても、連続信号でも良い。また、制御信号の段階数は、特に限定されない。   In addition, the control signal output from the ISO sensitivity setting mechanism 700, the illuminance sensor 701, and the sensitivity setting means such as the headlight switch 702 may be a binary signal or a continuous signal. Further, the number of stages of the control signal is not particularly limited.

更に、本実施形態においては、感度設定手段の具体例として、ISO感度設定機構700と、照度センサ701と、ヘッドライトスイッチ702とを示しているが、カラムアンプゲイン及びクランプ容量を切り換えるために使用できる情報を出力することができれば、他の制御手段が感度設定手段として用いられても良い。   Furthermore, in this embodiment, as a specific example of the sensitivity setting means, an ISO sensitivity setting mechanism 700, an illuminance sensor 701, and a headlight switch 702 are shown, but they are used for switching the column amplifier gain and the clamp capacity. Other control means may be used as the sensitivity setting means as long as possible information can be output.

更に、本実施形態に係るカメラシステムは、蓄積容量切り換え機能のみを備える固体撮像装置を備えていても良い。この場合、感度設定手段から出力される信号は、固体撮像装置の蓄積容量切換端子に入力される。このようなカメラシステムによれば、列信号増幅手段の有無に関わらず、ゲインの減衰量を調整するという効果を奏することができる。   Furthermore, the camera system according to the present embodiment may include a solid-state imaging device having only a storage capacity switching function. In this case, the signal output from the sensitivity setting means is input to the storage capacitor switching terminal of the solid-state imaging device. According to such a camera system, it is possible to achieve an effect of adjusting the gain attenuation regardless of the presence or absence of the column signal amplification means.

本発明に係る固体撮像装置によれば、従来の固体撮像装置と比べて、特に低照度下における撮像時に大幅にノイズを低減することが可能であるため、画素信号の振幅が小さい場合であっても、高S/N比の画像を撮像することができる。このため、本発明に係る固体撮像装置は、例えば、高級一眼レフタイプのディジタルスチルカメラや、民生用またはプロ用ディジタルスチルカメラに用いられ、かつ、低照度時の高S/N画質を要求されるMOS型固体撮像装置、あるいは、ハイビジョン動画撮像を主目的とする放送用MOS型固体撮像装置、あるいは、天体観測用カメラ、または、車載用カメラなどに特に有用である。   According to the solid-state imaging device according to the present invention, it is possible to significantly reduce noise particularly when imaging under low illuminance as compared with the conventional solid-state imaging device. Also, an image with a high S / N ratio can be taken. For this reason, the solid-state imaging device according to the present invention is used in, for example, a high-quality single-lens reflex digital still camera, a consumer or professional digital still camera, and is required to have a high S / N image quality at low illuminance. This is particularly useful for a MOS solid-state imaging device, a broadcasting MOS solid-state imaging device mainly for high-definition video imaging, an astronomical observation camera, an in-vehicle camera, or the like.

本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す図The figure which shows schematic structure of the solid-state imaging device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 図1に示されるA部分の詳細を示す図The figure which shows the detail of A part shown by FIG. 固体撮像装置における1つの信号経路を模式的に示す図The figure which shows typically one signal path | route in a solid-state imaging device 出力アンプゲインを増加した場合の信号及びノイズのレベルを示す図Diagram showing signal and noise levels when output amplifier gain is increased カラムアンプゲインを増加した場合の信号及びノイズのレベルを示す図Diagram showing signal and noise levels when increasing column amplifier gain 本発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す図The figure which shows schematic structure of the solid-state imaging device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 図4に示されるB部分の詳細を示す図The figure which shows the detail of B part shown by FIG. ノイズ除去回路の概略構成を示す図The figure which shows schematic structure of a noise removal circuit ノイズ除去回路に供給される信号のタイミングを示す図The figure which shows the timing of the signal which is supplied to the noise removal circuit 本発明の第3の実施形態に係るカメラシステムの概略構成を示す図The figure which shows schematic structure of the camera system which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 従来のMOS型固体撮像装置の概略図Schematic diagram of a conventional MOS solid-state imaging device 従来のMOS型固体撮像装置における入射光量と出力特性(光電変換特性)との関係を示す図The figure which shows the relationship between the incident light quantity and output characteristic (photoelectric conversion characteristic) in the conventional MOS type solid-state imaging device.

符号の説明Explanation of symbols

500 固体撮像装置
501 単位画素
502 垂直信号線
503 行選択手段
504 列選択手段
505 列信号増幅手段
506 ノイズ除去回路
507 水平信号線
508 出力アンプ
509 信号出力端子
510 ゲイン切換端子
511 蓄積容量切換端子
600、601 反転手段
610 クランプキャパシタ
611 クランプ電源
612 サンプリングキャパシタ
699 カメラシステム
700 ISO感度設定機構
701 照度センサ
702 ヘッドライトスイッチ
703 CDS/AD変換部
704 DSP(信号処理部)
800 ヘッドライト
500 Solid-state imaging device 501 Unit pixel 502 Vertical signal line 503 Row selection means 504 Column selection means 505 Column signal amplification means 506 Noise removal circuit 507 Horizontal signal line 508 Output amplifier 509 Signal output terminal 510 Gain switching terminal 511 Storage capacitor switching terminal 600 601 Inversion means 610 Clamp capacitor 611 Clamp power supply 612 Sampling capacitor 699 Camera system 700 ISO sensitivity setting mechanism 701 Illuminance sensor 702 Headlight switch 703 CDS / AD conversion unit 704 DSP (signal processing unit)
800 headlights

Claims (16)

固体撮像装置であって、
受光素子を含み、2次元状に配列される複数の単位画素と、
前記単位画素の列毎に設けられ、前記単位画素から出力される信号を増幅する列増幅手段と、
前記列増幅手段のゲインを切り換えるゲイン切換手段とを備える、固体撮像装置。
A solid-state imaging device,
A plurality of unit pixels including a light receiving element and arranged two-dimensionally;
A column amplifying unit provided for each column of the unit pixels and amplifying a signal output from the unit pixel;
A solid-state imaging device comprising: gain switching means for switching the gain of the column amplification means.
前記列増幅手段は、各々が異なるゲインを有し、かつ、各々が並列に接続される2以上の増幅回路を含み、
前記ゲイン切換手段は、少なくとも1つのゲイン切換端子を含み、前記ゲイン切換端子に入力される信号に応じて、前記増幅回路の1つを選択することを特徴とする、請求項1に記載の固体撮像装置。
The column amplifying means includes two or more amplifier circuits each having a different gain and each connected in parallel,
2. The solid state according to claim 1, wherein the gain switching means includes at least one gain switching terminal, and selects one of the amplifier circuits according to a signal input to the gain switching terminal. Imaging device.
同一列に整列する複数の単位画素の各々と、前記列増幅手段とに電気的に接続される複数の垂直信号線と、
前記垂直信号線の各々に電気的に接続され、前記列増幅手段から出力される信号に含まれるノイズを除去するノイズ除去回路と、
前記ノイズ除去回路の各々に電気的に接続される水平信号線と、
前記水平信号線に電気的に接続される出力アンプとを更に備える、請求項1または請求項2に記載の固体撮像装置。
Each of a plurality of unit pixels aligned in the same column, and a plurality of vertical signal lines electrically connected to the column amplification means;
A noise removal circuit that is electrically connected to each of the vertical signal lines and removes noise contained in a signal output from the column amplification means;
A horizontal signal line electrically connected to each of the noise removal circuits;
The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising an output amplifier electrically connected to the horizontal signal line.
前記列増幅手段から出力される信号を保持する蓄積手段を含み、かつ、前記列増幅手段から出力される信号に含まれるノイズを除去するノイズ除去回路と、
前記蓄積手段の容量を切り換える蓄積容量切り換え手段とを更に備える、請求項1に記載の固体撮像装置。
A noise removal circuit that includes storage means for holding a signal output from the column amplification means, and that removes noise included in the signal output from the column amplification means;
The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising storage capacity switching means for switching the capacity of the storage means.
前記蓄積手段は、
各々が異なる容量を有し、かつ、各々が並列に接続される2以上の第1蓄積部と、
第2蓄積部とを含み、
前記蓄積容量切り換え手段は、蓄積容量切換端子を含み、前記蓄積容量切換端子に入力される信号に応じて、前記第1蓄積部の1つを選択することを特徴とする、請求項4に記載の固体撮像装置。
The storage means includes
Two or more first storage units each having a different capacity and each connected in parallel;
A second storage unit,
The storage capacitor switching means includes a storage capacitor switching terminal, and selects one of the first storage units according to a signal input to the storage capacitor switching terminal. Solid-state imaging device.
前記ゲイン切換手段と、前記蓄積容量切り換え手段とは、それぞれ独立して制御されることを特徴とする、請求項4または請求項5に記載の固体撮像装置。   6. The solid-state imaging device according to claim 4, wherein the gain switching unit and the storage capacity switching unit are controlled independently of each other. 前記ゲイン切換手段と、前記蓄積容量切り換え手段とは、同時に制御されることを特徴とする、請求項4または請求項5に記載の固体撮像装置。   6. The solid-state imaging device according to claim 4, wherein the gain switching unit and the storage capacity switching unit are controlled simultaneously. 前記固体撮像装置は、MOS型固体撮像装置であることを特徴とする、請求項1から請求項7のいずれかに記載の固体撮像装置。   The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the solid-state imaging device is a MOS solid-state imaging device. カメラシステムであって、
請求項1から請求項8のいずれかに記載の固体撮像装置と、
感度を指定するための制御信号を出力する感度設定手段とを備え、
前記ゲイン切換手段は、前記感度設定手段から出力される制御信号に基づいて、前記列増幅手段のゲインを切り換える、カメラシステム。
A camera system,
A solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 8,
Sensitivity setting means for outputting a control signal for designating sensitivity,
The gain switching means switches the gain of the column amplification means based on a control signal output from the sensitivity setting means.
前記感度設定手段は、照度を検出し、検出された照度に基づいて、前記制御信号を出力することを特徴とする、請求項9に記載のカメラシステム。   The camera system according to claim 9, wherein the sensitivity setting unit detects illuminance and outputs the control signal based on the detected illuminance. 前記カメラシステムは、ライトを有する車両に搭載され、
前記感度設定手段は、前記ライトの点灯及び消灯の切り換えに従って、前記制御信号を出力することを特徴とする、請求項9に記載のカメラシステム。
The camera system is mounted on a vehicle having a light,
The camera system according to claim 9, wherein the sensitivity setting unit outputs the control signal in accordance with switching between turning on and off of the light.
固体撮像装置であって、
受光素子を含み、2次元状に配列される複数の単位画素と、
前記単位画素から出力される信号を保持する蓄積手段を含み、かつ、前記単位画素から出力される信号に含まれるノイズを除去するノイズ除去回路と、
前記蓄積手段の容量を切り換える蓄積容量切り換え手段とを備える、固体撮像装置。
A solid-state imaging device,
A plurality of unit pixels including a light receiving element and arranged two-dimensionally;
A noise removal circuit that includes storage means for holding a signal output from the unit pixel, and that removes noise included in the signal output from the unit pixel;
A solid-state imaging device comprising storage capacity switching means for switching the capacity of the storage means.
前記蓄積手段は、
各々が異なる容量を有し、かつ、各々が並列に接続される2以上の第1蓄積部と、
第2蓄積部とを含み、
前記蓄積容量切り換え手段は、蓄積容量切換端子を含み、前記蓄積容量切換端子に入力される信号に応じて、前記第1蓄積部の1つを選択することを特徴とする、請求項12に記載の固体撮像装置。
The storage means includes
Two or more first storage units each having a different capacity and each connected in parallel;
A second storage unit,
The storage capacitor switching unit includes a storage capacitor switching terminal, and selects one of the first storage units according to a signal input to the storage capacitor switching terminal. Solid-state imaging device.
カメラシステムであって、
請求項12または請求項13のいずれかに記載の固体撮像装置と、
感度を指定するための制御信号を出力する感度設定手段とを備え、
前記蓄積容量切り換え手段は、前記感度設定手段から出力される制御信号に基づいて、前記蓄積手段の容量を切り換える、カメラシステム。
A camera system,
A solid-state imaging device according to claim 12 or 13,
Sensitivity setting means for outputting a control signal for designating sensitivity,
The storage capacity switching means switches the capacity of the storage means based on a control signal output from the sensitivity setting means.
前記感度設定手段は、照度を検出し、検出された照度に基づいて、前記制御信号を出力することを特徴とする、請求項14に記載のカメラシステム。   The camera system according to claim 14, wherein the sensitivity setting unit detects illuminance and outputs the control signal based on the detected illuminance. 前記カメラシステムは、ライトを有する車両に搭載され、
前記感度設定手段は、前記ライトの点灯及び消灯の切り換えに従って、前記制御信号を出力することを特徴とする、請求項14に記載のカメラシステム。
The camera system is mounted on a vehicle having a light,
The camera system according to claim 14, wherein the sensitivity setting unit outputs the control signal in accordance with switching between turning on and off of the light.
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