JP2007195033A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構成で黒沈み現象を抑圧すると共に適切な黒基準レベルを得ることができ、静止画と動画の両撮影モードを有する場合には、静止画撮影モード時に十分な飽和レベルを得ることを可能にした固体撮像装置を提供する。
【解決手段】 増幅手段をもち共通の垂直信号線１に信号出力する複数の画素100 と、クランプ容量Ｃclと一端が電源に他端がクランプ容量に接続されたクランプトランジスタＱ６とクランプ容量の端子間に接続され該端子間電圧により導通又は非導通となるバイパストランジスタＱ９とを有するＣＤＳ回路200 とを備えた固体撮像装置において、クランプトランジスタを、画素のリセット直後は垂直信号線の出力電圧をクランプ電源レベルに対してクランプ容量にクランプするように動作させ、それ以外の期間はクランプトランジスタとクランプ容量の接続ノードをクリップするように動作させる。
【選択図】 図 ４

Description

この発明は、ビデオカメラや電子スチルカメラ等に用いられる固体撮像装置に係り、特に、撮像領域内に増幅器の構造を有する増幅型固体撮像素子を用いた固体撮像装置に関する。

近年、増幅型の固体撮像素子、特にＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor ）型のイメージセンサが注目を集めている。このＭＯＳ型イメージセンサでは、非常に大きな光が入ると、突然、出力信号がなくなり、したがってあたかも光が全く入っていないように、その部分が黒く見えるという現象が生ずることが明らかになっている。この現象を、ここでは黒沈み現象ということにする。

次に、従来のＭＯＳ型イメージセンサの構成について、図１に基づいて説明する。図１において、100 は画素で１画素の回路構成を示しており、200 は画素100 の雑音成分を除去するＣＤＳ回路である。画素100 は、フォトダイオードＰＤと増幅用トランジスタＱ１とリセット用トランジスタＱ２と転送用トランジスタＱ３と選択用トランジスタＱ４とで構成されている。なお、Ｃfdは増幅用トランジスタＱ１のゲート部の容量であり、かかる構成の画素は行列状に複数個配列されている。ＣＤＳ回路200 は、サンプルホールドトランジスタＱ５とクランプトランジスタＱ６とクランプ容量Ｃclとサンプルホールド容量Ｃshとで構成されている。また図１において、１は列方向に配列された画素に共通に接続された垂直信号線、２は垂直信号線に接続された負荷電流源、３は水平信号線、４は出力アンプ、Ｑ７は水平選択トランジスタ、Ｑ８は水平信号線リセットトランジスタ、Ｃh は水平信号３の寄生容量である。

次に、このように構成されているＭＯＳ型イメージセンサの動作及び黒沈み現象について、図２の（Ａ），（Ｂ）の信号波形図（タイミングチャート）を用いて説明する。図２の（Ａ），（Ｂ）は各部の信号波形を示しており、図２の（Ａ）は、通常の光が入射するときの信号波形を示し、図２の（Ｂ）は非常に大きな光が入射したとき（黒沈み現象発生時）の波形を示している。なお、図２の（Ａ），（Ｂ）において、画素出力はＰＩＸout ，ＣＤＳ回路出力はＣＤＳout で示している。

まず、図２の（Ａ）に基づいて、通常の光が入射しているときの動作について説明する。図１のＭＯＳ型イメージセンサにおいて、リセットパルスΦＲＳが画素100 のリセット用トランジスタＱ２のゲートに印加され、リセット用トランジスタＱ２がオンすると、増幅用トランジスタＱ１のゲート部の容量Ｃfdを画素電源ＶＤpix にリセットすると共に、リセット用トランジスタＱ２のオン抵抗による熱雑音（Ｔn1）により、リセット用トランジスタＱ２がオフすると、後述する熱雑音Ｔn2の電圧が増幅用トランジスタＱ１のゲート部の容量Ｃdfに保持され、雑音電圧を発生させる。その結果、その電圧が垂直信号線１の画素出力ＰＩＸout に生じる。このときの電圧を図２の（Ａ）ではＶＤpix'で示している。

また、この電圧ＶＤpix'は、時刻ｔ１で、クランプバルスΦＣＬが“Ｌ”レベルとなり、クランプトランジスタＱ６がオフする時点で、クランプ電圧ＶＣＬを基準としてクランプ容量Ｃclにクランプされる。このとき、ＣＤＳ回路出力ＣＤＳout はクランプ電圧ＶＣＬである。

その後、転送パルスΦＴＲが転送用トランジスタＱ３に印加されると、フォトダイオードＰＤに、光の強さに応じて蓄えられた電荷が増幅用トランジスタＱ１のゲート部の容量Ｃfdに転送され、電圧変化が生じる。この電圧変化によって、増幅用トランジスタＱ１の出力信号すなわち画素出力ＰＩＸout は変化する。図２の（Ａ）では、この変化分をΔＰＩＸで示している。

時刻ｔ２でサンプルホールドパルスΦＳＨが“Ｌ”レベルとなり、サンプルホールドトランジスタＱ５がオフすると、サンプルホールド容量Ｃshは、クランプ電圧ＶＣＬを基準に、画素信号出力の変化分ΔＰＩＸに、クランプ容量Ｃclとサンプルホールド容量Ｃshの比で決まるゲインＧcds 〔＝Ｃcl／（Ｃcl＋Ｃsh）〕を掛けた変化分ΔＣＤＳ変化し、そのレベルが保持され、これがＣＤＳ回路出力となる。

その後、水平選択パルスΦＨが印加され、水平選択トランジスタＱ７がオンすると、水平信号線３に、ホールド容量Ｃshに保持した信号すなわちＣＤＳ回路出力が現れ、出力アンプ４を介して、出力信号ＯＵＴとして取り出される。ここで、水平信号線３は、ホールド容量Ｃshから信号を取り出す前に、水平信号線リセットトランジスタＱ８を水平信号線リセットパルスΦＨＲＳの制御により、水平信号線リセットレベルＶＨＲＳにリセットしている。したがって、このときの出力信号ＯＵＴのレベルをＶＨＲＳ’とすると、光の強さに応じて変化する信号は、図２の（Ａ）に示すように、このレベルＶＨＲＳ’を基準に変化することとなる。その変化分ΔＯＵＴは、ΔＯＵＴ＝ΔＣＤＳ×Ｇh ×Ｇamp で表される。ここで、Ｇh ＝Ｃsh／（Ｃsh＋Ｃｈ）、Ｇamp は出力アンプのゲインである。

次に、上記動作を更に詳しく述べる。リセット用トランジスタＱ２に、１水平期間毎に発生させるリセットパルスΦＲＳを加えて導通させ、増幅用トランジスタＱ１のゲート部の容量Ｃfdの電圧を画素電源ＶＤpix に初期化する。このときに、リセット用トランジスタＱ２の導通抵抗により、帯域幅Ｂ当たりに発生する熱雑音Ｔn1は、次式（１）により求められる。
Ｔn1＝√（４ｋＴＲＢ） ・・・・・・・・（１）
ここで、ｋはボルツマン（Ｂoltzmann）定数、Ｔは絶対温度、Ｒはリセット用トランジスタＱ２の導通抵抗の値である。

この熱雑音Ｔn1は、容量Ｃfdとリセット用トランジスタＱ２の導通抵抗Ｒによって、雑音帯域幅１／（４ＣfdＲ）のローパスフィルタがかけれらる。したがって、リセット用トランジスタＱ２の導通抵抗に拘らず、常に容量Ｃfdにのみ依存した熱雑音Ｔn2が発生する。この熱雑音Ｔn2は、電荷量に換算すると、次式（２）のようになる。
Ｔn2＝√（ｋＴＣfd） ・・・・・・・・（２）

この熱雑音電荷量Ｔn2は、リセット用トランジスタＱ２がオフすると保持され、増幅用トランジスタＱ１により画素信号として、容量Ｃfdのリセット電圧を出力する。その後、転送用トランジスタＱ３に転送パルスΦＴＲを加え、フォトダイオードＰＤに蓄えられた電荷は、増幅用トランジスタＱ１のゲート部の容量Ｃfdに転送され、この容量Ｃfdにより電圧変化を生じさせる。この電圧変化は、増幅用トランジスタＱ１のソースから、先のリセット電圧に重量させた信号電圧ＰＩＸout として導出し、選択用トランジスタＱ４を介して、ＣＤＳ回路200 に入力する。したがって、増幅用トランジスタＱ１の信号転送時の電圧変化（図２の（Ａ）で示す時刻ｔ１とｔ２間の変化）を、いわゆる相関二重サンプリング処理を施すＣＤＳ回路200 により検出することによって、信号成分の電圧のみの検出が可能となり、出力端子ＯＵＴからＳＮ比の良い信号を得ることができる。

ところが、上記構成のＭＯＳ型イメージセンサに太陽の反射光のような飽和光量の数万倍という強い光が入射すると、増幅用トランジスタＱ１の入力部は、非常に強い光による光リークの影響を受ける。すなわち、本来は図２の（Ａ）に示すように、増幅用トランジスタＱ１のゲート部の容量Ｃfdのリセット後（リセットパルスΦＲＳが“Ｌ”レベルとなった時点から転送パルスΦＴＲが“Ｈ”となるまで）、増幅用トランジスタＱ１の出力信号ＰＩＸout は一定電圧になるはずである。ところが実際には、図２の（Ｂ）に示すようにリセットパルスΦＲＳが“Ｌ”レベルとなった後、増幅用トランジスタＱ１のゲート部の容量Ｃfdの電圧が光リークによりどんどん下がり、増幅用トランジスタＱ１により増幅されて得られるはずの信号ＰＩＸout が、図２の（Ｂ）における波形に示すように、下がってしまう。したがって、ＣＤＳ回路200 で時刻ｔ１でクランプされる電圧が低くなり、時刻ｔ１とｔ２間の変化が急激に小さくなるので、雑音低減のための相関２重サンプリング処理がなされると、ある大光量で突然信号がなくなる、という現象が発生してしまう。

図３の（Ａ）は、図２の（Ａ），（Ｂ）に示した時刻ｔ２における画素出力ＰＩＸout とＣＤＳ回路出力ＣＤＳout を入射光量に対して示している。時刻ｔ２における画素出力ＰＩＸout は、入射光量がない（暗時）ときは、増幅用トランジスタＱ１のゲート部の容量Ｃfdのリセット直後のレベルＶＤpix'にほぼ等しく、入射光量が大きくなるにつれて、徐々にレベルが下がっていき、やがて画素が飽和するとそのレベルは一定となる。

一方、時刻ｔ２におけるＣＤＳ回路出力ＣＤＳout は、入射光量がない（暗時）ときは、クランプ電圧ＶＣＬにほぼ等しく、入射光量が大きくなるにつれて、徐々にレベルが下がっていき、やがて画素が飽和すると、そのレベルは一定となる。そして、ある大光量を超えると、上述したように時刻ｔ１とｔ２間の変化が急激に小さくなるので、その２点間の相関２重サンプリング処理出力となるＣＤＳ回路出力ＣＤＳout は、入射光量なないときと同様なレベルになってしまう。

図３の（Ｂ）は、出力信号ＯＵＴの変化分ΔＯＵＴを入射光量に対して示している。ΔＯＵＴは、ＣＤＳ回路出力ＣＤＳout のＶＣＬを基準とした変化分ΔＣＤＳに対応しているので、入射光量が大きくなるにつれて、徐々に変化量が大きくなっていき、やがて画素が飽和すると、そのレベルは一定となる。そして、ある大光量を超えると、ＣＤＳ回路出力ＣＤＳout は、入射光量がないときと同様なレベルになってしまうので、ΔＯＵＴの変化量は急激に減少し、ほぼ０となってしまい、黒沈み現象が発生する。

なお、デジタルカメラなどで静止画を撮影する際に、信号読み出し時にメカシャッターなどを用いて遮光できる場合は、上述した光リークが生じないので、黒沈み現象は生じない。

この黒沈み現象に対処する方法として、従来特開２００４−３１２７００号公報には、図４に示すようにＣＤＳ回路200 内のクランプ容量Ｃclに並列に接続され、該クランプ容量Ｃclの端子間にかかる電圧が所定の範囲の電圧であるときには当該端子間を非導通状態（オフ状態）とし、当該端子間にかかる電圧が所定の範囲の電圧でないときには、当該端子間を導通状態（オン状態）とするバイパストランジスタＱ９を設けることが開示されている。ここで、上記所定の電圧範囲は、このバイパストランジスタＱ９のゲートバイアスＶb により設定される。

このような構成のＭＯＳ型イメージセンサでは、クランプ容量Ｃclの端子間にかかる電圧が所定の範囲の電圧でないときには、クランプ容量Ｃclの出力側端子の電圧がクランプ容量Ｃclの画素側端子の電圧に置き換えられ、これが画素信号情報として出力されることとなり、クランプ容量Ｃclの端子間に係る電圧が所定の範囲の電圧でないときには、相関２重サンプリング処理がなされないこととなるので、所定の電圧範囲として画素信号ＰＩＸout が飽和しないようなレベルに設定しておけば、黒沈み現象が生じないことになる。

なお、この構成においては、バイパストランジスタＱ９以外のトランジスタに与えるパルスタイミングは、図２の（Ａ），（Ｂ）に示したものと同じであり、画素出力ＰＩＸout についても図２の（Ａ），（Ｂ）に示したものと同じとなる。ＣＤＳ回路出力ＣＤＳout については、上述したクランプ容量Ｃclの端子間にかかる電圧が所定の範囲の電圧であるときは図２の（Ａ）に示したと同じになるが、クランプ容量Ｃclの端子間にかかる電圧が所定の範囲の電圧でないときは、図２の（Ａ），（Ｂ）に示したものと異なる。

図５の（Ａ）は、図３の（Ａ）と同様に図４で示す構成のＭＯＳ型イメージセンサの場合の時刻ｔ２における、画素出力ＰＩＸout とＣＤＳ回路出力ＣＤＳout を入射光量に対して示している。

時刻ｔ２における画素出力ＰＩＸout は、入射光量がない（暗時）ときは、増幅用トランジスタＱ１のゲート部の容量Ｃfdのリセット直後のレベルＶＤpix'にほぼ等しく、入射光量が大きくなるにつれて、徐々にレベルが下がっていき、やがて画素が飽和するとそのレベルは一定となる。

一方、時刻ｔ２におけるＣＤＳ回路出力ＣＤＳout は、上記バイパストランジスタＱ９が画素出力が飽和する手前でオンするように設定しておけば、入射光量がない（暗時）ときは、クランプ電圧ＶＣＬにほぼ等しく、入射光量が大きくなるにつれて、徐々にレベルが下がっていき、バイパストランジスタＱ９がオンするレベルを超えると、画素出力ＰＩＸout と同等となる。したがって、出力信号ＯＵＴの変化分ΔＯＵＴは、ＣＤＳ回路出力ＣＤＳout のＶＣＬを基準とした変化分に対応しているので、図５の（Ｂ）に示すような入射光量依存性となるので、黒沈み現象は発生しない。
特開２００４−３１２７００号公報

ところで、一般に固体撮像装置では、黒基準を得るために遮光画素（ＯＢ画素）を水平方向の一部の画素に設けている。図４に示すＭＯＳ型イメージセンサでは、遮光画素を300 で示しており、遮光画素列に接続されるＣＤＳ回路を400 で示している。なお、図４において、Ｑ７−ＯＢは遮光画素列の水平選択トランジスタである。遮光画素300 の出力は、画素が遮光されているので、時刻ｔ２におけるそのレベルはほぼＶＤpix'であり、これに接続されるＣＤＳ回路400 の出力もほぼＶＣＬとなっている。

図４に示したＭＯＳ型イメージセンサにおいて、画素にあるレベル以上の光が入射し、バイパストランジスタＱ９がオン状態となった場合、ＣＤＳ回路200 の出力は、図５の（Ａ）で示したようにバイパストランジスタＱ９のオフ状態の場合に比べ、極端にその電圧レベルが低下してしまう。このとき、特に水平選択トランジスタＱ７を信号が通りやすくするために、デプレッション型ＭＯＳトランジスタ（ＤＭＯＳ）で構成していると、水平選択トランジスタＱ７がオンしてしまい、水平信号線３の電圧レベルの低下を引き起こす。そして、水平信号線３の電圧レベルが低下すると、遮光画素列の水平選択トランジスタＱ７−ＯＢもオンしてしまう。その結果、図４において破線で示す経路で、遮光画素列のＣＤＳ回路400 から、光が入射している画素列のＣＤＳ回路200 へ信号が流れ、遮光画素300 のＣＤＳ回路出力が低下し、あたかも光が入射されたような出力レベルとなり、画像を形成する上で必要となる適切な黒基準レベルが得られなくなってしまうという問題がある。

また、近年のデジタルカメラやムービーカメラにおいては、静止画と動画の両撮影モードを有するようになってきており、特に静止画モードの場合は、階調特性が動画モードに比べ重要視されるので、飽和レベルは出来る限り大きいことが望まれている。しかしながら、図４に示したＭＯＳ型イメージセンサでは、入射光量に対して出力は図５の（Ｂ）に示すように変化し、実際に使用できる出力範囲はバイパストランジスタＱ９がオンするまでである。したがって、実際に信号として使用できる出力レベル、すなわち飽和出力レベルが、画素部で決まる飽和レベルより低下してしまうという問題点がある。

本発明は、上記問題点を解消するためになされたもので、簡単な構成で、黒沈み現象を抑圧すると共に、適切な黒基準レベルを得ること、並びに静止画と動画の両撮影モードを有する撮像装置において、静止画撮影モードの場合に十分な飽和レベルを得ることを可能とする固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、受光量に応じて光電荷を蓄積する光電変換手段、及び光電変換手段より変換された電気信号を増幅する増幅手段を少なくとも有し、共通の信号線に信号電圧を出力する複数の画素と、クランプ容量と第１端子がクランプ電源に接続され、第２端子が前記クランプ容量に接続されるクランプトランジスタを有するクランプ手段と、前記クランプ容量に並列に接続され、前記クランプ容量の端子間の電圧により導通状態又は非導通状態となるバイパストランジスタとを備えた固体撮像装置において、前記クランプトランジスタは、前記画素がリセットされた直後は、前記共通の信号線に出力される電圧を前記クランプ電源レベルに対して前記クランプ容量にクランプするように動作し、それ以外の期間は、前記クランプトランジスタと前記クランプ容量が接続されるノードをクリップするように動作することを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、受光量に応じて光電荷を蓄積する光電変換手段、及び光電変換手段より変換された電気信号を増幅する増幅手段を少なくとも有し、共通の信号線に信号電圧を出力する複数の画素と、クランプ容量と第１端子がクランプ電源に接続され、第２端子が前記クランプ容量に接続されるクランプトランジスタを有するクランプ手段と、前記クランプ容量に並列に接続され、前記クランプ容量の端子間の電圧により導通状態又は非導通状態となるように制御可能なバイパストランジスタとを備えた固体撮像装置であり、動画撮影モードと静止画撮影モードとを有する固体撮像装置において、動画撮影モード時は、前記バイパストランジスタを、前記クランプ容量の端子間の電圧が所定電圧範囲内のときは、非導通状態、前記クランプ容量の端子間の電圧が所定電圧範囲外のときは、導通状態となるように制御し、前記クランプトランジスタを、前記画素がリセットされた直後は、前記共通の信号線に出力される電圧を、前記クランプ電源レベルに対して前記クランプ容量にクランプするように動作し、それ以外の期間は、前記クランプトランジスタと前記クランプ容量が接続されるノードをクリップするように動作させ、静止画撮影モード時は、前記バイパストランジスタを常に非導通状態となるように制御し、前記クランプトランジスタを、前記画素がリセットされた直後は、前記共通の信号線に出力される電圧を、前記クランプ電源レベルに対して前記クランプ容量にクランプするように動作し、それ以外の期間は、オフするように動作させることを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る固体撮像装置において、前記クランプトランジスタのクランプ動作とクリップ動作とオフ動作の切り替えは、前記クランプトランジスタのゲートに印加するクランプパルスのレベルを制御することにより行うことを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、請求項３に係る固体撮像装置において、前記クランプパルスのレベル制御は、複数のパルス信号を抵抗分割し、該パルスのタイミングを制御することにより行うことを特徴とするものである。

請求項１及び３に係る発明によれば、クランプトランジスタを、画素のリセットレベルをクランプしている期間以外は、クリップ用トランジスタとして働かせ、その端子電圧があるレベル以下に低下しないので、水平選択スイッチが不要にオンすることがなくなり、それにより簡単な構成で黒沈みを抑圧しながら、適正なＯＢレベルを出力することが可能な固体撮像装置を実現することができる。請求項２及び３に係る発明によれば、静止画撮影モードと動画撮影モードを有する場合に、静止画撮影モードのときは、バイパストランジスタは完全にオフするので、バイパストランジスタ動作による飽和レベルの低下がなくなり、十分な飽和レベルを得ることが可能となる。請求項４に係る発明によれば、パルスのタイミング制御のみで、クランプパルスのレベルを切り替えることが可能となるので、静止画撮影モードと動画撮影モードの切り替えが容易な固体撮像装置を実現することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

まず、本発明に係る固体撮像装置の実施例１について説明する。実施例１に係る固体撮像装置は、ＣＤＳ回路においてクランプパルスの“Ｌ”レベルを制御して、クランプトランジスタをクリップ回路として動作させるようにするもので、その基本構成は、図４に示したＭＯＳ型イメージセンサと同様なので、新たな図示説明は省略し、その実施例は図４を用いて説明することとする。

図６及び図７は、実施例１における駆動タイミングチャートであり、各部における信号波形も示している。図６では、通常の光が入射するときで、バイパストランジスタＱ９がオフしている光量の場合の信号波形を示し、図７では非常に大きな光（バイパストランジスタＱ９がオンするような光量）が入射したときの信号波形を示している。図６及び図７では、画素出力をＰＩＸout ，ＣＤＳ回路出力をＣＤＳout で示している。図６及び図７において、図２の（Ａ），（Ｂ）に示した波形図と異なる点は、クランプパルスΦＣＬの“Ｌ”レベルである。

まず、図６に示した通常の光が入射したときの動作について説明する。図４に示した固体撮像装置（ＭＯＳ型イメージセンサ）において、リセットパルスΦＲＳがリセット用トランジスタＱ２のゲートに印加され、リセット用トランジスタＱ２がオンすると、増幅用トランジスタＱ１のゲート部の容量Ｃfdを画素電源ＶＤpix にリセットすると共に、リセット用トランジスタＱ２のオン抵抗による前述した熱雑音Ｔn1により、リセット用トランジスタＱ２がオフすると、前述した熱雑音Ｔn2の電圧が増幅用トランジスタＱ１のゲート部の容量Ｃfdに保持され、雑音電圧を発生させる。その結果、その電圧が画素出力ＰＩＸout に生じる。このときの電圧を図６ではＶＤpix'で示している。

また、この電圧は、時刻ｔ１で、クランプパルスΦＣＬが“Ｌ”レベルとなり、クランプトランジスタＱ６がオフする時点で、クランプ電圧ＶＣＬを基準に容量Ｃclにクランプされる。このとき、ＣＤＳ回路出力ＣＤＳout はクランプ電圧ＶＣＬである。

その後、転送パルスΦＴＲが転送用トランジスタＱ３に印加されると、フォトダイオードＰＤに、光の強さに応じて蓄えられた電荷が増幅用トランジスタＱ１のゲート部の容量Ｃfdに転送され、電圧変化が生じる。この電圧変化によって、増幅用トランジスタＱ１の出力信号すなわち画素出力ＰＩＸout は変化する。図６では、この変化分をΔＰＩＸで示している。

時刻ｔ２でサンプルホールドパルスΦＳＨが“Ｌ”レベルとなり、サンプルホールドトランジスタＱ５がオフすると、サンプルホールド容量Ｃshは、クランプ電圧ＶＣＬを基準に、画素信号出力の変化分ΔＰＩＸに、クランプ容量Ｃclとサンプルホールド容量Ｃshの比で決まるゲインＧcds 〔＝Ｃcl／（Ｃcl＋Ｃsh）〕を掛けた変化分ΔＣＤＳ（＝ΔＰＩＸ×Ｇcds ）変化し、そのレベルが保持され、これがＣＤＳ回路出力となる。

その後、水平選択パルスΦＨが印加され、水平選択トランジスタＱ７がオンすると、水平信号線３に、ホールド容量Ｃshに保持した信号すなわちＣＤＳ回路出力が現れ、出力アンプ４を介して、出力信号ＯＵＴとして取り出される。ここで、水平信号線３は、ホールド容量Ｃshから信号を取り出す前に、水平信号線リセットトランジスタＱ８を水平信号線リセットパルスΦＨＲＳの制御により、水平信号線リセットレベルＶＨＲＳにリセットしている。したがって、このときの出力信号ＯＵＴのレベルをＶＨＲＳ’とすると、光の強さに応じて変化する信号は、図６の信号波形図に示すように、このレベルＶＨＲＳ’を基準に変化することとなる。以上のように、バイパストランジスタＱ９がオフしている光量では、図２の（Ａ）の信号波形図に示したと同様な出力が得られる。

一方、図７の信号波形図で示す場合においては、バイパストランジスタＱ９がオンするような光量が入射しているので、画素のフォトダイオードＰＤに蓄積された電荷が増幅用トランジスタＱ１のゲート部の容量Ｃfdに転送された後のＣＤＳ回路出力ＣＤＳout は、画素出力ＰＩＸout と同様なレベルになろうとする。しかしながら、クランプパルスΦＣＬの“Ｌ”レベルの制御により、クランプトランジスタＱ６がクリップ回路として働くため、ＣＤＳ回路出力ＣＤＳout は、あるレベル以下には低下しないこととなる。図７に示す信号波形図では、このクリップされるレベルをＶclipで示している。

図８の（Ａ）は、図５の（Ａ）と同様に、図６及び図７の時刻ｔ２における画素出力ＰＩＸout とＣＤＳ回路出力ＣＤＳout を入射光量に対して示している。時刻ｔ２における画素出力ＰＩＸout は、入射光量がない（暗時）ときは、増幅用トランジスタＱ１のゲート部の容量Ｃfdのリセット直後のレベルＶＤpix'にほぼ等しく、入射光量が大きくなるにつれて、徐々にレベルが下がっていき、やがて画素が飽和すると、そのレベルは一定となる。

一方、時刻ｔ２におけるＣＤＳ回路出力ＣＤＳout は、上記バイパストランジスタＱ９が画素出力が飽和する手前でオンするように設定してあるが、クランプパルスΦＣＬの“Ｌ”レベルの制御によりクランプトランジスタＱ６がクリップ回路となり、Ｖclip以下にレベルが低下しないようになっている。したがって、入射光量がない（暗時）ときは、クランプ電圧ＶＣＬにほぼ等しく、入射光量が大きくなるにつれて、徐々にレベルが下がっていき、バイパストランジスタＱ９がオンするレベルを超えると、画素出力ＰＩＸout と同等となろうとするが、レベルＶclipにクリップされる。このとき、出力信号ＯＵＴの変化分ΔＯＵＴは、ＣＤＳ回路出力ＣＤＳout のＶＣＬを基準とした変化分に対応しているので、図８の（Ｂ）に示すような入射光量依存性となり、黒沈み現象も勿論発生しない。

以上のように、クリップレベルＶclipを水平選択トランジスタＱ７がオンしないようなレベルに設定しておけば、水平信号線レベルの低下は生じず、遮光画素列の水平選択トランジスタＱ７−ＯＢもオンすることはないので、遮光画素列のＣＤＳ出力は変化せず、適切な黒基準レベルが得られることとなる。

次に、実施例２について説明する。この実施例は、動画と静止画の両撮影モードを有する固体撮像装置に関するものであり、クランプパルスΦＣＬを生成する回路が異なるのみで、その基本構成は実施例１と同様に、図４に示したものと同一である。この実施例におけるクランプパルスΦＣＬを生成する回路（バッファ回路）は、図９に示すように、２種類のパルスΦＣＬ１とΦＣＬ２をそれぞれ別々のバッファ11，12に入力し、それぞれの出力を抵抗分割して、クランプパルスΦＣＬを生成するような構成となっている。

まず、図10の信号波形図を用いて動画撮影モードの動作について説明する。図10の信号波形図では画素信号が飽和する光（バイパストランジスタＱ９がオンするような光量）が入射したときの波形を示している。ここで、実施例１の図７に示したタイミングチャートと異なる点は、上述した通り、クランプパルスΦＣＬを図９に示したバッファ回路で生成している点である。動画撮影モードの場合は、２種類のパルスΦＣＬ１，ΦＣＬ２の内、パルスΦＣＬ１を常時“Ｈ”レベルとし、他方のパルスΦＣＬ２をパルス波形としている。この場合、パルスΦＣＬ２が“Ｈ”レベルのときは、図９に示すバッファ回路の出力は“Ｈ”レベルであり、パルスΦＣＬ２“Ｌ”レベルのときは図９に示すバッファ回路の出力は、図９中の抵抗Ｒ１とＲ２の比で決まるレベル：ＶＤＤ×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）となり、クランプパルスΦＣＬは実施例１の図７に示すタイミングチャート中のクランプパルスΦＣＬと同様な波形となる。

したがって、図10に示す動画モードにおいては、実施例１の図７に示す動作と同様な動作となり、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷が増幅用トランジスタＱ１のゲート部の容量Ｃfdに転送された後のＣＤＳ回路出力ＣＤＳout は、画素出力ＰＩＸout と同様なレベルになろうとするが、クランプパルスΦＣＬの“Ｌ”レベルの制御により、クランプトランジスタＱ６がクリップ回路として働くため、ＣＤＳ回路出力ＣＤＳout は図中に示すレベルＶclip以下には低下しないこととなる。よって、黒沈み現象は発生せず、水平選択トランジスタＱ７はオンしないなので、水平信号線レベルの低下も生じず、遮光画素列の水平選択トランジスタＱ７−ＯＢもオンすることはないので、遮光画素列のＣＤＳ出力は変化せず、適切な黒基準レベルが得られることとなる。

次に、図11を用いて静止画撮影モードの動作について説明する。図11においても、画素信号が飽和する光が入射したときの波形を示している。静止画撮影モードにおいては、信号を読み出す期間は、メカシャッターなどを用いて遮光状態とするので、光リークを原因とする黒沈み現象は、そもそも発生しない。そこで、図示していないが、静止画撮影モードの場合は、バイパストランジスタＱ９が常時非導通となるように、バイパストランジスタＱ９のゲートバイアスＶb のレベルを設定しておく。

静止画撮影モードにおいては、クランプパルスΦＣＬを生成するための２種類のパルスΦＣＬ１とΦＣＬ２は同じタイミングのパルス波形である。この場合、図９に示すバッファ回路の出力は、２種類のパルスΦＣＬ１とΦＣＬ２と同じタイミングのパルス波形が出力され、そのレベルはバッファ回路の電源レベル、すなわち“Ｈ”側はＶＤＤレベル、“Ｌ”側はＧＮＤレベルである。したがって、動画撮影モードの場合には、クランプトランジスタＱ６がクリップ回路として動作するようにしていたが、静止画撮影モードの場合はクランプトランジスタＱ６はクリップ回路としては動作しないか、もしくはクリップレベルが動画撮影モード時のレベルＶclipより低下することとなる。

したがって、静止画撮影モードにおいては、バイパストランジスタＱ９を常時非導通となる設定にし、ＣＤＳ回路200 の出力がクリップされないような設定となるので、画素100 で決まる飽和レベルまで出力を得ることが可能となる。

以上説明したように本実施例の固体撮像装置においては、簡単な構成でクロックの制御を行うだけで、動画撮影モードにおいては、黒沈み現象の発生を抑圧しながら適切な黒基準レベルが得られ、静止画撮影モードにおいては、十分な飽和レベルを得ることが可能となる。

従来のＭＯＳ型イメージセンサの構成を示す回路構成図である。 図１に示したＭＯＳ型イメージセンサにおける各部の信号波形を示すタイミイングチャートである。 図１に示したＭＯＳ型イメージセンサにおいて、入射光量に対する画素出力、ＣＤＳ回路出力及び出力信号の変化分を示す図である。 黒沈み現象の解消手法を施した従来のＭＯＳ型イメージセンサの構成、及び本発明に係る固体撮像装置の各実施例における基本構成を示す回路構成図である。 図４に示した従来のＭＯＳ型イメージセンサにおける入射光量に対する画素出力、ＣＤＳ回路出力及び出力信号の変化分を示す図である。 本発明の実施例１において、通常の光が入射しているときで、バイパストランジスタがオフしている光量の場合の各部の信号波形を示すタイミングチャートである。 本発明の実施例１において、非常に大きな光が入射したときで、バイパストランジスタがオンする光量の場合の各部の信号波形を示すタイミングチャートである。 本発明の実施例１における入射光量に対する画素出力、ＣＤＳ回路出力及び出力信号の変化分を示す図である。 本発明の実施例２におけるクランプパルスを生成するためのバッファ回路の構成を示す図である。 本発明の実施例２において、動画撮影モードの動作を説明するための各部の信号波形を示すタイミングチャートである。 本発明の実施例２において、静止画撮影モードの動作を説明するための各部の信号波形を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１ 垂直信号線
２ 負荷電流源
３ 水平信号線
４ 出力アンプ
11，12 バッファ
100 画素
200 ＣＤＳ回路
300 遮光画素
400 遮光画素用ＣＤＳ回路

Claims (4)

1. 受光量に応じて光電荷を蓄積する光電変換手段、及び光電変換手段より変換された電気信号を増幅する増幅手段を少なくとも有し、共通の信号線に信号電圧を出力する複数の画素と、
   クランプ容量と第１端子がクランプ電源に接続され、第２端子が前記クランプ容量に接続されるクランプトランジスタを有するクランプ手段と、前記クランプ容量に並列に接続され、前記クランプ容量の端子間の電圧により導通状態又は非導通状態となるバイパストランジスタとを備えた固体撮像装置において、
   前記クランプトランジスタは、前記画素がリセットされた直後は、前記共通の信号線に出力される電圧を前記クランプ電源レベルに対して前記クランプ容量にクランプするように動作し、それ以外の期間は、前記クランプトランジスタと前記クランプ容量が接続されるノードをクリップするように動作することを特徴とする固体撮像装置。
2. 受光量に応じて光電荷を蓄積する光電変換手段、及び光電変換手段より変換された電気信号を増幅する増幅手段を少なくとも有し、共通の信号線に信号電圧を出力する複数の画素と、
   クランプ容量と第１端子がクランプ電源に接続され、第２端子が前記クランプ容量に接続されるクランプトランジスタを有するクランプ手段と、前記クランプ容量に並列に接続され、前記クランプ容量の端子間の電圧により導通状態又は非導通状態となるように制御可能なバイパストランジスタとを備えた固体撮像装置であり、
   動画撮影モードと静止画撮影モードとを有する固体撮像装置において、
   動画撮影モード時は、前記バイパストランジスタを、前記クランプ容量の端子間の電圧が所定電圧範囲内のときは、非導通状態、前記クランプ容量の端子間の電圧が所定電圧範囲外のときは、導通状態となるように制御し、前記クランプトランジスタを、前記画素がリセットされた直後は、前記共通の信号線に出力される電圧を、前記クランプ電源レベルに対して前記クランプ容量にクランプするように動作し、それ以外の期間は、前記クランプトランジスタと前記クランプ容量が接続されるノードをクリップするように動作させ、 静止画撮影モード時は、前記バイパストランジスタを常に非導通状態となるように制御し、前記クランプトランジスタを、前記画素がリセットされた直後は、前記共通の信号線に出力される電圧を、前記クランプ電源レベルに対して前記クランプ容量にクランプするように動作し、それ以外の期間は、オフするように動作させることを特徴とする固体撮像装置。
3. 前記クランプトランジスタのクランプ動作とクリップ動作とオフ動作の切り替えは、前記クランプトランジスタのゲートに印加するクランプパルスのレベルを制御することにより行うことを特徴とする請求項１又は２に係る固体撮像装置。
4. 前記クランプパルスのレベル制御は、複数のパルス信号を抵抗分割し、該パルスのタイミングを制御することにより行うことを特徴とする請求項３に係る固体撮像装置。

Images