JP2008148233A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フォトダイオードへの入射光量に応じた電圧値を高精度かつ高速に読み出すことができる固体撮像装置を提供する。
【解決手段】電荷電圧変換回路１０_ｎは、フォトダイオードＰＤ_ｎで発生する電荷を入力して、その入力電荷量に応じた電圧値を出力する。前段ホールド回路２０_ｎは、電荷電圧変換回路１０_ｎからの出力電圧値をホールドして電流として出力する。トランスインピーダンスアンプ３０は、前段ホールド回路２０_１〜２０_Ｎから順次に出力される電圧値を電流として入力して、基準電圧値から当該入力電圧値への変化量に応じて流れる電流がトランスインピーダンスにより変換された電圧値を出力する。ピークホールド回路５０は、トランスインピーダンスアンプ３０からの出力電圧値のうちのピーク電圧値をホールドして出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードを含む固体撮像装置に関するものである。

ＣＭＯＳ技術をベースとする固体撮像装置として、フォトダイオード，電荷電圧変換回路，ホールド回路および読出回路を備えるものが知られている（特許文献１参照）。この固体撮像装置では、フォトダイオードへの入射光量に応じた量の電荷が該フォトダイオードで発生し、その電荷量に応じた電圧値が電荷電圧変換回路から出力され、この電荷電圧変換回路から出力される電圧値がホールド回路によりホールドされる。複数組のフォトダイオード，電荷電圧変換回路およびホールド回路に対して１つの読出回路が設けられており、各組のホールド回路から順次に出力される電圧値は読出回路を経て読み出される。

読出回路は、一般に、アンプ，容量素子およびスイッチを含む。容量素子およびスイッチは、互いに並列的に接続されていて、アンプの入力端子と出力端子との間に接続されている。読出回路では、各組のホールド回路から順次に出力される電圧値を読み出すに際して、スイッチが一定期間だけ閉じることで容量素子が放電され、その後にスイッチが開いている期間に、或る組のホールド回路から出力された電圧値に応じた量の電荷が容量素子に蓄積され、その蓄積電荷量に応じた電圧値が出力される。このような読出回路の動作は、各組のホールド回路から順次に出力される電圧値を読み出す度に行われる。
特開平７−２３９９９４号公報

上記のような固体撮像装置は、各組のホールド回路から順次に出力される電圧値を読出回路により高精度に読み出すことができるものの、高速に読み出すには限界がある。すなわち、読出回路では、各組のホールド回路から順次に出力される電圧値を読み出す度にスイッチが一定期間だけ閉じる必要がある。また、読出回路の入力端子に大容量の容量素子が接続されていることから、ホールド回路から出力された電圧値が読出回路に入力されてから読出回路の出力電圧値が安定するまでに時間が掛かる。これらのことから、各組のホールド回路から順次に出力される電圧値を読出回路により高速に読み出すには限界がある。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、フォトダイオードへの入射光量に応じた電圧値を高精度かつ高速に読み出すことができる固体撮像装置を提供することを目的とする。

第１の発明に係る固体撮像装置は、(1) 入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードと、(2)フォトダイオードで発生する電荷を入力して、その入力電荷量に応じた電圧値を出力する電荷電圧変換回路と、(3) 電荷電圧変換回路から出力される電圧値を入力してホールドし、そのホールドした電圧値を電流として出力する前段ホールド回路と、(4)前段ホールド回路によりホールドされて出力される電圧値を電流として入力して、基準電圧値から当該入力電圧値への変化量に応じて流れる電流がトランスインピーダンスにより変換された電圧値を出力するトランスインピーダンスアンプと、(5)トランスインピーダンスアンプから出力される電圧値を入力し、その入力電圧値のうちのピーク電圧値をホールドして、そのホールドしたピーク電圧値に応じた電圧値を出力するピークホールド回路と、を備えることを特徴とする。

この第１の発明に係る固体撮像装置では、フォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値が電荷電圧変換回路から出力される。この電荷電圧変換回路から出力された電圧値は前段ホールド回路によりホールドされて、そのホールドされた電圧値が前段ホールド回路から出力される。前段ホールド回路によりホールドされて出力された電圧値はトランスインピーダンスアンプに電流として入力され、基準電圧値から当該入力電圧値への変化量に応じて流れる電流がトランスインピーダンスにより変換された電圧値がトランスインピーダンスアンプから出力される。そして、トランスインピーダンスアンプから出力された電圧値はピークホールド回路に入力され、ピークホールド回路により、その入力電圧値のうちのピーク電圧値がホールドされて、そのホールドされたピーク電圧値に応じた電圧値が出力される。

第２の発明に係る固体撮像装置は、(1) 入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードと、(2)フォトダイオードで発生する電荷を入力して、その入力電荷量に応じた電圧値を出力する電荷電圧変換回路と、(3) 第１時刻に電荷電圧変換回路から出力される電圧値を入力してホールドし、そのホールドした電圧値を電流として出力する第１前段ホールド回路と、(4)第１時刻と異なる第２時刻に電荷電圧変換回路から出力される電圧値を入力してホールドし、そのホールドした電圧値を第１前段ホールド回路と同時に電流として出力する第２前段ホールド回路と、(5)第１前段ホールド回路によりホールドされて出力される電圧値を電流として入力して、基準電圧値から当該入力電圧値への変化量に応じて流れる電流がトランスインピーダンスにより変換された電圧値を出力する第１トランスインピーダンスアンプと、(6)第２前段ホールド回路によりホールドされて出力される電圧値を電流として入力して、基準電圧値から当該入力電圧値への変化量に応じて流れる電流がトランスインピーダンスにより変換された電圧値を出力する第２トランスインピーダンスアンプと、(7)第１トランスインピーダンスアンプおよび第２トランスインピーダンスアンプそれぞれから出力される電圧値を入力して、これら入力した２つの電圧値の差に応じた電圧値を出力する減算回路と、(8)減算回路から出力される電圧値を入力し、その入力電圧値のうちのピーク電圧値をホールドして、そのホールドしたピーク電圧値に応じた電圧値を出力するピークホールド回路と、を備えることを特徴とする。

この第２の発明に係る固体撮像装置では、フォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値が電荷電圧変換回路から出力される。第１時刻に電荷電圧変換回路から出力された電圧値（例えば、信号成分＋ダーク成分）は第１前段ホールド回路によりホールドされて、そのホールドされた電圧値が第１前段ホールド回路から電流として出力される。第１時刻と異なる第２時刻に電荷電圧変換回路から出力された電圧値（例えばダーク成分）は第２前段ホールド回路によりホールドされて、そのホールドされた電圧値が第１前段ホールド回路と同時に第２前段ホールド回路から電流として出力される。第１前段ホールド回路によりホールドされて出力された電圧値は第１トランスインピーダンスアンプに電流として入力され、基準電圧値から当該入力電圧値への変化量に応じて流れる電流がトランスインピーダンスにより変換された電圧値が第１トランスインピーダンスアンプから出力される。第２前段ホールド回路によりホールドされて出力された電圧値は第２トランスインピーダンスアンプに電流として入力され、基準電圧値から当該入力電圧値への変化量に応じて流れる電流がトランスインピーダンスにより変換された電圧値が第２トランスインピーダンスアンプから出力される。第１トランスインピーダンスアンプおよび第２トランスインピーダンスアンプそれぞれから出力される電圧値は減算回路に入力され、これら２つの入力電圧値の差に応じた電圧値が減算回路から出力される。そして、減算回路から出力された電圧値はピークホールド回路に入力され、ピークホールド回路により、その入力電圧値のうちのピーク電圧値がホールドされて、そのホールドされたピーク電圧値に応じた電圧値が出力される。

第１または第２の発明に係る固体撮像装置は、ピークホールド回路から出力される電圧値を入力してホールドし、そのホールドした電圧値を出力する後段ホールド回路を更に備えるのが好適である。この場合には、ピークホールド回路から出力される電圧値は後段ホールド回路によりホールドされて、そのホールドされた電圧値が後段ホールド回路から出力される。

本発明によれば、フォトダイオードへの入射光量に応じた電圧値を高精度かつ高速に読み出すことができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）

先ず、本発明に係る固体撮像装置の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係る固体撮像装置１の全体構成図である。この図に示される固体撮像装置１は、Ｎ個のフォトダイオードＰＤ_１〜ＰＤ_Ｎ、Ｎ個の電荷電圧変換回路１０_１〜１０_Ｎ、Ｎ個の前段ホールド回路２０_１〜２０_Ｎ、トランスインピーダンスアンプ３０、ピークホールド回路５０、後段ホールド回路６０および制御部７１を備える。ここで、Ｎは２以上の整数であり、以下に現れるｎは１以上Ｎ以下の整数である。

Ｎ個のフォトダイオードＰＤ_１〜ＰＤ_Ｎは、共通の構成を有していて、１次元アレイ状に配置されている。各フォトダイオードＰＤ_ｎのアノード端子は接地されている。各フォトダイオードＰＤ_ｎは、入射光量に応じた量の電荷を発生するものである。

Ｎ個の電荷電圧変換回路１０_１〜１０_Ｎは共通の構成を有している。各電荷電圧変換回路１０_ｎの入力端子は、フォトダイオードＰＤ_ｎのカソード端子に接続されている。各電荷電圧変換回路１０_ｎは、フォトダイオードＰＤ_ｎで発生する電荷を入力端子に入力して、その入力電荷量に応じた電圧値を出力端子から前段ホールド回路２０_ｎへ出力する。

Ｎ個の前段ホールド回路２０_１〜２０_Ｎは共通の構成を有している。各前段ホールド回路２０_ｎの入力端子は、電荷電圧変換回路１０_ｎの出力端子に接続されている。各前段ホールド回路２０_ｎは、電荷電圧変換回路１０_ｎから出力される電圧値を入力端子に入力してホールドし、そのホールドした電圧値を出力端子からトランスインピーダンスアンプ３０へ電流として出力する。

トランスインピーダンスアンプ３０の入力端子は、Ｎ個の前段ホールド回路２０_１〜２０_Ｎそれぞれの出力端子に接続されている。トランスインピーダンスアンプ３０は、Ｎ個の前段ホールド回路２０_１〜２０_Ｎそれぞれによりホールドされて順次に出力される電圧値を入力端子に電流として入力して、基準電圧値から当該入力電圧値への変化量に応じて流れる電流がトランスインピーダンスにより変換された電圧値を出力端子からピークホールド回路５０へ出力する。

ピークホールド回路５０の入力端子は、トランスインピーダンスアンプ３０の出力端子に接続されている。ピークホールド回路５０は、トランスインピーダンスアンプ３０から出力される電圧値を入力端子に入力し、その入力電圧値のうちのピーク電圧値をホールドして、そのホールドしたピーク電圧値に応じた電圧値を出力端子から後段ホールド回路６０へ出力する。

後段ホールド回路６０の入力端子は、ピークホールド回路５０の出力端子に接続されている。後段ホールド回路６０は、ピークホールド回路５０から出力される電圧値を入力端子に入力してホールドし、そのホールドした電圧値を出力端子から外部へ出力する。

制御部７１は、固体撮像装置１の全体の動作を制御するものである。特に、制御部７１は、Ｎ個の電荷電圧変換回路１０_１〜１０_Ｎ、Ｎ個の前段ホールド回路２０_１〜２０_Ｎ、ピークホールド回路５０および後段ホールド回路６０それぞれの動作を制御する。

この固体撮像装置１は、制御部７１による制御の下で、以下のように動作する。１次元アレイ状に配置されたＮ個のフォトダイオードＰＤ_１〜ＰＤ_Ｎそれぞれにおいて、入射光量に応じた量の電荷が発生する。各フォトダイオードＰＤ_ｎで発生した電荷は電荷電圧変換回路１０_ｎに入力され、その入力電荷量に応じた電圧値が電荷電圧変換回路１０_ｎから前段ホールド回路２０_ｎへ出力される。

各電荷電圧変換回路１０_ｎから出力された電圧値は前段ホールド回路２０_ｎによりホールドされ、そのホールドされた電圧値が前段ホールド回路２０_ｎからトランスインピーダンスアンプ３０へ電流として出力される。このとき、Ｎ個の前段ホールド回路２０_１〜２０_Ｎそれぞれによりホールドされた電圧値は順次にトランスインピーダンスアンプ３０へ電流として出力される。

各前段ホールド回路２０_ｎから出力された電圧値は順次にトランスインピーダンスアンプ３０に電流として入力され、基準電圧値から当該入力電圧値への変化量に応じて流れる電流がトランスインピーダンスにより変換された電圧値がトランスインピーダンスアンプ３０からピークホールド回路５０へ出力される。トランスインピーダンスアンプ３０から出力された電圧値はピークホールド回路５０に入力され、このピークホールド回路５０により入力電圧値のうちのピーク電圧値がホールドされて、そのホールドされたピーク電圧値に応じた電圧値がピークホールド回路５０から後段ホールド回路６０へ出力される。ピークホールド回路５０から出力された電圧値は後段ホールド回路６０によりホールドされ、そのホールドされた電圧値が後段ホールド回路６０から外部へ出力される。

図２は、第１実施形態に係る固体撮像装置１の回路図である。なお、この図では、Ｎ個のフォトダイオードＰＤ_１〜ＰＤ_Ｎを代表して第ｎのフォトダイオードＰＤ_ｎが示され、Ｎ個の電荷電圧変換回路１０_１〜１０_Ｎを代表して第ｎの電荷電圧変換回路１０_ｎが示され、また、Ｎ個の前段ホールド回路２０_１〜２０_Ｎを代表して第ｎの前段ホールド回路２０_ｎが示されている。

各電荷電圧変換回路１０_ｎは、アンプＡ_１，容量素子Ｃ_１およびスイッチＳＷ_１を含む。アンプＡ_１の非反転入力端子は、基準電圧値Ｖref1が入力される。アンプＡ_１の反転入力端子は、電荷電圧変換回路１０_ｎの入力端子となっていて、フォトダイオードＰＤ_ｎのカソード端子に接続されている。アンプＡ_１の出力端子は、電荷電圧変換回路１０_ｎの出力端子となっている。容量素子Ｃ_１およびスイッチＳＷ_１は、互いに並列的に接続されていて、アンプＡ_１の反転入力端子と出力端子との間に接続されている。スイッチＳＷ_１は、制御部７１から出力されるreset信号のレベルに応じて開閉する。このreset信号は、Ｎ個の電荷電圧変換回路１０_１〜１０_ＮそれぞれのスイッチＳＷ_１に対して共通に与えられる。スイッチＳＷ_１が閉じているときに、容量素子Ｃ_１は放電され、電荷電圧変換回路１０_ｎから前段ホールド回路２０_ｎへ出力される電圧値は初期化される。スイッチＳＷ_１が開いているとき、フォトダイオードＰＤ_ｎから電荷電圧変換回路１０_ｎに入力された電荷は容量素子Ｃ_１に蓄積され、その蓄積電荷量に応じた電圧値が電荷電圧変換回路１０_ｎから前段ホールド回路２０_ｎへ出力される。

各前段ホールド回路２０_ｎは、容量素子Ｃ_２，スイッチＳＷ_２１およびスイッチＳＷ_２２を含む。スイッチＳＷ_２１およびスイッチＳＷ_２２は、前段ホールド回路２０_ｎの入力端子と出力端子との間に互いに直列的に設けられている。容量素子Ｃ_２の一端はスイッチＳＷ_２１とスイッチＳＷ_２２との接続点に接続され、容量素子Ｃ_２の他端は接地されている。スイッチＳＷ_２１は、制御部７１から出力されるset信号のレベルに応じて開閉する。このset信号は、Ｎ個の前段ホールド回路２０_１〜２０_ＮそれぞれのスイッチＳＷ_２１に対して共通に与えられる。スイッチＳＷ_２２は、制御部７１から出力されるshift(n)信号のレベルに応じて開閉する。このshift(n)信号は、第ｎの前段ホールド回路２０_ｎのスイッチＳＷ_２２に対して個別に与えられる。スイッチＳＷ_２１が閉状態から開状態に転じると、その直前に電荷電圧変換回路１０_ｎから前段ホールド回路２０_ｎに入力されていた電圧値が、それ以降、容量素子Ｃ_２によりホールドされる。スイッチＳＷ_２２が閉じると、容量素子Ｃ_２によりホールドされている電圧値が前段ホールド回路２０_ｎからトランスインピーダンスアンプ３０へ電流として出力される。

トランスインピーダンスアンプ３０は、アンプＡ_３，容量素子Ｃ_３および抵抗器Ｒ_３を含む。アンプＡ_３の非反転入力端子は、基準電圧値Ｖref3が入力される。アンプＡ_３の反転入力端子は、トランスインピーダンスアンプ３０の入力端子となっていて、各前段ホールド回路２０_ｎのスイッチＳＷ_２２に接続されている。アンプＡ_３の出力端子は、トランスインピーダンスアンプ３０の出力端子となっている。容量素子Ｃ_３および抵抗器Ｒ_３は、互いに並列的に接続されていて、アンプＡ_３の反転入力端子と出力端子との間に接続されている。このように構成されるトランスインピーダンスアンプ３０では、前段ホールド回路２０_ｎから出力された電圧値の変化量に応じて流れる電流がトランスインピーダンスにより変換された電圧値がトランスインピーダンスアンプ３０からピークホールド回路５０へ出力される。

ピークホールド回路５０は、アンプＡ_５，スイッチＳＷ_５１，スイッチＳＷ_５２，抵抗器Ｒ_５１，容量素子Ｃ_５，抵抗器Ｒ_５２およびＦＥＴトランジスタＴ_５を含む。スイッチＳＷ_５１の一端は、ピークホールド回路５０の入力端子となっていて、トランスインピーダンスアンプ３０のアンプＡ_３の出力端子に接続されている。スイッチＳＷ_５１の他端は、ＦＥＴトランジスタＴ_５のソース端子に接続されている。ＦＥＴトランジスタＴ_５のソース端子とゲート端子とは互いに接続されていて、ＦＥＴトランジスタＴ_５はダイオードとして作用する。アンプＡ_５の非反転入力端子は、ＦＥＴトランジスタＴ_５のドレイン端子に接続されていて、また、スイッチＳＷ_５２を介して基準電圧値Ｖref5が入力される。容量素子Ｃ_５の一端は、アンプＡ_５の非反転入力端子に接続されていて、容量素子Ｃ_５の他端は接地されている。アンプＡ_５の反転入力端子は、抵抗器Ｒ_５１を介して接地されている。アンプＡ_５の出力端子は、ピークホールド回路５０の出力端子となっている。抵抗器Ｒ_５２は、アンプＡ_５の反転入力端子と出力端子との間に接続されている。スイッチＳＷ_５１は、制御部７１から出力されるphold信号のレベルに応じて開閉する。スイッチＳＷ_５２は、制御部７１から出力されるnphold信号のレベルに応じて開閉する。スイッチＳＷ_５２が閉じているときに、容量素子Ｃ_５がリセットされ、ピークホールド回路５０から後段ホールド回路６０へ出力される電圧値は初期化される。スイッチＳＷ_５２が開いているとき、スイッチＳＷ_５１が閉じると、その後にトランスインピーダンスアンプ３０からピークホールド回路５０に入力される電圧値のうちのピーク電圧値が容量素子Ｃ_５にホールドされて、そのホールドされたピーク電圧値に応じた電圧値がピークホールド回路５０から後段ホールド回路６０へ出力される。

後段ホールド回路６０は、アンプＡ_６，容量素子Ｃ_６，およびスイッチＳＷ_６を含む。スイッチＳＷ_６の一端は、後段ホールド回路６０の入力端子となっていて、ピークホールド回路５０のアンプＡ_５の出力端子に接続されている。アンプＡ_６の非反転入力端子は、スイッチＳＷ_６の他端に接続されている。容量素子Ｃ_６の一端は、アンプＡ_６の非反転入力端子に接続されており、容量素子Ｃ_６の他端は接地されている。アンプＡ_６の反転入力端子は、アンプＡ_６の出力端子に直接に接続されている。アンプＡ_６の出力端子は、後段ホールド回路６０の出力端子となっている。スイッチＳＷ_６は、制御部７１から出力されるhold信号のレベルに応じて開閉する。スイッチＳＷ_６が閉状態から開状態に転じると、その直前にピークホールド回路５０から後段ホールド回路６０に入力されていた電圧値が、それ以降、後段ホールド回路６０により容量素子Ｃ_６にホールドされて、後段ホールド回路６０から外部へ出力される。

制御部７１は、各電荷電圧変換回路１０_ｎのスイッチＳＷ_１の開閉動作を制御するreset信号、各前段ホールド回路２０_ｎのスイッチＳＷ_２１の開閉動作を制御するset信号、各前段ホールド回路２０_ｎのスイッチＳＷ_２２の開閉動作を制御するshift(n)信号、ピークホールド回路５０のスイッチＳＷ_５１の開閉動作を制御するphold信号、ピークホールド回路５０のスイッチＳＷ_５２の開閉動作を制御するnphold信号、および、後段ホールド回路６０のスイッチＳＷ_６の開閉動作を制御するhold信号、を所定のタイミングで発生して出力する。

図３は、第１実施形態に係る固体撮像装置１の動作を説明するタイミングチャートである。この図には、(a) 各電荷電圧変換回路１０_ｎのスイッチＳＷ_１の開閉動作を制御するreset信号、(b) 各前段ホールド回路２０_ｎのスイッチＳＷ_２１の開閉動作を制御するset信号、(c)第１の前段ホールド回路２０_１のスイッチＳＷ_２２の開閉動作を制御するshift(1)信号、(d) 第２の前段ホールド回路２０_２のスイッチＳＷ_２２の開閉動作を制御するshift(2)信号、(e)第ｎの前段ホールド回路２０_ｎのスイッチＳＷ_２２の開閉動作を制御するshift(n)信号、(f) 第Ｎの前段ホールド回路２０_ＮのスイッチＳＷ_２２の開閉動作を制御するshift(N)信号、(g) ピークホールド回路５０のスイッチＳＷ_５１の開閉動作を制御するphold信号、および、(h) 後段ホールド回路６０のスイッチＳＷ_６の開閉動作を制御するhold信号、が順に示されている。なお、ピークホールド回路５０のスイッチＳＷ_５２の開閉動作を制御するnphold信号は、ピークホールド回路５０のスイッチＳＷ_５１の開閉動作を制御するphold信号を論理反転したものである。固体撮像装置１は、制御部７１から出力される上記の各制御信号に基づいて、以下のように動作する。

初めに、reset信号が一定期間だけハイレベルとなる。その期間、各電荷電圧変換回路１０_ｎにおいてスイッチＳＷ_１が閉じて容量素子Ｃ_１が放電され、各電荷電圧変換回路１０_ｎから出力される電圧値が初期化される。以上の初期化動作は、Ｎ個の電荷電圧変換回路１０_１〜１０_Ｎにおいて同一タイミングで行われる。

この初期化動作の後、reset信号がローレベルとなって、set信号が一定期間だけハイレベルとなる。その期間、各電荷電圧変換回路１０_ｎにおいて、スイッチＳＷ_１が開いて、フォトダイオードＰＤ_ｎから電荷電圧変換回路１０_ｎに入力された電荷が容量素子Ｃ_１に蓄積され、その蓄積電荷量に応じた電圧値が電荷電圧変換回路１０_ｎから前段ホールド回路２０_ｎへ出力される。以上の電荷蓄積動作は、Ｎ個の電荷電圧変換回路１０_１〜１０_Ｎにおいて同一タイミングで行われる。また、各前段ホールド回路２０_ｎにおいて、スイッチＳＷ_２１が閉じて、電荷電圧変換回路１０_ｎからの出力電圧値が容量素子Ｃ_２に印加される。各前段ホールド回路２０_ｎにおいて、set信号がハイレベルからローレベルに転じると、スイッチＳＷ_２１が閉状態から開状態に転じて、その直前の電荷電圧変換回路１０_ｎからの出力電圧値が、それ以降、容量素子Ｃ_２によりホールドされる。以上のホールド動作は、Ｎ個の前段ホールド回路２０_１〜２０_Ｎにおいて同一タイミングで行われる。

この電荷蓄積動作およびホールド動作の後、読出動作が行われる。この読出動作の際には、Ｎ個の前段ホールド回路２０_１〜２０_Ｎそれぞれによりホールドされた電圧値は、トランスインピーダンスアンプ３０，ピークホールド回路５０および後段ホールド回路６０を経て、順次に読み出される。この読出動作の期間では、phold信号は、一定周期でＮ回繰り返して一定期間だけハイレベルとなる。phold信号がハイレベルであるとき、nphold信号はローレベルである。phold信号がハイレベルとなるＮ回の期間のうち第ｎ回目の期間を、以下では「第ｎ期間」と呼ぶ。

各第ｎ期間内において、前段ホールド回路２０_ｎでは、shift(n)信号が一定期間だけハイレベルとなって、スイッチＳＷ_２２が閉じ、容量素子Ｃ_２によりホールドされていた電圧値がトランスインピーダンスアンプ３０へ電流として出力される。また、前段ホールド回路２０_ｎから出力された電圧値の変化量に応じて流れる電流がトランスインピーダンスにより変換された電圧値がトランスインピーダンスアンプ３０からピークホールド回路５０へ出力される。また、ピークホールド回路５０では、トランスインピーダンスアンプ３０から出力された電圧値のうちのピーク電圧値がホールドされて、そのホールドされたピーク電圧値に応じた電圧値が後段ホールド回路６０へ出力される。

さらに、各第ｎ期間内において、後段ホールド回路６０では、hold信号が一定期間だけハイレベルとなって、hold信号がハイレベルからローレベルに転じると、スイッチＳＷ_６が閉状態から開状態に転じて、その直前のピークホールド回路５０からの出力電圧値が、それ以降、ホールドされて外部へ出力される。後段ホールド回路６０からの出力電圧値は、次にhold信号がハイレベルになる時刻まで維持される。

以上のように構成されて動作する第１実施形態に係る固体撮像装置１は、各フォトダイオードＰＤ_ｎへの入射光量に応じた電圧値を高精度かつ高速に読み出すことができる。すなわち、フォトダイオードＰＤ_ｎ，電荷電圧変換回路１０_ｎおよび前段ホールド回路２０_ｎが１組とされて、これらがＮ組設けられている。このことから、各フォトダイオードＰＤ_ｎで発生した電荷の量が電荷電圧変換回路１０_ｎにより電圧値に変換されるので、入射光量に応じた電圧値が高精度かつ高感度で出力され得る。各電荷電圧変換回路１０_ｎからの出力電圧値が前段ホールド回路２０_ｎによりホールドされ、また、前段ホールド回路２０_ｎによりホールドされて出力される電圧値を電流として読み出すためにトランスインピーダンスアンプ３０が用いられているので、Ｎ個の前段ホールド回路２０_１〜２０_Ｎとトランスインピーダンスアンプ３０との間の配線の電位が常に安定しており、アレイ化による容量増大が引き起こす低速化が抑制されて、高速読出しが可能となる。トランスインピーダンスアンプ３０から高速に出力された電圧信号のピーク電圧値がピークホールド回路５０によりホールドされるので、安定した読出が可能となる。更に、ピークホールド回路５０からの出力電圧値をホールドして出力する後段ホールド回路６０が設けられていることにより、後段ホールド回路６０から安定した出力電圧値が得られ、後段ホールド回路６０の後段にＡ／Ｄ変換回路が設けられることで、高精度にＡ/Ｄ変換を行うことが可能となる。

（第２実施形態）

次に、本発明に係る固体撮像装置の第２実施形態について説明する。図４は、第２実施形態に係る固体撮像装置２の全体構成図である。この図に示される固体撮像装置２は、Ｎ個のフォトダイオードＰＤ_１〜ＰＤ_Ｎ、Ｎ個の電荷電圧変換回路１０_１〜１０_Ｎ、Ｎ個の第１前段ホールド回路２１_１〜２１_Ｎ、Ｎ個の第２前段ホールド回路２２_１〜２２_Ｎ、第１トランスインピーダンスアンプ３１、第２トランスインピーダンスアンプ３２、減算回路４０、ピークホールド回路５０、後段ホールド回路６０および制御部７２を備える。ここで、Ｎは２以上の整数であり、以下に現れるｎは１以上Ｎ以下の整数である。

図１に示された第１実施形態に係る固体撮像装置１の構成と比較すると、この図４に示される第２実施形態に係る固体撮像装置２は、前段ホールド回路２０_ｎに替えて第１前段ホールド回路２１_ｎおよび第２前段ホールド回路２２_ｎを備える点で相違し、トランスインピーダンスアンプ３０に替えて第１トランスインピーダンスアンプ３１および第２トランスインピーダンスアンプ３２を備える点で相違し、減算回路４０を更に備える点で相違し、また、制御部７１に替えて制御部７２を備える点で相違する。

Ｎ個の第１前段ホールド回路２１_１〜２１_ＮおよびＮ個の第２前段ホールド回路２２_１〜２２_Ｎは共通の構成を有している。各第１前段ホールド回路２１_ｎおよび各第２前段ホールド回路２２_ｎの入力端子は、電荷電圧変換回路１０_ｎの出力端子に接続されている。各第１前段ホールド回路２１_ｎは、第１時刻に電荷電圧変換回路１０_ｎから出力される電圧値を入力端子に入力してホールドし、そのホールドした電圧値を出力端子からトランスインピーダンスアンプ３１へ電流として出力する。各第２前段ホールド回路２２_ｎは、第１時刻と異なる第２時刻に電荷電圧変換回路１０_ｎから出力される電圧値を入力端子に入力してホールドし、そのホールドした電圧値を出力端子からトランスインピーダンスアンプ３２へ電流として出力する。第１前段ホールド回路２１_ｎおよび第２前段ホールド回路２２_ｎは、各々がホールドした電圧値を互いに同時に出力する。

トランスインピーダンスアンプ３１およびトランスインピーダンスアンプ３２は共通の構成を有している。トランスインピーダンスアンプ３１の入力端子は、Ｎ個の第１前段ホールド回路２１_１〜２１_Ｎそれぞれの出力端子に接続されている。トランスインピーダンスアンプ３１は、Ｎ個の第１前段ホールド回路２１_１〜２１_Ｎそれぞれによりホールドされて順次に出力される電圧値を入力端子に電流として入力して、基準電圧値から当該入力電圧値への変化量に応じて流れる電流がトランスインピーダンスにより変換された電圧値を出力端子から減算回路４０へ出力する。また、トランスインピーダンスアンプ３２の入力端子は、Ｎ個の第２前段ホールド回路２２_１〜２２_Ｎそれぞれの出力端子に接続されている。トランスインピーダンスアンプ３２は、Ｎ個の第２前段ホールド回路２２_１〜２２_Ｎそれぞれによりホールドされて順次に出力される電圧値を入力端子に電流として入力して、基準電圧値から当該入力電圧値への変化量に応じて流れる電流がトランスインピーダンスにより変換された電圧値を出力端子から減算回路４０へ出力する。

減算回路４０は、トランスインピーダンスアンプ３１およびトランスインピーダンスアンプ３２それぞれから出力される電圧値を入力して、これら入力した２つの電圧値の差に応じた電圧値をピークホールド回路５０へ出力する。ピークホールド回路５０の入力端子は、減算回路４０の出力端子に接続されている。ピークホールド回路５０は、減算回路４０から出力される電圧値を入力端子に入力し、その入力電圧値のうちのピーク電圧値をホールドして、そのホールドしたピーク電圧値に応じた電圧値を出力端子から後段ホールド回路６０へ出力する。

制御部７２は、固体撮像装置２の全体の動作を制御するものである。特に、制御部７２は、Ｎ個の電荷電圧変換回路１０_１〜１０_Ｎ、Ｎ個の第１前段ホールド回路２１_１〜２１_Ｎ、Ｎ個の第２前段ホールド回路２２_１〜２２_Ｎ、ピークホールド回路５０および後段ホールド回路６０それぞれの動作を制御する。

この固体撮像装置２は、制御部７２による制御の下で、以下のように動作する。１次元アレイ状に配置されたＮ個のフォトダイオードＰＤ_１〜ＰＤ_Ｎそれぞれにおいて、入射光量に応じた量の電荷が発生する。各フォトダイオードＰＤ_ｎで発生した電荷は電荷電圧変換回路１０_ｎに入力され、その入力電荷量に応じた電圧値が電荷電圧変換回路１０_ｎから第１前段ホールド回路２１_ｎ，第２前段ホールド回路２２_ｎへ出力される。

第１時刻に各電荷電圧変換回路１０_ｎから出力された電圧値は第１前段ホールド回路２１_ｎによりホールドされ、そのホールドされた電圧値が第１前段ホールド回路２１_ｎからトランスインピーダンスアンプ３１へ電流として出力される。このとき、Ｎ個の第１前段ホールド回路２１_１〜２１_Ｎそれぞれによりホールドされた電圧値は順次にトランスインピーダンスアンプ３１へ電流として出力される。

第２時刻に各電荷電圧変換回路１０_ｎから出力された電圧値は第２前段ホールド回路２２_ｎによりホールドされ、そのホールドされた電圧値が第２前段ホールド回路２２_ｎからトランスインピーダンスアンプ３２へ電流として出力される。このとき、Ｎ個の第２前段ホールド回路２２_１〜２２_Ｎそれぞれによりホールドされた電圧値は順次にトランスインピーダンスアンプ３２へ電流として出力される。

なお、第１時刻に各電荷電圧変換回路１０_ｎから出力される電圧値は、フォトダイオードＰＤ_ｎで発生した電荷の量を表す成分（以下「信号成分」という。）と、フォトダイオードＰＤ_ｎへの光入射が無いとした場合の成分（以下「ダーク成分」という。）との和である。一方、第２時刻に各電荷電圧変換回路１０_ｎから出力される電圧値は、信号成分を含まず、ダーク成分のみである。

各第１前段ホールド回路２１_ｎから出力された電圧値は順次にトランスインピーダンスアンプ３１に電流として入力され、基準電圧値から当該入力電圧値への変化量に応じて流れる電流がトランスインピーダンスにより変換された電圧値がトランスインピーダンスアンプ３１から減算回路４０へ出力される。各第２前段ホールド回路２２_ｎから出力された電圧値は順次にトランスインピーダンスアンプ３２に電流として入力され、基準電圧値から当該入力電圧値への変化量に応じて流れる電流がトランスインピーダンスにより変換された電圧値がトランスインピーダンスアンプ３２から減算回路４０へ出力される。このとき、第１前段ホールド回路２１_ｎおよび第２前段ホールド回路２２_ｎそれぞれによりホールドされた電圧値は互いに同時に減算回路４０へ出力される。

トランスインピーダンスアンプ３１およびトランスインピーダンスアンプ３２それぞれから出力された電圧値は減算回路４０に入力され、これら２つの入力電圧値の差に応じた電圧値が減算回路４０からピークホールド回路５０へ出力される。減算回路４０から出力された電圧値はピークホールド回路５０に入力され、このピークホールド回路５０により入力電圧値のうちのピーク電圧値がホールドされて、そのホールドされたピーク電圧値に応じた電圧値がピークホールド回路５０から後段ホールド回路６０へ出力される。ピークホールド回路５０から出力された電圧値は後段ホールド回路６０によりホールドされ、そのホールドされた電圧値が後段ホールド回路６０から外部へ出力される。

図５は、第２実施形態に係る固体撮像装置２の回路図である。なお、この図では、Ｎ個のフォトダイオードＰＤ_１〜ＰＤ_Ｎを代表して第ｎのフォトダイオードＰＤ_ｎが示され、Ｎ個の電荷電圧変換回路１０_１〜１０_Ｎを代表して第ｎの電荷電圧変換回路１０_ｎが示され、Ｎ個の第１前段ホールド回路２１_１〜２１_Ｎを代表して第ｎの第１前段ホールド回路２１_ｎが示され、また、Ｎ個の第２前段ホールド回路２２_１〜２２_Ｎを代表して第ｎの第２前段ホールド回路２２_ｎが示されている。

第２実施形態における電荷電圧変換回路１０_ｎ，ピークホールド回路５０、後段ホールド回路６０それぞれは、図２中に示されたものと同じ回路である。第２実施形態におけるトランスインピーダンスアンプ３１およびトランスインピーダンスアンプ３２は、図２中に示されたトランスインピーダンスアンプ３０と同じ回路である。第２実施形態における第１前段ホールド回路２１_ｎおよび第２前段ホールド回路２２_ｎは、図２中に示された前段ホールド回路２０_ｎと同じ回路である。ただし、各第１前段ホールド回路２１_ｎのスイッチＳＷ_２１はset1信号のレベルに応じて開閉し、各第２前段ホールド回路２２_ｎのスイッチＳＷ_２１はset2信号のレベルに応じて開閉する。

減算回路４０は、アンプＡ_４および抵抗器Ｒ_４１〜Ｒ_４４を含む。アンプＡ_４の反転入力端子は、抵抗器Ｒ_４１を介してトランスインピーダンスアンプ３１の出力端子に接続され、また、抵抗器Ｒ_４２を介してアンプＡ_４の出力端子に接続されている。アンプＡ_４の非反転入力端子は、抵抗器Ｒ_４３を介してトランスインピーダンスアンプ３２の出力端子に接続され、また、抵抗器Ｒ_４４を介して接地されている。アンプＡ_４の出力端子は、減算回路４０の出力端子となっている。抵抗器Ｒ_４１および抵抗器Ｒ_４３それぞれの抵抗値が互いに等しく、抵抗器Ｒ_４２および抵抗器Ｒ_４４それぞれの抵抗値が互いに等しければ、トランスインピーダンスアンプ３１およびトランスインピーダンスアンプ３２それぞれから出力される電圧値の差に応じた電圧値が減算回路４０から出力される。

制御部７２は、各電荷電圧変換回路１０_ｎのスイッチＳＷ_１の開閉動作を制御するreset信号、各第１前段ホールド回路２１_ｎのスイッチＳＷ_２１の開閉動作を制御するset1信号、各第２前段ホールド回路２２_ｎのスイッチＳＷ_２１の開閉動作を制御するset2信号、各第１前段ホールド回路２１_ｎおよび各第２前段ホールド回路２２_ｎのスイッチＳＷ_２２の開閉動作を制御するshift(n)信号、ピークホールド回路５０のスイッチＳＷ_５１の開閉動作を制御するphold信号、ピークホールド回路５０のスイッチＳＷ_５２の開閉動作を制御するnphold信号、および、後段ホールド回路６０のスイッチＳＷ_６の開閉動作を制御するhold信号、を所定のタイミングで発生して出力する。

図６は、第２実施形態に係る固体撮像装置２の動作を説明するタイミングチャートである。この図には、(a) 各電荷電圧変換回路１０_ｎのスイッチＳＷ_１の開閉動作を制御するreset信号、(b) 各第１前段ホールド回路２１_ｎのスイッチＳＷ_２１の開閉動作を制御するset1信号、(c)各第２前段ホールド回路２２_ｎのスイッチＳＷ_２１の開閉動作を制御するset2信号、(d) 第１の第１前段ホールド回路２１_１および第２前段ホールド回路２２_１それぞれのスイッチＳＷ_２２の開閉動作を制御するshift(1)信号、(e)第２の第１前段ホールド回路２１_２および第２前段ホールド回路２２_２それぞれのスイッチＳＷ_２２の開閉動作を制御するshift(2)信号、(f)第ｎの第１前段ホールド回路２１_ｎおよび第２前段ホールド回路２２_ｎそれぞれのスイッチＳＷ_２２の開閉動作を制御するshift(n)信号、(g)第Ｎの第１前段ホールド回路２１_Ｎおよび第２前段ホールド回路２２_ＮそれぞれのスイッチＳＷ_２２の開閉動作を制御するshift(N)信号、(h) ピークホールド回路５０のスイッチＳＷ_５１の開閉動作を制御するphold信号、および、(i) 後段ホールド回路６０のスイッチＳＷ_６の開閉動作を制御するhold信号、が順に示されている。なお、ピークホールド回路５０のスイッチＳＷ_５２の開閉動作を制御するnphold信号は、ピークホールド回路５０のスイッチＳＷ_５１の開閉動作を制御するphold信号を論理反転したものである。固体撮像装置２は、制御部７２から出力される上記の各制御信号に基づいて、以下のように動作する。

初めに、reset信号が一定期間だけハイレベルとなる。その期間、各電荷電圧変換回路１０_ｎにおいてスイッチＳＷ_１が閉じて容量素子Ｃ_１が放電され、各電荷電圧変換回路１０_ｎから出力される電圧値が初期化される。以上の初期化動作は、Ｎ個の電荷電圧変換回路１０_１〜１０_Ｎにおいて同一タイミングで行われる。

この初期化動作の後、reset信号がローレベルとなって、set1信号が一定期間だけハイレベルとなる。その期間、各電荷電圧変換回路１０_ｎにおいて、スイッチＳＷ_１が開いて、フォトダイオードＰＤ_ｎから電荷電圧変換回路１０_ｎに入力された電荷が容量素子Ｃ_１に蓄積され、その蓄積電荷量に応じた電圧値が電荷電圧変換回路１０_ｎから第１前段ホールド回路２１_ｎへ出力される。以上の電荷蓄積動作は、Ｎ個の電荷電圧変換回路１０_１〜１０_Ｎにおいて同一タイミングで行われる。また、各第１前段ホールド回路２１_ｎにおいて、スイッチＳＷ_２１が閉じて、電荷電圧変換回路１０_ｎからの出力電圧値が容量素子Ｃ_２に印加される。各第１前段ホールド回路２１_ｎにおいて、set1信号がハイレベルからローレベルに転じると、スイッチＳＷ_２１が閉状態から開状態に転じて、その直前の電荷電圧変換回路１０_ｎからの出力電圧値（信号成分＋ダーク成分）が、それ以降、容量素子Ｃ_２によりホールドされる。以上の信号成分ホールド動作は、Ｎ個の第１前段ホールド回路２１_１〜２１_Ｎにおいて同一タイミングで行われる。

この電荷蓄積動作および信号成分ホールド動作の後、reset信号およびset2信号それぞれが一定期間だけハイレベルとなる。その期間、各電荷電圧変換回路１０_ｎにおいてスイッチＳＷ_１が閉じて容量素子Ｃ_１が放電され、各電荷電圧変換回路１０_ｎから出力される電圧値が再び初期化される。以上の再初期化動作は、Ｎ個の電荷電圧変換回路１０_１〜１０_Ｎにおいて同一タイミングで行われる。また、各第２前段ホールド回路２２_ｎにおいて、set2信号がハイレベルからローレベルに転じると、スイッチＳＷ_２１が閉状態から開状態に転じて、その直前の電荷電圧変換回路１０_ｎからの初期化された出力電圧値（ダーク成分）が、それ以降、容量素子Ｃ_２によりホールドされる。以上のダーク成分ホールド動作は、Ｎ個の第２前段ホールド回路２２_１〜２２_Ｎにおいて同一タイミングで行われる。

この再初期化動作およびダーク成分ホールド動作の後、読出動作が行われる。この読出動作の際には、Ｎ個の第１前段ホールド回路２１_１〜２１_ＮおよびＮ個の第２前段ホールド回路２２_１〜２２_Ｎそれぞれによりホールドされた電圧値は、トランスインピーダンスアンプ３１，トランスインピーダンスアンプ３２，減算回路４０，ピークホールド回路５０および後段ホールド回路６０を経て、順次に読み出される。この読出動作の期間では、phold信号は、一定周期でＮ回繰り返して一定期間だけハイレベルとなる。phold信号がハイレベルであるとき、nphold信号はローレベルである。phold信号がハイレベルとなるＮ回の期間のうち第ｎ回目の期間を、以下では「第ｎ期間」と呼ぶ。

各第ｎ期間内において、第１前段ホールド回路２１_ｎでは、shift(n)信号が一定期間だけハイレベルとなって、スイッチＳＷ_２２が閉じ、容量素子Ｃ_２によりホールドされていた電圧値がトランスインピーダンスアンプ３１へ電流として出力される。第２前段ホールド回路２２_ｎでは、shift(n)信号が一定期間だけハイレベルとなって、スイッチＳＷ_２２が閉じ、容量素子Ｃ_２によりホールドされていた電圧値がトランスインピーダンスアンプ３２へ電流として出力される。第１前段ホールド回路２１_ｎのスイッチＳＷ_２２と、第２前段ホールド回路２２_ｎのスイッチＳＷ_２２とは、同一タイミングで閉じる。

また、各第ｎ期間内において、第１前段ホールド回路２１_ｎから出力された電圧値の変化量に応じて流れる電流がトランスインピーダンスにより変換された電圧値がトランスインピーダンスアンプ３１から減算回路４０へ出力される。第２前段ホールド回路２２_ｎから出力された電圧値の変化量に応じて流れる電流がトランスインピーダンスにより変換された電圧値がトランスインピーダンスアンプ３２から減算回路４０へ出力される。トランスインピーダンスアンプ３１およびトランスインピーダンスアンプ３２それぞれからの出力電圧値の差（ダーク成分が除去された信号成分に相当）に応じた電圧値が減算回路４０からピークホールド回路５０へ出力される。ピークホールド回路５０では、減算回路４０から出力された電圧値のうちのピーク電圧値がホールドされて、そのホールドされたピーク電圧値に応じた電圧値が後段ホールド回路６０へ出力される。

さらに、各第ｎ期間内において、後段ホールド回路６０では、hold信号が一定期間だけハイレベルとなって、hold信号がハイレベルからローレベルに転じると、スイッチＳＷ_６が閉状態から開状態に転じて、その直前のピークホールド回路５０からの出力電圧値が、それ以降、ホールドされて外部へ出力される。後段ホールド回路６０からの出力電圧値は、次にhold信号がハイレベルになる時刻まで維持される。

以上のように構成されて動作する第２実施形態に係る固体撮像装置２は、第１実施形態に係る固体撮像装置１が奏する効果と同様の効果を奏する他、以下のような効果をも奏する。すなわち、ダーク成分が重畳された信号成分については第１前段ホールド回路２１_ｎおよびトランスインピーダンスアンプ３１により処理が行われ、また、ダーク成分については第２前段ホールド回路２２_ｎおよびトランスインピーダンスアンプ３２により処理が行われて、減算回路４０により両者の差が求められることで、ダーク成分が除去された信号成分に相当する電圧値が得られる。したがって、より高精度の撮像が可能となる。

（変形例）

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上記実施形態はＰＰＳ（Passive Pixel Sensor）方式のものであったが、本発明はＡＰＳ（Active Pixel Sensor）方式のものであってもよい。ＡＰＳ方式の場合、各電荷電圧変換回路１０_ｎは、図７に示されるような回路構成を有する。図７は、変形例の固体撮像装置における電荷電圧変換回路の回路図である。ＡＰＳ方式の電荷電圧変換回路１０_ｎは、ゲート端子に入力している電荷の量に応じた電圧値を出力する増幅用トランジスタＴ_１１と、フォトダイオードＰＤ_ｎで発生した電荷を増幅用トランジスタＴ_１１のゲート端子へ転送する転送用トランジスタＴ_１２と、増幅用トランジスタＴ_１１のゲート端子の電荷を放電する放電用トランジスタＴ_１３と、増幅用トランジスタＴ_１１から出力される電圧値を前段ホールド回路２０_ｎへ出力する選択用トランジスタＴ_１４と、を含む。

増幅用トランジスタＴ_１１は、そのドレイン端子がバイアス電位とされている。転送用トランジスタＴ_１２は、そのドレイン端子が増幅用トランジスタＴ_１１のゲート端子に接続され、そのソース端子がフォトダイオードＰＤ_ｎのカソード端子に接続されている。放電用トランジスタＴ_１３は、そのソース端子が増幅用トランジスタＴ_１１のゲート端子に接続され、そのドレイン端子がバイアス電位とされている。選択用トランジスタＴ_１４は、そのソース端子が増幅用トランジスタＴ_１１のソース端子と接続され、そのドレイン端子が前段ホールド回路２０_ｎの入力端子に接続されている。また、選択用トランジスタＴ_１４のソース端子には定電流源が接続されている。増幅用トランジスタＴ_１１および選択用トランジスタＴ_１４は、ソースフォロワ回路を構成している。

転送用トランジスタＴ_１２は、そのゲート端子にtrans信号が入力され、そのtrans信号がハイレベルであるときに、フォトダイオードＰＤ_ｎで発生した電荷を増幅用トランジスタＴ_１１のゲート端子へ転送する。放電用トランジスタＴ_１３は、そのゲート端子にreset信号が入力され、そのreset信号がハイレベルであるときに、増幅用トランジスタＴ_１１のゲート端子の電荷を放電する。選択用トランジスタＴ_１４は、そのゲート端子にselect信号が入力され、そのselect信号がハイレベルであるときに、増幅用トランジスタＴ_１１から出力される電圧値を前段ホールド回路２０_ｎへ出力する。

また、上記実施形態では複数個のフォトダイオードが１次元アレイ状に配置されていたが、本発明では複数個のフォトダイオードが２次元アレイ状に配置されていてもよい。後者の場合、２次元アレイ状に配置された複数個のフォトダイオードの各列に対して電荷電圧変換回路および前段ホールド回路が設けられ、各行について順次に上記実施形態の動作が行われる。

また、本願でトランスインピーダンスアンプとして３０、３１、３２について述べているが、一般のトランスインピーダンスアンプとは少々異なった動作となっている。これは、前段ホールド回路によりホールドされて出力される電圧値を入力するが、当該電圧値は容量素子に蓄積された電荷によるものとして、トランスインピーダンスアンプの非反転入力端子に印加される基準電圧値と容量素子に蓄積された電荷による入力電圧値との差をなくすように容量素子から電荷が流れ出し、それを電流としてトランスインピーダンスアンプが電圧値に変換するという動作をすることから、電圧値を電流として入力して基準電圧値から当該入力電圧値への変化量に応じて流れる電流がトランスインピーダンスにより変換された電圧値を出力している。前段ホールド回路の容量の電圧値が基準電圧値と等しくなれば、電流自体がなくなるため、トランスインピーダンスアンプからの出力もなくなり、高速に読み出せることになる。また、ピークホールド回路５０の容量素子Ｃ_５であるが、ＦＥＴトランジスタＴ_５のドレイン端子に付随するドレイン容量や配線容量であっても良い。同様に、後段ホールド回路６０の容量素子Ｃ_６は、スイッチＳＷ_６に付随する容量や配線容量であっても良い。

第１実施形態に係る固体撮像装置１の全体構成図である。 第１実施形態に係る固体撮像装置１の回路図である。 第１実施形態に係る固体撮像装置１の動作を説明するタイミングチャートである。 第２実施形態に係る固体撮像装置２の全体構成図である。 第２実施形態に係る固体撮像装置２の回路図である。 第２実施形態に係る固体撮像装置２の動作を説明するタイミングチャートである。 変形例の固体撮像装置における電荷電圧変換回路の回路図である。

符号の説明

１，２…固体撮像装置、１０…電荷電圧変換回路、２０〜２２…前段ホールド回路、３０〜３２…トランスインピーダンスアンプ、４０…減算回路、５０…ピークホールド回路、６０…後段ホールド回路、７１，７２…制御部、Ａ…アンプ、Ｃ…容量素子、Ｒ…抵抗器、ＳＷ…スイッチ、ＰＤ…フォトダイオード。

Claims (3)

1. 入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードと、
   前記フォトダイオードで発生する電荷を入力して、その入力電荷量に応じた電圧値を出力する電荷電圧変換回路と、
   前記電荷電圧変換回路から出力される電圧値を入力してホールドし、そのホールドした電圧値を電流として出力する前段ホールド回路と、
   前記前段ホールド回路によりホールドされて出力される電圧値を電流として入力して、基準電圧値から当該入力電圧値への変化量に応じて流れる電流がトランスインピーダンスにより変換された電圧値を出力するトランスインピーダンスアンプと、
   前記トランスインピーダンスアンプから出力される電圧値を入力し、その入力電圧値のうちのピーク電圧値をホールドして、そのホールドしたピーク電圧値に応じた電圧値を出力するピークホールド回路と、
   を備えることを特徴とする固体撮像装置。
2. 入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードと、
   前記フォトダイオードで発生する電荷を入力して、その入力電荷量に応じた電圧値を出力する電荷電圧変換回路と、
   第１時刻に前記電荷電圧変換回路から出力される電圧値を入力してホールドし、そのホールドした電圧値を電流として出力する第１前段ホールド回路と、
   前記第１時刻と異なる第２時刻に前記電荷電圧変換回路から出力される電圧値を入力してホールドし、そのホールドした電圧値を前記第１前段ホールド回路と同時に電流として出力する第２前段ホールド回路と、
   前記第１前段ホールド回路によりホールドされて出力される電圧値を電流として入力して、基準電圧値から当該入力電圧値への変化量に応じて流れる電流がトランスインピーダンスにより変換された電圧値を出力する第１トランスインピーダンスアンプと、
   前記第２前段ホールド回路によりホールドされて出力される電圧値を電流として入力して、基準電圧値から当該入力電圧値への変化量に応じて流れる電流がトランスインピーダンスにより変換された電圧値を出力する第２トランスインピーダンスアンプと、
   前記第１トランスインピーダンスアンプおよび前記第２トランスインピーダンスアンプそれぞれから出力される電圧値を入力して、これら入力した２つの電圧値の差に応じた電圧値を出力する減算回路と、
   前記減算回路から出力される電圧値を入力し、その入力電圧値のうちのピーク電圧値をホールドして、そのホールドしたピーク電圧値に応じた電圧値を出力するピークホールド回路と、
   を備えることを特徴とする固体撮像装置。
3. 前記ピークホールド回路から出力される電圧値を入力してホールドし、そのホールドした電圧値を出力する後段ホールド回路を更に備えることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。

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